JPS5831420A - 集積化電源装置 - Google Patents

集積化電源装置

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JPS5831420A
JPS5831420A JP12894181A JP12894181A JPS5831420A JP S5831420 A JPS5831420 A JP S5831420A JP 12894181 A JP12894181 A JP 12894181A JP 12894181 A JP12894181 A JP 12894181A JP S5831420 A JPS5831420 A JP S5831420A
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JP
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transistor
current
emitter
voltage
constant
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JP12894181A
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Hiroshi Mizuguchi
博 水口
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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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
    • G05F3/22Regulating 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 bipolar type only

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Control Of Electrical Variables (AREA)
  • Continuous-Control Power Sources That Use Transistors (AREA)

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】 本発明は、少ない占有面積で、低い電源電圧まで動作さ
せ得る集積化電源装置に関するもので、(1)零を含む
任意の温度係数を有する基準電圧源あるいは基準電流源
(11)  きわめて低い電源電圧のもとで、その動作
および特7性が保証された基準電圧源あるいは基準電流
源。
0+++  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源あ
るいは基準電流源。
(IV)  公知のバンドギャップ基準電圧源よシも狭
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。
を実現するうえで有効なものである。
従来の例えばRJ 、 WIDLAR” New De
velopmentsin ICVoltage Re
gulators ” IEEE  ICIJRRAL
OF  Sot、ID−8TATE CIRCUITS
、Voj、5C−6、AI 、 PP2−7 Feb、
1971に記載されているバンドギャップ基準電圧源回
路は第1図に示す様に。
きわめて簡単な回路構成で低電圧の零温度係数の出力電
圧が得られるため、乾電池使用のポータプル機器などを
始めとして、低電源電圧のもとで動作させる必要のある
集積回路の内部に多用されて! いる。
第1図において、トランジスターのエミッタ電流密度を
11.トランジスタ2のエミッタ電流密度、をI2.ト
ランジスタ30ベース・エミッタ間電圧をV  、抵抗
4,5の抵抗値をそれぞれR4゜E3 R6とし、さらに各トランジスタの直流電流増幅率は充
分大きいものとすると、前記トランジスタ3のコレクタ
・エミッタ間の電圧”CH2は次式で与えられる。
ここに、kはボルツマン定数で、 k−1,38X10−23joatle/、Kまた、q
は電子の電荷で q −1,602X10−0−19couloさらに、
Tは絶対温度(0K)である。・また、0)式で表わさ
れる出力電圧■cE3の温度係数は次式で与えられる。
avBE3/aTはよく知られている様に約−2mV/
℃であるので、 いま、−例として11/12−10とすると、R4/R
5=−1oのとき、G3)式は0となる。
また、このとき(1)式からvcE3は約12Vとなる
すなわち、第1図において、トランジスタ2のエミッタ
面積の大きさをトランジスタ1のエミッタ面積の10倍
に設定し、抵抗4の抵抗値を抵抗5の抵抗値の10倍に
設定したとき、トランジスタ3のコレクタ・エミッタ間
に現われる出力電圧の温度係数は0となる。
同様に゛してJ、/J2の値を変えて計算してみると、
J1/J2−2に設定2した場合にはR4/R6が33
.5のときに零温度係数となり、1..4.−4に設定
した場合には、R4/R5が16.7のときに零温度係
数となり、J1/J2−6に設定した場合にはR4/R
5が13.0のときに零温度係数となる。
なお、零温度係数のときの出力電圧はいずれも約1.2
vである・。
ところで、第1図に示したバンドギャップ定電圧源回路
は、その名の示す通り、出力電圧としてシリコンのバン
ドギャップに相当する電圧のときにのみ零温度係数とな
るので、零温度係数のもとて1.2vよりも大きな基準
電圧が必要な場合や、反対に1.2■よりも小さな基準
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
出力電圧を増倍したり、分割する必要があった。
また、第1図の定電流源6は一般にカレントミラー回路
が利用されるため、o、sV程度の電圧が最低限必要と
なるので、電池7め出力電圧が2v以下になると満足な
特性が期待出来ないと言う問題かあった。
さらに、計算例で示した様に、零温度係数を得るために
は、トランジスタ2とトランジスタ1のエミツタ面積比
や抵抗4と抵抗5の抵抗比を高い比率に設定しなければ
ならないため、広いチップ面積を必要としたり、温度特
性のトラッキングが問題になったりした。
例えば、第1図の回路において、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、抵抗4の抵抗値を抵抗5の抵抗値の10倍に設定
したとすると、トランジスタ1の面積とトランジスタ3
の面積とを同じにしたとしても、単位トランジスタが1
2個必要になり、また、抵抗8の抵抗値は抵抗4の抵抗
値と同−程度にする必要がある°ので、単位抵抗(抵抗
5)の21倍の面積を必要とする。
さらに定電流源6を構成するために数個のトランジスタ
と抵抗が必要になるため、第1図に示したバンドギャッ
プ定電圧源は回路構成こそ簡単であるが、実際に構成す
るためには集積回路のチップ上で多くの面積を必要とし
、それ故に熱的トラッキング(物理的にも笑気的にも1
1/I2−10とR4/R6−1oを維持する必要が、
ある。)がとり難いと言う問題があった。
本発明は以上の様な問題を解消するものである。
第2図は本発明の一実施例である基準電圧源回路の回路
結線図を示したもので、同図において第1図と同一部分
については同一の符号を付している。
第2図において、トランジスタ9と前記トランジスタ9
のベース・コレクタ間に接続された抵抗1oと、同ベー
ス・エミーツタ間に接続された抵抗11によって構成さ
れた定電圧回路12には定電流源13によってバイアス
電流が供給され、トランジスタ14のベースには前記定
電圧回路12の出力電圧が印加され、前記トランジスタ
14のエミッタとマイナス側給電線路7bの間には抵抗
15が接続されている。
一方、プラス側給電線路7aとマイナス側給電線路7b
の間には定電流源16を介してトランジスタ1のベース
・エミッタ間および抵抗17が接続され、前記トランジ
スタ1のコレクタは同ベースに直接接続され、前記トラ
ンジスタ10ベース(コレクタ)側にはトランジスタ2
のベースが接続され、前記トランジスタ2のエミッタは
抵抗5を介してマイナス側給電線路7bに接続され、前
記トランジスタ2のコレクタはトランジスタ18のコレ
クタおよびベース、さらに、前記定電流源13を構成す
るトランジスタ19.出力トランジスタ20のベースに
接続され、前記トランジスタ18のエミッタは抵抗21
を介してプラス側給電線路7aに接続されている。  
  ・また、前記トランジスタ19.20のエミッタは
、それぞれ抵抗22.23を介してプラス側給電線路7
aに接続され、前記トランジスタ20のコレクタは抵抗
24を介してマイナス側給電線路7bに接続されている
さらに、前記トランジスタ14のコレクタはトランジス
タ25のコレクタおよびベース、トランジスタ260ベ
ースに接続され、前記トランジスタ25.26のエミッ
タは、それぞれ抵抗27゜28を介してプラス側給電線
路7aに接続されている。
さて、R2図の回路において、トランジスタ1および2
のベース・エミッタ間翼圧を、それぞれvBEl、vB
E2とし、抵抗5 、17(7)抵抗値をそれぞれR6
・、R1□とし、トランジスタ26のコレクタ電流を工
26としたとき、前記トランジスタ2のコレクタ電流I
2は次式で与えられる。
ここで、説明を簡単にするために、抵抗21゜230抵
抗値が同じであるとし、トランジスタ18とトランジス
タ2oも同一サイズであるとすると、抵抗24の両端に
現われる出力電圧vxは・・・・・・ (6) なお、(5)式において、R24・は抵抗24の抵抗値
である。
ところで、トランジスタ1,2のエミッタ面積を、それ
ぞれAe 、NAe  とすると、ただし、(67、(
7)式において、Ioは単位面積あたりの逆方向飽和電
流である。
上記(5) ? (6) 、 (7)式より、・・・・
・・(8) □ 一方、トランジスタ9,14のベース・エミッタ間
!圧をそt’LぞれVBE9 、vBE14とし、抵抗
10゜11.15の抵抗値をそれぞれR1゜、R11,
R1゜とすると、前記トランジスタ14のコレクタ電流
114は次の様になる。
15 抵抗27の抵抗値と抵抗28の抵抗値を等しく設定して
おくことによって、工14”26が成立する。
また、vBE9=VBE14がほぼ成立するものとする
と、 前記@) e (10)式より 出力電圧vxの温度係数がかなり小さい領域においては
、電流工、の温度係数は抵抗6の温度係数に依存する。
すなわち、ICチップ上の抵抗はナベで同一の温度係数
を有しているものとすると、(11)式の対数項の値は
vBE9の温度係数と同一の温度係数を有し、その値は
ほぼ−3000ppm となる。
また、kT/qの温度係数はほぼ+3000ppmであ
るから対数項の絶対値が2.7近辺のとき、(11)式
第1項の温度係数は零となる。
この条件を満たすためには、トランジスタ1のエミッタ
電流密度をトランジスタ2のエミッタ電流密度の2.7
に設定すれば良く、このとき、抵抗17は不要(R1□
−0)となる。
また、前記対数項の絶対値が2.7よりも大きいときに
は、(11)式の第1項の温度係数は正の値となるので
、抵抗17の抵抗値を適当に設定することによシ、(1
1)式で与えられる出方電圧V!の温度係数を零にする
ことが出来る。
ちなみに、実際に各抵抗の′数値を求めてみると、トラ
ンジスタ1とトランジスタ2のエミツタ面積比を1に設
定したとき(N−1)、抵抗6の抵抗値を260Ω、抵
抗10,21.23.27.28の抵抗値を1にΩ、抵
抗11の抵抗値を10にΩ、抵抗15の抵抗値を260
Ω、抵抗22の抵抗値を3000、抵抗24の抵抗値を
2.6にΩにすれば、出力電圧v8の値は0.26Vと
なり、温度係数も零となる。
この定数で、第2図の回路の占有面積を計算してみると
、まず、各トランジスタのエミッタ面積はすべて同一に
出来るため、トランジスタの個数は9であシ、1にΩ未
満の抵抗はすべて1として、1にΩを基準とした単位抵
抗数は22となる。
したがって、第2図の回路は第1図の回路に比べると素
子数は増加しているものの占有面積はかなシ狭くなる。
(第1図の回路では定電流源6を除いても、12個の単
位トランジスタを必要とする。) また、第2図の回路では、その回路構成を見れば明らか
な如く、電源電圧が1.6v程度になっても十分に動作
する。
さらに、(11)式より、抵抗6と抵抗24の抵抗比を
適当に設定することにより、零温度係数のもとで出力電
圧■工を任意に選べることも、あるいは抵抗10,11
.15.17の抵抗値を適当に遺命することによって任
意の温度係数の微小出力電圧が得られることもわかる。
なお、(11)式の導出ノ過程テvBE9”’BE14
が成立するものと仮定したが、第2図の回路では、零温
度係数の出力電圧が得られている状態において、トラン
ジスタ9のエミッタ電流が正の温度係数を有する(抵抗
10.11の温度係数が正であるため)のに対して、ト
ランジスタ14のエミッタ電流の温度係数は負であるの
で、実際には温度特性をも考えると、vBE9”−vB
E14 は成立しない。
しかしながら、前記トランジスタ14のコレクタ電流が
負の温度係数を有することには相違なく、この箇所で生
じる誤差(計算では”14の温度係数を一3000pp
mとした。)はトランジスタ1のエミッタ電流密度を小
さくしたり、抵抗17の抵抗値を大きくしたり、あるい
は電流源13の出力電流に負の温度係数をもた・せるこ
とにより吸収出来る。
なお、本発明の集積化電源装置は第2図の実施例のもの
に限定されるものヤはなく、例えば、第2図の抵抗24
を除いてトランジスタ2oのコレクタから出力電流を取
り出す様にすれば基準電流源となるし、トランジスタ2
あるいはトランジスタ18のエミッタ側から出力を取り
比す様にすれば、前記トランジスタ2oならびに抵抗2
3.24は不要となる。
また、定電圧回路12はダイオードの直列接続された回
路であっても良いし、抵抗1oだけをダイオード(PN
接合)に置き換えることも出来る。
すなわち、本発明の集積化電源装置は、・端子電圧がバ
イアス電流の変化に対してほぼ一定で負の温度係数を有
する定電圧手段(定電圧回路12に相当)と、該定電圧
手段にバイアス電流を供給する電流供給手段(定電流源
13に相当)と、ベースに前記定電圧手段の端子電圧が
印加され、エミッタは抵抗を介して一方のi電線路に接
続され、コレクタ電流が負の温度係数を有する第1のト
ランジスタ(トランジスタ14に相当)と、前記第1の
トランジスタのコレクタ電流に依存した順方向バイアス
電流が供給されるPN接合(トランジスタ1に相当)と
、ベースに前記PN接合の端子電圧が印加され、エミッ
タは抵抗を介して一方の給電線路に接続されたM2のト
ランジスタ(トランジスタ2に相当)を具備し、前記第
2のトランジスタのコレクタあるいはエミッタから基準
出力電圧あるいは基準出力電流を取シ出すように構成し
たもので、従来のバンドギャップ基準電圧源回路に比べ
て、より低い電源電圧まで動作させることが出来、ある
いはより少ない占有面積で構成出来るなど、大なる効果
を奏するものである。
【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図は本発明の二
実施例の回路結線図である。 1.2,14・・・me・トランジスタ、7・■・・・
電源、7a・・・・・・プラス側給電線路、7b・・・
・・・マイナら側給電線路、12・・・・・・定電圧回
路、13・・・・・・定電流源・ 代理人の氏名 弁理士 中 尾 敏 男 ほか1名wh
 l 図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)端子電圧がバイアス電流の変化に対して11ぼ一
    定で負の温度係数を有する定電圧手段と、その定電圧手
    段にバイアス電流を供給する電流供給手段と、ペースに
    前記定電圧手段の端子電圧が印加され、エミッタは抵抗
    を介して一方の給電線路に接続され、かつマレフタ電流
    が負の温度係数を有する第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流に依存した順方向バイ
    アス電流が供給されるPN接合と、ペースに前記PN接
    合の端子電圧が印加され、エミッタは抵抗を介して一方
    の給電線路に接続された第2のトランジスタを具備し、
    前記、第2のトランジスタのコレクタあるいはエミッタ
    から基準出力電圧あるいは基準出力電流を取シ出すよう
    にしたことを特徴とする集積化電源装置。 @)特許請求の範囲第O)項の記載において、前記定電
    圧手段は、ペース・コレクタ間およびペース・エミッタ
    間にそれぞれ抵抗が接続された第3のトランジスタによ
    って構成し、前記PN接合は第4のトランジスタのべ−
    jス・エミッタ接合によって構成するとともに、前記第
    4のトランジスタのエミッタ電流密度を前記第2のトラ
    ンジスタのエミッタ電流密度よりも大となる様に設定し
    たことを特徴とする集積化電源装置。
JP12894181A 1981-08-18 1981-08-18 集積化電源装置 Granted JPS5831420A (ja)

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JPH0316646B2 JPH0316646B2 (ja) 1991-03-06

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