JP2005190111A

JP2005190111A - 定電圧回路

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Publication number: JP2005190111A
Application number: JP2003429825A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Kitagawa; 昌宏北川; Akio Kojima; 章夫小島; Junichi Nagata; 淳一永田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-12-25
Filing date: 2003-12-25
Publication date: 2005-07-14
Anticipated expiration: 2023-12-25
Also published as: DE102004052392A1; US20050140350A1; US7071671B2; JP4433790B2

Abstract

【課題】出力電圧精度を高める。
【解決手段】電圧検出回路８は、トランジスタＱ１のベース・エミッタ間電圧ＶBE(Q1)を検出し、電流出力回路９は、検出電圧に応じたバイアス電流Ｉ１を出力する。電圧ＶBE(Q1)が高くなると、電流出力回路９の出力電流Ｉ１が増大し、トランジスタＱ２のベース・エミッタ間電圧ＶBE(Q2)も高くなる。逆に、電圧ＶBE(Q1)が低くなると、電流出力回路９の出力電流Ｉ１が減少し、トランジスタＱ２のベース・エミッタ間電圧ＶBE(Q2)も低くなる。その結果、負荷変動にかかわらずトランジスタＱ１とＱ２のベース・エミッタ間電圧ＶBEが等しくなり、出力電圧ＶOUTをツェナー電圧Ｖｚに精度よく一致させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、出力端子から一定の電圧を出力する定電圧回路に関する。

定電圧回路は、出力電圧に応じた基準電圧を発生させる回路が必要となる。特許文献１および２に記載の定電圧回路は、ともにツェナーダイオードを用いて基準電圧を生成している。
特開２００３−１５０２５６号公報特開平７−２６１８６２号公報

図６は、従来から用いられている定電圧回路の電気的構成を示している。電源線１と電源線２（グランド線）との間には、定電流回路３とダイオードＤ１とツェナーダイオードＤ２が直列に接続されている。ダイオードＤ１とツェナーダイオードＤ２との直列回路は、トランジスタＱ１のベースに対し基準電圧Ｖｒを与える基準電圧生成回路４を構成しており、ダイオードＤ１のアノードは出力トランジスタＱ１のベースに接続されている。トランジスタＱ１のコレクタは電源線１に接続され、エミッタは出力端子５に接続されている。

ここで、ツェナーダイオードＤ２に対しダイオードＤ１を直列に設ける理由は、ダイオードＤ１の順方向電圧ＶＦを用いてトランジスタＱ１のベース・エミッタ間電圧ＶBEをキャンセルし、出力電圧ＶOUTの温度依存性を低減することにある。これにより、出力電圧ＶOUTをツェナーダイオードＤ２のツェナー電圧Ｖｚにほぼ等しく制御することができる。

しかし、トランジスタＱ１のベース・エミッタ間電圧ＶBEはコレクタ電流に依存して変化するため、定電圧回路の出力電流が変化すると、トランジスタＱ１のベース・エミッタ間電圧ＶBEとダイオードＤ１の順方向電圧ＶＦとの間にずれが生じ、上記キャンセルする関係が成立しなくなる。その結果、出力電圧ＶOUTの精度が低下するという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、出力電圧精度の高い定電圧回路を提供することにある。

請求項１に記載した手段によれば、出力トランジスタのベースに、基準電圧発生回路とダイオードとの直列回路により生成される基準電圧が与えられ、当該定電圧回路の出力端子となる出力トランジスタのエミッタには、上記基準電圧から出力トランジスタのベース・エミッタ間電圧だけ低い電圧（シンク出力の場合には高い電圧）が出力される。この場合、基準電圧発生回路とダイオードとの直列回路には、電流出力回路から出力トランジスタのベース・エミッタ間電圧に応じた電流（以下、バイアス電流と称す）が供給される。

その結果、出力トランジスタのベース・エミッタ間電圧が高い場合には、上記バイアス電流が増えてダイオードの順方向電圧が増大し、逆に出力トランジスタのベース・エミッタ間電圧が低い場合には、上記バイアス電流が減ってダイオードの順方向電圧が減少する。つまり、負荷変動、電源電圧変動、温度変動にかかわらず、ダイオードの順方向電圧が出力トランジスタのベース・エミッタ間電圧と等しくなるように制御されるので、当該定電圧回路の出力電圧を基準電圧発生回路により生成される基準電圧（一般に高精度の電圧である）に精度よく一致させることができる。

請求項２に記載した手段によれば、出力トランジスタと検出用トランジスタは、エミッタ同士およびベース同士が接続されている。出力トランジスタに流れる電流（当該定電圧回路の出力電流）の増大等により出力トランジスタのベース・エミッタ間電圧が高くなると、検出用トランジスタのベース・エミッタ間電圧も同じように高くなり、検出用トランジスタに流れる電流ひいてはカレントミラー回路を介して上記基準電圧発生回路とダイオードとの直列回路に流れる電流も増大する。その結果、上述した作用により出力電圧の精度を高めることができる。

請求項３に記載した手段によれば、基準電圧発生回路とダイオードとの直列回路には、電流出力回路から出力トランジスタのコレクタ電流（すなわち当該定電圧回路の出力電流）に応じたバイアス電流が供給される。一般に、出力トランジスタのベース・エミッタ間電圧は、コレクタ電流の増大に伴って高くなる傾向がある。その結果、出力トランジスタのコレクタ電流が大きい場合すなわち出力トランジスタのベース・エミッタ間電圧が高い場合には、上記バイアス電流が増えてダイオードの順方向電圧が増大し、逆に出力トランジスタのコレクタ電流が小さい場合すなわち出力トランジスタのベース・エミッタ間電圧が低い場合には、上記バイアス電流が減ってダイオードの順方向電圧が減少する。
つまり、負荷変動、電源電圧変動、温度変動にかかわらず、ダイオードの順方向電圧が出力トランジスタのベース・エミッタ間電圧と等しくなるように制御されるので、当該定電圧回路の出力電圧を基準電圧発生回路の生成する基準電圧に精度よく一致させることができる。

請求項４記載の手段は、請求項２記載の手段と同様の構成であるが、出力トランジスタに対しエミッタ同士およびベース同士が接続されている検出用トランジスタは、出力トランジスタに流れる電流に対しエミッタ面積比で定まる電流を出力するため、当該機能に着目すれば電流検出回路とみなすこともできる。

請求項５に記載した手段によれば、基準電圧発生回路とダイオードとの直列回路のうち基準電圧発生回路には、出力トランジスタに流れる電流の大小にかかわらず、定電流回路から一定の電流が供給されるので、基準電圧発生回路、特に定電圧動作をさせるために所定の電流を流す必要がある回路（ツェナーダイオード等）を安定して動作させることができる。

請求項６に記載した手段によれば、上記定電流回路が基準電圧発生回路に流す電流により基準電圧が確立され、起動回路は、その基準電圧を用いて出力トランジスタに対しベース電流を供給する。従って、電源電圧が印加されると、直ちに安定した定電圧を出力することができる。

請求項７に記載した手段によれば、出力端子に負荷回路を接続して、無負荷時または軽負荷時であっても少なくとも所定量以上の出力電流を流すことにより、基準電圧発生回路とダイオードとの直列回路に所定量以上のバイアス電流を流すことができる。その結果、基準電圧発生回路、特に定電圧動作をさせるために所定の電流を流す必要がある回路（ツェナーダイオード等）を安定して動作させることができ、定電圧回路の耐ノイズ性を高めることができる。

請求項８に記載した手段によれば、出力トランジスタと同特性を有するトランジスタをダイオード接続することにより上記直列回路のダイオードを構成したので、ダイオード接続したトランジスタのベース・エミッタ間電圧と出力トランジスタのベース・エミッタ間電圧とがより一致し易くなり、より高精度の出力電圧が得られる。

請求項９に記載した手段によれば、基準電圧発生回路を、ツェナーダイオードまたはバンドギャップ基準電圧発生回路により構成したので、温度依存性の小さい高精度の出力電圧が得られる。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について図１および図２を参照しながら説明する。
図１は、ＩＣ（半導体集積回路装置）内に形成された定電圧回路の構成を示しており、従来構成を示す図６と同一部分には同一符号を付している。図１（ａ）に示す定電圧回路６において、電源線１、２間には例えばバッテリ電圧ＶＢが印加されるようになっており、出力端子５には負荷が接続されるようになっている。トランジスタＱ１（出力トランジスタに相当）のコレクタとベースは、それぞれ電源線１と出力端子５に接続されており、トランジスタＱ１のベースと電源線２との間には、ダイオード接続されたトランジスタＱ２とツェナーダイオードＤ２（基準電圧発生回路に相当）との直列回路からなる基準電圧生成回路７が接続されている。

電圧検出回路８は、トランジスタＱ１のベース・エミッタ間電圧ＶBEを検出する回路であって、電源線２とトランジスタＱ１のベースとの間に接続された電流出力回路９は、上記検出電圧ＶBEに応じた電流を出力するようになっている。なお、図１（ｂ）に示す定電圧回路１０は、図１（ａ）に示す定電圧回路６に対し、基準電圧生成回路７に代えて図６に示した基準電圧生成回路４を採用した点においてのみ異なっている。

図２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図１（ａ）、（ｂ）における電圧検出回路８および電流出力回路９を具体化した構成を示している。図２（ａ）において、トランジスタＱ３（検出用トランジスタに相当）は電圧検出回路８として動作し、そのベース、エミッタはそれぞれトランジスタＱ１ベース、エミッタと接続されている。また、電源線１とトランジスタＱ３のコレクタとの間に接続されたトランジスタＱ４と、電源線１とトランジスタＱ１ないしＱ３のベースとの間に接続されたトランジスタＱ５は、カレントミラー回路を構成しており、上記電流出力回路９として動作するようになっている。図２（ｂ）についても同様である。

次に、図１（ａ）および図２（ａ）に示す定電圧回路６についての作用および効果を説明する。
電流出力回路９は、基準電圧生成回路７に対しバイアス電流を供給するとともに、トランジスタＱ１に対しベース電流を供給する回路である。基準電圧生成回路７にバイアス電流が流れると、トランジスタＱ２のコレクタ・エミッタ間にベース・エミッタ間電圧ＶBE(Q2)が発生し、ツェナーダイオードＤ２の両端子間にツェナー電圧Ｖｚが発生する。トランジスタＱ１は、この基準電圧生成回路７の基準電圧（＝ＶBE(Q2)＋Ｖｚ）をベース電圧として動作し、出力端子５を通して負荷（図示せず）に対し電流を出力する。このときの出力電圧ＶOUTは、次の（１）式のようになる。
ＶOUT＝Ｖｒ−ＶBE(Q1)＝ＶBE(Q2)−ＶBE(Q1)＋Ｖｚ …（１）

この（１）式によれば、ＶBE(Q2)＝ＶBE(Q1)の関係が成立するように制御すれば、ツェナー電圧Ｖｚに等しい出力電圧ＶOUTを得られることになる。しかし、トランジスタのベース・エミッタ間電圧ＶBEは、コレクタ電流に依存して変化する。そこで、電圧検出回路８と電流出力回路９とを用いることにより、トランジスタＱ１のベース・エミッタ間電圧ＶBE(Q1)に応じてトランジスタＱ２のベース・エミッタ間電圧ＶBE(Q2)を制御し、ＶBE(Q2)＝ＶBE(Q1)の関係を成立させている。

すなわち、トランジスタＱ３には、トランジスタＱ１のベース・エミッタ間電圧ＶBE(Q1)に応じたコレクタ電流が流れ、そのコレクタ電流はトランジスタＱ４、Ｑ５からなるカレントミラー回路で折り返されて電流出力回路９の出力電流Ｉ１（バイアス電流）となる。例えば、定電圧回路６の出力電流が増大してトランジスタＱ１のベース・エミッタ間電圧ＶBE(Q1)が高くなると、電流出力回路９の出力電流Ｉ１が増大し、基準電圧生成回路７に流れる電流も増大する。この電流の増大に伴って、トランジスタＱ２のベース・エミッタ間電圧ＶBE(Q2)も高くなる。

逆に、定電圧回路６の出力電流が減少してトランジスタＱ１のベース・エミッタ間電圧ＶBE(Q1)が低くなると、電流出力回路９の出力電流Ｉ１が減少し、基準電圧生成回路７に流れる電流も減少する。この電流の減少に伴って、トランジスタＱ２のベース・エミッタ間電圧ＶBE(Q2)も低くなる。その結果、負荷変動にかかわらずトランジスタＱ１、Ｑ３とトランジスタＱ２のベース・エミッタ間電圧ＶBEが等しくなり、定電圧回路６の出力電圧ＶOUTをツェナー電圧Ｖｚに精度よく一致させることができる。

そして、トランジスタＱ１ないしＱ３を同特性となるように形成することにより、出力電圧ＶOUTの精度を一層高めることができる。また、トランジスタＱ１ないしＱ３を互いに近接してレイアウトすれば互いに温度結合され、温度変動に対してトランジスタＱ１ないしＱ３のベース・エミッタ間電圧ＶBEが同じ変化を示すようになり、トランジスタＱ２のベース・エミッタ間電圧ＶBE(Q2)とトランジスタＱ１のベース・エミッタ間電圧ＶBE(Q1)の変化が相殺される。従って、温度依存性の小さい出力電圧ＶOUTが得られる。なお、図１（ｂ）および図２（ｂ）に示す定電圧回路１０についても同様の作用および効果を有する。

ところで、トランジスタＱ３は、トランジスタＱ１に流れる電流に対しエミッタ面積比で定まる電流を出力するため、本発明でいう電流検出回路と見ることもできる。トランジスタのベース・エミッタ間電圧は、コレクタ電流の増大に伴って高くなる傾向がある。従って、上記視点に立ってトランジスタＱ３によりトランジスタＱ１に流れる電流を検出し、その検出電流に応じたバイアス電流を基準電圧生成回路４、７に流すことにより、トランジスタＱ１とＱ２のベース・エミッタ間電圧ＶBEが等しくなり、定電圧回路６、１０の出力電圧ＶOUTをツェナー電圧Ｖｚに精度よく一致させることができる。

（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態を示す定電圧回路を示している。この定電圧回路１１は、第１の実施形態で説明した定電圧回路６に対し、電源線１とツェナーダイオードＤ２のカソードとの間に定電流回路１２を接続した構成となっている。この定電流回路１２の出力電流Ｉ２は、ツェナーダイオードＤ２が安定してツェナー電圧Ｖｚを確立するのに必要な電流以上の値に設定されている。

本実施形態によれば、定電圧回路１１の出力電流が小さいなどの理由により、トランジスタＱ１のベース・エミッタ間電圧ＶBE(Q1)が低下して電流出力回路９の出力電流Ｉ１が減少した場合であっても、ツェナーダイオードＤ２には少なくとも電流Ｉ２が流れ、安定したツェナー電圧Ｖｚひいては出力電圧ＶOUTを得ることができる。

（第３の実施形態）
図４は、本発明の第３の実施形態を示す定電圧回路を示している。この定電圧回路１３は、第２の実施形態で説明した定電圧回路１１に対し、ツェナーダイオードＤ２のカソードとトランジスタＱ１、Ｑ３のベースとの間に起動回路１４を接続した構成となっている。起動回路１４は、図示極性のダイオードＤ３と抵抗Ｒ１との直列回路からなる。

本実施形態によれば、定電圧回路１３の電源線１、２間に電圧ＶＢが印加された時に、定電流回路１２からツェナーダイオードＤ２に電流が流れてツェナー電圧Ｖｚが発生するとともに、起動回路１４を通してトランジスタＱ１、Ｑ３にベース電流が流れるので、短時間のうちに確実に出力電圧ＶOUTを立ち上げることができる。

（第４の実施形態）
図５は、本発明の第４の実施形態を示す定電圧回路を示している。この定電圧回路１５は、第３の実施形態で説明した定電圧回路１３に対し、出力端子５と電源線２との間に定電流回路１６（負荷回路に相当）を接続した構成となっている。この構成によれば、出力端子５に接続される負荷の状態（例えば負荷の有無や軽重）にかかわらず、トランジスタＱ１には少なくとも定電流回路１６が出力する電流Ｉ３以上の電流が流れ、トランジスタＱ２、Ｑ３、電流出力回路９にもそれに対応する電流が流れる。その結果、定電圧回路１５全体を安定して動作させることができ、定電圧回路１５の耐ノイズ性を高めることができる。なお、電流Ｉ３は、所望の耐ノイズ性および安定性が得られるように決定する。

（その他の実施形態）
なお、本発明は上記し且つ図面に示す各実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように変形または拡張が可能である。
第２ないし第４の各実施形態において、トランジスタＱ２をダイオードＤ１に置き替えても良い
各実施形態において、基準電圧発生回路には、ツェナーダイオードに限らず例えばバンドギャップ基準電圧発生回路を用いてもよい。
出力トランジスタＱ１にＰＮＰ形トランジスタを採用し、出力端子５から電流をシンクする定電圧回路として構成してもよい。
第４の実施形態において、定電流回路１６に替えて抵抗を用いてもよい。

本発明の第１の実施形態を示す定電圧回路の電気的構成図図１について電圧検出回路と電流出力回路を具体化した電気的構成図本発明の第２の実施形態を示す図１相当図本発明の第３の実施形態を示す図１相当図本発明の第４の実施形態を示す図１相当図従来技術を示す図１相当図

符号の説明

４、７は基準電圧生成回路（直列回路）、５は出力端子、６、１０、１１、１３、１５は定電圧回路、８は電圧検出回路または電流検出回路、９は電流出力回路、１２は定電流回路、１４は起動回路、１６は定電流回路（負荷回路）、Ｑ１はトランジスタ（出力トランジスタ）、Ｑ３はトランジスタ（検出用トランジスタ、電圧検出回路、電流検出回路）、Ｄ１はダイオード、Ｄ２はツェナーダイオード（基準電圧発生回路）である。

Claims

出力端子から一定電圧を出力する定電圧回路において、
エミッタが前記出力端子に接続された出力トランジスタと、
この出力トランジスタのベースに基準電圧を与える基準電圧発生回路とダイオードとの直列回路と、
前記出力トランジスタのベース・エミッタ間電圧を検出する電圧検出回路と、
前記基準電圧発生回路とダイオードとの直列回路に対し前記電圧検出回路による検出電圧に応じた電流を出力する電流出力回路とを備えて構成されていることを特徴とする定電圧回路。
前記電圧検出回路は、前記出力トランジスタに対しエミッタ同士およびベース同士が接続された検出用トランジスタにより構成され、
前記電流出力回路は、前記検出用トランジスタに流れる電流を入力とするカレントミラー回路により構成されていることを特徴とする請求項１記載の定電圧回路。
出力端子から一定の電圧を出力する定電圧回路において、
エミッタが前記出力端子に接続された出力トランジスタと、
この出力トランジスタのベースに基準電圧を与える基準電圧発生回路とダイオードとの直列回路と、
前記出力トランジスタのコレクタ電流を検出する電流検出回路と、
前記基準電圧発生回路とダイオードとの直列回路に対し前記電流検出回路による検出電流に応じた電流を出力する電流出力回路とを備えて構成されていることを特徴とする定電圧回路。
前記電流検出回路は、前記出力トランジスタに対しエミッタ同士およびベース同士が接続された検出用トランジスタにより構成され、
前記電流出力回路は、前記検出用トランジスタに流れる電流を入力とするカレントミラー回路により構成されていることを特徴とする請求項３記載の定電圧回路。
前記基準電圧発生回路とダイオードとの直列回路のうち基準電圧発生回路にのみ一定の電流を出力する定電流回路を設けたことを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の定電圧回路。
前記基準電圧発生回路が出力する基準電圧を用いて前記出力トランジスタに対しベース電流を供給する起動回路を設けたことを特徴とする請求項５記載の定電圧回路。
前記出力端子に、所定量の電流を流し込む負荷回路を接続したことを特徴とする請求項１ないし６の何れかに記載の定電圧回路。
前記ダイオードは、前記出力トランジスタと同特性を有するトランジスタをダイオード接続した構成であることを特徴とする請求項１ないし７の何れかに記載の定電圧回路。
前記基準電圧発生回路は、ツェナーダイオードまたはバンドギャップ基準電圧発生回路であることを特徴とする請求項１ないし８の何れかに記載の定電圧回路。