JP3547895B2 - 定電流発生回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、定電流を発生する回路に係り、特に、出力電流の安定化、精度の向上を図った定電流発生回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子回路を構成する場合、回路中に定電流を必要とすることが種々あり、このため従来から様々な定電流発生回路が提案され、また、実用化されている。
例えば、図３には、特に微小定電流を得るための最も簡易な回路例が示されており、同図を参照しつつこの回路について説明すれば、この回路は、定電流源２０とトランジスタ２１とが直列接続されて構成されてなるものである。
すなわち、定電流源２０は、所望する微小定電流Ｉｏに比して大きな定電流を出力するもので、その一端は電源ラインに、他端はｐｎｐトランジスタ２１のエミッタに、それぞれ接続され、このｐｎｐトランジスタ２１のコレクタはアースに接続されて、定電流源２０とｐｎｐトランジスタ２１とが電源ラインとアース間に直列接続されている。そして、ｐｎｐトランジスタ２１のベースからは、このｐｎｐトランジスタ２１が有する直流電流増幅率をｈ_ＦＥとすると、出力電流Ｉｏとして、Ｉｏ＝Ｉ／ｈ_ＦＥと表される微小定電流が得られるようになっている。
【０００３】
また、図４や図５にそれぞれ示されたようないわゆるカレントミラー回路を用いてなる定電流発生回路も公知・周知となっている。
まず、図４に示された定電流発生回路は、複数のバイポーラトランジスタを並列接続したと等価な第１のトランジスタＱ１が、そのエミッタ側に電源ラインが、コレクタ側に定電流源２０の一端が、それぞれ接続されて、電源ラインとアースとの間に定電流源２０と直列接続されるようにして設けられている。
この第１のトランジスタＱ１を構成する複数のトランジスタは、それぞれエミッタ同士、コレクタ同士、ベース同士が接続されると共に、各コレクタと各ベースとが互いに接続され、いわゆるダイオード接続が施された状態となっているものである。
【０００４】
さらに、第１のトランジスタＱ１のベースは、第２のトランジスタＱ２のベースに接続される一方、この第２のトランジスタＱ２のエミッタは電源ラインに接続され、コレクタは出力端子となっており、第１のトランジスタＱ１といわゆるカレントミラー回路を構成するようになっている。
【０００５】
かかる構成において、第１のトランジスタＱ１を構成する各トランジスタに流れる電流の和が、定電流源２０の電流Ｉと等しくなり、また、カレントミラー回路の特性から、第２のトランジスタＱ２のコレクタからは、第１のトランジスタＱ１を構成する各トランジスタに流れる電流に等しい出力電流Ｉｏが得られるようになっている。したがって、第１のトランジスタＱ１を構成するトランジスタの数を調整することにより、所望する定電流出力Ｉｏが得られるようになっているものである。
【０００６】
さらに、図５に示された回路は、トランジスタＱ１のコレクタが定電流源２０の一端と接続され、トランジスタＱ１のエミッタが電源ラインに、定電流源２０の他端がアースに、それぞれ接続される一方、エミッタがエミッタ抵抗２２を介して電源ラインに、ベースがトランジスタＱ１に、それぞれ接続されたトランジスタＱ２が設けられてカレントミラー回路が構成されてなるものである。
【０００７】
かかる構成においては、トランジスタＱ１のエミッタ側には抵抗を設けない構成とすることにより、定電流源２０が出力する電流Ｉよりも小さい所望の定電流をトランジスタＱ２のコレクタ側に出力電流Ｉｏとして得られるようになっているものである。なお、トランジスタＱ２のエミッタ抵抗２２は、定電流源２０の電流Ｉ及び所望の微小定電流Ｉｏが与えられることにより所定の式により求められものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した３つの従来技術の中で、最初のものでは、出力電流Ｉｏがトンジスタの直流電流増幅率ｈ_ＦＥにより決定されるものであるため、例えば、使用するトランジスタの直流電流増幅率ｈ_ＦＥにばらつきがある場合、直接その影響を受けてしまい、再現性に欠け、その結果、信頼性の低下を招くという問題があった。
また、上述した３つの従来技術の中で、残る２つのものにおいては、出力電流を得るトランジスタにおけるリーク電流の発生等により、正確な微小定電流が得難いという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、トランジスタの直流電流増幅率のばらつきの影響を受けることがなく、安定、確実な定電流出力を得ることができ、信頼性の高い定電流発生回路を提供するものである。
また、本発明の他の目的は、トランジスタのリーク電流の影響を受けることがなく、安定、確実な定電流出力を得ることができ、信頼性の高い定電流発生回路を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る定電流発生回路は、
相互にベースが接続されて同一電流が出力可能な第１乃至第３のトランジスタを有してなるカレントミラー回路と、
差動増幅回路と、
前記カレントミラー回路の第３のトランジスタに接続され、ベース側から出力電流が得られる出力トランジスタとを有し、
前記差動増幅回路の一方の入力段を構成する一方のトランジスタに前記カレントミラー回路の第１のトランジスタが、他方の入力段を構成する他方のトランジスタに前記カレントミラー回路の第２のトランジスタが、それぞれ接続され、
前記第１のトランジスタと前記一方のトランジスタとの接続点が演算増幅器の反転入力端子に、前記第２のトランジスタと前記他方のトランジスタとの接続点が演算増幅器の非反転入力端子に、それぞれ接続される一方、演算増幅器の出力端子は前記第１乃至第３のトランジスタのベースに接続され、
前記一方のトランジスタのベース・エミッタ間電圧とベース電圧との和として表される前記演算増幅器の反転入力端子における電圧と、前記他方のトランジスタのベース・エミッタ間電圧と、当該他方のトランジスタに印加された所定電圧との和として表される前記演算増幅器の非反転入力端子における電圧とが等しく設定され、前記出力トランジスタのベース側から、定電流出力を得るようにしてなるものである。
【００１１】
特に、トランジスタは、例えば、ｐｎｐ型を用い、カレントミラー回路の第１乃至第３のトランジスタは、エミッタ側を電源に、また、第１及び第２のトランジスタのコレクタ側を差動増幅回路を構成する２つのｐｎｐ型トランジスタに、それぞれ接続し、さらに、差動増幅回路の一方のｐｎｐ型トラジスタのベースとアースの間に抵抗を挿入し、他方のｐｎｐ型トランジスタのベースは直接アースに接続する。そして、一方のトランジスタのエミッタを演算増幅回路の反転入力端子に接続し、他方のトランジスタのエミッタと演算増幅器の非反転入力端子との間には、所定電圧を生ずる直流定電圧源を設け、演算増幅回路の出力端子を第１乃至第３のトランジスタのベースに接続する一方、ｐｎｐ型の出力トランジスタのエミッタを第３のトランジスタのコレクタに接続すると共に、出力トランジスタのコレクタをアースした構成が好ましい。
【００１２】
かかる構成においては、差動増幅回路の一方のトランジスタのベース・エミッタ間電圧とベース抵抗における電圧降下の和として表される演算増幅器の反転入力端子における電圧と、差動増幅回路の他方のトランジスタのベース・エミッタ間電圧と直流定電圧源の所定電圧との和として表される演算増幅器の非反転入力端子における電圧とが、各トランジスタのベース・エミッタ間電圧が同一であるとの前提の下、直流定電圧源の所定電圧の適宜な設定により同一となる。
この結果、例えば、カレントミラー回路から供給される一定電流をＩ１、直流定電圧源の所定電圧をＥ１、差動増幅回路の一方のトランジスタのベース抵抗をＲ１、トランジスタの直流電流増幅率をｈ_ＦＥとすると、Ｒ１・Ｉ１／ｈ_ＦＥ＝Ｅ１という関係が演算増幅器の入力段において成立する。
一方、出力トランジスタのベース電流である出力電流Ｉｏは、この出力トランジスタにもカレントミラー回路から一定電流Ｉ１が流れるため、出力トランジスタの直流電流増幅率を先のトランジスタと同一のｈ_ＦＥであるとすれば、Ｉｏ＝Ｉ１／ｈ_ＦＥとなる。ここで、この出力電流Ｉｏに関する式は、先の演算増幅器の入力段において成立した式を用いて書き換えることができ、その結果、Ｉｏ＝Ｅ１／Ｒ１を得る。
すなわち、出力電流は、直流定電圧源の電圧とベース抵抗とによってのみ定まり、従来と異なり、トランジスタの直流増幅率のような不安定因子の影響を直接受けることがなくなり、安定、確実なものとなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図１乃び図２を参照しつつ説明する。
なお、以下に説明する部材、配置等は本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
まず、図１に示された第１の回路構成例について説明する。
この定電流発生回路は、いわゆるカレントミラー回路と差動増幅回路とが組み合わされてなるものである。
すなわち、最初に回路構成を説明すれば、ｐｎｐ型の第１のトランジスタ１（図１においては「Ｑ１」と表記）とｐｎｐ型の第２のトランジスタ２（図１においては「Ｑ２」と表記）は、共にエミッタが電源ライン６に接続される一方、第１のトランジスタ１のコレクタは、ｐｎｐ型の第４のトランジスタ４（図１においては「Ｑ４」と表記）のエミッタに、第２のトランジスタ２のコレクタは、直流定電圧源７の正極側に、それぞれ接続されている。
【００１４】
第４のトランジスタ４のコレクタは、ｐｎｐ型の第５のトランジスタ５（図１においては「Ｑ５」と表記）のコレクタと共にアースに接続され、第４のトランジスタ４のベースは、ベース抵抗８を介してアースに、第５のトランジスタ５のベースは直接アースに、それぞれ接続されている。さらに、第５のトランジスタ５のエミッタは、先の直流定電圧源７の負極側に接続されており、第４及び第５のトランジスタ４，５は差動増幅回路を構成するうようになっている。
【００１５】
また、先の第１及び第２のトランジスタ１，２のベースは相互に接続されると共に、ｐｎｐ型の第３のトランジスタ３（図１においては「Ｑ３」と表記）のベースに接続され、この第３のトランジスタ３のエミッタは、電源ライン６に、コレクタは、ｐｎｐ型の出力トランジスタ９のエミッタに、それぞれ接続される一方、出力トランジスタ９のコレクタはアースに接続されて、第１乃至第３のトランジスタ１〜３は、いわゆるカレントミラー回路を構成するようになっている。
【００１６】
さらに、第１のトランジスタ１のコレクタと第４のトランジスタ４のエミッタの接続点は、演算増幅器１０の反転入力端子に、第２のトランジスタ２のコレクタと直流定電圧源７の正極側の接続点は、演算増幅器１０の非反転入力端子に、それぞれ接続される一方、演算増幅器１０の出力端子は、第１乃至第３のトランジスタ１〜３のベースに接続されており、演算増幅器１０の出力端子と反転入力端子との間には、第１のトランジスタ１のベース・コレクタ間を介していわゆるフィードバックループが形成され、演算増幅器１０はいわゆる電圧ホロワとして機能するような構成となっている。
【００１７】
次に、上記構成における本回路の動作について説明する。
第１及び第２のトランジスタ１，２は、いわゆるカレントミラー回路を形成しているため、それぞれのコレクタには同一の電流Ｉ１が流れ、この電流Ｉ１は、第４及び第５のトランジスタ４，５のエミッタに流れ込むこととなる。
一方、演算増幅器１０の反転入力端子と非反転入力端子との間は、いわゆるイマジナル・ショート状態であるので、それぞの端子における電圧の間には、Ｖ_ＢＥ４＋Ｒ１・Ｉ１／ｈ_ＦＥ＝Ｖ_ＢＥ５＋Ｅ１という関係が成立する（以下この式を「式１」と言う）。ここで、Ｖ_ＢＥ４は第４のトランジスタ４のベース・エミッタ間電圧を、Ｒ１はベース抵抗８の抵抗値を、ｈ_ＦＥは第４のトランジスタ４の直流電流増幅率を、Ｖ_ＢＥ５は第５のトランジスタ５のベース・エミッタ間電圧を、Ｅ１は直流定電圧源７の電圧値を、それぞれ意味するものである。
【００１８】
仮に、第１乃至第５のトランジスタ１〜５が全て、同一の電気的特性を有するものであるとすると、第４及び第５のトランジスタ４，５に流れる電流は、同一電流Ｉ１であるため、先の式１においてＶ_ＢＥ４＝Ｖ_ＢＥ５が成立する。このため、式１は、Ｉ１／ｈ_ＦＥ＝Ｅ１／Ｒ１と書き改められる（以下この式を「式２」と言う）。
【００１９】
ところで、第３のトランジスタ３は、第１及び第２のトランジスタ１，２と共にいわゆるカレントミラー回路を構成するので、この第３のトランジスタ３にも第１のトランジスタ１と同様に電流Ｉ１が流れることとなる。
出力電流Ｉｏは、出力トランジスタ９のベース電流であるので、出力トランジスタ９が有する直流電流増幅率を第４のトランジスタ４と同一のｈ_ＦＥであると仮定すると、出力電流Ｉｏ＝Ｉ１／ｈ_ＦＥとなる（以下この式を「式３」と言う）。
【００２０】
この式３を先の式２を以て書き改めると、Ｉｏ＝Ｅ１／Ｒ１となる。
すなわち、本回路により得られる出力電流は、直流定電圧源７の電圧Ｅ１と、第４のトランジスタ４のベース抵抗８の抵抗値Ｒ１のみにより定まり、従来と異なり出力電流の大きさを決定する因子には、トランジスタの直流電流増幅率が含まれないので、安定した定電流出力が得られることとなる。
なお、直流定電圧源７としては、例えば、トランジスタ等を用いてなる公知・周知の構成を有するいわゆるシリーズレギュレータ等により実現できるものである。
【００２１】
次に、第２の回路構成例について図２を参照しつつ説明する。
なお、図１に示された構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略し、以下、異なる点を中心に説明することとする。
この第２の回路構成例は、直流定電圧源７を設ける位置を変えたものである。
すなわち、第２のトランジスタ２のコレクタは、第５のトランジスタのエミッタに接続される一方、第５のトランジスタのベースとアース間に、直流定電圧源７が、その正極側にベース、負極側にアースが、それぞれ接続されて設けられている。
【００２２】
かかる構成において、演算増幅器１０の反転入力端子における電圧と、非反転入力端子における電圧との間には、図１に示された回路例と同様に、式１すなわちＶ_ＢＥ４＋Ｒ１・Ｉ１／ｈ_ＦＥ＝Ｖ_ＢＥ５＋Ｅ１という関係が成立する。
したがって、出力トランジスタ９のベース電流である出力電流も、図１に示された回路構成例と同様に、Ｉｏ＝Ｅ１／Ｒ１となり、出力電流の大きさを決定する因子には、トランジスタの直流電流増幅率が含まれないので、安定した定電流出力が得られることとなる。
【００２３】
なお、上述した何れの回路構成例においても、ｐｎｐ型トランジスタを使用したが、勿論これに限定される必要はなく、ｎｐｎ型トランジスタを用いてもよい。
【００２４】
【発明の効果】
以上、述べたように、本発明によれば、出力電流を決定する因子としてトランジスタの直流電流増幅率が含まれないようにしたので、従来と異なり、出力電流が直流電流増幅率の変動を直接受けるようなことがなく、安定、確実な定電流出力を得ることができ、信頼性の高い定電流発生回路が提供される。
また、演算増幅器の２つの入力端子における電圧は、差動増幅回路を構成する２つのトランジスタのそれぞれのベース電位が主たる決定要因、換言すればベース電流により決定されるようにしてあるので、トランジスタに充分な電流を流すことができ、従来と異なりリーク電流の影響を受け難く、正確な定電流出力を得ることができ、信頼性の高い定電流発生回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における第１の回路構成例を示す回路図である。
【図２】本発明の実施の形態における第２の回路構成例を示す回路図である。
【図３】従来の定電流発生回路の第１の回路例を示す回路図である。
【図４】従来の定電流発生回路の第２の回路例を示す回路図である。
【図５】従来の定電流発生回路の第３の回路例を示す回路図である。
【符号の説明】
７…直流定電圧源
８…ベース抵抗
９…出力トランジスタ
１０…演算増幅器

Claims (5)

1. 相互にベースが接続されて同一電流が出力可能な第１乃至第３のトランジスタを有してなるカレントミラー回路と、
   差動増幅回路と、
   前記カレントミラー回路の第３のトランジスタに接続され、ベース側から出力電流が得られる出力トランジスタとを有し、
   前記差動増幅回路の一方の入力段を構成する一方のトランジスタに前記カレントミラー回路の第１のトランジスタが、他方の入力段を構成する他方のトランジスタに前記カレントミラー回路の第２のトランジスタが、それぞれ接続され、
   前記第１のトランジスタと前記一方のトランジスタとの接続点が演算増幅器の反転入力端子に、前記第２のトランジスタと前記他方のトランジスタとの接続点が演算増幅器の非反転入力端子に、それぞれ接続される一方、演算増幅器の出力端子は前記第１乃至第３のトランジスタのベースに接続され、
   前記一方のトランジスタのベース・エミッタ間電圧とベース電圧との和として表される前記演算増幅器の反転入力端子における電圧と、前記他方のトランジスタのベース・エミッタ間電圧と、当該他方のトランジスタに印加された所定電圧との和として表される前記演算増幅器の非反転入力端子における電圧とが等しく設定され、
   前記出力トランジスタのベース側から、定電流出力を得るようにしてなることを特徴とする定電流発生回路。
2. 差動増幅回路の一方のトランジスタのベースは抵抗を介して、差動増幅回路の他方のトランジスタのベースは直接に、共に同一電位に接続されると共に、前記他方のトランジスタと演算増幅器の非反転入力端子との間には、所定電圧を発生する直流定電圧源が挿入されてなることを特徴とする請求項１記載の定電流発生回路。
3. 差動増幅回路の一方のトランジスタのベースは抵抗を介して、差動増幅回路の他方のトランジスタのベースは所定電圧を発生する直流定電圧源を介して、共に同一電位に接続されてなることを特徴とする請求項１記載の定電流発生回路。
4. カレントミラー回路を構成する第１乃至第３のトランジスタは、ｐｎｐ型トランジスタであり、各エミッタが電源側に接続され、各コレクタ側から同一電流が流れ出すよう設けられ、
   差動増幅回路の入力段の２つのトランジスタは、共にｐｎｐ型トランジスタであり、エミッタ側がカレントミラー回路側に、コレクタ側がアースに、それぞれ接続され、
   出力トランジスタはｐｎｐ型トランジスタであり、エミッタ側がカレントミラー回路の第３のトランジスタに、コレクタ側がアースに、それぞれ接続されてなることを特徴とする請求項２又は３記載の定電流発生回路。
5. 請求項４記載の定電流発生回路において、ｐｎｐ型トランジスタに代えてｎｐｎ型トランジスタが用いられ、当該ｎｐｎ型トランジスタに対応した回路接続がなされたことを特徴とする請求項４記載の定電流発生回路。

Images