(57)【要約】【課題】広範囲の温度を極力少ない補正で高精度に検出できる温度検出回路を提供する。【解決手段】バンドギャップ回路２２の第１、第２のトランジスタ７、８のコレクタ電流比を１：Ａに設定する。第１のトランジスタ７に流れるコレクタ電流Ｉc1のＢ倍の電流を出力回路１５に流すとともに、補正回路２３を設け、トランジスタ７、８に流すベース電流Ｉb1、Ｉb2のＢ／（１＋Ａ）倍の電流を出力回路１５に流して出力電圧Ｖoutを得る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エミッタが第１の抵抗を介して第１の電源線に接続された第１のトランジスタと、この第１のトランジスタとベース同士が接続され且つエミッタが前記第１の電源線に直接接続された第２のトランジスタと、前記第１および第２のトランジスタにベース電流を供給する第３のトランジスタと、第２の電源線と前記第１および第２のトランジスタとの間にそれぞれ接続された第４および第５のトランジスタとを備え、前記第１のトランジスタと前記第２のトランジスタのサイズの比がＣ：１とされ、前記第４および第５のトランジスタに流れる電流比が１：Ａに設定されたバンドギャップ回路と、
前記第２の電源線と前記第１の電源線との間に出力端子を挟んで接続された第６のトランジスタおよび第２の抵抗を備え、前記第４および第６のトランジスタに流れる電流比が１：Ｂ（Ｂ≠０）に設定された出力回路と、
前記第３のトランジスタを介して前記第１および第２のトランジスタに流すベース電流のＢ／（１＋Ａ）倍の電流を生成して前記出力端子に流す補正回路とから構成されていることを特徴とする温度検出回路。
【請求項２】
前記補正回路は、前記第２の電源線と前記第３のトランジスタとの間に接続された第７のトランジスタと前記第２の電源線と前記出力端子との間に接続された第８のトランジスタとからなるカレントミラー回路により構成されていることを特徴とする請求項１記載の温度検出回路。
【請求項３】
前記補正回路は、前記第７および第８のトランジスタにベース電流を供給する第９のトランジスタを備えていることを特徴とする請求項２記載の温度検出回路。
【請求項４】
前記第４、第５、第６のトランジスタによりカレントミラー回路が構成され、前記第４、第５、第６のトランジスタにベース電流を供給する第１０のトランジスタを備えていることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の温度検出回路。
【請求項５】
前記Ａ、Ｂは１以上の整数であり、Ｂ／（１＋Ａ）が整数となり且つＡ・Ｃが１以外となるようにＡ、ＢおよびＣが設定されていることを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の温度検出回路。
【請求項６】
前記バンドギャップ回路の起動回路を備えていることを特徴とする請求項１ないし５の何れかに記載の温度検出回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バンドギャップ回路を用いた温度検出回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置（ＩＣ）の高集積化が進み、単位面積あたりの発熱量が増加しており、製品やＩＣパッケージの小型化に伴いチップ温度は上昇傾向にある。そのため、チップ内の発熱量を所定値以下に制限しながら動作を継続させる発熱量制御や過熱検出などの必要性が高まっている。例えば、特許文献１には、電力増幅用半導体素子の温度を検出する温度検出素子を備え、外部に設けた付加回路がその温度検出信号に基づいて電力増幅用半導体素子の出力制限を行うインテリジェントパワーモジュールが開示されている。こうした制御を行うには、チップ温度を正確に検出することが必要である。
【０００３】
従来の半導体チップ上の温度検出回路としては、ダイオードの順方向電圧Ｖｆを使用したものがある（特許文献２、３参照）。この温度検出回路は、例えば図５に示すように、定電流回路１とダイオード２が電源線間に直列に接続されて構成されており、ダイオード２の順方向電圧４Ｖｆに基づいて温度を検出している。この温度検出回路は小型であるが、ダイオードの製造ばらつきにより順方向電圧Ｖｆがばらつくため、広い温度範囲において高精度に温度を検出することが難しい。
【０００４】
これに対しては、図６に示すように、異なる電流を出力する２つの定電流回路３、４を用いてダイオード５の順方向電圧Ｖｆを測定し、順方向電圧Ｖｆの差が絶対温度に比例することに基づいて温度を検出する方法が提案されている（特許文献４参照）。しかしながら、定電流回路３、４を切り替えたり測定後に演算を行う必要があるため、回路規模が大きくなり、処理に時間がかかるという問題がある。
【０００５】
より高精度に温度を検出するために、バンドギャップ回路の温度特性を使用したものがある（特許文献５参照）。この温度検出回路６は、図７に示すようにトランジスタ７〜１０と抵抗１１とからなるバンドギャップ回路１２およびトランジスタ１３と抵抗１４とからなる出力回路１５から構成されており、出力端子１６を介して絶対温度に比例した電圧を出力するようになっている。
【特許文献１】特開平７−１１５３５４号公報
【特許文献２】特開２００２−１０７２３２号公報
【特許文献３】特開平６−２４２１７６号公報
【特許文献４】特表２００２−５０８０６２号公報
【特許文献５】特開平５−３０６９５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、本願発明者が図７に示す温度検出回路６を解析したところ、トランジスタ７に流れるベース電流Ｉb1に応じて負のオフセット電圧が出力されることが判明した。その結果、検査工程で温度検出回路６の出力特性を調整する場合、オフセット電圧の調整と温度特性の傾きの調整とを同時に行う必要が生じ、調整作業に手間を要したり広範囲の温度を正確に検出することが難しいという問題があった。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、広範囲の温度を極力少ない補正で高精度に検出できる温度検出回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載した手段によれば、ベース同士が接続された第１、第２のトランジスタに電流を流し（電流比１：Ａ）、第１のトランジスタのコレクタ電流を第４および第６のトランジスタを介してＢ倍（Ｂ≠０）にして第２の抵抗に流し出力電圧を得る。第１のトランジスタと第２のトランジスタのサイズの比をＣ：１とし、第１のトランジスタのベース電流をＩb1、コレクタ電流をＩc1、熱電圧をＶＴ（＝ｋＴ／ｑ  ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度、ｑ：電子の電荷）、第１、第２の抵抗の抵抗値をＲ１、Ｒ２とすると、Ｉb1＋Ｉc1はＶＴ／Ｒ１・ｌｎ（Ａ・Ｃ）となり絶対温度に比例する。第４のトランジスタにはこのうちのコレクタ電流Ｉc1だけが流れるので、第６のトランジスタを介して第２の抵抗に流れる電流はＢ・Ｉc1となり、出力端子の電圧ＶoutはＢ・Ｒ２／Ｒ１・ｌｎ（Ａ・Ｃ）・ＶＴ−Ｂ・Ｒ２・Ｉb1となる。この第２項の電圧がオフセット電圧となる。
【０００９】
そこで、補正回路は、第３のトランジスタを介して第１および第２のトランジスタに流すベース電流のＢ／（１＋Ａ）倍の電流を生成し、この補正電流を出力端子を介して第２の抵抗に流す。第１、第２のトランジスタのベース電流比はコレクタ電流比と同様に１：Ａとなるので、補正電流はＢ・Ｉb1となり、上記した電圧Ｖoutの第２項のオフセット電圧が補償されてゼロになる。その結果、出力特性の調整工程では、オフセット電圧の調整が不要となり、温度特性の傾きの調整のみで済むので、広範囲の温度を極力少ない調整で高精度に検出できるようになる。
【００１０】
請求項２に記載した手段によれば、補正回路は、第２の電源線と第３のトランジスタとの間に接続された第７のトランジスタと第２の電源線と出力端子との間に接続された第８のトランジスタとからなるカレントミラー回路により構成され、１：Ｂ／（１＋Ａ）のミラー比を得ている。
【００１１】
請求項３に記載した手段によれば、第７および第８のトランジスタにベース電流を供給する第９のトランジスタを備えているので、ベース電流の影響を排除でき、より正確なミラー比を得られる。
【００１２】
請求項４に記載した手段によれば、第４、第５、第６のトランジスタによりカレントミラー回路が構成され、第４、第５、第６のトランジスタにベース電流を供給する第１０のトランジスタを備えているので、ベース電流の影響を排除でき、より正確なミラー比を得られる。
【００１３】
請求項５に記載した手段によれば、Ａ、Ｂは１以上の整数であり、Ｂ／（１＋Ａ）が整数となり且つＡ・Ｃが１以外となるようにＡ、ＢおよびＣが選択される。この場合、例えば第４、第５、第６のトランジスタからなるカレントミラー回路のミラー比と、第７および第８のトランジスタからなるカレントミラー回路のミラー比が整数比になる。その結果、同一構造を持つトランジスタを並列に用いて、必要なミラー比を持つカレントミラー回路を容易に構成することができる。
【００１４】
請求項６に記載した手段によれば、バンドギャップ回路の起動回路を備えているので、電源供給により直ちに且つ確実に起動できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について図１ないし図３を参照しながら説明する。
図１は、ＩＣチップ内に形成される温度検出回路の構成図であって、図７と同一構成部分には同一符号を付している。温度検出回路２１は、バンドギャップ回路２２、出力回路１５、補正回路２３および起動回路２４から構成されており、第１、第２の電源線２５、２６を通して与えられる一定の電源電圧Ｖccにより動作するようになっている。
【００１６】
ベース同士が接続された第４、第５、第６のトランジスタ９、１０、１３は、カレントミラー回路を構成している。第１０のトランジスタ２７は、これらトランジスタ９、１０、１３にベース電流を供給する。トランジスタ９、１０、１３は、同一構造を持つトランジスタ（以下、基本トランジスタと称す）が必要に応じて並列接続されて構成されており、そのミラー比は１：Ａ：Ｂに設定されている。
【００１７】
バンドギャップ回路２２において、トランジスタ９と電源線２５との間には第１のトランジスタ７と第１の抵抗１１とが直列に接続されており、トランジスタ１０と電源線２５との間には第２のトランジスタ８が接続されている。トランジスタ７と８のベースは共通に接続されており、トランジスタ７と８のサイズの比はＣ：１とされている（後述するように本実施形態ではＣ＝１）。第３のトランジスタ２８は、トランジスタ７、８にベース電流を供給するもので、そのコレクタは後述するように補正回路２３に接続されている。
【００１８】
出力回路１５は、電源線２６と電源線２５との間に出力端子１６を挟んで直列に接続された第６のトランジスタ１３および第２の抵抗１４を備えている。後述するように、出力端子１６の電圧Ｖoutは、正確に絶対温度に比例した電圧となる。
【００１９】
補正回路２３は、トランジスタ２８を介してトランジスタ７、８に流すベース電流のＢ／（１＋Ａ）倍の電流を生成して出力端子１６に出力するもので、電源線２６とトランジスタ２８との間に接続された第７のトランジスタ２９と、電源線２６と出力端子１６との間に接続された第８のトランジスタ３０とからなるカレントミラー回路により構成されている。第９のトランジスタ３１は、トランジスタ２９、３０にベース電流を供給する。トランジスタ２９、３０は、上述した基本トランジスタが必要に応じて並列接続されて構成されており、そのミラー比は１：Ｂ／（１＋Ａ）に設定されている。
【００２０】
上記したＡ、Ｂ、Ｃについては、原理上Ａ・Ｃ≠１、Ｂ≠０が必須の条件となるが、本実施形態ではＡを２以上の整数とし、Ｂを１以上の整数とし、Ｃを１とし、Ｂ／（１＋Ａ）が整数となるようにＡとＢを設定している。このように設定すると、第４、第５、第６のトランジスタ９、１０、１３のミラー比１：Ａ：Ｂおよび第７、第８のトランジスタ２９、３０のミラー比１：Ｂ／（１＋Ａ）が何れも整数比となり、基本トランジスタだけを用いて所望のミラー比が得られるという利点がある。具体的には、（Ａ，Ｂ）＝（２，３）、（２，６）、（３，４）、（３，８）、（４，５）、（４，１０）などを用いる。
【００２１】
起動回路２４は、電源線２６、２５間に接続された抵抗３２とダイオード３３との直列回路およびダイオード３３のアノードとトランジスタ８のコレクタとの間に接続された逆流防止用のダイオード３４から構成されている。ダイオード３３は、３個以上のダイオードが直列に接続されてなる簡易電圧源である。電源投入時にダイオード３４が順方向にバイアスされることでバンドギャップ回路２２の起動を行い、起動後はダイオード３４が逆バイアスとなり温度検出動作への影響を遮断する。
【００２２】
図２は、温度検出回路２１の使用例を示している。Ａ／Ｄ変換回路３５は、温度検出回路２１から出力される電圧Ｖoutをデジタル値にＡ／Ｄ変換し、図示しないマイクロコンピュータがそのデジタル値を用いて発熱量制御を実行する。発熱量制御とは、既述したようにＩＣチップ内の発熱量を所定値以下に制限しながらＩＣの動作を継続させる制御である。また、コンパレータ３６は、温度検出回路２１から出力される電圧Ｖoutと基準温度に対応する基準電圧とを比較して温度判定信号を出力する。この温度判定信号は、警報、過熱保護などの判定に用いることができる。
【００２３】
次に、温度検出回路２１の出力電圧Ｖoutを解析的に求める。
以下の説明において、第１のトランジスタ７のベース電流をＩb1、コレクタ電流をＩc1、第２のトランジスタ８のベース電流をＩb2、コレクタ電流をＩc2、第３のトランジスタ２８のコレクタ電流をＩc3、トランジスタ７、８の飽和電流をＩｓ、熱電圧をＶＴ、第１、第２の抵抗１１、１４の抵抗値をＲ１、Ｒ２とする。
【００２４】
第１、第２のトランジスタ７、８のベース・エミッタ間電圧ＶBE1、ＶBE2はそれぞれ（１）式、（２）式となる。ここで、熱電圧ＶＴは（３）式となる。ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｑは電子の電荷である。
【数１】
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【００２５】
図１に示す回路構成から、トランジスタ７、８のベース・エミッタ間電圧ＶBE1、ＶBE2の間には（４）式に示す関係がある。この（４）式に（１）式と（２）式を代入すると（５）式が得られる。
【数２】
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【００２６】
トランジスタ９、１０、１３のベース電流はトランジスタ２７を介して流れ、トランジスタ７、８のベース電流はトランジスタ２８を介して流れるので、トランジスタ７、８のコレクタ電流Ｉc1、Ｉc2の間にはミラー比に従って（６）式が成立する。また、トランジスタ７、８の直流電流増幅率ｈfeは等しいので、（７）式も成立する。（５）式に（６）式と（７）式を代入すると（８）式が得られる。この（８）式は、第１のトランジスタ７のコレクタ電流Ｉc1とベース電流Ｉb1との電圧降下により、抵抗１１に熱電圧ＶＴが発生することを示している。
【００２７】
【数３】
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【００２８】
カレントミラー回路を介してトランジスタ７のコレクタ電流Ｉc1のみを出力回路１５に取り出すので、Ｂ・Ｉb1の電流が不足する。補正回路２３が存在しない場合には、出力電圧Ｖoutは（９）式となる。この（９）式の第１項は絶対温度に比例する項となるが、第２項は負のオフセット電圧となっていることが分かる。特に、トランジスタ７、８の直流電流増幅率ｈfeが小さい場合には、コレクタ電流Ｉc1に対するベース電流Ｉb1の割合が大きくなるので、生じるオフセット電圧も大きくなる。また、温度変化によりベース電流Ｉb1が変化するとオフセット電圧も変動する。従って、従来の温度検出回路６の場合、オフセット電圧の調整と温度特性の傾きの調整とを同時に行う必要がある。また、温度変化によりオフセット電圧が生じて温度検出特性に誤差が生じる。
【数４】
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【００２９】
そこで、本実施形態の温度検出回路２１では、補正回路２３を付加して上記オフセット電圧を補償している。トランジスタ２８は、トランジスタ７、８のベース電流Ｉb1、Ｉb2を供給するので、そのコレクタ電流Ｉc3は（10）式のようになる。補正回路２３のミラー比は１：Ｂ／（１＋Ａ）に設定されているので、補正回路２３から出力端子１６に出力される補正電流Ｉｘは（11）式のようになる。その結果、温度検出回路２１の出力電圧Ｖoutは、（９）式で示す補正前の電圧に（11）式で示す補正電流Ｉｘに応じた補正電圧Ｉｘ・Ｒ２が加わることになり、最終的に（12）式または（13）式となる。
【００３０】
【数５】
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【００３１】
図３は、温度検出回路２１の出力電圧特性を実線で示し、従来の温度検出回路６の出力電圧特性を破線で示している。横軸は絶対温度［Ｋ］であり、縦軸は出力電圧Ｖout［Ｖ］である。（12）式または（13）式に示すように、補正回路２３を付加することにより、従来存在していた負のオフセット電圧が補償されてゼロ（または極めてゼロに近い値）になっていることが分かる。
【００３２】
以上説明した本実施形態によれば、補正回路２３を付加することにより、出力電圧Ｖoutに現れていたオフセット電圧をほぼゼロにすることができる。その結果、出力特性の調整工程において、オフセット電圧の調整が不要となり、温度特性の傾きの調整のみで済むので、広範囲の温度を極力少ない調整で正確に検出できるようになる。温度特性の傾きは、抵抗１１または１４のトリミングにより容易に調整できる。また、トランジスタ２７、２８、３１を設けたので、ベース電流が流れることによる誤差を低減できる。
【００３３】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について図４を参照しながら説明する。
図４は、ＩＣチップ内に形成される温度検出回路の構成図であって、図１と同一構成部分には同一符号を付している。この温度検出回路４１では、Ａを１、Ｃを２以上の整数（つまり第１のトランジスタ７をＣ個の基本トランジスタから構成する）としており、原理上必要となるＡ・Ｃ≠１は満たされている。また、Ｂ／（１＋Ａ）が整数となるように、Ｂを２の倍数としている。
【００３４】
この場合、第１のトランジスタ７のベース・エミッタ間電圧ＶBE1は（14）式となる。上述した（４）式に（14）式と（２）式を代入すると（15）式が得られる。この（15）式に上述した（６）式と（７）式を代入すると（16）式が得られる。本実施形態ではＣは１ではないため、ｌｎ（Ａ・Ｃ）の項が存在する。
【００３５】
【数６】
2010091412.tif 000008
【００３６】
補正回路２３が存在しない従来構成（図７参照）の場合には、出力電圧Ｖoutは（17）式となる（図７に示す構成ではＡ＝Ｂ＝１、Ｃ≠１）。この（17）式の第１項は絶対温度に比例する項となるが、第２項は負のオフセット電圧となっていることが分かる。そこで、本実施形態の温度検出回路４１でも、第１の実施形態と同様に補正回路２３を付加して上記オフセット電圧を補償している。その結果、温度検出回路４１の出力電圧Ｖoutは、（17）式で示す補正前の電圧に（11）式で示す補正電流Ｉｘに応じた補正電圧Ｉｘ・Ｒ２が加わることになり、最終的に（18）式または（19）式となる。このように、本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の作用および効果が得られる。
【００３７】
【数７】
2010091412.tif 000009
【００３８】
（その他の実施形態）
なお、本発明は上記し且つ図面に示す各実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように変形または拡張が可能である。
実際にＩＣを製造する上でミラー比１：Ａ：Ｂおよび１：Ｂ／（１＋Ａ）を整数比に設定することが好ましいが、温度検出回路２１の動作原理からは整数比となることが必須の条件ではない。
【００３９】
トランジスタのサイズの比Ｃ：１についても整数比となることが必須の条件ではない。  トランジスタのサイズの比をＣ：１にするためには、図４に示すように第１のトランジスタをＣ個の基本トランジスタから構成することの他に、第１のトランジスタと第２のトランジスタとでエミッタの面積比をＣ：１としてもよい。
【００４０】
トランジスタ９、１０、１３、２９、３０の直流電流増幅率ｈfeが十分に大きい場合には、トランジスタ２７、３１は省略してもよい。
補正回路は、第３のトランジスタ２８を介して第１および第２のトランジスタ７、８に流すベース電流のＢ／（１＋Ａ）倍の電流を生成して出力端子１６に出力するものであれば、他の回路構成であってもよい。
トランジスタ９、１０、１３をＭＯＳＦＥＴに置き換えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す温度検出回路の構成図
【図２】温度検出回路の使用例を示す図
【図３】温度検出回路の出力電圧特性図
【図４】本発明の第２の実施形態を示す図１相当図
【図５】第１の従来技術を示す図１相当図
【図６】第２の従来技術を示す図１相当図
【図７】第３の従来技術を示す図１相当図
【符号の説明】
【００４２】
７、８、２８、９、１０、１３、２９、３０、３１、２７は第１、第２、第３、第４、第５、第６、第７、第８、第９、第１０のトランジスタ、１１、１４は第１、第２の抵抗、１５は出力回路、１６は出力端子、２１、４１は温度検出回路、２２はバンドギャップ回路、２３は補正回路、２４は起動回路、２５、２６は第１、第２の電源線である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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