CN103674299A - 确定晶体管的温度的电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及确定晶体管的温度的电路和方法。公开了用于测量晶体管的温度的电路和方法。该方法的实施例包括将电流提供到电路中，其中电路连接到晶体管。可变电阻连接在晶体管的基极和集电极之间。该电路具有第一模式和第二模式，其中第一模式中的电流流入晶体管的基极并且经过电阻，而第二模式中的电流流入晶体管的发射极。使用不同的电阻设置测量第一模式和第二模式两者中的电压。基于不同的电压之间的差来计算晶体管的温度。

Description

确定晶体管的温度的电路和方法

背景技术

在电路中使用某些晶体管来提供带隙电压基准和温度传感器。在带隙基准中，晶体管被用来产生与温度无关的恒定电压。温度传感器电路使用来自晶体管中的PN结的电压来测量温度。温度传感器电路需要在不同电流密度下对晶体管进行电压测量。因为增益（其有时被称为β（beta）值）会随电流密度而变化，所以带隙和温度传感器电路可能不精确。对于具有低β值的超深亚微米CMOS（互补金属氧化物半导体）晶体管，此问题尤其普遍。

发明内容

本发明公开了测量晶体管的温度的方法和电路。该方法的实施例包括将电流提供到电路中，其中电路连接到晶体管。可变电租连接在晶体管的基极和集电极之间。该电路具有第一模式和第二模式，其中第一模式中的电流流入晶体管的基极并且经过电阻，并且第二模式中的电流流入晶体管的发射极。使用不同的电阻设置测量第一模式和第二模式两者中的电压。基于不同的电压之间的差来计算晶体管的温度。

附图说明

图1是使用测得的晶体管的基极-发射极电压测量温度的电路的示意图。

图2是在不同电流密度下测量晶体管的β的电路的示意图。

图3是描述使用来自图2的电路的测量计算β补偿因子的方法的流程图。

图4是使用测得的晶体管的基极-发射极电压测量温度的另一电路的示意图。

具体实施方式

本文描述测量晶体管的β（beta）或者增益的电路和方法。通过精确地测量β，可以精确地测量晶体管的温度。精确的温度测量使晶体管能够被使用在精准的带隙电压发生器和其他应用中。

在晶体管被使用在温度传感器或带隙基准电路中时，晶体管的β值是非常关键的。更具体地，晶体管的β的微小变化将导致PTAT（与绝对温度成比例）电压的变化，PTAT电压的变化将影响温度感测和带隙基准电路。本文描述的电路和方法在不同电流密度下测量或者提取晶体管（例如PNP晶体管）的β。β测量值被用来产生β补偿因子，β补偿因子可以被用来建立非常精确的PTAT电压。精确的PTAT电压用于精确的温度测量。如上所述，精确的温度测量使电路能够产生精确的带隙电压。该电路和方法可以被使用在被偏置在不同电流密度下时的低βPNP器件中，以建立非常精确的带隙电压和温度测量。

参考图1，其示出用于描述晶体管Q1中的β变化的电路100。电路100可以被用于测量晶体管Q1的温度。电路100包括两个电流源，即第一电流源I1和第二电流源I2。第二电流源I2产生电流I_BIAS并且第一电流源I1产生电流N（I_BIAS），其中N为乘数。第一电流源I1产生的电流是第二电流源I2的电流的N倍，或者电流I_BIAS的N倍。

第一电流源I1连接到第一开关SW1并且第二电流源I2连接到第二开关SW2。开关SW1、SW2的输出端在节点N1处连接在一起。晶体管Q1的发射极连接到节点N1。晶体管Q1的基极和集电极返回接地。晶体管Q1可以是位于半导体管芯中的低βCMOS晶体管。模数转换器（ADC）102的输入端连接到节点N1。应该注意到，可以用电压表或者其他电压测量器件来代替ADC102。在本文所述的实施例中，ADC102的输出是针对两个电流值（I_BIAS和I_BIAS的N倍）的基极-发射极电压之间的差的数字表示，其被称为ΔV_BE。

现在描述电路100的操作。晶体管Q1的集电极中的电流等于基极电流和发射极电流之间的差。第一开关SW1或第二开关SW2在操作期间被闭合，这将以I_BIAS电流或N（I_BIAS）电流来驱动晶体管Q1的发射极。当第一开关SW1闭合时，基极-发射极电压V_BE由ADC102基于流经晶体管Q1的电流N（I_BIAS）进行采样。此电压有时被称为电压V_BE1。当第二SW2闭合时，ADC102基于流经晶体管Q1的电流I_BIAS对电压V_BE进行采样。此电压有时被称为电压V_BE2。电压V_BE1和V_BE2之间的差是电压ΔV_BE，并且可以被积分。

当第一开关SW1闭合时，基于如下等式1来计算集电极电流I_C1产生的电压V_BE1：

$V_{\mathrm{BE}1}=\frac{\mathrm{\η\κT}}{q}\ln \left(\frac{I_{C1}}{I_S}\right)$           等式1

其中I_S是反向偏置饱和电流，η是晶体管Q1的阈值斜率参数，k是玻尔兹曼（Boltzmann）常数（1.38×10^-23），T是基极/发射极结的温度，并且q是电子电荷（1.69×10^-19）。当开关SW2闭合时，基于如下等式2来计算集电极电流I_C2产生的电压V_BE2：

$V_{\mathrm{BE}2}=\frac{\mathrm{\η\κT}}{q}\ln \left(\frac{I_{C2}}{I_S}\right)$        等式2

从等式1和等式2得到V_BE电压的差ΔV_BE，并且通过如下等式3来描述：

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{BE}}=\frac{\mathrm{\η\κT}}{q}\ln \left(\frac{I_{C1}}{I_{C2}}\right)$           等式3

通过将晶体管Q1的β考虑在内来计算集电极电流I_C1。当SW1闭合时产生的集电极中的电流I_C1基于如下等式4来计算：

$I_{C1}=\frac{1}{1+\frac{1}{{\mathrm{\β}}_1}}{I}_{E1}$               等式4

其中I_E1是发射极电流并且其中β₁是在与I_C1相关的电流密度下的β。当开关SW2闭合时，基于如下等式5计算集电极电流I_C2：

$I_{C2}=\frac{1}{1+\frac{1}{{\mathrm{\β}}_2}}{I}_{E2}$             等式5

通过将等式4和等式5代入到等式3，电压差ΔV_BE成为如下：

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{BE}}=\frac{\mathrm{\η\κT}}{q}\ln \left(\frac{1+\frac{1}{{\mathrm{\β}}_2}}{1+\frac{1}{{\mathrm{\β}}_1}}N\right)$             等式6

假设N等于10并且η等于1，可以使用如下的等式7来计算温度T：

$T=\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{BE}}=\frac{\frac{q}{\mathrm{\η\κ}\ln \left(N\right)}}{1+\frac{\ln \left(\frac{1+\frac{1}{{\mathrm{\β}}_2}}{1+\frac{1}{{\mathrm{\β}}_1}}\right)}{\ln \left(N\right)}}$         等式7

等式7的分母表示β值对温度测量的精度的影响。这些β值中的一个的微小变化将导致温度测量误差。如果β值可以被精确地测量，则可以计算出能够被应用于抵消该误差的补偿因子。β补偿因子补偿β变化以提供精确的温度测量。

已经描述了β和β补偿，现在将描述确定或者提取β并且使用所提取的β来测量温度的电路和方法。参考图2，其示出测量晶体管Q2的β的电路200。该电路200包括连接到开关SW3和开关SW4的电流源I3。开关SW3、SW4都可以由图2中未示出的控制器进行控制。开关SW3连接到晶体管Q2的发射极。晶体管Q2的基极连接到开关SW4和节点N2。晶体管Q2的集电极接地。

节点N2提供了通过使用电压检测器202测量晶体管Q2的基极和集电极之间的电压的节点。电压检测器202测量节点N2和地之间的电压V_SNS，其为晶体管Q2的基极和集电极之间的电压。节点N2通过串联连接的多个电阻器R1-R4接地。在某些实施例中，电阻器R1可以具有10kΩ的值，电阻器R2可以具有5kΩ的值，电阻器R3可以具有1kΩ的值，并且电阻器R4可以具有0.5kΩ的值。电阻器R1-R4的结（junction）通过开关SW5-SW7连接到节点N2，所以电阻器R1-R4的组合有时被称为可变电阻。应该注意到，各个电阻器R1-R4可以由可变电阻器代替。开关SW5-SW7的使用使四个β电流能够被施加到电路200中，该电路200主要用于确定串联电阻抵消电路中的β，这在以下描述。通过改变开关SW5-SW7，晶体管Q2的基极-集电极电压改变，对于所有的β测量，这可以用于保持进入电压检测器202的满量程信号恒定。

晶体管Q2中的发射极电流I_E等于集电极电流I_C与基极电流I_B的总和。集电极电流I_C也等于β乘以基极电流。因此，可以通过如下等式8来描述β：

$\mathrm{\β}=\frac{I_E}{I_B}-1$        等式8

可以通过测量多个电阻器R1-R4两端的电压V_SNS来测量等式8的电流比。更具体地，当第三开关SW3打开并且第四开关SW4闭合时，由电压检测器202测量第一电压V_SNS1。当第三开关SW3闭合并且第四开关SW4打开时，测量第二电压V_SNS2。第一电压V_SNS1与发射极电流I_E成比例，而第二电压V_SNS2与基极电流I_B成比例。通过将电压V_SNS1和电压V_SNS2代入到等式8并且将等式8倒置，使用如下等式9来测量1/β的值：

$\frac{1}{\mathrm{\β}}=\frac{V_{\mathrm{SNS}2}}{V_{\mathrm{SNS}1}-V_{\mathrm{SNS}2}}$      等式9

为了确定晶体管Q2的温度，来自等式9的β值的倒数可以被代入到等式7。应该注意到，为了计算如等式7中使用的β1和β2，将存在使用不同电流的两个β测量值。

已经描述了电路200，现在将描述使用电路200基于上述β补偿测量晶体管Q2的温度的方法。通过图3的流程图250来补充描述。该方法开始于步骤252，其中使用电阻器R1-R4的第一配置来测量电压V_SNS1和电压V_SNS2。通过打开和闭合SW5-SW7中的某些开关建立电阻器R1-R4的第一配置。例如，开关SW5-SW7可以被闭合，使得电流仅经过电阻器R4。在步骤254中，基于等式9来计算1/β₁的值。

根据等式7，需要β1和β2两个β值，所以在步骤256处，使用电阻器R1-R4的第二配置来测量V_SNS1和V_SNS2。例如，开关SW5-SW7全部可以被打开。电阻器R1-R4的第二配置使得第二电流流经晶体管Q2。在步骤258中，基于使用电阻器R1-R4的第二配置测量的V_SNS1和V_SNS2来计算1/β₂的值。

此时，1/β₁和1/β₂的值已经被计算，所以等式7的β补偿因子可以如步骤260中所述被计算，该β补偿因子为分母的倒数。然后，如步骤262中所述，晶体管Q2的补偿温度容易根据等式7进行计算。应该注意到，可以基于不同的β值使用查找表，而不是计算等式7的自然对数函数。上述温度测量的结果是将不同的电流密度引起的β值中的变化考虑在内的非常精确的温度测量。

上述方法可应用到许多电路，例如温度测量电路，其中使用两个β（β1和β2）值。在其他实施例中，可能需要更多的β值。例如，在串联电阻抵消（SRC）实施例或者带隙电压发生电路中，通常需要计算四个β值。

电路300的示例被示于图4中，其示出SRC配置中的β误差。电路300具有四个电流源I4-I7。电流源I4产生的电流为电流I_BIAS的N倍并且被称为NI_BIAS。电流源I5产生的电流为I_BIAS。电流源I6产生的电流为N（I_BIAS）的两倍并且被称为2NI_BIAS。电流源I7产生的电流为I_BIAS的两倍并且被称为2I_BIAS。电流源I4-I7的以上电流为示例性的，并且电路300也可以使用其他电流。

电流源I4-I7分别通过开关SW8-SW11连接到节点N3。节点N3连接到电压检测器302，其中电压检测器302测量节点N3和地之间的电压。节点N3通过电阻器R5也连接到晶体管Q3的发射极。晶体管Q3的基极和集电极返回接地。电路300为这些等式提供在SRC形成下时测量晶体管Q3的温度所需的基线（baseline）。如以下进一步所述，将使用图4的电路300测量温度。

电流源I4和I5被用来产生电压ΔV_BE1，并且电流源I6和I7被用来产生电压ΔV_BE2。例如，开关SW8闭合并且剩余的开关SW9-SW11打开。由电压检测器302测量节点N3处的电压。随后，开关SW9闭合并且剩余的开关SW8、SW10和SW11打开。再次测量节点N3处的电压。两个测得的电压之间的差为ΔV_BE1。使用SW10和SW11进行相同的动作以测量电压ΔV_BE2。如以上所述，通过闭合开关SW8-SW11中的每一个，计算四个β值β1-β4。

基于之前所述，电压差ΔV_BE通过如下等式10进行描述：

$2\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{BE}1}-\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{BE}2}=2\frac{\mathrm{\η\κT}}{q}\ln \left(\frac{1+\frac{1}{{\mathrm{\β}}_2}}{1+\frac{1}{{\mathrm{\β}}_1}}N\right)-\frac{\mathrm{\η\κT}}{q}\ln \left(\frac{1+\frac{1}{{\mathrm{\β}}_4}}{1+\frac{1}{{\mathrm{\β}}_3}}N\right)$     等式10

根据等式10，晶体管Q3的温度容易通过如下等式11导出：

$T=(2{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{BE}1}-\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{BE}2})\frac{\frac{q}{\mathrm{\η\κ}\ln \left(N\right)}}{1+\frac{2\ln \left(\frac{1+\frac{1}{{\mathrm{\β}}_2}}{1+\frac{1}{{\mathrm{\β}}_1}}\right)}{\ln \left(N\right)}-\frac{\ln \left(\frac{1+\frac{1}{{\mathrm{\β}}_4}}{1+\frac{1}{{\mathrm{\β}}_3}}\right)}{\ln \left(N\right)}}$       等式11

等式11可以与SRC电路和图2的电路200一起使用，用于确定晶体管Q2的温度。应该注意到，两倍ΔV_BE1的因子可以根据电阻器值和流经晶体管Q2的电流而变化。通过使用图2的电路200，可以进行温度测量而不使用电路300的四个电流源。除了有四个β测量值而不是两个β测量值，以及有两个电压差而不是一个电压差之外，测量温度的方法与图3的流程图250所述的相同。例如，通过闭合全部开关SW5-SW7可以测量β1。通过闭合开关SW5和SW6可以进行β2的测量。通过闭合开关SW5可以进行β3的测量以及通过打开全部开关SW5-SW7可以进行β4的测量。

上述电路和方法使得能够进行晶体管的精确温度测量。这些精确的测量可以被用于产生非常精确的带隙电压基准和其他电路。

尽管本文已经详细描述了本发明的说明性的并且当前优选的实施例，但是应当理解的是，本发明的概念可以被以其他方式体现和使用，所附的权利要求旨在解释为包括这些变型，除非现有技术限定了这些变型。

Claims (20)

1.一种用于测量晶体管的温度的方法，所述方法包括：

提供电流到电路中，其中所述电路连接到所述晶体管，可变电阻连接在所述晶体管的基极和集电极之间，所述电路具有第一模式和第二模式，所述第一模式中的电流流入所述晶体管的基极并且经过所述电阻，所述第二模式中的电流流入所述晶体管的发射极；

设置所述可变电阻为第一电阻值；

当所述电路在所述第一模式时，测量所述可变电阻两端的第一电压；

当所述电路在所述第二模式时，测量所述可变电阻两端的第二电压；

设置所述可变电阻为第二电阻值；

当所述电路在所述第一模式时，测量所述可变电阻两端的第三电压；

当所述电路在所述第二模式时，测量所述可变电阻两端的第四电压；

基于所述第一电压和所述第二电压之间的差以及所述第三电压和所述第四电压之间的差计算所述温度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述计算包括：

基于所述第一电压和所述第二电压之间的差计算第一β值；以及

基于所述第三电压和所述第四电压之间的差计算第二β值。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一β值等于：

$\frac{V_1-V_2}{V_2}$

其中V₁是所述第一电压并且V₂是所述第二电压；以及

所述第二β值等于：

$\frac{V_3-V_4}{V_4}$

其中V₃是所述第三电压并且V₄是所述第四电压。

4.根据权利要求2所述的方法，其中所述计算包括计算β补偿因子，其中所述β补偿因子与以下量值成比例：

$1+\frac{\ln \left(\frac{1+\frac{1}{{\mathrm{\β}}_2}}{1+\frac{1}{{\mathrm{\β}}_1}}\right)}{\ln \left(N\right)}$

其中β₁是第一β，β₂是第二β并且N是第二电流与第一电流的比值。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述温度与所述β补偿因子成反比。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述温度与所述第一电压和所述第二电压之间的差以及所述第三电压和所述第四电压之间的差成正比。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述计算包括：

将电压差计算为所述第一电压和所述第二电压之间的差以及所述第三电压和所述第四电压之间的差；以及

将所述电压差除以β补偿因子，其中所述β补偿因子与以下量值成比例：

$1+\frac{\ln \left(\frac{1+\frac{1}{{\mathrm{\β}}_2}}{1+\frac{1}{{\mathrm{\β}}_1}}\right)}{\ln \left(N\right)}$

其中β₁是第一β，β₂是第二β并且N是第二电流与第一电流的比值。

8.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：

设置所述可变电阻为第三电阻值；

当所述电路在所述第一模式时，测量所述可变电阻两端的第五电压；

当所述电路在所述第二模式时，测量所述可变电阻两端的第六电压；

设置所述可变电阻为第四电阻值；

当所述电路在所述第一模式时，测量所述可变电阻两端的第七电压；

当所述电路在所述第二模式时，测量所述可变电阻两端的第八电压；

其中所述计算包括基于所述第一电压和所述第二电压之间的差、所述第三电压和所述第四电压之间的差、所述第五电压和所述第六电压之间的差以及所述第七电压和所述第八电压之间的差计算所述温度。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述温度与以下量值成比例：

第一电压差和第二电压差乘以因子，所述第一电压差等于：

$\frac{V_1-V_2}{V_2}$

其中V₁是所述第一电压并且V₂是所述第二电压；以及

所述第二电压差等于：

$\frac{V_3-V_4}{V_4}$

其中V₃是所述第三电压并且V₄是所述第四电压。

10.根据权利要求8所述的方法，其中所述计算包括计算：

第一β值，其等于所述第一电压和所述第二电压之间的差除以所述第二电压；

第二β值，其等于所述第三电压和所述第四电压之间的差除以所述第四电压；

第三β值，其等于所述第五电压和所述第六电压之间的差除以所述第五电压；

第四β值，其等于所述第七电压和所述第八电压之间的差除以所述第七电压。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述计算包括计算：

第一β补偿因子和第二β补偿因子，其中所述第一β补偿因子与以下量值成比例：

$1+\frac{2\ln \left(\frac{1+\frac{1}{{\mathrm{\β}}_2}}{1+\frac{1}{{\mathrm{\β}}_1}}\right)}{\ln \left(N\right)}$

其中β₁是第一β，β₂是第二β并且N是第二电流与第一电流的比值；以及

其中所述第二β补偿因子与以下量值成比例：

$\frac{\ln \left(\frac{1+\frac{1}{{\mathrm{\β}}_4}}{1+\frac{1}{{\mathrm{\β}}_3}}\right)}{\ln \left(N\right)}$

其中β₃是第三β，β₄是第四β并且N是第四电流与第三电流的比值。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述温度与所述第一β补偿因子和所述第二β补偿因子成反比。

13.一种用于测量晶体管的温度的电路，所述电路包括：

电流源；

第一开关，其连接在所述电流源和所述晶体管的发射极之间；

第二开关，其连接在所述电流源和所述晶体管的基极之间；

节点，其连接到所述晶体管的基极和所述第一开关；

电压检测器，其连接到所述第一节点；

可变电阻，其串联连接在所述节点和公共电压之间；

其中所述晶体管的集电极连接到所述公共电压；以及

其中当所述第一开关闭合时，所述第二开关打开，并且当所述第一开关打开时，所述第二开关闭合。

14.根据权利要求13所述的电路，其中所述可变电阻包括：

多个电阻器，其串联连接在所述节点和所述公共电压之间；以及

多个第三开关，其连接在所述多个电阻器的结中的至少一个和所述节点之间。

15.根据权利要求14所述的电路，其中所述多个电阻器包括四个电阻器，第一电阻器连接到第二电阻器，所述第二电阻器连接到第三电阻器，并且所述第三电阻器连接到第四电阻器；所述第二电阻器的值是所述第一电阻器的值的两倍；以及所述第四电阻器的值是所述第三电阻器的值的两倍。

16.根据权利要求13所述的电路，其中所述公共电压是地。

17.根据权利要求13所述的电路，其中所述电路可操作以：

当第一开关打开并且所述第二开关闭合时，测量所述节点处的第一电压；以及

当所述第一开关打开并且所述第二开关闭合时，测量所述节点处的第二电压；

改变所述节点和所述公共电压之间的电阻值；

当第一开关打开并且所述第二开关闭合时，测量所述节点处的第三电压；以及

当所述第一开关打开并且所述第二开关闭合时，测量所述节点处的第四电压。

18.根据权利要求17所述的电路，其中所述温度与所述第一电压和所述第二电压之间的差以及所述第三电压和所述第四电压之间的差成比例。

19.根据权利要求13所述的电路，其中所述电路可操作以：

设置所述可变电阻为第一值；

当第一开关打开并且所述第二开关闭合时，测量所述节点处的第一电压；以及

当所述第一开关打开并且所述第二开关闭合时，测量所述节点处的第二电压；

将所述可变电阻改变为第二值；

当第一开关打开并且所述第二开关闭合时，测量所述节点处的第三电压；以及

当所述第一开关打开并且所述第二开关闭合时，测量所述节点处的第四电压；

将所述可变电阻改变为第三值；

当第一开关打开并且所述第二开关闭合时，测量所述节点处的第五电压；以及

当所述第一开关打开并且所述第二开关闭合时，测量所述节点处的第六电压；

将所述可变电阻改变为第四值；

当第一开关打开并且所述第二开关闭合时，测量所述节点处的第七电压；以及

当所述第一开关打开并且所述第二开关闭合时，测量所述节点处的第八电压。

20.一种用于测量PNP晶体管的温度的电路，所述电路包括：

电流源，其具有输出端；

第一开关，其连接在所述电流源的输出端和所述晶体管的发射极之间；

第二开关，其连接在所述电流源的输出端和所述晶体管的基极之间；

节点，其连接到所述晶体管的基极和所述第一开关；

电压检测器，其连接到所述第一节点；

多个电阻器，其串联连接在所述节点和地之间；以及

多个第三开关，其连接在所述多个电阻器的结中的至少一个和所述节点之间；

其中所述晶体管的集电极接地；以及

其中当所述第一开关闭合时，所述第二开关打开，并且当所述第一开关打开时，所述第二开关闭合。

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