CN111751693A - 一种检测双极型晶体管电流放大倍数的方法和电路 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种检测双极型晶体管电流放大倍数的电路，包括：电压提取单元，配置为提取第一双极型晶体管的基极和集电极电压；比较单元，与所述电压提取单元耦合，配置为对所述第一双极型晶体管的基极和集电极电压进行比较，并输出比较结果。本申请还涉及一种电子设备，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方法和电路

技术领域

本申请涉及一种检测电路，特别地涉及一种检测双极型晶体管电流放大倍数的方法和电路。

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。半导体制造过程中所采用的不同工艺会使得双极型晶体管的β产生差异，此外，一个双极型晶体管的β会随温度发生变化。这使得利用双极型晶体管搭建的电路的性能会随着工艺和温度的变化而变化。如果能对双极型晶体管β值的变化进行检测，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，从而提高电路的鲁棒性。

因此，亟待产生一种对双极型晶体管的β值进行检测的方法和电路。

发明内容

针对以上技术中存在的问题，本申请提出了一种双极型晶体管电流放倍数的检测电路，包括电压提取单元，配置为提取第一双极型晶体管的基极和集电极电压；比较单元，与所述电压提取单元耦合，配置为对所述第一双极型晶体管的基极和集电极电压进行比较，并输出比较结果。

特别的，所述电压提取单元包括电流镜，配置为拷贝第一双极型晶体管基极和集电极电流。

特别的，所述电压提取单元包括与第一双极型晶体管耦合的匹配组件；其中所述匹配组件配置为通过两条电阻性支路将所述第一双极型晶体管的基极和集电极电压提取出来。

特别的，所述电压提取单元包括第一晶体管，其第一极耦合至电源，第二极耦合至所述第一双极型晶体管基极，控制极耦合至第二极；第二晶体管，其第一极耦合至电源，第二极耦合至所述第一双极型晶体管集电极，控制耦合至其第二极；第三晶体管，其第一极耦合至电源，第二极通过第一电阻接地，控制极耦合至所述第一晶体管控制极；第四晶体管，其第一极耦合至电源，第二极通过第二电阻接地，控制极耦合至所述第二晶体管控制极；其中所述第一电阻的阻值与所述第二电阻阻值之比等于第一双极型晶体管的理想放大倍数。

特别的，所述比较单元包括比较器，其正向端耦合至所述第四晶体管第二极，其反向端耦合至所述第三晶体管第二极，并配置为在所述比较器的输出端提供所述比较结果。

所述电压提取单元包括电流源，其耦合在电源以及第一节点之间；所述匹配组件包括第三电阻，耦合在所述第一双极型晶体管基极和所述第一节点之间；第四电阻，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；其中所述第三电阻的阻值与所述第四电阻阻值之比等于第一双极型晶体管的理想放大倍数。

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。

本申请还提供了一种电子设备，包括前述任一的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，其中所述其他功能电路根据所述检测电路输出的比较结果对施加给所述第二双极型晶体管的信号进行调整。

本申请还提供了一种检测双极型晶体管放大倍数的方法，包括根据待测双极型晶体管的理想放大倍数为其基极和集电极设置匹配电阻；获取所述待测双极型晶体管的基极和集电极电流并基于所述匹配电阻从而获得所述待测双极型晶体管的基极和集电极电压并进行比较；以及输出比较结果。

本申请还提供了一种电子设备的操作方法，包括根据第一双极型晶体管的理想放大倍数为其基极和集电极设置匹配电阻；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；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整；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。

附图说明

下面，将结合附图对本申请的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：

图1是根据本申请的一个实施例的双极型晶体管电流放大倍数检测电路的结构示意图；

图2是根据本申请的一个实施例一种双极型晶体管电流放大倍数检测电路结构示意图；

图3是根据本申请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4是根据本申请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

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

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。

图1所示为根据本申请一个实施例的检测双极型晶体管电流放大倍数电路。

如图1所示，该检测电路包括：电压提取单元110，配置为提取双极型晶体管100的基极和集电极电压；以及比较单元111，与所述电压提取单元110耦合，配置为对所述双极型晶体管100的基极和集电极电压进行比较，并输出比较结果。

根据一个实施例，电压提取单元110可以包括电流镜和匹配组件。如图1所示，电流镜可以包括晶体管101-102和晶体管103-104，其中，晶体管101支路上的双极晶体管基极电流被拷贝到晶体管103支路上，晶体管102支路上双极晶体管集电极电流被拷贝到晶体管104支路上。本领域技术人员知晓的，在本申请公开内容的基础上采用其他结构的电流镜构成的检测电路仍然落入本申请保护范围之内。

根据一个实施例，电压提取单元110还可以包括匹配组件其可以包括电阻105和106。其中，电阻105与106的阻值比为双极型晶体管100的理想放大值β。

根据一个实施例，比较单元111可以包括比较器107，其正向端耦合至所述第四晶体管104第二极，其反向端耦合至所述第三晶体管103第二极，并配置为在所述比较器的输出端提供所述比较结果。

以下以晶体管101-104均为PMOS为例进行介绍，本领域技术人员知晓的是，在不改变电路结构的前提下而变换晶体管类型的方案仍属于本申请保护范围。

此时，由于电阻105与106的阻值比为β，当晶体管100的放大倍数为β，图1中点K和点L处电压值相同。但由于温度、工艺波动等原因会导致放大倍数产生偏差，即当前放大倍数β₁≠理论放大倍数β。

当实际放大倍数小于理论放大倍数，即β₁＜β。此时，点K和点L之间的电压：V_k大于V_L。比较器107输出低电平。反之，如果实际放大倍数大于理论放大倍数，即β₁＞β。此时，点K和点L之间的电压：V_K小于V_L。比较器107输出高电平。

上述方法中对双极晶体管实际放大倍数β₁测量的精度依赖电流镜101～102和103～104的匹配精度以及电阻105～106的匹配精度。电流镜101～102和103～104的精度受到MOS管失配(Mismatch)以及沟道长度调制等因素的影响，在普通的集成电路工艺中电流镜的精度是远小于电阻的匹配精度的，这就导致此检测电路的精度主要取决于电流镜的精度。

针对上述问题，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2是根据本申请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，该检测电路可以用来检测待测双极型晶体管11,该检测电路可以包括与待测双极型晶体管11耦合的电压提取单元1和比较单元2。具体而言，电压提取单元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2所示，待测晶体管11发射极可以耦合至地电平，其基极和集电极可以分别耦合到电压提取单元1以及比较单元2。

根据一个实施例，如图2所示，电压提取单元1可以包括匹配组件，该匹配组件可以包括一端通过节点B耦合到晶体管11基极的电阻12和一端通过节点C耦合到晶体管11集电极的电阻13。根据一个实施例，电压提取单元1还可以包括电流源14，其耦合在电阻12和电阻13的另一端即节点A与电源VDD之间，用于向待测晶体管11提供电流。如本领域技术人员所知晓的，电压提取单元1还可以包括其他结构，但是只要电压提取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，电阻12和电阻13是电阻类型相同的固定阻值的电阻，电阻12的阻值可以是电阻13的β倍。

根据一个实施例，如图2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的输出端输出1位比较结果D₀。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。

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的理论放大倍数为β，所以流经电阻12的电流I₂与流经电阻13的电流I₁的比值，即I₂/I₁＝1/β。电流I₂＝1/(1+β)*I_c1，电流I₁＝β/(1+β)*I_c1。进而得到施加到电阻12的电压：

V₂＝I₂*R₂＝1/(1+β)*I_c1*R₂，

其中R₂为电阻12的阻值。

电阻13的电压：

V₁＝I₁*R₁＝β/(1+β)*I_C1*R₁。

其中R₁为电阻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*R₂

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/I₂＝R₂/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，即当前放大倍数β₁≠理论放大倍数β。

当实际放大倍数小于理论放大倍数，即β₁＜β。此时，I₁/I₂＝β₁＜β。而R₂/R₁＝β，此时V_B小于V_C。比较器15输出低电平。反之，如果实际放大倍数大于理论放大倍数，即β₁＞β。此时，I₁/I₂＝β₁＞β。而R₂/R₁＝β，此时V_B大于V_C。比较器15输出高电平。

经过上述方式，比较点B与点C的对地电压，就可以得到一个1位的比较结果D₀。这一比较结果D₀能有效反应当前电路中晶体管11的失配随工艺波动的情况，可以将其应用在后续电路调整中，从而对后续电路中施加到相同的双极型晶体管上的电信号进行相应的调整，以克服放大倍数产生变化而带来的不良影响

本申请所涉及双极型晶体管电流放大倍数(β)的检测电路，是通过电压提取单元将β随工艺波动情况检测出来。本申请将现有技术中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，这种结构提升了对双极型晶体管放大倍数检测的精度。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。而且本申请中的检测电路的电压提取单元结构简单可以包括例如两个电阻，而不需要额外的电路，相较传统解决方案节省了占用面积。

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基极/集电极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整，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的双极型晶体管放大倍数的检测电路，该电子设备还可以包括其他功能电路，这些其他功能电路中可以包括与所述第一双极型晶体管属性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检测电路的输出对向所述第二双极型晶体管所施加的信号进行调整。

如图3所示，本申请还涉及一种检测双极型晶体管放大倍数的方法。

步骤301：根据待测双极型晶体管的理想放大倍数为其基极和集电极设置匹配电阻。

步骤302：获取所述待测双极型晶体管的基极和集电极电流，并基于所述匹配电阻获得所述待测双极型晶体管的基极和集电极电压并进行比较。

步骤303：输出比较结果。

如图4所示，本申请还公开了一种电子设备的操作方法，包括：

在步骤401，根据第一双极型晶体管的理想放大倍数为其基极和集电极设置匹配电阻；

在步骤402，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；

在步骤403，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整，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。

本申请所涉及晶体管放大倍数检测方法，是通过匹配电阻将β随工艺波动趋势检测出来。本申请将现有技术中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，提升了电路检测精度。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。而且本申请中的检测电路仅需匹配两个电阻，不需要额外电路，相较传统解决方案节省了占用面积。所检测的晶体管原本即存在于电路中，整个检测过程仅需提取其基极和集电极电压，没有增加额外功耗。

上述实施例仅供说明本申请之用，而并非是对本申请的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本申请范围的情况下，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申请公开的范畴。

Claims (10)

1.一种双极型晶体管电流放大倍数的检测电路，包括：

电压提取单元，配置为提取第一双极型晶体管的基极和集电极电压；

比较单元，与所述电压提取单元耦合，配置为对所述第一双极型晶体管的基极和集电极电压进行比较，并输出比较结果。

2.如权利要求1所述的电路，其中所述电压提取单元包括：

电流镜，配置为拷贝第一双极型晶体管基极和集电极电流。

3.如权利要求1所述的电路，其中所述电压提取单元包括与第一双极型晶体管耦合的匹配组件；其中

所述匹配组件配置为通过两条电阻性支路将所述第一双极型晶体管的基极和集电极电压提取出来。

4.如权利要求2或3所述的电路，其中，所述电压提取单元包括：

第一晶体管，其第一极耦合至电源，第二极耦合至所述第一双极型晶体管基极，控制极耦合至第二极；

第二晶体管，其第一极耦合至电源，第二极耦合至所述第一双极型晶体管集电极，控制耦合至其第二极；

第三晶体管，其第一极耦合至电源，第二极通过第一电阻接地，控制极耦合至所述第一晶体管控制极；

第四晶体管，其第一极耦合至电源，第二极通过第二电阻接地，控制极耦合至所述第二晶体管控制极；

其中所述第一电阻的阻值与所述第二电阻阻值之比等于第一双极型晶体管的理想放大倍数。

5.如权利要求4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四晶体管第二极，其反向端耦合至所述第三晶体管第二极，并配置为在所述比较器的输出端提供所述比较结果。

6.如权利要求3所述的电路，其中，所述电压提取单元包括：

电流源，其耦合在电源以及第一节点之间；

其中所述匹配组件包括：

第三电阻，耦合在所述第一双极型晶体管基极和所述第一节点之间；

第四电阻，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；

其中所述第三电阻的阻值与所述第四电阻阻值之比等于第一双极型晶体管的理想放大倍数。

7.根据权利要求6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。

8.一种电子设备，包括权利要求1-7中任一的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，其中所述其他功能电路根据所述检测电路输出的比较结果对施加给所述第二双极型晶体管的信号进行调整。

9.一种检测双极型晶体管放大倍数的方法，包括：

根据待测双极型晶体管的理想放大倍数为其基极和集电极设置匹配电阻；

获取所述待测双极型晶体管的基极和集电极电流，并基于所述匹配电阻获得所述待测双极型晶体管的基极和集电极电压并进行比较；以及

输出比较结果。

10.一种电子设备的操作方法，包括：

根据第一双极型晶体管的理想放大倍数为其基极和集电极设置匹配电阻；

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；

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整，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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