CN107817060B - 温度数字转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种集成电路温度传感器，所述集成电路温度传感器包括：第一电容器，所述第一电容器具有与温度相关的第一电容；第二电容器，所述第二电容器具有与所述温度相关的第二电容；以及控制器，所述控制器被配置成确定所述第一电容与所述第二电容的比率，以便确定所述集成电路的区域的温度。

Description

温度数字转换器

技术领域

本文中所描述的实施例包括集成电路电容器温度传感器。

背景技术

集成电路中所用的大部分温度传感器是基于双极的。为了从双极装置读出，使用偏置电路在双极装置中运行连续电流，以供恰当设置并读出V_be电压，所述V_be电压为温度依赖性的，这使得温度可以被确定。对于精确的温度读出，可以较不依赖于工艺扩展而测量具有不同偏置电流的两种双极晶体管之间的V_be电压差。因而，只需要双极晶体管的两个分支之间的电流比是精确的。随着减小电路元件尺寸的技术缩放的增加，基于双极晶体管的温度传感器的精确性降低。

将电容器用作温度传感元件而不是双极晶体管消除了对持续偏置电流的需求，并且减少了误差源的数量。随着技术缩放的增加，边缘电容器的温度敏感性增加。边缘电容器可以具有两组导电指状物，所述两组导电指状物连接在一起，交错于同一水平面上，且一组指状物堆叠在另一组指状物顶上。当半导体区域受热时，硅或芯片膨胀，且边缘电容器导电指状物的高度和其之间的间距都扩增，使得指状物之间的间距和指状物侧边面积变大，并且当面积的增加超过了距离的增加时，边缘区域的电容增加。对于平板电容器，边缘对总电容的贡献大大降低，并且因此边缘的电容将随着硅或芯片膨胀而减小。

材料的正温度系数意味着所述材料的电容随着温度增加而增加。在CMOS技术中，金属边缘电容器具有正温度系数，且平板电容器具有小的负温度系数。这些温度系数可以通过建构电容器和/或标注电容器的尺寸(例如，改变高宽比、指状物间距，以及增加边缘电容器指状物的堆叠层之间的通孔)来调整。这些电容器对温度的敏感性随着技术缩放的增加而增加。给定区域的温度可以通过测量所述区域的电容来测量。

电容数字转换器(CDC)(模数转换器的一种形式)可以确定边缘电容器的电容与另一电容器(例如，具有不同温度敏感性的平板电容器)的电容之间的比率。控制器或其它测量装置可以被配置成基于两种电容器的温度依赖性比率且不依赖于其它参考(例如，电压、电流或频率)来获得读出结果。使用具有标称电容补偿的CDC可以允许以高分辨率测量作为温度的函数的小电容变化而不需要大的动态范围。

发明内容

下文呈现各种实施例的简要概述。在以下概述中可以做出一些简化和省略，这意图突出且引入各种实施例的一些方面，但不限制本发明的范围。将在稍后的章节中对足以允许本领域的普通技术人员制作和使用本发明概念的实施例进行详细描述。

各种示例性实施例涉及一种集成电路温度传感器，所述集成电路温度传感器包括：第一电容器，所述第一电容器具有与温度相关的第一电容；第二电容器，所述第二电容器具有与温度相关的第二电容；以及控制器，所述控制器被配置成确定第一电容与第二电容的比率，以便确定集成电路的区域的温度。

第一电容器可以是边缘电容器，且第二电容器可以是平板电容器。第一电容器可以是平板电容器，且第二电容器可以是边缘电容器。

第一电容器和第二电容器可以属于相同类型，并且可以被配置成具有不同的温度敏感性。

集成电路可以包括具有电容器的积分器，所述积分器被配置成对来自第一电容器和第二电容器的电荷进行积分。电容器可以被配置成将负反馈提供到构成积分器的放大器。比较器可以被配置成基于积分器的输出而产生每循环位流值。

集成电路可以包括：第一开关，所述第一开关连接在第一电压参考与第一电容器的第一端子之间；第二开关，所述第二开关连接在第一电容器的第一端子与接地端之间；第三开关，所述第三开关连接在第一电容器的第二端子与放大器的输入端之间；以及第四开关，所述第四开关连接在第一电容器的第二端子与接地端之间，其中第一开关和第四开关根据第一控制信号同时打开和关闭，其中第二开关和第三开关根据第二控制信号同时打开和关闭，其中第一开关和第四开关在第二开关和第三开关关闭时打开，且其中第一开关和第四开关在第二开关和第三开关打开时关闭。

权利要求中的集成电路可以包括比较器，所述比较器被配置成基于所述积分器的输出而产生每循环位流值；第五开关，所述第五开关连接在第二电压参考与所述第二电容器的第一端子之间；第六开关，所述第六开关连接在所述第二电容器的第一端子与接地端之间；第七开关，所述第七开关连接在所述第二电容器的第二端子与所述放大器的输入端之间；以及第八开关，所述第八开关连接在所述第二电容器的第二端子与接地端之间，其中第五开关和第八开关根据第一控制信号和每循环位流值打开和关闭，其中第六开关和第七开关根据第二控制信号和每循环位流值打开和关闭，其中第五开关在第七开关关闭时打开。

控制器可以被配置成对历经多个循环的位流中的1值的数量进行计数，并且被配置成将1值的数量除以循环数量来确定比率。

集成电路可以包括负分支和正分支，所述负分支包括负电压源，所述正分支包括正电压源。负分支可以包括多个开关。正分支可以包括多个开关。

各种示例性实施例还涉及一种确定集成电路温度的方法，所述方法包括：测量第一热敏电容器的第一电容；测量第二热敏电容器的第二电容；以及确定第一电容与第二电容的比率，以便确定集成电路的温度。

所述方法可以包括对历经预定时间周期来自积分器电容器中的第一电容和第二电容的电荷进行积分。

所述方法可以包括使用比较器将对应于积分后的电荷的电压与接地参考进行比较，以在电压为正时输出1位。所述方法还可以包括使用比较器将积分后的电荷的电压与接地参考进行比较，以在电压的输出不为正时输出0位。所述方法可以另外包括由比较器基于将积分后的电荷与接地参考进行比较而产生每循环位流值。

所述方法可以包括对历经多个循环的位流中的1值的数量进行计数，并且将1值的数量除以循环数量来确定比率。

第一电容器可以是边缘电容器，且第二电容器可以是平板电容器；或第一电容器可以是平板电容器，且第二电容器可以是边缘电容器。

附图说明

当结合附图时，本发明的额外目标和特征将从以下详细描述和所附权利要求书更显而易见。虽然示出并描述了几个实施例，但是在每个图式中，相同的附图标记标识相同的部分，在图式中：

图1示出了根据本文中所描述的实施例的标称边缘电容器和平板电容器的温度依赖性；

图2示出了根据本文中所描述的实施例的基于比率度量Σ△的电容数字转换器；

图3示出了根据本文中所描述的实施例的基于比率度量电荷放大器的电容数字转换器；

图4示出了根据本文中所描述的实施例的基于周期调制的电容时间转换器；并且

图5示出了根据本文中所描述的实施例的基于标称电容补偿比率度量Σ△转换器的电容数字转换器。

具体实施方式

应理解，图式仅为示意性的并且不按比例绘制。还应理解，在整个图式中使用相同附图标记来表示相同或类似的部分。

描述和附图示出各种示例实施例的原理。因此将了解，本领域的技术人员将能够设计各种布置，尽管本文中未明确地描述或示出所述布置，但所述布置体现本发明的原理且包括在本发明的范围内。此外，本文中所述的所有例子主要明确地意在用于教学目的以辅助读者理解本发明的原理及发明人所提供的概念，以深化本领域，且所有例子不应解释为限于此类特定所述的例子和条件。另外，除非另外指明(例如，“否则”或“或在替代方案中”)，否则本文中所使用的术语“或”是指非独占性的或(即，和/或)。并且，本文中所描述的各种实施例不一定互斥，因为一些实施例可以与一或多个其它实施例组合以形成新的实施例。如本文中所使用，除非另外指明，否则术语“上下文”和“上下文对象”应被理解成同义。例如“第一”、“第二”、“第三”等描述词不意图限制所论述元件的次序,而应用于区分一个元件与下一元件,且通常可互换。

图1示出了根据本文中所描述的实施例的边缘电容器和平板电容器的温度依赖性曲线图100。边缘电容器C_fringe具有正温度系数，且平板电容器C_plate具有小的负温度系数。这些系数被绘制成图1中具有不同斜率的线。举例来说，对于0.16μm工艺中0℃下的100fF标称电容，边缘电容器的典型敏感性可以是6aF/℃，而对于平板电容器，敏感性为-0.1aF/℃。边缘电容器的敏感性可以通过将指状物间距减小到处理技术允许的程度和增加边缘电容器指状物的堆叠层之间的通孔来增加。增加敏感性的另一选项是并联放置多个单元电容器。

图2示出了根据本文中所描述的实施例的基于比率度量Σ△的电容数字转换器200。CDC 200为模数转换器的一种形式。测量给定区域的温度包括测量电容。对于边缘电容器，温度越高，产生的电容越高。在给定温度下，边缘电容器可以储存一定量的电荷，平板电容器可以储存另外一定量的电荷。由边缘电容器储存的电荷量与由参考电容器储存的电荷量之间的电荷比率可以在不同温度下加以确定。基于所述电荷比率，系统可以确定集成电路的给定区域的温度。

如图2中所示的基于Σ△的CDC 200可以将电容读出直接转译成数字值，所述数字值表示边缘电容器210与平板电容器220之间的电容比率。CDC 200包括负分支202和正分支204。将来自负分支202和正分支204的输出馈送到放大器240的负端子和电容器230中，所述电容器230连接在放大器240的负端子与输出端之间。放大器240和电容器230构成积分器245。历经多个循环，电容器230将接收来自负分支202和正分支204的输入，并且储存正电荷、负电荷或零电荷。将来自积分器245的输出馈送到比较器250来确定位流bs的当前状态(如一或零)。CDC 200可以包括控制器260，以从比较器250接收位流bs的值并确定bs的当前状态。控制器260可以包括处理器、存储器、可编程输入/输出外围设备和时钟电路。控制器260可以用来设定开关的速度和时序，并确定样本的数量以产生位率。CDC 200可以包括抽取滤波器270以从控制器260接收位流bs，确定历经多个循环的位流bs的位率并将比率输出到控制器260。控制器260可以控制CDC 200的各种方面，所述CDC 200包括积分器245、比较器250和抽取滤波器270。位率将提供对边缘电容器210与平板电容器220之间的电容比率的测量，所述测量可以用来确定给定区域的温度值。控制器260可以将从比较器250接收的bs值馈送回CDC 200中以成为

和

的倍增器(逻辑AND)，并且控制器260被配置成继续测量CDC 200的电容，如本文中所描述。

在操作中，在第一时钟循环

期间，边缘电容器210充电到+V_REF，并且在第二时钟循环

期间，边缘电容器210放电到积分电容器230上。边界条件是，边缘电容器210的值小于平板电容器220的值。在每个时钟周期期间，电荷包在积分器电容器230上累积。当放大器240的输出为正时，比较器250将产生bs＝1的输出；且当放大器240的输出为负时，比较器250将产生bs＝0的输出。当比较器250输出bs＝1时，参考电容器220充电到-V_REF，在

期间和

期间，参考电容器220放电。在

期间，添加到积分器电容器230的电荷为V_refC₂₁₀-V_refC₂₂₀。因为C₂₂₀大于C₂₁₀，所以在

期间添加的此电荷为负。这将使得积分器245继续输出1s直到足够负电荷已积分于积分电容器230上，使得电压为负，在这时比较器将接着输出0。随后当bs＝0时，仅仅来自C₂₁₀的电荷将积分于积分电容器230上。反馈确保了来自边缘电容器210和平板电容器220的电荷在N个时钟周期内平衡，并且平均来说电荷不累积于积分器电容器230上。这可以如下表示：

NV_ref.C₂₁₀-N_bs＝1V_refC₂₂₀＝0

这可以如下重写：

C₂₁₀表示第一电容器(例如，边缘电容器)的电容，C₂₂₀表示第二电容器(例如，平板电容器)的电容，并且比率R为C₂₁₀与C₂₂₀的比率，所述比率R也是位流bs的平均值。输出R可以取决于边缘电容器210与平板电容器220之间的温度敏感性比率。使用具有不同温度敏感性的两种电容可以产生不依赖于任何参考电压的温度读出。为了增加这种温度数字转换器的温度敏感性，应当增加边缘电容器210与平板电容器220的温度敏感性之间的差异。可替换的是，电容器210可以表示平板电容器，且电容器220可以是边缘电容器。并且，假设电容器210和电容器220的温度敏感性不同，那么电容器210和220可以表示同一类型的电容器。还可以使用测量电容比率的其它电路通过使用具有不同温度敏感性的两种电容器来建构温度数字转换器。

图3示出了根据本文中所描述的实施例的基于比率度量电荷放大器的电容数字转换器300。在基于电荷放大器的CDC 300中，如图3中所示，可以产生同边缘电容器310与平板电容器320的比率成正比的电压V_int，随后可以用ADC 350将所述电压V_int转换成数字输出D。

在操作中，在时间周期T₁期间，开关315关闭，平板电容器320放电，且边缘电容器310预充电到V_ref。在时间周期T₂期间，开关325关闭，且电容器310放电。因为放电电流流经电容器330，所以电压在放大器340的输出端处积累。一旦积分器电压V_int稳定，ADC 350就可以将电压转换成数字值。来自ADC 350的数字输出D可以如下描述：

图4示出了根据本文中所描述的实施例的基于周期调制的电容时间转换器400。利用基于周期调制器的电容时间转换器400，电容值可以转译成脉冲时间。当输出475较高时，通过使用高频计数器，可以将此脉冲时间转换成数字输出。通过执行两种转换(在一种转换中电容器410可以是边缘电容器，且在另一种转换中电容器410可以是平板电容器并划分数字输出)，可以获得比率电容数字转换。

在时间周期T₁期间，电容器C_int430放电，且电容器C_x410预充电到V_ref。在时间周期T₂开始时，电容器410放电。放电电流流经电容器430，且电压在放大器440的输出端处积累，从而导致输出电压V_int的步骤，且比较器450被触发并产生正输出。随后，积分器电容430由电流源460放电，且积分器输出电压V_int线性下降，且当积分器输出电压V_int与接地参考交叉时，比较器450再次被触发。比较器脉冲的时间周期可以如下描述。

通过利用参考电容器C_r进行另一电容时间转换，对时钟的两次持续时间的高频时钟的脉冲数量计数，并除以数字结果，可以允许如下计算不依赖于V_ref和I_int的C_x与C_r之间的所要比率T。

作为温度的函数的标称电容的偏差对于边缘电容器和平板都很小。测量作为温度的函数的小的变化可能需要大动态范围和高分辨率两者。可以仅通过处理变化来减小动态范围。这可以通过减去等于标称电容电荷的电荷而在电荷域中实现。在差动电路实现中，负电荷是容易获得的。

图5示出了根据本文中所描述的实施例的基于标称电容补偿比率度量ΣΔ转换器的电容数字转换器500。在图5中，第一分支502和第二分支504可以具有只有较小温度依赖性变化的较高标称值，所述第一分支502具有带有不同温度敏感性的电容C₅₁₀和电容C₅₂₀，所述第二分支504也具有带有不同温度敏感性电容C₅₁₀和电容C₅₂₀所述。所述分支502和分支504可以包括三个参考电压：参考电压V_REF、共模电压V_CM和接地电压。共模电压V_CM被设置为参考电压V_REF的一半。使用电容器C₅₁₅来补偿标称电容。此CDC 500的比率R为：

使用具有不同温度敏感性的电容器可以产生不依赖于任何参考电压的温度读出。为了获得这种温度数字转换器的最大温度敏感性，C₅₁₀与C₅₁₅的温度敏感性之间的差应当尽可能大，并且C₅₂₀的温度敏感性应当与C₅₁₀-C₅₁₅的倾斜相反。这可以通过对于C₅₁₀选择边缘电容器和对于C₅₁₅选择平板电容器或反过来，以及对于C₅₂₀选择平板电容器来获得。为了获得比率的较大变化，电容器C₅₂₀通常很小，这是因为电容器C₅₂₀被缩放到作为温度的函数的C₅₁₀-C₅₁₅变化的一半。随后还可以在对敏感性最低限度影响的情况下，对于C₅₂₀选择边缘电容器。取决于电容器类型的选择，比率相对于温度的斜率是正或负的。当斜率为负时，可以通过将比率R计算为位流中零的数量除以值N的总数量来获得正斜率。

为了实现所要的分辨率，可能需要涵盖标称电容和变化两者的高动态范围，所述高动态范围包括许多转换循环和消耗大量功率。为了减小动态范围和将转换循环的数量和功率降到最小，可以使用偏移电容515从分别从第一分支502和第二分支504输出的电容减去等于标称电容电荷的电荷。因此，由积分器处理的信号可以表示温度变化，并且使用较少转换循环来获得所要的分辨率。

尽管已特定参考各种实施例的某些方面详细地描述了各种实施例，但应理解，本文中所描述的实施例能够具有其它实施例，且所描述的实施例的细节能够在各种显而易见的方面中具有修改。如对于本领域的技术人员来说显而易见的是，可在保持在本文中所描述的实施例的精神和范围内的同时实现变化和修改。因此，前文的公开内容、描述和图式仅出于说明性目的，且并不以任何方式限制本文中所描述的实施例，本文中所描述的实施例仅通过权利要求书限定。

Claims (7)

1.一种集成电路温度传感器，其特征在于，包括：

第一电容器，所述第一电容器具有与温度相关的第一电容；

第二电容器，所述第二电容器具有与温度相关的第二电容；

包括放大器和第三电容器的积分器，所述积分器被配置成对来自所述第一电容器和所述第二电容器的电荷进行积分，所述第三电容器被配置成将负反馈提供到所述放大器；

比较器，所述比较器被配置成基于所述积分器的输出而产生每循环位流值；以及

控制器，所述控制器被配置成确定所述第一电容与所述第二电容的比率，以便基于所述位流值确定所述集成电路的区域的温度。

2.根据权利要求1所述的集成电路温度传感器，其特征在于，所述第一电容器为边缘电容器，且所述第二电容器为平板电容器。

3.根据权利要求1所述的集成电路温度传感器，其特征在于，所述第一电容器为平板电容器，且所述第二电容器为边缘电容器。

4.根据权利要求1所述的集成电路温度传感器，其特征在于，所述第一电容器和所述第二电容器属于相同类型，并且被配置成具有不同的温度敏感性。

5.根据权利要求1所述的集成电路温度传感器，其特征在于，进一步包括：

第一开关，所述第一开关连接在第一电压参考与所述第一电容器的第一端子之间；

第二开关，所述第二开关连接在所述第一电容器的所述第一端子与接地端之间；

第三开关，所述第三开关连接在所述第一电容器的第二端子与所述放大器的输入端之间；以及

第四开关，所述第四开关连接在所述第一电容器的所述第二端子与所述接地端之间，

其中所述第一开关和所述第四开关根据第一控制信号同时打开和关闭，

其中所述第二开关和所述第三开关根据第二控制信号同时打开和关闭，

其中所述第一开关和所述第四开关在所述第二开关和所述第三开关关闭时打开，并且

其中所述第一开关和所述第四开关在所述第二开关和所述第三开关打开时关闭。

6.根据权利要求1所述的集成电路温度传感器，其特征在于，进一步包括：

比较器，所述比较器被配置成基于所述积分器的输出而产生每循环位流值；

第五开关，所述第五开关连接在第二电压参考与所述第二电容器的第一端子之间；

第六开关，所述第六开关连接在所述第二电容器的所述第一端子与接地端之间；

第七开关，所述第七开关连接在所述第二电容器的第二端子与所述放大器的输入端之间；以及

第八开关，所述第八开关连接在所述第二电容器的所述第二端子与接地端之间，

其中所述第五开关和所述第八开关根据第一控制信号和所述每循环位流值打开和关闭，

其中所述第六开关和所述第七开关根据第二控制信号和所述每循环位流值打开和关闭，

其中所述第五开关在所述第七开关关闭时打开。

7.一种确定集成电路温度的方法，其特征在于，包括：

测量第一热敏电容器的第一电容；

测量第二热敏电容器的第二电容；

由包括具有电容器的积分器对来自所述第一热敏电容器和所述第二热敏电容器的电荷进行积分；

基于所述积分器的输出而由比较器产生每循环位流值并且将对应于积分后的电荷的电压与接地参考进行比较；以及

基于所述位流值确定所述第一电容与所述第二电容的比率，以便确定所述集成电路的温度。

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