This paper presents a CMOS temperature sensor which provides the multi-node sensing and adopts the proposed compensation method for the reverse Early effect error in a 0.18um CMOS process. The BJT-based temperature sensor suffers from the non-linearity errors in the temperature. The sources of the non-linearity error are described. The reverse Early effect error which is the dominant source of the non-linearity errors is compen-sated by the proposed analog method. The sensor error appears $-0.2 ^\circ C$ to $1.5 ^\circ C$ before the compensation and $-0.08 ^\circ C$ to $0.32 ^\circ C$ after the compensation over the temperature range of $-50 ^\circ C$ to $150 ^circ C$. The compensated sensor output can be applied to the analog application directly with high accuracy. It is also utilizable in the digital application with a usual ADC. Therefore, this temperature sensor is available in both of the analog and the digital application.
CMOS 온도 센서는 CMOS IC의 내부 온도를 감지하는 역할을 한다. IC의 온도를 감지함으로써 온도 변화에 의한 IC의 성능 변화를 보정하는 데에 온도 센서가 사용될 수 있다. 이는 특히 동작 온도 범위가 넓은 차량용 반도체 집적회로에서 유용하다. IC내부 여러 회로의 온도 변화를 감지하기 위해서는 여러 개의 Sensing-Node를 갖는 온도 센서가 필요하다. 그리고 성능 변화의 정확한 보정을 위해 높은 정확도를 갖는 온도 센서가 요구된다. 언급한 요구 사항들을 만족시키기 위해 다중 센서 구조를 지원하고, Reverse Early Effect에 의한 오차를 보상한 CMOS 온도 센서가 제안되었다.
CMOS 공정의 Substrate pnp BJT 소자를 이용한 온도 센서 구조는 매우 간단하게 구현이 가능하여서 다중 센서 구조에 적합하다. 또한 BJT 온도 센서는 온도에 대해 상당히 선형적인 전압을 출력으로 가지기 때문에 다른 Application에의 응용에 유리하다. 이러한 이유들로 CMOS 온도 센서에는 BJT 소자가 많이 사용되고 있다. 그러나 BJT 소자의 출력에는 온도에 대해 비선형적으로 변하는 오차 성분이 존재한다. 비선형 오차 성분은 온도 센서의 정확도를 저하시키기 때문에 이 오차 성분을 해결하기 위해 많은 연구가 진행되어 왔다. 지난 연구들에서는 측정 결과로부터 추가적인 계산을 통해 오차 성분을 제거하거나, 또는 Analog to Digital 변환 과정에서 비선형 오차 성분을 제거하는 방법들이 제시되었다. 하지만 이러한 방법들에서는 Digital 영역에서만 정확한 센서 출력을 얻을 수 있다. 이 센서들을 Analog Application에서 사용하려면 Digital Data를 Digital to Analog 변환시켜야 하기 때문에 추가적인 DAC이 필요하게 된다. 최초로 얻어지는 센서 출력이 Analog 영역임을 감안하면 이러한 과정은 비효율적이라고 볼 수 있다.
본 논문에서는 Analog 영역에서 비선형 오차 성분을 제거하는 방법을 제안하였다. 먼저 비선형 오차 성분들을 분석하고, 가장 큰 오차 성분이 Reverse Early Effect에 의한 것임을 나타내었다. 그리고 High Level Injection에 의한 또 다른 오차 성분을 이용하여 Reverse Early Effect에 의한 오차 성분을 보상하는 방법을 제안하였다. 그리고 그 방법이 적용된 온도 센서 회로를 제시하고, 보상이 유효함을 Simulation을 통해서 증명하였다. 비선형 오차 성분이 Analog 영역에서 보상되었으므로, 센서 출력은 Analog Application에서 DAC 없이 바로 사용될 수 있다. 또한 통상적인 ADC를 이용하여 Analog to Digital 변환을 하면 Digital Application에서도 사용 가능하다. 따라서 Analog와 Digital 양 쪽 영역에서 높은 정확도로 사용 가능한 Multi-Node CMOS 온도 센서가 제안되었다.
