JP4256338B2 - 定電流源回路 - Google Patents

Description

本発明は、ＣＭＯＳ集積回路技術によって製造される定電流源回路において、素子数の少ない回路で起動を確実に行わせるための技術に関する。

図２は従来の基本的な定電流源回路を示す回路図である。図２において、１ａは定電流源回路の高電位側基準電位点としての電源供給端子、１ｂは低電位側基準電位点としてのグランド端子（以下、グランドと略す）であり、具体的な回路構成は以下のようになっている。
Ｎチャネル・エンハンスメント型電界効果トランジスタによる第１と第２のトランジスタＱ１、Ｑ２を設ける。このトランジスタＱ１とＱ２の各ゲートを共通接続し、トランジスタＱ１のドレイン、ゲート間を接続する。そして、トランジスタＱ１のソースはグランドに直接接続し、トランジスタＱ２のソースは抵抗Ｒ１を介してグランドに接続し、バイアス回路３を構成する。

続いて、Ｐチャネル・エンハンスメント型電界効果トランジスタによる第３と第４のトランジスタＱ３、Ｑ４を設ける。このトランジスタＱ３とＱ４がカレントミラー回路４を構成するようにトランジスタＱ３とＱ４の各ゲートを共通接続し、トランジスタＱ４のドレイン、ゲート間を接続する。トランジスタＱ３とＱ４の各ソースは電源供給端子１ａに共通接続し、トランジスタＱ３のドレインはトランジスタＱ１のドレインに接続し、トランジスタＱ４のドレインはトランジスタＱ２のドレインに接続する。
さらに第４のトランジスタと同一型の出力トランジスタＱ５を設け、出力トランジスタＱ５のゲートはトランジスタＱ４のゲートに、ソースは電源供給端子１ａに、ソースは電流出力端子２にそれぞれ接続する。

以上のような構造を持つ図２の定電流源回路では以下のような動作が行われる。
いま、トランジスタＱ１とＱ２の主電流路には異なる密度の電流が流れているとする。ここでトランジスタＱ３とＱ４はカレントミラー回路構成しているため、トランジスタＱ１とＱ２の主電流路を流れる電流の密度の比率は常に一定に保たれる。すると、トランジスタＱ１とＱ２の各ドレイン間には半導体材料の熱電圧ＶＴに比例した電圧が発生し、抵抗Ｒ１には、その電気抵抗と熱電圧ＶＴに応じた電流が流れる。抵抗Ｒ１に流れる電流はすなわちトランジスタＱ２、Ｑ４の主電流路を流れる電流であり、この電流は、トランジスタＱ１とＱ２の間、トランジスタＱ３とＱ４の間の各電流制御動作によって生じた自己帰還バイアス作用を受け、外乱に対して安定した値を維持するようになる。

そして、トランジスタＱ４を通過する電流が安定した値を維持することにより、そのゲートがトランジスタＱ４のゲートと共通接続された出力トランジスタＱ５には安定した電流が流れる。その結果、電流出力端子２から外部に安定した電流（定電流）を供給することが可能になる。
特開２０００−１８１５５８号 特開２００２−１２４６３７号 特開２００２−３２８７３２号

ところで、図２に示すような構成の定電流源回路は、一旦動作を停止すると、電源供給端子に電圧が供給されただけでは起動しない。このため、起動時にはトランジスタＱ１のゲートに電流を供給するようなバイアスか、あるいはトランジスタＱ４のゲートから電流を引き抜くようなバイアスを供給しなければならない。このバイアスを供給するための機構には、トランジスタＱ１〜Ｑ４の動作に悪影響を与えないようにするため、回路の起動後にはバイアスの供給を遮断する機能が要求される。特許文献１乃至特許文献３には、回路の起動後、自動的にバイアスの供給を遮断する機構を備えた定電流源回路あるいは定電圧源回路が開示されている。

各特許文献に開示された回路の詳細な説明は省略するが、特許文献１と特許文献２に開示された回路は、回路の起動後に自動的にバイアスの供給を遮断する機構の素子数が多くなる欠点がある。一方、特許文献３に開示された回路は、回路の起動後に自動的にバイアスの供給を遮断する機構が２つのコンデンサのみで構成されるため、素子数が少なくて済む反面、各トランジスタと供給電圧の仕様によっては回路を確実に起動することができない場合や、出力電流（電圧）が供給電圧の変動の影響を受ける恐れなどがあった。
そこで本発明は、素子数の少ない回路で確実に起動することが可能な定電流源回路を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、ダイオード接続された第１のトランジスタと、第１のトランジスタとゲートが共通接続された第２のトランジスタと、第１のトランジスタと直列接続された第３のトランジスタと、第２のトランジスタと直列接続された第４のトランジスタとを具備し、該第３と第４のトランジスタがカレントミラー回路を構成する定電流源回路において、その主電流路が第３のトランジスタの主電流路と並列に接続され、その制御端子が定電流源回路の所定の基準電位点に接続されたデプレション型電界効果型トランジスタによる起動用トランジスタを具備することを特徴とする。

従来の構成に比べ、デプレッション型の起動用トランジスタと、必要に応じて設けられるレベルシフト用のトランジスタのみが追加されるため、回路を構成するための素子数が少なくて済む。また、回路の起動後は、回路の動作開始に伴って起動用トランジスタの主電流路の一端の電位が上昇することにより自動的に起動用トランジスタがオフするため、回路を確実に起動できる。
これにより、素子数の少ない回路で確実に起動することが可能な定電流源回路を提供できる。

Ｎチャネル・エンハンスメント型の第１のトランジスタと第２のトランジスタのゲートを共通接続し、第１のトランジスタのドレイン、ソース間を共通接続する。Ｐチャネル・エンハンスメント型の第３のトランジスタと第４のトランジスタのゲートを共通接続し、第４のトランジスタのドレイン、ソース間を共通接続する。第１と第３のトランジスタの各ドレインを共通接続し、第２と第４のトランジスタの各ドレインを共通接続する。第２のトランジスタのドレインに抵抗を接続してバンドギャップ型基準電圧回路を構成する。

Ｎチャネル・デプレション型の起動用トランジスタを設け、そのドレインは第３、第４のトランジスタのドレインと共に電源供給端子に接続する。起動用トランジスタのゲートは第１のトランジスタのソース、抵抗の一端と共にグランドに接続する。起動用トランジスタのソースは第３のトランジスタのドレインに接続し、起動用トランジスタのソースと第１のトランジスタのドレインとの間にレベルシフト用の第５のトランジスタを接続する。なお、第５のトランジスタはそのドレイン、ゲート間が接続された、起動用トランジスタと同一型のトランジスタを使用する。

ゲートがグランドに接続されたデプレション型の起動用トランジスタは、電源が供給された直後に導通状態となる。すると起動用トランジスタを介して第１のトランジスタのゲートとドレインの接続点に僅かながら電流が流入し、第１のトランジスタを導通させるようなバイアスが生じる。これにより第１のトランジスタに電流が流れると第２のトランジスタを介して第４のトランジスタに電流が流れることが可能になる。その結果、第１から第４の各トランジスタに電流が流れ、その電流が規定の電流値になるまで第１、第２、第４、第３の動作ループが循環し、定電流源回路全体が起動する。

定電流源回路が起動し、第１のトランジスタに規定の電流が流れるようになると、起動用トランジスタのソースの電位が上昇し、そのゲートがグランドに接続された起動用トランジスタは逆バイアスを受ける。ここでグランド−ソース間の電位差が起動用トランジスタのしきい値電圧を越える大きさになると、起動用トランジスタはオフ状態となり、動作が自動的に停止することになる。
回路や電圧の仕様によってグランド−ソース間の電位差が起動用トランジスタのしきい値電圧を越えることができない場合には、起動用トランジスタのソースと第１のトランジスタのドレインとの間にレベルシフト回路を設ける。このレベルシフト回路は起動用トランジスタと同一型のダイオード接続した第５のトランジスタで構成される。

素子数の少ない回路で確実に起動することを可能とした本発明による定電流源回路の回路を図１に示した。図１の定電流源回路は、以下の点を除き、基本的な回路構成は図２に示す従来の定電流源回路と同じになっている。
すなわち、その主電流路が第３のトランジスタＱ３の主電流路に対して並列に接続され、そのゲートがグランドに接続されたＮチャネル・デプレション型電界効果トランジスタによる起動用トランジスタＱ６と、第１と第３のトランジスタＱ１、Ｑ３の間に直列に接続されたレベルシフト回路５が設けられている。ここでレベルシフト回路５は、その主電流路がトランジスタＱ１とＱ３の間に直列接続され、そのドレイン、ゲート間が接続された起動用トランジスタＱ６と同一型の第５のトランジスタＱ７より構成されている。

以上のような構成とした図１の回路は、起動時において以下のように動作する。
回路構成上、起動用トランジスタＱ６のグランドに接続されたゲートの電位はゼロ、一方、ソースの電位はトランジスタＱ７とトランジスタＱ１の各ゲート、ソース間電圧の和（Ｖ_GS7＋Ｖ_GS1）に等しくなる。
電源供給端子１ａに電圧が供給された直後の時、トランジスタＱ７とトランジスタＱ１に電流が流れていないため、起動用トランジスタＱ６のソースの電位は実質ゼロとなる。したがって、しきい値電圧が負の値を持つデプレッション型の起動用トランジスタＱ６は導通し、起動用トランジスタＱ６を通過した電流はダイオード接続状態のトランジスタＱ７とトランジスタＱ１を順方向にバイアスする電圧を生じさせる。

トランジスタＱ１が導通し、そこに電流が流れると、ゲートが共通接続されたトランジスタＱ２は電流の通過が可能になり、ダイオード接続状態のトランジスタＱ４からトランジスタＱ２に電流が流入する。トランジスタＱ３とＱ４はカレントミラー回路４を構成しているため、トランジスタＱ４に流れる電流に応じた電流がトランジスタＱ３に流れる。その結果、トランジスタＱ７とトランジスタＱ１には起動用トランジスタＱ６から流入する電流と合わせてトランジスタＱ３から流入する電流とが流入するようになる。そして、トランジスタＱ１、Ｑ２、Ｑ４、Ｑ３、Ｑ１・・・の動作順序でもって、各トランジスタＱ１〜Ｑ４を流れる電流は定常動作時に生じる規定の電流値に向かって増加していくことになる。

ダイオード接続状態のトランジスタＱ７およびトランジスタＱ１の各ゲート、ソース間電圧は、そこを流れる電流に応じた値となる。このため、ゲートの電位がゼロに固定されている起動用トランジスタＱ６のゲート、ソース間は、電流が流れている状態のトランジスタＱ７、Ｑ１の各ゲート、ソース間電圧によって逆バイアスを受ける。トランジスタＱ３からトランジスタＱ７およびＱ１に流入する電流が増加していく過程で、トランジスタＱ７とＱ１のゲート、ソース間電圧の合成値（Ｖ_GS7＋Ｖ_GS1）が起動用トランジスタＱ６のしきい値電圧の大きさを越えると、起動用トランジスタＱ６はオフ状態に転換する。これにより、トランジスタＱ１〜Ｑ４を流れる電流が規定値に達し、回路全体が定常動作状態になった時には起動用トランジスタＱ６は既に動作を停止しており、そこから流入する電流がトランジスタＱ１〜Ｑ４の動作に影響を及ぼすことは無くなる。

ところで、起動用トランジスタＱ６に適用されるデプレッション型の電界効果トランジスタは、製品毎の特性（しきい値電圧：Ｖ_th、およびＶ_GS＝０時のドレイン電流：Ｉ_DSS）のバラツキが大きく現れることで知られている。このため、図２の従来の回路に起動用トランジスタＱ６のみを追加設置しただけの場合、製品によって起動用トランジスタＱ６が動作を停止するタイミングがばらつき、最悪のケースでは、回路が起動しない、あるいは起動後にも起動用トランジスタＱ６からの電流の流入が止まらない、という事態も発生し得る。

そこで図１の回路のごとくレベルシフト回路５を設けると、起動用トランジスタＱ６のしきい値を高くすることができ、特性のバラツキの影響を軽減することが可能になる。なお、具体的にレベルシフト回路５を起動用トランジスタＱ６と同一型の第５のトランジスタＱ７で構成した場合、起動用トランジスタＱ６とトランジスタＱ７を同時に形成すれば、製造プロセスの誤差を原因とする起動用トランジスタＱ６とトランジスタＱ７の特性のバラツキを互いに打ち消すことができるといった利点が有る。

本発明の実施例による定電流源回路の回路図。 従来の基本的な定電流源回路の回路図。

符号の説明

１ａ：電源供給端子（高電位側基準電位点）
１ｂ：グランド端子（低電位側基準電位点）
２：電流出力端子
３：バイアス回路
４：カレントミラー回路
５：レベルシフト回路
Ｑ１：第１のトランジスタ
Ｑ２：第２のトランジスタ
Ｑ３：第３のトランジスタ
Ｑ４：第４のトランジスタ
Ｑ５：出力トランジスタ
Ｑ６：起動用トランジスタ
Ｑ７：第５のトランジスタ

Claims (3)

1. ダイオード接続された第１のトランジスタと、該第１のトランジスタとゲートが共通接続された第２のトランジスタと、該第１のトランジスタと直列接続された第３のトランジスタと、該第２のトランジスタと直列接続された第４のトランジスタとを具備し、該第３と第４のトランジスタがカレントミラー回路を構成する定電流源回路において、
   その主電流路が該第３のトランジスタの主電流路と並列に接続され、その制御端子が定電流源回路の所定の基準電位点に接続されたデプレッション型電界効果トランジスタによる起動用トランジスタと、
   該第１のトランジスタと該起動用トランジスタの間に直列接続されたレベルシフト回路と、
   を具備することを特徴とする定電流源回路。
2. 前記レベルシフト回路が、前記起動用トランジスタと同一型の第５のトランジスタよりなることを特徴とする、請求項１に記載した定電流源回路。
3. 前記起動用トランジスタが、定常動作状態において規定の電流が流れている前記第１のトランジスタと前記レベルシフト回路に生じる合成の電位差よりもしきい値電圧の大きさが小さいトランジスタ素子であることを特徴とする、請求項１あるいは請求項２に記載した定電流源回路。

Images