CIRCUITO ELECTRÓNICO CON MAGNITUD ELÉCTRICA DE SALIDA DEPENDIENTE DE LA DIFERENCIA DE TENSIÓN DE DOS NODOS DE ENTRADA Y DE LA DIFERENCIA DE TEMPERATURA DE DOS DE SUS DISPOSITIVOS.

Circuito electrónico con magnitud eléctrica de salida dependiente de la diferencia de tensión de dos nodos de entrada y de la diferencia de temperatura de dos de sus dispositivos.

La presente invención describe un circuito electrónico cuya magnitud eléctrica de salida depende de la diferencia de tensión de dos de los nodos de entrada del mismo así como de la diferencia de temperatura de dos de sus dispositivos internos. La figura 1 muestra el símbolo del circuito electrónico. Éste tiene como entradas eléctricas dos entradas en tensión (2) y (3) y dos entradas de alimentación (6) y (7), y como salida tiene un nodo (1). Además, tiene dos dispositivos internos (4) y (5) cuya diferencia de temperaturas influirá de forma directa en el valor de la magnitud eléctrica del nodo de salida. En el circuito de la presente invención la variación de la magnitud eléctrica de la salida (1) depende de la diferencia de tensión de los dos nodos de entrada (2) y (3) así como de la diferencia de temperaturas de los dispositivos internos (4) y (5).

CIRCUITO ELECTRÓNICO CON MAGNITUD ELÉCTRICA DE SALIDA DEPENDIENTE DE LA DIFERENCIA DE TENSIÓN DE DOS NODOS DE ENTRADA Y DE LA DIFERENCIA DE TEMPERATURA DE DOS DE SUS DISPOSITIVOS

Sector de la técnica:

La presente invención se refiere a un circuito electrónico con magnitud eléctrica de salida dependiente de la diferencia de tensión de dos nodos de entrada y de la diferencia de temperatura de dos de sus dispositivos. El sector de la técnica al que se refiere es al de la instrumentación electrónica para la medida de temperatura en circuitos integrados.

Estado de la técnica:

En el sector de la técnica de la instrumentación electrónica existen, por un lado, circuitos electrónicos en los que la magnitud eléctrica de su salida principal depende de la diferencia de magnitudes eléctricas de dos nodos de entrada. Estos amplificadores se denominan amplificadores diferenciales, siendo el ejemplo paradigmático los amplificadores operacionales. Varios ejemplos de estos circuitos se pueden encontrar en el libro [1].

Por otro lado, existen los denominados sensores de temperatura diferenciales [2]. Son circuitos con aplicaciones a la realización de mediciones de temperatura en circuitos integrados. Su funcionamiento consiste en que la tensión (o corriente) de salida presenta una variación que es proporcional a la diferencia de temperatura de dos dispositivos, denominados transductores de temperatura. Estos sensores son normalmente utilizados en aplicaciones de test y caracterización de circuitos integrados, tales y como las descritas por las patentes [3], [4], ya que el funcionamiento de un determinado circuito electrónico provoca una disipación de potencia y ésta a su vez una variación de temperatura en sus proximidades. Por lo tanto, una medida de temperatura cerca de este circuito puede proporcionar información sobre posibles anomalías y características del mismo. En comparación con los métodos clásicos de verificación de circuitos integrados basados en la medida de magnitudes eléctricas, la utilización de la temperatura como observable tiene la ventaja principal de que el circuito bajo medida no está cargado eléctricamente, lo cual es crítico para circuitos de alta frecuencia.

[1] Phillip E. Allen y Douglas R. Holberg, “CMOS Analog Circuit Design”, Oxford University Press, 2002, 2a Ed.

[2] Eduardo Aldrete-Vidrio, Diego Mateo y Josep Altet, “Differential Temperature Sensors Fully Compatible With a 0.35-μm CMOS Process”, IEEE TRANSACTIONS ON COMPONENTS AND PACKAGING TECHNOLOGIES, VOL. 30, NO. 4, DECEMBER 2007.

[3] Patente número 2294888. Procedimiento para determinar las características eléctricas de circuitos analógicos integrados.

[4] Patente número 2332688. Procedimiento heterodino para la realización de mediciones de temperatura.

[5] P.R. Gray, D.J. Hamilton y D. Lieux, "Analysis and design of temperature stabilized substrate integrated circuits, " Solid-State Circuits, IEEE Journal of , vol.9, no.2, pp. 61- 69, Apr 1974.

Explicación de la invención:

Los sensores diferenciales de temperatura son utilizados para realizar mediciones de las variaciones de temperatura que provoca el funcionamiento de un circuito, y a partir de estas mediciones, extraer características eléctricas del circuito. Estos sensores tienen como ventaja el hecho de tener una elevada sensibilidad a variaciones de temperatura provocadas por la disipación de potencia por circuitos ubicados en el mismo cristal semiconductor que el sensor, y muy poca sensibilidad a variaciones de temperatura que afecta por igual ambos transductores de temperatura, tal y como variaciones de la temperatura ambiente. El estado del arte de los sensores diferenciales de temperatura muestra arquitecturas basadas en amplificadores diferenciales (por ejemplo, dos bipolares acoplados por emisor) . Al ser un circuito con una entrada en temperatura y una salida en tensión (o corriente) , no es posible realizar de forma simple una realimentación negativa entre la salida y la entrada que permita reducir la sensibilidad a variaciones de proceso, controlar la sensibilidad del sensor, variar el margen dinámico o cancelar tensiones de offset.

En los sensores diferenciales de temperatura, se tiene que la tensión (o corriente) del nodo de salida sigue la siguiente ecuación:

ΔV (o ΔI , según el caso ) = G (T − T ) = G ΔT

out out T +− T

Donde ΔVout (o ΔIout, según sea el caso) es la variación de la magnitud eléctrica de salida del sensor, y GT es la ganancia en temperatura diferencial del sensor en V/ºC (o I/ºC, según sea el caso) , también denominada sensibilidad. En el resto de la presente invención, y sin que ello le reste generalidad, se utilizará la opción tensión para la salida a la hora de realizar las explicaciones.

La presente invención describe un circuito en el que la magnitud eléctrica de salida depende tanto de la diferencia de tensión de dos de sus entradas como de la diferencia de temperatura de dos de sus dispositivos electrónicos internos. De este modo, si aplicamos al nodo (2) de la figura 1 una tensión referida al nodo de referencia de valor V+ y al nodo (3) una de valor V-, si los dispositivos internos (4) y (5) se encuentran a una temperatura absoluta T+ y T- respectivamente, y asumiendo una salida en modo tensión del circuito de valor Vout, la expresión matemática de un circuito que se comporte como se describe en la presente invención es:

V = G (V −V ) + G (T −T ) +V

out V +− T +− DC _ out

Donde GV es la ganancia en tensión diferencial, GT la ganancia en temperatura diferencial, y VDC_out es la tensión en el nodo de salida cuando no hay tensión diferencial en la entrada y las temperaturas de los dos dispositivos son iguales. Otra forma de escribir la misma expresión es fijándonos únicamente en la variación de la tensión de salida respecto a la de reposo, ΔVout:

ΔV = G (V −V ) + G (T −T )

out V +− T +−

En general, los términos de ganancia GV y GT pueden ser no constantes y depender de las tensiones de entrada y de las temperaturas absolutas de los dos dispositivos sensores. Por simplicidad de la explicación, y sin que ello limite el alcance de la invención, en el resto de la patente se considerará que serán constantes.

Un circuito de estas características permite, por un lado, realizar un sensado diferencial de temperaturas, y por otro, establecer de forma inmediata una realimentación entre la salida del sensor y las entradas de tensión, dado que todos estos nodos pertenecen al dominio de señales eléctricas.

Descripción de los dibujos La figura 1 muestra el símbolo y las entradas y salidas del circuito electrónico objeto de la invención.

La figura 2 muestra una posible implementación a nivel de transistor del circuito de la figura 1.

La figura 3 muestra el mismo circuito de la figura 1, pero en configuración de retroalimentación eléctrica-eléctrica negativa.

La figura 4 muestra un esquema de bloques de la estructura interna del circuito de la presente invención.

Descripción de las aplicaciones preferidas Como primera aplicación preferida se muestra la de la figura 2. Es una posible implementación del circuito que se propone en la presente invención. Los dispositivos la diferencia de temperatura de los cuales incide de forma directa en la salida del circuito son los transistores bipolares Q1 (4) y Q2 (5) , mientras que las entradas de tensión son las indicadas como V+ (3) y V- (2) , y la salida es la tensión correspondiente al nodo marcado como Vout (1) .

Este circuito consta de una parte térmica y de una parte eléctrica en paralelo. La parte térmica está formada por dos transductores de temperatura (4) y (5) acoplados por emisor. En caso de que la temperatura de ambos dispositivos sea la misma, ambos tendrán la misma corriente de colector, siendo igual a la mitad de la corriente que suministra la fuente Ibias1. En caso de que uno de los dos transductores de temperatura esté a una temperatura mayor que el otro, la condición de simetría desaparece y las corrientes que circulan por el par diferencial serán diferentes. En aplicaciones donde la temperatura tiene pequeñas variaciones respecto al equilibrio, se puede aproximar la diferencia de corriente por los dos colectores de los bipolares como:

dIc

I −I = (T −T )

CQ2 CQ1 Q1 Q2

dT

dIc

IC ΔT =S

Δ= ΔT

dT

donde S es la ganancia o sensibilidad de la corriente por los colectores de los bipolares a variaciones de temperatura. Los...

1. Un circuito electrónico caracterizado porque la variación de su magnitud

eléctrica de salida (que puede ser tensión ΔVouto corriente ΔIout ) dependa de la

TT+ T

diferencia de temperatura de dos de sus dispositivos internos Δ= −−y de la diferencia de tensión de dos de sus nodos de entrada VV+ V

Δ= − , siguiendo −

el comportamiento indicado por la expresión:

ΔV (o ΔI , según el caso) =G (V −V ) +G (T −T )

out out V +− T +−

=GVG

Δ+ Δ T

VT

siendo GV la ganancia en tensión del circuito y GT la ganancia en temperatura o sensibilidad del circuito.

2. Un circuito electrónico según la reivindicación 1 caracterizado por la conexión en paralelo de dos boques o subcircuitos: un primer bloque o subcircuito con dos ramas de salida cuya diferencia de corriente a su salida ΔIT es proporcional a la diferencia de temperatura entre dos dispositivos internos ΔTcon relación de dependencia S, y un segundo bloque o subcircuito con dos entradas de tensión y

dos ramas de salida cuya diferencia de corriente a su salida ΔIVes proporcional a la diferencia de tensión de sus dos nodos de entrada con relación de dependencia G. Dicha conexión en paralelo realiza la suma de ambas diferencias de corriente IΔV , y es a su vez la entrada de un bloque o subcircuito con Δ+I

T

dos ramas de entrada y un nodo de salida que convierte la suma de ambas diferencias de corriente en un valor eléctrico monopolar, bien tensión, bien corriente, con relación de dependencia K. Así, la expresión matemática del funcionamiento del circuito puede obtenerse:

ΔV (o ΔI , según el caso ) =

out out

= K (ΔI +Δ I )

TV

= KSΔT + KG V

Δ T Δ V ΔV

= GT + G

donde GT es la ganancia en temperatura o sensibilidad y GV la ganancia en tensión, expresión coincidente con la dada en la reivindicación 1.