JPH07183737A - 電流源回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 製造プロセスによるばらつきの影響を受け難
く、温度係数を一定範囲にコントロールできる電流源回
路を提供する。 【構成】 第１の抵抗の両端に熱電圧に比例した電圧を
印加して電流を発生する第１の電流発生手段と、第２の
抵抗の両端にトランジスタのベース・エミッタ間電圧を
印加して電流を発生する第２の電流発生手段と、上記ト
ランジスタと同一導電型のトランジスタの電流増幅率に
比例した電流を上記トランジスタに供給するｈ_fe比例電
流供給手段と、上記第１及び第２の電流発生手段が発生
する電流を加算して出力電流を形成する加算手段と、を
備える 【効果】 製造過程における半導体集積回路のトランジ
スタの特性のばらつきによる温度係数のばらつきを可及
的に抑制した電流源回路を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置に使用され
る電流源回路に関し、特に、半導体装置の温度が変化し
ても出力電流が安定している電流源回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１は、従来の温度補償が行われる定電
流回路の例を概略的に示している。この例では、いわゆ
る熱電圧ＶT に比例した電流を発生する熱電圧比例電流
発生回路１２の出力電流ＩVTと、動作状態のトランジス
タのベース・エミッタ間電圧Ｖbeを利用するＶbe比例電
流発生回路１４の出力電流Ｉvbe とを、加算手段１５に
よって加え合わせて出力電流Ｉout を得る構成となって
いる。

【０００３】熱電圧比例電流発生回路１２は、例えば、
熱電圧に比例した電圧α・ＶT を発生する定電圧回路
と、電流値を設定する抵抗ＲT を備えており、出力電流
ＩVT＝α・ＶT ／ＲT を発生する。ここで、αは、比例
定数である。

【０００４】Ｖbe比例電流発生回路１４は、例えば、電
流源１３によって駆動されるトランジスタＱ13と、トラ
ンジスタＱ13のベース・エミッタ間に接続される抵抗Ｒ
9 と、抵抗Ｒ9 をエミッタ抵抗とするトランジスタＱ14
と、によって構成される。この構成では、トランジスタ
Ｑ14のコレクタ電流Ｉvbe は、抵抗Ｒ9 によって設定さ
れ、トランジスタＱ13のベース・エミッタ間電圧をＶbe
とすると、Ｉvbe ＝Ｖbe／Ｒ9 となる。

【０００５】上述した、Ｖbeを基準としたＶbe比例電流
発生回路１４と、ＶT を基準とした熱電圧比例電流発生
回路１２とでは、温度係数の極性が逆である。そこで、
回路１４の出力電流と回路１２の出力電流とを適当に重
み付けして加算すると、理論的には温度係数０を達成し
得る。

【０００６】図８は、このような着想に基づく電流源回
路を示しており、同図において、図７と対応する部分に
は同一符号を付している。

【０００７】この電流源回路は、大別して、電源Ｖcc、
起動回路１１、熱電圧比例電流発生回路１２、定電流源
１３、Ｖbe比例電流発生回路１４、加算手段１５、負荷
１６、によって構成されている。起動回路１１は、トラ
ンジスタＱ1 、Ｑ2 、及び抵抗Ｒ1 によって構成され、
電源投入時に、ゼロ電流状態及び所望のバイアス電流状
態で安定する熱電圧比例電流発生回路１２を立ち上げ
る。熱電圧比例電流発生回路１２は、抵抗Ｒ2 〜Ｒ5 、
Ｒ7 、トランジスタＱ3 〜Ｑ8 、Ｑ10によって構成され
る。このうち、抵抗Ｒ2 〜Ｒ5 、トランジスタＱ3 、Ｑ
4 、Ｑ7 、Ｑ8 は、ワイドラー(Widlar current sourc
e) 型の定電流回路によるバンドギャップ基準電圧回路
を構成する。トランジスタＱ10及び抵抗Ｒ7 は、バンド
ギャップ基準電圧回路の出力電圧を電流に変換する。

【０００８】ワイドラー定電流回路では、抵抗Ｒ3 に印
加される電圧Ｖx は、 Ｖx ＝Ｉc4・Ｒ3 ＝ＶT ln（Ｉc7・ＩS4／Ｉc4・Ｉs7） … (1) となる。

【０００９】ここで、Ｉc4はトランジスタＱ4 のコレク
タ電流、ＩS4はトランジスタＱ4 の逆方向飽和電流、Ｉ
c7はトランジスタＱ7 のコレクタ電流、Ｉs7は、トラン
ジスタＱ7 の逆方向飽和電流、ＶT は熱電圧であり、ｋ
・Ｔ／ｑ（ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｑは電
子電荷）で表される。

【００１０】図８に示す回路では、トランジスタＱ3 、
Ｑ8 、Ｑ4 、Ｑ7 に流れる各コレクタ電流が等しくなる
ように、抵抗Ｒ2 及びＲ8 の値を等しく設定している。
なお、トランジスタＱ5 及びＱ6 は、電流ミラー回路の
いわゆる基準電流と出力電流をより等しくするために設
けられている。これ等トランジスタのコレクタ電流をＩ
1 とし、トランジスタＱ4 とＱ7 とのエミッタ面積比
を、例えば４：１になるように設定する。すると、(1)
式は、 Ｖx ＝Ｉc1・Ｒ3 ＝ＶT ln（Ｉc1／Ｉc1）（ＩS4／Ｉs7） ＝ＶT ln（４） 従って、コレクタ電流Ｉc1は、 Ｉc1＝（ＶT ／Ｒ3 ）ln（４） となる。この出力電流
の温度係数は、（ΔＩc1／ΔＴ）により、求められ、例
えば、約３３００ｐｐｍの温度係数を持つ電流が得られ
る。

【００１１】トランジスタＱ4 ，Ｑ10のベース電位は、
２Ｉc1・Ｒ4 ＋Ｉc1・Ｒ3 ＋Ｖbeq4であるから、抵抗Ｒ
7 に印加される電圧ＶR7は、 ＶR7＝Ｉc1（２Ｒ4 ＋Ｒ3 ）＋Ｖbeq4−Ｖbeq10 ＝（ＶT ／Ｒ3 ）ln（４）（２Ｒ4 ＋Ｒ3 ）＋Ｖbeq4−Ｖbeq10 ＝ＶT ・（（２Ｒ4 ／Ｒ3 ）ln（４）＋ln（４））＋Ｖbeq4−Ｖbeq10 ＝Ｋ・ＶT ＋Ｖbeq4−Ｖbeq10 … (2) となる。ここで、Ｋは（２Ｒ4 ／Ｒ3 ）ln（４）＋ln
（４）、Ｖbeq4、Ｖbeq10 は、夫々トランジスタＱ4 、
Ｑ10が動作しているときのベース・エミッタ間電圧であ
る。

【００１２】熱電圧比例電流発生回路１２の出力電流で
あるトランジスタＱ10のコレクタ電流ＩVTは、ＶR7／Ｒ
7 として与えられる。ＶR7は、(2) 式に示すように熱電
圧ＶT に比例する出力電圧であるから、コレクタ電流Ｉ
VTも熱電圧ＶT に比例する。

【００１３】電流源１３は、抵抗Ｒ6 及びトランジスタ
Ｑ9 によって構成される。抵抗Ｒ6及びトランジスタＱ9
は、抵抗Ｒ2 及びトランジスタＱ3 と共に電流ミラー
回路を形成する。トランジスタＱ3 が起動されると、ト
ランジスタＱ9 から抵抗Ｒ2及び抵抗Ｒ6 の抵抗比によ
って定まるコレクタ電流がＶbe比例電流発生回路１４に
供給される。

【００１４】Ｖbe比例電流発生回路１４は、トランジス
タＱ13及びＱ14、抵抗Ｒ9 によって構成される。トラン
ジスタＱ14のエミッタに抵抗Ｒ9 が接続され、抵抗Ｒ9
の両端にトランジスタＱ13のベース及びエミッタが夫々
接続される。電流源１３からトランジスタＱ14のベース
及びトランジスタＱ13のコレクタに電流が供給される
と、抵抗Ｒ9 の両端にベース・エミッタ間電圧Ｖbeq13
が印加される。抵抗Ｒ9を流れる電流はＶbeq13 ／Ｒ9
として設定される。Ｖbe比例電流発生回路１４の出力電
流Ｉvbe としてトランジスタＱ14のコレクタから出力さ
れる。出力電流Ｉvbe は、ベース・エミッタ間電圧Ｖbe
q13 に比例し、約−２８００ｐｐｍの温度係数を持つ。

【００１５】互いに温度係数の極性が異なる、熱電圧比
例電流発生回路１２の出力電流ＩVT及びＶbe比例電流発
生回路１４の出力電流Ｉvbe を、加算点１５において適
当な比率となるように加算することによって、温度によ
る変化分が相殺される。そして、温度変化によって電流
値が変化しない出力電流が得られる。上記比率は、抵抗
Ｒ16及びＲ17の比を設定することによって定められる。
加算点１５から加算された電流が出力電流Ｉout とし
て、負荷１５に供給される。

【００１６】図９は、図８に示す従来の温度補償機能を
有する電流源回路において、Ｉs にばらつきが生じた場
合の、出力電流Ｉout の温度と出力電流レベルの温度依
存性を示している。一般的な用途では十分な特性が得ら
れる。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】このような回路構成を
用いると、温度係数の小さい電流源を得ることができ
る。しかしながら、非常に高い周波数安定が要求される
高性能発振器等のように、更に小さい温度係数が必要な
用途では、製造のばらつきによる温度係数の変化までが
問題となる。これには、トランジスタＱ13のベース・エ
ミッタ間電圧Ｖbeのばらつきが大きく影響することが判
った。半導体集積回路内のトランジスタのＶbeは、トラ
ンジスタの電流増幅率と相関関係にあり、この電流増幅
率は半導体集積回路の製造工程で、通常、３〜５倍程度
のばらつきが生じる。このため、上述したような電流源
回路において温度特性を揃えようとすると、半導体集積
回路の製造後にチップの特性を測定しながら調整用の抵
抗のトリミング等を行う必要が生じる。これは、非常に
手間がかかり、製造コストの増加をもたらす。

【００１８】よって、本発明は製造プロセスによるばら
つきの影響を受け難く、温度係数を一定範囲にコントロ
ールできる電流源回路を提供することを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の電流源回路は、熱電圧に比例した電圧が第
１の抵抗の両端に印加されて電流を発生する第１の電流
発生手段と、トランジスタのベース・エミッタ間電圧が
第２の抵抗の両端に印加されて電流を発生する第２の電
流発生手段と、上記トランジスタと同一導電型のトラン
ジスタの電流増幅率に比例した電流を上記トランジスタ
に供給するｈ_fe比例電流供給手段と、上記第１及び第２
の電流発生手段が発生する電流を加算して出力電流を形
成する加算手段と、を備えることを特徴とする。

【００２０】

【作用】本考案は、トランジスタのベース・エミッタ間
電圧がトランジスタの電流増幅率ｈfeと相関関係にある
ことに着目する。Ｖbe電圧源となるトランジスタに電流
増幅率ｈfeに比例した電流を流し、ｈfe変動によるＶbe
変動を抑制する。この抑制されたベース・エミッタ間電
圧Ｖbeを用いてＶbeに比例する電流を発生する。

【００２１】その結果、製造過程における半導体集積回
路のトランジスタの特性のばらつきによる温度係数のば
らつきを可及的に抑制した電流源回路を得ることができ
る。

【００２２】

【実施例】本発明の実施例について説明する。まず、本
発明の着目点について図１を参照して説明する。同図に
おいて図７と対応する部分には同一符号付し、かかる部
分の説明は省略する。

【００２３】まず、Ｖbe比例電流発生回路１４におい
て、電圧源としているトランジスタＱ13のベース・エミ
ッタ間電圧Ｖbeの変動について考える。トランジスタＱ
13のベース・エミッタ間電圧Ｖbeは、次式で表される。 Ｖbe＝ＶT ・ｌｎ（Ｉc ／Ｉs ） … (3) ここで、ＶT は熱電圧、Ｉc はコレクタ電流、Ｉs は逆
方向飽和電流である。Ｉs は製造工程のばらつきによっ
て変動する。そこで、Ｉs について種々の検討を行っ
た。

【００２４】図２は、トランジスタＱ13のＩs とエミッ
タ接地電流増幅率ｈfeとの関係を測定した結果を示して
いる。同図に示すように、Ｉs とｈfeとの間には比例関
係が存在する。従って、製造工程でトランジスタのｈfe
がばらつくと、Ｉs がばらつき、Ｖbeがばらつく。(3)
式によれば、Ｉs が変動したとき、これに対応してＩc
を変動させれば、（Ｉc ／Ｉs ）は一定となるから、ベ
ース・エミッタ間電圧Ｖbeを一定にすることが可能とな
る。このためには、ｈfeの関数となるＩs に対応して、
コレクタ電流Ｉc もｈfeの関数となるように設定すれば
良い。

【００２５】そこで、本発明は、図１に示すように、ｈ
feに比例した電流をトランジスタＱ13のコレクタに供給
するｈfe比例電流供給回路２１を設ける。チップ上にお
いて、トランジスタＱ13に近い領域に、トランジスタＱ
13と同じプロセスで（同極性の）トランジスタを形成す
れば、略同じｈfeを持つトランジスタをｈfe比例電流供
給回路２１内に得ることができる。

【００２６】このようにして、ｈfe比例電流供給回路２
１によってトランジスタＱ13のコレクタ電流をコントロ
ールし、ベース・エミッタ間電圧Ｖbeのばらつきを抑制
して、Ｖbe比例電流発生回路１４の出力電流Ｉvbe のば
らつきが抑制される。他の構成は図７と同様である。

【００２７】図３は、本発明の第１の実施例を示してお
り、同図において図８に示される回路と対応する部分に
は同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。

【００２８】同図において、ｈfe比例電流供給回路２１
は、従来の電流源１３の代わりに設けられており、抵抗
Ｒ6 、Ｒ8 、トランジスタＱ9 、Ｑ11、Ｑ12によって構
成される。抵抗Ｒ6 及びトランジスタＱ9 は、抵抗Ｒ2
及びトランジスタＱ3 と共に電流ミラー回路を構成し、
トランジスタＱ9 のコレクタにはトランジスタＱ3 のコ
レクタ電流に比例した電流が発生する。抵抗Ｒ8 及びト
ランジスタＱ11も抵抗Ｒ2 及びトランジスタＱ3 と共に
電流ミラー回路を構成するが、抵抗Ｒ8 は、抵抗Ｒ6 及
びトランジスタＱ9 間の接続点と、トランジスタＱ11の
エミッタと、の間に接続される。抵抗Ｒ9 は大きい値の
抵抗であり、抵抗Ｒ6 と共にトランジスタＱ11のコレク
タ電流を、例えば、１［μＡ］以下に設定する。この電
流は、電源ＶccとトランジスタＱ13のコレクタ間に接続
されるトランジスタＱ12のベースに供給される。トラン
ジスタＱ12は、ＮＰＮトランジスタＱ13と同極性のＮＰ
Ｎトランジスタであり、共に同じ製造工程を経て形成さ
れる。トランジスタＱ12のエミッタ電流は、トランジス
タＱ11のコレクタ電流をｈfe倍したものとなる。トラン
ジスタＱ12のエミッタ電流は、トランジスタＱ13のコレ
クタに供給される。他の構成は図８に示す電流源回路と
同様である。

【００２９】前述したように、Ｖbe比例電流発生回路１
４は、トランジスタＱ13、Ｑ14、抵抗Ｒ9 によって構成
される。トランジスタＱ14のエミッタに接続された抵抗
Ｒ9には、トランジスタＱ13のベース・エミッタ間Ｖbe
が印加される。これにより、トランジスタＱ14のコレク
タ電流、従って、出力電流Ｉvbe は、 Ｉvbe ＝Ｖbe／Ｒ9 更に、(3) 式より、 Ｉvbe ＝（ＶT ／Ｒ9 ）・ｌｎ（Ｉc13 ／Ｉs ） ＝（ＶT ／Ｒ9 ）・ｌｎ（Ｋ1 ・ｈfe／Ｋ2 ・ｈfe） ＝（ＶT ／Ｒ9 ）・ｌｎＫ3 … (4) ここで、Ｉc13 はトランジスタＱ13のコレクタ電流、Ｋ
1 、Ｋ2 、Ｋ3 は定数である。

【００３０】(4) 式により、Ｖbe比例電流発生回路１４
の出力電流Ｉvbe は、製造工程でばらつきが生じやすい
ｈfeの影響を受け難くなる。トランジスタＱ10及びトラ
ンジスタＱ14の出力電流ＩVT、Ｉvbe を加算した出力電
流Ｉout は、抵抗Ｒ7 及びＲ9 の比を適切に設定するこ
とによって温度係数を０にすることが可能となる。ま
た、抵抗Ｒ7 及びＲ9 に、半導体装置に一般的に使用さ
れる温度依存性のある抵抗を使用した場合でも、抵抗Ｒ
7 及びＲ9 の比を適切に設定することにより、出力電流
の温度係数を０にすることが可能である。

【００３１】図４は、図３に示す実施例の電流源回路の
温度変化に対する出力電流の変化を測定したものであ
る。図９に示す従来例の特性と比して、トランジスタの
ばらつきがあっても大幅に温度特性が安定化する。

【００３２】図５は、本発明の第２の実施例を示してい
る。同図において、図３と対応する部分には同一符号を
付し、かかる部分の説明は省略する。この実施例では、
ｈfe比例電流供給回路２１は、トランジスタＱ23〜Ｑ2
8、抵抗Ｒ15、Ｒ16によって構成される。このうち、ト
ランジスタＱ25〜Ｑ28、抵抗Ｒ16は、いわゆる帰還型の
電流源を構成しており、例えば、抵抗Ｒ16に３６［ｍ
Ｖ］（＝ＶT ｌｎ（４））の電圧を発生させるような電
流がトランジスタＱ28のベースに流れる。このベース電
流をｈfe倍したものがトランジスタＱ28のエミッタ電流
となり、トランジスタＱ13のコレクタ電流として供給さ
れる。他の構成は図３に示す回路と同様である。

【００３３】図６は、本発明の第３の実施例を示してい
る。同図において、図３と対応する部分には同一符号を
付し、かかる部分の説明は省略する。この実施例では、
熱電圧比例電流発生回路１２として、トランジスタＱ3
3、Ｑ34、抵抗Ｒ19で帰還をかける形式の電流源を使用
している。また、Ｖbe比例電流発生回路１４に、ダイオ
ード接続されたトランジスタＱ41、Ｑ42を使用し、抵抗
9 にトランジスタＱ41のＶbeが印加されるようにしてい
る。他の構成は図３に示す回路と同様である。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
製造工程における半導体集積装置のトランジスタのばら
つきによって温度係数が変動しない極めて安定な温度係
数を有する電流源回路を得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電流源回路の原理を説明する説明図。

【図２】トランジスタの逆方向飽和電流Ｉs と電流増幅
率の関係を示すグラフ。

【図３】本発明の第１の実施例を示す回路図

【図４】第１の実施例の出力電流の温度依存性を示すグ
ラフ。

【図５】第２の実施例を示す回路図。

【図６】第３の実施例を示す回路図。

【図７】従来の電流源回路の原理を説明する説明図。

【図８】従来の電流源回路の構成を示す回路図。

【図９】従来の電流源回路の出力電流の温度依存性を示
すグラフ。

【符号の説明】

１１ 起動回路 １２ 熱電圧比例電流発生回路 １３ 定電流源 １４ Ｖbe比例電流発生回路 １５ 加算手段 １６ 負荷 ２１ ｈfe比例電流供給回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】熱電圧に比例した電圧が第１の抵抗の両端
   に印加されて電流を発生する第１の電流発生手段と、 トランジスタのベース・エミッタ間電圧が第２の抵抗の
   両端に印加されて電流を発生する第２の電流発生手段
   と、 前記トランジスタと同一導電型のトランジスタの電流増
   幅率に比例した電流を前記トランジスタに供給するｈfe
   比例電流供給手段と、 前記第１及び第２の電流発生手段が発生する電流を加算
   して出力電流を形成する加算手段と、 を備えることを特徴とする電流源回路。