可配置斜率温度传感器的制造方法
【专利说明】可配置斜率温度传感器
【背景技术】
[0001] 常常使用带隙或者基极发射极电压作为用于温度传感器电路、过温检测、温度无 关电流生成等的参考电压。例如，可将基于带隙或基极发射极的电流发生器(诸如与绝对温 度成比例（PTAT)电流发生器）转换成电压发生器，其中输出电压例如表示环境温度。可将 此类布置应用为具有模拟电压输出的温度传感器。
[0002] 当在各种应用中使用此类温度传感器时，一般地期望使温度传感器的输出电压拟 合到期望的斜率。例如，可能期望使温度传感器的输出具有与感兴趣范围的最低温度相对 应的特定电压并且使输出具有与感兴趣范围的最高温度相对应的另一电压。另外或替换 地，可能期望使输出电压按照测量的温度增量等符合特定的电压斜率。一般地，设计位移电 路以使输出电压拟合到期望斜率，并且用温度传感器电路来实现。
[0003] 然而，在许多情况下，期望的斜率在给定温度点下并不独立于模拟输出电压。替代 地，温度斜率与温度点处的电压值成比例。因此，电路的供应电压可能需要随着温度斜率增 加而增加，增加了电路的所需的供应净空（supply headroom)。另外，位移电路连同专用参 考电压一起的使用增加了温度传感器的电路面积和复杂性。
[0004] 此外，当在CMOS技术中实现温度传感器时，可引入附加误差。一般地，用CMOS技 术，从地线生成PTAT电流，因此使用电流反射镜来使生成的电流从供应改向至地，并且使 用电阻来将电流转换成电压。这些附加转换步骤具有向传感器输出的准确度引入附加误差 的潜力。
【附图说明】
[0005] 参考附图来阐述本详细描述。在图中，参考数字的（多个）最左边的数字标识参考 数字首先在其中出现的图。不同图中的相同参考数字的使用指示类似或相同的项目。
[0006] 针对本讨论，图中所示的器件和系统被示为具有许多部件。如这里所述的器件和/ 或系统的各种实施方式可包括较少的部件且仍在本公开的范围内。替换地，器件和/或系 统的其它实施方式可包括附加部件或者所述部件的各种组合，并且仍在本公开的范围内。
[0007] 图1包括图示出用以获得Vptat电压的电路的两个示例的一对示意图。
[0008] 图2是示例性PTAT发生器电路的示意图，其中可应用这里公开的技术和器件。
[0009] 图3是图示出用于使用PTAT发生器的模拟电路的示例性可用电压范围的框图。
[0010] 图4是示出输出信号相对于可用电压范围的示例性位移（shifting)或平移 (translation)的图形表示。
[0011] 图5是根据实施方式的示例性斜率配置电路的示意图。
[0012] 图6示出了根据实施方式的示例性PTAT发生器电路的两个示意图，其中可应用这 里公开的技术和器件。
[0013] 图7是根据实施方式的具有可配置输出斜率的示例性可配置斜率温度传感器单 元（cell)电路的示意图。
[0014] 图8是根据另一实施方式的具有可配置输出斜率的另一示例性可配置斜率温度 传感器单元电路的示意图。
[0015] 图9是图示出根据各种示例的基于所选部件值的温度传感器电路的斜率配置结 果的一系列图表。
[0016] 图10是根据实施方式的具有可配置输出斜率和梯形电阻器网络（resistor ladder network)的示例性温度传感器电路的示意图。
[0017] 图11是根据实施方式的具有可配置输出斜率和梯形电阻网络的另一示例性温度 传感器电路的示意图。
[0018] 图12是图示出根据实施方式的用于配置基于PTAT温度传感器的输出斜率的示例 性过程的流程图。
【具体实施方式】
[0019] 概沭 器件和技术的典型实施方式提供用于温度传感器电路的可配置输出响应(包括基于带 隙或基于基极发射极的温度传感器电路、过温保护电路等)。在许多情况下，可使用用于线 路的等式来描述温度传感器的输出电压响应的至少一部分，其中，该线路表示电压对比局 部温度。配置输出信号的响应(包括配置一个或多个参考温度点处的一个或多个输出电压 值）导致适合于应用的输出响应斜率和/或可以用该应用的可用供应范围来管理的输出信 号斜率。
[0020] 在各种实施方式中，可对作为输出电压对比温度的函数的温度传感器的输出响应 的至少一个部分进行平移(例如在保持响应的整体斜率的同时在正或负方向上调整、位移 或偏移)和/或旋转/缩放(例如，绕着固定点旋转，使得在一个或多个方向上调整和/或拉 伸/压缩响应的总体倾斜或偏差以改变倾斜的斜度（pitch))。在实施方式中，在将响应转 换成电压信号之前在电流域中对响应(或到该响应的前体电流）进行平移(例如，位移)。 [0021 ] 在一个实施方式中，将运算放大器布置成提取参考电流并基于该参考电流而输出 响应。例如，该参考电流可包括来自基于带隙或基极发射极电压的电流发生器(例如，PTAT 发生器等）的基于PTAT的电流的至少一部分。在一个实施方式中，参考电流是平衡温度恒 定节点上的电流的结果。针对一个示例，参考电流是从PTAT电流减去位移电流的结果，因 此确定用于电压响应的斜率。
[0022] 在本公开中讨论了用于配置和/或调整温度传感器的输出响应的斜率的各种实 施方式和技术。参考使用CMOS晶体管或类似部件的图中所示的示例性器件、电路以及系统 来讨论技术和器件。然而，这并不意图是限制性的，并且为了易于讨论和说明方便。术语"晶 体管"或"双极器件"在这里的使用意图适用于全部的各种双极结型部件。例如，可将所讨 论的技术和器件应用于各种双极器件(包括双极结晶体管、二极管、亚阈值MOSFET器件等） 以及各种电路设计、结构、系统等中的任何一个，而仍在本公开的范围内。
[0023] 下面使用多个示例来更详细地解释实施方式。虽然这里和下面讨论了各种实施方 式和示例，但通过将单个实施方式和示例的特征和元件组合，更多的实施方式和示例可以 是可能的。
[0024] 示例件环境 在各种示例中，可使用低成本CMOS、Bi-CMOS、双极/CM0S/DM0S (BCD)技术等来构造温 度传感器电路。例如，可基于前向二极管电压降或在设计的集电极电流范围内偏置的双极 晶体管（BJT)的基极发射极电压来感测器件的硅温度（以及由此的电路材料的局部温度)。 基于这些器件或其它类似器件，与硅器件的温度成比例的要感测的最精确且最不昂贵参 数是用具有恒定比的两个电流偏置的两个二极管上或两个基极发射极晶体管上的降电压 (drop voltage)(在这里称为"与绝对温度成比例（PTAT)电压或VPTAT"）的差。
[0025] 图1图示出用以获得Vptat电压的两个此类示例性电路100,第一情况使用两个二 极管（Dl和D2)并且第二情况使用两个晶体管（Tl和T2)。在每种情况下，二极管 (Dl和D2)或BJT晶体管（Tl和T2)所定位的硅区域的温度成比例。在示例性电路100中， 将二极管或晶体管紧密地放置在一起以确保良好的热耦合。在图1中所描述的示例性电路 100中，Al和A2是用于二极管（Dl和D2)的阳极区域（area)或用于BJT (Tl和T2)的发 射极区域（area)。此外，在电路100中，区域A2大于区域A1。用常数"N"来表示用于二极 管（Dl和D2)和晶体管（Tl和T2)的偏置电流的比。在示例中，N的值大于或等于1。
[0026] 可以将使用PTAT电压发生器构造的温度传感器电路(诸如电路100中的一个等） 布置成基于V ptat而输出表不电路材料的局部温度的信号，因为Vptat与娃温度成比例。输出 信号常常是电压信号Vptat_out，(另外称为V T_)，如图2中所示。在各种示例中，可将这里 公开的器件和技术同样地应用于提供参考电压、参考电流、参考温度、过温保护等的各种电 路。
[0027] 在一个理想的应用中，例如，可以用以下目标公式来描述输出电压信号VT_:
其中Ir是以摄氏度（°C)为单位的测量温度，V。是温度Ttrc = (TC下的VT_输出电压， 并且S (斜率）是直线VT_的梯度，也称为关于输出模拟信号V τ_的温度系数（TC)。使等 式1与用于线y = mx + b的公式相关，V。是常数项（或y截距）"b"，并且S是作为X的函 数来描述y的线的斜率"m"。这在图4的图表中图示出，其中，输出V T_是温度T (tC)的 函数，并且具有S的斜率，具有V。的常数项(例如，y截距)。
[0028] 在示例中，可在温度二极管电压相关性方面描述PTAT电压Vptat，如以下公式中所 示：
其中，q是电子电荷的量值，k是玻尔兹曼常数，!^是以开尔文为单位给出的绝对温度， 并且是以摄氏度为单位给出的相同温度。
[0029] 将S设置为绝对温度Tk的乘积因子（multiplicative factor):
并且就以摄氏度为单位的温度来定义绝对温度Tk，可以用以下公式来重写等式2的 PTAT电压表达式：
等式4部分地实现等式1的目标；然而，在此公式表示中，y截距V。并未独立于斜率S。 在此形式中，y截距V。通过273. 15的常数值与S成比例。此比例相关性在其限制供应电压 的可用范围时可能是有问题的。
[0030] 例如，用来创建电压信号Vptat的图1的基本电路100具有用于确定用于期望应用 的斜率S值的有限能力。在一个示例中，使用等式3,考虑到项（k/q)是86. 2 μ V/°C且因 子（P^A2A1)在10- 1000的范围内，用于图1的基本电路100的可实行斜率S值是0.2- 0. 6mV/°C。例如，此范围对于某些温度传感器应用而言可能是过于限制性的。
[0031] 当前存在可用来增加 S的值的各种电路，诸如图2的电路200。这些电路中的许 多是基于"伏安"方法。这个"伏安"方法由形成PTAT发生器202以将用图1的基础电路 100 (例如，结合到PTAT发生器202中)创建的P