JP4729099B2

JP4729099B2 - 半導体装置、温度センサ、及びこれを用いた電子機器

Info

Publication number: JP4729099B2
Application number: JP2008329240A
Authority: JP
Inventors: 貴嗣和智; 晃中村
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2002-03-11
Filing date: 2008-12-25
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2023-03-04
Also published as: JP2009150896A

Description

本発明は、温度センサに関するものであり、特に、バイポーラトランジスタのベース・エミッタ間電圧が周囲温度に応じてほぼ直線的に変化する現象を利用したＩＣ化温度センサに関するものである。

図２はＩＣ化温度センサの一従来例を示す回路図である。本図に示すＩＣ化温度センサ１’は、エミッタ面積の異なる２つのｎｐｎ型トランジスタＱ１、Ｑ２（ここでは面積比１：１０）を有して成り、両トランジスタＱ１、Ｑ２におけるベース・エミッタ間電圧ＶＢＥ１、ＶＢＥ２の差電圧ΔＶＦ（＝ＶＢＥ１−ＶＢＥ２）に基づいて周囲温度Ｔの検出を行う構成である。

トランジスタＱ１、Ｑ２のコレクタは、それぞれ定電流源Ｉ１、Ｉ２を介して電源ラインに接続されており、両コレクタには定電流ｉｃ１、ｉｃ２が供給されている。また、トランジスタＱ１のコレクタは、ｎｐｎ型トランジスタＱ４のベースにも接続されている。トランジスタＱ１、Ｑ２のエミッタは互いに接続されており、その接続ノードは、定電流源Ｉ３を介してグランドに接続されている。トランジスタＱ１のベースは、トランジスタＱ４のエミッタに接続される一方で抵抗Ｒ１の一端にも接続されている。トランジスタＱ２のベースは、抵抗Ｒ１の他端に接続される一方で、抵抗Ｒ２を介してグランドにも接続されている。トランジスタＱ４のコレクタは、電源ラインに接続されている。

ここで、本図に示すＩＣ化温度センサ１’は、トランジスタＱ１のベースを出力端子Ｔｏｕｔとし、該出力端子Ｔｏｕｔから出力電圧Ｖｏｕｔを得る構成である。従って、出力電圧Ｖｏｕｔは、次の（１）式で表される値となる。

また、上記（１）式に含まれる差電圧ΔＶＦは、ダイオード方程式に基づいて次の（２）式で表される形に展開される。

なお、上記（２）式中において、ｋはボルツマン定数、Ｔは周囲温度（絶対温度）、ｑは電子の電荷量、ｉｃ１、ｉｃ２はトランジスタＱ１、Ｑ２のコレクタ電流、ＶＣＥ１、ＶＣＥ２はトランジスタＱ１、Ｑ２のコレクタ・エミッタ間電圧、ＶＡはトランジスタＱ１、Ｑ２のアーリ電圧、ＩＳはトランジスタＱ１、Ｑ２のリーク電流、をそれぞれ表している。

上記（２）式から分かるように、エミッタ電流密度の異なる２つのトランジスタＱ１、Ｑ２各々のベース・エミッタ間電圧ＶＢＥ１、ＶＢＥ２の差電圧ΔＶＦは、周囲温度Ｔに応じた変動値となる。また、上記（１）式で表される相関関係に基づいて、ＩＣ化温度センサ１’の出力電圧Ｖｏｕｔも、周囲温度Ｔに応じた変動値となる。

図３は周囲温度Ｔに対する差電圧ΔＶＦ（或いは出力電圧Ｖｏｕｔ）の依存特性を示す相関図である。本図の横軸は周囲温度Ｔを示しており、縦軸は差電圧ΔＶＦ（或いは出力電圧Ｖｏｕｔ）を示している。なお、トランジスタＱ１、Ｑ２のコレクタ電流ｉｃ１、ｉｃ２及びコレクタ・エミッタ間電圧ＶＣＥ１、ＶＣＥ２がそれぞれ互いに等しい場合、差電圧ΔＶＦは、次の（３）式で表されるように、周囲温度Ｔに比例した理想変動値となる（図中破線）。

米国特許第６１３７３４１号明細書

確かに、上記構成から成るＩＣ化温度センサ１’であれば、出力端子Ｔｏｕｔで得られた出力電圧Ｖｏｕｔに基づいて、周囲温度Ｔをある程度高精度に検出することができる。従って、様々な機器の温度検出手段として適用が可能である。

しかしながら、上記構成から成るＩＣ化温度センサ１’では、トランジスタＱ１、Ｑ２のコレクタに流れる電流の変動の仕方が、トランジスタＱ１とＱ２とで異なっており、両トランジスタＱ１、Ｑ２のコレクタ電流比ｉｃ１／ｉｃ２及びコレクタ・エミッタ間電圧比ＶＣＥ１／ＶＣＥ２それぞれが周囲温度Ｔに応じて変動して誤差となるので、図３の実線で示すように、差電圧ΔＶＦが上記（３）式で表される理想直線から不規則に乖離してしまうといった課題を有していた。そのため、上記構成から成るＩＣ化温度センサ１’は、周囲温度を高精度かつ高リニアリティに検知する必要のある電子機器（例えば、カーナビゲーションシステムに搭載されるハードディスクドライブ装置やＤＶＤドライブ装置）の制御装置や駆動装置に用いる温度センサとして不適当な場合があった。

なお、従来は、上記誤差を軽減するため、両トランジスタＱ１、Ｑ２のベース電流を補正したり、トランジスタＱ２側のエミッタ電流値を補正していたが、それらの補正では高精度を得るのに限界があった（例えば、特許文献１を参照）。

本発明は、上記の問題点に鑑み、周囲温度を高精度・高リニアリティに検出することが可能な温度センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る半導体装置は、第一のトランジスタと、第一のトランジスタとエミッタ面積が異なる第二のトランジスタと、第一、第二のトランジスタのエミッタに接続され、入力される制御信号に応じて流れる電流値が決まる電流源と、第一のトランジスタのコレクタ電圧に応じて定まる第一の電圧を第一のトランジスタのベースへ供給する第一の電圧生成手段と、第一のトランジスタのコレクタ電圧に応じて定まる第二の電圧を第二のトランジスタのベースへ供給する第二の電圧生成手段と、第一のトランジスタのコレクタ電圧と第二のトランジスタのコレクタ電圧とに応じて定まる制御信号を電流源に供給する帰還回路と、を有して成る構成としている。

また、上記構成からなる半導体装置はさらに、第一の電圧生成手段と、第二の電圧生成手段の一部を共用している構成としている。

また、上記構成からなる半導体装置において、第一の電圧生成手段は第一のトランジスタのコレクタ電圧に応じて定まる電流が一端に供給される第一の抵抗と、第一の抵抗に直列接続される第二の抵抗で構成され、第一の抵抗と第二の抵抗との直列接続の両端電圧として第一の電圧を生成し、第二の電圧生成手段は第一の抵抗と前記第二の抵抗によって分圧される電圧を第二の電圧として出力する構成としている。

また、上記構成からなる半導体装置において、帰還回路は、第一のトランジスタのコレクタ電圧に応じて定まる第一の電流と、第二のトランジスタのコレクタ電圧に応じて定まる第二の電流とに基づいた電圧を制御信号として電流源に供給する構成としている。

また、上記構成からなる半導体装置は、第一のトランジスタのコレクタ電圧がベースに入力され、コレクタ電圧に応じて第一の電流を第一の電圧生成手段に供給する第三のトランジスタと、第二のトランジスタのコレクタ電圧がベースに入力され、第二のトランジスタのコレクタ電圧に応じて第二の電流を帰還回路に供給する第四のトランジスタと、を有して成る構成としている。

また、上記構成からなる半導体装置は、一端が第四のトランジスタと帰還回路との接続点に接続される第三の抵抗と、一端が第三の抵抗の他端に接続され、他端が基準電位と接続される第四の抵抗と、を有して成る構成としている。

また、上記構成からなる半導体装置は、第一の抵抗と第二の抵抗は第三の抵抗と第四の抵抗とそれぞれ同一の抵抗値であることを構成としている。

また、上記構成から成る半導体装置において、第一、第二、第三、第四の抵抗の抵抗値はトリミング調整が可能である構成としている。

また、上記構成から成る半導体装置において、電流源は、一方の端子が第一、第二のトランジスタのそれぞれのエミッタと接続され、制御端子には制御信号が入力される第五のトランジスタと、一端が前記第五のトランジスタのエミッタに接続され、他端が基準電位に接続される第五の抵抗とを有してなる構成としている。

上記したように、本発明に係る温度センサ及びこれを有する半導体装置であれば、トランジスタのコレクタ電流比及びコレクタ・エミッタ間電圧比の変動に伴う検出誤差が生じにくくなるため、周囲温度を高精度かつ高リニアリティに検知することが可能となる。従って、周囲温度を高精度かつ高リニアリティに検知する必要のある電子機器（例えばカーナビゲーションシステムに搭載されるハードディスクドライブ装置やＤＶＤドライブ装置）の制御装置や駆動装置としてより一層の適用が可能となる。

また、本発明に係る温度センサをバンドギャップ回路と併用することにより、高精度バンドギャップ回路を形成することが可能となる。また、回路規模も比較的小さいため、アナログＩＰとしての流用も可能であり、多機能ＩＣのサーマル回路（サーマルシャットダウン）等にも利用することができる。

図１は本発明に係るＩＣ化温度センサの一実施形態を示す回路図である。本実施形態のＩＣ化温度センサ１は、図２の従来構成に加えて、トランジスタＱ１、Ｑ２のコレクタ電圧ＶＡ、ＶＢが同様の温度特性をもって変動するように、トランジスタＱ１、Ｑ２のコレクタ電圧ＶＡ、ＶＢ及びエミッタ電流ｉｅを制御するための帰還回路ＲＥＶ１を設けた構成としている。よって、従来の
ＩＣ化温度センサ１’と同様の部分については、図２と同一符号を付すことで説明を省略し、以下では、本実施形態の特徴部分である帰還回路ＲＥＶ１の構成及び動作について重点を置いた説明を行うことにする。

本図に示す通り、本実施形態の帰還回路ＲＥＶ１は、トランジスタＱ４に対応して設けられたｎｐｎ型トランジスタＱ５と、一対のカレントミラー回路を形成するｐｎｐ型トランジスタＱ６、Ｑ７と、同じく一対のカレントミラー回路を形成するｎｐｎ型トランジスタＱ８、Ｑ９と、電源投入時における帰還回路ＲＥＶ１の動作状態を決定する起動回路を形成するｎｐｎ型トランジスタＱ１０と、抵抗Ｒ４〜Ｒ８と、を有して成る。

トランジスタＱ５のコレクタは、電源ラインに接続されている。トランジスタＱ５のベースは、トランジスタＱ２のコレクタに接続されている。トランジスタＱ５のエミッタは、トランジスタＱ７のエミッタに接続される一方、抵抗Ｒ４、Ｒ５を介してグランドにも接続されている。抵抗Ｒ４、Ｒ５は、抵抗Ｒ１、Ｒ２と同一の抵抗値を有する抵抗素子である。

トランジスタＱ６のエミッタは、出力端子Ｔｏｕｔに接続されている。トランジスタＱ６、Ｑ７のコレクタは、それぞれトランジスタＱ８、Ｑ９のコレクタに接続されている。トランジスタＱ６、Ｑ７のベースは、互いに接続されており、その接続ノードは、トランジスタＱ６のコレクタに接続されている。

トランジスタＱ８、Ｑ９のエミッタは、それぞれ抵抗Ｒ６、Ｒ７を介して、グランドに接続されている。トランジスタＱ８、Ｑ９のベースは、互いに接続されており、その接続ノードは、トランジスタＱ９のコレクタに接続されている。また、トランジスタＱ８、Ｑ９のベースは、定電流源Ｉ３を構成するｎｐｎ型トランジスタＱ３のベースにも接続されている。トランジスタＱ３のコレクタは、トランジスタＱ１、Ｑ２のエミッタにそれぞれ接続されている。トランジスタＱ３のエミッタは、抵抗Ｒ３を介してグランドに接続されている。

トランジスタＱ１０のベースは、トランジスタＱ６のコレクタ及びベースと、トランジスタＱ８のコレクタとの接続ノードに接続されている。トランジスタＱ１０のコレクタは、電源ラインに接続されている。トランジスタＱ１０のエミッタは、抵抗Ｒ８を介してグランドに接続されている。

上記構成から成る帰還回路ＲＥＶ１において、トランジスタＱ６のエミッタには、トランジスタＱ１のコレクタ電圧ＶＡに応じた電流ｉ１が流れ、トランジスタＱ７のエミッタには、トランジスタＱ２のコレクタ電圧ＶＢに応じた電流ｉ２が流れる。ここで、周囲温度Ｔに応じてトランジスタＱのコレクタ電圧ＶＡが変動した場合には、まず、トランジスタＱ６のエミッタ電流ｉ１が変動し、それに追従してトランジスタＱ７のエミッタ電流ｉ２が変動することにより、トランジスタＱ９、Ｑ８の動作電圧が決定され、トランジスタＱ３により、トランジスタＱ１、Ｑ２のエミッタ電流ｉｅがそれぞれ決定される。その結果、本実施形態の帰還回路ＲＥＶ１では、電流ｉ１と電流ｉ２が一致するように、トランジスタＱ２のコレクタ電圧ＶＢ及びトランジスタＱ１、Ｑ２のエミッタ電流ｉｅが帰還制御（いわゆるコモンモード帰還制御）されることになる。

このような構成とすることにより、本実施形態のＩＣ化温度センサ１では、トランジスタＱ１、Ｑ２のコレクタ電流比ｉｃ１／ｉｃ２及びコレクタ・エミッタ間電圧比ＶＣＥ１／ＶＣＥ２に誤差が生じにくくなるため、周囲温度Ｔを高精度かつ高リニアリティに検知することが可能となる。

なお、本実施形態のＩＣ化温度センサ１において、トランジスタＱ４とトランジスタＱ５、トランジスタＱ６とトランジスタＱ７、トランジスタＱ８とトランジスタＱ９、及び抵抗Ｒ６と抵抗Ｒ７とは、それぞれ同じサイズ、同じ特性のものを用いるようにしている。従って、トランジスタＱ１のコレクタ電圧ＶＡは、出力電圧ＶｏｕｔとトランジスタＱ４の動作電圧によって決まり、トランジスタＱ２のコレクタ電圧ＶＢは、出力電圧ＶｏｕｔとトランジスタＱ５、Ｑ６、Ｑ７の各動作電圧によって決まるので、コレクタ電圧ＶＡ、ＶＢはいずれも、従来に比べて電源変動の影響を受けにくいと言える。従って、本実施形態のＩＣ化温度センサ１は、異なる電源電圧（例えば、３Ｖと５Ｖ）を印加された場合であっても、安定した温度検出を行うことが可能である。

また、本実施形態の帰還回路ＲＥＶ１には、トランジスタＱ５のエミッタ電流をトランジスタＱ７のエミッタへ流すための電流経路以外に、該エミッタ電流を抵抗Ｒ１、Ｒ２と同抵抗値の抵抗Ｒ４、Ｒ５を介してグランドに流すための電流経路が設けられている。このような電流経路を設けることにより、トランジスタＱ６、Ｑ７のエミッタに流れ込む電流ｉ１、ｉ２の誤差要因を排除することができるので、周囲温度Ｔをより高精度・高リニアリティに検出することが可能となる。もちろん、チップ規模縮小を重視する場合には該電流経路をなくせばよい。

さらに、本実施形態のＩＣ化温度センサ１において、抵抗Ｒ１、Ｒ２及び抵抗Ｒ４、Ｒ５は、その抵抗値がレーザトリミング等によって調整可能な構成とされている。このような構成とすることにより、回路形成後でも、周囲温度Ｔに対する出力電圧Ｖｏｕｔの依存特性を任意に調整することが可能となる。

なお、上記の実施形態では、より高精度になるように、帰還回路ＲＥＶ１として２段構成のカレントミラー回路を採用した場合を例に挙げて説明を行ったが、本発明の回路構成はこれに限定されるものではなく、上記の実施形態と同様の機能（トランジスタＱ１、Ｑ２のコレクタ電圧ＶＡ、ＶＢが同様の温度特性をもって変動するように帰還制御する機能）を実現できるのであれば、従来に比べて精度向上を期待できる。

本発明に係るＩＣ化温度センサの一実施形態を示す回路図である。ＩＣ化温度センサの一従来例を示す回路図である。周囲温度Ｔに対する差電圧ΔＶＦの依存特性を示す相関図である。

符号の説明

１ＩＣ化温度センサＱ１〜Ｑ５、Ｑ８〜Ｑ１０ｎｐｎ型トランジスタＱ６、Ｑ７ｐｎｐ型トランジスタＩ１〜Ｉ３定電流源Ｒ１〜Ｒ８抵抗Ｔｏｕｔ出力端子ＲＥＶ１帰還回路

Claims

第一のトランジスタと、前記第一のトランジスタとエミッタ面積が異なる第二のトランジスタと、
前記第一、第二のトランジスタのエミッタに接続され、入力される制御信号に応じて流れる電流値が決まる電流源と、前記第一のトランジスタのコレクタ電圧に応じて定まる第一の電圧を前記第一のトランジスタのベースへ供給する第一の電圧生成手段と、前記第一のトランジスタのコレクタ電圧に応じて定まる第二の電圧を前記第二のトランジスタのベースへ供給する第二の電圧生成手段と、前記第一のトランジスタのコレクタ電圧と前記第二のトランジスタのコレクタ電圧とに応じて定まる制御信号を前記電流源に供給する帰還回路と、を有することを特徴とする半導体装置。
前記第一の電圧生成手段と、前記第二の電圧生成手段は一部を共用していることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記第一の電圧生成手段は前記第一のトランジスタのコレクタ電圧に応じて定まる電流が一端に供給される第一の抵抗と、前記第一の抵抗に直列接続される第二の抵抗で構成され、前記第一の抵抗と前記第二の抵抗との直列接続の両端電圧として第一の電圧を生成し、前記第二の電圧生成手段は前記第一の抵抗と前記第二の抵抗によって分圧される電圧を前記第二の電圧として出力することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
前記帰還回路は、前記第一のトランジスタのコレクタ電圧に応じて定まる第一の電流と、前記第二のトランジスタのコレクタ電圧に応じて定まる第二の電流とに基づいた電圧を制御信号として前記電流源に供給することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体装置。
前記第一のトランジスタのコレクタ電圧がベースに入力され、前記コレクタ電圧に応じて前記第一の電流を前記第一の電圧生成手段に供給する第三のトランジスタと、前記第二のトランジスタのコレクタ電圧がベースに入力され、前記第二のトランジスタのコレクタ電圧に応じて前記第二の電流を前記帰還回路に供給する第四のトランジスタと、を有することを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
一端が前記第四のトランジスタと前記帰還回路との接続点に接続される第三の抵抗と、
一端が前記第三の抵抗の他端に接続され、他端が基準電位と接続される第四の抵抗と、を更に有することを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
前記第一の抵抗と前記第二の抵抗は前記第三の抵抗と前記第四の抵抗とそれぞれ同一の抵抗値であることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
前記第一、第二、第三、第四の抵抗の抵抗値はトリミング調整が可能であることを特徴とする請求項６または７に記載の半導体装置。
前記電流源は、一方の端子が前記第一、第二のトランジスタのそれぞれのエミッタと接続され、制御端子には前記制御信号が入力される第五のトランジスタと、一端が前記第五のトランジスタのエミッタに接続され、他端が基準電位に接続される第五の抵抗と、
からなる請求項５に記載の半導体装置。