单温点温度传感器灵敏度校准的制作方法

本发明涉及片上温度传感器电路，特别涉及单温点传感器电路。

背景技术：

集成电路(ic)可以在单个芯片上包括数千或数百万个晶体管。这些晶体管的运行可在小区域内产生大量热量。可能会发展为产生损坏ic器件的热点。

ic器件的温度可以由片上温度传感器电路监控。当监测的温度超过极限时，例如通过降低工作频率或通过关闭ic器件的部件，来保护ic器件。一旦ic器件冷却，频率可以再增加，或者ic器件的更多部分可以被重新上电。

温度传感器电路的温度灵敏度是电路电压与温度(v/t)曲线的斜率。由于增益误差，该温度灵敏度会发生偏移。增益误差可能是由器件不匹配、布局不匹配、dc偏移或其他电路特性引起的。

在校准期间，可以在两个或多个温度点测量温度传感器电路的输出电压，以建立电压-温度直线。可以在正常运行期间获得并使用该直线的斜率(以伏特/摄氏度为单位)，以确定对应于传感器电压变化的温度偏移。

这种双温点校准是不希望的，因为电路必须在校准期间在两个不同的温度下测量。ic器件必须放置在温度控制室中或以其他方式加热或冷却以获得第二温度测量值。这种加热可能需要10分钟或更长时间。在此加热期间可能会占用昂贵的测试设备，或者可能需要扩展产品测试线，从而增加测试和制造成本。

最近，已经使用单温点校准来消除加热延迟时间。假设一个温度点为绝对零度(-273.15℃)，其中温度传感器电路产生一些预先计算的偏移。由于电压与温度线固定在绝对零度，因此只需要一个其他温度点即可确定线的斜率或灵敏度。因此，校准需要仅在1个温度点测量温度传感器电路的输出电压。该测量的温度点可以在室温下，在校准期间不需要温度室。

但是，单点温度传感器校准经常遇到相当小的温度感测输出范围。有时温度灵敏度只能在很短的范围内调整。电路中的直流dc偏移会导致灵敏度读数不准确。当第二测量的温度点被错误估计时，会发生校准错误，这会在温度传感器电路中发生设备不匹配时发生。

期望有一种单温点温度传感器电路。期望有一种仅在一个温度下测量传感器电路输出的校准方法。期望有一种在很宽的温度范围内调节传感器电路的温度灵敏度的方法。期望有一种消除温度传感器电路中dc偏移的校准方法。

附图说明

图1是单温点温度传感器电路的示意图。

图2是突出三个比例因子的单温点温度传感器电路的示意图。

图3是突出显示对温度的各种灵敏度的图表。

图4显示接通和断开pnp晶体管如何改变温度灵敏度线。

图5突出显示校准的第一步。

图6突出显示校准的第二步。

图7突出显示校准以外的情况。

图8突出显示校准条件。

图9a-9c是用于单温点温度传感器电路的校准方法流程图。

图10显示一个替代的单温点温度传感器电路。

图11是单温点温度传感器电路的更详细的示意图。

具体实施方式

本发明涉及单温点温度传感器电路的改进。以下描述以使本领域普通技术人员能够制造和使用在特定应用及其要求的上下文中所提供的本发明。对本领域技术人员而言，对优选实施例的各种修改将是显而易见的，本发明定义的一般原理可以应用于其他实施例。因此，本发明并非旨在限于所示和所述的特定实施例，而是应被赋予与本发明披露的原理和新颖特征一致的最宽范围。

图1是单温点温度传感器电路的示意图。电流源22、26具有相同的尺寸并产生相同的电流量。由电流源26产生的电流流过pnp晶体管31的发射极到其接地的集电极，而由电流源22产生的电流流过电阻器30，然后流到pnp晶体管32、33的发射极并流到它们的接地集电极。pnp晶体管32、33并联连接，但具有单独的基极连接。

pnp晶体管31、32的基极接地，因此pnp晶体管31、32保持导通并且在正常运行期间将电流从发射极传导到集电极。然而，pnp晶体管33的基极通过开关42、44接通和断开。当开关42断开且开关44闭合时，pnp晶体管33的基极接地，其发射极-基极结正向偏置，接通pnp晶体管33。来自电流源22的电流通过电阻器30，在并联连接的pnp晶体管32、33之间分配。

当开关42闭合且开关44断开时，pnp晶体管33的基极被电源驱动至高电平，其发射极-基极结被反向偏置，关闭pnp晶体管33。由于pnp晶体管33关闭，所有的来自电流源22的电流通过电阻器30流过pnp晶体管32。

开关42、44中的仅一个在任何时间都是闭合的。使开关42、44中的至少一个断开可防止电源对地短路。

误差放大器20比较由每个电路支路中的电流源22、26产生的电压。电流源22和电阻器30之间的电压施加到误差放大器20的非反相(+)输入，而电流源26和pnp晶体管31的发射极之间的电压施加到误差放大器20的反相(-)输入。

误差放大器20的输出应用于控制电流源22、26、28。电流源22、26具有相同的尺寸，但是电流源28比电流源22大m倍。因此来自电流源22的电流被镜像并放大到m倍在镜像电流源28中。来自电流源28的该较大电流流过可变电阻器38到地。

通过可变电阻器38的m倍电流产生输出温度感测电压vts。在相同温度下进行两次vts测量。一次测量使pnp晶体管33导通，另一次测量使pnp晶体管33截止。

第一测量vts1使开关44闭合且开关42断开，使pnp晶体管33的基极接地并将其接通。由于两个pnp晶体管32、33都导通，因此通过电阻器30拉出较高的电流，增加其i-r电压降并增加误差放大器20+输入上的电压，从而驱动误差放大器20的输出更高。误差放大器20的较高输出增加了电流源22、26的电流驱动以进行补偿。误差放大器20的输出使镜像电流源28产生更多电流。通过可变电阻器38的较大的m倍电流增加vts1。

对于第二测量vts2，开关44断开，开关42闭合，将pnp晶体管33的基极驱动至高电平并将其关断。由于仅pnp晶体管32导通，较小的电流流过电阻器30，减小误差放大器20的+输入上的电压，降低其输出电压。误差放大器20的较低输出电压，导致电流源22、26、28减少电流来补偿。这也导致镜像电流源28产生较小的电流。通过可变电阻器38的较低的m倍电流降低vts2。

当开关44闭合时，计算单元24接收vts并将vts存储为vts1，或者当开关42闭合时，计算单元24接收vts并将其存储为vts2。计算单元24计算vts1和vts2之间的差值以获得dvts。在正常运行期间，在查找表(lut)40中查找dvts以获得感测的温度t。

在校准期间，调节用于可变电阻器38的修整rr_trim或用于镜像电流源28的修整m_trim，以调整测量的dvts以匹配dvts的目标值。

图2是突出显示三个比例因子的单温点温度传感器电路的示意图。通过在电路中具有的三个比例因子来改善温度和灵敏度的范围。可以通过修整信号m_trim来调整镜像电流源28以改变其电流比例因子m。因此，可以增大或减小m的值。电流源22、26各自具有固定电流值1，因此电流增益为m:1，其中m可通过m_trim缩放。

同样，可以通过修整信号rr_trim来调整可变电阻器38以改变其电阻r2。电阻器30具有固定电阻r1，因此电阻增益因子是r2:r1，其中r2可使用修整rr_trim进行缩放。

通过pnp晶体管31、32、33的电流使输出电压vts变化，该变化是其相对尺寸n1、n2、n3对数函数的一个函数：

ln[(n2+n3)/n1]

其中ln是自然对数。当pnp晶体管33关闭时，该函数减少到：

ln[n2/n1]。

因此，温度传感器电路的增益可以以三种不同的方式调节。电流镜因子m可使用m_trim进行缩放。通过使用rr_trim调节镜像电流源28，可以缩放电阻比率r2:r1。最后，pnp晶体管33通过开关42、44接通和断开，使得流过电阻器30的电流在两个不同的值之间切换。

具有三个增益调节允许更大的整体温度范围和温度灵敏度。提供宽校准范围。

虽然这些增益因子相对独立于温度、过程和电源电压，但仍可能发生器件和布局不匹配误差。双极器件pnp晶体管31、32、33倾向于具有良好的固有匹配，优于电阻器或mos器件。

图3突出显示对温度的各种敏感度。温度传感器的输出电压vts被绘制为温度的函数。

传感器电路中的不匹配和为比例因子选择的不同值，导致线s1、s2、s3、s4的不同增益或斜率。所有线都收敛于绝对零度-273.15℃，产生相同的vts值。电流镜修整m_trim和电阻器修整rr_trim的不同选择会导致选择不同的线s1、s2、s3、s4。而且，利用开关42、44接通或断开pnp晶体管33导致选择不同的线。虽然显示了四条线s1、s2、s3、s4，但实际上存在多条这样的线，每条线具有不同的斜率，且全部都通过相同的点：绝对零点。

图4显示接通和断开pnp晶体管如何改变温度灵敏度线。当开关44sw1闭合且开关42sw2断开时，pnp晶体管33的基极接地，导通pnp晶体管33。传感器电路的温度灵敏度遵循线s1。

当开关44sw1断开且开关42sw2闭合时，pnp晶体管33的基极连接到电源，关闭pnp晶体管33。传感器电路的温度灵敏度遵循线s2。关闭pnp晶体管33减小了通过电阻器30的总电流，减小了误差放大器20的+电压，降低了vts。因此，线s2在线s1之下，其中pnp晶体管33导通。

在校准期间，在诸如室温的测量温度t下，当pnp晶体管33接通时，传感器电路沿线s1运行。温度t与线s1相交在电压vts1处。在校准期间，pnp晶体管33然后关闭，使得传感器电路现在沿着线s2运行。温度t与线s2相交在电压vts2处。这两个测量值之间的差值vts1-vts2是dvts。差值dvts对于每个温度值t不同且唯一，因为线s1、s2在绝对零点处相交。

图5突出显示校准的第一步。开关44sw1闭合，开关42sw2断开，驱动接地到pnp晶体管33的基极。该接地的基极提供正的发射极-基极pn结电压，导通pnp晶体管33。传感器电路的温度灵敏度遵循线s1。测得的传感器输出电压vts1与下式成比例：

ln[(n2+n3)/n1]

其中，ln是自然对数，且n1、n2和n3分别是pnp晶体管31、32、33的相对尺寸或电流驱动。

图6突出显示校准的第二步。开关44sw1断开，开关42sw2闭合，驱动电源电压到pnp晶体管33的基极。这个高连接的基极提供负的发射极-基极pn结电压，关闭pnp晶体管33。来自电流源22的电流必须流过pnp晶体管32。

传感器电路的温度灵敏度遵循线s2。测得的传感器输出电压vts2与下式成比例：

ln[n2/n1]。

由于n2总是小于n2+n3，在任何温度下，ln[n2/n1]将小于ln[(n2+n3)/n1]。因此，当所有其他设置和环境条件相同时，vts1总是大于vts2。

图7突出显示校准以外的情况。在校准之前，测量值vts1'遵循预校准线s1'，其由于电路不匹配或偏移而与理想线s1不同。同样地，测量值vts2'遵循预校准线s2'，由于电路失配或偏移，其也与理想线s2不同。测得的差值dvts'＝vts1'-vts2'大于理想差值dvts＝vts1-vts2。

对于电阻器、电流镜和双极晶体管，测得的电压差dvts'是三个增益因子的函数：

(r2/r1)*m*ln[(n2+n3)/n1]*(k/q)*t

其中r2/r1是电阻器增益因子，其中r1是电阻器30的电阻，r2是可变电阻器38的电阻，用于rr-trim的电流修整设置，m是镜像电流源28和电流源22之间的电流比率，其中m由电流修整设置m_trim调整，n1、n2、n3分别是pnp晶体管31、32、33的相对尺寸，k是玻尔兹曼常数，q是电子电荷常数，t是当前温度。通过从另一个测量vts1中减去一个测量vts2，可以抵消任何dc偏移。

图8突出显示了校准条件。在校准期间，调节修整值(trimvalue)以使测量线s1'更接近理想线s1，并使测量线s2'更接近理想线s2。例如，可以减小电阻器修整rr_trim以减小电阻器比率r2/r1，以补偿测量线s1'、s2'的较高斜率。测量可以重复进行，并进一步调整，直到测量的差值dvts'与理想差值dvts匹配。一旦测量差值dvts'＝vts1'-vts2'匹配理想差值dvts＝vts1-vts2，校准就结束。匹配可以在一定公差范围内，例如+/-5％、10％等，或者可以是一个修整设置(trimsetting)，例如最接近理想的修整设置，或者两个相邻修整设置中的一个到理想值。

图9a-9c是用于单温点温度传感器电路的校准方法流程图。校准程序100可以在上电时、周期性地或在触发温度警报之后启动。

在第一测量步骤102，开关44sw1闭合，开关42sw2断开，使pmp晶体管33的基极接地并将其接通。pnp晶体管32、33都导通。传感器电路输出端的电压vts被采样并存储为vts1'。

在第二测量步骤104，开关44sw1断开，开关42sw2闭合，驱动pmp晶体管33的基极至高电平并将其关断。只有pnp晶体管32导通，导致其发射极-基极电压增加，从而产生较小的电流通过pnp晶体管32。较低的m倍电流通过可变电阻器38，降低了传感器输出上的电压vts，该电压被采样并存储为vts2'。

获得ic器件的当前温度t，例如通过外部温度计测量室温并将该值输入测试器。或者，可以使用室温的默认值，或者测试室或环境可以将其温度控制到指定值。使用当前温度t从lut40读取差值的目标或理想值dvts(步骤105)。

在步骤106，生成两个测量值vts1'和vts2'之间的差值dvts'，并将其与理想差值dvts进行比较(步骤108)。

在步骤108，当测量差值dvts'不大于理想差值dvts时，则该过程在图9b中继续。在步骤110，增加比例因子。通过增加rr_trim来增加电阻r2，以增加电阻器比例因子r2/r1，或者通过增加m_trim来增加电流镜比例因子m。

在步骤112，通过关闭开关44sw1，打开开关42sw2，以获得vts1'，利用新的修整值重复第一测量。在步骤114，通过打开开关44sw1，闭合开关42sw2，也重复第二测量。传感器输出vts被采样并存储为vts2'。在步骤116，再次产生两个测量值vts1'和vts2'之间的差值dvts'，并在步骤118与理想差值dvts进行比较。

在步骤118，当测量差值dvts'仍然不大于理想差值dvts时，则在步骤110通过增加电阻器或电流镜修整值来增加比例因子。测量过程重复步骤112，直到步骤118测量差值dvts'最终大于理想差值dvts。然后在步骤119将最终修整值rr_trim和m_trim存储为缩放设置，校准完成。

在步骤108，当测量差值dvts'大于理想差值dvts时，则该过程在图9c中继续。在步骤120，通过减小一个修整值来减小比例因子。

在步骤122，通过关闭开关44sw1，打开开关42sw2，以获得vts1'，利用新的修整值重复第一测量。在步骤124，通过打开开关44sw1，闭合开关42sw2，也重复第二测量。传感器输出vts被采样并存储为vts2'。在步骤126，再次产生两个测量值vts1'和vts2'之间的差值dvts'，在步骤128，与理想差值dvts进行比较。

在步骤128，当测量差值dvts'仍然不小于理想差值dvts时，在步骤120，通过减小电阻器或电流镜修整值，再次减小比例因子。测量过程重复步骤112，直到步骤128测量差值dvts'最终小于理想差值dvts。然后在步骤129将最终修整值rr_trim和m_trim存储为缩放设置，校准完成。

图10显示一个替代的单温点温度传感器电路。在该替代方案中，输出电压vts被施加到模数转换器(adc)46，从一个模拟电压转换为一个数字值。然后，计算单元24存储vts数字值为vts1和vts2，并将数字值的差值产生为dvts。在正常运行期间，在lut40中查找dvts以获得温度t，然后可以将温度t与系统的温度限制值进行比较。

在配置期间，在将测量的dvts与dvts的目标值进行比较之后，将修整值m_trim和rr_trim存储在配置寄存器41中并由计算单元24更新。对于每个温度，dvts的目标值可以存储在lut40中，因此如果测试温度t已知，则可以通过lut40中的反向查找来获得理想的dvts值。

图11是单温点温度传感器电路的更详细的示意图。电流源22由电源和误差放大器20的+输入之间串联的p沟道晶体管50、52代替。电流源26由电源和误差放大器20的-输入之间串联的p沟道晶体管54、56代替。镜像电流源28由电源和vts输出之间串联的p沟道晶体管60、62代替。

误差放大器20的非反相输出驱动p沟道晶体管50、54、60的栅极。误差放大器20的非反相输出上的低信号开启p沟道晶体管50、54、60。

偏置电压vb施加到p沟道晶体管52、56、62的栅极。偏置电压vb可以使用类似于p-沟道晶体管54、56和pnp晶体管31的阶梯式晶体管，产生为一个在电源电压和地之间的中间电压。可以使用各种偏置电路。缓冲电路也可以应用于vts输出。

替代实施例

发明人还考虑了若干其他实施例。例如，可以使用各种物理布局、放置、过程和材料。虽然电压已被描述为信号，但电流也可用作信号。

虽然已经显示电源和地之间的开关42、44控制pnp晶体管33的基极，但是可以将一个或多个电阻器插入与开关42、44串联以调节对pnp晶体管33的基极的偏压，或限制电流或用于其他原因。可以提供更复杂的开关网络以偏压pnp晶体管33的基极。开关42、44可以实施为传输门、晶体管、多路复用器或使用其他器件或门。开关42、44中的一个可以用一个高电阻的电阻器代替。例如，开关42可以是一个上拉电阻器。然后另一个开关44将pnp晶体管33的基极拉低，允许上拉电阻器在开关44断开时将基极拉高。可以将基极驱动至高或低的单个多极开关可以代替开关42、44。

可以在pnp晶体管31的基极和地之间添加一个虚拟开关，用于匹配开关44。可以在pnp晶体管32的基极和地之间添加另一个虚拟开关，也用于匹配开关44。这些虚拟开关可以保持在闭合状态，使pnp晶体管31、32的基极接地。基极也可以通过电阻器接地而不是直接接地。

可以使用串联电阻器来实现可变电阻器38，其中使用多路复用器来选择相邻电阻器之间的抽头以选择期望的总电阻值。并联的若干p沟道晶体管可用于实现镜像电流源28，其中m_trim被解码以启用或禁用各个并联晶体管以获得所需电流。

一些实施例可以仅使用可变电阻器38，并且具有固定的镜像电流源28，或者rr_trim可以有比m_trim更多的步阶。校准程序可以在整个rr_trim范围内进行排序，然后在达到可能的rr_trim设置限制时，更改m_trim。多个其他组合是可能的。计算单元24可以实施为逻辑门、硬件定序器或状态机、或固件或软件、或各种组合。各种格式可以用于lut40，并且可以提供正向或反向查找。

虽然已经在描述本发明时呈现了增益因子，但实际因子可能更复杂，并且包括简单比率未精确描述的次要效应。可能存在多个二阶和三阶电路效应并且可能是重要的，尤其是对于较小的器件尺寸。电路仿真可用于在设计期间考虑这些次要因素。

可以使用n沟道、p沟道或双极晶体管或这些晶体管内的结的各种组合来实施器件。电容器可以连接到电阻以提供r-c滤波器，或者可以添加更复杂的电路，例如有源触发电路。在一些实施例中，可以使用高压晶体管而不是具有适当偏置条件的低压晶体管。可以增加栅长以提供更好的保护以免受损坏。

可以添加额外泄漏器件诸如电阻器和小晶体管。可以从一些部件使用寄生电容和电阻，取决于所使用的过程和器件尺寸。可以添加额外步骤到校准程序，并且可以改变步骤的顺序。例如，可以在vts1之前测量vts2。在步骤105，可以使用当前温度t从lut40周期性地重新读取差值dvts的目标或理想值。在正常运行期间，可以禁用pnp晶体管33而不是启用pnp晶体管33。

本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不是由其他人描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的材料并不是申请人对现有技术的承认。

本文描述的任何方法或过程是机器实现的或计算机实现的，旨在由机器、计算机或其他设备执行，不旨在没有机器辅助的情况下仅由人执行。产生的有形结果可以包括在诸如计算机监视器、投影设备、音频生成设备和相关媒体设备之类的显示设备上的报告或其他机器生成的显示，可以包括也是机器生成的硬拷贝打印输出。其他机器的计算机控制是另一个有形的结果。

所述的任何优点和益处可能不适用于本发明的所有实施例。当在权利要求要素中记载了用语“装置”(means)时，申请人意图使权利要求要素落入35usc第112章第6段的规定。通常，一个或多个单词的标签在单词“装置”之前。单词“装置”前面的单词是旨在便于参考权利要求元素的标签，并不意图表达结构上的限制。这种装置加功能的权利要求旨在不仅覆盖在此所述的用于执行该功能及其结构等同物的结构，而且覆盖等同的结构。例如，虽然钉子和螺钉具有不同的构造，但它们都具有等同的结构，因为它们都具有紧固功能。不使用“装置”一词的权利要求不属于35usc第112章第6段的规定。信号通常是电子信号，但也可以是光信号，例如可以通过光纤线传送。

为了说明和描述的目的，前面已经呈现了本发明实施例的描述。这并不意味着穷举或将本发明限制到所披露的确切形式。鉴于上述教义，许多修改和变化是可能的。本发明范围旨在不受限于该详述，而是受限于所附加的权利要求。