CN117053934A - 一种消除bjt寄生电阻的温度测量装置及其方法 - Google Patents

一种消除bjt寄生电阻的温度测量装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种消除BJT寄生电阻的温度测量装置及其方法，包含第一电流源、第二电流源、第三电流源、双极型晶体管、运算器和模拟数字转换器，第一电流源的输出端、第二电流源的输出端和第三电流源的输出端分别与双极型晶体管的发射极连接，运算器的输入端与双极型晶体管的发射极连接并将三个电流源加载在双极型晶体管发射极，依次产生三个电压信号，赋与权重值后求和输出，运算器的输出端与模拟数字转换器连接。本发明抑制了BJT寄生电阻造成的输入电压误差，提高了温度测量的精度。

Description

一种消除BJT寄生电阻的温度测量装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种温度测量装置及其方法，特别是一种消除BJT寄生电阻的温度测量装置及其方法，属于半导体集成电路领域。
背景技术
温度传感器广泛应用于仪器仪表和控制系统中。在许多应用中，将温度传感器和接口电子器件组合在单个芯片上，用低成本的标准CMOS工艺制造，这种温度传感器芯片具备功耗低，成本低，高精度等优势。
在现有技术中，大多数温度传感器芯片大多是基于双极型晶体管的温度特性来进行设计的。先前的技术使用一些动态失调校准，包括自归零技术，内嵌斩波器技术来减小读出电路中运算放大器失调造成的温度测量误差。也有使用曲率校正技术来减小双极型晶体管非线性造成的温度测量误差。
这些技术都能够降低温度测量误差，但是都忽略双极型晶体管的寄生电阻所带来的温度测量误差，尤其是测量外部BJT的应用场景，双极型晶体管的发射极会有很长的走线电阻，会更加恶化温度的测量精度。
温度传感器大多数都是的原理如图3所示，包含第一电流源、第二电流源、双极型晶体管、减法器和模拟数字转换器(ADC)。具体工作原理分为两个阶段。
第一个阶段：第一电流源打开，I1＝NIBIAS流入双极型晶体管发射级，得到双极型晶体管此时发射极和基级电压差VBE1；
其中，K是玻尔兹曼常数，T是温度，q是电子电荷量，Is是饱和电流，IBIAS是偏置电流，N为常数。
第二个阶段：第二电流源打开，I2＝IEIAS流入到双极型晶体管发射级，得到双极型晶体管此时发射极和基级电压差VBE2；
通过减法器将VBz2和VBE1进行相减得到ADC的输入ΔVBE，
ΔVBE是一个只与温度相关的模拟电压量，ADC通过量化ΔVBE进而得到当前温度值。
然而公式(3)没有考虑双极型晶体管的寄生电阻，尤其是当测量外部BJT时，会存在很长的PCB走线，会在BJT的发射极引入相当大的寄生电阻，如图4所示，寄生电阻的存在会直接影响到ADC的输入电压ΔVBE，实际ADC的输入电压ΔVmeas；
ΔVmeas＝ΔVBE+(N-1)IBIasR (4)
公式(4)的第二项会造成很大的温度测量误差，定义eR为寄生电阻造成的温度误差，得到公式：
如果IBIAS＝10uA，N＝10，1欧姆的电阻就会造成0.5℃的温度误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种消除BJT寄生电阻的温度测量装置及其方法，消除BJT寄生电阻对温度测量的误差影响。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种消除BJT寄生电阻的温度测量装置，包含第一电流源、第二电流源、第三电流源、双极型晶体管、运算器和模拟数字转换器，第一电流源的输出端、第二电流源的输出端和第三电流源的输出端分别与双极型晶体管的发射极连接，运算器的输入端与双极型晶体管的发射极连接并将三个电流源加载在双极型晶体管发射极，依次产生三个电压信号，赋与权重值后求和输出，运算器的输出端与模拟数字转换器连接。
进一步地，所述双极型晶体管的基极和集电极接地。
进一步地，所述第一电流源的输出端串联有一个第一开关，第二电流源的输出端串联有一个第二开关，第三电流源的输出端串联有一个第三开关，第一开关、第二开关和第三开关的输出端与双极型晶体管的发射极连接。
进一步地，所述第一电流源、第二电流源、第三电流源均由电源VDD供能。
进一步地，所述运算器包含第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器和加法器，第一乘法器的输入端输入第一电流源加载在双极型晶体管发射极上的第一测量电压，第二乘法器的输入端输入第二电流源加载在双极型晶体管发射极上的第二测量电压，第三乘法器的输入端输入第三电流源加载在双极型晶体管发射极上的第三测量电压，第一乘法器、第二乘法器和第三乘法器的输出端均与加法器的输入端连接。
进一步地，所述第一乘法器的系数为a，第二乘法器的系数为b，第三乘法器的系数为c，并且a+b+c＝0。
进一步地，所述第二电流源的电流大小是第一电流源的N倍，第三电流源的电流大小是第一电流源的M倍，并且a+bN+cM＝0。
一种消除BJT寄生电阻的温度测量装置的温度测量方法，包含以下步骤：
第一电流源的电流是IBIAS，流入到双极型晶体管的发射极，产生电压Vmeas1；
其中，β是双极型晶体管的放大倍数，IBIAS是偏置电流，RB是双极型晶体管基极的寄生电阻，RE是双极型晶体管集电极的寄生电阻，是第一电流源加载时双极型晶体管的基级发射极电压差；
第二电流源的电流是NIBIAS，流入到双极型晶体管的发射极，产生电压Vmeas2；
其中，N是常数，是第二电流源加载时双极型晶体管的基级发射极电压差；
第三电流源的电流是MIBIAS，流入到双极型晶体管的发射极，产生电压Vmeas3；
其中，M是常数，是第三电流源加载时双极型晶体管的基级发射极电压差
通过运算器对Vmeas1、Vmeas2、Vmeas3进行权重赋值并相加得到最终的测量电压Vmeas；
其中，a是电压Vmeas1的权重赋值，b是电压Vmeas2的权重赋值，c是电压Vmeas3的权重赋值，
为了消除寄生电阻RB、RE和ln项的影响，令
a+bN+cM＝0
a+b+c＝0
可得
最后得到Vmeas不包含任何寄生电阻相关项，消除BJT寄生电阻对温度传感器造成的测量误差。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明提供了一种消除BJT寄生电阻的温度测量装置及其方法，消除了测量电压公式中的所有寄生电阻相关的多项式，测量电压只跟温度有关，从而抑制了BJT寄生电阻造成的输入电压误差，提高了温度测量的精度；本发明毕竟可以应用在测量外部BJT场景，还可以应用于其他温度芯片测量的应用场景。
附图说明
图1是本发明的一种消除BJT寄生电阻的温度测量装置的示意图。
图2是本发明的一种消除BJT寄生电阻的温度测量装置的实施例的示意图。
图3是现有技术的温度传感器原理图。
图4是现有技术的含寄生电阻的温度传感器的原理图。
具体实施方式
为了详细阐述本发明为达到预定技术目的而所采取的技术方案，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晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例，并且，在不付出创造性劳动的前提下，本发明的实施例中的技术手段或技术特征可以替换，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如1所示，本发明的消除BJT寄生电阻的温度测量装置，包含第一电流源1、第二电流源2、第三电流源3、双极型晶体管4、运算器5和模拟数字转换器6，第一电流源1的输出端、第二电流源2的输出端和第三电流源3的输出端分别与双极型晶体管4的发射极连接，运算器5的输入端与双极型晶体管4的发射极连接并将三个电流源加载在双极型晶体管4发射极，依次产生三个电压信号，赋与权重值后求和输出，运算器5的输出端与模拟数字转换器6连接。
双极型晶体管4的基极和集电极接地。
如图2所示，第一电流源1的输出端串联有一个第一开关S1，第二电流源2的输出端串联有一个第二开关S2，第三电流源3的输出端串联有一个第三开关S3，第一开关S1的输入端与第一电流源1的输出端连接，第二开关S2的输入端与第二电流源2的输出端连接，第三开关S3的输入端与第三电流源3的输出端连接。第一开关S1、第二开关S2和第三开关S3的输出端与双极型晶体管4的发射极连接。
第一电流源1、第二电流源2、第三电流源3均由电源VDD供能。
如图2所示，运算器5包含第一乘法器51、第二乘法器52、第三乘法器53和加法器54。第一乘法器51的输入端输入第一电流源1加载在双极型晶体管4发射极上的第一测量电压，第二乘法器52的输入端输入第二电流源2加载在双极型晶体管4发射极上的第二测量电压，第三乘法器53的输入端输入第三电流源3加载在双极型晶体管4发射极上的第三测量电压，第一乘法器51、第二乘法器52和第三乘法器53的输出端均与加法器54的输入端连接，加法器54将第一测量电压、第二测量电压和第三测量电压进行求和。
具体地，第一乘法器51的系数为a，第二乘法器52的系数为b，第三乘法器53的系数为c，并且a+b+c＝0。而且，第二电流源2的电流大小是第一电流源1的N倍，第三电流源3的电流大小是第一电流源1的M倍，并且a+bN+cM＝0。
一种消除BJT寄生电阻的温度测量装置的温度测量方法，包含以下步骤：
第一电流源的电流是IBIAS，流入到双极型晶体管的发射极，产生电压Vmeas1；
其中，β是双极型晶体管的放大倍数，IBIAS是偏置电流，RB是双极型晶体管基极的寄生电阻，RE是双极型晶体管集电极的寄生电阻，是第一电流源加载时双极型晶体管的基级发射极电压差。
第二电流源的电流是NIBIAs，流入到双极型晶体管的发射极，产生电压Vmeas2；
其中，N是常数，是第二电流源加载时双极型晶体管的基级发射极电压差。
第三电流源的电流是MIBIAs，流入到双极型晶体管的发射极，产生电压Vmeas3；
其中，M是常数，是第三电流源加载时双极型晶体管的基级发射极电压差。
通过运算器对Vmeas1、Vmeas2、Vmeas3进行权重赋值并相加得到最终的测量电压Vmeas；
其中，a是电压Vmeas1的权重赋值，b是电压Vmeas2的权重赋值，c是电压Vmeas3的权重赋值，
为了消除寄生电阻RB、RE和ln项的影响，令
a+bN+cM＝0
a+b+c＝0
可得
最后得到Vmeas不包含任何寄生电阻相关项，消除BJT寄生电阻对温度传感器造成的测量误差。
下面通过具体的实施例对本申请进一步进行说明。
本实施例中，电压Vmeas1的权重赋值a＝-3，电压Vmeas2的权重赋值b＝4，电压Vmeas3的权重赋值c＝-1。N＝2，M＝5。
本实施例的操作过程分为3个阶段，分别为ph1相、ph2相和ph3相。
ph1相：第一开关S1打开，第二开关S2和第三开关S3关闭，第一电流源的电流I1＝IBIAS流入双极型晶体管的发射极得到输入电压Vmeas1，双极型晶体管的基级发射极电压差VBE_I；
ph2相：第二开关S2打开，第一开关S1和第三开关S3关闭，第二电流源的电流I2＝2IBIAS流入双极型晶体管的发射极得到输入电压Vmeas2，双极型晶体管的基级发射极电压差VBE_2I；
ph3相：第三开关S3打开，第一开关S1和第二开关S2关闭，第三电流源的电流I3＝5IBIAS流入双极型晶体管的发射极得到输入电压Vmeas3，双极型晶体管的基级发射极电压差VBE_5I；
将Vmeas1、Vmeas2、Vmeas3作为输入，通过乘法器和加法器进行加权求和得到输出Vmeas也是ADC输入电压Vmeas；
Vmeas只与温度相关，不包含任何寄生电阻，消除了BJT寄生电阻对温度传感器造成的测量误差。
本发明提供了一种消除BJT寄生电阻的温度测量装置及其方法，消除了测量电压公式中的所有寄生电阻相关的多项式，测量电压只跟温度有关，从而抑制了BJT寄生电阻造成的输入电压误差，提高了温度测量的精度。本发明毕竟可以应用在测量外部BJT场景，还可以应用于其他温度芯片测量的应用场景。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种消除BJT寄生电阻的温度测量装置，其特征在于：包含第一电流源、第二电流源、第三电流源、双极型晶体管、运算器和模拟数字转换器，第一电流源的输出端、第二电流源的输出端和第三电流源的输出端分别与双极型晶体管的发射极连接，运算器的输入端与双极型晶体管的发射极连接并将三个电流源加载在双极型晶体管发射极，依次产生三个电压信号，赋与权重值后求和输出，运算器的输出端与模拟数字转换器连接。
2.根据权利要求1所述的一种消除BJT寄生电阻的温度测量装置，其特征在于：所述双极型晶体管的基极和集电极接地。
3.根据权利要求1所述的一种消除BJT寄生电阻的温度测量装置，其特征在于：所述第一电流源的输出端串联有一个第一开关，第二电流源的输出端串联有一个第二开关，第三电流源的输出端串联有一个第三开关，第一开关、第二开关和第三开关的输出端与双极型晶体管的发射极连接。
4.根据权利要求1所述的一种消除BJT寄生电阻的温度测量装置，其特征在于：所述第一电流源、第二电流源、第三电流源均由电源VDD供能。
5.根据权利要求1所述的一种消除BJT寄生电阻的温度测量装置，其特征在于：所述运算器包含第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器和加法器，第一乘法器的输入端输入第一电流源加载在双极型晶体管发射极上的第一测量电压，第二乘法器的输入端输入第二电流源加载在双极型晶体管发射极上的第二测量电压，第三乘法器的输入端输入第三电流源加载在双极型晶体管发射极上的第三测量电压，第一乘法器、第二乘法器和第三乘法器的输出端均与加法器的输入端连接。
6.根据权利要求1所述的一种消除BJT寄生电阻的温度测量装置，其特征在于：所述第一乘法器的系数为a，第二乘法器的系数为b，第三乘法器的系数为c，并且a+b+c＝0。
7.根据权利要求1所述的一种消除BJT寄生电阻的温度测量装置，其特征在于：所述第二电流源的电流大小是第一电流源的N倍，第三电流源的电流大小是第一电流源的M倍，并且a+bN+cM＝0。
8.一种权利要求1-7任一项所述的消除BJT寄生电阻的温度测量装置的温度测量方法，其特征在于包含以下步骤：
第一电流源的电流是IBIAS，流入到双极型晶体管的发射极，产生电压Vmeas1；
其中，β是双极型晶体管的放大倍数，IBIAS是偏置电流，RB是双极型晶体管基极的寄生电阻，RE是双极型晶体管集电极的寄生电阻，是第一电流源加载时双极型晶体管的基级发射极电压差；
第二电流源的电流是NIBIAS，流入到双极型晶体管的发射极，产生电压Vmeas2；
其中，N是常数，是第二电流源加载时双极型晶体管的基级发射极电压差；
第三电流源的电流是MIBIAS，流入到双极型晶体管的发射极，产生电压Vmeas3；
其中，M是常数，是第三电流源加载时双极型晶体管的基级发射极电压差；
通过运算器对Vmeas1、Vmeas2、Vmeas3进行权重赋值并相加得到最终的测量电压Vmeas；
其中，a是电压Vmeas1的权重赋值，b是电压Vmeas2的权重赋值，c是电压Vmeas3的权重赋值，
为了消除寄生电阻RB、RE和ln项的影响，令
a+bN+cM＝0
a+b+c＝0
可得
最后得到Vmeas不包含任何寄生电阻相关项，消除BJT寄生电阻对温度传感器造成的测量误差。
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