JPH0640290B2 - 安定化電流源回路 - Google Patents

安定化電流源回路

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JPH0640290B2
JPH0640290B2 JP4132585A JP4132585A JPH0640290B2 JP H0640290 B2 JPH0640290 B2 JP H0640290B2 JP 4132585 A JP4132585 A JP 4132585A JP 4132585 A JP4132585 A JP 4132585A JP H0640290 B2 JPH0640290 B2 JP H0640290B2
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JP
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circuit
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mos transistor
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voltage
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修 松原
俊郎 鈴木
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株式会社日立製作所
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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05FSYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F3/00Non-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
    • G05F3/02Regulating voltage or current
    • G05F3/08Regulating voltage or current wherein the variable is dc
    • G05F3/10Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics
    • G05F3/16Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
    • G05F3/20Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations
    • G05F3/24Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations wherein the transistors are of the field-effect type only
    • G05F3/242Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations wherein the transistors are of the field-effect type only with compensation for device parameters, e.g. channel width modulation, threshold voltage, processing, or external variations, e.g. temperature, loading, supply voltage
    • G05F3/245Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations wherein the transistors are of the field-effect type only with compensation for device parameters, e.g. channel width modulation, threshold voltage, processing, or external variations, e.g. temperature, loading, supply voltage producing a voltage or current as a predetermined function of the temperature

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、MOSトランジスタを用いた電流源回路に関
する。
〔発明の背景〕
MOSトランジスタを用いた様々な回路が集積回路とし
て作られており、そうした回路の中で、フイルタや積分
器などは、高精度の電流源を必要とする(例えば、昭和
55年度電子通信学会通信部門全国大会論文No.85
“MOS集積化可能なPLL用ループフイルタ”参
照)。しかしながら、従来電流源回路として多用されて
いる簡単なカレントミラー回路には、その電流値が、製
造プロセスにおいて生じる特性のばらつきや、温度及び
電源の変動などによつて、大きく変化するという問題が
ある。
第2図は、MOSトランジスタを用いた定電流回路の原
理的構成を示す。nチヤネルMOSトランジスタを例に
とると、nチヤネルMOSトランジスタ1のゲート・ソ
ース間に、電圧源2によりバイアス電圧VGS1が与えら
れて、その結果、ドレイン電流ID1が流れ、その値は次
式で与えられる。
ID1=βA(VGS1-VTH)2…(1) ただし、 β=μC0/2,A=W1/L μ:チヤネルモビリテイ C0:ゲート容量 W1:チヤネル幅 L1:チヤネル長 VTH:閾値電圧 上式において、C0,W1及びL1は製造工程の十分な管理に
より、また、VGS1は周知のバンドギヤツプ型安定化電
圧源回路などの使用により、数%ないし数十%の範囲に
ばらつきを抑えることが可能であり、かる、これらは、
周囲温度による変動が無視できるものである。しかし、
μは絶対温度−1.5乗に比例して変化し、またVTHは、
製造ばらつきが±50%にもなり、更に、±50℃の温
度変動により±20%も変化する。したがつて、I
D1は、製造プロセスによるばらつきのほかに、温度及び
電源の変動によつて大幅に変化し、その最大値と最小値
の比は、5ないし6に達する。その結果、高精度の電流
源を必要とするアナログ回路の実現は困難になり、ま
た、回路の消費電力の変動も甚しく、これらのことが、
MOS型のアナログ集積回路の性能向上を阻害する大き
な要因となつていた。
特開昭51−138848号公報に記載された定電流回路は、
前記の問題に対して、一つの解決を与えるものである。
しかし、この回路は、デイプセツシヨン型とエンハンス
メント型という異なる型のトランジスタを必要とするほ
か、3個のトランジスタを流れる電流の大小関係を予め
定められたように設定し、更に、ある特定のトランジス
タのゲート電圧を温度係数が零の点に設定しなければな
らないなどの点において、問題がないとはいえない。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、製造プロセスによる特性のばらつき並
びに温度及び電流の変動に起因する電流値の変化を、比
較的簡単な手段により抑制して、MOS集積回路に適し
た電流源回路を提供することにある。
〔発明の概要〕
本発明によれば、定電流出力を供給する第1MOSトラ
ンジスタのゲートと第2MOSトランジスタのゲートが
接続され、第2MOSトランジスタのドレインに電流源
が接続された回路において、第2MOSトランジスタの
ソースに適当な大きさと向きとを持つ安定化電圧源が接
続され、それにより、第2MOSトランジスタのゲート
・ソース電圧が、第1MOSトランジスタのゲート・ソ
ース電圧よりも充分小さく、閾値電圧に近い値に設定さ
れる。その結果、第1MOSトランジスタを流れる電流
を決定するフアクターの一つとしての電圧は、実質上、
前記安定化電圧源の電圧のみとなり、そして、安定化電
圧源は比較的容易に実現できるので、変動が最も激しい
閾値電圧の影響を除くことができる。
〔発明の実施例〕
第1図は、本発明の一実施例の原理的な回路図である。
nチヤネルMOSトランジスタ1は、電流出力段で、そ
のゲートはnチヤネルMOSトランジスタ3のゲートに
直結されている。トランジスタ3のソースには、電圧V
を供給する安定化電圧源4が接続され、その極正は、
基準電位点(アース)からみて、トランジスタ3のゲー
ト・ソース電圧と同じ向きである。トランジスタ3のド
レインには電流源5が接続される。なお、トランジスタ
3のゲートとドレインを接続した点は、本質的なもので
はない。トランジスタ1について、そのドレイン電流を
DI、ゲート・ソース電圧をVGS1とし、トランジスタ
3について、そのドレイン電流ID2、ゲート・ソース電
圧をVGS2とすれば、次式が成立つ。
ID1=βA1(VGS1−VTH…(2) ID2=βA2(VGS2−VTH…(3) VGS1=VGS2+V1…(4) ただし、 A1=W1/L1,A2=W2/L2 β,VTHは(1)式と同じ。
いま、ID2がID1と比較して非常に小さく、したがつ
て、 VGS1−VTH≫VGS2−VTH とすれば、 VGS2VTH…(5) と近似することができる。したがつて、(5)式と(4)式か
ら、 VGS1VTH+V1…(6) (6)式を(2)式に代入すれば、 ID1=βA1(V1…(7) すなわち、各トランジスタの閾値電圧VTHが変化して
も、トランジスタ1のドレイン電流ID1は、ほとんどそ
の影響を受けないことになる。Vについては、周知の
バンドギヤツプ形安定化電圧源回路等を用いることによ
り、充分高い精度と安定度を実現することができ、ま
た、Aの精度は、製造プロセスにおいて用いられるマ
スクの精度によつて定まり、充分高い値を得るのにさし
たる困難はない。残る問題は、チヤネルモビリテイとゲ
ート容量により定まるβであるが、これについては、製
造プロセスに基因するばらつきを±10%程度に抑える
ことが期待でき、かつ、チヤネルモビリテイの温度によ
る変動は、±50℃の範囲で±20〜30%である。し
たがつて、最大値と最小値の比が5〜6にも達した従来
回路と比較すれば、変動範囲は著しく減少することにな
る。
第3図は、第2図に原理図が示された従来回路の具体例
を示す。この回路は、第2図における電圧源2を、pチ
ヤネルMOSトランジスタ6とnチヤネルMOSトラン
ジスタ7により実現したものであつて、これは、通常の
いわゆるカレントミラー回路である。図中に示したW及
びLの値は、電流値の変動が最小となるように最適化さ
れた各トランジスタのチヤネル寸法を示す。
第4図は、第1図に原理図が示された本発明の実施例の
具体的な回路の一例を示す。第1図における電流源5
は、pチヤネルMOSトランジスタ8並びにnチヤネル
MOSトランジスタ9及び10からなるカレントミラー
回路で実現されている。電圧源4の値は0.27Vとした。
なお、図中のW及びLの値の趣旨は第3図のそれと同じ
である。
第3図及び第4図の各回路において、温度、電源電圧及
び閾値電圧VTHを変えて出力電流Iの変化を測定した
結果を、次表に示す。表中の%値は、状態Bを基準にし
て、Iの変化分を表わす。
前掲の表によれば、第4図の回路(本発明)では、第3
図の回路(従来技術)と比較して、Iの変動範囲がほ
ぼ半減していることがわかる。
前記の説明は、nチヤネルMOSトランジスタについて
のものであるが、pチヤネルMOSトランジスタについ
ても同様である。また、安定化電圧源については、バン
ドギヤツプ型安定化電圧源回路を用いれば理想的である
が、例えば電源電圧を降圧する抵抗分圧器のような、簡
単な電圧源を用いても、用途によつては十分な安定度が
得られる。
〔発明の効果〕
本発明によれば、MOS回路を用いた電流源回路におい
て、製造プロセスに起因する特性のばらつき並びに温度
及び電源の変動による電流値の変化の大幅な低減と、そ
の結果としての回路生態の著しい向上とを、容易に実現
することができる。また、電流変化の大幅な縮小は、消
費電力の変動の大幅な縮小をもたらす。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の原理を示す回路図、第2図
は従来の電流源回路の原理を示す回路図、第3図は第2
図の回路の具体例の回路図、第4図は第1図の回路の具
体例の回路図である。 1……第1MOSトランジスタ、3……第2MOSトラ
ンジスタ、4……安定化電圧源、5……電流源。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ドレイン電流が定電流出力として利用され
    るべき第1MOSトランジスタと、ゲートが第1MOS
    トランジスタのゲートと接続された第2MOSトランジ
    スタと、第2MOSトランジスタのドレインに接続され
    た電流源と、第2MOSトランジスタのソースに接続さ
    れて第2MOSトランジスタのゲート・ソース電圧を第
    1MOSトランジスタのそれよりも閾値電圧に近い値に
    維持する安定化電圧源とを備えた安定化電流源回路。
JP4132585A 1985-03-04 1985-03-04 安定化電流源回路 Expired - Lifetime JPH0640290B2 (ja)

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JPS61201315A JPS61201315A (en) 1986-09-06
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