CN1831500A - 温度探测 - Google Patents

Abstract

本文提供了温度探测电路。在一些实施方案中，它们包括以电流镜配置的形式耦合在一起的第一和第二晶体管，以及第一和第二二极管。所述第一二极管耦合到所述第一晶体管，所述第二二极管耦合到所述第二晶体管。当所述电路工作时，在第一和第二二极管之间产生温度探测信号。本文还公开和/或要求保护其他实施方案。

Description

温度探测

技术领域

本文公开的实施方案总地涉及温度探测(sensing)电路。

背景技术

温度探测器(sensor)电路被普遍用在多种在芯片内包括温度监控(monitoring)的应用中。(这里使用术语“芯片(chip)”(或管芯(die))是指一片包括电路的材料，所述材料例如半导体材料，所述电路例如集成电路或集成电路的一部分。)温度探测电路通常产生指示电路温度以及从而电路周围温度(例如，在电路周围的芯片的一个区域)的信号。例如，这样一个电路可以在器件内温度过高时用来防止由于过热导致的器件毁坏。另一方面，它可以用来了解何时完全地驱动器件是合适的(例如，使微处理器在最大功率和/或最高频率下工作)。

不幸的是，由于常规温度探测电路一般不能在适当温度范围内提供线性温度响应信号，所以它们可能是不精确或是不实用的。例如，所谓的带隙(bandgap)温度探测器电路普遍地被用来监控芯片内部温度，但是，它们产生非线性温度响应信号。这样，它们的用途通常就被限制在响应足够近似于线性响应的狭窄的温度范围内。其他类型的探测器电路则是虽然更为线性但是可能不实用。例如，使用具有不同的阻值的不同金属制造的电阻的探测器能够产生相当线性的温度响应信号，但是可能在某些应用中不可行。

发明内容

本文公开的实施方案总地来讲涉及温度探测电路。根据本发明的一个方面，提供了一种具有至少一个温度探测电路的芯片，所述芯片包括：(i)具有第一和第二电流镜路径的电流镜电路；(ii)与所述第一电流镜路径串联的第一半导体器件；以及，(iii)与所述第二电流镜路径串联的第二半导体器件，其中，在所述第一和第二半导体器件之间的信号与所述电路的所述温度基本成线性比例关系。

根据本发明的另一个方面，提供了一种温度探测电路，包括：(a)以电流镜配置的形式耦合在一起的第一和第二晶体管；(b)耦合到所述第一晶体管的第一二极管；以及，(c)耦合到所述第二晶体管的第二二极管，其中，当所述电路工作时，在所述第一和第二二极管之间产生温度探测信号。

根据本发明的又一个方面，提供了一种计算机***，包括：(a)微处理器，包括：(i)以电流镜配置的的形式耦合在一起的第一和第二晶体管；(ii)耦合到所述第一晶体管的第一二极管；以及，(iii)耦合到所述第二晶体管的第二二极管，其中，当所述电路工作时，在所述第一和第二二极管之间产生温度探测信号；以及，(b)可通信地链接到所述微处理器的组件。

根据本发明的再一个方面，提供了一种用来在集成电路芯片中指示温度的电路，所述电路包括：产生一个与温度成比例的模拟信号的装置；以及，将所述信号转换为指示所述温度的离散信号的装置。

根据本发明的再又一个方面，提供了一种微处理器芯片，所述微处理器芯片包括这样的电路，即所述电路包括：产生一个与温度成比例的模拟信号的装置；以及，将所述信号转换为指示所述温度的离散信号的装置。

附图说明

本发明的实施方案是以实施例的方式来说明的，而不是以限制的方式来进行的，在附图中，同样的标号表示相似的元件。

图1是温度探测电路的一个实施方案的原理图。

图2是具有差分放大器电路的温度探测电路的另一个实施方案的原理图。

图3是具有差分放大器电路的实施方案的图1的温度探测电路的原理图。

图4是根据本发明的一些实施方案的具有处理器芯片的***的框图，所述处理芯片具有温度探测电路。

具体实施方式

图1示出了电流镜线性(current mirrored linear，“CML”)温度探测电路的一个实施方案。在描述的实施方案中，电路包括第一和第二PMOS晶体管M_p1和M_p2，以及第一和第二二极管D1和D2。(术语“PMOS晶体管”是指P型金属氧化物半导体场效应管。类似地，“NMOS晶体管”是指N型金属氧化物半导体场效应管。应该理解，无论何时使用术语“晶体管”、“MOS晶体管”、“NMOS晶体管”、或“PMOS晶体管”，它们都是以示例性的方式使用，除非根据其用途的本质另外具体指出或规定。其他如结型场效应晶体管、双极型结型晶体管等今天已知或还未开发的合适的晶体管类型，都可以用来替代它们。)

如示出的，D1和M_p1在VDD和VSS之间串联，并且具有相关联的电流I₁。类似地，D2和M_p2在VDD和VSS之间串联，并具有相关联的电流I₂。晶体管M_p1和M_p2连接在一起，形成I₁紧跟I₂的电流镜配置。晶体管M_p1具有跨导(transconductance)系数β，且M_p1的该系数是M_p2的该系数的s倍(s是比例因子)。例如，M_p1的沟道宽度是M_p2的沟道宽度的s倍。相应地，I₁＝sI₂。另一方面，二极管D2具有饱和电流系数I_s，且D2的I_s是D1的I_s的σ倍，例如D2具有的PN结截面积是D1的PN结截面积的σ倍。

这个电路产生差分电压V_TD(V_d+-V_d-)，该差分电压具有关于二极管的温度(假设二极管基本处于相同温度)的线性响应。该温度信号的等式为：

$I=I_S\left(e^{\frac{V}{n{V}_T}}\right)$

其中I_s是二极管的饱和电流系数，V_T是它的热电压(thermal voltage)系数，而n是物理的半导体材料系数(一般在1和2之间)。当工作在饱和区时(在电流镜中通常如此)，PMOS晶体管中的电流如下：

$I=\frac{\mathrm{\β}}{2}{(V_{\mathrm{SG}}-V_{\mathrm{Th}})}^2$

其中β是晶体管的跨导系数，V_SG是其源极与栅极之间的电压降，而V_Th是它的阈值电压系数。对于示出的电路，I₁等于D1的电流，D1的电流等于M_P1中源极到漏极的电流。因此，

$I_1={\mathrm{\σI}}_S\left(e^{\frac{V_{d-}}{{\mathrm{nV}}_T}}\right)=\frac{\mathrm{\β}}{2}{(V_{\mathrm{DD}}-V_{d+}-V_{\mathrm{Th}})}^2$

类似地，I₂等于D2的电流，D2的电流等于M_P2中源极到漏极的电流。因此，

$I_2=I_S\left(e^{\frac{V_{d+}}{{\mathrm{nV}}_T}}\right)=\frac{\mathrm{s\β}}{2}{(V_{\mathrm{DD}}-V_{d+}-V_{\mathrm{hT}})}^2$

(注意，假设两个晶体管的V_Th基本相同，两个二极管的V_T基本相同。在不同应用中，根据所需的精度，这些假设条件可以不同程度地实现。)以上等式可以在代数上组合为下式：

$\frac{{\mathrm{\σI}}_S\left(e^{\frac{V_{d-}}{{\mathrm{nV}}_T}}\right)}{I_S\left(e^{\frac{V_{d+}}{{\mathrm{nV}}_T}}\right)}=\frac{\frac{\mathrm{\β}}{2}{(V_{\mathrm{DD}}-V_{d+}-V_{\mathrm{Th}})}^2}{\frac{\mathrm{s\β}}{2}{(V_{\mathrm{DD}}-V_{d+}-V_{\mathrm{Th}})}^2}$

该式可简化为：

$\mathrm{\σ}\left(e^{\frac{{-V}_{d-}+V_{d+}}{{\mathrm{nV}}_T}}\right)=\frac{1}{s}$

或：

$e^{\frac{V_{\mathrm{TD}}}{{\mathrm{nV}}_T}=\mathrm{\σs}}$

或：

$\frac{V_{\mathrm{TD}}}{{\mathrm{nV}}_T}=\ln \left(\mathrm{\σs}\right)$

因此

                    V_TD＝nV_Tln(σs)

因为V_T(二极管的热电压系数)等于KT/q，其中K是玻耳兹曼(Boltzmann)常数，q是电子电荷，T是温度(开氏(Kelvin)温度)，该式可表示为

$V_{\mathrm{TD}}=\frac{\mathrm{nk}\ln \left(\mathrm{\σs}\right)}{q}{T}_K$

或

$V_{\mathrm{TD}}=\left(\frac{n\ln \left(\mathrm{\σs}\right)k}{q}\right)(T_c+273.15)$

其中T_c为摄氏温度。

如关于V_TD的等式所示，输出电压与温度具有非常线性的关系。半导体器件的非线性特性在差分电压(V_TD)的函数中被抵偿了。当比例因子s和σ被保持在相对大时，可以在相对宽的温度范围内获得鲁棒的(robust)、基本线性的电压对温度信号。例如，在一个实施方案中，使用比例因子s＝20和σ＝35来产生-5℃到130℃的温度探测范围，测得的温度的精度达到1°以内。(在这个实施方案中，采用一种.16μm的工艺(process)；使用的PMOS晶体管具有的沟道长度为.64μm，沟道宽度为800[M_p1]和40μm[M_p2]；并且二极管由截面积约为267μm²[D1]和9356μm²[D2]的PN结来构成。)

具有相对大的sσ比例乘积的另一个优点在于，在温度探测电路本身能够产生大量的放大效果，由此降低了对于温度敏感的下游放大的需求量。

图2示出了具有差分放大器的温度探测电路的一个实施方案，所述温度探测电路用于集成电路芯片，如微处理器。所述电路包括温度探测电路(由二极管D1和D2、NMOS晶体管M_n1和M_n2构成)和用于放大温度探测电压信号V_TD的差分放大器202。电路还包括用于使能(enabling)和禁用(disabling)该电路的反相器U1和U2以及NMOS晶体管Mn3到Mn5。除了使用NMOS晶体管(M_n1和M_n2)代替PMOS晶体管之外，该温度探测电路与上面讨论的温度探测电路的配置和工作都类似。M_n1和M_n2耦合在一起形成电流镜，其中M_n1被设置为M_n2的s倍。相应地，I₁等于sI₂。如上面所描述的温度探测电路，在较小电路路径(I₂)中的二极管(D2)被设置为另一个二极管(D1)的σ倍。下式示出了表示出来的温度探测电压信号(V_TD)：

$V_{\mathrm{TD}}=\left(\frac{n\ln \left(\mathrm{\σs}\right)k}{q}\right)(T_c+273.15)$

晶体管M_n3、M_n4和M_n5与反相器U1和U2组合在一起，以通过“使能”信号使能和禁用温度探测电路，所述“使能”信号是U1的输入。当使能信号被断言(asserted)(高)，M_n5截止(这使得M_n1和M_n2自由工作)而M_n3和M_n4导通。这样M_n1和M_n2之间的电流镜工作，由此使能温度探测电路。相反地，当使能信号被解断言(低)，M_n3和M_n4截止而M_n5导通，由此禁用温度探测电路。

差分放大器电路202包括运算放大器(“op amp”)U3，以及电阻R_I、R_L、R_H和R_F，它们按照包括电平偏移(level shifting)功能的常规差分放大器的配置来连接。当R_F/R_I等于R_HR_L/R_I(R_H+R_L)时，放大器具有增益因子R_F/R_L，以及以下电平偏移分量：

$\frac{R_L-R_H}{R_{L+R_H}}\left(\frac{V_{\mathrm{DD}}}{2}\right)$

因此，放大的温度探测电压V_TAmp等于

$V_{\mathrm{TAmp}}=\frac{R_F}{R_1}\left(\frac{n\ln \left(\mathrm{\σs}\right)k}{q}\right)(T_c+273.15)+\frac{R_L-R_H}{R_{L+R_H}}\left(\frac{V_{\mathrm{DD}}}{2}\right)$

在一些实施方案中，运算放大器U3具有相对大的共模抑制比(common mode rejectionratio)，以减少放大的温度信号的误差。类似地，在一些实施方案中，可以采用一个或更多个跨接于运算放大器电源轨(power supply rail)上的噪声去耦电容(decoupling capacitor)来过滤例如来自下游A到D反相器的噪声。(应该理解，虽然示出为用差分放大器电路来放大温度探测电压(V_TD)，但是也可以使用其他合适的放大器，例如斩波器稳定器电路(chopper stabilizer circuit)。)

图3示出了具有减误(error-reducing)放大器配置的温度探测电路的实施方案。它一般包括温度探测和使能/禁用部分(由M_p1到M_p5、D1、D2、U1和U2构成)、互补差分放大器电路302，以及A/D转换器304。温度探测和使能/禁用电路如上面讨论的那样工作。温度探测电路产生差分温度电压V_TD，V_TD与二极管的温度成线性比例关系。此电压被互补差分输出放大器302放大，由此产生放大的温度信号V_TAmp，该信号在模数转换器304处转换为数字温度信号。

互补差分放大器电路302包括复用器Mux 1到Mux 3、运算放大器U3，以及电阻R_I，R_S和R_F。基于这种配置，放大的V_TD的互补输出在运算放大器U3的输出处提供。(由于“+”输出被反馈到“-”输入，“-”输入被反馈到“+”输入，所以对每个输出都提供了负反馈。)对于每一个输出，增益是R_F/R_S，并且偏移-(R_F/R_S)V_DD。因此，每个输出的输出电压(V_Tamp)由下式给出：

$V_{\mathrm{TAmp}}=+/-\frac{R_F}{R}\left(\frac{n\ln \left(\mathrm{\σs}\right)k}{q}\right)(T+273.15)-\frac{R_F}{R_S}\left(V_{\mathrm{DD}}\right)$

在工作中，复用器可以周期性地切换，使得输入V_TD信号的极性和被选择的输出的极性一起被切换(这使得输出信号的极性归一化(normalize)，而与复用器的状态无关)。两种输出(在一段合理的时间内)可以被平均，从而导致输出信号的噪声(例如共模噪声)被抵偿。(这种平均可以在任何合适的地方执行，例如数字化温度信号的下游。)

参照图4，示出了可以用一个或更多个IC芯片或模块(包括微处理器芯片402A)实现的***(用于计算机的***400)。***400一般包括一个或更多个处理器/存储器组件(component)402、接口***410，以及一个或更多个其他组件412。所述一个或更多个处理器/存储器组件402中的至少一个通过接口***410可通信地链接到所述一个或更多个其他组件412中的至少一个，所述接口***410包括一个或更多个互连和/或包括点对点连接、共享总线连接和/或它们的组合的互连器件。

处理器/存储器组件是被包含在一片或几片安装到接口***上的芯片中或包含在耦合到接口***的模块或电路板中的组件(例如处理器、控制器、存储器阵列或它们的组合)。微处理器芯片402A被包括在描述的处理器/存储器组件中，它具有核403，所述核403具有此处公开的电流镜温度探测电路405。所描述的一个或更多个其他组件412可以包括任何使用在计算机***中的组件，例如声卡、网卡、超级(Super)I/O芯片等等。在描述的实施方案中，其他组件412包括无线接口组件412A，412A用于在微处理器402A和另一个设备之间建立无线链路，所述另一个设备如无线网络接口设备或计算机。应该注意，***400可以以不同形式实现。也即，它可以在单芯片模块、电路板或具有多个电路板的机箱(chassis)中实现。类似地，它可以组成一个或更多个完整的计算机，或者可替换地，它可以组成在计算***内有用的组件。

本发明并不限制于所描述的实施方案，而是可以在所附权利要求书的精神和范围内以修改或变化来实现。例如，应该理解本发明可以应用于所有类型的半导体集成电路(“IC”)芯片。这些IC芯片的实施例包括但不限于处理器、控制器、芯片组组件、可编程逻辑阵列(PLA)、存储芯片、网络芯片等等。此外，在描述的实施方案中，二极管D1和D2由基本的PN结形成，应该理解，可以使用任何合适的半导体器件，例如晶体管或二极管连接的晶体管。

此外，应该理解，虽然给出了示例性的尺寸/模型/值/范围，但是本发明并未限制于它们。当制造技术(例如光刻)随着时间更为成熟，希望能制造出尺寸更小的器件。关于对任何时序或编程信号的描述，术语“断言”(assertion)和“反”(negation)是以一般性的意图使用的。更具体地，当和“低电平有效”信号以及“高电平有效”信号混合工作时，使用这些术语来避免混乱，并表明本发明并不限于示出/描述的信号，而是可以通过在逻辑上进行简单的改动，从而用任何“低电平有效”信号以及“高电平有效”信号的完全/部分相反的信号来实现。更明确地，术语“进行断言”(assert)或“断言”(assertion)表示信号有效，与电平是否表现为高或低电压无关，而术语“取反”(negate)或“反”(negation)表示信号无效。此外，众所周知，为了图示和描述的简化，到IC芯片和其他组件的电源/地连接在图中可以示出也可以不示出，以免模糊本发明。此外，方案可以以框图的形式示出，以避免模糊本发明，同时也考虑到这些框图方案的具体实现与本发明实现的平台是高度相关的，例如这些具体实现对于本领域技术人员的视野而言应该是明确的。其中，为了描述本发明的示例性实施方案，描述了很多具体细节(例如电路)，本领域技术人员应该明确无需这些细节，或改变这些细节，本发明也能够实现。因此，这些描述是为了举例而不是为了限制。

Claims (27)

1.一种具有至少一个温度探测电路的芯片，所述芯片包括：

(i)具有第一和第二电流镜路径的电流镜电路；

(ii)与所述第一电流镜路径串联的第一半导体器件；以及

(iii)与所述第二电流镜路径串联的第二半导体器件，其中，在所述第一和第二半导体器件之间的信号与所述电路的所述温度基本成线性比例关系。

2.如权利要求1所述的芯片，其中所述电流镜电路包括在所述第一电流镜路径中的第一MOS晶体管，以及在所述第二电流镜路径中的第二MOS晶体管。

3.如权利要求2所述的芯片，其中所述第一半导体器件是一个二极管。

4.如权利要求3所述的芯片，其中所述第二半导体器件是一个二极管。

5.如权利要求4所述的芯片，其中所述第一MOS晶体管比所述第二MOS晶体管大，比例因子为s，并且所述第二二极管比所述第一二极管大，比例因子为σ。

6.如权利要求5所述的芯片，其中所述比例因子s和σ的乘积大于500。

7.如权利要求1所述的芯片，还包括耦合到所述温度探测电路的放大器电路，以放大所述信号，从而提供一个放大的温度信号。

8.如权利要求7所述的芯片，还包括耦合到所述放大器的模数转换器电路，以将所述放大的温度信号转换为数字温度信号。

9.如权利要求7所述的芯片，其中所述放大器是一个利用运算放大器电路的差分放大器。

10.一种温度探测电路，包括：

(a)以电流镜配置的形式耦合在一起的第一和第二晶体管；

(b)耦合到所述第一晶体管的第一二极管；以及

(c)耦合到所述第二晶体管的第二二极管，其中，当所述电路工作时，在所述第一和第二二极管之间产生温度探测信号。

11.如权利要求10所述的电路，其中所述温度探测信号是与所述二极管的温度基本成线性比例关系的电压信号。

12.如权利要求10所述的电路，其中所述第一和第二晶体管是MOS晶体管。

13.如权利要求12所述的电路，其中所述第一MOS晶体管比所述第二MOS晶体管大，比例因子为s，并且所述第二二极管比所述第一二极管大，比例因子为σ。

14.如权利要求13所述的电路，其中所述比例因子s和σ的乘积大于1。

15.如权利要求14所述的电路，还包括耦合到所述温度探测电路的放大器电路，以放大所述信号，从而提供一个放大的温度信号。

16.如权利要求15所述的电路，还包括耦合到所述放大器的模数转换器电路，以将所述放大的温度信号转换为数字温度信号。

17.如权利要求16所述的电路，其中所述放大器是双互补输出差分放大器电路。

18.一种计算机***，包括：

(a)微处理器，包括：

(i)以电流镜配置的形式耦合在一起的第一和第二晶体管；

(ii)耦合到所述第一晶体管的第一二极管；以及

(iii)耦合到所述第二晶体管的第二二极管，其中，当所述电路工作时，在所述第一和第二二极管之间产生温度探测信号；以及

(b)可通信地链接到所述微处理器的组件。

19.如权利要求18所述的***，其中所述晶体管和二极管在所述微处理器的核内。

20.如权利要求18所述的***，其中所述微处理器包括用来放大并数字化所述温度信号以监控所述微处理器内的温度的电路。

21.如权利要求18所述的***，其中所述组件是无线接口组件。

22.如权利要求18所述的***，其中所述组件是硬盘驱动器组件。

23.一种用来在集成电路芯片中指示温度的电路，所述电路包括：

产生一个与温度成比例的模拟信号的装置；以及

将所述信号转换为指示所述温度的离散信号的装置。

24.如权利要求23所述的电路，其中所述模拟信号与所述温度基本成线性比例关系。

25.如权利要求23所述的电路，其中所述用来产生所述模拟信号的装置包括MOS电流镜、第一和第二MOS二极管。

26.如权利要求23所述的电路，其中所述用来转换的装置包括差分放大器。

27.一种包括如权利要求23所述电路的微处理器芯片。

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