JP4375025B2

JP4375025B2 - 出力回路およびオペアンプ

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Publication number: JP4375025B2
Application number: JP2004005393A
Authority: JP
Inventors: 信義長村
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-01-13
Filing date: 2004-01-13
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2024-01-13
Also published as: US20050151569A1; JP2005203848A; US7535267B2

Description

本発明は、電流ソース用の出力トランジスタを用いた出力回路および当該出力回路を備えたオペアンプに関する。

近年、半導体集積回路装置における電源の低電圧化および低消費電力化がますます重要となってきている。特許文献１には、シンク側出力トランジスタのベース電位に基づいて、ソース側出力トランジスタのコレクタ電流を制御して、出力トランジスタのアイドリング電流を低減するオペアンプが示されている。

また、特許文献２には、信号入力端子に印加された入力電圧が、第３および第４のトランジスタのベースに与えられ、それぞれベース・エミッタ間電圧だけシフトされた上で、相補形プッシュプル構成をなす第１および第２のトランジスタのベースに与えられるＢ級プッシュプル出力回路であって、入力電圧が変化したり負荷が変動しても第３のトランジスタに流れるコレクタ電流の変化が小さくなるプッシュプル出力回路が示されている。このプッシュプル出力回路を用いると、第１ないし第４のトランジスタのベース・エミッタ間電圧のアンバランスに基づく消費電流の増加およびクロスオーバー歪みの増大を抑えることができる。
特開２００３−６９３４６号公報特開２００３−２５８５６９号公報

図４は、従来から用いられているオペアンプのプッシュプル出力回路であって、（ａ）はブロック構成を示し、（ｂ）は具体的な回路構成を示している。オペアンプ１に電源電圧を供給する電源線２と電源線３（グランド線）との間には、ＮＰＮ形トランジスタＱ１とＰＮＰ形トランジスタＱ２とが出力端子４を挟んで接続されており、これらトランジスタＱ１とＱ２の各ベースの間には図示極性のダイオードＤ１、Ｄ２が直列に接続されている。

ソース側のトランジスタＱ１側について、電源線２と定電流回路５との間および電源線２とトランジスタＱ１のベースとの間には、それぞれカレントミラー回路６を構成するトランジスタＱ３およびＱ４が接続されている。このカレントミラー回路６は、トランジスタＱ１にベース電流を流す駆動回路である。一方、シンク側のトランジスタＱ２側について、トランジスタＱ２のベースと電源線３との間には、トランジスタＱ２にベース電流を流すためのトランジスタＱ５が接続されており、そのトランジスタＱ５のベース・エミッタ間には抵抗７が接続されている。なお、出力端子４には、負荷８が接続されるようになっている。

このオペアンプ１において、カレントミラー回路６がトランジスタＱ１に供給するベース電流つまり定電流回路５の電流値は、負荷８に流し出す電流が最大となる場合を想定して設計されている。このように設計された回路では、負荷８に流し出す電流が小さくなると、トランジスタＱ１に無駄なベース電流が流れることになる。例えば、オペアンプ１の最大出力電流が−４０ｍＡ、トランジスタＱ１の直流電流増幅率ｈFE（最小）が２０として設計した場合、定電流回路５の電流値は２ｍＡ以上に設定する必要があり、たとえ無負荷の場合であっても常に２ｍＡ以上の電流が流れ続けることになる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、出力トランジスタの駆動に要する電流を低減可能な出力回路および当該出力回路を備えたオペアンプを提供することにある。

請求項１に記載した手段によれば、電流ソース用の出力トランジスタに流れる電流を電流検出回路により検出し、駆動回路は、その検出された電流が増加すると出力トランジスタに供給するベース電流を増加させ、前記検出された電流が減少すると出力トランジスタに供給するベース電流を減少させる。従って、出力回路の出力電流が最大の場合においても出力トランジスタを駆動できるだけのベース電流供給能力を駆動回路に持たせておけば、無負荷から最大負荷までの各負荷状態において、出力トランジスタを駆動するのに必要なだけの適量なベース電流を流すことができ、過剰なベース電流を流すことにより生じていた無駄な消費電流を低減することができる。
出力トランジスタに対し所定のベース電流を供給する起動回路を設けたので、例えば無負荷状態から負荷が急増したような場合に、起動回路が供給する出力トランジスタのベース電流に基づいて直ちにコレクタ電流が流れ、さらに、電流検出回路または電圧検出回路、駆動回路および出力トランジスタからなる閉ループの増幅作用により、出力トランジスタのベース電流ひいてはコレクタ電流を急峻に立ち上げることができる。

請求項２に記載した手段によれば、検出用トランジスタには、出力トランジスタに流れる電流に対して一定割合の電流が流れ、その電流がカレントミラー回路を介して出力トランジスタのベース電流となる。従って、出力トランジスタと検出用トランジスタとのエミッタ面積比およびカレントミラー回路を構成するトランジスタのエミッタ面積比（ミラー比）などを調整することにより、出力トランジスタのコレクタ電流とベース電流との比を出力トランジスタの直流電流増幅率に応じた値に設定することができる。

請求項３に記載した手段によれば、出力端子の電圧を電圧検出回路により検出し、駆動回路は、その検出された電圧に応じたベース電流を出力トランジスタに供給する。本手段は、出力端子の電圧に応じた電流が出力されるような用途・負荷に対して好適であり、逆に、出力電流にかかわらず出力電圧が一定に制御されるような用途・負荷に対しては不適である。本手段においても、出力回路の出力電流が最大の場合において出力トランジスタを駆動できるだけのベース電流供給能力を駆動回路に持たせておけば、無負荷から最大負荷までの各負荷状態において、出力トランジスタを駆動するのに必要なだけの適量なベース電流を流すことができ、過剰なベース電流を流すことにより生じていた無駄な消費電流を低減することができる。

第１のカレントミラー回路は、出力端子の電圧に応じた電流を入力し、ミラー比に応じた電流を出力する。また、第２のカレントミラー回路は、第１のカレントミラー回路からから出力される電流を入力し、ミラー比に応じた電流を出力トランジスタのベース電流として出力する。従って、第１、第２のカレントミラー回路を構成するトランジスタのエミッタ面積比などを調整することにより、出力トランジスタのコレクタ電流（出力電圧と一定の関係を有する）とベース電流との比を適宜設定することができる。

請求項４に記載した手段によれば、出力トランジスタに対し所定のベース電流を供給する起動回路を設けたので、例えば無負荷状態から負荷が急増したような場合に、起動回路が供給する出力トランジスタのベース電流に基づいて直ちにコレクタ電流が流れ、さらに、電流検出回路または電圧検出回路、駆動回路および出力トランジスタからなる閉ループの増幅作用により、出力トランジスタのベース電流ひいてはコレクタ電流を急峻に立ち上げることができる。
請求項５記載に記載した手段によれば、出力端子の電圧を電圧検出回路により検出し、駆動回路は、その検出された電圧に応じたベース電流を出力トランジスタに供給する。本手段は、出力端子の電圧に応じた電流が出力されるような用途・負荷に対して好適であり、逆に、出力電流にかかわらず出力電圧が一定に制御されるような用途・負荷に対しては不適である。本手段においても、出力回路の出力電流が最大の場合において出力トランジスタを駆動できるだけのベース電流供給能力を駆動回路に持たせておけば、無負荷から最大負荷までの各負荷状態において、出力トランジスタを駆動するのに必要なだけの適量なベース電流を流すことができ、過剰なベース電流を流すことにより生じていた無駄な消費電流を低減することができる。
出力トランジスタに対し所定のベース電流を供給する起動回路を設けたので、例えば無負荷状態から負荷が急増したような場合に、起動回路が供給する出力トランジスタのベース電流に基づいて直ちにコレクタ電流が流れ、さらに、電流検出回路または電圧検出回路、駆動回路および出力トランジスタからなる閉ループの増幅作用により、出力トランジスタのベース電流ひいてはコレクタ電流を急峻に立ち上げることができる。

請求項６ないし９に記載した手段によれば、オペアンプのプッシュプル出力回路の電流ソース側出力回路に上述の出力回路を採用したので、オペアンプの消費電流を低減することができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について図１および図２を参照しながら説明する。これら図１、図２において、図４と同一部分には同一符号を付して示している。
まず、図２は、車両のパワーステアリング装置に適用されるトルクセンサの電気的構成を示している。図中、二点鎖線で囲まれた部分は、トルクセンサ用のＩＣ１２として構成されている。このトルクセンサ１１は、トーションバー（図示せず）の弾性変形によるコイルのインダクタンス変化に基づいてトルクを検出するものである。

電圧供給線１３、１４間には、コイル１５、抵抗１６およびコイル１７並びにコイル１８、抵抗１９およびコイル２０がそれぞれ直列に接続されている。これらの直列回路は、後述するオペアンプ２７、２８の負荷８となる。図中、コイル１５、１７、１８、２０は、その抵抗分に着目して抵抗の記号を用いて表してある。これらのコイル１５、１７、１８、２０には、それぞれコンデンサ２１、抵抗２２、コンデンサ２３、抵抗２４が並列に接続されており、電圧供給線１３、１４とグランドとの間にはそれぞれコンデンサ２５、２６が接続されている。抵抗１６、１９は可変抵抗器であって、その可動端子から出力される信号電圧は、トルクに応じた電圧となっている。

ＩＣ１２には、基準交流電圧Ｖ０を入力として、上記電圧供給線１３、１４に対しそれぞれ逆位相の交流電圧Ｖ１、Ｖ２を出力するオペアンプ２７、２８が形成されている。これらオペアンプ２７、２８は、電源線２、３から電源電圧の供給を受けて動作するようになっている。オペアンプ２７は、ボルテージフォロアの接続形態とされている。また、オペアンプ２８は、抵抗２９〜３１を伴った反転増幅回路の接続形態とされており、その非反転入力端子には電源線３２からオフセット基準電圧（一例として３．５Ｖ）が与えられている。なお、基準交流電圧Ｖ０は、例えば３．５Ｖを中心とする振幅１．５Ｖの正弦波電圧である。

図１は、オペアンプ２７、２８のプッシュプル出力回路であって、（ａ）はブロック構成を示し、（ｂ）は具体的な回路構成を示している。電源線２と出力端子４との間には、図示極性のダイオードＤ３と電流ソース用のＮＰＮ形トランジスタＱ１（出力トランジスタに相当）とが直列に接続されており、出力端子４と電源線３（グランド線）との間には、電流シンク用のＰＮＰ形トランジスタＱ２が接続されている。電流検出回路３３を構成するトランジスタＱ６（検出用トランジスタに相当）とトランジスタＱ１のエミッタ同士およびベース同士は接続されており、トランジスタＱ６には、トランジスタＱ１のコレクタ電流つまりオペアンプ２７、２８の出力電流に応じたコレクタ電流が流れるようになっている。

駆動回路３４は、電流検出回路３３により検出された電流に応じたベース電流をトランジスタＱ１に対し供給するとともに、トランジスタＱ２にベース電流を流す回路である。トランジスタＱ１は、主としてトランジスタＱ７とＱ８とからなるカレントミラー回路３５により駆動され、補助的にトランジスタＱ３、Ｑ４と定電流回路５とからなる起動回路３６により駆動されるようになっている。定電流回路５の出力電流は、従来構成とは異なり、トランジスタＱ１の起動に必要なだけの小さい値に設定されている。
トランジスタＱ２は、トランジスタＱ５により駆動されるようになっている。

カレントミラー回路３５を構成するトランジスタＱ７、Ｑ８の各エミッタは電源線２に接続されており、トランジスタＱ７のベースとコレクタはトランジスタＱ６のコレクタに接続されている。また、トランジスタＱ８のコレクタはトランジスタＱ１、Ｑ６のベースに接続されている。起動回路３６のトランジスタＱ３、Ｑ４もカレントミラー回路を構成している。これらトランジスタＱ３、Ｑ４の各エミッタは電源線２に接続されており、トランジスタＱ３のベースとコレクタは定電流回路５に接続されている。また、トランジスタＱ４のコレクタはトランジスタＱ１、Ｑ６のベースに接続されている。

一方、トランジスタＱ５のコレクタは、トランジスタＱ２のベースに接続されており、そのトランジスタＱ５のベース・エミッタ間には抵抗７が接続されている。このトランジスタＱ５のベースには、図示しない差動増幅回路の出力電圧が与えられるようになっている。なお、トランジスタＱ１とＱ２の各ベースの間には図示極性のダイオードＤ１、Ｄ２が直列に接続されている。

次に、本実施形態の作用および効果について説明する。
トルクセンサ１１が動作している期間、オペアンプ２７、２８は、それぞれ電圧供給線１３、１４に対し交流電圧Ｖ１、Ｖ２を出力し続けており、それに伴って出力電圧（瞬時値）に応じた交流電流（瞬時値）を出力（ソース出力またはシンク出力）している。トランジスタＱ１には、起動回路３６から比較的小さい一定のベース電流が供給されており、無負荷時または負荷８が微小の時には、この起動回路３６からのベース電流が支配的となってトランジスタＱ１が駆動される。

トランジスタＱ１にコレクタ電流（オペアンプ２７、２８のソース出力電流）が流れると、トランジスタＱ６に当該電流に対して一定比を持つコレクタ電流が流れ、そのコレクタ電流がカレントミラー回路３５を介してトランジスタＱ１のベース電流となる。トランジスタＱ１にコレクタ電流が流れると、トランジスタＱ１のベース電流が増加する。その結果、トランジスタＱ１には、自身のコレクタ電流つまりオペアンプ２７、２８の出力電流に応じたベース電流が流れることになる。

従って、電圧供給線１３、１４間に接続される負荷８（上述したコイルと抵抗の直列回路）が最大の場合であってオペアンプ２７、２８の出力電流が最大の場合においてもトランジスタＱ１を駆動できるだけのベース電流供給能力をカレントミラー回路３５に持たせておけば、無負荷から最大負荷までの各負荷状態において、トランジスタＱ１に対し、当該トランジスタＱ１を駆動するのに必要となる最小限のベース電流を流すことができ、従来回路（図４参照）において過剰なベース電流を流すことにより生じていた無駄な消費電流を低減することができる。

また、起動回路３６を設けたので、例えば無負荷状態から負荷８が急増したような場合に、起動回路３６が供給するトランジスタＱ１のベース電流に基づいて直ちにコレクタ電流が流れ、電流検出回路３３、駆動回路３４およびトランジスタＱ１からなる閉ループの増幅作用により、トランジスタＱ１のベース電流ひいてはコレクタ電流を急峻に立ち上げることができる。

さらに、電源線２とトランジスタＱ１のコレクタとの間にダイオードＤ３を設けたので、トランジスタＱ１とＱ６のコレクタ・エミッタ間電圧が等しくなり、両トランジスタ間でのアーリー効果をキャンセルして、より高精度の電流検出を実現することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について図３を参照しながら説明する。
本実施形態は、オペアンプ３７において、第１の実施形態で用いた電流検出回路３３に替えて電圧検出回路３８を設けた点が異なっている。図３において、図１（ｂ）と同一部分には同一符号を付して示している。このオペアンプ３７は、第１の実施形態と同様に、例えばトルクセンサ用ＩＣに用いられる。

電圧検出回路３８は、抵抗３９とトランジスタＱ９、Ｑ１０により構成されている。すなわち、出力端子４と電源線３との間には、抵抗３９と、ベースとコレクタが接続されたトランジスタＱ９とが直列に接続されており、トランジスタＱ９とＱ１０はカレントミラー回路（第１のカレントミラー回路に相当）を構成している。この電圧検出回路３８は、出力端子４の電圧を検出し、その検出した電圧に応じた電流を出力するようになっている。

駆動回路４０のうちトランジスタＱ１を駆動する回路は、トランジスタＱ１１、Ｑ１２からなるカレントミラー回路４１（第２のカレントミラー回路に相当）により構成されている。トランジスタＱ１１、Ｑ１２の各エミッタは電源線２に接続されており、トランジスタＱ１１のベースとコレクタはトランジスタＱ１０のコレクタに接続されている。また、トランジスタＱ１２のコレクタはトランジスタＱ１のベースに接続されている。なお、トランジスタＱ１のコレクタは、直接、電源線２に接続されている。

この構成において、トランジスタＱ９には出力端子４の電圧（出力電圧）に比例した電流が流れ込み、その電流がトランジスタＱ１０、Ｑ１１、Ｑ１２を介してトランジスタＱ１のベース電流となる。トランジスタＱ１が負荷８に電流を出力すると、負荷８の電圧上昇に起因して、上記閉ループ制御によりトランジスタＱ１のベース電流が増加する。その結果、トランジスタＱ１には、オペアンプ３７の出力電圧に応じたベース電流が流れることになる。

従って、本実施形態によっても、無負荷から最大負荷までの各負荷状態において、トランジスタＱ１に対し、当該トランジスタＱ１を駆動するのに必要なだけの適量なベース電流を流すことができ、従来過剰なベース電流を流すことにより生じていた無駄な消費電流を低減することができる。また、トランジスタＱ１のコレクタが電源線２に接続されているため、オペアンプ３７は、オペアンプ２７、２８に対して、高電位側の出力電圧範囲をより高くとることができる。ただし、本実施形態は、出力端子４の電圧に応じた電流が出力されるような用途・負荷に対して好適であり、逆に、出力電流にかかわらず出力電圧が一定に制御されるような用途・負荷に対しては不適である。

（その他の実施形態）
なお、本発明は上記し且つ図面に示す各実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように変形または拡張が可能である。
プッシュプル出力回路としてのみならず、単独のソース側出力回路として適用することができる。また、本発明に係る出力回路は、オペアンプに限らずコンパレータやその他の出力回路に対して広く適用することができる。
第２の実施形態において、起動回路３６は、必要に応じて設ければ良い。
トルクセンサ以外の用途にも適用できる。

本発明の第１の実施形態におけるオペアンプのプッシュプル出力回路の構成であって、（ａ）はブロック構成を示し、（ｂ）は具体的な回路構成を示す図トルクセンサの電気的構成図本発明の第２の実施形態である図１（ｂ）相当図従来技術を示す図１相当図

符号の説明

２は電源線、４は出力端子、２７、２８、３７はオペアンプ、３３は電流検出回路、３４、４０は駆動回路、３５はカレントミラー回路、３６は起動回路、３８は電圧検出回路、４１はカレントミラー回路（第２のカレントミラー回路）、Ｑ１はトランジスタ（出力トランジスタ）、Ｑ６はトランジスタ（検出用トランジスタ）である。

Claims

電源線と出力端子との間に接続された電流ソース用の出力トランジスタと、
この出力トランジスタに流れる電流を検出する電流検出回路と、
この電流検出回路により検出された電流が増加すると前記出力トランジスタに供給するベース電流を増加させ、前記電流検出回路により検出された電流が減少すると前記出力トランジスタに供給するベース電流を減少させる駆動回路と、
前記出力トランジスタに対し所定のベース電流を供給する起動回路とを備えたことを特徴とする出力回路。
前記電流検出回路は、前記出力トランジスタに対しエミッタ同士およびベース同士が接続された検出用トランジスタにより構成され、
前記駆動回路は、前記検出用トランジスタに流れる電流を入力とするカレントミラー回路により構成されていることを特徴とする請求項１記載の出力回路。
電源線と出力端子との間に接続された電流ソース用の出力トランジスタと、
この出力端子の電圧を検出する電圧検出回路と、
この電圧検出回路により検出された電圧に応じたベース電流を前記出力トランジスタに供給する駆動回路とを備え、
前記電圧検出回路は、前記出力端子の電圧に応じた電流を入力とする第１のカレントミラー回路により構成され、
前記駆動回路は、前記第１のカレントミラー回路からから出力される電流を入力とする第２のカレントミラー回路により構成されていることを特徴とする出力回路。
前記出力トランジスタに対し所定のベース電流を供給する起動回路を設けたことを特徴とする請求項３記載の出力回路。
電源線と出力端子との間に接続された電流ソース用の出力トランジスタと、
この出力端子の電圧を検出する電圧検出回路と、
この電圧検出回路により検出された電圧に応じたベース電流を前記出力トランジスタに供給する駆動回路と、
前記出力トランジスタに対し所定のベース電流を供給する起動回路とを備えたことを特徴とする出力回路。
電流ソース側出力回路と電流シンク側出力回路とからなるプッシュプル出力回路を備え、前記電流ソース側出力回路として請求項１ないし５の何れかに記載の出力回路を用いたことを特徴とするオペアンプ。
電流ソース側出力回路と電流シンク側出力回路とからなるプッシュプル出力回路を備え、
前記電流ソース側出力回路は、
電源線と出力端子との間に接続された電流ソース用の出力トランジスタと、
この出力トランジスタに流れる電流を検出する電流検出回路と、
この電流検出回路により検出された電流が増加すると前記出力トランジスタに供給するベース電流を増加させ、前記電流検出回路により検出された電流が減少すると前記出力トランジスタに供給するベース電流を減少させる駆動回路とを備えていることを特徴とするオペアンプ。
前記電流検出回路は、前記出力トランジスタに対しエミッタ同士およびベース同士が接続された検出用トランジスタにより構成され、
前記駆動回路は、前記検出用トランジスタに流れる電流を入力とするカレントミラー回路により構成されていることを特徴とする請求項７記載のオペアンプ。
電流ソース側出力回路と電流シンク側出力回路とからなるプッシュプル出力回路を備え、
前記電流ソース側出力回路は、
電源線と出力端子との間に接続された電流ソース用の出力トランジスタと、
この出力端子の電圧を検出する電圧検出回路と、
この電圧検出回路により検出された電圧が増加すると前記出力トランジスタに供給するベース電流を増加させ、前記電圧検出回路により検出された電圧が減少すると前記出力トランジスタに供給するベース電流を減少させる駆動回路とを備えていることを特徴とするオペアンプ。