KR101365340B1 - 온도 감지회로 및 온도 감지 방법 - Google Patents

온도 감지회로 및 온도 감지 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 온도 감지회로 및 온도 감지 방법에 관한 것이다. 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 전류소스와 연결되어 온도에 반비례하는 출력전압을 출력하는 바이폴라 트랜지스터부; 설정에 따라 가변하는 가변기준전압을 제공하는 가변 기준전압부; 바이폴라 트랜지스터부의 출력전압과 가변기준전압을 입력받아 차동 증폭하여 출력하는 제1 증폭부; 및 피드백 가변저항을 이용하여 제1 증폭부의 출력전압의 변화를 가변 증폭하는 제2 증폭부; 를 포함하는 온도 감지회로가 제안된다. 또한, 그를 이용한 온도 감지 방법이 제안된다.

Description

온도 감지회로 및 온도 감지 방법{CIRCUIT AND METHOD FOR SENSING TEMPERATURE}
본 발명은 온도 감지회로 및 온도 감지 방법에 관한 것이다. 구체적으로는 단순한 구조를 사용하여 매우 정밀한 온도 측정이 가능한 온도 감지회로 및 온도 감지 방법에 관한 것이다.
기본적인 온도센서의 경우, 온도변화에 대하여 극히 큰 저항값 변화를 나타내는 써미스터(Thermister)를 사용하여 그 변화 값을 아날로그-디지털 컨버터를 사용하여 변화된 값을 읽어들임으로써 정밀한 온도 센서를 구현하였다.
하지만, 이와 같은 방법은 집적화하는데 한계가 있으므로, 다른 방법을 사용하게 되었다. 기본적으로 CMOS에서 사용하는 방법은 PTAT(Proportional to absolute temperature)와 CTAT(complementary to absolute temperature) 특성을 이용하여 구현되고 있다.
CMOS 온도센서의 기본방식은 PTAT특성을 이용하여 그 변화된 값을 단순히 비교기 또는 ADC를 활용하여 변화된 값을 측정하였다. 예컨대, 비교기를 이용하는 경우를 살펴보면, 전류미러를 이용하여 온도에 비례하는 값을 갖는 미러링된 전류를 직렬 분배된 저항들을 통과시키고, 이에 따라 온도에 비례하는 분배저항에 따른 출력 전압을 비교기의 기준전압과 비교하여 써멀코드(thermal code)를 출력하게 된다. 이와 같은 방법은 매우 간단하지만, 온도 변화에 따르는 전류 변화가 매우 적기 때문에 매우 많은 비교기와 저항렬이 필요하므로 정확한 온도 센서를 만들기에는 다소 부족한 면이 있다.
다음으로, ADC를 사용하는 경우를 살펴보면, 온도에 따라 출력전압 VPTAT가 변경된다. 하지만, 여기서도 온도에 따른 VT의 변화가 0.1mV 미만이므로 정확한 측정을 위해서는 매우 정밀한 ADC가 필요하게 된다.
이와 같이, 종래의 CMOS 온도센서에서의 PTAT 및 CTAT 특성을 이용하는 방법은 간단하면서도 어느 정도의 정밀한 온도 측정값을 얻을 수 있다. 하지만, 매우 정밀한 온도를 측정하기에는 PTAT 및 CTAT의 온도 변화가 2mV/˚K 미만이므로 한계가 있다.
미국 공개특허공보 US20070152649A(2007년 7월 5일 공개) 미국 공개특허공보 US20100219879A(2010년 9월 2일 공개) 미국 공개특허공보 US20120004880A(2012년 1월 5일 공개)
본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위해, 단순한 구조를 사용하면서도 매우 정밀한 온도 측정이 가능한 온도 감지 회로 및 온도 감지 방법을 제안하고자 한다.
전술한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 제1 실시예에 따라, 전류소스와 연결되어 온도에 반비례하는 출력전압을 출력하는 바이폴라 트랜지스터부; 설정에 따라 가변되며 온도측정구간을 1차로 결정짓는 가변기준전압을 제공하는 가변 기준전압부; 바이폴라 트랜지스터부의 출력전압과 가변기준전압을 입력받아 차동 증폭하여 출력하는 제1 증폭부; 및 온도측정구간 내에서의 온도 정밀측정 내지 온도측정구간의 확장이 이루어지도록 피드백 가변저항을 이용하여 제1 증폭부의 출력전압의 변화를 가변 증폭하는 제2 증폭부; 를 포함하는 온도 감지회로가 제안된다.
또한, 하나의 예에서, 바이폴라 트랜지스터부는 NPN 바이폴라 트랜지스터를 구비하되, 바이폴라 트랜지스터의 에미터가 접지 전원에 연결되고, 전류소스와 연결된 바이폴라 트랜지스터의 콜렉터와 바이폴라 트랜지스터의 베이스가 피드백 연결되어 온도에 반비례하는 베이스-에미터 전압 VBE 을 출력전압 V1으로 출력할 수 있다.
또 하나의 예에 있어서, 제1 증폭부는 제1 차동증폭기를 구비하되, 제1 차동증폭기의 반전입력단은 저항 R1을 통하여 바이폴라 트랜지스터부의 출력전압 V1을 입력받고 피드백 저항 R2를 통해 출력단의 출력전압 V2를 피드백 입력받고, 제1 차동증폭기의 비반전입력단은 저항 R1을 통하여 가변 기준전압부의 가변기준전압 Vsub 을 입력받고 저항 R2를 통해 접지 전원에 연결될 수 있다.
또한, 하나의 예에 있어서, 제2 증폭부는 제2 차동증폭기를 구비하되, 제2 차동증폭기의 반전입력단은 저항 R3를 통해 제1 증폭부의 음(-) 단자 출력을 입력받고 피드백 가변저항 R4를 통해 출력단의 출력전압 V3를 피드백 입력받고, 제2 차동증폭기의 비반전입력단은 저항 R3를 통해 제1 증폭부의 양(+) 단자 출력전압 V2를 입력받고 가변저항 R4를 통해 출력단의 음(-) 단자 출력을 피드백 입력받을 수 있다.
이때, 제2 증폭부의 출력전압 V3는 다음의 식에 따라 산출될 수 있다.
Figure 112012043688152-pat00001
여기서, VBE 는 바이폴라 트랜지스터부의 출력전압인 베이스-에미터 전압이고, Vsub는 가변 기준전압부의 가변기준전압이고, 저항 R1은 제1 증폭부의 제1 차동증폭기의 반전입력단과 출력전압 VBE 와의 사이 및 제1 차동증폭기의 비반전입력단과 가변기준전압 Vsub와의 사이의 저항이고, 저항 R2는 제1 차동증폭기의 반전입력단과 출력단 사이의 피드백 저항임과 동시에 제1 차동증폭기의 비반전입력단과 접지 전원 사이의 저항이고, VDD는 제2 차동증폭기의 전원 전압이고, VCM 은 제2 차동증폭기의 공통모드 전압이다.
또한, 하나의 예에 따르면, 전술한 제1 실시예에 따른 온도 감지회로는 온도에 선형적으로 변하는 제2 증폭부의 출력신호로부터 온도를 산출하는 온도 산출부를 더 포함할 수 있다.
이때, 하나의 예에서, 온도 산출부는 제2 증폭부의 출력신호를 디지털신호로 변환하여 출력하는 아날로그-디지털 컨버터를 포함하고 아날로그-디지털 컨버터의 출력값으로부터 온도를 산출할 수 있다.
또한, 다른 예에서, 온도 산출부는: 제2 증폭부의 출력전압을 분배하는 전압분배부; 및 전압분배부의 출력들과 비교 기준전압을 비교하여 출력하는 비교부; 를 포함하고, 비교부의 출력값으로부터 온도를 산출할 수 있다.
다음으로, 전술한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 제2 실시예에 따라, (a) 전류소스와 연결된 바이폴라 트랜지스터에서 온도에 반비례하는 출력전압을 출력하는 단계; (b) 온도에 반비례하는 출력전압과 설정에 따라 가변되며 온도측정구간을 1차로 결정짓는 가변기준전압을 입력받아 차동 증폭하여 출력하는 단계; 및 (c) 온도측정구간 내에서의 온도 정밀측정 내지 온도측정구간의 확장이 이루어지도록 피드백 가변저항을 이용하여 (b) 단계에서 차동 증폭된 출력전압의 변화를 가변 증폭하는 단계; 를 포함하는 온도 감지 방법이 제안된다.
또 하나의 예에서, 전술한 (a) 단계에서, 바이폴라 트랜지스터의 에미터가 접지 전원에 연결되고, 전류소스와 연결된 바이폴라 트랜지스터의 콜렉터와 바이폴라 트랜지스터의 베이스가 피드백 연결되어 온도에 반비례하는 베이스-에미터 전압 VBE 을 출력전압 V1으로 출력할 수 있다.
또한, 하나의 예에 있어서, 전술한 (b) 단계에서는, 저항 R2를 통해 접지 전원에 연결된 제1 차동증폭기의 비반전입력단은 저항 R1을 통하여 가변기준전압 Vsub 을 입력받고, 제1 차동증폭기의 반전입력단은 저항 R1을 통하여 바이폴라 트랜지스터의 출력전압 V1을 입력받고 피드백 저항 R2를 통해 출력단의 출력전압 V2를 피드백 입력받고, 제1 차동증폭기에서 차동 증폭하여 출력할 수 있다.
이때, 또 하나의 예에서, 전술한 (c) 단계에서는, 제2 차동증폭기의 비반전입력단은 저항 R3를 통해 제1 차동증폭기의 양(+) 단자 출력전압 V2를 입력받고 가변저항 R4를 통해 출력단의 음(-) 단자 출력을 피드백 입력받고, 제2 차동증폭기의 반전입력단은 저항 R3를 통해 제1 차동증폭기의 음(-) 단자 출력을 입력받고 피드백 가변저항 R4를 통해 출력단의 출력전압 V3를 피드백 입력받고, 제2 차동증폭기에서 제1 차동증폭기의 출력전압 V2의 변화를 가변 증폭할 수 있다.
또한, 하나의 예에 따르면, 전술한 제2 실시예에 따른 온도 감지 방법은: (d) 온도에 선형적으로 변하는 전술한 (c) 단계에서의 출력신호로부터 온도를 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 하나의 예에서, 전술한 (d) 단계는 전술한 (c) 단계의 아날로그 출력신호를 디지털신호로 변환하여 출력하는 단계(d')를 포함하고 (d') 단계에서 출력되는 값으로부터 온도를 산출할 수 있다.
또한, 다른 하나의 예에서, 전술한 (d) 단계는: (d-1) 전술한 (c) 단계의 출력전압을 분배하는 전압분배 단계; 및 (d-2) 전술한 (d-1) 단계에서의 출력들과 비교 기준전압을 비교하여 출력하는 비교 단계; 를 포함하고, 전술한 (d-2) 단계에서 출력되는 값으로부터 온도를 산출할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라, 단순한 구조를 사용하면서도 매우 정밀한 온도 측정이 가능하게 된다.
또한, 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 온도 측정범위가 정밀도에 따라 확대 또는 축소될 수 있다.
또한, 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 정밀한 온도 측정을 매우 넓은 범위에서 간단한 ADC 또는 비교기 구조를 이용하여 구현할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따라 직접적으로 언급되지 않은 다양한 효과들이 본 발명의 실시예들에 따른 다양한 구성들로부터 당해 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자에 의해 도출될 수 있음은 자명하다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 온도 감지회로를 개략적으로 나타낸 블럭도이다.
도 2a는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 온도 감지회로를 개략적으로 나타낸 블럭도이다.
도 2b는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 온도 감지회로를 개략적으로 나타낸 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 온도 감지회로를 개략적으로 나타낸 회로도이다.
도 4는 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 온도 감지 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 5a는 도 3에 따른 온도 감지회로에서 Vsub 변화에 따른 출력을 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도 5b는 도 3에 따른 온도 감지회로에서 피드백 가변저항 R4에 따른 출력을 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도 6은 도 3에 따른 온도 감지회로의 온도 측정범위를 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도 7은 도 3에 따른 온도 감지회로에서 Vsub1에서 Vsub8까지 설정에 따른 온도 측정범위를 개략적으로 나타내는 그래프이다.
전술한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다. 본 설명에 있어서, 동일부호는 동일한 구성을 의미하고, 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 이해를 도모하기 위하여 부차적인 설명은 생략될 수도 있다.
본 명세서에서 하나의 구성요소가 다른 구성요소와 연결, 결합 또는 배치 관계에서 '직접'이라는 한정이 없는 이상, '직접 연결, 결합 또는 배치'되는 형태뿐만 아니라 그들 사이에 또 다른 구성요소가 개재됨으로써 연결, 결합 또는 배치되는 형태로도 존재할 수 있다.
본 명세서에 비록 단수적 표현이 기재되어 있을지라도, 발명의 개념에 반하거나 명백히 다르거나 모순되게 해석되지 않는 이상 복수의 구성 전체를 대표하는 개념으로 사용될 수 있음에 유의하여야 한다. 본 명세서에서 '포함하는', '갖는', '구비하는', '포함하여 이루어지는' 등의 기재는 하나 또는 그 이상의 다른 구성요소 또는 그들의 조합의 존재 또는 부가 가능성이 있는 것으로 이해되어야 한다.
우선, 본 발명의 제1 실시예에 따른 온도 감지회로를 도면을 참조하여 구체적으로 살펴본다. 이때, 참조되는 도면에 기재되지 않은 도면부호는 동일한 구성을 나타내는 다른 도면에서의 도면부호일 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 온도 감지회로를 개략적으로 나타낸 블럭도이고, 도 2a는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 온도 감지회로를 개략적으로 나타낸 블럭도이고, 도 2b는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 온도 감지회로를 개략적으로 나타낸 블럭도이고, 도 3은 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 온도 감지회로를 개략적으로 나타낸 회로도이다. 또한, 도 5a는 도 3에 따른 온도 감지회로에서 Vsub 변화에 따른 출력을 개략적으로 나타내는 그래프이고, 도 5b는 도 3에 따른 온도 감지회로에서 피드백 가변저항 R4에 따른 출력을 개략적으로 나타내는 그래프이고, 도 6은 도 3에 따른 온도 감지회로의 온도 측정범위를 개략적으로 나타내는 그래프이고, 도 7은 도 3에 따른 온도 감지회로에서 Vsub1에서 Vsub8까지 설정에 따른 온도 측정범위를 개략적으로 나타내는 그래프이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 하나의 실시예에 따른 온도 감지회로는 바이폴라 트랜지스터부(10), 가변 기준전압부(20), 제1 증폭부(30) 및 제2 증폭부(40)를 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 도 2a 및 2b를 참조하면, 온도 감지회로는 온도 산출부(50, 50')를 더 포함할 수 있다. 온도 산출부(50, 50')에 대해서는 다음에서 설명할 것이다.
도 1의 바이폴라 트랜지스터부(10)는 전류소스와 연결되어 온도에 반비례하는 출력전압을 출력한다.
또한, 하나의 예에서, 바이폴라 트랜지스터부(10)는 NPN 바이폴라 트랜지스터(11)를 구비하되, 바이폴라 트랜지스터(11)의 에미터가 접지 전원에 연결되고, 전류소스와 연결된 바이폴라 트랜지스터(11)의 콜렉터와 바이폴라 트랜지스터(11)의 베이스가 피드백 연결되어 온도에 반비례하는 베이스-에미터 전압 VBE 을 출력전압 V1으로 출력할 수 있다.
여기서, 베이스-에미터 전압 VBE 의 온도에 따른 변화량을 수식으로 살펴보면 아래의 식(1)과 같다.
Figure 112012043688152-pat00002
식(1)
식(1)을 참조하면, 베이스-에미터 전압 VBE 은 온도에 따라 선형적으로 반비례하는 것을 알 수 있다. 이에 따라, 베이스-에미터 전압 VBE 을 입력으로 받아 증폭되는 출력전압 V3가 온도에 비례하도록 온도 감지회로를 구성할 수 있다.
계속하여, 도 1 및 3을 참조하여 가변 기준전압부(20)를 살펴본다. 가변 기준전압부(20)는 설정에 따라 가변되며 온도측정구간을 1차로 결정짓는 가변기준전압을 제1 증폭부(30)로 제공한다. 이때, 설정되는 가변기준전압 Vsub는 예컨대, 도 7에서와 같이 일정 간격으로 Vsub1에서 Vsub8까지 가변하도록 할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 가변기준전압 Vsub에 따라 온도측정 구간이 대략적으로 정해지고, 다음에서 설명될 도 3의 제2 증폭부(40)의 피드백 가변저항 R4의 조절에 따라 온도변화에 따른 출력전압의 변화를 크게 하여 정밀한 온도측정을 하거나 온도변화에 따른 출력전압의 변화를 작게 하여 넓은 범위에서 온도측정이 가능하도록 할 수 있다.
다음으로, 도 1의 제1 증폭부(30)는 바이폴라 트랜지스터부(10)의 출력전압과 가변기준전압을 입력받아 차동 증폭하여 출력한다. 도 3을 참조하면, 제1 증폭부(30)에서는 바이폴라 트랜지스터부(10)의 출력전압 V1에서 가변 기준전압 Vsub를 빼주어 증폭한다.
도 3을 참조하여 하나의 예를 구체적으로 살펴보면, 제1 증폭부(30)는 제1 차동증폭기(31)를 구비할 수 있다. 이때, 제1 차동증폭기(31)의 반전입력단은 저항 R1을 통하여 바이폴라 트랜지스터부(10)의 출력전압 V1을 입력받는다. 또한, 제1 차동증폭기(31)의 반전입력단은 피드백 저항 R2를 통해 출력단의 출력전압 V2를 피드백 입력받는다. 한편, 제1 차동증폭기(31)의 비반전입력단은 저항 R1을 통하여 가변 기준전압부(20)의 가변기준전압 Vsub 을 입력받고, 저항 R2를 통해 접지 전원에 연결된다.
계속하여, 도 1을 참조하면, 제2 증폭부(40)는 가변기준전압에 의해 개략적으로 정해진 온도측정구간 내에서의 온도 정밀측정 내지 온도측정구간의 확장이 이루어지도록 피드백 가변저항을 이용하여 제1 증폭부(30)의 출력전압의 변화를 가변 증폭한다. 제2 증폭부(40)는 제1 증폭부(30)의 출력전압 V2의 변화를 피드백 가변저항 R4를 조절하여 증폭한다.
도 3을 참조하여 하나의 예를 구체적으로 살펴보면, 제2 증폭부(40)는 제2 차동증폭기(41)를 구비할 수 있다. 이때, 제2 차동증폭기(41)의 반전입력단은 저항 R3를 통해 제1 증폭부(30), 즉, 도 3의 제1 차동증폭기(31)의 음(-) 단자 출력을 입력받는다. 또한, 제2 차동증폭기(41)의 반전입력단은 피드백 가변저항 R4를 통해 출력단의 출력전압 V3를 피드백 입력받는다. 한편, 제2 차동증폭기(41)의 비반전입력단은 저항 R3를 통해 제1 증폭부(30), 즉, 도 3의 제1 차동증폭기(31)의 양(+) 단자 출력전압 V2를 입력받고, 가변저항 R4를 통해 출력단의 음(-) 단자 출력을 피드백 입력받을 수 있다. 여기서, 반전단자로 피드백되는 피드백 가변저항 R4와 비반전단자로 피드백되는 가변저항 R4는 증폭비를 결정한다. 즉, R4/R3의 비로 제1 차동증폭기(31)의 출력전압 V2의 전압을 증폭시킨다.
도 3을 참조하면, 제1 증폭부(30)의 제1 차동증폭기(31)와 제2 증폭부(40)의 제2 차동증폭기(41)를 통하여 제2 증폭부(40)의 출력전압 V3는 다음의 식(2)에 따라 산출될 수 있다.
Figure 112012043688152-pat00003
식(2)
여기서, VBE 는 바이폴라 트랜지스터부(10)의 출력전압인 베이스-에미터 전압이고, Vsub는 가변 기준전압부(20)의 가변기준전압이다. 또한, 저항 R1은 제1 증폭부(30)의 제1 차동증폭기(31)의 반전입력단과 출력전압 VBE 와의 사이 및 제1 차동증폭기(31)의 비반전입력단과 가변기준전압 Vsub와의 사이의 저항이고, 저항 R2는 제1 차동증폭기(31)의 반전입력단과 출력단 사이의 피드백 저항임과 동시에 제1 차동증폭기(31)의 비반전입력단과 접지 전원 사이의 저항이다. 그리고, VDD는 제2 차동증폭기(41)의 전원 전압이고, VCM 은 제2 차동증폭기(41)의 공통모드(common mode) 전압이다. 일반적으로 VCM 은 VDD의 1/2 또는 회로에 따라서 GND를 사용하는 경우도 있다.
따라서, 전술한 식을 참조하면, 출력전압 V3이 바이폴라 트랜지스터(11)의 베이스-에미터 전압 VBE 의 온도 변화에 따른 값을 반영하는 것을 알 수 있다.
다음으로, 도 2a 및 2b를 참조하여 전술한 제1 실시예에 따른 온도 감지회로의 다른 예를 살펴본다.
도 2a 및 2b를 참조하면, 하나의 예에서, 온도 감지회로는 온도 산출부(50, 50')를 더 포함할 수 있다. 이때, 온도 산출부(50, 50')는 온도에 선형적으로 변하는 제2 증폭부(40)의 출력신호로부터 온도를 산출할 수 있다.
도 2a를 참조하면, 하나의 예에서, 온도 산출부(50)는 제2 증폭부(40)의 출력신호를 디지털신호로 변환하여 출력하는 아날로그-디지털 컨버터(51)를 포함할 수 있다. 이때, 온도 산출부(50)는 아날로그-디지털 컨버터(51)에서 출력되는 값으로부터 온도를 산출할 수 있다.
아날로그-디지털 컨버터(51)를 사용하여 온도를 산출하는 방법을 살펴본다. 예컨대, 아날로그-디지털 컨버터(51)의 입력으로 들어오는 전압의 범위가 0 ~ 2V 라고 가정한다. 예를 들어, 온도센서를 공장에서 생산할 때, 측정값 1V가 30℃ 였고, 측정값 1.5V가 50℃ 였다면, y = 40x - 10이라는 기울기 수식을 구할 수 있다. 여기서 y는 온도이며, x는 ADC(51)로 입력되는 전압 또는 ADC(51)에서 출력되는 디지털 값이다. 즉, x=1.2V라면, 온도는 38℃가 될 것이다.
또한, 도 2b를 참조하면, 또 하나의 예에서, 온도 산출부(50')는 전압분배부(53) 및 비교부(55)를 포함할 수 있다. 이때, 전압분배부(53)는 제2 증폭부(40)의 출력전압을 분배한다. 또한, 비교부(55)는 전압분배부의 출력들과 비교 기준전압을 비교하여 출력한다. 이에 따라, 온도 산출부(50')는 비교부의 출력값으로부터 온도를 산출할 수 있다. 다수의 비교기를 사용하면, 도 2a의 ADC(51)와 유사해지기 때문에, 전술한 ADC(51)를 이용한 온도산출과 동일한 방법으로 비교부(55)를 구비하여 온도를 산출할 수 있다. 다만, 비교기는 분해능은 ADC(51)보다 낮을 수 있다.
다음으로, 도 5a, 5b, 6 및 7을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 온도 감지 회로의 동작결과 내지 효과를 살펴본다.
이때, 도 5a는 도 3에 따른 온도 감지회로에서 가변 기준전압 Vsub 변화에 따른 출력을 개략적으로 나타내는 그래프이다. 도 5a를 참조하면, 가변 기준전압 Vsub의 변화에 따라 출력전압에 따른 온도측정 범위의가 달라지는 것을 알 수 있다. 즉, 가변 기준전압 Vsub를 가변시킴에 따라 온도측정 범위를 확대하거나 축소할 수 있다.
도 5b는 도 3에 따른 온도 감지회로에서 피드백 가변저항 R4에 따른 출력을 개략적으로 나타내는 그래프이다. 도 5b를 참조하면, 도 3의 피드백 가변저항 R4를 조절함에 따라 출력전압에 따른 온도변화의 기울기가 변하는 것을 알 수 있다. 피드백 가변저항 R4의 크기를 줄일수록 기울기가 급격해져 출력전압에 따른 온도 변화가 작게 된다. 이에 따라 정밀한 온도측정이 가능해진다. 반대로, 피드백 가변저항 R4의 크기가 커질수록 기울기가 완만해지며 출력전압에 따른 온도변화가 커지게 되고, 이에 따라 넓은 범위의 온도측정이 가능해진다.
도 6은 도 3에 따른 온도 감지회로의 온도 측정범위를 개략적으로 나타내는 그래프이다. 도 6은 도 5a 및 5b의 특성을 혼합한 그래프를 나타내고 있다. 즉, 도 3에서, 가변 기준전압 Vsub의 선정에 따라 온도측정 구간을 정하고, 피드백 가변저항 R4의 크기를 조절하여 온도를 정밀하게 측정하거나 넓은 구간의 온도를 측정할 수 있게 된다. 즉, 도 6에 도시된 바와 같이 피드백 가변저항 R4와 가변 기준전압 Vsub를 조절하면 'T1 범위'와 'T2 범위'로 온도측정 범위를 변경할 수 있다. 이때, 'T1 범위'를 나타내는 실선은 온도측정 범위를 작게 하는 대신 온도 변화에 따른 출력 전압의 변화가 크기 때문에 매우 정밀한 온도를 측정할 수 있다.
도 7은 도 3에 따른 온도 감지회로에서 Vsub1에서 Vsub8까지 설정에 따른 온도 측정범위를 개략적으로 나타내는 그래프이다. 예컨대, 도 7에서, Vsub1의 경우 -40℃ ~ -30℃의 범위로 0 ~ 1.8V 출력이 된다고 하면, Vsub2의 경우 -30℃ ~ -20℃의 범위로 0 ~ 1.8V 출력이 나타나고, Vusb3의 경우 -20℃ ~ -10℃ 범위로 0 ~ 1.8V 출력이 나타나고, Vusb4의 경우 -10℃ ~ 0℃ 범위로 0 ~ 1.8V 출력이 나타나고, Vusb5의 경우 0℃ ~ 10℃ 범위로 0 ~ 1.8V 출력이 나타나고, Vusb6의 경우 10℃ ~ 20℃ 범위로 0 ~ 1.8V 출력이 나타나고, Vusb7의 경우 20℃ ~ 30℃ 범위로 0 ~ 1.8V 출력이 나타나고, Vusb8의 경우 30℃ ~ 40℃의 범위로 0 ~ 1.8V 출력이 나타난다고 볼 수 있다.
그러므로, 출력을 온도 산출부(50, 50')의 ADC (또는 비교기)로 읽을 때, Vsub1로 설정된 경우에는 -40℃ ~ -30℃로 범위로 하여 ADC의 값을 읽고, Vsub2로 읽을 때는 -30℃ ~ -20℃의 온도를 읽게 된다. 즉, 각 Vusb로 인해 생성된 오프셋(offset)만큼 온도를 더하여 계산하면 매우 정밀하게 원하는 전 범위를 만족하면서 측정할 수 있다. 이에 따라, 매우 낮은 사양의 ADC를 활용하더라도 매우 넓은 범위의 온도 변화에 대해 측정 가능한 높은 정밀도의 온도 센서를 구현할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제2 실시예에 따른 온도 감지 방법을 도면을 참조하여 구체적으로 살펴본다. 이때, 전술한 제1 실시예에 따른 온도 감지회로들 및 도 1 내지 4 및 도 5a 내지 7이 참조될 수 있고, 그에 따라 중복되는 설명들은 생략될 수도 있다.
도 4는 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 온도 감지 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 하나의 실시예에 따른 온도 감지 방법은 다음의 (a) 내지 (c) 단계(S100 ~ S300)를 포함하여 이루어질 수 있다.
구체적으로 살펴보면, 도 4의 (a) 단계(S100)에서는 전류소스와 연결된 바이폴라 트랜지스터(11)에서 온도에 반비례하는 출력전압을 출력한다.
도 3을 추가로 참조하여 또 하나의 예를 살펴보면, 전술한 도 4의 (a) 단계(S100)에서는 바이폴라 트랜지스터(11)에서 온도에 반비례하는 베이스-에미터 전압 VBE 을 출력전압 V1으로 출력할 수 있다. 이때, 바이폴라 트랜지스터(11)의 에미터가 접지 전원에 연결되고, 전류소스와 연결된 바이폴라 트랜지스터(11)의 콜렉터와 바이폴라 트랜지스터(11)의 베이스가 피드백 연결되어, 온도에 반비례하는 베이스-에미터 전압 VBE 을 출력전압 V1으로 출력할 수 있다.
다음으로, 도 4의 (b) 단계(S200)에서는, 온도에 반비례하는 출력전압과 설정에 따라 가변되며 온도측정구간을 1차로 결정짓는 가변기준전압을 입력받아 차동 증폭하여 출력한다.
또한, 도 3을 추가로 참조하여 하나의 예를 살펴보면, 전술한 도 4의 (b) 단계(S200)에서는, 제1 차동증폭기(31)를 통해 차동 증폭이 수행된다. 이때, 제1 차동증폭기(31)의 비반전입력단은 저항 R2를 통해 접지 전원에 연결된다. 또한, 제1 차동증폭기(31)의 비반전입력단은 저항 R1을 통하여 가변기준전압 Vsub 을 입력받는다. 한편, 제1 차동증폭기(31)의 반전입력단은 저항 R1을 통하여 바이폴라 트랜지스터(11)의 출력전압 V1을 입력받고 피드백 저항 R2를 통해 출력단의 출력전압 V2를 피드백 입력받는다. 이에 따라, 제1 차동증폭기(31)에서 바이폴라 트랜지스터(11)의 출력전압 V1과 가변기준전압 Vsub을 차동 증폭하여 전압 V2를 출력할 수 있다.
계속하여, 도 4의 (c) 단계(S300)에서는, 피드백 가변저항을 이용하여 (b) 단계(S200)에서 차동 증폭된 출력전압의 변화를 가변 증폭한다.
도 3을 추가로 참조하여 또 하나의 예를 살펴보면, 전술한 도 4의 (c) 단계(S300)에서는, 가변기준전압에 의해 개략적으로 정해진 온도측정구간 내에서의 온도 정밀측정 내지 온도측정구간의 확장이 이루어지도록, 제2 차동증폭기(41)에서 피드백 가변저항 R4를 조절하여 제1 차동증폭기(31)의 출력전압 V2의 변화를 가변 증폭할 수 있다. 이때, 제2 차동증폭기(41)의 비반전입력단은 저항 R3를 통해 제1 차동증폭기(31)의 양(+) 단자 출력전압 V2를 입력받고 가변저항 R4를 통해 출력단의 음(-) 단자 출력을 피드백 입력받는다. 또한, 제2 차동증폭기(41)의 반전입력단은 저항 R3를 통해 제1 차동증폭기(31)의 음(-) 단자 출력을 입력받고 피드백 가변저항 R4를 통해 출력단의 출력전압 V3를 피드백 입력받는다. 이에 따라, 제2 차동증폭기(41)에서 제1 차동증폭기(31)의 출력전압 V2의 변화를 가변 증폭할 수 있다.
도시되지 않았으나, 제2 실시예에 따른 온도 감지 방법의 다른 예를 도 2a 및 2b를 참조하여 살펴본다. 하나의 예에 따르면, 도시되지 않았으나, 온도 감지 방법은 전술한 (a) 내지 (c) 단계(S100 ~ S300) 이후에 다음의 (d) 단계를 더 포함할 수 있다. 도시되지 않았으나, (d) 단계에서는 온도에 선형적으로 변하는 전술한 (c) 단계(S300)에서의 출력신호로부터 온도를 산출할 수 있다.
이때, 도시되지 않았으나, 도 2a를 참조하면, 하나의 예에서, 전술한 (d) 단계는 전술한 (c) 단계(S100)의 아날로그 출력신호를 디지털신호로 변환하여 출력하는 (d') 단계를 포함할 수 있다. 이때, (d') 단계에서 출력되는 값으로부터 온도를 산출할 수 있다.
또한, 도시되지 않았으나, 도 2b를 참조하면, 다른 하나의 예에서, 전술한 (d) 단계는 다음의 (d-1) 단계 및 (d-2) 단계를 포함할 수 있다. 이때, (d-1) 단계(도시되지 않음)에서는, 전술한 (c) 단계(S300)의 출력전압을 분배한다. 다음으로, (d-2) 단계(도시되지 않음)에서는 전술한 (d-1) 단계에서의 출력들과 비교 기준전압을 비교하여 출력한다. 이에 따라, 전술한 (d-2) 단계에서 출력되는 값으로부터 온도를 산출할 수 있다.
이상에서, 전술한 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 범주를 제한하는 것이 아니라 본 발명에 대한 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자의 이해를 돕기 위해 예시적으로 설명된 것이다. 또한, 전술한 구성들의 다양한 조합에 따른 실시예들이 앞선 구체적인 설명들로부터 당업자에게 자명하게 구현될 수 있다. 따라서, 본 발명의 다양한 실시예는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 범위는 특허청구범위에 기재된 발명에 따라 해석되어야 하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 다양한 변경, 대안, 균등물들을 포함하고 있다.
10 : 바이폴라 트랜지스터부 11 : BJT
20 : 가변 기준전압부 30 : 제1 증폭부
31 : 제1 차동증폭기 40 : 제2 증폭부
41 : 제2 차동증폭기 50, 50' : 온도 산출부
51 : ADC 53 : 전압분배부
55 : 비교부

Claims (15)

  1. 전류소스와 연결되어 온도에 반비례하는 출력전압을 출력하는 바이폴라 트랜지스터부;
    설정에 따라 가변되며 온도측정구간을 1차로 결정짓는 가변기준전압을 제공하는 가변 기준전압부;
    상기 바이폴라 트랜지스터부의 출력전압과 상기 가변기준전압을 입력받아 차동 증폭하여 출력하는 제1 증폭부; 및
    상기 온도측정구간 내에서의 온도 정밀측정 내지 상기 온도측정구간의 확장이 이루어지도록 피드백 가변저항을 이용하여 상기 제1 증폭부의 출력전압의 변화를 가변 증폭하는 제2 증폭부; 를 포함하는 온도 감지회로.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 바이폴라 트랜지스터부는 NPN 바이폴라 트랜지스터를 구비하되,
    상기 바이폴라 트랜지스터의 에미터가 접지 전원에 연결되고, 상기 전류소스와 연결된 상기 바이폴라 트랜지스터의 콜렉터와 상기 바이폴라 트랜지스터의 베이스가 피드백 연결되어 온도에 반비례하는 베이스-에미터 전압 VBE 을 출력전압 V1으로 출력하는,
    온도 감지회로.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 증폭부는 제1 차동증폭기를 구비하되,
    상기 제1 차동증폭기의 반전입력단은 저항 R1을 통하여 상기 바이폴라 트랜지스터부의 출력전압 V1을 입력받고 피드백 저항 R2를 통해 출력단의 출력전압 V2를 피드백 입력받고,
    상기 제1 차동증폭기의 비반전입력단은 저항 R1을 통하여 상기 가변 기준전압부의 가변기준전압 Vsub 을 입력받고 저항 R2를 통해 접지 전원에 연결되는,
    온도 감지회로.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 증폭부는 제2 차동증폭기를 구비하되,
    상기 제2 차동증폭기의 반전입력단은 저항 R3를 통해 상기 제1 증폭부의 음(-) 단자 출력을 입력받고 상기 피드백 가변저항 R4를 통해 출력단의 출력전압 V3를 피드백 입력받고,
    상기 제2 차동증폭기의 비반전입력단은 저항 R3를 통해 제1 증폭부의 양(+) 단자 출력전압 V2를 입력받고 가변저항 R4를 통해 출력단의 음(-) 단자 출력을 피드백 입력받는,
    온도 감지회로.
  5. 청구항 4에서,
    상기 제2 증폭부의 출력전압 V3는 하기의 식에 따라 산출되고,
    Figure 112012043688152-pat00004

    여기서, 상기 VBE 는 상기 바이폴라 트랜지스터부의 출력전압인 베이스-에미터 전압이고, 상기 Vsub는 상기 가변 기준전압부의 가변기준전압이고, 상기 저항 R1은 상기 제1 증폭부의 제1 차동증폭기의 반전입력단과 상기 출력전압 VBE 와의 사이 및 상기 제1 차동증폭기의 비반전입력단과 상기 가변기준전압 Vsub와의 사이의 저항이고, 상기 저항 R2는 상기 제1 차동증폭기의 반전입력단과 출력단 사이의 피드백 저항임과 동시에 상기 제1 차동증폭기의 비반전입력단과 접지 전원 사이의 저항이고, 상기 VDD는 상기 제2 차동증폭기의 전원 전압이고, 상기 VCM 은 상기 제2 차동증폭기의 공통모드 전압인,
    온도 감지회로.
  6. 청구항 1 내지 5 중의 어느 하나에 있어서,
    온도에 선형적으로 변하는 상기 제2 증폭부의 출력신호로부터 온도를 산출하는 온도 산출부를 더 포함하는,
    온도 감지회로.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 온도 산출부는 상기 제2 증폭부의 출력신호를 디지털신호로 변환하여 출력하는 아날로그-디지털 컨버터를 포함하고 상기 아날로그-디지털 컨버터의 출력값으로부터 온도를 산출하는,
    온도 감지회로.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 온도 산출부는: 상기 제2 증폭부의 출력전압을 분배하는 전압분배부; 및 상기 전압분배부의 출력들과 비교 기준전압을 비교하여 출력하는 비교부; 를 포함하고, 상기 비교부의 출력값으로부터 온도를 산출하는,
    온도 감지회로.
  9. (a) 전류소스와 연결된 바이폴라 트랜지스터에서 온도에 반비례하는 출력전압을 출력하는 단계;
    (b) 상기 온도에 반비례하는 출력전압과 설정에 따라 가변되며 온도측정구간을 1차로 결정짓는 가변기준전압을 입력받아 차동 증폭하여 출력하는 단계; 및
    (c) 상기 온도측정구간 내에서의 온도 정밀측정 내지 상기 온도측정구간의 확장이 이루어지도록 피드백 가변저항을 이용하여 상기 (b) 단계에서 차동 증폭된 출력전압의 변화를 가변 증폭하는 단계; 를 포함하는 온도 감지 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 (a) 단계에서, 상기 바이폴라 트랜지스터의 에미터가 접지 전원에 연결되고, 상기 전류소스와 연결된 상기 바이폴라 트랜지스터의 콜렉터와 상기 바이폴라 트랜지스터의 베이스가 피드백 연결되어 온도에 반비례하는 베이스-에미터 전압 VBE 을 출력전압 V1으로 출력하는,
    온도 감지 방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 (b) 단계에서는,
    저항 R2를 통해 접지 전원에 연결된 제1 차동증폭기의 비반전입력단은 저항 R1을 통하여 상기 가변기준전압 Vsub 을 입력받고,
    상기 제1 차동증폭기의 반전입력단은 저항 R1을 통하여 상기 바이폴라 트랜지스터의 출력전압 V1을 입력받고 피드백 저항 R2를 통해 출력단의 출력전압 V2를 피드백 입력받고,
    상기 제1 차동증폭기에서 차동 증폭하여 출력하는,
    온도 감지 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 (c) 단계에서는,
    제2 차동증폭기의 비반전입력단은 저항 R3를 통해 상기 제1 차동증폭기의 양(+) 단자 출력전압 V2를 입력받고 가변저항 R4를 통해 출력단의 음(-) 단자 출력을 피드백 입력받고,
    상기 제2 차동증폭기의 반전입력단은 저항 R3를 통해 상기 제1 차동증폭기의 음(-) 단자 출력을 입력받고 상기 피드백 가변저항 R4를 통해 상기 출력단의 출력전압 V3를 피드백 입력받고,
    상기 제2 차동증폭기에서 상기 제1 차동증폭기의 출력전압 V2의 변화를 가변 증폭하는,
    온도 감지 방법.
  13. 청구항 9 내지 12 중의 어느 하나에 있어서,
    (d) 온도에 선형적으로 변하는 상기 (c) 단계에서의 출력신호로부터 온도를 산출하는 단계를 더 포함하는,
    온도 감지 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 (d) 단계는 상기 (c) 단계의 아날로그 출력신호를 디지털신호로 변환하여 출력하는 단계(d')를 포함하고 상기 (d') 단계에서 출력되는 값으로부터 온도를 산출하는,
    온도 감지 방법.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 (d) 단계는:
    (d-1) 상기 (c) 단계의 출력전압을 분배하는 전압분배 단계; 및
    (d-2) 상기 (d-1) 단계에서의 출력들과 비교 기준전압을 비교하여 출력하는 비교 단계; 를 포함하고,
    상기 (d-2) 단계에서 출력되는 값으로부터 온도를 산출하는,
    온도 감지 방법.
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