JP2000101428A - チャージポンプ回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電流出力（充電動作）及び電流引き込み（放電
動作）を高速に行うことができるとともに、出入力電位
のダイナミックレンジを広く保持できるチャージポンプ
を提供する。 【解決手段】この発明のチャージポンプは、抵抗Ｒ１と
トランジスタＱ１、Ｑ２とを有し、ＣＬＡ３、ＣＬＡ４
信号を受け取って定電流源として動作し電流の出力を制
御する電流出力用スイッチ回路と、前記電流出力用スイ
ッチ回路にＣＬＡ３、ＣＬＡ４信号を出力する出力用ア
ンプ回路と、抵抗Ｒ４とトランジスタＱ６、Ｑ７とを有
し、ＣＬＢ３、ＣＬＢ４信号を受け取って定電流源とし
て動作し電流の引き込みを制御する電流引き込み用スイ
ッチ回路と、この電流引き込み用スイッチ回路にＣＬＢ
３、ＣＬＢ４信号を出力する引き込み用アンプ回路とか
ら構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電流出力（充
電）及び電流引き込み（放電）を行うチャージポンプに
関するものであり、特にＰＬＬ（Phase Locked Loop ）
回路などに使用されるものである。

【０００２】

【従来の技術】電流出力（充電）及び電流引き込み（放
電）を行うチャージポンプに関する従来の技術について
説明する。図５は、従来のチャージポンプの一例を示す
回路図である。

【０００３】このチャージポンプは、高速動作をバイポ
ーラＩＣで実現する場合の例である。電流出力側では、
定電流源Ｉ１０１と、ＰＮＰ形トランジスタＱ１０１、
ＰＮＰ形トランジスタＱ１０２からなる差動増幅器とが
カスコード接続され、電流引き込み側では、定電流源Ｉ
１０２と、ＮＰＮ形トランジスタＱ１０３、ＮＰＮ形ト
ランジスタＱ１０４からなる差動増幅器とがカスコード
接続されている。

【０００４】このように構成されたチャージポンプの動
作は次のようになる。電流出力時には、トランジスタＱ
１０１のベース及びトランジスタＱ１０２のベースに、
電流出力を実行させるための所定のＡ１信号及びＡ２信
号がそれぞれ入力される。これにより、トランジスタＱ
１０１のコレクタ電流が遮断され、トランジスタＱ１０
２に定電流源Ｉ１０１の電流が流れる。そして、トラン
ジスタＱ１０２のコレクタ電流が、出入力端子Ｔ１００
から外部に出力される。

【０００５】電流引き込み時には、トランジスタＱ１０
３のベース及びトランジスタＱ１０４のベースに、電流
引き込みを実行させるための所定のＢ１信号、Ｂ２信号
がそれぞれ入力される。これにより、トランジスタＱ１
０３のコレクタ電流が遮断され、トランジスタＱ１０４
に定電流源Ｉ１０２の電流が流れる。そして、この電流
が、出入力端子Ｔ１００が接続された外部から引き込ま
れる。

【０００６】この図５に示すようなチャージポンプで
は、差動増幅器をスイッチングすることにより、電流出
力あるいは電流引き込みの動作が高速に実行される。次
に、従来のチャージポンプの別の例について説明する。

【０００７】図６は、従来のチャージポンプの別の例を
示す回路図である。このチャージポンプは、出入力電位
のダイナミックレンジを広く保持する場合の例である。
電流出力側には、定電流源Ｉ１０３と、ＮＰＮ形トラン
ジスタＱ１０５、ＮＰＮ形トランジスタＱ１０６からな
る差動増幅器と、ＰＮＰ形トランジスタＱ１０７、ＰＮ
Ｐ形トランジスタＱ１０８からなるカレントミラー回路
とを有している。また、電流引き込み側には、定電流源
Ｉ１０４と、ＰＮＰ形トランジスタＱ１０９、ＰＮＰ形
トランジスタＱ１１０からなる差動増幅器と、ＮＰＮ形
トランジスタＱ１１１、ＮＰＮ形トランジスタＱ１１２
からなるカレントミラー回路とを有している。

【０００８】このように構成されたチャージポンプの動
作は次のようになる。電流出力時には、トランジスタＱ
１０５のベース及びトランジスタＱ１０６のベースに、
電流出力を実行させるための所定のＡ１信号、Ａ２信号
がそれぞれ入力される。これにより、トランジスタＱ１
０５のコレクタ電流が遮断され、トランジスタＱ１０６
及びトランジスタＱ１０７に定電流源Ｉ１０３の電流が
流れる。すると、この電流と等しい電流がトランジスタ
Ｑ１０８に流れる。そして、トランジスタＱ１０８を流
れるコレクタ電流が出入力端子Ｔ１００から外部に出力
される。

【０００９】電流引き込み時には、前記トランジスタＱ
１０９のベース及びトランジスタＱ１１０のベースに、
電流引き込みを実行させるための所定のＢ１信号、Ｂ２
信号がそれぞれ入力される。これにより、トランジスタ
Ｑ１０９のコレクタ電流が遮断され、トランジスタＱ１
１０及びトランジスタＱ１１１に定電流源Ｉ１０４の電
流が流れる。すると、この電流と等しい電流がトランジ
スタＱ１１２に流れる。そして、このときトランジスタ
Ｑ１１２に流れる電流が、出入力端子Ｔ１００が接続さ
れた外部から引き込まれる。

【００１０】この図６に示すようなチャージポンプで
は、差動増幅器の出力電流をカレントミラー回路で折り
返して、電流出力あるいは電流引き込みの動作を行って
いる。この場合、電源電圧と出入力端子との間にはトラ
ンジスタＱ１０８が設けられているだけであるため、出
入力端子Ｔ１００の電位は、トランジスタＱ１０８が飽
和するおおむね、電源電圧−０．２［Ｖ］程度まで上昇
することができる。同様に、基準電位点と出入力端子と
の間にはトランジスタＱ１１２が設けられているだけで
あるため、出入力端子Ｔ１００の電位は、トランジスタ
Ｑ１１２が飽和するおおむね、基準電位点＋０．２
［Ｖ］程度まで下がることができる。すなわち、電源電
圧を５［Ｖ］、基準電位点を０［Ｖ］とすれば、出入力
端子における出入力電位のダイナミックレンジは４．８
［Ｖ］〜０．２［Ｖ］程度となり、広いダイナミックレ
ンジが確保できる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図５に
示すチャージポンプでは、高速動作は可能であるが、定
電流源と差動増幅器をカスコード接続しているため、定
電流源と差動増幅器の動作に必要な電圧分だけ、出入力
電位のダイナミックレンジが狭くなるという欠点があ
る。

【００１２】また、図６に示すチャージポンプでは、カ
レントミラー回路のスイッチング速度が遅いため、動作
速度が遅くなり、短いパルスを出力できなくなるという
欠点がある。

【００１３】そこでこの発明は、前記欠点をなくすため
になされたものであり、電流出力（充電動作）及び電流
引き込み（放電動作）を高速に行うことができるととも
に、出入力電位のダイナミックレンジを広く保持できる
チャージポンプを提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、この発明に係るチャージポンプは、抵抗とトランジ
スタとを有し、制御信号を受け取って定電流源として動
作し出力電流を制御する電流出力スイッチ回路と、前記
電流出力スイッチ回路に前記制御信号を出力する増幅回
路と、抵抗とトランジスタとを有し、制御信号を受け取
って定電流源として動作し引き込み電流を制御する電流
引き込みスイッチ回路と、前記電流引き込みスイッチ回
路に前記制御信号を出力する増幅回路とを具備する。

【００１５】また、この発明に係るチャージポンプは、
抵抗とトランジスタとを有し、制御信号を受け取って定
電流源として動作し出力電流を制御する電流出力スイッ
チ回路と、前記電流出力スイッチ回路に前記制御信号を
出力する増幅回路と、定電流源と差動増幅器をカスコー
ド接続してなり、制御信号を受け取って引き込み電流を
制御する電流引き込みスイッチ回路とを具備する。

【００１６】また、この発明に係るチャージポンプは、
定電流源と差動増幅器をカスコード接続してなり、制御
信号を受け取って出力電流を制御する電流出力スイッチ
回路と、抵抗とトランジスタとを有し、制御信号を受け
取って定電流源として動作し引き込み電流を制御する電
流引き込みスイッチ回路と、前記電流引き込みスイッチ
回路に前記制御信号を出力する増幅回路とを具備する。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照してこの発明の
実施の形態について説明する。まず、この発明の第１の
実施の形態のチャージポンプについて説明する。図１
は、第１の実施の形態のチャージポンプの構成を示す回
路図である。

【００１８】このチャージポンプは、電流出力（充電）
を行うための電流出力用スイッチ回路、この電流出力用
スイッチ回路の動作を制御するために必要な信号を発生
する出力用アンプ回路、電流引き込み（放電）を行うた
めの電流引き込み用スイッチ回路、この電流引き込み用
スイッチ回路の動作を制御するために必要な信号を発生
する引き込み用アンプ回路を有している。

【００１９】前記電流出力用スイッチ回路は、図１に示
すように、ＰＮＰ形トランジスタＱ１、ＰＮＰ形トラン
ジスタＱ２からなる差動増幅器、及び抵抗Ｒ１から構成
される。この電流出力用スイッチ回路に信号を出力する
出力用アンプ回路は、ＮＰＮ形トランジスタＱ３、ＮＰ
Ｎ形トランジスタＱ４からなる差動増幅器、レベルシフ
ト回路として働くＰＮＰ形トランジスタＱ５、定電流源
Ｉ１及び抵抗Ｒ２、抵抗Ｒ３から構成される。

【００２０】前記電流引き込み用スイッチ回路は、ＮＰ
Ｎ形トランジスタＱ６、ＮＰＮ形トランジスタＱ７から
なる差動増幅器、及び抵抗Ｒ４から構成される。この電
流引き込み用スイッチ回路に信号を出力する引き込み用
アンプ回路は、ＰＮＰ形トランジスタＱ８、ＰＮＰ形ト
ランジスタＱ９からなる差動増幅器、レベルシフト回路
として働くＮＰＮ形トランジスタＱ１０、定電流源Ｉ
２、及び抵抗Ｒ５、抵抗Ｒ６から構成される。

【００２１】前述した回路素子の接続は次のようになっ
ている。ＣＬＡ１信号がトランジスタＱ３のベースに、
ＣＬＡ２信号がトランジスタＱ４のベースにそれぞれ接
続される。トランジスタＱ３のコレクタは、抵抗Ｒ２を
介してトランジスタＱ５のコレクタとベースに接続され
る。トランジスタＱ４のコレクタは、抵抗Ｒ３を介して
トランジスタＱ５のコレクタとベースに接続される。ト
ランジスタＱ５のエミッタは、電源電圧ＶDDに接続され
ている。トランジスタＱ３のエミッタとトランジスタＱ
４のエミッタが接続され、この接続点は定電流源Ｉ１を
介して基準電位点ＧＮＤに接続される。なお、前記ＣＬ
Ａ１信号とＣＬＡ２信号は、このチャージポンプにおけ
る電流出力の動作を制御するための信号である。

【００２２】前記トランジスタＱ３のコレクタと抵抗Ｒ
２の接続点はトランジスタＱ２のベースに、前記トラン
ジスタＱ４のコレクタと抵抗Ｒ３の接続点はトランジス
タＱ１のベースにそれぞれ接続される。トランジスタＱ
１のエミッタとトランジスタＱ２のエミッタとの接続点
は、抵抗Ｒ１を介して電源電圧ＶDDに接続される。トラ
ンジスタＱ１のコレクタは基準電位点ＧＮＤに接続さ
れ、トランジスタＱ２のコレクタは出入力端子Ｔｏに接
続されている。

【００２３】また、ＣＬＢ１信号がトランジスタＱ８の
ベースに、ＣＬＢ２信号がトランジスタＱ９のベースに
それぞれ接続される。トランジスタＱ８のコレクタは、
抵抗Ｒ５を介してトランジスタＱ１０のコレクタとベー
スに接続される。トランジスタＱ９のコレクタは、抵抗
Ｒ６を介してトランジスタＱ１０のコレクタとベースに
接続される。このトランジスタＱ１０のエミッタは、基
準電位点ＧＮＤに接続されている。トランジスタＱ８の
エミッタとトランジスタＱ９のエミッタが接続され、こ
の接続点は定電流源Ｉ２を介して電源電圧ＶDDに接続さ
れる。なお、前記ＣＬＢ１信号とＣＬＢ２信号は、この
チャージポンプにおける電流引き込みの動作を制御する
ための信号である。

【００２４】前記トランジスタＱ８のコレクタと抵抗Ｒ
５の接続点はトランジスタＱ７のベースに、前記トラン
ジスタＱ９のコレクタと抵抗Ｒ６の接続点はトランジス
タＱ６のベースにそれぞれ接続される。トランジスタＱ
６のエミッタとトランジスタＱ７のエミッタとの接続点
は、抵抗Ｒ４を介して基準電位点ＧＮＤに接続される。
トランジスタＱ６のコレクタは電源電圧ＶDDに接続さ
れ、トランジスタＱ７のコレクタは出入力端子Ｔｏに接
続されている。

【００２５】次に、この第１の実施の形態のチャージポ
ンプの動作について説明する。まず、このチャージポン
プにおける電流出力（充電）の動作は次のようになる。
トランジスタＱ３、Ｑ４からなる差動増幅器に、図２
（Ａ）に示すＣＬＡ１信号、図２（Ｂ）に示すＣＬＡ２
信号が入力される。このＣＬＡ１信号、ＣＬＡ２信号
は、電流出力の動作を制御するための信号である。ここ
で、ＣＬＡ１信号及びＣＬＡ２信号の“Ｈ”と“Ｌ”の
電位差は、トランジスタＱ３、Ｑ４からなる差動増幅器
を十分にスイッチングできる電位差であるとする。

【００２６】まず、電流出力（充電）が停止している場
合、ＣＬＡ１信号により“Ｌ”がトランジスタＱ３のベ
ースに入力され、ＣＬＡ２信号により“Ｈ”がトランジ
スタＱ４のベースに入力されている。すると、トランジ
スタＱ３ではそのコレクタ電流が遮断され、トランジス
タＱ４には定電流源Ｉ１の電流が流れる。これにより、
抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３との間に差電圧が生じ、この差電圧
に応じたＣＬＡ３信号、ＣＬＡ４信号が差動増幅器を構
成するトランジスタＱ２とトランジスタＱ１のベースに
入力される。

【００２７】前記差動増幅器では、トランジスタＱ１は
入力されたＣＬＡ４信号に応じてコレクタ電流を流す。
一方、トランジスタＱ２は入力されたＣＬＡ３信号に応
じてトランジスタＱ２のコレクタ電流を遮断する。した
がって、トランジスタＱ２から出入力端子Ｔｏへ充電電
流が流れず、電流出力（充電）の動作は停止する。

【００２８】続いて、電流出力（充電）が行われる場
合、ＣＬＡ１信号により“Ｈ”がトランジスタＱ３のベ
ースに入力され、ＣＬＡ２信号により“Ｌ”がトランジ
スタＱ４のベースに入力される。すると、トランジスタ
Ｑ３では遮断されていたコレクタ電流（定電流源Ｉ１の
電流）が流れる。一方、トランジスタＱ４ではそのコレ
クタ電流が遮断される。これにより、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ
３との間に差電圧が生じ、この差電圧に応じたＣＬＡ３
信号、ＣＬＡ４信号が差動増幅器を構成するトランジス
タＱ２とトランジスタＱ１のベースに入力される。

【００２９】前記差動増幅器では、トランジスタＱ１は
入力されたＣＬＡ４信号に応じてトランジスタＱ１のコ
レクタ電流を遮断する。一方、トランジスタＱ２は入力
されたＣＬＡ３信号に応じてコレクタ電流を流す。した
がって、トランジスタＱ２から出入力端子Ｔｏへ充電電
流が流れ、電流出力（充電）が行われる。

【００３０】ここで、トランジスタＱ２、Ｑ５が同一形
状のトランジスタであるとすると、次の関係が成り立
つ。 Ｉ１×Ｒ２＋［Ｖ］T ×ｌｎ(I1/Is) ＝Ｉ３×Ｒ１＋［Ｖ］T ×ｌｎ(I3/Is) …（１） ただし、Ｉ１：定電流源Ｉ１の電流、Ｉ３：充電電流、
［Ｖ］T ＝ｋＴ／ｑ、ｋ：ボルツマン定数、ｑ：素電
荷、Ｔ：絶対温度であり、Ｉｓについてはトランジスタ
Ｑ５、Ｑ２に固有の定数、形状が同一であるため、トラ
ンジスタＱ５、Ｑ２とで同じＩｓとして表現したもので
ある。

【００３１】電流Ｉ１と充電電流Ｉ３との関係は、式
（１）で求められ、トランジスタＱ５とトランジスタＱ
１が同一特性であり、さらに抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ１も同一
特性であれば、Ｉ１＝Ｉ３となる。

【００３２】次に、電流引き込み（放電）の動作は次の
ようになる。トランジスタＱ８、Ｑ９からなる差動増幅
器に、図２（Ｂ）に示すＣＬＢ１信号、図２（Ａ）に示
すＣＬＢ２信号が入力される。このＣＬＢ１信号、ＣＬ
Ｂ２信号は、電流引き込みの動作を制御するための信号
である。ここで、ＣＬＢ１信号及びＣＬＢ２信号の
“Ｈ”と“Ｌ”の電位差は、トランジスタＱ８、Ｑ９か
らなる差動増幅器を十分にスイッチングできる電位差で
あるとする。

【００３３】まず、電流引き込み（放電）が停止してい
る場合、ＣＬＢ１信号により“Ｈ”がトランジスタＱ８
のベースに入力され、ＣＬＢ２信号により“Ｌ”がトラ
ンジスタＱ９のベースに入力されている。すると、トラ
ンジスタＱ８ではそのコレクタ電流が遮断され、トラン
ジスタＱ９には定電流源Ｉ２の電流が流れる。これによ
り、抵抗Ｒ５と抵抗Ｒ６との間に差電圧が生じ、この差
電圧に応じたＣＬＢ３信号、ＣＬＢ４信号が差動増幅器
を構成するトランジスタＱ６とトランジスタＱ７のベー
スに入力される。

【００３４】前記差動増幅器では、トランジスタＱ６は
入力されたＣＬＢ３信号に応じてコレクタ電流を流す。
一方、トランジスタＱ７は入力されたＣＬＢ４信号に応
じてトランジスタＱ７のコレクタ電流を遮断する。した
がって、出入力端子ＴｏからトランジスタＱ７へ放電電
流が流れず、電流引き込み（放電）の動作は停止する。

【００３５】続いて、電流引き込み（放電）が行われる
場合、ＣＬＢ１信号により“Ｌ”がトランジスタＱ８の
ベースに入力され、ＣＬＢ２信号により“Ｈ”がトラン
ジスタＱ９のベースに入力される。すると、トランジス
タＱ８では遮断されていたコレクタ電流（定電流源Ｉ２
の電流）が流れる。一方、トランジスタＱ９ではそのコ
レクタ電流が遮断される。これにより、抵抗Ｒ５と抵抗
Ｒ６との間に差電圧が生じ、この差電圧に応じたＣＬＢ
３信号、ＣＬＢ４信号が差動増幅器を構成するトランジ
スタＱ６とトランジスタＱ７のベースに入力される。

【００３６】前記差動増幅器では、トランジスタＱ６は
入力されたＣＬＢ３信号に応じてトランジスタＱ６のコ
レクタ電流を遮断する。一方、トランジスタＱ７は入力
されたＣＬＢ４信号に応じてコレクタ電流を流す。した
がって、出入力端子ＴｏからトランジスタＱ７へ放電電
流が流れ、電流引き込み（放電）が行われる。

【００３７】ここで、トランジスタＱ７、Ｑ１０が同一
形状のトランジスタであるとすると、次の関係が成り立
つ。 Ｉ２×Ｒ５＋［Ｖ］T ×ｌｎ(I2/Is) ＝Ｉ３×Ｒ4 ＋［Ｖ］T ×ｌｎ(I3/Is) …（２） ただし、Ｉ２：定電流源Ｉ２の電流、Ｉ３：放電電流、
［Ｖ］T ＝ｋＴ／ｑ、ｋ：ボルツマン定数、ｑ：素電
荷、Ｔ：絶対温度であり、Ｉｓについてはトランジスタ
Ｑ１０、Ｑ７に固有の定数、形状が同一であるため、ト
ランジスタＱ１０、Ｑ７とで同じＩｓとして表現したも
のである。

【００３８】電流Ｉ２と放電電流Ｉ３との関係は、式
（２）で求められ、トランジスタＱ１０とトランジスタ
Ｑ７が同一特性であり、抵抗Ｒ５と抵抗Ｒ４も同一特性
であれば、Ｉ２＝Ｉ３となる。

【００３９】このように構成されたチャージポンプで
は、電流出力用スイッチ回路の動作を制御するためのＣ
ＬＡ３信号、ＣＬＡ４信号を出力する出力用アンプ回路
が差動増幅器であるため、前記ＣＬＡ３信号、ＣＬＡ４
信号を高速に生成し出力することができる。そして、電
流出力用スイッチ回路もトランジスタＱ１及びトランジ
スタＱ２からなる差動増幅器で構成されているため、こ
の差動増幅器に入力されるＣＬＡ３信号、ＣＬＡ４信号
が高速に生成されることから、高速に電流出力（充電動
作）を行うことができる。

【００４０】また、電流引き込み用スイッチ回路の動作
を制御するためのＣＬＢ３信号、ＣＬＢ４信号を出力す
る引き込み用アンプ回路が差動増幅器であるため、前記
ＣＬＢ３信号、ＣＬＢ４信号を高速に生成し出力するこ
とができる。そして、電流引き込み用スイッチ回路もト
ランジスタＱ６及びトランジスタＱ７からなる差動増幅
器で構成されているため、この差動増幅器に入力される
ＣＬＢ３信号、ＣＬＢ４信号が高速に生成されることか
ら、高速に電流引き込み（放電動作）を行うことができ
る。

【００４１】なお、トランジスタＱ５、抵抗Ｒ２とトラ
ンジスタＱ２、抵抗Ｒ１、及びトランジスタＱ１０、抵
抗Ｒ５とトランジスタＱ７、抵抗Ｒ４はカレントミラー
回路の関係にある。しかし、トランジスタＱ３、トラン
ジスタＱ４のどちらに電流が流れていても、トランジス
タＱ５には常に電流が流れている。同様に、トランジス
タＱ８、トランジスタＱ９のどちらに電流が流れていて
も、トランジスタＱ１０には常に電流が流れている。こ
のため、通常のカレントミラー回路がオンするときのよ
うな遅れがない。したがって、このチャージポンプで
は、入力信号に対して高速な電流出力（充電）または電
流引き込み（放電）を実行することができる。

【００４２】また、このチャージポンプでは、抵抗とト
ランジスタによる差動増幅器によって構成されたスイッ
チで電流出力を行うため、定電流源と差動増幅器をカス
コード接続したスイッチで電流出力を行う場合と比べ
て、定電流源が動作するのに必要な電圧がいらなくな
り、出力電圧の範囲が広くなる。また、このチャージポ
ンプでは、抵抗とトランジスタによる差動増幅器によっ
て構成されたスイッチで電流引き込みを行うため、定電
流源と差動増幅器をカスコード接続したスイッチで電流
引き込みを行う場合と比べて、定電流源が動作するのに
必要な電圧がいらなくなり、入力電圧の範囲が広くな
る。

【００４３】以上説明したようにこの第１の実施の形態
によれば、電流出力（充電動作）及び電流引き込み（放
電動作）を高速に行うことができるとともに、出入力電
位のダイナミックレンジを広く保持することができる。

【００４４】次に、この発明の第２の実施の形態のチャ
ージポンプについて説明する。このチャージポンプは、
電流出力側に差動増幅器を有する電流出力用スイッチ回
路を備え、電流引き込み側に差動増幅器を有する引き込
み用アンプ回路と差動増幅器を有する電流引き込み用ス
イッチ回路を備えたものである。

【００４５】図３は、第２の実施の形態のチャージポン
プの構成を示す回路図である。このチャージポンプは、
電流出力（充電）を行うための電流出力用スイッチ回
路、電流引き込み（放電）を行うための電流引き込み用
スイッチ回路、この電流引き込み用スイッチ回路の動作
を制御するために必要な信号を発生する引き込み用アン
プ回路を有している。

【００４６】前記電流出力用スイッチ回路は、図３に示
すように、ＰＮＰ形トランジスタＱ１、ＰＮＰ形トラン
ジスタＱ２からなる差動増幅器、及び定電流源Ｉ１から
構成される。前記電流引き込み用スイッチ回路は、ＮＰ
Ｎ形トランジスタＱ６、ＮＰＮ形トランジスタＱ７から
なる差動増幅器、及び抵抗Ｒ４から構成される。この電
流引き込み用スイッチ回路に信号を出力する引き込み用
アンプ回路は、ＰＮＰ形トランジスタＱ８、ＰＮＰ形ト
ランジスタＱ９からなる差動増幅器、レベルシフト回路
として働くＮＰＮ形トランジスタＱ１０、定電流源Ｉ
２、及び抵抗Ｒ５、抵抗Ｒ６から構成される。

【００４７】次に、この第２の実施の形態のチャージポ
ンプの動作について説明する。まず、このチャージポン
プにおける電流出力（充電）の動作は次のようになる。
トランジスタＱ１、Ｑ２からなる差動増幅器に、図２
（Ａ）に示すＣＬＡ５信号、図２（Ｂ）に示すＣＬＡ６
信号が入力される。このＣＬＡ５信号、ＣＬＡ６信号
は、電流出力の動作を制御するための信号である。ここ
で、ＣＬＡ５信号及びＣＬＡ６信号の“Ｈ”と“Ｌ”の
電位差は、トランジスタＱ１、Ｑ２からなる差動増幅器
を十分にスイッチングできる電位差であるとする。

【００４８】まず、電流出力（充電）が停止している場
合、ＣＬＡ５信号により“Ｌ”がトランジスタＱ１のベ
ースに入力され、ＣＬＡ６信号により“Ｈ”がトランジ
スタＱ２のベースに入力されている。すると、トランジ
スタＱ１ではコレクタ電流（定電流源Ｉ１の電流）が流
れ、一方、トランジスタＱ２ではコレクタ電流が遮断さ
れる。したがって、トランジスタＱ２から出入力端子Ｔ
ｏへ充電電流が流れず、電流出力（充電）の動作は停止
する。

【００４９】続いて、電流出力（充電）が行われる場
合、ＣＬＡ５信号により“Ｈ”がトランジスタＱ１のベ
ースに入力され、ＣＬＡ６信号により“Ｌ”がトランジ
スタＱ２のベースに入力される。すると、トランジスタ
Ｑ１ではコレクタ電流が遮断され、一方、トランジスタ
Ｑ２では遮断されていたコレクタ電流（定電流源Ｉ１の
電流）が流れる。したがって、トランジスタＱ２から出
入力端子Ｔｏへ充電電流が流れ、電流出力（充電）が行
われる。

【００５０】次に、電流引き込み（放電）の動作は次の
ようになる。トランジスタＱ８、Ｑ９からなる差動増幅
器に、図２（Ｂ）に示すＣＬＢ１信号、図２（Ａ）に示
すＣＬＢ２信号が入力される。このＣＬＢ１信号、ＣＬ
Ｂ２信号は、電流引き込みの動作を制御するための信号
である。ここで、ＣＬＢ１信号及びＣＬＢ２信号の
“Ｈ”と“Ｌ”の電位差は、トランジスタＱ８、Ｑ９か
らなる差動増幅器を十分にスイッチングできる電位差で
あるとする。

【００５１】まず、電流引き込み（放電）が停止してい
る場合、ＣＬＢ１信号により“Ｈ”がトランジスタＱ８
のベースに入力され、ＣＬＢ２信号により“Ｌ”がトラ
ンジスタＱ９のベースに入力されている。すると、トラ
ンジスタＱ８ではそのコレクタ電流が遮断され、トラン
ジスタＱ９には定電流源Ｉ２の電流が流れる。これによ
り、抵抗Ｒ５と抵抗Ｒ６との間に差電圧が生じ、この差
電圧に応じたＣＬＢ３信号、ＣＬＢ４信号が差動増幅器
を構成するトランジスタＱ６とトランジスタＱ７のベー
スに入力される。

【００５２】前記差動増幅器では、トランジスタＱ６は
入力されたＣＬＢ３信号に応じてコレクタ電流を流す。
一方、トランジスタＱ７は入力されたＣＬＢ４信号に応
じてトランジスタＱ７のコレクタ電流を遮断する。した
がって、出入力端子ＴｏからトランジスタＱ７へ放電電
流が流れず、電流引き込み（放電）の動作は停止する。

【００５３】続いて、電流引き込み（放電）が行われる
場合、ＣＬＢ１信号により“Ｌ”がトランジスタＱ８の
ベースに入力され、ＣＬＢ２信号により“Ｈ”がトラン
ジスタＱ９のベースに入力される。すると、トランジス
タＱ８では遮断されていたコレクタ電流（定電流源Ｉ２
の電流）が流れる。一方、トランジスタＱ９ではそのコ
レクタ電流が遮断される。これにより、抵抗Ｒ５と抵抗
Ｒ６との間に差電圧が生じ、この差電圧に応じたＣＬＢ
３信号、ＣＬＢ４信号が差動増幅器を構成するトランジ
スタＱ６とトランジスタＱ７のベースに入力される。

【００５４】前記差動増幅器では、トランジスタＱ６は
入力されたＣＬＢ３信号に応じてトランジスタＱ６のコ
レクタ電流を遮断する。一方、トランジスタＱ７は入力
されたＣＬＢ４信号に応じてコレクタ電流を流す。した
がって、出入力端子ＴｏからトランジスタＱ７へ放電電
流が流れ、電流引き込み（放電）が行われる。

【００５５】ここで、トランジスタＱ７、Ｑ１０が同一
形状のトランジスタであるとすると、次の関係が成り立
つ。 Ｉ２×Ｒ５＋［Ｖ］T ×ｌｎ(I2/Is) ＝Ｉ３×Ｒ4 ＋［Ｖ］T ×ｌｎ(I3/Is) …（２） ただし、Ｉ２：定電流源Ｉ２の電流、Ｉ３：放電電流、
［Ｖ］T ＝ｋＴ／ｑ、ｋ：ボルツマン定数、ｑ：素電
荷、Ｔ：絶対温度であり、Ｉｓについてはトランジスタ
Ｑ１０、Ｑ７に固有の定数、形状が同一であるため、ト
ランジスタＱ１０、Ｑ７とで同じＩｓとして表現したも
のである。

【００５６】電流Ｉ２と放電電流Ｉ３との関係は、式
（２）で求められ、トランジスタＱ１０とトランジスタ
Ｑ７、抵抗Ｒ５と抵抗Ｒ４とが等しければＩ２＝Ｉ３と
なる。このように構成されたチャージポンプでは、電流
出力用スイッチ回路がトランジスタＱ１及びトランジス
タＱ２からなる差動増幅器で構成されているため、高速
に電流出力（充電動作）を行うことができる。また、電
流引き込み用スイッチ回路の動作を制御するためのＣＬ
Ｂ３信号、ＣＬＢ４信号を出力する引き込み用アンプ回
路が差動増幅器であるため、前記ＣＬＢ３信号、ＣＬＢ
４信号を高速に生成し出力することができる。そして、
電流引き込み用スイッチ回路もトランジスタＱ６及びト
ランジスタＱ７からなる差動増幅器で構成されているた
め、この差動増幅器に入力されるＣＬＢ３信号、ＣＬＢ
４信号が高速に生成されることから、高速に電流引き込
み（放電動作）を行うことができる。

【００５７】なお、トランジスタＱ１０、抵抗Ｒ５とト
ランジスタＱ７、抵抗Ｒ４はカレントミラー回路の関係
にある。しかし、トランジスタＱ８、トランジスタＱ９
のどちらに電流が流れていても、トランジスタＱ１０に
は常に電流が流れている。このため、通常のカレントミ
ラー回路がオンするときのような遅れがない。したがっ
て、このチャージポンプでは、入力信号に対して高速な
電流引き込み（放電）を実行することができる。

【００５８】また、このチャージポンプでは、抵抗とト
ランジスタによる差動増幅器によって構成されたスイッ
チで電流引き込みを行うため、定電流源と差動増幅器を
カスコード接続したスイッチで電流引き込みを行う場合
と比べて、定電流源が動作するのに必要な電圧がいらな
くなり、入力電圧の範囲が広くなる。

【００５９】以上説明したようにこの第２の実施の形態
によれば、電流出力（充電動作）及び電流引き込み（放
電動作）を高速に行うことができるとともに、出入力電
位のダイナミックレンジを広く保持することができる。

【００６０】なお、この第２の実施の形態のチャージポ
ンプは、例えば出入力端子にダーリントントランジスタ
を接続した場合など、出力電圧範囲が制限されてもよい
場合に用いると有効である。

【００６１】次に、この発明の第３の実施の形態のチャ
ージポンプについて説明する。このチャージポンプは、
電流出力側に差動増幅器を有する出力用アンプ回路と差
動増幅器を有する電流出力用スイッチ回路とを備え、電
流引き込み側に差動増幅器を有する電流引き込み用スイ
ッチ回路を備えたものである。

【００６２】図４は、第３の実施の形態のチャージポン
プの構成を示す回路図である。このチャージポンプは、
電流出力（充電）を行うための電流出力用スイッチ回
路、この電流出力用スイッチ回路の動作を制御するため
に必要な信号を発生する出力用アンプ回路、電流引き込
み（放電）を行うための電流引き込み用スイッチ回路を
有している。

【００６３】前記電流出力用スイッチ回路は、図４に示
すように、ＰＮＰ形トランジスタＱ１、ＰＮＰ形トラン
ジスタＱ２からなる差動増幅器、及び抵抗Ｒ１から構成
される。この電流出力用スイッチ回路に信号を出力する
出力用アンプ回路は、ＮＰＮ形トランジスタＱ３、ＮＰ
Ｎ形トランジスタＱ４からなる差動増幅器、レベルシフ
ト回路として働くＰＮＰ形トランジスタＱ５、定電流源
Ｉ１及び抵抗Ｒ２、抵抗Ｒ３から構成される。

【００６４】前記電流引き込み用スイッチ回路は、ＮＰ
Ｎ形トランジスタＱ６、ＮＰＮ形トランジスタＱ７から
なる差動増幅器、及び定電流源Ｉ２から構成される。次
に、この第３の実施の形態のチャージポンプの動作につ
いて説明する。まず、このチャージポンプにおける電流
出力（充電）の動作は次のようになる。

【００６５】トランジスタＱ３、Ｑ４からなる差動増幅
器に、図２（Ａ）に示すＣＬＡ１信号、図２（Ｂ）に示
すＣＬＡ２信号が入力される。このＣＬＡ１信号、ＣＬ
Ａ２信号は、電流出力の動作を制御するための信号であ
る。ここで、ＣＬＡ１信号及びＣＬＡ２信号の“Ｈ”と
“Ｌ”の電位差は、トランジスタＱ３、Ｑ４からなる差
動増幅器を十分にスイッチングできる電位差であるとす
る。

【００６６】まず、電流出力（充電）が停止している場
合、ＣＬＡ１信号により“Ｌ”がトランジスタＱ３のベ
ースに入力され、ＣＬＡ２信号により“Ｈ”がトランジ
スタＱ４のベースに入力されている。すると、トランジ
スタＱ３ではそのコレクタ電流が遮断され、トランジス
タＱ４には定電流源Ｉ１の電流が流れる。これにより、
抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３との間に差電圧が生じ、この差電圧
に応じたＣＬＡ３信号、ＣＬＡ４信号が差動増幅器を構
成するトランジスタＱ２とトランジスタＱ１のベースに
入力される。

【００６７】前記差動増幅器では、トランジスタＱ１は
入力されたＣＬＡ４信号に応じてコレクタ電流を流す。
一方、トランジスタＱ２は入力されたＣＬＡ３信号に応
じてトランジスタＱ２のコレクタ電流を遮断する。した
がって、トランジスタＱ２から出入力端子Ｔｏへ充電電
流が流れず、電流出力（充電）の動作は停止する。

【００６８】続いて、電流出力（充電）が行われる場
合、ＣＬＡ１信号により“Ｈ”がトランジスタＱ３のベ
ースに入力され、ＣＬＡ２信号により“Ｌ”がトランジ
スタＱ４のベースに入力される。すると、トランジスタ
Ｑ３では遮断されていたコレクタ電流（定電流源Ｉ１の
電流）が流れる。一方、トランジスタＱ４ではそのコレ
クタ電流が遮断される。これにより、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ
３との間に差電圧が生じ、この差電圧に応じたＣＬＡ３
信号、ＣＬＡ４信号が差動増幅器を構成するトランジス
タＱ２とトランジスタＱ１のベースに入力される。

【００６９】前記差動増幅器では、トランジスタＱ１は
入力されたＣＬＡ４信号に応じてトランジスタＱ１のコ
レクタ電流を遮断する。一方、トランジスタＱ２は入力
されたＣＬＡ３信号に応じてコレクタ電流を流す。した
がって、トランジスタＱ２から出入力端子Ｔｏへ充電電
流が流れ、電流出力（充電）が行われる。

【００７０】ここで、トランジスタＱ２、Ｑ５が同一形
状のトランジスタであるとすると、次の関係が成り立
つ。 Ｉ１×Ｒ２＋［Ｖ］T ×ｌｎ(I1/Is) ＝Ｉ３×Ｒ１＋［Ｖ］T ×ｌｎ(I3/Is) …（１） ただし、Ｉ１：定電流源Ｉ１の電流、Ｉ３：充電電流、
［Ｖ］T ＝ｋＴ／ｑ、ｋ：ボルツマン定数、ｑ：素電
荷、Ｔ：絶対温度であり、Ｉｓについてはトランジスタ
Ｑ５、Ｑ２に固有の定数、形状が同一であるため、トラ
ンジスタＱ５、Ｑ２とで同じＩｓとして表現したもので
ある。

【００７１】電流Ｉ１と充電電流Ｉ３との関係は、式
（１）で求められ、トランジスタＱ５とトランジスタＱ
２、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ１とが等しければＩ１＝Ｉ３とな
る。次に、電流引き込み（放電）の動作は次のようにな
る。

【００７２】トランジスタＱ６、Ｑ７からなる差動増幅
器に、図２（Ｂ）に示すＣＬＢ５信号、図２（Ａ）に示
すＣＬＢ６信号が入力される。このＣＬＢ５信号、ＣＬ
Ｂ６信号は、電流引き込みの動作を制御するための信号
である。ここで、ＣＬＢ５信号及びＣＬＢ６信号の
“Ｈ”と“Ｌ”の電位差は、トランジスタＱ６、Ｑ７か
らなる差動増幅器を十分にスイッチングできる電位差で
あるとする。

【００７３】まず、電流引き込み（放電）が停止してい
る場合、ＣＬＢ５信号により“Ｈ”がトランジスタＱ６
のベースに入力され、ＣＬＢ６信号により“Ｌ”がトラ
ンジスタＱ７のベースに入力されている。すると、トラ
ンジスタＱ６ではコレクタ電流（定電流源Ｉ２の電流）
が流れ、一方、トランジスタＱ７ではコレクタ電流が遮
断される。したがって、出入力端子Ｔｏからトランジス
タＱ７へ放電電流が流れず、電流引き込み（放電）の動
作は停止する。

【００７４】続いて、電流引き込み（放電）が行われる
場合、ＣＬＢ５信号により“Ｌ”がトランジスタＱ６の
ベースに入力され、ＣＬＢ６信号により“Ｈ”がトラン
ジスタＱ７のベースに入力される。すると、トランジス
タＱ６ではコレクタ電流が遮断され、一方、トランジス
タＱ７では遮断されていたコレクタ電流（定電流源Ｉ２
の電流）が流れる。したがって、出入力端子Ｔｏからト
ランジスタＱ７へ放電電流が流れ、電流引き込み（放
電）が行われる。

【００７５】このように構成されたチャージポンプで
は、電流出力用スイッチ回路の動作を制御するためのＣ
ＬＡ３信号、ＣＬＡ４信号を出力する出力用アンプ回路
が差動増幅器であるため、前記ＣＬＡ３信号、ＣＬＡ４
信号を高速に生成し出力することができる。そして、電
流出力用スイッチ回路もトランジスタＱ１及びトランジ
スタＱ２からなる差動増幅器で構成されているため、こ
の差動増幅器に入力されるＣＬＡ３信号、ＣＬＡ４信号
が高速に生成されることから、高速に電流出力（充電動
作）を行うことができる。また、電流引き込み用スイッ
チ回路がトランジスタＱ６及びトランジスタＱ７からな
る差動増幅器で構成されているため、高速に電流引き込
み（放電動作）を行うことができる。

【００７６】なお、トランジスタＱ５、抵抗Ｒ２とトラ
ンジスタＱ２、抵抗Ｒ１はカレントミラー回路の関係に
ある。しかし、トランジスタＱ３、トランジスタＱ４の
どちらに電流が流れていても、トランジスタＱ５には常
に電流が流れている。このため、通常のカレントミラー
回路がオンするときのような遅れがない。したがって、
このチャージポンプでは、入力信号に対して高速な電流
出力（充電）または電流引き込み（放電）を実行するこ
とができる。

【００７７】また、このチャージポンプでは、抵抗とト
ランジスタによる差動増幅器によって構成されたスイッ
チで電流出力を行うため、定電流源と差動増幅器をカス
コード接続したスイッチで電流出力を行う場合と比べ
て、定電流源が動作するのに必要な電圧がいらなくな
り、出力電圧の範囲が広くなる。

【００７８】以上説明したようにこの第３の実施の形態
によれば、電流出力（充電動作）及び電流引き込み（放
電動作）を高速に行うことができるとともに、出入力電
位のダイナミックレンジを広く保持することができる。

【００７９】なお、前述した実施の形態では、ＮＰＮ形
トランジスタあるいはＰＮＰ形トランジスタを用いた場
合を説明したが、これらの換わりにｎチャネル電界効果
トランジスタあるいはｐチャネル電界効果トランジスタ
を用いてもよい。

【００８０】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、電流
出力（充電動作）及び電流引き込み（放電動作）を高速
に行うことができるとともに、出入力電位のダイナミッ
クレンジを広く保持できるチャージポンプを提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態のチャージポンプの構成を示
す回路図である。

【図２】チャージポンプを動作させるための入力信号を
示す図である。

【図３】第２の実施の形態のチャージポンプの構成を示
す回路図である。

【図４】第３の実施の形態のチャージポンプの構成を示
す回路図である。

【図５】従来のチャージポンプの一例を示す回路図であ
る。

【図６】従来のチャージポンプの別の例を示す回路図で
ある。

【符号の説明】

Ｑ１、Ｑ２、Ｑ５、Ｑ８、Ｑ９…ＰＮＰ形トランジスタ Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６…抵抗 Ｑ３、Ｑ４、Ｑ６、Ｑ７、Ｑ１０…ＮＰＮ形トランジス
タ Ｉ１、Ｉ２…定電流源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 天本 徹 神奈川県川崎市幸区堀川町580番１号 株 式会社東芝半導体システム技術センター内 Ｆターム(参考） 5H420 NA03 NB03 NB24 NC02 5J106 AA04 DD05 DD08 DD32 EE19 JJ08 KK00 KK02 LL00

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 抵抗とトランジスタとを有し、制御信号
   を受け取って定電流源として動作し出力電流を制御する
   電流出力スイッチ回路と、 前記電流出力スイッチ回路に前記制御信号を出力する増
   幅回路と、 抵抗とトランジスタとを有し、制御信号を受け取って定
   電流源として動作し引き込み電流を制御する電流引き込
   みスイッチ回路と、 前記電流引き込みスイッチ回路に前記制御信号を出力す
   る増幅回路と、 を具備することを特徴とするチャージポンプ。
2. 【請求項２】 抵抗とトランジスタとを有し、制御信号
   を受け取って定電流源として動作し出力電流を制御する
   電流出力スイッチ回路と、 前記電流出力スイッチ回路に前記制御信号を出力する増
   幅回路と、 定電流源と差動増幅器をカスコード接続してなり、制御
   信号を受け取って引き込み電流を制御する電流引き込み
   スイッチ回路と、 を具備することを特徴とするチャージポンプ。
3. 【請求項３】 定電流源と差動増幅器をカスコード接続
   してなり、制御信号を受け取って出力電流を制御する電
   流出力スイッチ回路と、 抵抗とトランジスタとを有し、制御信号を受け取って定
   電流源として動作し引き込み電流を制御する電流引き込
   みスイッチ回路と、 前記電流引き込みスイッチ回路に前記制御信号を出力す
   る増幅回路と、 を具備することを特徴とするチャージポンプ。
4. 【請求項４】 前記電流出力スイッチ回路及び電流引き
   込みスイッチ回路の中のトランジスタは差動増幅器を構
   成していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか
   に記載のチャージポンプ。
5. 【請求項５】 前記増幅回路は、 トランジスタにより構成された差動増幅器と、 前記差動増幅器を構成するトランジスタと極性が逆のト
   ランジスタを含むレベルシフト回路と、 一端が前記レベルシフト回路に接続され、他端が前記差
   動増幅器のそれぞれの出力に接続された２つの抵抗と、 前記差動増幅器のバイアス電流である定電流源と、 を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに
   記載のチャージポンプ。
6. 【請求項６】 前記電流出力スイッチ回路における電源
   電圧と前記電流出力スイッチ回路が電流を出力する出入
   力端子との間に、１つのトランジスタと抵抗だけが接続
   されていることを特徴とする請求項１、２、４又は５の
   いずれかに記載のチャージポンプ。
7. 【請求項７】 前記電流引き込みスイッチ回路における
   基準電位点と前記電流引き込みスイッチ回路が電流を引
   き込む出入力端子との間に、１つのトランジスタと抵抗
   だけが接続されていることを特徴とする請求項１、３、
   ４、５又は６のいずれかに記載のチャージポンプ。