JP2007024667A - 温度検出回路およびそれを用いた発振周波数補正装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】同一の導電型で異なったチャネルサイズに形成された一対のディプレッション型トランジスタM1,M2を電源Vdd,Vss間に直列接続し、第1のトランジスタM1はゲートとソースが接続され、ドレインが第1の電源Vddへ、第2のトランジスタM2はゲートとドレインが接続され、ソースが第2の電源Vssへ、それぞれ接続された構成を有し、第1のトランジスタM1のソースと第2のトランジスタM2のドレインとの接続点から温度に比例した電圧を出力する。
【選択図】図1
Description
図6においては、ベースおよびコレクタを共通接続したバイポーラトランジスタを定電流で駆動し、その順方向電圧の温度依存性を温度検出手段として利用する形式であって、いわゆるPN接合ダイオードの順方向電圧の温度依存性を利用する方法と同種のものである。
また、図7においては、出力感度を上げるために、複数のバイポーラトランジスタをダーリントン接続した構成であって、2個以上ダーリントン接続した高感度温度センサと、これに一定電流を供給する定電流回路とを同一基板上にCMOS製造プロセスで同時に作成する。なお、図6と同様の素子を複数個直列接続する方法も知られている。
この回路は、MOSトランジスタのしきい値の温度依存性を温度検出手段として利用する温度検出回路であって、ゲートとドレインを共通接続した、いわゆるダイオード接続状態のMOSトランジスタを定電流で駆動し、ゲート−ソース間に生じる電圧を温度検出手段として利用している。温度検出手段81と定電圧発生手段82と定電流回路832とP型MOSトランジスタ831から構成される。ダイオード接続されたMOSトランジスタのゲート−ソース間電圧は駆動する定電流の値によって温度依存性が変化することが知られており、微小な電流領域では、しきい値の温度依存性が支配的に効いてゲートーソース間電圧は負の温度傾斜を示し、ある電流より上の領域では移動度の温度依存性が支配的に効いて正の温度傾斜を示す。
この回路は、温度依存のない基準電圧を発生する回路ブロック97と、同様の構成で温度依存性のある出力電圧を発生するブロック98の出力値を比較する構成である。各ブロック97,98では、しきい値の異なる2種類のMOSトランジスタ912,914がカレントミラーで駆動されており、これら2種類のMOSトランジスタ912,914のしきい値の差で規定される出力電圧を発生する構成である。ブロック97においては、2種類のトランジスタ912と913,914と915のペアのチャネルコンダクタンスを揃えてあるのに対して、ブロック98ではトランジスタ916と917,918と919のペアのチャネルコンダクタンスの比を意図的に異なったものとされている。
特許文献3(図9)の回路は、このようなブロック97および98を用いて構成されているため、移動度の製造ばらつきによる影響を回避することができない。
本発明の目的は、上記の従来の問題点を解決するもので、MOSトランジスタを用いた温度検出手段において、移動度の製造ばらつきや、温度依存性に影響を受けない安定した出力特性を有する温度検出回路およびそれを用いた発振周波数補正装置を提供することにある。
1)温度検出手段を一種類のディプレッション型トランジスタで構成したため、少ない素子数で温度検出手段を構成できると共に、出力電圧および出力特性がしきい値とチャネルのアスペクト比のみで決定され、移動度のばらつきや変動、さらには温度検出手段の動作電流に左右されない安定した出力を得ることができる(請求項1、図1参照)。
2)上記1)で実現される作用効果の他に、基盤とトランジスタの導電型の組み合わせによらず、トランジスタの基盤バイアス効果を回避することができる。また、出力電圧および出力特性を、チャネルのアスペクト比によって設定する方法の他、カレントミラーの電流比を用いても設定することができる(請求項2、図2参照)。
4)上記3)の温度検出手段と基準電圧の出力値をAD変換器において比較し、ディジタル出力することにしたため、温度検出回路において、消費電流を抑制しながら、移動度のばらつきや変動に対して安定した出力を得ることができる。また、基準電圧に温度依存性が存在しても、上記3)の出力感度を高めたり、出力変換を併用することにより実質的に問題とならないレベルにすることができる(請求項4、図4参照)。
(第1の実施例)
図1は、本発明の第1の実施例に係る温度検出回路の構成図である。
ディプレッション型NチャネルトランジスタM1およびM2が、第1の電源端子(Vdd)と第2の電源端子(Vss)間に直列に接続され、トランジスタM1のドレインが高電圧端子Vddへ、トランジスタM2のソースが低電圧端子Vssへそれぞれ接続されている。
また、トランジスタM1のゲートとソース、トランジスタM2のゲートとドレインは出力端子Vaに共通接続されている。上記の構成において、電源電圧が十分に高い場合、トランジスタM1は飽和領域で動作し、トランジスタM2は3極管領域(可変抵抗領域)で動作することとなる。
Cox :単位面積あたりのゲート容量
A1,A2:トランジスタM1,M2のチャネル幅W/チャネル長WL(アスペクト比)
Vt1,Vt2:トランジスタM1,M2のしきい値
温度センサの出力を表す式中に、移動度μnやゲート容量Coxが含まれると、そのばらつきによって計算値が変化したり、移動度μn自身の温度変化によって出力特性が影響を受けるため、できればこれらを消去して、プロセスのばらつきによる影響を低減することが望ましい。
となる。
ここで、上記(7)式中のA1,A2は、M1とM2のチャネルの幅W/チャネル長L(アスペクト比)であって、サイズを調整することにより傾斜をコントロールすることができる。
また、Vaの温度傾斜は次の(8)式で与えられる。
ここで、出力特性をアスペクト比で単純に設定できる効用は大きく、例えばバイポーラトランジスタを用いた従来技術では、ダーリントン接続などで確保していた出力感度を、本実施例の検出手段では単に両トランジスタのアスペクト比を変更すれば済むことになる。
また、この時、トランジスタが動作する電流領域を改めて検証する必要もない。
図2(a)〜図2(d)は、それぞれ本発明の第2の実施例に係る温度検出回路の構成図である。
前述の第1の実施例は理想的にはトランジスタM1のバックゲートがVa電位であることが望ましい。しかし、P基盤を用いたCMOSプロセスでは、一般的にはこの場合Vss電位となり、トランジスタM1の基盤バイアス効果のため出力電圧に若干の誤差を生じる。そのような場合には、カレントミラーを用いてトランジスタM1を貫通する電流をトランジスタM2へ折り返す構成とすることができる。
例えば、トランジスタM1およびM2のアスペクト比を等しくし、流れる電流比を1:αとすれば、出力電圧Vaは、
このように、第2の実施例によると、検出手段の素子数や電流パスは増えるが、基盤バイアス効果が影響する場合にも対応でき、またチャネルのアスペクト比の他、カレントミラーの電流比を用いても、第1の実施例と同様に出力電圧と出力特性を設定することができる。
第2の実施例を広い電源電圧範囲で使用する場合には、カレントミラーの構成を図2(b)、あるいは図2(c)、さらには図2(d)のように変更するのが効果的である。
図3は、本発明の第3の実施例に係る温度検出回路の構成図である。
本実施例は、前述の第1の実施例あるいは第2の実施例による温度検出手段の出力信号を、抵抗R31,R32と演算増幅器30からなる増幅回路31で増幅し、温度に対する出力感度を上げる構成にしている。第1の実施例や第2の実施例の温度検出手段は出力感度をチャネルのアスペクト比で設定できるので、理論的には任意の感度設定が可能である。しかし、実際には、極端なアスペクト比を設定すると、製造工程における加工精度の影響がトランジスタ間でアンバランスとなり、想定した特性が得られないことが懸念される。
すなわち、図2に示す第2の実施例で、チャネルのアスペクト比を大きくとって、例えば1:100にすれば、感度はしきい値に換算して約9倍に増すが、精度が低下することになるので、図3の回路を用い、温度検出手段の増幅率を同2倍(アスペクト比で1:8)に抑えて、増幅回路31で例えば4.5倍とする。
勿論、抵抗の一部に可変抵抗やトリミング手段を採用し、増幅率を調整する構成としてもよい。
また、R32の接続先をVss以外の固定電位としてDC的なオフセットを与えたり、更に公知の加算回路と組み合わせて変換することも可能である。
図4(a)は、本発明の第4の実施例に係る温度検出回路の構成図であり、図4(b)は図4(a)の応用例に係る温度検出回路の構成図である。
本実施例(図4(a))は、前述の第3の実施例による温度検出手段(出力電圧Va’)と、別に設けられた基準電圧Vrefを含み、両出力(Va’とVref)をAD変換器41へ入力して比較し、その結果をディジタル出力する構成の温度検出回路である。ここで、入力される基準電圧Vrefは、例えば各種公知の基準電圧発生回路を用いて発生される電圧や、物理的に設けられた固定電位である。また、基準電圧が若干の温度依存性を有している場合には、その精度に応じて比較対象すなわち第3の実施例で構成される回路手段の増幅率を増し、基準電圧Vrefの温度依存性による誤差を実質的に問題とならないレベルに設定することができる。
図4(b)のVbiasはここではバッファー出力の形をとっているが、レギュレータ出力や固定電源で与えてもよいし、勿論、他の加算回路と併用して構成してもよい。
図5は、本発明の第5の実施例に係る温度検出回路をクロックジェネレータへ適用した場合の構成図である。
本実施例は、図4(a)(b)に示す第4の実施例による温度検出回路のディジタル出力を用いて、発振周波数を補正する仕組みを備えたクロックジェネレータあるいはリアルタイムクロックである。圧電振動子を用いたクロックジェネレータあるいはリアルタイムクロックの発振周波数は、通常、温度によって変動することが知られている。
図4(a)、図4(b)に示す第4の実施例による温度検出回路は、MOSトランジスタを用いた温度検出手段を採用し低消費電流で動作可能なため、本実施例の構成とした場合、温度補正の仕組みを備えたリアルタイムクロックやクロックジェネレータにおいて、全体の消費電流の増加を抑制することができる。
M3,M4,M5,M6,M7,M9:ディプレッション型PチャネルMOSトランジスタ
20:別回路
30,40:増幅回路
31:演算増幅器
41:A/D変換器
42:バイアス電圧回路
51:クロックジェネレータまたはRTC
81:温度検出手段
82:定電圧発生回路
Va:出力電圧
Va’:補正出力電圧
Vdd:高電源電圧
Vss:低電源電圧
Vref:基準電圧
R31,R32,R41,R42:抵抗
Claims (10)
- 同一の導電型で異なったチャネルサイズに形成された一対のディプレッション型トランジスタを電源間に直列接続し、第1のトランジスタはゲートとソースが接続され、ドレインが第1の電源へ、第2のトランジスタはゲートとドレインが接続され、ソースが第2の電源へ接続された構成を有し、
前記第1のトランジスタのソースと前記第2のトランジスタのドレインとの接続点から温度に比例した電圧を出力することを特徴とする温度検出回路。 - 同一の導電型で異なったチャネルサイズに形成され、ゲートとソースが第1の電源に接続された第1のディプレッション型トランジスタと、
ゲートとドレインが接続され、ソースが第1の電源に接続された第2のディプレッション型トランジスタと、
前記第1のディプレッション型トランジスタとは異なる導電型で、ゲートとドレインが前記第1のディプレッション型トランジスタのドレインへ、ソースが第2の電源に接続された第3のトランジスタと、
ゲートが前記第3のトランジスタのゲートへ、ドレインが前記第2のディプレッション型トランジスタのドレインへ、ソースが第2の電源へそれぞれ接続された第4のトランジスタとを有し、
前記第2および第3のトランジスタのドレイン接続点から温度に比例した電圧を出力することを特徴とする温度検出回路。 - 請求項1または2に記載の温度検出回路において、
前記温度に比例した電圧の出力信号を、演算増幅器と抵抗で構成された増幅回路あるいは加算回路に入力し、該出力信号を任意に増幅もしくは変換して出力することを特徴とする温度検出回路。 - 請求項3に記載の温度検出回路において、
前記増幅回路あるいは加算回路の出力信号をA/D変換器に入力し、該A/D変換器において、該出力信号と別に設置された基準電圧とを比較し、温度情報をディジタル出力することを特徴とする温度検出回路。 - 請求項4に記載の温度検出回路を用いたクロックジェネレータまたはリアルタイムクロック等の発振周波数補正装置であって、
前記A/D変換器の出力で得られる温度情報をもとに発振周波数を補正することを特徴とする発振周波数補正装置。 - 請求項2に記載の温度検出回路において、
前記第2のトランジスタのドレイン端子にそのドレインを、前記第4のトランジスタのドレイン端子にそのソースを、前記第3のトランジスタのドレイン端子にそのゲートを、それぞれ接続した、該第4のトランジスタと同一導電型の第5のトランジスタを追加し、更に前記第3のトランジスタのドレインに接続されていた第3のトランジスタおよび第4のトランジスタのゲートを前記第5のトランジスタのソースに接続したことを特徴とする温度検出回路。 - 請求項2に記載の温度検出回路において、
前記第3のトランジスタおよび前記第4のトランジスタと高電源端子との間に、該第3および第4のトランジスタと同一導電型の第6および第7のトランジスタをそれぞれ直列に接続し、該第6および第7のトランジスタのゲートを共通接続して前記第3のトランジスタのソース端子へ接続したことを特徴とする温度検出回路。 - 請求項7に記載の温度検出回路において、
前記第6および第7のトランジスタのゲートを共通接続して前記第3のトランジスタのドレイン端子へ接続し、前記第3および第4のトランジスタのゲートへは、別回路で生成される定電圧を入力するように接続したことを特徴とする温度検出回路。
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