JPH0143324B2 - - Google Patents

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JPH0143324B2
JPH0143324B2 JP56179501A JP17950181A JPH0143324B2 JP H0143324 B2 JPH0143324 B2 JP H0143324B2 JP 56179501 A JP56179501 A JP 56179501A JP 17950181 A JP17950181 A JP 17950181A JP H0143324 B2 JPH0143324 B2 JP H0143324B2
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current
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JP56179501A
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JPS5880718A (ja
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Koji Shinomya
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Mitsubishi Electric Corp
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Priority to DE3250026A priority patent/DE3250026C2/de
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F3/00—Non-retroactive systems for regulating electric variables by using an uncontrolled element, or an uncontrolled combination of elements, such element or such combination having self-regulating properties
    • G05F3/02—Regulating voltage or current
    • G05F3/08—Regulating voltage or current wherein the variable is dc
    • G05F3/10—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics
    • G05F3/16—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
    • G05F3/20—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations
    • G05F3/26—Current mirrors
    • G05F3/265—Current mirrors using bipolar transistors only
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S323/00—Electricity: power supply or regulation systems
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  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は回路の電源電圧変動、周囲温度の変
化に対して無関係な一定の電圧を作り出すための
基準電圧発生回路に関するものである。
第１図に従来の基準電圧発生回路を示し、第２
図にその基本回路を示す。第１図は半導体集積回
路で製造された基準電圧発生回路で、端子Ｔ１
は、抵抗等の負荷回路を介してこの回路を動作さ
せる電源に接続され、端子Ｔ２は、電源の一端で
ある接地端子として接続される。なお、第１図で
の出力端子すなわち基準電圧が出力される端子は
端子Ｔ１であり、この回路を動作させる電源供給
端子としての機能が兼ねられた端子となつてい
る。
第２図は前記第１図の回路における基本的な動
作をさせる素子について抜き出したもので、従来
の基準電圧発生回路の基本回路である。ここで
は、本発明の基礎となつた動作原理を説明するた
め、第２図の回路によつて説明する。第２図にお
いてトランジスタＱ１は相対的に大きい電流密度
で動作させる。これに対しトランジスタＱ２の電
流密度は1/10の電流で動作させ、この二つのトラ
ンジスタＱ１とＱ２のベースエミツタ間の電位差
△VBEが抵抗Ｒ３（その抵抗値は抵抗Ｒ１と同じ
く600Ωである）に印加される。
ここでトランジスタＱ２の電流増幅率が十分高
いものと仮定すると、△VBEによつて抵抗Ｒ３で
決定された電流はトランジスタＱ２のコレクタ電
流として抵抗Ｒ２（抵抗値6KΩ）に供給され、
電圧R2／R3・△VBEを発生する。また次段に接続さ れたトランジスタＱ３は、増幅段を構成し、該ト
ランジスタＱ３のベース・エミツタ間電圧VBE(Q3)
と、前記R2／R3・△VBEとを加算した電圧が端子Ｔ ３に出て来る。ただしトランジスタＱ３の電流増
幅率は十分高いものと仮定している。ここで端子
Ｔ３の電位をVrefとすると、次式が成立する。
VBE(Q3)＋R2／R3・△VBE＝Vref ……(1) なお、トランジスタＱ３のエミツタ・ベース間
電圧は負の温度係数を持つており、これに対し△
VBEによる抵抗Ｒ２での電圧降下分の電圧は、正
の温度係数を持つている。さらにこの二つの電圧
の合計を半導体のエネルギー・バンド・ギヤツプ
の電圧にすることにより、Vrefは温度補償された
電圧として得ることができる。その理由は、トラ
ンジスタのベース・エミツタ電圧が次式によつて
表現できるところに端を発している。
VBE＝Vg0（１−Ｔ／T0）＋VBE0（Ｔ／T0）＋nkT／
ｑlnT0／Ｔ＋kT／ｑlnIc／Ic0……(2) ここでVg0は、絶対温度Ｔ＝０〓における半導
体材料によつて決まるエネルギー・バンド・ギヤ
ツプの外挿電圧を表わし、ｑは電子の電荷を、ｎ
は定数で、トランジスタの製造条件による値を表
わし、ｋはボルツマン定数を、Ｔは絶対温度を、
Icはコレクタ電流を、VBE0はT0とIc0時のベー
ス・エミツタ間電圧を、それぞれ表わしている。
また二つのトランジスタを動作させた時のベー
ス・エミツタ間電圧の差を表現するのに、それぞ
れのトランジスタの電流密度をJ1とJ2で表わせば
次式で表わすことができる。
△VBE＝kT／ｑlnJ1／J2 ……(3) ここで(2)式の最後二つの項は、絶対温度におけ
るコレクタ電流Icの変化に対して十分小さな値と
なつているので無視することができる。よつて(2)
式は次のようになる。
VBE＝Vg0（１−Ｔ／T0）＋VBE0（Ｔ／T0） ……(4) 次に、△VBEによつて作られる電圧とVBEとを
加算して作り出すことを参照して、出力電圧は(3)
式と(4)式を加算した形で得られる。
Vref＝Vg0（１−Ｔ／T0）＋VBE0（Ｔ／T0）＋kT／ｑlnJ
1／J2 ……(5) そこで(5)式の温度係数を求めるため(5)式を絶対
温度Ｔで微分すると、 ∂Vref／∂T＝−Vg0／T0＋VBE0／T0＋ｋ／ｑlnJ1／J2…
…(6) これは、温度による変動が零であるようにする
ため右辺＝０とすると次式の条件を満たしてやれ
ば良いことを意味している。
Vg0＝VBE0＋kT0／ｑlnJ1／J2 ……(7) この条件式の右辺の第一項はベース・エミツタ
間電圧を表わし、第二項は△VBEによる電圧を表
わしている。つまりこのような条件式(7)を満たす
ように(1)式が成り立つており、Vref＝Vg0に設定
してやれば温度変化に対して基準電圧を一定にで
きるわけである。
しかるに、以上の原理に基ずいて回路を構成し
た場合、第１図、第２図に示した従来例の出力と
しての基準電圧は、エネルギー・バンド・ギヤツ
プ電圧としてしか基準電圧を得ることができな
い。例えば、従来の方法をとる限り、半導体材に
Si（シリコン）を用いて半導体集積回路を構成す
ると、基準電圧の値は約1.205〔ｖ〕にしか成り得
ないという必要条件が付き、回路設計において必
要とされる基準電圧を得るためには後段にレベル
シフト回路を設けなければならなかつた。さら
に、電源電圧が1.205〔ｖ〕より低い場合には、こ
の方法と回路では実現できないという大きな問題
があつた。なおSiのエネルギー・バンド・ギヤツ
プの外挿電圧Vg0は、1.205〔ｖ〕となつている。
本発明は上記のような従来回路の二つの欠点を
取り除くことは目的として考案されたもので、基
本的原理は従来例と同一の考え方を用いている。
つまり、回路設計において必要とされる基準電圧
を直接的にしかも自由な希望する基準電圧として
得られるよう回路を構成し、さらに電源電圧が半
導体のエネルギー・バンド・ギヤツプの外挿電圧
よりも低い場合でも十分発生できる基準電圧を提
供することを目的としている。
第３図に本発明の基本回路を示す。第３図の基
本回路について、各素子の相互関係を以下記述す
る。トランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５
は第１ないし第５のPNPトランジスタで、カレ
ントミラーを構成している。ここでトランジスタ
Ｑ３は、コレクタとベースを接続することにより
ダイオード機能を持たせ、トランジスタＱ１，Ｑ
２，Ｑ４，Ｑ５のコレクタ電流はトランジスタＱ
３のコレクタ電流に依存した値として流れる。ま
た、第11ないし第13のトランジスタＱ１１，Ｑ１
２，Ｑ１３はPNPトランジスタでカレントミラ
ーを構成している。ここでトランジスタＱ１２は
コレクタとベースを接続することによりダイオー
ド機能を持たせ、トランジスタＱ１１，Ｑ１３の
コレクタ電流は、トランジスタＱ１２のコレクタ
電流に依存した値として流れる。トランジスタＱ
６とＱ７は、ベースを互に接続し、トランジスタ
Ｑ７はダイオード機能を持たせている。ここでト
ランジスタＱ７のエミツタには抵抗Ｒ１の一端が
接続され、他端はトランジスタＱ６のエミツタに
接続されるとともに、端子Ｔ２に接続されてい
る。トランジスタＱ６は相対的に大きい電流密度
で動作させる。これに対し、トランジスタＱ７の
電流密度はトランジスタＱ６の電流密度の約1/10
程度の大きさとして動作させ、この二つのトラン
ジスタＱ６とＱ７のベース・エミツタ間の電位差
△VBEが抵抗Ｒ１に印加される。ここでトランジ
スタＱ６のコレクタから電流増幅用トランジスタ
Ｑ８のベースに電流が送り込まれ、トランジスタ
Ｑ８のコレクタからカレントミラーのトランジス
タＱ３に増幅した電流を供給する。このようにし
てトランジスタＱ８とカレントミラーのトランジ
スタＱ３によりカレントミラーの電流が制御さ
れ、トランジスタＱ２とＱ１を介してトランジス
タＱ７とＱ６の各コレクタに電流が供給される。
ここで前記したように、トランジスタＱ７のエ
ミツタには抵抗Ｒ１が接続されているから、この
ループ回路に負帰還がかかり、トランジスタＱ６
とＱ７のベース・エミツタ間の電位差△VBEと抵
抗Ｒ１によつてカレント・ミラーの各部の電流が
決定される。この電流をITとし、トランジスタＱ
６に流れるエミツタ電流密度をJ1とし、トランジ
スタＱ７に流れるエミツタ電流密度をJ2とする
と、ITは次式で表わせる。
IT＝△VBE／R1＝kT／ｑlnJ1／J2／R1 ……(8) なお、ここで電流密度をJ1、J2に設定する方法
はトランジスタＱ１，Ｑ２のベース・エミツタ接
合面積の比をとることにより設定したり、トラン
ジスタＱ６，Ｑ７のベース・エミツタ接合面積の
比をとることにより設定することができる。ただ
し電流密度J1とJ2の比を10倍位に取ると設計しや
すいが、J1＞J2であれば一応の前記回路動作をさ
せることができる。
次に、カレントミラーのトランジスタＱ４のコ
レクタ電流としてトランジスタＱ９，Ｑ１０に
m.ITの電流が供給される。ここでｍは定数で、カ
レントミラーを構成するトランジスタＱ４のベー
ス・エミツタ接合面積と、トランジスタＱ３のベ
ース・エミツタ間接合面積の比によつて適当に設
定する値である。
トランジスタＱ９はベース・エミツタ間に抵抗
Ｒ２が接続されており、抵抗Ｒ２とトランジスタ
Ｑ９のベースとの接続点は、カレントミラーを構
成するトランジスタＱ１１のコレクタに接続され
ている。またトランジスタＱ１０のベースはトラ
ンジスタＱ９のコレクタに接続されており、トラ
ンジスタＱ１０は電流増幅用トランジスタとして
動作させ、そのコレクタはカレントミラーのトラ
ンジスタＱ１２に接続される。このカレントミラ
ーはトランジスタＱ１１，Ｑ１２，Ｑ１３により
構成されており、トランジスタＱ１１のコレクタ
から抵抗Ｒ２とトランジスタＱ９のベースとの接
続点に接続する。
このような構成により抵抗Ｒ２での電圧降下を
トランジスタＱ９が検出し、トランジスタＱ９の
コレクタを通してトランジスタＱ１０のベースに
前記検出電流を送り込む。トランジスタＱ１０は
このベース電流を電流増幅し、コレクタに増幅電
流を流し、カレントミラーを構成するトランジス
タＱ１２に電流を送り込む。カレントミラーを構
成するトランジスタＱ１１のコレクタより再び抵
抗Ｒ２およびトランジスタＱ９のベースに増幅さ
れた電流が送り込まれる。このようにして、負帰
還回路が構成されている。そこでトランジスタＱ
１０の電流増幅率が十分大きいものと仮定する
と、トランジスタＱ９のコレクタには前記した
ｍ・ITの電流が流れるため、トランジスタＱ９の
ベース・エミツタ電圧VBE(9)は設定され、この
VBE(9)と抵抗Ｒ２によつてカレントミラーを構成
するトランジスタＱ１２のコレクタ電流が決定さ
れる。ここで抵抗Ｒ２に流れる電流をI〓とすると
次式が成り立つ。
I〓＝VBE(9)／R2 ……(9) 次にカレントミラーのトランジスタＱ５のコレ
クタ電流とカレントミラーのトランジスタＱ１３
のコレクタ電流を加算するため、これらコレクタ
を互に接続する構成をとる。なお、トランジスタ
Ｑ５とＱ３のベース・エミツタ接合面積の比によ
り適当な電流値を得ること、そしてトランジスタ
Ｑ１３とＱ１２のベース・エミツタ接合面積の比
により適当な電流値を得ること、これらはもちろ
ん可能であるが、説明の都合上トランジスタＱ５
とＱ３およびトランジスタＱ１３とＱ１２のそれ
ぞれのベース・エミツタ接合面積比は、１対１と
して説明する。
そこでトランジスタＱ５のコレクタ電流とトラ
ンジスタＱ１３のコレクタ電流を加算した電流を
抵抗Ｒ３に流し込むと、出力電圧である基準電圧
Vrefは、(8)、(9)式を用いて次式で表わすことがで
きる。
Vref＝R3｛VBE(9)／R2＋△VBE／R1｝Vref＝R
3／R2・VBE(9)＋R3／R1・△VBE……(11) ここで(3)式および(4)式を参照して Vref＝R3／R2｛Vg0（１−Ｔ／T0）＋VBE0（
Ｔ／T0）｝＋R3／R1・kT／ｑlnJ1／J2……(12) そこで(12)式の温度係数を求めるため(12)式を絶対
温度Ｔで微分すると、 ∂Vref／∂T＝R3／R2（−Vg0／T0＋VBE0／T0）＋R3／R1 ・ｋ／ｑlnJ1／J2 ……（13） 右辺＝０とすると、次の条件が導出できる。
Vg0＝VBE0＋R2／R1・kT0／ｑlnJ1／J2 ……（14） （14）式を変形して Vg0／R2＝VBE0／R2＋kT0／ｑlnJ1／J2／R1 Vg0／IβR2＝VBE0／IβR2＋１／Iβ・△VBE／R1 Vg0／VBE0＝１＋１／Iβ ・ITVg0−VBE0／VBE0＝IT／Iβ ∴VT／VBE0＝IT／Iβ ……（15） すなわち（15）式は、IβとITとの電流比が
VBE(9)とVT＝Vg0−VBE0の電圧比と同じ割合いで
合成された電流は温度補償されていることにな
る。
なお、前記電圧を電流変換する際、その変換は
I〓、ITとも抵抗Ｒ１またはＲ２によつて行なわれ
ており、これらI〓とITを電流の形で加算し、抵抗
Ｒ３に流して電流を電圧変換して出力電圧を得て
いるので、各抵抗の温度係数が等しいと仮定すれ
ば各抵抗の温度係数は相殺されることになる。
本発明の実施例回路を第４図に表わす。第４図
の回路は第３図の回路を基本回路として実使用で
きる回路に書き換えたものである。
第４図について以下説明する。
抵抗Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８，Ｒ１０，Ｒ１１，Ｒ１
２，Ｒ１３．Ｒ１４は、カレントミラーを安定に
動作させるためのバラスト抵抗である。抵抗Ｒ
４，Ｒ５、トランジスタＱ１４，Ｑ１５は“絶対
温度に比例した電流を作り出す回路”のための
“起動回路”である。抵抗Ｒ９、コンデンサＣ１
は“絶対温度に比例した電流を作り出す回路”の
ための位相補償回路である。抵抗Ｒ１５、コンデ
ンサＣ２は、“ベース・エミツタによる負の温度
係数を持つ電流を作り出す回路”のための位相補
償回路である。
なお、ここで記述した“絶対温度に比例した電
流を作り出す回路”とは、第３図、第４図とも共
通の記号で示した素子で、トランジスタＱ１，Ｑ
２，Ｑ３，Ｑ６，Ｑ７，Ｑ８、抵抗Ｒ１によつて
構成される部分の回路を示しており、“ベース・
エミツタによる負の温度係数を持つ電流を作り出
す回路”とは、第３図、第４図とも共通の記号で
示した素子で、トランジスタＱ９，Ｑ１０，Ｑ１
１，Ｑ１２、抵抗Ｒ２によつて構成される部分の
回路を示している。
以下、この回路の動作について簡単に記述する
と次のようになる。
端子Ｔ１に電源が接続され、端子Ｔ２には電源
の他端である接地が接続され、端子Ｔ１と端子Ｔ
２の間に電源電圧が印加される。すると先ず前記
“起動回路”により、トランジスタＱ１５のコレ
クタに微少な電流が流れる。すると“絶対温度に
比例した電流を作り出す回路”が動作を開始し
て、トランジスタＱ４およびＱ５の各コレクタか
ら絶対温度に比例した電流が流れ出て来る。トラ
ンジスタＱ４のコレクタからの電流は、“ベー
ス・エミツタによる負の温度係数を持つ電流を作
り出す回路”が動作を開始して、トランジスタＱ
１３のコレクタからベース・エミツタによる負の
温度係数を持つ電流が流れ出て来る。
以上のように回路が動作し、抵抗Ｒ３には前記
二つの電流が加算された形で電流が供給されて電
圧が発生し、この電圧を端子から取り出す形とし
て温度補償された基準電圧が得られるのである。
本発明による基準電圧発生回路は、温度補償さ
れていることはもち論、電源電圧の変動に対して
も非常に安定した電圧が得られる。また“起動回
路”の抵抗Ｒ４に流れる電流以外はすべてカレン
トミラーを介して電流が流れるため、消費電流を
少なくすることが可能である。特に重要な効果と
しては、半導体集積回路で本発明の基準電圧発生
回路を製造すると、半導体材料として使用した半
導体のエネルギー・バンド・ギヤツプの外挿電圧
Vg0よりも低い電源電圧で動作できることであ
る。一般にSi（シリコン）の場合Vg0＝1.205〔ｖ〕
となつているが、本発明の回路では電源電圧を約
0.9〔ｖ〕迄低下させても、特性の悪化を見せずに
動作できる。また本発明によれば希望する基準電
圧をほぼ電源電圧範囲内で自由に作れることも大
きな特徴である。
【図面の簡単な説明】
第１図は従来の基準電圧発生回路の回路図、第
２図は従来の基準電圧発生回路の基本回路の回路
図、第３図は本発明の基本回路の回路図、第４図
は本発明の実施例回路の回路図である。 Ｑ１〜Ｑ１３……第１ないし第13のトランジス
タ、Ｒ１〜Ｒ３……第１ないし第３の抵抗、Ｔ１
〜Ｔ３……第１ないし第３の端子。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 第１ないし第５のトランジスタにより、ダイ
    オード機能を持つ第３のトランジスタを基準とす
    るカレントミラーが構成され、上記５つのトラン
    ジスタの各エミツタは互に接続して第１の端子に
    接続され、各ベースは互に接続して成り、第３の
    トランジスタはダイオード機能を持たせるためベ
    ースとコレクタを接続して成り、第１の端子は電
    源に接続されており、 第11ないし第13のトランジスタにより、ダイオ
    ード機能を持つ第12のトランジスタを基準とする
    カレントミラーが構成され、該３つのトランジス
    タの各エミツタは互に接続して第１の端子に接続
    され、各ベースは互に接続して成り、第12のトラ
    ンジスタはダイオード機能を持たせるためベース
    とコレクタを接続して成り、 第６および第７のトランジスタは互にベースが
    接続され、第７のトランジスタはダイオード機能
    を持たせるためベースとコレクタを接続して成
    り、該第７のトランジスタのコレクタは上記第２
    のトランジスタのコレクタに接続して成り、第６
    のトランジスタのコレクタは上記第１のトランジ
    スタのコレクタに接続して成り、第７のトランジ
    スタのエミツタは第１の抵抗を介して第６のトラ
    ンジスタのエミツタに接続して成り、第６のトラ
    ンジスタと第１の抵抗との接続点は第２の端子に
    接続して成り、該第２の端子は上記電源の他端で
    ある接地端子となつており、 第８のトランジスタはそのベースを上記第６の
    トランジスタのコレクタと上記第１のトランジス
    タのコレクタとの接続点に接続して成り、第８の
    トランジスタのコレクタは上記第３のトランジス
    タのコレクタに接続して成り、上記第８のトラン
    ジスタのエミツタは上記第２の端子に接続して成
    り、 第９のトランジスタはそのベースを上記第11の
    トランジスタのコレクタに接続し、さらに第２の
    抵抗に接続して成り、第９のトランジスタのコレ
    クタは上記第４のトランジスタのコレクタに接続
    し、さらに第10のトランジスタのベースに接続し
    て成り、第９のトランジスタのエミツタは第２の
    端子に接続して成り、またこのエミツタは上記第
    ２の抵抗の他端に接続して成り、第10のトランジ
    スタはそのベースを上記第９のトランジスタのコ
    レクタと上記第４のトランジスタのコレクタとの
    接続点に接続して成り、第10のトランジスタのコ
    レクタは上記第12のトランジスタのコレクタに接
    続して成り、第10のトランジスタのエミツタは第
    ２の端子に接続して成り、 第３の抵抗は一端を第２の端子に接続して成
    り、他端は第３の端子に接続して成り、さらにこ
    の他端は上記第13のトランジスタのコレクタに接
    続して成り、さらにこの他端は上記第５のトラン
    ジスタのコレクタに接続して成り、 上記第３の端子は上記第２の端子との間の電圧
    が一定になるような本回路の出力端子となつてい
    ることを特徴とする基準電圧発生回路。 ２ 半導体集積回路で製造され、上記第13のトラ
    ンジスタのコレクタ電流と上記第５のトランジス
    タのコレクタ電流との比を上記第９のトランジス
    タのベース・エミツタ間の電圧VBE(9)と該集積回
    路の素材となる半導体のエネルギー・バンド・ギ
    ヤツプの外挿電圧Vgpから該電圧VBE(9)を引き算し
    た値VT＝Vgp−VBE(9)との比としたことを特徴と
    する特許請求の範囲第１項記載の基準電圧発生回
    路。
JP56179501A 1981-11-06 1981-11-06 基準電圧発生回路 Granted JPS5880718A (ja)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP56179501A JPS5880718A (ja) 1981-11-06 1981-11-06 基準電圧発生回路
US06/435,376 US4472675A (en) 1981-11-06 1982-10-20 Reference voltage generating circuit
DE19823240958 DE3240958A1 (de) 1981-11-06 1982-11-05 Referenzspannungserzeuger
DE3250027A DE3250027C2 (ja) 1981-11-06 1982-11-05
DE3250026A DE3250026C2 (ja) 1981-11-06 1982-11-05
NLAANVRAGE8204317,A NL188818C (nl) 1981-11-06 1982-11-08 Schakeling voor opwekking van een referentiespanning.

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