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公開番号2021022177
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210218
出願番号2019138412
出願日20190729
発明の名称基準電圧回路
出願人エイブリック株式会社
代理人
主分類G05F 3/26 20060101AFI20210122BHJP(制御;調整)
要約【課題】定電流源からツェナーダイオードに流す電流を増加させることなく、ツェナーダイオードのカソードに印加される電圧の温度依存性における線形性を維持でき、電力消費を抑制することで省電力化が可能な基準電圧回路を提供する。
【解決手段】基準電圧回路1は、カソードが第1ノードを介して電流源に接続され、アノードが接地点に接続されたツェナーダイオードZDと、一端が第1ノードと接続された第1抵抗31と、一端が第1抵抗の他端に接続された第2抵抗32と、アノードが第2ノードを介して第2抵抗の他端に接続され、カソードが接地点に接続された第1ダイオードと、第1ダイオードのアノード電圧に対応した制御電流を生成し、電流源に対して制御電流に対応する基準電流を第1ダイオードに供給させる電流制御回路20と、を備える。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
カソードが第1ノードを介して電流源に接続され、アノードが接地点に接続されたツェナーダイオードと、
一端が前記第1ノードと接続された第1抵抗と、
一端が前記第1抵抗の他端に接続された第2抵抗と、
アノードが第2ノードを介して前記第2抵抗の他端に接続され、カソードが接地点に接続された第1ダイオードと、
前記第1ダイオードのアノード電圧に対応した制御電流を生成し、前記電流源に対して当該制御電流に対応する基準電流を前記第1ダイオードに供給させる電流制御回路と
を備えることを特徴とする基準電圧回路。
続きを表示(約 1,800 文字)【請求項2】
前記電流源が、前記制御電流を入力電流とし、前記基準電流を出力電流とする第1カレントミラー回路を備え、
前記電流制御回路が、前記アノード電圧を前記制御電流に変換するV/I変換素子を備える
ことを特徴とする請求項1に記載の基準電圧回路。
【請求項3】
前記電流制御回路が、
非反転入力端子が前記第2ノードに接続され、反転入力端子が前記V/I変換素子の一端に接続された第1誤差増幅回路と、
ドレインが前記第1カレントミラー回路の入力端子に接続され、ゲートが前記第1誤差増幅回路の出力端子に接続され、ソースが前記V/I変換素子の一端に接続された、nチャネル型の第1トランジスタと、
を備えることを特徴とする請求項2に記載の基準電圧回路。
【請求項4】
前記電流源が、ソースが電源に接続され、ドレインが前記第1ノード接続されたpチャネル型の第2トランジスタであり、
前記電流制御回路が、
前記制御電流に対応した前記基準電流を前記第2トランジスタが流すように制御する
ことを特徴とする請求項1に記載の基準電圧回路。
【請求項5】
前記電流制御回路が、
ソースが前記電源に接続されたpチャネル型の第3トランジスタと、
反転入力端子が前記第2ノードに接続され、非反転入力端子が前記第3トランジスタのドレインに接続され、出力端子が前記第2トランジスタのゲート及び前記第3トランジスタのゲートに接続された第2誤差増幅回路と、
前記非反転入力端子と前記接地点との間に接続された、前記第1ダイオードと同様の特性を有するV/I変換素子と、
を備えることを特徴とする請求項4に記載の基準電圧回路。
【請求項6】
前記電流制御回路が、
第2カレントミラー回路と、
ドレインが前記第2カレントミラー回路の入力端子に接続されたnチャネル型の第4トランジスタと、
ドレイン及びゲートが前記第2カレントミラー回路の出力端子と前記第4トランジスタのゲートに接続され、ソースが前記第2ノードに接続されたnチャネル型の第5トランジスタと、
前記第4トランジスタのソースと接地点との間に接続された、前記第1ダイオードと同様の特性を有するV/I変換素子と、
を備えることを特徴とする請求項4に記載の基準電圧回路。
【請求項7】
前記V/I変換素子が、
前記第1ダイオードと同様の特性を有する第2ダイオードを備える
ことを特徴とする請求項3、請求項5または請求項6に記載の基準電圧回路。
【請求項8】
前記V/I変換素子が、
第2ダイオードと、第3抵抗と、第4抵抗及び第3ダイオードが直列に接続された直列回路と、のいずれか、または組合せが並列に接続されている
ことを特徴とする請求項3、請求項5または請求項6に記載の基準電圧回路。
【請求項9】
前記第1ノードと前記第1抵抗との間に順方向に接続される第4ダイオードを備える
ことを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の基準電圧回路。
【請求項10】
前記電流源が、前記ツェナーダイオードの電流を流す定電流源と、出力端子が前記第1ノードと接続された第3カレントミラー回路とを備え、
前記第1ダイオードは、コレクタ及びベースがダイオード接続され、エミッタが接地点に接続されたnpn型の第1バイポーラトランジスタで形成され、
前記電流制御回路は、コレクタが前記第3カレントミラー回路の入力端子に接続され、ベースが前記第1バイポーラトランジスタのコレクタ及びベースに接続され、エミッタが接地点に接続されたnpn型の第2バイポーラトランジスタで形成され、
前記第3カレントミラー回路は、前記制御電流を入力電流とし、前記基準電流を出力電流とする
ことを特徴とする請求項1に記載の基準電圧回路。
【請求項11】
前記第1バイポーラトランジスタのベース−エミッタのダイオード特性が、前記第2バイポーラトランジスタのベース−エミッタのダイオード特性と同様である
ことを特徴とする請求項10に記載の基準電圧回路。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、基準電圧回路に関する。
続きを表示(約 9,000 文字)【背景技術】
【0002】
従来から、基準電圧回路は、所定の電圧と閾値電圧とを比較する比較器に対して、この閾値電圧となる基準電圧を生成する回路として、電子回路に幅広く用いられる。
この基準電圧回路には、簡易な構成で基準電圧が生成できるため、ツェナーダイオード、ダイオード及び抵抗を備えた構成が用いられる(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
図7に示す基準電圧回路100は、定電流回路103の出力端子と接地点との間に、ツェナーダイオード104と、抵抗107、106及びダイオード105の直列接続とが並列に接続されている。また、ツェナーダイオード104が逆方向に、ダイオード105が順方向に接続されている。
これにより、基準電圧回路100は、抵抗107及び106の接続点から、基準電圧となる出力電圧Voutを出力する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
特許第1141160号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
基準電圧回路100において、出力電圧Voutは(A1)式により表される。
Vout=(R
106
・V
z
+R
107
・V
D
)/(R
106
+R
107
) …(A1)
上記(A1)式において、V
z
はツェナーダイオード104のカソードの電圧、V
D
はダイオード105のアノードの電圧、R
106
及びR
107
は抵抗106、107それぞれの抵抗値である。
【0006】
また、ダイオード105を流れる電流I
105
は(A2)式により表される。

105
=(V
z
−V
D
)/(R
106
+R
107
) …(A2)
ここで、電圧V
z
は正の温度係数を有し、電圧V
D
は負の温度係数を有する。
抵抗R106及びR107の温度係数が0の場合(温度係数を有さない場合)、電流I
105
は正の温度係数を有する。
【0007】
定電流源103が供給する電流をI
103
とした場合、ツェナーダイオード104に流れる電流I
104
は(A3)式により表される。

104
=I
103
−I
105
…(A3)
電流I
103
が温度係数を有さない場合、電流I
105
が正の温度係数を有するため、電流I
104
は負の温度係数を有する。
【0008】
すなわち、電流I
103
が変化せず、温度の上昇に対応して電流I
105
が増加するに従い、電流I
104
が相対的に減少する。このため、基準電圧回路100の場合、温度が上昇するに従って電流I
104
が減少するため、電圧V
z
の温度変化に対する線形性を保つことができなくなる。
【0009】
一方、温度が上昇して電流I
105
が増加した場合においても、電圧V
D
の負の温度係数の影響を低減するために電流I
103
を増加させることで、電圧V
z
の温度変化に対する線形性を保たせ、出力電圧Voutの温度係数を0とすることができる。
しかしながら、電圧V
z
の線形性を保たせるためには、電圧V
D
の負の温度係数の影響を低減させる程度の大きな電流I
103
をバイアス電流としてツェナーダイオード104に定常的に流す必要があり、基準電圧回路の低消費電力化を行うことが困難になる。
【0010】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、定電流源からツェナーダイオードに流す電流を増加させることなく、ツェナーダイオードのカソードに印加される電圧の温度依存性における線形性を維持でき、電力消費を抑制することで省電力化が可能な基準電圧回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明の基準電圧回路は、カソードが第1ノードを介して電流源に接続され、アノードが接地点に接続されたツェナーダイオードと、一端が前記第1ノードと接続された第1抵抗と、一端が前記第1抵抗の他端に接続された第2抵抗と、アノードが第2ノードを介して前記第2抵抗の他端に接続され、カソードが接地点に接続された第1ダイオードと、前記第1ダイオードのアノード電圧に対応した制御電流を生成し、前記電流源に対して当該制御電流に対応する基準電流を前記第1ダイオードに供給させる電流制御回路とを備えることを特徴とする。
【0012】
この発明によれば、定電流源からツェナーダイオードに流す電流を増加させることなく、ツェナーダイオードのカソードに印加される電圧の温度依存性における線形性を維持でき、電力消費を抑制することで省電力化が可能な基準電圧回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
第1の実施形態による基準電圧回路の構成例を示す回路図である。
V/I変換素子の一例を示す回路図である。
第1の実施形態による基準電圧回路の変形例を示す回路図である。
第2の実施形態による基準電圧回路の構成例を示す回路図である。
第3の実施形態による基準電圧回路の構成例を示す回路図である。
第4の実施形態による基準電圧回路の構成例を示す回路図である。
従来の基準電圧回路を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、図面を参照して、本実施形態について説明する。
<第1の実施形態>
図1は、第1の実施形態による基準電圧回路の構成例を示す回路である。
基準電圧回路1は、カレントミラー回路10、電流制御回路20、抵抗31(第1抵抗)、32(第2抵抗)、ツェナーダイオードZD及びダイオードD1を備えている。
カレントミラー回路10は、pチャネル型のトランジスタ11及び12を備えており、トランジスタ11のドレインが出力端子Toに接続され、トランジスタ12のドレインが入力端子Tiに接続されている。
電流制御回路20は、基準電圧回路1における電流源であり、誤差増幅回路OP1、トランジスタ21及びV/I変換素子22を備えている。
【0015】
ツェナーダイオードZDは、カソードがカレントミラー回路10の出力端子Toに接続され、アノードが接地点に接続されている。
抵抗31は、一端がツェナーダイオードZDのカソードに接続され、他端が抵抗32の一端及び出力端子TVoutに接続されている。
抵抗32は、他端がダイオードD1のアノードに接続されている。
ダイオードD1は、カソードが接地点に接続されている。
トランジスタ21は、nチャネル型のトランジスタであり、ドレインがカレントミラー回路10の入力端子Tiに接続され、ゲートが誤差増幅回路OP1の出力端子に接続され、ソースがV/I変換素子22の一端に接続されている。
誤差増幅回路OP1は、非反転入力端子がダイオードD1のアノードに接続され、反転入力端子がV/I変換素子22の一端に接続されている。
【0016】
V/I変換素子22は、他端が接地点に接続されており、ダイオードD1の電圧V
D
を制御電流I
con
に変換する。
図2は、V/I変換素子の一例を示す回路図である。図2において、V/I変換素子22は、ダイオード22A、抵抗22B、抵抗22C及びダイオード22Dを備えている。
V/I変換素子22の一端と他端の間に、ダイオード22Aと、抵抗22Bと、抵抗22C及びダイオード22Dの直列回路とが並列に接続されている。ここで、ダイオード22A及び22Dは、V/I変換素子22の一端から他端において順方向に接続されている。
【0017】
基準電圧回路1は、トランジスタ11及び12のソースに電源電圧VDDが印加されることにより、出力端子TVoutから出力電圧Voutを出力する。
このとき、ツェナーダイオードZDに電流I
ZD
が流れることで、ツェナーダイオードZDのカソードに逆方向電圧として電圧V
Z
が発生する。また、ダイオードD1に電流I
D1
が流れることで、ダイオードD1のアノードに順方向電圧として電圧V
D
が発生する。
出力電圧Voutが、電圧V
Z
と、電圧V
D
と、抵抗31及び32の分圧比とに対応して決定される。以下の(1)式において、抵抗31及び32の抵抗値をそれぞれR
31
、R
32
としている。
Vout=(R
32
・V
Z
+R
31
・V
D
)/(R
31
+R
32
) …(1)
【0018】
そして、ツェナーダイオードZDの電圧V
Z
が正の温度係数を有し、ダイオードD1の電圧V
D
の負の温度係数と平衡し、基準電圧回路1の出力電圧Voutが温度依存性を有さない(温度係数が「0」)ようにする。このため、ツェナーダイオードZDにバイアス電流として電流I
ZD
を流した際、以下の(2)式を満足するように抵抗31及び32の抵抗値R
31
、R
32
を設定する。

32
・(dV
Z
/dT)+R
31
・(dV
D
/dT)=0 …(2)
上記(2)式において、(dV
Z
/dT)は単位当たりの温度変化によるカソード電圧V
Z
の変化量を示し、正の温度係数を有している。また、(dV
D
/dT)は単位当たりの温度変化による電圧V
D
の変化量を示し、負の温度係数を有している。
【0019】
電流制御回路20は、ダイオードD1の電圧V
D
を、この電圧V
D
に対応した制御電流I
con
に変換するV/I変換回路として機能する。
すなわち、誤差増幅回路OP1がトランジスタ21に負帰還処理を行わせることにより、V/I変換素子22の電圧降下は、電圧V
D
と等しくなる。そのため、V/I変換素子22には、電圧V
D
に対応する制御電流I
con
が、カレントミラー回路10の入力端子Tiから流れる。
【0020】
この制御電流I
con
は、ダイオード22Aと、抵抗22Bと、抵抗22C及びダイオード22Dの直列回路とに流れる電流の合成電流となる。
ここで、ダイオード22Aには、ダイオードD1との面積比(P/N接合の面積比)に対応し、電流I
D1
に比例する電流I
22A
が流れる。ダイオード22Aの電圧降下は負の温度係数を有している。
また、抵抗22Bには、ダイオードD1の電圧V
D
に比例する電流I
22B
(=V
D
/R
22B
)が流れる。R
22B
は、抵抗22Bの抵抗値である。電流I
22B
は負の温度係数を有している。
抵抗22C及びダイオード22Dには、ダイオードD1のアノード電圧とダイオード22Dのアノード電圧の差電圧ΔV
D
に比例する電流I
22C
(=ΔV
D
/R
23C
)が流れる。R
23C
は、抵抗23Cの抵抗値である。差電圧ΔV
D
は正の温度係数を有している。
【0021】
カレントミラー回路10は、電流制御回路20から入力端子Tiに制御電流I
con
が入力された場合、設定されたミラー比に対応して出力端子Toから基準電流I
crt
を、ツェナーダイオードZD及びダイオードD1に出力する。例えば、入力電流に対する出力電流のミラー比がKの場合、基準電流I
crt
は以下の(3)式により表される。

crt
=K・(I
22A
+I
22B
+I
22C
) …(3)
例えば、ダイオードD1とダイオード22Aとの面積比が1:1であり、ダイオードD1とダイオードD22Dとの面積比が1:N(>1、例えば2以上)であり、K=1である場合、基準電流I
crt
は以下の(4)式により表される。

crt
=I
22A
(=I
D1
)+V
D
/R
22B
+ΔV
D
/R
22C
…(4)
【0022】
(4)式において、第一項の電流I
22A
は、ダイオードD1と同様の特性を有するダイオード22Aに流れる電流であり、ダイオードD1に流れる電流I
D1
と同一である。この電流I
D1
は、カレントミラー回路10の出力端子ToからダイオードD1に対し、電圧V
D
に対応したフィードバックとして出力される。
このため、第二項V
D
/R
22B
及び第三項ΔV
D
/R
22C
は、カレントミラー回路10の出力端子ToからツェナーダイオードZDに出力される。
ツェナーダイオードZDに流れる電流I
ZD
は、式(4)から第一項を除いた(5)式で表される。

ZD
=V
D
/R
22B
+ΔV
D
/R
22C
…(5)
【0023】
上記(5)式から判るように、第一項及び第二項は、それぞれ抵抗22Bと、抵抗R22C及びダイオード22Dの直列回路とのそれぞれに流れる電流であり、ダイオードD1に流れる電流I
D1
に影響を受けない。
また、抵抗22B及びR22Cの温度係数が「0」である場合、電圧V
D
が負の温度係数であるため、電流V
D
/R
22B
の温度係数が負となり、差電圧ΔV
D
が正の温度係数であるため、電流ΔV
D
/R
22C
の温度係数が正となる。したがって、抵抗22Bの抵抗値R
22B
と、抵抗22Cの抵抗値RR
22C
とを調整することにより、ツェナーダイオードZDに流れる電流I
ZD
の温度特性を正、あるいは負へと任意に調整することができる。
【0024】
上述したように、本実施形態の基準電圧回路は、電圧V
D
に対応した電流と、ツェナーダイオードZDに流れる電流I
ZD
に対応する電流とを合成した制御電流I
con
を生成し、この制御電流I
con
に対応させて、カレントミラー回路10から基準電流I
crt
を流し、温度変化に対応して電流I
D1
、I
ZD
を調整している。
これにより、電圧V
D
及び電圧V
Z
の温度依存性に基づく変動に対応して、この変動を補償する電流I
D1
をダイオードD1に流し、かつ電流I
ZD
をツェナーダイオードZDに流すことで、電圧V
Z
を任意に制御することが可能である。
【0025】
従って、本実施形態の基準電圧回路は、温度変化に対応して電流I
ZD
を、必要最小限の電流量に調整して供給することが出来るので、ツェナーダイオードZDのカソードに印加される電圧V
Z
の温度依存性の線形性を保ちながら、省電力化することが可能である。
【0026】
なお、図1の基準電圧回路1は、図示しないスタートアップ回路により、起動時に所定のパルス電流を抵抗31に印加するように構成してもよい。
また、V/I変換素子22は、ダイオード22A、抵抗22B、抵抗22C及びダイオード22Dを備えている構成で説明したが、ダイオード22Aと、抵抗22Bと、22C及びダイオード22Dの直列回路とのいずれか、あるいはそれらの組合せを備える構成としてもよい。この構成の場合、カソード電圧V
Z
が線形性を保持するように、カレントミラー回路10のミラー比や、ダイオード22A、22Dの面積比、抵抗22B、22Cの抵抗値などを調整して、電流I
D1
とI
ZD
とが温度変化に対応して適時調整された電流I
crt
となるように、電圧V
D
から制御電流I
con
を生成させる。
【0027】
図3は、第1の実施形態による基準電圧回路の変形例を示す回路図である。以下、図1の基準電圧回路1と異なる構成及び動作を説明する。
基準電圧回路1は、図1に対してダイオードD2が付加されている。ダイオードD2は、アノードがカレントミラー回路10の出力端子Toに接続され、カソードが抵抗31の一端に接続されている。ダイオードD2の電圧降下がV
D2
である場合、出力電圧Voutは以下の(6)式により表される。
Vout=(R
32
・(V
Z
−V
D2
)+R
31
・V
D
)/(R
31
+R
32
) …(6)
【0028】
ダイオードD2を付加したことにより、ダイオードD2のアノード電圧が負の温度係数のため、ダイオードD2のカソードに接続された抵抗31の一端の電圧が正の温度係数となり、この抵抗31の一端の電圧が温度変化に対応して変化する。
抵抗31の一端の電圧が正の温度係数であるため、出力電圧Voutの温度依存性を無くすために、(6)式から判るように抵抗31の抵抗値R
31
を増加させる。これにより、抵抗31の電圧降下が増加し、出力電圧Voutが低下する。
したがって、図1の構成に比較して、より低い出力電圧Voutを必要とする場合、図3に示すように、ダイオードD2を追加することにより、容易に実現できる。
【0029】
また、図3に示すように、定電流源41あるいは42のいずれかを付加する構成としてもよい。
例えば、ツェナーダイオードZDのカソードに定電流源41を付加した場合、ツェナーダイオードZDには、定電流源41から電流I
ZD
が供給される。これにより、カレントミラー回路10は、ダイオードD1に流れる電流I
D1
として基準電流I
crt
を供給する。この場合、ツェナーダイオードZDに流れる電流I
ZD
が電圧V
D
による影響を受けず、電流制御回路20は、ダイオードD1に流れる電流I
D1
のみの補償を温度変化に対応して行う構成となる。
【0030】
このため、V/I変換素子22は、例えば、図2におけるダイオード22Aのみを備える構成となり、ダイオードD1と同様の電圧降下により、誤差増幅回路OP1の反転入力端子に電圧V
D
を印加する。
また、カレントミラー回路10の入力端子Tiに定電流源42を付加した場合も、上述した定電流源41を付加した場合と同様に、電流制御回路20は、ダイオードD1に流れる電流I
D1
のみの補償を行う構成となる。
(【0031】以降は省略されています)

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