JP4795173B2

JP4795173B2 - 温度補償回路

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Publication number: JP4795173B2
Application number: JP2006232194A
Authority: JP
Inventors: 亮一安斎
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2006-08-29
Filing date: 2006-08-29
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2026-08-29
Also published as: US7692476B2; US20080054871A1; JP2008058016A

Description

本発明は、温度センサ回路の出力電圧を温度補正する温度補償回路に関する。

一般にセンサの出力等は温度により変動をする。そして例えば、圧力センサのようなものは、センサ出力信号の零点オフセット電圧が温度に対して非直線に変化する。これを図９を用いて説明すると、センサ出力は理想的には、曲線６１のように、零点オフセット電圧が温度Ｔa に関係なく一定であるべきであるが、実際には曲線６２〜６４に示すように、規則性なく正あるいは負の両方に変動をする。このようなセンサに対しては、個々のセンサに対してそれぞれ異なる温度補正をかける必要があり、そのために正の補正と負の補正およびその補正量を自由に可変できる回路が必要である。このような問題を解決するために、例えば特許文献１のような方法が提案されている。すなわち、図５の回路図において、１は温度補償回路である。電源Ｖccおよび抵抗Ｒ５，Ｒ６により分圧された調整用電圧Ｖｉが温度補償回路１の端子１１，１２に供給される。調整用電圧Ｖｉは、２つのオペアンプＯＰ１，ＯＰ２の正端子に供給される。各オペアンプＯＰ１，ＯＰ２は、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２と共にＶ／Ｉ変換器（電圧／電流変換器）を構成する。Ｖ／Ｉ変換器により調整用電圧Ｖｉに比例した電流Ｉa ，Ｉb が、それぞれ温度係数ＴＣ１，ＴＣ２の異なる温度補償用抵抗Ｒ１，Ｒ２に供給される。これらの電流Ｉa ，Ｉb はトランジスタＴr ３，Ｔr ４に流される。トランジスタＴｒ３とＴｒ５、Ｔｒ４とＴｒ６およびＴr ７とＴr ８はそれぞれカレントミラー回路を構成し、温度補償用抵抗Ｒ１，Ｒ２に流れる電流と等しい電流をトランジスタＴｒ５とＴｒ６さらにはＴｒ７とＴｒ８に流す。電源ＶccとアースＧ間には分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４が接続される。トランジスタＴr ５が電源Ｖcc側に接続された抵抗Ｒ３と並列に接続され、トランジスタＴr ７がアースＧ側に接続された抵抗Ｒ４と並列に接続される。トランジスタＴｒ５の電流Ｉa は分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４の接続点１４に流入し、トランジスタＴｒ７の電流Ｉb は接続点１４から流出することとなる。接続点１４の電圧は端子１３から温度補償回路１の出力Ｖｏとして導出される。この温度補償回路１の出力Ｖｏは、センサ出力が接続されるオペアンプＯＰ３の負側入力端子に接続され、温度により変動するセンサ出力に対して温度補償を行う。この温度補償回路を複数個用いることにより、温度に対して非直線に変化するセンサ出力電圧を補正することができる。これを図７で説明する。４つの温度補償回路１〜４が用意される。各温度補償回路１〜４は、内部の温度補償用抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値をそれぞれ別個に設定する。第１の温度補償回路１は設定温度Ｔa ＝２５℃未満で負の温度補正を行うようにＴＣ１＞ＴＣ２とし、第２の温度補償回路２は設定温度未満で正の温度補正を行うようにＴＣ１＜ＴＣ２とし、第３の温度補償回路３は設定温度以上で負の温度補正を行うようにＴＣ１＞ＴＣ２とし、第４の温度補償回路４は設定温度以上で正の温度補正を行うようにＴＣ１＜ＴＣ２とする。また、各温度補償回路１〜４は、それぞれ調整用電圧Ｖｉが供給され、その補正量を個別に自由に設定できるようにしている。そして、各温度補償回路１〜４は図５の分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４が省略され、この分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４の代わりに共通の分圧抵抗Ｒa ，Ｒb が設けられる。したがって、トランジスタＴr ５とトランジスタＴｒ７の接続点が端子１３から導出され、後で説明する接点６，７を通して共通の分圧抵抗Ｒa ，Ｒb に接続される。

各温度補償回路１〜４とは別に温度検知回路５が設けられ、この温度検知回路５は、検知した温度により各接点６，７をオン・オフする。温度Ｔa が設定温度２５℃以上で接点６をオフ、接点７をオンし、設定温度未満で接点６をオン、接点７をオフする。そして、設定温度未満で用いる温度補償回路１と２の出力は、接点６を通して分圧抵抗Ｒa ，Ｒb の接続点１５に接続され、設定温度以上で用いる温度補償回路３と４の出力は、接点７を通して接続点１５に接続される。そして、分圧抵抗Ｒa ，Ｒb の接続点１５の出力Ｖｏは、センサ出力が接続されるオペアンプＯＰ３の負端子に入力され、温度により変動するセンサ出力に対して温度補償を行う。例えば温度補正をするセンサ出力特性が、図９の曲線６２に示すものとすると、設定温度２５℃以上では、負の温度補正を、以下では正の温度補正を行うことが必要となる。また、その補正量は、設定温度以上では、比較的大きく、以下では比較的小さく設定する必要がある。このため温度補償回路として１と４が選択される。残りの温度補償回路２と３は、調整用電圧Ｖｉを端子１２に入力する線を切断することにより、出力がされないようにする。また、大きな負の温度補正を行う温度補償回路４には、大きな調整用電圧Ｖｉが入力されるように分圧抵抗Ｒ５d ，Ｒ６d を調整し、小さな正の温度補正を行う温度補償回路１には、小さな調整用電圧Ｖｉが入力されるように分圧抵抗Ｒ５a ，Ｒ６a を調整する。これにより、図８の曲線５２と５４が補正量を調整した上で選択されたことになる。そして各温度補償回路１，４の出力は、温度に応じて温度検知回路５により選択されて、分圧抵抗Ｒa ，Ｒb に入力され、実施例１で説明した原理により温度に応じた補正量を分圧抵抗Ｒa ，Ｒb の接続点１５に発生させる。この温度補償回路の出力Ｖｏは、オペアンプＯＰ３に入力されて、センサ出力の温度補正を行う。
特開平０６−１７４４８９号公報

しかし、従来の方法では、一の温度補償回路が他の温度補償回路に切り替わる前後において、非連続的な特性を持つ温度補正が行われる可能性がある。例えば、図８に示すように、設定温度２５°Ｃで切り替わるときは、温度補正の補正量の連続性はあるが、他の温度で切り替わってしまったときには、連続性はなくなってしまう。

また、温度補償回路が４個用意されるので、回路規模が大きくなってしまう。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、連続的な特性を持つ温度補正を行い、回路規模が小さい温度補償回路を提供することを目的とする。

本発明では、上記課題を解決するため、温度センサ回路の出力電圧を温度補正する温度補償回路において、電源電圧及び第一温度特性を有する第一抵抗に基づき、第一電流を出力する第一電流出力手段と、前記電源電圧及び第二温度特性を有する第二抵抗に基づき、第二電流を出力する第二電流出力手段と、前記第一電流に基づいた電流と前記第二電流に基づいた電流とが極性を異にして供給される接続点と、前記接続点に前記第一電流に基づいた電流と前記第二電流に基づいた電流との差に基づいた電流を供給するカレントミラー回路と、を備えていることを特徴とする温度補償回路が提供される。

このようにすると、接続点に第一温度特性に基づいた第一電流と第二温度特性に基づいた第二電流とが供給され、さらに、接続点に第一電流に基づいた電流と第二電流に基づいた電流との差に基づいた電流が供給され、それらの電流に基づいて接続点の電圧が決定される。

本発明では、第一電流、第二電流、及び、第一電流に基づいた電流と第二電流に基づいた電流との差に基づいて接続点の電圧が決定され、その接続点の電圧によって温度センサ回路の出力電圧が温度補正されるので、第一電流、第二電流、及び、第一電流に基づいた電流と第二電流に基づいた電流との差の電流変化に基づいた連続的な特性を持つ温度補正が行われる。

また、本発明では、温度補償回路が複数個用意されなくて１個だけ用意されるので、回路規模が小さくなる。

（第一の実施形態）

まず、第一の実施形態の温度補償回路について説明する。図１は、第一の実施形態の温度補償回路の概略を示す図である。

温度補償回路は、トランジスタＭ１〜１４、抵抗Ｒ１〜６、接続点１４、接続点１６、及び、オペアンプＯＰ１〜２を備えている。

電源電圧ＶＣＣとグランドＧとの間に抵抗Ｒ５〜６が設けられていて、電源電圧ＶＣＣは、これらの抵抗によって分圧されて調整電圧Ｖｉになり、オペアンプＯＰ１〜２の非反転入力端子にそれぞれ入力される。オペアンプＯＰ１及びトランジスタＭ１は電圧／電流変換機を構成していて、この変換機は、調整電圧Ｖｉに基づいた電流Ｉａ１を温度係数ＴＣ１の抵抗Ｒ１に流し、この電流Ｉａ１は、トランジスタＭ３にも流れる。同様に、オペアンプＯＰ２及びトランジスタＭ２も、調整電圧Ｖｉに基づいた電流Ｉｂ１を温度係数ＴＣ２の抵抗Ｒ２に流し、この電流Ｉｂ１は、トランジスタＭ４にも流れる。

ここで、トランジスタＭ３とトランジスタＭ５とトランジスタＭ９とはカレントミラー回路を構成していて、電流Ｉａ１に基づいた電流Ｉａ２が接続点１４に流れ込む。また、トランジスタＭ４とトランジスタＭ６とトランジスタＭ１０とはカレントミラー回路を構成し、トランジスタＭ７〜８もカレントミラー回路を構成していて、電流Ｉｂ１に基づいた電流Ｉｂ２が接続点１４から引き抜かれる。

また、上記のカレントミラー回路により、電流Ｉａ１に基づいた電流Ｉａ３が接続点１６に流れ込む。また、トランジスタＭ１１〜１２はカレントミラー回路を構成していて、電流Ｉｂ１に基づいた電流Ｉｂ３が接続点１６から引き抜かれる。

このとき、トランジスタＭ１３〜１４がカレントミラー回路を構成し、トランジスタＭ１３のドレインが接続点１６に接続され、トランジスタＭ１４のドレインが接続点１４に接続されていて、電流Ｉｂ３から電流Ｉａ３を減算した電流Ｉｃ１がトランジスタＭ１３に流れる。また、この電流Ｉｃ１に基づいた電流Ｉｃ２がトランジスタＭ１４に流れ、電流Ｉｃ２は接続点１４に流れ込む。

この接続点１４には電源電圧ＶＣＣ側に抵抗Ｒ３及びグランドＧ側に抵抗Ｒ４が設けられていて、接続点１４の出力電圧ＶＯＵＴが、図示しない温度センサ回路の出力電圧を温度補正する。

なお、トランジスタＭ１１〜１２におけるミラー比、及び、トランジスタＭ１３〜１４におけるミラー比は、トリミング及び外部からの信号による回路変更によって変更できる。

次に、出力電圧ＶＯＵＴについて説明する。図２は、第一の実施形態の出力電圧の温度特性を示す図である。

ここで、抵抗Ｒ２の温度係数ＴＣ２が抵抗Ｒ１の温度係数ＴＣ１よりも大きく、温度Ｔが２５℃のときに抵抗Ｒ１〜２の抵抗値が等しくなるとする。温度Ｔが２５℃のときの抵抗Ｒ１〜２の抵抗値を両方共にＲｏとし、温度ＴをＴとし、抵抗Ｒ１の抵抗値をＲ１とし、抵抗Ｒ２の抵抗値をＲ２とすると、抵抗値Ｒ１は、
Ｒ１＝Ｒｏ＊｛１＋ＴＣ１＊（Ｔ−２５）｝・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
によって算出され、抵抗値Ｒ２は、
Ｒ２＝Ｒｏ＊｛１＋ＴＣ２＊（Ｔ−２５）｝・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
によって算出される。

また、調整電圧Ｖｉの電圧値をＶｉとすると、トランジスタＭ３に流れる電流Ｉａ１の電流値Ｉａ１は、
Ｉａ１＝Ｖｉ／Ｒ１・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）
によって算出され、トランジスタＭ４に流れる電流Ｉｂ１の電流値Ｉｂ１は、
Ｉｂ１＝Ｖｉ／Ｒ２・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（４）
によって算出される。

また、トランジスタＭ１１とトランジスタＭ１２とのミラー比を１：Ｋ１とすると、電流Ｉｂ３の電流値Ｉｂ３は、
Ｉｂ３＝Ｋ１＊Ｉｂ１・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（５）
によって算出される。

上記の式（１）〜（５）より、Ｉａ３＝Ｉｂ３のときの温度Ｔを設定温度Ｔｏとし、この設定温度Ｔｏは、
Ｔｏ＝２５＋（１−Ｋ１）／（Ｋ１＊ＴＣ１−ＴＣ２）・・・・・・・・・・・・（６）
によって算出される。

温度Ｔがこの設定温度Ｔｏ以上のとき、抵抗Ｒ２の温度係数ＴＣ２＞抵抗Ｒ１の温度係数ＴＣ１であり、抵抗値Ｒ２≧抵抗値Ｒ１であるので、電流値Ｉｂ３≦電流値Ｉａ３となる。このとき、接続点１６の電圧はほぼ電源電圧ＶＣＣと等しくなり、トランジスタＭ１３〜１４は電流を流さない。このとき、出力電圧ＶＯＵＴの電圧値ＶＯＵＴは、
VOUT=R3*R4/(R3+R4) * [VCC/R3 + (1/R1 - 1/R2)*Vi]・・・・・・・・・・・・・（７）
によって算出される。

温度Ｔが設定温度Ｔｏ未満のとき、電流値Ｉｂ３＞電流値Ｉａ３となる。このとき、トランジスタＭ１３の電流Ｉｃ１の電流値Ｉｃ１は、
Ｉｃ１
＝Ｉｂ３−Ｉａ３
＝Ｋ１＊Ｉｂ１−Ｉａ３・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（８）
によって算出される。また、トランジスタＭ１４の電流Ｉｃ２の電流値Ｉｃ２は、トランジスタＭ１３とトランジスタＭ１４とのミラー比を１：Ｋ２とすると、
Ｉｃ２
＝Ｋ２＊Ｉｃ１・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（９）
によって算出される。この電流Ｉｃ２が接続点１４に流れ込み、その分、接続点１４の出力電圧ＶＯＵＴは上昇し、出力電圧ＶＯＵＴの電圧値ＶＯＵＴは、
VOUT=R3*R4/(R3+R4) * [VCC/R3 + [(1/R1 - 1/R2) - K2*(1/R1 - K1/R2)]*Vi]・・（１０）
によって算出される。

このようにすると、電流Ｉａ２、電流Ｉｂ２及び電流Ｉｃ２に基づいて接続点１４の出力電圧ＶＯＵＴが決定され、その出力電圧ＶＯＵＴによって温度センサ回路の出力電圧が温度補正されるので、電流Ｉａ２、電流Ｉｂ２及び電流Ｉｃ２の電流変化に基づいた連続的な特性を持つ温度補正が行われる。

また、温度補償回路が複数個用意されなくて１個だけ用意されるので、回路規模が小さくなる。

また、温度Ｔが設定温度Ｔｏ以上の高温からＴｏ未満の低温になると、出力電圧ＶＯＵＴの温度依存性は式（７）から（１０）に移行し、図２に示したように、温度依存性が小さくなる。

また、式（７）及び（１０）から、調整電圧Ｖｉが調整されると、出力電圧ＶＯＵＴも調整され、温度センサ回路の出力電圧を温度補正するときの補正量も調整される。また、式（６）から、トランジスタＭ１１とトランジスタＭ１２とのミラー比１：Ｋ１が調整されると、設定温度Ｔｏも調整される。例えば、Ｋ１＞１に調整されると、Ｔｏ＜２５℃となり、Ｋ１＜１に調整されると、Ｔｏ＞２５℃となる。また、式（１０）から、トランジスタＭ１３とトランジスタＭ１４とのミラー比１：Ｋ２が調整されると、温度Ｔが低温のときの出力電圧ＶＯＵＴも調整される。
（第二の実施形態）

次に、第二の実施形態の温度補償回路について説明する。図３は、第二の実施形態の温度補償回路の概略を示す図である。

第二の実施形態の温度補償回路は、第一の実施形態の温度補償回路と比較し、トランジスタＭ１１〜１４が削除され、トランジスタＭ１５〜１８が追加されている。また、接続点１６が削除され、接続点１７が追加されている。

電源電圧ＶＣＣは、分圧されて調整電圧Ｖｉになり、オペアンプＯＰ１〜２の非反転入力端子にそれぞれ入力される。オペアンプＯＰ１及びトランジスタＭ１は、調整電圧Ｖｉに基づいた電流Ｉａ１を温度係数ＴＣ１の抵抗Ｒ１に流し、この電流Ｉａ１は、トランジスタＭ３にも流れる。同様に、オペアンプＯＰ２及びトランジスタＭ２も、調整電圧Ｖｉに基づいた電流Ｉｂ１を温度係数ＴＣ２の抵抗Ｒ２に流し、この電流Ｉｂ１は、トランジスタＭ４にも流れる。

ここで、電流Ｉａ１に基づいた電流Ｉａ２が接続点１４に流れ込む。また、電流Ｉｂ１に基づいた電流Ｉｂ２が接続点１４から引き抜かれる。

また、電流Ｉａ１に基づいた電流Ｉａ４が接続点１７から引き抜かれる。また、電流Ｉｂ１に基づいた電流Ｉｂ４が接続点１７に流れ込む。

このとき、電流Ｉｂ４から電流Ｉａ４を減算した電流Ｉｃ３がトランジスタＭ１７に流れる。また、この電流Ｉｃ３に基づいた電流Ｉｃ４がトランジスタＭ１８に流れ、電流Ｉｃ４は接続点１４から引き抜かれる。

接続点１４の出力電圧ＶＯＵＴが、図示しない温度センサ回路の出力電圧を温度補正する。

次に、出力電圧ＶＯＵＴについて説明する。図４は、第二の実施形態の出力電圧の温度特性を示す図である。

ここで、第一の実施形態における式（１）〜（４）は、第二の実施形態でも成り立つ。

トランジスタＭ１５とトランジスタＭ１６とのミラー比を１：Ｋ３とすると、電流Ｉａ４の電流値Ｉａ４は、
Ｉａ４＝Ｋ３＊Ｉａ１・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１１）
によって算出される。

上記の式（１）〜（４）及び式（１１）より、Ｉａ４＝Ｉｂ４のときの温度Ｔを設定温度Ｔｏとし、この設定温度Ｔｏは、
Ｔｏ＝２５＋（１−Ｋ３）／（Ｋ３＊ＴＣ１−ＴＣ２）・・・・・・・・・・・・（１２）
によって算出される。

温度Ｔがこの設定温度Ｔｏ以上のとき、抵抗Ｒ２の温度係数ＴＣ２＞抵抗Ｒ１の温度係数ＴＣ１であり、抵抗値Ｒ２≧抵抗値Ｒ１であるので、電流値Ｉｂ４≦電流値Ｉａ４となる。このとき、接続点１７の電圧はほぼグランドＧと等しくなり、トランジスタＭ１７〜１８は電流を流さない。このとき、出力電圧ＶＯＵＴの電圧値ＶＯＵＴは、
VOUT=R3*R4/(R3+R4) * [VCC/R3 + (1/R1 - 1/R2)*Vi]・・・・・・・・・・・・・（１３）
によって算出される。

温度Ｔが設定温度Ｔｏ未満のとき、電流値Ｉｂ４＞電流値Ｉａ４となる。このとき、トランジスタＭ１７の電流Ｉｃ３の電流値Ｉｃ３は、
Ｉｃ３
＝Ｉｂ４−Ｉａ４
＝Ｉｂ４−Ｋ３＊Ｉａ１・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１４）
によって算出される。また、トランジスタＭ１８の電流Ｉｃ４の電流値Ｉｃ４は、トランジスタＭ１７とトランジスタＭ１８とのミラー比を１：Ｋ４とすると、
Ｉｃ４
＝Ｋ４＊Ｉｃ３・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１５）
によって算出される。この電流Ｉｃ４が接続点１４から引き抜かれ、その分、接続点１４の出力電圧ＶＯＵＴは下降し、出力電圧ＶＯＵＴの電圧値ＶＯＵＴは、
VOUT=R3*R4/(R3+R4) * [VCC/R3 + [(1/R1 - 1/R2) + K4*(K3/R1 - 1/R2)]*Vi]・・（１６）
によって算出される。

このようにすると、温度Ｔが設定温度Ｔｏ以上の高温からＴｏ未満の低温になると、出力電圧ＶＯＵＴの温度依存性は式（１３）から（１６）に移行し、図４に示したように、温度依存性が大きくなる。

また、式（１３）及び（１６）から、調整電圧Ｖｉが調整されると、出力電圧ＶＯＵＴも調整され、温度センサ回路の出力電圧を温度補正するときの補正量も調整される。また、式（１２）から、トランジスタＭ１５とトランジスタＭ１６とのミラー比１：Ｋ３が調整されると、設定温度Ｔｏも調整される。また、式（１６）から、トランジスタＭ１７とトランジスタＭ１８とのミラー比１：Ｋ４が調整されると、温度Ｔが低温のときの出力電圧ＶＯＵＴも調整される。

第一の実施形態の温度補償回路の概略を示す図である。第一の実施形態の出力電圧の温度特性を示す図である。第二の実施形態の温度補償回路の概略を示す図である。第二の実施形態の出力電圧の温度特性を示す図である。従来の温度補償回路の概略を示す図である。抵抗Ｒ１〜２の温度特性を示す図である。図５の従来の温度補償回路を複数個用意したときを示す図である。図７の複数個の温度補償回路による補正量を示す図である。温度センサ回路の零点オフセット電圧の温度特性の例を示す図である。

符号の説明

Ｍ１〜１４トランジスタ
Ｒ１〜６抵抗
ＶＣＣ電源電圧
Ｇグランド
Ｖｉ調整電圧
ＶＯＵＴ出力電圧
１４、１６接続点
ＯＰ１、ＯＰ２オペアンプ
Ｉａ１〜３、Ｉｂ１〜３、Ｉｃ１〜２電流

Claims

温度センサ回路の出力電圧を温度補正する温度補償回路において、
電源電圧及び第一温度特性を有する第一抵抗に基づき、第一電流を出力する第一電流出力手段と、
前記電源電圧及び第二温度特性を有する第二抵抗に基づき、第二電流を出力する第二電流出力手段と、
前記第一電流に基づいた電流と前記第二電流に基づいた電流とが極性を異にして供給される接続点と、
前記接続点に前記第一電流に基づいた電流と前記第二電流に基づいた電流との差に基づいた電流を供給するカレントミラー回路と、
を備えていることを特徴とする温度補償回路。
前記カレントミラー回路は、
前記第一電流に基づいた電流が前記第二電流に基づいた電流よりも小さい場合、前記接続点に前記第二電流に基づいた電流から前記第一電流に基づいた電流を減算した電流に基づいた電流を供給し、
前記第一電流に基づいた電流が前記第二電流に基づいた電流以上の場合、前記接続点に電流を供給しない、
ことを特徴とする請求項１記載の温度補償回路。