JP3591900B2 - バイアス電流を発生させるためのデバイス - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はバイアス電流を発生させるためのデバイスに関するものであって、それは次のものを含んでいる。
− 第１の参照端子と第２の参照端子の間に参照電圧を供給するための第１の参照端子と第２の参照端子を有する参照電圧源；
− 参照電圧に従ってバイアス電流を発生させるためのバイアス電流発生器であって、そのバイアス電流発生器は、参照電圧を受信するための第１の参照端子と第２の参照端子に接続された第１の入力端子と第２の入力端子を含んでいる。
【０００２】
【従来の技術】
そのようなデバイスは、とりわけ米国特許第３，９８２，１７２号から知られている。図１はこの概知のデバイスの回路図を示している。概知のデバイスの参照電圧源は、参照電流が通るダイオード接続されたバイポーラまたはユニポーラトランジスタによって形成されている。トランジスタのベース−エミッタ間電圧またはゲート−ソース間電圧は参照電圧として働く。バイアス電流発生器は、ダイオード接続されたトランジスタと同じタイプで、そしてダイオード接続されたトランジスタの接続点と並列に配置されたそれらのベース−エミッタ間接続点またはゲート−ソース間接続点を有している１個またはそれ以上の電流源トランジスタによって形成されている。ダイオード接続されたトランジスタと電流源トランジスタは電流ミラーのように配置され、その結果、ダイオード接続されたトランジスタを通る参照電流と電流源トランジスタの出力電流との間には一定の関係がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この概知のデバイスの欠点は、参照電圧源とバイアス電流源間の接続線の１つが電流を伝えること、および電圧降下がこの線において生じるかも知れないことである。これは、ダイオード接続されたトランジスタのエミッタまたはソースと電流源トランジスタのエミッタまたはソース間の接続線に特に当てはまる。従来技術のデバイスにおいては、この線はまた供給線に相当し、そしてそれは線にわたって付加的な雑音を生ぜしめる。電流を伝えている線における電圧降下は、電流源トランジスタのベース−エミッタ間電圧またはゲート−ソース間電圧において望ましくない誤差電圧、そして結局はまた電流源トランジスタによって供給されるバイアス電流に望ましくない誤差成分を導入する。望ましくない誤差は、特に比較的大きな集積回路の場合において重要となり得る。
【０００４】
図２はこの問題に対して代案となる概知の解決を示している。ダイオード接続されたトランジスタと電流源トランジスタは相互に近接して配置され、そしてバイアス電流が分離した接続線によって電流消費素子に電流源トランジスタから印加される。この解決の欠点は、バイアス電流を受信する素子と同じ数の線が必要とされることである。これは集積回路上に大きな面積を必要とし、望ましくない。
【０００５】
本発明の目的は、雑音に対して免除され、そして最小数の接続線を必要とするバイアス電流を発生させるためのデバイスを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この目的のために、本発明によって、冒頭の文章に定義したタイプのデバイスは、バイアス電流発生器がさらに以下のものを含んでいることを特徴とする：
− 差動対として配置されそして各々が制御電極と第１の主電極を有する第１のトランジスタと第２のトランジスタであって、第１のトランジスタの制御電極は第１の入力端子に接続され、第２のトランジスタの制御電極は第２の入力端子に接続され、第１のトランジスタの第１の主電極と第２のトランジスタの第１の主電極は共通の電流を受信するための共通の端子において相互に接続され、前記トランジスタの各々は、共通の電流が増加するときそれらの差が減少する第１のトランジスタの電流と第２のトランジスタの電流を供給するための第２の主電極をそれぞれ有している；
− 第１のトランジスタと第２のトランジスタに接続され、そして第１のトランジスタの電流と第２のトランジスタの電流間の差に比例する電流を供給するための出力端子を有している変換器；
− 変換器の出力端子に接続された入力分岐を有し、そして出力分岐を有している第１の電流ミラー；
− 第１の電流ミラーの出力分岐に接続された入力分岐と、共通の端子に接続された出力分岐とを有している第２の電流ミラー。
【０００７】
提案された解決は、電流消費素子の位置においてバイアス電流に変換される参照電圧のための２線の分配システムを提案する。２つの接続線は電流を伝送しないし、チップ上で相互に接近して配置され得る。チップ上の他の信号からの漏話のような外部からの影響は、そのとき共通のモードの信号のように見えるけれども、しかし差動対はそのような信号に対して免除される。これは高い雑音免疫になる。
【０００８】
選択において、第１の電流ミラーと第２の電流ミラーは複数の出力分岐を具えることができ、その結果各バイアス電流発生器に対して、正または負の供給電圧を参照する１またはそれ以上のバイアス電流が適用できる。差動対、差電流を供給するための変換器、第１の電流ミラーおよび第２の電流ミラーは、差動対の制御電極間の与えられた参照電圧において定常状態のループ利得が１であるようなループを構成している。ループ電流が絶えず増加するのを防ぐために、第１および第２のトランジスタにおける電流間の差が第１および第２のトランジスタの共通の電流が増加するにつれて減少するべきである。これは第１の変形において達成され、そしてそれは、第１のトランジスタと第２のトランジスタが、それぞれ制御電極、第１の主電極および第２の主電極に相当するゲート、ソースおよびドレインを有するユニポーラの電界効果トランジスタであって、第１および第２のトランジスタのドレインが共通の端子に接続されていることを特徴としている。ユニポーラ（ＭＯＳ）トランジスタの場合には、差動対の相互コンダクタンスは共通の電流のルートに比例し、その結果電流の差の増加は共通の電流が増加するにつれて自動的に減少する。これはバイポーラトランジスタについての場合ではなく、その結果ほかの措置が要求される。
【０００９】
この目的のために、第２の変形は、第１のトランジスタと第２のトランジスタが、それぞれ制御電極、第１の主電極および第２の主電極に相当するベース、エミッタおよびコレクタを有するバイポーラトランジスタであって、第１のトランジスタのエミッタが抵抗器と共通の端子に直接に接続されている第２のトランジスタのエミッタを経由して上記共通の端子に接続されていることを特徴としている。共通の電流が増加するとき、第１のトランジスタのエミッタリードにおける抵抗器は比較的大きな部分が第２のトランジスタを通して流れ、そしてコレクタ電流における差が結果として減少することを確実にする。
【００１０】
参照電圧は中央に発生され、そして参照電圧がバイアス電流に変換される局部バイアス電流発生器に伝達される。参照電圧源は、例えば供給電圧に接続されている２つのタップを有する分圧器などどんなタイプのものでもよい。この目的に非常に適している実施例は、参照電圧源が以下のものを含んでいることを特徴とし：
− 最初に述べたバイアス電流発生器に類似した第２のバイアス電流発生器であって、第２のバイアス電流発生器の第２の電流ミラーは、第２のバイアス電流発生器の第１の入力端子に接続された第２の出力分岐を有している；
− 第２のバイアス電流発生器の第２の電流ミラーの第２の出力分岐に接続された参照電流源；
− 第２のバイアス電流発生器の第２の入力端子と固定電位における端子間に接続された直流電圧源；
第１の参照端子は第２のバイアス電流発生器の第１の入力端子に接続され、第２の参照端子は第２のバイアス電流発生器の第２の入力端子に接続されている。
【００１１】
この構成により、局部の第１のバイアス電流発生器におけるバイアス電流と中央の第２のバイアス電流発生器中の参照電圧源からの参照電流との間の関係は、電流ミラートランジスタの幾何学的比率によってのみ決定される。これは、全体の回路設計中に正確に規定された大きさのバイアス電流を発生させることを可能にする。
【００１２】
本発明のこれらおよび他の要旨は、添付図面を参照して説明され明瞭になるであろう。
【００１３】
【実施例】
以下に添付図面を参照し実施例により本発明を詳細に説明する。
図３は、本発明によるバイアス電流を発生させるためのデバイスの実施例を示している。参照電圧源２は、その間に参照電圧Ｕ_ｒ が生成される第１の参照端子４と第２の参照端子６を有している。バイアス電流は、参照電圧源２から参照電圧を受信するために、第１の参照端子４に接続された第１の入力端子１０を有し、そして第２の参照端子６に接続された第２の入力端子１２を有するバイアス電流発生器８において発生される。同様に、８Ａおよび８Ｂで参照される複数のバイアス電流発生器も参照電圧源２に接続され得る。参照電圧源２は、局部バイアス電流発生器に関して適切に配置され、そして２線のリード１４によってこれらの発生器に接続されている。バイアス電流発生器８は、差動対として配置され、そして第１の入力端子１０に接続されたその制御電極またはゲートを有するＮ−ＭＯＳトランジスタ１６と、第２の入力端子１２に接続されたそのゲートを有するＮ−ＭＯＳトランジスタ１８を含んでいる。トランジスタ１６およびトランジスタ１８の第１の主電極またはソースは、ともに共通の電流１２を受信するために共通の端子２０に接続されている。トランジスタ１６およびトランジスタ１８の第２の主電極またはドレインは、トランジスタ１６およびトランジスタ１８のドレイン電流間の差に比例する電流１３を供給するための出力端子２４を有する変換器２２に接続されている。
【００１４】
現在の変換器２２は、例として、相互間において短絡されたそのドレインおよびゲートを有し、正の供給端子２８に接続されたそのソースを有し、トランジスタ１８のドレインと、正の供給端子２８、トランジスタ２６のゲートおよびトランジスタ１６のドレインにそれぞれ接続されたそのソース、ゲートおよびドレインを有するＰ−ＭＯＳトランジスタ３０によって形成された出力分岐とに接続されたそのドレインを有するＰ−ＭＯＳトランジスタ２６によって形成された入力分岐を有する１：１の電流ミラーとして構成されている。出力端子２４はトランジスタ１６とトランジスタ３０のドレインに接続され、そしてトランジスタ１６とトランジスタ１８のドレイン電流間の差に等しい電流Ｉ３を伝える。バイアス電流発生器８はさらに、相互間において短絡されたそのドレインとゲートを有し、正の供給端子２８に接続されたそのソースを有し、そして出力端子２４と、そのソースおよびゲートがそれぞれ正の供給端子２８およびトランジスタ３４のゲートに接続されたＰ−ＭＯＳトランジスタ３６によって形成された出力分岐とに接続されたそのドレインを有するＰ−ＭＯＳトランジスタ３２によって形成された入力分岐を有するＢ：１の電流ミラーを含んでいる。トランジスタ３４と３６の大きさは、トランジスタ３６のドレイン電流Ｉ１がトランジスタ３４のドレイン電流Ｉ３のＢ倍の大きさであるように選択された。もし望まれるならば、電流ミラー３２は、そのゲートとソースがトランジスタ３６のゲートとソースに並列に配置されている少なくとも１個の付加的なＰ−ＭＯＳトランジスタ３８が設けられている。
【００１５】
バイアス電流発生器８はさらに、相互間において短絡されたそのドレインとゲートを有し、負の供給端子４４に接続されたそのソースを有し、そしてトランジスタ３６のドレインと、負の供給端子４４、トランジスタ４２のゲートおよび共通の端子にそれぞれ接続されたそのソース、ゲートおよびドレインを有するＮ−ＭＯＳトランジスタ４６によって形成された出力分岐とに接続されたそのドレインを有するＮ−ＭＯＳトランジスタ４２によって形成された入力分岐を有するＡ：１の電流ミラーを含んでいる。トランジスタ４２と４６の大きさは、トランジスタ４６のドレイン電流Ｉ２がトランジスタ４２のドレイン電流Ｉ１のＡ倍の大きさであるように選択された。もし望まれるならば、電流ミラー４０はまた、そのゲートとソースがトランジスタ４６のゲートとソースに並列に配置されている少なくとも１個の付加的なＮ−ＭＯＳトランジスタ４８が設けられている。
【００１６】
電流ミラー４０の電流利得Ａと電流ミラー３２の電流利得Ｂとは線形である。しかしながら、電流利得Ｉ３／Ｉ２は、Ｎ−ＭＯＳの差動対の相互コンダクタンスが電流Ｉ２のルートに比例しているので線形ではない。バイアス電流発生器８に流入する電流は、今や、ループ利得が１に等しいような大きさであろう。これら電流の値は参照電圧Ｕ_ｒ で調整され得る。電流Ｉ１と参照電圧Ｕ_ｒ 間の関係は次のように計算される。
【００１７】
【数１】
Ｉ１＝Ｂ・Ｉ３ （１）
そして
【数２】
Ｉ２＝Ａ・Ｉ１ （２）
次式に従ったドレイン電流Ｉｄとゲート−ソース間電圧Ｖ_ｇｓとの間の二次式の関係から：
【数３】

ここに、Ｖ_ｔ は閾値電圧、そしてβはＭＯＳトランジスタの幾何学と材料の定数によって指示される相互コンダクタンスのパラメータであり、次の関係が引き出される：
【数４】

方程式（４）に、方程式（１）および（２）を代入すると、そのとき電流Ｉ１について次の表現を生成する。
【数５】

もし、ＡＢ＞１ならば回路は自己スタートであるが、しかし必要なときはスタート回路が設けられる。さて、電流Ｉ１は、バイアス電流を有する図示されない別の回路を設けるために、付加的なトランジスタ３８および４８によってさらに反射され得る。方程式（５）から、電流Ｉ１は参照電圧Ｕ_ｒ 、パラメータβおよびトランジスタの幾何学的比率によってのみ決定される電流利得ファクタＡおよびＢに当然依存することになる。
【００１８】
２線のリード１４は、差動対のトランジスタ１６および１８ゲートにおける共通モード信号として現われる妨害を拾い、その差動対はそのような信号（共通モード信号）に対して鈍感である。差動対のゲートは２線のリード１４に殆どどんな負荷をも与えず、その結果、参照電圧源２とバイアス電流発生器８間の電圧降下はない。
【００１９】
図４は、バイポーラトランジスタについて図３の配置を示していて、制御電極、第１の主電極および第２の主電極は、いまそれぞれベース、エミッタおよびコレクタに相当する。Ｐ−ＭＯＳトランジスタはＰＮＰトランジスタによって置き替えられ、そしてＮ−ＭＯＳトランジスタはＮＰＮトランジスタによって置き替えられる。非線形な電流利得Ｉ３／Ｉ２を得るために、抵抗器５０がバイポーラトランジスタ１６のエミッタと直列に配置されている。電流Ｉ２が増加するとき、電流Ｉ２の比較的大きな部分がバイポーラトランジスタ１８を通して流れ、その結果差の電流Ｉ３は減少する範囲まで増加するであろう。
【００２０】
ユニポーラトランジスタとバイポーラトランジスタの組み合わされた使用がまた可能であることも明らかである。例えば、差動対のトランジスタ１６と１８はＮ−ＭＯＳトランジスタであり、そして電流ミラー２２，３２および４０はバイポーラトランジスタを含むことができる。
【００２１】
参照電圧源２はどんな好適な直流電圧源によっても構成され、例えば、第１の参照端子４と第２の参照端子６からの２つのタップを有する電圧分圧器によって構成される。非常に好適な参照電圧源が図５に示されている。その参照電圧源は、図３におけるバイアス電流発生器８に類似しているが、しかし第１の入力端子１０に接続された付加的なトランジスタ４８のドレインを有し、そしてさらに正の供給端子２８と第１の入力端子１０間に接続された参照電流源５２を含んでいるバイアス電流発生器８を含んでいて、そして直流電圧源５４が第２の入力端子１２と負の供給端子４４間に接続されている。第１の入力端子１０は第１の参照端子４に接続され、そして第２の入力端子１２は第２の参照端子６に接続されている。
【００２２】
参照電流源５２は参照電流Ｉ_ｒ をトランジスタ４８に供給し、そしてそれによって、電流Ｉ１の値を参照電圧源それ自体にだけでなく、２線のリード１４を介して接続されたすべての参照発生器に固定する。参照電圧源５４は適切に選択されたバイアス電圧を有する第２の参照端子６を具えている。第１の参照端子４における電圧は、参照電流Ｉ_ｒ がトランジスタ４８においてそれ自体を維持することのできる値を自動的に呈する。図５におけるバイアス電流発生器８と図３におけるバイアス電流発生器８とは類似の設計と構造であり、そしてこれらの発生器の似た部分は相互に類似しているかも知れない。その場合において、参照電圧源のバイアス電流発生器８における電流Ｉ１，Ｉ２およびＩ３は、２線のリードを介して接続されたバイアス電流発生器に模写されるであろう。バイポーラトランジスタが使用されるときには、図５に示される参照電圧源におけるバイアス電流源８もまた、バイポーラトランジスタを有して具えられるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】バイアス電流を発生させるための第１の従来技術のデバイスを示している。
【図２】バイアス電流を発生させるための第２の従来技術のデバイスを示している。
【図３】本発明によるバイアス電流を発生させるためのデバイスの第１の変形を示している。
【図４】本発明によるバイアス電流を発生させるためのデバイスの第２の変形を示している。
【図５】本発明によるバイアス電流を発生させるためのデバイスにおいて使用するための参照電圧源を示している。
【符号の説明】
２ 参照電圧源
４，６ 参照端子
８，８Ａ， ８Ｂ バイアス電流発生器
１０，１２ 入力端子
１４ ２線のリード
１６，１８，４２，４６，４８ Ｎ−ＭＯＳトランジスタ（ＮＰＮトランジスタ）
２０ 共通の端子
２２ 変換器（電流ミラー）
２４ 出力端子
２６，３０，３２，３４，３６，３８ Ｐ−ＭＯＳトランジスタ（ＰＮＰトランジスタ）
２８，４４ 供給端子
４０ 電流ミラー
４８ 付加的なトランジスタ
５０ 抵抗器
５２ 参照電流源
５４ 直流電圧源（参照電圧源）
Ｕ_ｒ 参照電圧
Ｉ_ｒ 参照電流

Claims (5)

1. − 第１の参照端子と第２の参照端子の間に参照電圧を供給するための第１の参照端子と第２の参照端子を有する参照電圧源；
   − 参照電圧に従ってバイアス電流を発生させるためのバイアス電流発生器であって、そのバイアス電流発生器は、参照電圧を受信するための第１の参照端子と第２の参照端子に接続された第１の入力端子と第２の入力端子を含んでいる：
   を含んでいるバイアス電流を発生させるためのデバイスにおいて、バイアス電流発生器は、さらに
   − 差動対として配置されそして各々が制御電極と第１の主電極を有する第１のトランジスタと第２のトランジスタであって、第１のトランジスタの制御電極は第１の入力端子に接続され、第２のトランジスタの制御電極は第２の入力端子に接続され、第１のトランジスタの第１の主電極と第２のトランジスタの第１の主電極は共通の電流を受信するための共通の端子において相互に接続され、前記トランジスタの各々は、共通の電流が増加するときそれらの差が減少する第１のトランジスタの電流と第２のトランジスタの電流を供給するための第２の主電極をそれぞれ有している；
   − 第１のトランジスタと第２のトランジスタに接続され、そして第１のトランジスタの電流と第２のトランジスタの電流間の差に比例する電流を供給するための出力端子を有している変換器；
   − 変換器の出力端子に接続された入力分岐を有し、そして出力分岐を有している第１の電流ミラー；
   − 第１の電流ミラーの出力分岐に接続された入力分岐と、共通の端子に接続された出力分岐とを有している第２の電流ミラー：
   を含んでいることを特徴とするバイアス電流を発生させるためのデバイス。
2. 請求項１記載のデバイスにおいて、参照電圧源は、
   − 最初に述べたバイアス電流発生器に類似した第２のバイアス電流発生器であって、第２のバイアス電流発生器の第２の電流ミラーは、第２のバイアス電流発生器の第１の入力端子に接続された第２の出力分岐を有している；
   − 第２のバイアス電流発生器の第２の電流ミラーの第２の出力分岐に接続された参照電流源；
   − 第２のバイアス電流発生器の第２の入力端子と固定電位における端子間に接続された直流電圧源；
   第１の参照端子は第２のバイアス電流発生器の第１の入力端子に接続され、第２の参照端子は第２のバイアス電流発生器の第２の入力端子に接続されていることを特徴とするバイアス電流を発生させるためのデバイス。
3. 請求項１または２記載のデバイスにおいて、変換器は、第２のトランジスタの第２の主電極に接続された入力分岐を有し、そして第１のトランジスタの第２の主電極と変換器の出力端子に接続された出力分岐を有している電流ミラーを含んでいることを特徴とするバイアス電流を発生させるためのデバイス。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項記載のデバイスにおいて、第１のトランジスタおよび第２のトランジスタは、各々がそれぞれ制御電極、第１の主電極および第２の主電極に相当するゲート、ソースおよびドレインを有するユニポーラ電界効果トランジスタであり、第１および第２のトランジスタのドイレンは共通の端子に接続されていることを特徴とするバイアス電流を発生させるためのデバイス。
5. 請求項１乃至３のいずれか１項記載のデバイスにおいて、第１のトランジスタおよび第２のトランジスタは、各々がそれぞれ制御電極、第１の主電極および第２の主電極に相当するベース、エミッタおよびコレクタを有するバイポーラトランジスタであり、第１のトランジスタのエミッタは抵抗器を介して共通の端子に接続されそして第２のトランジスタのエミッタは直接に前記共通の端子に接続されていることを特徴とするバイアス電流を発生させるためのデバイス。

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