JP4233344B2 - レベル変換回路及びレベル変換方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレベル変換回路及びレベル変換方法に関し、特に信号をレベルシフトして出力するレベル変換回路及びレベル変換方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
前段の演算増幅器と後段の演算増幅器の入力レンジに差がある場合、前段の演算増幅器から出力される信号レベルが、後段の演算増幅器の入力レンジに適合するように演算増幅器間にレベル変換回路が挿入される。
【０００３】
図７は、従来のレベル変換回路の回路図である。図に示すようにレベル変換回路は、演算増幅器Ｚ４，Ｚ５、レベルシフト回路３１、電源Ｅ１、抵抗Ｒ７，Ｒ８を有している。
【０００４】
演算増幅器Ｚ４の非反転入力端子には、入力信号Ｖｉｎが入力されている。反転入力端子には、電源Ｅ１から抵抗Ｒ７を介して基準電圧Ｖｒｅｆが入力されている。演算増幅器Ｚ４の出力は、抵抗Ｒ８を介して反転入力端子と接続されている。すなわち、演算増幅器Ｚ４は、基準電圧Ｖｒｅｆを中心に入力信号Ｖｉｎを増幅し、増幅信号Ｖａｍｐを出力する。なお、基準電圧Ｖｒｅｆは、入力信号Ｖｉｎの振幅が最大限に増幅されるよう演算増幅器Ｚ４の入力レンジの、半分の電圧となるようにする。
【０００５】
レベルシフト回路３１は、トランジスタＭ８、電流源Ｉ６を有している。トランジスタＭ８は、ｎチャネルＭＯＳトランジスタである。トランジスタＭ８のゲートは、演算増幅器Ｚ４の出力と接続されている。ドレインは、電源Ｖｄｄと接続されている。ソースは、演算増幅器Ｚ５の非反転入力端子と接続され、さらに、電流源Ｉ６と接続されている。トランジスタＭ８のゲート−ソース間は、ドレイン−ソース間に電流が流れることによって、シフト電圧Ｖｇｓ５が生じる。すなわち、レベルシフト回路３１は、増幅信号Ｖａｍｐをシフト電圧Ｖｇｓ５分レベルシフト（レベルダウン）し、シフト信号Ｖｓｆｔを出力する。なお、レベルシフト回路３１は、シフト信号Ｖｓｆｔの中心電圧が、演算増幅器Ｚ５の入力レンジの、半分の電圧となるようレベルシフトする。
【０００６】
演算増幅器Ｚ５の非反転入力端子は、トランジスタＭ８のソースと接続されている。反転入力端子は、出力と接続されている。すなわち、演算増幅器Ｚ５は、バッファを構成し、出力信号Ｖｏｕｔを出力する。
【０００７】
図８は、図７のレベル変換回路の各部における信号波形を示した図である。図に示す実線は、入力信号Ｖｉｎの波形を示している。点線は、増幅信号Ｖａｍｐの波形を示している。一点鎖線は、シフト信号Ｖｓｆｔの波形を示している。
【０００８】
演算増幅器Ｚ４は、図８に示すように、基準電圧Ｖｒｅｆを中心に入力信号Ｖｉｎを増幅し、増幅信号Ｖａｍｐを出力する。レベルシフト回路３１は、図８に示すように、増幅信号Ｖａｍｐをシフト電圧Ｖｇｓ５分レベルダウンし、シフト信号Ｖｓｆｔを出力する。シフト信号Ｖｓｆｔは、基準電圧Ｖｒｅｆからシフト電圧Ｖｇｓ５分下がった電圧を中心に振れている。
【０００９】
トランジスタＭ８は、周囲の温度変化、または自発熱によって、ゲート−ソース間のシフト電圧Ｖｇｓ５を変動させてしまう。よって、シフト信号Ｖｓｆｔは、温度変化により変動する。
【００１０】
なお、基準電圧を中心に振幅する信号をレベルシフトして出力する回路として、演算増幅器の入力端及び定電圧点間にレベルシフトするための抵抗を具備した回路がある。（例えば、特許文献１参照）。この回路においても、抵抗値が温度変化によって変動すれば、レベルシフトして出力される信号は変動する。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００２−３４４２５８号公報（第２頁−第３頁、第１図）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
このように、温度変化によって、シフト電圧は変動するため、レベルシフトして出力される信号は変動し不安定であるという問題点があった。
【００１３】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、温度変化によるシフト電圧の変動を抑制し、信号を温度変化の影響を受けることなく安定してレベルシフトし出力するレベル変換回路及びレベル変換方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記課題を解決するために、図１に示すような、信号をレベルシフトして出力するレベル変換回路において、入力信号Ｖｉｎを第１の基準電圧Ｖｒｅｆを中心に出力する第１の演算増幅器Ｚ１と、第１の演算増幅器Ｚ１から出力される信号を第２の演算増幅器Ｚ２の入力レンジに適合するようにレベルシフトする第１のレベルシフト回路１１と、第１のレベルシフト回路１１と同じ回路構成の第２のレベルシフト回路１２と、第２のレベルシフト回路１２のシフト電圧Ｖｇｓ２を反転し、入力される第２の基準電圧Ｖｒｍに加算して第１の基準電圧Ｖｒｅｆを出力する第３の演算増幅器Ｚ３と、を有することを特徴とするレベル変換回路が提供される。
【００１５】
このようなレベル変換回路によれば、第１の演算増幅器Ｚ１は、第２のレベルシフト回路１２のシフト電圧Ｖｇｓ２を反転して第２の基準電圧Ｖｒｍに加算した第１の基準電圧Ｖｒｍを中心に入力信号Ｖｉｎを出力する。第１のレベルシフト回路１１は、第１の演算増幅器Ｚ１から出力される信号をレベルシフトする。第１のレベルシフト回路１１と第２のレベルシフト回路１２は同じ回路構成であるので、第１のレベルシフト回路１１によるレベルシフトは、第２のレベルシフト回路１２の反転したシフト電圧Ｖｇｓ２によって打ち消される。これにより、第１のレベルシフト回路１１によってレベルシフトされた信号は、第２の基準電圧Ｖｒｍを中心に振れる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、第１の実施の形態に係るレベル変換回路の回路図である。図に示すように、レベル変換回路は、演算増幅器Ｚ１〜Ｚ３、抵抗Ｒ１〜Ｒ３、コンデンサＣ１、レベルシフト回路１１，１２、ＢＧＲ（バンドギャップリファレンス）回路１３を有している。
【００１７】
演算増幅器Ｚ１の非反転入力端子には、コンデンサＣ１が接続され、入力信号Ｖｉｎが入力されている。反転入力端子には、抵抗Ｒ１が接続され、演算増幅器Ｚ３から出力される基準電圧Ｖｒｅｆが入力されている。非反転入力端子と演算増幅器Ｚ３の出力の間には、抵抗Ｒ３が接続されている。演算増幅器Ｚ１の出力と反転入力端子の間には、抵抗Ｒ２が接続されている。すなわち、演算増幅器Ｚ１は、基準電圧Ｖｒｅｆを中心に入力信号Ｖｉｎを増幅し、増幅信号Ｖａｍｐを出力する。なお、基準電圧Ｖｒｅｆは、入力信号Ｖｉｎの振幅が最大限に増幅されるよう演算増幅器Ｚ１の入力レンジの、半分の電圧となるように設定されている。また、コンデンサＣ１は、ＡＣカップリング用コンデンサ、抵抗Ｒ３は、入力信号Ｖｉｎにかかる負荷抵抗であり、回路構成によっては、演算増幅器Ｚ１の非反転入力端子に接続しなくてもよい。
【００１８】
レベルシフト回路１１は、演算増幅器Ｚ１から出力される増幅信号Ｖａｍｐを演算増幅器Ｚ２の入力レンジに適合するようレベルシフトする回路である。レベルシフト回路１１は、トランジスタＭ１、電流源Ｉ１から構成されている。
【００１９】
トランジスタＭ１は、ｎチャネルＭＯＳトランジスタである。トランジスタＭ１のゲートは、演算増幅器Ｚ１の出力と接続されている。ドレインは、電源Ｖｄｄと接続されている。ソースは、電流源Ｉ１と接続されている。電流源Ｉ１は、トランジスタＭ１のソースからグランドに電流を流す。トランジスタＭ１と電流源Ｉ１は、ソースホロワ回路を構成し、ドレイン−ソース間に電流が流れることによって、ゲート−ソース間に負のシフト電圧Ｖｇｓ１が生じる。なお、負のシフト電圧Ｖｇｓ１は、ゲートを基準に示している。以下同様にして、正、または負のシフト電圧と示した場合は、ゲートを基準に示しているものとする。すなわち、レベルシフト回路１１は、入力される増幅信号Ｖａｍｐを、トランジスタＭ１のゲート−ソース間に生じる負のシフト電圧Ｖｇｓ１分レベルシフト（レベルダウン）し、シフト信号Ｖｓｆｔを出力する。シフト信号Ｖｓｆｔは、演算増幅器Ｚ２に出力される。
【００２０】
演算増幅器Ｚ２は、反転入力端子と出力が接続されたバッファであり、非反転入力端子は、レベルシフト回路１１のトランジスタＭ１のソースと接続されている。演算増幅器Ｚ２の入力レンジは、演算増幅器Ｚ１の入力レンジより小さく、増幅信号Ｖａｍｐは、レベルシフト回路１１によって入力レンジが適合するようレベルダウンされ入力される。
【００２１】
レベルシフト回路１２は、トランジスタＭ２、電流源Ｉ２から構成されている。レベルシフト回路１２は、レベルシフト回路１１と同じ回路構成となっている。レベルシフト回路１２のトランジスタＭ２、電流源Ｉ２は、レベルシフト回路１１のトランジスタＭ１、電流源Ｉ１と同じトランジスタ、電流源である。従って、トランジスタＭ２のゲート−ソース間のシフト電圧Ｖｇｓ２は、トランジスタＭ１のシフト電圧Ｖｇｓ１と同じである。また、周辺温度の変化、または自発熱によるトランジスタＭ２のシフト電圧Ｖｇｓ２の変動は、トランジスタＭ１のシフト電圧Ｖｇｓ１と同じである。
【００２２】
図２は、トランジスタの温度特性を示した図である。図に示す横軸は温度を示し、縦軸は電圧を示す。図に示すように、トランジスタＭ１のシフト電圧Ｖｇｓ１は、ＭＯＳトランジスタの特性上、温度が上昇するに従って減少する。トランジスタＭ２は、トランジスタＭ１と同じトランジスタなので、トランジスタＭ２のシフト電圧Ｖｇｓ２もシフト電圧Ｖｇｓ１と同じように、温度が上昇するに従って減少する。
【００２３】
演算増幅器Ｚ３の反転入力端子は、レベルシフト回路１２のトランジスタＭ２のソースと接続されている。非反転入力端子は、ＢＧＲ回路１３が接続され、ＢＧＲ回路１３が出力する基準電圧Ｖｒｍが入力されている。基準電圧Ｖｒｍは、演算増幅器Ｚ２の入力レンジの中間電圧となっている。
【００２４】
ＢＧＲ回路１３は、電源電圧変動、温度変動によらず、一定電圧を出力する回路である。ＢＧＲ回路１３による安定した電圧を基準電圧Ｖｒｍとすることによって、演算増幅器Ｚ３からは、安定した基準電圧Ｖｒｅｆが出力される。なお、ＢＧＲ回路１３が出力する基準電圧Ｖｒｍが、演算増幅器Ｚ２の入力レンジの中間電圧に適合しない場合は、抵抗によって分圧したり、演算増幅器で増幅したりして適合するようにすればよい。また、基準電圧Ｖｒｍの変動が許容できる範囲であるならば、ＢＧＲ回路１３の替わりに、電源Ｖｄｄの電圧を用いるようにしてもよい。
【００２５】
演算増幅器Ｚ３の出力は、レベルシフト回路１２のトランジスタＭ２のゲートと接続されている。よって、演算増幅器Ｚ３が出力する基準電圧Ｖｒｅｆは、トランジスタＭ２のゲートに出力される。トランジスタＭ２のゲートに入力された基準電圧Ｖｒｅｆは、負のシフト電圧Ｖｇｓ２によってレベルシフトされ、演算増幅器Ｚ３の反転入力端子に出力される。演算増幅器Ｚ３の反転入力端子には、次の式（１）で示される電圧Ｖｏｐが入力される。
【００２６】
【数１】
Ｖｏｐ＝Ｖｒｅｆ−Ｖｇｓ２……（１）
演算増幅器Ｚ３の反転入力端子と非反転入力端子に入力される電圧は等しくなるので、次の式（２）に示される関係を有する。
【００２７】
【数２】
Ｖｒｅｆ−Ｖｇｓ２＝Ｖｒｍ……（２）
よって、基準電圧Ｖｒｅｆは、式（２）より、次の式（３）に示されるようになる。
【００２８】
【数３】
Ｖｒｅｆ＝Ｖｒｍ＋Ｖｇｓ２……（３）
すなわち、演算増幅器Ｚ３は、トランジスタＭ２の負のシフト電圧Ｖｇｓ２を正のシフト電圧Ｖｇｓ２に反転し、演算増幅器Ｚ２の入力レンジの中間電圧である基準電圧Ｖｒｍに加算した基準電圧Ｖｒｅｆを出力する。
【００２９】
演算増幅器Ｚ３の出力は、抵抗Ｒ１に接続されている。従って、演算増幅器Ｚ３が出力する基準電圧Ｖｒｅｆは、抵抗Ｒ１を介して演算増幅器Ｚ１に出力される。そして、演算増幅器Ｚ１は、前述したように基準電圧Ｖｒｅｆを中心に入力信号Ｖｉｎを増幅し、増幅信号Ｖａｍｐを出力する
以下、図１の動作について説明する。
【００３０】
図３は、図１の各部の入出力における基準電圧及び信号を説明する図である。図３（Ａ）には、演算増幅器Ｚ３の非反転入力端子に入力される基準電圧Ｖｒｍを示している。図３（Ｂ）には、抵抗Ｒ１に入力される基準電圧Ｖｒｅｆを示している。図３（Ｃ）には、演算増幅器Ｚ１から出力される基準電圧Ｖｒｅｆ及び増幅信号Ｖａｍｐを示している。なお、図３（Ｂ），（Ｃ）には、低温、常温及び高温時の基準電圧Ｖｒｅｆが示してある。図３（Ｄ）には、レベルシフト回路１１から出力される基準電圧Ｖｒｍ及びシフト信号Ｖｓｆｔを示している。
【００３１】
演算増幅器Ｚ３の非反転入力端子には、図３（Ａ）に示すように、演算増幅器Ｚ２の入力レンジの中間電圧である基準電圧Ｖｒｍが入力される。
演算増幅器Ｚ３は、レベルシフト回路１２の負のシフト電圧Ｖｇｓ２を正のシフト電圧Ｖｇｓ２に反転し、基準電圧Ｖｒｍに加算した基準電圧Ｖｒｅｆを出力する。よって、抵抗Ｒ１には、図３（Ｂ）に示すように、基準電圧Ｖｒｍに正のシフト電圧Ｖｇｓ２が加算された基準電圧Ｖｒｅｆが入力される。
【００３２】
レベルシフト回路１２のトランジスタＭ２のシフト電圧Ｖｇｓ２は、図２で説明したように、周囲の温度変化、又は自発熱によって変動する。よって、基準電圧Ｖｒｅｆは、図３（Ｂ）に示すように、低温、常温、高温になるに従って小さくなっている。
【００３３】
演算増幅器Ｚ１は、図３（Ｃ）に示すように、抵抗Ｒ１を介して入力される基準電圧Ｖｒｅｆを中心に入力信号Ｖｉｎを増幅し、増幅信号Ｖａｍｐを出力する。図３（Ｃ）に示すように、基準電圧Ｖｒｅｆが変動すると、増幅信号Ｖａｍｐも変動する。
【００３４】
レベルシフト回路１１は、基準電圧Ｖｒｅｆを中心に増幅された増幅信号Ｖａｍｐを、シフト電圧Ｖｇｓ１でレベルダウンする。基準電圧Ｖｒｅｆは、基準電圧Ｖｒｍに正のシフト電圧Ｖｇｓ２が加算された電圧である。レベルシフト回路１１とレベルシフト回路１２は、同じ回路構成なので、シフト電圧Ｖｇｓ２とシフト電圧Ｖｇｓ１の大きさは等しい。よって、レベルシフト回路１１からは、図３（Ｄ）に示すように、基準電圧Ｖｒｍを中心としたシフト信号Ｖｓｆｔが出力される。基準電圧Ｖｒｍは、ＢＧＲ回路１３から出力されているので、シフト信号Ｖｓｆｔは、温度によらず安定する。
【００３５】
また、レベルシフト回路１１とレベルシフト回路１２は、同じ回路構成であるので、シフト電圧Ｖｇｓ２とシフト電圧Ｖｇｓ１の温度変化による変動量は同じである。すなわち、温度変化があっても、レベルシフト回路１１からは、図３（Ｄ）に示すように、基準電圧Ｖｒｍを中心としたシフト信号Ｖｓｆｔが出力される。よって、レベルシフト回路１１からは、温度変化によって変動することのない基準電圧Ｖｒｍを中心に振れるシフト信号Ｖｓｆｔが出力される。
【００３６】
このように、演算増幅器Ｚ３によって、レベルシフト回路１２の負のシフト電圧Ｖｇｓ２を正のシフト電圧Ｖｇｓ２に反転し、基準電圧Ｖｒｍに加算して基準電圧Ｖｒｅｆを出力させる。そして、演算増幅器Ｚ１に、基準電圧Ｖｒｅｆを中心に入力信号Ｖｉｎを増幅させ、増幅信号Ｖａｍｐをレベルシフト回路１１によって、負のシフト電圧Ｖｇｓ１でレベルシフトするようにした。レベルシフト回路１１とレベルシフト回路１２は、同じ回路構成であるので、シフト電圧Ｖｇｓ１とシフト電圧Ｖｇｓ２は、打ち消され、基準電圧Ｖｒｍを中心としたシフト信号Ｖｓｆｔがレベルシフト回路１１から出力される。よって、温度変化によらない、安定したシフト信号Ｖｓｆｔを出力することができる。
【００３７】
なお、図１のレベルシフト回路１１，１２の電流源Ｉ１，Ｉ２には、同じ電流が流れるようカレントミラー回路を用いてもよい。図４は、レベルシフト回路の電流源にカレントミラー回路を用いた場合の回路図である。図に示すトランジスタＭ３〜Ｍ５は、ｎチャネルＭＯＳトランジスタである。トランジスタＭ１のソースにトランジスタＭ３が接続され、トランジスタＭ２のソースにトランジスタＭ４が接続されている。トランジスタＭ５のゲートは、ドレインと接続され、さらにトランジスタＭ３，Ｍ４のゲートと接続されている。トランジスタＭ５のドレインには、電流源Ｉ３が接続されている。
【００３８】
電流源Ｉ３とトランジスタＭ３〜Ｍ５はカレントミラー回路を構成し、トランジスタＭ３，Ｍ４に流れる電流は、電流源Ｉ３に流れる電流と等しくなる。
これにより、レベルシフト回路１１のシフト電圧Ｖｇｓ１とレベルシフト回路１２のシフト電圧Ｖｇｓ２をより同じにすることができ、安定したシフト信号を出力することができる。なお、図４のカレントミラー回路は一例であり、他の回路構成のカレントミラー回路を使用してもよい。
【００３９】
また、レベルシフト回路１１とレベルシフト回路１２は、近接して設けるようにする。すなわち、レベルシフト回路１１とレベルシフト回路１２に生じる温度影響を同じにすることによって、シフト電圧Ｖｇｓ１，Ｖｇｓ２の温度変化による変動量を同じにし、安定したシフト信号を出力することができる。
【００４０】
また、演算増幅器Ｚ１は、増幅回路となっているが、これは一例であり、演算増幅器によって構成された、例えば、バッファであってもよい。
さらに、演算増幅器Ｚ２は、バッファとなっているが、これは一例であり、演算増幅器によって構成された、例えば、増幅回路であってもよい。
【００４１】
図１において、演算増幅器Ｚ１の入力レンジを０〜３．３Ｖとし、演算増幅器Ｚ２の入力レンジを０〜１．８Ｖとした場合の、レベルシフト回路１１，１２がレベルシフトすべきシフト電圧Ｖｇｓ１，Ｖｇｓ２の具体的数値の一例について述べる。この場合、演算増幅器Ｚ１に入力される入力信号Ｖｉｎが、３．３Ｖの中間電圧である１．６５Ｖを中心に０Ｖ〜３．３Ｖで振れるよう、演算増幅器Ｚ１に入力される基準電圧Ｖｒｅｆを１．６５Ｖにする。演算増幅器Ｚ２に入力されるシフト信号Ｖｓｆｔが、１．８Ｖの中間電圧である０．９０Ｖを中心に０Ｖ〜１．８Ｖで振れるよう、演算増幅器Ｚ２に入力される基準電圧Ｖｒｍを０．９０Ｖにする。従って、レベルシフト回路１１，１２のシフト電圧Ｖｇｓ１，Ｖｇｓ２は、１．６５Ｖ−０．９０Ｖ＝０．７５Ｖにする必要がある。
【００４２】
次に第２の実施の形態について説明する。図５は、第２の実施の形態に係るレベル変換回路の回路図である。第２の実施の形態では、演算増幅器Ｚ１の入力レンジが、演算増幅器Ｚ２の入力レンジより小さい。従って、第１の実施の形態では、レベルシフト回路１１は、電圧を下げる方向にレベルシフトさせていたが、第２の実施の形態では、電圧を上げる方向にレベルシフトする。また、第２の実施の形態では、電源Ｖｄｄの電圧を抵抗Ｒ４，Ｒ５で分圧して、演算増幅器Ｚ２の入力レンジの中間電圧を生成する。なお、図５において、図１と同じものには同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００４３】
図に示すレベルシフト回路２１は、電流源Ｉ４、トランジスタＭ６から構成されている。トランジスタＭ６は、ｐチャネルＭＯＳトランジスタである。トランジスタＭ６のゲートは、演算増幅器Ｚ１の出力と接続されている。ソースは、電流源Ｉ４と接続され、さらに演算増幅器Ｚ２の非反転入力端子と接続されている。ドレインは、グランドと接続されている。電流源Ｉ４は、電源ＶｄｄからトランジスタＭ６のソースに電流を流す。トランジスタＭ６と電流源Ｉ４は、ソースホロワ回路を構成し、ソース−ドレイン間に電流が流れることによって、ゲート−ソース間に正のシフト電圧Ｖｇｓ３が生じる。すなわち、レベルシフト回路２１は、ゲートに入力される演算増幅器Ｚ１の増幅信号Ｖａｍｐを、トランジスタＭ１のゲート−ソース間に生じる正のシフト電圧Ｖｇｓ１分レベルシフト（レベルアップ）し、シフト信号Ｖｓｆｔを出力する。シフト信号Ｖｓｆｔは、演算増幅器Ｚ２に出力される。
【００４４】
レベルシフト回路２２は、トランジスタＭ７、電流源Ｉ５から構成されている。レベルシフト回路２２は、レベルシフト回路２１と同じ回路構成となっている。レベルシフト回路２２のトランジスタＭ７、電流源Ｉ５は、レベルシフト回路２１のトランジスタＭ６、電流源Ｉ４と同じトランジスタ、電流源である。従って、トランジスタＭ７のゲート−ソース間のシフト電圧Ｖｇｓ４は、トランジスタＭ６のシフト電圧Ｖｇｓ３と同じである。また、周辺温度の変化、または自発熱によるトランジスタＭ７のシフト電圧Ｖｇｓ４の変動は、トランジスタＭ６のシフト電圧Ｖｇｓ３と同じである。
【００４５】
演算増幅器Ｚ３の反転入力端子は、レベルシフト回路２２のトランジスタＭ７のソースと接続されている。非反転入力端子は、抵抗Ｒ４，Ｒ５によって電源Ｖｄｄが分圧された基準電圧Ｖｒｍが入力されている。基準電圧Ｖｒｍは、演算増幅器Ｚ２の入力レンジの中間電圧となるように選択されている。抵抗Ｒ４，Ｒ５による分圧を基準電圧Ｖｒｍとすることにより、例えば、設計変更によって演算増幅器Ｚ２の入力レンジが変更された場合、抵抗Ｒ４，Ｒ５の抵抗値を変更することにより、容易に基準電圧Ｖｒｍを変更することができる。
【００４６】
演算増幅器Ｚ３の出力は、レベルシフト回路２２のトランジスタＭ７のゲートと接続されている。よって、演算増幅器Ｚ３が出力する基準電圧Ｖｒｅｆは、トランジスタＭ７のゲートに出力される。トランジスタＭ７のゲートに入力された基準電圧Ｖｒｅｆは、正のシフト電圧Ｖｇｓ４によってレベルシフトされ、演算増幅器Ｚ３の反転入力端子に出力される。第１の実施の形態では、トランジスタＭ２のゲート−ソース間の電圧が負のシフト電圧Ｖｇｓ２であったのに対し、第２の実施の形態では、トランジスタＭ７のゲート−ソース間の電圧は、正のシフト電圧Ｖｇｓ４である。よって、演算増幅器Ｚ３は、トランジスタＭ７の正のシフト電圧Ｖｇｓ４を負のシフト電圧Ｖｇｓ４に反転し、演算増幅器Ｚ２の入力レンジの中間電圧である基準電圧Ｖｒｍに加算して、基準電圧Ｖｒｅｆを出力する。基準電圧Ｖｒｅｆは、次の式（４）で示される。
【００４７】
【数４】
Ｖｒｅｆ＝Ｖｒｍ−Ｖｇｓ４……（４）
以下、図５の動作について説明する。
【００４８】
演算増幅器Ｚ３は、演算増幅器Ｚ２の入力レンジの中間電圧である基準電圧Ｖｒｍに、トランジスタＭ７の正のシフト電圧Ｖｇｓ４を反転して加算した基準電圧Ｖｒｅｆを出力する。
【００４９】
演算増幅器Ｚ１は、演算増幅器Ｚ３から出力される基準電圧Ｖｒｅｆを中心に入力信号Ｖｉｎを増幅し、増幅信号Ｖａｍｐを出力する。
レベルシフト回路２１は、基準電圧Ｖｒｅｆを中心に増幅された増幅信号Ｖａｍｐを、シフト電圧Ｖｇｓ３でレベルアップする。基準電圧Ｖｒｅｆは、基準電圧Ｖｒｍに負のシフト電圧Ｖｇｓ４が加算された電圧である。レベルシフト回路２１とレベルシフト回路２２は、同じ回路構成なので、シフト電圧Ｖｇｓ４とシフト電圧Ｖｇｓ３の大きさは等しい。よって、レベルシフト回路２１からは、基準電圧Ｖｒｍを中心としたシフト信号Ｖｓｆｔが出力される。
【００５０】
また、レベルシフト回路２１とレベルシフト回路２２は、同じ回路構成であるので、シフト電圧Ｖｇｓ４とシフト電圧Ｖｇｓ３の温度変化による変動量は同じである。すなわち、温度変化があっても、レベルシフト回路２１からは、基準電圧Ｖｒｍを中心としたシフト信号Ｖｓｆｔが出力される。よって、レベルシフト回路２１からは、温度変化によって変動することのない基準電圧Ｖｒｍを中心に振れるシフト信号Ｖｓｆｔが出力される。
【００５１】
このように、演算増幅器Ｚ３によって、レベルシフト回路２２の正のシフト電圧Ｖｇｓ４を負のシフト電圧Ｖｇｓ４に反転し、基準電圧Ｖｒｍに加算して基準電圧Ｖｒｅｆを出力させる。そして、演算増幅器Ｚ１に、基準電圧Ｖｒｅｆを中心に入力信号Ｖｉｎを増幅させ、増幅信号Ｖａｍｐをレベルシフト回路２１によって、正のシフト電圧Ｖｇｓ１でレベルシフトするようにした。レベルシフト回路２１とレベルシフト回路２２は、同じ回路構成であるので、シフト電圧Ｖｇｓ３とシフト電圧Ｖｇｓ４は、打ち消され、基準電圧Ｖｒｍを中心としたシフト信号Ｖｓｆｔがレベルシフト回路２１から出力される。よって、温度変化によらない、安定したシフト信号Ｖｓｆｔを出力することができる。
【００５２】
次に第３の実施の形態について説明する。図６は、第３の実施の形態に係るレベル変換回路の回路図である。第３の実施の形態では、第２の実施の形態に対し、演算増幅器Ｚ２がＡＤＣ（アナログデジタルコンバータ）３３となっている。なお、図６において、図５と同じものには同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００５３】
図に示すように、レベルシフト回路２１のトランジスタＭ６のソースは、ＡＤＣ３３の入力と接続されている。
ＡＤＣ３３には、入力レンジの上限となる上限電圧Ｖｒｈ及び下限となる下限電圧Ｖｒｌが入力されている。ＡＤＣ３３は、下限電圧Ｖｒｌから上限電圧Ｖｒｈの範囲で入力されるシフト信号Ｖｓｆｔをデジタル信号に変換して出力する。
【００５４】
ＡＤＣ３３の内部に示している抵抗Ｒ６は、ＡＤＣ３３のラダー抵抗である。抵抗Ｒ６には、上限電圧Ｖｒｈ、下限電圧Ｖｒｌが入力されている。演算増幅器Ｚ３の非反転入力端子は、上限電圧Ｖｒｈと下限電圧Ｖｒｌの中間電圧と同じ電圧の基準電圧Ｖｒｍが入力されるよう抵抗Ｒ６と接続されている。
【００５５】
以下、図６の動作について説明する。
演算増幅器Ｚ３は、ＡＤＣ３３の入力レンジの中間電圧である基準電圧Ｖｒｍに、レベルシフト回路２２の正のシフト電圧Ｖｇｓ４を反転して加算した基準電圧Ｖｒｅｆを出力する。
【００５６】
演算増幅器Ｚ１は、演算増幅器Ｚ３から出力される基準電圧Ｖｒｅｆを中心に入力信号Ｖｉｎを増幅し、増幅信号Ｖａｍｐを出力する。
レベルシフト回路２１は、基準電圧Ｖｒｅｆを中心に増幅された増幅信号Ｖａｍｐを、シフト電圧Ｖｇｓ３でレベルアップする。基準電圧Ｖｒｅｆは、基準電圧Ｖｒｍに負のシフト電圧Ｖｇｓ４が加算された電圧である。レベルシフト回路２１とレベルシフト回路２２は、同じ回路構成なので、シフト電圧Ｖｇｓ４とシフト電圧Ｖｇｓ３の大きさは等しい。よって、レベルシフト回路２１からは、基準電圧Ｖｒｍを中心としたシフト信号Ｖｓｆｔが出力される。
【００５７】
また、レベルシフト回路２１とレベルシフト回路２２は、同じ回路構成であるので、シフト電圧Ｖｇｓ４とシフト電圧Ｖｇｓ３の温度変化による変動量は同じである。すなわち、温度変化があっても、レベルシフト回路２１からは、基準電圧Ｖｒｍを中心としたシフト信号Ｖｓｆｔが出力される。よって、ＡＤＣ３３は、温度変化によって変動することのない基準電圧Ｖｒｍを中心に振れるシフト信号Ｖｓｆｔをデジタル信号に変換する。
【００５８】
このように、演算増幅器Ｚ３によって、レベルシフト回路２２の正のシフト電圧Ｖｇｓ４を負のシフト電圧Ｖｇｓ４に反転し、基準電圧Ｖｒｍに加算して基準電圧Ｖｒｅｆを出力させる。そして、演算増幅器Ｚ１に、基準電圧Ｖｒｅｆを中心に入力信号Ｖｉｎを増幅させ、増幅信号Ｖａｍｐをレベルシフト回路２１によって、正のシフト電圧Ｖｇｓ１でレベルシフトするようにした。レベルシフト回路２１とレベルシフト回路２２は、同じ回路構成であるので、シフト電圧Ｖｇｓ３とシフト電圧Ｖｇｓ４は、打ち消され、基準電圧Ｖｒｍを中心としたシフト信号Ｖｓｆｔがレベルシフト回路２１から出力される。よって、温度変化によらない、安定したシフト信号Ｖｓｆｔを出力することができ、ＡＤＣ３３は、高精度のデジタル信号を出力することができる。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、第１の演算増幅器は、第２のレベルシフト回路のシフト電圧を反転して第２の基準電圧に加算した第１の基準電圧を中心に入力信号を出力する。第１のレベルシフト回路は、第１の演算増幅器から出力される信号をレベルシフトする。第１のレベルシフト回路と第２のレベルシフト回路は同じ回路構成であるので、第１のレベルシフト回路によるレベルシフトは、第２のレベルシフト回路の反転したシフト電圧によって打ち消される。これにより、第１のレベルシフト回路によってレベルシフトされた信号は、第２の基準電圧を中心に振れ、温度変化の影響を受けることなく安定して出力される。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係るレベル変換回路の回路図である。
【図２】トランジスタの温度特性を示した図である。
【図３】図１の各部の入出力における基準電圧及び信号を説明する図である。
【図４】レベルシフト回路の電流源にカレントミラー回路を用いた場合の回路図である。
【図５】第２の実施の形態に係るレベル変換回路の回路図である。
【図６】第３の実施の形態に係るレベル変換回路の回路図である。
【図７】従来のレベル変換回路の回路図である。
【図８】図７のレベル変換回路の各部における信号波形を示した図である。
【符号の説明】
１１，１２，２１，２２ レベルシフト回路
Ｚ１〜Ｚ３ 演算増幅器
Ｒ１〜Ｒ５ 抵抗
Ｃ１ コンデンサ
Ｍ１〜Ｍ７ トランジスタ
Ｉ１〜Ｉ５ 電流源
１３ ＢＧＲ回路
３３ ＡＤＣ
Ｖｒｅｆ，Ｖｒｍ 基準電圧
Ｖｉｎ 入力信号
Ｖａｍｐ 増幅信号
Ｖｇｓ１〜Ｖｇｓ４ シフト電圧
Ｖｓｆｔ シフト信号
【発明の属する技術分野】
本発明はレベル変換回路及びレベル変換方法に関し、特に信号をレベルシフトして出力するレベル変換回路及びレベル変換方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
前段の演算増幅器と後段の演算増幅器の入力レンジに差がある場合、前段の演算増幅器から出力される信号レベルが、後段の演算増幅器の入力レンジに適合するように演算増幅器間にレベル変換回路が挿入される。
【０００３】
図７は、従来のレベル変換回路の回路図である。図に示すようにレベル変換回路は、演算増幅器Ｚ４，Ｚ５、レベルシフト回路３１、電源Ｅ１、抵抗Ｒ７，Ｒ８を有している。
【０００４】
演算増幅器Ｚ４の非反転入力端子には、入力信号Ｖｉｎが入力されている。反転入力端子には、電源Ｅ１から抵抗Ｒ７を介して基準電圧Ｖｒｅｆが入力されている。演算増幅器Ｚ４の出力は、抵抗Ｒ８を介して反転入力端子と接続されている。すなわち、演算増幅器Ｚ４は、基準電圧Ｖｒｅｆを中心に入力信号Ｖｉｎを増幅し、増幅信号Ｖａｍｐを出力する。なお、基準電圧Ｖｒｅｆは、入力信号Ｖｉｎの振幅が最大限に増幅されるよう演算増幅器Ｚ４の入力レンジの、半分の電圧となるようにする。
【０００５】
レベルシフト回路３１は、トランジスタＭ８、電流源Ｉ６を有している。トランジスタＭ８は、ｎチャネルＭＯＳトランジスタである。トランジスタＭ８のゲートは、演算増幅器Ｚ４の出力と接続されている。ドレインは、電源Ｖｄｄと接続されている。ソースは、演算増幅器Ｚ５の非反転入力端子と接続され、さらに、電流源Ｉ６と接続されている。トランジスタＭ８のゲート−ソース間は、ドレイン−ソース間に電流が流れることによって、シフト電圧Ｖｇｓ５が生じる。すなわち、レベルシフト回路３１は、増幅信号Ｖａｍｐをシフト電圧Ｖｇｓ５分レベルシフト（レベルダウン）し、シフト信号Ｖｓｆｔを出力する。なお、レベルシフト回路３１は、シフト信号Ｖｓｆｔの中心電圧が、演算増幅器Ｚ５の入力レンジの、半分の電圧となるようレベルシフトする。
【０００６】
演算増幅器Ｚ５の非反転入力端子は、トランジスタＭ８のソースと接続されている。反転入力端子は、出力と接続されている。すなわち、演算増幅器Ｚ５は、バッファを構成し、出力信号Ｖｏｕｔを出力する。
【０００７】
図８は、図７のレベル変換回路の各部における信号波形を示した図である。図に示す実線は、入力信号Ｖｉｎの波形を示している。点線は、増幅信号Ｖａｍｐの波形を示している。一点鎖線は、シフト信号Ｖｓｆｔの波形を示している。
【０００８】
演算増幅器Ｚ４は、図８に示すように、基準電圧Ｖｒｅｆを中心に入力信号Ｖｉｎを増幅し、増幅信号Ｖａｍｐを出力する。レベルシフト回路３１は、図８に示すように、増幅信号Ｖａｍｐをシフト電圧Ｖｇｓ５分レベルダウンし、シフト信号Ｖｓｆｔを出力する。シフト信号Ｖｓｆｔは、基準電圧Ｖｒｅｆからシフト電圧Ｖｇｓ５分下がった電圧を中心に振れている。
【０００９】
トランジスタＭ８は、周囲の温度変化、または自発熱によって、ゲート−ソース間のシフト電圧Ｖｇｓ５を変動させてしまう。よって、シフト信号Ｖｓｆｔは、温度変化により変動する。
【００１０】
なお、基準電圧を中心に振幅する信号をレベルシフトして出力する回路として、演算増幅器の入力端及び定電圧点間にレベルシフトするための抵抗を具備した回路がある。（例えば、特許文献１参照）。この回路においても、抵抗値が温度変化によって変動すれば、レベルシフトして出力される信号は変動する。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００２−３４４２５８号公報（第２頁−第３頁、第１図）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
このように、温度変化によって、シフト電圧は変動するため、レベルシフトして出力される信号は変動し不安定であるという問題点があった。
【００１３】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、温度変化によるシフト電圧の変動を抑制し、信号を温度変化の影響を受けることなく安定してレベルシフトし出力するレベル変換回路及びレベル変換方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記課題を解決するために、図１に示すような、信号をレベルシフトして出力するレベル変換回路において、入力信号Ｖｉｎを第１の基準電圧Ｖｒｅｆを中心に出力する第１の演算増幅器Ｚ１と、第１の演算増幅器Ｚ１から出力される信号を第２の演算増幅器Ｚ２の入力レンジに適合するようにレベルシフトする第１のレベルシフト回路１１と、第１のレベルシフト回路１１と同じ回路構成の第２のレベルシフト回路１２と、第２のレベルシフト回路１２のシフト電圧Ｖｇｓ２を反転し、入力される第２の基準電圧Ｖｒｍに加算して第１の基準電圧Ｖｒｅｆを出力する第３の演算増幅器Ｚ３と、を有することを特徴とするレベル変換回路が提供される。
【００１５】
このようなレベル変換回路によれば、第１の演算増幅器Ｚ１は、第２のレベルシフト回路１２のシフト電圧Ｖｇｓ２を反転して第２の基準電圧Ｖｒｍに加算した第１の基準電圧Ｖｒｍを中心に入力信号Ｖｉｎを出力する。第１のレベルシフト回路１１は、第１の演算増幅器Ｚ１から出力される信号をレベルシフトする。第１のレベルシフト回路１１と第２のレベルシフト回路１２は同じ回路構成であるので、第１のレベルシフト回路１１によるレベルシフトは、第２のレベルシフト回路１２の反転したシフト電圧Ｖｇｓ２によって打ち消される。これにより、第１のレベルシフト回路１１によってレベルシフトされた信号は、第２の基準電圧Ｖｒｍを中心に振れる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、第１の実施の形態に係るレベル変換回路の回路図である。図に示すように、レベル変換回路は、演算増幅器Ｚ１〜Ｚ３、抵抗Ｒ１〜Ｒ３、コンデンサＣ１、レベルシフト回路１１，１２、ＢＧＲ（バンドギャップリファレンス）回路１３を有している。
【００１７】
演算増幅器Ｚ１の非反転入力端子には、コンデンサＣ１が接続され、入力信号Ｖｉｎが入力されている。反転入力端子には、抵抗Ｒ１が接続され、演算増幅器Ｚ３から出力される基準電圧Ｖｒｅｆが入力されている。非反転入力端子と演算増幅器Ｚ３の出力の間には、抵抗Ｒ３が接続されている。演算増幅器Ｚ１の出力と反転入力端子の間には、抵抗Ｒ２が接続されている。すなわち、演算増幅器Ｚ１は、基準電圧Ｖｒｅｆを中心に入力信号Ｖｉｎを増幅し、増幅信号Ｖａｍｐを出力する。なお、基準電圧Ｖｒｅｆは、入力信号Ｖｉｎの振幅が最大限に増幅されるよう演算増幅器Ｚ１の入力レンジの、半分の電圧となるように設定されている。また、コンデンサＣ１は、ＡＣカップリング用コンデンサ、抵抗Ｒ３は、入力信号Ｖｉｎにかかる負荷抵抗であり、回路構成によっては、演算増幅器Ｚ１の非反転入力端子に接続しなくてもよい。
【００１８】
レベルシフト回路１１は、演算増幅器Ｚ１から出力される増幅信号Ｖａｍｐを演算増幅器Ｚ２の入力レンジに適合するようレベルシフトする回路である。レベルシフト回路１１は、トランジスタＭ１、電流源Ｉ１から構成されている。
【００１９】
トランジスタＭ１は、ｎチャネルＭＯＳトランジスタである。トランジスタＭ１のゲートは、演算増幅器Ｚ１の出力と接続されている。ドレインは、電源Ｖｄｄと接続されている。ソースは、電流源Ｉ１と接続されている。電流源Ｉ１は、トランジスタＭ１のソースからグランドに電流を流す。トランジスタＭ１と電流源Ｉ１は、ソースホロワ回路を構成し、ドレイン−ソース間に電流が流れることによって、ゲート−ソース間に負のシフト電圧Ｖｇｓ１が生じる。なお、負のシフト電圧Ｖｇｓ１は、ゲートを基準に示している。以下同様にして、正、または負のシフト電圧と示した場合は、ゲートを基準に示しているものとする。すなわち、レベルシフト回路１１は、入力される増幅信号Ｖａｍｐを、トランジスタＭ１のゲート−ソース間に生じる負のシフト電圧Ｖｇｓ１分レベルシフト（レベルダウン）し、シフト信号Ｖｓｆｔを出力する。シフト信号Ｖｓｆｔは、演算増幅器Ｚ２に出力される。
【００２０】
演算増幅器Ｚ２は、反転入力端子と出力が接続されたバッファであり、非反転入力端子は、レベルシフト回路１１のトランジスタＭ１のソースと接続されている。演算増幅器Ｚ２の入力レンジは、演算増幅器Ｚ１の入力レンジより小さく、増幅信号Ｖａｍｐは、レベルシフト回路１１によって入力レンジが適合するようレベルダウンされ入力される。
【００２１】
レベルシフト回路１２は、トランジスタＭ２、電流源Ｉ２から構成されている。レベルシフト回路１２は、レベルシフト回路１１と同じ回路構成となっている。レベルシフト回路１２のトランジスタＭ２、電流源Ｉ２は、レベルシフト回路１１のトランジスタＭ１、電流源Ｉ１と同じトランジスタ、電流源である。従って、トランジスタＭ２のゲート−ソース間のシフト電圧Ｖｇｓ２は、トランジスタＭ１のシフト電圧Ｖｇｓ１と同じである。また、周辺温度の変化、または自発熱によるトランジスタＭ２のシフト電圧Ｖｇｓ２の変動は、トランジスタＭ１のシフト電圧Ｖｇｓ１と同じである。
【００２２】
図２は、トランジスタの温度特性を示した図である。図に示す横軸は温度を示し、縦軸は電圧を示す。図に示すように、トランジスタＭ１のシフト電圧Ｖｇｓ１は、ＭＯＳトランジスタの特性上、温度が上昇するに従って減少する。トランジスタＭ２は、トランジスタＭ１と同じトランジスタなので、トランジスタＭ２のシフト電圧Ｖｇｓ２もシフト電圧Ｖｇｓ１と同じように、温度が上昇するに従って減少する。
【００２３】
演算増幅器Ｚ３の反転入力端子は、レベルシフト回路１２のトランジスタＭ２のソースと接続されている。非反転入力端子は、ＢＧＲ回路１３が接続され、ＢＧＲ回路１３が出力する基準電圧Ｖｒｍが入力されている。基準電圧Ｖｒｍは、演算増幅器Ｚ２の入力レンジの中間電圧となっている。
【００２４】
ＢＧＲ回路１３は、電源電圧変動、温度変動によらず、一定電圧を出力する回路である。ＢＧＲ回路１３による安定した電圧を基準電圧Ｖｒｍとすることによって、演算増幅器Ｚ３からは、安定した基準電圧Ｖｒｅｆが出力される。なお、ＢＧＲ回路１３が出力する基準電圧Ｖｒｍが、演算増幅器Ｚ２の入力レンジの中間電圧に適合しない場合は、抵抗によって分圧したり、演算増幅器で増幅したりして適合するようにすればよい。また、基準電圧Ｖｒｍの変動が許容できる範囲であるならば、ＢＧＲ回路１３の替わりに、電源Ｖｄｄの電圧を用いるようにしてもよい。
【００２５】
演算増幅器Ｚ３の出力は、レベルシフト回路１２のトランジスタＭ２のゲートと接続されている。よって、演算増幅器Ｚ３が出力する基準電圧Ｖｒｅｆは、トランジスタＭ２のゲートに出力される。トランジスタＭ２のゲートに入力された基準電圧Ｖｒｅｆは、負のシフト電圧Ｖｇｓ２によってレベルシフトされ、演算増幅器Ｚ３の反転入力端子に出力される。演算増幅器Ｚ３の反転入力端子には、次の式（１）で示される電圧Ｖｏｐが入力される。
【００２６】
【数１】
Ｖｏｐ＝Ｖｒｅｆ−Ｖｇｓ２……（１）
演算増幅器Ｚ３の反転入力端子と非反転入力端子に入力される電圧は等しくなるので、次の式（２）に示される関係を有する。
【００２７】
【数２】
Ｖｒｅｆ−Ｖｇｓ２＝Ｖｒｍ……（２）
よって、基準電圧Ｖｒｅｆは、式（２）より、次の式（３）に示されるようになる。
【００２８】
【数３】
Ｖｒｅｆ＝Ｖｒｍ＋Ｖｇｓ２……（３）
すなわち、演算増幅器Ｚ３は、トランジスタＭ２の負のシフト電圧Ｖｇｓ２を正のシフト電圧Ｖｇｓ２に反転し、演算増幅器Ｚ２の入力レンジの中間電圧である基準電圧Ｖｒｍに加算した基準電圧Ｖｒｅｆを出力する。
【００２９】
演算増幅器Ｚ３の出力は、抵抗Ｒ１に接続されている。従って、演算増幅器Ｚ３が出力する基準電圧Ｖｒｅｆは、抵抗Ｒ１を介して演算増幅器Ｚ１に出力される。そして、演算増幅器Ｚ１は、前述したように基準電圧Ｖｒｅｆを中心に入力信号Ｖｉｎを増幅し、増幅信号Ｖａｍｐを出力する
以下、図１の動作について説明する。
【００３０】
図３は、図１の各部の入出力における基準電圧及び信号を説明する図である。図３（Ａ）には、演算増幅器Ｚ３の非反転入力端子に入力される基準電圧Ｖｒｍを示している。図３（Ｂ）には、抵抗Ｒ１に入力される基準電圧Ｖｒｅｆを示している。図３（Ｃ）には、演算増幅器Ｚ１から出力される基準電圧Ｖｒｅｆ及び増幅信号Ｖａｍｐを示している。なお、図３（Ｂ），（Ｃ）には、低温、常温及び高温時の基準電圧Ｖｒｅｆが示してある。図３（Ｄ）には、レベルシフト回路１１から出力される基準電圧Ｖｒｍ及びシフト信号Ｖｓｆｔを示している。
【００３１】
演算増幅器Ｚ３の非反転入力端子には、図３（Ａ）に示すように、演算増幅器Ｚ２の入力レンジの中間電圧である基準電圧Ｖｒｍが入力される。
演算増幅器Ｚ３は、レベルシフト回路１２の負のシフト電圧Ｖｇｓ２を正のシフト電圧Ｖｇｓ２に反転し、基準電圧Ｖｒｍに加算した基準電圧Ｖｒｅｆを出力する。よって、抵抗Ｒ１には、図３（Ｂ）に示すように、基準電圧Ｖｒｍに正のシフト電圧Ｖｇｓ２が加算された基準電圧Ｖｒｅｆが入力される。
【００３２】
レベルシフト回路１２のトランジスタＭ２のシフト電圧Ｖｇｓ２は、図２で説明したように、周囲の温度変化、又は自発熱によって変動する。よって、基準電圧Ｖｒｅｆは、図３（Ｂ）に示すように、低温、常温、高温になるに従って小さくなっている。
【００３３】
演算増幅器Ｚ１は、図３（Ｃ）に示すように、抵抗Ｒ１を介して入力される基準電圧Ｖｒｅｆを中心に入力信号Ｖｉｎを増幅し、増幅信号Ｖａｍｐを出力する。図３（Ｃ）に示すように、基準電圧Ｖｒｅｆが変動すると、増幅信号Ｖａｍｐも変動する。
【００３４】
レベルシフト回路１１は、基準電圧Ｖｒｅｆを中心に増幅された増幅信号Ｖａｍｐを、シフト電圧Ｖｇｓ１でレベルダウンする。基準電圧Ｖｒｅｆは、基準電圧Ｖｒｍに正のシフト電圧Ｖｇｓ２が加算された電圧である。レベルシフト回路１１とレベルシフト回路１２は、同じ回路構成なので、シフト電圧Ｖｇｓ２とシフト電圧Ｖｇｓ１の大きさは等しい。よって、レベルシフト回路１１からは、図３（Ｄ）に示すように、基準電圧Ｖｒｍを中心としたシフト信号Ｖｓｆｔが出力される。基準電圧Ｖｒｍは、ＢＧＲ回路１３から出力されているので、シフト信号Ｖｓｆｔは、温度によらず安定する。
【００３５】
また、レベルシフト回路１１とレベルシフト回路１２は、同じ回路構成であるので、シフト電圧Ｖｇｓ２とシフト電圧Ｖｇｓ１の温度変化による変動量は同じである。すなわち、温度変化があっても、レベルシフト回路１１からは、図３（Ｄ）に示すように、基準電圧Ｖｒｍを中心としたシフト信号Ｖｓｆｔが出力される。よって、レベルシフト回路１１からは、温度変化によって変動することのない基準電圧Ｖｒｍを中心に振れるシフト信号Ｖｓｆｔが出力される。
【００３６】
このように、演算増幅器Ｚ３によって、レベルシフト回路１２の負のシフト電圧Ｖｇｓ２を正のシフト電圧Ｖｇｓ２に反転し、基準電圧Ｖｒｍに加算して基準電圧Ｖｒｅｆを出力させる。そして、演算増幅器Ｚ１に、基準電圧Ｖｒｅｆを中心に入力信号Ｖｉｎを増幅させ、増幅信号Ｖａｍｐをレベルシフト回路１１によって、負のシフト電圧Ｖｇｓ１でレベルシフトするようにした。レベルシフト回路１１とレベルシフト回路１２は、同じ回路構成であるので、シフト電圧Ｖｇｓ１とシフト電圧Ｖｇｓ２は、打ち消され、基準電圧Ｖｒｍを中心としたシフト信号Ｖｓｆｔがレベルシフト回路１１から出力される。よって、温度変化によらない、安定したシフト信号Ｖｓｆｔを出力することができる。
【００３７】
なお、図１のレベルシフト回路１１，１２の電流源Ｉ１，Ｉ２には、同じ電流が流れるようカレントミラー回路を用いてもよい。図４は、レベルシフト回路の電流源にカレントミラー回路を用いた場合の回路図である。図に示すトランジスタＭ３〜Ｍ５は、ｎチャネルＭＯＳトランジスタである。トランジスタＭ１のソースにトランジスタＭ３が接続され、トランジスタＭ２のソースにトランジスタＭ４が接続されている。トランジスタＭ５のゲートは、ドレインと接続され、さらにトランジスタＭ３，Ｍ４のゲートと接続されている。トランジスタＭ５のドレインには、電流源Ｉ３が接続されている。
【００３８】
電流源Ｉ３とトランジスタＭ３〜Ｍ５はカレントミラー回路を構成し、トランジスタＭ３，Ｍ４に流れる電流は、電流源Ｉ３に流れる電流と等しくなる。
これにより、レベルシフト回路１１のシフト電圧Ｖｇｓ１とレベルシフト回路１２のシフト電圧Ｖｇｓ２をより同じにすることができ、安定したシフト信号を出力することができる。なお、図４のカレントミラー回路は一例であり、他の回路構成のカレントミラー回路を使用してもよい。
【００３９】
また、レベルシフト回路１１とレベルシフト回路１２は、近接して設けるようにする。すなわち、レベルシフト回路１１とレベルシフト回路１２に生じる温度影響を同じにすることによって、シフト電圧Ｖｇｓ１，Ｖｇｓ２の温度変化による変動量を同じにし、安定したシフト信号を出力することができる。
【００４０】
また、演算増幅器Ｚ１は、増幅回路となっているが、これは一例であり、演算増幅器によって構成された、例えば、バッファであってもよい。
さらに、演算増幅器Ｚ２は、バッファとなっているが、これは一例であり、演算増幅器によって構成された、例えば、増幅回路であってもよい。
【００４１】
図１において、演算増幅器Ｚ１の入力レンジを０〜３．３Ｖとし、演算増幅器Ｚ２の入力レンジを０〜１．８Ｖとした場合の、レベルシフト回路１１，１２がレベルシフトすべきシフト電圧Ｖｇｓ１，Ｖｇｓ２の具体的数値の一例について述べる。この場合、演算増幅器Ｚ１に入力される入力信号Ｖｉｎが、３．３Ｖの中間電圧である１．６５Ｖを中心に０Ｖ〜３．３Ｖで振れるよう、演算増幅器Ｚ１に入力される基準電圧Ｖｒｅｆを１．６５Ｖにする。演算増幅器Ｚ２に入力されるシフト信号Ｖｓｆｔが、１．８Ｖの中間電圧である０．９０Ｖを中心に０Ｖ〜１．８Ｖで振れるよう、演算増幅器Ｚ２に入力される基準電圧Ｖｒｍを０．９０Ｖにする。従って、レベルシフト回路１１，１２のシフト電圧Ｖｇｓ１，Ｖｇｓ２は、１．６５Ｖ−０．９０Ｖ＝０．７５Ｖにする必要がある。
【００４２】
次に第２の実施の形態について説明する。図５は、第２の実施の形態に係るレベル変換回路の回路図である。第２の実施の形態では、演算増幅器Ｚ１の入力レンジが、演算増幅器Ｚ２の入力レンジより小さい。従って、第１の実施の形態では、レベルシフト回路１１は、電圧を下げる方向にレベルシフトさせていたが、第２の実施の形態では、電圧を上げる方向にレベルシフトする。また、第２の実施の形態では、電源Ｖｄｄの電圧を抵抗Ｒ４，Ｒ５で分圧して、演算増幅器Ｚ２の入力レンジの中間電圧を生成する。なお、図５において、図１と同じものには同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００４３】
図に示すレベルシフト回路２１は、電流源Ｉ４、トランジスタＭ６から構成されている。トランジスタＭ６は、ｐチャネルＭＯＳトランジスタである。トランジスタＭ６のゲートは、演算増幅器Ｚ１の出力と接続されている。ソースは、電流源Ｉ４と接続され、さらに演算増幅器Ｚ２の非反転入力端子と接続されている。ドレインは、グランドと接続されている。電流源Ｉ４は、電源ＶｄｄからトランジスタＭ６のソースに電流を流す。トランジスタＭ６と電流源Ｉ４は、ソースホロワ回路を構成し、ソース−ドレイン間に電流が流れることによって、ゲート−ソース間に正のシフト電圧Ｖｇｓ３が生じる。すなわち、レベルシフト回路２１は、ゲートに入力される演算増幅器Ｚ１の増幅信号Ｖａｍｐを、トランジスタＭ１のゲート−ソース間に生じる正のシフト電圧Ｖｇｓ１分レベルシフト（レベルアップ）し、シフト信号Ｖｓｆｔを出力する。シフト信号Ｖｓｆｔは、演算増幅器Ｚ２に出力される。
【００４４】
レベルシフト回路２２は、トランジスタＭ７、電流源Ｉ５から構成されている。レベルシフト回路２２は、レベルシフト回路２１と同じ回路構成となっている。レベルシフト回路２２のトランジスタＭ７、電流源Ｉ５は、レベルシフト回路２１のトランジスタＭ６、電流源Ｉ４と同じトランジスタ、電流源である。従って、トランジスタＭ７のゲート−ソース間のシフト電圧Ｖｇｓ４は、トランジスタＭ６のシフト電圧Ｖｇｓ３と同じである。また、周辺温度の変化、または自発熱によるトランジスタＭ７のシフト電圧Ｖｇｓ４の変動は、トランジスタＭ６のシフト電圧Ｖｇｓ３と同じである。
【００４５】
演算増幅器Ｚ３の反転入力端子は、レベルシフト回路２２のトランジスタＭ７のソースと接続されている。非反転入力端子は、抵抗Ｒ４，Ｒ５によって電源Ｖｄｄが分圧された基準電圧Ｖｒｍが入力されている。基準電圧Ｖｒｍは、演算増幅器Ｚ２の入力レンジの中間電圧となるように選択されている。抵抗Ｒ４，Ｒ５による分圧を基準電圧Ｖｒｍとすることにより、例えば、設計変更によって演算増幅器Ｚ２の入力レンジが変更された場合、抵抗Ｒ４，Ｒ５の抵抗値を変更することにより、容易に基準電圧Ｖｒｍを変更することができる。
【００４６】
演算増幅器Ｚ３の出力は、レベルシフト回路２２のトランジスタＭ７のゲートと接続されている。よって、演算増幅器Ｚ３が出力する基準電圧Ｖｒｅｆは、トランジスタＭ７のゲートに出力される。トランジスタＭ７のゲートに入力された基準電圧Ｖｒｅｆは、正のシフト電圧Ｖｇｓ４によってレベルシフトされ、演算増幅器Ｚ３の反転入力端子に出力される。第１の実施の形態では、トランジスタＭ２のゲート−ソース間の電圧が負のシフト電圧Ｖｇｓ２であったのに対し、第２の実施の形態では、トランジスタＭ７のゲート−ソース間の電圧は、正のシフト電圧Ｖｇｓ４である。よって、演算増幅器Ｚ３は、トランジスタＭ７の正のシフト電圧Ｖｇｓ４を負のシフト電圧Ｖｇｓ４に反転し、演算増幅器Ｚ２の入力レンジの中間電圧である基準電圧Ｖｒｍに加算して、基準電圧Ｖｒｅｆを出力する。基準電圧Ｖｒｅｆは、次の式（４）で示される。
【００４７】
【数４】
Ｖｒｅｆ＝Ｖｒｍ−Ｖｇｓ４……（４）
以下、図５の動作について説明する。
【００４８】
演算増幅器Ｚ３は、演算増幅器Ｚ２の入力レンジの中間電圧である基準電圧Ｖｒｍに、トランジスタＭ７の正のシフト電圧Ｖｇｓ４を反転して加算した基準電圧Ｖｒｅｆを出力する。
【００４９】
演算増幅器Ｚ１は、演算増幅器Ｚ３から出力される基準電圧Ｖｒｅｆを中心に入力信号Ｖｉｎを増幅し、増幅信号Ｖａｍｐを出力する。
レベルシフト回路２１は、基準電圧Ｖｒｅｆを中心に増幅された増幅信号Ｖａｍｐを、シフト電圧Ｖｇｓ３でレベルアップする。基準電圧Ｖｒｅｆは、基準電圧Ｖｒｍに負のシフト電圧Ｖｇｓ４が加算された電圧である。レベルシフト回路２１とレベルシフト回路２２は、同じ回路構成なので、シフト電圧Ｖｇｓ４とシフト電圧Ｖｇｓ３の大きさは等しい。よって、レベルシフト回路２１からは、基準電圧Ｖｒｍを中心としたシフト信号Ｖｓｆｔが出力される。
【００５０】
また、レベルシフト回路２１とレベルシフト回路２２は、同じ回路構成であるので、シフト電圧Ｖｇｓ４とシフト電圧Ｖｇｓ３の温度変化による変動量は同じである。すなわち、温度変化があっても、レベルシフト回路２１からは、基準電圧Ｖｒｍを中心としたシフト信号Ｖｓｆｔが出力される。よって、レベルシフト回路２１からは、温度変化によって変動することのない基準電圧Ｖｒｍを中心に振れるシフト信号Ｖｓｆｔが出力される。
【００５１】
このように、演算増幅器Ｚ３によって、レベルシフト回路２２の正のシフト電圧Ｖｇｓ４を負のシフト電圧Ｖｇｓ４に反転し、基準電圧Ｖｒｍに加算して基準電圧Ｖｒｅｆを出力させる。そして、演算増幅器Ｚ１に、基準電圧Ｖｒｅｆを中心に入力信号Ｖｉｎを増幅させ、増幅信号Ｖａｍｐをレベルシフト回路２１によって、正のシフト電圧Ｖｇｓ１でレベルシフトするようにした。レベルシフト回路２１とレベルシフト回路２２は、同じ回路構成であるので、シフト電圧Ｖｇｓ３とシフト電圧Ｖｇｓ４は、打ち消され、基準電圧Ｖｒｍを中心としたシフト信号Ｖｓｆｔがレベルシフト回路２１から出力される。よって、温度変化によらない、安定したシフト信号Ｖｓｆｔを出力することができる。
【００５２】
次に第３の実施の形態について説明する。図６は、第３の実施の形態に係るレベル変換回路の回路図である。第３の実施の形態では、第２の実施の形態に対し、演算増幅器Ｚ２がＡＤＣ（アナログデジタルコンバータ）３３となっている。なお、図６において、図５と同じものには同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００５３】
図に示すように、レベルシフト回路２１のトランジスタＭ６のソースは、ＡＤＣ３３の入力と接続されている。
ＡＤＣ３３には、入力レンジの上限となる上限電圧Ｖｒｈ及び下限となる下限電圧Ｖｒｌが入力されている。ＡＤＣ３３は、下限電圧Ｖｒｌから上限電圧Ｖｒｈの範囲で入力されるシフト信号Ｖｓｆｔをデジタル信号に変換して出力する。
【００５４】
ＡＤＣ３３の内部に示している抵抗Ｒ６は、ＡＤＣ３３のラダー抵抗である。抵抗Ｒ６には、上限電圧Ｖｒｈ、下限電圧Ｖｒｌが入力されている。演算増幅器Ｚ３の非反転入力端子は、上限電圧Ｖｒｈと下限電圧Ｖｒｌの中間電圧と同じ電圧の基準電圧Ｖｒｍが入力されるよう抵抗Ｒ６と接続されている。
【００５５】
以下、図６の動作について説明する。
演算増幅器Ｚ３は、ＡＤＣ３３の入力レンジの中間電圧である基準電圧Ｖｒｍに、レベルシフト回路２２の正のシフト電圧Ｖｇｓ４を反転して加算した基準電圧Ｖｒｅｆを出力する。
【００５６】
演算増幅器Ｚ１は、演算増幅器Ｚ３から出力される基準電圧Ｖｒｅｆを中心に入力信号Ｖｉｎを増幅し、増幅信号Ｖａｍｐを出力する。
レベルシフト回路２１は、基準電圧Ｖｒｅｆを中心に増幅された増幅信号Ｖａｍｐを、シフト電圧Ｖｇｓ３でレベルアップする。基準電圧Ｖｒｅｆは、基準電圧Ｖｒｍに負のシフト電圧Ｖｇｓ４が加算された電圧である。レベルシフト回路２１とレベルシフト回路２２は、同じ回路構成なので、シフト電圧Ｖｇｓ４とシフト電圧Ｖｇｓ３の大きさは等しい。よって、レベルシフト回路２１からは、基準電圧Ｖｒｍを中心としたシフト信号Ｖｓｆｔが出力される。
【００５７】
また、レベルシフト回路２１とレベルシフト回路２２は、同じ回路構成であるので、シフト電圧Ｖｇｓ４とシフト電圧Ｖｇｓ３の温度変化による変動量は同じである。すなわち、温度変化があっても、レベルシフト回路２１からは、基準電圧Ｖｒｍを中心としたシフト信号Ｖｓｆｔが出力される。よって、ＡＤＣ３３は、温度変化によって変動することのない基準電圧Ｖｒｍを中心に振れるシフト信号Ｖｓｆｔをデジタル信号に変換する。
【００５８】
このように、演算増幅器Ｚ３によって、レベルシフト回路２２の正のシフト電圧Ｖｇｓ４を負のシフト電圧Ｖｇｓ４に反転し、基準電圧Ｖｒｍに加算して基準電圧Ｖｒｅｆを出力させる。そして、演算増幅器Ｚ１に、基準電圧Ｖｒｅｆを中心に入力信号Ｖｉｎを増幅させ、増幅信号Ｖａｍｐをレベルシフト回路２１によって、正のシフト電圧Ｖｇｓ１でレベルシフトするようにした。レベルシフト回路２１とレベルシフト回路２２は、同じ回路構成であるので、シフト電圧Ｖｇｓ３とシフト電圧Ｖｇｓ４は、打ち消され、基準電圧Ｖｒｍを中心としたシフト信号Ｖｓｆｔがレベルシフト回路２１から出力される。よって、温度変化によらない、安定したシフト信号Ｖｓｆｔを出力することができ、ＡＤＣ３３は、高精度のデジタル信号を出力することができる。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、第１の演算増幅器は、第２のレベルシフト回路のシフト電圧を反転して第２の基準電圧に加算した第１の基準電圧を中心に入力信号を出力する。第１のレベルシフト回路は、第１の演算増幅器から出力される信号をレベルシフトする。第１のレベルシフト回路と第２のレベルシフト回路は同じ回路構成であるので、第１のレベルシフト回路によるレベルシフトは、第２のレベルシフト回路の反転したシフト電圧によって打ち消される。これにより、第１のレベルシフト回路によってレベルシフトされた信号は、第２の基準電圧を中心に振れ、温度変化の影響を受けることなく安定して出力される。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係るレベル変換回路の回路図である。
【図２】トランジスタの温度特性を示した図である。
【図３】図１の各部の入出力における基準電圧及び信号を説明する図である。
【図４】レベルシフト回路の電流源にカレントミラー回路を用いた場合の回路図である。
【図５】第２の実施の形態に係るレベル変換回路の回路図である。
【図６】第３の実施の形態に係るレベル変換回路の回路図である。
【図７】従来のレベル変換回路の回路図である。
【図８】図７のレベル変換回路の各部における信号波形を示した図である。
【符号の説明】
１１，１２，２１，２２ レベルシフト回路
Ｚ１〜Ｚ３ 演算増幅器
Ｒ１〜Ｒ５ 抵抗
Ｃ１ コンデンサ
Ｍ１〜Ｍ７ トランジスタ
Ｉ１〜Ｉ５ 電流源
１３ ＢＧＲ回路
３３ ＡＤＣ
Ｖｒｅｆ，Ｖｒｍ 基準電圧
Ｖｉｎ 入力信号
Ｖａｍｐ 増幅信号
Ｖｇｓ１〜Ｖｇｓ４ シフト電圧
Ｖｓｆｔ シフト信号
Claims (9)
- 信号をレベルシフトして出力するレベル変換回路において、
入力信号を第１の基準電圧を中心に出力する第１の演算増幅器と、
前記第１の演算増幅器から出力される信号を第２の演算増幅器の入力レンジに適合するようにレベルシフトする第１のレベルシフト回路と、
前記第１のレベルシフト回路と同じ回路構成の第２のレベルシフト回路と、
前記第２のレベルシフト回路のシフト電圧を反転し、入力される第２の基準電圧に加算して前記第１の基準電圧を出力する第３の演算増幅器と、
を有することを特徴とするレベル変換回路。 - 前記第２の基準電圧は、前記第２の演算増幅器の入力レンジの中間電圧であることを特徴とする請求項１記載のレベル変換回路。
- 前記第１のレベルシフト回路及び前記第２のレベルシフト回路は、ソースホロワ回路によって構成されていることを特徴とする請求項１記載のレベル変換回路。
- 前記ソースホロワ回路が有する電流源は、カレントミラー回路によって構成されていることを特徴とする請求項３記載のレベル変換回路。
- 前記第１のレベルシフト回路と前記第２のレベルシフト回路は、近接していることを特徴とする請求項１記載のレベル変換回路。
- 前記第２の基準電圧は、バンドギャップリファレンス回路によって生成されることを特徴とする請求項１記載のレベル変換回路。
- 前記第２の基準電圧は、抵抗によって分圧された電圧であることを特徴とする請求項１記載のレベル変換回路。
- 前記第１のレベルシフト回路は、アナログ−デジタル変換器の入力レンジに適合するようにレベルシフトすることを特徴とする請求項１記載のレベル変換回路。
- 信号をレベルシフトするレベル変換方法において、
第１の演算増幅器によって、入力信号を第１の基準電圧を中心に出力し、
第１のレベルシフト回路によって、前記第１の演算増幅器から出力される信号を第２の演算増幅器の入力レンジに適合するようにレベルシフトし、
第３の演算増幅器によって、前記第１のレベルシフト回路と同じ回路構成の第２のレベルシフト回路のシフト電圧を反転し、入力される第２の基準電圧に加算して前記第１の基準電圧を出力する、
ことを特徴とするレベル変換方法。
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