一种基于MOSFET感温的低功耗时域温度传感器

一种基于mosfet感温的低功耗时域温度传感器
技术领域
1.本发明属于温度传感器领域，涉及一种基于mosfet感温的时域温度传感器。


背景技术：

2.随着cmos工艺节点进一步缩小，芯片功能越来越复杂，集成度越来越高，在先进的光刻技术的基础上，成千上万个晶体管集成在一块微小的硅基板上，这随之带来的芯片发热问题愈渐严重。由于芯片的自发热会严重降低其性能，因此对于芯片的热管理是必不可少的。在芯片的热管理中，片上温度传感器是一种常用的感知温度的器件，它能够提供有关热梯度和热点的局部温度信息，防止芯片过热以提高芯片的稳定性。
3.在片上温度传感器中，基于电阻器的温度传感器在能效和分辨率方面可以实现卓越的性能，基于电阻器的温度传感器采用高灵敏度的热敏电阻作为传感器，并结合使用高分辨率的模数转换器读出表征温度信息的数字码值。热敏电阻温度传感器灵敏度高，能够很容易的检测到温度的变化，并且响应温度变化快速，但同时，热敏电阻温度传感器也存在阻值非线性的问题，另外其对温度范围有限制，当超过指定的温度范围时将导致热敏电阻无法正常工作。
4.基于光纤的温度传感器利用部分物质吸收的光谱随温度的变化而变化的原理，分析光纤传输的光谱了解实时温度，光纤温度传感器测温灵敏度高，电绝缘，体积小，但是相对来说其应用成本较高，并且很容易受到光源噪声和环境中微振动带来的干扰，很难实现长时间的稳定测量。
5.基于三极管的温度传感器利用三极管产生正温度系数的电压，而后经由频率数字转换器读出数字码值，以此来表征温度，三极管温度传感器虽然精度高，但是这种温度传感器往往体积大、结构复杂，功耗高。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于mosfet感温的低功耗时域温度传感器，减小温度传感器的功耗和面积，拓宽感温范围，提高分辨率。
7.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.一种基于mosfet感温的低功耗时域温度传感器，该温度传感器包括依次连接的感温单元和频率数字转换器。其中频率数字转换器包括压控振荡器和计数器。该温度传感器通过感温单元感知外界温度，并将物理信号转换为模拟信号，经由压控振荡器将模拟信号转换为频率信号输入所述计数器中，再由计数器读出表征温度信息的数字码值。
9.可选地，感温单元包括感温元件和运算放大器，运算放大器的正向输入端与感温元件连接，其反向输入端与其输出端连接，运算放大器的输出端同时还连接压控振荡器。
10.可选地，感温元件包括mos管m1～m3；mos管m1的漏极连接电源，其栅极分别与m1的源极和衬底以及mos管m2的漏极和栅极连接；mos管m2的源极分别与m2的衬底以及mos管m3的栅极和漏极连接；m3的衬底与其源极连接，其源极接地；
11.mos管m2的漏极作为感温元件的输出，与运算放大器的正向输入端连接。
12.mos管m1～m3的漏源泄露电流相等。
13.可选地，压控振荡器包括mos管mp1～mp3、mc1～mc3和mn1～mn3，以及反相器inv1和inv2；mos管mp1的源极分别连接其衬底和电源，mp1的漏极分别与mos管mc1的漏极以及mos管mp2和mn2的栅极；mos管mc1的源极分别连接其衬底以及mn1的漏极；mos管mn1的源极连接其衬底，同时接地；mos管mp2的源极分别连接其衬底以及电源，其漏极分别与mos管mc2的漏极以及mp3和mn3的栅极连接；mos管mc2的源极分别连接其衬底以及mn2的漏极；mos管mn2的源极连接其衬底，同时接地；mos管mp3的源极分别连接其衬底以及电源，其漏极分别与mos管mc3的漏极、mp1和mn1的栅极以及反相器inv1的输入端连接；most管mc3的源极分别与其衬底以及mn3的漏极连接；mos管mn3的源极连接其衬底，同时接地；反相器inv1的输出端连接反相器inv2的输入端，inv2的输出端与计数器连接；
14.mos管mc1～mc3的栅极均接入感温单元的输出信号。
15.本发明的有益效果在于：本发明功耗低、面积小、结构简单，感温范围大，分辨率高。
16.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
17.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
18.图1为本发明低功耗时域温度传感器原理框图；
19.图2为感温单元电路图；
20.图3为压控振荡器部分电路图。
具体实施方式
21.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
22.请参阅图1～图3，为一种基于mosfet感温的低功耗时域温度传感器，其主要包含感温单元和频率数字转换器两个部分，其中频率数字转换器由压控振荡器和计数器两个部分组成，如图1所示。该温度传感器的基本机理为芯片片上温度经感温单元将物理信号转换为模拟电信号，模拟电信号经频率数字转换器转换为数字信号，在频率数字转换器内部则是模拟电信号先转换为频率，再由计数器读出，表征为二进制数字码值。
23.感温单元主要包括感温元件和连接成负反馈形式的运算放大器a1，其中感温元件
包括mos管m1～m3，如图2所示。mos管m1的漏极连接电源，其栅极分别与m1的源极和衬底以及mos管m2的漏极和栅极连接；mos管m2的源极分别与m2的衬底以及mos管m3的栅极和漏极连接；m3的衬底与其源极连接，其源极接地。mos管m2的漏极是整个感温元件的输出v
sense
，与运算放大器a1的正向输入端连接。运算放大器a1的负向输入端连接其输出端，其输出端则输出下一级压控振荡器的控制电压v
ctrl
。
24.感温单元温度与电压间函数关系的理论推导如下：
25.一般性mos管亚阈值区电流方程为：
[0026][0027]
式中，μ0表示mos管迁移率，c
ox
是单位面积的栅氧化层电容，表示mos管的宽长比，v
t
是温度当量，v
th
是阈值电压的失配，v
gs
是mos管的栅源电压，v
th
是mos管的阈值电压，γ是体效应系数，v
sb
是mos管的衬底与源极之间的电压，η是dibl效应系数，v
ds
是mos管的漏源电压，m是工艺因子。
[0028]
由于采用长沟道的深阱工艺的nmos管，γ和η可近似为0，又由于所采用的v
ds
≥3v
t
，故mos管m1～m3都工作在亚阈值区，且由于采用相同的沟道长度，v
th1
、v
th2
、v
th3
可视作近似相等，故可得到如下三个表达式：
[0029][0030][0031][0032]
令mos管m1～m3的漏源电流相等，则可以得到输出电压的表达式：
[0033][0034]
从式(5)中可以推断出，v
sense
与v
t
为线性关系，随温度升高而增大。
[0035]
压控振荡器包括mos管mp1～mp3、mc1～mc3、mn1～mn3，以及反相器inv1、inv2，其中mos管作为压控振荡器的主要部分，反相器inv1和inv2构成缓冲器，使得信号传递更为准确和稳定。如图3所示，压控振荡器的具体连接方式为：mos管mp1的源极分别连接其衬底和电源，mp1的漏极分别与mos管mc1的漏极以及mos管mp2和mn2的栅极；mos管mc1的源极分别连接其衬底以及mn1的漏极；mos管mn1的源极连接其衬底，同时接地；mos管mp2的源极分别连接其衬底以及电源，其漏极分别与mos管mc2的漏极以及mp3和mn3的栅极连接；mos管mc2的源极分别连接其衬底以及mn2的漏极；mos管mn2的源极连接其衬底，同时接地；mos管mp3的源极分别连接其衬底以及电源，其漏极分别与mos管mc3的漏极、mp1和mn1的栅极以及反相器inv1的输入端连接；mos管mc3的源极分别与其衬底以及mn3的漏极连接；mos管mn3的源
极连接其衬底，同时接地；反相器inv1的输出端连接反相器inv2的输入端，inv2的输出端输出频率为freq的方波信号，并输入至计数器中；mos管mc1～mc3的栅极均接入感温单元的输出信号v
ctrl
。
[0036]
压控振荡器的频率生成表达式理论推导如下：
[0037]
针对单级反相器，假设其对地等效电容为c
eq1
，若输入信号为阶跃信号，对等效电容充电时，输出电压为对等效电容放电时，输出电压为式中，t为充放电时间，τ为时间常数，v
dd
为电源电压。
[0038]
那么v
out
上升或下降到v
dd
的一半时，输出电压上升时间th和下降时间t
l
的表达式如下：
[0039]
th＝(ln2)r
pceq1
≈0.7r
pceq1
(6)
[0040]
t
l
＝(ln2)r
nceq1
≈0.7r
nceq1
(7)
[0041]
式中，r
p
表示作为反相器部分的pmos管的等效电阻，rn表示作为反相器部分的nmos管的等效电阻。
[0042]
则三级振荡器的周期为：3(th+t
l
)≈2.1(r
p
+rn)c
eq1
。
[0043]
针对处于深线性区的nmos管的等效电阻，有如下关系式：
[0044][0045]
其中，μn表示nmos管的迁移率。故可利用上式所示的可变电阻设计压控振荡器：
[0046]
在设计的压控振荡器中，输入控制信号为v
ctrl
，输出频率为freq。其中，输入信号v
ctrl
直接连接三个mos管mc1～mc3，为压控振荡器的可变电阻部分，对应的mp1和mn1构成一级反相器，mp2和mn2构成一级反相器，mp3和mn3构成一级反相器，共三级反相器构成振荡环，且没有稳态。第三级反相器mp3/mn3输出的信号与第一级反相器mp1/mn1输入的信号之间有180
°
相位差，每经过一级反相器，电路电压的幅度增益都大于1，也就是电路满足巴克豪森条件，周而复始，便会产生自激振荡。
[0047]
振荡环输出的谐振信号范围为0～v
dd
。在三级反相器的输入由v
dd
降至0v的瞬间，三个由输入信号v
ctrl
连接的mos管mc1～mc3都处于深线性区，这一瞬间三个作为可变电阻部分的mos管mc1～mc3分别相当于一个小电阻，然后三级反相器输出开始变化，直到输出电压变为v
dd
的1/2，nmos管mc1～mc3不再处于深线性区。这一段输出电压变化的时间就可以看作这一级反相器的延时，其受到mos管mc1～mc3深线性区等效电阻的影响。
[0048]
对于作为可变电阻部分的mos管，其深线性区等效电阻的表达式如下式所示：
[0049][0050]
输出信号的频率与输入电压关系推导如下：
[0051]
先引用前述的振荡器周期表达式，得到输出信号的频率：
[0052]
[0053]
通过调整mos管的宽长比，使得ro′
＞＞r
p and ro′
＞＞rn，则有如下表达式：
[0054][0055]
由于v
sense
＝v
ctrl
，则式(11)变为：
[0056][0057]
对式(12)进一步简化(由于v
sense-v
ds-v
th
部分的结果与温度相关，且存在高次幂项，故本发明中滤去其中与温度相关的高次项，只保留零次项和一次项)，得到：
[0058][0059]
式中，a、b均为常数，t表示温度。
[0060]
最后，把压控振荡器部分输出的频率为freq的方波信号送到计数器，由计数器读出可表征温度的数字码值。
[0061]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。