JP6136480B2

JP6136480B2 - バンドギャップリファレンス回路

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Publication number: JP6136480B2
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Inventors: 洋介長内; 渡辺　光; 光渡辺
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Filing date: 2013-04-03
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Description

本発明は、トランジスタの熱電圧を利用するバンドギャップリファレンス回路に関する。

図１は、特許文献１に開示されたバンドギャップリファレンス回路の構成図である。特許文献１には、高温時にトランジスタQ₁,Q₂₁〜Q_2Kそれぞれの寄生ダイオードD₁,D₂₁〜D_2Kのリーク電流によって出力電圧Vrefが上昇する現象を、トランジスタQ₁のコレクタに接続されたダイオードD₃₁〜D_3iにより抑制する技術が開示されている。

特開２０１２−１０８５９８号公報

一般的に温度が上昇するにつれてトランジスタのベース電圧は低下するため、図１において、高温時に、トランジスタQ₂₁〜Q_2Kのベース電圧V_BE2が低下すると、トランジスタQ₁のコレクタ電圧V_CE1も低下する。このため、トランジスタQ₁の動作領域は活性領域から飽和領域へ変化し始めるため、トランジスタQ₁のコレクタ電流I_Q1が低下する（図２参照）。

一方、抵抗２に流れた電流は、トランジスタQ₁のコレクタとトランジスタQ₂₁〜Q_2Kのベースに流れるため、コレクタ電流I_Q1が低下すると、トランジスタQ₂₁〜Q_2Kのベース電流I_B2が増加する。ベース電流I_B2が増加すると、トランジスタQ₂₁〜Q_2Kのコレクタ電流I_Q2が増加するため、ミラー接続されたトランジスタM₁,M₂によって、抵抗１に流れる電流も増加する。抵抗１に流れた電流は、抵抗２とトランジスタQ₁のベースに流れるため、抵抗１に流れる電流の増加により、トランジスタQ₁のベース電流I_B1も増加する。そして、ベース電流I_B1が増加すると、トランジスタQ₁のベース電圧V_BE1も増加する。

このように、ベース電圧V_BE1は、温度の上昇を要因に低下する特性を有する一方で、ベース電流I_B1の増加を要因に増加する特性を有している。しかしながら、温度がベース電圧を変動させる影響度はベース電流よりも高いため、高温でのベース電圧V_BE1の低下量は抑制される（図３参照）。

出力電圧Vrefは、特許文献１によれば、

と表され、ベース電圧V_BE1は、温度Tの上昇に対して低下することを前提としている。しかしながら、図３のように、ベース電圧V_BE1の温度Tに対する変化率が高温時に抑制される（傾きが小さくなる）と、ダイオードD₃₁〜D_3iがトランジスタQ₁のコレクタに接続されても、高温時の出力電圧Vrefが上昇する。

本発明は、出力される基準電圧の温度による変化を抑えることができる、バンドギャップリファレンス回路の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、
第１のトランジスタと、
第２のトランジスタとを備え、
前記第１のトランジスタのベース・エミッタ間電圧と前記第２のトランジスタのベース・エミッタ間電圧との電圧差に基づいて生成された基準電圧を出力するバンドギャップリファレンス回路であって、
前記第１のトランジスタのコレクタと前記第１のトランジスタのベースとの間に接続されており、前記第１のトランジスタのコレクタと前記第１のトランジスタのベースとの間に電圧を発生させる第１の電圧発生部と、
前記第１のトランジスタのコレクタと前記第２のトランジスタのベースとの間に接続されており、前記第１のトランジスタのコレクタと前記第２のトランジスタのベースとの間に電圧を発生させる第２の電圧発生部と、
前記第１のトランジスタのコレクタに接続された非反転入力部と、前記第２のトランジスタのコレクタに接続された反転入力部とを有する差動増幅器と、
前記第２のトランジスタのエミッタに接続されており、前記電圧差を発生させる第１の抵抗と、
前記第１のトランジスタのコレクタと前記差動増幅器の出力部との間に設けられた第２の抵抗と、
前記第２のトランジスタのコレクタと前記差動増幅器の出力部との間に設けられた第３の抵抗とを備える、バンドギャップリファレンス回路を提供するものである。

本発明によれば、出力される基準電圧の温度による変化を抑えることができる。

従来のバンドギャップリファレンス回路の構成図コレクタ電圧とコレクタ電流との関係を示した特性図温度とベース電圧との関係を示した特性図バンドギャップリファレンス回路の一例の構成図バンドギャップリファレンス電圧の温度依存性を示した特性図バンドギャップリファレンス回路の一例の構成図バンドギャップリファレンス回路の一例の構成図バンドギャップリファレンス回路の一例の構成図バンドギャップリファレンス回路の一例の構成図バンドギャップリファレンス回路の一例の構成図バンドギャップリファレンス回路の一例の構成図バンドギャップリファレンス回路の一例の構成図バンドギャップリファレンス回路の一例の構成図バンドギャップリファレンス回路の一例の構成図コレクタ・エミッタ間電圧が十分高い場合のベース・エミッタ間電圧の温度特性図コレクタ・エミッタ間電圧が十分高い場合のベース・エミッタ間電圧の温度特性図（温度補正前後図）バンドギャップリファレンス回路の一例の構成図

以下、バンドギャップリファレンス回路の実施形態例を図面に従って説明する。なお、以下の説明において、バイポーラトランジスタをQ＊で表し、MOSFETをM＊で表す。＊は、数字等の記号を表す。

バンドギャップリファレンス回路は、その出力電圧であるバンドギャップリファレンス電圧の温度の依存性を打ち消すように構成された定電圧源回路である。バンドギャップリファレンス回路は、第１のトランジスタのＰＮ接合の順方向電圧と第２のトランジスタのＰＮ接合の順方向電圧との電圧差が持つ正の温度特性と、ＰＮ接合の順方向電圧が持つ負の温度特性とを利用する。バンドギャップリファレンス回路は、これらの正と負の温度特性を利用して、バンドギャップリファレンス電圧を、温度にほとんど依存しない基準電圧として生成して出力する。

図４は、バンドギャップリファレンス回路１１の構成図である。バンドギャップリファレンス回路１１は、npn型のトランジスタQ1,Q2と、抵抗R1,R2,R3と、アンプAMPと、ダイオードD1,D2とを備えている。

バンドギャップリファレンス回路１１は、ベースとコレクタが接続された第１のトランジスタとして、トランジスタQ2を備え、前記第１のトランジスタのコレクタにベースが接続された第２のトランジスタとして、トランジスタQ1を備えている。

バンドギャップリファレンス回路１１は、トランジスタQ2のベース・エミッタ間電圧Vbe2とトランジスタQ1のベース・エミッタ間電圧Vbe1との電圧差ΔVに基づいて生成された基準電圧であるバンドギャップリファレンス電圧VBGを出力する回路である。電圧Vbe2は、トランジスタQ2のベースとエミッタとの間のＰＮ接合部の順方向電圧であり、電圧Vbe1は、トランジスタQ1のベースとエミッタとの間のＰＮ接合部の順方向電圧である。

バンドギャップリファレンス回路１１は、前記第１のトランジスタのコレクタに接続された非反転入力部と、前記第２のトランジスタのコレクタに接続された反転入力部とを有する差動増幅器として、アンプAMPを備えている。アンプAMPは、例えば、演算増幅器（オペアンプ）である。

バンドギャップリファレンス回路１１は、上記の電圧差ΔVを発生させる第１の抵抗として、抵抗R1を備え、前記第１のトランジスタのコレクタと前記差動増幅器の出力部との間に設けられた第２の抵抗として、抵抗R3を備え、前記第２のトランジスタのコレクタと前記差動増幅器の出力部との間に設けられた第３の抵抗として、抵抗R2を備えている。

バンドギャップリファレンス回路１１は、電圧差ΔVに基づいて抵抗R2,R3に流れる電流をアンプAMPにより調整することによって生成されたバンドギャップリファレンス電圧VBGを出力する。

バンドギャップリファレンス回路１１は、前記第１のトランジスタのコレクタと前記第１のトランジスタ及び前記第２のトランジスタのベースとの間に電圧を発生させる電圧発生部として、ダイオードD1,D2を備えている。ダイオードD2は、トランジスタQ2のコレクタとトランジスタQ2のベースとの間に電圧を発生させる素子であり、ダイオードD1は、トランジスタQ2のコレクタとトランジスタQ1のベースとの間に電圧を発生させる素子である。

ダイオードD2を備えることにより、トランジスタQ2のコレクタ・エミッタ間電圧Vce2を、トランジスタQ2のベース・エミッタ間電圧Vbe2よりも、ダイオードD2のアノードとカソードとの間のPN接合部の順方向電圧VF2の分、高くすることができる。そして、ダイオードD1を備えることにより、トランジスタQ1のコレクタ・エミッタ間電圧Vce1を、トランジスタQ1のベース・エミッタ間電圧Vbe1よりも、ダイオードD1のアノードとカソードとの間のPN接合部の順方向電圧VF1の分、高くすることができる。

バンドギャップリファレンス回路１１は、ダイオードD1,D2のような電圧発生部を備えることにより、トランジスタQ1,Q2のコレクタ・エミッタ間電圧Vce1,Vce2が高くなる。このため、トランジスタQ2のコレクタがトランジスタQ1のベースに接続されていても、高温時を含め常に、トランジスタQ1,Q2を、飽和領域から離れたコレクタ・エミッタ間電圧Vce1,Vce2で動作させることができる（図２参照）。このため、例えば、トランジスタQ1のベース・エミッタ間電圧Vbe1の高温時の低下量が大きくても、トランジスタQ2の動作領域は活性領域から飽和領域に移行しにくくなる。よって、バンドギャップリファレンス電圧VBGの高温時の上昇を抑えることができる。

次に、図４の回路構成について更に詳述する。

ダイオードD2は、トランジスタQ2のベースとコレクタとの間に挿入され、トランジスタQ2のベースとコレクタは、ダイオードD2を介して互いに接続される。ダイオードD2のカソードは、トランジスタQ2のベースに接続され、ダイオードD2のアノードは、抵抗R3の低電位側の一方の端部とトランジスタQ2のコレクタとの接続ノードn1を介して、トランジスタQ2のコレクタに接続される。トランジスタQ2のエミッタは、グランドに接続される。

ダイオードD1は、トランジスタQ1のベースとトランジスタQ2のコレクタとの間に挿入され、トランジスタQ1のベースは、ダイオードD1を介して、トランジスタQ2のコレクタに接続される。ダイオードD1のカソードは、トランジスタQ1のベースに接続され、ダイオードD1のアノードは、接続ノードn1を介して、トランジスタQ2のコレクタに接続される。トランジスタQ1のコレクタは、抵抗R2の低電位側の一方の端部に接続され、トランジスタQ1のエミッタは、抵抗R1を介して、グランドに接続される。

アンプAMPは、接続ノードn1を介してトランジスタQ2のコレクタに接続された非反転入力部と、抵抗R2の低電位側の一方の端部とトランジスタQ1のコレクタとの接続ノードn2を介してトランジスタQ1のコレクタに接続された反転入力部とを、差動入力部として有している。

抵抗R3は、トランジスタQ2のコレクタとアンプAMPの出力部３１との間に直列に挿入されて設けられ、抵抗R3の低電位側の一方の端部は、トランジスタQ2のコレクタに接続され、抵抗R3の高電位側のもう一方の端部は、出力部３１に接続されている。抵抗R2は、トランジスタQ1のコレクタと出力部３１との間に直列に挿入されて設けられ、抵抗R2の低電位側の一方の端部は、トランジスタQ1のコレクタに接続され、抵抗R2の高電位側のもう一方の端部は、出力部３１に接続されている。差動増幅器AMPのイマジナリーショートにより、差動増幅器AMPの非反転入力部及び該非反転入力部に接続される接続ノードn1の電圧V+と、差動増幅器AMPの反転入力部及び該反転入力部に接続される接続ノードn2の電圧V-とは、互いに等しい。

次に、バンドギャップリファレンス電圧VBGの計算例について説明する。なお、以下の計算式におけるR1,R2,R3は、それぞれ、抵抗R1,R2,R3の抵抗値を表す。

トランジスタのベース・エミッタ間電圧Vbeとコレクタ電流Icとの関係は、一般的に式１で表され、ダイオードの順方向電圧VFとダイオードに流れる電流Idと関係は、ショックレーのダイオード方程式より、式２で表すことができる。ただし、Isは、トランジスタの飽和電流、V_Tは、トランジスタの熱電圧を表す。

なお、一般に、式２の｛｝の項の中の「−１」は、「Exp(VF／V_T)」に比べて非常に小さいため、無視する。

アンプAMPの非反転入力部の電圧V+を、トランジスタQ2及びダイオードD2の特性を用いて表すと、式３が得られる。一方、アンプAMPの非反転入力部の電圧V+を、抵抗R1、トランジスタQ1及びダイオードD1の特性を用いて表すと、式３'が得られる。アンプAMPの出力が負帰還されてイマジナリーショートが成立するため、式３及び式３'から、式４が得られる。

アンプAMPの反転入力部の電圧V-を、抵抗R2及びトランジスタQ1の特性を用いて表すと、式５が得られる。一方、アンプAMPの反転入力部の電圧V-を、抵抗R3及びトランジスタQ2の特性を用いて表すと、アンプAMPの出力が負帰還されてイマジナリーショートが成立するため、式５'が得られる。式５及び式５'により、式６が得られる。ただし、Ic1は、トランジスタQ1のコレクタに流れるコレクタ電流を表し、Ic2は、トランジスタQ2のコレクタに流れるコレクタ電流を表す。

式１，式２及び式４により、式７が得られる。ただし、h_FE1は、トランジスタQ1の直流電流増幅率、h_FE2は、トランジスタQ2の直流電流増幅率を表す。

式６を式７に代入すると、式８が得られる。

よって、バンドギャップリファレンス電圧VBGは、式６及び式８を用いて、式９で表すことができる。

「h_FE1／h_FE2」は、温度及びプロセスばらつきに対して、ほぼ一定であり、トランジスタQ1とトランジスタQ2の特性が相似であれば、１と近似できるため、式９で表されたバンドギャップリファレンス電圧VBGは、式１０と表すことができる。

式１０の右辺において、第１項のVbe2及び第２項のVF2は、負の略線形な温度特性を有し、第３項内のV_Tは、正の略線形な温度特性を有している。したがって、右辺の第１項及び第２項の負の温度特性と右辺の第３項の正の温度特性とが相殺されるように、式１０の「R2／R1」「R2／R3」が適切な値に調整されることにより、温度依存性の低いバンドギャップリファレンス電圧VBGを生成できる。そして、ダイオードD1,D2の順方向電圧VF1,VF2により、トランジスタQ1,Q2のコレクタ・エミッタ間電圧Vce1,Vce2は十分に確保されるため、バンドギャップリファレンス電圧VBGの高温時の上昇を抑えることができる（図５の点線で表される例１参照）。

図６は、バンドギャップリファレンス回路１２の構成図である。上述の説明と同様の点についての説明は省略する。バンドギャップリファレンス回路１２は、図４のバンドギャップリファレンス回路１１の二つのダイオードD1,D2を一つのダイオードD1に共通化した変形例である。

ダイオードD1のカソードは、トランジスタQ1,Q2の両方のベースに共通に接続される。ダイオードD1の順方向電圧VF1により、トランジスタQ1,Q2のコレクタ・エミッタ間電圧Vce1,Vce2は十分に確保されるため、バンドギャップリファレンス電圧VBGの高温時の上昇を抑えることができる。

図７は、バンドギャップリファレンス回路１３の構成図である。上述の説明と同様の点についての説明は省略する。バンドギャップリファレンス回路１３は、図４のバンドギャップリファレンス回路１１のアンプAMPの非反転入力部の配線先を変更した変形例である。

アンプAMPの非反転入力部は、トランジスタQ2のベースに接続され、アノードがトランジスタQ2のベースに接続されたダイオードD2を介して、トランジスタQ2のコレクタに接続される。ダイオードD1,D2の順方向電圧VF1,VF2により、トランジスタQ2のコレクタ・エミッタ間電圧Vce2は十分に確保されるため、バンドギャップリファレンス電圧VBGの高温時の上昇を抑えることができる。

図８は、バンドギャップリファレンス回路１４の構成図である。上述の説明と同様の点についての説明は省略する。バンドギャップリファレンス回路１４は、図４のバンドギャップリファレンス回路１１のダイオードD1,D2を、電圧発生部としての抵抗R4,R5に置き換えた変形例である。

抵抗R5は、トランジスタQ2のコレクタとトランジスタQ2のベースとの間に電圧を発生させる素子であり、抵抗R4は、トランジスタQ2のコレクタとトランジスタQ1のベースとの間に電圧を発生させる素子である。抵抗R4,R5に生ずる電圧により、トランジスタQ1,Q2のコレクタ・エミッタ間電圧Vce1,Vce2は十分に確保されるため、バンドギャップリファレンス電圧VBGの高温時の上昇を抑えることができる。

図９は、バンドギャップリファレンス回路１５の構成図である。上述の説明と同様の点についての説明は省略する。バンドギャップリファレンス回路１５は、図４のバンドギャップリファレンス回路１１のダイオードD1,D2を、npn型のトランジスタQ3,Q4に変更した回路である。

バンドギャップリファレンス回路１５は、トランジスタQ2のコレクタとトランジスタQ2のベースとの間に電圧を発生させる電圧発生部として、トランジスタQ4のベースとエミッタとの間のPN接合部を備え、トランジスタQ2のコレクタとトランジスタQ1のベースとの間に電圧を発生させる電圧発生部として、トランジスタQ3のベースとエミッタとの間のPN接合部を備えている。

トランジスタQ4は、トランジスタQ2とダーリントン接続された素子である。トランジスタQ4のベース・エミッタ間のPN接合部は、トランジスタQ2のベースとコレクタとの間に挿入され、トランジスタQ2のベースとコレクタは、トランジスタQ4のベース・エミッタ間のPN接合部を介して互いに接続される。トランジスタQ4のエミッタは、トランジスタQ2のベースに接続され、トランジスタQ4のベースは、接続ノードn1を介して、トランジスタQ2のコレクタに接続され、トランジスタQ4のコレクタは、アンプAMPの出力部３１に接続される。

トランジスタQ3は、トランジスタQ1とダーリントン接続された素子である。トランジスタQ3のベース・エミッタ間のPN接合部は、トランジスタQ1のベースとトランジスタQ2のコレクタとの間に挿入され、トランジスタQ1のベースは、トランジスタQ3のベース・エミッタ間のPN接合部を介して、トランジスタQ2のコレクタに接続される。トランジスタQ3のエミッタは、トランジスタQ1のベースに接続され、トランジスタQ3のベースは、接続ノードn1を介して、トランジスタQ2のコレクタに接続され、トランジスタQ3のコレクタは、アンプAMPの出力部３１に接続される。

トランジスタQ3,Q4のベース・エミッタ間のPN接合部の順方向電圧により、トランジスタQ1,Q2のコレクタ・エミッタ間電圧Vce1,Vce2は十分に確保されるため、バンドギャップリファレンス電圧VBGの高温時の上昇を抑えることができる。

また、トランジスタQ3,Q4は、トランジスタQ1,Q2のベースに流すベース電流を、バンドギャップリファレンス電圧VBGを電源電圧とする電源から供給する。これにより、トランジスタQ1,Q2の直流電流増幅率h_FE1,h_FE2のばらつきがバンドギャップリファレンス電圧VBGの温度特性に影響を与えることを低減できる。

図１０は、バンドギャップリファレンス回路１６の構成図である。上述の説明と同様の点についての説明は省略する。バンドギャップリファレンス回路１６は、図９のバンドギャップリファレンス回路１５に対して、トランジスタQ3,Q4のコレクタの配線先を変更した変形例である。

トランジスタQ3,Q4のコレクタは、アンプAMPの出力部３１に接続されるのではなく、バンドギャップリファレンス電圧VBGとは別の電圧VCCを電源電圧とする電源に接続される。

トランジスタQ3,Q4のベース・エミッタ間のPN接合部の順方向電圧により、トランジスタQ1,Q2のコレクタ・エミッタ間電圧Vce1,Vce2は十分に確保されるため、バンドギャップリファレンス電圧VBGの高温時の上昇を抑えることができる。また、トランジスタQ1,Q2のベースに十分なベース電流を流すことができることにより、トランジスタQ1,Q2のコレクタ・エミッタ間電圧Vce1,Vce2は更に十分に確保されるため、バンドギャップリファレンス電圧VBGの高温時の上昇を更に抑えることができる。

図１１は、バンドギャップリファレンス回路１７の構成図である。上述の説明と同様の点についての説明は省略する。バンドギャップリファレンス回路１７は、差動増幅器を使用しないタイプの定電圧源回路である。

バンドギャップリファレンス回路１７は、ミラー接続されたpチャネル型のトランジスタM1,M2と、npn型のトランジスタQ5,Q61〜Q6Kと、抵抗R4,R5と、ダイオードD3,D4とを備えている。K個のトランジスタQ61〜Q6Kは、互いのベースとコレクタとが接続され、各エミッタはグランドに接続されている。

バンドギャップリファレンス回路１７は、ベースとコレクタが接続された第１のトランジスタとして、トランジスタQ5を備え、前記第１のトランジスタのコレクタにベースが接続された第２のトランジスタとして、トランジスタQ61〜Q6Kを備えている。

バンドギャップリファレンス回路１７は、トランジスタQ5のベース・エミッタ間電圧とトランジスタQ61〜Q6Kのベース・エミッタ間電圧との電圧差ΔVに基づいて、バンドギャップリファレンス電圧VBGを出力する回路である。この電圧差ΔVは、抵抗R5によって発生する。バンドギャップリファレンス回路１７は、電圧差ΔVに基づいて抵抗R4に流れる電流をトランジスタM1,M2から構成されるカレントミラーにより調整することによって生成されたバンドギャップリファレンス電圧VBGを出力する。

バンドギャップリファレンス回路１７は、前記第１のトランジスタのコレクタと前記第１のトランジスタ及び前記第２のトランジスタのベースとの間に電圧を発生させる電圧発生部として、ダイオードD3,D4を備えている。ダイオードD3は、トランジスタQ5のコレクタとトランジスタQ5のベースとの間に電圧を発生させる素子であり、ダイオードD4は、トランジスタQ5のコレクタとトランジスタQ61〜Q6Kのベースとの間に電圧を発生させる素子である。

ダイオードD3を備えることにより、トランジスタQ5のコレクタ・エミッタ間電圧Vce5を、トランジスタQ5のベース・エミッタ間電圧Vbe5よりも、ダイオードD3のアノードとカソードとの間のPN接合部の順方向電圧VF3の分、高くすることができる。そして、ダイオードD4を備えることにより、トランジスタQ61〜Q6Kのコレクタ・エミッタ間電圧Vce6を、トランジスタQ61〜Q6Kのベース・エミッタ間電圧Vbe6よりも、ダイオードD4のアノードとカソードとの間のPN接合部の順方向電圧VF4の分、高くすることができる。

バンドギャップリファレンス回路１７は、ダイオードD3,D4のような電圧発生部を備えることにより、トランジスタQ5,Q61〜Q6Kのコレクタ・エミッタ間電圧Vce5,Vce6が高くなる。このため、トランジスタQ5のコレクタがトランジスタQ61〜Q6Kのベースに接続されていても、高温時を含め常に、トランジスタQ5,Q61〜Q6Kを、飽和領域から離れたコレクタ・エミッタ間電圧Vce5,Vce6で動作させることができる（図２参照）。このため、例えば、トランジスタQ61〜Q6Kのベース・エミッタ間電圧Vbe6の高温時の低下量が大きくても、トランジスタQ1の動作領域は活性領域から飽和領域に移行しにくくなる。よって、バンドギャップリファレンス電圧VBGの高温時の上昇を抑えることができる。

図１２は、バンドギャップリファレンス回路１８の構成図である。上述の説明と同様の点についての説明は省略する。バンドギャップリファレンス回路１８は、差動増幅器を使用しないタイプの定電圧源回路である。バンドギャップリファレンス回路１８は、図４のバンドギャップリファレンス回路１１のアンプAMPを、npn型のトランジスタQ7,Q8、キャパシタC1及び電流源I1に置き換えた変形例である。

トランジスタQ3は、接続ノードn2を介してトランジスタQ1のコレクタに接続されたベースと、グランドに接続されたエミッタと、電源電圧VCCに接続された電流源I1に接続されたコレクタとを有している。キャパシタC1は、トランジスタQ3のベースとコレクタとの間に挿入されている。トランジスタQ8は、電流源I1とトランジスタQ7のコレクタとの接続ノードn3を介してトランジスタQ7のコレクタに接続されたベースと、電源電圧VCCに接続されたコレクタと、抵抗R2,R3の高電位側の端部に接続されたエミッタとを有している。

ダイオードD1,D2の順方向電圧VF1,VF2により、トランジスタQ1,Q2のコレクタ・エミッタ間電圧Vce1,Vce2は十分に確保されるため、バンドギャップリファレンス電圧VBGの高温時の上昇を抑えることができる
図１３は、バンドギャップリファレンス回路１９の構成図である。上述の説明と同様の点についての説明は省略する。

バンドギャップリファレンス回路１９は、アンプAMPの出力部３２に接続されたゲートを有するpチャネル型のトランジスタM3,M4と、pnp型のトランジスタQ9,Q101〜Q10Kと、抵抗R6,R7,R8 と、ダイオードD5,D6とを備えている。K個のトランジスタQ101〜Q10Kは、互いのベースとエミッタとが接続され、各コレクタはグランドに接続されている。トランジスタM3,M4のソースは、電源電圧VCCに接続されている。トランジスタM3のドレインは、抵抗R7に接続され、トランジスタM4のドレインは、抵抗R6に接続される。トランジスタM4のドレインと抵抗R6との接続ノードn6から、版簿ギャップリファレンス電圧VBGが出力される。

バンドギャップリファレンス回路１９は、ベースとコレクタが接続された第１のトランジスタとして、トランジスタQ9を備え、前記第１のトランジスタのコレクタにベースが接続された第２のトランジスタとして、トランジスタQ101〜Q10Kを備えている。

バンドギャップリファレンス回路１９は、トランジスタQ9のベース・エミッタ間電圧とトランジスタQ101〜Q10Kのベース・エミッタ間電圧との電圧差ΔVに基づいて、バンドギャップリファレンス電圧VBGを出力する回路である。この電圧差ΔVは、アンプAMPのイマジナリーショートにより、抵抗R8によって発生する。バンドギャップリファレンス回路１９は、電圧差ΔVに基づいて抵抗R6,R7に流れる電流をトランジスタM3,M4により調整することによって生成されたバンドギャップリファレンス電圧VBGを出力する。

アンプAMPの非反転入力部は、抵抗R6の低電位側の端部とトランジスタQ101〜Q10Kのエミッタとの接続ノードn4を介して、トランジスタQ101〜Q10Kのコレクタに接続される。アンプAMPの反転入力部は、抵抗R7の低電位側の端部と抵抗R8との接続ノードn5に接続され、接続ノードn5を介して、トランジスタQ9のエミッタに接続される。

バンドギャップリファレンス回路１９は、前記第１のトランジスタのコレクタと前記第１のトランジスタ及び前記第２のトランジスタのベースとの間に電圧を発生させる電圧発生部として、ダイオードD5,D6を備えている。ダイオードD5は、トランジスタQ9のコレクタとトランジスタQ9のベースとの間に電圧を発生させる素子であり、ダイオードD6は、トランジスタQ9のコレクタとトランジスタQ101〜Q10Kのベースとの間に電圧を発生させる素子である。

ダイオードD5を備えることにより、トランジスタQ9のコレクタ・エミッタ間電圧Vce9を、トランジスタQ9のベース・エミッタ間電圧Vbe9よりも、ダイオードD5のアノードとカソードとの間のPN接合部の順方向電圧VF5の分、高くすることができる。そして、ダイオードD6を備えることにより、トランジスタQ101〜Q10Kのコレクタ・エミッタ間電圧Vce10を、トランジスタQ101〜Q10Kのベース・エミッタ間電圧Vbe10よりも、ダイオードD6のアノードとカソードとの間のPN接合部の順方向電圧VF6の分、高くすることができる。

バンドギャップリファレンス回路１９は、ダイオードD5,D6のような電圧発生部を備えることにより、トランジスタQ9,Q101〜Q10Kのコレクタ・エミッタ間電圧Vce9,Vce10が高くなる。このため、トランジスタQ9のコレクタがトランジスタQ101〜Q10Kのベースにグランドを介して接続されていても、高温時を含め常に、トランジスタQ9,Q101〜Q10Kを、飽和領域から離れたコレクタ・エミッタ間電圧Vce9,Vce10で動作させることができる（図２参照）。このため、例えば、トランジスタQ101〜Q10Kのベース・エミッタ間電圧Vbe10の高温時の低下量が大きくても、トランジスタQ9の動作領域は活性領域から飽和領域に移行しにくくなる。よって、バンドギャップリファレンス電圧VBGの高温時の上昇を抑えることができる。

図１４は、バンドギャップリファレンス回路２０の構成図である。上述の説明と同様の点についての説明は省略する。バンドギャップリファレンス回路２０は、図９のバンドギャップリファレンス回路１５に対して、電流源I3,I4が追加された定電圧源回路である。

電流源I4は、トランジスタQ2のベース及びトランジスタQ4のエミッタに接続される上流側端部と、グランドに接続される下流側端部とを有する電流回路である。電流源I3は、トランジスタQ1のベース及びトランジスタQ3のエミッタに接続される上流側端部と、グランドに接続される下流側端部とを有する電流回路である。

図９，１０，１４のバンドギャップリファレンス回路１５，１６，２０から出力されるバンドギャップリファレンス電圧VBGは、上記の式１０と同様に、式１１と表すことができる。ただし、Vbe4は、トランジスタQ4のベースとエミッタとの間のPN接合部の順方向電圧を表す。

一般に、デバイスや素子が半導体として動作する領域では、トランジスタのベース・エミッタ間電圧Vbeは、温度Tに対して非線形であり、電圧Vbeを温度Tについて二階微分した値は負である。そのため、図１５に示されるように、温度Tが上昇するにつれて、トランジスタQ1,Q2のベース・エミッタ間電圧Vbe1,Vbe2の低下量が増加する（傾きが大きくなる）。このため、式１１で表されるバンドギャップリファレンス電圧VBGは、電圧Vbe2，Vbe4を含む非線形項により、温度に対して変動する。

そこで、図１４のバンドギャップリファレンス回路２０は、温度上昇に応じて減少する電流を流す電流源I3,I4を備えている。このような電流源I3,I4によって、トランジスタQ3,Q4のベース・エミッタ間電圧Vbe3,Vbe4を温度に応じて補正可能となるため、バンドギャップリファレンス電圧VBGが電圧Vbe2，Vbe4を含む非線形項を要因に温度に対して変動することを抑えることができる。なお、電圧Vbe3は、トランジスタQ3のベースとエミッタとの間のＰＮ接合部の順方向電圧であり、電圧Vbe4は、トランジスタQ4のベースとエミッタとの間のＰＮ接合部の順方向電圧である。

電流源I3,I4は、例えば、所定温度以下の低温度領域で温度低下に応じて増加する電流を流す特性を有し、且つ、その低温度領域よりも温度の高い高温度領域で温度上昇に応じて減少する電流を流す特性を有することが好ましい。このような特性によって、バンドギャップリファレンス電圧VBGが電圧Vbe2，Vbe4を含む非線形項を要因に温度に対して変動することを効果的に抑えることができる。

このような特性を有する電流源I3,I4は、トランジスタQ3,Q4のコレクタに流れる電流を低温度領域で増やし高温度領域で減らす。これにより、トランジスタQ3,Q4のベース・エミッタ間電圧Vbe3,Vbe4の低温度領域での上昇量は、高温度領域での上昇量よりも多くなる（図１６参照）。その結果、図１６に示されるように、高温での電圧Vbe3,Vbe4の低下量を抑制できるため（傾きを小さくできるため）、温度補正後の電圧Vbe3，Vbe4を温度Tについて二階微分した値を正にすることができる。

したがって、トランジスタQ1,Q2の図１５で表される非線形性は、トランジスタQ3,Q4の図１６で表される非線形性でキャンセルされ、バンドギャップリファレンス電圧VBGの温度依存性が改善する。この場合、図１４のバンドギャップリファレンス回路２０から出力されるバンドギャップリファレンス電圧VBGは、式１２で表すことができる。

式１２によれば、電圧Vbe2と電圧Vbe4の非線形性が電流源I3,I4によりキャンセルされるように抵抗R2,R3に流れるコレクタ電流Ic2,Ic3の電流値が調整されるため、バンドギャップリファレンス電圧VBGの温度による変化を効果的に抑制できる（図５の一点鎖線で表される例２参照）。

図１７は、バンドギャップリファレンス回路２１の構成図である。上述の説明と同様の点についての説明は省略する。バンドギャップリファレンス回路２１は、図１４のバンドギャップリファレンス回路２０の電流源I3,I4を、抵抗R6,R7に置き換えた変形例である。

抵抗R7は、トランジスタQ2のベース及びトランジスタQ4のエミッタに接続される上流側端部と、グランドに接続される下流側端部とを有する電流回路である。抵抗R7は、トランジスタQ2のベース・エミッタ間に挿入されて接続されている素子である。抵抗R6は、トランジスタQ1のベース及びトランジスタQ3のエミッタに接続される上流側端部と、グランドに接続される下流側端部とを有する電流回路である。抵抗R6は、トランジスタQ1のベース・エミッタ間に挿入されて接続されている素子である。

抵抗R6に印加される電圧は、トランジスタQ1のベース・エミッタ間電圧Vbe1であり、抵抗R7に印加される電圧は、トランジスタQ2のベース・エミッタ間電圧Vbe2である。電圧Vbe1,Vbe2は高温になるほど低下するため、抵抗R6,R7に流れる電流も高温になるほど低下する（低温になるほど上昇する）。したがって、上述の温度依存性を有する電流源I3,I4を備える場合と同様の効果が得られる。

以上、バンドギャップリファレンス回路を実施形態例により説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではない。他の実施形態例の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。

例えば、電流源I3,I4などの上述の温度依存性を有する電流回路は、他のバンドギャップリファレンス回路にも適用可能である。

また、例えば、本発明の効果を損なわない範囲内で、トランジスタ、抵抗等の各素子間には、電流の大きさを調整するなどの必要に応じて、抵抗などの素子が挿入されてもよい。

また、トランジスタQ1, Q2のサイズは、互いに同じでもよいが、トランジスタQ1, Q2の電流密度が互いに異なるように互いに異なってもよい。

１１〜２１バンドギャップリファレンス回路
３１出力部
AMP アンプ
D＊ダイオード
n＊接続ノード
Q＊，M＊トランジスタ
R＊抵抗

Claims

第１のトランジスタと、
第２のトランジスタとを備え、
前記第１のトランジスタのベース・エミッタ間電圧と前記第２のトランジスタのベース・エミッタ間電圧との電圧差に基づいて生成された基準電圧を出力するバンドギャップリファレンス回路であって、
前記第１のトランジスタのコレクタと前記第１のトランジスタのベースとの間に接続されており、前記第１のトランジスタのコレクタと前記第１のトランジスタのベースとの間に電圧を発生させる第１の電圧発生部と、
前記第１のトランジスタのコレクタと前記第２のトランジスタのベースとの間に接続されており、前記第１のトランジスタのコレクタと前記第２のトランジスタのベースとの間に電圧を発生させる第２の電圧発生部と、
前記第１のトランジスタのコレクタに接続された非反転入力部と、前記第２のトランジスタのコレクタに接続された反転入力部とを有する差動増幅器と、
前記第２のトランジスタのエミッタに接続されており、前記電圧差を発生させる第１の抵抗と、
前記第１のトランジスタのコレクタと前記差動増幅器の出力部との間に設けられた第２の抵抗と、
前記第２のトランジスタのコレクタと前記差動増幅器の出力部との間に設けられた第３の抵抗とを備える、バンドギャップリファレンス回路。
第１のトランジスタと、
第２のトランジスタとを備え、
前記第１のトランジスタのベース・エミッタ間電圧と前記第２のトランジスタのベース・エミッタ間電圧との電圧差に基づいて生成された基準電圧を出力するバンドギャップリファレンス回路であって、
前記第１のトランジスタのコレクタと前記第１のトランジスタのベースとの間に接続されており、前記第１のトランジスタのコレクタと前記第１のトランジスタのベースとの間に電圧を発生させる第１の電圧発生部と、
前記第１のトランジスタのコレクタと前記第２のトランジスタのベースとの間に接続されており、前記第１のトランジスタのコレクタと前記第２のトランジスタのベースとの間に電圧を発生させる第２の電圧発生部と、
前記第１のトランジスタのベースに接続された非反転入力部と、前記第２のトランジスタのコレクタに接続された反転入力部とを有する差動増幅器と、
前記第２のトランジスタのエミッタに接続されており、前記電圧差を発生させる第１の抵抗と、
前記第１のトランジスタのコレクタと前記差動増幅器の出力部との間に設けられた第２の抵抗と、
前記第２のトランジスタのコレクタと前記差動増幅器の出力部との間に設けられた第３の抵抗とを備える、バンドギャップリファレンス回路。
前記第１の電圧発生部及び前記第２の電圧発生部は、PN接合部である、請求項１又は２に記載のバンドギャップリファレンス回路。
前記第１の電圧発生部及び前記第２の電圧発生部は、抵抗である、請求項１に記載のバンドギャップリファレンス回路。
前記第１のトランジスタのベースに接続されており、温度上昇に応じて減少する電流を流す第１の電流回路と、
前記第２のトランジスタのベースに接続されており、温度上昇に応じて減少する電流を流す第２の電流回路とを備える、請求項１から４のいずれか一項に記載のバンドギャップリファレンス回路。
第１のトランジスタと、
前記第１のトランジスタのベースにベースが接続された第２のトランジスタとを備え、
前記第１のトランジスタのベース・エミッタ間電圧と前記第２のトランジスタのベース・エミッタ間電圧との電圧差に基づいて生成された基準電圧を出力するバンドギャップリファレンス回路であって、
前記第１のトランジスタと前記第２のトランジスタの両方のベースと、前記第１のトランジスタのコレクタとの間に接続されており、前記両方のベースと前記第１のトランジスタのコレクタとの間に電圧を発生させる電圧発生部と、
前記第１のトランジスタのコレクタに接続された非反転入力部と、前記第２のトランジスタのコレクタに接続された反転入力部とを有する差動増幅器と、
前記第２のトランジスタのエミッタに接続されており、前記電圧差を発生させる第１の抵抗と、
前記第１のトランジスタのコレクタと前記差動増幅器の出力部との間に設けられた第２の抵抗と、
前記第２のトランジスタのコレクタと前記差動増幅器の出力部との間に設けられた第３の抵抗とを備える、バンドギャップリファレンス回路。
前記電圧発生部は、PN接合部である、請求項６に記載のバンドギャップリファレンス回路。