一種集成電路晶片溫度的片上測溫電路及其方法

2023-05-29 16:13:31 1

專利名稱：一種集成電路晶片溫度的片上測溫電路及其方法
技術領域：
本發明涉及集成電路晶片測溫技術領域，特別是一種集成電路芯 片溫度的片上測溫電路及其方法。
背景技術：
溫度對於現代集成電路有很大的意義，集成電路的溫度關係到集
成電路工作的可靠性問題， 一般地集成電路的工作溫度為-30度一80 度，因為矽材料的結溫是125度，超過這個溫度就損壞了，電腦CPU的表 面溫度應控制在60度以裡，其實它的核心溫度已接近8 0度了 ，這就是 CPU應加強散熱的原因。
對於一個高速度或者高功率集成電路系統， 一般地都需要有一個 溫度管理控制系統，來實現對溫度的探測，響應以及管理工作。 一般 地，由於集成電路晶片測量溫度的方法學上的和精度上的困難，絕 大多數此類系統均採用溫度傳感器的方法來測量溫度。而一般溫度傳 感器是採用白金電阻隨溫度線形變化曲線來實現溫度的測量和計算 的。所以，此類傳感器具有體積大，成本高，需要獨立的封裝等缺點。
此外，對於溫度探測的應用不僅僅包括系統/晶片溫度的管理，
還可以應用於"動態模擬電路性能調節"領域由於很多電子設備是 溫度敏感電子設備，所以需要與其配合的集成電路根據溫度的不同動 態的調節，此類應用可以在鋰電池充電，液晶顯示屏幕驅動等諸多領 域上見到。以鋰電池充電為例，由於環境溫度不同，鋰電池材料所表 現的電壓，電流，內阻會不同，所以要調節充電的判別標準。

發明內容
由於溫度傳感器的諸多缺點，使得"動態模擬電路性能調節"在 消費類電子領域一 片空白。本發明的特點就是採用 一種便捷的電路和 策略在集成電路晶片之上集成了溫度測量計算功能，可以非常廣泛的應用於對精度要求相對較低，但是對成本，體積要求很高的集成電路 測溫領i或，可以有效地解決該領i或的空白。
本發明的目的是克服上述現有技術的不足之處，提供一種集成電 路晶片溫度的片上測溫電路及其方法。 溫度理論計算
i殳vbiasn選耳又的4由頭為x:
x x
，。 M + ,'5 ,、 ^ f M0(l + A/*/r2) …27,.
vl盧=------v0 / 9 = ~~------丄+1} *——v6zVw
r50*(l + A/",l) ;c
={—5L^------^ + i"——v6,av
,50(1 + A,"rl) x
vlp8 一 540
，"270*,40(l + A,*/,2)+11 r50(l + Az*/rl)'
常溫時，—^8—= 1，當溫度改變時，必須調節r4或r5使
該調節過程就是溫度測量過程。
當，=1時 vl / 8w
(1 + A/ * ^2) = (1 + Af * ^1)
當溫度改變時，如果r4保持不變，則r5的電阻必須改變 r4。 (1 +* /r2) = 050 + Ar5)(1 + Af * /H)
當A/,W《1時，上式可以簡化為 (r50+Ar5) = M0(l + A/*/r2)
當溫度變化r C時由上述推倒可見通過判斷r5電阻的改變量即可判斷溫度。測 量溫度過程由方法步驟體現。 說明
所有以V開頭的符號，都是電路中相應節點的電壓，r4，r5是電 ;洛中的兩個電阻，而r40和r50是在室溫t0時候的r4, r5電阻值， AM'A"是M， r5的電阻變化量。^是溫度變化trl是r5的溫度係數， tr2是r4的溫度係數。
一種集成電路晶片溫度的片上測溫電路，包括運算放大器opl、 運算放大器op2、比較器電路c即l，運算放大器opl與運算放大器 op2通過運算放大器opl輸出端的電阻r3抽頭連接到運算放大器op2 的輸入端，運算放大器叩l、運算放大器op2的輸出端連接到比較器 電3各cmpl的兩個豐命入端。
所述運算放大器opl輸出端的串聯分壓電阻rl、 r2、 r3, r3 — 端接地，電阻r2、 r3具有抽頭，運算放大器op2輸出端的串聯分壓 電阻r4、 r5， r5 —端4妻i也。
所述運算放大器opl的一個輸入端輸入vbias信號，另一個輸入 端輸入vbiasn信號，在該輸入端加有該運算放大器輸出端電阻r2抽 頭的反饋電壓。
所述運算放大器op2的一個輸入端輸入v0p9信號，在該輸入端 加有運算放大器opl輸出端電阻r3抽頭的輸出電壓，另一個輸入端 輸入v0p9n信號，在該輸入端加有該運算放大器輸出端電阻r4、 r5 分壓端的反饋電壓。
所述電阻r4、 r5是一種可變電阻。
所述電阻r4、 r5是一種電阻率是受溫度變化影響的，同時也是
大小是可調節的。
所述比較器電路cmpl的輸出端輸出tout信號。 一種集成電路晶片溫度的片上測溫方法，其過程步驟如下 步驟1，根據應用確定一個最接近測量溫度值的初始溫度值t0,
根據下式中△ , =0,得到一組該溫度下的r40和r50的數值；formula see original document page 7
r40和r50是比值關係，具體的數值是根據具體的集成電路設計的 要求來確定的，在本發明中，只要任意選擇其數值都是可以實現的， 只要不違背基本電路學要求，任何電路設計是都可以完成選電阻的工 作，
步驟2,打開測溫系統電路，改變可變電阻r5的電阻值，使得 r5=r50,此時如果比較器cmpl的輸出為1,證明r5的電阻值相對 變高，需要降低r5的電阻值，使得比較器c即l的輸入相等；
步驟3,改變可變電阻r5的電阻值，按照測量精度的要求，每 次改變其電阻大小為其最小解析度，並且檢查比較器cmpl的輸出， 直到輸出為0;
步驟4,根據公式(,-5。 + Ar5) = M。(1 + Az *,代入已知的r 40， r5 0 以及tr2，可以計算出A,,再根據步驟1中所確定的tO計算得到測 量溫度t，其中t = A/+ tO;
步驟5，如果步驟2中的比較器cmpl的輸出為0,則需要把步驟 3中降低r5的電阻值變成增加r5的電阻值，直到比較器cmpl的輸 出為l;
步驟6，如果r5的電阻值增加或者減小為最大值或者最小值， cmpl的輸出不能發生改變，則證明測量的溫度超過測量範圍，需要 報告出測量結果超過量程； '
步驟7，重複上述步驟，多次測量求平均值。
所述步驟4， Ar5是數字控制逐步變化得到的，改變Ar5,最終 比較器cmpl的輸出為Q,這個過程變化的r5電阻就是Ar5。
發明的有益效果由於溫度傳感器的諸多缺點，使得"動態模擬 電路性能調節"在消費類電子領域一片空白。本發明的特點就是採用 一種便捷的電路和策略在集成電路晶片之上集成了溫度測量計算功 能，可以非常廣泛的應用於對精度要求相對較低，但是對成本，體積要求很高的集成電路測溫領域，可以有效地解決該領域的空白。


圖l是本發明的集成電路晶片溫度的片上測溫電路圖； 圖2是圖1測溫電路中r 4電阻的溫度特性曲線圖； 圖3是圖1測溫電路中r 5電阻的溫度特性曲線圖； 圖4是本發明的集成電路晶片溫度的片上測溫流程圖。
具體實施例方式
下面參考附圖，對本發明的典型具體實施例作詳細描述。以下實 施例用於說明本發明，本發明的上述和其他特徵和優點將顯而易見。 但不用來限制本發明的範圍。
圖l是本發明的集成電路晶片溫度的片上測溫電路圖。片上測溫 電路包括運算放大器opl、運算放大器op2、比較器電路cmpl以及運 算放大器opl輸出端的串聯分壓電阻rl、 r2、 r3， r3—端接地。電阻 r2、 r3具有抽頭。運算放大器叩2輸出端的串4關分壓電阻r4、 r5, r5 一端接地。電阻r4、 r5是一種可變電阻。任何電阻都是隨溫度變化而 變化的，只不過變化程度不同，本發明利用了不同電阻對溫度響應的 不同來計算溫度，所以r4、 r5電阻率是受溫度變化影響的。同時也是 大小是可調節的。
運算放大器opl、運算放大器op2的輸出端連接到比較器電路cmpl 的兩個輸入端。運算放大器opl與運算放大器叩2通過運算放大器opl 輸出端的電阻r3抽頭連接到運算放大器op2的輸入端。運算放大器opl 的一個輸入端輸入vbias信號，另一個輸入端輸入vbiasn信號，在該 輸入端加有該運算放大器輸出端電阻r2抽頭的反饋電壓。電阻r2抽頭 的反饋電壓將影響運算放大器叩l的工作狀態。也會影響到溫度測量 的特性。運算放大器op2的一個輸入端輸入v0p9信號，在該輸入端加 有運算放大器opl輸出端電阻r3抽頭的輸出電壓，另一個輸入端輸入 v0p9n信號，在該輸入端加有該運算放大器輸出端電阻r4、 r5分壓端 的反饋電壓。電阻r3抽頭的輸出電壓以及電阻r4、 r5分壓端的反饋電 壓將影響運算放大器op2的工作狀態。也會影響到溫度測量的特性。 比較器電路cmpl的輸出端輸出tout信號。圖中，rl、 r2、 r3選用同一種電阻。 電阻選擇 rl 、 r2、 r3，
類型選擇方阻高、匹配性好 取值選擇根據功耗確定電阻大小 r4選用的電阻溫度係數tr2， r5選用不同的電阻類型，具有溫度 係數trl。當溫度改變時，vlp8電壓不變；由於r4和r5的溫度係數 不一樣，如果r4和r5的抽頭不改變，則vlp8n的電壓將會變化，導 致cmp的比較結果發生變化，即通過判斷tout的狀態即可根據電阻 推算出溫度。
M電阻選擇(參見表-l )選擇線形類型最好的，電阻大小根據集 成電路設計本身的速度功耗要求，本設計中只要滿足前文所述公式便 可，是一個比例關係，而具體大小一個專業人士可以控制。 類型選擇溫度特性線性性好 取值選擇根據功耗確定電阻大小 選擇rpdiffu電阻 rpdiffu是P阱電阻 r5電阻選擇(參見表-1 )選擇溫度係數最低的，電阻大小根據 集成電路設計本身的速度功耗要求，本設計中只要滿足前文所述公式 便可，是一個比例關係，而具體大d、一個專業人士可以控制。 類型選擇溫度係數低 取值選擇根據功耗確定電阻大小 選擇rppolyu電阻 r卯olyu是P多晶矽電阻
Ar5的設計與計算，才艮據r5值、和&2確定電阻大小 r4的溫度係數取平均值1. 38，絕對誤差為± 0. 03,相對誤差為 ±2.2 % 。
270是基數，32選1是微調，用來控制公式中的基本比例係數 270和540,由於集成電路設計的時候會有偏差，可以通過外部寄存 器來調節這種生產誤差，從而保證精度。表-1 : grace 0.18V hvl8V process電阻才莫型
方阻tcl(e-3)tc2(e-6)
hrpolylk1000-0.982.28
rndiffu551.470.362
rpdiffu1451.390.694
rppolyu215-0.1440.866
rnpolyu2601.462.98
上述表格為集成電路晶圓廠提供的能夠生產的幾種電阻，符號是 由集成電路晶圓廠提供，我們選擇了這樣的兩種電阻。
cmpl設計
設計要求比較器輸出信號的偶合信號不能干擾vlp8。 op設計
設計要求增益大於63db，對速度無要求。 電路誤差調整
常溫時(25。C),調整r40-r50,如果r4的修調範圍為y，選用 n位寄存器進行修調，則可修調精度為k/2n，該精度誤差必須通過 r5的偏移來進行補償，則當溫度變化rC時，r5的微調電阻修調數 不再為1,變成m:
Ar5 (,r2 + ,H)*2" 寄存器說明可以使用數字電路的寄存器配合控制，是一種具體 的應用策略，寄存器是專業人士默認都理解的，其設計也是基本常識， 這裡我強調的是如何使用寄存器來控制，強調的是方法，寄存的控制 策略，而不會要求寄存的設計。
隨r5〔7: 0〕:控制模擬電路的溫度測量，直接鎖存輸出給模擬電路。 m狙5f 〔7: 0〕:在每次延時10s開始測量前保存的上一次測量溫度
10值，以確保本次測量結果不會溢出。
muxr5f〔7: 0〕代表本次測量的溫度值。 muxr5s 〔7: 0〕:每次改變vo—40mv 〔8: 0〕和vo—5mv2: 0〕 的mux5f 〔7: 0〕值，用以比較遲滯。
vo-40mv 〔8: 0〕:控制vO輸出電壓，按40mv步長加減。 vo-5mv 〔2: 0〕:控制v0輸出電壓，按5mv步長加減。 為了說明方便，給寄存器起的名字而已，好比a， b， c... 圖2是圖1測溫電路中r4電阻的溫度特性曲線圖。 從圖中可以看出r4電阻的溫度特性線性度比較好。符合挑選r4 的策略。其中，delta表示增量，slope表示斜率。
圖3是圖1測溫電路中r5電阻的溫度特性曲線圖。 根據圖3的溫度特性選擇電阻，選擇溫度係數小的r5電阻符合 挑選r5的策略，就可以完成測溫。其中，R5電阻的溫度特-iTK5^ A H, Ar5 = r5"rl+r4"r2 = M,l+,r2); delta表示增量，slope表 示斜率。
圖4是本發明的集成電路晶片溫度的片上測溫流程圖。為了該電 路測量結果更可靠，可結合邏輯控制一起工作，並且使用數字邏輯來 通過溫度最終控制模擬電路的電壓輸出，測量流程如下圖
集成電路晶片溫度的片上測溫方法，其過程步驟如下
步驟1，根據應用確定一個最接近測量溫度值的初始溫度值to, 根據下式中△ f -0，得到一組該溫度下的r40和r50的lt值；
r40和r50是比值關係，具體的數值是根據具體的集成電路設計 的要求來確定的，在本發明中，只要任意選擇其數值都是可以實現的， 只要不違背基本電路學要求，任何電路設計是都可以完成選電阻的工 作。
步驟2,打開測溫系統，改變可變電阻r5的電阻值，使得r5=r50， 此時如果比較器cmpl的輸出為1，證明r5的電阻值相對變高，需 要降低r5的電阻值，使得比較器cmpl的輸入相等；
步驟3，改變可變電阻r5的電阻值，按照測量精度的要求，每 次改變其電阻大小為其最小解析度，並且檢查比較器cmpl的輸出，直到輸出為0;
步驟4，根據公式(r5。+Ar5)^4。(l + A^/r2),代入已知的r40， r50 以及tr2，可以計算出A/，再根據步驟l中所確定的tO計算得到測量 溫度t,其中t-A" tO; Ar5是數字控制逐步變化得到的，改變A r5，最終比較器cmpl的輸出為0，這個過程變化的r5電阻就是Ar5。 步驟5，如果步驟2中的比較器cmpl的輸出為0,則需要把步驟 3中降低r5的電阻值變成增加r5的電阻值，直到比較器cmpl的輸 出為1;
步驟6，如果r5的電阻值增加或者減小為最大值或者最小值， cmpl的輸出不能發生改變，則證明測量的溫度超過測量範圍，需要 報告出測量結果超過量程；
步驟7，重複上述步驟，多次測量求平均值。
雖然已經描述了本發明的典型實施例，應該明白本發明不限於這 些實施例，對本專業的技術人員來說，本發明的各種變化和改進都能 實現，但這些都在本發明權利要求的精神和範圍之內。
權利要求
1、一種集成電路晶片溫度的片上測溫電路，包括運算放大器op1、運算放大器op2、比較器電路cmp1，其特徵在於，運算放大器op1與運算放大器op2通過運算放大器op1輸出端的電阻r3抽頭連接到運算放大器op2的輸入端，運算放大器op1、運算放大器op2的輸出端分別連接到比較器電路cmp1的兩個輸入端。
2、 根據權利要求l所述的集成電路晶片溫度的片上測溫電路，其特 徵在於，所述運算放大器叩l輸出端的串聯分壓電阻rl、 r2、 r3, r3 一端接地，電阻r2、 r3具有抽頭，運算放大器op2輸出端的串聯分壓 電阻r4、 r5, r5—端4妻i也。
3、 根據權利要求1或2所述的集成電路晶片溫度的片上測溫電路， 其特徵在於，所述運算放大器opl的一個輸入端輸入vbias信號，另一 個輸入端輸入vbiasn信號，在該輸入端加有該運算放大器輸出端電阻 r2抽頭的反饋電壓。
4、 根據權利要求]或2所述的集成電路晶片溫度的片上測溫電路， 其特徵在於，所述運算放大器op2的一個輸入端輸入vQp9信號，在 該輸入端加有運算放大器opl輸出端電祖r3抽頭的輸出電壓，另一 個輸入端輸入v0p9n信號，在該輸入端加有該運算放大器輸出端電阻 r4、 r5分壓端的反饋電壓。
5、 根據權利要求4所述的集成電路晶片溫度的片上測溫電路，其 特4i在於，所述電阻r4、 r5是一種可變電阻。
6、 根據權利要求5所述的集成電路晶片溫度的片上測溫電路，其 特徵在於，所述電阻r4、 r5是一種電阻率是受溫度變化影響的，同 時也是大小是可調節的。
7、 根據權利要求l所述的集成電路晶片溫度的片上測溫電路，其特 徵在於，所述比較器電路cmpl的輸出端輸出tout信號。
8、 一種集成電路晶片溫度的片上測溫方法，其步驟如下步驟1，根據應用確定一個最接近測量溫度值的初始溫度值t0, 根據下式中A ^ =0,得到一組該溫度下的r40和r50的數值；formula see original document page 3 r40和r50是比值關係，具體的數值是根據具體的集成電路設計的 要求來確定的，只要任意選擇其數值都是可以實現的，任何電路設計 是都可以完成選電阻的工作，步驟2，打開測溫系統電路，改變可變電阻r5的電阻值，使得 r5 = r50，此時如果比較器cnipl的輸出為1,證明r5的電阻值相對 變高，需要降低r5的電阻值，使得比較器cmpl的輸入相等；步驟3,改變可變電阻r5的電阻值，按照測量精度的要求，每次 改變其電阻大小為其最小解析度，並且檢查比較器cmpl的輸出，直 到輸出為0;步驟4,才艮據公式05。+ArT^"。(l+A"/r2)，代入已知的r40，r50 以及tr2，可以計算出A,,再根據步驟1中所確定的t0計算得到測 量溫度t，其中t = A,+ tO;步驟5,如果步驟2中的比較器cmpl的輸出為0,則需要把步驟 3中降低r5的電阻值變成增加r5的電阻值，直到比較器cmpl的輸 出為l;步驟6,如果r5的電阻值增加或者減小為最大值或者最小值，cmpl 的輸出不能發生改變，則證明測量的溫度超過測量範圍，需要報告出 測量結果超過量程；步驟7,重複上述步驟，多次測量求平均值。
9、根據權利要求8所述的集成電路晶片溫度的片上測溫方法，其 特徵在於，所述步驟4， Ar5是數字控制逐步變化得到的，改變Ar5, 最終比較器crapl的輸出為Q,這個過程變化的r5電阻就是Ar5。
全文摘要
本發明提供一種集成電路晶片溫度的片上測溫電路及其方法。包括運算放大器op1、運算放大器op2、比較器電路cmp。運算放大器op1和運算放大器op2通過運算放大器op1輸出端的電阻r3抽頭連接到運算放大器op2的輸入端。運算放大器op1、運算放大器op2的輸出端連接到比較器電路cmp1的兩個輸入端。方法步驟1.根據應用確定一個最接近測量溫度值的初始溫度值t0；2.打開測溫系統，改變可變電阻r5的電阻值；3.改變可變電阻r5的電阻值；4.根據公式(r50+Δr5)＝r40(1+Δt*tr2)，代入已知的r40，r50以及tr2；5.如果步驟2中的比較器cmp1的輸出為0；6.如果r5的電阻值增加或者減小為最大值或者最小值；7.重複上述步驟，多次測量求平均值。
文檔編號G01K7/16GK101470028SQ20071012547
公開日2009年7月1日 申請日期2007年12月24日 優先權日2007年12月24日
發明者菲 餘, 璐 趙, 豔 郭 申請人:深圳職業技術學院