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Technisches Gebiet
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Die in dieser Beschreibung offenbarte Erfindung betrifft eine Konstantspannung-Erzeugungsschaltung.
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Stand der Technik
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Herkömmlicherweise ist, als ein Typ einer Konstantspannung-Erzeugungsschaltung eine Konstantspannungsquelle des ED-Typs weithin bekannt, in der ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (NMOSFET) des Verarmungstyps und ein NMOSFET des Anreicherungstyps kombiniert sind (siehe beispielsweise Patentschrift 1).
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Zitatliste
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Patentliteratur
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Patentschrift 1: JP-A-2011-029912
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Zusammenfassung der Erfindung
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Technisches Problem
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Die oben beschriebene herkömmliche Konstantspannung-Erzeugungsschaltung ist jedoch hinsichtlich Ausgangsgenauigkeit verbesserungswürdig.
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In Anbetracht der oben beschriebenen Aufgabe, die vom Erfinder dieser Anmeldung gefunden wurde, besteht ein Gegenstand der in dieser Beschreibung offenbarten Erfindung, eine Konstantspannung-Erzeugungsschaltung bereitzustellen, die eine hohe Ausgangsgenauigkeit aufweist.
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Mittel zur Lösung der Aufgabe
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Eine in dieser Beschreibung offenbarte Konstantspannung-Erzeugungsschaltung beinhaltet beispielsweise einen ersten Transistor vom Verarmungstyp und einen zweiten Transistor vom Anreicherungstyp, die eine Bezugsspannungsquelle vom ED-Typ bilden, sowie einen zwischen Gate und Source des ersten Transistors verbundenen Widerstand.
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Weiterhin beinhaltet beispielsweise eine Konstantspannung-Erzeugungsschaltung, die in dieser Beschreibung offenbart ist, einen ersten Transistor vom Verarmungstyp und einen zweiten Transistor vom Anreicherungstyp, die eine Bezugsspannungsquelle vom ED-Typ bilden, und einen dritten Transistor vom Verarmungstyp, der mit einem Drain des ersten Transistors verbunden ist und einen größeren W/L-Wert als der erste Transistor aufweist.
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Es ist zu beachten, dass weitere Merkmale, Elemente, Schritte, Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung aus der Beschreibung der nachstehenden Ausführungsformen und den zugehörigen beigefügten Zeichnungen deutlicher werden.
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Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
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Gemäß der in dieser Beschreibung offenbarten Erfindung kann eine Konstantspannung-Erzeugungsschaltung mit einer hohen Ausgangsgenauigkeit bereitgestellt werden.
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Figurenliste
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- 1 ist ein Diagramm, das ein Vergleichsbeispiel für eine Konstantspannung-Erzeugungsschaltung veranschaulicht.
- 2 ist ein Diagramm, das eine erste Ausführungsform der Konstantspannung-Erzeugungsschaltung veranschaulicht.
- 3 ist ein Diagramm, das einen Drainstromvariation-Unterdrückungseffekt durch Hinzufügen eines Widerstands veranschaulicht.
- 4 ist ein Diagramm, das eine zweite Ausführungsform der Konstantspannung-Erzeugungsschaltung veranschaulicht.
- 5 ist ein Diagramm, das eine dritte Ausführungsform der Konstantspannung-Erzeugungsschaltung veranschaulicht.
- 6 ist ein Diagramm, das eine vierte Ausführungsform der Konstantspannung-Erzeugungsschaltung veranschaulicht.
- 7 ist ein Diagramm, das eine fünfte Ausführungsform der Konstantspannung-Erzeugungsschaltung veranschaulicht.
- 8 ist ein Diagramm, das eine sechste Ausführungsform der Konstantspannung-Erzeugungsschaltung veranschaulicht.
- 9 ist ein Diagramm, das eine Vds(M1)-Id-Kennlinie und eine VIN-VREF-Kennlinie veranschaulicht.
- 10 ist ein Diagramm, das eine siebente Ausführungsform der Konstantspannung-Erzeugungsschaltung veranschaulicht.
- 11 ist ein Diagramm, das einen Drainstromvariation-Unterdrückungseffekt durch Hinzufügen eines Transistors veranschaulicht.
- 12 ist ein Diagramm, das die VIN-Vds(M1)-Kennlinie veranschaulicht.
- 13 ist ein Diagramm, das eine achte Ausführungsform der Konstantspannung-Erzeugungsschaltung veranschaulicht.
- 14 ist ein Diagramm, das eine neunte Ausführungsform der Konstantspannung-Erzeugungsschaltung veranschaulicht.
- 15 ist ein Diagramm, das eine zehnte Ausführungsform der Konstantspannung-Erzeugungsschaltung veranschaulicht.
- 16 ist ein Diagramm, das eine elfte Ausführungsform der Konstantspannung-Erzeugungsschaltung veranschaulicht.
- 17 ist ein Diagramm, das eine zwölfte Ausführungsform der Konstantspannung-Erzeugungsschaltung veranschaulicht.
- 18 ist ein Diagramm, das eine dreizehnte Ausführungsform der Konstantspannung-Erzeugungsschaltung veranschaulicht.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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<Vergleichsbeispiel>
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1 ist ein Diagramm, das ein Vergleichsbeispiel (ein Beispiel für eine Grundstruktur, die mit später beschriebenen Ausführungsformen verglichen werden soll) einer Konstantspannung-Erzeugungsschaltung veranschaulicht. Eine Konstantspannung-Erzeugungsschaltung 1 dieses Vergleichsbeispiels ist eine sogenannte ED-Typ Bezugsspannungsquelle, die einen N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor M1 vom Verarmungstyp und einen N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor M2 vom Anreicherungstyp beinhaltet.
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Es ist zu beachten, dass der Verarmungstyp bedeutet, dass ein Drainstrom auch bei einer Gate-Source-Spannung von 0 V fließt. Im Gegensatz dazu bedeutet der Anreicherungstyp, dass der Drainstrom bei einer Gate-Source-Spannung von 0 V nicht fließt.
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Der Transistor M1 hat einen Drain, der mit einem Anwendungsanschluss einer Eingangsspannung VIN (z.B. 5 V) verbunden ist. Der Transistor M2 hat eine Source und ein Backgate, die mit einem Masseanschluss (d.h. einem Bezugspotenzialanschluss) verbunden sind. Das Gate, die Source und das Backgate des Transistors M1 sowie das Gate und der Drain des Transistors M2 sind alle mit einem Ausgangsanschluss einer Konstantspannung VREF verbunden.
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In der Konstantspannung-Erzeugungsschaltung 1 dieses Vergleichsbeispiels sind Gate und Source des Transistors M1 miteinander kurzgeschlossen, weshalb der Transistor M1 eine Gate-Source-Spannung Vgs(M1) von 0 V hat. Daher funktioniert der Transistor M1 als eine Konstantstromquelle, die einen konstanten Drainstrom Id erzeugt, wobei ein konstanter Biasstrom (d.h. der Drainstrom Id des Transistors M1) im Transistor M2 fließt. Infolgedessen wird die Konstantspannung VREF erzeugt, die der Gate-Source-Spannung Vgs(M2) des Transistors M2 entspricht.
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<Betrachtung hinsichtlich Prozessvariation>
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Es ist bekannt, dass eine EIN-Schwellenwertspannung Vth(M1) des Transistors M1 leicht durch eine Prozessvariation beeinflusst ist. Wenn sich zum Beispiel die EIN-Schwellenwertspannung Vth(M1) zur negativen Seite hin verschiebt, wird der Drainstrom Id größer als ein Standardwert Id0, und somit weicht die Konstantspannung VREF von einem gewünschten Wert ab.
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Auf diese Weise ist ein Hauptfaktor einer Ausgangsvariation in der Konstantspannung-Erzeugungsschaltung 1 eine große Verschiebung des Drainstroms Id aufgrund der Prozessvariation der EIN-Schwellenwertspannung Vth(M1).
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In der folgenden Beschreibung sind, in Anbetracht der obigen Überlegung, neuartige Ausführungsformen vorgeschlagen, die eine Variation des Drainstroms Id aufgrund der Prozessvariation unterdrücken können, so dass eine Ausgangsgenauigkeit der Konstantspannung VREF verbessert werden kann.
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<Erste Ausführungsform>
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2 ist ein Diagramm, das eine erste Ausführungsform der Konstantspannung-Erzeugungsschaltung veranschaulicht. Die Konstantspannung-Erzeugungsschaltung 1 dieser Ausführungsform basiert auf dem oben beschriebenen Vergleichsbeispiel (1) und beinhaltet weiterhin einen Widerstand R1.
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Ein erster Anschluss des Widerstands R1 ist mit der Source des Transistors M1 verbunden. Ein zweiter Anschluss des Widerstandes R1 ist mit dem Gate und Backgate des Transistors M1 und dem Ausgangsanschluss der Konstantspannung VREF verbunden. Auf diese Weise ist der Widerstand R1 zwischen Gate und Source des Transistors M1 und zwischen Backgate und Source des Transistors M1 verbunden.
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Es ist zu beachten, dass es bevorzugt ist, zum Beispiel einen Basiswiderstand mit einer positiven Temperaturkennlinie als Widerstand R1 zu verwenden. Der Typ des Widerstands R1 ist jedoch nicht darauf beschränkt, sondern es ist beispielsweise möglich, einen Polywiderstand mit einer negativen Temperaturkennlinie als Widerstand R1 zu verwenden.
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3 ist ein Diagramm, das einen Effekt der Unterdrückung von Variationen des Drainstroms Id durch Hinzufügen des Widerstands R1 veranschaulicht. Es ist zu beachten, dass die horizontale Achse die Gate-Source-Spannung Vgs(M1) des Transistors M1 veranschaulicht, während die vertikale Achse den in dem Transistor M1 fließenden Drainstrom Id veranschaulicht.
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Wenn der Widerstand R1 nicht angeordnet ist (entsprechend dem oben beschriebenen Vergleichsbeispiel), beträgt die Gate-Source-Spannung Vgs(M1) des Transistors M1 0 V. Wenn sich daher die EIN-Schwellenwertspannung Vth(M1) des Transistors M1 zur negativen Seite hin verschiebt, wird der im Transistor M1 fließende Drainstrom Id größer als der Standardwert Id0 (ld verschiebt sich von Id0 zu Id1).
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Wird dagegen der Widerstand R1 mit der Source des Transistors M1 verbunden (entsprechend der ersten Ausführungsform), so wird zwischen den beiden Anschlüssen des Widerstands R1 eine Potentialdifferenz (= Id×R1) erzeugt, die dem Drainstrom Id entspricht. Daher wird die Gate-Source-Spannung Vgs(M1) des Transistors M1 zur negativen Seite verschoben (Vgs(M1) = -Id×R1).
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Mit anderen Worten, wenn sich die EIN-Schwellenwertspannung Vth(M1) des Transistors M1 zur negativen Seite hin verschiebt, wird das Source-Potenzial des Transistors M1 stärker angehoben, wenn der Drain-Strom Id stärker ansteigt. Folglich verschiebt sich die Gate-Source-Spannung Vgs(M1) des Transistors M1 stärker in den negativen Bereich. Infolgedessen wird der EIN-Widerstand des Transistors M1 erhöht, so dass der Anstieg des Drainstroms Id unterdrückt werden kann.
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Es ist zu beachten, dass, wenn der im Transistor M1 fließende Drainstrom Id 100 nA oder mehr und weniger als 1 µA (z.B. 100 nA) beträgt, der Widerstand R1 beispielsweise 100 kΩ oder mehr und weniger als 1 MΩ (z.B. 100 kΩ) betragen sollte. Mit diesem Elementdesign kann der Verschiebungsbetrag der Gate-Source-Spannung Vgs(M1) auf etwa -100 mV eingestellt werden (Variation entsprechend dem Drainstrom Id).
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Zusätzlich kann man sagen, dass der Widerstand R1 zwischen der Source und dem Backgate des Transistors M1 verbunden ist. Daher wird entsprechend dem Drainstrom Id auch eine Differenz zwischen dem Source-Potential und dem Backgate-Potential des Transistors M1 erzeugt, so dass ein sogenannter Body-Effekt auftritt.
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Es ist zu beachten, dass der oben erwähnte Body-Effekt eine der Bauelementeeigenschaften eines MOSFET ist und ein Phänomen bezeichnet, bei dem eine zwischen Source und Backgate angelegte Spannung eine Vergrößerung eines Verarmungsschichtbereichs des MOSFET bewirkt, so dass sich die EIN-Schwellenwertspannung ändert.
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Wenn sich beispielsweise die EIN-Schwellenwertspannung Vth(M1) des Transistors M1 zur negativen Seite hin verschiebt und der Drainstrom Id stärker ansteigt, wird das Source-Potenzial des Transistors M1 stärker angehoben. Folglich wirkt der oben erwähnte Body-Effekt so, dass die EIN-Schwellenwertspannung Vth(M1) des Transistors M1 zur positiven Seite hin verschoben wird, d.h., dass die Verschiebung der EIN-Schwellenwertspannung Vth(M1) zur negativen Seite hin unterdrückt wird. Dadurch wird der EIN-Widerstand des Transistors M1 erhöht, und somit kann der Anstieg des Drainstroms Id unterdrückt werden.
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Auf diese Weise wirken in der Konstantspannung-Erzeugungsschaltung 1 dieser Ausführungsform, wenn der Drainstrom Id ansteigt, sowohl der negative Seitenverschiebungseffekt der Gate-Source-Spannung Vgs(M1) als auch der positive Seitenverschiebungseffekt (d.h. der Body-Effekt) der EIN-Schwellenwertspannung Vth(M1) aufgrund des Einfügens des Widerstands R1. Dadurch kann ein Anstieg des Drainstroms Id unterdrückt werden (Id verschiebt sich von Id1 zu Id2), die Ausgangsgenauigkeit der Konstantspannung VREF kann verbessert werden, und weitere Temperatureigenschaften können verbessert werden.
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Wenn beispielsweise der Widerstand R1 nicht angeordnet ist, beträgt die Ausgangsgenauigkeit der Konstantspannung VREF ±4% bis 6%. Ist der Widerstand R1 dagegen vorhanden, verbessert sich die Ausgangsgenauigkeit der Konstantspannung VREF auf etwa ±1 %.
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Wenn sich der Drainstrom Id dagegen so verschiebt, dass er kleiner ist als der Standardwert Id0, wird zwischen den beiden Anschlüssen des Widerstands R1 kaum eine Spannung erzeugt. Daher funktioniert weder der negative Seitenverschiebungseffekt der Gate-Source-Spannung Vgs(M1) noch der positive Seitenverschiebungseffekt (d.h. der Body-Effekt) der EIN-Schwellenwertspannung Vth(M1), und daher verschwindet der Effekt des Hinzufügens des Widerstands R1 im Wesentlichen.
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<Zweite Ausführungsform>
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4 ist ein Diagramm, das eine zweite Ausführungsform der Konstantspannung-Erzeugungsschaltung veranschaulicht. Die Konstantspannung-Erzeugungsschaltung 1 dieser Ausführungsform basiert auf der ersten Ausführungsform (2), die oben beschrieben wurde, und beinhaltet außerdem einen N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor M4 vom Anreicherungstyp.
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Der Transistor M4 hat einen Drain, der mit dem Anwendungsanschluss der Eingangsspannung VIN verbunden ist. Das Gate des Transistors M4 ist mit dem Gate und Backgate des Transistors M1, der Drain des Transistors M2 und dem zweiten Anschluss des Widerstands R1 verbunden. Der Transistor M4 hat eine Source und ein Backgate, die mit dem Ausgangsanschluss der Konstantspannung VREF verbunden sind. Es ist zu beachten, dass der Transistor M4 als Source-Follower fungiert, der so angeordnet ist, dass er die Stromkapazität der Konstantspannung-Erzeugungsschaltung 1 erhöht.
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Mit anderen Worten, in der oben beschriebenen ersten Ausführungsform (2) sind das Gate und das Backgate des Transistors M1, der Drain des Transistors M2 und der zweite Anschluss des Widerstands R1 direkt mit dem Ausgangsanschluss der Konstantspannung VREF verbunden, während sie in der zweiten Ausführungsform (4) über den Source-Follower mit dem Ausgangsanschluss der Konstantspannung verbunden sind.
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Mit dieser Struktur kann die Stromkapazität der Konstantspannung-Erzeugungsschaltung 1 erhöht werden, ohne die Temperaturkennlinie der ED-Bezugsspannungsquelle zu beeinträchtigen (die Transistoren M1 und M2). Es ist zu beachten, dass es selbstverständlich bevorzugt ist, als Transistor M4 ein Element mit größerer Stromkapazität als den Transistor M1 oder M2 zu verwenden.
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<Dritte Ausführungsform>
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5 ist ein Diagramm, das eine dritte Ausführungsform der Konstantspannung-Erzeugungsschaltung veranschaulicht. Die Konstantspannung-Erzeugungsschaltung 1 dieser Ausführungsform basiert auf der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform ( 4) und ist mit zusätzlichen Widerständen R2 und R3 versehen.
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Der Widerstand R2 hat einen ersten Anschluss, der mit dem Ausgangsanschluss der Konstantspannung VREF verbunden ist. Ein zweiter Anschluss des Widerstands R2 und ein erster Anschluss des Widerstands R3 sind mit dem Gate des Transistors M2 verbunden. Ein zweiter Anschluss des Widerstands R3 ist mit dem Masseanschluss verbunden. Die auf diese Weise verbundenen Widerstände R2 und R3 fungieren als Widerstandsspannungsteiler, der die Konstantspannung VREF teilt und die geteilte Spannung an das Gate des Transistors M2 anlegt.
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Mit anderen Worten, in der ersten Ausführungsform (2) und der zweiten Ausführungsform (4), welche oben beschrieben sind, ist das Gate des Transistors M2 direkt mit dem Ausgangsanschluss der Konstantspannung VREF verbunden, während es in der dritten Ausführungsform (5) über den Widerstandsspannungsteiler mit dem Ausgangsanschluss der Konstantspannung verbunden ist.
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Mit dieser Struktur ist es möglich, die Konstantspannung VREF (= Vgs(M2)x((R2+R3)/R3)) höher als in der ersten Ausführungsform (2) oder der zweiten Ausführungsform (4) zu erzeugen.
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Es ist zu beachten, dass diese Ausführungsform auf der zweiten Ausführungsform (4) basiert, aber sie kann auch auf der ersten Ausführungsform (2) basieren und die Widerstände R2 und R3 hinzufügen.
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<Vierte Ausführungsform>
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6 ist ein Diagramm, das eine vierte Ausführungsform der Konstantspannung-Erzeugungsschaltung veranschaulicht. Die Konstantspannung-Erzeugungsschaltung 1 dieser Ausführungsform basiert auf der oben beschriebenen dritten Ausführungsform (5) und beinhaltet P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistoren M5 und M6 sowie eine Stromquelle CS anstelle des Transistors M4.
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Sources und Backgates der Transistoren M5 und M6 sind alle mit dem Anwendungsanschluss der Eingangsspannung VIN verbunden. Der Transistor M5 hat ein Gate, das mit dem Gate und Backgate des Transistors M1, der Drain des Transistors M2 und dem zweiten Anschluss des Widerstands R1 verbunden ist. Das Gate des Transistors M6 ist mit einem Drain des Transistors M5 und einem ersten Anschluss der Stromquelle CS verbunden. Ein zweiter Anschluss der Stromquelle es ist mit dem Masseanschluss verbunden. Der Transistor M6 ist mit seinem Drain an den Ausgangsanschluss der Konstantspannung VREF verbunden. Die Transistoren M5 und M6 und die Stromquelle CS, die auf diese Weise verbunden sind, funktionieren als Source-Follower, der so angeordnet ist, dass er die Stromkapazität der Konstantspannung-Erzeugungsschaltung 1 erhöht.
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Auf diese Weise kann die Struktur, in der ein PMOSFET als Source-Follower verwendet wird, in einem Zustand arbeiten, in dem die Eingangsspannung VIN niedriger ist (d.h. VIN-VREF ist kleiner) als in der zweiten Ausführungsform (4) oder der dritten Ausführungsform (5), in der ein NMOSFET als Source-Follower verwendet wird. Insbesondere kann man sagen, dass diese Struktur effektiv ist, wenn ein Ausgangszielwert der Konstantspannung VREF hoch ist.
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<Fünfte Ausführungsform>
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7 ist ein Diagramm, das eine fünfte Ausführungsform der Konstantspannung-Erzeugungsschaltung veranschaulicht. Die Konstantspannung-Erzeugungsschaltung 1 dieser Ausführungsform basiert auf der oben beschriebenen dritten Ausführungsform (5) und beinhaltet einen N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor M7 vom Verarmungstyp anstelle des Transistors M4 vom Anreicherungstyp.
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Die Struktur, in der der NMOSFET vom Verarmungstyp auf diese Weise als Source-Follower verwendet wird, kann die Konstantspannung VREF ausgeben, die der Eingangsspannung VIN folgt, und zwar unmittelbar nach dem Anlegen der Eingangsspannung VIN.
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<Sechste Ausführungsform>
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8 ist ein Diagramm, das eine sechste Ausführungsform der Konstantspannung-Erzeugungsschaltung veranschaulicht. Die Konstantspannung-Erzeugungsschaltung 1 dieser Ausführungsform hat eine ähnliche Struktur wie die der oben beschriebenen ersten bis fünften Ausführungsform, wobei der Widerstand R1 zwischen Gate und Source des Transistors M1 eingefügt ist, der die ED-Bezugsspannungsquelle bildet, und so modifiziert ist, dass der Drainstrom Id dem Transistor M2 über den Stromspiegel zugeführt wird, der aus P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistoren M8 und M9 besteht.
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Der Drain des Transistors M1 ist mit einem Drain des Transistors M8 (d.h. einem Eingangsanschluss des Stromspiegels) verbunden. Die Source des Transistors M1 ist mit dem ersten Anschluss des Widerstands R1 verbunden. Das Gate und das Backgate des Transistors M1 und der zweite Anschluss des Widerstands R1 sind alle mit dem Masseanschluss verbunden.
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Sources und Backgates der Transistoren M8 und M9 sind mit dem Eingangsanschluss der Eingangsspannung VIN verbunden. Die Gates der Transistoren M8 und M9 sind mit dem Drain des Transistors M8 verbunden. Der Drain des Transistors M9 (d.h. der Ausgangsanschluss des Stromspiegels) und der Drain und das Gate des Transistors M2 sind mit dem Ausgangsanschluss der Konstantspannung VREF verbunden. Die Source des Transistors M2 ist mit dem Masseanschluss verbunden.
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Auf diese Weise kann auch die Schaltungsform, bei der der Drainstrom Id des Transistors M1 über den Stromspiegel dem Transistor M2 zugeführt wird, den Effekt des Einfügens des Widerstandes R1 wie oben beschrieben erzielen.
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<Überlegung hinsichtlich Eingangsspannungscharakteristik>
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9 ist ein Diagramm, das die Vds(M1)-ld-Kennlinie und die VIN-VREF-Kennlinie im oben beschriebenen Vergleichsbeispiel (1) veranschaulicht. Wie oben beschrieben, fungiert der Transistor M1 in der Bezugsspannungsquelle vom Typ ED als Konstantstromquelle, die den Drainstrom Id bestimmt, wobei die Konstantspannung VREF in Übereinstimmung mit der Gate-Source-Spannung Vgs(M2) des Transistors M2 bestimmt wird, in der der Drainstrom Id fließt.
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Wenn der Transistor M1 in einem gesättigten Bereich arbeitet, ist der Drainstrom Id im Wesentlichen konstant, und daher sollte die Konstantspannung VREF idealerweise konstant sein, ohne von der Eingangsspannung VIN abzuhängen. Der tatsächliche Drainstrom Id ist jedoch nicht völlig konstant und weist einen kleinen Gradienten der Abhängigkeit von Vds auf, der durch den Kanallängenmodulationsparameter λ bestimmt wird, ausgedrückt durch Id∝(1+λ×Vds).
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Es ist zu beachten, dass der oben erwähnte Kanallängenmodulationsparameter λ eine einzigartige Eigenschaft eines Bauelements ist und auch in Abhängigkeit von der Elementgröße variiert. Wenn also die Eingangsspannung VIN (und damit die Drain-Source-Spannung Vds(M1)) variiert, variiert auch der im Transistor M1 fließende Drain-Strom Id, so dass die Konstantspannung VREF variieren kann.
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In der folgenden Beschreibung wird in Anbetracht der obigen Überlegung eine neue Ausführungsform vorgeschlagen, bei der die Variation des Drainstroms Id aufgrund der Eingangsspannungsvariation unterdrückt wird, so dass die Ausgangsgenauigkeit der Konstantspannung VREF verbessert werden kann.
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<Siebte Ausführungsform>
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10 ist ein Diagramm, das eine siebte Ausführungsform der Konstantspannung-Erzeugungsschaltung veranschaulicht. Die Konstantspannung-Erzeugungsschaltung 1 dieser Ausführungsform basiert auf dem oben beschriebenen Vergleichsbeispiel (1) und beinhaltet außerdem einen N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor M3 vom Verarmungstyp.
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Der Transistor M3 hat einen Drain, der mit dem Anwendungsanschluss der Eingangsspannung VIN verbunden ist. Der Transistor M3 hat eine Source und ein Backgate, die mit dem Drain des Transistors M1 verbunden sind. Der Transistor M3 hat ein Gate, das mit dem Gate des Transistors M1 verbunden ist. Mit anderen Worten, der Drain des Transistors M1 ist über den Transistor M3 mit dem Anwendungsanschluss der Eingangsspannung VIN verbunden.
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Es ist zu beachten, dass die Drain-Source-Spannung Vds(M1) des Transistors M1 auf 0,2 V oder mehr eingestellt werden sollte, wenn der Transistor M1 im gesättigten Bereich verwendet wird, wobei die Größe des Transistors M3 so bestimmt werden sollte, die obige Bedingung zu erfüllen. Daher ist der Transistor M3 so ausgelegt, dass er einen W/L-Wert (d.h. ein Verhältnis von Kanalbreite W zu Kanallänge L) hat, der ausreichend größer ist als der des Transistors M1. Wenn beispielsweise W/L des Transistors M1 mit „a“ bezeichnet ist, während W/L des Transistors M2 mit „b“ bezeichnet ist, ist es vorzuziehen, dass b etwa das 20- bis 100-fache von a beträgt.
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11 ist ein Diagramm, das den Effekt der Variationssenkung des Drainstroms Id durch Hinzufügen des Transistors M3 veranschaulicht. Es ist zu beachten, dass die horizontale Achse die Gate-Source-Spannung Vgs und die vertikale Achse den Drain-Strom Id veranschaulicht.
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Wie oben beschrieben, ist W/L des Transistors M3 so ausgelegt, um ausreichend größer zu sein als W/L des Transistors M1. Daher ist die EIN-Schwellenwertspannung Vth(M3) des Transistors M3 ausreichend kleiner als die EIN-Schwellenwertspannung Vth(M1) des Transistors M1. Infolgedessen ist der Transistor M1 bei der Bestimmung des Drainstroms Id dominanter als der Transistor M3. Mit anderen Worten, wenn der durch den Transistor M1 bestimmte Drainstrom mit Id(M1) bezeichnet ist, ist Id = Id(M1) erfüllt.
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Zusätzlich sind die Transistoren M1 und M3 in Reihe geschaltet, so dass der wie oben beschrieben ermittelte Drainstrom Id auch im Transistor M3 fließt. Infolgedessen wird der Transistor M3 in einem Zustand stabilisiert, in dem der Drainstrom Id(M1) fließt (in einem Zustand, in dem Id = Id(M1) = Id(M3) erfüllt ist). Mit anderen Worten, der Transistor M3 wird in einem Zustand geklemmt, in dem eine negative Spannung als Gate-Source-Spannung Vgs(M3) erzeugt ist. Die Klemmspannung beträgt in diesem Fall etwa 0,2 V oder mehr, da sie in dem Bereich liegen sollte, in dem sich der Transistor M1 im gesättigten Bereich befindet, wobei es notwendig ist, den Einfluss der Eigenschaften und der Größe des Elements zu berücksichtigen.
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12 ist ein Diagramm, das die VIN-Vds(M1)-Kennlinie in der siebten Ausführungsform veranschaulicht. Die oben beschriebene Betriebsreihenfolge ermöglicht es, dass die Drain-Source-Spannung Vds(M1) des Transistors M1 im Wesentlichen konstant ist, auch wenn die Eingangsspannung VIN variiert. Daher kann eine Variation des Drainstroms Id aufgrund einer Variation der Eingangsspannung unterdrückt werden, und die Ausgangsgenauigkeit der Konstantspannung VREF kann verbessert werden.
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<Achte Ausführungsform>
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13 ist ein Diagramm, das eine achte Ausführungsform der Konstantspannung-Erzeugungsschaltung veranschaulicht. Die Konstantspannung-Erzeugungsschaltung 1 dieser Ausführungsform basiert auf der vorstehend beschriebenen siebten Ausführungsform (10) und beinhaltet weiterhin den N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor M4 vom Anreicherungstyp.
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Der Drain des Transistors M4 ist mit dem Anwendungsanschluss der Eingangsspannung VIN verbunden. Das Gate des Transistors M4 ist mit dem Gate und Backgate des Transistors M1, dem Drain des Transistors M2 und dem Gate des Transistors M3 verbunden. Die Source und das Backgate des Transistors M4 sind mit dem Ausgangsanschluss der Konstantspannung VREF verbunden. Es ist zu beachten, dass der Transistor M4 als Source-Follower fungiert, der so angeordnet ist, dass er die Stromkapazität der Konstantspannung-Erzeugungsschaltung 1 erhöht.
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Mit anderen Worten, in der oben beschriebenen siebten Ausführungsform (10) sind das Gate und das Backgate des Transistors M1, der Drain des Transistors M2 und das Gate des Transistors M3 direkt mit dem Ausgangsanschluss der Konstantspannung VREF verbunden, während sie in der achten Ausführungsform (13) über den Source-Follower mit dem Ausgangsanschluss der Konstantspannung verbunden sind.
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Mit dieser Struktur kann eine Stromkapazität der Konstantspannung-Erzeugungsschaltung 1 erhöht werden, ohne die Temperaturkennlinie der ED-Bezugsspannungsquelle zu beeinträchtigen (die Transistoren M1 und M2). Es ist zu beachten, dass es selbstverständlich bevorzugt ist, als Transistor M4 ein Element mit größerer Stromkapazität als den Transistor M1 oder M2 zu verwenden.
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<Neunte Ausführungsform>
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14 ist ein Diagramm, das eine neunte Ausführungsform der Konstantspannung-Erzeugungsschaltung veranschaulicht. Die Konstantspannung-Erzeugungsschaltung 1 dieser Ausführungsform basiert auf der achten Ausführungsform (13) und ist mit den zusätzlichen Widerständen R2 und R3 versehen.
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Der erste Anschluss des Widerstands R2 ist mit dem Ausgangsanschluss der Konstantspannung VREF verbunden. Der zweite Anschluss des Widerstands R2 und der erste Anschluss des Widerstands R3 sind mit dem Gate des Transistors M2 verbunden. Der zweite Anschluss des Widerstands R3 ist mit dem Masseanschluss verbunden. Die auf diese Weise verbundenen Widerstände R2 und R3 fungieren als Widerstandsspannungsteiler, der die Konstantspannung VREF teilt und die geteilte Spannung an das Gate des Transistors M2 anlegt.
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Mit anderen Worten, in der siebten Ausführungsform (10) und der achten Ausführungsform (13), die oben beschrieben wurden, ist das Gate des Transistors M2 direkt mit dem Ausgangsanschluss der Konstantspannung VREF verbunden, während es in der neunten Ausführungsform (14) über den Widerstandsspannungsteiler mit dem Ausgangsanschluss der Konstantspannung verbunden ist.
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Mit dieser Struktur ist es möglich, eine Konstantspannung VREF (= Vgs(M2)x((R2+R3)/R3)) zu erzeugen, die höher ist als die in der siebten Ausführungsform (10) oder der oben beschriebenen achten Ausführungsform (13).
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Es ist zu beachten, dass diese Ausführungsform auf der achten Ausführungsform (13) basiert, aber sie kann auch auf der siebten Ausführungsform (10) basieren und die Widerstände R2 und R3 hinzufügen.
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<Zehnte Ausführungsform>
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15 ist ein Diagramm, das eine zehnte Ausführungsform der Konstantspannung-Erzeugungsschaltung veranschaulicht. Die Konstantspannung-Erzeugungsschaltung 1 dieser Ausführungsform basiert auf der oben beschriebenen neunten Ausführungsform ( 14) und beinhaltet die P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistoren M5 und M6 und die Stromquelle CS anstelle des Transistors M4.
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Die Sources und Backgates der Transistoren M5 und M6 sind alle mit dem Anschluss der Eingangsspannung VIN verbunden. Das Gate des Transistors M5 ist mit dem Gate und Backgate des Transistors M1, der Drain des Transistors M2 und dem Gate des Transistors M3 verbunden. Das Gate des Transistors M6 ist mit dem Drain des Transistors M5 und dem ersten Anschluss der Stromquelle es verbunden. Der zweite Anschluss der Stromquelle CS ist mit dem Masseanschluss verbunden. Der Drain des Transistors M6 ist mit dem Ausgangsanschluss der Konstantspannung VREF verbunden. Die Transistoren M5 und M6 und die Stromquelle CS, die auf diese Weise verbunden sind, funktionieren als Source-Follower, der so angeordnet ist, dass er die Stromkapazität der Konstantspannung-Erzeugungsschaltung 1 erhöht.
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Auf diese Weise kann die Struktur, in der die PMOSFETs als Source-Follower verwendet werden, in einem Zustand arbeiten, in dem die Eingangsspannung VIN niedriger ist (d.h. VIN-VREF ist kleiner) als in der achten Ausführungsform (13) oder der neunten Ausführungsform (14), in der der NMOSFET als Source-Follower verwendet wird. Insbesondere kann man sagen, dass diese Struktur effektiv ist, wenn der Ausgangszielwert der Konstantspannung VREF hoch ist.
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<Elfte Ausführungsform>
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16 ist ein Diagramm, das eine elfte Ausführungsform der Konstantspannung-Erzeugungsschaltung veranschaulicht. Die Konstantspannung-Erzeugungsschaltung 1 dieser Ausführungsform basiert auf der neunten Ausführungsform (14) und beinhaltet den N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor M7 vom Verarmungstyp anstelle des Transistors M4 vom Anreicherungstyp.
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Auf diese Weise kann die Struktur, in der der NMOSFET vom Verarmungstyp als Source-Follower verwendet wird, die Konstantspannung VREF ausgeben, die der Eingangsspannung VIN folgt, gleich nachdem die Eingangsspannung VIN angelegt ist.
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<Zwölfte Ausführungsform>
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17 ist ein Diagramm, das eine zwölfte Ausführungsform der Konstantspannung-Erzeugungsschaltung veranschaulicht. Ähnlich wie bei der siebten bis elften Ausführungsform, die oben beschrieben wurden, hat die Konstantspannung-Erzeugungsschaltung 1 dieser Ausführungsform die Struktur, in der der Transistor M3 mit dem Drain des Transistors M1 verbunden ist, der die ED-Bezugsspannungsquelle bildet, und ist so modifiziert, dass der Drainstrom Id dem Transistor M2 über den Stromspiegel zugeführt wird, der aus den P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistoren M8 und M9 besteht.
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Der Drain des Transistors M3 ist mit dem Drain des Transistors M8 (d.h. dem Eingangsanschluss des Stromspiegels) verbunden. Die Source und das Backgate des Transistors M3 sind mit dem Drain des Transistors M1 verbunden. Mit anderen Worten: Der Drain des Transistors M1 ist über den Transistor M3 mit dem Eingangsanschluss des Stromspiegels verbunden. Das Gate und Backgate des Transistors M1 und das Gate des Transistors M3 sind mit dem Masseanschluss verbunden.
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Die Sources und Backgates der Transistoren M8 und M9 sind mit dem Eingangsanschluss der Eingangsspannung VIN verbunden. Die Gates der Transistoren M8 und M9 sind mit dem Drain des Transistors M8 verbunden. Der Drain des Transistors M9 (d.h. der Ausgangsanschluss des Stromspiegels) und der Drain und das Gate des Transistors M2 sind mit dem Ausgangsanschluss der Konstantspannung VREF verbunden. Die Source des Transistors M2 ist mit dem Masseanschluss verbunden.
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Auf diese Weise kann auch die Schaltungsform, bei der der Drainstrom Id des Transistors M1 über den Stromspiegel dem Transistor M2 zugeführt wird, den Effekt des Einfügens des Transistors M3 wie oben beschrieben erzielen.
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<Dreizehnte Ausführungsform>
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18 ist ein Diagramm, das eine dreizehnte Ausführungsform der Konstantspannung-Erzeugungsschaltung veranschaulicht. Die Konstantspannung-Erzeugungsschaltung 1 dieser Ausführungsform basiert auf der oben beschriebenen siebten Ausführungsform ( 10) und beinhaltet weiterhin den Widerstand R1.
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Der erste Anschluss des Widerstands R1 ist mit der Source des Transistors M1 verbunden. Der zweite Anschluss des Widerstands R1 ist mit dem Gate und Backgate des Transistors M1 und dem Ausgangsanschluss der Konstantspannung VREF verbunden. Auf diese Weise ist der Widerstand R1 zwischen dem Gate des Transistors M1 und der Source sowie zwischen dem Backgate und der Source des Transistors M1 verbunden.
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Diese Ausführungsform kann den Effekt der Schwankungsunterdrückung des Drainstroms Id durch Einfügen des Widerstands R1 erzielen. Daher kann nicht nur die Schwankung des Drainstroms Id aufgrund der Eingangsspannungsschwankung, sondern auch die Schwankung des Drainstroms Id aufgrund der Prozessschwankung unterdrückt werden, und daher kann eine Ausgangsgenauigkeit der Konstantspannung VREF weiter verbessert ein.
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Es ist zu beachten, dass diese Ausführungsform auf der siebten Ausführungsform (10) basiert, aber sie kann auch auf der achten bis zwölften Ausführungsform basieren, so dass der Widerstand R1 zwischen Gate und Source des Transistors M1 eingefügt ist.
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<Zusammenfassung>
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In der folgenden Beschreibung sind die verschiedenen Ausführungsformen, die in dieser Beschreibung offenbart sind, zusammengefasst und beschrieben.
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Beispielsweise beinhaltet die in dieser Beschreibung offenbarte Konstantspannung-Erzeugungsschaltung einen ersten Transistor vom Verarmungstyp und einen zweiten Transistor vom Anreicherungstyp, die eine Bezugsspannungsquelle vom ED-Typ bilden, sowie einen zwischen Gate und Source des ersten Transistors verbundenen Widerstand (erste Struktur).
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Es ist zu beachten, dass die Konstantspannung-Erzeugungsschaltung mit der oben beschriebenen ersten Struktur eine Struktur haben kann, bei der der erste Transistor und der zweite Transistor NMOSFETs sind (zweite Struktur).
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Zusätzlich kann die Konstantspannung-Erzeugungsschaltung mit der oben beschriebenen zweiten Struktur eine Struktur haben, bei der der erste Transistor einen Drain hat, der mit einem Anwendungsanschluss einer Eingangsspannung verbunden ist, der zweite Transistor eine Source hat, die mit einem Bezugspotentialanschluss verbunden ist, wobei ein Gate des ersten Transistors und ein Drain des zweiten Transistors mit einem Ausgangsanschluss der Konstantspannung direkt oder über einen Source-Follower verbunden sind, und ein Gate des zweiten Transistors mit dem Ausgangsanschluss der Konstantspannung direkt oder über einen Widerstandsspannungsteiler verbunden ist (dritte Struktur).
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Zusätzlich kann die Konstantspannung-Erzeugungsschaltung mit der oben beschriebenen dritten Struktur eine Struktur haben, in der der Source-Follower einen NMOSFET mit einem Drain, der mit einem Anwendungsanschluss der Eingangsspannung verbunden ist, einem Gate, das mit dem Gate des ersten Transistors und dem Drain des zweiten Transistors verbunden ist, und einer Source, die mit dem Ausgangsanschluss der Konstantspannung verbunden ist, beinhaltet (vierte Struktur).
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Zusätzlich kann die Konstantspannung-Erzeugungsschaltung, die die oben beschriebene vierte Struktur hat, eine Struktur haben, in der der NMOSFET vom Verarmungstyp ist (fünfte Struktur).
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Zusätzlich kann die Konstantspannung-Erzeugungsschaltung mit der oben beschriebenen dritten Struktur eine Struktur haben, bei der der Source-Follower beinhaltet: einen ersten PMOSFET mit einer Source, die mit dem Anwendungsanschluss der Eingangsspannung verbunden ist, und ein Gate, das mit dem Gate des ersten Transistors und der Drain des zweiten Transistors verbunden ist; einen zweiten PMOSFET mit einer Source, die mit dem Anwendungsanschluss der Eingangsspannung verbunden ist, einem Gate, das mit einem Drain des ersten PMOSFET verbunden ist, und einem Drain, der mit dem Ausgangsanschluss der Konstantspannung verbunden ist; und einer Stromquelle, die zwischen dem Bezugspotentialanschluss und der Drain des ersten PMOSFET sowie dem Gate des zweiten PMOSFET verbunden ist (sechste Struktur).
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Zusätzlich kann die Konstantspannung-Erzeugungsschaltung, die die oben beschriebene zweite Struktur hat, eine Struktur haben, in der der Drain des ersten Transistors mit dem Eingangsanschluss des Stromspiegels verbunden ist, der Ausgangsanschluss des Stromspiegels und der Drain und das Gate des zweiten Transistors mit dem Ausgangsanschluss der Konstantspannung verbunden sind, und das Gate des ersten Transistors und die Source des zweiten Transistors mit dem Bezugspotentialanschluss verbunden sind (siebte Struktur).
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Zusätzlich kann die Konstantspannung-Erzeugungsschaltung mit einer der oben beschriebenen ersten bis siebten Strukturen eine Struktur haben, in der der Widerstand ein Basiswiderstand mit einer positiven Temperaturkennlinie ist (achte Struktur).
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Zusätzlich kann die Konstantspannung-Erzeugungsschaltung mit einer der oben beschriebenen ersten bis siebten Strukturen eine Struktur haben, in der der Widerstand ein Polywiderstand mit einer negativen Temperaturkennlinie ist (neunte Struktur).
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Zusätzlich kann die Konstantspannung-Erzeugungsschaltung mit einer der oben beschriebenen ersten bis neunten Strukturen eine Struktur haben, bei der ein in dem ersten Transistor fließende Drainstrom 100 nA oder mehr und weniger als 1 µA beträgt, wobei der Widerstand einen Widerstandswert von 100 kΩ oder mehr und weniger als 1 MΩ hat (zehnte Struktur).
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Eine weitere Konstantspannung-Erzeugungsschaltung, die in dieser Beschreibung offenbart ist, beinhaltet beispielsweise einen ersten Transistor vom Verarmungstyp und einen zweiten Transistor vom Anreicherungstyp, die eine Bezugsspannungsquelle vom ED-Typ bilden, sowie einen dritten Transistor vom Verarmungstyp, der mit einem Drain des ersten Transistors verbunden ist und einen größeren W/L-Wert als der erste Transistor hat (elfte Struktur).
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Es ist zu beachten, dass die Konstantspannung-Erzeugungsschaltung mit der oben beschriebenen elften Struktur eine Struktur haben kann, bei der der erste Transistor, der zweite Transistor und der dritte Transistor NMOSFETs sind (zwölfte Struktur).
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Zusätzlich kann die Konstantspannung-Erzeugungsschaltung mit der oben beschriebenen zwölften Struktur eine Struktur haben, bei der der Drain des ersten Transistors über den dritten Transistor mit einem Anwendungsanschluss einer Eingangsspannung verbunden ist, eine Source des zweiten Transistors mit dem Bezugspotenzialanschluss verbunden ist, Gates des ersten Transistors und des dritten Transistors und eine Drain des zweiten Transistors direkt oder über einen Source-Follower mit dem Ausgangsanschluss der Konstantspannung verbunden sind, wobei das Gate des zweiten Transistors direkt oder über einen Widerstandsspannungsteiler mit dem Ausgangsanschluss der Konstantspannung verbunden ist (dreizehnte Struktur).
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Die Konstantspannung-Erzeugungsschaltung mit der oben beschriebenen dreizehnten Struktur kann eine Struktur haben, bei der der Source-Follower beinhaltet: einen NMOSFET mit einem Drain, die mit einem Anwendungsanschluss der Eingangsspannung verbunden ist, einem Gate, das mit den Gates des ersten Transistors und des dritten Transistors und der Drain des zweiten Transistors verbunden ist, und einer Source, die mit dem Ausgangsanschluss der Konstantspannung verbunden ist (vierzehnte Struktur).
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Zusätzlich kann die Konstantspannung-Erzeugungsschaltung mit der oben beschriebenen vierzehnten Struktur eine Struktur haben, in der der NMOSFET vom Verarmungstyp ist (fünfzehnte Struktur).
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Zusätzlich kann die Konstantspannung-Erzeugungsschaltung mit der oben beschriebenen dreizehnten Struktur eine Struktur haben, in der der Source-Follower beinhaltet: einen ersten PMOSFET mit einer Source, die mit dem Anwendungsanschluss der Eingangsspannung verbunden ist, einem Gate, das mit den Gates des ersten Transistors und des dritten Transistors und dem Drain des zweiten Transistors verbunden ist; einen zweiten PMOSFET mit einer Source, die mit dem Anwendungsanschluss der Eingangsspannung verbunden ist, einem Gate, das mit dem Drain des ersten PMOSFET verbunden ist, und einem Drain, die mit dem Ausgangsanschluss der Konstantspannung verbunden ist; und eine Stromquelle, die zwischen dem Bezugspotentialanschluss und der Drain des ersten PMOSFET sowie dem Gate des zweiten PMOSFET verbunden ist (sechzehnte Struktur).
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Zusätzlich kann die Konstantspannung-Erzeugungsschaltung mit der oben beschriebenen zwölften Struktur eine Struktur haben, bei der der Drain des ersten Transistors über den dritten Transistor mit dem Eingangsanschluss des Stromspiegels verbunden ist, der Ausgangsanschluss des Stromspiegels und der Drain und das Gate des zweiten Transistors mit dem Ausgangsanschluss der Konstantspannung verbunden sind, und die Gates des ersten Transistors und des dritten Transistors sowie die Source des zweiten Transistors mit dem Bezugspotentialanschluss verbunden sind (siebzehnte Struktur).
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Die Konstantspannung-Erzeugungsschaltung, die eine der oben beschriebenen elften bis siebzehnten Strukturen hat, kann eine Struktur haben, die weiterhin einen zwischen Gate und Source des ersten Transistors verbundenen Widerstand beinhaltet (achtzehnte Struktur).
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Zusätzlich kann die Konstantspannung-Erzeugungsschaltung mit der oben beschriebenen achtzehnten Struktur eine Struktur haben, bei der der Widerstand ein Basiswiderstand mit einer positiven Temperaturkennlinie ist (neunzehnte Struktur).
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Zusätzlich kann die Konstantspannung-Erzeugungsschaltung mit der oben beschriebenen achtzehnten Struktur eine Struktur haben, in der der Widerstand ein Polywiderstand mit einer negativen Temperaturkennlinie ist (zwölfte Struktur).
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<Weitere Variationen>
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Es ist zu beachten, dass, abgesehen von den oben beschriebenen Ausführungsformen, die verschiedenen technischen Merkmale, die in dieser Beschreibung offenbart sind, auf verschiedene Weise modifiziert werden können, ohne von der Idee der technischen Ausführung abzuweichen. Mit anderen Worten, die oben beschriebenen Ausführungsformen sind lediglich Beispiele in jeder Hinsicht und sollten nicht als Beschränkungen interpretiert werden. Der technische Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern sollte so ausgelegt werden, dass er alle Modifikationen innerhalb der den Ansprüchen entsprechenden Bedeutungen und Umfänge beinhaltet.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Die in dieser Beschreibung offenbarte Konstantspannung-Erzeugungsschaltung kann zweckmäßigerweise als Mittel zur Erzeugung einer Bezugsspannung oder einer Schwellenwertspannung, beispielsweise in einem Halbleiterbauelement, verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Konstantspannung-Erzeugungsschaltung
- CS
- Stromquelle
- M1
- NMOSFET (entspricht dem ersten Transistor vom Verarmungstyp)
- M2
- NMOSFET (entspricht dem zweiten Transistor vom Anreicherungstyp)
- M3
- NMOSFET (entspricht dem dritten Transistor vom Verarmungstyp)
- M4
- NMOSFET (Anreicherungstyp)
- M5, M6
- PMOSFET
- M7
- NMOSFET (Verarmungstyp)
- M8, M9
- PMOSFET
- R1, R2, R3
- Widerstand
