JPH1145126A - 基準電圧発生回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 バンドギャップ電圧を利用して温度補償を行
う基準電圧発生回路において、1.2V以上の任意の出力電
圧を得る。 【解決手段】 エミッタ面積比が１であるトランジスタ
Q₁₂ のベース・エミッタ間に新たな抵抗R₃₁ を接続し、
この抵抗R₃₁ とトランジスタQ₁₂ のエミッタ・ベース間
に接続した抵抗R₁₄ の抵抗値の設定により、ベース・エ
ミッタ間圧に起因する負の温度係数項と絶対温度に依存
する正の温度係数項とを調整し、所望の基準電圧を得
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は基準電圧発生回路、
特に半導体集積回路上に形成されバンドギャップ電圧を
利用して温度補償された基準電圧を発生させる基準電圧
発生回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路の基準電圧源には、バン
ドギャップ電圧を利用した基準電圧発生回路が使用され
ている。図３は、従来のこの種の基準電圧発生回路の一
例を示す。トランジスタQ₁₁ とトランジスタQ₁₂ のエミ
ッタ面積比はＮ：１に設定され、各々のコレクタ電流I
_C1 とI_C2 は、トランジスタQ₄₁ ，Q₄₂ ，抵抗R₄₄ ，R₄₅
で構成されるカレントミラー回路から供給される電流
で、その電流値は等しい。また、トランジスタQ₁₁ のエ
ミッタは抵抗R₁₃ ，抵抗R₁₄ を介して接地され、トラン
ジスタQ₁₂ のエミッタは抵抗R₁₄ を介して接地されてい
る。また、トランジスタQ₁₁ とQ₁₂ の共通のベースには
基準電圧の出力端子O_REFが接続されており、この出力端
子O_REFにはバッファアンプを形成するトランジスタQ₄₃
のエミッタが接続され、トランジスタQ₁₁ ，Q₁₂ のベー
スに電流を供給するように構成されている。

【０００３】図３に示す回路において、トランジスタQ
₁₁ のコレクタ電流I_C1 及びトランジスタQ₁₂ のコレク
タ電流I_C2 は、q を単位電荷量、T を絶対温度、k をボ
ルツマン定数とすると、 I_C1=I_C2 ＝(k・T/q・R₁₃)・In(N) ・・・（１） で表すことができ、I_C1 が決定すれば、R₁₃ を求めるこ
とができる。また基準電圧V_REFは、トランジスタQ₁₂ の
ベース・エミッタ間電圧をV_BE12 とすると、 V_REF=2・I_C1・R₁₄+V_BE12・・・（２） で表すことができる。上述のようにコレクタ電流I_C1 は
抵抗R₁₃ によって決定する定数であり、V_BE12 も定数な
ので、基準電圧V_REFは抵抗R₁₄ の値によって決まる。

【０００４】また基準電圧の温度特性(∂/∂T)V_REFは、
温度変化によってコレクタ電流I_C1とベース・エミッタ
間電圧V_BE12 が変動するので、 (∂/∂T)V_REF=2・R₁₄・(∂/∂T)I_C1+(∂/∂T)V_BE12 ・・・（３） で表すことができる。ここで、(∂/∂T)I_C1 は上述の式
（１）を絶対温度T で微分した式で、これを上記式
（３）に代入すると、 (∂/∂T)V_REF=2・(R₁₄/R₁₃)・(k/q)・In(N)+(∂/∂T)V_BE12 ・・・（４） で表すことができる。図３に示す回路は、抵抗R₁₃ ，抵
抗R₁₄ が温度特性を持っていたとしても、同一の温度係
数を持つ抵抗を使えば、上述の式（４）の(R₁₄/R₁₃) か
ら、抵抗の温度特性を打ち消し合うことができる特徴を
有している。また、上述の式（４）の右辺第２項のベー
ス・エミッタ間電圧の温度特性(∂/∂T)V_BE12は、負の
温度係数を有することが知られており、第１項の値と打
ち消し合い、基準電圧V_REFの温度特性を０とすることが
できる。すなわち抵抗R₁₄ の抵抗値を、 R₁₄=-｛R₁₃・q/2・k・In(N)｝・｛(∂/∂T)V_BE12｝・・・（５） の関係に設定することによって、基準電圧の温度特性を
０とすることができる。例えば、温度特性 (∂/∂T)V
_BE12を-2.5mV/k° とするとき、2(R₁₄/R₁₃)・In(N)=29.4
に設定することにより、温度依存性のない基準電圧V
_REF=1.205V （シリコンの場合）が得られる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】然しながら従来の基準
電圧発生回路では上述のように、温度補償された（温度
特性 (∂/∂T)V_REF=0)の基準電圧を得ようとする場合、
出力基準電圧V_REFが約1.2Vに固定されてしまう。また抵
抗R₁₄ を変化させればＶ_REF の値を変化させることがで
きるが、図４に示すように温度特性が変化し、温度特性
０を実現できず、従って1.2V以上の基準電圧を得ようと
する場合、この回路の後段に電圧変換回路を設けなけれ
ばならなくなる等の問題点があった。

【０００６】本発明はかかる問題点を解決するためにな
されたものであり、温度特性０において、1.2V以上の任
意の値の基準電圧を発生させる等、所望の温度特性の所
望の基準電圧(1.2V 以上）を発生させることができる基
準電圧発生回路を提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる基準電圧
発生回路は、従来の回路のエミッタ面積比が１であるト
ランジスタQ₁₂ のベース・エミッタ間に新たな抵抗R₃₁
を接続し、この抵抗R₃₁ と抵抗R₁₄ の抵抗値を調整する
こととしたものである。

【０００８】このような回路構成とすることで、得られ
る基準電圧V_REFは、エミッタ面積比が１であるトランジ
スタQ₁₂ のベース・エミッタ間電圧V_BE12 と、エミッタ
・GND 間の抵抗R₁₄ に発生する電圧V_R14の和になる。こ
の抵抗R₁₄ に発生する電圧V_R14は、抵抗R₁₄ に流れる電
流とその抵抗値とによって定まる。この抵抗R₁₄ に流れ
る電流は、２つのトランジスタQ₁₁ ，Q₁₂ のコレクタ電
流I_C1 ，I_C2 と、トランジスタQ₁₂ のベース・エミッタ
間に接続した抵抗R₃₁ に流れる電流の総和となる。ベー
ス・エミッタ間電圧Ｖ_BE12は一定の値なので、ベース・
エミッタ間に接続した抵抗R₃₁ によって抵抗R₁₄ に流れ
る電流の総和を変化させることができる。従って、トラ
ンジスタQ₁₂ のエミッタ・GND 間の抵抗R₁₄ の抵抗値
と、ベース・エミッタ間の抵抗Ｒ₃₁の抵抗値とによっ
て、出力される基準電圧Ｖ_REF を決定できる。

【０００９】一方、基準電圧の温度特性(∂/ ∂T) V_REF
は、エミッタ面積が１であるトランジスタQ₁₂ のベース
・エミッタ間電圧の温度特性(∂/ ∂T)V_BE12と、エミッ
タ・GND 間の抵抗R₁₄ に発生する電圧の温度特性(∂/
∂T)V_R14 との和になる。ベース・エミッタ間電圧V_BE12
は、上述のように一定の負の温度特性を持つ。またエ
ミッタ・GND 間の抵抗R₁₄ に発生する電圧の温度特性
は、この抵抗R₁₄に流れる電流の温度特性に抵抗値を乗
じたものとなる。この抵抗R₁₄ に流れるコレクタ電流I
_C1 ，I_C2 は、正の温度特性を有し、エミッタ面積が１
であるトランジスタQ₁₂ のベース・エミッタ間に接続し
た抵抗R₃₁ に流れる電流は、ベース・エミッタ間電圧が
負の温度特性を持っているので電流も負の温度特性を有
する。このことから、コレクタ電流I_C1 ，I_C2 と、抵抗
Ｒ₃₁に流れる電流の温度特性は相反する方向へ変化す
る。従って抵抗R₃₁ によって、エミッタ・GND 間に接続
している抵抗R₁₄ に流れる電流の温度特性を制御し、こ
の抵抗R₁₄ に発生する電圧の温度特性を設定することが
できる。上述のようにベース・エミッタ間電圧の温度特
性(∂/ ∂T)V_BE12は、負の一定値を取るので、これを打
ち消すように、抵抗Ｒ₁₄に発生する電圧の温度特性(∂/
∂T)V_R14 を正の同じ値の温度特性に設定すると、出力
される基準電圧の温度特性(∂/ ∂T)V_REF は０となる。

【００１０】具体的に本発明の基準電圧発生回路は、そ
れぞれのエミッタが電源に接続され、それぞれのエミッ
タ面積比を同じくする１対のトランジスタ41，42で形成
されたカレントミラー回路、それぞれのエミッタ面積比
がＮ：１でそのベースが共通に接続された１対のトラン
ジスタであって、そのコレクタが前記カレントミラー回
路の基準入力側トランジスタ41とコレクタを共通にする
トランジスタ11及びそのコレクタが前記トランジスタ42
とコレクタを共通にするトランジスタ12、前記トランジ
スタ11，12の共通ベースに接続された出力端子OREF、前
記トランジスタ11のエミッタと前記トランジスタ12のエ
ミッタとの間に接続された抵抗13、前記トランジスタ12
のエミッタとGND との間に接続された抵抗14、前記トラ
ンジスタ12のベースとエミッタとの間に接続された抵抗
31、コレクタが前記電源に接続され、ベースが前記トラ
ンジスタ42，12の共通コレクタに接続されたトランジス
タであって、そのエミッタが前記出力端子OREFに接続さ
れて前記トランジスタ11のベース，前記トランジスタ12
のベース及び前記抵抗31に電流を供給するトランジスタ
43を備え、前記抵抗14，抵抗31の抵抗値の設定により、
トランジスタ12のベース・エミッタ間電圧に起因する温
度係数項と抵抗14に発生する電圧に起因する温度係数項
とを調整し、所望の温度特性で所望の基準電圧を得る構
成を特徴とする。

【００１１】また、それぞれのエミッタ面積比がＮ：１
でそのベースが共通に接続された１対のトランジスタで
あって、そのコレクタがそれぞれ抵抗値を同じくする抵
抗21，22を介して共通電源に接続されたトランジスタ11
及びトランジスタ12、前記トランジスタ11のエミッタと
GND との間に接続された抵抗13、前記基準入力側トラン
ジスタ12のベースとGND との間に接続された抵抗31、ベ
ースが前記トランジスタ11のコレクタに接続され、コレ
クタが前記共通電源に接続され、エミッタがGND に接続
されたトランジスタであって、前記トランジスタ12とエ
ミッタ面積比を同じくするトランジスタ15、前記トラン
ジスタ15のベースとGND との間に接続され、前記抵抗31
とその抵抗値を同じくする抵抗32、前記トランジスタ15
のコレクタに接続された出力端子OREFを備え、前記抵抗
21，抵抗22の抵抗値、及び抵抗31，抵抗32の抵抗値の設
定により、トランジスタ12のベース・エミッタ間電圧に
起因する温度係数項と抵抗22に発生する電圧に起因する
温度係数項とを調整し、所望の温度特性で所望の基準電
圧を得る構成を特徴とする。

【００１２】さらにこれらの回路は、半導体集積回路上
に形成された回路であることを特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１は、本発明の基準電圧発生回
路の回路構成の一実施形態を示す回路図である。図１に
おいて、１１，１２はそれぞれのエミッタ面積比がＮ：
１のトランジスタQ₁₁ ，Q₁₂ 、OREFはトランジスタQ
₁₁ ，Q₁₂ の共通ベースに接続された出力端子である。
また、トランジスタQ₁₁ のエミッタは１３の抵抗R₁₃ ，
１４の抵抗R₁₄ を介して接地され、トランジスタQ₁₂ の
エミッタは１４の抵抗R₁₄ を介して接地されている。ま
た、３１はトランジスタQ₁₂ のベース・エミッタ間に設
けられた抵抗R₃₁ 、４１，４２はそれぞれのエミッタ面
積比を同じくしカレントミラー回路を形成する一対のト
ランジスタQ₄₁ ，Q₄₂ 、４４，４５は同じくカレントミ
ラー回路を形成する抵抗R₄₄ ，R₄₅ 、４３はバッファア
ンプを形成するトランジスタQ₄₃ である。また抵抗Ｒ₁₃
の値は、従来技術と同様トランジスタQ₁₁ のコレクタ電
流Ｉ_C1で決定される。

【００１４】図１に示す回路で得られる基準電圧V
_REFは、トランジスタQ₁₂ のベース・エミッタ間電圧V
_BE12 と、抵抗Ｒ₁₄で発生する電圧Ｖ_R14 の和で決定す
るので、 V_REF=V_BE12+V_R14=V_BE12+｛(2・I_C1)+(V_BE12/R₃₁)｝・R₁₄・・・（６） で表すことができ、これらの式から抵抗R₁₄ と抵抗R₃₁
の関係は、 R₃₁=(R₁₄・V_BE12)/(V_REF-V_BE12-2・R₁₄・Ｉ_C1) ・・・（７）となる。

【００１５】また得られる基準電圧V_REFの温度特性(∂/
∂T)V_REF は、 (∂/ ∂T)V_REF ＝(∂/ ∂T)V_BE12+｛2・(∂/ ∂T)I_C1+(1/R₃₁)・(∂/ ∂T)V_BE12 ｝・R₁₄・・・（８） で表すことができ、この式（８）から、抵抗R₁₄ と抵抗
R₃₁ の関係は、 R₃₁=｛R₁₄・(∂/ ∂T)V_BE12｝/｛(∂/ ∂T)V_REF-(∂/ ∂T)V_BE12-2・R₁₄・(∂/ ∂T)I_C1｝・・・（９）となる。 上述の式（６）の基準電圧Ｖ_REF から導かれた抵抗R₁₄
と抵抗R₃₁ の関係と、上述の式（８）の基準電圧の温度
特性(∂/ ∂T)V_REF から導かれた抵抗R₁₄ と抵抗R₃₁ の
関係とから、抵抗R₁₄ と抵抗R₃₁ が求められる。すなわ
ち式（８）から、 (∂/ ∂T)V_REF ＝2・R₁₄・(∂/ ∂T)I_C1+(1+R₁₄/R₃₁)・(∂
/ ∂T)V_BE12 ・・・（１０）が得られ、ここで、(∂/
∂T)V_REF=0 とし、(∂/ ∂T)I_C1=α， (∂/ ∂T)V_BE12=
β に置き換えると、 R₁₄=-β/｛2α+(β/R₃₁)｝ ・・・（１１） また式（６）と式（１１）より、 V_REF=V_BE12+｛(2・I_C1)+(V_BE12/R₃₁)｝・-β/｛2α+(β/R₃₁)｝・・・（１２） となり、V_REFはR₃₁ とR₁₃ の関数で定めることができ、
またR₁₄ もR₃₁ とR₁₃ の関数で定めることができる。

【００１６】またこの回路において、出力される基準電
圧V_REFが1.2V以下であると、抵抗R₁₄ または抵抗R₃₁ が
負の値となるので、得られる基準電圧V_REFは1.2V以上の
任意の値となる。

【００１７】また応用例として、この回路で任意に設定
した基準電圧の温度特性をある程度変化させることがで
きる。一例として、出力される基準電圧の温度特性(∂/
∂T)V_REF を、トランジスタQ₁₂ のベース・エミッタ間
電圧の温度特性(∂/ ∂T)V_BE12と等しく設定した場合を
考える。出力される基準電圧の温度特性(∂/ ∂T)V_REF
から求められる抵抗R₁₄ と抵抗R₃₁ の関係式（９）か
ら、抵抗R₃₁ は、 R₃₁=-｛(∂/ ∂T)V_BE12｝/｛2・(∂/ ∂T)I_C1｝・・・（１３）となる。 なお式（１３）の(∂/ ∂T)V_BE12は上述のように一定の
負の値、(∂/ ∂T)I_C1は一定の正の値となる。

【００１８】図２は、本発明の他の実施形態を示す回路
図である。図２において、図１と同一符号は同一又は相
当部分を示し、２１，２２，３２はそれぞれ抵抗R₂₁ ，
R₂₂ ，R₃₂ 、１５はトランジスタQ₁₅ であり、トランジ
スタQ₁₁,Q₁₂ のコレクタ電流を同一にさせるために、抵
抗R₂₁ と抵抗R₂₂ の抵抗値と、抵抗R₃₁ と抵抗R₃₂ の抵
抗値が等しく設定され、トランジスタQ₁₅ のエミッタ面
積はトランジスタQ₁₂ のエミッタ面積と同一に設定され
ている。

【００１９】トランジスタQ₁₁ のコレクタ電流I_C1 は、
トランジスタQ₁₅ のベース・エミッタ間電圧をV_BE15 と
すると、 I_C1=(V_REF-V_BE15)/R₂₁-V_BE15/R₃₂・・・（１４） で表せる。また、トランジスタQ₁₂ のコレクタ電流I_C2
は、トランジスタQ₁₂ のベース・エミッタ間電圧をV
_BE12 とすると、 I_C2=(V_REF-V_BE12)/R₂₂-V_BE12/R₃₁・・・（１５） で表せる。トランジスタQ₁₂ とトランジスタQ₁₅ は特性
を同じにしているので、V_BE12 とV_BE15 は等しく、また
抵抗R₂₁ と抵抗R₂₂ 、抵抗R₃₁ と抵抗R₃₂ は等しいの
で、上述の式（１４）及び（１５）の右辺が等しくなる
ことから、I_C1 とI_C2 は同じとなる。また抵抗R₁₃ の値
は、従来技術と同様トランジスタQ₁₁ のコレクタ電流I
_C1 で決定される。

【００２０】この回路構成において得られる基準電圧V
_REFは、トランジスタQ₁₂ のベース・エミッタ間電圧V
_BE12 と、抵抗R₂₂ で発生する電圧Ｖ_R22 の和で決定
し、 V_REF=V_BE12+V_R22 =V_BE12+(I_C1+V_BE12/R₃₁)・R₂₂・・・（１６） で表せられ、これらの式から抵抗R₂₂ と抵抗R₃₁ との関
係は、 R₃₁=(R₂₂・V_BE12)/(V_REF-V_BE12-I_C1・R₁₂) ・・・（１７） となる。また得られる基準電圧Ｖ_REF の温度特性(∂/
∂T)V_REF は、 (∂/ ∂T)V_REF=(∂/ ∂T)V_BE12+｛(∂/ ∂T)Ic₁+(1/R₃₁)・(∂/ ∂T)V_BE12｝・R ₂₂ ・・・（１８） で表すことができ、この式（１８）から抵抗R₂₂ と抵抗
R₃₁ の関係は、 R₃₁=｛R₂₂・(∂/ ∂T)V_BE12｝/｛(∂/ ∂T)V_REF-(∂/ ∂T)V_BE12-R₂₂・(∂/ ∂T )Ic₁｝・・・（１９）となる。

【００２１】そして上述の式（１６）で得られる基準電
圧V_REFから導かれた抵抗R₂₂ と抵抗R₃₁ の関係と、上述
の式（１８）で得られる基準電圧の温度特性(∂/ ∂T)V
_REFから導かれた抵抗R₂₂ と抵抗R₃₁ の関係から、図１
に示す回路と同様にして抵抗R₂₂ と抵抗R₃₁ が求められ
る。またこの回路において、出力される基準電圧V_REFが
1.2V以下であると、抵抗R₂₂ または抵抗R₃₁ が負の値と
なるので、得られる基準電圧は1.2V以上の任意の値とな
る。

【００２２】またこの図２の回路においても、任意に設
定した基準電圧の温度特性をある程度変化させることが
できる。一例として、出力される基準電圧の温度特性
(∂/ ∂T)V_REF をトランジスタQ₁₂ のベース・エミッタ
間電圧の温度特性(∂/ ∂T)V_BE12と等しく設定した場合
を考える。出力される基準電圧の温度特性(∂/ ∂T)V
_REF から求められる抵抗R₂₂ と抵抗R₃₁ の関係式（１
９）から、抵抗R₃₁ は、 R₃₁=-｛(∂/ ∂T)V_BE12｝/｛(∂/ ∂T)I_C1｝・・・（２０） となる。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように本発明の基準電圧発
生回路は、エミッタ面積が１であるトランジスタQ₁₂ の
ベース・エミッタ間に抵抗を接続することにより、出力
される基準電圧の温度特性が０で1.2V以上の任意の電圧
が得られ、高基準電圧を必要とする半導体集積回路にお
ける電圧変換回路の接続を不要とでき、回路全体の簡素
化が図れる。また所望の基準電圧を設定し、この基準電
圧の温度特性をある程度の範囲で選択できるので、半導
体集積回路において接続される他の回路の温度特性を温
度特性変換回路を用いることなく相殺することができ、
このような場合にも回路全体の小型化が図れる等の効果
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す回路図である。

【図２】本発明の他の実施形態を示す回路図である。

【図３】従来のこの種の基準電圧発生回路の構成の一例
を示す回路図である。

【図４】図３に示す従来の回路の問題点を示す図であ
る。

【符号の説明】

１１，１２，１５，４１，４２，４３ トランジスタ １３，１４，２１，２２，３１，３２，４４，４５ 抵
抗 Ｉ_C1，Ｉ_c2 電流値が同一のコレクタ電流 OREF 出力端子

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 それぞれのエミッタが電源に接続され、
   それぞれのエミッタ面積比を同じくする１対のトランジ
   スタ41，42で形成されたカレントミラー回路、 それぞれのエミッタ面積比がＮ：１でそのベースが共通
   に接続された１対のトランジスタであって、そのコレク
   タが前記カレントミラー回路の基準入力側トランジスタ
   41とコレクタを共通にするトランジスタ11及びそのコレ
   クタが前記トランジスタ42とコレクタを共通にするトラ
   ンジスタ12、 前記トランジスタ11，12の共通ベースに接続された出力
   端子OREF、 前記トランジスタ11のエミッタと前記トランジスタ12の
   エミッタとの間に接続された抵抗13、 前記トランジスタ12のエミッタとGND との間に接続され
   た抵抗14、 前記トランジスタ12のベースとエミッタとの間に接続さ
   れた抵抗31、 コレクタが前記電源に接続され、ベースが前記トランジ
   スタ42，12の共通コレクタに接続されたトランジスタで
   あって、そのエミッタが前記出力端子OREFに接続されて
   前記トランジスタ11のベース，前記トランジスタ12のベ
   ース及び前記抵抗31に電流を供給するトランジスタ43を
   備え、 前記抵抗14，抵抗31の抵抗値の設定により、トランジス
   タ12のベース・エミッタ間電圧に起因する温度係数項と
   抵抗14に発生する電圧に起因する温度係数項とを調整
   し、所望の温度特性で所望の基準電圧を得る基準電圧発
   生回路。
2. 【請求項２】 それぞれのエミッタ面積比がＮ：１でそ
   のベースが共通に接続された１対のトランジスタであっ
   て、そのコレクタがそれぞれ抵抗値を同じくする抵抗2
   1，22を介して共通電源に接続されたトランジスタ11及
   びトランジスタ12、 前記トランジスタ11のエミッタとGND との間に接続され
   た抵抗13、 前記基準入力側トランジスタ12のベースとGND との間に
   接続された抵抗31、 ベースが前記トランジスタ11のコレクタに接続され、コ
   レクタが前記共通電源に接続され、エミッタがGND に接
   続されたトランジスタであって、前記トランジスタ12と
   エミッタ面積比を同じくするトランジスタ15、 前記トランジスタ15のベースとGND との間に接続され、
   前記抵抗31とその抵抗値を同じくする抵抗32、 前記トランジスタ15のコレクタに接続された出力端子OR
   EFを備え、 前記抵抗21，抵抗22の抵抗値、及び抵抗31，抵抗32の抵
   抗値の設定により、トランジスタ12のベース・エミッタ
   間電圧に起因する温度係数項と抵抗22に発生する電圧に
   起因する温度係数項とを調整し、所望の温度特性で所望
   の基準電圧を得る基準電圧発生回路。
3. 【請求項３】 半導体集積回路上に形成された回路であ
   ることを特徴とする請求項１乃至請求項２の何れかに記
   載の基準電圧発生回路。