JPH04215309A - 差動増幅器の基準電圧発生回路 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、差動増幅器に供給する
基準電圧を発生する回路に係り、特に電源電圧の変化や
温度変化に対して最適な基準電圧を発生できる基準電圧
発生回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】通信機器の中でも特にページャ（選択呼
出し受信機とも呼ばれる）などの携帯用移動無線機器は
、できるだけ小型化することが要求されている。超小型
化を達成するためには、能動回路をＬＳＩ化するだけで
は不十分であり、電池を用いた電源部のサイズを小さく
することが必要となってくる。電源部の小型化のために
は、回路が電池一本で動作できることが理想的である。 さらに、電源電圧低下時にも性能保証が要求されるので
、電源電圧が例えば１Ｖ程度まで低下しても回路が動作
できることが必要である。従って、この種の機器では少
しでも低い電源電圧で動作できるように、電源電圧利用
率を高くする回路技術が望まれていた。

【０００３】図４は、アナログＬＳＩでの代表的な基本
回路の一つであるバイポーラトランジスタを用いた差動
増幅器の基本構成を示したものであり、増幅用トランジ
スタ２１，２２の共通エミッタに電流源トランジスタ２
３が接続され、コレクタ側にも電流源として動作する負
荷トランジスタ２４，２５が接続されている。トランジ
スタ２１〜２５は全てバイポーラトランジスタが用いら
れている。バイポーラトランジスタのベース・エミッタ
間電圧は約０．７Ｖであり、この電圧が電源電圧ＶＣＣ
から増幅トランジスタ２１，２２で使用される。飽和領
域で動作する電流源トランジスタ２３および負荷トラン
ジスタ２４，２５も、飽和電圧を確保するために最低で
も０．１Ｖ程度必要となる。

【０００４】この差動増幅器をＶＣＣ＝１Ｖ程度の電源
電圧まで動作させようとすると、信号を増幅するために
増幅トランジスタ２１，２２で利用できる残りの電圧（
利用可能電圧という）は、僅か１−０．７−（０．１×
２）＝０．１Ｖ程度であり、トランジスタのばらつきや
温度特性を考慮に入れると、これが利用可能電圧の限界
と考えられる。従って、この利用可能電圧の範囲の中心
にトランジスタ１１のベースに印加する差動増幅器の基
準電圧ＶＲＥＦ　を設定できれば、電源電圧ＶＣＣを最
大限に利用できることになり、電源電圧利用率が向上す
る。

【０００５】基準電圧ＶＲＥＦ　を発生する回路は、例
えば図５のような定電圧源回路を用いて構成できる。図
５は、一般に広く用いられているバンドギャップ型の定
電圧源回路を示した図であり、絶対温度に比例する電流
を出力する電流源回路５０と、この電流源回路５０の出
力端と接地電位点ＧＮＤとの間に直列接続された抵抗６
１およびバイポーラトランジスタ６２からなる。電流源
回路５０の構成と動作原理については、文献“ＡＮＡＬ
ＹＳＩＳ　ＡＮＤ　ＤＥＳＩＧＮ　ＯＦ　ＡＮＡＬＯＧ
　ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ　ＣＩＲＣＵＩＴＳ　１９７７
ＪＯＨＮ　ＷＩＬＥＹ　＆　ＳＯＮＳ　”のｐ２４６〜
ｐ２４８に説明されている。

【０００６】絶対温度に比例する電流は、出力端である
トランジスタ５６のコレクタから出力され、抵抗６１お
よびトランジスタ６２を順次流れる。抵抗６１の両端の
電圧値は、温度の上昇と共に増加する。これに対し、ト
ランジスタ６２のベース・エミッタ間の電圧は、負の温
度係数を持っているため、温度の上昇により減少する。 従って、両者の温度変化がちょうど打ち消されるように
抵抗６１の値を選べば、温度変化に対して常に一定の電
圧が出力端子６０より出力される。温度変化の打ち消し
の理論については、上記文献のｐ２５４〜ｐ２６１に詳
細に説明されている。

【０００７】この定電圧源回路は、電源電圧ＶＣＣに関
係なく常に一定の電圧を出力するので、差動増幅器の基
準電圧発生回路として用いた場合、ある一定の電源電圧
に対してしか最適な基準電圧を供給することができず、
電源電圧が低下した場合には、最適なバイアス電圧を供
給することができない。また、この定電圧源回路は温度
変化に対しても一定の電圧を出力するため、温度変化に
より差動増幅器のトランジスタのベース・エミッタ電圧
ＶＢＥが変化した場合、基準電圧が最適値からずれてし
まうことになる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の定電圧源回路を用いた基準電圧発生回路では、電源電
圧および温度変化に対して一定の基準電圧を発生するた
め、電源電圧の低下や温度変化に対して電源電圧利用率
を最大にするための最適な基準電圧を差動増幅器に供給
することができないという問題があった。

【０００９】本発明は、電源電圧の変化や温度変化に対
して電源電圧を最大限に利用できるような最適の基準電
圧を差動増幅器に供給することができる基準電圧発生回
路を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る差動増幅器
の基準電圧発生回路は、差動増幅器の低電位側電源電位
よりベース・エミッタ間電圧だけ高い第１の電位を発生
する第１の電位発生手段と、第１の電位と差動増幅器の
高電位側電源電位とのほぼ中間の第２の電位を基準電圧
として発生する第２の電位発生手段とを具備することを
特徴とする。

【００１１】一つの態様によれば、第１の電位発生手段
は高電圧電位側電源電位点と低電位側電源電位点との間
に直列接続された電流源およびＰＮ接合素子により構成
され、これら電流源とＰＮ接合素子との接続点より第１
の電位を発生する。

【００１２】また、他の態様によれば第１の電位発生手
段および第２の電位発生手段は、高電圧電位側電源電位
点と低電位側電源電位点との間に直列接続された電圧分
割回路とＰＮ接合素子により一体的に構成され、これら
電圧分割回路とＰＮ接合素子との接続点より第１の電位
を発生し、電圧分割回路の分割電圧出力端より第２の電
位を発生する。

【００１３】

【作用】増幅素子と電流源および負荷にバイポーラトラ
ンジスタを用いた差動増幅器において、増幅トランジス
タの信号増幅に使用できる電圧範囲ＶＡＶは、低電位側
電源電位より電流源トランジスタの飽和電圧ＶＣＥ＋バ
イポーラトランジスタのベース・エミッタ間電圧ＶＢＥ
だけ高い電位（例えばＶＣＥ＋ＶＢＥ）と高電位側電源
電位（例えばＶＣＣ）より負荷トランジスタの飽和電圧
ＶＣＥだけ低い電位ＶＣＣ−ＶＣＥとの間の範囲である
。この電圧範囲ＶＡＶの中点の電位を増幅トランジスタ
のバイアス点、つまり基準電圧ＶＲＥＦ　とすれば、電
源電圧ＶＣＣを最も有効に利用して信号を増幅すること
ができる。

【００１４】この基準電圧ＶＲＥＦ　は、計算からＶＲ
ＥＦ　＝（ＶＣＣ＋ＶＢＥ）／２と求められる。すなわ
ち、基準電圧ＶＲＥＦ　は電源電位ＶＣＣとベース・エ
ミッタ間電圧ＶＢＥとの中点の電位となり、電源電圧Ｖ
ＣＣの低下にも温度変化に対しても追従して変化するの
で、電源電圧に対して常に最適な値となる。

【００１５】

【実施例】図１は本発明の第１の実施例に係る回路図で
あり、基準電圧発生回路１０と差動増幅器２０を示して
いる。

【００１６】図１において、差動増幅器２０はエミッタ
が共通に接続された一対の増幅用トランジスタ２１，２
２と、これらのトランジスタ２１，２２の共通エミッタ
と低電位側電源電位点である接地電位点ＧＮＤとの間に
接続された電流源トランジスタ２３、およびトランジス
タ２１，２２の各コレクタと高電位側電源電位点である
ＶＣＣなる電位の電源との間にそれぞれ接続された負荷
トランジスタ２４，２５からなる。電流源トランジスタ
２３および負荷トランジスタ２４，２５は、それぞれの
ベースに図示しないバイアス回路から所定のバイアス電
圧が印加されることにより、いずれも電流源として動作
する。

【００１７】トランジスタ２１のベースは基準電圧入力
端子２６に接続され、トランジスタ２２のベースは信号
電圧入力端子２７に接続されている。トランジスタ２２
のコレクタは信号出力端子２８に接続されている。基準
電圧入力端子２６は基準電圧発生回路１０の出力端子１
６に接続されている。幾つかの差動増幅器が縦続接続さ
れて使用される場合、信号入力端子２７は例えば前段の
差動増幅器の信号出力端子に接続され、信号出力端子２
８は次段の差動増幅器の信号入力端子に接続される。す
なわち、破線で示すように信号出力端子２８から信号入
力端子２７に帰還がかかる形となる。

【００１８】一方、基準電圧発生回路１０は接地電位点
ＧＮＤの電位よりバイポーラトランジスタベース・エミ
ッタ間電圧ＶＢＥだけ高い第１の電位と電源電位ＶＣＣ
とのほぼ中間の第２の電位を基準電圧として発生する回
路であり、定電流源１１、ＰＮ接合素子としてのダイオ
ード接続された（すなわち、コレクタとベースが接続さ
れた）トランジスタ１２、ボルテージフォロワ回路１３
および抵抗１４，１５によって構成される。電流源１１
およびダイオード接続のトランジスタ１２は電源と接地
電位点ＧＮＤとの間に直列に接続され、両者の接続点よ
り第１の電位を発生する。ボルテージフォロワ回路１３
は第１の電位を入力とし、その電位をそのまま低インピ
ーダンスで出力する。電圧分割回路を構成する抵抗１４
，１５はほぼ等しい値を有し、両者の接続点（中点）よ
り第２の電位を発生する。抵抗１４と抵抗１５との接続
点は、この基準電圧発生回路１０の出力端子１６に接続
されている。

【００１９】次に、この実施例の動作を図４を参照して
説明する。図４は図１における差動増幅器２０の部分の
回路図（ａ）と、（ａ）の各点の電位関係（ｂ）を模式
的に示した図である。図４に示すように、増幅トランジ
スタ２１，２２で信号増幅に使える電圧範囲ＶＡＶは、
接地電位点ＧＮＤより電流源トランジスタ２３の飽和電
圧ＶＣＥと増幅トランジスタ２１，２２のベース・エミ
ッタ間電圧ＶＢＥとの和だけ高い電位ＶＣＥ＋ＶＢＥと
、電源電位ＶＣＣより負荷トランジスタ２４，２５の飽
和電圧ＶＣＥだけ低い電位ＶＣＣ−ＶＣＥとの間の範囲
である。

【００２０】図１の回路において、増幅トランジスタ２
１，２２のベース・エミッタ間電圧ＶＢＥは、基準電圧
発生回路１０におけるトランジスタ１２のベース・エミ
ッタ電圧ＶＢＥ’　に対応し、トランジスタ２１，２２
の動作電流とトランジスタ１２の動作電流が等しければ
、ＶＢＥ＝ＶＢＥ’　となる。電流源トランジスタ２３
と負荷トランジスタ２４，２５の飽和電圧が等しい（共
にＶＣＥとする）とすれば、電源電圧ＶＣＣからＶＢＥ
’　＋２ＶＣＥを引いた電圧が電圧範囲ＶＡＶとなり、
この電圧範囲ＶＡＶの中点が基準電圧ＶＲＥＦ　の最適
値となる。この基準電圧ＶＲＥＦ　の値は次式（１）（
２）で与えられる。

【００２１】すなわち、式（２）　に示されるようにＶ
ＲＥＦ　は電源電圧ＶＣＣとベース・エミッタ間電圧Ｖ
ＢＥの和の中点の電位となり、電源電圧ＶＣＣの低下に
対して追従して低下し、また温度変化に対してもベース
・エミッタ電圧ＶＢＥの変化によって追従して変化する
ので、これらの変化に対してＶＲＥＦ　は常に最適な値
となる。このためには、式（１）　より電源電圧ＶＣＣ
からベース・エミッタ間電圧ＶＢＥを引いた残りの電圧
の中点の電位（第２の電位）を基準電圧ＶＲＥＦ　とす
れば良い。

【００２２】基準電圧発生回路１０においては、電流源
１１とトランジスタ１２との接続点から、接地電位より
トランジスタ１２のベース・エミッタ間電圧ＶＢＥだけ
高い第１の電位（ＶＢＥ）が発生され、これがボルテー
ジフォロワ回路１３を通して抵抗１４と抵抗１５の直列
回路の一端に加えられる。この直列回路の他端には、電
源電圧ＶＣＣが印加されている。従って、抵抗１４，１
５の値を等しくしておけば、これら抵抗１４と抵抗１５
との接続点の電位は、第１の電位（ＶＢＥ）と電源電位
ＶＣＣとのほぼ中間の第２の電位（ＶＣＣ＋ＶＢＥ）／
２となり、これが出力端子１６より基準電圧ＶＲＥＦ　
として出力される。

【００２３】このように基準電圧発生回路１０からは、
式（２）　で表わされる基準電圧ＶＲＥＦが発生される
。従って電源電圧ＶＣＣが低下すると基準電圧ＶＲＥＦ
　も低下し、常に差動増幅器２０での信号増幅に使える
電圧範囲ＶＡＶの真ん中の電位となるので、電源電圧を
もっとも効率的に利用して信号を増幅することができる
。

【００２４】一方、温度が低くなると、差動増幅器２０
内のトランジスタ２１，２２のベース・エミッタ間電圧
ＶＢＥが増加することにより動作電範囲ＶＡＶは狭めら
れるが、この動作範囲ＶＡＶの変化に追従して基準電圧
発生回路１０内のトランジスタ１２のベース・エミッタ
間電圧が増加するので、基準電圧ＶＲＥＦ　は高くなり
、最適な値にシフトする。

【００２５】以上のように、本発明では電源電圧ＶＣＣ
の変化（低下）に対しても温度変化に対しても、基準電
圧ＶＲＥＦ　の補償が行われるため、差動増幅器２０を
常に最適なバイアス点で動作させることができる。

【００２６】図２は、本発明の第２の実施例に係る基準
電圧発生回路を示す図であり、図１における電流源１１
の代わりに抵抗１４，１５からなる電圧分割回路を用い
、その分割電圧出力端である抵抗１４と抵抗１５との接
続点を出力端子１６に接続している。この実施例の基準
電圧発生回路によれば、抵抗１４，１５に電流源１１と
しての役割と、電圧分割回路としての役割を兼ねさせる
ことにより、図１の基準電圧発生回路１０と同等の効果
をより簡単な構成な回路構成で実現することができる。

【００２７】図３は、本発明の第３の実施例に係る基準
電圧発生回路を示す図であり、図１における電流源１１
として、絶対温度に比例する電流を出力する図５の電流
源回路５０と同一構成の電流源回路３０を用いている。 この電流源回路３０は、バイポーラトランジスタ３１〜
３３により構成される第１のカレントミラー回路と、バ
イポーラトランジスタ３４〜３６により構成される第２
のカレントミラー回路および抵抗３７を図のように接続
し、第２のカレントミラー回路より絶対温度に比例する
電流を出力する。

【００２８】このような基準電圧発生回路の構成は、図
１における差動増幅器２０のトランスコンダクタンス（
ｇｍ）を温度変化に対して一定に保つ必要がある場合に
有効である。この場合、差動増幅器２０の電流は電流源
回路から供給する。例えば温度が上昇すると、差動増幅
器２０のトランスコンダクタンスが低下しようとするが
、電流源回路３０の出力電流が絶対温度に比例して増加
するため、差動増幅器２０のトランスコンダクタンスは
一定に保たれる。この電流の増加により、トランジスタ
２１のベース・エミッタ間電圧ＶＢＥは図１の場合より
高くなるが、トランジスタ１２の電流も同様に増加する
ため、トランジスタ１２のＶＢＥはトランジスタ２１の
ＶＢＥと等しくなり、基準電位ＶＲＥＦ　を動作範囲Ｖ
ＡＶの中点に保つことができる。

【００２９】なお、上述した各実施例におけるダイオー
ド接続されたバイポーラトランジスタ１２は、ダイオー
ドに置き換えてもよく、要はＰＮ接合素子であればよい
。ダイオードを用いた場合、その順方向電圧降下をバイ
ポーラトランジスタのベース・エミッタ間電圧と同様に
利用することで、上述した各実施例と同等の結果が得ら
れる。その他、本発明は要旨を逸脱しない範囲で種々変
形して実施することができる。

【００３０】

【発明の効果】本発明の基準電圧発生回路によれば、電
源電圧や温度変化に対して差動増幅器の基準電圧を最適
値に制御することが可能となり、限られた電源電圧を最
大限に生かして低電圧動作を可能にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す回路図

【図２】本
発明の第２の実施例を示す回路図

【図３】本発明の第３
の実施例を示す回路図

【図４】本発明の動作原理を説明
するための図

【図５】従来の基準電圧発生回路を示す回
路図である

【符号の説明】

１０…基準電圧発生回路　　　　　　　　　　　　　　
１１…電流源１２…ダイオード接続のトランジスタ　　
１３…ボルテージフォロワ回路 １４，１５…電圧分割抵抗　　　　　　　　　　　　１
６…基準電圧出力端子 ２０…差動増幅器　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　２１，２２…増幅トランジスタ ２３…電流源トランジスタ　　　　　　　　　　　　２
４，２５…負荷トランジスタ ２６…基準電圧入力端子　　　　　　　　　　　　　　
２７…信号入力端子 ２８…信号出力端子　　　　　　　　　　　　　　　　
　　３０…電流源回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】増幅素子と電流源および負荷にバイポーラ
   トランジスタを用いた差動増幅器に供給する基準電圧を
   発生する基準電圧回路において、前記差動増幅器の低電
   位側電源電位よりバイポーラトランジスタのベース・エ
   ミッタ間電圧だけ高い第１の電位を発生する第１の電位
   発生手段と、前記第１の電位と前記差動増幅器の高電位
   側電源電位とのほぼ中間の第２の電位を前記基準電圧と
   して発生する第２の電位発生手段とを具備することを特
   徴とする差動増幅器の基準電圧発生回路。
2. 【請求項２】前記第１の電位発生手段は、前記高電圧電
   位側電源電位点と前記低電位側電源電位点との間に直列
   接続された電流源およびＰＮ接合素子により構成され、
   これら電流源とＰＮ接合素子との接続点より前記第１の
   電位を発生することを特徴とする請求項１記載の差動増
   幅器の基準電圧発生回路。
3. 【請求項３】前記第１の電位発生手段および第２の電位
   発生手段は、前記高電圧電位側電源電位点と前記低電位
   側電源電位点との間に直列接続された電圧分割回路とＰ
   Ｎ接合素子により構成され、これら電圧分割回路とＰＮ
   接合素子との接続点より前記第１の電位を発生し、電圧
   分割回路の分割電圧出力端より前記第２の電位を発生す
   ることを特徴とする請求項１記載の差動増幅器の基準電
   圧発生回路。