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JP2000330658A - 電流源および電流の発生方法 - Google Patents

電流源および電流の発生方法

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Publication number
JP2000330658A
JP2000330658A JP2000065508A JP2000065508A JP2000330658A JP 2000330658 A JP2000330658 A JP 2000330658A JP 2000065508 A JP2000065508 A JP 2000065508A JP 2000065508 A JP2000065508 A JP 2000065508A JP 2000330658 A JP2000330658 A JP 2000330658A
Authority
JP
Japan
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current
circuit
temperature
output
bandgap reference
Prior art date
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Pending
Application number
JP2000065508A
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English (en)
Inventor
Russell J Houghton
ジェイ ホートン ラッセル
Ernst J Stahl
ヨット シュタール エルンスト
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
International Business Machines Corp
Infineon Technologies North America Corp
Original Assignee
International Business Machines Corp
Infineon Technologies North America Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by International Business Machines Corp, Infineon Technologies North America Corp filed Critical International Business Machines Corp
Publication of JP2000330658A publication Critical patent/JP2000330658A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05FSYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F3/00Non-retroactive systems for regulating electric variables by using an uncontrolled element, or an uncontrolled combination of elements, such element or such combination having self-regulating properties
    • G05F3/02Regulating voltage or current
    • G05F3/08Regulating voltage or current wherein the variable is DC
    • G05F3/10Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics
    • G05F3/16Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
    • G05F3/20Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations
    • G05F3/26Current mirrors
    • G05F3/262Current mirrors using field-effect transistors only
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05FSYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
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    • G05F3/24Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations wherein the transistors are of the field-effect type only
    • G05F3/242Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations wherein the transistors are of the field-effect type only with compensation for device parameters, e.g. channel width modulation, threshold voltage, processing, or external variations, e.g. temperature, loading, supply voltage
    • G05F3/245Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations wherein the transistors are of the field-effect type only with compensation for device parameters, e.g. channel width modulation, threshold voltage, processing, or external variations, e.g. temperature, loading, supply voltage producing a voltage or current as a predetermined function of the temperature
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    • Y10STECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S323/907Temperature compensation of semiconductor

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Abstract

(57)【要約】 出力電流を供給する方法および回路を提供する。本発明
による方法および回路は、温度係数が逆である2つの電
流を加算して、出力電流を供給する。加算された電流が
出力電流となる。第1および第2の電流が加算されて出
力電流が供給され、この出力電流は第1および第2の電
流の和に関連している。この出力電流は所定の範囲にわ
たり、温度および電源電圧の変動に実質的に影響を受け
ない。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】発明の背景 本発明は概して電流源に関し、より詳細には温度および
外部電圧源の変動の影響を受けない電流を供給する電流
源に関する。
【0002】当分野で公知であるが、多くのアプリケー
ションで電流源を使用する必要がある。種々の形式の電
流源が、Analysis and Design of Analog Intergrated
Circuits (Third Edition)by Paul R. Gray and Robe
rt G. Meyer, 1993, published by John Wiley & Sons,
Inc. New York, NY に記述されている。前記刊行物に
記述されているようにこれらの電流源は、増幅段に対す
るバイアス用エレメント、および負荷デバイスの両方と
して使用される。当分野でやはり公知であるが、温度お
よび外部電圧源の変動の影響を受けない電流を供給する
電流源を提供することがしばしば所望される。
【0003】発明の概要 本発明は、出力電流の供給方法を提供する。本発明によ
る方法では、温度係数が逆である2つの電流を加算し
て、出力電流を供給する。前記2つの電流のうち第1の
電流I1は、温度補償型バンドギャップ基準回路におい
て供給された電流を変倍したものである。前記2つの電
流のうち第2の電流I2は、バンドギャップ回路により
供給された温度安定性電圧を、正の温度係数を有する抵
抗で除算する事により導出される。加算された電流I1
+I2が出力電流である。
【0004】さらに本発明は、電流源を提供する。電流
源は第1の回路を有し、(i)正の温度係数を有する基
準電流を供給し、かつ(ii)出力ノードにおいて出力
電圧を供給し、この出力電圧は実質的に、所定範囲にわ
たり電源電圧および温度の変動の影響を受けない。電流
源は第2の回路を有し、この回路は前記基準電流から導
出された第1の電流を供給する。第1の電流は正の温度
係数を有する。さらに第3の回路が設けられており、出
力電圧から導出された第2の電流を供給するために、出
力ノードに接続されている。第2の電流は負の温度係数
を有する。第1および第2の電流は出力ノードにおいて
加算され、出力ノードにおいて第1および第2の電流の
和に関連する出力電流を供給する。この出力電流は実質
的に、所定の範囲にわたり温度および電源電圧の変動の
影響を受けない。
【0005】別の実施例によれば、第2の回路は電流ミ
ラーを有する。
【0006】別の実施例によれば、第3の回路は抵抗器
を有する。
【0007】別の実施例によれば、第1の回路はバンド
ギャップ基準回路を有する。
【0008】別の実施例によれば、バンドギャップ基準
回路は、自己バイアス型バンドギャップ基準回路であ
る。
【0009】別の実施例によれば、自己バイアス型バン
ドギャップ基準回路は、CMOSトランジスタを有す
る。
【0010】本発明は、電源電圧に接続されているバン
ドギャップ基準回路を有する電流源を提供する。バンド
ギャップ基準回路は、正の温度係数を有するバンドギャ
ップ基準電流、および出力電圧を出力電流の加算ノード
において供給し、この電圧は実質的に、所定の範囲にわ
たり電源電圧および温度の変動の影響を受けない。
【0011】1対の電流パスを有する電流加算回路が設
けられ、前記パスの一方は、バンドギャップ基準電流か
ら導出された第1の電流を供給する。第1の電流は正の
温度係数を有する。前記1対の電流パスの他方は、出力
電圧から導出された第2の電流を供給する。第2の電流
は負の温度係数を有する。第1および第2の電流は加算
ノードにおいて加算されて、加算ノードにおいて、所定
の範囲にわたり温度および電源電圧の変動に実質的に影
響を受けない電流を供給する。
【0012】実施例によれば、バンドギャップ基準回路
を有する電流源が提供されており、バンドギャップ基準
回路は温度依存性電流と温度安定性電圧とを供給し、前
記温度依存性電流は温度の上昇と共に増加する。差動増
幅器が設けられており、その1対の入力側の一方には温
度安定性電圧が供給される。MOSFETのゲートは前
記増幅器の出力側に接続されており、ソース/ドレイン
電極の一方は、前記増幅器の入力側の他方に、負のフィ
ードバック機構を構成するように接続されている。ソー
ス/ドレイン電極の他方は電圧供給源に接続されてい
る。前記加算ノードは前記増幅器の出力側に接続されて
いる。抵抗器が、第1の電流を加算ノードに通すために
加算ノードに接続されている。電流ミラーには、第2の
電流を前記ノードに通すために、温度により変動する電
流が供給される。MOSFETは、そのソース電極とド
レイン電極間に第3の電流を通し、この電流は第1およ
び第2電流の和に関連している。第3の電流は温度に依
存しない。
【0013】有利な実施例の説明 まず図1を参照する。温度および電圧源の影響を受けな
い電流源10を示す。電流源10はバンドギャップ基準
回路12を有しており、温度Tの上昇と共に増加する温
度依存性電流IBGRを供給し、かつこの温度依存性電流
BGRに応答して、回路12の出力側11において温度
安定性電圧VBGRを供給する。また電流源10は差動増
幅器14を備え、この増幅器の一方の入力側、ここでは
反転入力側(−)に温度安定性電圧VBGRが供給され
る。金属−酸化物−半導体電界効果トランジスタ(MO
SFET)のゲート電極が増幅器14の出力側に接続さ
れている。ここでMOSFETはpチャネルMOSFE
Tであり、T1で表す。MOSFETT1のソース/ドレ
イン電極の一方、ここではドレイン電極が増幅器の他方
の入力側に、負のフィードバック機構を構成するように
接続されている。前記他方の入力側は、ここでは増幅器
14の非反転(+)入力側である。MOSFETT1
ソース/ドレイン電極の他方、ここではソース電極は、
電流ミラー( current mirror )20を介して電圧供給
源18に接続されている。加算ノード22がMOSFE
TT1のドレインに接続されている。抵抗器Rは温度T
と共に増加する抵抗R(T)を有し、第1電流IRを加
算ノード22に通すために加算ノード22に接続されて
いる。より具体的には、抵抗器Rは加算ノード22と基
準電位との間に図示のように接続されている。基準電位
はここではアース電位である。
【0014】電流ミラー部26は、バンドギャップ基準
回路12内で供給された温度変動性電流IBGRに応答し
て、第2電流nIBGRを加算ノード22に通すが、ここ
でnはスケール因子であり、以下で説明するように選択
される。しかしここでは、加算ノード22における電圧
V’BGRは、フィードバック機構により、温度および電
源18の変動に関して実質的に変動しないよう保たれる
というに止めておく。このフィードバック機構は増幅器
14およびMOSFETT1により構成される。つま
り、加算ノード22における電圧V’BGRは、基準電圧
BGRに駆動されるが、この基準電圧は増幅器14の反
転入力側(−)に供給される(すなわち、バンドギャッ
プ基準回路12により供給されたバンドギャップ基準電
圧)。以下で説明するが、電流IBGRは温度Tと共に増
加する。これは上でも述べたとおりである。従って、電
流nIBGRもまた温度Tと共に増加する。これは図2に
示すとおりである。一方、抵抗器Rの抵抗R(T)は温
度と共に増加するのに対して、電圧V’BGRは温度Tに
関して実質的に変動しないため、加算ノード22からア
ースへ抵抗器Rを介して流れる電流IRは温度Tと共に
減少する。これを図2に示す。抵抗器Rの抵抗値および
nの値は、電流nIBGRとIRとの和が温度Tに関して実
質的に変動しないように選択される。これを図2に示
す。
【0015】言い換えると電流源10は、加算ノード2
2に流れ込む出力電流IREF=nIB GR+IRを供給する
ように作用し、この出力電流は温度Tの変動および電源
18の変動に関して実質的に変動しない。回路10は上
述のような温度/電源不変性電流IREFを、上述のよう
な出力電流を供給するために、温度係数が逆である2つ
の電流を加算することで供給する。2つの電流のうち第
1の電流nIBGRは、温度補償型バンドギャップ基準回
路12で供給された電流IBGRを変倍したものであり、
2つの電流のうち第2の電流IRは、バンドギャップ回
路12により供給された温度安定性電圧VBGRを、正の
温度係数抵抗、すなわち抵抗Rにより除算することによ
り導出される。そのようにして加算された電流、nI
BGR+IRが出力電流IREFである。
【0016】電流ミラー20(図1)は電流IOUT
[M/N]IREFを供給するために使用され、M/Nは
スケール因子である。このスケール因子は、電流ミラー
20において使用されるpチャネルトランジスタT2
よびT3により決まる。
【0017】より詳細には、バンドギャップ基準回路1
0はpチャネルMOSFETT4、T5およびT6、nチ
ャネルMOSFETT7およびT8、ならびにダイオード
0およびA1を含み、これらは図示のように配置されて
いる。バンドギャップ基準回路12は正電圧供給源18
に接続されており、この供給源の電圧は、ダイオードD
1両端の順方向電圧降下と、トランジスタT5のしきい値
電圧と、トランジスタT8のしきい値電圧との和よりも
大きい電圧を有する。またバンドギャップ基準回路12
は、図示のように配置されている抵抗器R1およびダイ
オードD1も含む。ダイオードD1、A0、およびA1は熱
的に整合している。定常状態では、ダイオードA1を介
する電流(すなわちバンドギャップ基準電流IBGR)は
T=kT/qの関数として増加する。ここでkはボル
ツマン定数、Tは温度、qは電子の電荷である。シリコ
ンの場合、k/qは約0.086mV/℃である。電流
GBRは、トランジスタT5、T6、T7およびT9からな
る機構により反射され、電流IBGRはダイオードA1およ
びダイオードD1を通過する。しかし、バンドギャップ
基準回路12の出力側11における電圧(すなわち電圧
BGR)は、温度Tに関して実質的に一定である。何故
ならば、電流IBGRを反射する抵抗器R1を介する電流は
温度と共に増加するのに対して、ダイオードD1両端の
電圧は温度と共に−2mV/℃で減少するからである。
従って、11における出力電圧(すなわちVBGR)は: VBGR=VBE+αVT と書くことができる。ここでαは定数である。
【0018】ここで、合計電流IREFを温度に独立、す
なわち影響を受けないようにするRの値をどのように選
択するかを代数的に説明する。理想的には、1次的に
は、抵抗器R2およびRは所定の温度範囲にわたって、
温度に関して線形の依存性を有するとみなされる。前記
所定の温度範囲とはすなわち、回路10が動作すると予
測される温度範囲である。従って次のように書ける: R2=R2T0(aT+b);およびR=RT0(aT+b) ただし、R2T0およびRT0は基準温度T0での抵抗値で
あり、aは抵抗器R2およびRの抵抗の温度係数であ
り、bは定数である。
【0019】バンドギャップ基準回路10内で供給され
る電流IBGR(ならびに抵抗器R1を介する電流)は既知
であり、次のように書ける:
【0020】
【数1】
【0021】ただし、A1/A0はダイオードの面積比
(典型的には10)であり、kT/qは熱電圧(therma
l voltage )(すなわち、kはボルツマン常数、Tは温
度、そしてqは電子の電荷である)。
【0022】抵抗器Rを介する電流は:
【0023】
【数2】
【0024】VBGRは設計により、温度に独立であるよ
うに構成される。合計電流IREFはIBG Rに利得因子nを
積算した結果であり、IBGRは電流ミラー部26から供
給され、Rを通過する電流に加算することにより供給さ
れる。これは代数的に:
【0025】
【数3】
【0026】と書ける。
【0027】この式に(aT+b)を掛けて項を整理す
ると:
【0028】
【数4】
【0029】を得る。
【0030】温度に独立であるためには、Tの係数定数
( coefficient constant )は等しくなければならな
い。従って、
【0031】
【数5】
【0032】となり、両辺が等しいためには、
【0033】
【数6】
【0034】である。
【0035】前の2つの等式は、IREFを消去してRT0
についてとくことにより、まとめられ、
【0036】
【数7】
【0037】を得る。
【0038】最後に示したRT0の式に含まれる値はすべ
て既知である。抵抗の温度特性は定数aおよびbにより
決定される。バンドギャップ基準回路の設計により
0、A1、R2T0およびVBGRが決定する。因子nは設計
者の選択による。n=1ととるのが典型的である。上述
のように、定数kおよびqは既知の物理定数である。
【0039】上述の分析から、温度補償は抵抗器Rの値
の関数ではないことを述べておかなくてはならない。電
流IBGRの絶対値だけが抵抗器Rの値に依存する。回路
が同じ半導体チップ上に形成される場合、抵抗比R2
Rはプロセス変動に関して一定となる。これは本発明の
重要な利点である。
【0040】設計例 ダイオード面積比、A1/A0=10; R2=71kΩまたは0.071MΩ、ただしT0は8
3℃; k/q=86.17×10-6V/K; VBGR=1.2V; T0=83℃=356K=基準温度; a=0.0013K-1; b=0.537; n=1; R=1040kΩまたは1.04MΩ、ただし83℃の
時。
【0041】Rに対してこの値を使用し、IREFに対す
る上の式に代入することにより、IR EFの温度依存性に
対する下の等式:
【0042】
【数8】
【0043】を得る。
【0044】この設計例と同じ値を使用してSPICE
シミュレーションをおこない、計算が確かめられた。こ
のシミュレーションの結果を図3に示す。この結果は、
2つの電流IBGRおよびIRの温度勾配が逆であること、
およびこれらの温度に依存しない和IREFを、−10℃
から+90℃までの温度範囲にわたって示す。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による電流源の例示的な回路図である。
【図2】図1の回路において供給される電流間の関係
を、温度Tの関数として示す線図である。
【図3】図1の回路のSPICEシミュレーションの結
果を示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 399035836 1730 North First Stre et、San Jose、CA、USA (71)出願人 594145404 インターナショナル ビジネス マシーン ズ コーポレーション アメリカ合衆国ニューヨーク州 10504 ニューヨーク アーモンク オールド オ ーチャード ロード (番地なし) (72)発明者 ラッセル ジェイ ホートン アメリカ合衆国 ヴァーモント エセック ス ジャンクション オールド ステージ ロード 310 (72)発明者 エルンスト ヨット シュタール アメリカ合衆国 ヴァーモント エセック ス ジャンクション ブリックヤード ロ ード 70 アパートメント 18

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 温度に依存しない電流の発生方法であっ
    て、温度係数が逆である2つの電流を加算する、ことを
    特徴とする方法。
  2. 【請求項2】 温度に依存しない電流の発生方法であっ
    て、温度補償型バンドギャップ基準回路により供給され
    た電流と、温度依存性抵抗器を通過する電流とを加算す
    る、ことを特徴とする方法。
  3. 【請求項3】 出力電流の供給方法であって、 出力電流を供給するために、温度係数が逆である2つの
    電流を加算し、 前記2つの電流のうち第1の電流I1は、温度補償型バ
    ンドギャップ基準回路において供給された電流の変倍さ
    れたコピーであり、 前記2つの電流のうち第2の電流I2は、バンドギャッ
    プ回路により供給された温度安定性電圧を、正の温度係
    数を有する抵抗で除算する事により導出される電流であ
    り、 当該加算された電流I1+I2が出力電流である、ことを
    特徴とする方法。
  4. 【請求項4】 第1の回路と、第2の回路と、第3の回
    路とを有し、 (a)前記第1の回路は、 (i)正の温度係数を有する基準電流を供給し、かつ
    (ii)出力ノードにおいて出力電圧を供給し、該出力
    電圧は実質的に、所定範囲にわたり電源電圧および温度
    の変動の影響を受けず、 (b)前記第2の回路は、前記基準電流から導出された
    第1の電流を供給し、該第1の電流は正の温度係数を有
    し、 (c)前記第3の回路は、出力電圧から導出された第2
    の電流を供給するために出力ノードに接続されており、
    前記第2の電流は負の温度係数を有し、 (d)出力ノードにおいて第1の電流および第2の電流
    を加算して、出力ノードにおいて第1および第2の電流
    の和に関連する出力電流を供給し、 前記出力電流は実質的に、所定の範囲にわたり温度の変
    動の影響を受けない、ことを特徴とする電流源。
  5. 【請求項5】 第2の回路は電流ミラーを有する、請求
    項4記載の電流源。
  6. 【請求項6】 第3の回路は抵抗器を有する、請求項4
    記載の電流源。
  7. 【請求項7】 第2の回路は電流ミラーを有する、請求
    項6記載の電流源。
  8. 【請求項8】 第1の回路はバンドギャップ基準回路を
    有する、請求項4記載の電流源。
  9. 【請求項9】 バンドギャップ基準回路は、自己バイア
    ス型バンドギャップ基準回路である、請求項8記載の電
    流源。
  10. 【請求項10】 自己バイアス型バンドギャップ基準回
    路は、CMOSトランジスタを有する、請求項9記載の
    電流源。
  11. 【請求項11】 第2の回路は電流ミラーを有する、請
    求項9記載の電流源。
  12. 【請求項12】 第3の回路は抵抗器を有する、請求項
    10記載の電流源。
  13. 【請求項13】 第2の回路は電流ミラーを有する、請
    求項12記載の電流源。
  14. 【請求項14】 バンドギャップ基準回路と、電流加算
    回路とを有し、 前記バンドギャップ基準回路は電源電圧に接続されてお
    り、該回路はバンドギャップ基準電流を供給し、該電流
    は正の温度係数を有し、 前記バンドギャップ基準回路は、出力電流の加算ノード
    において出力電圧を供給し、該電圧は実質的に、所定の
    範囲にわたり電源電圧および温度の変動の影響を受け
    ず、 前記電流加算回路は1対の電流パスを有し、 前記パスの一方は、バンドギャップ基準電流から導出さ
    れた第1の電流を供給し、該第1の電流は正の温度係数
    を有し、 前記1対の電流パスの他方は、出力電圧から導出された
    第2の電流を供給し、該第2の電流は負の温度係数を有
    し、 第1および第2の電流は加算ノードにおいて加算され、
    所定の範囲にわたり温度および電源電圧の変動に実質的
    に影響を受けない電流を加算ノードにおいて供給する、
    ことを特徴とする電流源。
  15. 【請求項15】 電流加算回路は電流ミラーを有し、該
    電流ミラーはバンドギャップ基準電流に応答して第1の
    電流を供給する、請求項14記載の電流源。
  16. 【請求項16】 電流加算回路は抵抗器を有し、該抵抗
    器は加算ノードに接続されている、請求項15記載の電
    流源。
  17. 【請求項17】 バンドギャップ基準回路と、差動増幅
    器と、トランジスタと、加算ノードと、抵抗器と、電流
    ミラーとを有し、 前記バンドギャップ基準回路は温度依存性電流と温度安
    定性電圧とを供給し、前記温度依存性電流は温度の上昇
    と共に増加し、 前記差動増幅器の1対の入力側の一方に前記温度安定性
    電圧が供給され、 前記トランジスタのゲートは前記増幅器の出力側に接続
    されており、 前記トランジスタのソース/ドレイン電極の一方は、前
    記増幅器の入力側の他方に、負のフィードバック機構を
    構成するように接続されており、 ソース/ドレイン電極の他方は電圧供給源に接続されて
    おり、 前記加算ノードは前記増幅器の出力側に接続されてお
    り、 前記抵抗器は、第1の電流を加算ノードに通すために加
    算ノードに接続されており、 前記電流ミラーは、第2の電流を前記ノードに通すため
    に、温度により変動する電流が供給され、 前記トランジスタはソース電極とドレイン電極間に、第
    1および第2電流の和に関連している第3の電流を通
    す、ことを特徴とする電流源。
  18. 【請求項18】 バンドギャップ基準回路と、差動増幅
    器と、トランジスタと、加算ノードと、第2抵抗器と、
    電流ミラーとを有し、 前記バンドギャップ基準回路はバンドギャップ基準電圧
    と、正の温度係数を有する電流とを供給し、前記バンド
    ギャップ基準電圧は温度に関して実質的に一定であり、 前記バンドギャップ基準回路はダイオードおよび第1抵
    抗器とからなる直列回路を有し、 前記電流は直列回路を通過し、 前記差動増幅器の1対の入力側の一方は前記バンドギャ
    ップ基準電圧が供給され、 前記トランジスタのゲートは前記増幅器の出力側に接続
    されており、 前記トランジスタのソース/ドレイン電極の一方は、前
    記増幅器の1対の入力側の他方に、負のフィードバック
    機構を構成するように接続されており、 ソース/ドレイン電極の他方は電圧供給源に接続されて
    おり、 前記加算ノードは増幅器の出力側に接続されており、 前記第2抵抗器は、第1の電流を加算ノードに通すため
    に加算ノードに接続されており、 前記電流ミラーは、第2の電流を前記ノードに通すため
    に、温度により変動する電流が供給され、 前記トランジスタはソース電極とドレイン電極間に、第
    1および第2電流の和に関連している第3の電流を通
    す、ことを特徴とする電流源。
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