(57)【要約】【課題】  回路全体を１つの半導体集積回路素子内に集積可能で、温度依存性が小さい、バイポーラ半導体集積回路用の電流源回路を提供する。【解決手段】  本発明の電流源回路は、２つのバイポーラトランジスタと第１の抵抗とを有し、前記２つのバイポーラトランジスタのエミッタ面積比をＭ（Ｍは１より大きな任意の正値）、それらのサーマルボルテージをＶＴ、第１の抵抗の抵抗値をＲ１、比例定数をｋ１とした時に電流値がＩ１＝（ｋ１・ＶＴ・ｌｎＭ)／Ｒ１で表される電流を出力する第１の電流源と、バンドギャップ基準電圧回路と第２の抵抗とを有し、バンドギャップ基準電圧回路の出力電圧をＶＢＧ、第２の抵抗の抵抗値をＲ２、比例定数をｋ２とした時に電流値がＩ２＝（ｋ２・ＶＢＧ）／Ｒ２で表される電流を出力する第２の電流源と、前記第１の電流源の電流と前記第２の電流源の電流とを加算し、加算電流を出力する加算器と、を有する。【選択図】図１                      
2005071255.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つのバイポーラトランジスタと第１の抵抗とを有し、前記２つのバイポーラトランジスタのエミッタ面積比をＭ（Ｍは１より大きな任意の正値）、それらのサーマルボルテージをＶＴ、第１の抵抗の抵抗値をＲ１、比例定数をｋ１とした時に電流値がＩ１＝（ｋ１・ＶＴ・ｌｎＭ)／Ｒ１で表される電流を出力する第１の電流源と、
バンドギャップ基準電圧回路と第２の抵抗とを有し、バンドギャップ基準電圧回路の出力電圧をＶＢＧ、第２の抵抗の抵抗値をＲ２、比例定数をｋ２とした時に電流値がＩ２＝（ｋ２・ＶＢＧ）／Ｒ２で表される電流を出力する第２の電流源と、
前記第１の電流源の電流と前記第２の電流源の電流とを加算し、加算電流を出力する加算器と、
を有することを特徴とする電流源回路。
【請求項２】
前記第１の電流源が、
２つの出力端子からそれぞれ電流値Ｉ３を出力する第１のカレントミラー回路と、
エミッタが所定の電源電位に接続され、ベースとコレクタとが接続されて前記第１のカレントミラー回路の一方の出力端子から電流を入力する第１のバイポーラトランジスタと、
前記第１のバイポーラトランジスタに対するエミッタ面積比がＭであって、エミッタが前記第１の抵抗を介して前記所定の電源電位に接続され、ベースが前記第１のバイポーラトランジスタのベースと接続され、コレクタが前記第１のカレントミラー回路の他方の出力端子から電流を入力する第２のバイポーラトランジスタと、
エミッタが前記所定の電源電位に接続され、ベースが前記第１のバイポーラトランジスタ及び前記第２のバイポーラトランジスタのベースと接続され、コレクタが電流値Ｉ１の電流を出力する第３のバイポーラトランジスタと、
を有することを特徴とする請求項１に記載の電流源回路。
【請求項３】
前記第２の電流源が、エミッタが前記第２の抵抗を介して前記所定の電源電位に接続され、ベースが前記第２の抵抗に電圧ＶＢＧを印加する電圧を入力し、コレクタが電流値Ｉ２の電流を出力する第４のバイポーラトランジスタを更に有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電流源回路。
【請求項４】
前記第１の電流源は出力トランジスタである第３のバイポーラトランジスタを有し、前記第３のバイポーラトランジスタはコレクタから電流値Ｉ１の電流を出力し、
前記第２の電流源は出力トランジスタである第４のバイポーラトランジスタを有し、前記第４のバイポーラトランジスタはコレクタから電流値Ｉ２の電流を出力し、
前記加算器が、第５のトランジスタと、１又は複数の第６のトランジスタと、を有し、
前記第５のバイポーラトランジスタと前記第６のトランジスタとはカレントミラー回路を構成し、
前記第５のバイポーラトランジスタのコレクタは、前記第３のバイポーラトランジスタの出力電流と前記第４のバイポーラトランジスタの出力電流とを入力し、
前記１又は複数の第６のバイポーラトランジスタのコレクタから負荷に電流が出力される、
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかの請求項に記載の電流源回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流源回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置において、基準電流源を使用する場合が多い。そのような半導体装置において、温度依存性がない基準電流源を備えることが、半導体装置が全体として優れた温度安定性を有する上で重要である。
【０００３】
図４に、特開平９−２７５３２０号公報に記載の従来例の基準電流源回路の回路図を示す。図４において、４０１は極めて温度依存性が小さい基準抵抗（抵抗値Ｒｓ）、４０２は安定した直流電圧を出力するレギュレータ回路、４０３は基準電圧発生回路である。レギュレータ回路４０２は、バンドギャップ基準電圧回路を含み、バンドギャップ電圧（バンドギャップ基準電圧回路の出力電圧）をリファレンスとして温度依存性が極めて小さい電圧を出力する、バンドギャップリファレンス型電圧発生回路からなる。
【０００４】
基準電圧発生回路４０３は、レギュレータ回路４０２の出力電圧を抵抗で分割した電圧と基準抵抗４０１の端子電圧とを比較し、両電圧が等しくなるように、基準抵抗４０１の端子電圧を増加あるいは低下させる。基準抵抗４０１に流れる電流の電流値は、抵抗値Ｒｓとレギュレータ回路４０２の出力電圧の分割電圧値とで決まるので、温度依存性が小さい。基準抵抗４０１に流れる電流をカレントミラー回路でミラーし、温度依存性が小さい基準電流Ｉｒ１、Ｉｒ２、・・・Ｉｒｎを得ることができる。
【特許文献１】特開平９−２７５３２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来例の基準電流源回路には、温度依存性が小さい基準電流を得るために、温度依存性が小さい基準抵抗４０１が必要不可欠である。しかし、バイポーラ半導体集積回路プロセスでそのような基準抵抗４０１を製造することは困難である。従来の基準電流源回路は、基準抵抗４０１を除く各回路素子を１つの半導体集積回路素子内に配置し、基準抵抗４０１を外付けの部品としていた。それ故に、外付け部品である基準抵抗４０１が回路の集積化の妨げとなっていた。
更に、基準電圧発生回路４０３として、差動入力でシングルエンド出力を持つ位相補償された演算増幅回路が必要であるため、回路規模を小さくすることが困難だった。
【０００６】
温度依存性が小さい電流源回路を実現する上で、一般に温度係数が正値である抵抗に起因する温度特性を、キャンセルする回路を設ける必要がある。しかし、通常のバイポーラ集積回路プロセスにおいては、ポリシリコン抵抗のような負の温度係数を有する抵抗を作ることが出来ない。そのため、従来、バイポーラ半導体集積回路において、外付けの基準抵抗を設けることなく温度依存性が小さい電流源回路を実現することは困難であった。
【０００７】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、回路全体を１つの半導体集積回路素子内に集積可能で、ポリシリコン抵抗を設けるような特別なプロセスを必要とせず、温度依存性が小さい、バイポーラ半導体集積回路用の電流源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】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を有する。請求項１に記載の発明は、２つのバイポーラトランジスタと第１の抵抗とを有し、前記２つのバイポーラトランジスタのエミッタ面積比をＭ（Ｍは１より大きな任意の正値）、それらのサーマルボルテージをＶＴ、第１の抵抗の抵抗値をＲ１、比例定数をｋ１とした時に電流値がＩ１＝（ｋ１・ＶＴ・ｌｎＭ)／Ｒ１で表される電流を出力する第１の電流源と、バンドギャップ基準電圧回路と第２の抵抗とを有し、バンドギャップ基準電圧回路の出力電圧をＶＢＧ、第２の抵抗の抵抗値をＲ２、比例定数をｋ２とした時に電流値がＩ２＝（ｋ２・ＶＢＧ）／Ｒ２で表される電流を出力する第２の電流源と、前記第１の電流源の電流と前記第２の電流源の電流とを加算し、加算電流を出力する加算器と、を有することを特徴とする電流源回路である。
【０００９】
上記の構成により、第１の電流源の出力電流Ｉ１と第２の電流源の出力電流Ｉ２とは極性の異なる温度係数を有するようにできる。典型的には、Ｉ１の温度係数は正値、Ｉ２の温度係数は負値である。加算電流Ｉ＝Ｉ１＋Ｉ２の温度係数がほぼゼロであるように、エミッタ面積比Ｍ、抵抗値Ｒ１及びＲ２を設定することにより、本発明は、温度依存性が非常に小さい電流源回路を実現できる。
「電流を出力する」とは、負荷の影響をあまり受けずに、そこに流れる電流値を所定値に規制する機能を果たしていることを意味する。電流値が正値である場合と、負値である場合とを含む（電流を吐き出す場合と、吸い込む場合とを含む。請求項２等においても同様である。）。開発支援システムを用いて半導体集積回路を設計する上での便宜を考慮すると、好ましくはＭは２以上の任意の正整数である。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、前記第１の電流源が、２つの出力端子からそれぞれ電流値Ｉ３を出力する第１のカレントミラー回路と、エミッタが所定の電源電位に接続され、ベースとコレクタとが接続されて前記第１のカレントミラー回路の一方の出力端子から電流を入力する第１のバイポーラトランジスタと、前記第１のバイポーラトランジスタに対するエミッタ面積比がＭであって、エミッタが前記第１の抵抗を介して前記所定の電源電位に接続され、ベースが前記第１のバイポーラトランジスタのベースと接続され、コレクタが前記第１のカレントミラー回路の他方の出力端子から電流を入力する第２のバイポーラトランジスタと、エミッタが前記所定の電源電位に接続され、ベースが前記第１のバイポーラトランジスタ及び前記第２のバイポーラトランジスタのベースと接続され、コレクタが電流値Ｉ１の電流を出力する第３のバイポーラトランジスタと、を有することを特徴とする請求項１に記載の電流源回路である。
【００１１】
本発明の構成により、第１の電流源は電流値がＩ１＝（ｋ１・ＶＴ・ｌｎＭ)／Ｒ１で表される電流を出力し、温度依存性が非常に小さい電流源回路を実現できる。「所定の電源電位」は、安定した電源電位を意味し、例えばグラウンドである。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、前記第２の電流源が、エミッタが前記第２の抵抗を介して前記所定の電源電位に接続され、ベースが前記第２の抵抗に電圧ＶＢＧを印加する電圧を入力し、コレクタが電流値Ｉ２の電流を出力する第４のバイポーラトランジスタを更に有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電流源回路である。
【００１３】
本発明の構成により、第２の電流源は電流値がＩ２＝（ｋ２・ＶＢＧ）／Ｒ２で表される電流を出力し、温度依存性が非常に小さい電流源回路を実現できる。例えば第４のバイポーラトランジスタがＮＰＮトランジスタであれば、第４のバイポーラトランジスタのベースには、（ＶＢＧ＋ＶＢＥ）の電圧が印加される（ＶＢＥは第４のバイポーラトランジスタのベース−エミッタ電圧）。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、前記第１の電流源は出力トランジスタである第３のバイポーラトランジスタを有し、前記第３のバイポーラトランジスタはコレクタから電流値Ｉ１の電流を出力し、前記第２の電流源は出力トランジスタである第４のバイポーラトランジスタを有し、前記第４のバイポーラトランジスタはコレクタから電流値Ｉ２の電流を出力し、前記加算器が、第５のトランジスタと、１又は複数の第６のトランジスタと、を有し、前記第５のバイポーラトランジスタと前記第６のトランジスタとはカレントミラー回路を構成し、前記第５のバイポーラトランジスタのコレクタは、前記第３のバイポーラトランジスタの出力電流と前記第４のバイポーラトランジスタの出力電流とを入力し、前記１又は複数の第６のバイポーラトランジスタのコレクタから負荷に電流が出力される、ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかの請求項に記載の電流源回路である。
本発明の構成により、温度依存性が非常に小さい電流Ｉ＝Ｉ１＋Ｉ２に基づいて、温度安定性に優れた電流を出力する電流源回路を実現できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、回路全体を１つの半導体集積回路素子内に集積可能で、ポリシリコン抵抗を設けるような特別なプロセスを必要とせず、温度依存性が小さい、バイポーラ半導体集積回路用の電流源回路を実現できるという有利な効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下本発明の実施をするための最良の形態を具体的に示した実施の形態について、図面とともに記載する。
【００１７】
《実施の形態》
図１、図２及び図３を用いて、本発明の実施の形態の電流源回路を説明する。はじめに、図１及び図２を用いて、本発明の実施の形態の電流源回路の動作を定性的に説明する。図１は、本発明の実施の形態の電流源回路１００の構成を示す説明図である。図１において、１０１は第１の電流源（電流値Ｉ１）、１０２は第２の電流源（電流値Ｉ２）、１０３は加算回路である。電流源回路１００は、加算回路１０３で加算された電流値Ｉ（＝Ｉ１＋Ｉ２）を出力する。
【００１８】
この回路の動作原理について説明する。第１の電流源１０１の電流値Ｉ１は下記の式で表せる。
Ｉ１＝（ｋ１・ＶＴ・ｌｎＭ）／Ｒ１
ここで、ｋ１は比例定数、ＶＴはサーマルボルテージ、Ｍは２以上の正整数、Ｒ１は第１の電流源１０１を構成する抵抗（図１では図示しない）の抵抗値である。サーマルボルテージＶＴは、ＶＴ＝ｋ・Ｔ／ｑで表される。ｋはボルツマン定数、ｑは電子の電荷量を示す自然定数、Ｔは絶対温度ある。温度依存しない項をまとめ、電流値Ｉ１を次式で表す。
Ｉ１＝Ａ・（Ｔ／Ｒ１）
ただしＡは、Ａ＝（ｋ１・ｋ・ｌｎＭ）／ｑなる定数である。
【００１９】
第２の電流源１０２の電流値Ｉ２は下記の式で表せる。
Ｉ２＝ｋ２・ＶＢＧ／Ｒ２
ここで、ｋ２は比例定数、ＶＢＧはバンドギャップ基準電圧回路３０５（図１では図示しない）の出力電圧、Ｒ２は第２の電流源１０２を構成する抵抗（図１では図示しない）の抵抗値である。バンドギャップ電圧ＶＢＧは、温度に依存しない。
【００２０】
電流源回路１００の電流が温度依存しないための条件は、温度Ｔの変化ΔＴに対する、電流値Ｉの変化ΔＩ（＝ΔＩ１＋ΔＩ２）がゼロであることである。温度Ｔ０の時のＩ１、Ｉ２、Ｒ１、Ｒ２を、それぞれＩ１０、Ｉ２０、Ｒ１０、Ｒ２０とする。
【００２１】
温度がＴ０からＴ０＋ΔＴに変化した時の第１の電流源１０１の電流値は、次式で表せる。
Ｉ１０＋ΔＩ１＝Ａ（Ｔ０＋ΔＴ）／（Ｒ１０＋ΔＲ１）
この式を変形し、
Ｉ１０（１＋ΔＩ１／Ｉ１０）＝Ａ（Ｔ０／Ｒ１０）（１＋ΔＴ／Ｔ０）／（１＋ΔＲ１／Ｒ１０）
分母をテイラー展開し、二次以上の微小項を無視することにより次式が得られる。
（ΔＩ１／Ｉ１０）＝（ΔＴ／Ｔ０）−（ΔＲ１／Ｒ１０）
よって、温度がＴ０からＴ０＋ΔＴに変化した時の第１の電流源１０１の電流値の変化量ΔＩ１は、次式（１）で表せる。
ΔＩ１＝（ΔＴ／Ｔ０−ΔＲ１／Ｒ１０）Ｉ１０・・・・・（１）
【００２２】
次に、温度がＴ０からＴ０＋ΔＴに変化した時の第２の電流源１０２の電流値は、次式で表せる。
Ｉ２０＋ΔＩ２＝ｋ２・ＶＢＧ／（Ｒ２０＋ΔＲ２）
ΔＩ１の導出方法と同様の式変形を行うことにより、温度がＴ０からＴ０＋ΔＴに変化した時の第２の電流源１０２の電流値の変化量ΔＩ２が得られる。
ΔＩ２＝−（ΔＲ２／Ｒ２０）Ｉ２０・・・・・・・・・・（２）
【００２３】
ΔＲ１／Ｒ１０及びΔＲ２／Ｒ２０は抵抗の温度係数（正の温度係数である。）であり、バイポーラ半導体集積回路の製造プロセス毎に固有の値である。よって
（ΔＲ１／Ｒ１０）＝（ΔＲ２／Ｒ２０）＝βΔＴ    （β＞０）
と書ける。故に、式（１）及び式（２）より、
ΔＩ＝ΔＩ１＋ΔＩ２＝｛（１／Ｔ０−β）Ｉ１０＋（−β）Ｉ２０｝ΔＴ
が得られる。通常のバイポーラ半導体集積回路の製造プロセスでは、（１／Ｔ０−β）は正の値である。Ｉ１０とＩ２０の係数が互いに逆符号であるので、Ｉ１０とＩ２０の値を適切に設定する（即ち、Ｍ、Ｒ１０及びＲ２０を適切に設定する）ことによって、所定の温度範囲（例えばＴ０−ΔＴ〜Ｔ＋ΔＴ）において電流源回路１００の温度依存性をなくす（ΔＩ＝０とする）ことができる。
【００２４】
図２は、電流源回路１００、第１の電流源１０１及び第２の電流源１０２のそれぞれの電流値（Ｉ、Ｉ１、Ｉ２）と絶対温度との関係を示す図である。第１の電流源１０１の電流値Ｉ１は、温度の上昇に伴い増加する。第２の電流源１０２の電流値Ｉ２は、温度の上昇に伴い減少する。Ｍ、Ｒ１０及びＲ２０を調整した結果、所定の温度範囲で、電流値Ｉがほとんど温度依存しない。
【００２５】
図３は、本発明の実施の形態の電流源回路１００の具体的な回路図である。実施の形態の電流源回路１００は、全体が１つのバイポーラ半導体集積回路素子に形成されている。図３において３０５は、温度に依存しないバンドギャップ電圧ＶＢＧを出力する、バンドギャップ基準電圧回路である。３０３は出力回路である。
第１の電流源１０１は、ＮＰＮトランジスタＱ１、Ｑ２、Ｑ３、抵抗Ｒ１、カレントミラー回路３０４から構成される。トランジスタＱ１とトランジスタＱ２のエミッタ面積比は、１：Ｍ（Ｍは２以上の正整数。Ｍは１より大きな任意の値であっても良い。）である。トランジスタＱ１のエミッタは接地され、ベースはコレクタと接続される。トランジスタＱ２のエミッタは抵抗Ｒ１を介して接地される。カレントミラー回路３０４は、トランジスタＱ１、Ｑ２のコレクタ電流ＩＢ、ＩＡをＩＡ＝ＩＢとなるようにミラーする。トランジスタＱ３のエミッタは接地され、ベースはトランジスタＱ１及びＱ２のベースに接続され、コレクタは第１の電流源１０１の出力端子に接続される。
【００２６】
第２の電流源１０２は、ＮＰＮトランジスタＱ４、ＰＮＰトランジスタＱ５、抵抗Ｒ２、定電流源ＩＥから構成される。トランジスタＱ５のコレクタは接地され、ベースはバンドギャップ基準電圧回路３０５の出力端子と接続され、エミッタは定電流源ＩＥに接続される。トランジスタＱ４のエミッタは抵抗Ｒ２を介して接地され、コレクタは第２の電流源１０２の出力端子に接続され、ベースはトランジスタＱ５のエミッタに接続される。従って、トランジスタＱ４のベースにはバンドギャップ電圧ＶＢＧが印加される。
【００２７】
出力回路３０３は、ＰＮＰトランジスタＱ６、Ｑｒ１、Ｑｒ２・・・Ｑｒｎを有する。ＰＮＰトランジスタＱ６のコレクタに、トランジスタＱ３、Ｑ４のコレクタ及びトランジスタＱ６のベースが接続される。
ＰＮＰトランジスタＱ６と、基準電流Ｉｒ１、Ｉｒ２、・・・Ｉｒｎを出力する基準電流供給トランジスタＱｒ１、Ｑｒ２、・・・Ｑｒｎとが、カレントミラーを形成するように接続される。Ｒ９、Ｒｒ１、Ｒｒ２、・・・Ｒｒｎは、トランジスタＱ６、Ｑｒ１、Ｑｒ２、・・・Ｑｒｎのエミッタ抵抗である。
ＰＮＰトランジスタＱ６、Ｑｒ１、Ｑｒ２、・・、Ｑｒｎのエミッタ面積比ファクタは任意の整数で良いが、ここではＰＮＰトランジスタＱ６のエミッタ面積比ファクタをｎ、ＰＮＰトランジスタＱｒ１、Ｑｒ２、・・、Ｑｒｎのエミッタ面積比ファクタをそれぞれ１とする。抵抗Ｒｒ１、Ｒｒ２、・・・Ｒｒｎの抵抗値は同一である。抵抗Ｒｒ１、Ｒｒ２、・・・Ｒｒｎの１つの抵抗値と、抵抗Ｒ９との抵抗比は１：（１／ｎ）である。
第１の電流源１０１の電流値Ｉ１と第２の電流源１０２の電流値Ｉ２とが加算され、各基準電流供給トランジスタＱｒ１、Ｑｒ２、・・・Ｑｒｎのコレクタから、温度依存性がない基準電流Ｉｒ１、Ｉｒ２、・・・Ｉｒｎが出力される。基準電流Ｉｒ１、Ｉｒ２、・・・Ｉｒｎの電流値は、エミッタ面積比ｎをパラメータとして調整できる。
【００２８】
カレントミラー回路３０４に替え、トランジスタＱ１とトランジスタＱ２のコレクタ電流に同じ電流値（ＩＡ＝ＩＢ）の電流を流す他の回路を使用する構成としても良い。
なお、ＮＰＮトランジスタＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４はＰＮＰトランジスタであっても良い。
【００２９】
本発明の電流源回路は、温度依存性が低い基準抵抗を必要としない。また、ポリシリコン抵抗のような、負の温度係数を有する抵抗を使用しない。従って、回路全体を１つの半導体集積回路素子内に集積可能で、温度依存性が小さい、バイポーラ半導体集積回路用の電流源回路を提供できる。
例えば本発明の電流源回路を発振器回路のバイアス電流源として使用すれば、発振周波数の温度依存性を改善できる。本発明の電流源回路を、演算増幅回路のバイアス電流源として使用すれば、電流能力の温度依存性を改善できる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明の電流源回路は、バイポーラ半導体集積回路に使用する電流源回路として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態の電流源回路の構成を示す説明図
【図２】本発明の実施の形態の電流源回路、第１の電流源及び第２の電流源のそれぞれの電流値と絶対温度との関係を示す図
【図３】本発明の実施の形態の電流源回路の回路図
【図４】従来の基準電流源回路の回路図
【符号の説明】
【００３２】
１００  電流源回路
１０１  第１の電流源
１０２  第２の電流源
１０３  加算回路
３０３  出力回路
３０４  カレントミラー回路
３０５  バンドギャップ基準電圧回路
【図１】
2005071255.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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