CN102865935A

CN102865935A - 温度传感器

Info

Publication number: CN102865935A
Application number: CN2012103194993A
Authority: CN
Inventors: 宣鐘局
Original assignee: LS Industrial Systems Co Ltd
Current assignee: LS Electric Co Ltd
Priority date: 2011-06-27
Filing date: 2012-06-27
Publication date: 2013-01-09
Also published as: KR101276947B1; US20120327972A1; KR20130006955A

Abstract

本发明涉及一种温度传感器，根据本发明的实施例的低电力、高精密、宽温度范围的温度传感器，包括：电流反射镜，其响应于由电源电压施加的特定电流而产生第一参考电流，并且响应于所述第一参考电流而产生第二参考电流，从而输出所述第一参考电流以及所述第二参考电流；第一MOS晶体管，其漏极端子(D1)上施加有所述第一参考电流，而栅极端子(G1)上施加有偏置电压；以及，第二MOS晶体管，所述产生的第二参考电流被施加于其漏极端子(D2)，产生输出电压。

Description

温度传感器

技术领域

本发明涉及一种低电力、高精密、宽温度范围的温度传感器，具体而言，涉及一种如下温度传感器，所述温度传感器不使用寄生PNP(Positive-Negative-Positive)晶体管，而使用CMOS(Complementary MetalOxide Semiconductor)晶体管，从而能够在更宽的线性范围内进行温度测定，且适合于低电力设计。

背景技术

近来，随着对低电力消耗的要求提高，正在研究各种用于减少电力消耗的技术。其中，具有代表性的方法为，根据芯片动作温度变化而改变内部动作从而调节电力消耗的方法。即，对变成特定温度以上或以下的温度变化进行感应，并使芯片运动进行改变。为此需要具备能够对芯片内部的温度变化进行感应的温度传感器。

现有的温度传感器始终存在着如下固有的自身问题，即，即使增大晶体管之间的电流比，对于温度1度的变化也仅能产生数百微伏(μV)程度的变化，因此，为了检测如此低的电压，从而需要非常精密的电路，而且检测出的温度的误差非常大。

另外，由于能够使用于温度检测中的线性区域(Linear Region)受到限制，因此在低温和高温附近具有非线性特性，从而主要使用于在特定温度范围内的温度变化的检测中。

发明内容

发明所要解决的课题

本发明的目的在于，提供一种如下温度传感器，所述温度传感器不使用PNP晶体管，而通过使用CMOS晶体管，从而使芯片所占面积最小化，并且增大能够用于温度检测的线性区域，且适用于低电力设计。

用于解决课题的方法

根据本发明的一实施例的温度传感器包括：电流反射镜(current mirror)，其响应于由电源电压施加的特定电流而产生第一参考电流，并且响应于所述第一参考电流而产生第二参考电流，从而输出所述第一参考电流以及所述第二参考电流；第一MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)晶体管，其漏极端子D1上施加有所述第一参考电流，而栅极端子G1上施加有偏置电压；以及，第二MOS晶体管，所述产生的第二参考电流被施加于其漏极端子D2上，产生输出电压。

发明效果

根据本发明的低电力、高精密、宽范围的温度传感器具有如下效果。

首先，由于不使用现有技术中所使用的寄生PNP晶体管，而使用CMOS晶体管，因此能够使在芯片中所占的面积最小化。

其次，本发明在与现有的温度传感器的特定温度范围相比更宽的温度范围，例如，在-30度至100度的温度范围内具有线性特性，并且对于温度1度的变化具有更高的温度变化系数，因此能够适用于许多应用领域中。

第三，无需用于检测低电压的精密电路等，从而适合于低电力设计。

附图说明

图1为表示根据本发明的一实施例的低电力、高精密、宽范围的温度传感器的基本电路图的图。

图2为具体表示根据本发明的一实施例的电路图的图。

图3至图4为根据本发明的一实施例的、还具备放大器的温度传感器。

符号说明

100：温度传感器 110：电流反射镜

120：第一MOS晶体管(M1) 130：第二MOS晶体管(M2)

200：放大器(Amplifier)

具体实施方式

以下，参照附图对根据本发明的实施例的低电力、高精密、宽范围的温度传感器进行详细说明。

图1为表示本发明的一实施例的低电力、高精密、宽范围的温度传感器的基本电路图的图。

本发明的温度传感器100包括电流反射镜110、第一MOS晶体管120以及第二MOS晶体管130。

所述电流反射镜110可以使用双极晶体管或MOS晶体管。

当所述电流反射镜110使用MOS晶体管时，可以包括第三MOS晶体管以及第四MOS晶体管，且所述第三MOS晶体管以及第四MOS晶体管可以由PMOS晶体管或NMOS晶体管构成。所述第三MOS晶体管以及第四MOS晶体管可以是相同种类的MOS晶体管。

所述电流反射镜110可以响应于由电源电压施加的特定电流而产生第一参考电流，并且响应于所述第一参考电流而产生第二参考电流，从而输出所述第一参考电流以及所述第二参考电流。

如果所述第三MOS晶体管与第四MOS晶体管的特性相同，即，由宽度(width)以及长度(length)等而决定的晶体管的特性相同，则第二参考电流与第一参考电流将相同。

所述第一MOS晶体管120以及第二MOS晶体管130可以是PMOS晶体管或NMOS晶体管。

MOS晶体管的宽度(横向)以‘W’表示，长度(纵向)以‘L’表示。而且，将所述第一MOS晶体管120的宽度W1与长度L1之比(K1＝W1/L1)定义为K1，而将所述第二MOS晶体管130的宽度W2与长度L2之比(K2＝W2/L2)定义为K2。

所述第一MOS晶体管120的宽度W1与长度L1之比(K1＝W1/L1)可以是所述第二MOS晶体管130的宽度W2与长度L2之比(K2＝W2/L2)的N倍。因此，第一MOS晶体管120的宽度与长度之比为N*(W2/L2)。其中N可以是任意有理数。

图2为具体表示根据本发明的一实施例的电路图的图。

图2中所述电流反射镜110为使用MOS晶体管的一实施例。

所述电流反射镜110的第三MOS晶体管112以及第四MOS晶体管113均可以由PMOS晶体管构成。

所述第三MOS晶体管112的漏极端子D3以及第四MOS晶体管113的漏极端子D4中可以连接电源电压111。

所述电流反射镜110响应于由电源电压111施加的特定电流而产生第一参考电流Iref，从而输出所述第一参考电流Iref以及第二参考电流Iout。

所述第一参考电流Iref施加于第一MOS晶体管(M1)120的漏极端子D1，所述第二参考电流Iout施加于第二MOS晶体管(M2)130的漏极端子D2。

若通过所述电流反射镜110将第一参考电流Iref以及第二参考电流Iout传递至第一MOS晶体管120以及第二MOS晶体管130，则可以将第二MOS晶体管130的栅极端子G2与漏极端子D2两端之间的电压作为输出电压Vo。

所述输出电压Vo可以由如下[数学式1]来简略表示。

[数学式1]

V_{O} = \sqrt{\frac{K_{1}}{K_{2}}} V_{B} + (1 - \sqrt{\frac{K_{1}}{K_{2}}}) V_{T}

所述[数学式1]中VB代表偏置电压。偏置电压是指，为了确定晶体管的运行参考点而施加于信号电极等上的电压。所述偏置电压VB可以是利用电路的运行电流而形成的自偏压(self bias)。

所述偏置电压VB可以施加于第一MOS晶体管120的栅极端子G1上。

所述[数学式1]中VT代表阈电压。阈电压是指，能够使半导体元件、电路开始运行的最小电压。

所述阈电压VT可以在CMOS模型方程式中由如下[数学式2]来表示。

[数学式2]

其中，

V_T＝V_Tr-α(T-T_r)

T代表温度，Tr代表室温(room temperature)，α代表工程变量，VTr代表室温下的阈电压。

因此，输出电压Vo可以由如下[数学式3]来表示。

[数学式3]

V_{O} = \sqrt{\frac{K_{1}}{K_{2}}} \cdot V_{B} - (1 - \sqrt{\frac{K_{1}}{K_{2}}}) \cdot (V_{Tr} - α (T - T_{r}))

所述输出电压Vo具有随温度T变化的值，因此图2中示出的电路可用作测定温度的电路。

所述输出电压Vo可以具有随着第一MOS晶体管120的宽度W1与长度L1之比(K1＝W1/L1)、和第二MOS晶体管130的宽度W2与长度L2之比(K2＝W2/L2)的调节而变化的值。

另外，所述输出电压Vo可以具有随着所述偏置电压VB的值的调节而变化的值。

因此，通过调节所述第一MOS晶体管120与第二MOS晶体管130之比(K1/K2)、或所述偏置电压VB，而调节温度变化率，从而能够在较宽的温度范围内进行温度测定。

具体而言，在使用现有的寄生PNP晶体管的温度传感器的情况下，可以将温度检测中所使用的线性区域(Linear Region)限定在特定温度范围，例如-20度至50度左右的范围内，在低温和高温附近具有非线性特性。

另外，寄生PNP晶体管的尺寸非常大，而且越增大流过晶体管中的电流比例，则在芯片中所占的面积越大。

尽管如此，本发明能够在与现有的温度传感器的特定温度范围相比更宽的温度范围，例如，-30度至100度左右的温度范围内具有线性特性，因此能够在更宽的区域内进行温度测定，而且因为使用CMOS晶体管，因此可以使面积最小化。

图3至图4为还具备根据本发明的一实施例的放大器的温度传感器。

如图3至图4所示，在图2所示的电路中还可以包括增益为A的放大器200。通常情况下，本发明中使用的放大器200的增益可以表示为A，A可以是有理数。

所述放大器200可以使用可用于运算的差动放大器。

所述放大器200可用于直接检测所述[数学式2]所示的阈电压VT。即，所述输出电压的变化量ΔVo可以利用所述[数学式3]来求出，输出电压的变化量ΔVo等于阈电压VT。(ΔVo＝VT)

其结果为，输出电压的变化量ΔVo可以由如下[数学式4]来表示。

[数学式4]

ΔV_O＝V_T＝V_Tr-α(T-Tr)

如所述[数学式4]所示，通过对输出电压的变化量ΔVo进行测定，从而能够直接求出温度T。

图3所示的电路图示出了所述第一MOS晶体管的宽度W1与长度L1之比(K1＝W1/L1)K1小于所述第二MOS晶体管的宽度W2与长度L2之比(K2＝W2/L2)K2的情形。(K1＜K2，N＜1)

在此情况下，通过所述[数学式3]示出了输出电压Vo随温度T的增大而增大的特性。

图4所示的电路图示出了所述第一MOS晶体管320的宽度W1与长度L1之比(K1＝W1/L1)K1大于所述第二MOS晶体管330的宽度W2与长度L2之比(K2＝W2/L2)K2的情形。(K1＞K2，N＞1)

在此情况下，通过所述[数学式3]示出了输出电压Vo随温度T的减小而减小的特性。

因此，利用如图3以及图4所示的电路，通过调节所述第一MOS晶体管120以及第二MOS晶体管130之比(K1/K2)，从而可以得到随温度T的增减而以正比例以及反比例变化的输出电压Vo。由此，能够检测出与现有的温度传感器相比更宽范围的温度。

在本发明所属的技术领域内，本领域技术人员可以在不脱离本发明的技术思想的范围内对以上说明的本发明进行各种替换、变形以及变更，因此本发明并不限定于上述的实施例以及附图。

Claims

1.一种温度传感器，其包括：

电流反射镜，其响应于由电源电压施加的特定电流而产生第一参考电流，并且响应于所述第一参考电流而产生第二参考电流，从而输出所述第一参考电流以及所述第二参考电流；

第一MOS晶体管，其漏极端子(D1)上施加有所述第一参考电流，而栅极端子(G1)上施加有偏置电压；以及，

第二MOS晶体管，所述产生的第二参考电流被施加于其漏极端子(D2)，产生输出电压。

2.根据权利要求1所述的温度传感器，其中，

还包括放大所述输出电压的放大器。

3.根据权利要求2所述的温度传感器，其中，

所述放大器的增益为A，其中A为有理数。

4.根据权利要求1所述的温度传感器，其中，

所述第一MOS晶体管以及第二MOS晶体管为，PMOS晶体管和NMOS晶体中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的温度传感器，其中，

当将所述第一MOS晶体管的宽度(W1)与长度(L1)之比(K1＝W1/L1)定义为K1，而将所述第二MOS晶体管的宽度(W2)与长度(L2)之比(K2＝W2/L2)定义为K2时，

所述输出电压通过调节所述第一MOS晶体管以及第二MOS晶体管的宽度与长度之比(K1/K2)而进行改变。

6.根据权利要求1所述的温度传感器，其中，

所述输出电压通过调节施加于所述第一MOS晶体管的栅极端子上的偏置电压而进行改变。

7.根据权利要求5所述的温度传感器，其中，

在所述第一MOS晶体管以及第二MOS晶体管的宽度与长度之比(K1/K2)中，

所述第一MOS晶体管的宽度(W1)与长度(L1)之比(K1＝W1/L1)为，第二MOS晶体管的宽度(W2)与长度(L2)之比(K2＝W2/L2)的N倍，其中N为有理数。

8.根据权利要求1所述的温度传感器，其中，

所述电流反射镜包括第三MOS晶体管以及第四MOS晶体管，

所述第三MOS晶体管以及第四MOS晶体管为，PMOS晶体管和NMOS晶体管中的任意一种，所述第三MOS晶体管以及第四MOS晶体管为相同种类的晶体管。

9.根据权利要求1所述的温度传感器，其中，

所述电流反射镜包括第一双极晶体管以及第二双极晶体管。