片上系统、温度测量单元、相关设备和方法与流程

1.本公开涉及芯片领域，更具体而言，涉及一种片上系统、温度测量单元、相关设备和方法。


背景技术：

2.温度测量在芯片领域具有广泛的应用。目前在芯片上进行温度测量主要采用模拟测量的方式。这种方式有两个缺点。首先，在芯片中一般由模拟电路部分和数字电路部分。一颗芯片中通常在模拟电路部分和数字电路部分都有测量温度的需求。在数字电路部分进行温度测量时，插入模拟测量温度的元件或电路，该部分元件或电路需要模拟电压作为供电，而数字电路部分只有数字供电电压，因此造成供电电压不兼容。另外，该模拟测量方式得到的是模拟信号，其要转换成数字信号供给数字电路部分，因而需要模数转换电路，使得需要的功耗和芯片面积都比较大。
3.因此，需要一种新的温度测量方式，其能够解决芯片供电电压兼容性问题，降低功耗，减少芯片面积。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本公开旨在提出一种温度测量方式，以解决芯片供电电压兼容性问题，降低功耗，减少芯片面积。
5.为了达到这个目的，根据本公开的一方面，提供了一种片上系统，包括温度测量单元，所述温度测量单元包括：
6.第一环形振荡器，输入第一电流，输出具有第一频率的第一电信号，所述第一电流随温度线性变化；
7.第二环形振荡器，输入第二电流，输出具有第二频率的第二电信号，所述第二电流随温度线性变化；
8.频率比模块，用于获取所述第一频率与所述第二频率的比，作为所述温度测量单元的输出，以表征温度信息。
9.可选地，该片上系统还包括处理单元，用于基于所述温度测量单元测得的温度信息进行处理。
10.可选地，所述频率比模块包括：
11.第一频率获取器，用于获取所述第一频率；
12.第二频率获取器，用于获取所述第二频率；
13.除法器，用于将所述第一频率与所述第二频率相除，得出所述温度测量单元的输出。
14.可选地，所述第一频率获取器是对单位时间内所述第一电信号的周期进行计数的累加器；所述第二频率获取器是对单位时间内所述第二电信号的周期进行计数的累加器。
15.可选地，第一温度系数和第二温度系数小于预定温度系数阈值，所述第一温度系
数是所述第一电流随温度线性变化的斜率，所述第二温度系数是所述第二电流随温度线性变化的斜率。。
16.可选地，所述第一电流和所述第二电流的大小预先被调节，直到所述传感器输出随温度变化线为一条直线。
17.可选地，所述第一环形振荡器和所述第二环形振荡器分别包含奇数个串联的第一反相器和第二反相器，通过所述第一反相器或第二反相器的个数、类型和尺寸中的至少一个来调整所述传感器输出随温度变化线的斜率。
18.可选地，所述第一环形振荡器还包括第一电流源，所述第二环形振荡器还包括第二电流源，所述第一电流和所述第二电流分别是所述第一电流源和第二电流源的偏置电流。
19.可选地，所述第一反相器或第二反相器包括共栅、共漏的第一p型金属氧化物半导体管和第一n型金属氧化物半导体管，所述第一n型金属氧化物半导体管的源极接地。
20.可选地，所述第一电流源或第二电流源分别包括第二p型金属氧化物半导体管和多个第三p型金属氧化物半导体管，所述第三p型金属氧化物半导体管的数目与所述第一反相器或第二反相器的数目一致，所述第二p型金属氧化物半导体管和所述多个第三p型金属氧化物半导体管的栅极、所述第二p型金属氧化物半导体管的漏极流入所述偏置电流，所述第二p型金属氧化物半导体管和所述多个第三p型金属氧化物半导体管的源极连接数字电路电源，所述多个第三p型金属氧化物半导体管的漏极连接对应的第一p型金属氧化物半导体管的源极。
21.根据本公开的一方面，提供了一种温度测量单元，包括：
22.第一环形振荡器，输入第一电流，输出具有第一频率的第一电信号，所述第一电流随温度线性变化；
23.第二环形振荡器，输入第二电流，输出具有第二频率的第二电信号，所述第二电流随温度线性变化；
24.频率比模块，用于获取所述第一频率与所述第二频率的比，作为所述温度测量单元的输出，以表征温度信息。
25.根据本公开的一方面，提供了一种服务器，包括温度测量单元，所述温度测量单元包括：
26.第一环形振荡器，输入第一电流，输出具有第一频率的第一电信号，所述第一电流随温度线性变化；
27.第二环形振荡器，输入第二电流，输出具有第二频率的第二电信号，所述第二电流随温度线性变化；
28.频率比模块，用于获取所述第一频率与所述第二频率的比，作为所述温度测量单元的输出，以表征温度信息。
29.可选地，所述频率比模块包括：
30.第一频率获取器，用于获取所述第一频率；
31.第二频率获取器，用于获取所述第二频率；
32.除法器，用于将所述第一频率与所述第二频率相除，得出所述温度测量单元的输出。
33.可选地，第一温度系数和第二温度系数小于预定温度系数阈值，所述第一温度系数是所述第一电流随温度线性变化的斜率，所述第二温度系数是所述第二电流随温度线性变化的斜率。
34.根据本公开的一方面，提供了一种数据中心，包括根据如上所述的服务器。
35.根据本公开的一方面，提供了一种电子设备，包含如上所述的片上系统。
36.根据本公开的一方面，提供了一种温度测量方法，包括：
37.将第一电流输入第一环形振荡器，得到具有第一频率的第一电信号，所述第一电流随温度线性变化；
38.将第二电流输入第二环形振荡器，得到具有第二频率的第二电信号，所述第二电流随温度线性变化；
39.获取所述第一频率与所述第二频率的比，作为温度测量输出，以表征温度信息。
40.本公开实施例利用环形振荡器输出的信号频率在其他条件不变时与温度成线性关系的特性，用环形振荡器来感测温度。环形振荡器由多级串联的反相器(非门)组成。当环形振荡器的级数和反相器尺寸不变时，环形振荡器输出的信号不但与温度有关，还与电源电压有关。因此，用环形振荡器来感测温度，易受电源电压影响，且电源电压的影响难以估计，因此现有技术中没有人采用环形振荡器作为温度传感器。本公开实施例采用两个环形振荡器而不是一个环形振荡器，给两个环形振荡器通上随温度线性变化的电流，并且通过两个环形振荡器输出信号频率的比来代表感测的温度。两个环形振荡器输出信号频率的比消除了电压变化的影响，只与温度成线性关系。通过这样的方式，就为环形振荡器测量温度提供了现实的可能。它事先了在片上系统中数字化测量温度，不会产生模拟方式应用到片上系统的数字部分时的不兼容问题，且不需要模数转换器，因而降低了功耗，减少了芯片面积。
附图说明
41.通过参考以下附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
42.图1是根据本公开一个实施例的温度测量单元的整体电路结构图；
43.图2是根据本公开一个实施例的第一环形振荡器的电路图；
44.图3是根据本公开一个实施例的第二环形振荡器的电路图；
45.图4是根据本公开一个实施例的温度测量方法的流程图。
具体实施方式
46.以下基于实施例对本公开进行描述，但是本公开并不仅仅限于这些实施例。在下文对本公开的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本公开。为了避免混淆本公开的实质，公知的方法、过程、流程没有详细叙述。另外附图不一定是按比例绘制的。
47.在本文中使用以下术语。
48.环形振荡器：一种采用奇数个反相器(非门)组成的环形电路。电路的输出是振荡产生两个电平。以三个非门为例，假定某一时刻t0，非门a输入端变为高电平，则非门a输出
2，如图3所示，输出具有第二频率的第二电信号。第一环形振荡器110由奇数个第一反相器111级联而成，最后一级的第一反相器111的输出连接回第一级的第一反相器111的输入，形成一个环，故为环形振荡器。同理，第二环形振荡器120由奇数个第二反相器121级联而成，最后一级的第二反相器121的输出连接回第一级的第二反相器121的输入，形成一个环。
59.环形振荡器的输出是周期性振荡产生两个电平。以图1-3的环形振荡器包括3个反相器为例，假定某一时刻t0，第一个反相器输入端变为高电平，则第一个反相器的输出端(第二个反相器的输入端)在反相器延迟时间δt后(t＝t0+δt)变为低电平，t＝t0+2δt后第二个反相器的输出端(第三个反相器的输入端)变为高电平，t＝t0+3δt第三个反相器的输出端(即第一个反相器的输入端)由高电平变为低电平，此时第一个反相器的输入端电平与t0时正好相反
……
依次类推，6δt后第一个反相器的输入端又变回高电平完成一个周期的振荡，如此往复。在温度和电源电压固定的情况下，该震荡的周期或输出信号的频率与环形振荡器所含的反相器的个数和尺寸有关。例如，当环形振荡器所含的反相器由3个变成5个时，振荡的周期由上述的6δt变为10δt，周期变大，频率变小。另外，反相器的尺寸决定上述δt的大小，因此也决定频率的大小。如果非门的个数和尺寸固定，输出信号的频率则与温度成线性关系，也与电源电压有关，本公开实施例就是利用这一点感测温度的。
60.注意，第一环形振荡器110只能由奇数个第一反相器111级联而成，不能由偶数个第一反相器111级联而成。如果由偶数个第一反相器111级联而成，最后一个反相器的输出送回第一个反相器作为输入时，其与第一个反相器的t0时的输入相同，因此无法形成振荡。同理，第二环形振荡器120只能由奇数个第二反相器121级联而成。
61.由于当环形振荡器的反相器个数和尺寸不变时，环形振荡器输出的信号不但与温度有关，还与电源电压有关，因此，用环形振荡器来感测温度，易受电源电压影响，且电源电压的影响难以估计。由于这一点，现有技术中没有人采用环形振荡器作为温度传感器。本公开实施例巧妙地采用两个环形振荡器而不是一个环形振荡器，分别给两个环形振荡器通上随温度线性变化的第一电流和第二电流，并且通过两个环形振荡器输出信号频率的比来代表感测的温度。由于第一电流和第二电流随温度线性变化，两个环形振荡器输出信号频率的比中消除了电压变化的影响，只与温度成线性关系。通过这样的方式，就为环形振荡器感测温度提供了现实的可能。
62.本公开实施例是通过频率比模块130得到两个环形振荡器输出信号频率的比的，即获取所述第一频率与所述第二频率的比，作为图1的温度测量单元的输出，以表征温度信息。由于分别给两个环形振荡器通上随温度变化的第一电流ibias 1和第二电流ibias 2，因此，在该比中，电源电压的影响被从分子分母中同时消除，使得该比可以只反映温度的影响，从而以该比精确测量温度。
63.在一个实施例中，如图1所示，所述频率比模块130包括：第一频率获取器131，用于获取所述第一频率；第二频率获取器132，用于获取所述第二频率；除法器133，用于将所述第一频率与所述第二频率相除，得到图1的温度测量单元的输出。在图1中，第一频率获取器131可以是对单位时间内所述第一电信号的周期进行计数的累加器。第一电信号包括周期性振荡的两个电平，例如高电平和低电平。累加器初始设为0。可以每当高电平开始时，累加器累加1。在单位时间内累加器累加的值就是第一频率。同理，第二频率获取器132可以是对单位时间内所述第二电信号的周期进行计数的累加器。在图1中，触发器133可以通过触发
器实现。dff是触发翻转端，当其变化时，q端开始重新计数，跟随d端的状态变化。因此，q端的输出能够表示每当off端的第二电信号翻转时，在该周期d端的第一电信号累计翻转的次数，因此，它表示的就是第一电信号的第一频率除以第二电信号的第二频率的结果，相当于除法器。
64.第一电流和第二电流随温度的线性变化不能太大。假设第一温度系数是第一电流随温度线性变化的斜率，第二温度系数是第二电流随温度线性变化的斜率，这时要尽量使得第一温度系数和第二温度系数小于预定温度系数阈值。该温度系数阈值可以预先根据经验设置。
65.如上所述，通过电流随温度线性变化的、温度系数足够小电流源，可以使得第一电信号的第一频率与第二电信号的第二频率之比不受电源电压的影响，只与温度相关，从而利用该比代表温度，达到温度测量的效果。但频率比与温度相关不一定是良好的线性相关。在一个实施例中，为了达到频率比与温度良好地线性相关，可以不断调节所述第一电流ibias 1和所述第二电流ibias 2的大小，直到所述温度测量单元输出随温度的变化线为一条直线为止，即调节为线性相关。即，在第一频率与第二频率的比f1/f2与温度的直角坐标系中，该比随温度的变化曲线为直线。该直线的斜率可以通过所述第一反相器111或第二反相器121的个数、类型和尺寸中的至少一个来调整。这种斜率调节方式可以增加频率比调节的灵活性。
66.本公开实施例在校正时，可以采用单温度点校正或多温度点校正的方式。在单温度点校正时，事先已知单个温度对应的期望的第一频率与第二频率之比f1/f2。当图1实际测得的f1/f2与期望的f1/f2不同时，可以不断调节所述第一电流ibias 1和所述第二电流ibias 2的大小，使得测得的f1/f2与期望的f1/f2相同。在多温度点校正时，事先已知多个温度对应的期望的第一频率与第二频率之比f1/f2。对于每个温度，如果图1实际测得的f1/f2与该温度下期望的f1/f2不同，可以不断调节所述第一电流ibias 1和所述第二电流ibias 2的大小，使得测得的f1/f2与期望的f1/f2相同。
67.如图2所示，第一环形振荡器110除了各第一反相器111之外，还包括给各第一反相器111供电的第一电流源200。上述第一电流ibias 1是第一电流源200的偏置电流。也就是说，第一电流ibias 1是通过第一电流源200作用于各第一反相器111的。如图3所示，第二环形振荡器120除了各第二反相器121之外，还包括给各第二反相器121供电的第二电流源300。上述第二电流ibias 2是该第二电流源300的偏置电流。也就是说，第二电流ibias 2是通过第二电流源300作用于各第二反相器121的。
68.下面详细介绍第一电流源200、第二电流源300第一反相器111和第二反相器121的具体结构。
69.如图2和3所示，第一反相器111或第二反相器121包括共栅、共漏的第一p型金属氧化物半导体管301和第一n型金属氧化物半导体管304，所述第一n型金属氧化物半导体管304的源极接地dgnd。第一p型金属氧化物半导体管301的源极接受第一电流源200提供的电流。级联的多个第一反相器111或多个第二反相器121，前一级反相器的共同漏极连接到后一级反相器的共同栅极，最后一个反相器的共同漏极连接回第一级反相器的共同栅极。最后一个反相器的共同漏极作为第一反相器111或第二反相器121的输出端。注意，图2或3示出的第一反相器111或第二反相器121的结构仅仅是一种示例实施方式，本领域技术人员还
可以构想出其它的第一反相器111或第二反相器121的实施方式。
70.另外，如图2和3所示，所述第一电流源200或第二电流源300分别包括第二p型金属氧化物半导体管302和多个第三p型金属氧化物半导体管303。图2的每个第一反相器111连接一个第三p型金属氧化物半导体管303。具体地说，该第一反相器111的第一p型金属氧化物半导体管301的源极连接对应的第三p型金属氧化物半导体管303的漏极。第二p型金属氧化物半导体管302和所述多个第三p型金属氧化物半导体管303的栅极、以及所述第二p型金属氧化物半导体管302的漏极连接在一起，接入所述第一电流ibias 1或第二电流ibias 2。另外，第二p型金属氧化物半导体管302和所述多个第三p型金属氧化物半导体管303的源极连接在一起，接入数字电路的供电电平dvdd。注意，图2或3示出的仅是第一电流源200或第二电流源300的一种示例实施方式，本领域技术人员也可以构想出第一电流源200或第二电流源300的其他的实施方式。
71.另外，根据本公开的一个实施例，提供了一种服务器，包含了如图1所示的温度测量单元100。该服务器可以是物联网场景中的服务器，如控制物流的流向的物流服务器。在数据中心的场景中，该服务器也可以是数据中心中完成数据的处理和存储的刀片服务器组中的服务器。
72.另外，根据本公开的一个实施例，还提出了一种包含如上所述的服务器的数据中心。
73.另外，根据本公开的一个实施例，还提供了一种电子设备，其安装了如上所述的片上系统或温度测量单元。该电子设备可以是普通终端设备、专用设备、服务器、云上设备，也可以是一台物理机中单独划分出来作为一个独立执行主体的虚拟机。
74.另外，根据本公开的一个实施例，如图4所示，还提供了一种温度测量方法，包括：
75.步骤410、将第一电流输入第一环形振荡器，得到具有第一频率的第一电信号，所述第一电流随温度线性变化；
76.步骤420、将第二电流输入第二环形振荡器，得到具有第二频率的第二电信号，所述第二电流随温度线性变化；
77.步骤430、获取所述第一频率与所述第二频率的比，作为温度测量输出，以表征温度信息。
78.该方法的实现细节在如上关于图1-3的装置实施例中已详细描述，可以参考图1-3的实施例，故不赘述。
79.本公开的商业价值
80.本公开实施例在片上系统中实现了数字化的温度测量，其在环形振荡器中引入随温度变化的偏置电流，通过调节偏置电流的温度系数来精细调节温度测量单元的精度。由于是数字化测量温度，采用的工作电压与片上系统中的数字电路部分一致，且功耗小，芯片面积小，有利于在大芯片或者安全芯片中插入多个这样的温度测量单元。本公开实施例使得芯片的面积缩小20％-40％，功耗变成原来的60％-80％，具有良好的市场前景。
81.应该理解，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
82.应该理解，上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺
序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
83.应该理解，本文用单数形式描述或者在附图中仅显示一个的元件并不代表将该元件的数量限于一个。此外，本文中被描述或示出为分开的模块或元件可被组合为单个模块或元件，且本文中被描述或示出为单个的模块或元件可被拆分为多个模块或元件。
84.还应理解，本文采用的术语和表述方式只是用于描述，本说明书的一个或多个实施例并不应局限于这些术语和表述。使用这些术语和表述并不意味着排除任何示意和描述(或其中部分)的等效特征，应认识到可能存在的各种修改也应包含在权利要求范围内。其他修改、变化和替换也可能存在。相应的，权利要求应视为覆盖所有这些等效物。