专利名称：用于半导体芯片内金属电阻器的温度补偿的电路、调修和布图的制作方法
技术领域：
本申请涉及包含在半导体芯片内的金属电阻器的温度补偿。更具体地，本申请涉及用于生成温度补偿基准电压的电路，以及所述电路的布图和调修技术。
背景技术：
金属电阻器被应用于半导体芯片内以实现各种目的。在某些应用中，金属电阻器用于感应电路的工作参数，例如当电池正在被充电时被输入电池的电流量，和/或当电池正在被使用时从其中输出的电流量。金属电阻器的电阻值通常作为温度函数而波动。这种变化的发生通常由于金属电阻器、其它部件，和/或其它热源所产生的热量。这种金属电阻器的电阻值随温度变化的偏差可能对其感应的精确度产生消极影响，并且进而，影响相关电路功能的性能。解决这一问题的一个方法是对电路中适当的点施加温度补偿电压，以便补偿作为温度函数的金属电阻器电阳值的变化。随着所述电阻值由于温度上升而升高，所述补偿电压也升高。当其被适当地施加时，所述温度补偿电压可以降低误差，所述误差是如果不施加该电压时由电阻值的温度偏差所引起的。一种典型的用于生成温度补偿电压的方法是使用公知的delta Vbe电压基准电路。这种电路生成与绝对温度成比例变化的电压，即，成比例绝对温度(“PTAT”)电压。然而，PTAT电压一般具有随温度变化的曲线，当外推该曲线时，其在0开尔文(Kelvin)处将达到0伏。另一方面，金属电阻器的电阻值一般具有随温度变化的曲线，当外推该曲线时， 其在0开尔文以外的温度达到0欧姆。这种在过零点位置上的差异将会降低PTAT电压精确补偿由于温度变化引起的金属电阻器电阻值偏差的能力。
发明内容
温度补偿电路可以生成温度补偿基准电压(Vkef)。所述电路可以包括带隙基准电路，所述带隙基准电路(Bandgap reference circuit)被构造用于生成带隙基准电压 (Vkk)，该电压基本上是温度无关的。所述带隙基准电路还可以被构造用于生成成比例绝对温度基准电压(Vptat) (proportional -to-absolute-temperature reference voltage)，该电压基本上与绝对温度成比例变化。所述温度补偿电路还可以包括运算放大器，所述运算放大器连接到所述带隙基准电路并且具有作为Vkef基准的输出值。所述温度补偿电路还可以包括反馈电路，所述反馈电路连接到所述运算放大器和所述带隙基准电路。所述反馈电路可以被构造用于使Vkef基本上等于Vptat乘以常数K1，减去VBeK乘以常数K2。温度补偿半导体芯片可以包括在所述半导体芯片内的金属电阻器。温度补偿电路也可以在所述半导体芯片内，所述温度补偿电路被构造用于生成温度补偿基准电压(Vkef)， 该电压基本上补偿作为温度函数的金属电阻器电阻值变化。所述温度补偿电路可以是上面讨论的类型。
一种方法可以调修半导体芯片以补偿所述半导体芯片内金属电阳器电阻值作为温度函数的预期变化。所述半导体芯片可以包括运算放大器和具有调修装置的反馈电路， 所述反馈电路连接到所述运算放大器。该方法可以包括调修在反馈电路中的所述调修装置以便最大化基准电压(Vkef)的能力以便补偿作为温度函数的所述金属电阻器电阻值的变化。用于生成温度补偿基准电压(Vkef)的温度补偿电路可以包括用于生成基本上温度无关的带隙基准电压(Vbct)和基本上与绝对温度成比例的成比例绝对温度基准电压(Vptat) 的装置。所述电路可以包括用于使VREF基本上等于VPTAT乘以常数kl，减去VBRG乘以常数k2的装置，该装置可以包括连接到运算放大器的反馈电路。
附图公开了示例性的实施方式。它们并未举出全部实施方式。其它实施方式可以附加地或替代地加以使用。为了节约篇幅或者为了更有效的解释，显而易见的或者不必要的细节被省略。相反，某些实施方式可以加以实现而不需要此处所公开的全部细节。当相同的附图标记出现在不同的附图中时，其旨在表示相同或类似的部件或步骤。图1是用于生成温度补偿基准电压的温度补偿电路的框图；图2是用于生成温度补偿基准电压的温度补偿电路的示意图；图3是反映带隙基准电路中调修装置设置值与该带隙基准电路中电阻值比率之间对应关系的表格；图4(a)是反映金属电阻器的温度系数值和带隙基准电路中调修装置设置值、与反馈电路中调修装置设置值之间对应关系的表格；图4(b)是反映反馈电路中调修装置设置值与所述反馈电路中电阻比率之间对应关系的表格；图5是被构造用于生成可选电阻比率值的电路；图6是集成于电池充电器的温度补偿基准电压电路的示意图；图7是乒乓(ping-pong)型库仑计数器的示意图；图8是在图7所示的乒乓(ping-pong)型库仑计数器中积分信号的时序图；图9示出了可以施加到图7所示的乒乓(ping-pong)型库仑计数器的温度补偿信号；图10是集成于库仑计数器的温度补偿基准电压电路的示意图；图11示出了用于半导体芯片中的金属电阻器的金属箔图案；图12示出了图11中所示的金属箔图案的放大局部；图13示出了用于静电屏蔽的结构；图14示出了图13中子单元的放大视图。
具体实施例方式在下文中介绍示例性的实施方式。其它实施方式可以附加地或替代地加以使用。 为了节约篇幅或者为了更有效的解释，显而易见的或者不必要的细节被省略。相反，某些实 施方式可以加以实现而不需要此处所公开的全部细节。
作为温度函数的非磁性金属电阻值的变化可以通过以下公式来估计其中，T是绝对温度，Tllebye是金属的德拜(Debye)温度，即金属的一种不随着温度而改变的材料特性。溅射金属电阻器可能不严格遵循Eq. (1)。然而，它们的温度系数仍然可能强烈地相关于它们的德拜(Debye)温度，并且任何测量的或固有的Spice TCls都能够被映射为相应的德拜(Debye)温度，因此上述方法仍然是可行的。基于欧姆定律，如果施加到电阻器的电压变化与作为温度函数的电阻器的电阻值变化成比例，流经电阻器的电流随温度变化而保持恒定，即Vkef(T) R(T)。基于该定理， Eq.⑴可以被变形以形成Veef(T) T-0. 15 · Tllebye(Eq. 2)
k将热电压K77/ = - · T带入公式Eq. (2)，其中k是玻尔兹曼(Boltzmarm)常数，q
(i
是元电荷。Veef ⑴-Vth ⑴-0. 15 · Vth (Tllebye)(Eq. 3)从Eq. (3)中可以看到，PTAT电压Vth可以产生所需要的补偿基准电压，从PTAT电压Vth中减去一较小固定电压。这是因为对于所讨论的金属而言，0. 15*TDebye总是远小于电路所工作的温度T。所述较小固定电压可以通过用带隙电压Vbct除以系数b生成，并且具有另一个系数a以便相平衡。贝IJ Eq.⑶可以被改写为 其中，Vth(T)表示与绝对温度成比例的PTAT电压，并且其中VBeK表示不论温度变化而基本保持固定的带隙基准电压。Eq. (4)的实际结果是将温度补偿基准电压(Vkef)的理论过零点(zero-crossing point)从绝对零度(0开尔文)向着更高的温度移动。通过控制所述移动的量，可以使作为温度函数的所述温度补偿基准电压(Vkef)达到零的温度，基本上与半导体芯片中作为温度函数的金属电阻器电阻值的过零点相匹配，因而增加了所述补偿基准电压(Vkef)的有效性。图1是用于生成温度补偿基准电压的温度补偿电路的框图。如图1所示，带隙基准电路101被构造用于生成基本上与温度无关的带隙基准电压(Vbct) 102。它也可以被构造用于生成基本上与绝对温度成比例变化的比例绝对温度基准电压(Vptat) 105。任何类型的带隙基准电路可以被用于达到此目的。运算放大器103可以具有连接到带隙基准电路101，并且具体地，连接到Vptat105 的非反相输入107。所述运算放大器103可以具有作为所述温度补偿基准电压(Vkef)基础的输出109。所述输出109可以被连接到反馈电路113的输入111。所述反馈电路113的另一个输入115可以被连接到所述带隙基准电路101，并且具体地，连接到VBeK102。反馈电路113的输出117可以被连接到所述运算放大器103的反相输入119。所述反馈电路113可以被构造用于形成所述带隙基准电压VBeK102和温度补偿电压Vkef109的加权平均。所述反馈电路113可以被构造为使Vkef基本上等于Vptat乘以一常数kl，再减去VBeK乘以一常 数k2。换言之，所述反馈电路113可以被构造为使图1所示的整个电路来执行上述公式Eq. (4)。图2是用于生成温度补偿基准电压的温度补偿电路的示意图。它是可以实现图1 所示框图的一种电路的示例。多种其它类型电路也可以实现图1所示的框图。如图2所示，带隙基准电路201可以生成不论温度波动而基本固定的带隙基准电压VBeK203，以及与绝对温度成比例变化的比例绝对温度电压Vptat205。所述带隙基准电路 201的这些方面可以与图1中的带隙基准电路101的相应方面相符合。任意类型的带隙基准电路可以被用于实现该目的。例如，图2所示的带隙基准电路是布罗考(Brokaw)型带隙基准电路。所述布罗考(Brokaw)型带隙基准电路可以利用晶体管207的PN结的电流密度和晶体管组209的，即一组并联的晶体管组的PN结的电流密度之间的变化而工作。所述晶体管207和晶体管组209的成员可以具有基本上相同的特性并且可以通过使用电流镜像以基本相同的电流加以驱动。所述密度差可以通过在晶体管组209中使用的晶体管的数量加以控制，该数量在图2中以符号“N”来表示。所述带隙基准电路201可以有效地将晶体管207的基极到发射极的电压叠加到 Vptat205的上端以便生成￥_203。一组串联电阻器，如与电阻器213串联的电阻器211，可以被选择以便将Vptat205限制在期望值。电阻器213的幅值可以通过调修装置215调整，以便使所述带隙基准电路201能够被设置到其“魔力电压”，即，使VBeK203作为温度函数变化最小的电压。特定带隙电路的“魔力电压”可以根据经验由特定温度而确定，例如由室温确定。 相同带隙电压基准电路的全部实例的所述“魔力电压”可以是相同的。因此，一旦某一特定电路的“魔力电压”被确定，在相同的室温下该电路的所有复制品可以通过将它们调至这一相同电压而加以最优化调节。任意装置可以被用作所述调修装置215。当在硅芯片上实现时，所述调修装置215 可以采用如多晶硅融合(polysilicon fusing)、齐纳-扎普(Zener zap)修正，非易失性存储器和/或任何其它类型的调修技术。如图2所示，所述调修装置215可以被设置为将电阻器213调节到16个十六进制值0至F的任意一个。或者可以采用其它数量的调节选项。运算放大器217可以对应于图1中的运算放大器103。一组串联的电阻器，如可调电阻器结构219，可以被用作图1所示的反馈电路113。调修装置224可以被用于控制可调电阻器结构219上的调节点。所述调修装置224可以采用任意类型，如上述连接调修装置 215的类型中的任意一种。所述可调电阻器结构219可以定义一组串联电阻器，例如与电阻器223有效串联的电阻器221。或者，串联电阻器221和223可以是彼此分离的电阻器，其中之一具有由所述调修装置224控制的调节档位。如图2所示，所述调修装置224可以被设置为以0到7之间任意可选的整数值来调节所述可调电阻器结构219。或者可以提供不同数量的调节选项。公式Eq. (4)和图2所示电路之间的关系可以用下面的公式来描述
权利要求
1.一种用于生成补偿金属电阻器温度偏移的温度补偿基准电压(Vkef)的温度补偿电路，包括带隙基准电路，被构造用于生成带隙基准电压(Vbct)，该电压基本上是温度无关的，以及用于生成成比例绝对温度基准电压(VPTAT)，该电压基本上与绝对温度成比例变化；运算放大器，连接到所述带隙基准电路并且具有作为Vkef基准的输出值；反馈电路，连接到所述运算放大器和所述带隙基准电路，被构造用于使Vkef基本上等于 Vptat乘以常数kl，减去Vbct乘以常数k2。
2.根据权利要求1所述的温度补偿电路，其中，所述反馈电路包括一组串联电阻器，所述一组串联电阻器具有两个端点和在该组中两个电阻器之间的节点。
3.根据权利要求2所述的温度补偿电路，其中，所述常数k2是在所述一组串联电阻器中的电阻器电阻值的函数。
4.根据权利要求3所述的温度补偿电路，其中，所述反馈电路具有调修装置，所述调修装置被构造用于使所述两个电阻器的比率可以调节。
5.根据权利要求4所述的温度补偿电路，其中，在所述一组串联电阻器中电阻器的比率被调节至使Vkef补偿在特定半导体芯片中的特定金属电阻器作为温度函数的电阻值变化的能力最大化。
6.根据权利要求5所述的温度补偿电路，其中，所述带隙基准电路包括连接到一组串联电阻器的PN结，所述一组串联电阻器在该组的两个电阻器之间具有节点，并且其中，所述运算放大器的非反相输入连接到该节点。
7.根据权利要求6所述的温度补偿电路，其中，所述常数kl是带隙基准电路中电阻器的电阻值的函数。
8.根据权利要求7所述的温度补偿电路，其中，所述带隙基准电路包括构造用于调修所述带隙基准电路中电阻器之一的电阻值的调修装置。
9.根据权利要求8所述的温度补偿电路，其中，所述带隙基准电路中电阻器之一的电阻值被调修至最小化Vbct对温度的依赖的设置值，并且其中在所述反馈电路中电阻器之一的电阻值被基于在带隙电路中调修装置的设置值而加以调修。
10.根据权利要求6所述的温度补偿电路，其中，所述带隙基准电路包括第二PN结，并且其中所述第二 PN结也被连接到所述带隙基准电路两个电阻器之间的节点。
11.根据权利要求2所述的温度补偿电路，其中，所述一组串联电阻器的的一端连接到所述带隙基准电路，另一端连接到所述运算放大器的输出，并且在所述一组串联电阻器的两个电阻器之间的节点被连接到所述运算放大器的输入。
12.根据权利要求11所述的温度补偿电路，其中，所述运算放大器具有反相输入，在一组串联电阻器中两个电阻器之间的节点连接到该反相输入，并且所述一组串联电阻器的一端连接到VBeK。
13.根据权利要求1所述的温度补偿电路，其中，所述运算放大器具有非反相输入，并且其中，所述非反相输入连接到所述带隙基准电路。
14.根据权利要求13所述的温度补偿电路，其中，所述运算放大器的非反相输入被连接至Vptat ο
15.根据权利要求1所述的温度补偿电路，其中，所述带隙基准电路是布罗考型。
16.根据权利要求1所述的温度补偿电路，其中，所述反馈电路包括开关电容电路。
17.根据权利要求1所述的温度补偿电路，其中，所述带隙基准电路被构造用于将基极到发射极的电压叠加到VPTAT电压的上端以便生成带隙基准电压VBGR，所述运算放大器的非反相输入端连接到VPTAT电压，所述反馈电路连接到VBGR和所述运算放大器的输出，所述反馈电路被构造用于生成VBGR和所述运算放大器输出的加权平均电压，并且所述运算放大器的反相输入连接到所述加权平均电压。
18.一种温度补偿半导体芯片，包括在该半导体芯片内的金属电阻器，以及在该半导体芯片内的温度补偿电路，被构造用于生成补偿作为温度函数的所述金属电阻器电阻值的变化的温度补偿基准电压(Vkef)，所述温度补偿电路包括带隙基准电路，热耦合于所述金属电阻器，并且被构造为生成基本上温度无关的带隙基准电压(VBeK)和与绝对温度成比例变化的成比例绝对温度基准电压(Vptat)；运算放大器，连接所述带隙基准电路并且具有作为Vkef的基准的输出；以及反馈电路，连接到所述运算放大器和所述带隙基准电路，并且被构造用于使Vkef基本上等于Vptat乘以常数kl，减去VBeK乘以常数k2。
19.根据权利要求18所述的温度补偿半导体芯片，其中，所述金属电阻器具有两个连接节点和在所述两个连接节点之间的金属箔图案，所述金属箔图案包括被构造用于在所述两个节点之间传导电流的承载电流部分，以及被构造在节点之间不传导电流的非承载电流部分。
20.根据权利要求19所述的温度补偿半导体芯片，其中，所述带隙基准电路热耦合于金属箔的所述非承载电流部分。
21.根据权利要求19所述的温度补偿半导体芯片，其中，所述金属箔的非承载电流部分基本上分布于整个所述金属箔的承载电流部分。
22.根据权利要求19所述的温度补偿半导体芯片，其中所述金属箔的非承载电流部分跨接在所述承载电流部分的当电流流经所述金属电阻器时基本上等电势的位置。
23.根据权利要求18所述的温度补偿半导体芯片，其中，静电屏蔽位于所述金属电阻器和温度补偿电路之间。
24.根据权利要求23所述的温度补偿半导体芯片，其中，所述静电屏蔽包括基本上横跨表面的金属箔图案，并且横跨整个表面的金属箔图案没有完整的线性路径。
25.根据权利要求23所述的温度补偿半导体芯片，其中，所述静电屏蔽包括相互连接的子单元矩阵，每个子单元包括金属箔图案，所述金属箔图案的形状为使一组所述子单元可以按如下方式设置其金属箔电性连接但是没有完整的线性路径横跨所述一组子单元。
26.根据权利要求23所述的温度补偿半导体芯片，其中，所述静电屏蔽包括相互连接的子单元矩阵，每个子单元包括至少两个互锁的U形金属箔部件，二者通过至少一个其它金属箔部件电性连接。
27.根据权利要求18所述的温度补偿半导体芯片，其中，所述金属电阻器被构造于所述半导体芯片内用于感应工作参数。
28.根据权利要求27所述的温度补偿半导体芯片，其中，所述金属电阻器被构造用于感应被输入或者输出电池的电荷量。
29.根据权利要求27所述的温度补偿半导体芯片，其中，所述金属电阻器被构造用于感应在对电池充电期间被输入电池的电流量。
30.一种用于调修半导体芯片以补偿所述半导体芯片内作为温度函数的金属电阻器电阻值预期变化的方法，所述半导体芯片包括运算放大器和连接到所述运算放大器的具有调修装置的反馈电路，所述方法包括调修在反馈电路中的所述调修装置以便最大化基准电压(Vkef)的能力以补偿作为温度函数的所述金属电阻器电阻值的变化。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述半导体芯片还包括具有调修装置的带隙基准电路，并且所述方法进一步包括调修所述带隙基准电路中的调修装置以便最小化带隙基准电压(VBeK)对温度的依赖。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述对带隙基准电路中调修装置的调修导致对调修设置值的选择，并且其中在反馈电路中所述调修装置的调修基于为带隙基准电路中所述调修装置所选择的调修设置值。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述反馈电路中的调修装置的调修还基于所述金属电阻器与其温度依赖性相关的温度特性。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，金属电阻器的物理特性是其德拜温度。
35.根据权利要求33所述的方法，其中，所述金属电阻器的物理特性是其第一顺序温度系数。
36.根据权利要求30所述的方法，其中，对所述调修装置的调修使Vkef在所述金属电阻器具有零外推电阻并在相同的温度下具有零外推电压。
37.一种用于生成温度补偿基准电压(Vkef)的温度补偿电路，包括用于生成基本上与温度无关的带隙基准电压(Vbct)和基本上与绝对温度成比例变化的成比例绝对温度基准电压(Vptat)的装置；用于使Vkef基本上等于Vptat乘以常数kl，减去VBKe乘以常数k2的装置，该装置包括连接到运算放大器的反馈电路。
38.一种用于调修半导体芯片以补偿半导体芯片中作为温度函数的金属电阻器电阻值预期变化的方法，所述方法包括确定使带隙非独立电压随温度变化最小化的第一调修值；基于所述第一调修值和所述金属电阻器的温度特性确定第二调修值；在温度补偿电路中使用所述第二调修值设置调修装置，以便所述温度补偿电路的输出电压(Vkef)的变化为成比例绝对温度，乘以常数kl，减去带隙非独立电压，乘以常数k2。
全文摘要
一种用于生成温度补偿基准电压(VREF)的温度基准电路，包括被构造用于生成基本上与温度无关的带隙基准电压(VBGR)和基本上成比例于绝对温度变化的成比例绝对温度基准电压(VPTAT)的带隙基准电路。所述电路包括连接到所述带隙基准电路并且具有作为VREF基础的输出的运算放大器。所述电路还包括连接到所述运算放大器和所述带隙基准电路并且被构造以便使VREF基本上等于VPTAT乘以常数k1减去VBGR乘以常数k2的反馈电路。
文档编号G05F3/30GK102246115SQ200880132107
公开日2011年11月16日 申请日期2008年11月25日 优先权日2008年11月25日
发明者本哈德·海尔姆特·恩格尔 申请人:凌力尔特有限公司