CN218630072U

CN218630072U - 用于检测双极型晶体管的电流放大倍数的电路及电子设备

Info

Publication number: CN218630072U
Application number: CN202221559898.2U
Authority: CN
Inventors: 李小勇; 李旋
Original assignee: Suzhou Hanchen Technology Co ltd
Current assignee: Suzhou Hanchen Technology Co ltd
Priority date: 2022-06-21
Filing date: 2022-06-21
Publication date: 2023-03-14
Anticipated expiration: 2032-06-21

Abstract

本申请涉及一种用于检测双极型晶体管的电流放大倍数的电路，其特征在于，包括负载单元，配置为与所述双极型晶体管一起对电源电压进行分压，所述负载单元包括耦合在所述电源与所述双极型晶体管的集电极之间的电阻性支路；偏置单元，配置为给所述双极型晶体管提供基极电流，其中所述偏置单元包括耦合在所述双极型晶体管基极和参考电位端之间的电阻性支路，其阻值与所述负载单元中的电阻性支路的阻值之比基本固定；以及所述电路的检测端位于所述双极型晶体管的集电极；本申请还涉及一种包含如前述电路的电子设备。

Description

用于检测双极型晶体管的电流放大倍数的电路及电子设备

技术领域

本申请涉及集成电路技术领域，特别地涉及用于检测双极型晶体管的电流放大倍数的电路及电子设备。

背景技术

在集成电路技术中，双极型晶体管是最为基础和常用的器件之一。为保障电路的性能，需要保证双极型晶体管的正常工作。集电极/基极电流放大倍数(β)作为双极型晶体管的一个重要参数，与晶体管的工作状态有着紧密的联系。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。因此，获取β值可以帮助电路设计者优化电路性能，β值也可以作为量产筛选芯片的参考。简单而准确的β值测量电路和方法可以提高量产效率从而节省量产测试成本。

实用新型内容

针对现有技术中存在的技术问题，本申请提出了一种用于检测双极型晶体管的电流放大倍数的电路，其特征在于，包括负载单元，配置为与所述双极型晶体管一起对电源电压进行分压，所述负载单元包括耦合在所述电源与所述双极型晶体管的集电极之间的电阻性支路；偏置单元，配置为给所述双极型晶体管提供基极电流，其中所述偏置单元包括耦合在所述双极型晶体管基极和参考电位端之间的电阻性支路，其阻值与所述负载单元中的电阻性支路的阻值之比基本固定；以及所述检测电路的检测端位于所述待测的双极型晶体管的集电极。

特别的，所述负载单元的电阻性支路包括第一电阻，所述第一电阻的第一端与电源耦合，第二端与所述双极型晶体管的集电极耦合。

特别的，所述偏置单元包括电流源，所述电流源的第一端接所述电源，第二端与所述双极型晶体管的基极耦合。

特别的，所述电流源包括运算放大器、第一偏置晶体管和第二偏置晶体管，以及电阻性支路；所述运算放大器的负输入端配置为接收参考电压，所述第一偏置晶体管和第二偏置晶体管的栅极与所述运算放大器的输出端耦合，源极都配置为接收电源电压；所述第一偏置晶体管的漏极与所述运算放大器的正输入端耦合；所述第二偏置晶体管的漏极与所述双极型晶体管的基极耦合。

特别的，所述电流源中的电阻性支路包括第二电阻，其第一端与所述运算放大器的正输入端耦合，其第二端接地。

本申请还提出了一种电子设备，其特征在于，包括如前述的电路。

通过采用本申请的方案，可以在测量双极型晶体管的电流放大倍数时得到测量值与电流放大倍数的直接关系，从而通过测量可以直接得到β的具体值，避免引入其他变量，消除测量过程中因工艺、温度等条件产生的无法检测到并进行补偿的测量误差。同时，通过得到测量值与电流放大倍数之间的线性关系，简化了测量后的相关计算，减小了在计算过程中由于测量和计算精度不高引起的误差。此外，本申请公开的方案属于模拟电路，电路结构和方法实现更为简洁，电路代价低，避免了数字电路相关技术产生的开销。

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是现有的一种用于检测双极型晶体管的电流放大倍数的电路结构示意图；

图2A是根据本申请的一个实施例的用于检测双极型晶体管的电流放大倍数的电路结构示意图；

图2B是如图2A所示的电路中的偏置单元结构示意图；以及

图3是利用如图2A所示的电路对待测的双极型晶体管进行检测时V_C随β的变化曲线。

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。

在例如集成电路的生产制造过程中，经常需要对双极型晶体管的电流放大倍数进行检测。图1是现有的一种用于检测双极型晶体管的电流放大倍数的电路结构示意图。如图1所示，检测电路对A点电压V_A进行检测，并通过公式(1)的计算得到待测的双极型晶体管Q的电流放大倍数β：

其中，V_B是待测的双极型晶体管Q的基极电压。因为电流源I₁变化范围较小，在一个固定的温度下，电压值V_B随工艺的变化不敏感，不产生较大变化，这里将其近似为常数。R₁为定值电阻，因此I₁R₁的乘积可以看作为常数。这样，测量得到的V_A值近似仅与β值有关，并单调地跟随β变化。通过测量V_A即可得到β信息。

然而，在上述计算中，V_B被近似为一个常数，而实际上的V_B会随着待测的双极型晶体管Q本身的制造工艺产生一定变化，也就是说即使在公式(1)中的i_B为一固定值时，V_B也会产生微小的变化造成偏差。因此在上述电路的测量和计算过程中均会引入误差，造成检测结果的不准确。此外，在公式(1)中，测量值V_A与β呈现非线性关系。实际上V_B和β值强相关，难以直接得到β的值，会给计算造成一定的困难，计算过程中也会出现不小的误差，影响检测精度。

此外，现有的电流放大倍数检测电路中常采用数字电路的形式，利用比较器、寄存器等数字逻辑器件，造成检测电路的功耗较高，超过了实际生产需求需要的成本。

因此，为解决传统的检测电路可能会造成的精度不高或增加误差等问题，本申请公开了一种用于检测双极型晶体管电流放大倍数的电路。

图2A是根据本申请的一个实施例的用于检测双极型晶体管的电流放大倍数的电路结构示意图。根据本申请的一个实施例，如图2A所示，用于检测双极型晶体管的电流放大倍数的电路200可以包括电源端以及一端与电源端耦合的负载单元201。负载单元201的第一端接收电源端提供的电压V_DD，第二端与待测的双极型晶体管203的集电极耦合，用于给待测的双极型晶体管203的集电极提供电流I_C。

根据本申请的实施例，负载单元201可以包括耦合在电源端与待测的双极型晶体管203的集电极之间的电阻性支路。根据本申请的一个实施例，所述电阻性支路可以包括定值电阻R_C，耦合在电源端和待测的双极型晶体管203的集电极之间。

根据本申请的一个实施例，电流放大倍数检测电路200还可以包括偏置单元202，与待测的双极型晶体管203的基极耦合，用于给待测的双极型晶体管203的基极提供电流I_B。

根据本申请的一个实施例，偏置单元202可以包括电流源I_B1，如图2A所示，第一端接电源端，第二端与待测的双极型晶体管203的基极耦合。

根据本申请的一个实施例，电流源I_B1提供的电流I_B可以是100nA到90μA，具体电流值根据实际生产需要决定。根据本申请的一个实施例，可以不使用太大电流以节约功耗。如果使用的电流低于100nA，则会对检测电路200的检测结果造成较大误差。

如图2A所示，待测的双极型晶体管203的发射极接地。在对待测的双极型晶体管203进行检测时，通过检测集电极电压V_C，进行计算得到待测的双极型晶体管203的电流放大倍数β。

图2B是如图2A所示的电路中的偏置单元结构示意图。根据本申请的另一个实施例，如图2B所示，偏置单元202可以包括运算放大器223，以及与运算放大器223的输出端耦合的偏置晶体管221。根据本申请的一个实施例，运算放大器223的负输入端接收参考电位端电压V_REF，正输入端与偏置晶体管221的漏极耦合，输出端与偏置晶体管221的栅极耦合。偏置晶体管221的源极接收电源电压VDD。

根据本申请的一个实施例，当运算放大器的正输入端电压V_REF’小于参考电位端电压V_REF时，输出带有增益的输出电压至偏置晶体管221的栅极。若偏置晶体管221的栅极接收到较大的偏置电压，则偏置晶体管221的漏极电压增大，运算放大器的正输入端电压V_REF’增大。随着运算放大器223的正负输入端电压之差逐渐降低，运算放大器向偏置晶体管221输出的栅极电压逐渐减小。当功率晶体管的漏极电压V_REF’等于参考电位端电压V_REF时，电流源I_B1趋于稳定。此时，功率晶体管的漏极电压等于参考电位端电压V_REF。

根据本申请的一个实施例，偏置单元202可以包括一条电阻性支路，所述电阻性支路一端与偏置晶体管221的漏极耦合，另一端接地。根据本申请的一个实施例，电阻性支路可以包括定值电阻R_REF。当电流源稳定工作时，偏置晶体管221的漏极电流I_D等于V_REF’/R_REF。

根据本申请的一个实施例，偏置单元202还可以包括偏置晶体管222。偏置晶体管222的源极接收电源电压V_DD，栅极与偏置晶体管221的栅极耦合，漏极作为电流源I_B1的输出端，与待测的双极型晶体管203的基极耦合，向待测的双极型晶体管203提供基极电流。

根据本申请的一个实施例，偏置晶体管221和222可以为型号、参数和材料相同的晶体管，以确保当偏置晶体管221和222的栅极电压和源极电流相同时，流经漏极的电流基本相同。具体参数和材料根据实际生产需要决定。根据本申请的实施例，偏置晶体管221和222可以是PMOS晶体管。

根据本申请的实施例，由于偏置晶体管222与221具有相同的偏置电压和源极电流，因此偏置晶体管222的漏极电流与偏置晶体管221的漏极电流相同。

根据本申请的一个实施例，负载单元201中的定值电阻R_C与偏置单元202中的定值电阻R_REF的材料可以为相同的材料，精度、结构、温度系数等其他参数也可以相同，以确保两个电阻因为工艺以及温度的变化而产生的变化率基本相同。具体参数和材料根据实际生产需要决定。

根据本申请的一个实施例，R_C与R_REF的阻值之比与待测的双极型晶体管203的集电极电压V_C随电流放大倍数β变化的幅度有关，因此R_C/R_REF的取值需根据实际生产需要决定。

下面将结合图2A所示的电路200的电路结构，对电路200检测待测的双极型晶体管203电流放大倍数β的工作原理进行描述。

根据本申请的一个实施例，偏置单元202作用是为待测的双极型晶体管203的基极提供偏置电流。因此，偏置单元202给待测的双极型晶体管203的集电极电流I_B满足如下关系：

其中V_REF是参考电位端提供的固定电压，R_REF是偏置单元202中的定值电阻的阻值。根据本申请的一个实施例，参考电位端电压V_REF的取值可以是满足运算放大器负输入端条件的电压，根据实际生产需要决定。根据本申请的一个实施例，参考电位端电压V_REF的取值可以是带隙基准电压，如1.2V。

根据本申请的一个实施例，此时测量C点的电压V_C，可以获得待测的双极型晶体管203的电流放大倍数β。具体过程如下：

待测的双极型晶体管203的基极电流I_C和集电极电流I_B满足下列关系：

I_C＝β·I_B (3)

在图2A所示的电路结构中，待测的双极型晶体管203的集电极电压V_C与集电极电流I_C满足如下关系：

V_C＝V_DD-I_C·R_C (4)

将(2)和(3)代入(4)，可得集电极电压V_C与电流放大倍数β满足下列关系：

上式可以改写为

V_C＝V_DD-k·β (6)

其中

在公式(7)中，集电极电压V_C随电流放大倍数变化的斜率k取决于参考电位端电压V_REF与R_C/R_REF的比值的乘积。参考电位端电压V_REF为固定电压，且不随温度而变化。由于R_C与R_REF的材料和其他参数一致，R_C/R_REF的比值基本固定。因此，斜率k可以认为是一已知且不变的常数。

在公式(6)中，V_DD是电源端提供的电压，由片外精准的电压源提供，同样为固定且已知的电平。因此，利用如图2A所示的电路测量得到的V_C值仅与β值有关，并单调地跟随β线性下降。

根据本申请的一个实施例，通过测量集电极电压V_C即可得到电流放大倍数β的具体数值，如下面的公式所示：

图3是利用如图2A所示的电路对待测的双极型晶体管进行检测后V_C随β的变化曲线。如图3所示，C点的电压V_C与待测的双极型晶体管203的电流放大倍数β呈线性关系。

根据本申请的一个实施例，图3所示的变化曲线斜率k与R_C/R_REF的值有关。当R_C/R_REF的值较大时，k越大，检测的精度越高。并且，R_C/R_REF的比值还与C点的电压V_C有关。根据本申请的实施例，为保证待测的双极型晶体管203的正常工作，V_C电压可以大于等于1V。

由V_C的限制条件可以得到

V_C＝V_DD-k·β≥1 (9)

将(7)代入(9)，可以得到

因此R_C/R_REF的值满足以下关系：

根据本申请的一个实施例，当电源端电压V_DD设置为3V，参考电位端电压V_REF设置为1V，待测的双极型晶体管的电流放大倍数可能在500左右时，R_C/R_REF的比值小于等于1/250。也就是说，对于R_C/R_REF的比值的选择，可以是在已知待测的双极型晶体管的放大倍数所处范围的基础上进行的。

本申请还公开了一种电子设备，可以包括如上述的实施例中的电路，可以为双极型晶体管的电流放大倍数提供检测功能。根据不同的实施例，上述电路与待测的双极型晶体管可以是分立的，也可以是集成在一起的。

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

1.一种用于检测双极型晶体管的电流放大倍数的电路，其特征在于，包括：

负载单元，配置为与所述双极型晶体管一起对电源电压进行分压，所述负载单元包括耦合在所述电源与所述双极型晶体管的集电极之间的电阻性支路；

偏置单元，配置为给所述双极型晶体管提供基极电流，其中所述偏置单元包括耦合在所述双极型晶体管基极和参考电位端之间的电阻性支路，其阻值与所述负载单元中的电阻性支路的阻值之比基本固定；以及

所述电路的检测端位于所述双极型晶体管的集电极。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，其中

所述负载单元的电阻性支路包括第一电阻，所述第一电阻的第一端与所述电源耦合，第二端与所述双极型晶体管的集电极耦合。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，其中

所述偏置单元包括电流源，所述电流源的第一端接所述电源，第二端与所述双极型晶体管的基极耦合。

4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，其中

所述电流源包括运算放大器、第一偏置晶体管和第二偏置晶体管，以及电阻性支路；

所述运算放大器的负输入端配置为接收参考电压，所述第一偏置晶体管和第二偏置晶体管的栅极与所述运算放大器的输出端耦合，源极都配置为接收电源电压；所述第一偏置晶体管的漏极与所述运算放大器的正输入端耦合；所述第二偏置晶体管的漏极与所述双极型晶体管的基极耦合。

5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，其中

所述电流源中的电阻性支路包括第二电阻，其第一端与所述运算放大器的正输入端耦合，其第二端接地。

6.一种电子设备，其特征在于，包括权利要求1-5中任一的电路。