一种基于BJT的智能温度传感器的校正方法技术

本发明专利技术公开了一种基于BJT的智能温度传感器的校正方法，通过分段式的方法，依据V

【技术实现步骤摘要】
一种基于BJT的智能温度传感器的校正方法


[0001]本专利技术属于温度传感器集成电路
，具体涉及一种基于BJT的智能温度传感器的校正方法。

技术介绍

[0002]温度传感器广泛应用于测量、仪表和控制系统，在许多应用中，使用能够以数字格式产生易于解释的温度读数的温度传感器是很有吸引力的，这种智能温度传感器将传感器和接口电子器件结合在一块芯片上，并且最好采用低成本标准CMOS工艺制造。
[0003]CMOS温度传感器因为其体积小、功耗低、成本低的优势，被广泛地应用于环境监测、工业自动化、冷链运输等场合；根据硅基传感单元的不同，CMOS温度传感器又分为基于BJT(Bipolar Junction Transistor，双极结型晶体管)的温度传感器、基于电阻的温度传感器、基于热扩散(Thermal Diffusivity，TD)的温度传感器以及基于MOSFET的温度传感器，不同的温度传感器各具优缺点，其中BJT由于工艺偏差较小，因此被应用于大部分的温度传感器中。
[0004]基于BJT的温度传感器具有很大的测量范围，可以达到
‑
55℃到125℃。此外，由于BJT与温度具有较好的线性度，一般通过单点校正即可达到
±
1℃以内的精度，相对于电阻型和MOSFET型CMOS温度传感器而言大大节省了后端的校正成本，应用更为广泛。
[0005]基于BJT的智能温度传感器基本电路结构如图1所示，其中批量校正用于确定芯片输出与测量温度之间的关系式，单点校正用于消除由于工艺偏差等引起的不同芯片之间的offset。可以看出，常用的校正算法无法消除由V
BE
非线性引入的误差。
[0006]对于现有的基于BJT的CMOS温度传感器，其校准后精度受到V
BE
的非线性的影响，V
BE
的温度特性主要是由BJT的饱和电流的温度特性与集电极电流温度特性等相关；若BJT集电极电流I
C
∝
Tm，则V
BE
可表示为：
[0007][0008]其中：V
BE0
是绝对零度时的基极发射极电压，λ为一常数，k为玻尔兹曼常数，q是单位电荷量，η是一个受工艺影响的量(约为4)，T
ref
为参考温度，T为绝对温度；可见V
BE
的非线性项正比于TlnT，校准时如果能加入一个正比于TlnT的项，则可以完全消除V
BE
的非线性；传统的减小V
BE
非线性的方法，一方面是使集电极电流正比于T，即使得m为1，则可以减小非线性项；另一方面是在公式μ＝中，增大α，使分母V
BE
+αΔV
BE
呈现略微的正温度特性，用这个处于分母的正温度特性带来的非线性抵消掉一部分V
BE
带来的非线性；但上述方法虽然能一定程度减轻V
BE
非线性带来的影响，却不能完全消除。

技术实现思路

[0009]鉴于上述，本专利技术提供了一种基于BJT的智能温度传感器的校正方法，通过分段式
的方法，联合使用批量校正与单点校正，通过仅对每个芯片进行单点校正，实现对两个区间内的线性关系式斜率和截距均进行调整，大大降低了V
BE
的非线性影响，提高传感器输出精度。
[0010]一种基于BJT的智能温度传感器的校正方法，包括批量校正和单点校正两部分，首先进行批量校正，具体过程如下：
[0011](1)从温度传感器芯片中随机选取若干样品，将这些样品芯片静置于恒温箱中，在测温范围内于多个温度点下记录样品芯片在稳定后的输出信号X；
[0012](2)根据输出信号X与实际温度T之间的关系，将整个测温范围划分为两段；
[0013](3)在两个测温段内通过调节确定温度传感器芯片共有的批次校准系数；
[0014]然后对每一温度传感器芯片进行单点校正，得到每一温度传感器芯片独有的单独校准系数；最后根据温度传感器芯片共有的批次校准系数以及独有的单独校准系数，即可针对每一温度传感器芯片建立其输出信号X与输出温度值D的关系式，并计算出校准后的输出温度值。
[0015]进一步地，所述样品芯片的输出信号X＝V
BE
/ΔV
BE
，芯片中感温前端的BJT为对管结构，两个三极管基极与发射极之间的电压分别为V
BE1
和V
BE2
，则ΔV
BE
＝|V
BE1
‑
V
BE2
|，V
BE
为V
BE1
和V
BE2
的较小值。
[0016]进一步地，所述步骤(2)的具体实现方式为：由于输出信号X＝V
BE
/ΔV
BE
，进一步拟合出V
BE
与T的关系，选取该关系曲线靠近斜率转折点附近的温度点T
r
，进而将整个测温范围划分成两段即T
L
～T
r
和T
r
～T
H
，T
L
和T
H
分别为测温范围的下界值和上界值。
[0017]进一步地，V
BE
与T的关系式如下：
[0018]V
BE
＝V
BE0
‑
λT+c(T)
[0019]其中：V
BE0
为绝对零度下对应三极管基极与发射极之间的电压，λ为常数，c(T)为关于T的高阶项。
[0020]进一步地，所述高阶项c(T)的表达式如下：
[0021][0022]其中：k为玻尔兹曼常数，q是单位电荷量，η是一个受工艺影响的参量(约为4)，T
ref
为参考温度，m为BJT三极管集电极电流与温度关系的幂指数。
[0023]进一步地，所述温度点T
r
为高阶项c(T)与温度T切线斜率为0时的温度点。
[0024]进一步地，所述温度点T
r
为27℃。
[0025]进一步地，所述步骤(3)的具体实现方式为：首先对于任一样品芯片，根据该样品芯片在各温度点下稳定后的输出信号X，建立输出信号X与输出温度值D的关系式如下：
[0026][0027][0028]其中：μ1和μ2为中间变量，m1、m2、A1、A2、B1、B2为温度传感器芯片共有的批次校准系数；
[0029]然后按照以下标准依次调节确定该样品芯片对应的批次校准系数；
[0030]当T
L
≤T<T
r
时，调整m1使得整体上μ1与T线性拟合相关系数R的平方值最大；当T
r
≤T≤T
H
时，调整m2使得整体上μ2与T线性拟合相关系数R的平方值最大；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于BJT的智能温度传感器的校正方法，包括批量校正和单点校正两部分，首先进行批量校正，具体过程如下：(1)从温度传感器芯片中随机选取若干样品，将这些样品芯片静置于恒温箱中，在测温范围内于多个温度点下记录样品芯片在稳定后的输出信号X；(2)根据输出信号X与实际温度T之间的关系，将整个测温范围划分为两段；(3)在两个测温段内通过调节确定温度传感器芯片共有的批次校准系数；然后对每一温度传感器芯片进行单点校正，得到每一温度传感器芯片独有的单独校准系数；最后根据温度传感器芯片共有的批次校准系数以及独有的单独校准系数，即可针对每一温度传感器芯片建立其输出信号X与输出温度值D的关系式，并计算出校准后的输出温度值。2.根据权利要求1所述的校正方法，其特征在于：所述样品芯片的输出信号X＝V
BE
/ΔV
BE
，芯片中感温前端的BJT为对管结构，两个三极管基极与发射极之间的电压分别为V
BE1
和V
BE2
，则ΔV
BE
＝|V
BE1
‑
V
BE2
|，V
BE
为V
BE1
和V
BE2
的较小值。3.根据权利要求2所述的校正方法，其特征在于：所述步骤(2)的具体实现方式为：由于输出信号X＝V
BE
/ΔV
BE
，进一步拟合出V
BE
与T的关系，选取该关系曲线靠近斜率转折点附近的温度点T
r
，进而将整个测温范围划分成两段即T
L
～T
r
和T
r
～T
H
，T
L
和T
H
分别为测温范围的下界值和上界值。4.根据权利要求3所述的校正方法，其特征在于：V
BE
与T的关系式如下：V
BE
＝V
BE0
‑
λT+c(T)其中：V
BE0
为绝对零度下对应三极管基极与发射极之间的电压，λ为常数，c(T)为关于T的高阶项。5.根据权利要求4所述的校正方法，其特征在于：所述高阶项c(T)的表达式如下：其中：k为玻尔兹曼常数，q是单位电荷量，η是一个受工艺影响的参量，T
ref
为参考温度，m为BJT三极管集电极电流与温度关系的幂指数。6.根据权利要求4所述的校正方法，其特征在于：所述温度点T
r
为高阶项c(T)与温度T切线斜率为0时的温度点。7.根据权利要求3所述的校正方法，其特征在于：所述温度点T
r
为27℃。8.根据权利要求3所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：何乐年，钱福悦，张啸蔚，陈颜烨，奚剑雄，
申请(专利权)人：杭州悦芯微电子有限公司，
类型：发明
国别省市：