JP2008541589A - 集積ドライバ回路構造 - Google Patents

Abstract

増幅器（８１３）、カレントミラー・ブロック（８１５）および外部電流設定用抵抗（ＲＳＥＴ）を含む集積回路ドライバ構造（８０１）が提供されており、それは、電流出力モード又は遠隔感知電圧出力モードで動作するようにデジタルに構成可能であり、その出力レベルが外部電圧によって制御されるようになっている。カレントミラー・ブロックは、すべて増幅器（８１３）の出力によって供給される同じゲート・バイアスを有する複数の電流源を含む。どんなときも、少なくとも１つの電流源が抵抗（ＲＳＥＴ）に基準電流を供給するように接続されており、その他のすべての電流源は、負荷（８１６）に向かって負荷電流出力に基準電流をミラーするように接続されている。電流利得比は、抵抗に供給するように接続された電流源の数と、基準電流をミラーするように接続された数とに基づく。

Description

（発明の分野）
本発明は、電流出力モード又は遠隔感知電圧出力モードで動作するようにデジタルに構成可能な集積ドライバ回路構造に関する。

（発明の背景）
工業オートメーションの分野では、プログラマブル論理制御装置およびフィールド・エクステンション・モジュールが非常に多数の電子式アクチュエータを制御する。広範囲のアクチュエータおよびそれらの多様な性能要求のせいで、膨大な種類の信号ドライブが存在し、異なる範囲のドライブ電圧又は電流を有するアクチュエータ信号を提供している。それらの範囲の中間には、多くの独自仕様の信号インタフェースが存在して、要求されるアクチュエータ入力に合致するように電子的ドライブのカスタム化を要求する。

各タイプのアクチュエータに対して個別の基板設計を回避するために、スケーラブルな出力レベルを備え、正確な電圧制御の電流および電圧を供給する集積的解決策が望ましい。

従来の制御ループは、シャント抵抗を必要とし、そのシャント抵抗両端の電圧降下を測定して、その結果を例えば制御用増幅器および抵抗を通して増幅器の負の入力端子にフィード・バックすることによって、電流制御ループをクローズしている。

（発明の概要）
発明は、上述の制限を克服するドライバ回路を提供する。特に、集積ドライバ回路構造が提供され、ドライバは、電流出力モード又は電圧出力モードで動作するように構成可能であり、特に、それの出力範囲は、抵抗によってプリセットされ、それの出力レベルは、外部電圧によって制御されるようになっている。

特別な実施の形態で、外部制御電圧は、電流出力モードで出力端子において利用可能な電流、あるいは、電圧出力モードで出力端子において利用可能な電圧を決定する。この集積回路は、演算増幅器、電圧・電流変換器およびカレントミラーを含む。演算増幅器の第１の入力は、制御端子に接続される。演算増幅器の第２の端子は、外部の設定用抵抗の両端に接続され、更にカレントミラーの出力か、あるいは、電圧・電流変換器の出力のいずれかに接続される。演算増幅器の出力は、カレントミラー・トランジスタのゲート・ドライブを提供する。電流出力モードで、カレントミラーを通るフィード・バックがクローズされて、設定用抵抗の両端に生成される基準電流が出力端子にミラーされる。電圧・電流変換器は、外部負荷の両端に接続された電圧感知入力を有する。電圧出力モードで、フィード・バックは、出力端子における電圧を設定する電圧・電流変換器の出力を通してクローズされる。

電流出力モードで、基準電流は、フィード・フォワード構成において負荷に対して、特に、動的に整合されるカレントミラーを介してミラーされるため、シャント抵抗、制御用増幅器（ＩＮＡ）および電圧・電流変換用抵抗を備える電流制御ループを必要としない。特に、カレントミラーに採用されるダイナミック要素による整合方法は、広範囲の出力電流を通して高い精度を保証する。高出力電流における電圧の無歪限界又は電力効率に対する制限は、排除される。電流設定用抵抗によって強制される基準電流を決定するゲート・ドライバがクローズした制御ループの一部である演算増幅器を含むことは、望ましいことであるが、フィード・バック・ループは、短く高速用として適している。典型的には、このループに対して付加的な（外部の）補償は、必要ない。

カレントミラーに組み込まれたダイナミック要素による整合は、大きい出力電流範囲にわたって付加的な調整なしで高い精度を保証する。更に、電圧無歪限度および電力効率の電流依存性は、ほぼ排除される。更に、（制御ループでは、使用されなかった）電圧・電流変換器を使用して負荷電圧情報を提供することができる。

１つの実施の形態で、カレントミラーは、すべて演算増幅器によって供給される同じゲート・バイアスを有する複数の電流源を含む。電流源の少なくとも１つは、前記基準電流を外部設定用抵抗に供給するように接続され、その他すべての電流源は、出力端子に接続される。

進歩した実施の形態では、クロック制御式のスイッチング構成が提供されて、それは、カレントミラー中の電流源すべてを通して、基準電流を供給するように接続される少なくとも電流源を循環させる。この循環は、ランダムに、あるいは、一定のパターンに従って行われ、例えば、すべての電流源が本質的に等しい回数選ばれることを保証するように行われる。

別に実施の形態で、集積回路は、電圧・電流変換器の出力を演算増幅器の入力又は電圧感知端子に選択的に接続する内部スイッチを含む。

別の実施の形態で、電圧・電流変換器は、２つの付加的な端子を含み、その両端にスケール抵抗を接続することができる。スケール抵抗は、出力電流のスケールと無関係に、出力電圧のスケールを設定することを可能にする。電流および電圧出力の範囲を独立的に選択することは、電流出力モードの電流範囲について外部抵抗を選択し、また電圧出力モードの電圧範囲について別の外部抵抗を選択することで容易に実現できる。有利なことに、それらの抵抗の値は、負荷に対する電力効率および負荷電圧の無歪限度に影響しない。

別の実施の形態で、装置は、バス・システムにつながるインタフェースを介して遠隔地から構成することが可能である。

更に別の実施の形態で、装置は、例えば、装置の特定の端子を監視することによって、故障や負荷インピーダンスを監視する目的で用いることができる。

更に別の実施の形態で、装置は、例えば、それのインタフェースを介してスイッチ・オフ機能を含む。そのような出力停止機能は、カレントミラーへのゲート・ドライブを禁止することによって回路中に容易に組み込むことができる。従って、付加的な（外部の）スイッチが必要なく、そのようなスイッチ両端の電圧降下も発生しない。

以下の図面には、発明の実施の形態が示され、説明されている。

（詳細な説明）
図１は、（負および正の入力と出力とを備えた）増幅器８１３、カレントミラー・ブロック８１５および外部電流設定用抵抗ＲＳＥＴを含む、（端子８０２から８０９、ＣＳ１、ＣＳ２、ＯＤおよび８１２を備えた）集積ドライバ回路構造８０１を示す。電流設定用抵抗ＲＳＥＴは、端子８０２を介して増幅器８１３の負入力に接続され、またアースＧＮＤに接続される。抵抗ＲＳＥＴをアースＧＮＤにつなぐ代わりに別の基準電圧につないでも構わないことに留意すべきである。制御電圧Ｖｉｎは、端子８０３を介して増幅器８１３の正入力に供給される。カレントミラー・ブロック８１５は、第１の出力を有し、それは、スイッチＳ１を介して増幅器８１３の負入力と抵抗ＲＳＥＴとの間のノード８０２に接続することができる。カレントミラー・ブロック８１５は、第２の出力を有し、それに対して、出力端子ＤＲＶ８０９を介して負荷８１６が接続される。増幅器８１３の出力は、カレントミラー・ブロック８１５に対してゲート制御電圧を供給する。

カレントミラー・ブロック８１５は、複数の電流源を含み、それらは、すべて増幅器８１３の出力によって供給される同じゲート・バイアスを有する。どんなときも、カレントミラー・ブロック８１５の複数の電流源のうち少なくとも１つは、電流設定用抵抗ＲＳＥＴに対して基準電流を供給するように接続される。カレントミラー８１５のその他すべての電流源は、負荷８１６に向かって負荷電流出力に基準電流をミラーするように接続される。このように、カレントミラー８１５は、電流設定用抵抗ＲＳＥＴに基準電流を供給するように接続された電流源の数に基づき、そして負荷８１６に向かって基準電流をミラーするように接続された電流源の数に基づき電流利得比を提供する。示された例で、１：Ｘという比は、合計で１＋Ｘ個の電流源が設けられ、そこで１つの電流源が電流設定用抵抗ＲＳＥＴに基準電流を供給するように接続されており、Ｘ個の電流源が負荷電流出力に電流をミラーするように接続されていることを意味する。比「１：Ｘ」に関連して注意すべき点は、「Ｘ」が整数である必要がないこと、および／又は「１」が「１」個だけの電流源を必ずしも意味しないことである。言い換えると、「３：１０」、「４：２０」、「８：２」等のような比を持つ実施も可能である。

好適な実施の形態で、カレントミラーに関する精度を上げるために、ダイナミック要素による整合方法が適用される。これは、クロック制御のスイッチング構成を提供することによって実現され、それは、基準電流を供給するように接続される（少なくとも１つの）電流源をカレントミラーの電流源すべてを通して循環させるものである。プロセス変動によるトランジスタの不一致は、電流源としてＸ＋１個の同一トランジスタを提供することによって、またカレントミラーの各側に接続されたトランジスタ群を周期的に切り替えることによって大幅に縮小することができる。

図１に示すように、更に電圧・電流変換器８１４を設けることができる。電圧・電流変換器８１４は、２つの入力を有し、それぞれが端子８０７および８０８に接続され、それらの間に負荷８１６が接続される。電圧・電流変換器８１４は、またスイッチＳ２に接続される１つの出力を有し、更に、端子８０５および８０６に接続された２つの付加的な入力を有しており、それらの間には、電圧・電流変換器８１４の電圧出力スケールを設定する外部抵抗ＲＧＮを接続できる。

端子ＣＳ１、ＣＳ２は、電力供給装置のモードを選択するために用いられる。これらの端子にデジタル信号を供給することによって、回路を電流出力モード又は電圧出力モードのいずれかで動作させるように構成できる。更に、この回路によって信号を監視できる。すなわち、回路８０１および／又はそれらに接続された負荷の監視目的に使用することもできる。

電流出力モードで、基準電流Ｉ_ＣＯＰＹが、カレントミラー・ブロック８１５からスイッチＳ１を経由して端子８０２に転送される。出力電流は、増幅器によって抵抗ＲＳＥＴ両端に強制される入力電圧Ｖｉｎによって設定される。この基準電流は、カレントミラー・ブロック８１５中で出力端子８０９に向かってミラーされる（および、多分増幅もされる）。ダイナミック要素による整合は、上述のように、カレントミラーに要求される精度を保証する。電流Ｉ_ＳＵＭは、電圧・電流変換器８１４の出力からスイッチＳ２を経由して端子８０４に転送され、それによって負荷両端の電位差を端子８０４においてモニタできるようにする。

電圧出力モードで、電流Ｉ_ＳＵＭは、スイッチＳ２を経由して端子８０２に転送され、それによってフィード・バック・ループがクローズする。端子８０８と８０７との間の出力電圧は、入力電圧Ｖｉｎによって制御される。電圧出力の振幅は、抵抗ＲＧＮによって電流出力振幅と独立に設定できる。電流Ｉ_ＣＯＰＹは、スイッチＳ１を経由して端子８１２に転送される。この構成は、端子８１２を介して負荷電流をモニタすることを可能にする。

端子８１２および／又は８０４の出力を観察することによって、故障状態が検出でき、あるいは、負荷インピーダンスがモニタできる。

図２は、電力供給装置のインタフェース９０１を示す。このインタフェースは、制御信号ＣＳ１、ＣＳ２およびＯＤを含み、またスイッチＳ１およびＳ２、更にカレントミラー・ブロック８１５への制御出力を含む。

制御信号ＯＤは、出力のイネーブルを制御する：高レベルがイネーブルで、低レベルがディセーブルである。制御信号ＣＳ１およびＣＳ２は、次のように構成モードを制御する：「００」が電圧モード（図１を参照：Ｓ１が端子８１２に接続され、Ｓ２が端子８０２に接続される）、「０１」が電流モード（図１を参照：Ｓ１が端子８０２に接続され、Ｓ２が端子８０４に接続される）、そして「１０」および「１１」は、構成可能モードとして使用される（図１を参照：Ｓ１が端子８１２に接続され、Ｓ２が端子８０４に接続される）。モード「１０」と「１１」との違いは、設定電流の限度である。

図３は、複数の電流源Ｍ_１、・・・、Ｍ_Ｎ＋１を備えた回路例を示す。電流源は、ＰＭＯＳトランジスタであり、それらのソースは、正の電力供給レールに接続されている。電流源のゲートは、互いに接続されて、バイアス源に接続されている。電流出力Ｉ_ＩＮ又は電流入力Ｉ_ＯＵＴは、各ＰＭＯＳトランジスタのドレインに接続することができる。このような接続は、スイッチ制御２０１によって制御される。従って、各ＰＭＯＳトランジスタは、それのドレインと直列につながる２つのスイッチＳＷ_ＡおよびＳＷ_Ｂを有しており、それによってドレインが入力ミラー・レッグ又は出力ミラー・レッグのいずれかに接続されるようにする。

本発明が関連する分野の当業者は、特許請求する本発明のスコープから外れることなく、ここに説明した例示的実施の形態に対してその他の修正および更なる修正を施すことができることを理解する。

電流出力モード又は電圧出力モードで動作するように構成可能で、外部電圧によって制御され、デジタル信号によって構成可能な集積回路を示す図。 複数の電流源を備えた例示的回路を示す図。 デジタル構成入力と制御出力とを備えたインタフェースを示す図。

Claims (11)

1. 電流出力モード又は電圧出力モードで動作するようにデジタルに構成可能で、その出力レベルが外部電圧によって制御される集積ドライバ回路構造。
2. 請求項１記載の装置であって、
   外部制御電圧が電流出力モードで出力端子において利用可能な電流を決定し、また外部制御電圧が電圧出力モードで出力端子において利用可能な電圧を決定するようになっており、
   集積回路は、演算増幅器、電圧・電流変換器およびカレントミラーを含んでおり、
   演算増幅器の第１の入力は、制御端子に接続されており、
   電圧・電流変換器は、外部負荷の両端に接続された複数の電圧感知入力を有しており、
   電流出力モードで、演算増幅器の第２の入力は、カレントミラーの基準電流源および外部設定用抵抗に接続されており、演算増幅器の出力がカレントミラーにゲート・バイアスを供給し、またカレントミラーが基準電流を出力端子にミラーしており、
   電圧出力モードで、演算増幅器の第２の入力は、電圧・電流変換器の出力に接続されており、演算増幅器の出力が出力端子を駆動して負荷両端間の電圧を設定するようにした、
   前記装置。
3. 請求項２に記載の装置であって、集積回路は、電圧・電流変換器の出力を演算増幅器の入力又は装置の負荷電圧感知端子へ選択的に接続する内部スイッチを含んでいる前記装置。
4. 請求項２および３のいずれかに記載の装置であって、集積回路は、カレントミラーの負荷電流コピー端子を演算増幅器の入力又は装置の負荷電流感知端子に選択的に接続する内部スイッチを含んでいる前記装置。
5. 請求項２から４のいずれかに記載の装置であって、カレントミラーは、すべて前記演算増幅器の出力によって供給される同じゲート・バイアスを有する複数の電流源を含んでおり、前記電流源の少なくとも１つが前記基準電流を前記外部設定用抵抗に供給するように接続されている前記装置。
6. 請求項５記載の装置であって、その他のすべての電流源が基準電流をミラーするように出力端子に接続されている前記装置。
7. 請求項６記載の装置であって、クロック制御のスイッチング構成が提供されて、それによって前記基準電流を供給するように接続される少なくとも１つの電流源を、カレントミラー中のすべての電流源を通して循環させるようになっている前記装置。
8. 請求項２から７のいずれかに記載の装置であって、電圧・電流変換器は、２つの端子を含み、それらの間に電流出力スケールと独立に電圧出力スケールを設定するスケール抵抗が接続される前記装置。
9. 請求項２から８のいずれかに記載の装置であって、装置は、そのインタフェースを介して遠隔制御の目的で使用される前記装置。
10. 請求項２から９のいずれかに記載の装置であって、装置は、故障又は負荷インピーダンス監視の目的で使用される前記装置。
11. 請求項２から１０のいずれかに記載の装置であって、インタフェースは、装置をスイッチ・オフする機能を含んでいる前記装置。

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