CN109186812A - 一种高精度温度传感器误差修正的方法及其修正电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高精度温度传感器误差修正的方法及其修正电路，该方法包含：S1、确定误差修正的所需位数修正方式；S2、先用不同粗调位方式对晶体管的电流进行粗调，再通过占空比调制器产生调制码流并根据调制码流高低对开关进行开合，对晶体管的电流进行细调，确定作为温度信号的射极‑基极电压的修正范围；S3、根据工艺误差及确定的温度信号修正范围，确定开关开合的晶体管电流大小，满足修正范围的要求；S4、根据精度要求得到修正精度。本发明通过改变调制码流的占空比来改变最终修正后的电压大小，避免高精度时需要小电流的情况，有效地消除温度传感器温度信号中的误差，且达到很高的精度要求，能够满足高精度温度传感器修正的需求。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路设计领域，特别涉及一种高精度温度传感器误差修正的方法及其修正电路。
背景技术
随着应用需求的不断提高，温度传感器的精度也在不断提高。在温度传感器制造的过程中，由于工艺因素，不可避免地会引入误差。为了保证温度传感器检测温度的准确性，需要将传感器的误差进行修正。常见的修正方式能够有效修正传感器的误差，但是由于工艺因素限制，其修正的精度有限。在高精度传感器中，常见的修正方式并不适用。
图1所示为温度传感器的结构示意图。
图1中两个偏置电流Ibias1和Ibias2分别流过bipolar管(双极性晶体管，也称三极管)Q1和Q2，其中，晶体管Q1产生一个温度信号VBE，该信号为晶体管Q1发射极与基极的电压差。晶体管Q2也产生一个温度信号VBE，该信号为晶体管Q2发射极与基极的电压差。晶体管Q1和晶体管Q2两者之间的VBE差产生了另一个温度信号ΔVBE。
∑Δ模数转换器(Sigma delta ADC)负责对信号VBE和ΔVBE进行采样，并将采样得到的信号进行量化，得到数字码流BS(bit stream)，数字码流经过降采样滤波器(decimation filter)滤波后，得到量化后的温度信号。
在温度传感器中，两个温度信号VBE和ΔVBE都会引入误差。每个温度信号都有多个误差源。其中，温度信号VBE中能够引入误差的误差源有反向饱和电流偏差、基极电阻引入的误差、反向厄利效应引入的误差、偏置电流的误差等等；温度信号ΔVBE中能够引入误差的误差源有晶体管之间的匹配误差、电流源之间的匹配误差、晶体管有限电流增益引入的误差、反向厄利效应引入的误差等等。
假设温度传感器的精度要求为0.1K(K为开氏温度单位)，则要求所有误差源贡献的误差总和不能大于0.1K，因此每个误差源能够贡献的误差为总误差除以误差源的个数。按照这种分配方式，每个误差源贡献的误差要比总误差小一个数量级左右，即每个误差源的误差为0.01K。
通常情况，通过较好的电路匹配，甚至必要的时候采用动态匹配的方式可以将温度信号ΔVBE中的误差消除到足够小的范围，因此，可以忽略温度信ΔVBE的误差。而温度信VBE中的误差，则不可以通过匹配的方式消除，需要在电路中额外增加一个修正电路。该修正电路的作用是在实际生产后，通过测试的方式计算得到温度信号VBE中的误差大小，然后利用修正电路将温度信号VBE中的误差消除。
在SMIC 0.18um标准单元库中的混合信号(Mix signal)工艺中，各种因素导致温度信号VBE的误差范围约为±9.22mV，而±0.01K温度误差对应的温度信号VBE误差为±0.04mV(25度室温下)，误差范围与误差精度的比如下：
从上式(1)可以看出，实现误差修正需要8bit的修正方式。
常见的误差修正电路如图2和图3所示。
图2是电阻修正方式。该方式在晶体管的VBE上直接叠加一个电压，电压的大小为n×R×Ibias，其中，n为修正需要用到电阻的个数，R为每个修正电阻大小，Ibias为晶体管上偏置电流。通过计算可以得到，要实现0.01K精度的要求，修正电路的匹配精度需要高达0.074％，这个精度在一般工艺中是很难实现的。
图3是利用电流修正方式。该方式通过改变晶体管上偏置电流的大小，改变晶体管VBE的值，从而修正VBE中的误差。通常情况下，为了避免温度传感器自身发热对环境监测的影响，传感器功耗都会很小，因此晶体管上的电流很小，例如0.5uA。在这种情况下，为了实现VBE的高精度修正，需要用到的修正电流的精度很高，通过计算可以得到，要实现0.01K精度的要求，则最小bit的修正电流大小为0.75nA。而0.75nA的电流非常小，设计中实现起来非常困难，且精度很难保证。
从上可知，常见的误差修正方式在高精度传感器中使用存在局限性。
发明内容
本发明的目的是提供一种高精度温度传感器误差修正的方法及其修正电路，利用调制占空比的方式来实现温度信号误差的修正，该方式能够有效地消除温度传感器温度信号中的误差，且达到很高的精度要求，能够满足高精度温度传感器修正的需求。
为了达到上述目的，本发明公开了一种高精度温度传感器误差修正的方法，该方法包含以下步骤：
S1、确定温度传感器误差修正时的所需位数修正方式；
S2、先采用不同粗调位方式对晶体管的电流进行粗调，再通过占空比调制器产生调制码流并根据调制码流高低对控制开关进行开合，对晶体管的电流进行细调，确定作为温度信号的射极-基极电压的修正范围；或者，直接通过占空比调制器产生调制码流并根据调制码流高低对控制开关进行开合，对晶体管的电流进行细调，确定作为温度信号的射极-基极电压的修正范围；
S3、根据工艺导致的误差以及所确定的温度信号的修正范围，确定控制开关开合时的晶体管的电流大小，以满足修正范围的要求；
S4、根据步骤S1中的所需位数修正方式的精度要求得到修正精度。
优选地，所述步骤S1中，进一步包含：
通过计算工艺导致的温度信号误差a与误差精度c的比值再根据比值m得到实现误差修正的所需位数修正方式。
优选地，所述步骤S2中，进一步包含：
当码流为低时，控制开关S断开，晶体管上流过的第一电流为Ibias1，产生一个射极-基极电压VBE1，记作第一电压，该第一电压为：
当码流为高时，控制开关S闭合，晶体管上流过的第二电流为Ibias1+Ibias2，产生另一个射极-基极电压VBE2，记作第二电压，第二电压为：
式中，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度，q为电子电荷，Is为晶体管反向饱和电流；
所述第一电压和所述第二电压经过滤波器后得到修正后的等效电压
VBE,trim＝γVBE2+(1-γ)VBE1 (4)，
式中，γ为调制码流的占空比；
由公式(2)和(3)可知修正范围为：
优选地，所述步骤S3中，进一步包含：
已知工艺导致的温度信号误差为a，则有：
由公式(6)可得到第二电流与第一电流的比值；
由第二电流与第一电流的比值可确定满足修正范围的要求的第一电流和第二电流的数值；
根据误差修正需要的修正方式的x位精度要求，得到相邻占空比之间的差值d＝1/2x，则结合公式(4)，可知修正精度为：
VBE,accuracy＝VBE,trim|γ+d-VBE,trim|γ
＝(γ+d)VBE2+(1-γ-d)VBE1-γVBE2-(1-γ)VBE1
＝d·VBE2-d·VBE1
＝d·(VBE2-VBE1)
＝d·VBE,range (7)。
优选地，粗调方式设置为2bit粗调方式或者其他位数粗调方式，且占空比调制方式与所述粗调方式匹配设置。
优选地，所述占空比调制方式可通过增加调制采样时钟周期的个数增加调制精度。
优选地，所述占空比调制方式中，通过控制码流为高的采样时钟周期的个数来调制码流的占空比。
本发明还提供了一种采用如上面所述的高精度温度传感器误差修正的方法的高精度温度传感器误差修正电路，该修正电路包含：
产生调制码流的占空比调制器；
与所述占空比调制器配合的控制开关，其与晶体管连接；所述控制开关根据码流的高低进行开合，对晶体管上流过的电流进行调节，得到的修正后的等效电压，确定晶体管发射极-基极电压的修正范围，并根据修正方式的精度要求得到修正精度。
优选地，所述控制开关还与一低通滤波器连接，或者该低通滤波器被温度传感器中的抽取滤波器替换。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：(1)本发明通过改变调制码流的占空比来改变最终修正后的电压大小，避免了高精度时需要小电流的情况，该调制方式可以通过增加调制时钟的个数增加调制精度，有效地消除温度传感器温度信号中的误差，且达到很高的精度要求，能够满足高精度温度传感器修正的需求。(2)本发明通过粗调保证修正范围，并利用占空比细调保证修正精度，不仅避免了修正方式需要小电流的情况，同时又避免了修正方式由于余量周期造成调制误差较大而影响调制精度的问题。
附图说明
图1现有技术的温度传感器架构示意图；
图2现有技术的电阻修正VBE电压方式示意图；
图3现有技术的电流修正VBE电压方式示意图；
图4本发明的占空比调制修正VBE电压方式示意图；
图5本发明的占空比调制方式示意图；
图6本发明的占空比调制中余量周期引入的调制误差示意图；
图7本发明的电流调制与占空比调制结合的修正方式示意图。
具体实施方式
本发明公开了一种高精度温度传感器误差修正的方法及其修正电路，为了使本发明更加明显易懂，以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
在温度传感器中，两个晶体管产生的温度信号VBE(即晶体管的发射极与基极的电压差)和两个温度信号的差值ΔVBE都会引入误差。每个温度信号都有多个误差源。其中，温度信号VBE中能够引入误差的误差源有反向饱和电流偏差、基极电阻引入的误差、反向厄利效应引入的误差、偏置电流的误差等等；温度信号ΔVBE中能够引入误差的误差源有晶体管之间的匹配误差、电流源之间的匹配误差、晶体管有限电流增益引入的误差、反向厄利效应引入的误差等等。
假设温度传感器的精度要求为0.1K(K为开氏温度单位)，则要求所有误差源贡献的误差总和不能大于0.1K，因此每个误差源能够贡献的误差为总误差除以误差源的个数。按照这种分配方式，每个误差源贡献的误差要比总误差小一个数量级左右，即每个误差源的误差为0.01K。
通常情况，通过较好的电路匹配，甚至必要的时候采用动态匹配的方式可以将温度信号ΔVBE中的误差消除到足够小的范围，因此，可以忽略温度信ΔVBE的误差。而温度信VBE中的误差，则不可以通过匹配的方式消除，需要在电路中额外增加一个修正电路。该修正电路的作用是在实际生产后，通过测试的方式计算得到温度信VBE中的误差大小，然后利用修正电路将温度信VBE中的误差消除。
在SMIC 0.18um标准单元库中的混合信号(Mix signal)工艺中，各种因素导致温度信号VBE的误差范围约为±9.22mV，而±0.01K温度误差对应的温度信号VBE误差为±0.04mV(25度室温下)，误差范围与误差精度的比如下：
从上式(1)可以看出，实现误差修正需要8bit的修正方式。
图4是本发明给出的利用占空比调制的方式实现误差修正，其中修正电路中包含一个占空比调制器及其对应的控制开关S，该开关S分别与晶体管和低通滤波器LPF连接。如图4所示，通过占空比调制器产生调制码流，当码流为低时，开关S断开，晶体管上流过的电流为Ibias1，产生发射极-基极电压VBE1；当码流为高时，开关S闭合，晶体管上流过的电流为Ibias1+Ibias2，产生发射极-基极电压VBE2；两个VBE电压经过低通滤波器后得到修正后的等效电压VBE,trim。
图4中占空比的调制可以用图5说明。图5中上方一个波形为采样时钟，下方一个波形为占空比调制后的码流，图5所示为一个3bit的调制。其中，3bit调制需要23个采样时钟，即8个采样时钟来实现。其中，本发明可以通过控制码流为高的采样周期个数来调制码流的占空比。
图5中，每8个采样周期中，3个周期调制码流为高，5个周期调制码流为低，实现的调制码流占空比为3/8。该占空比调制的精度为1/8。在占空比调制中，调制的精度要求越高，需要的时钟周期个数越多。
另外，根据晶体管的工作原理可知：
当开关S断开时，晶体管上射极-基极电压为：
当开关S闭合时，晶体管上射极-基极电压为：
其中，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度，q为电子电荷，Is为晶体管反向饱和电流。
本发明中，修正后电压为：
VBE,trim＝γVBE2+(1-γ)VBE1(4)；
其中，γ为调制码流的占空比。
从式(2)和(3)可以看出，图4中修正VBE的范围为：
如上文所述，假设工艺导致的VBE误差为±9.22mV，则有：
这里暂不考虑符号位。
由式(6)可得：
由式(7)可知，当Ibias1为0.5uA时，则Ibias2为0.215uA，才能满足修正范围的要求。
假设修正为8bit精度要求，则相邻占空比之间的差值为1/256，则结合式(4)，可知修正精度为：
从式(8)可以看出，相邻占空比之间修正的大小为VBE,range/256，该值即为VBE修正的精度。
通过上述分析可以看出，本发明的占空比调制是通过改变调制码流的占空比来改变最终修正后的电压大小，该调制避免了高精度时需要小电流的情况。该调制方式可以通过增加调制时钟的个数增加调制精度。
本发明在实际应用时，例如应用在图1所示的温度传感器中，由于∑Δ模数转换器(sigma delta ADC)的输出端有一个抽取滤波器(decimation filter)，因此本发明的图4中的低通滤波器(LPF)可以省去，这是该调制在温度传感器中使用的另一个优势。
在本发明的调制过程中，当∑Δ模数转换器(sigma delta ADC)完成一次温度采样中VBE的采样时钟个数(记为NS,ADC)不是完成一次占空比调制的时钟个数(记为NM,DAC)的整数倍时，调制会存在误差。即NS,ADC/NM,DAC不是整数时，调制会存在误差。
如图5所示，假设∑Δ模数转换器完成一次温度采样中VBE的采样时钟数为8，则这8个周期内正好完成占空比调制，占空比为3/8；假设∑Δ模数转换器完成一次温度采样中VBE的采样时钟数为9，则前8个周期内完成一次占空比调制，但是在第9个周期时，调制码流输出为1，则在9个周期内，调制码流的占空比为4/9，此时调制存在误差，误差大小为
如果完成一次温度采样中VBE的采样时钟个数为1024+R，其中，1024为完成整数个占空比调制的采样时钟个数，R为剩下的不能完成一个占空比调制的时钟周期数，这里称为余量周期。
如图6所示，本发明给出了余量周期为0～2n时，由于余量周期的存在导致调制存在的误差。其中，图6中横坐标为归一化的余量周期数，即R/2n，纵坐标为调制误差。从图6中可以看出，随着余量中期R从0到2n增加，调制误差先增大，后减小。从图6中还可以看出，随着调制bit数的减小，由于余量周期导致的调制误差逐渐减小。因为，当VBE采样的时钟个数一定时，调制bit越小，能完成的调制周期越多，从而余量周期产生的误差在整个采样过程中的影响越小。
由上所述，为了避免余量周期导致调制误差过大，影响调制精度，本发明给出了如图7所示的另一种修正方式。
图7的修正方式中，先通过2bit对电流进行粗调，确定VBE的修正范围，再利用6bit占空比的调制实现电流的细调。当2bit粗调位为00时，开关S2～S4常开，开关S1通过6bit占空比调制的码流控制，则VBE的修正范围为：
当2bit粗调位为01时，开关S3～S4常开，开关S1常闭，开关S2通过6bit占空比调制的码流控制，则VBE的修正范围为：
当2bit粗调位为10时，开关S4常开，开关S1～S2常闭，开关S3通过6bit占空比调制的码流控制，则VBE的修正范围为：
当2bit粗调位为11时，开关S1～S3常闭，开关S4通过6bit占空比调制的码流控制，则VBE的修正范围为：
图7所示的方式中，通过粗调保证修正范围，并通过占空比细调保证修正精度，既避免了图3中的修正方式需要小电流的情况，又避免了图4中修正方式由于余量周期造成调制误差较大的情况。本发明的粗调方式不仅限于本实施例的2bit方式，还可以是其他位数的调节方式，则对应的开关数目、启闭等情况也随之变化。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (9)
1.一种高精度温度传感器误差修正的方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：
S1、确定温度传感器误差修正时的所需位数修正方式；
S2、先采用不同粗调位方式对晶体管的电流进行粗调，再通过占空比调制器产生调制码流并根据调制码流高低对控制开关进行开合，对晶体管的电流进行细调，确定作为温度信号的射极-基极电压的修正范围；或者，直接通过占空比调制器产生调制码流并根据调制码流高低对控制开关进行开合，对晶体管的电流进行细调，确定作为温度信号的射极-基极电压的修正范围；
S3、根据工艺导致的误差以及所确定的温度信号的修正范围，确定控制开关开合时的晶体管的电流大小，以满足修正范围的要求；
S4、根据步骤S1中所需位数修正方式的精度要求得到修正精度。
2.如权利要求1所述的高精度温度传感器误差修正的方法，其特征在于，所述步骤S1中，进一步包含：
通过计算工艺导致的温度信号误差a与误差精度c的比值m：再根据比值m得到实现误差修正所需位数修正方式。
3.如权利要求2所述的高精度温度传感器误差修正的方法，其特征在于，所述步骤S2中，进一步包含：
当码流为低时，控制开关S断开，晶体管上流过的第一电流为Ibias1，产生一个射极-基极电压VBE1，记作第一电压，该第一电压为：
当码流为高时，控制开关S闭合，晶体管上流过的第二电流为Ibias1+Ibias2，产生另一个射极-基极电压VBE2，记作第二电压，第二电压为：
式中，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度，q为电子电荷，Is为晶体管反向饱和电流；
所述第一电压和所述第二电压经过滤波器后得到修正后的等效电压
VBE,trim＝γVBE2+(1-γ)VBE1 (4)，
式中，γ为调制码流的占空比；
由公式(2)和(3)可知修正范围为：
4.如权利要求3所述的高精度温度传感器误差修正的方法，其特征在于，所述步骤S3中，进一步包含：
已知工艺导致的温度信号误差为a，则有：
由公式(6)可得到第二电流与第一电流的比值；
由第二电流与第一电流的比值可确定满足修正范围的要求的第一电流和第二电流的数值；
根据误差修正需要的修正方式的x位精度要求，得到相邻占空比之间的差值d＝1/2x，则结合公式(4)，可知修正精度为：
VBE,accuracy＝VBE,trim|γ+d-VBE,trim|γ
＝(γ+d)VBE2+(1-γ-d)VBE1-γVBE2-(1-γ)VBE1
＝d·VBE2-d·VBE1
＝d·(VBE2-VBE1)
＝d·VBE,range (7)。
5.如权利要求1所述的高精度温度传感器误差修正的方法，其特征在于，粗调方式设置为2bit粗调方式或者其他位数粗调方式，且占空比调制方式与所述粗调方式匹配设置。
6.如权利要求5所述的高精度温度传感器误差修正的方法，其特征在于，所述占空比调制方式可通过增加调制采样时钟周期的个数增加调制精度。
7.如权利要求5或6所述的高精度温度传感器误差修正的方法，其特征在于，所述占空比调制方式中，通过控制码流为高的采样时钟周期的个数来调制码流的占空比。
8.一种采用如权利要求1-7任意一项所述的高精度温度传感器误差修正的方法的高精度温度传感器误差修正电路，其特征在于，该修正电路包含：产生调制码流的占空比调制器；
与所述占空比调制器配合的控制开关，其与晶体管连接；其中，所述控制开关根据码流的高低进行开合，对晶体管上流过的电流进行调节，得到的修正后的等效电压，确定晶体管发射极-基极电压的修正范围，并根据修正方式的精度要求得到修正精度。
9.如权利要求8所述的高精度温度传感器误差修正电路，其特征在于，
所述控制开关还与一低通滤波器连接，或者该低通滤波器被温度传感器中的抽取滤波器替换。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 201203 No. 12, Lane 647, Songtao Road, Shanghai China (Shanghai) Free Trade Pilot Area Applicant after: Juchen Semiconductor Co., Ltd. Address before: 201203 No. 12, Lane 647, Songtao Road, Zhangjiang High-tech Park, Pudong New Area, Shanghai Applicant before: Giantec Semiconductor Inc. |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20190111 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |