数字ＣＭＯＳ片上温度传感器属于集成电路片上温度监控领域。利用晶体管阈值电压同温度的线性关系，本发明专利技术分别设计了基于弛张振荡器和基于斯密特触发器两种方案的温度传感器电路。这两种温度传感器精度均在１℃以内，而晶体管数目则大大减少，同时由于采用全ＣＭＯＳ结构，因而与当前的主流的集成电路制造工艺兼容。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术的数字CMOS片上温度传感器，涉及集成电路设计中的面向热测试的设计(DfTT)，片上实时温度监测和温度保护问题。
技术介绍
自从上世纪五十年代集成电路研制成功以来，其功能和规模得到了迅速的发展。在过去的几十年里，集成电路的集成度一直按照摩尔定律所预言的速度提高，大概每隔18个月就会增长一倍。集成电路已经从当初的小规模发展到如今的超大规模(VLSI)和甚大规模(ULSI)水平，特征尺寸也已经进入了深亚微米(DSM)和超深亚微米(VDSM)阶段，并且可以工作在GHz频率的水平。以CPU制造商Intel公司为例，其CPU的制造工艺已经从上世纪九十年代初的0.8微米发展到如今的0.09微米。随着集成电路规模的发展，集成电路的集成度越来越高。集成电路的热效应也越来越严重。部分芯片的正常工作温度已经超过100℃，其片上的温度差别也经常超过30℃。并且这种趋势还在继续中。研究表明，温度的增长对电路的性能产生着不可低估的影响，芯片温度平均每升高10℃，MOS管的驱动能力就要下降约4％，连线延迟大约要增加5％，集成电路的失效率大约增加1倍(A.P.Cjandrakasan，S.Sheng and R.W.Broderson，”Low-Power CMOSdigital design”，IEEE Journal of Solid-State Circuit，1992，vol.27，473-484)。器件的自热效应甚至已经限制到器件尺寸的进一步缩小，即通常人们所说的热障问题。因此，有效解决芯片热效应的影响，避免芯片热效应的危害成为了集成电路发展中的一个重要的课题。为了避免芯片过热对芯片的损害以及故障定位等因素，无论在测试阶段还是在芯片正常工作阶段都需要对芯片进行实时的温度监控。由此，在芯片上集成一些小规模的温度传感器电路被认为是一种简单有效的温度监控方法。较为简单而常用的的一种方案是使用热敏电阻来作为温度传感器，然后由于其精度有限，因而研究者又开发了各种面积小、功耗低的温度传感器。这些方法各有优缺点。如(Quenot G.M，Paris N.，”A temperature and voltagemeasurement cell for VLSI circuits InEuro-Asic’91，1991334)精度较高，误差小于3℃，但使用的振荡器方案占用了较大的面积，(Szekely V，RenczM.Thermal test and monitoring.Proceeding of the European Design and Test Conference，1995601)中的温度传感器耗费较大的功耗(10-15mW)，这可能引起待测点温度的变化从而给测量结果带来误差。(VladimirSzekely，Cs.Marta，Zs.Kohari and Marta Rencz，″CMOS Sensors for on-line Thermal Monitoring forVLSI Circuits″，IEEE trans.on VLSI Syst.，Vol，5，No.3，September 1997)提出了两种不同类型的振荡器，取得了较好的效果，(Karim Arabi and Bozena Kaminska，″Built-in Temperature Sensorsfor On-line Thermal Monitoring of Microelectronic Structures″，IEEE International Conference onComputer Design，1997462)中的传感器精度较高，但由于该传感器频率-温度函数包含了迁移率，而迁移率不随温度呈线性关系，因此其频率的对数与温度呈近似线性关系。(WangNailong，Zhang Sheng and Zhou Runde，”A novel built-in CMOS Temperature Sensor for VLSICircuits″，Chinese Journal of Semiconductors，Vol 25，No.3Mar，2004)中的传感器可看成是文的综合，耗费了较多晶体管，且其电容的充电电流受电源电压影响。在综合考虑阈值电压，迁移率，电源电压的影响情况之后，本文设计了两组不同的温度传感器。它们舍弃了迁移率因子的影响，采用与电源电压无关的恒流源，简化了整体电路设计。其中，基于施密特触发器方案的温度传感器只用了19个晶体管，而中传感器方案晶体管数目最少为26个。另外，HSPICE仿真结果表明，本文提出的传感器方案精度均在1℃之内。
技术实现思路
本专利技术的主要内容是利用MOS晶体管阈值电压同随温度变化的线性关系，设计了两组集成的全CMOS片上温度传感器。其中一组采取模拟电压输出，另一组采取数字信号输出。这两组电路均比现有的片上温度传感器使用更少数目的晶体管，功耗也相应降低，且精度均在1℃之内。由于采用了全CMOS结构，因而它能与现有主流的CMOS工艺很好的结合。MOS晶体管的温度特性对于分别工作在饱和区和线性区的长沟道NMOS晶体管而言，它的漏电流可以用如下两个公式来表示ID=12μnCox(WL)(VGS-VTN)2---(1)]]>ID=μnCox(WL)((VGS-VTN)VDS-VDS22)2---(2)]]>其中μn为NMOS晶体管迁移率(对于PMOS晶体管则为μp)，Cox为单位面积的栅电容，W和L分别表示栅的宽度和长度，VTN表示NMOS晶体管的阈值电压(对于PMOS晶体管则为VTP)。在这些参数中，迁移率和阈值电压是受温度影响较大的量。其中，阈值电压与温度的关系在很大一个范围内呈线性关系 VT(Tdevice)=VT(TNOM)+×(TdeviceTNOM-1)---(3)]]>其中VT(TNOM)表示TNOM温度下的阈值电压，一般取室温下的值，如25℃。Tdevice表示器件实际温度。KT1表示阈值电压的温度系数。KT1L和KT2分别表示沟道长度和衬底偏置的影响。实验结果表明，上述阈值电压对温度的线性依赖化公式能在各种不同温度下提供对实际I-V特性曲线精确拟和(Liu，W.，”MOSFET models for SPICE Simulation includingBSIM3v3 and BSIM4”，John Wiley&Sons，Inc.，New York，USA，2001)。迁移率与温度的关系要比阈值电压复杂许多，在BSIM3中的MOBMOD＝1默认情况下，它与温度的关系可以表示为μeff(Tdevice)=U0(Tdevice)1+(UA(Tdevice)+UC(Tdevice)·VBS)(VGS+VT(Tdevice)TOX)+UB(Tdevice)·(VGS+VTTOX)2---(4)]]>其中UA，UB，UC表示迁移率退化效应的因子，它们均与温度成线性关系。而U0表示零电场情况下的迁移率，其表达式为U0(Tdevice)=U本文档来自技高网...
【技术保护点】
基于斯密特触发器的数字ＣＭＯＳ片上温度传感器，其特征在于，所述温度传感器含有：输入电路，包含：第１ＰＭＯＳ管，记为（Ｐ１）管，该管的源极接电源电压Ｖｄｄ；第１ＮＭＯＳ管，记为（Ｎ１）管，该管的源极接地，该管的栅极和所 述（Ｐ１）管的栅极相连后构成输入信号Ｖｉｎ的输入端，所述输入端与地之间接有充电电容（Ｃ）；第２ＰＭＯＳ管，记为（Ｐ２）管，该管的源极接电源电压Ｖｄｄ；第２ＮＭＯＳ管，记为（Ｎ２）管，该管的源极接地，所述（Ｎ２）管的漏极同时和 所述（Ｎ１）管的漏极，（Ｐ１）管及（Ｐ２）管的漏极相连；当所述输入信号从低变高时，触发器的转换电平为：＊＊＊其中，Ｖ↓［ＴＮ］，Ｖ↓［ＴＰ］分别为所述各ＮＭＯＳ管，ＰＭＯＳ管的阈值电压，ｋ↓［ｐ１］，ｋ↓［ｐ２］分别 为（Ｐ１）管和（Ｐ２）管的放大系数，ｋ↓［ｎ１］为（Ｎ１）管的放大系数；当所述输入信号从高变低时，触发器的转换电平为：＊＊＊其中，Ｖ↓［ＴＮ］，Ｖ↓［ＴＰ］分别为所述各ＮＭＯＳ管，ＰＭＯＳ管的阈值电压，ｋ↓［ｐ１］分 别为（Ｐ１）管和（Ｐ２）管的放大系数，ｋ↓［ｎ１］，ｋ↓［ｎ２］为（Ｎ１）管的放大系数；成比例的反相器链，含有：第１级反相器，含有：第３ＰＭＯＳ管，记为（Ｐ３）管，该管的源极接电源电压Ｖｄｄ；第３ＮＭＯＳ管， 记为（Ｎ３）管，该管的源极接地，漏极和所述（Ｐ３）管的漏极相连，栅极和所述（Ｐ３）管的栅极相连后接所述输入电路的（Ｐ２）管的漏极；第２级反相器，含有：第４ＰＭＯＳ管，记为（Ｐ４）管，该管的源极接电源电压Ｖｄｄ；第４Ｎ ＭＯＳ管，记为（Ｎ４）管，该管的源极接地，漏极和所述（Ｐ４）管的漏极相连，栅极和所述（Ｐ４）管的栅极相连后接所述（Ｎ３）管，（Ｐ３）管的漏极；第３级反相器，含有：第５ＰＭＯＳ管，记为（Ｐ５）管，该管的源极接电源电压Ｖｄｄ； 第５ＮＭＯＳ管，记为（Ｎ５）管，该管的源极接地，漏极和所述（Ｐ５）管的漏极相连，栅极和所述（Ｐ５）管的栅极相连后接所述（Ｎ４）管，（Ｐ４）管的漏极；（Ｎ５）管的漏极，也即温度传感器的输出端ｆｏｓｃ，又接至（Ｐ２）管和（Ｎ２）管的栅极； 自偏置的阈值电压参考电路，含有：第８ＰＭＯＳ管，记为（Ｐ８）管，该管的源极接电源电压Ｖｄｄ；一个ＮＭＯＳ管，记为（Ｔ３）管，该...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：林赛华，杨华中，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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