JP4842213B2

JP4842213B2 - 半導体温度センサ

Info

Publication number: JP4842213B2
Application number: JP2007152327A
Authority: JP
Inventors: 亮一安斎
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2007-06-08
Filing date: 2007-06-08
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2027-06-08
Also published as: JP2008304346A

Description

本発明は、半導体温度センサに関する。

半導体温度センサについて説明する。図４は、従来の半導体温度センサの回路図である。

半導体温度センサは、電流源、カレントミラー回路及びダーリントン回路を備えている。電流源は、ＰＭＯＳＭＡ２〜３を有し、カレントミラー回路は、ＰＭＯＳＭＡ１及びＰＭＯＳＭＰ１〜４を有し、ダーリントン回路は、バイポーラトランジスタＱＰ１〜４を有している（例えば、特許文献１参照）。

感温素子のバイポーラトランジスタＱＰ１〜４のベースエミッタ間電圧が温度によって変動し、それに伴い、半導体温度センサの出力電圧も変動する。この出力電圧に基づき、温度が検出される。
特公平０４−０５６９３５号公報

しかし、このような半導体温度センサでは、感温素子の温度特性だけでなくて電流源の特性も出力電圧に反映されてしまうので、図５に示すように、出力電圧は温度に対して直線性が悪くなって非直線性誤差が発生してしまう。よって、半導体温度センサで検出誤差が発生してしまう。

本発明は、上記課題に鑑みてなされ、検出誤差が小さい半導体温度センサを提供する。

本発明は、上記課題を解決するため、半導体温度センサにおいて、正の温度係数を持つ出力電流を出力する第一電流源と、負の温度係数を持つ出力電流を出力する第二電流源と、所定条件が成立すると、非線形な温度係数を持つ出力電流を出力する第三電流源と、前記第一電流源、前記第二電流源及び前記第三電流源の出力電流に基づき、出力電流を出力するカレントミラー回路と、前記カレントミラー回路の出力電流及び温度に基づき、出力電圧を出力するダーリントン回路と、を有する半導体温度センサ回路と、を備えていることを特徴とする半導体温度センサを提供する。

本発明では、半導体温度センサの出力電圧の非直線性誤差がほぼ最大になってしまう温度になった時、第三電流源は出力電流を出力するようにする。すると、第三電流源の出力電流の増加に比例し、半導体温度センサ回路のカレントミラー回路の出力電流が多くなり、ダーリントン回路の出力電圧が高くなり、半導体温度センサの出力電圧も高くなり、その分、半導体温度センサの出力電圧の非直線性誤差が小さくなる。よって、半導体温度センサで検出誤差が小さくなる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

まず、半導体温度センサの概念について説明する。図１は、半導体温度センサの概念図である。

半導体温度センサは、電流源１０１〜１０３、接続点１０４及び半導体温度センサ回路１０５を備えている。半導体温度センサ回路１０５は、図示しないが、カレントミラー回路及びダーリントン回路を有している。

電流源１０１は、正の温度係数を持つ出力電流を出力する。また、電流源１０１は、負の温度特性を持つ出力電圧を出力する。その出力電圧に基づき、電流源１０２は、負の温度係数を持つ出力電流を出力する。電流源１０３は、電流源１０１の出力電流が電流源１０２の出力電流よりも多いと、多い分、出力電流を出力し、電流源１０１の出力電流が電流源１０２の出力電流以下であると、出力電流を出力しない。つまり、電流源１０３は、非線形な温度係数を持つ出力電流を出力する。カレントミラー回路は、電流源１０１〜１０３の出力電流に基づき、出力電流を出力する。ダーリントン回路は、カレントミラー回路の出力電流及び温度に基づき、出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。

次に、半導体温度センサの構成について説明する。図２は、半導体温度センサの回路図である。

Ｐ型ＭＯＳトランジスタ（ＰＭＯＳ）５０は、ソースが電源に接続され、ゲートがＰＭＯＳ５１のゲートに接続され、ドレインがＮ型ＭＯＳトランジスタ（ＮＭＯＳ）４０のドレインに接続されている。ＰＭＯＳ５１は、ソースが電源に接続され、ゲートがドレインに接続されている。ＰＭＯＳ５２は、ソースが電源に接続され、ゲートがＰＭＯＳ５１のゲートに接続され、ドレインがＮＭＯＳ４２のドレインに接続されている。

ＮＭＯＳ４０は、ソースがバイポーラトランジスタ（ＰＮＰ）６１のエミッタに接続され、ゲートがＮＭＯＳ４１のゲートに接続され、ドレインがゲートに接続されている。ＮＭＯＳ４１は、ソースが抵抗７１の一端に接続され、ドレインがＰＭＯＳ５１のドレインに接続されている。ＮＭＯＳ４２は、ソースがグランドに接続され、ゲートがＮＭＯＳ４３のゲートに接続され、ドレインがゲートに接続されている。ＮＭＯＳ４３は、ソースがグランドに接続され、ドレインが接続点１０４に接続されている。

ＰＮＰ６１は、コレクタ及びベースがグランドに接続されている。ＰＮＰ６２は、コレクタ及びベースがグランドに接続され、エミッタが抵抗７１の他端に接続されている。

ＰＭＯＳ５３は、ソースが電源に接続され、ゲートがドレインに接続されている。ＰＭＯＳ５４は、ソースが電源に接続され、ゲートがＰＭＯＳ５３のゲートに接続され、ドレインがＮＭＯＳ４５のドレインに接続されている。

ＮＭＯＳ４４は、ソースが抵抗の一端に接続され、ゲートがＮＭＯＳ４０のゲートに接続され、ドレインがＰＭＯＳ５３のドレインに接続されている。ＮＭＯＳ４５は、ソースがグランドに接続され、ゲートがＮＭＯＳ４６のゲートに接続され、ドレインがゲートに接続されている。ＮＭＯＳ４６は、ソースがグランドに接続され、ドレインが接続点１０４に接続されている。

抵抗７２は、他端がグランドに接続されている。

ＰＭＯＳ５５は、ソースが電源に接続され、ゲートがＰＭＯＳ５１のゲートに接続され、ドレインがＮＭＯＳ４７のドレインに接続されている。

ＮＭＯＳ４７は、ソースがグランドに接続され、ゲートがＮＭＯＳ４５のゲートに接続されている。ＮＭＯＳ４８は、ソースがグランドに接続され、ゲートがドレインに接続され、ドレインがＮＭＯＳ４７のドレインに接続されている。ＮＭＯＳ４９は、ソースがグランドに接続され、ゲートがＮＭＯＳ４８のゲートに接続され、ドレインが接続点１０４に接続されている。

ＰＭＯＳ５６は、ソースが電源に接続され、ゲートがドレインに接続され、ドレインが接続点１０４に接続されている。ＰＭＯＳ５７は、ソースが電源に接続され、ゲートがＰＭＯＳ５６のゲートに接続され、ドレインがＰＮＰ６３のエミッタに接続されている。ＰＭＯＳ５８は、ソースが電源に接続され、ゲートがＰＭＯＳ５６のゲートに接続され、ドレインがＰＮＰ６４のエミッタに接続されている。ＰＭＯＳ５９は、ソースが電源に接続され、ゲートがＰＭＯＳ５６のゲートに接続され、ドレインがＰＮＰ６５のエミッタに接続されている。

ＰＮＰ６３は、コレクタ及びベースがグランドに接続されている。ＰＮＰ６４は、コレクタがグランドに接続され、ベースがＰＮＰ６３のエミッタに接続されている。ＰＮＰ６５は、コレクタがグランドに接続され、ベースがＰＮＰ６４のエミッタに接続されている。

ここで、ＰＭＯＳ５０〜５２及びＰＭＯＳ５５は、カレントミラー接続している。ＰＭＯＳ５３〜５４は、カレントミラー接続している。ＰＭＯＳ５６〜５９は、カレントミラー接続している。ＮＭＯＳ４０〜４１及びＮＭＯＳ４４は、カレントミラー接続している。ＮＭＯＳ４２〜４３は、カレントミラー接続している。ＮＭＯＳ４５〜４７は、カレントミラー接続している。ＮＭＯＳ４８〜４９は、カレントミラー接続している。ＰＮＰ６１〜６２は、カレントミラー接続し、ダイオード接続している。ＰＮＰ６３〜６５は、ダーリントン接続している。ＮＭＯＳ４４及び抵抗７２は、ソースフォロア回路になっていて、ＮＭＯＳ４０のソース電圧は、ＮＭＯＳ４４のソース電圧とほぼ等しくなっている。

また、ＰＮＰ６１とＰＮＰ６２とのエミッタサイズ比は、通常、１：Ｎ（Ｎは２以上の自然数である）である。各カレントミラー回路のミラー比は、各電流源の温度係数を決定し、温度に対して理想的な出力電圧Ｖｏｕｔが出力されるよう任意に回路設計される。

また、ＰＮＰ６１〜６５は、感温素子であり、温度が変化するとベースエミッタ間電圧も変化する。

次に、半導体温度センサの動作について説明する。図３は、非直線性誤差を示す図である。

電流源１０１では、温度に基づき、負の温度係数を持つベースエミッタ間電圧（ＶＢＥ６１）が、ＰＮＰ６１のエミッタに発生する。また、その温度に基づき、負の温度係数を持つベースエミッタ間電圧（ＶＢＥ６２）が、ＰＮＰ６２のエミッタに発生する。ＶＢＥ６１とＶＢＥ６２との差分電圧が、抵抗７１に印加される。この時、ＰＮＰ６２のエミッタサイズはＰＮＰ６１のエミッタサイズよりも大きいので、温度に対するベースエミッタ間電圧の変化量はＰＮＰ６２がＰＮＰ６１よりも多い。例えば、温度が高くなると、ＶＢＥ６１及びＶＢＥ６２は低くなり、ＶＢＥ６２はＶＢＥ６１よりも低くなる。すると、ＶＢＥ６１とＶＢＥ６２との差分電圧は高くなり、抵抗７１に印加される電圧が高くなる。よって、抵抗７１に印加される電圧は、正の温度係数を持つことになる。抵抗７１に印加される電圧に基づき、抵抗７１は、正の温度係数を持つ電流を流す。この電流とほぼ等しい値の電流が、カレントミラー回路により、ＮＭＯＳ４３に流れる。この時、ＮＭＯＳ４３は、接続点１０４から正の温度係数を持つ電流を引き抜くことになる。

電流源１０２では、温度に基づき、負の温度係数を持つＶＢＥ６１が、ＰＮＰ６１のエミッタに発生する。このＶＢＥ６１とほぼ等しい値の電圧が、カレントミラー回路及びソースフォロア回路により、抵抗７２に印加される。抵抗７２に印加される電圧に基づき、抵抗７２は、負の温度係数を持つ電流を流す。この電流とほぼ等しい値の電流が、カレントミラー回路により、ＮＭＯＳ４６に流れる。この時、ＮＭＯＳ４６は、接続点１０４から負の温度係数を持つ電流を引き抜くことになる。

電流源１０３では、抵抗７１に印加される電圧に基づき、抵抗７１は、正の温度係数を持つ電流を流す。この電流とほぼ等しい値の電流が、カレントミラー回路により、ＮＭＯＳ５５に流れる。また、抵抗７２に印加される電圧に基づき、抵抗７２は、負の温度係数を持つ電流を流す。この電流とほぼ等しい値の電流が、カレントミラー回路により、ＮＭＯＳ４７に流れる。ＰＭＯＳ５５による正の温度係数を持つ電流とＮＭＯＳ４７による負の温度係数を持つ電流との差分電流が、ＰＭＯＳ５５及びＮＭＯＳ４７のドライブ能力に基づき、ＮＭＯＳ４８に流れる。ＰＭＯＳ５５の電流がＮＭＯＳ４７の電流よりも多いと、多い分、差分電流はＮＭＯＳ４８に流れ、ＰＭＯＳ５５の電流がＮＭＯＳ４７の電流以下であると、差分電流はＮＭＯＳ４８に流れない。この差分電流とほぼ等しい値の電流が、カレントミラー回路により、ＮＭＯＳ４９に流れる。この時、ＮＭＯＳ４９は、接続点１０４から非線形な温度係数を持つ電流を引き抜くことになる。

接続点１０４では、電流源１０１〜１０３からの出力電流が、加算される。

半導体温度センサ回路１０５のカレントミラー回路では、接続点１０４からの電流が、カレントミラー回路により、ＰＮＰ６３〜６５にバイアス電流として供給される。

半導体温度センサ回路１０５のダーリントン回路では、ＰＮＰ６３〜６５のベースエミッタ間電圧が温度によって変動し、それに伴い、半導体温度センサ回路１０５の出力電圧Ｖｏｕｔも変動する。この出力電圧Ｖｏｕｔに基づき、温度が検出される。

ここで、出力電圧Ｖｏｕｔは、温度に対し、直線性が悪くなって非直線性誤差が発生している。しかし、非直線性誤差がほぼ最大になってしまう温度になった時（非直線性誤差を小さくしたい温度になった時）、ＰＭＯＳ５５の電流がＮＭＯＳ４７の電流よりも多くなるよう回路設計されていて、ＰＭＯＳ５５の電流とＮＭＯＳ４７の電流との差分電流がＮＭＯＳ４８に流れ、電流源１０３は出力電流を出力する。つまり、半導体温度センサ回路１０５のカレントミラー回路に供給される電流が増加する。すると、電流源１０３の出力電流の増加に比例し、半導体温度センサ回路１０５のカレントミラー回路の出力電流が多くなり、ＰＮＰ６３〜６５のベースエミッタ間電圧が高くなり、出力電圧Ｖｏｕｔも高くなり、その分、図３の温度３０℃付近に示すように、出力電圧Ｖｏｕｔの非直線性誤差が小さくなる。よって、半導体温度センサで検出誤差が小さくなる。

また、オペアンプが使用されないので、半導体温度センサの回路規模が小さくなる。

なお、感温素子としてバイポーラトランジスタが用いられているが、ダイオードが用いられてもよい。

また、電流源１０３は、電流源１０１の出力電流が電流源１０２の出力電流よりも多い時でなく、電流源１０２の出力電流が電流源１０１の出力電流よりも多い時、出力電流を出力してもよい。この時、ＮＭＯＳ４７の電流がＰＭＯＳ５５の電流よりも多くなり、ＮＭＯＳ４７の電流とＰＭＯＳ５５の電流との差分電流が流れるように、ＰＭＯＳ５５に他のＰＭＯＳが並列接続される。

半導体温度センサの概念図である。半導体温度センサの回路図である。非直線性誤差を示す図である。従来の半導体温度センサの回路図である。従来の非直線性誤差を示す図である。

符号の説明

１０１、１０２、１０３電流源
１０４接続点
１０５半導体温度センサ回路

Claims

半導体温度センサにおいて、
正の温度係数を持つ出力電流を出力する第一電流源と、
負の温度係数を持つ出力電流を出力する第二電流源と、
所定条件が成立すると、非線形な温度係数を持つ出力電流を出力する第三電流源と、
前記第一電流源、前記第二電流源及び前記第三電流源の出力電流に基づき、出力電流を出力するカレントミラー回路と、前記カレントミラー回路の出力電流及び温度に基づき、出力電圧を出力するダーリントン回路と、を有する半導体温度センサ回路と、
を備えていることを特徴とする半導体温度センサ。
前記第三電流源は、前記第一電流源の出力電流が前記第二電流源の出力電流よりも多いと、多い分、出力電流を出力し、前記第一電流源の出力電流が前記第二電流源の出力電流以下であると、出力電流を出力しないことを特徴とする請求項１記載の半導体温度センサ。
前記第三電流源は、前記第二電流源の出力電流が前記第一電流源の出力電流よりも多いと、多い分、出力電流を出力し、前記第二電流源の出力電流が前記第一電流源の出力電流以下であると、出力電流を出力しないことを特徴とする請求項１記載の半導体温度センサ。
前記第一電流源は、負の温度特性を持つ出力電圧を出力し、
前記第二電流源は、前記第一電流源の出力電圧に基づき、負の温度係数を持つ出力電流を出力する、
ことを特徴とする請求項１記載の半導体温度センサ。