JP3737096B2 - 出力回路 - Google Patents

Description

この発明は、差動増幅装置などに用いられ、負荷を駆動する出力回路に関するものである。特に低消費電力化に対応したものである。

従来から、増幅器を用いて負荷を駆動する出力回路として、特に低消費電力化を目的としたものが、差動増幅装置などに広く用いられている（例えば、特許文献１を参照）。
以上の出力回路と同様に、低消費電力化を目的とした従来の出力回路について、以下に説明する。

図２は従来の出力回路の回路図である。２００が出力端子で、２０１は負荷を駆動するＰ型トランジスタ、２０２は負荷を駆動するＮ型トランジスタである。
２０３はバイアス回路、２０４はバイアス回路２０３のＮ型トランジスタ、２０５はバイアス回路２０３の抵抗である。

２０６，２０７はＮ型トランジスタで、バイアス回路２０３のＮ型トランジスタ２０４とカレントミラーを構成している。
２０８はドレイン及びゲートがＮ型トランジスタ２０６のドレインに接続されたＰ型トランジスタ、２０９はゲートとソースがＰ型トランジスタ２０８のゲートとソースに共通に接続されたＰ型トランジスタである。

２１０は抵抗で、Ｐ型トランジスタ２０９のドレインとＮ型トランジスタ２０７のドレイン間に接続されている。
２１１は第１の電流源で、Ｐ型トランジスタ２０９のドレインと接地の間に接続されている。

２１２は第２の電流源で、Ｎ型トランジスタ２０７のドレインと接地の間に接続されている。
バイアス回路２０３には、抵抗２０５とＮ型トランジスタ２０４の直列接続回路で決まる一定電流が流れている。Ｎ型トランジスタ２０４とＮ型トランジスタ２０６，２０７は、カレントミラーを構成しており、Ｎ型トランジスタ２０４とのＷ／ＬサイズとＮ型トランジスタ２０６，２０７のＷ／Ｌサイズ比率によってＮ型トランジスタ２０６，２０７に一定電流が流れる。

Ｎ型トランジスタ２０６に流れる電流は、Ｐ型トランジスタ２０８のドレイン電流と等しい。
Ｐ型トランジスタ２０８とＰ型トランジスタ２０９はカレントミラーを構成しており、安定時はＰ型トランジスタ２０８，２０９とＮ型トランジスタ２０６，２０７は等しい電流が流れている。

抵抗２１０には一定電流が流れており、抵抗値で決まる電圧降下が発生しており、駆動トランジスタ２０１，２０２のゲート電圧を設定する。抵抗２１０の値によって駆動トランジスタ２０１，２０２に流れる静止電流値が変化する。

第１，第２の電流源２１１，２１２の電流値を変化させることで抵抗２０５の両端の電圧が変化する。そのため、Ｐ型駆動トランジスタ２０１とＮ型駆動トランジスタ２０２のゲート電圧が変化し、出力電圧Ｖｏが変化する。

従来の出力回路では、差動回路などで構成される電流源を電流源２１１，２１２として使用することで差動増幅回路を構成することができる。
このような従来の出力回路において、消費電流の削減は図３に示すようにＰ型トランジスタ２１３，Ｎ型トランジスタ２１４，Ｐ型トランジスタ２１５，Ｎ型トランジスタ２１６を追加して構成されている。

電流制限用のＰ型トランジスタ２１３は、バイアス回路２０３の抵抗２０５と電源との間に接続されている。プルダウン用のＮ型トランジスタ２１４は、バイアス回路２０３のＮ型トランジスタ２０４のドレインと接地の間に接続されている。プルアップ用のＰ型トランジスタ２１５は、Ｐ型駆動トランジスタ２０１のゲートと電源の間に接続されている。プルダウン用のＮ型トランジスタ２１６は、Ｎ型駆動トランジスタ２０２のゲートと接地の間に接続されている。

トランジスタ２１３〜２１６の各ゲートには、図３に示すようにＳＴＯＰ信号もしくは、ＳＴＯＰ信号の反転であるＮＳＴＯＰ信号が接続されている。
消費電流を削減する場合には、ＳＴＯＰ信号をＨレベルとする。

これによって、バイアス回路２０３の電流制限用Ｐ型トランジスタ２１３がオフ状態となり、バイアス回路２０３に流れる電流が停止する。
プルダウン用Ｎ型トランジスタ２１４のゲートがＨレベルとなることで、２１４のドレインが接地レベルとなる。

プルダウン用Ｎ型トランジスタ２１４のドレインはカレントミラーを構成するＮ型トランジスタ２０６，２０７のゲートと接続されており、Ｎ型トランジスタ２０６，２０７のゲートが接地レベルとなるため、Ｎ型トランジスタ２０６，２０７のドレイン電流は停止する。Ｎ型トランジスタ２０６，２０７と各々接続されているＰ型カレントミラー用トランジスタ２０８，２０９のドレイン電流も停止する。

プルアップ用Ｐ型トランジスタ２１５のゲートがＮＳＴＯＰ信号のためＬレベルとなっている。
そのためＰ型トランジスタ２１５のドレインが電源電圧レベルになり、駆動用Ｐ型トランジスタ２０１のゲートは電源レベルになる。したがって、駆動用Ｐ型トランジスタ２０１のドレイン電流は停止する。

プルダウン用Ｎ型トランジスタ２１６のゲートはＳＴＯＰ信号のため、Ｈレベルとなる。そのため、Ｎ型トランジスタ２１６はオン状態となり、ドレインが接地レベルとなる。したがって、駆動用Ｎ型トランジスタ２０２のゲートが接地レベルとなり、駆動用Ｎ型トランジスタ２０２のドレイン電流が停止する。

ＳＴＯＰ信号がＨレベルとなる際、電流源２１１，２１２の電流を停止する手段をとることで、カレントミラー２０６から２０９への電流の入出力はゼロとなる。電流源２１１，２１２を差動入力回路で構成した場合、差動入力回路のバイアス用回路の電流を停止することで、電流源２１１，２１２の電流を停止することができる。
特開平１０−１４５１５３号公報

しかしながら、図３の従来の出力回路ではプルアップ用トランジスタ２１５のドレインから抵抗２１０を通って、プルダウン用トランジスタ２１６のドレインを通じて電流が貫通するパスが発生し、プルアップ用トランジスタ２１５，プルダウン用トランジスタ２１６のトランジスタサイズに応じて、貫通する電流が大小する。

抵抗２１０に電流が流れることで、抵抗２１０の両端に電圧降下による電位が発生し、駆動用トランジスタ２０１，２０２に貫通電流が流れ、消費電流が完全にゼロにならないという課題がある。

上記課題を解決するために、本発明では抵抗２１０の代わりにＭＯＳトランジスタによるアクティブ抵抗とアクティブ抵抗のゲートを制御するアクティブ抵抗用バイアス電源回路を備えていることを特徴とする。

この本発明によると、アクティブ抵抗用ＭＯＳトランジスタのゲートを制御することでアクティブ抵抗に流れる電流を制限し、消費電流を完全に停止することができる。

以上のように本発明の出力回路によると、ＭＯＳトランジスタによるアクティブ抵抗とアクティブ抵抗のゲートを制御するアクティブ抵抗用バイアス電源回路を備えているため、アクティブ抵抗用ＭＯＳトランジスタのゲートを制御することでアクティブ抵抗に流れる電流を制限し、消費電流を完全に停止することができる。

本発明の出力回路は、駆動用Ｐ型トランジスタと、駆動用Ｎ型トランジスタと、前記駆動用Ｐ型トランジスタと前記駆動用Ｎ型トランジスタの各ゲートの間にドレイン及びソースが各々接続されアクティブ抵抗として機能するＮ型トランジスタと、アクティブ抵抗として機能する前記Ｎ型トランジスタのゲートを接地するためのＮ型トランジスタを備えたことを特徴とする。

以下、本発明の実施の形態を図１に基づいて説明する。
なお、図２，図３と同様の作用を成すものには同一の符号を付けて説明する。
図１に示した出力回路は、図３における抵抗２１０をＮ型トランジスタ１０１に置き換えるとともに、このＮ型トランジスタ１０１のゲートを制御するトランジスタ１０２，１０４，１０５と抵抗１０３が追加されている。

具体的には、Ｎ型トランジスタ１０２のドレイン及びゲートはＮ型トランジスタ１０１のゲートと接続され、Ｎ型トランジスタ１０２のソースは接地されている。
抵抗１０３は一端がＮ型トランジスタ１０２のドレインに接続され、抵抗１０３の他端はＰ型トランジスタ１０４のドレインに接続されている。Ｐ型トランジスタ１０４は、ソースが電源に接続され、ゲートがＳＴＯＰ信号に接続されている。

Ｎ型トランジスタ１０５は、Ｎ型トランジスタ１０１のゲートと接地の間に接続され、ゲートがＳＴＯＰ信号に接続されている。
このように構成したため、次のように動作する。

消費電流を削減する場合には、ＳＴＯＰ信号をＨレベルとする。
ＳＴＯＰ信号をＨレベルとすると、バイアス回路２０３の電流制限用Ｐ型トランジスタ２１３のゲート信号ＳＴＯＰ信号がＨレベルとなることでＰ型トランジスタはオフ状態となり、バイアス回路２０３に流れる電流が停止する。

プルダウン用Ｎ型トランジスタ２１４のゲートがＨレベルとなることで、このＮ型トランジスタ２１４のドレインが接地レベルとなる。Ｎ型トランジスタ２１４のドレインはカレントミラーを構成するトランジスタ２０６，２０７のゲートと接続されており、トランジスタ２０６，２０７のゲートが接地レベルとなるため、トランジスタ２０６，２０７のドレイン電流は停止する。トランジスタ２０６，２０７と各々接続されているＰ型カレントミラー用トランジスタ２０８，２０９のドレイン電流も停止する。

プルアップ用Ｐ型トランジスタ２１５のゲートがＮＳＴＯＰ信号のためＬレベルとなっている。そのため２１５のドレインが電源電圧レベルになり、駆動用Ｐ型トランジスタ２０１のゲートは電源レベルになる。

したがって、駆動用Ｐ型トランジスタ２０１のドレイン電流は停止する。次に、プルダウン用Ｎ型トランジスタ２１６のゲートはＳＴＯＰ信号のためＨレベルとなる。そのため、トランジスタ２１６はオン状態となり、ドレインが接地レベルとなる。したがって、駆動用Ｎ型トランジスタ２０２のゲートが接地レベルとなり、駆動用Ｎ型トランジスタ２０２のドレイン電流が停止する。

Ｐ型トランジスタ１０４のゲートはＳＴＯＰ信号であるため、Ｐ型トランジスタ１０４はカットオフしている。そのため、抵抗１０３、Ｎ型トランジスタ１０２に流れる電流は停止する。

Ｎ型トランジスタ１０１のゲートと接続されているＮ型トランジスタ１０５のゲートはＳＴＯＰ信号であり、ＨレベルとなるとＮ型トランジスタ１０１のゲートはＮ型トランジスタ１０５を通じて接地レベルとなる。

このことで、Ｎ型トランジスタ１０１はカットオフ状態となり、Ｐ型トランジスタ２０９、Ｎ型トランジスタ１０１、Ｎ型トランジスタ２０７を通じて流れる電流の経路、およびプルアップ用Ｐ型トランジスタ２１５、Ｎ型トランジスタ１０１、プルダウン用Ｎ型トランジスタ２１６を通じて流れる電流経路がなくなるため、従来例のような貫通電流のパスは発生しない。

なお、上記の実施の形態では、アクティブ抵抗をＮ型トランジスタとして動作を説明したが、Ｎ型トランジスタ１０１の代わりにＰ型トランジスタを用い、電流を低減する場合はそのＰ型トランジスタのゲートを電源にプルアップする手段を用いることで同様の低電流化を図ることができる。

本発明の出力回路は、ＭＯＳトランジスタによるアクティブ抵抗とアクティブ抵抗のゲートを制御するアクティブ抵抗用バイアス電源回路を備えており、アクティブ抵抗用ＭＯＳトランジスタのゲートを制御することでアクティブ抵抗に流れる電流を制限し、消費電流を完全に停止することが可能であるので、低消費電力化を目的とする負荷を駆動する出力回路に有用である。

本発明の出力回路の回路図 従来の出力回路の回路図 従来の別の出力回路の回路図

符号の説明

２０１ 駆動用Ｐ型トランジスタ
２０２ 駆動用Ｎ型トランジスタ
２０３ バイアス回路
１０１ アクティブ抵抗用Ｎ型トランジスタ
１０５ Ｎ型トランジスタ
２１１ 第１の定電流源
２１２ 第２の定電流源

Claims (7)

1. 駆動用Ｐ型トランジスタと、
   駆動用Ｎ型トランジスタと、
   前記駆動用Ｐ型トランジスタと前記駆動用Ｎ型トランジスタの各ゲートの間に設けられたＭＯＳトランジスタによるアクティブ抵抗と、
   入力信号に応じて、前記駆動用Ｐ型トランジスタのゲートを前記駆動用Ｐ型トランジスタのドレイン電流が停止するよう固定するプルアップ用トランジスタと、
   前記入力信号に応じて、前記駆動用Ｎ型トランジスタのゲートを前記駆動用Ｎ型トランジスタのドレイン電流が停止するよう固定するプルダウン用トランジスタと、
   前記入力信号に応じて、前記アクティブ抵抗のゲートを前記アクティブ抵抗を流れる電流が停止するよう制御するバイアス電源回路とを備えたことを特徴とする出力回路。
2. 前記アクティブ抵抗はＮ型トランジスタで構成され、前記バイアス電源回路は前記入力信号に応じて、前記アクティブ抵抗のゲートを接地に接続することを特徴とする請求項１に記載の出力回路。
3. 前記バイアス電源回路はＮ型トランジスタを含み、ゲートに入力される前記入力信号に応じて、前記アクティブ抵抗のゲートを接地に接続することを特徴とする請求項２に記載の出力回路。
4. 前記アクティブ抵抗はＰ型トランジスタで構成され、前記バイアス電源回路は前記入力信号に応じて、前記アクティブ抵抗のゲートを電源に接続することを特徴とする請求項１に記載の出力回路。
5. 前記バイアス電源回路はＰ型トランジスタを含み、ゲートに入力される前記入力信号の反転信号に応じて、前記アクティブ抵抗のゲートを電源に接続することを特徴とする請求項４に記載の出力回路。
6. 前記プルアップ用トランジスタはＰ型トランジスタで構成され、ゲートに入力される前記入力信号の反転信号に応じて、前記駆動用Ｐ型トランジスタのゲートを電源に接続することを特徴とする請求項１に記載の出力回路。
7. 前記プルダウン用トランジスタはＮ型トランジスタで構成され、ゲートに入力される前記入力信号に応じて、前記駆動用Ｎ型トランジスタのゲートを接地に接続することを特徴とする請求項１に記載の出力回路。

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