TWI421478B - 溫度感測裝置及方法 - Google Patents

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TWI421478B
TWI421478B TW099147342A TW99147342A TWI421478B TW I421478 B TWI421478 B TW I421478B TW 099147342 A TW099147342 A TW 099147342A TW 99147342 A TW99147342 A TW 99147342A TW I421478 B TWI421478 B TW I421478B
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Description

溫度感測裝置及方法
本揭露書是有關於一種溫度感測裝置，且特別是有關於一種晶片上全數位溫度感測裝置。
在人類生活中常常需要運用溫度資料。在積體電路的應用上，溫度感測電路是晶片內部溫度之監測、效能之補償及過熱保護的核心電路。
現今的溫度感測電路係以時間轉數位電路(Time-to-Digital Converter,TDC)來完成溫度之量測，其主要是基於互補金氧半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)反相電路之訊號延遲與溫度變化具有近似線性之關係，設計出一時間延遲線(Delay Line)來測得溫度。然而，為了能達到足夠的解析度，需要使用大量的反向器，來獲得足夠的脈衝延遲。因此，使用時間轉數位電路之溫度感測電路往往會佔據大量的面積及消耗大量的功率。
以下揭露有關於一種溫度感測裝置及方法之實施例。實施例之溫度感測裝置係使用頻率轉數位電路(Frequency-to-Digital Converter,FDC)來完成溫度之量測，可使用較少之晶片面積。於一實施例中，溫度感測裝置使用兩個操作在不同操作區域的振盪電路，如操作在近臨界電壓以及次臨界電壓的振盪電路來降低製程造成的變異，其中因為工作電壓可被設為一低電壓，故可大大地節省功率的消耗。
根據本揭露書之第一方面，提出一種溫度感測裝置，包括一第一振盪電路、一脈衝寬度產生器(Pulse Width Generator)以及一比較電路。第一振盪電路用以產生一第一訊號。此第一訊號具有一第一頻率，此第一頻率相關於一感測溫度。其中此第一振盪電路之工作電壓實質上等於此第一振盪電路之臨界電壓值。脈衝寬度產生器用以輸出一脈衝寬度訊號。脈衝寬度訊號之脈衝具有一寬度，此脈衝寬度訊號之脈衝之寬度相關於感測溫度。比較電路用以接收第一訊號及脈衝寬度訊號，根據第一訊號與脈衝寬度訊號產生一輸出訊號，其中此輸出訊號表示該感測溫度之值。
根據本揭露書之另一方面，提出一種溫度感測方法，包括以下步驟。藉由設定一第一振盪電路之工作電壓實質上等於此第一振盪電路之臨界電壓值來產生一第一訊號，此第一訊號具有一第一頻率，相關於一感測溫度。藉由脈衝寬度產生器輸出一脈衝寬度訊號，此脈衝寬度訊號相關於感測溫度。根據第一訊號及脈衝寬度訊號，產生一輸出訊號，表示被感測溫度之值。
根據本揭露書之又一方面，提出一種溫度感測方法，包括以下步驟。藉由設定一第一振盪電路之工作電壓實質上等於第一振盪電路之臨界電壓值來產生一第一訊號，第一訊號具有一第一頻率，相關於一感測溫度。藉由設定一第二振盪電路之工作電壓實質上等於第二振盪電路之臨界電壓值的兩倍以產生一第二訊號，第二訊號具有一第二頻率，相關於此感測溫度。根據此第一訊號及此第二訊號，比較此第一訊號及此第二訊號以產生一輸出訊號，表示被感測溫度之值。
在依據上述之任一方面之一些實施例中，第一振盪電路之臨界電壓值實質上等於兩倍第二振盪電路之臨界電壓值，且第一振盪電路之工作電壓等於第二振盪電路之工作電壓。此外，在一些實施例中，被感測溫度之值可依據第一訊號之第一頻率與第二訊號之第二頻率之比值而產生。
為了對上述及其他方面有更佳的瞭解，下文以實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
以下提供一種溫度感測裝置及溫度感測方法之實施例。在一實施例中，此溫度感測裝置包括一第一振盪電路、一脈衝寬度產生器(Pulse Width Generator)以及一比較電路。第一振盪電路用以產生一第一訊號。第一訊號具有一第一頻率，此第一頻率相關於感測溫度，其中第一振盪電路之工作電壓實質上等於此第一振盪電路之臨界電壓值，亦即，設定第一振盪電路之工作電壓約等於其臨界電壓值。脈衝寬度產生器用以輸出一脈衝寬度訊號，此脈衝寬度訊號之脈衝具有一寬度，此脈衝寬度訊號之脈衝之寬度相關於感測溫度。比較電路用以接收第一訊號及脈衝寬度訊號，根據第一訊號與脈衝寬度訊號產生一輸出訊號，其中輸出訊號表示感測溫度之值。於一實施例中，此溫度感測裝置可製作為一晶片上全數位非關製程溫度感測器(fully on-chip all digital process invariant temperature sensor)，例如整合一積體電路之上，如微處理器或手持裝置的晶片或其他的積體電路中。
請參照第1圖，其繪示依照本揭露書之一實施例的溫度感測裝置之方塊圖。如第1圖所示，溫度感測裝置10包括一第一振盪電路100、一脈衝寬度產生器110及一比較電路140。
第一振盪電路100用以產生一第一訊號S1 至比較電路140。此第一訊號S1 具有一第一頻率f1，此第一頻率f1相關於感測溫度T，其中第一振盪電路100之工作電壓係實質上約等於第一振盪電路100之臨界電壓值。也就是說，設定第一振盪電路100之工作電壓約為第一振盪電路100之臨界電壓值如臨界電壓值±5~10%。舉例來說，若第一振盪電路100之臨界電壓值為0.4V，則第一振盪電路100之工作電壓會設定於約0.36V至約0.44V之間，使得第一振盪電路100中之電晶體處於導通與不導通之狀態，即次臨界電壓區域。
脈衝寬度產生器110係用以產生一脈衝寬度訊號SPW 至比較電路140。此脈衝寬度訊號SPW 之脈衝具有一寬度，脈衝寬度訊號SPW 之脈衝之寬度相關於感測溫度T。
比較電路140用以接收第一訊號S1 及脈衝寬度訊號SPW ，根據第一訊號S1 與脈衝寬度訊號SPW 產生一輸出訊號S0 ，其中輸出訊號S0 表示感測溫度T之值。
脈衝寬度產生器110包括一第二振盪電路120及一控制單元130。第二振盪電路120用以產生一第二訊號S2 至控制單元130，此第二訊號S2 具有一第二頻率f2，此第二頻率f2相關於感測溫度T。控制單元130用以根據第二訊號S2 輸出脈衝寬度訊號SPW ，其中第二振盪電路120之工作電壓實質上為第二振盪電路120之臨界電壓值的兩倍。也就是說，設定第二振盪電路120之工作電壓約等於第二振盪電路120之臨界電壓值的兩倍。舉例來說，若第二振盪電路120中之電晶體的臨界電壓值為0.2V，則藉由設定第二振盪電路120之工作電壓約等於0.4V，使得第二振盪電路120之工作電壓實質上為第二振盪電路120之臨界電壓值的兩倍。
第一振盪電路100及第二振盪電路120可例如為具有多個反向器用鏈結方式連接的環形振盪器。若設定工作電壓實質上等於以多個反向器用鏈結之方式組成的第一振盪電路100的電晶體之臨界電壓值時，第一振盪電路100產生之第一訊號S1 的第一頻率f 1與感測溫度T的關係可以下列公式表示：
其中，μ0 為載子移動率，C OX 為單位面積氧化層的電容值，W為電晶體通道的寬度，L為電晶體通道的長度，m次臨界電壓振幅係數(subthreshold swing coefficient)，VT 為熱電壓，VGS 為電晶體閘極至源極的電壓，Vth1 為第一振盪電路100於溫度T時的臨界電壓，VDD 為工作電壓，C L 為負載電容。
再者，當以多個反向器用鏈結之方式組成的第二振盪電路120之工作電壓為第二振盪電路120之臨界電壓值以上時，例如，第二振盪電路120之工作電壓為第二振盪電路120之臨界電壓值的兩倍，第二振盪電路120產生之第二訊號S2 的第二頻率f2可由下列關係式得如：
其中，μ0 為載子移動率，C OX 為單位面積氧化層的電容值，W為電晶體通道的寬度，L為電晶體通道的長度，VDS 為電晶體汲極至源極的電壓，VGS 為電晶體閘極至源極的電壓，Vth2 為第二振盪電路120於溫度T時的臨界電壓，VDD 為工作電壓，C L 為負載電容。
因此，將第一振盪電路100所產生之第一訊號S1 的第一頻率f1與第二振盪電路120所產生之第二訊號S2 的第二頻率f2作比較，且將熱電壓(VT )與溫度的關係式及臨界電壓與溫度的關係代入，可得：
可令為一常數值Kb使得
因此，將此關係式對溫度T作偏微分且Kb的平方係趨近於零，故可得。
由上述之關係式可知：溫度感測裝置10可藉由比較第一頻率f1與第二頻率f2來產生一相關於感測溫度的輸出訊號。因此，凡藉由設定一第一振盪電路100之工作電壓實質上等於第一振盪電路100之臨界電壓值以產生具有第一頻率的第一訊號，且藉由設定一第二振盪電路120之工作電壓實質上等於第二振盪電路之臨界電壓值的兩倍以產生具有一第二頻率之第二訊號，使得一比較電路140可比較第一頻率及第二頻率，以產生一輸出訊號來表示該被感測溫度之值即可視為本實施例。如第2圖所示，感測溫度T與頻率可以一線性關係來表示。因此，比較電路140可比較第一訊號S1 與脈衝寬度訊號SPW ，產生輸出訊號S0 ，則此輸出訊號S0 則可表示感測溫度之值。
另外，可藉由調整第一振盪電路110與第二振盪電路120之臨界電壓值，使得溫度感測裝置10可實現單一工作電壓之需求。舉例來說，環形振盪電路的臨界電壓值係與其電晶體之通道長度有關，若第一振盪電路100與第二振盪電路120皆為環形振盪電路，可根據電晶體之通道長度與其臨界電壓值之關係來設計第一振盪電路100與第二振盪電路120，使得第一振盪電路100之臨界電壓值實質上等於2倍第二振盪電路120之臨界電壓值，並將第一振盪電路100與第二振盪電路120連接至一實質上等於第一振盪電路100之臨界電壓值之工作電壓，因此實現了單一工作電壓之需求。
請同時參照第3及4圖。第3圖係繪示依照本揭露書之溫度感測裝置的另一實施例之電路圖。第4圖係繪示第3圖之溫度感測裝置之訊號時序圖。如第3圖所示，溫度感測裝置30包括一第一振盪電路300、一脈衝寬度產生器310以及一比較電路340。第一振盪電路300例如為一環形振盪器，包括一個具致能機制反向器302與多個反向器304以鏈結方式連接。脈衝寬度產生器310包括一第二振盪電路320、一控制電路322以及一第一計數器325。比較電路340為一第二計數器344。
請同時參照第4圖，溫度感測裝置30可接收一啟動訊號SSTART ，致能此溫度感測裝置30，例如，由控制電路322接收此啟動訊號SSTART ，來致能溫度感測裝置30。當啟動訊號SSTART 由低準位變為高準位時，經過一第一延遲時間Td1，控制電路322輸出至第一振盪300及第二振盪電路320之脈衝寬度訊號SPW 會由低準位變為高準位。由低準位變為高準位之脈衝寬度訊號SPW 會致能第一振盪電路300，使得第一振盪電路300會根據感測溫度T，輸出一第一訊號S1 至比較電路340，此第一訊號S1 具有一第一頻率f1。
同時，脈衝寬度產生器310之第二振盪電路320也會根據感測溫度T輸出具有第二頻率f2之第二訊號S2 至第一計數器325，其中第二頻率f2相關於感測溫度T。當第一計數器325計數第二訊號S2 之脈衝數至一預設值n時(n為一正整數)，第一計數器325輸出一高準位之重置訊號SR 至控制電路322之重置端RESET。在控制電路322之重置端RESET接收高準位之重置訊號SR 後，經由一第二延遲時間Td2，控制電路322之脈衝寬度訊號SPW 會由高準位變為低準位，使得脈衝寬度訊號SPW 具有一期間Tw之高準位。此脈衝寬度訊號SPW 高準位之期間Tw可表示為n/f2。
在控制電路322之脈衝寬度訊號SPW 低準位變為高準位後，第二計數器344會開始計數第一訊號S1 之脈衝數，並在控制電路322之脈衝寬度訊號SPW 高準位變為低準位後，將所計數之脈衝數表示為感測溫度T之輸出訊號S0 輸出。舉例來說，在脈衝寬度訊號SPW 高準位之期間Tw，第二計數器344所計數第一訊號S1 之脈衝數目的量測值m(m為一正整數)，量測值m可表示感測溫度T之一數值。且由於脈衝寬度訊號SPW 高準位之期間Tw也可表示為m/f1，故量測值m係等於n x f1/f2。
因此，當設定第一振盪電路300之工作電壓實質上等於第一振盪電路300之臨界電壓值時，其產生之第一訊號S1 的第一頻率f1係與感測溫度T的平方成正比關係。再者，當設定脈衝寬度產生器310之第二振盪電路320的工作電壓實質上等於第二振盪電路320的臨界電壓值的兩倍時，其產生之第二訊號S2 的第二頻率f2係與感測溫度T的一次方成正比關係。因此，比較電路340可據以產生一等於n x f1/f2的量測值m，亦即，產生一相關於感測溫度T的輸出訊號S0 。此外，在實作時，更可調整第一計數電路325中計數第二訊號S2 之脈衝數目的預設值n來據以提高或降低解析度。
當第一振盪器300例如由1級具致能機制反向器302與12級之反向器304所組成，且第二振盪器320例如由1級具致能機制反向器與50級之反向器所組成，在單一工作電壓下，例如，0.4V，溫度感測裝置300可據以量測一11位元之輸出訊號S0 ，且其轉換效率可達14k/s。另外，當第一振盪器300例如由1級具致能機制反向器302與14級之反向器304所組成，且第二振盪器320例如由由1級具致能機制反向器與30級之反向器所組成時，溫度感測裝置300可據以量測一10位元之輸出訊號S0 ，且其轉換效率更可高達22k/s。然而，本揭露書之實施例並不限於上述振盪器之級數，此領域具有通常知識者當可利用上述的揭露內容設計一適當之振盪器的級數以符合所需量測之溫度範圍。
再者，如第5圖所示，本揭露書提出一種溫度感測方法之一實施例。首先，如步驟S501，藉由設定一第一振盪電路之工作電壓實質上等於第一振盪電路之臨界電壓值來產生一第一訊號，此第一訊號具有一第一頻率，相關於一感測溫度。接著，如步驟S503，藉由設定一第二振盪電路之工作電壓實質上為此第二振盪電路之臨界電壓值的兩倍來產生一第二訊號，此第二訊號具有一第二頻率，相關於此感測溫度。最後，如步驟S505，比較第一訊號及第二訊號，產生一輸出訊號，表示該被感測溫度之值。
另外，如第6圖所示，本揭露書根據第1圖之溫度感測裝置10提出一種溫度感測方法之另一實施例。首先，如步驟S601，藉由設定一第一振盪電路之工作電壓實質上等於第一振盪電路之臨界電壓值來產生一第一訊號，此第一訊號具有一第一頻率，相關於一感測溫度。接著，如步驟S603，藉由一脈衝寬度產生器來產生一脈衝寬度訊號，此脈衝寬度訊號相關於此感測溫度。最後，如步驟S605，根據第一訊號及脈衝寬度訊號，產生一輸出訊號，表示該被感測溫度之值。
本揭露書之實施例的溫度感測裝置使用頻率轉數位電路(Frequency-to-Digital Converter,FDC)來輸出溫度之量測值，相較於時間轉數位電路來完成溫度之量測，可以減少電路的複雜度。因此，可實現小面積之溫度感測裝置。再者，本揭露書之實施例的溫度感測裝置中的第一振盪電路及脈衝寬度產生器係分別工作於次臨界電壓區域及近臨界電壓區域，極小的工作電壓即可實現此溫度感測裝置，故大大節省功率之消耗。
另外，在上述一實施例中，由於量測值m等於n x f1/f2對溫度作偏微分後係等於n x K/a，僅與溫度呈線性關係，因此消除了製程上的變數。舉例來說，當使用不同製程方法依據一實施例來製造溫度感測裝置時，雖振盪電路對應相同的溫度會產生不同之頻率，但由於量測值m僅與溫度呈線性關係，故可消除製程上的變數，使得其數位輸出訊號幾乎相同。例如依TSMC標準之65nm CMOS技術之模擬結果，雖然有製程的差異使幾個溫度感測電路產生不同的頻率及溫度的對應結果，但在0℃~100℃的量測範圍，其量測誤差係在-2.8℃~+3℃。故，依據本揭露書之實施例可實現晶片上全數位非關製程溫度感測器。
綜上所述，雖然本揭露書已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定其實施方式。本揭露書所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露書之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本案欲保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10、30‧‧‧溫度感測裝置
100、300‧‧‧第一振盪電路
110、310‧‧‧脈衝寬度產生器
120、320‧‧‧第二振盪電路
130‧‧‧控制單元
140、340‧‧‧比較電路
302‧‧‧具致能機制反向器
304‧‧‧反向器
322‧‧‧控制電路
325‧‧‧第一計數電路
344‧‧‧第二計數電路
SSTART ‧‧‧啟始訊號
S1 ‧‧‧第一訊號
S2 ‧‧‧第二訊號
SPW ‧‧‧脈衝寬度訊號
S0 ‧‧‧輸出訊號
SR ‧‧‧重置訊號
RESET‧‧‧重置端
Td1‧‧‧第一延遲時間
Td2‧‧‧第二延遲時間
Tw‧‧‧期間
S501、S503、S505、S601、S603、S605‧‧‧步驟
第1圖繪示依照一實施例之溫度感測裝置的方塊圖。
第2圖繪示第1圖之溫度感測裝置10的頻率與溫度變化之關係圖。
第3圖繪示依照另一實施例之溫度感測裝置的電路圖。
第4圖繪示第3圖之溫度感測裝置30的訊號時序圖。
第5圖繪示依照一實施例的溫度感測方法流程圖。
第6圖繪示依照第1圖之溫度感測裝置10的溫度感測方法流程圖。
10．．．溫度感測裝置
100．．．第一振盪電路
110．．．脈衝寬度產生器
120．．．第二振盪電路
130．．．控制單元
140．．．比較電路
SSTART ．．．啟始訊號
S1 ．．．第一訊號
S2 ．．．第二訊號
SPW ．．．脈衝寬度訊號
S0 ．．．輸出訊號

Claims (16)

  1. 一種溫度感測裝置，包括：一第一振盪電路，用以產生一第一訊號，該第一訊號具有一第一頻率，該第一頻率相關於一感測溫度，其中該第一振盪電路之工作電壓實質上等於該第一振盪電路之臨界電壓值；一脈衝寬度產生器(Pulse Width Generator)，用以輸出一脈衝寬度訊號，該脈衝寬度訊號之脈衝具有一寬度，該脈衝寬度訊號之脈衝之該寬度相關於該感測溫度；以及一比較電路，用以接收該第一訊號及該脈衝寬度訊號，根據該第一訊號與該脈衝寬度訊號產生一輸出訊號，其中該輸出訊號表示該感測溫度之值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之溫度感測裝置，其中該脈衝寬度產生器包括：一第二振盪電路，用以產生一第二訊號，該第二訊號具有一第二頻率，該第二頻率相關於該感測溫度；以及一控制電路，用以根據該第二訊號使得該脈衝寬度產生器輸出該脈衝寬度訊號，其中該第二振盪電路之工作電壓實質上為該第二振盪電路之臨界電壓值的兩倍。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之溫度感測裝置，其中該脈衝寬度產生器更包括：一第一計數電路，用以計數該第二訊號之脈衝數目，據以輸出一重置訊號。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之溫度感測裝置，其 中該第一振盪電路之臨界電壓值實質上等於兩倍該第二振盪電路之臨界電壓值，且該第一振盪電路之工作電壓等於該第二振盪電路之工作電壓。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之溫度感測裝置，其中該比較電路為一第二計數電路，用以根據該脈衝寬度訊號計數該第一訊號之脈衝數目，產生該輸出訊號。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之溫度感測裝置，其中，該第一振盪電路及該第二振盪電路皆為環形振盪電路。
  7. 一種溫度感測方法，包括：藉由設定一第一振盪電路之工作電壓實質上等於該第一振盪電路之臨界電壓值來產生一第一訊號，該第一訊號具有一第一頻率，相關於一感測溫度；藉由一脈衝寬度產生器來產生一脈衝寬度訊號，該脈衝寬度訊號相關於該感測溫度；以及根據該第一訊號及該脈衝寬度訊號，產生一輸出訊號，表示該被感測溫度之值。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之溫度感測方法，其中該脈衝寬度產生器包括一第二振盪電路，該第二振盪電路之工作電壓實質上為該第二振盪電路之臨界電壓值的兩倍。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之溫度感測方法，其中產生該脈衝寬度訊號之步驟更包括：由該第二振盪電路產生一第二訊號，該第二訊號具有一第二頻率，該第二頻率相關於該感測溫度；以及 根據該第二訊號產生該脈衝寬度訊號。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之溫度感測方法，其中根據該第二訊號產生該脈衝寬度訊號之步驟更包括：由計數該第二訊號之脈衝數目輸出一重置訊號；以及根據該重置訊號，輸出該脈衝寬度訊號。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之溫度感測方法，其中該第一振盪電路之臨界電壓值實質上等於兩倍該第二振盪電路之臨界電壓值，且該第一振盪電路之工作電壓等於該第二振盪電路之工作電壓。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之溫度感測方法，其中，該第一振盪電路及該第二振盪電路皆為環形振盪電路。
  13. 如申請專利範圍第7項所述之溫度感測方法，其中產生一輸出訊號之步驟更包括：根據該脈衝寬度訊號計數該第一訊號之脈衝數目，產生該輸出訊號。
  14. 一種溫度感測方法，包括：藉由設定一第一振盪電路之工作電壓實質上等於該第一振盪電路之臨界電壓值來產生一第一訊號，該第一訊號具有一第一頻率，相關於一感測溫度；藉由設定一第二振盪電路之工作電壓實質上等於該第二振盪電路之臨界電壓值的兩倍以產生一第二訊號，該第二訊號具有一第二頻率，相關於該感測溫度；以及根據該第一訊號及該第二訊號，比較該第一訊號及該第二訊號以產生一輸出訊號，表示該被感測溫度之值。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之溫度感測方法，其中該第一振盪電路之臨界電壓值實質上等於兩倍該第二振盪電路之臨界電壓值，且該第一振盪電路之工作電壓等於該第二振盪電路之工作電壓。
  16. 如申請專利範圍第14或15項所述之溫度感測方法，其中該比較該第一訊號及該第二訊號以產生一輸出訊號之步驟是依據該第一訊號之該第一頻率與該第二訊號之該第二頻率之比值產生該輸出訊號。
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