CN103163934A

CN103163934A - 基准电流产生电路以及基准电压产生电路

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Publication number: CN103163934A
Application number: CN2012105331957A
Authority: CN
Inventors: 杉浦正一
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Ablic Inc
Priority date: 2011-12-15
Filing date: 2012-12-11
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2032-12-11
Also published as: KR101980526B1; CN103163934B; TWI581086B; KR20130069416A; TW201339793A; JP6045148B2; JP2013125459A; US20130154604A1

Abstract

基准电流产生电路以及基准电压产生电路，可使电源启动时或变动时的响应速度提高。为了能够降低运算放大器的负载容量，具备向共有栅源间电压的晶体管对提供电流的晶体管，运算放大器控制其导通电阻。

Description

基准电流产生电路以及基准电压产生电路

技术领域

本发明涉及产生规定电流的基准电流产生电路以及使用该基准电流的基准电压产生电路。

背景技术

目前，作为具备产生温度依赖性小的电压的功能的基准电压产生电路，公知有产生与硅的带隙值大致相等的电压的电路(例如，参照专利文献1)。

图6是示出现有的基准电压产生电路的结构图。现有的基准电压产生电路具备基准电流产生部和基准电压产生部，该基准电流产生部由PN结601、PN结602、具有电阻值R1的电阻器603、晶体管604、晶体管605和运算放大器609构成，该基准电压产生部由晶体管606、电阻器607和PN结608构成，电阻器607是与电阻器603相同种类的电阻，且温度特性相等，具有电阻值R3。PN结601与PN结602的有效面积比为1：(K1)的关系。

晶体管604与晶体管605的栅源间电压相等，所以流过基于尺寸比的电流。例如当尺寸比为1：1时，晶体管604与晶体管605流过大致相等的电流。为了使VA与VB的电压相等，运算放大器609控制晶体管604与晶体管605这两个晶体管的导通电阻，将流过晶体管604与晶体管605的Ibias控制为规定的值。此时，流过晶体管604与晶体管605的恒流Ibias如式(1)所示。

Ibias＝VT×{ln(K1)}/R1…(1)

这里，VT是热电压，表示为kT/q。其中，q是单位电子电荷，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度。

在晶体管606中流过对Ibias进行电流镜像后的电流。现假设晶体管604与晶体管606的尺寸比例如是1：1、在PN结608上产生的电压差为Vpn3，则基准电压Vref如式(2)所示。

Vref＝Vpn3+(R3/R1)×VT×{ln(K1)}…(2)

因为Vpn3具有大致-2.0mV/℃的负温度特性，所以第1项示出负的温度特性，因为热电压VT具有正的温度特性，所以第2项示出正的温度特性。

关于T对式(2)进行微分并求出其为零的条件，如式(3)所示。

(R3/R1)×(k/q)×{ln(K1)}＝0.002…(3)

因此，现假设Vpn3在常温下大致为0.65V，则只要以满足式(3)的方式设定(R3/R1)，则基准电压Vref大致为1.25V。

如以上这样获得具备产生温度依赖性小的电压的功能的基准电压产生电路。

但是，在式(1)中，当R1具有与热电压VT同等的温度特性时，Ibias成为温度依赖性小的电流。即，获得具备产生温度依赖性小的电流的功能的基准电流产生电路。

专利文献1：日本特开2002-244748号公报

但是，在现有的基准电压产生电路中，当电源启动时或电源变动时，即，使电源VDD脉冲式地变动而使内部的动作点变动时，晶体管604与晶体管605这两个晶体管的输入容量视为运算放大器609的负载容量的要素，所以具有在收敛、恢复为本来的动作点之前需要花费时间的问题。

即，当运算放大器609要驱动的负载容量大时，因为运算放大器609的大振幅响应性、小信号响应性降低，所以在收敛、恢复为本来的动作点之前需要花费时间。

发明内容

本发明是为了解决上述这样的问题点而完成的，其实现在不牺牲所需要的功能的情况下使电源启动时或变动时的响应速度提高的基准电流产生电路以及使用该基准电流产生电路的基准电压产生电路。

本发明的基准电流产生电路是具有如下特征的恒流产生电路，其特征在于，具备：多个PN结；向上述多个PN结提供电流的共有栅源间电压的晶体管对；以及向共有上述栅源间电压的晶体管对提供电流的晶体管，该基准电流产生电路产生温度依赖性小的恒流。

另外，采用了基准电压产生电路，其利用上述恒流产生温度依赖性小的基准电压。

根据本发明的基准电压产生电路，可提供能够降低运算放大器的负载容量、在不牺牲所需的功能的情况下提高电源启动时或变动时的响应速度的恒流电路以及基准电压产生电路。

附图说明

图1是示出本实施方式的基准电流产生电路的结构图。

图2是示出本实施方式的基准电流产生电路的结构图。

图3是示出本实施方式的基准电压产生电路的结构图。

图4是示出本实施方式的基准电压产生电路的结构图。

图5是示出本实施方式的基准电压产生电路的结构图。

图6是示出现有的基准电压产生电路的结构图。

标号说明

102电压源；505、609运算放大器；601、602、608PN结。

具体实施方式

以下，参照附图来说明本发明的基准电流产生电路以及基准电压产生电路。

[实施例1]

图1是示出第1实施方式的基准电流产生电路的结构图。图1与图6的基准电流产生部的不同点在于，新设置了晶体管101和电压源102，该晶体管101向由晶体管604与晶体管605构成的晶体管对提供电流。

该基准电流产生电路具备PN结601、PN结602、具有电阻值R1的电阻器603、晶体管604、晶体管605和运算放大器609。PN结601与PN结602的有效面积比为1：(K1)的关系。这里，R1具有与热电压VT同等的温度特性。运算放大器609的输出与晶体管101的栅极连接。在图6中，晶体管604与晶体管605这两个晶体管的输入容量视为运算放大器609的负载容量的要素，但在本实施例中，替换成只有晶体管101，从而降低了运算放大器609的负载容量。电压源102与晶体管604、晶体管605的栅极连接。电压源102例如利用了在向饱和连接的晶体管提供恒流时产生的栅源间电压。

以下，说明本实施方式的基准电流产生电路的动作。

由晶体管604与晶体管605构成的晶体管对的栅源间电压相等，因此，流过基于尺寸比的电流。为了简单起见，设尺寸比为1：1，则晶体管604与晶体管605流过大致相等的电流。为了使VA与VB的电压相等，运算放大器609控制晶体管101的晶体管的导通电阻。晶体管101向由晶体管604与晶体管605构成的晶体管对提供电流，所以，通过控制晶体管101的导通电阻，将流过晶体管604与晶体管605的Ibias控制为规定的值。即，为了使VA与VB的电压相等，运算放大器609将流过晶体管604与晶体管605的Ibias控制为规定的值，所以，与背景技术相同，用式(1)表示Ibias。

Ibias＝VT×{ln(K1)}/R1…(1)

由此，流过晶体管101的电流为2×Ibias。R1具有与热电压VT同等的温度特性，所以Ibias是温度依赖性小的电流。即，可获得具备产生温度依赖性小的电流的功能的基准电流产生电路。另外，通过新设置栅源间电压与晶体管101相等的晶体管，可对Ibias进行电流镜像后进行利用。

以上，根据本实施方式的基准电流产生电路，降低了运算放大器609的负载容量，所以在电源启动时或电源变动时，即，在使电源VDD脉冲式地变动而使内部的动作点变动时，能够在收敛、恢复为本来的动作点之前缩短时间。

因此，能够提供温度依赖性小的、提高了电源启动时或变动时的响应速度的基准电流产生电路。

[实施例2]

图2是示出第2实施方式的基准电流产生电路的结构图。图2与图1的不同点在于新设置了电阻器301、电阻器302。这里，电阻器301与电阻器302是相同种类的电阻器，且温度特性相等，电阻值是相等的值R2。设在PN结601上产生的电压差为Vpn1。

以下，对本实施方式的基准电流产生电路的动作进行说明。

基本动作与实施例1相同，但是，作为晶体管604驱动的电流，加入了电阻器301的电流。

用式(4)表示Ibias。

Ibias＝(Vpn1/R2)+VT×{ln(K1)}/R1…(4)

因为Vpn1大致具有-2.0mV/℃的负的温度特性，所以第1项示出负的温度特性，因为热电压VT具有正的温度特性，所以第2项示出正的温度特性。

因此，在式(4)中，只要以使第1项与第2项之和的温度依赖性较小的方式设定R1、R2，则Ibias成为温度依赖性小的电流。即，能够获得具备产生温度依赖性小的电流的功能的基准电压产生电路。例如，通过新设置栅源间电压与晶体管101相等的晶体管，可对Ibias进行电流镜像后进行利用。

[实施例3]

图3是示出第3实施方式的基准电压产生电路的结构图，是采用实施例1的基准电流产生电路的基准电压产生电路。图3与图1的不同点在于，追加了由栅源间电压与晶体管101相等的晶体管606、具有电阻值R3的电阻器607、PN结608构成的基准电压产生部。

以下，说明本实施方式的基准电压产生电路的动作。

与Ibias的产生相关的电路和实施例1相同，所以用式(1)表示Ibias。

晶体管606的栅源间电压与晶体管101相等，所以晶体管606流过基于2×Ibias的电流。现假设晶体管101与晶体管606的尺寸比例如是1：1，则流过晶体管606的电流是2×Ibias。

设在PN结608上产生的电压差为Vpn3，则基准电压Vref如式(5)所示。

Vref＝Vpn3+2×(R3/R1)×VT×{ln(K1)}…(5)

因为Vpn3大致具有-2.0mV/℃的负温度特性，所以第1项示出负的温度特性，因为热电压VT具有正的温度特性，所以第2项示出正的温度特性。

关于T对式（5）进行微分并求出其为零的条件，如式(6)所示。

2×(R3/R1)×(k/q)×{ln(K1)}＝0.002…(6)

因此，现假设Vpn3在常温下大致为0.65V，则只要以满足式(6)的方式设定(R3/R1)，则基准电压Vref大致为1.25V。

因为基准电压Vref是作为温度依赖性小的电压获得的，所以能够获得具备产生温度依赖性小的电压的功能的基准电压产生电路。

以上，根据本实施方式的基准电压产生电路，降低了运算放大器609的负载容量，所以在电源启动时或电源变动时，即，在使电源VDD脉冲式地变动而使内部的动作点变动时，能够在收敛、恢复为本来的动作点之前缩短时间。

因此，能够提供温度依赖性小的、提高了电源启动时或变动时的响应速度的基准电压产生电路。

[实施例4]

图4是示出第4实施方式的基准电压产生电路的结构图，是采用实施例2的基准电流产生电路的基准电压产生电路。图4与图2的不同点在于，还设置了由栅源间电压与晶体管101相等的晶体管606、电阻器607构成的基准电压产生部。这里，电阻器607与电阻器603、电阻器301、电阻器302是相同种类的电阻，且温度特性相等，电阻值为R3。

以下，说明本实施方式的基准电压产生电路的动作。

流过晶体管101的电流为2×Ibias。

基于2×Ibias的电流流过晶体管606。现假设晶体管101与晶体管606的尺寸比例如是1：1，则流过晶体管606的电流为2×Ibias。

基准电压Vref如式(7)所示。

Vref＝2×{(Vpn1/R2)+VT×{ln(K1)}/R1}×R3…(7)

Vref＝2×R3/R2×Vpn1+2×VT×{1n(K1)}×R3/R1…(8)

因为Vpn1具有大致-2.0mV/℃的负的温度特性，所以第1项示出负的温度特性，因为热电压VT具有正的温度特性，所以第2项示出正的温度特性。

关于T对式(8)进行微分并求出其为零的条件，如式(9)所示。

(R2/R1)×(k/q)×{ln(K1)}＝0.002…(9)

因此，现假设Vpn1在常温下大致为0.65V，则只要以满足式(9)的方式设定(R2/R1)，则基准电压Vref大致如式(10)所示。

Vref＝2×(R3/R2)×1.25…(10)

根据式(10)，只要设定(R3/R2)，就能够使基准电压Vref成为温度依赖性小的电压，并能够自由地获得绝对值。

[实施例5]

图5是示出第5实施方式的基准电压产生电路的结构图，是采用实施例1的基准电流产生电路的基准电压产生电路。图5与图1的不同点在于，新设置了栅源间电压与晶体管101相等的晶体管606、具有电阻值R3的电阻器607、晶体管501、晶体管502、晶体管503、电阻器504、运算放大器505。这里，电阻器504与电阻器603、电阻器607是相同种类的电阻器，且温度特性相等，电阻值为R5。另外，运算放大器505的同相输入端子输入了电压VA，但也可以输入电压VB。

以下，说明本实施方式的基准电压产生电路的动作。

流过晶体管101的电流为2×Ibias。

与实施例1同样，用式(1)表示Ibias。

晶体管606流过基于2×Ibias的电流。现假设晶体管101与晶体管606的尺寸比例如是1：1，则流过晶体管606的电流为2×Ibias。

另外，在PN结601上产生的电压差Vpn1经过阻抗变换而除以R5后的电流流过电阻器504。现假设晶体管501与晶体管502的尺寸比例如是2：1，则流过晶体管501的电流为2×(Vpn1/R5)。

由此，基准电压Vref如式(11)所示。

Vref＝2×[(Vpn1/R5)+VT×{ln(K1))/R1]×R3…(11)

通过对该式进行整理，可获得式(12)。

Vref＝2×(R3/R5)×[Vpn1+VT×{1n(K1)}×(R5/R1)]…(12)

关于T对式(12)进行微分并求出其为零的条件，如式(13)所示。

(R5/R1)×(k/q)×{ln(K1)}＝0.002…(13)

因此，现假设Vpn1在常温下大致为0.65V，则只要以满足式(13)的方式设定(R5/R1)，则基准电压Vref成为温度依赖性小的电压，大致如式（14）所示。

Vref＝2×(R3/R5)×1.25…(14)

根据式（14），只要设定(R5/R1)，就能够使基准电压Vref成为温度依赖性小的电压，并能够自由地获得绝对值。

此外，在实施例1～5的上述说明中，PN结可依赖于双极型晶体管，也可依赖于二极管元件，还可以依赖于其它元件，只要适当进行选择即可。在依赖于双极型晶体管的情况下，可期待灵活应用CMOS工艺中以寄生的方式存在的双极晶体管的优点。另外，当CMOS工艺中存在寄生二极管元件时，同样可期待灵活应用该二极管元件的优点。

此外，与PN结同样，在弱反转区域中动作的晶体管的电压与电流的关系由指数函数表示，所以在实施例1～5的上述说明中，也可以利用在弱反转区域中动作的晶体管来取代PN结。在此情况下，可以不使用PN结，因此能够削减使用元件数，具有成本方面的优势。

Claims

1.一种基准电流产生电路，其具备：

第1PN结；

第1晶体管，其使电流流过所述第1PN结；

串联连接的第1电阻器以及第2PN结；

第2晶体管，其使电流流过所述第1电阻器以及所述第2PN结；

第1电压源，其向所述第1晶体管以及所述第2晶体管的栅极提供共同的电压；

第1运算放大器，其第1输入端子被输入在所述第1PN结上产生的电压，第2输入端子被输入在所述第1电阻器以及所述第2PN结上产生的电压；以及

第3晶体管，其栅极由所述第1运算放大器的输出电压控制，向所述第1晶体管以及所述第2晶体管提供电流。

2.根据权利要求1所述的基准电流产生电路，其特征在于，其具备：

第2电阻器，其与所述第1PN结并联连接；以及

第3电阻器，其与所述第1电阻器以及所述第2PN结并联连接。

3.一种基准电压产生电路，其特征在于，其具备：

权利要求1所述的基准电流产生电路；

串联连接的第4电阻器以及第3PN结；以及

第4晶体管，该第4晶体管的栅极与所述第3晶体管的栅极公共地连接，该第4晶体管使电流流过所述第4电阻器以及第3PN结。

4.一种基准电压产生电路，其特征在于，其具备：

权利要求2所述的基准电流产生电路；

第4电阻器；以及

第4晶体管，该第4晶体管的栅极与所述第3晶体管的栅极公共地连接，该第4晶体管使电流流过所述第4电阻器。

5.一种基准电压产生电路，其特征在于，其具备：

权利要求1所述的基准电流产生电路；

第4电阻器；

第4晶体管，该第4晶体管的栅极与所述第3晶体管的栅极公共地连接，该第4晶体管使电流流过所述第4电阻器；

串联连接的第5晶体管以及第5电阻器；

第2运算放大器，其第1输入端子与所述第5晶体管以及所述第5电阻器的连接节点连接，第2输入端子与所述第1运算放大器的第1输入端子或第2输入端子连接，输出端子与所述第5晶体管的栅极连接；以及

电流镜电路，其使所述第5晶体管的电流流过所述第4电阻器。