一种基于BJT的基极-发射极电压的感温前端模块的制作方法

一种基于bjt的基极-发射极电压的感温前端模块
技术领域
1.本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种基于bjt的基极-发射极电压的感温前端模块。


背景技术：

2.随着数字式温度传感器分辨率和测温精度的逐渐提高，温度传感器感温前端模块设计的复杂程度也逐渐加大。由于现有工艺的一些固有缺陷，在宽温度范围内，很难实现二极管方式连接的衬底pnp型bjt的基极-发射级电压v
be
随温度变化曲线的斜率线性变化，这种非线性现象将严重影响温度传感器的测温精度。此外，光刻误差还会造成电流源以及pnp管的失配，这会严重影响电流比例的精确性，从而影响温度传感器的测温精度。综上，减弱甚至消除工艺波动的影响至关重要，这使得温度传感器的感温前端模块设计复杂度成倍增加。
3.图1为感温前端模块的基本电路结构，其中，pnp晶体管(bjt)的饱和电流is存在工艺波动，因而使v
be
的斜率随着温度发生变化。在宽温度范围内，该非线性将严重影响温度传感器的测量精度。使用ptat电流偏置电路可以实现对is波动的一阶抵消，从而降低其对精度的影响。
4.二极管方式连接的衬底pnp型bjt的基极-发射极电压v
be
可以表示为：
[0005][0006]
其中，η是温度补偿系数，k是玻尔兹曼常数，t是热力学温度，q是单位电荷量，ic是反向击穿电流，is是电流密度；综合电流is的温度特性，bjt的v
be
为一个反比于温度(ctat)的电压。
[0007]
若有两个pnp bjt，它们的偏置电流比为1：p，则它们的基极-发射极电压的差值δv
be
可以表示为：
[0008][0009]
则得到一个为正比于绝对温度(ptat)的电压δv
be
。
[0010]
为改进图1所示的感温前端模块的基本电路结构存在的不足，一般采用图2所示的改进后的感温前端结构，该结构采用多个电流源依次循环，来消除电流源失配造成的影响，但是这种结构在军温范围内仍然会带来不小的测温δv
be
偏差。


技术实现要素：

[0011]
本发明的目的在于提供一种基于bjt的基极-发射极电压的感温前端模块，以解决现有工艺存在的不足造成温度传感器测温精度大幅降低的问题。
[0012]
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于bjt的基极-发射极电压的感温前端
模块，包括电流偏置电路及感温电路；
[0013]
所述电流偏置电路产生一个与电源电压无关的ptat电流源，为所述感温电路提供偏置电流。
[0014]
在一种实施方式中，所述感温电路包括电流源、动态匹配模块、第一温度采样管和第二温度采样管；
[0015]
所述第一温度采样管的发射极和所述第二温度采样管的发射极均连接所述动态匹配模块；所述感温电路输出的δv
be
为所述第一温度采样管的发射极和所述第二温度采样管的发射极之间的电压差；
[0016]
所述动态匹配模块的选择开关与所述电流源连接，所述动态匹配模块对所述电流源的输出以伪随机的方式进行选择，以消除所述电流源之间的失配，获得精准的电流比例。
[0017]
在一种实施方式中，所述电流偏置电路包括第一电阻、第二电阻，第一通路选择开关、第二通路选择开关、第三通路选择开关、第四通路选择开关、第一可调电阻、第二可调电阻，第一ptat电流源产生模块、第二ptat电流源产生模块和运算放大器；
[0018]
所述第一通路选择开关并联在所述第一电阻的两端，并连接所述运算放大器的正输入端；所述第二通路选择开关并联在所述第二电阻的两端并连接所述运算放大器的负输入端；
[0019]
所述第一可调电阻的第一端与所述第一电阻的第一端相连，第二端通过所述第三通路选择开关连接所述第一ptat电流源产生模块的发射极；所述第二可调电阻的第一端与所述第二电阻的第一端相连，第二端通过所述第四通路选择开关连接所述第二ptat电流源产生模块的发射极；
[0020]
所述第一电阻的第二端和所述第二电阻的第二端均接入所述电流源。
[0021]
在一种实施方式中，所述第一温度采样管的基极和集电极、所述第二温度采样管的基极和集电极、所述第一ptat电流源产生模块的基极和集电极、所述第二ptat电流源产生模块的基极和集电极共同接地。
[0022]
在一种实施方式中，所述第三通路选择开关连接所述第一ptat电流源产生模块、所述第四通路选择开关连接所述第二ptat电流源产生模块时，所述第一可调电阻、所述第二可调电阻接入，否则产生短路。
[0023]
在一种实施方式中，所述运算放大器采用自偏置结构，以减少噪声，保证所述第一ptat电流源产生模块与所述第二ptat电流源产生模块的发射极电流的精确相等；所述运算放大器在输出端内置斩波结构以消除失调，避免运算放大器的失调电压给偏置电流带来误差。
[0024]
在一种实施方式中，所述运算放大器内置使能端，当使能端使能时，所述运算放大器开始工作，到运算放大器正常工作时，通过使能端控制关闭不必要的电流支路，不影响运算放大器的正常工作且减小整体功耗。
[0025]
在一种实施方式中，所述感温电路采用动态元件匹配技术，对所述电流源的输出以伪随机的方式进行选择，以获得高精准电流比例。
[0026]
在本发明提供的基于bjt的基极-发射极电压的感温前端模块，包括电流偏置电路及感温电路；电流偏置电路产生一个与电源电压无关的ptat电流源，为感温电路提供偏置电流。电流偏置电路中的运算放大器和mos电流镜可以保证2个pnp管的发射极电流的精确
相等；运算放大器在输出端内置斩波结构来消除失调，避免运算放大器的失调电压给偏置电流带来误差。此外，运算放大器内置使能端，运算放大器正常工作时，通过使能端控制关闭不必要的电流支路，不影响运算放大器的正常工作且减小整体功耗。感温电路采用了动态元件匹配技术，对电流源的输出以伪随机的方式进行选择，从而可以消除电流源之间的失配，获得精准的电流比例；同理，为了减少电流偏置电路的电流源之间的失配和pnp管的失配，采用了动态元件匹配技术，以获得高精准电流比例。
附图说明
[0027]
图1为现有感温前端模块的基本电路结构示意图；
[0028]
图2为现有改进后的感温前端结构示意图；
[0029]
图3为本发明提供的一种基于bjt的基极-发射极电压的感温前端模块结构示意图。
具体实施方式
[0030]
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于bjt的基极-发射极电压的感温前端模块作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
[0031]
本发明提供一种基于bjt的基极-发射极电压的感温前端模块，其结构如图3所示，包括电流偏置电路310及感温电路320；所述电流偏置电路310产生一个与电源电压无关的ptat电流源，为所述感温电路320提供偏置电流。
[0032]
请继续参阅图3，所述感温电路320包括电流源302、动态匹配模块303、第一温度采样管321和第二温度采样管322；所述电流偏置电路310包括第一电阻311、第二电阻312，第一通路选择开关313、第二通路选择开关314、第三通路选择开关317、第四通路选择开关318、第一可调电阻315、第二可调电阻316，第一ptat电流源产生模块304、第二ptat电流源产生模块305和运算放大器301。所述第一温度采样管321的发射极和所述第二温度采样管322的发射极均连接所述动态匹配模块303；所述感温电路320输出的δv
be
为所述第一温度采样管321的发射极和所述第二温度采样管322的发射极之间的电压差；所述动态匹配模块303的选择开关与所述电流源302连接，所述动态匹配模块303对所述电流源302的输出以伪随机的方式进行选择，以消除所述电流源302之间的失配，获得精准的电流比例。所述第一通路选择开关313并联在所述第一电阻311的两端，并连接所述运算放大器301的正输入端；所述第二通路选择开关314并联在所述第二电阻312的两端并连接所述运算放大器301的负输入端；所述第一可调电阻315的第一端与所述第一电阻311的第一端相连，第二端通过所述第三通路选择开关317连接所述第一ptat电流源产生模块304的发射极；所述第二可调电阻316的第一端与所述第二电阻312的第一端相连，第二端通过所述第四通路选择开关318连接所述第二ptat电流源产生模块305的发射极；所述第一电阻311的第二端和所述第二电阻312的第二端均接入所述电流源302。所述第一温度采样管321的基极和集电极、所述第二温度采样管322的基极和集电极、所述第一ptat电流源产生模块304的基极和集电极、所述第二ptat电流源产生模块305的基极和集电极共同接地。
[0033]
所述运算放大器301采用自偏置结构，以减少噪声，和mos电流镜可以保证2个pnp管(即第一ptat电流源产生模块304和所述第二ptat电流源产生模块305)的发射极电流的精确相等。根据此结构，可以求得偏置电路中的偏置电流：
[0034][0035]
其中，所述第三通路选择开关317连接所述第一ptat电流源产生模块304(即三极管q
b1
)、所述第四通路选择开关318连接所述第二ptat电流源产生模块305(即三极管q
b2
)时，所述第一可调电阻315、所述第二可调电阻316接入，否则产生短路。
[0036]
所述运算放大器301的失调电压会给偏置电流i
bias
带来误差，从而使感温电路中的δv
be
出现偏差。本发明通过运算放大器301在输出端内置斩波结构以消除失调电压。如图3所示，通过几组开关，在时钟控制下周期性地切换接入的端口，消除失调电压v
os
。
[0037]
所述运算放大器301采用自偏置结构，可以很好的减少噪声；运算放大器301内置使能端319(即en端口)，当使能端319使能时，运算放大器301开始工作，到运算放大器301正常工作时，通过使能端319控制关闭不必要的电流支路，不影响运算放大器301的正常工作且减小整体功耗。
[0038]
为了保证感温电路320输出δv
be
的精度，流过三极管qr和q
l
(第一温度采样管321和第二温度采样管322)的电流比例必须具有非常高的精度。本发明在感温电路采用了动态元件匹配技术，对电流源的输出以伪随机的方式进行选择，从而可以大幅降低电流源之间以及pnp管的失配，获得精准的电流比例。
[0039]
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。