Sıcaklık dengelemeli konvertöre dayalı zaman alanı sıcaklık sensörü
0 Önsöz
Geleneksel sıcaklık sensörü tasarımı, genellikle önce sıcaklığı bir analog sinyale dönüştürür ve ardından dijital sinyali ADC (Analogdan Dijitale Dönüştürücü) aracılığıyla alır. Bununla birlikte, çip termal yönetimi ve Nesnelerin İnterneti gibi yeni uygulamaların geliştirilmesiyle, sıcaklık sensörlerinin dijital devrelerinin güç tüketimi, alanı ve uyumluluğu için daha yüksek gereksinimler ortaya konmuştur. Bu nedenle, giderek daha fazla tasarımcı, sıcaklık sensörlerinin kapsamlılığını ve dijitalleşme yönünde yüksek entegrasyonunu keşfetmeye başlıyor. Zaman etki alanı sıcaklık sensörleri, küçük alan, düşük güç tüketimi ve dijital cihazlar kullanılarak kolay uygulama gibi avantajlara sahiptir ve son yıllarda yoğun ilgi görmüştür.
Literatürde önerilen tek bir gecikme zincirine dayalı zaman alanı sıcaklık sensörü ve literatürde çift gecikme zincirine dayalı zaman alanı sıcaklık sensörü gibi zaman alanı sıcaklık sensörlerinin birçok araştırma sonucu vardır. Hepsi daha basit bir sıcaklık ölçüm prensibine sahiptir, ancak ölçüm aralığı ve doğruluk gereksinimlerini karşılamak için uzun bir gecikme zinciri oluşturmak için daha fazla invertöre ihtiyaç duyar. Literatürde önerilen tek halkalı osilatöre dayalı tam dijital sıcaklık sensörü gibi bir halka osilatöre dayalı başka bir zaman etki alanı sıcaklık sensörü türü, bu sensör türü 80 ° C'nin altındaki sıcaklıkları ölçerken yüksek doğruluğa sahiptir. Literatür, farklı sıcaklık hassasiyetine sahip halka osilatörleri için iki algılama yöntemi önermektedir.İki halka osilatör transistörünün boyutunu ayarlayarak ve devre üzerindeki güç kaynağı voltajının ve işlem parametrelerinin etkisini ortadan kaldırmak için frekans oranlarını alarak, böylece azaltarak Sıcaklık ölçüm hatası.
İşlemci termal yönetimi gibi uygulama senaryolarında, 50 ° C'nin üzerindeki yüksek sıcaklık bölümünün doğruluğu genellikle daha önemlidir ve genel sıcaklık sensörleri buna daha az önem verir. Referansların ve literatürün devre yapısına dayanan bu makale, orijinal algılama parçasının küçük sıcaklık katsayısını ve TDC sıcaklık kayması problemlerini iyileştirir, böylece devre, anahtar izleme sıcaklık aralığında yüksek doğruluktaki özel uygulama gereksinimlerini karşılayabilir.
Zaman bölgesi sıcaklık sensörünün ilk olarak sıcaklık bilgisini zaman bilgisine dönüştürmesi gerekir Halka osilatörü, sıcaklığı zaman alanı değişkenlerine dönüştürmenin bir yoludur. Literatüre göre, inverterin gecikmesinin sıcaklık ile doğrusal bir ilişkisi vardır. Frekansı ölçmek için zamandan dijitale dönüştürücü (Time-to-Digital Converter, TDC) aracılığıyla, sıcaklık nihayet dijital bir kod sözcüğüne dönüştürülebilir. Doğruluğu daha da iyileştirmek için, genellikle dönüştürülen verileri kalibre etmek gerekir. Ek olarak, güç kaynağı voltajının kalibrasyonu, varyansı bulmak için çoklu ölçümlerle de elde edilebilir. Sıcaklık kompanzasyonlu konvertör bazlı zaman alanlı sıcaklık sensörünün ana devre yapısı Şekil 1'de gösterilmektedir.
1.1 Algılama devresinin analizi ve iyileştirilmesi
Bu tasarımın algılama kısmı, sıcaklığı ilgili zaman değişken darbe genişliği darbe genişliğine dönüştürmek için esas olarak sıcaklık ve inverter gecikmesi arasındaki ilişkiyi kullanır. Devre şematik diyagramı Şekil 2'deki gibi gösterilmiştir.
Literatüre göre, inverterin gecikmesi ile sıcaklık arasında aşağıdaki nicel ilişki vardır:
W ve L'nin transistörlerin genişliği ve uzunluğu olduğu yerlerde; CL ve Cox, sırasıyla birim alan başına yük kapasitansı ve oksit kapasitansıdır; elektron (veya delik) hareketliliğidir; VDD ve Vth, sırasıyla güç kaynağı voltajı ve eşik voltajıdır . Formülden, inverterin gecikmesinin, aralarında hareketlilik ve eşik voltajının Vth sıcaklıktan etkilendiği bir dizi parametreyle ilişkili olduğu görülebilir. Transistör genişlik-uzunluk oranındaki değişiklik eşzamanlı olarak eşik voltajının ve yük kapasitansının değişmesine neden olur, bu nedenle algılama parçası için uygun transistör boyutunu seçmek özellikle önemlidir. Hareketlilik ile karşılaştırıldığında sıcaklık, eşik voltajını daha küçük ve temelde doğrusal olacak şekilde etkileyerek inverterin gecikmesini değiştirir. Bu nedenle, bu makalenin ilgilendiği 50 100 ölçüm aralığında, sadece sıcaklığın hareketlilik üzerindeki etkisine dikkat edebiliriz. Hareketliliğin negatif bir sıcaklık katsayısı vardır ve özel ilişkisi aşağıdaki gibidir:
Bunlar arasında q, elektronların (veya deliklerin) yük miktarıdır; m etkin kütledir; T sıcaklıktır; Ni iyonize safsızlık konsantrasyonudur; A ve B bağıl katsayılardır. Denklem (1) 'den, inverterin gecikmesi ve hareketliliğin D1 / ile ters orantılı olduğu görülebilir; denklem (2)' den hareketlilik ve sıcaklığın benzer bir ters orantılı ilişkiye sahip olduğu görülmektedir 1 / T ^ a (burada a 1'e yakın bir sabit) Literatüre göre, halka osilatörünün frekansı F = 1 / (2ND) olduğundan, salınım halkasının sıcaklık hassasiyeti transistörün en boy oranıyla ters orantılıdır. Salınımlı halkanın aşırı yüksek salınım frekansı, daha fazla güç tüketimine ve dolayısıyla daha büyük bir kendi kendine ısınma etkisine yol açacak ve böylece gerçek sıcaklık ölçümünü engelleyecektir. Monte Carlo simülasyon yöntemi kullanıldığında, PMOS'un makul en boy oranı L / W = 0,3 / 0,24 'dir.Elektron hareketliliği, invertörün yükselme ve düşme süresini dengelemek için deliklerin yaklaşık 2,5 katı olduğundan, NMOS'un en boy oranının L / W = 0,3 / 0,12 olmasına izin verin. Son olarak salınım frekansı ve sıcaklık katsayısı dikkate alınarak 31 aşamalı inverterlerden oluşan halka osilatör seçilir.
Referanstaki darbe genişliği üreteci, sıcaklık bilgisi ile zaman alan değişkenlerini elde etmek için kullanılabilir. Denklem (1) ve (2) 'ye göre darbe genişliği darbe_genişliğinin sıcaklıkla ilgili zaman değişkeni olduğu görülmektedir. İnvertörün ve sıcaklığın (1) ve (2) denklemlerindeki kantitatif analizinden, darbenin darbe genişliğinin ölçülen sıcaklık aralığı içindeki sıcaklıkla doğrusal bir ilişki içinde olduğu anlaşılabilir. Seri olarak invertörlerden oluşan osilatörün salınım frekansı ile sıcaklığı arasındaki doğrusal olmayan ilişki, sensör ölçüm hatasının ana sebebidir.Bu tasarım, salınım halka frekansının sıcaklık katsayısını artırarak bu sorunu iyileştirir.
1.2 Zamandan dijitale dönüştürücünün analizi ve iyileştirilmesi
TDC'nin halka osilatörü bu tasarımın odak noktasıdır. İdeal olarak, TDC, niceleme hatalarını azaltmak için sıcaklıktan tamamen bağımsız olmalıdır. Bununla birlikte, doğrudan standart geçit seviyeli birimlerden oluşan TDC'nin iki sorunu vardır - biri, salınım halkasının frekansının çok yüksek olması, diğeri ise TDC salınımının kendisinin sıcaklığa duyarlı olmasıdır. Çok yüksek salınım frekansı, salınım halkasının daha yüksek kendi kendine ısınmasına neden olur ve bu da sıcaklık değişimleri yoluyla kendi doğruluğunu etkiler. TDC salınım gecikme biriminin boyutu, salınım halka frekansını azaltmak için doğrudan değiştirilirse, sıcaklık katsayısı çok büyük olacak ve TDC'nin niceleme hatası artacaktır. Doğrudan standart AND geçit birimlerinden oluşan TDC, yukarıdaki nedenlerden dolayı 50 'dan büyük yüksek sıcaklık aralığında aşırı hatalara ve kabul edilemez hatalara neden olacaktır. Bu nedenle, bu TDC yalnızca 0 ~ 60 gibi daha düşük sıcaklık aralığında kullanım için uygundur. Bu, mevcut ilgili makalelerin çoğunun eksikliğidir. 50-100 aralığında sıcaklık ölçümüne daha uygun hale getirmek için bu kusurun nasıl iyileştirileceği, bu tasarımın iyileştirilmesinin ana hedefidir.
Bölüm 1.1'de salınım halkasının salınım frekansının evirici kademe sayısı ve her bir eviricinin gecikmesi ile ilişkili olduğu açıklanmıştır.İnvertör kademe sayısı az olduğunda salınım halkasının frekansı daha fazladır. Bu tasarımda, devrenin kendi kendine ısınma problemi hesaba katılarak, genellikle salınım halkasının frekansının mümkün olduğu kadar düşük olması istenir. Diğer koşullar değişmeden kaldığında, salınım döngüsünün frekansı, inverter aşamalarının sayısı artırılarak azaltılabilir. Standart ünitenin küçük gecikmesi nedeniyle, açıkça mantıksız olan sayaç tarafından örneklenebilen salınım frekansını elde etmek için yüzlerce invertöre ihtiyaç vardır. Osilatörün frekansını değiştirmenin bir başka yolu, invertörün gecikmesini D değiştirmektir Yukarıda bahsedildiği gibi, bu, salınım halkasının sıcaklık katsayısını değiştirerek sıcaklık kaymasına neden olacaktır. Bu nedenle, sıcaklık kaymasını azaltmak için tasarım, inverterin sıcaklık katsayısını dengeleyebilen bir akım aynası ünitesi sunar.
Bu tasarımdaki TDC, referansınkine benzer bir yapı kullanır, TDC'nin şematik diyagramı Şekil 1'deki kesikli kutuda gösterilmiştir. 8 bitlik bir kaba sayaç osilatörü sayar. Darbe genişliğinin düşen kenarı geldiğinde, kaba sayaç saymayı durdurur Bu zamanda, bir sayım süresinden az olan kısım hassas kodlayıcı tarafından izlenir ve 5 bitlik bir kod sözcüğü halinde kodu çözülür. Nihai niceleme sonucu, kaba sayacın ve hassas kodlayıcının çıktı kombinasyonudur.
Bu yazının temel fikri, izleme sıcaklığı aralığı içinde TDC'nin sıcaklık kaymasını ortadan kaldırmak için TDC salınım halkasını oluşturmak için mevcut aynanın sıcaklık dengeleme işlevini kullanmaktır. Akım aynasının çalışma prensibi, transistörün şarj ve deşarj süresini değiştirmek için kaçak akımı telafi etmek, böylece gecikme biriminin gecikmesini değiştirmektir. Akım aynalı TDC salınım halkası Şekil 3'te gösterilmektedir ve simülasyon sonuçları Şekil 4'te gösterilmektedir. Simülasyon sonuçlarından, bu tasarımın mevcut ayna gecikmesinin negatif bir sıcaklık katsayısına sahip olduğu, invertör gecikmesinin ise ölçüm aralığı içinde pozitif bir sıcaklık katsayısına sahip olduğu bilinmektedir. Monte Carlo simülasyon sonuçları aracılığıyla, mevcut ayna gecikme birimlerinin ve invertörlerin sayısı, 50 ila 100 izlenen sıcaklık aralığında küçük bir sıcaklık kaymasına ve kabul edilebilir bir salınım frekansına sahip olacak şekilde makul bir şekilde tahsis edilebilir. Simülasyon sonuçları, bu yapıya sahip salınımlı halkanın, uygulamanın ihtiyaçlarını karşılamak için inverterin boyutunu ve akım aynası sayısını değiştirerek sıcaklık aralığını sıfıra yakın ayarlayabildiğini göstermektedir. Aynı zamanda bu yapının salınım frekansı, standart birimlerden oluşan salınım halkasının frekansına göre önemli ölçüde azaltılmıştır.
Şekil 4'te gösterildiği gibi, TDC_ringx (x = 1, 2, 3 ...), TDC salınım halkasının farklı parametreler altındaki döngü simülasyon sonuçlarını temsil eder. Simülasyon sonuçları, akım aynalı gecikme ünitesinin, farklı parametreleri ayarlayarak belirli bir aralıkta inverter gecikme zincirinin sıcaklık kaymasını dengeleyebileceğini göstermektedir. Bu tasarımda bu aralık 50 ~ 100 olarak belirlenmiştir.
Osilatörün salınımı belirli bir dereceye kadar kendi kendine ısınma üreteceğinden, kendi kendine ısınma bir yandan sıcaklık algılama doğruluğunu etkilerken, diğer yandan devrenin yaşlanmasını hızlandırmak gibi bazı geri döndürülemez etkiler de devreye getirir. Salınım frekansı çok yüksek olduğunda, kendi kendine ısınma özellikle ciddidir. Bu problemlere dayanarak, orijinal tasarım, TDC salınım halkasının frekansını düşürmek ve böylece devrenin kendi kendine ısınmasını azaltmak için TDC salınım halkasındaki çevirici için uygun bir boyut tasarlamaktır. İnverter boyutunun değişmesi nedeniyle TDC'nin sıcaklık katsayısının daha büyük hale gelmesi sorununu çözmek için, TDC'nin sıcaklık kaymasını algılama aralığı içinde 0'a yakın hale getirmek için TDC'nin salınım halkasına sıcaklık kompanzasyonu için bir akım aynası eklenir, böylece Sensör, uygulamanın ihtiyaçlarını karşılar.
2 Devre simülasyon sonuçları ve tartışma
2.1 Devre gücü simülasyonu ve güç yoğunluğu hesaplama sonuçları
Bu tasarımda, önceden belirlenmiş 50 ~ 100 ölçüm aralığı içindeki sıcaklığın ölçüm hatası -2,8 ~ 3,8 'den azdır. Tablo 1, referansta ayarlanmış ve optimize edilmiş TDC güç tüketimi ile devre güç tüketimi simülasyon sonuçları arasındaki karşılaştırmayı göstermektedir.
Tablo 1'den, akım aynalı TDC'nin güç tüketiminin referansdakinden önemli ölçüde daha düşük olduğu görülebilmektedir, bunun başlıca nedeni, osilatör p = aVdd2fC'nin dinamik güç tüketimi hesaplama formülünün, parazitik kapasitans makul bir şekilde düşünüldüğünde güç tüketimini göstermesidir. Frekans ile pozitif olarak ilişkilidir ve güç tüketimi, frekansın azaltılmasıyla önemli ölçüde azaltılabilir.
Kendi kendine ısınmayla doğrudan ilgili olan güç yoğunluğu, yani birim alan başına güç tüketimidir. Devrenin simüle edilmiş güç tüketimi ve devre alanı, bu sonuçlara göre devrenin güç yoğunluğunu hesaplamak için kullanılabilir. Tablo 2'de gösterildiği gibi, hesaplama, bu tasarımdaki ÜÖN'nin güç yoğunluğunun referans tasarımın sadece yaklaşık% 45'i olduğunu göstermektedir. Bu sonuç, bu tasarımın yapısının kendi kendine ısınmanın ölçüm sonuçları üzerindeki girişimini etkili bir şekilde azaltacağını göstermektedir.
2.2 Sensör devresinin ana parametrelerinin simülasyon sonuçları
1.1'de tartışılan halka osilatör frekansı ile sıcaklık arasındaki nicel ilişkiden, frekans ve sıcaklık arasındaki ilişkinin doğrusal olduğu görülmektedir.Simülasyon sonuçları Şekil 5'te gösterilmiştir. Şekilden, farklı proses köşeleri için frekans ve sıcaklık arasındaki ilişkinin neredeyse doğrusal olduğu ve bu da tasarım gereksinimlerini karşıladığı görülmektedir.
Algılama kısmından elde edilen sıcaklıkla ilişkili zaman değişkeni pulse_width, TDC ile ölçülerek iki nokta ile kalibre edilmiş ve elde edilen sıcaklık ölçüm değerinin simülasyon sonucu Şekil 6'da gösterilmiştir. 50 ~ 100 sıcaklık aralığında sensörün ölçüm hatasının ölçüm gereksinimlerini karşılayabileceği görülmektedir.
Ölçülen sıcaklığı standart sıcaklık değeri ile karşılaştırarak, Şekil 7'de gösterildiği gibi ölçüm hatası elde edilebilir. Şekil 7'den, sıcaklık sapmasının 50 ila 100 aralığında küçük olduğu ve maksimum hatanın yalnızca -2,8 olduğu görülebilir. Önceden belirlenmiş ölçüm aralığı içinde küçük hatanın tasarım gereksinimini karşılayın.
3 Sonuç
Bu makale, zaman bölgesi sıcaklık sensörünün devre performansı üzerindeki sıcaklığın etkisine karşılık gelen iyileştirmeler yapmıştır. İki ana devre iyileştirmesi vardır: Birincisi, osilatörün sensör kısmının transistör boyutunu değiştirerek sıcaklık katsayısını yükseltmektir, böylece tasarım, uygulamanın doğruluk gereksinimlerini karşılayabilir. İkinci nokta ise TDC salınım halkasının yapısını iyileştirmek ve akım dengelemeli akım aynasını arttırarak TDC'nin kontrol edilebilir ölçüm aralığı içerisinde sıcaklık kaymasını 0'a yaklaştırmaktır.Aynı zamanda TDC'nin salınım frekansı azaltılır ve devre azaltılır. Güç tüketimi ve kendi kendine ısınma. Son olarak, ölçüm hatası, uygulama sıcaklığı aralığı içinde kabul edilebilir bir aralığa indirilir. Simülasyon karşılaştırması sayesinde, bu tasarımın kendi kendine ısınmasının, referansa kıyasla yarıdan fazla azaldığı görülebilir. Ölçüm hatasını azaltmak için sıcaklık dengeleme etkisine sahip zaman geciktirme cetvelinin, avantajları nedeniyle gelecekteki sensörlerde daha fazla dikkat çekeceği görülebilmektedir.
Referanslar
WATANABE T, TERASAWA T. Geniş sıcaklık aralığında ölçeklendirme için sensör dijitalizasyonunda tüm dijital ADC TAD IEEE Sensörleri, 2015: 1-4.
CHUNG C C, YANG C R. Çip üzerinde termal izleme için otomatik kalibre edilmiş tamamen dijital bir sıcaklık sensörü Devreler ve Sistemler üzerine IEEE İşlemleri II: Ekspres Özetler, 2011, 58 (2): 105-109.
CHUNG C C, YANG C R. 65 nm CMOS teknolojisinde otomatik kalibrasyona sahip tamamen dijital akıllı sıcaklık sensörü. 2010 IEEE International Symposium on Circuits and Systems, 2010: 4089-4092.
ANAND T, KOFI AM, HANUMOLU P K, vd. 0,034 / mV besleme hassasiyetine sahip VCO tabanlı yüksek dijital sıcaklık sensörü. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2016, 51 (11): 2651-2663.
DRAJE A, FLOYD M S, WILLAMAN R, et al. POWER7 + mikro işlemcide tek döngülü darbe şekilli kritik yol monitörü. 2013 Uluslararası Düşük Güç Elektroniği ve Tasarımı Sempozyumu Bildirileri, ISLPED, 2013: 193-198.
CHEN C C, LU W F, TSAI C C, vd., Dijital dönüştürücü tabanlı bir CMOS akıllı sıcaklık sensörü. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2005, 40: 1642-1648.
WOO K, MENINGER S, XANTHOPOULOS T, et al. Mikro işlemci termal izleme için çift DLL tabanlı CMOS tamamen dijital sıcaklık sensörü. IEEE International Solid-State Circuits Conference-Digest of Technical Papers, 2009: 68-69, 69a .
Chen Xingbi, Zhang Qingzhong, Chen Yong, vb Mikroelektronik Pekin: Elektronik Endüstrisi Basını, 2011.
RAZAVI B. Analog CMOS entegre devresinin tasarımı McGraw-Hill Education, 2000.
yazar bilgileri:
Li Mengyu, Huang Letian, Li Qiang
(Entegre Sistemler Enstitüsü, Elektronik Bilimi ve Mühendisliği Okulu, Çin Elektronik Bilimi ve Teknolojisi Üniversitesi, Chengdu 610054, Sichuan)
