JP2016143238A - ローパスフィルタ回路及び電源装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】雑音除去能力が高く、安定的に高速に出力が起動するローパスフィルタ回路、及び、電源装置を提供する。【解決手段】出力端子に接続された容量素子と、入力端子と出力端子の間に接続された抵抗回路を備え、抵抗回路は、入力端子と出力端子の間に接続された第一のＭＯＳトランジスタと、入力端子が第一入力端子に接続され、出力端子が第二入力端子に接続され、第一のＭＯＳトランジスタのゲートが出力端子に接続され、ローパスフィルタ回路の時定数を制御するアンプと、を備えたローパスフィルタ回路。【選択図】図１

Description

本発明は、ローパスフィルタ回路、及び、ローパスフィルタを備えた電源装置に関する。
従来のローパスフィルタ回路について説明する。図９は、従来のローパスフィルタ回路を備えた電源装置の回路図である。
従来のローパスフィルタ回路を備えた電源装置は、帰還回路２０３と、誤差増幅回路２０４と、基準電圧源２０５と、出力トランジスタ２０６と、抵抗２１１と、容量２１２と、ＮＭＯＳトランジスタ２１３と、で構成されている。
基準電圧源２０５が出力する第一の基準電圧Ｖ１は、抵抗２１１と容量２１２とＮＭＯＳトランジスタ２１３で形成されたローパスフィルタによって高周波雑音を除去された第二の基準電圧Ｖ２に変換される。帰還回路２０３は、定電圧出力端子の電圧Ｖｏを分圧して帰還電圧Ｖｆｂを出力する。誤差増幅回路２０４は、非反転入力端子に第二の基準電圧Ｖ２が入力され、反転入力端子に帰還電圧Ｖｆｂが入力され、第二の基準電圧Ｖ２と帰還電圧Ｖｆｂが一致するように出力トランジスタ２０６を制御する。このような構成により、電源出力端子には第二の基準電圧Ｖ２に基いた低雑音な電圧が出力される。
また、制御電圧ＶｏｎはＮＭＯＳトランジスタ２１３の制御端子に入力され、制御電圧Ｖｏｎが高くトランジスタ２１３がオン状態のとき、ローパスフィルタの時定数が小さくなるため、ローパスフィルタの出力電圧である第二の基準電圧Ｖ２は高速に起動する。一方、制御電圧Ｖｏｎが低くトランジスタ２１３がオフ状態のとき、ローパスフィルタの時定数が大きくなるため、ローパスフィルタの雑音除去能力が高くなる。制御電圧Ｖｏｎは例えば特許文献１の図２に記載されている制御回路によって生成される。
このように制御電圧Ｖｏｎを用いてローパスフィルタの時定数を切り替えることで、起動が高速で出力電圧が低雑音な電源装置が実現可能となる。
特開平８−１６２５９号公報
しかしながら、従来の技術では、制御回路の遅延回路を構成する素子の特性ばらつきや、電源ノイズに起因した制御回路の誤動作などがあった場合、時定数切替信号の論理が所望のタイミングより早く切り替わってしまうことでローパスフィルタの時定数が大きくなり、出力電圧の起動が低速になるという課題があった。特に、基準電圧の雑音除去能力を高めるためにローパスフィルタのカットオフ周波数を低く設定している場合に、その課題は顕著になる。また、起動した後であってもローパスフィルタ回路の出力電圧に過渡的に大きな変動が生じた場合、時定数が大きいために出力電圧の復帰が低速になるという課題があった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされ、制御回路の特性ばらつきや誤動作に依存せず安定的に、且つ、高速に出力が起動するローパスフィルタ回路、及び、ローパスフィルタを備えた電源装置を提供する。
従来の課題を解決するため、本発明のローパスフィルタ回路は以下のような構成とした。
出力端子に接続された容量素子と、入力端子と出力端子の間に接続された抵抗回路を備え、抵抗回路は、入力端子と出力端子の間に接続された第一のＭＯＳトランジスタと、入力端子が第一入力端子に接続され、出力端子が第二入力端子に接続され、第一のＭＯＳトランジスタのゲートが出力端子に接続され、ローパスフィルタ回路の時定数を制御するアンプと、を備えたローパスフィルタ回路。
本発明の回路構成を用いれば、ローパスフィルタ回路の出力電圧の起動は制御回路の特性ばらつきや誤動作の影響を受けないため、カットオフ周波数の低い場合であっても安定的に、且つ、高速に出力が起動するローパスフィルタ回路が得られる。また、本発明の回路構成を用いれば、起動後にローパスフィルタ回路の出力電圧に大きな変動が発生しても、安定的に高速に出力を復帰させることが可能となる。
第一の実施形態のローパスフィルタを示す回路図である。 第二の実施形態のローパスフィルタを示す回路図である。 第三の実施形態のローパスフィルタを示す回路図である。 第四の実施形態のローパスフィルタを示す回路図である。 第五の実施形態のローパスフィルタを示す回路図である。 第六の実施形態のローパスフィルタを示す回路図である。 第七の実施形態のローパスフィルタを示す回路図である。 本発明のローパスフィルタ回路を備えた電源装置を示す回路図である。 従来のローパスフィルタ回路を備えた電源装置を示す回路図である。
図１は、第一の実施形態のローパスフィルタを示す回路図である。
本実施形態のローパスフィルタ回路は、抵抗回路１１ａと、容量素子１２と、入力端子１と、出力端子２を備えている。抵抗回路１１ａは、ＭＯＳトランジスタ１３と、アンプ１４と、端子３と、端子４を備えている。
抵抗回路１１ａは、端子３が入力端子１に接続され、端子４が出力端子２に接続される。容量１２は、一方の端子が端子４に接続され、他方の端子は基準端子１００に接続される。ＭＯＳトランジスタ１３は、ソースが端子３に接続され、ドレインが端子４に接続され、ゲートがアンプ１４の出力に接続される。アンプ１４は、反転入力端子が端子３に接続され、非反転入力端子が端子４に接続される。
次に、本実施形態のローパスフィルタ回路の動作について説明する。
ローパスフィルタ回路の起動時、即ち、入力端子１に所定の電圧信号が入力された時、入力端子１の電圧Ｖ１より出力端子２の電圧Ｖ２の方が低いため、アンプ１４はＭＯＳトランジスタ１３のオン抵抗が小さくなるようＭＯＳトランジスタ１３のゲート電圧を制御する。その結果、起動時はＭＯＳトランジスタ１３と容量素子１２で形成されるローパスフィルタ回路の時定数は小さくなるため、出力端子電圧Ｖ２は高速に起動する。
起動後、即ち、出力端子電圧Ｖ２が立ち上がって入力端子電圧Ｖ１と近づくと、アンプ１４はＭＯＳトランジスタ１３のオン抵抗が大きくなるようＭＯＳトランジスタ１３のゲート電圧を制御する。その結果、起動後はＭＯＳトランジスタ１３と容量素子１２で形成されるローパスフィルタ回路の時定数は大きくなるため、ローパスフィルタの雑音除去能力が大きくなる。
本実施形態のローパスフィルタ回路では、ローパスフィルタ回路の時定数は入力端子と出力端子の電圧差に基いて制御されるので、他の回路の動作やばらつきに依存せず安定的に、且つ、高速に出力が起動する。また、起動後に出力端子の電圧が降下した場合であっても、同様に出力を復帰させることが可能となる。
尚、抵抗回路１１ａの抵抗値を調整するために、ＭＯＳトランジスタ１３は複数のトランジスタを直列に接続したものや、並列に接続したものに置き換えてもよい。また、ＭＯＳトランジスタ１３のドレインとバックゲート間に存在する寄生ダイオードに順方向電流が流れることでローパスフィルタの出力が不安定となることを防ぐために、ソースとバックゲート間に抵抗を設けてもよい。
図２は、第二の実施形態のローパスフィルタを示す回路図である。
第二の実施形態のローパスフィルタ回路は、ＭＯＳトランジスタ１３とアンプ１４ｂで構成した抵抗回路１１ｂを備えている。アンプ１４ｂは、アンプ１４ｂの出力端子に制御端子が接続されたバイアス電流源を備えている。
本実施形態のローパスフィルタ回路は、第一の実施形態のローパスフィルタと基本的な動作は同様である。
本実施形態のローパスフィルタ回路は、アンプ１４ｂは、バイアス電流がアンプ１４ｂの出力電圧に基いて可変制御される構成である。ＭＯＳトランジスタ１３のオン抵抗が大きくなるよう制御されている時、アンプ１４ｂはバイアス電流を小さくなり、アンプ１４ｂの帯域が狭くなる。従って、ローパスフィルタ回路は、時定数が大きい時にアンプ１４ｂの出力が急速に変動しなくなるため、ローパスフィルタ回路の時定数が大きい状態が維持されやすくなる。
従って、本実施形態のローパスフィルタ回路は、第一の実施形態のローパスフィルタ回路に対してローパスフィルタの動作が安定するという効果が得られる。
図３は、第三の実施形態のローパスフィルタを示す回路図である。
第三の実施形態のローパスフィルタ回路は、ＭＯＳトランジスタ１３とＭＯＳトランジスタ１５とアンプ１４ｂで構成した抵抗回路１１ｂを備えている。ＭＯＳトランジスタ１５は、ゲートがアンプの出力端子に接続され、ソースが端子３に接続され、ドレインとバックゲートがＭＯＳトランジスタ１３のバックゲートに接続される。
本実施形態のローパスフィルタ回路は、第一の実施形態のローパスフィルタと基本的な動作は同様である。
本実施形態のローパスフィルタ回路は、ローパスフィルタの時定数が大きくなるようにアンプ１４がＭＯＳトランジスタ１３のゲートを制御すると、ＭＯＳトランジスタ１５のオン抵抗も同様に大きくなり、ＭＯＳトランジスタ１３はドレインとバックゲート間に存在する寄生ダイオードに順方向電流が流れ難くなる。
従って、本実施形態のローパスフィルタ回路は、第二の実施形態のローパスフィルタ回路と同様に動作が安定するという効果が得られる。
尚、ＭＯＳトランジスタ１３のバックゲートのインピーダンスは高くなるため、より安定に動作させるためにローパスフィルタ回路は以下のように構成しても良い。例えば、ＭＯＳトランジスタ１３は、バックゲートと端子３の間に抵抗を接続する。また例えば、ＭＯＳトランジスタ１３は、バックゲートと基準端子１００との間に容量素子を接続する。
図４は、第四の実施形態のローパスフィルタを示す回路図である。
第四の実施形態のローパスフィルタ回路の抵抗回路１１ｄは、アンプ１４の非反転入力端子と端子４の間に遅延回路１６を備えている。
遅延回路１６は、出力端子ｄｏがアンプ１４の非反転入力端子に接続され、入力端子ｄｉが端子４に接続される。
本実施形態のローパスフィルタ回路は、第一の実施形態のローパスフィルタと基本的な動作は同様である。
本実施形態のローパスフィルタ回路は、出力端子２の電圧Ｖ２の変化に対して遅延回路１６で決まる遅延時間分だけ遅れてアンプ１４の非反転入力端子電圧が変動することにより、ＭＯＳトランジスタ１３のゲートを制御する時間にも遅延が生じる。
従って、遅延回路１６の遅延時間を調整することでローパスフィルタ回路の時定数を切り替えるタイミングを意図的に調整することが可能となり、設計の任意性が高まる。
また、遅延回路１６があることで出力端子電圧Ｖ２の変動に対してローパスフィルタ回路１１ｄの時定数が頻繁に切り替わることを防ぎ、より安定に回路を動作させることが可能となる。
尚、遅延回路１６はアンプ１４の非反転入力端子側に接続されているが、設計意図に応じて反転入力端子側や出力端子側に接続したり、それら複数に接続したり、複数の遅延回路の遅延時間を別々に調整してもよい。
図５は、第五の実施形態のローパスフィルタを示す回路図である。
第五の実施形態のローパスフィルタ回路の抵抗回路１１ｅは、更に電圧発生回路１７を備えている。電圧発生回路１７は、例えば、ダイオード１８と、電流源１９と、を備えている。
ダイオード１８と電流源１９は、端子３と基準端子１００の間に直列に接続され、それらの接続点はアンプ１４の反転入力端子に接続される。
本実施形態のローパスフィルタ回路は、第一の実施形態のローパスフィルタと基本的な動作は同様である。
本実施形態のローパスフィルタ回路は、アンプ１４の反転入力端子の電圧が入力端子１の電圧Ｖ１に対してダイオード１８の両端で発生する電圧分降下した電圧Ｖ１‘となるため、ローパスフィルタの出力端子２の電圧Ｖ２が電圧Ｖ１’に達するとアンプ１４がローパスフィルタの時定数が大きくなるよう制御する。
従って、ローパスフィルタ回路の出力端子４に半導体装置中のリーク電流により負荷電流が発生して入力端子電圧Ｖ１と出力端子電圧Ｖ２が一致しない場合等でも、第一の実施形態のローパスフィルタと同等の効果を発揮することが出来る。
尚、電圧発生回路１７は、電圧Ｖ１よりも低い電圧Ｖ１’を発生すればよく、この回路に限定されない。例えば、ダイオード１８の代わりにポリシリコン抵抗等の抵抗性素子を用いてもよい。
図６は、第六の実施形態のローパスフィルタを示す回路図である。
第六の実施形態のローパスフィルタ回路の抵抗回路１１ｆは、アンプ１４の正極電源端子にダイオード２０を設けてある。
本実施形態のローパスフィルタ回路は、第一の実施形態のローパスフィルタと基本的な動作は同様である。
本実施形態のローパスフィルタ回路は、アンプ１４の正極電源電圧が電圧Ｖ１からダイオード２０の両端に発生する所定の電圧分低い電圧となるため、アンプ１４の出力電圧振幅の上限が低くなるので、ＭＯＳトランジスタ１３のオン抵抗は所定値以上は大きくならない、即ちローパスフィルタの時定数が極端に大きくならない、といった効果がある。
従って、本実施形態のローパスフィルタ回路は、ローパスフィルタの時定数の変化する範囲を狭くすることで、ローパスフィルタの動作の制御が容易となる。
尚、アンプ１４の正極電源端子側にダイオード２０を接続したが、負極電源端子側に接続して、ローパスフィルタの時定数が極端に小さくなることを防ぐ構成としてもよい。また、ダイオード２０の代わりに電圧を発生させる抵抗性素子を用いてもよい。
図７は、第七の実施形態のローパスフィルタを示す回路図である。
第七の実施形態のローパスフィルタ回路の抵抗回路１１ｇは、ＭＯＳトランジスタ１３のゲートとアンプ１４の出力端子の間にバッファ２２を備えている。バッファ２２は、端子３と正極電源端子の間にダイオード２１を接続される。また、アンプ１４の正極電源端子は、電源端子１０１に接続される
本実施形態のローパスフィルタ回路は、第一の実施形態のローパスフィルタと基本的な動作は同様である。
本実施形態のローパスフィルタ回路は、アンプ１４の出力信号がバッファを介してＭＯＳトランジスタ１３のゲートに入力される。従って、アンプの出力が不定状態となるような低い電圧Ｖ１であっても、アンプ１４の出力電圧が不定とならず、ローパスフィルタ回路を安定に動作させることが出来る。
図８は、本発明のローパスフィルタ回路を備えた電源装置を示す回路図である。
図８の電源装置は、基準端子１００と、電源端子１０１と、定電圧出力端子１０２と、帰還回路１０３と、誤差増幅器１０４と、基準電圧源１０５と、出力トランジスタ１０６と、ローパスフィルタ１１０と、を備えている。ローパスフィルタ１１０は、基準電圧源１０５の出力端子と誤差増幅回路１０４の反転入力端子の間に接続されている。
ローパスフィルタ１１０は、基準電圧源１０５の電圧Ｖ１を安定化した電圧Ｖ２に変換する。アンプ１０４は、電圧Ｖ２に基いて定電圧出力端子１０２の電圧を制御するため、低雑音な電圧を出力することが出来る。
また、電源装置は、本発明のローパスフィルタ回路を用いることで、制御回路を構成する素子の特性ばらつきや誤動作の影響を受けずに、安定に且つ高速に出力が起動する。
尚、ローパスフィルタ１１０は第一から第七の実施形態のローパスフィルタの特徴を複数兼ね備えていてもよい。また、複数のフィルタを直列接続してもよく、並列に接続してもよい。
以上説明したように、本発明のローパスフィルタ回路、及び、それを備えた電源装置は、ローパスフィルタ回路の時定数が小さい場合であっても出力電圧の起動や復帰を速くすることが出来る。従って、雑音除去能力が高く、安定的に高速に出力が起動するローパスフィルタ回路、及び、電源装置を提供することが出来る。
１１ 抵抗回路
１６ 遅延回路
１７ 電圧発生回路
１０３ 帰還回路
１０４ 誤差増幅器
１０５ 基準電圧源
１１０ ローパスフィルタ回路

Claims (8)

  1. 入力端子の電圧を所定のカットオフ周波数でカットオフして出力端子に出力するローパスフィルタ回路であって、
    前記出力端子に接続された容量素子と、前記入力端子と前記出力端子の間に接続された抵抗回路と、を備え、
    前記抵抗回路は、
    前記入力端子と前記出力端子の間に接続された第一のＭＯＳトランジスタと、
    前記入力端子が第一入力端子に接続され、前記出力端子が第二入力端子に接続され、前記第一のＭＯＳトランジスタのゲートが出力端子に接続され、前記ローパスフィルタ回路の時定数を制御するアンプと、
    を備えたことを特徴とするローパスフィルタ回路。
  2. 前記抵抗回路は、
    前記アンプの出力端子に制御端子が接続されたバイアス電流源を備え、
    前記バイアス電流源は、前記第一のＭＯＳトランジスタのオン抵抗が大きい時、電流が小さくなる、
    ことを特徴とする請求項１に記載のローパスフィルタ回路。
  3. 前記抵抗回路は、
    ドレインとソースが、前記入力端子と前記第一のＭＯＳトランジスタのバックゲートに接続され、ゲートが前記アンプの出力端子に接続された第二のＭＯＳトランジスタを
    備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のローパスフィルタ回路。
  4. 前記抵抗回路は、
    前記出力端子と前記アンプの第二入力端子の間に遅延回路を
    備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のローパスフィルタ回路。
  5. 前記抵抗回路は、
    前記アンプの第一入力端子に電圧発生回路を
    備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のローパスフィルタ回路。
  6. 前記抵抗回路は、
    前記アンプの正極電源端子にダイオードを
    備えたことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のローパスフィルタ回路。
  7. 前記抵抗回路は、
    前記アンプの出力端子と前記第一のＭＯＳトランジスタのゲートの間にバッファを備え、
    前記バッファの正極電源端子にダイオードを
    備えたことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のローパスフィルタ回路。
  8. 出力端子に接続された帰還回路の電圧と基準電圧源の基準電圧を入力して、出力トランジスタを制御する誤差増幅回路を備え、
    前記基準電圧源と前記誤差増幅回路の入力端子の間に請求項１から７のいずれかに記載のローパスフィルタ回路を設けた
    ことを特徴とする電源装置。
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