CN107917764B - 温度感测电路及用于温度感测的方法 - Google Patents

Abstract

本公开的实施例涉及温度感测电路及用于温度感测的方法。局部衬底加热器被配置为将可变衬底加热应用于集成双极型晶体管。感测该双极型晶体管的基极‑发射极电压(Vbe)，改变衬底温度设置，所感测的Vbe被处理以确定双极型晶体管的温度系数。双极型晶体管可以例如是集成温度感测电路的电路组件。

Description

温度感测电路及用于温度感测的方法

技术领域

本发明涉及用于温度感测电路的温度系数估计和补偿，具体涉及在确定温度系数估计和补偿的过程期间使用可变衬底加热来改变温度感测电路的电路组件的温度。

背景技术

片上温度感测是许多集成电路的重要技术特征。例如为了检测过热或系统热超限状态，温度传感器用于监视温度变化。当温度传感器检测到异常温度条件时，可以采取保护措施。在另一示例中，来自片上温度传感器的输出可以用于优化由时钟电路生成的时钟信号的频率或由电压发生器电路生成的电压。至关重要的是，温度传感器的输出(即，指示所感测的温度的数字或模拟信号)具有线性和精确性。例如，集成电路中的工业温度监视应用或温度控制回路通常需要温度精度在0.1℃或超过0.1℃。为了实现这一目标，关键是要对温度传感器进行适当的校准。未校准的温度传感器可以例如具有±5℃的精度。

片上温度传感器的校准通常需要精确的操作参数(例如，温度或电压)的外部输入。现有技术中的一个问题是外部输入的精确操作参数在校准过程可被启动之前稳定所需的时间。作为一个示例，集成电路芯片可以被放置在测试炉中，以施加精确的温度。将炉温升至进行校准所期望的温度所需的时间以及整个校准过程显著增加了芯片生产的成本。如果校准操作需要多个校准输入点(即，在不同温度下执行的校准测试)，则该成本进一步增加。

校准的另一问题是难以控制用于校准的温度环境的精度。在集成电路生产环境中，将该精度控制优于±1℃是非常困难和昂贵的。这种精确的校准设备的高热常数进一步增加了完成校准过程所需的时间，并且这导致生产成本的相应增加。

因此，本领域需要利用片上温度传感器的校准来解决上述问题。

发明内容

应当理解，上述整体描述和以下详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在提供对所要求保护的本发明的进一步说明。

在一个实施例中，集成电路包括：半导体衬底、以及集成在所述衬底上和所述衬底中的温敏电路。温敏电路包括：第一电流源，被配置为生成第一电流；第一双极型晶体管，被配置为二极管连接的器件，并被所述第一电流偏置以表现出第一基极-发射极电压(Vbe)，其中所述第一双极型晶体管位于所述半导体衬底的一部分中；衬底加热电路，被配置为响应于温度控制信号对半导体衬底的所述部分进行加热；模数转换器(ADC)电路，具有与第一双极型晶体管耦合的输入，并被配置为将第一Vbe转换为第一数字信号；以及数字控制电路，被配置为生成所述温度控制信号并使得衬底加热电路将所述部分加热到两个不同的温度，所述数字控制电路还被配置为响应于在所述两个不同温度中的每一个温度下的加热，从所述ADC电路接收第一数字信号。

附图说明

附图被包括以提供对本发明的进一步理解，并且被并入本说明书并构成本说明书的一部分，附图示出了本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。

在附图中：

图1是温度感测电路的电路图；以及

图2示出了响应于由于时间可变的衬底加热引起的温度变化的基极-发射极电压的变化。

具体实施方式

现在参考图1，图1示出了温度感测电路10的电路图。电路10被集成在半导体衬底12中和半导体衬底12上。电路包括以二极管连接配置的第一双极型晶体管14，第一双极型晶体管14的基极连接到其集电极。晶体管14的基极和集电极还连接到接地(Gnd)参考节点16。该电路还包括以二极管连接配置的第二双极型晶体管24，第二双极型晶体管24的基极连接到其集电极。晶体管24的基极和集电极进一步连接到接地参考节点16。晶体管14和24具有不相等的发射极面积。晶体管14的发射极面积与晶体管24的发射极面积的比为1：N。

第一电流源18耦合在电源电压(Vdd)节点20和晶体管14的发射极之间，以提供偏置电流I1。第二电流源28耦合在电源电压节点20和晶体管24的发射极之间，以提供偏置电流I2。在优选实施例中，电流I1和I2相等。

模数转换器(ADC)30具有第一输入，该第一输入通过第一开关电路34选择性地连接到晶体管14和24的发射极。第一开关电路34包括：连接在ADC 30的第一输入和晶体管14的发射极之间的第一开关36，以及连接在ADC 30的第一输入和晶体管24的发射极之间的第二开关38。第一开关36的断开/闭合状态由开关控制信号S1控制，并且第二开关38的断开/闭合状态由开关控制信号S2控制。

ADC 30还包括第二输入，被配置为接收参考电压Vref。由第二开关电路44向ADC30的第二输入提供参考电压Vref。第二开关电路44包括连接在ADC 30的第二输入和精确参考电压Vrefacc的源极52之间的第一开关46，以及连接在ADC 30的第二输入和带隙参考电压Vbg的源极54之间的第二开关48。第一开关46的断开/闭合状态由开关控制信号S3控制，并且第二开关48的断开/闭合状态由开关控制信号S4控制。

精确参考电压Vrefacc的源极52可以例如是片外(外部)电压发生器，片外电压发生器具有施加到焊盘56的输出电压，焊盘56电连接到第一开关46。带隙参考电压Vbg的源极54可以例如包括片上带隙参考电压发生器电路。这种带隙参考电压发生器电路的电路配置和操作是本领域技术人员公知的。

开关36、38、46和48可以例如包括本领域技术人员已知的晶体管开关或晶体管传输门。因此，开关控制信号S1、S2、S3和S4被施加到相应的晶体管开关或传输门的栅极(或控制)端子。

ADC 30用于将存在于第一输入处的模拟电压A转换为在ADC 30的输出处产生的数字数据值D。当第一开关36处于闭合状态时，模拟电压A等于晶体管14的基极-发射极电压(Vbe)，并且数字数据值D是该电压Vbe的数字表示。当第二开关38处于闭合状态时，模拟电压A等于晶体管24的基极-发射极电压(Vbe)，并且数字数据值D是该电压Vbe的数字表示。转换操作由施加到ADC 30的第三输入的控制信号C的断言触发。

数字控制电路40具有一个输入，该输入被耦合以接收从ADC 30输出的数字数据值D。这些数字数据值D由数字控制电路40以本文更详细地描述的方式进行处理，以确定温度、估计温度系数并执行温度补偿。数字控制电路40还生成开关控制信号S1、S2、S3和S4以及ADC控制信号C。

晶体管14和24被集成在衬底12的一部分60中。衬底的该部分60的温度可以由衬底加热器62控制。衬底加热器62例如可以由串联耦合、并联耦合或串联和并联组合耦合的多个衬底电阻器形成。关于具有衬底加热器62的部分60的结构实现的示例，参考美国专利申请公开号2016/0049341(通过引用并入本文)。

衬底加热器62的操作由加热器控制电路64控制。加热器控制电路64可以例如包括可变电压发生器电路。从加热器控制电路64输出的可变电压被施加到用于衬底加热器62的衬底电阻器的电路网络。响应于所施加的可变电压，衬底加热器62将衬底12的部分60加热到相应的温度。通过改变从加热器控制电路64输出的可变电压，可以将不同的衬底温度施加到衬底12的部分60。数字控制电路40还生成温度控制信号TC，并且加热器控制电路64响应于温度控制信号TC的值，来设置可变电压输出并控制衬底温度。由于衬底12的部分60如此小(例如，对于大约几平方毫米量级的衬底12的面积，大约为100μm²量级)，所以衬底加热器62可以快速地将部分60带到期望的温度。因此，部分60的面积基本上小于衬底12的面积。

当与两个双极型晶体管组合时(参见图2)，根据温度T的双极型晶体管的基极-发射极电压Vbe由以下等式给出：

其中：Vbg是硅的带隙电压；T为绝对温度，To为参考温度，Vbe0为参考温度To时的带隙电压，k为玻尔兹曼常数，γ和α为常数，以及q为基本电荷。

数字控制电路40可以进一步操作以执行等式1的数值曲线拟合，来作为以Vbg、Vb0和(γ-α)作为变量的跟踪多项式。由于Vbe(T)随温度变化，所以可以激活估计器以最小化误差E并估计Vbg、Vb0和(γ-α)的值。估计器基于线性方程的三个集合。To的值被假设为校准温度范围之间的常数。假定从所确定的电压ΔVbe计算的近似温度，(T/To)和ln(T/To)的值近似为常数。因此，等式1可以简化为以下形式的线性等式：

Y＝aX1+bX2+cX3 (2)

其中：X1、X2和X3是每个设定温度下的常数，Y是由ADC 30测量的晶体管的Vbe，a是参数Vbg，b是参数Vb0，并且c是参数(γ-α)。

如果使用衬底加热器62由数字控制电路40设置三个不同的温度，则可以使用ADC30在这些温度中的每个温度下测量晶体管Vbe。通过使用控制信号S3对开关46进行致动来将精确的参考电压Vrefacc施加到ADC 30、并使用控制信号S1或S2进一步对开关36或38中的一个进行致动来感测所选择的晶体管14(即，Vbe14或Vbe24)的Vbe来执行该操作。在三个设定温度下从ADC 30输出的经测量的Vbe电压(Vbe12或Vbe24)的数字值被代入等式3中，并且得到的三个等式可以用于求解参数Vbg、Vb0和(γ-α)。移动平均值被应用于常数，以提高精确度。

以下使用等式1示出一个示例：

通过加热器施加电流，以在三个不同的温度点T1、T2和T3处实现温度变化，这将给出：

假设To等于200°K，并且Vbe电压和温度已知，则等式1a-1c可以简化为：

Y1＝a1Vbg+b1Vbeo+c1(γ-α) (2a)

Y2＝a2Vbg+b2Vbeo+c2(γ-α) (2b)

Y3＝a3Vbg+b3Vbeo+c3(γ-α) (2c)

我们现在有具有三个未知系数(Vbg、Vbeo和(γ-α))的三个等式。

使用本领域技术人员熟知的数值方法，可以求解等式以找到Vbg、Vbeo和(γ-α)。一个可能的数值方法是克拉默规则。

为了在估计Vbg、Vbeo和(γ-α)时获得更好的精确度，可以采用超过上述3个的多个读数。然后可以将移动平均值应用于读数和系数估计过程，以提高精确度。

应当注意，上述过程的优点在于，对于参数确定，可以在没有任何外部温度输入的情况下实现校准。电路和过程只需要应用精确的参考电压Vrefacc。

用于解决双极型晶体管参数的上述过程允许以高精确度估计温度系数。该过程适用于使用双极型晶体管或二极管的任何电路。支持热传感器校准、带隙参考电压发生器。还支持本领域已知的曲率校准操作。

在校准阶段完成之后，数字控制电路40利用控制信号S3对开关46进行去致动，并利用控制信号S4对开关48进行致动，以将带隙电压Vbg作为参考电压施加用于ADC 30。利用如前所确定的参数Vbg、Vb0和(γ-α)，电路现在能够作为校准的温度传感器进行操作。

环境温度测量：

根据以下公式求解所测量的温度与参考之比：

其中，Vref＝Vbe+mV_τxlnN (4)

其中：m是常数乘法因子，N是双极型晶体管的面积比(或电流比)，Vt是热电压(即，kT/q，其中k是玻尔兹曼常数，T是温度，并且q是电荷常数)。

代入Vref：

现在，展开Vbe:

替换并且重新排列来求解温度：

根据上述等式3，T可以被估计为：

因此，在ln(T/To)处，在等式7中，所估计的温度可以被替换，并且因此：

其中：T0可以被固定在任何合适的温度(例如，200°K)处。

由于从上述的估计可知Vbg、Vbeo和(γ-α)，因此可以应用校正来实现更高的温度精确度。

在环境温度测量期间，数字控制电路40利用控制信号S4对开关48进行致动，以施加带隙电压Vbg作为参考电压Vref。然后通过利用控制信号S1或S2对开关36或38中的一个进行致动来感测所选择的晶体管14的Vbe(即，Vbe14或Vbe24)，从而测量晶体管Vbe。然后，将从ADC 30输出的经测量的Vbe电压(Vbe12或Vbe24)的数字值代入上述等式中，并且执行计算以求解环境温度。

对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变化。因此，只要修改和变化在所附权利要求及其等同物的范围内，本发明旨在覆盖本发明的修改和变化。

Claims (18)

1.一种集成电路，包括：

半导体衬底；以及

集成在所述衬底上和所述衬底中的温敏电路，所述温敏电路包括：

第一电流源，被配置为生成第一电流；

第一双极型晶体管，被配置为二极管连接的器件，并被所述第一电流偏置以呈现第一基极-发射极(Vbe)电压；

其中所述第一双极型晶体管位于所述半导体衬底的一部分中；

衬底加热电路，被配置为响应于温度控制信号对半导体衬底的所述部分进行加热；

模数转换器(ADC)电路，具有与所述第一双极型晶体管耦合的输入，并被配置为将所述第一基极-发射极电压转换为第一数字信号；以及

数字控制电路，被配置为生成所述温度控制信号并使得所述衬底加热电路将所述部分加热到两个不同温度，响应于在所述两个不同温度中的每一个温度下加热，从所述模数转换器 (ADC) 电路接收所述第一数字信号，以及在所述两个不同温度中的每一个温度下，针对所述第一基极-发射极电压来处理所述第一数字信号，以通过数值地求解分别被设定为等于所述第一数字信号的至少两个线性等式，来计算所述第一双极型晶体管的操作的温度系数，其中每一个线性等式具有作为未知数的操作的所述温度系数。

2.根据权利要求1所述的集成电路，还包括开关电路，所述开关电路包括第一开关，所述第一开关在所述第一基极-发射极电压的转换期间，以校准模式由所述数字控制电路致动，以向所述模数转换器 (ADC) 电路提供从片外精确电压源导出的参考电压。

3.根据权利要求2所述的集成电路，其中所述开关电路还包括第二开关，所述第二开关在环境温度感测模式中由所述数字控制电路致动，以向所述模数转换器 (ADC) 电路提供带隙参考电压。

4.根据权利要求3所述的集成电路，其中所述带隙参考电压由片上带隙参考电压发生器电路生成。

5.根据权利要求1所述的集成电路，还包括：

第二电流源，被配置为生成第二电流；以及

第二双极型晶体管，被配置为二极管连接的器件并被所述第二电流偏置以展现第二基极-发射极电压；

其中所述第一双极型晶体管和所述第二双极型晶体管位于所述半导体衬底的所述部分中。

6.根据权利要求5所述的集成电路，其中所述模数转换器 (ADC) 电路的所述输入被进一步耦合到所述第二双极型晶体管，并且被配置为将所述第二基极-发射极电压转换为第二数字信号。

7.根据权利要求6所述的集成电路，其中所述数字控制电路还被配置为响应于在所述两个不同温度中的每一个温度下加热，从所述模数转换器 (ADC) 电路接收所述第一数字信号和所述第二数字信号，并且从所述第一数字信号和所述第二数字信号计算所述第一双极型晶体管和所述第二双极型晶体管之间的ΔVbe电压。

8.根据权利要求7所述的集成电路，还包括：在所述两个不同温度的每一个温度下处理针对所述第一基极-发射极电压和所述ΔVbe电压的第一数字信号，以计算所述第一双极型晶体管的操作的温度系数。

9.根据权利要求6所述的集成电路，还包括：在所述两个不同温度的每一个温度下处理针对所述第一基极-发射极电压的所述第一数字信号和针对所述第二基极-发射极电压的所述第二数字信号，以计算所述第一双极型晶体管的操作的温度系数。

10.根据权利要求6所述的集成电路，还包括开关电路，所述开关电路包括：

耦合在所述第一双极型晶体管和所述模数转换器 (ADC) 电路的所述输入之间的第一开关；以及

耦合在所述第二双极型晶体管和所述模数转换器 (ADC) 电路的所述输入之间的第二开关；

其中所述第一开关和所述第二开关的致动由所述数字控制电路控制。

11.一种用于温度感测的方法，包括：

将半导体衬底的一部分加热到至少两个不同温度，其中所述部分包括第一双极型晶体管，所述第一双极型晶体管被配置为二极管连接的器件并被第一电流偏置，以展现第一基极-发射极(Vbe)电压；

感测在所述至少两个不同温度中的每一个温度下的所述第一基极-发射极电压；

将所感测的第一基极-发射极电压转换为对应的第一数字信号；

在所述至少两个不同温度的每一个温度下处理针对所述第一基极-发射极电压的所述第一数字信号，以通过数值地求解分别被设定为等于所述第一数字信号的至少两个线性等式，来计算所述第一双极型晶体管的操作的温度系数，其中每一个线性等式具有作为未知数的操作的所述温度系数。

12.根据权利要求11所述的方法，其中转换包括相对于参考电压的模数转换，其中所述参考电压从用于计算所述温度系数的片外精确电压源而被导出。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括：

将环境温度施加到所述半导体衬底；

在环境温度下感测另一基极-发射极电压；

将所感测的另一基极-发射极电压转换成对应数字信号；

处理所述对应数字信号，以进行环境温度检测。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括：在环境温度检测期间，施加由片上带隙参考电压发生器电路生成的带隙参考电压作为所述参考电压。

15.根据权利要求11所述的方法，其中所述部分包括第二双极型晶体管，所述第二双极型晶体管被配置为二极管连接的器件并被第二电流偏置，以展现第二基极-发射极电压，还包括：

在所述至少两个不同温度中的每一个温度下感测所述第二基极-发射极电压；以及

将所感测的基极-发射极电压转换成对应的第二数字信号。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括：处理所述第一数字信号和所述第二数字信号，以计算所述第一双极型晶体管和所述第二双极型晶体管之间的ΔVbe电压。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括：在所述至少两个不同温度的每一个温度下处理针对所述第一基极-发射极电压和所述ΔVbe电压的所述第一数字信号，以计算所述第一双极型晶体管的操作的温度系数。

18.根据权利要求15所述的方法，还包括：在所述至少两个不同温度的每一个温度下，处理针对所述第一基极-发射极电压的所述第一数字信号和针对所述第二基极-发射极电压的所述第二数字信号，以计算所述第一双极型晶体管的操作的温度系数。

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