用于操作模数转换器的电路装置和方法

用于操作模数转换器的电路装置和方法
【专利摘要】本发明涉及用于操作模数转换器的电路装置和方法。电路装置包括第一电阻器、第二电阻器、电流源和模数转换器。第二电阻器热耦合到第一电阻器。电流源耦合到第二电阻器。模数转换器可以被配置成接收经由第一电阻器测量的作为将被数字化的电压的第一电压，并且被配置成接收经由第二电阻器测量的作为该模数转换器的参考电压的第二电压。
【专利说明】用于操作模数转换器的电路装置和方法

【技术领域】
[0001]各种实施例总体涉及用于操作模数转换器的电路装置和方法。

【背景技术】
[0002]信号可能是与温度相关的。如果温度范围小，那么由温度的变化所引起信号的变化可能是可忽略的。然而，对于大的温度范围或者对于具有高温度灵敏度的信号来说，由于温度的变化导致的信号的变化可能阻止对该信号的精确测量。
[0003]例如，金属支路电阻器可以用于集成功率半导体部件。当串联连接到该功率半导体部件的负载路径时，该支路两端的电压降可以用作电流感测信号。该电压降例如在诸如限流器、整流器等等的电流控制电路中可以被测量并且可以被进一步处理。然而，支路金属电阻器可具有显著的温度系数。已经开发出了呈现出接近于零的温度系数的合金。然而，这样的合金不能在其中诸如铝、铜和金这样的主要为纯的金属被处理以形成金属化层的集成电路中被处理。


【发明内容】

[0004]在各种实施例中，提供一种电路装置，该电路装置包括第一电阻器、第二电阻器、电流源和模数转换器。第二电阻器可以热耦合到第一电阻器。该电流源可以耦合到第二电阻器。该模数转换器可以被配置成接收经由第一电阻器测量的作为将被数字化的电压的第一电压，并且可以被配置成接收经由第二电阻器测量的作为该模数转换器的参考电压的第二电压。

【专利附图】

【附图说明】
[0005]在绘图中，遍及不同的视图，类似的参考标记通常指代相同的部分。绘图不必按比例绘制，而是一般将重点放在说明本发明的原理。在以下的描述中，参考以下绘图描述本发明的各种实施例，其中:
图1示出根据各种实施例的一种电路装置；
图2示出根据各种实施例的一种电路装置；
图3示出根据各种实施例的一种半导体芯片的部分；
图4示出根据各种实施例的一种半导体芯片的部分；
图5示出根据各种实施例的电阻器的装置；
图6不出根据各种实施例的一种布局；
图7示出根据各种实施例的一种等效电路；以及图8示出根据各种实施例的一种电路装置。

【具体实施方式】
[0006]以下描述参考附图，附图通过说明方式示出可以实践本发明的具体细节和实施例。
[0007]措辞“示例性的”在这里用于表示“用作例子、示例或说明”。在这里描述为“示例性的”的任何实施例或设计并不必须被解释为比其它实施例或设计更优选或有优势。
[0008]相对于“在一侧或表面上方”形成的沉积材料使用的措辞“在...上方”在这里可以用于表示该沉积材料可以“直接”形成在该暗示的侧或表面上，例如，与该暗示的侧或表面直接接触。相对于“在一侧或表面上方”形成的沉积材料使用的措辞“在...上方”在这里可以用于表示该沉积材料可以“间接”形成在该暗示的侧或表面上，其中一个或多个附加层布置在该暗示的侧或表面和该沉积材料之间。
[0009]图1示出根据各种实施例的电路装置。该电路装置100可以具有模数转换器102。该模数转换器102可以具有第一输入端104。第一输入端104可以接收将被模数转换器102数字化的模拟信号。该模拟信号可以是电压，在下文中也称为第一电压。第一电压可以是与温度相关的电压Vin。第一电压Vin的温度相关性可以通过函数f I (Tl)描述或建模或近似，其中，Tl可以是Vin被测量所处的温度，并且fI (Tl)可以描述第一电压Vin的温度相关性。温度相关性Π (Tl)例如可以对温度Tl是线性的。第一电压Vin对温度Tl的相关性可以通过Vin (f I (Tl)指示。
[0010]模数转换器102还可以具有第二输入端106。第二输入端106可以接收模数转换器102的参考信号。该参考信号可以是电压，在下文中也称为第二电压。第二电压可以确定能被数字化的第一电压的最大范围。第二电压可以分成2~N台阶，其中N可以是模数转换器102的位数。其之所以可以被称为参考电压是因为第一电压的值可以被确定为第二电压被分成的台阶数，因此说明性地用作第一电压的参考。术语参考电压不应与可以对于操作作为电子部件的模数转换器102所必须的电源电压相混淆。
[0011]第二电压可以是与温度相关的电压Vref。第二电压Vref的温度相关性可以通过函数f2(T2)描述或建模或近似，其中，T2可以是Vref被测量所处的温度，并且f2(T2)可以描述第二电压Vref的温度相关性。温度相关性f2(T2)例如可以对温度T2是线性的。第二电压Vref对温度T2的相关性可以通过Vref (f2 (T2)指示。
[0012]模数转换器102可以具有额外的输入端，诸如电源电压输入端，在该输入端，电源电压VDD可以被施加来操作模数转换器102。模数转换器102可以具有增益输入端，在该输入端，增益信号可以被施加。增益G可以用来把将被数字化的模拟信号缩放到参考信号的最大范围。
[0013]该模数转换器102可以具有输出端108。输出端108可以提供数字信号D。数字信号D可以表示该将被数字化的模拟信号的数字化。如果模数转换器102具有N位，则数字信号D可以由如下给出:
D = (G*Vin)/(Vref/2~N)(I)
重新整理并且使用与温度相关的信号，数字信号D可以由如下给出:
D = G*2~N * (Vin(fl (Tl))/ Vref (f2 (T2)) (2)
如果温度相关性Π与f2相等或近似相等，并且温度Tl与T2相等或近似相等，则数字信号D可以与温度无关或者可以使它的温度相关性减少。
[0014]温度Tl与T2可以通过靠近的热耦合而选择为相等或近似相等。温度相关性fl与f 2可以通过以相同或大致相同的方式生成第一电压Vin与第二电压Vref来被选择为相等或近似相等。第一电压Vin与第二电压Vref可以生成为相同类型或大致相同类型的电阻器两端的电压降。电阻器的电阻可以具有相同或大致相同的温度相关性，例如，它们可以具有相同或大致相同的温度系数。
[0015]上面的过程可以被制定为用于操作模数转换器的方法。第一电压由模数转换器接收，作为将被数字化的电压。第二电压由模数转换器接收，作为模数转换器的参考电压。第一电压与第二电压可以被选择为具有相同或大致相同的温度相关性。因为第一电压与第二电压具有相同或大致相同的温度相关性，当数字化第一电压时，数字信号的温度相关性可以被去除或减少。
[0016]图2示出根据各种实施例的一种电路装置200。电路装置200可以具有模数转换器102、第一电阻器202、第二电阻器204和电流源206。
[0017]模数转换器102可以被配置成接收经由第一电阻器202测量的作为将被数字化的电压的第一电压Vin，并且接收经由第二电阻器204测量的作为模数转换器102的参考电压的第二电压Vref。该模数转换器102可以对应于结合图1描述的模数转换器102并且可以像模数转换器102那样操作。
[0018]第一电阻器202的电阻Rin可以在从约10毫欧到约I千欧的范围内，例如，在从约10毫欧到约10欧的范围内。例如，其可以是50毫欧。第一电阻器202可以是支路电阻器。在使用低电流的情况下，该支路电阻将增加，并且在该情况下，还可以提供扩散电阻器(例如以硅的方式)。其可以用来经由它两端的电压降Vin来测量流过它的电流Iin:
Vin= Rin * Iin(3)
第一电阻器202两端的电压降可以是第一电压并且可以耦合到模数转换器102以被转换为数字值D。
[0019]第二电阻器204的电阻Rref可以在从约I欧到约1000千欧的范围内，例如，在从约100欧到约100千欧的范围内。例如，其可以是10千欧。第二电阻器204的电阻Rref可以是第一电阻器202的电阻Rin的至少10倍，例如，是第一电阻器202的电阻Rin的至少100倍，例如，是第一电阻器202的电阻Rin的至少1000倍。第二电阻器204可以经由流经它的参考电流Iref来提供用于模数转换器102的参考电压Vref:
Vref= Rref * Iref(4)。
[0020]参考电流Iref可以是常数并且可以由电流源206提供。电流源206可以耦合到第二电阻器204。电流源206可以提供与温度无关或具有减少的温度相关性的电流Iref。电流Iref可以在温度范围内，例如在从约_40°C到约450°C的温度范围内，例如在从约_40°C到约200°C的温度范围内，或者甚至更高直到技术上的最大温度，变化小于+/- 5 %。该变化可以通过匹配电流源中的电子器件的值，例如通过使用激光熔断器或EEPROM来进一步减少。电流源206可以由带隙电路提供。
[0021]电阻Rref和电流Iref可以这样选择以使得Vref等于或小于模数转换器102在第一输入端104处的最大允许输入范围。参考电压Vref例如可以被选择为在整个温度范围内永不上升为高于给定电压，给定电压例如5V、3.3V或1.2 V。
[0022]第一电阻器202和第二电阻器204可以彼此热耦合。该热耦合在图2中由围绕第一电阻器202和第二电阻器204的虚线矩形来指示。第一电阻器202和第二电阻器204然后可以处于相同或大致相同的温度。它们在温度方面的变化可以相同或大致相同。热耦合画内以+/- 10 %的精度测量。
中不出的实施例的第一电阻器和第二电阻
4导体芯片300的剖面的一部分。第一电阻5片中。第一电阻器和第二电阻器可以形成；成第一电阻器的金属化层和其中形成第二泛此邻近布置。
1括半导体本体302。至少一个功率半导体丨率半导体部件例如可以是任何种类的可控分效应晶体管?、1681 (绝缘栅双极晶体管)、1导体芯片300例如可以使用双极0103(互半导体)(80)技术来生
2、13、14可以布置在半导体本体302的上属化层11和半导体本体302的上表面30412,13和14彼此分离。
[0032]集成在半导体本体302中的电路部件可以利用触头，例如通孔CA、V1、V2、V3和VK来电接触。触头CA可以提供底部金属化层Ml和半导体本体302之间的电接触，并且触头V1、V2和V3可以提供金属化层Ml到M4之间的电接触或通孔。触头CK可以提供金属化层M4和顶部金属层MK之间的电接触。为了保持视图简单，在每对金属化层之间示出仅一个触*CA、V1、V2、V3、VK。然而，多个触头或通孔可以布置在这些层之间，以便建立期望的电子线路。
[0033]为了提供有关流经功率半导体部件的负载电流Iin的信息，厚的顶部金属层MK的一部分可以如此构造以便形成第一电阻器202，其可以用作电流测量电阻器或支路电阻器。第一电阻器202两端的电压降可以用作表示通过功率半导体部件的负载电流Iin的电流感测信号。然而，第一电阻器202两端的电压降不仅取决于流经功率半导体部件的负载电流Iin，而且取决于第一电阻器202的温度。第一电阻器202的温度可以依赖于流经第一电阻器202的电流而变化。
[0034]为了提供精确的电流测量信号，该电流信号的分量(即第一电阻器202两端的电压降)可以被补偿，其中该分量是相对于初始温度(或标准温度)的温度变化的结果。为此，第二电阻器204可以被用来创建与温度相关的参考电压Vref。第二电阻器204可以由薄的、垂直间隔的金属化层Ml、M2、M3或M4中的至少一个的一部分形成，其中金属化层Ml、M2、M3或M4与第一电阻器202电隔离但与其热耦合，以使得第一电阻器202和第二电阻器204具有相同或大致相同的温度。因为供应给第二电阻器204的参考电流Iref可以比负载电流Iin低得多，第二电阻器204可以在布置于厚的顶部金属层MK和半导体表面304之间的薄的金属化层Ml到M4之一中形成。例如，第二电阻器204可以在薄的金属化层Ml到M4之一中形成。其可以位于邻近其中形成第一电阻器202的金属化层MK的下方，例如直接邻近金属化层MK的下方，以便提供第一电阻器202和第二电阻器204的良好的热耦合。这可以保证两个电阻器的温度实际上始终是相同的。
[0035]顶部金属层MK可以布置在金属层M4上并且通过绝缘层IK与其分离，绝缘层IK例如是氧化层。顶部金属层MK用来利用(一个或多个)功率通孔VK建立与集成在半导体本体302中的功率半导体部件的电接触。为了能承载通过功率半导体部件的高电流,如上已经所述，顶部金属层MK与其它金属化层Ml到M4相比可以相当厚。
[0036]图4示出根据各种实施例的一种半导体芯片的部分。示出的部分可以是图3示出的半导体芯片的顶视图。其示出了厚的金属层MK的表面，借此，厚的金属层MK和绝缘(例如氧化物)层IK被间断以便允许看见(图案化的)金属层M4和形成在该金属层中的第二电阻器204。为了提供足够的高电阻，形成第二电阻器204的金属层M4的部分被图案化以形成如图4所示的弯曲形状。替换地，为了实现相同的结果，螺旋形状可能是适当的。直接在第二电阻器204之上，第一电阻器202可以形成在厚的金属层MK中，作为实矩形条线。因为两个电阻器202、204仅通过绝缘层IK分离，电阻器202、204是热耦合的并且基本上总是具有相同温度。
[0037]在各种实施例中，第一电阻器202可以具有约50毫欧的电阻，用于测量约2.4安培的最大负载电流。厚的金属层MK的矩形部分可以用来形成该电阻器，该矩形条线的宽度W为30微米并且其长度为约235微米。第二电阻器204可以形成在直接在第一电阻器202下方的金属化层M4中的相同尺寸的矩形部分中。为了接收足够高的电阻(例如9.843欧)，1器的部分低的电阻。该电阻可以通过增加长减少。第二电阻器的部分的电阻可以通过长度来增加。这可以通过使得第二电阻器垂直于半导体本体的表面的方向上邻近第备属化层13可以具有相同的厚度。除了将层14和第二金属化层13可以彼此电隔离，
宣方式邻近第二电阻器的第一部分508布父相同的温度。第一电阻器的第二部分504?布置。第二部分504和510然后将具有相平方式即在与半导体本体的表面平行的方? 510布置。当它们布置在相同的金属化层目同的温度相关性，这是因为它们可以由相二部分510布置。其可以串联连接到第一电阻器的第二部分504，例如通过至少一个通孔。类似地，第二电阻器的第三部分可以布置在与第二电阻器的第一部分508相同的金属化层中。其可以具有与第一部分508相同的尺度并且可以以水平方式邻近第一电阻器的第二部分504布置。其可以串联连接到第二电阻器的第二部分510，例如通过至少一个通孔。第一电阻器和第二电阻器的另外的部分可以以类似的方式彼此交织。
[0048]虽然在图5中示出了仅两个金属化层M3、M4，但是上述原理也可以延至超过两个金属化层。例如，三个电阻器可以分布在三个金属化层中，以获得相同或大致相同的温度和相同或大致相同的它们的电阻的温度相关性。
[0049]图6不出根据各种实施例的一种布局600。该布局可以包括多个多晶娃电阻器。多晶硅电阻器被如此布置以便电阻器热耦合并且具有相同或大致相同的温度和相同或大致相同的温度相关性。借助于图7描述该布局，图7示出根据各种实施例的等效电路700。
[0050]第一电阻器可以包括多个多晶硅电阻器的并联连接。并联连接的电阻可以是Rin。第二电阻器可以包括多个多晶硅电阻器的串联连接。串联连接的电阻可以是Rref。第一电阻器的多晶硅电阻器和第二电阻器的多晶硅电阻器可以具有相同的电性质并且可以在相同的生产工艺中生产。它们可以具有相同或大致相同的温度。它们可以具有相同或大致相同的它们的电阻的温度相关性。
[0051]第二电阻器的该多个多晶硅电阻器可以具有多晶硅电阻器704的第一组602和多晶硅电阻器704的第二组604。在每个组中，电阻器704可以彼此串联连接。第一组602和第二组604可以彼此串联连接以形成具有电阻Rref的第二电阻器。第一电阻器的多晶硅电阻器702中的至少一些可以布置在多晶硅电阻器704的第一组602和第二组604之间。
[0052]通过将第一电阻器的多晶硅电阻器702布置在第二电阻器204的多晶硅电阻器704的第一组602和第二组604之间，第一电阻器202的多晶硅电阻器702的温度和第二电阻器204的多晶硅电阻器704的温度可以相同或大致相同。多晶硅电阻器702和多晶硅电阻器704可以具有相同的电阻。
[0053]图8示出根据各种实施例的一种电路装置800。已经结合先前的图描述的部分不会再次描述。工作原理可以与结合图1和图2描述的相同。第一电阻器202和第二电阻器204可以与结合图3-图7描述的相同。电路装置800可以用来提供与温度无关的电流感测信号并且产生合适的控制信号以驱动功率半导体部件来控制或调节通过该功率半导体部件的电流流动。
[0054]为了允许电流测量，第一电阻器202可以串联连接到功率半导体部件HS的负载电流路径，该功率半导体部件HS例如可以是M0SFET。第二电阻器204可以被提供有由恒流源206产生的电流Iref。使用提供数字电流信号D的模数转换器100，第一电阻器202两端的电压降Vin被数字化。表示通过功率半导体部件HS的负载电流Iin的数字电流信号D可以是与温度无关的或很大程度上与温度无关，这是因为第一电阻器202和第二电阻器204两者均可以处于相同的温度并且可以具有相同的它们的电阻的温度相关性，并且在模数转换器102中Vin与Vref相比较。
[0055]流经负载晶体管HS的负载电流Iin可以通过图8示出的控制回路控制。数字电流感测信号D可以馈入控制单元802，其可以产生数字驱动信号S。数字驱动信号S可以馈送到数模转换器804。数模转换器804可以将相应的模拟驱动信号E提供给半导体部件HS的控制端子，由此闭合该控制回路。
[0056]用于控制单元802中的控制规则可以取决于实际应用而变化。期望的负载电流Ith可以供应给控制单元802并且在其中被处理。出于限流目的，实际的数字化电流感测信号D可以与阈值Ith相比较，并且一旦实际负载电流Iin超过该阈值，驱动信号E可以减少以便将负载电流Iin保持低于该阈值。然而，不同的控制规则可以取决于电路装置的用途而应用。
[0057]电流装置800可以用于限流电路，其中将被限制的电流经由第一电阻器被测量作为第一电压。限流电路例如可以在启动安全气袋期间被使用或者用于控制电流瞬态。当超过阈值时，电流可以被切断。
[0058]虽然已经参考具体实施例特别示出和描述了本发明，本领域技术人员应该理解，在不偏离由所附权利要求限定的本发明精神和范围的情况下，可以在其中作出形式和细节上的各种变化。本发明的范围因此由所附权利要求指示，并且因此意欲包括落在该权利要求的等价物的意思和界限的范围内的所有变化。
【权利要求】
1.一种电路装置，包括: 第一电阻器； 热耦合到第一电阻器的第二电阻器； 耦合到第二电阻器的电流源；和 模数转换器，配置成接收经由第一电阻器测量的作为将被数字化的电压的第一电压，并且接收经由第二电阻器测量的作为该模数转换器的参考电压的第二电压。
2.权利要求1的电路装置， 其中第一电阻器和第二电阻器由相同的材料制成。
3.权利要求1的电路装置， 其中第一电阻器和第二电阻器由从如下材料组成的组中选择的材料制成: 铜； 多晶娃; 招； 和 金。
4.权利要求1的电路装置， 其中第一电阻器和第二电阻器单片集成在相同的半导体芯片中。
5.权利要求4的电路装置， 其中第一电阻器和第二电阻器形成在该半导体芯片的至少一个金属化层中。
6.权利要求5的电路装置， 其中第一电阻器的金属化层和第二电阻器的金属化层以水平和垂直方式之一彼此邻近布置。
7.权利要求6的电路装置， 其中第一电阻器的金属化层具有为第二电阻器的金属化层的厚度的至少10倍的厚度。
8.权利要求5的电路装置， 其中第一电阻器的至少一部分布置在第一金属化层中，并且第一电阻器的至少另一部分布置在至少第二金属化层中并且通过至少一个通孔连接到布置在第一金属化层中的该第一电阻器的该至少一部分；和 第二电阻器的至少一部分布置在该至少一个第二金属化层中邻近于布置在第一金属化层中的该第一电阻器的该至少一部分，并且第二电阻器的至少另一部分布置在该第一金属化层中邻近于布置在该至少一个第二金属化层中的该第一电阻器的该至少另一部分并且通过至少一个通孔连接到布置在该至少一个第二金属化层中的该第二电阻器的该至少一部分。
9.权利要求8的电路装置， 其中第一金属化层和至少一个第二金属化层具有相同的厚度。
10.权利要求4的电路装置， 其中第一电阻器包括多个多晶硅电阻器的并联连接，并且第二电阻器包括多个多晶硅电阻器的串联连接。
11.权利要求10的电路装置，其中第一电阻器的每个多晶硅电阻器和第二电阻器的每个多晶硅电阻器具有相同的电阻。
12.权利要求10的电路装置， 其中第一电阻器的至少一些多晶硅电阻器布置在第二电阻器的第一组多晶硅电阻器和第二电阻器的第二组多晶硅电阻器之间。
13.权利要求1的电路装置， 其中第一电阻器的电阻在10毫欧和10欧之间，并且第二电阻器的电阻在100欧和100千欧之间。
14.权利要求10的电路装置， 其中第二电阻器的电阻是第一电阻器的电阻的至少1000倍。
15.一种权利要求1的电路装置在限流电路中的使用， 其中将被限制的电流经由第一电阻器被测量作为第一电压。
16.一种用于操作模数转换器的方法，包括: 通过该模数转换器接收作为将被数字化的电压的第一电压； 通过模数转换器接收作为模数转换器的参考电压的第二电压； 其中第一电压和第二电压被配置成具有相同的温度相关性。
【文档编号】H03M1/06GK104052476SQ201410094412
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年3月14日 优先权日:2013年3月15日
【发明者】A.迈尔, J.施纳贝尔 申请人:英飞凌科技股份有限公司