本文中所描述的實施例涉及用以校準溫度傳感器的電路和方法。

背景技術(shù)：

在用于各種應用的電子電路的設計中，使用熱監(jiān)測且熱監(jiān)測對于半導體組件(例如，集成電路)避免產(chǎn)生可能不利地影響各種電路組件的較高溫度來說至關重要。溫度監(jiān)測可用于多種應用，例如，雷達，雷達可承受-40℃到150℃范圍內(nèi)的操作溫度。集成溫度傳感器常常使用基于二極管的架構(gòu)且在雙極結(jié)型晶體管對之間使用δvbe(δ基極-射極電壓)測量法，以限定與絕對溫度成正比(ptat)的電壓。

為了獲得良好的準確度，背景技術(shù)設計可需要使用至少兩個或三個溫度插入點的大的校準算法來校準溫度傳感器。為了擴大技術(shù)領域(例如，雷達應用)中δvbe的動態(tài)范圍，更多數(shù)量的二極管被使用，這可能導致電路的復雜和溫度傳感器的不準確。當使用大量二極管時，失配模型建立困難且極其不準確。

使用溫度監(jiān)測的電路的例子包括具有例如時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(tdc)或數(shù)字控制振蕩器(dco)組件的全數(shù)字鎖相環(huán)路(adpll)，該全數(shù)字鎖相環(huán)路在使用期間可展現(xiàn)溫度的一些漂移。這一漂移可能引起參數(shù)問題，包括輸出處的漂移或雜散。及早檢測可能的過熱情況可以防止系統(tǒng)故障發(fā)生，例如參數(shù)降級和不可逆的損壞。可使用有效且準確的溫度傳感器校準來確保及早檢測。

在先前的電路設計中，為了實現(xiàn)良好的準確度，需要使用至少兩個、三個，或更多溫度插入點的極大的校準算法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

各個示例性實施例的簡要概述在下文呈現(xiàn)。在以下概述中可以做出一些簡化和省略，該概述意在突出并介紹各種示例性實施例的一些方面，但不限制本發(fā)明的范圍。足以允許本領域的一般技術(shù)人員獲得且使用發(fā)明性概念的示例性實施例的詳細描述將隨后在后續(xù)部分呈現(xiàn)。

本文中所描述的各種實施例包括一種溫度傳感器，該溫度傳感器包括：第一電流產(chǎn)生器，該第一電流產(chǎn)生器被配置成產(chǎn)生與絕對溫度成正比(ptat)電流；第二電流產(chǎn)生器，該第二電流產(chǎn)生器被配置成產(chǎn)生逆ptat(iptat)電流，該ptat電流和iptat電流被組合以形成具有關于溫度的靈敏度的參考電流；多個電流鏡，該等電流鏡用以調(diào)整參考電流的靈敏度和增益；以及可變電阻器，該可變電阻器用以基于所產(chǎn)生的電流設置輸出校準電壓。

數(shù)字控制器可被配置成控制電流斜率的調(diào)整?？勺冸娮杵骺捎蓴?shù)字控制器控制。多個電流鏡可包括多個mos晶體管。溫度傳感器可包括減法器，該減法器被配置成控制至少一個mos晶體管，以保持參考電流恒定。

溫度傳感器可包括：第一電壓源，該第一電壓源在具有第一值的第一電路部分中，該第一電壓源用以產(chǎn)生ptat電流和iptat電流，以及第二電壓源，該第二電壓源在具有高于第一值的第二值的第二電路部分中，該第二電壓源被配置成使高輸出電壓能夠被校準。高電壓電流鏡可安置于第一電壓源與第二電壓源之間，以支持溫度傳感器校準電路的輸出處的高電壓。高電壓電流鏡可為雙極晶體管對。

溫度傳感器可包括多個雙極晶體管晶體管，以產(chǎn)生ptat和iptat。

本文中所描述的各種實施例可包括一種校準溫度傳感器的方法，該方法包括：產(chǎn)生與絕對溫度成正比(ptat)電流；產(chǎn)生逆ptat(iptat)電流，ptat電流和iptat電流被組合以形成具有關于溫度的靈敏度的參考電流；調(diào)整高參考電流的靈敏度和增益；以及基于經(jīng)調(diào)整的電流斜率設置輸出校準電壓。

該方法可包括使用數(shù)字控制器調(diào)整斜率。

數(shù)字控制器可調(diào)整電流鏡的至少一個晶體管，以改變電流的斜率。

該方法可包括微調(diào)可變電阻器以設置溫度傳感器的輸出校準電壓。

本文中所描述的各種實施例可包括一種校準溫度傳感器的方法，該方法包括：產(chǎn)生具有關于溫度的靈敏度的參考電流，使用多個電流鏡調(diào)整參考電流的靈敏度，使經(jīng)調(diào)整的參考電流流經(jīng)輸出電阻器以產(chǎn)生溫度傳感器的參考輸出電壓，以及使用可變電阻器調(diào)整參考輸出電壓。

該方法可包括使用數(shù)字控制器調(diào)整參考電流的斜率。

該方法可包括使用數(shù)字控制器微調(diào)可變電阻器。微調(diào)可變電阻器可補償多個電流鏡之間的失配。

該方法可包括：產(chǎn)生參考電流包括產(chǎn)生與絕對溫度成正比(ptat)電流和逆ptat(iptat)電流。該方法可包括使用多個雙極晶體管晶體管，以產(chǎn)生ptat和iptat電流。

該方法可包括減法器，該減法器被配置成控制至少一個mos晶體管，以保持參考電流恒定。

附圖說明

圖1示出根據(jù)本文中所描述的實施例的ptat和iptat參考電流產(chǎn)生器的示意圖；

圖2示出根據(jù)本文中所描述的實施例的電流的線性特性和關系的曲線圖；

圖3示出根據(jù)本文中所描述的實施例的溫度傳感器校準電路的設計；

圖4示出根據(jù)本文中所描述的實施例示出校準溫度傳感器的方法400的流程圖；且

圖5示出根據(jù)本文中所描述的實施例的可由數(shù)字控制器執(zhí)行的步驟的流程圖。

具體實施方式

應理解，圖式僅為示意性的并且不按比例繪制。還應理解，貫穿圖式使用的相同參考標號指示相同或類似的部分。

描述和圖式示出各種示例性實施例的原理。因此將了解，本領域的技術(shù)人員將能夠設計各種布置，盡管本文中未明確地描述或示出該等布置，但其體現(xiàn)了本發(fā)明的原理且包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。此外，本文中所敘述的所有例子主要明確地意在用于教學目的以輔助讀者理解本發(fā)明的原理和由發(fā)明人所提供的概念，從而深化對本領域的理解，且所有例子不應解釋為限于此類特定所敘述例子和條件。另外，除非另外指明(例如，“或另外”或“或在替代方案中”)，否則如本文中所使用的術(shù)語“或”指非排他性的或(即，和/或)。并且，本文中所描述的各種實施例不一定相互排斥，因為一些實施例可與一個或多個其它實施例組合從而形成新的實施例。如本文中所使用，除非另外指明，否則術(shù)語“上下文”和“上下文對象”應被理解成同義。

溫度傳感器在集成電路領域已為人所熟知。溫度傳感器提供輸出電壓，該輸出電壓的幅值等于電路感測的溫度?？蓪⑺袦y的電壓與參考電壓進行比較，以確定電路組件是否變得過熱且確定那些組件應該被切斷還是被旁通，以防止損壞，且使得可補償相關裝置的溫度依賴性。

本發(fā)明實施例的一個目標為使具有高且可調(diào)整的電流斜率的溫度傳感器獲得極好的準確度，以提供簡單的溫度傳感器校準。具體地說，本發(fā)明的實施例能夠獲得所要溫度范圍+/-兩度內(nèi)的準確度。本文中所描述的實施例可使用單個插入點以用于傳感器校準。在背景技術(shù)中，使用若干溫度插入點來輸入溫度值和校準所要輸出溫度。在本文中所描述的實施例中，單個插入點準許更大準確度且線性化給定電路的輸出轉(zhuǎn)移函數(shù)或斜率。這一線性為使用傳感器監(jiān)測溫度且調(diào)整傳感器的所要動態(tài)范圍電壓的應用提供了更大的可預測性和設計靈活性。

本文中所描述的實施例為比背景技術(shù)解決方案更簡單的設計，背景技術(shù)解決方案使用運算放大器和大量二極管，此增加了用于設置所要溫度的校準算法的復雜度。本發(fā)明實施例的設計可用于使用adpll以準確補償tdc和dco電路且減小歸因于溫度變化的參數(shù)漂移的新一代雷達應用。

晶體管非常適合用作溫度傳感器，尤其在要求低成本、高準確度、良好的長期穩(wěn)定性以及高靈敏度時。出于此目的，晶體管的有利特性是歸因于基極-射極電壓與溫度相關的高度可預測且獨立于時間的方式。

當晶體管的溫度改變時，晶體管的基極-射極二極管特性也改變，從而導致相同輸入電壓的基極電流的量不同。這又更改穿過集電極端的受控電流，從而影響輸出電壓。

圖1示出根據(jù)本文中所描述的實施例的ptat和iptat參考電流產(chǎn)生器電路100的示意圖；圖1中所示出的電路基于δvbe/r或vptat/r使用電流以產(chǎn)生形成參考電流iref(在圖3中示出)的ptat電流ip和逆(iptat)電流in。在溫度傳感器的輸出處，使用微調(diào)電阻器補償iref以消除電路組件(例如，電流鏡)內(nèi)的程序變化和失配的影響。

參看圖1，使用多個moset裝置105、110以及115，使用來自雙極晶體管120、125、130以及135的電壓輸出穿過電阻器r1150而產(chǎn)生電流ip。使用來自雙極晶體管120、135以及140的電壓輸出穿過電阻器r2160而產(chǎn)生電流in。

ip和in為由初始溫度感測產(chǎn)生的合成電流。這兩個電流被組合以產(chǎn)生參考電流iref(在圖3中示出)，該參考電流作為用以校準溫度傳感器的起點具有極高的斜率。iref可表示為iref＝a*ip-b*in，其中a為第一乘法器，且b為第二乘法器。

為了產(chǎn)生電流ip和in，使用以下公式。ip為與絕對溫度成正比的ptat電流且從方程式ip＝δvbe(a)/r1中導出，其中δvbe(a)＝vbe1+vbe4-vbe3-vbe2。逆ptat電流in從方程式in＝vbe(b)/r2中導出，其中vbe(b)＝vbe1+vbe4-vbe5。vbe1為晶體管120的基極-射極結(jié)的電壓。vbe2為晶體管125的基極-射極結(jié)的電壓。vbe3為晶體管130的基極-射極結(jié)的電壓。vbe4為晶體管135的基極-射極結(jié)的電壓。vbe5為晶體管140的基極-射極結(jié)的電壓。

圖1的電路可被稱為ptat參考電流產(chǎn)生器100，其中ptat電流ip和逆ptat電流in被組合以形成圖3中所示出的參考電流iref。

圖2示出ip、in以及iref的線性特性和關系的曲線圖。如圖2中所示出，ip和in被組合以產(chǎn)生具有高斜率的參考電流(iref)。通過組合ptat電流ip的正溫度系數(shù)因子(tcf)與逆ptat電流in的負系數(shù)因子(tcf)來產(chǎn)生高電流斜率。通過以下方程式tcf(iref)＝{tcf(ip)-α*tcf(in)}/(1-α)限定經(jīng)產(chǎn)生的電流iref的溫度系數(shù)因子(tcf)，其中α為比率b/a(電流in的部分除以電流ip的部分)。高電流斜率隨后在各個乘法器或除法器電流鏡處被鏡像反射或被復制，以跨越電阻器rout385(在圖3中示出)產(chǎn)生電流iout，以產(chǎn)生與絕對溫度成正比(ptat)的所要校準電壓vout。在本文中所描述的實施例中，高斜率可指關于溫度的靈敏度，其中小的溫度變化產(chǎn)生大的電流變化，例如，11000ppm/℃的tcf。因此，大的電流變化反映小的溫度變化。

因此，ptat參考電流產(chǎn)生器100可產(chǎn)生關于溫度近似線性的in電流和ip電流。ptat參考電流產(chǎn)生器100還可準許確定如圖2中所示出的關于溫度近似線性的iref電流的斜率。

圖1的ptat參考電流產(chǎn)生器100作為ptat電流產(chǎn)生器310和320對體現(xiàn)于圖3中。這些電流產(chǎn)生器被配置成產(chǎn)生電流ip和in，電流ip和in與電路的操作溫度成正比，且最后達到其所用于的溫度傳感器的溫度。

圖3示出根據(jù)本文中描述的實施例的溫度傳感器校準電路300的設計。電路的設計不限于這一配置，因為若干設計可實施本文中所論述的原理。

溫度傳感器校準電路300包括三個部分330、340以及350。部分330涉及電流產(chǎn)生和斜率產(chǎn)生。部分330可用于產(chǎn)生ip和in以產(chǎn)生溫度傳感器校準電路300的參考電流。本文中所描述的實施例使用電流產(chǎn)生及其特性設置可調(diào)整的電流斜率，以校準傳感器且設置所要輸出電壓?？墒褂胕p和in產(chǎn)生初始參考電流iref，當電流被校準時，該初始參考電流基于電流比率具有所要斜率。這一電流斜率被用作參考，以確定所要輸出電壓范圍和溫度傳感器的靈敏度。

在本發(fā)明實施例中，ip和in被組合以產(chǎn)生具有高斜率的參考電流。可通過使用減法電路380調(diào)整若干電路組件(包括電流鏡晶體管365/366、367/368、369/370)的增益來更改絕對電流參考。這些組件可與其它電流鏡371/372、威爾遜電流鏡373以及雙極鏡374/375組合使用，以在給定溫度(例如，27℃)下產(chǎn)生所需輸出電壓，該輸出電壓被監(jiān)測以校準溫度傳感器?？赏ㄟ^設置如圖3中所示出的各個mos晶體管的尺寸(例如，寬度)的比率來調(diào)整或修改增益。使用基于電流鏡的結(jié)構(gòu)以將高斜率電流iref改變?yōu)榇┻^電阻器rout385的輸出電流iout。

電流鏡被設計成通過控制電路的另一有源裝置中的電流來復制穿過一個有源裝置的電流，從而保持輸出電流恒定而不考慮負載。電流鏡具有輸入和輸出。電流鏡被用于復制參考電流。在這一具體實施例中，使用多個電流鏡將所產(chǎn)生的電流iref復制到輸出。

各個電流鏡可將相同電平的電流鏡像反射到電路的另一分支，可充當電流除法器，或可充當電流乘法器。當在各個電流鏡晶體管365/366、367/368、369/370中設置所需比率之后，電流鏡晶體管365/366、367/368、369/370可與其它鏡像晶體管371/372、373以及374/375組合使用以在輸出處產(chǎn)生ptat電流iout。電流鏡369由數(shù)字控制器350通過減法器380控制，以當施加微調(diào)以調(diào)整電流斜率時保持電流參考iref恒定。

可在溫度傳感器校準電路300的各個分支中對電流進行操控，這取決于在溫度插入點處進行校準期間所感測的所要輸出電壓。如果數(shù)字控制器350指示iout增大，那么穿過不同分支的電流可由一個或多個電流鏡操控。舉例來說，可使用電流鏡374/375使穿過分支a的電流加倍為穿過分支b的輸出?？稍O置其它比率。可使用電流鏡的這一方面容易地設置增益。

通過微調(diào)輸出電阻器385來完成調(diào)整電壓vout，以實現(xiàn)預期的輸出電壓。由數(shù)字控制器350以數(shù)字方式執(zhí)行控制。因此，控制器350可經(jīng)由一個或多個校準選擇接腳398以可編程的方式選擇和控制電流鏡晶體管366、368，或369中的一個或多個電流鏡晶體管，以獲得具有所要電流斜率的所要電流iout。在所描述的實施例中，使用nmos和npn晶體管來實施電流鏡。然而，本領域的技術(shù)人員將認識到使用pmos和pnp晶體管是可能的，這產(chǎn)生大體上相同的結(jié)果。

本文中所描述的實施例包括基于準確電流斜率產(chǎn)生的溫度傳感器。如本領域中已知，可通過使電流傳遞穿過電阻器來測量電路中一點處的電壓。類似地，為了控制電壓電平vout，可調(diào)整或微調(diào)穿過可變電阻器rout385的電流iout，以實現(xiàn)所要電壓。通過使用本文中所描述的設計，使用微調(diào)能力，可避免參數(shù)和電路降級。

可對輸出電阻器rout385執(zhí)行微調(diào)，以補償沿著電流鏡的任何失配。使用控制器350控制微調(diào)、斜率以及因此校準。

部分340示出溫度傳感器校準電路300的實施例。為了使用溫度傳感器100感測高電壓，可使用獨立電壓源vdd，獨立電壓源vdd高于電路部分110的vcc，從而準許在vout處的更高電壓。在這一配置中，iref被傳送到電流鏡373，且電路部分340可使用不同電源線vdd來產(chǎn)生與絕對溫度成正比的預期輸出電壓。輸出電阻器385可微調(diào)，以補償沿著不同電流鏡累積的失配。電流鏡373可使用例如威爾遜電流鏡等配置來處置更高電壓電平。

在部分340中，獲得用于可感測高溫的環(huán)境的電路靈活性。代替vcc與vdd相等，vdd可高于vcc，以使得可考慮更高的所要溫度。在額外實施例(未示出)中，電路部分330和340兩者皆由相同電壓vcc供電。在vcc等于的vdd的情況下，輸出電壓vout將較低。在使用分開的電路的且vdd大于vcc的情況下，可避免電路之間的過飽和。

在校準期間，溫度傳感器校準電路300可設置為一溫度，該溫度具有給定電路或電路組件的限定溫度值。通過設置限定的溫度值，可獲得溫度傳感器輸出的絕對電壓，該絕對電壓被調(diào)整以達到預期的輸出電壓vout。

為了實現(xiàn)這些目標，使用數(shù)字控制器350來控制準確且高斜率產(chǎn)生電流。電流iref被鏡像反射以作為iout傳遞穿過rout，以基于所要輸出電壓產(chǎn)生vout，且因此vout也為ptat。

在電路部分330與340之間，雙極晶體管對被用于電流鏡配置中。出于安全考慮，在用于對電路停電的停用模式配置中使用雙極晶體管對375。電路為接通(通電)或關斷(斷電)。(例如)在無線應用中，可停用電路中未使用的功能以節(jié)省電池。必須對這種配置進行管理以使裝置處于安全操作區(qū)中。在部分340中，電源電壓可上升到5v。在停用模式，將雙極晶體管375的集電極連接到5v電壓。高電壓雙極晶體管電流鏡375可維持這一高電壓以支持溫度傳感器校準電路300的輸出處的更高電壓，這并不是mos裝置配置中的情況。

數(shù)字控制器350可用于產(chǎn)生可控制的電流斜率?？蓪嵤?shù)字控制器350的可編程性以調(diào)整對應于對應的溫度范圍的vout的輸出動態(tài)范圍。

控制器350通過控制溫度靈敏度而提供靈活性。電路中存在由數(shù)字控制器350控制的單個插入點，以通過調(diào)整可變電阻器385來校準溫度傳感器。

數(shù)字控制器350使用邏輯單元以加權(quán)電流鏡，這產(chǎn)生電流斜率產(chǎn)生的靈活性。電流鏡可被編程以加權(quán)ip和in以產(chǎn)生所要高斜率。為了保持輸出電流恒定，使用控制器元件(例如，減法器380)來控制乘法器a和b，以設置參考電流iref。位p<n：0>382和m<n：0>384為控制來自數(shù)字控制器350的二進制，這些位通過溫度計解碼器的二進制被解碼，以允許實現(xiàn)對穿過電流鏡365/366、367/368以及369/370的電流斜率的控制。經(jīng)解碼的p<n：0>控制電流源鏡像對365/366，以確定穿過晶體管366將產(chǎn)生穿過晶體管365的電流ip的多少倍。類似地，經(jīng)解碼的m<n：0>控制電流源鏡像對367/368，以確定穿過晶體管368將產(chǎn)生穿過晶體管367的電流in的多少倍。經(jīng)解碼的差值p<n：0>、m<n：0>驅(qū)動最后一個吸收電流鏡晶體管369，以保持輸出電流恒定。

本文中所描述的校準技術(shù)可將溫度傳感裝置的制造成本降至最低，這是因為改變用于校準的裝置的管芯溫度通?；ㄙM更長時段的測試時間，這導致更高的裝置成本。

現(xiàn)在將描述校準溫度傳感器的方法。溫度感測是基于電流產(chǎn)生。ip和in被組合以使用斜率產(chǎn)生來產(chǎn)生高斜率電流iref。

圖4示出根據(jù)本文中所描述的實施例示出校準溫度傳感器的方法400的流程圖。方法400可用于校準溫度傳感器，例如具有圖1和圖3的部分100和330到350的溫度傳感器校準電路300。因此，方法400中所使用的組件可包括與圖1和圖3的部分100和330到350的溫度傳感器的組件類似和相同的組件。

在圖4中，方法400可開始于步驟410，步驟410可包括產(chǎn)生ptat電流和逆ptat電流。步驟420可包括將ptat和iptat組合成具有高電流斜率的參考電流iref。步驟430可包括使用多個電流鏡調(diào)整參考電流iref的斜率。步驟440可包括產(chǎn)生輸出校準電壓，包括將高斜率電流傳送到輸出電阻器，其中該輸出電阻器可微調(diào)以調(diào)節(jié)輸出校準電壓，以對應于限定的插入溫度值?；谙薅ǖ臏囟刃实剿妷旱幕顒舆€可包括基于輸出電阻器385處的電壓獲得許多溫度讀數(shù)且微調(diào)溫度傳感器，以使溫度傳感器提供值等于或接近于校準期間的校準溫度值的溫度讀數(shù)。方法400可包括與圖1和圖3的溫度傳感器100和330到350的活動類似或相同的其它活動。

圖5示出根據(jù)本文中描述的實施例的可由數(shù)字控制器350執(zhí)行的步驟的流程圖。步驟510可包括設置初始化狀態(tài)，以啟用溫度傳感器?？?例如)在數(shù)字控制器中使用溫度傳感器(“ts”)啟用信號，以實現(xiàn)這一改變。步驟520可包括將插入點處的初始溫度設置為室溫值，大約為25℃。步驟530可包括基于限定的系統(tǒng)溫度設置監(jiān)測和調(diào)整vout。步驟540可包括調(diào)整可微調(diào)的電阻器385，以達到所要輸出電壓。在步驟550處，完成溫度傳感器校準。

通過測量硅襯底的溫度，溫度傳感器校準電路300可提供準確的溫度測量，且可產(chǎn)生與所感測的管芯溫度成正比的線性電壓。在通過使用與絕對溫度成正比的電流ip和與溫度成反比的電流in限定斜率之后，使用由圖1的ptat電路100產(chǎn)生的輸出電流iref。感測裝置300的輸出vout被設計成以線性方式隨溫度變化而改變。

晶體管對各自被配置為電流鏡365/366、367/368、369/370、371/372、威爾遜電流鏡373，以及374/375，這些電流鏡占用一定百分比的ptat電路電流iref，且通過電阻器rout將ptat電路電流施加到輸出電路。由于電流鏡的失配，在傳感器輸出處執(zhí)行校準。

為了應用所感測的電路，可在封裝部位處或在晶片級處執(zhí)行ptat輸出的最終校準。通過使用本文中所描述的設計，使用微調(diào)能力，可避免參數(shù)和電路降級。

應注意，上述實施例示出而非限制本發(fā)明，且本領域的技術(shù)人員將能夠在不脫離所附權(quán)利要求書的范圍的情況下設計許多替代實施例。在權(quán)利要求書中，放置在圓括號之間的任何附圖標記不應被解釋為限制該權(quán)利要求。詞語“包括”不排除除了權(quán)利要求書中所列的那些元件或步驟之外的元件或步驟的存在。在元件之前的詞語“一”不排除多個此類元件的存在。本發(fā)明可借助于包括若干相異元件的硬件而實施。在列出若干構(gòu)件的裝置權(quán)利要求書中，可以通過硬件中的同一個物件體現(xiàn)這些構(gòu)件中的若干構(gòu)件。在彼此不同的從屬權(quán)利要求中敘述某些措施這一單純事實并不表示不能使用這些措施的組合來獲得優(yōu)勢。