JP2009199243A - Reference voltage circuit and semiconductor integrated circuit device - Google Patents

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謙司 中込
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a reference voltage circuit and a semiconductor integrated circuit device that use no operational amplifiers. <P>SOLUTION: The reference voltage circuit includes a bias circuit part 10 for supplying a reference current having a positive temperature characteristic as a constant current to a reference voltage generation circuit part 20, and the reference voltage generation circuit part 20 for outputting an output voltage Vreg by means of MOS transistors MP4 and MP5 having a negative temperature characteristic. The output voltage Vreg from the reference voltage circuit can thus have a temperature-independent reference voltage. The resistance value of a resistor R4 can be set freely for a high degree of freedom of the output voltage Vreg. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、温度に依存しない基準電圧を生成するための基準電圧回路および半導体集積回路装置に関し、とくに温度依存特性を有する定電流に基づいて温度依存性のない基準電圧信号を生成する基準電圧回路および半導体集積回路装置に関する。   The present invention relates to a reference voltage circuit and a semiconductor integrated circuit device for generating a temperature independent reference voltage, and more particularly to a reference voltage circuit that generates a temperature independent reference voltage signal based on a constant current having temperature dependent characteristics. And a semiconductor integrated circuit device.

従来から外部電源の電圧変動に対して安定した基準電圧を生成する基準電圧回路が考えられている(例えば、特許文献1参照。)。この種の基準電圧回路では、ダイオードやバイポーラトランジスタが順方向電圧やベース・エミッタ間電圧(Vbe)が負の温度係数(約−2[mV/℃])を有していることから、カソード面積もしくはエミッタ面積が異なる一対のダイオードもしくはトランジスタを利用して、定電流回路の電流値を定める抵抗の正の温度依存特性をキャンセルすることで、温度に依存しない基準電圧信号を作るようにしていた。   Conventionally, a reference voltage circuit that generates a stable reference voltage against voltage fluctuations of an external power supply has been considered (for example, see Patent Document 1). In this type of reference voltage circuit, the diode or bipolar transistor has a negative temperature coefficient (about −2 [mV / ° C.]) for the forward voltage and the base-emitter voltage (Vbe). Alternatively, a pair of diodes or transistors having different emitter areas is used to cancel the positive temperature-dependent characteristic of the resistor that determines the current value of the constant current circuit, thereby generating a reference voltage signal that does not depend on temperature.

図2は、従来の基準電圧回路の一例を示す図である。この基準電圧回路は、演算増幅器(Opamp:以下ではオペアンプという。)101、一組のnpnトランジスタQN1,QN2、および抵抗R10〜R30を含む第1の基準電圧発生回路100と、オペアンプ201、および抵抗R40,R50を含む第2の基準電圧発生回路200とから構成されている。第1の基準電圧発生回路(Vref回路)100では、温度依存性のない基準電圧信号Vref(Vref=約1.2V)を生成し、それを第2の基準電圧発生回路(Vreg回路)200で増幅することで、必要な大きさ(例えば5V)を持った基準電圧信号Vregを、温度に依存しない信号として出力するように構成されている。   FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a conventional reference voltage circuit. The reference voltage circuit includes an operational amplifier (Oamp: hereinafter referred to as an operational amplifier) 101, a first reference voltage generation circuit 100 including a pair of npn transistors QN1 and QN2, and resistors R10 to R30, an operational amplifier 201, and a resistor. And a second reference voltage generation circuit 200 including R40 and R50. The first reference voltage generation circuit (Vref circuit) 100 generates a reference voltage signal Vref (Vref = about 1.2 V) having no temperature dependency, and the second reference voltage generation circuit (Vreg circuit) 200 generates the reference voltage signal Vref. By amplifying, the reference voltage signal Vreg having a necessary magnitude (for example, 5V) is output as a signal independent of temperature.

つぎに、従来の基準電圧回路の基本動作について、具体的に説明する。
第1の基準電圧発生回路100では、トランジスタQN2に対してトランジスタQN1のエミッタ面積が4倍、抵抗R10〜R30は同じ温度特性を有する抵抗素子であるものとする。ここで、抵抗R20とR30の抵抗値が等しく、トランジスタQN1、QN2にそれぞれ流れる電流をI10,I20とすると、オペアンプ101の2つの入力が仮想短絡していることから、これらの電流値は等しく(I10=I20)なる。第1の基準電圧発生回路100における電流値I10,I20、および基準電圧Vrefの大きさは、それぞれつぎの関係式(1)、(2)のように表わされる。以下では、抵抗R10〜R50の抵抗値を、それぞれR10〜R50のように表わし、R10=5[kΩ]とする。
Next, the basic operation of the conventional reference voltage circuit will be specifically described.
In the first reference voltage generation circuit 100, it is assumed that the emitter area of the transistor QN1 is four times that of the transistor QN2, and the resistors R10 to R30 are resistance elements having the same temperature characteristics. Here, assuming that the resistance values of the resistors R20 and R30 are equal and the currents flowing through the transistors QN1 and QN2 are I10 and I20, respectively, since the two inputs of the operational amplifier 101 are virtually shorted, these current values are equal ( I10 = I20). The magnitudes of the current values I10 and I20 and the reference voltage Vref in the first reference voltage generation circuit 100 are expressed as the following relational expressions (1) and (2), respectively. Hereinafter, the resistance value of the resistor R10~R50, respectively expressed as R 10 to R 50, and R 10 = 5 [kΩ].

I10=(1/R10)×(kT/q)ln(4)…(1)
=7μA(at 25℃)
Vref=R30×I20+Vbe20…(2)
ここで、kはボルツマン定数、Tは絶対温度、qは電気素量、ln( )は自然対数、Vbe20はトランジスタQN2のベース・エミッタ間電圧である。
I10 = (1 / R 10 ) × (kT / q) ln (4) (1)
= 7μA (at 25 ° C)
Vref = R 30 × I20 + Vbe 20 (2)
Here, k is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature, q is the elementary charge, ln () is the natural logarithm, and Vbe 20 is the base-emitter voltage of the transistor QN2.

式(1)、(2)とI10=I20より、
Vref=(R30/R10)×(kT/q)ln(4)+Vbe20…(3)
となる。ここで、式(3)の両辺を偏微分すると、∂Vref/∂T=(R30/R10)×(k/q)ln(4)−2[mV/℃]となる。
From equations (1), (2) and I10 = I20,
Vref = (R 30 / R 10 ) × (kT / q) ln (4) + Vbe 20 (3)
It becomes. Here, when partial differentiation of both sides of the equation (3), ∂Vref / ∂T = (R 30 / R 10) × (k / q) ln (4) becomes -2 [mV / ℃].

このとき、(k/q)ln(4)が、約1.2×10−4であることから、基準電圧Vrefの温度依存性を零とするためには、R30/R10が16.7であればよい。例えば抵抗R10の抵抗値R10を上記のように5[kΩ]とした場合、抵抗R10に対して、抵抗R20,R30は抵抗比率を16.7倍に設定することが必要となる。すなわち、R20=R30=16.7×R10=83.5[kΩ]とする。 At this time, since (k / q) ln (4) is about 1.2 × 10 −4 , in order to make the temperature dependence of the reference voltage Vref zero, R 30 / R 10 is 16. 7 may be sufficient. For example, when the resistance value R 10 of the resistor R10 and the like described above 5 [kΩ], with the resistor R10, resistor R20, R30 becomes necessary to set the resistance ratio 16.7 times. That is, R 20 = R 30 = 16.7 × R 10 = 83.5 [kΩ].

一方、第2の基準電圧発生回路200の出力電圧Vregについては、
Vreg={(R40+R50)/R50}×Vref…(4)
となる。また、温度25℃における基準電圧Vrefは、式(3)から1.2[V]と求められる。したがって、いま出力電圧Vregとして5[V]を得るためには、抵抗R40,R50の抵抗値は、
(R40+R50)/R50=5/1.2=4.17
の関係となるように設計すればよい。このとき、式(4)の両辺を温度Tについて偏微分することで、
∂Vreg/∂T={(R40+R50)/R50}×∂Vref/∂T…(5)
となる。すなわち、基準電圧Vrefの電圧値に温度依存性がなければ(∂Vref/∂T=0)、出力電圧Vregも温度によらずにその大きさが決定できる。
On the other hand, regarding the output voltage Vreg of the second reference voltage generation circuit 200,
Vreg = {(R 40 + R 50 ) / R 50 } × Vref (4)
It becomes. The reference voltage Vref at a temperature of 25 ° C. is obtained as 1.2 [V] from the equation (3). Therefore, in order to obtain 5 [V] as the output voltage Vreg, the resistance values of the resistors R40 and R50 are
(R 40 + R 50 ) / R 50 = 5 / 1.2 = 4.17
It is sufficient to design so that At this time, by partially differentiating both sides of the equation (4) with respect to the temperature T,
∂Vreg / ∂T = {(R 40 + R 50 ) / R 50 } × ∂Vref / ∂T (5)
It becomes. That is, if the voltage value of the reference voltage Vref is not temperature-dependent (∂Vref / ∂T = 0), the magnitude of the output voltage Vreg can be determined regardless of the temperature.

こうして、従来の基準電圧回路は、式(3)において基準電圧Vrefの大きさを決める抵抗R10,R20(=R30)の抵抗比率を決めることで、基準電圧Vrefの温度依存性をなくし、これにより式(4)に示される出力電圧Vregからも温度依存性をなくすように構成されていた。   Thus, the conventional reference voltage circuit eliminates the temperature dependence of the reference voltage Vref by determining the resistance ratio of the resistors R10 and R20 (= R30) that determines the magnitude of the reference voltage Vref in the equation (3). The output voltage Vreg shown in Expression (4) is also configured to eliminate temperature dependency.

こうした基準電圧回路では、半導体装置の製造ばらつきによって抵抗値やバイポーラトランジスタの飽和電流がばらつくと、出力電圧の絶対値だけでなく温度依存性も変化してしまうので、その電圧値をトリミングしても温度依存性が残ってしまう。そこで、出力電圧の絶対値だけでなくその温度依存性もトリミングによって最小化し得る基準電圧発生回路が提案されている(例えば、特許文献2参照。)。   In such a reference voltage circuit, if the resistance value or the saturation current of the bipolar transistor varies due to manufacturing variations of the semiconductor device, not only the absolute value of the output voltage but also the temperature dependency changes. Temperature dependence remains. Therefore, a reference voltage generating circuit has been proposed that can minimize not only the absolute value of the output voltage but also its temperature dependency by trimming (see, for example, Patent Document 2).

また、バンドギャップ電圧を用いて温度係数が正な定電流を発生する定電流回路と、定電流回路による定電流を基準電流として受けてそれに比例する複数個の従動電流を出力する電流ミラー回路と、温度係数が負な電圧降下をもつ特性補償素子を含み電流ミラー回路からそれぞれ従動電流を受けてそれに基づく定電圧を発生する複数の定電圧回路とを備え、各定電圧回路による定電圧を、温度特性を補償した出力電圧として個別に取り出してそれぞれ負荷に供給するようにした安定化電源回路が提案されている(例えば、特許文献3参照。)。
特開2003−7837号公報 特開平11−121694号公報 特開平08−16265号公報
A constant current circuit that generates a constant current having a positive temperature coefficient using a band gap voltage; a current mirror circuit that receives a constant current from the constant current circuit as a reference current and outputs a plurality of driven currents proportional thereto; A plurality of constant voltage circuits including a characteristic compensation element having a voltage drop with a negative temperature coefficient and receiving a driven current from each of the current mirror circuits to generate a constant voltage based thereon, and the constant voltage by each constant voltage circuit, There has been proposed a stabilized power supply circuit in which an output voltage with compensated temperature characteristics is individually taken out and supplied to a load (see, for example, Patent Document 3).
JP 2003-7837 A JP-A-11-121694 Japanese Patent Laid-Open No. 08-16265

従来の基準電圧回路は、温度依存性のない基準電圧信号Vrefを生成するための第1の基準電圧発生回路100と、その後段で基準電圧信号Vrefを必要な大きさの基準電圧信号Vregまで増幅する第2の基準電圧発生回路200が必要であり、しかもそれらの回路100,200はそれぞれオペアンプ101,201を用いて構成しなくてはならなかった。   The conventional reference voltage circuit includes a first reference voltage generation circuit 100 for generating a reference voltage signal Vref having no temperature dependence, and amplifies the reference voltage signal Vref to a reference voltage signal Vreg having a required magnitude at a subsequent stage. The second reference voltage generating circuit 200 is required, and the circuits 100 and 200 must be configured by using the operational amplifiers 101 and 201, respectively.

図3、図4は、それぞれオペアンプ101,201の一例を示す回路図である。また、図5は、図3、図4のオペアンプ101,201に用いられるバイアス回路の一例を示す回路図である。すなわち、これらのオペアンプ101,201に安定したバイアス電流を供給する電圧Biasを生成するためには、例えば図5に示すような多数の回路要素を含むバイアス回路も必要になる。   3 and 4 are circuit diagrams showing examples of the operational amplifiers 101 and 201, respectively. FIG. 5 is a circuit diagram showing an example of a bias circuit used in the operational amplifiers 101 and 201 shown in FIGS. That is, in order to generate a voltage Bias for supplying a stable bias current to these operational amplifiers 101 and 201, a bias circuit including a large number of circuit elements as shown in FIG.

このように、従来の基準電圧回路ではその回路構成素子数が多くなるため、基準電圧を生成して利用する半導体回路を集積化した場合、ICチップ上に占める基準電圧回路の面積が大きくなるという問題があった。   As described above, since the number of circuit components is increased in the conventional reference voltage circuit, when a semiconductor circuit that generates and uses the reference voltage is integrated, the area of the reference voltage circuit on the IC chip increases. There was a problem.

また、特許文献3に開示されている安定化電源では、特性補償素子の定数が温度特性を補償するために一意に決まってしまい、発生する定電圧の大きさに対する自由度がない(例えば、定電圧の大きさが1.3V程度に決まってしまう)。したがって、定電圧値を自由に設定するためには、上記の第2の基準電圧発生回路200のような回路を追加することが必要となるという問題があった。   Further, in the stabilized power source disclosed in Patent Document 3, the constant of the characteristic compensation element is uniquely determined to compensate the temperature characteristic, and there is no degree of freedom with respect to the magnitude of the generated constant voltage (for example, constant power supply). The magnitude of the voltage is determined to be about 1.3V). Therefore, in order to freely set the constant voltage value, there is a problem that it is necessary to add a circuit such as the second reference voltage generation circuit 200 described above.

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、オペアンプを用いないで構成された基準電圧回路および半導体集積回路装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of these points, and an object thereof is to provide a reference voltage circuit and a semiconductor integrated circuit device which are configured without using an operational amplifier.

本発明では、上記問題を解決するために、温度依存性を有する定電流に基づいて温度依存性のない基準電圧を生成する基準電圧回路を提供しようとするものであって、バイアス回路部では、エミッタ面積が異なる一対のトランジスタを有し、その一方のトランジスタのエミッタ側に第1の抵抗を接続するとともに前記各トランジスタとそれぞれ並列に第2、第3の抵抗を接続して正の温度特性を有する基準電流を生成する。また、基準電圧発生回路部では、前記バイアス回路部で生成された前記基準電流に対応する定電流をMOSトランジスタに流すことで、そのスレッシュホールド電圧に応じた大きさの電圧成分を有する基準電圧を生成するようにしている。   In the present invention, in order to solve the above problem, a reference voltage circuit that generates a reference voltage having no temperature dependence based on a constant current having temperature dependence is provided. It has a pair of transistors having different emitter areas, and a first resistor is connected to the emitter side of one of the transistors, and a second and a third resistor are connected in parallel with each of the transistors, thereby providing a positive temperature characteristic. A reference current is generated. In the reference voltage generation circuit unit, a constant current corresponding to the reference current generated by the bias circuit unit is caused to flow through the MOS transistor so that a reference voltage having a voltage component having a magnitude corresponding to the threshold voltage is generated. It is trying to generate.

こうして、定電流を流すためにダイオード接続されたMOSトランジスタのスレッシュホールド電圧(閾値電圧)を利用して、温度依存性のない基準電圧を生成することで、オペアンプを用いない基準電圧回路が構成できる。   Thus, a reference voltage circuit that does not use an operational amplifier can be configured by using a threshold voltage (threshold voltage) of a diode-connected MOS transistor for supplying a constant current to generate a reference voltage that does not depend on temperature. .

また、温度に依存しない基準電圧を得るためには、PMOSトランジスタ(PチャネルのMOSトランジスタ)のスレッシュ電圧の温度依存性を打消すような温度依存性を持つ定電流をPMOSトランジスタに流すようにしている。   In order to obtain a reference voltage independent of temperature, a constant current having a temperature dependency that cancels the temperature dependency of the threshold voltage of the PMOS transistor (P-channel MOS transistor) is caused to flow through the PMOS transistor. Yes.

本発明によれば、従来技術と同等な特性を持つ基準電圧を、オペアンプを用いることなくより少ない素子数の基準電圧回路として構成することができる。したがって、ICチップに占める基準電圧回路の面積を小さくした半導体集積回路装置が実現できる。   According to the present invention, a reference voltage having characteristics equivalent to those of the prior art can be configured as a reference voltage circuit having a smaller number of elements without using an operational amplifier. Therefore, it is possible to realize a semiconductor integrated circuit device in which the area of the reference voltage circuit in the IC chip is reduced.

以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。図1は、本発明による基準電圧回路の構成を示す回路図である。
基準電圧回路は、正の温度特性を有する基準電流を基準電圧発生回路部20に定電流として供給するバイアス回路部10と、負の温度特性を有するMOSトランジスタMP4,MP5によって出力電圧Vregを出力する基準電圧発生回路部20とから構成されている。これにより、基準電圧回路からの出力電圧Vregは、温度依存性のない基準電圧を持つことができる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a reference voltage circuit according to the present invention.
The reference voltage circuit outputs an output voltage Vreg by a bias circuit unit 10 that supplies a reference current having a positive temperature characteristic to the reference voltage generation circuit unit 20 as a constant current, and MOS transistors MP4 and MP5 having a negative temperature characteristic. And a reference voltage generation circuit unit 20. As a result, the output voltage Vreg from the reference voltage circuit can have a reference voltage without temperature dependency.

バイアス回路部10は、ミラー接続されたPチャネルのMOSトランジスタMP1,MP2と、NチャネルのMOSトランジスタMN1,MN2と、エミッタ面積が異なる一対のpnpトランジスタQP1,QP2とを有している。トランジスタQP1には、そのエミッタ側に第1の抵抗R1が接続され、トランジスタQP1と抵抗R1の直列回路と並列して第2の抵抗R2が設けられている。また、他方のトランジスタQP2にも並列に第3の抵抗R3が接続されている。   The bias circuit unit 10 includes mirror-connected P-channel MOS transistors MP1 and MP2, N-channel MOS transistors MN1 and MN2, and a pair of pnp transistors QP1 and QP2 having different emitter areas. A first resistor R1 is connected to the emitter side of the transistor QP1, and a second resistor R2 is provided in parallel with the series circuit of the transistor QP1 and the resistor R1. The third resistor R3 is also connected in parallel to the other transistor QP2.

基準電圧発生回路部20は、ミラー接続されたPチャネルのMOSトランジスタMP3,MP6と、直列に接続された2つのPチャネルのMOSトランジスタMP4,MP5と、出力回路を構成する出力トランジスタQP3(pnpトランジスタ),QN1(npnトランジスタ)とを有している。MOSトランジスタMP3とMP6は、MOSトランジスタMP1,MP2とミラー接続され、それぞれのソースが一方の電源Vccに接続されている。MOSトランジスタMP4は、ソースが抵抗R4を介してMOSトランジスタMP3のドレインおよび出力トランジスタQP3のベースに接続されている。また、MOSトランジスタMP4は、そのゲートがドレインに接続され、ドレインはMOSトランジスタMP5のソースに接続されている。MOSトランジスタMP5は、そのゲートがドレインに接続され、ドレインは接地されている。出力トランジスタQP3のエミッタ端子は、MOSトランジスタMP6のドレインおよび出力トランジスタQN1のベース端子に接続され、そのコレクタ端子は接地されている。さらに、出力トランジスタQN1のコレクタ端子は電源Vccに接続され、そのエミッタ端子から出力電圧Vregを出力するように構成されている。また、抵抗R1〜R4には温度特性のないタイプの抵抗素子を適用する。   The reference voltage generation circuit unit 20 includes mirror-connected P-channel MOS transistors MP3 and MP6, two P-channel MOS transistors MP4 and MP5 connected in series, and an output transistor QP3 (pnp transistor) constituting an output circuit. ), QN1 (npn transistor). The MOS transistors MP3 and MP6 are mirror-connected to the MOS transistors MP1 and MP2, and their sources are connected to one power supply Vcc. The source of the MOS transistor MP4 is connected to the drain of the MOS transistor MP3 and the base of the output transistor QP3 via the resistor R4. The gate of the MOS transistor MP4 is connected to the drain, and the drain is connected to the source of the MOS transistor MP5. The gate of the MOS transistor MP5 is connected to the drain, and the drain is grounded. The emitter terminal of the output transistor QP3 is connected to the drain of the MOS transistor MP6 and the base terminal of the output transistor QN1, and its collector terminal is grounded. Further, the collector terminal of the output transistor QN1 is connected to the power supply Vcc, and the output voltage Vreg is output from the emitter terminal thereof. Further, resistance elements of a type having no temperature characteristic are applied to the resistors R1 to R4.

つぎに、図1に示すように構成された基準電圧回路の動作を、具体的に説明する。
いま、ミラー回路を構成するトランジスタMP1〜MP3は、そのミラー比を1:1:1として、それぞれに流れるバイアス電流Iが等しいものとする。ここで、基準電圧発生回路部20にバイアス電流Iが流れるとき、出力電圧Vregは次の式(6)のような大きさとなる。
Next, the operation of the reference voltage circuit configured as shown in FIG. 1 will be specifically described.
Now, it is assumed that the transistors MP1 to MP3 constituting the mirror circuit have a mirror ratio of 1: 1: 1 and the bias currents I flowing through them are equal. Here, when the bias current I flows through the reference voltage generation circuit unit 20, the output voltage Vreg has a magnitude as shown in the following equation (6).

Vreg=Vth+Vth+I×R+Vbe−Vbe…(6)
ここで、Vth,VthはそれぞれPチャネルのMOSトランジスタMP4,MP5のスレッシュホールド電圧、Vbe,Vbeはそれぞれ出力トランジスタQP3,QN1のベース・エミッタ間電圧である。また、基準電圧発生回路部20の2つのPチャネルのMOSトランジスタMP4,MP5の大きさ(ゲート長とゲート幅)を等しくして、それらのスレッシュホールド電圧Vthが等しい(Vth=Vth=Vth)ものとする。さらに、出力トランジスタQP3,QN1のベース・エミッタ間電圧Vbeはほぼ等しくなるので(Vbe=Vbe=Vbe)、出力電圧Vregは2Vth+I×Rに等しくなる。すなわち、
Vreg=2Vth+I×R…(7)
となる。このとき、スレッシュホールド電圧Vthは温度変化に対して負の特性(微係数が負)を有するとともに、電流変化に対しては正の特性(微係数が正)を有する。そこで、出力電圧Vregの温度依存性をなくす条件を求めるために、式(7)の両辺を温度Tについて偏微分する。
Vreg = Vth 4 + Vth 5 + I × R 4 + Vbe 3 −Vbe 1 (6)
Here, Vth 4 and Vth 5 are threshold voltages of the P-channel MOS transistors MP4 and MP5, respectively, and Vbe 3 and Vbe 1 are base-emitter voltages of the output transistors QP3 and QN1, respectively. Further, the sizes (gate length and gate width) of the two P-channel MOS transistors MP4 and MP5 of the reference voltage generation circuit unit 20 are made equal, and their threshold voltages Vth are equal (Vth 4 = Vth 5 = Vth). ) Furthermore, the base-emitter voltage Vbe of output transistors QP3, QN1 since almost equal (Vbe 3 = Vbe 1 = Vbe ), the output voltage Vreg is equal to 2Vth + I × R 4. That is,
Vreg = 2Vth + I × R 4 (7)
It becomes. At this time, the threshold voltage Vth has a negative characteristic (negative derivative is negative) with respect to a temperature change, and has a positive characteristic (differential coefficient is positive) with respect to a current change. Therefore, in order to obtain a condition for eliminating the temperature dependence of the output voltage Vreg, both sides of the equation (7) are partially differentiated with respect to the temperature T.

∂Vreg/∂T=2×∂Vth/∂T+R×∂I/∂T
=2(∂Vth/∂T+∂Vth/∂I×∂I/∂T)+R×∂I/∂T…(8)
出力電圧Vregの温度依存性をなくすには、式(8)において、∂Vreg/∂T=0となればよい。すなわち、
2(∂Vth/∂T+∂Vth/∂I×∂I/∂T)+R×∂I/∂T=0…(9)
であればよい。この式(9)を∂I/∂Tについて解くと、
∂I/∂T=−2(∂Vth/∂T)/(R+2∂Vth/∂I)…(10)
となる。このとき、スレッシュホールド電圧Vthは温度変化に対して負の特性(∂Vth/∂T<0)を有するとともに、電流変化に対しては正の特性(∂Vth/∂I>0)を有することから、式(10)で示されるバイアス電流Iの温度特性が正であることが、出力電圧Vregの温度依存性をなくす条件であることがわかる。
∂Vreg / ∂T = 2 × ∂Vth / ∂T + R 4 × ∂I / ∂T
= 2 (∂Vth / ∂T + ∂Vth / ∂I × ∂I / ∂T) + R 4 × ∂I / ∂T (8)
In order to eliminate the temperature dependence of the output voltage Vreg, 式 Vreg / ∂T = 0 in the equation (8). That is,
2 (∂Vth / ∂T + ∂Vth / ∂I × ∂I / ∂T) + R 4 × ∂I / ∂T = 0 (9)
If it is. Solving this equation (9) for ∂I / ∂T,
∂I / ∂T = −2 (∂Vth / ∂T) / (R 4 + 2∂Vth / ∂I) (10)
It becomes. At this time, the threshold voltage Vth has a negative characteristic (∂Vth / ∂T <0) with respect to a temperature change and a positive characteristic (∂Vth / ∂I> 0) with respect to a current change. From the above, it can be seen that the positive temperature characteristic of the bias current I expressed by the equation (10) is a condition for eliminating the temperature dependence of the output voltage Vreg.

つぎに、図1に示す基準電圧回路のバイアス回路部10について説明する。
いま、トランジスタMP1〜MP3のミラー回路では、それぞれ同じ大きさのバイアス電流Iが出力されるとしている。また、NチャネルのMOSトランジスタMN1,MN2も1:1のミラー比で構成するとともに、それらのサイズを電流Iで飽和領域となる大きさに設定する。さらに、一対のトランジスタQP1,QP2はエミッタ面積比mを8倍に設定し、MOSトランジスタMN1,MN2からそれぞれ抵抗R1,R2,R3およびトランジスタQP2に流れ込む電流をI1,I2,I3,I4とすると、MOSトランジスタMN1,MN2のソース電圧Vs1,Vs2と電流I1,I2,I3,I4に関し、次の式(11)〜(14)の関係が成り立つ。
Next, the bias circuit unit 10 of the reference voltage circuit shown in FIG. 1 will be described.
Now, it is assumed that the same bias current I is output from the mirror circuits of the transistors MP1 to MP3. The N-channel MOS transistors MN1 and MN2 are also configured with a mirror ratio of 1: 1, and their size is set to a size that becomes a saturation region with the current I. Further, the pair of transistors QP1 and QP2 has an emitter area ratio m set to 8 times, and currents flowing from the MOS transistors MN1 and MN2 into the resistors R1, R2, and R3 and the transistor QP2 are I1, I2, I3, and I4, respectively. Regarding the source voltages Vs1 and Vs2 of the MOS transistors MN1 and MN2 and the currents I1, I2, I3, and I4, the following expressions (11) to (14) are satisfied.

Vs1=I2×R
=Vbe+I1×R
=(kT/q)ln{I1/(8×Is)}+I1×R…(11)
Vs2=I3×R
=Vbe
=(kT/q)ln(I4/Is)…(12)
I=I1+I2=I3+I4…(13)
Vs1=Vs2…(14)
ここで、式(14)は、MOSトランジスタMN1,MN2に関し、大きさと特性、流れる電流およびゲート電圧が等しく、MOSトランジスタに流れる電流がゲート・ソース間電圧で定まることから導かれる。
Vs1 = I2 × R 2
= Vbe 1 + I1 × R 1
= (KT / q) ln {I1 / (8 × Is)} + I1 × R 1 (11)
Vs2 = I3 × R 3
= Vbe 2
= (KT / q) ln (I4 / Is) (12)
I = I1 + I2 = I3 + I4 (13)
Vs1 = Vs2 (14)
Here, the expression (14) is derived from the fact that the MOS transistors MN1 and MN2 have the same size and characteristics, the flowing current and the gate voltage, and the current flowing through the MOS transistor is determined by the gate-source voltage.

また、Vbe,VbeはトランジスタQP1,QP2のベース・エミッタ間電圧、Isは正定数であり、第2、第3の抵抗R2,R3の抵抗値R,Rを、第1の抵抗R1の抵抗値Rに対してn倍(nは正の定数)の抵抗値(R=R=nR)に設定すると、式(14)よりI2×R=I3×Rであるから、I2=I3となり、さらに、I1=I−I2=I−I3=I4という関係が求められる。このI1=I4という関係と、式(11),(12),(14)より、次の式(15)が成り立つ。 Vbe 1 and Vbe 2 are the base-emitter voltages of the transistors QP1 and QP2, Is is a positive constant, and the resistance values R 2 and R 3 of the second and third resistors R2 and R3 are changed to the first resistance. When the resistance value (R 2 = R 3 = nR 1 ) is set to n times (n is a positive constant) with respect to the resistance value R 1 of R1, I2 × R 2 = I3 × R 3 from Equation (14) Therefore, I2 = I3, and the relationship of I1 = I-I2 = I-I3 = I4 is required. From the relationship of I1 = I4 and formulas (11), (12), and (14), the following formula (15) is established.

I1=(1/R)×(kT/q)ln(8)…(15)
そして、式(13)〜(15)から
I=I1+I2
=I1+Vbe/R2
=(1/R)×(kT/q)ln(8)+(Vbe/nR)…(16)
となる。
I1 = (1 / R 1 ) × (kT / q) ln (8) (15)
And from the equations (13) to (15), I = I1 + I2
= I1 + Vbe 2 / R2
= (1 / R 1 ) × (kT / q) ln (8) + (Vbe 2 / nR 1 ) (16)
It becomes.

そこで、バイアス電流Iの温度特性を知るために、式(16)の両辺を温度Tについて偏微分する。
∂I/∂T=(1/R)×(k/q)ln(8)+(1/nR)×(∂Vbe/∂T)
=(1/R)×{0.18[mV/℃]+(1/n)×(−2[mV/℃])}
…(17)
この式(17)で示されるように、バイアス電流Iの温度特性は、第1の抵抗R1の抵抗値Rと抵抗比nとによって設定できる。そして、n=11であれば式(17)の右辺は零となるから、バイアス電流Iの温度特性を正とするためには、抵抗比nが11以上であればよい。
Therefore, in order to know the temperature characteristics of the bias current I, both sides of the equation (16) are partially differentiated with respect to the temperature T.
∂I / ∂T = (1 / R 1 ) × (k / q) ln (8) + (1 / nR 1 ) × (∂Vbe / ∂T)
= (1 / R 1 ) × {0.18 [mV / ° C.] + (1 / n) × (−2 [mV / ° C.])}
... (17)
As shown in this equation (17), the temperature characteristics of the bias current I can be set by the resistance value R 1 of the first resistor R1 and the resistor ratio and n. If n = 11, the right side of the equation (17) becomes zero. Therefore, in order to make the temperature characteristic of the bias current I positive, the resistance ratio n may be 11 or more.

つぎに、出力電圧Vregの温度依存性をなくすための抵抗比nを求めることにする。
スレッシュホールド電圧Vthについて、その温度依存特性(∂Vth/∂T)を−2[mV/℃]とし、その電流依存特性(∂Vth/∂I)を50[mV/μA](但し、実測値)として、式(10)からバイアス電流Iに必要な温度依存特性(∂I/∂T)を求めると、14.3[nA/℃]となる。次に、再び式(16)と式(17)に必要な値を代入し、その連立方程式を解くことにより、抵抗比nと抵抗R1の抵抗値Rを演算することができる。すなわち、

10[μA]=(1/R)×(kT/q)ln(8)+(Vbe/nR
…(18)
14.3[nA/℃]=(1/R)×{0.18[mV/℃]+(1/n)×(−2[mV/℃])}
…(19)
の連立方程式に、Vbe=0.7V、kT/q=26mV(T=300K)を代入して解くことによって、抵抗比n=29、抵抗R1の抵抗値R=7.8kΩ(したがって、第2、第3の抵抗R2,R3の抵抗値R,Rは29×7.8kΩ)と決定できる。
Next, the resistance ratio n for eliminating the temperature dependence of the output voltage Vreg is determined.
With respect to the threshold voltage Vth, its temperature dependency characteristic (∂Vth / ∂T) is set to −2 [mV / ° C.], and its current dependency property (∂Vth / ∂I) is 50 [mV / μA] (however, actually measured values) ), The temperature dependence characteristic (∂I / ∂T) required for the bias current I is obtained from the equation (10), and is 14.3 [nA / ° C.]. Then, it is possible again by substituting the required values into Equation (17) Equation (16), by solving the simultaneous equations, for calculating a resistance value R 1 of the resistance ratio n and the resistor R1. That is,

10 [μA] = (1 / R 1 ) × (kT / q) ln (8) + (Vbe 2 / nR 1 )
... (18)
14.3 [nA / ° C.] = (1 / R 1 ) × {0.18 [mV / ° C.] + (1 / n) × (−2 [mV / ° C.])}
... (19)
By substituting Vbe 2 = 0.7 V and kT / q = 26 mV (T = 300 K) into the simultaneous equations, the resistance ratio n = 29, the resistance value R 1 of the resistor R 1 = 7.8 kΩ (therefore, The resistance values R 2 and R 3 of the second and third resistors R2 and R3 can be determined as 29 × 7.8 kΩ).

そして、図1の基準電圧回路の出力電圧Vregを、例えば5Vに設定する場合、バイアス電流Iを10μA、スレッシュホールド電圧Vthを1.6Vとすると、式(7)にこれらの数値を代入して、R=180kΩと求められる。ここで、抵抗R4は出力電圧Vregの温度依存性(をなくすこと)には無関係なので、自由にRを設定できる。すなわち、抵抗値Rを調整することにより、出力電圧Vregを自由に設定することができる。 When the output voltage Vreg of the reference voltage circuit of FIG. 1 is set to 5 V, for example, assuming that the bias current I is 10 μA and the threshold voltage Vth is 1.6 V, these numerical values are substituted into the equation (7). , R 4 = 180 kΩ. Here, the resistor R4 so irrelevant to temperature dependency of the output voltage Vreg (eliminating), free to set the R 4. That is, by adjusting the resistance value R 4, it is possible to set the output voltage Vreg freely.

このように、図1に示す基準電圧回路では、バイアス回路部10における3つの抵抗R1〜R3の抵抗比を調整することで、基準電圧発生回路部20のMOSトランジスタMP4,MP5の有するスレッシュホールド電圧の温度特性を打消すような温度特性を持つバイアス電流を供給するようにして、適切な電圧値の出力電圧Vregで、温度依存性のない基準電圧を構成することができる。   As described above, in the reference voltage circuit shown in FIG. 1, the threshold voltage of the MOS transistors MP4 and MP5 of the reference voltage generation circuit unit 20 is adjusted by adjusting the resistance ratio of the three resistors R1 to R3 in the bias circuit unit 10. By supplying a bias current having a temperature characteristic that cancels the temperature characteristic, a reference voltage having no temperature dependency can be configured with the output voltage Vreg having an appropriate voltage value.

なお、上述のバイアス回路部10では、その素子特性がばらつく場合があるから、温度依存性のない基準電圧を確実に出力するうえでは、予め抵抗R1〜R3の抵抗回路で抵抗比nを調整するための調整回路を設けておくことが好ましい。   Since the bias circuit unit 10 may vary in element characteristics, the resistance ratio n is adjusted in advance with a resistor circuit of resistors R1 to R3 in order to reliably output a reference voltage having no temperature dependency. It is preferable to provide an adjustment circuit for this purpose.

また、基準電圧発生回路部20では、予め抵抗R4の抵抗値を調整するための回路を設けて、PチャネルのMOSトランジスタMP4,MP5のスレッシュホールド電圧Vthに生じるばらつきを調整するようにしてもよい。   In addition, the reference voltage generation circuit unit 20 may be provided with a circuit for adjusting the resistance value of the resistor R4 in advance to adjust the variation occurring in the threshold voltage Vth of the P-channel MOS transistors MP4 and MP5. .

また、基準電圧発生回路部20に、直列に接続されたスレッシュホールド電圧Vthが等しい2つのPチャネルのMOSトランジスタMP4,MP5を設けたが、スレッシュホールド電圧Vthが等しいPチャネルのMOSトランジスタの個数は1つであっても、あるいは3つ以上であってもよい。この場合、式(7)の右辺第1項の係数2を1または3以上に書換えるだけで、後の解析は同様に展開することができる。   The reference voltage generation circuit 20 is provided with two P-channel MOS transistors MP4 and MP5 having the same threshold voltage Vth connected in series. The number of P-channel MOS transistors having the same threshold voltage Vth is as follows. There may be one, or three or more. In this case, the subsequent analysis can be similarly developed only by rewriting the coefficient 2 of the first term on the right side of Expression (7) to 1 or 3 or more.

本発明による基準電圧回路の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the reference voltage circuit by this invention. 従来の基準電圧回路の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the conventional reference voltage circuit. 従来の基準電圧回路における第1の基準電圧発生回路の演算増幅器(オペアンプ)の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the operational amplifier (op amp) of the 1st reference voltage generation circuit in the conventional reference voltage circuit. 従来の基準電圧回路における第2の基準電圧発生回路の演算増幅器の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the operational amplifier of the 2nd reference voltage generation circuit in the conventional reference voltage circuit. 図3、図4の演算増幅器に用いられるバイアス回路の一例を示す回路図である。FIG. 5 is a circuit diagram showing an example of a bias circuit used in the operational amplifiers of FIGS. 3 and 4.

符号の説明Explanation of symbols

10 バイアス回路部
20 基準電圧発生回路部
MP1〜MP6 PチャネルのMOSトランジスタ
MN1〜MN2 NチャネルのMOSトランジスタ
QP1〜QP3 pnpトランジスタ
QN1 npnトランジスタ
R1〜R4 抵抗
I バイアス電流
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Bias circuit part 20 Reference voltage generation circuit part MP1-MP6 P channel MOS transistor MN1-MN2 N channel MOS transistor QP1-QP3 pnp transistor QN1 npn transistor R1-R4 Resistance I Bias current

Claims (6)

温度依存性を有する定電流に基づいて温度依存性のない基準電圧を生成する基準電圧回路において、
エミッタ面積が異なる一対のトランジスタを有し、その一方のトランジスタのエミッタ側に第1の抵抗を接続するとともに前記一対のトランジスタとそれぞれ並列に第2、第3の抵抗を接続して正の温度特性を有する基準電流を生成するバイアス回路部と、
前記バイアス回路部で生成された前記基準電流に対応する定電流をMOSトランジスタに流すことで、そのスレッシュホールド電圧に応じた大きさの電圧成分を有する基準電圧を生成する基準電圧発生回路部と、
を備えたことを特徴とする基準電圧回路。
In a reference voltage circuit that generates a reference voltage having no temperature dependence based on a constant current having temperature dependence,
A pair of transistors having different emitter areas, a first resistor connected to the emitter side of one of the transistors, and a second and a third resistor connected in parallel with the pair of transistors, respectively, and positive temperature characteristics A bias circuit section for generating a reference current having
A reference voltage generation circuit unit that generates a reference voltage having a voltage component having a magnitude corresponding to the threshold voltage by passing a constant current corresponding to the reference current generated in the bias circuit unit through a MOS transistor;
A reference voltage circuit comprising:
前記基準電圧発生回路部は、ダイオード接続された1つまたは複数のPチャネルのMOSトランジスタを備え、第4の抵抗と前記1つまたは複数のPチャネルのMOSトランジスタを直列に接続して前記定電流を流すことにより、前記基準電圧を生成するようにしたことを特徴とする請求項1記載の基準電圧回路。   The reference voltage generation circuit section includes one or more P-channel MOS transistors connected in diodes, and a fourth resistor and the one or more P-channel MOS transistors are connected in series to connect the constant current. The reference voltage circuit according to claim 1, wherein the reference voltage is generated by flowing a current. 前記第4の抵抗は、前記スレッシュホールド電圧のばらつきに応じてその抵抗値を調整する調整手段を備えたことを特徴とする請求項2記載の基準電圧回路。   3. The reference voltage circuit according to claim 2, wherein the fourth resistor includes adjusting means for adjusting a resistance value thereof according to variation in the threshold voltage. 前記バイアス回路部では、前記第2、第3の抵抗の抵抗値を等しく設定するとともに、これらの抵抗値と前記第1の抵抗の抵抗値との抵抗比を調整することによって、前記基準電圧の温度依存性を相殺するようにしたことを特徴とする請求項1記載の基準電圧回路。   In the bias circuit section, the resistance values of the second and third resistors are set to be equal, and the resistance ratio between the resistance value and the resistance value of the first resistor is adjusted to thereby adjust the reference voltage. 2. The reference voltage circuit according to claim 1, wherein the temperature dependence is canceled out. 前記バイアス回路部は、前記第1の抵抗と前記第2、第3の抵抗との抵抗比を変更する変更手段を備えたことを特徴とする請求項4記載の基準電圧回路。   5. The reference voltage circuit according to claim 4, wherein the bias circuit section includes changing means for changing a resistance ratio between the first resistor and the second and third resistors. 温度依存性を有する定電流に基づいて温度依存性のない基準電圧を生成する半導体集積回路装置において、
エミッタ面積が異なる一対のトランジスタを有し、その一方のトランジスタのエミッタ側に第1の抵抗を接続するとともに前記各トランジスタとそれぞれ並列に第2、第3の抵抗を接続して正の温度特性を有する基準電流を生成するバイアス回路部と、
前記バイアス回路部で生成された前記基準電流に対応する定電流をMOSトランジスタに流すことで、そのスレッシュホールド電圧に応じた大きさの電圧成分を有する基準電圧を生成する基準電圧発生回路部と、
を備えたことを特徴とする半導体集積回路装置。
In a semiconductor integrated circuit device that generates a reference voltage having no temperature dependence based on a constant current having temperature dependence,
It has a pair of transistors having different emitter areas, and a first resistor is connected to the emitter side of one of the transistors, and a second and a third resistor are connected in parallel with each of the transistors, thereby providing a positive temperature characteristic. A bias circuit section for generating a reference current having;
A reference voltage generation circuit unit that generates a reference voltage having a voltage component having a magnitude corresponding to the threshold voltage by passing a constant current corresponding to the reference current generated in the bias circuit unit through a MOS transistor;
A semiconductor integrated circuit device comprising:
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