本发明涉及一种高精度温度传感器校准方法及电路，从芯片外部引入有一个高精度已知电压值的电压VIN，其与偏置电流Ibias1流到芯片内的晶体管Q1上产生的电压VBE，以及偏置电流Ibias1和Ibias2分别流到芯片内晶体管Q1和Q2上产生的电压差值ΔVBE，分别通过切换开关连接到sigma delta ADC的输入端并由切换开关控制是否接通。先后使sigma delta ADC采样ΔVBE/‑VIN及采样ΔVBE/‑VBE；或者，先后使sigma delta ADC采样VIN/‑VBE及采样ΔVBE/‑VBE；或者，先后使sigma delta ADC采样ΔVBE/‑VIN及采样VIN/‑VBE；根据输出的数字温度信号求取VBE的实际值，与VBE的理想值比较得到需修正的误差。本发明可以在温度未知的情况下得到温度信号的误差，避免了高精度传感器校准时需要提供高精度温度环境的需求，降低了测试条件需求和测试成本。
在待校准的温度传感器的芯片内，偏置电流Ibias1流到芯片内的晶体管Q1上产生电压VBE，偏置电流Ibias1和Ibias2分别流到芯片内晶体管Q1和Q2上产生电压差值ΔVBE；通过切换开关将电压VBE和电压差值ΔVBE分别连接到sigma delta ADC的两个输入端；sigma delta ADC的输出端获得信号BS，其连接到切换开关处对sigma delta ADC的采样进行切换控制，还连接到降采样滤波器进行滤波后产生量化的数字温度信号；
从芯片外部引入有一个已知电压值的电压VIN，通过所述切换开关将其连接到sigma delta ADC的另一个输入端；
第一次控制切换开关，使sigma delta ADC在BS＝0时采样ΔVBE，并且在BS＝1时采样-VIN；
其中，通过第一次控制切换开关，sigma delta ADC的输出信号滤波后得到Dout11；α为采样时的放大倍数，是由sigma delta ADC实现的已知数值；k为波尔兹曼常数，q为电子电荷，m为芯片内晶体管Q1和Q2的电流密度比；
第二次控制切换开关，使sigma delta ADC在BS＝0时采样ΔVBE，并且在BS＝1时采样-VBE；
以及，将VBE的实际值与VBE的理想值进行比较，得到需修正的误差；
其中，通过第二次控制切换开关，sigma delta ADC的输出信号滤波后得到Dout12。
在待校准的温度传感器的芯片内，偏置电流Ibias1流到芯片内的晶体管Q1上产生电压VBE，偏置电流Ibias1和Ibias2分别流到芯片内晶体管Q1和Q2上产生电压差值ΔVBE；通过切换开关将电压VBE和电压差值ΔVBE分别连接到sigma delta ADC的两个输入端；sigma delta ADC的输出端获得信号BS，其连接到切换开关处对sigma delta ADC的采样进行切换控制，还连接到降采样滤波器进行滤波后产生量化的数字温度信号；
从芯片外部引入有一个已知电压值的电压VIN，通过所述切换开关将其连接到sigma delta ADC的另一个输入端；
第一次控制切换开关，使sigma delta ADC在BS＝0时采样VIN，并且在BS＝1时采样-VBE；
其中，通过第一次控制切换开关，sigma delta ADC的输出信号滤波后得到Dout21；α为采样时的放大倍数，是由sigma delta ADC实现的已知数值；
第二次控制切换开关，使sigma delta ADC在BS＝0时采样ΔVBE，并且在BS＝1时采样-VBE；
以及，查询当前实际温度对应的VBE的理想值，与所求得的VBE的实际值进行比较，得到需修正的误差；
其中，通过第二次控制切换开关，sigma delta ADC的输出信号滤波后得到Dout22；k为波尔兹曼常数，q为电子电荷，m为芯片内晶体管Q1和Q2的电流密度比。
在待校准的温度传感器的芯片内，偏置电流Ibias1流到芯片内的晶体管Q1上产生电压VBE，偏置电流Ibias1和Ibias2分别流到芯片内晶体管Q1和Q2上产生电压差值ΔVBE；通过切换开关将电压VBE和电压差值ΔVBE分别连接到sigma delta ADC的两个输入端；sigma delta ADC的输出端获得信号BS，其连接到切换开关处对sigma delta ADC的采样进行切换控制，还连接到降采样滤波器进行滤波后产生量化的数字温度信号；
从芯片外部引入有一个已知电压值的电压VIN，通过所述切换开关将其连接到sigma delta ADC的另一个输入端；
第一次控制切换开关，使sigma delta ADC在BS＝0时采样ΔVBE，并且在BS＝1时采样-VIN；
其中，通过第一次控制切换开关，sigma delta ADC的输出信号滤波后得到Dout31；α为采样时的放大倍数，是由sigma delta ADC实现的已知数值；k为波尔兹曼常数，q为电子电荷，m为芯片内晶体管Q1和Q2的电流密度比；
第二次控制切换开关，使sigma delta ADC在BS＝0时采样VIN，并且在BS＝1时采样-VBE；
以及，查询与第一次控制切换开关时所求得的当前实际温度相对应的VBE的理想值，将VBE的理想值与所求得的VBE的实际值进行比较，得到需修正的误差；
其中，通过第二次控制切换开关，sigma delta ADC的输出信号滤波后得到Dout32。
4.一种高精度温度传感器校准方法，使用权利要求1的高精度温度传感器校准电路，其特征在于，所述校准方法包含以下过程：第一步，利用待测的温度传感器获得当前实际温度；
sigma delta ADC在BS＝0时采样ΔVBE，在BS＝1时采样-VIN；sigma delta ADC的输出信号滤波后得到Dout11；
α为采样时的放大倍数，是由sigma delta ADC实现的已知数值；
k为波尔兹曼常数，q为电子电荷，m为芯片内晶体管Q1和Q2的电流密度比；
第二步，sigma delta ADC在BS＝0时采样ΔVBE，并且在BS＝1时采样-VBE；在sigma delta ADC的输出信号滤波后得到Dout12；
求得的VBE的实际值与VBE的理想值进行比较，得到需修正的误差。
5.一种高精度温度传感器校准方法，使用权利要求2的高精度温度传感器校准电路，其特征在于，所述校准方法包含以下过程：第一步，sigma delta ADC在BS＝0时采样VIN，在BS＝1时采样-VBE；在sigma delta ADC的输出信号滤波后得到Dout21；
α为采样时的放大倍数，是由sigma delta ADC实现的已知数值；
第二步，sigma delta ADC在BS＝0时采样ΔVBE，在BS＝1时采样-VBE；在sigma delta ADC的输出信号滤波后得到Dout22；
k为波尔兹曼常数，q为电子电荷，m为芯片内晶体管Q1和Q2的电流密度比；
查询当前实际温度对应的VBE的理想值，与第一步求得的VBE的实际值进行比较，得到需修正的误差。
6.一种高精度温度传感器校准方法，使用权利要求3的高精度温度传感器校准电路，其特征在于，所述校准方法包含以下过程：第一步，利用待测的温度传感器获得当前实际温度；
sigma delta ADC在BS＝0时采样ΔVBE，在BS＝1时采样-VIN；在sigma delta ADC的输出信号滤波后得到Dout31；
α为采样时的放大倍数，是由sigma delta ADC实现的已知数值；
k为波尔兹曼常数，q为电子电荷，m为芯片内晶体管Q1和Q2的电流密度比；
第二步，使sigma delta ADC在BS＝0时采样VIN，并且在BS＝1时采样-VBE；在sigma delta ADC的输出信号滤波后得到Dout32；
查询第一步的当前实际温度对应的VBE的理想值，与第二步求得的VBE的实际值进行比较，得到需修正的误差。
一种高精度温度传感器校准方法及电路
技术领域
[0001] 本发明涉及集成电路设计和测试领域，特别涉及一种高精度温度传感器校准方法及电路。
背景技术
[0002] 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，需要通过各种方式对这些误差进行消除或降低到足够小的范围。常见的消除误差的方式是在芯片制造完成后进行校准。校准是通过测试的方式得到传感器的误差，再利用电路将误差消除。为了测试传感器的误差，需要传感器工作在足够高精度的温度环境中，即环境中温度误差要小于传感器精度要求的温度误差。通常情况下，为了降低测试成本，温度传感器校准都是在晶圆上进行，而当前晶圆测试能提供的环境温度精度通常为±1℃左右。如果传感器精度要求高于±1℃，则测试环境很难达到传感器的校准要求。
发明内容
[0003] 本发明提供一种高精度温度传感器校准方法及电路，可以在温度环境未知的情况下精确得到传感器的误差，然后利用电路消除该误差。
[0004] 本发明提供的一种高精度温度传感器校准电路，在待校准的温度传感器的芯片内，偏置电流Ibias1流到芯片内的晶体管Q1上产生电压VBE，偏置电流Ibias1和Ibias2分别流到芯片内晶体管Q1和Q2上产生电压差值ΔVBE；通过切换开关将电压VBE和电压差值ΔVBE分别连接到sigma delta ADC的两个输入端；sigma delta ADC的输出端获得信号BS，其连接到切换开关处对sigma delta ADC的采样进行切换控制，还连接到降采样滤波器进行滤波后产生量化的数字温度信号；从芯片外部引入有一个高精度已知电压值的电压VIN，通过所述切换开关将其连接到sigma delta ADC的另一个输入端。
[0005] 第一个方案提供的高精度温度传感器校准电路，先后两次控制切换开关的相应节点导通，第一次使sigma delta ADC在BS＝0时采样ΔVBE，并且在BS＝1时采样-VIN；第二次使sigma delta ADC在BS＝0时采样ΔVBE，并且在BS＝1时采样-VBE。
[0006] 第二个方案提供的高精度温度传感器校准电路，先后两次控制切换开关的相应节点导通，第一次使sigma delta ADC在BS＝0时采样VIN，并且在BS＝1时采样-VBE；第二次使sigma delta ADC在BS＝0时采样ΔVBE，并且在BS＝1时采样-VBE。
[0007] 第三个方案提供的高精度温度传感器校准电路，先后两次控制切换开关的相应节点导通，第一次使sigma delta ADC在BS＝0时采样ΔVBE，并且在BS＝1时采样-VIN；第二次使sigma delta ADC在BS＝0时采样VIN，并且在BS＝1时采样-VBE。
[0008] 本发明的一种高精度温度传感器校准方法，使用第一个方案的高精度温度传感器校准电路，所述校准方法包含以下过程：
[0009] 第一步，利用待测的温度传感器获得当前实际温度；
[0010] sigma delta ADC在BS＝0时采样ΔVBE，在BS＝1时采样-VIN；sigma delta ADC的输出信号滤波后得到Dout11；
[0011]
[0012] α为采样时的放大倍数，是由sigma delta ADC实现的已知数值；
[0013] 求得当前实际温度为
[0014] k为波尔兹曼常数，q为电子电荷，m为芯片内晶体管Q1和Q2的电流密度比；
[0015] 第二步，sigma delta ADC在BS＝0时采样ΔVBE，并且在BS＝1时采样-VBE；在sigma delta ADC的输出信号滤波后得到Dout12；
[0016] 其中，代入第一步求得的ΔVBE的实际值；将求得的VBE的实际值与VBE的理想值进行比较，得到需修正的误差。
[0017] 本发明的另一种高精度温度传感器校准方法，使用第二个方案的高精度温度传感器校准电路，所述校准方法包含以下过程：
[0018] 第一步，sigma delta ADC在BS＝0时采样VIN，在BS＝1时采样-VBE；在sigma delta ADC的输出信号滤波后得到Dout21；
[0019]
[0020] α为采样时的放大倍数，是由sigma delta ADC实现的已知数值；
[0021] 第二步，sigma delta ADC在BS＝0时采样ΔVBE，在BS＝1时采样-VBE；在sigma delta ADC的输出信号滤波后得到Dout22；
[0022]
[0023] 求得当前实际温度
[0024] k为波尔兹曼常数，q为电子电荷，m为芯片内晶体管Q1和Q2的电流密度比；
[0025] 查询当前实际温度对应的VBE的理想值，与第一步求得的VBE的实际值进行比较，得到需修正的误差。
[0026] 本发明的又一种高精度温度传感器校准方法，使用第三个方案的高精度温度传感器校准电路，所述校准方法包含以下过程：
[0027] 第一步，利用待测的温度传感器获得当前实际温度；
[0028] sigma delta ADC在BS＝0时采样ΔVBE，在BS＝1时采样-VIN；在sigma delta ADC的输出信号滤波后得到Dout31；
[0029]
[0030] α为采样时的放大倍数，是由sigma delta ADC实现的已知数值；
[0031] 求得当前实际温度为
[0032] k为波尔兹曼常数，q为电子电荷，m为芯片内晶体管Q1和Q2的电流密度比；
[0033] 第二步，使sigma delta ADC在BS＝0时采样VIN，并且在BS＝1时采样-VBE；在sigma delta ADC的输出信号滤波后得到Dout32；
[0034]
[0035] 查询第一步的当前实际温度对应的VBE的理想值，与第二步求得的VBE的实际值进行比较，得到需修正的误差。
[0036] 综上所述，本发明公开的这种高精度温度传感器校准方法及电路，可以在温度未知的情况下得到温度信号的误差，避免了高精度传感器校准时需要提供高精度温度环境的需求，降低了测试条件需求和测试成本。
附图说明
[0037] 图1是温度传感器电路原理图；
[0038] 图2是本发明给出的校准方式电路原理图；
[0039] 图3a是第一校准方案的第一步示意图；
[0040] 图3b是第一校准方案的第二步示意图；
[0041] 图4a是第二校准方案的第一步示意图；
[0042] 图4b是第二校准方案的第二步示意图；
[0043] 图5a是第三校准方案的第一步示意图；
[0044] 图5b是第三校准方案的第二步示意图。
具体实施方式
[0045] 图1是温度传感器的一个结构原理图，偏置电流Ibias1流到晶体管(bipolar管)Q1上，产生电压VBE；两个偏置电流Ibias1和Ibias2分别流到晶体管Q1和Q2上，产生两个VBE，其差值为ΔVBE。
[0046] Sigma delta ADC负责对VBE和ΔVBE进行采样，产生BS信号，并反馈控制输入端采样；当BS＝0时，输入采样ΔVBE，当BS＝1时，输入采样-VBE；BS经过降采样滤波器(decimation filter)滤波后，最终产生量化的数字温度信号Dout。
[0047] 图1中输出的温度信号可以表示为
[0048]
[0049] 其中α为ΔVBE在采样时的放大倍数，该功能在sigma delta ADC中实现。
[0050] 从式(1)中可以看出，输出温度的误差主要来源于三个参数，即VBE，ΔVBE和α。在电路设计时，ΔVBE和α中的误差通常可以通过各种技术进行消除，因此在电路中可以认为其误差足够小，以至于可以忽略，而VBE中的误差则需要通过校准的方式进行修正。
[0051] 当测试时，环境温度精确知道时，可以利用下式求得ΔVBE，
[0052]
[0053] 其中k为波尔兹曼常数，T为绝对温度，q为电子电荷，m为Q1管与Q2管的电流密度比。
[0054] 式(1)中Dout可以通过sigma delta ADC获得，α为设计参数，该参数已知，则可以通过式(1)的变化求得VBE的值。
[0055]
[0056] 利用式(3)求得VBE后，与理想的VBE进行比较，即可获得实际芯片中VBE的误差。
[0057] 在上面的计算中，式(2)需要精确知道测试时环境温度，但是由于设备的限制，当温度精度要求高于一定值时，测试条件很难满足。
[0058] 图2是本发明给出的一个校准电路。图2中从芯片外部引入一个高精度已知电压VIN，通过切换开关引入sigma delta ADC的其中一个输入端，sigma delta ADC的另两个输入端则通过该切换开关分别引入VBE和ΔVBE。利用图2中的电路，可以产生3种校准方案。
[0059] 方案一：
[0060] 方案一的第一步操作如图3a所示，当BS＝0时，ADC采样ΔVBE，当BS＝1时，ADC采样-VIN，则此时ADC输出可以表示为
[0061]
[0062] 对式(4)进行变形可得
[0063]
[0064] 则利用式(5)可以求得参数ΔVBE，再结合式(2)，可得当前温度为
[0065]
[0066] 则图3a的第一步操作可以利用传感器本身获得当前实际温度。
[0067] 第二步操作如图3b所示，将外部输入电压VIN撤掉，换成晶体管的VBE。此时ADC输出温度可以表示为
[0068]
[0069] 则晶体管的VBE可以表示为
[0070]
[0071] 式(8)中α已知，ΔVBE由式(5)获得，Dout12可以从ADC获取，因此，利用式(8)可以求得VBE的值。将式(8)中求得的VBE误差与理想情况下VBE进行比较，可得实际芯片中VBE中的误差，从而可以修正该误差。
[0072] 方案二：
[0073] 方案二的第一步如图4a所示，当BS＝0时，ADC采样VIN，当BS＝1时，ADC采样-VBE，则此时ADC输出可以表示为
[0074]
[0075] 利用式(9)可以求得VBE的值如下
[0076]
[0077] 方案二的第二步如图4b所示，此时将外部电压VIN撤掉，换成芯片内部的ΔVBE，此时ADC的输出可以表示为，
[0078]
[0079] 利用该式可以求得当前ΔVBE如下
[0080]
[0081] 则利用下式可以求得当前温度
[0082]
[0083] 当温度已知后，即可获得当前温度下的VBE理想值，将理想值与式(10)求得的值进行比较，可得VBE中的误差。
[0084] 方案三：
[0085] 方案三的第一步操作如图5a所示，当BS＝0时，ADC采样ΔVBE，当BS＝1时，ADC采样-VIN，则此时ADC输出可以表示为
[0086]
[0087] 对式(14)进行变形可得
[0088]
[0089] 则利用式(15)可以求得参数ΔVBE，再结合式(2)，可得当前温度为
[0090]
[0091] 则图5a的第一步操作可以利用传感器本身获得当前实际温度。
[0092] 方案三的第二步如图5b所示，当BS＝0时，ADC采样VIN，当BS＝1时，ADC采样-VBE，则此时ADC输出可以表示为
[0093]
[0094] 利用式(17)可以求得VBE的值如下
[0095]
[0096] 根据式(16)求得的当前温度，可以得到VBE的理想值，再根据式(18)求得的VBE实际值，可以得到实际芯片中VBE的误差。
[0097] 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。
