JP2854762B2 - 基準電圧発生回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、基準電圧発生回路に関
し、さらに詳しくは、任意の基準電圧に対して温度の変
化に依存しない電圧を発生させる基準電圧発生回路に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩ内に用いられる基準電圧発生回路
は、バイポーラトランジスタを用い、バンドギャップ電
圧の整数倍の基準電圧を発生させている。例えば、シリ
コンで製造したバイポーラトランジスタの場合は約１．
２Ｖの整数倍の電圧を発生させている。しかし、従来の
回路技術では用いるバイポーラトランジスタの極性（Ｎ
ＰＮ型またはＰＮＰ型）で決まるベース−エミッタ接合
の順方向極性と同方向にしか基準電圧を発生することが
できなかった。例えば、ＮＰＮ型バイポーラトランジス
タを用いる場合、任意の基準に対して負極方向にしか基
準電圧を発生することができなかった。

【０００３】図３はこのような基準電圧発生回路を示し
たものである。電流密度の異なるバイポーラトランジス
タＴｒ１１，Ｔｒ１２の各ベースには電圧Ｖｇが印加さ
れ、バイポーラトランジスタＴｒ１１のエミッタには抵
抗Ｒ１１，Ｒ１２が直列に接続されている。また、バイ
ポーラトランジスタＴｒ１２のエミッタには抵抗Ｒ１
２′が接続されている。さらに、抵抗Ｒ１２，Ｒ１２′
の他端には電流源として動作するＭＯＳトランジスタＭ
１１が接続される。

【０００４】演算増幅器Ａ１１の反転入力端と非反転入
力端の電位は等しいから、バイポーラトランジスタＴｒ
１１，Ｔｒ１２のベース−エミッタ間電圧Ｖｂｅ１１，
Ｖｂｅ１２の電圧差ｄＶｂｅは抵抗Ｒ１１の両端に加わ
っている。従って、抵抗Ｒ１１を流れる電流はｄＶｂｅ
／Ｒ１１となり、この電流が抵抗Ｒ１２を流れるため、
抵抗Ｒ１２の両端の電圧差はｄＶｂｅ・Ｒ１２／Ｒ１１
となる。ここで、節点Ｎ１１と電圧Ｖｇ間の電圧を基準
電圧Ｖｒｅｆとすると、

【０００５】

【数１】 Vref＝ Vbe11＋dVbe＋(R12/R11) ・ dVbe ＝ Vbe11＋dVbe ・(R11＋R12)/R11 となる。つまり、基準電圧Ｖｒｅｆは電圧Ｖｂｅ１１と
ｄＶｂｅを増幅した電圧を足し合わせた電圧となってい
る。

【０００６】バイポーラトランジスタのベース−エミッ
タ間電圧Ｖｂｅ１１とＶｂｅ１２は温度が上昇するのに
従って低下するが、電流密度の異なるバイポーラトラン
ジスタではその下降率が異なるため、その差ｄＶｂｅは
上昇することになる。すなわち抵抗Ｒ１１を流れる電流
Ｉｒ１１は温度変化に対して正の依存性を持つことにな
る。電流Ｉｒ１１はそのまま抵抗Ｒ１２に流れ込むの
で、（Ｒ１１＋Ｒ１２）／Ｒ１１を適当に選択すれば、
電圧Ｖｂｅ１１の下降分と電圧ｄＶｂｅの上昇分とで打
ち消し合い、温度変化に対して不変の基準電圧を得るこ
とができる。ただし、この回路ではＮＰＮ型を用いてい
るが、このような従来方式ではＮＰＮ型のベース−エミ
ッタ接合の順方向と同方向、すなわち、Ｖｇに対して負
極方向にしか基準電圧を発生することができない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、図３の
ような従来の回路方式ではバイポーラトランジスタのベ
ース−エミッタ接合の順方向極性と同方向にしか基準電
圧を発生することができなかった。

【０００８】そこで、本発明は上記従来例の問題を解消
し、バイポーラトランジスタの極性が片方しかない場合
でも、両方向に基準電圧を発生することを可能とするた
めに、使用するバイポーラトランジスタのベース−エミ
ッタ接合の順方向極性と逆向きに、任意の基準点に対し
て温度変化に依存しない電圧を発生させる基準電圧発生
回路を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は演算増幅器と、演算増幅器の出力端にベース
を接続したバイポーラトランジスタと、該バイポーラト
ランジスタのエミッタと前記演算増幅器の反転入力端と
の間に接続した抵抗と、温度変化による前記バイポーラ
トランジスタのベース−エミッタ間電圧の変化を打ち消
す電圧を前記抵抗の両端に生じさせる電流を前記抵抗に
流し込むことにより、温度変化に依存しない不変の基準
電圧を、前記演算増幅器の非反転入力端に接続された任
意の電圧を基準として、前記ベース−エミッタ接合の順
方向極性に対して逆向きに、前記演算増幅器の出力端に
発生させるための電流供給手段とを具えたことを特徴と
する。

【００１０】

【作用】本発明によれば上記のベース−エミッタ接合と
抵抗との直列接続の両端の電圧差は温度の変化に対して
依存せず不変である。このようなベース−エミッタ接合
と抵抗を演算増幅器の出力端と反転入力端の間に接続す
ることにより負帰還ループを構成することができる。演
算増幅器は負帰還がかかっている場合、反転入力端と非
反転入力端が同電位になるように働く。この結果、非反
転入力端に接続されている任意の電圧に対してベース−
エミッタ接合と抵抗の直列接続の両端の電圧差を持ち上
げた電圧を出力端に発生することになる。よって、任意
の基準点に対して、用いるバイポーラトランジスタのベ
ース−エミッタ接合の順方向極性とは逆方向に、温度変
化に依存しない不変の基準電圧を発生することが可能と
なる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明す
る。

【００１２】図１および図２は本発明にかかる基準電圧
発生回路を示し、図１は１個のバイポーラトランジスタ
を用いた場合、図２は複数個のバイポーラトランジスタ
を用いた場合を示す。なお、同一の要素には同一の符号
を付し、説明の繰り返しを省略する。

【００１３】図１において、Ｔｒ２１はＮＰＮ型のバイ
ポーラトランジスタ、Ｒ２１は抵抗値Ｒ２１の抵抗、Ｉ
ｐｔａｔは正の温度依存正を持つ電流Ｉｐｔａｔを発生
する電流源、Ａ２１は演算増幅器である。Ｔｒ２１のエ
ミッタ電流とＲ２１には、共通にＩｐｔａｔが流れるよ
うに電流源が接続されている。Ａ２１の出力端はＴｒ２
１のベースに接続され、Ｒ２１とＩｐｔａｔの接続点Ｎ
１はＡ２１の反転入力端にも接続されている。これによ
り、負帰還ループを構成している。Ｔｒ２１のコレクタ
電圧はＴｒ２１が通常動作するためにはＴｒ２１のベー
ス電圧よりも高い電圧である必要があり、ここでは正電
源Ｖｄｄを使用している。Ａ２１の非反転入力には基準
電圧発生の基準点となる電圧Ｖｇが接続されている。

【００１４】このような構成の回路でＡ２１の出力端と
反転入力端の間の電圧差ＶｂｇはＴｒ２１のベース−エ
ミッタ間電圧Ｖｂｅ２１と、Ｒ２１の両端の電圧差Ｖｒ
２１との和となる。電圧差Ｖｒ２１は、

【００１５】

【数２】Vr21＝Iptat ・ R21 で与えられる。よって、Ｖｂｇは、

【００１６】

【数３】Vbg ＝ Vbe21＋Iptat ・ R21 で与えられる。Ｖｂｅ２１の負の温度依存性を打ち消す
ような電圧差Ｖｒ２１を発生するようにＩｐｔａｔを流
せば、Ｖｂｇは温度の変化に依存せず不変であり、バン
ドギャップ電圧に等しい。Ｔｒ２１をシリコンで製造し
た場合、Ｖｂｇは約１．２Ｖとなる。

【００１７】Ａ２１は負帰還がかかっている場合、反転
入力端と非反転入力端が同電位になるよに働く。すなわ
ち、Ｎ１とＶｇが等しくなるように働く。よってＡ２１
の出力端電圧ＶｒｅｆはＶｇ＋Ｖｂｇとなり、Ｖｇを基
準とした温度変化に依存しない基準電圧となる。また、
基準電圧の極性はＮＰＮ型バイポーラトランジスタのベ
ース−エミッタ接合の順方向極性とは逆方向で基準点Ｖ
ｇに対して正極性である。

【００１８】図２は複数個のＮＰＮ型バイポーラトラン
ジスタを使って任意の基準電圧に対してバンドギャップ
電圧の３倍の温度変化に依存しない基準電圧を正負両極
性に発生する回路である。

【００１９】図２において、Ｖｐｔａｔは正の温度依存
性を持つ電圧源、Ｒ３１，Ｒ３２およびＲ３２′はそれ
ぞれ抵抗値Ｒ３１，Ｒ３２，Ｒ３２′の抵抗、また抵抗
値Ｒ３２とＲ３２′は等しい。Ｔｒ３１〜Ｔｒ３６は同
一特性を有するＮＰＮ型バイポーラトランジスタ、Ｍ３
１〜Ｍ３７は同一のチャネル幅（Ｗ）とチャネル長
（Ｌ）との比（Ｗ／Ｌ）を有するＭＯＳトランジスタ、
Ａ３１およびＡ３２は演算増幅器である。

【００２０】図２の基準電圧発生回路は３つのセクショ
ンから構成される。第１のセクションは正温度依存電流
発生部、第２のセクションは負極基準電圧発生部、そし
て第３のセクションは正極基準電圧発生部である。

【００２１】正温度依存電流発生部では正の温度依存性
を持つ電圧源Ｖｐｔａｔ（非反転入力端に電圧Ｖｇを入
力）を利用して抵抗Ｒ３１，演算増幅器Ａ３１，ＭＯＳ
トランジスタＭ３１を用いて正の温度依存性を持つ電流
Ｉｐｔａｔを発生している。Ａ３１の反転入力端と非反
転入力端が同一電位になるように働くのでＲ３１とＭ３
１の接点Ｎ１２は電圧Ｖｇに等しくなる。電圧源Ｖｐｔ
ａｔはＶｇを基準としているので抵抗Ｒ３１両端の電圧
差はＶｐｔａｔとなる。これによりＲ３１を流れる電流
Ｉｐｔａｔは、

【００２２】

【数４】Iptat ＝ Vptat/R31 となる。ＩｐｔａｔはそのままＭＯＳトランジスタＭ３
１にドレイン電流として流れ込む。Ａ３１の出力端はＭ
３１にこの電流が流れるようにゲート電圧を制御し、電
圧Ｖｂを発生する。正の温度依存性を持つ電圧源Ｖｐｔ
ａｔは図３の回路のように、電流密度の違う２つのバイ
ポーラトランジスタを用いて発生することが可能であ
る。

【００２３】負極基準電圧発生部ではＭＯＳトランジス
タＭ３２〜Ｍ３４はＷ／Ｌが全てＭ３１と等しく、Ｖｂ
が共通してそれぞれのゲートに印加されているのでＭ３
１と同じＩｐｔａｔが流れる電流源として働く。よっ
て、Ｔｒ３１〜Ｔｒ３３のエミッタ電流そしてＲ３２に
は同一の電流Ｉｐｔａｔが流れている。Ｔｒ３１〜Ｔｒ
３３のベース−エミッタ接合と抵抗Ｒ３２は直列に電圧
ｖｇを基準に負極方向にスタック状に接続されている。
Ｔｒ３１〜Ｔｒ３３は同一の特性を有し、同一のエミッ
タ電流Ｉｐｔａｔが流れているのでそれぞれのベース−
エミッタ間電圧は等しい。Ｔｒ３１〜Ｔｒ３３の各ベー
ス−エミッタ間電圧をＶｂｅ３１とすると、Ｔｒ３３の
エミッタ電圧ＶｎｒｅｆとＶｇの電圧差は、

【００２４】

【数５】 Vnref −Vg＝−(3 ・ Vbe31＋Iptat ・ R32) ＝−(3 ・ Vbe31＋Vptat ・ R32/R31) で与えられる。Ｒ３２／Ｒ３１の比を（ベース−エミッ
タ間電圧Ｖｂｅ３１）×３の負の温度依存性を打ち消す
ように適切に選べば、ＶｎｒｅｆはＶｇを基準として負
極性にバンドギャップ電圧３つ分（Ｔｒ３１＋Ｔｒ３２
＋Ｔｒ３３）の温度の変化に依存しない基準電圧を発生
することになる。これはシリコンでバイポーラトランジ
スタＴｒ３１〜Ｔｒ３３を製造した場合約−３．６Ｖで
ある。

【００２５】正極基準電圧発生部では、ＭＯＳトランジ
スタＭ３５〜Ｍ３７のＷ／Ｌが全てＭ３１と等しく、Ｖ
ｂが共通してそれぞれのゲートに印加されているので、
Ｍ３１と同じＩｐｔａｔが流れる電流源として働く。よ
って、Ｔｒ３４〜Ｔｒ３６のエミッタ電流そしてＲ３３
に流れる電流は同一でＩｐｔａｔに等しい。Ｔｒ３４〜
Ｔｒ３６とＴｒ３１〜Ｔｒ３３とは同一特性を有するの
で、それぞれのベース−エミッタ間電圧はＶｂｅ３１に
等しい。負極基準電圧発生部と同様にＴｒ３４〜Ｔｒ３
６のベース−エミッタ接合とＲ３２′がスタック状に接
続されている。ただし、ここでは負極基準電圧発生部と
異なり、Ｔｒ３４のベースがＡ３２の出力端に接続さ
れ、Ｔｒ３６のエミッタとＭ３５の接点Ｎ２がＡ３２の
反転入力端に接続されているので、負帰還ループを構成
している。Ａ３２は反転入力端と非反転入力端が同一電
位になるように働く。Ａ３２の非反転入力端にＶｇを印
加した場合、Ａ３２の出力端電圧Ｖｐｒｅｆと基準点と
なる電圧Ｖｇとの電圧差は、

【００２６】

【数６】 Vpref −Vg＝(3 ・ Vbe31＋ Vptat ・ R32′/R31) で与えられる。Ｒ３２′はＲ３２と等しいので、Ｖｂｅ
３１が３つ分の負の電圧依存性は打ち消される。よっ
て、ＶｐｒｅｆはＶｇを基準として正極方向にバンドギ
ャップ電圧３つ分の電圧（Ｔｒ３４＋Ｔｒ３５＋Ｔｒ３
６）となり、温度の変化に依存しない基準電圧となる。
これは、Ｔｒ３４〜Ｔｒ３６をシリコンで製造した場
合、約＋３．６Ｖとなる。

【００２７】なお、負極の基準電圧を適当な手段を用い
て反転させることによって正極基準電圧を得ることがで
きる。すなわち、図４の回路は演算増幅器Ａ４１と抵抗
Ｒ４１とＲ４１′で構成される反転増幅器である。また
Ｒ４１とＲ４１′は等しいので入力Ｖｉから出力Ｖｏの
利得は−１倍である。Ａ４１の非反転入力端にＶｇを接
続し、Ｖｉに負極性の基準電圧Ｖｎｒｅｆを接続すれ
ば、Ｖｏは図２のＶｐｒｅｆとほぼ等しい電圧となる。
しかし、このような手段ではノイズを多く発する。図２
の正極基準電圧発生部と図４の反転増幅器を比べると、
負帰還ループ内に抵抗を有すると言うことに関しては一
致しているが、反転増幅器の場合、入力からＡ４１の反
転入力端に抵抗が挿入されている。抵抗は熱雑音と呼ば
れるノイズを発生するので、本発明と比べてノイズ源を
多く有することになる。基準電圧発生回路の用途には低
ノイズが要求される場合があり、このような場合には本
発明は有利である。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、用いることのできるバ
イポーラトランジスタの極性が片極性に限定された場合
でも、任意の基準に対して両極性に、温度に対して不変
な、バンドギャップ電圧の整数倍の基準電圧を発生させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の回路図である。

【図２】本発明の他の実施例の回路図である。

【図３】従来例の回路図である。

【図４】反転増幅器の回路図である。

【符号の説明】

Ｔｒ２１ バイポーラトランジスタ Ｒ２１ 抵抗 Ａ２１ 演算増幅器 Ｉｐｔａｔ 電流源

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 演算増幅器と、演算増幅器の出力端にベ
   ースを接続したバイポーラトランジスタと、該バイポー
   ラトランジスタのエミッタと前記演算増幅器の反転入力
   端との間に接続した抵抗と、温度変化による前記バイポ
   ーラトランジスタのベース−エミッタ間電圧の変化を打
   ち消す電圧を前記抵抗の両端に生じさせる電流を前記抵
   抗に流し込むことにより、温度変化に依存しない不変の
   基準電圧を、前記演算増幅器の非反転入力端に接続され
   た任意の電圧を基準として、前記ベース−エミッタ接合
   の順方向極性に対して逆向きに、前記演算増幅器の出力
   端に発生させるための電流供給手段とを具えたことを特
   徴とする基準電圧発生回路。