CMOS의 설계 파라미터 및 Cascode단의 변화에 따른 Time-Domain Temperature Sensor 특성에 관한 연구
A study on the characteristics of the Time-Domain Temperature Sensor depending on CMOS design parameter and Cascode
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초록
본 논문에서는 서로 다른 CMOS Delay 특성을 갖는 2개의 링 오실레이터와 카운터, Time-to-Digital Converter(TDC)를 이용한 Digital On-Chip 온도 감지 센서를 설계하였다. 본 논문에서 제안한 온도 감지 센서는 신호 발생 단과 신호 출력 단으로 구성된다. 신호 발생 단은 CMOS로 구성된 링 오실레이터와 카운터로 구성되어 있고, CMOS의 Cascode단을 쌓음으로써 온도에 대한 민감도를 제어할 수 있다. 따라서 온도에 민감한 링 오실레이터와 온도에 민감하지 않은 링 오실레이터를 설계하고, 카운터를 이용하여 두 신호의 펄스 너비를 증폭시켰다. 신호 발생 단에서 발생된 신호는 신호 출력 단으로 인가된다. 신호 출력 단은 TDC로 구성하여 온도 변화를 디지털 코드로 감지할 수 있다. 온도 감지 센서는 -20∼120℃를 감지할 수 있도록 설계하였다. 또한 제안한 온도 감지 센서에서는 Chip 면적을 최소화하기 위해 Coarse TDC와 Fine TDC를 이용하여 설계하였다. 이를 통해 고 분해능을 갖는 온도 감지 센서를 설계하였고, HSPICE simulation을 통해 온도 감지 센서의 성능을 검증하였다. Chip은 동부 0.11um CMOS 공정으로 제작하여 측정하였다.
Abstract
This paper presents low power and high speed on-chip temperature sensor only using two ring-oscillators which have different CMOS delay characteristics, counters and Time-to-Digital Converters (TDC) to maintain the performance benefit of CMOS digital circuit. This novel temperature sensor does not require any bias circuits or reference external clocks. The novel temperature sensor measures the delay variations between the temperature-dependent signal generator and the temperature-independent signal generator according to temperature. The generating two signals is sensed by TDC. But, temperature sensor of TDC cells, which was used to measure the delay time of two CMOS delay characteristics and convert to digital outputs, occupies large chip area. To overcome this problem, we designed an advanced temperature sensor using Coarse-Fine TDC. Also, it has a higher resolution than existing temperature sensor. After checking the performance of the temperature sensor using a HSPICE simulation, the chip was manufactured using the Dongbu 0.11μm CMOS process and verified.
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