JPH06104762A - カレントミラー回路 - Google Patents

カレントミラー回路

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JPH06104762A
JPH06104762A JP4246921A JP24692192A JPH06104762A JP H06104762 A JPH06104762 A JP H06104762A JP 4246921 A JP4246921 A JP 4246921A JP 24692192 A JP24692192 A JP 24692192A JP H06104762 A JPH06104762 A JP H06104762A
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JP
Japan
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channel mos
gate
mos transistor
source
drain
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JP4246921A
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English (en)
Inventor
Yuji Sekido
裕治 関戸
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Fujitsu VLSI Ltd
Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu VLSI Ltd
Fujitsu Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】出力電圧の電圧範囲を広くとることができ、電
源の低電圧化を図ることができるカレントミラー回路を
提供することを目的とする。 【構成】NMOSトランジスタ1のソースは電源GND
に接続されている。NMOSトランジスタ2のソースは
トランジスタ1のドレインに接続されるとともに、ドレ
インは定電流源5とトランジスタ1のゲートとに接続さ
れている。NMOSトランジスタ3のソースは電源GN
Dに接続されるとともに、ゲートはトランジスタ1のゲ
ートに接続されている。NMOSトランジスタ4のソー
スはトランジスタ3のドレインに接続されるとともに、
ゲートはトランジスタ2のゲートと共に電源VBに接続
され、ドレインは出力端子7に接続されている。バイア
ス手段6はトランジスタ1〜4が飽和領域で動作するよ
うに電源VBの電圧範囲を設定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はカレントミラー回路に関
する。デジタル信号をアナログ信号に高速に変換できる
D/Aコンバータとして、電流出力型のD/Aコンバー
タがある。近年のD/Aコンバータには、出力電流の高
精度化及び低電圧電源化が要求されている。そのため、
カレントミラー回路の高精度化及び低電圧電源で動作さ
せる必要がある。
【0002】
【従来の技術】従来の電流出力型D/Aコンバータでは
図4に示すカレントミラー回路40が使用されている。
【0003】半導体基板上にはNチャネルMOSトラン
ジスタ(以下、NMOSTrという)41〜44が形成
されるとともに、定電流源45が形成されている。NM
OSTr41のソースは接地GNDに接続され、ゲート
はそのドレインに接続されている。NMOSTr43の
ソースは接地GNDに接続され、ゲートはNMOSTr
41のゲートに接続されている。NMOSTr41,4
3により第1のカレントミラー回路が構成されている。
NMOSTr42のソースはNMOSTr41のドレイ
ンに接続され、NMOSTr42のドレインは定電流源
45を介して電源VDDに接続されている。NMOSTr
42のゲートはドレインに接続されている。NMOST
r44のソースはNMOSTr43のドレインに接続さ
れ、NMOSTr44のドレインは出力端子46に接続
されている。NMOSTr44のゲートはNMOSTr
42のゲートに接続されている。NMOSTr42,4
4により第2のカレントミラー回路が構成されている。
このように、第1,第2のカレントミラー回路を2段に
接続することにより、NMOSTr43,44に流れる
電流の精度を向上するようにしている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、今日の
LSIでは電源の低電圧化が進んできているため、上記
カレントミラー回路40では出力電圧Voの電圧範囲を
広くすることができない。即ち、今、各NMOSTr4
1〜44のしきい値電圧をVthとし、各NMOSTr4
1〜44の移動度をβとする。又、NMOSTr41,
42のゲート・ソース間電圧をVGSとする。各NMOS
Tr41〜44が飽和領域で安定して動作している場
合、定電流源45の電流値をI0 とすると、
【0005】
【数3】
【0006】となる。式(1)から
【0007】
【数4】
【0008】となる。従って、ゲート・ソース間電圧V
GSは式(2)から
【0009】
【数5】
【0010】となる。NMOSTr41は接地GNDに
接続されているため、ノードaの電圧Va(=NMOS
Tr41のゲート電圧)は
【0011】
【数6】
【0012】となる。ノードbの電圧Vb(=NMOS
Tr42のゲート電圧)は電圧Vaを基準として式
(3)で示すゲート・ソース間電圧VGSだけ高い。従っ
て、
【0013】
【数7】
【0014】となる。このため、カレントミラー回路4
0の各NMOSTr41〜44について、NMOSTr
41,42が飽和領域で動作する時のノードbの電圧V
bは前記式(4)で与えられる。NMOSTr43,4
4が飽和領域で動作する出力端子46の出力電圧Voの
最低電圧は(Vb−Vth)である。よって、出力電圧V
oの電圧範囲は、
【0015】
【数8】
【0016】となる。従って、出力電圧Voの最下限は
1つのNMOSTrのしきい値電圧Vth以上必要とな
り、電源VDDを低下させた場合の出力電圧Voの電圧範
囲は狭いものとなる。
【0017】本発明は上記事情を鑑みてなされたもので
あって、出力電圧の電圧範囲を広くとることができ、電
源の低電圧化を図ることができるカレントミラー回路を
提供することを目的とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】図1は本発明の原理説明
図である。第1のNチャネルMOSトランジスタ1のソ
ースは第1の電源GNDに接続されている。第2のNチ
ャネルMOSトランジスタ2のソースは第1のNチャネ
ルMOSトランジスタ1のドレインに接続されるととも
に、ドレインは第1の定電流源5と第1のNチャネルM
OSトランジスタ1のゲートとに接続されている。第3
のNチャネルMOSトランジスタ3のソースは第1の電
源GNDに接続されるとともに、ゲートは第1のNチャ
ネルMOSトランジスタ1のゲートに接続されている。
第4のNチャネルMOSトランジスタ4のソースは第3
のNチャネルMOSトランジスタ3のドレインに接続さ
れるとともに、ゲートは第2のNチャネルMOSトラン
ジスタ2のゲートと共に第2の電源VBに接続され、ド
レインは出力端子7に接続されている。バイアス手段6
は第1〜第4のNチャネルMOSトランジスタ1〜4が
飽和領域で動作するように第2の電源VBの電圧範囲を
設定する。
【0019】
【作用】第1〜第4のNチャネルMOSトランジスタ1
〜4が飽和領域で動作しているときには、第1の定電流
源5の定電流Iが第1,第2のNチャネルMOSトラン
ジスタ1,2を流れる。この定電流Iが第1のNチャネ
ルMOSトランジスタ1に流れることによって、第1の
NチャネルMOSトランジスタ1のゲート・ソース間電
圧は同トランジスタ1の移動度と定電流Iとで決まる電
圧と、そのしきい値電圧との和となる。この電圧が第2
のNチャネルMOSトランジスタ2のドレインに供給さ
れる。
【0020】従って、第2の電源VBの上限は第2のN
チャネルMOSトランジスタ2のドレイン電圧に同トラ
ンジスタ2のしきい値電圧を加えた電圧に設定する。
又、第2の電源VBの下限は第1のNチャネルMOSト
ランジスタ1のゲート・ソース間電圧から同トランジス
タのしきい値を減じた電圧に、第2のNチャネルMOS
トランジスタ2のゲート・ソース間電圧を加えた電圧に
する。
【0021】このような電圧範囲内に第2の電源VBを
設定することにより、第1〜第4のNチャネルMOSト
ランジスタ1〜4は飽和領域で動作する。このため、出
力端子7の出力電圧Voの下限を第2の電源VBの下限
から第4のNチャネルMOSトランジスタ4のしきい値
電圧を減じた電圧とすることが可能となり、出力電圧V
oの範囲を広げることが可能となる。
【0022】
【実施例】
[第1実施例]以下、本発明を具体化した第1実施例を
図2に従って説明する。
【0023】図2に示すカレントミラー回路10は同一
半導体基板上に形成された第1〜第4のNMOSTr1
1〜14と、第1,第2の定電流源16,17と、第5
のNMOSTr15とを備えて構成されている。定電流
源16は定電流I1 を流し、定電流源17は定電流I2
を流す。
【0024】NMOSTr11のソースは第1の電源と
しての接地GNDに接続されている。NMOSTr13
のソースは接地GNDに接続されるとともに、ゲートが
NMOSTr11のゲートに接続されている。NMOS
Tr11,13により1段目のカレントミラー回路部が
構成されている。
【0025】NMOSTr12のソースはNMOSTr
11のドレインに接続されるとともに、ドレインは第1
の定電流源16を介して第3の電源VDDに接続されてい
る。又、NMOSTr12のドレインはNMOSTr1
1のゲートに接続されている。NMOSTr14のソー
スはNMOSTr13のドレインに接続されている。N
MOSTr14のゲートはNMOSTr12のゲートと
共にNMOSTr15のゲート及びドレインに接続さ
れ、ドレインは出力端子18に接続されている。NMO
STr12,14により2段目のカレントミラー回路部
が構成されている。
【0026】NMOSTr15のソースは接地GNDに
接続されている。NMOSTr15のドレイン及びゲー
トは共に第2の定電流源17を介して前記電源VDDに接
続されている。本実施例ではNMOSTr15と第2の
定電流源17とによりバイアス手段が構成されている。
NMOSTr15は同Tr15を流れる定電流I2 に基
づいて発生するゲート電圧をバイアス電圧VBとしてN
MOSTr12,14に供給し、第1〜第4のNMOS
11〜14を飽和領域で動作させるようになっている。
【0027】例えば、各NMOSTr11〜15のしき
い値電圧を等しい値Vthとし、各NMOSTr11〜1
5の移動度(≒トランジスタサイズ=チャネル幅/チャ
ネル長)を等しい値βとする。又、NMOSTr11〜
14のゲート・ソース間電圧をVGS1 とし、NMOST
r15のゲート・ソース間電圧をVGS2 とする。又、定
電流源16の定電流I1 と定電流源17の定電流I2
の比を1:4とする。
【0028】今、NMOSTr11,12に定電流I1
が流れることにより、
【0029】
【数9】
【0030】となる。又、NMOSTr15に定電流I
2 が流れることにより、
【0031】
【数10】
【0032】となる。式(5),(6)から
【0033】
【数11】
【0034】となる。従って、ゲート・ソース間電圧V
GS1 ,VGS2
【0035】
【数12】
【0036】となる。NMOSTr11,NMOSTr
15のソースは接地GNDに接続されているため、NM
OSTr11のゲート電圧V11及びバイアス電圧VBは
【0037】
【数13】
【0038】となる。ゲート電圧V11がNMOSTr1
2のドレインに供給されている。従って、NMOSTr
12のゲート電圧の上限は前記ゲート電圧V11と、NM
OSTr12のしきい値電圧Vthとを加えた電圧、即
ち、
【0039】
【数14】
【0040】となる。又、NMOSTr12のゲート電
圧の下限はNMOSTr12のゲート・ソース間電圧V
GS1 と、定電流I1 によるNMOSTr11のドレイン
・ソース間電圧{2VGS1 −Vth=(2I1
β)1/2 }とを加えた電圧、即ち、
【0041】
【数15】
【0042】となる。従って、バイアス電圧VBは
【0043】
【数16】
【0044】を満たしている。従って、NMOSTr1
1〜14で構成するカレントミラーの出力電圧Voの電
圧範囲は
【0045】
【数17】
【0046】となる。このように、本実施例では上記式
(9)を満たすバイアス電圧VBが生成されるように定
電流I1 ,I2 の比、及び移動度βを設定することによ
り、出力電圧Voの電圧範囲を広げることができる。こ
のため、電源の低電圧化を図ることができる。
【0047】[第2実施例]次に本発明を電流出力型の
D/Aコンバータに具体化した第2実施例を図3に従っ
て説明する。
【0048】D/Aコンバータ20は同一半導体基板上
に構成されたバイアス回路21と、変換回路22とから
なる。バイアス回路21の第1のNMOSTr23のソ
ースは接地GNDに接続されている。第2のNMOST
r24のソースはNMOSTr23のドレインに接続さ
れるとともに、ドレインは第1の定電流源32を介して
電源VDDに接続されている。又、NMOSTr24のド
レインはNMOSTr23のゲートに接続されている。
第5のNMOSTr25のソースは接地GNDに接続さ
れている。NMOSTr25のドレイン及びゲートは共
に第2の定電流源33を介して前記電源VDDに接続され
ている。
【0049】第1のPチャネルMOSトランジスタ(以
下、PMOSTrという)26のソースは電源VDDに接
続されている。第6のNMOSTr27のドレインはP
MOSTr26のドレインとゲートに接続されるととも
に、ゲートはNMOSTr25のゲートに接続されてい
る。第2のPMOSTr28のソースは電源VDDに接続
されるとともに、ゲートがPMOSTr26のゲートに
接続されている。
【0050】第7のNMOSTr29のソース及びゲー
トは共にPMOSTr28のドレインとNMOSTr2
4のゲートに接続されている。第3のPMOSTr30
のソースは電源VDDに接続されるとともに、ゲートはP
MOSTr26のゲートに接続されている。第8のNM
OSTr31のドレイン及びゲートは共にPMOSTr
30のドレインに接続されている。
【0051】そして、前記各NMOSTr27,29,
31のソースには第3の定電流源34が接続されてい
る。これらのNMOSTr27,29,31により差動
回路部が構成され、各NMOSTr27,29,31の
ゲート電圧を等しくするようにしている。
【0052】変換回路22はn個の第3のNMOSTr
Ta1〜Tanのソースは接地GNDに接続され、各N
MOSTrTa1〜Tanのゲートは前記NMOSTr
23のゲートに接続されている。n個の第4のNMOS
TrTb1〜TbnのソースはNMOSTrTa1〜T
anのドレインにそれぞれ接続され、各NMOSTrT
b1〜Tbnのゲートは前記NMOSTr31のゲート
に接続されている。
【0053】本実施例ではNMOSTr23と各NMO
STrTa1〜Tanとにより1段目のカレントミラー
回路部が構成されている。又、NMOSTr24と各N
MOSTrTb1〜Tbnとは直接接続されていない
が、NMOSTr29,31のゲート電圧が等しいこと
からNMOSTr24と各NMOSTrTb1〜Tbn
とにより2段目のカレントミラー回路部が構成されてい
る。
【0054】各NMOSTrTb1〜Tbnのドレイン
に対応してn個のスイッチS1〜Snが設けられ、各ス
イッチS1〜Snはnビットのデジタル信号に対応して
いる。各スイッチS1〜Snは入力されるデジタル信号
がHレベルのとき閉路される。各スイッチS1〜Snは
抵抗Rを介して電源VDDに接続されている。従って、ス
イッチS1〜Snのうち、閉路されたスイッチを流れる
電流が加算され、抵抗Rで電圧に変換される。
【0055】本実施例ではNMOSTr25,27,2
9,31と、PMOSTr26,28,30と、定電流
源33,34とによりバイアス手段が構成され、バイア
ス電圧VBをNMOSTr24,NMOSTrTb1〜
Tbnのゲートに供給するようになっている。
【0056】即ち、NMOSTr23のしきい値電圧及
び移動度をVth1 ,β1 、NMOSTr24のしきい値
電圧及び移動度をVth2 ,β2 、各NMOSTrTa1
〜Tanのしきい値電圧及び移動度をVth1 ,nβ1
各NMOSTrTb1〜Tbnのしきい値電圧及び移動
度をVth2 ,nβ2 、NMOSTr25のしきい値電圧
及び移動度をVth5 ,β5 とする。尚、nは自然数であ
る。又、各定電流源32,33,34の電流値をI1
2 ,I3 とする。又、NMOSTr23,24のゲー
ト・ソース間電圧をVGS3 ,VGS4 とし、NMOSTr
15のゲート・ソース間電圧をVGS5 とする。
【0057】今、NMOSTr23,24に定電流I1
が流れることにより、
【0058】
【数18】
【0059】となる。又、NMOSTr25に定電流I
2 が流れることにより、
【0060】
【数19】
【0061】となる。式(10),(11),(12)
から
【0062】
【数20】
【0063】となる。従って、式(13),(14),
(15)からゲート・ソース間電圧VGS3 ,VGS4 ,V
GS5
【0064】
【数21】
【0065】となる。NMOSTr23,NMOSTr
25のソースは接地GNDに接続されているため、NM
OSTr23のゲート電圧V23及びバイアス電圧VBは
【0066】
【数22】
【0067】となる。このゲート電圧V23がNMOST
r24のドレインに供給されている。又、バイアス電圧
VBと等しいNMOSTr29のゲート電圧がNMOS
Tr24のゲートに供給され、バイアス電圧VBと等し
いNMOSTr31のゲート電圧が各NMOSTrTb
1〜Tbnのゲートに供給されている。
【0068】従って、NMOSTr24,Tb1〜Tb
nのゲート電圧の上限は前記ゲート電圧V23と、NMO
STr24のしきい値電圧Vth2 とを加えた電圧、即
ち、
【0069】
【数23】
【0070】となる。又、NMOSTr24,Tb1〜
Tbnのゲート電圧の下限はNMOSTr24のゲート
・ソース間電圧VGS4 と、定電流I1 によるNMOST
r23のドレイン・ソース間電圧{≧VGS3 −Vth1
(2I1 /β1 1/2 }とを加えた電圧、即ち、
【0071】
【数24】
【0072】となる。従って、バイアス電圧VBが
【0073】
【数25】
【0074】を満たすように、NMOSTr25の移動
度β5 及び定電流I2 を選択すれば、NMOSTr2
3,24、NMOSTrTa1〜Tan及びTb1〜T
bnを飽和領域で安定して動作させることができる。
【0075】このときの出力電圧Voの電圧範囲は
【0076】
【数26】
【0077】となる。特に、Vth1 =Vth2 =Vth5
Vthとするとともに、移動度β1 =β2 =βとすると、
バイアス電圧VB−Vthの下限は
【0078】
【数27】
【0079】となる。従って、本実施例では上記式(1
6)を満たすように電流値I1 ,I2 及び移動度β,β
5 を選択することにより、出力電圧Voの電圧範囲を最
も広くすることができる。このため、電源の低電圧化を
図ることができる。
【0080】尚、上記各実施例では同一半導体基板上に
形成した複数のMOSトランジスタを用いてカレントミ
ラー回路を構成したが、単体のMOSトランジスタを複
数用いてカレントミラー回路を構成してもよい。
【0081】又、上記各実施例における各NMOSTr
をPMOSTrに、各PMOSTrをNMOSTrに置
き換えてカレントミラー回路を構成してもよい。この場
合には、各実施例における接地GNDを電源VDDとし、
電源VDDを接地GNDとすればよい。
【0082】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
出力電圧の電圧範囲を広くとることができ、電源の低電
圧化を図ることができる優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理説明図である。
【図2】一実施例を示す回路図である。
【図3】D/Aコンバータに具体化した実施例を示す回
路図である。
【図4】従来例を示す回路図である。
【符号の説明】
1 第1のNチャネルMOSトランジスタ 2 第2のNチャネルMOSトランジスタ 3 第3のNチャネルMOSトランジスタ 4 第4のNチャネルMOSトランジスタ 5 第1の定電流源 6 バイアス手段 7 出力端子 GND 第1の電源 VB 第2の電源

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ソースが第1の電源(GND)に接続さ
    れた第1のNチャネルMOSトランジスタ(1)と、 ソースが第1のNチャネルMOSトランジスタ(1)の
    ドレインに接続されるとともに、ドレインが第1の定電
    流源(5)と第1のNチャネルMOSトランジスタ
    (1)のゲートとに接続された第2のNチャネルMOS
    トランジスタ(2)と、 ソースが第1の電源(GND)に接続されるとともに、
    ゲートが第1のNチャネルMOSトランジスタ(1)の
    ゲートに接続された第3のNチャネルMOSトランジス
    タ(3)と、 ソースが第3のNチャネルMOSトランジスタ(3)の
    ドレインに接続されるとともに、ゲートが第2のNチャ
    ネルMOSトランジスタ(2)のゲートと共に第2の電
    源(VB)に接続され、ドレインが出力端子(7)に接
    続された第4のNチャネルMOSトランジスタ(4)
    と、 前記第1〜第4のNチャネルMOSトランジスタ(1〜
    4)が飽和領域で動作するように前記第2の電源(V
    B)の電圧範囲を設定するバイアス手段(6)とを備え
    ることを特徴とするカレントミラー回路。
  2. 【請求項2】 バイアス手段は、ソースが第1の電源
    (GND)に接続されるとともに、ドレイン及びゲート
    が共に第2の定電流源(17)と第2,第4のNチャネ
    ルMOSトランジスタ(12,14)のゲートに接続さ
    れた第5のNチャネルMOSトランジスタ(15)によ
    り構成されていることを特徴とする請求項1に記載のカ
    レントミラー回路。
  3. 【請求項3】 バイアス手段は、ソースが第1の電源
    (GND)に接続され、ドレイン及びゲートが共に第2
    の定電流源(33)に接続された第5のNチャネルMO
    Sトランジスタ(25)と、 ソースが第3の電源(VDD)に接続された第1のPチャ
    ネルMOSトランジスタ(26)と、 ドレインが第1のPチャネルMOSトランジスタ(2
    6)のドレインとゲートに接続されるとともに、ゲート
    が第5のNチャネルMOSトランジスタ(25)のゲー
    トに接続された第6のNチャネルMOSトランジスタ
    (27)と、 ソースが第3の電源(VDD)に接続されるとともに、ゲ
    ートが第1のPチャネルMOSトランジスタ(26)の
    ゲートに接続された第2のPチャネルMOSトランジス
    タ(28)と、 ソース及びゲートが共に第2のPチャネルMOSトラン
    ジスタ(28)のドレインと第2のNチャネルMOSト
    ランジスタ(24)のゲートに接続された第7のNチャ
    ネルMOSトランジスタ(29)と、 ソースが第3の電源(VDD)に接続されるとともに、ゲ
    ートが第1のPチャネルMOSトランジスタ(26)の
    ゲートに接続された第3のPチャネルMOSトランジス
    タ(30)と、 ドレイン及びゲートが共に第3のPチャネルMOSトラ
    ンジスタ(30)のドレインと第4のNチャネルMOS
    トランジスタ(Tb)のゲートに接続された第8のNチ
    ャネルMOSトランジスタ(31)と、 第6,第7,第8のNチャネルMOSトランジスタ(2
    7,29,31)のソースに接続された第3の定電流源
    (34)とを配置した構成により、第2,第4のNチャ
    ネルMOSトランジスタ(24,Tb)のゲートが直接
    接続されていないことを特徴とする請求項1に記載のカ
    レントミラー回路。
  4. 【請求項4】 第1〜第5のNチャネルMOSトランジ
    スタのしきい値電圧(Vth)及び移動度(β)をそれぞ
    れVth1 ,β1 、Vth2 ,β2 、Vth1 ,nβ1 、Vth
    2 ,nβ2 、Vth5 ,β5 とし、第1,第2の定電流源
    の電流値をI 1 ,I2 としたとき、 第5のNチャネルMOSトランジスタのゲート電圧{V
    th5 +(2I25)1/2}が、 【数1】 の範囲となるように第5のNチャネルMOSトランジス
    タのサイズ及び第2の定電流源の電流値を設定したこと
    を特徴とする請求項2又は3に記載のカレントミラー回
    路。
  5. 【請求項5】 前記各NチャネルMOSトランジスタの
    しきい値Vth1 =Vth2 =Vth5 =Vthとするととも
    に、移動度β1 =β2 =βとしたとき、 【数2】 を満たすように電流値I1 ,I2 及び移動度β,β5
    設定したことを特徴とする請求項4に記載のカレントミ
    ラー回路。
  6. 【請求項6】 請求項1〜5のいずれか1項において、
    NチャネルMOSトランジスタがPチャネルMOSトラ
    ンジスタに、PチャネルMOSトランジスタがNチャネ
    ルMOSトランジスタに置換されるとともに、第1の電
    源(GND)が第3の電源(VDD)に、第3の電源(V
    DD)が第1の電源(GND)に置換されたことを特徴と
    するカレントミラー回路。
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