TWI470196B - 溫度感測裝置及其方法 - Google Patents

Description

溫度感測裝置及其方法

本發明係關於一種溫度感測裝置及其方法，尤指一種設置於晶片內部的溫度感測裝置及其方法。

積體電路的效能常常受到內部元件溫度變化的影響。因此，溫度感測電路目前已被廣泛地使用在許多積體電路上，藉以量測其內部的溫度。圖1顯示一習知的溫度感測電路10之方塊示意圖。參照圖1，該溫度感測電路10包含一電壓產生電路12和一電壓至頻率轉換器14。該電壓產生電路12用以產生一與溫度相關的電壓V_PTAT ，而該電壓至頻率轉換器14用以接收該溫度相關電壓V_PTAT ，藉以產生一頻率信號f_PTAT 。由於該電壓V_PTAT 與溫度的變化成一線性關係，因此該頻率信號f_PTAT 的頻率會隨溫度的變化而改變。

在習知電路中，該頻率信號f_PTAT 的頻率係藉由一晶體震盪器(未繪出)以計數信號f_PTAT 的脈波數。該晶體震盪器是一個外部的構件，使用該晶體震盪器會產生額外的成本及面積，且該晶片亦需一額外的接腳以連接該晶體震盪器。因此，業界需要一種晶片內部的溫度感測裝置，以解決上述問題。

本發明揭示一種溫度感測裝置，其設置於一晶片內部。根據本發明一實施例，該溫度感測裝置包含一第一電流產生電路、一第二電流產生電路、一第一電流至頻率轉換器、一第二電流至頻率轉換器和一計數單元。該第一電流產生電路用以產生與該第一電流產生電路所處之一溫度相關的一第一電流，而該第二電流產生電路用以產生與溫度實質上無關的一第二電流。該第一電流至頻率轉換器用以接收該第一電流並產生一第一頻率信號，其具有代表該第一電流之一第一頻率。該第二電流至頻率轉換器用以接收該第二電流並產生一第二頻率信號，其具有代表該第二電流之一第二頻率。該計數單元用以根據該第一和第二頻率之差異，以產生一數位信號，代表該溫度。

本發明之另一實施範例揭示一種感測溫度的方法。該方法包含以下步驟：產生與溫度相關的一第一電流；產生與溫度實質上無關的一第二電流；轉換該第一電流以產生一第一頻率信號，代表該第一電流之一第一頻率；轉換該第二電流以產生一第二頻率信號，代表該第二電流之一第二頻率；以及比較該第一和第二頻率以產生一數位信號，代表該溫度。

本發明在此所探討的方向為一種溫度感測裝置及其方法。為了能徹底地瞭解本發明，將在下列的描述中提出詳盡的步驟及結構。顯然地，本發明的施行並未限定於相關領域之技藝者所熟習的特殊細節。另一方面，眾所周知的結構或步驟並未描述於細節中，以避免造成本發明不必要之限制。本發明的較佳實施例會詳細描述如下，然而除了這些詳細描述之外，本發明還可以廣泛地施行在其他的實施例中，且本發明的範圍不受限定，其以之後的專利範圍為準。

圖2顯示本發明一實施例之溫度感測裝置20的方塊示意圖。該溫度感測裝置20設置於一晶片內部，用以感測該晶片內部的溫度並據以輸出代表該溫度的一數位信號。參照圖2，該溫度感測裝置20包含一第一電流產生電路21、一第二電流產生電路23、一第一電流至頻率轉換器25、一第二電流至頻率轉換器27和一計數單元29。

該第一電流產生電路21用以根據該晶片內部的溫度而產生與溫度相關的一第一電流I₁ ，而該第二電流產生電路23用以產生與溫度實質上無關的一第二電流I₂ 。該第一電流至頻率轉換器25連接於該第一電流產生電路21，用以接收該第一電流I₁ 以產生一第一頻率信號freq₁ ，其中該第一頻率信號freq₁ 係反應該第一電流I₁ 的變化。該第二電流至頻率轉換器27連接於該第二電流產生電路23，用以接收該第二電流I₂ 以產生一第二頻率信號freq₂ ，其中該第二頻率信號freq₂ 係反應該第二電流I₂ 的變化。該計數單元29用以根據該第一頻率信號freq₁ 和該第二頻率信號freq₂ 的差異，以產生一數位信號，其中該數位信號可以為一n位元的數位碼，用以表示該晶片內部的溫度。

圖3顯示本發明一實施例之該第一電流產生電路21的電路示意圖。參照圖3，該第一電流I₁ 係利用兩個操作在相同電流的雙載子接面電晶體Q₁ 和Q₂ 所產生。該電晶體Q₁ 為一單位電晶體，而該電晶體Q₂ 係由n個單位電晶體並聯組成。在該兩個雙載子接面電晶體Q₁ 和Q₂ 的基極至射極上電壓之差值(△Vbe電壓)為一成比例於絕對溫度的電壓。因此，電晶體M₂ 的電流可藉由施加該△Vbe電壓至一電阻R₁ 而產生。電晶體M3的電流I₁ 則為電晶體M₂ 的電流之複製。圖3中所示的電路只是象徵性的，因而並非代表該第一電流產生電路21之實際的結構。在本實施例中，該電流I₁ 為一成比例於絕對溫度的電流。然而，在本發明另一實施例中，該電流I₁ 可以為一互補於絕對溫度的電流。亦即，該電流I₁ 會隨絕對溫度的增加而線性地減少。

圖4顯示本發明一實施例之該第二電流產生電路23的電路示意圖。參照圖4，該第二電流產生電路23係藉由加總一成比例於絕對溫度的電流I_1A 以及一互補於絕對溫度的電流I_1B ，藉以產生與溫度實質上無關的電流I₁ ，並藉由複製電流I₁ 以產生該第二電流I₂ 。在本實施例中，該電流I_1A 係藉由施加一△V_F 電壓至一電阻R₃ 而產生，而該電流I_1B 係藉由施加一V_F 電壓至一電阻R₂ 而產生。圖4中所示的電路只是象徵性的，因而並非代表該第二電流產生電路23之實際的結構。

參照圖2，該第一和第二電流I₁ 和I₂ 個別傳送至該第一和第二電流至頻率轉換器25和27。在本發明一實施例中，該第一和第二電流至頻率轉換器25和27可為相同組態之電流至頻率轉換器，藉以抵銷轉換器的不理想因素。舉例而言，當該第一電流至頻率轉換器25因為溫度上升而改變輸出頻率值時，由於轉換器25和27為相同組態，故該第二電流至頻率轉換器27的輸出頻率值亦會以相同比例改變。圖5顯示本發明一實施例之該第一和第二電流至頻率轉換器25和27的電路示意圖。參照圖5，該些轉換器25和27的每一者包含一電容C₁ 、一第一比較器COMP₁ 、一第二比較器COMP₂ 和一邏輯電路52。該電容C₁ 用以接收該第一電流I₁ 或第二電流I₂ ，藉以產生一充電/放電電壓V_C 。在運作時，當電壓V_C 大於該第一比較器COMP₁ 的一預設電壓V_H 時，該邏輯電路52的輸出信號轉態以導通電晶體M₂ ，藉以對該電容C₁ 進行放電。當電壓V_C 小於該第二比較器COMP₂ 的一預設電壓V_L 時，該邏輯電路52的輸出信號再次轉態以導通電晶體M₁ ，以對該電容C₁ 進行充電。藉由該電容C₁ 的重覆充放電過程和比較器COMP₁ ,COMP₂ 的比較結果，該邏輯電路52根據該第一電流I₁ 或第二電流I₂ ，分別產生該第一頻率信號freq₁ 或第二頻率信號freq₂ 。

圖6顯示本發明另一實施例之該第一和第二電流至頻率轉換器25'和27'的電路示意圖。參照圖6，該些轉換器25'和27'的每一者包含一第一電流鏡電路CM₁ 、一第二電流鏡電路CM₂ 和一環形震盪器62。該第一電流鏡電路CM₁ 用以接收該第一電流I₁ 或第二電流I₂ ，並複製電流I₁ 或I₂ 以產生複數個槽電流(sink current)。該第二電流鏡電路CM₂ 的一部份耦接於該第一電流鏡電路CM₁ ，其用以複製電流I₁ 或I₂ 以產生複數個源電流(source current)。該環形震盪器62由複數個反向器所組成。該環形震盪器62耦接於該第一電流鏡電路CM₁ 和該第二電流鏡電路CM₂ 之間，其用以產生該第一頻率信號freq₁ 或第二頻率信號freq₂ 。除了上述實施範例外，本發明之該第一和第二電流至頻率轉換器25和27可以為任何形式的電流至頻率轉換器。

參照圖2，該計數單元29用以根據該第一頻率信號freq₁ 和第二頻率信號freq₂ 之差異，以產生一數位信號，代表該晶片內部的溫度。在本發明一實施例中，該第二頻率信號freq₂ 的頻率大於該第一頻率信號freq₁ 的頻率十倍以上。因此該第一頻率信號freq₁ 的脈波寬度可藉由計數該第二頻率信號freq₂ 的脈波數而獲得。該計數單元29可以設計為一同步計數器或一非同步計數器。在本發明另一實施例中，該計數單元29包含一預建資料庫，而該預建資料庫包含溫度與頻率之對應資料。因此該計數單元可根據該第一和第二頻率信號的差異，查找該預建資料庫，藉以產生代表該晶片溫度之數位信號。

根據本發明的溫度感測裝置，首先產生與溫度相關的一第一電流和與溫度實質上無關的一第二電流。接著，轉換該第一電流以產生一第一頻率信號，並轉換該第二電流以產生一第二頻率信號。由於該第一頻率信號代表該第一電流，故該第一頻率信號的頻率係反應環境溫度的變化。最後，利用與溫度實質上無關的該第二頻率信號的脈波數計數該第一頻率信號以獲得一數位信號。該數位信號可為一n位元的數位碼，其代表該溫度感測裝置所偵測之溫度。

本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。

10．．．溫度感測電路

12．．．電壓產生電路

14．．．電壓至頻率轉換器

20．．．溫度感測裝置

21．．．第一電流產生電路

23．．．第二電流產生電路

25,25'．．．第一電流至頻率轉換器

27,27．．．第二電流至頻率轉換器

29．．．計數單元

52．．．邏輯電路

62．．．環形震盪器

M₁ ~M₃ ．．．電晶體

R₁ ~R₃ ．．．電阻

Q₁ ~Q₂ ．．．雙載子接面電晶體

OP₁ ．．．運算放大器

COMP₁ ~COMP₂ ．．．比較器

C₁ ．．．電容

CM₁ ．．．第一電流鏡電路

CM₂ ．．．第二電流鏡電路

圖1顯示一習知的溫度感測電路之方塊示意圖；

圖2顯示本發明一實施例之溫度感測裝置的方塊示意圖；

圖3顯示本發明一實施例之該第一電流產生電路的電路示意圖；

圖4顯示本發明一實施例之該第二電流產生電路的電路示意圖；及

圖5顯示本發明一實施例之該第一和第二電流至頻率轉換器的電路示意圖；及

圖6顯示本發明另一實施例之該第一和第二電流至頻率轉換器的電路示意圖。

20．．．溫度感測裝置

21．．．第一電流產生電路

23．．．第二電流產生電路

25．．．第一電流至頻率轉換器

27．．．第二電流至頻率轉換器

29．．．計數單元

Claims (16)

1. 一種溫度感測裝置，包含：一第一電流產生電路，用以產生與該第一電流產生電路所處之一溫度相關的一第一電流；一第二電流產生電路，用以產生與溫度實質上無關的一第二電流；一第一電流至頻率轉換器，用以接收該第一電流並產生一第一頻率信號，其具有代表該第一電流之一第一頻率；一第二電流至頻率轉換器，用以接收該第二電流並產生一第二頻率信號，其具有代表該第二電流之一第二頻率，其中該第二頻率大於該第一頻率十倍以上；以及一計數單元，用以利用該第二頻率信號的脈波數計數該第一頻率信號，以根據該第一和第二頻率之差異產生一數位信號，代表該溫度。
2. 根據請求項1之溫度感測裝置，其中該第一電流為一第一成比例於絕對溫度的電流。
3. 根據請求項1之溫度感測裝置，其中該第一電流為一第一互補於絕對溫度的電流。
4. 根據請求項1之溫度感測裝置，其中該第二電流產生電路包含一第一子電流產生電路，以產生一第一子電流，其成比例於絕對溫度，以及一第二子電流產生電路，以產生一第二子電流，其互補於絕對溫度，該第二電流產生電路用以加權該第一子電流以及該第二子電流，以產生該第二電流。
5. 根據請求項1之溫度感測裝置，其中該第一和第二電流至頻率轉換器為相同組態之電流至頻率轉換器。
6. 根據請求項5之溫度感測裝置，其中該第一和第二電流至頻率轉換器分別包含：一電容，用以接收該第一或第二電流，藉以產生一充電/放電電壓；一第一比較器，用以比較該充電/放電電壓和一第一預設電壓，藉以產生一第一信號；一第二比較器，用以比較該充電/放電電壓和一第二預設電壓，藉以產生一第二信號；以及一邏輯電路，用以接收該第一和第二信號，藉以對應該第一或第二電流，分別產生該第一或第二頻率，其中該第一與第二頻率係不相同。
7. 根據請求項1之溫度感測裝置，其中該第一頻率同步於該第二頻率。
8. 根據請求項1之溫度感測裝置，其中該計數單元，用以根據該第一和第二頻率之差異，查找一預建資料庫，其包含溫度與頻率之對應資料，並產生代表該溫度之該數位信號。
9. 根據請求項1之溫度感測裝置，其中該計數單元為一同步或非同步計數器。
10. 一種感測溫度的方法，包含以下步驟：產生與溫度相關的一第一電流；產生與溫度實質上無關的一第二電流；轉換該第一電流以產生一第一頻率信號，其具有代表 該第一電流之一第一頻率；轉換該第二電流以產生一第二頻率信號，其具有代表該第二電流之一第二頻率；以及利用該第二頻率信號的脈波數計數該第一頻率信號，以產生一數位信號，代表該溫度，其中該第二頻率大於該第一頻率十倍以上。
11. 根據請求項10之方法，其中該第一電流為一第一成比例於絕對溫度的電流。
12. 根據請求項10之方法，其中該第一電流為一第一互補於絕對溫度的電流。
13. 根據請求項10之方法，其中產生該第二電流之步驟包含：產生一第一子電流，成比例於絕對溫度；產生一第二子電流，互補於絕對溫度；以及加權該第一子電流以及該第二子電流，以產生該第二電流。
14. 根據請求項10之方法，其中該第一頻率同步於該第二頻率。
15. 根據請求項10之方法，其中該產生該數位信號之步驟，包含根據該第一和第二頻率之差異，查找一預建資料庫，其包含溫度與頻率之對應資料，並產生代表該溫度之該數位信號。
16. 根據請求項10之方法，其中該產生該數位信號之步驟，係藉由一同步或非同步計數步驟以比較該第一和第二頻率。