JP5646166B2 - 電源回路 - Google Patents

Description

本発明は、半導体集積回路における電源回路に関し、特に、トリミングを行うことにより増加する系の不安定性を低減した半導体集積回路における電源回路に関するものである。

半導体集積回路においては、精度調整などにトリミング回路が広く用いられている。その中で、電源回路の系には、その出力電圧を精度高く一定に保持するため、またはその出力電圧を変化させるため、フィードバック回路にある抵抗を調節可能とするトリミング回路が設けてある。

従来は、製品回路全体での消費電力は高く、このフィードバック回路に流れる電流は大きいものであった。従って、出力電圧を一定に保持する、または変化させたりするためにフィードバックをかけることによる系の不安定性はそれ程問題にはならなかった。しかし、市場要求に応じて、製品回路全体での消費電力は小さいものとなってきている。消費電力が小さいものとなるにつれ、フィードバック回路に流せる電流量は小さくなってきており、このように電流量が小さくなってくると、トリミング回路における寄生素子によるリアクタンスの影響が無視できないものとなってきた。

フィードバック回路における寄生素子は、その回路に流れる電流量に応じて位相に影響を及ぼす。この位相の変化は電源回路において系の安定性を低下させる原因となる。さらにトリミングによってそのリアクタンスは多様に変化するため、系の消費電力を少なくする必要性がある回路設計においては、その安定性を確保するために色々と対策を講じなければならない。

一般的に、系の安定性を図るためには、フィードバック電流がまだ多い現状では、回路内でもしくは外付けで補償回路を補うことにより、フィードバック回路のトリミングによる系の不安定性を増加させないようにしている。これにより、工程内での作業時間が長くなったり、回路規模が大きくなったり、外付け部品が多くなったり等の問題が生じ、安定化する工程にはコストと時間を要していた。

定電圧回路において、その出力電圧を精度高く一定に保持するため、またはその出力電圧を変化させるために、フィードバック回路内に存在する抵抗を調節可能とするトリミング回路が設けられたものとしては、特許文献１、特許文献２及び特許文献３がある。

特許文献１には、差動増幅回路の反転入力端子にフィードバックされてなる定電圧発生回路において、フィードバック抵抗（Ｒ１、Ｒ２）のためのトリミング回路として、調整用抵抗とヒューズ素子とが直列に接続された調整素子対を複数個並列に設けたものが開示されている。

特許文献２には、基準電圧の温度特性を最適化する基準電圧回路を製作するために、外部から計測可能端子を有する半導体と、抵抗Ｒ１、Ｒ２に微調整可能なトリミング手段を備えたものが開示されている。

特許文献３には、外付けの高性能の基準抵抗を要せずに安定度の良い基準電圧源回路を製作するために、内部の素子を用いてトリミングして温度係数のないもしくは補正した定電流を設定するようにしたものが開示されている。

しかしながら、特許文献１乃至３には、トリミング回路については記載されているものの、フィードバック回路のトリミング回路において消費電力が少なくなった場合の不安定性の問題並びにその解決策については開示されていない。

特開平１１−３３８５６０号公報 特開２００２−９１５８９号公報 特許第２７５４７７９号明細書

本発明は、半導体集積回路における電源回路において、フィードバック回路のトリミングを行うことにより増加する系の不安定性を安価かつ短時間に低減可能とすることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明による電源回路は、予め定められた電圧を基準にして、出力する電圧を調整する電圧源回路と、該電圧源回路の出力を一定に維持するようフィードバックを行うフィードバック回路であって、前記出力を所望の値にトリミングするための第１の可変抵抗器を含む前記フィードバック回路と、前記電圧源回路に駆動電流を供給するための電流源回路であって、前記第１の可変抵抗器によりトリミングが行われたときに、前記駆動電流の電流量をもトリミングするための第２の可変抵抗器を含む前記電流源回路と、を備え、前記フィードバック回路に前記フィードバックを行うコンデンサを設けることなく、前記第１の可変抵抗器を前記電圧源回路の帰還路にして、前記第１の可変抵抗器のトリミングにより定まる比であって、前記予め定められた電圧と前記出力する電圧との比に応じた電流量になるように、前記第２の可変抵抗器のトリミングに応じて前記駆動電流の電流量を調整する。

この結果、電源回路全体の消費電力が小さい場合であっても、第１の可変抵抗器により電圧源回路のトリミングが行われた際に、フィードバック回路における寄生素子によるリアクタンスの影響を受けなくて済む。

好ましい実施形態によれば、前記電圧源回路は、差動増幅器と、基準電圧と、トランジスタとを含む。

第１の可変抵抗器により電圧源回路のトリミングが行われたときに、該電圧源回路を駆動する駆動電流の電流量をもトリミングすることにより、増加する系の不安定性を安価かつ短時間に低減することが可能であるという効果を有する。

従来の電源回路を示すブロック図である。 本発明による電源回路を示すブロック図である。 図２の電源回路の具体例を示す回路図である。 図３に示す電流源回路の具体例を示す回路図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

最初に、図１において、従来の電源回路及びそのトリミング方法を概略的に説明し、次に、図２において、本発明による電源回路及びそのトリミング方法を概略的に説明する。

図１に示す従来の電源回路１０においては、電圧源回路１２が電流源回路１６からの電流により駆動され、電圧源回路１２の出力Ｖｏｕｔを一定に保つようにフィードバック回路１４にてフィードバックされる。また、電圧源回路１２の出力Ｖｏｕｔは所望の電圧値になるように、フィードバック回路１４内の可変抵抗器によりトリミングが行われる。電源回路１０のチップは製造段階で複数個のものが略所望の電圧値を安定的に出力するように製造もしくは設計されているが、個々のチップはばらつくのが一般的であり、使用段階では一層精度の高い所望の電圧値を出力するように可変抵抗器によりトリミングすることが必要である。または、一旦所望の電圧値に設定されているものを別の所望の電圧値に変更することが望まれたときなどにも、可変抵抗器によりトリミングが行われる。

このようにトリミングを行う際には、可変抵抗器により抵抗値を微調整することとなるが、その微調整により寄生素子も変化する。一般的な可変抵抗器の微調整によっても寄生素子は変化するが、一層分かり易い例で言えば、例えば可変抵抗器として、主たる抵抗に、微調整用の抵抗とヒューズ（ＣＭＯＳトランジスタでも良い）との直列接続体を複数個並列に接続し、ヒューズを切る（ＣＭＯＳトランジスタをオフする）ことにより主たる抵抗の値を微調整するようにしたものを用いる場合には、ヒューズを切る個数に応じてリアクタンスが変化し、それにより帰還波形に対する影響が変化する。概ねヒューズを切る個数に応じて帰還にかかる寄生素子は切った個数倍で変化する。このように、寄生素子が変化すると、前述の背景技術で述べたように、フィードバック電流が非常に小さいなどの場合には系が不安定になるので、それを回避すべく従来ではボーデ線図を用い定性的に系の安定性を測定して補償回路を追加するなどして電圧源回路１２に必要以上の位相補償を行っていた。

図２に示す本発明による電源回路２０においては、電圧源回路２２に必要以上の位相補償を行うのではなく、フィードバック回路２４内の可変抵抗器Ｒ１及びＲ２の微調整による寄生素子の増減に応じ、電圧源回路２２を駆動する電流源回路２６の電流量をもトリミングするようにしている。フィードバック回路２４内の可変抵抗器Ｒ１及びＲ２の微調整により電圧源回路２２が不安定側に偏ることが予想される場合には、それに応じて電圧源回路２２の利得を下げることにより安定性が得られると考えられるので、電圧源回路２２の利得を下げるべく、電圧源回路２２に流れる電流量を電流源回路２６をトリミングすることにより減らす。例えば、ヒューズを１つ切った場合には寄生素子が一単位増加して不安定性が増加すると推定して、それに応じて電圧源回路２２の利得を下げるべく電流源回路２６をトリミングすることにより電圧源回路２２を駆動する電流量を一単位減少させるなどの調整を行う。このように調整することにより、電圧源回路２２の出力電圧を所望の電圧値に維持しつつ安定性も得られる。すなわち、電源回路２０のチップは製造段階で複数個のものが略所望の電圧値を安定的に出力するように製造もしくは設計されているが、個々のチップのばらつきのために使用段階でフィードバック回路２４内の可変抵抗器Ｒ１及びＲ２のトリミングを行って微調整する場合に、電流源回路２６に対してもトリミングを行って電圧源回路２２の利得を変えることにより設計時もしくは製造時の安定性を維持するようにする。

図３は、図２を一層具体化して示すものであり、電圧源回路２２は、ＮＭＯＳトランジスタを用いた差動増幅器２１と、基準電圧Ｖｒｅｆと、トランジスタＱ１とを含んで具現されている。差動増幅器２１の端子Ｔｖは、電源電圧Ｖｃｃに接続されており、電流源回路２６は差動増幅器２１の接地側端子Ｔｇと接地Ｇとの間に設けられている。フィードバック回路２４に含まれる可変抵抗器Ｒ１及びＲ２の接続点は、差動増幅器２１の端子Ｔｆに接続され、差動増幅器２１の端子Ｔｏｕｔは、トランジスタＱ１のゲートに接続されており、トランジスタＱ１のソースとフィードバック回路２４との接続点から出力Ｖｏｕｔが取り出される。また、差動増幅器２１の端子Ｔｒは、基準電圧Ｖｒｅｆに接続されている。

なお、図３では、ＮＭＯＳトランジスタを用いた差動増幅器２１を示したが、ＰＭＯＳトランジスタを用いた差動増幅器２１としても同様に具現化することが可能である。但し、図３のＮＭＯＳトランジスタを用いた場合には電流源回路２６は差動増幅器２１の接地側に設けられているが、ＰＭＯＳトランジスタを用いた差動増幅器２１として具現化する場合には、電流源回路２６は、差動増幅器２１の電源Ｖｃｃ側に設けられる。

図４は、電流源回路２６の例を示したものであり、図４の（ａ）、（ｂ）または（ｃ）のいずれかの回路が、電流源回路２６として用いられることができる。ここではほんの一例を示したに過ぎず、電流源回路２６としては他に多くのものが考えられるところである。

図４（ａ）は単に可変抵抗器Ｒ３のみを示しており、その両端は差動増幅器２１の端子Ｔｇ及び接地Ｇにそれぞれ接続される。可変抵抗器Ｒ３の抵抗値を可変させることにより差動増幅器２１に流れる駆動電流を調整することが可能である。

図４（ｂ）は、電源電圧Ｖｃｃと接地Ｇとの間に可変抵抗器Ｒ４とトランジスタＱ２が接続され、両者の接続点がトランジスタＱ２及びＱ３のゲートに接続されている。トランジスタＱ３のドレインは差動増幅器２１の端子Ｔｇに接続され、トランジスタＱ３のソースは接地Ｇに接続されている。この構成により、可変抵抗器Ｒ４の抵抗値を可変させることにより、トランジスタＱ３に流れる電流量が調整可能であり、従って差動増幅器２１に流れる駆動電流を調整することが可能である。

図４（ｃ）は、電源電圧Ｖｃｃと接地Ｇとの間に可変抵抗器Ｒ５とトランジスタＱ４とが接続され、両者の接続点がトランジスタＱ５のゲートに接続されている。また、トランジスタＱ４のゲートは可変抵抗器Ｒ５の電源側端子に接続されている。トランジスタＱ５のドレインは差動増幅器２１の端子Ｔｇに接続され、トランジスタＱ５のソースは接地Ｇに接続されている。この構成の場合にも、可変抵抗器Ｒ５の抵抗値を可変させることにより、トランジスタＱ５に流れる電流量が調整可能であり、従って差動増幅器２１に流れる駆動電流を調整することが可能である。

以上の構成において、図３に示される差動増幅器２１は、フィードバック回路２４の可変抵抗器Ｒ１及びＲ２をトリミングすることにより、出力電圧Ｖｏｕｔを、高い精度で所望の電圧とすることが可能であり、また、出力電圧Ｖｏｕｔを変更することが望まれた場合にも任意な電圧に調整することが可能である。

このトリミングを行うことにより、製造段階では差動増幅器２１が出力電圧Ｖｏｕｔを安定に出力するよう設定されていたフィードバック回路２４内の可変抵抗器Ｒ１及びＲ２の値が製造段階と比べて個々のチップごとに異なることとなり、同時にフィードバックラインにかかる寄生素子によるリアクタンスも個々に異なってくる。

そこで、可変抵抗器Ｒ１及びＲ２の可変量に応じて、電流源回路２６として用いられた図４（ａ）、（ｂ）または（ｃ）のいずれかの回路における可変抵抗器Ｒ３、Ｒ４またはＲ５をも可変させて差動増幅器２１を駆動する電流量を可変させる。可変抵抗器Ｒ１及びＲ２をどの程度可変させた場合に、寄生素子による不安定性を回避するために可変抵抗器Ｒ３、Ｒ４またはＲ５をどの程度可変させるかは、可変抵抗器Ｒ１及びＲ２としてどのような種類のものを用いるか、図４（ａ）、（ｂ）または（ｃ）のいずれの電流源回路２６を用いるか、さらにはどのような性質の差動増幅器２１を用いるかなどによって変わり、予めその対応関係が製造段階または設計段階において決定されている。

本発明によれば、以上のようにして、フィードバック回路２４においてトリミングを行ったときに生じ得る不安定性を、電流源回路２６のトリミングを行うだけで解消することができるので、従来のように、余分な補償回路を追加させる必要も無く、安定化する工程を低価格かつ少ない時間で達成できるという利点がある。

２０ 電源回路
２１ 差動増幅器
２２ 電圧源回路
２４ フィードバック回路
２６ 電流源回路
Ｒ１、Ｒ２ 第１の可変抵抗器
Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５ 第２の可変抵抗器
Ｑ１ トランジスタ
Ｖｒｅｆ 基準電圧

Claims (3)

1. 予め定められた電圧を基準にして、出力する電圧を調整する電圧源回路と、
   該電圧源回路の出力を一定に維持するようフィードバックを行うフィードバック回路であって、前記出力を所望の値にトリミングするための第１の可変抵抗器を含む前記フィードバック回路と、
   前記電圧源回路に駆動電流を供給するための電流源回路であって、前記第１の可変抵抗器によりトリミングが行われたときに、前記駆動電流の電流量をもトリミングするための第２の可変抵抗器を含む前記電流源回路と、
   を備え、
   前記フィードバック回路に前記フィードバックを行うコンデンサを設けることなく、前記第１の可変抵抗器を前記電圧源回路の帰還路にして、前記第１の可変抵抗器のトリミングにより定まる比であって、前記予め定められた電圧と前記出力する電圧との比に応じた電流量になるように、前記第２の可変抵抗器のトリミングに応じて前記駆動電流の電流量を調整する電源回路。
2. 前記電圧源回路は、
   差動対を成すトランジスタが前記駆動電流によって駆動される差動増幅器と、
   前記差動対の一方のトランジスタに供給する電圧を、前記駆動電流の電流量に応じて変化させずに供給する基準電圧部と、
   前記差動増幅器の出力電圧によって制御されるトランジスタとを含む
   請求項１に記載の電源回路。
3. 前記第１の可変抵抗器は、
   抵抗と、前記抵抗への電流を遮断する遮断部とが直列に接続された複数の直列接続体
   を備え、
   前記複数の直列接続体は、互いに並列に接続されている
   請求項１又は２に記載の電源回路。

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