CMOS制造技术

公开了

【技术实现步骤摘要】
CMOS温度传感器的校准


[0001]本公开涉及集成电路技术，更具体涉及高精度
CMOS
温度传感器的校准
。

技术介绍

[0002]在现代电子设备中，芯片的广泛应用使得温度传感器变得十分重要
。
各种芯片都需要实时关注温度情况，以确保其正常运行和可靠性
。
因此，温度传感器在芯片设计中扮演着关键的角色
。
互补金属氧化物半导体
(CMOS)
温度传感器具有体积小
、
成本低
、
功耗低的优势，特别适用于实时监测和管理芯片的温度情况
。
[0003]由于双极性晶体管
(BJT)
器件具有良好的温度特性，
CMOS
温度传感器大都采用
BJT
器件作为感温元件，能够实现高精度的温度传感器
。
关于
CMOS
温度传感器的原理，可以参看以下非专利文献
(
在此通过援引，将所述文献的全部内容合并到本公开中，使之成为本公开的内容的一部分
)
：
[0004][1]李昱岐硕士论文：基于
Zoom
‑
ADC
的
CMOS
温度传感器设计
(
东南大学，
2018)
[0005][2]包远鑫博士论文：
CMOS
集成温度传感器研究与设计
(
东南大学，
2019)
[0006][3]Meijer,Gerard CM."Thermal sensors based on transistors."Sensors and Actuators10.1
‑
2(1986):103
‑
125.
[0007]图1图示说明了常规的基于
BJT
器件的温度传感器架构，主要分为温度传感器电路和编码校准部分
。
以下将对温度传感器电路的测温原理和编码校准部分的编码校准方法分别进行说明
。
[0008]1.
测温原理：
[0009]基于
BJT
产生正温度系数电压
Δ
V
BE
和负温度系数电压
V
BE
，组合可以得到不随温度变化的参考电压
V
REF
，即：
[0010]V
REF
＝
V
BE
+
αΔ
V
BE
，
[0011]其中，
α
是组合系数
。
令
[0012][0013]μ
与温度呈线性关系
。
利用模数转换
(ADC)
量化读取
μ
之后，根据线性转换可以得到温度的数字输出
D
out
。
[0014]另一种方案是量化
V
BE
和
Δ
V
BE
的比值
X
：
[0015][0016]利用
ADC
量化读取
X
之后，也可以得到温度的数字输出
D
out
。
[0017]2.
编码校准：
[0018]批量校准：在同一批芯片中随机选取一组样片，在不同温度下测量得到
μ
值，通过公式
[0019]D
out
＝
A
μ
+B
[0020]拟合得到
A
和
B
的值
。
[0021]另一种方案同理，在不同温度下测量得到
X
值，通过公式
[0022][0023]拟合得到
A、B、
α
的值
。
[0024]单点校准：对每一块芯片在某一温度下进行校准，根据公式
[0025][0026]调节系数
γ
使当前校准温度下误差为
0。
[0027]如图1中所示，将负温度系数电压
V
BE
标为
V
BE1
，是指晶体管
Q
BE1
的基极
‑
发射极电压
。
相应地，另一晶体管
Q
BE2
的基极
‑
发射极电压为
V
BE2
。
图1中，晶体管
Q
BE2
的发射极电流是晶体管
Q
BE1
的电流
I
的5倍，在图中表示为“5I”。
本领域技术人员应该理解，这里的倍数也可以是其他值，即图1中所示的“5I”也可以被表示为“pI”，
p
为某一正整数
。
[0028]对于采用
BJT
器件作为感温元件的
CMOS
温度传感器来说，温度误差主要来源于
V
BE
的非线性
。
根据前文所述的非专利文献
[3]，
V
BE
可以表示为：
[0029]V
BE
(T)
＝
C0+C1T+C2TlnT
，
[0030]其中，
T
为绝对温度，
C0为常数项，
C1为一次项系数，
C2TlnT
为高阶项
。
[0031]在常规的校准方法中，由于
V
BE
的非线性，参考电压
V
REF
并非一个恒定值，而是随温度的变化而变化
。
具体来说，在
V
REF
＝
V
BE
+
αΔ
V
BE
中，通过
αΔ
V
BE
只能消除
V
BE
的线性误差，不能完全消除高阶项
C2TlnT
引起的非线性误差，从而引起最终的测温误差，降低了温度传感器的精度
。
[0032]中国专利技术专利申请公布
CN114235217A(
一种基于
BJT
的
CMOS
温度传感器芯片的校准方法
)
中，提出一种校准方法
。
该方法消除了非线性误差，但是其校准步骤复杂，需要依次对4个不同的方程进行参数拟合，得到7个批次校准系数，然后在室温下再进行校准得到1个单独校准系数
。
而且在校准操作过程中，空气流动以及芯片发热等因素会引起室温的波动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种
CMOS
温度传感器的校准方法，其特征在于，所述方法包括：在不同温度下测量
CMOS
温度传感器电路
V
BE
与
Δ
V
BE
的比值
X
，量化后得到温度的数字输出值
D
out
，通过以下公式拟合得到参数
A、B、
α
、k1和
k2的值：其中，
V
BE
是
CMOS
温度传感器电路基于双极性晶体管而产生的负温度系数电压，
Δ
V
BE
是温度传感器电路基于双极性晶体管而产生的正温度系数电压，以及在校准温度下测量比值
X
，量化后得到温度的数字输出值
D
out
，根据以下公式，调节参数
γ
使得所述校准温度下的温度输出误差为0：其中，
2.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的拟合得到参数
A、B、
α
、k1和
k2的值进一步包括：将参数
A
的范围设定为
550
到
650
，参数
B
的范围设定为
‑
250
到
‑
300
，参数
α
的范围设定为1到
30
，参数
k1的范围设定为0到
30
，参数
k2的范围设定为0到
10。3.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的拟合得到参数
A、B、
α
、k1和
k2的值进一步包括：固定1个或者2个参数，只针对其他参数进行拟合
。4.
根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的拟合得到参数
A、B、
α
、k1和
k2的值进一步包括：固定
k2＝1，只针对其他参数
A、B、
α
、k1进行拟合
。5.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，参数
γ
的范围为
‑
0.2
到
0.2。6.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的在不同温度下测量
CMOS
温度传感器电路
V
BE
与
Δ
V
BE
的比值
X
包括：在同一批芯片中随机选取一组样片，放置于恒温箱中，通过芯片上的
CMOS
温度传感器电路在不同温度下测量得到比值
X。7.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的在校准温度下测量比值
X
包括：将每一块芯片放置于恒温箱中，根据需要选择合适的校准温度，通过芯片上的
CMOS
温度传感器电路测量当前校准温度下的比值
X。8.
一种
CMOS
温度传感器的校准装置，其特征在于，所述装置包括：批量校准模块，用于接收在不同温度下测量的
CMOS
温度传感器电路
V
BE
与
Δ
V
BE
的比值
X
在量化后得到的温度的数字输出值
D
out
，通过以下公式拟合得到参数
A、B、
α
、k1和
k2的值：
其中，
V
BE
是
C...

【专利技术属性】
技术研发人员：张倬铖，张风体，康纪武，蒋可，苏云鹏，邹耀中，
申请(专利权)人：成都今是科技有限公司，
类型：发明
国别省市：