CN100504324C - 半导体器件、温度传感器和包括该温度传感器的电子设备 - Google Patents

Abstract

一种温度传感器，包括具有不同发射极电流密度的两个晶体管，并且根据在基极和发射极之间的电压上的差值随温度而改变的事实来进行温度检测。所述温度传感器设置有反馈电路，用于控制各个集电极电压和发射极电流，从而两个晶体管的集电极电压根据类似的温度特性发生变化。

Description

半导体器件、温度传感器和包括该温度传感器的电子设备

技术领域

本发明涉及一种温度传感器。具体地，本发明涉及一种集成电路型的温度传感器，其利用了双极型晶体管的基极-发射极电压根据周围温度大致直线地变化的现象。

背景技术

图2是示出了集成电路型温度传感器的传统示例的电路图。在该图中所示的集成电路型温度传感器1a包括具有不同的发射极面积(这里，面积比为1:10)的两个npn型晶体管Q1和Q2，并且实现了根据两个晶体管Q1和Q2之间的基极-发射极电压VBE1和VBE2之间的电压差ΔVF(＝VBE1—VBE2)来检测周围温度T。

晶体管Q1和Q2的集电极分别通过恒流源I1和I2与电源电压线相连，从而将恒定电流ic1和ic2提供给其集电极。晶体管Q1的集电极还与npn型晶体管Q4的基极相连。晶体管Q1和Q2的发射极连接在一起，并且其节点通过恒流源I3与地相连。晶体管Q1的基极与晶体管Q4的发射极相连，并且还与电阻R1的一端相连。晶体管Q2的基极还与电阻R1的另一端相连，并且还通过电阻R2与地相连。晶体管Q4的集电极还与电源电压线相连。

还对图1所示的集成电路型温度传感器1a进行配置，以使晶体管Q1的基极充当输出端子Tout，从该输出端子Tout中获得输出电压Vout。由此，由以下的等式(1)来给出输出电压Vout。

$\mathrm{Vout}=\frac{R1+R2}{R1}\·\mathrm{\ΔVF}---\left(1\right)$

根据二极管等式，在以上公式(1)中所包括的电压差ΔVF可以展开为由以下的等式(2)所给出的表达式。

$\mathrm{\ΔVF}=\mathrm{VBE}1-\mathrm{VBE}2$

$=\frac{k\·T}{q}\·\ln \left[\frac{\mathrm{ic}1}{1\·[1+\frac{\mathrm{VCE}1}{\mathrm{VA}}]\·\mathrm{IS}}\right]-\frac{k\·T}{q}\·\ln \left[\frac{\mathrm{ic}2}{1\·[1+\frac{\mathrm{VCE}2}{\mathrm{VA}}]\·\mathrm{IS}}\right]---\left(2\right)$

$=\frac{k\·T}{q}\·\ln [10\·\frac{\mathrm{ic}1}{\mathrm{ic}2}\frac{[1+\frac{\mathrm{VCE}2}{\mathrm{VA}}]}{[1+\frac{\mathrm{VCE}1}{\mathrm{VA}}]}]$

在以上的公式(2)中，k表示玻尔兹曼常数；T表示周围温度(绝对温度)；q表示电子的电荷；ic1和ic2表示晶体管Q1和Q2的集电极电流；VCE1和VCE2表示晶体管Q1和Q2的集电极-发射极电压；VA表示晶体管Q1和Q2的先前电压；以及IS表示晶体管Q1和Q2的漏电流。

根据以上的等式(2)将会理解，具有不同发射极电流密度的晶体管Q1和Q2的基极-发射极电压VBE1和VBE2之间的电压差ΔVF根据周围温度T而发生变化。而且，根据由以上的公式(1)所表达的关系，集成电路型的温度传感器1a的输出电压Vout也根据周围温度T而发生变化。

图3是示出了电压差ΔVF(或输出电压Vout)与周围温度T的相关性的关系图。在该图中，水平轴表示周围温度T，而垂直轴表示电压差ΔVF(或输出电压Vout)。附带地，在晶体管Q1和Q2的集电极电流ic1和ic2相等，并且其集电极-发射极电压VCE1和VCE2相等的情况下，如以下公式(3)所表达的那样，电压差ΔVF按照理想的方式，即，与周围温度T成正比地发生变化(如由图中的虚线所示)。

$\mathrm{\ΔVF}=\frac{k\·T}{q}\·\ln 10---\left(3\right)$

实际上，上述配置的集成电路型温度传感器1a允许根据在输出端子Tout处出现的输出电压Vout，以特定的高精度来检测周围温度T，并且因此，可以用作各种设备中的温度检测装置。

然而，在如上配置的集成电路型温度传感器1a中，流过晶体管Q1和Q2的集电极的电流按照不同的方式发生变化。由此，在晶体管Q1和Q2之间的集电极电流比ic1/ic2、以及在其间的集电极-发射极电压比VCE1/VCE2根据周围温度T而发生变化，从而产生了错误。由此，有利地，如图3中的实线所示，电压差ΔVF不规则地偏离由以上公式(3)所表达的理想直线。出于这个原因，如上所述配置的集成电路型温度传感器1a证明为不适合于作为用于需要以高精度和高线性度来检测周围温度的电子设备(例如，在汽车导航系统中所包含的硬盘驱动设备或DVD驱动设备)的控制或驱动设备的温度传感器。

发明内容

考虑到上述传统上所遇到的缺点，本发明的目的是提出一种温度传感器，允许以高精度和高线性度来检测周围温度。

为了实现上述目的，根据本发明，提出了一种温度传感器，包括具有不同发射极电流密度的两个晶体管，并且利用两个晶体管的基极-发射极电压之间的差值根据温度发生变化的现象来检测温度，所述温度传感器设置有反馈电路，由于控制两个晶体管的集电极电压和/或发射极电流，从而两个晶体管的集电极电压以类似的温度响应而改变。

附图说明

图1是示出了具体实现本发明的集成电路型温度传感器的电路图。

图2是示出了集成电路型温度传感器的传统示例的电路图。

图3是示出了电压差ΔVF与周围温度T的相关性的关系图。

具体实施方式

图1是示出了具体实现本发明的集成电路型温度传感器的电路图。除了图2所示的传统结构之外，该实施例的集成电路型温度传感器1包括：反馈电路REV1，用于控制晶体管Q1和Q2的集电极电压VA和VB及其发射极电流ie，从而晶体管Q1和Q2的集电极电压VA和VB以类似的温度响应而发生变化。由此，将利用与图2所使用的相同的参考符号来标识也能在传统集成电路型温度传感器1a中找到的组件，并且将省略对其的解释。在以下描述中，将强调该实施例的特性特征，即，反馈电路REV1的结构和操作。

如图1所示，该实施例的反馈电路REV1包括：npn型晶体管Q5，与晶体管Q4相对应地设置；pnp型晶体管Q6和Q7，一起形成了电流镜像电路；npn型晶体管Q8和Q9，一起形成了电流镜像电路；npn型晶体管Q10，形成了确定启动时的反馈电路REV1的操作状态的启动电路；以及电阻器R4到R8。

晶体管Q5的集电极与电源电压线相连。晶体管Q5的基极与晶体管Q2的集电极相连。晶体管Q5的发射极与晶体管Q7的发射极相连，并且还通过电阻器R4和R5与地相连。电阻器R4和R5是电阻性元件，具有与电阻器R1和R2相等的电阻。

晶体管Q6的发射极与输出端子Tout相连。晶体管Q6和Q7的集电极分别与晶体管Q8和Q9的集电极相连。晶体管Q6和Q7的基极连接在一起，并且它们的节点与晶体管Q6的集电极相连。

晶体管Q8和Q9的发射极分别通过电阻器R6和R7与地相连。晶体管Q8和Q9的基极连接在一起，并且它们的节点与晶体管Q9的集电极相连。晶体管Q8和Q9的基极也与在恒流源I3内设置的npn型晶体管Q3的基极相连。晶体管Q3的集电极与晶体管Q1和Q2的每一个的发射极相连。晶体管Q3的发射极通过电阻器R3接地。

晶体管Q10的基极与一节点相连，在所述节点晶体管Q6的集电极和基极与晶体管Q8的集电极连接在一起。晶体管Q10的集电极与电源电压线相连。晶体管Q10的发射极通过电阻器Q8与地相连。

按照如上所述的结构，反馈电路REV1作如下操作。与晶体管Q1的集电极电压VA相当的电流i1流过晶体管Q6的发射极；与晶体管Q2的集电极电压VB相当的电流i2流过晶体管Q7的发射极。现在，假定晶体管Q1的集电极电压VA已经根据周围温度T发生了变化。作为响应，首先，晶体管Q6的发射极电流i1发生变化，然后，接着，晶体管Q7的发射极电流i2发生变化。由此，确定了晶体管Q8和Q9的操作电压，并且晶体管Q3确定了晶体管Q1和Q2的发射极电流ie。结果，在该实施例的反馈电路REV1中，对晶体管Q2的集电极电压VB和晶体管Q1和Q2的发射极电流进行反馈控制(所谓的一般模式反馈控制)，从而使电流i1和i2保持相等。

按照如上所述的结构，该实施例的集成电路型温度传感器1使得在晶体管Q1和Q2之间的集电极电流比ic1/ic2以及其间的集电极-发射极电压比VCE1/VCE2中几乎不可能发生错误。这能够以高精度和高线性度对周围温度T进行检测。

在该实施例的集成电路型温度传感器1中，使晶体管Q4和Q5在尺寸上和特性上相同，使晶体管Q6和Q7在尺寸上和特性上相同，并且使电阻器R6和R7在尺寸上和特性上相同。由此，由晶体管Q4的输出电压Vout和操作电压来确定晶体管Q1的集电极电压VA，而由晶体管Q5、Q6和Q7的输出电压Vout和操作电压来确定晶体管Q2的集电极电压VB。由此，电源电压的变化几乎不会影响集电极电压VA和VB。由此，该实施例的集成电路型温度传感器1可以稳定地检测温度，即使当向其提供不同的电源电压时(例如，3V和5V)。

此外，在该实施例的反馈电路REV1中，除了通过其将晶体管Q5的发射极电流传递到晶体管Q7的发射极上的电流路径之外，还设置了另一电流路径，通过该路径，使相同的发射极电流通过具有与电阻器R1和R2相同的电阻的电阻器R4和R5，继而到地。设置该附加电流路径有助于消除引起流入晶体管Q6和Q7的发射极的电流il和i2中的错误的因素，从而能够以更高精度和线性度来检测周围温度T。不必说，在优先减小芯片规模的情况下，可以省略该附加电流路径。

此外，在该实施例的集成电路型温度传感器1中，形成电阻器R1、R2、R4和R5，从而可以通过激光微调等来调节其电阻。利用该设计，即使在形成了电路之后，也能够随意地调节输出电压Vout与周围温度T的相关性。

以上具体描述的实施例处理了为了更高的精度，反馈电路REV1采用了两级电流镜像电路的情况。然而，应该理解，可以利用其他任何电路结构来实现本发明，只要其实现了与上述实施例中所实现的功能相当的功能(即，进行反馈控制的功能，从而晶体管Q1和Q2的集电极电压VA和VB随类似的温度响应而发生变化)。这预计会提供比传统上所获得的精度更高的精度。

工业应用性

如上所述，根据本发明的温度传感器和包括其的半导体器件使得较少可能发生由于晶体管之间的集电极电流比以及晶体管之间的集电极—发射极电压比的变化而产生的错误，并且因而能够以高精度和高线性度来检测周围温度。由此，可以将其更广地用于控制需要以高精度和高线性度来检测周围温度的电子设备(例如，在汽车导航系统中所包括的硬盘驱动设备或DVD驱动设备)的控制或驱动设备。而且，通过将根据本发明的温度传感器与带隙电路结合使用，能够构建高精度的带隙电路。而且其相当小的电路规模允许将其用作模拟IP，以及在多功能IC中的热电路(热关闭)中使用。

Claims (7)

1.一种温度传感器，包括：具有不同发射极电流密度的第一和第二晶体管；反馈电路，用于控制第一和第二晶体管的集电极电压和/或发射极电流，从而使第一和第二晶体管的集电极电压以类似的温度响应发生变化，所述温度传感器通过利用第一和第二晶体管的基极-发射极电压之间的差值根据温度而发生变化的现象，来检测温度，

其中所述反馈电路包括：

第一电流镜像电路，所述第一电流镜像电路包括：

第三晶体管，与第一晶体管的集电极电压相当的发射极电流流过所述第三晶体管的发射极；

第四晶体管，与第二晶体管的集电极电压相当的发射极电流流过所述第四晶体管的发射极，

所述第四晶体管的发射极电流发生变化，以便跟踪第三晶体管的发射极电流的变化；以及

第二电流镜像电路，确定其操作电压，以便跟踪第四晶体管的发射极电流的变化，所述第二电流镜像电路确定了第一和第二晶体管的发射极电流。

2.一种温度传感器，包括：

npn型的第一晶体管，

其集电极通过第一恒流源与电源电压线相连；以及

其基极与输出端子相连；

npn型的第二晶体管，

其集电极通过第二恒流源与电源电压线相连；以及

其基极与串联在输出端子和地线之间的第一和第二电阻器之间的节点相连；

所述第二晶体管具有与第一晶体管不同的发射极电流密度；

npn型的第三晶体管，

其集电极与第一和第二晶体管的发射极相连；以及

其发射极通过第三电阻器接地；

npn型的第四晶体管，

其集电极与电源电压线相连；

其基极与第一晶体管的集电极相连；以及

其发射极与输出端子相连；

npn型的第五晶体管，

其集电极与电源电压线相连；以及

其基极与第二晶体管的集电极相连；

pnp型的第六晶体管，

其发射极与输出端子相连；以及

其集电极和基极连接在一起；

pnp型的第七晶体管，

其发射极与第五晶体管的发射极相连；以及

其基极与第六晶体管的基极相连；

npn型的第八晶体管；

其集电极与第六晶体管的集电极相连；以及

其发射极通过第六电阻器接地；以及

npn型的第九晶体管，

其集电极与第七晶体管的集电极相连；

其集电极和基极连接在一起，

其发射极通过第七电阻器接地；以及

其基极与第三和第八晶体管的基极相连。

3.根据权利要求2所述的温度传感器，其特征在于：

所述第六和第七晶体管在尺寸上和特性上是相同的，

所述第八和第九晶体管在尺寸上和特性上是相同的；以及

所述第六和第七电阻器在尺寸上和特性上是相同的。

4.根据权利要求2所述的温度传感器，其特征在于还包括：

第四和第五电阻器，串联在第五晶体管的发射极和地线之间，所述第四和第五电阻器具有与第一和第二电阻器的电阻相等的电阻。

5.根据权利要求4所述的温度传感器，其特征在于：

可以通过微调来调节所述第一、第二、第四和第五电阻器的电阻。

6.根据权利要求2所述的温度传感器，其特征在于还包括：

npn型的第十晶体管，

其集电极与电源电压线相连；

其基极与第六晶体管的集电极和第八晶体管的集电极之间的节点相连；以及

其发射极通过第八电阻器接地。

7.一种包括作为检测周围温度的装置的温度传感器的电子设备，

其中，温度传感器包括具有不同发射极电流密度的第一和第二晶体管；反馈电路，用于控制第一和第二晶体管的集电极电压和/或发射极电流，从而使第一和第二晶体管的集电极电压以类似的温度响应发生变化，所述温度传感器通过利用第一和第二晶体管的基极-发射极电压之间的差值根据温度而发生变化的现象，来检测温度，

其中，根据由温度传感器的检测结果，来控制和/或驱动所述电子设备；以及

其中所述反馈电路包括：

第一电流镜像电路，所述第一电流镜像电路包括：

第三晶体管，与第一晶体管的集电极电压相当的发射极电流流过所述第三晶体管的发射极；

第四晶体管，与第二晶体管的集电极电压相当的发射极电流流过所述第四晶体管的发射极，

所述第四晶体管的发射极电流发生变化，以便跟踪第三晶体管的发射极电流的变化；以及

第二电流镜像电路，确定其操作电压，以便跟踪第四晶体管的发射极电流的变化，所述第二电流镜像电路确定了第一和第二晶体管的发射极电流。

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