JPS5880718A - 基準電圧発生回路 - Google Patents

基準電圧発生回路

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JPS5880718A
JPS5880718A JP56179501A JP17950181A JPS5880718A JP S5880718 A JPS5880718 A JP S5880718A JP 56179501 A JP56179501 A JP 56179501A JP 17950181 A JP17950181 A JP 17950181A JP S5880718 A JPS5880718 A JP S5880718A
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    • G05F3/16Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
    • G05F3/20Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations
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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】 この発明は回路の電源′也汁変動、周囲温度の変化に対
して無関係な一定の電圧を作り出すための基準電圧発生
回路に関するものである。
第1図に従来の基準電圧発生回路を示し、第2区1にそ
の基本回路を示す。第1図は半導体集積回路で製造され
た基準電圧発生回路で、端子1゛1は、抵抗等の負何回
路を介してこの回路を動作させる電源に接続され、端子
゛r2は、亀諒の一端である接地端子として接続される
。なお、第1図での出力端子すなわち基準電圧が出力さ
れる端子は端子T1であり、この回路を動作させる電源
供給端子としての機能か兼ねられた端子となっている。
第2図は前記第1図の回路における基本的な動作をさせ
る素子について抜き出したもので、従来の基準電圧発生
回路の基本回路である。ここでは、本発明の基礎となっ
た動作原理を説明するため、第2図の回路によって説明
する。第2図においてトランジスタQ1は相対的に大き
い電流密度で動作させる。これに対しトランジスタQ2
の電流密度は1/10の電流で動作させ、この二つのト
ランここでトランジスタQ2の電流増幅率が十分高いも
のと仮定すると、△vBEによって抵抗に3で発生する
。また次段に接続されたトランジスタq3は、増幅段を
構成し、該トランジスタQ3のべとを加算した電圧が端
子T3に出て来る。ただしトランジスタQ3の電流増幅
率は十分高いものと仮定している。ここで端子T3の電
位をVrefとすると、次式が成立する。
なお、トランジスタQ3のエミッタ・ベース間電圧は負
の温度係数を持っており、これに対し△vBHによる抵
抗に2での亀ff:1%下う)の重圧は、正の温度係数
を持っている。さらにこの二つの電圧の合計を半導体の
エネルギー・バンド・ギャップの重圧にすることにより
、Vrefは温度補償された電圧として得ることができ
る。その理由は、トランジスタのベース・エミッタ市圧
が次式によって表現できるところに端を発している。
ここでVg □は、絶対渦v T = ooj(におけ
る半部体材料によって決まるエネルギー・バンド・ギャ
ップの外挿市圧を表わし、9は電子の電荷を、nは定数
で、トランジスタの製造条件による値を表わし、kはボ
ルツマン定数を、Tは絶対温度を、Icはコレクタ電流
を、VB、EOはTOとIc9時のベース・エミッタ間
電圧を、それぞれ表わしている。また二つのトランジス
タを動作させた時のベース・エミッタ間電圧の差を表現
するのに、それぞれのトランジスタの電流密度を11と
12で表わせば次式で表わすことができる。
ここで(2)式の最後二つの項は、絶対温度におけるコ
レクタ電流Icの変化に対して十分小さな値となってい
るので無視することができる。よって(2)式は次のよ
うになる。
次に、△vBHによって作られる′電圧とvBEとを加
算して作り出すことを参照して、出力電比は(3)式と
(4)式を加算した形で得られる。
そこで(5)式の温度係数を求めるため(5)式を絶対
温度1゛で微分すると、 これは、温度による変動が零であるようにするため右辺
=0とすると次式の条件を満たしてやれば良いことを意
味している。
この条件式の右辺の第一項はベース・エミッタ間電圧を
表わし、第二項は△■BEによる電圧を表わしている。
つまりこのような条件式(7)を満たすように(1)式
が成り立っており、Vref=VgQに設定してやれば
温度変化に対して基準電圧を一定にできるわけである。
しかるに、以上の原理に基すいて回路を構成した場合、
第1図、第2図に示した従来例の出力としての基準電圧
は、エネルギー・バンド・ギャップ電圧としてしか基準
電圧を得ることができない。
例えは、従来の方法をとる限り、半導体材にSi(シリ
コン)を用いて半導体集積回路を構成すると、基準電圧
の値は約1.2a7cV’)にしか成り得ないという必
要条件が付き、回路設計において必要とされる基準電圧
を得るためには後段にレベルシフト回路を設けなけれは
ならなかった。さらに、電源電圧が1.237 (V 
)より低い場合には、この方法と回路では実現できない
という大きな問題かあった。ここにVref=1.23
7(v ’)とした理由は、半導体集積回路で容易に構
成できる拡散抵抗の温度係数を考慮したためである。な
お純粋なSiのエネルギー・バンド・ギャップの外挿電
圧VgQは、1.205 CV )となつでいる。
本発明は上記のような従来回路の二つの欠点を取り除く
ことを目的として考案されたもので、基本的原理は従来
例と同一の考え方を用いている。
つまり、回路設計において必要とされる基準電圧を直接
的にしかも自由な希望する基準電圧として得られるよう
回路を構成し、さらに電源電圧か半導体のエネルギー・
バンド・キャップの外挿電圧よりも低い場合でも十分発
生できる基準電圧を提供することを目的としている。
第3図に本発明の基本回路を示す。第3図の基本回路に
ついて、各素子の相互関係を以下記述する。トランジス
タQl 、Q2 、Q3 、Q4 、Q5は第1ないし
第5のPNP トランジスタで、カレントミラーを構成
している。ここでトランジスタQ3は、コレクタとベー
スを接続することによりダイオード機能を持たせ、トラ
ンジスタQl 、Q2 、Q4 、Q5のコレクタ電流
はトランジスタQ3のコレクタ電流に依存した値として
流れる。また、第11ないし第13のトランジスタQl
l 、Q12 、Q13はPNP トランジスタでカレ
ントミラーを構成している。ここでトランジスタQ12
はコレクタとベースを接続することによりダイオード機
能を持たせ、トランジスタQll、Q13(7)コレク
タ電流は、トランジスタQ12のコレクタ電流に依存し
た値として流れる。トランジスタQ6とQ7は、ベース
を互に接続し、トランジスタQ7はダイオード機能を持
たせている。
ここでトランジスタQ7のエミッタには抵抗R1の一端
か接続され、他端はトランジスタQ6の工ミッタに接続
されるとともに、端子T2に接続されている。トランジ
スタQ6は相対的に大きい電流密度で動作させる。これ
に対し、トランジスタQ7の電流密度はトランジスタQ
6の電流密度の約1710程度の大きさとして動作させ
、この二つのトランジスタQ6とQ7のベース・エミッ
タ間の電位差△vBEが抵抗に1に印加される。ここで
トランジスタQ6のコレクタから電流増幅用トランジス
タQ8のベースに電流が送り込まれ、トランジスタQ8
のコレクタからカレントミラーのトランジスタQ3に増
幅した電流を供給する。このようにしてトランジスタQ
8とカレントミラーのトランジスタQ3によりカレント
ミラーの電流が制御され、トランジスタQ2と91を介
してトランジスタQ7と96の各コレクタに電流が供給
される。
ここで前記したように、トランジスタQ7のエミッタに
は抵抗に1が接続されているから、このループ回路に負
帰還がかかり、トランジスタQ6と97のベース・エミ
ッタ間の電位差△vBEと抵抗R1によってカレント・
ミラーの各部の電流が決定される。この電流を11・ 
とじ、l・ランジスタQ6に流れるエミッタ電流密度を
Jlとし、トランジスタQ7に流れるエミッタ電流密度
をJ2となお、ここで電流密度をJl、J2  に設定
する方法はトランジスタQl、Q2のベース・エミッタ
接合面積の比をとることにより設定したり、トランジス
タ4之6.Q7のベース・エミッタ接合面積の比をとる
こと番こJり設定することができる。たたし電流密度J
1とJ2の比を10倍位に取ると設計しやすいが、Jl
〉J2であれは一応のMす記回路動作をさせることがで
きる。
次に、カレントミラーのトランジスタQ4のコレクタ電
流としてトランジスタQ9.QIOにm・11・の電流
が供給される。ここでmは定数で、カレントミラーを構
成するトランジスタQ4のベース・エミッタ接合面積と
、トランジスタ見3のベース・エミッタ間接合面積の比
によって適当に設定する値である。
トランジスタQ9はベース・エミッタ間に抵抗に2が接
続されており、抵抗R2とトランジスタQ9のベースと
の接続点は、カレントミラーを構成するトランジスタQ
llのコレクタに接続されている。またトランジスタQ
10のベースはトランジスタQ9のコレクタに接続され
ており、トランジスタQIOは電流増幅用トランジスタ
として動作させ、そのコレクタはカレントミラーのトラ
ンジスタQ12に接続される。このカレントミラーはト
ランジスタQll、Q12.Q13により構成されてお
り、トランジスタQllのコレクタから抵抗R2,!:
 I−ランジスタQ9のベースとの接続点に接続する。
このような構成により抵抗R2での電圧降下をトランジ
スタQ9が検出し、トランジスタQ9のコレクタを通し
てトランジスタ(10のベースに前記検出電流を送り込
む。トランジスタ見10はこのベース電流を電流増幅し
、コレクタに増幅電流電流し、カレントミラーを構成す
るトランジスタQ12に電流を送り込む。カレントミラ
ーを構成するトランジスタQllのコレクタより再び抵
抗に2およびトランジスタQ9のベースに増幅された電
流が送り込まれる。このようにして、負帰還回路が構成
されている。そこでトランジスタQ10の電流増幅率が
十分大きいものと仮定すると、トランジスタQ9のコレ
クタには前記したm・ITの電流か流れるため、トラン
ジスタQ9のベース・エミッタ電圧vBE (9)は設
定され、このvBE(9)と抵抗R2によってカレント
ミラーを構成するトランジスタQ12のコレクタ電流が
決定される。ここで抵抗R2に流れる電流をIβ とす
ると次式が成り立つ。
次にカレントミラーのトランジスタQ5のコレクタ電流
とカレントミラーのトランジスタQ13のコレクタ電流
を加算するため、これらコレクタを互に接続する構成を
とる。なお、トランジスタQ5と93のベース・エミッ
タ接合面積の比により適当な電流値を得ること、そして
トランジスタQ13とQl2のベース・エミッタ接合面
積の比により適当な電流値を得ること、これらはもちろ
ん可能であるが、説明の都合上トランジスタQ5と93
およびトランジスタQ13とQl2のそれぞれのベース
・エミッタ接合面積比は、1対1として説明する。
そこでトランジスタQ5のコレクタ電流とトランジスタ
Q13のコレクタ電流を加算した電流を抵抗R3に流し
込むと、出力電圧である基準電圧Vref は、(8)
 、 (’117式を用いて次式で表わすことかできる
Vref  =R3(Iβ寸■1・)        
 ・・・・・・・・・・・・00これは条件式(7)と
比較すると右辺をエネルギー・バンド・ギャップの外挿
電圧に設定しさえすれば、Kは定数であるから温度補償
できることを意味している。
一△VBEを電流変換した11・とが、04式を満たす
された電流は、温度補償されていることになる。
なお、前記電圧を電流変換する際、その史換はIβ。
ITとも抵抗R1またはit 2によって行なわれてお
り、これら■βとITを電流の形で加算し、抵抗R3に
流して電流を電比変換して出力電圧を得ているので、各
抵抗のthIPL係数が等しいと仮定すれは各抵抗の温
度係数は相殺されることになる。
本発明の実施例回路を第4図に表わす。第4図の回路は
第31の回路を基本回路として実使用できる回路に盲き
換えたものである。
第4図について以下説明する。
抵抗R6、R7、R8、RIO、R11、R12、R1
3、R14は、カレントミラーを安定に動作させるため
のバラスト抵抗である。抵抗R4,R5,トランジスタ
見14゜Ql5は1絶対温度に比例した電流を作り出す
回路1のための1起動回路1である。抵抗R9、コンデ
ンサC1は1絶対温度に比例した電流を作り出す回路1
のための位相補償回路である。抵抗に15、コンデンサ
C2は、1ベース・エミッタによる負の温度係数を持つ
電流を作り出す回路1のための位相補償回路である。
なお、ここで記述した1絶対温反に比例した電流を作り
出す回路1とは、第3図、第4図とも共通の記号で示し
た素子で、トランジスタQl 、Q2 。
Q3 、Q6 、Q7 、Q8 、抵抗に1によって構
成される部分の回路を示しており、1ベース・エミッタ
による負の温度係数を持つ電流を作り出す回路1とは、
第3図、第41とも共通の記号で示した素子で、トラン
ジスタQ9 、QIO、Ql 1 、Ql2 、抵抗R
2によって構成される部分の回路を示している。
以下、この回路の動作について簡単に記述すると次のよ
うになる。
端子T1に電源が接続され、端子1゛2には電源の他端
である接地が接続され、端子T1と端子T2の間に電源
電圧が印加される。すると先ず前記1起動回路1により
、トランジスタQ15のコレクタに微少な電流が流れる
。すると1絶対温度に比例した電流を作り出す回路1か
動作を開始して、トランジスタQ4およびQ5の各コレ
クタから絶対温度に比例した電流が流れ出て来る。トラ
ンジスタQ4のコレクタからの電流は、1ベース・エミ
ッタによる負の温度係数を持つ電流を作り出す回路1が
動作を開始して、トランジスタQ13のコレクタからベ
ース・エミッタによる負の温度係数を持つ電流が流れ出
て来る。
以上のように回路が動作し、抵抗に3には前記二つの電
流が加算された形で電流が供給されて電圧が発生し、こ
の電圧を端子から取り出す形として温度補償された基準
電圧が得られるのである。
本発明による基準゛重圧発生回路は、温度補償されてい
ることはもち論、電源電圧の変動に対しても非常に安定
した電圧が得られる。また1起動回路1の抵抗R4に流
れる電流以外はすべてカレントミラーを介して電流が流
れるため、消費電流を少なくすることが可能である。特
に重要な効果としては、半導体集積回路で本発明の基Q
4’4圧発生回路を製造すると、半導体材料として使用
した半導体のエネルギー・バンド・ギャップの外挿電圧
Vg□よりも低い電源電圧で動作できることである。
一般にSi  (シリコン)の場合Vgo=1.205
CV’)となっているが、本発明の回路では電源1u圧
を約0.9Cv)迄低下させても、特性の悪化を見せず
に動作できる。また本発明によれば布中する基準電圧を
ほぼm s、 %L圧範囲内で自由に作れることも大き
な特徴である。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の基準電圧発生回路の回路図、第2図は従
来の基準電圧発生回路、の基本回路の回路図、m3図は
本発明の基本回路の回路図、第4図は本発明の実施例回
路の回路図である。 Q1〜Q13・・・第1ないしl813のトランジスタ
、R1−R3・・・第1ないし第3の抵抗、■1〜T3
・・・第1ないし第3の端子。 代理人 島 野イ1− 第1図 第2図 第3図 第4図 1 手続補正書(自発) 1.事件の表示    特願昭 56−179501 
 号2、発明の名称    基準電圧発生回路3、補正
をする者 (1) 5、補正の対象 明細書の特許請求の範囲の欄及び発明の詳細な説明の框 6、袖止の内界 (1)明細書の特許請求の範囲を別組;の通り訂正する
。 (2)明細書第9頁第2行、第6行のrl、237+を
11.205 jに訂正する。 (3)同第7〜10行の[間顯があった。ここに・・・
・・・・・・考慮したためである。なお純粋な1を1問
題があった。なお−1にd1正する。 (4)同第15頁第14行〜第16自8119行の[■
ref−R3(Iβ十IT)・・・・・・・・・・・・
福11皇補仔イされていることになる。」を以下の文語
にH1正する。 [ ここで(3)式および(4)式を参11Gシて(2) そこで0功式の濡10係数を求めるため(121式を絶
対馬用Tで微分すると、 右辺−〇とすると、次の条件が泊出できる。 04)式を変形して vgO−■BEo、−−吉ト VBEOIp すなわち00式は、IpとITとの電流比がVBE(!
+1 とVT−■go−■BEo の電圧比と同じII
〆1合いで合成された電流は濡IV袖1′ηされている
ことになる。−1以   上 特許請求の範囲 (1)第1ないし第5のトランジスタにより、ダイオー
ド枦能を持つ第3のトランジスタを基準とするカレント
ミラーが構成され、上記5つのトランジスタの各エミッ
タは互に接続して第1の端子に接続され、各ベースは互
に#糾して成り、第3のトランジスタはダイオード機能
を持たせるためベースとコレクタを接続して成、す、第
1の端子は電源に接続されており、 第11ないし第13のトランジスタにより、ダイオード
機能を持つ第12のトランジスタを基準とするカレント
ミラーが構成され、該3つのトランジスタの各エミッタ
は互に接続して第1の端子にm続され、各ベースは互に
接続して成り、第12のトランジスタはダイオード機能
を持たせるためベースとコレクタを接続して成り、 第6および第7のトランジスタは互にベースが接続され
、第7のトランジスタはダイオード機能を持たせるため
ベースとコレクタをmWして成り、該第7のトランジス
タのコレクタは上記第2のトランジスタのコレクタに接
続して成り、第6のトランジスタのコレクタは上記第1
のトランジスタのコレクタに接続して成、す、第7のト
ランジスタのエミッタは第1の抵抗を介して第6のトラ
ンジスタのエミッタに接続して成り、第6のトランジス
タと第1の抵抗との接続点は第2の端子に接続して成り
、該第2の端子は上記′電源の他端である接地端子とな
っており、 第8のトランジスタはそのベースを上記第6のトランジ
スタのコレクタと上記第1のトランジスタのコレクタと
の接続点に接続して成り、第8のトランジスタのコレク
タは上記第3のトランジスタのコレクタに接続しで成り
、上記第8のトランジスタのエミッタは上記第2の端子
に接続して成り、 第9のトランジスタはそのベースを上記第11のトラン
ジスタのコレクタにv続し、さらに第2の抵抗に接続し
てJiEす、第9のトランジスタのコレクタは上記第4
のトランジスタのコレクタに接続し、さらに第10のト
ランジスタのベースに接続して成り、第9のトランジス
タのエミッタハ第2の端子に接続して成り、またこのエ
ミッタは上記第2の抵抗の他端に接続して成り、第10
のトランジスタはそのベースを上記第9のトランジスタ
のコレクタと上記第4のトランジスタのコレクタとの接
続点に接続して成り、第10のトランジスタのコレクタ
は上記第12のトランジスタのコレクタに接続して成り
、第10のトランジスタのエミッタは第2の端子に接続
して成り、第3の抵抗は一端を第2の端子に16糾して
成り、他端は第3の端子に+4 ?、?して成り、さら
にこの他端は上記第13のトランジスタのコレクタに接
続して成り、さらにこの他端は上記第5のトランジスタ
のコレクタにPM AJAして成り、上記第3の端子は
上記第2の端子との四の電圧が一定になるような本回路
の出力端子となっていることを特徴とする基準電圧発生
回路。 (2)半導体集積回路で1造され、−上記第13のトラ
ンジスタのコレクタ′市流と上記第5のトランジスタの
コレクタ電流との比を上記第9のトランジスタのベース
・エミッタ間の電圧VnE(+1)と該集積回路の素材
となる半導体のエネルギー・バンド・ギャップの外挿電
圧vgoから該電圧Vn E(!l’)をσ1き算した
値VT=: Vgo  VBE(9)との比としたこと
を特徴とする特許請求の範囲第1項記載の基準電圧発生
回路。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)第1ないし第5のトランジスタにより、ダイオー
    ド機能を持つ第3のトランジスタを基準とするカレント
    ミラーが構成され、上記5つのトランジスタの各エミッ
    タは互に接続して第】の端子に接続され、各ベースは互
    に接続して成り、第3のトランジスタはダイオード機能
    を持たせるためベースとコレクタを接続して成り、第1
    の端子は電源に接続されており、 第11ないし第13のトランジスタにより、ダイオード
    機能を搾つ第12のトランジスタを基準とするカレント
    ミラーか構成され、該3つのトランジスタの各エミッタ
    は互に接続して第1の端子に接続され、各ベースは互に
    接続して成り、第12のトランジスタはダイオード機能
    を持たせるためベースとコレクタを接続して成り、 第6および第7のトランジスタは互にベースか接続され
    、第7のトランジスタはタイオード機能を持たせるため
    ベースとコレクタを接続して成り、ンジスタのコレクタ
    は上記第1のトランジスタのコレクタに接続して成り、
    第7のトランジスタのエミッタは第1の抵抗を介して第
    6のトランジスタのエミッタに接続して成り、第6のト
    ランジスタと第1の抵抗との接続点は第2の端子に接続
    して成り、該第2の端子は」二組箱諒の他端である接地
    端子となっており、 第8のトランジスタはそのベースを−1−記第6のトラ
    ンジスタのコレクタと上R己第1のトランジスタのコレ
    クタとの接続点に接続して成り、$8のトランジスタの
    コレクタは上記第3のトランジスタのコレクタに接続し
    て成り、」二組f4JBのトランジスタのエミッタは上
    記第2の端子に接続して成り、 第9のトランジスタはそのベースを上記第1のトランジ
    スタのコレクタに接続し、さらに第2の抵抗に接続して
    成り、第9のトランジスタのコレクタは上記94″J4
    のトランジスタのコレクタに接続し、さらに第10のト
    ランジスタのベースに接続して成り、第9のトランジス
    タのエミッタは第2の端子に接続して炒、す、またこの
    エミッタは上記第2の↑ε抗の他端に接続して成り、第
    10のトランジスタはそのベースを上記第9のトランジ
    スタのコレクタと上記第4のトランジスタのコレクタと
    の接続点に接続して軟り、第10のトランジスタのコレ
    クタは上記第12のトランジスタのコレクタに接続して
    成り、第10のトランジスタのエミッタは第2の端子に
    接続して成り、 第3の指抗は一端を第2の端子に接続して荻り、他端は
    第3の端子に接続して成り、さらにこの他端は上記第1
    3のトランジスタのコレクタに接続して成り、さらにこ
    の他端は上記第5のトランジスタのコレクタに接続して
    成り、 上記第3の端子は上記第2め端子との間の重圧か一定に
    なるような本回路の出力端子となっていることを特徴と
    する基準電圧発生回路。
  2. (2)  半導体集積回路で製造され、」―組部13の
    トランジスタのコレクタ電流と上ft、’1NS 5の
    トランジスタのコレクタ電流との比を」−配電9のトラ
    ンジスタのベース・エミッタ間の電圧V  と該集HE
    (!]) 積回路の素材となる半導体のエネルギー・バンド・ギャ
    ップの外押電圧■ から該重圧V  を引go    
        旧シ(9) き算した値vT−■go −vBE(9)  との比と
    したことを特徴とする特許請求の範囲第1JA記載の基
    準電圧発生回路。
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