專利名稱：數(shù)字溫度傳感器及其校準(zhǔn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)字溫度傳感器，并且具體地，涉及一種數(shù)字溫度傳感器的校準(zhǔn)的改進(jìn)方法。此種傳感器通常用于集成的溫度傳感器部件，例如，在桌面和服務(wù)器計算機(jī)應(yīng)用中。
背景技術(shù)：
圖1示出了公知“智能”溫度傳感器的方框圖。其包含模擬溫度傳感器，產(chǎn)生精確地與絕對溫度成比例(PTAT)的電壓VPTAT。為了產(chǎn)生數(shù)字輸出ADOUT，模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)將該P(yáng)TAT電壓與溫度無關(guān)帶隙基準(zhǔn)電壓VREF相比較ADOUT=VPTATVREF---(1)]]>由于制造容限(例如，IC工藝參數(shù)中的擴(kuò)散、封裝偏移)，在室溫中此種溫度傳感器的初始誤差典型地為±2.0℃。利用適當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計，該誤差主要地來自于在帶隙基準(zhǔn)中使用的雙極型晶體管的基極-發(fā)射極電壓絕對值的擴(kuò)散(spread)。
可以減小該擴(kuò)展的電路技術(shù)對于本發(fā)明人是未知的。因此，僅可以通過減小基極-發(fā)射極電壓的工藝容限或通過對傳感器進(jìn)行修整來減小所述誤差。如果傳感器在標(biāo)準(zhǔn)的低成本IC工藝中生產(chǎn)，第一種選項(xiàng)通常是不可接受的。因此，對大多數(shù)智能溫度傳感器進(jìn)行修整。在修整工藝中，在一個或更多的溫度處確定傳感器的溫度誤差(校準(zhǔn)步驟)，其后調(diào)整電路，以抵消誤差(修整步驟)。修整步驟包括例如通過激光修整、齊納擊穿短路(zener zapping)或通過改變在PROM中存儲的值，在模擬或數(shù)字域?qū)﹄娐愤M(jìn)行永久修改。
通過將傳感器的讀數(shù)與具有和傳感器相同溫度的公知精確度的基準(zhǔn)溫度計的讀數(shù)相比較，來確定傳感器的溫度誤差。這要求熱穩(wěn)定的生產(chǎn)環(huán)境。該比較可以在晶片級執(zhí)行，在這種情況下，由多個傳感器來共享使設(shè)備熱穩(wěn)定所需的時間。然而，隨后的切割和封裝將導(dǎo)致沒有進(jìn)行補(bǔ)償?shù)臏囟日`差偏移。因此，希望用于錯誤的封裝之后的單獨(dú)校準(zhǔn)在±0.5℃以下。利用本發(fā)明的熱校準(zhǔn)技術(shù)，所述校準(zhǔn)實(shí)質(zhì)上是生產(chǎn)工藝中的成本受限因素。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)一個方面，本發(fā)明提出了一種用于對數(shù)字溫度傳感器電路進(jìn)行校準(zhǔn)的方法，所述電路包括模擬溫度感測裝置；內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源；以及模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，被設(shè)置成從模擬溫度感測裝置和基準(zhǔn)電壓源接收各個信號，并且輸出表示環(huán)境溫度的數(shù)字信號，所述方法包括步驟確定通過基準(zhǔn)電壓源輸出的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓值；將所述值與希望的基準(zhǔn)電壓值相比較；以及響應(yīng)比較步驟的結(jié)果來調(diào)整基準(zhǔn)電壓源。
可以設(shè)置所述電路，以便能夠直接測量內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，并且因此能夠通過直接測量來確定其值。例如，這可以通過包括合適的驅(qū)動器電路來促進(jìn)。
在另一個實(shí)施例中，設(shè)置所述電路，以便能夠直接測量模擬溫度感測裝置的輸出電壓。因此，可以根據(jù)此輸出和來自ADC的輸出信號來確定內(nèi)部基準(zhǔn)電壓值。再次，可以將合適的驅(qū)動器電路用于能夠直接進(jìn)行該測量。
在另外的變體中，利用外部基準(zhǔn)電壓信號代替從內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源到ADC的輸出信號，使用分別響應(yīng)內(nèi)部和外部基準(zhǔn)電壓而產(chǎn)生的ADC輸出信號值來確定所述內(nèi)部基準(zhǔn)電壓。
此外，可以利用公知的外部電壓代替模擬溫度感測裝置的輸出信號，能夠使用響應(yīng)此產(chǎn)生的ADC輸出信號來確定內(nèi)部基準(zhǔn)電壓值。
根據(jù)另外的方面，本發(fā)明提出了一種數(shù)字溫度傳感器，包括模擬溫度感測裝置、內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源和ADC，所述ADC被設(shè)置成從模擬溫度感測裝置和基準(zhǔn)電壓源接收各個信號，并且輸出表示環(huán)境溫度的數(shù)字信號，可調(diào)整所述內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源，以改變因此輸出的基準(zhǔn)電壓的值，并且設(shè)置所述電路，以便接收外部基準(zhǔn)電壓信號，以及代替內(nèi)部基準(zhǔn)電壓信號或模擬溫度感測裝置信號將所述外部基準(zhǔn)電壓信號輸入到ADC中，使得可以確定內(nèi)部基準(zhǔn)電壓值，并且可以根據(jù)需要調(diào)整內(nèi)部基準(zhǔn)電壓信號。
本發(fā)明使用這樣的事實(shí)利用適當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計，芯片內(nèi)模擬溫度傳感器(PTAT源)的初始精確度足夠大多數(shù)應(yīng)用。因此，僅需要測量和補(bǔ)償芯片內(nèi)電壓基準(zhǔn)的誤差。此種電子電壓模式校準(zhǔn)可以顯著地減小生產(chǎn)成本，因?yàn)槠淇梢员葌鹘y(tǒng)的熱校準(zhǔn)更快地執(zhí)行。
此外，其可以在已經(jīng)對電路進(jìn)行封裝之后來執(zhí)行，避免因此引起的任何擾動，并且可以不要求任何附加的器件管腳。
利用合適的電路設(shè)計，可以做出在-50℃至125℃的范圍內(nèi)具有±0.1℃的初始誤差的PTAT源(參見M.A.P.Pertijs，G.C.M.Meijer，J.H.Huijsing 2002年6月12日至14日在美國佛羅里達(dá)州奧蘭多矩形的IEEE sensors 2002會議中的“Non-Idealities of Temperature Sensorusing Substrate PNP Transistors”，將其內(nèi)容合并在此作為參考)。由于可以將ADC對于傳感器的誤差的貢獻(xiàn)做成是可忽略的，因?yàn)閹痘鶞?zhǔn)較高的初始誤差，本發(fā)明已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了溫度傳感器僅需要進(jìn)行修正。因此，校準(zhǔn)可以局限于帶隙基準(zhǔn)只需確定相對于外部電壓基準(zhǔn)的帶隙基準(zhǔn)電壓中的誤差，而不是全部傳感器的溫度誤差。


在這里參考附圖來描述公知溫度傳感器和本發(fā)明的實(shí)施例，其中圖1示出了公知溫度傳感器的方框圖；圖2示出了將圖1改進(jìn)為演示本發(fā)明實(shí)施例的校準(zhǔn)技術(shù)的圖；以及圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的數(shù)字溫度電路。
具體實(shí)施例方式
圖2示出了測量帶隙基準(zhǔn)電壓VREF的四種方式1.直接，通過輸出VREF；2.間接，通過輸出VPTAT和ADOUT，并且根據(jù)等式(1)計算VREF
3.間接，通過輸入外部基準(zhǔn)電壓VREFext，并且進(jìn)行兩步隨后的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換一種使用內(nèi)部基準(zhǔn)，并且另一種使用外部基準(zhǔn)ADOUT1=VPTATVREF;ADOUT2=VPTATVREFext⇒VREF=ADOUT2ADOUT1VREFext---(2)]]>4.間接，通過輸入外部信號電壓VSIGextADOUT=VSIGextVREF⇒VREF=VSIGextADOUT---(3)]]>在這些情況的任意一種中，將針對VREF得到的值與精確的外部基準(zhǔn)電壓相比較，以確定相對于希望值的誤差。因?yàn)榛鶞?zhǔn)實(shí)質(zhì)上是溫度無關(guān)的，測量期間的傳感器的溫度不是決定性的(critical)。
測量的類型是電壓測量，而不是溫度測量，這與工業(yè)測試環(huán)境更兼容，并且可以更快且更可靠地執(zhí)行。
基于找到的誤差，通過增加或減去適當(dāng)?shù)腜TAT項(xiàng)來對帶隙基準(zhǔn)電路進(jìn)行修整。因?yàn)閹痘鶞?zhǔn)電壓的誤差傾向于PTAT，這保證修整在較寬的溫度范圍內(nèi)是有效的，即使僅在一個溫度處測量到誤差。
應(yīng)該理解的是，在使用所述技術(shù)的校準(zhǔn)和修整之后的總精確度由幾個因素確定；●PTAT源的初始精確度●VREF的測量精確度●基極-發(fā)射極電壓的修整的分辨率●基極-發(fā)射極電壓的高階溫度依賴性的可再現(xiàn)性。
假定基極-發(fā)射極電壓的高階溫度依賴性的擴(kuò)散較小，在-50℃至125℃的范圍中，可利用室溫的單獨(dú)校準(zhǔn)來獲得±0.3℃的精確度。
在測量VREF的上述方式中，選項(xiàng)3和4是特別地有益，因?yàn)樗麄円馕吨鴮⒕_的外部電壓輸入到芯片，而不是對內(nèi)部電壓進(jìn)行“芯片中斷”，這將要求精確的“芯片內(nèi)”驅(qū)動器。
圖3示出了可以根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行校準(zhǔn)的溫度傳感器的示意圖。該實(shí)現(xiàn)沒有與選項(xiàng)3或4精確地對應(yīng)，但是本質(zhì)上采用了相同的原理在進(jìn)行校準(zhǔn)以測量芯片內(nèi)帶隙基準(zhǔn)的偏差期間，將定義明確的外部電壓VEXT施加到芯片內(nèi)帶隙基準(zhǔn)。
對帶隙基準(zhǔn)電壓中的誤差進(jìn)行間接地測量，并且隨后將他們的電壓調(diào)整為其額定值。
圖3的溫度傳感器的核心由兩個襯底PNP晶體管形成(在CMOS工藝中)，使用一組三個電流源進(jìn)行偏置Ihigh和Ilow，具有明確定義(可能動態(tài)匹配的)的比m(即，Ihigh＝mIlow)；以及Itrim，可以通過改變PROM中的trim_val來數(shù)字化地調(diào)整其值。
使用兩個多路復(fù)用器，電荷平衡的ADC(例如，sigma-delta ADC)的輸入Vin可能是以下電壓之一●ΔVBE＝VBE(Ihigh)-VBE(Ilow)，是兩個PNP晶體管的基極-發(fā)射極電壓之間的差，并且與絕對溫度成比例(PTAT)，●VBE(Itrim)，是任意一個PNP晶體管的絕對基極-發(fā)射極電壓，●VEXT，是明確定義的外部電壓。
圖3的傳感器的校準(zhǔn)包括兩個步驟。首先，執(zhí)行正常的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換(cal_mode＝0)，在此期間電荷平衡ADC產(chǎn)生未修整的溫度讀數(shù)ADOUT1=αΔVBEVBE(Itrim)+αΔVBE=VPTATVREF---(4)]]>其中，因子α是在ADC內(nèi)部設(shè)定的精確比(例如，通過動態(tài)地匹配采樣電容器)。
其后，外部電壓VEXT代替VBE(cal_mode＝1)，并且ADC產(chǎn)生ADOUT2=αΔVBEVEXT+αΔVBE---(5)]]>根據(jù)ADOUT1、ADOUT2和VEXT，可以計算VREF。根據(jù)VREF與額定值的偏差，然后可以計算需要調(diào)整Itrim多少，即，需要在PROM中對哪一個trim_val進(jìn)行編程。在隨后的轉(zhuǎn)換期間，cal_mode將總是為0，并且ADC將產(chǎn)生精確的溫度讀數(shù)。
與“傳統(tǒng)”校準(zhǔn)的傳感器不同，該校準(zhǔn)技術(shù)僅要求非常少的電路多路復(fù)用器和控制邏輯可以更加復(fù)雜。需要一個管腳以便可以向電路施加外部電壓。例如，可以為此使用用于地址選擇的管腳的數(shù)字管腳或總線(接口)。
可以使用總線接口將要在PROM中存儲的修正值與芯片進(jìn)行通信，也可以用于在正常操作期間讀出傳感器。
根據(jù)閱讀本發(fā)明，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員其他變化和修改是顯而易見的。此種變化和修改可以包含本領(lǐng)域公知的等同物和其他特征，并且可以用來代替或增加這里已經(jīng)描述的特征。
盡管已經(jīng)在該申請中將權(quán)利要求闡明為所述特征的具體組合，應(yīng)該理解的是，本發(fā)明公開的范圍還包括任意新穎特征或這里公開的明確或隱含特征的任意新穎組合、及其概括。
在單獨(dú)實(shí)施例的內(nèi)容中描述的特征還可以被提供為單獨(dú)實(shí)施例中的組合。相反地，為了簡要起見，在單獨(dú)實(shí)施例中描述的不同特征還可以單獨(dú)地被提供或處于任何適合的子組合。申請人因此提醒在本申請或任意其它導(dǎo)出物的審查期間，可以將新的權(quán)利要求闡明為此種特征和/或此種特征的組合。
權(quán)利要求
1.一種用于對數(shù)字溫度傳感器電路進(jìn)行校準(zhǔn)的方法，所述電路包括模擬溫度感測裝置；內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源；以及模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，被設(shè)置用于從模擬溫度感測裝置和基準(zhǔn)電壓源接收各個信號，并且輸出表示環(huán)境溫度的數(shù)字信號，所述方法包括步驟確定由基準(zhǔn)電壓源輸出的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓值；將所述值與希望的基準(zhǔn)電壓值相比較；以及響應(yīng)比較步驟的結(jié)果來調(diào)整基準(zhǔn)電壓源。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，設(shè)置所述電路，使得能夠直接測量內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，確定內(nèi)部基準(zhǔn)電壓值的步驟包括直接進(jìn)行測量。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，設(shè)置所述電路，使得能夠直接測量模擬溫度感測裝置的輸出電壓，確定內(nèi)部基準(zhǔn)電壓值的步驟包括直接測量模擬溫度感測裝置的輸出電壓以及ADC的輸出信號，以及據(jù)此確定內(nèi)部基準(zhǔn)電壓值。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，確定內(nèi)部基準(zhǔn)電壓值的步驟包括利用外部基準(zhǔn)電壓信號代替從內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源到ADC的輸出信號，根據(jù)分別響應(yīng)內(nèi)部和外部基準(zhǔn)電壓而產(chǎn)生的ADC輸出信號值來確定內(nèi)部基準(zhǔn)電壓值。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，確定內(nèi)部基準(zhǔn)電壓值的步驟包括利用公知的外部電壓來代替模擬溫度感測裝置的輸出信號，以及使用響應(yīng)所述外部電壓產(chǎn)生的ADC輸出信號來確定內(nèi)部基準(zhǔn)電壓值。
6.一種數(shù)字溫度傳感器電路，包括模擬溫度感測裝置；內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源；以及ADC，被設(shè)置成從模擬溫度感測裝置和基準(zhǔn)電壓源接收各個信號，并且輸出表示環(huán)境溫度的數(shù)字信號，能夠調(diào)整所述內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源，以改變因此輸出的基準(zhǔn)電壓值，并且設(shè)置所述電路，使得能夠直接測量所述內(nèi)部基準(zhǔn)電壓。
7.一種數(shù)字溫度傳感器電路，包括模擬溫度感測裝置；內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源；以及ADC，被設(shè)置成從模擬溫度感測裝置和基準(zhǔn)電壓源接收各個信號，并且輸出表示環(huán)境溫度的數(shù)字信號，能夠調(diào)整所述內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源，以改變因此輸出的基準(zhǔn)電壓值，并且設(shè)置所述電路，使得能夠直接測量所述模擬溫度感測裝置的輸出電壓。
8.一種數(shù)字溫度傳感器電路，包括模擬溫度感測裝置；內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源；以及ADC，被設(shè)置成從模擬溫度感測裝置和基準(zhǔn)電壓源接收各個信號，并且輸出表示環(huán)境溫度的數(shù)字信號，能夠調(diào)整所述內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源，以改變因此輸出的基準(zhǔn)電壓值，并且設(shè)置所述電路，以接收外部基準(zhǔn)電壓信號，以及代替內(nèi)部基準(zhǔn)電壓信號或模擬溫度感測裝置信號將所述外部基準(zhǔn)電壓信號輸入到ADC中，以便能夠確定內(nèi)部基準(zhǔn)電壓值，并且根據(jù)需要調(diào)整內(nèi)部基準(zhǔn)電壓信號。
全文摘要
一種用于對數(shù)字溫度傳感器電路進(jìn)行校準(zhǔn)的方法，所述電路包括模擬溫度感測裝置；內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源；以及模擬－數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)。ADC被配置用于從模擬溫度感測裝置和基準(zhǔn)電壓源接收各個信號，并且輸出表示環(huán)境溫度的數(shù)字信號。所述方法包括步驟確定由基準(zhǔn)電壓源輸出的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓值；將所述值與希望的基準(zhǔn)電壓值相比較；以及響應(yīng)比較步驟的結(jié)果來調(diào)整基準(zhǔn)電壓源。此種電子電壓模式校準(zhǔn)可以顯著地降低生產(chǎn)成本，這是因?yàn)槠淇梢员葌鹘y(tǒng)熱校準(zhǔn)更快地執(zhí)行。
文檔編號G01K15/00GK101019010SQ200580030728
公開日2007年8月15日 申請日期2005年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月15日
發(fā)明者邁克爾·A·P·佩爾蒂斯, 約翰·H·胡聲 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司