專利名稱：用于半導體芯片內金屬電阻器的溫度補償的電路、調修和布圖的制作方法
技術領域：
本申請涉及包含在半導體芯片內的金屬電阻器的溫度補償。更具體地，本申請涉及用于生成溫度補償基準電壓的電路，以及所述電路的布圖和調修技術。
背景技術：
金屬電阻器被應用于半導體芯片內以實現(xiàn)各種目的。在某些應用中，金屬電阻器用于感應電路的工作參數，例如當電池正在被充電時被輸入電池的電流量，和/或當電池正在被使用時從其中輸出的電流量。金屬電阻器的電阻值通常作為溫度函數而波動。這種變化的發(fā)生通常由于金屬電阻器、其它部件，和/或其它熱源所產生的熱量。這種金屬電阻器的電阻值隨溫度變化的偏差可能對其感應的精確度產生消極影響，并且進而，影響相關電路功能的性能。解決這一問題的一個方法是對電路中適當的點施加溫度補償電壓，以便補償作為溫度函數的金屬電阻器電陽值的變化。隨著所述電阻值由于溫度上升而升高，所述補償電壓也升高。當其被適當地施加時，所述溫度補償電壓可以降低誤差，所述誤差是如果不施加該電壓時由電阻值的溫度偏差所引起的。一種典型的用于生成溫度補償電壓的方法是使用公知的delta Vbe電壓基準電路。這種電路生成與絕對溫度成比例變化的電壓，即，成比例絕對溫度(“PTAT”)電壓。然而，PTAT電壓一般具有隨溫度變化的曲線，當外推該曲線時，其在0開爾文(Kelvin)處將達到0伏。另一方面，金屬電阻器的電阻值一般具有隨溫度變化的曲線，當外推該曲線時， 其在0開爾文以外的溫度達到0歐姆。這種在過零點位置上的差異將會降低PTAT電壓精確補償由于溫度變化引起的金屬電阻器電阻值偏差的能力。

發(fā)明內容
溫度補償電路可以生成溫度補償基準電壓(Vkef)。所述電路可以包括帶隙基準電路，所述帶隙基準電路(Bandgap reference circuit)被構造用于生成帶隙基準電壓 (Vkk)，該電壓基本上是溫度無關的。所述帶隙基準電路還可以被構造用于生成成比例絕對溫度基準電壓(Vptat) (proportional -to-absolute-temperature reference voltage)，該電壓基本上與絕對溫度成比例變化。所述溫度補償電路還可以包括運算放大器，所述運算放大器連接到所述帶隙基準電路并且具有作為Vkef基準的輸出值。所述溫度補償電路還可以包括反饋電路，所述反饋電路連接到所述運算放大器和所述帶隙基準電路。所述反饋電路可以被構造用于使Vkef基本上等于Vptat乘以常數K1，減去VBeK乘以常數K2。溫度補償半導體芯片可以包括在所述半導體芯片內的金屬電阻器。溫度補償電路也可以在所述半導體芯片內，所述溫度補償電路被構造用于生成溫度補償基準電壓(Vkef)， 該電壓基本上補償作為溫度函數的金屬電阻器電阻值變化。所述溫度補償電路可以是上面討論的類型。
一種方法可以調修半導體芯片以補償所述半導體芯片內金屬電陽器電阻值作為溫度函數的預期變化。所述半導體芯片可以包括運算放大器和具有調修裝置的反饋電路， 所述反饋電路連接到所述運算放大器。該方法可以包括調修在反饋電路中的所述調修裝置以便最大化基準電壓(Vkef)的能力以便補償作為溫度函數的所述金屬電阻器電阻值的變化。用于生成溫度補償基準電壓(Vkef)的溫度補償電路可以包括用于生成基本上溫度無關的帶隙基準電壓(Vbct)和基本上與絕對溫度成比例的成比例絕對溫度基準電壓(Vptat) 的裝置。所述電路可以包括用于使VREF基本上等于VPTAT乘以常數kl，減去VBRG乘以常數k2的裝置，該裝置可以包括連接到運算放大器的反饋電路。


附圖公開了示例性的實施方式。它們并未舉出全部實施方式。其它實施方式可以附加地或替代地加以使用。為了節(jié)約篇幅或者為了更有效的解釋，顯而易見的或者不必要的細節(jié)被省略。相反，某些實施方式可以加以實現(xiàn)而不需要此處所公開的全部細節(jié)。當相同的附圖標記出現(xiàn)在不同的附圖中時，其旨在表示相同或類似的部件或步驟。圖1是用于生成溫度補償基準電壓的溫度補償電路的框圖；圖2是用于生成溫度補償基準電壓的溫度補償電路的示意圖；圖3是反映帶隙基準電路中調修裝置設置值與該帶隙基準電路中電阻值比率之間對應關系的表格；圖4(a)是反映金屬電阻器的溫度系數值和帶隙基準電路中調修裝置設置值、與反饋電路中調修裝置設置值之間對應關系的表格；圖4(b)是反映反饋電路中調修裝置設置值與所述反饋電路中電阻比率之間對應關系的表格；圖5是被構造用于生成可選電阻比率值的電路；圖6是集成于電池充電器的溫度補償基準電壓電路的示意圖；圖7是乒乓(ping-pong)型庫侖計數器的示意圖；圖8是在圖7所示的乒乓(ping-pong)型庫侖計數器中積分信號的時序圖；圖9示出了可以施加到圖7所示的乒乓(ping-pong)型庫侖計數器的溫度補償信號；圖10是集成于庫侖計數器的溫度補償基準電壓電路的示意圖；圖11示出了用于半導體芯片中的金屬電阻器的金屬箔圖案；圖12示出了圖11中所示的金屬箔圖案的放大局部；圖13示出了用于靜電屏蔽的結構；圖14示出了圖13中子單元的放大視圖。
具體實施例方式在下文中介紹示例性的實施方式。其它實施方式可以附加地或替代地加以使用。 為了節(jié)約篇幅或者為了更有效的解釋，顯而易見的或者不必要的細節(jié)被省略。相反，某些實 施方式可以加以實現(xiàn)而不需要此處所公開的全部細節(jié)。
作為溫度函數的非磁性金屬電阻值的變化可以通過以下公式來估計其中，T是絕對溫度，Tllebye是金屬的德拜(Debye)溫度，即金屬的一種不隨著溫度而改變的材料特性。濺射金屬電阻器可能不嚴格遵循Eq. (1)。然而，它們的溫度系數仍然可能強烈地相關于它們的德拜(Debye)溫度，并且任何測量的或固有的Spice TCls都能夠被映射為相應的德拜(Debye)溫度，因此上述方法仍然是可行的?；跉W姆定律，如果施加到電阻器的電壓變化與作為溫度函數的電阻器的電阻值變化成比例，流經電阻器的電流隨溫度變化而保持恒定，即Vkef(T) R(T)?；谠摱ɡ?， Eq.⑴可以被變形以形成Veef(T) T-0. 15 · Tllebye(Eq. 2)
k將熱電壓K77/ = - · T帶入公式Eq. (2)，其中k是玻爾茲曼(Boltzmarm)常數，q
(i
是元電荷。Veef ⑴-Vth ⑴-0. 15 · Vth (Tllebye)(Eq. 3)從Eq. (3)中可以看到，PTAT電壓Vth可以產生所需要的補償基準電壓，從PTAT電壓Vth中減去一較小固定電壓。這是因為對于所討論的金屬而言，0. 15*TDebye總是遠小于電路所工作的溫度T。所述較小固定電壓可以通過用帶隙電壓Vbct除以系數b生成，并且具有另一個系數a以便相平衡。貝IJ Eq.⑶可以被改寫為 其中，Vth(T)表示與絕對溫度成比例的PTAT電壓，并且其中VBeK表示不論溫度變化而基本保持固定的帶隙基準電壓。Eq. (4)的實際結果是將溫度補償基準電壓(Vkef)的理論過零點(zero-crossing point)從絕對零度(0開爾文)向著更高的溫度移動。通過控制所述移動的量，可以使作為溫度函數的所述溫度補償基準電壓(Vkef)達到零的溫度，基本上與半導體芯片中作為溫度函數的金屬電阻器電阻值的過零點相匹配，因而增加了所述補償基準電壓(Vkef)的有效性。圖1是用于生成溫度補償基準電壓的溫度補償電路的框圖。如圖1所示，帶隙基準電路101被構造用于生成基本上與溫度無關的帶隙基準電壓(Vbct) 102。它也可以被構造用于生成基本上與絕對溫度成比例變化的比例絕對溫度基準電壓(Vptat) 105。任何類型的帶隙基準電路可以被用于達到此目的。運算放大器103可以具有連接到帶隙基準電路101，并且具體地，連接到Vptat105 的非反相輸入107。所述運算放大器103可以具有作為所述溫度補償基準電壓(Vkef)基礎的輸出109。所述輸出109可以被連接到反饋電路113的輸入111。所述反饋電路113的另一個輸入115可以被連接到所述帶隙基準電路101，并且具體地，連接到VBeK102。反饋電路113的輸出117可以被連接到所述運算放大器103的反相輸入119。所述反饋電路113可以被構造用于形成所述帶隙基準電壓VBeK102和溫度補償電壓Vkef109的加權平均。所述反饋電路113可以被構造為使Vkef基本上等于Vptat乘以一常數kl，再減去VBeK乘以一常 數k2。換言之，所述反饋電路113可以被構造為使圖1所示的整個電路來執(zhí)行上述公式Eq. (4)。圖2是用于生成溫度補償基準電壓的溫度補償電路的示意圖。它是可以實現(xiàn)圖1 所示框圖的一種電路的示例。多種其它類型電路也可以實現(xiàn)圖1所示的框圖。如圖2所示，帶隙基準電路201可以生成不論溫度波動而基本固定的帶隙基準電壓VBeK203，以及與絕對溫度成比例變化的比例絕對溫度電壓Vptat205。所述帶隙基準電路 201的這些方面可以與圖1中的帶隙基準電路101的相應方面相符合。任意類型的帶隙基準電路可以被用于實現(xiàn)該目的。例如，圖2所示的帶隙基準電路是布羅考(Brokaw)型帶隙基準電路。所述布羅考(Brokaw)型帶隙基準電路可以利用晶體管207的PN結的電流密度和晶體管組209的，即一組并聯(lián)的晶體管組的PN結的電流密度之間的變化而工作。所述晶體管207和晶體管組209的成員可以具有基本上相同的特性并且可以通過使用電流鏡像以基本相同的電流加以驅動。所述密度差可以通過在晶體管組209中使用的晶體管的數量加以控制，該數量在圖2中以符號“N”來表示。所述帶隙基準電路201可以有效地將晶體管207的基極到發(fā)射極的電壓疊加到 Vptat205的上端以便生成￥_203。一組串聯(lián)電阻器，如與電阻器213串聯(lián)的電阻器211，可以被選擇以便將Vptat205限制在期望值。電阻器213的幅值可以通過調修裝置215調整，以便使所述帶隙基準電路201能夠被設置到其“魔力電壓”，即，使VBeK203作為溫度函數變化最小的電壓。特定帶隙電路的“魔力電壓”可以根據經驗由特定溫度而確定，例如由室溫確定。 相同帶隙電壓基準電路的全部實例的所述“魔力電壓”可以是相同的。因此，一旦某一特定電路的“魔力電壓”被確定，在相同的室溫下該電路的所有復制品可以通過將它們調至這一相同電壓而加以最優(yōu)化調節(jié)。任意裝置可以被用作所述調修裝置215。當在硅芯片上實現(xiàn)時，所述調修裝置215 可以采用如多晶硅融合(polysilicon fusing)、齊納-扎普(Zener zap)修正，非易失性存儲器和/或任何其它類型的調修技術。如圖2所示，所述調修裝置215可以被設置為將電阻器213調節(jié)到16個十六進制值0至F的任意一個。或者可以采用其它數量的調節(jié)選項。運算放大器217可以對應于圖1中的運算放大器103。一組串聯(lián)的電阻器，如可調電阻器結構219，可以被用作圖1所示的反饋電路113。調修裝置224可以被用于控制可調電阻器結構219上的調節(jié)點。所述調修裝置224可以采用任意類型，如上述連接調修裝置 215的類型中的任意一種。所述可調電阻器結構219可以定義一組串聯(lián)電阻器，例如與電阻器223有效串聯(lián)的電阻器221?；蛘?，串聯(lián)電阻器221和223可以是彼此分離的電阻器，其中之一具有由所述調修裝置224控制的調節(jié)檔位。如圖2所示，所述調修裝置224可以被設置為以0到7之間任意可選的整數值來調節(jié)所述可調電阻器結構219?；蛘呖梢蕴峁┎煌瑪盗康恼{節(jié)選項。公式Eq. (4)和圖2所示電路之間的關系可以用下面的公式來描述
權利要求
1.一種用于生成補償金屬電阻器溫度偏移的溫度補償基準電壓(Vkef)的溫度補償電路，包括帶隙基準電路，被構造用于生成帶隙基準電壓(Vbct)，該電壓基本上是溫度無關的，以及用于生成成比例絕對溫度基準電壓(VPTAT)，該電壓基本上與絕對溫度成比例變化；運算放大器，連接到所述帶隙基準電路并且具有作為Vkef基準的輸出值；反饋電路，連接到所述運算放大器和所述帶隙基準電路，被構造用于使Vkef基本上等于 Vptat乘以常數kl，減去Vbct乘以常數k2。
2.根據權利要求1所述的溫度補償電路，其中，所述反饋電路包括一組串聯(lián)電阻器，所述一組串聯(lián)電阻器具有兩個端點和在該組中兩個電阻器之間的節(jié)點。
3.根據權利要求2所述的溫度補償電路，其中，所述常數k2是在所述一組串聯(lián)電阻器中的電阻器電阻值的函數。
4.根據權利要求3所述的溫度補償電路，其中，所述反饋電路具有調修裝置，所述調修裝置被構造用于使所述兩個電阻器的比率可以調節(jié)。
5.根據權利要求4所述的溫度補償電路，其中，在所述一組串聯(lián)電阻器中電阻器的比率被調節(jié)至使Vkef補償在特定半導體芯片中的特定金屬電阻器作為溫度函數的電阻值變化的能力最大化。
6.根據權利要求5所述的溫度補償電路，其中，所述帶隙基準電路包括連接到一組串聯(lián)電阻器的PN結，所述一組串聯(lián)電阻器在該組的兩個電阻器之間具有節(jié)點，并且其中，所述運算放大器的非反相輸入連接到該節(jié)點。
7.根據權利要求6所述的溫度補償電路，其中，所述常數kl是帶隙基準電路中電阻器的電阻值的函數。
8.根據權利要求7所述的溫度補償電路，其中，所述帶隙基準電路包括構造用于調修所述帶隙基準電路中電阻器之一的電阻值的調修裝置。
9.根據權利要求8所述的溫度補償電路，其中，所述帶隙基準電路中電阻器之一的電阻值被調修至最小化Vbct對溫度的依賴的設置值，并且其中在所述反饋電路中電阻器之一的電阻值被基于在帶隙電路中調修裝置的設置值而加以調修。
10.根據權利要求6所述的溫度補償電路，其中，所述帶隙基準電路包括第二PN結，并且其中所述第二 PN結也被連接到所述帶隙基準電路兩個電阻器之間的節(jié)點。
11.根據權利要求2所述的溫度補償電路，其中，所述一組串聯(lián)電阻器的的一端連接到所述帶隙基準電路，另一端連接到所述運算放大器的輸出，并且在所述一組串聯(lián)電阻器的兩個電阻器之間的節(jié)點被連接到所述運算放大器的輸入。
12.根據權利要求11所述的溫度補償電路，其中，所述運算放大器具有反相輸入，在一組串聯(lián)電阻器中兩個電阻器之間的節(jié)點連接到該反相輸入，并且所述一組串聯(lián)電阻器的一端連接到VBeK。
13.根據權利要求1所述的溫度補償電路，其中，所述運算放大器具有非反相輸入，并且其中，所述非反相輸入連接到所述帶隙基準電路。
14.根據權利要求13所述的溫度補償電路，其中，所述運算放大器的非反相輸入被連接至Vptat ο
15.根據權利要求1所述的溫度補償電路，其中，所述帶隙基準電路是布羅考型。
16.根據權利要求1所述的溫度補償電路，其中，所述反饋電路包括開關電容電路。
17.根據權利要求1所述的溫度補償電路，其中，所述帶隙基準電路被構造用于將基極到發(fā)射極的電壓疊加到VPTAT電壓的上端以便生成帶隙基準電壓VBGR，所述運算放大器的非反相輸入端連接到VPTAT電壓，所述反饋電路連接到VBGR和所述運算放大器的輸出，所述反饋電路被構造用于生成VBGR和所述運算放大器輸出的加權平均電壓，并且所述運算放大器的反相輸入連接到所述加權平均電壓。
18.一種溫度補償半導體芯片，包括在該半導體芯片內的金屬電阻器，以及在該半導體芯片內的溫度補償電路，被構造用于生成補償作為溫度函數的所述金屬電阻器電阻值的變化的溫度補償基準電壓(Vkef)，所述溫度補償電路包括帶隙基準電路，熱耦合于所述金屬電阻器，并且被構造為生成基本上溫度無關的帶隙基準電壓(VBeK)和與絕對溫度成比例變化的成比例絕對溫度基準電壓(Vptat)；運算放大器，連接所述帶隙基準電路并且具有作為Vkef的基準的輸出；以及反饋電路，連接到所述運算放大器和所述帶隙基準電路，并且被構造用于使Vkef基本上等于Vptat乘以常數kl，減去VBeK乘以常數k2。
19.根據權利要求18所述的溫度補償半導體芯片，其中，所述金屬電阻器具有兩個連接節(jié)點和在所述兩個連接節(jié)點之間的金屬箔圖案，所述金屬箔圖案包括被構造用于在所述兩個節(jié)點之間傳導電流的承載電流部分，以及被構造在節(jié)點之間不傳導電流的非承載電流部分。
20.根據權利要求19所述的溫度補償半導體芯片，其中，所述帶隙基準電路熱耦合于金屬箔的所述非承載電流部分。
21.根據權利要求19所述的溫度補償半導體芯片，其中，所述金屬箔的非承載電流部分基本上分布于整個所述金屬箔的承載電流部分。
22.根據權利要求19所述的溫度補償半導體芯片，其中所述金屬箔的非承載電流部分跨接在所述承載電流部分的當電流流經所述金屬電阻器時基本上等電勢的位置。
23.根據權利要求18所述的溫度補償半導體芯片，其中，靜電屏蔽位于所述金屬電阻器和溫度補償電路之間。
24.根據權利要求23所述的溫度補償半導體芯片，其中，所述靜電屏蔽包括基本上橫跨表面的金屬箔圖案，并且橫跨整個表面的金屬箔圖案沒有完整的線性路徑。
25.根據權利要求23所述的溫度補償半導體芯片，其中，所述靜電屏蔽包括相互連接的子單元矩陣，每個子單元包括金屬箔圖案，所述金屬箔圖案的形狀為使一組所述子單元可以按如下方式設置其金屬箔電性連接但是沒有完整的線性路徑橫跨所述一組子單元。
26.根據權利要求23所述的溫度補償半導體芯片，其中，所述靜電屏蔽包括相互連接的子單元矩陣，每個子單元包括至少兩個互鎖的U形金屬箔部件，二者通過至少一個其它金屬箔部件電性連接。
27.根據權利要求18所述的溫度補償半導體芯片，其中，所述金屬電阻器被構造于所述半導體芯片內用于感應工作參數。
28.根據權利要求27所述的溫度補償半導體芯片，其中，所述金屬電阻器被構造用于感應被輸入或者輸出電池的電荷量。
29.根據權利要求27所述的溫度補償半導體芯片，其中，所述金屬電阻器被構造用于感應在對電池充電期間被輸入電池的電流量。
30.一種用于調修半導體芯片以補償所述半導體芯片內作為溫度函數的金屬電阻器電阻值預期變化的方法，所述半導體芯片包括運算放大器和連接到所述運算放大器的具有調修裝置的反饋電路，所述方法包括調修在反饋電路中的所述調修裝置以便最大化基準電壓(Vkef)的能力以補償作為溫度函數的所述金屬電阻器電阻值的變化。
31.根據權利要求30所述的方法，其中，所述半導體芯片還包括具有調修裝置的帶隙基準電路，并且所述方法進一步包括調修所述帶隙基準電路中的調修裝置以便最小化帶隙基準電壓(VBeK)對溫度的依賴。
32.根據權利要求31所述的方法，其中，所述對帶隙基準電路中調修裝置的調修導致對調修設置值的選擇，并且其中在反饋電路中所述調修裝置的調修基于為帶隙基準電路中所述調修裝置所選擇的調修設置值。
33.根據權利要求32所述的方法，其中，所述反饋電路中的調修裝置的調修還基于所述金屬電阻器與其溫度依賴性相關的溫度特性。
34.根據權利要求33所述的方法，其中，金屬電阻器的物理特性是其德拜溫度。
35.根據權利要求33所述的方法，其中，所述金屬電阻器的物理特性是其第一順序溫度系數。
36.根據權利要求30所述的方法，其中，對所述調修裝置的調修使Vkef在所述金屬電阻器具有零外推電阻并在相同的溫度下具有零外推電壓。
37.一種用于生成溫度補償基準電壓(Vkef)的溫度補償電路，包括用于生成基本上與溫度無關的帶隙基準電壓(Vbct)和基本上與絕對溫度成比例變化的成比例絕對溫度基準電壓(Vptat)的裝置；用于使Vkef基本上等于Vptat乘以常數kl，減去VBKe乘以常數k2的裝置，該裝置包括連接到運算放大器的反饋電路。
38.一種用于調修半導體芯片以補償半導體芯片中作為溫度函數的金屬電阻器電阻值預期變化的方法，所述方法包括確定使帶隙非獨立電壓隨溫度變化最小化的第一調修值；基于所述第一調修值和所述金屬電阻器的溫度特性確定第二調修值；在溫度補償電路中使用所述第二調修值設置調修裝置，以便所述溫度補償電路的輸出電壓(Vkef)的變化為成比例絕對溫度，乘以常數kl，減去帶隙非獨立電壓，乘以常數k2。
全文摘要
一種用于生成溫度補償基準電壓(VREF)的溫度基準電路，包括被構造用于生成基本上與溫度無關的帶隙基準電壓(VBGR)和基本上成比例于絕對溫度變化的成比例絕對溫度基準電壓(VPTAT)的帶隙基準電路。所述電路包括連接到所述帶隙基準電路并且具有作為VREF基礎的輸出的運算放大器。所述電路還包括連接到所述運算放大器和所述帶隙基準電路并且被構造以便使VREF基本上等于VPTAT乘以常數k1減去VBGR乘以常數k2的反饋電路。
文檔編號G05F3/30GK102246115SQ200880132107
公開日2011年11月16日 申請日期2008年11月25日 優(yōu)先權日2008年11月25日
發(fā)明者本哈德·海爾姆特·恩格爾 申請人:凌力爾特有限公司