CN105487587B - 高精度数字温度传感器校准电路 - Google Patents
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Abstract
高精度数字温度传感器的校准电路，涉及模拟集成电路领域。本发明包括控制单元、基准温度系数修调单元、基准电压单元和反馈放大单元，与控制单元连接的基准温度系数修调单元包括镜像比例可调的镜像电流，用于产生第一偏置电流Ifuse；基准电压单元与修调单元连接，用于产生零温度系数输出电压；反馈放大单元与基准电压单元连接，反馈放大单元包括失调电压修调模块和参考电压修调模块，用于产生失调电压和ADC转换所需的参考电压；控制单元分别与失调电压修调模块和参考电压修调模块连接。本发明可以对温度传感器数字输出的增益误差、失调误差进行修调，通过对基准温度系数的修调可以使全温范围内的增益误差和失调误差限制在很小的范围内。
Description
技术领域
本发明涉及模拟集成电路领域。
背景技术
温度传感器在集成电路中具有重要作用，常用于个人计算机、环境温度控制和工业生产控制等。温度传感器件有多种选择，对高精度应用环境通常选择不同衬底三极管的差值△VBE来实现温度检测。
温度检测原理如下：
根据三极管I-V特性公式：
可得，
其中VT＝K·T/q，三极管Q1、Q2采用相同面积的同类型三极管，所以三极管反向饱和漏电流IS1＝IS2，三极管Q1、Q2的集电极电流比例为N，最终可得：
对公式(3)进行求导计算：
公式(4)代表了传感器输出对温度的变化斜率，影响最终温度传感器输出的增益误差。
温度传感器差分输出电压经过模数转换器(ADC)转换成数字输出，假设传感器输出增益误差为Egain，ADC参考电压为VREF。于是，ADC输出可表示为：
其中Vsensor_ideal为理想温度传感器输出，bits是AD转换器的位数。由式(5)可以看出，要想得到理想的输出AD输出码需要对分母进行补偿，即根据传感器输出增益误差大小相应改变参考基准的大小，从而达到通过改变ADC参考电压实现修调温度传感器增益误差的目的。
在公式(3)中，温度T表示的是开氏温度，将开氏温度转换成摄氏温度，公式(3)需要减去一个与温度无关的失调量。于是，温度传感器输出电压可表示为：
公式(6)对温度求导数，可得与公式(3)相同的结论，失调电压的存在不会影响传感器输出增益，仅能够改变传感器输出的失调。通过改变Voffset可实现修调传感器温度失调。
Vref＝VBE+K·ΔVBE (7)
基准电压可以由公式(7)表示，其中，VBE具有负温度系数，ΔVBE具有正温度系数，VBE温度系数如下：
根据公式(8)可知，VBE电压绝对值与VBE温度系数相关，可同通过改变VBE电压来影响VBE温度系数，VBE电压可以通过偏置电流来改变。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提出一种高精度数字温度传感器校准电路，能够有效的修调温度传感器的增益误差和失调误差。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，高精度数字温度传感器的校准电路，其特征在于，包括控制单元、基准温度系数修调单元、基准电压单元和反馈放大单元，
与控制单元连接的基准温度系数修调单元包括镜像比例可调的镜像电流，用于产生第一偏置电流Ifuse；
基准电压单元与修调单元连接，用于产生零温度系数输出电压；
反馈放大单元与基准电压单元连接，反馈放大单元包括失调电压修调模块和参考电压修调模块，用于产生失调电压和ADC转换所需的参考电压；
控制单元分别与失调电压修调模块和参考电压修调模块连接。
所述基准电压单元包括：
第一选择开关k4，其输入端接第一偏置电流输入端，其第一输出端通过第三晶体管Q3接地，其第二输出端接第一参考点，第一参考点通过第四晶体管Q4接地；
与第一选择开关k4联动的第二选择开关k5，其第一输出端接第一参考点，其第二输出端接第二运放AMP2的正性输入端；其输入端连接第二偏置电流源，所述第二偏置电流源大小由公式9决定：
其中K为玻尔兹曼常数、q为基本电荷量、N为第二偏置电流源与第一偏置电流源的比例系数、VBE温度系数与工艺相关。T为温度，C4、C5为电容值。
第三晶体管Q3和第四晶体管Q4的基极都接地；
第二运放AMP2，其正性输入端还与第一选择开关的第一输出端连接，正性输入端还通过第五开关k1与第二参考点连接，其负性输入端通过第四电容C4连接第一参考点，其负性输入端还通过第五电容C5连接第二参考点，其负性输入端还通过第三开关k3连接基准电压输出端，第二参考点还通过第四开关k2连接基准电压输出端。
所述参考电压修调模块包括：
第一运放AMP，其正性输入端接基准电压输出端，其负性输入端接分压模块的第一活动输出端；
第三运放Buffer，其正性输入端接第一运放AMP的输出端，其负性输入端接参考电压输出端，其输出端接参考电压输出端；
与控制单元连接的分压模块，其第一活动输出端与第一运放的负性输入端连接，其第二活动输出端与失调电压输出端连接，其输入端与第一运放的输出端连接，其输出端接地。
本发明可以对温度传感器数字输出的增益误差、失调误差进行修调，通过对基准温度系数的修调可以使全温范围内的增益误差和失调误差限制在很小的范围内。采用本发明的修调手段可以更好的实现高精度修调的同时节省更多的芯片面积和修调引脚数量，与译码电路配合使用灵活性更大。
附图说明
图1为现有技术的温度传感器结构示意图。
图2为本发明的基准负温度系数修调结构示意图。
图3为本发明的带隙基准结构示意图。
图4为本发明的失调误差、增益误差修调原理图。
图5为本发明的负温度系数修调电路图。
图6为本发明的温度-数字输出转换示意图。
具体实施方式
本发明包括控制单元、基准温度系数修调单元、基准电压单元和反馈放大单元，与控制单元连接的基准温度系数修调单元包括镜像比例可调的镜像电流，用于产生第一偏置电流Ifuse；基准电压单元与修调单元连接，用于产生零温度系数输出电压；反馈放大单元与基准电压单元连接，反馈放大单元包括失调电压修调模块和参考电压修调模块，用于产生失调电压和ADC转换所需的参考电压；控制单元分别与失调电压修调模块和参考电压修调模块连接。
本发明通过控制单元(EELATCH及译码电路，控制单元在图中简记为EELATCH)对电阻反馈系数进行修改，实现ADC参考电压的修调。失调电压的输出节点可以通过控制单元进行修改，从而实现失调电压的修调。失调电压的改变不影响反馈放大电路的输出，即修改失调误差不影响增益误差。
基准电压单元产生与温度无关的基准电压，基准电压输出接反馈电路的正性输入端，同分压电阻共同产生ADC转换所需的参考电压。基准电压单元还包括基准温度系数修调电路。通过控制单元调节基准模块三极管的偏置电流，对负温度系数进行修调，从而实现对基准输出温度系数的修调。
反馈电路同分压电阻产生的参考电压输出接第三运放(缓冲buffer)的同向输入端。
参见图1～4，温度传感器的输入电流为I1，通过NMOS管M1、M2、M3、M4到M5、M6、M7、M8的镜像关系产生输出电流Ifuse，电离Ifuse为bandgap电路三极管的偏置电流。
图3中共有5个开关K1、K2、K3、K4、K5。开关时序如下：第一步，k1和k3闭合，k2断开，k5连接到节点3，k4连接到节点1；第二步，k1和k3断开，k2闭合，k5连接到节点4，k4连接到节点2。
MOS管M2～M7的漏极各串联一个开关，这些开关受EELATCH输出控制，可以控制MOS的电流导通与断开。
其中M1和M8处于常导通状态，根据镜像原理可得出：
MOS管M1～M4的宽长比比例为9:1:2:4，MOS管M8～M5的宽长比比例为9:1:2:4。
根据控制单元输出状态决定MOS管M2～M7的开关状态，可得出Ifuse的修调范围为：
通过改变Ifuse值大小可以改变基准电压负温度系数的大小，修正基准输出的温度特性。
ADC参考电压和传感器失调电压电路参见图。运算放大器和电阻R1、R2、R3、R4共同组成负反馈，经过一级buffer后输出电压为：
其中Vbandgap为带隙基准输出电压。电阻R1和R2由多个小电阻串联而成，通过控制单元控制开关，选择不同的反馈接入点。即电阻R1、R2总阻值不变，改变R1和R2电阻比例，于是，ADC参考输出Vref的表达式为：
其中，△为通过控制单元控制的电阻R1、R2阻值改变量，可以为正值或者负值，正值代表增加电阻，负值代表减小电阻。
传感器失调电压通过电阻R1、R2、R3、R4分压得到，失调电压Voffset由公式(12)得出：
电阻R3、R4由多个小电阻串联组成，通过控制单元控制开关选择不同输出节点做为失调电压输出。即保持R3、R4总阻值不变，改变R3和R4电阻比例来实现失调电压的修调，可修调失调电压输出可由公式(13)表示：
其中△为电阻改变量，正值表示增加电阻，负值表示减小电阻。由公式(13)可知，失调电压被改变情况下不影响总阻值大小，对参考电压输出没有影响。
带隙基准模块由三极管、偏置电流、比例电容C4、C5和运算放大器组成。三极管Q3、Q4采用相同类型、发射极面积相同的衬底PNP，偏置电流比例为1：N，通过开关电容电路得到正温度系数电压△VBE，并且以一定比例与负温度系数电压VBE相加，最终得到零温度系数输出电压Vbangap。
综上所述，通过控制单元对参考电压的温度系数、绝对值和失调输出绝对值进行修调，可以减小温度传感器ADC输出在全温度范围内的增益误差和失调误差。
实施例
如图5所示，PMOS管MP1、MP2组成电流镜像，将输入PTAT电流镜像到MP2、MP4所在的之路中，MP2和MP4之路中电流经过NMOS管MN1～MN5镜像到MN9～MN13中，最终镜像电流经过PMOS管MP3镜像到下级模块中，用于带隙基准三极管偏置电流。
MN1～MN5的宽长比分别为9W/L、2W/L、2W/L、4W/L、2W/L，MN9～MN13的宽长比分别为4W/L、2W/L、2W/L、9W/L、2W/L。
NMOS管MN6、MN7、MN8、MN16、MN15、MN14做为开关管存在，受各自栅极信号控制开关状态，控制信号依次为CK1、CK2、CK3、CK4、CK5、CK6。当控制信号为高电平时开关闭合，所在支路MOS管有电流流过，当控制信号为低电平时所在支路断开。
控制信号CK1、CK2、CK3、CK4、CK5、CK6来自于控制单元，受到控制单元内浮栅器件控制，通过控制信号可以实现多种电流比例的镜像。
在图(5)中，MP1、MP2的宽长比为1:1，根据电流镜像原理可得到输出电流Ifuse由公式(14)决定：
其中CK1～CK6根据控制单元输出取0或者1，于是可得出Ifuse电流输出范围为：
通过此种修调方案，可以实现对温度传感器的失调误差、增益误差和温度特性的高精度修正，与传统方法相比减小了版图面积，可以实现封装后测试，测试方法灵活简便。
Claims (3)
1.高精度数字温度传感器的校准电路，其特征在于，包括控制单元、基准温度系数修调单元、基准电压单元和反馈放大单元，
与控制单元连接的基准温度系数修调单元包括镜像比例可调的镜像电流，用于产生第一偏置电流Ifuse；
基准电压单元与修调单元连接，用于产生零温度系数输出电压；
反馈放大单元与基准电压单元连接，反馈放大单元包括失调电压修调模块和参考电压修调模块，用于产生失调电压和ADC转换所需的参考电压；
控制单元分别与失调电压修调模块和参考电压修调模块连接。
2.如权利要求1所述的高精度数字温度传感器的校准电路，其特征在于，所述基准电压单元包括：
第二运放(AMP2)，其正性输入端还与第一选择开关的第一输出端连接，正性输入端还通过第五开关(k1)与第二参考点连接，其负性输入端通过第四电容(C4)连接第一参考点，其负性输入端还通过第五电容(C5)连接第二参考点，其负性输入端还通过第三开关(k3)连接基准电压输出端，第二参考点还通过第四开关(k2)连接基准电压输出端；
第一选择开关(k4)，其输入端接第一偏置电流输入端，其第一输出端通过第三晶体管(Q3)接地，其第二输出端接第一参考点，第一参考点通过第四晶体管(Q4)接地；
与第一选择开关(k4)联动的第二选择开关(k5)，其第一输出端接第一参考点，其第二输出端接第二运放(AMP2)的正性输入端；其输入端连接第二偏置电流源，所述第二偏置电流源大小为第一偏置电流源N倍，N的数值满足下式：
其中K为玻尔兹曼常数，q为基本电荷量，N为第二偏置电流源与第一偏置电流源的比例系数，T为温度，C4为第四电容(C4)的电容值，C5为第五电容(C5)的电容值；
第三晶体管(Q3)和第四晶体管(Q4)的基极都接地。
3.如权利要求2所述的高精度数字温度传感器的校准电路，其特征在于，所述反馈放大单元包括：
第一运放(AMP)，其正性输入端接基准电压输出端，其负性输入端接分压模块的第一活动输出端；
第三运放(Buffer)，其正性输入端接第一运放(AMP)的输出端，其负性输入端接参考电压输出端，其输出端接参考电压输出端；与控制单元连接的分压模块，其第一活动输出端与第一运放的负性输入端连接，其第二活动输出端与失调电压输出端连接，其输入端与第一运放的输出端连接，其输出端接地。
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