JP3194625B2 - 定電流源回路 - Google Patents

定電流源回路

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、定電流源回路に関す
る。
【0002】
【従来の技術】図1には、従来から用いられている代表
的なバンドギャップ型定電流源回路と微小定電流源回路
が示されている。
【0003】図1において、Q1〜Q10 はトランジスタ、
R1〜R3は抵抗器である。トランジスタQ1とトランジスタ
Q2とは同一規格であり、トランジスタQ1はn個の並列接
続によって構成されており、バンドギャップ電圧を発生
させる。またトランジスタQ4〜Q8によってカレンミラー
定電流回路が構成されている。この回路において次式が
成り立つ。
【0004】 VBE(Q2)−VBE(Q1)=I(Q1)×R1 VT ln (I(Q2)/Is )−VT ln (I(Q1)/n・Is )=I(Q1)×R1 VT +ln (I(Q2)・n/I(Q1)) =I(Q1)×R1 なお、VBE( ) は( ) 内の符号で示されるトランジスタ
のベース・エミッタ間電圧,I( ) は( ) 内の符号で示
されるトランジスタのエミッタにおける電流値,R1は
抵抗器R1の抵抗値を表す。また、VT = kT/q (k:
ボルツマン定数、q:素電荷、T:絶対温度)、Is は
そのトランジスタの逆方向飽和電流を表している。
【0005】ここでトランジスタQ4、Q5のカレント
ミラー回路によって実質的にI(Q4)=I(Q5)で
ありI(Q1)≒I(Q2)であり、 ∴I(Q1)=Vlnn/R1 ……(1) となる。
【0006】ここで、たとえば、R1=6KΩ,n=1
0とすると、I(Q1)及びI(Q4)は次の関係式となる。
【0007】I(Q4)≒I(Q1)=10μA トランジスタQ7〜Q10、抵抗値Rは上記カレント
ミラー電流I(Q4)の電流値より1桁〜2桁小さい定
電流Ioutを発生させる定電流回路を構成している。こ
の回路において、次式が成り立つ。
【0008】 VBE(Q7)−VBE(Q8)=I(Q10) ×R2 VT ln (I(Q7)/Is )−VT ln (I(Q8)/Is )=I(Q10) ×R2 VT ln (I(Q7)/I(Q8)) =I(Q10) ×R2 I(Q7)/I(Q8)= exp(I(Q10) ×R2/VT ) ∴Iout =I(Q8)=I(Q7)/exp (I(Q10) ×R2)/VT ) ……(2) ただし上式は条件、Iout <<I(Q10) としている。
【0009】ここで、I(Q4)=10μA、m=1、
R2=12KΩとすると、 I(Q10)/m=I(Q7)=I(Q4)=10μA Iout≒10μA/exp(120mV/26mV) ≒10μA/100 =0.1μA となる。
【0010】このように、温度や電源電圧の変動に対し
て比較的安定な定電流を提供することができるバンドギ
ャップ型定電流源回路を基に微小定電流を供給する回路
を構成することができる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】IC(集積回路)では
電流源としてバンドギャップ型の定電流回路を用いる場
合が多い、これは電流値の比較的小さな定電流回路を、
抵抗値R1が数KΩの比較的抵抗値の小さい抵抗器R1を
用いることで形成できるためであり、また1桁〜2桁小
さい定電流源回路を上記の回路構成等により数KΩ〜数
十KΩの抵抗器を用いて実現することができる。これら
の定電流は、繰り返しパターンでトランジスタを形成す
ることによりVBEに因らず、またhFEの影響は回路構成
により小さく押えることができる。しかし上記の式(1)
からわかるように抵抗器R1の抵抗値R1により定電流の
電流値が決まるため、IC(集積回路)生産時のプロセ
スばらつきにより抵抗値が設計値からずれると定電流の
電流値もずれてしまう欠点を有している。
【0012】IC(集積回路)のプロセスばらつきには
大きく分けて2種類ある。1つは相対ばらつきと一般に
言われるICチップ内の個々の素子のばらつきであり、
もう1つは絶対ばらつきと言われる個々のICチップ内
の素子が全体的にある特性方向にシフトし、そのシフト
量がチップ(あるいはウェハ)によってばらつくもので
ある。相対ばらつきは回路動作上特性の整合性が必要な
素子を出来る限り近くに形成することによりほぼ解決す
ることができる。絶対ばらつきについては、バンドギャ
ップ型定電流源回路により発生させた定電流を抵抗器R1
と同形状の抵抗器を負荷としてそこに発生する電圧Vou
t を次段に使用または外部に出力する場合には、抵抗値
が同じ割合でばらつくため互いに打ち消し合い抵抗値の
絶対ばらつきの影響は殆どないが、電流Iout を定電流
として使用または出力する場合には抵抗値のシフト量に
応じて電流値がばらついてしまう。
【0013】上記微小定電流の出力回路においてもバン
ドギャップ型定電流源回路により発生させた電流を基に
形成しているため同様に抵抗値の絶対ばらつきに応じて
電流Iout がばらついてしまう。
【0014】本発明は上記の各種の欠点を解消した定電
流源回路の提供を目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明の定電流源回路
は、第1のトランジスタ(Q1)を備え、該第1のトラ
ンジスタ(Q1)のエミッタに接続されバンドギャップ
電圧を発生させる抵抗線幅(r1)の第1の抵抗器を有
しており、バンドギャップ電圧に基づいて第3のトラン
ジスタ(Q7)のコレクタ出力に定電流(Ia)を出力
するバンドギャップ型の第1の定電流回路と、該第1の
定電流回路の出力を入力としトランジスタの個数の比率
(m:1)で出力電流(Ib)を決定するトランジスタ
(Q9)(Q10)で構成された第1のカレントミラー
回路とベースが前記第3のトランジスタ(Q7)のベ
ースに接続された第2のトランジスタ(Q8)を有し、
該第2のトランジスタ(Q8)のエミッタに他方が第3
のトランジスタ(Q7)のエミッタに接続された抵抗線
幅(r2)の第2の抵抗器が接続されると共に前記第1
のカレントミラー回路の出力が接続され、第2のトラン
ジスタ(Q8)のコレクタを出力とする第2の定電流回
路とを有する定電流源回路であって、第2の抵抗器の線
幅(r2)を、第1の抵抗器の線幅変化による第2の抵
抗器の両端にかかる電圧(Vb)の変化量(ΔVb)
が、第1の抵抗器の線幅変化によって生じる第2の定電
流回路の出力電流の変化分を相殺するように変化する線
幅としたことを特徴とする。
【0016】
【作用】上記の関係を有する定電流源回路は、制作時の
抵抗器の線幅ばらつきが定電流出力値に影響するのを防
止し、定電流出力値のばらつきの発生をキャンセルする
補償作用を生じる。
【0017】
【実施例】本発明の実施回路例を図1に示す。図1の回
路はバンドギャップ型定電流源回路を表しており、本発
明と従来技術の相違点は回路図上には現れず、その特徴
は集積回路の形成上において現れる。しかし発明の内容
は回路図に基づいた方が解り易いため、以下にその詳細
を説明する。
【0018】図1のバンドギャップ型定電流源回路はN
PN型トランジスタQ1、Q2、Q3、Q9、Q10 、PNP型ト
ランジスタQ4〜Q8および抵抗器R1〜R3により構成されて
いる。トランジスタQ1は、トランジスタQ2と同一特性を
有するように設計されており、n個並列接続されてい
る。トランジスタQ9はトランジスタQ10 と同様の関係を
有しており、m個並列接続されている。
【0019】上記のバンドギャップ型定電流源回路にお
いて、集積回路上の抵抗器R1およびR2を形成する線幅を
以下のように設定することにより、微小定電流Iout の
電流を、抵抗器R1およびR2の線幅のばらつきに因らず一
定にすることができる。
【0020】この回路において「従来の技術」で記した
ように以下の関係が成り立つ。
【0021】 Ia=I(Q1)=Va/R1 ……(3) (ただしVa=VTlnn) Vb=R2×Ib ……(4) (ただしIout<<Ibとする) Ib=Ia/m ……(5) Iout=Ia/exp(Vb/VT) ……(6) ここで例えばR1=6KΩ、n=10、R2=12K
Ω、m=1とすると、 Ia≒Ib≒10μA Vb≒120mV Iout≒0.1μA となる (3)(4)(5)式より Vb=R2×Va/(R1×m) ∴R2×Va=Vb×(R1×m) この関係式から製造過程の抵抗器の線幅ばらつきによる
変化率だけを考えると以下のようになる。
【0022】 (R2+ΔR2)/R2={(R1+ΔR1)/R1} ×{(Vb +ΔVb)/ Vb} 抵抗値の変化率を抵抗器の線幅の変化率に置き換えると
以下のようになる。
【0023】 r2/(r2+Δr2) ={r1/(r1+Δr1)}×{(Vb +ΔVb)/ Vb} ∴(r2+Δr2)/r2={(r1+Δr1)/r1} × {Vb/( Vb +ΔVb)} ……(7) r1,r2 は抵抗器R1,R2の線幅を表しΔr1, Δr2はそのば
らつき又はシフト幅を表す。ここでΔVb は抵抗器R1,R
2 の線幅ばらつきによって抵抗器R2にかかる電圧Vb の
変化量を表す。
【0024】もしここで抵抗器R1とR2が同じ線幅(r1=
r2) であると仮定すると、抵抗器の線幅のシフト量は同
じ(Δr1=Δr2) であり、ΔVb =0となり電圧Vb は
変化しない。
【0025】次に電流IOUT が抵抗器の線幅ばらつきに
係わらず一定であるための必要条件は、抵抗器R2にかか
る電圧Vb の変化量ΔVb が以下の関係式を満たすこと
である。
【0026】 △Vb=kT/qln((r1+△r1)/r1) ……(8) 具体的な事例において考察を加える。ここでICチップ
の抵抗器R1が10μm幅であり、抵抗器の線幅のシフ
ト量が+1μmである場合について考えると、 △Vb=kT/qln((10+1)/10) ≒2.645mV 抵抗器の線幅が+1μmシフトしたとき、電圧Vbがこ
の電圧値△Vbだけ増加すればIoutの電流を一定にす
ることができる。
【0027】r1=10μm、Vb=120mV、△V
b=2.645mV、△r1=+1μmを(7)式に入
力すると、 1+△r2/r2=(11/10)×(120/122.645) =1.076277 r2=△r2/0.076277 ……(9) IC製造において抵抗器の線幅のシフト量は個々の抵抗
器の線幅に因らず実質的に一定であるので、抵抗器R2
の線幅シフト量△r2は、抵抗器R1の線幅シフト量△
r1と同じであり、 △r2=△r1=1μm であり、これを(9)式に入力すると、 r2≒13.11μm となる。
【0028】R1=6KΩ(10μm 巾),R2=12
KΩ(13.11μm 巾),n=10, m=1として、
抵抗の線幅+2μm シフトした時について考える。
【0029】 R1=(10/12)×6KΩ=5KΩ Ia =60/5=12μA R2=(13.11/15.11)×12KΩ 10/41KΩ となるため、 Vb =12μA ×10.41KΩ=124.9mVとな
る。
【0030】このVbとIaを(6)式に代入すると Iout=12μA/exp(124.9mV/26mV) ≒0.099μA となる。
【0031】この得られた数値0.099μA は、シフ
トの無い場合の数値0.1μA に対し理論誤差が約−
0.001μA となる。
【0032】また、抵抗の線幅が−2μm シフトした時
について考える。
【0033】 R1=(10/8)×6KΩ=7.5KΩ Ia=60/7.5=8μA R2=(13.11/11.11)×12KΩ≒14.16KΩ となるため、 Vb=8μA×14.16KΩ=113.28mV となる。このVbとIaを(6)式に代入すると Iout=8μA/exp(113.3mV/26mV) ≒0.102μA となる。同様に理論誤差が約0.002μAとなる。
【0034】従来の回路ではバンドギャップ定電流源回
路の基準抵抗器R1の線幅が±20%(10μm±2μ
m)シフトすると定電流Ioutも±20%(0.1μ
A±0.02μA)シフトするのに対し、実施例のシフ
ト量は±2%程度である。本発明における抵抗器R1、
R2の線幅を変える手法によって上述のようにほぼ打ち
消すことができる。
【0035】なおカレントミラー回路に於けるアーリー
効果等による定電流の変化を押さえるために図2に示す
回路構成等が考えられる。このような回路構成において
も抵抗器R1,R2 の線幅を図1の回路例の時と同様に設定
することにより定電流Ioutの抵抗器の線幅ばらつきに
よる影響をキャンセルすることができる。
【0036】また実施例ではPNPトランジスタの電流
源で説明したが、それぞれ逆の極性のトランジスタによ
ってNPNトランジスタの電流源でも構成できる。
【0037】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、抵
抗器1本の線幅のみを変更することにより、抵抗器の線
幅ばらつきによる影響を補償した定電流源回路を実現す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】定電流源回路の第一の実施例を示す図である。
【図2】定電流源回路の第二の実施例を示す図である。
【符号の説明】
Q1、Q2、Q3、Q9、Q10 NPN型トランジスタ Q4〜Q8 PNP型トランジスタ R1〜R3 抵抗器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G05F 3/26 G05F 3/30

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1のトランジスタ(Q1)を備え、該
    第1のトランジスタ(Q1)のエミッタに接続されバン
    ドギャップ電圧を発生させる抵抗線幅(r1)の第1の
    抵抗器を有しており、前記バンドギャップ電圧に基づい
    て第3のトランジスタ(Q7)のコレクタ出力に定電流
    (Ia)を出力するバンドギャップ型の第1の定電流回
    路と、該第1の定電流回路の出力を入力としトランジス
    タの個数の比率(m:1)で出力電流(Ib)を決定す
    るトランジスタ(Q9)(Q10)で構成された第1の
    カレントミラー回路とベースが前記第3のトランジス
    タ(Q7)のベースに接続された第2のトランジスタ
    (Q8)を有し、該第2のトランジスタ(Q8)のエミ
    ッタに他方が前記第3のトランジスタ(Q7)のエミッ
    タに接続された抵抗線幅(r2)の第2の抵抗器が接続
    されると共に前記第1のカレントミラー回路の出力が接
    続され、前記第2のトランジスタ(Q8)のコレクタを
    出力とする第2の定電流回路とを有する定電流源回路で
    あって、前記第2の抵抗器の線幅(r2)を、前記第1の抵抗器
    の線幅変化による前記第2の抵抗器の両端にかかる電圧
    (Vb)の変化量(ΔVb)が、前記第1の抵抗器の線
    幅変化によって生じる前記第2の定電流回路の出力電流
    の変化分を相殺するように変化する線幅とした ことを特
    徴とする定電流源回路。
  2. 【請求項2】 請求項1の定電流源回路において、前記
    第2の抵抗器の線幅(r2)を、前記第1の抵抗器の線
    幅(r1)と前記第2の抵抗器の線幅(r2)とが同一
    の値(Δr1=Δr2=Δr)だけ変化した場合、前記
    第2の抵抗器の両端にかかる電圧(Vb)の変化量(Δ
    Vb)が、kをボルツマン定数、qを素電荷、Tを絶対
    温度としたとき、ΔVb=kT/qln((r1+Δr
    1)/r1)だけ変化する線幅としたことを特徴とする
    請求項1の定電流源回路。
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