專利名稱：用于溫度傳感器的比率計的制作方法
用于溫度傳感器的比率計
背景技術：
圖1示出現(xiàn)有數(shù)字溫度傳感器(DTS)，其使用與現(xiàn)有比率計(ratiometer)電路 101耦合的公知類型帶隙電路104。比率計電路101包括基于電流源的DAC(數(shù)模轉換 器)106，以基于對比較器108輸出的Vout值的零位調整來生成溫度相關函數(shù)M(用于DAC 的乘數(shù))。帶隙電路104可以包括基于標準二極管的PTAT(與絕對溫度成比例的)模±央， 其產生兩種溫度相關DC電壓Vbe和AVbe。在一些實施例中，Vbe電壓有負溫度斜率，而 A Vbe電壓有正溫度斜率或者平坦(flat)溫度斜率。通過DAC 106，將A Vbe電壓乘以因子 M。 DAC 106可以包括諸如在圖2中示出的現(xiàn)有的電流源型DAC。在該示例中，M是與模擬 電平相對應的離散的4位的值，其乘以AVbe，得到值MAVbe(還被稱為Vref電壓)。Vref 電壓具有正溫度相關性或者平坦溫度相關性，其斜率和偏移由M確定。圖3的視圖示出了 Vbe和在不同M值下的Vref的不同示例性曲線，并且示出了 Vbe和Vref如何關聯(lián)于溫度。
比較器108用于檢測當負斜率的Vbe電壓與正斜率或者平坦斜率的Vref電壓相 交時(即當Vbe-Vref = 0時)的M值。M值對應于具體溫度，能夠通過使用任何適當?shù)姆?式，例如通過查找表，來確定該溫度。因為M是Vbe與AVbe的比率，所以能夠看出電路lOl 起到比率計的作用，其中該比率對應于帶隙電路104的溫度。 然而，該方式由于采用了電流源型DAC而存在缺點。對于最低有效(LS)位，只使 用了幾個晶體管，但是每個后續(xù)位都使晶體管的數(shù)目倍增。(圖2中示出，每一位的路徑都 具有單個基準晶體管PiA，但是，取決于電路如何被實施，每個晶體管實際上可以包含一個 或多個晶體管，以得到適當?shù)亩M制加權DAC。)當有必要覆蓋有效動態(tài)范圍時，典型地會 因正常的工藝變化而產生問題。例如，取決于設計方面的考慮，可能需要9位或者甚至10 位的DAC范圍。(當采用非二進制加權的實施例時，將會需要甚至更多位。)在這些情況 下，晶體管數(shù)目變得驚人的高，并且這些晶體管可能分布在很大的面積上，這可能產生諸如 過度泄露、、變化、R。和溝道效應變化等副作用問題。這些副作用可能增加例如由校準與 系統(tǒng)操作之間的DAC性能差異所引起的測量誤差。另外，當在不同組電流源之間進行切換 時，上述變化可能使電流成為數(shù)字位的非單調函數(shù)。這可能導致顯著的溫度誤差。另一問 題可能是DAC的較差的PSRR(電源抑制比)，這典型地需要良好的SFR(超濾調節(jié)器(super filtered regulator))來對DTS供電。增加SFR會導致面積和功耗的增加以及對校準的額 外需要。 因此，需要一種新的方法。


在附圖的視圖中以示例的方式而不是以限制的方式示出了本發(fā)明的實施例，其中
同樣的標號指代類似的元件。
圖1是現(xiàn)有溫度感應電路的示意圖。 圖2是用于圖1的溫度感應電路的數(shù)模轉換器(DAC)的示意圖。 圖3是示出圖1的溫度傳感器的Vbe值以及在不同M值下的Vref值的視圖。
圖4是根據一些實施例的具有基于振蕩器的比率計的溫度傳感器的示意圖。
圖5是根據一些實施例的適用于圖4的比率計的振蕩器電路的示意圖。
圖6是根據一些實施例的適用于圖4的比率計的頻率比率計電路的示意圖。
圖7是示出根據一些實施例的圖4的電路的電壓頻率比率曲線與溫度的相互關系 的示意圖。 圖8是根據附加實施例的具有基于振蕩器的比率計的溫度傳感器的示意圖。
圖9是根據一些實施例的具有處理器的計算機系統(tǒng)的示意圖，其中，該處理器具 有溫度傳感器，并且該溫度傳感器具有比率計。
具體實施例方式
在一些實施例中，提供了新的DTS實現(xiàn)方式，其可以采用現(xiàn)有的Vbe/ A Vbe溫度相 關原理，但是用基于電壓-頻率(V/F)的比率計代替基于DAC的比率計。這種新方式能夠 導致更加簡化的電路，該電路可以有更大的變化容許度，并且能夠需要更少的功率和面積。
圖4示出了根據一些實施例的DTS的示意圖。該DTS包括比率計401，該比率計 401具有電壓-頻率(V/F)轉換器(或者振蕩器)404(V/F1)、406(V/F2)和作為比率計算 器的分頻器(Fl/F2)408，該比率計401如所示耦合于現(xiàn)有帶隙電路104以提供溫度因子M， 該溫度因子M的值對應于帶隙電路中的溫度。帶隙電路104包括基于二極管的PTAT?！姥耄?其產生兩種溫度相關DC電壓，即Vbe和AVbe。在一些帶隙電路中，AVbe有時可以被稱 作Vref等。(例如，參見例如Barba等人在1999年5月在IEEEJOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS的第34巻第5期中發(fā)表的"ACMOS Bandgap Reference Circuit with Sub-l-V Operation，，) Vbe和A Vbe電壓具有不同的溫度斜率。在一些具體實施中，Vbe具有負溫度系 數(shù)，而AVbe/Vref具有正溫度系數(shù)或者零(平坦)溫度系數(shù)。 假設所述V/F電路是適當?shù)仡愃频?，即，具有適當?shù)仡愃频脑鲆娉?shù)(a )，則從V/ Fl產生的頻率(Fl)將會是a/AVbe，并且從V/F2產生的頻率(F2)將會是a/Vbe。因此， 當在分頻器408中Fl被F2分頻時，結果為Vbe/AVbe，該結果是電壓(或者頻率)比率M。 然后，例如通過查找表等能夠將該值M與具體溫度相關聯(lián)。圖7是示出F的示例性比率函 數(shù)(例如，F(xiàn)1/F2)以及V的示例性比率函數(shù)(例如，Vbe/AVbe)的曲線圖，這些示例性比率 函數(shù)是溫度的函數(shù)。(在理想條件下，這兩個函數(shù)會是相同的；但是，在采用實驗得出的數(shù) 據的情形下，作為非理想元件的結果，這兩個函數(shù)盡管非常接近但會稍微偏離。)
在兩個V/F電路非常不同的情形下，作為隨機偏移的結果，有可能對輸入加以"斬 波"。在該過程中有兩種測量。在第一測量中，AVbe連接于V/Fl，而Vbe連接于V/F2。 Fl/ F2的值被存儲為M1。在第二測量中，輸入被切換，AVbe連接于V/F2，而Vbe連接于V/Fl， 并且Fl/F2的值被存儲為M2。 Ml和M2這兩個值的平均值是更加準確的溫度。
圖5示出根據一些實施例的可以在比率計中使用的電壓-頻率電路。該電路包括 如所示耦合在一起的開關晶體管(Nl、 N2)、觸發(fā)器(FF)、比較器(Cmpl、 Cmp2)、充/放電電 容器(C1、C2)和共射共基電流鏡像晶體管(M)。 在一些實施例中，充/放電電容器(Cl、 C2)是金屬電容器。這兩個電容器分別起 到積分級的作用，并且被適當?shù)睾愣ㄇ蚁嗟鹊碾娏?11、 12)加以充電，從而導致所期望的增益線性度和寬輸入電壓(Vin)范圍。為了得到具有良好PSRR和低溝道效應的所期望的 恒定電流，使用了升壓共射共基電流鏡像技術，其中從帶隙模塊自身對電流進行鏡像。(這 不是必需的，但是可以提高精度并且減少因工藝變化等引起的誤差。)因為在許多情形下可 以利用例如1. 6 1. 8V的充足電源，所以共射共基電流鏡像晶體管能夠有充足的余量。
電容器耦合到比較器Cmpl和Cmp2，比較器的輸出耦合到觸發(fā)器。通過這種配置， 電容器C1和C2中的每一個以交替的順序被充電。在C1充電時，C2通過晶體管N2放電。 當C1上的電壓達到比較器(Cmpl)閾值(Vin)時，觸發(fā)器翻轉，然后，C2在C1通過N1放電 的同時進行充電，直至達到Cmp2閾值(也是Vin)。該過程繼續(xù)進行，從而產生與Vin的電 平成反比的輸出頻率(F)。 圖6示出根據一些實施例的可以用于分頻器408的頻率比率計算器。該計算器是 數(shù)字計算器，其確定與Fl和F2的比率相對應的值M' 。 (Fl/F2計算器實際上找到一個值M'， 其中當該值M'除以常數(shù)值時得到比率M)。該計算器包括如所示耦合在一起的兩個計數(shù)器 Cntrl和Cntr2以及AND門Ul和U2。該計算器不需要外部時鐘，因此使得熱傳感器能夠執(zhí) 行例如不取決于PLL的功能，這可能是有益的，因為在例如由關機或者受損電路操作而引 起的過熱情形下這些功能可能失效或者受損。 在操作中，假設F1和F2都運行，在重置(Reset)#被釋放之后，兩個計數(shù)器同時開 始計數(shù)。在開始時，在計數(shù)期間內，Cntr2的MSB#位為'1'，由此使得Fl和F2信號經由其 AND門而被使能。兩個計數(shù)器計數(shù)，直至MSBft位變?yōu)?0'，這使得AND門失效。因此，第二 計數(shù)器的MSBft位可以稱為"停止計數(shù)"位。計數(shù)被停止，直至下次Resetft有效。這樣，對 于每次計數(shù)，在Cntr2中總是存在同樣的值(稱為Count2) 。 Count2值將是與MSB#變?yōu)橛?效且其它位未變?yōu)橛行У那樾蜗鄬闹怠?因此，當計數(shù)已經停止時，Cntrl計數(shù)器的位將包含數(shù)值(M')，其表示Fl/F2除以 Count2之間的比率。作為示例，在Cntr2是i^一位計數(shù)器的情形下，似乎Cntr2總能夠計 數(shù)到2048。 Cntrl計數(shù)器因此包含溫度相關比率M*Count2，并且因此，可以通過簡單地將 Cntrl中的值除以Count2來容易地得到M。然而，應當意識到，既然無論使用何種方法從 M中提取溫度都要除以常數(shù)Count2，那么上述運算將不是必需的。即，例如，如果使用查找 表，則可以調整所述值以將Count2值考慮在內。在另一種方式中，可以將所述值指定為與 Cntrl相關聯(lián)。 這樣使用計數(shù)器的優(yōu)點在于，計數(shù)器有效地抑制由振蕩器產生的振蕩器閃爍噪 聲。即，因為計數(shù)器能夠提供所計數(shù)的脈沖的平均數(shù)，所以計數(shù)器將會典型地阻止由振蕩器 引起的任何開關噪聲，從而起到低通濾波器的作用。通過這種濾波，還將會典型地限制熱噪 聲的影響。 應當意識到，可以使用能夠實現(xiàn)本文所述的各種功能的任何適當?shù)碾娐贰＠?，?用帶隙電路以產生兩種溫度相關電壓。然而，為了對溫度進行感應，可以使用產生具有不同 溫度相關性的兩種信號(例如，電壓信號)的任何電路。例如，可以使用基于晶體管的PTAT。 而且，如圖4所示的兩種振蕩器的使用是可選的。例如，能夠使用諸如圖8所示的單個振蕩 器。Vref和Vbe信號可以例如經由復用器802依次耦合于振蕩器。可是，在這種情形下， 在Fl/F2分頻器中可能需要計時器或者時鐘，以便在同一期間內對每個頻率"計數(shù)"。還可 以擴展對振蕩器的選擇。然而，這些振蕩器應當相對于其輸入電壓是線性的。振蕩器還應當在Vin的高跨距下工作，該高跨距覆蓋在工藝和溫度變化范圍內Vbe和A Vbe (或者等效 形式)的全部變化。 參照圖9，示出了計算機平臺的一部分的一個示例。所表示的部分包括處理器 902、集線器功能模塊904、存儲器906、無線網絡接口 908和天線909。處理器902通過集 線器904與存儲器906及無線網絡接口 908相耦合。集線器功能模塊904可以包括一個或 多個電路模塊，以執(zhí)行各種接口控制功能(例如，存儲器控制、圖像控制、I/O接口控制等)。 這些電路可以在一個或多個單獨的芯片上實現(xiàn)，和/或可以部分或全部在處理器902內實 現(xiàn)。處理器902包括如本文所述的至少一個溫度傳感器(TS)903，該TS 903具有基于振蕩 器的比率計。 存儲器906包括一個或多個存儲器模塊，以將附加的隨機存取存儲器提供給處理 器902。存儲器906可以用包括但不限于動態(tài)隨機存取存儲器、靜態(tài)隨機存取存儲器、閃存 等的任何適當?shù)拇鎯ζ骷右詫崿F(xiàn)。無線網絡接口 908與天線909相耦合，以將處理器902 無線耦合于諸如無線局域網或者蜂窩網絡的無線網絡(未示出)。 移動平臺401可以實現(xiàn)多種不同的計算設備或者具有計算能力的其它裝置。這樣 的設備包括但不限于膝上型電腦、筆記本電腦、個人數(shù)字助理設備(PDA)、蜂窩電話、音頻和 /或視頻媒體播放器等。移動平臺401可以組成一個或多個完整的計算系統(tǒng)，或者作為選 擇，可以組成在計算系統(tǒng)中有用的一個或多個組件。 在前述說明中，已經闡述了許多具體細節(jié)。然而，可以理解，沒有這些具體細節(jié)也 可以實現(xiàn)本發(fā)明的各實施例。在其它實例中，為了不混淆對本說明書的理解，可能未具體示 出公知的電路、結構和技術。鑒于此，關于"一個實施例"、"實施例"、"示例性實施例"、"各實 施例"等的指代表示所說明的本發(fā)明的實施例可以包括具體特征、結構或者特性，但并非每 個實施例都必須包括該具體特征、結構或者特性。此外，一些實施例可以具有一些或者所有 針對其它實施例說明的特征，或者可以沒有這些特征。 在上述說明書和所附的權利要求書中，下列術語可以作如下解釋。術語"耦合"和 "連接"可以連同它們的派生詞一起使用。應當理解，這些術語并非意指互為同義詞。相反， 在具體實施例中，"連接"用于指兩個或更多部件相互直接物理接觸或者電接觸。"耦合"用 于指兩個或者更多部件相互協(xié)同操作或者交互，但它們可能或者可能不直接物理接觸或者 電接觸。 術語"PMOS晶體管"指的是P型金屬氧化物半導體場效應晶體管。同樣，"NMOS晶 體管"指的是N型金屬氧化物半導體場效應晶體管。應當意識到，術語"MOS晶體管"、"NMOS 晶體管"或者"PMOS"晶體管無論何時被使用，除非其用途的本質明確地指出或者規(guī)定，否 則它們就是以示例性的方式被使用。這些術語包括不同種類的MOS器件，這些MOS器件包 括具有不同的VT、材料類型、絕緣層厚度、門配置等的器件，此處僅列舉幾項。而且，除非被 具體稱作MOS等，晶體管這一術語可以包括其它適當?shù)木w管類型，例如，結型場效應晶體 管、雙極結型晶體管、金屬半導體FET、以及現(xiàn)在已知或尚未開發(fā)的各種三維晶體管、MOS或 者其它晶體管。 本發(fā)明不限于所述的實施例，而是能夠用所附權利要求的精神和范圍之內的修改 和變型加以實現(xiàn)。例如，應當意識到，本發(fā)明可適用于所有類型的半導體集成電路("ic") 芯片的使用。這些IC芯片的示例包括但不限于處理器、控制器、芯片組組件、可編程邏輯陣列(PLA)、存儲芯片、網絡芯片等。 還應當意識到，在一些附圖中，用線代表信號導線。 一些線可能是加粗的，以表示 更多組成信號路徑；一些線可能具有標號，以表示組成信號路徑的標號；和/或一些線可能 在一端或者多端具有箭頭，以表示主要信息的流向。然而，這不應當以限制的方式加以解 釋。相反，這些增加的細節(jié)可以與一個或者多個示例性實施例結合使用，以便于較容易地 理解電路。任何被表示的信號線，無論是否具有附加信息，實際上都可以包含可在多個方向 中傳播的一個或多個信號，并且可以用任何適當類型的信號方案加以實現(xiàn)，例如，用不同線 對、光纖線路和/或單端線路實現(xiàn)的數(shù)字或者模擬線路。 應當意識到，可以給定示例性的尺寸/模型/值/范圍，盡管本發(fā)明并不限于這樣 的尺寸/模型/值/范圍。隨著制造技術(例如，光刻)日益成熟，可以期待能夠制造更小 尺寸的器件。另外，為了簡化說明和討論并且不致混淆本發(fā)明，IC芯片以及其它組件的公知 電源連接/地連接可以或者可以不在附圖中示出。此外，可以以框圖的形式示出配置，以避 免混淆本發(fā)明，并且也是鑒于如下事實與實施這種框圖配置有關的細節(jié)高度地取決于實 施本發(fā)明的平臺，即，這些細節(jié)應當是本領域技術人員可以充分預料到的。在為了說明本發(fā) 明的示例性實施例而闡述了具體細節(jié)(例如，電路)的情況下，本領域技術人員應當清楚， 可以在不改變或者改變這些具體細節(jié)的情形下實現(xiàn)本發(fā)明。因此，應當認為本說明書是說 明性的而不是限制性的。
權利要求
一種芯片，包括至少一個電壓-頻率(V/F)轉換器，用于接收第一參數(shù)相關信號和第二參數(shù)相關信號；以及用于產生與所述參數(shù)的值相對應的數(shù)值或計數(shù)的電路，所述值對應于所述第一參數(shù)相關信號和所述第二參數(shù)相關信號。
2. 如權利要求1所述的芯片，其中，所述電路是計數(shù)器。
3. 如權利要求2所述的芯片，其中，所述第一參數(shù)相關信號和所述第二參數(shù)相關信號包括具有對于所述參數(shù)的不同相關性的第一參數(shù)相關電壓和第二參數(shù)相關電壓。
4. 如權利要求2所述的芯片，其中，所述參數(shù)代表溫度。
5. 如權利要求4所述的芯片，其中，所述第一電壓和所述第二電壓間的比率與溫度之 間的對應關系是線性的。
6. 如權利要求4所述的芯片，其中，所述第一電壓和所述第二電壓由PTAT電路產生。
7. 如權利要求5所述的芯片，其中，所述第一電壓是以負溫度相關性下降的二極管電 壓Vbe，并且所述第二電壓是具有零溫度相關性或者正溫度相關性的基準電壓。
8. 如權利要求4所述的芯片，其中，用至少一個電流源實現(xiàn)所述V/F轉換器，所述至少 一個電流源對電容器進行充電以產生第一積分電壓，所述積分電壓被輸入到比較器的輸入 端，并且所述第一信號和所述第二信號中的至少一個也被輸入到所述比較器。
9. 如權利要求4所述的芯片，其中，所述V/F轉換器包括至少兩個電壓-頻率(V/F)轉 換器，第一 V/F轉換器接收所述第一電壓并且輸出第一頻率，第二 V/F轉換器接收所述第二 電壓并且輸出第二頻率。
10. 如權利要求4所述的芯片，其中，存在單個V/F轉換器，并且所述第一電壓在第一 時間段期間被輸入到所述V/F轉換器，而所述第二電壓在第二時間段期間被輸入到所述V/ F轉換器。
11. 如權利要求9所述的芯片，其中，所述第一頻率和所述第二頻率被輸入到第一計數(shù) 器和第二計數(shù)器。
12. 如權利要求11所述的芯片，其中，所述計數(shù)器中的至少一個先計滿，此時其停止另 一個計數(shù)器。
13. 如權利要求12所述的芯片，其中，在所述另一個計數(shù)器中的數(shù)值代表溫度函數(shù)。
14. 一種電路，包括第一計數(shù)器，用于對比率值進行計數(shù)；以及第二計數(shù)器，包括用于在所述第二計數(shù)器的常數(shù)計數(shù)處使所述第一計數(shù)器停止的停止 計數(shù)位。
15. 如權利要求14所述的電路，包括第一門和第二門，用于接收第一和第二頻率信號。
16. 如權利要求15所述的電路，其中，所述第一門和所述第二門被所述第二計數(shù)器的 所述停止計數(shù)位使能。
17. 如權利要求16所述的電路，其中，所述第一門和所述第二門包括AND門。
18. —種計算機系統(tǒng)，包括具有至少一個溫度傳感器的處理器，所述溫度傳感器具有基于振蕩器的比率計，以提供與所述處理器內的溫度相對應的數(shù)字值。
19. 如權利要求18所述的計算機系統(tǒng)，包括 天線，用于將所述處理器與無線網絡相耦合。
20. 如權利要求18所述的計算機系統(tǒng)，其中，所述基于振蕩器的比率計包括第一電 壓_頻率轉換器和第二電壓_頻率轉換器，用于接收第一溫度相關電壓和第二溫度相關電
全文摘要
在一些實施例中，提供了一種新的DTS實現(xiàn)方式，其采用現(xiàn)有的Vbe/ΔVbe溫度相關原理，但是用基于電壓-頻率(V/F)的比率計代替基于DAC的比率計。這種新方式能夠導致更加簡化的電路，該電路可以有更大的變化容許度，并且能夠需要更少的功率和面積。
文檔編號G01K7/00GK101782439SQ200911000138
公開日2010年7月21日 申請日期2009年12月25日 優(yōu)先權日2008年12月31日
發(fā)明者J·紹爾, K·盧里亞, O·達德謝烏 申請人:英特爾公司