[发明专利]时域下数字化温度传感器

说明书

技术领域

本发明涉及传感器，尤其涉及时域下的数字化温度传感器，主要检测处理器内部的温度。

背景技术

随着工艺的不断进步，现代集成电路对温度、电压和工艺等变量变得愈发敏感。这些变量让电路变得更加不可预测，同时导致很多可靠性问题。为了提高芯片的可靠性，我们需要检测和管理芯片上的各种变量，这就是传感器发展的一大推动力。

传统的模拟传感器，虽然精度比较高，但是芯片面积和功耗也相对较大。除此之外，传统的电压域传感器需要一个ADC(模拟-数字转换器)来将检测到的电压值转化成数字温度码。这就需要电容等模拟器件，这些模拟器件占很大面积且难以集成到处理器内部。再者，模拟传感器若集成到数字电路内部，其供电系统会受到来自数字器件翻转的噪声影响。数字器件的翻转对模拟电源的影响很大，从而导致传统的模拟传感器集成到处理器内部的实现相当困难。

在COMS中，电路单元的延迟与温度有一定的类线性关系是已知的。利用这个关系，可以通过测量延迟来得到相应所需要测量的温度。然而，影响电路单元延迟的除温度外，还有工艺参数和电源电压。通常，通过控制工艺变量和电压变量，可以得到只与温度相关的延迟。现有的结构使用两个环形振荡器作为温度检测部分，基于两种不同结构的延迟单元，这两个环形振荡器对温度有不同的敏感度。而后分别使用两个相位累加器将两个振荡器的频率进行量化并做比值，从而得到一个与温度呈正相关的值。再通过仿真调节延迟单元内部的结构和管子尺寸来去除电压变量的影响。最后通过额外的校准电路来去除工艺变量的影响。

然而，使用相位累加器进行量化使得传感器的精度取决于累加器的步长，当测试的转换时间较快时，传感器精度难以保证。除此之外，相位累加器的内部结构复杂，对集成也存在影响。

本文中温度变量用T表示，工艺变量用P表示，电压变量用V表示。时间-数字转换器用TDC表示，模拟-数字转换器用ADC表示。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提供了一个应用于处理器内部温度检测的时域数字化温度传感器。其用一个纯数字逻辑电路取代现有的相位累加器来实现频率到数字码的转换。

本发明所采取的温度检测方案：在基础的数字温度传感器的结构上做一定的改进。数字化温度传感器的基本原理是，通过延迟的测量，得到一个时域的中间变量。然后通过一个时域到数字温度码的转换，实现温度值的获取。本发明将现有的温度传感器的相位累加部分用标准的数字逻辑单元取代，从而达到集成度更高且精度可控的目标。

本发明使用两个对温度敏感度不同的环形振荡器来作为温度检测的部分。然后使用改进的两个纯数字电路作为TDC来将振荡器的频率转换为温度相关的数字码。再将其所转换的数字码做数学运算，以得到一个与温度呈类线性关系的温度码。最后根据预仿真结果和校准点来获取所测的绝对温度值。

附图说明

图1为本发明的全局结构图。

图2为本发明的传感部分细节。

图3为本发明的TDC(time-digital converter)部分细节。

图4为本发明TDC的精确测量部分(Fine decoder)的时序图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

图1所示为数字化温度传感器的全局结构图。图中两个环形振荡器作为传感器的温度检测部分部分。在这个部分遵循的是已知定理的反相器温度和延迟的关系，如以下的式(1)所示。

[算式1]

在式(1)中，D为CMOS反相器的延迟，W和L分别为MOS晶体管的宽和长，CL为晶体管的负载电容，Cox为单位面积的氧化层电容，μ为电子迁移率，Vth为晶体管的阈值电压，VDD为电源电压。从式(1)不难λ得出振荡器的频率与温度的关系式，如下式(2)所示。

[算式2]