CN101226412A - 恒流电路及使用恒流电路的发光二极管驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及恒流电路及发光二极管驱动装置。恒流电路包括：构成电流源的NMOS型晶体管(M1)，供给与输入到栅极的控制信号相对应的电流；NMOS型晶体管(M2)，向外部负载(10)供给与输入到栅极的上述控制信号相对应的电流；电压调整电路(3)，控制NMOS型晶体管(M1)的漏极电压，使其成为NMOS型晶体管(M2)的漏极电压；电流检测电路(4)，检测流过NMOS型晶体管(M1)的电流值；控制电路(5)，根据电流检测电路(4)的检测结果，控制NMOS型晶体管(M1)及(M2)的各栅极电压，使得流过NMOS型晶体管(M1)的电流成为所定值。能以简单电路得到恒流电路及发光二极管驱动装置，能输出不依赖输出端电压的高精度的恒流，不降低恒流输出精度地减小输出端电压，大幅度减少消耗电力。

Description

恒流电路及使用恒流电路的发光二极管驱动装置
技术领域
本发明涉及恒流电路，尤其涉及用于驱动发光二极管(LED)等的恒流电路及使用恒流电路的发光二极管驱动装置。
背景技术
显示装置用的发光二极管为了降低亮度偏差一般用恒流驱动。根据用途调整发光二极管亮度场合，通过改变恒流电路的电流设定进行调整，但发光二极管的电压降因驱动电流发生很大变化。因此，形成恒流电路输出端的输出晶体管的端电压发生很大变化。
通常，恒流电路将MOS型晶体管的漏电极作为输出端，若该输出端电压发生很大变化，则由于MOS型晶体管的沟道长调制效果，输出电流变化，存在发光二极管亮度发生偏差问题。
为了解决这样的问题，提出过图7那样的恒流电路。
在图7中，NMOS型晶体管M111，M112，M141及M142形成低电压栅地-阴地型电流反射镜电路，以NMOS型晶体管M111和M112的晶体管尺寸比决定的比率，由电流iref1得到输出电流iout，将该输出电流iout供给与输出端OUT连接的外部负载110。误差放大电路OP102控制NMOS型晶体管M116，使得电阻R111及NMOS型晶体管M116的连接部成为基准电压Vref，若电阻R111的电阻值设为r111，则流过电阻R111的电流iref2成为：iref2＝Vref/r111。电流iref2在构成电流反射镜电路的PMOS型晶体管M115和M114成为电流iref1。
构成向外部负载110供给电流的输出电路的NMOS型晶体管M111，M112，M141及M142形成栅地-阴地型电流反射镜电路，因此，NMOS型晶体管M112的漏电压与输出端OUT的电压无关，通常与NMOS型晶体管M111的漏电压相等，输出端OUT的电压变化对输出电流iout的电流值影响小。
但是，若使得NMOS型晶体管M112和M142串联连接构成向输出端OUT供给电流的输出晶体管，则即使以低电压栅地-阴地型电流反射镜电路构成输出电路，为了输出晶体管在能维持恒流精度的饱和区域动作，必要的输出端OUT的电压变大。
例如，将NMOS型晶体管M111，M112，M141及M142设为晶体管尺寸相等的同一导电型的晶体管，将其阈值电压设为Vthn，栅极-源极间电压设为Vgs2，过激励电压设为Vov，则NMOS型晶体管M112的漏极-源极间电压Vds1成为以下(a)式：
Vds1＝Vbias-Vgs2    (a)
若将偏压Vbias设定为Vbias＝Vgs2+Vov，使得NMOS型晶体管M112在线性区域和饱和区域交界处动作，则上述(a)式成为以下(b)式：
Vds1＝Vov    (b)
若NMOS型晶体管M142也与NMOS型晶体管M112相同，在线性区域和饱和区域交界处动作，则NMOS型晶体管M142的漏极-源极间电压Vds2成为以下(c)式：
Vds2＝Vov    (c)
因此，输出端OUT的最小电压Vomin成为以下(d)式：
Vomin＝Vds1+Vds2＝2×Vov    (d)
在一般的CMOS型处理中，最小电压Vomin为0.6-1.0V。若输出端OUT的电压大，则在恒流电路的输出晶体管中消耗电力变大。为了驱动发光二极管，输出大电流，使用非常大尺寸的输出晶体管，因此，若串联连接两个MOS型晶体管构成输出晶体管，存在芯片面积大幅度增加的问题。
再有，NMOS型晶体管M142的漏极-源极间电压因输出端OUT的电压发生大的变化，但NMOS型晶体管M141的漏极-源极间电压成为：(Vthn+Vov)-Vov＝Vthn，NMOS型晶体管M141和M142由于漏极-源极间电压不同，栅极-源极间电压也不同。即，NMOS型晶体管M111和M112的漏极-源极间电压不同，在输出电流iout中产生系统误差。
为了解决这样的问题，提出了如图8所示那样的稳定的恒流电路，即使与恒流电路的输出端连接的外部负载变化，输出电流也不变化，即使在输出端电压小场合也能在饱和区域动作(例如参照专利文献1)。
这种场合，可变电阻器R合适地调整场合，即使不适用栅地-阴地型电流反射镜电路，也能使得NMOS型晶体管NT1和NT2的漏极-源极间电压相等，不会发生系统误差，能精度良好地输出恒流。
专利文献1：特开平9-319323号公报
但是，NMOS型晶体管NT2的漏极电压只能从在NMOS型晶体管NT2在饱和区域动作的电压到NMOS型晶体管NT2的栅极-源极间电压范围调整。即，若将NMOS型晶体管NT2的阈值电压设为Vthn，过激励电压设为Vov2，则不发生系统误差能输出恒流的输出端OUT的电压Vo范围如下：Vov2≤Vo≤Vthn+Vov2，存在输出端OUT的电压Vo的可变动范围大幅度被限制的问题。
发明内容
本发明就是为解决上述先有技术所存在的问题而提出来的，本发明的目的在于，提供恒流电路及使用恒流电路的发光二极管驱动装置，能以简单电路输出不依赖输出端电压的高精度的恒流，不降低恒流输出精度地减小输出端电压，能大幅度减少消耗电力。
为了实现上述目的，本发明提出以下方案：
(1)一种恒流电路，生成所定的恒流供给负载，其特征在于，包括：
第一晶体管，由MOS型晶体管构成，形成电流源，供给与输入到栅极的控制信号相对应的电流；
第二晶体管，由与上述第一晶体管同一导电型的MOS型晶体管构成，栅极及源极与上述第一晶体管的栅极及源极分别对应连接，同时，上述负载与漏极连接，向上述负载供给与输入到栅极的上述控制信号相对应的电流；
电压调整电路部，根据上述第二晶体管的漏极电压，控制上述第一晶体管的漏极电压；
电流检测电路部，检测流过上述第一晶体管的电流值，输出该检测结果；
控制电路部，根据该电流检测电路部的检测结果，控制上述第一晶体管及第二晶体管的各栅极电压，使得流过上述第一晶体管的电流成为所定值。
(2)在(1)的恒流电路中，其特征在于，所述电压调整电路部包括：
比较电路，比较上述第一晶体管及第二晶体管的各漏极电压，生成表示该比较结果的信号输出；
电压调整电路，根据来自该比较电路的表示比较结果的信号，控制上述第一晶体管的漏极电压，使其成为上述第二晶体管的漏极电压。
(3)在(2)的恒流电路中，其特征在于：
上述比较电路由第一误差放大电路构成，上述第一晶体管及第二晶体管的各漏极电压输入到对应的输入端，上述电压调整电路由作为第三晶体管的MOS型晶体管构成，所述第一误差放大电路的输出信号输入该第三晶体管的栅极，串联连接到上述第一晶体管的漏极。
(4)在(3)的恒流电路中，其特征在于：
上述第三晶体管是与上述第一晶体管同一导电型的晶体管，根据从上述第一误差放大电路输出的信号，调整上述第一晶体管的漏极电压。
(5)在(1)-(4)中任一个记载的恒流电路中，其特征在于：
上述电流检测电路部由电流反射镜电路构成，该电流反射镜电路生成与流过第一晶体管的电流成正比的电流输出，上述控制电路部控制上述第一晶体管及第二晶体管的各栅极电压，使得从该电流反射镜电路输入的电流成为所定值。
(6)在(5)的恒流电路中，其特征在于，上述控制电路部包括：
电阻，将从上述电流反射镜电路输入的电流变换成电压；
第二误差放大电路，控制上述第一晶体管及第二晶体管的各栅极电压，使得由所述电阻变换的电压成为所定电压。
(7)在(5)或(6)中记载的恒流电路中，其特征在于：
上述电流反射镜电路是栅地-阴地型电流反射镜电路。
(8)在(1)-(7)中任一个记载的恒流电路中，其特征在于：
进一步包括延迟电路部，使得从上述控制电路部的输出电压延迟所定时间，向上述第一晶体管及第二晶体管的各栅极输出。
(9)在(8)的恒流电路中，其特征在于：
上述延迟电路部由电容元件构成，一端与上述第一晶体管及第二晶体管的各栅极的连接部连接，以来自上述控制电路部的输出电压充电。
(10)在(1)-(7)中任一个记载的恒流电路中，其特征在于：
上述第一晶体管，第二晶体管，电压调整电路部，电流检测电路部及控制电路部集成在一个IC中。
(11)在(8)或(9)中记载的恒流电路中，其特征在于：
上述第一晶体管，第二晶体管，电压调整电路部，电流检测电路部，控制电路部及延迟电路部集成在一个IC中。
(12)一种发光二极管驱动装置，设有生成所定的恒流供给发光二极管的恒流电路，其特征在于，所述恒流电路为上述(1)-(11)中任一个记载的恒流电路。
按照本发明的恒流电路及发光二极管驱动装置，能大幅度减少芯片面积，同时，能输出不依赖作为与负载的连接部的电压的输出端电压的高精度的恒流，不降低恒流输出精度地减小上述输出端电压，能大幅度减少消耗电力。
附图说明
图1是本发明第一实施形态的恒流电路构成例的方框图。
图2是图1的恒流电路1的电路例。
图3是图1的恒流电路1的另一电路例。
图4是图1的恒流电路1的另一电路例。
图5是图1的恒流电路1的另一电路例。
图6是本发明第一实施形态的恒流电路另一构成例的方框图。
图7是以往恒流电路例的电路图。
图8是以往恒流电路另一例的电路图。
具体实施方式
下面，参照附图所示实施形态，详细说明本发明。在以下实施例中，虽然对构成要素，种类，组合，形状，相对配置等作了各种限定，但是，这些仅仅是例举，本发明并不局限于此。
第一实施形态
图1是本发明第一实施形态的恒流电路构成例的方框图。
图1的恒流电路1生成所定的恒流，从输出端OUT供给发光二极管等外部负载10，由NMOS型晶体管M1，M2，电压比较电路2，电压调整电路3，电流检测电路4及控制电路5构成。在图1中，外部负载10是发光二极管，恒流电路1构成发光二极管驱动装置场合，发光二极管的阳极与电源电压Vdd2连接，发光二极管的阴极与输出端OUT连接。
外部负载10连接在电源电压Vdd2和输出端OUT之间，NMOS型晶体管M2的漏极与输出端OUT连接，NMOS型晶体管M1及M2的各源极分别与接地电压连接。NMOS型晶体管M1及M2的各栅极连接，通过控制电路5控制该连接部的电压。电流从电源电压Vdd1通过电流检测电路4及电压调整电路3流向NMOS型晶体管M1的漏极，NMOS型晶体管M1构成电流源。电压比较电路2对NMOS型晶体管M1及M2的各漏极电压进行电压比较，根据该比较结果，控制电压调整电路3，使得NMOS型晶体管M1的漏极电压与NMOS型晶体管M2的漏极电压相等。电流检测电路4检测流向NMOS型晶体管M1的漏极的电流，生成与该检测到的电流成正比的电流，向控制电路5输出。控制电路5根据从电流检测电路4输入的电流，控制NMOS型晶体管M1及M2的各栅极电压。
图2是图1的恒流电路1的电路例。
在图2中，由误差放大电路OP1构成电压比较电路2，由NMOS型晶体管M3构成电压调整电路3。由PMOS型晶体管M4及M5构成电流镜电路，由该电流镜电路构成电流检测电路4，控制电路5由误差放大电路OP2，生成所定的基准电压Vref输出的基准电压发生电路7及电阻R1构成。
NMOS型晶体管M1的漏极与误差放大电路OP1的反转输入端连接，NMOS型晶体管M2的漏极与误差放大电路OP1的非反转输入端连接。
PMOS型晶体管M4和NMOS型晶体管M3串联连接在电源电压Vdd1和NMOS型晶体管M1的漏极之间，NMOS型晶体管M3的栅极与误差放大电路OP1的输出端连接。PMOS型晶体管M4及M5的各栅极连接，该连接部与PMOS型晶体管M4的漏极连接。PMOS型晶体管M5和电阻R1串联连接在电源电压Vdd1和接地电压之间，PMOS型晶体管M5和电阻R1的连接部与误差放大电路OP2的反转输入端连接。基准电压Vref输入误差放大电路OP2的非反转输入端，误差放大电路OP2的输出端与NMOS型晶体管M1和M2的各栅极的连接部连接。
NMOS型晶体管M1构成第一晶体管，NMOS型晶体管M2构成第二晶体管，比较电路2及电压调整电路3构成电压调整电路部，电流检测电路4构成电流检测电路部，控制电路5构成控制电路部。NMOS型晶体管M3构成第三晶体管，误差放大电路OP1构成第一误差放大电路，误差放大电路OP2构成第二误差放大电路。
在这种构成中，电流iref1通过PMOS型晶体管M4和NMOS型晶体管M3流向形成电流源的NMOS型晶体管M1的漏极，与电流iref1成正比的电流iref2从PMOS型晶体管M5的漏极输出。以NMOS型晶体管M1和M2的晶体管尺寸比决定的比率，由电流iref1得到从输出端OUT供给外部负载10的输出电流iout。以PMOS型晶体管M4和M5的晶体管尺寸比决定的比率，由电流iref1得到电流iref2。
误差放大电路OP1控制NMOS型晶体管M3的栅极电压，使得NMOS型晶体管M1的漏极电压成为NMOS型晶体管M2的漏极电压。即，NMOS型晶体管M3的根据从误差放大电路OP1输出的信号，调整NMOS型晶体管M1的漏极电压。从PMOS型晶体管M5输出的电流iref2通过电阻R1被变换成以接地电压为基准的电压Vb，该电压Vb输入到误差放大电路OP2的反转输入端。误差放大电路OP2控制NMOS型晶体管M1及M2的各栅极电压，使得电压Vb成为基准电压Vref。
在此，将NMOS型晶体管M1和M2的晶体管尺寸比设为1∶K1，PMOS型晶体管M4和M5的晶体管尺寸比设为1∶K2，则输出电流iout成为以下(1)式：
iout＝K1×iref1    (1)
输出电流iout，电流iref1及电流iref2成为以下(2)式：
iref2＝K2×iref1＝K2/K1×iout    (2)
将电阻R1的电阻值设为r1，由iref2＝Vref/r1，从上述(2)式得到以下(3)式：
Vref/r1＝K2/K1×iout    (3)
从上述(3)式得到以下(4)式：
iout＝Vref/r1×K1/K2    (4)
由上述(4)式可知，供给外部负载10的输出电流iout由基准电压Vref，电阻值r1及晶体管尺寸比K1，K2决定。
这样，通过误差放大电路OP1及NMOS型晶体管M3，控制使得NMOS型晶体管M1和M2的各漏极电压相等，即使输出端OUT的电压Vo变化也不会发生系统误差，能高精度地输出所定的输出电流iout。
下面，说明用于使得NMOS型晶体管M2在饱和区域动作的最低漏极电压。
假设误差放大电路OP1的输入电压范围及误差放大电路OR2的输出电压范围足够，将NMOS型晶体管M2的栅极-源极间电压设为Vgs2，漏极-源极间电压设为Vds2，阈值电压设为Vthn，过激励电压设为Vov2，则NMOS型晶体管M2在饱和区域动作的条件成为以下(5)式：
Vds2≥Vgs2-Vthn＝Vov2    (5)
由此，输出端电压Vo的最低电压成为过激励电压Vov2，能使其降低到以往的二分之一。
在图2中，也可以将PMOS型晶体管M4及M5的电流反射镜电路置换为图3和图4所示那样的栅地-阴地型电流反射镜电路。
在图3中，与图2的不同点在于追加PMOS型晶体管M11及M12，使得PMOS型晶体管M11连接在PMOS型晶体管M4和NMOS型晶体管M3之间，使得PMOS型晶体管M12连接在PMOS型晶体管M5和电阻R1之间。PMOS型晶体管M11及M12的各栅极连接，该连接部与PMOS型晶体管M11的漏极连接。
这样，PMOS型晶体管M4，M5，M11及M12形成栅地-阴地型电流反射镜电路。若使得PMOS型晶体管M11和M12的晶体管尺寸比与PMOS型晶体管M4和M5的晶体管尺寸比相等，则控制PMOS型晶体管M4和M5的漏极电压相等，PMOS型晶体管M4和M5没有因沟道长调制效果引起的误差，电流iref1和电流iref2的电流比成为由上述晶体管尺寸比决定的比率，能设定比图2精度好的输出电流iout。
在图4中，与图2的不同点在于追加误差放大电路OP3及PMOS型晶体管M15，使得PMOS型晶体管M15连接在PMOS型晶体管M5和电阻R1之间。在误差放大电路OP3中，使得输出端与PMOS型晶体管M15的栅极连接，非反转输入端与PMOS型晶体管M4的漏极连接，反转输入端与PMOS型晶体管M5的漏极连接。
这样，PMOS型晶体管M4，M5，M15及误差放大电路OP3形成栅地-阴地型电流反射镜电路。控制PMOS型晶体管M15，使得误差放大电路OP3的反转输入端和非反转输入端的电压相等，因此，能得到与图3相同的效果。进而，在图4中，由于误差放大电路OP3的电压放大率非常大，因此，能设定比图3精度更好的输出电流iout。
在图2-图4中，也可以在NMOS型晶体管M1和M2的各栅极的连接部与接地电压之间追加电容元件C11，例如，图2场合，成为如图5所示。电容元件C11构成延迟电路部。
恒流电路1启动前，NMOS型晶体管M1和M2的各栅极通过误差放大电路OP2固定在接地电压上。若恒流电路1开始动作，电路启动同时，NMOS型晶体管M1和M2的各栅极电压上升到所定电压。此时，由误差放大电路OP2的输出电阻及电容元件C11决定延迟时间，因该延迟时间，NMOS型晶体管M1和M2的各栅极电压的上升速度受到限制，能抑制启动时输出端OUT产生的过冲。因此，能防止恒流电路1启动时流过过大输出电流iout使得外部负载产生不良状态。
上面参照附图说明了本发明的实施例，但本发明并不局限于上述实施例。在本发明技术思想范围内可以作种种变更，它们都属于本发明的保护范围。
例如，在上述说明中，以输出晶体管使用NMOS型晶体管场合为例，但本发明并不局限于此，也可以适用输出晶体管使用PMOS型晶体管场合。这种场合，图1成为图6所示。
在图6中，外部负载10是发光二极管，恒流电路1构成发光二极管驱动装置场合，发光二极管的阴极与接地电压连接，发光二极管的阳极与输出端OUT连接。
在图2-图4中，以NMOS型晶体管M3使用增强型的NMOS型晶体管场合为例进行说明，但本发明并不局限于此，NMOS型晶体管M3也可以使用降低型的NMOS型晶体管，由此，能进一步增大NMOS型晶体管M1的漏极电压，能提高通用性。
这样，本第一实施形态的恒流电路不需要以往的与栅地-阴地型放大器元件相当的图7的NMOS型晶体管M141和M142，能大幅度减少芯片面积，不会发生因输出端OUT的电压变化而引起的系统误差，能输出高精度的输出电流。使得输出端OUT的最低电压降低到二分之一，能使得输出晶体管消耗的电力减少到二分之一。
在上述第一实施形态中，电源电压Vdd1和Vdd2既可以是相同电压，也可以是不同电压。
上述恒流电路1也可以与生成电源电压Vdd1的电源电路和/或生成电源电压Vdd2的电源电路一起集成在一IC中。

Claims (12)

1.一种恒流电路，生成所定的恒流供给负载，其特征在于，包括：
第一晶体管，由MOS型晶体管构成，形成电流源，供给与输入到栅极的控制信号相对应的电流；
第二晶体管，由与上述第一晶体管同一导电型的MOS型晶体管构成，栅极及源极与上述第一晶体管的栅极及源极分别对应连接，同时，上述负载与漏极连接，向上述负载供给与输入到栅极的上述控制信号相对应的电流；
电压调整电路部，根据上述第二晶体管的漏极电压，控制上述第一晶体管的漏极电压；
电流检测电路部，检测流过上述第一晶体管的电流值，输出该检测结果；
控制电路部，根据该电流检测电路部的检测结果，控制上述第一晶体管及第二晶体管的各栅极电压，使得流过上述第一晶体管的电流成为所定值。
2.根据权利要求1中记载的恒流电路，其特征在于，所述电压调整电路部包括：
比较电路，比较上述第一晶体管及第二晶体管的各漏极电压，生成表示该比较结果的信号输出；
电压调整电路，根据来自该比较电路的表示比较结果的信号，控制上述第一晶体管的漏极电压，使其成为上述第二晶体管的漏极电压。
3.根据权利要求2中记载的恒流电路，其特征在于：
上述比较电路由第一误差放大电路构成，上述第一晶体管及第二晶体管的各漏极电压输入到对应的输入端，上述电压调整电路由作为第三晶体管的MOS型晶体管构成，所述第一误差放大电路的输出信号输入该第三晶体管的栅极，串联连接到上述第一晶体管的漏极。
4.根据权利要求3中记载的恒流电路，其特征在于：
上述第三晶体管是与上述第一晶体管同一导电型的晶体管，根据从上述第一误差放大电路输出的信号，调整上述第一晶体管的漏极电压。
5.根据权利要求1-4中任一个记载的恒流电路，其特征在于：
上述电流检测电路部由电流反射镜电路构成，该电流反射镜电路生成与流过第一晶体管的电流成正比的电流输出，上述控制电路部控制上述第一晶体管及第二晶体管的各栅极电压，使得从该电流反射镜电路输入的电流成为所定值。
6.根据权利要求5中记载的恒流电路，其特征在于，上述控制电路部包括：
电阻，将从上述电流反射镜电路输入的电流变换成电压；
第二误差放大电路，控制上述第一晶体管及第二晶体管的各栅极电压，使得由所述电阻变换的电压成为所定电压。
7.根据权利要求5或6中记载的恒流电路，其特征在于：
上述电流反射镜电路是栅地-阴地型电流反射镜电路。
8.根据权利要求1-7中任一个记载的恒流电路，其特征在于：
进一步包括延迟电路部，使得从上述控制电路部的输出电压延迟所定时间，向上述第一晶体管及第二晶体管的各栅极输出。
9.根据权利要求8中记载的恒流电路，其特征在于：
上述延迟电路部由电容元件构成，一端与上述第一晶体管及第二晶体管的各栅极的连接部连接，以来自上述控制电路部的输出电压充电。
10.根据权利要求1-7中任一个记载的恒流电路，其特征在于：
上述第一晶体管，第二晶体管，电压调整电路部，电流检测电路部及控制电路部集成在一个IC中。
11.根据权利要求8或9中记载的恒流电路，其特征在于：
上述第一晶体管，第二晶体管，电压调整电路部，电流检测电路部，控制电路部及延迟电路部集成在一个IC中。
12.一种发光二极管驱动装置，设有生成所定的恒流供给发光二极管的恒流电路，其特征在于，所述恒流电路为上述权利要求1-11中任一个所述的恒流电路。
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