[實用新型]用于亞微米級集成電路的溫度檢測電路

有效

• 申請號: 201120332303.5
• 申請日: 2011-09-06
• 公開（公告）號: CN202229851U
• 公開（公告）日: 2012-05-23
• 發明（設計）人: 謝希
• 申請（專利權）人: 廈門高贏科技有限公司
• 主分類號: G01K7/01
• 分類號: G01K7/01
• 代理公司: 廈門市新華專利商標代理有限公司 35203
• 代理人: 朱凌

技術領域

本實用新型涉及溫度檢測領域，更具體的說涉及一種用于亞微米級集成電路的溫度檢測電路。

背景技術

目前測試諸如微處理器、微控制器、專用集成電路以及FPGA等裝置（以下簡稱被測試裝置DUT）中的溫度，一般都是通過測試其內置三極管來實現；由于被測試裝置DUT中內置三極管的發射極E和基極B有引腳對外接口，故通過發射極E和基極B之間的電壓Vbe的特性便可以測試出芯片內部的溫度，其具體的推導過程如下：

ΔVbe=?Vbe1-Vbe2=η*(kT/?q)*ln(Ic1/Ic2)；

其中，Ic是流過三極管集電極C的電流，Ic1流過集電極產生電壓Vbe1,?Ic2流過集電極產生電壓Vbe2；

T為熱力學絕對溫度，單位是K；

q是電子的電荷量，q=1.6×10^?19C，為常數；

k為玻耳茲曼常數,k=1.38×10^?23?J/K；

η是非理想因子，與工藝有關，一旦工藝確定后基本為常數，約等于1，為了簡便，除了特別需要外以下公式中將η設為1，公式中不出現η；

為了簡便，可以設Vt=kT/q；因此上述公式簡寫為：ΔVbe=?Vt*?ln(Ic1/Ic2)；由以上公式推導出：T=q*ΔVbe?/k/ln(Ic1/Ic2)；

由此，當Ic1/Ic2=常數D時，T=?q*ΔVbe?/k/lnD；在公式中，q、k和lnD均為常數，即T與ΔVbe成線性關系，測量ΔVbe的值后通過運算（如設定合適增益）即可得到T的值。在外圍電路中，由于內置三極管的集電極C并沒有引出，無法直接從集電極C端輸入特定電流來保證Ic1/Ic2=D，因此如何保證Ic1/Ic2=D便是難題，也是成為溫度測量誤差的因素之一。

針對此難題，傳統的解決方法都是通過向發射極E端輸入不同的電流Ie來產生不同的Ic電流，由于Ic=?Ie*β/(1+β),β為三極管的放大倍數，因此控制Ie1/Ie2=D來就能間接實現Ic1/Ic2≈D。

需要注意的是，β并不是一個常數，其與三極管工作的條件有關，如與Ie、Ic大小有關，與三極管所處的溫度有關，而且是非線性的關系。

公式T=q*ΔVbe?/k/ln(Ic1/Ic2)引入β因素進一步推導為：

當Ie1流經三極管時，產生Ic1=?Ie1*β1/(1+β1),?這時的發射極E和基極B之間電壓記為Vbe1，Vbe1=Vt*lnIc1；

當Ie2流經三極管時，產生Ic2=?Ie2*β2/(1+β2),?這時的發射極E和基極B之間電壓記為Vbe2；Vbe2=Vt*lnIc2；

兩者電壓差ΔVbe=Vt?*ln(Ic2/Ic1)

代入Ic1=?Ie1*β1/(1+β1)，Ic2=?Ie2*β2/(1+β2)得到結果：

ΔVbe?=Vt*ln{(Ie2/Ie1)*[1+(β2-β1)/(β1+β1β2)]}

=Vt*ln{(Ie2/Ie1)*[1+Δβ/(β1+β1β2)]}

如此，對于微米級及微米級以上工藝而言，即便β不是常數，但β比較大，因此Δβ/(β1+β1β2)與1比很小可以忽略，所以只要保證Ie2/Ie1為常數D，Ic2/Ic1即會約等于D，即ΔVbe?≈kT/q?*lnD；

從而推導出T≈q*ΔVbe/k/lnD，測量ΔVbe加以運算便可以得到所測量的溫度值T，較為準確。

請參照圖1所示，其為應用上述檢測方案的具體檢測電路，其具有用于采集發射極E和基極B之間電壓的采樣檢測單元以及呈并聯關系的電源I1和電源I2，電源I2=（D-1）*I1，開關SW則與電源I2串聯，通過控制開關SW的打開和關閉，從而能向DUT的發射極E供給具有D倍差距的電流。具體的，當開關SW斷開時，I1電流流經發射極E即為Ie1電流，基極B、發射極E之間產生電壓記為?Vbe1，由采樣檢測單元采樣記錄Vbe1（在大多情況下需要模數轉換將結果保持在寄存器中）；當開關SW接通時，I1+I2=D*I1電流流經發射極E，即為Ie2電流，是Ie1電流的D倍，基極B、發射極E之間產生電壓記為?Vbe2,?由采樣檢測單元采樣記錄Vbe2；接著由采樣檢測單元將兩次記錄結果相減，得到Vbe2-Vbe1，再乘以合適的增益N，并加偏移量（記為Ti）轉換為攝氏溫度值或是華氏溫度值，輸出結果。