TWI396380B - 低貝他電晶體之準確溫度測量 - Google Patents

低貝他電晶體之準確溫度測量 Download PDF

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    • G01K7/01—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using semiconducting elements having PN junctions

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Description

低貝他電晶體之準確溫度測量
本發明大體上係關於積體電路設計之領域，且更特定而言，係關於溫度感應器及測量裝置之設計。
許多數位系統，尤其是包括高效能、高速度電路的數位系統，易於發生由溫度效應導致的運作變化。監控溫度及電壓的裝置通常被包含作為該等系統之部分，以維持系統組件的完整性。其中，個人電腦(PC)、信號處理器及高速圖形配接器通常受益於該等溫度監控電路。舉例而言，隨著操作溫度達到高位準通常"熱工作(runs hot)"的中央處理器單元(CPU)可在該PC中需要一溫度感應器，以保證其不會由於熱量問題而發生故障或損壞。
通常，經設計以在一系統中測量溫度的積體電路(IC)解決方案將監控一或多個PN接面(例如處於不同電流密度的一個二極體或多個二極體)上之電壓，以擷取一溫度值。此方法通常包含放大(或向上增益)一產生於該(等)二極體上的小電壓，且隨後自該已放大的視溫度而變化之電壓減去電壓，以使該已放大(已增益)之值置中，以由類比/數位轉換器(ADC)進行轉換。換言之，基於IC之溫度測量解決方案的溫度至數位轉換通常是藉由當不同電流密度被施加於二極體之PN接面上時測量通常同樣的二極體之端子上的電壓之差異而實現。該等二極體之間的基極－發射極電壓(VB E )之所得改變(△VB E )通常與溫度成比例。(應注意，儘管VB E 通常指一個二極體連接之電晶體之基極－發射極接面上的電壓而非一簡單PN接面二極體上之電壓，但為了簡單性起見，VB E 在本文中大體上用以指產生於一PN接面上之電壓。)更具體言之，VB E 與溫度之間的關係由以下等式定義 其中η是PN接面之理想因數，k是玻爾茲曼常數(Boltzman's constant)，q是單個電子之電荷，T表示絕對溫度，IS 表示飽和電流且IC 表示集極電流。一種獲得△VB E 更有效及精確之方法是向單個二極體之PN接面提供呈預定比率之兩個獨立且不同之電流。因此，△VB E 可藉由以下等式與溫度相關 其中N是表示向該二極體之該PN接面提供的兩個獨立集極電流之一預選擇比率的一常數。
在某些情況下，例如當測量一半導體裝置(諸如CPU)之溫度時，用於執行溫度測量之PN接面可包含於一與該CPU組態於相同之基板上的PNP裝置中。當使用小幾何形狀製程基板電晶體作為PNP裝置時，該電晶體之β(共射極電流增益)可為非常低且可隨著過程與溫度以及集極電流位準而變化。典型現代溫度測量系統藉由將受控制、成比率的電流施加至一用作溫度測量PNP裝置之電晶體之發射極而運作，且因此由於電晶體之β變化而易於產生溫度測量誤差。
關於先前技術之其他相對應之問題在如本文所述將該先前技術與本發明相比較後將對於熟習此項技術者變得顯而易見。
在一組實施例中，一種準確溫度監控系統可使用一精確電流控制電路以將準確地設定比率之電流施加至一用於感應溫度之半導體裝置，其可係雙極接面電晶體(BJT)。可截獲與該BJT之溫度成比例的基極－發射極電壓之變化(△VB E )並將之提供至一ADC，該ADC可產生一與該溫度相對應之數字值。該精確電流控制電路可經組態以產生一參考電流，截獲該BJT之基極電流，產生一與該基極電流與參考電流之倍數的一總和相等的組合電流，且向該BJT之發射極提供該組合電流。回應於此組合電流，該BJT之集極電流將與該參考電流之該倍數相等。
在一實施例中，電流控制電路包含一經組態以產生一提供至該BJT的發射極電流之β補償電路，及一經組態以產生一參考電流之β偵測電路，其中該參考電流對應於將產生於用於感應溫度的該BJT中的所要之集極電流。該β補償電路可運作於至少兩種狀態下，經組態以在第一種狀態下產生對應於一低集極電流(用於該BJT)的發射極電流，且在第二種狀態下產生對應於一高集極電流的發射極電流。
在該第一種狀態下，來自BJT之基極電流可饋入一第一NMOS裝置之汲極並在一第二NMOS裝置中被鏡像。隨後可將與該汲極電流相等的該鏡像電流與該參考電流求和，且將該總和電流施加至一第一PMOS裝置之汲極(自第一PMOS裝置之汲極抽取)。該總和電流可在一第二PMOS裝置中被鏡像，該第二PMOS裝置之汲極可耦接於該BJT之發射極，藉此向該BJT之該發射極提供該總和電流。由於該發射極電流等於該基極電流與該參考電流之一總和，產生於該BJT中之集極電流將等於該參考電流。
在該第二狀態下，一規定數目(N－1)之並列耦接的相同NMOS裝置可被切換為與該第一NMOS裝置並列耦接，藉此產生一NMOS陣列，使得來自該BJT之基極電流可在包含於該NMOS陣列中的個別NMOS裝置之個別汲極之間等分。該NMOS陣列中之個別NMOS裝置的總數可反映該低集極電流與該高集極電流之間的所要比率。因此，在該第二種狀態下，在該第二NMOS裝置中所鏡像的電流可等於該基極電流除以N。隨後可將等於該基極電流除以N的鏡像電流與該參考電流求和，且再次將該總和電流施加至一第一PMOS裝置之汲極(自第一PMOS裝置之汲極抽取)。在該第二種狀態下，在包含經切換以並列耦接於該第二PMOS裝置的N－1個並列耦接之相同PMOS裝置的PMOS陣列中(其中包含於該PMOS陣列中的個別PMOS裝置之個別汲極可耦接在一起且可耦接至該BJT之發射極)，該總和電流可被N對1地鏡像，藉此向該BJT之該發射極提供該總和電流之N倍。由於該發射極電流等於該基極電流與N倍該參考電流之一總和，故產生於該BJT中之集極電流將等於該參考電流之N倍。
該β偵測電路可操作以最優地設定該參考電流(及因此設定該BJT之集極電流)，以使得由該β補償電路經由該PMOS陣列產生的發射極電流最大化但不過載。最大化該發射極電流(及因此該集極電流)可提供減少電磁干擾(EMI)對溫度測量之影響，且最大化可耦合於該BJT之基極發射極接面上的濾波電容量之附加益處。另外，該PMOS陣列中之電流越大，由於PMOS裝置失配可遭受的電流比率誤差越少，此亦可解釋為溫度測量誤差的一相當減少。在一實施例中，該β偵測電路可經組態以將該參考電流設定至一低初始值，且逐漸增加該參考電流之值，直至總和電流(等於該基極電流與該參考電流之總和，且施加至包含於該β補償電路中的第一PMOS裝置之汲極)超過一先前確定的最優值。在一實施例中，該參考電流逐步增加，其中每一步幅對應於一規定單位值，例如1 μA。一旦該總和電流超過先前確定的最優值，該參考電流之值可減少一單位步幅，且可在溫度轉換之持續時間中被保持於因此獲得之值處。
因此可準確地控制由該BJT傳導的多個集極電流之比率，從而導致更準確之溫度測量。
如本文所使用，詞語"交替地"意指分別自一狀態、動作或位置至另一狀態、動作或位置(或在其之間)往復。舉例而言，"交替地閉合及斷開一開關"將意謂閉合該開關，隨後斷開該開關，隨後閉合該開關，隨後斷開該開關，等等。
一"PN接面電壓"(VB E )指在一PN接面上測量到之電壓，或在一相對於共用接地端在該PN接面之陽極處測量到之電壓與一相對於共用接地端在該PN接面之陰極處測量到之電壓之間的電壓差異。一"PN接面電壓之改變"(△VB E )指在時間上或在不同的電路組態中，一所選擇之PN接面的PN接面電壓的改變。舉例而言，若在一電路組態中對於一PN接面而言VB E ＝700 mV，且在一不同電路組態中對於該PN接面而言VB E ＝655 mV，則當參考該兩種不同電路組態時，對於該PN接面而言△VBE＝45 mV。同樣，舉例而言，若在一時間點t1時對於一PN接面而言VB E ＝650 mV，且在一時間點t2時對於該PN接面而言VB E ＝702 mV，則當參考時間點t1及t2時，對於該PN接面而言△VB E ＝52 mV。在一積分器中"儲存"一VB E 或VB E 值通常指在該積分器內產生一與該VB E 值相對應的電荷。在該積分器中"增加"及/或"減少"一VB E 或VB E 值通常指與該VB E 值相對應地增加及/或減少該積分器內的該所產生之電荷。一PN接面可包含於一雙極接面電晶體(BJT)之一基極－發射極接面中。該電路之多種實施例被描述為利用了BJT。然而，在其他實施例中，由該BJT執行之操作可藉由存在於不同於BJT的裝置中之具有與BJT之接面相似之特徵的PN接面(或NP接面)達成。
鑒於將一高集極電流及一低集極電流作為呈一預選比率的兩個獨立且不同之電流，等式2可重寫為： 其中IC H 表示該高集極電流且IC L 表示該低集極電流。其中(4)IC H ＝N*IC L .
發射極電流IE 與集極電流IC 之間的關係由下式給出： 鑒於處於該高電流下電晶體之β增益，及當自該高電流切換至該低電流時β之△β改變，可自等式5獲得以下關係式： 其中IE 是對應於IC L 的單元發射極電流，根據等式4其在等式6中乘以'N'，以滿足在等式5中建立之關係。隨後可重寫等式3，分別用來自等式6及7的相對應之陳述式置換IC H 及IC L 。
在等式8中，△VB E 對應於正確(所期望)的測量溫度加上一由於△β所引發之溫度誤差。等式8右側第一項表示所期望之無誤差的△VB E ，而第二項是由電晶體之β改變(△β)產生的誤差項。如等式8中所指出，隨著△β歸於零，該誤差項被消除。亦注意，即使對於一有限之△β值，大的β值將導致一較小之誤差項。然而，在具有小的β值的小幾何形狀製程基板電晶體的情況下，一有限之△β值將對△VB E 之總值產生一較大影響，且將因此導致增加之測量誤差。
圖1圖解說明了根據本發明實施的一溫度感應系統之一實施例的方塊圖。在該所示實施例中，電流控制電路102用於根據由電流控制電路102接收之BJT 104之基極電流IB 而在BJT 104中控制發射極電流IE 及集極電流IC 。BJT 104可耦接於ADC 110之輸入端，如圖所示。關於ADC 110及BJT 104至ADC 110的耦接之可能實施例的更詳細情況，請參考美國專利第6,847,319號，標題為"溫度/數位轉換器(Temperature－to－Digital Converter)"，由Troy L.Stockstad發明，其全文以引用的方式併入本文中，就如同在本文中充分地且完全地闡述一般。在一組實施例中，電流控制電路102可經操作以在BJT 104中交替產生一高IC 電流及一IC 低電流(在等式3中分別為IC H 及IC L )，同時在BJT 104之基極－發射極接面上產生之所得△VB E 由ADC 110用以產生一對應於BJT 104之溫度的數字(數位)值。ADC 110可提供一M位元之輸出，其中M可基於所需的該數位值之解析度而選擇。在一組實施例中，IC H 之值可為IC L 之值的N倍，亦如等式4中所示。
圖2展示了電流控制電路102之一可能實施例，其用於根據IB 在BJT 104中建立IE 及IC 。PMOS電晶體200可經組態以向BJT 104提供發射極電流IE 。PMOS裝置202可經組態以鏡像此發射極電流。換言之，PMOS裝置202可耦接於PMOS裝置200，以使得一流入PMOS裝置200之源極的電流由PMOS裝置202複製，其中流入PMOS裝置202之源極的電流與流入PMOS裝置200之源極的電流相等。熟習此項技術者將理解，一等效鏡像電流之值可通常在被鏡像之電流之值的1%範圍內，且可使用多種技術最小化或消除PMOS裝置200與202之間的失配誤差。該等失配誤差可由於(例如)製造過程變化而存在，且可例如使用此項技術中熟知之方法(諸如動態元件匹配(DEM))加以矯正。BJT 104之基極可耦接於NMOS裝置210，從而將IB 有效地施加至NMOS裝置210之汲極及耦接的閘極。
在一實施例中，NMOS裝置212耦接於NMOS裝置210以鏡像由NMOS裝置210傳導的基極電流IB 。亦即，流入NMOS裝置212之汲極的電流可與由NMOS裝置210傳導的IB 電流相等。NMOS裝置212可進一步經組態以耦接於節點224，該節點可將PMOS裝置202之汲極耦接至PMOS裝置206之源極，NMOS裝置212藉此自節點224抽取一與IB 相等之電流。此導致一與IE －IB 相等之電流流出PMOS裝置206之汲極，該電流根據定義與由BJT 104傳導的集極電流IC 相等。電流源220可經組態以向NMOS裝置218提供一電源電流IS U P P L Y 。該電源電流可在表示IH I G H 或IL O W 的值之間切換，亦即，分別在BJT 104之一所要之高集極電流IC H 及低集極電流IC L 之間切換，NMOS裝置214可經組態以鏡像由PMOS裝置218傳導的電流，其中PMOS裝置206之汲極耦接於NMOS裝置214之汲極，形成一可驅動放大器216之非反相輸入端的高阻抗節點。在一實施例中，放大器216之輸出經組態以驅動PMOS裝置202及200之閘極，藉此調整流入BJT 104之發射極電流IE ，以使得流出BJT 104之集極電流IC 與在NMOS裝置218中流動之電流(IH I G H 或IL O W )相等。電流源220可經組態以提供準確設定比率的電流(亦即，滿足等式4)，從而導致在BJT 104中產生準確設定比率的集極電流。藉由控制產生於BJT 104中的集極電流，可在溫度測量期間極大地減少及/或消除β誤差。
圖3展示了電流控制電路102之一替代實施例。在此實施例中，藉由PMOS裝置300將電流IE 提供至BJT 104，該PMOS裝置耦接於BJT 104之發射極，如圖所示。來自BJT 104之基極電流可流入NMOS裝置306，且可由NMOS裝置308鏡像，以使得流入NMOS裝置308之汲極的電流與流入NMOS裝置306之汲極的IB 相等。電流源312可經組態以向NMOS裝置314提供一電流，該電流可由NMOS裝置310鏡像，以使得流入NMOS裝置310之汲極的電流與由NMOS裝置314傳導的電流IC 相等。藉由將NMOS裝置308之汲極與NMOS裝置310之汲極耦接在一起，可將IC 與IB 有效地合在一起，所得電流(IB ＋IC ＝IE )自PMOS裝置302抽取，且由PMOS裝置300鏡像。因此，無論BJT 104之β如何，流出BJT 104的集極電流都可被控制及/或保持恆定。
為了提供成比率的集極電流(IC H 及IC L )，電流源312可經組態以能夠提供兩個成比率的電流，或PMOS裝置300及NMOS裝置306可各自分別由相對應的並列耦接之PMOS及NMOS裝置陣列替換。在一組實施例中，並列耦接該等NMOS裝置包含將該等NOMS裝置之閘極耦接在一起，將該等NMOS裝置之汲極耦接在一起及將該等NMOS裝置之源極耦接在一起(在圖3所示之實施例中，每一該等並列耦接之NMOS裝置之個別源極耦接至接地端)。同樣，並列耦接該等PMOS裝置包含將該等PMOS裝置之閘極耦接在一起，將該等PMOS裝置之汲極耦接在一起及將該等PMOS裝置之源極耦接在一起(在圖3所示之實施例中，每一該等並列耦接之PMOS裝置之個別源極耦接於電源電壓)。此等PMOS及NMOS裝置陣列可經組態以允許在單一裝置傳導電流與N個裝置傳導電流之間往復切換，而由電流源312提供之電流保持恆定。在電路中PMOS裝置陣列(替代PMOS裝置300)與NMOS裝置陣列(替代NMOS裝置306)都有N個裝置的情況下，IB 可流入NMOS裝置陣列，且可在NMOS裝置308中N對1地鏡像，以使得流入NMOS裝置308之汲極的電流等於IB 除以N。由NMOS裝置308及NMOS裝置310向PMOS裝置302提供之電流可隨後變為IB /N＋IC 。此電流可由PMOS裝置陣列1對N地鏡像，其中流入BJT 104之發射極的電流將為IB ＋N*IC 。因此，BJT 104中之集極電流IC 可為N*IC ，且當NMOS陣列及PMOS陣列各自切換為僅個別的單一裝置傳導電流時為IC 。此在圖4中作為β補償電路416之部分來圖解說明。
圖4展示了電流控制電路102之另一實施例，其包含一β補償電路416及一經組態以產生參考電流IR E F 的β偵測電路432，該參考電流對應於BJT 104中所要之IC L 。電路416可運作於兩種狀態下，第一種狀態中使開關407及408斷開。當在開關407及408斷開之狀態下時，自BJT 104之基極流出的基極電流IB 可施加於電路416之DN接腳108。IB 可因此施加於NMOS裝置410之汲極，且可由NMOS裝置414一對一地鏡像，藉此建立一與流入NMOS裝置414之汲極的IB 相等的電流。可將此等效電流與由電路432產生之IR E F 求和，從而導致一組合電流(IR E F ＋IB )。此組合電流可自PMOS裝置406抽取，且可由PMOS裝置402一對一地鏡像，藉此建立一與(IR E F ＋IB )相等的流入接腳DP 106及流入BJT 104之發射極的電流。當BJT 104之發射極電流IE 與IR E F ＋IB 相等時，根據定義(IE ＝IC ＋IB )，IC 與IR E F 相等。
如圖4中所示，電路416及432可都包含單一NMOS及/或PMOS裝置及並列耦接之NMOS及/或PMOS陣列。在每種情況下，個別裝置之數目由值'm'指示。舉例而言，PMOS裝置402表示一單一PMOS裝置，而PMOS 404可表示'N－1'個並列耦接之PMOS裝置，其中'N'表示IC H 與IC L 之間的比率，如等式4所界定。包含於PMOS陣列404中的個別PMOS裝置之個別閘極可耦接在一起且可耦接於單一PMOS裝置402之閘極，而包含於PMOS陣列404中的個別PMOS裝置之個別汲極可經由開關408各自耦接於PMOS裝置402之汲極。應注意，開關408可表示'N－1'個開關，每一開關經組態以耦接包含於PMOS陣列404中的一個別PMOS裝置之汲極。NMOS 412可同樣表示'N－1'個並列耦接之NMOS裝置，其以與關於PMOS陣列404所述相似之方式耦接於NMOS裝置410。可使用開關407(其可表示'N－1'數目個開關)可切換地耦接NMOS陣列412，一個開關用於包含在NMOS陣列412中的每一NMOS裝置之個別汲極。
當在開關407及408閉合之狀態下時，BJT 104之基極電流IB 可流出BJT 104之基極並流入電路416之DN接腳108。IB 可分配在NMOS裝置410與包含於NMOS陣列412中的'N－1'個NMOS裝置之個別汲極之間。在一組實施例中，為了獲得流入NMOS裝置410之汲極及NMOS陣列412之個別裝置之個別汲極的大體上相等之電流，NMOS裝置410與NMOS陣列412之個別裝置可經設計為相同的。PMOS裝置402及PMOS陣列404之個別裝置可同樣經設計為相同的。IB 可由NMOS裝置414一對N地鏡像。亦即，流入NMOS裝置414之汲極的鏡像電流可與IB /N相等，其表示流入NMOS裝置410之汲極或包含於NMOS陣列412中之任一NMOS裝置之個別汲極的個別電流之值。可將此等於IB /N的鏡像電流與由電路432產生之IR E F 求和，從而導致一組合電流(IR E F ＋IB /N)。此組合電流可自PMOS裝置406抽取，且可由PMOS裝置402及PMOS陣列404N對一地共同鏡像，藉此建立一與(N*IR E F ＋IB )相等的流出接腳DP 106及流入BJT 104之發射極的電流。當BJT 104之發射極電流IE 與N*IR E F ＋IB 相等時，根據定義(IE ＝IC ＋IB )，IC 與N*IR E F 相等。
因此，電路416可經操作以準確地控制BJT 104中之集極電流，因為IC 將等於IR E F 或IR E F 的倍數。此倍數或比率可由當組態NMOS陣列412及/或PMOS陣列404時使用的鏡像比率來確定。組態每一陣列(NMOS陣列412及/或PMOS陣列404)所使用的(較佳為相同的)裝置之個別數目可確定實際集極電流比率。在所示實施例中，IC H 與IC L 之比率為'N'。藉由使用此技術，BJT 104之β對溫度讀數及準確性的影響可極大地減少及/或消除。
圖4中所示之電流控制電路102之實施例亦以一β偵測電路432為特徵，該β偵測電路432可經操作以最優地設定集極電流IR E F 以使得自PMOS裝置402及PMOS陣列404共同獲得的發射極電流IE 最大化但不過載。最大化該發射極電流IE ，及因此最大化該集極電流IC 可提供減少電磁干擾(EMI)對溫度測量之影響且最大化可耦合於該BJT 104之基極發射極接面上的濾波電容量之附加益處。另外，PMOS裝置402及/或包含於PMOS陣列404中之個別裝置中之電流越大，由於PMOS裝置失配可引起的電流比率誤差越少，此亦可解釋為溫度測量誤差的一可觀的減少。應瞭解，若自PMOS裝置406抽取過多電流，PMOS裝置402及/或包含於PMOS陣列404中的任一及/或所有裝置可運作於歐姆區域而非保持飽和。此可損害鏡像來自PMOS裝置406之電流的準確性，且可因此導致可能相當大的溫度測量誤差。對於任一給定集極電流IR E F ，發射極電流IE 將為BJT 104之β的一函數，如等式5所界定。因為β一般對於使用者是未知的，且因為其可作為溫度之函數而變化，故需要一自動方式來最優地設定BJT 104之低集極電流IC L (實際上，藉由最優地設定IR E F )，以使得BJT 104之發射極電流IE 接近其最優值。
如圖4所示，電路432可經組態具有四個NMOS陣列422、426、428及430，及單一NMOS裝置424。如前文，每一NMOS陣列可包含一規定數目之並列耦接之NMOS裝置，在每一情況下該規定數目由'm'之個別值指示。舉例而言，NMOS陣列422可包含十個相同的並列耦接之NMOS裝置，NMOS陣列426可包含兩個相同的並列耦接之NMOS裝置等等。例如，若已確定當BJT 104之低集極電流IC L 處於10 μA時PMOS裝置402及PMOS陣列404運作地最為準確，則NMOS陣列422之總汲極電流之初始值IE M A X 可設定為10 μA。在一實施例中，藉由將IS U P P L Y 設定為5 μA並將該5 μA電流施加於NMOS陣列430之汲極來設定IE M A X 。NMOS陣列430之汲極電流可隨後由NMOS陣列422二對一地鏡像，從而有效地將流入NMOS陣列422之汲極的IE M A X 設定為10 μA。可確立啟用信號以初始化β偵測過程，且可將時脈信號用於在數位控制區塊420中為邏輯序列定時。一旦確立了啟用信號，可以二進位序列分別經由控制輸出sw2、sw3及sw4來步進控制開關434、436及438，其中控制輸出sw2可經組態為最低有效位元(LSB)，且控制輸出sw4可經組態為最高有效位元(MSB)，藉此提供一種用於以1 μA步幅將IR E F 自1 μA增加至7 μA的方法。換言之，NMOS裝置424與開關434及控制輸出sw2結合可提供1 μA步幅，而NMOS陣列426與開關436及控制輸出sw3結合可提供2 μA步幅，且NMOS陣列428與開關438及控制輸出sw4結合可提供4 μA步幅。
應再次注意，10 μA之值僅作為一實例提供，且此值可為經確定作為與BJT 104之低集極電流IC L 相對應的且施加於BJT 104之發射極的IE 之所要值的任何規定值。因此，IS U P P L Y 之值及每一NMOS陣列(例如422、426、428、430)中的個別裝置之數目可根據所要步幅增量及BJT 104之對應的所要IE 之經確定初始值IE M A X 來加以設定。
仍參看圖4，隨著IR E F 增加或向上步進，自PMOS裝置406抽取之電流可增加，且可由PMOS裝置418一對一地鏡像。再次，意謂著自PMOS裝置418之汲極流出之電流可與自PMOS裝置406流出之電流相等。當PMOS裝置406中之電流及因此PMOS裝置428中之電流超過10 μA或規定值時，連接於數位控制區塊420之"偵測"埠的節點432轉變(在此情況下為自低電壓至高電壓)，從而導致數位控制區塊420不再增加IR E F ，藉此暫停β偵測過程。一但此出現，可將IR E F 減少1 μA，在溫度轉換之持續時間中IR E F 可保持在該電流值處。因此，可設定IR E F ，以使得來自包含PMOS裝置410及PMOS陣列404的PMOS鏡之發射極電流IE 接近其最優值(在此情況下確定為10 μA)但不超過其。可能存在產生及增加IR E F 的替代方式，且其雖然未展示但是預期的。
因此，上述系統及方法的多種實施例可有助於一溫度感應系統之設計，該系統使用一電流控制電路藉由控制產生於一用於獲得溫度資訊的低β電晶體中之集極電流來向該電晶體提供準確設定比率的電流。
儘管已相當詳細地描述了上述實施例，其他版本亦是可能的。一旦完全瞭解上述揭示，許多變化及修改對於熟習此項技術者將變得顯而易見。希望以下申請專利範圍被解釋為包含所有該等變化及修改。注意本文所使用之段落標題是僅用於組織之目的，且並非意謂限制本文提供之說明或所附之申請專利範圍。
102．．．電流控制電路
104．．．BJT
106．．．DP接腳
108．．．DN接腳
110．．．ADC
200．．．PMOS電晶體
202．．．PMOS裝置
206．．．PMOS裝置
210．．．NMOS裝置
212．．．NMOS裝置
214．．．NMOS裝置
216．．．放大器
218．．．NMOS裝置
220．．．電流源
224．．．節點
300．．．PMOS裝置
302．．．PMOS裝置
306．．．NMOS裝置
308．．．NMOS裝置
310．．．NMOS裝置
312．．．電流源
314．．．NMOS裝置
402．．．PMOS裝置
404．．．PMOS陣列
406．．．PMOS裝置
407．．．開關
408．．．開關
410．．．NMOS裝置
412．．．NMOS陣列
414．．．NMOS裝置
416．．．β補償電路
420．．．數位控制區塊
422．．．NMOS陣列
424．．．NMOS裝置
426．．．NMOS陣列
428．．．NMOS陣列
430．．．NMOS陣列
432．．．β偵測電路/節點
434．．．開關
436．．．開關
438．．．開關
sw2．．．控制輸出
sw3．．．控制輸出
sw4．．．控制輸出
圖1說明了根據本發明之原理的利用一ADC及一電流控制電路之溫度測量系統；圖2說明了一電流控制電路之一實施例；圖3說明了一電流控制電路之替代實施例；及圖4說明了一電流控制電路之一實施例，其包含一與一貝他偵測組件相結合的貝他補償組件。
雖然本發明易具有各種修改或替代形式，其特定實施例以實例之方式在圖式中予以展示，且將在本文中詳細說明。然而應瞭解，該等圖式及其詳細說明不期望將本發明限制於所揭示之特定形式，相反，本發明將涵蓋屬於如由附加之申請專利範圍界定的本發明之精神及範圍內之所有修改、等效物及替代物。注意，標題僅用於組織目的，且並非意謂用於限制或解釋說明或申請專利範圍。此外，注意，詞語"可"在此申請案全篇中用作許可之意思(亦即，具有可能、能夠)，而非用作一強制之意思(亦即，必須)。術語"包括"及其衍生詞意謂"包括，但不限於"。術語"耦接"意謂"直接地或非直接地連接"。
102．．．電流控制電路
104．．．BJT
106．．．DP接腳
108．DN接腳
110．ADC

Claims (31)

  1. 一種用於在一半導體裝置中控制電流之方法，該方法包含：產生一參考電流；截獲一流經該半導體裝置之一控制端子的控制電流；將該控制電流與該參考電流之一倍數求和，以獲得一輸入電流；及將該輸入電流施加於該半導體裝置之一輸入端子；其中回應於該施加該輸入電流，一流經該半導體裝置之一輸出端子的裝置電流與該參考電流之該倍數相等。
  2. 如請求項1之方法，其中該截獲該控制電流包含：將該控制電流施加於一第一電晶體之一輸入端子；及在一第二電晶體中鏡像該控制電流，以獲得一流經該第二電晶體之一輸入端子的第一鏡像電流，其中該第一鏡像電流與該控制電流相等。
  3. 如請求項2之方法，其中該將該控制電流與該參考電流之該倍數求和包含：截獲一流經一第三電晶體之一輸出端子之輸出電流，其中該輸出電流為該第一鏡像電流與該參考電流之一和；及在一第四電晶體中鏡像該輸出電流，以獲得一流經該第四電晶體之一輸出端子的第二鏡像電流，其中該第二鏡像電流與該輸出電流相等。
  4. 如請求項3之方法，其中該將該輸入電流施加於該半導體裝置之該輸入端子包含將該第二鏡像電流施加於該半導體裝置之該輸入端子。
  5. 如請求項1之方法，其中該截獲該控制電流包含將該控制電流分為複數個(N)分流，其中該N個分流中之至少一分流與該控制電流除以N相等。
  6. 如請求項5之方法，其中該N個分流中之每一分流與該控制電流除以N相等。
  7. 如請求項5之方法，其中該截獲該控制電流進一步包含在一第二電晶體中鏡像該至少一分流，以獲得一流經該第二電晶體之一輸入端子的第一鏡像電流，其中該第一鏡像電流與該至少一分流相等。
  8. 如請求項7之方法，其中該將該控制電流與該參考電流之該倍數求和包含：截獲一流經一第三電晶體之一輸出端子之輸出電流，其中該輸出電流為該第一鏡像電流與該參考電流之一和；及在N個輸出鏡像電晶體之每一者中鏡像該輸出電流，以獲得N個分鏡像電流，該N個分鏡像電流之每一者流經該N個輸出鏡像電晶體中之一個別輸出鏡像電晶體之一相對應輸出端子，其中該N個分鏡像電流之每一者與該輸出電流相等；及將該N個分鏡像電流求和，以獲得一總鏡像電流。
  9. 如請求項8之方法，其中該將該輸入電流施加於該半導體裝置之該輸入端子包含將該總鏡像電流施加於該半導體裝置之該輸入端子。
  10. 如請求項8之方法，其中該產生該參考電流包含調整該參考電流以使該總鏡像電流達到一最優值，其中該最優值表示當該N個輸出鏡像電晶體之每一者仍運作於飽和模式下時的一最大總鏡像電流。
  11. 如請求項10之方法，其中該調整該參考電流包含：將該參考電流設定至一初始值以獲得該輸出電流；監控該輸出電流；以一規定量增加該參考電流；及執行複數次該增加，直至該輸出電流超過一預定值。
  12. 如請求項11之方法，其中該調整該參考電流進一步包含在該輸出電流已超過該預定值後以該規定量減少該參考電流。
  13. 如請求項5之方法，其中該參考電流之該倍數與該參考電流乘以N相等。
  14. 一種用於在一半導體裝置中控制電流之系統，該系統包含：一經組態以產生一參考電流的第一電路；一第二電路，其經組態以耦接於該第一電路，且可操作以接收一流經該半導體裝置之一控制端子之控制電流；及一第三電路，其經組態以耦接於該第一電路並耦接於該第二電路，且可操作以產生一與該控制電流與該參考電流之一倍數之一總和相等的組合電流，且進一步可操作以向該半導體裝置之一輸入端子提供該組合電流；其中，回應於被施加於該半導體裝置之該輸入端子的該組合電流，一流經該半導體裝置之一輸出端子的裝置電流與該參考電流之該倍數相等。
  15. 如請求項14之系統，其中該第二電路可操作以產生一第一鏡像電流，該第一鏡像電流與以下之一相等：該控制電流；及該控制電流除以一規定值(N)；其中該第二電路可操作以向該第三電路提供該第一鏡像電流。
  16. 如請求項15之系統，其中該第三電路可操作以傳導一總和電流，該總和電流包含該第一鏡像電流與該參考電流之一總和。
  17. 如請求項16之系統，其中該第三電路可操作以產生以下之一：一與該總和電流相等的第二鏡像電流，其中該組合電流包含該第二鏡像電流；及N個分鏡像電流，其中該N個分鏡像電流中之每一者與該總和電流相等，且其中該組合電流包含該N個分鏡像電流之一總和。
  18. 如請求項15之系統，其中該第二電路可操作以將該控制電流分為N個大小相等的分流，其中該第一鏡像電流與該N個大小相等的分流中之一者相等。
  19. 如請求項14之系統，其中該第一電路可操作以調整該參考電流，以最大化該組合電流而不使該組合電流超過一規定值。
  20. 如請求項19之系統，其中該第一電路可操作以當該組合電流與該控制電流與該參考電流之一總和相等時調整該參考電流，以最大化該組合電流而不使該組合電流超過一規定值。
  21. 如請求項19之系統，其中該第一電路包含一數位控制區塊，該數位控制區塊可操作以將該參考電流設定為複數個規定值中之一者。
  22. 如請求項21之系統，其中該數位控制區塊包含複數個控制輸出；其中該第一電路進一步包含複數個並列耦接之電晶體，該複數個並列耦接之電晶體之每一者的一個別輸入端子可切換地耦接至該複數個控制輸出中之一個別控制輸出；其中該參考電流包含複數個單獨電流之一總和，該複數個單獨電流之每一者流入該複數個並列耦接之電晶體中之一個別電晶體的該個別輸入端子中。
  23. 如請求項21之系統，其中該數位控制區塊經組態以自該第三電路接收一偵測電流；其中該數位控制區塊可操作以將該參考電流設定為一初始值，並增加該參考電流直至該偵測電流超出該規定值。
  24. 如請求項23之系統，其中該數位控制區塊可操作以若干離散步幅增加該參考電流，且回應於該偵測電流超過該規定值而以一單一離散步幅減少該參考電流。
  25. 如請求項14之系統，其中該第一電路與該第二電路包含NMOS裝置與PMOS裝置。
  26. 一種溫度監控系統，其包含：一半導體裝置，其具有一定義的、通常非線性的隨溫度變化之輸入輸出特徵；及一電流控制電路，其經組態以耦接於該半導體裝置，且包含：一經組態以產生一參考電流的第一電路；一第二電路，其經組態以耦接於該第一電路，且可操作以接收一流經該半導體裝置之一控制端子之控制電流；及一第三電路，其經組態以耦接於該第一電路並耦接於該第二電路，且可操作以傳導一與該控制電流與該參考電流之一倍數之一總和相等的組合電流，且進一步可操作以向該半導體裝置之一輸入端子提供該組合電流；其中，回應被施加於該半導體裝置之該輸入端子的該組合電流，一流經該半導體裝置之一輸出端子的裝置電流與該參考電流之該倍數相等。
  27. 如請求項26之溫度監控系統，其進一步包含一經組態以耦接於該半導體裝置的類比/數位轉換器(ADC)；其中回應於被施加於該半導體裝置之該輸入端子的該組合電流，該半導體裝置可操作以在其輸入端子與控制端子上產生一輸出電壓；其中該輸出電壓具有與該參考電流之每一不同倍數相對應的一個別值；其中該ADC可操作以回應於該輸出電壓之至少兩個不同的個別值而產生一與該半導體裝置之一溫度相對應的數值。
  28. 如請求項27之系統，其中該半導體裝置包含一PN接面，且其中該控制端子及該輸入端子對應於該PN接面之端子。
  29. 如請求項28之系統，其中該輸出電壓包含一產生於該PN接面上的基極－發射極電壓。
  30. 如請求項28之系統，其中該PN接面包含於一雙極接面電晶體(BJT)中，其中該控制端子為該BJT之該基極，且該輸入端子為該BJT之該發射極。
  31. 如請求項27之系統，其中該ADC為以下之一：一管線ADC；一循環ADC；一德耳塔－西格馬(delta－sigma)ADC；一逐次近似法ADC；及一積分ADC。
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070237207A1 (en) * 2004-06-09 2007-10-11 National Semiconductor Corporation Beta variation cancellation in temperature sensors
US7429129B2 (en) * 2005-02-28 2008-09-30 Standard Microsystems Corporation Proportional settling time adjustment for diode voltage and temperature measurements dependent on forced level current
US20100231290A1 (en) * 2009-03-16 2010-09-16 Li-Lun Chi Measurement device, electronic system, and control method utilizing the same
US9172366B2 (en) 2014-02-04 2015-10-27 Lattice Semiconductor Corporation Collector current driver for a bipolar junction transistor temperature transducer
US9535445B2 (en) * 2014-04-04 2017-01-03 Lattice Semiconductor Corporation Transistor matching for generation of precise current ratios
KR102538699B1 (ko) 2016-07-01 2023-06-01 에스케이하이닉스 주식회사 기판 바이폴라접합트랜지스터의 컬렉터 전류 제어를 위한 회로 디자인 및 이를 이용하여 ptat 전압 발생을 위한 베이스 전류 보상 회로
US10545053B2 (en) * 2017-06-07 2020-01-28 Xilinx, Inc. Dynamic element matching in an integrated circuit
CN112304455A (zh) * 2020-09-30 2021-02-02 上海兆芯集成电路有限公司 温度测试系统
DE102021210057A1 (de) 2021-09-13 2023-03-16 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Vorrichtung zum Empfangen eines Eingangsstroms und Betriebsverfahren hierfür

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5195827A (en) * 1992-02-04 1993-03-23 Analog Devices, Inc. Multiple sequential excitation temperature sensing method and apparatus
US5686858A (en) * 1994-08-31 1997-11-11 Sgs-Thomson Microelectronics S.A. Temperature detector on an integrated circuit
US5982221A (en) * 1997-08-13 1999-11-09 Analog Devices, Inc. Switched current temperature sensor circuit with compounded ΔVBE
US6097239A (en) * 1999-02-10 2000-08-01 Analog Devices, Inc. Decoupled switched current temperature circuit with compounded ΔV be
US6554469B1 (en) * 2001-04-17 2003-04-29 Analog Devices, Inc. Four current transistor temperature sensor and method
US6847319B1 (en) * 2003-07-22 2005-01-25 Standard Microsystems Corporation Temperature-to-digital converter

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2598154B2 (ja) * 1990-05-24 1997-04-09 株式会社東芝 温度検出回路
US5198701A (en) * 1990-12-24 1993-03-30 Davies Robert B Current source with adjustable temperature variation
US5258703A (en) 1992-08-03 1993-11-02 Motorola, Inc. Temperature compensated voltage regulator having beta compensation
US6160305A (en) 1996-12-23 2000-12-12 Motorola, Inc. Beta dependent temperature sensor for an integrated circuit
US7010440B1 (en) * 2003-11-25 2006-03-07 Analog Devices, Inc. Method and a measuring circuit for determining temperature from a PN junction temperature sensor, and a temperature sensing circuit comprising the measuring circuit and a PN junction
US7170334B2 (en) 2005-06-29 2007-01-30 Analog Devices, Inc. Switched current temperature sensing circuit and method to correct errors due to beta and series resistance

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5195827A (en) * 1992-02-04 1993-03-23 Analog Devices, Inc. Multiple sequential excitation temperature sensing method and apparatus
US5686858A (en) * 1994-08-31 1997-11-11 Sgs-Thomson Microelectronics S.A. Temperature detector on an integrated circuit
US5982221A (en) * 1997-08-13 1999-11-09 Analog Devices, Inc. Switched current temperature sensor circuit with compounded ΔVBE
US6097239A (en) * 1999-02-10 2000-08-01 Analog Devices, Inc. Decoupled switched current temperature circuit with compounded ΔV be
US6554469B1 (en) * 2001-04-17 2003-04-29 Analog Devices, Inc. Four current transistor temperature sensor and method
US6847319B1 (en) * 2003-07-22 2005-01-25 Standard Microsystems Corporation Temperature-to-digital converter

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