专利名称：用于亚微米级集成电路的温度检测电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及温度检测领域，更具体的说涉及一种用于亚微米级集成电路的温度检测电路。
背景技术：
目前测试诸如微处理器、微控制器、专用集成电路以及FPGA等装置(以下简称被测试装置DUT)中的温度，一般都是通过测试其内置三极管来实现；由于被测试装置DUT中内置三极管的发射极E和基极B有引脚对外接口，故通过发射极E和基极B之间的电压Vbe 的特性便可以测试出芯片内部的温度，其具体的推导过程如下AVbe= Vbel_Vbe2= η*(kT/ q)*ln(Icl/Ic2)；其中，Ic是流过三极管集电极C的电流，Icl流过集电极产生电压Vbel，Ic2流过集电极产生电压Vbe2 ；T为热力学绝对温度，单位是K ；q是电子的电荷量，q=l. 6X10 19C，为常数；k 为玻耳兹曼常数，k=l. 38 X 10 23 J/K ；n是非理想因子，与工艺有关，一旦工艺确定后基本为常数，约等于1，为了简便， 除了特别需要外以下公式中将n设为1，公式中不出现n ；为了简便，可以设Vt=kT/q ；因此上述公式简写为AVbe= Vt* ln(ICl/IC2);由以上公式推导出:T=q*AVbe /k/ln(Icl/Ic2)；由此，当Icl/Ic2=常数D时，T= q* Δ Vbe /k/lnD ；在公式中，q、k和InD均为常数，即T与AVbe成线性关系，测量Δ Vbe的值后通过运算(如设定合适增益)即可得到T的值。在外围电路中，由于内置三极管的集电极C并没有引出，无法直接从集电极C端输入特定电流来保证Icl/Ic2=D，因此如何保证Icl/Ic2=D便是难题，也是成为温度测量误差的因
-Ζ, ο针对此难题，传统的解决方法都是通过向发射极E端输入不同的电流Ie来产生不同的Ic电流，由于Ic= Ιθ*β/(1+β), β为三极管的放大倍数，因此控制Iel/Ie2=D来就能间接实现Icl/Ic2 D0需要注意的是，β并不是一个常数，其与三极管工作的条件有关，如与Ie、Ic大小有关，与三极管所处的温度有关，而且是非线性的关系。公式T=q*AVbe /k/ln(Icl/Ic2)引入β因素进一步推导为当Iel流经三极管时，产生Icl= Ιθ1*β1/(1+β1)，这时的发射极E和基极B之间电压记为 Vbel，Vbel=Vt^lnIcl ；当Ie2流经三极管时，产生Ic2= Θ2*β2/(1+β2)，这时的发射极E和基极B之间电压记为 Vbe2 ；Vbe2=Vt*lnIc2 ；两者电压差AVbe=Vt *ln(Ic2/Icl)代入Icl= Ιθ1*β 1/(1+β 1)，Ic2= Ie2* β 2/(1+β 2)得到结果[0018]AVbe =Vt*ln {(Ie2/Iel) * [1+( β 2_ β 1) / ( β 1+β 1 β 2) ]}=Vt*ln{(Ie2/Iel)*[l+A β /(β 1+β 1 β 2)]}如此，对于微米级及微米级以上工艺而言，即便β不是常数，但β比较大，因此 Δβ/(β1+β1β2)与1比很小可以忽略，所以只要保证Ie2/Iel为常数D，Ic2/Icl即会约等于 D，即 AVbe ^ kT/q *lnD ；从而推导出T q*AVbe/k/lnD，测量Δ Vbe加以运算便可以得到所测量的温度值 Τ，较为准确。请参照图1所示，其为应用上述检测方案的具体检测电路，其具有用于采集发射极E和基极B之间电压的采样检测单元以及呈并联关系的电源Il和电源12，电源I2=(D-1) *11，开关SW则与电源12串联，通过控制开关SW的打开和关闭，从而能向DUT的发射极E 供给具有D倍差距的电流。具体的，当开关SW断开时，Il电流流经发射极E即为Iel电流， 基极B、发射极E之间产生电压记为Vbel，由采样检测单元采样记录Vbel (在大多情况下需要模数转换将结果保持在寄存器中)；当开关SW接通时，I1+I2=D*I1电流流经发射极E， 即为Ie2电流，是Iel电流的D倍，基极B、发射极E之间产生电压记为Vbe2，由采样检测单元采样记录Vbe2 ；接着由采样检测单元将两次记录结果相减，得到Vbe2_Vbel，再乘以合适的增益N，并加偏移量(记为Ti)转换为摄氏温度值或是华氏温度值，输出结果。但是，对于亚微米级工艺，由于β小于1，AVbe公式中Δ β / ( β 1+β 1 β 2)不能忽略不计，由于不同Ie电流、不同温度条件下Δ β/(β1+β1β2)是不同的，因此AVbe弓丨入非线性误差，即使得上述具体检测电路实现Ie2/Iel=D无法适用，误差较大。有鉴于此，本发明人针对亚微米级工艺三极管在温度检测时的上述缺陷深入研究，遂有本案产生。

实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种用于亚微米级集成电路的温度检测电路，以解决现有技术中存在误差大而无法得到当前温度准确值的问题。为了达成上述目的，本实用新型的解决方案是一种用于亚微米级集成电路的温度检测电路，其中，包括第一电流源组件，与三极管的发射极相连并可改变发射极注入电流的大小；第二电流源组件，输出的电流同步于第一电流源组件；电流镜，输入端与三极管的基极相连，输出端与第二电流源组件的输出端相连并形成模拟输出端；采样检测单元，连接在三极管的基极和发射极两端并检测其两端的电压差值；控制反馈单元，具有第一电压获取模块、第二电压获取模块以及运算放大器，该第一电压获取模块的输出端和第二电压获取模块的输出端分别连接在运算放大器的不同输入端上，该第一电压获取模块和第二电压获取模块的输入端则择一地承接于模拟输出端， 该运算放大器的输出端则与第一电流源组件和第二电流源组件相连。进一步，该第一电压获取模块具有第一分压电阻、第一控制开关、第三控制开关以及储压电容，该第一分压电阻一端通过第一控制开关而可承接于模拟输出端，该第一分压电阻另端则接地，该储压电容与第三控制开关串接并一起并联在第一分压电阻的两侧，该储压电容可适时地获取第一分压电阻的电压并通过断开第三控制开关而保压，该储压电容与该运算放大器的负输入端相连，该第一分压电阻阻值为第二分压电阻阻值的固定倍数； 该第二电压获取模块具有第二分压电阻和第二控制开关，该第二分压电阻一端通过第二控制开关而可承接于模拟输出端，该第二分压电阻另端则接地，该运算放大器的正输入端承接第二电压获取模块的电压。进一步，该第一分压电阻和第二分压电阻与大地之间还设置有二极管，该二极管的正极与第一分压电阻和第二分压电阻相连，该二极管的负极与大地相连。进一步，该控制反馈单元还具有第三电流源和第四控制开关，该第三电流源通过第四控制开关而与第二分压电阻形成回路。进一步，该第一电流源组件具有第一电流源和并联在第一电流源上的第一 PMOS 管，该第二电流源组件具有第二电流源和并联在第二电流源上的第二 PMOS管，该第一 PMOS 管和第二 PMOS管的栅极相互连接并一起连接在运算放大器的输出端。采用上述结构后，本实用新型涉及的用于亚微米级集成电路的温度检测电路，其通过电流镜复现三极管基极的电流，并通过第二电流源组件复现三极管发射极的电流，两股电流通过电路实现相减，如此即能将位于被检测装置内部的三极管的集电极电流完全复现出来；接着通过控制反馈单元中第一电压获取模块、第二电压获取模块以及运算放大器的作用，而使得前后两次集电极电流的比例为一个固定值，此时通过采样控制单元采集到的前后两次电压即可计算得到三极管内部的温度。本实用新型避开了因为β值不稳定而使温度检测不准确的缺陷，而是直接通过复现三极管集电极的电流并利用运算放大器的负反馈作用而自动调节第一电流源组件和第二电流源组件，以使前后两次三极管集电极电流的比值为定值，如此代入公式AVbe=n*(kT/ q)*ln(ICl/IC2)，即可计算出三极管的内部温度；由此本实用新型能大大改善温度测试精度。

图1为传统温度检测电路的结构示意图；图2为本实用新型涉及用于亚微米级集成电路的温度检测电路较佳实施例的具体电路图；图3为图2中各控制开关的工作时序图；图4至图6为本实用新型中电流镜的其它实施结构示意图。图中温度检测电路100第一电流源组件 1第二电流源组件2电流镜3采样检测单元4控制反馈单元5第一电压获取模块 51第二电压获取模块 52。
具体实施方式
为了进一步解释本实用新型的技术方案，下面通过具体实施例来对本实用新型进行详细阐述。[0049]如图2所示，其为本实用新型涉及一种用于亚微米级集成电路的温度检测电路 100的较佳实施例，其用于对被检测装置DUT进行温度检测，包括第一电流源组件1、第二电流源组件2、电流镜3、采样检测单元4以及控制反馈单元5。该第一电流源组件1，与三极管的发射极E相连，并可根据需要而改变发射极E注入电流的大小；该第二电流源组件2的结构与第一电流源组件1相同，该第二电流源组件2 输出的电流亦完全同步于第一电流源组件1 ；具体的，在本实施例中，该第一电流源组件1 具有第一电流源11和并联在第一电流源11上的第一 PMOS管Ml，该第二电流源组件2则相应具有第二电流源12和并联在第二电流源12上的第二 PMOS管M2，该第一 PMOS管Ml和第二 PMOS管M2的栅极相互连接；该电流镜3，输入端与三极管的基极B相连，输出端与第二电流源组件2的输出端相连并形成模拟输出端，该电流镜3起到复现三极管的基极B电流的作用；本实施例中是采用两个NMOS管(即第一 NMOS管M3和第二 NMOS管M4)的方式来实现，当然在具体实施例， 其还可以采用其它结构的电流镜3，具体请参见图4至图6所示，在此则不一一描述；该模拟输出端输出的电流即为三极管集电极C的复现电流；该采样检测单元4，连接在三极管的基极B和发射极E两端并检测其两端的电压差值；该采样检测单元4与传统温度检测电路100中应用的完全一致，用于提取并记录三极管基极B和发射极E两端的电压差，其属于现有技术，在此亦不多余描述；该控制反馈单元5，具有第一电压获取模块51、第二电压获取模块52以及运算放大器OPl，该第一电压获取模块51的输出端和第二电压获取模块52的输出端分别连接在运算放大器OPl的不同输入端上，该第一电压获取模块51和第二电压获取模块52的输入端则择一地承接于模拟输出端，该运算放大器OPl的输出端则与第一电流源组件1和第二电流源组件2相连。在本实施例中，该运算放大器OPl的输出端则与第一 PMOS管Ml和第二 PMOS管M2的栅极均相连，从而实现对第一电流源组件1和第二电流源组件2的同步控制。这样，本实用新型通过电流镜3复现三极管基极B的电流，并通过第二电流源组件 2复现三极管发射极E的电流，如此即能在模拟输出端处将位于被检测装置内部的三极管的集电极C电流完全复现出来；接着通过控制反馈单元5中第一电压获取模块51、第二电压获取模块52以及运算放大器OPl的作用，而使得前后两次集电极C电流的比例为一个固定值，此时通过采样控制单元采集到的前后两次电压即可计算得到三极管内部的温度。由此，本实用新型避开了现有技术因为β值过小而使温度检测不准确的缺陷，而是直接通过复现三极管集电极C的电流并利用运算放大器OPl的负反馈作用而自动调节第一电流源组件1和第二电流源组件2，以使前后两次三极管集电极C电流的比值为定值，如此代入公式AVbe=n*(kT/ q)*ln(ICl/IC2)，即可计算出三极管的内部温度；故本实用新型能大大改善温度测试精度。在本实施例中，该第一电压获取模块51则具有第一分压电阻R1、第一控制开关 Sffl、第三控制开关SW3以及储压电容Cl，该第一分压电阻Rl —端通过第一控制开关SWl而可承接于模拟输出端，该第一分压电阻Rl另端则接地，该储压电容Cl与第三控制开关SW3 串接，并两者一起并联在第一分压电阻Rl的两侧，该储压电容Cl可适时地获取第一分压电阻Rl的电压并通过断开第三控制开关SW3而保压，该储压电容Cl具体是通过让第一控制开关SWl和第三控制开关SW3的闭合来实现对第一分压电阻Rl的采样，而通过断开第三控制开关SW3而实现储压电容Cl的保压；该储压电容Cl与该运算放大器OPl的负输入端相连，该第一分压电阻Rl阻值为第二分压电阻R2阻值的固定倍数。该第二电压获取模块52 具有第二分压电阻R2和第二控制开关SW2，该第二分压电阻R2 —端通过第二控制开关SW2 而可承接于模拟输出端，该第二分压电阻R2另端则接地，该运算放大器OPl的正输入端承接第二电压获取模块52的电压；当然，需要说明的是，该第一电压获取模块51和第二电压获取模块52还可以采用其它结构，只要能获取前后两次电压并正确输入到运算放大器OPl 即可，其结构并不限定于上述具体实施例。优选地，该第一分压电阻Rl和第二分压电阻R2与大地之间还设置有二极管D1，该二极管Dl的正极与第一分压电阻Rl和第二分压电阻R2相连，该二极管Dl的负极与大地相连。如此，使得第一分压电阻Rl和第二分压电阻R2的另端即图2所示G点的电位有所提升，从而能使得电流镜3的电流复现功能更加精确。另外，该控制反馈单元5还具有第三电流源13和第四控制开关SW4，该第三电流源13通过第四控制开关SW4而与第二分压电阻R2形成回路；如此通过闭合第四控制开关 SW4，即能拉高运算放大器OPl正输入端的电压，即运算放大器OPl正输入端的电压高于运算放大器OPl负输入端的电压，从而使得运算放大器OPl输出端能让第一 PMOS管Ml和第二 PMOS管M2在合适的时候均呈关闭状态。下面请配合图3所示，来对本实用新型的工作过程进行详细描述一开始，第一控制开关SW1、第四控制开关SW4同时导通，其余控制开关断开，图2 中D点电压被拉高，将第三电流源13数值设置为D点电位(=I3*R2)绝对高于F点电位，使得运算放大器OPl的输出端CTL电压为逻辑高，关闭第一 PMOS管Ml和第二 PMOS管M2，从而保证只有第一电流源Il和第二电流源12电流流出。第一电流源Il产生定值Iel，Iel流经三极管产生Ibl、Icl, Ibl从DUT流出后流入第一 NMOS管M3内。由于第二电流源12和第一电流源Il始终相等，因此第一电流源组件1的输出电流等于Iel，记为Iel，，而由于第一 NMOS管M3和第二 NMOS管M4组成电流镜3电路，因此在电流镜3则输出电流镜像rtl，记为rtl’ ；因此模拟输出端输出的电流为Iel，-Ibl，=Iel-Ibl,由于Iel=Icl+Ibl，Icl=Iel-Ibl,因此模拟输出端输出的电流 Icr=Ier-Ibr=Iel-Ibl=Icl,所以DUT内部的集电流Ic便被外部电路“复现”出来。模拟输出端输出的电流Icl，流经第一分压电阻R1，在E点电位记为VEl=Icl，*R2+VG1，其中VGl为G点电位，其时为了匹配B极电位，使得电流镜3的电流复现更加准确。在第一控制开关SWl导通期间，第三控制开关SW3适时导通让储压电容Cl采样 VE-VG,所以储压电容Cl两端电压等于Icl，*Rl。在第一控制开关SWl断开之前第三控制开关SW3先断开，确保储压电容Cl电压在采样中是稳定的。第三控制开关SW3断开后，储压电容Cl由于没有放电回路因此可以保持住两端的电压。之后第一控制开关SWl和第四控制开关SW4 —起断开，第二控制开关SW2导通， 这时运算放大器OPl与其他器件构成的负反馈结构，通过不断调节第一 PMOS管Ml和第二 PMOS管M2的栅极电压来调节Ie2电流，最后运算放大器调整达到平衡，此时输入端“虚短”， 即D点电位与F点电位相等，D点电位此刻为Ic2’ *R2+VG2=Ic2’ *R1/D+VG2，F点电位为 Icl，*R1+VG2，因此 Icl，*Rl=Ic2，*R1/D,即得 D*Icl，=Ic2，进而得到 Ic2，/Icl，=D。由于 Icl=IcT，Ic2=Ic2，，因此 Ic2/Icl=D，实现 Ic2 是 Icl 倍数 D，且与 β 无关。[0064]因此按此方法，即便是β<1，采样检测电路输出的结果为Result=N*T+Ti=N* q^AVbe /k/lnD+Ti,结果不含由β引起的非线性误差，由此大大改善了 β<1情况下的温度测试精度。上述实施例和图式并非限定本实用新型的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本实用新型的专利范畴。
权利要求1.一种用于亚微米级集成电路的温度检测电路，其特征在于，包括第一电流源组件，与三极管的发射极相连并可改变发射极注入电流的大小；第二电流源组件，输出的电流同步于第一电流源组件；电流镜，输入端与三极管的基极相连，输出端与第二电流源组件的输出端相连并形成模拟输出端；采样检测单元，连接在三极管的基极和发射极两端并检测其两端的电压差值；控制反馈单元，具有第一电压获取模块、第二电压获取模块以及运算放大器，该第一电压获取模块的输出端和第二电压获取模块的输出端分别连接在运算放大器的不同输入端上，该第一电压获取模块和第二电压获取模块的输入端则择一地承接于模拟输出端，该运算放大器的输出端则与第一电流源组件和第二电流源组件相连。
2.如权利要求1所述的用于亚微米级集成电路的温度检测电路，其特征在于，该第一电压获取模块具有第一分压电阻、第一控制开关、第三控制开关以及储压电容，该第一分压电阻一端通过第一控制开关而可承接于模拟输出端，该第一分压电阻另端则接地，该储压电容与第三控制开关串接并一起并联在第一分压电阻的两侧，该储压电容可适时地获取第一分压电阻的电压并通过断开第三控制开关而保压，该储压电容与该运算放大器的负输入端相连，该第一分压电阻阻值为第二分压电阻阻值的固定倍数；该第二电压获取模块具有第二分压电阻和第二控制开关，该第二分压电阻一端通过第二控制开关而可承接于模拟输出端，该第二分压电阻另端则接地，该运算放大器的正输入端承接第二电压获取模块的电压。
3.如权利要求2所述的用于亚微米级集成电路的温度检测电路，其特征在于，该第一分压电阻和第二分压电阻与大地之间还设置有二极管，该二极管的正极与第一分压电阻和第二分压电阻相连，该二极管的负极与大地相连。
4.如权利要求2所述的用于亚微米级集成电路的温度检测电路，其特征在于，该控制反馈单元还具有第三电流源和第四控制开关，该第三电流源通过第四控制开关而与第二分压电阻形成回路。
5.如权利要求1所述的用于亚微米级集成电路的温度检测电路，其特征在于，该第一电流源组件具有第一电流源和并联在第一电流源上的第一 PMOS管，该第二电流源组件具有第二电流源和并联在第二电流源上的第二 PMOS管，该第一 PMOS管和第二 PMOS管的栅极相互连接并一起连接在运算放大器的输出端。
专利摘要本实用新型公开一种用于亚微米级集成电路的温度检测电路，包括第一电流源组件，与三极管的发射极相连；第二电流源组件，输出电流同步于第一电流源组件；电流镜，与三极管的基极相连，另端与第二电流源组件相连并形成模拟输出端；采样检测单元，连接在三极管基极和发射极两端；控制反馈单元，具有第一电压获取模块、第二电压获取模块及运算放大器，第一电压获取模块和第二电压获取模块分别连接在运算放大器的不同输入端上，第一电压获取模块和第二电压获取模块的输入端择一地承接于模拟输出端，运算放大器的输出端与第一电流源组件和第二电流源组件相连。本实用新型避开了因β值过小而造成温度检测不准确的缺陷，并能大大改善温度的测试精度。
文档编号G01K7/01GK202229851SQ20112033230
公开日2012年5月23日 申请日期2011年9月6日 优先权日2011年9月6日
发明者谢希 申请人:厦门高赢科技有限公司