JPH0666044B2 - 集積化電源装置 - Google Patents

集積化電源装置

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JPH0666044B2
JPH0666044B2 JP56142720A JP14272081A JPH0666044B2 JP H0666044 B2 JPH0666044 B2 JP H0666044B2 JP 56142720 A JP56142720 A JP 56142720A JP 14272081 A JP14272081 A JP 14272081A JP H0666044 B2 JPH0666044 B2 JP H0666044B2
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博 水口
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は集積化した基準電圧源または基準電流源のごと
き電源装置に関し、特に、 (1) 零を含む任意の温度係数を有する基準電圧ある
いは基準電流源。
(2) きわめて低い電源電圧のもとで、その動作およ
び特性が保証された基準電圧あるいは基準電流源。
(3) 零温度係数のもとで、きわめて広範囲の出力電
圧範囲あるいは出力電流範囲を有する基準電圧あるいは
基準電流源。
(4) 公知のバンドギャップ基準電圧源よりも狭いチ
ップ面積で零温度係数の基準電圧を発生することの出来
る基準電圧源。
を実現するのに有効なものである。
従来公知の、例えばR.J.WIDLAR“New Develop-ments in
IC Voltage Regulators" IEEE JOURNAL OF SOLID−STA
TE CIRCUITS,Vol.SC−6,No.1 pp 2−7,Feb.1971に記載
されたバンドギャップ基準電圧源回路は第1図に示す様
に、比較的簡単な回路構成で低電圧の出力電圧が得られ
るため、乾電池使用のポータブル機器などを始めとし
て、低電源電圧のもとで動作させる必要のある集積回路
の内部にしばしば用いられている。
第1図において、Bは電源端子、Xは出力端子、Gは共
通端子である。トランジスタ1のエミッタ面積Aeに対し
て、トランジスタ2のエミッタ面積はAeのN倍の広さを
有しているものとし、トランジスタ3のエミッタ面積は
Aeに等してものとし、前記トランジスタ1のコレクタの
出力端子Xの間に接続された抵抗4の抵抗値をR4,前記
トランジスタ2のコレクタ側に接続された抵抗5の抵抗
値をR5、同エミッタ側に接続された抵抗6の抵抗値を
R6,前記トランジスタ1,2,3のベース・エミッタ間順方向
電圧をそれぞれVBE1,VBE2,VBE3とし、それぞれのトラン
ジスタの直流電流増幅率は1よりも充分大きいものとす
ると、前記出力端子Xと共通端子Gの間に現われる出力
電圧VXは次式で与えられる。
VX=I2R5+VBE3 ……(1) ここで、I2は前記トランジスタ2のコレクタ電流で、 I2=(VBE1−VBE2)/R6 ……(2) また、前記トランジスタ1,3のコレクタ電流をそれぞれI
1,I3とすると、 ただし、hはボルツマン定数,gは電子の電荷で、それぞ
れ、 h=1.38×10-23 joule/゜K g=1.602×10-19 coulmb である。
また、Tは接合部の絶対温度(゜K)で、I0は単位面積
あたりの逆方向飽和電流である。
いま、R4とR5がほぼ等しく、I1=I2が成立しているもの
とすると、 前記(1)式,(5)式,(6)式より、 第1図において、トランジスタ3のコレクタ電流I3はト
ランジスタ7,8,9と抵抗10,11,12によって構成されたカ
レントミラー回路より供給され、前記トランジスタ7の
ベース・エミッタ間順方向電圧がほぼ、−3000ppmの温
度係数を有し、前記抵抗10の抵抗値は通常のICではほぼ
+2000ppmの温度係数を有しているので、出力電圧が約
1.2Vで、温度係数がかなり小さい領域においては、前記
コレクタ電流I3はほぼ、+1000ppmの温度係数を有する
ことになる。
一方、単位面積あたりの逆方向飽和電流I0は温度によっ
て大きく変化し、 実際例として、エミッタ面積400〔μm〕のトランジ
スタのエミッタ電流が100μA,接合温度が19℃のときのV
BE値は660mVであった場合、これをもとにして(5)
式,(8)式からγを算出すると、 γ=2.92×103 となる。したがって、接合部温度Tj(℃)の中心値を50
℃に設定したとき、前記接合部温度Tjと出力電圧Vxの関
係は次式で与えられる。
第2図は、トランジスタ2のエミッタ2のエミッタ面積
をトランジスタ1のエミッタ面積の10倍に設定し、抵抗
5の抵抗値を抵抗6の抵抗値の10.5倍に設定し、トラン
ジスタ1および3のエミッタサイズを20ミクロン平方に
して、さらにトランジスタ3のコレクタ電流I3を200μ
Aにした場合の出力電圧Vxの変化ΔVxをプロットしたも
のであり、接合部温度Tjが−20〜+150℃の間で変化し
ても、出力電圧の変化は0.2%以内であることがわか
る。
なお、このときの出力電圧Vxは1.28Vであり、これより
も大きな基準電圧が必要な場合や、反対に低電圧の基準
電圧が必要な場合にはカレントミラー回路などを用いて
出力電圧を零温度係数のまま昇圧したり,降圧する必要
があった。
また、前記計算例では、トランジスタ2のエミッタ面積
をトランジスタ1のエミッタ面積の10倍に設定したが、
一般に、この種のバドギャップ基準電圧源回路では、ト
ランジスタ2のエミッタ面積をトランジスタ1のエミッ
タ面積に比べて充分広く設定しておいて、さらに抵抗6
の抵抗値に比べて抵抗4,5の抵抗値をかなり大きく設定
しないと期待する特性を得ることが出来ない。
すなわち、第1図の回路はその構成だけをみれば比較的
簡単であるが、実際のIC設計に際してはかなりのチップ
面積を占有し、問題が多かった。
さらに、バンドギャップ基準電圧源回路の零温度係数の
もとでの出力電圧は約1.2Vであるため、例えば、第1図
の回路では、プラス側供電端子Bの電圧が2V以下になる
と満足な特性が得られなくなり、特に乾電池を2個用い
て、定格電圧が3Vで使用される装置においては、電池電
圧が2Vまで降下した時点で、その乾電池が使用不能にな
ってしまうので、資源の節約と言う点からも、もっと低
い電圧まで安定に動作する基準電圧源の出現が切望され
ていた。
本発明は以上の様な問題を解消するものである。
第3図は本発明の一実施例である集積化基準電圧・電流
源回路の回路結線図を示したものである。同図におい
て、トランジスタ13のベースとコレクタ間、およびベー
スとエミッタ間にはそれぞれ抵抗14,抵抗15が接続さ
れ、同トランジスタ13のコレクタにはトランジスタ16の
ベースが接続されている。トランジスタ16のエミッタは
抵抗17を介して前記トランジスタ13のエミッタに接続さ
れ、前記トランジスタ13のエミッタは共通端子Gにも接
続されている。
一方、トランジスタ18,19,20と抵抗21,22,23,24によっ
て、前記トランジスタ16のコレクタ電流を前記トランジ
スタ18によって受電するカレントミラー回路100が構成
され、前記トランジスタ13のコレクタには前記カレント
ミラー回路100を構成するトランジスタ19のコレクタか
ら定電流を供給する様に接続されている。
また、前記トランジスタ20のコレクタ電流を前記抵抗24
を供給して、前記抵抗24の両端に出力電圧を発生する様
に構成されている。
さて、動作の説明を簡単にするために、抵抗17の抵抗値
R17と抵抗24の抵抗値R24が等しく、抵抗21の抵抗値と抵
抗23の抵抗値とが等しいものとすると、出力端子Xと共
通端子Gの間に現われる出力電圧Vxは前記抵抗17の両端
に現われる電圧と等しくなる。
すなわち、トランジスタ13,16のベース・エミッタ間順
方向電圧をそれぞれVBE13,VBE16とし、抵抗14,15,17の
抵抗値をそれぞれR14,R15,R17としたとき、出力電圧Vx
は次式で与えられる。
また、前記トランジスタ13のエミッタ面積がAeで、前記
トランジスタ16のエミッタ面積はそのN倍の広さである
とし、前記トランジスタ13,16のエミッタ電流(コレク
タ電流に等しいものとする。)をそれぞれI13,I16とす
ると、 となる。ところで、 I16=Vx/R17 ……(13) であるから、トランジスタ16のコレクタ電流の温度変化
は出力電圧Vxの温度係数がきわめて小さい領域において
は抵抗17の抵抗値の温度係数に依存する。
また、抵抗21,22の抵抗値をそれぞれR21,R22とし、トラ
ンジスタ19のコレクタ電流をI19とすると、 となる。各抵抗の抵抗値の温度係数が、+2000ppmであ
り、トランジスタ13のベース・エミッタ間順方向電圧の
温度係数は、−3000ppmであることを考慮し、接合部温
度Tjが50℃のときのトランジスタ16のエミッタ電流I16
の基準値を▲I 16▼,抵抗14および抵抗15の直列回路
に流れるブリーダ電流の基準値を▲I ▼とすると、
各電流の温度変化は次式によって与えられる。
前記(10)式〜(12)式,(16)式,(17)式と前記
(8)式より、接合部温度Tjと出力電圧Vxの関係式は次
式で与えられる。
前記(18)式において、対数項の中のI13/AeをI16/N
・Aeよりも大きくすることによって、出力電圧Vxの温度
係数を零に近づけることが出来る。
すなわち、第3図の回路において、トランジスタ13のエ
ミッタ電流密度をトランジスタ16のエミッタ電流密度よ
りも高くすることによって零温度係数を達成することが
出来、具体的には、抵抗21と抵抗22の抵抗比率を適当に
設定したり、トランジスタ13とトランジスタ16の面積比
を適当に選定することにより実現される。
第4図はトランジスタ13のエミッタ面積を20ミクロン平
方にするとともにトランジスタ16のエミッタ面積はその
2倍に設定し、抵抗15の抵抗値を抵抗14の抵抗値の10.3
倍に設定し、前記トランジスタ16のエミッタ電流を120
μA(抵抗17の抵抗値R17が1KΩ)にするとともにカレ
ントミラー回路100におけるトランジスタ18とトランジ
スタ19の電流比を1対5、すなわちトランジスタ18によ
る受電電流に対するトランジスタ19からの出力電流のミ
ラー比を5に設定し(抵抗21の抵抗値がR21が1KΩで、
抵抗22の抵抗値が200Ω)、さらに▲I ▼を100μA
(抵抗15の抵抗値R15は約6KΩで、抵抗14の抵抗値R14
約580Ωとなる。)に設定した場合の出力電圧Vxの変化
ΔVxをプロットしたもので、第1図の回路では出力電圧
の温度特性が直線ではないために、温度変化を0.2%程
度にするのが限界であったのに対し、第2図の回路では
温度変化をさらに小さく出来ることがわかる。
なお、このときの出力電圧Vxは0.12Vとなるが、この値
は抵抗21と抵抗23の抵抗比、あるいは抵抗23と抵抗24の
抵抗比を変えることにより、零温度係数のままで、任意
の値に自由に設定出来ることは言うまでもない。
また、抵抗14と抵抗15の抵抗比やトランジスタ13とトラ
ジスタ16の電流比を適当に設定することによって、+30
00ppmから−3000ppmの間の任意の温度係数を有する出力
電圧を得ることも可能である。
ICチップ上に占める回路面積という観点から第1図の回
路と第3図の回路とを比較してみると、抵抗数は同じで
あるが、PNPトランジスタが1個減少し、NPNトランジス
タは2個減少し、さらに第1図のトラジスタ2の面積は
トランジスタ1の面積の10倍であるのに対して、第3図
のトランジスタ16の面積はトランジスタ13の面積の2倍
にしかならないため、第3図の回路の占有面積は第1図
の回路の半分近くにまで減少する。
さらに、動作限界電圧について考えてみると、例えば第
3図のトラジスタ13のコレクタ・エミッタ電圧が0.7V程
度になる様に設定しておけば、カウントミラー回路100
でのドロップ電圧が0.8V必要ぜあるとしても、1.5Vの電
源電圧まで安定な動作を期待することが出来る。
このように本発明の集積化電源装置は従来のバンドギャ
ップ基準電圧源回路に比べてあらゆる面で優れている
が、その実施形態は必らずしも第3図の回路に限定され
るものではなく、そのはか、第5図乃至第7図に示すご
とき構成も本発明に含まれる。例えば、第5図において
は出力電圧を抵抗17の両端から直接取り出す様に構成し
ており、この場合には回路構成はさらに簡単になる。
また、第6図の実施例では、出力電圧ではなく出力電流
をトランジスタ25の第2コレクタから取り出すようにし
ており、トランジスタ13とトランジスタ25にはトラジス
タ26から電流が供給されている。
なお、第7図は第3図の回路に抵抗27,28とトランジス
タ29,30からなる起動回路を付加した例を示したもので
ある。
すなわち、第1図の回路も同様であるが、第3図の回路
は自己遮断型の回路であるので、あらかじめカレントミ
ラー回路100に何らかの手段によって起動電流を流して
やらないと起動しないのでトランジスタが起動スイッチ
として作動する様に構成されている。
トランジスタ13のコレクタとエミッタ間に別の電流供給
手段(例えば別に構成されたカレントミラー回路など)
から電流を供給する場合には起動回路は必要としない。
以上のように、本発明の集積化電源装置は、ベースとコ
レクタ間に第1の抵抗14が接続され、ベースとエミッタ
間に前記第1の抵抗よりも抵抗値の大きい第2の抵抗15
が接続された第1のトランジスタ13と、前記第1のトラ
ンジスタのコレクタ電位がベースに与えられ、エミッタ
が第3の抵抗17を介して前記第1のトランジスタのエミ
ッタに接続され、エミッタ面積が前記第1のトランジス
タよりも大きい第2のトランジスタ16と、前記第2のト
ランジスタのコレクタ電流を受電して1よりも大きなミ
ラー比で前記第1のトランジスタのコレクタにバイアス
電流を供給するカレントミラー回路100を備え、前記第
2のトランジスタのエミッタあるいはコレクタから基準
電圧出力もしくは基準電流出力を取り出すように構成し
たことにより、低電圧動作と優れた温度特性を実現して
おり、さらには、本願第1図に示された有名な公知のバ
ンドギャップ基準電圧電源回路では、トランジスタ2の
エミッタ面積はトランジスタ1に対して10倍もの大きさ
に設定しなければならず、ICのチップサイズを大きくす
るだけでなく、トランジスタ1とトランジスタ2は単位
面積あたりの物理特性を同一に揃える必要があるので、
ICレイアウト作業がきわめて難しいものになるが、本発
明の例えば第3図の回路では、トランジスタ16の面積は
トランジスタ13の面積の2倍にしかならないなど、容易
な構成を可能にするものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来例を示す回路結線図、第2図はその出力電
圧の温度特性図、第3図は本発明の一実施例である集積
化基準電圧・電流源回路の回路結線図、第4図はその出
力電圧の温度特性図、第5図,第6図,第7図はいずれ
も本発明の別の実施例の回路結線図である。 13,16,18,19,20,25,26,29,30……トランジスタ、14,15,
17,21,22,23,24,27,28……抵抗、B……電源端子、X…
…出力端子、G……共通端子。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ベースとコレクタ間に第1の抵抗が接続さ
    れ、ベースとエミッタ間に前記第1の抵抗よりも抵抗値
    の大きい第2の抵抗が接続された第1のトランジスタ
    と、前記第1のトランジスタのコレクタ電位がベースに
    与えられ、エミッタが第3の抵抗を介して前記第1のト
    ランジスタのエミッタに接続され、エミッタ面積が前記
    第1のトランジスタよりも大きい第2のトランジスタ
    と、前記第2のトランジスタのコレクタ電流を受電して
    1よりも大きなミラー比で前記第1のトランジスタのコ
    レクタにバイアス電流を供給するカレントミラー回路を
    備え、前記第2のトランジスタのエミッタあるいはコレ
    クタから基準電圧出力もしくは基準電流出力を取り出す
    ように構成したことを特徴とする集積化電源装置。
JP56142720A 1981-09-09 1981-09-09 集積化電源装置 Expired - Lifetime JPH0666044B2 (ja)

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