JP3833472B2 - 電子装置の温度補償 - Google Patents

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は、電子装置、特に、集積回路を含む装置の温度補償に係る。
【０００２】
【背景技術】
本発明による解決策は、以下に述べるように、温度変動の影響を補償しなければならない種々の異なる回路用途に適したものである。このような用途における１つの考えられる目的は、例えば、無線トランシーバに使用できる関数発生器である。従って、以下の説明では、関数発生器を一例として使用する。
【０００３】
指数（又は対数）関数発生器の主たる問題は、その温度安定性である。温度変動により生じる電圧又は電流変化を補償する従来の方法は、環境の絶対温度値に比例する抵抗器、いわゆるＰＴＡＴ抵抗器、を使用することである。この形式の抵抗器は、種々の製造者から個別部品として商業的に入手できる。
しかしながら、これら個別部品を集積回路に関連して使用する場合には、次の述べるような幾つかの欠点が生じる。
【０００４】
第１に、このような外部抵抗器は、回路のコストを高め、即ち個別のＰＴＡＴ抵抗器は高価な部品であり、そしてそれを回路板に取り付けるには時間がかかるので、これもコスト増加を意味する。外部部品を在庫しなければならないために材料管理が複雑になることから、更にコストが増加する。第２に、外部ＰＴＡＴ抵抗器は、回路の信頼性を低下し、即ち外部抵抗器は、回路のＭＴＴＦ値（故障までの平均時間）を短縮する。第３に、外部ＰＴＡＴ抵抗器は、その関連回路を干渉に対してより敏感なものにする。
【０００５】
更に、高い精度で温度補償を実行することは困難であり、複雑な回路を必要とする。これは、外部ＰＴＡＴ抵抗器の温度が、該抵抗器で温度の振舞いが制御される回路を含むチップの温度と異なるためである。それ故、正確な温度補償をするには、温度測定値を回路に導入することが必要となる。
【０００６】
上記欠点は、ＰＴＡＴ抵抗器をチップに集積することにより少なくとも部分的に解消できる。しかしながら、この種の集積には、少数の売主から利用されるだけの非標準的な追加プロセスステップが必要となる。従って、このような解決策は、高いコストを伴い、これは、ひいては、このような集積を、例えば低コスト製品即ち消費者向け製品に適用する妨げとなる。更に、同じ回路が別の売主から後で注文される場合は、幾つかのプロセスステップを再び行なわねばならない。製造プロセスが複雑になるほど、売主特有のプロセスが互いに相違したものとなる。
【０００７】
【発明の開示】
本発明の目的は、上記欠点を軽減すると共に、コストのかかる製造プロセスに依存する必要なく集積回路装置の温度補償を実行できる解決策を提供することである。
この目的は、独立請求項に記載した解決策を使用することにより達成できる。
本発明の基本的な考え方は、温度補償に使用されたＰＴＡＴ抵抗器を、通常の抵抗器と、非直線的温度特性をもつ抵抗素子、好ましくは（ＭＯＳ）ＦＥＴとの直列接続体に置き換えることである。このため、標準的な製造プロセスを使用して温度補償をチップに容易に組み込むことができる。従って、本発明によれば、温度依存性抵抗素子は、通常の抵抗器と、非直線的温度特性をもつ抵抗素子との直列接続によって模擬される。（「通常」とは、ここでは、温度値に関わりなく本質的に一定の抵抗値をもつ素子を指す。）
【０００８】
本発明は、電子装置の温度補償を行う低廉な解決策を提供する。これは、上述した特殊なＩＣ製造プロセスも外部部品も必要とされないためである。従って、本発明の解決策は、大量／低コスト用途（例えば、移動電話のようなエンドユーザ用途）に特に効果的である。
【０００９】
【発明を実施するための最良の形態】
以下、添付図面に示す例を参照して、本発明及びその好ましい実施形態を詳細に説明する。
上述したように、本発明の考え方を実施するときに、１つの好ましい応用分野は、例えば、無線トランシーバのＡＧＣ増幅器に使用される指数関数発生器である。それ故、公知技術及び本発明を指数関数発生器について以下に詳細に説明する。
無線送信器及び受信器のＡＧＣ増幅器を、そのＡＧＣ増幅器の制御電圧と利得ｄＢとの間に直線関係が確立されるように実施すべき場合には、増幅段の電流を発生するために指数関数発生器が回路に必要とされる。
【００１０】
図１は、指数関数発生器の良く知られた原理を示す。この関数発生器は、基準電流Ｉ_refを供給する定電流発生器ＣＣＧと、差動増幅器１１と、２つの（バイポーラ）トランジスタＴ１及びＴ２を含むトランジスタ対ＴＰとを備えている。トランジスタの共通エミッタ電極は、増幅器の出力に接続される。トランジスタＴ１のベースは接地され、一方、トランジスタＴ２のベースは、入力電圧Ｖ_inが接続される入力として働く。トランジスタＴ２のコレクタは、出力電流Ｉ_outを供給する発生器出力を形成する。この電流は、ＡＧＣ増幅段（図示せず）へのバイアス電流として接続される。増幅段は、例えば、ＡＧＣ増幅器及びミクサに一般に使用される標準的な回路であるギルバートセルによって実施することができる。
【００１１】
指数関数発生器の伝達特性は、次の数１の式で表されることが知られている。
【数１】

但し、Ｉ_outは、出力電流、即ち増幅段へ供給されるバイアス電流であり、Ｖ_inは、入力電圧であり、そしてＶ_thは、Ｖ_th＝Ｔｘ(ｋ／ｑ)で与えられる熱電圧である。ここで、Ｔは絶対温度であり、ｋはボルツマン定数であり、そしてｑは基本的電荷（単位電荷）である。
式（１）から明らかなように、出力電流は、指数関数的に温度に依存する。この依存性をデシベルスケール（デシベルで表わした利得）に換算した場合には、出力電流が絶対温度に直線的に依存する。
【００１２】
従来、温度依存性は、式（１）から、図２に示す簡単な電圧分割器により関数発生器に入力電圧Ｖ_inを供給することにより排除されていた。この電圧分割器は、参照文字Ｒ_in及びＲ１で示された２つの抵抗器で構成される。抵抗器Ｒ１は、温度依存性抵抗器（即ち、ＰＴＡＴ抵抗器）であり、その抵抗値は、Ｒ１＝Ｒ₀ｘ(Ｔ／Ｔ₀)により与えられ、Ｒ₀及びＴ₀は定数である。
従って、Ｒ１の上記値を使用すると、入力電圧Ｖ_inは、次の数２で計算される。
【数２】

【００１３】
式(１)及び(２)から明らかなように、温度補償は、Ｒ_inの値がＲ₀の値よりも少なくとも１０倍大きい場合に適切に機能する。実際に、この前提条件は、常に満足される。
上述したように、温度依存性抵抗器は、高いコストの追加プロセスステップを使用することによりチップに集積することができる。しかしながら、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）の温度特性が補償に使用される場合には、製造コストを著しく低減することができ、例えば、一般に使用されるＢＩＣＭＯＳ製造プロセスを集積に使用することができる（ＢＩＣＭＯＳ＝バイポーラ＋ＣＭＯＳ、即ちバイポーラトランジスタが追加されたＣＭＯＳプロセス）。
【００１４】
この形式の補償は、上記温度依存性抵抗器を、ＦＥＴ、好ましくはＭＯＳＦＥＴと、通常の抵抗器との直列接続体に置き換えることを意味する。
この解決策が図３に示されており、この図は、図２と同様の電圧分割器を示すが、この場合に、図２の温度依存性抵抗器Ｒ１が、参照文字ＴＣで示された上記直接接続体に置き換えられている。直列接続体は、ＦＥＴ、好ましくはＭＯＳＦＥＴ３１と、抵抗器Ｒｘとで構成される。ＭＯＳＦＥＴのソース電極は、接地され、そしてドレイン電極は、抵抗器Ｒｘの第１の極に接続される。ＭＯＳＦＥＴのゲート電極には、基準電圧Ｖ_refが印加される。抵抗器Ｒｘの第２の極は、電圧分割器の入力極として働く極に接続される。
【００１５】
一般的に知られているように、ＭＯＳＦＥＴが３極管領域で使用されるときの抵抗器−ＭＯＳＦＥＴ組合体の抵抗値は、次の数３で表わされる。
【数３】

このｒｄｓｏは、トランジスタのドレイン−ソース抵抗値（即ち、チャンネル抵抗値）であり、Ｗは、抵抗器の巾であり、Ｌは、抵抗器の長さであり、β₀は、トランスコンダクタンスパラメータ（製造者により与えられる）であり、Ｖ_t0は、スレッシュホールド電圧であり、Ｔ₀は、公称温度であり、Ｔは、絶対温度であり、Ｖ_gsは、ゲート−ソース電圧であり、そしてＶ_dsは、トランジスタのドレイン−ソース電圧である。スレッシュホールド電圧は、トランジスタをオープンするのに必要な最小のゲート−ソース電圧である。３極管領域では、Ｖ_ds＜＜(Ｖ_gs−Ｖ_t0)である。
【００１６】
Ｒに対するスレッシュホールド電圧Ｖ_t0の作用は、高いゲート−ソース電圧を使用して最小にすることができ、即ち高いゲート−ソース電圧は、ｒｄｓｏを製造プロセスにあまり依存しないようにする。実際に、ゲート−ソース電圧は、１ボルト程度である。更に、ドレイン−ソース抵抗値の直線性エラー、即ち増幅器の利得の直線性エラーを減少するためには、ドレイン−ソース電圧を最小にしなければならない。
式（３）の右辺を既知のテイラー級数で近似すると、次の数４で示すようにＲに対する式（４）が得られる。
【数４】

【００１７】
補償に対する正しい特性を得るために、Ｒｘの値は、式（４）の右辺の最初の２つの項が排除されるように選択されねばならない。このようにすると、次の数５の式が得られる。
【数５】

式（５）に基づいてＲｘの値を選択することによりＲの値を次の数６のように書き表すことができる。
【数６】

【００１８】
図４は、この関係を示すグラフであり、即ち温度補償のグラフ表示である。この図において、曲線Ｒは、式（４）に基づく関係を示し、一方、曲線Ｒ’は、式（６）に基づくその近似を示す。
上述したように、通常の抵抗器と（ＭＯＳ）ＦＥＴとの直接接続体は、温度依存性抵抗器と同様に温度補償に使用することができる。
上記の温度補償が指数関数発生器に使用されるときには、発生器のトランジスタＴ１及びＴ２（図１）を、バイポーラモード（弱い反転）で動作するＭＯＳＦＥＴとして実施するのが効果的である。（ＭＯＳＦＥＴは、非常に低い電圧で駆動された場合にバイポーラトランジスタのように機能する。）このように、最も安価に利用できるプロセスである純粋なＣＭＯＳプロセスにより、関数発生器を製造することができる。
【００１９】
添付図面に示した例を参照して本発明を詳細に説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではなく、請求の範囲に記載した本発明の範囲内で種々の変更がなされ得ることが明らかである。幾つかの考えられる変更を以下に述べる。
上記の例では、ＰＴＡＴ抵抗器が通常の抵抗器及びＭＯＳＦＥＴの直列接続体に置き換えられ、即ちＭＯＳＦＥＴが非直線的温度特性をもつ抵抗素子の例として使用された。しかしながら、補償抵抗器Ｒｘと、非直線的温度特性をもつ抵抗素子との直列接続体は、上記のように、ＰＴＡＴ抵抗器の温度特性を近似するように使用できることに注意されたい。唯一の制約は、補償抵抗器Ｒｘの値が負になり得ないことである。
【００２０】
それ故、上記の特性を例えばＪＦＥＴに対して満足するような他のＦＥＴ形式にも本発明の考え方を適用することができる。又、抵抗器及びＦＥＴの直列接続体に代わって、ＦＥＴのみを使用できることも明らかである。但し、これは、その内部抵抗値が上記項を排除するに充分なほど高く、即ちそのドレイン−ソース抵抗値の半分に対応する内部抵抗値をもつことができる場合である。補償用直列接続体が使用される回路又は装置の形式は、多数のやり方で変更することもできる。
【００２１】
従って、要約すれば、一般に、本発明の考え方は、上記特性を満足する素子、又は素子の組合せに適用することができ、即ち素子／その組合せの全抵抗値が少なくとも第１の近似において周囲温度の値に比例するように素子又はその組合せの一部分の抵抗値を選択できるような素子又は素子の組合せに適用することができる。従って、このような素子又は素子の組合せは、温度依存性抵抗器を温度補償に使用できるいかなる電気回路にも利用することができる。
補償用直列接続体をチップに集積するのが好ましいが、この解決策は、集積回路に限定されるものではなく、個別部品によって直列接続体を実施することもできる。しかしながら、この場合には、上記利益の若干が失われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 既知の指数関数発生器を示す図である。
【図２】 指数関数発生器に対する既知の温度補償回路を示す図である。
【図３】 指数関数発生器のための本発明による温度補償回路を示す図である。
【図４】 本発明による温度補償を示すグラフである。

Claims (7)

1. 電気回路の温度依存性を補償する方法であって、抵抗値が本質的に温度に直接的に比例するインピーダンス素子を使用して、回路の温度変動により生じる影響を補償する段階を含む方法において、
   抵抗素子および電界効果トランジスタ(Rx,31)の直列接続体を上記インピーダンス素子として使用し、上記抵抗素子(Rx)は、温度に関わりなく本質的に一定の抵抗値を有するものであり、そして上記電界効果トランジスタ(31)は、温度に非直線的に依存する抵抗値を有するものであり、そして
   上記直列接続体の抵抗値の近似値が温度に直接比例するように上記抵抗素子の値を選択する、
   という段階を含むことを特徴とする方法。
2. 上記抵抗素子は、その抵抗値が上記電界効果トランジスタのドレイン−ソース抵抗値のほぼ半分となるように構成する請求項１に記載の方法。
3. 上記電界効果トランジスタのゲート電極に基準電圧を印加し、この基準電圧は１ボルト程度である請求項１に記載の方法。
4. トランジスタより成る装置の温度依存性を補償するものであって、上記トランジスタを電界効果トランジスタとして実施し、そして上記トランジスタをバイポーラモードで使用する請求項１に記載の方法。
5. 電気回路の温度依存性を補償する抵抗素子であって、本質的に温度に直接的に比例する抵抗値を有する抵抗素子において、
   この抵抗素子は、抵抗器および電界効果トランジスタ(Rx,31)の直列接続体より成り、上記抵抗器(Rx)は、温度に関わりなく本質的に一定の抵抗値を有するものであり、そして上記電界効果トランジスタ(31)は、温度に非直線的に依存する抵抗値を有するものであり、上記直列接続体の抵抗値の近似値が温度に直接的に比例するように上記抵抗器の抵抗値が選択されていることを特徴とする抵抗素子。
6. 上記抵抗器の抵抗値は、上記電界効果トランジスタのドレイン−ソース抵抗値のほぼ半分である請求項５に記載の抵抗素子。
7. 上記電界効果トランジスタは、ＭＯＳＦＥＴである請求項５に記載の抵抗素子。

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