JP5888009B2 - 温度センサ回路 - Google Patents

Description

本発明は、温度センサ回路に関する。本発明は特に、ＩＣ化に適した温度センサ回路に関する。

発振回路から出力されるクロック信号のパルス幅は、温度に対して変動する温度依存特性を有していることが多い。この温度依存特性を利用して温度を測定する温度センサ回路が開発されており、その一例が特許文献１及び２に開示されている。

この種の温度センサ回路は、２つの発振回路を備えており、一方の発振回路からは温度依存クロック信号が生成され、他方の発振回路からは温度に依存しない基準クロック信号が生成される。この種の温度センサ回路では、基準クロック信号を用いて温度依存クロック信号のパルス幅の変動を計測し、温度情報を得ることを特徴としている。

特開２００７−１８７６５９号公報 特開２００９−２３６６０３号公報

上記したように、この種の温度センサ回路では、温度依存特性を有しない高精度な基準クロック信号を必要とする。しかしながら、実際には、プロセスバラツキの影響によって、高精度な基準クロック信号を生成することは難しい。基準クロック信号を用いないで温度情報を得ることが可能な温度センサ回路が必要とされている。

本明細書で開示される温度センサ回路は、クロック信号を生成する発振回路と、クロック信号を利用して遅延信号を生成する遅延回路と、遅延信号の遅延時間をクロック信号のクロック数に基づいて計測する遅延時間計測回路を備えている。本明細書で開示される温度センサ回路では、クロック信号のパルス幅の温度に対する温度依存特性と遅延信号の遅延時間の温度に対する温度依存特性の相違に基づいて、遅延時間計測回路で計測されるクロック数が温度に対して変動するように構成されている。

上記温度センサ回路では、クロック信号のパルス幅と遅延信号の遅延時間の温度依存特性の相違を利用することを特徴としている。このため、温度依存特性を有するクロック信号を用いて遅延信号の遅延時間を計測したとしても、計測されるクロック数は温度に依存して変動することができるので、そのクロック数から温度情報が得られる。上記温度センサ回路によると、温度依存特性を有しない高精度な基準クロック信号を用いないで温度情報を得ることができる。

図１は、温度センサ回路の概略を示すブロック図である。 図２は、発振回路に含まれるリングオシレータの概略を示す図である。 図３は、遅延回路に含まれるインバータチェーンの概略を示す図である。 図４は、リングオシレータ及びインバータチェーンを構成するインバータの回路図である。 図５は、遅延時間計測回路で計測されるカウント数の温度依存特性を示す図である。 図６Ａは、比較例において、低い温度Ｔａのときの動作波形を示す。 図６Ｂは、比較例において、高い温度Ｔａのときの動作波形を示す。 図７Ａは、実施例において、低い温度Ｔａのときの動作波形を示す。 図７Ｂは、実施例において、高い温度Ｔａのときの動作波形を示す。 図８は、バイナリカウンタを利用する温度センサ回路の概略を示すブロック図である。 図９は、比較例におけるデジタル出力値の温度依存特性を示す。 図１０は、実施例におけるデジタル出力値の温度依存特性を示す。

本明細書で開示される技術の特徴を以下に整理する。
（特徴１）温度センサ回路の一実施形態は、発振回路と遅延回路と遅延時間計測回路とを備えていてもよい。発振回路は、クロック信号を生成するものである。クロック信号のパルス幅は、温度に対して変動してもよい。クロック信号のパルス幅は、温度に対して増加する正の温度依存特性を有していてもよく、温度に対して減少する負の温度依存特性を有していてもよい。発振回路の一例としては、リングオシレータ、シュミットインバータ、ＲＣフィルタ、ＲＣ発振回路を有していてもよい。遅延回路は、クロック信号を利用して遅延信号を生成するものである。ここで、「クロック信号を利用して」とは、クロック信号を直接的に遅延させて遅延信号を生成してもよく、クロック信号を起源とする信号を遅延させて遅延信号を生成してもよい。後者の例には、クロック信号を低周波化させた低周波信号を遅延させて遅延信号を生成する例が含まれる。遅延信号の遅延時間も、温度に対して変動してもよい。遅延信号の遅延時間は、温度に対して増加する正の温度依存特性を有していてもよく、温度に対して減少する負の温度依存特性を有していてもよい。なお、クロック信号のパルス幅が正の温度依存特性を有する場合、遅延信号の遅延時間が正の温度依存特性を有しているのが望ましい。遅延回路の一例としては、インバータチェーン、ＣＲ−ＬＰＦ、位相シフタを有していてもよい。遅延時間計測回路は、遅延信号の遅延時間をクロック信号のクロック数に基づいて計測するものである。遅延時間計測回路は、アナログ回路を利用して遅延時間を計測してもよく、デジタル回路を利用して遅延時間を計測してもよい。遅延時間計測回路は、回路構成の簡単化、小サイズ化のためには、デジタル回路を利用するのが望ましい。クロック信号のパルス幅の温度依存特性と遅延信号の遅延時間の温度依存特性が異なっている。
（特徴２）発振回路は、インバータの複数個がリング状に接続されているリングオシレータを有していてもよい。遅延回路は、インバータの複数個が直列に接続されているインバータチェーンを有していてもよい。この実施形態では、発振回路と遅延回路の双方がＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）で構成することができるので、１チップ化が容易である。
（特徴３）リングオシレータのインバータを構成する電界効果型トランジスタとインバータチェーンのインバータを構成する電界効果型トランジスタが、異なるチャネル長変調効果を有するように構成されていてもよい。この実施形態によると、チャネル長変調効果の相違によって、リングオシレータの温度依存特性とインバータチェーンの温度依存特性が異なるものとなる。すなわち、リングオシレータで生成されるクロック信号のパルス幅の温度依存特性とインバータチェーンで生成される遅延信号の遅延時間の温度依存特性が異なることとなる。この実施形態では、リングオシレータとインバータチェーンの双方のインバータを構成する電界効果型トランジスタのチャネルのレイアウトを調整するだけで、異なる温度依存特性のクロック信号と遅延信号を生成することができる。
（特徴４）温度センサ回路は、クロック信号を低い周波数に変換した低周波信号を生成し、遅延回路に提供する分周回路をさらに備えていてもよい。この実施形態では、遅延時間が、低周波信号の立ち上がりと遅延信号の立ち上がりの時間差とすることができる。
（特徴５）分周回路は、複数段のバイナリカウンタを有していてもよい。この場合、遅延時間計測回路は、バイナリカウンタのカウント値を記憶可能に構成されている記憶装置を有していてもよい。さらに、記憶装置は、遅延回路の出力の立ち上がりに応答して、バイナリカウンタのカウント値を記憶してもよい。この実施形態によると、遅延時間の遅延時間において、バイナリカウンタがカウントしたクロック数が記憶装置に記憶される。また、バイナリカウンタの最上位ビットによって、記憶装置に記憶されるクロック数がリセットされるのが望ましい。

図１に示されるように、温度センサ回路１は、１チップ化された回路であり、発振回路２と分周回路３と遅延回路４と遅延時間計測回路５とを備えている。発振回路２は、クロック信号ＣＬＫを生成するように構成されている。クロック信号ＣＬＫは、例えばデューティー比が５０％の矩形波である。分周回路３は、クロック信号ＣＬＫを低い周波数の低周波信号Ｓ１に変換するように構成されている。分周回路３は、例えばクロック信号ＣＬＫの周波数を１／１０２４倍又は１／２０４８倍に低周波化する。遅延回路４は、低周波信号Ｓ１を遅延させた遅延信号Ｓ２を生成するように構成されている。遅延時間計測回路５は、低周波信号Ｓ１と遅延信号Ｓ２の時間差（遅延信号Ｓ２の遅延時間に相当する）をクロック信号ＣＬＫのクロック数に基づいて計測するように構成されている。また、遅延時間計測回路５は、その計測されたクロック数をデジタルの温度情報Ｄoutに変換して出力するように構成されている。

図２に示されるように、発振回路２は、第１インバータＩＮＶ１の複数個がリング状に接続されたリングオシレータで構成されている。リングオシレータは、例えば１１段の第１インバータＩＮＶ１を有している。

図３に示されるように、遅延回路４は、第２インバータＩＮＶ２の複数個が直列に接続されたインバータチェーンで構成されている。インバータチェーンは、例えば５０段の第２インバータＩＮＶ２を有している。

図４に示されるように、リングオシレータの第１インバータＩＮＶ１とインバータチェーンの第２インバータＩＮＶ２はいずれも、電源電圧Ｖｄｄと接地電圧Ｖｓｓの間に直列に接続された第１トランジスタＴｒ１と第２トランジスタＴｒ２を有するＣＭＯＳを備えている。第１トランジスタＴｒ１は、ｐ型のＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であり、ドレインが電源電圧Ｖｄｄに接続されており、ソースが第２トランジスタＴｒ２のドレインに接続されている。第２トランジスタＴｒ２は、ｎ型のＭＯＳＦＥＴであり、ドレインが第１トランジスタＴｒ１のソースに接続されており、ソースが接地電圧Ｖｓｓに接続されている。第１トランジスタＴｒ１と第２トランジスタＴｒ２の接続点が、次段のインバータを構成するトランジスタのゲートに接続されている。

本実施例では、リングオシレータの第１インバータＩＮＶ１を構成するトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２によるチャネル長変調効果とインバータチェーンの第２インバータＩＮＶ２を構成するトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２によるチャネル長変調効果が異なるように構成されていることを特徴としている。具体的には、ゲート幅を一定としたときに、リングオシレータの第１インバータＩＮＶ１を構成するトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のゲート長が、インバータチェーンの第２インバータＩＮＶ２を構成するトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のゲート長よりも短く構成されている。なお、この例では、第１インバータＩＮＶ１の第１トランジスタＴｒ１のゲート長が第２インバータＩＮＶ２の第１トランジスタＴｒ１のゲート長よりも短く、さらに、第１インバータＩＮＶ１の第２トランジスタＴｒ２のゲート長が第２インバータＩＮＶ２の第２トランジスタＴｒ２のゲート長よりも短い。この例に代えて、第１インバータＩＮＶ１の第１トランジスタＴｒ１と第２トランジスタＴｒ２のいずれか一方のゲート長のみが短くてもよい。

通常、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２は、低温よりも高温で動作電流が小さくなり、動作速度が低下する。このため、リングオシレータの第１インバータＩＮＶ１では、低温よりも高温で動作速度が低下するので、発振するクロック信号ＣＬＫのパルス幅が増加する。すなわち、クロック信号ＣＬＫのパルス幅は、温度に対して略一次関数で増加する正の温度依存特性を有している。また、インバータチェーンの第２インバータＩＮＶ２でも、低温よりも高温で動作速度が低下するので、遅延信号Ｓ２の遅延時間が増加する。すなわち、遅延信号Ｓ２の遅延時間も、温度に対して略一次関数で増加する正の温度依存特性を有している。ここで、チャネル長変調効果とは、ＩＶ特性の飽和領域における電流増加量をいう。このため、チャネル長変調効果が異なるとは、ＩＶ特性の飽和領域における電流増加量が異なることをいう。本実施例では、リングオシレータの第１インバータＩＮＶ１を構成するトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のゲート長がインバータチェーンの第２インバータＩＮＶ２を構成するトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のゲート長よりも短いので、ＩＶ特性の飽和領域における電流増加量に関しては、リングオシレータの第１インバータＩＮＶ１を構成するトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２の方がインバータチェーンの第２インバータＩＮＶ２を構成するトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２よりも大きい。このため、低温から高温に変化したときに、リングオシレータのトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２での電流変化量は相対的に小さく、インバータチェーンのトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２での電流変化量は相対的に大きくなる。この結果、低温から高温に変化したときに、リングオシレータの動作速度の低下量が相対的に小さく、インバータチェーンの動作速度の低下量が相対的に大きくなる。

図５〜７を参照して、本実施例の温度センサ回路１の特徴を説明する。まず、図５及び図６を参照し、比較例の温度センサ回路の動作を説明する。比較例の温度センサ回路は、リングオシレータの第１インバータＩＮＶ１を構成するトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のチャネル長変調効果とインバータチェーンの第２インバータＩＮＶ２を構成するトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のチャネル長変調効果が一致している例（第１インバータＩＮＶ１と第２インバータＩＮＶ２の双方のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のゲート幅及びゲート長が一致している）である。このため、比較例では、低温から高温に変化したときに、リングオシレータの動作速度の低下量とインバータチェーンの動作速度の低下量が一致するので、リングオシレータで生成されるクロック信号ＣＬＫの温度依存特性とインバータチェーンで生成される遅延信号Ｓ２の温度依存特性が一致する。前記したように、クロック信号ＣＬＫのパルス幅は、温度に対して略一次関数で増加する正の温度依存特性を有している。遅延信号Ｓ２の遅延時間も、温度に対して略一次関数で増加する正の温度依存特性を有している。さらに、クロック信号ＣＬＫのパルス幅の温度に対する変化率（基準温度のパルス幅を「１」としたときの任意温度におけるパルス幅の比）と遅延信号Ｓ２の遅延時間の温度に対する変化率（基準温度の遅延時間を「１」としたときの任意温度における遅延時間の比）が略等しい関係となっており、双方の温度依存特性が一致している。

図６Ａ，６Ｂに示されるように、遅延信号Ｓ２が正の温度依存特性を有することから、低周波信号Ｓ１と遅延信号Ｓ２の時間差（遅延信号Ｓ２の遅延時間Ｔ１，Ｔ２）は、相対的に低い温度Ｔａ（図５参照）のときよりも、相対的に高い温度Ｔｂ（図５参照）のほうが長くなる。しかしながら、クロック信号ＣＬＫのパルス幅も正の温度依存特性を有しており、また、クロック信号ＣＬＫと遅延信号Ｓ２の温度依存特性が一致していることから、相対的に低い温度Ｔａと相対的に高い温度Ｔｂのそれぞれの遅延時間Ｔ１，Ｔ２で計測されるクロック信号ＣＬＫのクロック数が同一数の５となる。このように、リングオシレータで生成されるクロック信号ＣＬＫの温度依存特性とインバータチェーンで生成される遅延信号Ｓ２の温度依存特性が一致すると、図５に示されるように、クロック信号ＣＬＫのカウント数は温度に対して変動しない。比較例では、高感度に温度を計測することが難しい。

一方、本実施例の温度センサ回路１では、リングオシレータの第１インバータＩＮＶ１を構成するトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のチャネル長変調効果とインバータチェーンの第２インバータＩＮＶ２を構成するトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のチャネル長変調効果が異なっており、このため、本実施例では、低温から高温に変化したときに、リングオシレータの動作速度の低下量とインバータチェーンの動作速度の低下量が異なっており、リングオシレータで生成されるクロック信号ＣＬＫの温度依存特性とインバータチェーンで生成される遅延信号Ｓ２の温度依存特性が異なっている。前記したように、クロック信号ＣＬＫのパルス幅は、温度に対して略一次関数で増加する正の温度依存特性を有している。遅延信号Ｓ２の遅延時間も、温度に対して略一次関数で増加する正の温度依存特性を有している。さらに、遅延信号Ｓ２の遅延時間の温度に対する変化率（基準温度のパルス幅を「１」としたときの任意温度におけるパルス幅の比）がクロック信号ＣＬＫのパルス幅の温度に対する変化率（基準温度の遅延時間を「１」としたときの任意温度における遅延時間の比）よりも大きい関係となっており、双方の温度依存特性が異なっている。

このため、図７Ａに示されるように、相対的に低い温度Ｔａでは、遅延信号Ｓ２の遅延時間Ｔ３で計測されるクロック信号ＣＬＫのクロック数が６である。図７Ｂに示されるように、相対的に高い温度Ｔｂでは、遅延信号Ｓ２の遅延時間Ｔ４で計測されるクロック信号ＣＬＫのクロック数が９である。このように、リングオシレータで生成されるクロック信号ＣＬＫの温度依存特性とインバータチェーンで生成される遅延信号Ｓ２の温度依存特性が相違していると、図５に示されるように、遅延時間計測回路５で計測されるクロック数が温度に対して変動する。本実施例では、クロック信号ＣＬＫの温度依存特性と遅延信号Ｓ２の温度依存特性の相違を利用して温度情報を得ることができる。

（シミュレーション結果）
図８に、シミュレーションに用いた温度センサ回路１０の構成を示す。この温度センサ回路１０は、発振回路１２と分周回路１３と遅延回路１４と遅延時間計測回路１５とを備えている。発振回路１２は、図２及び図４で例示したように、第１インバータＩＮＶ１の１１段で構成されたリングオシレータである。分周回路１３は、ＮＡＮＤ型のＤ型フリップフロップで構成された１０ビットのバイナリカウンタである。このため、分周回路１３は、クロック信号ＣＬＫの周波数を１／１０２４倍に低周波化する。遅延回路１４は、図３及び図４で例示したように、第２インバータＩＮＶ２の５０段で構成されたインバータチェーンである。遅延時間計測回路１５は、Ｄ型フリップフロップで構成された記憶装置（１１ビット×２のラッチ回路である）を有するエンコーダである。遅延時間計測回路１５は、分周回路１３のカウンタ値を入力可能に構成されている。ここで、分周回路１３の最上位ビットは、遅延回路１４に入力するとともに、遅延時間計測回路１５の記憶装置のリセット端子にも入力している。遅延回路１４の出力は、遅延時間計測回路１５の記憶装置のセット端子に入力している。遅延時間計測回路１５の記憶装置は、セット端子に「１」が入力した時に分周回路１３のカウント値を記憶し、リセット端子に「１」が入力した時に記憶していたカウント値を消去する。

リングオシレータの第１インバータＩＮＶ１では、第１トランジスタＴｒのサイズ（Ｗ／Ｌ）が０．３５μｍ／１μｍであり、第２トランジスタＴｒ２のサイズ（Ｗ／Ｌ）が０．３５μｍ／３μｍである。今回のシミュレーションでは、インバータチェーンの第２インバータＩＮＶ２において、第１トランジスタＴｒ１と第２トランジスタＴｒ２のゲート幅Ｗを一致させ、ゲート長Ｌをパラメータとした。

まず、温度センサ回路１０の動作を説明する。温度センサ回路１０では、分周回路１３の最上位ビットが「１」になる時（低周波信号Ｓ１の立ち上がり時に相当する）に、遅延時間計測回路１５の記憶装置に記憶されていたカウント値が消去される。遅延回路１４の出力が「１」になる時（遅延信号Ｓ２が立ち上がる時に相当する）に、遅延時間計測回路１５の記憶装置が分周回路１３のカウンタ値を記憶する。すなわち、低周波信号Ｓ１の立ち上がりから遅延信号Ｓ２の立ち上がりまで（遅延信号Ｓ２の遅延時間に相当する）において、分周回路１３がクロック信号ＣＬＫに応じてカウントしたクロック数を遅延時間計測回路１５が記憶する。遅延時間計測回路１５は、計測されたクロック数をデジタル出力値である温度情報Ｄoutに変換して出力する。

図９に、第１インバータＩＮＶ１と第２インバータＩＮＶ２のゲート長を一致させた場合のシミュレーション結果を示す。温度に対してデジタルの出力値が略一定であることが分かる。高感度に温度情報を得ることが難しい。

図１０に、第２インバータＩＮＶ２の第１トランジスタＴｒ１と第２トランジスタＴｒ２の双方のゲート長を０．３５μｍ，５μｍ，１０μｍに変えたときの結果を示す。ゲート長を大きくするほど、デジタル出力値が温度に対して大きく変動することが分かる。このように、第１インバータＩＮＶ１と第２インバータＩＮＶ２のゲート長を変えることで、第１インバータＩＮＶ１と第２インバータＩＮＶ２の温度依存特性が相違し、その相違に基づいて温度情報が得られることが分かる。

以下、本実施例の温度センサ回路１，１０の他の特徴を列記する。
（１）本実施例の温度センサ回路１，１０は、１つの発振回路２，１２から出力されるクロック信号ＣＬＫが、直列に接続された回路要素間のラインを経由するように構成されている。例えば、従来の温度センサ回路のように、２つの発振回路から出力される温度依存クロック信号と基準クロック信号が、並列に設けられた２つのラインを経由する場合に比して、回路構成を簡単化できる。
（２）従来の温度センサ回路では、温度依存クロック信号の周波数と基準クロック信号の周波数の絶対値を利用するものであり、それぞれの周波数を正確に調整する必要がある。しかしながら、プロセスバラツキの影響により、それぞれの周波数の正確に調整することは困難である。一方、本実施例の温度センサ回路１，１０では、リングオシレータの第１インバータＩＮＶ１の温度依存特性とインバータチェーンの第２インバータＩＮＶ２の温度依存特性の相対的な差を利用するので、プロセスバラツキの影響が抑制される。
（３）また、本実施例の温度センサ回路１，１０は、全ての回路要素をデジタル回路で構成することが可能である。このため、設計が容易であること、異なる製造プロセスに柔軟に対応できること、プロセスバラツキが抑制されること、低電圧で低消費電力化に対応できること、等のメリットがある。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１，１０：温度センサ回路
２，１２：発振回路
３，１３：分周回路
４，１４：遅延回路
５，１５：遅延時間計測回路

Claims (5)

1. クロック信号を生成する発振回路と、
   前記クロック信号を利用して遅延信号を生成する遅延回路と、
   前記遅延信号の遅延時間を前記クロック信号のクロック数に基づいて計測する遅延時間計測回路と、を備えており、
   前記クロック信号のパルス幅の温度に対する温度依存特性と前記遅延信号の前記遅延時間の温度に対する温度依存特性の相違に基づいて、前記遅延時間計測回路で計測される前記クロック数が温度に対して変動するように構成されている温度センサ回路。
2. 前記発振回路は、インバータの複数個がリング状に接続されているリングオシレータを有しており、
   前記遅延回路は、インバータの複数個が直列に接続されているインバータチェーンを有している請求項１に記載の温度センサ回路。
3. 前記リングオシレータの前記インバータを構成する電界効果型トランジスタと前記インバータチェーンの前記インバータを構成する電界効果型トランジスタが、異なるチャネル長変調効果を有するように構成されている請求項２に記載の温度センサ回路。
4. 前記クロック信号を低い周波数に変換した低周波信号を生成し、前記遅延回路に提供する分周回路をさらに備えており、
   前記遅延時間は、前記低周波信号の立ち上がりと前記遅延信号の立ち上がりの時間差である請求項１〜３のいずれか一項に記載の温度センサ回路。
5. 前記分周回路は、複数段のバイナリカウンタを有しており、
   前記遅延時間計測回路は、前記バイナリカウンタのカウント値を記憶可能に構成されている記憶装置を有しており、
   前記記憶装置は、前記遅延回路の出力の立ち上がりに応答して、前記バイナリカウンタの前記カウント値を記憶する請求項４に記載の温度センサ回路。

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