CN111308304B - 一种检测双极型晶体管电流放大倍数的电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种检测双极型晶体管电流放大倍数电路，包括：与待测第一双极型晶体管耦合的匹配单元、比较单元以及SAR单元；所述匹配单元配置为通过两条电阻性支路向所述第一双极型晶体管的基极和集电极提供电流；所述比较单元配置为比较所述第一双极型晶体管的基极和集电极电压并输出比较结果；所述SAR单元，配置为根据所述比较单元输出结果生成相应调节信号调节所述匹配单元中一条电阻性支路的阻值，通过逐次逼近的方式使所述第一双极型晶体管基极和集电极电压趋同。本申请还提供了一种电子设备，一种检测双极型晶体管放大倍数的方法以及一种电子设备的操作方法。

Description

一种检测双极型晶体管电流放大倍数的电路和方法

技术领域

本发明涉及一种检测电路，特别地涉及一种检测双极型晶体管电流放大倍数电路。

背景技术

集电极/基极电流放大倍数(β)是双极性晶体管的一个重要参数，它表示晶体管集电极与基极流过的电流的比值，这个参数会影响电路的很多性能。由于半导体制造过程中所采用的不同工艺会使得β会存在偏差，同时β也会随温度变化，这使得电路的性能也会随着工艺和温度有着很大的变化。如果能对β的变化进行检测，再根据β的变化情况来优化相关电路的性能，就会降低由于不同工艺以及温度的变化引入的不确定性，提高了电路的鲁棒性。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本申请提供了一种检测双极型晶体管电流放大倍数的电路，包括与待测第一双极型晶体管耦合的匹配单元、比较单元以及控制单元；所述匹配单元配置为通过两条电阻性支路向所述第一双极型晶体管的基极和集电极提供电流；所述比较单元配置为比较所述第一双极型晶体管的基极和集电极电压并输出比较结果；所述控制单元，配置为根据所述比较单元输出结果生成相应调节信号调节所述匹配单元中一条电阻性支路的阻值，通过一次或多次调节使所述第一双极型晶体管基极和集电极电压趋同。

特别的，所述匹配单元包括电流源，其耦合在电源以及第一节点之间；可变电阻，配置为根据接收到的调节信号改变其自身阻值，所述可变电阻耦合在所述第一双极型晶体管基极和所述第一节点之间；以及固定电阻，耦合在所述第一双极型晶体管集电极和所述第一节点之间。

特别的，所述比较单元包括比较器，其正向端耦合至所述第一双极型晶体管基极，其反向端耦合至所述第一双极型晶体管集电极，并配置为在所述比较器的输出端提供所述比较结果。

特别的，所述控制单元为SAR单元，其包括：N位寄存器和译码器，其中N为大于等于1的整数；其中，所述比较单元配置为在一个调节周期内对所述第一双极型晶体管的基极和集电极电压进行N次比较；所述SAR单元配置为根据所述N次比较的结果存储至所述寄存器中相应的位；所述译码器根据所述N次比较结果输出调节所述可变电阻阻值的调节信号；其中，对所述可变电阻阻值进行调节的方向与相应的比较结果相关，对所述可变电阻阻值调节的幅度与本次比较在该调节周期内的序号相关。

特别的，对所述可变电阻阻值调节的幅度是前一次调节幅度的一半。

本申请还提供了一种电子设备，包括前述任一的电路和与其他功能电路模块，其中所述其他功能电路模块包括与所述第一双极型晶体管相同的第二双极型晶体管，其中所述其他功能电路根据所述SAR单元在一个调节周期后输出的所述寄存器中存储的N位数据对施加到所述第二双极型晶体管的信号进行调节。

本申请还提供了一种检测双极型晶体管放大倍数的方法，包括在待测双极型晶体管的基极和集电极分别设置一可变电阻和一固定电阻；将一电流源分别通过所述可变电阻和所述固定电阻耦合至所述待测双极型晶体管的基极和集电极，获取所述待测双极型晶体管的基极和集电极电压并进行比较，并输出比较结果至SAR单元；以及所述SAR单元根据所述比较结果通过逐次渐进的方式调节所述可变电阻阻值使所述双极型晶体管基极和集电极电压趋同。

本申请还提供了一种电子设备的操作方法，包括在第一双极型晶体管的基极和集电极分别设置一可变电阻和一固定电阻；将一电流源分别通过所述可变电阻和所述固定电阻耦合至所述第一晶体管基极和集电极，获取所述第一双极型晶体管的基极和集电极电压并进行比较，并输出比较结果至SAR单元；所述SAR单元根据所述比较结果通过逐次渐进的方式调节所述可变电阻阻值使所述第一双极型晶体管基极和集电极电压趋同；以及根据所述比较结果对施加给第三双极型晶体管的信号进行调节，其中所述第三双极型晶体管与第一双极型晶体管属性相同。

本申请所涉及检测双极型晶体管电流放大倍数(β)的电路，通过利用控制单元例如SAR单元逐级的调整待测双极型晶体管基极和集电极的电阻比值，使其更加趋近于双极型晶体管实际的电流放大倍数的值。将该电阻比值对应的控制信号应用于整个集成电路中，利用逐次逼近的过程，可以更有针对性和准确的平衡掉因为双极型晶体管放大倍数变化给应用环境带来的影响。本发明所涉及检测电路可以随时检测，电路相对简单，功耗低，不会对整体系统产生影响。

附图说明

下面，将结合附图对本发明的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：

图1是根据本发明的一个实施例一种检测双极型晶体管电流放大倍数电路结构示意图；

图2是根据本发明的一个实施例一种检测双极型晶体管放大倍数方法流程示意图；以及

图3是根据本发明的一个实施例一种电子设备的操作方法流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。

本申请提出一种检测双极型晶体管电流放大倍数(β)的电路。图1所示为根据本发明的一个实施例一种检测双极型晶体管电流放大倍数(β)电路结构示意图。根据一个实施例，该检测电路可以用于检测待测双极型晶体管11,检测电路可以包括与待测双极型晶体管11耦合的匹配单元1、比较单元2以及控制单元3例如SAR单元。具体而言，匹配单元1分别与待测双极型晶体管11的基极和集电极耦合，通过两条电阻性支路向待测双极型晶体管供电。比较单元2配置为接收并比较待测双极型晶体管11的基极和集电极电压，从而输出供外部功能电路可用的检测结果。

根据一个实施例，如图1所示，待测晶体管11发射极可以耦合至地电平，其基极和集电极中的每一个都分别耦合到匹配单元1以及比较单元2。

根据一个实施例，如图1所示，匹配单元1可以包括一端通过节点B耦合到晶体管11基极的可变电阻12和一端通过节点C耦合到晶体管11集电极的固定电阻13。根据一个实施例，匹配单元1还可以包括电流源14，其耦合在电阻12和电阻13的另一端节点A与电源VDD之间，用于向待测晶体管11提供电流。根据一个实施例，可变电阻12可以是一个电阻阵列的等效电阻，电阻阵列的阻值可基于控制单元3输出的调节信号确定。在初始状态，可变电阻12与固定电阻13的比值为待测双极型晶体管11的理想放大倍数β。如本领域技术人员所知晓的，匹配单元1还可以包括其他结构，但是只要匹配单元利用电阻性支路进行匹配的方案就都属于本申请保护的范围。

根据一个实施例，如图1所示，比较单元2可以包括比较器15，比较器15的正向端可以耦合至节点B，其反向端可以耦合至节点C，比较器15的输出端耦合至SAR单元16的输入端。比较器15输出1位比较结果D₀。其中，当比较器15正向端电压高于反向端电压时，比较器15输出高电平，反之比较器15输出低电平。如本领域技术人员所知晓的，比较单元2还可以包括其他结构，但是只要比较单元2能够实现对待测双极型晶体管的基极和集电极输出进行比较的目的，就属于本申请所包括的范围。

根据一个实施例，控制单元3可以是SAR单元，即逐次逼近式(SAR，successiveapproximation register)逻辑控制单元，其是根据逐次逼近算法基于比较单元2的输出D₀逐次对匹配单元1中的可变电阻12的阻值进行调节，最终使得可变电阻12与固定电阻13之比接近待测双极型晶体管11实际的放大倍数。

根据一个实施例，SAR单元3可以包含了彼此耦合的寄存器31和译码器32等组件。根据一个实施例，寄存器31的位数N决定了SAR单元3的精度，也就是说SAR单元3的每个调节周期中对可变电阻12的阻值会进行N次的调节，其中N为大于等于1的整数。SAR单元3会基于从比较单元2接收到的D₀对寄存器31中相应的位的值进行设定，从而获得相应的二进制码D₁，并且基于D₁利用译码器32产生用于对可变电阻12进行控制以实现相应阻值的控制信号D₂。

根据一个实施例，可变电阻12的初始设定值可以是其最大值R_max的1/2，并且根据一个实施例，这个初始值也可以是固定电阻13的β倍。根据一个实施例，可变电阻12的最大值R_max可以根据用户的需要进行选取。根据其他的实施例，可变电阻12的初始设定值可以设定在其他位置，同样可以利用逐次逼近算法进行计算。

根据一个实施例，SAR单元3在对可变电阻12的调节周期中每一次调节的幅度可以是2^-M-1R_max逐级递减，其中N为大于等于1的整数，M为1至N中任一值。例如第一次调节的幅度可以是2^-2R_max，第二次调节的幅度可以是2^-3R_max......最后一次的幅度是2^-N-1R_max。当然，根据其他的实施例，调节幅度的变化可以是以其他的颗粒度的方式逐级递减的。根据一个实施例，每次调节的方向，即是使可变电阻12的阻值增大还是减小是基于D₀的值决定的。

下面结合图2对电路原理进行阐述。电流源14提供稳定电流I_C1。双极型晶体管11的放大倍数为β，所以流经可变电阻12的电流I_var与流经固定电阻13的电流I₁的比值，即I_var/I₁＝1/β。电流I_var＝1/(1+β)*I_C1，电流I₁＝β/(1+β)*I_C1。进而得到施加到可变电阻12的电压：

V_var＝I_var*R_var＝1/(1+β)*I_C1*R_var，

其中R_var为可变电阻12的阻值。

固定电阻13的电压：

V₁＝I₁*R₁＝β/(1+β)*I_C1*R₁。

其中R₁为固定电阻13的阻值。

节点A、B、C的对地电压分别为V_A、V_B、V_C。有了上述数据，可以得出点B和点C的对地电压：

V_B＝V_A-1/(1+β)*I_C1*R_var

V_C＝V_A-β/(1+β)*I_C1*R₁

理论上，当放大倍数β不存在偏差时，V_B＝V_C。此时电路中，I₁/I_var＝R_var/R₁＝β。但由于温度、工艺波动等原因会导致放大倍数产生偏差。为了获取双极型晶体管实际的放大倍数，需要对可变电阻12的阻值进行逐级调节，使得节点B和C的电压尽量趋同，也就是使可变电阻12和固定电阻13的比值尽量与双极型晶体管11的实际放大倍数相匹配。

具体来说，当可变电阻12处于初始阻值时(例如R_max的1/2)，如果V_B大于V_C，比较器15输出D₀为高电平，SAR单元3的寄存器31的最高位可以被设为例如“1”，意味着要增大可变电阻12的阻值，例如可以将R_var调节到3/4R_max，随后开始次高位的量化。反之，如果如果V_B小于V_C，比较器15输出D₀为低，SAR单元3的寄存器31的最高位可以被设为例如“0”，意味着要降低可变电阻12的阻值，例如可以将R_var调节到1/4R_max，随后开始次高位的量化。这样的一个工作过程一直重复下去，直到完成寄存器31最低位的量化。

根据一个实施例，假设寄存器31的位数N＝3，因此第一次调节所对应的幅度可以是2^-1-1R_max，由于寄存器31对应的最高位的值为“1”，代表着译码器32输出相应的控制信号D₂将可变电阻12的阻值上调。那么经SAR单元3首次调节后的可变电阻12的值变为R_var＝3/4R_max。

随后比较单元2再次比较V_B和V_C之间的电压值，开始次高位的量化。假设该次比较结果D₀为0，也就是说经过对可变电阻12的第一次调节后，V_B小于V_C。那么SAR单元3中寄存器31的次高位被设置为“0”，因此译码器32给出的调节方向应该是减小可变电阻12的值。至于减小的幅度，由于是调节周期中的第二次调节，幅度应为2^-2-1R_max。因此，经过这样的第二次调节后的可变电阻12的阻值R_var为5/8R_max。

以此类推，直到SAR单元3完成N次对可变电阻12的调节。

整个逐次逼近的过程就是SAR单元3通过调节R_var的值使其与R₁的比值逐渐逼近双极型晶体管11的实际放大倍数的过程。根据一个实施例，逐次逼近的过程通常采用二进制搜索算法。

以上实施例是将可变电阻设置与待测双极型晶体管基极耦合，固定电阻与待测双极型晶体管集电极耦合。本领域技术人员可知晓的，也可将可变电阻设置在与待测晶体管集电极耦合的支路上，将固定电阻设置在与待测晶体管基极耦合的支路上。根据该情况对电路的其他部分所需做出的调节也是不需要付出创造性劳动就可以得到的。

本申请所涉及检测双极型晶体管电流放大倍数(β)的电路，是将基础的β检测与SAR单元结合，可以得到高精度的电流放大倍数。将该结果应用于整个集成电路中，利用逐次逼近的过程，可以整体提高电路中检测的双极型晶体管实际放大倍数的精度。本发明所涉及检测电路可以随时检测，电路相对简单，功耗低，不会对整体系统产生影响。

上述实施例只是利用SAR单元来提供控制信号的一个示例。如本领域技术人员所知晓的，利用其它计算单元来实现控制信号从而对匹配单元中的可变电阻值进行调节的方案仍然落入本申请保护范围内。

为了说明对本申请的双极型晶体管检测电路的应用，本申请列举了以下的示例来进行说明。但是，如本领域技术人员所知晓的，在获取了双极型晶体管的放大倍数的实际变化情况以后，可以基于该检测结果对任何包含有相同类型的双极型晶体管的电路的设置进行调节，从而避免因双极型晶体管放大倍数的变化而引起的不良状况。

本申请还公开了一种电子设备，这种电子设备可以包括上述检测电路和与其他功能电路模块，其中所述其他功能电路模块包括与所述第一双极型晶体管相同的第二双极型晶体管，第二双极型晶体管配置为放大某支路电流。其中所述其他功能电路根据所述SAR单元在一个调节周期后输出的所述寄存器中存储的N位数据对施加到所述第二双极型晶体管的信号进行调节。

如图2所示，本发明还包括一种检测双极型晶体管放大倍数的方法。

步骤201：在待测双极型晶体管的基极和集电极分别设置一可变电阻和一固定电阻；

步骤202：将一电流源分别通过所述可变电阻和所述固定电阻耦合至所述待测双极型晶体管的基极和集电极，获取所述待测双极型晶体管的基极和集电极电压并进行比较，并输出比较结果至SAR单元；

步骤203：所述SAR单元根据所述比较结果通过逐次渐进的方式调节所述可变电阻阻值使所述双极型晶体管基极和集电极电压趋同。

如图3所示，本发明还包括一种电子设备的操作方法。

步骤301：在第一双极型晶体管的基极和集电极分别设置一可变电阻和一固定电阻；

步骤302：将一电流源分别通过所述可变电阻和所述固定电阻耦合至所述第一晶体管基极和集电极，获取所述第一双极型晶体管的基极和集电极电压并进行比较，并输出比较结果至SAR单元；

步骤303：所述SAR单元根据所述比较结果通过逐次渐进的方式调节所述可变电阻阻值使所述第一双极型晶体管基极和集电极电压趋同；

步骤304：根据所述比较结果对施加给第三双极型晶体管的信号进行调节，其中所述第三双极型晶体管与第一双极型晶体管属性相同。

本申请所涉及一种双极型晶体管放大倍数检测方法和点设备的操作方法，是将β检测与SAR单元结合，可以得到高精度的数字调节结果。将该结果应用于整个集成电路中，可以整体提高电路中晶体管放大倍数精度。而且，本申请将晶体管的匹配转化为电阻的匹配，一般来说，在半导体工艺中，电阻的匹配精度要远高于晶体管，进一步提升了电路检测精度。而且，本发明所涉及检测电路可以随时检测，电路相对简单，功耗低，不会对整体系统产生影响。

上述实施例仅供说明本发明之用，而并非是对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本发明公开的范畴。

Claims (9)

1.一种检测双极型晶体管电流放大倍数的电路，包括：

与待测第一双极型晶体管耦合的匹配单元、比较单元以及控制单元；

所述匹配单元包括两条电阻性支路，所述两条电阻性支路各自的第一端相互耦合，所述两条电阻性支路各自的第二端分别与所述第一双极型晶体管的基极和集电极耦合，配置为通过所述两条电阻性支路向所述第一双极型晶体管的基极和集电极提供电流；

所述比较单元配置为比较所述第一双极型晶体管的基极和集电极电压并输出比较结果；

所述控制单元，配置为根据所述比较单元输出结果生成相应调节信号调节所述匹配单元中一条电阻性支路的阻值，通过一次或多次调节使所述第一双极型晶体管基极和集电极电压趋同。

2.如权利要求1所述的电路，其中，所述匹配单元包括：

电流源，其耦合在电源以及第一节点之间；

可变电阻，配置为根据接收到的调节信号改变其自身阻值，所述可变电阻耦合在所述第一双极型晶体管基极和所述第一节点之间；以及

固定电阻，耦合在所述第一双极型晶体管集电极和所述第一节点之间。

3.根据权利要求2所述的电路，其中所述比较单元包括比较器，其正向端耦合至所述第一双极型晶体管基极，其反向端耦合至所述第一双极型晶体管集电极，并配置为在所述比较器的输出端提供所述比较结果。

4.根据权利要求2至3中任一所述的电路，其中所述控制单元为SAR单元，其包括：N位寄存器和译码器，其中N为大于等于1的整数；

其中，所述比较单元配置为在一个调节周期内对所述第一双极型晶体管的基极和集电极电压进行N次比较；

所述SAR单元配置为根据所述N次比较的结果存储至所述寄存器中相应的位；

所述译码器根据所述N次比较结果输出调节所述可变电阻阻值的调节信号；

其中，对所述可变电阻阻值进行调节的方向与相应的比较结果相关，对所述可变电阻阻值调节的幅度与本次比较在该调节周期内的序号相关。

5.如权利要求4所述的电路，其中对所述可变电阻阻值调节的幅度是前一次调节幅度的一半。

6.一种电子设备，包括权利要求1-5中任一的检测双极型晶体管电流放大倍数的电路。

7.一种电子设备，包括权利要求4或5中任一的检测双极型晶体管电流放大倍数的电路和其他功能电路模块，其中所述其他功能电路模块包括与所述第一双极型晶体管相同的第二双极型晶体管，其中所述其他功能电路根据所述SAR单元在一个调节周期后输出的所述寄存器中存储的N位数据对施加到包含所述第二双极型晶体管的所述其他功能电路模块的设置进行调节。

8.一种检测双极型晶体管放大倍数的方法，包括：

在待测双极型晶体管的基极和集电极分别设置一可变电阻和一固定电阻；

将一电流源分别通过所述可变电阻和所述固定电阻耦合至所述待测双极型晶体管的基极和集电极，获取所述待测双极型晶体管的基极和集电极电压并进行比较，并输出比较结果至SAR单元；以及

所述SAR单元根据所述比较结果通过逐次渐进的方式调节所述可变电阻阻值使所述双极型晶体管基极和集电极电压趋同。

9.一种电子设备的操作方法，包括：

在第一双极型晶体管的基极和集电极分别设置一可变电阻和一固定电阻；

将一电流源分别通过所述可变电阻和所述固定电阻耦合至所述第一双极型晶体管基极和集电极，获取所述第一双极型晶体管的基极和集电极电压并进行比较，并输出比较结果至SAR单元；

所述SAR单元根据所述比较结果通过逐次渐进的方式调节所述可变电阻阻值使所述第一双极型晶体管基极和集电极电压趋同；以及

根据所述SAR单元在一个调节周期后输出的调节所述可变电阻阻值的控制信号对施加给包含第三双极型晶体管的其他功能电路模块的设置进行调节，其中所述第三双极型晶体管与第一双极型晶体管属性相同。

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