JP2008513766A

JP2008513766A - デジタル温度センサ及びその較正

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Publication number: JP2008513766A
Application number: JP2007531911A
Authority: JP
Inventors: ミヒール、アー．ペー．ペルテイス; ヨハン、ハー．フエイシング
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2004-09-15
Filing date: 2005-09-13
Publication date: 2008-05-01
Also published as: US7674035B2; WO2006030374A3; EP1792152A2; US20080069176A1; EP1792152B1; WO2006030374A2

Abstract

デジタル温度センサ回路を較正する方法を提供する。この回路はアナログ温度検出手段と、内部基準電圧源と、アナログ温度検出手段及び基準電圧源からそれぞれの信号を受信して周囲温度を示すデジタル信号を出力するように構成したアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）と、を含む。前記方法は基準電圧源が出力した内部基準電圧の値を測定するステップと、前記内部基準電圧の値を所望の基準電圧値と比較するステップと、前記比較するステップの結果に応じて前記基準電圧源を調整するステップと、を含む。このような電圧モード較正は従来の温度較正に比べてはるかに高速に実施できるため、製造コストを大幅に下げることができる。またこの較正方法は、温度非依存性バンドギャップ基準電圧と比較しなければならないＰＴＡＴ電圧を生成するセンサに適用することができる。

Description

本発明はデジタル温度センサ及び、特に該センサの較正における改良した方法に関する。かかるセンサを、例えばデスクトップコンピュータやサーバコンピュータ等で使用する際には、内蔵温度センサの構成要素として用いられることが多い。

図１は、周知の「高性能（smart）」温度センサのブロック図である。この温度センサは絶対温度に正確に比例する（比例対絶対温度、ＰＴＡＴ）電圧Ｖ_ＰＴＡＴを生成するアナログ温度センサを含む。デジタル出力ＡＤ_ＯＵＴを生成するために、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）はこのＰＴＡＴ電圧を温度非依存性のバンドギャップ基準電圧Ｖ_ＲＥＦと比較する：

製造上の公差（例えばＩＣプロセスのパラメータのばらつき、実装ずれ等）により、かかる温度センサの初期誤差は室温で±２．０℃が典型的である。適切な回路設計により、この誤差は主に、バンドギャップ基準に使用されるバイポーラトランジスタのベース−エミッタ間電圧の絶対値にばらつきがあることに起因する。

本発明者の知る限りでは、このばらつきを軽減することのできる回路技術は存在しない。そのため、ベース−エミッタ間電圧におけるプロセス公差を低減すること、又はセンサをトリミングすることによってのみ、かかる誤差を低減することができる。前者の方法は、標準的な低コストＩＣプロセスにおいてセンサを製造する場合には、通常受け入れ難いものである。従って、高性能の温度センサのほとんどがトリミングされる。トリミングプロセスでは、１つ以上の温度でセンサの温度誤差を求め（較正ステップ）、その後誤差をなくすように回路を調整する（トリミングステップ）。トリミングステップは、アナログ領域又はデジタル領域のいずれかにおいて、例えばレーザトリミングやツェナーザッピング、又はＰＲＯＭに格納された値を変更することによって、回路を永久に修正することを含む。

センサの温度誤差は、センサと同じ温度を有し周知の精度を有する基準温度計の測定値とセンサの測定値を比較することによって求める。これには温度の安定した製品環境が必要である。この比較はウェハレベルで行うことができるが、この場合には設備の温度を安定化するのにかかる時間を多くのセンサで共有することになる。ただし、その後のダイシング及び実装によって、補償されない温度誤差に変化が生じる。従って、誤差を±０．５℃未満にするには、実装後に個別に較正を行うことが望ましい。現在の温度較正技術では、較正は製造プロセスにおける実質的なコスト制限要因である。

本発明の一態様は、デジタル温度センサ回路を較正する方法を提供するものであり、この回路は、アナログ温度検出手段と、内部基準電圧源と、アナログ温度検出手段及び基準電圧源からそれぞれの信号を受信して周囲温度を示すデジタル信号を出力するように構成したアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）と、を含む。前記方法は基準電圧源が出力した内部基準電圧の値を測定するステップと、前記内部基準電圧の値を所望の基準電圧値と比較するステップと、前記比較するステップの結果に応じて前記基準電圧源を調整するステップと、を含む。

内部基準電圧を直接測定することができるように前記回路を構成することで、内部基準電圧の値を直接測定によって求めるようにしてもよい。例えば、適切な駆動回路を備えることによって、これを簡便化してもよい。

別の実施形態では、アナログ温度検出手段の出力電圧を直接測定できるように回路を構成することにより、アナログ温度検出手段の出力とＡＤＣからの出力信号から内部基準電圧値を求めるようにしてもよい。この場合も、この測定を直接行うにあたり適切な駆動回路を用いてもよい。

更なる変形として、内部基準電圧源からＡＤＣへの出力信号を外部基準電圧信号に置き換えることにより、内部基準電圧と外部基準電圧それぞれに応じて生成されたＡＤＣ出力信号値を用いて、内部基準電圧値を求めることもできる。

さらに、アナログ温度検出手段の出力信号を周知の外部電圧に置き換えることにより、外部電圧に応じて生成されたＡＤＣ出力信号を用いて内部基準電圧の値を求めることもできる。

本発明の更なる態様はデジタル温度センサを提供するものであり、このデジタル温度センサは、アナログ温度検出手段と、内部基準電圧源と、ＡＤＣとを含み、該ＡＤＣはアナログ温度検出手段と基準電圧源からそれぞれの信号を受信して、周囲温度を示すデジタル信号を出力するように構成する。かかる内部基準電圧源は、出力する基準電圧の値を変更するように調整可能である。外部基準電圧信号を受信して、内部基準電圧源又はアナログ温度検出手段の信号の代わりにこの外部基準電圧信号をＡＤＣに入力するように回路を構成することで、内部基準電圧の値を求め、前記内部基準電圧信号を適切に調整できるようにすることもできる。

本発明は、適切な回路設計により、ほとんどの用途に対してはオンチップアナログ温度センサ（ＰＴＡＴ源）の初期精度で十分であるということを利用している。従って、オンチップ電圧基準の誤差を測定し、それを補償するだけでよい。かかる電圧モード較正は、従来の温度較正に比べてはるかに高速に実施できるため、製造コストを大幅に下げることが可能である。

さらに、回路を実装した後で較正を行うことができるため、較正によって生じる如何なる混乱も回避できると共に、デバイスピンを更に追加する必要もない。

適切な回路設計により、−５０℃から１２５℃の範囲で初期誤差が±０．１℃のＰＴＡＴ源を作製することができる（Ｍ．Ａ．Ｐ．Ｐｅｒｔｉｊｓ、Ｇ．Ｃ．Ｍ．Ｍｅｉｊｅｒ、Ｊ．Ｈ．Ｈｕｉｊｓｉｎｇの「基板ＰＮＰトランジスタを用いた温度センサの非理想性（Non-Idealities of Temperature Sensors using Substrate PNP Transistors）」、ＩＥＥＥＳｅｎｓｏｒｓ２００２議事録（２００２年６月１２日〜１４日、米国フロリダ州オーランド）を参照されたい。なお、この内容を援用して本文の記載の一部とする）。本発明者は、ＡＤＣがセンサの誤差を生じる一因にならないようにすることにより、バンドギャップ基準の初期誤差が大きいことについては、温度センサをトリミングするだけで済むことに気付いた。従って、較正を行うのはバンドギャップ基準に限定できる：センサ全部の温度誤差ではなく、外部基準電圧に対するバンドギャップ基準電圧の誤差を測定するだけでよい。

添付の図面を参照して周知の温度センサと本発明の実施形態を以下に説明する。

図２はバンドギャップ基準電圧Ｖ_ＲＥＦを測定する４つの方法を示す。
１．Ｖ_ＲＥＦを出力することによる直接測定
２．Ｖ_ＰＴＡＴとＡＤ_ＯＵＴを出力し、式（１）からＶ_ＲＥＦを計算することによる間接測定
３．外部基準電圧Ｖ_{ＲＥＦｅｘｔ}を入力し、その後２つのアナログ−デジタル変換（１つは内部基準を用いたものであり、もう１つは外部基準を用いたものである）を行うことによる間接測定：

外部信号電圧Ｖ_{ＳＩＧｅｘｔ}を入力することによる間接測定：

これらいずれのケースにおいても、求めたＶ_ＲＥＦの値を正確な外部基準電圧と比較して所望の値に対する誤差を求める。基準電圧は本質的に温度非依存性であるため、測定中のセンサの温度は重要でない。

測定の種類は温度測定ではなく電圧測定である。これは工業試験環境に適合すると共に、高速に実施可能であり、信頼性も高い。

求めた誤差に基づいて、適切なＰＴＡＴの値を加算或いは減算することにより、バンドギャップ基準回路をトリミングする。バンドギャップ基準電圧の誤差はＰＴＡＴとなる傾向があるため、ある１つの温度でのみ誤差を測定するだけでも、広い温度範囲にわたるトリミングの有効性が保証される。

上述した技術を用いた較正及びトリミングの後で、幾つかの要素によって全体的な精度が判断されることが理解されよう：
・ＰＴＡＴ源の初期精度、
・Ｖ_ＲＥＦの測定の精度、
・ベース−エミッタ間電圧のトリミングの分解能、
・ベース−エミッタ間電圧の高次温度依存性の再現可能性。

ベース−エミッタ間電圧の高次温度依存性のばらつきが小さければ、−５０℃から１２５℃の範囲における±０．３℃の精度は、室温で一回較正を行うことで得ることができる。

Ｖ_ＲＥＦを測定する上記の方法のうち３番目及び４番目の方法は、内部電圧を、正確な「オンチップ」駆動手段が必要な「オフチップ」とするのではなく、正確な外部電圧をチップに入力することを意味しているため、特に有益である。

図３は本発明によって較正される温度センサの概略図である。この較正の実施は上記３番目又は４番目の方法のいずれにも正確に対応している訳ではないが、本質的には同じ原理を採用している：即ち、較正中に明確な外部電圧Ｖ_ＥＸＴをチップに印加して、オンチップバンドギャップ基準の偏差を測定する。

バンドギャップ基準電圧の誤差を間接的に測定した後、それらの電圧を公称値に調整する。

図３の温度センサの中心は（ＣＭＯＳプロセスにおいて）２つの基板ＰＮＰトランジスタによって形成され、これらトランジスタには１セットの３つの電流源を用いてバイアスされる。それら３つの電流源は、明確な（動的に適合し得る）比率ｍを有するＩ_ｈｉｇｈ及びＩ_ｌｏｗ（即ちＩ_ｈｉｇｈ＝ｍＩ_ｌｏｗ）と、ＰＲＯＭにおいてｔｒｉｍ＿ｖａｌを変更することによってデジタルに調整できるＩ_ｔｒｉｍである。

２つのマルチプレクサを用いることで、電荷平衡型ＡＤＣ（例えばシグマ−デルタ型ＡＤＣ）の入力Ｖ_ｉｎは以下の電圧のうちの１つとすることができる：
・ΔＶ_ＢＥ＝Ｖ_ＢＥ（Ｉ_ｈｉｇｈ）−Ｖ_ＢＥ（Ｉ_ｌｏｗ）、これは２つのＰＮＰトランジスタのベース−エミッタ間電圧の差であり、絶対温度に比例する（ＰＴＡＴ）、
・Ｖ_ＢＥ（Ｉ_ｔｒｉｍ）、これはいずれかのＰＮＰトランジスタの絶対的なベース−エミッタ間電圧である、
・Ｖ_ＥＸＴ、これは明確な外部電圧である。

図３のセンサの較正は２つのステップを含む。まず、通常のアナログ−デジタル変換を実行し（ｃａｌ＿ｍｏｄｅ＝０）、その間電荷平衡型ＡＤＣはトリミングされていない計測温度を生成する。

式中、因数αはＡＤＣ内部で（例えば動的に適合するサンプリングキャパシタによって）設定された正確な比率である。

その後、外部電圧Ｖ_ＥＸＴがＶ_ＢＥに代わることで（ｃａｌ＿ｍｏｄｅ＝１）、ＡＤＣの生成は以下のようになる。

ＡＤ_ＯＵＴ１、ＡＤ_ＯＵＴ２、及びＶ_ＥＸＴからＶ_ＲＥＦを計算することができる。次いでＶ_ＲＥＦの公称値からの偏差から、Ｉ_ｔｒｉｍをどの程度調整する必要があるか、即ち、どのｔｒｉｍ＿ｖａｌをＰＲＯＭにプログラムする必要があるかを計算することができる。その後の変換の間、ｃａｌ＿ｍｏｄｅは常にゼロであるため、ＡＤＣは正確な温度測定値を生成することになる。

この較正技術は「従来の」技術でセンサを較正する場合よりもわずかに多い回路構成が必要となるだけである：即ち、マルチプレクサと制御論理を複雑にすればよい。また、外部電圧を回路に印加するピンも必要となる。デジタルピン（例えばアドレス選択又はバスインタフェースに使用するピン）をこの目的のために再使用してもよい。

ＰＲＯＭに格納するトリミング値は、バスインタフェースを用いてチップに送り、またバスインタフェースを用いて通常操作中にセンサから読み出すこともできる。

本明細書を読むことにより、他の変形及び変更が当業者には明らかであろう。かかる変形及び変更は技術的に既知の同等物及び他の特徴を含み、本明細書に記載した特徴に替えて、又は追加してそれらを使用することができる。

本願の特許請求の範囲には本発明の特徴の特定の組み合わせを記載しているが、本発明の範囲には、本願の任意の請求項に記載の発明と同じ発明に関するか否か、及び本発明と同じ技術的問題のいずれか若しくはすべてを軽減するか否かに関わらず、任意の新規な特徴又は本明細書に開示した特徴の任意の新規な組み合わせが明確又は暗示的に含まれており、またそれらを一般化したものも本発明の範囲に含まれるものとして理解されたい。

別々の実施形態として記載した特徴についても、それらを組み合わせて１つの実施形態の中で示してもよい。逆に、簡潔さを期すため、それらを組み合わせて１つの実施形態の中で示した種々の特徴についても、別々又は任意かつ適宜に組み合わせて示すことができる。本願の出願人は、本願の審査中又は本願から派生する更なる出願の審査中に、かかる特徴又はかかる特徴を組み合わせて新たな請求項を追加することが有り得ることを、ここに通知する。

周知の温度センサを示すブロック図。本発明の実施形態による較正技術を示すために図１を修正した図。本発明に実施形態よるデジタル温度回路を示す図。

Claims

デジタル温度センサ回路を較正する方法であって、前記回路はアナログ温度検出手段と、内部基準電圧源と、前記アナログ温度検出手段及び前記基準電圧源からそれぞれの信号を受信して周囲温度を示すデジタル信号を出力するように構成したアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）と、を含み、前記方法は前記基準電圧源が出力した前記内部基準電圧の値を求めるステップと、前記内部基準電圧の値を所望の基準電圧値と比較するステップと、前記比較するステップの結果に応じて前記基準電圧源を調整するステップとを含む、方法。
前記内部基準電圧を直接測定可能であるように前記回路を構成し、前記内部基準電圧の値を求めるステップが前記内部基準電圧の値を直接測定することを含む、請求項１に記載の方法。
前記アナログ温度検出手段の前記出力電圧を直接測定可能であるように前記回路を構成し、前記内部基準電圧の値を求めるステップが、前記アナログ温度検出手段の前記出力電圧と前記ＡＤＣの前記出力信号とを直接測定して、前記内部基準電圧の値を求めることを含む、請求項１に記載の方法。
前記内部基準電圧の値を求めるステップが、前記内部基準電圧源から前記ＡＤＣへの前記出力信号を外部基準電圧信号に置き換え、前記内部基準電圧及び前記外部基準電圧それぞれに応じて生成された前記ＡＤＣの出力信号値から前記内部基準電圧の値を求めることを含む、請求項１に記載の方法。
前記内部基準電圧の値を求めるステップが、前記アナログ温度検出手段の出力信号を周知の外部電圧に置き換え、前記周知の外部電圧に応じて生成された前記ＡＤＣの出力信号を用いて前記内部基準電圧の値を求めることを含む、請求項１に記載の方法。
アナログ温度検出手段と、内部基準電圧源と、ＡＤＣとを含むデジタル温度センサ回路であって、前記ＡＤＣは前記アナログ温度検出手段と前記基準電圧源からそれぞれの信号を受信して、周囲温度を示すデジタル信号を出力するように構成され、前記内部基準電圧源は出力する前記基準電圧の値を変更するように調整可能であり、前記回路が前記内部基準電圧を直接測定できるように構成される、回路。
アナログ温度検出手段と、内部基準電圧源と、ＡＤＣとを含むデジタル温度センサ回路であって、前記ＡＤＣは前記アナログ温度検出手段と前記基準電圧源からそれぞれの信号を受信して、周囲温度を示すデジタル信号を出力するように構成され、前記内部基準電圧源は出力する前記基準電圧の値を変更するように調整可能であり、前記回路が前記アナログ温度検出手段の前記出力電圧を直接測定できるように構成される、回路。
アナログ温度検出手段と、内部基準電圧源と、ＡＤＣとを含むデジタル温度センサ回路であって、前記ＡＤＣは前記アナログ温度検出手段と前記基準電圧源からそれぞれの信号を受信して、周囲温度を示すデジタル信号を出力するように構成され、前記内部基準電圧源は出力する前記基準電圧の値を変更するように調整可能であり、前記回路が、外部基準電圧信号を受信して前記内部基準電圧源又は前記アナログ温度検出手段の信号の代わりに前記外部基準電圧信号を前記ＡＤＣに入力するように構成されることで、前記内部基準電圧の値を求め、前記内部基準電圧源を適切に調整することができる、回路。