JP5499944B2 - 定電流回路及び定電流回路を使用した発光ダイオード駆動装置 - Google Patents
定電流回路及び定電流回路を使用した発光ダイオード駆動装置 Download PDFInfo
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Description
本発明は、定電流回路に関し、特に発光ダイオード(LED)等を駆動するための定電流回路及びその定電流回路を使用した発光ダイオード駆動装置に関する。
表示装置用の発光ダイオードは、一般的に輝度のばらつきを低減させるために定電流で駆動される。発光ダイオードを用途に応じて輝度調整する場合は、定電流回路の電流設定を変えることで調整するが、発光ダイオードの電圧降下は駆動電流に応じて大きく変化する。このため、定電流回路の出力端子をなす出力トランジスタの端子の電圧が大きく変化する。
通常、定電流回路は、MOSトランジスタのドレイン電極を出力端子とすることから、該出力端子の電圧が大きく変化するとMOSトランジスタのチャネル長変調効果により、出力電流が変動して発光ダイオードの輝度がばらつくという問題があった。
通常、定電流回路は、MOSトランジスタのドレイン電極を出力端子とすることから、該出力端子の電圧が大きく変化するとMOSトランジスタのチャネル長変調効果により、出力電流が変動して発光ダイオードの輝度がばらつくという問題があった。
このような問題を解決するために、図9のような定電流回路があった。
図9において、NMOSトランジスタM111、M112、M141及びM142は、低電圧カスコード型カレントミラー回路を形成しており、電流iref1をNMOSトランジスタM111とNMOSトランジスタM112のトランジスタサイズ比で決まる比率で逓倍した出力電流ioutを出力端子OUTに接続された外部負荷110に供給する。誤差増幅回路OP102は、抵抗R111とNMOSトランジスタM116との接続部が基準電圧VrefになるようにNMOSトランジスタM116を制御し、抵抗R111の抵抗値をr111とすると、抵抗R111に流れる電流iref2は、iref2=Vref/r111になる。電流iref2は、カレントミラー回路を構成するPMOSトランジスタM115及びM114で折り返されて電流iref1となる。
図9において、NMOSトランジスタM111、M112、M141及びM142は、低電圧カスコード型カレントミラー回路を形成しており、電流iref1をNMOSトランジスタM111とNMOSトランジスタM112のトランジスタサイズ比で決まる比率で逓倍した出力電流ioutを出力端子OUTに接続された外部負荷110に供給する。誤差増幅回路OP102は、抵抗R111とNMOSトランジスタM116との接続部が基準電圧VrefになるようにNMOSトランジスタM116を制御し、抵抗R111の抵抗値をr111とすると、抵抗R111に流れる電流iref2は、iref2=Vref/r111になる。電流iref2は、カレントミラー回路を構成するPMOSトランジスタM115及びM114で折り返されて電流iref1となる。
外部負荷110に電流を供給する出力回路をなすNMOSトランジスタM111,M112,M141,M142は、カスコード型カレントミラー回路を形成しているため、NMOSトランジスタM112のドレイン電圧は、出力端子OUTの電圧に関係なく常にNMOSトランジスタM111のドレイン電圧に等しくなり、出力端子OUTの電圧変動が出力電流ioutの電流値に及ぼす影響は小さい。
しかし、出力端子OUTに電流を供給する出力トランジスタが、NMOSトランジスタM112とM142を直列に接続して構成されると、出力回路を低電圧カスコード型カレントミラー回路で構成しても、出力トランジスタが定電流精度を維持できる飽和領域で動作するために必要な出力端子OUTの電圧が大きくなってしまう。
しかし、出力端子OUTに電流を供給する出力トランジスタが、NMOSトランジスタM112とM142を直列に接続して構成されると、出力回路を低電圧カスコード型カレントミラー回路で構成しても、出力トランジスタが定電流精度を維持できる飽和領域で動作するために必要な出力端子OUTの電圧が大きくなってしまう。
例えば、NMOSトランジスタM111,M112,M141,M142をトランジスタサイズが等しい同一導電型のトランジスタとし、そのしきい値電圧をVthn、ゲート‐ソース間電圧をVgs2、オーバードライブ電圧をVovとすると、NMOSトランジスタM112のドレイン‐ソース間電圧Vds1は、下記(a)式のようになる。
Vds1=Vbias−Vgs2………………(a)
NMOSトランジスタM112が線形領域と飽和領域の境界で動作するようにバイアス電圧VbiasをVbias=Vgs2+Vovになるように設定すると、前記(a)式は下記(b)式のようになる。
Vds1=Vov………………(b)
Vds1=Vbias−Vgs2………………(a)
NMOSトランジスタM112が線形領域と飽和領域の境界で動作するようにバイアス電圧VbiasをVbias=Vgs2+Vovになるように設定すると、前記(a)式は下記(b)式のようになる。
Vds1=Vov………………(b)
NMOSトランジスタM142もNMOSトランジスタM112と同様に線形領域と飽和領域の境界で動作すると、NMOSトランジスタM142のドレイン‐ソース間電圧Vds2は、下記(c)式のようになる。
Vds2=Vov………………(c)
したがって、出力端子OUTの最小電圧Vominは、下記(d)式のようになる。
Vomin=Vds1+Vds2=2×Vov………………(d)
Vds2=Vov………………(c)
したがって、出力端子OUTの最小電圧Vominは、下記(d)式のようになる。
Vomin=Vds1+Vds2=2×Vov………………(d)
一般的なCMOSプロセスでは、最小電圧Vominは0.6V〜1.0Vになる。出力端子OUTの電圧が大きいと、定電流回路の出力トランジスタで消費される消費電力が大きくなる。また、発光ダイオードを駆動するために大電流を出力するには、非常に大きなサイズの出力トランジスタを使用することから、出力トランジスタが2つのMOSトランジスタを直列に接続して構成されると、チップ面積が大幅に増加するという問題があった。
更に、NMOSトランジスタM142のドレイン‐ソース間電圧は、出力端子OUTの電圧によって大きく変動するが、NMOSトランジスタM141のドレイン‐ソース間電圧は、(Vthn+Vov)−Vov=Vthnとなり、NMOSトランジスタM141とM142は、ドレイン‐ソース間電圧が異なるためゲート‐ソース間電圧も異なる。すなわち、NMOSトランジスタM111とM112のドレイン‐ソース間電圧が異なることになり、出力電流ioutにシステマティックな誤差が発生する。
更に、NMOSトランジスタM142のドレイン‐ソース間電圧は、出力端子OUTの電圧によって大きく変動するが、NMOSトランジスタM141のドレイン‐ソース間電圧は、(Vthn+Vov)−Vov=Vthnとなり、NMOSトランジスタM141とM142は、ドレイン‐ソース間電圧が異なるためゲート‐ソース間電圧も異なる。すなわち、NMOSトランジスタM111とM112のドレイン‐ソース間電圧が異なることになり、出力電流ioutにシステマティックな誤差が発生する。
このような問題を解決するために、図10で示すような、定電流回路の出力端子に接続される外部負荷が変化しても、出力電流が変動せず、出力端子電圧が小さい場合でも飽和領域で動作する安定した定電流回路があった(例えば、特許文献1参照。)。
この場合、可変抵抗器Rが適切に調整された場合、カスコード型カレントミラー回路を適用しなくてもNMOSトランジスタNT1とNT2のドレイン‐ソース間電圧が等しくなるため、システマティックな誤差が発生することなく精度良く定電流を出力することができる。
この場合、可変抵抗器Rが適切に調整された場合、カスコード型カレントミラー回路を適用しなくてもNMOSトランジスタNT1とNT2のドレイン‐ソース間電圧が等しくなるため、システマティックな誤差が発生することなく精度良く定電流を出力することができる。
しかし、NMOSトランジスタNT2のドレイン電圧は、NMOSトランジスタNT2が飽和領域で動作する電圧からNMOSトランジスタNT2のゲート‐ソース間電圧の範囲でしか調整することができなかった。すなわち、システマティックな誤差を発生させることなく定電流を出力できる出力端子OUTの電圧Voの範囲は、NMOSトランジスタNT2のしきい値電圧をVthn、オーバードライブ電圧をVov2とすると、Vov2≦Vo≦Vthn+Vov2となり、出力端子OUTの電圧Voの変動可能な範囲は大幅に制限されるという問題があった。
このような問題を解決するために、図11で示すような定電流回路があった(例えば、特許文献2参照。)。
図11では、出力端子電圧をレベルシフトしてカレントミラー回路にフィードバックすることにより、出力電流の精度を維持できる出力端子電圧範囲を拡大することができた。
図11では、出力端子電圧をレベルシフトしてカレントミラー回路にフィードバックすることにより、出力電流の精度を維持できる出力端子電圧範囲を拡大することができた。
一方、発光ダイオードのアノード端子に供給される電圧が低下して、定電流回路が所定の電流を出力することができなくなると、これを検出して発光ダイオードのアノード端子に供給される電圧を調整する必要がある。
しかし、図11で示した定電流回路では、出力トランジスタが飽和領域で動作する最低電圧を検出しているため、定電流回路が所定の電流を出力できなくなる前に発光ダイオードのアノード端子に供給される電圧を調整しているため、効率が悪かった。
しかし、図11で示した定電流回路では、出力トランジスタが飽和領域で動作する最低電圧を検出しているため、定電流回路が所定の電流を出力できなくなる前に発光ダイオードのアノード端子に供給される電圧を調整しているため、効率が悪かった。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、高精度な出力電流を出力できる出力端子の動作電圧範囲を大幅に拡大することができると共に、効率を高めることができる定電流回路及び定電流回路を使用した発光ダイオード駆動装置を得ることを目的とする。
この発明に係る定電流回路は、所定の定電流を生成して負荷に供給する定電流回路において、
ゲートに入力された制御信号に応じた電流を流すMOSトランジスタからなる第1トランジスタと、
ゲート及びソースが前記第1トランジスタのゲート及びソースにそれぞれ対応して接続されると共に、ドレインに前記負荷が接続され、ゲートに入力された前記制御信号に応じた電流を前記負荷に供給する、前記第1トランジスタと同一導電型のMOSトランジスタからなる第2トランジスタと、
前記第2トランジスタのドレイン電圧に応じて前記第1トランジスタのドレイン電圧を制御する電圧調整回路部と、
該電圧調整回路部を介して所定の第1定電流を前記第1トランジスタに供給する第1電流源で構成された定電流発生回路部と、
前記電圧調整回路部と該定電流発生回路部との接続部の電圧をレベルシフトさせて前記第1トランジスタ及び第2トランジスタの各ゲートに出力するレベルシフト回路部と、
前記第1トランジスタと前記第2トランジスタの少なくとも一方が線形領域で動作している状態で、前記第1トランジスタと前記第2トランジスタの少なくとも一方が前記第1定電流に比例した電流を出力できなくなったか否かの検出を行う検出回路部と、
を備え、
前記検出回路部は、前記電圧調整回路部と該定電流発生回路部との接続部の電圧と所定の基準電圧との電圧比較を行って前記検出を行うものである。
ゲートに入力された制御信号に応じた電流を流すMOSトランジスタからなる第1トランジスタと、
ゲート及びソースが前記第1トランジスタのゲート及びソースにそれぞれ対応して接続されると共に、ドレインに前記負荷が接続され、ゲートに入力された前記制御信号に応じた電流を前記負荷に供給する、前記第1トランジスタと同一導電型のMOSトランジスタからなる第2トランジスタと、
前記第2トランジスタのドレイン電圧に応じて前記第1トランジスタのドレイン電圧を制御する電圧調整回路部と、
該電圧調整回路部を介して所定の第1定電流を前記第1トランジスタに供給する第1電流源で構成された定電流発生回路部と、
前記電圧調整回路部と該定電流発生回路部との接続部の電圧をレベルシフトさせて前記第1トランジスタ及び第2トランジスタの各ゲートに出力するレベルシフト回路部と、
前記第1トランジスタと前記第2トランジスタの少なくとも一方が線形領域で動作している状態で、前記第1トランジスタと前記第2トランジスタの少なくとも一方が前記第1定電流に比例した電流を出力できなくなったか否かの検出を行う検出回路部と、
を備え、
前記検出回路部は、前記電圧調整回路部と該定電流発生回路部との接続部の電圧と所定の基準電圧との電圧比較を行って前記検出を行うものである。
具体的には、前記検出回路部は、前記第1定電流と同じ電流値の第4定電流を生成して前記第1トランジスタと同一導電型の第6トランジスタに供給し、該第6トランジスタにおける第4定電流が入力される入力端の電圧をレベルシフトさせて該第6トランジスタのゲートに入力して得られた前記第6トランジスタの入力端の電圧を前記基準電圧とするようにした。
また、前記レベルシフト回路部は、
ゲートが前記電圧調整回路部と前記定電流発生回路部との接続部に接続されたMOSトランジスタからなる第3トランジスタと、
該第3トランジスタに所定の第2定電流を供給する第2定電流源と、
を備え、
前記第3トランジスタと前記第2定電流源がソースフォロワ回路を形成し、前記第3トランジスタと前記第2定電流源との接続部が、前記第1トランジスタ及び第2トランジスタの各ゲートに接続されて、前記第3トランジスタのゲート‐ソース間電圧だけ前記電圧調整回路部と前記定電流発生回路部との接続部の電圧をレベルシフトさせるようにした。
ゲートが前記電圧調整回路部と前記定電流発生回路部との接続部に接続されたMOSトランジスタからなる第3トランジスタと、
該第3トランジスタに所定の第2定電流を供給する第2定電流源と、
を備え、
前記第3トランジスタと前記第2定電流源がソースフォロワ回路を形成し、前記第3トランジスタと前記第2定電流源との接続部が、前記第1トランジスタ及び第2トランジスタの各ゲートに接続されて、前記第3トランジスタのゲート‐ソース間電圧だけ前記電圧調整回路部と前記定電流発生回路部との接続部の電圧をレベルシフトさせるようにした。
この場合、前記検出回路部は、
ゲートに入力された制御信号に応じた電流を流すMOSトランジスタからなる前記第6トランジスタと、
前記第4定電流を該第6トランジスタに供給する第4電流源と、
前記第6トランジスタと該第4定電流源との接続部の電圧をレベルシフトさせて前記第6トランジスタのゲートに出力するレベルシフト回路と、
前記第6トランジスタと前記第4定電流源との接続部の電圧である前記基準電圧と、前記電圧調整回路部と前記定電流発生回路部との接続部の電圧との電圧比較を行い、該比較結果を示す信号を生成して出力する電圧比較回路と、
を備えるようにした。
ゲートに入力された制御信号に応じた電流を流すMOSトランジスタからなる前記第6トランジスタと、
前記第4定電流を該第6トランジスタに供給する第4電流源と、
前記第6トランジスタと該第4定電流源との接続部の電圧をレベルシフトさせて前記第6トランジスタのゲートに出力するレベルシフト回路と、
前記第6トランジスタと前記第4定電流源との接続部の電圧である前記基準電圧と、前記電圧調整回路部と前記定電流発生回路部との接続部の電圧との電圧比較を行い、該比較結果を示す信号を生成して出力する電圧比較回路と、
を備えるようにした。
具体的には、前記レベルシフト回路は、
ゲートが前記第6トランジスタと前記第4定電流源との接続部に接続された前記第3トランジスタと同じ導電型のMOSトランジスタからなる第7トランジスタと、
該第7トランジスタに所定の第5定電流を供給する第5定電流源と、
を備え、
前記第7トランジスタと前記第5定電流源がソースフォロワ回路を形成し、前記第7トランジスタと前記第5定電流源との接続部が、前記第6トランジスタのゲートに接続されて、前記第7トランジスタのゲート‐ソース間電圧だけ前記第7トランジスタと前記第5定電流源との接続部の電圧をレベルシフトさせるようにした。
ゲートが前記第6トランジスタと前記第4定電流源との接続部に接続された前記第3トランジスタと同じ導電型のMOSトランジスタからなる第7トランジスタと、
該第7トランジスタに所定の第5定電流を供給する第5定電流源と、
を備え、
前記第7トランジスタと前記第5定電流源がソースフォロワ回路を形成し、前記第7トランジスタと前記第5定電流源との接続部が、前記第6トランジスタのゲートに接続されて、前記第7トランジスタのゲート‐ソース間電圧だけ前記第7トランジスタと前記第5定電流源との接続部の電圧をレベルシフトさせるようにした。
また、前記第7トランジスタは、電流増幅率が前記第3トランジスタの電流増幅率よりも小さくなるようにしてもよい。
また、前記第7トランジスタは、しきい値が前記第3トランジスタのしきい値よりも大きくなるようにしてもよい。
また、前記第5定電流源は、前記第2定電流よりも大きい電流値をなす前記第5定電流を生成するようにした。
また、前記電圧調整回路部は、
前記定電流発生回路部と前記第1トランジスタとの間に接続されたMOSトランジスタからなる第4トランジスタと、
一端が前記第2トランジスタのドレインに接続され、ゲートが該第4トランジスタのゲートに接続された、前記第4トランジスタと同一導電型のMOSトランジスタからなる第5トランジスタと、
該第5トランジスタの他端に所定の第3定電流を供給する第3定電流源と、
を備え、
前記第4トランジスタと前記第5トランジスタの各ゲートの接続部が、前記第3定電流源と前記第5トランジスタとの接続部に接続され、前記第4トランジスタは、前記第1トランジスタのドレイン電圧が前記第2トランジスタのドレイン電圧と等しくなるように動作制御されるようにした。
前記定電流発生回路部と前記第1トランジスタとの間に接続されたMOSトランジスタからなる第4トランジスタと、
一端が前記第2トランジスタのドレインに接続され、ゲートが該第4トランジスタのゲートに接続された、前記第4トランジスタと同一導電型のMOSトランジスタからなる第5トランジスタと、
該第5トランジスタの他端に所定の第3定電流を供給する第3定電流源と、
を備え、
前記第4トランジスタと前記第5トランジスタの各ゲートの接続部が、前記第3定電流源と前記第5トランジスタとの接続部に接続され、前記第4トランジスタは、前記第1トランジスタのドレイン電圧が前記第2トランジスタのドレイン電圧と等しくなるように動作制御されるようにした。
この場合、前記第1定電流及び第3定電流は、電流比が前記第4トランジスタと第5トランジスタの電流増幅度の比に等しくなるように設定されるようにした。
また、前記第4トランジスタは、前記第1トランジスタと同一導電型で同一サイズのトランジスタであるようにした。
また、前記電圧調整回路部は、
前記定電流発生回路部と前記第1トランジスタとの間に接続されたMOSトランジスタからなる第4トランジスタと、
前記第2トランジスタのドレイン電圧に所定の電圧を加えた電圧を生成する電圧生成回路と、
一端に該電圧生成回路で生成された電圧が入力され、ゲートが前記第4トランジスタのゲートに接続された、前記第4トランジスタと同一導電型のMOSトランジスタからなる第5トランジスタと、
該第5トランジスタの他端に所定の第3定電流を供給する第3定電流源と、
を備え、
前記第4トランジスタと前記第5トランジスタの各ゲートの接続部が、前記第3定電流源と前記第5トランジスタとの接続部に接続され、前記第4トランジスタは、前記第1トランジスタのドレイン電圧が前記第2トランジスタのドレイン電圧よりも前記所定の電圧だけ大きくなるように動作制御されるようにしてもよい。
前記定電流発生回路部と前記第1トランジスタとの間に接続されたMOSトランジスタからなる第4トランジスタと、
前記第2トランジスタのドレイン電圧に所定の電圧を加えた電圧を生成する電圧生成回路と、
一端に該電圧生成回路で生成された電圧が入力され、ゲートが前記第4トランジスタのゲートに接続された、前記第4トランジスタと同一導電型のMOSトランジスタからなる第5トランジスタと、
該第5トランジスタの他端に所定の第3定電流を供給する第3定電流源と、
を備え、
前記第4トランジスタと前記第5トランジスタの各ゲートの接続部が、前記第3定電流源と前記第5トランジスタとの接続部に接続され、前記第4トランジスタは、前記第1トランジスタのドレイン電圧が前記第2トランジスタのドレイン電圧よりも前記所定の電圧だけ大きくなるように動作制御されるようにしてもよい。
また、前記電圧調整回路部は、
前記定電流発生回路部と前記第1トランジスタとの間に接続されたMOSトランジスタからなる第4トランジスタと、
一端が前記第2トランジスタのドレインに接続され、ゲートが該第4トランジスタのゲートに接続された、前記第4トランジスタと同一導電型のMOSトランジスタからなる第5トランジスタと、
該第5トランジスタの他端に所定の第3定電流を供給する第3定電流源と、
を備え、
前記第4トランジスタと前記第5トランジスタの各ゲートの接続部が、前記第3定電流源と前記第5トランジスタとの接続部に接続され、前記第4トランジスタは、前記第1トランジスタのドレイン電圧が前記第2トランジスタのドレイン電圧よりも所定の電圧だけ大きくなるように動作制御されるようにしてもよい。
前記定電流発生回路部と前記第1トランジスタとの間に接続されたMOSトランジスタからなる第4トランジスタと、
一端が前記第2トランジスタのドレインに接続され、ゲートが該第4トランジスタのゲートに接続された、前記第4トランジスタと同一導電型のMOSトランジスタからなる第5トランジスタと、
該第5トランジスタの他端に所定の第3定電流を供給する第3定電流源と、
を備え、
前記第4トランジスタと前記第5トランジスタの各ゲートの接続部が、前記第3定電流源と前記第5トランジスタとの接続部に接続され、前記第4トランジスタは、前記第1トランジスタのドレイン電圧が前記第2トランジスタのドレイン電圧よりも所定の電圧だけ大きくなるように動作制御されるようにしてもよい。
また、前記電圧調整回路部は、
前記第1トランジスタ及び第2トランジスタの各ドレイン電圧の電圧比較を行い、該比較結果を示す信号を生成して出力する比較回路と、
該比較回路からの比較結果を示す信号に応じて、前記第2トランジスタのドレイン電圧に応じて前記第1トランジスタのドレイン電圧を制御する電圧調整回路と、
を備え、
前記比較回路は、前記第1トランジスタ及び第2トランジスタの各ドレイン電圧が対応する入力端に入力された誤差増幅回路からなり、前記電圧調整回路は、該誤差増幅回路の出力信号がゲートに入力され、前記第1トランジスタのドレインに直列に接続されたMOSトランジスタからなる第4トランジスタからなるようにしてもよい。
前記第1トランジスタ及び第2トランジスタの各ドレイン電圧の電圧比較を行い、該比較結果を示す信号を生成して出力する比較回路と、
該比較回路からの比較結果を示す信号に応じて、前記第2トランジスタのドレイン電圧に応じて前記第1トランジスタのドレイン電圧を制御する電圧調整回路と、
を備え、
前記比較回路は、前記第1トランジスタ及び第2トランジスタの各ドレイン電圧が対応する入力端に入力された誤差増幅回路からなり、前記電圧調整回路は、該誤差増幅回路の出力信号がゲートに入力され、前記第1トランジスタのドレインに直列に接続されたMOSトランジスタからなる第4トランジスタからなるようにしてもよい。
この場合、前記第4トランジスタは、前記第1トランジスタと同一導電型のトランジスタであり、前記誤差増幅回路は、前記第1トランジスタのドレイン電圧と前記第2トランジスタのドレイン電圧が等しくなるように前記第4トランジスタの動作制御を行うようにしてもよい。
また、前記第4トランジスタは、前記第1トランジスタと同一導電型のトランジスタであり、前記誤差増幅回路は、前記第1トランジスタのドレイン電圧が前記第2トランジスタのドレイン電圧よりも所定の電圧だけ大きくなるように所定の入力オフセット電圧を有するようにしてもよい。
また、前記電圧調整回路部は、前記第4トランジスタと前記定電流発生回路部との接続部と、前記第4トランジスタのゲートとの間に接続されたコンデンサを備えるようにしてもよい。
また、前記第1トランジスタ、第2トランジスタ、電圧調整回路部、定電流発生回路部、レベルシフト回路部及び検出回路部は、1つのICに集積されるようにしてもよい。
また、この発明に係る発光ダイオード駆動装置は、所定の定電流を生成して発光ダイオードに供給する、前記のいずれかに記載の定電流回路を備えるものである。
本発明の定電流回路及び発光ダイオード駆動装置によれば、第1トランジスタと第2トランジスタの少なくとも一方が線形領域で動作している状態で、第1トランジスタと第2トランジスタの少なくとも一方が第1電流源からの第1定電流に比例した電流を出力できなくなったことを検出する検出回路部を設けたことにより、高精度な出力電流を出力できる出力端子の動作電圧範囲を大幅に拡大することができるため、効率を大幅に高めることができ、極めて高い汎用性を得ることができる。
更に、チップ面積を大幅に削減することができると共に、負荷との接続部の電圧である端子電圧に依存しない高精度な定電流を出力することができ、定電流出力精度を低下させることなく前記端子電圧を小さくして消費電力を大幅に低減させることができる。
次に、図面に示す実施の形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
第1の実施の形態.
図1は、本発明の第1の実施の形態における定電流回路の構成例を示したブロック図である。
図1における定電流回路1は、所定の定電流を生成して出力端子OUTから発光ダイオード等の外部負荷10に供給するものであり、NMOSトランジスタM1,M2、所定の定電流i1を生成して出力する定電流源2、レベルシフト回路3、電圧調整回路4及び検出回路5で構成されている。図1において、外部負荷10が発光ダイオードであり、定電流回路1が発光ダイオード駆動装置を構成する場合は、発光ダイオードのアノードは電源電圧Vdd2に接続され、発光ダイオードのカソードは出力端子OUTに接続される。
第1の実施の形態.
図1は、本発明の第1の実施の形態における定電流回路の構成例を示したブロック図である。
図1における定電流回路1は、所定の定電流を生成して出力端子OUTから発光ダイオード等の外部負荷10に供給するものであり、NMOSトランジスタM1,M2、所定の定電流i1を生成して出力する定電流源2、レベルシフト回路3、電圧調整回路4及び検出回路5で構成されている。図1において、外部負荷10が発光ダイオードであり、定電流回路1が発光ダイオード駆動装置を構成する場合は、発光ダイオードのアノードは電源電圧Vdd2に接続され、発光ダイオードのカソードは出力端子OUTに接続される。
電源電圧Vdd2と出力端子OUTとの間には外部負荷10が接続され、NMOSトランジスタM2のドレインは出力端子OUTに接続されており、NMOSトランジスタM1及びM2の各ソースはそれぞれ接地電圧に接続されている。NMOSトランジスタM1とM2の各ゲートは接続され、該接続部の電圧はレベルシフト回路3によって制御されている。NMOSトランジスタM1のドレインには、電源電圧Vdd1を電源とする定電流源2から供給された電流が電圧調整回路4を介して入力されている。
電圧調整回路4は、NMOSトランジスタM2のドレイン電圧に応じてNMOSトランジスタM1のドレイン電圧を調整し、NMOSトランジスタM1のドレイン電圧がNMOSトランジスタM2のドレイン電圧に等しくなるようにする。
また、レベルシフト回路3は、定電流源2と電圧調整回路4との接続部の電圧を所定の電圧だけレベルシフトさせるようにNMOSトランジスタM1及びM2の各ゲート電圧を制御する。すなわち、レベルシフト回路3は、定電流源2と電圧調整回路4との接続部の電圧を所定の電圧だけレベルシフトさせた電圧をNMOSトランジスタM1及びM2の各ゲートに出力する。
検出回路5は、NMOSトランジスタM1とNMOSトランジスタM2の少なくとも一方が線形領域で動作している状態で、NMOSトランジスタM1とNMOSトランジスタM2の少なくとも一方が定電流源2からの定電流i1に比例した電流を出力できなくなったことを検出するものである。
また、レベルシフト回路3は、定電流源2と電圧調整回路4との接続部の電圧を所定の電圧だけレベルシフトさせるようにNMOSトランジスタM1及びM2の各ゲート電圧を制御する。すなわち、レベルシフト回路3は、定電流源2と電圧調整回路4との接続部の電圧を所定の電圧だけレベルシフトさせた電圧をNMOSトランジスタM1及びM2の各ゲートに出力する。
検出回路5は、NMOSトランジスタM1とNMOSトランジスタM2の少なくとも一方が線形領域で動作している状態で、NMOSトランジスタM1とNMOSトランジスタM2の少なくとも一方が定電流源2からの定電流i1に比例した電流を出力できなくなったことを検出するものである。
図2は、図1の定電流回路1の回路例を示した図である。
図2において、レベルシフト回路3は、NMOSトランジスタM13及び所定の定電流i2を供給する定電流源11で構成され、電圧調整回路4は、NMOSトランジスタM14,M15及び所定の定電流i3を供給する定電流源15で構成されている。また、検出回路5は、NMOSトランジスタM16,M17、誤差増幅回路OP1、所定の定電流i4を供給する定電流源16及び所定の定電流i5を供給する定電流源17で構成されている。
電源電圧Vdd1とNMOSトランジスタM1のドレインとの間には、定電流源2とNMOSトランジスタM14が直列に接続され、定電流源2とNMOSトランジスタM14との接続部がNMOSトランジスタM13のゲートに接続されている。
図2において、レベルシフト回路3は、NMOSトランジスタM13及び所定の定電流i2を供給する定電流源11で構成され、電圧調整回路4は、NMOSトランジスタM14,M15及び所定の定電流i3を供給する定電流源15で構成されている。また、検出回路5は、NMOSトランジスタM16,M17、誤差増幅回路OP1、所定の定電流i4を供給する定電流源16及び所定の定電流i5を供給する定電流源17で構成されている。
電源電圧Vdd1とNMOSトランジスタM1のドレインとの間には、定電流源2とNMOSトランジスタM14が直列に接続され、定電流源2とNMOSトランジスタM14との接続部がNMOSトランジスタM13のゲートに接続されている。
また、電源電圧Vdd1と接地電圧との間にはNMOSトランジスタM13と定電流源11が直列に接続され、NMOSトランジスタM13と定電流源11との接続部はNMOSトランジスタM1及びM2の各ゲートに接続されている。また、電源電圧Vdd1とNMOSトランジスタM2のドレインとの間には定電流源15とNMOSトランジスタM15が直列に接続され、NMOSトランジスタM14とNMOSトランジスタM15の各ゲートは接続され、該接続部はNMOSトランジスタM15のドレインに接続されている。
電源電圧Vdd1と接地電圧との間には定電流源16とNMOSトランジスタM16が直列に接続され、定電流源16とNMOSトランジスタM16との接続部は、NMOSトランジスタM17のゲートと誤差増幅回路OP1の反転入力端にそれぞれ接続されている。また、電源電圧Vdd1と接地電圧との間にはNMOSトランジスタM17と定電流源17が直列に接続され、NMOSトランジスタM17と定電流源17との接続部はNMOSトランジスタM16のゲートに接続されている。誤差増幅回路OP1の非反転入力端は、定電流源2とNMOSトランジスタM14との接続部に接続されている。
なお、NMOSトランジスタM1は第1トランジスタを、NMOSトランジスタM2は第2トランジスタを、定電流源2は第1定電流源を、レベルシフト回路3はレベルシフト回路部を、電圧調整回路4は電圧調整回路部を、検出回路5は検出回路部をそれぞれなす。また、NMOSトランジスタM13は第3トランジスタを、NMOSトランジスタM14は第4トランジスタを、NMOSトランジスタM15は第5トランジスタを、NMOSトランジスタM16は第6トランジスタを、NMOSトランジスタM17は第7トランジスタをそれぞれなし、定電流源11は第2定電流源を、定電流源15は第3定電流源を、定電流源16は第4定電流源を、定電流源17は第5定電流源をそれぞれなす。また、誤差増幅回路OP1は電圧比較回路をなし、定電流回路1は1つのICに集積されるようにしてもよい。
このような構成において、NMOSトランジスタM13と定電流源11は、ソースフォロワ回路を形成しており、定電流源2とNMOSトランジスタM14との接続部の電圧であるNMOSトランジスタM14のドレイン電圧をNMOSトランジスタM13のゲート‐ソース間電圧だけレベルシフトさせた電圧をNMOSトランジスタM1及びM2の各ゲートに出力している。
以下、NMOSトランジスタM1、M2、M13、M14及びM15の各ゲート‐ソース間電圧をそれぞれVgs1、Vgs2、Vgs13、Vgs14及びVgs15とし、NMOSトランジスタM1及びM2の各ドレイン‐ソース間電圧をそれぞれVds1及びVds2とする。
以下、NMOSトランジスタM1、M2、M13、M14及びM15の各ゲート‐ソース間電圧をそれぞれVgs1、Vgs2、Vgs13、Vgs14及びVgs15とし、NMOSトランジスタM1及びM2の各ドレイン‐ソース間電圧をそれぞれVds1及びVds2とする。
NMOSトランジスタM15のソース電圧はNMOSトランジスタM2のドレイン電圧と等しいため、NMOSトランジスタM15のゲート電圧Vg15は、下記(1)式のようになる。
Vg15=Vds2+Vgs15………………(1)
Vg15=Vds2+Vgs15………………(1)
NMOSトランジスタM14及びM15の各ゲートは接続されていることから、NMOSトランジスタM1のドレイン電圧Vd1はNMOSトランジスタM15のゲート電圧Vg15からNMOSトランジスタM14のゲート‐ソース間電圧Vgs14だけ低下した電圧となり、前記(1)式より下記(2)式のようになる。
Vd1=Vg15−Vgs14
=(Vds2+Vgs15)−Vgs14………………(2)
Vd1=Vg15−Vgs14
=(Vds2+Vgs15)−Vgs14………………(2)
ここで、NMOSトランジスタM14及びM15を同一導電型でしきい値電圧VthnのNMOSトランジスタとして、NMOSトランジスタM14及びM15の各電流増幅度βをそれぞれβ14及びβ15とすると、定電流i1及びi3は下記(3)式及び(4)式のようになる。
i1=β14×(Vgs14−Vthn)2………………(3)
i3=β15×(Vgs15−Vthn)2………………(4)
i1=β14×(Vgs14−Vthn)2………………(3)
i3=β15×(Vgs15−Vthn)2………………(4)
このことから、下記(5)式が成り立つ。
i1/i3=β14/β15×(Vgs14−Vthn)2/(Vgs15−Vthn)2………………(5)
該(5)式から、下記(6)式が成り立つようにすれば、前記(2)式よりVd1=Vd2になる。
i1/β14=i3/β15………………(6)
i1/i3=β14/β15×(Vgs14−Vthn)2/(Vgs15−Vthn)2………………(5)
該(5)式から、下記(6)式が成り立つようにすれば、前記(2)式よりVd1=Vd2になる。
i1/β14=i3/β15………………(6)
前記(6)式になるようにNMOSトランジスタM14,M15の各トランジスタサイズ及び定電流i1,i3をそれぞれ設定することにより、NMOSトランジスタM1とM2において、ゲート電圧、ドレイン電圧及びソース電圧がそれぞれ等しくなり、λ特性の影響を受けることなく、NMOSトランジスタM2は、NMOSトランジスタM1とのトランジスタサイズ比で決まる電流を正確に出力することができる。
また、NMOSトランジスタM14のドレイン電圧Vd14は、
Vd14=Vgs1+Vgs13
となり、NMOSトランジスタM14のドレイン‐ソース間電圧をVds14とすると、
Vd1+Vds14=Vd14=Vgs1+Vgs13
になり、Vd1=Vd2から下記(7)式が得られる。
Vds14=Vgs1+Vgs13−Vd2………………(7)
Vd14=Vgs1+Vgs13
となり、NMOSトランジスタM14のドレイン‐ソース間電圧をVds14とすると、
Vd1+Vds14=Vd14=Vgs1+Vgs13
になり、Vd1=Vd2から下記(7)式が得られる。
Vds14=Vgs1+Vgs13−Vd2………………(7)
NMOSトランジスタM14のオーバードライブ電圧をVov14とすると、NMOSトランジスタM14が飽和領域で動作するためには、Vds14≧Vov14である必要があることから、前記(7)式より、
Vgs1+Vgs13−Vd2≧Vov14
になる。
Vgs1+Vgs13−Vd2≧Vov14
になる。
ここで、NMOSトランジスタM1とNMOSトランジスタM14は同一導電型で同一サイズであり、NMOSトランジスタM1のしきい値電圧をVthnとしオーバードライブ電圧をVov1とすると、
Vthn+Vov1+Vgs13−Vd2≧Vov14
となる。
Vov1=Vov14であることから、
Vthn+Vgs13−Vd2≧0
Vthn+Vgs13≧Vd2
となる。
Vthn+Vov1+Vgs13−Vd2≧Vov14
となる。
Vov1=Vov14であることから、
Vthn+Vgs13−Vd2≧0
Vthn+Vgs13≧Vd2
となる。
また、NMOSトランジスタM13のしきい値電圧をVthnとしオーバードライブ電圧をVov13とすると、
Vthn+(Vthn+Vov13)≧Vd2
となり、下記(8)式が得られる。
Vds2=Vd2≦Vthn×2+Vov13………………(8)
しきい値電圧Vthnは製造プロセスで決まるパラメータであり、オーバードライブ電圧Vov13は、NMOSトランジスタM13のトランジスタサイズとNMOSトランジスタM13を流れる電流i2とで任意に設定することができる。このため、NMOSトランジスタM2のドレイン電圧Vd2の変動に合わせて回路の動作電圧を決定することができる。
Vthn+(Vthn+Vov13)≧Vd2
となり、下記(8)式が得られる。
Vds2=Vd2≦Vthn×2+Vov13………………(8)
しきい値電圧Vthnは製造プロセスで決まるパラメータであり、オーバードライブ電圧Vov13は、NMOSトランジスタM13のトランジスタサイズとNMOSトランジスタM13を流れる電流i2とで任意に設定することができる。このため、NMOSトランジスタM2のドレイン電圧Vd2の変動に合わせて回路の動作電圧を決定することができる。
次に、NMOSトランジスタM2が飽和領域で動作するための最低ドレイン電圧について考える。
NMOSトランジスタM2が飽和領域で動作するための条件は、NMOSトランジスタM2のしきい値電圧をVthnとし、オーバードライブ電圧をVov2とすると、下記(9)式のようになる。
Vds2≧Vgs2−Vthn=Vov2………………(9)
このことから、出力端子OUTの電圧Voの最低電圧はVov2となり、従来と比較して1/2に低下させることができる。
NMOSトランジスタM2が飽和領域で動作するための条件は、NMOSトランジスタM2のしきい値電圧をVthnとし、オーバードライブ電圧をVov2とすると、下記(9)式のようになる。
Vds2≧Vgs2−Vthn=Vov2………………(9)
このことから、出力端子OUTの電圧Voの最低電圧はVov2となり、従来と比較して1/2に低下させることができる。
例えば、Vthn=0.8V、Vov2=0.3V、Vov13=0.3Vとすると、前記(8)式からNMOSトランジスタM11とNMOSトランジスタM2のドレイン電圧が等しくなるように制御することができる条件は、Vds2≦1.9Vになる。また、前記(9)式から、NMOSトランジスタM2が飽和領域で動作する条件は、Vds2≧0.3Vになる。
すなわち、
0.3V≦Vds2≦1.9V………………(10)
の範囲で出力電流精度を維持することができる。
すなわち、
0.3V≦Vds2≦1.9V………………(10)
の範囲で出力電流精度を維持することができる。
ここで、出力端子OUTの電圧Voが0.3Vよりも低下して、NMOSトランジスタM2が線形領域に入ると、前記(2)〜(6)式よりVd1=Vd2であることから、NMOSトランジスタM1も線形領域に入る。更に、NMOSトランジスタM1に定電流i1が流れるようにNMOSトランジスタM1のゲート電圧が制御されるため、NMOSトランジスタM1が線形領域に入ると、NMOSトランジスタM1のゲート電圧Vg1が上昇し、NMOSトランジスタM13のゲート電圧も上昇する。このとき、NMOSトランジスタM14が飽和領域で動作することは前記(7)式から明らかであり、NMOSトランジスタM13が飽和領域で動作し、定電流源2が所定の定電流i1を出力することができれば、NMOSトランジスタM1及びM2はそれぞれ所定の電流を出力することができる。
定電流源2は、図3で示すようにPMOSトランジスタM21で構成されている。PMOSトランジスタM21のゲートには、所定のバイアス電圧Vb1が入力されていることから、PMOSトランジスタM21は、所定の基準電流をなす定電流i1をドレインから出力する。
PMOSトランジスタM21が飽和領域で動作するための条件は、PMOSトランジスタM21において、ゲート‐ソース間電圧をVgs21、ドレイン‐ソース間電圧をVds21、しきい値電圧をVthp、オーバードライブ電圧をVov21とすると、下記(11)式のようになる。
Vds21≧Vgs21−Vthp=Vov21………………(11)
定電流回路1の電源電圧がVdd1であり、NMOSトランジスタM13のゲート電圧をVg13とすると、前記(11)式から下記(12)式が成り立つようにすればよい。
Vdd1+Vov21≧Vg13=Vgs13+Vgs1……………(12)
PMOSトランジスタM21が飽和領域で動作するための条件は、PMOSトランジスタM21において、ゲート‐ソース間電圧をVgs21、ドレイン‐ソース間電圧をVds21、しきい値電圧をVthp、オーバードライブ電圧をVov21とすると、下記(11)式のようになる。
Vds21≧Vgs21−Vthp=Vov21………………(11)
定電流回路1の電源電圧がVdd1であり、NMOSトランジスタM13のゲート電圧をVg13とすると、前記(11)式から下記(12)式が成り立つようにすればよい。
Vdd1+Vov21≧Vg13=Vgs13+Vgs1……………(12)
次に、検出回路5を構成するNMOSトランジスタM16,M17及び定電流源16,17の動作について説明する。
NMOSトランジスタM16は、NMOSトランジスタM1と同一導電型で電流増幅度βも等しいものとする。定電流源16は、定電流i1と等しい電流を出力し、図3で示したPMOSトランジスタM21と同一導電型で電流増幅度βも等しいPMOSトランジスタで構成されているものとする。
NMOSトランジスタM16は、NMOSトランジスタM1と同一導電型で電流増幅度βも等しいものとする。定電流源16は、定電流i1と等しい電流を出力し、図3で示したPMOSトランジスタM21と同一導電型で電流増幅度βも等しいPMOSトランジスタで構成されているものとする。
NMOSトランジスタM16のゲート‐ソース間電圧をVgs16とし、NMOSトランジスタM17のゲート‐ソース間電圧をVgs17とすると、NMOSトランジスタM17のゲート電圧Vg17は、下記のようになる。
Vg17=Vgs17+Vgs16
定電流源16は定電流i1と等しい電流を出力し、図3で示したPMOSトランジスタM21と同一導電型で電流増幅度βも等しいPMOSトランジスタからなるため、定電流源16を構成するPMOSトランジスタが飽和領域で動作するための条件は、下記(13)式のようになる。
Vdd1+Vov21≧Vg17=Vgs17+Vgs16…………(13)
Vg17=Vgs17+Vgs16
定電流源16は定電流i1と等しい電流を出力し、図3で示したPMOSトランジスタM21と同一導電型で電流増幅度βも等しいPMOSトランジスタからなるため、定電流源16を構成するPMOSトランジスタが飽和領域で動作するための条件は、下記(13)式のようになる。
Vdd1+Vov21≧Vg17=Vgs17+Vgs16…………(13)
前記(12)式及び(13)式から、下記(14)式を満たすようにすれば、定電流源2が所定の定電流i1を出力することができる。
Vdd1+Vov21≧Vgs17+Vgs16≧Vgs13+Vgs1………………(14)
また、NMOSトランジスタM13のドレイン‐ソース間電圧Vds13が下記(15)式を満たすことができれば、NMOSトランジスタM13が飽和領域で動作する。
Vds13=Vdd1−Vgs1≧Vgs13−Vthn……………(15)
Vdd1+Vov21≧Vgs17+Vgs16≧Vgs13+Vgs1………………(14)
また、NMOSトランジスタM13のドレイン‐ソース間電圧Vds13が下記(15)式を満たすことができれば、NMOSトランジスタM13が飽和領域で動作する。
Vds13=Vdd1−Vgs1≧Vgs13−Vthn……………(15)
したがって、前記(14)式及び(15)式を満たすとき、NMOSトランジスタM1及びM2は所定の電流を出力することができる。
例えば、定電流回路1が、リチウムイオン電池で作動する携帯機器における表示装置用の発光ダイオードを駆動する場合、電源電圧Vdd1はリチウムイオン電池の電池電圧になるため、一般的には、リチウムイオン電池の放電カーブから、3.2V≦Vdd1≦4.4Vを想定すればよく、前記(14)式及び(15)式を考えるためにVdd1=3.2Vとする。
前記のように、Vthn=0.8Vであり、Vov21=−0.3V、Vov16=0.3Vにすると、前記(14)式の第1辺と第2辺は下記のようになる。
Vdd1+Vov21=3.2V−0.3V=2.9V≧Vgs17+Vgs16
例えば、定電流回路1が、リチウムイオン電池で作動する携帯機器における表示装置用の発光ダイオードを駆動する場合、電源電圧Vdd1はリチウムイオン電池の電池電圧になるため、一般的には、リチウムイオン電池の放電カーブから、3.2V≦Vdd1≦4.4Vを想定すればよく、前記(14)式及び(15)式を考えるためにVdd1=3.2Vとする。
前記のように、Vthn=0.8Vであり、Vov21=−0.3V、Vov16=0.3Vにすると、前記(14)式の第1辺と第2辺は下記のようになる。
Vdd1+Vov21=3.2V−0.3V=2.9V≧Vgs17+Vgs16
Vgs16=(0.8V+0.3V)=1.1Vであることから、下記のようになる。
Vdd1+Vov21=3.2V−0.3V=2.9V≧Vgs17+1.1V
よって、前記(14)式は、下記(16)式のようになる。
2.9V≧Vgs17+1.1V≧Vgs13+Vgs1………………(16)
Vdd1+Vov21=3.2V−0.3V=2.9V≧Vgs17+1.1V
よって、前記(14)式は、下記(16)式のようになる。
2.9V≧Vgs17+1.1V≧Vgs13+Vgs1………………(16)
NMOSトランジスタM17において、しきい値電圧をVthn17とし、オーバードライブ電圧をVov17とする。
ここで、例えば製造プロセスを変更するか、又はバックバイアス効果を与えてNMOSトランジスタM17のしきい値電圧Vthn17をVthnよりも大きく設定することは容易であり、Vthn17=1.0V、Vov17=0.3Vとすると、Vgs17=Vthn17+Vov17=1.0V+0.3V=1.3Vであるから、前記(16)式は、下記(17)式のようになる。
2.9V≧Vgs17+1.1V=2.4V≧Vgs13+Vgs1………………(17)
ここで、例えば製造プロセスを変更するか、又はバックバイアス効果を与えてNMOSトランジスタM17のしきい値電圧Vthn17をVthnよりも大きく設定することは容易であり、Vthn17=1.0V、Vov17=0.3Vとすると、Vgs17=Vthn17+Vov17=1.0V+0.3V=1.3Vであるから、前記(16)式は、下記(17)式のようになる。
2.9V≧Vgs17+1.1V=2.4V≧Vgs13+Vgs1………………(17)
また、前記のようにVov13=0.3Vであるため、Vgs13=Vthn+Vov13=0.8V+0.3V=1.1Vであることから、前記(17)式は、
2.9V≧Vgs17+1.1V=2.4V≧1.1V+Vgs1
となり、各辺から1.1Vを減算して、下記(18)式のようになり、該(18)式の第1辺と第2辺の大小関係は正しいことが分かる。
1.8V≧1.3V≧Vgs1………………(18)
2.9V≧Vgs17+1.1V=2.4V≧1.1V+Vgs1
となり、各辺から1.1Vを減算して、下記(18)式のようになり、該(18)式の第1辺と第2辺の大小関係は正しいことが分かる。
1.8V≧1.3V≧Vgs1………………(18)
次に、検出回路5の動作について説明をする。
誤差増幅回路OP1の各入力端には、定電流源2とNMOSトランジスタM14との接続部の電圧Vg13と、定電流源16とNMOSトランジスタM16との接続部の電圧Vg17が対応してそれぞれ入力されている。誤差増幅回路OP1は、電圧Vg13が電圧Vg17よりも小さいときにローレベルの信号Doutを出力し、電圧Vg13が電圧Vg17以上のときにハイレベルの信号Doutを出力する。
誤差増幅回路OP1の各入力端には、定電流源2とNMOSトランジスタM14との接続部の電圧Vg13と、定電流源16とNMOSトランジスタM16との接続部の電圧Vg17が対応してそれぞれ入力されている。誤差増幅回路OP1は、電圧Vg13が電圧Vg17よりも小さいときにローレベルの信号Doutを出力し、電圧Vg13が電圧Vg17以上のときにハイレベルの信号Doutを出力する。
すなわち、誤差増幅回路OP1は、定電流回路1の出力端子OUTの電圧Voが十分に大きく所定の電流が出力端子OUTから出力されているときに、ローレベルの信号Doutを出力し、出力端子OUTの電圧Voが低下してNMOSトランジスタM1及びM2が線形領域で動作して電圧Vg13が電圧Vg17よりも大きくなるとハイレベルの信号Doutを出力する。このため、該信号Doutを使用して、例えば外部負荷10をなす発光ダイオードのアノードの電圧を上昇させることにより、定電流回路1は所定の電流を出力することができる。
一般的に、発光ダイオードのアノードには外部から昇圧型のスイッチングコンバータやチャージポンプ等から電圧が供給されており、前記信号Doutの信号レベルに応じて、これらの昇圧比を調整することで前記発光ダイオードのアノードの電圧を上昇させることができる。
一般的に、発光ダイオードのアノードには外部から昇圧型のスイッチングコンバータやチャージポンプ等から電圧が供給されており、前記信号Doutの信号レベルに応じて、これらの昇圧比を調整することで前記発光ダイオードのアノードの電圧を上昇させることができる。
ここで、電圧Vg13が電圧Vg17よりも小さいときは、前記(18)式から電圧Vgs1は最大1.3Vになる。このとき、Vds13=Vdd1−Vgs1=3.2V−1.3V=1.9Vとなり、Vgs13−Vthn=Vov13=0.3V〜0.7Vになるため、前記(15)式は、
Vds13=1.9V≧Vgs13−Vthn=0.3V〜0.7V
となり、大小関係は正しいことが分かる。
Vds13=1.9V≧Vgs13−Vthn=0.3V〜0.7V
となり、大小関係は正しいことが分かる。
これらのパラメータを使用してシミュレーションした結果を図4に示しており、図4(a)〜図4(c)では、横軸は出力端子OUTの電圧Voを示している。
図4から分かるように、電圧Vg13が電圧Vg17よりも大きくなると検出回路5の出力信号Doutがローレベル(L)からハイレベル(H)に反転しており、このときの出力端子OUTの電圧Voは0.05Vであり、定電流回路1の出力電流ioutは所定の電流値を出力している。
したがって、前記(10)式から、定電流回路1の出力電流精度を維持できる条件は、下記(19)式のようになる。
0.05V≦Vds2≦1.9V………………(19)
図4から分かるように、電圧Vg13が電圧Vg17よりも大きくなると検出回路5の出力信号Doutがローレベル(L)からハイレベル(H)に反転しており、このときの出力端子OUTの電圧Voは0.05Vであり、定電流回路1の出力電流ioutは所定の電流値を出力している。
したがって、前記(10)式から、定電流回路1の出力電流精度を維持できる条件は、下記(19)式のようになる。
0.05V≦Vds2≦1.9V………………(19)
一方、図10で示した従来例2では、定電流回路の出力電流精度を維持できる条件は、Vthn=0.8V、Vov=0.3Vであるとすると、Vo≦1.1Vとなり、出力トランジスタが飽和領域で動作できる最小端子電圧は、Vo≧0.3Vとなる。すなわち、下記(20)式を満たす範囲で出力電流精度を維持することができる。
0.3V≦Vds2≦1.1V………………(20)
0.3V≦Vds2≦1.1V………………(20)
同様に、図11で示した従来例3では、定電流回路の出力電流精度を維持できる条件は、下記(21)式のようになる。
0.3V≦Vds2≦1.9V………………(21)
前記(19)〜(21)式の条件を考慮した出力電流の特性例を図5に示す。
図5から分かるように、従来例2や従来例3では、出力電流精度を維持できる電圧Vds2の最小値が0.3Vであったのに対して、本発明では電圧Vds2の最小値を0.05Vと大幅に小さくすることができる。
0.3V≦Vds2≦1.9V………………(21)
前記(19)〜(21)式の条件を考慮した出力電流の特性例を図5に示す。
図5から分かるように、従来例2や従来例3では、出力電流精度を維持できる電圧Vds2の最小値が0.3Vであったのに対して、本発明では電圧Vds2の最小値を0.05Vと大幅に小さくすることができる。
また、NMOSトランジスタM17において、電流増幅率βをβ17とするとオーバードライブ電圧Vov17は、下記のようになる。
Vov17=(2×i5/β17)1/2
i5とβ17は任意に設定することができるため、Vthn17=0.8V、Vov17=0.5Vとすると、
Vgs17=Vthn17+Vov17=0.8V+0.5V=1.3V
になり、前記(16)は、下記(22)式のようになる。
2.9V≧Vgs17+1.1V=2.4V≧Vgs13+Vgs1………………(22)
前記(22)式は、前記(17)式と同様に、前記(18)式を導出できるため、同様の効果を得ることができる。
Vov17=(2×i5/β17)1/2
i5とβ17は任意に設定することができるため、Vthn17=0.8V、Vov17=0.5Vとすると、
Vgs17=Vthn17+Vov17=0.8V+0.5V=1.3V
になり、前記(16)は、下記(22)式のようになる。
2.9V≧Vgs17+1.1V=2.4V≧Vgs13+Vgs1………………(22)
前記(22)式は、前記(17)式と同様に、前記(18)式を導出できるため、同様の効果を得ることができる。
このように、本第1の実施の形態における定電流回路は、NMOSトランジスタM1とNMOSトランジスタM2の少なくとも一方が線形領域で動作している状態で、NMOSトランジスタM1とNMOSトランジスタM2の少なくとも一方が定電流源2からの定電流i1に比例した電流を出力できなくなったことを検出する検出回路5を設けたことにより、高精度な出力電流を出力できる出力端子の動作電圧範囲を大幅に拡大することができると共に、効率を大幅に高めることができる。
更に、従来におけるカスコード素子に相当する図9のNMOSトランジスタM141及びM142が不要になるため、チップ面積を大幅に削減することができ、更に出力端子OUTの電圧変動によるシステマティックな誤差を発生させることなく高精度な出力電流を出力することができる。また、出力端子OUTの最低電圧を1/2に低下させて出力トランジスタで消費する電力を1/2に低減させることができると共に、高精度な出力電流を出力できる出力端子の電圧範囲を大幅に広げることができ、極めて高い汎用性を得ることができる。
なお、図2において、定電流源15及びNMOSトランジスタM15を削除して誤差増幅回路27を使用してもよく、この場合、図6で示すように、誤差増幅回路27の出力端はNMOSトランジスタM14のゲートに、誤差増幅回路27の反転入力端はNMOSトランジスタM14とNMOSトランジスタM1との接続部に、誤差増幅回路27の非反転入力端は出力端子OUTにそれぞれ接続する。
このようにすることにより、誤差増幅回路27は、NMOSトランジスタM1のドレイン電圧Vd1とNMOSトランジスタM2のドレイン電圧Vd2とが等しくなるようにNMOSトランジスタM14のゲート電圧を制御するため、Vd1=Vd2になる。
このようにすることにより、誤差増幅回路27は、NMOSトランジスタM1のドレイン電圧Vd1とNMOSトランジスタM2のドレイン電圧Vd2とが等しくなるようにNMOSトランジスタM14のゲート電圧を制御するため、Vd1=Vd2になる。
このとき、NMOSトランジスタM1及びM2において、ゲート電圧、ドレイン電圧及びソース電圧はそれぞれ等しくなり、λ特性の影響を受けることなくNMOSトランジスタM2はNMOSトランジスタM1とのトランジスタサイズ比で決まる電流を正確に出力することができる。このように、誤差増幅回路27で構成される負帰還制御により、NMOSトランジスタM1とNMOSトランジスタM2の各ドレイン電圧をより正確に等しくすることができる。
また、図2において、回路起動時や定電流i1の電流値を変えた時に、NMOSトランジスタM13のゲート電圧が急峻に変動して出力電流ioutにオーバーシュートやアンダーシュートが発生する場合があるが、このような出力電流ioutのオーバーシュートやアンダーシュートの発生を防止するようにしてもよく、この場合、図7で示すように、NMOSトランジスタM14のドレイン‐ゲート間にコンデンサC11を追加するようにすればよい。このようにすることにより、前記第1の実施の形態と同様の効果を得ることができると共に、出力電流ioutのオーバーシュートやアンダーシュートの発生を防止することができるため、外部負荷10に過電流を供給することなく不具合の発生を防止することができる。
なお、図7では、図2の回路構成の場合を例にして示したが、図6の回路構成の場合も同様にすることによって適用することができる。
なお、図7では、図2の回路構成の場合を例にして示したが、図6の回路構成の場合も同様にすることによって適用することができる。
また、図2では、製造ばらつき等によって、NMOSトランジスタM1のドレイン電圧がNMOSトランジスタM2のドレイン電圧よりも小さくなるように制御された状態でNMOSトランジスタM2のドレイン電圧が低下して、NMOSトランジスタM1が線形領域で動作してしまうと、NMOSトランジスタM1に定電流i1を流すためにNMOSトランジスタM1のゲート電圧が大きく上昇してしまう。このとき、NMOSトランジスタM1のドレイン電圧よりもNMOSトランジスタM2のドレイン電圧が大きくNMOSトランジスタM2が飽和領域で動作していると、設定電流以上の出力電流が出力されるという誤動作が発生する場合があった。
このような誤動作を防止するために、図8で示すように、NMOSトランジスタM2のドレイン電圧に所定のオフセット電圧Vofを加えた電圧をNMOSトランジスタM15のソースに印加するオフセット電圧生成回路21を設けるようにしてもよく、これによって、NMOSトランジスタM14及びM15のゲート‐ソース間にそれぞれオフセット電圧Vofを設けることができる。このため、NMOSトランジスタM1のドレイン電圧は常にNMOSトランジスタM2のドレイン電圧よりもオフセット電圧Vofだけ大きい電圧になるように制御される。
また、図8では、オフセット電圧生成回路21を設けた場合を例にして示したが、オフセット電圧生成回路21を設けずに、NMOSトランジスタM14とNMOSトランジスタM15のトランジスタサイズを変える等して、NMOSトランジスタM14とNMOSトランジスタM15の特性を変えることによりオフセット電圧Vofを発生させるようにしてもよい。
このようにすることにより、前記第1の実施の形態と同様の効果を得ることができると共に、製造ばらつき等によって、設定電流以上の出力電流が出力されるという誤動作の発生を防止することができる。
このようにすることにより、前記第1の実施の形態と同様の効果を得ることができると共に、製造ばらつき等によって、設定電流以上の出力電流が出力されるという誤動作の発生を防止することができる。
また、図8では、図2の回路構成の場合を例にして示したが、図6の誤差増幅回路27に入力オフセット電圧を設けることにより図8の場合と同様の効果を得ることができる。また、図8で示した定電流回路は、図7で示した構成の定電流回路に対しても適用することができ、この場合、図8の定電流回路におけるNMOSトランジスタM14のドレインとゲートとの間に、図7で示したコンデンサC11を設けるようにすればよい。
なお、前記説明において、電源電圧Vdd1及びVdd2は同じ電圧であってもよいし、異なる電圧であってもよい。また、定電流回路1は、電源電圧Vdd1を生成する電源回路及び/又は電源電圧Vdd2を生成する電源回路と共に1つのICに集積するようにしてもよい。この場合、外部負荷10を定電流回路1と共に1つのICに集積されるようにしてもよい。
また、前記説明では、出力トランジスタにNMOSトランジスタを使用した場合を例にして示したが、本発明はこれに限定するものではなく、出力トランジスタにPMOSトランジスタを使用した場合にも適用することができる。
また、前記説明では、出力トランジスタにNMOSトランジスタを使用した場合を例にして示したが、本発明はこれに限定するものではなく、出力トランジスタにPMOSトランジスタを使用した場合にも適用することができる。
1 定電流回路
2,11,15〜17 定電流源
3 レベルシフト回路
4 電圧調整回路
5 検出回路
10 外部負荷
21 オフセット電圧生成回路
OP1,27 誤差増幅回路
M1,M2,M13〜M17 NMOSトランジスタ
M21 PMOSトランジスタ
C11 コンデンサ
2,11,15〜17 定電流源
3 レベルシフト回路
4 電圧調整回路
5 検出回路
10 外部負荷
21 オフセット電圧生成回路
OP1,27 誤差増幅回路
M1,M2,M13〜M17 NMOSトランジスタ
M21 PMOSトランジスタ
C11 コンデンサ
Claims (19)
- 所定の定電流を生成して負荷に供給する定電流回路において、
ゲートに入力された制御信号に応じた電流を流すMOSトランジスタからなる第1トランジスタと、
ゲート及びソースが前記第1トランジスタのゲート及びソースにそれぞれ対応して接続されると共に、ドレインに前記負荷が接続され、ゲートに入力された前記制御信号に応じた電流を前記負荷に供給する、前記第1トランジスタと同一導電型のMOSトランジスタからなる第2トランジスタと、
前記第2トランジスタのドレイン電圧に応じて前記第1トランジスタのドレイン電圧を制御する電圧調整回路部と、
該電圧調整回路部を介して所定の第1定電流を前記第1トランジスタに供給する第1電流源で構成された定電流発生回路部と、
前記電圧調整回路部と該定電流発生回路部との接続部の電圧をレベルシフトさせて前記第1トランジスタ及び第2トランジスタの各ゲートに出力するレベルシフト回路部と、
前記第1トランジスタと前記第2トランジスタの少なくとも一方が線形領域で動作している状態で、前記第1トランジスタと前記第2トランジスタの少なくとも一方が前記第1定電流に比例した電流を出力できなくなったか否かの検出を行う検出回路部と、
を備え、
前記検出回路部は、前記電圧調整回路部と該定電流発生回路部との接続部の電圧と所定の基準電圧との電圧比較を行って前記検出を行うことを特徴とする定電流回路。 - 前記検出回路部は、前記第1定電流と同じ電流値の第4定電流を生成して前記第1トランジスタと同一導電型の第6トランジスタに供給し、該第6トランジスタにおける第4定電流が入力される入力端の電圧をレベルシフトさせて該第6トランジスタのゲートに入力して得られた前記第6トランジスタの入力端の電圧を前記基準電圧とすることを特徴とする請求項1記載の定電流回路。
- 前記レベルシフト回路部は、
ゲートが前記電圧調整回路部と前記定電流発生回路部との接続部に接続されたMOSトランジスタからなる第3トランジスタと、
該第3トランジスタに所定の第2定電流を供給する第2定電流源と、
を備え、
前記第3トランジスタと前記第2定電流源がソースフォロワ回路を形成し、前記第3トランジスタと前記第2定電流源との接続部が、前記第1トランジスタ及び第2トランジスタの各ゲートに接続されて、前記第3トランジスタのゲート‐ソース間電圧だけ前記電圧調整回路部と前記定電流発生回路部との接続部の電圧をレベルシフトさせることを特徴とする請求項1又は2記載の定電流回路。 - 前記検出回路部は、
ゲートに入力された制御信号に応じた電流を流すMOSトランジスタからなる前記第6トランジスタと、
前記第4定電流を該第6トランジスタに供給する第4電流源と、
前記第6トランジスタと該第4定電流源との接続部の電圧をレベルシフトさせて前記第6トランジスタのゲートに出力するレベルシフト回路と、
前記第6トランジスタと前記第4定電流源との接続部の電圧である前記基準電圧と、前記電圧調整回路部と前記定電流発生回路部との接続部の電圧との電圧比較を行い、該比較結果を示す信号を生成して出力する電圧比較回路と、
を備えることを特徴とする請求項3記載の定電流回路。 - 前記レベルシフト回路は、
ゲートが前記第6トランジスタと前記第4定電流源との接続部に接続された前記第3トランジスタと同じ導電型のMOSトランジスタからなる第7トランジスタと、
該第7トランジスタに所定の第5定電流を供給する第5定電流源と、
を備え、
前記第7トランジスタと前記第5定電流源がソースフォロワ回路を形成し、前記第7トランジスタと前記第5定電流源との接続部が、前記第6トランジスタのゲートに接続されて、前記第7トランジスタのゲート‐ソース間電圧だけ前記第7トランジスタと前記第5定電流源との接続部の電圧をレベルシフトさせることを特徴とする請求項4記載の定電流回路。 - 前記第7トランジスタは、電流増幅率が前記第3トランジスタの電流増幅率よりも小さいことを特徴とする請求項5記載の定電流回路。
- 前記第7トランジスタは、しきい値が前記第3トランジスタのしきい値よりも大きいことを特徴とする請求項5記載の定電流回路。
- 前記第5定電流源は、前記第2定電流よりも大きい電流値をなす前記第5定電流を生成することを特徴とする請求項5、6又は7記載の定電流回路。
- 前記電圧調整回路部は、
前記定電流発生回路部と前記第1トランジスタとの間に接続されたMOSトランジスタからなる第4トランジスタと、
一端が前記第2トランジスタのドレインに接続され、ゲートが該第4トランジスタのゲートに接続された、前記第4トランジスタと同一導電型のMOSトランジスタからなる第5トランジスタと、
該第5トランジスタの他端に所定の第3定電流を供給する第3定電流源と、
を備え、
前記第4トランジスタと前記第5トランジスタの各ゲートの接続部が、前記第3定電流源と前記第5トランジスタとの接続部に接続され、前記第4トランジスタは、前記第1トランジスタのドレイン電圧が前記第2トランジスタのドレイン電圧と等しくなるように動作制御されることを特徴とする請求項1、2、3、4、5、6、7又は8記載の定電流回路。 - 前記第1定電流及び第3定電流は、電流比が前記第4トランジスタと第5トランジスタの電流増幅度の比に等しくなるように設定されることを特徴とする請求項9記載の定電流回路。
- 前記第4トランジスタは、前記第1トランジスタと同一導電型で同一サイズのトランジスタであることを特徴とする請求項9又は10記載の定電流回路。
- 前記電圧調整回路部は、
前記定電流発生回路部と前記第1トランジスタとの間に接続されたMOSトランジスタからなる第4トランジスタと、
前記第2トランジスタのドレイン電圧に所定の電圧を加えた電圧を生成する電圧生成回路と、
一端に該電圧生成回路で生成された電圧が入力され、ゲートが前記第4トランジスタのゲートに接続された、前記第4トランジスタと同一導電型のMOSトランジスタからなる第5トランジスタと、
該第5トランジスタの他端に所定の第3定電流を供給する第3定電流源と、
を備え、
前記第4トランジスタと前記第5トランジスタの各ゲートの接続部が、前記第3定電流源と前記第5トランジスタとの接続部に接続され、前記第4トランジスタは、前記第1トランジスタのドレイン電圧が前記第2トランジスタのドレイン電圧よりも前記所定の電圧だけ大きくなるように動作制御されることを特徴とする請求項1、2、3、4、5、6、7又は8記載の定電流回路。 - 前記電圧調整回路部は、
前記定電流発生回路部と前記第1トランジスタとの間に接続されたMOSトランジスタからなる第4トランジスタと、
一端が前記第2トランジスタのドレインに接続され、ゲートが該第4トランジスタのゲートに接続された、前記第4トランジスタと同一導電型のMOSトランジスタからなる第5トランジスタと、
該第5トランジスタの他端に所定の第3定電流を供給する第3定電流源と、
を備え、
前記第4トランジスタと前記第5トランジスタの各ゲートの接続部が、前記第3定電流源と前記第5トランジスタとの接続部に接続され、前記第4トランジスタは、前記第1トランジスタのドレイン電圧が前記第2トランジスタのドレイン電圧よりも所定の電圧だけ大きくなるように動作制御されることを特徴とする請求項1、2、3、4、5、6、7又は8記載の定電流回路。 - 前記電圧調整回路部は、
前記第1トランジスタ及び第2トランジスタの各ドレイン電圧の電圧比較を行い、該比較結果を示す信号を生成して出力する比較回路と、
該比較回路からの比較結果を示す信号に応じて、前記第2トランジスタのドレイン電圧に応じて前記第1トランジスタのドレイン電圧を制御する電圧調整回路と、
を備え、
前記比較回路は、前記第1トランジスタ及び第2トランジスタの各ドレイン電圧が対応する入力端に入力された誤差増幅回路からなり、前記電圧調整回路は、該誤差増幅回路の出力信号がゲートに入力され、前記第1トランジスタのドレインに直列に接続されたMOSトランジスタからなる第4トランジスタからなること特徴とする請求項1、2、3、4、5、6、7又は8記載の定電流回路。 - 前記第4トランジスタは、前記第1トランジスタと同一導電型のトランジスタであり、前記誤差増幅回路は、前記第1トランジスタのドレイン電圧と前記第2トランジスタのドレイン電圧が等しくなるように前記第4トランジスタの動作制御を行うことを特徴とする請求項14記載の定電流回路。
- 前記第4トランジスタは、前記第1トランジスタと同一導電型のトランジスタであり、前記誤差増幅回路は、前記第1トランジスタのドレイン電圧が前記第2トランジスタのドレイン電圧よりも所定の電圧だけ大きくなるように所定の入力オフセット電圧を有することを特徴とする請求項14記載の定電流回路。
- 前記電圧調整回路部は、前記第4トランジスタと前記定電流発生回路部との接続部と、前記第4トランジスタのゲートとの間に接続されたコンデンサを備えることを特徴とする請求項9、10、11、12、13、14、15又は16記載の定電流回路。
- 前記第1トランジスタ、第2トランジスタ、電圧調整回路部、定電流発生回路部、レベルシフト回路部及び検出回路部は、1つのICに集積されることを特徴とする請求項1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16又は17記載の定電流回路。
- 所定の定電流を生成して発光ダイオードに供給する、請求項1から請求項18のいずれかに記載の定電流回路を備えることを特徴とする発光ダイオード駆動装置。
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