KR20150122911A - Cmos 온도 센서 및 이를 이용한 온도 측정 방법 - Google Patents

Cmos 온도 센서 및 이를 이용한 온도 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 CMOS 온도 센서 및 이를 이용한 온도 측정 방법을 공개한다. 본 발명의 CMOS 온도 센서는, 서로 병렬로 연결된 제 1 내지 제 5 MOS 트랜지스터; 상기 제 1 내지 제 4 MOS 트랜지스터에 연결된 제 1 내지 제 4 바이폴라 트랜지스터; 상기 제 1 MOS 트랜지스터 및 상기 제 1 바이폴라 트랜지스터 사이에 설치된 제 1 저항(R1); 상기 제 4 MOS 트랜지스터 및 상기 제 4 바이폴라 트랜지스터 사이에 설치된 제 2 저항(R2); 상기 제 5 MOS 트랜지스터와 접지 사이에 설치된 제 3 저항(R3); 및 제 1 입력 단자가 상기 제 1 MOS 트랜지스터와 상기 제 1 저항 사이에 연결되고, 제 2 입력 단자가 상기 제 2 MOS 트랜지스터와 상기 제 2 바이폴라 트랜지스터 사이에 연결되어, 출력값을 상기 제 1 내지 제 5 MOS 트랜지스터의 게이트에 인가하는 연산 증폭기를 포함한다. 상술한 구성에 의해서, 본 발명은 상온에서 한번만 센서를 테스트함으로써 공정에 따라 변화된 센서의 온도계수를 예측하여, 복잡한 온도 테스트 과정없이 상온에서 1번만 테스트를 수행하여 온도를 측정할 수 있으므로, 테스트 비용 및 시간을 절약할 수 있다.

Description

CMOS 온도 센서 및 이를 이용한 온도 측정 방법{CMOS temperature sensor and temperature measuring method of the same}
본 발명은 온도 센서 및 온도 측정 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, CMOS 온도 센서 및 이를 이용한 온도 측정 방법에 관한 것이다.
일반적으로 CMOS 공정에서 만드는 온도센서는 substrate PNP 트랜지스터를 이용하여 온도에 따라 변하지 않는 밴드갭 레퍼런스 신호와 온도에 따라 선형적으로 변화하는 base-emitter 전압을 이용하여 만든다.
그러나, substrate PNP나 transistor 등의 공정 변화로 인하여 온도센서의 정확한 온도 계수를 예측할 수 없어서 최소 2번 이상 서로 다른 온도에서 센서의 출력을 측정하여 온도계수를 보정하여 사용하는 것이 일반적이다.
일반적인 CMOS 공정에서 온도의 변화를 측정하기 위해 주로 사용하는 substrate PNP 트랜지스터를 이용하여 온도 변화에 따라 선형적으로 변화하는 신호 VBE와 밴드갭 레퍼런스 회로를 적용한 기준 전압 신호 VBG를 만든다. 여기서 밴드갭 레퍼런스 회로는 온도에 따른 negative 특성과 positive 특성을 특정 비율로 맞추어 온도에 상관없이 일정한 전압을 출력한다.
기준전압 VBG를 만드는 밴드갭 레퍼런스 회로와 이를 이용해 온도 센서 전압 VBE를 만드는 회로를 도 1에서 보여 준다. 도 1에서 OPAMP의 positive 입력 V1 신호가 커지면 OPAMP의 출력 전압이 높아지고 M1의 VGS 전압이 작아져서 Ic1이 줄게 되고 R1에 곱해져 V1 전압이 낮아지는 negative feedback을 구성하고 있다. 따라서 V1, V2 전압은 같아지게 되며 이 때 밴드갭 레퍼런스 회로의 출력 전압 VBG는 수학식 1과 같다.
Figure pat00001
상기 수학식 1에서 k는 Boltman 상수, q는 전자 전하량, T는 절대온도이며 n(ideality factor)는 공정변화에 따라 변하는 상수이다.
N은 Q1과 Q2의 크기비율이며 M은 M0와 M4의 크기 비율이다. 일반적으로 바이폴라 트랜지스터 베이스-에미터 간의 전압 VBE는 온도가 증가함에 따라 선형적인 특성을 가지며 대략 2mV/℃로 감소한다.
따라서, 도 1에 전압 VBE2 자체를 온도를 측정하기 위한 온도 센서 전압 VBE로 사용할 수 있다. 수학식 1 에서 알 수 있듯이 VBG의 첫 번째 항은 절대 온도 T에 대하여 PTAT (Propotional to Absolute Temperature) 특성을 가지며 두 번째 항의 VBE4 전압은 위에서 설명했듯이 CTAT (Complementary to Absolute Temperature) 특성을 가진다.
따라서, 수학식 1의 첫 번째 항에 나타나는 트랜지스터 비율 N 또는 M 및 저항 R1, R2의 비를 적절히 조정하여 온도에 따라 감소하는 VBE4를 보상함으로써 온도에 따라 항상 일정한 전압 특성을 가지는 기준 전압 VBG를 만들 수 있다. 즉, 기존의 CMOS 온도 센서는 온도에 따라 변하지 않는 기준 전압 VBG 기준으로 온도에 따라 증가하는 전압 VBE를 측정함으로써 온도를 측정할 수 있다.
이렇게 만들어진 온도센서는 공정변화에 따라 변화하는 상수 n 값에 의하여 온도계수가 서로 달라질 수 있기 때문에 적어도 2개의 서로 다른 온도에서 테스트를 진행하여 온도 계수를 구하고, 원하는 계수 값으로 보정을 해야 하는 번거움이 수반되는 문제점이 존재한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 substrate PNP 바이폴라 트랜지스터를 이용한 CMOS 온도센서에서 복잡한 온도 테스트 과정을 거치지 않고 상온에서 1번의 측정만으로도 공정 변화에 따라 변화하는 센서의 온도계수를 예측하여 공정변화에 따른 온도센서의 온도계수를 보정할 수 있는 CMOS 온도 센서 및 이를 이용한 온도 측정 방법을 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 CMOS 온도 센서는, 서로 병렬로 연결된 제 1 내지 제 5 MOS 트랜지스터; 상기 제 1 내지 제 4 MOS 트랜지스터에 연결된 제 1 내지 제 4 바이폴라 트랜지스터; 상기 제 1 MOS 트랜지스터 및 상기 제 1 바이폴라 트랜지스터 사이에 설치된 제 1 저항(R1); 상기 제 4 MOS 트랜지스터 및 상기 제 4 바이폴라 트랜지스터 사이에 설치된 제 2 저항(R2); 상기 제 5 MOS 트랜지스터와 접지 사이에 설치된 제 3 저항(R3); 및 제 1 입력 단자가 상기 제 1 MOS 트랜지스터와 상기 제 1 저항 사이에 연결되고, 제 2 입력 단자가 상기 제 2 MOS 트랜지스터와 상기 제 2 바이폴라 트랜지스터 사이에 연결되어, 출력값을 상기 제 1 내지 제 5 MOS 트랜지스터의 게이트에 인가하는 연산 증폭기를 포함한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 CMOS 연산 온도 센서에서, 상기 제 1 바이폴라 트랜지스터는 상기 제 2 바이폴라 트랜지스터에 대해서 N 배의 크기를 갖고, 온도값을 나타내는 상기 제 3 저항에 걸리는 전압값(VTEMP)을 측정하여 아래의 수학식에 따라서 온도(T)를 구하며,
Figure pat00002
상기 k는 볼츠만 상수, q는 전자 전하량, T는 절대온도, n은 공정에 따른 온도 상수인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 CMOS 연산 온도 센서에서, 상기 공정에 따른 온도 상수 n 은 아래의 수학식에 따라서 계산되고,
Figure pat00003
, 상기 VT 는 상온에서 바이폴라 트랜지스터의 베이스와 이미터간의 전압값이고, K 는 제 1 바이폴라 트랜지스터에 대한 제 3 바이폴라 트랜지스터의 크기 비율이며, VBE3 및 VBE2 는 각각 상기 제 3 바이폴라 트랜지스터 및 상기 제 2 바이폴라 트랜지스터의 베이스 및 이미터간의 전압차인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 CMOS 연산 온도 센서에서, 상기 제 1 내지 제 4 MOS 트랜지스터는 P 채널 MOS 트랜지스터이고, 상기 제 1 내지 제 4 바이폴라 트랜지스터는 PNP 바이폴라 트랜지스터이며, 상기 제 1 내지 제 4 MOS 트랜지스터의 드레인은 상기 제 1 내지 제 4 바이폴라 트랜지스터의 에미터 측과 연결될 수 있다.
한편, 상술한 본 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 CMOS 온도 센서를 이용한 온도 측정 방법은, (a) 공정에 따른 온도 상수 n 을 계산하는 단계; 및 (b) 상기 온도 상수 n 을 이용하여 상기 제 3 저항에 걸리는 전압을 측정하여 온도를 측정하는 단계를 포함하고, 상기 (a) 단계는, 아래의 수학식에 따라서 공정에 따른 온도 상수 n 을 계산하고,
Figure pat00004
, 상기 VT 는 상온에서 바이폴라 트랜지스터의 베이스와 이미터간의 전압값이고, K 는 제 1 바이폴라 트랜지스터에 대한 제 3 바이폴라 트랜지스터의 크기 비율이며, VBE3 및 VBE2 는 각각 상기 제 3 바이폴라 트랜지스터 및 상기 제 2 바이폴라 트랜지스터의 베이스 및 이미터간의 전압차인 것을 특징으로 한다.
또한, 상술한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 CMOS 온도 센서를 이용한 온도 측정 방법에서, 상기 제 1 바이폴라 트랜지스터는 상기 제 2 바이폴라 트랜지스터에 대해서 N 배의 크기를 갖고, 상기 (b) 단계는, 온도값을 나타내는 상기 제 3 저항에 걸린 전압 측정값(VTEMP)을 아래의 수학식에 대입하여 온도(T)를 구하며,
Figure pat00005
, 상기 k는 볼츠만 상수, q는 전자 전하량, T는 절대온도인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상온에서 한번만 센서를 테스트함으로써 공정에 따라 변화된 센서의 온도계수를 예측하여, 복잡한 온도 테스트 과정없이 상온에서 1번만 테스트를 수행하여 온도를 측정할 수 있으므로, 테스트 비용 및 시간을 절약할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 기준 전압과 온도 센서 전압 발생 회로도의 일 예를도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기준 전압과 온도 센서 전압 발생 회로도의 일 예를도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 CMOS 온도 센서와 이를 이용한 온도 측정 방법을 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기준 전압과 온도 센서 전압 발생 회로도의 일 예를도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 CMOS 온도 센서는, 서로 병렬로 연결된 제 1 MOS 트랜지스터 내지 제 5 MOS 트랜지스터(M1~M5), 제 1 MOS 트랜지스터 내지 제 4 MOS 트랜지스터(M1~M4)에 연결된 제 1 바이폴라 트랜지스터 내지 제 4 바이폴라 트랜지스터(Q1~Q4), 제 1 MOS 트랜지스터(M1) 및 제 1 바이폴라 트랜지스터(Q1) 사이에 설치된 제 1 저항(R1), 제 4 MOS 트랜지스터(M4) 및 제 4 바이폴라 트랜지스터(Q4) 사이에 설치된 제 2 저항(R2); 제 5 MOS 트랜지스터(M5)와 접지 사이에 설치된 제 3 저항(R3), 및 제 1 입력 단자가 제 1 MOS 트랜지스터(M1)와 제 1 저항(R1) 사이에 연결되고, 제 2 입력 단자가 제 2 MOS 트랜지스터(M2)와 제 2 바이폴라 트랜지스터(Q2) 사이에 연결되어, 출력값을 제 1 MOS 트랜지스터 내지 제 5 MOS 트랜지스터(M1~M5)의 게이트에 인가하는 연산 증폭기(200)를 포함한다.
도 2에 도시된 제 1 MOS 트랜지스터 내지 제 5 MOS 트랜지스터(M1~M5)는 모두 P 채널 MOS 트랜지스터이고, 제 1 내지 제 4 바이폴라 트랜지스터(Q1~Q4)는 PNP 바이폴라 트랜지스터이며, 제 1 내지 제 4 MOS 트랜지스터(M1~M4)의 드레인은 제 1 내지 제 4 바이폴라 트랜지스터(Q1~Q4)의 에미터 측과 연결된다.
또한, 제 2 바이폴라 트랜지스터(Q2) 및 제 4 바이폴라 트랜지스터(Q4)의 크기는 동일하고, 이들에 대한 제 1 바이폴라 트랜지스터(Q1)의 크기는 N 배이고, 이들에 대한 제 3 바이폴라 트랜지스터(Q3)의 크기는 K 배이다.
도 2에 도시된 CMOS 온도 센서의 동작 및 이를 이용하여 온도를 측정하는 방법을 설명하면, 본 발명의 특징은 상온에서 동일한 조건에 서로 다른 크기를 갖는 substrate PNP 바이폴라 트랜지스터의 특성을 측정함으로써 공정에 따라 변화하는 n값을 예측하여 설계된 온도센서의 온도계수를 예측하게 된다. 따라서, 본 발명은, 종래의 기술과 같이 최소 2구간 이상의 온도에서 테스트를 하지 않고 상온에서 1번의 테스트 만으로 온도계수를 구함으로써 테스트 비용 및 시간을 절약할 수 있다.
도 2에 도시된 substrate PNP 바이폴라 트랜지스터 Q2, Q3의 에미터에는 같은 크기의 전류를 흘려주는 M2, M3에 의해 동일한 전류가 입력된다. 이 때 Q2, Q3에 걸리는 전압 VBE2, VBE3는 다음의 수학식 2와 같다.
Figure pat00006
M2, M3에 의해 Q2, Q3의 에미터 전류는 같고, 일반적으로 substrate PNP 트랜지스터의 beta 값은 100 이상이므로 다음의 수학식 3과 같이, 에미터 전류는 컬랙터 전류와 거의 같다.
Figure pat00007
따라서, Ic2와 Ic3는 바이폴라 트랜지스터의 컬렉터 전류로서 M2, M3에 의하여 같다고 간주할 수 있다. 한편, Is2과 Is3는 바이폴라 트랜지스터의 크기에 비례하고 Q3의 크기가 Q2의 K배 이미로 Is3 = K* Is2이다.
이 때 VBE3-VBE2을 구해보면 다음의 수학식 4와 같다.
Figure pat00008
상기 수학식 4에서 Q2와 Q3는 M2, M3에 의하여 같은 컬렉터 전류를 갖기 때문에 Ic3=Ic2이 되고, Is3=K*Is2이므로 상기 수학식 4는 다음과 같이 정리할 수 있다.
Figure pat00009
상온 (25도)에서 VBE 전압의 차이를 측정한다고 가정하면, VT 전압은 대략 25mV 정도이며 ln(1/K)의 값도 알 수 있기 때문에 공정에 따라 변하는 ideality factor n을 구할 수 있다. 상기 수학식 5에서 K는 제 2 및 제 4 바이폴라 트랜지스터(Q2 및 Q4)에 대한 제 3 바이폴라 트랜지스터(Q3)의 크기 비율이다.
일반적으로 CMOS 온도 센서의 PTAT (Propotional to Absolute Temperature) 전압은 도 2의 VTEMP 전압과 같이 밴드갭회로에서 만들어진 전류에 저항을 곱하여 생성하고, 공정에 따라 변하는 온도계수를 이 저항을 조정하여 보정하게 된다.
이 때 온도센서 전압 VTEMP는 아래의 수학식 6 및 수학식 7과 같이 구할 수 있다.
Figure pat00010
Figure pat00011
수학식6 및 수학식 7에서 R1, n, N, q, k 등은 모두 상수로써 이미 알고 있으며, 특히 공정에 따라 변하는 ideality factor n은 앞서 상술한 바와 같이 VBE2과 VBE3 전압 차이를 측정하여 알 수 있다.
따라서 온도센서의 감도를 별도의 온도 테스트 없이 상온에서 VBE2과 VBE3 전압만을 측정하고, 측정된 값에 따라 R3 값을 조정하여 원하는 감도를 얻을 수 있고, 이 후에는 저항 R3에 걸리는 전압(VTEMP)을 읽어서 상기 수학식 7에 대입하여 절대온도 T를 구함으로써, 온도를 측정할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 200: 연산 증폭기(OPAMP)
M1~M5: 제 1 MOS 트랜지스터 ~ 제 5 MOS 트랜지스터
Q1~Q4: 제 1 바이폴라 트랜지스터 ~ 제 4 바이폴라 트랜지스터
R1: 제 1 저항
R2: 제 2 저항
R3: 제 3 저항

Claims (6)

  1. 서로 병렬로 연결된 제 1 내지 제 5 MOS 트랜지스터;
    상기 제 1 내지 제 4 MOS 트랜지스터에 연결된 제 1 내지 제 4 바이폴라 트랜지스터;
    상기 제 1 MOS 트랜지스터 및 상기 제 1 바이폴라 트랜지스터 사이에 설치된 제 1 저항(R1);
    상기 제 4 MOS 트랜지스터 및 상기 제 4 바이폴라 트랜지스터 사이에 설치된 제 2 저항(R2);
    상기 제 5 MOS 트랜지스터와 접지 사이에 설치된 제 3 저항(R3); 및
    제 1 입력 단자가 상기 제 1 MOS 트랜지스터와 상기 제 1 저항 사이에 연결되고, 제 2 입력 단자가 상기 제 2 MOS 트랜지스터와 상기 제 2 바이폴라 트랜지스터 사이에 연결되어, 출력값을 상기 제 1 내지 제 5 MOS 트랜지스터의 게이트에 인가하는 연산 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 바이폴라 트랜지스터는 상기 제 2 바이폴라 트랜지스터에 대해서 N 배의 크기를 갖고,
    온도값을 나타내는 상기 제 3 저항에 걸리는 전압값(VTEMP)을 측정하여 아래의 수학식에 따라서 온도(T)를 구하며,
    Figure pat00012

    상기 k는 볼츠만 상수, q는 전자 전하량, T는 절대온도, n은 공정에 따른 온도 상수인 것을 특징으로 하는 온도 센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 공정에 따른 온도 상수 n 은 아래의 수학식에 따라서 계산되고,
    Figure pat00013

    상기 VT 는 상온에서 바이폴라 트랜지스터의 베이스와 이미터간의 전압값이고, K 는 제 1 바이폴라 트랜지스터에 대한 제 3 바이폴라 트랜지스터의 크기 비율이며, VBE3 및 VBE2 는 각각 상기 제 3 바이폴라 트랜지스터 및 상기 제 2 바이폴라 트랜지스터의 베이스 및 이미터간의 전압차인 것을 특징으로 하는 온도 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 4 MOS 트랜지스터는 P 채널 MOS 트랜지스터이고,
    상기 제 1 내지 제 4 바이폴라 트랜지스터는 PNP 바이폴라 트랜지스터이며,
    상기 제 1 내지 제 4 MOS 트랜지스터의 드레인은 상기 제 1 내지 제 4 바이폴라 트랜지스터의 에미터 측과 연결되는 것을 특징으로 하는 온도 센서.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 온도 센서에서 온도를 측정하는 온도 측정 방법으로서,
    (a) 공정에 따른 온도 상수 n 을 계산하는 단계; 및
    (b) 상기 온도 상수 n 을 이용하여 상기 제 3 저항에 걸리는 전압을 측정하여 온도를 측정하는 단계를 포함하고,
    상기 (a) 단계는, 아래의 수학식에 따라서 공정에 따른 온도 상수 n 을 계산하고
    Figure pat00014

    상기 VT 는 상온에서 바이폴라 트랜지스터의 베이스와 이미터간의 전압값이고, K 는 제 1 바이폴라 트랜지스터에 대한 제 3 바이폴라 트랜지스터의 크기 비율이며, VBE3 및 VBE2 는 각각 상기 제 3 바이폴라 트랜지스터 및 상기 제 2 바이폴라 트랜지스터의 베이스 및 이미터간의 전압차인 것을 특징으로 하는 온도 측정 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 바이폴라 트랜지스터는 상기 제 2 바이폴라 트랜지스터에 대해서 N 배의 크기를 갖고,
    상기 (b) 단계는, 온도값을 나타내는 상기 제 3 저항에 걸린 전압 측정값(VTEMP)을 아래의 수학식에 대입하여 온도(T)를 구하며,
    Figure pat00015

    상기 k는 볼츠만 상수, q는 전자 전하량, T는 절대온도인 것을 특징으로 하는 온도 측정 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN107463200A (zh) * 2017-07-31 2017-12-12 苏州大学 一种全cmos片上温度‑频率转换电路
KR20190106190A (ko) * 2018-03-08 2019-09-18 삼성전자주식회사 고정밀도 cmos 온도 센서 및 그 동작 방법

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