JP2007142816A - Ab級出力回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】出力電圧範囲が広く、且つ消費電流の少ない電力効率の優れたAB級出力回路を提供する。
【解決手段】高電位側電源と出力端子との間に接続された電流ソース用トランジスタ108と、低電位側電源と出力端子との間に接続された電流シンク用トランジスタ106と、電流ソース用トランジスタ108とカレントミラー回路を構成するトランジスタ107と、トランジスタ107に接続され、電流ソース用トランジスタ108の駆動電流を制御するトランジスタ104と、電流シンク用トランジスタ106のベース電位に対応する電流をトランジスタ104に流すトランジスタ105を備えることを特徴とするAB級出力回路である
【選択図】図1

Description

本発明は、AB級動作する増幅回路に関し、特に出力電圧の振幅を拡大しつつ、電力効率の優れた回路に関する。
近年、電子機器に使用される半導体装置においては、電源電圧の低電圧化、及び低消費電力化が進んできている。従って、半導体装置に搭載される増幅回路にも、電源電圧、及び消費電力を削減する傾向にある。増幅回路は、電源電圧が低くても出力電圧範囲を広げ、電力効率を向上させることが強く望まれている。
出力電圧範囲を広くする回路構成として、レールトゥレール動作を行う増幅器を用いる場合がある。図4は、レールトゥレール動作を行う増幅器を用いた出力回路の構成を示す回路図である。 図4に示す出力回路3は、2個のPNPトランジスタ301、302、NPNトランジスタ303、抵抗304、定電流回路305により構成されている。
図4に示すように、入力端子308は、トランジスタ303のベース端子に接続されている。この入力端子308に入力される入力信号INがトランジスタ303を駆動する。トランジスタ303のコレクタ端子は、トランジスタ302のコレクタ端子と共に、この出力回路3の出力端子309に接続されている。また、トランジスタ303のエミッタ端子は、GNDに接地されている。このトランジスタ303は、出力端子309から吸引する電流量を制御する電流シンク用のトランジスタである。
一方、トランジスタ302のエミッタ端子は、電源306に接続されており、ベース端子は、トランジスタ301のベース端子と接続されている。このトランジスタ302は、出力端子309から外部へ供給される電流量を制御する電流ソース用のトランジスタである。また、トランジスタ301のエミッタ端子は、抵抗304を介して電源307と接続されると共に、ベース端子は、コレクタ端子と接続されている。トランジスタ301のコレクタ端子は、定電流回路305を介して接地されている。このトランジスタ301と、トランジスタ302でカレントミラー回路306が構成されている。
この出力回路3は、電流ソース用トランジスタであるトランジスタ302をPNPトランジスタで構成し、電流シンク用トランジスタであるトランジスタ303をNPNトランジスタで構成した純コンプリメンタリ回路で出力部が構成される。従って、出力電圧Voutの最高値を電源Vccレベルまで引き上げ、最低値をGNDレベルまで引き下げることができる。
この出力回路3では、定電流回路305により定まる電流I1がカレントミラー回路306のトランジスタ301に供給され、設定されたミラー比によってトランジスタ302のコレクタを流れる電流I2が出力される。この電流I2は、入力信号INのレベルに係らず常に一定であり、入力信号INにより制御されるトランジスタ303のコレクタを流れる電流I3との差分に当たる電流I4が出力負荷に供給され、出力電圧Voutが出力される。即ち、この出力回路は、入力信号INのレベルによらず、常に一定のアイドリング電流(I2)が流れるため、無信号入力時に電力効率が悪いという欠点がある。
この問題を解決する回路として、B級プッシュプル出力回路がある。図5は、B級プッシュプル出力回路の構成を示す回路図である。図5に示すB級プッシュプル出力回路4は、NPNトランジスタ401、403、PNPトランジスタ402、2個のダイオード404、405、定電流回路406により構成されている。
図5に示すように、入力端子408はトランジスタ403のベース端子に接続されている。入力端子408に入力される入力信号INがトランジスタ403を駆動する。トランジスタ403のコレクタ端子は、ダイオード405のカソード、及びトランジスタ402のベースに接続されており、エミッタ端子は、接地されている。ダイオード405のアノードは、ダイオード404のカソードに接続されており、更にダイオード404のアノードは、一端が電源407に接続された定電流回路406の他端、及びトランジスタ401のベースに接続されている。トランジスタ401とトランジスタ402は、出力端子409に共通接続されており、トランジスタ401のコレクタ、及びトランジスタ402のコレクタは、夫々電源407、及びGNDに接続されている。
このB級プッシュプル出力回路4は、定電流回路406によって供給された電流I1が、ダイオード404、405を流れることにより、電圧降下してトランジスタ401とトランジスタ402のベース端子に夫々バイアスが与えられる。入力端子408に信号が入力された場合、トランジスタ403のコレクタを流れる電流I2が変化し、I1とI2の差分に当たる電流であるI3a、I3bがトランジスタ401、又はトランジスタ402を駆動し、出力電圧Voutを変化させる。
入力端子408への信号が入力されない場合、トランジスタ403がOFFするため、電流I2は流れない構成となっている。従って、このB級プッシュプル出力回路4は、信号が入力された時にだけ、トランジスタ401、及び402が動作するため、図4に示した出力回路3に比べて、電力効率が良い。
しかし、このB級プッシュプル出力回路4は、出力端子409からみてGND側、及び電源側に、Vbe1、Vbe2の電圧差があるため、出力電圧範囲が狭くなる構成となっている。従って、電源電圧が低い場合、充分な出力電圧が取り出せなくなるという問題がある。
このような問題を解決するために、特許文献1〜3が開示されている。特許文献1は、入力信号を伝達する制御トランジスタによって、電流シンク用トランジスタのベース電位を制御し、更にトランジスタを介して電流ソース用トランジスタを制御する構成とするものである。信号入力によってソース側、及び電流シンク用トランジスタの駆動を切り替えることになるため、消費電流が少なくなり、消費電力の低減を図ることができる。
また、特許文献2は、入力信号を伝達する制御トランジスタによって、電流シンク用トランジスタのベース電位を制御し、更に電流シンク用トランジスタのミラートランジスタによって、電流ソース用トランジスタを制御する構成とするものである。信号入力によってソース側、及び電流シンク用トランジスタの駆動を切り替えることになるため、消費電流が少なくなり、消費電力の低減を図ることができる。
また、特許文献3は、入力信号を伝達する制御トランジスタによって、電流シンク用トランジスタのベース電位を制御し、更にアイドリング電流制御部を介して電流ソース用トランジスタを制御する構成とするものである。信号入力によってソース側、及び電流シンク用トランジスタの駆動を切り替えることになるため、消費電流が少なくなり、消費電力の低減を図ることができる。
特表平11−507773号公報 特開2000−77955号公報 特開2003−69346号公報
しかし、特許文献1では、制御トランジスタの電位が上がると、利得トランジスタがOFFし、電流ソース用トランジスタに電流が流れなくなるため、出力インピーダンスが異常に上がる構成となっている。これを補正する為、定電流源からの電流を常に流す構成であるため、必要以上の消費電流が発生する。
また、特許文献3では、アイドリング電流制御部のコントロールは、アイドリング電流制御部に設けられた定電流源によって制限される。具体的には、この定電流源の設定を小さくすると、電流ソース用トランジスタの出力電流が小さくなり、電流シンク用トランジスタの入力インピーダンスを上げることが難しい構成になっている。従って、定電流源の設定を小さくすることができず、必要以上のアイドリング電流が発生する。また、入力インピーダンスを上げるため、入力信号にエミッタフォロア回路を挿入する必要もある。
本発明は、高電位側電源と出力端子との間に接続された電流ソース用トランジスタと、低電位側電源と出力端子との間に接続された電流シンク用トランジスタと、
前記電流ソース用トランジスタとカレントミラー回路を構成する第3のトランジスタと、前記第3のトランジスタに接続され、前記電流ソース用トランジスタの駆動電流を制御する第4のトランジスタと、前記電流シンク用トランジスタのベース電位に対応する電流を前記第4のトランジスタに流す第5のトランジスタを備えることを特徴とするAB級出力回路である。
電流シンク用トランジスタと同期する第5のトランジスタによって、電流ソース用トランジスタを制御する構成であるため、信号入力時のみにソース側、及び電流シンク用トランジスタが駆動することになる。従って、上記回路における消費電流が少なくなり、消費電力の低減を図ることができる。
また、第5のトランジスタにより、電流ソース用トランジスタを流れる電流を制御する構成となるため、出力インピーダンスを補正する必要がない。従って、定電流源からの電流を流す構成は必要がなくなる。
更に、第5のトランジスタにより、外部入力に対する入力インピーダンスを上げる構成となるため、定電流源による電流を流したり、エミッタフォロア回路を挿入したりする構成は必要がなくなる。
以上のような構成により、出力電圧範囲が広く、且つ消費電流の少ない、電力効率の優れたAB級出力回路を提供することが可能となる。
発明の実施の形態1.
以下に、本発明の好ましい実施の形態を説明する。説明の明確化のため、以下の記載、及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。また、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明は省略されている。
図面を参照して本実施形態について詳細に説明する。図1は、本実施形態に係るAB級出力回路1の構成を示す回路図である。このAB級出力回路1は、4個のNPNトランジスタ101、103、104、106、4個のPNPトランジスタ102、105、107、108、定電流回路109により構成されている。
図1に示すように、入力端子113がトランジスタ106のベース端子に接続されている。この入力端子113に入力される入力信号INが、トランジスタ106を駆動する。また、入力端子113は、トランジスタ105のベース端子にも接続されており、従って、入力信号INは、トランジスタ105も駆動している。トランジスタ106のコレクタ端子は、トランジスタ108のコレクタ端子と共に、出力端子114に接続されており、トランジスタ106のエミッタ端子はGNDに接地されている。このトランジスタ106は、出力端子114から吸引する電流量を制御する電流シンク用のトランジスタである。
トランジスタ108のエミッタ端子は電源112に接続されており、ベース端子は、トランジスタ107のベース端子と接続している。このトランジスタ108は、出力端子114から外部へ供給される電流量を制御する電流ソース用のトランジスタである。また、トランジスタ107のエミッタ端子は、電源112と接続されると共に、ベース端子はコレクタ端子と接続され、トランジスタ104のコレクタ端子と接続している。このトランジスタ107と、トランジスタ108でカレントミラー回路110が構成されている。
一方、トランジスタ105のエミッタ端子とコレクタ端子は、夫々トランジスタ104のエミッタ端子とGNDに接続されている。トランジスタ104のベース端子は、トランジスタ101のベース端子に接続され、トランジスタ101のベース端子は、コレクタ端子と接続されている。更に、トランジスタ101のエミッタ端子は、トランジスタ102のエミッタ端子と接続し、トランジスタ102のコレクタ端子は自らのベース端子、及びトランジスタ103のベース端子と接続されると共に、トランジスタ103のコレクタ端子と接続している。トランジスタ103のエミッタ端子は、GNDに接続されている。トランジスタ101、102、103、104、及び105によって、出力コントロール回路111が構成されている。
そして、トランジスタ101のコレクタ端子は、定電流回路109を介して電源112と接続し、トランジスタ104のコレクタ端子は、カレントミラー回路110を構成するトランジスタ107のコレクタ端子と接続し、本実施形態に係るAB級出力回路1が得られる。
次に、図1を用いて本実施形態に係るAB級出力回路1の電力効率、及び出力電圧範囲に関して説明する。始めに、トランジスタ101、及び104のベース電圧(以後、P点と称す)について考察することにより、本実施形態の電力効率について述べる。以下に、P点の電位に対する関係式(1)を示す。
P点電圧= Vbe1+Vbe2+Vbe3
= Vbe4+Vbe5+Vbe6 ・・・・・・(1)
図1に示すように、トランジスタ101、102、及び103は、定電流回路109により決定される電流I1が流れるため、夫々のVbeの値は固定されている。一方、トランジスタ104、及び105は、入力信号INの電圧によって制御される電流I2が流れ、I2によってVbe4、及びVbe5が変動する。同様に、電流シンク用トランジスタであるトランジスタ106も、入力信号INの電圧によって制御される電流I4が流れ、I4によってVbe6が変動する。つまり、トランジスタ106の動作点は、入力信号により変化することとなり、電流I4の値は変化し、それに従いVbe6が増減する。
この時、(1)式により、Vbe4、Vbe5は、Vbe6とは逆方向に変化することとなる。即ち、入力信号INによって、電流シンク用トランジスタであるトランジスタ106のシンク電流I4が小さいときは、電流ソース用トランジスタであるトランジスタ108のソース電流I3が大きくなる。反対に、I4が大きいときは、I3が小さくなるように制御される。即ち、従来の出力回路3のように、常に一定のアイドリング電流が電流ソース用トランジスタに流れることのない構成となっている。なお、AB級出力回路1の作用については、以降に詳述する。
次に、本実施形態の出力電圧範囲について述べる。図1に示すように、本実施形態は、電流ソース用トランジスタであるトランジスタ108のコレクタ端子、及びエミッタ端子が、夫々出力端子114、及び電源Vccと接続されている。また、電流シンク側トランジスタであるトランジスタ106のコレクタ端子、及びエミッタ間が、出力端子114、及びGNDと接続されている。即ち、各トランジスタ108、106のコレクタ端子が出力端子114と接続し、エミッタ端子が夫々電源Vcc、及びGNDと接続する構成となっているため、出力電圧は、電源からGNDレベルまで広げることが可能な構成となっている。
図2を用いて本実施形態に係るAB級出力回路1の作用を詳細に説明する。図2は、本実施形態の作用を説明するために、図1の回路図を簡略化したものである。この簡略版AB級出力回路1aは、2個のNPNトランジスタ104a、108a、2個のPNPトランジスタ105a、106a、及び電池116aにより構成されている。図2では、図1における定電流回路109が省略され、ダイオード接続されたトランジスタ101、107が簡略化され、トランジスタ102、103が電池116aとしてみなされている。
図2に示すように、入力端子113aがトランジスタ106aのベース端子に接続されている。この入力端子113aに入力される入力信号INが、トランジスタ106aを駆動する。また、入力端子113aは、トランジスタ105aのベース端子にも接続されており、従って、入力信号INは、トランジスタ105aも駆動している。トランジスタ106aのコレクタ端子は、トランジスタ108aのコレクタ端子と共に、出力端子114aに接続されており、トランジスタ106aのエミッタ端子は接地されている。トランジスタ108aのエミッタ端子は電源112aに接続されており、ベース端子は、トランジスタ104aのコレクタ端子と接続している。
一方、トランジスタ105aのエミッタ端子とコレクタ端子は、夫々トランジスタ104aのエミッタ端子とGNDに接続されている。このトランジスタ104aとトランジスタ105aによって、出力コントロール回路111aが構成されている。なお、トランジスタ104aのベース端子は、電池116aを介してGNDに接地されている。
ここで、入力信号INによって、トランジスタ106aのベース電流が増大した場合、トランジスタ105a、106aのベース電位が上昇する。ここで、トランジスタ104aのベース電位は、電池116aにより固定されている。従って、トランジスタ105a、106aのベース電位の上昇に従い、トランジスタ104aのベース電位と差が小さくなるため、トランジスタ104aのコレクタ電流が減少する。その結果、トランジスタ108aのコレクタ電流が減少し、出力電圧Voutは低下する。
また、入力信号INによって、トランジスタ106aのベース電流が減少した場合、トランジスタ105a、106aのベース電位が低下する。ここで、トランジスタ104aのベース電位は、電池116aにより固定されている。従って、トランジスタ105a、106aのベース電位の低下に従い、トランジスタ104aのベース電位と差が大きくなるため、トランジスタ104aのコレクタ電流が増大する。その結果、トランジスタ108aのコレクタ電流が増大するため、出力電圧Voutが上昇する。
このように、トランジスタ108aの出力コントロールは、入力信号INから、トランジスタ105a、及びトランジスタ104aを介した、出力コントロール回路111aにて行われる。言い換えると、電流ソース用トランジスタであるトランジスタ108aの出力コントロールは、電流シンク用トランジスタであるトランジスタ106aのベース電圧によって、制御されることになる。
ここで、電流ソース用トランジスタであるトランジスタ108aのベース電流は、トランジスタ104aのコレクタ電流となり、トランジスタ105aを介してGNDに流れる。入力端子113aは、トランジスタ105aのベース端子と接続しており、入力インピーダンスは、トランジスタ105a、106aのベース電流を制御することによって、上げることができる。即ち、特許文献3のように、電流シンク用トランジスタの入力インピーダンスを上げるために、定電流源による電流を流したり、エミッタフォロア回路にする構成は必要はない。
次に、図3は、本実施形態の別の形態を示した図である。図3は、図1に示すトランジスタ107のエミッタ端子と電源Vccとの間に抵抗115を挿入し、ワイドラー型定電流回路116を構成したものである。その他の構成は、図1と同じであるため、説明を省略する。
図3に示すように、抵抗115を挿入することでソース電流I3を多くすることが可能である。即ち、電流ソース用トランジスタであるトランジスタ108と、カレントミラー回路を構成するトランジスタ107のエミッタ端子に抵抗115を接続することにより、トランジスタ107を流れる電流I2に対して抵抗比に基づいて増幅されたソース電流I3が生じるためである。
以上のように、本実施形態に係るAB級出力回路1は、アイドリング電流が負荷に応じて変動する構成となっている。従って、従来の出力回路3のように、負荷に応じてアイドリング電流が変動しない回路に比べ、消費電流が少なくなり、電力効率を改善することができる。
また、本実施形態に係るAB級出力回路1は、出力電圧Voutの最高値を電源Vccレベルまで引き上げ、最低値をGNDレベルまで引き下げることができる。即ち、出力電圧範囲を電源電圧レベルまで広げることができるため、動作電圧の低電圧化に対応することができる。
また、本実施形態に係るAB級出力回路1は、トランジスタ104とトランジスタ106のベース電位との間にトランジスタ105を用いる構成となっている。従って、トランジスタ106のベース電位が上昇した場合でも、トランジスタ104に流れる電流が完全にOFFすることがない。従って、特許文献1のように、出力インピーダンスを補正するために電流を流す構成は必要がないため、電力効率が改善される。
また、本実施形態に係るAB級出力回路1は、トランジスタ105を用いることにより、電流シンク用トランジスタに対する入力インピーダンスを上げている。従って、特許文献3に示されるような定電流源による電流を流したり、エミッタフォロア回路を挿入したりする構成は必要がない。その結果、回路に流れる消費電流が少なくなり、電力効率を改善することができる。なお、入力インピーダンスを上げることにより、入力作動段のオフセット電圧を改善することも可能となる。
また、本実施形態に係るAB級出力回路1は、入力信号INによる入力電圧が下がった場合、電流ソース用トランジスタであるトランジスタ108への電流コントロールに制限はない。即ち、特許文献3に示されるようなアイドリング制御用の定電流源によって出力電圧範囲を制限されることがない。従って、より広い範囲での出力コントロールが可能となる。
なお、本発明は上記に示す実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲において、上記実施形態の各要素を、当業者であれば容易に考えうる内容に変更、追加、変換することが可能である。
例えば、本実施形態において、ソース電流I3が多く必要な場合、図3に示す抵抗115を挿入する方法でなく、図1に示すカレントミラー回路を構成するトランジスタ107と108のチャネル面積比を大きくすることによっても実現可能である。
本発明に係るAB級出力回路の構成を示す回路図である。 本発明に係るAB級出力回路を簡略化した構成を示す回路図である。 本実施形態に係る別の態様を示した回路図である。 従来の出力回路の構成を示す回路図である。 B級プッシュプル出力回路の構成を示す回路図である。
符号の説明
1 AB級出力回路、 1a 簡略版AB級出力回路、
3 レール間出力回路、 4 B級プッシュプル回路、
101、103、104、106 NPNトランジスタ、
102、105、107、108 PNPトランジスタ、
109 定電流回路、 110 カレントミラー回路、
111 出力コントロール回路、 112 電源、
113 入力端子、 114 出力端子、
116 ワイドラー型定電流回路
104a、108a NPNトランジスタ、
105a、106a PNPトランジスタ、
112a 電源、 113a 入力端子、 114a 出力端子、 115a 電池、
301、303 NPNトランジスタ、 302 PNPトランジスタ、
304 抵抗、 305 カレントミラー回路、
307 電源、 308 入力端子、 309 出力端子、
401、403 NPNトランジスタ、 402 PNPトランジスタ、
404、405 ダイオード、 406 定電流回路、
407 電源、 408 入力端子、 409 出力端子

Claims (7)

  1. 高電位側電源と出力端子との間に接続された電流ソース用トランジスタと、
    低電位側電源と出力端子との間に接続された電流シンク用トランジスタと、
    前記電流ソース用トランジスタとカレントミラー回路を構成する第3のトランジスタと、
    前記第3のトランジスタに接続され、前記電流ソース用トランジスタの駆動電流を制御する第4のトランジスタと、
    前記電流シンク用トランジスタのベース電位に対応する電流を前記第4のトランジスタに流す第5のトランジスタを備えることを特徴とするAB級出力回路。
  2. 前記第5のトランジスタのベース端子は、前記電流シンク用トランジスタのベース端子、及び外部からの入力と接続することを特徴とする請求項1に記載のAB級出力回路。
  3. 前記第5のトランジスタのエミッタ端子は、前記第4のトランジスタのエミッタ端子を介して、電流ソース用トランジスタのベース端子と接続することを特徴とする請求項1又は2に記載のAB級出力回路。
  4. 前記AB級出力回路は更に、前記第4のトランジスタとカレントミラー回路を構成する第6のトランジスタを有することを特徴とする請求項1乃至請求項3のうち1項に記載のAB級出力回路。
  5. 前記第6のトランジスタは、ダイオード接続されたトランジスタを介してGNDと接続し、基準電圧を形成することを特徴とする請求項1乃至請求項4のうち1項に記載のAB級出力回路。
  6. 前記第3のトランジスタのエミッタ端子と高電位側電源との間に、抵抗が接続されていることを特徴とする請求項1乃至請求項5のうち1項に記載のAB級出力回路。
  7. 前記電流ソース用トランジスタのエミッタ端子は、高電位側電源と接続し、
    前記電流シンク用トランジスタのエミッタ端子は、低電位側電源と接続し、
    前記電流ソース用トランジスタのコレクタ端子と、前記電流シンク用トランジスタのコレクタ端子が、出力端子と接続することを特徴とする請求項1乃至請求項6のうち1項に記載のAB級出力回路。
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