JPS6120802B2 - - Google Patents

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JPS6120802B2
JPS6120802B2 JP4093678A JP4093678A JPS6120802B2 JP S6120802 B2 JPS6120802 B2 JP S6120802B2 JP 4093678 A JP4093678 A JP 4093678A JP 4093678 A JP4093678 A JP 4093678A JP S6120802 B2 JPS6120802 B2 JP S6120802B2
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JP
Japan
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field effect
effect transistor
temperature
voltage
circuit
Prior art date
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JP4093678A
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Japanese (ja)
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JPS54143185A (en
Inventor
Mitsumasa Iwamoto
Tatsuji Asakawa
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Suwa Seikosha KK
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Suwa Seikosha KK
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  • Control Of Electrical Variables (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体集積回路に構成された温度検出
回路に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a temperature detection circuit configured in a semiconductor integrated circuit.

従来例えば電子時計については、時間標準とし
てQ値の大きい水晶振動子を用い、その水晶振動
子の発振回路,発振周波数の分周回路,時刻表示
体を駆動する駆動回路等の各回路を同一半導体基
板上に構成し、特に半導体基板としてはN型のシ
リコン基板を用い、素子としては低電力の利点を
考えて相補型電界効果トランジスタを集積化し用
いてきた。
Conventionally, for example, electronic watches use a crystal oscillator with a large Q value as a time standard, and the circuits such as the oscillation circuit of the crystal oscillator, the oscillation frequency dividing circuit, and the drive circuit that drives the time display are all made of the same semiconductor. In particular, an N-type silicon substrate has been used as the semiconductor substrate, and complementary field effect transistors have been integrated and used as the elements, considering the advantage of low power.

ところが最近電子時計の精度向上のため、温度
依存性を持つた水晶振動子の発振周波数を制御す
る要請が高まつている。一方電子時計については
小型化,薄型化,低コスト化などの要求から発振
回路の温度補償については、従来の例えば水晶振
動子と逆の温度特性を有するBaTiO3系のコンデ
ンサ,サーミスタ等によつて発振回路を構成する
IC基板とは独立に外付けの手段による手法にか
わり、IC基板上に温度特性を補正する手段を構
成する要請が高まつている。このようなIC基板
上に温度補正をする手段を実現するためにはIC
基板上に温度を検出する素子が必要となるが、通
常半導体集積回路においては、トランジスタ,容
量,ダイオード,抵抗の構成が半導体集積回路上
に集積化できるにすぎない。そこで本発明はこの
ような点に鑑みて、半導体集積回路上に温度検出
する手段を、トランジスタ,ダイオード等の素子
を用いて構成することにより可能とする回路に関
するものである。
However, recently, in order to improve the accuracy of electronic watches, there has been an increasing demand for controlling the oscillation frequency of crystal resonators, which are temperature dependent. On the other hand, as electronic watches are required to be smaller, thinner, and lower in cost, the temperature compensation of the oscillation circuit has been replaced by BaTiO 3 capacitors, thermistors, etc., which have opposite temperature characteristics to conventional crystal oscillators. Configure the oscillation circuit
There is an increasing demand for configuring means for correcting temperature characteristics on the IC board, instead of using external means independent of the IC board. In order to realize a means of temperature compensation on such an IC board, it is necessary to
Although an element for detecting temperature is required on the substrate, normally in a semiconductor integrated circuit, only the configuration of transistors, capacitors, diodes, and resistors can be integrated on the semiconductor integrated circuit. In view of these points, the present invention relates to a circuit in which a means for detecting temperature on a semiconductor integrated circuit is constructed using elements such as transistors and diodes.

従来半導体集積回路上に構成された温度検出回
路に関しては種々のものが考えられているが、そ
れらにおいては、検出電圧が電源電圧によつて変
動するという欠点を有しており、実際に回路を動
作させた場合に大きな妨げとなつていた。又温度
検出素子として例えばトランジスタのベース,エ
ミツタ間の電圧の温度依存性を用いたとしても、
回路構成を行なつた場合の抵抗値の温度依存性な
どがあつた、半導体集積回路として構成し量産す
る場合のように抵抗のばらつきなど種々の要因を
考えると温度に対して絶対的な依存性をとらえる
ことは非常に難かしく、量産する場合のように、
1つ1つの素子を調整することが困難な場合には
温度検出はほぼ不可能であつた。
Conventionally, various types of temperature detection circuits configured on semiconductor integrated circuits have been considered, but they have the disadvantage that the detection voltage varies depending on the power supply voltage, making it difficult to actually use the circuit. This was a major hindrance when operating the system. Furthermore, even if the temperature dependence of the voltage between the base and emitter of a transistor is used as a temperature detection element,
There is an absolute dependence on temperature when considering various factors such as resistance variation when configuring a circuit as a semiconductor integrated circuit and mass producing it. It is very difficult to capture this, as in the case of mass production,
If it is difficult to adjust each element one by one, temperature detection is almost impossible.

本発明はこのような観点から、電源電圧の変動
に対しては依存性がなく、更にICの量産工程の
場合におけるように素子の絶対量のばらつきに対
しても依存しないように、温度の変動分に対する
相対量を検出するように構成したものである。
From this point of view, the present invention has no dependence on fluctuations in power supply voltage, and furthermore, does not depend on fluctuations in absolute quantities of elements as in the case of IC mass production processes. The device is configured to detect the amount relative to the minute.

本発明による実施例を具体的に図を用いながら
説明する。第1図は従来の温度検出回路の一具体
例を表わしたものであり、温度検出は116のト
ランジスタのベース・エミツタ間の電圧VBEの温
度依存性を用いて行なつている。図中111〜1
15は電界効果トランジスタ116のバイアス点
をきめるに必要な抵抗を表わしており、それぞれ
R1,R2,R3,R4,R7の抵抗値を有している。又
117は検出電圧の出力部を表わしている。この
回路の検出電圧Voは抵抗114を介して流れる
電流 IEが、 IE=V−VBB−VBE/R であることを考えると、 V0=R/R(V−VBB−VBE) で与えられる。ここにVBBはベースバイアス点電
圧を表わしており、R3を通して流れるベース電
流がR2,R1を流れる電流に比較して十分小さい
ものと仮定すれば、 VBB=RV/R+R で表わすことができる。そこで117の電圧出力
は V0=R/R(R/R+RV−VBE) となる。ところがこの式から明らかなように出力
電圧V0の温度依存性dV/dTは、電源電圧Vによつ
て 変動がないものとすれば、 dV/dT=−R/R dVBE/dT となつて、VBEの変動分に、114ならびに11
7の低抗分の比で表わされることになる。ところ
が実際の場合においては電源電圧の変動は例えば
電子時計の電池の寿命時における減衰のような場
合にはしばしば起こる。
Embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a specific example of a conventional temperature detection circuit, in which temperature detection is performed using the temperature dependence of the voltage V BE between the base and emitter of 116 transistors. 111-1 in the figure
15 represents the resistance necessary to determine the bias point of the field effect transistor 116, and each
It has resistance values of R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , and R 7 . Further, 117 represents a detection voltage output section. Considering that the current I E flowing through the resistor 114 is I E =V-V BB -V BE /R 4 , the detection voltage Vo of this circuit is V 0 =R 7 /R 4 (V-V BB − V BE ). Here, V BB represents the base bias point voltage, and assuming that the base current flowing through R 3 is sufficiently small compared to the current flowing through R 2 and R 1 , V BB = R 2 V/R 1 + R2 . Therefore, the voltage output of 117 becomes V 0 =R 7 /R 4 (R 1 /R 1 +R 2 V-V BE ). However, as is clear from this equation, assuming that the temperature dependence dV 0 /dT of the output voltage V 0 does not vary depending on the power supply voltage V, dV 0 /dT=-R 7 /R 4 dV BE / dT, and the variation of V BE is 114 and 11
It will be expressed as a ratio of low resistance of 7. However, in actual cases, fluctuations in the power supply voltage often occur, such as attenuation during the life of a battery in an electronic watch.

従つてV0の出力として正確な温度変動をとら
えることは非常に難かしくなる。又更にこの例に
おいては、114,115の抵抗を半導体集積回
路基板上に構成するめには、N-基板上にあつて
はP-などを熱拡散をすることによつて作るわけ
であるが、熱拡散などの工程を考えると、11
4,155などの抵抗値の絶対的な素子間にばら
つきがないように作ることは非常に難かしい。又
半導体集積回路上での比較的制御の容易なイオン
打込みの工程によつて抵抗値を制御するとしても
正確な値を作ることは非常に難かしく、温度変動
に対する電圧の変化分dVBE/dtの係数R7/R4には
大 きな変化が表われるために、電源電圧変動と併わ
せて更に大きな変動が起こることが予想され、半
導体集積回路の構成を更に複雑なものとしてい
る。
Therefore, it is extremely difficult to capture accurate temperature fluctuations as the output of V 0 . Furthermore, in this example, in order to construct the resistors 114 and 115 on the semiconductor integrated circuit board, they are made by thermally diffusing P - etc. on the N - substrate. Considering processes such as thermal diffusion, 11
It is extremely difficult to manufacture a device with absolute resistance values such as 4,155 without variations between elements. Furthermore, even if the resistance value is controlled by the relatively easy-to-control ion implantation process on the semiconductor integrated circuit, it is very difficult to create an accurate value, and the voltage change due to temperature fluctuation dV BE /dt Since a large change appears in the coefficient R 7 /R 4 , it is expected that an even larger change will occur together with the power supply voltage change, making the configuration of a semiconductor integrated circuit even more complicated.

本発明はこのような欠点を除去したものであ
り、第2図はその一実施例を示している。図中2
11〜214は電界効果トランジスタ、215〜
217は抵抗を表わし、218は出力を表わして
いる。いまこの回路の動作を詳しく説明する。2
11,212,217は、電界効果トランジスタ
214に接続する基準電位Vsをきめるバイアス
回路であつて、219の電位は、211及び21
2のβが等しく、しきい値電圧をそれぞれVTHp
,VTHo1とすればVs(V−VTHp1+VTHo
)/2となる。又215,216によつて構成
される抵抗R1,R2によつて、220の電位V′は
V′=VR2/(R1+R2)となる。今ここに218の
出力電位V0を求めると、213及び214のβ
をβ,βしきい値電圧をVTHp2,VTHo2とし
て、 となる。
The present invention eliminates these drawbacks, and FIG. 2 shows one embodiment thereof. 2 in the diagram
11-214 are field effect transistors, 215-
217 represents a resistance, and 218 represents an output. The operation of this circuit will now be explained in detail. 2
11, 212, and 217 are bias circuits that determine the reference potential Vs connected to the field effect transistor 214, and the potential of 219 is the same as that of 211 and 21.
2 are equal, and the threshold voltage is V THp
1 , V THo1 , then Vs(V−V THp1 +V THo
1 )/2. Also, due to the resistors R 1 and R 2 formed by 215 and 216, the potential V' of 220 becomes
V′=VR 2 /(R 1 +R 2 ). Now, if we calculate the output potential V 0 of 218, β of 213 and 214 is calculated.
Let β 1 and β 2 threshold voltages be V THp2 and V THo2 , becomes.

そこでβ=β,更に215,216の抵抗
値R1とR2とを等しくすれば V0THp1−VTHo1/2+ VTHo2−VTHp2 となる。よつてV0はPチヤネル、及びNチヤネ
ルの電界効果トランジスタのしきい値電圧の差で
与えられるので、その差電圧の温度特性を利用し
て、温度検出することができる。また、V0は電
源電圧に依存しない量となるし、しきい値電圧の
素子間のばらつきがあつたとしても差で検出する
ために素子間のばらつきは除去できる。又、
V′の電圧は215,216の抵抗値の比によつ
て定めているために、集積回路で構成した場合の
抵抗値によるばらつきの効果も除去することがで
きる。本発明による実施例の第2図においては2
20の電位は215ならびに216の抵抗値が十
分に小さくないと、213ならびに214を介し
て流れる電流により変動するが、215ならびに
216の抵抗は拡散時の濃度を制御することによ
り十分に小さな値にすることができると考えられ
るので218の電位としては、素子のしきい値電
圧の差による量だけが表われ、この温度による変
動を利用して、温度検出の手段とすることができ
る。
Therefore, if β 12 and the resistance values R 1 and R 2 of 215 and 216 are made equal, V 0 V THp1 −V THo1 /2+ V THo2 −V THp2 is obtained. Therefore, since V 0 is given by the difference in the threshold voltages of the P-channel and N-channel field effect transistors, temperature can be detected using the temperature characteristics of the voltage difference. Further, V 0 is a quantity that does not depend on the power supply voltage, and even if there is variation in threshold voltage between elements, the variation between elements can be eliminated because the difference is detected. or,
Since the voltage of V' is determined by the ratio of the resistance values of 215 and 216, it is possible to eliminate the effect of variations in resistance values when configured with an integrated circuit. In FIG. 2 of the embodiment according to the invention, 2
The potential of 20 will fluctuate due to the current flowing through 213 and 214 if the resistance values of 215 and 216 are not small enough, but the resistances of 215 and 216 can be made to a sufficiently small value by controlling the concentration during diffusion. Therefore, only the amount due to the difference in the threshold voltages of the elements appears as the potential of 218, and this variation due to temperature can be used as a means of temperature detection.

本発明は上述の如く相補型の電界効果トランジ
スタを用いることによつて電源電圧依存性のない
基準電源を作り、温度検出の際には抵抗値などに
ばらつきがあつてもこれを除去できるようにした
ことを特徴としており、半導体集積回路基板上に
構成する際にはその効果は上述のようにきわめて
大きい。
As described above, the present invention uses complementary field effect transistors to create a reference power supply that is independent of power supply voltage, and even if there is variation in resistance value during temperature detection, it can be removed. As mentioned above, the effect is extremely large when it is constructed on a semiconductor integrated circuit board.

また第3図は、本発明による他の実施例を表わ
したものであり、220電源電圧に対する変動分
を更になくすために第3図中311,312,の
電界効果トランジスタを付加したものである。
FIG. 3 shows another embodiment of the present invention, in which field effect transistors 311 and 312 in FIG. 3 are added in order to further eliminate fluctuations with respect to the 220 power supply voltage.

この例においては311,312におけるゲー
トに加わる電圧によりコンダクタンスが変化する
ので、218の出力として上述の如きしきい値の
差の値を得ることができる。
In this example, since the conductance changes depending on the voltage applied to the gates of 311 and 312, the value of the difference in threshold values as described above can be obtained as the output of 218.

以上のように出力電位V0はしきい値電圧の差
のみであらわされるので、温度依存性dV0/dT
はしきい値電圧の差のみであらわされる。従つて
温度検出はしきい値電圧の差のみで可能となるの
で、電源電圧の変動及び集積化された素子のプロ
セス上でのばらつきとは無関係となる。よつて本
回路を用いて温度検出をしきい値の差によつて行
なえば極めて正確な温度検出回路が実現できる。
なお本発明の温度検出回路は電子時計だけでな
く、温度制御が必要な回路すべてに応用できるも
のである。
As mentioned above, the output potential V 0 is expressed only by the difference in threshold voltage, so the temperature dependence dV 0 /d T
is expressed only by the difference in threshold voltage. Therefore, since temperature detection is possible only based on the difference in threshold voltage, it is independent of fluctuations in power supply voltage and variations in the process of integrated elements. Therefore, if this circuit is used to detect temperature based on the difference in threshold values, an extremely accurate temperature detection circuit can be realized.
The temperature detection circuit of the present invention can be applied not only to electronic watches but also to all circuits that require temperature control.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は従来の温度検出回路。第2図、第3図
は本発明による温度検出回路。 111〜115は半導体集積回路上に構成され
た抵抗、116は半導体集積回路上に構成された
トランジスタ、117は出力、211〜214は
半導体集積回路上に構成された電界効果トランジ
スタ、215〜217は半導体集積回路上に構成
された抵抗、218は出力、219は電界効果ト
ランジスタによつて構成されるバイアス電位点、
311〜312は半導体集積回路上に構成された
電界効果トランジスタ。
Figure 1 shows a conventional temperature detection circuit. FIGS. 2 and 3 show temperature detection circuits according to the present invention. 111 to 115 are resistors constructed on the semiconductor integrated circuit, 116 are transistors constructed on the semiconductor integrated circuit, 117 are outputs, 211 to 214 are field effect transistors constructed on the semiconductor integrated circuit, and 215 to 217 are transistors constructed on the semiconductor integrated circuit. A resistor configured on a semiconductor integrated circuit, 218 an output, 219 a bias potential point configured by a field effect transistor,
311 to 312 are field effect transistors constructed on a semiconductor integrated circuit.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 a 第1の電源と第2の電源の間に縦続に接
続された第1導伝型の第1の電界効果トランジ
スタ及び第2導伝型の第2の電界効果トランジ
スタと、 b 前記第1の電源と前記第2の電源の間に縦続
に接続された第1導伝型の第3の電界効果トラ
ンジスタ及び第2導伝型の第4の電界効果トラ
ンジスタと、 c 前記第1の電源と前記第2の電源の間に接続
され、前記第3の電界効果トランジスタのバイ
アス電位を定める抵抗とからなり、 d 前記第1及び第2の電界効果トランジスタの
第1のドレイン接続点は前記第1及び第2の電
界効果トランジスタの双方のゲートに帰還接続
され、 e 前記第4電界効果トランジスタのゲートに前
記第1のドレイン接続点が入力され、 f 前記第3及び第4の電界効果トランジスタの
第2のドレイン接続点の出力を用いて温度検出
を行なうことを特徴とする温度検出回路。
[Claims] 1a A first field effect transistor of a first conductivity type and a second field effect transistor of a second conductivity type connected in series between a first power supply and a second power supply. and b a third field effect transistor of the first conductivity type and a fourth field effect transistor of the second conductivity type connected in series between the first power source and the second power source; c a resistor connected between the first power source and the second power source to determine a bias potential of the third field effect transistor; d first drains of the first and second field effect transistors; a connection point is feedback connected to the gates of both the first and second field effect transistors, e the first drain connection point is input to the gate of the fourth field effect transistor, f the third and fourth field effect transistors; A temperature detection circuit characterized in that temperature detection is performed using an output of a second drain connection point of a field effect transistor.
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