JP2001174338A - 温度センサ回路 - Google Patents

温度センサ回路

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JP2001174338A
JP2001174338A JP35993399A JP35993399A JP2001174338A JP 2001174338 A JP2001174338 A JP 2001174338A JP 35993399 A JP35993399 A JP 35993399A JP 35993399 A JP35993399 A JP 35993399A JP 2001174338 A JP2001174338 A JP 2001174338A
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mos transistor
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transistor
gate
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Osamu Tajima
修 田島
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、出力電圧のばらつきがなく、精度
が向上し、消費電流を大幅に低減できる温度センサ回路
を提供することを目的とする。 【解決手段】 正負のいずれか一方の極性の温度係数を
持つ第1基準電圧回路20と、他方の極性の温度係数を
持つ第2基準電圧回路22と、第1基準電圧回路20の
出力電圧と第2基準電圧回路22の出力電圧とを減算し
て出力する減算回路24とを備える。このように、互い
に逆極性の温度係数を持つ第1基準電圧回路20の出力
電圧と第2基準電圧回路22の出力電圧を減算すること
により、製造プロセスのばらつきによる温度特性のばら
つきを打ち消すことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は温度センサ回路に関
し、特に、半導体回路の温度特性を利用して温度を検出
する温度センサ回路に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、半導体素子の温度特性を利用
して温度を検出する温度センサ回路がある。図3は、従
来の温度センサ回路の一例の回路図を示す。同図中、ベ
ースにバイアスを供給されて定電流源として動作するp
npトランジスタQ1のエミッタは電源Vccに接続さ
れ、トランジスタQ1のコレクタは差動回路を構成する
pnpトランジスタQ2,Q3のエミッタに接続されて
いる。
【0003】トランジスタQ2,Q3はエミッタ面積比
が1:n(nは例えば8)とされており、トランジスタ
Q2,Q3それぞれのコレクタはnpnトランジスタQ
4,Q5それぞれのコレクタに接続されている。トラン
ジスタQ4,Q5のベースは共通接続されてトランジス
タQ5のコレクタに接続され、トランジスタQ4,Q5
のエミッタは接地されてカレントミラー回路を構成して
おり、トランジスタQ2,Q3の構成する差動回路に動
作電流を供給している。トランジスタQ3のベースは抵
抗R1とpnpトランジスタQ10のコレクタとpnp
トランジスタQ11のエミッタとの接続点に接続され、
トランジスタQ2のベースは抵抗R1,R2の接続点に
接続されている。
【0004】トランジスタQ2のコレクタはnpnトラ
ンジスタQ6のベースに接続され、トランジスタQ6の
コレクタはpnpトランジスタQ8のベース及びpnp
トランジスタQ7のコレクタに接続され、更にトランジ
スタQ6のベース・コレクタ間は位相補正用のコンデン
サC1を介して接続され、トランジスタQ6のエミッタ
は接地されている。ベースにバイアスを供給されて定電
流源として動作するトランジスタQ7のエミッタは電源
Vccに接続されており、トランジスタQ6はエミッタ
接地電圧増幅回路を構成している。
【0005】トランジスタQ8のコレクタは接地され、
エミッタはpnpトランジスタQ9のコレクタ及びnp
nトランジスタQ12のベースに接続されている。ベー
スにバイアスを供給されて定電流源として動作するトラ
ンジスタQ9のエミッタは電源Vccに接続されてお
り、トランジスタQ8はエミッタフォロア回路を構成し
ている。トランジスタQ12のコレクタは電源Vccに
接続され、エミッタは出力端子10に接続されると共
に、直列接続された抵抗R3,R4を介して接地されて
エミッタフォロア回路を構成している。
【0006】一方、ベースにバイアスを供給されて定電
流源として動作するトランジスタQ10のエミッタは電
源Vccに接続され、トランジスタQ10のコレクタは
トランジスタQ11のエミッタに接続されると共に、直
列接続された抵抗R1,R2を介して接地されている。
トランジスタQ11のコレクタは接地され、ベースは抵
抗R3,R4の接続点に接続されている。
【0007】これにより、差動回路の出力がトランジス
タQ2のコレクタからトランジスタQ6に供給されて増
幅され、トランジスタQ8,Q12を経て端子10から
出力されると共に、抵抗R3,R4から差動回路に帰還
される。上記のトランジスタQ1〜Q5,Q10,抵抗
R1,R2は温度センサ部を構成しており、トランジス
タQ10のコレクタの電圧VPTATはトランジスタQ2と
Q3のベース・エミッタ間電圧降下の差に応じた温度特
性を持つため絶対温度比例電圧と呼ばれ、(1)式で表
される。
【0008】 VPTAT=[(R1+R2)/R1]・[k・T/q]・ln(n)…(1) 但し、kはボルツマン定数、Tは絶対温度[℃]、qは
電荷、lnは自然対数、nはトランジスタQ2,Q3の
エミッタ面積比である。トランジスタQ10のコレクタ
の電圧VPTATはトランジスタQ11のベース・エミッタ
間降下電圧VBEQ11 だけシフト(降下)された後、(R
3+R4)/R4倍されて出力端子10から出力され
る。例えば10mV/℃といった大きな温度勾配の回路
を作成する場合には、絶対温度比例電圧VPTATの動作電
圧が上昇する。そのため、電源電圧Vccが3V以下の
低電圧で動作させるために、トランジスタQ11のV
BEQ11 でレベルシフトを行っている。端子10の出力電
圧Voutは(2)式で表される。
【0009】 Vout=VPTAT−VBEQ11 …(2) VBEQ11 =[k・T/q]・ln(IEQ11/IS ) …(3) 但し、IS はトランジスタ形成時の不純物の拡散濃度等
で定まる素子定数、IEQ 11はトランジスタQ11のエミ
ッタ電流である。上記の絶対温度比例電圧VPTATは例え
ば4mV/℃程度であり、VBEQ11 は−2mV/℃程度
である。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】上記の従来回路の出力
電圧Voutは(2)式で表される温度特性を有してお
り、その第1項のVPTATは(1)式で表される温度特性
を有している。(1)式の(R1+R2)/R1の項は
温度変化分が相殺され、k,q,nそれぞれは定数であ
り、ばらつきはない。
【0011】しかし、レベルシフトを行っているトラン
ジスタQ11のVBEQ11 は(3)式で表される温度特性
を有している。(3)式において、IS はトランジスタ
形成時の不純物の拡散濃度等で定まる素子定数IS は、
トランジスタQ11を形成するときにばらつく。この素
子定数IS のばらつきのために、各温度センサ回路では
出力電圧Voutがばらつき、精度が悪化するという問
題があった。
【0012】また、上記の温度センサ回路の用途とし
て、携帯機器のバッテリーの温度監視などが考えられる
が、このような用途では消費電流を極力低減する必要が
ある。しかし、従来回路はバイポーラトランジスタで構
成されているため、消費電流をそれほど低減できないと
いう問題があった。本発明は、上記の点に鑑みなされた
もので、出力電圧のばらつきがなく、精度が向上し、消
費電流を大幅に低減できる温度センサ回路を提供するこ
とを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】請求項1に記載の発明
は、正負のいずれか一方の極性の温度係数を持つ第1基
準電圧回路(20)と、他方の極性の温度係数を持つ第
2基準電圧回路(22)と、前記第1基準電圧回路(2
0)の出力電圧と前記第2基準電圧回路(22)の出力
電圧とを減算して出力する減算回路(24)とを備え
る。
【0014】このように、互いに逆極性の温度係数を持
つ第1基準電圧回路(20)の出力電圧と第2基準電圧
回路(22)の出力電圧を減算することにより、製造プ
ロセスのばらつきによる温度特性のばらつきを打ち消す
ことができる。請求項2に記載の発明は、請求項1記載
の温度センサ回路において、前記第1基準電圧回路(2
0)は、所定値のゲート面積比を持つデプレッション型
の第1のMOSトランジスタ(M1)とエンハンスメン
ト型の第2のMOSトランジスタ(M2)とで構成さ
れ、前記第2基準電圧回路(22)は、前記所定値の逆
数のゲート面積比を持つデプレッション型の第3のMO
Sトランジスタ(M3)とエンハンスメント型の第4の
MOSトランジスタ(M4)とで構成される。
【0015】このため、ゲート面積比を選択することに
より温度勾配(温度係数)を任意に設定でき、第1基準
電圧回路(20)と第2基準電圧回路(22)の温度係
数の絶対値を同一にすることができ、製造プロセスのば
らつきによる温度特性のばらつきを減算により打ち消す
ことができ、MOSトランジスタで構成することにより
消費電流を従来に比して大幅に低減できる。
【0016】なお、上記括弧内の参照符号は、理解を容
易にするために付したものであり、一例にすぎず、図示
の態様に限定されるものではない。
【0017】
【発明の実施の形態】図1は本発明の温度センサ回路の
一実施例のブロック図、図2はその回路図を示す。図1
において、第1基準電圧回路20は、ブロック内に図示
するように絶対温度Tに比例して出力電圧が低下するの
負の温度特性を有し、その出力電圧V1は減算回路24
に供給され、抵抗R11を通して演算増幅器26の反転
入力端子に供給される。第2基準電圧回路22は、ブロ
ック内に図示するように絶対温度Tに比例して出力電圧
が上昇する正の温度特性を有し、その出力電圧V2は減
算回路24に供給され、抵抗R12を通して演算増幅器
26の非反転入力端子に供給される。
【0018】減算回路24を構成する演算増幅器26の
反転入力端子は抵抗R13により出力端子に接続され、
非反転入力端子は抵抗R14により接地され、演算増幅
器26の出力端子は端子30に接続されている。抵抗R
11〜R14の抵抗値はR11=R12,R13=R1
4とされており、減算回路24は第2基準電圧回路22
の出力電圧V2から第1基準電圧回路20の出力電圧V
1を減算した出力電圧Voutを端子30から出力す
る。ここで、Vout=−R13/R11(V1−V
2)である。
【0019】図2において、電源端子32には電源VD
Dが供給され、電源端子34は接地されている。ゲート
幅W=20μm,ゲート長L=20μmのデプレッショ
ン型のNチャネルMOSトランジスタM1はドレインを
電源VDDに接続され、ソース及びゲートをNチャネル
MOSトランジスタM2のゲート及びドレインと共通接
続されている。ゲート幅W=180μm,ゲート長L=
20μmのMOSトランジスタM2のソースは接地され
ている。なお、エンハンスメント型MOSトランジスタ
については単にMOSトランジスタという。MOSトラ
ンジスタM1はMOSトランジスタM2の負荷として動
作し、MOSトランジスタM1,M2で第1基準電圧回
路20を構成している。
【0020】ゲート幅W=180μm,ゲート長L=2
0μmのデプレッション型のNチャネルMOSトランジ
スタM3はドレインを電源VDDに接続され、ソース及
びゲートをNチャネルMOSトランジスタM4のゲート
及びドレインと共通接続されている。ゲート幅W=20
μm,ゲート長L=20μmのMOSトランジスタM4
のソースは接地されている。MOSトランジスタM3は
MOSトランジスタM4の負荷として動作し、MOSト
ランジスタM3,M4で第2基準電圧回路22を構成し
ている。MOSトランジスタM1〜M4のバックゲート
は接地されている。
【0021】ここで、互いに同一としたMOSトランジ
スタM2,M3のW・L(ゲート幅・ゲート長、つまり
ゲート面積)比を、互いに同一としたMOSトランジス
タM1,M4それぞれのW・L比に対して大きく設定す
ることにより、第1基準電圧回路20と第2基準電圧回
路22との温度係数の絶対値を同一でリニアな特性にす
ることができ、MOSトランジスタM1,M4をデプレ
ッション型、MOSトランジスタM2,M3をエンハン
スメント型とすることにより、第1基準電圧回路20の
温度係数の極性を負とし、第2基準電圧回路22の温度
係数の極性を正とすることができる。また、ゲート面積
比を選減算により択することにより温度勾配(温度係
数)を任意に設定でき、第1基準電圧回路20と第2基
準電圧回路22の温度係数の絶対値を同一にすることが
でき、両者を減算することで製造プロセスのばらつきに
よる温度特性のばらつきを打ち消すことができる。
【0022】MOSトランジスタM3のゲートは抵抗R
12を介してPチャネルMOSトランジスタM6のゲー
トに接続されている。ゲート幅W=10μm,ゲート長
L=10μmのMOSトランジスタM6のゲートは抵抗
R14を介して接地され、ソースはPチャネルMOSト
ランジスタM7のソースと接続されると共にPチャネル
MOSトランジスタM5のドレインに接続され、MOS
トランジスタM6のドレインはNチャネルMOSトラン
ジスタM8のドレインに接続されている。ゲート幅W=
30μm,ゲート長L=5μmのMOSトランジスタM
5のゲートには端子36から所定電圧のバイアスが印加
され、MOSトランジスタM5のソースは電源VDDに
接続されている。
【0023】MOSトランジスタM1のゲートは抵抗R
11を介してPチャネルMOSトランジスタM7のゲー
トに接続されている。ゲート幅W=10μm,ゲート長
L=10μmのMOSトランジスタM7のゲートは抵抗
R13を介して端子30に接続され、ドレインはNチャ
ネルMOSトランジスタM9のドレインに接続されてい
る。ゲート幅W=10μm,ゲート長L=10μmのM
OSトランジスタM9のゲートはドレインと接続される
と共に、ゲート幅W=10μm,ゲート長L=10μm
のMOSトランジスタM8のゲートに共通接続され、M
OSトランジスタM8,M9のソースは接地されてい
る。MOSトランジスタM5〜M7のバックゲートは電
源VDDに接続され、MOSトランジスタM8,M9の
バックゲートは接地されている。MOSトランジスタM
6,M7は演算増幅器26内の差動回路を構成し、MO
SトランジスタM5,M8,M9はその電流源を構成し
ている。
【0024】この差動回路はMOSトランジスタM6の
ゲートに供給される第2基準電圧回路22の出力電圧V
2から、MOSトランジスタM7のゲートに供給される
第1基準電圧回路20の出力電圧V1を減算してMOS
トランジスタM6のドレインから出力する。差動回路の
出力はMOSトランジスタM6のドレインから取り出さ
れPチャネルMOSトランジスタM12のゲートに供給
される。ゲート幅W=30μm,ゲート長L=10μm
のMOSトランジスタM12のゲートは位相補正用のコ
ンデンサC1を介して端子30に接続され、MOSトラ
ンジスタM12のソースは接地され、MOSトランジス
タM12のドレインはNチャネルMOSトランジスタM
11のドレインに接続されている。ゲート幅W=30μ
m,ゲート長L=10μmのMOSトランジスタM11
のゲートはPチャネルMOSトランジスタM14のソー
スに接続され、MOSトランジスタM11のソースはP
チャネルMOSトランジスタM10のドレインに接続さ
れている。ゲート幅W=30μm,ゲート長L=5μm
のMOSトランジスタM10のゲートには端子36から
所定電圧のバイアスが印加され、MOSトランジスタM
10のソースは電源VDDに接続されている。MOSト
ランジスタM12はドレイン接地回路を構成している。
【0025】ゲート幅W=30μm,ゲート長L=10
μmのMOSトランジスタM14のゲート及びドレイン
は、NチャネルMOSトランジスタM15のドレイン及
びゲートに接続され、MOSトランジスタM14のソー
スはPチャネルMOSトランジスタM13のドレインに
接続されている。ゲート幅W=30μm,ゲート長L=
5μmのMOSトランジスタM13のゲートには端子3
6から所定電圧のバイアスが印加され、MOSトランジ
スタM13のソースは電源VDDに接続されている。ゲ
ート幅W=30μm,ゲート長L=10μmのMOSト
ランジスタM15のソースはNチャネルMOSトランジ
スタM16のドレイン及びゲートに接続され、ゲート幅
W=30μm,ゲート長L=10μmのMOSトランジ
スタM16のソースは接地されている。上記のMOSト
ランジスタM11はゲート接地電圧増幅回路を構成して
いる。
【0026】また、MOSトランジスタM11のソース
にはPチャネルMOSトランジスタM20のゲートが接
続されている。ゲート幅W=600μm,ゲート長L=
10μmのMOSトランジスタM20のソースは電源V
DDに接続され、ドレインは端子30に接続されると共
にNチャネルMOSトランジスタM19のドレインに接
続されている。また、MOSトランジスタM20のドレ
イン・ゲート間には位相補正用のコンデンサC2が接続
されている。
【0027】ゲート幅W=10μm,ゲート長L=10
μmのMOSトランジスタM19のゲートはNチャネル
MOSトランジスタM18のゲート及びドレインに接続
され、MOSトランジスタM19のソースは接地され
て、MOSトランジスタM18,M19はカレントミラ
ー回路を構成しており、MOSトランジスタM20はソ
ース接地電圧増幅回路を構成している。
【0028】ゲート幅W=30μm,ゲート長L=10
μmのMOSトランジスタM18のドレインはPチャネ
ルMOSトランジスタM17のドレインに接続され、M
OSトランジスタM18のソースは接地されている。ゲ
ート幅W=30μm,ゲート長L=5μmのMOSトラ
ンジスタM17のゲートには端子36から所定電圧のバ
イアスが印加され、MOSトランジスタM17のソース
は電源VDDに接続されている。なお、PチャネルMO
SトランジスタM10,M12,M13,M14,M1
7,M20それぞれのバックゲートは電源VDDに接続
され、NチャネルMOSトランジスタM11,M15,
M16,M18,M19それぞれのバックゲートは接地
されている。
【0029】これにより、差動回路の出力がMOSトラ
ンジスタM6のドレインからドレイン接地回路のMOS
トランジスタM12を介してゲート接地電圧増幅回路の
MOSトランジスタM11に供給されて非反転増幅さ
れ、更にソース接地電圧増幅回路のMOSトランジスタ
M20で反転増幅され端子30から出力される。また、
この回路の出力段はMOSトランジスタM20のソース
接地電圧増幅回路を用いているため、端子10の出力電
圧Voutの上限レベルはVDD−VDS M20 である。こ
こで、VDSM20 はMOSトランジスタM20のドレイン
・ソース間電圧降下で非常に小さく、電源VDDが例え
ば2.7V程度の低電源電圧時にも、出力電圧Vout
の上限レベルが2.6〜2.7V程度となり、温度勾配
を大きく取ることができる。更に、回路全体をMOSト
ランジスタで構成しているため、消費電流を図3の従来
回路の1/10程度に低減することができる。
【0030】
【発明の効果】上述の如く、請求項1に記載の発明は、
互いに逆極性の温度係数を持つ第1基準電圧回路の出力
電圧と第2基準電圧回路の出力電圧を減算することによ
り、製造プロセスのばらつきによる温度特性のばらつき
を打ち消すことができる。また、請求項2に記載の発明
は、ゲート面積比を選択することにより温度勾配(温度
係数)を任意に設定でき、第1基準電圧回路と第2基準
電圧回路の温度係数の絶対値を同一にすることができ、
製造プロセスのばらつきによる温度特性のばらつきを減
算により打ち消すことができ、MOSトランジスタで構
成することにより消費電流を従来に比して大幅に低減で
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の温度センサ回路の一実施例のブロック
図である。
【図2】本発明の温度センサ回路の一実施例の回路図で
ある。
【図3】従来の温度センサ回路の一例の回路図である。
【符号の説明】
20 第1基準電圧回路 22 第2基準電圧回路 24 減算回路 26 演算増幅器 30 端子 M1,M3 デプレッション型のNチャネルMOSトラ
ンジスタ M2,M4,M8,M9,M11,M15,M16,M
18,M19 NチャネルMOSトランジスタ M5〜M7,M10,M12,M13,M14,M1
7,M20 PチャネルMOSトランジスタ R11〜R14 抵抗 C1,C2 コンデンサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2F056 JT01 JT08 5H420 BB12 CC02 DD02 EA14 EA18 EA24 EA39 EA44 EB15 EB37 FF03 FF14 FF19 FF24 LL07 NA16 NA27 NB02 NB14 NB25 NC02 NC03 NC15 NC20 NC22 NC23 NC26 NC33

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 正負のいずれか一方の極性の温度係数を
    持つ第1基準電圧回路と、 他方の極性の温度係数を持つ第2基準電圧回路と、 前記第1基準電圧回路の出力電圧と前記第2基準電圧回
    路の出力電圧とを減算して出力する減算回路とを備える
    ことを特徴とする温度センサ回路。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の温度センサ回路におい
    て、 前記第1基準電圧回路は、所定値のゲート面積比を持つ
    デプレッション型の第1のMOSトランジスタとエンハ
    ンスメント型の第2のMOSトランジスタとで構成さ
    れ、 前記第2基準電圧回路は、前記所定値の逆数のゲート面
    積比を持つデプレッション型の第3のMOSトランジス
    タとエンハンスメント型の第4のMOSトランジスタと
    で構成されることを特徴とする温度センサ回路。
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