(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
定電流を流す定電流回路において、
第二ＰＭＯＳトランジスタと、
前記第二ＰＭＯＳトランジスタのドレイン電流に基づいてドレイン電流を流す第一ＰＭＯＳトランジスタと、
前記第一ＰＭＯＳトランジスタのドレイン電圧に基づいた電圧をゲートに印加され、前記第一ＰＭＯＳトランジスタのドレイン電流と等しいドレイン電流を流す第一ＮＭＯＳトランジスタと、
前記第一ＮＭＯＳトランジスタのドレイン電圧に基づいた電圧をゲートに印加され、前記第二ＰＭＯＳトランジスタのドレイン電流と等しいドレイン電流を流し、前記第一ＮＭＯＳトランジスタよりも低いしきい値電圧を持つ第二ＮＭＯＳトランジスタと、
前記第二ＮＭＯＳトランジスタのソースと接地端子との間に設けられ、前記第一ＮＭＯＳトランジスタと前記第二ＮＭＯＳトランジスタとのしきい値電圧差に基づいた電圧を発生させて前記定電流を流す第一抵抗と、
前記第一ＮＭＯＳトランジスタのゲートと前記第二ＮＭＯＳトランジスタのゲートとの間に設けられた第二抵抗と、
を備えることを特徴とする定電流回路。
【請求項２】
前記定電流が所定電流未満であると、電源端子から前記第二ＮＭＯＳトランジスタのゲートに起動電流を流し込む起動回路、
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の定電流回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、定電流を流す定電流回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、半導体装置は、定電流を流す定電流回路を搭載することがある。
【０００３】
従来の定電流回路について説明する。図３は、従来の定電流回路を示す図である。
【０００４】
ＰＭＯＳトランジスタＰ１のＫ値（ドライブ能力）はＰＭＯＳトランジスタＰ２のＫ値よりも高く、または、ＮＭＯＳトランジスタＮ２のＫ値はＮＭＯＳトランジスタＮ１のＫ値よりも高い。ＮＭＯＳトランジスタＮ１とＮＭＯＳトランジスタＮ２とのゲート−ソース間電圧差が抵抗Ｒ１に発生し、抵抗Ｒ１に流れる電流が定電流になる（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
従来の低消費電流用の定電流回路について説明する。図４は、従来の低消費電流用の定電流回路を示す図である。
【０００６】
ＰＭＯＳトランジスタＰ１のＫ値はＰＭＯＳトランジスタＰ２のＫ値よりも高く、または、ＮＭＯＳトランジスタＮ２のＫ値はＮＭＯＳトランジスタＮ１のＫ値よりも高い。ＮＭＯＳトランジスタＮ１のゲートとドレインとの間に抵抗Ｒ２が設けられることにより、ＮＭＯＳトランジスタＮ２のゲート電圧が低くなり、ＮＭＯＳトランジスタＮ２がサブスレッショルド領域で動作するので、定電流回路は低消費電流化する。ＮＭＯＳトランジスタＮ１とＮＭＯＳトランジスタＮ２とのゲート−ソース間電圧差から抵抗Ｒ２に発生する電圧を減算した電圧が抵抗Ｒ１に発生し、抵抗Ｒ１に流れる電流が定電流になる（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特許第２８０３２９１号公報（図１）
【特許文献２】特開平６−１５２２７２号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、ＮＭＯＳトランジスタＮ１〜Ｎ２において、半導体装置の製造プロセスによってゲート酸化膜厚がばらつくことにより、Ｋ値がばらついてしまう。よって、ＮＭＯＳトランジスタＮ１とＮＭＯＳトランジスタＮ２とのゲート−ソース間電圧差もばらついてしまう。すると、抵抗Ｒ１に発生する電圧もばらつき、定電流回路の定電流もばらついてしまう。つまり、半導体装置の製造ばらつきにより、定電流回路の定電流がばらついてしまう。
【０００８】
また、ＭＯＳトランジスタにおけるキャリアの移動度は温度係数を持つので、温度が高くなるとＫ値が低くなり、温度が低くなるとＫ値が高くなり、温度が変化するとＫ値も変化してしまう。よって、ＮＭＯＳトランジスタＮ１とＮＭＯＳトランジスタＮ２とのゲート−ソース間電圧差も変化してしまう。すると、抵抗Ｒ１に発生する電圧も変化し、定電流回路の定電流も変化してしまう。つまり、温度変化により、定電流回路の定電流が変化してしまう。
【０００９】
よって、半導体装置の製造ばらつきや温度変化に対して安定した定電流を流すことができる定電流回路が求められている。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みてなされ、安定した定電流を流すことができる定電流回路を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するため、定電流を流す定電流回路において、第二ＰＭＯＳトランジスタと、前記第二ＰＭＯＳトランジスタのドレイン電流に基づいてドレイン電流を流す第一ＰＭＯＳトランジスタと、前記第一ＰＭＯＳトランジスタのドレイン電圧に基づいた電圧をゲートに印加され、前記第一ＰＭＯＳトランジスタのドレイン電流と等しいドレイン電流を流す第一ＮＭＯＳトランジスタと、前記第一ＮＭＯＳトランジスタのゲート電圧に基づいた電圧をゲートに印加され、前記第二ＰＭＯＳトランジスタのドレイン電流と等しいドレイン電流を流し、前記第一ＮＭＯＳトランジスタよりも低いしきい値電圧を持つ第二ＮＭＯＳトランジスタと、前記第二ＮＭＯＳトランジスタのソースと接地端子との間に設けられ、前記第一ＮＭＯＳトランジスタと前記第二ＮＭＯＳトランジスタとのしきい値電圧差に基づいた電圧を発生させて前記定電流を流す第一抵抗と、を備えることを特徴とする定電流回路を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、半導体装置の製造ばらつきにより、第一及び第二ＮＭＯＳトランジスタのＫ値がばらついても、第一抵抗に発生する電圧は常に第一ＮＭＯＳトランジスタと第二ＮＭＯＳトランジスタとのしきい値電圧差になり、第一抵抗に発生する電圧もほとんどばらつかなくなるので、定電流回路の定電流もほとんどばらつかなくなる。
【００１３】
また、温度変化により、第一及び第二ＮＭＯＳトランジスタのＫ値が変化しても、第一抵抗に発生する電圧は常に第一ＮＭＯＳトランジスタと第二ＮＭＯＳトランジスタとのしきい値電圧差になり、第一抵抗に発生する電圧もほとんど変化しなくなるので、定電流回路の定電流もほとんど変化しなくなる。
【００１４】
よって、定電流回路は、半導体装置の製造ばらつきや温度変化に対して安定した定電流を流すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１６】
［第一実施形態］
まず、定電流回路の構成について説明する。図１は、定電流回路を示す図である。
【００１７】
定電流回路は、起動回路１０、ＰＭＯＳトランジスタＰ１〜Ｐ２、ＮＭＯＳトランジスタＮ１、ＮＭＯＳトランジスタＬＮ２、及び、抵抗Ｒ１を備える。
【００１８】
起動回路１０は、電源端子と接地端子との間に設けられ、入力端子がＰＭＯＳトランジスタＰ１のゲートとＰＭＯＳトランジスタＰ２のゲート及びドレインとＮＭＯＳトランジスタＬＮ２のドレインとに接続され、出力端子がＰＭＯＳトランジスタＰ１のドレインとＮＭＯＳトランジスタＮ１のゲート及びドレインとＮＭＯＳトランジスタＬＮ２のゲートとに接続される。ＰＭＯＳトランジスタＰ１〜Ｐ２は、ソースが電源端子に接続される。ＮＭＯＳトランジスタＮ１は、ソースが接地端子に接続される。ＮＭＯＳトランジスタＬＮ２は、ソースが抵抗Ｒ１の一端に接続される。抵抗Ｒ１は、他端が接地端子に接続される。ＰＭＯＳトランジスタＰ２はダイオード接続し、ＰＭＯＳトランジスタＰ１〜Ｐ２はカレントミラー接続する。ＮＭＯＳトランジスタＮ１はダイオード接続し、ＮＭＯＳトランジスタＮ１及びＮＭＯＳトランジスタＬＮ２はカレントミラー接続する。
【００１９】
ここで、電流が全く流れない場合と定電流が流れる場合との２つの安定点が定電流回路に存在していて、前者の場合から後者の場合に定電流回路が移行するように、起動回路１０は動作する。具体的には、抵抗Ｒ１に流れる定電流が所定電流未満であり、ＰＭＯＳトランジスタＰ２及びＮＭＯＳトランジスタＬＮ２のドレイン電流が所定電流未満であり、ＰＭＯＳトランジスタＰ２のゲート電圧が所定電圧以上であると、起動回路１０は電源端子からＮＭＯＳトランジスタＬＮ２のゲートに起動電流を流し込んで定電流回路を起動する。
【００２０】
また、ＰＭＯＳトランジスタＰ１は、ＰＭＯＳトランジスタＰ２のドレイン電流に基づいてドレイン電流を流す。ＮＭＯＳトランジスタＮ１は、ＰＭＯＳトランジスタＰ１のドレイン電圧に基づいた電圧をゲートに印加され、ＰＭＯＳトランジスタＰ１のドレイン電流と等しいドレイン電流を流す。ＮＭＯＳトランジスタＬＮ２は、ＮＭＯＳトランジスタＮ１のゲート電圧に基づいた電圧をゲートに印加され、ＰＭＯＳトランジスタＰ２のドレイン電流と等しいドレイン電流を流す。ＰＭＯＳトランジスタＰ１とＰＭＯＳトランジスタＰ２とのＫ値（ドライブ能力）比は、ＮＭＯＳトランジスタＮ１とＮＭＯＳトランジスタＬＮ２とのＫ値比と等しい。ＰＭＯＳトランジスタＰ１とＰＭＯＳトランジスタＰ２とのＫ値比が１：１であると、定電流回路はＮＭＯＳトランジスタＮ１とＮＭＯＳトランジスタＬＮ２とのＫ値比も１：１になるよう回路設計され、ＰＭＯＳトランジスタＰ１とＰＭＯＳトランジスタＰ２とのＫ値比が２：１であると、定電流回路はＮＭＯＳトランジスタＮ１とＮＭＯＳトランジスタＬＮ２とのＫ値比も２：１になるよう回路設計される。つまり、ＰＭＯＳトランジスタＰ１及びＮＭＯＳトランジスタＮ１に流れる電流のＫ値に対する電流密度は、ＰＭＯＳトランジスタＰ２及びＮＭＯＳトランジスタＬＮ２に流れる電流のＫ値に対する電流密度と等しい。また、ＮＭＯＳトランジスタＬＮ２は、ＮＭＯＳトランジスタＮ１よりも低いしきい値電圧を持つ。
【００２１】
また、抵抗Ｒ１は、ポリシリコン抵抗であり、ＮＭＯＳトランジスタＮ１とＮＭＯＳトランジスタＬＮ２とのしきい値電圧差である電圧を発生させる。抵抗Ｒ１のシート抵抗値は３００Ω〜４００Ω程度であるので、半導体装置の製造ばらつきや温度変化に対して抵抗Ｒ１の抵抗値がほとんど変化しない。
【００２２】
次に、定電流回路の動作について説明する。
【００２３】
ここで、ＰＭＯＳトランジスタＰ１とＰＭＯＳトランジスタＰ２とのＫ値比が１：１であり、ＮＭＯＳトランジスタＮ１とＮＭＯＳトランジスタＬＮ２とのＫ値比が１：１であるとする。また、ＮＭＯＳトランジスタＮ１において、しきい値電圧は０．５Ｖであり、オーバードライブ電圧は０．１Ｖであり、ゲート−ソース間電圧が０．６Ｖであるとする。ＮＭＯＳトランジスタＬＮ２において、しきい値電圧は０．２Ｖであるとする。また、ＰＭＯＳトランジスタＰ１〜Ｐ２、ＮＭＯＳトランジスタＮ１及びＮＭＯＳトランジスタＬＮ２は、飽和領域で動作しているとする。
【００２４】
すると、ＰＭＯＳトランジスタＰ１〜Ｐ２のＫ値及びドレイン電流は等しくてＮＭＯＳトランジスタＮ１及びＮＭＯＳトランジスタＬＮ２のＫ値及びドレイン電流は等しいので、ＰＭＯＳトランジスタＰ１〜Ｐ２の電流密度が等しくなってＮＭＯＳトランジスタＮ１及びＮＭＯＳトランジスタＬＮ２の電流密度が等しくなり、ＮＭＯＳトランジスタＬＮ２のオーバードライブ電圧はＮＭＯＳトランジスタＮ１のオーバードライブ電圧と等しくなって０．１Ｖになり、ＮＭＯＳトランジスタＬＮ２のゲート−ソース間電圧はしきい値電圧（０．２Ｖ）とオーバードライブ電圧（０．１Ｖ）との合計電圧（０．３Ｖ）になる。よって、ＮＭＯＳトランジスタＮ１のゲート−ソース間電圧が０．６Ｖであり、ＮＭＯＳトランジスタＬＮ２のゲート−ソース間電圧が０．３Ｖであるので、抵抗Ｒ１に発生する電圧は０．３Ｖになる。つまり、この電圧はＮＭＯＳトランジスタＮ１とＮＭＯＳトランジスタＬＮ２とのゲート−ソース間電圧差であるが、ＮＭＯＳトランジスタＮ１及びＮＭＯＳトランジスタＬＮ２のオーバードライブ電圧が等しくて０．１Ｖであるので、この電圧はＮＭＯＳトランジスタＮ１とＮＭＯＳトランジスタＬＮ２とのしきい値電圧差になる（０．５Ｖ−０．２Ｖ＝０．３Ｖになる）。この電圧に基づき、抵抗Ｒ１は定電流を流す。この定電流は、カレントミラー回路（図示せず）等によって定電流回路の外に取り出される。
【００２５】
ＮＭＯＳトランジスタＮ１におけるしきい値電圧をＶｔ１とし、オーバードライブ電圧をＶｏ１とし、ゲート−ソース間電圧をＶｇｓ１とし、ＮＭＯＳトランジスタＬＮ２におけるしきい値電圧をＶｔ２とし、オーバードライブ電圧をＶｏ２とし、ゲート−ソース間電圧をＶｇｓ２とすると、抵抗Ｒ１に発生する電圧Ｖｒｅｆは、
Ｖｒｅｆ＝Ｖｇｓ１−Ｖｇｓ２＝（Ｖｏ１＋Ｖｔ１）−（Ｖｏ２＋Ｖｔ２）・・・（１）
によって算出され、ＮＭＯＳトランジスタＮ１及びＮＭＯＳトランジスタＬＮ２のオーバードライブ電圧は等しいので、この電圧Ｖｒｅｆは、
Ｖｒｅｆ＝Ｖｔ１−Ｖｔ２・・・（２）
によって算出される。
【００２６】
一般的な半導体装置の製造プロセスにおいて、ＮＭＯＳトランジスタＮ１とＮＭＯＳトランジスタＬＮ２とのしきい値電圧差の製造ばらつきは少ない。また、温度変化によるＮＭＯＳトランジスタＮ１及びＮＭＯＳトランジスタＬＮ２のしきい値電圧の変化はほぼ等しいので、温度が変化しても、ＮＭＯＳトランジスタＮ１とＮＭＯＳトランジスタＬＮ２とのしきい値電圧差はほとんど変化しない。
【００２７】
ここで、半導体装置の製造ばらつきにより、ＮＭＯＳトランジスタＮ１及びＮＭＯＳトランジスタＬＮ２のＫ値がばらつくとする。また、温度変化により、ＮＭＯＳトランジスタＮ１及びＮＭＯＳトランジスタＬＮ２のＫ値が変化するとする。
【００２８】
この時、Ｋ値のばらつき（変化）により、ＮＭＯＳトランジスタＮ１及びＮＭＯＳトランジスタＬＮ２のオーバードライブ電圧は同様にばらつくので（変化するので）、ＮＭＯＳトランジスタＮ１とＮＭＯＳトランジスタＬＮ２とのオーバードライブ電圧差は０Ｖからほとんどばらつかない（０Ｖからほとんど変化しない）。よって、抵抗Ｒ１に発生する電圧は、常にＮＭＯＳトランジスタＮ１とＮＭＯＳトランジスタＬＮ２とのしきい値電圧差になり、０．３Ｖのままである。この電圧に基づき、抵抗Ｒ１は定電流を流す。この定電流は、カレントミラー回路（図示せず）等によって定電流回路の外に取り出される。
【００２９】
このようにすると、半導体装置の製造ばらつきにより、ＮＭＯＳトランジスタＮ１及びＮＭＯＳトランジスタＬＮ２のＫ値がばらついてもＮＭＯＳトランジスタＮ１とＮＭＯＳトランジスタＬＮ２とのゲート−ソース間電圧差及びオーバードライブ電圧差はほとんどばらつかない。すると、抵抗Ｒ１に発生する電圧は常にＮＭＯＳトランジスタＮ１とＮＭＯＳトランジスタＬＮ２とのしきい値電圧差になり、抵抗Ｒ１に発生する電圧もほとんどばらつかなくなるので、定電流回路の定電流もほとんどばらつかなくなる。
【００３０】
また、温度変化により、ＮＭＯＳトランジスタＮ１及びＮＭＯＳトランジスタＬＮ２のＫ値が変化してもＮＭＯＳトランジスタＮ１とＮＭＯＳトランジスタＬＮ２とのゲート−ソース間電圧差及びオーバードライブ電圧差はほとんど変化しない。すると、抵抗Ｒ１に発生する電圧は常にＮＭＯＳトランジスタＮ１とＮＭＯＳトランジスタＬＮ２とのしきい値電圧差になり、抵抗Ｒ１に発生する電圧もほとんど変化しなくなるので、定電流回路の定電流もほとんど変化しなくなる。
【００３１】
よって、定電流回路は、半導体装置の製造ばらつきや温度変化に対して安定した定電流を流すことができる。
【００３２】
［第二実施形態］
次に、低消費電流用の定電流回路の構成について説明する。図２は、低消費電流用の定電流回路を示す図である。
【００３３】
第二実施形態の定電流回路は、第一実施形態と比較されると、抵抗Ｒ２を追加される。
【００３４】
抵抗Ｒ２は、ＮＭＯＳトランジスタＮ１のゲートとドレインとの間に設けられる。
【００３５】
ここで、電流が全く流れない場合と定電流が流れる場合との２つの安定点が定電流回路に存在していて、前者の場合から後者の場合に定電流回路が移行するように、起動回路１０は動作する。具体的には、抵抗Ｒ１に流れる定電流が所定電流未満であり、ＰＭＯＳトランジスタＰ２及びＮＭＯＳトランジスタＬＮ２のドレイン電流が所定電流未満であり、ＰＭＯＳトランジスタＰ２のゲート電圧が所定電圧以上であると、起動回路１０は電源端子からＮＭＯＳトランジスタＬＮ２のゲートに起動電流を流し込んで定電流回路を起動する。他の起動方法として電源端子からＮＭＯＳトランジスタＮ１のゲートに起動電流を流し込む方法やＰＭＯＳトランジスタＰ２のゲートから接地端子に起動電流を引っ張る方法があるが、これらの起動方法では、ＮＭＯＳトランジスタＮ１のゲートがドレインよりも先に高い電圧になるので、ＮＭＯＳトランジスタＮ１のゲートが電源電位に上昇してドレインが接地電圧に低下したままになる。つまり、ＮＭＯＳトランジスタＮ１は大電流が流れる状態で安定し、ＮＭＯＳトランジスタＬＮ２は電流が全く流れない状態で安定してしまう。よって、これらの起動方法では、抵抗Ｒ１に電圧が発生しないので、定電流回路は定電流を流さなくなってしまう。しかし、本発明の起動方法では、ＮＭＯＳトランジスタＮ１のドレインがゲートよりも先に高い電圧になるので、ＮＭＯＳトランジスタＬＮ２は電流が流れる状態で安定する。よって、本発明の起動方法では、抵抗Ｒ１に電圧が発生するので、定電流回路は定電流を流す。
【００３６】
また、抵抗Ｒ１〜Ｒ２は、ポリシリコン抵抗であり、抵抗Ｒ１は、ＮＭＯＳトランジスタＮ１とＮＭＯＳトランジスタＬＮ２とのしきい値電圧差から抵抗Ｒ２に発生する電圧を減算した電圧である電圧を発生させる。抵抗Ｒ１〜Ｒ２のシート抵抗値は３００Ω〜４００Ω程度であるので、半導体装置の製造ばらつきや温度変化に対して抵抗Ｒ１〜Ｒ２の抵抗値がほとんど変化しない。
【００３７】
次に、定電流回路の動作について説明する。
【００３８】
ここで、ＮＭＯＳトランジスタＮ１のしきい値電圧は０．５Ｖであるとし、ＮＭＯＳトランジスタＬＮ２のしきい値電圧は０．１Ｖであるとする。すると、ＮＭＯＳトランジスタＮ１とＮＭＯＳトランジスタＬＮ２とのしきい値電圧差は０．４Ｖになる。また、ＰＭＯＳトランジスタＰ２のゲート−ソース間電圧が１．０Ｖであるとする。この時、電源電圧が、低くなり、ＮＭＯＳトランジスタＮ１とＮＭＯＳトランジスタＬＮ２とのしきい値電圧差（０．４Ｖ）とＰＭＯＳトランジスタＰ２のゲート−ソース間電圧（１．０Ｖ）との合計電圧（１．４Ｖ）未満の１．２Ｖになるとする。
【００３９】
すると、第一実施形態では、抵抗Ｒ１に発生する電圧が電圧（０．４Ｖ）でなくなって低くなり、抵抗Ｒ１に流れる電流が定電流にならなって少なくなる。つまり、低電源電圧で、定電流回路は動作できない。
【００４０】
しかし、第二実施形態では、抵抗Ｒ２が追加され、抵抗Ｒ１〜Ｒ２は第一実施形態の抵抗Ｒ１の半分の抵抗値をそれぞれ持つ。すると、ＮＭＯＳトランジスタＮ１とＮＭＯＳトランジスタＬＮ２とのしきい値電圧差の半分の電圧（０．２Ｖ）が抵抗Ｒ１〜Ｒ２にそれぞれ発生する。抵抗Ｒ１に発生する電圧はＮＭＯＳトランジスタＮ１とＮＭＯＳトランジスタＬＮ２とのしきい値電圧差の半分の電圧であり、抵抗Ｒ１は第一実施形態の抵抗Ｒ１の半分の抵抗値を持つので、抵抗Ｒ１に流れる電流の電流値は第一実施形態の抵抗Ｒ１に流れる電流の電流値と等しい。つまり、低電源電圧でも、定電流回路は動作できる。
【００４１】
このようにすると、抵抗Ｒ２が追加されることにより、抵抗Ｒ２に電圧が発生するので、その分、抵抗Ｒ１に発生する電圧が低くなる。よって、その分、電源電圧が低くなっても、定電流回路は動作できる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】定電流回路を示す図である。
【図２】低消費電流用の定電流回路を示す図である。
【図３】従来の定電流回路を示す図である。
【図４】従来の低消費電流用の定電流回路を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０……起動回路    Ｐ１〜Ｐ２……ＰＭＯＳトランジスタ
Ｎ１、ＬＮ２……ＮＭＯＳトランジスタ    Ｒ１……抵抗
【図１】
0005202980.tif 000002
【図２】
0005202980.tif 000003
【図３】
0005202980.tif 000004
【図４】
0005202980.tif 000005