JP5842164B2 - 基準電圧生成回路および基準電圧源 - Google Patents

Description

本発明は、所定の基準電圧を生成する基準電圧生成回路およびそれを備えた基準電圧源に関し、特に、温度特性に優れた基準電圧生成回路および基準電圧源に関する。

所定の基準電圧を温度によらず安定的に供給するための基準電圧生成回路が知られている。図１４は従来の基準電圧生成回路の基本的な構成を示す回路図である。図１４に示すように、基準電圧生成回路１１０は、ダイオード(diode)やバイポーラトランジスタ(bipolar transistor)等のダイオード特性（ＰＮ接合による電流−電圧特性）を有する第１ダイオード特性素子Ｑ１０と第１抵抗Ｒ１０とが直列に接続された第１経路Ｐ１０と、第１ダイオード特性素子Ｑ１０とは流れる電流密度の異なる第２ダイオード特性素子Ｑ２０と第２抵抗Ｒ２０とが直列に接続された第２経路Ｐ２０と、第１抵抗Ｒ１０によって電圧降下した電圧Ｖ１０と第２抵抗Ｒ２０によって電圧降下した電圧Ｖ２０とが入力される差動アンプ(amplifier)４０とを備えている。さらに、第２経路Ｐ２０には、第２抵抗Ｒ２０に直列に第３抵抗Ｒ３０が接続されている。そして、第１抵抗Ｒ１０および第２抵抗Ｒ２０に印加される電圧（図１４の例においては差動アンプ４０の出力電圧）を基準電圧ＶＢＧとして出力するよう構成されている。このような基準電圧生成回路においては、流れる電流密度の異なる２つのダイオード特性素子Ｑ１０，Ｑ２０にそれぞれ印加される電圧の差分に基づいて基準電圧ＶＢＧの温度依存をなくすように（基準電圧ＶＢＧの温度Ｔによる微分ｄＶＢＧ／ｄＴ＝０となるように）第３抵抗Ｒ３０（および第２抵抗Ｒ２０）が調整される。

このようにして得られた基準電圧ＶＢＧは、温度による変動幅が小さくはなるが、厳密には依然として温度によって２次関数的に変化することが知られている。図１５は従来の基準電圧生成回路によって得られる基準電圧の温度依存特性を示すグラフである。図１５には、想定される温度範囲（−５０℃〜１５０℃）において２次関数的な温度依存特性を有することが示されている。これは、図１４に示すような基準電圧生成回路によって基準電圧の１次温度係数は相殺されるものの、２次温度係数が依然として存在していることによるものである。

このような２次関数的な温度依存特性を解消するための方法として、図１４に示すような基準電圧生成回路の電流経路に温度に応じて２次関数的に変化する電流を流すことで、２次関数的な温度依存特性を解消することが理論的には考えられている。しかし、２次関数的な温度依存特性に応じて２次関数的に変化するような電流を生成するためには回路が複雑になり現実的ではない。

そこで、このような温度依存特性に対して例えば、複数の補正電流生成回路を設け、複数の温度範囲ごとに異なる補正電流生成回路で生成された補正電流を用いる構成が提案されている（例えば特許文献１参照）。また、絶対温度に対して線形に変化するＰＴＡＴ電流を生成し、このＰＴＡＴ電流と抵抗とを用いてダイオード特性素子に印加される電圧に比例するＣＴＡＴ電流との差分が０となるように調整することにより温度補償を行う構成が提案されている（例えば特許文献２参照）。

米国特許第７７２８５７５号明細書 米国特許第７７５０７２８号明細書

しかしながら、特許文献１のように、複数の補正電流生成回路を設けることは回路構成が複雑となる問題がある。また、温度依存特性を向上させるには温度範囲ではなくより実際の温度に即した調整が必要である。また、特許文献２のように、ＰＴＡＴ電流とＣＴＡＴ電流との差分を調整する構成も回路構成は複雑である。さらに、特許文献１および２のいずれにおいても、本来、１次の温度係数を補正するための抵抗値を調整することによって、一括して温度補償を行っており、温度依存特性を向上させるには限界がある。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、簡単な構成で温度依存特性を向上させることができる基準電圧生成回路を提供することを目的とする。

本発明のある態様に係る基準電圧生成回路は、第１ダイオード特性素子と当該第１ダイオード特性素子とは流れる電流密度が異なる第２ダイオード特性素子とを有し、これらに印加される電圧の差に基づいて生成される基準電圧を出力する基準電圧生成回路要素と、前記基準電圧の１次温度係数を調整する第１調整回路要素と、前記基準電圧の２次温度係数を調整する第２調整回路要素と、を備えている。

上記構成によれば、基準電圧生成回路要素で生成される基準電圧の１次温度係数が第１調整回路要素で調整され、基準電圧の２次温度係数が第２調整回路要素で調整される。このように、１次温度係数と２次温度係数とが互いに独立した調整回路要素で調整されるため、簡単な構成で温度依存特性を向上させることができる。

前記第２調整回路要素は、前記基準電圧の２階微分成分が相殺されるように調整された電流を生成する電流源を含んでいてもよい。これによれば、基準電圧の２階微分成分が調整された電流によって相殺されるため、温度依存特性を容易に向上させることができる。

さらに、前記電流源は、その生成する電流に前記基準電圧の２階微分成分を相殺する特性を持たせるダイオード特性を有する第１回路要素を含んでいてもよい。これによれば、ダイオード特性を有する第１回路要素に基づく電流は、指数関数を含む式で表されるものとなり、これの２階微分成分においても当該電流自身を用いて表すことができるため、基準電圧からこのような電流に基づく電圧を差し引いた電圧の２階微分成分を０とするような電流を容易に生成することができる。したがって、基準電圧の２階微分成分を相殺する電流を簡単な構成で容易に生成することができる。

さらに、前記第１回路要素は、バイポーラトランジスタを含み、前記電流源は、前記第１回路要素と、前記基準電圧生成回路要素の前記第１および第２ダイオード素子のいずれか一方に流れる電流に基づいて前記第１回路要素のコレクタ(collector)とエミッタ(emitter)との間に電流を流す第２回路要素と、前記第１回路要素のベース(base)に流れる電流が入力され、前記基準電圧生成回路要素の経路へ補正電流を出力するカレントミラー(current mirror)回路要素とを備え、前記カレントミラー回路要素は、入出力比を調整することにより基準電圧生成回路要素に入力する電流値が調整されるよう構成されてもよい。これによれば、第１回路要素に基づく電流がバイポーラトランジスタのベース電流となる。バイポーラトランジスタのベース電流は、ダイオード特性を有するため、指数関数を含む式で表される。そして、カレントミラー回路要素の入出力比を調整することによって基準電圧生成回路要素の経路に流入または当該経路から流出する補正電流の大きさが調整される。したがって、カレントミラー回路要素の入出力比を調整することにより、補正電流に基づいて２次温度係数を調整する電流を容易に生成することができる。また、第１回路要素の電流源として第２回路要素を用いることにより、基準電圧生成回路要素において利用されている電流から調整電流を生成することができる。したがって、別途電流源を設けることなく簡単な構成で、基準電圧の２次温度係数を調整する調整電流を容易に生成することができる。

また、前記基準電圧生成回路要素は、前記第１ダイオード特性素子と当該第１ダイオード特性素子に直列に接続された第１抵抗とを含む第１経路と、前記第２ダイオード特性素子と当該第２ダイオード特性素子に直列に接続された第２抵抗とを含む第２経路と、前記第１経路の所定の箇所における第１電圧と前記第２経路の前記第１電圧と対応する箇所における第２電圧とが入力される差動アンプとを備え、前記第１抵抗および前記第２抵抗の少なくとも一方に印加される電圧を前記基準電圧として出力するよう構成されており、前記第１調整回路要素は、前記第１ダイオード特性素子および前記第２ダイオード特性素子のいずれかに接続される調整抵抗を含んでいてもよい。

本発明の他の形態に係る基準電圧源は、上記構成の基準電圧生成回路と、前記基準電圧を増幅する増幅器とを備えている。上記構成の基準電圧源によれば、１次温度係数と２次温度係数とが互いに独立した調整回路要素で調整された基準電圧が出力されるため、簡単な構成で温度依存特性を向上させることができる。

本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。

本発明は以上に説明したように構成され、簡単な構成で温度依存特性を向上させることができるという効果を奏する。

図１は本発明の第１実施形態に係る基準電圧生成回路の概略構成例を示す回路図である。 図２は図１に示す基準電圧生成回路の具体的な構成例を示す回路図である。 図３は本発明の第２実施形態に係る基準電圧生成回路の概略構成例を示す回路図である。 図４は図３に示す基準電圧生成回路のより具体的な構成例を示す回路図である。 図５は図２に示す基準電圧生成回路における差動アンプの構成例を示す回路図である。 図６はｎｐｎトランジスタのベース電流の温度に対する変化特性を示すグラフである。 図７は図４に示す基準電圧生成回路におけるカレントミラー回路要素の構成例を示す回路図である。 図８は図３に示す基準電圧生成回路によって出力される基準電圧を示すグラフである。 図９は図３に示す基準電圧生成回路によって出力される基準電圧を示すグラフである。 図１０は図２に示す基準電圧生成回路から出力される基準電圧の温度変化に対する変化に関するシミュレーション結果を示すグラフである。 図１１は本発明の第２実施形態の変形例に係る基準電圧生成回路の概略構成例を示す回路図である。 図１２は本発明の一実施形態に係る基準電圧生成回路が適用された基準電圧源の一の概略構成例を示す回路図である。 図１３は本発明の一実施形態に係る基準電圧源が適用された装置の概略構成例を示す回路図である。 図１４は従来の基準電圧生成回路の基本的な構成を示す回路図である。 図１５は従来の基準電圧生成回路によって得られる基準電圧の温度依存特性を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一または相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。

＜第１実施形態＞
まず、本発明の第１実施形態に係る基準電圧生成回路について説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る基準電圧生成回路の概略構成例を示す回路図である。

図１に示すように、本実施形態における基準電圧生成回路１０は、第１ダイオード特性素子（後述）と当該第１ダイオード特性素子とは流れる電流密度が異なる第２ダイオード特性素子（後述）とを有し、これらに印加される電圧の差に基づいて生成される基準電圧ＶＢＧ１を出力する基準電圧生成回路要素１と、基準電圧ＶＢＧ１の１次温度係数を調整する第１調整回路要素２と、基準電圧ＶＢＧ１の２次温度係数を調整する第２調整回路要素３と、を備えている。

上記構成によれば、基準電圧生成回路要素１で生成される基準電圧ＶＢＧ１の１次温度係数が第１調整回路要素２で調整され、基準電圧ＶＢＧ１の２次温度係数が第２調整回路要素３で調整される。このように、１次温度係数と２次温度係数とが互いに独立した調整回路要素２，３で調整されるため、簡単な構成で温度依存特性を向上させることができる。

以下、具体的に説明する。図２は図１に示す基準電圧生成回路の具体的な構成例を示す回路図である。図２に示すように、本実施形態の基準電圧生成回路において、基準電圧生成回路要素１は、第１ダイオード特性素子Ｄ１と当該第１ダイオード特性素子Ｄ１に直列に接続された第１抵抗Ｒ１とを含む第１経路Ｐ１と、第２ダイオード特性素子Ｄ２と当該第２ダイオード特性素子Ｄ２に直列に接続された第２抵抗Ｒ２とを含む第２経路Ｐ２とを備えている。ここで、第２ダイオード特性素子Ｄ１の電流密度（素子サイズ）ｍ２は、第１ダイオード特性素子Ｄ１の電流密度ｍ１のｎ倍であるとする（ｍ１＝１，ｍ２＝ｎ）。

さらに、基準電圧生成回路要素１は、第１経路Ｐ１の所定の箇所における第１電圧Ｖ１と第２経路Ｐ２の第１電圧Ｖ１と対応する箇所における第２電圧Ｖ２とが入力される差動アンプ４を備えている。本実施形態においては、第１電圧Ｖ１は、第１経路Ｐ１において差動アンプ４の出力電圧Ｖｏである基準電圧ＶＢＧ２から第１抵抗Ｒ１によって電圧降下された電圧であり、第２電圧Ｖ２は、第２経路Ｐ２において差動アンプ４の出力電圧Ｖｏである基準電圧ＶＢＧ２から第２抵抗Ｒ２によって電圧降下された電圧である。差動アンプ４の非反転入力端子には、第１電圧Ｖ１が印加され、反転入力端子には、第２電圧Ｖ２が印加される。そして、基準電圧生成回路要素１は、第１抵抗Ｒ１および第２抵抗Ｒ２の少なくとも一方（図２においては双方）に印加される電圧を基準電圧ＶＢＧ２として出力するよう構成されている。

また、第１調整回路要素２は、第１ダイオード特性素子Ｄ１および第２ダイオード特性素子のいずれかに接続される調整抵抗Ｒ３を含んでいる。さらに、第２調整回路要素３は、基準電圧ＶＧＢ２の２階微分成分が相殺されるように調整された調整電流Ｉｃｒを生成する電流源６を含んでいる。本実施形態において、電流源６は、差動アンプ４の反転入力端子に接続されている。

ここで、本発明の原理について説明する。まず、第１調整回路要素２を設けることにより基準電圧ＶＢＧ２の１次温度係数が調整されることについて説明する。

第１経路Ｐ１を流れる電流をＩ１とし、第２経路Ｐ２を流れる電流をＩ２とし、第１および第２ダイオード特性素子Ｄ１，Ｄ２の飽和電流をＩＳ１，ＩＳ２とすると、第１および第２ダイオード特性素子Ｄ１，Ｄ２に印加されるダイオード特性電圧ＶＤ１，ＶＤ２は、熱電圧Ｖ_Ｔを用いて以下のように表わせる。

ここで、熱電圧Ｖ_Ｔは、Ｖ_Ｔ＝ｋ_ＢＴ／ｑで表わされる。ただし、ｋ_Ｂはボルツマン定数(Boltzmann constant)であり、Ｔは温度であり、ｑは電気素量である。また、ダイオード特性素子Ｄ１，Ｄ２の電流密度比（サイズ比）がｎであるため、ＩＳ２＝ｎＩＳ１と表わせる。

また、第１電圧Ｖ１および第２電圧Ｖ２は、ダイオード特性電圧ＶＤ１、ＶＤ２を用いて、Ｖ１＝ＶＤ１，Ｖ２＝ＶＤ２＋Ｉ２・Ｒ３と表わせる。ここで、差動アンプ４の入力端子間は仮想接地されるため、第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２とは等しい。したがって、ＶＤ１＝ＶＤ２＋Ｉ２・Ｒ３が成り立つ。これを変形すると以下のように表わせる。

本実施形態においては、第１抵抗Ｒ１および第２抵抗Ｒ２の抵抗値は同じにしてある。このため、第１電圧Ｖ１および第２電圧Ｖ２が等しいことから、第１電流Ｉ１および第２電流Ｉ２も等しい。したがって、上記式（２）は、以下のように表せる。

また、基準電圧ＶＢＧ２は、電流Ｉ２を用いてＶＢＧ２＝ＶＤ２＋Ｉ２・（Ｒ２＋Ｒ３）と表せる。この式に、上記式（３）を代入すると、以下のように表せる。

基準電圧ＶＢＧ２の１次温度係数が０となるためには、上記式（４）の温度Ｔに関する１階微分成分が０となればよい。したがって、上記式を温度Ｔで１階微分すると、以下のように表せる。

上記式（５）が０となるように第１調整回路要素２の調整抵抗Ｒ３を調整することにより、基準電圧ＶＢＧ２の１次温度係数を０にすることができる。例えば、ｎ＝８，Ｒ２＝９０ｋΩと設定し、第２ダイオード特性素子Ｄ２の既知の温度特性ｄＶＤ２／ｄＴ＝−１．８ｍＶ／℃とすると、調整抵抗Ｒ３の抵抗値Ｒ３＝１０ｋΩとなる。なお、ｋ_Ｂ／ｑ＝８６．１７μＶとして計算している。基準電圧ＶＢＧ２は、第１ダイオード特性素子Ｄ１の電圧ＶＤ１を用いてＶＢＧ２＝ＶＤ１＋Ｉ１・Ｒ１と表せる（Ｉ１＝Ｉ２，Ｒ１＝Ｒ２）。したがって、室温（３００Ｋ）における基準電圧ＶＢＧ２はこの式よりＶＢＧ２＝１．１８６Ｖとなる。なお、室温における第１ダイオード特性素子Ｄ１の電圧を０．７Ｖとして計算している。このように、第１調整回路要素２の調整抵抗Ｒ３の抵抗値を調整することにより、基準電圧ＶＢＧ２の１次温度係数を調整することができる。

次に、第２調整回路要素３を設けることにより基準電圧ＶＢＧ２の２次温度係数が調整されることについて説明する。

基準電圧ＶＢＧ２を生成するためのバンドギャップ電圧ＶＢＧ（Ｔ）は、温度Ｔに関して以下のように級数展開できる。

ここで、ａｉ（ｉ＝０，１，２，…）は定数であり、Ｔ_０は基準温度であり、ΔＴは温度Ｔと所定の基準温度Ｔ_０との温度差である。

上記式（６）において、バンドギャップ電圧ＶＢＧ（Ｔ）をｔ＝ΔＴ／Ｔ_０の関数として２階微分すると以下のように近似できる。

ここで、３次項以降は、想定される温度範囲において無視できる値となるため、無視（２・ａ２＞＞６ｔ・ａ３）している。

本実施形態において、基準電圧生成回路は、バンドギャップ電圧ＶＢＧ（ｔ）に調整電流Ｉｃｒ（ｔ）を加えることで２次温度係数が相殺された基準電圧ＶＢＧ２（ｔ）を出力する。すなわち、基準電圧ＶＢＧ２（ｔ）は、バンドギャップ電圧ＶＢＧ（ｔ）に第２抵抗Ｒ２に調整電流Ｉｃｒが流れることによる電圧が加算されたものとなる。つまり、基準電圧ＶＢＧ２（ｔ）は、ＶＢＧ２（ｔ）＝ＶＢＧ（ｔ）−Ｒ２・Ｉｃｒ（ｔ）と表せる。

このように表せる基準電圧ＶＢＧ２（ｔ）を２階微分すると、以下のように表せる。

したがって、ｔ＝０、すなわち、温度Ｔが基準温度Ｔ_０（例えば２７℃＝３００Ｋ）であるときに、上記式（８）が０となるように、第２調整回路要素３の電流源６から出力される調整電流Ｉｃｒを調整することにより、基準電圧ＶＢＧ２の２次温度係数を０にすることができる。

ここで、調整電流Ｉｃｒは、基準電圧ＶＢＧ２の２階微分成分２・ａ２を相殺するために、例えば、指数関数変化する電流を採用することができる。この場合、調整電流Ｉｃｒは、定数Ｃを用いてＩｃｒ（ｔ）＝Ｃ・ｅｘｐ（−ｔ）と表される。このとき、式（８）に上記Ｉｃｒ（ｔ）を代入して計算すると、以下のように表される。

ｄ^２／ｄｔ^２（ＶＢＧ２（０））＝０より、式（９）から調整電流Ｉｃｒは以下のように求められる。

このような、基準電圧ＶＢＧ２の２階微分成分を相殺するように調整された電流Ｉｃｒにより基準電圧ＶＢＧ２を調整することにより、基準電圧ＶＢＧ２の２次温度係数が調整電流によって相殺されるため、温度依存特性を容易に向上させることができる。この他、例えばＩｃｒ（ｔ）＝Ｃ／ｔ（Ｃは定数）といった電流も同様に採用可能である。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る基準電圧生成回路について説明する。図３は本発明の第２実施形態に係る基準電圧生成回路の概略構成例を示す回路図である。本実施形態において第１実施形態と同様の構成については同じ符号を付し説明を省略する。本実施形態の基準電圧生成回路１０Ｂが第１実施形態と異なる点は、基準電圧生成回路要素１Ｂが第１経路Ｐ１および第２経路Ｐ２に流れる電流を差動アンプ４の出力に基づいてそれぞれ調整する第１電流源要素Ｓ１および第２電流源要素Ｓ２を含んでいることである。第１電流源要素Ｓ１および第２電流源要素Ｓ２は、互いに並列かつ電源電圧ＶＤＤを出力する電源Ｅ１に直列に接続されている。本実施形態において、基準電圧ＶＢＧ２は、第２電流源要素Ｓ２と第２抵抗Ｒ２との間の電圧として出力される。

上記のような構成においても、第１実施形態と同様に調整抵抗Ｒ３の抵抗値を調整することにより基準電圧ＶＢＧ２の１次温度係数が調整され、電流源６の調整電流Ｉｃｒを調整することにより基準電圧ＶＢＧ２の２次温度係数が調整される。

ここで、本実施形態の構成におけるより具体的な回路構成について説明する。図４は図３に示す基準電圧生成回路のより具体的な構成例を示す回路図である。図４に示すように、第１ダイオード特性素子Ｄ１は、第１バイポーラトランジスタ（本実施形態においてはｎｐｎトランジスタ）Ｑ１を含み、第２ダイオード特性素子Ｄ２は、第２バイポーラトランジスタ（本実施形態においてはｎｐｎトランジスタ）Ｑ２を含んでいる。第１バイポーラトランジスタＱ１は、第１抵抗Ｒ１とグランドとの間でダイオード接続（ベース−コレクタ間が短絡）されている。同様に、第２バイポーラトランジスタＱ２は、第２抵抗Ｒ２とグランドとの間でダイオード接続されている。したがって、第１ダイオード特性素子Ｄ１の電圧ＶＤ１は、第１バイポーラトランジスタＱ１のベースエミッタ電圧Ｖｂｅ１と一致し、第２ダイオード特性素子Ｄ２の電圧ＶＤ２は、第２バイポーラトランジスタＱ２のベースエミッタ電圧Ｖｂｅ２と一致する。

また、第１電流源要素Ｓ１は、ＰチャンネルＭＯＳトランジスタＭＰ１を含み、第２電流源要素Ｓ２は、ＰチャンネルＭＯＳトランジスタＭＰ２を含んでいる。ＰチャンネルＭＯＳトランジスタＭＰ１の主端子の一方には電源Ｅ１が接続され、他方には第１抵抗Ｒ１が接続され、制御端子には差動アンプ４の出力端が接続されている。同様に、ＰチャンネルＭＯＳトランジスタＭＰ２の主端子の一方には電源Ｅ１が接続され、他方には第２抵抗Ｒ２が接続され、制御端子には差動アンプ４の出力端が接続されている。

図５は図２に示す基準電圧生成回路における差動アンプの構成例を示す回路図である。図５に示すように、本実施形態における差動アンプ４は、複数のＭＯＳトランジスタにより構成されている。具体的には、定電流源Ｓ３と、ゲートに第１電圧Ｖ１および第２電圧Ｖ２がそれぞれ印加される２つのＮチャンネルＭＯＳトランジスタＭＮ１，ＭＮ２を含むＭＯＳトランジスタ差動対４１と、電源電圧ＶＤＤが印加されることにより互いに等しい一対のミラー電流を流すＭＯＳトランジスタカレントミラー対４２とを備えている。ＭＯＳトランジスタカレントミラー対４２は、２つのＰチャンネルＭＯＳトランジスタＭＰ３，ＭＰ４を含んでいる。

第１電圧Ｖ１が印加されるＮチャンネルＭＯＳトランジスタＭＮ１は、差動アンプ４の非反転入力端子となり、第２電圧Ｖ２が印加されるＮチャンネルＭＯＳトランジスタＭＮ２は、差動アンプ４の反転入力端子となる。また、差動アンプ４の出力端子（出力電圧Ｖｏ）は、ＮチャンネルＭＯＳトランジスタＭＮ１に電流を流すＰチャンネルＭＯＳトランジスタＭＰ３のソースと、ＮチャンネルＭＯＳトランジスタＭＮ１のドレインとの間の電圧が出力されるように構成されている。これにより、ＭＯＳトランジスタ差動対４１で生じた第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との差分による電流が出力端子から出力され、当該出力された電流に応じた電圧が出力電圧Ｖｏとして生成される。

また、図４に示すように、第２調整回路要素３は、電流源６として、その生成する電流に基準電圧ＶＢＧ２の２階微分成分を相殺する特性を持たせるダイオード特性を有する第１回路要素を含んでいる。本実施形態において、第１回路要素は、バイポーラトランジスタＱ４（本実施形態においてはｎｐｎトランジスタ）を含んでいる。したがって、バイポーラトランジスタＱ４のベース電流ＩＢ４は、ダイオード特性を有している。図６はｎｐｎトランジスタのベース電流の温度に対する変化特性を示すグラフである。図６（ａ）は線形グラフ表示を示し、図６（ｂ）は片対数グラフ表示を示している。図６（ｂ）に示されるとおり、片対数グラフ表示においてｎｐｎトランジスタの温度に対して電流は、直線的に変化する。したがって、ｎｐｎトランジスタのベース電流は、温度変化に対して指数関数的に変化することが理解できる。

このように、ダイオード特性を有する第１回路要素（バイポーラトランジスタＱ４）に基づく調整電流Ｉｃｒ（ｔ）は、指数関数ｅｘｐ（ｔ）を含む式で表されるものとなるため、上述したとおり、調整電流Ｉｃｒ（ｔ）の２階微分成分においても当該電流Ｉｃｒ（ｔ）自身を用いて表わすことができるため、基準電圧ＶＢＧ２（ｔ）から調整電流Ｉｃｒ（ｔ）に基づく電圧Ｒ２・Ｉｃｒ（ｔ）を差し引いた電圧の２階微分成分を０とするような電流を容易に生成することができる。したがって、基準電圧ＶＢＧ２の２階微分成分を相殺する調整電流Ｉｃｒ（ｔ）を簡単な構成で容易に生成することができる。

第２調整回路要素３について、より具体的に説明する。図４に示すように、第２調整回路要素３は、電流源６として、上述した第１回路要素（バイポーラトランジスタ）Ｑ４と、基準電圧生成回路要素１Ｂの第１および第２ダイオード素子のいずれか一方に流れる電流（図４においては第２ダイオード素子Ｄ２を流れる第２電流Ｉ２）に基づいて第１回路要素Ｑ４のコレクタとエミッタとの間に電流を流す第２回路要素と、第１回路要素Ｑ４のベースに流れる電流が入力され、基準電圧生成回路要素１Ｂの経路（図４においては差動アンプ４の反転入力端子）へ補正電流を出力するカレントミラー回路要素５とを備えている。基準電圧生成回路要素１Ｂの反転入力端子には、第２電流Ｉ２に基づいて調整電流Ｉｃｒが流れる。基準電圧生成回路要素１Ｂは、調整電流Ｉｃｒに基づいて第１回路要素Ｑ４のコレクタとエミッタとの間に電流を流す。

なお、図４においては、調整電流Ｉｃｒを示す矢印を、便宜上、差動アンプ４の反転入力端子に流入する方向に示しているが、調整電流Ｉｃｒの流れる向きはこの向きに限られず、差動アンプ４の反転入力端子から流出する（第２ダイオード素子Ｄ２）に流入する方向にも流れ得る。

第２回路要素は、バイポーラトランジスタＱ３を含んでいる。バイポーラトランジスタＱ３のベース電流ＩＢ３に基づいて流れるコレクタ電流がバイポーラトランジスタＱ４のエミッタ電流となり、これに基づいて流れるバイポーラトランジスタＱ４のベース電流ＩＢ４がカレントミラー回路要素５の入力電流となる。なお、第２回路要素は、第１回路要素に電流を供給可能な構成である限り、これに限られない。例えばＭＯＳトランジスタでもよい。

カレントミラー回路要素５は、入出力比（１：ｋ）を調整することにより基準電圧生成回路要素１Ｂの経路への補正電流ｋＩＢ４が調整されるよう構成されている。

このように、カレントミラー回路要素５の入出力比（１：ｋ）のｋの値を調整することによって基準電圧生成回路要素１Ｂの経路に流入または当該経路から流出する補正電流ｋＩＢ４の大きさが調整される。調整電流Ｉｃｒは、バイポーラトランジスタＱ３のベース電流ＩＢ３と補正電流ｋＩＢ４とを用いて、Ｉｃｒ＝−ＩＢ３＋ｋＩＢ４と表せる。このように、カレントミラー回路要素５の入出力比（１：ｋ）を調整することにより、調整電流Ｉｃｒを容易に調整することができる。

図７は図４に示す基準電圧生成回路におけるカレントミラー回路要素の構成例を示す回路図である。図７に示すように、本実施形態のカレントミラー回路要素５は、複数のＰチャンネルＭＯＳトランジスタＭＰ５０，ＭＰ５ｉ（ｉ＝１，２，…）および複数のスイッチＳＷｉ（ｉ＝１，２，…）を含んでいる。複数のＰチャンネルＭＯＳトランジスタのうちの１つは、入力電流としてバイポーラトランジスタＱ４のベース電流が流れる入力側ＭＯＳトランジスタＭＰ５０である。また、その他のＰチャンネルＭＯＳトランジスタは、出力電流を生成するための出力側ＭＯＳトランジスタＭＰ５ｉである。

入力側ＭＯＳトランジスタＭＰ５０の主端子の一方は電源Ｅ１に接続され、主端子の他方および制御端子は入力端子ＩＮ（すなわち、バイポーラトランジスタＱ４のベース）に接続される。出力側ＭＯＳトランジスタＭＰ５ｉの主端子の一方は電源Ｅ１に接続され、主端子の他方はそれぞれスイッチＳＷｉを介して出力端子ＯＵＴ（すなわち、差動アンプ４の反転入力端子）に接続される。各スイッチＳＷｉは、外部からの制御信号に応じて制御端子ＣＴｉに入力されるスイッチング信号によってオンオフされる。

上記構成によれば、基準電圧ＶＢ２の２次温度係数を相殺するような調整電流Ｉｃｒの演算結果に基づいてスイッチング信号を各制御端子ＣＴｉに伝達することにより、調整電流Ｉｃｒが生成されるような入出力比（１：ｋ）となるように、各スイッチＳＷｉがオンまたはオフされる。スイッチＳＷｉがオンすると、対応する出力側ＭＯＳトランジスタＭＰ５ｉの主端子間に電流が流れ、オンしたスイッチＳＷｉに流れる電流が合算されて出力電流ｋＩＢ４が出力端子から出力される。

ここで、複数の出力側ＭＯＳトランジスタＭＰ５ｉは、それぞれオン時に流れる電流が異なることとしてもよい。これにより、スイッチＳＷｉに応じて重み付けの異なる出力側ＭＯＳトランジスタＭＰ５ｉに電流を流すことができる（ｉビットの調整が可能となる）ため、出力電流のより細かい調整が可能となる。

以上のとおり、ベース電流ＩＢ３，ＩＢ４はともにダイオード特性を有する電流である。したがって、基準電圧ＶＢＧ２から調整電流Ｉｃｒに基づく電圧（Ｒ２・Ｉｃｒ）を差し引いた電圧の２階微分成分を０とするような調整が容易に行える。また、第１回路要素の電流源として第２回路要素を用いることにより、基準電圧生成回路要素１Ｂにおいて利用されている電流から調整電流Ｉｃｒを生成することができる。したがって、別途電流源を設けることなく簡単な構成で、基準電圧ＶＢＧ２の２次温度係数を調整する調整電流Ｉｃｒを容易に生成することができる。

図８および図９は図３に示す基準電圧生成回路によって出力される基準電圧を示すグラフである。図８には、最終的に出力される基準電圧ＶＢＧ２−２（Ｔ）を示すとともに、調整される過程におけるバンドギャップ電圧ＶＢＧ（Ｔ），ＶＢＧ２−１（Ｔ）をも示している。図９は、図８に示すバンドギャップ電圧ＶＢＧ２−１（Ｔ）およびＶＢＧ２−２（Ｔ）において電圧軸を拡大したグラフを示している。なお、図９におけるバンドギャップ電圧ＶＢＧ２−１（Ｔ）は、１つのグラフ上で対比するために、電圧を全体的にオフセットして示している。図８に示されるバンドギャップ電圧ＶＢＧ（Ｔ）は、図１５に示したのと同様に、１次温度係数のみが調整された電圧である。

基準電圧ＶＢＧ２の調整の手順としては、まず、バンドギャップ電圧の１次温度係数が相殺されるように、第１調整回路要素２の調整抵抗Ｒ３を調整する。１次温度係数が調整されたバンドギャップ電圧ＶＢＧ（Ｔ）は、２次温度係数が含まれているため、温度変化に応じて２次関数的に変化する。そこで、上述のように、バンドギャップ電圧ＶＢＧ（Ｔ）の２次温度係数が相殺されるように、カレントミラー回路要素５の入出力比（１：ｋ）を調整する。ここで、調整電流Ｉｃｒには、１次微分成分が含まれている（２次調整回路要素３において調整電流Ｉｃｒを生成する際、２次微分成分だけでなく１次微分成分および０次微分成分も生成される）ため、カレントミラー回路要素５によって調整されたバンドギャップ電圧ＶＢＧ２−１（Ｔ）は、温度変化に応じて略線形に変化する（再び１次温度係数を有することとなる）。そこで、再度、調整抵抗Ｒ３を調整することにより、バンドギャップ電圧ＶＢＧ２−１（Ｔ）に含まれる１次温度係数が相殺される。図１５に示すように１次温度係数のみが調整されたバンドギャップ電圧ＶＢＧ（Ｔ）においては基準電圧生成回路１Ｂが適用される電子機器に要求される一般的な温度領域（−５０℃〜１５０℃）において、約４ｍＶ程度変化するのに対し、２次微分成分を調整したバンドギャップ電圧ＶＢＧ２−１（Ｔ）においては図９に示すように約０．２ｍＶ程度の変化に抑えられる。さらに、これに再度１次温度係数を調整したバンドギャップ電圧ＶＢＧ２−２（Ｔ）においては図９に示すように約０．１ｍＶ以下の変化に抑えられる。このように、上記構成によれば、温度変化に応じてほとんど変化しないバンドギャップ電圧ＶＢＧ２−２（Ｔ）を生成することができる。したがって、これを基準電圧ＶＢＧ２として出力することにより、温度によらず安定な基準電圧ＶＢＧ２を出力することができる。

図１０は図２に示す基準電圧生成回路から出力される基準電圧の温度変化に対する変化に関するシミュレーション結果を示すグラフである。図１０に示すように、図２に基づいて作製した回路において行ったシミュレーションの結果も図８および図９に示すバンドギャップ電圧ＶＢＧ２−２と同様の傾向となった。すなわち、−５０℃〜１５０℃の温度領域において、基準電圧の変化幅が約０．６ｍＶ程度に抑えられた。図８および図９の演算結果より若干変化幅が増えているのは、バンドギャップ電圧がバイポーラトランジスタＱ１，Ｑ２の温度依存特性だけでなく、バイポーラトランジスタＱ１，Ｑ２の高温時のリーク電流や差動アンプ４の性能による影響を受けているものと推察される。しかしながら、本実施形態における基準電圧生成回路は、そのような影響を考慮しても、１次温度係数のみを補正する構成に比べて温度によらず十分に安定した基準電圧が生成されることが分かる。

＜第２実施形態の変形例＞
次に、本発明の第２実施形態に係る基準電圧生成回路の変形例について説明する。図１１は本発明の第２実施形態の変形例に係る基準電圧生成回路の概略構成例を示す回路図である。本変形例において第２実施形態と同様の構成については同じ符号を付し説明を省略する。本変形例の基準電圧生成回路１０Ｃが第２実施形態と異なる点は、第２調整回路要素３Ｃが調整電流Ｉｃｒを第２抵抗Ｒ２と第２ダイオード特性素子Ｄ２との間に発生させることである。具体的には、第２調整回路要素３Ｃにおいて、カレントミラー回路要素５の出力端子が、第２抵抗Ｒ２と第２ダイオード特性素子Ｄ２との間に接続されている。さらに、本変形例においては、差動アンプ４の非反転入力端子に第１電流源要素Ｓ１と第１抵抗Ｒ１との間の電圧が第１電圧Ｖ１として印加され、反転入力端子に第２電流源要素Ｓ２と第２抵抗Ｒ２との間の電圧が第２電圧Ｖ２として印加され、この第２電圧Ｖ２は基準電圧生成回路１０Ｃが出力する基準電圧ＶＢＧ２となっている。

このように、第２調整回路要素３Ｃで生成された調整電流Ｉｃｒは、基準電圧生成回路要素１Ｃの経路におけるいずれの箇所に流してもよい。例えば、第１および第２実施形態に示すように、第２経路Ｐ２と差動アンプ４の反転入力端子との間でもよいし、第１経路Ｐ１と差動アンプ４の非反転入力端子との間でもよいし、第１経路Ｐ１における所定の箇所でもよいし、本変形例に示すように、第２経路Ｐ２における所定の箇所でもよいし、差動アンプ４の帰還経路（差動アンプ４の出力端子と第１抵抗Ｒ１および第２抵抗Ｒ２との間）でもよい。このように、基準電圧ＶＢＧ２の２次温度係数を相殺するための調整電流Ｉｃｒを基準電圧生成回路要素１の経路内で自由に選択することができ、回路設計の自由度を高くすることができる。

＜基準電圧生成回路の適用例＞
上記実施形態で説明したような基準電圧生成回路を用いた基準電圧源の構成例について説明する。図１２は本発明の一実施形態に係る基準電圧生成回路が適用された基準電圧源の概略構成例を示す回路図である。図１２に示すように、本適用例における基準電圧源１１は、図１等に示す基準電圧生成回路１０と、基準電圧生成回路１０から出力される基準電圧ＶＢＧ２を増幅する増幅器７とを備えている。上記構成の基準電圧源１１によれば、１次温度係数と２次温度係数とが互いに独立した調整回路要素２，３で調整された基準電圧ＶＢＧ２が出力されるため、簡単な構成で温度依存特性を向上させることができる。

さらに、増幅器７による増幅率Ａ０の調整は、基準電圧ＶＢＧ２の０次の温度係数を調整することを意味する。増幅器７から出力される基準電圧源の出力電圧ＶＯＵＴは、ＶＯＵＴ＝Ａ０・ＶＢＧ２（Ｔ）と表せる。したがって、増幅器７の増幅率Ａ０を調整することにより、所望の出力電圧ＶＯＵＴを温度による変化の少ない電圧として得ることができる。

さらに、上記のような基準電圧源１１が適用された装置について説明する。図１３は本発明の一実施形態に係る基準電圧源が適用された装置の概略構成例を示す回路図である。図１３に示すように、本装置１２は、図１２に示す基準電圧源１１と、当該基準電圧源１１から出力される出力電圧ＶＯＵＴを用いて所定の変換を行う電圧依存型変換器８を備えている。電圧依存型変換器８としては、基準電圧ＶＢＧ２に基づいた出力電圧ＶＯＵＴを用いる変換器であれば、特に限定されないが、例えば、電圧変換器、電圧電流変換器、ＡＤコンバータ、ＤＡコンバータ、温度検出器、バッテリ制御器、周波数変換器、電圧制御発振器（ＶＣＯ）等が挙げられる。

一般的に、電圧依存型変換器８は、出力電圧ＶＯＵＴに対して線形な変換出力信号Ｆを出力する（線形動作する）。電圧依存型変換器８自身の温度特性関数をｆ（Ｔ）とすると、変換出力信号Ｆは、Ｆ（Ｔ）＝ｆ（Ｔ）＋ＶＯＵＴ（Ｔ）と表わせる。すなわち、基準電圧源１１の出力電圧ＶＯＵＴ（Ｔ）の０次ないし２次温度係数を調整することにより、変換出力Ｆ（Ｔ）の０次ないし２次温度係数を低減することができる。

温度特性関数ｆ（Ｔ）および出力電圧ＶＯＵＴ（Ｔ）は、２次までの温度特性を考慮すると、ｆ（Ｔ）＝ｆ_０（１＋ａ１・ΔＴ／Ｔ_０）・（１＋ａ２・ΔＴ／Ｔ_０）およびＶＯＵＴ（Ｔ）＝ＶＯＵＴ_０（１＋ｂ１・ΔＴ／Ｔ_０）・（１＋ｂ２・ΔＴ／Ｔ_０）と表わせる。なお、ｆ_０は基準温度Ｔ_０における温度特性関数ｆの値であり、ＶＯＵＴ_０は基準温度Ｔ_０における出力電圧ＶＯＵＴの値であり、ａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２は係数である。

例えば、電圧依存型変換器８が電圧に比例する出力信号Ｆ（Ｔ）を出力する場合、Ｆ（Ｔ）＝ｆ（Ｔ）・ＶＯＵＴ（Ｔ）＝ｆ_０（１＋ａ１・ΔＴ／Ｔ_０）・（１＋ａ２・ΔＴ／Ｔ_０）・ＶＯＵＴ_０（１＋ｂ１・ΔＴ／Ｔ_０）・（１＋ｂ２・ΔＴ／Ｔ_０）と表わせる。ここで、係数ａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２がいずれも１より小さいとすると、上記式を以下のように近似できる。すなわち、Ｆ（Ｔ）＝ｆ_０・ＶＯＵＴ_０・（１＋（ａ１＋ｂ１）・ΔＴ／Ｔ_０＋ａ１・ｂ１・（ΔＴ／Ｔ_０）^２）・（１＋（ａ２＋ｂ２）・ΔＴ／Ｔ_０＋ａ２・ｂ２・（ΔＴ／Ｔ_０）^２）と表わせる。したがって、ａ１＋ｂ１＝ａ２＋ｂ２＝０となるように、基準電圧生成回路１０の温度係数を調整することにより、電圧依存型変換器８の出力信号Ｆ（Ｔ）の１次温度係数（ａ１＋ｂ１）・（ａ２＋ｂ２）が相殺され、かつ２次温度係数（ａ１・ｂ１＋ａ２・ｂ２）も低減することができる。

なお、電圧依存型変換器８が電圧に反比例する出力信号Ｆ（Ｔ）を出力する場合でも、１／（１＋ｘ）≒１−ｘ（ただし、｜ｘ｜＜＜１）の近似を用いて同様に温度係数を低減することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更、修正が可能である。例えば、複数の上記実施形態および変形例における各構成要素を任意に組み合わせることとしてもよい。また、第１および第２ダイオード特性素子Ｄ１，Ｄ２、第２調整回路要素３および差動アンプ４等の具体的構成は、第２実施形態において例示したが、同様の構成を第１実施形態においても適用できる。また、上記実施形態において説明したような動作が行える限り、第１および第２ダイオード特性素子Ｄ１，Ｄ２、第２調整回路要素３および差動アンプ４等の具体的構成は、上記の構成に限られない。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明の基準電圧生成回路は、簡単な構成で温度依存特性を向上させるために有用である。

１，１Ｂ，１Ｃ 基準電圧生成回路要素
２ 第１調整回路要素
３，３Ｃ 第２調整回路要素
４ 差動アンプ
５ カレントミラー回路要素
６ 電流源
７ 増幅器
８ 電圧依存型変換器
１０，１０Ｂ，１０Ｃ 基準電圧生成回路
１１ 基準電圧源
１２ 装置
４１ ＭＯＳトランジスタ差動対
４２ ＭＯＳトランジスタカレントミラー対
Ｄ１ 第１ダイオード特性素子
Ｄ２ 第２ダイオード特性素子
Ｅ１ 電源
ＭＮ１，ＭＮ２ ＮチャンネルＭＯＳトランジスタ
ＭＰ１，ＭＰ２，ＭＰ３ ＰチャンネルＭＯＳトランジスタ
ＭＰ５０ 入力側ＭＯＳトランジスタ
ＭＰ５ｉ 出力側ＭＯＳトランジスタ
Ｐ１ 第１経路
Ｐ２ 第２経路
Ｑ１ 第１バイポーラトランジスタ
Ｑ２ 第２バイポーラトランジスタ
Ｑ３ バイポーラトランジスタ（第２回路要素）
Ｑ４ バイポーラトランジスタ（第１回路要素）
Ｒ１ 第１抵抗
Ｒ２ 第２抵抗
Ｒ３ 調整抵抗
Ｓ１ 第１電流源要素
Ｓ２ 第２電流源要素
Ｓ３ 定電流源
ＳＷｉ スイッチ

Claims (5)

1. 第１ダイオード特性素子と当該第１ダイオード特性素子とは流れる電流密度が異なる第２ダイオード特性素子とを有し、これらに印加される電圧の差に基づいて生成される基準電圧を出力する基準電圧生成回路要素と、
   前記基準電圧の１次温度係数を調整する第１調整回路要素と、
   前記基準電圧の２次温度係数を調整する第２調整回路要素と、を備え、
   前記第２調整回路要素は、前記基準電圧の２階微分成分が相殺されるように調整された電流を生成する電流源を含み、
   前記電流源は、Ｃ・ｅｘｐ（−ｔ）と表される電流を生成するように構成される、基準電圧生成回路。ここで、ｔは温度であり、Ｃは定数である。
2. 前記電流源は、その生成する電流に前記基準電圧の２階微分成分を相殺する特性を持たせるダイオード特性を有する第１回路要素を含んでいる、請求項１に記載の基準電圧生成回路。
3. 第１ダイオード特性素子と当該第１ダイオード特性素子とは流れる電流密度が異なる第２ダイオード特性素子とを有し、これらに印加される電圧の差に基づいて生成される基準電圧を出力する基準電圧生成回路要素と、
   前記基準電圧の１次温度係数を調整する第１調整回路要素と、
   前記基準電圧の２次温度係数を調整する第２調整回路要素と、を備え、
   前記第２調整回路要素は、前記基準電圧の２階微分成分が相殺されるように調整された電流を生成する電流源を含み、
   前記電流源は、その生成する電流に前記基準電圧の２階微分成分を相殺する特性を持たせるダイオード特性を有する第１回路要素を含み、
   前記第１回路要素は、バイポーラトランジスタを含み、
   前記電流源は、前記第１回路要素と、前記基準電圧生成回路要素の前記第１および第２ダイオード特性素子のいずれか一方に流れる電流に基づいて前記第１回路要素のコレクタとエミッタとの間に電流を流す第２回路要素と、前記第１回路要素のベースに流れる電流が入力され、前記基準電圧生成回路要素の経路へ補正電流を出力するカレントミラー回路要素とを備え、
   前記カレントミラー回路要素は、入出力比を調整することにより基準電圧生成回路要素に入力する電流値が調整される、基準電圧生成回路。
4. 前記基準電圧生成回路要素は、前記第１ダイオード特性素子と当該第１ダイオード特性素子に直列に接続された第１抵抗とを含む第１経路と、前記第２ダイオード特性素子と当該第２ダイオード特性素子に直列に接続された第２抵抗とを含む第２経路と、前記第１経路の所定の箇所における第１電圧と前記第２経路の前記第１電圧と対応する箇所における第２電圧とが入力される差動アンプとを備え、前記第１抵抗および前記第２抵抗の少なくとも一方に印加される電圧を前記基準電圧として出力するよう構成されており、
   前記第１調整回路要素は、前記第１ダイオード特性素子および前記第２ダイオード特性素子のいずれかに接続される調整抵抗を含んでいる、請求項１または３に記載の基準電圧生成回路。
5. 請求項１または３に記載の基準電圧生成回路と、
   前記基準電圧を増幅する増幅器とを備えた、基準電圧源。