Journal of IKEEE (전기전자학회논문지)

Institute of Korean Electrical and Electronics Engineers (한국전기전자학회)
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On-Chip Digital Temperature Sensor Using Delay Buffers Based the Pulse Shrinking Method

펄스 수축방식 기반의 지연버퍼를 이용한 온-칩 디지털 온도센서

  • Yun, Seung-Chan (Magnachip Semiconductor Co.) ;
  • Kim, Tae-Un (School of Electrical and Computer Engineering, Chungbuk National University) ;
  • Choi, Ho-Yong (School of Electrical and Computer Engineering, Chungbuk National University)
  • Received : 2019.06.06
  • Accepted : 2019.06.25
  • Published : 2019.06.30
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Abstract

This paper proposes a CMOS temperature sensor using inverter delay chains of the same size based on the pulse shrinking method. A temperature-pulse converter (TPC) uses two different temperature delay lines with inverter chains to generate a pulse in proportion to temperature, and a time-digital converter (TDC) shrinks the pulse using inverter chains of the same size to convert pulse width into a digital value to be insensitive to process changes. The chip was implemented with a $0.49{\mu}m{\times}0.23{\mu}m$ area using a $0.35{\mu}m$ CMOS process with a supply voltage of 3.3V. The measurement results show a resolution of $0.24^{\circ}C/bit$ for 9-bit data for a temperature sensor range of $0^{\circ}C$ to $100^{\circ}C$.

본 논문은 동일 크기의 인버터 체인을 가진 지연 버퍼를 사용한 펄스 수축방식에 기반된 CMOS 온도 센서를 제안한다. 온도 센서는 2 개의 서로 다른 온도 지연 라인을 가진 온도에 비례하여 펄스를 생성하는 온도-펄스 변환기( TPC)와 공정 변화에 민감하지 않도록 동일 크기를 가진 인버터 체인을 사용하여 펄스를 수축하여 디지털 값으로 변환하는 시간-디지털 변환기(TDC)로 구성된다. 칩은 공급 전압이 3.3 V인 $0.35{\mu}m$ CMOS 공정을 이용하여 $0.49{\mu}m{\times}0.23{\mu}m$의 면적으로 구현되었다. 측정 결과 $0^{\circ}C{\sim}100^{\circ}C$의 온도 센서 범위에 분해능은 9-비트 데이터에서 $0.24^{\circ}C/bit$를 가진다.

Keywords

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Fig. 1. Block diagram of digital temperature sensor. 그림 1. 디지털 온도 센서 블록도

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Fig. 2. Block diagram of temperature-to-pulse converter. 그림 2. 온도-펄스 변환기 블록도

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Fig. 3. Thermal insensitive delay line. 그림 3. 온도에 둔감한 지연 회로

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Fig. 4. Block diagram of time-digital converter using pulse shrinking method. 그림 4. 펄스 수축방식 시간-디지털 변환기의 블록도

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Fig. 5. Proposed pulse shrinking circuit. 그림 5. 제안된 펄스 수축 회로

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Fig. 6. Pulse shrinking. 그림 6. 펄스 수축

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Fig. 7. Layout and chip photogragh. 그림 7. 레이아웃과 칩 사진

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Fig. 8. PG_OUT waveform according to temperature. (a) 20 ℃, (b) 60 ℃. 그림 8. 온도에 따른 PG_OUT 파형 (a) 20 ℃, (b) 60 ℃

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Fig. 9. Temperature-pulse width characteristics of TPC. 그림 9. TPC의 온도-펄스 폭 특성

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Fig. 10. PS_OUT output waveform of TDC. 그림 10. TDC의 PS_OUT 출력 파형

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Fig. 11. (a) Temperature-digital characteristics, (b) Temperature error of chips. 그림 11. (a) 온도-디지털 특성 (b) 칩의 온도 에러

Table 1. Q<8:0> digital value according to temperature. 표 1. 온도에 따른 디지털 값 Q<8:0>

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Table 2. Comparison of electrical characteristics of digital temperature sensors. 표 2. 디지털 온도센서 전기특성 비교

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References

  1. C. Chung and C. Yang, "An autocalibrated all-digital temperature sensor for on-chip thermal monitoring," IEEE Trans. on Circuits and Systems II, vol.58, no.2, pp.105-109, 2011. DOI: 10.1109/TCSII.2010.2104016
  2. C. S. Singh and K. Halonen, "A CMOS based ${\mu}$-power smart temperature sensor for oN-chip thermal monitoring," in Proc. of IEEE the 57th International Midwest Symposium on Circuits and Systems, pp.382-385, 2014. DOI: 10.1109/CICC.2015.7338490
  3. A. L. Aita, M. A. P. Pertijs, K. A. A. Makinwa, and J. H. Huijsing, "A CMOS smart temperature sensor with a batch-calibrated inaccuracy of ${\pm}0.25^{\circ}C(3{\sigma})$ from $-70^{\circ}C$ to $130^{\circ}C$," in Proc. of IEEE Int. Solid-State Circuits Conf. Dig. Tech. Papers, pp.342-343, 2009. DOI: 10.1109/ISSCC.2009.4977448
  4. S. and K. Klepacki, "An FPGA-integrated time-to-digital converter based on two-stage pulse shrinking," IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement, vol.59, no6, pp.1663-1670, 2010. DOI: 10.1109/TIM.2009.2027777
  5. P. Chen, C.-C. Chen, C.-C. Tsai, and W.-F. Lu, "A time-to-digital converter based CMOS smart temperature sensor," IEEE J. Solid-State Circuits, vol.40, no.8, pp.1642-1648, 2005. DOI: 10.1109/JSSC.2005.852041
  6. D. Ha, K. Woo, S. Meninger, T. Xanthopoulos, E. Crain, and D. Ham, "Time-domain CMOS temperature sensors with dual delay-locked loops for microprocessor thermal monitoring," IEEE Trans. on VLSI Syst, vol.20, no.9, pp.1590-1601, 2012. DOI: 10.1109/TVLSI.2011.2161783
  7. G. Roh, "Design of self-refresh controller for low-power 1T graphic memory," Master Thesis, ChungBuk National Univ., 2013.
  8. H. J. Oguey and D. Aebischer, "CMOS current reference without resistance," IEEE J. of Solid-State Circuits, vol.32, no.7, pp.1132-1135, 1997. DOI: 10.1109/4.597305