CN109238516A - 一种高精度温度传感器校准方法及电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度温度传感器校准方法及电路，从芯片外部引入有一个高精度已知电压值的电压V_IN，其与偏置电流I_bias1流到芯片内的晶体管Q1上产生的电压V_BE，以及偏置电流I_bias1和I_bias2分别流到芯片内晶体管Q1和Q2上产生的电压差值ΔV_BE，分别通过切换开关连接到sigma delta ADC的输入端并由切换开关控制是否接通。先后使sigma delta ADC采样ΔV_BE/‑V_IN及采样ΔV_BE/‑V_BE；或者，先后使sigma delta ADC采样V_IN/‑V_BE及采样ΔV_BE/‑V_BE；或者，先后使sigma delta ADC采样ΔV_BE/‑V_IN及采样V_IN/‑V_BE；根据输出的数字温度信号求取V_BE的实际值，与V_BE的理想值比较得到需修正的误差。本发明可以在温度未知的情况下得到温度信号的误差，避免了高精度传感器校准时需要提供高精度温度环境的需求，降低了测试条件需求和测试成本。

Description

一种高精度温度传感器校准方法及电路

技术领域

本发明涉及集成电路设计和测试领域，特别涉及一种高精度温度传感器校准方法及电路。

背景技术

随着应用需求的不断提高，温度传感器的精度也在不断提高。在温度传感器制造的过程中，由于工艺因素，不可避免地会引入误差。为了保证温度传感器检测温度的准确性，需要通过各种方式对这些误差进行消除或降低到足够小的范围。常见的消除误差的方式是在芯片制造完成后进行校准。校准是通过测试的方式得到传感器的误差，再利用电路将误差消除。为了测试传感器的误差，需要传感器工作在足够高精度的温度环境中，即环境中温度误差要小于传感器精度要求的温度误差。通常情况下，为了降低测试成本，温度传感器校准都是在晶圆上进行，而当前晶圆测试能提供的环境温度精度通常为±1℃左右。如果传感器精度要求高于±1℃，则测试环境很难达到传感器的校准要求。

发明内容

本发明提供一种高精度温度传感器校准方法及电路，可以在温度环境未知的情况下精确得到传感器的误差，然后利用电路消除该误差。

本发明提供的一种高精度温度传感器校准电路，在待校准的温度传感器的芯片内，偏置电流I_bias1流到芯片内的晶体管Q1上产生电压V_BE，偏置电流I_bias1和I_bias2分别流到芯片内晶体管Q1和Q2上产生电压差值ΔV_BE；通过切换开关将电压V_BE和电压差值ΔV_BE分别连接到sigma delta ADC的两个输入端；sigma delta ADC的输出端获得信号BS，其连接到切换开关处对sigma delta ADC的采样进行切换控制，还连接到降采样滤波器进行滤波后产生量化的数字温度信号；从芯片外部引入有一个高精度已知电压值的电压V_IN，通过所述切换开关将其连接到sigma delta ADC的另一个输入端。

第一个方案提供的高精度温度传感器校准电路，先后两次控制切换开关的相应节点导通，第一次使sigma delta ADC在BS＝0时采样ΔV_BE，并且在BS＝1时采样-V_IN；第二次使sigma delta ADC在BS＝0时采样ΔV_BE，并且在BS＝1时采样-V_BE。

第二个方案提供的高精度温度传感器校准电路，先后两次控制切换开关的相应节点导通，第一次使sigma delta ADC在BS＝0时采样V_IN，并且在BS＝1时采样-V_BE；第二次使sigma delta ADC在BS＝0时采样ΔV_BE，并且在BS＝1时采样-V_BE。

第三个方案提供的高精度温度传感器校准电路，先后两次控制切换开关的相应节点导通，第一次使sigma delta ADC在BS＝0时采样ΔV_BE，并且在BS＝1时采样-V_IN；第二次使sigma delta ADC在BS＝0时采样V_IN，并且在BS＝1时采样-V_BE。

本发明的一种高精度温度传感器校准方法，使用第一个方案的高精度温度传感器校准电路，所述校准方法包含以下过程：

第一步，利用待测的温度传感器获得当前实际温度；

sigma delta ADC在BS＝0时采样ΔV_BE，在BS＝1时采样-V_IN；sigma delta ADC的输出信号滤波后得到D_out11；

α为采样时的放大倍数，是由sigma delta ADC实现的已知数值；

求得当前实际温度为

k为波尔兹曼常数，q为电子电荷，m为芯片内晶体管Q1和Q2的电流密度比；

第二步，sigma delta ADC在BS＝0时采样ΔV_BE，并且在BS＝1时采样-V_BE；在sigmadelta ADC的输出信号滤波后得到D_out12；

其中，代入第一步求得的ΔV_BE的实际值；将求得的V_BE的实际值与V_BE的理想值进行比较，得到需修正的误差。

本发明的另一种高精度温度传感器校准方法，使用第二个方案的高精度温度传感器校准电路，所述校准方法包含以下过程：

第一步，sigma delta ADC在BS＝0时采样V_IN，在BS＝1时采样-V_BE；在sigma deltaADC的输出信号滤波后得到D_out21；

α为采样时的放大倍数，是由sigma delta ADC实现的已知数值；

第二步，sigma delta ADC在BS＝0时采样ΔV_BE，在BS＝1时采样-V_BE；在sigmadelta ADC的输出信号滤波后得到D_out22；

求得当前实际温度

k为波尔兹曼常数，q为电子电荷，m为芯片内晶体管Q1和Q2的电流密度比；

查询当前实际温度对应的V_BE的理想值，与第一步求得的V_BE的实际值进行比较，得到需修正的误差。

本发明的又一种高精度温度传感器校准方法，使用第三个方案的高精度温度传感器校准电路，所述校准方法包含以下过程：

第一步，利用待测的温度传感器获得当前实际温度；

sigma delta ADC在BS＝0时采样ΔV_BE，在BS＝1时采样-V_IN；在sigma delta ADC的输出信号滤波后得到D_out31；

α为采样时的放大倍数，是由sigma delta ADC实现的已知数值；

求得当前实际温度为

k为波尔兹曼常数，q为电子电荷，m为芯片内晶体管Q1和Q2的电流密度比；

第二步，使sigma delta ADC在BS＝0时采样V_IN，并且在BS＝1时采样-V_BE；在sigmadelta ADC的输出信号滤波后得到D_out32；

查询第一步的当前实际温度对应的V_BE的理想值，与第二步求得的V_BE的实际值进行比较，得到需修正的误差。

综上所述，本发明公开的这种高精度温度传感器校准方法及电路，可以在温度未知的情况下得到温度信号的误差，避免了高精度传感器校准时需要提供高精度温度环境的需求，降低了测试条件需求和测试成本。

附图说明

图1是温度传感器电路原理图；

图2是本发明给出的校准方式电路原理图；

图3a是第一校准方案的第一步示意图；

图3b是第一校准方案的第二步示意图；

图4a是第二校准方案的第一步示意图；

图4b是第二校准方案的第二步示意图；

图5a是第三校准方案的第一步示意图；

图5b是第三校准方案的第二步示意图。

具体实施方式

图1是温度传感器的一个结构原理图，偏置电流I_bias1流到晶体管(bipolar管)Q1上，产生电压V_BE；两个偏置电流I_bias1和I_bias2分别流到晶体管Q1和Q2上，产生两个V_BE，其差值为ΔV_BE。

Sigma delta ADC负责对V_BE和ΔV_BE进行采样，产生BS信号，并反馈控制输入端采样；当BS＝0时，输入采样ΔV_BE，当BS＝1时，输入采样-V_BE；BS经过降采样滤波器(decimation filter)滤波后，最终产生量化的数字温度信号D_out。

图1中输出的温度信号可以表示为

其中α为ΔV_BE在采样时的放大倍数，该功能在sigma delta ADC中实现。

从式(1)中可以看出，输出温度的误差主要来源于三个参数，即V_BE，ΔV_BE和α。在电路设计时，ΔV_BE和α中的误差通常可以通过各种技术进行消除，因此在电路中可以认为其误差足够小，以至于可以忽略，而V_BE中的误差则需要通过校准的方式进行修正。

当测试时，环境温度精确知道时，可以利用下式求得ΔV_BE，

其中k为波尔兹曼常数，T为绝对温度，q为电子电荷，m为Q1管与Q2管的电流密度比。

式(1)中D_out可以通过sigma delta ADC获得，α为设计参数，该参数已知，则可以通过式(1)的变化求得V_BE的值。

利用式(3)求得V_BE后，与理想的V_BE进行比较，即可获得实际芯片中V_BE的误差。

在上面的计算中，式(2)需要精确知道测试时环境温度，但是由于设备的限制，当温度精度要求高于一定值时，测试条件很难满足。

图2是本发明给出的一个校准电路。图2中从芯片外部引入一个高精度已知电压V_IN，通过切换开关引入sigma delta ADC的其中一个输入端，sigma delta ADC的另两个输入端则通过该切换开关分别引入V_BE和ΔV_BE。利用图2中的电路，可以产生3种校准方案。

方案一：

方案一的第一步操作如图3a所示，当BS＝0时，ADC采样ΔV_BE，当BS＝1时，ADC采样-V_IN，则此时ADC输出可以表示为

对式(4)进行变形可得

则利用式(5)可以求得参数ΔV_BE，再结合式(2)，可得当前温度为

则图3a的第一步操作可以利用传感器本身获得当前实际温度。

第二步操作如图3b所示，将外部输入电压V_IN撤掉，换成晶体管的V_BE。此时ADC输出温度可以表示为

则晶体管的V_BE可以表示为

式(8)中α已知，ΔV_BE由式(5)获得，D_out12可以从ADC获取，因此，利用式(8)可以求得V_BE的值。将式(8)中求得的V_BE误差与理想情况下V_BE进行比较，可得实际芯片中V_BE中的误差，从而可以修正该误差。

方案二：

方案二的第一步如图4a所示，当BS＝0时，ADC采样V_IN，当BS＝1时，ADC采样-V_BE，则此时ADC输出可以表示为

利用式(9)可以求得V_BE的值如下

方案二的第二步如图4b所示，此时将外部电压V_IN撤掉，换成芯片内部的ΔV_BE，此时ADC的输出可以表示为，

利用该式可以求得当前ΔV_BE如下

则利用下式可以求得当前温度

当温度已知后，即可获得当前温度下的V_BE理想值，将理想值与式(10)求得的值进行比较，可得V_BE中的误差。

方案三：

方案三的第一步操作如图5a所示，当BS＝0时，ADC采样ΔV_BE，当BS＝1时，ADC采样-V_IN，则此时ADC输出可以表示为

对式(14)进行变形可得

则利用式(15)可以求得参数ΔV_BE，再结合式(2)，可得当前温度为

则图5a的第一步操作可以利用传感器本身获得当前实际温度。

方案三的第二步如图5b所示，当BS＝0时，ADC采样V_IN，当BS＝1时，ADC采样-V_BE，则此时ADC输出可以表示为

利用式(17)可以求得V_BE的值如下

根据式(16)求得的当前温度，可以得到V_BE的理想值，再根据式(18)求得的V_BE实际值，可以得到实际芯片中V_BE的误差。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种高精度温度传感器校准电路，其特征在于，

在待校准的温度传感器的芯片内，偏置电流I_bias1流到芯片内的晶体管Q1上产生电压V_BE，偏置电流I_bias1和I_bias2分别流到芯片内晶体管Q1和Q2上产生电压差值ΔV_BE；通过切换开关将电压V_BE和电压差值ΔV_BE分别连接到sigma delta ADC的两个输入端；sigma deltaADC的输出端获得信号BS，其连接到切换开关处对sigma delta ADC的采样进行切换控制，还连接到降采样滤波器进行滤波后产生量化的数字温度信号；

从芯片外部引入有一个高精度已知电压值的电压V_IN，通过所述切换开关将其连接到sigma delta ADC的另一个输入端。

2.如权利要求1所述高精度温度传感器校准电路，其特征在于，

先后两次控制切换开关的相应节点导通，第一次使sigma delta ADC在BS＝0时采样ΔV_BE，并且在BS＝1时采样-V_IN；第二次使sigma delta ADC在BS＝0时采样ΔV_BE，并且在BS＝1时采样-V_BE。

3.如权利要求1所述高精度温度传感器校准电路，其特征在于，

先后两次控制切换开关的相应节点导通，第一次使sigma delta ADC在BS＝0时采样V_IN，并且在BS＝1时采样-V_BE；第二次使sigma delta ADC在BS＝0时采样ΔV_BE，并且在BS＝1时采样-V_BE。

4.如权利要求1所述高精度温度传感器校准电路，其特征在于，

先后两次控制切换开关的相应节点导通，第一次使sigma delta ADC在BS＝0时采样ΔV_BE，并且在BS＝1时采样-V_IN；第二次使sigma delta ADC在BS＝0时采样V_IN，并且在BS＝1时采样-V_BE。

5.一种高精度温度传感器校准方法，使用权利要求1或2的高精度温度传感器校准电路，其特征在于，所述校准方法包含以下过程：

第一步，利用待测的温度传感器获得当前实际温度；

sigma delta ADC在BS＝0时采样ΔV_BE，在BS＝1时采样-V_IN；sigma delta ADC的输出信号滤波后得到D_outll；

求得ΔV_BE的

α为采样时的放大倍数，是由sigma delta ADC实现的已知数值；

求得当前实际温度为

k为波尔兹曼常数，q为电子电荷，m为芯片内晶体管Q1和Q2的电流密度比；

第二步，sigma delta ADC在BS＝0时采样ΔV_BE，并且在BS＝1时采样-V_BE；在sigmadelta ADC的输出信号滤波后得到D_out12；

求得V_BE的其中，代入第一步求得的ΔV_BE的实际值；将求得的V_BE的实际值与V_BE的理想值进行比较，得到需修正的误差。

6.一种高精度温度传感器校准方法，使用权利要求1或3的高精度温度传感器校准电路，其特征在于，所述校准方法包含以下过程：

第一步，sigma delta ADC在BS＝0时采样V_IN，在BS＝1时采样-V_BE；在sigma delta ADC的输出信号滤波后得到D_out21；

求取V_BE的

α为采样时的放大倍数，是由sigma delta ADC实现的已知数值；

第二步，sigma delta ADC在BS＝0时采样ΔV_BE，在BS＝1时采样-V_BE；在sigma deltaADC的输出信号滤波后得到D_out22；

求得ΔV_BE的

求得当前实际温度

k为波尔兹曼常数，q为电子电荷，m为芯片内晶体管Q1和Q2的电流密度比；

查询当前实际温度对应的V_BE的理想值，与第一步求得的V_BE的实际值进行比较，得到需修正的误差。

7.一种高精度温度传感器校准方法，使用权利要求1或4的高精度温度传感器校准电路，其特征在于，所述校准方法包含以下过程：

第一步，利用待测的温度传感器获得当前实际温度；

sigma delta ADC在BS＝0时采样ΔV_BE，在BS＝1时采样-V_IN；在sigma delta ADC的输出信号滤波后得到D_out31；

求取ΔV_BE的

α为采样时的放大倍数，是由sigma delta ADC实现的已知数值；

求得当前实际温度为

k为波尔兹曼常数，q为电子电荷，m为芯片内晶体管Q1和Q2的电流密度比；

第二步，使sigma delta ADC在BS＝0时采样V_IN，并且在BS＝1时采样-V_BE；在sigmadelta ADC的输出信号滤波后得到D_out32；

求得V_BE的

查询第一步的当前实际温度对应的V_BE的理想值，与第二步求得的V_BE的实际值进行比较，得到需修正的误差。