JPH04227515A - 供給電流補償回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、給電（電源）バスか
ら引き出される供給電流の、上記供給バスに共通接続さ
れた諸回路の動作に影響を及ぼすような、変化を補償す
るための装置に関するものである。

【０００２】

【発明の背景】最近の電子技術界においては、電子シス
テムは非常にコンパクトなモジュール化されたサブシス
テムの形をとる複数個の機能素子を含んでいるのが普通
である。その様なサブシステム内では各機能素子は共通
の給電バスに接続されている。サブシステムはコンパク
トに作られているからこの給電バスは無視できないイン
ピーダンスを持っている。これら機能素子が給電バスか
ら引き出す電流は屡々信号によって決まるもので、すな
わちそれら機能素子が引き出す電流は一定していない。 この機能素子が引き出す電流の変動は、給電バスのイン
ピーダンスと相俟って、各機能素子に時間によって変化
する局部的な供給電位を印加することになる。その様な
供給電位の変動は特定素子の変換（伝達）関数に悪影響
を及ぼす。

【０００３】局部供給電位変動は、たとえば各機能素子
にバイパス・キャパシタを設けることによって防止する
ことができるが、この解決法は、高度にコンパクトなシ
ステム中における機能素子の配置を不要に複雑化させる
だけでなく、あるいは、サブシステムを不必要に拡大す
ることになる。これは、集積回路（ＩＣ）中にサブシス
テムを組み込む場合に、特に顕著になる。

【０００４】集積回路における供給電位の変動に対する
一つの解決法が米国特許第４３２７３３２号に開示され
ており、その開示例のシステムでは共通の給電バスに複
数個の増幅器が結合されている。この各増幅器の応答に
対する局部供給電位変位の悪影響を除くために、上記解
法ではそれぞれ電圧調整器回路を介して各増幅器を給電
バスに結合している。しかし、各電圧調整器回路は、全
体的な回路の複雑さを大幅に増加させる他に温度変化に
敏感であるという様な欠点を持っている。

【０００５】

【発明の概要】この発明は、機能素子が電流を引き出す
べき給電バスの相互間に結合された装置を有し、この装
置は、機能素子が処理する信号により制御されて、上記
の機能素子が引き出す供給電流の変動と等大逆極性の電
流を、給電バスから引き出すように働く。

【０００６】

【詳細な説明と実施例】図１には、共通の給電バス１０
と２５の間に接続された、増幅器１４、アナログ−デジ
タル変換器（ＡＤＣ）１６、および別の増幅器２２を含
むシステムが示されている。給電バスは、無視できない
大きさの抵抗を有していることを示すために、縦続接続
された抵抗Ｒ（破線で示す）として描かれている。各機
能素子１４−２２が引き出す供給電流は給電バスに沿っ
て電位降下を生じさせる。これらのバスは、バス上に生
じる如何なる直流（ＤＣ）電位降下も、少なくとも動作
電源からこの機能素子に対して供給電位を印加すること
が妨げられる程に大きな値にならないような、充分な寸
法を持っている。

【０００７】増幅器１４と２２は、各入力接続にそれぞ
れ印加される瞬時々々の信号に機能的に（ｆｕｎｃｔｉ
ｏｎａｌｌｙ）関係する供給電流に引き出し、また素子
１６、１８および２０は実質的に一定の電流を引き出す
ものと仮定する。これらの増幅器によって引き出される
時間的に変化する供給電流は、各抵抗Ｒの両端間に時間
的に変化する電位を生じ、従って機能素子１６、１８お
よび２０に時間的に変化する供給電位を与える。その機
能素子が８−１０ビットＡＤＣやＤＡＣのような精密素
子であるか、裕度（トレランス）が可成り厳しい供給電
圧で動作するように設計されたデジタル回路である場合
には、この時間的に変化する供給電位は、その様な機能
素子の動作に相当な影響を与え、最悪状態では或る期間
に亘って動作不能にすることもある。

【０００８】つぎに、図２と図３Ａおよび図３Ｂについ
て説明する。図２は、帰還および供給電流補償回路５２
が結合された簡単な差動増幅器５０を示している。増幅
器５０は、図１の回路における増幅器１４または２２と
して構成することができる。増幅器５０は普通の設計の
ものであるから詳細な説明は省略する。この増幅器は、
１対のＰ型入力トランジスタＰ１とＰ２を有し双方のソ
ース電極を定電流源Ｉ１に結合して差動構成にしてある
ことだけを説明すれば充分であろう。両トランジスタＰ
１とＰ２のドレイン電極は、ｎ型トランジスタＮ１とＮ
２から成る電流ミラー増幅器負荷回路の入力端子と出力
端子とに、それぞれ結合されている。

【０００９】図３Ａは、印加入力信号電圧の関数として
、増幅器５０が引き出す供給電流を示す線図である。 図３Ｂは、増幅器５０と電流補償回路５２の組み合わせ
が引き出す供給電流を示す線図である。図３Ａは、増幅
器５０が引き出す供給電流が、入力信号電圧の線形動作
範囲を通じて約３．４％変化することを示している。供
給電流の予想変化は、回路シミュレーションによって、
またはテスト回路を作ってその変動を測定することによ
って、求めることができる。供給電流対信号入力電圧を
プロットすることによって、供給電流補償回路の要求が
決まる。この例では、増幅器が引き出す供給電流は入力
信号電圧の変化に対し直線的に変化している。従って、
供給電流は、トランジスタのような線形電流制御装置で
補償できる。

【００１０】図２において、供給電流補償回路５２はＰ
型トランジスタＰ３で構成されており、そのドレインと
ソース電極は、相対的に正のおよび相対的に負の給電バ
ス１０、２５にそれぞれ結合され、ゲート電極は適当な
極性の信号電位を取り出し得る回路点に接続されている
。トランジスタＰ３が導通するＡＣドレイン電流△ｉは
△Ｖ×ｇｍに等しい。ここに、△Ｖはそのトランジスタ
に印加されるＡＣゲート−ソース電位であり、ｇｍはそ
のトランジスタの相互コンダクタンスである。△Ｖの値
はＡｄ△Ｖｉｎに等しい。ここに、Ａｄはトランジスタ
Ｐ１とＮ１の信号入力電極間の電圧利得であり、△Ｖｉ
ｎはＡＣ入力信号を表わしている。この供給電流の変動
を補償するための、トランジスタＰ３の相互コンダクタ
ンスの値は次式で与えられる。 ｇｍ＝△ｉ／（Ａｄ△Ｖｉｎ）　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　（１）そして、△
ｉ／△Ｖｉｎは図３Ａの供給電流対入力電圧特性の勾配
から決まる。

【００１１】トランジスタＰ３はＰ型トランジスタで、
ゲート電圧の減少に伴って導通ドレイン電流が増大する
ようなものである。このゲート電圧は信号入力電圧の増
加に対して減少する。従って、トランジスタＰ３は、信
号入力電圧が増加するにつれて給電バスからより大きな
電流を引き出すもので、これは増幅器５０の供給電流−
信号電圧特性と逆である。トランジスタＰ３と増幅器５
０の双方が要求する供給電流の和は、図３Ｂに示された
様に、増幅器５０の線形入力ダイナミック範囲内で信号
電圧の変化に対して比較的一定である。

【００１２】トランジスタＰ３を流れる全電流は、ＤＣ
成分ＩＤＣとＡＣ成分△ｉの和である。図２の実施例で
は、図３Ａと図３Ｂとから、ＤＣ成分は約１．４ミリア
ンペアまたは供給電流の補償が無い増幅器が引き出すＤ
Ｃ電流の約３０％であることが判る。トランジスタＰ３
が導通するこの比較的高レベルのＤＣ電流は、回路の電
力消費量を約３０％も不要に増加させる。

【００１３】トランジスタＰ３が引き出すこのＤＣ電流
はトランジスタＰ３に印加される平均ゲート−ソース電
位を低くすることによって低減することができる。相対
的に正の供給電位がＶＤＤで、トランジスタＰ３のゲー
ト電極に印加される平均電位がＶＤボルトであると仮定
する。トランジスタＰ３によって引き出される電流ＩＤ
Ｃは次式で与えられる。 ＩＤＣ＝Ｋ（ＶＤ−ＶＤＤ−ＶＴ）２　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　（２）ここに、ＶＴはトラ
ンジスタの閾値電位であり、Ｋはトランジスタの形状寸
法に比例する定数である。ＤＣ電流は、たとえば、トラ
ンジスタＰ３のソース電極と給電バス間に介在する電圧
降下を含めることにより、ゲート−ソース電位ＶＤ−Ｖ
ＤＤを減らすことによって低減できる。

【００１４】これを図４に示すが、この図でトランジス
タＰ４はダイオード接続形式で、トランジスタＰ３と正
の給電バスの間に結合されている。この様な形でトラン
ジスタＰ４はＩＶＴ電位だけゲート−ソース電位を低減
するので、トランジスタＰ３を流れるＤＣ電流は少なく
なる。トランジスタＰ３のゲート−ソース電位を低減す
るとその相互コンダクタンスも小さくなる。しかし、ト
ランジスタＰ３の形状寸法は、ゲート−ソース電圧の減
少による相互コンダクタンスの減少を補償するように、
変えることができる。相互コンダクタンスはゲートソー
ス電位に対して直線的に変化し、またＤＣ電流はゲート
−ソース電位の２乗に比例して変化するから、補償供給
電流のＡＣ成分を生成するに適する値にこの相互コンダ
クタンスを保ちながら、ＤＣ成分の正味減少を得ること
ができる。

【００１５】図５は、供給電流補償回路が給電バスから
実質的にＤＣ電流を引き出さず、従って余分な電力消費
をしないように構成された、上記とは別の実施例を示す
ものである。図５において、Ｐ型トランジスタＰ５はそ
のドレイン−ソース導通路をｎ型トランジスタＮ４のド
レイン−ソース導通路と直列に接続した形で、給電バス
相互間に接続されている。トランジスタＰ５のゲート電
極には実質的に一定のバイアス電位が与えられる。トラ
ンジスタＰ５のチャンネル寸法は、トランジスタＰ５に
印加されるゲート−ソース電位に対して、増幅器５０が
引き出す供給電流の最大変動量と等しい電流を流すよう
に、選定される。

【００１６】トランジスタＮ４のゲート電極は増幅器負
荷トランジスタＮ２のゲート電極に結合され、トランジ
スタＮ２とＮ４のソース電極は相対的に負の給電バスに
結合されている。従って、トランジスタＮ２とＮ４は同
じゲート−ソース電位を持っている。トランジスタＮ２
とＮ４は、それぞれのトランジスタのチャンネル面積の
比に等しい比の電流を導通させる。トランジスタＮ２の
ゲートおよびドレイン電極はトランジスタＰ２のドレイ
ン電極に接続されている。

【００１７】トランジスタＰ２のドレインからトランジ
スタＮ２のゲート・ドレイン電極相互接続店に結合され
る電流ｉ２は、トランジスタＮ２がそれに供給される電
流ｉ２を導通させるようにそのトランジスタＮ２を制御
するに丁度足るだけの電位を、そのゲートとソース電極
の間に発生させる。トランジスタＰ２によって供給され
る電流ｉ２は信号入力電位に直線的に比例する。トラン
ジスタＮ４が導通する電流はトランジスタＮ２が導通す
る電流に比例するから、トランジスタＮ４を流れる電流
は、信号入力電位△Ｖｉｎに比例するｉ２に比例する。

【００１８】トランジスタＮ４の相対的な寸法は次式の
関係によって決定される。 （△ｉ／△ＶｉＮ）／（ｉ２／△Ｖｉｎ）＝Ｎ４の寸法
／Ｎ２の寸法　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　（３）または △ｉ／△ｉ２＝Ｎ４の寸法／Ｎ２の寸法　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　（４）トランジスタＮ２の
寸法に対するトランジスタＮ４の寸法の比は、入力信号
電位の関数としての供給電流の変動と入力信号電位の関
数としての電流ｉ２の変動との比に等しい。図５の供給
電流補償回路５２において、トランジスタＰ５は流れる
最大供給電流値を制限し、またトランジスタＮ２は供給
電流の時間的に変化する振幅を制御するように働く。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明によって解決される問題点を有する一
例状況を示す電子システムのブロック図である。

【図２】この発明の一実施例を示す構成図である。

【図３】この発明を適用しない場合の図２の実施例回路
が引き出す供給電流を示す線図である。

【図４】供給電流補償回路を有する機能素子を示す構成
図である。

【図５】また別の供給電流補償回路を有する機能素子を
示す構成図である。

【符号の説明】

１０　　第１の導体（正の給電電位を供給するバス）２
５　　第２の導体（負の給電電位を供給するバス）５０
　　増幅器（機能素子） Ｉ１　　増幅器５０の定電流減をなすトランジスタＰ１
、Ｐ２　　増幅器５０を構成するトランジスタＮ１、Ｎ
２　　増幅器負荷を構成するトランジスタ５２　　供給
電流補償回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　相対的に正の給電電位および相対的に
   負の給電電位を供給するバスを構成する第１の導体およ
   び第２の導体と；上記バスに結合されていて、時間的に
   変化する信号を処理するための複数個の機能素子であっ
   て、そのうちの少なくとも１個は、上記時間的に変化す
   る信号に応動する入力と上記時間的に変化する信号を表
   わす信号を供給する出力とを有する増幅器から成り、印
   加された上記時間的に変化する信号に機能的に関連をも
   つ時間的に変化する供給電流を引き出すような素子であ
   るものと；上記増幅器の出力に結合された制御電極と上
   記第１と第２の導体間に結合された主導通路とを有する
   単一のトランジスタより成り、上記バスに結合されてい
   て上記時間的に変化する信号を表わす信号に応じて、上
   記増幅器と自己が要求する全電流を実質的に一定に維持
   するように補償供給電流を引き出す手段と；から成る供
   給電流補償回路。