JP3467662B2 - 定電流回路 - Google Patents
定電流回路Info
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Description
する定電流値の安定化に関する。
化や該回路の電気的特性を安定化する為には、定電流回
路を具備し、該定電流回路より供給する定電流によって
該回路を駆動する方法が多く用いられている。従来技術
の定電流回路の一例を図4の回路図に示す。図4におい
て、401は正極電源、402は負極電源である。40
3はデプレション型PチャンネルMOSトランジスタ、
404と405はエンハンス型NチャンネルMOSトラ
ンジスタでカレントミラー回路である。406は定電流
で動作する被駆動回路を示す。図4の定電流回路の定電
流源はデプレション型PチャンネルMOSトランジスタ
403で、ゲートをソースと同電位に接続している。一
般に、MOSトランジスタのドレイン電流IDは、電流
増幅率をβ、しきい値をVT、ゲートとソース間電圧を
VGSとし、飽和領域で動作するとれば以下の式で与えら
れる。
タ403のソースとゲート間のバイアスが0Vで一定で
あるので、デプレション型PチャンネルMOSトランジ
スタ403の電流増幅率をβP1、しきい値をVTP1とす
れば、定電流Iは下記の式2でえられる。
って、電源電圧に依存しない定電流Iが得られる。デプ
レション型PチャンネルMOSトランジスタ403には
直列にNチャンネルMOSトランジスタ404が接続さ
れているので、NチャンネルMOSトランジスタ404
にも定電流Iが流れる。そして、NチャンネルMOSト
ランジスタ404と405はカレントミラー回路を構成
しているのでNチャンネルMOSトランジスタ405に
も定電流Iが流れる。NチャンネルMOSトランジスタ
405には直列に被駆動回路406が接続されているの
で、被駆動回路406をデプレション型PチャンネルM
OSトランジスタ403で得られた定電流Iで駆動する
事ができる。
術の場合には以下に記す課題があった。定電流源のPチ
ャンネルMOSトランジスタ403はデプレッション型
である。通常デプレッション型PチャンネルMOSトラ
ンジスタは、まずエンハンス型PチャンネルMOSトラ
ンジスタを形成し、その次に該エンハンス型Pチャンネ
ルMOSトランジスタのチャンネル部にボロン等の不純
物をイオン注入する工程を付加することによって、しき
い値を下げて形成される。ここで、エンハンス型Pチャ
ンネルMOSトランジスタ形成時のしきい値の製造ばら
つきをΔVTH1、エンハンス型PチャンネルMOSト
ランジスタのチャンネル部にボロン等の不純物をイオン
注入する工程での、しきい値の製造ばらつきをΔVTH
2とすれば、デプレッション型PチャンネルMOSトラ
ンジスタ403のしきい値のばらつきはΔVTH1+Δ
VTH2となる。エンハンス型PチャンネルMOSトラ
ンジスタのしきい値のばらつきΔVTH1よりも更に+
ΔVTH2だけばらつきが大きくなる。定電流値は上記
の式2の様に、しきい値の二乗に比例するので、デプレ
ッション型PチャンネルMOSトランジスタ403で決
定される定電流値のばらつきも大きくなり、被駆動回路
の特性が安定しなくなったり、また、しきい値が低めに
ばらついた時は、該定電圧回路が動作に必要な電流より
も過大な電流を消費してしまうという課題があった。ま
た、MOSトランジスタの電流増幅率及びしきい値は温
度特性をもっているので、温度の変化によって定電流値
が変動してしまうという課題があった。
に、本発明の定電流回路は、定電流を発生させる第一の
MOSトランジスタのゲートに、前記第一のMOSトラ
ンジスタと同極の第二のMOSトランジスタのしきい値
の値を印加した事を特徴とする。
と第二の電源間に第一のMOSトランジスタと、前記第
一のMOSトランジスタと逆極性の第二のMOSトラン
ジスタとが直列に接続され、前記第一のMOSトランジ
スタはダイオード接続され、前記第二のMOSトランジ
スタのゲートは、前記第一の電源に接続される第一の回
路と、前記第一の電源と、前記第二の電源間に前記第一
のMOSトランジスタと同極性の第三のMOSトランジ
スタと、前記第二のMOSトランジスタと同極性の第四
のMOSトランジスタとが直列に接続され、前記第三の
MOSトランジスタのゲートは、前記第一のMOSトラ
ンジスタのドレインに接続され、前記第四のMOSトラ
ンジスタはダイオード接続されてなる第二の回路とから
なる、前記第二のMOSトランジスタと前記第四のMO
Sトランジスタのしきい値の差を出力する定電圧回路
と、定電流を発生させる第五のMOSトランジスタと、
前記第五のMOSトランジスタと逆極性の第六のMOS
トランジスタを有し、前記第五のMOSトランジスタの
ゲートに、前記定電圧回路の出力する定電圧より、前記
第六のMOSトランジスタのしきい値の値を減じた値を
印加したことを特徴とする。
と、第二の電源間に第一のMOSトランジスタと、前記
第一のMOSトランジスタと逆極性の第二のMOSトラ
ンジスタとが直列に接続され、前記第一のMOSトラン
ジスタはダイオード接続され、前記第二のMOSトラン
ジスタのゲートは、前記第一の電源に接続される第一の
回路と、前記第一の電源と、前記第二の電源間に前記第
一のMOSトランジスタと同極性の第三のMOSトラン
ジスタと、前記第二のMOSトランジスタと同極性の第
四のMOSトランジスタとが直列に接続され、前記第三
のMOSトランジスタのゲートは前記第一のMOSトラ
ンジスタのドレインに接続され、前記第四のMOSトラ
ンジスタはダイオード接続されてなる第二の回路と、前
記第一の電源と、前記第二の電源間に前記第一のMOS
トランジスタと同極性の第五のMOSトランジスタと、
前記第二のMOSトランジスタと同極性の第六のMOS
トランジスタとが直列に接続され、前記第五のMOSト
ランジスタのゲートは前記第四のMOSトランジスタの
ドレインに接続され、前記第六のMOSトランジスタは
ダイオード接続されてなる第三の回路とを、有する定電
流回路において、前記第五のMOSトランジスタのしき
い値と、前記第二のMOSトランジスタのしきい値と前
記第四のMOSトランジスタしきい値の差との差が、
0.5Vから1.35Vの範囲であることを特徴とす
る。
スタのしきい値のばらつきを最小限に抑えられるので、
安定した定電流値が得られる。また本発明によれば、温
度変化に対しても一定の定電流が得られるので、被駆動
回路の電気的特性を安定化できる。
る。請求項1について図1で説明する。図1は、MOS
トランジスタで定電流回路を構成した本発明の一実施例
を示す回路図である。図1において101は正極電源、
102は負極電源である。108は定電流で駆動される
被駆動回路である。103はA点にバイアスを発生させ
る為の定電流で、ゲートとドレインを同電位に接続した
PチャンネルMOSトランジスタ104と直列に接続す
る事によって、A点と正極電源101の間にPチャンネ
ルMOSトランジスタ104のしきい値に依存したバイ
アスが得られる。PチャンネルMOSトランジスタ10
5は定電流源トランジスタで、ゲートにはA点のバイア
スが印加されている。NチャンネルMOSトランジスタ
106と107はカレントミラー回路で、定電流源MO
Sトランジスタ105より得られた定電流を被駆動回路
108へ供給する。定電流源MOSトランジスタ105
は、PチャンネルMOSトランジスタ104と同様に製
造された後、チャンネル部にボロン等の不純物をイオン
注入する工程を付加することによって、しきい値をPチ
ャンネルMOSトランジスタ104より下げて形成され
ている。そして、定電流103の定電流値をIo、Pチ
ャンネルMOSトランジスタ104の電流増幅率をβ10
4、しきい値をVT104、定電流源MOSトランジスタ1
05の電流増幅率をβ105、しきい値をVT105、Nチャ
ンネルMOSトランジスタ106の電流増幅率をβ10
6、しきい値をVT106、NチャンネルMOSトランジス
タ107の電流増幅率をβ107、しきい値をVT107と
し、しきい値VT106=VT107とすれば、被駆動回路1
08に供給される定電流I1は以下の式3で与えられ
る。
I1は、ほぼ以下の式4で与えられる。
1が得られる。ここで、VT104のしきい値を持つトラ
ンジスタ製造時のしきい値ばらつきをΔVTH3とす
る。VT105のしきい値を持つトランジスタは、VT104
のしきい値を持つトランジスタのチャンネル部にボロン
等の不純物をイオン注入する工程を付加して製造されて
いるので、該付加されたボロン等の不純物をイオン注入
する工程でのしきい値の製造ばらつきをΔVTH4とす
れば、VT105のしきい値を持つMOSトランジスタの
しきい値ばらつきはΔVTH3+ΔVTH4となる。式
4より、定電流I1はしきい値VT104としきい値VT1
05の差の二乗に比例するから、しきい値のばらつきの影
響はΔVTH3−(ΔVTH3+ΔVTH4)であるか
らΔVTH4だけとなる。従って、定電流値に影響を与
えるしきい値の製造ばらつきの影響は、単独MOSトラ
ンジスタの製造ばらつきだけである。
移動度の温度依存性、また、しきい値はフェルミ電位の
温度依存性より、各々温度特性をもっている。その値
は、一般的にPチャンネルMOSトランジスタもNチャ
ンネルMOSトランジスタもほぼ同じで、電流増幅率で
−0.3%/℃〜−0.4%/℃、しきい値の絶対値で
−1mV/℃〜−2mV/℃程度である。MOSトラン
ジスタの電流増幅率及びしきい値は、上述の様に、共に
負の温度特性をもっている。よって式1より、電流増幅
率の温度特性の影響は、ドレイン電流IDには正の温度
特性として現れ、しきい値の温度特性の影響は、ドレイ
ン電流IDには負の温度特性として現れるので、MOS
トランジスタのドレイン電流IDは温度に対して複雑な
変化をする事となる。しかしながら、本発明の式4によ
れば、しきい値の影響は(VT104-VTP3)2 で与えられ
るので、VT104とVT105のしきい値の温度変化は互い
にキャンセルされ、しきい値の温度特性の影響がドレイ
ン電流に相当する定電流I1に現れてこない。従って、
定電流値I1は電流増幅率の温度特性の影響のみを受け
るので、−0.3%/℃〜−0.4%/℃の負の勾配を
持つ直線として得られる。
図で説明する。図2は本発明の一実施例を示す回路図で
ある。図2において201は正極電源。202は負極電
源。212は定電流で駆動される被駆動回路。Pチャン
ネルMOSトランジスタ205、206とNチャンネル
MOSトランジスタ203、204は定電圧回路を構成
する。動作については後述する。213はバッファとし
てのオペアンプで、C点に発生した定電圧をインピーダ
ンス変換しF点に出力する。PチャンネルMOSトラン
ジスタ207はD点にバイアスを発生させる為の電流
源。PチャンネルMOSトランジスタ209は定電流源
トランジスタ。NチャンネルMOSトランジスタ208
は、定電流源トランジスタ209のゲートにバイアスを
与える為のMOSトランジスタ。NチャンネルMOSト
ランジスタ210、211はカレントミラー回路で、定
電流源トランジスタ209によって得られた定電流を被
駆動回路212へ供給する。
MOSトランジスタ205の電流増幅率をβP5、しきい
値をVTP5、PチャンネルMOSトランジスタ206の
電流増幅率をβP6、しきい値をVTP6、NチャンネルM
OSトランジスタ203の電流増幅率をβN3、しきい値
をVTN3、NチャンネルMOSトランジスタ204の電
流増幅率をβN4、しきい値をVTN4、B点の電位をV
E、C点の電位をVO、電源電圧をVDDとすれば、以
下の二つの式が得られる。
れば上記式5と式6から、以下の式7が得られる。
ば、正極電源201とC点の間に、VTN3とVTN4のし
きい値の差の、電源電圧に依存しない定電圧が得られ
る。正極電源201とC点の間に得られる定電圧は、V
TN3とVTN4のしきい値の差で与えられ、しきい値VT
N3とVTN4の温度特性は同じであるので、温度変化の影
響を受けない。C点に得られた定電圧は、オペアンプ2
13によってインピーダンス変換されF点に出力され
る。正極電源201とF点の間には、PチャンネルMO
Sトランジスタ207とNチャンネルMOSトランジス
タ208が直列に接続されている。NチャンネルMOS
トランジスタ208は、ソースをF点に接続しゲートと
ドレインを共通に接続されている。PチャンネルMOS
トランジスタ207はゲートにF点の定電圧が印加され
電流を発生するので、F点とD点の間にはNチャンネル
MOSトランジスタ208のしきい値に依存したバイア
スが得られる。D点はPチャンネルMOSトランジスタ
209のゲートに接続されている。従って、定電流源P
チャンネルMOSトランジスタ209のソースは正極電
源201であるので、定電流源PチャンネルMOSトラ
ンジスタ209のソースとゲート間電圧は、C点に得ら
れる定電圧、つまり式6のVDD−VOの値から、Nチ
ャンネルMOSトランジスタ208のしきい値を減じた
値として与えられる。ここで、PチャンネルMOSトラ
ンジスタ207の電流増幅率をβ207、しきい値をVT2
07、NチャンネルMOSトランジスタ208の電流増幅
率をβ208、しきい値をVT208、定電流源Pチャンネル
MOSトランジスタ209の電流増幅率をβ209、しき
い値をVT209、NチャンネルMOSトランジスタ21
0の電流増幅率をβ210、しきい値をVT210、Nチャン
ネルMOSトランジスタ211の電流増幅率をβ211、
しきい値をVT211、電源電圧をVDD、F点の電位を
VOとし、VT210=VT211とすれば、被駆動回路21
2に供給される定電流値I2は、以下の式8で与えられ
る。
2は、ほぼ以下の式9で得られる。
て、電流増幅率β209の温度特性を−0.4%/℃と
し、しきい値の温度特性を−2mV/℃とする。VDD
−VOを1.5V、25℃の時のVT209とVT208の絶
対値を0.5Vとする。そして、25℃の時の定電流I
2を基準として、50℃の時の定電流I2を求める。5
0℃の時のβ209は−0.4%/℃×(50℃−25
℃)であるから、25℃の時に対して−10%となる。
一方、25℃の時の{(VDD−VO)−VT208−V
T209)2 は(1.5−0.5−0.5)2 であるので
0.25となる。50℃の時の{(VDD−VO)−V
T208−VT209}2 は、しきい値VT208とVT209が−
2mV/℃×(50℃−25℃)=−0.05V変化す
るので(1.5−0.45−0.45)2 =0.36と
なる。この値は25℃の時の値に対して+44%とな
り、電流増幅率の温度特性の影響の−10%を凌駕す
る。従って、定電流値I2は正の温度特性を持つ定電流
として得られる。
する。図3において。301は正極電源。302は負極
電源。310は定電流で駆動される被駆動回路である。
PチャンネルMOSトランジスタ305、306とNチ
ャンネルMOSトランジスタ303、304は定電圧回
路で、請求項2の説明で述べた様に、PチャンネルMO
Sトランジスタ305、306のしきい値と電流増幅率
を同じとし、更にNチャンネルMOSトランジスタ30
3、304の電流増幅率を同じとし、Nチャンネルトラ
ンジスタ303のしきい値をVTN5、Nチャンネルトラ
ンジスタ304のしきい値をVTN6とすれば、正極電源
301とE点間には以下の式10で示す定電圧が得られ
る。
MOSトランジスタ303のしきい値から、Nチャンネ
ルMOSトランジスタ304のしきい値を減じた定電圧
が得られる。PチャンネルMOSトランジスタ307は
定電流源MOSトランジスタで、ソースを正極電源30
1としゲートはE点に接続されているので、ゲートとソ
ース間バイアスは上記の式10でえられた電圧となる。
307のしきい値をVT307、電流増幅率をβ307、Nチ
ャンネルMOSトランジスタ308のしきい値をVT30
8、電流増幅率をβ308、NチャンネルMOSトランジス
タ309のしきい値をVT309、電流増幅率をβ309とす
れば、被駆動回路310に供給される定電流I3は、以
下の式11で得られる。
の式12で得られる。
スは、NチャンネルMOSトランジスタ303のしきい
値VTN5から、NチャンネルMOSトランジスタ304
のしきい値VTN6を減じた定電圧が印加されていて、N
チャンネルMOSトランジスタ303と304のしきい
値の温度特性は同じだから、温度による該定電圧値の変
化はない。一方、定電流源トランジスタ307の電流増
幅率、及びしきい値は温度特性を持つ。
つまり定電流源トランジスタ307のゲートとソース間
電圧、つまり式12の(VTN5−VTN6)を1.5V、
定電流源トランジスタ307のしきい値、つまり式12
のVT307を0.5Vとする。そして、25℃の時の定
電流I3に対しての50℃の時の定電流I3とを、式1
2より比較してみる。電流増幅率βの温度特性を−0.
4%/℃、しきい値の温度特性を−2mV/℃とする。
そして、25℃の時のβ307を1とする。25℃の時の
(VTN5−VTN6−VTP7)2 は(1.5−0.5)2
だから1である。対して、50℃の時のβ307は(50
℃−25℃)×−0.4%/℃であるので−10%とな
る。50℃の時の(VTN5−VTN6−VTP7)2 は
[1.5−0.5+{−2mV/℃×(50℃−25
℃)}]2 であるので(VTN5−VTN6−VTP7)2は
1.1025Vとなる。これは25℃の時の(VTN5−
VTN6−VTP7)2に対して+10.25%である。こ
の事は、電流増幅率の温度特性の影響による定電流源ト
ランジスタのドレイン電流I3の変化を、しきい値の温
度特性の影響によってほぼキャンセルしている事を示し
ている。つまり、−0.3%/℃〜−0.4%/℃の温
度特性を持つ電流増幅率βに対して、(VGS−VT)2
の値を+0.3%/℃〜+0.4%/℃の温度特性を持
つ様にVGS−VTの値を設定すれば、電流源トランジス
タのドレイン電流は温度の変化に対しても、ほぼ一定の
定電流値を示す。ところで、MOSトランジスタの温度
特性は、MOSトランジスタ製造条件等の影響で、電流
増幅率で−0.3%/℃〜−0.4%/℃、しきい値で
−1mV/℃〜−2mV/℃程度であるのは前述の通り
である。電流増幅率の−0.3%/℃〜−0.4%/℃
と、しきい値の−1mV/℃〜−2mV/℃の範囲の組
み合わせで、+0.3%/℃〜+0.4%/℃の温度特
性を持つ(VGS−VT)2 のVGS−VTを計算すれば、
約0.5Vから1.35Vが得られる。
電流を発生させるMOSトランジスタのゲートに、前記
定電流を発生させるMOSトランジスタと同極のMOS
トランジスタのしきい値相当の電圧を印加するので、前
記定電流を発生させるMOSトランジスタのしきい値の
製造ばらつきを最小限に押さえる事ができる。
スタのしきい値の温度特性が定電流値に影響を与えない
ので、電流増幅率の温度特性だけに依存し、温度に対し
て負の特性を持つ定電流が得られ、低温側での被駆動回
路の動作マージンを向上させる事ができる。
るMOSトランジスタにおいて、電流増幅率の温度特性
よりもしきい値の温度特性の影響を大きくできるので、
温度に対して正の特性を持つ定電流が得られ、高温側で
の被駆動回路の動作マージンを向上させる事ができる。
るMOSトランジスタにおいて、電流増幅率の温度特性
が与える定電流値への影響と、しきい値の温度特性が与
える定電流値への影響とが相殺できるので、温度変化に
対して安定した定電流値が得られる。
スタ 404 NチャンネルMOSトランジスタ 405 NチャンネルMOSトランジスタ 406 被駆動回路
Claims (2)
- 【請求項1】 第一の電源と第二の電源間に第一のMO
Sトランジスタと、前記第一のMOSトランジスタと逆
極性の第二のMOSトランジスタとが直列に接続され、
前記第一のMOSトランジスタはダイオード接続され、
前記第二のMOSトランジスタのゲートは、前記第一の
電源に接続される第一の回路と、 前記第一の電源と、前記第二の電源間に前記第一のMO
Sトランジスタと同極性の第三のMOSトランジスタ
と、前記第二のMOSトランジスタと同極性の第四のM
OSトランジスタとが直列に接続され、前記第三のMO
Sトランジスタのゲートは、前記第一のMOSトランジ
スタのドレインに接続され、前記第四のMOSトランジ
スタはダイオード接続されてなる第二の回路とからな
る、 前記第二のMOSトランジスタと前記第四のMOSトラ
ンジスタのしきい値の差を出力する定電圧回路と、 定電流を発生させる第五のMOSトランジスタと、 前記第五のMOSトランジスタと逆極性の第六のMOS
トランジスタを有し、 前記第五のMOSトランジスタのゲートに、前記定電圧
回路の出力する定電圧より、前記第六のMOSトランジ
スタのしきい値の値を減じた値を印加したことを特徴と
する定電流回路。 - 【請求項2】 第一の電源と、第二の電源間に第一のM
OSトランジスタと、前記第一のMOSトランジスタと
逆極性の第二のMOSトランジスタとが直列に接続さ
れ、前記第一のMOSトランジスタはダイオード接続さ
れ、前記第二のMOSトランジスタのゲートは、前記第
一の電源に接続される第一の回路と、 前記第一の電源と、前記第二の電源間に前記第一のMO
Sトランジスタと同極性の第三のMOSトランジスタ
と、前記第二のMOSトランジスタと同極性の第四のM
OSトランジスタとが直列に接続され、前記第三のMO
Sトランジスタのゲートは前記第一のMOSトランジス
タのドレインに接続され、前記第四のMOSトランジス
タはダイオード接続されてなる第二の回路と、 前記第一の電源と、前記第二の電源間に前記第一のMO
Sトランジスタと同極性の第五のMOSトランジスタ
と、前記第二のMOSトランジスタと同極性の第六のM
OSトランジスタとが直列に接続され、前記第五のMO
Sトランジスタのゲートは前記第四のMOSトランジス
タのドレインに接続され、前記第六のMOSトランジス
タはダイオード接続されてなる第三の回路とを、有する
定電流回路において、 前記第五のMOSトランジスタのしきい値と、 前記第二のMOSトランジスタのしきい値と前記第四の
MOSトランジスタしきい値の差との差が、0.5Vか
ら1.35Vの範囲であることを特徴とする定電流回
路。
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JPH09128067A JPH09128067A (ja) | 1997-05-16 |
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