JP4847976B2 - 電界効果トランジスタを用いた基準電圧源回路 - Google Patents

Description

本発明は、特に高温でも安定動作する電界効果トランジスタを用いた基準電圧源回路に関する。

従来、電界効果トランジスタ(以下単にトランジスタという)を用いた電圧発生回路及び基準電圧源回路として、図１に示す特開2001-284464があり、導電型の極性が異なるゲートを有するペアのトランジスタ(Ｍ１、Ｍ２)と、同じ極性の導電型で高濃度と低濃度のゲートを持つペアのトランジスタ(Ｍ３、Ｍ４)のそれぞれのゲート材の仕事関数差を利用して基準電圧を得るものである。

図１において、トランジスタＭ１は(不純物濃度が)高濃度ｎ型のゲートを持ち、ゲートとソースを結線して定電流源となる。トランジスタＭ２は、高濃度ｐ型のゲートを持ち、ｎ型チャンネルのトランジスタＭ５と抵抗Ｒからなるソースフォロア回路によりゲート電位が与えられる。トランジスタＭ３は、高濃度ｎ型のゲートを持つ。トランジスタＭ４は、低濃度ｎ型のゲートを持ち、ゲートをソースに結線して定電流源となる。

すべてのトランジスタＭ１,Ｍ２,Ｍ３,Ｍ４,Ｍ５において、特にトランジスタＭ１とＭ２およびトランジスタＭ３とＭ４ではそれぞれペアのトランジスタとして機能させるために、基板効果が出ないように、基板内のウェルをトランジスタ毎に独立させ、かつ基板電極Ｗをソースに接続して、基板電位をソース電位としている。

第１のペアトランジスタは、両トランジスタＭ１、Ｍ２に同一の電流が流れるため、出力電圧Ｖ１は負の温度係数を有する電圧Ｖpnが得られ、第２のペアトランジスタは、両トランジスタＭ３、Ｍ４に同一の電流が流れるため、出力電圧であるゲート・ソース間電圧Ｖgsは、正の温度係数を有する電圧−Ｖptatが得られる。前記電圧Ｖ１(＝Ｖpn)を抵抗Ｒ１、Ｒ２で分圧して得た電圧Ｖ２と、Ｖgs(＝−Ｖptat)とを加算して当該回路より出力電圧Ｖ３を得ている。

前記電圧Ｖpnおよび電圧Ｖptatにおける負および正の温度係数が相殺されるように分圧比を設定すれば、出力電圧Ｖ３には、温度係数を持たない基準電圧Ｖrefが得られる。

上記図１に示される従来の基準電圧源回路では、高温になってｐｎジャンクションの逆方向リークが発生した場合、トランジスタのドレイン−基板電流が増加するため、回路のそれぞれの段において電流が増加する。トランジスタＭ１とＭ２で構成される第１段目においては、ペアトランジスタで構成されているので、トランジスタＭ１のドレイン−基板電流と、トランジスタＭ２のドレイン−基板電流とには同じ電流が流れる。そのため、Ｖpnはｐｎジャンクションリークの無い場合と同じ値をとるので温度による影響を受けずに一定の値となる。トランジスタＭ３とＭ４で構成される第３段目も同様である。

しかしながら、第２段目のソースフォロア回路を構成するトランジスタＭ５は、ペア構成のトランジスタではなく、また基板電位をソース電位と等しくしてあるため、トランジスタＭ５の基板電流増加によって以下に述べるような弊害が生じる。

図２は、トランジスタのゲート電圧(Ｖg)・ソース電流(Ｉs)の特性を示すグラフであり、“１”は室温での特性を示す。高温でのジャンクションリークによりトランジスタのドレイン−基板電流が増加すると、図１に示すようにトランジスタＭ５の基板電位をソース電位と等しくしてある(トランジスタ毎に独立したウェルの中に基板端子Ｗとソース端子がある)ため、基板−ソース電流が加算されてソース電流が増える。そのため、高温では“２”で示した特性になってしまう。

トランジスタＭ５は、抵抗Ｒ１,Ｒ２とＶpnで決まる一定電流Ｖpn/(Ｒ１＋Ｒ２)を保つ必要があるため、トランジスタＭ５のゲート・ソース間電圧はＶg1からＶg2に低下する。トランジスタＭ２のドレイン電圧は、トランジスタＭ５のゲート電圧で与えられゲート・ソース間電圧Ｖgsが低下するのに伴って低下し、その結果、トランジスタＭ２のドレイン・ソース間電圧も下がる。

トランジスタＭ２のドレイン・ソース間電圧が（Ｖth−Ｖgs）以下になるとトランジスタ動作は飽和領域から線形領域に移り、一段目の定電流源となるトランジスタＭ１で決められる電流値をトランジスタＭ２が流すためには、トランジスタＭ２のＶgsを上昇する必要が出てくる。結果としてトランジスタＭ２のＶgs(Ｖpn)が上昇し、Ｖrefも上昇してしまうという課題を引き起こした。

本発明の目的は、上記の課題を解消するためのもので、ペアのトランジスタ以外のトランジスタ(ソースフォロア回路を構成するトランジスタ)の基板電位をソースから切り離してＧＮＤに接続することにより、高温でもジャンクションリークに依存しない安定した基準電圧を得ることのできる電界効果トランジスタを用いた基準電圧源回路を提供することである。

基準電圧源回路は、導電型の極性が異なるゲートを有する“第１のペア電界効果トランジスタ回路”と、同一の導電型で不純物の濃度が異なるゲートを有する“第２のペア電界効果トランジスタ回路”と、第１及び第２のペア電界効果トランジスタのゲート電極の仕事関数差を任意の比で合成するために、電界効果トランジスタおよび抵抗からなる“合成回路”とからなる。そして既述したように、各電界トランジスタのゲート電極Ｗはそれぞれのソースに接続されていたが、本発明では、前記“合成回路”における電界効果トランジスタに対してのみ、基板電極Ｗをソースから切り離してＧＮＤに接続した。

高温になってｐｎジャンクションの逆方向リークが発生した場合、トランジスタのドレイン−基板電流が増加するため、本発明の実施形態を示した図３のそれぞれの段において電流が増加する。しかしながら、トランジスタＭ１とＭ２で構成される第１段目においては、基板電位をソース電位と等しくした(独立したウェルの中に基板端子とソース端子がある)ペアトランジスタで構成されているため、トランジスタＭ１のドレイン−基板電流と、トランジスタＭ２のドレイン−基板電流とには同じ大きさの電流が流れる。したがって、Ｖpnを得る過程で、両トランジスタにおけるリーク電流による影響が相殺されるため、このＶpnは温度による影響を受けずに一定の値となる。トランジスタＭ３とＭ４で構成される第３段目も同様である。(この動作は従来例と同じ)

次に、第２段目は本発明の特徴である「基板電極をソースから切り離してＧＮＤに接続した」トランジスタＭ５で構成したソースフォロア回路である。まず、このように構成したトランジスタＭ５の温度に対するドレイン電流(Ｉd)、ソース電流(Ｉs)、基板電流(Ｉb)の変化を図４のグラフに示す。

図４からわかるように、ある温度以上になるとｐｎジャンクションの逆方向リークによりトランジスタの基板電流が上昇し、またドレイン電流は、ソース電流と基板電流の和であるため、基板電流の上昇の影響を受けて共に増加する。しかしながら、基板とソースを独立させているため、ソース電流においては高温でも基板電流増加による影響は見られない。

既述したように、ソースフォロア回路を構成するトランジスタＭ５は抵抗Ｒ１、Ｒ２とＶpnで決まる一定電流Ｖpn/(Ｒ１＋Ｒ２)を保つ必要がある。抵抗Ｒ１、Ｒ２へ流れる電流はトランジスタＭ５のソース電流に等しく、上に述べたように基板電流をＧＮＤに流すことにより、ソース電流はリーク電流(ドレイン−基板電流)の影響を受けない。従って、本発明ではソースフォロア回路のトランジスタの基板電位をソース電位から切り離してＧＮＤとすること、及びペアのトランジスタを用いることにより、高温でも安定した基準電圧源回路が実現できる。以下、本発明の実施形態を更に詳しく説明する。

図３において、トランジスタＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５はすべてｎチャンネルで、基板やチャンネルドーブの不純物濃度は等しく、ｎ型基板の独立したｐウェル内に形成され、トランジスタＭ１,Ｍ２,Ｍ３,Ｍ４の基板電位はソース電位と等しくしてある。

しかしながら、ソースフォロア回路を構成するトランジスタＭ５の基板電位はソース電位から独立させＧＮＤにしてある。チャンネル幅Ｗとチャンネル長Ｌの比(Ｗ/Ｌ)は、トランジスタＭ１とＭ２とで等しく、そして、トランジスタＭ３とＭ４とで等しい。トランジスタＭ１は高濃度ｎ型のゲートを持ち、ゲートをソースを結線した定電流源としている。トランジスタＭ２は、高濃度ｐ型のゲートを持ち、ｎ型チャンネルのトランジスタＭ５と抵抗Ｒからなるソースフォロア回路によりゲート電位が与えられる。

トランジスタＭ３は、高濃度ｎ型のゲートを持つ。トランジスタＭ４は、低濃度ｎ型のゲートを持ち、ゲートとソースを結線して定電流源となる。ペアトランジスタＭ１とＭ２には同一電流が流れるためトランジスタＭ２のゲート・ソース間電圧はトランジスタＭ１とＭ２のＶthの差Ｖpnとなる。

また、第２のペアトランジスタＭ３とＭ４も、同一電流が流れるため、トランジスタＭ３、Ｍ４のゲート・ソース間電圧の差は、トランジスタＭ４のゲート・ソース間電圧が０のため、トランジスタＭ３のゲート・ソース間電圧Ｖgsに等しくなり、これが正の温度係数を有する電圧(−Ｖptat)となる。

トランジスタＭ３のソース電位をＶ３とすれば、
Ｖ２＝Ｖ３＋Ｖgs、Ｖ２＝Ｖ１＊Ｒ２/(Ｒ１＋Ｒ２)の関係から
Ｖ３＝Ｖ２＋Ｖptat＝Ｖ１＊Ｒ２/(Ｒ１＋Ｒ２)＋Ｖptat
＝Ｖpn＊Ｒ２/(Ｒ１＋Ｒ２)＋Ｖptat
となり、既述したように、分圧比を適宜設定することにより、もしくはゲートの不純物濃度を変える(ＶpnおよびＶgsが変化)ことにより、Ｖ３には、温度特性を持たない基準電圧Ｖrefを得ることができる。

本発明によれば、高温でも安定した電界効果トランジスタを用いた基準電圧発生回路を実現することが可能となる。詳しくは、請求項１に記載の発明で、ペア電界効果トランジスタ以外の電界効果トランジスタの基板電位をソースから切り離してＧＮＤとしたことにより、ジャンクションリークによる影響が排除され、高温でも安定した基準電圧発生回路を実現することができる。

従来の基準電圧源回路の図 トランジスタのゲート電圧対ソース電流の関係を示した特性図 本発明の１実施形態になる回路図 本発明で用いたトランジスタの温度変化に対するドレイン電流、ソース電流および基板電流の特性図

符号の説明

Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５ 電界効果トランジスタ、Ｒ 抵抗

Claims (3)

1. 導電型の極性が異なるゲートを有する第１のペア電界効果トランジスタ回路と、同一の導電型で不純物の濃度が異なるゲートを有する第２のペア電界効果トランジスタ回路と、第１及び第２のペア電界効果トランジスタのゲート電極の仕事関数差を任意の比で合成するために、電界効果トランジスタおよび抵抗からなる合成回路とから構成され、
   前記第１のペア電界効果トランジスタ回路は、ゲートとソースを結線した第１の電界効果トランジスタと、第２の電界効果トランジスタとを直列に接続したものであり、
   前記第２のペア電界効果トランジスタ回路は、第３の電界効果トランジスタと、ゲートとソースをＧＮＤ電位とした第４の電界効果トランジスタとを直列に接続したものであり、
   前記合成回路は、第５の電界効果トランジスタと分圧用の抵抗とを直列接続したものであって、前記第２の電界効果トランジスタのゲート電位を与えるソースフォロア回路を構成するとともに、前記第３の電界効果トランジスタのゲートに分圧された電位を与え、
   前記第３の電界効果トランジスタと前記第４の電界効果トランジスタの接続点を基準電圧出力点とし、
   前記第５の電界効果トランジスタの基板電極はソース電位から独立してＧＮＤに接続され、
   チャンネル幅とチャンネル長の比は、第１の電界効果トランジスタと第２の電界効果トランジスタとで等しいことを特徴とする基準電圧源回路。
2. チャンネル幅とチャンネル長の比は、第３の電界効果トランジスタと第４の電界効果トランジスタとで等しいことを特徴とする請求項１記載の基準電圧源回路。
3. 第１の電界効果トランジスタ、第２の電界効果トランジスタ、第３の電界効果トランジスタ、第４の電界効果トランジスタ、第５の電界効果トランジスタは、それぞれ、ｎチャンネルを有し、かつｎ型基板の独立したｐウェル内に形成され、
   前記第１の電界効果トランジスタ、前記第２の電界効果トランジスタ、前記第３の電界効果トランジスタ、前記第４の電界効果トランジスタの基板電位はソース電位と等しいことを特徴とする請求項１または２記載の基準電圧源回路。

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