JPH0510985A - 電位差検出回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】２つの電圧の電位差を求める。 【構成】２つの入力電圧Ｖ１，Ｖ２をそれぞれ抵抗Ｒ
３，Ｒ４に入力し、それぞれの抵抗Ｒ３，Ｒ４に流れる
電流Ｉ１，Ｉ２をカレントミラー回路１によって等しく
する。カレントミラー回路１のそれぞれのトランジスタ
Ｑ１，Ｑ２に発生するアーリ効果はそれぞれのアーリ効
果防止用抵抗Ｒ１，Ｒ２によってなくなる。そして、出
力バッファ回路部３のエミッタフォロワトランジスタＱ
３によってカレントミラー回路１のトランジスタＱ１の
ベース・エミッタ間電圧を打ち消し、補正回路部４によ
ってアーリ効果防止用抵抗Ｒ１による電圧上昇分を打ち
消す。そして、入力電圧Ｖ１，Ｖ２の電位差を出力電圧
Ｖｏとして出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電位差検出回路に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、電位差検出回路として図３に示す
ようなオペアンプ５を用いた回路が提案されている。

【０００３】すなわち、２つの電圧Ｖ１，Ｖ２の電位差
を求めるために、オペアンプ５はその非反転入力端子に
抵抗Ｒ７を介して入力電圧Ｖ２を入力するとともに、反
転入力端子に抵抗Ｒ８を介して入力電圧Ｖ１を入力す
る。さらに、非反転入力端子とグランドの間には抵抗Ｒ
９を接続し、反転入力端子と出力端子の間には抵抗Ｒ１
０を接続して、電位差検出回路を構成している。そし
て、オペアンプ５を動作させるために正負同一の大きさ
である２つの直流電源からそれぞれ電源電圧＋Ｖｃｃ，
−Ｖｃｃを供給している。

【０００４】ここで、抵抗Ｒ７〜抵抗Ｒ１０の抵抗値を
等しいとすると、オペアンプ５の出力電圧Ｖｏは電圧Ｖ
２と電圧Ｖ１の電位差（Ｖｏ＝Ｖ２−Ｖ１）となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、現在開
発されているオペアンプはその内部回路に２０個以上の
トランジスタ等の素子を含むため、その素子数の多さが
高集積化の妨げになっていた。また、正負同一の大きさ
である２つの直流電源を必要とし、そのための電源回路
を設ける必要があった。

【０００６】そこで本出願人は、カレントミラー回路を
構成する２つのトランジスタのコレクタにそれぞれ同じ
抵抗値の抵抗を接続し、一方のトランジスタのコレクタ
に抵抗を介して入力電圧Ｖ１を入力し、他方のトランジ
スタのコレクタに抵抗を介して入力電圧Ｖ２を入力し、
他方のトランジスタのコレクタ電位を抽出電圧として出
力するようにした電位差抽出回路部と、エミッタに抵抗
を接続したエミッタフォロワトランジスタのベースに前
記抽出電圧を入力し、その抽出電圧から入力電圧Ｖ１，
Ｖ２の電位差をそのエミッタフォロワトランジスタのエ
ミッタから出力する出力バッファ回路部とによって構成
される電位差検出回路を提出している。

【０００７】この電位差検出回路は素子数が少なくなる
ことにより半導体集積回路で使用する際に高集積化が容
易になる。さらに、出力バッファ回路３に電源電圧Ｖｃ
ｃを印加する直流電源は１つのみで電位差検出動作を行
うことができる。

【０００８】ところが、この場合、一方の入力電圧が変
化するとカレントミラー回路を構成するトランジスタの
コレクタ電圧が変化し、それにつれてそのトランジスタ
のベース・エミッタのＰＮ接合における空乏層の厚さが
変化し、実行ベース幅が変化する。これにより、コレク
タからエミッタへの電圧帰還と、コレクタ出力抵抗が減
少する現象であるアーリ効果が発生しコレクタ電流が変
化する。すなわち、カレントミラー回路を構成する２つ
のトランジスタのコレクタ電流であるカレントミラー電
流が等しくならないことになる。その結果、電位差検出
回路の出力電圧にはアーリ効果による誤差が含まれるこ
とになり、２つの入力電圧の電位差を正確に出力するこ
とができなくなる。

【０００９】本発明の目的は、半導体集積回路で使用さ
れる電位差検出回路において、１つの直流電源で動作し
高集積化を図り得る電位差検出回路を提供し、かつ、カ
レントミラー回路におけるアーリ効果の影響をなくすこ
とができる電位差検出回路を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は上記問題点を解
決するため、カレントミラー回路を構成する２つのトラ
ンジスタのエミッタにそれぞれ同じ抵抗値のアーリ効果
防止用抵抗を接続し、一方のトランジスタのコレクタに
抵抗を介して第１の入力電圧を入力し、他方のトランジ
スタのコレクタに抵抗を介して第２の入力電圧を入力
し、他方のトランジスタのコレクタ電位を抽出電圧とし
て出力するようにした電位差抽出回路部と、ベースに前
記抽出電圧を入力したエミッタフォロワトランジスタの
エミッタに前記アーリ効果防止用抵抗に基づく上昇分の
電位を前記抽出電圧から相殺する補正回路部を接続し、
そのエミッタフォロワトランジスタのエミッタ側から前
記第１および第２の入力電圧の電位差を出力する出力バ
ッファ回路部とにより構成したことをその要旨とする。

【００１１】

【作用】第１および第２の入力電圧をそれぞれの抵抗に
入力し、それぞれの抵抗に流れる電流をカレントミラー
回路によって等しくする。カレントミラー回路のそれぞ
れのトランジスタに発生するアーリ効果はそれぞれのア
ーリ効果防止用抵抗によってなくなる。そして、出力バ
ッファ回路部のエミッタフォロワトランジスタによって
カレントミラー回路のトランジスタのベース・エミッタ
間電圧を打ち消し、補正回路部によってアーリ効果防止
用抵抗による電圧上昇分を打ち消す。そして、第１およ
び第２の入力電圧の電位差を出力する。

【００１２】

【実施例】

（第１実施例）以下、本発明を具体化した一実施例を図
１に従って説明する。

【００１３】カレントミラー回路１を構成する互いにベ
ースを接続した同じエミッタサイズの２つのトランジス
タＱ１，Ｑ２は、それぞれのエミッタとグランドの間に
抵抗値の等しい抵抗Ｒ１，Ｒ２が接続されている。ま
た、一方のトランジスタＱ１のコレクタはそのベースに
接続されている。

【００１４】さらに、トランジスタＱ１，Ｑ２のコレク
タには互いに同じ抵抗値の抵抗Ｒ３，Ｒ４が接続されて
いる。そして、第１の入力電圧Ｖ１は抵抗Ｒ３を介して
トランジスタＱ１のコレクタに入力され、第２の入力電
圧Ｖ２は抵抗Ｒ４を介してトランジスタＱ２のコレクタ
に入力される。

【００１５】そして、トランジスタＱ１，Ｑ２と抵抗Ｒ
１〜Ｒ４とで電位差抽出回路部２を構成している。そし
て、トランジスタＱ２のコレクタ電位を抽出電圧Ｖａと
して次段の出力バッファ回路部３に出力する。

【００１６】出力バッファ回路部３は、前記トランジス
タＱ１，Ｑ２と同じエミッタサイズのトランジスタＱ３
と補正回路部４とから構成されている。トランジスタＱ
３はそのコレクタに直流電源（図示略）よりプラスの電
源電圧Ｖｃｃが印加され、そのベースに前記抽出電圧Ｖ
ａが入力される。

【００１７】補正回路部４は、そのベースをトランジス
タＱ１，Ｑ２のベースに接続するトランジスタＱ４と、
トランジスタＱ３のエミッタとトランジスタＱ４のコレ
クタの間に接続される抵抗Ｒ５と、トランジスタＱ４の
エミッタとグランドの間に接続される抵抗Ｒ６とで構成
されている。そして、そのトランジスタＱ４のコレクタ
から出力電圧Ｖｏを出力するようになっている。

【００１８】トランジスタＱ３，Ｑ４はそれぞれトラン
ジスタＱ１，Ｑ２と同じエミッタサイズであり、抵抗Ｒ
５，Ｒ６の抵抗値は抵抗Ｒ１，Ｒ２と同じである。従っ
て、このトランジスタＱ４と抵抗Ｒ６とで構成される定
電流回路の電流Ｉ３は前記カレントミラー回路１の各コ
レクタ電流Ｉ１，Ｉ２と同じになる。

【００１９】次に、このように構成された電位差検出回
路の作用を説明する。尚、各抵抗Ｒ１〜Ｒ６の抵抗値は
それぞれ符号と同じに表記する。また、各トランジスタ
Ｑ１〜Ｑ４のベース・エミッタ間電圧は互いにエミッタ
サイズが同じなので等しくなるため「Ｖｂｅ」と表記す
る。

【００２０】抵抗Ｒ３に入力電圧Ｖ１が入力されると抵
抗Ｒ３を流れる電流Ｉ１は、トランジスタＱ１のベース
電流が電流Ｉ１に比べて極めて小さいことからカレント
ミラー回路１のトランジスタＱ１のコレクタ電流とな
る。入力電圧Ｖ１は式（１）で求められ、これから電流
Ｉ１は式（２）で求められる。

【００２１】 Ｖ１＝Ｒ３Ｉ１＋Ｖｂｅ＋Ｒ１Ｉ１……（１） Ｉ１＝（Ｖ１−Ｖｂｅ）／（Ｒ３＋Ｒ１）……（２） また、抵抗Ｒ４に入力電圧Ｖ２が入力されるとトランジ
スタＱ３のベース電流は極めて小さいことから、抵抗Ｒ
４を流れる電流Ｉ２はカレントミラー回路１のトランジ
スタＱ２のコレクタ電流となる。また、トランジスタＱ
２のコレクタ電位である抽出電圧Ｖａは式（３）で求め
られるが、カレントミラー回路１に流れる電流Ｉ２と電
流Ｉ１は等しいことから、式（４）が求められる。

【００２２】 Ｖａ＝Ｖ２−Ｒ４Ｉ２……（３） ＝Ｖ２−Ｒ４（Ｖ１−Ｖｂｅ）／（Ｒ３＋Ｒ１）……（４） ここで例えば、抵抗Ｒ１またはＲ２の抵抗値がゼロすな
わち短絡されているとすると、入力電圧Ｖ１またはＶ２
が変化するとトランジスタＱ１またはＱ２のコレクタ電
圧が変化し、それに従ってそのトランジスタのコレクタ
電流も変化する。そのコレクタ電流の変化につれてその
トランジスタのベース・エミッタのＰＮ接合における空
乏層の厚さが変化し、実行ベース幅が変化してコレクタ
からエミッタへの電圧帰還がおこりコレクタ出力抵抗が
減少するアーリ効果によりコレクタ電流が変化するため
電流Ｉ１と電流Ｉ２は等しくならなくなる。抵抗Ｒ１，
Ｒ２はそのアーリ効果を防止するために設けられてい
る。すなわち、抵抗Ｒ１またはＲ２によりコレクタ電流
の変化に伴った電圧降下が生じることによりエミッタ電
位が変化してベース・エミッタ間電圧も変化することか
ら、それを補正する形で空乏層の拡大を妨げるようにベ
ース電流が変化してコレクタ電流の変化が抑えられる。
つまり、抵抗Ｒ１，Ｒ２を接続することにより、コレク
タからエミッタへの電圧帰還を相殺するようにコレクタ
からベースへの電流帰還をおこしてアーリ効果の発生を
防止している。その結果、電流Ｉ１は電流Ｉ２と等しく
なる。尚、抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値は大きいほどコレク
タからベースへの電流帰還量が多くなりアーリ効果の発
生防止効果が大きくなる。

【００２３】次に、出力バッファ回路部３のエミッタフ
ォロワトランジスタとしてのトランジスタＱ３のエミッ
タ電位Ｖｄは前記抽出電圧ＶａからトランジスタＱ３の
ベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅを差し引いた値となり式
（５）で求められる。

【００２４】 Ｖｄ＝Ｖａ−Ｖｂｅ ＝Ｖ２−Ｖ１＋｛１−〔Ｒ４／（Ｒ３＋Ｒ１）〕｝（Ｖ１−Ｖｂｅ） ……（５） そして、出力電圧ＶｏはトランジスタＱ３のエミッタ電
位Ｖｄから電流Ｉ３が抵抗Ｒ５に流れることによってお
こる電圧降下を差し引いた値となり式（６）で求められ
るが、電流Ｉ３と電流Ｉ１は等しいことから、式（７）
が求められる。

【００２５】 Ｖｏ＝Ｖｄ−Ｒ５Ｉ３……（６） ＝Ｖ２−Ｖ１＋〔１−Ｒ４／（Ｒ３＋Ｒ１）〕（Ｖ１−Ｖｂｅ） −Ｒ５（Ｖ１−Ｖｂｅ）／（Ｒ３＋Ｒ１）……（７） さらに、抵抗Ｒ３とＲ４の抵抗値は互いに等しく、抵抗
Ｒ１とＲ５の抵抗値は互いに等しいことから式（８）が
求められ、入力電圧Ｖ２とＶ１の電位差が出力電圧Ｖｏ
として求められる。

【００２６】Ｖｏ＝Ｖ２−Ｖ１……（８） すなわち、出力バッファ回路部３のエミッタフォロワト
ランジスタＱ３は、抽出電圧Ｖａに含まれるカレントミ
ラー回路１で発生するトランジスタＱ１のベース・エミ
ッタ間電圧Ｖｂｅを、トランジスタＱ３のベース・エミ
ッタ間電圧Ｖｂｅによって相殺することにより打ち消し
ている。

【００２７】また、補正回路部４は、抽出電圧Ｖａに含
まれる前記アーリ効果防止用抵抗Ｒ１に電流Ｉ１が流れ
ることによって生じる電圧上昇分を、抵抗Ｒ１と抵抗値
が同じである抵抗Ｒ５に電流Ｉ１と同じ大きさの電流Ｉ
３を流すことによって生じる電圧降下によって相殺する
ことにより打ち消している。

【００２８】尚、補正回路部４のトランジスタＱ４と抵
抗Ｒ６とで構成される定電流回路におけるトランジスタ
Ｑ４のアーリ効果については、抵抗Ｒ６によってカレン
トミラー回路１と同様にトランジスタＱ４のコレクタか
らベースへの電流帰還をおこしてアーリ効果の発生を防
止している。その結果、トランジスタＱ４のコレクタ電
流である抵抗Ｒ５を流れる電流Ｉ３は、前記カレントミ
ラー回路１の電流Ｉ１，電流Ｉ２と等しくなる。

【００２９】また、前記したようにトランジスタＱ１〜
Ｑ４のエミッタサイズは同じでありコレクタ電流（＝Ｉ
１＝Ｉ２＝Ｉ３）も同じになるため、それぞれのトラン
ジスタのベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅは温度特性およ
び非直線性に依存せず常に等しくなる。すなわち、エミ
ッタサイズが同じトランジスタにおいてはコレクタ電流
を等しくすればベース電流も等しくなることから温度特
性を有するベース・エミッタ間電圧も等しくなるためで
ある。

【００３０】このように本実施例においては、電位差検
出回路を構成する素子数が少なくなることにより半導体
集積回路で使用する際に高集積化が容易になる。さら
に、出力バッファ回路部３に電源電圧Ｖｃｃを印加する
直流電源は１つのみで電位差検出動作を行うことができ
る。加えて、カレントミラー回路１におけるアーリ効果
の影響をなくすことができる （第２実施例）次に本発明の第２実施例を図２に従って
説明する。

【００３１】尚、本第２実施例において、図１に示した
第１実施例の電位差検出回路と構成上異なっているの
は、各抵抗Ｒ１〜Ｒ６の抵抗値のみであるので、説明の
便宜上図１と同じ構成を成す部分については符号を同じ
にしてその詳細な説明を省略し、異なる構成についての
み説明する。

【００３２】すなわち、トランジスタＱ３のエミッタは
トランジスタＱ３のコレクタに直結される。つまり、本
第２実施例においては第１実施例における抵抗Ｒ５の抵
抗値をゼロとしたことになる。

【００３３】また、 抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ６の抵抗値は
互いに等しく、抵抗Ｒ４の抵抗値は抵抗Ｒ３とＲ１の抵
抗値を加えた値となる。その関係を式（９），（１０）
に示す。

【００３４】Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ６……（９） Ｒ４＝Ｒ３＋Ｒ１……（１０） 次に、このように構成された電位差検出回路の作用を説
明する。

【００３５】尚、本第２実施例において、カレントミラ
ー回路１，アーリ効果防止用抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ６、お
よび出力バッファ回路部３のエミッタフォロワトランジ
スタＱ３の作用については図１に示した第１実施例の電
位差検出回路と同じであるのでその詳細な説明を省略す
る。

【００３６】抵抗Ｒ３に入力電圧Ｖ１が入力されると抵
抗Ｒ３を流れる電流Ｉ１は、トランジスタＱ１のベース
電流が電流Ｉ１に比べて極めて小さいことからカレント
ミラー回路１のトランジスタＱ１のコレクタ電流とな
る。入力電圧Ｖ１は前記式（１）で求められ、これから
電流Ｉ１は前記式（２）で求められる。

【００３７】また、抵抗Ｒ４に入力電圧Ｖ２が入力され
るとトランジスタＱ３のベース電流は極めて小さいこと
から、抵抗Ｒ４を流れる電流Ｉ２はカレントミラー回路
１のトランジスタＱ２のコレクタ電流となる。また、ト
ランジスタＱ２のコレクタ電位である抽出電圧Ｖａは前
記式（３）で求められるが、カレントミラー回路１に流
れる電流Ｉ２と電流Ｉ１は等しいことから、前記式
（４）が求められる。

【００３８】さらに、抵抗Ｒ４の抵抗値は抵抗Ｒ３とＲ
１の抵抗値を加えた値となるため、式（１１）が求めら
れる。 Ｖａ＝Ｖ２−Ｖ１＋Ｖｂｅ……（１１） 次に、出力バッファ回路部３のエミッタフォロワトラン
ジスタとしてのトランジスタＱ３のエミッタ電位すなわ
ち出力電圧Ｖｏは前記抽出電圧ＶａからトランジスタＱ
３のベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅを差し引いた値とな
るため前記式（８）が求められ、入力電圧Ｖ２とＶ１の
電位差が出力電圧Ｖｏとして求められる。

【００３９】尚、トランジスタＱ４と抵抗Ｒ６とで構成
される定電流回路の電流Ｉ３は前記カレントミラー回路
１の各コレクタ電流Ｉ１，Ｉ２と同じになる。尚、トラ
ンジスタＱ４のアーリ効果については、抵抗Ｒ６によっ
てカレントミラー回路１と同様にトランジスタＱ４のコ
レクタからベースへの電流帰還をおこしてアーリ効果の
発生を防止している。

【００４０】また、前記第１実施例と同様に、トランジ
スタＱ１〜Ｑ４のエミッタサイズは同じでありコレクタ
電流（＝Ｉ１＝Ｉ２＝Ｉ３）も同じになるため、それぞ
れのトランジスタのベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅは温
度特性および非直線性に依存せず常に等しくなる。

【００４１】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、電
位差検出回路において、１つの直流電源で動作して高集
積化を図り、かつ、カレントミラー回路におけるアーリ
効果の影響をなくすことができる優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を具体化した電位差検出回路の第１実施
例を示す回路図である。

【図２】本発明を具体化した電位差検出回路の第２実施
例を示す回路図である。

【図３】従来の電位差検出回路を示す回路図である。

【符号の説明】

１…カレントミラー回路、２…電位差抽出回路部、３…
出力バッファ回路部、４…補正回路部、Ｑ１，Ｑ２…カ
レントミラー回路を構成するトランジスタ、Ｑ３…エミ
ッタフォロワトランジスタ、Ｒ１，Ｒ２…アーリ効果防
止用抵抗、Ｒ３，Ｒ４…電位差抽出回路部を構成する抵
抗

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 カレントミラー回路を構成する２つのト
   ランジスタのエミッタにそれぞれ同じ抵抗値のアーリ効
   果防止用抵抗を接続し、一方のトランジスタのコレクタ
   に抵抗を介して第１の入力電圧を入力し、他方のトラン
   ジスタのコレクタに抵抗を介して第２の入力電圧を入力
   し、他方のトランジスタのコレクタ電位を抽出電圧とし
   て出力するようにした電位差抽出回路部と、 ベースに前記抽出電圧を入力したエミッタフォロワトラ
   ンジスタのエミッタに前記アーリ効果防止用抵抗に基づ
   く上昇分の電位を前記抽出電圧から相殺する補正回路部
   を接続し、そのエミッタフォロワトランジスタのエミッ
   タ側から前記第１および第２の入力電圧の電位差を出力
   する出力バッファ回路部とからなる電位差検出回路。