低功耗低电压数字温度传感器

成果编号：27624

价格：面议

完成单位：南京邮电大学

单位类别：其他高校

完成时间：2020年

成熟程度：小批量生产阶段

服务产业领域：电子信息、装备制造

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发布人：蔡志匡离线

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美国英特尔公司和UCLA团队在石英晶体内封装温度感应器件，能够精确补偿温度变化带来的时钟频率偏差。但这类方案依赖于特殊工艺，芯片成本高，工艺兼容性差。荷兰代尔夫特理工大学采用文氏电桥将温度信息转换为电压信息，并用ADC将其转化为数字代码。但这种方案所使用的工艺必须具备两种相反温度特性的电阻，且在低电压环境下，电压变化范围被压缩，测量精度会受到影响。美国硅晶科技公司使用双极型工艺将温度信息转换为PTAT电流。这种方案精度较高，但芯片成本高，工艺兼容性较差。已有的几种基于全CMOS的传感器架构大多为基于热扩散率的传感器结构，虽然具有较高的精度和较小的面积，但功耗较高。基于DTMOST的传感器提供高精度、低功耗和低于1 V的工作电压，但占用的面积很大。

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成果介绍

科技计划：

成果形式：新技术、新工艺、新产品

合作方式：技术转让、技术开发、技术咨询

参与活动： 2021年高校院所走进镇江产学研合作对接活动 2021年高校院所服务苏北五市产学研合作对接活动首届江苏产学研合作对接大会

专利情况：正在申请 ,其中:发明专利 1 项
已授权专利,其中:发明专利 1 项

成果简介

成果概况

创新要点

团队蔡志匡博士和王子轩博士自主开发了一种基于标准CMOS工艺下的温度传感器，利用延迟电路的延迟时间反应温度信息，使用串行延迟单元与温度相关延迟时间进行比较，并通过锁存比较器得出比较结果并输出数字温度信号。温度测试时间为时钟上升沿通过延迟链B的时间，时间非常短；整体电路均为CMOS结构，无静态功耗，所有晶体管在测温全程仅一次翻转，功耗非常低。因此，本方案实现了高速低功耗测温与时钟电路的温度补偿。本产品可工作在0.5V~1.1V电压下，测温范围-20℃~80℃，平均功耗≤1.5nW（1秒工作1次），分辨率≤0.1℃/LSB。

主要技术指标

本方案实现了高速低功耗测温与时钟电路的温度补偿。本产品可工作在0.5V~1.1V电压下，测温范围-20℃~80℃，平均功耗≤1.5nW（1秒工作1次），分辨率≤0.1℃/LSB。

其他说明

应用领域和市场前景：当代处理器和动态随机存取存储器（Dynamic Random Access Memory，DRAM）利用多个片上温度传感器进行热监控。就处理器而言，温度传感器通过监视冷点和热点来帮助保持性能和可靠性。另一方面，DRAM根据芯片当前的温度控制自刷新操作的速率，以节省功耗。由于很难在设计阶段预测热点位置，因此微处理器每核包含多达十个或更多的传感器。在计算需求不断增长的推动下，随着每处理器每年内核数的增加，处理器中温度传感器的数量将继续增加。因此，迫切需要一种适合集成在处理器和DRAM中的低功耗、低成本的温度传感器。传感器必须包含几个关键功能，以使其适合在处理器中使用。首先，它们必须小巧紧凑，以便可以将其放置在非常靠近热点的地方。设计成使用逻辑电源电压运行的传感器有助于减少与单独的专用电源的布线相关的开销。但是，由于逻辑门的不断切换，逻辑电源非常嘈杂。此外，由于在现代处理器中使用动态电压缩放，其平均电压可能会发生很大变化。因此，传感器必须不受电源电压变化的影响。SoC和处理器还采用动态频率缩放算法，其中开关频率被缩放以权衡功率与性能。动态电压和频率缩放算法的使用会限制温度传感器的设计，使传感器不再依赖于使用外部频率或电源电压作为参考。将温度传感器专用的参考频率、电压和偏置电流遍布整个处理器是一项昂贵的工作。因此，温度传感器必须自参考。最后，温度传感器架构应相对容易设计并使其能移植到不同的过程节点中。

完成人信息

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