JPS5897712A - 集積化基準電源装置 - 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】 本発明はＳ積比基準電源装置に関し、その第１の目的は
、零を含む任意の温度係数を有する基準電圧あるいは基
準電流源を実現することにある。

本発明の第２の目的は、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
準電流源を実現することにある。

本発明の第８の目的は、零温度係数のもとで、きわめて
広い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を実現することにある。

本発明の別の目的は、公知のバンドギャップ基準電圧源
よりも狭いチップ山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ことにある。

本発明のさらに別の目的は、電源電圧の広範囲な変動に
対しても出力電圧あるいは出力電流が殆んど変化しない
基準電圧あるいは基準電流源を実現することにある。

従来公知（例えば、Ｒ−Ｊ、ＷＩＤＬＡＲ；“Ｎｅｗ　
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｉｎ　ＩＣＶｏｌｔａｇｅ　
Ｒｅｇｕｌａｔｏｒｓ”、ＩＥＥＥ　ＪＯＵＲＮＡＬ　
０ＦＳＯＬＩＤ−５ＴＡＴＥ　ＣＩＲＣＵＩＴＳ、　Ｖ
ｏｌ、　ＳＣ−６，Ｎｏ、　Ｉ　ＰＰ２−７゜Ｆｅｂ、
　１９７１）　　の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しばしば用いられている。

第１図において、トランジスタ（１）のエミッタ面積Ａ
ｅ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に等しいものとし、前記トランジ
スタ（１）のコレクタと出力端子（３）の間に接続され
た抵抗（４）の抵抗値を丸、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Ｒｈｓ同
エミッタ側に接続された抵抗（６）の抵抗値をＲａ１ａ
記トランジスタ（１）　（２Ｊ　（３）のベース・エミ
ッタ間一方向電圧をそれぞＦＬ　Ｖａｇｍ　、Ｖａｇｍ
　、ＶＢＥＪ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、曲記出カ賜
子閃と共通端子（へ））の闇に現われる出力電比Ｖｘは
次式で与えられる。

Ｖｘ　−１２Ｒｈ　＋ｖＢＥｓ　　　　　　　　　　　
　　　（１）ここで、１２はｌ！ｔＩ−己トランジスタ
（２）のコレクタ電流で Ｉｓ　＝　（Ｖｎｇｔ　−Ｖａｇｍ　）／　Ｒａ　　　
　　　　　　　（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１１＋１３　とすると、 ただしｋはボルツマン定数、ｑは電子の電萄でそれぞれ ｋ　＝　１．８８　Ｘ　１０””　　ｊｏｕｌｅ／　”
ｋｑ　＝　１．６０ｊ！Ｘ　１Ｇ−”ラ　ｃｏｕｌｏｍ
ｂまたＴ　Ｇ、を接合部の絶対温度（°Ｋ）、１Ｇは単
位面積あたりの逆方向飽和電流である。

いま、Ｒ４とＲａがほぼ等しく　、Ｉｓ　＝　ＩＩ　　
が成立しているものとすると、 （１）、（句、（６）式より 第１図において、トランジスタ（３）の・コレクタ電Ｉ
ｔ　１ｓｔ！　）　ランジスタ（７）　（８）　（９）
、抵抗ｃｏ　Ｕ　Ｈ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−ｓｏｏｏｐｐｍの温度係
数を有し、齢記抵抗曽の抵抗値は通常の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、前記コレクタ亀＊Ｉａはほぼ＋１１０００ｐｐの温
度係数を有することになる。

度によって大きく変化し、 ４０００ １ｏ　＝　７　・Ｔ’−ｅｘｐ　（−−）　　　　　　
　（ａ）となる。ここでγはトランジスタの構造によっ
て定まる定数である。

実際例として、エミッタ面積が４００Ｃμｍ、ｌ”（Ｄ
トランジスタのエミッタ電流が１００／ＩＡｓ接合部温
度が１９℃のときのＶＢＥ　の値は６６０図マであった
ので、これをもとにして（５）　、　（ＩＩ）式からＴ
を算出すると、 γ−２，９２Ｘ１Ｇ” となる。

したかつて、接合部温度Ｔｊ（”Ｃ）の基準値を６０℃
に設定したとき、前記接′合Ｓ温度ｒｊ　　と出力電圧
Ｖｘの関係は次式で与えられる。

（９）式にＮ”１０−　Ｒｂ／　Ｒａ　＝１０．５−１
１　＝　１００Ｘ　１０−’を代入すると、Ｔｊ＝５０
℃においてＶｘは１．２８Ｖ　となり、Ｔｊ＝−２０”
ＣとＴｊ＝ｘｓｏ℃においてほぼ０．２％程度小さくな
る。

また、ＮとＲｓ／　Ｒａの値を異ならしめてＶｘを計算
しても温度係数の最も小さくなるときのＶｘの値は１．
２〜１．８ｖとなり、第′１図に示したバンドギャップ
基準電圧源回路では、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、一般にこの種のバン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、１１１図の回路で
はその構成だけをみれば比較的簡単であるが、実際のＩ
Ｃ設計に際してはかなりのチップ面積を占有し、間亀が
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
もとての出力電圧は約１．２■であるため、例えば亀１
−の回路では、プラス側給電端子（２）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３■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
、もつと低い電圧まで安定に動作する基準電圧１１ＫＩ
ｇｌ路の出現が切望されていた＠ 本発明の基準電源装置は以上の様な問題を解消するもの
であり４、以下その構成を図面に基づいて説明する・ 第２図は本発明の一実施例における基準電圧源装置の回
路結線図を示した。ｌ！ｆｌ！！！３において、トラン
ジスタｏａｇ）ベース・コレクタ間、ベース・エミッタ
間にはそれぞれ抵抗（財）、抵抗（２）が接続され、前
記トランジスタ時のコレクタにはトランジスタに）のベ
ースが接続され、前記トランジスタ（至）のエミッタは
抵抗（転）を介して前記トランジスタ時のエミッタに接
続され、前記トランジスタ時のエミッタは共通端千切に
も接続されている。

一方、トランジスタ帽も抵抗（２）（２）によって、前
記トランジスタ（至）のコレクタ電流を前記トランジス
タ（至）によって受電するカレントミラー回路−が構成
され、前記トランジスタ（至）のコレクタには前記カレ
ントミラー回路−を構成するトランジスタ（６）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（２）のコレクタにはトランジ
スタ時のベースが接続され、前記トランジスタに）のエ
ミッタは抵抗（２）を介して前記トランジスタ（至）の
エミッタに接続され、かつトランジスタ（２）のコレク
タは出力端子（ト）に接続されるとともに抵抗＠を介し
てプラス鈎給電端子（２）に接続されている。

さて、第２因において、トランジスタ時ｃｗｏａｈ−の
直流電流増幅率は１に比べて充分大きく、トランジスタ
（至）とトランジスタ四のエミッタｍｍ書度は等しく設
定されていて、トランジスタ（至）のエミッタ電流密度
もトランジスタ（６）のエミッタ電流密度にほぼ等しい
ものとし、前記トランジスタ時■のベース・エミッタ間
順方向電圧をそれぞれｖａｇｔａ　＊　ＶＢＥ３．　　
とし、抵抗ｅｋ４（１５＠ｆＨの抵抗値をそれぞれＲ１
４、Ｒｌｂ　ｅ　Ｒｚｓ　、ｋＬｘａとしたとき、前記
抵抗−の両端に発生する出力電圧Ｖｘは次式で与えられ
る。

ところで、トランジスターのエミッタ電流密度とトラン
ジスタ（２）のエミッタ電流密度が等しいので、抵抗部
の両端の電圧と抵抗部の＃ａｔＩ＃ｉの電圧は等しくな
る。

トランジスタ時のエミッタ面積がＡｅで、トランジスタ
（２）の工しツタ面積はそのＮ倍の広さであるとし、前
記トランジスタＱ１（至）のエミッタ電流をそれぞれＩ
Ｈ、Ｉｌｍとし、前記トランジスタ（２）のベース・エ
ミッタ聞順方向電圧をｖＢｇｔａ　　とすると、ところ
で、抵抗（ロ）の抵抗値をＲｓｙとするとでみるから、
トランジスタ（至）のエミッタ電流の温度変化は、出力
電圧Ｖｘの温度係数のきわめて小さい領域においては各
抵抗の抵抗値の温度係数に依存する。

また、抵抗＃Ｊ（ロ）の抵抗値をそれぞれＲ１１Ｉ　Ｒ
２２とし、トランジスタ（至）のコレクタ電流をＩＩＩ
とすると各抵抗の抵抗値の温度係数が＋２０００ｐｐｍ
であり、トランジスタ（２）のベース・エミッタ間順方
向電圧の温度係数は一８０００ｐｐｍであることを考慮
し、接合部温度Ｔｊが５０”Ｃのときのトランジスタ時
のエミッタ電流ＩＩｍの基準籠をＩＨへ抵抗（ロ）およ
び抵抗（２）の直列回路に流れるブリーダ電流の基準値
をｌ　ｍ　１１とすると、各電流の温度変化は次式によ
って与えられる。

（２）、（２）、（２）、＠、（ロ）式と（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。

（至）式−こおいて、対数項の中のＩ、ｓ／Ａｅを１１
ｓ／　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２図の回路において、トランジスタ物の工
ξツタ電流塗度をトランジスタ（至）のエミッタ電流密
度よりも大き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（２）と抵抗勾の抵抗比
率を適当に設定したり、トランジスタ物とトランジスタ
Ｑｆｊの向槓比を適当に選定することにより実現される
。

Ｒｌａ　＝　５８０　、　Ｒ１−５１，０００、Ｒｚｓ
＝　２０００　、Ｒｚ４＝　２０００（この場合トラン
ジスタ（２）のエミッタ面積はトランジスタ（至）のエ
ミッタ１ｆ１８ｉの２分の１となる）を代入して計算す
ると、Ｔｊ＝５０°ＣにおいてＶｘは０．１２Ｖとなり
、ｒｊ＝　−２０℃におイ１：　ｇｌ　０．０５％大き
くなり、逆にＴｊ　＝　１５０℃においては０．０５％
小さくなる。

この場合、出力電圧Ｖｘの温度特性を直線で近似するこ
とが出来％　亀ｔａ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ＯＪ％程度にするのが眼
界であったのに対し、ＩＩ！！図の回路では温度変化を
さらに小さくすることが出来る。

１記計算例では出力電圧Ｖｘは０．１　ｍＶとなったが
、抵抗−と抵抗（２）の抵抗比を適当に設定することに
より、零温度係数のままで任意の値を自由に選ぶことが
出来る。

また、抵抗（ロ）と抵抗（２）の抵抗比や、トランジス
タ物とトランジスタｏ４またはトランジスタ（２）のエ
ミッタ電流比を過当に設定することによって、＋８００
０ｐｐｍから一８０００ｐｐｍ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。

一方、ＩＣチップ上に占める回路面積と言う観覧から第
１図の回路と第２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２個減少し、
ＮＰＮ　）ランジスタは１−減少しているのでチップｉ
ｉｏ積を縮少することができる。

さらに、動作限界電圧について考えてみると、例えば第
２図のトランジスタ物のコレクタ・エミッタ間電圧が０
．７　Ｖ程度になる様に設定しておけば、カレントミラ
ー回路−でのドロップ電圧がＯ，ＳＶ必要であるとして
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。

本発明の集積化基準電源装置はこの様に従来のバンドギ
ャップ基準電圧源回路に比べてあらゆる向で優れている
が、その実施形態は必らずしも、第２図の回路に限定さ
れる訳ではない。例えば第８図においてはトランジスタ
勾のコレクタから基準出力電流を取り出す様に構成され
ている。

ところで、第２図、第８図に示した回路では、トランジ
スタ＠　（ＩＩ　＠のアーリー効果のために電源電圧の
大幅な変動に対して出力電圧あるいは出力電流がわずか
ながら変化する。実験によると電源電圧の１■変化あた
り０．８％齢後であった。このうち、トランジスターの
コレクタ・エミッタ間電圧はバイアス電池の変化に対し
て対数的にしか変化しないため、トランジスタ四のアー
リー効果による影響は最も小さい。

第４図は前記トランジスタＱｆｙｈ（２）のコレクタ電
位をクランプ手段によってクランプする仁とによって、
これらのトランジスタのアーリー効果ニヨる出力電圧の
変化をほぼ零にした実施机をボしたもので、第４図全体
は本発明の基準電源側路を利用した直流モータの速度制
御装置を示している。

亀４図において、トランジスタｆｌＮ１１．抵抗四によ
って前記トランジスタ＠（２）のコレクタ電位をクラン
プするクランプ回路（２００）が構成され、前記トラン
ジスタ（２）のエミッタは前記トランジスタ（至）のコ
レクタに接続され、トランジスタ（財）のコレクタはト
ランジスタ（至）のベースおよびコレクタに接続され、
前記トランジスタ（２）のエミッタは前記トランジスタ
■のコレクタに接続され、トランジスタ四のコレクタか
ら抵抗−に給電されている。

一方、前記トランジスタ（２）とトランジスターに）、
抵抗−＠（２）によってカレントミラー回路が構成され
、前記トランジスタ物の出力電流は抵抗−を介してトラ
ンジスタに）のベースおよびコレクタに供給されている
。

前記トランジスターのコレクタ電流は定電流となるので
、トランジスターのコレクタと前記抵抗−の接続点は定
電位点となるが、この定電位点には前記トランジスタ（
財）に）のそれぞれのベースが接続されている。

また、前記トランジスタ（２）とトランジスター−（至
）によって別のカレントミラー回路（８００）が構成さ
れ、前記トランジスタ面の出力電流は抵抗−と抵抗−の
直列回路に供給され、前記トランジスターのコレクタと
前記抵抗（財）の接続点にはトランジスタ（至）のベー
スが接続され、前記トランジスターのエミッタはトラン
ジスタ（ＩＩのコレクタに接続され、トランジスタ（至
）のコレクタはトランジスタ（２）のコレクタに接続さ
れている。

さらに、前記トランジスタに）のコレクタには抵抗鴫を
介してトランジスターのベースが接続され、前記トラン
ジスターのコレクタには抵抗−を介して給電されるとと
もにこのコレクタにはトランジスターのベースが接続さ
れ、前記トランジスターのコレクタはトランジスタ（至
）（２）曽のベースに接続されている。

なお、前記トランジスタ４ＩＯ＠、抵抗＠−は起動回路
を構成しており、第１のカレントミラー回路−からＩＩ
２のカレントミラー回路（８００）に電流が供給される
と前記トランジスターは遮断状態となる。

さて、亀４図において、トランジスタ（２）のベース・
エミッタ間電圧とトランジスタ０４（２）のベース・エ
ミッタ間電圧はほぼ等しいので、抵抗−の両端の電圧か
ら抵抗＠（２）の両端の電圧を差し引いた分の電圧が前
記トランジスタＱｌｌ■のコレクタ・エミッタ間に印加
され、例えば、鋳記抵抗四の両端に０．５Ｖの電圧を発
生させたとすると前記トランジスタ＠（２）のコレクタ
電位は０．５■にクランプされるので、電源電圧が大幅
に変化したとしても前記トランジスタαＱ＠のアーリー
効果による弊害は解消される。

この場合、電源電圧の液化分はトランジスタ面およびト
ランジス“多（２）が受は持つことになるが、前記トラ
ンジスタ（財）−のコレクタ電流は吸い込み側のトラン
ジスタｏ４＠のコレクタ電流に依存するので、前記トラ
ンジスタ＠（至）のアーリー効果は無視することが出来
る。

なお第４図において、トランジスターはトランジスタ（
６）のコレクタ・エミッタ間の電圧を一定値にクランプ
する目的で用いられている。

実験では、８４図に示した回路構成にすることにより、
電源電圧のＩＶ変化あたりの出力電圧変化（抵抗（財）
の両端の電圧の変化）は０．１％以下にすることが出来
た。

以上に示した様に、本発明の集積化基準電源装置は、ベ
ース・コレクタ間、ベース・エミッタ間にそれぞれ第１
の抵抗（ロ）、第２の抵抗（ロ）が接続された第１のト
ランジスタ面と、該第１のトランジスタに電池を供給す
る第１の電流供給手段（トランジスタ（６）と抵抗（２
））と、前記第１のトランジスタのコレクタ電位がベー
スに印加されエミッタがそれぞれ第８の抵抗＠、第４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
続された第２のトランジスタ（２）、ｆＰＪ８のトラン
ジスタ勾と、前記第２のトランジスタに電流を供給する
第２の電流供給手段（トランジスタ（至）と抵抗ＧＱ）
を備え、前記第８のトランジスタの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したことを特徴と
するもので、従来のバンド−ギャップ基準電圧−回路に
比べて、ＩＣチップ上の占有面積が小さく、任意の出力
電圧を取り出すことが出来、より低い電源電圧のもとで
動作させることが出来る。

□ また、第５図に示したように、前記第２．第８のトラン
ジスタのコレクタ電位をクランプするクランプ手段を備
えた場合、電源電圧が大幅に変化しても安定した出力電
圧あるいは出力電流を得ることが出来るなど、きわめて
大なる効果を奏する。

【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図は本発明の一
実施例を示す回路結線Ｖ、３１８図および第４図はそれ
ぞれ別の実施例を示す回路結線図である。 鵠・・・第１のトランジスタ、帽［・・第１および第２
の抵抗、（至）・・・第２のトランジスタ、勤・・・第
８の抵抗、ｏ１４＠・・・第１の電流供給手段、（至）
伽・・・第２の電流供給手段、１＄　８０）　トランジ
スタ、■・・・第４の抵抗、Ｗ■−・第４および第５の
トランジスタ（クランプ手段）、−・・・カレントミラ
ー回路。 代理人　森本義弘 第１図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　ベース、コレクタ間、ベース・エミッタ間にそれ
   ぞれ第１．第２の抵抗が接続された第１のトランジスタ
   と、該第１のトランジスタに電池を供給する第１の電流
   供給手段と、１記ｍｌのトランジスタのコレクタ電位力
   Ｓペースに印加され、エミッタがそれぞれ第８．第４の
   抵抗を介して前記第１のトランジスタの工芝ツタに接続
   された第２．第８のトランジスタと、前記第２のトラン
   ジス灼こ電流を供給する第２の電流供給手段を備え、前
   記第１のトランジスタのエミッタ電流密度を前記第２、
   第８のトランジスタのエミッタ電流密度よりも大きく設
   定するととも・こ、前記第８のトランジスタのコレクタ
   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
   曇こ構成したことを特徴とする＃Ａ徳化基準電源装置。 ｌ　　ｔｌＡ２のトランジスタのコレクタ電流を入力電
   流とするカレントミラー回路によって亀ｌおよび１１４
   ２の電流供給手段を構成したことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の集積化基準電源装置。 ８、第８のトランジスタのエミッタ電流密度を第２のト
   ランジスタのエミッタ電流密度に等しく設定したことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の集積化基準電源
   装置。 ４、　ベース・コレクタ筒、ベース・エミッタ間にそれ
   ぞれ筒１．第２の抵抗が接続された第１のトランジスタ
   と、該第１のトランジスタに電流を供給する第１の電流
   供給手段と、前記第１のトランジスタのコレクタ電位が
   ベースに印加され、エミッタがそれぞれｌＩ８．＠４の
   抵抗を介して１記ｊｋｔｌのトランジスタのエミッタに
   接続された１１４２．第８のトランジスタと、前記第２
   ．第８のトランジスタのコレクタ電位をクランプするク
   ランプ手段と、前記第２のトランジスタに電流を供給す
   る亀２の電流供給手段を備え、ｌＩＩ紀第１のトランジ
   スタのエミッタ電流密度を曲記＠２．亀８のトランジス
   タのエミッタ電流密度よりも大きく設定するとともに、
   前記第８のトランジスタのコレクタから前記クランプ手
   段を介して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基準電源装置
   。 ５、第２．第８のトランジスタのコレクタにそれぞれエ
   ミッタが接続され、ペースがそれぞＣ定電位点に接続さ
   れた第４．第５のトランジスタによってクランプ手段を
   構成した仁とを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の
   集積化基準電源装置。 ６、　第４のトランジスタのコレクタ電流を入力電流と
   するカレントミラー回路によって第１および第２の電流
   供給手段を構成したことを特徴とする特許請求の範囲第
   ４項記載の集積化基準電源装置。 ７、第８のトランジスタのエミッタ電流密度をしく設定
   したことを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の集積
   化基準電源装置。