JP2010039648A - Reference voltage generating circuit and semiconductor element having the same - Google Patents

Reference voltage generating circuit and semiconductor element having the same Download PDF

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Katsuya Nakajima
勝也 中島
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a reference voltage generating circuit which operates with lower voltage than a band gap voltage and low-power consumption and generates high precision reference voltage. <P>SOLUTION: The difference voltage V<SB>S</SB>which has a positive temperature dependency is converted into the second current I<SB>2</SB>, by performing feeding back using the differential amplifier A1 so as to apply a same voltage to both ends of the first diode Da and to the point between the second diode Db and the first resistor R<SB>1</SB>which are series-connected. The forward voltage which has a negative temperature dependency is converted into the third current I<SB>3</SB>, by connecting the third resistor R<SB>3A</SB>to the second diode Db and connecting the fourth resistor R<SB>3B</SB>to the first diode Da. Then, the first current I<SB>1</SB>which has no temperature dependencies is generated by combining the second current I<SB>2</SB>and the third current I<SB>3</SB>. Further, the output voltage Vout is generated by connecting the third resistor R<SB>3A</SB>and the fourth resistor R<SB>3B</SB>to the output node N3 and by flowing a current I<SB>1</SB>+I<SB>3</SB>×2 through the second resistor R<SB>2</SB>. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、所望の基準電圧を発生する基準電圧発生回路及びそれを備えた半導体素子に関し、特に、シリコンのバンドギャップ電圧以下の電源電圧で動作する基準電圧発生回路及びそれを備えた半導体素子に関するものである。   The present invention relates to a reference voltage generation circuit that generates a desired reference voltage and a semiconductor device including the same, and more particularly to a reference voltage generation circuit that operates at a power supply voltage that is lower than the band gap voltage of silicon and a semiconductor device including the same. Is.

半導体チップなどの半導体素子においては、内部回路を適切に動作させるために、その回路内のノードが所望の電圧になるように調整する必要があり、特にアナログ回路においては、その電圧の精度が重要となる。   In a semiconductor element such as a semiconductor chip, it is necessary to adjust a node in the circuit to a desired voltage in order to operate the internal circuit properly. Particularly in an analog circuit, the accuracy of the voltage is important. It becomes.

そのため、通常、半導体素子内には、所望の基準電圧を発生する基準電圧発生回路が形成されている。   For this reason, a reference voltage generating circuit for generating a desired reference voltage is usually formed in the semiconductor element.

この基準電圧発生回路として、電流密度の異なる2つのダイオードDa,Dbを用いて正の温度依存性を持つ電圧を取り出し、この電圧と負の温度依存性を持つPN接合の順方向電圧とを適切な比率で加算することで、温度に依存しない基準電圧を生成する回路がある。   As this reference voltage generation circuit, two diodes Da and Db having different current densities are used to extract a voltage having a positive temperature dependency, and this voltage and a forward voltage of a PN junction having a negative temperature dependency are appropriately used. There is a circuit that generates a reference voltage that does not depend on temperature by adding at a proper ratio.

すなわち、電流密度の異なる2つのダイオードDa,Dbの差分電圧VSが正の温度依存性を持ち、ダイオードDa,Dbの順方向電圧VBEが負の温度依存性を持つことから、これらの電圧を適切な比率で加算して温度に依存しない基準電圧を生成するのである。 That is, since the differential voltage V S between the two diodes Da and Db having different current densities has a positive temperature dependency and the forward voltage V BE of the diodes Da and Db has a negative temperature dependency, these voltages Are added at an appropriate ratio to generate a temperature independent reference voltage.

例えば、温度が上がったとき、負の温度依存性を持つ順方向電圧VBEの降下分の電圧をΔVBEとし、正の温度依存性を持つ差分電圧VSの上昇分の電圧ΔVSとすると、適切に比率αを調整することで、ΔVBE+αΔVS=0となる。これにより、温度依存性を持たない高精度の基準電圧を生成することができる。 For example, when the temperature rises, the voltage corresponding to the decrease in the forward voltage V BE having the negative temperature dependency is represented by ΔV BE and the voltage ΔV S corresponding to the increase in the differential voltage V S having the positive temperature dependency. By appropriately adjusting the ratio α, ΔV BE + αΔV S = 0. Thereby, it is possible to generate a highly accurate reference voltage having no temperature dependency.

しかしながら、90nm以降の先端プロセスの半導体素子では、電源電圧がバンドギャップ電圧以下の電圧(例えば、1.2V)であるため、上記従来の構成では動作させることができない。   However, the semiconductor element of the advanced process of 90 nm or later cannot be operated with the above-described conventional configuration because the power supply voltage is a voltage lower than the band gap voltage (for example, 1.2 V).

そこで、下記特許文献1には、電源電圧がバンドギャップ電圧以下の電圧であっても、高精度の基準電圧を生成することができる基準電圧発生回路が開示されている。   Therefore, Patent Document 1 below discloses a reference voltage generation circuit capable of generating a highly accurate reference voltage even when the power supply voltage is a voltage equal to or lower than the band gap voltage.

特許文献1の基準電圧発生回路は、正の温度依存性を持つ差分電圧VSを電流に変換すると共に、負の温度依存性を持つ順方向電圧VBEを電流に変換し、これらの電流を加算した後に、電圧に変換することで、基準電圧Voutを生成するものである。 The reference voltage generation circuit of Patent Document 1 converts the differential voltage V S having a positive temperature dependency into a current, converts the forward voltage V BE having a negative temperature dependency into a current, and converts these currents into currents. After the addition, the reference voltage Vout is generated by converting the voltage into a voltage.

図4に特許文献1に記載された基準電圧発生回路100の構成を示す。   FIG. 4 shows a configuration of the reference voltage generating circuit 100 described in Patent Document 1.

ダイオードDbはダイオードDaよりもエミッター面積がN倍(N>1)となっており、これらに同じ電流I11Aを流したときの順方向電圧の差分電圧VS1は、以下の式(10)のように表すことができる。ここで、kはボルツマン定数、Tは絶対温度、qは電子の電荷量、logは自然対数である。
S1=kT/qlogN ・・・(10)
The diode Db has an emitter area N times that of the diode Da (N> 1), and the forward voltage differential voltage V S1 when the same current I 11A is passed through these is expressed by the following equation (10). Can be expressed as: Here, k is a Boltzmann constant, T is an absolute temperature, q is an electron charge amount, and log is a natural logarithm.
V S1 = kT / qlogN (10)

ダイオードDbには直列に抵抗素子R11が接続されており、2つのノードN10,N11の電圧V10a,V10bの電圧が等しくなるように差動増幅回路A10とPMOSトランジスタM11,M12を用いたフィードバックが掛かっている。 A resistance element R 11 is connected in series to the diode Db, and a differential amplifier circuit A 10 and PMOS transistors M 11 and M 12 are used so that the voltages V 10 a and V 10 b at the two nodes N 10 and N 11 are equal. Feedback is on.

このようにノードN10,N11の電圧V10a,V10bが等しくなることから、ダイオードDa,Dbの差分電圧VS1は、抵抗素子R11の両端電圧と同じ電圧となり、ダイオードDa,Dbに流れる電流I11Aは、下記の式(11)のように表すことができる。
11A=kT/(R11q)logN ・・・(11)
Thus node N10, N11 of the voltage V10a, since V10b are equal, the diode Da, the differential voltage V S1 of Db becomes the same voltage as the voltage across the resistor element R 11, diode Da, the current flowing through the Db I 11A Can be expressed as in the following formula (11).
I 11A = kT / (R 11 q) log N (11)

従って、ダイオードDa,Dbに流れる電流I11Aは、温度上昇に応じて電流が増加する正の温度依存性を持つ電流であることがわかる。 Therefore, it can be seen that the current I 11A flowing through the diodes Da and Db is a current having a positive temperature dependency in which the current increases as the temperature rises.

一方、ノードN10,N11と接地ノードとの間には、同じ抵抗値R13を持つ抵抗素子R13A,R13Bがそれぞれ接続されている。これらの抵抗素子R13A,R13Bには、それぞれダイオードDaの順方向電圧VBEと同じ電圧が掛かることから、これら抵抗素子R13A,R13Bに流れる電流I11Bは、以下の式(12)のように表すことができる。
11B=VBE/R13 ・・・(12)
On the other hand, resistance elements R 13A and R 13B having the same resistance value R 13 are connected between nodes N10 and N11 and the ground node, respectively. Since these resistors R 13A and R 13B are respectively applied with the same voltage as the forward voltage V BE of the diode Da, a current I 11B flowing through these resistors R 13A and R 13B is expressed by the following equation (12). It can be expressed as
I 11B = V BE / R 13 (12)

上記式(12)において順方向電圧VBEは、温度上昇に応じて電圧が低下する負の温度依存性を持つ電圧であることから、抵抗素子R13A,R13Bに流れる電流I11Bは負の温度依存性を持つ電流であることがわかる。 Forward voltage V BE in the above formula (12), since a voltage having a negative temperature dependency that the voltage drops in response to the temperature rise, the resistance element R 13A, current I 11B flowing through the R 13B is negative It can be seen that the current has temperature dependence.

PMOSトランジスタM11,M12にはこれらの電流の和I10(=I11A+I11B)が流れることになるため、抵抗素子R11,R13A,R13Bの抵抗値を適切に選ぶことによって、これら正と負の温度依存性を持つ電流I11A, I11Bの比率を調整することが出来る。従って、最適な比率で設計すると、温度依存性を持たない電流I10を生成することが出来ることになる。 Since the sum I 10 (= I 11A + I 11B ) of these currents flows through the PMOS transistors M 11 and M 12 , by appropriately selecting the resistance values of the resistance elements R 11 , R 13A and R 13B , The ratio of these currents I 11A and I 11B having positive and negative temperature dependence can be adjusted. Thus, when designed in optimal ratio, so that it is possible to generate a current I 10 having no temperature dependency.

そして、これと同じ電流I10をPMOSトランジスタM13から抵抗素子R12へ流すことで、温度依存性を持たない出力電圧Voutを生成して、出力ノードN12から出力することができる。 Then, by causing the same current I 10 to flow from the PMOS transistor M 13 to the resistance element R 12 , an output voltage Vout having no temperature dependency can be generated and output from the output node N12.

特許第3586073号公報Japanese Patent No. 3586073

しかしながら、上記特許文献1の技術では、正の温度依存性を持つ電流I11Aを生成するために、抵抗素子R13A,R13Bで余分な電流が消費されることになる。 However, in the technique of the above-mentioned Patent Document 1, extra current is consumed by the resistance elements R 13A and R 13B in order to generate the current I 11A having a positive temperature dependency.

一方、携帯機器などでは、シビアな低消費電力が求められており、できるだけ消費電流を削減することが望まれている。   On the other hand, severe low power consumption is required for portable devices and the like, and it is desired to reduce current consumption as much as possible.

そこで、本発明は、バンドギャップ電圧よりも低い電源電圧で動作し、かつ従来よりも低消費電力である高精度の基準電圧発生回路を提供することを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a highly accurate reference voltage generating circuit that operates with a power supply voltage lower than the band gap voltage and that consumes less power than in the prior art.

上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、電源ノードと接地ノードとの間に直列に接続された第1のPMOSトランジスタ及び第1のPN接合と、電源ノードと接地ノードとの間に直列に接続された第2のPMOSトランジスタ、第1の抵抗素子及び第2のPN接合と、電源ノードと接地ノードとの間に直列に接続された第3のPMOSトランジスタ及び第2の抵抗素子と、前記第1のPN接合の特性に依存する第1の電圧及び前記第2のPN接合の特性に依存する第2の電圧が入力され、前記第1の電圧及び前記第2の電圧の差分に応じた出力電圧を前記第1、第2及び第3のPMOSトランジスタの各ゲートに供給する差動増幅回路と、を備え、さらに、前記第1のPMOSトランジスタのドレインと前記第3のPMOSトランジスタと前記第2の抵抗素子との間の出力ノードとの間に接続された第3の抵抗素子と、前記第2のPMOSトランジスタのドレインと前記出力ノードとの間に接続された第4の抵抗素子とを備えたものである。   In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, there is provided a first PMOS transistor and a first PN junction connected in series between a power supply node and a ground node, and a power supply node and a ground node. A second PMOS transistor, a first resistance element and a second PN junction connected in series between the power supply node and the ground node, and a third PMOS transistor and a second PMOS transistor connected in series between the power supply node and the ground node. A first voltage depending on the characteristics of the resistance element, the first PN junction, and a second voltage depending on the characteristics of the second PN junction are input, and the first voltage and the second voltage are input. A differential amplifier circuit for supplying an output voltage corresponding to the difference between the first PMOS transistor, the second PMOS transistor, and the third PMOS transistor to the gates of the first PMOS transistor, the drain of the first PMOS transistor, and the third PMOS transistor. PMOS A third resistance element connected between the transistor and the output node between the second resistance element and a fourth resistance element connected between the drain of the second PMOS transistor and the output node. And a resistance element.

また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記第1の電圧は、前記第1のPMOSトランジスタと前記第1のPN接合との接続点に発生する電圧とし、前記第2の電圧は、前記第2のPMOSトランジスタと前記第1の抵抗素子との接続点に発生する電圧とした。   According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the first voltage is a voltage generated at a connection point between the first PMOS transistor and the first PN junction. The second voltage is a voltage generated at a connection point between the second PMOS transistor and the first resistance element.

また、請求項3に記載の発明は、請求項1又は請求項2に記載の発明において、前記第2のPN接合を、並列に接続された複数個のPN接合から構成した。   According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the second PN junction is composed of a plurality of PN junctions connected in parallel.

また、請求項4に記載の発明は、請求項1又は請求項2に記載の発明において、前記第2のPMOSトランジスタを、並列に接続された複数個のPMOSトランジスタから構成し、前記第4の抵抗素子の抵抗値を前記第3の抵抗素子の抵抗値のN倍にし、前記第1のPN接合を前記第1のPN接合と同一サイズで形成した。   According to a fourth aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the second PMOS transistor includes a plurality of PMOS transistors connected in parallel, and the fourth PMOS transistor The resistance value of the resistance element is set to N times the resistance value of the third resistance element, and the first PN junction is formed in the same size as the first PN junction.

また、請求項5に記載の発明は、所定の基準電圧を発生する基準電圧発生回路を内部に備え、前記基準電圧発生回路は、電源ノードと接地ノードとの間に直列に接続された第1のPMOSトランジスタ及び第1のPN接合と、電源ノードと接地ノードとの間に直列に接続された第2のPMOSトランジスタ、第1の抵抗素子及び第2のPN接合と、電源ノードと接地ノードとの間に直列に接続された第3のPMOSトランジスタ及び第2の抵抗素子と、前記第1のPN接合の特性に依存する第1の電圧及び前記第2のPN接合の特性に依存する第2の電圧が入力され、前記第1の電圧及び前記第2の電圧の差分に応じた出力電圧を前記第1、第2及び第3のPMOSトランジスタの各ゲートに供給する差動増幅回路と、を備え、さらに、前記第1のPMOSトランジスタのドレインと前記第3のPMOSトランジスタと前記第2の抵抗素子との間の出力ノードとの間に接続された第3の抵抗素子と、前記第2のPMOSトランジスタのドレインと前記出力ノードとの間に接続された第4の抵抗素子とを備えたものである。   According to a fifth aspect of the present invention, a reference voltage generation circuit for generating a predetermined reference voltage is provided therein, and the reference voltage generation circuit is a first connected in series between a power supply node and a ground node. A PMOS transistor and a first PN junction, a second PMOS transistor, a first resistance element and a second PN junction connected in series between a power supply node and a ground node, a power supply node and a ground node, A third PMOS transistor and a second resistance element connected in series between the first and second PN junctions, a first voltage that depends on the characteristics of the first PN junction, and a second voltage that depends on the characteristics of the second PN junction. And a differential amplifier circuit that supplies an output voltage corresponding to a difference between the first voltage and the second voltage to each gate of the first, second, and third PMOS transistors, Further comprising A third resistance element connected between a drain of one PMOS transistor and an output node between the third PMOS transistor and the second resistance element; a drain of the second PMOS transistor; And a fourth resistance element connected to the output node.

本発明によれば、バンドギャップ電圧よりも低い電源電圧で動作し、かつ従来よりも低消費電力である高精度の基準電圧発生回路を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a highly accurate reference voltage generating circuit that operates with a power supply voltage lower than the band gap voltage and that consumes less power than in the past.

本発明の一実施形態に係る半導体素子は、バンドギャップ電圧よりも低い電源電圧で動作し、低消費電力かつ高精度の基準電圧発生回路を備えている。   A semiconductor device according to an embodiment of the present invention operates with a power supply voltage lower than a band gap voltage, and includes a reference voltage generation circuit with low power consumption and high accuracy.

この基準電圧発生回路は、電流密度の異なる第1のダイオードと第2のダイオードの差分電圧が正の温度依存性を持ち、第1及び第2のダイオードの順方向電圧VBEが負の温度依存性を持つことから、これらを利用して高精度の基準電圧を生成するものである。 In this reference voltage generation circuit, the differential voltage between the first diode and the second diode having different current densities has a positive temperature dependency, and the forward voltage V BE of the first and second diodes has a negative temperature dependency. Therefore, a highly accurate reference voltage is generated using these.

そして、バンドギャップ電圧よりも低い電源電圧で動作させるために、正の温度依存性を持つ差分電圧と負の温度依存性を持つ順方向電圧との加算を直接行わずに、一旦電流に変換し、電流で加算を行った後に電圧に変換して基準電圧を生成している。   Then, in order to operate with a power supply voltage lower than the band gap voltage, it is converted into a current once without directly adding the differential voltage having a positive temperature dependency and the forward voltage having a negative temperature dependency. Then, after adding with the current, it is converted into a voltage to generate a reference voltage.

すなわち、第1のダイオードと、直列に接続した第2のダイオード及び第1の抵抗素子とに同じ電圧が掛かるように差動増幅回路でフィードバックをかけ、正の温度依存性を持つ差分電圧を第1のダイオード又は第2のダイオードに流れる第1電流に変換する。   That is, feedback is applied by the differential amplifier circuit so that the same voltage is applied to the first diode, the second diode connected in series, and the first resistance element, and a differential voltage having a positive temperature dependence is applied to the first diode. It converts into the 1st electric current which flows into 1 diode or 2nd diode.

また、第1のダイオードに第3の抵抗素子を接続し、第2のダイオードに第4抵抗素子を接続して、正の温度依存性を持つ順方向電圧を第3及び第4の抵抗素子に流れる第2電流に変換する。   Further, a third resistance element is connected to the first diode, a fourth resistance element is connected to the second diode, and a forward voltage having a positive temperature dependency is applied to the third and fourth resistance elements. It converts into the 2nd electric current which flows.

第1の電流は正の温度依存性を持つ電流となり、第2の電流は負の温度依存性を持つ電流となるため、これらを加算することにより温度依存性を持たない第3の電流を得ることができる。そして、この第3の電流を第2の抵抗素子に流すことにより温度依存性を持たない電圧を生成している。   Since the first current is a current having a positive temperature dependency and the second current is a current having a negative temperature dependency, a third current having no temperature dependency is obtained by adding these. be able to. And the voltage which does not have temperature dependence is produced | generated by flowing this 3rd electric current through a 2nd resistive element.

さらに、本実施形態に係る基準電圧発生回路では、基準電圧を出力する出力ノードに第3及び第4の抵抗素子を接続するようにしている。   Furthermore, in the reference voltage generation circuit according to the present embodiment, the third and fourth resistance elements are connected to the output node that outputs the reference voltage.

上記特許文献1の技術では、第3及び第4抵抗素子である抵抗素子R13B,R13Aを接地ノードに接続するようにしていたため、消費電力が無駄になっていたが、本実施形態に係る基準電圧発生回路では、第3及び第4抵抗素子に流れる電流を第2の抵抗素子に流して基準電圧を生成するために用いている。 In the technique of Patent Document 1, the resistance element R 13B is the third and fourth resistive elements, because it was to connect the R 13A to the ground node, but the power consumption had been wasted, the present embodiment In the reference voltage generating circuit, a current flowing through the third and fourth resistance elements is used to generate a reference voltage by flowing through the second resistance element.

従って、消費電力を抑制することができ、携帯機器などのようにシビアな低消費電力が求められる機器に適用して低消費電力を図ることができる。   Therefore, power consumption can be suppressed, and low power consumption can be achieved by applying to a device such as a portable device that requires severe low power consumption.

以下、本発明の一実施形態に係る半導体素子内に形成された基準電圧発生回路について図面を参照して具体的に説明する。図1及び図2は本発明の一実施形態に係る基準電圧発生回路の構成図である。   Hereinafter, a reference voltage generating circuit formed in a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. 1 and 2 are configuration diagrams of a reference voltage generating circuit according to an embodiment of the present invention.

基準電圧発生回路1は、第1〜第3のPMOSトランジスタM1〜M3、第1及び第2のダイオードDa,Db(第1のPN接合及び第2のPN接合の一例)、第1〜第4の抵抗素子R1,R2,R3B,R3A、差動増幅回路A1とから構成される。 The reference voltage generation circuit 1 includes first to third PMOS transistors M 1 to M 3 , first and second diodes Da and Db (an example of a first PN junction and a second PN junction), A fourth resistor element R 1 , R 2 , R 3B , R 3A , and a differential amplifier circuit A1 are included.

図1に示すように、第1のPMOSトランジスタM1と第1のダイオードDaは直列に電源ノードと接地ノードに接続され、第2のPMOSトランジスタM2、第2のダイオードDb及び第1の抵抗素子R1は電源ノードと接地ノードとの間に直列に接続されている。なお、第2のダイオードDb及び第1の抵抗素子R1の配置は第1の抵抗素子R1を接地するのに限られず、図2に示すように第2のダイオードDbを接地するように配置してもよい。 As shown in FIG. 1, the first PMOS transistor M 1 and the first diode Da are connected in series to the power supply node and the ground node, and the second PMOS transistor M 2 , the second diode Db, and the first resistor are connected. Element R 1 is connected in series between the power supply node and the ground node. The second diode Db and a first arrangement of the resistance elements R 1 is not limited to ground the first resistance element R 1, arranged so as to ground the second diode Db as shown in FIG. 2 May be.

また、第1及び第2のPMOSトランジスタM1,M2は、同一サイズで形成され、共に差動増幅回路A1の出力電圧が入力されている。そのため、第1及び第2のPMOSトランジスタM1,M2は電流源として、第1のダイオードDa及び第2のダイオードDbに等しい電流I2を供給することになる。 The first and second PMOS transistors M 1 and M 2 are formed with the same size, and both receive the output voltage of the differential amplifier circuit A1. Therefore, the first and second PMOS transistors M 1 and M 2 supply current I 2 equal to the first diode Da and the second diode Db as current sources.

また、第1のPMOSトランジスタM1のドレインと第1のダイオードDaとが接続されるノードN1と、第2のPMOSトランジスタM2のドレインと第2のダイオードDbとが接続されるノードN2とが差動増幅回路A1の入力ノードに接続されて、フィードバックループが形成される。そのため、ノードN1の電圧Va(第1の電圧)とノードN2の電圧Vbは等しい電圧になるようにフィードバックがかかることになる。より具体的には、差動増幅回路A1には、第1のダイオードDaの特性に依存する電圧Va(第1の電圧)と第2のダイオードDbの特性に依存する電圧Vb(第2の電圧)が入力される。そして、差動増幅回路A1は、電圧Va及び電圧Vbの差分に応じた出力電圧を第1及び第2のPMOSトランジスタM1,M2の各ゲートに供給している。なお、差動増幅回路A1は、電圧Va及び電圧Vbの差分に応じた出力電圧を第3のPMOSトランジスタM3にも供給しており、この第3のPMOSトランジスタM3は第1のPMOSトランジスタM1と同じサイズで形成している。従って、第3のPMOSトランジスタM3から供給する電流は、第1及び第2のPMOSトランジスタM1,M2から供給する電流I1と同じである。 Further, the node N1 to the first drain of the PMOS transistor M 1 and the first diode Da is connected, and a node N2 and the drain of the second PMOS transistor M 2 and the second diode Db is connected A feedback loop is formed by connecting to the input node of the differential amplifier circuit A1. Therefore, feedback is applied so that the voltage Va (first voltage) at the node N1 and the voltage Vb at the node N2 are equal. More specifically, the differential amplifier circuit A1 includes a voltage Va (first voltage) that depends on the characteristics of the first diode Da and a voltage Vb (second voltage) that depends on the characteristics of the second diode Db. ) Is entered. The differential amplifier circuit A1 supplies an output voltage corresponding to the difference between the voltage Va and the voltage Vb to the gates of the first and second PMOS transistors M 1 and M 2 . Incidentally, the differential amplifier circuit A1, the output voltage corresponding to the difference between the voltage Va and the voltage Vb is also fed to the third PMOS transistor M 3, the third PMOS transistor M 3 are first PMOS transistor They are formed in the same size as the M 1. Therefore, the current supplied from the third PMOS transistor M 3 is the same as the current I 1 supplied from the first and second PMOS transistors M 1 and M 2 .

また、第2のダイオードDbは、第1のダイオードDaと同じサイズのダイオードをN個並列接続しているため、第2のダイオードDbの順方向電圧は、第1のダイオードDaの順方向電圧に対して、kT/qlogNだけ電圧が小さくなる。   In addition, since the second diode Db has N diodes of the same size as the first diode Da connected in parallel, the forward voltage of the second diode Db is equal to the forward voltage of the first diode Da. On the other hand, the voltage decreases by kT / qlogN.

この第2のダイオードDbには抵抗素子R1が接続されているので、2つのダイオードDa,Dbの順方向電圧の差分電圧VSは、抵抗素子R1の両端の電圧に等しくなる。すなわち、ノードN1の電圧VaとノードN2の電圧Vbとは上述のように等しい電圧になるため、抵抗素子R1の両端電圧は第1のダイオードDaの順方向電圧から第2のダイオードDbの順方向電圧を減じた電圧VSとなる。 Since the resistance element R 1 is connected to the second diode Db, the differential voltage V S between the forward voltages of the two diodes Da and Db is equal to the voltage across the resistance element R 1 . That is, to become equal to the voltage as described above and the voltage Vb of the voltage Va and the node N2 of the node N1, the voltage across the resistor element R 1 is the order of the second diode Db from the forward voltage of the first diode Da The voltage V S is obtained by subtracting the direction voltage.

さらに、本実施形態の基準電圧発生回路1には、ノードN1と出力ノードN3との間に接続された第4の抵抗素子R3Bと、ノードN2と出力ノードN3との間に接続された第3の抵抗素子R3Aとを備えている。この2つの抵抗素子R3AとR3Bとは同じ抵抗値R3である。 Further, the reference voltage generation circuit 1 of the present embodiment includes a fourth resistance element R 3B connected between the node N1 and the output node N3, and a first resistor connected between the node N2 and the output node N3. third resistive element and a R 3A. The two resistance elements R 3A and R 3B have the same resistance value R 3 .

上述のように、ノードN1の電圧VaとノードN2の電圧Vbとは等しい電圧であることから、これらの抵抗素子R3A,R3Bにかかる電圧は等しく、等しい電流I3が流れることになる。 As described above, since the voltage Va at the node N1 and the voltage Vb at the node N2 are equal, the voltages applied to the resistance elements R 3A and R 3B are equal and the same current I 3 flows.

第1及び第2のダイオードDa,Dbに流れる電流I2は、共に、I1−I3となることから、以下の式(1)で表される関係が導き出せる。但し、熱電圧VT=kT/qである。
1×(I1−I3)=VTlog(N)・・・(1)
Since the currents I 2 flowing through the first and second diodes Da and Db are both I 1 -I 3 , the relationship represented by the following formula (1) can be derived. However, the thermal voltage V T = kT / q.
R 1 × (I 1 −I 3 ) = V T log (N) (1)

電源ノードと接地ノードとの間には、直列に第3のPMOSトランジスタM3と第2の抵抗素子R2とが接続されており、第3のPMOSトランジスタM3から第2の抵抗素子R2へ供給する電流はI1となる。また、第3の抵抗素子R3A,R3Bから第2の抵抗素子R2へ供給する電流はそれぞれ電流I3となる。従って、第2の抵抗素子R2に流れる電流はI1+2I3となり、出力ノードN3の電圧Voutは、以下の式(2)で表すことができる。
Vout=R2×(I1+2I3) ・・・(2)
Between the power supply node and the ground node, a third PMOS transistor M 3 and the second resistive element R 2 are connected, the third PMOS transistor M 3 second resistive element in series with R 2 current supplied to becomes I 1. Further, currents supplied from the third resistance elements R 3A and R 3B to the second resistance element R 2 are currents I 3 , respectively. Therefore, the current flowing through the second resistance element R 2 is I 1 + 2I 3 , and the voltage Vout at the output node N3 can be expressed by the following equation (2).
Vout = R 2 × (I 1 + 2I 3 ) (2)

さらに、第3の抵抗素子R3A,R3Bに流れる電流は電流I3であることから、VBEをダイオードDaの順方向電圧とすると、次の関係式が導き出せる。
BE−Vout=R3×I3 ・・・(3)
Further, since the current flowing through the third resistance elements R 3A and R 3B is the current I 3 , the following relational expression can be derived when V BE is the forward voltage of the diode Da.
V BE −Vout = R 3 × I 3 (3)

上記式(1),(2),(3)から、電流I1,I3を消去すると、出力電圧Voutは、以下の式(4)で表すことができる。
Vout=3R2/(R3+3R2){R3/(3R1)*VTlog(N)+VBE} ・・・(4)
When the currents I 1 and I 3 are eliminated from the above equations (1), (2), and (3), the output voltage Vout can be expressed by the following equation (4).
Vout = 3R 2 / (R 3 + 3R 2 ) {R 3 / (3R 1 ) * V T log (N) + V BE } (4)

ここで、式(4)における波括弧{ }中では熱電圧VTとダイオードの順方向電圧VBEとの和を取っている。そして、この和がシリコンのバンドギャップ電圧と等しい電圧になるとき出力電圧Voutが温度依存性を持たなくなる。 Here, in curly brackets {} in the equation (4), the sum of the thermal voltage V T and the forward voltage V BE of the diode is taken. When this sum becomes a voltage equal to the band gap voltage of silicon, the output voltage Vout has no temperature dependence.

ここでは、波括弧の外に、3R2/(R3+3R2)が掛かっているので、実際の出力電圧Voutは、シリコンのバンドギャップ電圧よりも低くすることが出来る。 Here, since 3R 2 / (R 3 + 3R 2 ) is applied outside the curly braces, the actual output voltage Vout can be made lower than the band gap voltage of silicon.

しかも、上記特許文献1の技術では、ノードN10,N11に接続する抵抗素子R13A,R13Bを介して無駄な電流をグランドに流していたが、基準電圧発生回路1では、ノードN1,N2に接続する第3及び第4の抵抗素子R3A,R3Bを介して電流をグランドに流さない。すなわち、第3及び第4の抵抗素子R3A,R3Bに流れる電流I3は第2の抵抗素子R2に流れて基準電圧を生成するため用いられる。従って、本実施形態に係る基準電圧発生回路1では、上記特許文献1の技術に比べ消費電力を低減することができる。 Moreover, in the technique disclosed in Patent Document 1, a wasteful current is passed to the ground via the resistance elements R 13A and R 13B connected to the nodes N10 and N11. However, in the reference voltage generation circuit 1, the nodes N1 and N2 are supplied. No current flows to the ground via the third and fourth resistance elements R 3A and R 3B to be connected. That is, the current I 3 flowing through the third and fourth resistance elements R 3A and R 3B flows through the second resistance element R 2 and is used to generate the reference voltage. Therefore, in the reference voltage generation circuit 1 according to the present embodiment, power consumption can be reduced as compared with the technique of Patent Document 1.

ここで、基準電圧発生回路1について、実際の設計の際の留意点について説明する。   Here, the points to be noted in the actual design of the reference voltage generation circuit 1 will be described.

実際の設計においては、PMOSトランジスタM1〜M3が定電流源として動作させることが重要となる。従って、PMOSトランジスタM1〜M3のソース・ドレイン電圧は出来るだけ等しくなるような回路定数を選定する。 In actual design, it is important that the PMOS transistors M 1 to M 3 operate as constant current sources. Therefore, the source-drain voltage of the PMOS transistor M 1 ~M 3 is selected equal such circuit constants as possible.

また、第1のダイオードDaの順方向電圧は、−40℃において、0.82V程度であり、125℃において0.55V程度となる。従って、温度が変化したとき、PMOSトランジスタM1,M2のソース・ドレイン電圧はこの分だけ変化することになる。 The forward voltage of the first diode Da is about 0.82 V at −40 ° C. and about 0.55 V at 125 ° C. Therefore, when the temperature changes, the source / drain voltages of the PMOS transistors M 1 and M 2 change by this amount.

一方、出力電圧Voutは温度依存性が無い。従って、出力電圧Voutは、0.82Vと0.55Vの中間電圧として 0.7V付近に設定することが望ましい。このとき、3R2/(R3+3R2)を適切に選ぶことで、0.7V付近に設定することが可能である。 On the other hand, the output voltage Vout has no temperature dependence. Therefore, it is desirable to set the output voltage Vout near 0.7V as an intermediate voltage between 0.82V and 0.55V. At this time, by appropriately selecting 3R 2 / (R 3 + 3R 2 ), it is possible to set it to around 0.7V.

また、PMOSトランジスタM1〜M3は、飽和状態で動作するよう設計することで、若干のソース・ドレイン電圧の違いがあっても、流れる電流は殆ど変化しないようにできる。 Further, the PMOS transistors M 1 to M 3 are designed to operate in a saturated state, so that even if there is a slight difference between the source and drain voltages, the flowing current can be hardly changed.

このように出力電圧Voutを0.7V付近に設定した場合の最低動作電圧は、低温において第1のダイオードDaの順方向電圧が0.82Vと高くなったとき、PMOSトランジスタM1,M2が電流源として飽和状態で動作できる限界の電圧によって決まる。従って、最悪のケースでも電源電圧が1.0V以上であればこの基準電圧発生回路1は動作することが出来る。 In this way, the minimum operating voltage when the output voltage Vout is set to around 0.7 V is that the PMOS transistors M 1 and M 2 are low when the forward voltage of the first diode Da is as high as 0.82 V at a low temperature. It is determined by the limit voltage that can operate in a saturated state as a current source. Therefore, even in the worst case, the reference voltage generating circuit 1 can operate if the power supply voltage is 1.0 V or higher.

次に、図3を参照して、基準電圧発生回路1の変形例について説明する。図3は本発明の一実施形態に係る別の基準電圧発生回路1’の構成を示す図である。   Next, a modification of the reference voltage generating circuit 1 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a diagram showing a configuration of another reference voltage generating circuit 1 'according to an embodiment of the present invention.

図3に示す基準電圧発生回路1’は、第1及び第2のダイオードDa,Dbのサイズを同一サイズとし、第2のPMOSトランジスタM2に流れる電流を第1のPMOSトランジスタMに流れる電流の1/Nにしたものである。 Reference voltage generating circuit 1 'shown in FIG. 3, the first and second diode Da, a size of Db is the same size, the current flowing in the current flowing through the second PMOS transistor M 2 to the first PMOS transistor M 1 1 / N.

第2のPMOSトランジスタM2に流れる電流を第1のPMOSトランジスタM1に流れる電流の1/Nにするためには、第2のMOSトランジスタM2と同じサイズを持つPMOSトランジスタをN個並列接続したものを第1及び第3のPMOSトランジスタM1,M3とすることで実現できる。 In order to reduce the current flowing through the second PMOS transistor M 2 to 1 / N of the current flowing through the first PMOS transistor M 1 , N PMOS transistors having the same size as the second MOS transistor M 2 are connected in parallel. This can be realized by using the first and third PMOS transistors M 1 and M 3 .

基準電圧発生回路1’においても、第2のダイオードDbの順方向電圧は、第1のダイオードDaの順方向電圧よりもkT/qlog(N)だけ小さいことは、基準電圧発生回路1の場合と同じである。これは、第2のPMOSトランジスタM2に流れる電流が第1のPMOSトランジスタM1に流れる電流の1/Nであるからである。 Also in the reference voltage generation circuit 1 ′, the forward voltage of the second diode Db is smaller by kT / qlog (N) than the forward voltage of the first diode Da. The same. This is because the current flowing through the second PMOS transistor M 2 is 1 / N of the current flowing through the first PMOS transistor M 1 .

また、第4の抵抗素子R3Bの値は抵抗値R3のN倍に設定する。これにより第4の抵抗素子R3Bに流れる電流を第3の抵抗素子R3Aに流れる電流の1/N倍にすることができる。 The value of the fourth resistance element R 3B is set to N times the resistance value R 3. As a result, the current flowing through the fourth resistance element R 3B can be reduced to 1 / N times the current flowing through the third resistance element R 3A .

そして、この基準電圧発生回路1’の出力電圧Voutは、以下の式(5)のように表すことができる。
Vout=
{(2N+1)R2}/{NR3+(2N+1)R2}[{N2/(2N+1)R3/R1log (N)+VBE}]
・・・(5)
The output voltage Vout of the reference voltage generation circuit 1 ′ can be expressed as the following equation (5).
Vout =
{(2N + 1) R 2 } / {NR 3 + (2N + 1) R 2} [{N 2 / (2N + 1) R 3 / R 1 V T log (N) + V BE}]
... (5)

従って、この基準電圧発生回路1’であっても基準電圧発生回路1と同様に高精度の基準電圧を発生させることが出来る。   Therefore, even with this reference voltage generation circuit 1 ′, a highly accurate reference voltage can be generated as with the reference voltage generation circuit 1.

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。   The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to such specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.

本発明の一実施形態に係る基準電圧発生回路の構成図である。It is a block diagram of the reference voltage generation circuit which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る基準電圧発生回路の構成図である。It is a block diagram of the reference voltage generation circuit which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る別の基準電圧発生回路の構成図である。It is a block diagram of another reference voltage generation circuit according to an embodiment of the present invention. 従来の基準電圧発生回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional reference voltage generation circuit.

符号の説明Explanation of symbols

1,1‘ 基準電圧発生回路
1 第1のPMOSトランジスタ
2 第2のPMOSトランジスタ
3 第3のPMOSトランジスタ
Da 第1のダイオード(第1のPN接合)
Db 第2のダイオード(第2のPN接合)
1 第1の抵抗素子
2 第2の抵抗素子
3A,R3B 第3の抵抗素子
A1 差動増幅回路
1, 1 ′ reference voltage generation circuit M 1 first PMOS transistor M 2 second PMOS transistor M 3 third PMOS transistor Da first diode (first PN junction)
Db second diode (second PN junction)
R 1 first resistor element R 2 second resistor elements R 3A , R 3B third resistor element A 1 differential amplifier circuit

Claims (5)

電源ノードと接地ノードとの間に直列に接続された第1のPMOSトランジスタ及び第1のPN接合と、
電源ノードと接地ノードとの間に直列に接続された第2のPMOSトランジスタ、第1の抵抗素子及び第2のPN接合と、
電源ノードと接地ノードとの間に直列に接続された第3のPMOSトランジスタ及び第2の抵抗素子と、
前記第1のPN接合の特性に依存する第1の電圧及び前記第2のPN接合の特性に依存する第2の電圧が入力され、前記第1の電圧及び前記第2の電圧の差分に応じた出力電圧を前記第1、第2及び第3のPMOSトランジスタの各ゲートに供給する差動増幅回路と、を備え、
さらに、前記第1のPMOSトランジスタのドレインと、前記第3のPMOSトランジスタと前記第2の抵抗素子との間の出力ノードとの間に接続された第3の抵抗素子と、
前記第2のPMOSトランジスタのドレインと前記出力ノードとの間に接続された第4の抵抗素子とを備えた基準電圧発生回路。
A first PMOS transistor and a first PN junction connected in series between a power supply node and a ground node;
A second PMOS transistor, a first resistance element and a second PN junction connected in series between the power supply node and the ground node;
A third PMOS transistor and a second resistance element connected in series between the power supply node and the ground node;
The first voltage depending on the characteristics of the first PN junction and the second voltage depending on the characteristics of the second PN junction are input, and according to the difference between the first voltage and the second voltage. A differential amplifier circuit for supplying the output voltage to the gates of the first, second and third PMOS transistors,
A third resistance element connected between the drain of the first PMOS transistor and an output node between the third PMOS transistor and the second resistance element;
A reference voltage generation circuit comprising a fourth resistance element connected between the drain of the second PMOS transistor and the output node.
前記第1の電圧は、前記第1のPMOSトランジスタと前記第1のPN接合との接続点に発生する電圧であり、前記第2の電圧は、前記第2のPMOSトランジスタと前記第1の抵抗素子との接続点に発生する電圧であることを特徴とする請求項1記載の基準電圧発生回路。   The first voltage is a voltage generated at a connection point between the first PMOS transistor and the first PN junction, and the second voltage is the second PMOS transistor and the first resistor. 2. The reference voltage generation circuit according to claim 1, wherein the reference voltage generation circuit is a voltage generated at a connection point with the element. 前記第2のPN接合を、並列に接続された複数個のPN接合から構成した請求項1又は請求項2に記載の基準電圧発生回路。   The reference voltage generation circuit according to claim 1, wherein the second PN junction includes a plurality of PN junctions connected in parallel. 前記第2のPMOSトランジスタを、並列に接続された複数個のPMOSトランジスタから構成し、
前記第4の抵抗素子の抵抗値を前記第3の抵抗素子の抵抗値のN倍にし、
前記第1のPN接合を前記第1のPN接合と同一サイズで形成した請求項1又は請求項2に記載の基準電圧発生回路。
The second PMOS transistor is composed of a plurality of PMOS transistors connected in parallel,
The resistance value of the fourth resistance element is set to N times the resistance value of the third resistance element,
The reference voltage generation circuit according to claim 1, wherein the first PN junction is formed in the same size as the first PN junction.
所定の基準電圧を発生する基準電圧発生回路を内部に備え、
前記基準電圧発生回路は、
電源ノードと接地ノードとの間に直列に接続された第1のPMOSトランジスタ及び第1のPN接合と、
電源ノードと接地ノードとの間に直列に接続された第2のPMOSトランジスタ、第1の抵抗素子及び第2のPN接合と、
電源ノードと接地ノードとの間に直列に接続された第3のPMOSトランジスタ及び第2の抵抗素子と、
前記第1のPN接合の特性に依存する第1の電圧及び前記第2のPN接合の特性に依存する第2の電圧が入力され、前記第1の電圧及び前記第2の電圧の差分に応じた出力電圧を前記第1、第2及び第3のPMOSトランジスタの各ゲートに供給する差動増幅回路と、を備え、
さらに、前記第1のPMOSトランジスタのドレインと、前記第3のPMOSトランジスタと前記第2の抵抗素子との間の出力ノードとの間に接続された第3の抵抗素子と、
前記第2のPMOSトランジスタのドレインと前記出力ノードとの間に接続された第4の抵抗素子とを備えた半導体素子。
A reference voltage generation circuit for generating a predetermined reference voltage is provided inside,
The reference voltage generation circuit includes:
A first PMOS transistor and a first PN junction connected in series between a power supply node and a ground node;
A second PMOS transistor, a first resistance element and a second PN junction connected in series between the power supply node and the ground node;
A third PMOS transistor and a second resistance element connected in series between the power supply node and the ground node;
The first voltage depending on the characteristics of the first PN junction and the second voltage depending on the characteristics of the second PN junction are input, and according to the difference between the first voltage and the second voltage. A differential amplifier circuit for supplying the output voltage to the gates of the first, second and third PMOS transistors,
A third resistance element connected between the drain of the first PMOS transistor and an output node between the third PMOS transistor and the second resistance element;
A semiconductor element comprising a fourth resistance element connected between the drain of the second PMOS transistor and the output node.
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