JP5983552B2 - 定電流定電圧回路 - Google Patents
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Description
本発明は、FETにより構成される定電流定電圧回路に関する。
近年、バッテリから供給される電力によりモータを駆動して走行するハイブリッド自動車、電気自動車などが実用化されている。こうした自動車の電動化に伴い、高い電圧を入力して動作する制御回路の必要性が高まっている。制御回路を高い電源電圧で直接動作させる構成にすると、高耐圧の素子が必要になる。高耐圧素子を含む半導体装置(IC)を製造するには、低耐圧素子の製造プロセスとは異なる製造プロセスが必要になり、コストが高くなる。そこで、制御回路に入力される高電圧を低電圧に降圧し、その低い電源電圧で制御回路を動作させる構成が一般的である。高い電圧を入力し所望の定電流/定電圧を生成する定電流回路/定電圧回路として、種々の構成が提案されている(例えば特許文献1を参照)。
しかし、これらの定電流回路/定電圧回路自体を低コストで構成するには、入力される電源電圧に比べ低い耐圧を持つ素子で構成する必要がある。さらに、入力安定度が高い構成、すなわち電源電圧の変動に対する出力電流/出力電圧の変動が小さい構成とする必要もある。
例えば、第4トランジスタ、第1トランジスタおよびツェナーダイオードの直列回路と、第3トランジスタ、第2トランジスタおよび抵抗の直列回路とを電源線間に並列に設けた構成を備えた定電流回路が知られている。ここで、自己バイアス型として動作させるため、第4、第2トランジスタは飽和結線されており、第3、第4トランジスタのゲート同士および第1、第2トランジスタのゲート同士は接続されている。
この従来構成では、電源電圧の上昇に伴い、ペアとなる第1、第2トランジスタのドレイン・ソース間電圧の差および第3、第4トランジスタのドレイン・ソース間電圧の差が大きくなるので、入力安定度が悪い。また、飽和結線されていない第1、第3トランジスタに高電圧が印加されるので、高耐圧のトランジスタが必要になる。これら第1、第3トランジスタに対しペアとなる第2、第4トランジスタも、マッチングのために高耐圧のトランジスタを使用しなければならない。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、電源電圧よりも低い耐圧を持つ素子で構成でき、入力安定度が高い定電流定電圧回路を提供することにある。
請求項1に記載した定電流定電圧回路は、第1電源線と第2電源線との中間電位を有する中間ノードに定電圧を生成するとともに、後述する第2トランジスタに定電流を流す。第1電源線と中間ノードとの間に第1抵抗が接続されており、中間ノードと第2電源線との間に第1〜第5トランジスタ、第2抵抗および第1定電圧素子が接続されている。第1、第2、第5トランジスタはNチャネル型のFETであり、第3、第4トランジスタはPチャネル型のFETである。
第1トランジスタと飽和結線された第2トランジスタは、ゲート同士が接続されることでペアを形成している。第3トランジスタと飽和結線された第4トランジスタも、ゲート同士が接続されることでペアを形成している。第1トランジスタと第4トランジスタのドレイン同士が接続され、第2トランジスタと第3トランジスタのドレイン同士が接続されている。第5トランジスタは、ゲートが第1および第4トランジスタのドレインに接続されており、ドレインが中間ノードに接続されている。
中間ノードと第3および第4トランジスタの各ソースとの間、または第2および第1トランジスタの各ソースと第2電源線との間には、それぞれ第2抵抗および第1定電圧素子が接続されている。さらに、第1トランジスタのソース電位と第5トランジスタのソース電位が等しくなるようにバイアス設定されている。
この構成において、第1電源線と第2電源線との間に印加される電源電圧が上昇すると、中間ノードの電圧および第3、第4トランジスタのゲート電位が上昇しようとする。このとき、第5トランジスタのゲート電圧が上昇するので、第5トランジスタのドレイン電流が増加する。これにより、第1抵抗に流れる電流が増加するので、中間ノードの電圧上昇が抑えられる。このフィードバック作用により、中間ノードに定電圧が生成される。このとき、第1定電圧素子の電圧に等しい電圧が第2抵抗に印加されるので、第2抵抗と直列に接続された第2トランジスタに定電流が流れる。
このように第5トランジスタを設けると、電源電圧の上昇に伴う中間ノードの電圧上昇および飽和結線されていない第1トランジスタのドレイン・ソース間電圧の上昇を抑えることができる。さらに、飽和結線されていない第3トランジスタのドレイン・ソース間電圧の上昇も抑えられる。従って、中間ノードと第2電源線との間に接続された第1〜第5トランジスタには、中間ノードに生成される定電圧よりも高い電圧が印加されることがなく、低耐圧素子を採用することができる。
さらに、本構成によれば、第1、第2トランジスタのしきい値電圧と第5トランジスタのしきい値電圧との差電圧の範囲内で、第1、第2トランジスタのドレイン・ソース間電圧が接近した値になる。このため、第1、第2トランジスタに生じるチャネル長変調効果がほぼ等しくなる。第3、第4トランジスタについても同様である。その結果、第1、第4トランジスタに流れる電流と第2、第3トランジスタに流れる電流との電流比の精度が高まり、高精度の定電流および高精度の定電圧を生成することができる。すなわち、電源電圧の変動に対する出力電流および出力電圧の変動が小さくなり、入力安定度を高められる。
請求項2記載の手段によれば、第1、第2、第5トランジスタのしきい値電圧は互いに等しい。実際の第5トランジスタの増幅率は有限であるため、第5トランジスタのゲート電圧は、電源電圧の変動により若干変動する。一般に、FETは、しきい値電圧に近いゲート電圧で動作させたときに高い増幅率が得られる。第1、第2トランジスタのゲート電圧は、しきい値電圧に近い値になっている。
本手段によれば、第5トランジスタのゲート電圧もしきい値電圧に近い値になる。これにより、第5トランジスタの増幅率が高くなり、電源電圧の変動に対する第5トランジスタのゲート・ソース間電圧の変動が小さくなる。その結果、第1、第2トランジスタのドレイン・ソース間電圧および第3、第4トランジスタのドレイン・ソース間電圧がそれぞれ等しくなるので、入力安定度を一層高めることができる。
請求項3記載の手段によれば、第1、第2、第5トランジスタは、それぞれカスコード接続の形態を備えている。この構成により、第1、第2トランジスタを構成するカスコード接続されたトランジスタのうち、第2電源線側に位置するトランジスタのドレイン・ソース間電圧の変動が小さくなる。その結果、チャネル長変調効果の影響が小さくなり、入力安定度を一層高めることができる。
請求項4記載の手段によれば、第3、第4トランジスタは、それぞれカスコード接続の形態を備えている。この構成により、第3、第4トランジスタを構成するカスコード接続されたトランジスタのうち、中間ノード側に位置するトランジスタのドレイン・ソース間電圧の変動が小さくなる。その結果、チャネル長変調効果の影響が小さくなり、入力安定度を一層高めることができる。
請求項5記載の手段によれば、中間ノードと第5トランジスタのドレインとの間に第2定電圧素子が設けられている。これにより、第5トランジスタのドレイン・ソース間電圧が低下するので、第5トランジスタの耐圧を一層低減できる。
請求項6記載の手段によれば、第2抵抗および第1定電圧素子がそれぞれ第2、第1トランジスタの各ソースと第2電源線との間に接続されている場合、第1トランジスタのソース電位と第5トランジスタのソース電位が等しくなるように、第5トランジスタのソースと第2電源線との間に第3定電圧素子を備えている。第1、第2、第5トランジスタのしきい値電圧が互いに等しい場合には、第1定電圧素子と第3定電圧素子の電圧を等しく設定すればよい。
各実施形態において実質的に同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
(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。図1に示す定電流定電圧回路11は、動力駆動用バッテリから供給される電力によりモータを駆動して走行するハイブリッド自動車、電気自動車などに搭載された電子制御装置に用いられている。第1電源線12と第2電源線13(グランド線)との間には、上記バッテリから200V〜300V程度の電源電圧Vddが印加されている。
(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。図1に示す定電流定電圧回路11は、動力駆動用バッテリから供給される電力によりモータを駆動して走行するハイブリッド自動車、電気自動車などに搭載された電子制御装置に用いられている。第1電源線12と第2電源線13(グランド線)との間には、上記バッテリから200V〜300V程度の電源電圧Vddが印加されている。
定電流定電圧回路11は、電源線12と電源線13との中間電位を有する中間ノード14に定電圧Vbを生成するとともに、後述するトランジスタM2に一定のドレイン電流Ibを流す。電源線12と中間ノード14との間には、第1抵抗R1が接続されている。中間ノード14と電源線13との間には、第1〜第5トランジスタM1〜M5、第2抵抗R2およびツェナーダイオードD1が接続されている。トランジスタM1、M2、M5は、互いにしきい値電圧が等しく同サイズのNチャネル型のMOSFETである。トランジスタM3、M4は、互いにしきい値電圧が等しく同サイズのPチャネル型のMOSFETである。
トランジスタM1と飽和結線されたトランジスタM2は、電源線13にソース接地されており、ゲート同士が接続されることでペアを形成している。飽和結線とは、トランジスタを飽和領域で動作させるようにゲート・ドレイン間を接続する結線である。トランジスタM3と飽和結線されたトランジスタM4も、ゲート同士が接続されることでペアを形成している。トランジスタM1とM4のドレイン同士およびトランジスタM2とM3のドレイン同士が接続されている。
中間ノード14とトランジスタM3のソースとの間には、第2抵抗R2が接続されている。中間ノード14とトランジスタM4のソースとの間には、中間ノード14側をカソードとするツェナーダイオードD1が接続されている。ツェナーダイオードD1は、第1定電圧素子に相当する。
トランジスタM5は、ゲートがトランジスタM1、M4のドレインに接続されており、ドレインが中間ノード14に接続されている。トランジスタM5のソースは、電源線13に接続されている。すなわち、トランジスタM1のソース電位とトランジスタM5のソース電位がともにグランド電位となるようにバイアス設定されている。トランジスタM2に流れる定電流Ibは、トランジスタM2とともにカレントミラー回路を構成する図示しないトランジスタを介して取り出される。
次に、図2も参照しながら本実施形態の作用および効果を説明する。ツェナーダイオードD1と抵抗R2に流れる電流が等しいとき、トランジスタM3、M4のゲート・ソース間電圧(ゲート電圧)は等しくなる。トランジスタM3、M4のゲート同士は接続されているので、ツェナーダイオードD1の電圧と抵抗R2の電圧は、電源電圧Vddによらず互いに等しく且つ一定値となる。このため、例えば電源電圧Vddが上昇すると、中間ノード14の電圧およびトランジスタM3、M4のゲート電位が上昇しようとする。
これに伴い、トランジスタM5のゲート電圧が上昇するので、トランジスタM5のドレイン電流が増加する。これにより、抵抗R1に流れる電流が増加し、中間ノード14の電圧上昇が抑えられる。このフィードバック作用により、中間ノード14に(1)式で示す定電圧Vbが生成される。Vgs(M4)、Vgs(M5)はトランジスタM4、M5のゲート電圧、Vz(D1)はツェナーダイオードD1のツェナー電圧である。
Vb=Vgs(M5)+Vgs(M4)+Vz(D1)=Vds(M1)+Vds(M4)+Vz(D1) …(1)
Vb=Vgs(M5)+Vgs(M4)+Vz(D1)=Vds(M1)+Vds(M4)+Vz(D1) …(1)
ツェナー電圧Vz(D1)に等しい電圧が抵抗R2に印加されるので、抵抗R2とトランジスタM3、M2の直列回路に(2)式で示す定電流Ibが流れる。
Ib=Vz(D1)/R2 …(2)
Ib=Vz(D1)/R2 …(2)
このようにトランジスタM5を設けると、電源電圧Vddの上昇に伴う中間ノード14の電圧上昇およびトランジスタM1のドレイン・ソース間電圧Vds1の上昇を抑えることができる。これに伴い、トランジスタM3のドレイン・ソース間電圧Vds3の上昇も抑えられる。従って、中間ノード14と電源線13との間に接続されたトランジスタM1〜M5には、定電圧Vb(一例として12V)よりも高い電圧が印加されることがない。そのため、トランジスタM1〜M5には低耐圧素子、例えば40V耐圧の素子を採用することができる。
実際のトランジスタM5の増幅率は有限であるため、トランジスタM5のゲート電圧は、電源電圧Vddの変動により変動する。そこで、本実施形態では、トランジスタM1、M2、M5のしきい値電圧が互いに等しくなるように構成されている。これにより、トランジスタM1、M2、M5のゲート電圧はしきい値電圧に近い値になる。一般に、MOSFETは、しきい値電圧に近いゲート電圧で動作させたときに高い増幅率が得られるので、トランジスタM5の増幅率が高くなり、電源電圧Vddの変動に対するトランジスタM5のゲート電圧の変動が小さくなる。
その結果、トランジスタM1、M2のドレイン・ソース間電圧Vds1、Vds2が等しくなり、トランジスタM1、M2に生じるチャネル長変調効果が等しくなる。同様に、トランジスタM3、M4のドレイン・ソース間電圧Vds3、Vds4も等しくなり、トランジスタM3、M4に生じるチャネル長変調効果も等しくなる。これにより、トランジスタM1、M4に流れる電流とトランジスタM2、M3に流れる電流との電流比(ミラー比)の精度が高まり、高精度の定電流Ibおよび高精度の定電圧Vbを生成することができる。すなわち、電源電圧Vddの変動に対する定電流Ibおよび定電圧Vbの変動が小さくなり、高い入力安定度が得られる。
図2は、電源電圧Vddの変化に対する各部の電圧変化を示している。電源電圧Vddが(1)式で示した電圧値以上のときには、上述したように電圧Vbは一定になる。このとき、トランジスタM1、M2のドレイン・ソース間電圧Vds1、Vds2、トランジスタM3、M4のドレイン・ソース間電圧Vds3、Vds4、およびツェナー電圧Vz(D1)と抵抗R2の電圧V(R2)はそれぞれ等しくなる。電源電圧Vddが(1)式で示した電圧値よりも低くなると、トランジスタM5がオフするので、上述したフィードバック作用が消滅する。
以上説明したように、本実施形態の定電流定電圧回路11は、電源電圧Vddよりも低い耐圧を持つトランジスタM1〜M5により構成できるので、半導体装置のレイアウト面積を小さく構成でき、製造コストを下げることができる。また、定電流定電圧回路11は、入力安定度に優れ、高精度の定電流Ibと定電圧Vbを生成できる。
(第2の実施形態)
第2の実施形態について図3を参照しながら説明する。定電流定電圧回路21は、図1に示した定電流定電圧回路11に対し、中間ノード14とトランジスタM5のドレインとの間にツェナーダイオードD2を備えた点が異なる。その他の構成部分は同じである。ツェナーダイオードD2は、第2定電圧素子に相当する。定電流定電圧回路11では、トランジスタM1〜M5のうちトランジスタM5に最も高い電圧Vbが印加されていた。本実施形態によれば、トランジスタM5のドレイン・ソース間電圧がツェナーダイオードD2のツェナー電圧Vz(D2)だけ低下するので、トランジスタM5の素子耐圧をより低減できる。その他、第1の実施形態と同様の作用、効果が得られる。
第2の実施形態について図3を参照しながら説明する。定電流定電圧回路21は、図1に示した定電流定電圧回路11に対し、中間ノード14とトランジスタM5のドレインとの間にツェナーダイオードD2を備えた点が異なる。その他の構成部分は同じである。ツェナーダイオードD2は、第2定電圧素子に相当する。定電流定電圧回路11では、トランジスタM1〜M5のうちトランジスタM5に最も高い電圧Vbが印加されていた。本実施形態によれば、トランジスタM5のドレイン・ソース間電圧がツェナーダイオードD2のツェナー電圧Vz(D2)だけ低下するので、トランジスタM5の素子耐圧をより低減できる。その他、第1の実施形態と同様の作用、効果が得られる。
(第3の実施形態)
第3の実施形態について図4を参照しながら説明する。定電流定電圧回路31は、中間ノード14とトランジスタM3、M4との間に替えて、トランジスタM2、M1のソースと電源線13との間に抵抗R2、ツェナーダイオードD1を備えている。さらに、トランジスタM1のソース電位とトランジスタM5のソース電位が等しくなるように、トランジスタM5のソースと電源線13との間にツェナーダイオードD3が接続されている。他の構成部分は、図1に示した定電流定電圧回路11と同じである。
第3の実施形態について図4を参照しながら説明する。定電流定電圧回路31は、中間ノード14とトランジスタM3、M4との間に替えて、トランジスタM2、M1のソースと電源線13との間に抵抗R2、ツェナーダイオードD1を備えている。さらに、トランジスタM1のソース電位とトランジスタM5のソース電位が等しくなるように、トランジスタM5のソースと電源線13との間にツェナーダイオードD3が接続されている。他の構成部分は、図1に示した定電流定電圧回路11と同じである。
トランジスタM1、M2、M5のしきい値電圧は互いに等しいので、ツェナーダイオードD1とD3のツェナー電圧を等しく設定すればよい。このようにトランジスタM1のソースとトランジスタM5のソースを等電位にバイアス設定した本実施形態によっても、第1の実施形態と同様の作用、効果が得られる。
(第4の実施形態)
第4の実施形態について図5を参照しながら説明する。定電流定電圧回路41は、図1に示した定電流定電圧回路11に対し、トランジスタM1〜M5をそれぞれカスコード接続の形態に変更した構成を備えている。例えばトランジスタM1は、飽和結線されたトランジスタM11とM12に置き替えられている。トランジスタM2〜M5も同様である。この場合、高精度の定電流Ibと定電圧Vbを得るには、トランジスタM11、M21、M51のしきい値電圧を互いに等しくし、トランジスタM31、M41のしきい値電圧を互いに等しくすればよい。その他の構成は、定電流定電圧回路11と同じである。
第4の実施形態について図5を参照しながら説明する。定電流定電圧回路41は、図1に示した定電流定電圧回路11に対し、トランジスタM1〜M5をそれぞれカスコード接続の形態に変更した構成を備えている。例えばトランジスタM1は、飽和結線されたトランジスタM11とM12に置き替えられている。トランジスタM2〜M5も同様である。この場合、高精度の定電流Ibと定電圧Vbを得るには、トランジスタM11、M21、M51のしきい値電圧を互いに等しくし、トランジスタM31、M41のしきい値電圧を互いに等しくすればよい。その他の構成は、定電流定電圧回路11と同じである。
本構成によれば、トランジスタM1、M2について、それぞれ電源線13側に位置するトランジスタM11、M21のドレイン・ソース間電圧の変動が小さくなる。その結果、チャネル長変調効果の影響が小さくなり、入力安定度を一層高めることができる。同様に、トランジスタM3、M4について、それぞれ中間ノード14側に位置するトランジスタM31、M41のドレイン・ソース間電圧の変動が小さくなる。その結果、チャネル長変調効果の影響が小さくなり、入力安定度を一層高めることができる。その他の作用および効果は第1の実施形態と同様である。
(その他の実施形態)
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形、拡張を行うことができる。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形、拡張を行うことができる。
各実施形態において、トランジスタM1〜M5のサイズは相違してもよい。トランジスタM1〜M4のチャネル幅とチャネル長の比をW/L1〜W/L4とすれば、W/L1:W/L2=W/L4:W/L3の関係が成立していれば、入力安定度に特に優れた高精度の定電流Ibと定電圧Vbを生成できる。
トランジスタM1、M2、M5のしきい値電圧が互いに相違する場合、トランジスタM3、M4のしきい値電圧が互いに相違する場合でも、入力安定度に優れた定電流Ibと定電圧Vbを生成できる。この場合でも、電源電圧Vddよりも低い耐圧を持つトランジスタM1〜M5を用いて定電流定電圧回路を構成することができる。
第2、第3の実施形態においても、トランジスタM1〜M5をそれぞれカスコード接続の形態に変更してもよい。また、各実施形態およびその変形例において、トランジスタM1〜M5のうちトランジスタM1、M2、M5のみをカスコード接続とし、或いはトランジスタM3、M4のみをカスコード接続としてもよい。カスコード接続の段数は2に限られない。
第3、第4の実施形態においても、中間ノード14とトランジスタM5のドレインとの間にツェナーダイオードD2を接続すれば、トランジスタM5の素子耐圧を低減できる。
定電流定電圧回路11、21、31、41およびその変形回路は、自動車の電子制御装置に限られず、定電流/定電圧の用途に広く適用できる。
定電流定電圧回路11、21、31、41およびその変形回路は、自動車の電子制御装置に限られず、定電流/定電圧の用途に広く適用できる。
図面中、11、21、31、41は定電流定電圧回路、12、13は第1、第2電源線、14は中間ノード、M1〜M5は第1〜第5トランジスタ、D1〜D3は第1〜第3定電圧素子、R1、R2は第1、第2抵抗である。
Claims (6)
- 第1電源線(12)と第2電源線(13)との中間電位を有する中間ノード(14)と前記第1電源線との間に接続された第1抵抗(R1)と、
Nチャネル型の第1トランジスタ(M1)と、
飽和結線され、前記第1トランジスタとゲート同士が接続されたNチャネル型の第2トランジスタ(M2)と、
前記第2トランジスタとドレイン同士が接続されたPチャネル型の第3トランジスタ(M3)と、
飽和結線され、前記第3トランジスタとゲート同士が接続され、前記第1トランジスタとドレイン同士が接続されたPチャネル型の第4トランジスタ(M4)と、
ゲートが前記第1および第4トランジスタのドレインに接続され、ドレインが前記中間ノードに接続された第5トランジスタ(M5)と、
前記中間ノードと前記第3、第4トランジスタの各ソースとの間、または前記第2、第1トランジスタの各ソースと前記第2電源線との間にそれぞれ接続された第2抵抗(R2)および第1定電圧素子(D1)とを備え、
前記第1トランジスタのソース電位と前記第5トランジスタのソース電位が等しくなるようにバイアス設定され、前記第2トランジスタに定電流を流し、前記中間ノードに定電圧を生成することを特徴とする定電流定電圧回路。 - 前記第1、第2、第5トランジスタのしきい値電圧は互いに等しいことを特徴とする請求項1記載の定電流定電圧回路。
- 前記第1、第2、第5トランジスタは、それぞれカスコード接続の形態を備えていることを特徴とする請求項1または2記載の定電流定電圧回路。
- 前記第3、第4トランジスタは、それぞれカスコード接続の形態を備えていることを特徴とする請求項1から3の何れか一項に記載の定電流定電圧回路。
- 前記中間ノードと前記第5トランジスタのドレインとの間に第2定電圧素子(D2)が設けられていることを特徴とする請求項1から4の何れか一項に記載の定電流定電圧回路。
- 前記第2抵抗および前記第1定電圧素子がそれぞれ前記第2、第1トランジスタの各ソースと前記第2電源線との間に接続されている場合、前記第1トランジスタのソース電位と前記第5トランジスタのソース電位が等しくなるように、前記第5トランジスタのソースと前記第2電源線との間に第3定電圧素子(D3)を備えていることを特徴とする請求項1から5の何れか一項に記載の定電流定電圧回路。
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