JP3554123B2 - 定電圧回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は定電圧回路に関し、特に電界効果トランジスタを用いた定電圧回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のバイポーラトランジスタを用いた定電圧回路を図4に示す。トランジスタQ17とQ18によりカレントミラー回路が構成されており、トランジスタQ18のエミッタ側に抵抗R6が接続される。トランジスタQ17のベース・エミッタ間の電圧をVF17とし、トランジスタQ18のベース・エミッタ間の電圧をVF18とする。例えば、トランジスタQ17の能力が1倍で、トランジスタQ18の能力が10倍である。定常状態では、トランジスタQ17を流れる電流I6と、トランジスタQ18を流れる電流I7の大きさが等しくなるように抵抗R6を設定する。抵抗R6に与えられる電圧は次式で表される。
【0003】
【数1】
【0004】
但し、VT=kT/q(k:ボルツマン定数、T:絶対温度、q:電子の電荷量)である。また、ISはトランジスタQ17の飽和電流である。これにより、抵抗R6に流れる電流I7’は近似的に次式で表される。
【0005】
【数2】
【0006】
トランジスタQ16及びQ19の能力が1倍であるとき、電流I7と同じ大きさの電流I8が抵抗R7及びダイオードD5に流れる。ダイオードD5の順方向電圧をVF5で表すと、電圧Voutは次式で表される。
【0007】
【数3】
【0008】
電圧Voutは抵抗R6、R7の比とトランジスタQ17とQ18の能力の比で決定される。尚、起動回路16は起動時にトランジスタQ17、Q18をオンするために電流を供給する回路である。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の定電圧回路はバイポーラトランジスタで構成されており、電界効果トランジスタで同じ回路を構成することができなかった。
【0010】
本発明は上記課題を解決するために、電界効果トランジスタで構成された定電圧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】
上記の目的を達成するため、本発明の第1の構成では、電界効果トランジスタのソース又はドレインに第1の抵抗と第2の抵抗と第1のダイオードを直列に接続し、前記ソース又はドレインに更に第3の抵抗及び第2のダイオードを直列となるように接続し、前記第1及び第2の抵抗の接続中点と、前記第3の抵抗と前記第2のダイオードの接続中点との電圧を比較する比較手段を設け、前記比較手段より出力される比較結果を前記電界効果トランジスタのゲートに印加するとともに、起動電流を流す起動回路を前記ソース又はドレインに接続して前記ソース又はドレインに生じる電圧を出力電圧としている。
【0012】
このような構成では、起動回路により起動電流が定電圧回路に流れる。起動時のようにトランジスタがオフしている場合、この起動電流により比較手段にオフセットが与えられる。このオフセットをコンパレータ等の比較手段で比較し、比較結果をトランジスタのゲートに印加する。これにより、トランジスタがオンする。一旦トランジスタがオンすると、定電圧回路は帰還制御により定電圧を出力する。
【0013】
また、本発明の第2の構成では、電界効果トランジスタのソース又はドレインに第1の抵抗と第2の抵抗と第1のダイオードを直列に接続し、前記ソース又はドレインに更に第3の抵抗及び第2のダイオードを直列となるように接続し、前記第1及び第2の抵抗の接続中点と、前記第3の抵抗と前記第2のダイオードの接続中点との電圧を比較する比較手段を設け、前記比較手段より出力される比較結果を前記電界効果トランジスタのゲートに印加するとともに、前記比較手段の出力側にプリドライバ回路を設け、定電圧回路に印加する電源電圧が所定の電圧以下のときに、前記プリドライバ回路で前記電界効果トランジスタをオンさせるようにしている。
【0014】
このような構成によると、起動時のように電源電圧が低いとき、定電圧回路は例えばプリドライバ回路の能力バランスによって電解効果トランジスタをオンさせる。これにより、帰還制御が正常に行われるようになるので定電圧回路の動作が不安定になりにくい。
【0015】
【発明の実施の形態】
<第1の実施形態>
本発明の第1の実施形態について図1を用いて説明する。図1は本実施形態の定電圧回路の回路図である。nチャネル型のMOS(metal−oxide−semiconductor)電界効果トランジスタQ1により、後述するように電圧Voutが一定に保持される。トランジスタQ1のソース側から順に抵抗R2及び抵抗R1とダイオードD1が直列に接続される。更に並列にトランジスタQ1のソース側に抵抗R3及びダイオードD2が直列となるように接続される。
【0016】
抵抗R2と抵抗R1との接続点及び抵抗R3とダイオードD2との接続点は、それぞれコンパレータ回路1の反転入力(−)及び非反転入力(+)にそれぞれ接続されている。また、ダイオードD1及びD2はダイオード構成に接続されたトランジスタにより形成されている。
【0017】
抵抗R2及びR3の抵抗値は等しい。電圧Voutが定電圧回路より出力したい設定値であるときに、電流I1とI2が等しくなるように抵抗R1が設定されている。そのとき、コンパレータ回路1の反転入力(−)の電圧VAと非反転入力(+)の電圧VBが等しくなる。コンパレータ回路1で電圧VAとVBを比較した結果をプリドライバ回路2でトランジスタQ1のゲートに印加することにより、帰還制御する。
【0018】
ダイオードD1の順方向電圧をVF1とし、ダイオードD2の順方向電圧をVF2とする。例えば、ダイオードD1の能力がダイオードD2の能力の10倍であれば、抵抗R1の両端に与えられる電圧は次式で与えられる。
【0019】
【数4】
【0020】
これにより、抵抗R1に流れる電流I1が次式で表される。
【0021】
【数5】
【0022】
定常状態ではI1=I2なので、電圧Voutは次式で表される。
【0023】
【数6】
【0024】
このように、電圧VoutはダイオードD1及びD2の能力の比と、抵抗R1、R2の比によって決定される。尚、ダイオードD1とD2の能力は電圧Voutの設定値に応じて適当に設定することができる。
【0025】
電圧Voutが設定値よりも低くなった場合、電流I1及びI2が小さくなる。順方向電圧VF1及びVF2は電流の変化に対して変動が小さく、一方、抵抗R1による電圧降下は電流I1に比例するため、電圧VAがVBよりも低くなる。これにより、コンパレータ回路1はハイレベル側に比較結果を出力し、プリドライバ回路2によりトランジスタQ1を更にオンする。これにより、電圧Voutが設定値に保持される。電圧Voutが設定値よりも高くなった場合においても、同様に帰還制御により設定値に保持される。
【0026】
起動回路17は抵抗R4から成る。もし起動回路17がない場合、電源電圧Vddが初めて印加された起動時にトランジスタQ1がオフしたままになることがあり、このような場合には電圧Voutは不定となる。
【0027】
起動時には抵抗R4により起動電流I3を流すことによってトランジスタQ1がオフ状態でも電圧VAがVBよりも小さくなるように、オフセットが与えられる。コンパレータ回路1でこのオフセットを比較することにより、トランジスタQ1をオンする。これにより、電圧Voutが設定値に保持される。ところで、起動電流I3が余りにも大きいと、帰還制御を行っても電圧VAがVBに対して高くなったままの状態となってしまう。そのため、起動電流I3は次式のように制限される。
I3<2×I1(但し、I1は定常状態での電流である)
【0028】
これにより、電源投入時や瞬断時等の動作環境においても、定電圧回路の動作が安定する。
【0029】
基準電圧源として定電圧回路が必要となるD/Aコンバータや電圧を検出して出力がセットかリセットかを決めるリセットIC(integrated circuit)等のICに本実施形態の定電圧回路を利用することができる。
【0030】
図1において、Q1をpチャネル型のMOSトランジスタに変更した場合、pチャネル型のMOSトランジスタについてのソースをVddに接続し、ドレインを抵抗R2の側に接続するとともにコンパレータ回路1の反転入力(−)にVBを印加し、非反転入力(+)にVAを印加するようにする。
【0031】
<第2の実施形態>
本発明の第2の実施形態について図2を用いて説明する。図2はMOSで構成した定電圧回路の回路図であり、上記第1の実施形態(図1)と以下に説明する部分以外は同様の構成となっている。定電圧回路は電源電圧VddとグランドレベルVssが与えられることによりトランジスタQ2を帰還制御して設定された電圧Voutを出力する。
【0032】
起動回路12として例えばいくつかのトランジスタを直列接続して抵抗値を数百kΩとする。起動回路12に直接抵抗を設けるよりもトランジスタのオン抵抗を用いた抵抗を設ける方が面積が小さくなる。起動回路12により起動電流I4が流される。抵抗部15はトランジスタQ2のソース側に接続されており、抵抗図1において抵抗R2とR3に対応するものである。
【0033】
そして、抵抗部15に流れる電流は2つに分けられ、一方の電流I5は抵抗R5とダイオードD3に流れ、他方の電流I6はダイオードD4に流れる。ダイオードD3及びD4はダイオード構成に接続されたトランジスタにより形成されている。
【0034】
コンパレータ回路10は主にトランジスタQ8、Q9から成る差動増幅回路であり、抵抗部15と抵抗R5の接続点の電圧VCと、抵抗部15とダイオードD4の接続点の電圧VDを比較する。この差動増幅回路を動作させるため、電源電圧Vdd側にトランジスタQ3と、グランドレベルVss側にトランジスタQ5、Q6から成るカレントミラー回路が設けられている。トランジスタQ9のソース側からプリドライバ回路11に信号が送られる。コンデンサ部13は帰還制御による発振を防止するために設けられている。また、コンデンサ部13にコンデンサを1つだけ設けてもよい。
【0035】
プリドライバ回路11は主にトランジスタQ4とQ7を用いてコンパレータ回路10からの信号によりトランジスタQ2を制御する。トランジスタQ13はダイオードの役割を担っている。プリドライバ回路11はトランジスタQ2を帰還制御することにより電圧Voutを設定値に保持する。尚、トランジスタQ10はトランジスタQ3、Q4を駆動するために設けられており、抵抗部14を介してグランドレベルVssに接続される。
【0036】
起動時にトランジスタQ2がオンしていない場合、起動回路12がないと正常な帰還制御が行われないが、起動回路12からの起動電流I4により抵抗部15を介してダイオードD3、D4にそれぞれ電流I5、I6が流れる。そして、コンパレータ回路10を構成するトランジスタQ8及びQ9の各ゲートに電圧VCとVDの電圧が与えられ、比較されることにより、正常な動作を開始できるようになっている。
【0037】
例えば、ダイオードD3の能力がダイオードD4の能力の10倍であるとすると、電流I5は上記第1の実施形態と同様に次式のように表される。
【0038】
【数7】
【0039】
起動回路12における電流I4の条件は上記第1の実施形態の場合と同様に次式で表される。
I4<2×I5
【0040】
次に、電圧Voutの起動特性を図3に示す。図3は電圧Voutを1.2Vに設定したときの電源電圧Vddと電圧Voutの特性図である。電源電圧Vddが0Vから2V程度まで増大するに従って電圧Voutは直線的に増加する。更に、電源電圧Vddが増大すると、電圧Voutは設定値に保持される。
【0041】
このように電源電圧Vddが低電圧であっても安定して動作し、2V程度の低い電源電圧Vddのときから設定した電圧の出力ができるようになっている。尚、起動回路12には単一のMOSトランジスタや抵抗素子によって形成してもよい。また、抵抗14はMOSトランジスタによるオン抵抗を用いても構わないし、バイアス回路20は他の構成であっても構わない。
【0042】
尚、起動回路12が設けられていない場合には、電源電圧Vddが低電圧の領域ではノイズ等によりトランジスタQ2がオンしなければ帰還制御が行われないので動作が不安定となる。例えば、電源電圧Vddが0Vから3Vまで電圧Voutは不定のままで、電源電圧Vddが3Vになったときに電圧Voutが急に設定値となるような特性を示す。
【0043】
<第3の実施形態>
本発明の第3の実施形態について図2を用いて説明する。本実施形態は回路の簡略化のため起動回路12を省略するとともにプリドライバ回路11のトランジスタ能力を上記第2の実施形態とは異なった設定とした構成である。このような構成では、起動時のようにトランジスタQ2がオンしていない場合、電圧VCとVDは等しくなる場合が多い。トランジスタQ3から電流Iが送られると、トランジスタQ5及びQ6を通過する電流はそれぞれI/2となる。
【0044】
トランジスタQ3、Q4、Q6、Q7の能力をそれぞれQ3、Q4、Q6、Q7で表し、トランジスタQ3を流れる電流がトランジスタQ6、Q7を流れる電流の2倍であることを考慮しながら、トランジスタQ3、Q4、Q6、Q7に次式の条件を満たすように能力比を設定する。
【0045】
【数8】
【0046】
上式に示す関係の各トランジスタの内、トランジスタQ4の能力が大きくなるように設定すれば、トランジスタQ2のゲート電圧VEが起動時でも高くすることができるようになる。これにより、トランジスタQ2がオンするので、正常な帰還制御に推移しやすくなる。このように、起動回路12を設けなくても、比較的低い電源電圧から動作を安定させることができる。尚、その他の部分については上記第2の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【0047】
【発明の効果】
<請求項1の効果>
電界効果トランジスタを使用し、安定に動作する定電圧回路を実現する。特に、起動時のように低電源電圧時においても動作させたいMOSICの基準電圧源としても使用することができる。
【0048】
<請求項2の効果>
起動回路が省略されているため回路が簡略化されているが、例えばプリドライバ回路の能力バランスにより安定した動作に推移しやすくなっている。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態の回路図。
【図2】本発明の第2の実施形態の回路図。
【図3】その電圧Voutの起動特性図。
【図4】従来の定電圧回路の回路図。
【符号の説明】
1 コンパレータ回路
2 プリドライバ回路
12 起動回路
17 起動回路
D1〜D4 ダイオード
R1〜R5 抵抗
Q1〜Q14 MOS電界効果トランジスタ
Claims (2)
- 電界効果トランジスタのソース又はドレインに第1の抵抗と第2の抵抗と第1のダイオードを直列に接続し、前記ソース又はドレインに更に第3の抵抗及び第2のダイオードを直列となるように接続し、前記第1及び第2の抵抗の接続中点と、前記第3の抵抗と前記第2のダイオードの接続中点との電圧を比較する比較手段を設け、前記比較手段より出力される比較結果を前記電界効果トランジスタのゲートに印加するとともに、起動電流を流す起動回路を前記ソース又はドレインに接続して前記ソース又はドレインに生じる電圧を出力電圧としたことを特徴とする定電圧回路。
- 電界効果トランジスタのソース又はドレインに第1の抵抗と第2の抵抗と第1のダイオードを直列に接続し、前記ソース又はドレインに更に第3の抵抗及び第2のダイオードを直列となるように接続し、前記第1及び第2の抵抗の接続中点と、前記第3の抵抗と前記第2のダイオードの接続中点との電圧を比較する比較手段を設け、前記比較手段より出力される比較結果を前記電界効果トランジスタのゲートに印加するとともに、前記比較手段の出力側にプリドライバ回路を設け、定電圧回路に印加する電源電圧が所定の電圧以下のときに、前記プリドライバ回路で前記電界効果トランジスタをオンさせるようにしたことを特徴とする定電圧回路。
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