热传感器及其操作方法

专利名称：热传感器及其操作方法
技术领域：
本申请的实施例涉及在温度和数字码之间生成线性关系。各种实施例用于温度传感器。
背景技术：
温度传感器可用于监控诸如CPU (中央处理单元)、GPU (图形处理单元)、MPU (微 处理单元)、soc(片上系统)等的电子部件的温度。当温度超过预定阈值时，传感器可警告电路降低或者甚至关闭单元来减小功耗，从而减小温度，使得可以防止会引起单元的破坏性故障的过热。通常，温度传感器包括参考电路和温度测量电路，其中，温度依存性与绝对温度成正比(PTAT)或者与绝对温度互补(CTAT)。此外，可以使用依赖于比较PTAT电压与CTAT基极-射极电压的基于温度传感器的DAC (数模转换器)。然而，该方法会遭遇DAC码-温度非线性问题，即，其在较宽的温度范围内不能实现很好的线性，导致较差的温度测量精度。在涉及CTAT电压的一些方法中，在设计温度范围中，所比较的电压随着高温系统发生变化。当所比较的电压为PTAT时，实施方案引入了固有的DAC码-温度非线性，结果，除非执行大量的温度校准(例如，多点校准)，否则会遭遇较差的温度测量精度。其他方法试图使比较(或参考)电压族各曲线平行，从而实现更好的DAC码-温度线性，但不能成功，因为实际上曲线是不平行的。因此，这些方法也会遭遇较差的温度测量精度。

发明内容
本申请的实施例涉及在温度和数字码之间提供线性关系。各种实施例用于温度传感器。在一个实施例中，在特定温度(例如，半导体器件的使用温度)处，传感器中的电路向比较器提供温度依赖参考电压(例如，Vctat)和比较电压(例如，Ncw) . Vctat依赖于作为与绝对温度互补的温度。比较电压Vqip被生成为具有DAC码作为输入。如果Vctat和Vqip相等，则比较器输出例如通过提供真逻辑来进行表示。如果Vctat和Vcmp不相等，则比较器输出被提供给另一电路(例如，调整电路)，其改变DAC码直到Vctat和Vqip相等。实际上，在特定时间点，当Vctat和Vaff相等时，由温度传感电路经历的温度对应于DAC码。在各个实施例中，由温度传感电路经历的各个温度和DAC码基本上是线性相关的。还公开了依赖于与绝对温度成正比的温度的电压(例如，Vptat)所相关的其他实施例。本发明提供了一种热传感器，包括比较器，具有第一输入节点和第二输入节点；参考电压发生器，与比较器的第一输入节点电连接，参考电压发生器被配置为提供基本上独立于温度的参考电压；以及温度感测电路，与比较器的第二输入节点电连接，温度感测电路被配置为提供依赖于温度的电压，其中，温度感测电路包括电流反射镜；第一金属氧化物半导体MOS晶体管，电连接在电流反射镜与地之间，其中，第一节点在第一 MOS晶体管与电流反射镜之间；第一电阻器，与电流反射镜电连接，其中，第二节点在第一电阻器与电流反射镜之间；以及第二MOS晶体管，与第一电阻器串联电连接，其中，第二MOS晶体管和第一电阻器以并联的方式与第一 MOS晶体管电连接。其中，第一 MOS晶体管和第二 MOS晶体管在热传感器的感测操作期间在子阈域中进行操作。其中，温度感测电路为与绝对温度互补CTAT感测电路。其中，第一节点与比较器的第二输入节点电连接。该热传感器还包括第三MOS晶体管，与电源电压电连接；第四MOS晶体管，与第三MOS晶体管串联电连接；第二电阻器，电连接在第一节点与第三晶体管和第四晶体管之间的第三节点之间；以及第三电阻器，电连接在第三节点和第二节点之间。其中，第四MOS晶体管在热传感器的感测操作期间在子阈域中进行操作。其中，温度感测电路为与绝对温度成比例PTAT感测电路。该热传感器还包括第三MOS晶体管，与电源电压电连接，其中，第三MOS晶体管的栅极与电流反射镜电连接；以及第二电阻器，与第三MOS晶体管串联电连接，其中，第三MOS晶体管和第二电阻器之间的第三节点与比较器的第一输入节点电连接。该热传感器还包括第四MOS晶体管，与电源电压电连接；第五MOS晶体管，与第三MOS晶体管串联电连接，其中，第四节点在第四MOS晶体管和第五MOS晶体管之间；第三 电阻器，电连接在第四节点和第一节点之间；以及第四电阻器，电连接在第四节点和第二节点之间。其中，第五MOS晶体管在热传感器的感测操作期间在子阈域中进行操作。此外，还提供了一种热传感器，包括比较器，具有第一输入节点和第二输入节点；参考电压发生器，与比较器的第一输入节点电连接，参考电压发生器被配置为提供基本上独立于温度的参考电压；以及与绝对温度互补CTAT感测电路，与比较器的第二输入节点电连接，CTAT感测电路被配置为提供依赖于温度的电压，其中，CTAT感测电路包括电流反射镜；第一金属氧化物半导体MOS晶体管，电连接在电流反射镜与地之间，其中，第一节点在第一 MOS晶体管与电流反射镜之间；第一电阻器，与电流反射镜电连接，其中，第二节点在第一电阻器与电流反射镜之间；以及第二 MOS晶体管，与第一电阻器串联电连接，其中，第二 MOS晶体管和第一电阻器以并联的方式与第一 MOS晶体管电连接，并且第一 MOS晶体管和第二 MOS晶体管在热传感器的感测操作期间在子阈域中进行操作。其中，第一节点与比较器的第二输入节点电连接。该热传感器还包括第三MOS晶体管，与电源电压电连接；第四MOS晶体管，与第三MOS晶体管串联电连接；第二电阻器，电连接在第一节点与第三晶体管和第四晶体管之间的第三节点之间；以及第三电阻器，电连接在第三节点和第二节点之间。其中，第四MOS晶体管在热传感器的感测操作期间在子阈域中进行操作。此外，还提供了一种热传感器，包括比较器，具有第一输入节点和第二输入节点；参考电压发生器，与比较器的第一输入节点电连接，参考电压发生器被配置为提供基本上独立于温度的参考电压；以及与绝对温度成比例PTAT感测电路，与比较器的第二输入节点电连接，PTAT感测电路被配置为提供依赖于温度的电压，其中，PTAT感测电路包括电流反射镜；第一金属氧化物半导体MOS晶体管，电连接在电流反射镜与地之间，其中，第一节点在第一 MOS晶体管与电流反射镜之间；第一电阻器，与电流反射镜电连接，其中，第二节点在第一电阻器与电流反射镜之间；以及第二 MOS晶体管，与第一电阻器串联电连接，其中，第二 MOS晶体管和第一电阻器以并联的方式与第一 MOS晶体管电连接，并且第一 MOS晶体管和第二 MOS晶体管在热传感器的感测操作期间在子阈域中进行操作。该热传感器还包括第三MOS晶体管，与电源电压电连接，其中，第三MOS晶体管的栅极与电流反射镜电连接；以及第二电阻器，与第三MOS晶体管串联电连接，其中，第三MOS晶体管和第二电阻器之间的第三节点与比较器的第一输入节点电连接。该热传感器还包括第四MOS晶体管，与电源电压电连接；第五MOS晶体管，与第三MOS晶体管串联电连接，其中，第四节点在第四MOS晶体管和第五MOS晶体管之间；第三 电阻器，电连接在第四节点和第一节点之间；以及第四电阻器，电连接在第四节点和第二节点之间。其中，第五MOS晶体管在热传感器的感测操作期间在子阈域中进行操作。本申请的实施例可具有以下特征和/或优点中的一个或者它们的组合。温度传感电路的实施例可以集成到由先进CMOS (互补金属氧化物半导体)工艺所制造的半导体电路中。温度和DAC码之间的线性关系增加了温度传感电路的精度并允许简单的温度校准，这又能够使温度感测精确。


在附图和以下描述中阐述本申请一个或多个实施例的细节。本申请的其他特征和优点将从说明书、附图和权利要求中显而易见。图I示出了根据本申请实施例的与CTAT型实施相关的电路100。图2示出了根据本申请的CTAT型实施例的示出温度和各个电压之间的关系的示图 200。图3示出了本申请的CTAT型实施例的示出DAC码和温度之间的关系的示图300。图4示出了根据本申请第一实施例的用于创建Vctat和Vqip的电路400。图5示出了根据本申请第二实施例的用于创建Vctat和Vqip的电路500。图6示出了根据本申请实施例的与PTAT型实施相关的电路600。图7示出了根据本申请的PTAT型实施例的示出温度和各个电压之间的关系的示图 700。图8示出了本申请的PTAT型实施例的示出DAC码和温度之间的关系的示图800。图9示出了根据本申请实施例的用于生成Vptat的电路900。图10示出了 DAC晶体管M4的实施的示例性电路1000。图11示出了可用作数字码的值与导通或截止的电路1000中的晶体管M4的数量之间的对应关系的表1100。图12示出了可用作数字码的值与图10中的信号CT之间的关系的表1200。
图13是示例性热传感器的示意图。图14和图15是每一个都包括CTAT感测电路的示例性热传感器的示意图。图16是包括PTAT感测电路的示例性热传感器的示意图。各附图中的类似参考标号表示类似的元件。
具体实施例方式现在使用特定的语言来描述附图中所示本申请的实施例或实例。应该理解，这些不用于限制本申请的范围。本领域的技术人员会进行所描述实施例的任何修改和改变以及本文所描述应用原理的任何进一步的应用。参考标号可以在实施例中重复，但是这不是必须要求一个实施例的特征应用于另一实施例，即使它们共享相同的参考标号。
依赖于与绝对温度互补的温度的电压(Vctat)图I 不出了根据与 CTAT (complementary-to-absolute-temperature)型实施相关的本申请实施例的比较器100。通过以下将描述的电路(例如，温度感测电路)生成线110上的参考电压Vctat和线120上的比较电压V-。比较器100将电压Vaff与Vctat进行比较，并在线130上提供所得到的信号COTT。在各个实施例中，Vqip是随着宽温度范围上非常小或可忽略的温度系数变化的电压。此外，利用DAC(模数转换器)码作为输入来生成各种Vqip值。Vctat是与绝对温度互补(CTAT)的参考电压，并由处于对应温度的温度感测电路生成。例如，在应用中，温度感测电路被具体化为半导体设备(例如，CPU)中的传感器的一部分。在操作中，CPU经历也被温度感测电路经历的特定温度(例如，使用温度)，并且将该温度作为输入来生成VCTAT。如果Vqip等于Vctat,则信号Vot为真，例如具有高逻辑。如果Vaff不等于Vctat，则信号Vqut被提供给另一电路(例如，调整电路(未示出))，该电路改变DAC码直到Vaff等于VCTAT。实际上，当Vaff等于Vctat时，CPU和温度感测电路经历的温度(例如，温度T0)也处于温度感测电路提供Vctat的温度。此外，该温度Ttl对应于DAC码，例如DAC码C。。在本申请的各个实施例中，温度感测电路提供Vctat的温度和DAC码基本上线性相关。本领域的技术人员应该意识到，当温度和DAC码线性相关时，在二维轴上表示它们关系的示图为直线。Vctat、Vcmp和对应温度图2示出了根据本申请实施例的VctaPVqif和温度T之间的关系的示图200。每条线Lvc；ip(包括W；·、Lvcmpi> Lvcmpn等)均不出了电压Vcmp与用作用于生成Vcmp的输入的特定DAC码处的温度T之间的关系。可以通过获得处于各温度(例如，不同时间点出CPU的使用温度)的Vaff的各个值来生成每条线Lvc:mp。在本申请的各个实施例中，线Ltomp基本上与温度无关。将DAC码从最低有效位(LSB)变为最高有效位(MSB)提供了线L胃。例如，如果DAC接收2位输入(例如，输入(O: I))，则将位从O变为I提供了对应于4条线Lvaff的4个DAC码。如果DAC接收3位输入(例如，输入(O: 2))，则将位从O变为2提供了对应于8条线Ltcmp的8个DAC码。此外，线LVCMPO对应于码Ctl,并示出了电压Vqip与处于码Ctl的温度T之间的关系。线Lvaffl对应于码C1,并示出了电压Vqip与处于码C1的温度T之间的关系。线Ltcmpn对应于码CN，并示出了电压Vqip与处于码Cn的温度T之间的关系。根据本申请的实施例，由于用于Vqip的非常小或可忽略温度系数的特性，除了基本上为直线之外，线Ltomp非常接近于彼此平行(例如，基本上平行)。基于线Ltomp的平行以及它们为直线，本申请的实施例提供了温度T与DAC码之间的线性。线Ltctat示出了 Vctat与温度T之间的关系。本领域的技术人员应该意识到，线Ltctat具有负斜率，并表示Vctat具有负温度系数。Lvctat和线Ltomp之间的交点表示在对应于特定DAC码C的特定温度T处Vctat等于V-。例如，点Vctatto表示在对应于特定DAC码Ctl的特定温度T0处Vctat等于V,类似地，点Vctatti表示在对应于特定DAC码C1的特定温度T1处Vctat等于VeMP，以及点Vctattn表示在对应于特定DAC码Cn的特定温度Tn处Vctat等于Vqip等等。在本申请的各个实施例中，每个点Vctatt都对应于温度感测电路所经历的特定温度处的Vqip和Vctat相等时(例如，当信号Cqut为真时)比较器100中的结果。温度和DAC码-CTAT型图3示出了具有表示温度T和与Vctat相关的DAC码之间的关系的线310的示图300。例如，TO对应于码Ctl, T1对应于码C1, Tn对应于码Cn等等。
本申请的实施例在温度T与DAC码之间尽可能多地提供线性，这比不提供这种线性的现有技术的方法更加具有优势。该线性源于图2中的线Ltomp基本上为直线且基本上互相平行的事实。在100%线性情况下，线L胃为100%直线，并由此100%相互平行，这使得线310为100%直线。在另一方法中，线Ltcmp为曲线和/或不相互平行，这会使得线310同样为曲线。本领域的技术人员应该意识到，线310的曲率越小，温度T与DAC码之间的关系越线性。本申请的实施例是有利的，尤其在大量制造环境中，因为一旦建立，示图300就在线310上提供DAC码C与温度T之间的线性关系。结果，可以容易地识别对应的温度T和DAC码C。例如，在水平轴上给定DAC码C，可以使用线310识别垂直轴上的对应温度T。类似地，在垂直轴上给定温度T，可以使用线310识别水平轴上的对应DAC码。在应用中，可以基于温度T和DAC码C之间的线性关系，在接近室温的简单校准工艺中容易且经济地建立线310。例如，具体化为电路400或500的温度传感器(例如，温度感测电路)经受第一已知温度(例如温度！\)。对应于温度T1，识别DAC码(例如，码C1)。然后，温度感测电路经受第二已知温度(例如温度T2)。对应于温度T2，识别DAC码(例如，码C2)。基于温度T和DAC码C (温度T1和T2以及DAC码C1和C2)之间的线性关系，可以通过本领域已知的各种技术来容易地建立线310，并且本申请的实施例不限于特定技术。在又一应用中，例如，一旦建立，线310就被分析以对可使用本申请的实施例在半导体芯片中调节温度T的控制电路进行编程。例如，如果可以在芯片的特定运行时刻处识别DAC码(例如，码C75)，则该码C75对应于例如75 °C处的温度T75的温度。由于75 °C处的温度T75表示例如该芯片以400MHz运行并由此生成太多热量，所以控制电路被编程使得芯片以较低的速率(例如，300MHz)运行以减少生成的热量。类似地，如果识别DAC码(例如，码C100)，则该码对应于例如100°C处的温度TlOO的温度。例如，由于100°C处的温度TlOO会损坏芯片，所以控制电路被编程，使得在其识别码ClOO时关闭芯片。上面的实例用于示出本申请的应用，并且应用不限于任何特定实例。提供Vctat和Vqip的电路-第一实施例图4示出了根据第一实施例的提供Vctat和Vqip的电路400。为了示出的目的，图4还包括比较器100。Vaff经过具有利用正温度系数电路部件抵消温度效应的负温度系数电路部件的电路400，使得产生低或可忽略的温度系数。晶体管％、M2和放大器A1构成电流反射镜，其中，放大器A1使电流Imi和Im2相等以及使节点NODE I和N0DE2出的电压相等。由于Imi等于Im2,所以为了示出的目的，Im用于表示Imi或Ικ。在节点NODEl处，IM2 = I21+IQ1，而在节点N0DE2处，Im2 = IQ2+I22。双极晶体管Q1被配置为二极管，因为二极管具有负温度系数。Vctat实际上为晶体管Q1的Vbe(从基极到发射极的电压)，并且为了示出的目的，其被称为VBEQ1。双极晶体管Q2也被配置为二极管，并且为了示出的目的，晶体管Q2的基极和发射极两端的电压被称为VBEQ2。在图4的实施例中，使用CMO S技术，并且晶体管Q1和Q2被实施为二极管。然而,本申请的实施例可以使用二极管来代替晶体管，或者操作依赖于温度的任何其他器件。如图所示，两个电阻器R21和R22为两个电流I21和I22提供电流路径。在图4的实施例中，由于R21 = R22，所以电阻器R21或R22都可以被称为R2。类似地，由于I21 = I22，所以电流I21或I22都可以被称为12。电阻器R21与晶体管Q1并联，而电阻器R22与串联的电阻器R1和晶体管Q2并联。Vctat是节点NODEl处的电压，并且也是晶体管Q1的Vbe两端的电压(例如，Vbeqi)，使得其具有负温度系数。电阻器R1两端的电压是Vbeqi和Vbeq2之间的电压差。结果，其具有正温度系数。DAC电阻器R3或DAC电流Im4提供电压Vaff,其中，在用于Im4或R3的特定值处，Vcmp = Im4X R3。根据本申请的实施例，Vcmp是可忽略的温度依赖电压。为了获得Vcmp的不同值，通过改变对应于每个电流Im4的DAC码或者改变电阻器R3来获得用于DAC电流Im4和/或R3的不同值。DAC晶体管M4表示由DAC晶体管M4的结构提供的每个电流Im4对应于DAC码。此外，DAC晶体管M4提供与电流Im相称的镜像电流IM4。即，Im4 = NXIM，其中，N是倍增系数。在图4的实施例中，DAC电路控制DAC晶体管M4。S卩，DAC电路的数字值对应于电流Im4的值。为了示出的目的，如果DAC电路包括M个输入位和N个输出位，则N = 2m。例如，如果M=2，则N = 22或4。如果M = 3，则N = 23或8。如果M = 4，则N = 24或16等等。本申请的实施例改变DAC码来获得頂4的不同值，并且有效地获得不同V-。在一个实施例中，改变DAC晶体管M4中有效晶体管的数量改变DAC码，并由此改变N的值。改变N的值又会改变电流Im4的值。例如，2位DAC (M = 2)使得N = 4 (22)且产生4个Im4值，3位DAC (M =
3)使得N = 8 (23)且产生8个Im4值，以及4位DAC (M = 4)使得N = 16 (24)且产生16个1 值等等。此外，由于电压Vcmp依赖于电流IM4 (VCMP = Im4XR3),所以如果通过具有4个值的DAC提供电流Im4 (例如，Im4 (0:3)),则Vqip对应于4值Vaff (0:3)。如果通过具有8个值的DAC提供电流Im4 (例如，Im4 (0:7)),则Vqip对应于8值Vqip (0:7)。如果通过具有16个值的DAC提供电流Im4 (例如，Im4 (0:15))，则Vcmp对应于16值Vcmp (0:15)等等。DAC电阻器R3表示电阻器R3的值还可以通过DAC码来改变。类似于DAC晶体管M4的情况，M位输入DAC提供了 N个输出，其中，N= 2m。此外，如果该DAC控制DAC电阻器R3,则N个DAC码(例如，N个DAC输出)对应于电阻器R3的N个值。此外，由于Vcmp =Im4 X R3,所以类似于上面解释的DAC晶体管M4,与DAC码相对应的电阻器R3的每个值也对应于Vqip的值。本申请的实施例改变DAC码来改变R3的值，并且有效地改变V-。本领域的技术人员应该意识到，存在许多已知的技术来通过DAC码使用电阻器R3的变化提供各种Vcmp的值，并且本申请的实施例不限于特定技术。在节点N0DE3处，由于比较器100的输入阻抗很高，所以线120上的电流很小并且可以忽略。结果Vcmp — Im4 X R3由于Im4 = N X Im,
KWVcmp=(NXIm)XR3由于Im = Imi = Im2 且 Im2 = ΙΘ2+Ι2所以Vcmp = NX (IQ2+I2) XR3由于Iq2 — (Vbeqi_Vbeq2)/Ri — (Vt In M21)/R1 且 I2 — Vbeq2/R2 — Vbeqi/R2 所以VCMp = NX ((VT In M21) /R^Vbeq2ZR2) XR3 (I)在上述等式(I)中，Vt是热电压且Vt = kT/q，其中，k是玻耳兹曼常数且q是单位电荷。此外，M21是二极管(或晶体管)Q2和Q1之间的面积比。基于等式(I)，通过R3的温 度系数抵消R1和R2的温度系数，因为R1和R2在分母中而R3在分子中。结果，Vaff的温度系数依赖于项(VT In M21)和Vbeqi的温度系数。本领域的技术人员应该意识到,Vbeqi的温度系数是负的，而(VT In M21)的温度系数是正的，并且它们基本上互相抵消，使得Vaff具有低或可忽略的温度系数。由于Vcmp具有低或可忽略的温度系数，所以图2中的线Ltcmp基本上是直线并且基本上相互平行。提供Vctat和Vcmp的电路-第二实施例图5示出了根据第二实施例的提供Vctat和Vqip的电路500。为了示出的目的，图5还包括比较器100。类似于电路400，电路500包括利用正温度系数电路部件抵消温度效应的负温度系数电路部件。此外，电路500还包括附加温度曲率补偿电路，并且作为其结果，Vcmp经过电路500，使得产生更加小的温度系数。除图中所示的电阻器R4、R5以及晶体管％和Q3之外，电路500类似于电路400。在图5的实施例中，R4 = R5,因此电阻器R4或R5可以被称为电阻器R45。类似于晶体管Q1和Q2,晶体管Q3也被配置为二极管。晶体管M3用作电流反射镜，其中，电流Im3具有与电流I1 (即，Imi或Im2)相同的值。在一个实施例中，晶体管Q3的面积与晶体管Q1的面积相同。类似于电路400，由于比较器100的输入阻抗很高，所以线120上的电流可忽略。因此，在节点N0DE3处，Vcmp — Im4 X R3由于Im4 = NX ImKWVcmp=(NXIm)XR3由于Im — Imi — IM2 J=L IK — Iq2+I2+Icomp所以Vcmp — N (IQ2+I2+IC0MP) X R3由于Iq2 — (Vt In M21)/R1, I2 — VBEQ1/R2 且 Icomp — (Vbeq3_Vbeqi)/ 或(Vbeq3_Vbeqi) /
R45所以Vcmp = N[ (VT In M21)/^+VbeqiZR2+(Vbeq3-Vbeqi)/R45] X R3(2)如上所讨论的，项(VT In M21)具有正温度系数，Vbeqi具有负温度系数。此外，Vbeq3-Vbeqi也具有正温度系数。项(VT In M21)、Vbeqi和Vbeq3-Vbeqi相互抵消，使得Vaff具有非常小或者可忽略的温度系数。本领域的技术人员应该意识到，等式(2)中的Vcmp具有比等式(I)中的Vcmp小的温度系数。结果，由电路500产生的图2中的线Ltcmp是直线，由此比由电路400产生的图2中的线Ltcmp更加平行。从而，由电路500产生的线310比由电路400产生的线310直。简而言之，与电路400相比，电路500在温度T与DAC码C之间提供了更加线性的关系。
依赖于与绝对温度成正比的温度的电压(Vptat)图6示出了根据与PTAT型实施相关的本申请实施例的比较器600。通过以下将描述的电路(例如，温度感测电路)生成线610上的参考电压VPTAT。类似于比较器100，比较器600比较电压Vaff与Vptat,并在线630上提供所得到的信号Crom。图6实施例中的Vaff类似于上述与CTAT型实施相关的实施例中的V-。Vptat是与绝对温度成正比(PTAT)的参考电压，并通过处于特定温度的温度感测电路生成。例如，类似于CTAT型实施例并且在一个应用中，温度感测电路被具体化为半导体设备(例如，CPU)中的传感器的一部分。在操作中，CPU经历也被温度感测电路经历的特定温度(例如，使用温度)，并且将该温度作为输入来生成VPTAT。如果Vcmp等于Vptat,则信号Vpott为真，例如具有高逻辑。如果Vcmp不等于Vptat,则信号Vrom被提供给另一电路(例如，调整电路(未示出))，该电路改变DAC码直到V-等于VPTAT。实际上，当Vcmp等于Vptat时，CPU和温度感测电路经历的温度(例如，温度Ttl)也处于温度感测电路提供Vptat的温度。此外，该温度Ttl对应于DAC码，例如DAC码Q。在本申请的各个实施例中，温度感测电路提供Vptat的温度和DAC码基本上线性相关。本领域的技术人员应该意识到，当温度和DAC码线性相关时，在二维轴上表示它们关系的示图为直线。 VPTAT、Vcmp 和对应温度图7示出了根据本申请实施例的VptatJqip和温度T之间的关系的示图200。如与CTAT型实施相关的实施例所解释的，每条线Ltomp均示出了电压Vaff与用作用于生成Vaff的输入的特定DAC码处的温度T之间的关系。将DAC码从最低有效位(LSB)变为最高有效位(MSB)提供了线Lvc:mp。在本申请的各个实施例中，由于用于Vqip的非常小或可忽略温度系数的特性，除了基本上为直线之外，线Lvaff非常接近于彼此平行(例如，基本上平行)。基于线Lvcmp的平行以及它们为直线，本申请的实施例提供了温度T与DAC码之间的线性。线Lvptat示出了 Vptat与温度T之间的关系。本领域的技术人员应该意识到，线Lvptat具有正斜率，并表示Vptat具有正温度系数。Lvptat和线Ltomp之间的交点表示在对应于特定DAC码C的特定温度T处Vptat等于V-。例如，点Vptatto表示在对应于特定DAC码Ctl的特定温度T0处Vptat等于V,类似地，点Vptatti表示在对应于特定DAC码C1的特定温度T1处Vptat等于VeMP，以及点Vptattn表示在对应于特定DAC码Cn的特定温度Tn处Vptat等于Vqip等等。在本申请的各个实施例中，每个点Vptatt都对应于温度感测电路所经历的特定温度处的Vqip和Vptat相等时(例如，当信号Cpqut为真时)比较器100中的结果。温度和DAC码-PTAT型图8不出了具有表不温度T和与Vptat相关的DAC码之间的关系的线810的不图800。例如，TO对应于码Ctl, T1对应于码C1, Tn对应于码Cn等等。本申请的实施例在温度T与DAC码之间尽可能多地提供线性，这比不提供这种线性的现有技术的方法更加具有优势。该线性源于图7中的线Ltomp基本上为直线且基本上互相平行的事实。如上面所解释的，在100%线性情况下，线L胃为100%直线，并由此100%相互平行，这使得线810为100%直线。在另一方法中，线Ltomp为曲线和/或不相互平行，这会使得线810同样为曲线。本领域的技术人员应该意识到，线810的曲率越小，温度T与DAC码之间的关系越线性。本申请的实施例是有利的，尤其在大量制造环境中，因为一旦建立，示图800就在线810上提供DAC码C与温度T之间的线性关系。结果，可以容易地识别对应的温度T和DAC码C。例如，在水平轴上给定DAC码C，可以使用线810识别垂直轴上的对应温度T。类似地，在垂直轴上给定温度T，可以使用线810识别水平轴上的对应DAC码。在应用中，可以基于温度T和DAC码C之间的线性关系，在接近室温的简单校准工艺中容易且经济地建立线810。例如，具体化为电路400或500的温度传感器(例如，温度感测电路)(Vctat被电路900生成的Vptat代替)经受第一已知温度(例如温度T1)。对应于温度T1，识别DAC码(例如，码卬。然后，温度感测电路经受第二已知温度(例如温度T2)。对应于温度T2,识别DAC码(例如，码C2)。基于温度T和DAC码C (温度T1和T2以及DAC码C1和C2)之间的线性关系，可以通过本领域已知的各种技术来容易地建立线810，并且本申请的实施例不限于特定技术。在又一应用中，例如，一旦建立，线810就被分析以对可使用本申请的实施例在半导体芯片中调节温度T的控制电路进行编程。例如，如果可以在芯片的特定运行时刻处识别DAC码(例如，码C75)，则该码C75对应于例如75°C处的温度T75 的温度。由于75°C处的温度T75表示例如该芯片以400MHz运行并由此生成太多热量，所以控制电路被编程使得芯片以较低的速率(例如，300MHz)运行以减少生成的热量。类似地，如果识别DAC码(例如，码C100)，则该码对应于例如100°C处的温度TlOO的温度。例如，由于100°C处的温度TlOO会损坏芯片，所以控制电路被编程，使得在其识别码ClOO时关闭芯片。上面的实例用于示出本申请的应用，并且应用不限于任何特定实例。 提供Vptat和Vcmp的电路在本申请的各个实施例中，类似于与CTAT型相关的Vqip,生成与PTAT型实施例相关的Vaff,包括使用上述电路400和500。图9示出了根据实施例的用于生成Vptat的电路900。为了示出了目的，图9还包括比较器600。除了电路900不包括对应于电阻器R21和R22的电阻器之外，电路900类似于电路400。此外，晶体管M6和M7分别对应于晶体管M1和M2 ;放大器A2对应于放大器A1 ；电阻器R7对应于电阻器R1 ;晶体管Q4和Q5分别对应于晶体管Q1和Q2。晶体管M5对应于DAC晶体管M4,以及电阻器R6对应于DAC电阻器R3。结果，晶体管M6J7和放大器A2组成电流反射镜，其中，放大器A2使电流1 6和Im7相等以及使N0DE6和N0DE7处的电压相等。为了示出的目的，Im6或Im7都可以被称为IM67。晶体管M5提供与电流Im67的镜像电流IM5。结果，在N0DE4处，由于比较器600的输入阻抗很高，所以线610上的电流可忽略。结果，Vptat — Im5 X R6由于IM5 = IM6 = IM7 = (VT In M54) /R7 (其中，M54 是晶体管 Q5 和 Q4 的面积比)所以Vptat= ((Vt In M54) /R7) X R6由于Vt= (kXT)/q所以Vptat = ((k X T) In M54/ (q X R7)) X R6 或((k X R6) In M54/ (q X R7)) X T (3)从等式(3)可以看出，Vptat依赖于与绝对温度成正比的T(或温度)。类似于CTAT型实施例，电路900与上面解释的电路400和DAC码相联合在DAC码和与Vptat相关的温度之间提供了线性关系。此外，与电路和电路400联合相比，电路900与电路500相联合提供更加线性的关系。DAC晶体管和DAC码图10示出了提供电流I (并由此提供Vcmp)的DAC晶体管M4的实例的电路1000。电路1000包括四个晶体管m4(i、m41、M42和M43,它们分别被信号Cl；、CT1, CT2和CT3控制(例如，导通或截止)。例如，为了使晶体管m4(i、m41、M42或M43导通，分别激活每个信号CTtl、CT1、CT2和CT3 (例如，拉到低或O)。相反，为了使晶体管M4(I、M41、M42或M43截止，分别去激活每个信号CT0,CI\、CT2和CT3(例如，拉到高或I)。在图10的实施例中，由于Im4 = IM4Q+IM41+IM42+IM43，所以电流Im4的值依赖于电流1_、Im4I> Im42和Im 的每一个。此外，导通晶体管M4(i、M41 > M42或 M43 向电如[^ 114 is供电如1* 1140' Im41、Im42 或 Im43。图11示出了表格1100,其示出了值L与导通或截止的晶体管M4的数量之间的相关性。当L = O时，只有晶体管M4tl导通。当L = I时，晶体管M4tl和M41导通。当L = 2时，晶体管M4(i、M41和M42导通，以及当L = 3时，所有的晶体管M4(i、M41、M42和M43都导通。图12示出了表格1200，其示出了值L与信号CT之间的关系。当L = O时，由于只有晶体管M40导通，所以信号CTtl为低(或0)，而信号CT1、CT2、CT3为高(或I)。当L= I时，由于晶体管M4tl和M41导通而晶体管M42和M43截止， 所以信号CTtl和CT1为低而信号CT2和CT3为高。当L = 2时，由于晶体管M4(i、M41和M42导通而晶体管M43截止，所以信号CT。、CT1和CT2为低而信号CT3为高。类似地，当L = 3时，由于所有晶体管M4(i、M41, M42和M43都导通，所以所有的信号CI^CTpCT2和CT3均为低。根据实施，L的值或信号CT的数字值可以被认为是对应于上面解释的DAC电流IM4(或电压Vqip)的数字码。例如，对于从O到3的每个值或DAC码L，存在对应的DAC电流IM4。对于另一实例，对于表格1200的信号信号Cl；、CVCT2和CT3的每个码0001、0011、0100或1111，存在对应的DAC电流Im4。为了示出的目的，图10至图12仅示出了四个晶体管M4、四个L值以及四个信号CT以对应于DAC电流Im4的四个值。本申请不限于四个DAC码’而是可应用于各种数量的DAC码和各种其他方式来提供DAC码。图13是示例性热传感器的示意图。在图13中，热传感器1300包括具有输入节点的比较器100。热传感器1300包括参考电压发生器1310，其与比较器100的输入节点电连接。应该注意，参考电压发生器1310被配置为提供基本上与温度无关的参考电压V-。热传感器还包括温度感测电路1320，其与比较器100的另一输入节点电连接。应该注意，温度感测电路1320被配置为提供温度依赖电压VTD。通过比较参考电压Vcmp和温度依赖电压Vtd,比较器100生成提供给另一电路(例如，调整电路(未示出))的信号Qm，该电路改变DAC码直到上面结合图I所描述的Vaff等于VTD。以下是关于使用参考电压发生器和/或热感测电路中的金属氧化物半导体(MOS)晶体管的描述。应该注意，晶体管Q1和Q2可以为CMOS晶体管、双极晶体管、二极管、如上面参照图4描述的其操作依赖于温度的其他器件。以下描述仅仅是进一步详细提供了使用MOS晶体管以及热传感器中的操作的实施例。图14是包括CTAT感测电路的示例性热传感器的示意图。通过相同的参考标号或符号来表示图14的热传感器1400中与图4的电路400中的项相同或相似的项。在图14中，热传感器1400温度感测电路1320是CTAT感测电路，其被配置为提供如上面参照图4描述的温度依赖电压VCTAT。温度感测电路1320包括电流反射镜1325。金属氧化物半导体(MOS)晶体管Q1,电连接在电流反射镜1325和地之间。节点N1在MOS晶体管Q1,和电流反射镜1325之间。节点N1与比较器100的输入节点电连接。电阻器R1与电流反射镜1325电连接。节点N2在电阻器R1和电流反射镜1325之间。MOS晶体管Q2,串联地与电阻器R1电连接。MOS晶体管Q2,和电阻器R1以并联方式与MOS晶体管Q1,电连接。
在热传感器1400的感测操作期间，MOS晶体管Q1,和Q2,在次阈(sub-threshold)区域或弱反转区域中操作。在子阈域中，MOS晶体管Q1,和Q2,分别具有与上面结合图4描述的双极晶体管Q1和Q2类似的电特性。例如，在次阈操作中，MOS晶体管Q1,和Q2,的栅极到源极电压(Ves)与绝对温度成反比。MOS晶体管Q1,和Q2,的Ves差(AVes)与绝对温度成正比。通过在子阈域或弱反转区域中操作MOS晶体管Q1,和Q2,，可以生成温度依赖电压Vctat并将其提供给比较器100。在一些实施例中，MOS晶体管Q1,和Q2,的沟道长度/宽度(L/W)可以被修改以将流过MOS晶体管Q1,的电流Iqi,调整为基本上等于流过MOS晶体管
Q2,的电流Iq2-。再次参照图14，如上参照图4所描述的，参考电压发生器1310包括晶体管M4和电阻器R3。在一些实施例中，参考电压发生器1310包括温度感测电路1320。可通过将晶体管M4和电阻器R3之间的节点N3连接至比较器100的输入节点来提供参考电压VCMP。在其 他实施例中，如图15所示，热传感器1500的参考电压发生器1310包括电路1315。在一些实施例中，电路1315具有与温度传感器电路1320相同或类似的结构。例如，电路1315包括晶体管M1,和M2,、电阻器R1, ,R21,和R22,以及MOS晶体管Q6和Q7,在热感测操作期间，它们分别可操作为电阻器Ml和M2、电阻器R1' R21和R22以及MOS晶体管Q11,和Q2,。在一些实施例中，可以在上面结合图14和图15描述的热传感器1400和1500中采用上面结合图5描述的温度曲率补偿电路。例如，可以在热传感器1400和1500中应用电阻器R4和R5以及晶体管M3和Q3 (如图5所示)的结构。应该注意，MOS晶体管Q1,和Q2,代替双极晶体管Q1和Q2。双极晶体管Q3可以被另一 MOS晶体管代替。在热传感器1400的感测操作期间，与MOS晶体管Q1,和Q2,类似，MOS晶体管在子阈域或弱反转区域中操作。图16是包括PTAT感测电路的示例性热传感器的示图。通过相同的参考标号或符号来表示图16的热传感器1600中与图9的电路900中的项相同或相似的项。在图16中，热传感器1600温度感测电路1620是PTAT感测电路，其被配置为提供如上面参照图9描述的温度依赖电压VPTAT。温度感测电路1620包括电流反射镜1625。金属氧化物半导体(MOS)晶体管Q4,电连接在电流反射镜1625和地之间。节点N6在MOS晶体管Q4,和电流反射镜1625之间。节点N6与比较器600的输入节点电连接。电阻器R7与电流反射镜1625电连接。节点N7在电阻器R7和电流反射镜1625之间。MOS晶体管Q5,串联地与电阻器R7电连接。MOS晶体管Q5,和电阻器R7以并联方式与MOS晶体管Q4,电连接。在热传感器1600的感测操作期间，MOS晶体管Q4,和Q5,在子阈域或弱反转区域中操作。在子阈域中，MOS晶体管Q4,和Q5,分别具有与上面结合图9描述的双极晶体管Q4和Q5类似的电特性。通过在子阈域或弱反转区域中操作MOS晶体管Q4,和Q5,，可以生成温度依赖电压Vptat并将其提供给比较器600。在一些实施例中，MOS晶体管Q4,和Q5,的沟道长度/宽度(L/W)可以被修改以将流过MOS晶体管Q4,的电流Iq4,调整为基本上等于流过MOS晶体管Q5,的电流Iq5,。在一些实施例中，可以在上面结合图14和图15描述的热传感器中采用上面结合图5描述的温度曲率补偿电路。应该注意，MOS晶体管Q1,和Q2,被用于热传感器1400。双极晶体管Q3可以被MOS晶体管代替。在热传感器1400的感测操作期间，与MOS晶体管Q1,和Q2,类似，MOS晶体管在子阈域或弱反转区域中操作。
已经描述了本申请的多个实施例。然而，应该理解，在不背离本申请的精神和范围的情况下，可以进行各种变化和修改。例如，虽然在所描述的实施例中示出了电阻器(电阻器R1、R2等)，但它们可以被电阻部件、电阻网络或其等效物来代替。电路400和500用于一起生成Vqip和Vctat，但是不同的电路可用于独立地生成Vcmp和Vctat。在上述实施例中用于生成Vqip和Vctat的电路仅仅是用于图示的目的，提供与绝对温度互补或与绝对温度成正比的电压的其他电路也在本申请实施例的范围之内。所示实施例使用术语“等于”或“不等于”，但是只要两个元件足够接近被本领域的技术人员认为相等(例如，基本相等)，则它们均在本申请实施例的范围内。本文档中的每个权利要求都构成独立的实施例，结合不同实施例和/或上述实施例的实施例都在本申请的范围内，并且对于本领域的技术人员来说在阅读本公开之后是显 而易见的。因此，应该参考以下权利要求来确定本申请的范围。
权利要求
1.ー种热传感器，包括 比较器，具有第一输入节点和第二输入节点； 參考电压发生器，与所述比较器的所述第一输入节点电连接，所述參考电压发生器被配置为提供基本上独立于温度的參考电压；以及 温度感测电路，与所述比较器的所述第二输入节点电连接，所述温度感测电路被配置为提供依赖于温度的电压，其中，所述温度感测电路包括 电流反射镜； 第一金属氧化物半导体MOS晶体管，电连接在所述电流反射镜与地之间，其中，第一节点在所述第一 MOS晶体管与所述电流反射镜之间； 第一电阻器，与所述电流反射镜电连接，其中，第二节点在所述第一电阻器与所述电流反射镜之间；以及 第二 MOS晶体管，与所述第一电阻器串联电连接，其中，所述第二 MOS晶体管和所述第一电阻器以并联的方式与所述第一 MOS晶体管电连接。
2.根据权利要求I所述的热传感器，其中，所述第一MOS晶体管和所述第二MOS晶体管在所述热传感器的感测操作期间在子阈域中进行操作。
3.根据权利要求I所述的热传感器，其中，所述温度感测电路为与绝对温度互补CTAT感测电路。
4.根据权利要求3所述的热传感器，其中，所述第一节点与所述比较器的所述第二输入节点电连接。
5.根据权利要求4所述的热传感器，还包括 第三MOS晶体管，与电源电压电连接； 第四MOS晶体管，与所述第三MOS晶体管串联电连接； 第二电阻器，电连接在所述第一节点与所述第三晶体管和所述第四晶体管之间的第三节点之间；以及 第三电阻器，电连接在所述第三节点和所述第二节点之间。
6.根据权利要求5所述的热传感器，其中，所述第四MOS晶体管在所述热传感器的感测操作期间在子阈域中进行操作。
7.根据权利要求I所述的热传感器，其中，所述温度感测电路为与绝对温度成比例PTAT感测电路。
8.根据权利要求7所述的热传感器，还包括 第三MOS晶体管，与电源电压电连接，其中，所述第三MOS晶体管的栅极与所述电流反射镜电连接；以及 第二电阻器，与所述第三MOS晶体管串联电连接，其中，所述第三MOS晶体管和所述第ニ电阻器之间的第三节点与所述比较器的所述第一输入节点电连接。
9.ー种热传感器，包括 比较器，具有第一输入节点和第二输入节点； 參考电压发生器，与所述比较器的所述第一输入节点电连接，所述參考电压发生器被配置为提供基本上独立于温度的參考电压；以及 与绝对温度互补CTAT感测电路，与所述比较器的所述第二输入节点电连接，所述CTAT感测电路被配置为提供依赖于温度的电压，其中，所述CTAT感测电路包括 电流反射镜； 第一金属氧化物半导体MOS晶体管，电连接在所述电流反射镜与地之间，其中，第一节点在所述第一 MOS晶体管与所述电流反射镜之间； 第一电阻器，与所述电流反射镜电连接，其中，第二节点在所述第一电阻器与所述电流反射镜之间；以及 第二 MOS晶体管，与所述第一电阻器串联电连接，其中，所述第二 MOS晶体管和所述第一电阻器以并联的方式与所述第一 MOS晶体管电连接，并且所述第一 MOS晶体管和所述第ニ MOS晶体管在所述热传感器的感测操作期间在子阈域中进行操作。
10.ー种热传感器，包括 比较器，具有第一输入节点和第二输入节点； 參考电压发生器，与所述比较器的所述第一输入节点电连接，所述參考电压发生器被配置为提供基本上独立于温度的參考电压；以及 与绝对温度成比例PTAT感测电路，与所述比较器的所述第二输入节点电连接，所述PTAT感测电路被配置为提供依赖于温度的电压，其中，所述PTAT感测电路包括 电流反射镜； 第一金属氧化物半导体MOS晶体管，电连接在所述电流反射镜与地之间，其中，第一节点在所述第一 MOS晶体管与所述电流反射镜之间； 第一电阻器，与所述电流反射镜电连接，其中，第二节点在所述第一电阻器与所述电流反射镜之间；以及 第二 MOS晶体管，与所述第一电阻器串联电连接，其中，所述第二 MOS晶体管和所述第一电阻器以并联的方式与所述第一 MOS晶体管电连接，并且所述第一 MOS晶体管和所述第ニ MOS晶体管在所述热传感器的感测操作期间在子阈域中进行操作。
全文摘要
一种热传感器，包括具有第一和第二输入节点的比较器。参考电压发生器与第一输入节点电连接。参考电压发生器被配置为提供基本上与温度无关的参考电压。温度感测电路与第二输入节点电连接。温度感测电路被配置为提供依赖于温度的电压。温度感测电路包括电流反射镜。第一金属氧化物半导体(MOS)晶体管电连接在电流反射镜和地之间。第一电阻器与电流反射镜电连接。第二MOS晶体管与第一电阻器串联电连接。第二MOS晶体管和第一电阻器以并联的方式与第一MOS晶体管电连接。
文档编号G01K7/16GK102853931SQ20111032431
公开日2013年1月2日 申请日期2011年10月20日 优先权日2011年6月30日
发明者隋彧文 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司