高准确性快速电压和温度传感器电路的制作方法

本技术涉及温度和电压感测电路的领域，并且具体地，涉及在与温度无关的参考电压的生成中利用可调节电流源的温度和电压感测电路，该参考电压用于生成其中放置温度感测电路的集成电路芯片的温度值的高准确性数字表示。

背景技术：

1、片上系统(soc)被用于诸如智能手机和平板电脑的移动设备中，以及被用于多种嵌入式系统中。一些当前的soc能够进行温度感知任务调度，以及关于温度的自校准以帮助降低功耗。温度和电压传感器也被使用在图像感测应用中以在使用中调节图像传感器的电压和温度偏移。为了使能此功能性，此类soc包括与soc的其它组件集成的片上温度传感器。

2、与绝对温度vptat成比例的电压能够被产生为在不同电流密度处偏置的两个双极结晶体管的基极－发射极结电压之间的差。在数学上，这可以被表示为：vptat＝δvbe＝vbe1-vbe2。与绝对温度vptat成比例的该电压是相对无误差的，因为由于晶体管缺乏理想性能而引起的vbe1和vbe2中的误差彼此抵消。

3、vptat和温度之间的关系可以数学地表示为vptat＝kt/q ln(p)，其中t是以开尔文为单位的温度，其中k是玻尔兹曼常数，q是电子的电荷的大小，并且p是用于生成vptat的双极结晶体管的电流密度的比率。模数转换器(adc)将vptat相对于参考电压vref数字化，并且输出比率μ作为结果，该比率μ可以被计算为μ＝vptat/vref。该比率可以被适当地缩放以生成以期望单位的数字温度读出，例如：temperature(c°)＝a*μ+b，其中a和b是常数。

4、为了实现温度无关性，参考电压vref通常被生成为与绝对温度vptat成比例的电压和与绝对温度vctat互补的电压的和，如图1a中所示，其在理想条件下将产生真正地与温度无关的参考电压。与绝对温度vctat互补的电压被产生为双极结晶体管的基极－发射极结电压vbe。

5、当期望使用已知技术以高频率(例如每10μs)更新生成的数字温度读出时，出现了挑战。为了在高频下采样vref和δvbe，采样电容器将被非常快速地充电和放电。然而，对于传统的温度传感器，这是不可能的，因为通常在热传感器应用中使用的普通双极结晶体管(例如，在标准的cmos工艺中可用的寄生衬底pnp双极结晶体管)不能以更高的电流(每个双极结晶体管大于2－3μa)被偏置并且适当地用作热传感器。如果增加双极结晶体管的数目(例如，并联连接的多个双极结晶体管)以增加它们可以被偏置的电流，则晶体管的电容最终占主导地位和/或导致面积/功率损失，并且这种方法仅可以采取到目前为止，并且期望的操作速度可能仍然是不可达到的。

6、在通过使用以相同电流偏置的不同倍数的双极结晶体管获得δvbe的情况下，可以尝试增加速度。在图1b中示出了利用该技术的样品温度传感器1，其中可以观察到温度传感器1包括pnp双极结晶体管qp2，其发射极接收电流i、其集电极接地、以及其基极连接到另一pnp双极结晶体管qp1的基极。双极结晶体管qp1的发射极接收缩放电流pi(例如，由缩放因子p缩放电流i)、其集电极接地、并且其基极连接到双极结晶体管qp2的基极。电压δvbe是qp1和qp2的基极－发射极电压之间的差。温度传感器1中最慢的节点是qp2的发射器。如果电流i不足以满足期望的速度，并且期望将电流缩放100倍，这导致将温度传感器1缩放100倍(为了相同的准确性)，则期望将双极结晶体管qp1和qp2缩放100倍(例如，通过使用并联连接的100个双极结晶体管qp1、qp2)，使得合成电流将从pi增加到(p+1)*100。然而正如所解释的，使用这种设计，晶体管的电容最终占主导地位和/或导致功耗和面积消耗方面的损失。因此，这种方法仅可以采取到目前为止，并且期望的操作速度可能仍然是不可达到的。

7、可以进行增加速度的另一尝试，其中通过使用以相同电流偏置的不同倍数的双极结晶体管来获得δvbe。在图1c中示出了温度传感器1’的这种示例，其中可以观察到温度传感器1’包括pnp双极结晶体管qp1，其发射极连接到节点n1、其集电极接地、并且其基极连接到其集电极以从而产生与其发射极－基极结两端子的绝对温度vctat互补的电压。温度传感器1’进一步包括连接在节点n1和p沟道晶体管mp1的漏极之间的第一可调节电阻器rptat1。p沟道晶体管mp1的源极被连接到电源电压vdd，并且p沟道晶体管mp1的栅极被连接到p沟道晶体管mp2的栅极。p沟道晶体管mp2的源极也连接到电源电压vdd，并且其漏极连接到第二可调节电阻器rptat2。第二可调节电阻器rptat2被连接在mp2的漏极和节点n2之间，并且电阻器r1被连接在节点n2和pnp双极结晶体管qp2的发射极之间。pnp晶体管qp2的集电极连接到接地、以及其基极连接到pnp晶体管qp1的基极以及接地。因此注意，pnp晶体管qp1和qp2都是二极管耦合的。放大器2具有连接到节点n2的非反相端子和连接到节点n1的反相端子，以及连接到p沟道晶体管mp1和mp2的栅极的输出端子。

8、在操作中，放大器2通过改变晶体管mp1和mp2的栅极电压和最终电流来驱动晶体管mp1和mp2的栅极以迫使放大器2的反相输入端子处的电压等于放大器2的非反相输入端子处的电压。这导致pnp晶体管qp1的基极-发射极电压vbe1(其是与绝对温度vctat互补的电压)出现在节点n2处。由于电阻器r1是在电压vbe1和vbe2(晶体管qp2的基极-发射极电压)之间，电阻器r1两端子的电压是vbe1－vbe2，这可以被称为δvbe。流经电阻器r1的所得电流iptat为：

9、

10、电流iptat与绝对温度成比例(忽略r1的电阻率的温度变化)，并且也流入pnp晶体管qp1和qp2。

11、由于节点n1处的电压是vctat(晶体管qp1的基极-发射极电压vbe)，通过在节点n1处的vctat电压之上加上适当的ptat电压，适当地缩放电阻器r1和rptat1、rptat2，可以在晶体管mp1的漏极处获得参考电压vref。参考电压vref因此可以被表示为：

12、

13、请注意δvbe是与绝对温度vptat成比例的电压(r1和rptat1/rptat2的温度系数从vref表达式中抵消)：

14、vref＝vctat+vptat

15、该温度读出的准确性主要取决于参考电压vref的温度独立性。然而，由于晶体管缺乏理想性能，误差被引入。在数学上，产生的真实世界vbe可以被表示为：vbe＝vbe0-λt+c(t)，其中vbe0是vbe在0°k处的值，λ是vbe0随温度的衰减斜率，以及c(t)是非线性量。

16、斜率λ是过程相关的，因此在vbe中引入了不准确性，并且因此在生成的参考电压vref中引入了不准确性。在图1d中可以看到由斜率λ的不同值生成的vbe值的样本范围(spread)，其中可以注意到由斜率λ引入vbe的不准确度是线性的。

17、使用图1c的设计，iptat可以被调节以便尝试针对图1d中所示的vbe范围的类型来补偿vref以尝试将vref保持为尽可能与温度无关，使得上述μ以及因此的温度读出尽可能准确。iptat的这种调节可以通过调节可调节电阻rptat1/rptat2和r1的电阻值来被执行。然而，这种调节的准确性受到可调节电阻rptat1/rptat2和r1中最小电阻的阻值限制。高速率转换(例如，每10us一次转换)要求这两个支路中的电流非常高，导致非常小的电阻值。例如，为了充分调节iptat，使温度计算准确到1℃以内，可调节电阻rptat1/rptat2和r1中最小电阻的阻值可以低至5ω；因此，相关联的开关需要具有小于该值的电阻，这导致高面积消耗。此外，挑战在于该设计具有两个变量——r1的电阻和rptat1/rptat2的电阻(其彼此匹配)，并且这些电阻不能有效地被独立改变，因为一个电阻将影响另一个电阻。

18、为了克服这些准确性限制，以及为了易于校准，需要进一步开发。

技术实现思路

1、本文公开了一种温度感测电路，包括：电流生成电路，其被配置为生成与绝对温度成比例的初始电流；以及电压生成电路，其被配置为使用可调节电流源来镜像与绝对温度成比例的初始电流以产生缩放电流，并且将缩放电流供应到电阻器的第一端子以在第一端子处产生内部参考电压，其中电阻器的第二端子具有与施加于第二端子的绝对温度互补的电压。模数转换器具有被配置为接收内部参考电压的参考输入，以及被配置为选择性地接收与绝对温度互补的电压或外部源电压中的一项电压的数据输入。模数转换器被配置为生成指示以下各项之间的比率的输出代码：a)与绝对温度互补的电压或外部源电压，和b)内部参考电压。数字电路被配置为从输出代码确定温度读出，并且基于输出代码校准内部参考电压和温度读出。

2、数字电路通过将已知参考电压作为外部源电压传递到模数转换器来校准内部参考电压，并且调节可调节电流源以从而修改缩放电流的大小，进而根据输出代码修改内部参考电压，直到内部参考电压等于已知参考电压或等于已知参考电压的已知百分比。

3、在内部参考电压的校准之后，数字电路通过将根据输出代码的温度读出与已知温度进行比较来校准温度读出确定，并且调节用于确定温度读出的常数直到温度读出与已知温度相匹配。

4、输出代码被计算为μ＝vctat/vref，其中vctat是与绝对温度互补的电压，并且vref是内部参考电压。

5、温度读出被确定为t＝a×(1-μ)-b，其中t是温度，a和b是常数，其中a是经调节的常数，以及μ是输出代码。

6、数字电路进一步被配置为通过如下来确定外部或内部电源电压或任何其它电压的电压值：将外部或内部电源电压或任何其它电压作为外部源电压传递到模数转换器，并且根据内部参考电压和输出代码来确定电压值。

7、电流生成电路可以包括：第一pnp晶体管，其具有耦合到第一节点的发射极、耦合到接地的集电极、以及耦合到第一pnp晶体管的集电极的基极；第二pnp晶体管，其具有通过第一电阻器耦合到第二节点的发射极、耦合到接地的集电极、以及耦合到第一pnp晶体管的基极的基极；第一p沟道晶体管，其具有耦合到电源电压的源极、耦合到第一节点的漏极、以及栅极；以及第二p沟道晶体管，其具有耦合到电源电压的源极、耦合到第二节点的漏极、以及耦合到第一p沟道晶体管的栅极的栅极。相等性可以在第一p沟道晶体管和第二p沟道晶体管的漏极电流之间被实施。第一电阻器可以被耦合在第二节点和第二pnp晶体管的发射极之间。

8、相等性可以通过运算放大器在第一p沟道晶体管和第二p沟道晶体管的漏极电流之间被实施，运算放大器具有耦合到第二节点的非反向端子、耦合到第一节点的反相端子、以及耦合到第一p沟道晶体管和第二p沟道晶体管的栅极的输出。

9、电压生成电路可以包括：耦合在电源电压与第三节点之间的可调节电流源；耦合在第三节点与第四节点之间的电阻器；以及耦合到pnp晶体管的二极管，其生成与第四节点处的绝对温度互补的电压。

10、可调节电流源可以是可调节晶体管装置，可调节晶体管装置具有耦合到电源电压的源极、耦合到第三节点的漏极、以及耦合到第一p沟道晶体管和第二p沟道晶体管的栅极的栅极。

11、第一开关可以被耦合以选择性地将与绝对温度互补的电压或外部源电压施加于模数转换器的数据输入。输入电路可以包括：滤波器；第二开关，其选择性地将外部电源电压施加于滤波器；第三开关，其选择性地向滤波器提供已知参考电压；以及第四开关，其选择性地向模数转换器的数据输入提供来自滤波器的输出。