JP2008066649A - Voltage source circuit - Google Patents
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Description
本発明は、電圧源回路に関する。 The present invention relates to a voltage source circuit.
従来、電界効果トランジスタを用いた電圧発生回路や基準電圧源回路が用いられている。たとえば、たとえば特開2001−284464号公報の図22に記載された基準電圧回路では、導電型の極性が異なるゲートを有する第1のペア電界効果トランジスタと、同じ極性の導電型で高濃度と低濃度のゲートを持つ第2のペア電界効果トランジスタが直列に接続され、それぞれのゲート材の仕事関数差を利用して基準電圧を得る。ここで、第1の電界効果トランジスタはゲートとソースを結線して定電流源として動作し、電流値は、定電流源である電界効果トランジスタにより決まる。定電流源の電界効果トランジスタは、ゲートとソースを結線しているため、各温度に対応した電流が流れ、それが他方の電界効果トランジスタにも流れる。なお、ペア電界効果トランジスタとして機能させるため、基板効果が出ないように基板のウェルを独立させ、かつ基板の電位はソース電位と等しくしてある。2つの電界効果トランジスタのチャネル長Lが等しい場合、出力電圧は負の温度係数を有する。なお、この回路はさらに別のペア電界効果トランジスタとソースフォロワ回路を用いることにより、所望の温度特性が、ゲートの不純物濃度や抵抗比を変えることにより任意に設定可能である。 Conventionally, a voltage generation circuit using a field effect transistor or a reference voltage source circuit has been used. For example, in the reference voltage circuit described in FIG. 22 of Japanese Patent Laid-Open No. 2001-284464, for example, a first pair field effect transistor having gates having different conductivity types, a high conductivity and a low conductivity with the same polarity conductivity type. A second pair of field effect transistors having a concentration gate are connected in series, and a reference voltage is obtained by utilizing a work function difference between the respective gate materials. Here, the first field effect transistor operates as a constant current source by connecting the gate and the source, and the current value is determined by the field effect transistor which is a constant current source. In the field effect transistor of the constant current source, since the gate and the source are connected, a current corresponding to each temperature flows, and it also flows to the other field effect transistor. In order to function as a pair field effect transistor, the well of the substrate is made independent so that the substrate effect does not occur, and the potential of the substrate is made equal to the source potential. When the channel lengths L of the two field effect transistors are equal, the output voltage has a negative temperature coefficient. In this circuit, by using another pair of field effect transistors and source follower circuits, desired temperature characteristics can be arbitrarily set by changing the impurity concentration and resistance ratio of the gate.
しかし、従来例でのペア電界効果トランジスタからの出力信号VPNは、ある出力電圧ばらつきを持っている。各温度で出力電圧のばらつきが発生すると、それぞれの温度での絶対値のばらつきが生じるだけでなく、出力信号VPNの温度係数にもばらつきをもたらす。従って、高精度電圧源回路を実現するためには、この出力電圧のばらつきをできるだけ低く押えるのが重要な課題である。 However, the output signal V PN from the pair field effect transistor in the conventional example has a certain output voltage variation. When the output voltage varies at each temperature, not only the absolute value varies at each temperature, but also the temperature coefficient of the output signal V PN varies. Therefore, in order to realize a high-accuracy voltage source circuit, it is an important issue to keep the variation in the output voltage as low as possible.
本発明の目的は、出力電圧ばらつきの低減された高精度電圧源回路を提供することである。 An object of the present invention is to provide a high-accuracy voltage source circuit with reduced output voltage variation.
本発明に係る電圧源回路では、高濃度n型ゲートを有する第1の電界効果トランジスタと、高濃度p型ゲートを有する第2の電界効果トランジスタとが直列に接続され、前記2つの電界効果トランジスタのゲート電極の仕事関数の差に依存する電圧を出力する。第1の電界効果トランジスタが定電流源として動作し、かつ、第1の電界効果トランジスタは、電流値が温度変化しないゼロ温度係数点に設定される。2つの電界効果トランジスタに同じ電流が流れる。これにより出力電圧ばらつきが低減される。この電圧源回路において、たとえば、前記2つの電界効果トランジスタのチャネル長Lが等しい。 In the voltage source circuit according to the present invention, a first field effect transistor having a high concentration n-type gate and a second field effect transistor having a high concentration p-type gate are connected in series, and the two field effect transistors are connected. A voltage depending on the work function difference of the gate electrode is output. The first field effect transistor operates as a constant current source, and the first field effect transistor is set to a zero temperature coefficient point where the temperature of the current value does not change. The same current flows through the two field effect transistors. Thereby, the output voltage variation is reduced. In this voltage source circuit, for example, the channel lengths L of the two field effect transistors are equal.
また、前記電圧源回路において、たとえば、前記2つの電界効果トランジスタのチャネル長Lが異なる。これにより、所望の温度係数を有する電圧源回路を形成できる。さらに、好ましくは、前記2つの電界効果トランジスタのいずれもゼロ温度係数点に設定される。これにより、周囲の温度変化に依存しない基準電圧を出力する。 In the voltage source circuit, for example, the channel lengths L of the two field effect transistors are different. Thereby, a voltage source circuit having a desired temperature coefficient can be formed. Further, preferably, both of the two field effect transistors are set to a zero temperature coefficient point. As a result, a reference voltage that does not depend on ambient temperature changes is output.
本発明によれば、定電流源として動作する電界効果トランジスタを、ペア電界効果トランジスタに流れる電流をゼロ温度係数点に設定することにより、出力電圧ばらつきの低減された高精度電圧源回路を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a high-accuracy voltage source circuit in which variations in output voltage are reduced by setting a field effect transistor operating as a constant current source to a zero temperature coefficient point as a current flowing in a pair field effect transistor. .
以下、添付の図面を参照した発明の実施の形態を説明する。
まず、本発明で、出力電圧ばらつきの低減された高精度電圧源を実現するために用いた、ゼロ温度係数(ZTC、Zero Temperature Coefficient)点が設定できる理由について説明する。一般に、飽和領域(Vds>Vgs−Vth)で動作するMOSFETにおいて、ドレイン・ソース電流Idsは次の式(1)のように表される。
First, the reason why a zero temperature coefficient (ZTC) point used for realizing a high-precision voltage source with reduced output voltage variation can be set in the present invention will be described. In general, in a MOSFET operating in a saturation region (V ds > V gs −V th ), the drain-source current I ds is expressed by the following equation (1).
まず、しきい値は次式(2)のように表される。
次に、キャリアの移動度μについて述べる。キャリアの移動度μは温度に対して強い依存性を持っており、次のように表される。
従って、ドレイン・ソース電流の温度特性は、与えられたバイアス条件で、どちらが支配的になるかにより決まる。上で述べたように、しきい値Vth(式(3))と移動度μ(式(4))の温度係数は、ドレイン・ソース電流Ids(式(1))に対してそれぞれ反対の働きをするため、あるバイアス点でキャンセルされる傾向があり、これら二つの効果が相殺されるバイアス点が、ゼロ温度係数(ZTC)点になる。このゼロ温度係数点は、トランジスタのサイズ、酸化膜厚およびしきい値Vthや移動度μの温度係数に依存する。したがって、ゼロ温度係数点に設定すると、電界効果トランジスタに流れる電流値が温度により変動を受けなくなる。 Therefore, the temperature characteristic of the drain-source current is determined by which becomes dominant under a given bias condition. As described above, the temperature coefficient of the threshold V th (Equation (3)) and the mobility μ (Equation (4)) are opposite to the drain-source current I ds (Equation (1)). Therefore, there is a tendency to cancel at a certain bias point, and the bias point at which these two effects are canceled becomes the zero temperature coefficient (ZTC) point. This zero temperature coefficient point depends on the transistor size, oxide film thickness, threshold value V th and temperature coefficient of mobility μ. Accordingly, when the zero temperature coefficient point is set, the value of the current flowing through the field effect transistor is not affected by temperature.
次に、ゼロ温度係数(ZTC)と電流ばらつきとの関係について述べる。図1に、電界効果トランジスタM1のサイズと電流ばらつきとの関係を示す。横軸はトランジスタサイズであり、チャネル幅Wは50μmで固定し、チャネル長Lは4μmから50μmである。縦軸の左側は85℃と35℃での電流差を示しており、この差が零の時がゼロ温度係数(ZTC)点になるトランジスタサイズである。一方、縦軸の右側は各温度での電流ばらつきを示し、白丸と黒丸は、それぞれ、85℃と35℃での電流ばらつきのデータを示す。 Next, the relationship between zero temperature coefficient (ZTC) and current variation will be described. FIG. 1 shows the relationship between the size of the field effect transistor M1 and the current variation. The horizontal axis represents the transistor size, the channel width W is fixed at 50 μm, and the channel length L is from 4 μm to 50 μm. The left side of the vertical axis shows the current difference between 85 ° C. and 35 ° C., and when this difference is zero, the transistor size is the zero temperature coefficient (ZTC) point. On the other hand, the right side of the vertical axis shows current variation at each temperature, and white circles and black circles show current variation data at 85 ° C. and 35 ° C., respectively.
図1をゼロ温度係数(ZTC)の観点から見ると、Lサイズが大きくなるにつれて温度間の電流差(図中の三角)が小さくなり、ゼロ温度係数(ZTC)に近付くことが分かる。一方、電流ばらつきの観点から見ると、ゼロ温度係数(ZTC)の場合と同様、85℃と35℃ともにLサイズが大きくなるにつれて電流ばらつき(図中の丸)が減少する傾向を示し、Lサイズが4μmから50μmになると、電流ばらつきは約25%低減される。 Looking at FIG. 1 from the viewpoint of the zero temperature coefficient (ZTC), it can be seen that as the L size increases, the current difference between the temperatures (triangles in the figure) decreases and approaches the zero temperature coefficient (ZTC). On the other hand, from the viewpoint of current variation, as in the case of the zero temperature coefficient (ZTC), the current variation (circle in the figure) tends to decrease as the L size increases at both 85 ° C and 35 ° C. When 4 is changed from 4 μm to 50 μm, the current variation is reduced by about 25%.
また、図2に、電界効果トランジスタM1のサイズLとVthばらつきとの関係を示す。サイズ変化によるVthばらつきの挙動は、図1の電流ばらつき結果と非常に類似しており、Lサイズが4μmから50μmになると、Vthばらつきは約30%まで低減される。 FIG. 2 shows the relationship between the size L of the field effect transistor M1 and the V th variation. The behavior of the V th variation due to the size change is very similar to the current variation result of FIG. 1, and when the L size is changed from 4 μm to 50 μm, the V th variation is reduced to about 30%.
上述のゼロ温度係数(ZTC)による電界効果トランジスタM1の電流ばらつき及びVthばらつき低減効果は、VPN信号は2つの電界効果トランジスタのVth差として出力されるため、結果的にVPN信号の出力精度向上及び温度係数ばらつき低減に有効な手段であることを示唆している。 Current variation and V th variation reduction effect of the field-effect transistor M1 by zero temperature coefficient of above (ZTC), since the V PN signal is output as V th difference between the two field-effect transistors, as a result, the V PN signal This suggests that this is an effective means for improving output accuracy and reducing temperature coefficient variation.
そこで、定電圧源回路において、定電流源電界効果トランジスタを、温度上昇に伴いしきい値(Vth)が低下しドレイン・ソース電流が上昇する効果と移動度が低下しドレイン・ソース電流が低下する効果とが相殺され、定電流源及びペア電界効果トランジスタに流れる電流の温度による変動のないゼロ温度係数(ZTC)点に設定する。この「ゼロ温度係数点に設定」とは、上述したように、電界効果トランジスタにおいて、不純物濃度、チャネルサイズなどがキャリアの移動度(μ)の温度係数としきい値(Vth)の温度係数が互いに相殺するように設定されることを意味する。 Therefore, in the constant voltage source circuit, the constant current source field effect transistor has the effect that the threshold value (V th ) decreases as the temperature rises and the drain and source currents increase, and the mobility and the drain and source currents decrease. The zero temperature coefficient (ZTC) point is set so that the current flowing through the constant current source and the pair field effect transistor does not vary with temperature. This “set to zero temperature coefficient point” means that, as described above, in the field effect transistor, the impurity concentration, the channel size, etc. are the carrier mobility (μ) temperature coefficient and the threshold temperature (V th ) temperature coefficient. It means that they are set so as to cancel each other.
図3に、本発明の第1実施形態の電圧源回路を示す。この基本回路は、直列に接続された2つのn型チャネルのデプレッション型電界効果トランジスタM1、M2で構成され、基板やチャネルドープの不純物濃度は等しくしてある。第1の電界効果トランジスタM1は高濃度n型ゲートを有し、第2の電界効果トランジスタM2は高濃度p型ゲートを有する。2つのペア電界効果トランジスタは、電源(VCC)とグランド(GND)の間に接続される。高濃度n型ゲートを有する電界効果トランジスタM1は、デプレッション動作をするようにチャネルドープの不純物濃度が調整されているため、ゲートとソースを結線することにより定電流源となる。電界効果トランジスタM2は、高濃度p型ゲートを有し、ゲートとドレインを結線してあり、M2のゲート・ソース電圧がVPNとして出力される。なお、第1の電界効果トランジスタM1のゲートが接地されるか、ソース側に接続されるかは、基板がPチャネルかNチャネルかによる。この回路において、ペア電界効果トランジスタM1,M2には同一の電流が流れるため、電界効果トランジスタM2のゲート・ソース間電圧は電界効果トランジスタM1とM2のVthの差VPN信号になる。第1の電界効果トランジスタに流れる電流はゼロ温度係数(ZTC)点に設定する。第1実施形態の構成では、ペア電界効果トランジスタM1とM2のチャネル長Lが等しいものを用いている。 FIG. 3 shows a voltage source circuit according to the first embodiment of the present invention. This basic circuit is composed of two n-channel depletion type field effect transistors M1 and M2 connected in series, and the substrate and channel dope impurity concentrations are equal. The first field effect transistor M1 has a high concentration n-type gate, and the second field effect transistor M2 has a high concentration p-type gate. The two pair field effect transistors are connected between a power supply (VCC) and a ground (GND). The field effect transistor M1 having a high-concentration n-type gate is a constant current source by connecting the gate and the source since the impurity concentration of the channel dope is adjusted so as to perform a depletion operation. The field effect transistor M2 has a high-concentration p-type gate, and the gate and the drain are connected. The gate-source voltage of M2 is output as V PN . Whether the gate of the first field effect transistor M1 is grounded or connected to the source side depends on whether the substrate is a P channel or an N channel. In this circuit, since the same current flows through the pair field effect transistors M1 and M2, the gate-source voltage of the field effect transistor M2 becomes a difference V PN signal between V th of the field effect transistors M1 and M2. The current flowing through the first field effect transistor is set to a zero temperature coefficient (ZTC) point. In the configuration of the first embodiment, the pair field effect transistors M1 and M2 having the same channel length L are used.
第1実施形態の回路動作について説明する。図4に第1実施形態におけるVPN信号のVgs−Ids特性の模式図を示す。第1のペア電界効果トランジスタM1に流れる電流は、定電流源である電界効果トランジスタM1により決まる。この電界効果トランジスタM1は、ゲートとソースを結線され(Vgs=0V)、さらにゼロ温度係数点に設定されているため、温度変化に関係なく一定の電流を電界効果トランジスタM2に流す。ペア電界効果トランジスタM1、M2には同一の電流が流れるため、電界効果トランジスタM2のゲート・ソース間電圧は2つの電界効果トランジスタM1とM2のVth差になる。このVth差は温度上昇と共に小さくなるため、図示されるように、VPN信号(=Vgs信号)は温度が高くなるにつれ小さくなる。 The circuit operation of the first embodiment will be described. Figure 4 shows a schematic diagram V gs -I ds characteristics of the V PN signal in the first embodiment. The current flowing through the first pair field effect transistor M1 is determined by the field effect transistor M1 which is a constant current source. In this field effect transistor M1, since the gate and source are connected (V gs = 0V) and set to the zero temperature coefficient point, a constant current flows through the field effect transistor M2 regardless of temperature change. Since the same current flows through the pair field effect transistors M1 and M2, the gate-source voltage of the field effect transistor M2 is the V th difference between the two field effect transistors M1 and M2. Since this V th difference becomes smaller as the temperature rises, as shown in the figure, the V PN signal (= V gs signal) becomes smaller as the temperature increases.
比較のために、図5に、ゼロ温度係数(ZTC)点に設定されていない従来の電圧源回路のVgs−Ids特性の模式図を示す。各温度に対応した異なる電流値の電流が電界効果トランジスタを流れる。この場合、定電流源の電界効果トランジスタはゼロ温度係数点に設定されていないため、出力電圧のばらつきが本実施形態より大きい。各温度で出力電圧ばらつきが発生すると、それぞれの温度での絶対値のばらつきだけでなく、VPN信号の温度係数にもばらつきをもたらしている。 For comparison, FIG. 5 shows a schematic diagram of the V gs -I ds characteristics of a conventional voltage source circuit that is not set to the zero temperature coefficient (ZTC) point. Currents having different current values corresponding to the respective temperatures flow through the field effect transistor. In this case, since the field effect transistor of the constant current source is not set to the zero temperature coefficient point, the variation of the output voltage is larger than that of this embodiment. When the output voltage variation occurs at each temperature, not only the absolute value variation at each temperature but also the temperature coefficient of the V PN signal varies.
第2実施形態は、上記の第1実施形態の変形であり、基本回路構成は図3と同じであり、第1の電界効果トランジスタに流れる電流はゼロ温度係数(ZTC)点に設定する。しかし、2つのペア電界効果トランジスタM1とM2のチャネル長Lが異なるものを用いている点が異なる。この場合、2つの電界効果トランジスタのチャネル長Lを変えることにより、所望の温度係数を有する電圧源回路を形成できる。 The second embodiment is a modification of the first embodiment described above. The basic circuit configuration is the same as that in FIG. 3, and the current flowing through the first field effect transistor is set to a zero temperature coefficient (ZTC) point. However, the difference is that two pair field effect transistors M1 and M2 having different channel lengths L are used. In this case, a voltage source circuit having a desired temperature coefficient can be formed by changing the channel length L of the two field effect transistors.
第3実施形態は、上記の第2実施形態の変形であり、基本回路構成は図3と同じである。この場合、2つのペア電界効果トランジスタM1とM2のチャネル長Lが異なり、かつ、第1の電界効果トランジスタに流れる電流と第2の電界効果トランジスタに流れる電流を等しいゼロ温度係数(ZTC)点に設定することにより、2つの電界効果トランジスタM1、M2のVthの差が温度変化に依存しない基準電圧源を形成できる。 The third embodiment is a modification of the second embodiment described above, and the basic circuit configuration is the same as FIG. In this case, the channel length L of the two pair field effect transistors M1 and M2 is different, and the current flowing through the first field effect transistor and the current flowing through the second field effect transistor are equal to the zero temperature coefficient (ZTC) point. By setting, it is possible to form a reference voltage source in which the difference in V th between the two field effect transistors M1 and M2 does not depend on the temperature change.
図5に第3実施形態における、VPN信号のVgs−Ids特性の模式図を示す。第1のペア電界効果トランジスタに流れる電流は、定電流源である電界効果トランジスタM1により決まる。この電界効果トランジスタM1は、ゲートとソースを結線され(Vgs=0V)、さらにゼロ温度係数(ZTC)点に設定されているため、温度変化に関係なく一定の電流を電界効果トランジスタM2に流す。また、電界効果トランジスタM2もゼロ温度係数(ZTC)点に設定されているため、温度変化に依存しない基準電圧を出力する。 In the third embodiment in FIG. 5 shows a schematic diagram V gs -I ds characteristics of the V PN signal. The current flowing through the first pair field effect transistor is determined by the field effect transistor M1 which is a constant current source. In this field effect transistor M1, since the gate and the source are connected (V gs = 0V) and further set to a zero temperature coefficient (ZTC) point, a constant current flows through the field effect transistor M2 regardless of temperature change. . Further, since the field effect transistor M2 is also set to a zero temperature coefficient (ZTC) point, it outputs a reference voltage that does not depend on a temperature change.
M1 第1の電界効果トランジスタ、 M2 第2の電界効果トランジスタ。 M1 first field effect transistor, M2 second field effect transistor.
Claims (4)
前記第1の電界効果トランジスタが定電流源として動作し、前記第1の電界効果トランジスタは、電流値が温度変化しないゼロ温度係数点に設定され、前記2つの電界効果トランジスタに同じ電流が流れる電圧源回路。 A first field effect transistor having a high-concentration n-type gate and a second field-effect transistor having a high-concentration p-type gate are connected in series, and the work function difference between the gate electrodes of the two field effect transistors is reduced. A voltage source circuit that outputs a dependent voltage,
The first field effect transistor operates as a constant current source, the first field effect transistor is set to a zero temperature coefficient point at which the current value does not change in temperature, and the voltage at which the same current flows in the two field effect transistors Source circuit.
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