JP3655989B2 - 基準電圧発生回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基準電圧を発生する回路に係り、特に、温度補償がなされたものにあって、温度変化に対する出力の安定性をより改善したものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の基準電圧発生回路としては、例えば、図５に示されたような構成のものが公知・周知となっている。
以下、同図を参照しつつ、この従来回路について概括的に説明することとする。
まず、この基準電圧発生回路は、いわゆるカレントミラー回路を構成する２つの第３及び第４のトランジスタ（図５においてはそれぞれ「Ｑ３」、「Ｑ４」と表記）３，４を有し、第３及び第４のトランジスタ３，４のコレクタ側の負荷として、第１及び第２のトランジスタ（図５においてはそれぞれ「Ｑ１」、「Ｑ２」と表記）１，２がそれぞれ設けられており、第１のトランジスタ１のエミッタとアースとの間には、第１及び第２の抵抗器１０，１１が直列接続されている。
【０００３】
そして、この第１及び第２の抵抗器１０，１１の相互の接続点に第２のトランジスタ２のエミッタが接続されている。また、第１及び第２のトランジスタ１，２のベースは、相互に接続され、この接続点と電源との間には、ベースが第４のトランジスタ（図５においては「Ｑ４」と表記）４のコレクタに接続された第５のトランジスタ（図５においては「Ｑ５」と表記）５が直列に設けられた構成となっており、第１及び第２のトランジスタ１，２の相互に接続されたベース部分から基準電圧としての出力電圧Ｖoutが得られるようになっている。
かかる構成において、出力電圧Ｖoutは、次式により求められる。
【０００４】
Ｖout＝２×（Ｒ2／Ｒ1）×Ｖt×ｌn(ｎ)＋Ｖbe2
【０００５】
ここで、Ｖtは、いわゆるサーマル電圧であり、Ｖt＝（ｋ／ｑ）×Ｔと表わされるもので、ｋはボルツマン定数、ｑは電子の単位電荷、Ｔは絶対温度である。また、ｌnは、自然対数であり、ｎは、第２のトランジスタ２のエミッタ面積を１とした場合における第１のトランジスタ１のエミッタ面積比であり、Ｖbe2は第２のトランジスタ２のベース・エミッタ間電圧である。
そして、この回路の温度に対する安定性は次のように考えられる。すなわち、まず、上述の出力電圧Ｖoutに関する式を温度Ｔで微分すると次式を得ることができる。
【０００６】
Ｖout／ｄＴ＝２×（Ｒ2／Ｒ1）×（ｋ／ｑ）ｌn(ｎ)＋Ｖbe2／ｄＴ
【０００７】
したがって、温度変化に対して出力電圧Ｖoutが変動しないようにするためには、２×（Ｒ2／Ｒ1）×（ｋ／ｑ）ｌn(ｎ)＝Ｖbe2／ｄＴが成立すればよい。図５に示された従来回路では、この式を満足するように各定数が選択されることで、出力電圧Ｖoutが温度変化に対して安定するようになっているものであった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来回路においては、第３のトランジスタ３のコレクタ電流Ｉｃ2と第５のトランジスタ５のコレクタ電流Ｉc3とが異なり、Ｉc2に比してＩc3が小さいため、実際には雰囲気温度が上昇すると、第３のトランジスタ３のベース・エミッタ間電圧Ｖbe3より第５のトランジスタ５のベース・エミッタ間電圧Ｖbe5が低下し、このため、第４のトランジスタ４が飽和して、第３及び第４のトランジスタ３，４によるカレントミラー回路としての動作が成立しなくなり、Ｉc1＝Ｉc2ではなくなるために、出力電圧が上昇してしまうという問題があった。
本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、雰囲気温度の上昇に関わらず、出力電圧の変動のない基準電圧発生回路を提供するものである。
本発明の他の目的は、複雑な構成の温度補償回路を付加することなく、比較的簡易な構成の追加により温度特性の良好な基準電圧発生回路を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明に基準電圧発生回路は、第１及び第２のトランジスタのベース同士が接続され、この接続点が出力点とされ、前記２つのトランジスタのそれぞれのコレクタ側にはカレントミラー回路が接続される一方、前記第１のトランジスタのエミッタとアースとの間には、第１及び第２の抵抗器が直列接続され、この２つの抵抗器の相互の接続点に前記第２のトランジスタのエミッタが接続され、前記第１及び第２のトランジスタのベースと電源との間に第５のトランジスタが、そのコレクタが前記第１及び第２のトランジスタのベース側となるように直列接続され、かつ、前記第５のトランジスタのベースが前記第１のトランジスタのコレクタ側に接続されてなる基準電圧発生回路において、前記第１及び第２のトランジスタのベースに接続された前記第５のトランジスタのコレクタとアースとの間に電流負荷を設け、該電流負荷の大きさが、前記第５のトランジスタのコレクタ電流と、前記第２のトランジスタのコレクタ電流とが同一になるように設定されてなるものである。
【００１０】
かかる構成の基準電圧発生回路は、従来回路において、特に、第５のトランジスタのコレクタ電流と第２のトランジスタのコレクタ電流とが同一にされてないことに起因して出力電圧が温度変化に対して変動することに着目し、この第５のトランジスタのコレクタ電流を第２のトランジスタのコレクタ電流と同一の大きささに設定できるよう構成されたものである。
すなわち、かかる構成により、カレントミラー回路による第１及び第２のトランジスタのそれぞれのコレクタ電流の供給がアンバランスとなることが防止され、安定した出力が得られることとなるものである。
【００１１】
特に、電流負荷としては、請求項２記載の発明のように、抵抗器とダイオード接続されたトランジスタとが直列接続されてなるものや、請求項３記載の発明のように、２つの抵抗器を直列接続してなるもの等が好適である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図１乃至図４を参照しつつ説明する。
なお、以下に説明する部材、配置等は本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
最初に第１の回路構成例について、図１を参照しつつ説明する。なお、図５に示された構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付することとする。
まず、回路構成について説明すれば、ベース同士が接続されたｎｐｎ型の第１及び第２のトランジスタ（図１乃至図３においては「Ｑ１」、「Ｑ２」と表記）１，２が設けられており、この第１及び第２のトランジスタ１，２のコレクタ側には、第３及び第４のトランジスタ（図１乃至図３においては「Ｑ３」、「Ｑ４」と表記）３，４により構成されたカレントミラー回路が接続された構成となっている。
【００１３】
すなわち、第１のトランジスタ１のコレクタには、ｐｎｐ型の第４のトランジスタ４のコレクタが、第２のトランジスタ２のコレクタには、ｐｎｐ型の第３のトランジスタ３のコレクタが、それぞれ接続されている。第３及び第４のトランジスタ３，４は、ベース同士が接続されると共に、エミッタは共に電源電圧Ｖccが印加されるようになっている。また、第３のトランジスタ３のベースとコレクタとは相互に接続されており、第３のトランジスタ３はいわゆるダイオード接続状態となっている。
【００１４】
また、第１及び第４のトランジスタ１，４の接続点には、ｐｎｐ型の第５のトランジスタ（図１乃至図３においては「Ｑ５」と表記）５のベースが接続されており、この第５のトランジスタ５のエミッタには、電源電圧Ｖccが印加される一方、コレクタは、第１及び第２のトランジスタ１，２のベースに接続されている。
一方、第１のトランジスタ１のエミッタとアースとの間には、第１及び第２の抵抗器１０，１１が接続されており、この第１及び第２の抵抗器１０，１１の接続点には、第２のトランジスタ２のエミッタが接続されている。
【００１５】
さらに、第１及び第２のトランジスタ１，２のベースに接続された第５のトランジスタ５のコレクタとアースとの間には、第５のトランジスタ５の負荷となるように電流負荷８が接続されている。
そして、出力電圧Ｖoutは、第１及び第２のトランジスタ１，２の相互に接続されたベースから得られるようになっている。
【００１６】
かかる構成における動作解析を行えば次のようになる。
まず、第１の抵抗器 の両端には、第１のトランジスタ１のベース・エミッタ間電圧Ｖbe1と第２のトランジスタ２のベース・エミッタ間電圧Ｖbe2との差電圧ΔＶbeがかかることとなり、各ベース・エミッタ間電圧及び差電圧は下記する式１乃至式３によって表される。
【００１７】
Ｖbe1＝Ｖt×ｌn（Ｉc1／（Ｉs×ｎ））・・・式１
【００１８】
Ｖbe2＝Ｖt×ｌn（Ｉc2／Ｉs）・・・式２
【００１９】
ΔＶbe＝Ｖbe1−Ｖbe2＝Ｖt×ｌn（（Ｉc2／Ｉs）×（（Ｉs×ｎ）／Ｉc1））・・・式３
【００２０】
ここで、Ｖtはいわゆるサーマル電圧であり、Ｖt＝（ｋ／ｑ）×Ｔと表わされるもので、ｋはボルツマン定数、ｑは電子の単位電荷、Ｔは絶対温度である。また、ｌnは、自然対数である。また、Ｉc1は、第１のトランジスタ１のコレクタ電流、Ｉc2は、第２のトランジスタ２のコレクタ電流、Ｉsはトランジスタの順方向能動領域の伝達特性を表す定数である。さらに、ｎは、第２のトランジスタ２のエミッタ面積を１とした場合における第１のトランジスタ１のエミッタ面積比である。
【００２１】
ところで、第３及び第４のトランジスタ３，４は、カレントミラー回路を構成することから、Ｉc1＝Ｉc2が成立し、この条件から式３は次のように書き改められる。
【００２２】
ΔＶbe＝Ｖt×ｌn(ｎ)・・・式４
【００２３】
したがって、第１の抵抗器１０を流れる電流が第１のコレクタ電流Ｉc1に略等しいとすれば次式が成立する。
【００２４】
Ｉc1＝Ｖt×ｌn(ｎ)／Ｒ1・・・式５
【００２５】
ここで、Ｒ1は、第１の抵抗器１０の抵抗値である。
そして、第２の抵抗器１１には、Ｉc1とＩc2の両方の電流が流れ込むこととなるため、第２の抵抗器１１における電圧降下Ｖ_R2は次のようになる。
【００２６】
Ｖ_R2=Ｒ2×（Ｉc1＋Ｉc2）＝Ｒ2×２×Ｖt×ｌn(ｎ)／Ｒ1・・・式６
【００２７】
ところで、出力電圧Ｖoutは、この第２の抵抗器１１における電圧降下に第２のトランジスタ２のベース・エミッタ間電圧Ｖbe2を加えたものであるので、結局、出力電圧は次式により求められる。
【００２８】
Ｖout＝２×Ｒ2×Ｖt×ｌn(ｎ)／Ｒ1＋Ｖbe2・・・式７
【００２９】
この出力電圧の式は、先に説明した従来回路と同一であるが、本発明の実施の形態においては、電流負荷 の大きさを調整し、第５のトランジスタ５のコレクタ電流Ｉc3を増し、かつ、Ｉc2＝Ｉc3となるように設定することで、第３のトランジスタ３のベース・エミッタ間電圧Ｖbe3と第５のトランジスタ５のベース・エミッタ間電圧Ｖbe5とが等しくなるようになっており、さらに、このため、第３のトランジスタ３のコレクタ・エミッタ間電圧Ｖce3と第４のトランジスタ４のコレクタ・エミッタ間電圧Ｖce4とが等しくなる。その結果、第３及び第４のトランジスタ３，４によるカレントミラー回路の本来の動作が補償されることとなり、出力電圧Ｖoutは、温度変化によって変動することのない安定したものとなる。
【００３０】
次に、第２の回路構成例について、図２を参照しつつ説明する。
なお、図１に示された第１の回路構成例と同一の構成要素については、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略して、以下、異なる点を中心に説明することとする。
この第２の回路構成例は、先の第１の回路構成例における電流負荷８のより具体的な回路構成例を示したものであり、他の回路構成は基本的に図1に示されたものと同一である。
【００３１】
すなわち、第５のトランジスタ５のコレクタとアースとの間には、第３の抵抗器１２とｎｐｎ型の第６のトランジスタ（図２においては「Ｑ６」と表記）６が直列接続されており、具体的には、第６のトランジスタ６は、ベースとエミッタとが共に第３の抵抗器１２に接続され、エミッタがアースに接続された構成となっている。換言すれば、第６のトランジスタ６は、いわゆるダイオード接続状態となっている。
かかる構成において、第５のトランジスタ５のコレクタ電流Ｉc3は、次式により表わされる。
【００３２】
Ｉc3＝（Ｖout−Ｖbe6）／Ｒ3・・・式８
【００３３】
ここで、Ｖbe6は、第６のトランジスタ６のベース・エミッタ間電圧であり、Ｒ3は、第３の抵抗器１２の抵抗値である。したがって、第３の抵抗器１２の抵抗値Ｒ3を適宜選択することで、コレクタ電流Ｉc3をコレクタ電流Ｉc2と同一とすることができ、その結果、先の第１の回路構成例の場合と同様に、第３のトランジスタ３のベース・エミッタ間電圧Ｖbe3と第５のトランジスタ５のベース・エミッタ間電圧Ｖbe5とが等しくなり、このため、第３のトランジスタ３のコレクタ・エミッタ間電圧Ｖce3と第４のトランジスタ４のコレクタ・エミッタ間電圧Ｖce4とが等しくなる。その結果、第３及び第４のトランジスタ３，４によるカレントミラー回路の本来の動作が補償されることとなり、出力電圧Ｖoutは、温度変化によって変動することのない安定したものとなる。
【００３４】
次に、第３の回路構成例について、図３を参照しつつ説明する。
なお、図１及び図２に示された回路構成例と同一の構成要素については、同一符号を付し、その詳細な説明は省略し、以下、異なる点を中心に説明することとする。
この第３の回路構成例は、電流負荷として、第３及び第４の抵抗器１２，１３を第５のトランジスタ５のコレクタとアースとの間に直列接続してなるものである。
かかる構成において、第５のトランジスタ５のコレクタ電流Ｉc3は、次式により表わされる。
【００３５】
Ｉc3＝Ｖout／（Ｒ3＋Ｒ4）・・・式９
【００３６】
したがって、先の回路構成例と同様に抵抗値Ｒ3,Ｒ4を適宜選択してＩc2＝Ｉc3とすることで、結果的に第３のトランジスタ３のコレクタ・エミッタ間電圧Ｖce3と第４のトランジスタ４のコレクタ・エミッタ間電圧Ｖce4とを等しくすることができ、そのため、第３及び第４のトランジスタ３，４によるカレントミラー回路の本来の動作が補償されることとなり、出力電圧Ｖoutは、温度変化によって変動することのない安定したものとなる。
また、一方、この第３の回路構成例においては、第３及び第４の抵抗器１２，１３の相互の接続点を第２の出力点として、第２の出力電圧Ｖout2が得られるようにしてあり、この第２の出力電圧Ｖout2は、次式により求められるものとなっている。
【００３７】
Ｖout2＝Ｖout×（Ｒ４／（Ｒ３＋Ｒ４））・・・式１０
【００３８】
この第２の出力電圧Ｖout2も出力電圧Ｖout同様に温度変化に対する安定度の高いものとなり、出力電圧Ｖoutより低い所望の電圧とすることができる。
【００３９】
次に、上述した本発明の実施の形態における基準電圧発生回路の出力電圧の温度特性の一例について、図４を参照しつつ説明する。
図４において、二点鎖線で示された従来回路の温度特性は、温度の上昇と共に、出力電圧が徐々に増加し、特に、１２０℃以上では急激に上昇するものとなっていたのに対して、本発明の実施の形態における基準電圧発生回路では、零℃近傍以下では、温度上昇に伴い出力電圧が若干上昇するが、零℃を越えると温度上昇に伴い出力電圧は、逆に下降する傾向を示すものとなっており、従来のような温度上昇に伴う出力電圧の上昇が確実に抑圧されたものとなっている。
【００４０】
【発明の効果】
以上、述べたように、本発明によれば、出力電圧の温度変化による変動の原因となる２つのトランジスタのコレクタ電流の不一致をなくし、同一の大きさのコレクタ電流を流せるような構成とすることにより、カレントミラー回路を構成する２つのトランジスタのコレクタ・エミッタ間電圧が常に等しくなるため、温度変化による出力電圧の変動のない安定性、信頼性の高い基準電圧発生回路を提供することができる。
また、従来の回路に、複雑な温度補償回路を用いることなく、比較的簡単な構成の追加により温度特性に優れた基準電圧発生回路を安価に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における第１の回路構成例を示す回路図である。
【図２】本発明の実施の形態における第２の回路構成例を示す回路図である。
【図３】本発明の実施の形態における第３の回路構成例を示す回路図である。
【図４】本発明の実施の形態における基準電圧発生回路の温度特性を従来回路の温度特性と共に示した特性線図である。
【図５】従来の回路構成例を示す回路図である。
【符号の説明】
１…第１のトランジスタ
２…第２のトランジスタ
３…第３のトランジスタ
４…第４のトランジスタ
５…第５のトランジスタ
８…電流負荷

Claims (4)

1. 第１及び第２のトランジスタのベース同士が接続され、この接続点が出力点とされ、前記２つのトランジスタのそれぞれのコレクタ側にはカレントミラー回路が接続される一方、
   前記第１のトランジスタのエミッタとアースとの間には、第１及び第２の抵抗器が直列接続され、この２つの抵抗器の相互の接続点に前記第２のトランジスタのエミッタが接続され、
   前記第１及び第２のトランジスタのベースと電源との間に第５のトランジスタが、そのコレクタが前記第１及び第２のトランジスタのベース側となるように直列接続され、かつ、前記第５のトランジスタのベースが前記第１のトランジスタのコレクタ側に接続されてなる基準電圧発生回路において、
   前記第１及び第２のトランジスタのベースに接続された前記第５のトランジスタのコレクタとアースとの間に電流負荷を設け、該電流負荷の大きさが、前記第５のトランジスタのコレクタ電流と、前記第２のトランジスタのコレクタ電流とが同一になるように設定されてなることを特徴とする基準電圧発生回路。
2. 前記電流負荷は、抵抗器とダイオード接続されたトランジスタとが直列接続されてなることを特徴とする請求項１記載の基準電圧発生回路。
3. 前記電流負荷は、２つの抵抗器を直列接続してなることを特徴とする請求項１記載の基準電圧発生回路。
4. 前記２つの抵抗器の接続点を第２の出力端子としたことを特徴とする請求項３記載の基準電圧発生回路。

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