CN105739589B - 一种用于基准电路的温度系数自动修调方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于模拟集成电路领域技术领域，具体的说涉及一种用于基准电路的温度系数自动修调方法。本发明的方法主要为：通过***温度控制模块将基准电路的工作温度调至低温工作模式，遍历将5个修调信号的值，并采集相应的基准电路的输出值，通过***温度控制模块将基准电路的工作温度调至高温工作模式，遍历将5个修调信号的值，并采集相应的基准电路的输出值，用采集获得的高温值减去低温值，并选取最小值对应的控制信号作为修调值。本发明的有益效果为，无需额外参考电压，无需额外复杂的修调操作，能对基准电压各个阶段产生的漂移(包括生产、封装、使用过程中基准源产生的漂移)进行修调。

Description

一种用于基准电路的温度系数自动修调方法

技术领域

本发明属于模拟集成电路领域技术领域，具体的说涉及一种用于基准电路的温度系数自动修调方法。

背景技术

基准电路可产生一个不随温度漂移的参考电压，被广泛地运用于DC-DC转换器，ADC电路，低压差线性稳压器电路和其他模拟电路中。随着电路运用越来越转向低功耗场所，高性能的基准电压源被更加广泛的需求。基准电压源从设计到生产，再到实际运用过程中，性能会逐步衰减，电压精度会发生漂移。为了克服这些问题，在基准电路的设计生产过程中，通常会加入修调电路。

现有的基准修调方式，从修调时间上划分可分为:封装前修调和封装后修调。封装前修调是指在芯片生产完成后，芯片仍处在裸片状态下，通过测试PAD，对基准输出电压进行测试，根据测试结果，修改相应的温度系数，校正输出电压；其主要的方式有激光切割和电熔丝。这种修调方式需要较繁琐的操作和辅助仪器，且激光切割方式成本较高。封装前修调主要用于对工艺漂移的修正。但在后续的芯片加工过程中，如封装等操作仍会对基准电路的温度系数产生影响。这时就需要加入另外的修调电路。

封装后修调主要靠电熔丝或一些可擦除存储单元实现。其中电熔丝是不可逆器件，只能进行一次修调。而可擦除存储单元内部状态可以重写，这种方式可重复对基准电路进行修调。封装后修调普遍是在芯片上电时，先让芯片工作在修调模式下，通过输出Pin脚将基准电压输出到片外和外部参考电压进行比较，根据比较结果再通过芯片输入Pin脚输入修调信号，实现对基准电压的校正。这种方式可以克服后续加工对基准温度系数的影响。但它的缺点是操作复杂，同时基准电压需要输出到芯片外进行比较，这会引入额外的寄生参数，对基准电压的准确性带来影响。同时，基准电路在实际运用过程中，随着器件老化或者使用环境的变化，输出精度仍会发生漂移，而以上修调方式均无法校正这些变化。

发明内容

本发明所要解决的，就是针对上述问题，提出提出的一种可自行调整温度系数的基准源架构。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于基准电路的温度系数自动修调方法，其特征在于，包括：

设置5个修调控制信号用于修调基准电路的温度系数，所述5个修调信号均分别通过功率管控制基准电路的修调电阻的阻值大小，所述5个修调信号分别为Control_1、Control_2、Control_3、Control_4、Control_5；则还包括以下步骤：

a.通过***温度控制模块将基准电路的工作温度调至低温工作模式，将5个修调信号置为00000，通过采样保持电路采样此时基准电路的输出值，并将采样所得的输出值通过放大电路和模数转化器后转化为6位二进制数进行保存，将修调信号为00000时所得的二进制数保存在地址为L00000的寄存器中；

b.将5个修调信号的值加1并重复步骤a，直至将修调信号为11111时所得的二进制数保存在地址为L11111的寄存器后，进入步骤c；该步骤中寄存器的地址也相应的加1；

c.通过***温度控制模块将基准电路的工作温度调至高温工作模式，将5个修调信号置为00000，通过采样保持电路采样此时基准电路的输出值，并将采样所得的输出值通过放大电路和模数转化器后转化为6位二进制数进行保存，将修调信号为00000时所得的二进制数保存在地址为H00000的寄存器中；

d.将5个修调信号的值加1并重复步骤c，直至将修调信号为11111时所得的二进制数保存在地址为H11111的寄存器后，进入步骤e；该步骤中寄存器的地址也相应的加1；

e.读取寄存器中的值，并做如下处理：将保存在地址为H0000的数据减去保存在地址为L0000的数据，获得结果为R0000，将地址值加1后重复减法运算直至获得保存在地址为H11111的数据减去保存在地址为L11111的数据R1111后，将R0000到R11111的数据进行比较并选择出最小值，表示为Rmin；

f.将Rmin对应的5个修调信号值传入控制电路，用于调节修调电阻。

本发明的有益效果为，无需额外参考电压，无需额外复杂的修调操作，能对基准电压各个阶段产生的漂移(包括生产、封装、使用过程中基准源产生的漂移)进行修调。

附图说明

图1为传统的基准源电路；

图2为传统一阶基准电压随温度的变化曲线；

图3为本发明提出的自调整基准源架构；

图4为寄存器示意图；

图5为模数转换器示意图。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：

典型的带隙基准电路如图1所示。该基准电路包括，三极管Q₁、Q₂，电阻R₁、R₂和R₃，运放A₁。通过运放A₁的箝位作用，使得X点和Y点电位相等。则流过电阻R₃上的电流

其中，n为Q1和Q2的个数比例；V_T＝kT/q为热电压，k为波尔兹曼常数，q为单位电子电荷，T为绝对温度。那么整个基准电路的输出电压可表示为

其中，三极管Q₂基极到发射极电压V_BE2与温度关系为

V_BE＝V_g00-λT+C(T) (3)

其中λ为温度无关的常数，C(T)为V_BE的高阶温度项。可以看出，三极管BE结电压包含一阶负温量和高阶负温量。热电压V_T与温度的关系为

可以看出，热电压V_T与温度呈正比。因此，通过调整三极管Q₁和Q₂的尺寸比例，以及电阻R₂和R₃的阻值比例，用正温电压V_T去补偿V_BE的负温量，可以降低输出电压V_OUT与温度关联关系，实现一阶温度补偿基准源。

传统一阶基准曲线类似于抛物曲线，如图2。图中曲线V₀在温度T₁处得到最大的电压值V(T₁)，同时在温度T_low和T_high处电压值相等，有V₀(T_low)＝V₀(T_high)。

在实际生产和应用过程中，工艺漂移、封装和器件老化等原因会使得基准电压偏离曲线V₀。当正温电压补偿不足时，基准电压在高温处低于正常基准电压，如图V₁，此时有

V₀(T_low)＞V₀(T_high) (5)

当正温电压补偿过度时，基准电压在高温处高于正常基准电压，如图V₂，此时有

V₀(T_low)＜V₀(T_high) (6)

所以，在实际的基准电路中，可以通过比较在温度点T_low和T_high处的电压值，来判定基准电压是否发生漂移。

图1中虚线部分为电阻R₂的实际电路图，电路包含电阻R_{2_0}和修调电阻R_{2_1}到R_{2_5}。电阻R_{2_1}到R_{2_5}分别由控制信号Control_1到Control_5通过MOS管MN1到MN5控制是否接入电路。在基准发生漂移的情况下，可以通过重新调整电阻R₂的阻值，使基准电压恢复正常。

当V₀(T_low)＝V₀(T_high)时，可以判定基准电压为零温基准源。

具体的自调整基准架构如图3所示，包含带隙基准模块(BGR)，采样/保持模块(S/H)，放大模块，ADC量化模块(ADC)，高、低寄存器组模块(High Register,Low Register)，有限状态机模块(FSM AND OPTIMIZATION)和控制电路模块(CONTROL CIRCUITRY)。时钟信号(Ext.CLK)由外部时钟源提供。

带隙基准模块具体结构如图1所示，包含5位修调信号Control_1到Control_5。每个修调信号控制相应的NMOS管，用来调节电阻R₂的阻值。R₂的阻值共计32种状态。每种状态对应一个基准电压随温度变化的波形。通过比较每种电压波形在T_low和T_high温度点下电压值的大小，可以确定最优修调信号值。本发明的自调整基准具体工作方法如下：

首先，通过***温度控制模块把基准电路的工作温度调至T_low。将5bit修调信号(Control_1-Control_5)置为00000。采样/保持电路采样此时基准电压输出值VBG。采样值VBG经过放大电路和模数转换器变成6位二进制数值，并存入寄存器组Low Register。接着将5bit修调信号置为00001，采样此时的基准电压输出值VBG，并量化为6为二进制数值，存入寄存器组Low Register。依次置位5bit修调信号为00010，00011，…，11111，将对应的基准电压值存入寄存器组Low Register，如图4所示。存入低寄存器组的数据依次为L(00000)，L(00001)，…，L(XXXXX)，…，L(11111)。

接着，将基准电路升温至T_high，用同样的方式，依次采样该温度下的基准电压，放大量化为6位二进制数值，存入寄存器High Register。存入高寄存器组的数据依次为H(00000),H(00001),…,H(XXXXX),….,H(11111)。

分别在温度点T_Low和T_high下，经过32次置位、采样、量化和存储操作后，寄存器组Low Register和High Register存入完整数据。之后，有限状态机模块读入高低寄存器组内的数据，并做减法处理，即V(T_high)-V(T_low)，对应的计算结果为R(00000)到R(11111)。分别对R(00000)到R(11111)的数据进行两两比较，选出最小值R(XXXXX)，该结果对应的基准电压随温度的波形更加接近于图2中的波形V₀，即V₀(T_low)＝V₀(T_high)。将对应的5bit数据传入控制电路，修调电阻R₂，此时对应的基准电压为零温基准。

芯片在每次启动过程中或者空闲状态下，通过内部逻辑控制，自动运行一次修调操作。这种修调方式覆盖了基准电压在各个阶段可能出现的漂移，使芯片在工作时一直输出高精度的基准电压。

图3中，数模转换器的参考电压V_O可以设置为基准电压VBG的平均值。参考电压V_O的获取方式如下：自调整基准源在进行修调操作前，由有限状态机模块输出信号到控制电路，依次置位控制信号Control_1到Control_5为00000到11111，采样每种状态下的输出电压VBG，选取VBG的平均值作为V_O的最终输出，即模数转换器的参考点。

图4中，模数转换器将采样电压VBG转换为6bit的数字信号并存入寄存器中，量化精度为其中，V_PP为量化信号的峰峰值，该转化器的量化精度决定了基准电路的检测精度：

控制电路包含的5bit修调信号决定了基准电路可以实现的最小修调步长为

ΔVBG表示图1中基准电源可以实现的最大修调范围。

当模数转换器的精度足够高时，满足条件

其中α为非零的自然数。整个修调基准源架构的最终修调精度为

当模数转换器的精度不足，即

经过采样/保持，量化，减法操作后，在数值R(00000)到R(11111)中，会出现多个数值相等的最小值，即存在多组修调控制信号同时满足V(T_High)-V(T_Low)最小。这时需要加入额外的判定模块用于决定最终输出到控制电路的信号值，最简单的做法是在出现多个最小值的情况下，将修调信号数值最小的信号输入到控制电路，完成修调操作。但在这种情况下，基准电路的实际修调精度小于

该种自调整基准源架构主要在芯片启动过程中或者芯片空闲状态下进行修调操作，同时在修调过程中温度变化较慢，所以整个修调操作并不需要在很快的时间内完成，模数转换器的量化速度可以很低，这大大降低了模数转换器的设计难度。

Claims (1)

1.一种用于基准电路的温度系数自动修调方法，其特征在于，包括：

设置5个修调控制信号用于修调基准电路的温度系数，所述5个修调信号均分别通过功率管控制基准电路的修调电阻的阻值大小，所述5个修调信号分别为Control_1、Control_2、Control_3、Control_4、Control_5；则还包括以下步骤：

a.通过***温度控制模块将基准电路的工作温度调至低温工作模式，将5个修调信号置为00000，通过采样保持电路采样此时基准电路的输出值，并将采样所得的输出值通过放大电路和模数转化器后转化为6位二进制数进行保存，将修调信号为00000时所得的二进制数保存在地址为L00000的寄存器中；

b.将5个修调信号的值加1并重复步骤a，直至将修调信号为11111时所得的二进制数保存在地址为L11111的寄存器后，进入步骤c；

c.通过***温度控制模块将基准电路的工作温度调至高温工作模式，将5个修调信号置为00000，通过采样保持电路采样此时基准电路的输出值，并将采样所得的输出值通过放大电路和模数转化器后转化为6位二进制数进行保存，将修调信号为00000时所得的二进制数保存在地址为H00000的寄存器中；

d.将5个修调信号的值加1并重复步骤c，直至将修调信号为11111时所得的二进制数保存在地址为H11111的寄存器后，进入步骤e；

e.读取寄存器中的值，并做如下处理：将保存在地址为H0000的数据减去保存在地址为L0000的数据，获得结果为R0000，将地址值加1后重复减法运算直至获得保存在地址为H11111的数据减去保存在地址为L11111的数据，获得结果为R1111后，将R0000到R11111的数据进行比较并选择出最小值，表示为Rmin；

f.将Rmin对应的5个修调信号值传入控制电路，用于调节修调电阻。