TWI485367B - 製程、電壓與溫度(process, voltage and temperature, pvt)感測器及操作該製程、電壓與溫度感測器之感測方法 - Google Patents

Description

製程、電壓與溫度(PROCESS,VOLTAGE AND TEMPERATURE,PVT)感測器及操作該製程、電壓與溫度感測器 之感測方法

本發明是有關於一種感測器及其感測方法，且特別是有關於一種完全在晶片上(fully on-chip)的製程、電壓與溫度(Process,Voltage and Temperature,PVT)感測器。

隨著科技的發展，與無線感測器相關的科技產品不斷地應用於人們的生活中。然而，無線感測器相關的電子產品，皆面臨如何有效降低功率的問題。唯有降低功率，電子產品才能延長電池的使用時間，因此，低功率的電路設計就變得相當重要。

而要達到極低的功率消耗，一般會將電路操作在次臨界電壓附近。然而，當電路在極低的電壓下操作時，其表現對溫度、半導體晶片製程與電壓的變化相當敏感，很容易造成資料錯誤。因此電路效能呈現出更大的變異。因此，需要在晶片上設置製程、電壓與溫度感測器來避免因溫度、製程、電壓變化而導致晶片功能失效(functional failure)。

本發明係有關於一種感測器及其感測方法，一實施 例中，可提升感測器於低電壓工作下的效能。

根據本發明之一實施例，提出一種製程、電壓與溫度(Process,Voltage and Temperature,PVT)感測器，該PVT感測器設置於一晶片上，該晶片包含至少一電壓供應區塊，該PVT感測器包括一控制模組、一第一感測模組、一製程資訊模組、一映射模組、一第二感測模組以及一補償模組。控制模組控制該PVT感測器操作於一初始模式或一感測模式，其中該初始模式包括一封裝後製程訊號感測狀態。第一感測模組感測該電壓供應區塊之工作電壓以及製程資訊，其中於該初始模式之封裝後製程訊號感測狀態時，該電壓供應區塊操作於一特定電壓，該第一感測模組對該電壓供應區塊進行感測以產生一封裝後製程訊號，於該感測模式時，該第一感測模組對該電壓供應區塊進行感測以產生一環境感測訊號。製程資訊模組，其包括一暫存器用以儲存該封裝後製程訊號。映射模組依據該封裝後製程訊號補償該環境感測訊號，進而產生一映射工作電壓訊號。第二感測模組於該感測模式時感測該電壓供應區塊之工作溫度而產生一溫度感測信號。該第二感測模組包括複數個環形振盪器以及選擇單元。各該環形振盪器所輸出之振盪訊號係隨溫度而變化。選擇單元依據該映射工作電壓訊號選擇對應之該環形振盪器去產生該溫度感測訊號。補償模組依據該封裝後製程訊號及該映射工作電壓訊號補償該溫度感測信號而輸出一補償後溫度訊號。

根據本發明之另一實施例，提出一種感測方法，用以對一晶片進行感測，該晶片包含至少一電壓供應區塊，該感測 方法包括：於一初始模式時，對該電壓供應區塊進行感測以產生一封裝後製程訊號，其中該電壓供應區塊於該初始模式下係操作在一特定電壓；於一感測模式時，對該電壓供應區塊進行感測以產生一環境感測訊號；依據該封裝後製程訊號補償該環境感測訊號，進而產生一映射工作電壓訊號；依據該映射工作電壓訊號，自複數個環形振盪器中選擇對應之該環形振盪器去產生一溫度感測訊號；以及依據該封裝後製程訊號及該映射工作電壓訊號補償該溫度感測信號而輸出一補償後溫度訊號。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

10‧‧‧DVFS系統

100‧‧‧電源模組

200‧‧‧能量供給管理模組

300‧‧‧DVFS操作模組

310‧‧‧電壓供應區塊

320‧‧‧控制單元

330,430‧‧‧PVT感測器

331‧‧‧控制模組

332‧‧‧第一感測模組

333,433‧‧‧製程資訊模組

334‧‧‧映射模組

335‧‧‧第二感測模組

336‧‧‧補償模組

3321‧‧‧ZTC環形振盪器

3322‧‧‧第一計數器

3341,3354‧‧‧多工器

3342‧‧‧修正單元

3343‧‧‧映射表

3351‧‧‧環形振盪器

3352‧‧‧選擇單元

3353‧‧‧解碼器

3355‧‧‧第二計數器

4331‧‧‧暫存器

4332‧‧‧應力計算單元

C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7‧‧‧回歸直線

S1‧‧‧重置狀態

S2’‧‧‧晶片製程資訊感測狀態

S2‧‧‧封裝後製程訊號感測狀態

S3‧‧‧閒置狀態

S4‧‧‧重置計數狀態

S5‧‧‧製程電壓感測狀態

S6‧‧‧映射狀態

S7‧‧‧溫度感測狀態

S8‧‧‧補償狀態

EN‧‧‧致能訊號

CLK‧‧‧時脈訊號

R‧‧‧重置訊號

EN1‧‧‧第一致能訊號

EN2‧‧‧第二致能訊號

P‧‧‧封裝後製程訊號

P’‧‧‧封裝前晶片製程訊號

PV‧‧‧製程電壓訊號

V‧‧‧映射工作電壓訊號

T‧‧‧溫度感測信號

CT‧‧‧補償後溫度訊號

RCLK‧‧‧重置計數訊號

P_DONE‧‧‧儲存控制訊號

OS1‧‧‧第一振盪訊號

VC‧‧‧電壓補償值

V’‧‧‧補償後製程電壓訊號

OS‧‧‧振盪訊號

S‧‧‧應力訊號

K‧‧‧感測次數

第1圖繪示依據本發明之一實施例之動態電壓與頻率調節(Dynamic Voltage and Frequency Scaling system,DVFS)系統架構圖。

第2圖繪示依據本發明之一實施例之製程、電壓與溫度(Process,Voltage and Temperature,PVT)感測器之示意圖。

第3圖繪示依據本發明之一實施例之PVT感測器之感測流程之有限狀態機圖。

第4圖繪示依據本發明之一實施例之控制訊號波形圖。

第5圖繪示依據本發明之一實施例之第一感測模組之示意圖。

第6圖繪示乃製程電壓訊號之數位值與溫度之關係圖。

第7圖繪示依據本發明之一實施例之映射模組之示意圖。

第8(a)圖繪示乃製程電壓訊號之數位值與工作電壓之關係圖。

第8(b)圖繪示補償後製程電壓訊號之數位值與工作電壓之關係圖。

第9圖繪示映射工作電壓訊號之數位值與工作電壓之關係圖。

第10圖繪示依據本發明之一實施例之第二感測模組之示意圖。

第11圖繪示溫度感測訊號之數位值與溫度之關係圖。

第12圖繪示依據本發明之一實施例之補償單元之示意圖。

第13圖繪示補償後溫度訊號之數位值與溫度之關係圖。

第14圖繪示補償後溫度訊號所應之溫度誤差與溫度之關係圖。

第15圖繪示依據本發明之另一實施例之製程、應力、電壓與溫度(Process,Stress,Voltage and Temperature,PSVT)感測器之示意圖。

第16圖繪示依據本發明之另一實施例之PVT感測器之感測流程之有限狀態機圖。

第1圖繪示依據本發明之一實施例之動態電壓與頻率調節(Dynamic Voltage and Frequency Scaling system,DVFS)系統10架構圖。DVFS系統10包括電源模組100、能量供給管理模 組200以及DVFS操作模組300。電源模組100例如是電池或能量獲取模組。能量獲取模組可接收外在能量源以提供一能量輸出。能量源例如是太陽能、射頻感應能、熱能或是其它合適形式的能量。能量供給管理模組200用以依據電源模組100所提供之能量輸出而產生一工作電壓，使DVFS操作模組300受此工作電壓之驅動以進行操作。

如第1圖所示，DVFS操作模組300包括多個電壓供應區塊(Voltage Domains)310以及控制單元320。各電壓供應區塊310具有一製程、電壓與溫度(Process,Voltage and Temperature,PVT)感測器330，用以感測電壓供應區塊310之PVT資訊。控制單元320則用以控制此些電壓供應區塊310以進行DVFS操作。可以理解的是，前述多個電壓供應區塊310可以部分或全部設於單一半導體晶片；此外，前述多個電壓供應區塊310可以分別設於多個半導體晶片。

第2圖繪示依據本發明之一實施例之PVT感測器330之示意圖。PVT感測器330包括控制模組331、第一感測模組332、製程資訊模組333、映射模組334、第二感測模組335以及補償模組336。控制模組331用以控制PVT感測器133操作於一初始模式或一感測模式。

控制模組331例如是有限狀態機(finite state machine)，其提供控制訊號並接收來自PVT感測器330其他模組的狀態訊息。有限狀態機可以利用可程式邏輯陣列(programmable logic array(PLA))、可程式微處理器(programmable microprocessor)、各種數位電路(例如可程式邏輯元件(programmable logic device))或機械元件實現。本發明對控制模組331的種類不加以限制，只要是可利用半導體製程或其它合適製程完成上述功能的積體電路、晶片、控制器、處理器及/或電路模組等，皆可作為本發明實施例之控制模組331。

第一感測模組332用以感測電壓供應區塊310之工作電壓以及製程資訊。於初始模式時，電壓供應區塊310係操作於一特定電壓，此時第一感測模組332對電壓供應區塊310進行感測以產生封裝後製程訊號P(此時第一感測模組332所感測的對象是進行封裝前晶片的電壓供應區塊310)。而於感測模式時，第一感測模組332對電壓供應區塊310進行感測以產生環境感測訊號(在此實施例為製程電壓訊號PV)。上述之特定電壓例如為一零溫度係數(zero temperature coefficient,ZTC)電壓，或是一可使第一感測模組332之輸出不會到受溫度變化影響的工作電壓。於本實施例中，特定電壓之電壓值例如為0.5伏特。

製程資訊模組333包含一暫存器用以儲存第一感測模組332於初始模式時感測而得的封裝後製程訊號P。映射模組334用以自製程資訊模組333接收封裝後製程訊號P，並依據封裝後製程訊號P補償製程電壓訊號PV而產生映射工作電壓訊號V。值得注意的是，由於同一晶片上不同區塊所受到的製程影響不完全相同，因此有必要分別量測出不同區塊的封裝後製程訊號 P來補償對應之製程電壓訊號PV而測得各個區塊相對真實的工作電壓(例如映射工作電壓訊號V)。第二感測模組335用以於感測模式時感測電壓供應區塊310之工作溫度而產生溫度感測信號T。補償模組336用以依據封裝後製程訊號P以及映射工作電壓訊號V補償溫度感測信號T而輸出補償後溫度訊號CT。

第一感測模組332、製程資訊模組333、映射模組334、第二感測模組335及補償模組336可採用類似控制模組331的製程形成。此外，控制模組331、第一感測模組332、製程資訊模組333、映射模組334、第二感測模組335與補償模組336中至少二者可整合成單一元件。

如第2圖所示，控制模組331接收致能訊號EN、時脈訊號CLK以及重置訊號R，並分別對第一感測模組332以及第二感測模組335輸出第一致能訊號EN1以及第二致能訊號EN2以進行控制。於初始模式時，重置訊號R係被致能以清除PVT感測器330先前所感測的結果。接著，控制模組331致能第一致能訊號EN1，以控制第一感測模組332對電壓供應區塊310進行感測。第一感測模組332進行感測的時間長度係依據時脈訊號CLK而定。於本實施例中，第一感測模組332進行感測的時間長度例如為時脈訊號CLK的1個時脈週期時間。由於在初始模式下電壓供應區塊310的工作電壓為固定(固定為特定電壓)，第一感測模組332所感測到的封裝後製程訊號P實質上排除了電壓供應區塊310的工作電壓變異。封裝後製程訊號P例如包括角落 (corner)製程參數，其大致分可為快速-快速(FF)、典型-典型(TT)以及慢速-慢速(SS)等幾種角落型態，用以表示電晶體因製程變異所產生的速度差異。

本實施例中，第一感測模組332於初始模式下所產生的封裝後製程訊號P係儲存於製程資訊模組333。於取得封裝後製程訊號P後，PVT感測器330即進入一閒置(idle)狀態，直到致能訊號EN被致能，PVT感測器112才進入感測模式。於感測模式中，控制模組331首先對第一感測模組332以及第二感測模組輸出重置計數訊號RCLK以進行重置，以清除先前感測所累積之資料。接著，控制模組331致能第一控制訊號EN1以控制第一感測模組332感測電壓供應區塊310之工作電壓以及製程資訊，進而產生製程電壓訊號PV。由於感測模式中電壓供應區塊310的工作電壓並未被固定，因此，製程電壓訊號PV係可視為同時包含晶片的工作電壓變異以及製程變異。然就一般而言，電壓供應區塊310的製程資訊於出廠時即已確定，其即對應於初始模式下所得到的封裝後製程訊號P。因此，映射模組334可依據封裝後製程訊號P來補償製程電壓訊號PV，進而產生一去除製程變異後的映射工作電壓訊號V。此映射工作電壓訊號V實質上對應於電壓供應區塊310的工作電壓。

於產生映射工作電壓訊號V後，第二感測模組335依據映射工作電壓訊號V而從多個對應於不同工作電壓的子感測器中選擇一對應者以感測電壓供應區塊310的工作溫度，進而產 生溫度感測信號T。接著，補償模組336依據封裝後製程訊號P以及映射工作電壓訊號V而選擇適當的補償值來對溫度感測信號T進行補償，以輸出補償後溫度訊號CT。如此一來，補償後溫度訊號CT實質上係對應於去除工作電壓變異以及製程變異後的晶片工作溫度資訊。

為清楚說明上述PVT感測器330之作動，第3圖繪示PVT感測器330之感測流程之有限狀態機圖。如第3圖所示，PVT感測器330之初始模式包括重置狀態S1、封裝後製程訊號感測狀態S2以及閒置狀態S3。首先，重置訊號R係被致能(R=1)以使PVT感測器330進入重置狀態S1。於此狀態下，PVT感測器330先前所感測的結果係被清除。接著，當重置訊號R被切換為非致能(R=0)時，PVT感測器330即進入封裝後製程訊號感測狀態S2。於封裝後製程訊號感測狀態S2下，第一感測模組332(第2圖)對電壓供應區塊310進行感測以產生封裝後製程訊號P，並將封裝後製程訊號P存入製程資訊模組333(第2圖)當中。之後，PVT感測器330進入閒置狀態S3並進行等待。此時，當致能訊號EN被致能(EN=1)，PVT感測器330即從初始模式切換為感測模式。感測模式包括重置計數狀態S4、製程電壓感測狀態S5、映射狀態S6、溫度感測狀態S7以及補償狀態S8。於重置計數狀態S4下，控制模組331係致能重置計數訊號RCLK以重置第一感測模組332及第二感測模組335。接下來，PVT感測器330進入製程電壓感測狀態S5，此時第一感測模組332對電壓供應區 塊310進行感測，而產生一環境感測訊號(在此實施例為製程電壓訊號PV(包含工作電壓以及晶片製程資訊))。之後，PVT感測器330進入映射狀態S6，於此狀態下，映射模組334依據封裝後製程訊號P補償製程電壓訊號PV來產生映射工作電壓訊號V。接著，於溫度感測狀態S7，第二感測模組335感測電壓供應區塊310之工作溫度，並依據溫度感測結果以及映射工作電壓訊號V以產生溫度感測訊號T。於此實施例中，第二感測模組重複了K次的溫度感測，K為正整數。接著進入補償狀態S8。於此狀態下，補償模組336依據封裝後製程訊號P及映射工作電壓訊號V來補償溫度感測信號T，進而產生補償後溫度訊號CT。上述於感測模式下的各狀態可以迴圈(loop)的方式接續著執行，以動態地產生補償後溫度訊號CT。另外，當致能訊號EN變為非致能(EN=0)，PVT感測器330即從感測模式切換回初始模式中的閒置狀態S3以進行等待。

第4圖繪示依據本發明之一實施例之控制訊號波形圖。時脈訊號CLK、重置訊號R、致能訊號EN、第一控制訊號EN1、重置計數訊號RCLK以及第二控制訊號EN2之相關操作已於前面段落有說明，故不贅述。而關於儲存控制訊號P_DONE(圖4)，其係控制第一感測模組204所產生之封裝後製程訊號P存入製程資訊模組333當中。此外，致能訊號EN之週期時間係關聯於感測結果的數值解析度(resolution)。也就是說，當致能訊號EN的致能時間越長，則感測結果的數值解析度越高；反之，當致能 訊號EN之致能時間越短，則感測結果的數值解析度越低。

第5圖繪示依據本發明之一實施例之第一感測模組332之示意圖。第一感測模組332包括ZTC環形振盪器3321以及第一計數器3322。ZTC環形振盪器3321用以產生第一振盪訊號OS1。第一計數器3322用以計數第一振盪訊號OS1而產生製程電壓訊號PV。其中，基於ZTC之特性，當ZTC環形振盪器3321操作於ZTC電壓時，第一振盪訊號OS1不會隨溫度變化而改變。以台積電65奈米CMOS製程為例，NMOS以及PMOS的ZTC電壓分別為0.4伏特以及0.6伏特。於本實施例中，ZTC環形振盪器3321之ZTC電壓約為0.5伏特，而ZTC環形振盪器3321例如是以31階環形連接的正反器來實現。另外，ZTC環形振盪器3321更可包括一反及閘(NAND gate)，其一輸入端接收第一致能訊號EN1，另一輸入端則與正反器連接，以於第一致能訊號EN1致能時啟動ZTC環形振盪器3321。

製程電壓訊號PV例如對應於以N位元表示之數位值(N為正整數)。舉例來說，當第一計數器3322為一N位元計數器，於一感測時間中，第一計數器3322對第一振盪訊號OS1之脈波數進行計數，其產生之計數結果即對應於製程電壓訊號PV。於一實施例中，表示製程電壓訊號PV之位元數並不需和第一計數器3322所對應之位元數相同，製程電壓訊號PV之位元數可被截去末M個位元(M為小於N之正整數)，只要製程電壓訊號PV所對應之數位值解析度可呈現出不同製程條件下的差異即可。

第6圖繪示電壓製程訊號PV之數位值與溫度之關係圖。如第6圖所示，在SS、TT以及FF三種不同的角落型態(製程變異)下，電壓製程訊號PV之數位值分別為7、11以及16。於此例中，ZTC環形振盪器3321之工作電壓係操作於ZTC電壓，故此些數位值並不會隨溫度變化而改變。也因此，此些數位值係可表示對應於不同製程變異下的封裝後製程訊號P。此外，由於第一振盪訊號OS1之振盪頻率係與工作電壓成正比，ZTC環形振盪器3321亦可用於感測電壓供應區塊310的工作電壓。進一步地說，當第一振盪訊號OS1之振盪頻率越高，第一計數器3322於感測時間中所計數而得之脈波數也越多，故製程電壓訊號PV之數位值係可對應於特定製程變異下的電壓供應區塊310工作電壓。

第7圖繪示依據本發明之一實施例之映射模組334之示意圖。映射模組334包括多工器3341、修正單元3342以及映射表3343。多工器3341用以依據封裝後製程訊號P而選擇輸出一電壓補償值VC。如下表一所示，不同角落型態所對應之封裝後製程訊號P之數位值係各別對應至一電壓補償值VC。

修正單元3342用以依據多工器3341所輸出之電壓補償值VC來修正製程電壓訊號PV，進而產生一補償後製程電壓訊號V’。舉例來說，修正單元3342可以是一加法器，用以將電壓補償值VC以及製程電壓訊號PV之數位值進行相加，以得到補償後製程電壓訊號V’。

映射表3343用以轉換補償後製程電壓訊號V’以產生映射工作電壓訊號V。舉例來說，以9位元表示的補償後製程電壓訊號V’在經過映射表3343轉換後，係可簡化成以3位元表示的映射工作電壓訊號V。如此一來，映射工作電壓訊號V除可對應於電壓供應區塊310之工作電壓，亦方便作為多工器元件之控制訊號。

第8(a)圖繪示製程電壓訊號PV之數位值與工作電壓之關係圖。圖中各取樣點符號之標記係分別對應於特定之溫度及角落形態。以標記「25℃_TT」為例，其表示對應於攝氏25度 以及TT角落形態的條件。依此，由第8(a)圖可看出，在SS、TT以及FF三種不同的角落型態下，製程電壓訊號PV之數位值對工作電壓之變化關係乃各別對應於回歸直線C1、回歸直線C2以及回歸直線C3。此3條回歸直線C1,C2,C3實質上為不重疊。換言之，在未以電壓補償值VC進行修正的情況下，製程電壓訊號PV之數位值與工作電壓之對應關係明顯受到製程變異的影響。

第8(b)圖繪示補償後製程電壓訊號V’之數位值與工作電壓之關係圖。即便在SS、TT以及FF三種不同的角落型態下，補償後製程電壓訊號V’之數位值對工作電壓之變化關係仍對應於同一回歸直線C4。如此一來，補償後製程電壓訊號V’幾乎排除了製程變異的影響。

第9圖繪示映射工作電壓訊號V之數位值與工作電壓之關係圖。由於映射工作電壓訊號V與補償後製程電壓訊號V’差別僅在數位值解析度不同，故映射工作電壓訊號V之數位值仍係與工作電壓成正比。

第10圖繪示依據本發明之一實施例之第二感測模組335之示意圖。第二感測模組335包括多個環形振盪器3351以及一選擇單元3352。此些環形振盪器3351用以輸出隨溫度變化之振盪訊號OS。選擇單元3352用以依據映射工作電壓訊號V而選擇透過對應之環形振盪器3351來產生溫度感測訊號T。

於此實施例中，第二感測模組335具有6個環形振盪器3351，而此些環形振盪器3351所對應之閥電壓及工作電壓 係落於近/次臨界電壓(0.25伏特至0.5伏特)之間。舉例來說，此些環形振盪器3351(由上而下排列)分別對應於0.5伏特、0.45伏特、0.4伏特、0.35伏特、0.3伏特及0.25伏特的閥電壓以及工作電壓。各該環形振盪器3351之閥電壓特性係可藉由不同的等效通道長度(effective channel length)來調整。舉例來說，各該環形振盪器3351(由上而下排列)係分別對應於60奈米、85奈米、90奈米、190奈米、120奈米及250奈米的等效通道長度。另一方面，此些環形振盪器3351係分別以不同階數的正反器來實現，以調整振盪訊號OS與溫度之線性變化關係斜率。於此實施例中，此些環形振盪器3351(由上而下排列)分別以31階、15階、19階、7階、11階以及5階的正反器來實現，以使各該環形振盪器3351所輸出之振盪訊號OS與溫度之線性變化關係具有相近的斜率。另外，各該環形振盪器3351係分別受控於一電壓選擇訊號ENS，當此些電壓選擇訊號ENS其中之一者被致能時，對應於此電壓選擇訊號ENS之環形振盪器3351係被啟動。

選擇單元3352包括解碼器3353、多工器3354以及第二計數器3355。解碼器3353用以對映射工作電壓訊號V進行解碼以輸出電壓選擇訊號ENS，進而啟動對應之環形振盪器3351。多工器3354用以依據映射工作電壓訊號V而選擇此對應之環形振盪器3351之振盪訊號OS作為輸出。第二計數器3355則用以對多工器3354之輸出進行計數而產生溫度感測訊號T。

舉例來說，當映射工作電壓訊號V之數位值為4， 解碼器3353對映射工作電壓訊號V進行解碼以輸出對應於0.35伏特工作電壓值的電壓選擇訊號ENS(請配合參照第9圖)，進而致能對應於0.35伏特工作電壓的環形振盪器3351。接著，多工器3354依據映射工作電壓訊號V而選擇此一被啟動之環形振盪器3351之振盪訊號OS作為輸出。第二計數器3355則對此振盪訊號OS進行計數，以產生溫度感測訊號T。如此一來，即便操作於極低工作電壓環境，第二感測模組335仍可動態地選擇合適的環形振盪器3351來產生溫度感測訊號T，進而產生與溫度線性相關的感測結果。

第11圖繪示乃溫度感測訊號T之數位值與溫度之關係圖。圖中各種取樣點符號之標記係對應於特定電壓及角落形態。以標記「0.35V_TT」為例，其係對應於0.35伏特以及TT角落形態的條件。依此，由第11圖可看出，在不同的角落型態下，溫度感測訊號T之數位值係與溫度呈線性相關。

第12圖繪示依據本發明之一實施例之補償模組336之示意圖。於本實施例中，補償模組336係以多個多工器、加法器以及邏輯閘來實現。藉由此些多工器及邏輯閘，補償模組336得以依據封裝後製程訊號P以及映射工作電壓訊號V而選擇適當之補償值之來補償溫度感測訊號T，進而得出補償後溫度訊號CT。於一實施例中，封裝後製程訊號P以及映射工作電壓訊號V與其對應之補償值例如可由下表二以及表三來表示：

表三

第13圖繪示補償後溫度訊號CT之數位值與溫度之關係圖。由第13圖可看出，在SS、TT以及FF的角落型態下，調整後溫度感測訊號CT之數位值除了與溫度呈線性變化，各對應之回歸直線C5、C6及C7係趨於一致。如此一來，補償後溫度訊號CT之數位值係可對應至較準確的溫度值。

第14圖繪示乃補償後溫度訊號CT所應之溫度誤差與溫度之關係圖。由第14圖可看出，當溫度由攝氏-25度變化至125度，即便電壓供應區塊310操作於不同的極低工作電壓(0.5伏特、0.45伏特、0.4伏特、0.35伏特、0.3伏特、0.25伏特)，補償後溫度訊號CT所應之溫度誤差僅介於攝氏-1.76度至1.96度之間。

第15圖繪示依據本發明之另一實施例之製程、電壓與溫度(Process,Voltage and Temperature,PVT)感測器之示意圖。PVT感測器430包括控制模組331、第一感測模組332、製程資訊模組433、映射模組334、第二感測模組335以及補償模組336。PVT感測器430與前一實施例之主要差別在於：PVT感測器430之製程資訊模組433除了暫存器4331之外另包含一應力計算單元4332。暫存器4331用以儲存封裝後製程訊號P以及封裝前晶片製程訊號P’。應力計算單元4332用以依據封裝後製程訊號P與封裝前晶片製程訊號P’間之差異，進而產生一應力訊號S。

第16圖繪示依據本發明之另一實施例之PVT感測 器430之感測流程之有限狀態機圖。於此實施例中，相較於PVT感測器330，PVT感測器430之初始模式另包括一晶片製程資訊感測狀態S2’。除此之外，PVT感測器430於重置狀態S1、閒置狀態S以及感測模式中各狀態的操作係與前一實施例相同，故不贅述。

於晶片製程資訊感測狀態S2’，第一感測模組332所感測的對象是進行封裝前晶片的電壓供應區塊310，藉此第一感測模組332係可感測電壓供應區塊310於封裝前之前端製程資訊以輸出一封裝前晶片製程訊號P’，並將其存入製程資訊模組433之暫存器4331當中。需說明的是，此時電壓供應區塊310係固定於如前所述之特定電壓。

如前所述，於封裝後製程訊號感測狀態S2，第一感測模組332所感測的對象是進行封裝後晶片的電壓供應區塊310；由於各個電壓供應區塊310於封裝後所承受之製程影響(主要為應力)可能因封裝製程而有所不同，因此，封裝後製程訊號P可視為包含封裝製程應力資訊。為擷取封裝後製程訊號P中的應力資訊，應力計算單元4332例如對封裝後製程訊號P與封裝前晶片製程訊號P’進行相減的操作，進而產生一應力訊號S。如此一來，PVT感測器430係具備感測各個電壓供應區塊310所分別承受之應力資訊之能力。

綜上所述，本發明提供一種可動態調整工作電壓(supply voltage)之PVT感測器，透過封裝後製程訊號以及映射工 作電壓訊號的補償，PVT感測器之感測結果實質上去除了工作電壓變異以及製程變異所造成的影響。並且，本發明所提供之PVT感測器可操作於近/次臨界電壓之極低工作電壓環境，其功率消耗相當低。此外，本發明另提供一種PVT感測器，可藉由比較晶片於封裝前以及封裝後的製程資訊差異，以測得晶片所承受之應力資訊。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

330‧‧‧製程、電壓與溫度(Process,Voltage and Temperature, PVT)感測器

331‧‧‧控制模組

332‧‧‧第一感測模組

333‧‧‧製程資訊模組

334‧‧‧映射模組

335‧‧‧第二感測模組

336‧‧‧補償模組

EN‧‧‧致能訊號

RCLK‧‧‧重置計數訊號

CLK‧‧‧時脈訊號

R‧‧‧重置訊號

EN1‧‧‧第一致能訊號

EN2‧‧‧第二致能訊號

P‧‧‧封裝後製程訊號

PV‧‧‧製程電壓訊號

V‧‧‧映射工作電壓訊號

T‧‧‧溫度感測信號

CT‧‧‧補償後溫度訊號

Claims (20)

1. 電壓與溫度(Process,Voltage and Temperature,PVT)感測器，設置於一晶片上，該晶片包含至少一電壓供應區塊，該感測器包括：一控制模組，控制該感測器操作於一初始模式或一感測模式，其中該初始模式包括一封裝後製程訊號感測狀態；一第一感測模組，感測該電壓供應區塊之工作電壓以及製程資訊，其中於該初始模式之封裝後製程訊號感測狀態時，該電壓供應區塊操作於一特定電壓，該第一感測模組對該電壓供應區塊進行感測以產生一封裝後製程訊號，於該感測模式時，該第一感測模組對該電壓供應區塊進行感測以產生一環境感測訊號；一製程資訊模組，其包括一暫存器用以儲存該封裝後製程訊號；一映射模組，依據該封裝後製程訊號補償該環境感測訊號，進而產生一映射工作電壓訊號；一第二感測模組，於該感測模式時感測該電壓供應區塊之工作溫度而產生一溫度感測信號，該第二感測模組包括：複數個環形振盪器，各該環形振盪器所輸出之振盪訊號係隨溫度而變化；以及一選擇單元，依據該映射工作電壓訊號選擇對應之該環形振盪器去產生該溫度感測訊號；以及一補償模組，依據該封裝後製程訊號及該映射工作電壓訊號 補償該溫度感測信號而輸出一補償後溫度訊號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之PVT感測器，其中該第一感測模組包括：一零溫度係數(zero temperature coefficient,ZTC)環形振盪器，係產生一第一振盪訊號；以及一第一計數器，係計數該第一振盪訊號而產生該製程電壓訊號；其中當該ZTC環形振盪器操作於該特定電壓時，該第一振盪訊號不隨溫度變化而改變。
3. 如申請專利範圍第2項所述之PVT感測器，其中該特定電壓約為0.5伏特。
4. 如申請專利範圍第1項所述之PVT感測器，其中該初始模式另包括一晶片製程資訊感測狀態，於該晶片製程資訊感測狀態，該第一感測模組感測該電壓供應區塊於封裝前之製程資訊，以輸出一封裝前晶片製程訊號至該製程資訊模組之暫存器。
5. 如申請專利範圍第4項所述之PVT感測器，其中該製程資訊模組另包括一應力計算單元，依據該封裝後製程訊號與該封裝前晶片製程訊號間之差異，而產生一應力訊號；其中，該應力訊號對應於該電壓供應區塊所承受之應力資訊。
6. 如申請專利範圍第1項所述之PVT感測器，其中該映射模組包括： 一多工器，依據該封裝後製程訊號而選擇輸出一電壓補償值；一修正單元，用以依據該電壓補償值修正該環境感測訊號，進而產生一補償後環境感測訊號；以及一映射表，用以轉換該補償後環境感測訊號而產生該映射工作電壓訊號。
7. 如申請專利範圍第1項所述之PVT感測器，其中該第二感測模組之各該環形振盪器分別對應至不同之工作電壓。
8. 如申請專利範圍第7項所述之PVT感測器，其中該第二感測模組之各該環形振盪器係分別以不同階數之正反器來實現。
9. 如申請專利範圍第8項所述之PVT感測器，其中各該環形振盪器分別對應於不同之等效通道長度。
10. 如申請專利範圍第7項所述之PVT感測器，其中該第二感測模組之該選擇單元包括：一解碼器，對該映射工作電壓訊號進行解碼以輸出一電壓選擇訊號，並透過該電壓選擇訊號致能對應之該環形振盪器去產生一振盪訊號；一多工器，依據該映射工作電壓訊號選擇並輸出對應之該環形振盪器之該振盪訊號；以及一第二計數器，對該振盪訊號進行計數以產生該溫度感測訊號。
11. 如申請專利範圍第1項所述之PVT感測器，其中該電壓 供應區塊之工作電壓範圍介於0.25伏特至0.6伏特之間。
12. 一種操作一製程、電壓與溫度(Process,Voltage and Temperature,PVT)感測器之感測方法，用以對一晶片進行感測，該晶片包含至少一電壓供應區塊，該感測方法包括：於一初始模式時，對該電壓供應區塊進行感測以產生一封裝後製程訊號，其中該電壓供應區塊於該初始模式下係操作在一特定電壓；於一感測模式時，對該電壓供應區塊進行感測以產生一環境感測訊號；依據該封裝後製程訊號補償該環境感測訊號，進而產生一映射工作電壓訊號；依據該映射工作電壓訊號，自複數個環形振盪器中選擇對應之該環形振盪器去產生一溫度感測訊號；以及依據該封裝後製程訊號及該映射工作電壓訊號補償該溫度感測信號而輸出一補償後溫度訊號。
13. 如申請專利範圍第12項所述之感測方法，其中該特定電壓約為0.5伏特。
14. 如申請專利範圍第12項所述之感測方法，更包括：感測該電壓供應區塊於封裝前之製程資訊，以輸出一封裝前晶片製程訊號；依據該封裝前晶片製程訊號與該封裝後製程訊號間之差異，產生一應力訊號； 其中，該應力訊號對應於該電壓供應區塊所承受之應力資訊。
15. 如申請專利範圍第12項所述之感測方法，其中產生該映射工作電壓訊號之步驟包括：依據該封裝後製程訊號選擇輸出一電壓補償值；依據該電壓補償值修正該環境感測訊號，進而產生一補償後環境感測訊號；以及轉換該補償後環境感測訊號以產生該映射工作電壓訊號。
16. 如申請專利範圍第12項所述之感測方法，其中各該環形振盪器分別對應至不同之工作電壓。
17. 如申請專利範圍第16項所述之感測方法，其中該各該環形振盪器係分別以不同階數之正反器來實現。
18. 如申請專利範圍第16項所述之感測方法，其中各該環形振盪器分別對應於不同之等效通道長度。
19. 如申請專利範圍第16項所述之感測方法，其中產生該溫度感測訊號之步驟包括：對該映射工作電壓訊號進行解碼以輸出一電壓選擇訊號，並透過該電壓選擇訊號致能對應之該環形振盪器去產生一振盪訊號；以及依據該映射工作電壓訊號選擇輸出對應之該環形振盪器之該振盪訊號；以及計數該振盪訊號以產生該溫度感測訊號。
20. 如申請專利範圍第12項所述之感測方法，該電壓供應區塊之工作電壓範圍介於0.25伏特至0.6伏特之間。