JPS5926046B2 - 低電圧基準源回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、一般的に電子的基準源回路に関し、更に特
定すれば温度変化と基準源回路に供給される電源の変動
に影響されない出力電圧を提供することが可能な低電圧
基準源に関する。

その出力電圧は、シリコン・バンド−ギャップ電圧より
も低くすることができる。この基準源回路は、この発明
に従つて電流基準源として構成されることもできる。電
圧制御または電圧基準を与える回路は多数存在する。

しかし、これらの従来技術による回路の多くは温度補償
の性能が劣つているから、厳密に制御された電源を必要
とする論理回路中で使用するのには適していない。温度
補償なしの半導体電圧レギユレータでは、その出力が周
囲温度変化に従つて変動しやすい。多くの場合、その出
力変動は、レギユレータ中に使用されているトランジス
タのベースーエミツタ接合電圧が関連する負の温度係数
に基づいている。温度の上昇につれてベースーエミツタ
電圧降下ＶＢＥは減少し、そして反対に温度が低下する
とＶＢＥは増加する。従来の電圧基準源またはレギユレ
ータでは、温度の影響を避けるため、ベースーエミツタ
接合の負の温度係数電圧に正の温度係数をもつた素子を
組合わせて、異なる二つの温度係数を互いに相殺させて
、温度に無関係である出力を提供するようにつくられて
いた。正の温度係数を得る一つの手段は、二つの異なる
トランジスタを二つの異なる電流レベルで動作させて、
それらのエミツターベース電圧の差を取り出すようにし
たものである。

この手段は、ＲＯｂｅｒｔＣＤＯｂｋｉｎの米国特許第
３，６１７，８５９号において採用された。この米国特
許に基づく基準源は、得られる基準電圧がエミツターベ
ース接合電圧。ｏのバンドーギヤツプエネルギに等しい
ことから、バンドーギヤツプ基準源と一般に云われてい
る。ＶＯＯよりも低い電圧を得るためには、電圧分圧回
路などによつて減衰させなければならない。その場合更
に減衰された電圧は利得１の増幅器によつて緩衝される
のが普通である。しかし、この方法は厄介であり、また
基準電圧を減衰させそしてアイソレーシヨンするための
付加的回路が必要である。現在の技術レベルにおける論
理回路の多くは論理レベルの許容誤差がきびしいために
、温度その他の変化の影響を受けない低電圧源をもつこ
とが望まれている。

このことは、低電圧源が、論理回路たとえば乾電池電源
を用いた携帯用機器におけるものの電圧源として使用さ
れる場合に一層あてはまる。したがつて、この発明の目
的の一つは、シリコン・バンドーギヤツプ電圧以下の電
圧において温度係数が零かまたは調節可能な出力電圧ま
たは電流を提供することである。

この発明の他の目的は、温度および主電源中の変動に影
響されずしかもシリコン・バンドーギヤツプ電圧よりも
低い出力電圧を発生する基準電圧または基準電流を提供
することである。

上記のこの発明の目的およびその他の目的を一つの形に
おいて実行すれば、改良された温度補償型基準源回路が
提供される。

この発明の一つの実施例は、主電源に影響されない電圧
を供給する手段と、トランジスタのベースーエミツタ電
圧降下の分数値に相当する電圧を発生する手段とを有し
ている。この電圧発生手段は電圧供給手段に結合される
。基準源回路はまた出力電圧を供給するための出力手段
をもそなえている。出力手段は、その出力電圧が実質的
に温度変化の影響を受けないよう、またシリコン・バン
ドーギヤツプ電圧よりも低くすることができるように、
電圧供給手段から供給された電圧によつて制御される。
基準源回路は、この発明に従つて電流基準源に適合させ
ることができる。第１図は、典型的なシリコントランジ
スタのベースーエミツタ接合電圧降下と温度の関係を示
すグラフである。

ベースーエミツタ電圧降下は縦軸にそつてボルトで表示
され、温度は横軸に沿つて絶対温度で表示されている。
曲線１０は、予じめ定められた電流レベルで動作する典
型的なシリコントランジスタのものについて示されてい
る。絶対温度零度において、ベースーエミツタ電圧は理
論値１．２０５ボルトであり、ポイント１１の最大値を
とる。曲線１０に沿つたポイント１２は、たとえば３０
００Ｋのようなトランジスタの典型的な動作周囲温度で
ある。トランジスタを流れる電流が増加すればそのベー
スーエミツタ電圧も増加することはよく知られている。
この周知の事実は、見かけの正の温度係数を得るために
利用できる。曲線１３は、曲線１０で動作するよりも高
い電流レベルで動作する典型的なトランジスタを示す。
曲線１３は高い電流レベルで動作するけれども、００Ｋ
におけるそのバンドーギヤツプ電圧は、点１１の電圧に
等しい。しかし、たとえば３０００Ｋのような典型的な
周囲動作温度では、そのベースエミツタ電圧は点１４に
示すようなものとなろう。したがつて、点１２で動作し
ているトランジスタの電流が増加すれば、トランジスタ
のベースエミツタ電圧降下もまた点１４に示すように増
加する。集積回路チツプ上に設けられているような二つ
の類似したトランジスタを同じ温度でしかし異なる電流
レベルで動作させるならば、それらのベースーエミツタ
接合電圧は相違し、それは第１図のグラフの点１２と１
４の間の差に相当するΔＶＢＥとすることができる。見
かけの正の温度係数として現われるこのような差の利用
は、後に説明される。曲線１０と１３に沿つて示される
電圧は、半導体物質の伝導帯と価電子帯の間のエネルギ
ー差であるシリコン・バンドーギヤツプ電圧に等しいと
いうことができる。ここで第２図を参照する。

第２図は、シリコン・バンドーギヤツプ電圧よりも低い
出力電圧を発生することが可能な回路を単純化した回路
図である。その出力電圧は、ほぼ完全に温度補償されて
いる。トランジスタ１８はそのコレクタを電流源１９に
接続されている。このコレクタはトランジスタ２０のベ
ースにも接続されている。トランジスタ２０のコレクタ
は端子２７の主電源Ｃｃに接続され、またエミツタは抵
抗２１に接続される。抵抗２１は、トランジスタ１８の
ベース、他の抵抗２２、およびトランジスタ２６のコレ
クタにも接 二続されている。トランジスタ２６のエミ
ツタは、抵抗２３に接続されている。抵抗２２に現われ
る電圧は、並列関係によりトランジスタ１８のベースー
エミツタ電圧降下分に等しい。この電圧降下は、抵抗２
２を流れる電流を定める。この電流はまた抵抗２１中を
流れる。しかし、抵抗２１中の電流には、トランジスタ
２６と抵抗２３を流れる電流も含まれる。そのため、抵
抗２１を流れる電流は、抵抗２２と抵抗２３を流れる電
流の和となる。抵抗２３に生じた電圧は、異なる電流レ
ベルで動作するトランジスタ２６および２９の各ベース
ーエミツタ電圧降下間の差であるため、見かけ上正の温
度係数をもつことに注目すべきである。したがつて、抵
抗２１に生じる電圧は、次式で表わされる。ここで、Ｒ
２，は抵抗２１に生じる電圧であり、ＢＥｌ８はトラン
ジスタ１８のベースエミツタ電圧降下であり、Ｒ２ｌ，
Ｒ２２およびＲ２３は、抵抗２１，２２および２３のそ
れぞれの抵抗値である。

トランジスタ２９を流れる電流は、トランジスタ２０の
エミツタと結合点２５の間に接続された抵抗２８によつ
て定められる。結合点２５には、トランジスタ２９のコ
レクタとベースおよびトランジスタ２６のベースも接続
されている。抵抗２１に生じる電圧は、±と旦の Ｒ９９Ｒ９３ 比を選択することによつて温度係数を零に調整できるば
かりでなく、負にも正にも調整できることが認められよ
う。

トランジスタ２０のエミツタに生じる電圧は、抵抗２１
に生じる電圧降下とトランジスタ１８のベースーエミツ
タ電圧降下の和に等しいということは注目すべきである
。トランジスタ２０のエミツタは、トランジスタ３１の
ベースと抵抗２８に接続されている。

抵抗２８は、トランジスタ２９と共働してトランジスタ
２６に対するバイアス電圧をつくる。トランジスタ２９
は、そのベースとコレクタを一緒に結合されており、電
気的にはダイオードとして機能する。トランジスタ３１
のエミツタには抵抗３２が接続されるとともに、出力電
圧用端子となる端子３３が接続される。次にトランジス
タ３１のエミツタ電圧が、トランジスタ２０のエミツタ
電圧からトランジスタ３１のベースーエミツタ電圧降下
を引いたものに等しいことは、この技術に通じた人には
理解されよう。それ故トランジスタ３１のエミツタにお
ける電圧の式は次のように表わされる。ＶＥ３ｌにＶＢ
Ｅｌ８＋ＶＲ２ｌ−ＶＢＥ３ｌここでＶＢＥｌ８−ＶＢ
Ｅ３ｌの場合には、これらの二つの項は上式中で相殺さ
れ、その結果残つたトランジスタ３１のエミツタ電圧は
抵抗２１に生じる電圧降下値に等しくなる。

前述したように、抵抗２１に生じる電圧降下は、温度と
無関係にすることができる。抵抗２８に生じる電圧降下
はトランジスタ２０のエミツタ電圧からトランジスタ２
９のＢＥ降下分を引いたものに等しいことにも注意され
るべきである。更に繰り返すと、トランジスタ２９のベ
ースーエミツタ電圧降下がトランジスタ１８のベースー
エミツタ電圧降下に等しい場合には、抵抗２８に生じる
電圧降下は抵抗２１に生じる電圧降下に等しいであろう
。それ故、抵抗２８および３２を流れる電流は温度の影
響を受けず、抵抗の温度係数のみに依存するようになる
。したがつて、トランジスタ３１を流れる電流は、同じ
電流が抵抗３２を流れるから温度とは無関係にすること
ができる。端子３３に現われる電圧の大きさは、抵抗２
１に生じる電圧降下にほぼ等しく、抵抗２１の値を選択
することによつてほとんど希望の値に調整することがで
きる。

抵抗２１の適当な選択によつて、出力端子３３の電圧が
シリコン・バンドーギヤツプ電圧よりも低く調整できる
ことは理解されよう。更に、ΔＢＥｌ抵抗２２または抵
抗２３が独立に選択されることができ、一層よく零の温
度補償を達成できることを理解するべきである。トラン
ジスタ３１のコレクタは、端子３５に接続される。

端子３５は、ジアッパー線３６によつて端子３４に接続
される。ジアッパー線３６と端子３４および３５の目的
は、この回路を電流基準源に構成する場合の適応性を示
すためである。ジアッパー線３６は取り外されることが
でき、そして電流基準源を必要とする回路が端子３４と
３５の間に直列に挿入される。抵抗３２にまたがる電圧
は抵抗２１に生じる電圧によつて制御されるから、トラ
ンジスタ３１のコレクタを流れる電流もまた制御される
。第３図は、この発明の好適な実施例の回路図である。

第３図の回路は、第２図の回路においてΔＢＥの選択に
伴つて存在し得た幾つかの正帰還の問題を解決するため
一部変更されていることが注意される。第３図において
、抵抗４０は抵抗４１と直列にトランジスタ４３のコレ
クタに接続される。抵抗４２は、抵抗４０と４１の間の
結合点とトランジスタ４７のベースに接続される。トラ
ンジスタ４７は、そのコレクタを主電源端子４５に接続
され、またエミツタを抵抗４６に接続されている。抵抗
４６は、トランジスタ４３のベースと、トランジスタ４
８のベースと、抵抗４４に接続される。トランジスタ４
８のコレクタはトランジスタ４７のベースに接続され、
またそのエミツタは抵抗５１に接続される。抵抗４４に
生じる電圧降下は、トランジスタ４３のベースーエミツ
タ電圧降下によつて制御され、そして勿論トランジスタ
４８のベースーエミツタ電圧降下と抵抗５１に生じた電
圧降下の和に等しい。抵抗４６に生じる電圧降下は、抵
抗４６に流れる電流と抵抗４６の抵抗値との積に等しい
。抵抗４６を流れる電流は、抵抗４４を流れる電流に等
しいものと考えられる。それは、トランジスタ４３と４
８のベース電流が抵抗４６と４４を流れる電流を計算す
るときに無視できるように、抵抗４４を流れる電流をベ
ース電流よりも極めて大きくすることができるからであ
る。抵抗４４に生じる電圧はトランジスタ４３のＶＢＥ
の負の温度係数に従うから、このＶＢＥに基づき抵抗４
６を流れる電流も同じ負の温度係数に従う。抵抗５１を
流れる電流は、トランジスタ４３と４８の間のベースー
エミツタ降下電圧差によつて生じる。そのため抵抗５１
の両端に現われる電圧は、見かけ上の正の温度係数をも
つΔＢＥに等しくすることができる。抵抗４０はトラン
ジスタ４３を流れる電流を定め、また抵抗４１はトラン
ジスタ４３を流れるコレクタ電流の変化によつて生じた
トランジスタ４３のＢＥの変化を補償する。

このコレクタ電流の変化は、端子４５に現われる主電源
電圧の変動によつてひき起される。従つて、抵抗４１の
抵抗値は、端子４５に現われる電圧変動がトランジスタ
４３のコレクタにおける結合点４９の電圧を変動させな
いように選ばれる。抵抗４０、トランジスタ４３、抵抗
４４，４６、トランジスタ４７、およびトランジスタ４
７のベースから抵抗４０，４１の結合点への接続によつ
て、一つの帰還ループが形成される。この帰還ループは
、トランジスタ４３を流れる電流についてトランジスタ
４３がリニアな領域で動作できる値に維持することを助
ける。抵抗４４は、トランジスタ４３のベースエミツタ
電圧降下を感知し、それによつて抵抗４６を流れる電流
を定める。それに続き、抵抗４６に生じる電圧は、トラ
ンジスタ４３のベースエミツタ電圧降下ＶＢＥに抵抗４
６と４４の比を乗じたものに等しくなる。この抵抗４６
に生じる電圧降下は、抵抗４４の値を抵抗４６の値より
も大きく設定することによつてトランジスタ４３のベー
スーエミツタ電圧の分数値となるように選択される。抵
抗４２はトランジスタ４８の負荷抵抗であり、トランジ
スタ４３と４８のベースーエミツタ電圧間の差を増巾し
たものを発生する。

前述したように、このベースーエミツタ電圧間の差は正
の温度係数をもつて現われ、それにより抵抗４６に生じ
るベースーエミツタ電圧にトランジスタ４３を流れる電
流の変動に基づく何らかの影響を加えたものの分数値の
負の温度係数を補償する。抵抗４２と４６の値は、これ
らの抵抗に生じる電圧の温度係数が基本的に相殺され、
そして発生された電圧の和が希望される出力電圧の主要
部を占めるように選ばれる。このようにして、結合点４
９の電圧は、トランジスタ４３のＶＢＥにトランジスタ
４７のＢＥを加え、更に抵抗４２と４６に生じた電圧の
和を加え、そしてそれから抵抗４１に生じた小さな補正
電圧を引いたものに等しい。結合点４９はトランジスタ
５３のベースに接続される。トランジスタ５３は、電圧
端子４５と抵抗５２の間に接続される。トランジスタ５
３のエミツタはトランジスタ５４のベースに接続される
。トランジスタ５４のコレクタは電圧端子４５に接続さ
れ、またそのエミツタは抵抗５６に接続される。トラン
ジスタ５３と５４のベースーエミツタ電圧は、トランジ
スタ４３と４７のベースーエミツタ電圧降下を相殺させ
るため結合点４９に現われる電圧から減じられ、それに
よつて端子５７に生じる電圧をシリコン・バンドーギヤ
ツプ電圧以下のレベルに減少させる。この回路の電圧出
力はトランジスタ５４のエミツタからとることができる
が、電流基準源が希望されるならばジアッパー線６０を
取り除いて端子５８と５９から取り出すことができる。
勿論、この分野の技術者は、トランジスタ５４のエミツ
タから電圧出力を取り出すことによつて比較的低インピ
ーダンス出力の電圧源が提供されることを理解するであ
ろう。第３図の回路に使用できる抵抗の近似値は下記の
通りである。

第４図は、第３図の実施例の一部変型したものの回路図
である。

第３図と傘４図の回路の主要な相違は、第３図の抵抗の
代りに第４図ではトランジスタ６５が用いられているこ
とである。トランジスタ６５のエミツタは結合点４９に
接続され、またベースはコレクタに接続されている。第
４図の回路の抵抗は第３図の抵抗とは異なる参照番号が
付されている。これは、第４図の抵抗の値が、必要なら
ば僅かに異なる値のものであることができるということ
を示すためである。第４図の回路の動作は、第３図の回
路のものと実質的に同じである。以上によつて、この発
明は、ベースーエミツタ電圧降下の分数値をとることに
よつてシリコン・バンドーギヤツプ電圧よりも低い出力
基準電圧を提供するものであることが理解されるべきで
ある。

この発明は、出力電圧が零の温度係数をもつことができ
るようにするばかりでなく、必要ならば出力電圧が調節
可能な温度補償をもつことができるようにする。更に、
出力電圧は、主電源中に生じる電圧変動の影響を受けな
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ベースーエミツタ電圧と温度の関係を示すグ
ラフである。 第２図は、この発明の１実施例を概略的に示す。第３図
は、この発明の実施例の回路図である。第４図は、第３
図に示した実施例の変型である。第２図において、１８
，２０，２６，２９，３１はトランジスタ、１９は電流
源、２１，２２，２３，２８，３２は抵抗、３３は出力
端子、３４，３５は端子、３６はジアッパー線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも１個の主電源端子４５と少なくとも１個
   の出力端子５７とを具える温度補償された低電圧基準回
   路にして、電源端子に結合された電流源装置４０、６４
   、ベース、エミッタ及び電流源装置に結合されるコレク
   タを有する第１トランジスタ４３、ベース、エミッタ及
   びコレクタを具え、ベースは負荷抵抗４２を介して電流
   源装置に結合され、コレクタは電源端子に結合される第
   ２トランジスタ４７、直列に接続される第２抵抗４６、
   ６８と第３抵抗４４、６７、を具え、第２抵抗は、前記
   第２トランジスタ４７のエミッタに結合され、第１トラ
   ンジスタのベースは、第２、第３抵抗により形成される
   結合点に結合され、ベース、エミッタ及びエレクタを具
   え、そのベースは第２、第３抵抗により形成される結合
   点に結合され、そのコレクタは、第２トランジスタのベ
   ースに結合される第３トランジスタ４８、第３トランジ
   スタのエミッタに結合される第４抵抗５１、ベース、エ
   ミッタ及びコレクタを有し、そのベースはトランジスタ
   ５３を介して第１トランジスタのコレクタに結合され、
   そのコレクタは、電源端子に結合され、少なくとも１つ
   の出力端子５７は、エミッタに結合される第４トランジ
   スタ５４、を具備し、前記電流源装置４０、第１トラン
   ジスタ４３、第３抵抗４４、第２抵抗４６及び第２トラ
   ンジスタ４７のベースより負荷抵抗４２を介して電流源
   装置に戻る各素子は帰還ループ回路を形成し、該ループ
   の第２抵抗４６は、前記第１トランジスタの負温度係数
   を有するベースエミッタ電圧降下の分数値を供給し、前
   記第４抵抗５１は、前記第１、第３トランジスタの夫々
   のベースエミッタ電圧間の正温度係数を有する差電圧を
   与え、従つて前記負荷抵抗４２の両端電圧が前記帰還ル
   ープ内の負温度係数を有する第２抵抗４６の両端電圧を
   補償することを特徴とする温度補償された低電圧基準源
   回路。 ２ 前記電流源装置は抵抗である特許請求の範囲第１項
   記載の温度補償された低電圧基準源回路。