EP0498799A1 - Integratable temperature sensor circuit - Google Patents

Integratable temperature sensor circuit

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Publication number
EP0498799A1
EP0498799A1 EP19900911729 EP90911729A EP0498799A1 EP 0498799 A1 EP0498799 A1 EP 0498799A1 EP 19900911729 EP19900911729 EP 19900911729 EP 90911729 A EP90911729 A EP 90911729A EP 0498799 A1 EP0498799 A1 EP 0498799A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
node
circuit
fet
temperature sensor
sensor circuit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP19900911729
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Karl-Günther DALSASS
Bedrich Hosticka
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE19893936773 external-priority patent/DE3936773A1/en
Priority claimed from DE19904001509 external-priority patent/DE4001509C1/en
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP0498799A1 publication Critical patent/EP0498799A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/01—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using semiconducting elements having PN junctions
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F3/00—Non-retroactive systems for regulating electric variables by using an uncontrolled element, or an uncontrolled combination of elements, such element or such combination having self-regulating properties
    • G05F3/02—Regulating voltage or current
    • G05F3/08—Regulating voltage or current wherein the variable is dc
    • G05F3/10—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics
    • G05F3/16—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
    • G05F3/20—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations
    • G05F3/26—Current mirrors
    • G05F3/262—Current mirrors using field-effect transistors only

Definitions

  • the present invention relates to an integrable temperature sensor circuit with a first current mirror circuit and with a second circuit which is complementary to the first current mirror circuit and which is connected to the first current mirror circuit at a first and second node, according to the preamble of patent claim 1.
  • the present invention relates to an integrable temperature sensor circuit with a first, a first and a second FET current mirror circuit and with a second, complementary to the first current mirror circuit, a third and a fourth FET circuit, which with the first current mirror circuit on a first and second Node is connected, with a first resistor, which is connected to a third node of the second circuit and a reference potential node, and with an output terminal, according to the preamble of claim 11.
  • a generic integrable temperature sensor circuit is known from the specialist publication BJ Hosticka, J. Fichtel, G. Zimmer, "Integrated monolithic temperature sensors for acquisition and regulation", Sensors and Actuators, Issue 6 (1984), pages 191 to 200.
  • This known temperature sensor circuit implemented in CMOS technology is connected to the fourth node of the second circuit directly to the reference potential node.
  • One of the two output connections of the known integrable temperature sensor circuit is formed by the fourth node, while the other output connection is the reference potential node.
  • the output voltage of the known integrable temperature sensor circuit is present across its single resistor.
  • the known integrable temperature sensor circuit is operated in such a way that the four field effect transistors are in the weak inversion range.
  • the currents which are used in the known temperature sensor circuit are so low that the field effect transistors are operated in the linear region far below the saturation state.
  • the temperature sensitivity of the known temperature sensor circuit is limited to a value which corresponds to the product of the temperature voltage and the natural logarithm of the channel width-channel length quotients of the field effect transistors used.
  • the sensitivities that can be achieved in the known temperature sensor circuit in the order of magnitude of only about 0.2 mV / ° C. are too low for many applications.
  • a further, integrable temperature sensor circuit is known from this technical publication, which consists of a current mirror circuit and two diodes connected in the current paths of this current mirror circuit. The difference between the voltages falling across the diodes forms the output voltage, the value of which is the temperature voltage multiplied by the natural logarithm of the current mirror ratio and the diode area quotient.
  • This known temperature sensor circuit also has a low sensitivity.
  • the temperature sensor circuits described above have a voltage output signal.
  • Temperature sensor circuits with a current output signal are also known from the prior art. Such a temperature sensor circuit is disclosed in the specialist publication M.P. Timko, "A two-terminal IC temperature transducer", IEEE Journal of Solid-State Circuits SC-11, number 6, Dec. 1976, pages 784 to 788. This known temperature sensor has an output current with a low temperature sensitivity of only about 1 microampere / ° C. Since it is usually necessary to convert a current output signal into a voltage signal, this known temperature sensor circuit requires extremely temperature-stable resistors to be connected externally to the integrated structure of the temperature sensor circuit.
  • the object of the present invention is to develop an integrable temperature sensor circuit of the type mentioned at the outset in such a way that its sensitivity is increased further and that it can be integrated in an even smaller area.
  • an integrable temperature sensor circuit with a first current mirror circuit and with a second circuit which is complementary to the first current mirror circuit and which is connected to the first current mirror circuit at a first and second node, in that the second circuit is connected at a third node to a first series circuit, which has a first resistor and a first diode, and at a fourth node to a second series circuit, which has a second resistor and a second diode.
  • this object is achieved according to a second aspect of the invention in an integrable temperature sensor circuit with a first, a first and a second FET current mirror circuit, with a second, complementary to the first current mirror circuit, a third and a fourth FET circuit, which with the first Current mirror circuit is connected at a first and second node, and has a third and fourth node, with a first resistor connected to a fourth node of the second circuit and a reference potential node, and with an output terminal, solved by providing a second resistor that is connected to a third node and the reference potential node, that the FETs operate in their saturation region and that the output terminal is connected to the first node or to the second node.
  • the first current mirror circuit works as a current source pair, which delivers impressed currents with a specific current ratio, which operates via the second circuit, which is complementary to the first current mirror circuit and, to a first approximation, works as a second current mirror circuit, insofar as the potentials are at third and fourth nodes match, and the first and second resistors are conducted to the first and second diodes, respectively.
  • a temperature-dependent voltage drop arises at these diodes, which not only depends on the temperature, but also on the size of the impressed current and the diode area.
  • the temperature sensor circuit can be implemented with paired components, so that manufacturing differences relating to both paired elements in the same way do not lead to errors in the measuring voltage.
  • the integrable temperature sensor circuit according to the invention works with a sensitivity that is many times higher than the sensitivity of the known temperature sensor circuits.
  • the temperature sensor circuit according to the second aspect of the invention operates in the saturation range of the FETs, the voltage drop caused by the impressed temperature-dependent currents across the resistances becoming one of the magnitude of the impressed currents and the magnitude of the Resistance-dependent voltage difference value between the third and fourth nodes leads, which causes the second feedback circuit to shift the voltage operating points at the first and second nodes.
  • a temperature sensitivity of -7.0 mV / ° C. was measured within the temperature range from 0 ° C. to 100 ° C.
  • the temperature sensitivity of this circuit is thus approximately a factor of 17 above the temperature sensitivity of the temperature sensor circuits according to the prior art.
  • the temperature sensor circuit according to the invention can be implemented as an integrated circuit, the temperature sensitivity of the circuit can be changed directly by external parallel connection of resistors without having to change anything on the integrated circuit.
  • a further advantage of the temperature sensor circuit according to the invention lies in its low area requirement, since in a preferred embodiment it can be implemented on an area of only 0.3 square millimeters, and in its low power consumption, this value being a maximum of 2 mW in a preferred embodiment.
  • the temperature sensor circuit according to the invention can comprise a voltage amplifier circuit comprising a third resistor and a fifth transistor. This is preferably connected to a transistor of the first current mirror circuit as a third current mirror circuit, so that the sensitivity of the temperature sensor circuit according to the invention can be determined by suitable choice of the quotient of the first and third resistor or the quotient of the channel width-channel length ratios of the fifth and the second FET.
  • the transistors of the first current mirror circuit and the fifth transistor are field effect transistors of a first conductivity type, the gates of these transistors being connected to a first node, and the transistors of the second current mirror circuit are field effect transistors of a second conductivity type, the gates of which are connected to the second Nodes are connected.
  • This configuration of the current mirror circuits makes it possible to manufacture the transistors of the first, second and third circuits that belong together with matching pairing properties.
  • the specified structure can be implemented with a small footprint and low power consumption.
  • the temperature sensor circuit according to the invention preferably comprises the operating point setting circuit defined in claim 6.
  • the operating point of these circuits may run out if the operating point is not defined in an area in which it stabilizes itself.
  • the operating point setting circuit which forces the temperature sensor circuit to take the desired operating point, serves this purpose.
  • the circuit dimensioning defined in claim 7 ensures the temperature dependency of the output-side voltage signal of the circuit according to the invention.
  • the dimensioning specified in claim 8 ensures good temperature sensitivity in the preferred case in practice, in which use is made of diodes of the same area.
  • the output voltage of the temperature sensor according to the invention is proportional to the measured temperature, so that the output voltage has no temperature-independent additive terms.
  • the second circuit preferably comprises a third and fourth transistor, the control electrodes of which are both both operatively connected to the first or both to the second node.
  • the transistors are arranged such that the input voltage of these transistors is applied between the first or second node and the third node on the one hand and the fourth node on the other.
  • the first and second FETs are preferably designed as transistors of a first conductivity type, the gates of which are connected to the first node, the third and fourth FETs having a second conductivity type and their gates being connected to the second node.
  • an operating point setting circuit is provided which is connected to the second node and which has a voltage divider and a diode or a transistor connected between the divider node of the same and the second node such that it is only in leads in one direction. Since the circuit structure comprising the first current mirror circuit and the second, complementary circuit is a coupled circuit, the operating points of this circuit may run out, provided the operating point of these circuits does not define an area in which it stabilizes itself . The aforementioned operating point setting circuit is used for this.
  • the dimensioning defined in claim 14 ensures that a temperature-dependent term in the voltage output signal is guaranteed.
  • the third and the fourth FET are both operatively coupled to the first or both to the second node with their gates, the gates Source voltage of these FETs is present between the first or second node and the third node on the one hand and the fourth node on the other hand, so that the desired high temperature sensitivity is achieved with a simple circuit structure.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of the invention
  • Fig. 2 shows a second embodiment of the invention
  • the first embodiment of the integrable temperature sensor circuit according to the invention which is designated in its entirety by the reference number 1, comprises a first and a second PMOS-FET M1, M2, each of which has a positive supply on the source side. potential V DD are connected.
  • these FETs M1, M2 are connected to a first node 1, to which the second FET is also connected on the drain side.
  • the first FET is connected to a second node 2 on the drain side.
  • the first and second FET M1, M2 together form a PMOSS current mirror with a current divider ratio, which is defined by the ratio of the channel width-channel length quotients W 1 L 2 / W 2 L 1 of the first and second transistors M1, M2.
  • This current ratio n which indicates the ratio of the first current I to the second current I 2 , is 1.05 in the exemplary embodiment shown.
  • a third and fourth NMOS-FET M3, M4 are connected as a complementary NMOS circuit, the gates of these FETs being connected to the second node, while these FETs M3, M4 are connected on the source side to the third and fourth nodes, so that the input control voltage for these FETs are formed by the gate-source voltage between the second and third or second and fourth nodes of the circuit.
  • the potential at the third node 3 corresponds to that at the fourth node 4, so that the second circuit can also be regarded as a current mirror circuit.
  • the gates of these transistors M3, M4, like the drain of the third FET M3, are connected to the second node, while the drain of the fourth FET M4 is connected to the first node.
  • the third and fourth FET M3, M4 are connected to a third and fourth node 3, 4.
  • a series circuit comprising a first resistor R1 and a first diode D1 arranged in the forward direction, the connection point of which is designated as the fifth node 5.
  • the series circuit consisting of a fifth PMOS-FET M5 and a third resistor R3 lies between a supply potential terminal 10 and the ground potential terminal 0, the connection point of these components forming an output terminal 7, at which an output voltage V ou ⁇ is generated.
  • the fifth FET M5 forms a current mirror with the second FET M2, the current ratio a of which corresponds to the quotient from the fifth current I 5 to the second current I 2 .
  • This current ratio is also defined by the ratio of the channel width to the channel length of the fifth FET in relation to the channel width to the channel length of the second FET.
  • the temperature sensor circuit 1 comprises an operating point setting circuit which is formed from the sixth to ninth transistors M6-M9.
  • the operating point setting circuit comprises a voltage divider M6 - M8, which by the sixth and seventh PMOS-FET M6, M7 and the eighth NMOS-FET are formed, which are connected in series and each as resistors.
  • the eighth node 8 between the seventh FET M7 and the eighth FET M8 is connected to the drain of a ninth NMOS FET connected as a diode, the source of which is connected to the second node.
  • the ninth FET M9 works as a diode which conducts when the potential at the eighth node 8 is higher than that at the second node 2.
  • the operating point setting circuit M6-M9 is only active if the potential at the second node is below an allowable operating point range, in which case the operating point is forced into a range by switching the diode formed by the ninth FET M9 into a range in which the actual temperature sensor circuit M1 - M4 automatically stabilizes at its working point.
  • the resistance values of the resistors R1-R3 are each in kiloohms:
  • the diode areas A1, A2 of the two diodes D1, D2 have the same size and are each 128 ⁇ m 2 .
  • the channel width / channel length ratios Wi / Li of the transistors M1 - M9 are each in ⁇ m:
  • M1 21/20; M2: 20/20; M3: 20/20; M4: 20/20;
  • M5 100/20
  • M6 5/20
  • M7 5/40
  • M8 5/40
  • I 1 (V 1 - V DD - V p ) 2 ;
  • I 1 (V 2 - V 3 - V N ) 2 ;
  • I 2 (V 1 - V DD - V p ) 2 ;
  • I 2 _ (V 2 - V s 2- V N ) 2 ;
  • ⁇ 5 (V 1 - V s2 - V p ) 2 ;
  • V 3 V 2 - V N +
  • V 4 V 2 - V N +
  • V 5 - V 6 U T ⁇ In (n ⁇ m);
  • equation 21 which assumes equal channel lengths L1-L4 of the first to fourth transistors M1-M4, it can be seen that the additive interference term on the right-hand side of the equation drops out if the quotient of the channel widths of the second and fourth transistor is that of the channel widths of the first and third transistors. This requirement is largely met with the dimensions specified above.
  • a sensitivity of 9.5 mV / ° C was measured in a temperature range from -25 ° C to 100 ° C.
  • This circuit sensitivity corresponds to a sensitivity improvement by a factor of 23 compared to the prior art recognized at the outset. It is obvious that the sensitivity increases further can, if this is desired, by selecting a higher value of the third resistor R3, if this should be necessary in the event that the temperature sensor circuit according to the invention is to be used for measurements only within small temperature ranges.
  • the circuit is implemented on an area of 0.7 mm 2 and shows a maximum power consumption of 8 mW.
  • the temperature sensitivity in the circuit according to the invention can be set by connecting resistors in parallel at the terminals 0.7, without this requiring any intervention in the integrated circuit.
  • the operating point setting circuit can have two resistors connected in series between the positive supply voltage potential V DD and the negative supply voltage potential V SS instead of the sixth to eighth field effect transistor, to the common eighth node of which the anode of a diode can be connected, which ninth field effect transistor M9 replaced.
  • the current mirror circuits which are formed by the first and second, the third and fourth or the first and fifth transistor, can be implemented in bipolar technology.
  • the second embodiment of the integrable temperature sensor circuit according to the invention which is designated in its entirety by the reference symbol 1 ', comprises a first and a second PMOS-FET M1', M2 ', which are each connected on the source side to a positive supply potential V DD '.
  • these FETs M1 ', M2' are connected to a first node 1 ', to which the second FET is also connected on the drain side.
  • the first FET is connected on the drain side to a second node 2 '.
  • the first and second FET M1 ', M2' together form a PMOSS current mirror with a current divider ratio, which is defined by the ratio of the channel width-channel length quotients W1L2 / W2L1 of the first and second transistor M1 ', M2'.
  • This current ratio n ' which indicates the ratio of the first current I 1 ' to the second current I 2 ', is 1.05 in the exemplary embodiment shown.
  • a third and fourth NMOS-FET M3 ', M4' are connected as a complementary NMOS circuit, the gates of these FETs being connected to the second node 2 ', while these FETs M3', M4 'are connected on the source side to the third and fourth nodes 3 ', 4' are connected, so that the input control voltage for these FETs are formed by the gate-source voltage between the second and third or second and fourth nodes of the circuit.
  • the gates of these transistors M3 ', M4' are connected to the second node, while the drain of the fourth FET M4' is connected to the first node.
  • the third and fourth FET M3 ', M4' are located at a third and fourth node 3 ', 4', respectively.
  • a ground terminal 7' to which a negative supply potential V SS 'is present, there is a first resistor R1'.
  • a second resistor R2 ' lies between the fourth node 4' and the ground terminal 7 '.
  • An output terminal 5 ' is connected to the first node 1', at which an output potential V OUT 'is generated which defines an output voltage in relation to the negative supply potential V SS '.
  • the temperature sensor circuit 1 ' comprises a work point setting circuit, which is formed from the fifth to eighth transistor M5 '- M8'.
  • the operating point setting circuit comprises a voltage divider M5 '- M7', which is formed by the fifth and sixth PMOS-FET M5 ', M6' and the seventh NMOS-FET M7 ', which are connected in series and in each case as resistors.
  • the sixth node 6 'between the sixth FET M6' and the seventh FET M7 ' is connected to the drain of an eighth NMOS FET, the source of which is connected to the second node.
  • the eighth FET M8 ' functions as a semiconducting element that conducts when the potential at the sixth node 6' is higher than that at the second node 2 '.
  • the operating point setting circuit M5 '- M8' is only active when the potential at the second node is below a permissible operating point range, in which case the operating point is forced into a range in which the actual temperature sensor circuit M1 'is forced by switching the eighth FET M8'. - M4 'automatically stabilizes at its working point.
  • the resistance values of the resistors R1 ', R2' are each in kiloohms:
  • the channel width / channel length ratios Wi / Li of the transistors M1 '- M8' are each in micrometers:
  • the channel width-channel length ratios of the first and second FET M1 ', M2', which form the first current mirror circuit, are selected so that the currents flowing to the first and second nodes 1 ', 2' essentially coincide with each other.
  • the slight deviation provided in the preferred exemplary embodiment results from the requirement of the unequal quotients of the ratios of the channel width to the channel length of the second to the fourth or the first to the third FET.
  • the operating point setting circuit can have two resistors connected in series between the positive supply potential V DD 'and the seventh terminal instead of the fifth to seventh field effect transistor, to whose common sixth node the anode of a diode can be connected, which is the eighth field effect transistor M8 'replaced.
  • resistors can be connected to the fifth and seventh terminals 5 ', T in order to adapt the temperature sensitivity of the temperature sensor circuit formed by the integrated circuit to a desired application.

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Abstract

Un circuit intégrable de sonde de température (1; 1') comporte un premier circuit à niveau de courant (M1, M2; M1', M2') et un deuxième circuit (M3, M4; M3', M4') complémentaire du premier. Pour accroître la sensibilité thermique du circuit de la sonde de température, dans une première forme d'exécution de ce circuit on monte en série par rapport au deuxième circuit (M3, M4) un premier et deuxième circuit en série comportant chacun une résistance (R1, R2) et une diode (D1, D2). Un circuit intégrable de sonde de température contient un premier circuit à niveau de courant qui comporte un premier et un deuxième transistor à effet de champ, un deuxième circuit, complémentaire du circuit à niveau de courant, qui comporte un troisième et un quatrième transistor à effet de champ et qui est relié au premier circuit à mémoire de courant au niveau d'un premier et d'un deuxième noeud. Pour accroître la sensibilité thermique du circuit intégrable de sonde de température en conservant au circuit une structure simple, une deuxième forme d'exécution de ce circuit prévoit une première résistance (R2') entre un noeud du deuxième circuit (M3', M4') et un noeud du potentiel de référence (Vss') ainsi qu'une connexion de sortie et une deuxième résistance (R1') reliée à un autre noeud du deuxième circuit complémentaire (M3', M4') et au noeud du potentiel de référence (VSS'), les transistors à effet de champ (M1', M2') du premier circuit à niveau de courant et ceux (M3', M4') du second circuit complémentaire étant mis en oeuvre dans leur domaine de saturation et la connexion de sortie (VOUT') du circuit de la sonde de température étant reliée activement au premier ou au deuxième noeud (1', 2').An integrated temperature probe circuit (1; 1 ') comprises a first current level circuit (M1, M2; M1', M2 ') and a second circuit (M3, M4; M3', M4 ') complementary to the first . To increase the thermal sensitivity of the temperature probe circuit, in a first embodiment of this circuit, a first and second circuit in series, each comprising a resistor (R1), is mounted in series with respect to the second circuit (M3, M4) , R2) and a diode (D1, D2). An integrated temperature probe circuit contains a first current level circuit which includes a first and a second field effect transistor, a second circuit, complementary to the current level circuit, which comprises a third and a fourth effect transistor field and which is connected to the first current memory circuit at a first and a second node. To increase the thermal sensitivity of the integrable temperature probe circuit while keeping the circuit a simple structure, a second embodiment of this circuit provides a first resistor (R2 ') between a node of the second circuit (M3', M4 ') and a node of the reference potential (Vss ') as well as an output connection and a second resistor (R1') connected to another node of the second complementary circuit (M3 ', M4') and to the node of the reference potential ( VSS '), the field effect transistors (M1', M2 ') of the first current level circuit and those (M3', M4 ') of the second complementary circuit being used in their saturation range and the connection of output (VOUT ') of the temperature probe circuit being actively connected to the first or second node (1', 2 ').

Description

Integrierbare Temperatursensorschaltung  Integrable temperature sensor circuit
Beschreibung description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierbare Temperatursensorschaltung mit einer ersten Stromspiegelschaltung und mit einer zweiten, zu der ersten Stromspiegelschaltung komplementären Schaltung, welche mit der ersten Stromspiegelschaltung an einem ersten und zweiten Knoten verbunden ist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. The present invention relates to an integrable temperature sensor circuit with a first current mirror circuit and with a second circuit which is complementary to the first current mirror circuit and which is connected to the first current mirror circuit at a first and second node, according to the preamble of patent claim 1.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine integrierbare Temperatursensorschaltung mit einer ersten, einen ersten und einen zweiten FET aufweisenden Stromspiegelschaltung und mit einer zweiten, zu der ersten Stromspiegelschaltung komplementären, einen dritten und einen vierten FET aufweisenden Schaltung, welche mit der ersten Stromspiegelschaltung an einem ersten und zweiten Knoten verbunden ist, mit einem ersten Widerstand, der mit einem dritten Knoten der zweiten Schaltung und einem Bezugspotentialknoten verbunden ist, und mit einem Ausgangsanschluß, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11. Furthermore, the present invention relates to an integrable temperature sensor circuit with a first, a first and a second FET current mirror circuit and with a second, complementary to the first current mirror circuit, a third and a fourth FET circuit, which with the first current mirror circuit on a first and second Node is connected, with a first resistor, which is connected to a third node of the second circuit and a reference potential node, and with an output terminal, according to the preamble of claim 11.
Eine gattungsgemäße integrierbare Temperatursensorschaltung ist aus der Fachveröffentlichung B.J. Hosticka, J. Fichtel, G. Zimmer, "Integrated monolithic temperature sensors for acquisition and regulation", Sensors and Actuators, Heft 6 (1984), Seiten 191 bis 200 bekannt. Diese bekannte, in CMOS- Technik implementierte Temperatursensorschaltung ist mit dem vierten Knoten der zweiten Schaltung direkt mit dem Bezugspotentialknoten verbunden. Einer der beiden Ausgangsanschlüsse der bekannten integrierbaren Temperatursensorschaltung wird durch den vierten Knoten gebildet, während der andere Ausgangsanschluß der Bezugspotentialknoten ist. Mit anderen Worten liegt die AusgangsSpannung der bekannten integrierbaren Temperatursensorschaltung über deren einzigen Widerstand an. Die bekannte integrierbare Temperatursensorschaltung wird derart betrieben, daß sich die vier Feldeffekttransistoren in dem schwachen Inversionsbereich befinden. Mit anderen Worten sind die Ströme, die bei der bekannten Temperatursensorschaltung eingesetzt werden, so niedrig, daß die Feldeffekttransistoren in dem linearen Bereich weit unterhalb des Sättigungszustandes betrieben werden. In diesem Betriebszustand ist die Temperaturempfindlichkeit der bekannten Temperatursensorschaltung auf einen Wert begrenzt, der dem Produkt aus der Temperaturspannung und dem natürlichen Logarithmus der Kanalbreiten-Kanallängen-Quotienten der verwendeten Feldeffekttransistoren entspricht. Die somit bei der bekannten Temperatursensorschaltung erzielbaren Empfindlichkeiten in der Größenordnung von nur etwa 0,2 mV/°C sind für viele Anwendungsfälle zu gering. A generic integrable temperature sensor circuit is known from the specialist publication BJ Hosticka, J. Fichtel, G. Zimmer, "Integrated monolithic temperature sensors for acquisition and regulation", Sensors and Actuators, Issue 6 (1984), pages 191 to 200. This known temperature sensor circuit implemented in CMOS technology is connected to the fourth node of the second circuit directly to the reference potential node. One of the two output connections of the known integrable temperature sensor circuit is formed by the fourth node, while the other output connection is the reference potential node. With in other words, the output voltage of the known integrable temperature sensor circuit is present across its single resistor. The known integrable temperature sensor circuit is operated in such a way that the four field effect transistors are in the weak inversion range. In other words, the currents which are used in the known temperature sensor circuit are so low that the field effect transistors are operated in the linear region far below the saturation state. In this operating state, the temperature sensitivity of the known temperature sensor circuit is limited to a value which corresponds to the product of the temperature voltage and the natural logarithm of the channel width-channel length quotients of the field effect transistors used. The sensitivities that can be achieved in the known temperature sensor circuit in the order of magnitude of only about 0.2 mV / ° C. are too low for many applications.
Aus dieser Fachveröffentlichung ist eine weitere, integrierbare Temperatursensorschaltung bekannt, die aus einer Stromspiegelschaltung und zwei in den Stromwegen dieser Stromspiegelschaltung geschalteten Dioden besteht. Die Differenz der über die Dioden abfallenden Spannungen bildet die Ausgangsspannung, deren Wert die Temperaturspannung multipliziert mit dem natürlichen Logarithmus des Stromspiegelverhältnisses und des Diodenflächenquotienten ist. Auch diese bekannte Temperatursensorschaltung hat somit eine niedrige Empfindlichkeit. A further, integrable temperature sensor circuit is known from this technical publication, which consists of a current mirror circuit and two diodes connected in the current paths of this current mirror circuit. The difference between the voltages falling across the diodes forms the output voltage, the value of which is the temperature voltage multiplied by the natural logarithm of the current mirror ratio and the diode area quotient. This known temperature sensor circuit also has a low sensitivity.
Andererseits sind bereits verschiedene bipolare Temperatursensorschaltungen bekannt, deren Empfindlichkeit in der Größenordnung von -2,5 mV/°C liegt. Ein Beispiel einer derartigen bipolaren Temperatursensorschaltung ist aus der Fachveröffentlichung E. Habekotte, "Silicon temperature sensors", Bulletin ASE/UCS 76, Nummer 5, 1985, Seiten 272 bis 276 bekannt. Aufgrund ihrer niedrigen Ausgangsspannung sowie aufgrund des nichtlinearen Verhaltens der Ausgangsspannung von der Temperatur erfordert die bekannte Tempera tursensorschaltung Spannungsanpassungsschaltungen und Kompensationsschaltungen. On the other hand, various bipolar temperature sensor circuits are already known, the sensitivity of which is of the order of -2.5 mV / ° C. An example of such a bipolar temperature sensor circuit is known from the specialist publication E. Habekotte, "Silicon temperature sensors", bulletin ASE / UCS 76, number 5, 1985, pages 272 to 276. Because of its low output voltage and because of the non-linear behavior of the output voltage from the temperature, the known tempera requires Tur sensor circuit voltage adjustment circuits and compensation circuits.
Die oben beschriebenen Temperatursensorschaltungen haben ein Spannungsausgangssignal. The temperature sensor circuits described above have a voltage output signal.
Aus dem Stand der Technik sind ferner Temperatursensorschaltungen mit Stromausgangssignal bekannt. Eine derartige Temperatursensorschaltung ist in der Fachveröffentlichung M. P. Timko, "A two-terminal IC temperature transducer", IEEE Journal of Solid-State Circuits SC-11, Nummer 6, Dez. 1976, Seiten 784 bis 788 offenbart. Dieser bekannte Temperatursensor hat einen Ausgangsstrom mit einer niedrigen Temperaturempfindlichkeit von lediglich etwa l Mikroampere/°C. Da üblicherweise zur Weiterverarbeitung eines Stromausgangssignales dessen Umsetzung in ein Spannungssignal erforderlich ist, werden bei dieser bekannten Temperatursensorschaltung extern an die integrierte Struktur der Temperatursensorschaltung anzuschließende, äußerst temperaturstabile Widerstände benötigt. Temperature sensor circuits with a current output signal are also known from the prior art. Such a temperature sensor circuit is disclosed in the specialist publication M.P. Timko, "A two-terminal IC temperature transducer", IEEE Journal of Solid-State Circuits SC-11, number 6, Dec. 1976, pages 784 to 788. This known temperature sensor has an output current with a low temperature sensitivity of only about 1 microampere / ° C. Since it is usually necessary to convert a current output signal into a voltage signal, this known temperature sensor circuit requires extremely temperature-stable resistors to be connected externally to the integrated structure of the temperature sensor circuit.
Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine integrierbare Temperatursensorschaltung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß deren Empfindlichkeit weiter erhöht wird und daß sie auf einer noch geringeren Fläche integrierbar ist. Compared to this prior art, the object of the present invention is to develop an integrable temperature sensor circuit of the type mentioned at the outset in such a way that its sensitivity is increased further and that it can be integrated in an even smaller area.
Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung bei einer integrierbaren Temperatursensorschaltung mit einer ersten Stromspiegelschaltung und mit einer zweiten, zu der ersten Stromspiegelschaltung komplementären Schaltung, welche mit der ersten Stromspiegelschaltung an einem ersten und zweiten Knoten verbunden ist, dadurch gelöst, daß die zweite Schaltung an einem dritten Knoten mit einer ersten Reihenschaltung, die einen ersten Widerstand und eine erste Diode aufweist, und an einem vierten Knoten mit einer zweiten Reihenschaltung, die einen zweiten Widerstand und eine zweite Diode aufweist, verbunden ist. Ferner wird diese Aufgabe gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung bei einer integrierbaren Temperatursensorschaltung mit einer ersten, einen ersten und einen zweiten FET aufweisenden Stromspiegelschaltung, mit einer zweiten, zu der ersten Stromspiegelschaltung komplementären, einen dritten und einen vierten FET aufweisenden Schaltung, welche mit der ersten Stromspiegelschaltung an einem ersten und zweiten Knoten verbunden ist, und einen dritten und vierten Knoten aufweist, mit einem ersten Widerstand, der mit einem vierten Knoten der zweiten Schaltung und einem Bezugspotentialknoten verbunden ist, und mit einem Ausgangsanschluß, dadurch gelöst, daß ein zweiter Widerstand vorgesehen ist, der mit einem dritten Knoten und dem Bezugspotentialknoten verbunden ist, daß die FETs in ihrem Sättigungsbereich betrieben werden, und daß der Ausgangsanschluß mit dem ersten Knoten oder mit dem zweiten Knoten verbunden ist. This object is achieved according to a first aspect of the invention in an integrable temperature sensor circuit with a first current mirror circuit and with a second circuit which is complementary to the first current mirror circuit and which is connected to the first current mirror circuit at a first and second node, in that the second circuit is connected at a third node to a first series circuit, which has a first resistor and a first diode, and at a fourth node to a second series circuit, which has a second resistor and a second diode. Furthermore, this object is achieved according to a second aspect of the invention in an integrable temperature sensor circuit with a first, a first and a second FET current mirror circuit, with a second, complementary to the first current mirror circuit, a third and a fourth FET circuit, which with the first Current mirror circuit is connected at a first and second node, and has a third and fourth node, with a first resistor connected to a fourth node of the second circuit and a reference potential node, and with an output terminal, solved by providing a second resistor that is connected to a third node and the reference potential node, that the FETs operate in their saturation region and that the output terminal is connected to the first node or to the second node.
Bei der Temperatursensorschaltung nach dem ersten Aspekt der Erfindung arbeitet die erste Stromspiegelschaltung als Stromquellenpaar, das eingeprägte Ströme mit einem bestimmten Stromverhältnis liefert, welche über die zweite, zu der ersten Stromspiegelschaltung komplementäre Schaltung, die in erster Näherung als zweite Stromspiegelschaltung arbeitet, soweit die Potentiale am dritten und vierten Knoten übereinstimmen, und den ersten bzw. zweiten Widerstand an die erste bzw. zweite Diode geleitet werden. An diesen Dioden entsteht ein temperaturabhängiger Spannungsabfall, der neben der Temperatur auch von der Größe des eingeprägten Stromes und der Diodenfläche abhängt. Wenn beispielsweise Dioden gleicher Fläche mit geringfügig unterschiedlichen eingeprägten Strömen innerhalb der erfindungsgemäßen Temperatursensorschaltung betrieben werden, so ergeben sich über die beiden Dioden voneinander abweichende temperaturabhängige Spannungsabfälle, wobei die Differenzspannung proportional zur Temperatur ist. Durch diese Differenzspannung wird die komplementäre, zweite Schaltung aus dem Gleichgewicht gebracht. Dies führt dazu, daß sich die Spannungsdifferenz des temperatur abhängigen Spannungsabfalles über die Widerstände, die zusammen mit den Dioden die Reihenschaltung bilden, verstärkt, wobei das Verstärkungsverhältnis vom Quotienten des ersten und zweiten Widerstandes abhängt. Wie in der Beschreibung noch im einzelnen erläutert wird, sind sämtliche der in die Ausgangsspannung der Schaltung eingehenden Größen Verhältnisse, wie beispielsweise Stromverhältnisse, Widerstandsverhältnisse und Flächenverhältnisse, die technologisch sehr gut reproduzierbar sind, so daß der Temperatursensor hochgenau arbeitet. Die Temperatursensorschaltung kann mit gepaarten Bauelementen implementiert werden, so daß jeweils beide gepaarten Elemente in gleicher Weise betreffende Herstellungsabweichungen nicht zu Fehlern in der Meßspannung führen. Die erfindungsgemäße integrierbare Temperatursensorschaltung arbeitet mit einer Empfindlichkeit, die um ein Vielfaches oberhalb der Empfindlichkeit der bekannten Temperatursensorschaltungen liegt. In the temperature sensor circuit according to the first aspect of the invention, the first current mirror circuit works as a current source pair, which delivers impressed currents with a specific current ratio, which operates via the second circuit, which is complementary to the first current mirror circuit and, to a first approximation, works as a second current mirror circuit, insofar as the potentials are at third and fourth nodes match, and the first and second resistors are conducted to the first and second diodes, respectively. A temperature-dependent voltage drop arises at these diodes, which not only depends on the temperature, but also on the size of the impressed current and the diode area. If, for example, diodes of the same area are operated with slightly different impressed currents within the temperature sensor circuit according to the invention, the two diodes result in temperature-dependent voltage drops which differ from one another, the differential voltage being proportional to the temperature. This complementary voltage brings the complementary second circuit out of balance. This leads to the fact that the voltage difference of the temperature dependent voltage drop across the resistors, which together with the diodes form the series circuit, amplified, the amplification ratio depending on the quotient of the first and second resistors. As will be explained in detail in the description, all of the variables entering the output voltage of the circuit are ratios, such as current ratios, resistance ratios and area ratios, which are technologically very reproducible, so that the temperature sensor operates with high precision. The temperature sensor circuit can be implemented with paired components, so that manufacturing differences relating to both paired elements in the same way do not lead to errors in the measuring voltage. The integrable temperature sensor circuit according to the invention works with a sensitivity that is many times higher than the sensitivity of the known temperature sensor circuits.
Im Gegensatz zu der aus der eingangs genannten Fachveröffentlichung bekannten gattungsgemäßen Temperatursensorschaltung arbeitet die Temperatursensorschaltung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung im Sättigungsbereich der FETs, wobei der von den eingeprägten temperaturabhängigen Strömen verursachte Spannungsabfall über die Widerstände zu einem von der Größe der eingeprägten Ströme und der Größe der Widerstände abhängigen Spannungsdifferenzwert zwischen dem dritten und vierten Knoten führt, der die in Mitkopplung arbeitende zweite Schaltung zu einem Verschieben der Spannungsarbeitspunkte an dem ersten und zweiten Knoten veranlaßt. In einem später in der Spezialbeschreibung näher erläuterten Ausführungsbeispiel dieser erfindungsgemäßen Temperatursensorschaltung wurde bei der dort angegebenen Dimensionierung innerhalb eines Temperaturbereiches von 0 °C bis 100 °C eine Temperaturempfindlichkeit von -7,0 mV/°C gemessen. Damit liegt die Temperaturempfindlichkeit dieser Schaltung um ungefähr den Faktor 17 oberhalb der Temperaturempfindlichkeit der Temperatursensorschaltungen nach dem Stand der Technik. Die erfindungsgemäße Temperatursensorschaltung kann als integrierte Schaltung ausgeführt werden, wobei durch externe Parallelschaltung von Widerständen die Temperaturempfindlichkeit der Schaltung direkt verändert werden kann, ohne daß an der integrierten Schaltung etwas abgeändert werden muß. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Temperatursensorschaltung liegt in ihrem niedrigen Flächenbedarf, da sie bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel auf einer Fläche von lediglich 0,3 Quadratmillimeter implementierbar ist, sowie in ihrer niedrigen Leistungsaufnahme, wobei dieser Wert bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel bei maximal 2 mW liegt. In contrast to the generic temperature sensor circuit known from the technical publication mentioned at the outset, the temperature sensor circuit according to the second aspect of the invention operates in the saturation range of the FETs, the voltage drop caused by the impressed temperature-dependent currents across the resistances becoming one of the magnitude of the impressed currents and the magnitude of the Resistance-dependent voltage difference value between the third and fourth nodes leads, which causes the second feedback circuit to shift the voltage operating points at the first and second nodes. In an exemplary embodiment of this temperature sensor circuit according to the invention, which is explained in more detail in the special description, a temperature sensitivity of -7.0 mV / ° C. was measured within the temperature range from 0 ° C. to 100 ° C. The temperature sensitivity of this circuit is thus approximately a factor of 17 above the temperature sensitivity of the temperature sensor circuits according to the prior art. The temperature sensor circuit according to the invention can be implemented as an integrated circuit, the temperature sensitivity of the circuit can be changed directly by external parallel connection of resistors without having to change anything on the integrated circuit. A further advantage of the temperature sensor circuit according to the invention lies in its low area requirement, since in a preferred embodiment it can be implemented on an area of only 0.3 square millimeters, and in its low power consumption, this value being a maximum of 2 mW in a preferred embodiment.
Wie in den Ansprüchen 2 und 3 dargelegt wird, kann die erfindungsgemäße Temperatursensorschaltung eine Spannungsverstärkerschaltung aus einem dritten Widerstand und einem fünften Transistor umfassen. Vorzugsweise ist dieser mit einem Transistor der ersten Stromspiegelschaltung als dritte Stromspiegelschaltung geschaltet, so daß die Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Temperatursensorschaltung durch geeignete Wahl des Quotienten des ersten und dritten Widerstandes oder des Quotienten der Kanalbreiten-Kanallängen-Verhältnisse des fünften und des zweiten FET festgelegt werden kann. As set out in claims 2 and 3, the temperature sensor circuit according to the invention can comprise a voltage amplifier circuit comprising a third resistor and a fifth transistor. This is preferably connected to a transistor of the first current mirror circuit as a third current mirror circuit, so that the sensitivity of the temperature sensor circuit according to the invention can be determined by suitable choice of the quotient of the first and third resistor or the quotient of the channel width-channel length ratios of the fifth and the second FET.
Vorzugsweise sind gemäß den Ansprüchen 4 und 5 die Transistoren der ersten Stromspiegelschaltung sowie der fünfte Transistor Feldeffekttransistoren eines ersten Leitfähigkeitstypes, wobei die Gates dieser Transistoren mit einem ersten Knoten verbunden sind, und die Transistoren der zweiten Stromspiegelschaltung Feldeffekttransistoren eines zweiten Leitfähigkeitstypes, deren Gates mit dem zweiten Knoten verbunden sind. Durch diese Ausgestaltung der Stromspiegelschaltungen ist es möglich, die jeweils zusammengehörigen Transistoren der ersten, zweiten und dritten Schaltung mit übereinstimmenden Paarungseigenschaften herzustellen. Ferner kann die angegebene Struktur bei niedrigem Flächenbedarf und geringer Leistungsaufnahme implementiert werden. Vorzugsweise umfaßt die erfindungsgemäße Temperatursensorschaltung die in Anspruch 6 definierte Arbeitspunkteinstellschaltung. Da es sich bei der ersten Stromspiegelschaltung und zweiten Schaltung um mitgekoppelte Schaltungen handelt, kann es zu einem Herauslaufen des Arbeitspunktes dieser Schaltungen kommen, soweit man den Arbeitspunkt nicht in einem Bereich festlegt, in dem sich dieser eigenständig stabilisiert. Hierzu dient die Arbeitspunkteinstellschaltung, die die Temperatursensorschaltung dazu zwingt, den gewünschten Arbeitspunkt einzunehmen. Preferably, according to claims 4 and 5, the transistors of the first current mirror circuit and the fifth transistor are field effect transistors of a first conductivity type, the gates of these transistors being connected to a first node, and the transistors of the second current mirror circuit are field effect transistors of a second conductivity type, the gates of which are connected to the second Nodes are connected. This configuration of the current mirror circuits makes it possible to manufacture the transistors of the first, second and third circuits that belong together with matching pairing properties. Furthermore, the specified structure can be implemented with a small footprint and low power consumption. The temperature sensor circuit according to the invention preferably comprises the operating point setting circuit defined in claim 6. Since the first current mirror circuit and the second circuit are coupled-together circuits, the operating point of these circuits may run out if the operating point is not defined in an area in which it stabilizes itself. The operating point setting circuit, which forces the temperature sensor circuit to take the desired operating point, serves this purpose.
Durch die in Anspruch 7 festgelegte Schaltungsdimensionierung wird die Temperaturabhängigkeit des ausgangsseitigen Spannungssignales der erfindungsgemäßen Schaltung gewährleistet. The circuit dimensioning defined in claim 7 ensures the temperature dependency of the output-side voltage signal of the circuit according to the invention.
Die in Anspruch 8 angegebene Dimensionierung gewährleistet eine gute Temperaturempfindlichkeit in dem in der Praxis bevorzugten Fall, bei dem von Dioden gleicher Flächen Gebrauch gemacht wird. The dimensioning specified in claim 8 ensures good temperature sensitivity in the preferred case in practice, in which use is made of diodes of the same area.
Durch die in Anspruch 9 festgelegte Dimensionierung der Kanallängen und Kanalbreiten des ersten bis vierten FETs wird erreicht, daß die Ausgangsspannung des erfindungsgemäßen Temperatursensors proportional zur gemessenen Temperatur ist, so daß die Ausgangsspannung keine temperaturunabhängigen additiven Terme aufweist. Due to the dimensioning of the channel lengths and channel widths of the first to fourth FETs, the output voltage of the temperature sensor according to the invention is proportional to the measured temperature, so that the output voltage has no temperature-independent additive terms.
Wie in Anspruch 10 ausgeführt ist, umfaßt die zweite Schaltung vorzugsweise einen dritten und vierten Transistor, deren Steuerelektroden entweder beide mit dem ersten oder beide mit dem zweiten Knoten in Wirkverbindung stehen. Die Transistoren sind derart angeordnet, daß die Eingangsspannung dieser Transistoren zwischen dem ersten bzw. zweiten Knoten und dem dritten Knoten einerseits sowie dem vierten Knoten andererseits anliegen. Vorzugsweise sind gemäß Anspruch 12 der erste und zweite FET als Transistoren eines ersten Leitfähigkeitstypes ausgebildet, deren Gates mit dem ersten Knoten verbunden sind, wobei der dritte und vierte FET einen zweiten Leitfähigkeitstyp haben und mit ihren Gates mit dem zweiten Knoten verbunden sind. Durch diese Ausgestaltung der Stromspiegelschaltung und der komplementären Schaltung ist es möglich, die jeweils zusammengehörigen Transistoren mit übereinstimmenden Paarungseigenschaften herzustellen. Ferner ermöglicht diese Struktur einen niedrigen Flächenbedarf bei geringer Leistungsaufnahme. As set out in claim 10, the second circuit preferably comprises a third and fourth transistor, the control electrodes of which are both both operatively connected to the first or both to the second node. The transistors are arranged such that the input voltage of these transistors is applied between the first or second node and the third node on the one hand and the fourth node on the other. The first and second FETs are preferably designed as transistors of a first conductivity type, the gates of which are connected to the first node, the third and fourth FETs having a second conductivity type and their gates being connected to the second node. This configuration of the current mirror circuit and the complementary circuit makes it possible to manufacture the transistors that belong together with matching pairing properties. Furthermore, this structure enables a small space requirement with low power consumption.
Nach einem weiteren vorteilhaften Gesichtspunkt der Erfindung, der in Anspruch 13 definiert ist, ist eine mit dem zweiten Knoten verbundene Arbeitspunkteinstellschaltung vorgesehen, die einen Spannungsteiler und eine zwischen dem Teilerknoten desselben und dem zweiten Knoten geschaltete Diode oder einen derart geschalteten Transistor, daß dieser nur in einer Richtung leitet, aufweist. Da es sich bei der die erste Stromspiegelschaltung und die zweite, komplementäre Schaltung umfassenden Schaltungsstrukur um eine mitgekoppelte Schaltung handelt, kann es zu einem Herauslaufen der Arbeitspunkte dieser Schaltung kommen, soweit den Arbeitspunkt dieser Schaltungen nicht in einem Bereich festlegt, in dem sich dieser eigenständig stabilisiert. Hierzu dient die genannte Arbeitspunkteinstellschaltung. According to a further advantageous aspect of the invention, which is defined in claim 13, an operating point setting circuit is provided which is connected to the second node and which has a voltage divider and a diode or a transistor connected between the divider node of the same and the second node such that it is only in leads in one direction. Since the circuit structure comprising the first current mirror circuit and the second, complementary circuit is a coupled circuit, the operating points of this circuit may run out, provided the operating point of these circuits does not define an area in which it stabilizes itself . The aforementioned operating point setting circuit is used for this.
Durch die in Anspruch 14 festgelegte Dimensionierung wird sichergestellt, daß ein temperaturabhängiger Term im Spannungsausgangssignal gewährleistet ist. The dimensioning defined in claim 14 ensures that a temperature-dependent term in the voltage output signal is guaranteed.
Durch die in Anspruch 15 definierte Festlegung der Ströme werden unerwünschte Fehlerterme im Ausgangssignal minimiert. By defining the currents defined in claim 15, undesired error terms in the output signal are minimized.
Wie in Anspruch 16 ausgeführt ist, sind bei der erfindungsgemäßen Temperatursensorschaltung der dritte und der vierte FET mit ihren Gates beide an dem ersten oder beide an dem zweiten Knoten wirkungsmäßig angekoppelt, wobei die Gate Source-Spannung dieser FETs zwischen dem ersten bzw. zweiten Knoten und dem dritten Knoten einerseits sowie dem vierten Knoten andererseits anliegen, so daß bei einfacher Schaltungsstruktur die gewünschte hohe Temperaturempfindlichkeit herbeigeführt wird. As stated in claim 16, in the temperature sensor circuit according to the invention, the third and the fourth FET are both operatively coupled to the first or both to the second node with their gates, the gates Source voltage of these FETs is present between the first or second node and the third node on the one hand and the fourth node on the other hand, so that the desired high temperature sensitivity is achieved with a simple circuit structure.
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Temperatursensorschaltung näher erläutert. Es zeigt: Preferred embodiments of the temperature sensor circuit according to the invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawing. It shows:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fig. 1 shows a first embodiment of the invention
Temperatursensorschaltung, und  Temperature sensor circuit, and
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fig. 2 shows a second embodiment of the invention
Temperatursensorschaltung  Temperature sensor circuit
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen integrierbaren Temperatursensorschaltung, die in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, einen ersten und einen zweiten PMOS-FET M1, M2, die jeweils Source-seitig mit einem positiven Versor- gungspotentional VDD verbunden sind. Gateseitig stehen diese FETs M1, M2 mit einem ersten Knoten 1 in Verbindung, an den der zweite FET gleichfalls Drain-seitig angeschlossen ist. Der erste FET steht Drain-seitig mit einem zweiten Knoten 2 in Verbindung. Der erste und zweite FET M1, M2 bilden zusammen einen PMOSStromspiegel mit einem Stromteilerverhältnis, das durch das Verhältnis der Kanalweiten-Kanallängen-Quotienten W1L2/W2L1 des ersten und zweiten Transistors M1, M2 definiert ist. Dieses Stromverhältnis n, das das Verhältnis des ersten Stromes I, zum zweiten Strom I2 angibt, beträgt bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel 1,05. As shown in FIG. 1, the first embodiment of the integrable temperature sensor circuit according to the invention, which is designated in its entirety by the reference number 1, comprises a first and a second PMOS-FET M1, M2, each of which has a positive supply on the source side. potential V DD are connected. On the gate side, these FETs M1, M2 are connected to a first node 1, to which the second FET is also connected on the drain side. The first FET is connected to a second node 2 on the drain side. The first and second FET M1, M2 together form a PMOSS current mirror with a current divider ratio, which is defined by the ratio of the channel width-channel length quotients W 1 L 2 / W 2 L 1 of the first and second transistors M1, M2. This current ratio n, which indicates the ratio of the first current I to the second current I 2 , is 1.05 in the exemplary embodiment shown.
Ein dritter und vierter NMOS-FET M3, M4 sind als komplementäre NMOS-Schaltung geschaltet, wobei die Gates dieser FETs mit dem zweiten Knoten verbunden sind, während diese FETs M3 , M4 Source-seitig mit dem dritten bzw. vierten Knoten in Verbindung stehen, so daß die Eingangssteuerspannunu für diese FETs durch die Gate-Source-Spannung zwischen dem zweiten und dritten bzw. zweiten und vierten Knoten der Schaltung gebildet werden. In erster Näherung entspricht das Potential am dritten Knoten 3 demjenigen am vierten Knoten 4, so daß die zweite Schaltung ebenfalls als Stromspiegelschaltung betrachtet werden kann. Die Gates dieser Transistoren M3, M4 sind ebenso wie das Drain des dritten FET M3 mit dem zweiten Knoten verbunden, während das Drain des vierten FET M4 mit dem ersten Knoten verbunden ist. Source-seitig liegen der dritte und vierte FET M3, M4 an einem dritten bzw. vierten Knoten 3 , 4. Zwischen dem dritten Knoten 3 und einer Masseklemme 0, an der ein negatives Versorgungspotentional Vss anliegt, liegt eine Reihenschaltung aus einem ersten Widerstand Rl und einer in Durchlaßrichtung angeordneten ersten Diode D1, deren Verbindungspunkt als fünfter Knoten 5 bezeichnet ist. A third and fourth NMOS-FET M3, M4 are connected as a complementary NMOS circuit, the gates of these FETs being connected to the second node, while these FETs M3, M4 are connected on the source side to the third and fourth nodes, so that the input control voltage for these FETs are formed by the gate-source voltage between the second and third or second and fourth nodes of the circuit. In a first approximation, the potential at the third node 3 corresponds to that at the fourth node 4, so that the second circuit can also be regarded as a current mirror circuit. The gates of these transistors M3, M4, like the drain of the third FET M3, are connected to the second node, while the drain of the fourth FET M4 is connected to the first node. On the source side, the third and fourth FET M3, M4 are connected to a third and fourth node 3, 4. Between the third node 3 and a ground terminal 0, to which a negative supply potential V ss is applied, there is a series circuit comprising a first resistor R1 and a first diode D1 arranged in the forward direction, the connection point of which is designated as the fifth node 5.
Zwischen dem vierten Knoten 4 und der Masseklemme 0 liegt die Reihenschaltung eines zweiten Widerstandes R2 und einer zweiten, in Durchlaßrichtung geschalteten Diode D2, deren Verbindungspunkt als sechster Knoten 6 bezeichnet ist. Zwischen einer Versorgungspotentionalklemme 10 und der Massepotentialklemme 0 liegt die Reihenschaltung aus einem fünften PMOS-FET M5 und einem dritten Widerstand R3, wobei der Verbindungspunkt dieser Bauelemente eine Ausgangsklemme 7 bildet, an der eine Ausgangsspannung Vouτ erzeugt wird. Between the fourth node 4 and the ground terminal 0 is the series connection of a second resistor R2 and a second diode D2 connected in the forward direction, the connection point of which is referred to as the sixth node 6. The series circuit consisting of a fifth PMOS-FET M5 and a third resistor R3 lies between a supply potential terminal 10 and the ground potential terminal 0, the connection point of these components forming an output terminal 7, at which an output voltage V ouτ is generated.
Der fünfte FET M5 bildet mit dem zweiten FET M2 einen Stromspiegel, dessen Stromverhältnis a dem Quotienten aus dem fünften Strom I5 zu dem zweiten Strom I2 entspricht. Auch dieses Stromverhältnis ist definiert durch das Verhältnis der Kanalbreite zur Kanallänge des fünften FET bezogen auf die Kanalbreite zu der Kanallänge des zweiten FET. The fifth FET M5 forms a current mirror with the second FET M2, the current ratio a of which corresponds to the quotient from the fifth current I 5 to the second current I 2 . This current ratio is also defined by the ratio of the channel width to the channel length of the fifth FET in relation to the channel width to the channel length of the second FET.
Ferner umfaßt die Temperatursensorschaltung 1 eine Arbeitspunkteinstellschaltung, die aus dem sechsten bis neunten Transistor M6 - M9 gebildet ist. Die Arbeitspunkteinstellschaltung umfaßt einen Spannungsteiler M6 - M8, der durch den sechsten und siebten PMOS-FET M6, M7 und den achten NMOS-FET gebildet wird, welche in Reihe und jeweils als Widerstände geschaltet sind. Der achte Knoten 8 zwischen dem siebten FET M7 und dem achten FET M8 ist mit dem Drain-Anschluß eines als Diode verschalteten neunten NMOS-FET verbunden, dessen Source mit dem zweiten Knoten verbunden ist. Wie für den Fachmann offensichtlich ist, arbeitet der neunte FET M9 als Diode, die leitet, wenn das Potential am achten Knoten 8 höher als dasjenige am zweiten Knoten 2 ist. Furthermore, the temperature sensor circuit 1 comprises an operating point setting circuit which is formed from the sixth to ninth transistors M6-M9. The operating point setting circuit comprises a voltage divider M6 - M8, which by the sixth and seventh PMOS-FET M6, M7 and the eighth NMOS-FET are formed, which are connected in series and each as resistors. The eighth node 8 between the seventh FET M7 and the eighth FET M8 is connected to the drain of a ninth NMOS FET connected as a diode, the source of which is connected to the second node. As is obvious to a person skilled in the art, the ninth FET M9 works as a diode which conducts when the potential at the eighth node 8 is higher than that at the second node 2.
Die Arbeitspunkteinstellschaltung M6 - M9 ist nur dann aktiv, wenn das Potential am zweiten Knoten unterhalb eines zulässigen Arbeitspunktbereiches liegt, wobei in diesem Fall durch leitenschalten der durch den neunten FET M9 gebildeten Diode der Arbeitspunkt in einen Bereich gezwungen wird, in dem die eigentliche Temperatursensorschaltung M1 - M4 sich auf ihren Arbeitspunkt selbsttätig stabilisiert. The operating point setting circuit M6-M9 is only active if the potential at the second node is below an allowable operating point range, in which case the operating point is forced into a range by switching the diode formed by the ninth FET M9 into a range in which the actual temperature sensor circuit M1 - M4 automatically stabilizes at its working point.
Bei der bevorzugten Ausführungsform betragen die Widerstandswerte der Widerstände R1 - R3 jeweils in Kiloohm: In the preferred embodiment, the resistance values of the resistors R1-R3 are each in kiloohms:
R1 = 1,0; R1 = 1.0;
R2 = 3,0;  R2 = 3.0;
R3 = 50,0.  R3 = 50.0.
Die Diodenflächen A1, A2 der beiden Dioden D1, D2 sind gleich groß gewählt und betragen jeweils 128 μm2. The diode areas A1, A2 of the two diodes D1, D2 have the same size and are each 128 μm 2 .
Die Kanalbreiten/Kanallängen-Verhältnisse Wi/Li der Transistoren M1 - M9 betragen jeweils in μm: The channel width / channel length ratios Wi / Li of the transistors M1 - M9 are each in μm:
M1: 21/20; M2: 20/20; M3: 20/20; M4 : 20/20; M1: 21/20; M2: 20/20; M3: 20/20; M4: 20/20;
M5: 100/20, M6: 5/20; M7 : 5/40; M8 : 5/40; und M5: 100/20, M6: 5/20; M7: 5/40; M8: 5/40; and
M9: 5/40. M9: 5/40.
Nachfolgend wird die Ausgangsspannung VOUT bzw. V7 der erfindungsgemäßen Schaltung abgeleitet. Bei dieser Ableitung wird von gleichen FET-Kanallängen ausgegangen. Die Gleichung für den im Sättigungsbereich arbeitenden ersten FET Ml lautet: The output voltage V OUT or V 7 of the circuit according to the invention is derived below. This derivation assumes the same FET channel lengths. The equation for the first FET Ml operating in the saturation range is:
1.) I1 = (V1 - VDD - Vp)2 ;1.) I 1 = (V 1 - V DD - V p ) 2 ;
Die Gleichung für den im Sättigungsbereich arbeitenden dritten Transistor lautet: The equation for the third transistor operating in the saturation range is:
2.) I1 = (V2 - V3 - VN)2;2.) I 1 = (V 2 - V 3 - V N ) 2 ;
Für den ersten Widerstand R1 gilt: The following applies to the first resistor R1:
3.) I1 =3.) I 1 =
Für die erste Diode D1 gilt folgende Diodengleichung: The following diode equation applies to the first diode D1:
4.) I1 = A1 · Is · exp V5 = Uτ ·4.) I 1 = A 1 · I S · exp V 5 = U τ ·
Entsprechende Gleichungen gelten für den rechten Zweig der erfindungsgemäßen Temperatursensorschaltung:  Corresponding equations apply to the right branch of the temperature sensor circuit according to the invention:
5.) I2 = (V1 - VDD - Vp)2 ;5.) I 2 = (V 1 - V DD - V p ) 2 ;
6.) I2 = _ (V2 - Vs2- VN)2 ;6.) I 2 = _ (V 2 - V s 2- V N ) 2 ;
V x V x
8.) I2 = A2 · Is · exp ; V6 = Uτ · In ·8.) I 2 = A 2 · I s · exp; V 6 = U τ · In ·
Für den fünften Transistor M5 und den dritten Widerstand R3 gelten entsprechend folgende Gleichungen: The following equations apply accordingly to the fifth transistor M5 and the third resistor R3:
W W
9.) ι5 = (V1 - Vs2 - Vp)2 ;9.) ι 5 = (V 1 - V s2 - V p ) 2 ;
10.) I5 =10.) I 5 =
11.) V7 = (V1 - VDD - VP)2 = R3 · l5;11.) V 7 = (V 1 - V DD - V P ) 2 = R 3 · l 5 ;
Für die Stromverhältnisse n, a, das Diodenflachenverhaltnis m, die Widerstandsverhältnisse p, q und die Konstante k/q gilt: The following applies to the current ratios n, a, the diode area ratio m, the resistance ratios p, q and the constant k / q:
12.) I1 = n · I2 ; I5 = a · I2 ; A2 = m · A1 12.) I 1 = n · I 2 ; I 5 = a · I 2 ; A 2 = mA 1
R3 = p · R, ; R2 = q · R1 ; = 8,611 · 10-5 ; R 3 = p · R,; R 2 = q * R 1 ; = 8.611 x 10 -5 ;
Aus den Gleichungen 1) und 2) folgt: 13.) V3 = V2 - VN + From equations 1) and 2) it follows: 13.) V 3 = V 2 - V N +
Aus den Gleichungen 5) und 6) folgt:  From equations 5) and 6) it follows:
14.) V4 = V2 - VN + 14.) V 4 = V 2 - V N +
Aus den Gleichungen 3) und 7) folgt: From equations 3) and 7) it follows:
15.) - R1I1 R2I2 - V4 - V3 + V5 - V6; 15.) - R 1 I 1 R 2 I 2 - V 4 - V 3 + V 5 - V 6 ;
Aus den Gleichungen 4) und 8) folgt:  From equations 4) and 8) it follows:
16.) A1 · ls ·exp = n · m · A1· IS · exp ;16.) A 1 · l s · exp = n · m · A 1 · IS · exp;
17.) V5 - V6 = UT · In (n · m) ; 17.) V 5 - V 6 = U T · In (n · m);
Aus der Gleichung 10) folgt:  From equation 10) it follows:
18.) V7 = R3 · I5 = p - R1 · I1 ;18.) V 7 = R 3 · I 5 = p - R 1 · I 1 ;
19.) R2I2 - R1I1 = q-R1 · - R1 · I1 =19.) R 2 I 2 - R 1 I 1 = qR 1 · - R 1 · I 1 =
Hieraus folgt für das Potential V7 am siebten Knoten 7, das dem Ausgangspotential VOUT entspricht: From this it follows for the potential V 7 at the seventh node 7 that corresponds to the output potential V OUT :
Aus Gleichung 21 erkennt man, daß das Produkt des Stromverhältnisses n der ersten Stromspiegelschaltung M1, M2 und des Quotienten m der zweiten Diodenfläche A2 zu der ersten Diodenfläche A., ungleich 1 sein muß. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wurde dieses auf 1,05 festgelegt. Wie aus der Gleichung 21 für den Fachmann offensichtlich ist, ist die Temperaturempfindlichkeit der erfindungsgemäßen Schaltung sowohl hinsichtlich Größe als auch hinsichtlich Vorzeichen frei wählbar. It can be seen from equation 21 that the product of the current ratio n of the first current mirror circuit M1, M2 and the quotient m of the second diode area A 2 to the first diode area A. must be not equal to 1. In the preferred embodiment of the invention, this was set to 1.05. As is obvious to a person skilled in the art from equation 21, the temperature sensitivity of the circuit according to the invention can be freely selected both in terms of size and in terms of sign.
In der Gleichung 21, die von gleichen Kanallängen L1 - L4 des ersten bis vierten Transistors M1 - M4 ausgeht, erkennt man, daß der additive Störungsterm auf der rechten Seite der Gleichung herausfällt, wenn der Quotient der Kanalbreiten des zweiten und vierten Transistors demjenigen der Kanalbreiten des ersten und dritten Transistors gleicht. Dieses Erfordernis ist bei der oben angegebenen Dimensionierung weitgehend erfüllt. In equation 21, which assumes equal channel lengths L1-L4 of the first to fourth transistors M1-M4, it can be seen that the additive interference term on the right-hand side of the equation drops out if the quotient of the channel widths of the second and fourth transistor is that of the channel widths of the first and third transistors. This requirement is largely met with the dimensions specified above.
Bei einer in Übereinstimmung mit der oben beschriebenen Schaltung ausgeführten realisierten Schaltung wurde in einem Temperaturbereich von -25 °C bis 100 °C eine Empfindlichkeit von 9,5 mV/°C gemessen. Diese Schaltungsempfindlichkeit entspricht einer Empfindlichkeitsverbesserung gegenüber dem eingangs gewürdigten Stand der Technik um den Faktor 23. Es ist offensichtlich, daß die Empfindlichkeit weiter erhöht werden kann, wenn dies erwünscht ist, indem ein höherer Wert des dritten Widerstandes R3 gewählt wird, falls dies für den Fall erforderlich sein sollte, daß mit der erfindungsgemäßen Temperatursensorschaltung nur innerhalb kleiner Temperaturbereiche gemessen werden soll. In the case of a circuit implemented in accordance with the circuit described above, a sensitivity of 9.5 mV / ° C was measured in a temperature range from -25 ° C to 100 ° C. This circuit sensitivity corresponds to a sensitivity improvement by a factor of 23 compared to the prior art recognized at the outset. It is obvious that the sensitivity increases further can, if this is desired, by selecting a higher value of the third resistor R3, if this should be necessary in the event that the temperature sensor circuit according to the invention is to be used for measurements only within small temperature ranges.
Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Schaltung auf einer Fläche von 0.7 mm2 implementiert und zeigt eine Leistungsaufnahme von maximal 8 mW. In the preferred embodiment, the circuit is implemented on an area of 0.7 mm 2 and shows a maximum power consumption of 8 mW.
Falls dies erwünscht ist, kann bei der erfindungsgemäßen Schaltung die Temperaturempfindlichkeit durch Parallelschaltung von Widerständen an den Klemmen 0,7 eingestellt werden, ohne daß es hierzu eines Eingriffes in die integrierte Schaltung bedarf. If this is desired, the temperature sensitivity in the circuit according to the invention can be set by connecting resistors in parallel at the terminals 0.7, without this requiring any intervention in the integrated circuit.
In Abweichung von dem soeben beschriebenen Ausführungsbeispiel kann die Arbeitspunkteinstellschaltung anstelle des sechsten bis achten Feldeffekttransistors zwei in Reihe zwischen dem positiven Versorgungsspannungspotentional VDD und dem negativen Versorgungsspannungspotentional VSS geschaltete Widerstände haben, an deren gemeinsamen achten Knoten die Anode einer Diode angeschlossen sein kann, die den neunten Feldeffekttransistor M9 ersetzt. In deviation from the exemplary embodiment just described, the operating point setting circuit can have two resistors connected in series between the positive supply voltage potential V DD and the negative supply voltage potential V SS instead of the sixth to eighth field effect transistor, to the common eighth node of which the anode of a diode can be connected, which ninth field effect transistor M9 replaced.
Gleichfalls können die Stromspiegelschaltungen, die durch den ersten und zweiten, den dritten und vierten bzw. den ersten und fünften Transistor gebildet werden, in Bipolartechnik realisiert sein. Likewise, the current mirror circuits, which are formed by the first and second, the third and fourth or the first and fifth transistor, can be implemented in bipolar technology.
Ferner ist es möglich, die Schaltung mit einem Stromverhältnis n von 1 zu betreiben, sofern sich in diesem Fall die Flächen der beiden Dioden voneinander unterscheiden. It is also possible to operate the circuit with a current ratio n of 1, provided that in this case the areas of the two diodes differ from one another.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, umfaßt die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen integrierbaren Temperatursensorschaltung, die in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1' bezeichnet ist, einen ersten und einen zweiten PMOS-FET M1', M2', die jeweils Source-seitig mit einem positiven Versorgungspotential VDD' verbunden sind. Gate-seitig stehen diese FETs M1', M2' mit einem ersten Knoten 1' in Verbindung, an den der zweite FET gleichfalls Drain-seitig angeschlossen ist. Der erste FET steht Drain-seitig mit einem zweiten Knoten 2' in Verbindung. Der erste und zweite FET M1', M2' bilden zusammen einen PMOSStromspiegel mit einem Stromteilerverhältnis, das durch das Verhältnis der Kanalweiten-Kanallängen-Quotienten W1L2/W2L1 des ersten und zweiten Transistors M1', M2' definiert ist. Dieses Stromverhältnis n', das das Verhältnis des ersten Stromes I1' zum zweiten Strom I2' angibt, beträgt bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel 1,05. As shown in FIG. 2, the second embodiment of the integrable temperature sensor circuit according to the invention, which is designated in its entirety by the reference symbol 1 ', comprises a first and a second PMOS-FET M1', M2 ', which are each connected on the source side to a positive supply potential V DD '. On the gate side, these FETs M1 ', M2' are connected to a first node 1 ', to which the second FET is also connected on the drain side. The first FET is connected on the drain side to a second node 2 '. The first and second FET M1 ', M2' together form a PMOSS current mirror with a current divider ratio, which is defined by the ratio of the channel width-channel length quotients W1L2 / W2L1 of the first and second transistor M1 ', M2'. This current ratio n ', which indicates the ratio of the first current I 1 ' to the second current I 2 ', is 1.05 in the exemplary embodiment shown.
Ein dritter und vierter NMOS-FET M3', M4 ' sind als komplementäre NMOS-Schaltung geschaltet, wobei die Gates dieser FETs mit dem zweiten Knoten 2 ' verbunden sind, während diese FETs M3', M4' Source-seitig mit dem dritten bzw. vierten Knoten 3', 4 ' in Verbindung stehen, so daß die Eingangssteuerspannung für diese FETs durch die Gate-Source-Spannung zwischen dem zweiten und dritten bzw. zweiten und vierten Knoten der Schaltung gebildet werden. A third and fourth NMOS-FET M3 ', M4' are connected as a complementary NMOS circuit, the gates of these FETs being connected to the second node 2 ', while these FETs M3', M4 'are connected on the source side to the third and fourth nodes 3 ', 4' are connected, so that the input control voltage for these FETs are formed by the gate-source voltage between the second and third or second and fourth nodes of the circuit.
Die Gates dieser Transistoren M3', M4' sind ebenso wie das Drain des dritten FET M3' mit dem zweiten Knoten verbunden, während das Drain des vierten FET M4' mit dem ersten Knoten verbunden ist. Source-seitig liegen der dritte und vierte FET M3', M4' an einem dritten bzw. vierten Knoten 3', 4'. Zwischen dem dritten Knoten 3' und einer Masseklemme 7', an der ein negatives Versorgungspotential VSS' anliegt, liegt ein erster Widerstand R1'. The gates of these transistors M3 ', M4', like the drain of the third FET M3 ', are connected to the second node, while the drain of the fourth FET M4' is connected to the first node. On the source side, the third and fourth FET M3 ', M4' are located at a third and fourth node 3 ', 4', respectively. Between the third node 3 'and a ground terminal 7', to which a negative supply potential V SS 'is present, there is a first resistor R1'.
Zwischen dem vierten Knoten 4' und der Masseklemme 7' liegt ein zweiter Widerstand R2'. Mit dem ersten Knoten 1' ist eine Ausgangsklemme 5' verbunden, an der ein Ausgangspotential VOUT ' erzeugt wird, das gegenüber dem negativen Versorgungspotential VSS' eine Ausgangsspannung festlegt. A second resistor R2 'lies between the fourth node 4' and the ground terminal 7 '. An output terminal 5 'is connected to the first node 1', at which an output potential V OUT 'is generated which defines an output voltage in relation to the negative supply potential V SS '.
Ferner umfaßt die Temperatursensorschaltung 1' eine Arbeits punkteinstellschaltung, die aus dem fünften bis achten Transistor M5' - M8' gebildet ist. Die Arbeitspunkteinstellschaltung umfaßt einen Spannungsteiler M5' - M7', der durch den fünften und sechsten PMOS-FET M5', M6' und den siebten NMOS- FET M7' gebildet wird, welche in Reihe und jeweils als Widerstände geschaltet sind. Der sechste Knoten 6' zwischen dem sechsten FET M6' und dem siebten FET M7' ist mit dem DrainAnschluß eines achten NMOS-FET verbunden, dessen Source mit dem zweiten Knoten verbunden ist. Wie für den Fachmann offensichtlich ist, arbeitet der achte FET M8' als halbleitendes Element, das leitet, wenn das Potential am sechsten Knoten 6' höher als dasjenige am zweiten Knoten 2' ist. Furthermore, the temperature sensor circuit 1 'comprises a work point setting circuit, which is formed from the fifth to eighth transistor M5 '- M8'. The operating point setting circuit comprises a voltage divider M5 '- M7', which is formed by the fifth and sixth PMOS-FET M5 ', M6' and the seventh NMOS-FET M7 ', which are connected in series and in each case as resistors. The sixth node 6 'between the sixth FET M6' and the seventh FET M7 'is connected to the drain of an eighth NMOS FET, the source of which is connected to the second node. As is apparent to those skilled in the art, the eighth FET M8 'functions as a semiconducting element that conducts when the potential at the sixth node 6' is higher than that at the second node 2 '.
Die Arbeitspunkteinstellschaltung M5' - M8' ist nur dann aktiv, wenn das Potential am zweiten Knoten unterhalb eines zulässigen Arbeitspunktbereiches liegt, wobei in diesem Fall durch Leitenschalten des achten FET M8' der Arbeitspunkt in einen Bereich gezwungen wird, in dem die eigentliche Temperatursensorschaltung M1' - M4' sich auf ihren Arbeitspunkt selbsttätig stabilisiert. The operating point setting circuit M5 '- M8' is only active when the potential at the second node is below a permissible operating point range, in which case the operating point is forced into a range in which the actual temperature sensor circuit M1 'is forced by switching the eighth FET M8'. - M4 'automatically stabilizes at its working point.
Bei der zweiten bevorzugten Ausführungsform betragen die Widerstandswerte der Widerstände R1', R2' jeweils in Kiloohm: In the second preferred embodiment, the resistance values of the resistors R1 ', R2' are each in kiloohms:
R1' = 1,0; R1 '= 1.0;
R2' = 3,0. R2 '= 3.0.
Die Kanalbreiten/Kanallängen-Verhältnisse Wi/Li der Transistoren M1' - M8' betragen jeweils in Mikrometer: The channel width / channel length ratios Wi / Li of the transistors M1 '- M8' are each in micrometers:
M1': 21/20; M2': 20/20; M3': 20/20; M4': 20/20; M5': 5/20; M6': 5/40; M7': 5/40; und M8': 5/40. M1 ': 21/20; M2 ': 20/20; M3 ': 20/20; M4 ': 20/20; M5 ': 5/20; M6 ': 5/40; M7 ': 5/40; and M8 ': 5/40.
Wie eingangs bereits erwähnt wurde, werden sämtliche FETs M1', M2', M3', M4' der eigentlichen Temperatursensorschaltung in ihrem Sättigungsbereich betrieben. Wie aus der oben angegebenen Kanalbreiten-Kanallängen-Dimensionierung für die FETs M1' - M4' zu erkennen ist, ist dies derart gewählt, daß der Quotient W2L4/L2W4 des Verhältnisses der Kanalbreite zu der Kanallänge des zweiten FET M2' zu demjenigen des vierten FET M4' abweicht von dem Quotienten W1L3/L1W3 dieses Verhältnisses des ersten FET Ml' zu demjenigen des dritten FET M3'. Die Kanalbreiten-Kanallängen-Verhältnisse des ersten und zweiten FET M1', M2', die die erste Stromspiegelschaltung bilden, sind so gewählt, daß die zu dem ersten und zweiten Knoten 1', 2' fließenden Ströme im wesentlichen miteinander übereinstimmen. Die bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel vorgesehene geringfügige Abweichung ergibt sich aus der Forderung der ungleichen Quotienten der Verhältnisse der Kanalbreite zur Kanallänge des zweiten zu dem vierten bzw. des ersten zu dem dritten FET. Es ist jedoch auch denkbar, die beiden Ströme durch symmetrische Ausgestaltung der ersten Stromspiegelschaltung einander gleich zu machen, wobei durch entsprechende Abänderung der Kanalbreiten-Kanallängen-Verhältnisse des dritten und vierten FET die oben genannte Ungleichheit der Quotienten erzielt wird. As has already been mentioned at the beginning, all FETs M1 ', M2', M3 ', M4' of the actual temperature sensor circuit are operated in their saturation range. As can be seen from the channel width-channel length dimensioning given above for the FETs M1 '- M4', this is chosen such that the quotient W2L4 / L2W4 of the ratio of the channel width to the channel length of the second FET M2 'to that of the fourth FET M4 'deviates from the quotient W1L3 / L1W3 of this ratio of the first FET Ml' to that of the third FET M3 '. The channel width-channel length ratios of the first and second FET M1 ', M2', which form the first current mirror circuit, are selected so that the currents flowing to the first and second nodes 1 ', 2' essentially coincide with each other. The slight deviation provided in the preferred exemplary embodiment results from the requirement of the unequal quotients of the ratios of the channel width to the channel length of the second to the fourth or the first to the third FET. However, it is also conceivable to make the two currents identical to one another by symmetrical configuration of the first current mirror circuit, the above-mentioned inequality of the quotients being achieved by correspondingly changing the channel width-channel length ratios of the third and fourth FETs.
Bei der bevorzugten Ausführungsform ergibt sich ein Flächenbedarf von 0,3 Quadratmillimeter für die integrierte Schaltung, eine Leistungsaufnahme derselben von maximal 2 mW und eine Temperaturempfindlichkeit im Temperaturbereich zwischen 0 °C und 100 °C von -7,0 mV/s°C. In the preferred embodiment, there is an area requirement of 0.3 square millimeters for the integrated circuit, a maximum power consumption of the same of 2 mW and a temperature sensitivity in the temperature range between 0 ° C. and 100 ° C. of -7.0 mV / s ° C.
In Abweichung von der gezeigten Schaltungsstruktur kann die Arbeitspunkteinstellschaltung anstelle des fünften bis siebten Feldeffekttransistors zwei in Reihe zwischen dem positiven Versorgungspotential VDD' und der siebten Klemme geschaltete Widerstände aufweisen, an deren gemeinsamen sechsten Knoten die Anode einer Diode angeschlossen sein kann, die den achten Feldeffekttransistor M8' ersetzt. In deviation from the circuit structure shown, the operating point setting circuit can have two resistors connected in series between the positive supply potential V DD 'and the seventh terminal instead of the fifth to seventh field effect transistor, to whose common sixth node the anode of a diode can be connected, which is the eighth field effect transistor M8 'replaced.
Ferner können ausgangsseitig außerhalb der integrierten Schaltungsstruktur Widerstände an die fünfte und siebte Klemme 5', T angeschlossen sein, um die Temperaturempfindlichkeit der durch die integrierte Schaltung gebildeten Temperatursensorschaltung einem gewünschten Anwendungsfall anzupassen. Furthermore, on the output side outside the integrated Circuit structure resistors can be connected to the fifth and seventh terminals 5 ', T in order to adapt the temperature sensitivity of the temperature sensor circuit formed by the integrated circuit to a desired application.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Integrierbare Temperatursensorschaltung 1. Integrable temperature sensor circuit
- mit einer ersten Stromspiegelschaltung (M1, M2) und - With a first current mirror circuit (M1, M2) and
- mit einer zweiten, zu der ersten Stromspiegelschaltung (M1, M2) komplementären Schaltung (M3, M4), welche mit der ersten Stromspiegelschaltung an einem ersten und zweiten Knoten (1, 2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, with a second circuit (M3, M4) complementary to the first current mirror circuit (M1, M2), which is connected to the first current mirror circuit at a first and second node (1, 2), characterized in that
- daß die zweite Schaltung (M3 , M4) an einem dritten Knoten (3) mit einer ersten Reihenschaltung, die einen ersten Widerstand (R1) und eine erste Diode (Dl) aufweist, und an einem vierten Knoten (4) mit einer zweiten Reihenschaltung, die einen zweiten Widerstand (R2) und eine zweite Diode (D2) aufweist, verbunden ist. - That the second circuit (M3, M4) at a third node (3) with a first series circuit having a first resistor (R1) and a first diode (Dl), and at a fourth node (4) with a second series circuit , which has a second resistor (R2) and a second diode (D2), is connected.
2. Integrierbare Temperatursensorschaltung nach Anspruch2. Integrable temperature sensor circuit according to claim
1, gekennzeichnet durch 1, characterized by
- eine an ihrem Eingang mit dem ersten Knoten (1) verbundene Spannungsverstärkerschaltung (M5, R3). - A voltage amplifier circuit (M5, R3) connected at its input to the first node (1).
3. Integrierbare Temperatursensorschaltung nach Anspruch3. Integrable temperature sensor circuit according to claim
2, dadurch gekennzeichnet, 2, characterized,
- daß die Spannungsverstärkerschaltung aus einer drit ten Reihenschaltung besteht, die einen dritten Widerstand (R3) und einen fünften Transistor (M5) umfaßt, und - That the voltage amplifier circuit from a third th series circuit, which comprises a third resistor (R3) and a fifth transistor (M5), and
- daß der fünfte Transistor (M5) mit einem der Transistoren der ersten Stromspiegelschaltung (M1, M2) als dritte Stromspiegelschaltung (M2, M5) geschaltet ist. - That the fifth transistor (M5) with one of the transistors of the first current mirror circuit (M1, M2) is connected as a third current mirror circuit (M2, M5).
4. Integrierbare Temperatursensorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, 4. Integrable temperature sensor circuit according to one of claims 1 to 3, characterized in
- daß die erste Stromspiegelschaltung aus einem ersten und einem zweiten FET (Ml, M2) eines ersten Leitfähigkeitstypes besteht, deren Gates mit dem ersten Knoten (1) verbunden sind, und - That the first current mirror circuit consists of a first and a second FET (M1, M2) of a first conductivity type, the gates of which are connected to the first node (1), and
- daß die zweite Schaltung aus einem dritten und einem vierten FET (M3, M4) eines zweiten Leitfähigkeitstypes besteht, deren Gates mit dem zweiten Knoten (2) verbunden sind. - That the second circuit consists of a third and a fourth FET (M3, M4) of a second conductivity type, the gates of which are connected to the second node (2).
5. Integrierte Temperatursensorschaltung nach Anspruch 4 in Rückbeziehung auf Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, 5. Integrated temperature sensor circuit according to claim 4 in relation to claim 3, characterized in that
- daß der fünfte FET (M5) den gleichen Leitfähigkeitstyp hat wie der erste und zweite FET (M1, M2), und - That the fifth FET (M5) has the same conductivity type as the first and second FET (M1, M2), and
- daß das Gate des fünften FET (M5) mit dem ersten Knoten (1) verbunden ist. - That the gate of the fifth FET (M5) is connected to the first node (1).
6. Integrierte Temperatursensorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine mit dem zweiten Knoten (2) verbundene Arbeitspunkteinstellschaltung (M6 - M9), die einen Spannungsteiler (M6, M7, M8) und eine zwischen dem Teilerknoten (8) desselben und dem zweiten Knoten (2) geschaltete dritte Diode oder einen derart beschalteten Transistor (M9), daß dieser nur in einer Richtung leitet, aufweist. 6. Integrated temperature sensor circuit according to one of claims 1 to 5, characterized by an operating point setting circuit (M6 - M9) connected to the second node (2), which has a voltage divider (M6, M7, M8) and one between the dividing node (8) and the second node (2) switched third diode or a transistor (M9) connected in such a way that it only conducts in one direction.
7. Integrierte Temperatursensorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt eines durch die erste Stromspiegelschaltung (Ml, M2) festgelegten ersten Quotienten (n) des zu dem ersten Knoten (1) fließenden Stromes (l1) zu dem zu dem zweiten Knoten (2) fließenden Strom (I2) und eines zweiten Quotienten (m) der Fläche (A2) der zweiten Diode (D2) zu derjenigen (A1) der ersten Diode (D1) ungleich 1 ist. 7. Integrated temperature sensor circuit according to one of claims 1 to 6, characterized in that the product of a by the first current mirror circuit (Ml, M2) fixed first quotient (s) of the current flowing to the first node (1) (l 1 ) to the to the second node (2) flowing current (I 2) and a second quotient (m) of the area (A2) of the second diode (D2) of the first diode (D1) is not equal to that of 1 (A1).
8. Integrierbare Temperatursensorschaltung nach Anspruch 7 in direkter oder indirekter Rückbeziehung auf Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, 8. Integrable temperature sensor circuit according to claim 7 in direct or indirect reference to claim 4, characterized in that
- daß die Flächen (A1, A2) der ersten und zweiten Diode (D1, D2) gleich sind, und - That the areas (A1, A2) of the first and second diodes (D1, D2) are the same, and
- daß der Quotient (W1, L2/L1, W2) des Verhältnisses der Kanalbreite (W1) zu der Kanallänge (L1) des ersten FET (Ml) zu dem Verhältnis der Kanalbreite (W2) zu der Kanallänge (L2) des zweiten FET (M2) zwischen 1.01 und 1,2 beträgt. - that the quotient (W1, L2 / L1, W2) of the ratio of the channel width (W1) to the channel length (L1) of the first FET (Ml) to the ratio of the channel width (W2) to the channel length (L2) of the second FET ( M2) is between 1.01 and 1.2.
9. Integrierbare Temperatursensorschaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 8 in direkter oder indirekter Rückbeziehung auf Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, 9. Integrable temperature sensor circuit according to one of claims 4 to 8 in direct or indirect reference to claim 4, characterized in that
- daß der Quotient (W2, L4/L2, W4) des Verhältnisses (W2/L2) der Kanalbreite zu der Kanallänge des zweiten FET (M2) zu demjenigen (W4/L4) des vierten FET (M4) im wesentlichen dem Quotienten (Wl, L3/L1, W3) dieses Verhältnisses (W1/L1) des ersten FET zu demjenigen (W3/L3) des dritten FET (M3) gleicht. - That the quotient (W2, L4 / L2, W4) of the ratio (W2 / L2) of the channel width to the channel length of the second FET (M2) to that (W4 / L4) of the fourth FET (M4) essentially the quotient (Wl , L3 / L1, W3) of this ratio (W1 / L1) of the first FET to that (W3 / L3) of the third FET (M3) is the same.
10. Integrierbare Temperatursensorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, 10. Integrable temperature sensor circuit according to one of claims 1 to 9, characterized in
- daß die zweite Schaltung einen dritten und vierten Transistor (M3, M4) aufweist, deren Steuerelektroden (Gate M3, Gate M4) beide mit dem ersten oder beide mit dem zweiten Knoten (1, 2) in Wirkverbindung stehen, und - That the second circuit has a third and fourth transistor (M3, M4), the control electrodes (gate M3, gate M4) are both operatively connected to the first or both to the second node (1, 2), and
- daß die Eingangssteuerspannungen dieser Transistoren zwischen dem ersten bzw. zweiten Knoten (1, 2) und dem dritten Knoten (3) einerseits sowie dem vierten Knoten (4) andererseits anliegen. - That the input control voltages of these transistors between the first or second node (1, 2) and the third node (3) on the one hand and the fourth node (4) on the other.
11. Integrierbare Temperatursensorschaltung 11. Integrable temperature sensor circuit
- mit einer ersten, einen ersten und einen zweiten FET (M1', M2') aufweisenden Stromspiegelschaltung, with a first, a first and a second FET (M1 ', M2') current mirror circuit,
- mit einer zweiten, zu der ersten Stromspiegelschaltung komplementären, einen dritten und einen vierten FET (M3', M4') aufweisenden Schaltung, welche mit der ersten Stromspiegelschaltung an einem ersten und zweiten Knoten (1', 2') verbunden ist, und einen dritten und vierten Knoten (3', 4') aufweist, - With a second, complementary to the first current mirror circuit, a third and a fourth FET (M3 ', M4') having circuit, which is connected to the first current mirror circuit at a first and second node (1 ', 2'), and one has third and fourth nodes (3 ', 4'),
- mit einem ersten Widerstand (R2'), der mit einem vierten Knoten (4') der zweiten Schaltung (M3', M4') und einem Bezugspotentialknoten (7') verbunden ist, und - With a first resistor (R2 '), which is connected to a fourth node (4') of the second circuit (M3 ', M4') and a reference potential node (7 '), and
- mit einem Ausgangsanschluß (5'), dadurch gekennzeichnet, with an output connection (5 '), characterized in that
- daß ein zweiter Widerstand (R1') vorgesehen ist, der mit einem dritten Knoten (3') und dem Bezugspotentialknoten (7') verbunnen ist, - daß die FETs (M1', M2', M3', M4') in ihrem Sättigungsbereich betrieben werden, und - that a second resistor (R1 ') is provided, which is connected to a third node (3') and the reference potential node (7 '), - That the FETs (M1 ', M2', M3 ', M4') are operated in their saturation range, and
- daß der Ausgangsanschluß (5') mit dem ersten Knoten (1') oder mit dem zweiten Knoten (2') verbunden ist. - That the output terminal (5 ') with the first node (1') or with the second node (2 ') is connected.
12. Integrierbare Temperatursensorschaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, 12. Integrable temperature sensor circuit according to claim 11, characterized in
- daß der erste und der zweite FET (M1', M2') einen ersten Leitfähigkeitstyp haben und mit ihren Gates mit dem ersten Knoten (1') verbunden sind, und - That the first and the second FET (M1 ', M2') have a first conductivity type and are connected with their gates to the first node (1 '), and
- daß der dritte und der vierte FET (M3', M4') einen zweiten Leitfähigkeitstyp haben und mit ihren Gates mit dem zweiten Knoten (2') verbunden sind. - That the third and fourth FET (M3 ', M4') have a second conductivity type and are connected with their gates to the second node (2 ').
13. Integrierbare Temperatursensorschaltung nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch 13. Integrable temperature sensor circuit according to claim 11 or 12, characterized by
- eine mit dem zweiten Knoten (2') verbundene Arbeitspunkteinstellschaltung (M5' bis M8'), die einen Spannungsteiler (M5', M6', M7') und eine zwischen dem Teilerknoten (6') desselben und dem zweiten Knoten (2') geschaltete Diode oder einen derart beschalteten Transistor (M8 ' ) , daß dieser (M8 ' ) nur in einer Richtung leitet, aufweist. - An operating point setting circuit (M5 'to M8') connected to the second node (2 '), which has a voltage divider (M5', M6 ', M7') and one between the divider node (6 ') of the same and the second node (2' ) switched diode or a transistor (M8 ') connected in such a way that this (M8') conducts only in one direction.
14. Integrierbare Temperatursensorschaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, 14. Integrable temperature sensor circuit according to one of claims 11 to 13, characterized in that
- daß der Quotient (W2L4/L2W4) des Verhältnisses (W2/L2) der Kanalbreite zu der Kanallänge des zweiten FET (M2') zu demjenigen (W4/L4) des vierten FET (M4') von dem Quotienten (W1L3/L1W3) dieses Verhältnisses (Wl/Ll) des ersten FET (Ml') zu demjenigen (W3/L3) des dritten FET (M3') abweicht. - that the quotient (W2L4 / L2W4) of the ratio (W2 / L2) of the channel width to the channel length of the second FET (M2 ') to that (W4 / L4) of the fourth FET (M4') from the quotient (W1L3 / L1W3) this ratio (Wl / Ll) of the first FET (Ml ') to that (W3 / L3) of the third FET (M3') deviates.
15. Integrierbare Temperatursensorschaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, 15. Integrable temperature sensor circuit according to one of claims 11 to 14, characterized in that
- daß der zu dem ersten Knoten (1') fließende Strom (Iτ/) im wesentlichen mit dem zu dem zweiten Knoten (2') fließenden Strom (12') übereinstimmt. - That the current flowing to the first node (1 ') (Iτ /) essentially coincides with the current (12') flowing to the second node (2 ').
16. Integrierbare Temperatursensorschaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, 16. Integrable temperature sensor circuit according to one of claims 11 to 15, characterized in
- daß der dritte und der vierte FET (M3' , M4') mit ihren Gates beide mit dem ersten oder beide mit dem zweiten Knoten (1', 2') in Wirkverbindung stehen, und - That the third and fourth FET (M3 ', M4') with their gates are both operatively connected to the first or both to the second node (1 ', 2'), and
- daß die Gate-Source-Spannungen dieser FETs zwischen dem ersten bzw. zweiten Knoten (1', 2') und dem dritten Knoten (3') einerseits sowie dem vierten Knoten (4') andererseits anliegen. - That the gate-source voltages of these FETs between the first or second node (1 ', 2') and the third node (3 ') on the one hand and the fourth node (4') on the other.
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