专利名称：恒电流电路、和使用了它的反相器及振荡电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及恒电流电路。
背景技术：
在很多电子电路中，使用即便温度、电源电压发生变动也生成恒定的恒电流的恒电流电路。恒电流电路例如可以通过不具有温度依赖性的生成基准电压的基准电压产生电路(band gap reference circuit)和将基准电压转换成电流的电压电流转换电路来构成。例如，非专利文献1的图4.50中记载了这样的结构的恒电流电路。通过该恒电流电路，能够得到不依赖于温度的非常稳定的恒电流。
另一方面，在钟表等电池驱动型的电子设备中，从电池寿命的观点考虑，希望能将电路的消耗电流降低到极限。即，根据使用恒电流电路的应用(application)，有时需要尽量减少晶体管等的元件数量，并且降低电路的消耗电流。在这样的情况下，一般使用非专利文献1的图4.41中所记载的那样的利用热电压的偏置电流源。
非专利文献1P.R.Gray等著，“用于系统LSI的模拟集成电路设计技术 上卷 原著第4版”培风馆，2003年7月10日，pp356～381发明内容〔发明所要解决的课题〕但是，使用热电压的偏置电流源虽然电路结构简易、消耗电流较少，但在温度特性上要劣于上述的基准电压产生电路。
本发明是鉴于这样的课题完成的，其目的之一在于提供一种结构简单且温度特性优良的恒电流电路。
〔用于解决课题的手段〕为解决上述课题，本发明的一个方案的恒电流电路，包括偏置电流源，通过对电流生成用电阻施加与热电压成比例的电压，生成恒电流；温度补偿电路，通过对温度补偿电阻施加相当于双极型晶体管的基-射间电压的电压，生成温度补偿电流。该恒电流电路输出由偏置电流源生成的恒电流与由温度补偿电路生成的温度补偿电流的和。
热电压Vt和双极型晶体管的基-射间电压Vbe分别具有正和负的温度依赖性。因此，通过对由偏置电流源生成的恒电流和由温度补偿电路生成的温度补偿电流乘以预定系数并相加，能够消除热电压Vt的温度依赖性和基-射间电压Vbe的温度依赖性，能生成温度依赖性较小的恒电流。
温度补偿电路可以包括串联设置在由偏置电流源生成的恒电流的路径上，且基-集间相连接的第1双极型晶体管和第2双极型晶体管；与第2双极型晶体管形成电流镜电路的第3双极型晶体管；以及基极与第1双极型晶体管的基极相连、集电极与第3双极型晶体管的集电极相连、射极连接温度补偿电阻的第4双极型晶体管；并且输出第3双极型晶体管和第4双极型晶体管的集电极电流的和。
温度补偿电阻被施加从第1、第2双极型晶体管的基-射间电压的和(Vbe1+Vbe2)减去第3双极型晶体管的基-射间电压Vbe3后的电压(Vbe1+Vbe2-Vbe3)。现在，假定Vbe1＝Vbe2＝Vbe3＝Vbe，则温度补偿电阻成了被施加电压Vbe，温度补偿电阻和第4双极型晶体管中流过的电流Ix在设温度补偿电阻的电阻值为R1时，由Ix＝Vbe/R1给出。另一方面，第3双极型晶体管中流过由偏置电流源生成的恒电流。根据该方案，利用第4双极型晶体管中流过的电流Ix的温度特性，抵消由偏置电流源生成的恒电流的温度特性，由此能够生成温度依赖性小的恒电流。
温度补偿电路可以包括串联设置在由偏置电流源生成的恒电流的路径上，且基-集间相连接的第1双极型晶体管和第2双极型晶体管；与第2双极型晶体管形成电流镜电路的第3双极型晶体管；基极与第1双极型晶体管的基极相连，射极连接温度补偿电阻的第4双极型晶体管；以及基极与第1双极型晶体管的基极相连、射极与第3双极型晶体管的集电极相连的第5双极型晶体管；并且输出第5双极型晶体管和第4双极型晶体管的集电极电流的和。
根据该方案，通过在上述的温度补偿电路基础上再设置第5双极型晶体管，能够使第3、第5双极型晶体管中流过的电流逼近由偏置电流源生成的恒电流。
偏置电流源可以包括基-集间相连接的第6双极型晶体管；基极与第6双极型晶体管的基极相连、在射极与固定电位间连接有电流生成用电阻的第7双极型晶体管；以及连接于第6、第7双极型晶体管的集电极的电流镜负载；并且输出与流过电流镜负载的电流成比例的电流。
由于电流生成用电阻上产生与热电压Vt成比例的电压，所以通过该偏置电流源，生成与热电压成比例的电流。
上述恒电流电路可以被一体集成在一个半导体衬底上。另外，所谓“一体集成”，包括电路的所有结构要件都形成在半导体衬底上的情况，以及电路的主要结构要件被一体集成的情况，也可以为调节电路常数而将一部分电阻、电容等设置在半导体衬底的外部。通过将恒电流电路作为一个LSI进行集成，能够减小电路面积。
本发明的另一个方案是反相器。反相器包括上述恒电流电路，和以该恒电流电路为负载的晶体管。
通过该方案，能够以非常小的电流对晶体管进行偏置。
本发明的再一个方案是振荡电路。该振荡电路包括电压控制水晶振荡器；与电压控制水晶振荡器并联设置的电阻；以及与电压控制水晶振荡器并联设置的上述的反相器。
通过该方案，能够降低电路的消耗电流。
本发明的又一个方案是电子设备。该电子设备具备上述振荡电路。通过该方案，能够降低振荡电路的消耗电流，延长电池的寿命。
另外，将以上结构要件的任意组合、本发明的结构要件以及表达方式在方法、装置、系统等之间相互置换的方案，作为本发明的实施方式也是有效的。
图1是表示实施方式的恒电流电路的结构的电路图。
图2是表示由图1的偏置电流源生成的恒电流Iref以及从恒电流电路输出的恒电流Iref’的温度依赖性的图。
图3是表示使用了图1的恒电流电路的反相器的结构的电路图。
图4是表示具备图3的反相器的振荡电路的结构的电路图。
图5是表示图1的恒电流电路的变形例的电路图。
〔标号说明〕10恒电流电路、20偏置电流源、30温度补偿电路、40反相器、42晶体管、50振荡电路、52电压控制水晶振荡器、54反相器、C1第1电容、C2第2电容、Rfb反馈电阻、Q1第1双极型晶体管、Q2第2双极型晶体管、Q3第3双极型晶体管、Q4第4双极型晶体管、Q5第5双极型晶体管、Q6第6双极型晶体管、Q7第7双极型晶体管、Q8第8双极型晶体管、Q9第9双极型晶体管、Q10第10双极型晶体管、R1温度补偿电阻、R2电流生成用电阻。
具体实施例方式
以下，基于优选的实施方式，参照
本发明。对于各附图中所示的相同或等同的结构要件、部件、处理标注相同的标号，并适当省略重复的说明。另外，实施方式只是例示，并非限定本发明，实施方式中所记述的所有特征及其组合，不一定就是本发明的本质特征。
在本说明书中，所谓“部件A与部件B相连接”，既包括部件A与部件B物理地直接连接的情况，也包括部件A与部件B经由不对电连接状态产生影响的其他部件间接相连接的情况。
以下说明的实施方式的恒电流电路，能够很好地应用于生成亚μA至数μA程度的微小电流的用途。
图1是表示实施方式的恒电流电路10的结构的电路图。实施方式的恒电流电路10包括偏置电流源20、温度补偿电路30。偏置电流源20以热电压Vt作为基准电压，通过将该基准电压施加给电阻来生成微小的恒电流。温度补偿电路30补偿由偏置电流源20生成的恒电流Iref的温度特性。该恒电流电路10被一体集成在一个半导体衬底上地构成。
在以下说明中，将表示电阻的标号也作为该电阻的电阻值来使用。偏置电流源20包括NPN型的第6双极型晶体管Q6和第7双极型晶体管Q7、以及PNP型的第8双极型晶体管Q8～第10双极型晶体管Q10。
第6双极型晶体管Q6基-集间相连接，射极被接地。第7双极型晶体管Q7的基极与第6双极型晶体管Q6的基极相连接，在射极和接地间连接电流生成用电阻R2。第8双极型晶体管Q8、第9双极型晶体管Q9构成电流镜电路。第8双极型晶体管Q8、第9双极型晶体管Q9的基极被共连，射极被施加电源电压Vcc。第8双极型晶体管Q8、第9双极型晶体管Q9的集电极分别与第6双极型晶体管Q6、第7双极型晶体管Q7的集电极相连接。即，第8双极型晶体管Q8、第9双极型晶体管Q9相对于第6双极型晶体管Q6、第7双极型晶体管Q7作为电流镜负载而发挥作用。
第10双极型晶体管Q10与第8双极型晶体管Q8、第9双极型晶体管Q9相并联地设置，将与流过电流镜负载的电流成比例的电流Iref作为恒电流输出。
下面说明这样构成的偏置电流源20的动作。第6双极型晶体管Q6、第7双极型晶体管Q7的饱和电流分别与各自的射极面积成比例。现在，将第6双极型晶体管Q6、第7双极型晶体管Q7的饱和电流分别记为Is6、Is7，将流过第8双极型晶体管Q8、第9双极型晶体管Q9的电流分别记为Iin、Iout。流过第8双极型晶体管Q8、第9双极型晶体管Q9的电流比Iin/Iout，由两个晶体管的面积比决定。
电流生成用电阻R2上的电压由下式(1)给出。
Iout×R2＝Vt×ln〔(Iin/Iout)(Is2/Is1)〕…(1)因此，电流生成用电阻R2上被施加与热电压Vt成比例的电压。另外，流过电流生成用电阻R2的电流Iout由下式(2)给出。
Iout＝Vt×ln〔(Iin/Iout)(Is2/Is1)〕/R2…(2)这样，偏置电流源20通过对电流生成用电阻R2施加与热电压Vt成比例的电压而生成恒电流Iout。恒电流Iout被第10双极型晶体管Q10复制，作为恒电流Iref输出。在本实施方式中，以第8双极型晶体管Q8～第10双极型晶体管Q10的晶体管尺寸相等、Iin＝Iout＝Iref成立的情况进行说明。此时，由偏置电流源20生成的恒电流Iref可以用下式(3)来表示。
Iref＝Vt×α/R2…(3)这里，α＝ln〔(Iin/Iout)(Is2/Is1)〕。
在此对由偏置电流源20生成的恒电流Iref的温度依赖性进行讨论。恒电流Iref的温度依赖性可以通过以各变量进行偏微分而得到，由下式(4)给出。
∂Iref∂T=VtR2·α(1Vt∂Vt∂T-1R2∂R2∂T)---(4)]]>
这里，Vt/T和R2/T都是正的。
温度补偿电路30是为消除上式(4)给出的恒电流Iref的温度依赖性而设置的。温度补偿电路30包括第1双极型晶体管Q1～第4双极型晶体管Q4、温度补偿电阻R1。
第1双极型晶体管Q1、第2双极型晶体管Q2串联设置在由偏置电流源20生成的恒电流Iref的路径上。第1双极型晶体管Q1、第2双极型晶体管Q2分别基-集间相连，第2双极型晶体管Q2的射极接地。第1双极型晶体管Q1、第2双极型晶体管Q2都作为二极管来发挥作用。
第3双极型晶体管Q3与第2双极型晶体管Q2基极共连，形成电流镜电路。在本实施方式中，以第1双极型晶体管Q1至第4双极型晶体管Q4的晶体管尺寸都相等的情况进行说明。此时，第3双极型晶体管Q3的集电极电流等于第2双极型晶体管Q2的集电极电流、即恒电流Iref。
第4双极型晶体管Q4的基极与第1双极型晶体管Q1的基极相连接，集电极与第3双极型晶体管Q3的集电极相连接。在第4双极型晶体管Q4的射极与接地间，连接温度补偿电阻R1。该温度补偿电阻R1上的电压由Vbe1+Vbe2-Vbe4给出。若假定各晶体管的基-射间电压Vbe1～Vbe4都相等，则温度补偿电阻R1上被施加Vbe的电压。其结果，温度补偿电阻R1中流过由Icmp＝Vbe/R1给出的补偿电流。该补偿电流Icmp与第4双极型晶体管Q4的集电极电流相等。
在此，考察补偿电流Icmp的温度依赖性。补偿电流Icmp的温度依赖性可以分别以温度T对双极型晶体管的基-射间电压Vbe和电阻进行偏微分而得到，由下式(5)给出。
∂Icmp∂T=VbeR1(1Vbe∂Vbe∂T-1R1∂R1∂T)---(5)]]>温度补偿电路30将第3双极型晶体管Q3和第4双极型晶体管Q4的集电极电流的和(Iref+Icmp)作为恒电流Iref’输出。从温度补偿电路30输出的恒电流Iref’的温度特性，由以式(4)给出的恒电流Iref的温度特性和以式(5)给出的补偿电流Icmp的温度特性的和得出。现在，若假定温度补偿电阻R1、电流生成用电阻R2由多晶硅(polysilicon)形成，则其温度依赖性R1/T、R2/T与其他项相比较小，所以可以忽略。其结果，作为从温度补偿电路30输出的恒电流Iref’的温度特性，得到下式(6)。
∂Iref′∂T=αR2∂Vt∂T+1R1∂Vbe∂T---(6)]]>为了抑制从恒电流电路10输出的恒电流Iref’的温度依赖性，只要进行设计使得上式(6)成为0即可。这里，Vt/T＝k/q(k玻耳兹曼常数、q电子电荷量)，Vbe/T＝-2mV/℃成立。因此，式(6)的右边第1项是正的，而右边第2项取负值，所以通过适当选择常数α、R1、R2，能够使右边的各个项相等。对于常数α、电阻值R1、R2，通过进行仿真或实验选择最佳值即可。
这样，通过本实施方式的恒电流电路10，以由温度补偿电路30生成的补偿电流Icmp的温度特性消除由偏置电流源20生成的恒电流Iref的温度特性，从而能够生成温度依赖性小的恒电流Iref’。
图2是表示由图1的偏置电流源20生成的恒电流Iref和从恒电流电路10输出的恒电流Iref’的温度依赖性的图。另外，图2的温度依赖性是实际制造图1所示的恒电流电路10并测定温度依赖性后的实测值。如图2所示，由偏置电流源20生成的恒电流Iref，在以常温30℃为中心值时，在从-30℃到80℃的范围内以±数10％的范围进行变动，与此不同，由本实施方式的恒电流电路10生成的恒电流Iref’仅在±10％程度的范围内变动，可知温度特性得到改善。
图1的恒电流电路10可以作为对各种电路提供偏置电流的偏置电路来使用。图3是表示使用了图1的恒电流电路10的反相器40的结构的电路图。反相器40包括晶体管42、恒电流电路10。晶体管42是源极接地、输入信号被输入到栅极的N沟道MOSFET。图1的恒电流电路10作为恒电流负载连接于晶体管42的漏极。在图3的反相器40中，假定由恒电流电路10生成的恒电流Iref’例如是0.3μA。
通过这样构成的反相器40，以非常小的恒电流进行偏置，所以能够使工作电流变得极小。进而，由于由恒电流电路10生成的恒电流Iref’的温度依赖性较小，所以即使温度变动，也能作为反相器保持良好的特性。
图4是表示具备图3的反相器40的振荡电路50的结构的电路图。振荡电路50包括电压控制水晶振荡器52、第1电容C1、第2电容C2、反馈电阻Rfb、反相器40、反相器54。
电压控制水晶振荡器52的两端分别经由第1电容C1、第2电容C2接地。反相器40和反馈电阻Rfb与电压控制水晶振荡器52并联连接。反相器54将反相器40的输出信号反转输出。
有的电压控制水晶振荡器52存在若反相器40的偏置电流降低就不再振荡的情况，所以，在由不具备温度补偿电路30的偏置电流源20向晶体管42提供偏置电流的情况下，为了在低温时也能得到足够的偏置电流，需要使常温时的偏置电流的设定值较高，结果出现电路的消耗电流变大这样的问题。
与此不同，根据上述本实施方式的图4的振荡电路50，反相器40被稳定地生成温度依赖性较小的偏置电流。其结果，能够将常温下的偏置电流的设定值设定得较低，能够降低电路电流，并且能使之在较宽的温度范围内稳定地振荡。
当将图4所示的振荡电路50安装于例如钟表等那样的电池驱动型的电子设备中时，通过削减电路电流，能够延长电池的寿命。进而，如图1所示，由于恒电流电路10的元件数量较少，所以能使电路规模较小，对设备的小型化有利。
上述实施方式是个例示，可以对各结构要件和各处理过程的组合进行各种变形，本领域技术人员能够理解这些变形例也处于本发明的范围内。
图5是表示图1的恒电流电路10的变形例的电路图。图5的恒电流电路10是在图1的恒电流电路10的基础上再具备第5双极型晶体管Q5。在图5中，对与图1相同的结构要件标注相同的标号，并省略重复的说明。
NPN型的第5双极型晶体管Q5的基极与第1双极型晶体管Q1的基极相连，射极与第3双极型晶体管Q3的集电极相连。即，第1双极型晶体管Q1、第5双极型晶体管Q5、第2双极型晶体管Q2、第3双极型晶体管Q3是共基-共射(cascode)连接的电流镜电路，第5双极型晶体管Q5的集电极电流Iref成为与从偏置电流源20输出的恒电流Iref相等的电流。
图5的恒电流电路10输出作为第5双极型晶体管Q5的集电极电流的恒电流Iref与作为第4双极型晶体管Q4的集电极电流的补偿电流Icmp的和。通过图5的恒电流电路10，与图1的恒电流电路10一样，能够生成温度依赖性较小的恒电流Iref’。
另外，在图1和图5中，设置于偏置电流源20的第8双极型晶体管Q8～第10双极型晶体管Q10可以用P沟道MOSFET构成。另外，也可以通过使第10双极型晶体管Q10为NPN型，并与第6双极型晶体管Q6、第7双极型晶体管Q7进行电流镜连接而输出恒电流。
温度补偿电路30也不限于图1、图5的结构。例如，通过将NPN型和PNP型互换、将接地换成电源、将电源换成接地所得到的电路，也能进行温度补偿。
基于实施方式对本发明进行了说明，但显然实施方式仅是表示本发明的原理、应用，在不脱离权利要求书所规定的本发明的思想的范围内，可以对实施方式进行很多变形例以及变更配置。
〔工业可利用性〕本发明能够用于半导体装置。
权利要求
1.一种恒电流电路，其特征在于包括偏置电流源，通过对电流生成用电阻施加与热电压成比例的电压，生成恒电流，以及温度补偿电路，通过对温度补偿电阻施加相当于双极型晶体管的基-射间电压的电压，生成温度补偿电流；并且，输出由上述偏置电流源生成的恒电流与由上述温度补偿电路生成的温度补偿电流的和。
2.根据权利要求1所述的恒电流电路，其特征在于上述温度补偿电路包括串联设置在由上述偏置电流源生成的恒电流的路径上，且基-集间相连接的第1双极型晶体管和第2双极型晶体管，与上述第2双极型晶体管形成电流镜电路的第3双极型晶体管，以及基极与上述第1双极型晶体管的基极相连、集电极与上述第3双极型晶体管的集电极相连、射极连接温度补偿电阻的第4双极型晶体管，并且，输出上述第3双极型晶体管和上述第4双极型晶体管的集电极电流的和。
3.根据权利要求1所述的恒电流电路，其特征在于上述温度补偿电路包括串联设置在由上述偏置电流源生成的恒电流的路径上，且基-集间相连接的第1双极型晶体管和第2双极型晶体管，与上述第2双极型晶体管形成电流镜电路的第3双极型晶体管，基极与上述第1双极型晶体管的基极相连，射极连接温度补偿电阻的第4双极型晶体管，以及基极与上述第1双极型晶体管的基极相连、射极与上述第3双极型晶体管的集电极相连的第5双极型晶体管，并且，输出上述第5双极型晶体管和上述第4双极型晶体管的集电极电流的和。
4.根据权利要求1至3的任一项所述的恒电流电路，其特征在于上述偏置电流源包括基-集间相连接的第6双极型晶体管，基极与上述第6双极型晶体管的基极相连、在射极与固定电位间连接有电流生成用电阻的第7双极型晶体管，以及连接于上述第6双极型晶体管和上述第7双极型晶体管的集电极的电流镜负载，并且，输出与流过上述电流镜负载的电流成比例的电流。
5.根据权利要求1至3的任一项所述的恒电流电路，其特征在于被一体集成在一个半导体衬底上。
6.一种反相器，其特征在于，包括权利要求1至3的任一项所述的恒电流电路，以及以上述恒电流电路为负载的晶体管。
7.一种振荡电路，其特征在于，包括电压控制水晶振荡器，与上述电压控制水晶振荡器并联设置的反馈电阻，以及与上述电压控制水晶振荡器并联设置的权利要求6所述的反相器。
8.一种电子设备，其特征在于具有权利要求7所述的振荡电路。
全文摘要
本发明提供一种既抑制电路元件数量的增加，又改善温度特性的恒电流电路。偏置电流源(20)通过对电流生成用电阻(R2)施加与热电压(Vt)成比例的电压来生成恒电流(Iref)。第1双极型晶体管(Q1)、第2双极型晶体管(Q2)串联设置在由偏置电流源(20)生成的恒电流的路径上。第3双极型晶体管(Q3)与第2双极型晶体管(Q2)形成电流镜电路。第4双极型晶体管(Q4)基极与第1双极型晶体管(Q1)的基极相连，射极连接温度补偿电阻(R1)。恒电流电路(10)输出第3双极型晶体管(Q3)和第4双极型晶体管(Q4)的集电极电流的和。
文档编号G05F3/08GK101091145SQ20068000151
公开日2007年12月19日 申请日期2006年8月8日 优先权日2005年8月17日
发明者柴田泰, 唐泽良幸, 横沟伊知郎 申请人:罗姆股份有限公司