CN100437061C - 用于温度校准的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于校准温度设置曲线的半导体芯片上的装置，所述装置具有用于提供第一信号(Iptat1，Vptat1，fptat1)的信号产生单元(2)，所述第一信号与芯片的实际温度T1成比例。为了避免给芯片带来第二温度，提出读取与芯片的实际未校准的温度T1成比例的第一信号(Iptat1，Vptat1，fptat1)，并产生信号偏移(Ivirt，Vvirt，fvirt)，所述信号偏移与第一信号(Iptat1，Vptat1，fptat1)组合来限定第二信号(Iptat2，Vptat2，fptat2)，并从第一信号(Iptat1，Vptat1，fptat1)中提取第一实际温度T1和从第二信号(Iptat2，Vptat2，fptat2)中提取第二未校准的温度T2。

Description

用于温度校准的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于校准半导体芯片上温度设置曲线的方法，此外它涉及一种用于校准温度设置曲线的装置。
背景技术
为了调节芯片的合适的参数，需要可靠的温度值。此温度值是从特征信号和用于半导体芯片的温度设置曲线中提取的。
具有芯片的确切温度是非常重要的，因为用于操作芯片的大量参数涉及实际温度，因此如果温度是波动的，则使参数适于实际的温度值。例如，为了驱动显示装置，一定的电压是必须的。供给的电压值取决于芯片温度，所述芯片温度在某些情况和环境条件下是不同的。因此为了适应所需的电压，测量了芯片的实际温度。
校准传感器的温度曲线的一种可能是仅校准曲线的偏移(offset)或斜率。该方法的缺点在于，温度读出仅在一个温度点(校准点)处是准确的。如果温度设置曲线的斜率不准确，则测量的温度将与实际温度不相符。为了得到准确的测量结果，还必须校准斜率。
通过利用两个温度点来校准芯片的温度设置曲线是已知的。为了得到这些温度点，必须使芯片或装置达到两个不同的温度。使芯片达到两个不同的温度需要大量时间，其比总测试时间长。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于通过保持所需的精度而在非常短的时间内校准半导体芯片上温度设置曲线的方法和装置。
所述目的通过独立权利要求的特征得到了解决。
该解决方案基于下述思想，即温度提取单元可被误导(mislead)。为了实现所述误导，提供信号产生单元，其能够产生第一信号和信号偏移。通过读取与温度成比例的第一信号来获得第一温度点。为了得到第二温度点，信号产生单元产生将与第一信号组合的信号偏移，因此提取单元读取对应于第二温度的第二信号，因此在芯片上不存在该第二温度，因为它仅是虚拟的。
因此温度提取单元可以计算两个温度点，第一温度点基于第一信号，其与第一实际温度成比例，以及第二温度点基于第二信号，其为第一信号和信号偏移的组合。该第二信号与第二温度点或所谓的虚拟温度点成比例。通过知道这两个温度点，有可能计算特定芯片的实际温度曲线的斜率和轨迹(course)。从该知识中可以计算校准值以获得非常准确的温度曲线。
这种类型的温度校准可以用于任何片上温度传感器。
本发明的一个方面涉及产生电流信号Iptat1的信号产生单元。此第一电流信号Iptat1被提供给温度提取单元，在其中计算第一温度点T1。信号产生单元的操作然后被切换至第二电流信号Iptat2，因此产生电流偏移Ivirt，并且该电流偏移Ivirt与第一电流信号Iptat1进行组合。此所得的第二电流信号Iptat2被提供给温度提取单元，该温度提取单元计算第二温度点T2，并进一步校准温度设置曲线。基于电流的体系结构是容易实现的，因此提供了高的精确度，而仅需要小的芯片面积。
本发明的另一个方面涉及一个实施例，其中第一信号被实现为电压Vptat以提供给温度提取单元。为了校准芯片，通过信号产生单元产生电压偏移Vvirt，并且所述电压偏移与第一电压Vptat1进行组合。此所得的第二电压Vptat2被提供给温度提取单元，在其中计算第二或虚拟温度点T2，从而便于温度设置曲线的校准。根据信号提取单元和参考信号，利用基于电压的体系结构会是有利的。但是组合电流以保持最佳可能的精度比组合电压更容易。
本发明的另一个方面涉及一个实施例，其中第一电流信号被实现为与温度成比例的频率fptat。第二温度点T2的计算与上述第一和第二实施例相似。如果可用的参考信号是频率，则频率的利用会是有利的，然而利用频率比组合电压或电流信号更困难。
本发明的目的还通过一种用于校准半导体芯片上温度传感器装置的温度设置曲线的方法来解决，所述方法包括：
-读取与芯片的实际温度T1成比例的第一信号(Iptat1，Vptat1，fptat1)；
-产生信号偏移(Ivirt，Vvirt，fvirt)，所述信号偏移与第一信号(Iptat1，Vptat1，fptat1)进行组合以限定第二信号(Iptat2，Vptat2，fptat2)；
-从第一信号(Iptat1，Vptat1，fptat1)中提取第一实际温度点T1，并从第二信号(Iptat2，Vptat2，fptat2)中提取第二温度点T2。
在另一实施例中，所得的温度(T1，T2)用于提供芯片的校准参数。
此外，可以根据应用来计算片上或片外的校准参数。
此外，可以提供附加的信号偏移(Ivirt2，Vvirt2，fvirt2)，以用于计算两个以上的温度点Tn，因此可以校准非线性温度设置曲线。
在另一实施例中，从第一信号(Iptat1，Vptat1，fptat1)中减去信号偏移(Ivirt，Vvirt，fvirt)或将信号偏移(Ivirt，Vvirt，fvirt)加到第一信号(Iptat1，Vptat1，fptat1)来限定第二信号(Iptat2，Vptat2，fptat2)，该第二信号被提供给温度提取单元(3)。
附图说明
为了可以很好地理解本发明，现在将描述通过例子给出并参考附图的一些实施例，其中：
图1示出片上温度传感器的框图；
图2示出依据本发明的信号产生单元的第一实施例；
图3示出依据本发明的信号产生单元的可替代实施例；
图4示出依据本发明的信号产生单元的可替代实施例。
具体实施方式
图1示出依据本发明的片上温度传感器的框图。信号产生单元2产生与温度成比例的第一信号。此第一信号被提供给温度提取单元3以用于计算第一温度点。此外，信号产生单元2在校准过程中产生信号偏移，其与第一信号进行组合来限定第二信号。通过将第二信号提供给温度提取单元3，温度提取单元3可被误导。温度提取单元3计算第二温度点，而没有将芯片加热至第二温度。
例如在AD转换器4中转换被提供给温度提取单元3的信号，并且通过利用被实施的方案，温度提取单元3以数字的方式从所提供的信号中计算实际温度。这些方案被编程(program)并基于将在下面更详细解释的公式。
通过这种方式，在非常短的时间内执行温度设置曲线的校准，例如在测试程序过程中仅通过具有的单个温度点。在特别是用于在信号产生单元2中产生信号偏移的芯片面积上的工作量是非常低的。
图2示出依据本发明的第一实施例。这里如果开关21是打开的，则第一信号被实现为电流信号Iptat1。在校准程序过程中，将第一电流信号Iptat1提供给温度提取单元3，从而计算第一温度点T1。该温度值T1对应于实际且未校准的芯片温度。在计算该温度值T1之后，闭合开关21，并产生第二电流Iptat2。在闭合开关21之后，在两个双极晶体管BT1和BT2之间出现电压ΔVbe。该电压ΔVbe将被转换为与虚拟且未校准的温度T2相对应的电流Iptat2。
下面将简短描述带隙电路的功能。OPAMP以这样的方式来设置PMOS晶体管P1-P4栅极的电压，即将两个OPAMP输入之间的差调节至零。
下面讨论用于计算各个温度点的公式。
在温度T测试处：ΔvbeT测试＝Vbe1-Vbe2＝(kT/q)1n(n1*n2)|T＝T测试(1)
公式(1)用于计算第一温度点，而
Δvbe测试＝在第一温度T测试期间BT1和BT2之间的电压
Vbe1＝基极发射极电压BT1
Vbe2＝基极发射极电压BT2
k＝Bolzmann常数
T＝绝对温度(K)
q＝电子的电荷
n1，n2，n3＝乘数，并联的单位晶体管个数
x＝取决于象电路的精度、尺寸等参数的变量。
根据所需的精度和可用的芯片面积以及电流消耗来选择放大系数n1、n2、n3。对于放大系数n2具有高值的优点是产生良好精度的高Δvbe。然而，高n2需要大量的芯片面积来实现双极晶体管BT2。对于放大系数n1具有高值的优点是也产生良好精度的高Δvbe。高的电流消耗在这种情况下是不利的，此外，它需要稍微更大的芯片面积。但是由于电流反射镜不匹配，所以选择n1太大将导致较低的精度。对放大系数n3采用高值将产生较高的精度，因为两个温度点分得更开，因此信号偏移更高。缺点是在校准过程中芯片面积增大，并且电流消耗较高。利用n1＝10、n2＝24、n3＝17将实现对于精度、芯片面积和电流消耗的好的折衷。
公式(2)用于计算第二温度点T2(开关21闭合)。
对于在温度T测试处的T：
Δvbe＝Vbe1-Vbe2＝(k*T/q)*1n((n1+n3)*n2)|T＝T测试    (2)
利用公式(1)和公式(2)，可以使用公式(3)来计算虚拟温度T2
T2＝T测试*1n((n1+n3)*n2)/1n(n1*n2)      (3)
测量与温度成比例的电流信号，并根据物理规则
Iptat＝Δvbe/R            (4)
图3示出依据本发明的可替代实施例。
在该实施例中，产生第一电压Vptat1，并将其提供给温度提取单元3。为了产生第二电压或虚拟电压，闭合开关21，并且将Vptat2提供给对应于T2的温度提取单元3。
通过利用此体系结构，可以产生虚拟温度点。利用该虚拟温度点T2和T测试点，可以计算未校准的温度曲线的斜率，从而在一个单个温度处的芯片测试过程中使校准成为可能，这节省了时间。
在图4中示出用于产生虚拟温度的信号产生单元2的另一实施例。在该实施例中，通过闭合开关21来减去电流Iptat2。因此第二温度T2将低于T1。在温度提取单元3中不存在需要的变化。下面的公式对应于图4：
对于在温度T测试处的T2：
Δvbe＝Vbe1-Vbe2＝＝(k*T/q)*1n((n1-n3)*n2)|T＝T测试    (4)
利用公式(1)和公式(4)，可以使用公式(5)T2＝T测试*1n((n1-n3)*n2)/1n(n1*n2)来计算虚拟温度T2。
该实施例是有利的，因为T2小于T测试。由于在测试程序过程中的温度T测试典型是85度，所以比T测试小的T2将使系统的特性更接近于标准操作模式。然而通过电流反射镜的电流复制引入了附加误差，从而导致较不精确的校准。

Claims (9)

1、用于校准温度设置曲线的半导体芯片上的装置，其具有：
-用于提供第一信号(Iptat1，Vptat1，fptat1)的信号产生单元(2)，所述第一信号与芯片的实际温度T1成比例，其中通过该信号产生单元(2)可产生信号偏移(Ivirt，Vvirt，fvirt)，所述信号偏移与第一信号(Iptat1，Vptat1，fptat1)组合来限定第二信号(Iptat2，Vptat2，fptat2)；
-接收第一信号(Iptat1，Vptat1，fptat1)和第二信号(Iptat2，Vptat2，fptat2)的信号提取单元(3)，用于基于第一信号(Iptat1，Vptat1，fptat1)来计算第一温度点(T1)以及基于第二信号(Iptat2，Vptat2，fptat2)来计算第二温度点(T2)。
2、如权利要求1所述的装置，其中与芯片的实际温度(T1)成比例的第一信号(Iptat1，Vptat1，fptat1)是电流(Iptat1)、电压(Vptat1)或频率(fptat1)。
3、如权利要求1所述的装置，其中第一信号(Iptat1，Vptat1，fptat1)和第二信号(Iptat2，Vptat2，fptat2)可转换成数字信号，其中温度提取单元(3)计算第一和第二温度点(T1，T2)以用于校准温度设置曲线。
4、用于校准半导体芯片上温度传感器装置的温度设置曲线的方法，所述方法包括：
-读取与芯片的实际温度(T1)成比例的第一信号(Iptat1，Vptat1，fptat1)；
-产生信号偏移(Ivirt，Vvirt，fvirt)，所述信号偏移与第一信号(Iptat1，Vptat1，fptat1)组合来限定第二信号(Iptat2，Vptat2，fptat2)；
-从第一信号(Iptat1，Vptat1，fptat1)中提取第一温度点(T1)，并从第二信号(Iptat2，Vptat2，fptat2)中提取第二温度点(T2)。
5、如权利要求4所述的方法，其中所得的温度(T1，T2)用于提供芯片的校准参数。
6、如权利要求5所述的方法，其中在片上执行计算校准参数。
7、如权利要求5所述的方法，其中在片外执行计算校准参数。
8、如权利要求4所述的方法，其中提供了附加的信号偏移(Ivirt2，Vvirt2，fvirt2)，以用于计算两个以上的温度点(Tn)以及校准非线性温度设置曲线。
9、如权利要求4所述的方法，其中从第一信号(Iptat1，Vptat1，fptat1)中减去信号偏移(Ivirt，Vvirt，fvirt)或者将信号偏移(Ivirt，Vvirt，fvirt)加到第一信号(Iptat1，Vptat1，fptat1)来限定第二信号(Iptat2，Vptat2，fptat2)，该第二信号被提供给温度提取单元(3)。
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