KR20140056155A - 반도체 온도 센서 - Google Patents

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KR20140056155A
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temperature
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temperature sensing
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올라 브루세트
스타인-에릭 웨버그
페르 카르스텐 스코글룬드
베르너 루지
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노르딕 세미컨덕터 에이에스에이
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Abstract

집적 회로를 위한 온도 센싱 디바이스로서, 온도에 의존하는 특성 주파수를 가지는 오실레이터(2)와, 정해진 시간 간격으로 또는 오실레이터가 정해진 수의 펄스를 생성하는데 걸리는 시간 동안 오실레이터(2)에 의해 생성된 다수의 펄스를 카운트하고 측정된 값을 제공하도록 구성된 디지털 카운터(16)를 포함한다. 이 디바이스는 온도를 추정하기 위해, 측정된 값과 선형화 알고리즘에서 측정된 값과 저장된 기준 값 사이의 차이를 사용하도록 구성된다.

Description

반도체 온도 센서{SEMICONDUCTOR TEMPERATURE SENSORS}
본 발명은, 특히 반도체 기반 집적 회로의 환경에서 온도를 센싱하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
디바이스 주변의 온도를 측정하는 기능을 가지는 반도체 디바이스를 제공하는 것은 본 기술 분야에 알려져 있다. 예를 들어, 이는 주문형 집적 회로 컨퍼런스 2009 IEE "멀티-위상 클럭을 사용하는 CMOS 온도 센서 기반의 366kS/s 400μ w 0.0013㎟ 주파수 투 디지털 컨버터" 김기수; 이호규; 정상돈 및 김철우에 의해 제안되어, 잔여 카운트에 기초하여 온도의 지표를 제공하기 위해 카운터를 증가 및 감소시키도록 온도 민감성 오실레이터(a temperature-sensitive oscillator) 및 온도 비민감성 오실레이터(a temperature-insensitive oscillator) 각각을 사용하는 온도 센서를 제공한다. 하지만, 본 출원인은 이 접근에 대한 개선이 가능하다는 것을 인식하였다.
본 발명의 제 1 양태를 볼 때, 집적 회로를 위한 온도 센싱 디바이스는, 온도에 의존하는 특성 주파수를 가지는 오실레이터(oscillator)와, 정해진 시간 간격으로 또는 오실레이터가 정해진 수의 펄스를 생성하는데 걸리는 시간 동안 오실레이터에 의해 생성된 다수의 펄스를 카운트하고 측정된 값을 제공하도록 구성된 디지털 카운터를 포함하고, 디바이스는 온도를 추정하기 위해 선형화 알고리즘에서 측정된 값과 저장된 기준 값 사이의 차이를 사용하도록 구성된다.
따라서, 본 발명에 따른 온도 민감성 오실레이터는 자신의 오실레이션(oscillations)으로부터 도출된 카운트를 저장된 기준 값과 비교함으로써 주변 온도의 추정을 제공하는데 사용된다는 것이 본 기술 분야의 당업자에 의해 확인될 것이다. 그 이후 차이는, 온도를 계산하기 위해 선형화 알고리즘(a linearisation algorithm)에서 사용된다. 이는, 온도에 대한 오실레이터의 오실레이션 주파수의 의존성이 온도 측정의 원하는 범위에 걸쳐 선형이지 않을 수 있다는 출원인의 인식을 반영한다. 선형화 알고리즘은 이론적으로 또는 경험적으로 (또는 양자의 혼합) 사전결정될 수 있거나, 적어도 다른 측정된 파라미터들과 같은 다른 요인에 기초하여 동적으로 결정된 정도일 수 있다. 본 발명에 따른 적어도 일부 실시예들에서, 온도 센서는, 적은 전류 소비 및 칩 상의 매우 작은 추가 영역을 제공하는 동안, 전체 원하는 온도 범위(예를 들어, -40℃ 내지 +85℃) 동안 높은 정확도를 가지는 반도체 디바이스에 제공될 수 있다는 것이 확인되었다. 더욱이, 전력 소비를 최소화하면서, 비교적 높은 변환 레이트, 예를 들어, 초당 30킬로 샘플까지로 이어질 수 있는 매우 짧은 테스트 시간으로 좋은 정확성을 달성하는 것이 가능하다.
온도 의존적인 오실레이터는 수많은 형태로 그러나 바람직한 실시예의 세트에서 실시될 수 있고, 이는 바람직하게는 링 내 함께 접속된 복수의 인버터를 포함하는 링 오실레이터를 포함하고, 이로써 하나의 인버터의 출력은 링 내 그 다음 인버터로 입력된다. 링 오실레이터는, 반도체 상에서 구현되는 것이 비교적 용이하고 칩 상의 공간 사용 면에서 비교적 효율적이다.
본 발명은 오실레이터가 정해진 수의 펄스를 생성하는 시간을 측정함으로써 구현될 수 있으나, 그 대신 정해진 시간 동안 생성된 펄스의 수가 측정되는 것이 바람직하다. 일부 환경에서, 고정된 측정 시간을 가지는 것은, 온도 측정이 정확히 예측가능한 시간에 도출될 수 있다는 점에서 이점이 있다.
실시예들의 바람직한 세트에서, 시간 측정은 원하는 측정 범위 내에서 온도에 대한 낮거나 무시할만한 의존성을 가지는 제 2 오실레이터에 의해 생성되는 펄스의 수를 카운트함으로써 실행된다. 바람직한 실시예들에서, 제 2 오실레이터는, 편의상 집적 회로의 나머지를 클럭킹하는데 사용되는 크리스털 오실레이터를 포함하나, 필수적인 것은 아니다.
주파수 의존적인 오실레이터는 계속해서 구동하도록 구성될 수 있으나, 바람직하게 디바이스는 온도 측정이 요구될 때에만 주파수 의존적인 오실레이터를 활성화하도록 구성된다. 온도 측정에 대한 요구조건은, 디바이스 내 프로세스로부터, 외부 디바이스로부터 올 수 있거나, 타이밍 스케줄에 따라 결정될 수 있다. 제 2 의, 타이밍 오실레이터가 온도 측정에 대한 요구가 수신될 때 활성화되지 않았다면, 이는 역시 활성화될 수 있다.
바람직하게 집적 반도체 디바이스는 무선 송신기(a radio transmitter)를 포함한다.
저장된 기준 값은, 예를 들어, 캘리브레이션(calibration)을 수행하기 위한 온도 측정의 다른 수단을 사용하여 디바이스의 동작 동안 획득될 수 있으나, 편의상 기준 값은 생산 동안 캘리브레이션이 발생할 때 저장된다. 바람직하게, 저장된 기준 값은 범위 15°내지 35°내의 온도에 대응한다. 선형화 알고리즘은 임의의 알맞은 형태를 취할 수 있으나, 바람직한 실시예들의 세트는 복수의 스플라인, 예를 들어, 알려진 온도-주파수 관계에 피팅된(fitted) 선형 또는 2차 다항식 스플라인을 포함한다.
선형화는, 온도 값으로의 변환 이전 또는 그러한 변환 이후에, 예를 들어, 카운터로부터 로우 카운트(raw count)로의 계산 중 임의의 알맞은 지점에서 적용될 수 있다. 선형화는 전체 온도 범위에 걸쳐 적용될 필요는 없으며, 즉, 온도 범위 중 하나 이상의 부분은 선형화가 적용되지 않는 충분히 선형인 것으로 결정될 수 있다.
첨부된 도면에 관한 단지 예시의 방법으로 본 발명의 바람직한 실시예가 이제 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예들의 각 아날로그 및 디지털 부분에 관한 개략도이다.
도 2는 전형적인 링 오실레이터에 대하여 온도와 주파수 사이의 비선형적인 의존성을 나타내는 그래프이다.
도 3은 도 2 내 플롯으로부터 도출된 온도와 주파수 사이의 모델링된 관계이다.
도 4는 도 1에 도시된 실시예의 변형의 개략도이다.
도 1로 돌아가면, 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 센싱 디바이스의 주요 구성요소들이 개략적으로 보여질 수 있다. 디바이스는 두 부분: 아날로그 부분(2)과 디지털 부분(4)으로 나뉜다. 아날로그 부분(2)은 본 기술 분야에서 알려진 일반적 형태의 링 오실레이터(a ring oscillator)를 포함한다. 간단하게, 전압 기준 컴포넌트(6)는 입력으로서 전압 버퍼(8)에 접속된다. 기준 전압은, 입력 및 출력이 함께 연결된 CMOS 인버터의 공급 전압 포트에 10uA의 기준 전류를 가함으로써 생성된다. 이는 일련의 인버터 101, 102, ... 10N에 공급하는 전압 기준으로서 인버터의 임계 전압의 약 두 배의 완충 출력(a buffered output)을 제공한다. 이 구성은 오실레이션 주파수를 프로세스 및 공급 전압 변화에 덜 민감하게 만들고 전력 공급으로부터의 잡음을 억제한다. 인버터 101, 102, ... 10N는 각 출력이 다음의 입력에 접속되도록 또한 함께 접속되었다. 인버터들 중 하나(10N)의 출력은 레벨 시프터(a level shifter)(12)에 접속되고, 이 레벨 시프터의 출력(14)은 적절한 레벨에서 회로(4)의 디지털 부분으로 규칙적인 펄스를 제공한다. 일 실시예에서, 링 오실레이터는 23개 인버터들, 즉, N=23을 포함한다.
링 오실레이터의 펄스 입력(14)은 제 1 카운터(16)로 공급된다. 디지털 회로(4)는 또한 16MHz 크리스털 오실레이터(미도시)로부터 클럭 입력(20)을 수신하는 제 2 카운터(18)를 포함하며, 상기 크리스털 오실레이터는 여기서 설명되는 회로(2, 4)가 작은 부분으로 존재하는 전체 반도체 디바이스를 위한 메인 클럭 소스이다. 제 2 카운터(18)는 또한 언제 이를 동작시킬 것인지 결정하는 제어 입력(22)을 수신한다.
제 2 카운터(18)로부터의 하나의 출력(24)은, 크리스털 클럭 입력(20)으로부터 사전 프로그래밍된 수의 펄스에 대응하는 사전 프로그래밍된 시간 동안 제 1 카운터(16)에 의한 카운트 동작이 가능하도록 하는데 사용된다. 이는 제어 입력(22)에 의해 개시된다. 제 2 카운터로부터의 또 다른 출력(26)은, 제 1 카운터(16)가 카운팅을 시작하기 직전에 링 오실레이터(2)에 전원을 넣을 수 있도록 링 오실레이터(2)에 제어 신호를 제공하고, 아날로그 부분의 시작 및 디바운싱을 허용하는 것이 가능하게 된다. 예를 들어, 48개 크리스털 클럭 사이클의 지연이 구현될 수 있다. 세 번째 출력(28)은, 제 2 카운터(18)가 지정된 카운트에 도달했을 때, 즉, 측정이 행해졌을 때를 표시하도록 신호를 제공한다.
제 1 카운터(16)는 카운트 기간 동안 카운트된 링 오실레이터의 펄스 수에 대응하는 2진수의 출력(30)을 제공한다. 이 숫자는, 물론, 결과적으로 주변 온도에 의존하는 링 오실레이터(2)의 특성 오실레이션 주파수 마지막에 의존한다.
도 2는 링 오실레이터(2)의 많은 상이한 실제 구현을 위한 특성 오실레이션 주파수와 온도 사이의 관계에 관한 다양한 플롯을 도시한다. 플롯들 사이의 차이는 제조 변동(manufacturing variations)의 영향을 반영한다. 특히, 플롯들은 서로에 대하여 약간 오프셋되지만 전반적으로 동일한 모양을 갖는다는 것이 확인될 것이다. 플롯된 곡선의 모양은 거의 선형이지만, 완전히 선형은 아니다. 도 3은 플롯들의 평균에 기초한 2차 다항식 곡선 핏을 도시한다. 다른 근사치들, 예를 들어, 선형 스플라인(linear splines)의 단순한 조합 역이 가능하다. 도 3에 도시된 근사화된 관계는, 입력으로서 제 1 카운터로부터 로우(raw) 온도 측정 카운트(30)를 수신하는 디코더(32)로 프로그래밍된다. 그 이후 디코더(32)는, 디바이스 상의 다른 곳에서 레지스터(미도시)에 저장되는 저장된 기준 캘리브레이션 값(36) 및 카운트 값을, 도 3에 도시된 피팅된 곡선에 기초한 알고리즘에서 사용하여 출력(34)에 제공되는 온도의 추정을 계산한다.
도 1에 도시된 디바이스의 동작이 이제 설명될 것이다. 고정된 스케줄에 따라 또는 달리 하드웨어, 펌웨어 또는 소프트웨어에 의해 요구되는 바에 따라 존재할 수 있는 온도 판독이 요구될 때마다, 신호는 제 2 카운터(18)로의 제어 입력(22)에 수신된다. 이는 제 2 카운터의 출력(24, 26)으로 하여금 제 1 카운터(16) 및 링 오실레이터(2) 각각을 활성화하도록 만든다. 링 오실레이터(2)에서, 높은 펄스는 주변 온도에 의존하는 레이트로 인버터(10)에서부터 링 주변 다음 인버터로 리플(ripple)한다. 따라서, 인버터들 중 하나(10N)의 출력(14)은 주기적인 펄스를 제공하고, 이의 주파수는 온도에 의존한다. 따라서, 일 실시예에서, 주파수는 온도 범위(-40℃ 내지 80℃)에 걸쳐 40MHz와 80MHz 사이에서 변하고 이에 따라 정상 온도에서 주파수는 대략 60MHz이다.
링 오실레이터로부터의 출력 펄스(14)는 제 1 카운터(16)에 의해 카운트된다. 같은 시간에, 제 2 카운터(18)는 자신의 16MHz 클럭 입력(20)으로부터의 펄스를 카운트한다. 제 2 카운터가 사전 결정된 카운트, 예를 들면 32 마이크로초의 시간에 대응하는 512에 도달할 때, 제 1 카운터(16)로의 활성 신호(24)가 낮게 취해지고 제 1 카운터(16)로 하여금 카운트를 중단하게 한다. 제 1 카운터(16)에 의해 카운트되고 제 1 카운터 내 레지스터에 저장된 12 비트 수의 값은 링 오실레이터의 주파수에 비례하고 따라서 온도에 의존한다. 이러한 로우(raw), 온도 의존적 넘버는 출력(28) 상에서 디코더(32)로 제공되고, 디코더(32)는 캘리브레이션 입력(36)에 제공되는 캘리브레이트된 오프셋 값과 도 3에 도시된 모델링된 관계를 사용하여 이를 온도로 변환한다. 디코더의 출력에 제공되는 결과로 발생한 온도 신호(34)는 가장 가까운 1/4℃에 온도를 제공하는 10비트 넘버이고, 무선 링크를 통한 전송 또는 임의의 다른 목적을 위해 디스플레이, 모니터링 모듈을 공급하는데 사용될 수 있다.
전술된 실시예의 구체적인 예시가 이제 더 자세히 주어질 것이다.
충분한 정확도를 얻기 위해, 충분한 수의 펄스가 카운트되어야 한다. 두 오실레이터(크리스털 클럭(20) 및 링 오실레이터(2))는 동시발생(synchronous)하지 않기 때문에, 링 오실레이터 출력(14)에서 측정된 펄스의 내제된 불확실성(an inherent uncertainty)이 존재할 것이다. 일 예시의 실시예에서, 제 1 카운터(16)는 12비트 카운터이고 카운트 간격은 16MHz 크리스털 클럭의 512 펄스이다. 60MHz의 링 오실레이터(2)의 공칭 실온 주파수를 가정하면, 이는 제 1 카운터의 출력(30)에서 512*60/16=1920의 전형적인 카운트 값 판독을 제공한다.
-3600ppm/℃의 온도 계수를 가정하면, +1℃의 온도 차이는 1*3600e-6*1920 = -6.9 사이클과 같은 양에 의해 변하는 카운터 값을 초래할 것이고, 즉, 한 사이클의 측정 불확실성은 완전히 수락가능한 1/6.9 = 0.15℃의 측정 부정확성과 같다.
512 펄스의 카운트 간격에 더하여, 아날로그 부분의 시작을 위해 일부 시간이 필요할 뿐만 아니라 링 오실레이터(2)의 디바운싱(debouncing)을 위해 일부 사이클이 필요하다. 그러므로, 16MHz 크리스털 오실레이터의 48 사이클의 지연은 링 오실레이터 펄스(14)의 카운트 시작 이전에 추가된다. 따라서, 총 측정 시간은 512+32+16=560 사이클 @16MHZ = 35 마이크로초가 될 것이다. 이는 높은 샘플링 주파수가 요구되는 경우 예를 들어 초 당 약 30 킬로 샘플까지 지원되도록 한다.
앞에서 언급한 바와 같이, 제 1 카운터(16)로부터의 12비트 로우 데이터(30)는 출력되기 전에 도(degree) 단위의 온도로 디코딩되어야 한다. 이는 고정 곱셈 상수가 사용된다면 완전히 조합적으로 실시될 수 있다. 이 특정 예시에서, 간단한 선형화가 적용된다. 다음의 등식은 실온(+10 내지 +50℃) 주변에서 수락가능한 정확성을 제공한다는 것이 확인되었다:
T4 = k2 -k1*tempSensRaw, (여기서 T4는 1/4℃의 단위에서의 온도)
여기서 상수
k1 = 1/2 * (1 + 1/8 + 1/16) = 0.5938
k2 = 512 + tempSensCalib
tempSensRaw는 출력(30)에서 제 1 카운터(16)에 의해 제공된 로우 카운트이고,
tempSensCalib는 캘리브레이션 입력(36)에 공급된 저장된 기준 값이다.
실온에서 tempSensRaw의 전형적인 판독 = 1920이고,
720의 tempSensCalib 디폴트 값은 k2 = 512+720 = 1232를 제공한다. 이를 등식에 대입하면(그리고 도(degrees) C를 얻도록 4로 나눔) 다음과 같다:
T4 = 1232 - 0.5938*1920 = 91.9
T = T4 /4 =91.9/4 = 23.0℃.
앞서 언급된 바와 같이, 이 간단한 등식은 온도 범위 +10 내지 +50℃에 대하서 잘 동작한다. 이 범위를 벗어나면, 측정의 비선형 곡선이 네거티브 오프셋을 야기하고, 이는 온도 범위의 각 끝을 향하여 증가한다.
간단한 선형화 방법은 이를 개선하기 위해 사용된다:
만약 T4 < 40이라면,
T4 _ LIN = T4 + 1/4*(40 - T4)
만약 T4 > 160이라면,
T4 _ LIN = T4 + 1/4*(T4-160)
그렇지 않다면,
T4 _ LIN = T4
여기서 T4 및 T4 _ LIN 는 각각 0.25℃의 단위로 측정된 그리고 선형화된 온도 값이다.
다시 말해, +10℃의 측정된 온도 아래에서, +10℃와의 측정된 차이의 1/4이 판독 전에 측정된 값에 더해진다.
비슷하게, +40℃ 위에서, +40℃와 측정된 차이의 1/4이 판독 전에 측정된 값에 더해진다.
초기의 영점 캘리브레이션(initial zero-point calibration)은 제조 이후 공장에서 실행된다. 상술된 알고리즘은 고정 온도(예를 들어, 25℃)에서 동작하고 링 오실레이터로부터의 결과적 카운터는 칩에 저장되는 기준 값을 계산하도록 알고리즘으로의 입력으로서 사용된다. 디코더는, 곡선의 모양이 프로세스 변화의 보통 범위에 대하여 매우 유사하고 오프셋만이 그러한 변화에 의해 영향을 받는다는 (경험적으로 입증된) 가정에 근거하여, 도 3에 도시된 주파수에 관한 모델링된 온도 의존성을 사용하여 캘리브레이션 온도(예를 들어, 25℃)와 실제 온도 사이의 온도 차이(포지티브 또는 네거티브)를 계산하기 위해 측정된 카운트 값(30)과 기준 값(36) 사이의 차이를 효율적으로 사용한다.
본 발명을 사용하는 디바이스를 이용함으로써, 알려진 온 보드 칩 온도 센서(on-board chip temperature sensors)에서 발견된 단지 5-10%만의 전형적 정확도와 알맞게 비교하여 1% 미만의 온도 정확도가 달성될 수 있음이 실험으로 확인되었다. 더욱이, 이는 컴포넌트 카운터에 우리의 레이아웃 영역을 매우 조금 추가하여 달성된다.
본 발명에 관한 추가의 실시예는 도 4에 도시된다. 이는 오실레이터가 제어된(안정적인) 상태에서 시작되는 것을 돕기 위해 추가된 일부 추가 컴포넌트(40)를 제외하고는 도 1에 도시된 실시예와 동일하다(따라서 공통 참조 번호가 사용됨). 이는 동시에 루프를 순환하는 복수의 "파장"에 대한 잠재적 문제점을 제거하도록 돕는다. 추가 회로(40)와 함께, 공급 전압(VDDOSC)이 증가하는 동안 "high"로의 강한 풀(strong pull)이 제 1 인버터 입력에 달성된다. 공급 전압(VDDOSC)이 충분히 증가했을 때, PMOS 트렌지스터는 정지되고 오실레이션이 시작된다.
설명된 실시예 대한 많은 변형 및 수정이 본 발명의 범주 내에서 행해질 수 있다. 예를 들어, 고정된 시간 동안 시간 의존성 오실레이터로부터 펄스를 반드시 카운트해야 하는 것은 아니며, 그 대신 정해진 카운트에 도달하는데 걸린 시간이 측정될 수 있다. 또한 링 오실레이터가 필수적인 것은 아니며, 적절한 온도 의존성을 가진 다른 타입이 사용될 수 있다.

Claims (13)

  1. 집적 회로를 위한 온도 센싱 디바이스로서,
    온도에 의존하는 특성 주파수를 가지는 오실레이터(oscillator)와,
    정해진 시간 간격으로 또는 상기 오실레이터가 정해진 수의 펄스를 생성하는데 걸리는 시간 동안 상기 오실레이터에 의해 생성된 다수의 펄스를 카운트하고 측정된 값을 제공하도록 구성된 디지털 카운터를 포함하고,
    상기 디바이스는 온도를 추정하기 위해, 선형화 알고리즘에서 상기 측정된 값과 저장된 기준 값과 사이의 차이를 사용하도록 구성되는
    온도 센싱 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 오실레이터는 링 오실레이터를 포함하는
    온도 센싱 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 오실레이터는 링 안에 함께 접속된 복수의 인버터를 포함하여 하나의 인버터의 출력이 상기 링 내 다음 인버터로 입력되는
    온도 센싱 디바이스.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항에 있어서,
    정해신 시간 안에 생성된 펄스의 수를 측정하도록 구성되는
    온도 센싱 디바이스.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항에 있어서,
    원하는 측정 범위 내 온도에 대한 낮거나 무시해도 될 정도의 의존성을 가지는 제 2 오실레이터에 의해 생성된 펄스의 수를 카운트함으로써 시간 측정을 실행하도록 구성되는
    온도 센싱 디바이스.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 오실레이터는 크리스털 오실레이터를 포함하는
    온도 센싱 디바이스.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 오실레이터는 상기 집적 회로의 나머지를 클럭킹하는데 사용되는
    온도 센싱 디바이스.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항에 있어서,
    온도 측정이 요구될 때에만 상기 주파수 의존적인 오실레이터를 활성화하도록 구성되는
    온도 센싱 디바이스.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항에 있어서,
    상기 집적 회로는 무선 송신기(a radio transmitter)를 포함하는
    온도 센싱 디바이스.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항에 있어서,
    상기 저장된 기준 값은 범위 15°내지 35°내의 온도에 대응하는
    온도 센싱 디바이스.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항에 있어서,
    상기 선형화 알고리즘은 알려진 온도-주파수 관계에 피팅된 선형 또는 2차 다항식 스플라인과 같은 복수의 스플라인(a plurality of splines)을 포함하는
    온도 센싱 디바이스.
  12. 집적 회로로서,
    제 1 항 내지 제 11 항의 온도 센싱 디바이스를 포함하는
    집적 회로.
  13. 제 12 항에 있어서,
    무선 송신기를 포함하는
    집적 회로.
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