KR101276947B1 - 저전력, 고정밀, 넓은 온도범위의 온도 센서 - Google Patents

저전력, 고정밀, 넓은 온도범위의 온도 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 저전력, 고정밀, 넓은 범위의 온도 센서는 전원전압에 의해 인가되는 특정전류에 응답하여 제1 기준전류를 발생하고, 상기 제1 기준전류에 응답하여 제2 기준전류를 발생하여, 상기 제1 기준전류 및 상기 제2 기준전류를 출력하는 전류 미러(current mirror); 상기 제1 기준전류가 드레인 단자(D1)에 인가되고 게이트 단자(G1)에 바이어스 전압이 인가되는 제1 모스 트랜지스터; 및, 상기 발생된 제2 기준전류가 드레인 단자(D2)에 인가되어 출력전압을 발생시키는 제2 모스 트랜지스터를 포함한다.

Description

저전력, 고정밀, 넓은 온도범위의 온도 센서{A Temperature Sensor with Low Power, High Precision, and Wide Temperature Range}
본 발명은 저전력, 고정밀, 넓은 온도범위의 온도 센서에 관한 것으로 보다 상세하게는 기생 PNP 트랜지스터를 사용하지 않고, CMOS 트랜지스터를 사용함으로써 보다 넓은 선형 범위에서 온도 측정이 가능하고, 저전력 설계에 적합한 온도 센서에 관한 것이다.
최근 저전력 소모에 대한 요구가 높아지면서 전력 소모를 줄이기 위한 많은 기술들이 연구되고 있다. 칩 동작 온도 변화에 따라 내부 동작을 변경하여 전력 소모를 조절하는 방법은 이중 대표적인 방법이다. 특정 온도 이상 또는 이하로 변화되는 온도 변화를 감지하고, 칩 동작을 변경시키는 것이다. 그러기 위해서는 칩 내부의 온도 변화를 감지할 수 있는 온도 센서가 구비되어야 한다.
종래의 온도 센서들은 트랜지스터 간의 전류 비율을 크게 하여도 온도 1도 변화에 대해 수백 마이크로 볼트(uV)정도 변화만 발생하여 이러한 낮은 전압을 검출하기 위해 매우 정밀한 회로가 필요할 뿐만 아니라 검출된 온도 오차가 매우 큰 고유한 자체 문제가 항상 존재한다.
또한, 온도 검출에 사용될 수 있는 선형 영역(Linear Region)이 제한적이라 저온과 고온 부근에서 비선형 특성을 갖게 되어 특정 온도범위 내에서의 온도 변화 검출에만 주로 사용되는 문제가 있다.
본 발명은 기생 PNP 트랜지스터를 사용하지 않고, CMOS 트랜지스터를 사용함으로써 칩에서 차지하는 면적을 최소화하고, 온도 검출에 사용될 수 있는 선형 영역을 넓히며, 저전력 설계에 적합한 온도 센서를 구현하는데 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 온도 센서는 전원전압에 의해 인가되는 특정전류에 응답하여 제1 기준전류를 발생하고, 상기 제1 기준전류에 응답하여 제2 기준전류를 발생하여, 상기 제1 기준전류 및 상기 제2 기준전류를 출력하는 전류 미러(current mirror); 상기 제1 기준전류가 드레인 단자(D1)에 인가되고 게이트 단자(G1)에 바이어스 전압이 인가되는 제1 모스 트랜지스터; 및 상기 발생된 제2 기준전류가 드레인 단자(D2)에 인가되어 출력전압을 발생시키는 제2 모스 트랜지스터를 포함한다.
본 발명에 따른 저전력, 고정밀, 넓은 범위의 온도 센서는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 종래 기술에서 사용하는 기생 PNP 트랜지스터를 사용하지 않고, CMOS 트랜지스터를 사용함으로써 칩에서 차지하는 면적을 최소화 할 수 있다.
둘째, 본 발명은 종래 온도 센서들의 특정 온도범위보다 넓은 온도범위, 예를 들면, -30도에서 100도의 온도 범위에서 선형적인 특성을 가지며, 온도 1도 변화에 대해 더 높은 온도 변화 계수를 갖기 때문에 많은 응용분야에 적용될 수 있다.
셋째, 낮은 전압을 검출하기 위해 정밀한 회로 등이 불필요하여 저전력 설계에 적합하다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 저전력, 고정밀, 넓은 범위의 온도 센서의 기본 회로도를 나타내는 도면이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 회로도를 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 2a 내지 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 증폭기를 더 구비한 온도 센서이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 저전력, 고정밀, 넓은 범위의 온도 센서에 관하여 상세히 설명한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 저전력, 고정밀, 넓은 범위의 온도 센서의 기본 회로도를 나타내는 도면이다.
본 발명의 온도 센서(100)는 전류 미러(110), 제1 모스 트랜지스터(120) 및 제2 모스 트랜지스터(130)를 포함한다.
상기 전류 미러(110)는 바이폴라 트랜지스터 또는 모스 트랜지스터를 사용할 수 있다.
상기 전류 미러(110)가 모스 트랜지스터를 사용하는 경우라면, 제3 모스 및 제4 모스 트랜지스터를 포함할 수 있고, 상기 제3 모스 및 제4 모스 트랜지스터는 P모스 또는 N모스 트랜지스터로 구성될 수 있다. 상기 제3 및 제4 모스 트랜지스터는 동일한 종류의 모스 트랜지스터 일 수 있다.
상기 전류 미러(110)는 전원전압에 의해 인가되는 특정전류에 응답하여 제1 기준전류를 발생하고, 상기 제1 기준전류에 응답하여 제2 기준전류를 발생하여, 상기 제1 기준전류 및 상기 제2 기준전류를 출력할 수 있다.
상기 제3 및 제4 모스 트랜지스터의 특성이 같다면, 즉 폭(width) 및 길이(lenth) 등에 의해 좌우되는 트랜지스터의 특성이 같다면 제2 기준전류는 제1 기준전류와 동일하게 된다.
상기 제1 모스 트랜지스터(120)및 제2 모스 트랜지스터(130)는 P모스 또는 N모스 트랜지스터 일 수 있다.
모스 트랜지스터의 폭(가로)은 'W'로 나타내고, 길이(세로)는 'L'로 나타낸다.
상기 제1 모스 트랜지스터(120)의 폭(W1) 및 길이(L1)의 비(K1=W1/L1)를 K1이라 정의하고, 상기 제2 모스 트랜지스터(130)의 폭(W2) 및 길이(L2)의 비(K2=W2/L2)를 K2이라 정의한다.
상기 제1 모스 트랜지스터(120)의 폭(W1) 및 길이(L1)의 비(K1=W1/L1)는 상기 제2 모스 트랜지스터(130)의 폭(W2) 및 길이(L2)의 비(K2=W2/L2)의 N배가 될 수 있다. 따라서, 제1 모스 트랜지스터(120)의 폭 및 길이의 비는 N*(W2/L2)가 된다. 여기서 N은 모든 유리수가 될 수 있다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 회로도를 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 1b에서 상기 전류 미러(110)는 모스 트랜지스터를 이용한 일 실시예이다.
상기 전류 미러(110)의 제3 모스 트랜지스터(112) 및 제4 모스 트랜지스터(113)는 모두 P 모스 트랜지스터로 구성될 수 있다.
상기 제3 모스 트랜지스터(112)의 드레인 단자(D3) 및 제4 모스트랜지스터(113)의 드레인 단자(D4)에는 전원전압(111)이 연결될 수 있다.
상기 전류 미러(110)는 전원전압(111)에 의해 인가되는 특정전류에 응답하여 제1 기준전류(Iref)를 발생하여 상기 제1 기준전류(Iref) 및 제2 기준전류(Iout)를 출력한다.
상기 제1 기준전류(Iref)는 제1 모스 트랜지스터 M1(120)의 드레인 단자(D1)에 인가되고, 상기 제2 기준전류(Iout)는 제2 모스 트랜지스터 M2(130)의 드레인 단자(D2)에 인가된다.
상기 전류 미러(110)에 의해 제1 및 제2 기준전류(Iref,Iout)가 제1 모스 트랜지스터(120)및 제2 모스 트랜지스터(130)에 전달되면, 제2 모스 트랜지스터(130)의 게이트 단자(G2)와 드레인 단자(D2) 양 단간의 전압을 출력전압 Vo으로 잡을 수 있다.
상기 출력전압 Vo은 다음 [수학식1]와 같이 간략히 표현될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112011049035388-pat00001
상기 [수학식 1]에서 VB는 바이어스 전압을 의미한다. 바이어스 전압이란, 트랜지스터의 동작 기준점을 정하기 위하여 신호전극 등에 가하는 전압을 말한다. 상기 바이어스 전압 VB는 회로의 동작전류를 이용해서 만드는 자체 바이어스(self bias)일 수 있다.
상기 바이어스 전압 VB는 제1 모스 트랜지스터(120)의 게이트 단자(G1)에 인가될 수 있다.
상기 [수학식 1]에서 VT는 문턱전압을 의미한다. 문턱전압이란, 반도체 소자, 회로가 작동을 시작할 수 있도록 하는 최소전압을 의미한다.
상기 문턱전압 VT는 CMOS모델 방정식에서 다음 [수학식 2]와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112011049035388-pat00002
여기서 T는 온도이고 Tr은 room temperature(실온)이고 α는 공정 변수이고, VTr은 room temperature(실온)에서 문턱전압을 의미한다.
따라서, 출력전압 Vo는 다음 [수학식 3]과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112011049035388-pat00003
상기 출력전압 Vo는 온도(T)에 따라 변하는 값을 갖게 되어 도 1b에 나타낸 회로는 온도를 측정하는 회로로 사용될 수 있다.
상기 출력전압 Vo는 제1 모스 트랜지스터(120)의 폭(W1) 및 길이(L1)의 비(K1=W1/L1)와 제2 모스 트랜지스터(130)의 폭(W2) 및 길이(L2)의 비(K2=W2/L2)를 조정함에 따라 가변하는 값을 가질 수 있다.
또한, 상기 출력전압 Vo는 상기 바이어스 전압 VB의 값을 조정함에 따라 가변하는 값을 가질 수 있다.
따라서, 상기 제1 모스 트랜지스터(120) 및 제2 모스 트랜지스터(130)의 비율(K1/K2) 또는 상기 바이어스 전압 VB를 조정함에 따라 온도 변화율을 조정함으로써 넓은 온도 범위에서 온도 측정이 가능하다.
구체적으로 종래 기생 PNP 트랜지스터를 이용한 온도 센서의 경우, 온도 검출에 사용될 수 있는 선형 영역(Linear Region)이 특정 온도범위, 예를 들어 -20도에서 50도 정도의 범위로 제한되어 있고, 저온과 고온 부근에서 비선형적인 특성을 갖는다.
또한, 기생 PNP 트랜지스터의 사이즈는 매우 크고, 트랜지스터에 흐르는 전류 비율을 크게 할수록 칩에서 차지하는 면적은 더욱 증가하게 된다.
하지만, 본 발명은 종래 온도센서들의 특정 온도범위보다 넓은 온도범위, 예를 들면, -30도에서 100도 정도의 온도 범위에서 선형적인 특성을 갖게 되어 보다 넓은 영역에서 온도 측정이 가능하고, CMOS 트랜지스터를 사용함으로써 면적을 최소화 할 수 있다.
도 2a 내지 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 증폭기를 더 구비한 온도 센서이다.
도 2a내지 도 2b에 나타난 것처럼 도1b에 나타난 회로에 이득이 A인 증폭기(200)를 더 포함할 수 있다. 일반적으로 본 발명에서 사용되는 증폭기(200)의 이득은 A로 표현할 수 있고, A는 유리수일 수 있다.
상기 증폭기(200)는 연산을 위해 사용할 수 있는 차동 증폭기가 사용될 수 있다.
상기 증폭기(200)는 상기 [수학식 2]에 나타난 문턱전압 VT를 직접검출 하는데 사용될 수 있다. 즉, 상기 출력전압의 변화량(ΔVo)은 상기 [수학식 3]을 사용하여 구할 수 있고, 출력전압의 변화량(ΔVo)은 문턱전압 VT와 같게 된다.(ΔVo=VT)
결국, 출력전압의 변화량(ΔVo)은 다음의 [수학식 4]과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112011049035388-pat00004
상기 [수학식 4]에서 나타난 것처럼 출력전압의 변화량(ΔVo)을 측정함으로써 직접적으로 온도(T)를 구할 수 있다.
도 2a에 나타난 회로도는 상기 제1 모스 트랜지스터의 폭(W1) 및 길이(L1)의 비(K1=W1/L1) K1이 상기 제2 모스 트랜지스터의 폭(W2) 및 길이(L2)의 비(K2=W2/L2) K2보다 작은 경우를 보여준다.(K1<K2,N<1)
이 경우, 상기 [수학식 3]을 이용하면, 출력전압 Vo는 온도(T)의 증가에 따라 증가하는 특성을 보여준다.
도 2b에 나타난 회로도는 상기 제1 모스 트랜지스터(320)의 폭(W1) 및 길이(L1)의 비(K1=W1/L1) K1이 상기 제2 모스 트랜지스터(330)의 폭(W2) 및 길이(L2)의 비(K2=W2/L2) K2보다 큰 경우를 보여준다.(K1>K2,N>1)
이 경우, 상기 [수학식 3]을 이용하면 출력전압 Vo는 온도(T)의 감소에 따라 감소하는 특성을 보여준다.
따라서, 도 2a 및 도 2b에 나타난 회로를 이용하면, 상기 제1 모스 트랜지스터(120)및 제2 모스 트랜지스터(130)의 비율(K1/K2)을 조정함으로써 온도(T)의 증감에 따라 양의 비율 및 음의 비율로 변화하는 출력전압 Vo를 얻을 수 있다. 이를 통해 종래 온도 센서들보다 더 넓은 영역의 온도를 검출할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
100 : 온도 센서 110 : 전류 미러(Current mirror)
120 : 제 1 모스 트랜지스터(M1) 130 : 제 2 모스 트랜지스터(M2)
200 : 증폭기(Amplifier)

Claims (9)

  1. 온도 센서에 있어서,
    전원전압에 의해 인가되는 특정전류에 응답하여 제1 기준전류를 발생하고, 상기 제1 기준전류에 응답하여 제2 기준전류를 발생하여, 상기 제1 기준전류 및 상기 제2 기준전류를 출력하는 전류 미러(current mirror);
    상기 제1 기준전류가 드레인 단자(D1)에 인가되고 게이트 단자(G1)에 바이어스 전압이 인가되는 제1 모스 트랜지스터;
    상기 발생된 제2 기준전류가 드레인 단자(D2)에 인가되어 출력전압을 발생시키는 제2 모스 트랜지스터; 및
    상기 제2 모스 트랜지스터의 문턱 전압을 측정 가능한 증폭기를 포함하고,
    상기 온도 센서는
    상기 제1 및 제2 모스 트랜지스터의 폭과 길이의 비율(K1/K2) 및 상기 제1 모스 트랜지스터의 게이트 단자에 인가되는 바이어스 전압을 조정함에 따라 상기 출력전압을 가변시켜 온도 변화를 검출하고,
    상기 온도 센서는
    상기 출력 전압의 변화량을 측정하여 온도를 검출하고,
    상기 출력 전압의 변화량은 상기 제2 모스 트랜지스터의 드레인 단자(D2)의 전압과 상기 바이어스 전압 간의 차이 또는 상기 제2 모스 트랜지스터의 드레인 단자(D2)의 전압과 상기 제2 모스 트랜지스터의 게이트 전압(G2) 간의 차이를 통해 얻어지는
    온도 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 증폭기는
    상기 출력전압을 증폭시키는
    온도 센서.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 증폭기는 이득(Gain)이 A(A는 유리수)인 온도 센서.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 모스 트랜지스터는
    P 또는 N모스 트랜지스터 중 어느 하나인 온도 센서.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 모스 트랜지스터의 폭 및 길이의 비율(K1/K2)은
    상기 제1 모스 트랜지스터의 폭(W1) 및 길이(L1)의 비(K1=W1/L1)가 제2 모스 트랜지스터의 폭(W2) 및 길이(L2)의 비(K2=W2/L2)의 N(N은 유리수)배인 온도 센서.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 전류 미러(current mirror)는
    제3 및 제4 모스 트랜지스터를 포함하고,
    상기 제3 모스 및 제4 모스 트랜지스터는 P 또는 N 모스 트랜지스터 중 어느 하나이며, 상기 제3 모스 및 제4 모스 트랜지스터는 동일한 종류의 트랜지스터인 온도 센서.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 전류 미러(current mirror)는
    제1 바이폴라 및 제 2바이폴라 트랜지스터를 포함하는 온도 센서.
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