JP3591253B2

JP3591253B2 - 温度補償回路及びこれを用いた基準電圧発生回路

Info

Publication number: JP3591253B2
Application number: JP33002697A
Authority: JP
Inventors: 直純脇
Original assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Current assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Priority date: 1997-12-01
Filing date: 1997-12-01
Publication date: 2004-11-17
Anticipated expiration: 2017-12-01
Also published as: JPH11161356A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度補償回路、特に定電圧回路等に用いられるコレクタ電位の温度補償回路及びこれを用いた基準電圧発生回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
低電圧回路において、安定な回路動作を確保するためには、周囲温度や電源変動に対し、変化しない精度の高い基準電圧が必要である。図２は、従前の例による温度補償された基準電圧発生回路である。この基準電圧発生回路は電流源１、電流源２、コレクタ・ベース間を接続したダイオード機能を有するトランジスタＱ１、差動増幅器を構成するトランジスタＱ２及びトランジスタＱ３（なお、トランジスタＱ３は、トランジスタＱ２とほぼ同じ特性のものである。ただ、エミッタの面積がトランジスタＱ２に対してそのエミッタ面積がＮ倍にされており、電流がトランジスタＱ２のＮ倍である点が異なる。）、カレントミラーを構成するトランジスタＱ４及びトランジスタＱ５、基準電圧発生回路の出力のインピーダンスを調整するインピーダンス調整用のトランジスタＱ６並びに抵抗Ｒ１乃至抵抗Ｒ５より構成される。出力端子４の出力ＶＺが、基準電圧発生回路の出力で基準電圧となる。
【０００３】
この基準電圧発生回路の温度補償は次のように行われる。基準電圧発生回路の出力ＶＺは、Ｃ点での電位Ｖ（Ｃ）に（（Ｒ５＋Ｒ４）／Ｒ４）倍したものであるから、Ｃ点での電位Ｖ（Ｃ）の電位の温度補償がなされれば、基準電圧発生回路の出力ＶＺが温度補償されることとなる。そこで、Ｃ点での電位Ｖ（Ｃ）の電位について検討する。基準電圧発生回路のＣ点での電位Ｖ（Ｃ）は、Ａ点の電位Ｖ（Ａ）にトランジスタＱ２及びトランジスタＱ３のオフセット電位がオンされたもの（＝Ｖ（Ａ）＋Ｖｏｆｆ）であるから、このＣ点での電位Ｖ（Ｃ）の電位の温度変動は、Ａ点の電位Ｖ（Ａ）の温度特性とトランジスタＱ２及びトランジスタＱ３のオフセット電位との温度特性が打ち消されるようにすればなくなる。
【０００４】
トランジスタＱ１のベース・エミッタ間電圧をＶＦとすると、Ａ点の電位Ｖ（Ａ）は、ベース・エミッタ間電圧ＶＦが、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３により分割されたものであるから、Ａ点の電位Ｖ（Ａ）は、
Ｖ（Ａ）＝ＶＦ＊Ｒ２／（Ｒ２＋Ｒ３） …………（１）
と、表記できる。
【０００５】
一方、トランジスタＱ２とトランジスタＱ３のオフセット電圧Ｖｏｆｆは（トランジスタＱ３から見て）、
Ｖｏｆｆ＝（ｋＴ／ｑ）・ｌｎ（Ｉ１／ＩＳ）−（ｋＴ／ｑ）・ｌｎ（Ｉ２／Ｎ＊ＩＳ）………（２）
ただし、ＩＳは、トランジスタＱ２の飽和電流
Ｎ＊ＩＳは、トランジスタＱ３の飽和電流（トランジスタＱ２のＮ倍のエミッタ面積を有し、その飽和電流もＮ倍である。）
ｋは、ボルツマン係数
Ｔは、絶対温度
Ｉ１は、トランジスタＱ２に流れる電流
Ｉ２は、トランジスタＱ３に流れる電流
であることが知られている。
【０００６】
Ａ点の電位Ｖ（Ａ）と差動増幅器を構成するトランジスタＱ２及びトランジスタＱ３の温度特性が打ち消されるとは、Ｖ（Ａ）とＶｏｆｆ（トランジスタＱ２から見た）の温度特性を等しくすることであるから、
（ｄ／ｄＴ）Ｖ（Ａ）＝（ｄ／ｄＴ）｛（ｋＴ／ｑ）・ｌｎ（Ｉ１／ＩＳ） −（ｋＴ／ｑ）・ｌｎ（Ｉ２／Ｎ＊ＩＳ）｝…（３）
この右辺は、
【０００７】
【数１】

【０００８】
であるから、（３）式は、
【０００９】
【数２】

【００１０】
のように変形できる。従って、式（４）を満たすように、トランジスタＱ１乃至トランジスタＱ３を選定することにより、温度に対して安定な電源を供給することができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記の通り、従来のものでも、一応の温度補償はなされるものの、実際には、ＶＦの温度係数は、トランジスタＱ１に流れる電流Ｉ４の値に依存するので、従前の例によるものは、電流Ｉ４の変動を考慮しておらず万全ではない。つまり、その電流Ｉ４もまた温度よって変動するので、総合的に見るとＶＦの温度係数自体、図３に示す通り一定（Ａ）ではなく、温度に対して負の温度係数（Ｂ）を有している。してみると、従来のものは、電流Ｉ４の変動を考慮していないので、特定の電流Ｉ４に対しての補償であり、換言すれば一定の温度係数に対しての温度補償である（電流Ｉ４が一定の場合に成立する温度補償といえる。）といえる。
【００１２】
従来例のものでは、実際には電流Ｉ４が温度に対して変動しているので、基準電圧ＶＺは図４の（Ｃ）のような特性となり、十分な温度補償がなされない。なお、図４に示す（Ｄ）は、電流Ｉ４の値が一定の場合の基準電圧ＶＺの特性である。
本発明は、上記問題を解決するために、トランジスタに流れる電流をも考慮し、より正確な温度補償を行うことを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載されたトランジスタのコレクタ電位の温度補償回路に関する発明は、トランジスタＱ１のコレクタと電源との間に、第一の抵抗Ｒ６と第二の抵抗Ｒ７を設け、前記第一の抵抗Ｒ６と前記第二の抵抗Ｒ７との接続点を前記トランジスタＱ１のベースに接続したトランジスタのコレクタ電位の温度補償回路であって、電源側に設けた前記第一の抵抗Ｒ６の値をＲＡとし、トランジスタ側に設けた前記第二の抵抗Ｒ７の値をＲＢとしたとき、ＲＡ（ｄＲＡ／ｄＴ）＜ＲＢ（ｄＲＡ／ｄＴ）の関係を有することを特徴とする。
【００１４】
請求項１記載の発明によれば、温度変動によりトランジスタＱ１のベース・エミッタ間の電位が変動し、トランジスタＱ１のコレクタ電流が変動しようとするが、第一の抵抗Ｒ６の値をＲＡ、トランジスタ側に設けた前記第二の抵抗Ｒ７の値をＲＢとしたとき、ＲＡ（ｄＲＢ／ｄＴ）＜ＲＢ（ｄＲＡ／ｄＴ）の関係を持たせることにより、トランジスタＱ１のコレクタ電位を一定とし、その結果、コレクタ電流も一定となり、コレクタ電流を一定としたまま、温度補正ができ、より正確な温度補償を行うことができる。
【００１５】
請求項２に記載された基準電圧発生回路に関する発明は、差動増幅器を構成する第一のトランジスタＱ２及び第二のトランジスタＱ３、前記第１のトランジスタ及び第二のトランジスタの一方の入力側にコレクタが接続され基準電位を生成する第三のトランジスタＱ１並びに前記第一のトランジスタ及び第二のトランジスタに電流を供給する電流源（１、２）を有する基準電圧発生回路において、前記第三のトランジスタのコレクタと該第三のトランジスタの電源との間に、第一の抵抗と第二の抵抗を設け、前記第一の抵抗と前記第二の抵抗との接続点を前記第三のトランジスタのベースに接続して、前記第三のトランジスタのコレクタ電位の温度補償を行う温度補償回路６を設けたことを特徴とする。
【００１６】
請求項２記載の発明によれば、差動増幅器のオフセットの電位の温度特性による補償と基準電位を生成するトランジスタＱ１のコレクタ電位の温度補償とを行うことにより、より正確な温度補償を行う基準電圧発生回路を提供することができる。請求項３に記載された基準電圧発生回路に関する発明は、請求項２記載の基準電圧発生回路において、前記トランジスタのコレクタ電位の温度補償回路が、請求項１記載のトランジスタのコレクタ電位の温度補償回路であることを特徴とする。
【００１７】
請求項３記載の発明によれば、差動増幅器のオフセットの電位の温度特性による補償とトランジスタＱ１に流れる電流Ｉ４をも考慮した基準電位を生成するトランジスタＱ１のコレクタ電位の温度補償とを行うことにより、より正確な温度補償を行う基準電圧発生回路を提供することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。
図１は、本発明の実施の形態図である。トランジスタＱ１のコレクタ抵抗Ｒ６及び抵抗Ｒ７の結合点にトランジスタＱ１のベースを接続している補償回路６を除いて、回路的には図２と同じ回路である。つまり、本発明における基準電圧発生回路は電流源１、電流源２、コレクタ・ベース間を接続したダイオード機能を有するトランジスタＱ１、差動増幅器を構成するトランジスタＱ２及びトランジスタＱ３（なお、トランジスタＱ３は、トランジスタＱ２に対してそのエミッタ面積がＮ倍にされている。）、カレントミラーを構成するトランジスタＱ４及びトランジスタＱ５、基準電圧発生回路のインピーダンス調整用のトランジスタＱ６並びに抵抗Ｒ２乃至抵抗Ｒ６より構成される。出力端子４の出力ＶＺが、基準電圧発生回路の出力となっている。
【００１９】
次に、この回路の動作について説明する。補償回路６に流れるトランジスタＱ１のエミッタ電流Ｉ４は、コレクタ抵抗Ｒ６に流れる電流と同じであるから、トランジスタＱ１のベース・エミッタ間電圧をＶＦとし、基準電圧発生回路の出力をＶＺとすると、
Ｉ４＝（ＶＺ−ＶＦ）／Ｒ６ ……………（５）
であり、電流Ｉ４は温度変化に対して、トランジスタＱ１のベース・エミッタ間電圧ＶＦにより、その値を大きく変える。しかし、トランジスタＱ１のコレクタのＢ点の電位Ｖ（Ｂ）が温度変化に対して一定であれば、トランジスタＱ１のエミッタ電流Ｉ４は一定となる。なぜならば、トランジスタＱ１のエミッタ電流Ｉ４は、トランジスタＱ１のベースに流れるベース電流Ｉ５は小さいので無視すると（つまり、トランジスタＱ１のコレクタ電流が、トランジスタＱ１のエミッタ電流Ｉ４と同じであるとすると）、
Ｉ４＝（ＶＺ−Ｖ（Ｂ））／（Ｒ６＋Ｒ７） ………（６）
でもあり、Ｒ６、Ｒ７の温度係数はトランジスタＱ１の特性変化（特にＶ（Ｂ）の特性）に対しては無視しうる変化であり、更にＶＺの温度係数を一定とすると、トランジスタＱ１のエミッタ電流Ｉ４の温度特性は、Ｖ（Ｂ）の温度特性に依存する。従って、トランジスタＱ１のコレクタのＢ点の電位Ｖ（Ｂ）が温度変化に対して一定であれば、トランジスタＱ１のエミッタ電流Ｉ４も温度変化に対して一定となることになる。
【００２０】
そこで、補償回路６のＢ点の電位Ｖ（Ｂ）についてみる。
トランジスタＱ１のエミッタ電流Ｉ４は、上記したように、
Ｉ４＝（ＶＺ−ＶＦ）／Ｒ６ ……………（５）
であり、
また、補償回路６のＢ点の電位Ｖ（Ｂ）は、トランジスタＱ１のベースに流れるベース電流Ｉ５は小さいので無視すると、
Ｖ（Ｂ）＝ＶＺ−Ｉ４＊（Ｒ６＋Ｒ７） ……………（７）
となる。これに、式（５）を代入すると

となる。ここで、Ｖ（Ｂ）が温度変化に対して、一定ということは、上記式（９）の右辺の温度のよる微分がゼロということである。そこで、式（９）の微分は、
【００２１】
【数３】

【００２２】
と表せる。右辺の第１項は、図３に示すように、マイナスの係数であり、右辺の第２項の「−（ＶＺ−ＶＦ）」は、「−ＶＺ＋ＶＦ」である、ここで、ＶＺが温度に対して変動しないとすると、「−ＶＺ＋ＶＦ」全体は、ＶＦと同じ負の温度係数となるから、式（１０）の右辺をゼロとするのであれば、Ｒ７／Ｒ６の温度係数を負とする必要がある。従って、式（９）の右辺をゼロとするには、
ｄ（Ｒ７／Ｒ６）／ｄＴ＜０ ……………（１１）
であり、これは、
【００２３】
【数４】

【００２４】
となり、また、分母のＲ６^２は、正であるから、結果として、
【００２５】
【数５】

【００２６】
が得られる。
これは、Ｒ６（ｄＲ７／ｄＴ）＜Ｒ７（ｄＲ６／ｄＴ）……（１４）
であるから、この式（１４）を満たす場合に、補償回路６のＢ点の電位Ｖ（Ｂ）が、一定となることができ、しいては、トランジスタＱ１のエミッタ電流Ｉ４も一定となることができ、電源回路自体の温度補償が的確に行われることが可能となる。
【００２７】
この発明は、ＩＣ基板の電源回路に適応することができる。その場合、抵抗として、イオン打ち込み抵抗、ベース抵抗、ピンチ抵抗、バルク抵抗等を利用することができる。
なお、電流回路１及び電流回路２は必ずしも、厳密に電流源である必要はなく抵抗で代替することができる。更に、トランジスタとして、ＮＰＮ型で図示されているが、ＰＮＰ型でも同じように構成することは自明である。
【００２８】
また、補償回路６の作用として、全体の基準電圧発生回路の温度係数がゼロ又はそれ以上とする場合について説明したが、本発明の温度補償回路は温度係数をゼロとする以外に、正にもまた負にもその必要に応じて任意に設定する回路に有用である。
【００２９】
【発明の効果】
上述の如く本発明によれば、次に述べる種々の効果を実現することができる。請求項１記載の発明によれば、温度変動によりトランジスタＱ１のベース・エミッタ間の電位が変動し、トランジスタＱ１のコレクタ電流が変動しようとするが、電源がわに設けた第一の抵抗Ｒ６の値をＲＡ、トランジスタ側に設けた前記第二の抵抗Ｒ７の値をＲＢとしたとき、ＲＡ（ｄＲＢ／ｄＴ）＜ＲＢ（ｄＲＡ／ｄＴ）の関係を持たせることにより、トランジスタＱ１のコレクタ電位を一定とし、その結果、コレクタ電流も一定となり、コレクタ電流を一定としたまま、温度補正ができ、より正確な温度補償を行うことができる。
【００３０】
請求項２記載の発明によれば、差動増幅器のオフセットの電位の温度特性による補償と基準電位を生成するトランジスタＱ１のコレクタ電位の温度補償とを同時に行うことにより、より正確な温度補償を行う基準電圧発生回路を提供することができる。
請求項３記載の発明によれば、差動増幅器のオフセットの電位の温度特性による補償とトランジスタＱ１に流れる電流Ｉ４をも考慮した基準電位を生成するトランジスタＱ１のコレクタ電位の温度補償とを行うことにより、より正確な温度補償を行う基準電圧発生回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を説明するための図である。
【図２】従来例を説明するための図である。
【図３】トランジスタＱ１のベース・エミッタ間電位ＶＦの温度特性を説明するための図である。
【図４】基準電圧源の出力のＶＺの温度特性を説明するための図である。
【図５】トランジスタＱ１のコレクタの電位Ｖ（Ｂ）の温度係数を説明するための図である。
【符号の説明】
１、２電流源
３グランド
４基準電圧出力
５ＶＣＣ
６補償回路
Ｑ２、Ｑ３差動増幅器
Ｑ６インピーダンス調整用トランジスタ

Claims

トランジスタのコレクタと電源との間に、第一の抵抗と第二の抵抗を設け、前記第一の抵抗と前記第二の抵抗との接続点を前記トランジスタのベースに接続したトランジスタのコレクタ電位の温度補償回路であって、
電源側に設けた前記第一の抵抗の値をＲＡとし、トランジスタ側に設けた前記第二の抵抗の値をＲＢとしたとき、ＲＡ（ｄＲＢ／ｄＴ）＜ＲＢ（ｄＲＡ／ｄＴ）
ただし、（ｄＲＡ／ｄＴ）及び（ｄＲＢ／ｄＴ）は、それぞれ、ＲＡ及びＲＢの温度Ｔによる微分の関係を有することを特徴とするトランジスタのコレクタ電位の温度補償回路。
差動増幅器を構成する第一のトランジスタ及び第二のトランジスタ、前記第１のトランジスタ及び第二のトランジスタの一方の入力側にコレクタが接続され基準電位を生成する第三のトランジスタ並びに前記第一のトランジスタ及び第二のトランジスタに電流を供給する電流源を有する基準電圧発生回路において、
前記第三のトランジスタのコレクタと該第三のトランジスタの電源との間に、第一の抵抗と第二の抵抗を設け、前記第一の抵抗と前記第二の抵抗との接続点を前記第三のトランジスタのベースに接続して、前記第三のトランジスタのコレクタ電位の温度補償を行う温度補償回路を設けたことを特徴とする基準電圧発生回路。
請求項２記載の基準電圧発生回路において、
前記トランジスタのコレクタ電位の温度補償回路は、請求項１記載のトランジスタのコレクタ電位の温度補償回路であることを特徴とする基準電圧発生回路。