JP2575611B2 - 集積回路化半導体変換器 - Google Patents

集積回路化半導体変換器

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    • G05FSYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10Regulating voltage or current
    • G05F1/46Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/56Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices
    • G05F1/565Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor
    • G05F1/567Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor for temperature compensation

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体変換器の温度上昇にともなう出力感
度の変化を補償するブリッジ回路を備えた集積回路化半
導体変換器に関する。
〔従来の技術〕
従来、半導体変換器として、半導体ピエゾ抵抗素子を
用いた圧力変換器がよく知られている。該ピエゾ抵抗素
子のゲージ率は一般に負の温度係数を示し、該ピエゾ抵
抗素子を含むブリツジ回路からなる変換器の圧力・電気
変換感度は周囲温度の上昇に伴ない低下する。この感度
低下を補償する集積化レベルの温度補償回路として、従
来、 (1)バイポーラ・トランジスタのベース・エミツタ間
順方向電圧VBEの負の温度係数を利用し、電源電圧からV
BEに比例した電圧を差しひくことによりブリツジ励起電
圧を温度上昇に対して直線的に増大させるようにした温
度補償回路(信学技報ED−80−20)、 (2)電流密度の異なるバイポーラ・トランジスタのベ
ース・エミツタ間電圧の差ΔVBEが絶対温度に比例する
(アイ・イー・イー・イー・ジヤーナル・オブ・ソリツ
ド・ステート・サーキツツ(IEEE J.Solid−State Circ
uits)6巻,1971年,2〜7ページ)ことを利用して、ブ
リツジ励起電圧に正の温度係数を与えるようにした温度
補償回路(センサーズ アンド アクチュエータ(Sens
ors and Actuators)4巻,1983年,63〜69ページ)等が
報告されている。上記2例にはいずれもバイポーラ集積
技術が用いられている。しかしながら、集積化変換器の
目標は多機能化、インテリジエント化にあり、これらの
目標を実現する集積回路技術としては、バイポーラ技術
よりもMOS技術の方が優れている。すなわち、将来の集
積化変換器には、半導体検知素子と同一基板上に、単に
温度補償機能のみでなく、増幅機能、マルチプレツクス
機能、チツプ内での演算処理機能、コンピユータとのデ
イジタルインターフエースを可能にするA/D変換及びデ
イジタル信号処理機能等を搭載することが要求される。
これらの要求には、スイツチトキヤパシタ回路、アナロ
グ・スイツチ、A/D変換、マイクロ・プロセツサ等を含
むアナログ・デイジタル混載回路の分野に実績があり、
バイポーラ技術に比べ、低消費電力化と大規模集積化が
可能なMOS集積回路技術が適している。
しかしながら、周知の集積化温度補償回路は、いずれ
もバイポーラ集積化を前提としており、根本的にMOS集
積化プロセスには適合し得ないものであつた。
上記問題点を解決するために、MOS集積化に適した構
成を備えた温度補償回路(特願昭59−187632号)が考え
られた。第2図に該温度補償回路の構成を示す。図にお
いて、100はピエゾ抵抗素子1,2,3,4から成るブリツジ回
路、5は基準電圧発生回路、6は演算増幅器、7は抵
抗、8は抵抗7よりも大きな正の温度係数を有する感温
拡散抵抗である。この回路では、抵抗7と感温拡散抵抗
8とが、演算増幅器6の出力電圧の一部を反転側入力端
子に戻す負帰還ループを形成している。演算増幅器6も
含めた回路としては、基準電圧発生回路5の出力電圧に
対する非反転形回路になつており、該演算増幅器6の出
力電圧でブリツジ回路100が励起される構成になつてい
る。
したがつて、いま抵抗7及び感温拡散抵抗8の抵抗値
をR1及びR2とし、基準電圧発生回路5の出力電圧をVref
とし、抵抗7の温度係数が事実上温度に不感と見なし得
る程度に小さいと仮定すると、演算増幅器6の出力電
圧、すなわちブリツジ回路100に供給される励起電圧V
excは次式で与えられる。
ここで、R2(0)及びαは、感温拡散抵抗8の或る基
準温度における抵抗値及び抵抗温度係数、tは基準温度
からの温度遷移である。上式から明らかなように、第2
図の回路によれば、ブリツジ回路100の励起電圧Vexc
感温拡散抵抗8の温度係数αに基づく正の温度係数を与
えることができ、ピエゾ抵抗係数の負の温度係数に基づ
くブリツジ回路100の圧力−電気変換感度の負の温度係
数を補償することができる。
第2図の回路で、圧力−電気変換感度の温度係数を零
にするためには、ブリツジ励起電圧の温度係数、すなわ
ち感温拡散抵抗8の抵抗温度係数α(正の値)をブリツ
ジ回路100を構成するピエゾ抵抗素子1〜4のピエゾ抵
抗係数の温度係数と等しく選べばよい。これは一般に
は、ピエゾ抵抗素子1〜4と感温拡散抵抗8を構成する
不純物拡散領域の不純物濃度をそれぞれ適宜制御するこ
とにより達成される。n形シリコン基板に形成されたp
形不純物領域からなる拡散抵抗の場合には、表面不純物
濃度が3×1018及び2×1020cm-3の近傍において、抵抗
温度係数(正の値)とピエゾ抵抗係数温度係数(負の
値)の絶対値が等しくなる。したがつて、表面不純物濃
度を上記条件で選べば、温度補償のための感温拡散抵抗
8をピエゾ抵抗素子1〜4と同一工程で製造できる。
第2図の回路に使用される基準電圧発生回路5は、エ
ンハンスメント形MOSFETとデプリーシヨン形MOSFETとの
スレツシヨルド電圧の差を検出する回路方式(アイ・イ
ー・イー・イー・ジヤーナル・オブ・ソリツド・ステー
ト・サーキツツ(IEEE J.Solid−State Circuits)13
巻,1978年,767〜774ページ)を用いることによりMOS集
積化プロセスで製造可能であり、これとMOS演算増幅
器、感温拡散抵抗、拡散形ピエゾ抵抗素子を同一半導体
基板上に一体化することによりMOS集積化された温度補
償回路が構成される。
〔発明が解決しようとする問題点〕
以上、MOS集積化に適した温度補償回路の従来例を述
べたが、この回路はピエゾ抵抗素子1〜4から成るブリ
ツジ回路100及び感温拡散抵抗8が大負荷電流の供給に
は不向きなMOS演算増幅器6の負荷となるため、ピエゾ
抵抗素子1〜4及び感温拡散抵抗8の抵抗値、すなわち
拡散抵抗長を小さくできない欠点がある。最も広く用い
られているダイアフラム形圧力変換器の場合、圧力−電
気変換感度はピエゾ抵抗素子の長さとともに著しく低下
するので、抵抗長の増大は感度の著しい劣化をまねく。
また、感温拡散抵抗は圧力不感部であるダイアフラム周
辺の狭い厚肉部領域に配置されるので、抵抗長の増大は
パターン配置の困難さを惹起する。これらを回避する方
法は演算増幅器出力段の寸法を大きくし、負荷出力を高
めることであるが、出力段の寸法増大は前段に影響を及
ぼし、演算増幅器全体の周波数特性を劣化させる。これ
を防止するには、さらに前段の寸法を増大させる必要が
あり、結果として演算増幅器の消費電力と占有面積は著
しく増大してしまう。
本発明の目的は、上記従来技術の欠点が除去された温
度補償回路を有する集積回路化半導体変換器を提供する
ことにある。
〔問題点を解決するための手段〕
上記目的を達成するために、本発明は基準電圧発生回
路と、前記基準電圧発生回路の出力端が非反転側入力端
子に接続された演算増幅器と、前記演算増幅器の出力端
がゲートに接続されたソースフォロワ構成のFETと、前
記演算増幅器の反転側入力端子とコモン端子及び前記FE
Tのソースとの間にそれぞれ接続された抵抗及び前記抵
抗よりも大きな正の温度係数を有する感温拡散抵抗と、
前記FETの出力を受けて励起される負の温度係数を有す
るピエゾ抵抗素子からなるブリッジ回路とを同一半導体
基板上に備えたことを特徴とする集積回路化半導体変換
器である。
〔実施例〕
以下、実施例により本発明を詳細に説明する。
第1図は本発明の一実施例を示す図である。図におい
て、100は第2図に示したものと同じくピエゾ抵抗素子
1,2,3,4から成るブリツジ回路、10は基準電圧発生回
路、20は該基準電圧発生回路10の出力が非反転側入力端
子に接続された演算増幅器、30はゲートに該演算増幅器
20の出力が接続されたFET、11は演算増幅器20の反転側
入力端子とコモン端子(基準レベル)との間に接続され
た抵抗、12はFET30のソースと演算増幅器20の反転側入
力端子との間に接続された感温拡散抵抗であり、ブリツ
ジ回路100はドレインが電源端子13に接続されたソース
フオロワ構成のFET30の出力で励起される構成になつて
いる。
本実施例において、抵抗11及び感温拡散抵抗12は、第
2図における抵抗7及び感温拡散抵抗8にそれぞれ対応
しており、演算増幅器20の負帰還回路を形成してブリツ
ジ回路100の励起電圧に感温拡散抵抗12の温度係数に基
づく正の温度係数を与える。抵抗11としては、事実上温
度に不感な抵抗と見なし得る程度に温度係数の小さい、
例えば金属皮膜、厚膜あるいは薄膜抵抗を、感温拡散抵
抗12としては、抵抗11よりも大きな正の温度係数を有す
る、例えばピエゾ抵抗素子と同一基板上の圧力不感部に
形成された拡散抵抗を用いることができる。
本実施例の特徴は、ブリツジ回路100が演算増幅器20
よりソースフオロワを構成するFET30を介して励起され
ている点にある。すなわち、第2図に示した従来の温度
補償回路が演算増幅器6の出力で直接ブリツジ回路100
を励起するよう構成されていたのに対し、本実施例では
ブリツジ回路100が演算増幅器20の出力に直接接続され
るのではなく、ソースフオロワ構成のFET30を介して励
起されるよう構成が修正されている。
本実施例の構成によれば、ブリツジ回路100及び感温
拡散抵抗12はFET30によるソースフオロワの負荷とな
り、演算増幅器20の負荷は単にFET30のゲート容量のみ
となる。抵抗負荷がなく容量性負荷のみとなるので演算
増幅器20の大幅な低消費電力化が可能である。さらに、
第2図の回路ではインバータあるいはソースフオロワで
構成される演算増幅器出力段の一方のMOSFETが負荷であ
るブリツジ回路100及び感温拡散抵抗8と並列に接続さ
れることになるため、もう一方のMOSFETに負荷電流と動
作点電流の和の電流を流す必要があつた。これに対して
本実施例ではFET30は負荷電流に等しい電流を負担する
だけでよい。したがつて、回路全体としても大幅な低消
費電力化が図れる。
したがつて、本実施例によれば、大電力を消費するこ
となく、また大面積を占有することなく、上記従来技術
の欠点がことごとく解消され、かつ温度補償すべき拡散
抵抗からなるブリッジ回路と演算増幅回路の帰還抵抗と
して形成される感温抵抗(拡散抵抗)が同一チップ上に
同時に作ることが出来るため、拡散層濃度で決まる温度
係数を容易にあわせることが可能な温度補償回路を有す
る集積回路化半導体変換器が得られる。
以上、ピエゾ抵抗素子を用いた圧力変換器の場合を例
に本発明を説明したが、本発明は圧力変換器のみなら
ず、検知対象の変化に応答して抵抗値変化を示す半導体
検知素子を用いる半導体変換器の温度補償回路に広く適
用できる。
〔発明の効果〕
以上のように本発明によれば、上記従来技術の欠点が
ことごとく解消され、拡散層濃度で決まる温度係数を容
易にあわせることが可能な温度補償回路を有する集積回
路化半導体変換器が実現される。従って、本発明による
半導体変換器とマイクロコンピユータとの組合せによる
インテリジエント化に寄与し、その効果は大きいもので
ある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す回路図、第2図はMOS
集積化に適した半導体変換器の温度補償回路の従来例を
示す回路図である。 100…ブリツジ回路、1,2,3,4…ピエゾ抵抗素子、5,10…
基準電圧発生回路、6,20…演算増幅器、7,11…抵抗、8,
12…感温拡散抵抗、30…FET

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基準電圧発生回路と、前記基準電圧発生回
    路の出力端が非反転側入力端子に接続された演算増幅器
    と、前記演算増幅器の出力端がゲートに接続されたソー
    スフォロワ構成のFETと、前記演算増幅器の反転側入力
    端子とコモン端子及び前記FETのソースとの間にそれぞ
    れ接続された抵抗及び前記抵抗よりも大きな正の温度係
    数を有する感温拡散抵抗と、前記FETの出力を受けて励
    起される負の温度係数を有するピエゾ抵抗素子からなる
    ブリッジ回路とを同一半導体基板上に備えたことを特徴
    とする集積回路化半導体変換器。
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