JPH0213329B2 - - Google Patents

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JPH0213329B2
JPH0213329B2 JP55085802A JP8580280A JPH0213329B2 JP H0213329 B2 JPH0213329 B2 JP H0213329B2 JP 55085802 A JP55085802 A JP 55085802A JP 8580280 A JP8580280 A JP 8580280A JP H0213329 B2 JPH0213329 B2 JP H0213329B2
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JP
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voltage
transistor
emitter
connection point
resistor
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JP55085802A
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JPS567120A (en
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Hainritsuhi Shaade Junia Otsutoo
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RCA Corp
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RCA Corp
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Publication of JPH0213329B2 publication Critical patent/JPH0213329B2/ja
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F3/00—Non-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
    • G05F3/02—Regulating voltage or current
    • G05F3/08—Regulating voltage or current wherein the variable is DC
    • G05F3/10—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics
    • G05F3/16—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
    • G05F3/20—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations
    • G05F3/30—Regulators using the difference between the base-emitter voltages of two bipolar transistors operating at different current densities

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Amplifiers (AREA)
  • Control Of Electrical Variables (AREA)
  • Logic Circuits (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、基準電圧発生回路に関するもの
で、特にCMOS集積回路上に構成するのに適し
た基準電圧回路に関するものである。
比較的小さな温度係数を有する集積基準電圧回
路をMOS回路網中で実現することは困難である。
一般に、設計者は、使用されるMOSトランジス
タの閾値電圧に依存し、しかもそれに直接関連す
る基準電圧を発生させようとしていた。この方法
では、得られる電圧を正確に予測するために、電
流を比較的正確な比率に整合あるいは比例させる
というやり方が採られる。
他の基準電圧回路は、同じ電流を流通させるよ
うに設定されたときに、実質的に異つたゲート―
チヤンネル特性を呈するように設計された実質的
に同じ装置のゲート―チヤンネル電位障壁特性を
比較するものである。この形式の回路は比較器ト
ランジスタ中を流れる電流の発生に誤差を生じ易
い。
上記形式の例として米国特許第4100437号明細
書、米国特許第4068134号明細書に示されたもの
がある。
一般的に言つて、MOS基準電圧回路は、MOS
トランジスタのチヤンネル領域、ゲート・パラメ
ータを正確に特定するのが困難であるということ
により、構成上の誤差を受け易い。
これに反して、バイポーラ集積回路中で使用さ
れる基準電圧回路は、構造や処理には実質的に無
関係であることが判つている。一般にこのような
装置は、同じ拡散形態を持つが異つた電流密度の
電流を流通させるPN接合によつて発生される電
位差に依存している。この電位差は、正の温度係
数を有する別の電圧を発生させるために抵抗器を
通つて導かれる電流を発生させるために使用さ
れ、この別の電圧は負の温度係数を有するPN接
合電位に加えられて、温度係数が実質的に０の基
準電圧を発生させる。これについては、例えば米
国特許第3887863号明細書中に示されている。
標準のCMOS集積回路は、ソース―ドレンの
n+領域、ｐウエル領域、およびｎシリコン基体
間で形成される寄生npnバイポーラ・トランジス
タを作る。これらの寄生トランジスタのコレクタ
はすべてｎシリコン基体中にあるので、これらの
トランジスタは共通コレクタ増幅器形態としての
み利用することができる。このことは、それらの
トランジスタを周知の基準電圧回路を実現するた
めに使用する場合の妨げとなつている。
同じ拡散形態をもつて形成される第１および第
２の共通コレクタ・バイポーラ・トランジスタ
は、それらのベース―エミツタ接合の電流密度を
予め定められた比に維持するエミツタ電流を流通
させるように条件付けられている。電流密度の相
違によつて、各ベース―エミツタ電位間に△VBE
を生成する。ベース―エミツタ電位は第２のトラ
ンジスタ中に電流を流通させるために第１の抵抗
器の両端間に印加される。第２および第３の抵抗
器がnpnバイポーラ・トランジスタのエミツタ回
路に接続されており、そのエミツタ回路の両端間
にトランジスタによつて導通させられるエミツタ
電流に比例し、正の温度係数を持つた電圧が発生
される。第２および第３の抵抗器の両端間に発生
する電圧の差は、上記第１および第２のトランジ
スタを流れる電流を予め定められた比に維持する
ための別の電圧を発生するために使用される。第
１のトランジスタのエミツタ回路中の第２の抵抗
器の両端間に発生する電圧は第１のトランジスタ
のベース―エミツタ電圧と加算され、温度に実質
的に無関係な基準電圧を生成する。
以下、図示の実施例を参照してこの発明を説明
する。
第１図にはＮ形MOSトランジスタを構成する
ために使用された不純物領域を含む代表的な
CMOS集積回路の一部分の断面が示されている。
通常のCMOS装置における基体１１はｎ形材料
である。ｐ形MOSトランジスタがｎ形基体中に
直接構成され、その結果基体が装置の他の部分に
関して正電位にバイアスされる。このようなバイ
アスを与えるために接続部１０が設けられてい
る。一方、ｎ形MOSトランジスタが領域１２の
ようなｐ形ウエル中に形成されている。ｐ形ウエ
ルの不純物濃度は比較的低いものとされている。
比較的高い不純物濃度のｐ形領域１５を介してｐ
形ウエルへのオーム接触が行なわれる。領域１５
の不純物濃度は基体中に形成されるｐ形MOSト
ランジスタのドレンおよびソース領域と同じ濃度
となつている。ｐ形ウエル１２が基体１１に対し
て逆バイアスに維持されるように、ｐ形ウエル１
２には接続部１８を経て正バイアスが与えられ
る。
ｎ形領域１３および１４は、比較的高い不純物
濃度であつて、ｎ形トランジスタのドレンおよび
ソース領域を形成するために使用される。ｎ形基
体、ｐ形ウエルおよびｎ形ドレン拡散領域は、コ
レクタとして基体、ベースとしてｐ形ウエル、エ
ミツタとしてｎ形ドレン―ソース領域を持つた寄
生npnバイポーラ・トランジスタを形成するよう
に寸法、形状的に関係している。代表的な
CMOSアレー中の寄生npnトランジスタの動作パ
ラメータは、所定のアレー全体を通じて比較的一
様であり、また共通コレクタ増幅回路を高い信頼
性をもつて構成するのに充分な特性をもつてい
る。基体がこのような寄生トランジスタに対する
共通コレクタを構成するので、npnトランジスタ
は共通コレクタとして動作をする。
CMOSアレー上のバイポーラ・トランジスタ
を利用することによりバンド・ギヤツプ形電圧基
準を作るのが可能となる。第２図は２個の共通コ
レクタnpnトランジスタ３１および３２を使用し
て実現されたバンドギヤツプ電圧基準を示してい
る。トランジスタ３２のコレクタは正電源２０に
接続され、そのエミツタは抵抗器３５を介して負
電源（アース）３０に接続されている。トランジ
スタ３１のコレクタは正電源２０に接続され、そ
のエミツタは直列接続された抵抗器３６および３
４を介して負電源３０に接続されている。高利得
差動入力増幅器３３の出力接続点を構成するトラ
ンジスタ３１および３２のベース電極に電圧が印
加される。増幅器３３はトランジスタ３２のエミ
ツタ接続点５５に接続された反転入力と、抵抗器
３４と３６との相互接続点５４に接続された非反
転入力とを有している。別の抵抗器３８が電源２
０とベース接続点３９との間に接続され、抵抗器
３７が電源３０と上記接続点３９との間に接続さ
れ、トランジスタ３１と３２のベース接続点に開
始電流を供給する。抵抗器３７および３８のイン
ピーダンスはトランジスタ３３の出力インピーダ
ンスに比べて大である。
この発明は、正の温度係数を有する電圧を発生
させ、これを負の温度係数を有する電圧と合成
し、それによつて実質的に零の温度係数の範囲内
にあるとされる電圧を発生させるという考え方で
進めたものである。
npnトランジスタ、例えばトランジスタ３２の
ベース―エミツタ電位は負の温度係数を持つた電
圧を発生する。正の温度係数を有する電圧は抵抗
器３５の両端間に発生し、この電圧はトランジス
タ３２のベース―エミツタ間電圧VBEと加算され
て、ベース接続点３９と電源３０との間に所望の
温度係数を持たせることができる。同じ拡散形態
を持つたトランジスタは、そのエミツタ電極の電
流密度に比例して異つたベース―エミツタ間電圧
を発生することができる。ベース―エミツタ間電
位差△VBEは次式によつて与えられる。
△VBE＝kT／ｑlnJ2／J1 (1) ここで、Ｔは絶対温度、ｋはボルツマン定数、
ｑは電子の電荷、J２／J1はトランジスタ３２と３
１との電流密度の比である。第１式から、△VBE
は正の温度係数を持つと見ることができる。抵抗
器３６の両端間に△VBEを与えることにより、そ
れを通じて正の温度係数を有する電流を流通させ
る。直列抵抗器３４を通つて流れるこの電流は、
その両端間に増幅された正の温度係数を持つた電
圧を発生させる。
抵抗器３５は抵抗器３４と同じ抵抗値を持つよ
うに選定されている。抵抗器３４と３５の両端間
の電圧を高利得電圧増幅器３３が検知し、トラン
ジスタ３１と３２のベース接続点３９に、抵抗器
３４と３５の抵抗値にそれを流れる電流を乗じた
駆動電圧を発生させる。増幅器３３の利得が大き
くなればなる程、抵抗器３５，３４の両端間の電
圧はより一層整合状態に近くなり、さらにトラン
ジスタ３１と３２のエミツタ電流の比は一層所望
の値に近くなる。整合した電流に対しては、電流
密度の比J２／J1はそれらのベース―エミツタ接
合面積の比によつて決定される。その結果、電圧
△VBEを予め正確に知ることができる。
抵抗器３６の両端間に与えられる△VBEは次の
ようにして知ることができる。増幅器３３は、接
続点５４および５５に同じ電位が現われるように
するのに必要な電流を抵抗器３４および３５に流
通させるようにトランジスタ３１および３２のベ
ース電位を調整し、それによつてその反転入力接
続点と非反転入力接続点との間の電位差を０ボル
ト近くに減少させる。この状態で接続点３９と５
５との間の電圧はトランジスタ３２のベース―エ
ミツタ間電圧△VBE32となる。接続点３９とトラ
ンジスタ３１のエミツタ接続点５６との間の電圧
はトランジスタ３１のベース―エミツタ間電圧
VBE31である。しかし、VBE32＝VBE31＋△VBEであ
り、また接続点３９と５５との間の電圧は接続点
３９と５４との間の電圧に等しい。従つて、接続
点５４と５６との間の電圧は△VBEに等しい。
増幅器３３の出力点からその反転入力へのトラ
ンジスタ３２のベース―エミツタ回路の接続は、
増幅器を電圧ホロワとして動作するように構成す
る帰還を与えている。抵抗器３６の両端間の△
VBEの正の温度係数による接続点５４における電
圧変化は、接続点５５に伝送され、抵抗器３５に
実効的に正の温度係数を与える。抵抗器３５の両
端間の正の温度係数とトランジスタ３２のベース
―エミツタ間接合の負の温度係数とを加えること
により、ベース接続点３９に所望の温度係数を持
つた電圧を発生させることができる。この電圧は
基準電圧端子４０より取出される。
正の温度係数と負の温度係数とがより一層相殺
するようにするために、抵抗器３５の両端間の電
圧VR35と電圧VBE32との和を０℃に補外されたバ
ンド・ギヤツプ電圧、すなわち約1.20ボルトにす
る必要がある。
前述の説明では、所定の比のベース―エミツタ
接合面積を有し、同じエミツタ電流を流通させる
トランジスタ３１と３２とを配列することによつ
て特定の△VBEを発生させる場合について述べ
た。これとは逆に同じベース―エミツタ接合面積
を有し、特定の比のエミツタ電流を流通させるよ
うにトランジスタ３１および３２を配列しても△
VBE電圧を得ることができる。後者の例では、抵
抗器３４と３５の抵抗値の比はトランジスタ３２
と３１のエミツタ電流の比の逆数でなければなら
ない。この条件により、エミツタ電流が適当な比
にあるとき接続点５４および５５に同じ電圧を発
生させることができる。
一例として、トランジスタ３２と３１の電流密
度の比を10対１とし、抵抗器３４と３５を6200オ
ーム、抵抗器３６を600オームとすると、1mAで
0.58ボルトのVBEに対して1.2ボルトの出力電圧を
発生させることができる。
増幅器３３は比較的高利得であると仮定する。
図示の実施例では、接続点５４と５５との間の電
位差は、100倍の利得を有する増幅器で約１ミリ
ボルトである。これによると接続点５４における
正の温度係数は忠実に接続点５５に伝達される。
集積化増幅器では、1000倍あるいはそれ以上の利
得は容易に実現できる。
この発明は全集積化が可能であるが、抵抗器を
モノリシツク片に外付けしてもよい。この場合、
電流の加減が出来るように抵抗器３４あるいは３
５をポテンシヨメータと置き換えることもでき
る。また抵抗器３４を可調整抵抗器と置き換え
て、エミツタ電流の値を調整するようにしてもよ
い。抵抗器３４および３５、トランジスタ３１お
よび３２は、互いに確実に追従して変化するよう
に密接に熱結合して配置されなければならない。
第３図の回路は第２図の回路の変形であつて、
この回路ではトランジスタ３１と３２は２個のエ
ミツタ電極を有する単一のトランジスタ２１に統
合されている。２エミツタ構造によれば、特に大
きな接合が小さな接合の周りに同心的に形成され
ておれば、回路の２つの脚を流れる電流の熱的追
従効果がより一層良好となる。ベース領域として
同じｐ形ウエルを共用すると、２個の実効トラン
ジスタは、それらの動作電流密度を除けば電気的
に整合する筈である。第３図の回路の動作は第２
図のそれと同じである。すなわち、トランジスタ
２１は実効的に２個のトランジスタとして動作
し、共通コレクタ増幅トランジスタを構成してい
る。また、抵抗器２４，２５，２６，２７，２８
は第２図の回路の抵抗器３４，３５，３６，３
７，３８に対応し、これらの抵抗器と同じように
動作する。
第４図の回路の動作は第２図および第３図の回
路の動作と同じ考え方によるものである。ただ
し、この回路ではトランジスタ３２のベース―エ
ミツタ間の負の温度係数が正の温度係数の直列抵
抗列４２，４３，４４，４５と加算され、トラン
ジスタ４７と抵抗器４８とを含むエミツタ・ホロ
ワをバツフアとして０の温度係数をもつた電圧を
発生する。
第４図の回路では、増幅器３３はトランジスタ
３１および３２のベース接続点に直接には接続さ
れておらず、抵抗器４３を介して接続されてい
る。抵抗器４３は電源端子２０と３０との間に抵
抗器４２，４４および４５と直列に接続されてい
る。利得１の伝達関数を持つ第２の増幅器４６
は、正の温度係数を持ちVXと示された接続点５
４の電圧を抵抗器４４と４５との接続点に伝送す
る。従つて、抵抗器４４の両端間に現われる電圧
はトランジスタ３２のベース―エミツタ接合の両
端間に現われる電圧VBE32に等しくなるように拘
束される。この電圧は、抵抗器４４の値をR44と
すると、抵抗器４４を通つてVBE32／R44に等しい
電流I3を流通させる。VBE32に電圧変化が生ずる
と、これに対応して電流I3を変化させる。抵抗器
４４と４３との直列接続によつて、抵抗器４４を
通る電流I3に変化があると、これに比例して抵抗
器４３の両端間の電圧VYに変化を与える。変化
の比△VY／VBE32は抵抗値R43とR44との比に等し
い。その結果、その負の温度係数によるVBE32の
変化は電圧VYに比例的変化を与える。抵抗器４
３は所望の電圧を発生するように選定されてお
り、また比R43対R44は、 R34／R36・ｄ（△VBE）／dT＝R43／R44・ｄ（△VBE）
／dT(2) となるように定められており、VYの実効負温度
係数はVXの実効正温度係数によつて打消される。
抵抗器４３，４４および４５の両端間の電圧を加
算することによつて、接続点４１におけるトラン
ジスタ４７のベース電圧はVX＋VBE＋VYとなり、
VBEのみが温度係数に関連する。
トランジスタ４７のベースの電圧は、エミツ
タ・ホロワ動作によつてそのトランジスタのベー
ス―エミツタ接合電圧を差引いて出力点である基
準電圧発生点５０に伝達される。基準電圧発生点
５０における最終的な電圧ErefはVX＋VYに等し
くなる。トランジスタ４７がトランジスタ３２と
同じように作られておれば、トランジスタ４７は
トランジスタ３２と同じ大きさの電流を流通さ
せ、トランジスタ４７のベース―エミツタ間の温
度係数によつて、そのベース接続点に存在する
VBE32の温度係数に関係する項を打消すことがで
きる。
出力電圧Erefは次式によつて与えられる。
Eref＝R34／R36（△VBE＋ｄ（△VBE）／ｄ（VBE）
）(3) ここで、R34、R36は抵抗器３４，３６の値で
あり、ｄ（△VBE）／dVBEはVBEに関する△VBEの微係数 である。ここで、一旦エミツタ電流I1とI2、トラ
ンジスタ３２と３１の電流密度の比が確立される
と、出力電圧は抵抗器３４を選定することによつ
て決定される。抵抗器４３と４４の値は一定比に
維持されている。従つて、温度係数が実質的に０
の基準電圧を比較的広い範囲にわたつて発生させ
ることができる。
トランジスタ４７がトランジスタ３２と同じ大
きさの電流を流通させる基準を満たすためには、
エミツタ抵抗器４８は、 R48＝R35（１＋１／△VBEｄ（△VBE）／ｄ（VBE）
）(4) でなければならない。
２個の抵抗器４２および４５は、電源が印加さ
れたときに回路が適正に起動することができるよ
うに回路中に含まれている。増幅器３３および４
６は比較的低出力インピーダンスを持つものと仮
定されているから、回路が一旦付勢されると、こ
れらの抵抗器は無視できる。
第４図の回路では、最良の効果が得られるよう
に、抵抗器４３，４４、抵抗器３４，３５，４
８、およびトランジスタ３１，３２，４７は、こ
れら各素子の熱的結合が確実に行なわれるように
配置されていなければならない。
第５図の回路は、第２図の回路と同じトランジ
スタ３１および３２のベース電極が接続される点
６９で得られるバンドギヤツプ電圧を増倍するこ
とによつてバンドギヤツプ基準電圧よりも大きな
基準電圧を発生することができる。ベース電流を
無視し得るものと仮定すれば、抵抗器６２を流れ
る電流はEbg／R62となる。ここでR62は抵抗器６
２の抵抗値である。基準電圧Erefは、Ebgに、電
流Ebg／R62による抵抗器６１の電圧降下を加えた
値、すなわち、 Eref＝Ebg（１＋R61／R62） (5) となる。
上述の各実施例は、装置が充分に熱的に一致す
るように維持されておれば、個別回路の形にも集
積回路の形にも適用することができる。基準電圧
回路の分野の当業者にとつては、前述の説明を見
れば、この発明の各種の変形を容易に考えること
ができる。従つて、特許請求の範囲は図示の実施
例に限らず各種の変形例も含めて解釈すべきであ
る。
【図面の簡単な説明】
第１図は寄生npnトランジスタを構成する構成
素子の部分を示すCMOS集積回路の断面図、第
２図および第３図はバンドギヤツプ電圧に実質的
に等しい基準電圧を発生するための電圧基準を具
体化した概略図、第４図はバンドギヤツプ電圧よ
りも大きなあるいはバンドギヤツプ電圧よりも小
さな基準電圧を発生させるためのこの発明の実施
例の概略図、第５図はこの発明を実施したバンド
ギヤツプ電圧よりも大きな基準電圧を発生させる
ための電圧基準の概略図である。 ３０……共通電位点、３１，３２……共通コレ
クタ接続されたトランジスタ、３３……差動増幅
器、３４，３５，３６……抵抗器、３９……（出
力）接続点、４０……接続点。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 一接続点に接続された少なくとも１個のベー
    ス電極と、２個のエミツタ電極と、各々のベース
    ―エミツタ接合とを有し、それによつて実効的に
    第１および第２のトランジスタを定義する共通コ
    レクタ増幅トランジスタ構成と、 各々一端と他端とを有する第１、第２、および
    第３の抵抗性手段であつて、上記第１および第２
    の抵抗性手段の各一端は共通電位点に接続され、
    上記第１および第３の抵抗性手段の各他端は上記
    の各エミツタ電極に各別に接続されており、上記
    第３の抵抗性手段の一端は上記第２の抵抗性手段
    の他端に接続されている上記第１、第２、および
    第３の抵抗性手段と、 上記第１および第２の抵抗性手段の他端からそ
    れぞれ電圧が印加されるように接続された反転入
    力接続点と非反転入力接続点と、出力接続点とを
    有し、上記各入力接続点に供給された電圧の差に
    応答して上記出力接続点に増幅された出力を供給
    する差動入力増幅器と、 上記差動入力増幅器の出力接続点を上記一接続
    点に接続し、上記第１および第２のトランジスタ
    のベース―エミツタ接合を流れる電流の密度が所
    定の比に維持されるようにこれら第１および第２
    のトランジスタに対する動作条件を定める帰還ル
    ープを完成する手段と、 からなる基準電圧回路。
JP8580280A 1979-06-28 1980-06-24 Standard voltage circuit Granted JPS567120A (en)

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JPS567120A JPS567120A (en) 1981-01-24
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JP (1) JPS567120A (ja)
DE (1) DE3024348A1 (ja)
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GB (1) GB2054219B (ja)
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