JP2018128868A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低消費電流と高速応答とを両立させることが可能な電源装置を提供する。【解決手段】一の実施形態によれば、電源装置は、入力電圧に応じた出力電圧を出力する第１トランジスタを備える。前記装置はさらに、第１電圧が印加されるゲートを有する第１および第２素子を含み、前記出力電圧から得られた電圧を増幅して第２電圧を出力し、前記第２電圧に基づいて前記第１トランジスタを制御する第１増幅器と、前記第１電圧が印加されるゲートを有する第２トランジスタとを備える。前記装置はさらに、前記第１増幅器に電流を供給する第１電流源と、前記第２トランジスタを流れる電流に基づいて、前記第１増幅器に電流を供給する第２電流源とを備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電源装置に関する。

電子機器は、集積回路、センサ、ドライバなどのデバイスに適切な電圧を供給するための電源装置を備えることが一般的である。このような電源装置の例として、スイッチングレギュレータやリニアレギュレータが挙げられる。近年、バッテリで駆動される携帯機器に電源装置を適用するケースが増えており、電源装置は低消費電流と高速応答との両立を求められることが多くなっている。

例えば、電源装置の出力電圧を一定に維持するために、出力電圧が低下した場合には、電源装置内の増幅器を流れる電流を増加させる方式が知られている。しかし、この場合には、異常電圧の判定用のしきい値と正常電圧との差電圧を小さく設定すると、誤って増幅器に電流が流れ続ける場合があり、低消費電流の妨げとなる。一方、差電圧を大きく設定すると、出力電圧が正常電圧から大きく外れないと増幅器の電流が増加せず、高速応答の妨げとなる。さらには、出力電圧の低下に応じて、増幅器の電流をどのように増加させるかも問題となる。このように、低消費電流の達成と高速応答の達成は相反する関係にあることから、これらを両立させることが可能な手法が求められている。

特開２０１２−１５５３９５号公報

低消費電流と高速応答とを両立させることが可能な電源装置を提供する。

一の実施形態によれば、電源装置は、入力電圧に応じた出力電圧を出力する第１トランジスタを備える。前記装置はさらに、第１電圧が印加されるゲートを有する第１および第２素子を含み、前記出力電圧から得られた電圧を増幅して第２電圧を出力し、前記第２電圧に基づいて前記第１トランジスタを制御する第１増幅器と、前記第１電圧が印加されるゲートを有する第２トランジスタとを備える。前記装置はさらに、前記第１増幅器に電流を供給する第１電流源と、前記第２トランジスタを流れる電流に基づいて、前記第１増幅器に電流を供給する第２電流源とを備える。

第１実施形態の電源装置の構成を示す回路図である。 第１実施形態の比較例の電源装置の構成を示す回路図である。 第１実施形態の電源装置の動作を説明するための波形図である。 第１実施形態の電源装置の動作を説明するためのさらなる波形図である。 第１実施形態の第１変形例の電源装置の構成を示す回路図である。 第１実施形態の第１変形例の電源装置の動作を説明するための図である。 第１実施形態の第２変形例の電源装置の構成を示す回路図である。 第２実施形態の電源装置の構成を示す回路図である。 第３実施形態の電源装置の構成を示す回路図である。 第３実施形態の変形例の電源装置の構成を示す回路図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の電源装置１の構成を示す回路図である。図１は、電源装置１の例としてリニアレギュレータを示している。

図１の電源装置１は、第１増幅器１０と、第１電流源１２と、第２電流源１４と、参照電流源１６と、電流比較器１８と、第１トランジスタＰｐと、第２トランジスタＰｍと、第１切替器ＳＷ１と、抵抗Ｒｆ、Ｒｓとを備えている。第１トランジスタＰｐと第２トランジスタＰｍは、ここではｐＭＯＳトランジスタである。

図１はさらに、電源装置１の入力端子ＩＮおよび出力端子ＯＵＴと、出力端子ＯＵＴに接続された負荷２およびコンデンサＣ１とを示している。この電源装置１では、入力端子ＩＮと出力端子ＯＵＴとの間の回路構成が１つの半導体チップで実現されている。

第１トランジスタＰｐは、入力電圧Ｖｉｎに応じた出力電圧Ｖｏｕｔを出力する出力トランジスタである。第１トランジスタＰｐのソースは、入力端子ＩＮに接続され、第１トランジスタＰｐのドレインは、出力端子ＯＵＴに接続されている。入力電圧Ｖｉｎは、入力端子ＩＮから第１トランジスタＰｐに入力される。出力電圧Ｖｏｕｔは、第１トランジスタＰｐから出力端子ＯＵＴに出力される。第１トランジスタＰｐは、出力端子ＯＵＴに接続された負荷２に応じて電流を調整し出力する。

抵抗Ｒｆ、Ｒｓは、第１トランジスタＰｐのドレインと接地ノードとの間に直列に接続されている。抵抗Ｒｆ、Ｒｓは、出力電圧Ｖｏｕｔを分圧してフィードバック電圧（帰還電圧）ＶＦＢを生成する。フィードバック電圧ＶＦＢは、抵抗Ｒｆ、Ｒｓ間のノードＦＢから第１増幅器１０に印加される。

第１増幅器１０は、入力された２つの電圧の差電圧を増幅する差動増幅回路であり、ここではトランジスタＮ１、Ｎ２、Ｐ１、Ｐ２を備えている。トランジスタＮ１、Ｎ２は、ｎＭＯＳトランジスタであり、差動入力素子として設けられている。トランジスタＰ１、Ｐ２は、ｐＭＯＳトランジスタであり、能動負荷素子として設けられている。トランジスタＰ１は第１素子の例であり、トランジスタＰ２は第２素子の例である。

トランジスタＰ１、Ｐ２のソースは、いずれも入力端子ＩＮに接続されている。トランジスタＰ１、Ｐ２のドレインは、それぞれトランジスタＮ１、Ｎ２のドレインに接続されている。トランジスタＰ１、Ｐ２のゲートは、互いに接続され、かつトランジスタＰ１のドレインに接続されている。図１は、トランジスタＰ１、Ｐ２のゲートに印加される第１電圧Ｖ１と、トランジスタＰ２のドレインに発生する第２電圧Ｖ２とを示している。

トランジスタＮ１、Ｎ２のソースは、第１電流源１２に接続されており、かつ第１切替器ＳＷ１を介して第２電流源１４に接続可能である。トランジスタＮ１のゲートには、出力電圧Ｖｏｕｔに応じたフィードバック電圧ＶＦＢが印加される。トランジスタＮ２のゲートには、定電圧である参照電圧ＶＲＥＦが印加される。

第１増幅器１０の入力ノードは、トランジスタＮ１、Ｎ２のゲートであり、第１増幅器１０の出力ノードは、トランジスタＮ２のドレインとトランジスタＰ２のドレインとの間に位置する。よって、第１増幅器１０の入力ノードには、フィードバック電圧ＶＦＢと参照電圧ＶＲＥＦが入力され、これらの差電圧が第２電圧Ｖ２へと増幅され、第２電圧Ｖ２が第１増幅器１０の出力ノードから出力される。第２電圧Ｖ２は第１トランジスタＰｐのゲートに印加され、第１トランジスタＰｐの動作が第２電圧Ｖ２により制御される。第１増幅器１０は、フィードバック電圧ＶＦＢと参照電圧ＶＲＥＦが等しくなるように第２電圧Ｖ２を制御する。

第１電流源１２は、第１増幅器１０に流れる電流を供給する定電流源である。第２電流源１４は、第１切替器ＳＷ１がオンのときに、第１増幅器１０に流れる電流を供給する定電流源である。

第２トランジスタＰｍは、トランジスタＰ１、Ｐ２の出力電流をモニタするモニタトランジスタであり、トランジスタＰ１、Ｐ２の出力電流に応じた電流を出力する。第２トランジスタＰｍのソースは、入力端子ＩＮに接続されている。第２トランジスタＰｍのドレインは、電流比較器１８の反転入力端子（−入力端子）に接続されている。第２トランジスタＰｍのゲートは、トランジスタＰ１、Ｐ２のゲートに接続されており、第１電圧Ｖ１が印加される。第２トランジスタＰｍは、トランジスタＰ１、Ｐ２とカレントミラー回路を構成しており、トランジスタＰ１の出力電流やトランジスタＰ２の出力電流に比例した電流を出力する。

参照電流源１６は、しきい値となる定電流である参照電流ＩＲＥＦを、電流比較器１８の非反転入力端子（＋入力端子）に供給する定電流源である。電流比較器１８は、第２トランジスタＰｍの出力電流と参照電流ＩＲＥＦとを比較し、これらの比較結果を示す出力信号を第１切替器ＳＷ１に出力する。

第１切替器ＳＷ１は、この出力信号に基づいて動作し、具体的には、第２トランジスタＰｍの出力電流と参照電流ＩＲＥＦとの比較結果に基づいて、第２電流源１４から第１増幅器１０に電流を供給するか否かを切り替える。例えば、上記出力電流が参照電流ＩＲＥＦよりも大きい場合には、第１切替器ＳＷ１がオフになり、第２電流源１４から第１増幅器１０に電流は供給されない。一方、上記出力電流が参照電流ＩＲＥＦよりも小さい場合には、第１切替器ＳＷ１がオンになり、第２電流源１４から第１増幅器１０に電流が供給される。

本実施形態の電源装置１では、出力電圧Ｖｏｕｔが参照電圧ＶＲＥＦを抵抗Ｒｆと抵抗Ｒｓで逓倍した電圧になるよう帰還経路が働く。よって、電源装置１は、負荷２を流れる電流が変化しても出力電圧Ｖｏｕｔを一定に維持する定電圧回路となる。

本実施形態の電源装置１は、出力電圧Ｖｏｕｔを電圧比較器により異常電圧の判定用のしきい値（参照電圧）と比較するのではなく、第２トランジスタＰｍの出力電流を電流比較器１８によりしきい値（参照電流ＩＲＥＦ）と比較している。

前者の電圧比較の場合には、出力電圧Ｖｏｕｔの変化が小さいため、参照電圧の設定が難しいことが問題となる。例えば、出力電圧Ｖｏｕｔと参照電圧との差電圧を小さく設定すると、誤って第２電流源１４から第１増幅器１０に電流が流れ続ける場合があり、低消費電流の妨げとなる。一方、差電圧を大きく設定すると、出力電圧Ｖｏｕｔが参照電圧から大きく外れないと第２電流源１４から第１増幅器１０に電流が流れず、高速応答の妨げとなる。

このような問題は、後者の電流比較を採用することで解消可能である。理由は、出力電圧Ｖｏｕｔはできるだけ一定に維持する必要があるのに対し、第２トランジスタＰｍの出力電流は一定に維持する必要がないからである。よって、本実施形態では、第２トランジスタＰｍの出力電流と参照電流ＩＲＥＦとを比較する方式を採用することで、参照電流ＩＲＥＦを高い精度で設定することが不要となり、参照電流ＩＲＥＦの設定が容易になっている。よって、本実施形態によれば、電源装置１の低消費電流と高速応答とを両立させることが可能となる。

本実施形態において、第１トランジスタＰｐは出力トランジスタであるため、サイズが大きいのに対し、トランジスタＰ１、Ｐ２はサイズを大きくする必要はない。よって、本実施形態のトランジスタＰ１のサイズやトランジスタＰ２のサイズは、第１トランジスタＰｐのサイズよりも小さく設計されており、第１トランジスタＰｐよりも高速で動作することができる。よって、第２トランジスタＰｍは、第１トランジスタＰｐの出力電流ではなくトランジスタＰ１、Ｐ２の出力電流をモニタすることで、出力電圧Ｖｏｕｔの変化に素早く対処することが可能となる。

一方、第２トランジスタＰｍのサイズは、トランジスタＰ１、Ｐ２のサイズよりも大きくてもよいし、トランジスタＰ１、Ｐ２のサイズよりも小さくてもよい。本実施形態の第２トランジスタＰｍのサイズは、トランジスタＰ１、Ｐ２のサイズの１／２〜１／５程度に設計されている。本実施形態の第２トランジスタＰｍは、第１トランジスタＰｐの出力電流ではなくトランジスタＰ１、Ｐ２の出力電流をモニタするため、このように小型化することができる。

次に、第１実施形態の電源装置１の動作の詳細について説明する。

電源装置１の消費電流を低減するため、第１電流源１２からの電流は微小電流となっている。電源装置１の通常の動作時には、トランジスタＰ１とトランジスタＰ２（またはトランジスタＮ１とトランジスタＮ２）には同じ値の電流が流れる。具体的には、第１電流源１２からの微小電流の半分の値の電流が、トランジスタＰ１とトランジスタＰ２の各々に流れる。

しかし、負荷２が増加した直後は、トランジスタＮ２を流れる電流が増加し、トランジスタＰ２を流れる電流が減少する。そのため、これらの差電流は、第１トランジスタＰｐのゲート寄生容量の電荷を放電して、第１トランジスタＰｐのゲート電圧（すなわち第２電圧Ｖ２）を低下させる働きをする。このゲート電圧が低下すると、第１トランジスタＰｐは、出力電流を増加させるために出力電圧Ｖｏｕｔを上昇させる。このように、トランジスタＰ１、Ｐ２を流れる電流が少ない場合には、第１トランジスタＰｐの出力電流が増加するように帰還回路が働く。

第２トランジスタＰｍは、トランジスタＰ１、Ｐ２を流れる電流をモニタし、電流比較器１８は、第２トランジスタＰｍからの出力電流（以下「駆動電流」と呼ぶ）と参照電流ＩＲＥＦとを比較する。

駆動電流が参照電流ＩＲＥＦを上回る場合には、負荷２が小さいと判断され、第１切替器ＳＷ１がオフのままの低消費電流モードが維持される。この場合、第１電流源１２から第１増幅器１０には微小電流が供給されるものの、第２電流源１４から第１増幅器１０には電流（以下「加算電流」と呼ぶ）が供給されない。そのため、低消費電流モードでは、電源装置１の消費電流を低く抑えることができる。

一方、駆動電流が参照電流ＩＲＥＦを下回る場合には、負荷２が大きいと判断され、第１切替器ＳＷ１がオンになる高速応答モードに移行する。この場合、第１電流源１２から第１増幅器１０に微小電流が供給されると共に、第２電流源１４から第１増幅器１０に加算電流が供給される。そのため、高速応答モードでは、低消費電流モードに比べて第１トランジスタＰｐを高速で制御することができる。

第１トランジスタＰｐのサイズはリニアレギュレータの電流能力を決定するため、数百ミリアンペアの大電流を供給可能なサイズ、場合によっては数アンペアの大電流を供給可能なサイズが求められる。よって、第１トランジスタＰｐがＭＯＳトランジスタの場合、第１トランジスタＰｐのゲートには数十ピコファラドの寄生容量が存在する。そのため、仮に第１トランジスタＰｐのゲート電圧を微小電流だけで生成しようとすると、数十から数百マイクロ秒の時間がかかる。この場合、この遅延時間の間に出力電圧Ｖｏｕｔが負荷電流に応じて大きく変動してしまう。

よって、本実施形態では、第１トランジスタＰｐの出力電流が変化するよりも早い段階で状態が変化するトランジスタＰ１、Ｐ２に注目し、負荷電流の変化に高速で応答可能なリニアレギュレータを実現している。本実施形態のトランジスタＰ１、Ｐ２のサイズは小さく、かつトランジスタＰ１、Ｐ２の付近には第１トランジスタＰｐのような大きな素子も存在しないため、寄生容量によるトランジスタＰ１、Ｐ２の動作遅延は小さい（例えば数マイクロ秒未満）。よって、トランジスタＰ１、Ｐ２の状態をモニタして加算電流を供給することで、負荷電流の変化を素早く検出し、第１トランジスタＰｐのゲート電圧を素早く変化させることが可能となる。すなわち、低消費電流モードから高速応答モードに素早く移行し、出力電圧Ｖｏｕｔの変動を素早く収めることが可能となる。

例えば、負荷２が急激に増加した場合、トランジスタＰ１、Ｐ２を流れる電流は、加算電流の供給前にほぼゼロになる。理由は、負荷２が急激に増加しても負荷電流はすぐには変化しないため、出力電圧Ｖｏｕｔやフィードバック電圧ＶＦＢが低下し、トランジスタＮ１に電流があまり流れなくなり、その結果、トランジスタＰ１、Ｐ２にも電流があまり流れなくなくなるからである。そして、トランジスタＰ１、Ｐ２の電流の減少は、第２トランジスタＰｍが素早く検出できるため、低消費電流モードから高速応答モードに素早く移行することができる。また、本実施形態の加算電流は、負荷電流に比例する値ではなく負荷電流に依存しない一定値であるため、負荷電流が小さくても十分な加算電流を得ることができ、負荷電流が大きくても加算電流が過剰になることを避けることができる。

なお、本実施形態の電源装置１は、第１トランジスタＰｐの出力電流をモニタする回路を備えない簡易型の構成となっている。よって、出力電圧Ｖｏｕｔの変動が収まると、負荷電流の大きさに関わらず低消費電流モードへ戻る。

図２は、第１実施形態の比較例の電源装置１の構成を示す回路図である。

図２の電源装置１は、第１電流源１２、第２電流源１４、参照電流源１６、電流比較器１８、第２トランジスタＰｍ、および第１切替器ＳＷ１を備えておらず、代わりに電流源２０を備えている。

以下、第１実施形態の電源装置１（図１）の動作を、その比較例の電源装置１（図２）の動作と比較しつつ説明する。

図３は、第１実施形態の電源装置１の動作を説明するための波形図である。

図３(ａ)において、曲線Ｃ１は、本実施形態の電源装置１の出力電圧Ｖｏｕｔの時間変化を示し、曲線Ｃ２は、本比較例の電源装置１の出力電圧Ｖｏｕｔの時間変化を示す。曲線Ｃ１、Ｃ２は、負荷２がない状態からある状態に変化した場合の出力電圧Ｖｏｕｔの変化を示している。

本比較例において負荷２が新たに接続されると、負荷電流の増加に伴い一時的に出力電圧Ｖｏｕｔが低下するが、電源装置１の作用により出力電圧Ｖｏｕｔが再び元の値に復帰する（曲線Ｃ２）。

これは、本実施形態でも同様である（曲線Ｃ１）。しかし、本実施形態の出力電圧Ｖｏｕｔの最大変化量は、比較例のそれに比べて１／４程度に改善される。このように、本実施形態によれば、電源装置１の高速応答の特性を向上させることで、出力電圧Ｖｏｕｔの変化を抑制することができる。

図３(ｂ)において、曲線Ｃ３は、本実施形態の電源装置１の出力電圧Ｖｏｕｔの時間変化を示し、曲線Ｃ４は、本比較例の電源装置１の出力電圧Ｖｏｕｔの時間変化を示す。曲線Ｃ３、Ｃ４は、負荷２がある状態からない状態に変化した場合の出力電圧Ｖｏｕｔの時間を示している。曲線Ｃ３、Ｃ４においても、曲線Ｃ１、Ｃ２と同様の現象が見られる。

なお、曲線Ｃ３の波形は、正確には図１の電源装置１ではなく後述する図５の電源装置１により実現される。曲線Ｃ１と曲線Ｃ３との違いについては、後述する。

図４は、第１実施形態の電源装置１の動作を説明するためのさらなる波形図である。

図４(ａ)と図４(ｂ)において、曲線Ｃ５、Ｃ７はそれぞれ、本実施形態のトランジスタＰ１の出力電流と第１トランジスタＰｐのゲート電圧の時間変化を示し、曲線Ｃ６、Ｃ８はそれぞれ、本比較例のトランジスタＰ１の出力電流と第１トランジスタＰｐのゲート電圧の時間変化を示す。曲線Ｃ５〜Ｃ８は、負荷２がない状態からある状態に変化した場合におけるトランジスタＰ１と第１トランジスタＰｐの出力電流とゲート電圧の変化を示している。図４(ｃ)の曲線Ｃ１、Ｃ２は、図３(ｃ)の曲線Ｃ１、Ｃ２と同じものである。

本比較例において負荷２が新たに接続されると、出力電圧Ｖｏｕｔが下がり始める（曲線Ｃ２）。この場合、電源装置１の帰還回路はこれを検知し、第１トランジスタＰｐのゲート電圧を低下させるよう、トランジスタＰ１の出力電流をゼロに減少させる（曲線Ｃ６、Ｃ８）。出力電流がゼロになった結果、ゲート電圧は低下し始めるが、電流源２０からの微小電流により第１トランジスタＰｐのゲートの寄生容量が放電し続けるため、出力電流とゲート電圧が安定化するまでに長い時間がかかっている（曲線Ｃ６、Ｃ８）。

同様に、本実施形態において負荷２が新たに接続されると、出力電圧Ｖｏｕｔが下がり始める（曲線Ｃ１）。この場合、電源装置１の帰還回路はこれを検知し、第１トランジスタＰｐのゲート電圧を低下させるよう、トランジスタＰ１の出力電流をゼロに減少させる（曲線Ｃ５、Ｃ７）。この場合、第１切替器ＳＷ１がオンになり、第２電流源１４からの加算電流により第１トランジスタＰｐのゲートの寄生容量が迅速に放電するため、ゲート電圧が短い時間で安定化している（曲線Ｃ７）。

次に、第１実施形態の第１および第２変形例について説明する。

図５は、第１実施形態の第１変形例の電源装置１の構成を示す回路図である。

本変形例の電源装置１は、参照電流源１６および電流比較器１８の代わりに、参照電圧源２２と、第１電圧比較器２４ａと、第２電圧比較器２４ｂと、抵抗Ｒａ、Ｒｂとを備えている。

抵抗Ｒａ、Ｒｂは、第２トランジスタＰｍのドレインと接地ノードとの間に直列に接続されている。参照電圧源２２は、しきい値となる定電圧である参照電圧ＶＲＥＦ’を、第１電圧比較器２４ａの非反転入力端子と第２電圧比較器２４ｂの反転入力端子とに供給する定電流源である。

第１電圧比較器２４ａの反転入力端子には、第２トランジスタＰｍのドレインと抵抗Ｒａとの間のノードから電圧が供給される。第１電圧比較器２４ａは、この電圧と参照電圧ＶＲＥＦ’とを比較し、これらの比較結果を示す第１出力信号を第１切替器ＳＷ１に出力する。

第２電圧比較器２４ｂの非反転入力端子には、抵抗Ｒａと抵抗Ｒｂとの間のノードから電圧が供給される。第２電圧比較器２４ｂは、この電圧と参照電流ＶＲＥＦ’とを比較し、これらの比較結果を示す第２出力信号を第１切替器ＳＷ１に出力する。

第１切替器ＳＷ１は、第１および第２出力信号に基づいて動作し、具体的には、第１電圧比較器２４ａの比較結果と第２電圧比較器２４ｂの比較結果とに基づいて、第２電流源１４から第１増幅器１０に電流を供給するか否かを切り替える。例えば、第１電圧比較器２４ａの電圧が参照電圧ＶＲＥＦ’よりも高く、かつ第２電圧比較器２４ｂの電圧が参照電圧ＶＲＥＦ’よりも低い場合には、第１切替器ＳＷ１がオフになり、第２電流源１４から第１増幅器１０に電流は供給されない。一方、第１電圧比較器２４ａの電圧が参照電圧ＶＲＥＦ’よりも低く、または第２電圧比較器２４ｂの電圧が参照電圧ＶＲＥＦ’よりも高い場合には、第１切替器ＳＷ１がオンになり、第２電流源１４から第１増幅器１０に電流が供給される。

本変形例によれば、負荷２が急激に増加したときだけでなく、負荷２が急激に減少したときにも、第２電流源１４から第１増幅器１０に加算電流を供給することができ、出力電圧Ｖｏｕｔの変動をより効果的に抑制することができる。なお、第１電圧比較器２４ａの比較結果に基づいて第１切替器ＳＷ１がオンしている間は、第２電圧比較器２４ｂの比較動作を停止することにより、第２電圧比較器２４ｂの誤動作を防ぐことが望ましい。

図６は、第１実施形態の第１変形例の電源装置１の動作を説明するための図である。

図６(ａ)は、図１または図５の電源装置１における負荷２の時間変化の例を示す。図６(ｂ)および図６(ｃ)は、図６(ａ)の場合における加算電流の時間変化の例を示す。

図６(ｂ)では、負荷２が急激に増加したときに加算電流が供給されており、これは図１の電源装置１により実現される。このときの出力電圧Ｖｏｕｔは、図３(ａ)の曲線Ｃ１のように変化する。

一方、図６(ｃ)では、負荷２が急激に増加または減少したときに加算電流が供給されており、これは図５の電源装置１により実現される。このときの出力電圧Ｖｏｕｔは、図３(ａ)の曲線Ｃ１や図３(ｂ)の曲線Ｃ３のように変化する。

符号Ｔ１は、負荷２が急激に増加したときの加算電流の持続期間を示す。符号Ｔ２は、負荷２が急激に減少したときの加算電流の持続期間を示す。本変形例では、これらの持続期間Ｔ１、Ｔ２を延長するための延長回路を、図１または図５の電源装置１に設けてもよい。これにより、第１切替器ＳＷ１のオン／オフ動作が煩雑になることを回避することができるため、帰還回路の安定性を高めることができる。

図７は、第１実施形態の第２変形例の電源装置１の構成を示す回路図である。

図７の電源装置１は、図１の電源装置１に上述の延長回路を設けて構成されている。図７の電源装置１は、延長回路の構成要素として、電流比較器１８と第１切替器ＳＷ１との間に直列に設けられたトランジスタＮ３およびインバータ２６と、接地ノードとノードＸとの間に設けられたキャパシタＣ２と、入力端子ＩＮとノードＸとの間に設けられたプルアップ抵抗Ｒ１とを備えている。ノードＸは、トランジスタＮ３とインバータ２６との間に位置している。トランジスタＮ３は、ここではｎＭＯＳトランジスタであり、電流比較器１８に接続されたゲートを有している。トランジスタＮ３のソースおよびドレインは、インバータ２６と接地ノードとの間に位置している。この延長回路は、加算電流の立ち上がり時間を維持しつつ、加算電流の立ち下がり時間を遅延させることができ、これにより加算電流の持続期間Ｔ１を延長することができる。

なお、この延長回路は、図５の電源装置１に設けられていてもよい。この場合、加算電流の持続期間Ｔ１、Ｔ２を延長することができる。

以上のように、本実施形態の電源装置１は、第２トランジスタＰｍの出力電流と参照電流ＩＲＥＦとを比較し、これらの比較結果に基づいて第２電流源１４から第１増幅器１０に加算電流を供給する。よって、本実施形態によれば、電源装置１の低消費電流と高速応答とを両立させることが可能となる。

また、本実施形態の電源装置１は、第１トランジスタＰｐの出力電流の代わりに、第１トランジスタＰｐよりサイズの小さいトランジスタＰ１、Ｐ２の出力電流をモニタして、電流比較器１８や第１切替器ＳＷ１の動作を制御する。よって、本実施形態によれば、出力電圧Ｖｏｕｔの変化に素早く対処可能な電源装置１を実現することが可能となる。

なお、本実施形態の第１増幅器１０では、トランジスタＮ１、Ｎ２をｐＭＯＳトランジスタに置き換え、かつトランジスタＰ１、Ｐ２をｎＭＯＳトランジスタに置き換えてもよい。この場合、これらのトランジスタのソースおよびドレインの位置関係は、適宜入れ替えが可能である。これは、後述する第２および第３実施形態にも適用可能である。また、上述の第１および第２変形例についても、後述する第２および第３実施形態に適用可能である。

（第２実施形態）
図８は、第２実施形態の電源装置１の構成を示す回路図である。

図８の電源装置１は、図１の参照電流源１６、電流比較器１８、および第２トランジスタＰｍの代わりに、第１参照電流源１６_１と、第２参照電流源１６_２と、第１電流比較器１８_１と、第２電流比較器１８_２と、第２トランジスタＰｍ１と、第３トランジスタＰｍ２とを備えている。第２トランジスタＰｍ１と第３トランジスタＰｍ２は、ここではｐＭＯＳトランジスタである。

第２トランジスタＰｍ１は、第１実施形態の第２トランジスタＰｍと同様に、トランジスタＰ１、Ｐ２の出力電流をモニタするモニタトランジスタであり、トランジスタＰ１、Ｐ２の出力電流に応じた電流を出力する。第２トランジスタＰｍ１のソースは、入力端子ＩＮに接続されている。第２トランジスタＰｍ１のドレインは、第１電流比較器１８_１の反転入力端子に接続されている。第２トランジスタＰｍ１のゲートは、トランジスタＰ１、Ｐ２のゲートに接続されており、第１電圧Ｖ１が印加される。第２トランジスタＰｍ１は、トランジスタＰ１、Ｐ２とカレントミラー回路を構成しており、トランジスタＰ１の出力電流やトランジスタＰ２の出力電流に比例した電流を出力する。

第１参照電流源１６_１は、第１しきい値となる定電流である参照電流ＩＲＥＦ１を、第１電流比較器１８_１の非反転入力端子に供給する定電流源である。第１電流比較器１８_１は、第２トランジスタＰｍ１の出力電流と参照電流ＩＲＥＦ１とを比較し、これらの比較結果を示す第１出力信号を第１切替器ＳＷ１に出力する。

第３トランジスタＰｍ２は、第１トランジスタＰｐの出力電流をモニタするモニタトランジスタであり、第１トランジスタＰｐの出力電流に応じた電流を出力する。第３トランジスタＰｍ２のソースは、入力端子ＩＮに接続されている。第３トランジスタＰｍ２のドレインは、第２電流比較器１８_２の反転入力端子に接続されている。第３トランジスタＰｍ２のゲートは、トランジスタＰ２のドレインに接続されており、第２電圧Ｖ２が印加される。第３トランジスタＰｍ２は、第１トランジスタＰｐとカレントミラー回路を構成しており、第１トランジスタＰｐの出力電流に比例した電流を出力する。

第２参照電流源１６_２は、第２しきい値となる定電流である参照電流ＩＲＥＦ２を、第２電流比較器１８_２の反転入力端子に供給する定電流源である。第２電流比較器１８_２は、第３トランジスタＰｍ２の出力電流と参照電流ＩＲＥＦ２とを比較し、これらの比較結果を示す第２出力信号を第１切替器ＳＷ１に出力する。

第１切替器ＳＷ１は、第１および第２出力信号に基づいて動作し、具体的には、第１電流比較器１８_１の比較結果と第２電流比較器１８_２の比較結果とに基づいて、第２電流源１４から第１増幅器１０に電流を供給するか否かを切り替える。例えば、第１電流比較器１８_１の電流が参照電流ＩＲＥＦ１よりも大きく、かつ第２電流比較器１８_２の電流が参照電流ＩＲＥＦ２よりも小さい場合には、第１切替器ＳＷ１がオフになり、第２電流源１４から第１増幅器１０に電流は供給されない。一方、第１電流比較器１８_１の電流が参照電流ＩＲＥＦ１よりも小さく、または第２電流比較器１８_２の電流が参照電流ＩＲＥＦ２よりも大きい場合には、第１切替器ＳＷ１がオンになり、第２電流源１４から第１増幅器１０に電流が供給される。

次に、第２実施形態の電源装置１の動作の詳細について説明する。

第１実施形態では、高速応答モードで出力電圧Ｖｏｕｔの変動が収まると、負荷電流の大きさに関わらず低消費電流モードへ戻る。一方、本実施形態の電源装置１は第３トランジスタＰｍ２を備えているため、高速応答モードで負荷電流が大きいときには、出力電圧Ｖｏｕｔの変動の大きさに関わらず高速応答モードが維持される。

具体的には、本実施形態の第１切替器ＳＷ１は、上述のように、第１電流比較器１８_１からの第１出力信号と、第２電流比較器１８_２からの第２出力信号とのＯＲ演算結果に基づいて動作する。よって、第２および第３トランジスタＰｍ１、Ｐｍ２のいずれかが加算電流が必要と判断すれば、低消費電流モードから高速応答モードに移行するか、高速応答モードがそのまま維持される。

本実施形態では、第２および第３トランジスタＰｍ１、Ｐｍ２の両方が加算電流は不要と判断すれば、第１増幅器１０が第１電流源１２からの微小電流のみにより動作する。この微小電流の電流値は小さいため、第１増幅器１０が微小電流のみにより動作することで低消費電流を実現できる。

一方、第２および第３トランジスタＰｍ１、Ｐｍ２のいずれかが加算電流が必要と判断すれば、第１増幅器１０は第１および第２電流源１２、１４からの微小電流と加算電流により動作する。すなわち、出力電圧Ｖｏｕｔの変動が大きい場合か、負荷電流が大きい場合かのいずれかであれば、第１増幅器１０が微小電流と加算電流により動作することで高速応答を実現できる。

よって、第２実施形態によれば、第１実施形態よりもさらに効果的に加算電流を活用して、高速応答を促進することが可能となる。一方、第１実施形態によれば、第２実施形態よりもさらに消費電流の低減を促進することが可能となる。

なお、これらの実施形態の高速応答モードでは、電源装置１の帰還動作の遅延時間は短い。理由は、第１トランジスタＰｐのゲート寄生容量が大きい場合でも加算電流が大きいため、ゲート寄生容量の充放電にかかる時間が短くて済むためである。

また、第２トランジスタＰｍ１のサイズについては、第１実施形態の第２トランジスタＰｍのサイズと同様に設計可能である。そのため、第２トランジスタＰｍ１のサイズは、トランジスタＰ１、Ｐ２のサイズよりも大きくてもよいし、トランジスタＰ１、Ｐ２のサイズよりも小さくてもよい。本実施形態の第２トランジスタＰｍ１のサイズは、トランジスタＰ１、Ｐ２のサイズの１／２〜１／５程度に設計されている。本実施形態の第２トランジスタＰｍ１は、第１トランジスタＰｐの出力電流ではなくトランジスタＰ１、Ｐ２の出力電流をモニタするため、このように小型化することができる。

（第３実施形態）
図９は、第３実施形態の電源装置１の構成を示す回路図である。

図９の電源装置１は、図１に示す構成要素に加え、第２増幅器３０と、第３電流源３２と、第４電流源３４と、第２切替器ＳＷ２とを備えている。第２増幅器３０は、第３素子の例であるトランジスタＰ３を備えている。トランジスタＰ３は、ここではｐＭＯＳトランジスタであるが、ｎＭＯＳトランジスタに置き換えてもよい。

第２増幅器３０は、第１増幅器１０から出力された第２電圧Ｖ２を増幅して、第３電圧Ｖ３を出力する回路である。第３電圧Ｖ３は第１トランジスタＰｐのゲートに印加され、第１トランジスタＰｐの動作が第３電圧Ｖ３により制御される。このように、本実施形態の第１トランジスタＰｐの動作は、第２電圧Ｖ２そのものではなく、第２電圧Ｖ２に依存する第３電圧Ｖ３により制御される。

トランジスタＰ３のソースは、入力端子ＩＮに接続されている。トランジスタＰ３のドレインは、第３電流源３２に接続されており、かつ第２切替器ＳＷ２を介して第４電流源３４に接続可能である。トランジスタＰ３のゲートは、トランジスタＰ２のドレインに接続されており、第２電圧Ｖ２が印加される。

第３電流源３２は、第２増幅器３０に流れる電流を供給する定電流源である。第４電流源３４は、第２切替器ＳＷ２がオンのときに、第２増幅器３０に流れる電流を供給する定電流源である。

本実施形態の第２トランジスタＰｍは、トランジスタＰ３の出力電流をモニタするモニタトランジスタであり、トランジスタＰ３の出力電流に応じた電流を出力する。第２トランジスタＰｍのゲートは、トランジスタＰ２のドレインとトランジスタＰ３のゲートとに接続されており、第２電圧Ｖ２が印加される。第２トランジスタＰｍは、トランジスタＰ３とカレントミラー回路を構成しており、トランジスタＰ３の出力電流に比例した電流を出力する。

参照電流源１６は、しきい値となる定電流である参照電流ＩＲＥＦを、電流比較器１８の非反転入力端子に供給する定電流源である。電流比較器１８は、第２トランジスタＰｍの出力電流と参照電流ＩＲＥＦとを比較し、これらの比較結果を示す出力信号を第１および第２切替器ＳＷ１、ＳＷ２に出力する。

第２切替器ＳＷ２は、この出力信号に基づいて動作し、具体的には、第２トランジスタＰｍの出力電流と参照電流ＩＲＥＦとの比較結果に基づいて、第４電流源３４から第２増幅器３０に電流を供給するか否かを切り替える。例えば、上記出力電流が参照電流ＩＲＥＦよりも大きい場合には、第２切替器ＳＷ２がオフになり、第４電流源３４から第２増幅器３０に電流は供給されない。一方、上記出力電流が参照電流ＩＲＥＦよりも小さい場合には、第２切替器ＳＷ２がオンになり、第４電流源３４から第２増幅器３０に電流が供給される。なお、第１切替器ＳＷ１の動作については、第１実施形態と同様である。

次に、第３実施形態の電源装置１の動作の詳細について説明する。

第２増幅器３０は、第１増幅器１０の後段に設けられており、第１および第２増幅器１０、３０はそれぞれ、第１および第２利得段として機能する。第２増幅器３０は、第１増幅器１０の出力電圧（第２電圧Ｖ２）をトランジスタＰ３のゲートで受信し、第２増幅器３０の出力電圧（第３電圧Ｖ３）をトランジスタＰ３のドレインから出力する。第１トランジスタＰｐのゲートは、第３電圧Ｖ３により充電され、その結果、このゲートの電圧が上昇する。

第１トランジスタＰｐのゲートを放電させる、すなわち、このゲートの電圧を低下させる役割を担うのは、第３電流源３２からの微小電流と、第４電流源３４からの加算電流である。第２増幅器３０は、電源装置１の帰還経路の中に位置し、帰還回路の開放利得を増加させる機能を有する。本実施形態によれば、第２増幅器３０により帰還回路の開放利得を増加させることで、出力電圧Ｖｏｕｔ中のノイズを低減したり、入力信号Ｖｉｎ中のノイズから出力信号Ｖｏｕｔへの影響を低減することが可能となる。

なお、トランジスタＰ３のサイズについては、第１実施形態のトランジスタＰ１、Ｐ２のサイズと同様に設計可能である。よって、本実施形態のトランジスタＰ３のサイズは、第１トランジスタＰｐのサイズよりも小さく設計されており、第１トランジスタＰｐよりも高速で動作することができる。よって、本実施形態の第２トランジスタＰｍは、トランジスタＰ３の出力電流をモニタすることで、出力電圧Ｖｏｕｔの変化に素早く対処することが可能となる。

図１０は、第３実施形態の変形例の電源装置１の構成を示す回路図である。

図１０の電源装置１は、図９の電源装置１と同じ構成要素を備えているが、第２トランジスタＰｍのゲートが、トランジスタＰ３のゲートではなく、トランジスタＰ１、Ｐ２のゲートに接続されている。よって、本変形例の第２トランジスタＰｍは、第１実施形態と同様に、トランジスタＰ１、Ｐ２の出力電流をモニタするモニタトランジスタであり、トランジスタＰ１、Ｐ２の出力電流に応じた電流を出力する。本変形例の第２トランジスタＰｍのゲートには、第１電圧Ｖ１が印加される。また、本変形例の電流比較器１８では、非反転入力端子が参照電流源１６に接続され、反転入力端子が第２トランジスタＰｍに接続されている。

以上のように、本実施形態の電源装置１は、第１増幅器１０の後段に第２増幅器３０を備えている。よって、本実施形態によれば、入力信号Ｖｉｎおよび出力信号Ｖｏｕｔに関するオフセットやノイズの問題を抑制することが可能となる。

なお、図９の構成や図１０の構成は、第１実施形態だけでなく、第２実施形態にも適用可能である。

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規な装置は、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明した装置の形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。

１：電源装置、２：負荷、
１０：第１増幅器、１２：第１電流源、１４：第２電流源、
１６：参照電流源、１６_１：第１参照電流源、１６_２：第２参照電流源、
１８：電流比較器、１８_１：第１電流比較器、１８_２：第２電流比較器、
２０：電流源、２２：第１参照電圧源、
２４ａ：第１電圧比較器、２４ｂ：第２電圧比較器、２６：インバータ、
３０：第２増幅器、３２：第３電流源、３４：第４電流源、
Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３：トランジスタ、Ｐｐ：第１トランジスタ、
Ｐｍ、Ｐｍ１：第２トランジスタ、Ｐｍ２：第３トランジスタ、
ＳＷ１：第１切替器、ＳＷ２：第２切替器、Ｒ１：プルアップ抵抗、
Ｒｆ、Ｒｓ、Ｒａ、Ｒｂ：抵抗、Ｃ１、Ｃ２：コンデンサ

Claims (10)

1. 入力電圧に応じた出力電圧を出力する第１トランジスタと、
   第１電圧が印加されるゲートを有する第１および第２素子を含み、前記出力電圧から得られた電圧を増幅して第２電圧を出力し、前記第２電圧に基づいて前記第１トランジスタを制御する第１増幅器と、
   前記第１電圧が印加されるゲートを有する第２トランジスタと、
   前記第１増幅器に電流を供給する第１電流源と、
   前記第２トランジスタを流れる電流に基づいて、前記第１増幅器に電流を供給する第２電流源と、
   を備える電源装置。
2. 前記第２トランジスタは、前記第１素子を流れる電流および前記第２素子を流れる電流をモニタする、請求項１に記載の電源装置。
3. 前記第２トランジスタを流れる電流または前記第２トランジスタから出力される電圧としきい値との比較結果に基づいて、前記第２電流源から前記第１増幅器に電流を供給するか否かを切り替える第１切替器をさらに備える、請求項１または２に記載の電源装置。
4. 前記第２トランジスタを流れる電流または前記第２トランジスタから出力される電圧と前記しきい値とを比較する電流比較器または電圧比較器をさらに備え、
   前記第１切替器は、前記電流比較器または前記電圧比較器の出力信号に基づいて動作する、請求項３に記載の電源装置。
5. 前記第２電圧が印加されるゲートを有する第３トランジスタをさらに備え、
   前記第２電流源は、前記第２トランジスタを流れる電流と前記第３トランジスタを流れる電流とに基づいて、前記第１増幅器に電流を供給する、請求項１から４のいずれか１項に記載の電源装置。
6. 入力電圧に応じた出力電圧を出力する第１トランジスタと、
   第１電圧が印加されるゲートを有する第１および第２素子を含み、前記出力電圧から得られた電圧を増幅して第２電圧を出力する第１増幅器と、
   前記第２電圧が印加されるゲートを有する第３素子を含み、前記第２電圧を増幅して第３電圧を出力し、前記第３電圧に基づいて前記第１トランジスタを制御する第２増幅器と、
   前記第２電圧が印加されるゲートを有する第２トランジスタと、
   前記第１増幅器に電流を供給する第１電流源と、
   前記第２トランジスタを流れる電流に基づいて、前記第１増幅器に電流を供給する第２電流源と、
   を備える電源装置。
7. 入力電圧に応じた出力電圧を出力する第１トランジスタと、
   第１電圧が印加されるゲートを有する第１および第２素子を含み、前記出力電圧から得られた電圧を増幅して第２電圧を出力する第１増幅器と、
   前記第２電圧が印加されるゲートを有する第３素子を含み、前記第２電圧を増幅して第３電圧を出力し、前記第３電圧に基づいて前記第１トランジスタを制御する第２増幅器と、
   前記第１電圧が印加されるゲートを有する第２トランジスタと、
   前記第１増幅器に電流を供給する第１電流源と、
   前記第２トランジスタを流れる電流に基づいて、前記第１増幅器に電流を供給する第２電流源と、
   を備える電源装置。
8. 前記第２トランジスタを流れる電流としきい値との比較結果に基づいて、前記第２電流源から前記第１増幅器に電流を供給するか否かを切り替える第１切替器をさらに備える、請求項６または７に記載の電源装置。
9. 前記第２増幅器に電流を供給する第３電流源と、
   前記第２トランジスタを流れる電流に基づいて、前記第２増幅器に電流を供給する第４電流源と、
   をさらに備える請求項６から８のいずれか１項に記載の電源装置。
10. 前記第２トランジスタを流れる電流としきい値との比較結果に基づいて、前記第４電流源から前記第２増幅器に電流を供給するか否かを切り替える第２切替器をさらに備える、請求項９に記載の電源装置。

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