JP2004021577A

JP2004021577A - 定電圧回路

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Publication number: JP2004021577A
Application number: JP2002175262A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Odaguchi; 小田口　貴宏; Hiroshi Tanigawa; 谷川　寛
Original assignee: Toko Inc
Current assignee: Toko Inc
Priority date: 2002-06-17
Filing date: 2002-06-17
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2022-06-17
Also published as: JP3683869B2

Abstract

【課題】広範囲の動作条件に対して出力電圧の品質を維持しながら回路動作の不安定化を防止できる定電圧回路を提供する。
【解決手段】制御トランジスタＱ１と誤差増幅器３がシリーズレギュレータを構成している定電圧回路において、誤差増幅器３の非反転入力端子（＋）と制御トランジスタＱ１と連動する補助トランジスタＱ２のソースとの間に位相補償トランジスタＣ１を接続する。そして、位相補償トランジスタＣ１と制御トランジスタＱ１のソースとの間に、定電圧回路の動作条件に応じてインピーダンスを変化させる補正回路５ａを設ける。この補正回路５ａのインピーダンスの変化を利用して、動作が不安定化し易い条件下においても位相補正量を適正化し、定電圧回路の動作を安定化する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、広範囲の動作条件（例えば入力電圧、出力電圧、出力電流、周囲温度など）に対して定電圧回路の動作が不安定化するのを防止するための位相補償の技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
トランジスタを線形領域で動作させ、その端子間に生じる電位差を制御することによって安定した電圧を得るシリーズレギュレータ方式の定電圧回路は、構成が簡素でありながら信頼性が高いため、電子回路に安定した駆動電圧を供給する必要が有る場合などに広く用いられている。なお、シリーズレギュレータ方式の定電圧回路は一般に、出力電圧に相当する電圧信号を誤差増幅器に供給し、出力電圧に応じた駆動信号を誤差増幅器において発生させ、当該駆動信号によって制御トランジスタを制御し、出力電圧を調節する、という帰還制御ループによって動作する。
【０００３】
ところで、このような帰還制御ループにて出力電圧の安定化を図る定電圧回路では、回路の動作条件、具体的には入力電圧、出力電流、周囲温度などによっては帰還制御ループを循環する信号が正帰還状態となって回路が発振するなど、回路動作が不安定になってしまうことがある。そこで、実際に製作される定電圧回路では、誤差増幅器の入力側あるいは出力側に、帰還制御ループを循環する信号が正帰還状態にならないようにするための対策、具体的には位相補償コンデンサを接続するといった対策が施される。このような位相補償コンデンサを備えた従来の定電圧回路の構成の一例を図６に示した。
【０００４】
図６において、回路入力端子１と回路出力端子２は、それぞれＰ−ＭＯＳＦＥＴによる制御トランジスタＱ１のソースとドレインに接続されている。制御トランジスタＱ１のゲートは、Ｐ−ＭＯＳＦＥＴによる補助トランジスタＱ２のゲートと共に誤差増幅器３の出力端子に接続されている。補助トランジスタＱ２のソースは回路入力端子１に接続されている。誤差増幅器３の反転入力端子は基準電圧源４に接続され、誤差増幅器３の非反転入力端子は回路出力端子２とグランドとの間に直列接続された抵抗Ｒ１とＲ２の接点に接続されている。そして、補助トランジスタＱ２のドレインと誤差増幅器３の非反転入力端子との間に位相補償コンデンサＣ１が接続され、補助トランジスタＱ２のドレインと制御トランジスタＱ１ドレインの間に、位相補償コンデンサＣ１との組み合せて使用される抵抗Ｒ３が接続されている。
【０００５】
以上のような構成とした定電圧回路では、制御トランジスタＱ１のドレイン、抵抗Ｒ１とＲ２の接点、誤差増幅器３の非反転入力端子、同出力端子、そして制御トランジスタＱ１のゲートの信号伝達経路にて帰還制御ループが形成される。回路の接続構成を見て判るように、制御トランジスタＱ１と補助トランジスタＱ２の各ドレイン電流はミラー関係を示す。このため、位相補償コンデンサＣ１を介して誤差増幅器３の非反転入力端子に入力される信号（以下、位相補償信号と呼ぶ）は、抵抗Ｒ１とＲ２の接点から誤差増幅器３の非反転入力端子に入力される電圧信号と同様に、制御トランジスタＱ１の動作に応じた信号となる。
【０００６】
ただし、この位相補償信号は、位相補償コンデンサＣ１が提供する容量性リアクタンスに起因して、帰還制御ループを循環する信号の位相をシフトさせるように作用する。この位相補償信号の位相シフト作用により、定電圧回路の動作の不安定化が防止される。（便宜上、不安定化防止のために位相をシフトさせることを位相補償と呼ぶ）なお、帰還制御ループを循環する信号の位相のシフト量（以下、位相補償量と呼ぶ）は、位相補償コンデンサＣ１の静電容量値と抵抗Ｒ３の抵抗値によって実質的に決定される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
広範囲の動作条件に対して回路動作の不安定化を防止しようとして位相補償量を大きくすると、出力電圧の設定精度や電圧変動時の応答速度、すなわち出力電圧の品質が低下する可能性が有る。そこで、位相補償量は出力電圧の品質と想定される使用時の動作条件とのバランスを考慮して決定する必要が有る。ここで、図６に示す回路は位相補償コンデンサＣ１の静電容量値と抵抗Ｒ３の抵抗値が固定されているため、製品製造後は位相補償量も固定される。すると、出力電圧を高い品質で維持するように設計された製品では、ある動作条件になると回路動作の不安定化を防止できなくなるということがあった。
そこで本発明は、広範囲の動作条件に対して出力電圧の品質を維持しながら回路動作の不安定化を防止できる定電圧回路を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明による定電圧回路は、回路の入出力端子間に直列に接続され、線形領域で動作する制御トランジスタと、出力電圧に応じた帰還信号の供給を受け、出力電圧を安定化させるための駆動信号を制御トランジスタに供給する誤差増幅器とを備えた定電圧回路において、誤差増幅器の帰還信号が供給される入力端子に一端が接続された位相補償コンデンサと、電流出力端子が位相補償コンデンサの他端に接続された、前記制御トランジスタと連動する補助トランジスタと、位相補償コンデンサの他端と制御トランジスタの電流出力端子の間に設けられ、定電圧回路の動作条件に応じて内部インピーダンスを変化させる補正回路と、を具備することを特徴とする定電圧回路。
【０００９】
【発明の実施の形態】
回路の入出力端子間に制御トランジスタの主電流路を接続し、制御トランジスタの制御端子に誤差増幅器の出力端子を接続する。そして、誤差増幅器の一方の入力端子は基準電圧源に接続し、その他方の入力端子は回路出力端子とグランド間に設けられた直列抵抗回の所定の接点に接続し、実質的にシリーズレギュレータの回路構成とする。
制御トランジスタと補助トランジスタが連動して動作するように、補助トランジスタの制御端子は誤差増幅器の出力端子に接続し、その主電流路の一端は回路入力端子に接続する。
【００１０】
誤差増幅器の他端と補助トランジスタの主電流路の他端の間に位相補償コンデンサを接続する。
位相補償コンデンサと補助トランジスタの接続点と制御トランジスタと回路出力端子の接続点の間に、回路の動作条件に応じて内部インピーダンスを変化させる補正回路を接続する。
ここで、補正回路の好適な構成は、互いの主電流路が並列に接続された導電型の異なる一対のトランジスタを具備し、それぞれのトランジスタの制御端子は回路入力端子に供給される入力電圧と同じ電圧で充電されたライン、あるいはグランド、あるいは定電圧回路の動作条件に応じて適当なバイアスを供給する制御回路、のいずれかに接続された回路構成とする。
【００１１】
以上のような構成とした補正回路は、定電圧回路の動作条件、具体的には入力電圧、出力電圧、負荷電流など、に応じてインピーダンスを変化させる。このインピーダンスの変化を利用して、例えば定電圧回路の動作が不安定化し易い条件下で位相補償量を大きくし、逆に定電圧回路の動作が不安定化し難い条件下で位相補償量を小さくする。（ただし、定電圧回路の各部構成によってはインピーダンスと位相補償量の関係を逆に設定することも有り得る。）これにより、広範囲の動作条件に対して出力電圧の品質を維持しながらも定電圧回路の動作の不安定化を防止する。
【００１２】
【実施例】
広範囲の動作条件に対して回路動作の不安定化を防止できる、本発明による定電圧回路の第１の実施例の回路を図１に示した。
図１に示す回路は、抵抗Ｒ３が接続されていた回路位置に、抵抗Ｒ３に替えて補正回路５ａを接続した点を除けば、実質的に図６の回路と同じ回路構成となっている。
ここで、図１の補正回路５ａは次のような構成となっている。
【００１３】
すなわち、Ｎ−ＭＯＳＦＥＴによるトランジスタＱ３とＰ−ＭＯＳＦＥＴによるトランジスタＱ４を各トランジスタの主電流路が並列になるよう接続する。ここで、共通接続された主電流路の一端を補助トランジスタＱ２と位相補償コンデンサＣ１の接続点（Ａ）に接続し、共通接続された主電流路の他端を制御トランジスタＱ１と回路出力端子２の接続点（Ｂ）に接続する。そして、トランジスタＱ３のゲートは回路入力端子１と同じ入力電圧Ｖ_ＤＤで充電されているライン１ａに接続し、トランジスタＱ３のボディはグランドに接続する。また、トランジスタＱ４のゲートはグランドに接続し、トランジスタＱ４のボディはライン１ａに接続する。
【００１４】
以上のような構成とした補正回路５ａは、並列接続された一対のトランジスタＱ３、Ｑ４が能動負荷のごとく動作する。つまり、図６の回路においては抵抗Ｒ３の抵抗値で固定されていた接続点（Ａ）−（Ｂ）間のインピーダンスは、図１の回路では入力電圧Ｖ_ＤＤ、出力電圧Ｖ_ｏｕｔ、そこを通過する電流、などに応じて変化する。例えば、定電圧回路の動作が不安定化し易い軽負荷時を想定すると、出力電流が小さくなったのに伴って、制御トランジスタＱ１を通過する電流はもとより、補助トランジスタＱ２と補正回路５ａを通過する電流も小さくなる。すると補正回路５ａは、接続点（Ａ）−（Ｂ）間のインピーダンスを変化させて位相補償量を適切に制御し、回路動作を不安定化し難くする。その結果、図１に示すような構成とした定電圧回路では、単なる抵抗を使用した時に比べ、広範囲の動作条件に対して回路動作の不安定化を防止できるようになる。
【００１５】
図２には本発明による定電圧回路の第２の実施例の回路を示した。
図２に示す回路は、補正回路の形態が異なる点を除けば、実質的に図１の回路と同じ回路構成である。
図２の補正回路５ｂは、ボディとソースが一体に接続されたＮ−ＭＯＳＦＥＴによるトランジスタＱ５とＰ−ＭＯＳＦＥＴによるトランジスタＱ６を一対で使用し、トランジスタＱ５とＱ６の通過電流量を制御回路６ａから供給されるバイアスで制御するようにしたものである。なお図２の回路では、トランジスタＱ５のドレインとトランジスタＱ６のソースを接続点（Ａ）に接続し、トランジスタＱ５のソースとトランジスタＱ６のドレインを接続点（Ｂ）に接続している。
【００１６】
制御回路６ａの内部構成は具体的に示していないが、入力電圧Ｖ_ＤＤや出力電圧Ｖ_ｏｕｔに応じてトランジスタＱ５とＱ６に供給するバイアスを変化させるように制御回路６ａを構成することで、ある動作条件の時における接続点（Ａ）−（Ｂ）間のインピーダンスを自由に設定することが可能となる。これにより、図１の補正回路５ａよりも設計の自由度を高くすることができる。また、制御回路６ａの内部に温度検出回路を設け、トランジスタＱ５とＱ６に供給するバイアスを周囲温度に応じて変化させるようにすれば、電流・電圧とは別の次元で回路動作を不安定化する要因にも対応することも可能となる。
【００１７】
図１、図２で紹介した他にも、本発明の定電圧回路を特徴付ける補正回路は様々な形態に変形できる。図３〜図５には補正回路の変形実施例を示した。
図３〜図５に示すように、それぞれの補正回路５ｃ〜５ｅの内部に抵抗Ｒ４、コンデンサＣ２、抵抗Ｒ５とコンデンサＣ３、等を設けることによって、動作条件に対するインピーダンスの変化形態を多様化できる。
なお、図１と図２の一対のトランジスタＱ３〜Ｑ６は、連動または対称的な動作をするようにゲートとボディの各端子が接続構成されている。しかし、必ずしも一対のトランジスタに連動または対称的な動作をさせる必要は無く、例えば図３、図４に示すように、一方のトランジスタＱ８（またはＱ９）だけに制御回路６ｂ（または６ｃ）からバイアスを供給し、他方のトランジスタＱ７（またはＱ１０）と独立した動作をさせるようにしても構わない。
【００１８】
以上に説明した図１〜図５の各実施例及び補正回路の変形例では、インピーダンスの変化手段として互いの主電流路が並列に接続された一対のトランジスタを使用しているが、これに代えて１個の双方向導電性のトランジスタでも良い。勿論、定電圧回路及び補正回路を構成するトランジスタはエンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴだけでなく、デプレッション型ＭＯＳＦＥＴやその他のトランジスタで構成しても良いことは言うまでもない。
【００１９】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明による定電圧回路は、制御トランジスタと誤差増幅器がシリーズレギュレータの接続構成となっている定電圧回路において、誤差増幅器の入力側に設けられた補助トランジスタと制御トランジスタの電流出力端子との間に、定電圧回路の動作条件に応じてインピーダンスを変化させる補正回路を設けた構成を特徴としている。
このような本発明によれば、補正回路のインピーダンスの変化を利用して適切な位相補正を行うことができ、従来では動作が不安定化し易かった条件下でも定電圧回路に安定した動作を行わせることができる。その結果、出力電圧の品質を維持しながらも、広範囲の動作条件に対して動作の不安定化が防止される定電圧回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による定電圧回路の第１の実施例の回路図。
【図２】本発明による定電圧回路の第２の実施例の回路図。
【図３】本発明による定電圧回路に適用される補正回路の変形例の回路図。
【図４】本発明による定電圧回路に適用される補正回路の別の変形例の回路図。
【図５】本発明による定電圧回路に適用される補正回路さらに別の変形例の回路図。
【図６】従来の定電圧回路の一例の回路図。
【符号の説明】
１：回路入力端子　　　１ａ：（入力電圧で充電された）ライン　　　２：回路出力端子　　　３：誤差増幅器　　　４：基準電圧源　　　５ａ〜５ｅ：補正回路　　　６ａ〜６ｃ：制御回路　　　（Ａ）：接続点　　　（Ｂ）：接続点　　Ｃ１：位相補償コンデンサ　　　Ｑ１：制御トランジスタ　　　Ｑ２：補助トランジスタ　　　Ｑ３、Ｑ４：一対のトランジスタ

Claims

回路の入出力端子間に直列に接続され、線形領域で動作する制御トランジスタと、出力電圧に応じた帰還信号の供給を受け、該出力電圧を安定化させるための駆動信号を該制御トランジスタに供給する誤差増幅器とを備えた定電圧回路において、
該誤差増幅器の該帰還信号が供給される入力端子に一端が接続された位相補償コンデンサと、
電流出力端子が該位相補償コンデンサの他端に接続された、該制御トランジスタと連動する補助トランジスタと、
該位相補償コンデンサの他端と該制御トランジスタの電流出力端子の間に設けられ、定電圧回路の動作条件に応じて内部インピーダンスを変化させる補正回路と、
を具備することを特徴とする定電圧回路。
前記補正回路が、その主電流路が前記位相補償コンデンサの他端と前記制御トランジスタの電流出力端子の間に接続され、その電流制御端子が回路の入力端子と同じ電圧で充電されているラインあるいはグランドに接続されたトランジスタを含むことを特徴とする、請求項１に記載した定電圧回路。
前記補正回路が、その主電流路が前記位相補償コンデンサの他端と前記制御トランジスタの電流出力端子の間に接続され、その電流制御端子が定電圧回路の動作条件に応じて適当なバイアスを供給するための制御回路に接続されたトランジスタを含むことを特徴とする、請求項１あるいは請求項２に記載した定電圧回路。
前記補正回路が、互いの主電流路が並列に接続された一対のトランジスタを具備することを特徴とする、請求項１に記載した定電圧回路。
前記補正回路が、該一対のトランジスタの少なくとも一方のトランジスタの制御端子に、定電圧回路の動作条件に応じて適当なバイアスを供給するための制御回路が接続されたことを特徴とする、請求項４に記載した定電圧回路。