CN114235217A - 一种基于bjt的cmos温度传感器芯片的校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于BJT的CMOS温度传感器芯片的校准方法，分为批次校准与单独校准，批次校准需要从芯片产品中随机挑选出一些样品，测量整个温度范围内芯片的输出，以此确定批次校准系数；而单独校准只需要测量每个芯片在室温的输出，利用这个输出来确定每块芯片的单独校准系数。本发明方法适用于基于BJT的CMOS温度传感器，且要求ADC输出结果为V_BE(三极管基极发射极电压之差)与ΔV_BE的比值；本发明一方面可以完全补偿V_BE非线性带来的温度误差，另一方面利用批次校准与单独校准的结合，既保证了精度，又降低了校准成本。

Description

一种基于BJT的CMOS温度传感器芯片的校准方法

技术领域

本发明属于温度传感集成电路技术领域，具体涉及一种基于BJT的CMOS温度传感器芯片的校准方法。

背景技术

CMOS温度传感器因为其体积小、功耗低、成本低的优势，被广泛地应用于环境监测、工业自动化、冷链运输等场合；CMOS温度传感器通常使用BJT、电阻或MOSFET作为感温元件，其中BJT由于工艺偏差较小，因此被应用于大部分的温度传感器中。

基于BJT的CMOS温度传感器基本由感温前端、ADC、数字映射电路组成；感温前端产生温度相关电压V_BE与ΔV_BE，两者组合可生成与温度无关的信号V_REF，ADC将模拟电压ΔV_BE数字化，输出ΔV_BE/V_REF或V_BE/ΔV_BE，再经数字映射电路，可获得所处的实际温度。

现有的基于BJT的CMOS温度传感器的校准流程如图1所示，其校准过程分为批次校准与单独校准两个过程；通过批次校准，可以确定绝大部分数字映射电路的系数，这些系数称为批次校准系数，而该系数对于所有的温度传感器芯片来说是一样的，这个过程可以对产品进行抽样检测，需要在全温度段内进行测量；批次校准后，需要对每一块芯片进行单独校准，方法为在室温下测量芯片输出，调整校准系数使得数字映射电路输出等于室温；

对于现有的基于BJT的CMOS温度传感器，其校准后精度受到V_BE的非线性的影响，V_BE的温度特性主要是由BJT的饱和电流的温度特性与集电极电流温度特性等相关；若BJT集电极电流I_C∝T^m，则V_BE可表示为：

其中：V_BE0是绝对零度时的基极发射极电压，λ为一常数，k为玻尔兹曼常数，q是单位电荷量，η是一个受工艺影响的量(约为4)，T_ref为参考温度，T为绝对温度；可见V_BE的非线性项正比于TlnT，校准时如果能加入一个正比于TlnT的项，则可以完全消除V_BE的非线性；传统的减小V_BE非线性的方法，一方面是使集电极电流正比于T，即使得m为1，则可以减小非线性项；另一方面是在公式

中，增大α，使分母V_BE+αΔV_BE呈现略微的正温度特性，用这个处于分母的正温度特性带来的非线性抵消掉一部分V_BE带来的非线性；但上述方法虽然能一定程度减轻V_BE非线性带来的影响，却不能完全消除。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种基于BJT的CMOS温度传感器芯片的校准方法，能够完全消除V_BE的非线性温度特性带来的影响。

一种基于BJT的CMOS温度传感器芯片的校准方法，包括如下步骤：

(1)从CMOS温度传感器芯片中随机选取若干样品，将这些样品芯片静置于温箱中，于多个温度点情况下记录样品芯片在对应稳定时的输出信号X_O；

(2)根据各样品芯片在各温度点下稳定时的输出信号X_O，通过调节确定CMOS温度传感器芯片共有的批次校准系数，包括α、k₁、k₂、A₁、A₂、B₁和B₂；

(3)对于每一CMOS温度传感器芯片，记录其在当前室温T_room下稳定时的输出信号X_room，进而通过计算确定每一CMOS温度传感器芯片对应的单独校准系数；

(4)根据芯片共有的批次校准系数以及独有的单独校准系数，即可针对每一芯片建立其输出信号与输出温度值的关系式，并计算出校准后的输出温度值。

进一步地，所述样品芯片的输出信号X_O＝V_BE1/ΔV_BE，CMOS温度传感器芯片中感温前端的BJT为对管结构且其中三极管P2偏置电流为三极管P1偏置电流的K倍，K为大于1的实数，V_BE1为BJT中三极管P1基极与发射极之间的电压，ΔV_BE＝|V_BE1-V_BE2|，V_BE2为BJT中三极管P2基极与发射极之间的电压。

进一步地，所述步骤(2)的具体实施过程为：首先对于任一样品芯片，根据该芯片在各温度点下稳定时的输出信号X_O，建立输出信号X_O与输出温度值D_O(摄氏度)的关系式如下：

D₁＝A₁·μ₁-B₁

其中：μ₁、μ₂和D₁为中间变量，γ为该芯片对应的单独校准系数；

然后按照以下标准依次调节确定该芯片对应的批次校准系数；

调整α使得整体上μ₁与T_O线性拟合方程R的平方值最大，T_O为温度点的实际温度；

调整A₁和B₁使得D₁与T_O的整体误差最小；

调整k₁和k₂使得整体上μ₂与T_O线性拟合方程R的平方值最大；

调整A₂和B₂使得D_O与T_O的整体误差最小；

最后，依据上述遍历所有样品芯片，得到每个样品芯片对应的一套批次校准系数，通过对批次校准系数求平均后便可作为CMOS温度传感器芯片共有的批次校准系数。

进一步地，在步骤(2)具体实施过程中，单独校准系数γ取值为0。

进一步地，所述步骤(3)的具体实施方式为：即将T_room和X_room代入以下公式，直接计算出芯片对应的单独校准系数γ；

D₁＝A₁·μ₁-B₁

其中：μ₁、μ₂和D₁为中间变量。

进一步地，所述批次校准系数对于所有芯片都是一样的，而单独校准系数对于每块芯片来说都是不同的。

本发明通过在μ₂的分母上加上了

通过调整k₂的值，可以完全消除V_BE的非线性项；传统方法只能在一定程度上减小V_BE非线性的影响，而本发明可以完全消除V_BE非线性带来的影响，提高了基于BJT的CMOS温度传感器芯片的精度，且整个过程只需在数字域内实现，不用增加太多硬件开支；传统方法与本发明校准后的非线性误差仿真结果如图3所示，所采用的工艺为0.18μm工艺，可以看到使用传统方法后V_BE非线性误差约为-0.06℃～0.025℃，而使用本发明后非线性误差可以减小到-0.001℃～0.004℃，本发明对于V_BE非线性的补偿效果非常显著。

附图说明

图1为传统温度传感器芯片的校准方案示意图。

图2为本发明温度传感器芯片的校准方案示意图。

图3为采用传统方法与本发明校准后温度传感器芯片的非线性误差比较结果示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

图2所示为本发明基于BJT的CMOS温度传感器芯片校准方法的流程，图中各参数确定方法如下：

首先在CMOS温度传感器芯片中随机取出部分样品，将其静置于温箱中，于多个温度点情况下，记录芯片稳定时的输出X_O(X_O＝V_BE/ΔV_BE)与当时温箱内的实际温度T_O，根据各个芯片X_O与T_O的值，计算出批次校准系数。

然后对于每个芯片，记录其在室温下的输出X_room与当时的室温T_room，根据每个芯片的X_room与T_room确定每个芯片单独的校准系数。

最后根据得到的批次校准系数与单独校准系数，算出每块芯片的数字输出。

批次校准系数及其取值依据如下：

批次校准系数有：α、k₁、k₂、A₁、A₂、B₁、B₂；

从芯片的输出信号X_O到摄氏温度D_O的公式为：

D₁＝A₁·μ₁-B₁

其中：γ为单独校准系数，在批次校准中γ取值为0。

各校准系数取值依据如下：

调整α使得整体上μ₁与T_O线性拟合方程R平方值最大；

调整A₁与B₁使得D₁与T_O的整体误差最小；

调整k₁、k₂使得整体上μ₂与T_O线性拟合方程R平方值最大；

调整A₂与B₂使得D_O与T_O的整体误差最小。

以上使得线性度最好或者误差最小的值即为最终的批次校准系数的值。

单独校准方法为：将室温下芯片的输出X_room作为X_O带入公式，通过调整γ的值，使得D_O＝T_room，此时的γ的值即为此芯片的单独校准系数。

传统方法与本发明方法校准后的非线性误差仿真结果如图3所示，所采用的工艺为0.18μm工艺，可以看到使用传统方法后V_BE非线性误差约为-0.06℃～0.025℃，而使用本发明方法后非线性误差可以减小到-0.001℃～0.004℃，本发明方法对于V_BE非线性的补偿效果非常显著。

批次校准系数取值依据的进一步说明如下：

批次校准时取若干个样品，根据测温范围每隔5℃或10℃测量一次芯片输出X_O与当时的温度T_O；这里以一个样品进行说明，最终批次校准系数可以将各个样品的参数进行平均，作为最终的参数。对于每一个样品，通过式

可以得到μ₁与T_O的对应关系，调整α的值，使得μ₁与T_O的线性拟合方程R平方值最大，记下此时α的值，代入得到μ₁与T_O的对应关系；将μ₁代入式D₁＝A₁μ₁-B₁中，得到D₁与T_O的对应关系，调整A₁、B₁的值，使得D₁与T_O之间的误差最小，记下此时A₁、B₁的值，代入得到D₁与T_O的对应关系；将D₁代入式

中，得到μ₂与T_O的对应关系，调整k₁和k₂的值，使得μ₂与T_O的线性拟合方程R平方值最大，记下此时k₁和k₂的值，代入得到μ₂与T_O的对应关系；将μ₂代入式D_O＝A₂μ₂-B₂中，得到D_O与T_O的对应关系，调整A₂、B₂的值，使得D_O与T_O之间的误差最小，记下此时A₂、B₂的值；此时所有批次校准系数的值被确定。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明，熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于BJT的CMOS温度传感器芯片的校准方法，包括如下步骤：

(1)从CMOS温度传感器芯片中随机选取若干样品，将这些样品芯片静置于温箱中，于多个温度点情况下记录样品芯片在对应稳定时的输出信号X_O；

(2)根据各样品芯片在各温度点下稳定时的输出信号X_O，通过调节确定CMOS温度传感器芯片共有的批次校准系数，包括α、k₁、k₂、A₁、A₂、B₁和B₂；

(3)对于每一CMOS温度传感器芯片，记录其在当前室温T_room下稳定时的输出信号X_room，进而通过计算确定每一CMOS温度传感器芯片对应的单独校准系数；

(4)根据芯片共有的批次校准系数以及独有的单独校准系数，即可针对每一芯片建立其输出信号与输出温度值的关系式，并计算出校准后的输出温度值。

2.根据权利要求1所述的校准方法，其特征在于：所述样品芯片的输出信号X_O＝V_BE1/ΔV_BE，CMOS温度传感器芯片中感温前端的BJT为对管结构且其中三极管P2偏置电流为三极管P1偏置电流的K倍，K为大于1的实数，V_BE1为BJT中三极管P1基极与发射极之间的电压，ΔV_BE＝|V_BE1-V_BE2|，V_BE2为BJT中三极管P2基极与发射极之间的电压。

3.根据权利要求1所述的校准方法，其特征在于：所述步骤(2)的具体实施过程为：首先对于任一样品芯片，根据该芯片在各温度点下稳定时的输出信号X_O，建立输出信号X_O与输出温度值D_O的关系式如下：

D₁＝A₁·μ₁-B₁

其中：μ₁、μ₂和D₁为中间变量，γ为该芯片对应的单独校准系数；

然后按照以下标准依次调节确定该芯片对应的批次校准系数；

调整α使得整体上μ₁与T_O线性拟合方程R的平方值最大，T_O为温度点的实际温度；

调整A₁和B₁使得D₁与T_O的整体误差最小；

调整k₁和k₂使得整体上μ₂与T_O线性拟合方程R的平方值最大；

调整A₂和B₂使得D_O与T_O的整体误差最小；

最后，依据上述遍历所有样品芯片，得到每个样品芯片对应的一套批次校准系数，通过对批次校准系数求平均后便可作为CMOS温度传感器芯片共有的批次校准系数。

4.根据权利要求3所述的校准方法，其特征在于：在步骤(2)具体实施过程中，单独校准系数γ取值为0。

5.根据权利要求1所述的校准方法，其特征在于：所述步骤(3)的具体实施方式为：即将T_room和X_room代入以下公式，直接计算出芯片对应的单独校准系数γ；

D₁＝A₁·μ₁-B₁

其中：μ₁、μ₂和D₁为中间变量。

6.根据权利要求1所述的校准方法，其特征在于：所述批次校准系数对于所有芯片都是一样的，而单独校准系数对于每块芯片来说都是不同的。

7.根据权利要求1所述的校准方法，其特征在于：通过在μ₂的分母上加上了

通过调整k₂的值，可以完全消除V_BE的非线性项。

8.根据权利要求1所述的校准方法，其特征在于：可以完全消除V_BE非线性带来的影响，提高了基于BJT的CMOS温度传感器芯片的精度，且整个过程只需在数字域内实现，不用增加太多硬件开支。

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