JP4031043B2 - 温度補償を有する基準電圧源 - Google Patents

Description

本発明は、第１の共通端子、第２の共通端子、第１の接続端子、第２の接続端子、及び出力端子と、
第１の抵抗、並びにベース及び前記第１の接続端子と端子２の共通端子との間に直列に接続したコレクタ−エミッタ通路を有する第１のトランジスタと、
前記第１の共通端子と第２の接続端子との間に接続した第２の抵抗と、
前記第２の接続端子と第２の共通端子との間に接続したコレクタ−エミッタ通路及び前記第１のトランジスタのベースに結合したベースを有するダイオード接続したダイオード２のトランジスタと、
前記第１の共通端子と第１の接続端子との間に接続した第３の抵抗と、
前記第１の共通端子と出力端子との間に接続した第４の抵抗と、
ベース、エミッタ及びコレクタを有し、これらが第１の接続端子、第２の共通端子及び出力端子にそれぞれ結合されている第３のトランジスタとを具える基準電圧源に関するものである。
このような基準電圧源は、国際公開番号ＷＯ／９５／２７９３８として公開された国際出願から既知であり、特にその公報の第１１図から既知である。この既知の基準電圧源は、第３の抵抗に直列に接続した半導体接合を有している。この第３のトランジスタは、第１の接続端子と第２の接続端子との間の電圧差をほぼ零にする差動増幅器として動作している。この結果、第２の接続端子は、第１のトランジスタ、第２の抵抗及び第２のトランジスタにより構成される第１の電流ミラーの入力端子としてみなすことができ、その出力端子は第１の接続端子により形成される。第１の電流ミラーは、第１の抵抗の両端間に現れる第１及び第２のトランジスタのベース−エミッタ接合間の電圧差により生ずる正のＴＣを有する電流伝達特性を有する。差動増幅器、第２の抵抗及び半導体接合を有する回路形態は、第１のトランジスタを流れる電流と第２のトランジスタを流れる電流との間に所定の比率を与えることになる。この回路形態は、電流伝達特性が負のＴＣを有する第２の電流ミラーとして動作する。２個の電流ミラーの組合せの結果として、２個の温度係数が合成され、第１の共通端子又は第２の共通端子の電流の和は第１及び第２の抵抗並びに第１及び第２のトランジスタの電流密度間の比率を適切に選択することにより符号及び値が調整されるＴＣを有している。この電流和は第４の抵抗も流れる。従って、所定の温度範囲にわたってほぼ零のＴＣを有する電圧を出力端子２６に発生させることができる。
本発明の目的は、性能が改善された基準電圧源を提供することにある。この目的のため、本発明による基準電圧源は、冒頭部で述べた型式の基準電圧源において、第１の共通端子、第２の共通端子、第１の接続端子、第２の接続端子、及び出力端子と、
第１の抵抗、並びにベース及び前記第１の接続端子と端子２の共通端子との間に直列に接続したコレクタ−エミッタ通路を有する第１のトランジスタと、
前記第１の共通端子と第２の接続端子との間に接続した第２の抵抗と、
前記第２の接続端子と第２の共通端子との間に接続したコレクタ−エミッタ通路及び前記第１のトランジスタのベースに結合したベースを有するダイオード接続したダイオード２のトランジスタと、
前記１の共通端子と第１の接続端子との間に接続した第３の抵抗と、
前記第１の共通端子と出力端子との間に接続第４の抵抗と、
ベース、エミッタ及びコレクタを有し、これらが第１の接続端子、第２の共通端子及び出力端子にそれぞれ結合されている第３のトランジスタとを具える基準電圧源において、さらに、ベース、エミッタ及びコレクタを有する第４のトランジスタを具え、前記第３のトランジスタが前記第４のトランジスタのエミッタに結合したベースを有し、第４のトランジスタが第１の接続端子に接続したベースを有し、第４のトランジスタが前記出力端子に接続したコレクタを有することを特徴とする。
第４のトランジスタのベース−エミッタ接合は、既知の基準電圧源の第３の抵抗に直列に接続した半導体接合の機能を果たす。これは、この回路形態の基本動作に影響を及ぼすことはない。第４のトランジスタは第３のトランジスタと一緒になって高電流ゲインを有するダーリントン回路を形成する。この高電流ゲインは、基準電圧源の出力インピダンスを一層小さくするように寄与する。第１の接続端子の負荷の減少により、当面の基準電圧及びＴＣに関して一層精度が高くなる。
基準電圧源の実施例は、第４のトランジスタが、電流伝導素子を介して前記第２の共通端子に結合したエミッタを有することを特徴とする。この電流伝導素子は電流源又は抵抗とすることができ、この素子によりバイアス電流が第４のトランジスタに供給される。この結果、第４トランジスタのベース電流の拡散効果が比較的小さくなり、精度が改善される。
基準電圧源の別の実施例は、電流伝導素子が、前記第４のトランジスタのエミッタと第２の共通端子との間に接続したコレクタ−エミッタ通路を有すると共に前記第２のトランジスタのベースに接続したベースを有する第５のトランジスタを具えることを特徴とする。この第５のトランジスタは、電流強度が第２のトランジスタを流れる電流と関連する電流を有する電流源として動作する。この結果、第４のトランジスタのベース電流は第１及び第２のトランジスタのベース電流の和と関係し、発生する基準電圧の拡がりが減少する。
以下添付図面に基づき本発明を詳細に説明する。
図１は従来の基準電圧源の基本回路を示す。
図２は従来の基準電圧源の基本回路を示す。
図３は従来の基準電圧源を示す。
図４は従来の基準電圧源を示す。
図５は本発明による基準電圧源の実施例を示す。
図６は本発明による基準電圧源の実施例を示す。
上記図面において、同様な機能及び目的を有する素子には同一符号を付することにする。
図１は本発明の基礎となる従来の基準電圧源の一般的な回路構成を示す。第１の共通端子２、第２の共通端子４、第１の接続端子６、及び第２の接続端子８が設けられている。第１の半導体接合部１０及び第１の抵抗１２を第１の接続端子６と第２の共通端子４との間に直列に接続する。第２の半導体接合部１４を第２の接続端子８と第２の共通端子４との間に接続する。第２の抵抗１６を第２の接続端子８と第１の共通端子２との間に接続する。第３の抵抗３０に直列に接続した第３の半導体接合部１８を第１の接続端子６と第１の共通端子２との間に接続する。さらに、非反転端子２２及び反転端子２４並びに出力部２６を有する差動増幅器２０を設け、これら入力部のうちの一方の入力部を第１の接続端子６に接続し他方の入力部を第２の接続端子８に結合し、出力部は第１の共通端子２に結合する。第２の共通端子４は接地されている電源端子３２に接続する。第１の電流Ｉ₁は第１の共通端子２から第２の接続端子８を介して第２の共通端子４に流れる。第２の電流Ｉ₂は第１の共通端子２から第２の接続端子６を介して第２の共通端子４に流れる。和電流Ｉ₁＋Ｉ₂を差動増幅器２０の出力部２６から第１の共通端子２に供給し、この和電流は第２の共通端子４を経て第１の電源端子３２に流れる。非反転端子２２及び反転端子２４への入力電流は無視することができる。差動増幅器２０は第１の接続端子６と第２の接続端子８との間の電圧差を極めて小さくする。
以下の検討において、第３の抵抗３０の値は零Ωであるとする。第２の抵抗１６の両端間の電圧は、第３の半導体接合部１８の接合電圧Ｖｂｅ₃に等しい。従って、第２の抵抗１６を流れる電流Ｉ₁は以下の式により規定される。

ここで、Ｒ₂は第２の抵抗１６の抵抗値である。電流Ｉ₂は以下の式に従う。

ここで、Ｖ_Tは熱ポテンシャル（ｋＴ／ｑ）であり、Ｒ₁は第１の抵抗１２の抵抗値であり、Ａ₁は第１の半導体接合部１０の面積であり、Ａ₂は第２の半導体接合部１４の面積である。式（２）は既知である。別の細部については、例えばIEEE Journal of Solid State Circuit,Vol.SC-8,No.3,June 1973,pp.222-226,「A Precision Reference Voltage Source」を参照されたい。
既知のように、接合電圧Ｖｂｅ₃は負の温度係数ＴＣを有しているから、式（１）は負の温度係数（ＴＣ）を有する電流伝達特性を有する第１の電流ミラー効果を表すものとみなすことができる。式（２）は正の温度係数ＴＣを有する第２の電流ミラーの動作を表す。温度Ｔが上昇すると、接合電圧Ｖｂｅ₃つまり第１の電流Ｉ₁は減少する。一方、第１の電流Ｉ₁の減少は、比Ｉ₂／Ｉ₁の正の温度係数ＴＣによる第２の電流の増加により補償される。従って、和電流Ｉ₁＋Ｉ₂は正又は負、或いはほぼ零のＴＣを有することができる。第３の半導体接合部１８に対して直列に第３の抵抗３０を配置することにより、第１の電流ミラーの比較的大きな負のＴＣを減少することができる。正のＴＣを有する第２の電流Ｉ₂は第３の抵抗３０を流れ、第３の抵抗の両端間に正のＴＣを有する電圧降下が発生する。この電圧降下の正のＴＣは接合部電圧Ｖｂｅ₃の負のＴＣを減少させる。第３の半導体接合部１８は、ある範囲内で自由に選択できるＴＣを有する基準電圧源及び自由に選択できる正規の電圧を有する基準電圧源を実現できる付加的な自由度を与える。
第１の半導体接合部１０、第２の半導体接合部１４及び第３の半導体接合部１８はダイオードとして図示したが、コレクタとベースとの相互接続したトランジスタで構成することができる。第１の半導体接合部１０、第２の半導体接合部１４及び第３の半導体接合部１８の降下は別の態様で得ることもできる。図２は図１の回路の変形例を示す。図２において、第１の半導体接合部１０は第１のトランジスタ３４のベース−エミッタ接合とし、そのコレクタは第１の接続端子６に結合し、そのエミッタは第１の抵抗１２に接続する。第２の半導体接合部１４はダイオード接続したダイオード２のトランジスタ３６のベース−エミッタ接合とし、のベースは第１トランジスタ３４のベースに接続しそのコレクタは第２の接続端子８に結合する。
ほぼ零のＴＣを有する和電流Ｉ₁＋Ｉ₂を得る必要がある場合、第１電流Ｉ₁の減少は比Ｉ₂／Ｉ₁の正の温度係数ＴＣによる第２の電流の増加を補償する。従って、和電流Ｉ₁＋Ｉ₂はほぼ零のＴＣが与えられることができる。一方、意図的に全補償以下に設定することもでき、この場合和電流は正のＴＣを有することになる。図３はこのような回路装置を示す。この回路は図１の変形に基づいているが、図２に示す変形も同様に適当である。差動増幅器２０の出力部２６は第４の抵抗５８を介して第１の共通端子２に接続する。第１の電源端子３２からスタートし、出力部２６の電圧は、第２の半導体接合部１４の接合部電圧Ｖｂｅ₁₄と、第３の抵抗３０の電圧降下Ｕｒ₃₀と、第３の半導体接合部１８の接合部電圧Ｖｂｅ₁₈と、第４の抵抗５８の電圧降下Ｕｒ₅₈との和に等しいことが見い出される。前述したように、正のＴＣを有する電流Ｉ₂が第３の抵抗３０を流れる。同様に正のＴＣを有する和電流Ｉ₁＋Ｉ₂が第４の抵抗５８を流れる。従って、第３の抵抗３０及び第４の抵抗５８の両端間の電圧和は、２個の半導体接合部の負のＴＣを補償する正のＴＣを有することができる。従って、ＴＣがほぼ零で抵抗１２，１６，３０及び５８の選択により決定できる大きさの電圧を出力部２６に発生することができる。
図３の差動増幅器２０は、図２に示す変形例に基づく場合相当簡単にすることができる。この結果を図４に示す。差動増幅器２０は第３のトランジスタ７０を有し、そのエミッタ、ベース及びコレクタを第１の電源端子３２、第２接続端子６及び非反転出力部２６にそれぞれ接続する。出力部２６は第５の抵抗７２を介して第２の電源端子５４に接続する。一方、第５の抵抗の代わりに、電圧源を用いることもできる。第３のトランジスタ７０のベースは反転入力部として機能する。第３のトランジスタ７０のエミッタは非反転入力部として機能し、第２のトランジスタ３６のベース−エミッタ接合部を介して第２の接続端子８に結合して第３のトランジスタ７０のベース−エミッタオフセット電圧を補償する。
図５は本発明による基準電圧源を示す。半導体接合部１８の機能は第４のトランジスタのベース−エミッタ接合により行い、このトランジスタのベースは第１の接続端子６に接続し、エミッタは第３のトランジスタ７０のベースに接続し、コレクタは出力部２６に接続する。半導体接合部１８は省略し、第３の抵抗３０は第１の接続端子６と第１の共通端子２との間に直接接続する。この構成の結果として、第３のトランジスタのベースと第１の共通端子２との間の電圧差は同一に維持される。第４トランジスタ８０のエミッタの電圧は第２の接続端子８の電圧に等しくなる。従って、２個の非線型電流ミラーに基づく上述した解析は有効である。第３のトランジスタ７０及び第４のトランジスタ８０は一緒になって、高電流ゲインを有するダーリントントランジスタを構成する。この結果第１接続端子６の負荷は大幅に減少するので、発生する基準電圧の精度が増大する。さらに、より大きい電流ゲインにより、出力端子２６の出力インピダンスは減少し、この結果として基準電圧Ｖ_zは出力部２６を流れる電流Ｉ₂の変化にほとんど依存しない。これらの性能によりこの基準電圧源は電子ツェナダイオードとして用いるのに極めて好適になり、その場合出力部２６及び第１の電源端子３２はツェナダイオードの接続端子としてみなすべきである。基準電圧Ｖ_Zは抵抗を適当に選択することにより自由に選択することができる。下側の限界は約２．７Ｖであり、その場合第４の抵抗５８の値はほぼ零になる。上側の限界は第３トランジスタ７０の最大許容コレクタ−エミッタ電圧により決められる。
所望の場合、第４トランジスタ８０のエミッタと第１の電源端子３２との間に接続した選択的な電流源８２により第４のトランジスタ８０の電流を固定することができる。この目的のため、電流源の代わりに抵抗を用いることができることに注意されたい。図６は、電流源が第５のトランジスタ８４を有する実施例を示し、このトランジスタのベース、エミッタ及びコレクタはそれぞれ第２トランジスタ３６のベース、第１の電源端子３２及び第４トランジスタ８０のエミッタに接続する。この結果、良好に規定されたバイアス電流が第４トランジスタ８０を流れる。
以下の値は単なる目安であり、基準電圧源の設計に用いられる素子を示す。比較的小さい抵抗値及び関連する電流枝路の対応する電流レベルを用いて同様な結果を得ることができる。
トランジスタ３６，７０８０及び８４のエミッタ領域は互いに等しくし、トランジスタ３４のエミッタ領域はトランジスタ３６の領域の４倍にする。
この場合、ＴＣは基準温度Ｔ_REFでほぼ零になる。ＴＣがほぼ零になる基準温度は例えば２７°のような別の値を与えることができる。
【図面の簡単な説明】
図１は従来の基準電圧源の基本回路を示す。
図２は従来の基準電圧源の基本回路を示す。
図３は従来の基準電圧源を示す。
図４は従来の基準電圧源を示す。
図５は本発明による基準電圧源の実施例を示す。
図６は本発明による基準電圧源の実施例を示す。

Claims (3)

1. 第１の共通端子、第２の共通端子、第１の接続端子、第２の接続端子、及び出力端子と、
   前記第１の接続端子と前記第２の共通端子との間に直列に接続したコレクタ−エミッタ通路を有する第１のトランジスタ及び第1の抵抗と、
   前記第１の共通端子と前記第２の接続端子との間に接続した第２の抵抗と、
   前記第２の接続端子と前記第２の共通端子との間に接続したコレクタ−エミッタ通路及び前記第１のトランジスタのベースに結合したベースを有するダイオード接続した第２のトランジスタと、
   前記第１の共通端子と前記第１の接続端子との間に接続した第３の抵抗と、
   前記第１の共通端子と前記出力端子との間に接続した第４の抵抗と、
   ベース、前記第２の共通端子に結合されたエミッタ及び前記出力端子に結合されたコレクタを有する第３のトランジスタと、
   前記第１の接続端子に接続されたベース，前記第３のトランジスタのベースに結合されたエミッタ及び前記出力端子に結合されたコレクタを有する第4トランジスタとを具えることを特徴とする基準電圧源。
2. 請求項１に記載の基準電圧源において、前記第４のトランジスタのエミッタと前記第２の共通端子との簡に電流伝導素子を介挿したことを特徴とする基準電圧源。
3. 請求項２に記載の基準電圧源において、前記電流伝導素子を、前記第４のトランジスタのエミッタと前記第２の共通端子との間に接続されたコレクタ−エミッタ通路を有すると共に前記第２のトランジスタのベースに接続されたベースを有する第５のトランジスタで構成したことを特徴とする基準電圧源。

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