JP5301147B2 - 電子回路 - Google Patents

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Description

本発明は電子回路に関し、特にバンドギャップ回路とカレントミラー回路とを有し参照電圧を出力する電子回路に関する。
参照電圧を出力する回路として、負の電圧依存性を有する電圧と正の電圧依存性を有する電圧とを加算し、温度依存性の小さい参照電圧を生成するバンドギャップ回路が用いられている。特許文献1には、制御トランジスタとバンドギャップ回路との間に参照電圧出力端子を有し、バンドギャップ回路から制御トランジスタに帰還をかける電子回路が開示されている。
特開平11−95850号公報
特許文献1によれば、バンドギャップ回路により温度依存性の小さい参照電圧が得られる。また、バンドギャップ回路から制御トランジスタに帰還をかけることにより、電源電圧依存性の小さな参照電圧が得られる。
しかしながら、特許文献1においても参照電圧の温度依存性、電源電圧依存性の抑制は不十分である。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、参照電圧の温度依存性および電源電圧依存性の抑制が可能な電子回路を提供することを目的とする。
本発明は、それぞれのベースが第1ノードにおいて互いに接続されたバイポーラトランジスタである第1トランジスタおよび第2トランジスタを有するバンドギャップ回路と、それぞれの制御端子が第2ノードにおいて互いに接続された第3トランジスタおよび第4トランジスタと、前記第3トランジスタの出力端子に接続されベースが前記第2トランジスタのコレクタに接続されたバイポーラトランジスタである第5トランジスタと、前記第4トランジスタの出力端子に接続されベースが前記第1ノードに接続されたバイポーラトランジスタである第6トランジスタと、を有するカレントミラー回路と、前記カレントミラー回路の出力に基づき、前記バンドギャップ回路に供給される電流を制御する制御回路と、前記制御回路と前記バンドギャップ回路との間に設けられた参照電圧を出力する参照電圧出力端子と、を具備することを特徴とする電子回路である。本発明によれば、参照電圧の温度依存性および電源電圧依存性を抑制することができる。
上記構成において、前記第1トランジスタのエミッタ面積に対する前記第5トランジスタのエミッタ面積の比をn2とし、前記第1トランジスタのエミッタ面積に対する前記第6トランジスタのエミッタ面積の比をn1倍とし、前記第4トランジスタの出力電流に対する前記第3トランジスタの出力電流の比をn3としたとき、n2=n1×n3である構成とすることができる。この構成によれば、第5トランジスタに供給される電流を所望の電流値とすることができる。
上記構成において、前記第1トランジスタと前記2トランジスタとのベース電流が同じである構成とすることができる。この構成によれば、参照電圧の温度特性を改善することができる。
上記構成において、前記第2トランジスタは、前記第1トランジスタの形状と同じ形状を有する複数のトランジスタが並列接続された構成とすることができる。この構成によれば、第1トランジスタと第2トランジスタとの、アーリー効果を一致させ、参照電圧の温度依存性を改善することができる。
上記構成において、前記第2トランジスタのエミッタに接続された第1抵抗と、前記定電圧出力端子と前記第1トランジスタのコレクタとの間に設けられた第2抵抗と、を具備し、前記第1トランジスタのコレクタと前記第1ノードとが接続された構成とすることができる。
上記構成において、前記第1トランジスタのベースエミッタ電圧の温度係数と前記第2抵抗の両端の電圧の温度係数とは、お互いに逆符号である構成とすることができる。
上記構成において、前記第1トランジスタのベースエミッタ電圧の温度係数の絶対値と前記第2抵抗の両端の電圧の温度係数の絶対値とは、同じである構成とすることができる。
上記構成において、前記制御回路は、前記カレントミラー回路の出力が制御端子に接続された第7トランジスタを含む構成とすることができる。
上記構成において、前記第7トランジスタはノーマリオン型トランジスタである構成とすることができる。この構成によれば、電源電圧が参照電圧に近い場合であっても、参照電圧の温度依存性および電源電圧依存性を抑制することができる。
本発明によれば、参照電圧の温度依存性および電源電圧依存性を抑制することができる。
まず、比較例1として特許文献1に記載された回路を模式化した参照電圧回路について説明する。図1は比較例1に係る電子回路である。図1を参照に、比較例1に係る電子回路は、温度依存性の小さいバンドギャップ回路10、バンドギャップ回路10に供給する電流を制御する制御回路30、電流源S、NPNバイポーラトランジスタTr05を有している。
バンドギャップ回路10は、第1トランジスタTr1、第2トランジスタTr2、第1抵抗R1、第2抵抗R2および第3抵抗R3を有している。第1トランジスタTr1と第2トランジスタTr2とはNPNバイポーラトランジスタであり、それぞれのベースが第1ノードN1において互いに接続されている。第1トランジスタTr1のコレクタは第2抵抗R2を介し参照電圧出力端子Nrefに接続され、エミッタは接地される。第1トランジスタTr1のコレクタとベースとは直接接続されている。第2トランジスタTr2のコレクタは第3抵抗R3を介し参照電圧出力端子Nrefに接続され、エミッタは第1抵抗R1を介し接地される。第2トランジスタTr2のコレクタと第3抵抗R3との間のノードが第2ノードN2である。
NPNバイポーラトランジスタTr05のベースは第2ノードN2に接続され、エミッタは接地され、コレクタは電流源Sに接続される。トランジスタTr05のコレクタと電流源Sとの間のノードが第3ノードN3である。参照電圧出力端子Nrefと電源Vccとの間に制御回路30が接続されている。制御回路30はNPNバイポーラトランジスタTr07からなる。トランジスタTr07のベースは第3ノードN3に、コレクタは電源Vccに、エミッタは参照電圧出力端子Nrefに接続される。
バンドギャップ回路10が温度依存性の少ない参照電圧を出力する理由を以下に説明する。なお、第1トランジスタTr1および第2トランジスタTr2のhfeは同じであり、第1トランジスタTr1のエミッタ面積に対する第2トランジスタTr2のエミッタ面積の比をn4とする。このエミッタ面積の比n4は、第1抵抗R1での電圧降下分を考慮し、かつ、第1トランジスタTr1のベース電流Ib1と、第2トランジスタTr2のベース電流Ib2とが、同じになるように設定されることが好ましい。
第2トランジスタTr2は、第1トランジスタTr1の形状と同じ形状を有するトランジスタが複数並列に接続されている。図2(a)は、第1トランジスタTr1の上面図、図2(b)は断面図である。図2(a)および図2(b)を参照に、p型シリコン基板50内にn型のコレクタ領域52aが形成されている。コレクタ領域52a内にp型ベース領域54a、ベース領域54a内にn型エミッタ領域56aがそれぞれ形成されている。コレクタ領域52a、ベース領域54aおよびエミッタ領域56aはそれぞれ接続部58を介し配線CLa、BLaおよびELaに接続されている。
図3(a)は、第2トランジスタTr2の上面図、図3(b)は断面図である。図3(a)および図3(b)を参照に、第2トランジスタTr2においては、コレクタ領域52b内に複数のベース領域54bが形成され、複数のベース領域54b内にそれぞれエミッタ領域56bが形成されている。コレクタ領域52b、ベース領域54bおよびエミッタ領域56bはそれぞれ接続部58を介し配線CLb、BLbおよびELbに接続されている。このように、第2トタンジスタTr2はトランジスタ60が複数個並列に接続されている。個々のトランジスタ60は第1トランジスタTr1と同じ形状を有する。すなわち、上面からみたエミッタ面積およびベース面積がそれぞれほぼ同じである。また、第1トランジスタTr1と第2トランジスタTr2とは同じ製造工程で作製されるため、エミッタ領域およびベース領域の断面形状もほぼ同じであり、不純物濃度もほぼ同じである。これにより、第1トランジスタTr1と第2トランジスタTr2とのアーリー効果を一致させることができる。なお、図1では、簡単のため第2トランジスタTr2は1つのトランジスタ記号で図示している。
参照電圧出力端子Nrefから出力される参照電圧Vrefは式(1)となる。
Vref=Vbe1+Vr2 (1)
ここで、Vr2は第2抵抗R2の両端の電圧差であり、式(2)で表される。
Vr2=(R2/R1)・(Κ・T/q)・ln(n4) (2)
ここで、R1,R2はそれぞれ第1抵抗R1および第2抵抗R2の抵抗値、Κはボルツマン定数、Tは温度、qは電子の電荷量である。
第1トランジスタTr1のベースエミッタ電圧Vbe1は、負の温度係数を有する。一方、式(2)より、Vr2は正の温度係数を有する。このように、Vbe1とVr2との温度係数はお互いに逆符号である。そこで、Vbe1の温度係数の絶対値と電圧Vr2の温度係数の絶対値とがほぼ同じとなるように、第1抵抗R1および第2抵抗R2のそれぞれの抵抗値を調整する。例えばVbe1の温度係数は一般的に−2mV/℃である。そこで、Vr2の温度係数が2mV/℃となるように、R1およびR2を調整する。これにより、式(1)のVbe1とVr2とで温度依存性を打ち消しあい、参照電圧Vrefの温度依存性が小さくなる。
しかしながら、バンドギャップ回路10だけでは、例えば電源電圧Vccが変動した場合に、参照電圧Vrefが変動してしまう。そこで、比較例1では、トランジスタTr05を用い、第2ノードN2の電圧を制御回路30に帰還することにより、参照電圧Vrefの変動を抑制する。
電源電圧Vccが上昇すると、参照電圧Vrefも上昇する。これにより、第2ノードN2の電圧も上昇し、トランジスタTr05のベース電圧が上昇する。トランジスタTr05のコレクタ電流Ic05が増加し、第3ノードN3の電圧V3が低下する。よって、トランジスタTr07のコレクタ電流Ic07が減少し、参照電圧Vrefが下降する。以上のように、参照電圧Vrefの電源電圧Vcc依存性が小さくなる。
比較例1において、参照電圧Vrefの温度依存性を抑制するためには、トランジスタTr05のベース電流Ib05は、第1トランジスタTr1のベース電流Ib1および第2トランジスタTr2のベース電流Ib2と同じであることが好ましい。ベース電流Ibが異なると、各トランジスタでの温度特性が異なってしまうためである。
第1トランジスタTr1のコレクタ電流Ic1とトランジスタTr05のコレクタ電流Ic05との好ましい関係について説明する。第1トランジスタTr1と第2トランジスタTr2との温度特性を同じとするためには、図1において、第1トランジスタTr1のコレクタ電流Ic1と第2トランジスタTr2のコレクタ電流Ic2とは、同じであることが好ましい。第2トランジスタTr2のエミッタ面積は、第1トランジスタTr1のn4倍であるが、第1トランジスタTr1のベース電流Ib1と、第2トランジスタTr2のベース電流Ib2とは、同じになるように設定されている。よって、Ic1とIc2とは等しくなる。さらに、電流I1と電流I2とが等しくなるように、トランジスタTr05のエミッタ面積を、第1トランジスタTr1のn2倍と設計する。これにより、トランジスタTr05のコレクタ電流Ic05は、n2×Ic1となる。
このように、トランジスタTr05のコレクタ電流Ic05の好ましい電流値が定まっていたとしても、比較例1におけるコレクタ電流Ic05の大きさは、電流源Sによって定まる。よって、電流源Sが出力する電流が好ましいコレクタ電流Ic05から外れると、各トランジスタのバランスが崩れ、各トランジスタのベースエミッタ電圧Vbeが異なってしまう。これにより、温度依存性が大きくなってしまうという課題が発生する。
以下に、上記課題を解決するための実施例を説明する。
図4は実施例1に係る電子回路の回路図である。図4を参照に、実施例1に係る電子回路は、バンドギャップ回路10、カレントミラー回路20および制御回路30を有している。バンドギャップ回路10の構成は比較例1と同じであり説明を省略する。
カレントミラー回路20は、第3トランジスタTr3、第4トランジスタTr4、第5トランジスタTr5、第6トランジスタTr6およびキャパシタC1を有している。第3トランジスタTr3および第4トランジスタTr4はP型MOSFETであり、第5トランジスタTr5および第6トランジスタTr6はNPNバイポーラトランジスタである。
第4ノードN4において、第3トランジスタTr3および第4トランジスタTr4のそれぞれのゲート(制御端子)がお互いに接続されている。第3トランジスタTr3および第4トランジスタTr4のソースは電源Vccに接続されている。第3トランジスタTr3のドレインは第3ノードN3を介し第5トランジスタTr5のコレクタに接続される。第4トランジスタTr4のドレインは第4ノードN4と第6トランジスタTr6のコレクタに接続されている。第4トランジスタTr4のゲート幅に対する第3トランジスタTr3のゲート幅の比はn3である。これにより、第3トランジスタTr3の出力電流(ドレイン電流)は、第4トランジスタTr4のn3倍となる。
第5トランジスタTr5のコレクタは、第3トランジスタTr3のドレイン(出力端子)に接続され、ベースは第2ノードN2に接続され、エミッタは接地されている。ベースとコレクタとの間には並列に位相調整用キャパシタC1が接続されている。第1トランジスタTr1のエミッタ面積に対する第5トランジスタTr5のエミッタ面積の比はn2である。第6トランジスタTr6のコレクタは、第4トランジスタTr4のドレイン(出力端子)に、ベースは第1ノードN1に接続され、エミッタは接地されている。第1トランジスタTr1のエミッタ面積に対する第6トランジスタTr6のエミッタ面積の比はn1倍である。
制御回路30はノーマリオフ型のNMOSFETである第7トランジスタTr7を有している。第7トランジスタTr7のドレインは電源Vccに、ゲート(制御端子)は第3ノードN3(第3トランジスタTr3の出力端子)に、ソースは参照電圧出力端子Nrefに接続されている。制御回路30は、カレントミラー回路20の出力V3(第3ノードの電圧)に基づき、電源Vccからバンドギャップ回路10に供給される電流を制御する。
実施例1を比較例1と比較すると、比較例1では、トランジスタTr05のコレクタ電流Ic05は電流源Sから供給されているのに対し、実施例1では、第5トランジスタTr5のコレクタ電流Ic5は、カレントミラー回路20の第3トランジスタTr3のドレインから供給される。カレントミラー回路20の第3トランジスタTr3および第4トランジスタTr4のゲート幅の比率を所定の値とし、第6トランジスタTr6と第1トランジスタTr1のエミッタ面積の比率を所定の値とする。これにより、第5トランジスタTr5のコレクタ電流Ic5を第1トランジスタTr1のコレクタ電流Ic1に対し所望の値とすることができる。
実施例1において、第5トランジスタTr5のエミッタ面積は、第1トランジスタTr1のn2倍である。このため、第1トランジスタTr1のベース電流Ib1と第5トランジスタTr5のベース電流Ib5とを同じにするためには、第5トランジスタTr5のコレクタ電流Ic5はn2×Ic1であることが好ましい。一方、第6トランジスタTr6のエミッタ面積は第1トランジスタTr1のエミッタ面積のn1倍である。よって、第6トランジスタTr6のコレクタ電流Ic6はn1×Ic1となる。コレクタ電流Ic6は第4トランジスタTr4のドレイン電流Id4に等しい。また、第3トランジスタTr3のゲート幅は第4トランジスタTr4のn3倍である。よって、Ic5=n3×Ic6=n1×n3×Ic1となる。以上より、n2=n1×n3とすることにより、第5トランジスタTr5のコレクタ電流Ic5に供給される電流を第1トランジスタTr1のコレクタ電流Ic1のn2倍とすることができる。よって、比較例1のように、電流源Sが供給する電流値を調整せずとも、カレントミラー回路20により、第5トランジスタTr5に供給される電流を所望の値に定めることができる。
第1トランジスタTr1と第2トランジスタTr2との温度特性を同じとするため、第1トランジスタTr1のコレクタ電流Ic1と第2トランジスタTr2のコレクタ電流Ic2とは等しい。よって、式(3)となる。
Ic1=Ic2 (3)
一方、第6トランジスタTr6のエミッタ面積は、第1トランジスタTr1のエミッタ面積のn1倍である。よって、式(4)となる。
Ic6=n1×Ic1 (4)
また、第3トランジスタTr3のゲート幅は、第4トランジスタTr4のn3倍である。第5トランジスタTr5のエミッタ面積は、第1トランジスタのn2倍である。よって、式(5)、(6)となる。
Ic5=n3×Ic6 (5)
Ic5=n2×Ic1 (6)
式(4)、(5)および(6)から、 n2=n1×n3 であることが好ましい。
第7トランジスタTr7は、比較例1のようなバイポーラトランジスタまたはノーマリオフ型FETでもよいが、ノーマリオン型であることが好ましい。この理由について、以下に説明する。参照電圧Vrefを電源電圧Vccに近い電圧に設定する場合、制御回路30用のトランジスタとしてバイポーラトランジスタまたはノーマリオフ型FETを用いると以下の課題が生じる。すなわち、この場合、第3ノードN3の電圧V3は参照電圧Vrefより高くなる。このため、第3トランジスタTr3および第4トランジスタTr4を非飽和領域で用いることとなる。非飽和領域では、ドレイン電圧に対するドレイン電流の依存性が大きく、カレントミラー回路20の出力電流の精度が低下する。これにより、参照電圧Vrefの精度が低下してしまう。
実施例1によれば、制御回路30用の第7トランジスタTr7としてノーマリオン型MOSFETを用いている。これにより、第3ノードN3の電圧V3を低くすることができる。よって、第3トランジスタTr3および第4トランジスタTr4を飽和領域で用いることができる。飽和領域では、ドレイン電圧に対するドレイン電流の依存性が小さく、カレントミラー回路20の出力電流の精度を向上させることができる。これにより、参照電圧Vrefの精度を向上させることができる。
図5は、実施例1に係る電子回路の参照電圧Vrefと電源電圧Vccを示す図である。横軸は時間であり、電源電圧Vccを時間に対し線形的に変化させる。電源電圧Vccが1.2Vまでは参照電圧Vrefは電源電圧Vccとほぼ同じ値である。電源電圧Vccが1.2Vを越えると、参照電圧Vrefは電源電圧Vccに依存せず一定となる。このように、実施例1によれば、参照電圧Vrefの電源電圧Vcc依存性が小さい。さらに、電源電圧Vccが参照電圧Vrefに近い電圧(例えば図5の1.3V)であっても、参照電圧Vref(例えば図5の1.22V)を出力することができる。
実施例2は、カレントミラー回路20の第3トランジスタTr3および第4トランジスタTr4をバイポーラトランジスタで構成する例である。実施例1の図4と比較し、第3トランジスタTr3および第4トランジスタTr4がPNPバポーラトランジスタである。その他の構成は実施例1の図4と同じであり説明を省略する。実施例2のように、第3トランジスタTr3および第4トランジスタTr4はバイポーラトランジスタでもよい。この場合、第3トランジスタTr3および第4トランジスタTr4の制御端子はベース、出力端子はコレクタとなる。
実施例1および実施例2と同じ機能を発揮できれば、第1トランジスタTr1、第2トランジスタTr2、第5トランジスタTr5および第6トランジスタTr6は、PNPバイポーラトランジスタでもよい。また、第3トランジスタTr3および第4トランジスタTr4はN型FET、NPNバイポーラトランジスタでもよい。
以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である
図1は比較例1に係る電子回路の回路図である。 図2(a)および図2(b)は第1トランジスタを示す図である。 図3(a)および図3(b)は第2トランジスタを示す図である。 図4は実施例1に係る電子回路の回路図である。 図5は実施例1の測定結果である。 図6は実施例2に係る電子回路の回路図である。
符号の説明
10 バンドギャップ回路
20 カレントミラー回路
30 制御回路

Claims (9)

  1. それぞれのベースが第1ノードにおいて互いに接続されたバイポーラトランジスタである第1トランジスタおよび第2トランジスタを有するバンドギャップ回路と、
    それぞれの制御端子が第2ノードにおいて互いに接続された第3トランジスタおよび第4トランジスタと、前記第3トランジスタの出力端子に接続されベースが前記第2トランジスタのコレクタに接続されたバイポーラトランジスタである第5トランジスタと、前記第4トランジスタの出力端子に接続されベースが前記第1ノードに接続されたバイポーラトランジスタである第6トランジスタと、を有するカレントミラー回路と、
    前記カレントミラー回路の出力に基づき、前記バンドギャップ回路に供給される電流を制御する制御回路と、
    前記制御回路と前記バンドギャップ回路との間に設けられた参照電圧を出力する参照電圧出力端子と、
    を具備することを特徴とする電子回路。
  2. 前記第1トランジスタのエミッタ面積に対する前記第5トランジスタのエミッタ面積の比をn2とし、
    前記第1トランジスタのエミッタ面積に対する前記第6トランジスタのエミッタ面積の比をn1倍とし、
    前記第4トランジスタの出力電流に対する前記第3トランジスタの出力電流の比をn3としたとき、
    n2=n1×n3
    であることを特徴とする請求項1記載の電子回路。
  3. 前記第1トランジスタと前記2トランジスタとのベース電流が同じであることを特徴とする請求項2記載の電子回路。
  4. 前記第2トランジスタは、前記第1トランジスタの形状と同じ形状を有する複数のトランジスタが並列接続されたことを特徴とする請求項3記載の電子回路。
  5. 前記第2トランジスタのエミッタに接続された第1抵抗と、
    前記参照電圧出力端子と前記第1トランジスタのコレクタとの間に設けられた第2抵抗と、を具備し、
    前記第1トランジスタのコレクタと前記第1ノードとが接続されたことを特徴とする請求項1から4のいずれか一項記載の電子回路。
  6. 前記第1トランジスタのベースエミッタ電圧の温度係数と前記第2抵抗の両端の電圧の温度係数とは、お互いに逆符号であることを特徴とする請求項5記載の電子回路。
  7. 前記第1トランジスタのベースエミッタ電圧の温度係数の絶対値と前記第2抵抗の両端の電圧の温度係数の絶対値とは、同じであることを特徴とする請求項6記載の電子回路。
  8. 前記制御回路は、前記カレントミラー回路の出力が制御端子に接続された第7トランジスタを含むことを特徴とする請求項1から7のいずれか一項記載の電子回路。
  9. 前記第7トランジスタはノーマリオン型トランジスタであることを特徴とする請求項8記載の電子回路。
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