CN113466652A - 一种三极管参数的片上检测方法和系统 - Google Patents

一种三极管参数的片上检测方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三极管参数的片上检测方法和系统，所述三极管参数的片上检测方法，包括如下步骤：步骤S1：设置带隙电流源Ic1的输出端产生带隙输出电流I；步骤S2：设置三极管Q1的集电极通过第一电阻支路连接带隙电流源Ic1的输出端；三极管Q1的基极通过第二电阻支路带隙电流源Ic1的输出端；三极管Q1的发射极接地；步骤S3：设置电压检测装置，检测带隙电流源Ic1的输出端电压，产生所述三极管电流放大倍数的检测值。本发明能够获得较为详细的电流放大倍数信息，并且电路实施简单，实现代价低。

Description

一种三极管参数的片上检测方法和系统
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种三极管参数的片上检测方法和系统。
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β会存在很大的偏差，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。如果能把β检测出来，再通过电路的手段根据β信息来优化电路的性能，这样就会使得整体电路对于工艺以及温度的变化不敏感，提高电路的鲁棒性；另外，根据β的值作为量产筛选相关性能的一种方法，以此提高量产效率，节省成本也是检测电路的重要应用场景。
最常用的检测β值的方法是直接将基极和集电极的电流分别用电流镜拷贝出来再进行比较，但这种方法的精度受到MOS管匹配精度的限制，尤其是β的值比较大(β的值在一些应用里面会达到几千甚至更高)的时候，常规电路检测得到β值精度难以保证。同时，在一般的应用中，为了保证检测到的β值达到相应的精度，会增加一些额外的电路，这些额外的电路不仅消耗较大的功耗也会增加芯片的面积。
现有技术中，本发明人的在先申请公开了一种常规的β值检测方法，如图1所示，其中IC1是一个电流源，Q1是一个双极型晶体管，设R2/R1等于一个常数k，当Q1的集电极电流Ic与基极的电流Ib的比值大于k时，B点的电压高于C点的电压，比较器输出为高电平；当Q1的集电极电流IC与基极的电流Ib的比值小于k时，B点的电压低于C点的电压，比较器的输出为低电平。这种方案很好地解决了以上问题，但是只能输出一位的β检测值，在一些需要精细调控的电路系统中需要精度非常高的数字化输出的β值，这就需要一种新型的结构解决这个问题。
相应的，本发明人的另一在先申请还公开了一种高精度的β值检测方法，如图2所示，Rvar是一个电阻阵列可由数字信号控制其大小，Rmax是Rvar的最大值，R1是一个与Rvar电阻阵列中电阻类型相同的固定阻值的电阻，D0是比较器的输出，SAR控制逻辑包含寄存器和译码器等单元。其基本思路是比较器的输出D0给到SAR控制逻辑电路，SAR控制逻辑电路输出的数字信号控制Rvar的值，Rvar的值的变化又会影响到比较器的输出。
A、B、C三点的电压分别VA、VB、VC表示：
Figure BDA0003160670260000021
Figure BDA0003160670260000022
当Rvar/R1大于β值时，VB小于VC，比较器输出低电平，反之比较器输出高电平。初始状态时SAR控制逻辑控制Rvar的值为最高位量化所需的电阻值Rmax/2，比较器比较VB和VC两点的电压，如果比较结果为高，那么SAR控制逻辑控制Rvar的值为最高位量化所需的电阻值3Rmax/4，并将最高位量化结果“1”输出，此时Rvar＝3Rmax/4，随后开始次高位的量化；反之，如果比较结果为低，那么SAR控制逻辑控制Rvar的值为最高位量化所需的电阻值Rmax/4，并将最高位量化结果“0”输出，此时Rvar＝Rmax/4，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，直到完成最低位的量化。整个逐次逼近的过程就是SAR控制逻辑电路通过调节Rvar的使其逐渐逼近βR1的过程，逐次逼近的过程通常采用二进制搜索算法。
这种方案可以检测出较高精度的β值，但是总体的实现方案比较复杂，实现的代价很高。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明，以便提供一种三极管参数的片上检测方法和系统，其检测精度不受温度和工艺的影响，在获得了较为详细的电流放大倍数β信息的同时电路实施简单，实现代价低，
在本发明的一个实施例中，提供了一种三极管参数的片上检测方法，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：设置带隙电流源Ic1的输出端产生带隙输出电流I；
步骤S2：设置三极管Q1的集电极通过第一电阻支路连接带隙电流源Ic1的输出端；三极管Q1的基极通过第二电阻支路连接带隙电流源Ic1的输出端；三极管Q1的发射极接地；
步骤S3：设置电压检测装置，检测带隙电流源Ic1的输出端电压，产生所述三极管电流放大倍数的检测值。
进一步的，所述电压检测装置包括电压表。
进一步的，所述第一电阻支路包括第一电阻R1，所述第二电阻支路包括第二电阻R2。
进一步的，所述带隙电流源Ic1包括：运算放大器U1、第一开关管Q2、第二开关管Q3、基准电阻Rref；
所述运算放大器U1的反相输入端连接参考电压Vref，所述运算放大器U1的输出端连接所述第一开关管Q2的控制端、所述第二开关管Q3的控制端；
所述运算放大器U1的电源端、所述第一开关管Q2的第一端、所述第二开关管Q3的第一端都连接所述电源VDD；
所述第一开关管Q2的第二端连接所述参考电阻Rref的第一端、所述运算放大器U1的同相输入端，所述参考电阻Rref的第二端接地；
所述第二开关管Q3的第二端产生带隙输出电流I。
进一步的，所述第一开关管Q2、所述第二开关管Q3为双极型晶体管或者场效应晶体管。
在本发明的另一个实施例中，提供了一种三极管参数的片上检测系统，所述系统包括带隙电流源Ic1、第一电阻支路、第二电阻支路、三极管Q1、电压检测装置；
所述带隙电流源Ic1的输出端分别连接第一电阻支路的第一端、第二电阻支路的第二端；
所述三极管Q1的集电极连接第一电阻支路的第二端，所述三极管Q1的基极连接第二电阻支路的第二端，所述三极管Q1的发射极接地；
所述电压检测装置连接带隙电流源Ic1的输出端，检测带隙电流源Ic1的输出端电压，产生所述三极管电流放大倍数的检测值。
进一步的，所述电压检测装置包括电压表。
进一步的，所述第一电阻支路包括第一电阻R1，所述第二电阻支路包括第二电阻R2。
进一步的，所述带隙电流源Ic1包括：运算放大器U1、第一开关管Q2、第二开关管Q3、基准电阻Rref；
所述运算放大器U1的反相输入端连接参考电压Vref，所述运算放大器U1的输出端连接所述第一开关管Q2的控制端、所述第二开关管Q3的控制端；
所述运算放大器U1的电源端、所述第一开关管Q2的第一端、所述第二开关管Q3的第一端都连接所述电源VDD；
所述第一开关管Q2的第二端连接所述参考电阻Rref的第一端、所述运算放大器U1的同相输入端，所述参考电阻Rref的第二端接地；
所述第二开关管Q3的第二端产生带隙输出电流I。
进一步的，所述第一开关管Q2、所述第二开关管Q3为双极型晶体管或者场效应晶体管。
本发明的有益技术效果是：
(1)本发明公开了一种三极管参数的片上检测方法和系统，其检测精度不受温度和工艺的影响，在获得了较为详细β信息的同时电路实施简单，实现代价低。
(2)本发明公开了一种精度高的带隙电流源，带隙输出电流不受温度和工艺的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中一种常规的β值检测方法的结构示意图；
图2为现有技术中一种高精度的β值检测方法的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种三极管参数的片上检测系统的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种带隙电流源的结构示意图。
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。
本发明提供了一种三极管参数的片上检测方法和系统，其检测精度不受温度和工艺的影响，在获得了较为详细β信息的同时电路实施简单，实现代价低。
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
图3为一种三极管参数的片上检测系统的结构示意图。如图3所示，该片上检测三极管电流放大倍数系统包括带隙电流源Ic1、第一电阻R1、第二电阻R2、三极管Q1、电压检测装置。
带隙电流源Ic1的输入端连接电源VDD，输出端产生带隙输出电流I；带隙电流源Ic1的输出端分别连接第一电阻R1的第一端、第二电阻R2的第二端；三极管Q1的集电极连接第一电阻R1的第二端，三极管Q1的基极连接第二电阻R2的第二端，三极管Q1的发射极接地。电压检测装置连接带隙电流源Ic1的输出端，检测带隙电流源Ic1的输出端电压VA，产生三极管电流放大倍数的检测值。
进一步的，第一电阻R1和第二电阻R2的类型相同。
进一步的，电压检测装置包括电压表。
在本发明中，电流源Ic1为带隙电流源，不受温度和工艺影响，变化范围较小。VB是待测晶体管Q1的基极电压，近似为三极管导通阈值电压，在一个固定的温度下，VB的电压几乎不随工艺而变化，可以认为其是恒定的。从图3可以得到：
Figure BDA0003160670260000061
其中，I为带隙电流源Ic1的带隙输出电流。
由于VB、I、R2不随温度和工艺的影响，为恒定值，因此VA的值可以单调地跟随β变化，即可以通过检测VA的电压值得到β信息。
另外，本发明还可以用于检测其他类型开关管的电流放大倍数，比如双极型晶体管(BJT)或者场效应晶体管(FET)。
本发明另一实施例提供了一种带隙电流源的结构示意图，如图4所示，本发明实施例提供的带隙电流源包括：运算放大器U1、第一开关管Q2、第二开关管Q3、基准电阻Rref。
具体的，运算放大器U1的反相输入端连接参考电压Vref，运算放大器U1的输出端连接第一开关管Q2的控制端、第二开关管Q3的控制端，运算放大器U1的电源端、第一开关管Q2的第一端、第二开关管Q3的第一端都连接电源VDD，第一开关管Q2的第二端连接参考电阻Rref的第一端、运算放大器U1的同相输入端，参考电阻Rref的第二端接地，第二开关管Q3的第二端产生带隙输出电流I。
在本发明中，带隙电流源中参考电压Vref，通过电压-电流转换电路转换成为带隙输出电流I，最后通过电流镜像关系进行电流输出。参考电压Vref通过运算放大器U1完成电流的转换，故流经第一开关管Q2的电流IQ2为：
IQ2＝Vref/Rref (6)
基准电流IQ2经过电流镜的镜像复制就可以产生带隙输出电流I。因此带隙输出电流I由参考电压Vref、参考电阻Rref决定，基本不受工艺、温度影响。
本发明中的开关管可以是任何结构的晶体管，比如双极型晶体管(BJT)或者场效应晶体管(FET)。当晶体管为双极型晶体管时，其控制端是指双极型晶体管的基极，第一端可以为双极型晶体管的集电极或发射极，对应的第二端可以为双极型晶体管的发射极或集电极，在实际应用过程中，发射极和集电极可以依据信号流向而互换；当晶体管为场效应晶体管时，其控制端是指场效应晶体管的栅极，第一端可以为场效应晶体管的漏极或源极，对应的第二端可以为场效应晶体管的源极或漏极，在实际应用过程中，源极和漏极可以依据信号流向而互换。
本发明另一实施例提供了一种三极管参数的片上检测方法，利用该三极管参数的片上检测系统实现片上检测。该方法包括如下步骤：
步骤S1：设置带隙电流源Ic1的输出端产生带隙输出电流I；
步骤S2：设置三极管Q1的集电极通过第一电阻R1连接带隙电流源Ic1的输出端；三极管Q1的基极通过第二电阻R2连接带隙电流源Ic1的输出端；三极管Q1的发射极接地；
步骤S3：设置电压检测装置，检测带隙电流源Ic1的输出端电压，产生所述三极管电流放大倍数的检测值。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种三极管参数的片上检测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：设置带隙电流源Ic1的输出端产生带隙输出电流I；
步骤S2：设置三极管Q1的集电极通过第一电阻支路连接带隙电流源Ic1的输出端；三极管Q1的基极通过第二电阻支路连接带隙电流源Ic1的输出端；三极管Q1的发射极接地；
步骤S3：设置电压检测装置，检测带隙电流源Ic1的输出端电压，产生所述三极管电流放大倍数的检测值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电压检测装置包括电压表。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一电阻支路包括第一电阻R1，所述第二电阻支路包括第二电阻R2。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述带隙电流源Ic1包括：运算放大器U1、第一开关管Q2、第二开关管Q3、基准电阻Rref；
所述运算放大器U1的反相输入端连接参考电压Vref，所述运算放大器U1的输出端连接所述第一开关管Q2的控制端、所述第二开关管Q3的控制端；
所述运算放大器U1的电源端、所述第一开关管Q2的第一端、所述第二开关管Q3的第一端都连接所述电源VDD；
所述第一开关管Q2的第二端连接所述参考电阻Rref的第一端、所述运算放大器U1的同相输入端，所述参考电阻Rref的第二端接地；
所述第二开关管Q3的第二端产生带隙输出电流I。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第一开关管Q2、所述第二开关管Q3为双极型晶体管或者场效应晶体管。
6.一种三极管参数的片上检测系统，其特征在于，所述系统包括带隙电流源Ic1、第一电阻支路、第二电阻支路、三极管Q1、电压检测装置；
所述带隙电流源Ic1的输出端分别连接第一电阻支路的第一端、第二电阻支路的第二端；
所述三极管Q1的集电极连接第一电阻支路的第二端，所述三极管Q1的基极连接第二电阻支路的第二端，所述三极管Q1的发射极接地；
所述电压检测装置连接带隙电流源Ic1的输出端，检测带隙电流源Ic1的输出端电压，产生所述三极管电流放大倍数的检测值。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述电压检测装置包括电压表。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一电阻支路包括第一电阻R1，所述第二电阻支路包括第二电阻R2。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述带隙电流源Ic1包括：运算放大器U1、第一开关管Q2、第二开关管Q3、基准电阻Rref；
所述运算放大器U1的反相输入端连接参考电压Vref，所述运算放大器U1的输出端连接所述第一开关管Q2的控制端、所述第二开关管Q3的控制端；
所述运算放大器U1的电源端、所述第一开关管Q2的第一端、所述第二开关管Q3的第一端都连接所述电源VDD；
所述第一开关管Q2的第二端连接所述参考电阻Rref的第一端、所述运算放大器U1的同相输入端，所述参考电阻Rref的第二端接地；
所述第二开关管Q3的第二端产生带隙输出电流I。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述第一开关管Q2、所述第二开关管Q3为双极型晶体管或者场效应晶体管。
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