JP3415221B2 - 電流増幅回路 - Google Patents

電流増幅回路

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JP3415221B2 JP26539493A JP26539493A JP3415221B2 JP 3415221 B2 JP3415221 B2 JP 3415221B2 JP 26539493 A JP26539493 A JP 26539493A JP 26539493 A JP26539493 A JP 26539493A JP 3415221 B2 JP3415221 B2 JP 3415221B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、カレントミラー回路
を用いた電流スイッチによる電流増幅回路に関し、特に
スイッチコントロール電流を大幅に低減できるようにし
た電流増幅回路に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、カレントミラー回路を用いた電流
スイッチによる電流増幅回路としては、図6に示すよう
な構成のものが知られている(青木英彦著「アナログI
Cの機能回路設計入門」,CQ出版社発行,第169 〜17
0 頁参照)。図6において、Q11〜Q13はNPNトラン
ジスタで、カレントミラー回路を構成しており、それぞ
れのエミッタとGND間には抵抗R11〜R13が接続され
ている。そしてトランジスタQ11のコレクタとベースは
電流源Iinに接続されている。トランジスタQ13のエミ
ッタには、同じくカレントミラー回路を構成しているP
NPトランジスタQ14,Q15の中のトランジスタQ14の
コレクタが接続されている。トランジスタQ14,Q15に
は、それぞれエミッタと電源VCCとの間に抵抗R14,R
15が接続され、トランジスタQ15のコレクタとベースは
コントロール電流源IC に接続されている。そしてトラ
ンジスタQ12,Q13のコレクタより出力電流IOUT1,I
OUT2がそれぞれ出力されるようになっている。
【0003】このように構成された電流増幅回路は、2
つの出力電流IOUT1,IOUT2を取り出し、その中、一方
の出力電流IOUT2をON/OFFするものである。次
に、その動作態様について説明する。抵抗R11,R12,
R13の各抵抗値R11,R12,R13が等しいとすると、ま
ず、コントロール電流源IC が0のときは、トランジス
タQ14はOFFしているので、トランジスタQ11〜Q13
は通常のカレントミラー動作を行い、IOUT1=IOUT2
inとなる。すなわち、出力電流IOUT2はONとなる。
次に出力電流IOUT2をOFFする場合は、コントロール
電流源IC をONとし、それによって流れるトランジス
タQ14のコレクタ電流により、トランジスタQ13のベー
ス・エミッタ間電圧VBEQ13 を0.4V以下にすることに
よって可能となる。
【0004】トランジスタQ13のベース電位VBQ13は、
次式(1)で表される。 VBQ13=Iin・R11+VBEQ11 ・・・・・(1) ここで、VBEQ11 はトランジスタQ11のベース・エミッ
タ間電圧を表している。コントロール電流源IC をON
し、トランジスタQ13のエミッタ電位VEQ13をベース電
位VBQ13以上とすればよいので、次式(2),(3)が
成立する。なお、通常、トランジスタはベース・エミッ
タ間電圧VBE=0.4V位からOFFするが、ここでは確
実にOFFするVBE=0として説明を行う。 VEQ13=IC ・R13 ・・・・・(2) VBQ13≦VEQ13 ・・・・・(3) ここで、IC はコントロール電流源IC の電流値を表し
ている。上記(1),(2)式に(3)式を代入する
と、次式(4),(5)が得られる。 Iin・R11+VBEQ11 ≦IC ・R13 ・・・・・(4) IC ≧(Iin・R11+VBEQ11 )/R13 ・・・・・(5) 上記(5)式を満足するように、コントロール電流源I
C を設定することにより、出力電流IOUT2をOFFする
ことができる。
【0005】次に、上記電流増幅回路の応用例を図7に
基づいて説明する。この応用例は、カレントミラー電流
スイッチを複数並べて構成した電流増幅回路である。図
7において、Q21〜Q24はNPNトランジスタでカレン
トミラー回路を構成しており、それぞれのエミッタとG
ND間には抵抗R21〜R24が接続されている。トランジ
スタQ21のコレクタとベースは電流源Iinに接続されて
おり、トランジスタQ22〜Q24の各エミッタはそれぞれ
スイッチSW1〜SW3の一端に接続されて、各コレク
タは出力端子OUTに接続されている。スイッチSW1
〜SW3の他端は、それぞれコントロール電流源IC1
C2,IC3に接続されている。
【0006】この電流増幅回路は、各スイッチSW1〜
SW3のON/OFFにより、入力電流Iinを増幅する
もので、例えば、各トランジスタQ21〜Q24のエミッタ
サイズの比を次式(6)のように設定し、抵抗R21〜R
24の抵抗値R21〜R24の比を次式(7)のように設定す
る。 Q21:Q22:Q23:Q24=1:1:2:4 ・・・・・(6) R21:R22:R23:R24=1:1:1/2:1/4 ・・・・・(7) このように設定すると、トランジスタQ22をOFFする
には、次式(8)を満足するように、コントロール電流
源IC1を設定すればよい。 IC1≧(Iin・R21+VBEQ22 )/R22 ≧Iin+VBEQ22 /R21 ・・・・・(8) 同様に、トランジスタQ23,Q24をOFFするには、そ
れぞれ次式(9),(10)を満足するようにコントロー
ル電流源IC2,IC3を設定すればよい。 IC2≧(Iin・R21+VBEQ23 )/R23 ≧2・Iin+2・VBEQ23 /R21 ・・・・・(9) IC3≧(Iin・R21+VBEQ24 )/R24 ≧4・Iin+4・VBEQ24 /R21 ・・・・・(10)
【0007】このような条件で、コントロール電流源I
C1,IC2,IC3を設定し、スイッチSW1〜SW3を全
てONすると、トランジスタQ22〜Q24は全てOFF
し、出力電流IOUT =0となる。次に、スイッチSW1
のみをOFFすると、トランジスタQ22はONし、I
OUT =Iinとなる。スイッチSW2をOFFし、スイッ
チSW1,SW3をONすると、トランジスタQ23はO
Nし、IOUT =2・Iinとなる。またスイッチSW1,
SW2をOFFし、スイッチSW3をONすると、トラ
ンジスタQ22,Q23はONし、IOUT =3・Iinとな
る。このように各スイッチSW1〜SW3をON/OF
Fすることにより、IOUT =0からIOUT =7・Iin
で、入力電流を可変増幅することができる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の電流増幅回路においては、その回路構成上、コント
ロール電流IC を多く流す必要があるという問題点があ
る。すなわち、図6に示した従来例では、コントロール
電流IC は(5)式を満足する必要がある。ここで、R
11=R13とすると、(5)式は次式(11)のように表さ
れる。 IC ≧Iin+VBEQ11 /R13 ・・・・・(11) 上記(11)式より、コントロール電流IC は入力電流I
inより必ず大になり、多くのコントロール電流を流す必
要があることがわかる。また、抵抗R13の値R13が小さ
い場合、更に大なるコントロール電流を流す必要があ
る。
【0009】また図7に示した従来例では、コントロー
ル電流IC1〜IC3は、それぞれ(8)式〜(10)式を満
足する必要がある。(8)式〜(10)式よりコントロー
ル電流の合計IC(all)は、次式(12)で表される。 IC(all)=IC1+IC2+IC3=7・Iin+7・VBE/R21 ・・・・・(12) この(12)式からわかるように、入力電流Iinに対し
て、コントロール電流を大幅に流す必要がある。
【0010】本発明は、従来の電流増幅回路における上
記問題点を解消するためになされたもので、コントロー
ル電流が入力電流や出力電流に影響されず、且つ大幅に
低減できるようにした電流増幅回路を提供することを目
的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段及び作用】上記問題点を解
決するため、本発明は、コレクタとベースを、一端を一
方の電源に接続した入力電流源の他端に接続した第1の
極性の第1のトランジスタと、エミッタを該第1のトラ
ンジスタのエミッタに、コレクタとベースを他方の電源
にそれぞれ接続した第2の極性の第2のトランジスタと
からなるカレントミラー回路の入力部と、ベースを前記
第1のトランジスタのベースに、コレクタを出力端子に
それぞれ接続した第1の極性の第3のトランジスタと、
エミッタを該第3のトランジスタのエミッタに、コレク
タを他方の電源にそれぞれ接続した第2の極性の第4の
トランジスタとからなるカレントミラー回路の出力部
と、一端を一方の電源に接続したコントロール電流源
と、該電流源の他端に一端を接続したスイッチと、一端
を該スイッチの他端と前記第4のトランジスタのベース
に接続し他端を他方の電源に接続した抵抗とからなる電
流スイッチコントロール部とで電流増幅回路を構成する
ものである。
【0012】このように構成した電流増幅回路において
は、出力電流をON/OFFさせるコントロール電流
は、電流スイッチコントロール部を構成している抵抗の
抵抗値のみに依存して設定される。したがってコントロ
ール電流は、入力電流や出力電流に影響されず、また上
記抵抗値を適切に設定することにより、入力電流よりも
大幅に低減することが可能となる。
【0013】
【実施例】次に実施例について説明する。図1は、本発
明に係る電流増幅回路の基本的な第1の実施例を示す回
路構成図である。図1において、Q1,Q2はカレント
ミラー回路を構成しているNPNトランジスタで、カレ
ントミラー回路の入力部側のトランジスタQ1のコレク
タ及びベースは、一端を電源VCCに接続した入力電流源
1の他端に接続され、エミッタはトランジスタQ3のエ
ミッタに接続されており、トランジスタQ3のコレクタ
とベースはGNDに接続されている。カレントミラー回
路の出力部側のトランジスタQ2のコレクタは出力端子
3に接続され、ベースはトランジスタQ1のベースとコ
レクタに接続され、エミッタはNPNトランジスタQ4
のエミッタに接続されており、トランジスタQ4のコレ
クタはGNDに接続され、ベースは、他端がGNDに接
続された抵抗R1とスイッチSW1の一端に接続されて
おり、スイッチSW1の他端は一端を電源VCCに接続し
たコントロール電流源2の他端に接続されている。
【0014】次に、このように構成された電流増幅回路
の動作について説明する。まずスイッチSW1がOFF
時には、トランジスタQ3及びQ4はダイオードとして
働き、トランジスタQ1及びQ2のエミッタ電位は等し
くなる。これによりトランジスタQ1及びQ2は通常の
カレントミラー動作を行い、入力電流Iinと出力電流I
OUT は等しくなる。すなわち、出力電流はONとなる。
【0015】次に、出力電流IOUT をOFFする場合
は、スイッチSW1をONし、それによって流れるコン
トロール電流IC により抵抗R1に電圧降下が生じるこ
とで可能となる。トランジスタQ1のベース電位VBQ1
は、次式(13)で表される。 VBQ1 =VBEQ1+VBEQ3≒2VBE=1.4V ・・・・・(13) ここで、VBEQ1,VBEQ3はトランジスタQ1,Q3のベ
ース・エミッタ間電圧で、ほぼ等しいものとしてVBE
表している。なおVBEは完全な動作状態では0.7V程度
である。
【0016】出力電流IOUT をOFFさせるには、トラ
ンジスタQ2及びトランジスタQ4のベース・エミッタ
間電圧VBEを0.4V以下にすることで可能となる。なお
通常、トランジスタではVBEが0.4V以下でOFFする
が、ここでは従来例で説明したと同様に、VBE=0Vと
して説明を行うこととする。上記(13)式より、トラン
ジスタQ2がOFFするためのコントロール電流I
C は、次式(14)で表される。 IC ≧(VBQ1 −2VBEOFF )/R1 ・・・・・(14) なお、VBEOFF はトランジスタをOFFさせるためのベ
ース・エミッタ間電圧、R1 は抵抗R1の抵抗値を表し
ている。ここで、VBEOFF =0Vとすると、次式(15)
が得られる。 IC ≧1.4/R1 ・・・・・(15) 上記(15)式を満たすようにコントロール電流IC を設
定することにより、出力電流IOUT をOFFすることが
できる。そして(15)式から、コントロール電流IC
抵抗R1の抵抗値R1 のみで決めることができることが
わかる。すなわち、入力電流Iinが増加しても影響を受
けず、抵抗R1の抵抗値R1 を適切に設計することによ
って、コントロール電流IC を入力電流Iinより大幅に
低減することができ、低消費電流の電流増幅回路を実現
することができる。
【0017】次に第2実施例について説明する。図2
は、第2実施例を示す回路構成図で、図1に示した第1
実施例と同一構成要素には同一符号を付して、その説明
を省略する。この実施例は、図1に示した第1実施例の
電流増幅回路において、トランジスタQ3のベースとG
ND間に抵抗R2を接続して構成したものである。図1
に示した第1実施例では、トランジスタQ4のベース電
流を無視して説明を行ったが、コントロール電流IC
小さくするには、(15)式からわかるように、抵抗R1
の値R1 を大きくする必要がある。このため、カレント
ミラー回路がON状態では、抵抗R1にトランジスタQ
4のベース電流IBQ4 が流れ、トランジスタQ4のベー
ス電位が上昇し、それによりトランジスタQ1とQ2の
エミッタ電位に差が生じて、誤差が発生する。
【0018】これに対して、本実施例においては、トラ
ンジスタQ3のベースに抵抗R2を接続しており、した
がって、トランジスタQ1,Q2のエミッタ電位
EQ1 ,VEQ2 は、それぞれ次式(16),(17)で表さ
れる。 VEQ1 =VBEQ3+R2 ・IBQ3 ・・・・・(16) VEQ2 =VBEQ4+R1 ・IBQ4 ・・・・・(17) ここで、R1 =R2 とすると、トランジスタQ1,Q2
のエミッタ電位の差はなくなり、より精度のよい電流増
幅回路が実現できる。なお、本実施例において、出力電
流IOUT をOFFする場合は、第1実施例と同様に、ス
イッチSW1をONして(15)式を満たすように設定し
たコントロール電流IC を流すことにより、実現でき
る。
【0019】次に、第3実施例について説明する。この
実施例はカレントミラー回路の出力部と電流スイッチコ
ントロール部とからなるカレントミラー電流スイッチ部
を、カレントミラー回路の入力部に対して複数並べて構
成したものである。図3において、Q1,Q2,Q5,
Q6はNPNトランジスタで、カレントミラー回路を構
成しており、各エミッタには、それぞれ、PNPトラン
ジスタQ3,Q4,Q7,Q8のエミッタが接続されて
いる。カレントミラー回路の入力部側のトランジスタQ
1のコレクタとベースは一端を電源VCCに接続した入力
電流源1の他端に接続され、カレントミラー回路の出力
部側のトランジスタQ2,Q5,Q6の各コレクタは共
通に出力端子3に接続されている。
【0020】トランジスタQ3のベースは他端がGND
に接続された抵抗R2の一端に接続され、トランジスタ
Q4のベースは他端がGNDに接続された抵抗R1とス
イッチSW1の一端に接続され、トランジスタQ7のベ
ースは他端がGNDに接続された抵抗R3とスイッチS
W2の一端に接続され、トランジスタQ8のベースは他
端がGNDに接続された抵抗R4とスイッチSW3の一
端に接続されており、またトランジスタQ3,Q4,Q
7,Q8の各コレクタはGNDに接続されている。そし
て、スイッチSW1,SW2,SW3の他端は、それぞ
れ、一端を電源VCCに接続したコントロール電流源2-
1,2-2,2-3の他端に接続されている。
【0021】次に、このように構成された電流増幅回路
の動作について説明する。トランジスタQ1,Q2,Q
5,Q6のエミッタサイズの比を、Q1:Q2:Q5:
Q6=1:1:2:4とし、トランジスタQ3,Q4,
Q7,Q8のエミッタサイズの比を、Q3:Q4:Q
7:Q8=1:1:2:4とすると、トランジスタQ2
をOFFするには、次式(18)を満足するように、コン
トロール電流源2-1のコントロール電流IC1を設定すれ
ばよい。 IC1≧1.4/R1 ・・・・・(18) また、同様にトランジスタQ5,Q6をOFFするに
は、それぞれ次式(19),(20)を満足するように、コ
ントロール電流源2-2,2-3のコントロール電流IC2
C3を設定すればよい。 IC2≧1.4/R3 ・・・・・(19) IC3≧1.4/R4 ・・・・・(20)
【0022】このような条件で、各コントロール電流を
設定して、各スイッチSW1〜SW3を全てONする
と、トランジスタQ2,Q5,Q6はOFFし、出力電
流IOUT は0となる。次に、スイッチSW1のみをOF
Fすると、トランジスタQ2はONし、IOUT =Iin
なる。またスイッチSW2をOFFし、スイッチSW
1,SW3をONすると、トランジスタQ5はONし、
OUT =2Iinとなる。同様に、SW1,SW2をOF
Fし、スイッチSW3をONすると、トランジスタQ
2,Q5はONし、IOUT =3Iinとなる。このよう
に、各スイッチSW1〜SW3をON/OFFすること
により、出力電流IOUT は0から7Iinまで可変増幅す
ることができる。
【0023】そして、上記(18)〜(20)式より、本実
施例におけるコントロール電流の合計IC(all)は、R1
=R2 =R3 =R4 とすると、次式(21)で表される。 IC(all)=4.2/R1 ・・・・・(21) 上記(21)式よりコントロール電流の合計IC(all)は、
抵抗R1〜R4の抵抗値R1 〜R4 で決めることがで
き、入力電流Iinに影響されないことがわかる。
【0024】ここで、実際に数値を代入して、この実施
例と図7に示した従来例とを比較すると、次のようにな
る。すなわち、従来例のコントロール電流の合計I
C(all)は、R21=5kΩとすると、(12)式より次のよ
うに表される。 IC(all)=7Iin+7VBE/R21 ≒7Iin+7×0.7V/5kΩ =7Iin+ 980μA ここで、Iin= 100μAとすると、次式(22)で表され
るIC(all)が必要となる。 IC(all)=7× 100μA+ 980μA =1.68mA ・・・・・(22)
【0025】一方、本実施例では、R1 =50kΩとする
と、(21)式より、コントロール電流の合計IC(all)
次式(23)のようになる。 IC(all)=4.2/R1 = 0.084mA ・・・・・(23) 上記(22),(23)式からわかるように、本実施例にお
いて必要となるコントロール電流の合計は、従来例に比
べ大幅に減少させることができる。本実施例において
は、入力電流Iinが更に増加したり、抵抗R1〜R4の
値を大きくすれば、従来例と比較した効果が更に大きく
なることがわかる。
【0026】本実施例において、(21)式で示したコン
トロール電流の合計IC(all)を求めるに際しては、R1
=R2 =R3 =R4 という条件を設定したが、カレント
ミラーの通常動作時の精度を考慮した場合、トランジス
タQ7,Q8のベース電流による抵抗R3,R4の電圧
降下の誤差をなくすためには、これらの抵抗比は次式
(24)に示すように設定することにより実現できる。 R1 :R2 :R3 :R4 =1:1:1/2:1/4 ・・・・・(24) 上記(24)式を、(18)〜(20)式に代入して、コント
ロール電流の合計を求めると、次式(25)のようにな
る。 IC(all)=IC1+IC2+IC3 =1.4/R1 +2.8/R1 +5.6/R1 =9.8/R1 ・・・・・(25) ここで、R1 =50kΩとすると、IC(all)は次式(26)
のようになる。 IC(all)=9.8/R1 = 0.196mA ・・・・・(26) 上記(22)式と(26)式を比較しても、本実施例はI
C(all)を大幅に減少させることができることがわかる。
【0027】上記各実施例で示したカレントミラー回路
の形式は一例であり、他の形式のカレントミラー回路に
対しても本発明は適用でき、有効である。また図4及び
図5は、それぞれ図2及び図3に示した実施例における
トランジスタの極性を反対とし、更に電源とGNDとに
対して逆に接続して構成した電流増幅回路であり、動作
はそれぞれ図2及び図3に示した実施例と同様であり、
同様の効果が得られる。なお、図4及び図5において
は、図2及び図3に示した実施例の構成要素に対応する
部材には全てダッシュを付して示している。
【0028】
【発明の効果】以上実施例に基づいて説明したように、
本発明によれば、コントロール電流が入力電流に影響さ
れず且つ大幅に低減することができ、低消費電流化を図
った電流増幅回路を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る電流増幅回路の第1の基本的な実
施例を示す回路構成図である。
【図2】本発明の第2の実施例を示す回路構成図であ
る。
【図3】本発明の第3の実施例を示す回路構成図であ
る。
【図4】図2に示した実施例の変形例を示す回路構成図
である。
【図5】図3に示した実施例の変形例を示す回路構成図
である。
【図6】従来の電流増幅回路の構成例を示す回路構成図
である。
【図7】従来の電流増幅回路の他の構成例を示す回路構
成図である。
【符号の説明】
1 入力電源 2,2-1,2-2,2-3 コントロール電流源 3 出力端子 Q1,Q2,Q5,Q6 NPNトランジスタ Q3,Q4,Q7,Q8 PNPトランジスタ SW1,SW2,SW3 スイッチ

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 コレクタとベースを、一端を一方の電源
    に接続した入力電流源の他端に接続した第1の極性の第
    1のトランジスタと、エミッタを該第1のトランジスタ
    のエミッタに、コレクタとベースを他方の電源にそれぞ
    れ接続した第2の極性の第2のトランジスタとからなる
    カレントミラー回路の入力部と、ベースを前記第1のト
    ランジスタのベースに、コレクタを出力端子にそれぞれ
    接続した第1の極性の第3のトランジスタと、エミッタ
    を該第3のトランジスタのエミッタに、コレクタを他方
    の電源にそれぞれ接続した第2の極性の第4のトランジ
    スタとからなるカレントミラー回路の出力部と、一端を
    一方の電源に接続したコントロール電流源と、該電流源
    の他端に一端を接続したスイッチと、一端を該スイッチ
    の他端と前記第4のトランジスタのベースに接続し他端
    を他方の電源に接続した抵抗とからなる電流スイッチコ
    ントロール部とを備えていることを特徴とする電流増幅
    回路。
  2. 【請求項2】 前記第2のトランジスタのベースと他方
    の電源との間に抵抗を設けたことを特徴とする請求項1
    記載の電流増幅回路。
  3. 【請求項3】 前記カレントミラー回路の入力部に対し
    て、前記カレントミラー回路の出力部及び電流スイッチ
    コントロール部を複数個設けたことを特徴とする請求項
    1又は2記載の電流増幅回路。
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