热感应电压误差的补偿

背景技术

本说明书涉及电压基准和电压调节器电路内的热梯度。由于内部热加热，集成电路内的不同区域可能处于不同的温度。温度差是由来自集成电路的不同区域的部件内不同的功率耗散量引起的。集成电路内的温度差产生热梯度，这导致输出电压或基准电压中的误差。

线路调节(line regulation)和负载调节是电压基准和电压调节器要满足的重要规范。然而，线路调节和负载调节可能受到输出缓冲放大器散热时创建的热梯度的不利影响。电压调节器和电压基准旨在提供恒定的输出电压，而不受电源电压或负载电流的影响，但输出电压可能出现误差。输出电压中的这些误差可能至少部分是由热梯度引起的。

电压误差的幅度随着集成电路上的热梯度增加而增加。需要感测由集成电路上的热梯度引起的误差并将这些误差最小化。优选地，本解决方案将具有低电噪声、占用最小面积并消耗最小静态电流。

发明内容

在第一示例中，一种用于带隙电压的温度梯度补偿的集成电路包括带隙核心电路。带隙核心电路具有带隙反馈输入、带隙调整输入和带隙基准输出。电阻器耦合在带隙调整输入和接地之间。偏移和斜率校正电路具有耦合到带隙调整输入的偏移校正输出。偏移校正输出处的信号在环境温度下进行修调(trimmed)。

热误差消除(TEC)电路具有耦合到带隙调整输入的TEC输出。TEC电路包括彼此远离定位的第一温度传感器和第二温度传感器。TEC输出处的信号响应于第一温度传感器和第二温度传感器处的温度。放大器具有放大器输入和放大器输出。放大器输入耦合到带隙基准输出。

在第二示例中，一种用于带隙电压的温度梯度补偿的集成电路包括带隙基准电路，该带隙基准电路具有带隙调整输入和带隙基准输出。第一晶体管在第一位置处。第一晶体管具有第一晶体管电流端子和第二晶体管电流端子以及第一控制端子。第二晶体管电流端子通过第一电阻器耦合到接地。第二晶体管在第二位置处。第二晶体管具有第三晶体管电流端子和第四晶体管电流端子以及第二控制端子。第二控制端子耦合到第一控制端子，并且第四晶体管电流端子通过第二电阻器耦合到接地。

第三晶体管在第二位置处。第三晶体管具有第五晶体管电流端子和第六晶体管电流端子以及第三控制端子。第六晶体管电流端子通过电阻器耦合到接地。第四晶体管在第一位置处。第四晶体管具有第七晶体管电流端子和第八晶体管电流端子以及第四控制端子。第四控制端子耦合到第三控制端子，并且第四晶体管电流端子通过电阻器耦合到接地。

第五晶体管耦合在带隙基准输出和第一控制端子之间，并且具有耦合到第一晶体管电流端子的第五控制端子。第六晶体管具有第九晶体管电流端子和第十晶体管电流端子以及第六控制端子。第六控制端子耦合到第五控制端子，并且第十晶体管电流端子耦合到第三晶体管电流端子。第七晶体管耦合在带隙基准输出和第三控制端子之间。第七晶体管具有耦合到第五晶体管电流端子的第七控制端子。

第八晶体管具有第十一晶体管电流端子和第十二晶体管电流端子以及第八控制端子。第八控制端子耦合到第七控制端子，并且第十二晶体管电流端子耦合到第七晶体管电流端子。放大器具有放大器输入和放大器输出。放大器输入耦合到第十一晶体管电流端子，并且放大器输出被配置为提供与第一位置和第二位置之间的温度差成比例的信号。

在第三示例中，一种温度传感器电路包括第一位置处的第一晶体管。第一晶体管具有第一晶体管电流端子和第二晶体管电流端子以及第一控制端子。第一晶体管电流端子耦合到第一控制端子，并且第二晶体管电流端子通过第一电阻器耦合到接地。第一晶体管电流端子响应于第一位置处的温度而提供第一温度信号。

第二晶体管位于第二位置处。第二晶体管具有第三晶体管电流端子和第四晶体管电流端子以及第二控制端子。第二控制端子耦合到第一控制端子，并且第四晶体管电流端子通过第二电阻器耦合到接地。第三晶体管位于第二位置处。第三晶体管具有第五晶体管电流端子和第六晶体管电流端子以及第三控制端子。第三控制端子耦合到第五晶体管电流端子，并且第六晶体管电流端子通过第三电阻器耦合到接地。第五晶体管电流端子响应于第二位置处的温度而提供第二温度信号。

第四晶体管位于第一位置处。第四晶体管具有第七晶体管电流端子和第八晶体管电流端子以及第四控制端子。第四控制端子耦合到第三控制端子，并且第四晶体管电流端子通过第四电阻器耦合到接地。

附图说明

图1示出示例电压基准集成电路的热梯度图。

图2示出用于示例热电消除电路的框图。

图3示出用于示例温度传感器的示意图，该示例温度传感器提供表示电路中两点之间的温度差的高精度、低噪声信号。

图4示出用于示例带隙基准电路的示意图，该示例带隙基准电路具有在电路中两个位置处的温度传感器并且具有热误差补偿。

图5示出用于确定热误差消除代码的方法的流程图。

具体实施方式

在本说明书中，相同的附图标记描绘相同或相似(按功能和/或结构)的特征。附图不一定按比例绘制。

在集成电路内，由于来自耗散相对较高的功率量的单个源(诸如功率放大器或缓冲放大器)的热量分布不均匀，不同区可能处于不同的温度。功率耗散产生的热量将在放大器附近最高，并且在远离放大器的地方按比例减少。这在集成电路上创建热梯度。这些热梯度会引起输出电压误差。

图1示出示例电压基准集成电路100的热梯度图。缓冲放大器110定位在集成电路100的一端附近。第一带隙核心电路112被定位成与该一端相反地与缓冲放大器110相邻。第二带隙核心电路114被定位成在远离缓冲放大器110的一侧上与第一带隙核心电路112相邻。晶体管阵列116被定位成在远离缓冲放大器110的一侧上与第二带隙核心电路114相邻。修调电路118(其可以包括用于执行双温度修调的电路系统)被定位成在远离缓冲放大器110的一侧上与晶体管阵列116相邻。

热梯度图具有等温区域120-170，其中每个连续更高编号的等温区域表示更高的温度。例如，区域122表示比区域120更高的温度，并且区域130表示比区域120或区域122更高的温度。等温区域170表示集成电路100上的最高温度。

表示最高温度的等温区域170以缓冲放大器110为中心，因为缓冲放大器110在集成电路100上具有最高的功率消耗，并且因此是集成电路100上最热的位置。逐渐靠近缓冲放大器110的区逐渐变暖，并且逐渐远离缓冲器的区将成比例地变冷。如果带隙核心电路系统(即112、114)覆盖集成电路的相对大的区，则电路中的某些部件将加热到比电路其他节段中的部件更高的温度，从而在电路内创建热梯度。

影响温度梯度的严重程度的两个因素是带隙电路的空间大小以及缓冲放大器中耗散的功率大小。温度梯度按1/r

用于最小化由温度梯度引起的误差的一种可能的解决方案是使热梯度在整个集成电路中尽可能均匀。例如，不是将缓冲放大器放置在一个边缘附近，而是通过拆分放大器电路来将缓冲放大器放置在两个边缘附近。如果缓冲放大器在两个边缘上，则温度梯度可能更均匀。然而，温度梯度可达到的均匀性存在理论上的限制，因为除非整个加热源驻留于遍及整个集成电路，否则更靠近缓冲放大器的温度将总是更高，并且离缓冲放大器更远的温度将总是更低。因此，仅通过集成电路布局来消除由温度梯度引起的电压误差是不切实际的。使用集成电路布局只能将电压误差降低到一定水平。此外，这种方法带来了显著且不希望的面积增加。

用于最小化由温度梯度引起的误差的第二种可能的解决方案是电消除由热梯度创建的误差。电压误差是通过缓冲放大器驱动电流创建的，电流耗散功率，并且功率转换为热量。热量通过集成电路传播，随着距离缓冲放大器越来越远，耗散与距离的平方成比例，从而在整个集成电路上产生温度梯度。温度梯度创建电压误差信号。通过感测缓冲器中的电流，可以得出电路中预期热量的测量值。可以生成与第一电流成比例并具有相反符号的第二电流以补偿误差电流。

补偿信号可以由缓冲放大器中的电流生成，然后以相反方向施加到带隙核心。然而，仅感测缓冲放大器中的电流是不够的，因为发热是由功率耗散引起的，而不仅仅是电流。为了完全补偿误差，需要感测电流和电压并将其转换为功率，并且该功率用于估计电路发热。这需要乘法器电路，因为功率与电压和电流的乘积成比例。处理电压和电流并执行此乘法的电路可能会增加过多的附加噪声，从而无法满足用于高精度低噪声应用的重要规范。因此，需要替代解决方案。

热电消除测量并且然后复制误差源以更密切地跟踪误差机制，并提供补偿信号以用于最小化误差。通过热电消除，集成电路上选定点的温度被感测并转换为补偿信号，而不是分开地感测和处理输入电压和负载电流并将它们的乘积转换为功率，然后基于该功率来估计温度增加。热电消除响应于生成误差源的热机制而生成电消除信号，从而与误差源固有地更紧密地匹配。

误差源不是由集成电路上的均匀环境温度增加引起的。如果电压误差是由整个集成电路的温度均匀增加引起的，则可以使用双温度修调方法补偿温度漂移来消除热误差。然而，误差源是温度梯度，因此双温度修调方法将无法充分补偿整个集成电路的温度梯度引起的二阶效应。

图2示出用于示例热电消除电路的框图。带隙核心电路220在其输出处提供带隙基准电压。带隙电压由电阻器224两端的电压设置，该电压由流过电阻器224的电流确定和调整。带隙核心电路220的输出耦合到缓冲放大器240的输入。缓冲放大器240的输出耦合到带隙核心电路220的反馈输入并作为基准电压提供给其他电路。带隙基准电压优选地非常稳定和准确。然而，在没有补偿的情况下，带隙基准电压将提供随温度变化的不准确的基准电压。

在偏移和斜率校正修调电路210的输出处提供第一补偿信号。在许多情况下，偏移和斜率校正修调电路210的输出在环境室温下被调整。在曲率校正修调电路212的输出处提供第二补偿信号，以减少由环境条件中的全局温度差引起的带隙电压中的误差。可以使用双温度测试来执行对曲率校正修调电路212的输出的调整，其中在两个已知环境温度下进行测量，并且确定温度漂移系数。

斜率校正修调电路210和曲率校正修调电路212的输出是电流，这些电流在求和块214处被加在一起并且作为校正电流提供给电阻器224以调整电阻器224两端的电压，从而调整带隙基准输出电压。然而，存在另一误差源，该误差源是由来自电路200内的非均匀自热的温度梯度引起的误差。热误差消除电路230的输出耦合到电阻器224并且提供附加误差校正电流，以补偿由电路200内的热梯度引起的带隙基准电压的误差。

热误差消除电路230可以包括晶体管阵列，其感测温度然后将温度差转换为误差信号。可以使用两个温度传感器来感测温度梯度。在一个实施例中，温度传感器之一定位成靠近缓冲放大器，并且另一温度传感器定位成尽可能远离缓冲放大器。在给定的缓冲放大器功率电平下，两个温度传感器在集成电路上间隔得越远，温度梯度感测信号就越高。虽然在热误差消除电路230中可以使用许多温度传感器，但优选使用生成高精度、低噪声信号同时维持紧凑电路的温度传感器。

图3示出用于示例温度传感器的示意图，该示例温度传感器提供表示电路中两点之间的温度差的高精度、低噪声信号。温度传感器电路300包括晶体管Q

Q

M

如果电源电压或负载电流增加，缓冲放大器的功率耗散将增加，从而带来附加发热。与电源电压和负载电流成正比的缓冲放大器功率的增加在带隙基准电路中产生温度梯度。双极结型晶体管的基极至发射极电压以与绝对温度互补(CTAT)的方式取决于温度。因此，当电源电压或负载电流增加时，个体设备的基极至发射极电压按比例增加。如果所有设备增加相同的量，则双温度修调电路和曲率修调电路可以补偿和校正全局温度增加。但是由于整个电路的温度增加不均匀，温度差导致不同位置的晶体管的基极至发射极电压的差异。

可以向具有两个不同区的两个晶体管提供信号，从而创建基极至发射极电压的差异(ΔV

有两个温度传感器，S

由于Q

还可通过生成与温度梯度成比例的信号来减少线路调节误差。最小化线路调节误差需要适当缩放(scaled)线路调节误差以去除任何温度梯度误差。图4示出用于示例带隙基准电路400的示意图，该示例带隙基准电路400具有在电路中两个位置处的温度传感器并且具有热误差补偿。

温度传感器电路包括晶体管Q

Q

M

带隙基准电路420包括晶体管Q

缓冲放大器450具有第一输入，其连接到Q

有两个温度传感器，S

由于Q

M

在替代实施例中，放大器440可以包括数模转换器，该数模转换器接收作为数字命令的热误差补偿信号并且作为响应生成电流信号。放大器440的输出通过电阻器R

热误差消除信号具有PTAT电流分量，其是双温度修调偏移电流。除了用于精密电压基准的热误差消除修调之外，还可以执行用于偏移的双温度修调和温度系数斜率校正。如果在双温度修调之前执行热误差消除修调，则可以在双温度修调期间校正附加PTAT输出电压分量。

当对设备的输出电压执行修调时，可以选择提供最准确的输出电压的修调代码。然而，在此没有执行修调以获得特定的输出电压。相反，执行修调以去除由温度梯度引起的误差。因此，修调方法必须考虑到这种差。

图5示出用于确定热误差消除(TEC)代码的方法的流程图。在步骤510中，输入电压被设置为V

在步骤550中，响应于ΔV而确定对TEC代码的下一次调整的方向。如果当前的ΔV相比之前的ΔV减小了，则在与之前的调整相同的方向上对TEC代码进行调整，步骤560。如果当前的ΔV相比之前的ΔV增加了，则在与之前的调整相反的方向上对TEC代码进行调整，步骤570。在步骤560或步骤570之后，重复步骤510、520和530。该过程一直持续到步骤540中ΔV在零的可接受容差内，此时该过程进行到步骤580并结束。

如本文所用，“端子”、“节点”、“互连”、“引线”和“引脚”可互换使用。除非有相反的特别说明，否则这些术语通常意为设备元件、电路元件、集成电路、设备或其他电子或半导体部件之间的互连或其终端。

在本说明书中，“接地”包括机箱接地、大地接地、浮置接地、虚拟接地、数字接地、公共接地和/或适用于或适合于本说明书的教导的任何其他形式的接地连接。

在本说明书中，即使以特定顺序描述操作，一些操作也可以是可选的，并且这些操作不一定需要以该特定顺序执行以获得期望的结果。在一些示例中，多任务和并行处理可能是有利的。此外，上述实施例中各种系统部件的分离并不一定要求在所有实施例中都进行这种分离。

在权利要求的范围内，在所描述的实施例中的修改是可能的，并且其他实施例是可能的。