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CN113340470B - 一种温度传感器及其片上高精度校准方法 - Google Patents

一种温度传感器及其片上高精度校准方法 Download PDF

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CN113340470B CN202110793684.5A CN202110793684A CN113340470B CN 113340470 B CN113340470 B CN 113340470B CN 202110793684 A CN202110793684 A CN 202110793684A CN 113340470 B CN113340470 B CN 113340470B
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Shanghai Muju Microelectronics Co ltd
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Abstract

本发明公开了一种温度传感器及其片上高精度校准方法，所述温度传感器的片上高精度校准方法包括：分别确定第一电压信号V1、第二电压信号V2与温度值T的一阶线性表达式；根据所述第一电压信号V1、所述第二电压信号V2的一阶线性表达式，推导得到温度值T与量化比值Y、校准参数的关系表达式；复用温度传感器，测量两个温度T1、T2下的所述第一电压信号V1、所述第二电压信号V2的值，计算得到所述校准参数的准确值，完成温度传感器的片上校准。

Description

一种温度传感器及其片上高精度校准方法
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种温度传感器及其片上高精度校准方法。
背景技术
由于CMOS温度传感器应用非常广泛，而不同应用场景环境多样，对于温度传感器的设计也提出了相应的各种挑战。在大规模量产中，由于工艺偏差不可避免，不同批次的CMOS温度传感器参数各异，即使是同一批次的不同颗芯片也存在差异。为了保证足够的测温准确度和良率，常常需要对温度传感器进行逐个出厂校准。然而，温度传感器的校准精度依赖于参考温度的准确性。这一方面需要校准时温度传感器环境温度保持稳定，另一方面还需要准确获取当前校准环境的温度数值，两者都大大增加了大批量芯片的校准成本。
目前的测试方法，为了保证精度，需要多个温度点测量，比如申请号为CN201310211368.8的专利申请，用于CMOS温度传感器的温度校准装置及方法，这个专利中实现了两温校准，专利中预设温度传感器的输出随温度是完全线性的，进而求出输出随温度变化的一阶线性函数的斜率和截距，但是明显地，这种假设是不真实的。
片上CMOS温度传感器通常是利用CMOS工艺中的寄生PNP三极管作为感温元件产生VBE和ΔVBE两个与温度相关的电压信号，以这两个与温度成近似线性关系的电压信号为基础进行温度测量。通常的方案是以一个固定的电压作为参考源量化一个随温度变化的量，这个固定的电压参考需要不随工艺波动、电源电压以及温度等外界条件变化，VBE和ΔVBE可以用来产生这个参考电压。由于工艺参数的变化以及VBE本身的温度特性，VBE与ΔVBE温度系数的比例值Y会随温度变化，进而会带来校准的误差，这在精度要求比较高的温度传感器应用中是不可接受的。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明，以便提供一种温度传感器及其片上高精度校准方法，既可以确定第一电压信号V1、第二电压信号V2的一阶线性表达式中斜率和截距的精确校准值，又可以精确确定温度传感器中温度值T关系表达式的各个校准参数，实现了更高精度的CMOS温度传感器校准方案。
在本发明的一个实施例中，提供了一种温度传感器的片上高精度校准方法，包括：
步骤S1：分别确定第一电压信号V1、第二电压信号V2与温度值T的一阶线性表达式；其中，第一电压信号V1和第二电压信号V2分别对应不同的温度系数；
步骤S2：根据所述第一电压信号V1、所述第二电压信号V2的一阶线性表达式，推导得到温度值T与量化比值Y、校准参数的关系表达式；其中所述量化比值Y为量化后的所述第二电压信号V2、所述第一电压信号V1的比值；
步骤S3：复用温度传感器，测量两个温度T1、T2下的所述第一电压信号V1、所述第二电压信号V2的值，计算得到所述校准参数的准确值，完成温度传感器的片上校准。
进一步的，步骤S1中所述一阶线性表达式为：
V1＝a0+a1T
V2＝b0+b1T
其中，a0、a1表示第一电压信号V1的一阶线性表达式中斜率、截距参数；b0、b1表示第二电压信号V2的一阶线性表达式中斜率、截距参数。
进一步的，步骤S2中所述关系表达式为：
其中，a、b、c为所述校准参数：
进一步的，步骤S3中进一步包括：测量两个温度T1、T2下的V1、V2的值，计算得到a0、a1、b0、b1的值，进而得到所述校准参数a、b、c的准确值。
进一步的，所述数字温度传感器包括依次连接的所述模拟前端、Δ∑ADC、DSP。
进一步的，所述模拟前端，利用CMOS工艺中的寄生PNP三极管作为感温元件，生成与温度相关的第一电压信号V1和第二电压信号V2。
进一步的，所述Δ∑ADC，用于接收所述第一电压信号V1和所述第二电压信号V2，获取所述第一电压信号V1和所述第二电压信号V2的比值，对所述比值进行量化、滤波处理得到所述量化比值Y。
进一步的，所述DSP，用于将该量化比值Y转换为数字温度值。
在本发明的另一个实施例中，提供了一种温度传感器，采用所述的温度传感器的片上高精度校准方法。
在本发明的另一个实施例中，提供了一种集成电路，包括所述的温度传感器。
本发明的有益技术效果是：
本发明公开了一种温度传感器及其片上高精度校准方法，通过两温法既可以确定第一电压信号V1、第二电压信号V2的一阶线性表达式中斜率和截距的精确校准值，又可以精确确定温度传感器中温度值T关系表达式的各个校准参数，因此实现了更高精度的CMOS温度传感器校准方案。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中数字温度传感器架构的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种温度传感器的片上高精度校准方法的流程图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本发明提供了一种温度传感器及其片上高精度校准方法，通过两温法既可以确定第一电压信号V1、第二电压信号V2的一阶线性表达式中斜率和截距的精确校准值，又可以精确确定温度传感器中温度值T关系表达式的各个校准参数，因此实现了更高精度的CMOS温度传感器校准方案。
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
图1为现有技术中数字温度传感器架构的结构示意图。如图1所示，数字温度传感器包括模拟前端、Δ∑ADC、DSP。
模拟前端，利用CMOS工艺中的寄生PNP三极管作为感温元件，生成与温度相关的第一电压信号V1和第二电压信号V2；第一电压信号V1和第二电压信号V2分别对应不同的温度系数。
进一步的，第一电压信号V1与温度成正相关，第二电压信号V2与温度成负相关；其中，第二电压信号V2是两个PNP三极管的基极-发射极电压VBE之差。
Δ∑ADC，用于接收第一电压信号V1和第二电压信号V2，获取第一电压信号V1和第二电压信号V2的比值，对比值进行量化、滤波处理得到量化比值Y。其中
DSP，用于将该量化比值Y转换为数字温度值。
基于该数字温度传感器，图2为本发明实施例提供的温度传感器的片上高精度校准方法的流程图。如图2所示，该温度传感器的片上高精度校准方法包括：
步骤S1：分别确定第一电压信号V1、第二电压信号V2与温度值T的一阶线性表达式：
V1＝a0+a1T (1)
V2＝b0+b1T (2)
其中，a0、a1表示第一电压信号V1的一阶线性表达式中斜率、截距参数；b0、b1表示第二电压信号V2的一阶线性表达式中斜率、截距参数。
在本发明中，设V1与V2都是一阶线性随温度变化的，特别地，与常规的校准算法不同，本专利中并不是假设V2是绝对PTAT的电压，即当绝对温度为0时V2的值并不是0，这一假设也保证了此校准方法的高精度。
步骤S2：根据第一电压信号V1、第二电压信号V2的一阶线性表达式，推导得到温度值T与量化比值Y、校准参数的关系表达式。
具体为：将第一电压信号V1、第二电压信号V2的一阶线性表达式带入量化比值Y，得到：
由上式得到：
进而简化为：
其中a、b、c为校准参数：
步骤S3：复用温度传感器，测量两个温度T1、T2下的V1、V2的值，通过公式(1)和公式(2)计算得到a0、a1、b0、b1的值，进而得到校准参数a、b、c的准确值，至此就完成了温度传感器的片上校准。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种片上高精度温度传感器校准方法，其特征在于，包括：
步骤S1：分别确定第一电压信号V1、第二电压信号V2与温度值T的一阶线性表达式；其中，利用所述温度传感器的模拟前端，生成与温度相关的所述第一电压信号V1以及所述第二电压信号V2；
步骤S2：根据所述第一电压信号V1、所述第二电压信号V2的一阶线性表达式，推导得到温度值T与量化比值Y、校准参数的关系表达式；其中所述量化比值Y为量化后的所述第二电压信号V2、所述第一电压信号V1的比值；
步骤S3：复用温度传感器，测量两个温度T1、T2下的所述第一电压信号V1、所述第二电压信号V2的值，计算得到所述校准参数的准确值，完成温度传感器的片上校准；
步骤S1中所述一阶线性表达式为：
V1＝a0+a1T
V2＝b0+b1T
其中，a0、a1表示第一电压信号V1的一阶线性表达式中斜率、截距参数；b0、b1表示第二电压信号V2的一阶线性表达式中斜率、截距参数；当绝对温度为0时V2的值并不是0；
步骤S2中所述关系表达式为：
，
其中，a、b、c为所述校准参数：
，
，
，
步骤S3中进一步包括：测量两个温度T1、T2下的V1、V2的值，计算得到a0、a1、b0、b1的值，进而得到所述校准参数a、b、c的准确值。
2.一种高精度温度传感器，其特征在于，采用权利要求1所述的片上高精度温度传感器校准方法。
3.根据权利要求2所述的温度传感器，其特征在于，包括依次连接的模拟前端、Δ∑ADC、DSP。
4.根据权利要求3所述的温度传感器，其特征在于，所述模拟前端，利用CMOS工艺中的寄生PNP三极管作为感温元件，生成与温度相关的第一电压信号V1和第二电压信号V2。
5.根据权利要求3所述的温度传感器，其特征在于，所述Δ∑ADC，用于接收第一电压信号V1和第二电压信号V2，获取第一电压信号V1和第二电压信号V2的比值，对所述比值进行量化、滤波处理得到量化比值Y。
6.根据权利要求3所述的温度传感器，其特征在于，所述DSP，用于将量化比值Y转换为数字温度值。
7.一种集成电路，其特征在于，包括权利要求2-6中任一所述的高精度温度传感器。
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