JP2015154594A - インバータ出力回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】消費電流を低減して、出力素子の破壊を抑制することが可能なインバータ出力回路を提供する。【解決手段】インバータ出力回路は、一端が第3ノードに接続され、他端が接地に接続された、ノーマリーオフ型のMOSトランジスタを備える。インバータ出力回路は、負電圧を検出し、負電圧が負の基準電圧以上の場合には、スイッチ用MOSトランジスタをオフし、一方、負電圧が負の基準電圧未満の場合には、スイッチ用MOSトランジスタをオンする電圧検出回路を備える。【選択図】図1
Description
インバータ出力回路に関する。
従来、モータ制御などに用いられるインバータ出力回路は、出力素子にエンハンスメント型MOSFETなどのノーマリーオフMOSトランジスタが適用される。
近年、このインバータ出力回路には、高効率化のためにON抵抗やスイッチング速度を改良した高電子移動度トランジスタやデプレッション型MOSFETなどのノーマリーオンデバイスが適用されるようになった。
このような出力素子をオフさせるためには、出力素子を構成するノーマリーオンMOSトランジスタのゲートとソースに負電圧を印加する必要がある。
出力素子に十分な負電圧を与えることが可能なインバータ出力回路を提供する。
実施形態に従ったインバータ出力回路は、一端が電源線に接続され、他端が第1ノードに接続された、ノーマリーオン型の第1のMOSトランジスタを備える。インバータ出力回路は、一端が前記第1ノードに接続され、他端が第3ノードに接続された、ノーマリーオン型の第2のMOSトランジスタを備える。インバータ出力回路は、一端が前記電源線に接続され、他端が第2ノードに接続された、ノーマリーオン型の第3のMOSトランジスタを備える。インバータ出力回路は、一端が前記第2ノードに接続され、他端が前記第3ノードに接続された、ノーマリーオン型の第4のMOSトランジスタを備える。インバータ出力回路は、第1の制御信号が供給される入力部、前記第1のMOSトランジスタのゲートに接続された出力部、第1の電源供給ノード、および前記第1のMOSトランジスタの他端に接続された第2の電源供給ノードを有する第1のインバータを備える。インバータ出力回路は、第2の制御信号が供給される入力部、出力が前記第2のMOSトランジスタのゲートに接続された出力部、第3の電源供給ノード、および前記第2のMOSトランジスタの他端に接続された第4の電源供給ノードを有する第2のインバータを備える。インバータ出力回路は、第3の制御信号が供給される入力部、出力が前記第3のMOSトランジスタのゲートに接続された出力部、接地線に接続された第5の電源供給ノード、および第6の電源供給ノードを有する第3のインバータを備える。インバータ出力回路は、第4の制御信号が供給される入力部、出力が前記第4のMOSトランジスタのゲートに接続された出力部、前記接地線に接続された第7の電源供給ノード、および前記第4の電源供給ノードに接続された第8の電源供給ノードを有する第4のインバータを備える。インバータ出力回路は、前記接地線の接地電圧よりも低い負電圧を前記第4および第8の電源供給ノードに供給する接地側チャージポンプを備える。インバータ出力回路は、一端が前記第3ノードに接続され、他端が接地された、ノーマリーオフ型のMOSトランジスタを備える。インバータ出力回路は、前記負電圧を検出し、前記負電圧が負の基準電圧以上の場合には、前記ノーマリーオフ型のMOSトランジスタをオフし、一方、前記負電圧が前記負の基準電圧未満の場合には、前記ノーマリーオフ型のMOSトランジスタをオンするように構成された電圧検出回路を備える。
以下、実施形態について図面に基づいて説明する。
図1は、第1の実施形態に係るインバータ出力回路100の構成の一例を示す回路図である。また、図2は、図1に示すインバータ出力回路100の第1、第2のインバータI1、I2の回路構成の一例を示す回路図である。
図1に示すように、第1の出力端子(ノード)T1と第2の出力端子(ノード)T2との間にモータ(ここでは、単相モータ)Mが接続されている。
そして、インバータ出力回路100は、第1から第4の制御信号S1〜S4に応じて、この単相モータが駆動するように、第1の出力端子T1と第2の出力端子T2から単相モータのコイルに駆動電流を供給する。
このインバータ出力回路100は、例えば、図1に示すように、ノーマリーオン型の第1のMOSトランジスタQ1と、ノーマリーオン型の第2のMOSトランジスタQ2と、ノーマリーオン型の第3のMOSトランジスタQ3と、ノーマリーオン型の第4のMOSトランジスタQ4と、第1のインバータI1と、第2のインバータI2と、第3のインバータI3と、第4のインバータI4と、電源側チャージポンプPaと、接地側チャージポンプPbと、ノーマリーオン型のスイッチ用MOSトランジスタXと、電圧検出回路Vdと、基準電圧生成回路Bと、を備える。
第1のMOSトランジスタQ1は、一端(ドレイン)が電源線VDDに接続され、他端(ソース)が第1の出力端子T1に接続されている。
第2のMOSトランジスタQ2は、一端(ドレイン)が第1の出力端子T1に接続され、他端(ソース)が接続ノードNXに接続されている。
第3のMOSトランジスタQ3は、一端(ドレイン)が電源線VDDに接続され、他端(ソース)が第2の出力端子T2に接続されている。
第4のMOSトランジスタQ4は、一端(ドレイン)が第2の出力端子T2に接続され、他端(ソース)が接続ノードNXに接続されている。
なお、これらの出力素子であるノーマリーオン型の第1から第4のMOSトランジスタQ1〜Q4は、デプレション型MOSトランジスタであり、例えば、GaN等のワイドバンドギャップ半導体を使用して製造される。
第1のインバータI1は、第1の制御信号S1が供給される入力部1aと、第1のMOSトランジスタQ1のゲートに接続された出力部1bとを有する。この第1のインバータI1は、第1の電源供給ノード1cと、第1のMOSトランジスタQ1の他端に接続された第2の電源供給ノード1dと、を有する。
この第1のインバータI1は、例えば、図2(a)に示すように、ソースが第1の電源供給ノード1cに接続され、ドレインが出力部1bに接続され、ゲートが入力部1aに接続されたpMOSトランジスタM1pと、ドレインが第2の電源供給ノード1dに接続され、ソースが出力部1bに接続され、ゲートが入力部1aに接続されたnMOSトランジスタM1nとを有する。
この第1のインバータI1は、入力部1aに入力された信号を反転させて、出力部1bから出力する。
なお、第3のインバータI3も、この図2(a)に示す第1のインバータI1と同様の回路構成を有する。
第2のインバータI2は、第2の制御信号S2が供給された入力部2aと、第2のMOSトランジスタQ2のゲートに接続された出力部2bと、有する。この第2のインバータI2は、第3の電源供給ノード2cと、第2のMOSトランジスタQ2の他端に接続された第4の電源供給ノード2dと、を有する。
この第2のインバータI2は、例えば、図2(b)に示すように、ソースが第3の電源供給ノード2cに接続され、ドレインが出力部2bに接続され、ゲートが入力部2aに接続されたpMOSトランジスタM2pと、ドレインが第4の電源供給ノード2dに接続され、ソースが出力部2bに接続され、ゲートが入力部2aに接続されたnMOSトランジスタM2nとを有する。
この第2のインバータI2は、入力部2aに入力された信号を反転させて、出力部2bから出力する。
なお、第4のインバータI4も、この図2(b)に示す第2のインバータI2と同様の回路構成を有する。
また、第3のインバータI3は、第3の制御信号S3が供給される入力部3aと、第3のMOSトランジスタQ3のゲートに接続された出力部3bと、有する。この第3のインバータI3は、接地線VSSに接続された第5の電源供給ノード3cと、第6の電源供給ノード3dと、を有する。
第4のインバータI4は、第4の制御信号S4が供給される入力部4aと、第4のMOSトランジスタQ4のゲートに接続された出力部4bとを有するる。この第4のインバータI4は、接地線VSSに接続された第7の電源供給ノード4cと、第4の電源供給ノード2dに接続された第8の電源供給ノード4dと、を有する。
電源側チャージポンプPaは、第1の高電圧を第1の電源供給ノード1cに供給するとともに、第1の高電圧よりも低い第1の低電圧を第2の電源供給ノード1dに供給する。さらに、電源側チャージポンプPaは、第2の高電圧を第5の電源供給ノード3cに供給するとともに、第2の高電圧よりも低い第2の低電圧を第6の電源供給ノード3dに供給する。
この電源側チャージポンプPaは、例えば、図1に示すように、第1のチャージ用インバータIaと、第1のチャージ用キャパシタCaxと、第1のチャージ用ダイオードDaxと、第1の電源側ダイオードDa1と、第2の電源側ダイオードDa2と、第1の電源側キャパシタCa1と、第2の電源側キャパシタCa2と、を備える。
第1のチャージ用インバータIaは、第1のクロック信号CLaが入力される。
第1のチャージ用キャパシタCaxは、一端が第1のチャージ用インバータIaの出力に接続されている。
第1のチャージ用ダイオードDaxは、アノードが第1のチャージ用キャパシタCaxの他端に接続され、カソードが電源線VDDに接続されている。
第1の電源側ダイオードDa1は、カソードが第1のチャージ用キャパシタCaxの他端に接続され、アノードが第2の電源供給ノード1dに接続されている。
第2の電源側ダイオードDa2は、カソードが第1のチャージ用キャパシタCaxの他端に接続され、アノードが第6の電源供給ノード3dに接続されている。
第1の電源側キャパシタCa1は、一端が第1の電源供給ノード1cに接続され、他端が第2の電源供給ノード1dに接続されている。
第2の電源側キャパシタCa2は、一端が第5の電源供給ノード3cに接続され、他端が第5の電源供給ノード3cに接続されている。
この電源側チャージポンプPaは、第1のクロック信号CLaに応じて、第1、第2の高電圧を出力するとともに、第1、第2の低電圧を出力する。
接地側チャージポンプPbは、接地線VSSの接地電圧よりも低い負電圧を第4および第8の電源供給ノード4dに供給する。
この接地側チャージポンプPbは、例えば、図1に示すように、第2のチャージ用インバータIbと、第2のチャージ用キャパシタCbxと、第2のチャージ用ダイオードDbxと、接地側ダイオードDb1と、接地側キャパシタCb1と、を備える。
第2のチャージ用インバータIbは、第2のクロック信号CLbが入力される。
第2のチャージ用キャパシタCbxは、一端が第2のチャージ用インバータIbの出力に接続されている。
第2のチャージ用ダイオードDbxは、アノードが第2のチャージ用キャパシタCbxの他端に接続され、カソードが接地線VSSVSSに接続されている。
接地側ダイオードDb1は、カソードが第2のチャージ用キャパシタCbxの他端に接続され、アノードが第4の電源供給ノード2dに接続されている。
接地側キャパシタCb1は、一端が第3の電源供給ノード2cに接続され、他端が第4の電源供給ノード2dに接続されている。
この接地側チャージポンプPbは、第2のクロック信号CLbに応じて、負電圧を出力する。
また、スイッチ用MOSトランジスタXは、一端が接続ノードNXに接続され、他端が接地線VSSに接続されている。
このスイッチ用MOSトランジスタXは、エンハンスメント型MOSトランジスタであり、例えば、GaN等のワイドバンドギャップ半導体を使用して製造される。そして、このスイッチ用MOSトランジスタXは、ノーマリーオン型の第1から第4のMOSトランジスタQ1〜Q4よりも、耐圧が低くなっている。
また、基準電圧生成回路Bは、接地電圧よりも低い負の基準電圧Vrefを生成する。
電圧検出回路Vdは、接地側チャージポンプPbが出力する負電圧を検出するように構成されている。そして、電圧検出回路Vdは、負電圧が負の基準電圧Vref以上の場合には、スイッチ用MOSトランジスタXをオフし、一方、負電圧が負の基準電圧Vref未満の場合には、スイッチ用MOSトランジスタXをオンするように構成されている。
この電圧検出回路Vdは、例えば、図1に示すように、非反転入力端子に基準電圧Vrefが供給され、反転入力端子が第4の電源供給ノード2dに接続され、出力がスイッチ用MOSトランジスタXのゲートに接続されたコンパレータCOMである。
ここで、以上のような構成を有する本実施形態に係るインバータ出力回路100の動作特性について説明する。
既述のように、インバータ出力回路100のスイッチ用MOSトランジスタXは、ノーマリーオフ型のエンハンスメント型MOSトランジスタであり、出力素子である第1から第4のMOSトランジスタQ1〜Q4は、ノーマリーオン型のデプレション型MOSトランジスタである。
例えば、電圧検出回路Vdは、負電圧が負の基準電圧Vref以上の場合には、スイッチ用MOSトランジスタXをオフする。
これにより、出力素子である第2、第4のMOSトランジスタQ2、Q4を駆動するための負電圧が十分な電位でない条件では、これらの出力素子に流れる電流(消費電流)が遮断される。これにより、出力素子の破壊を防ぎ、システムの待機時などの消費電流を低減することができる。
一方、負電圧が負の基準電圧Vref未満の場合には、スイッチ用MOSトランジスタXをオンする。
これにより、出力素子である第2、第4のMOSトランジスタQ2、Q4を駆動するための負電圧が十分な電位である条件では、出力素子に電流が流れる状態になる。すなわち、第1から第4の制御信号S1〜S4に応じて、この単相モータが駆動するように、第1の出力端子T1と第2の出力端子T2から単相モータのコイルに駆動電流を供給可能な状態になる。
以上のように、本実施形態に係るインバータ出力回路によれば、消費電流を低減して、出力素子の破壊を抑制することができる。
図3は、第2の実施形態に係るインバータ出力回路200の構成の一例を示す回路図である。なお、この図3において、図1の符号と同じ符号は、第1の実施形態と同様の構成を示す。
図3に示すように、第1の出力端子(ノード)T1、第2の出力端子(ノード)T2、および、第3の出力端子(ノード)T3の間にモータ(ここでは、3相モータ)Mが接続されている。
そして、インバータ出力回路200は、第1から第6の制御信号S1〜S6に応じて、この3相モータが駆動するように、第1の出力端子T1、第2の出力端子T2、および第3の出力端子T3から3相モータのコイルに駆動電流を供給する。
このインバータ出力回路200は、例えば、図3に示すように、ノーマリーオン型の第1のMOSトランジスタQ1と、ノーマリーオン型の第2のMOSトランジスタQ2と、ノーマリーオン型の第3のMOSトランジスタQ3と、ノーマリーオン型の第4のMOSトランジスタQ4と、ノーマリーオン型の第5のMOSトランジスタQ5と、ノーマリーオン型の第6のMOSトランジスタQ6と、第1のインバータI1と、第2のインバータI2と、第3のインバータI3と、第4のインバータI4と、第5のインバータI5と、第6のインバータI6と、電源側チャージポンプPaと、接地側チャージポンプPbと、ノーマリーオン型のスイッチ用MOSトランジスタXと、電圧検出回路Vdと、基準電圧生成回路Bと、を備える。
すなわち、インバータ出力回路200は、第1の実施形態のインバータ出力回路100と比較して、ノーマリーオン型の第5のMOSトランジスタQ5と、ノーマリーオン型の第6のMOSトランジスタQ6と、第5のインバータI5と、第6のインバータI6と、をさらに備える。
第5のMOSトランジスタQ5は、一端(ドレイン)が電源線VDDに接続され、他端(ソース)が第3の出力端子T3に接続されたている。
第6のMOSトランジスタQ6は、一端(ドレイン)が第3の出力端子T3に接続され、他端が接続ノードNXに接続されている。
また、第5のインバータI5は、第5の制御信号S5が供給される入力部5aと、第5のMOSトランジスタQ5のゲートに接続された出力部5bとを有する。この第5のインバータI5は、電源線VDDに接続された第9の電源供給ノード5cと、第10の電源供給ノード5dと、を有する。
なお、この第5のインバータI5も、この図2(a)に示す第1のインバータI1と同様の回路構成を有する。
第6のインバータI6は、第6の制御信号S6が供給される入力部6aと、第6のMOSトランジスタQ6のゲートに接続された出力部6bと、を有する。この第6のインバータI6は、接地線VSSに接続された第11の電源供給ノード6cと、第4の電源供給ノード2dに接続された第12の電源供給ノード6dを有する。
なお、この第6のインバータI6も、この図2(b)に示す第2のインバータI2と同様の回路構成を有する。
ここで、この電源側チャージポンプPaは、第1の実施形態と比較して、例えば、図3に示すように、第3の電源側ダイオードDa3と、第3の電源側キャパシタCa3と、をさらに備える。
第3の電源側ダイオードDa3は、カソードが第1のチャージ用キャパシタCaxの他端に接続され、アノードが第10の電源供給ノード5dに接続されている。
第3の電源側キャパシタCa3は、一端が第9の電源供給ノード5cに接続され、他端が第10の電源供給ノード5dに接続されている。
すなわち、電源側チャージポンプPaは、第1の実施形態と比較して、さらに、第3の高電圧を第9の電源供給ノード5cに供給するとともに、第3の高電圧よりも低い第3の低電圧を第10の電源供給ノード5dに供給する。
そして、接地側チャージポンプPbは、第1の実施形態と比較して、さらに、負電圧を第12の電源供給ノード6dに供給する。
このインバータ出力回路200のその他の構成・機能は、第1の実施形態のインバータ出力回路100と同様である。
そして、本実施形態に係るインバータ出力回路200の動作特性も、第1の実施形態のインバータ出力回路100と同様である。
例えば、電圧検出回路Vdは、第3の低電圧が負の基準電圧Vref以上の場合には、スイッチ用MOSトランジスタXをオフする。
これにより、出力素子である第2、第4、第6のMOSトランジスタQ2、Q4、Q6を駆動するための負電圧が十分な電位でない条件では、これらの出力素子に流れる電流(消費電流)が遮断される。これにより、出力素子の破壊を防ぎ、システムの待機時などの消費電流を低減することができる。
一方、負電圧が負の基準電圧Vref未満の場合には、スイッチ用MOSトランジスタXをオンする。
これにより、出力素子である第2、第4、第6のMOSトランジスタQ2、Q4、Q6を駆動するための負電圧が十分な電位である条件では、出力素子に電流が流れる状態になる。すなわち、第1から第6の制御信号S1〜S6に応じて、この3相モータが駆動するように、第1の出力端子T1、第2の出力端子T2、および第3の出力端子T3から3相モータのコイルに駆動電流を供給可能な状態になる。
以上のように、本実施形態に係るインバータ出力回路によれば、消費電流を低減して、出力素子の破壊を抑制することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
100、200 インバータ出力回路
Q1 第1のMOSトランジスタ
Q2 第2のMOSトランジスタ
Q3 第3のMOSトランジスタ
Q4 第4のMOSトランジスタ
I1 第1のインバータ
I2 第2のインバータ
I3 第3のインバータ
I4 第4のインバータ
Pa 電源側チャージポンプ
Pb 接地側チャージポンプ
X スイッチ用MOSトランジスタ
Vd 電圧検出回路
B 基準電圧生成回路
Q1 第1のMOSトランジスタ
Q2 第2のMOSトランジスタ
Q3 第3のMOSトランジスタ
Q4 第4のMOSトランジスタ
I1 第1のインバータ
I2 第2のインバータ
I3 第3のインバータ
I4 第4のインバータ
Pa 電源側チャージポンプ
Pb 接地側チャージポンプ
X スイッチ用MOSトランジスタ
Vd 電圧検出回路
B 基準電圧生成回路
Claims (7)
- 一端が電源線に接続され、他端が第1ノードに接続された、ノーマリーオン型の第1のMOSトランジスタと、
一端が前記第1ノードに接続され、他端が第3ノードに接続された、ノーマリーオン型の第2のMOSトランジスタと、
一端が前記電源線に接続され、他端が第2ノードに接続された、ノーマリーオン型の第3のMOSトランジスタと、
一端が前記第2ノードに接続され、他端が前記第3ノードに接続された、ノーマリーオン型の第4のMOSトランジスタと、
第1の制御信号が供給される入力部、前記第1のMOSトランジスタのゲートに接続された出力部、第1の電源供給ノード、および前記第1のMOSトランジスタの他端に接続された第2の電源供給ノードを有する第1のインバータと、
第2の制御信号が供給される入力部、出力が前記第2のMOSトランジスタのゲートに接続された出力部、第3の電源供給ノード、および前記第2のMOSトランジスタの他端に接続された第4の電源供給ノードを有する第2のインバータと、
第3の制御信号が供給される入力部、出力が前記第3のMOSトランジスタのゲートに接続された出力部、接地線に接続された第5の電源供給ノード、および第6の電源供給ノードを有する第3のインバータと、
第4の制御信号が供給される入力部、出力が前記第4のMOSトランジスタのゲートに接続された出力部、前記接地線に接続された第7の電源供給ノード、および前記第4の電源供給ノードに接続された第8の電源供給ノードを有する第4のインバータと、
前記接地線の接地電圧よりも低い負電圧を前記第4および第8の電源供給ノードに供給する接地側チャージポンプと、
一端が前記第3ノードに接続され、他端が接地された、ノーマリーオフ型のMOSトランジスタと、
前記負電圧を検出し、前記負電圧が負の基準電圧以上の場合には、前記ノーマリーオフ型のMOSトランジスタをオフし、一方、前記負電圧が前記負の基準電圧未満の場合には、前記ノーマリーオフ型のMOSトランジスタをオンするように構成された電圧検出回路と、を備えることを特徴とするインバータ出力回路。 - 前記ノーマリーオン型の前記第1から第4のMOSトランジスタは、デプレション型MOSトランジスタであり、
前記ノーマリーオフ型のMOSトランジスタは、エンハンスメント型MOSトランジスタであることを特徴とする請求項1に記載のインバータ出力回路。 - 前記ノーマリーオフ型のMOSトランジスタは、前記ノーマリーオン型の前記第1から第4のMOSトランジスタよりも、耐圧が低いことを特徴とする請求項1に記載のインバータ出力回路。
- 第1の高電圧を前記第1の電源供給ノードに供給するとともに、前記第1の高電圧よりも低い第1の低電圧を前記第2の電源供給ノードに供給し、また、第2の高電圧を前記第5の電源供給ノードに供給するとともに、前記第2の高電圧よりも低い第2の低電圧を前記第6の電源供給ノードに供給する電源側チャージポンプをさらに備え、
前記電源側チャージポンプは、
第1のクロック信号が入力される第1のチャージ用インバータと、
一端が前記第1のチャージ用インバータの出力に接続された第1のチャージ用キャパシタと、
アノードが前記第1のチャージ用キャパシタの他端に接続され、カソードが前記電源線に接続された第1のチャージ用ダイオードと、
カソードが前記第1のチャージ用キャパシタの他端に接続され、アノードが前記第2の電源供給ノードに接続された第1の電源側ダイオードと、
カソードが前記第1のチャージ用キャパシタの他端に接続され、アノードが前記第6の電源供給ノードに接続された第2の電源側ダイオードと、
一端が前記第1の電源供給ノードに接続され、他端が前記第2の電源供給ノードに接続された第1の電源側キャパシタと、
一端が前記第5の電源供給ノードに接続され、他端が前記第5の電源供給ノードに接続された第2の電源側キャパシタと、を備えることを特徴とする請求項1に記載のインバータ出力回路。 - 前記接地側チャージポンプは、
第2のクロック信号が入力される第2のチャージ用インバータと、
一端が前記第2のチャージ用インバータの出力に接続された第2のチャージ用キャパシタと、
アノードが前記第2のチャージ用キャパシタの他端に接続され、カソードが前記接地線に接続された第2のチャージ用ダイオードと、
カソードが前記第2のチャージ用キャパシタの他端に接続され、アノードが前記第4の電源供給ノードに接続された接地側ダイオードと、
一端が前記第3の電源供給ノードに接続され、他端が前記第4の電源供給ノードに接続され接地側キャパシタと、を備えることを特徴とする請求項1に記載のインバータ出力回路。 - 前記電圧検出回路は、
非反転入力端子に前記基準電圧が供給され、反転入力端子が前記第4の電源供給ノードに接続され、出力が前記ノーマリーオフ型のMOSトランジスタのゲートに接続されたコンパレータであることを特徴とする請求項1に記載のインバータ出力回路。 - 前記接地電圧よりも低い前記負の基準電圧を生成する基準電圧生成回路をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載のインバータ出力回路。
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