CN1270712A

CN1270712A - 电子器件中的温度补偿

Info

Publication number: CN1270712A
Application number: CN98809271.9A
Authority: CN
Inventors: 阿格博特·斯皮格尔
Original assignee: Nokia Networks Oy
Current assignee: Nokia Oyj; Nokia Technologies Oy
Priority date: 1997-09-19
Filing date: 1998-09-18
Publication date: 2000-10-18
Anticipated expiration: 2018-09-18
Also published as: EP1016217A2; FI114753B; DE69813844T2; DE69813844D1; AU9268698A; WO1999016172A3; CN1141790C; US6664844B1; FI973731A0; JP2001517886A; FI973731A; WO1999016172A2; JP3833472B2; EP1016217B1

Abstract

本发明涉及电子电路中的温度补偿方法。为了摆脱昂贵的制造工艺和外部部件,用两个电阻性元件(Rx、31)的串联连接来代替PTAT电阻,第一个所述元件(Rx)有与温度无关的基本上恒定的电阻,而第二个元件(31)有非线性地依赖于温度的电阻。这样选择第一元件的电阻值,使所述串联连接的电阻近似值与温度直接成正比。

Description

电子器件中的温度补偿

本发明涉及电子器件中的温度补偿，特别涉及在包括集成电路的器件中的温度补偿。

如下所述，本发明的方案适合各种不同的电路应用，在这些应用中，必须补偿温度波动的影响。这种应用的一个可能的对象为函数发生器，例如，该函数发生器可以用于无线电收发机中。因此，在以下的说明中用函数发生器作为实例。

指数(或对数)函数发生器的主要问题是其温度稳定性。补偿因温度波动产生的电压变化或电流变化的常规方式是使用与环境的绝对温度值成正比的电阻器，称为PTAT电阻。这种类型的电阻器一般可从不同的制造厂家作为分立部件购置。

但是，与集成电路有关地使用这些分立部件存在一些缺点，下面简短地进行说明。

首先，这类外部电阻器使电路成本增加：PTAT电阻器本身就是一种昂贵的元件，并且由于将其安装在电路板上需要时间，所以这也意味着成本增加。成本还会因这样的情况而增加，即由于外部元件必须通过采购获得，所以材料管理变得更复杂。第二，外部PTAT电阻器使电路的可靠性降低，即外部电阻器缩短了电路的MTTF值(故障平均时间)。第三，外部PTAT电阻器使有关的电路对干扰更敏感。

此外，难以实施具有高精度的温度补偿，并且需要复杂的电路。这是由于外部PTAT电阻器的温度可能与包括其温度特性受电阻控制的电路的芯片温度不同。因此，精确的补偿要求在电路中导入温度测量。

通过在芯片中集成PTAT电阻器，至少可以部分地消除上述缺点。但是，这种集成需要附加的处理步骤，这些步骤是非标准的，仅能从少数供应商那里得到。因此，这种解决方案包括高成本，例如，对于低成本或消费产品来说，高成本阻碍这种集成的应用。此外，使用附加处理步骤要特定供应商。这意味着如果同样的电路今后从另一供应商购置，那么必须重新进行某些处理步骤。制造工艺越复杂，供应商的特定处理彼此就越是不同。

本发明的目的在于减少上述缺点，提出解决方案，利用该方案，不必借助昂贵的制造工艺，就可以在集成电路器件中完成温度补偿。

利用在所附权利要求书中定义的解决方案，可以达到这种目的。

本发明的基本思想是，用普通电阻器与具有非线性温度特性的电阻性元件最好是(MOS)FET的串联连接，代替用于温度补偿的PTAT电阻器。由此，温度补偿部件可以容易地集成在采用标准制造工艺的芯片中。因此，按照本发明，利用普通电阻器和具有非线性温度特性的电阻性元件的串联连接，模拟热变电阻性元件(这里“普通”指具有与温度值无关的大体恒定电阻的元件)。

本发明提供用于电子器件的温度补偿的廉价解决方案。这是因为既不需要特定的IC制造，也不需要上述外部部件。因此，本发明的解决方案在高容量/低成本应用方面特别具有优势(即：如在终端用户应用方面，例如移动电话)。

附图的简要说明

下面，参照附图所示的实例更详细地说明本发明和其优选实施例，其中：

图1表示公知的指数函数发生器，

图2表示用于指数函数发生器的公知的温度补偿电路，

图3表示本发明的指数函数发生器的温度补偿电路，和

图4示意性表示本发明的温度补偿。

发明的详细说明

如上所述，当把本发明的构思附诸实践时，例如，应用的一个优选领域是用于无线电收发信机的AGC放大器中的指数函数发生器。因此，下面就针对指数函数发生器，更详细地说明现有技术和本发明。

如果采用无线电发射机/接收机的AGC放大器，以便在AGC放大器的控制电压和该放大器的分贝增益之间建立线性关系，那么指数函数发生器就需要对放大器级产生电流的电路。

图1表示指数函数发生器的众所周知的原理。函数发生器包括提供基准电流I_ref的恒流发生器CCG、差动放大器11和包括两个(双极)晶体管T1和T2的晶体管对TP。晶体管的公共发射极与放大器的输出端连接。晶体管T1的基极与地连接，而晶体管T2的基极作为连接输入电压V_in的输入端。晶体管T2的集电极形成提供输出电流I_out的发生器输出。该电流作为偏置电流接入AGC放大器级(图中未示出)。例如，可以利用吉尔伯特(Gilbert)单元、在AGC放大器和混频器中常常使用的标准电路来实现该放大器级。

众所周知，指数函数发生器的传输特性如下表示：

I_{out} = I_{ref} e^{\frac{V_{in}}{V_{th}}} - - - (1)

其中，I_out为输出电流，即提供给放大器级的基极电流，V_in为输入电压，而V_th是按V_th＝T×(k/q)得到的热电压，其中，T是绝对温度，k是玻耳兹曼常数，而q是基本电荷(单元电荷)。

由等式(1)可以看出，输出电流与温度指数地相关。如果该相关指分贝数值(按分贝表示的增益)，那么输出电流与绝对温度线性相关。

利用图2所示的简单分压器，通过对函数发生器施加输入电压V_in，可从等式(1)中预先除去温度相关性。分压器包括用参考标号R_in和R1标记的两个电阻器。电阻器R1是热变电阻器(即PTAT电阻器)，其电阻值按R1＝R₀×(T/T₀)求出，其中，R₀和T₀为常数。

利用R1的以上值，这样计算输入电压V_in：

V_{in} = \frac{R_{0} \frac{T}{T_{0}}}{R_{in} + R_{0} \frac{T}{T_{0}}} V_{i n^{'}} \approx \frac{R_{0}}{R_{in}} \times \frac{T}{T_{0}} V_{i n^{'}}; R_{in} > > R_{0} - - - (2)

从式(1)和(2)可以看出，如果R_in的值比R₀的值至少大十倍，那么温度补偿就完全起作用。实际中，总能实现这种先决条件。

如上所述，通过采用更高成本的附加处理步骤，热变电阻器可以集成在芯片中。但是，如果FET(场效应晶体管)的温度特性被用于补偿，由此通常采用的例如BICMOS制造工艺就可以用于集成(BICMOS＝BIpolar+CMOS，即已经添加了双极晶体管的CMOS工艺)。那么制造成本可以明显降低。

这种补偿类型意味着用FET最好为MOSFET与普通电阻器的串联连接代替上述热变电阻器。

图3说明该解决方案，这种情况下，除了图2的热变电阻R1已经由参考标号TC所标记的所述串联连接部分代替外，分压器与图2的分压器相同。串联连接包括FET，最好是MOSFET31和电阻器Rx。MOSFET的源极与地连接，而漏极与电阻器Rx的第一极连接。基准电压V_ref施加在MOSFET的栅极上。电阻器Rx的第二极与用作分压器输入极的极连接。

众所周知，当MOSFET用于三极区域中时，电阻器-MOSFET组合的电阻可以如下求出：

R = Rx + \frac{1}{\frac{W}{L} β_{0} {(\frac{T}{T_{0}})}^{- 1.5} (V_{gs} - V_{t 0} - V_{ds})} = R_{x} + rdso {(\frac{T}{T_{0}})}^{1.5} - - - (3)

其中

rdso = \frac{1}{\frac{W}{L} β_{0} (V_{gs} - V_{t 0} - V_{ds})}

是晶体管的漏-源电阻(即沟道电阻)，W是晶体管的宽度，L是晶体管的长度，β₀是跨导参数(由制造厂家提供)，V_t0是阈值电压，T₀是正常温度，T是绝对温度，V_gs是晶体管的栅-源电压，而V_ds是晶体管的漏-源电压。阈值电压是导通晶体管所需要的最小栅-源电压。在三极区域中，V_ds＜＜(V_gs-V_t0)。

通过使用高的栅-源电压可以使R上阈值电压V_t0的作用最小，即大的栅-源电压使rdso较少地依赖制造工艺。实际上，栅-源电压可以是一伏的数量级。此外，为了降低漏-源电阻中的线性误差即放大器增益中的线性误差，必须使漏-源电压最小。

利用已知的泰勒级数来近似等式(3)的右边，将得到R的等式(4)：

R = Rx - \frac{1}{2} rdso + \frac{3}{2} rdso \frac{T}{T_{0}} + . . . - - - (4)

为了实现补偿的良好特性，Rx的值应该这样选择，使等式(4)右边的前两项被消除。这样一来，将得到：

Rx = \frac{1}{2} rdso - - - (5)

通过按照等式(5)选择Rx的值，R的值可以写为

R \approx \frac{3}{2} rdso \frac{T}{T_{0}} - - - (6)

图4是这种关系的图示，即温度补偿的图示。在该图中，曲线R表示按照等式(4)的关系，而曲线R’表示按照等式(6)的近似。

如上所述，普通电阻器和(MOS)FET的串联连接可以按与热变电阻器相同的方式用于温度补偿。

当上述温度补偿用于指数函数发生器时，其优点在于发生器的晶体管T1和T2(图1)采用按双极模式(弱倒置)工作的MOSFET。(如果用很低的电压驱动MOSFET，那么MOSFET具有与双极晶体管类似的功能)。这样一来，可以利用最便宜的单纯CMOS工艺来制造函数发生器。

尽管用附图所示的实例已经说明本发明，但本发明显然不限于这些实例，在由所附权利要求书设定的限制内，可以按各种方式来变化。下面简要地说明一些可能的变化。

在上述实例中，通过普通电阻器和MOSFET的串联连接来代替PTAT电阻，即MOSFET被用作具有非线性温度特性的电阻性元件的实例。但是，应该指出，补偿电阻器Rx和具有非线性温度特性的任何电阻性元件的串联连接可以按上述方式用于近似PTAT电阻器的温度特性。其限制仅在于补偿电阻器Rx的值不能为负。

因此，该构思还可以用于满足上述特征的任何其它FET类型，例如，JFET。显然，代替电阻器和FET的串联连接，可以仅使用FET，其内部电阻相对于上述消除项足够大，即如果内部电阻相当于其漏-源电阻的一半。在其内使用补偿串联连接的电路或器件的类型也可以按多种方式变化。

因此，总体说来，一般可以认为本发明的构思能够用于满足上述特性的任何元件或元件组合，即用于任何元件或元件组合，其中，组合元件部分的电阻值可以这样选择，使元件/组合的总电阻至少在第一近似值，与主要温度的值成正比。因此，可以在热变电阻器可用于温度补偿的任何电子电路中采用这种元件或元件组合。

尽管最好将补偿部分串联连接在芯片中，但该解决方案并不限于集成电路，串联连接也可以利用分立部件来实现。但是，在那种情况下，一些上述好处会损失。

Claims

1.一种依赖于电子电路进行温度补偿的方法，该方法包括以下步骤：

利用其电阻基本上直接与温度成正比的阻抗元件来补偿因电路中温度波动产生的影响，其特征在于，

利用两个电阻性元件(Rx、31)的串联连接作为所述阻抗元件，第一个所述元件(Rx)有与温度无关的基本上恒定的电阻，而第二个所述元件(31)有非线性地依赖于温度的电阻，和

选择第一元件的值，使所述串联连接的电阻近似值直接与温度成正比。

2.如权利要求1的方法，其特征在于，利用普通电阻性元件(Rx)和场效应晶体管(31)的串联连接作为所述阻抗元件。

3.如权利要求2的方法，其特征在于，采用所述普通电阻性元件，使其电阻值大致为场效应晶体管的漏-源电阻的一半。

4.如权利要求2的方法，其特征在于，对场效应晶体管的栅极施加基准电压，基准电压为一伏的数量级。

5.如权利要求2的方法，依赖于包括晶体管的器件进行温度补偿，其特征在于，

采用场效应晶体管作为所述晶体管，和

按双极模式使用所述晶体管。

6.一种依赖于电子电路进行温度补偿的电阻性元件，该元件有与温度基本上直接成正比的电阻值，其特征在于，

所述元件包括两个电阻性元件(Rx、31)的串联连接，第一个所述元件(Rx)有与温度无关的基本上恒定的电阻，而第二个所述元件(31)有非线性地依赖于温度的电阻，从而这样选择第一元件的电阻值，使所述串联连接的电阻近似值与温度直接成正比。

7.如权利要求6的电阻性元件，其特征在于，所述元件包括普通电阻性元件(Rx)和场效应晶体管(31)的串联连接。

8.如权利要求7的电阻性元件，其特征在于，所述普通电阻性元件的电阻值大致为场效应晶体管的漏-源电阻的一半。

9.如权利要求7的电阻性元件，其特征在于，场效应晶体管为MOSFET。