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CN107305147A - 温度传感器和具有高准确度的温度传感器校准方法 - Google Patents

温度传感器和具有高准确度的温度传感器校准方法 Download PDF

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CN107305147A
CN107305147A CN201710269135.1A CN201710269135A CN107305147A CN 107305147 A CN107305147 A CN 107305147A CN 201710269135 A CN201710269135 A CN 201710269135A CN 107305147 A CN107305147 A CN 107305147A
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temperature
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Abstract

本发明公开一种温度传感器，该温度传感器包括：第一电流产生器，该第一电流产生器被配置成产生与绝对温度成正比(PTAT)电流；第二电流产生器，该第二电流产生器被配置成产生逆PTAT(IPTAT)电流，该PTAT电流和IPTAT电流被组合以形成具有关于温度的灵敏度的参考电流；多个电流镜，该电流镜用以调整该参考电流的该灵敏度和增益；以及可变电阻器，该可变电阻器用以基于所产生的电流设置输出校准电压。

Description

温度传感器和具有高准确度的温度传感器校准方法
技术领域
本文中所描述的实施例涉及用以校准温度传感器的电路和方法。
背景技术
在用于各种应用的电子电路的设计中，使用热监测且热监测对于半导体组件(例如，集成电路)避免产生可能不利地影响各种电路组件的较高温度来说至关重要。温度监测可用于多种应用，例如，雷达，雷达可承受-40℃到150℃范围内的操作温度。集成温度传感器常常使用基于二极管的架构且在双极结型晶体管对之间使用ΔVBE(Δ基极-射极电压)测量法，以限定与绝对温度成正比(PTAT)的电压。
为了获得良好的准确度，背景技术设计可需要使用至少两个或三个温度插入点的大的校准算法来校准温度传感器。为了扩大技术领域(例如，雷达应用)中ΔVBE的动态范围，更多数量的二极管被使用，这可能导致电路的复杂和温度传感器的不准确。当使用大量二极管时，失配模型建立困难且极其不准确。
使用温度监测的电路的例子包括具有例如时间数字转换器(TDC)或数字控制振荡器(DCO)组件的全数字锁相环路(ADPLL)，该全数字锁相环路在使用期间可展现温度的一些漂移。这一漂移可能引起参数问题，包括输出处的漂移或杂散。及早检测可能的过热情况可以防止系统故障发生，例如参数降级和不可逆的损坏。可使用有效且准确的温度传感器校准来确保及早检测。
在先前的电路设计中，为了实现良好的准确度，需要使用至少两个、三个，或更多温度插入点的极大的校准算法。
发明内容
各个示例性实施例的简要概述在下文呈现。在以下概述中可以做出一些简化和省略，该概述意在突出并介绍各种示例性实施例的一些方面，但不限制本发明的范围。足以允许本领域的一般技术人员获得且使用发明性概念的示例性实施例的详细描述将随后在后续部分呈现。
本文中所描述的各种实施例包括一种温度传感器，该温度传感器包括：第一电流产生器，该第一电流产生器被配置成产生与绝对温度成正比(PTAT)电流；第二电流产生器，该第二电流产生器被配置成产生逆PTAT(IPTAT)电流，该PTAT电流和IPTAT电流被组合以形成具有关于温度的灵敏度的参考电流；多个电流镜，该等电流镜用以调整参考电流的灵敏度和增益；以及可变电阻器，该可变电阻器用以基于所产生的电流设置输出校准电压。
数字控制器可被配置成控制电流斜率的调整。可变电阻器可由数字控制器控制。多个电流镜可包括多个MOS晶体管。温度传感器可包括减法器，该减法器被配置成控制至少一个MOS晶体管，以保持参考电流恒定。
温度传感器可包括：第一电压源，该第一电压源在具有第一值的第一电路部分中，该第一电压源用以产生PTAT电流和IPTAT电流，以及第二电压源，该第二电压源在具有高于第一值的第二值的第二电路部分中，该第二电压源被配置成使高输出电压能够被校准。高电压电流镜可安置于第一电压源与第二电压源之间，以支持温度传感器校准电路的输出处的高电压。高电压电流镜可为双极晶体管对。
温度传感器可包括多个双极晶体管晶体管，以产生PTAT和IPTAT。
本文中所描述的各种实施例可包括一种校准温度传感器的方法，该方法包括：产生与绝对温度成正比(PTAT)电流；产生逆PTAT(IPTAT)电流，PTAT电流和IPTAT电流被组合以形成具有关于温度的灵敏度的参考电流；调整高参考电流的灵敏度和增益；以及基于经调整的电流斜率设置输出校准电压。
该方法可包括使用数字控制器调整斜率。
数字控制器可调整电流镜的至少一个晶体管，以改变电流的斜率。
该方法可包括微调可变电阻器以设置温度传感器的输出校准电压。
本文中所描述的各种实施例可包括一种校准温度传感器的方法，该方法包括：产生具有关于温度的灵敏度的参考电流，使用多个电流镜调整参考电流的灵敏度，使经调整的参考电流流经输出电阻器以产生温度传感器的参考输出电压，以及使用可变电阻器调整参考输出电压。
该方法可包括使用数字控制器调整参考电流的斜率。
该方法可包括使用数字控制器微调可变电阻器。微调可变电阻器可补偿多个电流镜之间的失配。
该方法可包括：产生参考电流包括产生与绝对温度成正比(PTAT)电流和逆PTAT(IPTAT)电流。该方法可包括使用多个双极晶体管晶体管，以产生PTAT和IPTAT电流。
该方法可包括减法器，该减法器被配置成控制至少一个MOS晶体管，以保持参考电流恒定。
附图说明
图1示出根据本文中所描述的实施例的PTAT和IPTAT参考电流产生器的示意图；
图2示出根据本文中所描述的实施例的电流的线性特性和关系的曲线图；
图3示出根据本文中所描述的实施例的温度传感器校准电路的设计；
图4示出根据本文中所描述的实施例示出校准温度传感器的方法400的流程图；且
图5示出根据本文中所描述的实施例的可由数字控制器执行的步骤的流程图。
具体实施方式
应理解，图式仅为示意性的并且不按比例绘制。还应理解，贯穿图式使用的相同参考标号指示相同或类似的部分。
描述和图式示出各种示例性实施例的原理。因此将了解，本领域的技术人员将能够设计各种布置，尽管本文中未明确地描述或示出该等布置，但其体现了本发明的原理且包括在本发明的范围内。此外，本文中所叙述的所有例子主要明确地意在用于教学目的以辅助读者理解本发明的原理和由发明人所提供的概念，从而深化对本领域的理解，且所有例子不应解释为限于此类特定所叙述例子和条件。另外，除非另外指明(例如，“或另外”或“或在替代方案中”)，否则如本文中所使用的术语“或”指非排他性的或(即，和/或)。并且，本文中所描述的各种实施例不一定相互排斥，因为一些实施例可与一个或多个其它实施例组合从而形成新的实施例。如本文中所使用，除非另外指明，否则术语“上下文”和“上下文对象”应被理解成同义。
温度传感器在集成电路领域已为人所熟知。温度传感器提供输出电压，该输出电压的幅值等于电路感测的温度。可将所感测的电压与参考电压进行比较，以确定电路组件是否变得过热且确定那些组件应该被切断还是被旁通，以防止损坏，且使得可补偿相关装置的温度依赖性。
本发明实施例的一个目标为使具有高且可调整的电流斜率的温度传感器获得极好的准确度，以提供简单的温度传感器校准。具体地说，本发明的实施例能够获得所要温度范围+/-两度内的准确度。本文中所描述的实施例可使用单个插入点以用于传感器校准。在背景技术中，使用若干温度插入点来输入温度值和校准所要输出温度。在本文中所描述的实施例中，单个插入点准许更大准确度且线性化给定电路的输出转移函数或斜率。这一线性为使用传感器监测温度且调整传感器的所要动态范围电压的应用提供了更大的可预测性和设计灵活性。
本文中所描述的实施例为比背景技术解决方案更简单的设计，背景技术解决方案使用运算放大器和大量二极管，此增加了用于设置所要温度的校准算法的复杂度。本发明实施例的设计可用于使用ADPLL以准确补偿TDC和DCO电路且减小归因于温度变化的参数漂移的新一代雷达应用。
晶体管非常适合用作温度传感器，尤其在要求低成本、高准确度、良好的长期稳定性以及高灵敏度时。出于此目的，晶体管的有利特性是归因于基极-射极电压与温度相关的高度可预测且独立于时间的方式。
当晶体管的温度改变时，晶体管的基极-射极二极管特性也改变，从而导致相同输入电压的基极电流的量不同。这又更改穿过集电极端的受控电流，从而影响输出电压。
图1示出根据本文中所描述的实施例的PTAT和IPTAT参考电流产生器电路100的示意图；图1中所示出的电路基于ΔVBE/R或VPTAT/R使用电流以产生形成参考电流IREF(在图3中示出)的PTAT电流IP和逆(IPTAT)电流IN。在温度传感器的输出处，使用微调电阻器补偿IREF以消除电路组件(例如，电流镜)内的程序变化和失配的影响。
参看图1，使用多个MOSET装置105、110以及115，使用来自双极晶体管120、125、130以及135的电压输出穿过电阻器R1 150而产生电流IP。使用来自双极晶体管120、135以及140的电压输出穿过电阻器R2160而产生电流IN。
IP和IN为由初始温度感测产生的合成电流。这两个电流被组合以产生参考电流IREF(在图3中示出)，该参考电流作为用以校准温度传感器的起点具有极高的斜率。IREF可表示为IREF＝A*IP-B*IN，其中A为第一乘法器，且B为第二乘法器。
为了产生电流IP和IN，使用以下公式。IP为与绝对温度成正比的PTAT电流且从方程式IP＝ΔVbe(a)/R1中导出，其中ΔVbe(a)＝Vbe1+Vbe4-Vbe3-Vbe2。逆PTAT电流IN从方程式IN＝Vbe(b)/R2中导出，其中Vbe(b)＝Vbe1+Vbe4-Vbe5。Vbe1为晶体管120的基极-射极结的电压。Vbe2为晶体管125的基极-射极结的电压。Vbe3为晶体管130的基极-射极结的电压。Vbe4为晶体管135的基极-射极结的电压。Vbe5为晶体管140的基极-射极结的电压。
图1的电路可被称为PTAT参考电流产生器100，其中PTAT电流IP和逆PTAT电流IN被组合以形成图3中所示出的参考电流IREF。
图2示出IP、IN以及IREF的线性特性和关系的曲线图。如图2中所示出，IP和IN被组合以产生具有高斜率的参考电流(IREF)。通过组合PTAT电流IP的正温度系数因子(TCF)与逆PTAT电流IN的负系数因子(TCF)来产生高电流斜率。通过以下方程式TCF(IREF)＝{TCF(IP)-α*TCF(IN)}/(1-α)限定经产生的电流IREF的温度系数因子(TCF)，其中α为比率B/A(电流IN的部分除以电流IP的部分)。高电流斜率随后在各个乘法器或除法器电流镜处被镜像反射或被复制，以跨越电阻器ROUT 385(在图3中示出)产生电流IOUT，以产生与绝对温度成正比(PTAT)的所要校准电压VOUT。在本文中所描述的实施例中，高斜率可指关于温度的灵敏度，其中小的温度变化产生大的电流变化，例如，11000ppm/℃的TCF。因此，大的电流变化反映小的温度变化。
因此，PTAT参考电流产生器100可产生关于温度近似线性的IN电流和IP电流。PTAT参考电流产生器100还可准许确定如图2中所示出的关于温度近似线性的IREF电流的斜率。
图1的PTAT参考电流产生器100作为PTAT电流产生器310和320对体现于图3中。这些电流产生器被配置成产生电流IP和IN，电流IP和IN与电路的操作温度成正比，且最后达到其所用于的温度传感器的温度。
图3示出根据本文中描述的实施例的温度传感器校准电路300的设计。电路的设计不限于这一配置，因为若干设计可实施本文中所论述的原理。
温度传感器校准电路300包括三个部分330、340以及350。部分330涉及电流产生和斜率产生。部分330可用于产生IP和IN以产生温度传感器校准电路300的参考电流。本文中所描述的实施例使用电流产生及其特性设置可调整的电流斜率，以校准传感器且设置所要输出电压。可使用IP和IN产生初始参考电流IREF，当电流被校准时，该初始参考电流基于电流比率具有所要斜率。这一电流斜率被用作参考，以确定所要输出电压范围和温度传感器的灵敏度。
在本发明实施例中，IP和IN被组合以产生具有高斜率的参考电流。可通过使用减法电路380调整若干电路组件(包括电流镜晶体管365/366、367/368、369/370)的增益来更改绝对电流参考。这些组件可与其它电流镜371/372、威尔逊电流镜373以及双极镜374/375组合使用，以在给定温度(例如，27℃)下产生所需输出电压，该输出电压被监测以校准温度传感器。可通过设置如图3中所示出的各个MOS晶体管的尺寸(例如，宽度)的比率来调整或修改增益。使用基于电流镜的结构以将高斜率电流IREF改变为穿过电阻器ROUT 385的输出电流IOUT。
电流镜被设计成通过控制电路的另一有源装置中的电流来复制穿过一个有源装置的电流，从而保持输出电流恒定而不考虑负载。电流镜具有输入和输出。电流镜被用于复制参考电流。在这一具体实施例中，使用多个电流镜将所产生的电流IREF复制到输出。
各个电流镜可将相同电平的电流镜像反射到电路的另一分支，可充当电流除法器，或可充当电流乘法器。当在各个电流镜晶体管365/366、367/368、369/370中设置所需比率之后，电流镜晶体管365/366、367/368、369/370可与其它镜像晶体管371/372、373以及374/375组合使用以在输出处产生PTAT电流IOUT。电流镜369由数字控制器350通过减法器380控制，以当施加微调以调整电流斜率时保持电流参考IREF恒定。
可在温度传感器校准电路300的各个分支中对电流进行操控，这取决于在温度插入点处进行校准期间所感测的所要输出电压。如果数字控制器350指示IOUT增大，那么穿过不同分支的电流可由一个或多个电流镜操控。举例来说，可使用电流镜374/375使穿过分支A的电流加倍为穿过分支B的输出。可设置其它比率。可使用电流镜的这一方面容易地设置增益。
通过微调输出电阻器385来完成调整电压Vout，以实现预期的输出电压。由数字控制器350以数字方式执行控制。因此，控制器350可经由一个或多个校准选择接脚398以可编程的方式选择和控制电流镜晶体管366、368，或369中的一个或多个电流镜晶体管，以获得具有所要电流斜率的所要电流IOUT。在所描述的实施例中，使用NMOS和NPN晶体管来实施电流镜。然而，本领域的技术人员将认识到使用PMOS和PNP晶体管是可能的，这产生大体上相同的结果。
本文中所描述的实施例包括基于准确电流斜率产生的温度传感器。如本领域中已知，可通过使电流传递穿过电阻器来测量电路中一点处的电压。类似地，为了控制电压电平VOUT，可调整或微调穿过可变电阻器ROUT 385的电流IOUT，以实现所要电压。通过使用本文中所描述的设计，使用微调能力，可避免参数和电路降级。
可对输出电阻器ROUT 385执行微调，以补偿沿着电流镜的任何失配。使用控制器350控制微调、斜率以及因此校准。
部分340示出温度传感器校准电路300的实施例。为了使用温度传感器100感测高电压，可使用独立电压源VDD，独立电压源VDD高于电路部分110的VCC，从而准许在VOUT处的更高电压。在这一配置中，IREF被传送到电流镜373，且电路部分340可使用不同电源线VDD来产生与绝对温度成正比的预期输出电压。输出电阻器385可微调，以补偿沿着不同电流镜累积的失配。电流镜373可使用例如威尔逊电流镜等配置来处置更高电压电平。
在部分340中，获得用于可感测高温的环境的电路灵活性。代替VCC与VDD相等，VDD可高于VCC，以使得可考虑更高的所要温度。在额外实施例(未示出)中，电路部分330和340两者皆由相同电压VCC供电。在VCC等于的VDD的情况下，输出电压VOUT将较低。在使用分开的电路的且VDD大于VCC的情况下，可避免电路之间的过饱和。
在校准期间，温度传感器校准电路300可设置为一温度，该温度具有给定电路或电路组件的限定温度值。通过设置限定的温度值，可获得温度传感器输出的绝对电压，该绝对电压被调整以达到预期的输出电压VOUT。
为了实现这些目标，使用数字控制器350来控制准确且高斜率产生电流。电流IREF被镜像反射以作为IOUT传递穿过ROUT，以基于所要输出电压产生VOUT，且因此VOUT也为PTAT。
在电路部分330与340之间，双极晶体管对被用于电流镜配置中。出于安全考虑，在用于对电路停电的停用模式配置中使用双极晶体管对375。电路为接通(通电)或关断(断电)。(例如)在无线应用中，可停用电路中未使用的功能以节省电池。必须对这种配置进行管理以使装置处于安全操作区中。在部分340中，电源电压可上升到5V。在停用模式，将双极晶体管375的集电极连接到5V电压。高电压双极晶体管电流镜375可维持这一高电压以支持温度传感器校准电路300的输出处的更高电压，这并不是MOS装置配置中的情况。
数字控制器350可用于产生可控制的电流斜率。可实施数字控制器350的可编程性以调整对应于对应的温度范围的VOUT的输出动态范围。
控制器350通过控制温度灵敏度而提供灵活性。电路中存在由数字控制器350控制的单个插入点，以通过调整可变电阻器385来校准温度传感器。
数字控制器350使用逻辑单元以加权电流镜，这产生电流斜率产生的灵活性。电流镜可被编程以加权IP和IN以产生所要高斜率。为了保持输出电流恒定，使用控制器元件(例如，减法器380)来控制乘法器A和B，以设置参考电流IREF。位p<n：0>382和m<n：0>384为控制来自数字控制器350的二进制，这些位通过温度计解码器的二进制被解码，以允许实现对穿过电流镜365/366、367/368以及369/370的电流斜率的控制。经解码的p<n：0>控制电流源镜像对365/366，以确定穿过晶体管366将产生穿过晶体管365的电流IP的多少倍。类似地，经解码的m<n：0>控制电流源镜像对367/368，以确定穿过晶体管368将产生穿过晶体管367的电流IN的多少倍。经解码的差值p<n：0>、m<n：0>驱动最后一个吸收电流镜晶体管369，以保持输出电流恒定。
本文中所描述的校准技术可将温度传感装置的制造成本降至最低，这是因为改变用于校准的装置的管芯温度通常花费更长时段的测试时间，这导致更高的装置成本。
现在将描述校准温度传感器的方法。温度感测是基于电流产生。IP和IN被组合以使用斜率产生来产生高斜率电流IREF。
图4示出根据本文中所描述的实施例示出校准温度传感器的方法400的流程图。方法400可用于校准温度传感器，例如具有图1和图3的部分100和330到350的温度传感器校准电路300。因此，方法400中所使用的组件可包括与图1和图3的部分100和330到350的温度传感器的组件类似和相同的组件。
在图4中，方法400可开始于步骤410，步骤410可包括产生PTAT电流和逆PTAT电流。步骤420可包括将PTAT和IPTAT组合成具有高电流斜率的参考电流IREF。步骤430可包括使用多个电流镜调整参考电流IREF的斜率。步骤440可包括产生输出校准电压，包括将高斜率电流传送到输出电阻器，其中该输出电阻器可微调以调节输出校准电压，以对应于限定的插入温度值。基于限定的温度校准到所要电压的活动还可包括基于输出电阻器385处的电压获得许多温度读数且微调温度传感器，以使温度传感器提供值等于或接近于校准期间的校准温度值的温度读数。方法400可包括与图1和图3的温度传感器100和330到350的活动类似或相同的其它活动。
图5示出根据本文中描述的实施例的可由数字控制器350执行的步骤的流程图。步骤510可包括设置初始化状态，以启用温度传感器。可(例如)在数字控制器中使用温度传感器(“TS”)启用信号，以实现这一改变。步骤520可包括将插入点处的初始温度设置为室温值，大约为25℃。步骤530可包括基于限定的系统温度设置监测和调整VOUT。步骤540可包括调整可微调的电阻器385，以达到所要输出电压。在步骤550处，完成温度传感器校准。
通过测量硅衬底的温度，温度传感器校准电路300可提供准确的温度测量，且可产生与所感测的管芯温度成正比的线性电压。在通过使用与绝对温度成正比的电流Ip和与温度成反比的电流In限定斜率之后，使用由图1的PTAT电路100产生的输出电流IREF。感测装置300的输出VOUT被设计成以线性方式随温度变化而改变。
晶体管对各自被配置为电流镜365/366、367/368、369/370、371/372、威尔逊电流镜373，以及374/375，这些电流镜占用一定百分比的PTAT电路电流IREF，且通过电阻器ROUT将PTAT电路电流施加到输出电路。由于电流镜的失配，在传感器输出处执行校准。
为了应用所感测的电路，可在封装部位处或在晶片级处执行PTAT输出的最终校准。通过使用本文中所描述的设计，使用微调能力，可避免参数和电路降级。
应注意，上述实施例示出而非限制本发明，且本领域的技术人员将能够在不脱离所附权利要求书的范围的情况下设计许多替代实施例。在权利要求书中，放置在圆括号之间的任何附图标记不应被解释为限制该权利要求。词语“包括”不排除除了权利要求书中所列的那些元件或步骤之外的元件或步骤的存在。在元件之前的词语“一”不排除多个此类元件的存在。本发明可借助于包括若干相异元件的硬件而实施。在列出若干构件的装置权利要求书中，可以通过硬件中的同一个物件体现这些构件中的若干构件。在彼此不同的从属权利要求中叙述某些措施这一单纯事实并不表示不能使用这些措施的组合来获得优势。

Claims (10)

1.一种温度传感器，其特征在于，包括：
第一电流产生器，所述第一电流产生器被配置成产生与绝对温度成正比(PTAT)电流；
第二电流产生器，所述第二电流产生器被配置成产生逆PTAT(IPTAT)电流，所述PTAT电流和IPTAT电流被组合以形成具有关于温度的灵敏度的参考电流；
多个电流镜，所述电流镜用以调整所述参考电流的所述灵敏度和增益；以及
可变电阻器，所述可变电阻器用以基于所产生的电流设置输出校准电压。
2.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，包括数字控制器，所述数字控制器被配置成控制所述参考电流灵敏度的调整。
3.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，包括：第一电压源，所述第一电压源在具有第一值的第一电路部分中，所述第一电压源用以产生所述PTAT电流和IPTAT电流；以及第二电压源，所述第二电压源在具有高于所述第一值的第二值的第二电路部分中，所述第二电压源被配置成使高输出电压能够被校准。
4.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，包括多个双极晶体管晶体管，以产生PTAT和IPTAT。
5.一种校准温度传感器的方法，其特征在于，包括：
产生与绝对温度成正比(PTAT)电流；
产生逆PTAT(IPTAT)电流，所述PTAT电流和IPTAT电流被组合以形成具有关于温度的灵敏度的参考电流；
调整所述参考电流的所述灵敏度和增益；以及
基于经调整的电流斜率设置输出校准电压。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，包括使用数字控制器调整所述灵敏度。
7.一种校准温度传感器的方法，其特征在于，包括：
产生具有关于温度的灵敏度的参考电流；
使用多个电流镜调整所述参考电流的所述灵敏度；
使经调整的参考电流流经输出电阻器，以产生所述温度传感器的参考输出电压；以及
使用可变电阻器调整所述参考输出电压。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，包括使用数字控制器调整所述参考电流的所述灵敏度。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，包括使用数字控制器微调所述可变电阻器。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，包括使用减法器，所述减法器被配置成控制至少一个MOS晶体管，以保持所述参考电流恒定。
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