JP2013058155A

JP2013058155A - 基準電圧回路

Info

Publication number: JP2013058155A
Application number: JP2011197357A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Sugiura; 正一杉浦
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2011-09-09
Filing date: 2011-09-09
Publication date: 2013-03-28
Also published as: CN102999078A; TW201324073A; US20130063201A1; KR20130028682A

Abstract

【課題】温度依存性が少ない低電圧（１．２５Ｖ以下）の定電圧を発生する、基準電圧回路を提供すること。
【解決手段】二つのＰＮ接合を有し、いずれかのＰＮ接合に基づいた電圧Ｖｋと、二つのＰＮ接合の電圧の差に基づいた電流Ｉｋと、を出力するバンドギャップ電圧発生回路と、電圧Ｖｋを分圧する分圧回路と、を備え、分圧回路は入力する電流Ｉｋにより分圧電圧を補正して、基準電圧として出力する、構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、温度依存性が少ない定電圧を発生する、基準電圧回路に関する。

従来、温度依存性が少ない定電圧を発生する基準電圧回路として、シリコンのバンドギャップ値とほぼ等しい電圧を発生するバンドギャップ基準電圧回路が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図４は、従来のバンドギャップ基準電圧回路を示す構成図である。従来のバンドギャップ基準電圧回路は、ＰＮ接合４０１と、ＰＮ接合４０２と、Ｒ１なる抵抗値をもつ抵抗４０３と、トランジスタ４０４と、トランジスタ４０５と、トランジスタ４０６と、抵抗４０３と同種（等しい温特）の抵抗でありＲ２なる抵抗値をもつ抵抗４０７と、ＰＮ接合４０８と、アンプ４０９を、備えている。ＰＮ接合４０１とＰＮ接合４０２は、実効的な面積比（例えば、アノード・カソード接合面積比）が１：Ｋ１の関係となっている。

トランジスタ４０４とトランジスタ４０５は、ゲートソース間電圧が等しいので、寸法比に基づいた電流が流れる。例えば、寸法比を１：１とすれば、トランジスタ４０４とトランジスタ４０５には凡そ等しい電流が流れる。ここで、トランジスタ４０４とトランジスタ４０５の電流が凡そ等しいことを前提とする。アンプ４０９は、電圧ＶＡと電圧ＶＢが等しくなる様に、トランジスタ４０４とトランジスタ４０５に流れる電流を制御する。このとき、トランジスタ４０５に流れる電流Ｉｂは、（１）式に示す通りとなる。
Ｉｂ＝ＶＴ×｛ｌｎ（Ｋ１）｝／Ｒ１ …（１）
ここで、ＶＴは熱電圧であり、ｋＴ／ｑと表される。但し、ｑは単位電子電荷、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度である。

トランジスタ４０６には、電流Ｉｂに基づいた電流が流れる。今、トランジスタ４０５とトランジスタ４０６の寸法比が１：１で、ＰＮ接合４０８に生じる電圧を電圧Ｖｐｎ３とすれば、基準電圧Ｖｒｅｆは（２）式に示す通りとなる。
Ｖｒｅｆ＝Ｖｐｎ３＋（Ｒ２／Ｒ１）×ＶＴ×｛ｌｎ（Ｋ１）｝ …（２）
電圧Ｖｐｎ３が凡そ−２．０ｍＶ／℃の負の温度特性を持つ為、第１項は負の温度特性を示す。熱電圧ＶＴが正の温度特性を持つ為、第２項は正の温度特性を示す。
（２）式をＴに関して微分し、これがゼロとなる条件を求めると、（３）式に示す通りとなる。
（Ｒ２／Ｒ１）×（ｋ／ｑ）×｛ｌｎ（Ｋ１）｝＝０．００２ …（３）
従って、（３）式を満たすように（Ｒ２／Ｒ１）を設定すれば、温度依存性のない基準電圧Ｖｒｅｆを実現することが出来る。
以上の様にして、温度依存性が少ない電圧を発生する基準電圧回路が得られる。

特開２００８−３０５１５０号公報

しかし、従来のバンドギャップ基準電圧回路では、基準電圧Ｖｒｅｆは式（２）と（３）より凡そ１．２５Ｖである。従って、動作電圧をこれにより制限される電圧以下にできない、という問題点があった。
本発明は、上記の様な問題点を解決するために考案されたものであり、温度依存性が少なく、より低い電圧を発生する基準電圧回路を実現するものである。

本発明の基準電圧回路は、二つのＰＮ接合を有し、ＰＮ接合に基づいた電圧Ｖｋと、二つのＰＮ接合の電圧の差に基づいた電流Ｉｋと、を出力するバンドギャップ電圧発生回路と、電圧Ｖｋを分圧する分圧回路と、を備え、分圧回路は入力する電流Ｉｋにより分圧電圧を補正して、基準電圧として出力する、構成とした。

本発明の基準電圧回路によれば、温度依存性が少なく、低い基準電圧を発生する基準電圧回路を提供することが、出来る。

第一の実施形態の基準電圧回路を示す構成図である。第二の実施形態の基準電圧回路を示す構成図である。第三の実施形態の基準電圧回路を示す構成図である。従来のバンドギャップ基準電圧回路を示す構成図である。

図１から図３は、本実施形態の基準電圧回路を示す構成図である。
本実施形態の基準電圧回路は、バンドギャップ電圧発生回路１００と、分圧回路１０１と、を備えている。バンドギャップ電圧発生回路１００は、二つのＰＮ接合（実効的な面積比、例えば、アノード・カソード接合面積比が１：Ｋ１の関係）の電圧に基づいて、電圧Ｖｋ及び電流Ｉｋを生成し、出力する。分圧回路１０１は、バンドギャップ電圧発生回路１００から入力される電圧Ｖｋ及び電流Ｉｋに基づいて、基準電圧Ｖｒｅｆを出力する。

＜第一の実施形態＞
図１に、第一の実施形態の基準電圧回路の構成図を示す。
バンドギャップ電圧発生回路１００は、ＰＮ接合４０１及び４０２と、抵抗４０３と、トランジスタ４０４及び４０５と、アンプ４０９と、トランジスタ１１と、を備えている。分圧回路１０１は、アンプ１２、抵抗１３及び１４を備えている。

トランジスタ４０４とＰＮ接合４０１は、電源と接地間に直列に接続される。トランジスタ４０５と抵抗４０３とＰＮ接合４０２は、電源と接地間に直列に接続される。アンプ４０９の反転入力端子は、トランジスタ４０４とＰＮ接合４０１の接続点と接続される。アンプ４０９の非反転入力端子は、トランジスタ４０５と抵抗４０３の接続点と接続される。アンプ４０９の出力端子は、トランジスタ４０４とトランジスタ４０５とトランジスタ１１のゲート端子と接続される。

ここで、ＰＮ接合に基づいた電圧Ｖｋとして、ＰＮ接合４０１に生じる電圧ＶＡを用いる。また、ＰＮ接合に基づいた電流Ｉｋとして、トランジスタ４０４及びトランジスタ４０５とゲート端子が共通に接続されたトランジスタ１１の流す電流を用いる。

アンプ１２は、非反転入力端子に電圧Ｖｋが入力され、出力端子と反転入力端子が接続される。抵抗１３及び１４は、アンプ１２の出力端子と接地間に直列に接続される。抵抗１３と１４の接続点は、トランジスタ１１のドレイン端子と接続され、基準電圧回路の出力端子と接続される。

以下に、本実施形態の基準電圧回路の動作について説明する。
アンプ４０９は、電圧ＶＡと電圧ＶＢが等しくなる様に、トランジスタ４０４とトランジスタ４０５に流れる電流を制御する。

トランジスタ４０５に流れる電流Ｉｂは、ＰＮ接合４０１に生じる電圧Ｖｐｎ１とＰＮ接合４０２に生じる電圧Ｖｐｎ２との電圧の差を、抵抗４０３の抵抗値Ｒ１で除算した値となる。即ち、トランジスタ４０５には、二つのＰＮ接合の電圧の差に基づいた電流Ｉｂが流れる。

ここで、トランジスタ１１とトランジスタ４０５は、ゲートソース間電圧が等しいので、寸法比に基づいた電流が流れる。例えば、寸法比を１：１とすれば、トランジスタ１１とトランジスタ４０５は凡そ等しい電流Ｉｂが流れる。つまり、トランジスタ１１には、二つのＰＮ接合の電圧の差に基づいた電流Ｉｂに等しい電流Ｉｋが流れる。

トランジスタ１１に流れる電流Ｉｋは、（４）式で示される。
Ｉｋ＝ＶＴ×｛ｌｎ（Ｋ１)｝／Ｒ１ …（４）
ここで、ＶＴは熱電圧であり、ｋＴ／ｑと表される。但し、ｑは単位電子電荷、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度である。

電圧Ｖｒｅｆは、抵抗１３の抵抗値をＲ３、抵抗１４の抵抗値をＲ４とすれば、（５）式で示される。
Ｖｒｅｆ＝Ｉｋ×（Ｒ３×Ｒ４）／（Ｒ３＋Ｒ４）＋Ｖｋ×Ｒ３／（Ｒ３＋Ｒ４）
＝｛Ｒ３／（Ｒ３＋Ｒ４）｝×｛（Ｒ４／Ｒ１）×ＶＴ×｛ｌｎ（Ｋ１）｝＋Ｖｋ｝ …（５）
（５）式において、（Ｒ４／Ｒ１）×ＶＴ×｛ｌｎ（Ｋ１) ｝は、熱電圧ＶＴが正の温度特性を持つ為、正の温度特性を示す。また、Ｖｋは、Ｖｐｎ１が凡そ−２．０ｍＶ／℃の負の温度特性を持つ為、負の温度特性を示す。従って、（Ｒ４／Ｒ１）を、適当に設定すれば、（５）式の｛（Ｒ４／Ｒ１）×ＶＴ×｛ｌｎ（Ｋ１）｝＋Ｖｋ｝は、温度依存性が少ないものとして得られる。そして、｛Ｒ３／（Ｒ３＋Ｒ４）｝を適切に設定しさえすれば、基準電圧Ｖｒｅｆは、（５）式の｛（Ｒ４／Ｒ１）×ＶＴ×｛ｌｎ（Ｋ１）｝＋Ｖｋ｝を分圧したものとして、絶対値を自由に得られる。

以上説明したように、第一の実施形態の基準電圧回路の基準電圧Ｖｒｅｆは、低電圧（１．２５Ｖ以下）で温度依存性が少ない電圧として得ることが出来る。従って、基準電圧回路の動作電圧の低減も可能となる。

なお、第一の実施形態の基準電圧回路において、電圧Ｖｋをアンプ１２でインピーダンス変換する構成としたが、電圧Ｖｋのインピーダンスが低い場合は、電圧Ｖｋを直接抵抗１４に接続する構成としても良い。
また、第一の実施形態の基準電圧回路において、ＰＮ接合に基づいた電圧Ｖｋとして、ＰＮ接合４０１に生じる電圧ＶＡを用いたが、電圧ＶＢであっても、他の電圧であってもよい。

また、第一の実施形態の基準電圧回路において、電圧ＶＢを発生する回路として、接地からＰＮ接合４０２と抵抗４０３の順に直列に接続された回路構成としたが、逆に接続されていても同様の効果が得られる。

＜第二の実施形態＞
図２に、第二の実施形態の基準電圧回路の構成図を示す。
バンドギャップ電圧発生回路１００は、ＰＮ接合４０１及び４０２と、抵抗４０３と、トランジスタ２１、２２、２３、２４、２５、２７と、ＰＮ接合２６と、トランジスタ１１と、を備えている。

ＰＮ接合４０１及び４０２と、抵抗４０３は、第一の実施形態の基準電圧回路と同様に構成される。トランジスタ２１及び２２と、トランジスタ２３、２４及び２５は、カレントミラー回路を構成する。トランジスタ２７及びトランジスタ２７とＰＮ接合２６は、電源と接地間に直列に接続される。トランジスタ２７及びトランジスタ１１は、カレントミラー回路を構成する。

カレントミラー回路は、ＰＮ接合４０１と４０２及び抵抗４０３に等しい電流を流すので、電圧ＶＡと電圧ＶＢが等しくなる。

ここで、ＰＮ接合に基づいた電圧Ｖｋとして、ＰＮ接合４０１に生じる電圧ＶＡを用いる。また、ＰＮ接合に基づいた電流Ｉｋとして、ＰＮ接合素子２６とトランジスタ２３及びトランジスタ２４とゲート端子が共通に接続されたトランジスタ２５の流す電流を用いる。

以上説明した図２に示すような構成をした第二の実施形態の基準電圧回路によっても、第一の実施形態の基準電圧回路と同様の効果を得ることが出来る。

なお、第二の実施形態の基準電圧回路において、電圧Ｖｋをアンプ１２でインピーダンス変換する構成としたが、電圧Ｖｋのインピーダンスが低い場合は、電圧Ｖｋを直接抵抗１４に接続する構成としても良い。
また、第二の実施形態の基準電圧回路において、ＰＮ接合に基づいた電圧Ｖｋとして、ＰＮ接合４０１に生じる電圧ＶＡを用いたが、電圧ＶＢであっても、他の電圧であってもよい。

また、第二の実施形態の基準電圧回路において、電圧ＶＢを発生する回路として、接地からＰＮ接合４０２と抵抗４０３の順に直列に接続された回路構成としたが、逆に接続されていても同様の効果が得られる。

＜第三の実施形態＞
図３に、第三の実施形態の基準電圧回路の構成図を示す。
バンドギャップ電圧発生回路１００は、電流源３１ａ及び３１ｂと、ＰＮ接合４０１及び４０２と、トランジスタ３３ａ及び３３ｂと、抵抗３４ａ及び３４ｂと、アンプ３９ａ及び３９ｂと、トランジスタ３５及び１１と、を備えている。

電流源３１ａとＰＮ接合４０１は、電源と接地間に直列に接続され、その接続点はアンプ３９ａの非反転入力端子に接続される。アンプ３９ａは、出力端子がトランジスタ３３ａのゲート端子に接続され、反転入力端子がトランジスタ３３ａのソース端子に接続される。トランジスタ３５、３３ａ、抵抗３４ａは、電源と接地間に直列に接続される。トランジスタ３５と１１は、カレントミラー接続される。

電流源３１ｂとＰＮ接合４０２は、電源と接地間に直列に接続され、その接続点はアンプ３９ｂの非反転入力端子に接続される。アンプ３９ｂは、出力端子がトランジスタ３３ｂのゲート端子に接続され、反転入力端子がトランジスタ３３ｂのソース端子に接続される。トランジスタ１１、３３ｂ、抵抗３４ｂは、電源と接地間に直列に接続される。

トランジスタ３３ａと抵抗３４ａは、ＰＮ接合４０１に生じる電圧Ｖｐｎ１に基づく電流Ｉａを流す。トランジスタ３３ｂと抵抗３４ｂは、ＰＮ接合４０２に生じる電圧Ｖｐｎ２に基づく電流Ｉｂを流す。

ここで、ＰＮ接合に基づいた電圧Ｖｋとして、ＰＮ接合４０１に生じる電圧ＶＡを用いる。また、二つのＰＮ接合の電圧の差に基づいた電流Ｉｋとして、電流Ｉａから電流Ｉｂを引いた電流を用いる。上述のことから、電流Ｉａから電流Ｉｂを引いた電流Ｉｋは、二つのＰＮ接合の電圧の差に基づいた電流になっている。

以上説明した図３に示すような構成をした第三の実施形態の基準電圧回路によっても、第一の実施形態の基準電圧回路と同様の効果を得ることが出来る。

なお、第三の実施形態の基準電圧回路において、電圧Ｖｋをアンプ１２でインピーダンス変換する構成としたが、電圧Ｖｋのインピーダンスが低い場合は、電圧Ｖｋを直接抵抗１４に接続する構成としても良い。
また、第三の実施形態の基準電圧回路において、ＰＮ接合に基づいた電圧Ｖｋとして、ＰＮ接合４０１に生じる電圧ＶＡを用いたが、電圧ＶＢであっても、他の電圧であってもよい。

１００バンドギャップ電圧発生回路
１０１分圧回路
１２、３１ａ、３２ｂ、４０９アンプ

Claims

二つのＰＮ接合の電圧の差に基づいた定電圧を出力する基準電圧回路であって、
前記ＰＮ接合のいずれかに基づいた電圧Ｖｋと、前記二つのＰＮ接合の電圧の差に基づいた電流Ｉｋと、を出力するバンドギャップ電圧発生回路と、
前記電圧Ｖｋを分圧する分圧回路と、を備え、
前記分圧回路は、入力する前記電流Ｉｋにより分圧電圧を補正して、基準電圧として出力する、
ことを特徴とする、基準電圧回路。
前記分圧回路は、
電圧Ｖｋと接地間に接続された複数の抵抗を備え、
前記複数の抵抗の接続点に前記電流Ｉｋが入力される、ことを特徴とする請求項１に記載の基準電圧回路。
前記分圧回路は、
電圧Ｖｋが一方の入力端子に入力され、出力端子が他方の入力端子に接続されたアンプと、
前記アンプの出力端子と接地間に接続された複数の抵抗と、を備え、
前記複数の抵抗の接続点に前記電流Ｉｋが入力される、ことを特徴とする請求項１に記載の基準電圧回路。