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JP4781863B2 - Temperature detection circuit - Google Patents
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Description

本発明は、低電圧動作や低消費電力動作を行うことができる高精度な温度検出回路に関する。   The present invention relates to a highly accurate temperature detection circuit capable of performing a low voltage operation and a low power consumption operation.

従来、電界効果トランジスタを用いた温度検出回路は、図4で示すように、Nチャネル型の第1〜第3の各電界効果トランジスタM101〜M103で構成されていた。
図4において、第1の電界効果トランジスタM101は、デプレッション型の電界効果トランジスタであり、ゲートとソースが接続され、サブストレートゲートは接地電圧GNDに接続されている。第2及び第3の各電界効果トランジスタM102,M103は、基板やチャネルドープの不純物濃度は等しく、第2の電界効果トランジスタM102のサブストレートゲートはソースに、第3の電界効果トランジスタM103のサブストレートゲートは接地電圧GNDにそれぞれ接続されている。また、第2の電界効果トランジスタM102は高濃度n型ゲートを有し、第3の電界効果トランジスタM103は高濃度p型ゲートを有している。第2の電界効果トランジスタM102は、ゲートとソースが接続されて定電流源をなしている。
Conventionally, as shown in FIG. 4, a temperature detection circuit using a field effect transistor is composed of N-channel first to third field effect transistors M101 to M103.
In FIG. 4, a first field effect transistor M101 is a depletion type field effect transistor, and a gate and a source are connected, and a substrate gate is connected to a ground voltage GND. The second and third field effect transistors M102 and M103 have the same substrate and channel doping impurity concentration, the substrate gate of the second field effect transistor M102 is the source, and the substrate of the third field effect transistor M103 is the same. The gates are connected to the ground voltage GND. The second field effect transistor M102 has a high concentration n-type gate, and the third field effect transistor M103 has a high concentration p-type gate. The second field effect transistor M102 has a gate and a source connected to form a constant current source.

定電流源をなす第2の電界効果トランジスタM102には電流idsが流れ、第3の電界効果トランジスタM103は、第2の電界効果トランジスタM102と直列に接続されていることから、第2の電界効果トランジスタM102と同様に電流idsが流れる。第2の電界効果トランジスタM102と第3の電界効果トランジスタM103のゲート電圧Vgの差が出力電圧VOUTになる。したがって、プロセスの変動により、基板やチャネルドープの不純物濃度がばらついても、第2及び第3の各電界効果トランジスタM102,M103の各不純物濃度も同様に変動するので、第2及び第3の各電界効果トランジスタM102,M103のしきい値電圧Vthの差分は維持されたままでゲート電圧Vgとドレイン電流idとの関係を示したVg−id特性は左右にずれるだけであり、出力電圧VOUTの絶対値にはほとんど影響を与えず、安定した出力電圧VOUTを得ることができる。   Since the current ids flows through the second field effect transistor M102 serving as the constant current source, and the third field effect transistor M103 is connected in series with the second field effect transistor M102, the second field effect transistor A current ids flows in the same manner as the transistor M102. The difference between the gate voltages Vg of the second field effect transistor M102 and the third field effect transistor M103 is the output voltage VOUT. Therefore, even if the impurity concentration of the substrate and the channel dope varies due to the process variation, the impurity concentrations of the second and third field effect transistors M102 and M103 also vary in the same manner. The difference between the threshold voltages Vth of the field effect transistors M102 and M103 is maintained, the Vg-id characteristic indicating the relationship between the gate voltage Vg and the drain current id is merely shifted to the left and right, and the absolute value of the output voltage VOUT Can be obtained with a stable output voltage VOUT.

ここで、第1の電界効果トランジスタM101を使用した目的は、第2及び第3の各電界効果トランジスタM102,M103で構成された温度検出回路の電源電圧に相当する第2の電界効果トランジスタM102のドレイン電圧、すなわち第1の電界効果トランジスタM101のソース電圧を固定することにより、出力電圧VOUTの電源電圧依存性をなくすことにある。このため、第1の電界効果トランジスタM101のサブストレートゲートを接地電圧GNDに接続して基板バイアス電圧Vbを発生させ、第1の電界効果トランジスタM101のソース電圧Vsとの間の電圧Vbsをある一定の電圧に固定している。所望の電圧Vbsへの調整は、第1の電界効果トランジスタM101のサイズを調整して行う。   Here, the purpose of using the first field effect transistor M101 is that the second field effect transistor M102 corresponding to the power supply voltage of the temperature detection circuit constituted by the second and third field effect transistors M102 and M103 is used. By fixing the drain voltage, that is, the source voltage of the first field effect transistor M101, the power supply voltage dependency of the output voltage VOUT is eliminated. Thus, the substrate bias voltage Vb is generated by connecting the substrate gate of the first field effect transistor M101 to the ground voltage GND, and the voltage Vbs between the source voltage Vs of the first field effect transistor M101 is constant. The voltage is fixed. The adjustment to the desired voltage Vbs is performed by adjusting the size of the first field effect transistor M101.

具体的には、第1の電界効果トランジスタM101のサイズを決める前提条件としては、次の2つがある。まず、第1の電界効果トランジスタM101は、定電流源である第2の電界効果トランジスタM102で決まる電流と同一の電流を流さなければならない。次の条件は、第1の電界効果トランジスタM101のソース電圧に関するものであり、下記(a)式に示すように、第1の電界効果トランジスタM101のソース電圧VsM101は、第2及び第3の各電界効果トランジスタM102,M103のそれぞれのドレイン−ソース間電圧VdsM102,VdsM103の合計と等しいか又は大きくなければならない。
VsM101≧VdsM102+VdsM103………………(a)
Specifically, there are the following two preconditions for determining the size of the first field effect transistor M101. First, the first field effect transistor M101 must pass the same current as that determined by the second field effect transistor M102, which is a constant current source. The following conditions relate to the source voltage of the first field effect transistor M101. As shown in the following equation (a), the source voltage VsM101 of the first field effect transistor M101 is the second and third of each. It must be equal to or greater than the sum of the respective drain-source voltages VdsM102 and VdsM103 of the field effect transistors M102 and M103.
VsM101 ≧ VdsM102 + VdsM103 (a)

なお、図4で示した第1の電界効果トランジスタM101と同様の働きをする電界効果トランジスタを使用した基準電圧発生回路もあった(例えば、特許文献1参照。)。
特開2005−71172号公報
There is also a reference voltage generation circuit using a field effect transistor that functions in the same manner as the first field effect transistor M101 shown in FIG. 4 (see, for example, Patent Document 1).
JP 2005-71172 A

図5は、温度変化による第1の電界効果トランジスタM101のソース電圧Vsとドレイン電流idsとの関係例を示した特性図である。
図5において、第1の電界効果トランジスタM101のしきい値電圧Vthは−0.5Vであり、サイズはゲート幅W/ゲート長L=5μm/15μmであり、温度範囲は−50℃〜150℃であり、第2の電界効果トランジスタM102で決まる電流は0.5μAである条件においての結果である。図5から分かるように、第1の電界効果トランジスタM101の特性は温度依存性を持つため、ある一定の電流条件においてソース電圧Vsは温度変化に伴って変動する。
FIG. 5 is a characteristic diagram showing an example of the relationship between the source voltage Vs and the drain current ids of the first field effect transistor M101 due to a temperature change.
In FIG. 5, the threshold voltage Vth of the first field effect transistor M101 is −0.5V, the size is gate width W / gate length L = 5 μm / 15 μm, and the temperature range is −50 ° C. to 150 ° C. The current determined by the second field effect transistor M102 is a result under the condition of 0.5 μA. As can be seen from FIG. 5, since the characteristics of the first field effect transistor M101 have temperature dependence, the source voltage Vs fluctuates with a temperature change under a certain current condition.

例えば、第1の電界効果トランジスタM101と第2の電界効果トランジスタM102とのドレイン−ソース間電圧Vdsの合計が1.6Vである場合、−50℃〜150℃のすべての温度範囲で前記(a)式を満足させる必要があるため、第1の電界効果トランジスタM101のソース電圧Vsは1.6V〜2.2Vの範囲で変化する。すなわち、所望の1.6V以上の超過分である約0.6Vがマージンとして発生する。したがって、図4の回路の最低動作電圧Vminは、本来下記(b)式に示すように第1〜第3の各電界効果トランジスタM101〜M103におけるそれぞれのドレイン−ソース間電圧Vdsの合計で決まるが、ソース電圧Vsの温度依存性により下記(c)式のようにVマージンとして示したマージン電圧が加わることになり、結果的に動作電圧の上昇をもたらすという問題があった。
Vmin=VdsM101+VdsM102+VdsM103………(b)
Vmin=(VdsM101+Vマージン)+VdsM102+VdsM103………………(c)
For example, when the sum of the drain-source voltages Vds of the first field effect transistor M101 and the second field effect transistor M102 is 1.6 V, the above (a Therefore, the source voltage Vs of the first field effect transistor M101 varies in the range of 1.6V to 2.2V. That is, about 0.6 V, which is an excess of the desired 1.6 V or more, is generated as a margin. Therefore, the minimum operating voltage Vmin of the circuit of FIG. 4 is originally determined by the sum of the drain-source voltages Vds in the first to third field effect transistors M101 to M103 as shown in the following equation (b). Due to the temperature dependence of the source voltage Vs, a margin voltage indicated as a V margin is added as shown in the following equation (c), resulting in a problem that the operating voltage rises.
Vmin = VdsM101 + VdsM102 + VdsM103 (b)
Vmin = (VdsM101 + V margin) + VdsM102 + VdsM103 (c)

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、第1の電界効果トランジスタのソース電圧をZTC点に設定することにより、低電圧動作が可能な温度検出回路を得ることを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems. By setting the source voltage of the first field effect transistor to the ZTC point, a temperature detection circuit capable of low voltage operation is obtained. With the goal.

この発明に係る温度検出回路は、所定の温度特性を有する出力電圧を生成して出力する温度検出回路において、
ドレインが所定の電源電圧に接続され、ゲートがソースに接続されると共にサブストレートゲートが接地電圧に接続された、デプレッション型のnチャネル型電界効果トランジスタである第1の電界効果トランジスタと、
ドレインが該第1の電界効果トランジスタのソースに接続され、ゲートがソースに接続されると共にサブストレートゲートが接地電圧に接続された、高濃度n型ゲートを有する第2の電界効果トランジスタと、
ドレインが該第2の電界効果トランジスタのソースに接続され、ゲートがドレインに接続されると共にソース及びサブストレートゲートがそれぞれ接地電圧に接続された、高濃度p型ゲートを有する第3の電界効果トランジスタと、
を備え、
前記第2及び第3の各電界効果トランジスタの接続部から前記出力電圧が出力され、前記第1の電界効果トランジスタは、ソース電圧がZTC点に設定されるものである。
A temperature detection circuit according to the present invention is a temperature detection circuit that generates and outputs an output voltage having a predetermined temperature characteristic.
A first field effect transistor that is a depletion-type n-channel field effect transistor having a drain connected to a predetermined power supply voltage, a gate connected to a source, and a substrate gate connected to a ground voltage;
A second field effect transistor having a high concentration n-type gate having a drain connected to the source of the first field effect transistor, a gate connected to the source, and a substrate gate connected to a ground voltage;
A third field effect transistor having a high-concentration p-type gate having a drain connected to the source of the second field effect transistor, a gate connected to the drain, and a source and a substrate gate connected to a ground voltage, respectively. When,
With
The output voltage is output from the connection portion of the second and third field effect transistors, and the source voltage of the first field effect transistor is set to the ZTC point.

また、この発明に係る温度検出回路は、所定の温度特性を有する出力電圧を生成して出力する温度検出回路において、
ドレインが所定の電源電圧に接続され、ゲートがソースに接続されると共にサブストレートゲートが接地電圧に接続された、デプレッション型のnチャネル型電界効果トランジスタである第1の電界効果トランジスタと、
ドレインが該第1の電界効果トランジスタのソースに接続され、ゲート及びサブストレートゲートがそれぞれソースに接続された、高濃度n型ゲートを有する第2の電界効果トランジスタと、
ドレインが該第2の電界効果トランジスタのソースに接続され、ゲートがドレインに接続されると共にソース及びサブストレートゲートがそれぞれ接地電圧に接続された、高濃度p型ゲートを有する第3の電界効果トランジスタと、
を備え、
前記第2及び第3の各電界効果トランジスタの接続部から前記出力電圧が出力され、前記第1の電界効果トランジスタは、ソース電圧がZTC点に設定されるものである。
The temperature detection circuit according to the present invention is a temperature detection circuit that generates and outputs an output voltage having a predetermined temperature characteristic.
A first field effect transistor that is a depletion-type n-channel field effect transistor having a drain connected to a predetermined power supply voltage, a gate connected to a source, and a substrate gate connected to a ground voltage;
A second field effect transistor having a high concentration n-type gate, the drain connected to the source of the first field effect transistor, and the gate and the substrate gate connected to the source;
A third field effect transistor having a high-concentration p-type gate having a drain connected to the source of the second field effect transistor, a gate connected to the drain, and a source and a substrate gate connected to a ground voltage, respectively. When,
With
The output voltage is output from the connection portion of the second and third field effect transistors, and the source voltage of the first field effect transistor is set to the ZTC point.

具体的には、前記第2及び第3の各電界効果トランジスタは、導電型の極性が異なるポリシリコンゲートを有すると共にチャネル長が等しくなるようにした。   Specifically, each of the second and third field effect transistors has polysilicon gates having different conductivity types and channel lengths are made equal.

また、前記第2及び第3の各電界効果トランジスタは、導電型の極性が異なるポリシリコンゲートを有すると共にチャネル長が異なるようにしてもよい。   The second and third field effect transistors may have polysilicon gates having different conductivity types and may have different channel lengths.

本発明の温度検出回路によれば、温度検出を行う第2及び第3の各電界効果トランジスタに電源供給を行う第1の電界効果トランジスタのソース電圧を、温度上昇に伴ってしきい値電圧Vthが低下してドレイン−ソース間電流が上昇する効果と、移動度が低下してドレイン−ソース間電流が低下する効果が相殺されるZTC点に設定することにより、第1の電界効果トランジスタのドレイン−ソース間電圧のマージン電圧をなくすことができるため、温度変動に強い安定した低電圧動作の温度検出回路を得ることができる。   According to the temperature detection circuit of the present invention, the source voltage of the first field effect transistor that supplies power to each of the second and third field effect transistors that detect the temperature is changed to the threshold voltage Vth as the temperature rises. Is set to the ZTC point where the effect of increasing the drain-source current and the effect of decreasing the mobility and decreasing the drain-source current are offset, thereby reducing the drain of the first field effect transistor. -Since the margin voltage of the source-to-source voltage can be eliminated, a stable low-voltage operation temperature detection circuit that is resistant to temperature fluctuations can be obtained.

次に、図面に示す実施の形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
第1の実施の形態.
図1は、本発明の第1の実施の形態における温度検出回路の回路例を示した図である。
図1において、温度検出回路1は、nチャネル型の電界効果トランジスタM1〜M3で構成され、電源電圧VDDと接地電圧GNDとの間に、電界効果トランジスタM1〜M3が直列に接続されている。なお、電界効果トランジスタM1は第1の電界効果トランジスタを、電界効果トランジスタM2は第2の電界効果トランジスタを、電界効果トランジスタM3は第3の電界効果トランジスタをそれぞれなす。
Next, the present invention will be described in detail based on the embodiments shown in the drawings.
First embodiment.
FIG. 1 is a diagram showing a circuit example of a temperature detection circuit according to the first embodiment of the present invention.
In FIG. 1, the temperature detection circuit 1 includes n-channel field effect transistors M1 to M3, and field effect transistors M1 to M3 are connected in series between a power supply voltage VDD and a ground voltage GND. The field effect transistor M1 serves as a first field effect transistor, the field effect transistor M2 serves as a second field effect transistor, and the field effect transistor M3 serves as a third field effect transistor.

電界効果トランジスタM1は、デプレッション型トランジスタであり、ドレインが電源電圧VDDに接続されると共にゲートとソースが接続され、サブストレートゲートが接地電圧GNDに接続されている。電界効果トランジスタM2及びM3は、基板やチャネルドープの不純物濃度は等しく、電界効果トランジスタM2は高濃度n型ゲートを持ち、電界効果トランジスタM3は高濃度p型ゲートを持つ。電界効果トランジスタM2及びM3の接続部に電界効果トランジスタM2及びM3の各ゲートが接続され、該接続部が出力電圧VOUTを出力する出力端をなす。電界効果トランジスタM2及びM3の各サブストレートゲートはそれぞれ接地電圧GNDに接続されている。   The field effect transistor M1 is a depletion type transistor, and has a drain connected to the power supply voltage VDD, a gate and a source connected, and a substrate gate connected to the ground voltage GND. The field effect transistors M2 and M3 have the same substrate and channel doping impurity concentration, the field effect transistor M2 has a high concentration n-type gate, and the field effect transistor M3 has a high concentration p-type gate. The gates of the field effect transistors M2 and M3 are connected to the connection portion of the field effect transistors M2 and M3, and the connection portion forms an output terminal for outputting the output voltage VOUT. The substrate gates of the field effect transistors M2 and M3 are connected to the ground voltage GND, respectively.

電界効果トランジスタM2は、ソースとゲートが接続されているため、定電流源となり電流idsが流れる。電界効果トランジスタM3は、電界効果トランジスタM2に直列に接続されているため、電界効果トランジスタM2と同様に電流idsが流れ、2つの電界効果トランジスタM2及びM3のゲート電圧Vgの電圧差が出力電圧VOUTになる。したがって、ある一定の温度において、プロセスの変動により基板やチャネルドープの不純物濃度がばらついても、電界効果トランジスタM2とM3の各濃度も同様に変動することから、電界効果トランジスタM2とM3のゲート電圧Vgの差分は維持されたままで出力電圧VOUTの絶対値にはほとんど影響を与えることなく、安定した出力電圧VOUTを発生させる温度検出回路1を得ることができる。   Since the field effect transistor M2 has a source and a gate connected to each other, it becomes a constant current source and a current ids flows therethrough. Since the field effect transistor M3 is connected in series to the field effect transistor M2, the current ids flows as in the field effect transistor M2, and the voltage difference between the gate voltages Vg of the two field effect transistors M2 and M3 is the output voltage VOUT. become. Accordingly, even if the impurity concentration of the substrate or channel dope varies due to process variations at a certain temperature, the respective concentrations of the field effect transistors M2 and M3 also vary in the same manner, so that the gate voltages of the field effect transistors M2 and M3 The temperature detection circuit 1 that generates a stable output voltage VOUT can be obtained without affecting the absolute value of the output voltage VOUT while maintaining the difference of Vg.

一方、電界効果トランジスタM1は、ソース電圧VsがZTC(Zero Temperature Coefficient)点になるように設定されている。
ここで、ZTC点について説明する。
一般に、MOSトランジスタにおいて、ドレイン−ソース間電圧Vdsが、ゲート−ソース間電圧Vgsからしきい値電圧Vthを減算した値よりも大きい(Vds>Vgs−Vth)場合、飽和領域で動作するときのドレイン−ソース間電流idsは、下記(1)式のように表される。
ids=(1/2)×(W/L)×μ×Cox×(Vgs−Vth)………………(1)
なお、μはキャリアの移動度を、Coxは酸化膜中の単位面積当たりの静電容量を、Wはチャネル幅を、Lはチャネル長をそれぞれ示している。
On the other hand, the field effect transistor M1 is set so that the source voltage Vs becomes a ZTC (Zero Temperature Coefficient) point.
Here, the ZTC point will be described.
In general, in a MOS transistor, when the drain-source voltage Vds is larger than the value obtained by subtracting the threshold voltage Vth from the gate-source voltage Vgs (Vds> Vgs-Vth), the drain when operating in the saturation region The inter-source current ids is expressed by the following equation (1).
ids = (1/2) × (W / L) × μ × Cox × (Vgs−Vth) 2 (1)
Here, μ represents the carrier mobility, Cox represents the capacitance per unit area in the oxide film, W represents the channel width, and L represents the channel length.

前記(1)式で、温度依存性を持っているのはキャリアの移動度μとしきい値電圧Vthの2つのパラメータであり、以下にそれぞれの温度依存性について考える。
まず、しきい値電圧Vthは、下記(2)式のように表される。
Vth=φms−Qf/Cox+2×φf+QD/Cox………………(2)
なお、φmsはゲートの仕事関数と基板の仕事関数との差を、Qfは酸化膜中の固定電荷を、φfは基板のフェルミレベルを、QDは反転層と基板間の空乏層内の単位面積当たりの電荷を、Coxは単位面積当たりの酸化膜の静電容量をそれぞれ示している。
In the above equation (1), two parameters that have temperature dependence are carrier mobility μ and threshold voltage Vth, and each temperature dependence will be considered below.
First, the threshold voltage Vth is expressed by the following equation (2).
Vth = φms−Qf / Cox + 2 × φf + QD / Cox (2)
Φms is the difference between the work function of the gate and the substrate, Qf is the fixed charge in the oxide film, φf is the Fermi level of the substrate, QD is the unit area in the depletion layer between the inversion layer and the substrate Cox represents the electrostatic capacitance of the oxide film per unit area.

したがって、しきい値電圧Vthの温度依存性を知るためには、前記(2)式を構成するそれぞれのパラメータの温度特性を調べればいいが、一般に周囲温度変化によるしきい値電圧Vthの変動は、下記(3)式のように表すことができる。
Vth(T)=Vth(T0)−α×(T−T0)………………(3)
なお、Vth(T)は温度Tのときのしきい値電圧を、Vth(T0)は温度T0のときのしきい値電圧をそれぞれ示し、αは、基板のドーピングレベルや注入量等のプロセスに依存するパラメータであり、通常のCMOSプロセスの場合約1〜2mV/℃である。前記(3)式は、200〜400Kの温度範囲で有効であり、前記(3)式から、しきい値電圧Vthは温度Tに対して反比例の関係にあることが分かる。このことは、温度が上昇するとしきい値電圧Vthが低下し、同じゲート−ソース間電圧Vgsの条件では、前記(1)式のドレイン−ソース間電流idsが上昇することを意味する。
Therefore, in order to know the temperature dependence of the threshold voltage Vth, it is only necessary to examine the temperature characteristics of the respective parameters constituting the equation (2). Generally, the fluctuation of the threshold voltage Vth due to the ambient temperature change is , Can be expressed as the following equation (3).
Vth (T) = Vth (T0) −α × (T−T0) (3)
Vth (T) represents the threshold voltage at the temperature T, Vth (T0) represents the threshold voltage at the temperature T0, and α represents the process such as the doping level and implantation amount of the substrate. This depends on the parameter, and is about 1-2 mV / ° C. in the case of a normal CMOS process. The equation (3) is effective in the temperature range of 200 to 400K, and it can be seen from the equation (3) that the threshold voltage Vth is inversely proportional to the temperature T. This means that the threshold voltage Vth decreases as the temperature rises, and the drain-source current ids in the equation (1) increases under the same gate-source voltage Vgs.

次に、キャリアの移動度について説明する。
キャリアの移動度μは温度に対して強い依存性を持っており、下記(4)式のように表される。
μ(T)=μ0×(T0/T)………………(4)
なお、μ(T)は温度Tのときのキャリアの移動度を、μ0は温度T0のときのキャリアの移動度をそれぞれ示し、nの値は1〜2.5程度であり、酸化膜の成長条件や温度範囲に依存する。前記(4)式から分かるように、キャリアの移動度μの温度依存性はT−nに比例するため、温度上昇に伴ってキャリアの移動度μが低下し、その結果同じゲート−ソース間電圧Vgsの条件では、前記(1)式のドレイン−ソース間電流idsは低下する。
Next, carrier mobility will be described.
The carrier mobility μ has a strong dependence on temperature, and is expressed by the following equation (4).
μ (T) = μ0 × (T0 / T) n ............ (4)
Μ (T) represents carrier mobility at temperature T, μ0 represents carrier mobility at temperature T0, and the value of n is about 1 to 2.5. Depends on conditions and temperature range. As can be seen from the equation (4), the temperature dependence of the carrier mobility μ is proportional to T −n , so that the carrier mobility μ decreases as the temperature rises. As a result, the same gate-source voltage is obtained. Under the condition of Vgs, the drain-source current ids in the equation (1) decreases.

したがって、ドレイン−ソース間電流idsの温度特性は、与えられたバイアス条件で、しきい値電圧Vthとキャリアの移動度μのどちらが支配的になるかによって決まる。前記したように、しきい値電圧Vthとキャリアの移動度μの各温度係数は、ドレイン−ソース間電流idsに対してそれぞれ反対の働きをするため、あるバイアス点でキャンセルされる傾向があり、これら2つの効果が相殺されるバイアス点が、ZTC点になる。該ZTC点は、トランジスタのサイズ、しきい値電圧、酸化膜厚や移動度の温度係数等に依存する。   Therefore, the temperature characteristics of the drain-source current ids are determined depending on which of the threshold voltage Vth and the carrier mobility μ is dominant under a given bias condition. As described above, each temperature coefficient of the threshold voltage Vth and the carrier mobility μ has an opposite function to the drain-source current ids, and thus tends to be canceled at a certain bias point. The bias point at which these two effects are canceled becomes the ZTC point. The ZTC point depends on the transistor size, threshold voltage, oxide film thickness, mobility temperature coefficient, and the like.

次に、図1の電界効果トランジスタM1のソース電圧をZTC点に設定する方法について説明する。
電界効果トランジスタM1のしきい値電圧Vthは基板バイアスがかかっているため下記(5)式のように表される。
Vth=Vth0+γ×{(2×Φ−Vs)1/2−(2×Φ)1/2}………………(5)
なお、Vth0は基板バイアスが零のときのしきい値電圧を、γは基板バイアス効果係数をそれぞれ示している。したがって、基板バイアスを考慮した、飽和領域で動作する電界効果トランジスタM1のドレイン−ソース間電流idsは、前記(5)式を前記(1)式に代入することにより、下記(6)式のようになる。
ids=(1/2)×(W/L)×μ×Cox×[Vgs−{Vth0−γ×((2×Φ−Vs)1/2−(2×Φ)1/2)}]………………(6)
Next, a method for setting the source voltage of the field effect transistor M1 in FIG. 1 to the ZTC point will be described.
The threshold voltage Vth of the field effect transistor M1 is expressed by the following equation (5) because the substrate bias is applied.
Vth = Vth0 + γ × {(2 × Φ−Vs) 1/2 − (2 × Φ) 1/2 } (5)
Vth0 represents a threshold voltage when the substrate bias is zero, and γ represents a substrate bias effect coefficient. Therefore, the drain-source current ids of the field effect transistor M1 operating in the saturation region in consideration of the substrate bias can be expressed by the following equation (6) by substituting the equation (5) into the equation (1). become.
ids = (1/2) × (W / L) × μ × Cox × [Vgs− {Vth0−γ × ((2 × Φ−Vs) 1/2 − (2 × Φ) 1/2 )}] 2 ……………… (6)

前記(6)式において、酸化膜厚やキャリアの移動度等はプロセス条件や材料によりほぼ決まるため、制御しやすい項としてはドレイン−ソース間電流ids、トランジスタサイズW/L、ゲート−ソース間電圧Vgs、しきい値電圧Vth0、ソース電圧Vsである。ここで、ドレイン−ソース間電流idsは、定電流源である電界効果トランジスタM2のサイズによって決まる。また、ソース電圧Vsは電界効果トランジスタM2とM3のドレイン−ソース間電圧Vdsの合計値によって決まり、ゲート−ソース間電圧Vgsは、電界効果トランジスタM1のゲートとソースが接続されているため零になる。最終的に、電界効果トランジスタM1のソース電圧をZTC点に設定する上で、自由に制御することができるのはトランジスタサイズW/Lとしきい値Vth0である。   In the equation (6), the oxide film thickness, carrier mobility, etc. are substantially determined by the process conditions and materials. Therefore, the terms easy to control include drain-source current ids, transistor size W / L, gate-source voltage. Vgs, threshold voltage Vth0, and source voltage Vs. Here, the drain-source current ids is determined by the size of the field effect transistor M2 which is a constant current source. The source voltage Vs is determined by the sum of the drain-source voltages Vds of the field effect transistors M2 and M3, and the gate-source voltage Vgs becomes zero because the gate and source of the field effect transistor M1 are connected. . Finally, the transistor size W / L and the threshold value Vth0 can be freely controlled when setting the source voltage of the field effect transistor M1 to the ZTC point.

図2は、−50℃〜150℃の温度範囲での電界効果トランジスタM1のソース電圧Vsとドレイン電流idsとの関係例を示した図である。
図2では、トランジスタサイズとしきい値電圧を調整して、ドレイン−ソース間電流idsが0.5μA、ソース電圧Vsが1.6Vである条件のところにZTC 点を設定した結果であり、そのときのしきい値電圧Vthは−0.7V、トランジスタサイズW/Lは5μm/80μmである。図2から分かるように、−50℃〜150℃のすべての温度範囲においてソース電圧Vsは1.6Vに固定されるため、最低動作電圧を表す電界効果トランジスタM1のドレイン−ソース間電圧Vdsのマージン電圧が零になり、該マージン電圧分(約0.6V)だけ動作電圧を低減させることができる。
FIG. 2 is a diagram showing a relationship example between the source voltage Vs and the drain current ids of the field effect transistor M1 in the temperature range of −50 ° C. to 150 ° C.
In FIG. 2, the transistor size and the threshold voltage are adjusted, and the ZTC point is set under the condition that the drain-source current ids is 0.5 μA and the source voltage Vs is 1.6 V. The threshold voltage Vth is −0.7 V, and the transistor size W / L is 5 μm / 80 μm. As can be seen from FIG. 2, since the source voltage Vs is fixed at 1.6 V in the entire temperature range of −50 ° C. to 150 ° C., the margin of the drain-source voltage Vds of the field effect transistor M1 representing the minimum operating voltage. The voltage becomes zero, and the operating voltage can be reduced by the margin voltage (about 0.6 V).

次に、前記(c)式を用いて最終的な最低動作電圧を求めてみる。
従来例の場合は前記(c)式より、最低動作電圧Vminは下記のようになる。
Vmin=(VdsM101+Vマージン)+VdsM101+VdsM102=(0.5+0.6)+1.6=2.7V
これに対して、図1の温度検出回路1の場合の最低動作電圧Vminは、下記のようになる。
Vmin=(VdsM1+Vマージン)+VdsM2+VdsM3=(0.7+0)+1.6=2.3V
前記の結果から分かるように、−50℃〜150℃の温度範囲で安定動作するための最低動作電圧Vminは、従来の場合2.7Vであるのに対して、図1の場合では2.3Vになり、結果的に約0.4Vの動作電圧低減効果がある。
Next, the final minimum operating voltage is obtained using the above equation (c).
In the case of the conventional example, the minimum operating voltage Vmin is as follows from the equation (c).
Vmin = (VdsM101 + V margin) + VdsM101 + VdsM102 = (0.5 + 0.6) + 1.6 = 2.7V
On the other hand, the minimum operating voltage Vmin in the case of the temperature detection circuit 1 of FIG. 1 is as follows.
Vmin = (VdsM1 + V margin) + VdsM2 + VdsM3 = (0.7 + 0) + 1.6 = 2.3V
As can be seen from the above results, the minimum operating voltage Vmin for stable operation in the temperature range of −50 ° C. to 150 ° C. is 2.7 V in the conventional case, whereas 2.3 V in the case of FIG. As a result, there is an effect of reducing the operating voltage of about 0.4V.

図3は、本発明の第1の実施の形態における温度検出回路の他の回路例を示した図である。なお、図3では、図1と同じもの又は同様のものは同じ符号で示し、ここではその説明を省略すると共に図1との相違点のみ説明する。
図3における図1との相違点は、図1の電界効果トランジスタM2のサブストレートゲートを電界効果トランジスタM2のソースに接続したことにある。
図3においても、図1の場合と同様、電界効果トランジスタM2は定電流源をなしており、最低動作電圧Vminも、図1と同様であるため、電界効果トランジスタM1のソース電圧をZTC点に設定することにより、温度変動に強い安定した低電圧動作が可能な温度検出回路を得ることができる。
FIG. 3 is a diagram illustrating another circuit example of the temperature detection circuit according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 3, the same or similar parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted here, and only differences from FIG. 1 will be described.
3 is different from FIG. 1 in that the substrate gate of the field effect transistor M2 of FIG. 1 is connected to the source of the field effect transistor M2.
Also in FIG. 3, as in the case of FIG. 1, the field effect transistor M2 forms a constant current source, and the minimum operating voltage Vmin is also the same as in FIG. 1, so that the source voltage of the field effect transistor M1 is set at the ZTC point. By setting, it is possible to obtain a temperature detection circuit capable of a stable low-voltage operation that is resistant to temperature fluctuations.

また、前記図1及び図3において、導電型の極性が異なるポリシリコンゲートを有する電界効果トランジスタM2,M3の各チャネル長Lを等しくすることにより、電界効果トランジスタM2,M3の各しきい値電圧Vthの温度特性から、周囲温度変化に対して負の温度係数を有する温度検出回路を得ることができる。
また、前記図1及び図3において、導電型の極性が異なるポリシリコンゲートを有する電界効果トランジスタM2,M3の各チャネル長Lを異なるようにすることにより、電界効果トランジスタM2,M3のチャネル長Lが等しいときを1とすると、電界効果トランジスタM2,M3のチャネル長比が1より小さいときは正の温度係数の方向になり、該チャネル長比が1より大きいときは、更に負の温度係数を有する温度検出回路を得ることができる。
1 and 3, the threshold voltages of the field effect transistors M2 and M3 are made equal by equalizing the channel lengths L of the field effect transistors M2 and M3 having polysilicon gates having different conductivity types. A temperature detection circuit having a negative temperature coefficient with respect to a change in ambient temperature can be obtained from the temperature characteristic of Vth.
1 and 3, the channel lengths L of the field effect transistors M2 and M3 are made different by making the channel lengths L of the field effect transistors M2 and M3 having polysilicon gates having different conductivity types different from each other. Is equal to 1, when the channel length ratio of the field effect transistors M2 and M3 is smaller than 1, the direction is a positive temperature coefficient. When the channel length ratio is larger than 1, the negative temperature coefficient is further increased. A temperature detection circuit having the same can be obtained.

本発明の第1の実施の形態における温度検出回路の回路例を示した図である。It is the figure which showed the circuit example of the temperature detection circuit in the 1st Embodiment of this invention. 電界効果トランジスタM1のソース電圧Vsとドレイン電流idsとの関係例を示した図である。It is the figure which showed the example of relationship between the source voltage Vs of the field effect transistor M1, and the drain current ids. 本発明の第1の実施の形態における温度検出回路の他の回路例を示した図である。It is the figure which showed the other circuit example of the temperature detection circuit in the 1st Embodiment of this invention. 電界効果トランジスタを用いた従来の温度検出回路の回路例を示した図である。It is the figure which showed the circuit example of the conventional temperature detection circuit using a field effect transistor. 電界効果トランジスタM101のソース電圧Vsとドレイン電流idsとの関係例を示した特性図である。It is the characteristic view which showed the example of relationship between the source voltage Vs of the field effect transistor M101, and the drain current ids.

符号の説明Explanation of symbols

1 温度検出回路
M1〜M3 電界効果トランジスタ
1 Temperature Detection Circuit M1-M3 Field Effect Transistor

Claims (4)

所定の温度特性を有する出力電圧を生成して出力する温度検出回路において、
ドレインが所定の電源電圧に接続され、ゲートがソースに接続されると共にサブストレートゲートが接地電圧に接続された、デプレッション型のnチャネル型電界効果トランジスタである第1の電界効果トランジスタと、
ドレインが該第1の電界効果トランジスタのソースに接続され、ゲートがソースに接続されると共にサブストレートゲートが接地電圧に接続された、高濃度n型ゲートを有する第2の電界効果トランジスタと、
ドレインが該第2の電界効果トランジスタのソースに接続され、ゲートがドレインに接続されると共にソース及びサブストレートゲートがそれぞれ接地電圧に接続された、高濃度p型ゲートを有する第3の電界効果トランジスタと、
を備え、
前記第2及び第3の各電界効果トランジスタの接続部から前記出力電圧が出力され、前記第1の電界効果トランジスタは、ソース電圧がZTC点に設定されることを特徴とする温度検出回路。
In a temperature detection circuit that generates and outputs an output voltage having a predetermined temperature characteristic,
A first field effect transistor that is a depletion-type n-channel field effect transistor having a drain connected to a predetermined power supply voltage, a gate connected to a source, and a substrate gate connected to a ground voltage;
A second field effect transistor having a high concentration n-type gate having a drain connected to the source of the first field effect transistor, a gate connected to the source, and a substrate gate connected to a ground voltage;
A third field effect transistor having a high-concentration p-type gate having a drain connected to the source of the second field effect transistor, a gate connected to the drain, and a source and a substrate gate connected to a ground voltage, respectively. When,
With
The temperature detection circuit, wherein the output voltage is output from a connection portion between the second and third field effect transistors, and the source voltage of the first field effect transistor is set to a ZTC point.
所定の温度特性を有する出力電圧を生成して出力する温度検出回路において、
ドレインが所定の電源電圧に接続され、ゲートがソースに接続されると共にサブストレートゲートが接地電圧に接続された、デプレッション型のnチャネル型電界効果トランジスタである第1の電界効果トランジスタと、
ドレインが該第1の電界効果トランジスタのソースに接続され、ゲート及びサブストレートゲートがそれぞれソースに接続された、高濃度n型ゲートを有する第2の電界効果トランジスタと、
ドレインが該第2の電界効果トランジスタのソースに接続され、ゲートがドレインに接続されると共にソース及びサブストレートゲートがそれぞれ接地電圧に接続された、高濃度p型ゲートを有する第3の電界効果トランジスタと、
を備え、
前記第2及び第3の各電界効果トランジスタの接続部から前記出力電圧が出力され、前記第1の電界効果トランジスタは、ソース電圧がZTC点に設定されることを特徴とする温度検出回路。
In a temperature detection circuit that generates and outputs an output voltage having a predetermined temperature characteristic,
A first field effect transistor that is a depletion-type n-channel field effect transistor having a drain connected to a predetermined power supply voltage, a gate connected to a source, and a substrate gate connected to a ground voltage;
A second field effect transistor having a high concentration n-type gate, the drain connected to the source of the first field effect transistor, and the gate and the substrate gate connected to the source;
A third field effect transistor having a high-concentration p-type gate having a drain connected to the source of the second field effect transistor, a gate connected to the drain, and a source and a substrate gate connected to a ground voltage, respectively. When,
With
The temperature detection circuit, wherein the output voltage is output from a connection portion between the second and third field effect transistors, and the source voltage of the first field effect transistor is set to a ZTC point.
前記第2及び第3の各電界効果トランジスタは、導電型の極性が異なるポリシリコンゲートを有すると共にチャネル長が等しいことを特徴とする請求項1又は2記載の温度検出回路。   3. The temperature detecting circuit according to claim 1, wherein the second and third field effect transistors have polysilicon gates having different conductivity types and have equal channel lengths. 前記第2及び第3の各電界効果トランジスタは、導電型の極性が異なるポリシリコンゲートを有すると共にチャネル長が異なることを特徴とする請求項1又は2記載の温度検出回路。
3. The temperature detection circuit according to claim 1, wherein the second and third field effect transistors have polysilicon gates having different conductivity types and have different channel lengths.
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