JPS6027936B2 - 温度感知器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、一般に温度感知器に関し、更に詳しくは、整
合されたトランジスタのベースーヱミッタ間電圧の差を
用いて絶対温度に正比例する出力を発生させるようにし
た半導体温度感知器に関するものである。

先行技術としての「温度変換器」と題するロバート・シ
ー・ドブキン（Ｒｏｂｅ九Ｃ．Ｄｏｂｋｉｎ）の米国特
許出願第４７７３２３号においては、少なくとも２つの
トランジスタのベースーェミッタ間電圧のあいだの差を
用いて既知の温度計の温度に正比例する出力を発生させ
るようにした温度感知器が開示されている。

この特許出願は、現在知られている温度感知器、並びに
かかる温度感知器を用いた変換器に関連する問題点を議
論するために参照される。これらの問題点の１つは、変
換器の出力が計測もしくは制御に利用される前に、調整
電圧を供給されたり、又は増幅、スケーリング及びその
出力にその他の動作を行ったりする遠隔位置への配線を
必要としない変換器が必要なことである。

前記出願においても議論されているように温度感知器及
び変換器においては電力消費が比較的低いことが必要で
ある。現在利用可能な温度感知器の大多数のものは、計
測制御系で容易に活用しえないものである。加うるに、
熱電対は、比較的出力信号のレベルが低いので、これを
安定性よく増幅するのが困難である。更に、熱電対は、
冷接点補償をほどこす必要がある。抵抗及びサーミスタ
感知器は、非直線的であり、且つ励起に依存する性質を
もっている。しかしながら、かような感知器の別の不利
な点は、それらの出力が既知の温度目盛に直接的に関係
づけられてし、ないことである。前述の特許出願で議論
されている温度感知器は複数のトランジスタのベースー
ヱミツ夕間電圧のあいだの差を利用して温度に比例する
出力を発生させるものである。このような出力は、一方
のトランジスタの電流密度と他方のトランジスタの電流
密度との比が温度変化に対して一定に維持される場合に
のみ得られる。このように電流密度の比を温度変化に対
して一定に保つためには、かなり多数の構成要素を要し
、特に整合されたトランジスタを要する。前記特許出願
に開示された感知器はまた、容易に校正されえないもの
である。さらにまた、該感知器回路は所望の結果を得る
ためには比較的大きい電流利得を必要とする。先行技術
による温度感知器について上述した不利な点に加えて、
二端子型の独立した温度感知器に対する必要性が存在し
、この温度感知器は、これに電力を供給し且つ遠隔位置
へ感知温度の指示を与えるためにたった２本の線だけが
必要とされる型式のものである。

加うるに、既知の温度目盛に直接関係づけられた直線的
な出力を発生させるために容易に調整もしくは校正しう
る温度感知器に対する必要性も存在する。従って、本発
明の目的は、温度に正比例し且つ既知の温度目盛に直接
関係づけられた出力を発生する温度感知器を提供するこ
とにある。

本発明の他の目的は、温度に正比例する出力を発生する
ために比較的わずかな構成要素しか必要としない温度感
知器を提供することにある。

本発明の更に他の目的は、比較的所要電力が低くてすむ
温度感知器を提供することにある。本発明の更に他の目
的は、既知の温度目盛に関係づけられた直線的な出力を
得るために容易に調整もしくは校正しうる温度感知器を
提供することにある。本発明の更に他の目的は、二端子
型の独立した温度感知器を提供することにある。

本発明のこれら及び他の目的は、電流源に直列接続され
た一対のトランジスタと、これらトランジスタのベース
ーェミツタ間電圧間の差を増幅する差動増幅器と、この
差動増幅器の出力端に接続された分圧回路であって一方
の出力端が前記一方のトランジスタのベースに接続され
他方の出力端が前記他方のトランジスタのベースに接続
された分圧回路を備えた温度感知器により達成される。

差動増幅器の出力端とトランジスタとの間の分圧回路を
接続することにより構成された帰還ループがあるために
、差動増幅器の出力は、その入力間の差をゼロにする方
向に変化する。このように入力間の差がゼロになると、
差動増幅器の出力は安定化され、その出力は「既知の温
度目盛に比例するようになる。適当に目盛調整すること
により直読が可能になる。差動増幅器の入力が互いに等
しいときには、２つのトランジスタの電流密度が温度変
化に対して一定値を維持する。本発明の１つの特徴点は
、トランジスタへの電圧供給を行う電流源と、差動増幅
器の出力に応じて該供給電圧を変化させる出力回路とを
設け、それによって電圧供給線上に温度に正比例して変
化する出力を発生させるようにしたことにある。

以下、添付図面を参照して本発明を詳述するがそれによ
って本発明の前述のもし〈は他の目的、特徴、利点は一
層明らかにされるであろう。第１図を参照するように、
一対の端子１０及び１２が電圧源（図示せず）に接続さ
れている。一対の抵抗器１４及び１６は、端子１０から
トランジスタ１８及び２０の各コレクタにそれぞれ接続
されている。トランジスタ１８及び２０のコレク外ま差
動増幅器２２の各入力端にそれぞれ接続され、両トラン
ジスタの電圧間の差が差動増幅器２２の入力端に印加さ
れるようになっている。この電圧差は抵抗器１４及び１
６の電圧間の差にも等しい。トランジスタ１８及び２０
のェミツタは、電流源として働らく抵抗器２４を介して
端子１２に接続されている。差動増幅器２２の出力は、
線２６に供給され、更に抵抗器３０、３２及び３４によ
り構成される分圧回路２８に供給される。

抵抗器３２の一端は、トランジスタ１８のベースに接続
され、池端はトランジスタ２０のベースに接続され、そ
れによって、トランジスター８及び２０のベースーェミ
ッタ間電圧のあいだの差が抵抗器３２に発生されるよう
になっている。従って、この差電圧は、抵抗器３２の値
が分圧回路２８の合計抵抗値に関係づけられるとき、差
動増幅器２２の出力電圧に関係づけられる。分圧回路２
８並びにトランジスタ１８及び２０は、差動増幅器２２
に対する帰還ループを形成しており、それによって差動
増幅器が演算増幅器として動作するようになっている。

従って、差動増幅器２２の入力間の電圧差がゼロであれ
ば、その出力は固定される。しかしながら、差動増幅器
２２の入力間の電圧差がゼロでない場合は、その出力は
、（差動増幅器２２が理想的なものであると仮定すれば
）入力差がゼロ値に達するまで入力差を変化させる方向
に且つ値に変化する。安定状態の下では、トランジスタ
１８及び２０は、そのェミッタ面積が等しい場合にはそ
のコレクタ電流を異ならせることにより、そのコレクタ
電流が等しい場合にはそのヱミツタ面積を異ならせるこ
とにより、又はこれら２つの技術を粗合せることにより
、いずれにしても異なる電流密度で動作される。

トランジスタ１８及び２０のベースーェミッタ間電圧の
あいだの差は、次式にしたがって温度に関係づけられる
。収＝害・ｎ毛 ここで、ＶＰは、トランジスタ１８及び２０のベースー
ヱミッタ間電圧のあいだの差、ｋはボルッマン定数、ｔ
はケルビン度における絶対温度、ｑは電子の電荷、そし
てＪ，及びＪ２はそれぞれトランジスタ１８及び２０の
電流密度である。

トランジスター８及び２０が異なる電流密度で動作する
場合、そのベースーェミツタ間電圧の温度係数は異なる
。それゆえ、トランジスタ１８及び２０のベースーェミ
ツタ間電圧のあいだの差が温度変化に対して一定に保持
されるならば、各々のコレクタ電流は、一方のコレクタ
電流が他方のものより大きくなるように変化することに
なる。トランジスタ１８及び２０のェミツタ面積が異な
り且つ抵抗器１４及び１６の抵抗値が等しいものと仮定
すれば、差動増幅器２２の出力が端子１２の電圧に等し
いとき、トランジスタ１８及び２０のベースーェミツタ
間電圧はゼロになり、小さいェミッタ面積をもつトラン
ジスタのコレクタ電流は他方のトランジスタのコレクタ
電流よりも大きな値に最初に増加する。

この状態は、抵抗器１４及び１６の電圧降下に差を生じ
させ、この電圧降下の差は、差動増幅器２２の入力にお
ける電圧の差を生じさせる。従って、差動増幅器２２の
出力は、抵抗器３２に電圧降下を生じさせる方向及び値
に変化し、それにより異なるベースーェミッタ間電圧で
トランジスタ１８及び２０をバイアスする。

このような変化は、差動増幅器２２の入力間の差がゼロ
になるまで継続する。かかる差がゼロの状態になると、
トランジスタ１８及び２０のコレクタ電流が等しくなり
そのベースーェミッタ間電圧のあいだの差が前掲の式で
表現されるように温度に正比例するものとして抵抗器３
２に現われる。安定状態の下では差動増幅器２２がトラ
ンジスタ１８及び２０のコレクタ電流を互いに等しく維
持するから、両トランジスタの電流密度の比は、温度変
化に対して一定に維持される。従って、安定状態下での
抵抗器３２の電圧降下は、温度変化に対して温度に正比
例する。分圧回路２８の全抵抗に対する抵抗器３２の抵
抗の比は、適当なべースーェミッタ間電圧のあいだの差
が抵抗器３２に現われるとき差動増幅器２２の出力が既
知の温度目盛の温度に対応するように算定される。トラ
ンジスタ１８及び２０のェミッタ面積が等しい抵抗器１
４及び１６の抵抗値が等しくない場合には、安定状態の
下ではトランジスタ１８及び２０のコレク夕電流は等し
くならない。

しかしながら、差動増幅器２２の出力が端子１２の電圧
に等しいときはトランジスター８及び２０のベースーヱ
ミッタ間電圧はゼロに等しくなり、それらのコレクタ電
流を等しくさせる。それ故、抵抗器１４及び１６の電圧
降下は等しくならない。このような抵抗器１４及び１６
の電圧降下の差はそれぞれ電圧降下が互いに等しくなる
までトランジスタ１８及び２０のコレクタ電流が変化さ
れる方向及び値に差動増幅器２２の出力を変化させる。
回路がこのような状態に達すると、差動増幅器２２の出
力は、既知の温度目盛の温度に直接的に関係づけられる
。次に、回路が特定の温度で動作し安定化されている一
般的な状態について考えると、温度変化はトランジスタ
１８及び２０のコレクタ電流を、その温度係数のゆえに
変化させる。

トランジスタ１８及び２０が前述した任意の技術により
異なる電流密度で動作されている場合においては、一方
のコレクタ電流は、かような温度変化に対して他方のコ
レクタ電流より大きくなるように変化する。トランジス
タのェミッタ面積が一定である以上、それらのコレクタ
電流の比が一定に維持されていれば、それらの電流密度
は一定値に維持される。差動増幅器２２の入力差がゼロ
になるまでトランジスタを駆動する演算増幅器の作用に
よって抵抗器１４及び１６の電圧降下が互いに等しくさ
れるから、コレクタ電流の比は一定に保たれる。従って
増幅器は、抵抗器１４及び１６の電圧降下が互いに等し
くなるまでトランジスタ１８及び２０のベース−ヱミッ
タ間電圧のあいだの差を変化させ、それによって両コレ
クタ電流の比を等しく維持し、且つ両電流密度を等しく
維持する。それゆえ、このようなベースーヱミッタ間電
圧のあいだの差は、前掲の式に従って温度に正比例する
ことになる。差動増幅器２２の出力変化が、トランジス
タ１８のベースーェミッタ間電圧に生ずる変化よりも大
きくトランジスタ２０のベースーェミツタ間電圧を変化
させることが注目される。

従って、トランジスタ２０のコレクタ電流をトランジス
タ１８のコレク夕電流よりも減少させる温度変化が起る
と、菱動増幅器２２の出力は、トランジスタ２０のベー
スーェミッタ間電圧に生ずる減少よりもトランジスタ１
８のベースーェミッタ間電圧を少なく減少させるように
減少する。第２図を参照すると、電圧源３８及び抵抗器
４０を備えた電流源３６から給電される温度感知器が示
されている。

差敷増幅器２２の出力は、トランジスタ４２のベースに
接続され、このトランジスタは端子４３及び４４におい
て電源電圧に接続されている。また、分圧回路２８も電
源電圧に接続されている。電流源の負荷が変化すると、
電源電圧も又変化する。従って、第１図の回路における
ように差動増幅器２２の出力は分圧回路２８へ直接供給
されるのではなく、むしろ、それは、分圧回路２８への
電源電圧を変化させるため、ひいては抵抗器３２に発生
される電圧を変化させるためトランジスタ４２に供給さ
れる。第１図に例示した回路の動作とは反対に、トラン
ジスタ２０のコレクタ電流が温度変化に対してトランジ
スタ１８のコレクタ電流よりも大きく増加すると、差動
増幅器２２の出力は増加し、トランジスタ４２を介して
流れる電流を増加させ且つ端子４３及び４４間の電圧を
減少させる。

このような電源電圧の減少は、抵抗器３２の電圧降下を
減少させる。抵抗器３２の電圧降下が減少すると、トラ
ンジスタ２０のベースーェミツタ間電圧はトランジスタ
１８ベースーェミッタ間電圧の減少よりも大きく減少す
る。従って、トランジスタ２０のコレクタ電流は、コレ
クタ電流比を一定に維持する演算増幅器の作用によって
、トランジスタ１８のコレクタ電流に対して減少する。
しかし、この過渡期間中には、差動増幅器２２の出力が
増加し且つ端子４３及び４４の電源電圧が減少して温度
変化の指示を与える。分圧回路は、抵抗器３２の電圧に
比例する端４３及び４４の電圧が既知の温度目盛に直接
関係づけられるように分圧比を定められている。従って
、第２図に例示した回路は電圧が同一端子に供給され且
つそれら端子に温度指示が与えられるようになっている
二端子型の独立した温度感知器である。第３図の回路は
、第２図のものとは、トランジスター８及び２０をそれ
ぞれトランジスタ４５及び４６に置換した点、及び抵抗
器２４を抵抗器５２及び５４並びに可変抵抗器５６に置
換した点で異なっている。

トランジスタ４５及び４６は各々２つのヱミツタをそな
えている。トランジスタ４５のェミッ夕４８及び５川ま
等しくない面積のものであり、トランジスタ４６のェミ
ッ外ま等しい面積のものである。第３図の回路がモノリ
シツク回路であれば、可変抵抗器５６は該回路の外部に
設けられる。温度感知及び温度指示の動作は、第２図に
例示した回路のものと同様である。しかしながら、第３
図の回路は、可変抵抗器５６を調整することによって校
正しうるものである。可変抵抗器がその中央位置にある
とき、等しいコレクタ電流がェミッタ４８及び５０を介
して流れる。トランジスタ４６のェミッタを介して流れ
る電流も又等しい。しかしながら、可変抵抗器５６がそ
の中央位置からはずれるように調整されると、等しくな
い電流がェミッタ４８及び５０を介して流れ、且つトラ
ンジスタ４６のェミッタを介して流れる。トランジスタ
４６のヱミッタは同一面積を有するので、その電流密度
は同一値に維持される。しかし、ェミツタ４８及び５０
は面積が等しくないので、トランジスタ４５の電流密度
は、かような可変抵抗器５６の調整にしたがって変化す
る。従って、可変抵抗器５６は、一方のトランジスタの
電流密度と他方のトランジスタの電流密度との比を調整
するのを可能にするものである。前掲の式によると、か
ような調整によって、トランジスタ４５及び４６のベー
スーェミツタ間電圧のあいだの差の校正、ひいては、端
子４３及び４４の出力の校正が行われることが明らかで
ある。内部の抵抗器５２及び５４は、不所望の温度係数
を生じさせる。第４図に例示する回路は、このような不
所望の性質を除去するため、抵抗器５２及び５４ではな
くトランジスタ式電流源を使用している。詳しくいうと
、コレクタをベースに接続したトランジスタ５８が、電
圧供給線間で抵抗器５９に直列に接続されている。トラ
ンジスタ６０は、トランジスタ４５及び４６の第１ェミ
ッタと端子６４との間に接続されており、トランジスタ
６２は、トランジスタ４５及び４６の第２ェミッタと端
子６８との間に接続されている。可変抵抗器７０は、そ
の可動接点が端子７２に接続され且つその両端が端子６
４及び６８間につながれ、それによってトランジスタ６
０及び６２を通る電流が互いに調整されうるようになっ
ている。従って可変抵抗器がその中央位置にセットされ
ると、トランジスタ６０を流れる電流はトランジスタ６
２を流れる電流に等しくなる。このような状態の下では
、ェミッタ４８を通る電流がェミッタ５０を通る電流に
等しくなる。しかしながら、可変抵抗器がその中央位置
からずらされると、これらの軍流に不均衡が生じてトラ
ンジスタ４５の電流密度が調整されうる。可変抵抗器７
０の電圧が前掲の式にしたがって温度に比例するのであ
り、しかもこの電圧を生じさせる電流がトランジスタ４
５及び４６を介して流れるのであるから、電流源は温度
変化に対するそれらトランジスタのコレクタ電流の関係
には何等影響を及ぼさない。本発明の実施例においては
、次のような値の抵抗器が使用された。

抵抗器１４、１６及び２４・・・・・・２０ＫＱ抵抗器
３０及び３４…・・・・・・・・・・・・２弧０抵抗器
３２・・・・・・・・・・・・…・・・・・・・・・・
・・・・・ＩＫＱまた、トランジスタ１８は、トランジ
スタ２０のェミッタ面積よりも１Ｍ音大きい面積を与え
られた。

ェミッタ４８のェミツタ面積は、トランジスタ４６のェ
ミッタ面積よりも１１倍大きく、ェミツタ５０のェミツ
タ面積は、トランジスタ４６のェミッタ面積よりも９倍
大きかった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理にしたがって構成された温度感知
器を示す回路図、第２図は本発明の原理にしたがって構
成された二端子型温度感知器を示す回路図、第３図は本
発明の第２実施例による二端子型温度感知器を示す回路
図、第４図は本発明の第３実施例による二端子型温度感
知器を示す回路図である。 １８，２０；４５，４６……対トランジスタ、２２・・
・・・・差動増幅器、３６・・・・・・電流源、３８・
・・・・・電圧源。 Ｆノ９−２ Ｆ′９−Ｚ Ｆｒ９‐３ Ｆ′９−４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 温度変化に応じてコレクタ電流が変化するトランジ
   スタであつて、異なる電流密度で動作する一対のトラン
   ジスタと、これらトランジスタの第１のトランジスタの
   コレクタ電圧及び第２のトランジスタのコレクタ電圧間
   の差を増幅する装置と、この増幅装置の出力に応答して
   前記両トランジスタのベースへ前記出力に比例した電圧
   を供給する装置とを具備する温度感知器。 ２ 一対の端子と、これら端子間に接続された電流源と
   、これら端子間に接続され温度変化に応じてコレクタ電
   流が変化するトランジスタであつて、異なる電流密度で
   動作する一対のトランジスタと、これらトランジスタの
   第１のトランジスタの電圧及び第２のトランジスタの電
   圧間の差を増幅する増幅装置と、この増幅装置の出力に
   応答して前記両トランジスタのベースへ前記出力に比例
   した電圧を供給する装置と、前記端子の各々にそれぞれ
   コレクタ及びエミツタが接続されるとともに前記増幅装
   置にベースが接続されたトランジスタとを備え、前記端
   子間の電圧が温度に正比例するように構成された二端子
   型の温度感知器。