【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、調整可能な温度依存性を有する電流発生器に関する。

【０００２】

【従来の技術】温度の関数として変化する電流を生じる回路を提供することが望ましい多くの電子的用途があり、このような回路は存在する。 しかし、電流発生回路が調整可能であり、線形温度依存性を達成でき、かつ集積回路における使用に適することが望ましい他の用途がある。

【０００３】例えば、自動車または他の車両用の計装回路は、トランスジューサ入力に依存する。 トランスジューサは、入力の刺激に応答して増幅回路に対して信号を与える。 この信号は、典型的には、ＤＣオフセット電圧を持ち、トランスジューサが温度依存特性を有するとき温度とともに変化し得る。 増幅回路の出力には、増幅されたトランスジューサ信号がある。 望ましいことは、トランスジューサに対する入力刺激に比例するも温度には依存しない信号である。 このことは、トランスジューサの感度における温度変化を補償するように温度に依存する増幅部における利得を確立することにより達成し得る。 典型的には、出力が使用可能な電圧範囲内にあるように、増幅の後出力を更にオフセットするために加算段が追加される。 もし上記回路におけるトランスジューサがピエゾ抵抗タイプであるならば、このトランスジューサは双曲線状に上昇する温度とともに減少する感度を呈し得る。 このような場合、全体的な伝達関数が温度に依存しないように、温度と線形的に増加する対応する増幅器利得を持つことが望ましい。 しかし、トランスジューサからの信号がオフセット項を含む時、この項も温度に依存する利得項で乗じられるため、問題が生じる。 トランスジューサのオフセットは典型的には温度には依存しないが、増幅器の温度に依存する利得により乗じられる時、オフセットは温度に依存するようになる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】出力に現れるオフセット項の温度依存性を除去する１つ公知の方法は、トランスジューサにおけるオフセットを取除くようトリムする手段を用いることによる。 しかし、多くの場合に、トランスジューサのオフセットの正確な値が増幅および補償回路が付設されるまでは知られないため、この方法は実用的でない。 このような場合、オフセット補償の別の方法が望ましい。

【０００５】本発明は、改善された温度に依存する電流発生器を提供することを目的とする。 本発明の特質によれば、請求項１に記載される如き調整可能な温度依存性を持つ出力電流を供給すえるための電流発生器が提供される。 本発明は、上記の回路の増幅段の出力におけるオフセットの補償を提供するために理想的である調整可能な温度依存性の電流発生器を提供することができる。

【０００６】

【課題を解決するための手段】一実施例において、下記を関係を持つことができる相互コンダクタンス電流変調器、電流ミラー、２つの温度依存性電流発生回路および電流ソースの独特な組合わせが使用される。 即ち、 (１) Ｉ _t ＝Ｇ _c （Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ） 但し、Ｉ _tは出力電流、Ｇ _cはオフセットのため出力電流が使用できるトランスジューサまたは増幅器の温度依存利得と一致するよう調整可能である電流発生器の所要の利得であり、ＡおよびＢは温度と共に変化する変数である。 この回路は、下式となるように更に調整することができる。 即ち、 (２) （Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）＝Ｋ（Ｔ−Ｔ _O ） 但し、Ｔは回路の温度、Ｋは比例定数、Ｔ _Oは任意の試験温度でよい予め定めた温度である。 上記の式(２)における機能を得ることにより、この回路は、多くのトランスジューサの温度依存性と一致し得る線形温度依存性を持つ。 この実施例の１つの利点は、Ｇ _cおよびＴ _Oが調整自在であり、電流発生器が、温度に依存する電流ソースを必要とする色々なあり得る回路設計の種々の特性と一致することを可能にする。 本発明の他の実施例は、他の回路要素を含むが、依然として上記の機能を達成し得る。

【０００７】構造的には、この実施例は、４つの電流が流れる４つの１次電流経路を部分的に定義する４つのトランジスタを含む第１の回路を含む電流発生器である。
この第１の回路はまた、相互コンダクタンス電流倍増器と接続された２つのトランスジューサを含む電流ミラーを含む。 電流Ｉ _tが流れる出力電流経路もまた、前記第１の回路の一部である。 ２つの電流発生回路が、温度の関数として２つの１次電流を生じて、電流発生器の温度依存性を達成する。 最後に、温度に依存しない電流制御手段が、電流発生器の利得を定義する他の２つの１次電流を制御する。

【０００８】

【実施例】本発明の一実施例を、単なる例示として添付図面に関して以下に記載する。 図１に関して、本発明の望ましい実施態様は計装回路に使用されるものである。
測定されるパラメータは、図２に示される如きピエゾ抵抗圧力セルでよく、かつ関数Ｇ _X ［Ｔ］なる入力刺激と関連する線１４上に出力信号生じるトランスジューサ１
２に対して物理的刺激１０を加える。 但し、Ｔはトランスジューサの温度である。 線１４上のこのトランスジューサの出力信号は、典型的には温度依存性であるかあるいはそうでないオフセット電圧を含む。 この説明の目的のため、オフセット電圧は温度依存性ではないが、以下に説明するように、温度依存性増幅段１６に対して入力され、その結果、温度依存性となる。

【０００９】線１４上の信号は、Ａ _X ［Ｔ］の利得を持つ温度依存性増幅器１６に対して入力される。 この回路は、チップ上の集積化に適し、トランスジューサと小さなパッケージに容易にパッケージ化でき、その結果トランスジューサの温度および増幅および他の回路の温度が実質的に同じとなる。 増幅器１６の利得の温度依存性は、トランスジューサ１２の温度依存性を補償するように調整され、その結果増幅器出力が測定されるパラメータに対して所要の関係を持つようにする。 しかし、先に述べたように、増幅器１６はまた温度依存性因数でトランスジューサのオフセット電圧を乗じる。 結果として得る温度依存性のオフセット因数が線１８の増幅器出力に含まれる。

【００１０】トランスジューサ１２同じ増幅段１６に対する回路の事例については、その全容が参考のため本明細書に引用される米国特許第４，８８３，９９２号に記載されている。

【００１１】加算段２２では、線１８の信号が線２０のオフセット電圧Ｖ _aに加算され、その結果この信号は使用可能な電圧範囲内にある。 望ましい実施態様は、線１
８における温度依存性オフセット信号を補償する線２４
における温度依存性オフセット電圧Ｖ _bを提供する。 増幅因数が実質的に線形な関数における温度と共に変化するものとして、電圧Ｖ _bは下記の如くに得られる。 即ち、 Ｖ _b ＝ Ｇ _c （Ｔ−Ｔ _O ） 但し、Ｇ _cは利得項、Ｔは温度、Ｔ _Oは予め定めた試験温度である。 本例は、Ｇ _cおよびＴ _Oの両者を調整可能にし、そのため広範囲の異なるトランスジューサおよび回路用途で使用することができる。 温度依存性オフセット電圧Ｖ _bが加算された後、線２６に結果として得る信号は、温度に依存しないパラメータの正確な測定を反映する。 以下に説明する詳細な回路においては、トランスジューサからの電圧信号が電流信号へ変換され、増幅され、オフセット電流が加えられ、再び電圧信号に変換される。

【００１２】図２においては、トランスジューサ１２
は、供給電圧Ｖ _ccがピエゾ抵抗３０および３６の各々の一端部に加えられるように接続されたピエゾ抵抗３０、
３４、３６および４０のブリッジ回路を含み、接地電位がピエゾ抵抗３４および４０の各々の一端部に加えられる。 差のブリッジ出力は、ピエゾ抵抗３０および３４の接合点３２、およびピエゾ抵抗３６および４０の接合点３８から得られ、差の電圧／電流コンバータ４２の差入力に加えられ、このコンバータでは差の入力電圧と比例する出力電流が生成される。 この出力電流は、相互コンダクタンス倍率器４４へ送られ、これにおいて電流は温度依存性の電流発生器４６で生成される１対の補償電流の比により乗じられて補償された出力電流を生じる。 この補償された出力電流は、調整可能な温度依存性の電流発生器５０により生成される温度依存性のオフセット電流Ｉ _t （所要の電圧Ｖ _bに比例する）と加算される。 この加算された電流は、出力電圧に変換され、フィードバック即ち出力抵抗５２、オフセット調整抵抗４８およびバイアス基準電圧Ｖ _aを持つ演算増幅器５４を含む出力増幅器の加算回路２２で増幅される。 増幅器加算回路２２
の線２６上の出力は、出力電圧Ｖ _outであり、トランスジューサに対する入力刺激に比例する。

【００１３】ピエゾ抵抗ブリッジ圧力セル１２は、出力電圧が温度依存性である物理的入力パラメータの１つの値が存在する特性を有する。 あるピエゾ抵抗圧力セルの場合は、この値はゼロ値であり、即ち、差の電圧出力は使用可能な温度範囲全体にわたってゼロである。 全てのこのような圧力セルは出力電圧が温度依存性である点を持つが、これはゼロの電圧レベルでは自動的には生じない。 本例の利点なしには、圧力セルに対する計装回路の適正な動作のためにはゼロ電圧軸上の交差点によりゼロ化されることが必要である。 以下に説明するように、補償されねばならないオフセット電圧量を低減するため、
本例では圧力セルをゼロ化することが依然として望ましい。

【００１４】圧力セルは、高い温度のウエーハ試験においてゼロ化することができる。 圧力セルは依然としてシリコン・ウエーハ形態であるが、隔壁を形成するためキャビティがエッチングされ、セルが１．５mm（６０ミル）厚さのガラス板に静電結合されて室温および高い温度で出力試験を受け、ピエゾ抵抗の１つの調整トリミングによりゼロ化された圧力セル出力を生じる。 この試験および調整は、結合プロセスがセルの特性をこの変数に関して変化させるため、セルがガラスに静電結合された後で行われなければならない。 完全にゼロ化された圧力セルの生産は、計装回路の高温機能試験の必要を無くす。 しかし、明らかなように、完全にゼロ化された圧力セルを得ることはしばしば実際には不可能である。 出力が温度依存性でないトランスジューサのある程度のオフセット電圧が存在する結果となる。

【００１５】差の電圧／電流コンバータ４２、相互コンダクタンス倍率器４４および差電流発生器４６の詳細な説明は、米国特許第４，８８３，９９２号に詳細にされており、本文ではこれ以上説明はしない。

【００１６】図３には、トランスジューサ１２（図１および図２）における負のオフセット電圧を補償する調整可能な温度依存性の電流発生器５０ａの一実施例の回路図が示される。 この回路は、図２の電圧／電流変換、増幅および加算回路と共に単一チップ上に集積化される。
図３の回路の場合は、全てのトランジスタは等価のエミッタ領域を持ち、理想的には相互に実質的に同じである。 トランジスタＱ ₁ 、Ｑ ₂ 、Ｑ ₃およびＱ ₄が、独立的な電圧ソースＶ _biasに対する線６０を介してバイアスされた相互コンダクタンス電流倍率器５９を形成する。 トランジスタＱ ₅およびＱ ₆は、図示の如くトランジスタＱ ₂
およびＱ ₃と接続された電流ミラー回路７０を形成している。

【００１７】トランジスタＱ ₁ 、Ｑ ₂ 、Ｑ ₃およびＱ ₄は全て、電流Ｉ ₁ 、Ｉ ₂ 、Ｉ ₃およびＩ ₄が流れる電流経路の一部である。 トランジスタＱ ₆に流れる電流８２は、電流ミラー回路７０の故に電流Ｉ ₂と実質的に同じである。
線２４上の出力電流Ｉ _t ［Ｔ］は、電流Ｉ ₂およびＩ ₃の差と等しい。 電流Ｉ ₂およびＩ ₃の和は、電流ソース７７
により制御される電流Ｉ _Xと等しい。 相互コンダクタンス電流倍率器５９は、下記の関係を持つ電流倍率回路である。 即ち、 Ｉ ₁ Ｉ ₂ ＝ Ｉ ₃ Ｉ ₄トランジスタＱ ₁およびＱ ₂のベース／エミッタ電圧の和は、トランジスタＱ ₃およびＱ ₄のそれに等しい。 ベース／エミッタ電圧はアクティブ状態の線形領域におけるコレクタ電流の略々対数関数であるため、トランジスタＱ
₁およびＱ ₂におけるコレクタ電流の積はトランジスタＱ
₃およびＱ ₄のそれと等しい。 これらの関係から、出力電流Ｉ _tが下式により与えられることが示される。 即ち、 Ｉ _t ＝ Ｉ _X （Ｉ ₄ −Ｉ ₁ ）／（Ｉ ₁ ＋Ｉ ₄ ） 電流ソース７７は温度に依存しないため、回路に対する所要の利得項Ｇ _cを得るように適正に調整することができる。

【００１８】電流Ｉ ₁は、トランジスタＱ ₇および抵抗Ｒ
₁を含む第１の電流生成回路により温度に依存するように制御される。 トランジスタＱ ₂のベースに流れる電流は無視し得るため、実質的に全ての電流Ｉ ₁がトランジスタＱ ₇および抵抗Ｒ ₁に流れる。 トランジスタＱ ₇は、
温度に依存しない一定電圧のソースにより順方向にバイアスされ、電圧Ｖ _bgを供給する。 この回路においては、
トランジスタＱ ₇の温度にわたる順方向のベース／エミッタ電圧（Ｖ _be ）の高度に線形の関係を用いて電流Ｉ ₁
の温度依存性を生じる。 電圧Ｖｂｇが一定であるため、
トランジスタＱ ₇のベースと抵抗Ｒ ₁の接地接続間の電圧は一定である。 しかし、トランジスタＱ ₇のベース／エミッタ電圧が温度と共に変化するため、抵抗Ｒ ₁の両端の電圧は変化して電流Ｉ ₁である抵抗Ｒ ₁の電流を変化させる。 このように、電流Ｉ ₁は線形の温度依存性を生じる。

【００１９】電流ソース７９、トランジスタＱ ₈およびＱ ₉ 、および抵抗Ｒ ₄を含む第２の電流生成回路は、電流Ｉ ₄の線形の温度依存性を生じる。 電流ソース７９は、
トランジスタＱ ₈を順方向にバイアスする電流８０を生じる。 抵抗Ｒ ₄は、トランジスタＱ ₉のベースとエミッタの両端に接続される。 電流Ｉ ₄は、トランジスタＱ ₈および抵抗Ｒ ₄を経てトランジスタＱ ₄を流れる。 トランジスタＱ ₉のベース／エミッタ電圧は、トランジスタＱ ₇のベース／エミッタ電圧と同じ温度依存性を有する。 トランジスタＱ ₉のベース／エミッタ電圧が温度と共に変化する時、抵抗Ｒ ₄のベース／エミッタ電圧の電圧が変化して、抵抗Ｒ ₄に流れる電流Ｉ ₄を変化させる。 このように、電流Ｉ ₄は、電流Ｉ ₁のそれと反対の温度依存性を得る。

【００２０】電流Ｉ _t ［Ｔ］が線形温度依存性を持つことが要求される時、電流Ｉ ₁およびＩ ₄は下記の如き関連を持たねばならない。 即ち、 （Ｉ ₄ −Ｉ ₁ ）／（Ｉ ₁ ＋Ｉ ₄ ）＝Ｋ（Ｔ−Ｔ _O ） 但し、Ｋは比例定数であり、Ｔ _Oは試験温度である。 上記の線形関係を得るためには、理想的にはトランジスタＱ ₁ 、Ｑ ₂ 、Ｑ ₃ 、Ｑ ₄ 、Ｑ ₇ 、Ｑ ₈およびＱ ₉が同じであり、トランジスタＱ ₅およびＱ ₆が同じであり、抵抗Ｒ ₁
およびＲ ₄が同じである。 Ｖ _bgは、試験温度Ｔ _Oにおけるトランジスタのベース／エミッタ電圧Ｖ _beであるＶ _beo
の２倍に設定される。 実際には、トランジスタ間には不整合があり、これはＩ ₁とＩ ₄間の関係に誤差項を生じ得る。 この誤差を補正するため、抵抗Ｒ ₁およびＲ ₄はトランジスタの全体的な不整合を否定するように調整することができる。 これを達成するためには、システムは最初に所要の試験温度Ｔ _Oにされ、そこで電圧ソースＶ _bgがＶ _bg ＝２Ｖ _beoとなるように調整される。 Ｉ _t ［Ｔ］を監視しながら、Ｉ _t ［Ｔ＝Ｔ _O ］がゼロに強制されるようにＲ ₄またはＲ ₁が調整される。 これは、（Ｉ ₁ ＋Ｉ ₄ ）の和が温度に依存しない故に、下記の所要の関係が達成できることを保証する。 Ｇ _cは、Ｉ _Xを制御する電流ソース７
７の調整により設定される。 即ち、 Ｉ _t ［Ｔ］＝Ｇ _c （Ｔ−Ｔ _O ） 図３の回路は、トランスジューサのオフセット電圧が負である時に望ましい。 トランスジューサのオフセット電圧が正であることが判っている時は、図４の回路が望ましい。 図４の温度依存性の電流発生器５０ｂは、トランジスタＱ ₇のコレクタがトランジスタＱ ₄のエミッタと接続され、トランジスタＱ ₈のコレクタはトランジスタＱ ₁
のエミッタと接続される。 このような接続の結果として、Ｉ _tの出力電流は下記の如く定義される。 即ち、 Ｉ _t ＝−Ｉ _X （Ｉ ₄ −Ｉ ₁ ）／（Ｉ ₁ ＋Ｉ ₄ ） 明らかなように、図４の回路を用いて、Ｉ _tは正のオフセット電圧を補償するため使用することができる。

【００２１】図５の回路は、正および負の両方のオフセット電圧を補償するために望ましい。 図５において、温度依存性のオフセット電流発生器５０ｃは、トランジスタＱ ₁ 、Ｑ ₂ 、Ｑ ₃ 、Ｑ ₄ 、Ｑ ₁₁ 、Ｑ ₁₂およびＱ ₁₃を含む４
つの直角位相相互コンダクタンス電流倍率器５８を含む。 トランジスタＱ ₁₁は、第５の電流経路の一部であり、図示の如くトランジスタＱ ₁のベースと接続されている。 トランジスタＱ ₁₁のエミッタは、それぞれトランジスタＱ ₇および抵抗Ｒ ₁と同じであるトランジスタＱ ₁₇
および抵抗Ｒ ₁₁を含む電流発生回路と接続されている。
このような回路構成により、トランジスタＱ ₁₁に流れる電流Ｉ ₁₁はトランジスタＱ ₁に流れる電流と同じである。

【００２２】トランジスタＱ ₁₂およびＱ ₁₃は、図示の如く、電流ミラー回路７０および温度に依存しない電流ソース８７と接続されている。 電流ソース８７は、トランジスタＱ ₁₂およびＱ ₁₃に流れる電流の和である電流Ｉ _y
を制御する。 このような回路構成により、出力電流Ｉ _t
は、下式により示すことができる。 即ち、 Ｉ _t ＝（Ｉ _X −Ｉ _y ）（Ｉ ₄ −Ｉ ₁ ）／（Ｉ ₁ ＋Ｉ ₄ ） 明らかなように、Ｉ _XおよびＩ _yを調整することにより、
この回路は正と負の両方の温度依存性の電流を生じることができ、図２の回路で使用される時、正と負の両方のオフセット電圧の補償を可能にする。 更にまた、抵抗Ｒ
₁が抵抗Ｒ ₁₁と等しく、Ｖ _bgが２Ｖ _beoと等しく、Ｉ
_t ［Ｔ＝Ｔ _O ］がゼロに等しくなるように抵抗Ｒ ₄が調整されるならば、この回路は（Ｔ−Ｔ _O ）に比例して温度依存性となり、その結果 Ｉ _t ［Ｔ］＝Ｇ _c （Ｔ−Ｔ _O ）となる。

【００２３】上記の回路はオフセット電圧補償の用途に限定されるものではない。 これらの回路は、カメラ、時計および変化する温度条件に置かれる他の計器を含む調整可能な温度依存性の電流ソースが望ましいどんな場合にも使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が要求される温度補償を行う計装回路を示す回路図である。

【図２】調整可能な温度依存電流発生器の一実施例が設けられた図１の計装回路を示す回路図である。

【図３】負のオフセット電圧を打消すのに有効な図２の調整可能な温度依存電流発生器の１つの構成を示す回路図である。

【図４】正のオフセット電圧の打消しに有効な図２の調整可能な温度依存電流発生器の第２の構成を示す回路図である。

【図５】正または負のオフセット電圧の打消しに有効な図２の調整可能な温度依存電流発生器の第３の構成を示す回路図である。

【符号の説明】

１０ 物理的刺激 １２ ピエゾ抵抗ブリッジ圧力セル １４ 線 １６ 温度依存性増幅器 １８ 線 ２０ 線 ２２ 出力増幅器加算回路 ３０ ピエゾ抵抗 ３２ 接合点 ３４ ピエゾ抵抗 ３６ ピエゾ抵抗 ３８ 接合点 ４０ ピエゾ抵抗 ４２ 差の電圧／電流コンバータ ４４ 相互コンダクタンス倍率器 ４６ 温度依存性差電流発生器 ５０ 調整可能温度依存性電流発生器 ５０ａ 調整可能温度依存性電流発生器 ５０ｂ 温度依存性電流発生器 ５０ｃ 温度依存性オフセット電流発生器 ５２ 出力抵抗 ５４ 演算増幅器 ５８ 直角位相相互コンダクタンス電流倍率器 ５９ 相互コンダクタンス電流倍率器 ７０ 電流ミラー回路 ７７ 電流ソース ７９ 電流ソース ８７ 温度非依存性電流ソース

フロントページの続き (72)発明者 デニス・マイケル・コグリン アメリカ合衆国インデイアナ州46240，イ ンデイアナポリス，カーライル・レーン 1004，アパートメント ビー (72)発明者 ジエフリー・アレン・マイケル アメリカ合衆国インデイアナ州47401，ブ ルーミントン，アカデイア・コート 3431