JP5144559B2 - 2端子型半導体温度センサ - Google Patents

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Description

本発明は、外部に接続される端子として第一〜第二外部端子のみを備える2端子型半導体温度センサに関する。
従来の2端子型温度センサについて説明する。図6は、従来の2端子型温度センサを示す回路図である。
NPNバイポーラトランジスタ91は、温度に基づき、ベース・エミッタ間に電圧Vbe1を発生させる。また、NPNバイポーラトランジスタ92は、この時の温度に基づき、ベース・エミッタ間に電圧Vbe2を発生させる。すると、電圧Vbe2と電圧Vbe1との差分電圧ΔVbeが抵抗93に発生する。差分電圧ΔVbe及び抵抗93の抵抗値に基づき、抵抗93はこの時の温度に基づいた電流を流す。この電流は、PNPバイポーラトランジスタ94とNPNバイポーラトランジスタ91と抵抗93とに流れる。また、この電流は、PNPバイポーラトランジスタ94〜95からなるカレントミラー回路により、PNPバイポーラトランジスタ95及びNPNバイポーラトランジスタ92にも流れる。よって、この時の温度に基づき、2端子型温度センサはPNPバイポーラトランジスタ94〜95に流れる電流の合計電流Itを出力する。
その後、受信装置(図示せず)は、合計電流Itを抵抗に流させることにより、この時の温度に基づいた合計電流Itを電圧に変換し、その電圧を様々な処理に使用する(例えば、特許文献1参照)。
特公昭63−041013号公報(図1)
しかし、合計電流Itを受信する受信装置側で合計電流Itを受信するための抵抗の精度が低いと、受信装置で温度に基づいた合計電流Itが電圧に正確に変換されなくなってしまう。
ここで、受信装置側に合計電流Itを受信するための回路または素子の精度が低くても、受信装置が温度に基づいた合計電流Itを正確に受信できることが望まれている。
本発明は、上記課題に鑑みてなされ、受信装置の回路または素子の精度を低くできる2端子型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、外部に接続される端子として第一〜第二外部端子のみを備える2端子型半導体温度センサにおいて、接地電圧を入力される前記第一外部端子と、出力電圧を出力する前記第二外部端子と、定電流を供給する定電流供給回路と、前記定電流及び温度に基づき、温度電圧を出力する温度検出回路と、前記出力電圧を入力されて分圧し、分圧電圧を出力する分圧回路と、前記温度電圧と前記分圧電圧とを比較し、前記温度電圧と前記分圧電圧とが等しくなるよう出力トランジスタを制御する差動増幅回路と、前記出力電圧を出力する前記出力トランジスタと、を備えることを特徴とする2端子型半導体温度センサを提供する。
また、本発明は、上記課題を解決するため、外部に接続される端子として第一〜第二外部端子のみを備える2端子型半導体温度センサにおいて、接地電圧を入力される前記第一外部端子と、出力電圧を出力する前記第二外部端子と、温度に基づき、温度電圧を出力する温度検出回路と、前記出力電圧を入力されて分圧し、分圧電圧を出力する分圧回路と、前記温度電圧と前記分圧電圧とを比較し、前記温度電圧と前記分圧電圧とが等しくなるよう出力トランジスタを制御する差動増幅回路と、前記出力電圧を出力する前記出力トランジスタと、を備えることを特徴とする2端子型半導体温度センサを提供する。
本発明では、温度に基づいた2端子型半導体温度センサの出力電圧は、2端子型半導体温度センサの分圧回路の抵抗比及び温度電圧に基づく。よって、出力電圧を受信する受信装置側に出力電圧を受信するための高精度な回路または素子が必要なくなる。
2端子型半導体温度センサを示す回路図である。 2端子型半導体温度センサを示す回路図である。 2端子型半導体温度センサを示す回路図である。 2端子型半導体温度センサを示す回路図である。 温度に基づいたエミッタ電圧及びエミッタ電流を示す図ある。 従来の2端子型温度センサを示す回路図である。
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
<第一実施形態>まず、2端子型半導体温度センサの構成について説明する。図1は、2端子型半導体温度センサを示す回路図である。
[要素]2端子型半導体温度センサは、定電流供給回路10、温度検出回路20、抵抗30〜40、差動増幅回路50及び出力トランジスタ60を備える。また、2端子型半導体温度センサは、外部端子61〜62を備える。
定電流供給回路10は、定電流源11及びPMOSトランジスタ12〜13を有する。温度検出回路20は、PNPバイポーラトランジスタ21を有する。
[要素の接続状況]定電流供給回路10は、外部端子62と外部端子61との間に設けられ、出力端子を差動増幅回路50の反転入力端子に接続される。温度検出回路20は、差動増幅回路50の反転入力端子と外部端子61との間に設けられる。抵抗30は、一端を外部端子62に接続され、他端を差動増幅回路50の非反転入力端子に接続される。抵抗40は、一端を差動増幅回路50の非反転入力端子に接続され、他端を外部端子61に接続される。差動増幅回路50は、外部端子62と外部端子61との間に設けられる。出力トランジスタ60は、ゲートを差動増幅回路50の出力端子に接続され、ソースを外部端子61に接続され、ドレインを外部端子62に接続される。外部端子62は、外部端子72に接続される。外部端子61は、外部端子71に接続される。
定電流源11は、PMOSトランジスタ12のドレインと外部端子61との間に設けられる。PMOSトランジスタ12は、ゲートをドレインに接続され、ソースを外部端子62に接続される。PMOSトランジスタ13は、ゲートをPMOSトランジスタ12のドレインに接続され、ソースを外部端子62に接続され、ドレインを定電流供給回路10の出力端子に接続される。PNPバイポーラトランジスタ21は、ベース及びコレクタを外部端子61に接続され、エミッタを温度検出回路20の出力端子に接続される。
[要素の機能]外部端子62は、出力電圧VOUTを出力する。外部端子61は、接地電圧VSSを入力される。定電流供給回路10は、定電流を供給する。具体的には、PMOSトランジスタ12〜13からなるカレントミラー回路が、定電流源11の電流に基づいて定電流を供給する。温度検出回路20は、定電流及び温度に基づき、温度電圧Vbeを出力する。具体的には、温度検出回路20のPNPバイポーラトランジスタ21は負の温度係数を持ち、温度が高くなるとエミッタ電圧が低くなり、低くなると高くなる。抵抗30及び抵抗40からなる分圧回路は、出力電圧VOUTを入力されて分圧し、分圧電圧Vfbを出力する。差動増幅回路50は、温度電圧Vbeと分圧電圧Vfbとを比較し、温度電圧Vbeと分圧電圧Vfbとが等しくなるよう出力トランジスタ60を制御する。出力トランジスタ60は、出力電圧VOUTを出力する。また、出力トランジスタ60は、NMOSトランジスタである。
また、PMOSトランジスタ12とPMOSトランジスタ13とのドライブ能力比は、1:1である。抵抗30及び抵抗40からなる分圧回路の抵抗比は、N:1である。
次に、受信装置の構成について説明する。
[要素]受信装置は、定電流源70を備える。また、受信装置は、電源端子74、接地端子73及び外部端子71〜72を備える。
[要素の接続状況]定電流源70は、電源端子74と外部端子72との間に設けられる。外部端子71と接地端子73とは、ショートする。外部端子72は、外部端子62に接続される。外部端子71は、外部端子61に接続される。
[要素の機能]外部端子72は、出力電圧VOUTを入力される。外部端子71は、接地電圧VSSを出力する。電源端子74は、電源電圧VDDを入力される。接地端子73は、接地電圧VSSを入力される。定電流源70は、2端子型半導体温度センサの最大の自己消費電流以上の定電流を供給する。
次に、2端子型半導体温度センサ及び受信装置の動作について説明する。
[温度が高くなる時の動作]この時、温度電圧Vbeが低くなる。温度電圧Vbeが分圧電圧Vfbよりも低くなると、差動増幅回路50の出力電圧は高くなっていく。よって、出力トランジスタ60はオンしていき、出力電圧VOUTが低くなっていく。ここでの出力電圧VOUTの低下は温度電圧Vbeの低下と整合する。つまり、差動増幅回路50の出力電圧は出力電圧VOUTを介して温度電圧Vbeに帰還する。なお、出力電圧VOUTは抵抗30及び抵抗40によって分圧されて分圧電圧Vfbになり、差動増幅回路50の非反転入力端子と反転入力端子とはイマジナリーショートするので、分圧電圧Vfbは温度電圧Vbeとほぼ等しい。よって、出力電圧VOUTは
VOUT=N×Vbe
によって算出される。上記の式より、温度に基づいた出力電圧VOUTは、受信装置の定電流源70の定電流及び2端子型半導体温度センサの出力トランジスタ60の電流に基づかず、2端子型半導体温度センサの抵抗30及び抵抗40からなる分圧回路の抵抗比及び温度電圧Vbeに基づく。この温度に基づいた出力電圧VOUTは、受信装置で使用される。
[温度が低くなる時の動作]この時、温度電圧Vbeが高くなる。温度電圧Vbeが分圧電圧Vfbよりも高くなると、差動増幅回路50の出力電圧は低くなっていく。よって、出力トランジスタ60はオフしていき、出力電圧VOUTが高くなっていく。
[効果]このようにすると、温度に基づいた2端子型半導体温度センサの出力電圧VOUTは、受信装置の定電流源70の定電流及び2端子型半導体温度センサの出力トランジスタ60の電流に基づかず、2端子型半導体温度センサの抵抗30及び抵抗40からなる分圧回路の抵抗比及び温度電圧Vbeに基づく。よって、出力電圧VOUTを受信する受信装置の定電流源70の定電流の精度は低くても良いので、受信装置側に出力電圧VOUTを受信するための高精度な回路または素子が必要なくなる。
また、温度の検出場所に電源電圧及び接地電圧が不要になる。
また、2端子型半導体温度センサと受信装置との間の配線は2本しかないので、これらの配線の面積が小さくなる。すると、2端子型半導体温度センサと受信装置との間の距離が長いと、これらの配線の面積がより小さくなる。
また、2端子型半導体温度センサと受信装置との間の配線は2本しかないので、これらの配線の配線方法が単純になる。すると、2端子型半導体温度センサと受信装置との間の距離が長いと、その分、この配線方法が複雑になりやすいが、これらの配線は2本しかないので、この配線方法が複雑になりにくい。
[補足]なお、温度検出回路20は、図1では、ベース及びコレクタを外部端子61に接続され、エミッタを温度検出回路20の出力端子に接続されるPNPバイポーラトランジスタ21を有している。しかし、温度検出回路20は、図2に示すように、ベース及びコレクタを外部端子61に接続されるPNPバイポーラトランジスタ21、ベースをPNPバイポーラトランジスタ21のエミッタに接続され、コレクタを外部端子61に接続されるPNPバイポーラトランジスタ22、及び、ベースをPNPバイポーラトランジスタ22のエミッタに接続され、エミッタを温度検出回路20の出力端子に接続され、コレクタを外部端子61に接続されるPNPバイポーラトランジスタ23を有しても良い。このようにすると、PNPバイポーラトランジスタが1つから3つになるので、その分、温度電圧Vbeが高くなり、出力電圧VOUTも高くなる。
また、図2では、定電流がPNPバイポーラトランジスタ23のエミッタのみに供給されている。しかし、図3に示すように、定電流がPNPバイポーラトランジスタ21〜23のエミッタにそれぞれ供給されても良い。このようにすると、PNPバイポーラトランジスタ21〜23に流れる電流が調整されることができ、例えば、これらの電流が等しくなることができる。
また、図1では、差動増幅回路50は、非反転入力端子に温度電圧Vbeを入力され、反転入力端子に分圧電圧Vfbを入力され、出力電圧をNMOSトランジスタのゲートに出力している。しかし、図示しないが、差動増幅回路50は、非反転入力端子に分圧電圧Vfbを入力され、反転入力端子に温度電圧Vbeを入力され、出力電圧をPMOSトランジスタのゲートに出力しても良い。
<第二実施形態>まず、2端子型半導体温度センサの構成について説明する。図4は、2端子型半導体温度センサを示す回路図である。
[要素]2端子型半導体温度センサは、第一実施形態と比較すると、定電流供給回路10を削除され、温度検出回路20を温度検出回路20aに変更されている。温度検出回路20aは、PMOSトランジスタ16〜18、PNPバイポーラトランジスタ24〜25、抵抗27〜28及び差動増幅回路19を有している。
[要素の接続状況]温度検出回路20aは、外部端子62と外部端子61との間に設けられ、出力端子を差動増幅回路50の反転入力端子に接続される。差動増幅回路19は、外部端子62と外部端子61との間に設けられ、非反転入力端子をPMOSトランジスタ16のドレインと抵抗27の一端との接続点に接続され、反転入力端子をPMOSトランジスタ17のドレインとPNPバイポーラトランジスタ25のエミッタとの接続点に接続され、出力端子をPMOSトランジスタ16〜18のゲートに接続される。PMOSトランジスタ16〜17は、ソースを外部端子62に接続される。PMOSトランジスタ18は、ソースを外部端子62に接続され、ドレインを温度検出回路20aの出力端子に接続される。抵抗27は、PMOSトランジスタ16のドレインとPNPバイポーラトランジスタ24のエミッタとの間に設けられる。抵抗28は、温度検出回路20aの出力端子と外部端子61との間に設けられる。PNPバイポーラトランジスタ24〜25は、ベース及びコレクタを外部端子61に接続される。
[要素の機能]温度検出回路20aは、温度に基づき、温度電圧Vtを出力する。具体的には、温度検出回路20aのPNPバイポーラトランジスタ24〜25は負の温度係数を持ち、温度が高くなるとエミッタ電圧が低くなり、低くなると高くなる。
抵抗27は、PNPバイポーラトランジスタ24とPNPバイポーラトランジスタ25とのエミッタ電圧の差分電圧ΔVbeを発生する。抵抗28は、差分電圧ΔVbeに基づき、温度電圧Vtを発生する。PMOSトランジスタ16〜18のカレントミラー回路は、入力端子の電圧(差動増幅回路19の出力電圧)に基づき、第一出力端子から抵抗27及びPNPバイポーラトランジスタ24に電流を出力し、第二出力端子からPNPバイポーラトランジスタ25に電流を出力し、第三出力端子から抵抗28に電流を出力する。差動増幅回路19は、カレントミラー回路の第一出力端子の電圧と第二出力端子の電圧と(抵抗27の一端の電圧V3とエミッタ電圧V2と)が等しくなるようカレントミラー回路の入力端子の電圧を制御する。
また、PMOSトランジスタ16とPMOSトランジスタ17とのドライブ能力比は、1:1である。PNPバイポーラトランジスタ24とPNPバイポーラトランジスタ25とのエミッタ面積比は、M:1である(M>1)。よって、PNPバイポーラトランジスタ24の温度係数は、PNPバイポーラトランジスタ25の温度係数よりも大きい。抵抗27〜28は、同一種類の材料で構成され、マスクレイアウト上近接配置されるので、ほぼ同一の製造ばらつき及び温度特性を持つ。
次に、2端子型半導体温度センサの動作について説明する。図5は、温度に基づいたエミッタ電圧及びエミッタ電流を示す図ある。
[温度が高くなる時の動作]この時、PNPバイポーラトランジスタ24〜25のエミッタ電圧V1〜V2が低くなり、これらのエミッタ面積比より、エミッタ電圧V1はエミッタ電圧V2よりもさらに低くなる。すると、後述するが、差動増幅回路19の動作によって抵抗27の一端の電圧V3とエミッタ電圧V2とが等しいので、抵抗27に発生する差分電圧(V3−V1=V2−V1=ΔVbe)が高くなり、抵抗27に流れる電流が多くなる。ここで、温度が高くなると、差分電圧ΔVbeも高くなるので、差分電圧ΔVbeは正の温度係数を有する。また、温度が高くなると、抵抗27に流れる電流が多くなるので、この電流は正の温度係数を有する。この電流は、PMOSトランジスタ16〜18のカレントミラー接続により、抵抗28に流れる。なお、抵抗27〜28はほぼ同一の製造ばらつき及び温度特性を持つので、抵抗28に流れる電流は抵抗27〜28の製造ばらつき及び温度特性の影響をほとんど受けない。よって、抵抗28に差分電圧ΔVbeに基づいた温度電圧Vtが発生する。この温度電圧Vtは正の温度係数を有し、温度が高くなると、温度電圧Vtも高くなる。温度電圧Vtが分圧電圧Vfbよりも高くなると、差動増幅回路50の出力電圧は低くなっていく。よって、出力トランジスタ60はオフしていき、出力電圧VOUTが高くなっていく。ここでの出力電圧VOUTの上昇は温度電圧Vtの上昇と整合する。つまり、差動増幅回路50の出力電圧は出力電圧VOUTを介して温度電圧Vtに帰還する。なお、出力電圧VOUTは抵抗30及び抵抗40によって分圧されて分圧電圧Vfbになり、差動増幅回路50の非反転入力端子と反転入力端子とはイマジナリーショートするので、分圧電圧Vfbは温度電圧Vtとほぼ等しい。よって、出力電圧VOUTは
VOUT=N×Vt
によって算出される。
図5において、抵抗27により、電圧V3に対するPNPバイポーラトランジスタ24のエミッタ電流の傾きは、エミッタ電圧V2に対するPNPバイポーラトランジスタ25のエミッタ電流の傾きよりも小さい。温度が高くなると、これらのエミッタ面積比に応じてPNPバイポーラトランジスタ24〜25のエミッタ電流が増えるので、両者の傾きは急峻になる。また、温度が高くなると、これらのエミッタ面積比に応じてこれらのエミッタ電流が流れやすくなるので、電圧V3及びエミッタ電圧V2が低くても、これらのエミッタ電流が流れ始める。
図5の所定温度において、仮にPNPバイポーラトランジスタ24〜25のエミッタ電流が電流Iaよりも少ない電流Ibになり、仮にエミッタ電圧V2が電圧V3よりも高くなると、差動増幅回路19の出力電圧が低くなり、PMOSトランジスタ16〜17のドレイン電流が多くなり、PNPバイポーラトランジスタ24〜25のエミッタ電流も多くなって電流Iaに近づく。また、仮にPNPバイポーラトランジスタ24〜25のエミッタ電流が電流Iaよりも多い電流Icになると、PNPバイポーラトランジスタ24〜25のエミッタ電流も少なくなって電流Iaに近づく。つまり、PNPバイポーラトランジスタ24〜25のエミッタ電流は、エミッタ電圧V2と電圧V3とが等しい時の電流Iaで安定するようになる。つまり、エミッタ電圧V2と電圧V3とは等しくなる。
この所定温度よりも温度が高くなると、図5に示すように、エミッタ電圧V2及び電圧V3が低くても、PNPバイポーラトランジスタ24〜25のエミッタ電流が多くなる。つまり、差分電圧ΔVbeが高くなると、エミッタ電圧V2及び電圧V3が低くなり、PNPバイポーラトランジスタ24〜25のエミッタ電流が多くなる。また、この所定温度よりも温度が低くなると、エミッタ電圧V2及び電圧V3が高くても、PNPバイポーラトランジスタ24〜25のエミッタ電流が少なくなる。つまり、差分電圧ΔVbeが低くなると、エミッタ電圧V2及び電圧V3が高くなり、PNPバイポーラトランジスタ24〜25のエミッタ電流が少なくなる。
[温度が低くなる時の動作]この時、温度電圧Vtが低くなる。温度電圧Vtが分圧電圧Vfbよりも低くなると、差動増幅回路50の出力電圧は高くなっていく。よって、出力トランジスタ60はオンしていき、出力電圧VOUTが低くなっていく。
[効果]このようにすると、温度が高くなると、第一実施形態では、出力電圧VOUTが低くなるが、第二実施形態では、出力電圧VOUTも高くなることができる。
10 定電流供給回路 11、70 定電流源
12〜13 PMOSトランジスタ 20 温度検出回路
21 PNPバイポーラトランジスタ 30〜40 抵抗
50 差動増幅回路 60 出力トランジスタ
61〜62 外部端子 71〜72 入力端子

Claims (6)

  1. 外部に接続される端子として第一〜第二外部端子のみを備える2端子型半導体温度センサにおいて、
    接地電圧を入力される前記第一外部端子と、
    出力電圧を出力する前記第二外部端子と、
    定電流を供給する定電流供給回路と、
    前記定電流及び温度に基づき、温度電圧を出力する温度検出回路と、
    前記出力電圧を入力されて分圧し、分圧電圧を出力する分圧回路と、
    前記温度電圧と前記分圧電圧とを比較し、前記温度電圧と前記分圧電圧とが等しくなるよう出力トランジスタを制御する差動増幅回路と、
    前記出力電圧を出力する前記出力トランジスタと、
    を備えることを特徴とする2端子型半導体温度センサ。
  2. 前記定電流供給回路は、
    定電流源と、
    前記定電流源の電流に基づき、前記定電流を供給するカレントミラー回路と、
    を有することを特徴とする請求項1記載の2端子型半導体温度センサ。
  3. 前記温度検出回路は、
    ベース及びコレクタを前記第一外部端子に接続され、エミッタを前記温度検出回路の出力端子に接続される第一バイポーラトランジスタ、
    を有することを特徴とする請求項1記載の2端子型半導体温度センサ。
  4. 前記温度検出回路は、
    ベース及びコレクタを前記第一外部端子に接続される第一バイポーラトランジスタと、
    ベースを前記第一バイポーラトランジスタのエミッタに接続され、コレクタを前記第一外部端子に接続される第二バイポーラトランジスタと、
    ベースを前記第二バイポーラトランジスタのエミッタに接続され、エミッタを前記温度検出回路の出力端子に接続され、コレクタを前記第一外部端子に接続される第三バイポーラトランジスタと、
    を有することを特徴とする請求項1記載の2端子型半導体温度センサ。
  5. 外部に接続される端子として第一〜第二外部端子のみを備える2端子型半導体温度センサにおいて、
    接地電圧を入力される前記第一外部端子と、
    出力電圧を出力する前記第二外部端子と、
    温度に基づき、温度電圧を出力する温度検出回路と、
    前記出力電圧を入力されて分圧し、分圧電圧を出力する分圧回路と、
    前記温度電圧と前記分圧電圧とを比較し、前記温度電圧と前記分圧電圧とが等しくなるよう出力トランジスタを制御する差動増幅回路と、
    前記出力電圧を出力する前記出力トランジスタと、
    を備えることを特徴とする2端子型半導体温度センサ。
  6. 前記温度検出回路は、
    ベース及びコレクタを前記第一外部端子に接続される第一〜第二バイポーラトランジスタと、
    前記第一バイポーラトランジスタと前記第二バイポーラトランジスタとのエミッタ電圧の差分電圧を発生する第一抵抗と、
    前記差分電圧に基づき、前記温度電圧を発生する第二抵抗と、
    入力端子の電圧に基づき、第一出力端子から前記第一抵抗及び前記第一バイポーラトランジスタに電流を出力し、第二出力端子から前記第二バイポーラトランジスタに電流を出力し、第三出力端子から前記第二抵抗に電流を出力するカレントミラー回路と、
    前記第一出力端子の電圧と前記第二出力端子の電圧とが等しくなるよう前記入力端子の電圧を制御する差動増幅回路と、
    を有することを特徴とする請求項5記載の2端子型半導体温度センサ。
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