一種用於基準電路的溫度係數自動修調方法與流程

2023-05-17 08:51:16

本發明屬於模擬集成電路領域技術領域，具體的說涉及一種用於基準電路的溫度係數自動修調方法。

背景技術：
基準電路可產生一個不隨溫度漂移的參考電壓，被廣泛地運用於DC-DC轉換器，ADC電路，低壓差線性穩壓器電路和其他模擬電路中。隨著電路運用越來越轉向低功耗場所，高性能的基準電壓源被更加廣泛的需求。基準電壓源從設計到生產，再到實際運用過程中，性能會逐步衰減，電壓精度會發生漂移。為了克服這些問題，在基準電路的設計生產過程中，通常會加入修調電路。現有的基準修調方式，從修調時間上劃分可分為:封裝前修調和封裝後修調。封裝前修調是指在晶片生產完成後，晶片仍處在裸片狀態下，通過測試PAD，對基準輸出電壓進行測試，根據測試結果，修改相應的溫度係數，校正輸出電壓；其主要的方式有雷射切割和電熔絲。這種修調方式需要較繁瑣的操作和輔助儀器，且雷射切割方式成本較高。封裝前修調主要用於對工藝漂移的修正。但在後續的晶片加工過程中，如封裝等操作仍會對基準電路的溫度係數產生影響。這時就需要加入另外的修調電路。封裝後修調主要靠電熔絲或一些可擦除存儲單元實現。其中電熔絲是不可逆器件，只能進行一次修調。而可擦除存儲單元內部狀態可以重寫，這種方式可重複對基準電路進行修調。封裝後修調普遍是在晶片上電時，先讓晶片工作在修調模式下，通過輸出Pin腳將基準電壓輸出到片外和外部參考電壓進行比較，根據比較結果再通過晶片輸入Pin腳輸入修調信號，實現對基準電壓的校正。這種方式可以克服後續加工對基準溫度係數的影響。但它的缺點是操作複雜，同時基準電壓需要輸出到晶片外進行比較，這會引入額外的寄生參數，對基準電壓的準確性帶來影響。同時，基準電路在實際運用過程中，隨著器件老化或者使用環境的變化，輸出精度仍會發生漂移，而以上修調方式均無法校正這些變化。

技術實現要素：
本發明所要解決的，就是針對上述問題，提出提出的一種可自行調整溫度係數的基準源架構。為實現上述目的，本發明採用如下技術方案：一種用於基準電路的溫度係數自動修調方法，其特徵在於，包括：設置5個修調控制信號用於修調基準電路的溫度係數，所述5個修調信號均分別通過功率管控制基準電路的修調電阻的阻值大小，所述5個修調信號分別為Control_1、Control_2、Control_3、Control_4、Control_5；則還包括以下步驟：a.通過外圍溫度控制模塊將基準電路的工作溫度調至低溫工作模式，將5個修調信號置為00000，通過採樣保持電路採樣此時基準電路的輸出值，並將採樣所得的輸出值通過放大電路和模數轉化器後轉化為6位二進位數進行保存，將修調信號為00000時所得的二進位數保存在地址為L00000的寄存器中；b.將5個修調信號的值加1並重複步驟a，直至將修調信號為11111時所得的二進位數保存在地址為L11111的寄存器後，進入步驟c；該步驟中寄存器的地址也相應的加1；c.通過外圍溫度控制模塊將基準電路的工作溫度調至高溫工作模式，將5個修調信號置為00000，通過採樣保持電路採樣此時基準電路的輸出值，並將採樣所得的輸出值通過放大電路和模數轉化器後轉化為6位二進位數進行保存，將修調信號為00000時所得的二進位數保存在地址為H00000的寄存器中；d.將5個修調信號的值加1並重複步驟c，直至將修調信號為11111時所得的二進位數保存在地址為H11111的寄存器後，進入步驟e；該步驟中寄存器的地址也相應的加1；e.讀取寄存器中的值，並做如下處理：將保存在地址為H0000的數據減去保存在地址為L0000的數據，獲得結果為R0000，將地址值加1後重複減法運算直至獲得保存在地址為H11111的數據減去保存在地址為L11111的數據R1111後，將R0000到R11111的數據進行比較並選擇出最小值，表示為Rmin；f.將Rmin對應的5個修調信號值傳入控制電路，用於調節修調電阻。本發明的有益效果為，無需額外參考電壓，無需額外複雜的修調操作，能對基準電壓各個階段產生的漂移(包括生產、封裝、使用過程中基準源產生的漂移)進行修調。附圖說明圖1為傳統的基準源電路；圖2為傳統一階基準電壓隨溫度的變化曲線；圖3為本發明提出的自調整基準源架構；圖4為寄存器示意圖；圖5為模數轉換器示意圖。具體實施方式下面結合附圖，詳細描述本發明的技術方案：典型的帶隙基準電路如圖1所示。該基準電路包括，三極體Q1、Q2，電阻R1、R2和R3，運放A1。通過運放A1的箝位作用，使得X點和Y點電位相等。則流過電阻R3上的電流其中，n為Q1和Q2的個數比例；VT＝kT/q為熱電壓，k為波爾茲曼常數，q為單位電子電荷，T為絕對溫度。那麼整個基準電路的輸出電壓可表示為其中，三極體Q2基極到發射極電壓VBE2與溫度關係為VBE＝Vg00-λT+C(T)(3)其中λ為溫度無關的常數，C(T)為VBE的高階溫度項。可以看出，三極體BE結電壓包含一階負溫量和高階負溫量。熱電壓VT與溫度的關係為可以看出，熱電壓VT與溫度呈正比。因此，通過調整三極體Q1和Q2的尺寸比例，以及電阻R2和R3的阻值比例，用正溫電壓VT去補償VBE的負溫量，可以降低輸出電壓VOUT與溫度關聯關係，實現一階溫度補償基準源。傳統一階基準曲線類似於拋物曲線，如圖2。圖中曲線V0在溫度T1處得到最大的電壓值V(T1)，同時在溫度Tlow和Thigh處電壓值相等，有V0(Tlow)＝V0(Thigh)。在實際生產和應用過程中，工藝漂移、封裝和器件老化等原因會使得基準電壓偏離曲線V0。當正溫電壓補償不足時，基準電壓在高溫處低於正常基準電壓，如圖V1，此時有V0(Tlow)＞V0(Thigh)(5)當正溫電壓補償過度時，基準電壓在高溫處高於正常基準電壓，如圖V2，此時有V0(Tlow)＜V0(Thigh)(6)所以，在實際的基準電路中，可以通過比較在溫度點Tlow和Thigh處的電壓值，來判定基準電壓是否發生漂移。圖1中虛線部分為電阻R2的實際電路圖，電路包含電阻R2_0和修調電阻R2_1到R2_5。電阻R2_1到R2_5分別由控制信號Control_1到Control_5通過MOS管MN1到MN5控制是否接入電路。在基準發生漂移的情況下，可以通過重新調整電阻R2的阻值，使基準電壓恢復正常。當V0(Tlow)＝V0(Thigh)時，可以判定基準電壓為零溫基準源。具體的自調整基準架構如圖3所示，包含帶隙基準模塊(BGR)，採樣/保持模塊(S/H)，放大模塊，ADC量化模塊(ADC)，高、低寄存器組模塊(HighRegister,LowRegister)，有限狀態機模塊(FSMANDOPTIMIZATION)和控制電路模塊(CONTROLCIRCUITRY)。時鐘信號(Ext.CLK)由外部時鐘源提供。帶隙基準模塊具體結構如圖1所示，包含5位修調信號Control_1到Control_5。每個修調信號控制相應的NMOS管，用來調節電阻R2的阻值。R2的阻值共計32種狀態。每種狀態對應一個基準電壓隨溫度變化的波形。通過比較每種電壓波形在Tlow和Thigh溫度點下電壓值的大小，可以確定最優修調信號值。本發明的自調整基準具體工作方法如下：首先，通過外圍溫度控制模塊把基準電路的工作溫度調至Tlow。將5bit修調信號(Control_1-Control_5)置為00000。採樣/保持電路採樣此時基準電壓輸出值VBG。採樣值VBG經過放大電路和模數轉換器變成6位二進位數值，並存入寄存器組LowRegister。接著將5bit修調信號置為00001，採樣此時的基準電壓輸出值VBG，並量化為6為二進位數值，存入寄存器組LowRegister。依次置位5bit修調信號為00010，00011，…，11111，將對應的基準電壓值存入寄存器組LowRegister，如圖4所示。存入低寄存器組的數據依次為L(00000)，L(00001)，…，L(XXXXX)，…，L(11111)。接著，將基準電路升溫至Thigh，用同樣的方式，依次採樣該溫度下的基準電壓，放大量化為6位二進位數值，存入寄存器HighRegister。存入高寄存器組的數據依次為H(00000),H(00001),…,H(XXXXX),….,H(11111)。分別在溫度點TLow和Thigh下，經過32次置位、採樣、量化和存儲操作後，寄存器組LowRegister和HighRegister存入完整數據。之後，有限狀態機模塊讀入高低寄存器組內的數據，並做減法處理，即V(Thigh)-V(Tlow)，對應的計算結果為R(00000)到R(11111)。分別對R(00000)到R(11111)的數據進行兩兩比較，選出最小值R(XXXXX)，該結果對應的基準電壓隨溫度的波形更加接近於圖2中的波形V0，即V0(Tlow)＝V0(Thigh)。將對應的5bit數據傳入控制電路，修調電阻R2，此時對應的基準電壓為零溫基準。晶片在每次啟動過程中或者空閒狀態下，通過內部邏輯控制，自動運行一次修調操作。這種修調方式覆蓋了基準電壓在各個階段可能出現的漂移，使晶片在工作時一直輸出高精度的基準電壓。圖3中，數模轉換器的參考電壓VO可以設置為基準電壓VBG的平均值。參考電壓VO的獲取方式如下：自調整基準源在進行修調操作前，由有限狀態機模塊輸出信號到控制電路，依次置位控制信號Control_1到Control_5為00000到11111，採樣每種狀態下的輸出電壓VBG，選取VBG的平均值作為VO的最終輸出，即模數轉換器的參考點。圖4中，模數轉換器將採樣電壓VBG轉換為6bit的數位訊號並存入寄存器中，量化精度為其中，VPP為量化信號的峰峰值，該轉化器的量化精度決定了基準電路的檢測精度：控制電路包含的5bit修調信號決定了基準電路可以實現的最小修調步長為ΔVBG表示圖1中基準電源可以實現的最大修調範圍。當模數轉換器的精度足夠高時，滿足條件其中α為非零的自然數。整個修調基準源架構的最終修調精度為當模數轉換器的精度不足，即經過採樣/保持，量化，減法操作後，在數值R(00000)到R(11111)中，會出現多個數值相等的最小值，即存在多組修調控制信號同時滿足V(THigh)-V(TLow)最小。這時需要加入額外的判定模塊用於決定最終輸出到控制電路的信號值，最簡單的做法是在出現多個最小值的情況下，將修調信號數值最小的信號輸入到控制電路，完成修調操作。但在這種情況下，基準電路的實際修調精度小於該種自調整基準源架構主要在晶片啟動過程中或者晶片空閒狀態下進行修調操作，同時在修調過程中溫度變化較慢，所以整個修調操作並不需要在很快的時間內完成，模數轉換器的量化速度可以很低，這大大降低了模數轉換器的設計難度。