JPH02296406A - 微小電流源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えば数ｎＡ〜数百ｎＡ程度の微小電流を作
成する微小電流源に関する。

〔発明の概要］ 本発明は、例えば数ｎＡ〜数百ｎＡ程度の微小電流を作
成する微小型２ｉｔ源において、差動接続されたｐｎｐ
型の第１及び第２のトランジスタのベース間に熱電圧に
比例する所定の電位差を発生させて、両トランジスタの
エミッタに共通に供給される入力端子を所定の比率で配
分することにより、第２のトランジスタのコレクタから
低電圧までも利用可能な高精度の微小電流を得るように
したものである。

〔従来の技術］ 従来、例えば映像機器内の各回路に使用する長時定数を
持ったフィルタを構成する場合、数ｎＡ〜数百ｎ　Ａ程
度の微小電流を供給する必要があった。この微小電流は
、各回路が搭載される集積回路内で、いわゆるカレント
ミラー回路により電源電流を所定比率に逓減して作成し
ている（米国特許第３，３２０．４３９号及び第３．３
９１．３１１号等参照）。

従来のこの種の微小電流源は、例えば第２図Ａ及びＢに
示す如く、第１の端子（１）をｎｐｎ型のトランジスタ
（２Ｎ）のコレクタに接続し、このトランジスタ（２Ｎ
）のベース・コレクタ間を接続する。そして、トランジ
スタ（２Ｎ）のベースをｎｐｎ型のトランジスタ（３）
のベースに接続し、このトランジスタ（３〕のコレクタ
を第２の端子（４）に接続する。第２図Ａの例では、両
トランジスタ（２Ｎ）及び（３）のエミッタを直接に接
地し、第２図Ｂの例では、それぞれ抵抗器（５）及び（
６）を介して接地する。抵抗器（５）及び（６）の抵抗
値をＲ，−Ｒ，／Ｎと設定する。トランジスタ（２Ｎ）
とトランジスタ（３）とのエミッタサイズの比をＮ：１
に設定し、第１の端子（１）の電流値を１１Ｎ＋　第２
の端子（４）の電流値を１゜とすると、Ｉｏ＝ｌＩＮ／
Ｎとなり、第２の端子（４）に第１の端子（１）の電流
値の１／Ｎの電流が得られ、微小電流が作成される。

また、第２図Ｃ及びＤに示す例では、第１の端子（１）
をｎｐｎ型のトランジスタ（２）のコレクタに接続し、
このトランジスタ（２）のエミッタを接地すると共に、
ベース・コレクタ間を接続する。そして、トランジスタ
（２）のベースをｎｐｎ型のトランジスタ（３）または
（３Ｎ）のベースに接続し、このトランジスタ（３）ま
たは（３Ｎ）のエミッタを抵抗器（７）または（８）を
介して接地すると共に、コレクタを第２の端子（４）に
接続する。このようにすることで、第１の端子（１）の
電流値の所定比率の電流信号が第２の端子（４）に得ら
れる。

一般に、トランジスタのベース・エミッタ間電圧ＶＩＥ
とコレクタ電流１ｃとの間には、よく知られているよう
に、次の（１）式または（２）式に示すような関係が成
立する。

Ｉｃ＝　Ｉｓ　ｅ　ｘ　ｐ　（ｑ　ＶＩＥ／　ｋＴ）　
　”（１）Ｖｓｔ”　（ｋＴ／ｑ）ｌｎ　（Ｉｃ／ｌ５
）＝　Ｖ　ｔ　ｌ　ｎ　（］　ｃ／　Ｉ　ｓ）　　　　
　　・・・・（２）ここに　１３；飽和電流 ｑ　；電子の電荷 ｋ　：ボルツマン常数 Ｔ　：絶対温度 ■−二熟熱電圧常温で約２６ｍＶ） この（２）式を第２図Ｃの両トランジスタ（２）及び（
３）に適用すれば、抵抗器（７）の抵抗値をＲ１として
、次の（３）式が成立する。

Ｖｖｆｆｉｎ　（Ｉ　ＩＮ／　Ｉ　５ｚ）＝Ｖｒｌｎ　
（ＩＱ／ＩＳ：ｌ）＋　ＩＯＲ？　　”（３）！、、＝
Ｎ・１ｏなる関係を用いて（３）式を整理すれば、トラ
ンジスタ（３）のコレクタ電流Ｉ。は次の（４）式のよ
うに表わされる。

Ｊｏ−（Ｖｔ−１，ｎＮ）／Ｒ７”（４）第２図りの場
合も、抵抗値をＲ８に置換えて、全く同様に表わされる
。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、このような従来の回路構成では、種々の問題
があった。即ら、第２図Ａ及びＢに示した回路構成の場
合、トランジスタのエミッタサイズ化がそのまま電流比
になるため、例えば入力端子の１％以下の微小電流を集
積回路内で作成するようにすると、入力側のトランジス
タ（２Ｎ）のために非常に大きな面積を必要とし、集積
回路構成の点から現実的ではない。また、第２図Ｃ及び
Ｄに示した回路構成の場合、出力側のトランジスタ（３
）または（３Ｎ）に接続した抵抗器（７）または（８）
が数Ω程度のものを必要とし、この抵抗器の温度変動に
よる特性変化や特性自体の不均一のため、得られる微小
電流を一定に保つのが困難であった。

かかる問題を解消するために、本出願人は、特願平１−
６６９８８号において、ｎｐｎ型の第１及び第２のトラ
ンジスタの各ベースを第１の抵抗器を介して接続し、各
エミッタを外付けの第２の抵抗器を介して接地すると共
に、第２のトランジスタのベースに電流源を接続し、こ
の電流源により第１の抵抗器の両端間に、熱電圧に・比
例する所望の電位差を設け、第１のトランジスタのエミ
ッタに得られる電流の所定比率の微小電流を第２のトラ
ンジスタのコレクタに得るようにして、温度変化や電源
電圧の変動等に影響されない安定な微小電流源を既に提
案している。

次に、第３図を参照しながら、既提案による微小電流源
についで説明する。

既提案の構成例を第３図に示す。

第３図において、（１０）は電流源であって、いずれも
ｐｎｐ型のトランジスタ（１１）及び（１２）のエミッ
タを抵抗器（１３）及び（１４）を介して電源Ｖ　ｃｃ
に接続し、トランジスタ（１１）及び（１２）のベース
を接続すると共に、トランジスタ（１２）のコレクタ及
びベースを接続して、トランジスタ（１１）及び（１２
）でカレントミラー回路を構成する。

トランジスタ（１１）のコレクタを、抵抗Ｈ（２２）を
介してｎｐｎ型のトランジスタ（１５）のコレクタ及び
ベースに接続すると共に、トランジスタ（１２）のコレ
クタとｎｐｎ型のトランジスタ（１６）のコレクタを接
続する。そして、トランジスタ（１５）　、　（１６）
及び（１７）のベースを接続し、トランジスタ（１５）
のエミッタを直接接地すると共に、トランジスタ（１６
）及び（１７）のエミッタを抵抗器（１８）及び（１９
）を介して接地する。この場合、トランジスタ（１６）
とトランジスタ（１７）とのエミッタサイズをいずれも
トランジスタ（１５）のＮ倍に設定し、トランジスタ（
１５）及び（１６）並びにトランジスタ（１５）及び（
１７）でそれぞれカレントミラー回路を構成する。また
、抵抗器（１８）及び（１９）の抵抗値を等しくする。

なお、この電流源（１０）のスタートアップ回路（２０
）を構成するために、ｎｐｎ型のトランジスタ（２１）
のコレクタを電源Ｖｃｃに接続し、このトランジスタ（
２１）のエミッタをｐｎｐ　トランジスタ（１１）のコ
レクタに接続すると共に、トランジスタ（２１）のベー
スを電源Ｖｃｃとアースの間に直列接続した抵抗器（２
３）及び（２４）の接続中点に接続する。

このように構成したことで、この回路の電源オン時にト
ランジスタ（２１）をオンにさせ、安定状態になるとト
ランジスタ（２１）がオフになるスタートアップ回路と
して機能する。

演算増幅器（３１）の非反転入力端子に基準電圧源（３
２）を接続し、この演算増幅器（３１）の出力端子にｎ
ｐｎ型のトランジスタ（３３）のベースを接続し、この
トランジスタ（３３）のエミッタを演算増幅器（３１）
の反転入力端子と外部端子（３４）とに接続する。この
外部端子（３４）とアースの間に外付けの抵抗器（３５
）を接続する。さらに、トランジスタ（３３）のベース
を抵抗ｉ？１ｉ（３６）を介してｎ　ｐ　ｎ型のトラン
ジスタ（３７）のベースに接続し、トランジスタ（３３
）及び（３７）のエミッタを接続する。

また、電源ＶＣＣをトランジスタ（３３）のコレクタに
接続し、必要とする微小電流！。が得られる端子（３８
）をトランジスタ（３７）のコレクタに接続する。

そして本例においては、トランジスタ（３７）のベース
に、電？ＡＷｆｉ（１０）のトランジスタ（１７）のコ
レクタを接続する。

次に、既提案例の動作を説明する。

第３図の回路は端子（３８）に微小な電流ｌ。を得るも
ので、この端子（３８）が接続されたトランジスタ（３
７）のベース・エミッタ間電位を■。とじ、トランジス
タ（３３）のベース・エミッタ間電位をＶＩＮとし、こ
のトランジスタ（３３）のエミッタの電流をｌ、とする
。また、基準電圧ａ’；ｔ（３２）の出力電圧をＶｒｅ
ｆとし、外付けの抵抗器（３５）の抵抗値をＲ３Ｓとす
れば、この抵抗器（３５）に流れる入力電流ｆｉ１１は
、１０＜１１１１の関係にあるので、１＋Ｈ＝Ｖｒｅｆ
／Ｒ３５＝Ｉｚ＋　Ｉｏ　′、ＩＥ　　”・・（５）の
ように表わされる。

また、抵抗器（１８）及び（１９）の抵抗値をＲ，８＝
Ｒ，。

＝Ｒ，。とし、電流源（１０）により得られる電流であ
るトランジスタ（１７）のコレクタの電流値を１１゜と
すれば、この電流値１１゜は、前出（４）式に従って、
次式で示される。

Ｉ　ｒｏ＝　（Ｖｔｆｆ１ｎＮ）　／　Ｒ＋ｏ　　　　
・・・’（４ａ）そして、抵抗器（３６）の抵抗値をＲ
＋１６とすれば、この抵抗器（３６）の両端間に生ずる
電位差は■１゜Ｒｊ＆で示されるため、トランジスタ（
３３）のベース・エミッタ間電位ＶＩＮは、上述の（４
ａ）式より、Ｖ　　ＩＨ＝　　Ｉ　　ＩＯＲｚｉ、＋　
　Ｖ。

＝　（Ｒ：１６／ＲＩＧ）Ｖｔｊ！ｎＮ＋Ｖ。

＝ｍＶｙｆｆｎＮ＋Ｖｏ　　　　　　−・・・（ｅ）と
して示される。

この（６）式において、ｍと１！、ｎＮとは予め定めら
れた値なので、 Ｖ　ＩＮ＝　Ｋ　Ｖｔ＋ｖＯ”　”　（６ａ）とするこ
とができる。但し、Ｋは定数である。

また、前出（２）式を適用すると、トランジスタ（３３
）及び（３７）のベース・エミッタ間電位ＶＩＮ及び■
。

は、次式のようにも示される。

Ｖ、＝ＶＴ／！ｎ　（ＦＩＮ／Ｉｓ）　　　　””（７
）Ｖｏ＝　Ｖｒｊ！ｎ　（Ｉ　ｏ／　Ｉ　ｇ）　　　　
　　”　”（８）そして、この（６）、　（７）及び（
８）式により、電流Ｉ。

は次式のように示される。

Ｉ　ｏ　＝　Ｉ　Ｉ　Ｎ／　Ｎ　”　　　　　　　　　
”　”　（９）ここで、例えばトランジスタ（１５）と
トランジスタ（１６）及び（１７）とのエミッタサイズ
比をＮ＝ｌＯ。

抵抗器（３６）と抵抗器（１Ｂ）　、　（２０）との抵
抗比をｍ　＝Ｒｊ＆／　Ｒ＋＋＞＝　３とすると、Ｎ　
’　＝　１０００となり、（９）式に代入すると、１ｏ
＝１１Ｈ／１０００となる。

このように既提案例によると、上述の（９）式により端
子（３８）の電流値Ｉ０が決定するので、電流源（１０
）のトランジスタ（１５）とトランジスタ（１７）との
エミッタサイズ比を小さくしても、数ｎＡ程度の微小電
流が得られる。

この場合、（６ａ）式に示される如く、この微小電流を
得る端子（３８）と接続されたトランジスタ（３７）の
ベース・エミッタ間電位■。と、入力端のトランジスタ
（３３）のベース・エミッタ間電位■１Ｎとの間に、熱
電圧■７に比例した電位差ＫＶ、を電流源（１０）と抵
抗器（３６）とにより設定すればよく、この定数には抵
抗器（３６〉と抵抗器（１８）　、　（１９）との抵抗
比ｍ　＝　Ｒ３ｈ／　Ｒ＋。及びトランジスタ（１５）
とトランジスタ（１６）及び（１７）のエミッタサイズ
比とにより定まるようにしたので、集積回路内の抵抗器
等の各素子の絶対値に不均一があっても比は一定に保た
れ、安定した高い精度で電流Ｉ０が得られる。

また、抵抗器（３５）を集積回路外の外付は部品とする
と共に、例えば２．１■の基準電圧Ｖｒｅｆを集積回路
内の基準電圧Ｒ（３２）で作成するようにしたので、（
５）式に示される如く、電流Ｉ。は電源電圧ｖｃｅの変
動及び周囲温度の変化に全く影響を受けない。

ところが、第３図の既提案例では、出力側のトランジス
タ（３７）のエミッタが、演算増幅器（３１）の反転入
力端子に接続されて、基準電圧Ｖｒｅｆと同じ電位にあ
るため、トランジスタ（３７）のコレクタ電圧が Ｖｒｅｆ十ＶｃＥ（ｓａｔ）以上でないと動作せず、対
象となる回路が制約されるという問題があった。

本発明の目的は、かかる点に鑑み、高精度で、低電圧ま
で使用することができる微小電流源を提供するところに
ある。

〔課題を解決するための手段］ 本発明は、熱電圧ｖＴに比例する特性の電流源（１０）
と抵抗器（４２）とを接続し、この抵抗器の両端をｐｎ
ｐ型の第１及び第２のトランジスタ（４７）及び（４８
）の各ベースにそれぞれ接続すると共に、第１及び第２
のトランジスタの各エミッタに共通に入力電流１１８を
供給し、抵抗器の両端間に発生する電位差に基づいて入
力端子を所定の比率で第１及び第２のトランジスタに配
分し、第２のトランジスタのコレクタから所要の微小電
流ｌ。を得るようにした微小電流源である。

〔作用〕

斯る回路構成によると、集積回路化に適した比較的簡単
な構成で、低電圧まで利用可能な所要の微小電流値が高
い精度で安定に得られる。

〔実施例〕

以下、本発明による微小電流源の一実施例を、第１図を
参照して説明しよう。

本発明の一実施例の構成を第１図に示す。

この第１図の実施例は集積回路内に構成されたもので、
前出第３図に対応する部分には同一の符号を付けて、重
複説明を省略する。

第１図において、電流源（１０）のｐｎｐ　トランジス
タ（１１）のコレクタと、ｎｐｎ　）ランジスタ（１５
）のコレクタ及びベースとが直接に接続されて、スター
トアップ回路の図示が省略される。

演算増幅器（３１）の非反転入力端子と、ｎ　ｐ　ｎ　
ｌ−ランジスタ（４１）のベースとが接続され、このト
ランジスタ（４１）のエミッタが、抵抗器（４２）を介
して、電流源（１０）のトランジスタ（１７）のコレク
タにｔｌ　ｂｌされ、トランジスタ（４１）のコレクタ
が電源Ｖｃｃに接続される。

演算増幅器（３１）の出力端子及び反転入力端子にベー
ス及びエミッタが接続されたトランジスタ（３３Ｌ）の
コレクタと、ｐｎｐ）ランジスタ（４３）のコレクタ及
びベースと、ｐ　ｎ　ｐ　ｌランジスタ（４４）のベー
スとが接続され、両トランジスタ（４３）及び（４４）
のエミッタが、それぞれ抵抗３（４５）及び（４６）を
介して電源Ｖｃｃに接続されて、両トランジスタ（４３
）及び（４４）によりカレントミラー回路が構成される
。

ｐｎρトランジスタ（４４）のコレクタが１対のＰｎｐ
トランジスタ（４７）及び（４８）のエミッタに共通に
接続され、一方のトランジスタ（４７）のベースが抵抗
器（４２）の低電位側の一端に接続されると共に、他方
のトランジスタ（４８）のベースが抵抗器（４２）の高
電位側の他端に接続される。

一方のｐ　ｎ　ｐ　トランジスタ（４７）のコレクタと
アースとの間にダイオード接続のｎｐｎ　）ランジスタ
（５１）及び（５２）が順方向に直列に接続される。他
方のｐｎｐ）ランジスタ（４８）のコレクタにはいずれ
もｎｐｎ型のトランジスタ（５３）のコレクタとトラン
ジスタ（５４）のベースとが接続され、トランジスタ（
５４）のエミッタとトランジスタ（５３）のベースとが
接続されると共に、このトランジスタ（５３）のベース
が複数のｎｐｎ　トランジスタ（５５□）〜（５５ｊ）
の各ベースに共通に接続されて、ベース電流の影響を除
去した、良好な整合性のカレントミラー回路が構成され
る。

なお、前述のカレントミラー回路のトランジスタ（１５
）及び（４３）のコレクタ・ベース間に別のトランジス
タのベース・エミッタを介挿して整合性を良くすること
もできる。

トランジスタ（５３）　、　（５４）　、　（５５，）
〜（５５ｊ）のエミッタとアースとの間に抵抗器（５４
３）　、　（５７）　、　（５８υ〜（５８ｊ）がそれ
ぞれ接続され、トランジスタ（５４）のコレクタが電ｆ
）　Ｖ　ｃｃに接続される。トランジスタ（５５，）〜
（５５ｊ）のコレクタはそれぞれ対応する端子（５９，
）〜（５９ｊ）に接続されてｊ個の電流源が並列に形成
される。

本実施例の動作は次のとおりである。

トランジスタ（４７）及び（４８）の各ベースは電流源
（１０）により得られる電流＋１０が流れる抵抗器（４
２）の両端に接続されており、抵抗器（４２）の抵抗値
をＲ４２とすれば、前出（４ａ）式を参照して、次の（
１０）式で表わされる抵）；ｃ　Ｗｇ　（４２）の両端
間の電位差が両トランジスタ（４７）及び（４８）のベ
ース間に加えられる。

１　＝、・　Ｒ４２＝　　（Ｒ４２／Ｒ１ｏ）Ｖｌｆｆ
ｎＮｎ　ＶｏｆｆｉｎＮ　　　　　　　・＝・（１０）
一方、トランジスタ（３３Ｌ）のエミッタには前出（５
）弐に示した入力端子ＩＩＨが流れ、この入力端子１１
Ｎが、カレントミラー接続のｐｒＩｐトランジスタ（４
３）及び（４４）を介して、差動接続されたｐｎｐトラ
ンジスタ（４７）及び（４８）のエミッタに共通に供給
される。

両トランジスタ（４７）及び（４８）のコレクタ電流を
それぞれＩ、及び１゜とすると、入力端子ＩＩＮとの間
に次の（１１）式が成立する。

１　＋５−Ｖｒｅｆ／　Ｒ３５−ＩＣ＋　ｌ　ｏ：、Ｉ
ｃ　　・・・・（１１）１ｏ＜［＋Ｎ 前述と同様に、トランジスタ（４７）及び（４８）のベ
ース・エミッタ間電圧をそれぞれＶＩＮ及び■。とじて
、それぞれに前出（２）式を適用すると、次の（１２）
式が得られる。

Ｖｔｊ２ｎ　（Ｉ　ＩＮ／　Ｉ　ｓ）　＝　ｎ　Ｖｙｆ
ｎＮ十Ｖｒｆｆｎ　（Ｉｏ／　Ｉｓ）　　　　”（１２
）この（１２）式を整理すると、トランジスタ（４８）
のコレクタ電流Ｉ。は前出（９）式と同形の次の（１３
）式のように表わされる。

１　ｏ＝　Ｉ　ＩＮ／　Ｎ’　　　　　　　　　　”　
”　（１３）ここにｎ　＝　Ｒ４２／　Ｒｔ。

この電流ｒ。が、カレントミラー接続のｎｐｎトランジ
スタ（５３）　、　（５４）　、　（５５、）〜（５５
ｊ）を介して、複数の端子（５９，）〜（５９Ｎにそれ
ぞれ出力されて、複数の電流源が並列に形成される。

第１図から明らかなように、本実施例では出力側のトラ
ンジスタ（５５，）〜（５５ｊ）の各エミッタがほぼア
ース電位にあるので、各コレクタの電圧がＶｃ！（ｓａ
ｔ）まで低下しても充分軌作し、対象となる回路の電圧
条件が緩和される。

また、外付は抵抗器（３５）に接続されるトランジスタ
（３３Ｌ）のエミッタ面積が大きいため、静電エネルギ
耐力が増大する。

なお、本発明は上述の実施例に限らず、本発明の要旨を
逸脱することなく、その他種々の構成を取り得ることは
勿論である。

構成例を示す結線図、第３図は既提案の微小電流源の構
成例を示す結線図である。

（１０）は電流源、（４２）は抵抗器、（４７）　、　
（４８）はｐｎｐトランジスタ、ＦＩＮは入力電流、ｉ
ｏは所要の微小電流である。

〔発明の効果〕

以上詳述のように、本発明によると、差動接続されたｐ
ｎｐ型の第１及び第２のトランジスタのベース間に熱電
圧に比例する所定の電位差を発生させて、両トランジス
タのエミッタに共通に供給される入力電流を所定の比率
で配分するようにしたので、第２のトランジスタのコレ
クタから低電圧までも利用可能な高精度の微小電流を得
ることができる微小電流源が得られる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 熱電圧に比例する特性の電流源と抵抗器とを接続し、 この抵抗器の両端をｐｎｐ型の第１及び第２のトランジ
   スタの各ベースにそれぞれ接続すると共に、 上記第１及び第２のトランジスタの各エミッタに共通に
   入力電流を供給し、 上記抵抗器の両端間に発生する電位差に基づいて上記入
   力電流を所定の比率で上記第１及び第２のトランジスタ
   に配分し、 上記第２のトランジスタのコレクタから所要の微小電流
   を得るようにしたことを特徴とする微小電流源。