KR102347289B1

KR102347289B1 - 저온 에러 열 센서

Info

Publication number: KR102347289B1
Application number: KR1020190118913A
Authority: KR
Inventors: 저-주인 호릉; 즈-린 리우
Original assignee: 타이완 세미콘덕터 매뉴팩쳐링 컴퍼니 리미티드
Priority date: 2018-09-28
Filing date: 2019-09-26
Publication date: 2022-01-10
Anticipated expiration: 2039-09-26
Also published as: DE102019124959A1; US20220364936A1; CN114705325A; CN114659676A; KR20200037094A

Abstract

일부 실시형태에서의 열 센서는, 각각 하나 이상의 바이폴라 접합 트랜지스터와 같은 열 감지 디바이스, 및 온도 의존 신호(temperature-dependent signal)를 생성하기 위해 열 감지 디바이스에서 전류 밀도를 생성하기 위한 전류원을 포함하는 2개의 열 감지 브랜치를 포함한다. 열 센서는, 브랜치들로부터의 온도 의존 신호에 각각의 그리고 상이한 이득 계수들을 곱하고, 결과적인 신호들을 결합하여 열 센서가 배치된 절대 온도에 실질적으로 비례하는 출력 신호를 생성하도록 구성된 신호 프로세서를 더 포함한다.

Description

저온 에러 열 센서{LOW TEMPERATURE ERROR THERMAL SENSOR}

[관련 출원에 대한 상호 참조]

본 출원은 "저온 에러 열 센서"라는 명칭으로 2018년 9월 28일자 출원되고 그 내용이 여기에 참조로 포함된, 미국 가출원 제62/738,292호의 이익을 주장한다.

본 개시 내용은 개괄적으로 열 센서에 관한 것이다. 본 개시 내용은 더 구체적으로 열 센서에 대한 온도 오차를 감소시키는 것에 관한 것이다.

열 센서는 광범위한 용도를 가진다. 열 센서의 정확도는 많은 응용 분야에서 중요하거나 심지어 결정적이다. 열 센서가 하나 또는 제한된 수의 온도에서만 보정되는 경우, 의도된 모든 사용 범위에 걸친 열 센서의 정확도는 이상적인 특징으로부터 벗어난 센서 특징의 편차로 인해 보장하기 어려울 수 있다. 열 센서의 정확도를 개선하기 위한 노력이 진행 중이다.

본 개시 내용의 여러 양태들은 첨부 도면을 함께 파악시 다음의 상세한 설명으로부터 가장 잘 이해된다. 산업계에서의 표준 관행에 따라 다양한 특징부들은 비율대로 작성된 것은 아님을 알아야 한다. 실제, 다양한 특징부의 치수는 논의의 명확성을 위해 임의로 증감될 수 있다.
도 1a는 본 개시 내용의 일 양태에 따른 열 센서에서의 컴포넌트 열 센서들을 개략적으로 예시한다.
도 1b는 본 개시 내용의 일 양태에 따른 도 1a의 컴포넌트 열 센서 각각에 대한 이상적이고 실제적인 전압-온도 관계의 예시이다.
도 2a는 본 개시 내용의 일 양태에 따른 컴포넌트 열 센서에 대한 작동 온도 범위에서 전압-온도 관계를 근사화한 것을 예시한 도면이다.
도 2b는 본 개시 내용의 일 양태에 따라 오프셋을 매칭시키는 2개의 컴포넌트 열 센서에 대한 수정된 상대 전압-온도 관계를 예시한다.
도 3은 본 개시 내용의 일 양태에 따른 이산-타이밍-형 열 센서 회로를 개략적으로 예시한다.
도 4는 본 개시 내용의 일 양태에 따른 연속-DC-형 열 센서 회로를 개략적으로 예시한다.
도 5는 본 개시 내용의 일 양태에 따라 차동 피드백을 갖는 연속-DC-형 열 센서 회로를 개략적으로 예시한다.
도 6은 본 개시 내용의 일 양태에 따른 단일 종단 피드백을 갖는 연속-DC-형 열 센서 회로를 개략적으로 예시한다.
도 7은 도 6에 예시된 유형의 프로토타입 열 센서에 대한 다양한 프로세스 코너에서의 온도 성능 데이터를 예시한다.
도 8a는 본 개시 내용의 일 양태에 따른 차동 전류-밀도 열 센서에서 2개의 트랜지스터에 대한 전압-온도 관계 및 트랜지스터 중 하나의 전압-온도 관계의 부분 기울기 조정을 예시한다.
도 8b는 도 8a에 예시된 전압-온도 관계를 갖는 열 센서에 대한 차동 전압-온도 관계를 예시한다.
도 9는 본 개시 내용의 일 양태에 따라 부분 기울기 조정되는 이산-타이밍-형 열 센서 회로를 개략적으로 예시한다.
도 10은 본 개시 내용의 일 양태에 따라 저항비 부분 기울기 조정되는 연속-DC-형 열 센서 회로를 개략적으로 예시한다.
도 11은 본 개시 내용의 일 양태에 따라 저항비 및 op-amp 드라이버 부분 기울기 조정되는 연속-DC-형 열 센서 회로를 개략적으로 예시한다.
도 12는 본 개시 내용의 일 양태에 따라 V_be 복제 부분 기울기 조정되는 연속-DC-형 열 센서 회로를 개략적으로 예시한다.
도 13은 본 개시 내용의 일 양태에 따라 디지털 제어 유닛(예, 마이크로 컨트롤러("MCU"))에 의해 부분 기울기 조정이 제어되는 스위칭된 단일-트랜지스터-분기 열 센서 회로를 개략적으로 예시한다.
도 14는 도 11에 예시된 유형의 프로토타입 열 센서에 대한 프로세스 코너에서의 온도 성능 데이터를 예시한다.
도 15는 본 개시 내용의 일 양태에 따라 도 5에 예시된 회로와 유사하지만, 바이폴라 접합 트랜지스터가 전계 효과 트랜지스터로 대체된 차동 피드백을 갖는 연속-DC-형 열 센서 회로를 개략적으로 예시한다.
도 16은 본 개시 내용의 일 양태에 따른 온도 측정 방법을 개략적으로 나타낸다.

다음의 개시 내용은 제공된 주제의 여러 가지 다른 특징부의 구현을 위한 다수의 상이한 실시예 또는 실례를 제공한다. 본 개시 내용을 단순화하기 위해 구성 요소 및 배열의 특정 예들을 아래에 설명한다. 이들은 물론 단지 여러 가지 예일 뿐이고 한정하고자 의도된 것이 아니다. 예를 들면, 이어지는 설명에서 제2 특징부 상에 제1 특징부의 형성은 제1 및 제2 특징부가 직접 접촉되게 형성되는 실시예를 포함할 수 있고 제1 및 제2 특징부가 직접 접촉되지 않을 수 있게 추가의 특징부가 제1 및 제2 특징부 사이에 형성될 수 있는 실시예도 포함할 수 있다. 추가로, 본 개시 내용은 여러 예에서 참조 번호 및/또는 문자를 반복할 수 있다. 이러한 반복은 단순 및 명료를 위한 것으로 그 자체가 논의되는 다양한 실시예 및/또는 구성 간의 관계를 지시하는 것은 아니다.

열 센서 또는 온도 센서는 다양한 응용 분야에서 널리 사용된다. 예를 들어, 열 센서는 메모리 모듈과 같은 집적 회로에 사용되어 집적 회로의 온도를 모니터링하고 제어하여 적절한 작동을 보장한다. 열 센서의 예로는 바이폴라 접합 트랜지스터("BJT")를 채용하는 센서가 포함되는 데, 이 경우 단자 쌍(예, 베이스-이미터 전압 또는 V_BE) 사이의 전압은 이상적인(이론적인) 경우에 지수 의존성과 같은 특정 특징을 가지는 특정 온도 의존성을 가진다. 이상적인 특징으로부터 벗어나면, 온도 측정에 오류가 발생한다. 본 명세서에 개시된 특정 실시예는 종래의 열 센서보다 온도 오류가 감소되었다.

일부 실시예에서, 온도 센서는 2쌍의 BJT를 포함한다. 각 쌍에서, 2개의 BJT는 서로 다른 크기의 2개의 BJT를 통해 동일한 전류를 통전시키거나 동일한 크기의 2개의 BJT를 통해 상이한 전류를 통전시키거나 이들 2가지 방법의 조합에 의해 서로 다른 전류 밀도를 가진다. 각 BJT는 결과적으로 V_BE를 생성한다. 각 쌍에서 차동 V_BE(dV_BE 또는 ΔV_BE) 또는 2개의 V_BE 간의 차이가 얻어지고, 2개의 쌍의 dV_BE 간의 차이가 출력 신호로 간주된다. 쌍에서의 dV_BE는 dV_BE가 기준 온도(예, 0 K)에서의 오프셋 전압과 같은 파라미터에서 실질적으로 동일한 오프셋 값(S1)을 가지도록 상이하게 증폭될 수 있는 데, 여기서 오프셋 전압은 보정점(예, 25 ℃)에서의 dV_BE-온도 곡선의 접선의 기준 온도에서의 오프셋 전압(또는 작동 온도 범위 내에서 dV_BE-온도 곡선의 다른 선형 근사치)으로서 정의될 수 있다. 전압-온도 관계의 근사의 다른 형태도 사용될 수 있다. BJT 대신에 MOSFET과 같은 다른 유형의 트랜지스터를 사용할 수 있다.

일부 실시예에서, 단일 쌍의 BJT가 사용될 수 있지만, 증폭된 V_BE-온도 곡선이 의도된 작동 온도 범위에 걸쳐서 근사하게 일치하도록 V_BE가 다르게 증폭될 수 있다.

도 1a를 참조하면, 2개의 BJT 쌍(110, 140)은 이들 BJT 쌍(110, 140) 중 어느 것보다 더 바람직한 온도 의존성을 갖는 것에 더 가까운 전압 신호를 제공하도록 결합될 수 있는 dV_BE(dV_BE1, dV_BE2)를 생성하도록 구성된다. 더 바람직한 온도 의존성은 예를 들어, 전압이 절대 온도에 실질적으로 비례하는("PTAT") 선형 의존성일 수 있으므로, 단일점 온도 보정(예, 25 ℃에서)은 전자 디바이스의 동작을 위해 의도된 온도 범위(예, 약 -50 ℃ 내지 약 150 ℃, -40 ℃ 내지 약 125 ℃, 약 -25 ℃ 내지 약 110 ℃, 또는 약 0 ℃ 내지 약 100 ℃)에 걸쳐 온도를 감지함에 있어 충분히 신뢰 가능하다.

도 1a에 예시된 예에서 각각의 BJT 쌍(110, 140)은 서로 병렬로 연결된 2개의 브랜치(쌍(110)의 120, 130 및 쌍(140)의 150, 160)를 포함한다. 각 브랜치는 다이오드-연결된 트랜지스터(124, 134, 154, 164)와 직렬로 연결된 전류원(122, 132, 152, 162)을 포함한다. 각 다이오드-연결된 트랜지스터의 베이스와 컬렉터는 서로 연결되고 공통 기준점(이 예에서는 접지)에 연결되고; 이미터는 전류원에 연결된다.

각각의 다이오드-연결된 트랜지스터(124, 134, 154, 164)는 각각의 이미터 전류 밀도에서 동작하도록 설계된다. 각 다이오드-연결된 트랜지스터의 전류 밀도는 각 브랜치에서의 전류와 다이오드-연결된 트랜지스터의 이미터-베이스 접합의 단면적(n, m, p 또는 q)("이미터 면적")에 의해 결정된다. 따라서, 다이오드-연결된 트랜지스터(124, 134, 154, 164)에서 이미터-베이스 접합에 대해 동일한 단면적과 함께 전류원(122, 132, 152, 162)으로부터의 다른 진폭의 전류에 의해 상이한 전류 밀도가 생성될 수 있다. 다른 전류 밀도는 전류원(122, 132, 152, 162)로부터 동일한 진폭의 전류와 다이오드-연결된 트랜지스터(124, 134, 154, 164)에서 이미터-베이스 접합에 대해 상이한 이미터 면적(n, m, p, q)에 의해서도 생성될 수 있다. 다른 대안예에서, 상이한 전류 밀도는 다이오드-연결된 트랜지스터(124, 134, 154, 164)에서 이미터-베이스 접합에 대해 상이한 단면적과 함께 전류원(122, 132, 152, 162)으로부터 상이한 진폭의 전류에 의해 생성될 수 있다.

각각의 BJT 쌍(110, 140)의 2개의 브랜치에 상이한 전류 밀도가 주어지면, 2개의 다이오드-연결된 트랜지스터의 온도의 함수로서 BJT 쌍의 2개의 다이오드-연결된 트랜지스터의 이미터 사이에 차동 전압이 발생된다. 따라서, 차동 전압(dV_BE1)은 다이오드-연결된 트랜지스터(124, 134)의 이미터 사이에서 발생되고; 차동 전압(dV_BE2)은 다이오드-연결된 트랜지스터(154, 164)의 이미터 사이에서 발생된다.

도 1b를 참조하면, 각각의 BJT 쌍(110, 140)에 대해, 차동 베이스-이미터 전압(dV_BE1 또는 dV_BE2)은 온도 의존성을 갖는다. 차동 베이스-이미터 전압(dV_BE(=dV_BE1 또는 dV_BE2))과 전류 밀도 사이의 관계는 다음과 같다.

여기서, T는 BJT 쌍의 절대 온도, η는 이상 계수(ideality factor), k는 볼츠만 상수, q는 전자 전하, r은 BJT 쌍의 이미터 전류 밀도 사이의 비율, C=(ηk/q)lnr이다. 각 BJT 쌍의 양측 브랜치에서의 전류가 동일한 경우, 각각 r=n/m과 r=p/q이다.

η가 모든 온도에 대해 일정한 이상적인 열 센서의 경우, C는 상수이고, V_BE는 절대 온도(T)에 비례하고, 온도의 함수로서의 dV_BE의 도식은 원점(즉, T=0 K에서 dV_BE=0 V)을 통과하는 직선이다. 따라서, BJT 쌍(110, 140)에 대해, 이상적인 dV_BE1-T 및 dV_BE2-T 도식은 도 1b에서 각각 직선(170, 180)일 것이다. 그러나, 실제 열 센서에서, 이상 계수(η)는 일반적으로 온도에 따라 일정하지 않다. 결과적으로, dV_BE-T 관계는 전형적으로 BJT 쌍(110, 140)에 대한 곡선(172, 182)으로 표시된 바와 같이 선형이 아닐 것이다.

도 2a를 참조하고, 이상적인 BJT 쌍에 대한 예로서 BJT 쌍(140)을 사용하면, 전술한 바와 같이 dV_BE2에 대한 PTAT 관계는 dV_BE2-T 도식에서 직선(210)이 될 것이다. 이 경우 단일점 보정, 즉 25 ℃와 같은 단일 온도에서 dV_BE2를 측정하여 보정하면, 단일 상수(C)(또는 직선(210)의 기울기)가 모든 온도에서 dV_BE2의 모든 값을 결정하는 것이 필요할 것이므로, 정확한 온도 측정이 이루어질 것이다. 그러나, C는 일반적으로 온도에 대해 상수가 아니기 때문에, 실제 dV_BE2-T 도식은 전형적으로는 개념적으로 예시된 곡선(162)과 같은 곡선이다. 결국, 단일점 보정(예, 25 ℃)은 보정점에서 떨어진 온도에서 일부 경우에 심각한 오류를 가져올 수 있다(예, -40 ℃에서의 ε1 및 125 ℃에서의 ε2).

실제 응용 분야에서, 온도 센서의 보정 정확도는 약 40 ℃ 내지 약 125 ℃와 같은 의도된 작동 온도 범위에만 관심이 있다. 본 개시 내용의 특정 양태에 따르면, 2개의 BJT 쌍(110, 140)으로부터의 차동 베이스-이미터 전압은 적어도 의도된 작동 온도 범위에서 실질적으로 PTAT인 신호를 얻기 위해 적절히 결합될 수 있으며, 따라서 단일점 보정은 전자 디바이스의 의도된 작동에 적합하다. 예를 들어, 도 2a에서, dV_BE2-T 곡선(182)은 약 -40 ℃ 내지 약 125 ℃의 온도 범위에서 직선(220)으로 적절하게 근사될 수 있다. 직선(220)은 의도된 작동 온도 범위에 걸쳐 허용 가능한 수준 내에서 오류를 발생시키는 임의의 근사법에 기초할 수 있다. 예를 들어, 직선(220)은 보정 온도(예, 25 ℃)에서 dV_BE2-T 곡선에 대한 접선일 수 있으며; 다른 예에서, 직선(220)은 의도된 작동 온도 범위에 걸쳐 곡선(182)의 세그먼트의 2개의 단부(예, -40 ℃ 및 125 ℃)를 연결하는 선이고; 또 다른 예에서, 직선(220)은 의도된 온도 범위에 걸쳐 곡선에 대해 최소 제곱 적합화될 수 있다.

유사하게, 예시된 바와 같이, dV_BE1-T 곡선(172)은 dV_BE2-T 곡선(182)과 동일한 온도 범위에 걸쳐 직선(도면에 도시되지 않음)에 의해 근사화 될 수 있다. 이 경우의 dV_BE1-T 곡선(182)으 라인(220)은 y-축 상에서 교차점(S1)(즉, 0 K)을 가지며; 이 경우 dV_BE1-T 곡선(172)의 선은 y-축 상에서 교차점(S2)를 가진다. 본 개시 내용의 일 양태에 따르면, dV_BE1은 MS2=S1이 되도록 계수 M(1보다 크거나 같거나 작을 수 있음)만큼 증폭될 수 있다. 도 2b에 예시된 바와 같이, 증폭된 차동 전압 곡선(272)(M×dV_BE1)을 근사화한 라인(280)은 dV_BE2-T 곡선(182)과 동일한 교차점(S1)을 가진다. 따라서, 차동 전압(dV_BE12)은 다음과 같은 형태이다.

여기서, C' 및 C"는 상수이다. 따라서, 결합된 차동 전압은 실질적으로 PTAT이며, 이러한 차동 전압을 생성하는 열 센서는 단일점 보정에 적합하다. 즉, 차동 전압 값(dV₀)이 얻어질 수 있으며, 단일의 알려진 온도 T₀(예, 25 ℃(또는 298 K)) 및 온도 T에서 dV_BE12는 T=dV·T₀/dV₀ (여기서 T 및 T0는 K로 측정됨)로 결정될 수 있다.

는 실질적으로 PTAT 신호이다.

따라서, 온도 측정에서 실질적으로 PTAT 신호를 획득하기 위해, 일부 실시예에 따라 다음 단계가 수행될 수 있다: 온도(T)로 배치된 제1 열 감지 디바이스에 제1 전류 밀도를 생성하는 단계(1610); T로 배치된 제2 열 감지 디바이스에 제2 전류 밀도 - 상기 제2 전류 밀도는 제1 전류 밀도와 상이함 - 를 생성하는 단계(1620); T로 배치된 제3 열 감지 디바이스에 제3 전류 밀도를 생성하는 단계(1630); T로 배치된 제4 열 감지 디바이스에 제4 전류 밀도 - 상기 제4 전류 밀도는 제3 전류 밀도와 상이함 - 를 생성하는 단계(1640); 한편으로 제1 전류 밀도 및 T에 응답하여 제1 열 감지 디바이스에 의해 생성된 제1 전압과 다른 한편으로 제2 전류 밀도 및 T에 응답하여 제2 열 감지 디바이스에 의해 생성된 제2 전압 사이의 제1 차동 전압을 획득하는 단계(1650); 한편으로 제3 전류 밀도 및 T에 응답하여 제3 열 감지 디바이스에 의해 생성된 제3 전압과 다른 한편으로 제4 전류 밀도 및 T에 응답하여 제4 열 감지 디바이스에 의해 생성된 제4 전압 사이의 제2 차동 전압을 획득하는 단계(1660); 제1 이득 계수에 의해 곱해진 제1 차동 전압과 제2 이득 계수 - 상기 제2 이득 계수는 제1 이득 계수와 상이함 - 에 의해 곱해진 제2 차동 전압 사이의 제3 차동 전압(dV)을 획득하는 단계 (1670); 및 제3 차동 전압을 기초로 T를 결정하는 단계(1680)를 포함한다.

도 3을 참조하면, 본 개시 내용의 일 양태에 따른 열 센서 회로(300)는 실질적으로 PTAT 열 센서를 얻기 위해 전술한 방식을 구현한다. 이 예에서, 회로(300)는 이산-타이밍-형 회로이다. 상기 회로는 전술한 BJT 쌍(110, 140) 및 이 예에서는 한 쌍의 스위칭된 커패시터 증폭기(310, 340)인 신호 처리 회로를 포함한다. 스위칭된 커패시터 증폭기(310)는 연산 증폭기(312), 입력 커패시터(314), 피드백 커패시터(316) 및 스위치(318, 320, 322)를 포함하며, 스위치는 스위칭 트랜지스터를 포함하는 임의의 적절한 스위칭 디바이스일 수 있다. 유사하게, 스위칭된 커패시터 증폭기(340)는 연산 증폭기(342), 입력 커패시터(344), 피드백 커패시터(346) 및 스위치(348, 350, 352)를 포함하며, 스위치는 스위칭 트랜지스터를 포함하는 임의의 적절한 스위칭 디바이스일 수 있다. 증폭기(310)의 스위치된 입력은 다이오드-연결된 트랜지스터(124, 134)의 각각의 이미터에 연결되어 차동 신호(dV_BE1)를 수신하는 데, 이 차동 신호는 다이오드-연결된 트랜지스터(124)의 이미터에서의 전압(V_BE1a)과 다이오드-연결된 트랜지스터(134)의 이미터에서의 전압(V_BE1b) 사이의 차이이다. 유사하게, 증폭기(340)의 스위치된 입력은 다이오드-연결된 트랜지스터(154, 164)의 각각의 이미터에 연결되어 차동 신호(dV_BE2)를 수신하는 데, 이 차동 신호는 다이오드-연결된 트랜지스터(154)의 이미터에서의 전압(V_BE2a)과 다이오드-연결된 트랜지스터(164)의 이미터에서의 전압(V_BE2b) 사이의 차이이다.

일 예의 증폭기(310, 340)는 각각 M 및 N을 가지며, 여기서 MS2-NS1=0 이고, S1 및 S2는 각각 의도된 작동 온도 범위(예, 약 40 ℃ 내지 약 125 ℃)에서의 dV_BE2-T 곡선(182) 및 dV_BE1-T 곡선(172)을 근사화하는 선의 y-교차점이다. 차동 출력 신호(dV_BE12)는 전술한 바와 같이 의도된 작동 온도 범위 내의 절대 온도에 실질적으로 비례한다. 따라서, 열 센서(300)는 단일점 보정에 취약하다.

본 개시 내용에서 사용된 바와 같이, "이득" 또는 "증폭"은 회로("증폭기")로의 입력 신호에 곱해져서 회로의 출력을 생성하는 계수를 의미하고; 해당 계수는 1보다 큰 수로 제한되지 않는다.

스위칭된 커패시터 샘플/홀드 회로와 같은 다른 이산-타이밍-형 회로도 사용될 수 있다.

2개의 BJT 쌍에 대해 상이한 이득을 얻기 위한 신호 처리 회로는 이러한 목적에 적절한 임의의 종류의 것일 수 있다. 예를 들어, 연속-DC-형 회로가 사용될 수도 있다. 도 4에서, 예를 들어, 도 3에 예시된 스위칭된 커패시터 증폭기(310, 340) 대신에 연속-DC-형 증폭기(400)가 사용될 수 있다. 증폭기(400)는 한 쌍의 합산 증폭기(410, 430) 및 차동 증폭기(450)를 포함한다. 제1 합산 증폭기(410)는 연산 증폭기(410), 2개의 입력 저항(414, 416) 및 피드백 저항(418)을 포함한다. 유사하게, 제2 합산 증폭기(430)는 연산 증폭기(430), 2개의 입력 저항(434, 436) 및 피드백 저항(438)을 포함한다. 차동 증폭기(450)는 한 쌍의 연산 증폭기(452, 454), 연산 증폭기(452)와 관련된 입력 저항(456) 및 피드백 저항(458), 그리고 연산 증폭기(454)와 관련된 입력 저항(460) 및 피드백 저항(462)을 포함한다. 합산 증폭기(410, 430)는 2쌍의 입력(증폭기(410)의 경우 V_BE1a 및 V_BE2b, 증폭기(430)의 경우 V_BE2a 및 V_BE1b)을 수신한다. 합산 증폭기(410, 430)의 출력은 차동 증폭기(450)로 입력된다. 차동 증폭기(450)의 출력(ΔV)은 입력(V_BE1a, V_BE2b, V_BE2a, V_BE1b)의 선형 조합이다. 저항의 저항값을 적절히 선택하면, ΔV를 dV_BE1과 dV_BE2의 선형 조합으로 설정할 수 있다. 예를 들어, 도 4에 표시된 저항값에 의해, R₁=R₂=R₃=R₄에 대해 ΔV=M·dV_BE1-dV_BE2이고, M은 ΔV를 절대 온도에 실질적으로 비례하게 만드는 값이다(예, M·S2-S1=0).

도 5를 참조하면, 본 개시 내용의 다른 양태에 따른 열 센서 회로(500)는 2개의 브랜치의 BJT 쌍(510, 540)을 포함한다. 제1 BJT 쌍(510)은 한 쌍의 다이오드-연결된 트랜지스터(524, 534) 및 전류-바이어스 트랜지스터(M1(522), M2(526), M3(532) 및 M4(536))를 포함하며, 여기서 "M1", "M2", "M3"및 "M4"는 각각의 트랜지스터(522, 526, 532, 536)의 채널 폭과 같은 크기를 나타낸다. 유사하게, 제2 BJT 쌍(540)은 한 쌍의 다이오드-연결된 트랜지스터(554, 564) 및 전류-바이어스 트랜지스터(M5(552), M6(556), M7(562) 및 M8(566))를 포함하고, 여기서 "M5", "M6", "M7" 및 "M8"은 각각의 트랜지스터(552, 556, 562, 566)의 채널 폭과 같은 크기를 나타낸다. 이 예에서 트랜지스터(M1~M8)는 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)와 같은 전계 효과 트랜지스터(FET)이지만, 임의의 적절한 유형의 트랜지스터일 수 있다. 제1 브랜치(510)에서의 제1 다이오드-연결된 트랜지스터(524)의 이미터는 트랜지스터(M2(526) 및 M5(552))의 드레인에 직접 연결되고; 제2 브랜치(540)에서의 제1 다이오드-연결된 트랜지스터(554)의 이미터는 트랜지스터(M6(556) 및 M1(522))의 드레인에 직접 연결된다. 제1 브랜치(510)에서의 제2 다이오드-연결된 트랜지스터(534)의 이미터는 저항(R1(538))을 통해 트랜지스터(M3(532) 및 M8(566))의 드레인에 연결되고; 제2 브랜치(540)에서의 제2 다이오드-연결된 트랜지스터(564)의 이미터는 저항(R2(568))를 통해 트랜지스터(M7(562) 및 M4(536))의 드레인에 연결된다.

각각의 브랜치(510, 540)는 각각의 증폭기(570, 580)와 관련된다. 제1 증폭기(570)의 입력은 저항(R1(538))을 통한 다이오드-연결된 트랜지스터(524, 534)의 이미터 사이의 차동 전압(dV_BE1)이고; 제2 증폭기(580)의 입력은 저항(R2(568))를 통한 다이오드-연결된 트랜지스터(554, 564)의 이미터 사이의 차동 전압(dV_BE2)이다. 제1 증폭기(570)의 출력은 트랜지스터(M1(522), M2(526), M3(532) 및 M4(536))의 제어 전극(이 예에서는 게이트)에 연결되고; 제2 증폭기(580)의 출력은 트랜지스터(M5(552), M6(556), M7(562) 및 M8(566))의 제어 전극(이 예에서는 게이트)에 연결된다.

열 센서(500)의 제1 출력(V_out1)은 제1 출력 저항(R4(598))과 제1 출력 트랜지스터(M10(596))의 드레인 사이의 접합부에 제공되고; 열 센서(500)의 제2 출력(V_out2)은 제2 출력 저항(R3(594))과 제2 출력 트랜지스터(M9(592))의 드레인 사이의 접합부에 제공된다. 제1 출력 트랜지스터(M10(596))의 제어 전극(이 예에서는 게이트)은 트랜지스터(M1(522), M2(526), M3(532) 및 M4(536))의 제어 전극에 연결되고; 제2 출력 트랜지스터(M9(592))의 제어 전극(이 예에서는 게이트)은 트랜지스터(M5(552), M6(556), M7(562) 및 M8(566))의 제어 전극에 연결된다. 트랜지스터(M1~M10)의 소스 전극은 서로 연결된다. 트랜지스터(M10) 및 저항(R4)은 트랜지스터(M1)와 제1 전류 미러를 형성하여, 저항(R4)으로부터 전압 출력(V_out1) 및 트랜지스터(M1)를 통해 전류(I2)의 이미지 전류를 생성한다. 마찬가지로, 트랜지스터(M9) 및 저항(R3)은 트랜지스터(M8)와 제2 전류 미러를 형성하여, 저항(R3)으로부터 전압 출력(V_out2) 및 트랜지스터(M8)를 통해 전류(I1)의 이미지 전류를 생성한다.

이 예에서, 출력(V_out1 및 V_out2)은 각각 dV_BE1 및 dV_BE2의 함수이고, 이들 각각은 BJT 쌍(510, 540)에서의 전류 밀도 비율의 함수이다. 도 3에 예시된 구성과 유사하게, 각 BJT 쌍의 전류 밀도 비율은 동일한 BJT 크기(n=m; p=q)와 트랜지스터(M2 및 M3(BJT 쌍(510)의 경우)를 통한 전류 사이의 1이 아닌 비율(I_M2:I_M3) 또는 트랜지스터(M6 및 M7(BJT 쌍(540)의 경우))를 통한 전류 사이의 1이 아닌 비율(I_M6:I_M7)에 의해 설정될 수 있다. 대안적으로, 각각의 BJT 쌍에서의 전류 밀도 비율은 트랜지스터(M2 및 M3) 또는 트랜지스터(M6 및 M7)를 통한 동일한 전류(I_M2:I_M3=1 또는 I_M6:I_M7=1)와 상이한 BJT 크기에 의해 설정될 수 있다. 상기 2가지 구성(즉, 상이한 BJT 크기 및 트랜지스터 전류)의 조합도 사용될 수 있다.

전류 비율(I_M2:I_M3 및 I_M6:I_M7)은 각각 dV_BE1/R1 및 dV_BE2/R2의 함수이다. 전류 비율은 트랜지스터(M1 및 M2; M4 및 M3; M5 및 M6; M8 및 M7) 사이의 W/L 비율의 함수이고, 여기서 트랜지스터의 W/L 비율은 트랜지스터의 채널의 종횡비(폭:길이)이다. 일 예에서, 트랜지스터(M1과 M2) 사이, 그리고 트랜지스터(M4와 M3) 사이의 W/L 비율의 비는 1:m이고; 트랜지스터(M5와 M6) 사이, 그리고 트랜지스터(M8과 M7) 사이의 W/L 비율의 비는 1:k이다. 이러한 구성에서, 출력(V_out1)은 k₁(m₁dV_BE1-dV_BE2)이며, 여기서 k₁ 및 m₁은 R1, R2, m, k 및 R4의 함수이고; 유사하게, 출력(V_out2)은 k₂(m₂dV_BE1-dV_BE2)이며, 여기서 k₂ 및 m₂은 R1, R2, m, k 및 R3의 함수이다. 따라서, 저항값(R1, R2, R3 및 R4)와 비율(m 및 k)을 적절히 선택하는 것에 의해, dV_BE2 및/또는 dV_BE1에 대한 전압 오프셋을 설정하여 단일점 보정에 적절한 PTAT 전압을 생성할 수 있다.

도 6을 참조하면, 본 개시 내용의 다른 양태에 따른 열 센서 회로(600)는 2개의 브랜치의 BJT 쌍(610, 640)을 포함한다. 제1 BJT 쌍(610)은 한 쌍의 다이오드-연결된 트랜지스터(624, 634) 및 전류-바이어스 트랜지스터(M1(622), M2(626), M3(632))를 포함하며, 여기서 "M1", "M2" 및 "M3"은 각각의 트랜지스터(622, 626, 632)의 채널 폭과 같은 크기를 나타낸다. 유사하게, 제2 BJT 쌍(640)은 한 쌍의 다이오드-연결된 트랜지스터(654, 664) 및 전류-바이어스 트랜지스터(M4(456), M5(562) 및 M6(666))를 포함하고, 여기서 "M4", "M5" 및 "M6"은 각각의 트랜지스터(656, 662, 666)의 채널 폭과 같은 크기를 나타낸다. 이 예에서 트랜지스터(M1~M6)는 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)와 같은 전계 효과 트랜지스터(FET)이지만, 임의의 적절한 유형의 트랜지스터일 수 있다. 제1 브랜치(610)에서의 제1 다이오드-연결된 트랜지스터(624)의 이미터는 트랜지스터(M2(626) 및 M6(666))의 드레인에 직접 연결되고; 제2 브랜치(640)에서의 제1 다이오드-연결된 트랜지스터(654)의 이미터는 트랜지스터(M4(656))의 드레인에 직접 연결된다. 제1 브랜치(610)에서의 제2 다이오드-연결된 트랜지스터(634)의 이미터는 저항(R1(638))을 통해 트랜지스터(M3(632))의 드레인에 연결되고; 제2 브랜치(640)에서의 제2 다이오드-연결된 트랜지스터(664)의 이미터는 저항(R2(668))를 통해 트랜지스터(M5(662) 및 M1(622))의 드레인에 연결된다.

각각의 브랜치(610, 640)는 각각의 증폭기(670, 680)와 관련된다. 제1 증폭기(670)의 입력은 저항(R1(638))을 통한 다이오드-연결된 트랜지스터(624, 634)의 이미터 사이의 차동 전압(dV_BE1)이고; 제2 증폭기(680)의 입력은 저항(R2(668))를 통한 다이오드-연결된 트랜지스터(654, 664)의 이미터 사이의 차동 전압(dV_BE2)이다. 제1 증폭기(670)의 출력은 트랜지스터(M1(622), M2(626), M3(632))의 제어 전극(이 예에서는 게이트)에 연결되고; 제2 증폭기(680)의 출력은 트랜지스터(M4(656), M5(662) 및 M6(666))의 제어 전극(이 예에서는 게이트)에 연결된다.

열 센서(600)의 제1 출력(V_out1)은 제1 출력 저항(R4(698))과 제1 출력 트랜지스터(M7(696))의 드레인 사이의 접합부에 제공되고; 열 센서(600)의 제2 출력(V_out2)은 제2 출력 저항(R3(694))과 제2 출력 트랜지스터(M8(692))의 드레인 사이의 접합부에 제공된다. 제1 출력 트랜지스터(M7(696))의 제어 전극(이 예에서는 게이트)은 트랜지스터(M1(622), M2(626), M3(632))의 제어 전극에 연결되고; 제2 출력 트랜지스터(M8(692))의 제어 전극(이 예에서는 게이트)은 트랜지스터(M4(456), M5(562) 및 M6(666))의 제어 전극에 연결된다. 트랜지스터(M1~M8)의 소스 전극은 서로 연결된다. 트랜지스터(M7) 및 저항(R4)은 트랜지스터(M1)와 제1 전류 미러를 형성하여, 저항(R4)으로부터 전압 출력(V_out1) 및 트랜지스터(M1)를 통해 전류(I2)의 이미지 전류를 생성한다. 마찬가지로, 트랜지스터(M8) 및 저항(R3)은 트랜지스터(M6)와 제2 전류 미러를 형성하여, 저항(R3)으로부터 전압 출력(V_out2) 및 트랜지스터(M6)를 통해 전류(I1)의 이미지 전류를 생성한다.

이 예에서, 출력(V_out1 및 V_out2)은 각각 dV_BE1 및 dV_BE2의 함수이고, 이들 각각은 BJT 쌍(610, 640)에서의 전류 밀도 비율의 함수이다. 도 3 및 도 5에 예시된 구성과 유사하게, 각 BJT 쌍의 전류 밀도 비율은 BJT 크기(n/m; p/q)와 트랜지스터(M1. M2, M3(BJT 쌍(610)의 경우)를 통한 전류 사이의 비율(I_M1:I_M2:I_M3) 또는 트랜지스터(M4, M5, M6(BJT 쌍(640)의 경우))를 통한 전류 사이의 비율(I_M4:I_M5:I_M6)에 의해 설정될 수 있다. 전류 비율은 각각 dV_BE1/R1 및 dV_BE2/R2의 함수이다. 전류 비율은 트랜지스터(M1, M2, M3; 및 M4< M5, M6) 사이의 W/L 비율의 함수이다 도 5에 예시된 구성과 유사하게, 도 6의 구성에서, 출력(V_out1)은 k₁(m₁dV_BE1-dV_BE2)이며, 여기서 k₁ 및 m₁은 R1, R2, R4의 함수 및 M1, M2, M3의 W/L 비율이고; 유사하게, 출력(V_out2)은 k₂(m₂dV_BE1-dV_BE2)이며, 여기서 k₂ 및 m₂은 R1, R2, R3의 함수 및 M4, M5, M6의 W/L 비율이다. 따라서, 저항값(R1, R2, R3 및 R4)와 W/L 비율을 적절히 선택하는 것에 의해, dV_BE2 및/또는 dV_BE1에 대한 전압 오프셋을 설정하여 단일점 보정에 적절한 PTAT 전압을 생성할 수 있다. 예로서, 도 6에 예시된 열 센서의 여러 프로세스 코너(TT, FF 및 SS)에 대한 온도의 함수로서의 온도 오류 도식이 도 7에 예시되어 있다. 단일점 보정은 25 ℃에서 수행된다. -25 ℃ ~ 110 ℃의 온도 범위에서 온도 오류는 약 3 ℃ 이내에 있다. 즉, dV_BE12-T 도식에서 (T=0 K, dV_BE12=0 V) 및 (T=273 K + 25 K, 25 ℃에서의 dV_BE12)를 통과하는 직선(PTAT)에 의해 결정된 온도는 실제 온도와는 3 ℃ 이하의 온도만큼 상이하다. 보다 일반적으로, dV_BE12-T 도식에서 (T=0 K, dV_BE12=0 V) 및 보정점(예, T=273 K + 25 K, 25 ℃에서 dV_BE12)을 통과하는 직선(PTAT) 라인에 의해 결정된 온도가 의도된 온도 범위에 걸쳐 디바이스(예, 집적 회로)의 적절한 작동에 허용되는 것으로 간주되는 양(예, 3 ℃, 2 ℃ 또는 1 ℃) 이하 만큼 실제 온도와 다른 경우, 열 센서의 출력은 실질적으로 PTAT이다.

본 개시 내용의 다른 양태에서, 더 선형인 온도 의존성을 달성하기 위해 2개의 트랜지스터 쌍의 출력 신호를 결합하는 대신에, 2개의 단일 트랜지스터로부터의 온도-의존성 전압을 단일 트랜지스터에서보다 더 선형적인 신호를 얻도록 온도와 함께 적절히 결합할 수 있다. 예를 들어, 본 개시 내용의 일 양태에서, BJT 쌍(110)과 같은 단일 BJT 쌍의 베이스-이미터 전압(V_BE)을 어느 트랜지스터 (124, 134)의 V_BE보다 절대 온도와 더 선형적인 신호를 생성하도록 적절히 결합할 수 있다.

도 8a에 예시된 바와 같이, 도 1a에 예시된 BJT 쌍(110)과 같은 BJT 쌍의 각각의 트랜지스터는 온도-의존적 V_BE를 생성한다. 따라서, 예를 들어, 다이오드-연결된 트랜지스터(124)의 이미터에서의 전압(V_BE1)은 V_BE-온도 곡선(810)을 가지며, 다이오드-연결된 트랜지스터(134)의 이미터에서의 전압(V_BE2)은 V_BE-온도 곡선(820)을 가진다. 도 8b에 예시된 바와 같이, 차동 전압(dV_BE)(840)은 보정점(예, 25 ℃) 또는 그 근처를 제외하고 이상적인 PTAT 온도 의존성(850)으로부터 크게 벗어날 수 있다. 그러나, 본 개시 내용의 일 양태에 따르면, V_BE1 및 V_BE2 모두 중 하나는 서로에 대해 조정되어(예컨대, 증폭되어) 더 선형적인 dV_BE를 달성할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, V_BE-온도 곡선(810)이 조정된 V_BE1'-온도 곡선(830)으로 효과적으로 이동(회전)되도록 V_BE1은 V_BE2에 대해 (예, 증폭에 의해) 조정된다. 차동 전압(dV_BE'=V_BE2-V_BE1')은 도 8b의 dV_BE'-온도 곡선(860)으로 예시된 바와 같이 더 선형인 온도 의존성을 가진다.

특정 예로서, 도 1a의 BJT 쌍(120)에서, 전술한 바와 같이, 차동 전압은 다음과 같이 주어진다.

여기서, r은 2개의 브랜치 사이의 전류 밀도 비율이다. 양측의 다이오드-연결된 트랜지스터를 통한 전류가 동일한 경우, 전류 밀도 비율은 이미터 면적 비율의 역수, n/m=N 이다. η가 온도에 대해 상수가 아닌 경우, dV_BE는 PTAT가 아니다. 그러나, 본 개시 내용의 일 양태에 따르면, dV_BE가 PTAT에 더 가까워 지도록 V_BE1 및 V_BE2가 다르게 증폭될 수 있다. 예를 들어, V_BE1은 계수(C_s)에 의해 증폭된다. 차동 전압(dV_BE=C_sV_BE1-V_BE)는 C_s를 적절히 선택함으로써 더 PTAT하게 될 수 있다.

구체적으로, 제1 브랜치(120)에서의 다이오드-연결된 트랜지스터(124)를 통한 전류(I₁)는 다음과 같다.

여기서 I_s는 프로세스 종속 포화 전류이고; 제2 브랜치(130)에서의 다이오드-연결된 트랜지스터(134)를 통한 전류 I₂는 다음과 같다.

V_BE1을 C_s로 증폭하는 것은 전류(I₁ ^Cs)를 가지는 것과 같다:

따라서,

차동 전압은

I₁=I₂=I 인 경우,

여기서, dV_BE-T 관계의 계수(또는 "기울기")인 C"'는,

따라서, 계수는 dV_BE=V_BE1-V_BE2에 대해

(즉, C_s=1)로부터 dV_BE=C_sV_BE1-V_BE2에 대해

로 수정된다. C_s와 I(또는 I₁과 I₂)의 적절한 선택에 의해, 계수

의 도입은 계수, 특히 의도된 작동 온도 범위에서 C"'가 전체적으로 η보다 온도 의존성이 적으며, dV_BE는 더 PTAT가 되도록 이상 계수(η)의 온도 의존성을 보상하는 데 사용될 수 있다.

더 일반적으로, V_BE1 및 V_BE2는 단순한 증폭에 의한 것과 다른 방식으로 서로 다르게 처리될 수 있다. 예를 들어, V_BE1 및 V_BE2를 위한 증폭기는 C_s가 상수 대신에 온도 의존 계수로 구성될 수 있다.

전술한 dV_BE-T 관계의 선형화는 다양한 회로에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 9에 예시된 바와 같이, 도 3에 예시된 것과 같은 이산-타이밍-형 회로는 V_BE1 및 V_BE2를 다르게 증폭시키는 데 사용될 수 있다. 이 예에서, 열 센서(900)는 2개의 BJT 브랜치(920, 930)를 포함한다. 제1 브랜치(920)는 제1 전류원(922) 및 제1 다이오드-연결된 트랜지스터(924)를 포함하고; 제2 브랜치(930)는 제2 전류원(932) 및 제2 다이오드-연결된 트랜지스터(934)를 포함한다. 이 예의 신호 처리 회로는 도 3에 예시된 스위칭된 커패시터 증폭기(310, 340)와 동일한 유형의 한 쌍의 스위칭된 커패시터 증폭기(970, 980)를 포함한다. 증폭기(970, 980)는 연결되어 각각의 브랜치(920, 930)로부터 이미터 전압(V_BE1 및 V_BE2)을 입력으로서 수신한다. 증폭기(970, 980)는 각각 상이한 이득(S₁과 S₂)을 가진다. 증폭기(970, 980)의 출력은 차동 신호(V_BE)를 제공한다. S₁ 및 S₂는 의도된 작동 온도 범위, 예를 들어 약 -40 ℃ 내지 약 125 ℃ 내에서 만족스럽게 PTAT 인 dV_BE를 생성하도록 선택될 수 있다.

다른 실시예에서, 도 10에 예시된 바와 같이, 연속-DC-형 열 센서(1000)는 2개의 BJT 브랜치(1020, 1030)를 포함한다. 제1 브랜치(1020)는 이 예에서 MOSFET M1(1022)인 제1 전류원 및 제1 다이오드-연결된 트랜지스터(1024)를 포함하고; 제2 브랜치(1030)는 이 예에서 MOSFET M2(1032)인 제2 전류원 및 제2 다이오드-연결된 트랜지스터(1034)를 포함한다. M1 및 M2는 다른 트랜지스터(이 예에서는 MOSFET M3(1040))와 전류 미러를 형성하고, M3을 통해 전류 I₁과 동일한 전류를 공급한다. 제1 트랜지스터(1024)의 이미터 전압(V_BE1)은 증폭기에 인가되는 데, 해당 증폭기는 이 예에서는 직렬로 연결된 저항(R1(1052) 및 R2(1054))으로 구성되고 Cs=R1/(R1+R2)의 이득을 갖는 전압 분배기이다. 제1 브랜치(1020)의 출력 전압(V₁)은 R1과 R2의 접합점에서 취해진다. 제2 브랜치(1030)의 출력 전압(V₂)은 제2 트랜지스터(1034)의 이미터에서 취해져서, 즉 V₂=V_BE2 이다. 열 센서(1000)의 차동 출력 전압은 dV_BE=V₁-V₂ 이다.

다른 실시예에서, 도 11에 예시된 바와 같이, 연속-DC-형 열 센서(1100)는 직렬 연결된 저항(R1(1052) 및 R2(1054))에 의해 형성된 전압 분배기에 V_BE1을 공급하기 위해 드라이버(전압 팔로워(follower))(1160)를 사용하는 것을 제외하고는 도 10의 센서(1000)와 동일하다.

다른 실시예에서, 도 12에 예시된 바와 같이, 연속-DC-형 열 센서(1200)는 제1 브랜치(1220)가 2개의 서브-브랜치(1220A, 1220B)를 포함하는 것을 제외하고는 도 10 및 11에 예시된 열 센서(1000, 1100)와 유사하다. 서브 브랜치(1220A, 1220B)는 각각 이 예에서는 MOSFET M1 또는 M2(1222A, 1222B)인 제1 전류원 및 제1 다이오드-연결된 트랜지스터(1224A, 1224B)를 포함하고; 제2 브랜치(1230)는 이 예에서 MOSFET M3(1232)인 제2 전류원 및 제2 다이오드-연결된 트랜지스터(1234)를 포함한다. M1, M2 및 M3은 이 예에서 MOSFET M4(1240)인 다른 트랜지스터와 전류 미러를 형성하고, M4를 통해 전류(I₁)와 동일한 전류를 공급한다. 이 예에서, 제1 및 제2 서브 브랜치(1220A, 1220B)의 전류 밀도는 동일하지만 제2 브랜치(1230)의 전류 밀도와는 다르다. 제1 트랜지스터(1224A)의 이미터 전압(V_BE1)은 계수(C_s) 발생기, 즉 증폭기(예, 전압 분배기)(1252)에 인가된다. 계수 발생기(1252)의 출력은 V_BE에 의해 미세 조정된다. 가변 저항과 같은 증폭기일 수 있는 조정 회로(1256)는 전압 분배기(1252)의 저항과 결합하여 전압 분배기의 출력 전압을 조정할 수 있다. (V_BE의 출력 전압(V₁)) 조정 회로(1256)는 제1 다이오드-연결된 트랜지스터(1224B)의 이미터에 연결된다. 제2 브랜치(1230)의 출력 전압(V₂)은 제2 트랜지스터(1234)의 이미터에서 취해져서, 즉 V₂=V_BE2 이다. 열 센서(1200)의 차동 출력 전압은 dV_BE=V₁-V₂ 이다.

다른 실시예에서, 도 13에 예시된 바와 같이, 본 개시 내용의 일 양태에 따른 열 센서(1300)에서, 단일 다이오드-연결된 트랜지스터(1324)가 상이한 바이어스 전류 하에서 V_BE를 교대로 발생시키는 데 사용되며, 교대로 생성된 V_BE는 결합되어 실질적으로 PTAT인 신호를 생성한다.

이 실시예에서, 2개의 전류원(1322, 1332)은 각각의 스위치(예, 스위칭 트랜지스터)(SW1 및 SW2)(1326, 1336)를 통해 다이오드-연결된 트랜지스터(1324)의 이미터에 연결된다. 전류원(1322, 1332)은 다이오드-연결된 트랜지스터(1324)에 다른 전류 레벨을 공급한다. V_BE 조정 회로(1356)가 스위치(예, 스위칭 트랜지스터)(SW3)(1358)를 통해 다이오드-연결된 트랜지스터(1324)를 가로 질러 연결된다. 스위치(SW1, SW2 및 SW3)(1326, 1336, 1358)는 마이크로 컨트롤러 유닛("MCU")과 같은 처리 유닛(미도시)으로부터의 제어 신호(1360)에 의해 동작된다. 다이오드-연결된 트랜지스터(1324)의 이미터 전압은 아날로그-디지털 변환기("ADC")에 입력되고; ADC의 출력은 처리 유닛 또는 별도의 처리 유닛일 수 있는 프로세서에 연결된다.

일 실시예에 따른 동작에서, 처리 유닛은 다이오드-연결된 트랜지스터(1324)에 2개의 상이한 전류를 교대로 공급하기 위해 SW1 및 SW2를 교대로 톤 온시키는 제어 신호(1360)를 출력한다. 처리 유닛은 SW1이 턴 온되거나 SW2가 턴 온되는 동안 SW3을 턴 온시키는 제어 신호(1360)를 출력한다. 따라서, 제어 신호(1360)에 따라, 실질적으로 PTAT 온도 신호를 생성하는 데 사용될 수 있는 4개의 V_BE가 생성될 수 있으며: V_BE1은 V_BE 조정없이 제1 전류원(1322)에 의해 생성된 이미터 전압이고; V_BE2는 V_BE 조정없이 제2 전류원(1332)에 의해 생성된 이미터 전압이고; V_BE3은 V_BE 조정으로 제1 전류원(1322)에 의해 생성된 이미터 전압이고; V_BE4는 V_BE 조정으로 제2 전류원(1332)에 의해 생성된 이미터 전압이다. ADC(1380)로부터 V_BE2 및 V_BE3의 디지털 표현을 수신하는 프로세서(미도시)는 dV_BE=V_BE3-V_BE2를 계산할 수 있으며, 이는 V_BE 조정 회로의 적절한 설정으로 실질적으로 PTAT이다. 대안적으로, 프로세서는 ADC(1380)로부터 V_BE1 및 V_BE4의 디지털 표현을 수신하여 dV_BE=V_BE4-V_BE1를 계산할 수 있으며, 이는 V_BE 조정 회로의 적절한 설정으로 실질적으로 PTAT이다. 획득된 스위치 조합과 대응하는 dV_BE가 아래 표에 요약되어 있다.

SW1	SW2	SW3	V _BE	dV _BE
On	Off	On	V _BE3	V _BE3-V _BE2
Off	On	Off	V _BE2	V _BE3-V _BE2
On	Off	Off	V _BE1	V _BE4-V _BE1
Off	On	On	V _BE4	V _BE4-V _BE1

도 14는 25 ℃에서의 단일점 보정에 따른 도 11의 프로토타입 열 센서의 TT 프로세스 코너에서의 -40 ℃ 내지 125 ℃의 온도 범위에 대한 온도 오차를 예시한다. 알 수 있듯이, 온도 오류는 2 ℃ 이내이다.

BJT가 전술한 다수의 열 센서에 온도-의존 전압을 생성하는 데 사용되지만, 온도-의존 출력을 가지는 다른 디바이스가 사용될 수 있다. 예를 들어, 임의의 밴드갭 열 감지 디바이스가 사용될 수 있다. 예로서, 일부 실시예에서, BJT 트랜지스터 대신에 다이오드가 사용된다. 다른 예에서, MOSFET과 같은 전계 효과 트랜지스터(FET)가 도 1a, 도 3~6 및 도 9~13에 예시된 모든 열 센서에서 BJT 대신에 사용될 수 있다. 더 구체적으로, 서브 임계 조건에서 동작하는 FET가 사용될 수 있다. 더 구체적인 예에서, 도 15에 예시된 바와 같이, 열 센서(1500)는 본질적으로 도 5에 예시된 것과 동일하고; 차이점은 도 5의 센서(500)에서의 다이오드-연결된 BJT(524, 534, 554, 564)가 도 15의 센서(1500)에서 서브 임계 조건에서 동작하는 다이오드-연결된 MOSFET(1524, 1534, 1554, 1564)로 대체된 것이다.

이상의 설명은 당업자가 본 개시 내용의 여러 측면들을 잘 이해할 수 있도록 여러 실시예의 특징부들의 개요를 설명한 것이다. 당업자들은 자신들이 여기 도입된 실시예와 동일한 목적을 수행하거나 및/또는 동일한 장점을 달성하기 위해 다른 공정 또는 구조를 설계 또는 변형하기 위한 기초로서 본 개시 내용을 용이하게 이용할 수 있음을 알아야 한다. 또한, 당업자들은 균등적인 구성이 본 개시 내용의 취지 및 범위를 벗어나지 않으며 그리고 본 개시 내용의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 변화, 대체 및 변경을 이룰 수 있음을 알아야 한다.

Claims

열 센서로서,
제1 온도 의존 신호를 생성하도록 구성된 제1 온도-감지 디바이스;
제2 온도 의존 신호를 생성하도록 구성된 제2 온도-감지 디바이스; 및
상기 제1 및 제2 온도-감지 디바이스로부터 상기 제1 및 제2 온도 의존 신호를 수신하도록 작동 가능하게 연결되고, 서로 다른 처리 파라미터를 사용하여 상기 수신된 신호를 처리하여 각각 제1 및 제2 처리된 신호를 생성하도록 구성되고, 상기 제1 및 제2 처리된 신호를 기초로 출력 신호를 생성하도록 구성된 신호 처리 회로
를 포함하고,
작동 온도 범위에서 절대 온도의 함수로서의 상기 제1 처리된 신호의 선형 근사는 0 K 에서 제1 오프셋을 가지며, 상기 작동 온도 범위에서 절대 온도의 함수로서의 상기 제2 처리된 신호의 선형 근사는 0 K 에서 제2 오프셋을 가지고, 상기 제1 오프셋 및 상기 제2 오프셋이 동일하도록 상기 서로 다른 처리 파라미터가 선택되는 것인, 열 센서.
제1항에 있어서,
상기 신호 처리 회로는 제1 이득 계수로 상기 제1 온도-감지 디바이스로부터 수신된 신호를 처리하고, 제2 이득 계수 - 상기 제2 이득 계수는 상기 제1 이득 계수와 상이함 - 로 상기 제2 온도-감지 디바이스로부터 수신된 신호를 처리하도록 구성되며, 상기 신호 처리 회로의 상기 출력 신호는 상기 처리된 신호들 간의 차동 신호인 것인, 열 센서.
제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 온도-감지 디바이스는 각각 2개의 브랜치 회로를 포함하고, 상기 2개의 브랜치 회로 각각은 밴드갭 열 감지 디바이스 및 각각의 밴드갭 열 감지 디바이스를 통해 전류를 통전시키도록 구성된 전류원을 포함하고, 각각의 밴드갭 열 감지 디바이스는 상기 밴드갭 열 감지 디바이스를 통과한 전류에 응답하는 신호를 생성하도록 구성된 것인, 열 센서.
제3항에 있어서,
상기 제1 온도 의존 신호는 제1 브랜치 회로 내의 상기 2개의 밴드갭 열 감지 디바이스에 의해 생성된 신호 간의 차이를 나타내고, 상기 제2 온도 의존 신호는 제2 브랜치 회로 내의 상기 2개의 밴드갭 열 감지 디바이스에 의해 생성된 신호 간의 차이를 나타내는 것인, 열 센서.
제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 온도-감지 디바이스는 각각 밴드갭 열 감지 디바이스 및 각각의 밴드갭 열 감지 디바이스를 통해 전류를 통전시키도록 구성된 전류원을 포함하고, 상기 밴드갭 열 감지 디바이스는 상기 밴드갭 열 감지 디바이스를 통과한 전류에 응답하는 신호를 생성하며, 상기 신호 처리 회로는 상기 밴드갭 열 감지 디바이스에 의해 생성된 신호를 제1 이득 계수로 처리하고, 상기 밴드갭 열 감지 디바이스에 의해 생성된 신호를 제2 이득 계수로 처리하도록 구성되고, 상기 제2 이득 계수는 상기 제1 이득 계수와 상이하며, 상기 신호 처리 회로의 상기 출력 신호는 상기 처리된 신호 간의 차동 신호인 것인, 열 센서.
제3항에 있어서,
상기 밴드갭 열 감지 디바이스는 각각 트랜지스터를 포함하고, 각 브랜치에서의 상기 전류원 및 트랜지스터는 상기 트랜지스터에서 전류 밀도를 생성하도록 구성되고, 상기 전류 밀도는 상기 2개의 브랜치 사이에서 상이하며, 상기 트랜지스터는 바이폴라 접합 트랜지스터 또는 전계 효과 트랜지스터인 것인, 열 센서.
온도를 측정하는 방법으로서,
온도(T)로 배치된 제1 열 감지 디바이스에 제1 전류 밀도를 생성하는 단계;
T로 배치된 제2 열 감지 디바이스에 제2 전류 밀도 - 상기 제2 전류 밀도는 상기 제1 전류 밀도와 상이함 - 를 생성하는 단계;
T로 배치된 제3 열 감지 디바이스에 제3 전류 밀도를 생성하는 단계;
T로 배치된 제4 열 감지 디바이스에 제4 전류 밀도 - 상기 제4 전류 밀도는 상기 제3 전류 밀도와 상이함 - 를 생성하는 단계;
한편으로 상기 제1 전류 밀도 및 T에 응답하여 상기 제1 열 감지 디바이스에 의해 생성된 제1 전압과 다른 한편으로 상기 제2 전류 밀도 및 T에 응답하여 상기 제2 열 감지 디바이스에 의해 생성된 제2 전압 사이의 제1 차동 전압을 획득하는 단계;
한편으로 상기 제3 전류 밀도 및 T에 응답하여 상기 제3 열 감지 디바이스에 의해 생성된 제3 전압과 다른 한편으로 상기 제4 전류 밀도 및 T에 응답하여 상기 제4 열 감지 디바이스에 의해 생성된 제4 전압 사이의 제2 차동 전압을 획득하는 단계;
제1 이득 계수에 의해 곱해진 상기 제1 차동 전압과 제2 이득 계수 - 상기 제2 이득 계수는 상기 제1 이득 계수와 상이함 - 에 의해 곱해진 상기 제2 차동 전압 사이의 제3 차동 전압(dV)을 획득하는 단계; 및
상기 제3 차동 전압을 기초로 T를 결정하는 단계
를 포함하고,
작동 온도 범위에서 절대 온도의 함수로서의 상기 제1 이득 계수와 상기 제1 차동 전압의 곱의 선형 근사는 0 K 에서 제1 오프셋을 가지며, 상기 작동 온도 범위에서 절대 온도의 함수로서의 상기 제2 이득 계수와 상기 제2 차동 전압의 곱의 선형 근사는 0 K 에서 제2 오프셋을 가지고, 상기 제3 차동 전압을 획득하는 단계는, 상기 제1 오프셋 및 상기 제2 오프셋이 동일하도록 상기 제1 이득 계수 및 상기 제2 이득 계수를 선택하는 단계를 포함하는 것인, 온도를 측정하는 방법.
온도를 측정하는 방법으로서,
온도(T)로 배치된 제1 열 감지 디바이스에 제1 전류 밀도를 생성하여 상기 제1 전류 밀도 및 T에 응답하는 제1 전압을 생성하는 단계;
T로 배치된 제2 열 감지 디바이스에 제2 전류 밀도 - 상기 제2 전류 밀도는 상기 제1 전류 밀도와 상이함 - 를 생성하여 상기 제2 전류 밀도 및 T에 응답하는 제2 전압을 생성하는 단계;
제1 이득 계수에 의해 곱해진 상기 제1 전압과 제2 이득 계수 - 상기 제2 이득 계수는 상기 제1 이득 계수와 상이함 - 에 의해 곱해진 상기 제2 전압 사이의 차동 전압(dV)을 획득하는 단계; 및
상기 차동 전압을 기초로 T를 결정하는 단계
를 포함하고,
작동 온도 범위에서 절대 온도의 함수로서의 상기 제1 이득 계수와 상기 제1 전압의 곱의 선형 근사는 0 K 에서 제1 오프셋을 가지고, 상기 작동 온도 범위에서 절대 온도의 함수로서의 상기 제2 이득 계수와 상기 제2 전압의 곱의 선형 근사는 0 K 에서 제2 오프셋을 가지며, 상기 차동 전압을 획득하는 단계는, 상기 제1 오프셋 및 상기 제2 오프셋이 동일하도록 상기 제1 이득 계수 및 상기 제2 이득 계수를 선택하는 단계를 포함하는 것인, 온도를 측정하는 방법.
제8항에 있어서,
상기 온도(T)를 결정하는 단계는,
단일의 알려진 온도(T₀)에서 상기 차동 전압의 값(dV₀)을 획득하는 단계; 및
T=dV·T₀/dV₀로서 - 여기에서, T 및 T_o는 K로 측정됨 - , 온도(T)를 결정하는 단계
를 포함하는 것인, 온도를 측정하는 방법.
제9항에 있어서,
상기 제2 열 감지 디바이스는 상기 제1 열 감지 디바이스이고;
상기 제1 및 제2 전류 밀도를 생성하는 단계는 T 및 상기 제1 및 제2 전류 밀도에 각각 응답하는 제1 및 제2 전압을 교대로 발생시키도록 교대로 수행되며;
상기 차동 전압을 획득하는 단계는, 상기 제1 전류 밀도를 생성하는 동안 상기 제1 전압에 상기 제1 이득 계수를 곱하고, 상기 제2 전류 밀도를 생성하는 동안 상기 제2 전압에 상기 제2 이득 계수를 곱하는 단계를 포함하는 것인, 온도를 측정하는 방법.
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