CN101019010A - 数字温度传感器及其校准 - Google Patents

Abstract

一种用于对数字温度传感器电路进行校准的方法，所述电路包括：模拟温度感测装置；内部基准电压源；以及模拟－数字转换器(ADC)。ADC被配置用于从模拟温度感测装置和基准电压源接收各个信号，并且输出表示环境温度的数字信号。所述方法包括步骤：确定由基准电压源输出的内部基准电压值；将所述值与希望的基准电压值相比较；以及响应比较步骤的结果来调整基准电压源。此种电子电压模式校准可以显著地降低生产成本，这是因为其可以比传统热校准更快地执行。

Description

数字温度传感器及其校准

技术领域

本发明涉及一种数字温度传感器，并且具体地，涉及一种数字温度传感器的校准的改进方法。此种传感器通常用于集成的温度传感器部件，例如，在桌面和服务器计算机应用中。

背景技术

图1示出了公知“智能”温度传感器的方框图。其包含模拟温度传感器，产生精确地与绝对温度成比例(PTAT)的电压V_PTAT。为了产生数字输出AD_OUT，模拟-数字转换器(ADC)将该PTAT电压与温度无关带隙基准电压V_REF相比较：

${\mathrm{AD}}_{\mathrm{OUT}}=\frac{V_{\mathrm{PTAT}}}{V_{\mathrm{REF}}}---\left(1\right)$

由于制造容限(例如，IC工艺参数中的扩散、封装偏移)，在室温中此种温度传感器的初始误差典型地为±2.0℃。利用适当的电路设计，该误差主要地来自于在带隙基准中使用的双极型晶体管的基极-发射极电压绝对值的扩散(spread)。

可以减小该扩展的电路技术对于本发明人是未知的。因此，仅可以通过减小基极-发射极电压的工艺容限或通过对传感器进行修整来减小所述误差。如果传感器在标准的低成本IC工艺中生产，第一种选项通常是不可接受的。因此，对大多数智能温度传感器进行修整。在修整工艺中，在一个或更多的温度处确定传感器的温度误差(校准步骤)，其后调整电路，以抵消误差(修整步骤)。修整步骤包括例如通过激光修整、齐纳击穿短路(zener zapping)或通过改变在PROM中存储的值，在模拟或数字域对电路进行永久修改。

通过将传感器的读数与具有和传感器相同温度的公知精确度的基准温度计的读数相比较，来确定传感器的温度误差。这要求热稳定的生产环境。该比较可以在晶片级执行，在这种情况下，由多个传感器来共享使设备热稳定所需的时间。然而，随后的切割和封装将导致没有进行补偿的温度误差偏移。因此，希望用于错误的封装之后的单独校准在±0.5℃以下。利用本发明的热校准技术，所述校准实质上是生产工艺中的成本受限因素。

发明内容

根据一个方面，本发明提出了一种用于对数字温度传感器电路进行校准的方法，所述电路包括：模拟温度感测装置；内部基准电压源；以及模拟-数字转换器(ADC)，被设置成从模拟温度感测装置和基准电压源接收各个信号，并且输出表示环境温度的数字信号，所述方法包括步骤：确定通过基准电压源输出的内部基准电压值；将所述值与希望的基准电压值相比较；以及响应比较步骤的结果来调整基准电压源。

可以设置所述电路，以便能够直接测量内部基准电压，并且因此能够通过直接测量来确定其值。例如，这可以通过包括合适的驱动器电路来促进。

在另一个实施例中，设置所述电路，以便能够直接测量模拟温度感测装置的输出电压。因此，可以根据此输出和来自ADC的输出信号来确定内部基准电压值。再次，可以将合适的驱动器电路用于能够直接进行该测量。

在另外的变体中，利用外部基准电压信号代替从内部基准电压源到ADC的输出信号，使用分别响应内部和外部基准电压而产生的ADC输出信号值来确定所述内部基准电压。

此外，可以利用公知的外部电压代替模拟温度感测装置的输出信号，能够使用响应此产生的ADC输出信号来确定内部基准电压值。

根据另外的方面，本发明提出了一种数字温度传感器，包括：模拟温度感测装置、内部基准电压源和ADC，所述ADC被设置成从模拟温度感测装置和基准电压源接收各个信号，并且输出表示环境温度的数字信号，可调整所述内部基准电压源，以改变因此输出的基准电压的值，并且设置所述电路，以便接收外部基准电压信号，以及代替内部基准电压信号或模拟温度感测装置信号将所述外部基准电压信号输入到ADC中，使得可以确定内部基准电压值，并且可以根据需要调整内部基准电压信号。

本发明使用这样的事实：利用适当的电路设计，芯片内模拟温度传感器(PTAT源)的初始精确度足够大多数应用。因此，仅需要测量和补偿芯片内电压基准的误差。此种电子电压模式校准可以显著地减小生产成本，因为其可以比传统的热校准更快地执行。

此外，其可以在已经对电路进行封装之后来执行，避免因此引起的任何扰动，并且可以不要求任何附加的器件管脚。

利用合适的电路设计，可以做出在-50℃至125℃的范围内具有±0.1℃的初始误差的PTAT源(参见M.A.P.Pertijs，G.C.M.Meijer，J.H.Huijsing 2002年6月12日至14日在美国佛罗里达州奥兰多矩形的IEEE sensors 2002会议中的“Non-Idealities of Temperature Sensorusing Substrate PNP Transistors”，将其内容合并在此作为参考)。由于可以将ADC对于传感器的误差的贡献做成是可忽略的，因为带隙基准较高的初始误差，本发明已经实现了温度传感器仅需要进行修正。因此，校准可以局限于带隙基准：只需确定相对于外部电压基准的带隙基准电压中的误差，而不是全部传感器的温度误差。

附图说明

在这里参考附图来描述公知温度传感器和本发明的实施例，其中：

图1示出了公知温度传感器的方框图；

图2示出了将图1改进为演示本发明实施例的校准技术的图；以及

图3示出了根据本发明实施例的数字温度电路。

具体实施方式

图2示出了测量带隙基准电压V_REF的四种方式：

1.直接，通过输出V_REF；

2.间接，通过输出V_PTAT和A_DOUT，并且根据等式(1)计算V_REF

3.间接，通过输入外部基准电压V_REFext，并且进行两步随后的模拟-数字转换：一种使用内部基准，并且另一种使用外部基准：

${\mathrm{AD}}_{\mathrm{OUT}1}=\frac{V_{\mathrm{PTAT}}}{V_{\mathrm{REF}}};{\mathrm{AD}}_{\mathrm{OUT}2}=\frac{V_{\mathrm{PTAT}}}{V_{\mathrm{REFext}}}\⇒V_{\mathrm{REF}}=\frac{{\mathrm{AD}}_{\mathrm{OUT}2}}{{\mathrm{AD}}_{\mathrm{OUT}1}}{V}_{\mathrm{REFext}}---\left(2\right)$

4.间接，通过输入外部信号电压V_SIGext：

${\mathrm{AD}}_{\mathrm{OUT}}=\frac{V_{\mathrm{SIGext}}}{V_{\mathrm{REF}}}\⇒V_{\mathrm{REF}}=\frac{V_{\mathrm{SIGext}}}{{\mathrm{AD}}_{\mathrm{OUT}}}---\left(3\right)$

在这些情况的任意一种中，将针对V_REF得到的值与精确的外部基准电压相比较，以确定相对于希望值的误差。因为基准实质上是温度无关的，测量期间的传感器的温度不是决定性的(critical)。

测量的类型是电压测量，而不是温度测量，这与工业测试环境更兼容，并且可以更快且更可靠地执行。

基于找到的误差，通过增加或减去适当的PTAT项来对带隙基准电路进行修整。因为带隙基准电压的误差倾向于PTAT，这保证修整在较宽的温度范围内是有效的，即使仅在一个温度处测量到误差。

应该理解的是，在使用所述技术的校准和修整之后的总精确度由几个因素确定；

●PTAT源的初始精确度

●V_REF的测量精确度

●基极-发射极电压的修整的分辨率

●基极-发射极电压的高阶温度依赖性的可再现性。

假定基极-发射极电压的高阶温度依赖性的扩散较小，在-50℃至125℃的范围中，可利用室温的单独校准来获得±0.3℃的精确度。

在测量VREF的上述方式中，选项3和4是特别地有益，因为他们意味着将精确的外部电压输入到芯片，而不是对内部电压进行“芯片中断”，这将要求精确的“芯片内”驱动器。

图3示出了可以根据本发明进行校准的温度传感器的示意图。该实现没有与选项3或4精确地对应，但是本质上采用了相同的原理：在进行校准以测量芯片内带隙基准的偏差期间，将定义明确的外部电压V_EXT施加到芯片内带隙基准。

对带隙基准电压中的误差进行间接地测量，并且随后将他们的电压调整为其额定值。

图3的温度传感器的核心由两个衬底PNP晶体管形成(在CMOS工艺中)，使用一组三个电流源进行偏置：I_high和I_low，具有明确定义(可能动态匹配的)的比m(即，I_high＝mI_low)；以及I_trim，可以通过改变PROM中的trim_val来数字化地调整其值。

使用两个多路复用器，电荷平衡的ADC(例如，sigma-delta ADC)的输入V_in可能是以下电压之一：

●ΔV_BE＝VBE(I_high)-V_BE(I_low)，是两个PNP晶体管的基极-发射极电压之间的差，并且与绝对温度成比例(PTAT)，

●V_BE(I_trim)，是任意一个PNP晶体管的绝对基极-发射极电压，

●V_EXT，是明确定义的外部电压。

图3的传感器的校准包括两个步骤。首先，执行正常的模拟-数字转换(cal_mode＝0)，在此期间电荷平衡ADC产生未修整的温度读数：

${\mathrm{AD}}_{\mathrm{OUT}1}=\frac{\mathrm{\α\Δ}{V}_{\mathrm{BE}}}{V_{\mathrm{BE}}\left(I_{\mathrm{trim}}\right)+\mathrm{\α\Δ}{V}_{\mathrm{BE}}}=\frac{V_{\mathrm{PTAT}}}{V_{\mathrm{REF}}}---\left(4\right)$

其中，因子α是在ADC内部设定的精确比(例如，通过动态地匹配采样电容器)。

其后，外部电压V_EXT代替V_BE(cal_mode＝1)，并且ADC产生

${\mathrm{AD}}_{\mathrm{OUT}2}=\frac{\mathrm{\α\Δ}{V}_{\mathrm{BE}}}{V_{\mathrm{EXT}}+\mathrm{\α\Δ}{V}_{\mathrm{BE}}}---\left(5\right)$

根据AD_OUT1、A_DOUT2和V_EXT，可以计算V_REF。根据VREF与额定值的偏差，然后可以计算需要调整I_trim多少，即，需要在PROM中对哪一个trim_val进行编程。在随后的转换期间，cal_mode将总是为0，并且ADC将产生精确的温度读数。

与“传统”校准的传感器不同，该校准技术仅要求非常少的电路：多路复用器和控制逻辑可以更加复杂。需要一个管脚以便可以向电路施加外部电压。例如，可以为此使用用于地址选择的管脚的数字管脚或总线(接口)。

可以使用总线接口将要在PROM中存储的修正值与芯片进行通信，也可以用于在正常操作期间读出传感器。

根据阅读本发明，对于本领域普通技术人员其他变化和修改是显而易见的。此种变化和修改可以包含本领域公知的等同物和其他特征，并且可以用来代替或增加这里已经描述的特征。

尽管已经在该申请中将权利要求阐明为所述特征的具体组合，应该理解的是，本发明公开的范围还包括任意新颖特征或这里公开的明确或隐含特征的任意新颖组合、及其概括。

在单独实施例的内容中描述的特征还可以被提供为单独实施例中的组合。相反地，为了简要起见，在单独实施例中描述的不同特征还可以单独地被提供或处于任何适合的子组合。申请人因此提醒：在本申请或任意其它导出物的审查期间，可以将新的权利要求阐明为此种特征和/或此种特征的组合。

Claims (8)

1.一种用于对数字温度传感器电路进行校准的方法，所述电路包括：模拟温度感测装置；内部基准电压源；以及模拟-数字转换器(ADC)，被设置用于从模拟温度感测装置和基准电压源接收各个信号，并且输出表示环境温度的数字信号，所述方法包括步骤：确定由基准电压源输出的内部基准电压值；将所述值与希望的基准电压值相比较；以及响应比较步骤的结果来调整基准电压源。

2.如权利要求1所述的方法，其中，设置所述电路，使得能够直接测量内部基准电压，确定内部基准电压值的步骤包括直接进行测量。

3.如权利要求1所述的方法，其中，设置所述电路，使得能够直接测量模拟温度感测装置的输出电压，确定内部基准电压值的步骤包括：直接测量模拟温度感测装置的输出电压以及ADC的输出信号，以及据此确定内部基准电压值。

4.如权利要求1所述的方法，其中，确定内部基准电压值的步骤包括：利用外部基准电压信号代替从内部基准电压源到ADC的输出信号，根据分别响应内部和外部基准电压而产生的ADC输出信号值来确定内部基准电压值。

5.如权利要求1所述的方法，其中，确定内部基准电压值的步骤包括：利用公知的外部电压来代替模拟温度感测装置的输出信号，以及使用响应所述外部电压产生的ADC输出信号来确定内部基准电压值。

6.一种数字温度传感器电路，包括：模拟温度感测装置；内部基准电压源；以及ADC，被设置成从模拟温度感测装置和基准电压源接收各个信号，并且输出表示环境温度的数字信号，能够调整所述内部基准电压源，以改变因此输出的基准电压值，并且设置所述电路，使得能够直接测量所述内部基准电压。

7.一种数字温度传感器电路，包括：模拟温度感测装置；内部基准电压源；以及ADC，被设置成从模拟温度感测装置和基准电压源接收各个信号，并且输出表示环境温度的数字信号，能够调整所述内部基准电压源，以改变因此输出的基准电压值，并且设置所述电路，使得能够直接测量所述模拟温度感测装置的输出电压。

8.一种数字温度传感器电路，包括：模拟温度感测装置；内部基准电压源；以及ADC，被设置成从模拟温度感测装置和基准电压源接收各个信号，并且输出表示环境温度的数字信号，能够调整所述内部基准电压源，以改变因此输出的基准电压值，并且设置所述电路，以接收外部基准电压信号，以及代替内部基准电压信号或模拟温度感测装置信号将所述外部基准电压信号输入到ADC中，以便能够确定内部基准电压值，并且根据需要调整内部基准电压信号。

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