[發明專利]全MOS電壓及溫度監測方法及電路

有效

• 申請號: 201910871214.9
• 申請日: 2019-09-16
• 公開（公告）號: CN110542849B
• 公開（公告）日: 2021-11-05
• 發明（設計）人: 徐肯
• 申請（專利權）人: 廣州粒子微電子有限公司
• 主分類號: G01R31/317
• 分類號: G01R31/317;G01R31/40;G01K13/00;G01R35/00
• 代理公司: 北京中索知識產權代理有限公司 11640
• 代理人: 胡大成

本發明提供一種全MOS電壓及溫度監測方法和監測電路，包括兩個環形振蕩器RO1和RO2、兩個時間/數字轉換器TDC1和TDC2、一個溫度映射模塊、一個電壓映射模塊、一個基準時鐘分頻器模塊以及兩個補償模塊。其中，基準時鐘是由晶體振蕩器提供，環形振蕩器RO1由core域電源電壓VDD_CORE供電，而環形振蕩器RO2由電池電壓VBAT供電。基準時鐘經分頻器后分別連接到TDC1和TDC2，TDC1和TDC2的輸出端分別連接到溫度映射模塊和電壓映射模塊。本發明能實現真正的全MOS，不需要增加額外的掩膜版，對PVT進行了有效的校準，提高了監測的精度；本發明還具有結構簡單、面積小、無靜態功耗的優點。

技術領域

本發明涉及芯片設計領域，特別涉及芯片中的全MOS電壓及溫度監測方法及電路。

背景技術

在集成電路中，對芯片的電源電壓及溫度的監測是尤為重要的。一方面，由于工藝耐壓的限制，過高的電源電壓會降低芯片的工作壽命，甚至導致芯片器件的永久損壞；另一方面，過低的電源電壓可能影響芯片的功能，導致系統的錯誤操作。另外，由于半導體器件對溫度的敏感性，當溫度超出一定范圍時，芯片的正常工作可能受到影響。因此，需要對芯片的溫度進行監測，并根據需要對芯片進行必要的溫度補償，以保證芯片具有足夠寬的溫度工作范圍。

在傳統的技術中，芯片通過集成輔助ADC(模數轉換器)對電源電壓或溫度傳感器(片外或片上)的輸出電壓轉換成相應的數字信號，實現對芯片電源和溫度的監測。該方案要求大量的模擬器件，如運算放大器、比較器等，導致了較大的功耗和芯片面積。隨著CMOS工藝的不斷演進，芯片的供電電壓不斷的降低，模擬實現方法的局限性日益明顯。

近年來，具有更好的數字工藝兼容性的模擬—時間—數字(ATD：Analog-Time-Digital)轉換技術越來越受歡迎。ATD轉換的過程可以分為模擬/時間轉換(Analog-to-Time Conversion，簡稱ATC)和時間/數字(Time-to-Digital，簡稱TDC)兩個階段，即先把模擬電壓信號轉換成時鐘域信號，再對時鐘域的信號進行數字量化，得到與模擬電壓信號相對應的數字信號。

采用傳統ADC的方案不僅成本高、功耗大，而且不適合數字工藝的實現。而現有基于ATC技術的監測方法，雖然很好的解決了傳統模擬方案的缺點，但也存在著各種不足。這些不足集中表現在“完全兼容數字工藝”與“對PVT(Process、Voltage、Temperature：工藝、電壓及溫度，簡稱PVT)的補償”之間的矛盾，如：

在《中國集成電路》2009,18(3)期中刊載的論文“全數字ADC設計與仿真[J].”(作者：沙亞兵,李文石)中提出的ADC由于采用了電阻、電容等模擬的無源元器件來組成環形振蕩器，在數字工藝中需要增加額外的掩膜版才能實現，無法做到真正的“全數字”實現，且其未考慮溫漂及工藝變化的影響，實用性不強。

公開號為CN105071801A的中國專利申請文件中，采用晶體管及外部精密電阻來產生PTAT(proportional to absolute temperature，與絕對溫度成正比)電流，用于補償PVT的變化。成本較高，不適合數字工藝的實現。

公開號為CN101751062A的中國專利申請文件中，通過低噪聲基準電壓產生電路及線性調節器的方法補償環形振蕩器的溫漂，但是此電路結構復雜，使用了修調電阻，制作工藝復雜，成本高。

公開號為CN103684354A的中國專利申請文件中，采用正、負溫度系數的兩種反相器構成環形振蕩器，雖然解決了溫漂的問題，但是未考慮工藝帶來的離散，實用性較差。

通過以上的例子可以看出，在全數字工藝下實現的設計往往缺少了對PVT的全面補償，導致了實用性不強；而考慮了PVT補償的設計，則大多采用額外的模擬器件，導致無法正真實現全數字。

發明內容

為了解決現有技術的問題，本發明提出了一種全MOS電壓及溫度監測方法和監測電路。具體方案如下：