TWI387736B - 操作於次臨界區之低功率溫度感測器 - Google Patents

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操作於次臨界區之低功率溫度感測器
本揭示內容是有關於一種溫度感測器，且特別是有關於一種利用金氧半導體電晶體操作於次臨界區而產生之超低功率溫度感測器。
以台灣專利號第I292474號專利為例，其係直接利用兩個分別與溫度正、負相關的環型振盪器來作為溫度感測機制，並號稱其可大幅減少晶片面積、功率消耗及設計複雜度。惟，各種習知之溫度感測器所需要的功率仍然太高，所需要的佈局面積仍然太大，設計複雜度雖有改善卻未盡理想。
因此，本揭示內容之一技術態樣是在提供一種操作於次臨界區之低功率溫度感測器，其可較諸各習知技藝，提供更小的佈局面積、更低的功率消耗及更簡化的設計複雜度。
依據本揭示內容提出一實施方式，一種操作於次臨界區之低功率溫度感測器主要係由一第一場效電晶體、一第二場效電晶體、一第三場效電晶體及一環型振盪器所組成。其中，第一場效電晶體之汲極與閘極係電性連接一電源，第一場效電晶體之源極係電性連接第二場效電晶體之閘極。第二場效電晶體之源極係電性連接電源，第二場效電晶體之汲極係電性連接第三場效電晶體之閘極，且第二場效電晶體係***作於次臨界區，以提供一次臨界電流予一電阻，進而產生一電壓來偏壓第三場效電晶體之閘極。第三場效電晶體之源極係電性連接電源，且第三場效電晶體之汲極係電性連接環型振盪器。藉此，第三場效電晶體提供一驅動電流以偏壓環型振盪器，進而使環型振盪器產生一脈波頻率訊號來反映溫度，且脈波頻率訊號與絕對溫度負相關。
依據本揭示內容又一實施方式，提出一種操作於次臨界區之低功率溫度感測器，主要係由一第一場效電晶體、一第二場效電晶體及一環型振盪器所組成。其中，第一場效電晶體之汲極與閘極係電性連接一電源，第一場效電晶體之源極係電性連接第二場效電晶體之閘極，且第一場效電晶體係***作於次臨界區。第二場效電晶體之源極係電性連接電源，第二場效電晶體之汲極係電性連接環型振盪器，且第二場效電晶體係***作於次臨界區，以提供一次臨界電流予環型振盪器。藉此，環型振盪器受次臨界電流偏壓，以產生一脈波頻率訊號來反映溫度。
依據本揭示內容之再一實施方式，提出一種操作於次臨界區之低功率溫度感測器，主要係由一第一場效電晶體及一第二場效電晶體所組成。其中，第一場效電晶體之汲極與閘極係電性連接一電源，第一場效電晶體之源極係電性連接第二場效電晶體之閘極，且第二場效電晶體係***作於次臨界區。第二場效電晶體之源極係電性連接電源，第二場效電晶體之汲極次臨界電流係線性正相關於絕對溫度。
經本發明人之長期觀察與多年實務經驗，利用電晶體***作在次臨界區時，次臨界電流與絕對溫度線性相關之特點，結合環型振盪器，提出一種操作於次臨界區之低功率溫度感測器，遠較習知諸技藝，例如台灣專利號第I292474號專利，更節省晶片面積、更低功率消耗且設計複雜度更小。
具體來說，對一個金氧半場效電晶體而言，當VGS >=VTH 時，此電晶體是處於導通階段的；而當此電晶體***作於次臨界區(或稱弱反轉區)時，此電晶體閘極-源極之電壓VGS 是略小於電晶體本身之臨界電壓VTH (即VGS <VTH )；此時，此電晶體的汲極電流ID 還是存在的，並非完全沒有電流。而且，汲極電流ID 與閘極-源極之電壓(VGS )是成指數關係的，而非如導通時之線性區或飽和區特性。
請一併參考第1圖與第2圖，第1圖是MOS電晶體操作於導通時，汲極電流ID 與閘極-源極之電壓(VGS )之關係圖；第2圖是電晶體***作於次臨界區時，汲極電流ID 與閘極-源極之電壓(VGS )之關係圖如指數關係，其中縱坐標採 用對數坐標。由第1圖與第2圖可知悉，以一般金氧半場效電晶體而言，當閘極對源極電壓大於200mV(即VGS >200mV)時，其電晶體閘極-源極之電壓與汲極電流在次臨界區時之關係可用以下公式來表示之：以及其中，η為非理想因數(η>1)，IO 為製程相關參數，且V T =KT /q 。從上列公式中可發現，如果當ID /IO 為常數時，VGS 和溫度VT 的關係是正溫度係數的。
如圖3，本實施方式之絕對溫度相關電晶體電路110內部的電晶體操作在次臨界區時，便可輸出一次臨界電流101，亦即一汲極電流ID ，其電流值大小線性正相關於絕對溫度。此時，汲極電流ID 可被轉換成與絕對溫度正相關之電流訊號；當然，汲極電流ID 亦可透過電路設計，被轉換成與絕對溫度負相關之電流訊號。
請一併參考第3圖與第4圖，第3圖是本揭示內容一實施方式，其為操作於次臨界區之低功率溫度感測器的方塊圖，第4圖是第3圖的詳細電路圖。圖中，電晶體電路110，其主要係由一第一場效電晶體111及一第二場效電晶體112所組成。其中，第一場效電晶體111之汲極與閘極係電性連接一電源VDD ，第一場效電晶體111之源極係電性連接第二場效電晶體112之閘極，第二場效電晶體112之源極係電性連接電源VDD ，且第二場效電晶體112係操作於次臨界區，且第二場效電晶體112之汲極電流101係線性正相關於絕對溫度。
本實施方式可再透過如圖5至6所示，一環型振盪器620接收此次臨界電流101，即可產生足以反映當下溫度的脈波訊號，且此一脈波訊號之頻率與絕對溫度線性相關。請參考第5、6圖，是本揭示內容另一實施方式，絕對溫度相關電晶體電路110所產生之次臨界電流流過電阻R後，可轉換為與絕對溫度負相關之驅動電壓訊號，該電壓訊號電連至環型振盪器620中的第三場效電晶體113閘極，藉此，第三場效電晶體113提供一驅動電流以偏壓多級反相串接之振盪器，進而使環型振盪器620產生一脈波訊號來反映溫度，該脈波訊號頻率與絕對溫度負相關。
請一併參考第7、8圖，第7、8圖是本揭示內容又一實施方式，第8圖是第7圖的詳細電路圖。圖中，第一場效電晶體111之汲極與閘極係電性連接一電壓源VDD 。第二場效電晶體之源極係電性連接電壓源VDD ，第二場效電晶體112之閘極係電性連接第一場效電晶體111之源極，第二場效電晶體112之汲極係電性連接環型振盪器120。其中，第二場效電晶體112皆係操作於次臨界區，第二場效電晶體112所產生之汲極電流與絕對溫度正相關。上述第二場效電晶體112所產生之次臨界電流，亦即汲極電流，可提供給環型振盪器120，使環型振盪器120產生之脈波訊號頻率與絕對溫度正相關。
換句話說，本實施方式不採用習知常見之傳統類比數位轉換器(ADC)，因為傳統類比數位轉換器除了會造成晶片功率大增以外，亦會造成晶片面積變大。所以本實施方式以環形振盪器120來取代之。此外，環型振盪器120可由多個反向器來實現之，其具體做法是將多個反向器連接成環形，再外接一個反向器以作為訊號輸出端。
本實施方式操作於次臨界區之低功率溫度感測器僅需要兩個性質相反的場效電晶體即可完成，而一個環型振盪器可再將與絕對溫度正相關之汲極電流轉換成與絕對溫度正相關之頻率參數，不需額外電壓源或電流源，遠較習知諸技藝更為精巧。
接下來，請參照第6圖與第9圖，第9圖是第6圖操作於次臨界區之低功率溫度感測器在攝氏負一百零五度下的脈波頻率訊號波形圖。本實施方式係以七個反向器所組成之環型振盪器620為例，利用半導體製程將操作於次臨界區之低功率溫度感測器實現於一晶片中，在下表參數條件下，實測出第9圖。
值得注意的是，在上述實作中，由於N型電晶體之臨界電壓略小於P型電晶體之臨界電壓(即VTHN ＜VTHP )，故本實施方式先利用N型電晶體，亦即第一場效電晶體111，與電壓源VDD 產生一壓降；再利用此壓降去偏壓P型電晶體，亦即第二場效電晶體112，以產生一個與絕對溫度相關之電流，亦即次臨界電流101。其中，由於此電路中第二場效電晶體112操作於次臨界區，故P型電晶體之電流101為次臨界電流。換句話說，第一場效電晶體111為一N型場效電晶體，第二場效電晶體112為一P型場效電晶體，而第三場效電晶體113亦為一P型場效電晶體。
具體而言，以第6圖之實施方式為例，操作於次臨界區之低功率溫度感測器的整體電路效能如上表，其為：晶片面積僅976.1μm2 、功率消耗可降低至129nW、感測溫度範圍可達約165℃左右，且電路在可感測溫度範圍中，輸出頻率與溫度間之關係曲線，線性度(R-square)約為0.9943，有極佳之效能。
雖然本發明已以諸實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
101．．．次臨界電流
110．．．絕對溫度相關電晶體電路
111．．．第一場效電晶體
112．．．第二場效電晶體
113．．．第三場效電晶體
120、620．．．環型振盪器
R．．．電阻
為讓本揭示內容之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：
第1圖是電晶體操作於導通區時，汲極電流ID 與閘極-源極之電壓(VGS )之關係圖。
第2圖是電晶體操作於次臨界區時，汲極電流ID 與閘極-源極之電壓(VGS )之指數關係圖。
第3圖是本揭示內容一實施方式之操作於次臨界區之低功率溫度感測器的功能方塊圖。
第4圖是第3圖的詳細電路圖。
第5圖是本揭示內容另一實施方式之操作於次臨界區之低功率溫度感測器的功能方塊圖。
第6圖是第5圖的詳細電路圖。
第7圖是本揭示內容又一實施方式之操作於次臨界區之低功率溫度感測器的功能方塊圖。
第8圖是第7圖的詳細電路圖。
第9圖是第8圖之電路操作於攝氏負一百零五度下的脈波頻率訊號波形圖。
110．．．絕對溫度相關電晶體電路
111．．．第一場效電晶體
112．．．第二場效電晶體
120．．．環型振盪器

Claims (12)

  1. 一種操作於次臨界區之低功率溫度感測器，主要係由一第一場效電晶體、一第二場效電晶體、一第三場效電晶體及一環型振盪器所組成，其中：該第一場效電晶體之汲極與閘極係電性連接一電源，該第一場效電晶體之源極係電性連接該第二場效電晶體之閘極；該第二場效電晶體之源極係電性連接該電源，該第二場效電晶體之汲極係電性連接該第三場效電晶體之閘極，且該第二場效電晶體係***作於次臨界區，以提供一次臨界電流予一電阻，進而產生一驅動電壓予該第三場效電晶體之閘極；以及該第三場效電晶體之源極係電性連接該電源，且該第三場效電晶體之汲極係電性連接該環型振盪器；藉此，該第三場效電晶體提供一驅動電流以偏壓該環型振盪器，進而使該環型振盪器產生一脈波訊號，且該脈波訊號頻率與絕對溫度負相關。
  2. 如請求項1所述之操作於次臨界區之低功率溫度感測器，其中該環型振盪器係由複數個反相器所組成。
  3. 如請求項1所述之操作於次臨界區之低功率溫度感測器，其中該第一場效電晶體為一N型場效電晶體。
  4. 如請求項1所述之操作於次臨界區之低功率溫度感測器，其中該第二場效電晶體為一P型場效電晶體。
  5. 如請求項1所述之操作於次臨界區之低功率溫度感測器，其中該第三場效電晶體為一P型場效電晶體。
  6. 一種操作於次臨界區之低功率溫度感測器，主要係由一第一場效電晶體、一第二場效電晶體及一環型振盪器所組成，其中：該第一場效電晶體之汲極與閘極係電性連接一電源，該第一場效電晶體之源極係電性連接該第二場效電晶體之閘極；以及該第二場效電晶體之源極係電性連接該電源，該第二場效電晶體之汲極係電性連接該環型振盪器，且該第二場效電晶體係操作於次臨界區，以提供一次臨界電流予該環型振盪器；藉此，該環型振盪器受該次臨界電流偏壓，產生一脈波訊號，且該脈波訊號頻率與絕對溫度正相關。
  7. 如請求項6所述之操作於次臨界區之低功率溫度感測器，其中該環型振盪器係由複數個反相器所組成。
  8. 如請求項6所述之操作於次臨界區之低功率溫度感測器，其中該第一場效電晶體為一N型場效電晶體。
  9. 如請求項6所述之操作於次臨界區之低功率溫度感測器，其中該第二場效電晶體為一P型場效電晶體。
  10. 一種操作於次臨界區之低功率溫度感測器，主要係由一第一場效電晶體及一第二場效電晶體所組成，其中：該第一場效電晶體之汲極與閘極係電性連接一電源，該第一場效電晶體之源極係電性連接該第二場效電晶體之閘極；以及該第二場效電晶體之源極係電性連接該電源，且該第二場效電晶體之汲極電流係線性正相關於絕對溫度。
  11. 如請求項10所述之操作於次臨界區之低功率溫度感測器，其中該第一場效電晶體為一N型場效電晶體。
  12. 如請求項10所述之操作於次臨界區之低功率溫度感測器，其中該第二場效電晶體為一P型場效電晶體。
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