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ERFINDUNGSGEBIET
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Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung betreffen einen Temperatursensor und ein Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur. Insbesondere betreffen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung Techniken zum Bestimmen der Temperatur, die einen bistabilen Flipflop verwenden, der einen ersten Zweig und einen zweiten Zweig umfasst, wobei der erste Zweig ein Asymmetrieelement umfasst, das eine Asymmetrie zwischen dem ersten Zweig und dem zweiten Zweig verursacht.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Bei einigen Anwendungen kann es wünschenswert sein, eine Temperatur zu bestimmen. Einige dieser Anwendungen beinhalten das Betreiben eines Chips, der eine elektrische Schaltungsanordnung implementiert.
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Verschiedene Techniken zum Bestimmen der Temperatur sind bekannt. Eine gewöhnlich angewendete Technik basiert auf dem Messen eines sogenannten PTAT-Stroms (PTAT – Proportional To Absolute Temperature) in einem Widerstand. Der PTAT-Strom wird typischerweise durch eine Spannungsdifferenz zwischen zwei Dioden verursacht, die bei verschiedenen Stromdichten arbeiten. Insbesondere ist bei einer derartigen Technik ein integriertes Design eines jeweiligen Temperatursensors mit einem Chip, der eine weitere Schaltungsanordnung umfasst, möglich (On-Chip-Design).
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US 2008/0297228 A1 offenbart einen Schaltkreis zum Messen einer Temperatur, welcher eine Verzögerungsschleife verwendet. Ein externes Zeitgebersignal wird von einer Verzögerungseinheit empfangen und es wird ein Verzögerungspuls erzeugt, welcher eine konstante Verzögerung unabhängig von der Temperatur beibehält. Die Verzögerungseinheit kann eine Kettenstruktur aufweisen, die eine Vielzahl von Verzögerungszellen in Abhängigkeit der Temperatur aufweist. Die Verzögerungseinheit kann das externe Zeitgebersignal empfangen und variable Verzögerungspulse mit unterschiedlichen Verzögerungszeitdauern basierend auf der Temperatur erzeugen. Eine Phasendifferenz kann bestimmt werden. Daraus wiederum kann die Temperatur bestimmt werden.
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US 2011/0038396 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Detektieren der Temperatur, welche eine Stromquelle, eine Vielzahl von Widerständen, einen Binär-Zähler, einen Multiplexer, einen Komparator und eine Steuerlogik umfasst. Die Stromquelle stellt einen Strom bereit, welcher proportional zur absoluten Temperatur ist. Die Widerstände stellen eine Anzahl von Spannungssignalen mit aufsteigenden oder absteigenden Spannungen bereit. Der Binär-Zähler erzeugt ein binäres Auswahlsignal mit einer Anzahl von Bits.
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US 7,331,708 B2 offenbart einen Temperatursensor zum Erzeugen eines Temperatur-Ausgabesignals, welches betreffend der Linearität korrigiert ist. Der Sensor beinhaltet einen Schaltkreis, welcher einen Strom der proportional zur absoluten Temperatur ist empfängt und einen Strom, welcher komplementär zur absoluten Temperatur ist. Der Sensor umfasst auch einen Analog-Digital-Wandler, welcher basierend auf einem Frequenzverhältnis arbeitet und welcher Daten- und Referenzoszillatoren beinhaltet. Basierend auf einer gewichteten Summe des Stromflusses proportional zur absoluten Temperatur und des Stromflusses proportional zur komplementären absoluten Temperatur wird ein erster Stromfluss erzeugt. Es wird auch ein erster korrigierter Stromfluss erzeugt, welcher der Summe des ersten Stromflusses und eines ersten Anteils des Stromflusses proportional zur Absoluttemperatur entspricht.
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US 2012/0306553 A1 offenbart ein Zeitdifferenz-Addierglied, welches in einem System-auf-Chip (SoC) beinhaltet ist. Das Addierglied beinhaltet eine erste Registereinheit und eine zweite Registereinheit. Die erste Registereinheit ist eingerichtet, um erste und zweite Eingangssignale mit einer ersten Zeitdifferenz zu empfangen und um ein erstes Ausgangssignal auf Grundlage eines ersten Signals zu erzeugen. Die zweite Registereinheit ist eingerichtet, um dritte und vierte Eingangssignale mit zweiten Zeitdifferenzen zu empfangen und um ein zweites Ausgangssignal mit einer dritten Zeitdifferenz in Bezug auf das erste Ausgangssignal auf Grundlage des ersten Signals zu erzeugen. Die dritte Zeitdifferenz entspricht einer Summe der ersten Zeitdifferenz und der zweiten Zeitdifferenz. Basierend auf solchen Techniken können Temperatursensoren implementiert werden.
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Solche Techniken sind jedoch mit gewissen Einschränkungen behaftet. Zum Beispiel kann die Genauigkeit beim Bestimmen der Temperatur, die durch Messung des PTAT-Stroms erzielt werden kann, vergleichsweise beschränkt sein. Dies kann auf einen begrenzten verfügbaren Bereich zum Implementieren der erforderlichen Schaltungsanordnung zurückzuführen sein. Weiterhin kann typischerweise eine Mindestspannung von zum Beispiel 1 Volt für den Betrieb erforderlich sein. Manchmal kann das Bereitstellen der Spannung schwierig sein.
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Um eine bessere Genauigkeit zu erzielen, werden manchmal externe Sensoren verwendet; dann ist der Temperatursensor möglicherweise nicht gemäß dem On-Chip-Design. Externe Sensoren sind nicht mit dem Chip integriert. Aufgrund von Beschränkungen beim Bauraum jedoch ist das Verwenden von externen Sensoren oftmals nicht machbar. Externe Sensoren können auch vergleichsweise teuer sein.
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KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Es besteht ein Bedarf an Techniken zum Bestimmen der Temperatur, die mindestens einige der oben erwähnten Nachteile überwinden. Insbesondere besteht ein Bedarf an Temperatursensoren, die in einem On-Chip-Design implementiert werden können und die das Bestimmen der Temperatur mit einer vergleichsweise hohen Genauigkeit gestatten. Weiterhin besteht ein Bedarf an Temperatursensoren, die auf einer vergleichsweise kleinen Fläche implementiert werden können und die eine Miniaturisierung gestatten. Weiterhin besteht ein Bedarf an Sensoren, die mit einem Chip integriert werden können, ohne externe Komponenten zu erfordern, das heißt, die in dem On-Chip-Design implementiert werden können.
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Diese Notwendigkeit wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche beseitigt. Die abhängigen Ansprüche definieren Ausführungsformen.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Temperatursensor bereitgestellt. Der Temperatursensor umfasst mindestens eine Zelle. Jede einzelne der mindestens einen Zelle umfasst einen bistabilen Flipflop, der einen ersten Zweig und einen zweiten Zweig umfasst. Der erste Zweig umfasst ein Asymmetrieelement, das eine Asymmetrie zwischen dem ersten Zweig und dem zweiten Zweig verursacht. Jede einzelne der mindestens einen Zelle umfasst weiterhin eine Schnittstelle. Die Schnittstelle ist konfiguriert zum Ausgeben eines Ausgangssignals, das einen Arbeitszustand des bistabilen Flipflops anzeigt. Der Temperatursensor umfasst weiterhin mindestens einen Prozessor. Der mindestens eine Prozessor ist konfiguriert zum Empfangen, von jeder einzelnen der mindestens eine Zelle über die jeweilige Schnittstelle, des jeweiligen Ausgangssignals in einem Ausleseereignis. Der Prozessor ist weiterhin konfiguriert zum Bestimmen einer Temperatur auf der Basis der empfangenen Ausgangssignale von mehreren Ausleseereignissen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren eines Temperatursensors, der eine Temperatur bestimmt, bereitgestellt. Das Verfahren umfasst für jede einzelne der mindestens einen Zelle des Temperatursensors das Anlegen, bei einem Vorbereitungsereignis, einer Versorgungsspannung an einen ersten Zweig und an einen zweiten Zweig eines bistabilen Flipflops der jeweiligen Zelle über eine Versorgungsleitung des Temperatursensors. Der erste Zweig des mindestens einen bistabilen Flipflops umfasst ein Asymmetrieelement, das eine Asymmetrie zwischen dem ersten Zweig und dem zweiten Zweig verursacht. Das Verfahren umfasst weiterhin, an jedem einzelnen von mehreren Ausleseereignissen, dass mindestens ein Prozessor des Temperatursensors von einer jeweiligen einzelnen der mindestens einen Zelle ein Ausgangsignal empfängt. Das Ausgangssignal zeigt einen Arbeitszustand des jeweiligen bistabilen Flipflops an. Das Verfahren umfasst weiterhin, dass der mindestens eine Prozessor die Temperatur auf der Basis des empfangenen Ausgangssignals der mehreren Ausleseereignisse bestimmt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 veranschaulicht schematisch einen Temperatursensor, der mehrere Zellen gemäß verschiedenen Ausführungsformen umfasst.
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2 veranschaulicht schematisch eine Zelle des Temperatursensors von 1 mit größerem Detail gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wobei die Zelle einen bistabilen Flipflop mit einem ersten und zweiten Zweig umfasst.
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3 veranschaulicht schematisch eine Zelle des Temperatursensors von 1 mit größerem Detail gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wobei die Zelle einen bistabilen Flipflop mit einem ersten und zweiten Zweig umfasst.
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4 veranschaulicht schematisch das Bestimmen einer Temperatur unter Verwendung von thermischem Rauschen gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wobei eine Verteilung von Arbeitszuständen der bistabilen Flipflops für eine gegebene Temperatur gezeigt ist.
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5 veranschaulicht schematisch das Bestimmen der Temperatur unter Verwendung von thermischem Rauschen gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wobei eine Verteilung von Arbeitszuständen der bistabilen Flipflops für verschiedene Temperaturen gezeigt ist.
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6 veranschaulicht schematisch das Bestimmen der Temperatur unter Verwendung von thermischem Rauschen gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wobei in 6 Dichtefunktionen der Verteilungen von 5 gezeigt sind.
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7 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen der Temperatur gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
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8 veranschaulicht schematisch zwei Arbeitszustände des bistabilen Flipflops, wobei keine Asymmetrie zwischen dem ersten und zweiten Zweig des bistabilen Flipflops vorliegt.
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9 veranschaulicht schematisch die beiden Arbeitszustände des bistabilen Flipflops, wobei eine Asymmetrie zwischen dem ersten und zweiten Zweig des bistabilen Flipflops vorliegt, wobei 9 weiter das thermische Rauschen veranschaulicht.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben. Die Ausführungsformen sind nur als veranschaulichende Beispiele anzusehen und sind nicht als beschränkend auszulegen. Beispielsweise können zwar Ausführungsformen so beschrieben sein, dass sie mehrere Merkmale oder Elemente umfassen, jedoch können bei anderen Ausführungsformen einige dieser Merkmale oder Elemente entfallen und/oder durch alternative Merkmale oder Elemente ersetzt sein. Bei noch weiteren Ausführungsformen können zusätzliche Merkmale oder Elemente vorgesehen sein.
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Etwaige Verbindungen oder Kopplungen, die in den Zeichnungen gezeigt oder hierin beschrieben sind, können als direkte Verbindungen oder Kopplungen implementiert sein, d. h. Verbindungen oder Kopplungen ohne dazwischenliegende Elemente oder indirekte Verbindungen oder Kopplungen, d. h. Verbindungen oder Kopplungen mit einem oder mehreren dazwischenliegenden Elementen, solange der allgemeine Zweck der Verbindung oder Kopplung, beispielsweise zum Übertragen einer bestimmten Art von Signal und/oder zum Übertragen einer bestimmten Art von Information, im Wesentlichen aufrechterhalten wird. Verbindungen oder Kopplungen können drahtbasierte Verbindungen oder Kopplungen sein oder können auch drahtlose Verbindungen oder Kopplungen sein, sofern nicht etwas anderes angegeben ist.
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Weiterhin können Merkmale von verschiedenen Ausführungsformen kombiniert werden, um zusätzliche Ausführungsformen auszubilden.
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Im Folgenden werden Techniken zum Bestimmen einer Temperatur unter Verwendung eines Temperatursensors beschrieben. Die Techniken basieren auf einem statistischen Ansatz. Bei verschiedenen Ausführungsformen wird temperaturabhängiges Rauschen unter Verwendung einer statistischen Evaluation mindestens eines vorgespannten bistabilen Flipflops evaluiert.
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Der vorgespannte bistabile Flipflop besitzt einen ersten Zweig und einen zweiten Zweig, wobei der erste Zweig ein Asymmetrieelement als die Bias enthält. Dies bewirkt eine Asymmetrie zwischen dem ersten und zweiten Zweig des mindestens einen bistabilen Flipflops.
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Diese Techniken basieren auf der Erkenntnis, dass durch selektives Bereitstellen des Asymmetrieelements im ersten Zweig des ersten und zweiten Zweigs des bistabilen Flipflops die durch das Asymmetrieelement verursachte strukturelle Asymmetrie eine Energiedifferenz für die zwei Arbeitszustände des bistabilen Flipflops verursacht. Somit sind auch die Arbeitszustände zueinander asymmetrisch. Thermische Aktivierungsenergie oder thermisches Rauschen bewirkt, dass der bistabile Flipflop mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit auf den höherenergetischen Arbeitszustand einschwingt. Diese Wahrscheinlichkeit hängt von der Temperatur ab. Der statistische Ansatz evaluiert, wie oft der bistabile Flipflop bei dem höherenergetischen Arbeitszustand einschwenkt, um die Temperatur zu bestimmen.
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Hier können die Statistiken durch Betrachten eines oder mehrerer Ausleseereignisse pro bistabilem Flipflop für mehrere Flipflops erzielt werden. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, die Statistiken durch Betrachten mehrerer Ausleseereignisse für einen einzelnen bistabilen Flipflop zu erzielen.
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Solche Techniken wie oben erwähnt gestatten das Bestimmen der Temperatur mit einer vergleichsweise hohen Genauigkeit. Es ist möglich, die Fläche zu schrumpfen, die für das Implementieren des Temperatursensors erforderlich ist; das Basieren auf kleineren Fabrikationstechnologien wird möglich. Diese Techniken gestatten weiterhin das Implementieren hochgenauer Sensoren in Siliziumtechnologien ohne Notwendigkeit für externe Komponenten, d. h., sie gestatten ein On-Chip-Design.
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In 1 ist ein Temperatursensor 100 gezeigt. Der Temperatursensor 100 umfasst drei Zellen 101-1, 101-2, 101-3. Jede einzelne der drei Zellen 101-1, 101-2, 101-3 ist mit einer gemeinsamen Versorgungsleitung 115 des Temperatursensors 115 gekoppelt. Jede einzelne der drei Zellen 101-1, 101-2, 101-3 umfasst eine Schnittstelle 105, die die jeweilige Zelle 101-1, 101-2, 101-3 mit einem Prozessor 110 des Temperatursensors 100 verbindet. Über die Schnittstelle 105 empfängt der Prozessor 110 bei einem Ausleseereignis ein Ausgangssignal von einer jeweiligen der Zellen 101-1, 101-2, 101-3. Zum Beispiel kann der Prozessor 110 drei Ausgangssignale, eines von jeder einzelnen der Zellen 101-1–101-3, in drei Ausleseereignissen empfangen. Es ist auch möglich, dass der Prozessor sechs Ausgangssignale, zwei von jeder einzelnen der Zellen 101-1–101-3 in sechs Ausleseereignissen empfängt, usw.
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Während in 1 ein Szenarium gezeigt wird, wo der Temperatursensor 100 drei Zellen 101-1, 101-2, 101-3 umfasst, ist es auch möglich, dass gemäß weiteren Ausführungsformen der Temperatursensor 100 eine größere Anzahl oder eine kleinere Anzahl an Zellen 101-1, 101-2, 101-3, z. B. eine einzelne Zelle, umfasst.
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Der Prozessor 110 ist konfiguriert zum Bestimmen der Temperatur. Die Temperatur ist die Temperatur der Zellen 101-1, 101-2, 101-3. Bei einem thermischen Gleichgewicht kann angenommen werden, dass die Temperatur die Temperatur in der Umgebung des Temperatursensors 100 ist.
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Insbesondere ist der Prozessor 110 konfiguriert zum Bestimmen der Temperatur unter Verwendung der durch mehrere Ausleseereignisse bereitgestellten Statistiken. Im Folgenden werden Techniken ausführlicher erläutert, die das Bestimmen der Temperatur ermöglichen. Diese Techniken basieren darauf, dass jede einzelne der Zellen 101-1–101-3 einen bistabilen Flipflop umfasst (in 1 nicht gezeigt). Der bistabile Flipflop besitzt zwei Arbeitszustände. Das Auslesesignal von einer bestimmten einzelnen der Zellen 101-1–101-3 zeigt den Arbeitszustand des jeweiligen bistabilen Flipflops an. Auf der Basis der empfangenen Ausgangssignale für die mehreren Ausleseereignisse bestimmt der Prozessor 110 die Temperatur. Weil die mehreren Ausgangssignale mehrere Arbeitszustände der bistabilen Flipflops der verschiedenen Zellen 110-1–110-3 anzeigen, stehen Statistiken über die Arbeitszustände für die mehreren Ausleseereignisse zur Verfügung. Diese Statistiken werden verwendet, um die Temperatur zu bestimmen. Zum Beispiel kann der Prozessor 110 die Temperatur auf der Basis einer Verteilung der durch die Ausgangssignale angezeigten Arbeitszustände bestimmen.
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In 1 ist ein Szenarium gezeigt, wo ein einzelner Prozessor 110 bereitgestellt ist. Es versteht sich jedoch, dass, anstatt auf einem einzelnen Prozessor 110 zu basieren, mehrere Prozessoren 110, z. B. Mehrkernprozessoren, implementiert werden könnten. Es ist ein verteiltes Rechnen möglich.
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In 2 ist eine der Zellen 101-1, 101-2, 101-3 ausführlicher dargestellt. Die übrigen Zellen 101-1, 101-2, 101-3 können entsprechend implementiert sein. Wie aus 2 zu sehen ist, umfassen die Zellen 101-1, 101-2, 101-3 den bistabilen Flipflop 200 mit einem ersten Zweig 201-1 und einem zweiten Zweig 201-2.
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In diesem Szenarium von 2 wird der bistabile Flipflop 200 mit Hilfe von zwei Wechselrichtern 240-1, 240-2 implementiert. Der erste Zweig 201-1 umfasst den ersten Wechselrichter 240-1; der zweite Zweig 201-2 umfasst den zweiten Wechselrichter 240-2. Ein Schalter 211 ist vorgesehen, der konfiguriert ist zum selektiven Koppeln des ersten Zweigs 201-1 und des zweiten Zweigs 201-2 des bistabilen Flipflops über die gemeinsame Versorgungsleitung 115. Dies geschieht, um die Zellen 101-1–101-3 bei einem Vorbereitungsereignis zu programmieren. Bei dem Vorbereitungsereignis wird eine Versorgungsspannung VDD über die Versorgungsleitung 115 und über den Schalter 211 an den ersten Zweig 201-1 und an den zweiten Zweig 201-2 angelegt. Die Wechselrichter 240-1, 240-2 sind ebenfalls an eine weitere gemeinsame Versorgungsleitung 115a gekoppelt, an die eine Referenzspannung VSS angelegt ist. Die Referenzspannung VSS ist typischerweise auf Masse.
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Der erste Zweig 201-1 umfasst ein Asymmetrieelement 250. Das Asymmetrieelement 250 verursacht eine Asymmetrie zwischen dem ersten Zweig 201-1 und dem zweiten Zweig 201-2. Die Asymmetrie ist von struktureller Art. Die Asymmetrie verursacht eine Energiedifferenz zwischen den beiden Arbeitszuständen des bistabilen Flipflops 200. Ein Symmetrie zwischen den beiden Arbeitszuständen wird aufgehoben.
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Das Vorbereitungsereignis ist symmetrisch bezüglich den beiden Arbeitszuständen des stabilen Flipflops 200. Aufgrund der durch das Asymmetrieelement 250 verursachten Asymmetrie schwingt, nachdem das Vorbereitungsereignis geendet hat und der Schalter 211 so gesteuert worden ist, dass er sich wieder in seiner offenen Position befindet, der bistabile Flipflop 200 wahrscheinlich in dem bestimmten einen der beiden Arbeitszustände, der energetisch günstig ist, ein. Aufgrund des Einflusses von thermischem Rauschen jedoch kann die Asymmetrie überwunden werden und mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit schwingt der bistabile Flipflop 200 in dem anderen der beiden Arbeitszustände ein, d. h. den bestimmten einen der beiden Arbeitszustände, der energetisch ungünstig ist.
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Die Zellen 101-1, 101-2, 101-3 umfassen weiterhin eine Schnittstelle 105. Bei der Implementierung von 2 umfasst die Schnittstelle 105 zwei Ausgänge. Über die zwei Ausgänge ist es möglich, die Spannung am ersten Zweig 201-1 und die Spannung am zweiten Zweig 201-2 auszulesen. Jede einzelne dieser Spannungen kann die beiden Arbeitszustände des bistabilen Flipflops 200 definieren. Zum Beispiel können die Spannungen bezüglich der Versorgungsspannung VDD und/oder der Referenzspannung VSS definiert werden.
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Allgemein ist die Schnittstelle 105 konfiguriert zum Ausgeben eines Ausgangssignals, das den Arbeitszustand des bistabilen Flipflops 200 anzeigt. Zum Beispiel kann die Schnittstelle 105 konfiguriert sein zum Ausgeben entweder der Spannung im ersten Zweig 201-1 oder der Spannung im zweiten Zweig 201-2.
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Über die Schnittstelle 105 kann das Ausgangssignal durch den Prozessor 110 (in 2 nicht gezeigt) in einem Ausleseereignis empfangen werden. Das Ausgangssignal zeigt den Arbeitszustand an, in dem der bistabile Flipflop 200 zu der Zeit eingeschwungen ist, zu der das Ausleseereignis ausgeführt wird.
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Wie oben erwähnt, ist der Prozessor 110 konfiguriert zum Bestimmen der Temperatur auf der Basis der empfangenen Ausgangssignale von mehreren Ausleseereignissen. Auf der Basis der Statistiken der mehreren Ausleseereignisse ist es möglich, die Temperatur zu bestimmen. Insbesondere kann der Prozessor 110 konfiguriert sein zum Bestimmen der Temperatur auf der Basis einer Verteilung der durch die Ausgangssignale der mehreren Ausleseereignisse angezeigten Arbeitszustände. Die Verteilung der Arbeitszustände wird durch thermisches Rauschen verursacht, das bei der Temperatur auf den bistabilen Flipflop 200 einwirkt.
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In 3 wird eine weitere Implementierung der Zellen 101-1–101-3 gezeigt. Die Implementierung von 3 basiert auf einer SRAM-Zelle (Static Random Access Memory) 320, die den bistabilen Flipflop 200 bildet. Die SRAM-Zelle 320 umfasst fünf Transistoren 321a, 321b, 322a, 322b, 323. Die Transistoren 321a, 321b bilden den ersten Zweig 201-1 des bistabilen Flipflops 200. Die Transistoren 322a, 322b bilden den zweiten Zweig 201-2 des bistabilen Flipflops 200. Wie aus 3 ersichtlich ist, umfasst der erste Zweig 201-1 des bistabilen Flipflops 200 das Asymmetrieelement 250 in der Form des Transistors 323.
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Im Folgenden werden Details der Implementierung des Szenariums von 3 dargestellt. Der erste Zweig 201-1 umfasst einen ersten Transistor 321a, der ein PMOS 321a mit einer Sourceelektrode, einer Drainelektrode und einer Gateelektrode ist, sowie den zweiten Transistor 321b, der ein NMOS 321b mit einer Sourceelektrode, einer Drainelektrode und einer Gateelektrode ist. Der zweite Zweig 201-2 des bistabilen Flipflops 200 umfasst den ersten Transistor 322a, der ein PMOS 322a mit einer Sourceelektrode, einer Drainelektrode und einer Gateelektrode ist, sowie den zweiten Transistor 322b, der ein NMOS 322b mit einer Sourceelektrode, einer Drainelektrode und einer Gateelektrode ist.
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Die Drainelektrode des PMOS 321a des ersten Zweigs 201-1 ist an die Drainelektrode des NMOS 321b des ersten Zweigs 201-1 gekoppelt und weiter an die Gateelektrode des PMOS 322a des zweiten Zweigs 201-2 gekoppelt und weiterhin an die Gateelektrode des NMOS 322b des zweiten Zweigs 201-2 gekoppelt. Die Drainelektrode des PMOS 322a des zweiten Zweigs 201-2 ist an die Drainelektrode des NMOS 322b des zweiten Zweigs 201-2 gekoppelt und weiterhin an die Gateelektrode des PMOS 321a des ersten Zweigs 201-1 gekoppelt und weiterhin an die Gateelektrode des NMOS 321b des ersten Zweigs 201-1 gekoppelt. Im Szenarium von 3 ist das Asymmetrieelement 250 der Transistor 323, der ein parallel zum NMOS 321b des ersten Zweigs 201-1 gekoppelter NMOS 323 ist. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass das Asymmetrieelement 250 ein parallel zum PMOS 321a des ersten Zweigs 201-1 gekoppelter PMOS ist.
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Die durch das Asymmetrieelement 250 verursachte Asymmetrie kann abstimmbar sein. Zum Beispiel kann eine Gatebreite des das Asymmetrieelement 250 im Szenarium von 3 bildenden NMOS abgestimmt werden. Zum Beispiel kann die Gateelektrode eines das Asymmetrieelement 250 bildenden NMOS das 0,1- bis Zehnfache einer Gatebreite des NMOS 321b des ersten Zweigs 201-1 betragen, zu dem er parallel gekoppelt ist.
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Im Szenarium von 3 entsprechen die Arbeitszustände des bistabilen Flipflops 200 einer Spannung an einem der beiden Ports der Schnittstelle 105, wobei sie entweder gleich der über die gemeinsame Versorgungsleitung 115 beim Vorbereitungsereignis angelegten Versorgungsspannung VDD oder der Spannung VSS bei der weiteren gemeinsamen Versorgungsleitung 115a ist.
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Im Szenarium von 3 ist eine Implementierung des Asymmetrieelements 250 in Form des parallel zum NMOS 321b gekoppelten NMOS gezeigt worden. Allgemein sind verschiedene Implementierungen des Asymmetrieelements 250 denkbar. Zum Beispiel kann das Asymmetrieelement ein Transistor; eine Stromquelle; ein Feldeffekttransistor; ein Ohmscher Widerstand und/oder eine Induktanz sein.
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Oben wurden primär Techniken zum Implementieren des Temperatursensors 100 erörtert. Im Folgenden werden die zugrundeliegenden Konzepte zum Bestimmen der Temperatur ausführlicher dargestellt. In 4 ist die Gaußsche Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion des thermischen Rauschens gezeigt. Diese Verteilung definiert die Wahrscheinlichkeit der finalen Arbeitszustände 421, 422.
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Wie oben erwähnt, verursacht das Asymmetrieelement 250 eine Asymmetrie 410 bezüglich Energie zwischen den Arbeitszuständen 421, 422. Diese durch das Asymmetrieelement 250 verursachte Asymmetrie 410 ist in 4 schematisch dargestellt. Das thermische Rauschen oder die thermische Aktivierungsenergie bewirkt eine von null verschiedene Wahrscheinlichkeit dafür, dass sich der bistabile Flipflop 200 beim Ausleseereignis im zweiten Arbeitszustand 422 befindet. Aufgrund der Asymmetrie 410 ist eine Wahrscheinlichkeit (die Fläche unter der Kurve rechts von der Nullachse in 4), dass sich der bistabile Flipflop 200 in einem ersten Arbeitszustand 421 befindet, größer als die Wahrscheinlichkeit dafür, dass sich der bistabile Flipflop 200 im zweiten Arbeitszustand 422 befindet. Der Grund dafür ist, dass die Mitte der Verteilung 400 gegen den Übergang vom ersten Arbeitszustand 421 zum zweiten Arbeitszustand 422 verschoben ist.
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Die Halbwertsbreite (FWHM – Full-Width at Half Maximum) der Verteilung 400 hängt von der Temperatur 500 ab, siehe 5. Je höher (niedriger) die Temperatur 550, um so größer (kleiner) ist das thermische Rauschen, um so größer (kleiner) ist die Halbwertsbreite der Verteilung 400. Diese Erkenntnis kann beim Bestimmen der Temperatur 550 ausgenutzt werden.
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In 5 sind mehrere Verteilungen 400 beispielhaft für vier Temperaturen 550 gezeigt, nämlich –40°C, 0°C, 40°C und 80°C. Für die Temperatur 550, die –40°C beträgt, ist die Wahrscheinlichkeit 501 dafür, dass sich der bistabile Flipflop 200 beim Ausleseereignis im ersten Arbeitszustand 421 befindet, in 5 dargestellt (durch die diagonal schraffierte Fläche in 5 gezeigt). Weiterhin ist die Wahrscheinlichkeit 502 dafür, dass sich der bistabile Flipflop 200 im zweiten Arbeitszustand 422 befindet, für diese Temperatur 550 von –40°C gezeigt (durch die gepunktete Fläche in 5 gezeigt). Die beiden Wahrscheinlichkeiten 501, 502 summieren sich typischerweise zu 1. Wie aus 5 ersichtlich ist, ist bei höheren (niedrigeren) Temperaturen 540 die Wahrscheinlichkeit von 502 dafür, dass sich der bistabile Flipflop 200 beim Ausleseereignis im zweiten Arbeitszustand 421 befindet, niedriger (höher). Durch Zählen der Anzahl von Ausleseereignissen, die dem entsprechen, dass sich der bistabile Flipflop 200 im ersten Arbeitszustand 421 befindet, ist es somit möglich, die Temperatur zu bestimmen.
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Dies ist auch in 6 dargestellt. 6 ist die Kurve einer kumulativen Verteilungsfunktion (CDF – Cumulative Distribution Function) der Verteilungen 400 von 5. 6 entspricht somit einem Integral über den Verteilungen 400 von 5. In 6 ist eine Anzahl 600 von Flipflops, die sich im zweiten Arbeitszustand befinden, für die verschiedenen Temperaturen 540 gezeigt. Beispielsweise zeigen für die Temperatur von –40°C 12% der Ausgangssignale der mehreren Ausleseereignisse an, dass sich der bistabile Flipflop 200 im zweiten Arbeitszustand 422 befindet. Im Gegensatz dazu zeigen bei einer Temperatur von 80°C 34% der Ausgangssignale der mehreren Ausleseereignisse an, dass sich der bistabile Flipflop 200 im zweiten Arbeitszustand 422 befindet.
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Es ist möglich, dass der Prozessor 110 die Anzahl 600 von Ausgangssignalen 380 bestimmt, die dem gleichen Arbeitszustand 421, 422 des bistabilen Flipflops 200 entsprechen. Der Temperatursensor 100 kann einen Speicher umfassen, der konfiguriert ist zum Speichern einer Nachschlagetabelle. Die Nachschlagetabelle kann mehrere Verknüpfungen zwischen einer Kandidatenanzahl von Ausgangssignalen 380, die dem gleichen Arbeitszustand 421, 422 des bistabilen Flipflops 200 entsprechen, und einer assoziierten Temperatur 540 enthalten. Der Prozessor 110 kann dann konfiguriert sein zum Bestimmen der Temperatur 550 durch Ausführen eines Nachschlagens der bestimmten Anzahl 600 von Ausgangssignalen 380, die dem gleichen Arbeitszustand 421, 422 des bistabilen Flipflops 200 in den mehreren Verknüpfungen der Nachschlagetabelle entsprechen.
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Es ist möglich, die Genauigkeit des Bestimmens der Temperatur 550 durch entsprechendes Bemessen der Asymmetrie 410 zu erhöhen; dies kann dadurch erzielt werden, dass ein entsprechendes Asymmetrieelement 250 gewählt wird oder Eigenschaften des Asymmetrieelements 250 entsprechend eingestellt werden, zum Beispiel eine Kanalbreite, falls das Asymmetrieelement 250 als ein Transistor implementiert wird. Es ist auch möglich, die Asymmetrie 410 dynamisch zu bemessen. Dies kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass mehrere Asymmetrieelemente 250 parallel vorgesehen werden und selektiv einige oder alle der Asymmetrieelemente 250 aktiviert werden.
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Es ist möglich, die Asymmetrie 410 in Abhängigkeit von einem Temperaturbereich zu bemessen. Die Asymmetrie 410 kann derart eingestellt werden, dass in dem Temperaturbereich eine vergrößerte Empfindlichkeit und/oder Genauigkeit erzielt wird.
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Wie aus 6 ersichtlich ist, ist eine Differenz zwischen der Anzahl 600 an bistabilen Flipflops 200 im ersten und zweiten Arbeitszustand 421, 422 für die Temperaturen –40°C und 0°C größer als für die Temperaturen +40°C und 80°C (in 6 besitzen die entsprechenden Dichtefunktionen bei +40°C und +80°C einen kleineren Abstand als bei –40°C und 0°C). Somit zeigt der jeweilige Temperatursensor 200, der ein Asymmetrieelement 250 implementiert, das die Asymmetrie 410 des Szenariums von 6 liefert, eine höhere Empfindlichkeit und deshalb eine höhere Genauigkeit für Temperaturen 550 im Bereich von –40°C...0°C als für Temperaturen 550 im Bereich von +40°C...80°C.
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Eine ähnliche Erkenntnis kann unter Bezugnahme auf 5 erläutert werden. In 5 sind Punkte für die Verteilungen 400, wo eine Ableitung der Verteilung 400 ein Maximum wird, mit vertikalen Pfeilen angezeigt. Um eine maximale Empfindlichkeit zu erzielen, wenn die Temperatur 500 bestimmt wird, kann es wünschenswert sein, das Asymmetrieelement 250 derart zu bemessen, dass die Asymmetrie 410 diesen Punkten entspricht.
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Allgemein ist es möglich, dass der Temperatursensor 100 eine andere Teilmenge von Zellen 101-1–101-3 umfasst, die bezüglich verschiedener Temperaturbereiche optimiert sind. Beispielsweise kann der Temperatursensor 100 mehrere Zellen 101-1, 101-2, 101-3 umfassen, wobei die mehreren Zellen 101-1, 101-2, 101-3 eine erste Teilmenge von Zellen und eine zweite Teilmenge von Zellen umfassen. Die Asymmetrieelemente 250 der Zellen 101-1–101-3 der ersten Teilmenge von Zellen 101-1–101-3 können bewirken, dass die Asymmetrie 410 einen ersten Wert besitzt. Die Asymmetrieelemente 250 der Zellen 101-1–101-3 der zweiten Teilmenge von Zellen 101-1–101-3 können bewirken, dass die Asymmetrie 410 einen zweiten Wert besitzt. Der erste Wert kann vom zweiten Wert verschieden sein. Der Prozessor 110 kann dann konfiguriert sein, um die Temperatur 550 auf der Basis von Ausgangssignalen 380 entweder von der ersten Teilmenge von Zellen 101-1–101-3 oder der zweiten Teilmenge von Zellen 101-1–101-3 in Abhängigkeit von einem vorgewählten Temperaturbereich selektiv zu bestimmen.
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Auf ähnliche Weise ist es möglich, die Asymmetrie 410 des Asymmetrieelements 250 in Abhängigkeit von dem vorgewählten Temperaturbereich dynamisch zu bemessen. Zum Beispiel kann eine größere oder kleinere Anzahl von mehreren Asymmetrieelementen 250 aktiviert werden.
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In 7 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß verschiedenen Ausführungsformen dargestellt. Bei S1 erfolgt ein Vorbereitungsereignis. Hier wird die Versorgungsspannung VDD an den ersten und zweiten Zweig 201-1–201-2 des bistabilen Flipflops 200 einer bestimmten Zelle 101-1–101-3 angelegt. Deshalb ist es möglich, den Schalter 211 so zu steuern, dass er sich, zum Beispiel für eine vordefinierte Dauer, in einer geschlossenen Position befindet.
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Als Nächstes wird S2 ausgeführt. S2 kann zu einer vordefinierten Zeit ausgeführt werden, nachdem S1 ausgeführt worden ist. Dadurch kann der bistabile Flipflop 200 in einem der beiden Arbeitszustände 421, 422 einschwingen. Bei S2 erfolgt ein Ausleseereignis des bistabilen Flipflops 200, der bei S1 vorbereitet worden ist. Bei S2 wird das Ausgangssignal 380 durch den Prozessor 110 empfangen. Das Ausgangssignal 380 zeigt den Arbeitszustand 421, 422 des bistabilen Flipflops 200 an. Zum Beispiel kann der bistabile Flipflop 200 als die SRAM-Zelle 320 implementiert werden (siehe 3). Das Ausgangssignal 380 kann eine Spannung sein, die entweder der an die gemeinsame Versorgungsleitung 150 angelegten Versorgungsspannung VDD oder der an die weitere gemeinsame Versorgungsleitung 150a angelegten Spannung VSS entspricht.
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Bei S3 wird geprüft, ob ein weiteres Ausleseereignis erforderlich ist. Bei S3 kann geprüft werden, ob ausreichende Statistiken zur Verfügung stehen, um die Temperatur mit ausreichender Genauigkeit zu bestimmen. Typischerweise ist die Genauigkeit der bestimmten Temperatur 550 größer (kleiner), falls eine größere (kleinere) Anzahl von Ausleseereignissen beim Bestimmen der Temperatur 550 betrachtet wird.
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Falls bei S3 bestimmt wird, dass ein weiteres Ausleseereignis erforderlich ist, werden S1 und S2 von Neuem ausgeführt. Hier ist es möglich, dass sich das Vorbereitungsereignis und das Ausleseereignis von S1 und S2 auf den gleichen bistabilen Flipflop 200 beziehen, der verwendet worden ist, um das Ausgangssignal in der ersten Iteration von S1 und S2 zu erhalten. Es ist jedoch auch möglich, dass S1 und S2 unter Verwendung eines weiteren bistabilen Flipflops 200 von einer anderen Zelle 101-1–101-3 des Temperatursensors 100 erneut ausgeführt werden.
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Allgemein ist es auch möglich, dass S1 und S2 mindestens teilweise parallel für mehrere bistabile Flipflops 200 von verschiedenen Zellen 101-1–101-3 des Temperatursensors 100 ausgeführt werden. Auf diese Weise ist es möglich, eine zum Bestimmen der Temperatur 550 erforderliche Messzeit zu reduzieren. Weiterhin kann, da die statistische Evaluierung auf einer größeren Anzahl von Ausleseereignissen basiert, die Genauigkeit beim Bestimmen der Temperatur 550 gesteigert werden.
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Falls bei S3 bestimmt wird, dass kein weiteres Ausleseereignis erforderlich ist, wird bei S4 die Temperatur 550 auf der Basis der empfangenen Ausgangssignale bestimmt. Das Bestimmen der Temperatur 550 kann die Anzahl 600 von Ausleseereignissen betrachten, die anzeigen, dass sich der jeweilige bistabile Flipflop 200 in einem bestimmten der Arbeitszustände 421, 422 befindet. Eine Nachschlagetabelle, die die Anzahl 600 mit der Temperatur 550 verknüpft, kann bei S4 verwendet werden.
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In den 8 und 9 wird das Konzept zum Verwenden von thermischem Rauschen 910, um die Temperatur 550 zu bestimmen, schematisch veranschaulicht. In 8 ist ein Energiepegel der beiden Arbeitszustände 421, 422 des bistabilen Flipflops 200 gleich. Dem ist so, weil kein Asymmetrieelement 250 vorliegt, das die Asymmetrie 410 verursacht. Somit schwingt der bistabile Flipflop mit gleicher Wahrscheinlichkeit im ersten Arbeitszustand 421 wie im zweiten Arbeitszustand 422 ein.
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In 9 verursacht das Asymmetrieelement 250 die Asymmetrie 410. Der zweite Arbeitszustand 422 ist mit einer höheren Energie assoziiert, das heißt, er ist energetisch weniger günstig. In einem derartigen Szenarium würde der bistabile Flipflop 200 bei absoluter Nulltemperatur immer beim ersten Arbeitszustand 421 einschwingen. Dennoch verursacht bei finiten Temperaturen 550 thermisches Rauschen oder thermische Aktivierungsenergie 910 eine von null verschiedene Wahrscheinlichkeit dafür, dass der bistabile Flipflop 200 im zweiten Arbeitszustand 422 einschwingt. Höhere Temperaturen 550 entsprechen einer höheren thermischen Aktivierungsenergie 910. Der bistabile Flipflop 200 ist weniger stabil. Um eine ausreichende Genauigkeit zu erzielen, sollte das Asymmetrieelement 250 dann so bemessen werden, dass es eine größere Asymmetrie 410 verursacht.
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Oben wurden Techniken zum Implementieren eines Temperatursensors auf der Basis einer statistischen Evaluierung mehrerer Ausleseereignisse eines bistabilen Flipflops mit einem Asymmetrieelement in einem Zweig gezeigt. Verschiedene Anwendungen können von einem derartigen Temperatursensor profitieren. Zum Beispiel ist es möglich, ein klinisches Thermometer mit einem Empfindlichkeitsbereich von 35°C bis 44°C zu implementieren. Es ist auch möglich, einen Sicherheitssensor zu implementieren, der einen ersten Empfindlichkeitsbereich bei etwa –20°C und einen zweiten Empfindlichkeitsbereich bei etwa 80°C besitzt. Beispielsweise ist es in dem zuletzt erwähnten Beispiel möglich, dass der Temperatursensor zwei Teilmengen von bistabilen Flipflops verwendet, die unterschiedlich bemessene Asymmetrieelemente besitzen, so dass für beide Temperaturbereiche eine vergleichsweise hohe Genauigkeit erzielt werden kann.
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Wenngleich die Erfindung bezüglich gewisser bevorzugter Ausführungsformen gezeigt und beschrieben worden ist, ergeben sich anderen Fachleuten Äquivalente und Modifikationen bei der Lektüre und dem Verständnis der Patentschrift. Die vorliegende Erfindung enthält alle derartigen Äquivalente und Modifikationen und wird nur durch den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche beschränkt.
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Zum Beispiel sind oben Primärszenarien erörtert worden, wo der bistabile Flipflop nur zwei Arbeitszustände besitzt. Es ist gleichermaßen möglich, bistabile Flipflops zu verwenden, die mehr als zwei Arbeitszustände besitzen. In Abhängigkeit von der Abmessung der Asymmetrie zwischen den verschiedenen Arbeitszuständen ändert sich hier die Energiedifferenz; dies kann dafür verwendet werden, die Temperatur zu bestimmen.
