CN117405251B - 降低bjt串联电阻对温度测量精度影响的补偿装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低BJT串联电阻对温度测量精度影响的补偿装置及方法，包含第一电流源、第二电流源、第三电流源、第四电流源、双极型晶体管、运算器和模拟数字转换器，第一电流源、第二电流源、第三电流源、第四电流源的输出端与双极型晶体管的发射极和运算器的输入端连接，运算器的输出端与模拟数字转换器的输入端连接。本发明最后测温装置可以得到无影响的与温度信息相关的V _BE 和ΔV _BE ，提高了温度测量的精度。

Description

降低BJT串联电阻对温度测量精度影响的补偿装置及方法

技术领域

本发明涉及一种补偿装置及方法，特别是一种降低BJT串联电阻对温度测量精度影响的补偿装置及方法，属于半导体集成电路技术领域。

背景技术

在如今的信息社会，温度传感器广泛存在于消费电子领域、工业控制系统测量系统以及供暖系统等，温度传感器与性能提升和能源效率优化密不可分。CMOS温度传感器可以直接进行数字输出与微机通信，复杂度与成本较低。其因较高的精度和通用性被学术界和工业界持续追捧和应用。

如图3所示，目前典型的温度传感器一般是基于双极晶体管(BJT)的基极-发射极电压(V_BE)的变化进行设计。其具体的测量原理为：将I_E和NI_E逐次加载到BJT的发射极，发射极电阻R_E产生的误差电压V_error1：

V_error1＝ΔV_BE′-ΔV_BE＝(N-1)*R_E (18)

将I_E和NI_E逐次加载到BJT的发射极，基极电阻R_B产生的误差电压V_error2：

将上述误差电压使用ΔV_BE进行量化，得到对应误差为：

由此可知，对于现有的测量技术测量温度时，主要会受到BJT基极和发射极两个端口的串联电阻的影响，降低了温度测量的精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种降低BJT串联电阻对温度测量精度影响的补偿装置及方法，提高BJT温度测量的精度。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种降低BJT串联电阻对温度测量精度影响的补偿装置，其特征在于：包含第一电流源、第二电流源、第三电流源、第四电流源、双极型晶体管、运算器和模拟数字转换器，第一电流源、第二电流源、第三电流源、第四电流源的输出端与双极型晶体管的发射极和运算器的输入端连接，运算器的输出端与模拟数字转换器的输入端连接。

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，所述第一电流源通过开关S1与双极型晶体管的发射极连接，第二电流源通过开关S2与双极型晶体管的发射极连接，第三电流源通过开关S3与双极型晶体管的发射极连接，第四电流源通过开关S4与双极型晶体管的发射极连接。

进一步地，所述运算器包含第一加法器、第二加法器和第三加法器，第一加法器的输出端与第三加法器的第一输入端连接，第二加法器的输出端与第三加法器的第二输入端连接。

进一步地，所述双极型晶体管的发射极通过开关S11与第一加法器的第一输入端连接并输入第一测量电压，双极型晶体管的发射极通过开关S22与第一加法器的第二输入端连接并输入第二测量电压，双极型晶体管的发射极通过开关S33与第二加法器的第一输入端连接并输入第三测量电压，双极型晶体管的发射极通过开关S44与第二加法器的第二输入端连接并输入第四测量电压。

进一步地，所述第一测量电压和第三测量电压的运算极性为负，第二测量电压和第四测量电压的运算极性为正，第一加法器的输出电压的运算极性为负，第二加法器的输出电压的运算极性为正。

进一步地，所述第二电流源的电流大小是第一电流源的电流大小的N倍，第三电流源的电流大小是第一电流源的电流大小的M倍，第四电流源的电流大小是第一电流源的电流大小的MN倍。

一种应用于降低BJT串联电阻对温度测量精度影响的补偿装置的补偿方法，包含以下步骤：

第一电流源的电流大小是I_E，加载到双极型晶体管的发射极上，与定义一致的第一实际基极-发射极电压为V_BE1，BJT电阻带来的总压降为ΔV_res，所产生的第一测量电压为V_BE1’：

I_E＝(1+1/β)*I_BIAS (1)

V_BE1′＝V_BE1+ΔV_res (4)

其中k为玻尔兹曼常数，T为开尔文温度，q为电子的电荷量，I_S为双极型晶体管的饱和电流，I_BIAS为单位偏置电流值，β为双极型晶体管的放大倍数，R_B为双极型晶体管基极的电阻与基极的PCB走线电阻值之和，R_E为双极型晶体管发射极的电阻与发射极的PCB走线电阻值之和；

第二电流源的电流大小是N*I_E，N为常数，加载到双极型晶体管的发射极上，与定义一致的第二实际基极-发射极电压为V_BE2，所产生的第二测量电压为V_BE2’：

V_BE2′＝V_BE2+N*ΔV_res (6)

第三电流源的电流大小是M*I_E，M为常数，加载到双极型晶体管的发射极上，与定义一致的第三实际基极-发射极电压为V_BE3，所产生的第三测量电压为V_BE3 ^’：

V_BE3′＝V_BE3+M*ΔV_res (8)

第四电流源的电流大小是MN*I_E，加载到双极型晶体管的发射极上，与定义一致的第四实际基极-发射极电压为V_BE4，所产生的第四测量电压为V_BE4’：

V_BE4′＝V_BE4+MN*ΔV_res (10)

将第一实际基极-发射极电压V_BE1、第一测量电压V_BE1’、第二实际基极-发射极电压V_BE2和第二测量电压为V_BE2’输入至运算器的第一加法器处理，得到了测量与定义一致的第二实际基极-发射极电压与第一实际基极-发射极电压的电压差ΔV_BE21以及第二测量电压与第一测量电压的差值ΔV_BE21’：

ΔV_BE21′＝ΔV_BE21+(N-1)*ΔV_res (12)

将第三实际基极-发射极电压V_BE3、第三测量电压V_BE3’、第四实际基极-发射极电压V_BE4和第四测量电压为V_BE4’输入至运算器中进行第二次加法处理，得到了与定义一致的第四实际基极-发射极电压与第三实际基极-发射极电压的电压差ΔV_BE43以及第四测量电压与第三测量电压的差值ΔV_BE43’：

ΔV_BE43′＝ΔV_BE43+M*(N-1)*ΔV_res (14)

将第二实际基极-发射极电压与第一实际基极-发射极电压的电压差ΔV_BE21、第二测量电压与第一测量电压的差值ΔV_BE21’、第四实际基极-发射极电压与第三实际基极-发射极电压的电压差ΔV_BE43以及第四测量电压与第三测量电压的差值ΔV_BE43’输入到第三加法器处理，每次测温时利用四次加载电流至双极型晶体管的发射极的电压可计算出BJT电阻带来的总压降ΔV_res：

之后再将第三电流源电流N*I_E和第四电流源电流MN*I_E，加载到双极型晶体管的发射极上，减去前面的步骤得到的BJT电阻带来的总压降ΔV_res，经过模拟数字转换器采样和量化处理，得到数字输出：

再由模拟数字转换器进行处理，可得双极型晶体管的实际基极-发射极电压V_BE，其中μx是模数转换器的电容比例系数：

(1-μx)*ΔV_res＝μx*V_BE (17)

最后测温装置可以得到无影响的与温度信息相关的V_BE和ΔV_BE。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明提供了一种降低BJT串联电阻对温度测量精度影响的补偿装置及方法，通过组合操作消除了测量电压公式中的串联电阻带来的误差电压，最后测温装置可以得到无寄生电阻影响的V_BE和ΔV_BE，提高了温度测量的精度。本发明亦可在片外BJT温度测量的应用中使用。

附图说明

图1是本发明的降低BJT串联电阻对温度测量精度影响的补偿装置的示意图。

图2是本发明的降低BJT串联电阻对温度测量精度影响的补偿装置的电路结构图。

图3是现有技术的基于双极晶体管的温度测量装置的示意图。

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。

如图1和图2所示，本发明的一种降低BJT串联电阻对温度测量精度影响的补偿装置，包含第一电流源101、第二电流源102、第三电流源103、第四电流源104、双极型晶体管2、运算器3和模拟数字转换器4，第一电流源101、第二电流源102、第三电流源103、第四电流源104的输出端与双极型晶体管2的发射极E和运算器3的输入端连接，运算器3的输出端与模拟数字转换器4的输入端连接。其中双极型晶体管2用于提供V_BE电压，运算器3用于对电压进行运算处理，模拟数字转换器4用于进行模拟数字信号的转换。

双极型晶体管2的基极B和集电极C接地。

第一电流源101、第二电流源102、第三电流源103、第四电流源104的输入端均与电源VDD连接由带能源VDD供能。

如图2所示，第一电流源101通过开关S1与双极型晶体管2的发射极连接，第二电流源102通过开关S2与双极型晶体管2的发射极连接，第三电流源103通过开关S3与双极型晶体管的发射极连接，第四电流源104通过开关S4与双极型晶体管的发射极连接。具体地，第一电流源101与开关S1串联构成第一分支回路，第二电流源102与开关S2串联构成第二分支回路，第三电流源103与开关S3串联构成第三分支回路，第四电流源I104与开关S4串联构成第四分支回路，第一分支回路、第二分支回路、第三分支回路和第四分支回路相互并联后与双极型晶体管2的发射极连接。

运算器3包含第一加法器301、第二加法器302和第三加法器303，第一加法器301的输出端与第三加法器303的第一输入端连接，第二加法器302的输出端与第三加法器303的第二输入端连接。

双极型晶体管2的发射极通过开关S11与第一加法器301的第一输入端连接并输入第一测量电压，双极型晶体管2的发射极通过开关S22与第一加法器301的第二输入端连接并输入第二测量电压，双极型晶体管2的发射极通过开关S33与第二加法器302的第一输入端连接并输入第三测量电压，双极型晶体管2的发射极通过开关S44与第二加法器302的第二输入端连接并输入第四测量电压。具体地，开关S11、S22、S33、S44的一端分别与双极型晶体管2的发射极连接，开关S11的另一端与第一加法器301的第一输入端连接，开关S22的另一端与第一加法器301的第二输入端连接，开关S33的另一端与第二加法器302的第一输入端连接，开关S44的另一端与第二加法器302的第二输入端连接。

第一测量电压和第三测量电压的运算极性为负，第二测量电压和第四测量电压的运算极性为正，第一加法器的输出电压的运算极性为负，第二加法器的输出电压的运算极性为正。

第二电流源的电流大小是第一电流源的电流大小的N倍，第三电流源的电流大小是第一电流源的电流大小的M倍，第四电流源的电流大小是第一电流源的电流大小的MN倍。

一种应用于降低BJT串联电阻对温度测量精度影响的补偿装置的补偿方法，包含以下步骤：

第一电流源的电流大小是I_E，加载到双极型晶体管的发射极上，与定义一致的第一实际基极-发射极电压为V_BE1，BJT电阻带来的总压降为ΔV_res，所产生的第一测量电压为V_BE1’：

I_E＝(1+1/β)*I_BIAS (1)

V_BE1′＝V_BE1+ΔV_res (4)

其中k为玻尔兹曼常数，T为开尔文温度，q为电子的电荷量，I_S为双极型晶体管的饱和电流，I_BIAS为单位偏置电流值，β为双极型晶体管的放大倍数，R_B为双极型晶体管基极的电阻与基极的PCB走线电阻值之和，R_E为双极型晶体管发射极的电阻与发射极的PCB走线电阻值之和；

第二电流源的电流大小是N*I_E，N为常数，加载到双极型晶体管的发射极上，与定义一致的第二实际基极-发射极电压为V_BE2，所产生的第二测量电压为V_BE2’：

V_BE2′＝V_BE2+N*ΔV_res (6)

第三电流源的电流大小是M*I_E，M为常数，加载到双极型晶体管的发射极上，与定义一致的第三实际基极-发射极电压为V_BE3，所产生的第三测量电压为V_BE3’：

V_BE3′＝V_BE3+M*ΔV_res (8)

第四电流源的电流大小是MN*I_E，加载到双极型晶体管的发射极上，与定义一致的第四实际基极-发射极电压为V_BE4，所产生的第四测量电压为V_BE4’：

V_BE4′＝V_BE4+MN*ΔV_res (10)

将第一实际基极-发射极电压V_BE1、第一测量电压V_BE1’、第二实际基极-发射极电压V_BE2和第二测量电压为V_BE2’输入至运算器的第一加法器处理，得到了测量与定义一致的第二实际基极-发射极电压与第一实际基极-发射极电压的电压差ΔV_BE21以及第二测量电压与第一测量电压的差值ΔV_BE21’：

ΔV_BE21′＝ΔV_BE21+(N-1)*ΔV_res (12)

将第三实际基极-发射极电压V_BE3、第三测量电压V_BE3’、第四实际基极-发射极电压V_BE4和第四测量电压为V_BE4’输入至运算器中进行第二次加法处理，得到了与定义一致的第四实际基极-发射极电压与第三实际基极-发射极电压的电压差ΔV_BE43以及第四测量电压与第三测量电压的差值ΔV_BE43’：

ΔV_BE43′＝ΔV_BE43+M*(N-1)*ΔV_res (14)

将第二实际基极-发射极电压与第一实际基极-发射极电压的电压差ΔV_BE21、第二测量电压与第一测量电压的差值ΔV_BE21’、第四实际基极-发射极电压与第三实际基极-发射极电压的电压差ΔV_BE43以及第四测量电压与第三测量电压的差值ΔV_BE43’输入到第三加法器处理，每次测温时利用四次加载电流至双极型晶体管的发射极的电压可计算出BJT电阻带来的总压降ΔV_res：

之后再将第三电流源电流N*I_E和第四电流源电流MN*I_E，加载到双极型晶体管的发射极上，减去前面的步骤得到的BJT电阻带来的总压降ΔV_res，经过模拟数字转换器采样和量化处理，得到数字输出：

再由模拟数字转换器进行处理，可得双极型晶体管的实际基极-发射极电压V_BE，其中μx是模数转换器的电容比例系数：

(1-μx)*ΔV_res＝μx*V_BE (17)

最后测温装置可以得到无影响的与温度信息相关的V_BE和ΔV_BE。

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V_BE1’、V_BE3’和ΔV_BE21’的加法系数赋值为-1，电压V_BE2’、V_BE4’和ΔV_BE43’的加法系数赋值为+1。M＝2，N＝2。

Phase1相位：开关S1和S11闭合，开关S2、S3、S4、S22、S33和S44断开。第一电流源101的电流大小是I_E，加载到双极型晶体管2的发射极，所产生的第一测量电压为V_BE1’：

I_E＝(1+1/β)*I_BIAS

Phase2相位：开关S2和S22闭合，开关S1、S3、S4、S11、S33和S44断开。第二电流源102的电流大小是2I_E，加载到双极型晶体管2的发射极，所产生的第二测量电压为V_BE2’：

Phase3相位：开关S3和S33闭合，开关S1、S2、S4、S11、S22和S44断开。第三电流源103的电流大小是2I_E，加载到双极型晶体管2的发射极，所产生的第三测量电压为V_BE3’：

Phase4相位：开关S4和S44闭合，开关S1、S2、S3、S11、S22和S33断开。第四电流源104的电流大小是4I_E，加载到双极型晶体管2的发射极，所产生的第四测量电压为V_BE4’：

再将第二测量电压与第一测量电压输入至运算器中通过第一加法器301处理，其差值为ΔV_BE21’，再将第四测量电压与第三测量电压输入至运算器中通过第二加法器302进行处理，其差值为ΔV_BE43’：

ΔV_BE21′＝ΔV_BE21+ΔV_res

ΔV_BE43′＝ΔV_BE43+2ΔV_res

与定义一致的实际基极-发射极电压差ΔV_BE21和ΔV_BE21可计算得

将V_BE1’V_BE2’V_BE3’和V_BE4’作为输入，通过第三加法器303进行处理，算出电阻的电压误差ΔV_res：

因此再进行两次电流加载，经过模数转换器的处理，得到数字输出：

D[ΔV_BE]＝D[ΔV′_E]-D[2ΔV_res]

再由模数转换器进行处理，可得双极型晶体管2的实际基极-发射极电压V_BE，其中μx是模数转换器的电容比例系数:

最后测温装置可以得到无影响的与温度信息相关的V_BE和ΔV_BE。

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 (7)

1.一种应用于降低BJT串联电阻对温度测量精度影响的补偿装置的补偿方法，

降低BJT串联电阻对温度测量精度影响的补偿装置包含第一电流源、第二电流源、第三电流源、第四电流源、双极型晶体管、运算器和模拟数字转换器，第一电流源、第二电流源、第三电流源、第四电流源的输出端与双极型晶体管的发射极和运算器的输入端连接，运算器的输出端与模拟数字转换器的输入端连接；

其特征在于包含以下步骤：

第一电流源的电流大小是I_E，加载到双极型晶体管的发射极上，与定义一致的第一实际基极-发射极电压为V_BE1，BJT电阻带来的总压降为ΔV_res，所产生的第一测量电压为V_BE1’：

I_E＝(1+1/β)*I_BIAS (1)

V_BE1′＝V_BE1+ΔV_res (4)

其中k为玻尔兹曼常数，T为开尔文温度，q为电子的电荷量，I_S为双极型晶体管的饱和电流，I_BIAS为单位偏置电流值，β为双极型晶体管的放大倍数，R_B为双极型晶体管基极的电阻与基极的PCB走线电阻值之和，R_E为双极型晶体管发射极的电阻与发射极的PCB走线电阻值之和；

第二电流源的电流大小是N*I_E，N为常数，加载到双极型晶体管的发射极上，与定义一致的第二实际基极-发射极电压为V_BE2，所产生的第二测量电压为V_BE2’：

V_BE2′＝V_BE2+N*ΔV_res (6)

第三电流源的电流大小是M*I_E，M为常数，加载到双极型晶体管的发射极上，与定义一致的第三实际基极-发射极电压为V_BE3，所产生的第三测量电压为V_BE3’：

V_BE3′＝V_BE3+M*ΔV_res (8)

第四电流源的电流大小是MN*I_E，加载到双极型晶体管的发射极上，与定义一致的第四实际基极-发射极电压为V_BE4，所产生的第四测量电压为V_BE4’：

V_BE4′＝V_BE4+MN*ΔV_res (10)

将第一实际基极-发射极电压V_BE1、第一测量电压V_BE1’、第二实际基极-发射极电压V_BE2和第二测量电压为V_BE2’输入至运算器的第一加法器处理，得到了测量与定义一致的第二实际基极-发射极电压与第一实际基极-发射极电压的电压差ΔV_BE21以及第二测量电压与第一测量电压的差值ΔV_BE21’：

ΔV_BE21′＝ΔV_BE21+(N-1)*ΔV_res (12)

将第三实际基极-发射极电压V_BE3、第三测量电压V_BE3’、第四实际基极-发射极电压V_BE4和第四测量电压为V_BE4’输入至运算器中进行第二次加法处理，得到了与定义一致的第四实际基极-发射极电压与第三实际基极-发射极电压的电压差ΔV_BE43以及第四测量电压与第三测量电压的差值ΔV_BE43’：

ΔV_BE43′＝ΔV_BE43+M*(N-1)*ΔV_res (14)

将第二实际基极-发射极电压与第一实际基极-发射极电压的电压差ΔV_BE21、第二测量电压与第一测量电压的差值ΔV_BE21’、第四实际基极-发射极电压与第三实际基极-发射极电压的电压差ΔV_BE43以及第四测量电压与第三测量电压的差值ΔV_BE43’输入到第三加法器处理，每次测温时利用四次加载电流至双极型晶体管的发射极的电压可计算出BJT电阻带来的总压降ΔV_res：

之后再将第三电流源电流N*I_E和第四电流源电流MN*I_E，加载到双极型晶体管的发射极上，减去前面的步骤得到的BJT电阻带来的总压降ΔV_res，经过模拟数字转换器采样和量化处理，得到数字输出：

再由模拟数字转换器进行处理，可得双极型晶体管的实际基极-发射极电压V_BE，其中μx是模数转换器的电容比例系数：

(1-μx)*ΔV_res＝μx*V_BE (17)

最后测温装置能够得到无影响的与温度信息相关的V_BE和ΔV_BE。

2.根据权利要求1所述的应用于降低BJT串联电阻对温度测量精度影响的补偿装置的补偿方法，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所述的应用于降低BJT串联电阻对温度测量精度影响的补偿装置的补偿方法，其特征在于：所述第一电流源通过开关S1与双极型晶体管的发射极连接，第二电流源通过开关S2与双极型晶体管的发射极连接，第三电流源通过开关S3与双极型晶体管的发射极连接，第四电流源通过开关S4与双极型晶体管的发射极连接。

4.根据权利要求1所述的应用于降低BJT串联电阻对温度测量精度影响的补偿装置的补偿方法，其特征在于：所述运算器包含第一加法器、第二加法器和第三加法器，第一加法器的输出端与第三加法器的第一输入端连接，第二加法器的输出端与第三加法器的第二输入端连接。

5.根据权利要求4所述的应用于降低BJT串联电阻对温度测量精度影响的补偿装置的补偿方法，其特征在于：所述双极型晶体管的发射极通过开关S11与第一加法器的第一输入端连接并输入第一测量电压，双极型晶体管的发射极通过开关S22与第一加法器的第二输入端连接并输入第二测量电压，双极型晶体管的发射极通过开关S33与第二加法器的第一输入端连接并输入第三测量电压，双极型晶体管的发射极通过开关S44与第二加法器的第二输入端连接并输入第四测量电压。

6.根据权利要求5所述的应用于降低BJT串联电阻对温度测量精度影响的补偿装置的补偿方法，其特征在于：所述第一测量电压和第三测量电压的运算极性为负，第二测量电压和第四测量电压的运算极性为正，第一加法器的输出电压的运算极性为负，第二加法器的输出电压的运算极性为正。

7.根据权利要求1所述的应用于降低BJT串联电阻对温度测量精度影响的补偿装置的补偿方法，其特征在于：所述第二电流源的电流大小是第一电流源的电流大小的N倍，第三电流源的电流大小是第一电流源的电流大小的M倍，第四电流源的电流大小是第一电流源的电流大小的MN倍。