DE10204487B4 - Temperatursensor - Google Patents

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    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/01—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using semiconducting elements having PN junctions

Abstract

Temperatursensor mit
– einer ersten FET-Transistorschaltung (T1) und
– einer zweiten FET-Transistorschaltung (T2, T2', T2''),
– wobei jede der beiden FET-Transistorschaltungen (T1; T2, T2', T2'') einen Arbeitspunkt (A) aufweist, in dem für einen konstanten Drain-Source-Strom (I0) die Gatespannung (U0) im wesentlichen temperaturunabhängig ist,
– Mitteln (11; T3, T4, T5) zum Betreiben der ersten FET-Transistorschaltung (T1) in einem Arbeitspunkt, der ober- oder unterhalb des temperaturunabhängigen Arbeitspunkts (A) liegt und
– Mitteln (11; T3, T4, T5) zum Betreiben der zweiten FET-Transistorschaltung (T2, T2', T2'') in einem Arbeitspunkt, der ober- oder unterhalb des temperaturunabhängigen Arbeitspunkts (A) liegt, wobei
– die Differenz der Gate-Spannungen (U1–U2) an der ersten und zweiten FET-Transistorschaltung (T1; T2, T2', T2'') als Maß für die Temperatur an einer der beiden FET-Transistorschaltungen (T1; T2, T2', T2'') ausgewertet wird,
– und mit einer Verstärkerschaltung (3), die die Differenz der Gate-Spannungen (U2–Ul) an der ersten und zweiten FET-Transistorschaltung (T1; T2, T2', T2 '') erfaßt und in eine Steuerspannung (Ug) für eine weitere Verstärkerschaltung (1, 1', 1'') umsetzt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Temperatursensor mit einer ersten FET-Transistorschaltung und einer zweiten FET-Transistorschaltung.
  • Die Druckschrift US 5,336,943 A beschreibt einen Temperatursensor, der zwei Feldeffekttransistoren aufweist, von denen der eine im Bereich unterhalb der Abschnürspannung (subthreshold region) und der andere an einem Arbeitspunkt betrieben wird, in dem für einen konstanten Drain-Source-Strom die Gatespannung im wesentlichen temperaturunabhängig ist. Durch Vergleich der Spannungen an den beiden Feldeffekttransistoren wird ein Signal erzeugt, das von der Temperatur des unterhalb der Abschnürspannung betriebenen Transistors abhängig ist.
  • Ein derartiger Temperatursensor ist auch aus der US 5,796,290 A bekannt. Eine erster Feldeffekttransistor wird in einem Arbeitspunkt betrieben, in dem für einen konstanten Drain-Source Strom die Gate-Spannung im wesentlichen temperaturunabhängig ist. Ein zweiter Feldeffekttransistor wird unterhalb des temperaturunabhängigen Arbeitspunktes und damit in einem Bereich betrieben, in dem für einen konstanten Drain-Source Strom die Gate-Spannung temperaturabhängig ist. Die Differenz der Spannungen an dem ersten und dem zweiten Feldeffekttransistor wird als Maß für die Temperatur ausgewertet.
  • Ein Temperatursensor mit einer ersten Feldeffekttransistor-Schaltung und einer zweiten Feldeffekttransistor-Schaltung, bei dem eine der Feldeffekttransistor-Schaltungen in einem Arbeitspunkt betrieben wird, in dem für einen konstanten Drain-Source-Strom die Gate-Spannung im Wesentlichen temperaturunabhängig ist, ist auch aus der EP 0 523 799 A1 bekannt. Die andere Feldeffekttransistor-Schaltung weist dabei zwei in Reihe geschaltete Feldeffekttransistoren auf.
  • Die DE 198 41 202 beschreibt einen Temperatursensor zum Schalten, insbesondere dem Abschalten von Lasten bei Übersteigen einer vorgebbaren Temperatur. Dabei wird eine Schaltung zur Verfügung gestellt, bei der die Schalttemperatur einstellbar ist. Das Abschalten eines Elementes erfolgt unter Verwendung eines Komparators.
  • Ein Nachteil der bekannten Temperatursensoren besteht darin, dass die aufgrund einer Temperaturänderung erzielte Spannungsänderung aufgrund der kleinen Ströme und Spannungen im Bereich unterhalb der Abschnürspannung bzw. dem temperaturunabhängigen Arbeitspunkt klein und daher nur schwer weiterzuverarbeiten ist.
    •
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Temperatursensor zur Verfügung zu stellen, der zur Kompensation von Temperaturabhängigkeiten in analogen oder digitalen Schaltungen ein von der Temperatur abhängiges Ausgangssignal bereitstellt. Dabei sollen kleine Temperaturänderungen ein möglichst grosses Ausgangssignal hervorrufen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Temperatursensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Danach zeichnet sich der erfindungsgemäße Temperatursensor aus durch Mittel zum Betreiben der ersten FET-Transistorschaltung in einem Arbeitspunkt, der ober- oder unterhalb des temperaturunabhängigen Arbeitspunkts liegt und Mittel zum Betreiben der zweiten FET-Transistorschaltung in einem Arbeitspunkt, der ebenfalls ober- oder unterhalb des temperaturunabhängigen Arbeitspunkts liegt. Die Differenz der Spannungen an der ersten und zweiten FET-Transistorschaltung wird als Maß für die Temperatur an einer der FET-Transistor schaltungen ausgewertet. Es ist des weiteren eine Verstärkerschaltung vorgesehen, die die Differenz der Spannungen an der ersten und zweiten FET-Transistorschaltung erfasst und die Differenzspannung in eine Steuerspannung für eine weitere Verstärkerschaltung umsetzt. Die Verstärkerschaltung verstärkt die Differenzspannung und paßt sie im Arbeitspunkt an.
  • Anders als bei den im Stand der Technik bekannten Temperatursensoren werden somit die Arbeitspunkte beider FET-Transistorschaltungen außerhalb des temperaturunabhängigen Arbeitspunktes des jeweiligen Transistors gelegt. Insbesondere können der Arbeitspunkt einer FET-Transistorschaltung oberhalb und der Arbeitspunkt des anderen FET-Transistorschaltung unterhalb des temperaturunabhängigen Arbeitspunktes gelegt werden. Dadurch wird der Temperaturgang vergrössert, da sich die beiden Temperaturgänge der beiden FET-Transistorschaltungen addieren. Es liegt dementsprechend auch bei kleinen Temperaturänderungen ein relativ großes Ausgangssignal des Temperatursensors vor.
  • Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die Toleranz der zur Stromeinstellung erforderlichen Schaltung vergrößert wird, da nicht mehr bei einer der FET-Transistorschaltungen genau der temperaturunabhängige Arbeitspunkt gefunden werden muss.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass jeder Feldeffekttransistor einen Arbeitspunkt aufweist, in dem für einen konstanten Drain-Source-Strom die Gatespannung im wesentlichen temperaturunabhängig ist (englisch: zero-temperature-coefficient-point). Unterhalb dieses Arbeitspunktes weist der Drain-Source-Strom einen positiven Temperaturkoeffizienten, oberhalb dieses Arbeitspunktes eines negativen Temperaturkoeffizienten auf. Dies ist in der Literatur im einzelnen beschrieben.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung liegt der Arbeitspunkt beider FET-Transistorschaltungen oberhalb oder unterhalb des temperaturunabhängigen Arbeitspunktes. Auch bei dieser Variante kann eine relativ große Toleranz der Stromeinspeisung vorliegen.
  • Die Mittel zum Betreiben der ersten FET-Transistorschaltung und die Mittel zum Betreiben der zweiten FET-Transistorschaltung weisen bevorzugt einen Stromgenerator auf, der die beiden Transistorschaltungen mit konstanten Strömen speist. Mit Vorteil besteht der Stromgenerator dabei aus zwei gekoppelten Stromquellen, die die beiden FET-Transistorschaltungen speisen. Durch Verwendung eines Stromgenerators, der die beiden FET-Transistorschaltungen mit unterschiedlichen Strömen betreibt, lassen sich die gewünschten Arbeitspunkte der Transistorschaltungen einfach und zuverlässig einstellen. Zur Einstellung der Arbeitspunkte enthält der Stromgenerator dabei beispielsweise einen Stromspiegel, der die Arbeitspunkte der beiden FET-Transistorschaltungen definiert.
  • Alternativ weisen die Mittel zum Betreiben der ersten und zweiten FET-Transistorschaltung jeweils einen Widerstand auf, der mit der jeweiligen FET-Transistorschaltung in Reihe geschaltet ist. In dieser Ausführungsvariante werden die FET-Transistorschaltungen durch die Widerstände gespeist.
  • Die FET-Transistorschaltungen weisen bevorzugt jeweils mindestens einen FET-Transistor auf, der in Diodenschaltung betrieben wird, d.h. das Gate ist mit dem Drain-Anschluß verbunden.
  • Um eine variablere Generierung der Differenzspannung zwischen den beiden FET-Transistorschaltungen zu ermöglichen, ist an einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, für die erste und/oder die zweite FET-Transistorschaltung kaskadierte FET-Transistoren einzusetzen, d.h. es sind FET-Transistoren in Reihe geschaltet. Dabei kann in einfacher Weise durch Variation der Speiseströme sowie der Transistorgrößen die Differenzspannung über einen sehr weiten Spannungsbereich eingestellt werden.
    •
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 – die Grundkomponenten eines Temperatursensors, wobei das Ausgangssignal des Temperatursensors beispielhaft der Steuerung einer Verstärkerschaltung dient,
  • 2a – schematisch die Transistorkennlinie eines MOS-Transistors für zwei Temperaturen;
  • 2b – die Schaltung eines MOS-Transistors bei Aufnahme der Tansistorkennlinie gemäß 2a, und
  • 3 – ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Temperatursensors;
  • Ein Temperatursensor 1 wird gemäß 1 durch zwei MOS-Transistoren T1 und T2 realisiert, die in Diodenschaltung angeordnet sind, d.h. der Gate-Anschluß und der Drain-Anschluß der Transistoren sind miteinander verbunden. Über einen Stromgenerator 11 mit zwei gekoppelten Stromquellen werden die Transistoren T1 und T2 mit unterschiedlichen Strömen I1 und I2 betrieben. Der Stromgenerator 11 ist dabei mit dem Gate-Anschluß verbunden; der Source-Anschluß der beiden Transistoren ist jeweils geerdet.
  • Die Verstärkerschaltung 2 weist zwei Eingänge auf, von denen der eine Eingang mit dem Drain-Anschluß des Transistors T1 und der andere Eingang mit dem Drain-Anschluß des Transistors T2 verbunden ist. Die Steuerschaltung 2 erfaßt damit die Differenzspannung an den beiden Transistoren T1 und T2 und setzt diese Differenzspannung in eine Steuerspannung Ug um.
  • Im Ausführungsbeispiel der 1 wird die Steuerspannung Ug mehreren Transistoren T6 zugeleitet, die Stromquellen für Differenzverstärkerstufen 3, 3', 3'' bilden. Die Verstärkerstufen 3, 3', 3'' bestehen jeweils aus MOS-Transistoren T7, T8 und Drain-Widerständen Rd bestehen. Durch die Gatespannung am Transistor T6 wird jeweils der Strom durch die einzelnen Verstärkerstufen 3, 3', 3'' eingestellt. Die Gatespannung kann dabei so eingestellt werden, dass der Strom Iv durch die Verstärkerstufen mit abnehmender Temperatur reduziert wird.
  • Der Verwendung der Steuerspannung Ug ist jedoch nicht auf die Steuerung einer nachgestaltete Verstärkerschaltung beschränkt. Grundsätzlich kann die Steuerspannung zur Kompensation von Temperaturabhängigkeiten in beliebigen analogen oder digitalen Schaltungen eingesetzt werden.
  • In Abhängigkeit von der Stromdichte ergibt sich eine unterschiedliche Temperaturabhängigkeit der Gatespannung, die zur Temperaturmessung ausgenutzt wird. 2a zeigt schematisch die Transistorkennlinie eines MOS-Transistors (etwa des Transistors T1 oder des Transistors T2 der 1) für zwei Temperaturen T1 und T2, wobei T2 kleiner als T1 ist. Die zugehörige Schaltung, bei der die Transistorkennlinie aufgenommen ist, ist in 2b dargestellt. Der Transistor wird bei Aufnahme der Transistorschaltung in Diodenschaltung betrieben.
  • Gemäß 2a existiert ein Arbeitspunkt A, in dem der Temperaturkoeffizient gleich Null ist, d.h. für einen konstanten Drain-Source-Strom Id ist die Gatespannung Ug temperaturunabhängig (Id = I0 und Ug = U0). Unterhalb dieses Punktes A ist der Temperaturkoeffizient des Drain-Source-Stroms Id positiv, oberhalb des Punktes A negativ.
  • Bei der Schaltung gemäß 1 wird nun der Transistor T2 bei einer Stromstärke I2 betrieben, die unterhalb des temperaturunabhängigen Arbeitspunkts A liegt. In diesem Bereich ist der Temperaturkoeffizient von Id positiv, d.h. mit zunehmender Temperatur wird eine geringere Spannung zur Realisierung einer vorgegebenen Stromstärke I2 benötigt. So werden in 2a zur Realisierung der Stromstärke I2 bei der niedrigeren Temperatur T2 die Spannung U2T2 und bei der höheren Temperatur T1 die niedrigere Spannung U2T1 benötigt.
  • Demgegenüber wird der Transistor T1 an einem Arbeitspunkt oberhalb des temperaturunabhängigen Arbeitspunktes A betrieben. In diesem Bereich ist der Temperaturkoeffizient von Id negativ, d.h. mit zunehmender Temperatur wird eine höhere Spannung zur Realisierung einer vorgegebenen Stromstärke I2 benötigt. So werden in 2a zur Realisierung der Stromstärke I1 bei der niedrigeren Temperatur T2 die Spannung U1T2 und bei der höheren Temperatur T1 die höhere Spannung U1T1 benötigt.
  • Da der Transistor T2 im Arbeitspunkt I2 und der Transistor T1 im Arbeitspunkt I1 betrieben werden, variiert die Spannung in beiden Arbeitspunkten I1 in Abhängigkeit von der Temperatur, und zwar mit Temperaturkoeffizienten unterschiedlichen Vorzeichens. Dies bedeutet, dass sich die beiden Temperaturgänge der Transistoren T1, T2 addieren. Somit führt bereits eine geringe Temperaturänderung (von T2 zu T1) zu einer relativ größen Änderung der Spannungsdifferenz an den beiden Transistoren T1, T2 (von U1T2-U2T2 zu U1T1-U2T1). Die Differenzspannung (U1–U2) nimmt dabei mit zunehmender Temperatur T zu.
  • Insbesondere ist erkennbar, dass die Differenzspannung U1Tx– U2Tx größer ist als für den Fall, dass ein Transistor im temperaturunabhängigen Arbeitspunkt A betrieben wird.
  • Die Differenzspannung (U1–U2) wird von der Verstärkerschaltung 2 in die Steuerspannung Ug umgesetzt, wobei neben einer Verstärkung auch eine Anpassung des Arbeitspunktes erfolgt. Durch die Steuerspannung Ug wird im Ausführungsbeispiel der 1 die Gatespannung der Transistoren T6 entsprechend dem gewünschten Srom Iv eingestellt.
  • Bei einer Abnahme der Temperatur sinkt die Spannung U1 am Transistor T1 und steigt die Spannung U2 des Transistors T1 des Temperatursensors 1. Dementsprechend sinkt auch die Differenzspannung (U1–U2). Damit ist auch die Steuerspannung Ug, die die Gatespannung der Transistoren Q1 darstellt, vermindert. Dies führt bei abnehmenden Temperaturen zu einem reduzierten Strom Iv durch die Verstärkerstufen. Somit stellt die dargestellte Schaltung sicher, dass bei kleinen Temperaturen ein nur reduzierter Strom durch die Verstärkerstufen fließt. Dies führt zu einer verminderten Verstärkung, die eine üblicherweise erfolgende Zunahme der Verstärkung bei niedrigen Temperaturen kompensiert.
  • 3 zeigt detailliert ein Ausführungsbeispiel eines Temperatursensors 1'. Eine Stromzufuhr 11' wird durch drei Feldeffekttransistoren T3, T4, T5 bereitgestellt, die einen Stromspiegel darstellen. Der dem Transistor T5 eingeprägte Referenzstrom Iref bestimmt die Gate-Spannung an den Transistoren T3, T4. Die Ströme I1, I2 durch die Transistoren T3, T4 werden durch den Referenzstrom Iref und die Dimensionierung der Transistoren T3, T4, T5 eingestellt.
  • Durch die Ströme I1, I2 durch die Transistoren T3, T4 werden die Arbeitspunkte der weiteren Feldeffekttranistoren T1, T2', T2" definiert. Die Feldeffekttranistoren T1, T2', T2" dienen der eigentlichen Temperaturmessung. Im Unterschied zur 1 ist der Transistor T2 dabei durch zwei in Reihe geschaltete Transistoren T2', T2" ersetzt. Alternativ können auch mehr als zwei Transistoren in Reihe geschaltet werden.
  • Die Verstärkerschaltung 2' dient der Weiterverarbeitung der temperaturabhängigen Spannung Ul–U2, d.h. der Differenz der Spannungen an den Transistoren T1 zum einen T2', T2" zum anderen. Die Verstärkerschaltung 2' wird durch eine an sich bekannte Substraktionsschaltung für die beiden Eingangsspannungen U2 und U1 ausgebildet. Die Subtraktionsschaltung weist einen invertierenden Operationsverstärker 21 auf, dem die Eingangsspannung U1 über einen Spannungsteiler an den nicht invertierenden Eingang zugeführt wird. Da das Verhältnis der Widerstände R1, R2 am invertierenden und am nicht invertierenden Eingang gleich ist, wird nur die Differenz der Eingangsspannungen (U1–U2) verstärkt und als Steuerspannung Ug ausgegeben.
  • Die Eingangsströme in den Verstärker (durch R1) sollen dabei vernachlässigbar sein, damit die Arbeitspunktströme I1, I2 nicht verfälscht werden.
  • Durch Variation der Ströme I1 und I2 sowie der Transistorgrößen T1, T2', T2'' kann die Differenzspannung (U1–U2) bei der Schaltung gemäß 3 fast beliebig eingestellt werden.
  • Damit kann diese temperaturabhängige Spannung mittels des Operationsverstärker 21 auf die benötigte Spannung Ug umgesetzt werden.

Claims (10)

  1. Temperatursensor mit – einer ersten FET-Transistorschaltung (T1) und – einer zweiten FET-Transistorschaltung (T2, T2', T2''), – wobei jede der beiden FET-Transistorschaltungen (T1; T2, T2', T2'') einen Arbeitspunkt (A) aufweist, in dem für einen konstanten Drain-Source-Strom (I0) die Gatespannung (U0) im wesentlichen temperaturunabhängig ist, – Mitteln (11; T3, T4, T5) zum Betreiben der ersten FET-Transistorschaltung (T1) in einem Arbeitspunkt, der ober- oder unterhalb des temperaturunabhängigen Arbeitspunkts (A) liegt und – Mitteln (11; T3, T4, T5) zum Betreiben der zweiten FET-Transistorschaltung (T2, T2', T2'') in einem Arbeitspunkt, der ober- oder unterhalb des temperaturunabhängigen Arbeitspunkts (A) liegt, wobei – die Differenz der Gate-Spannungen (U1–U2) an der ersten und zweiten FET-Transistorschaltung (T1; T2, T2', T2'') als Maß für die Temperatur an einer der beiden FET-Transistorschaltungen (T1; T2, T2', T2'') ausgewertet wird, – und mit einer Verstärkerschaltung (3), die die Differenz der Gate-Spannungen (U2–Ul) an der ersten und zweiten FET-Transistorschaltung (T1; T2, T2', T2 '') erfaßt und in eine Steuerspannung (Ug) für eine weitere Verstärkerschaltung (1, 1', 1'') umsetzt.
  2. Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitspunkt der einen der beiden FET-Transistorschaltungen (T1; T2, T2', T2'') oberhalb und der Arbeitspunkt der anderen der beiden FET-Transistorschaltungen (T1; T2, T2', T2'') unterhalb des temperaturunabhängigen Arbeitspunktes (A) liegt.
  3. Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitspunkt beider FET-Transistorschaltungen (T1; T2, T2', T2'') oberhalb des temperaturunabhängigen Arbeitspunktes (A) liegt.
  4. Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitspunkt beider FET-Transistorschaltungen (T1; T2, T2', T2'') unterhalb des temperaturunabhängigen Arbeitspunktes (A) liegt.
  5. Temperatursensor nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (11; T3, T4, T5) zum Betreiben der ersten FET-Transistorschaltung (T1) und die Mittel (11; T3, T4, T5) zum Betreiben der zweiten FET-Transistorschaltung (T2, T2', T2'') einen Stromgenerator (11) aufweisen, der die beiden FET-Transistorschaltungen (T1; T2, T2', T2'') mit konstanten Strömen (I1, I2) speist.
  6. Temperatursensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromgenerator (11) zwei gekoppelte Stromquellen (T3, T4) aufweist, die die beiden FET-Transistorschaltungen (T1; T2, T2', T2'') speisen.
  7. Temperatursensor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromgenerator (11) einen Stromspiegel (T3, T4, T5) umfasst, der die Arbeitspunkte der beiden FET-Transistorschaltungen (T1; T2, T2', T2'') definiert.
  8. Temperatursensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , dass die Mittel (11; T3, T4, T5) zum Betreiben der ersten FET-Transistorschaltung (T1) und die Mittel (11; T1, T2, T3) zum Betreiben der zweiten FET-Transistorschaltung (T2, T2', T2'') jeweils einen Widerstand aufweisen, der mit der jeweiligen FET-Transistorschaltung (T1; T2, T2', T2'') in Reihe geschaltet ist.
  9. Temperatursensor nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste FET-Transistorschaltung (T1) und die zweite FET-Transistorschaltung (T2, T2', T2") jeweils einen FET-Transistor aufweisen, der in Diodenschaltung betrieben wird.
  10. Temperatursensor nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste FET-Transistorschaltung (T1) und/oder die zweite FET-Transistorschaltung (T2, T2', T2'') mehrfach in Reihe geschaltete FET-Transistoren aufweisen.
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