KR20080114407A - 온도 센서 회로 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 온도 변화에 따라 선형적으로 변하는 제1신호를 이용하여 제1기준전압 신호를 출력하는 제1기준전압 발생부와, 상기 제1기준전압 신호를 이용하여 일정 로직 레벨의 제2기준전압 신호를 출력하는 제2기준전압 발생부와, 상기 제1신호와 상기 제2기준전압 신호를 비교하고, 그 비교결과에 따라 상기 제1신호의 전압 레벨을 제어하는 제어부를 포함하는 온도 센서 회로에 관한 것이다.
Figure P1020070063933
온도 센서, 기준전압 신호, 제어부

Description

온도 센서 회로 및 그 제어 방법{TEMPERATURE SENSOR CIRCUIT AND METHOD THEREOF}
도 1 은 종래 기술에 의한 온도 센서 회로도이다.
도 2 는 도 1 의 온도 변화에 따른 전압 신호(VTEMP)의 변화를 보인 도면.
도 3 은 도 1 의 온도 변화에 따른 에러 발생율을 보인 도면.
도 4 는 본 발명에 의한 온도 센서 회로도이다.
도 5 는 도 4 의 온도 변화에 따른 전압 신호(VTEMP)의 변화를 보인 도면.
도 6 는 도 4 의 온도 변화에 따른 에러 발생율을 보인 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 제1기준전압 신호 발생부
20 : 제2기준전압 신호 발생부
30 : 제어부
본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 내부온도를 측정해서 외부로 디지털 코드로 출력하거나 셀프 리프레쉬 주기를 온도에 따라 변화시키기 위해 사용되는 온도 센서 회로에 관한 것이다.
온도센서 회로는 일반적으로 밴드 갭 기준 전압 발생 장치를 이용하는데, 이러한 밴드 갭 기준 전압 발생 장치는 온도나 외부 전압 변동에도 안정적으로 일정한 전압을 공급해 주는 장치로 반도체 메모리 장치나 온-다이(On-Die) 온도계의 열 센서 등과 같은 기준 전압을 필요로 하는 모든 어플리케이션 장치에 사용된다.
이러한 밴드 갭 기준 전압 발생 장치는 바이폴라 트랜지스터를 다이오드 접속으로 하여 항상 일정한 다이오드 전압이 인가되도록 하는 베이스-이미터 고유전압(VBE) 발생기와, 두 바이폴라 트랜지스터의 VBE 차를 생성하여 KT(K=볼츠만 상수, T=절대 온도)에 비례하는 전압을 발생하는 열 전압(VT) 발생기를 합하여 기준전압(VREF) = VBE + KVT 을 발생시켜 온도 계수를 극소화한다.
이러한 기준전압 값이 실리콘(Si)의 밴드-갭 전압과 거의 일치한다고 하여 이 장치의 이름을 밴드 갭 기준 전압 발생 장치라 부른다.
도 1 은 종래 기술에 의한 온도 센서 회로를 설명하기 위한 회로도이고, 도 2 는 도 1 의 온도 변화에 따른 전압 신호(VTEMP)의 변화를 보인 도면이며, 도 3 은 도 1 의 온도 변화에 따른 에러 발생율을 보인 도면이다.
도 1 에 도시한 바와 같이, 종래의 온도 센서 회로는 온도 변화에 따라 선형적으로 변하는 베이스-이미터 고유전압 신호(VTEMP)를 이용하여 제1기준전압 신호(VREF)를 출력하는 제1기준전압 발생부(100)와, 상기 제1기준전압 신호(VRER)를 이용하여 일정 로직 레벨의 제2기준전압 신호(VULIMIT,VLLIMIT)를 출력하는 제2기준전압 발생부(200)를 포함한다.
온도에 반비례하는 상기 고유전압 신호(VTEMP)는 온도 센싱을 위해 사용되며, 상기 제2기준전압 신호(VULIMIT,VLLIMIT)는 ADC(Analog Digital Converter)의 바이어싱(biasing) 전압으로 사용된다. ADC는 아날로그인 전압 신호(VTEMP)를 디지털 코드로 변환하여 출력하는 역할을 한다.
정확한 온도 측정을 위해 밴드 갭 회로의 기준 전압을 이용하여 ADC의 입력 범위를 정의하는데, ADC 상위의 입력 전압은 VULIMIT, ADC 하위의 입력 전압은 VLLIMIT로 정의한다. ADC 회로 내에는 DAC 전압과 전압 신호(VTEMP)를 비교하여 디지털 코드가 결정되어 온도 정보를 결정한다. 이 과정에서 PVT 변동, 비교기 옵셋 등 에러를 유발시키는 요인들이 존재한다.
이러한 에러를 줄이기 위해 높은 온도에서 트리밍(Trimming)을 한다. 외부 환경을 90도로 셋팅해 놓은 다음, 기준전압 신호(VLLIMIT)가 고유전압 신호(VTEMP)와 동일한 전압이 되도록 트리밍을 한다. 이 과정을 거치고 나면 90도(높은 온도)에서는 에러가 줄어든다.
그러나, 온도를 낮춰서 온도 코드를 읽으면 온도가 낮아질수록 에러가 커지게 된다. 낮은 온도에서 에어를 줄이기 위해서는 낮은 온도에서도 트리밍을 한번 더 해주면 되나 테스트 타임 증가로 인해 꺼려지고 있는 상황이다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 낮은 온도에서도 에러율을 줄일 수 있는 온도 센서 회로를 제시한다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 낮은 온도에서도 에러율을 줄일 수 있는 온도 센서 회로 제어 방법을 제시한다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 온도 센서 회로는 온도 변화에 따라 선형적으로 변하는 제1신호를 이용하여 제1기준전압 신호를 출력하는 제1기준전압 발생부와, 상기 제1기준전압 신호를 이용하여 일정 로직 레벨의 제2기준전압 신호를 출력하는 제2기준전압 발생부와, 상기 제1신호와 상기 제2기준전압 신호를 비교하고, 그 비교결과에 따라 상기 제1신호의 전압 레벨을 제어하는 제어부를 포함한다.
본 발명에서, 상기 제1신호는 음의 온도계수를 갖는 베이스-이미터 고유전압 신호이다.
본 발명에서, 상기 제어부는 상기 제1신호가 상기 제2기준전압 신호보다 큰 경우 상기 제1신호를 상기 제2기준전압 신호의 전압 레벨로 클램핑함을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명의 온도 센서 회로 제어 방법은 온도 변화에 따라 선형적으로 변하는 제1신호를 이용하여 제1기준전압 신호를 생성하는 단계와, 상기 제1기준전압 신호를 이용하여 일정 로직 레벨의 제2기준전압 신호를 생성하는 단계와, 상기 제1신호와 상기 제2기준전압 신호를 비교하고, 그 비교결과에 따라 상기 제1신호의 전압 레벨을 제어하는 단계를 포함한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
도 4 는 본 발명에 의한 온도 센서 회로도이고, 도 5 는 도 4 의 온도 변화에 따른 전압 신호(VTEMP)의 변화를 보인 도면이며, 도 6 는 도 4 의 온도 변화에 따른 에러 발생율을 보인 도면이다.
도 4 에 도시한 바와 같이, 본 발명은 온도 변화에 따라 선형적으로 변하는 전압 신호(VTEMP)를 이용하여 제1기준전압 신호(VREF)를 출력하는 제1기준전압 발생부(10)와, 상기 제1기준전압 신호(VREF)를 이용하여 일정 로직 레벨의 제2기준전압 신호(VULIMIT,VLLMIT)를 출력하는 제2기준전압 발생부(20)와, 상기 전압 신호(VTEMP)와 상기 제2기준전압 신호(VULIMIT,VLLMIT) 중 신호(VULIMIT)와 비교하여 그 비교결과에 따라 상기 전압 신호(VTEMP)의 전압 레벨을 제어하는 제어부(30)를 포함한다.
상기 전압 신호(VTEMP)는 음의 온도계수를 갖는 즉 온도에 반비례하는 베이스-이미터 고유전압 신호이다.
상기 제어부(30)는 상기 전압 신호(VTEMP)가 상기 제2기준전압 신호(VULIMIT)보다 큰 경우 상기 전압 신호(VTEMP)를 상기 제2기준전압 신호(VULIMIT)의 전압 레벨로 클램핑한다.
상기 제어부(30)는 전압 신호(VTEMP)와 제2기준전압 신호(VULIMIT)를 비교하여 출력하는 비교부(31)와, 상기 비교부(31)의 출력신호를 버퍼링하는 버퍼부(33)와, 상기 버퍼부(33)의 출력신호에 응답하여 상기 전압 신호(VTEMP)의 전압 레벨을 상기 제2기준전압 신호(VULIMIT)의 전압 레벨로 클램핑(clamping) 시키는 클램핑부(32)를 포함한다.
상기 클램핑부(32)는 상기 제2기준전압 신호(VULIMIT)에 응답하여 버퍼링하는 단위 이득 버퍼(unit gain buffer)(U.G)와, 상기 비교부(31)의 출력신호에 응답하여 단위 이득 버퍼(U.G)의 출력 신호를 전압 신호(VTEMP)로 출력하는 드라이버(P1)를 포함한다.
여기서, 상기 클램핑부(32)는 도 7에 도시한 바와 같이 상기 제2기준전압 신호(VULIMIT)에 응답하여 버퍼링하는 단위 이득 버퍼(unit gain buffer)(U.G)와, 상기 비교부(31)의 출력신호에 응답하여 단위 이득 버퍼(U.G)의 출력 신호를 전압 신호(VTEMP)로 전달하는 전달게이트(TG)로 구성할 수도 있다.
상기 제1기준전압 발생부(10)는 바이폴라 트랜지스터를 다이오드 접속으로 하여 항상 일정한 다이오드 전압이 인가되도록 하는 베이스-이미터 고유전압(VBE) 발생기와, 두 바이폴라 트랜지스터의 VBE 차를 생성하여 KT(K=볼츠만 상수, T=절대 온도)에 비례하는 전압을 발생하는 열 전압(VT) 발생기를 포함하고, 이를 이용하여 제1기준전압 신호(VREF) = VBE + KVT 를 발생시킨다. 그리고, 상기 제2기준전압 발생부(20)는 상기 제1기준전압 신호(VREF)를 이용하여 일정 로직 레벨의 제2기준전압 신호(VULIMIT,VLLIMIT)를 출력하는데, 이러한 구성에 대한 상세한 설명은 종래 기술과 동일하므로 본원에서는 생략한다.
이와 같이 구성된 본 발명의 동작을 첨부한 도면을 참고하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 기존의 트리밍 방법에서 추가적으로 전압 신호(VTEMP) 레벨을 제어함으로써 트리밍 에러를 줄이기 위함이다.
먼저, 높은 온도에서 기존의 트리밍 방법을 적용한다. 그러면 높은 온도에서 기준전압 신호(VLLIMIT) 값과 전압 신호(VTEMP) 값은 잘 맞춰진다. 문제는 이때 기준전압 신호(VULIMIT) 값도 기준전압 신호(VLLIMIT)가 트리밍 된 변화율 만큼 바뀌어서 낮은 온도에서 에러가 커진다는 것인데, 이를 보정하기 위해 변경된 기준전압 신호(VLLIMIT) 값에 의존하는 전압 신호(VTEMP)를 만드는 것이다.
전압 신호(VTEMP)와 기준전압 신호(VULIMIT)을 입력으로 하는 비교부(31)를 이용하여, 전압 신호(VTEMP)가 기준전압 신호(VULIMIT)를 넘는 경우 출력을 '로우'로 만들고 이 신호를 이용하여 전압 신호(VTEMP) 피드백 경로를 끊어 전압 신호(VTEMP)가 기준전압 신호(VULIMIT)에 클램핑 되게 한다.
결과적으로 온도에 반비례하는 전압 신호(VTEMP)에 상위 전압 리밋트 트(Limit)를 두는 것이다. 추가된 회로가 기준전압 신호(VLLIMIT)에 영향을 주지 않으므로 높은 온도에서 트리밍 된 결과가 틀어지는 경우는 없다.
클램핑 시키는 소스 전압으로는 기준전압 신호(VULIMIT)를 직접 사용하지 않고, 유닛 게인 버퍼(unit gain buffer)를 거친 전압을 사용하였다. 그 이유는 기준전압 신호(VULIMIT)를 바로 연결시키면 전압 신호(VTEMP)의 차지(charge)가 영향을 받아 레벨이 틀어 질 수 있기 때문이다.
결과적으로 위와 같은 과정을 거치면 온도가 낮아질수록 에러가 커지던 것이 일정 온도 이후에는 에러가 줄어든다. 본 발명을 적용한 시뮬레이션 결과는 도 5에 나타내었다. 이에, 온도에 따른 에러율을 도면으로 나타내면 도 6 과 같이 된다.
이와 같이 본 발명의 온도 센서 회로는 온도에 반비례하는 전압 신호(VTEMP)를 기준전압 신호(VULIMIT)의 전압 레벨과 비교하고, 그 비교 결과에 따라 상기 전압 신호(VTEMP)의 전압 레벨을 제어함으로써 낮은 온도에서도 에러율을 줄일 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 온도 센서 회로는 온도에 반비례하는 전압 신호(VTEMP)를 기준전압 신호(VULIMIT)의 전압 레벨과 비교하고, 그 비교 결과에 따라 상기 전압 신호(VTEMP)의 전압 레벨을 제어하여 출력함으로써 낮은 온도에서도 에러율을 줄일 수 있다.

Claims (10)

  1. 온도 변화에 따라 선형적으로 변하는 제1신호를 이용하여 제1기준전압 신호를 출력하는 제1기준전압 발생부와;
    상기 제1기준전압 신호를 이용하여 일정 로직 레벨의 제2기준전압 신호를 출력하는 제2기준전압 발생부와;
    상기 제1신호와 상기 제2기준전압 신호를 비교하고, 그 비교결과에 따라 상기 제1신호의 전압 레벨을 제어하는 제어부;
    를 포함하는 온도 센서 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1신호는 음의 온도계수를 갖는 베이스-이미터 고유전압 신호인 온도 센서 회로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1신호가 상기 제2기준전압 신호보다 큰 경우 상기 제1신호를 상기 제2기준전압 신호의 전압 레벨로 클램핑함을 특징으로 하는 온도 센서 회로.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 제1신호와 제2기준전압 신호를 비교하여 출력하는 비교부와;
    상기 비교부의 출력신호에 응답하여 상기 제1신호의 전압 레벨을 상기 제2기준전압 신호의 전압 레벨로 클램핑 시키는 클램핑부;
    를 포함하는 온도 센서 회로.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 비교부의 출력신호를 버퍼링하는 버퍼부를 더 포함하는 온도 센서 회로.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 클램핑부는 상기 제2기준전압 신호에 응답하여 버퍼링하는 단위 이득 버퍼와;
    상기 비교부의 출력신호에 응답하여 단위 이득 버퍼의 출력 신호를 제1신호로 출력하는 드라이버;
    를 포함하는 온도 센서 회로.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 클램핑부는 상기 제2기준전압 신호에 응답하여 버퍼링하는 단위 이득 버퍼와;
    상기 비교부의 출력신호에 응답하여 단위 이득 버퍼의 출력 신호를 전달하는 전달게이트;
    를 포함하는 온도 센서 회로.
  8. 온도 변화에 따라 선형적으로 변하는 제1신호를 이용하여 제1기준전압 신호를 생성하는 단계와;
    상기 제1기준전압 신호를 이용하여 일정 로직 레벨의 제2기준전압 신호를 생성하는 단계와;
    상기 제1신호와 상기 제2기준전압 신호를 비교하고, 그 비교결과에 따라 상기 제1신호의 전압 레벨을 제어하는 단계;
    를 포함하는 온도 센서 회로 제어 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1신호는 음의 온도계수를 갖는 베이스-이미터 고유전압 신호인 온도 센서 회로 제어 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1신호의 전압 레벨을 제어하는 단계는
    상기 제1신호가 상기 제2기준전압 신호보다 큰 경우 상기 제1신호를 상기 제2기준전압 신호의 전압 레벨로 클램핑하는 단계;
    를 더 포함하는 온도 센서 회로 제어 방법.
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