領(lǐng)域

本公開的諸方面一般涉及溫度感測，并且尤其涉及溫度傳感器。

背景技術(shù)：

多個(gè)溫度傳感器可以被集成在芯片上并且被用來監(jiān)視芯片上各位置處的溫度。來自傳感器的溫度讀數(shù)可以被饋送到溫度管理設(shè)備，該溫度管理設(shè)備基于溫度讀數(shù)來管理芯片上的電路(例如，中央處理單元(CPU))。例如，溫度管理設(shè)備可以基于溫度讀數(shù)來管理諸電路以防止芯片上的一個(gè)或多個(gè)位置處的溫度變得過高，溫度過高可能潛在地?fù)p壞芯片。在該示例中，若溫度讀數(shù)上升超過溫度閾值，那么該溫度管理設(shè)備可以采取措施來降低溫度(例如，降低電路的頻率)。

概述

以下給出對一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的簡化概述以提供對此類實(shí)施例的基本理解。此概述不是所有構(gòu)想到的實(shí)施例的詳盡綜覽，并且既非旨在標(biāo)識所有實(shí)施例的關(guān)鍵性或決定性要素亦非試圖界定任何或所有實(shí)施例的范圍。其唯一的目的是要以簡化形式給出一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的一些概念以作為稍后給出的更加具體的說明之序。

根據(jù)第一方面，本文中描述了一種溫度傳感器。該溫度傳感器包括具有柵極的第一晶體管，具有耦合到該第一晶體管的柵極的柵極的第二晶體管，以及偏置電路，該偏置電路配置成偏置該第一和第二晶體管的柵極，從而該第一和第二晶體管在亞閾值區(qū)中操作，以及配置成生成與該第一晶體管的柵極到源極電壓和該第二晶體管的柵極到源極電壓之間的差異成正比的電流。該溫度傳感器還包括配置成將電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字溫度讀數(shù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。

第二方面涉及一種用于感測溫度的方法。該方法包括：偏置第一晶體管的柵極和第二晶體管的柵極，以使得該第一和第二晶體管在亞閾值區(qū)中操作，以及生成與該第一晶體管的柵極到源極電壓和該第二晶體管的柵極到源極電壓之間的差異成正比的電流。該方法還包括將該電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字溫度讀數(shù)。

第三方面涉及一種用于感測溫度的裝備。該裝備包括：用于偏置第一晶體管的柵極和第二晶體管的柵極以使得該第一和第二晶體管在亞閾值區(qū)中操作的裝置，以及用于生成與該第一晶體管的柵極到源極電壓和該第二晶體管的柵極到源極電壓之間的差異成正比的電流的裝置。該裝備還包括用于將該電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字溫度讀數(shù)的裝置。

第四方面涉及包括溫度傳感器和溫度管理設(shè)備的系統(tǒng)。該溫度傳感器包括具有柵極的第一晶體管，具有耦合到該第一晶體管的柵極的柵極的第二晶體管，以及偏置電路，該偏置電路配置成偏置該第一和第二晶體管的柵極，從而該第一和第二晶體管在亞閾值區(qū)中操作，以及配置成生成與該第一晶體管的柵極到源極電壓和該第二晶體管的柵極到源極電壓之間的差異成正比的電流。該溫度傳感器還包括配置成將電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字溫度讀數(shù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。該溫度管理設(shè)備被耦合到該溫度傳感器，并且配置成基于該數(shù)字溫度讀數(shù)來確定電路的溫度，以及基于該溫度來調(diào)節(jié)該電路的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)。

為能達(dá)成前述及相關(guān)目的，這一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例包括在下文中充分描述并在權(quán)利要求中特別指出的特征。以下說明和所附插圖詳細(xì)闡述了這一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的某些解說性方面。但是，這些方面僅僅是指示了可采用各個(gè)實(shí)施例的原理的各種方式中的若干種，并且所描述的實(shí)施例旨在涵蓋所有此類方面及其等效方案。

附圖簡要說明

圖1示出了根據(jù)本公開的實(shí)施例的溫度傳感器。

圖2示出了根據(jù)本公開的實(shí)施例的包括在亞閾值區(qū)中操作的晶體管的溫度感測電路的示例性實(shí)現(xiàn)。

圖3是示出根據(jù)本公開的實(shí)施例的溫度傳感器中作為溫度的函數(shù)的電流和頻率的標(biāo)繪。

圖4示出了根據(jù)本公開的實(shí)施例的溫度管理設(shè)備的示例。

圖5是解說根據(jù)本公開的實(shí)施例的溫度校準(zhǔn)的示例的標(biāo)繪。

圖6示出了根據(jù)本公開的實(shí)施例的用于校準(zhǔn)溫度傳感器的系統(tǒng)的示例。

圖7是根據(jù)本公開的實(shí)施例的用于感測溫度的方法的流程圖。

詳細(xì)描述

以下結(jié)合附圖闡述的詳細(xì)描述旨在作為各種配置的描述，而無意表示可實(shí)踐本文中所描述的概念的僅有的配置。本詳細(xì)描述包括具體細(xì)節(jié)以便提供對各種概念的透徹理解。然而，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將顯而易見的是，沒有這些具體細(xì)節(jié)也可實(shí)踐這些概念。在一些實(shí)例中，以框圖形式示出眾所周知的結(jié)構(gòu)和組件以避免湮沒此類概念。

多個(gè)溫度傳感器可以被集成在芯片上并且被用來監(jiān)視芯片上各個(gè)位置處的溫度。來自傳感器的溫度讀數(shù)可以被饋送到溫度管理設(shè)備，該溫度管理設(shè)備基于該溫度讀數(shù)來管理該芯片上的電路(例如，中央處理單元(CPU)，圖形處理單元(GPU)、調(diào)制解調(diào)器等)。例如，溫度管理設(shè)備可以基于溫度讀數(shù)來來管理諸電路以防止芯片上的一個(gè)或多個(gè)位置處的溫度變得過高，溫度過高可能潛在地?fù)p壞芯片。在該示例中，若溫度讀數(shù)上升超過溫度閾值，那么該溫度管理設(shè)備可以采取措施來降低溫度(例如，降低電路的頻率和/或供電電壓)。

基于雙極的溫度傳感器可以被用來測量芯片上的溫度?；陔p極的溫度傳感器可包括兩個(gè)雙極結(jié)型晶體管(BJT)，其中這些BJT的電流的比值是固定的并且溫度讀數(shù)是基于BJT的基極-發(fā)射極電壓來生成的。傳統(tǒng)的基于雙極的溫度傳感器使用復(fù)雜的Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，其消耗相對大量的功率并且占據(jù)相對較大的芯片區(qū)域。此外，這些溫度傳感器要求模擬電源軌，其通常處于比用來向(例如，CPU中的)數(shù)字邏輯供電的電源軌更高的電壓。因此，這些溫度傳感器的放置被限制在模擬電源軌可用的芯片區(qū)域。這可能會阻礙將這些傳感器中的一個(gè)或多個(gè)傳感器放置在CUP中以獲得CPU中的熱點(diǎn)的準(zhǔn)確溫度讀數(shù)。

相應(yīng)地，小型低功率溫度傳感器是合需的。同樣，可以由用以向數(shù)字邏輯供電的電源軌來供電的溫度傳感器是合需的。這會允許溫度傳感器被放置(嵌入)在包括數(shù)字邏輯的電路(例如，CPU)中。

圖1示出了根據(jù)本公開的實(shí)施例的溫度傳感器100。溫度傳感器100包括溫度感測電路110和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)130。如以下進(jìn)一步討論的，溫度感測電路110被配置成生成與溫度成正比的電流(記為“I_Temp”)ADC 130被配置成將來自溫度感測電路110的電流I_Temp轉(zhuǎn)換成數(shù)字溫度讀數(shù)。

溫度感測電路110包括第一晶體管N和第二晶體管M，這兩個(gè)晶體管都是N型場效應(yīng)晶體管(NFET)。第一和第二晶體管N和M的柵極耦合在一起，并且由電壓偏置Vbias來偏置。溫度感測電路110還包括耦合在第一晶體管N的源極和接地之間的電阻器120。該第二晶體管M的源極耦合到接地。在一方面，電阻器120具有在感興趣的溫度范圍內(nèi)大致不隨溫度變化的電阻，并且可包括多晶硅電阻器或其他類型的電阻器。

溫度感測電路110進(jìn)一步包括耦合到該第一和第二晶體管N和M的漏極以及第一和第二晶體管N和M的柵極的偏置電路115。偏置電路115被配置成感測第一晶體管N的電流(記為“I_N1”)，感測第二晶體管M的電流(記為“I_M1”)，以及基于所感測到的電流來調(diào)節(jié)第一和第二晶體管N和M的柵極處的電壓偏置Vbias。更具體而言，偏置電路115調(diào)節(jié)電壓偏置Vbias，以使得第一和第二晶體管N和M的電流I_N1和I_M1的比值在感興趣的溫度范圍內(nèi)大致是常數(shù)(固定的)。在一個(gè)示例中，電流I_N1和I_M1的比值可以約等于1，如以下進(jìn)一步討論的。偏置電路115還調(diào)節(jié)電壓偏置Vbias，以使得第一和第二晶體管N和M二者在亞閾值區(qū)中操作(即，電壓偏置Vbias在第一和第二晶體管N和M的閾值電壓以下)。如以下所解釋的，在這些條件下操作第一和第二晶體管N和M使得第一和第二晶體管N和M中的每一者的電流與溫度成正比。

亞閾值區(qū)中的第一晶體管N的電流I_N1可以大致由下式給出：

其中I_o是取決于工藝的常數(shù)，W_N是第一晶體管N的柵極寬度，L是第一晶體管N的柵極長度，V_{GS_N}是第一晶體管N的柵極到源極電壓，以及V_T是熱電壓。偏置電路115通過將偏置電壓Vbias設(shè)置到第一晶體管N的閾值電壓以下來在亞閾值區(qū)中操作第一晶體管N。熱電壓V_T可以大致由下式給出：

其中k是波爾茲曼(Boltzmann)常數(shù)，T是以開爾文(Kelvin)為單位的絕對溫度，以及q為電子電荷。熱電壓V_T在室溫下約等于26mV，且不應(yīng)當(dāng)與第一晶體管N的閾值電壓相混淆。

亞閾值區(qū)中的第二晶體管M的電流I_M1可以大致由下式給出：

其中I_o是取決于工藝的常數(shù)，W_M是第二晶體管M的柵極寬度，L是第二晶體管M的柵極長度，V_{GS_M}是第二晶體管M的柵極到源極電壓，以及V_T是熱電壓。偏置電路115通過將偏置電壓Vbias設(shè)置到第二晶體管M的閾值電壓以下來在亞閾值區(qū)中操作第二晶體管M。式(3)假設(shè)第一和第二晶體管N和M具有相同的柵極長度L和取決于工藝的常數(shù)I_o。第一和第二晶體管N和M可以被假設(shè)成具有相同的取決于工藝的常數(shù)I_o，這是因?yàn)樗鼈儽槐舜司o挨地制造在芯片上。

使用式(1)到(3)，第二晶體管M的柵極到源極電壓V_{GS_M}和第一晶體管N的柵極到源極電壓V_{GS_N}之間的差異可以被寫成如下形式：

如以上所討論的，偏置電路115調(diào)節(jié)第一和第二晶體管N和M的柵極處的電壓偏置Vbias，以使得電流I_N1和I_M2的比值在感興趣的溫度范圍內(nèi)大致是常數(shù)。由此，式(4)中電流I_N1和I_M2的比值大致為常數(shù)。同樣，第一和第二晶體管N和M的柵極寬度W_N和W_M的比值、波爾茲曼常數(shù)K和電子電荷q都大致為常數(shù)。最后，電阻器120的電阻R在感興趣的溫度范圍內(nèi)大致上不隨溫度變化。由此，除了溫度T之外，式(4)中的所有項(xiàng)在感興趣的溫度范圍內(nèi)都大致是常數(shù)。結(jié)果，第一和第二晶體管N和M的柵極到源極電壓之間的差異與溫度成正比，并且可以因此被用來測量溫度。在一方面，第一和第二晶體管N和M的柵極到源極電壓之間的差異被轉(zhuǎn)換成與溫度成正比的電流，如以下進(jìn)一步討論的。

因?yàn)榈诙w管M的源極接地，所以被施加到第一和第二晶體管N和M的柵極的電壓偏置Vbias等于第二晶體管M的柵極到源極電壓V_{GS_M}。由此，電壓Vbias可以被寫成：

Vbias＝V_{GS_M} (5)。電壓偏置Vbias也等于第一晶體管N的柵極到源極電壓V_{GS_N}和跨電阻器120的電壓降之和?？珉娮杵?20的電壓降等于I_N1·R，其中R是電阻器120的電阻。由此，電壓偏置Vbias也可以被寫成：

Vbias＝V_{GS_N}+I_N1·R (6)。

將式(5)和(6)的右側(cè)相等，導(dǎo)致以下結(jié)果：

V_{GS_M}＝V_{GS_N}+I_N1·R (7)。

式(7)可以被重寫以將第一晶體管N的電流I_N1表達(dá)為下式：

由此，第一晶體管N的電流I_N1等于第一和第二晶體管N和M的柵極到源極電壓之間的差異除以電阻器120的電阻R。如以上所討論的，第一和第二晶體管N和M的柵極到源極電壓之間的差異與溫度成正比。由此，第一晶體管N的電流I_N1也與溫度成正比，并且可以因此被用來測量溫度。將式(4)中的V_{GS_M}-V_{GS_N}的表達(dá)式代入等式(8)中得到以下第一晶體管N的電流I_N1的表達(dá)式：

由此，跨電阻器120施加第一和第二晶體管N和M的柵極到源極電壓之間的差異產(chǎn)生了與溫度成正比的電流I_N1。

因?yàn)榈谝缓偷诙w管N和M的電流I_N1和I_M1的比值大致為常數(shù)，所以第二晶體管M的電流I_M1約等于第一晶體管N的電流I_N1乘以常數(shù)。因此，第二晶體管M的電流I_M1也與溫度T成正比，并且也可以因此被用來測量溫度。

在一個(gè)實(shí)施例中，偏置電路115可以調(diào)節(jié)電壓偏置Vbias，從而第一和第二晶體管N和M的電流I_N1和I_M1大致相等，在該情形中，電流I_N1和I_M1的比值約等于1。因此，式(9)歸約成下式：

在該實(shí)施例中，第一晶體管N的柵極寬度W_N可以大于第二晶體管M的柵極寬度W_M。這允許第一晶體管N的柵極到源極電壓V_{GS_N}小于第二晶體管M的柵極到源極電壓V_{GS_M}以容適跨電阻器120的電壓降，同時(shí)也允許第一和第二晶體管N和M具有大致相同的電流。

如以上所討論的，偏置電路115被配置成生成與溫度成正比的電流I_Temp。為了達(dá)成這一點(diǎn)，偏置電路115可以使用一個(gè)或多個(gè)電流鏡(圖2中示出)來從第二晶體管M的電流I_M1生成電流I_Temp。在一個(gè)實(shí)施例中，電流I_Temp可以與第二晶體管M的電流I_M1成正比。因?yàn)榈诙w管M的電流I_M1與溫度成正比，所以電流I_Temp也與溫度成正比。

偏置電路115向ADC 130提供電流I_Temp，該ADC 130將電流I_Temp轉(zhuǎn)換成數(shù)字溫度讀數(shù)。就此而言，ADC 130包括環(huán)形振蕩器135和數(shù)字計(jì)數(shù)器150。環(huán)形振蕩器135可包括耦合成延遲鏈的奇數(shù)個(gè)反相器140(1)到140(3)，其中延遲鏈中的最后一個(gè)反相器140(3)的輸出端被耦合到延遲鏈中的第一個(gè)反相器140(1)的輸入端。這使得環(huán)形振蕩器135以與反相器140(1)到140(3)的時(shí)間延遲呈反比的振蕩頻率來振蕩。雖然在圖1中所示的示例中，環(huán)形振蕩器135包括三個(gè)反相器，但是將領(lǐng)會環(huán)形振蕩器135可包括任意奇數(shù)個(gè)反相器。

如圖1中所示，環(huán)形振蕩器135的反相器140(1)到140(3)由來自偏置電路115的電流I_Temp來偏置。更具體而言，偏置電路115向環(huán)形振蕩器135的頂部端子137發(fā)出電流I_Temp，以及從環(huán)形振蕩器135的底部端子142汲取電流I_Temp。如以下進(jìn)一步討論的，電流I_Temp控制反相器140(1)到140(3)的時(shí)間延遲，并且因此控制環(huán)形振蕩器135的振蕩頻率。

在一方面，每個(gè)反相器140(1)到140(3)的輸出端被耦合到相應(yīng)的電容器，其中該電容器可包括耦合在環(huán)形振蕩器135中的反相器的輸出端和下一反相器的輸入端之間的電容器(未示出)和/或下一反相器的輸入電容器(例如，柵極電容器)。在該方面，每個(gè)反相器通過對相應(yīng)的電容器充電來從低輸出邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)變成高輸出邏輯狀態(tài)，以及通過對相應(yīng)的電容器放電來從高輸出邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)變成低輸出邏輯狀態(tài)。從偏置電路115流入反相器140(1)到140(3)的電流I_Temp控制每個(gè)反相器能夠多快速地對相應(yīng)的電容器進(jìn)行充電，以及從反相器140(1)到140(3)流入偏置電路115的電流I_Temp控制每個(gè)反相器能夠多快速地對相應(yīng)的電容器進(jìn)行放電。由此，電流I_Temp控制反相器140(1)到140(3)多快速地改變邏輯狀態(tài)，并且因此控制反相器140(1)到140(3)的時(shí)間延遲。電流I_Temp越高，反相器越快速地改變邏輯狀態(tài)，并且因此反相器的時(shí)間延遲越短。

在該方面，反相器140(1)到140(3)的時(shí)間延遲可以大致與來自偏置電路115的電流I_Temp成反比。因?yàn)榄h(huán)形振蕩器135的振蕩頻率與反相器140(1)到140(3)的時(shí)間延遲成反比，所以振蕩頻率與來自偏置電路115的電流I_Temp大致成正比。如以上所討論的，來自偏置電路115的電流I_Temp大致與溫度成正比。因此，環(huán)形振蕩器135的振蕩頻率大致與溫度成正比，并且可以因此被用來測量溫度。

數(shù)字計(jì)數(shù)器150被耦合到環(huán)形振蕩器135的輸出端145，并且對環(huán)形振蕩器135的輸出端145處的振蕩循環(huán)的數(shù)目進(jìn)行計(jì)數(shù)。例如，數(shù)字計(jì)數(shù)器150可以對一時(shí)間段內(nèi)的環(huán)形振蕩器135的上升沿的數(shù)目和/或下降沿的數(shù)目進(jìn)行計(jì)數(shù)以生成數(shù)字計(jì)數(shù)值。數(shù)字計(jì)數(shù)值與振蕩頻率成正比，該振蕩頻率進(jìn)而與溫度成正比。由此，該數(shù)字計(jì)數(shù)值也與溫度成正比，并且因此提供了數(shù)字溫度讀數(shù)。

由此，環(huán)形振蕩器135將來自溫度感測電路110的電流I_Temp(其與溫度成正比)轉(zhuǎn)換成頻率，并且計(jì)數(shù)器150將該頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字溫度讀數(shù)。該數(shù)字溫度讀數(shù)可以被輸出到溫度管理設(shè)備(圖4中所示)，該溫度管理設(shè)備可以基于溫度讀數(shù)來管理芯片上的一個(gè)或多個(gè)電路。

圖2示出了根據(jù)本公開的一實(shí)施例的溫度感測電路110的示例性實(shí)現(xiàn)。為了便于解說，ADC 130未在圖2中示出。在該實(shí)施例中，偏置電路115包括第一電流鏡210、第二電流鏡220和第三電流鏡230。

第一電流鏡210包括第一P型場效應(yīng)晶體管PFET 212和第二PFET 214。第一和第二PFET 212和214的柵極耦合在一起，并且第一PFET 212的柵極和漏極耦合在一起。第一PFET 212的漏極被耦合到第一晶體管N的漏極，并且第二PFET 214的漏極被耦合到第一電流支路240。

第二電流鏡220包括第三PFET 222、第四PFET 224和第五PFET 226。第三、第四和第五PFET 222、224和226的柵極耦合在一起，并且第四PFET 224的柵極和漏極耦合在一起。第三PFET 222的漏極被耦合到第二電流分支245，第四PFET 224的漏極被耦合到第二晶體管M的漏極，且第五PFET 226的漏極被耦合到環(huán)形振蕩器135的頂部端子137(圖1中示出)。

第三電流鏡230包括第一NFET 232、第二NFET 234和第三NFET 236。第一、第二和第三NFET 232、234和236的柵極耦合在一起，并且第二NFET 234的柵極和漏極耦合在一起。第一NFET 232的漏極被耦合到第一電流分支240，第二NFET 234的漏極被耦合到第二電流分支245，且第三NFET 236的漏極被耦合到環(huán)形振蕩器135的底部端子142(圖1中示出)。

現(xiàn)在將根據(jù)本公開的實(shí)施例來描述偏置電路115的操作。為了便于討論，偏置電路115的操作將首先使用其中偏置電路115調(diào)節(jié)電壓偏置Vbias以使得第一和第二晶體管N和M的電流I_N1和I_M1大致相等的示例來描述。在該示例中，第一和第二電流鏡210和220中的PFET具有大致上相同的柵極尺寸，且第三電流鏡230中的NFET可以具有大致相同的柵極尺寸。同樣，電流鏡210、220和230中的晶體管可以在活躍區(qū)中操作。稍后將會討論其中偏置電路115調(diào)節(jié)電壓偏置Vbias以使得電流I_N1和I_M1的比值大致為常數(shù)的更為一般的情形中的偏置電路115的操作。

在操作中，第一PFET 212感測第一晶體管N的電流I_N1，且第二PFET 214在第一電流分支240的頂部上(即，在節(jié)點(diǎn)250上方)復(fù)制(鏡像)電流。第一電流分支240頂部上的復(fù)制電流被記為“I_N2”。第四PFET 224感測第二晶體管M的電流I_M1，并且第三PFET 222在第二電流分支245上復(fù)制(鏡像)電流。第二電流分支245上的復(fù)制電流被記為“I_M2”。第二NFET 234在第二電流分支245上感測第二晶體管M的復(fù)制電流I_M2，并且第一NFET 232在第一電流分支240的底部上(即，在節(jié)點(diǎn)250下方)復(fù)制(鏡像)電流。第一電流分支240的底部上的復(fù)制電流被記為“I_M3”。

結(jié)果，第一晶體管M的電流I_N1在第一電流分支240的頂部上被復(fù)制(鏡像)為電流I_N2，且第二晶體管M的電流I_M1在第一電流分支240的底部上被復(fù)制(鏡像)為電流I_M3。如果電流I_N2和I_M3是不同的(即，第一和第二晶體管N和M的電流I_N1和I_M1是不同的)，那么取決于電流I_N2和I_M3哪個(gè)更大，等于差值的電流流入或流出節(jié)點(diǎn)250。該電流對耦合到第一和第二晶體管N和M的柵極的電容器255進(jìn)行充電或放電，從而使得電壓偏置Vbias上升或下降。電壓偏置Vbias朝減小電流I_N2和I_M3之間的差異(以及由此第一和第二晶體管N和M的電流I_N1和I_M1之間的差異)的方向改變。該反饋機(jī)制調(diào)節(jié)電壓偏置Vbias，以使得第一和第二晶體管N和M的電流I_N1和I_M1大致相等。在該示例中，第一和第二晶體管N和M的電流I_N1和I_M1二者均與溫度成正比，其中每個(gè)電流大致由式(10)給出(假設(shè)晶體管N和M二者都在亞閾值區(qū)中)。

在以上示例中，偏置電路115使用電流鏡210、220和230來調(diào)節(jié)電壓偏置Vbias，從而第一和第二晶體管N和M的電流I_N和I_M大致相等。偏置電路115也可以針對其中電流I_N1和I_M1的比值大致為常數(shù)的更一般的情形來調(diào)節(jié)電壓偏置Vbias。例如，如果電流比值I_M1/I_N1大致等于m，那么電流鏡210、220和230中的晶體管的柵極寬度的大小可以被調(diào)整以使得第一電流分支240中的電流I_M3等于第二晶體管M的電流I_M1的1/m倍。這可以通過使得第一NFET 232的柵極寬度等于第二NFET 234的柵極寬度的1/m來達(dá)成。在該示例中，偏置電路115調(diào)節(jié)電壓偏置Vbias，從而第一電流分支240中的電流I_N2和I_M3大致上相等。因?yàn)殡娏鱅_N2大致等于第一晶體管N的電流I_N1，且電流I_M3大致等于第二晶體管M的電流I_M1的1/m倍，所以這使得比值I_M1/I_N1大致等于m。在該示例中，第一和第二晶體管N和M的電流I_N1和I_M1二者都與溫度成正比，其中第一晶體管N的電流I_N1可以由式(9)給出，且第二晶體管M的電流I_M1可以由式(9)乘以m給出(假設(shè)晶體管N和M二者都處于亞閾值區(qū))。

偏置電路115中的晶體管的柵極尺寸和/或閾值電壓可以被選擇使得電壓偏置Vbia在感興趣的溫度范圍內(nèi)保持在第一和第二晶體管N和M的閾值電壓之下(并且由此第一和第二晶體管N和M保持在亞閾值區(qū)中)。例如，第一和第二晶體管N和M的柵極寬度可以比電流鏡210、220和230中的晶體管的柵極寬度大得多(例如，至少大10倍)。這允許第一和第二晶體管N和M針對電流鏡210、220和230中的晶體管藉以在活躍區(qū)中操作的電流水平在亞閾值區(qū)中操作。替換地或附加地，第一和第二晶體管N和M可以具有比電流鏡210、220和230中的晶體管更高的閾值電壓。如以上所討論的，通過在亞閾值區(qū)中操作第一和第二晶體管N和M，第一和第二晶體管N和M的電流I_N1和I_N2大致上與溫度成正比。

第二電流鏡220中的第五PFET 226復(fù)制(鏡像)第二晶體管M的電流I_M1。結(jié)果所得的復(fù)制電流被用于流入環(huán)形振蕩器135的頂部端子137的電流I_Temp。第三電流鏡230中的第三NFET 236復(fù)制(鏡像)第二電流分支245中的電流I_M2，該電流I_M2是第二晶體管M的電流I_M1的復(fù)制。由此，第三NFET 236提供的復(fù)制電流大致等于第二晶體管M的電流I_M1。該復(fù)制電流被用于從環(huán)形振蕩器135的底部端子142流出進(jìn)入偏置電路115的電流I_Temp。由此，在該實(shí)施例中，由偏置電路115提供的電流I_Temp大致等于第二晶體管M的電流I_M1。因?yàn)榈诙w管M的電流I_M1與溫度成正比，所以偏置電路115提供的電流I_Temp也與溫度成正比。如以上所討論的，這允許ADC 130將電流I_Temp轉(zhuǎn)換成數(shù)字溫度讀數(shù)。

根據(jù)本公開的各實(shí)施例的溫度傳感器100提供了勝過常規(guī)的基于雙極的溫度傳感器的一個(gè)或多個(gè)以下優(yōu)點(diǎn)。首先，溫度傳感器100可以比基于雙極的溫度傳感器小得多且消耗少得多的功率。這允許在芯片上放置更多數(shù)目的溫度傳感器。

進(jìn)一步，溫度傳感器100可以使用低供電電壓來供電。例如，當(dāng)使用16-nm FinFET工藝來制造時(shí)，溫度傳感器100可以使用0.79伏的供電電壓來供電。結(jié)果，溫度傳感器100可以由用于數(shù)字邏輯的電源軌來供電。這允許溫度傳感器100被嵌入在包括數(shù)字邏輯的電路(例如，CPU)中，例如以測量電路中熱點(diǎn)的溫度。

圖3是示出根據(jù)本公開的實(shí)施例的溫度傳感器100的溫度范圍25.0℃(298K)到125.0℃(398K)內(nèi)的電流310和頻率315的示例的標(biāo)繪。在該示例中，電流310(I_Temp)和溫度之間的關(guān)系大致上是線性的，其斜率大致等于2.118nA/度。電流310與絕對溫度(即，以開爾文(Kelvin)為單位的溫度)成正比。同樣，環(huán)形振蕩器135的頻率315和溫度之間的關(guān)系大致上是線性的，其斜率大致等于1.578MHz/度。計(jì)數(shù)器150將環(huán)形振蕩器135的頻率轉(zhuǎn)換成也與溫度成線性的數(shù)字計(jì)數(shù)值。該數(shù)字計(jì)數(shù)值提供了由溫度傳感器100輸出的數(shù)字溫度讀數(shù)。

如以上所討論的，溫度傳感器100可以在溫度管理應(yīng)用中使用。就此而言，圖4示出了系統(tǒng)405，其包括溫度傳感器100、時(shí)鐘源415、溫度管理設(shè)備410和電路420(例如，CPU)。將領(lǐng)會，圖4中的溫度傳感器100不是按比例繪制的，并且可以比電路420小得多。系統(tǒng)405可以被集成在同一芯片或管芯上。

時(shí)鐘源415為電路420提供時(shí)鐘信號，其中電路420可以將該時(shí)鐘信號用于數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)處理、定時(shí)數(shù)字邏輯等。如以下進(jìn)一步討論的，時(shí)鐘源415(例如，鎖相環(huán)(PLL))被配置成在溫度管理設(shè)備410的控制之下調(diào)節(jié)時(shí)鐘信號的頻率。

溫度傳感器100測量電路420的溫度并向溫度管理設(shè)備410輸出對應(yīng)的數(shù)字溫度讀數(shù)。溫度傳感器100可位于電路420附近或嵌入在電路420內(nèi)以獲得電路420的準(zhǔn)確溫度讀數(shù)。溫度管理設(shè)備410通過基于溫度讀數(shù)調(diào)節(jié)時(shí)鐘信號的頻率來管理電路420的溫度。

例如，當(dāng)溫度讀數(shù)上升到熱閾值以上時(shí)，溫度管理設(shè)備410可以降低時(shí)鐘信號的頻率以降低溫度。這是因?yàn)榻档蜁r(shí)鐘頻率降低了電路420的動(dòng)態(tài)功耗，這進(jìn)而降低了溫度。溫度管理設(shè)備410可以隨后動(dòng)態(tài)地控制時(shí)鐘頻率以將溫度讀數(shù)保持在熱閾值附近。這使得對電路420的性能的影響最小化，同時(shí)將電路420的溫度保持在安全限度內(nèi)。

熱閾值可以基于一個(gè)或多個(gè)因素來設(shè)置。例如，熱閾值可以被設(shè)置在芯片進(jìn)入熱失控的溫度以下。熱失控在溫度的增加導(dǎo)致泄漏功率增加，進(jìn)而引起溫度的進(jìn)一步增加時(shí)發(fā)生。當(dāng)芯片進(jìn)入熱失控時(shí)，芯片的溫度可以快速上升，這會潛在地?fù)p壞電路420。通過將熱閾值設(shè)置在芯片進(jìn)入熱失控的溫度以下，溫度管理設(shè)備410防止了熱失控的發(fā)生。

溫度管理設(shè)備410還可以使用其他方法來降低電路420的溫度。例如，溫度管理設(shè)備410可以通過關(guān)閉電路420來降低溫度。在該示例中，系統(tǒng)405可進(jìn)一步包括電源475，以及在電路420和電源475之間的功率設(shè)備470(例如，功率開關(guān))。功率設(shè)備470可以在與電路420相同的芯片上，并且電源475可以在芯片的外部。當(dāng)電路420處于活躍狀態(tài)時(shí)，功率設(shè)備470將電路420連接到電源475以向電路420供電。當(dāng)溫度讀數(shù)變得過高(例如，超過熱閾值)時(shí)，溫度管理設(shè)備410可以命令功率設(shè)備470將電路420從電源475斷開連接以關(guān)閉電路420。管理設(shè)備410可以例如在極端情形中(其中溫度風(fēng)險(xiǎn)引起對電路420的嚴(yán)重?fù)p壞)關(guān)閉電路420。

在另一示例中，溫度管理設(shè)備410可以通過降低至電路420的供電電壓來降低溫度。降低供電電壓降低了電路420的動(dòng)態(tài)功率和泄漏功率，這進(jìn)而降低了溫度。在該示例中，當(dāng)時(shí)鐘頻率被降低時(shí)，電路420的供電電壓可以被降低。這是因?yàn)樵跁r(shí)鐘頻率被降低時(shí)，電路420中的邏輯門可以較低速度操作，這允許邏輯門以較低供電電壓來操作。在該示例中，當(dāng)溫度管理設(shè)備410降低了時(shí)鐘頻率以降低溫度時(shí)，溫度管理設(shè)備410也可以降低供電電壓以進(jìn)一步降低溫度。為了達(dá)成這一點(diǎn)，電源475可包括具有可編程供電電壓的功率管理集成電路(PMIC)。在該示例中，溫度管理設(shè)備410可以通過向PMIC發(fā)送電壓命令來設(shè)置PMIC的供電電壓。由此，溫度管理設(shè)備410可以使用頻率和電壓縮放的組合來管理電路420的溫度。

雖然為了易于解說，圖4中示出了一個(gè)溫度傳感器100，但是應(yīng)領(lǐng)會，系統(tǒng)405可包括多個(gè)溫度傳感器。例如，芯片可包括多個(gè)電路(例如，一個(gè)或多個(gè)CPU、圖形處理單元(GPU)、調(diào)制解調(diào)器等)。在該示例中，系統(tǒng)405可包括用于每個(gè)電路的一個(gè)或多個(gè)溫度傳感器。溫度管理設(shè)備410可以使用以上所討論的任何方法、基于來自相應(yīng)的一個(gè)或多個(gè)溫度傳感器的溫度讀數(shù)來管理每個(gè)電路的溫度。

溫度管理設(shè)備410還可以校準(zhǔn)溫度傳感器100以從溫度傳感器100獲得更準(zhǔn)確的溫度測量。來自計(jì)數(shù)器150的數(shù)字計(jì)數(shù)值(數(shù)字溫度讀數(shù))和溫度之間的關(guān)系大致上是線性的，并且可以因此由計(jì)數(shù)相對于溫度標(biāo)繪中的直線來近似。然而，由于工藝變化和/或其他因素，該標(biāo)繪中的直線位置可能逐傳感器變化。為了解決這一點(diǎn)，可以執(zhí)行校準(zhǔn)規(guī)程以確定關(guān)于溫度傳感器100的直線的位置。

就此而言，圖5是解說根據(jù)本公開的實(shí)施例的示例性校準(zhǔn)規(guī)程的計(jì)數(shù)相對于溫度標(biāo)繪。該校準(zhǔn)規(guī)程可包括將溫度傳感器100制造于其上的芯片均勻地加熱至第一已知溫度(記為“T1”)。例如，芯片可以使用外部加熱設(shè)備來均勻地加熱，并且可以使用高準(zhǔn)確度外部溫度傳感器(例如，熱耦合到芯片的背面)來測量溫度。電路420可以在這段時(shí)間期間被關(guān)閉。溫度管理設(shè)備410可以隨后從溫度傳感器100讀取對應(yīng)的第一計(jì)數(shù)值(記為“計(jì)數(shù)1”)。因?yàn)榈谝粶囟萒1是已知的，所以這提供了足夠的信息來確定關(guān)于溫度傳感器100的計(jì)數(shù)相對于溫度標(biāo)繪中的第一點(diǎn)520。

該芯片隨后被加熱到第二已知溫度(記為“T2”)。溫度管理設(shè)備410可以隨后從溫度傳感器100讀取對應(yīng)的第二計(jì)數(shù)值(記為“計(jì)數(shù)2”)。因?yàn)榈诙囟萒2是已知的，所以這提供了足夠的信息來確定關(guān)于溫度傳感器100的計(jì)數(shù)相對于溫度標(biāo)繪中的第二點(diǎn)525。第一和第二點(diǎn)520和525提供了足夠的信息來確定關(guān)于其他計(jì)數(shù)值的溫度。這是因?yàn)椋河捎谟?jì)數(shù)值和溫度之間的線性關(guān)系，其他計(jì)數(shù)值位于與第一和第二點(diǎn)520和525相交的直線515上。

由此，一旦確定兩個(gè)點(diǎn)520和525，關(guān)于其他計(jì)數(shù)值的溫度可以使用線性內(nèi)插來確定。在該實(shí)施例中，第一和第二計(jì)數(shù)值可以被存儲在溫度管理設(shè)備410中的存儲器中并且分別與存儲器中的第一和第二溫度相關(guān)聯(lián)。溫度管理設(shè)備410可以使用關(guān)于溫度傳感器100的所存儲的信息來確定來自溫度傳感器100的其他計(jì)數(shù)值的溫度(例如，使用線性內(nèi)插)。

在以上示例中，芯片的溫度是使用外部溫度傳感器在校準(zhǔn)期間測量的。在另一示例中，芯片的溫度可以在校準(zhǔn)期間使用準(zhǔn)確的片上溫度傳感器來測量就此而言，圖6示出了系統(tǒng)605，其包括溫度傳感器100、溫度管理設(shè)備410，以及片上校準(zhǔn)溫度傳感器610。校準(zhǔn)溫度傳感器610可包括基于雙極的溫度傳感器或其他類型的片上溫度傳感器。在該示例中，校準(zhǔn)溫度傳感器610可以被用來根據(jù)本公開的實(shí)施例來校準(zhǔn)許多溫度傳感器。系統(tǒng)605可以被集成在同一芯片上。

在該示例中，溫度傳感器100的校準(zhǔn)規(guī)程可包括將芯片均勻地加熱到第一溫度(例如，使用外部加熱設(shè)備)。校準(zhǔn)溫度傳感器610可以測量第一溫度并且向溫度管理設(shè)備410輸出對應(yīng)的溫度讀數(shù)。溫度管理設(shè)備410可以隨后從溫度傳感器100讀取對應(yīng)的第一計(jì)數(shù)值。電路420可以在這段時(shí)間期間被關(guān)閉。溫度管理設(shè)備410可以隨后將第一計(jì)數(shù)值和第一溫度存儲在存儲器中，其中第一溫度由來自校準(zhǔn)溫度傳感器610的溫度讀數(shù)提供。

該芯片隨后被加熱到第二溫度。校準(zhǔn)溫度傳感器610可以測量第二溫度并且向溫度管理設(shè)備410輸出對應(yīng)的溫度讀數(shù)。溫度管理設(shè)備410可以隨后從溫度傳感器100讀取對應(yīng)的第二計(jì)數(shù)值。電路420可以在這段時(shí)間期間被關(guān)閉。溫度管理設(shè)備410可以隨后將第二計(jì)數(shù)值和第二溫度存儲在存儲器中，其中第二溫度由來自校準(zhǔn)溫度傳感器610的溫度讀數(shù)提供。如以上所討論的，溫度管理設(shè)備410可以隨后使用關(guān)于溫度傳感器100的所存儲的信息來確定來自溫度傳感器100的其他計(jì)數(shù)值的溫度(例如，使用線性內(nèi)插)。

圖7是解說根據(jù)本公開的實(shí)施例的用于感測溫度的方法700的流程圖。該方法700可由溫度傳感器100來執(zhí)行。

在步驟710中，第一晶體管的柵極和第二晶體管的柵極被偏置，以使得第一和第二晶體管在亞閾值區(qū)中操作。例如，第一和第二晶體管(例如，第一和第二晶體管N和M)的柵極可以用第一和第二晶體管的閾值電壓以下的電壓偏置(例如，Vbias)來偏置。

在步驟720，可以生成與第二晶體管的柵極到源極電壓和第一晶體管的柵極到源極電壓之間的差異成正比的電流。例如，該電流(例如，I_Temp)可以通過跨電阻器(例如，電阻器120)施加第二晶體管的柵極到源極電壓和第一晶體管的柵極到源極電壓之間的差異(例如，V_{GS_M}-V_{GS_N})來生成，其中所生成的電流與流過該電阻器的電流成正比。

在步驟730，該電流被轉(zhuǎn)換成數(shù)字溫度讀數(shù)。例如，該電流可以由電流控制振蕩器(例如，振蕩器135)轉(zhuǎn)換成頻率，并且該頻率可以由計(jì)數(shù)器(例如，計(jì)數(shù)器150)轉(zhuǎn)換成數(shù)字溫度讀數(shù)(例如，數(shù)字計(jì)數(shù)值)。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將領(lǐng)會，結(jié)合本文公開所描述的各種解說性邏輯框、模塊、電路、和算法步驟可被實(shí)現(xiàn)為電子硬件、計(jì)算機(jī)軟件、或兩者的組合。為清楚地解說硬件與軟件的這一可互換性，各種解說性組件、塊、模塊、電路、以及步驟在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此類功能性是被實(shí)現(xiàn)為硬件還是軟件取決于具體應(yīng)用和施加于整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)約束。技術(shù)人員可針對每種特定應(yīng)用以不同方式來實(shí)現(xiàn)所描述的功能性，但此類實(shí)現(xiàn)決策不應(yīng)被解讀為致使脫離本公開的范圍。

結(jié)合本文的公開所描述的各種解說性邏輯框、模塊、以及電路可用設(shè)計(jì)成執(zhí)行本文中描述的功能的通用處理器、數(shù)字信號處理器(DSP)、專用集成電路(ASIC)、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)或其他可編程邏輯器件、分立的門或晶體管邏輯、分立的硬件組件、或其任何組合來實(shí)現(xiàn)或執(zhí)行。通用處理器可以是微處理器，但在替換方案中，處理器可以是任何常規(guī)的處理器、控制器、微控制器、或狀態(tài)機(jī)。處理器還可以被實(shí)現(xiàn)為計(jì)算設(shè)備的組合，例如DSP與微處理器的組合、多個(gè)微處理器、與DSP核心協(xié)同的一個(gè)或多個(gè)微處理器、或任何其它此類配置。

結(jié)合本文的公開所描述的方法或算法的步驟可直接在硬件中、在由處理器執(zhí)行的軟件模塊中、或在這兩者的組合中實(shí)施。軟件模塊可駐留在RAM存儲器、閃存、ROM存儲器、EPROM存儲器、EEPROM存儲器、寄存器、硬盤、可移動(dòng)盤、CD-ROM或者本領(lǐng)域中所知的任何其他形式的存儲介質(zhì)中。示例性存儲介質(zhì)耦合到處理器以使得該處理器能從/向該存儲介質(zhì)讀寫信息。在替換方案中，存儲介質(zhì)可以被整合到處理器。處理器和存儲介質(zhì)可駐留在ASIC中。ASIC可駐留在用戶終端中。替換地，處理器和存儲介質(zhì)可作為分立組件駐留在用戶終端中。

在一個(gè)或多個(gè)示例性設(shè)計(jì)中，所描述的功能可以在硬件、軟件、固件、或其任何組合中實(shí)現(xiàn)。如果在軟件中實(shí)現(xiàn)，則各功能可以作為一條或多條指令或代碼存儲在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上或藉其進(jìn)行傳送。計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)包括計(jì)算機(jī)存儲介質(zhì)和通信介質(zhì)兩者，包括促成計(jì)算機(jī)程序從一地向另一地轉(zhuǎn)移的任何介質(zhì)。存儲介質(zhì)可以是可被通用或?qū)Ｓ糜?jì)算機(jī)訪問的任何可用介質(zhì)。作為示例而非限定，這樣的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)可以包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盤存儲、磁盤存儲或其他磁存儲設(shè)備、或能被用來攜帶或存儲指令或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式的期望程序代碼手段且能被通用或?qū)Ｓ糜?jì)算機(jī)、或者通用或?qū)Ｓ锰幚砥髟L問的任何其他介質(zhì)。另外，任何連接可在涉及所傳送信號的非瞬態(tài)存儲的程度上被正當(dāng)?shù)胤Q為計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。例如，如果軟件是使用同軸電纜、光纖電纜、雙絞線、數(shù)字訂戶線(DSL)、或諸如紅外、無線電、以及微波等無線技術(shù)從web站點(diǎn)、服務(wù)器或其它遠(yuǎn)程源傳送而來的，則在信號留存在存儲介質(zhì)或設(shè)備存儲器上的傳輸鏈中達(dá)任何非瞬態(tài)時(shí)間長度的程度上，該同軸電纜、光纖電纜、雙絞線、DSL、或諸如紅外、無線電以及微波等無線技術(shù)就被包括在介質(zhì)的定義里。如本文中所使用的盤(disk)和碟(disc)包括壓縮碟(CD)、激光碟、光碟、數(shù)字多用碟(DVD)、軟盤和藍(lán)光碟，其中盤(disk)往往以磁的方式再現(xiàn)數(shù)據(jù)，而碟(disc)用激光以光學(xué)方式再現(xiàn)數(shù)據(jù)。上述的組合應(yīng)當(dāng)也被包括在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)的范圍內(nèi)。

提供對本公開的先前描述是為使得本領(lǐng)域任何技術(shù)人員皆能夠制作或使用本公開。對本公開的各種修改對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將容易是顯而易見的，并且本文中所定義的普適原理可被應(yīng)用到其他變型而不會脫離本公開的精神或范圍。由此，本公開并非旨在被限定于本文中所描述的示例，而是應(yīng)被授予與本文中所公開的原理和新穎特征相一致的最廣范圍。