JP2013225568A - 半導体回路、及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷に接続された能動素子をオフからオンに切換えるときの、切換開始から所定の電流が流れるまでの時間を短縮する。
【解決手段】ＬＥＤアレイ１８、所定の電圧が入力された場合にオンしてＬＥＤアレイ１８を駆動させることが可能なＭＯＳＦＥＴ２０が電気的に接続されている。半導体回路２４は、演算増幅器３０、電圧降下回路３６、及びスイッチ４２を備えている。演算増幅器３０の非反転入力端子には基準電圧Ｖ_Ｒが入力される。電圧降下回路３６は、演算増幅器３０から出力された電圧を降下させる。スイッチ４２は、ＭＯＳＦＥＴ２０が演算増幅器３０から上記所定の電圧が入力されてオンされる第１期間は、ＭＯＳＦＥＴ２０をオンされることにより流れる所定の電流に応じた電圧を演算増幅器３０の反転入力端子に入力させ、ＭＯＳＦＥＴ２０がオフされる第２期間は電圧降下回路３６で降下された電圧を反転入力端子に入力する。
【選択図】図２

Description

本発明は、負荷に所定の電流を供給するために使用される半導体回路及び半導体装置に関するものである。

近年、液晶表示装置の低消費電力化への要求が強くなるにつれて、バックライトにＣＣＦＬ（冷陰極蛍光管）に代わってＬＥＤ（発光ダイオード）が使用されるようになってきた。更に、平均的な消費電力を抑えるために、表示される画面の明暗や環境の明るさ等に応じて、ＬＥＤに流れる電流をオン・オフして、オン時間及びオフ時間のデューティー比を切換え、バックライトの輝度を調整する、いわゆるＰＷＭ（パルス幅変調）制御が広く適用されている。ＰＷＭ制御では、制御性の良い定電流回路の実現が求められている。

図１０に、ＬＥＤアレイ１００に所定の電流を供給する従来の一般的な定電流回路１０２の例を示す。

ＬＥＤアレイ１００は、直列に接続された複数のＬＥＤ１２０_１〜１２０_ｎを備えている。定電流回路１０２は、スイッチ１０４、演算増幅器（オペアンプ）１０６、ＮチャンネルのＭＯＳＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)１０８、及び抵抗１１０を備えている。

ＬＥＤアレイ１００、ＭＯＳＦＥＴ１０８、及び抵抗１１０は直列に接続されている。具体的には、ＭＯＳＦＥＴ１０８のドレイン端子には、ＬＥＤアレイ１００のカソード端子側の端部が接続され、ＬＥＤアレイ１００のアノード端子側の端部には、電源V_LEDに接続されている。ＭＯＳＦＥＴ１０８のソース端子は、抵抗１１０の一端に接続されており、抵抗１１０の他端は、グランドに接続されている。

演算増幅器１０６の非反転入力端子は、スイッチ１０４に接続されている。スイッチ１０４は、外部から入力されるＰＷＭ信号に応じて、演算増幅器１０６の非反転入力端子に基準電圧V_Rを供給する第１の状態、及び演算増幅器１０６の非反転入力端子とグランドとを接続する第２の状態のいずれかに切り換わる。

演算増幅器１０６の反転入力端子は、ＭＯＳＦＥＴ１０８のソース端子と抵抗１１０との間のノードＮに接続され、演算増幅器１０６の出力端子はＭＯＳＦＥＴ１０８のゲート端子に接続されている。なお、ＬＧＯは、演算増幅器１０６の出力端子とＭＯＳＦＥＴ１０８のゲート端子とを接続する接続端子であり、ＬＣＭは、演算増幅器１０６の反転入力端子とノードＮとを接続する接続端子である。

この定電流回路１０２では、ＭＯＳＦＥＴ１０８をオンしてＭＯＳＦＥＴ１０８のドレイン端子に接続されたＬＥＤ１２０_１〜１２０_ｎ及びソース端子に接続された抵抗１１０に所定の電流（駆動電流I_LED）を流し、ＬＥＤ１２０_１〜１２０_ｎを点灯させるようにしている。

図１１に、図１０に示す定電流回路１０２の各端子の電圧・電流波形の一例を示す。ここでは、以下の条件を仮定している。

・基準電圧V_R：0.4[V]
・ＬＥＤ１２０_１〜１２０_ｎを点灯（駆動）させるときの駆動電流I_LED：20[mA]
・ＭＯＳＦＥＴ１０８をオンしてＬＥＤアレイ１００及び抵抗１１０に駆動電流I_LEDを流すときのゲート・ソース間電圧：2.1[V]
・抵抗１１０の抵抗値：2[Ω]

ＰＭＷ信号がＬの期間（図１１（Ａ）参照）は、スイッチ１０４が第２の状態とされ、演算増幅器１０６の非反転入力端子はグランド(0[V])に接続される（図１１（Ｂ）参照）。また、演算増幅器１０６の反転入力端子は、ノードＮに接続されている。従って、演算増幅器１０６の反転入力端子の入力電圧及び演算増幅器１０６の出力電圧（図１１のＬＧＯの電圧波形を参照）Voは、ほぼ0[V]になる（図１１（Ｃ）、（Ｄ）参照）。ＭＯＳＦＥＴ１０８はオフとされ、ＬＥＤアレイ１００及び抵抗１１０に流れる電流はほぼ0[mA]となるため（図１１（Ｅ）参照）、ＬＥＤアレイ１００の各ＬＥＤ１２０_１〜１２０_ｎは消灯状態とされる。

ＰＷＭ信号がＨの期間（図１１（Ａ）参照）は、スイッチ１０４が第１の状態とされ、演算増幅器１０６の非反転入力端子には、基準電圧V_R(0.4[V])が供給される（図１１（Ｂ）参照）。演算増幅器１０６は、反転入力端子の電圧が0.4[V]になるよう、出力電圧Voを2.5[V]まで上昇させる（図１１（Ｃ）参照）。演算増幅器１０６の出力端子からＭＯＳＦＥＴ１０８がオンする電圧がゲート端子に印加されることにより、ＬＥＤアレイ１００及び抵抗１１０に20[mA]の電流が流れ（図１１（Ｅ））、反転入力端子に入力される電圧が0.4[V]になる（図１１（Ｄ）参照）と共に、ＬＥＤ１２０_１〜１２０_ｎが点灯する。

なお、定電流回路に関連する技術としては、例えば、ドレイン端子がＬＥＤ列のカソード端子側端部に接続された駆動トランジスタと、ゲート端子に複数の第１電流制御信号の１つが、ソース端子に接地電圧が夫々入力され、ドレイン端子が前記駆動トランジスタのソース端子に接続された複数の電流制御トランジスタと、複数の第１電流制御信号を切換え、オン状態にある電流制御トランジスタの数を切換えてＬＥＤ列の電流量を制御する電流制御回路と、電流制御トランジスタのドレイン端子の電圧を帰還信号とし、帰還信号の電圧値の変動を抑制するように、帰還信号の電圧値と参照電圧の差分電圧を増幅して駆動トランジスタのゲート端子のゲート電圧として出力することで、駆動トランジスタの電流駆動能力を電流制御回路の制御する電流量に応じて変化するように制御する駆動トランジスタ制御回路と、を備えた定電流駆動回路を有するＬＥＤ駆動装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、所望の周波数でクロックを生成する発振器と、発振器からのクロックを入力し、ＬＥＤ駆動電流を立ち上げる時はクロックに応じてカウントアップ動作を行い、ＬＥＤ駆動電流を立ち下げる時はクロックに応じてカウントダウン動作を行うアップ／ダウン・カウンタと、アップ／ダウン・カウンタより出力されたディジタルの計数値をアナログの信号に変換するディジタル−アナログ変換器と、直流電源に対してＬＥＤと直列に接続され、ディジタル−アナログ変換器の出力信号に応じて動作するトランジスタとを有するＬＥＤ駆動回路も知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１０−１３５３７９号公報 特開２００９−１３５１３８号公報

しかしながら、従来の定電流回路では、演算増幅器１０６の特性によって、その出力電圧Voの時間変化量(ΔVo/Δt)が制限されるため、ＰＷＭ信号をＬからＨに切換えてから演算増幅器１０６が定常状態になるまでの時間tr（図１１（Ｃ）電圧波形も参照）が長いという問題があった。例えば、ΔVo/Δt = 1[V/μs]の場合、出力電圧が0[V]から2.5[V]まで変化するのに、2.5[μs]と長い時間が必要になる。

特に、定電流回路の制御に用いられるＰＷＭ制御は、オンとオフの時間の比率（デューティー比）を変化させて制御する手法であるが、上記ｔｒで表わされた期間は、オンであるかオフであるかがわからない曖昧な期間となり、この時間ｔｒが長くなるほど、結果として、制御の誤差が大きくなってしまうという問題がある。従って、時間ｔｒをできるだけ短くする必要があるが、上記特許文献１及び特許文献２には、こうした課題を解決するための手段について何ら記載がない。

本発明は、上述した課題を解決するために提案されたものであり、負荷に接続された能動素子をオフからオンに切換えて所定の電流を負荷に流すときの、該切換開始から前記所定の電流が負荷に流れるまでの時間を従来に比べて短縮する半導体回路及び半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の半導体回路は、第１負荷と、所定の電圧が入力された場合にオンして前記第１負荷を駆動させる所定の電流を流すことが可能な能動素子とが電気的に接続されており、前記能動素子に前記所定の電圧を入力して前記第１負荷の駆動を制御することが可能な半導体回路であって、基準電圧が入力される第１入力端子と、第２入力端子と、出力端子とを有し、前記第２入力端子に入力される電圧が前記第１入力端子に入力される前記基準電圧に近づくように前記出力端子から第１電圧を出力可能な演算増幅器と、前記演算増幅器の出力端子から出力された前記第１電圧を降下させて第２電圧を生成可能な電圧降下回路と、前記能動素子が前記演算増幅器の前記出力端子から出力された前記第１電圧によってオンされる第１期間には、前記能動素子がオンされることにより流れる前記所定の電流に応じた第３電圧を前記演算増幅器の前記第２入力端子に入力させ、前記能動素子がオフされる第２期間には、前記第２電圧を前記第２入力端子に入力させることが可能な入力切換部と、を備えている。

また、本発明の半導体装置は、第１負荷に電気的に接続され、所定の電圧が入力された場合にオンして前記第１負荷を駆動させる所定の電流を流すことが可能な能動素子と、
前記能動素子に電気的に接続され、前記所定の電流が流れることにより第１電圧を生成可能な第２負荷と、基準電圧が入力される第１入力端子と、第２入力端子と、出力端子とを有し、前記第２入力端子に入力される電圧が前記第１入力端子に入力される前記基準電圧に近づくように前記出力端子から第２電圧を出力可能な演算増幅器と、前記演算増幅器の出力端子から出力された前記第２電圧を降下させて第３電圧を生成可能な電圧降下回路と、前記能動素子が前記演算増幅器の前記出力端子から出力された前記第２電圧によってオンされる第１期間には、前記第１電圧を前記演算増幅器の前記第２入力端子に入力させ、前記能動素子がオフされる第２期間には、前記第３電圧を前記第２入力端子に入力させることが可能な入力切換部と、を備えている。

以上説明したように、本発明によれば、負荷に接続された能動素子をオフからオンに切換えて所定の電流を負荷に流すときの、該切換開始から前記所定の電流が負荷に流れるまでの時間を従来に比べて短縮することができる、という効果を奏する。

ＬＥＤ駆動システムの構成例を示す図である。 第１実施形態に係るＬＥＤ駆動装置であって、パルス幅変調回路から入力されたＰＷＭ信号がＨのときのＬＥＤ駆動装置の状態を示す図である。 第１実施形態に係るＬＥＤ駆動装置であって、パルス幅変調回路から入力されたＰＷＭ信号がＬのときのＬＥＤ駆動装置の状態を示す図である。 第１実施形態の定電流回路の各端子の電圧・電流波形の一例を示す図である。 電圧降下回路の変形例を示す図である。 電圧降下回路の変形例を示す図である。 第２実施形態に係るＬＥＤ駆動装置であって、パルス幅変調回路から入力されたＰＷＭ信号がＨのときのＬＥＤ駆動装置の状態を示す図である。 第２実施形態に係るＬＥＤ駆動装置であって、パルス幅変調回路から入力されたＰＷＭ信号がＬのときのＬＥＤ駆動装置の状態を示す図である。 第２実施形態の定電流回路の各端子の電圧・電流波形の一例を示す図である。 ＬＥＤアレイに所定の電流を供給する従来の一般的な定電流回路の例を示す図である。 図１０に示す定電流回路の各端子の電圧・電流波形の一例を示す図である。

［第１実施形態］

図１には、第１実施形態に係るＬＥＤ駆動システム１０が図示されている。本実施形態では、液晶表示装置のバックライトとして使用されるＬＥＤをＰＷＭ制御により駆動するＬＥＤ駆動システム１０を例に挙げて説明するが、ＬＥＤ等の負荷を所定の電流により駆動させるシステムであれば、どのような用途に使用されてもよい。

ＬＥＤ駆動システム１０は、半導体装置１２及びＬＥＤアレイ１８を有するＬＥＤ駆動装置１１、定電圧回路１４、及びパルス幅変調回路１６を備えている。

ＬＥＤアレイ１８は、所定の電流（駆動電流I_LED）により駆動される負荷の一例であって、複数のＬＥＤ５０_１〜５０_ｎが直列に接続されて構成されている（図２も参照）。半導体装置１２は、ＬＥＤアレイ１８に流れる電流を制御する回路であり、ＬＥＤアレイ１８のＬＥＤ５０_１〜５０_ｎを点灯（駆動）させる場合には、ＬＥＤアレイ１８に所定の電流（駆動電流I_LED）を供給する。定電圧回路１４は、半導体装置１２に対して0[V]より大きな一定の電圧（基準電圧V_R）を供給する。パルス幅変調回路１６には、外部装置からＬＥＤアレイ１８の輝度を調整するための輝度調整情報（例えば、液晶表示装置に表示される画像の輝度や、液晶表示装置の周囲の明るさ等を示す情報）が入力される。

パルス幅変調回路１６は、入力された輝度調整情報に応じて、パルス信号（以下、ＰＷＭ信号と呼称する）のデューティー比を変化させて変調し半導体装置１２に供給する。例えば、パルス幅変調回路１６は、輝度調整情報に基づき、液晶表示装置の周囲が暗い場合にはバックライト（ＬＥＤ５０_１〜５０_ｎ）が暗くなるよう、周囲が明るい場合にはバックライトが明るくなるようにＰＷＭ信号を生成して半導体装置１２に供給する。また、例えば、パルス幅変調回路１６は、輝度調整情報に基づき、液晶表示装置に表示される画像の輝度が高い（明るい）場合には、バックライトが明るくなるよう、輝度が低い（暗い）場合にはバックライトが暗くなるようにＰＷＭ信号を生成して半導体装置１２に供給する。なお、画像の輝度として、画素毎の輝度の平均輝度を用いてもよい。

図２及び図３に、ＬＥＤ駆動装置１１の構成を示す。図２は、パルス幅変調回路１６から入力されたＰＷＭ信号がＨのときの回路状態を示し、図３は、パルス幅変調回路１６から入力されたＰＷＭ信号がＬのときの回路状態を示している。

半導体装置１２は、ＮチャンネルのＭＯＳＦＥＴ２０、及び抵抗２２を備えている。ＭＯＳＦＥＴ２０は、後述する演算増幅器３０から所定の電圧が入力されたときにオンして所定の電流（駆動電流I_LED）をＬＥＤアレイ１８に流すことが可能な能動素子の一例であり、抵抗２２は、駆動電流I_LEDが流れることにより駆動電流I_LEDと抵抗値に応じた電圧を発生可能な負荷の一例である。ＭＯＳＦＥＴ２０は、制御入力端子としてのゲート端子を備えると共に、電流出力端子としてのドレイン端子及びソース端子を備えている。ＬＥＤアレイ１８、ＭＯＳＦＥＴ２０、及び抵抗２２は直列に接続され、これにより直列回路が形成されている。

より具体的には、ＭＯＳＦＥＴ２０のドレイン端子は、ＬＥＤアレイ１８のカソード端子側の端部に接続され、ＬＥＤアレイ１８のアノード端子側の端部には、電源V_LEDに接続されている。ＭＯＳＦＥＴ２０のソース端子は、抵抗２２の一端に接続されており、抵抗２２の他端は、グランドに接続されている。ＭＯＳＦＥＴ２０のゲート端子は、接続端子ＬＧＯに接続され、ＭＯＳＦＥＴ２０のソース端子と抵抗２２との間のノードＮａは、接続端子ＬＣＭに接続されている。

この半導体装置１２では、ＭＯＳＦＥＴ２０をオンしてＭＯＳＦＥＴ２０のドレイン端子に接続されたＬＥＤ５０_１〜５０_ｎ及びソース端子に接続された抵抗２２に駆動電流I_LEDを流し、ＬＥＤ５０_１〜５０_ｎを点灯させるようにしている。

半導体装置１２は、更に、ＭＯＳＦＥＴ２０をオン・オフさせてＬＥＤアレイ１８の駆動を制御することが可能な半導体回路２４を備えている。半導体回路２４は、演算増幅器（オペアンプ）３０、電圧降下回路３６、スイッチ４０、及びスイッチ４２を備えている。スイッチ４０及びスイッチ４２は、パルス幅変調回路１６から入力されるＰＷＭ信号により制御される。なお、スイッチ４０及びスイッチ４２は、一般的な半導体スイッチとすることができる。

演算増幅器３０は、反転入力端子、非反転入力端子、及び出力端子を有する。演算増幅器３０の非反転入力端子には、定電圧回路１４から一定の電圧（基準電圧V_R）が供給される。演算増幅器３０は、反転入力端子に入力される電圧が非反転入力端子に入力される基準電圧に近づくよう出力端子から電圧を出力する。

スイッチ４０とＭＯＳＦＥＴ２０のゲート端子とは、接続端子ＬＧＯを介して接続されている。ＰＷＭ信号がＨのときには、スイッチ４０は、ＭＯＳＦＥＴ２０のゲート端子と演算増幅器３０の出力端子とを接続する第１の状態となる（図２参照）。また、ＰＷＭ信号がＬのときには、スイッチ４０は、ＭＯＳＦＥＴ２０のゲート端子とグランドとを接続する第２の状態となる（図３参照）。なお、ここでは図示を省略するが、例えば、電流制限のため、スイッチ４０とゲート端子との間に抵抗を設けてもよい。

演算増幅器３０の出力端子と演算増幅器３０の反転入力端子との間には電圧降下回路３６が設けられている。電圧降下回路３６は、ＭＯＳＦＥＴ３２及び抵抗３４を備えている。ＭＯＳＦＥＴ３２のドレイン端子は、電源電圧VDDに接続され、ＭＯＳＦＥＴ３２のゲート端子は、演算増幅器３０の出力端子に接続され、ＭＯＳＦＥＴ３２にソース端子は、抵抗３４の一端に接続され、抵抗３４の他端は、グランドに接続されている。

演算増幅器３０の反転入力端子には、スイッチ４２が設けられている。ＰＷＭ信号がＨのときには、スイッチ４２は、演算増幅器３０の反転入力端子を、ＭＯＳＦＥＴ２０のソース端子と抵抗２２との間のノードＮａに接続する第１の状態となる（図２参照）。また、ＰＷＭ信号がＬのときには、スイッチ４２は、演算増幅器３０の反転入力端子を、電圧降下回路３６のＭＯＳＦＥＴ３２のソース端子と抵抗３４との間のノードＮｓに接続する第２の状態となる（図３参照）。

ＰＷＭ信号がＬのときにノードＮｓが演算増幅器３０の反転入力端子に接続される電圧降下回路３６は、演算増幅器３０の出力端子から出力された電圧を降下させることが可能な回路である。

電圧降下回路３６により、ＰＷＭ信号がＬの期間においても、演算増幅器３０の出力端子と反転入力端子との電位差を発生させ、演算増幅器３０の出力電圧は、ＰＷＭ信号がＨの期間のときの出力電圧に近い（本実施形態では、ほぼ同一の）レベルが維持される。すなわち、電圧降下回路３６により、ＰＷＭ信号のＬ／Ｈを切換える際の演算増幅器３０の各端子の電圧の変化が電圧降下回路３６を設けない場合と比較して小さくなる。電圧降下回路３６の詳細な作用は後述する。

図４に、図２及び図３に示す半導体装置１２の各端子の電圧・電流波形の一例を示す。ここでは、以下の条件を仮定している。ただし、下記条件は一例であって、これらに限定するものではない。

・基準電圧V_R：0.4[V]
・ＬＥＤ５０_１〜５０_ｎを点灯（駆動）させるときの駆動電流I_LED：20[mA]
・ＭＯＳＦＥＴ２０をオンして駆動電流I_LEDを流すときのゲート・ソース間電圧Vgs1：2.1[V]
・抵抗２２の抵抗値：2[Ω]
・ＭＯＳＦＥＴ３２がオンのときに電圧降下回路３６に流れる電流：20[μA]
・ＭＯＳＦＥＴ３２をオンして電圧降下回路３６に上記電流を流すときのゲート・ソース間電圧Vgs2：2.0[V]
・抵抗３４の抵抗値：2[kΩ]

電圧降下回路３６により発生する電圧降下（電位差）がVgs2である。なお、本実施形態では、Vgs1とVgs2との差が所定値未満となるよう半導体装置１２を構成する。Vgs1とVgs2との差は０に近いほうが望ましいが、ここでは、Vgs1とVgs2との差が0.1Ｖである場合を例に挙げて説明する。

ＰＷＭ信号をＬからＨに切換えると（図４（Ａ）参照）、図２に示すように、スイッチ４０が第１の状態とされ、演算増幅器３０の出力端子と、ＭＯＳＦＥＴ２０のゲート端子とが接続された状態とされる。また、スイッチ４２が第１の状態とされるため、演算増幅器３０の反転入力端子は、ノードＮａに接続された状態となる。また、演算増幅器３０の非反転入力端子には、基準電圧V_R(0.4[V])が供給され続ける（図４（Ｂ）参照）。演算増幅器３０は、反転入力端子の電圧が0.4[V]になるよう、出力端子から出力する電圧Voを2.5[V]（V_R+Vgs1）まで上昇させる（図４（Ｃ）参照）。演算増幅器３０の出力端子からＭＯＳＦＥＴ３０がオンする電圧がゲート端子に印加されることにより（図４（Ｄ）も参照）、ＬＥＤアレイ１８及び抵抗２２に20[mA]の電流が流れ（図４（Ｆ）も参照）、演算増幅器３０の反転入力端子に入力される電圧が0.4[V]になる（図４（Ｅ）も参照）と共に、ＬＥＤ５０_１〜５０_ｎが点灯する。

ＰＭＷ信号をＨからＬに切換えると（図４（Ａ）参照）、図３に示すように、スイッチ４０が第２の状態とされ、演算増幅器３０の出力端子は、ＭＯＳＦＥＴ２０のゲート端子との接続が絶たれた状態となる（図４（Ｄ）参照）。ＭＯＳＦＥＴ２０のゲート端子はグランドに接続され、ＭＯＳＦＥＴ２０はオフし、ＬＥＤアレイ１８及び抵抗２２に流れる電流がほぼ0[mA]となるため（図４（Ｆ）参照）、ＬＥＤアレイ１８の各ＬＥＤ５０_１〜５０_ｎは消灯状態とされる。

一方、ＰＷＭ信号がＬの期間であっても、定電圧回路１４の定電圧出力動作は継続されるため、演算増幅器３０の非反転入力端子に対する基準電圧V_Rの供給は継続される（図４（Ｂ）参照）。また、スイッチ４２が第２の状態とされるため、演算増幅器３０の反転入力端子は、電圧降下回路３６の電圧出力部位（ノードＮｓ）に接続された状態となる。演算増幅器３０の出力端子からＭＯＳＦＥＴ３２をオンする電圧がゲート端子に印加されることにより、電圧降下回路３６に20[μA]の電流が流れ、電圧降下が生じて、ＭＯＳＦＥＴ３２と抵抗３４との間のノードＮｓに基準電圧V_R相当の電圧が発生する。従って、ノードＮｓに接続された演算増幅器３０の反転入力端子には、基準電圧V_R相当の電圧0.4[V]が入力され続ける（図４（Ｅ）も参照）。演算増幅器３０の出力電圧は、基準電圧V_Rに、ゲート・ソース間電圧Vgs2を加算した電圧V_R+Vgs2(2.4[V])となる（図４（Ｃ）も参照）。

このように、ＰＷＭ信号がＬの期間においても、演算増幅器３０の出力端子と反転入力端子との間に電位差(電圧降下）を発生させる電圧降下回路３６を設けたことにより、ＰＷＭ信号がＨの期間における出力電圧と、ＰＷＭ信号がＬの期間における出力電圧とで大きな差が生じない。従って、図４（Ｃ）に示すように、ＰＷＭ信号をＬからＨに切換えてから演算増幅器３０が定常状態に到達するまでの時間trを短くすることができる。

この効果について更に詳細に説明する。従来の構成では、図１１に示すように、ＰＷＭ信号のＬからＨへの切換え時に、演算増幅器３０の出力電圧は、0[V]からV_R+Vgs1(上記例では2.5[V]）まで変化する時間が必要であった。

一方、上記実施形態に示す構成では、演算増幅器３０の出力は、V_R+Vgs1からV_R+Vgs2までの変化量|Vgs1-Vgs2|（上記例では0.1[V]）で済むこととなる。この変化量は、従来例に比べて十分小さい。

ここで、例えば、Vgs1=2.1[V]、Vgs2=2.0[V]、ΔVo/Δt = 1[V/μs]とすると、ＰＷＭ信号をＬからＨに切換えてから、演算増幅器３０が定常状態に到達するまでの時間trは、0.1[μs]となり、従来例に比べ大幅な短縮となる。すなわち、本実施形態によれば、ＭＯＳＦＥＴ２０をオフからオンに切換えるときに、該切換開始から駆動電流I_LED（上記例では20[mA]）がＬＥＤアレイ１８及び抵抗２２に流れるまでの時間を従来に比べて短縮することができる。

このように、上記構成によれば、演算増幅器３０の出力変化に必要な時間を短縮でき、ひいては、半導体装置１２全体の高速化が可能になる。

更にまた、従来の定電流回路では、非反転入力端子、反転入力端子ともに、0[V]入力可能に演算増幅器１０６を構成する必要があるため、演算増幅器１０６の設計或いは選択が大きく制限されるが、本実施形態では、ＰＷＭ信号がＬの期間においても、演算増幅器３０の反転入力端子及び非反転入力端子に対する入力電圧は0[V]より大きいため、演算増幅器３０の設計や選択の制限も従来に比べて緩和される。

なお、上記例では、ＰＷＭ信号がＨの期間においても、ＭＯＳＦＥＴ３２のドレイン端子が演算増幅器３０の出力端子にそのまま接続された状態にあるため、演算増幅器３０に対して該ＭＯＳＦＥＴ３２の入力容量が負荷となるが、ＰＷＭ信号がＨの期間においては、電圧降下回路３６は、電流や電圧を演算増幅器３０に帰還させる経路にはなく、また、上記説明したように、ＭＯＳＦＥＴ３２の負荷容量をＭＯＳＦＥＴ２０の負荷容量よりはるかに小さいものとし、電圧降下回路３６に流れる電流を駆動電流I_LEDに比べて無視できる程度に小さくすることで（上記では、20μA)、半導体装置１２全体の動作に大きな影響は出ない。また、ＰＷＭ信号がＨの期間、電圧降下回路３６と演算増幅器３０の出力端子との接続を電気的に切断するスイッチを設けてもよい。

また、上記例では、演算増幅器３０の出力端子にスイッチ４０を設け、ＰＷＭ信号がＨからＬになったときに、ＭＯＳＦＥＴ２０のゲート・ソース間の電圧を0[V]とするよう構成した。この構成は、ＰＷＭ信号がＬの期間は、電流がＬＥＤ５０_１〜５０_ｎに流れず、確実にＬＥＤ５０_１〜５０_ｎを消灯させることができるため望ましい構成であるが、ＰＷＭ信号がＬの期間、演算増幅器３０から出力される電圧を、ＭＯＳＦＥＴ３２はオンするが、ＭＯＳＦＥＴ２０はオンしないレベルとなるよう構成すれば（例えば、Vgs2+V_RをＭＯＳＦＥＴ２０の閾値電圧より低めに設定する等）、スイッチ４０を設けずにＭＯＳＦＥＴ２０のゲート端子と演算増幅器３０の出力端子とが常に接続された構成とすることもできる。

なお、スイッチ４０及びスイッチ４２の切換え時に、演算増幅器３０の反転入力電圧に揺らぎが生じることがあるが、生じたとしてもごく短い時間であり動作上影響はないため、図４（Ｅ）には図示していない。

また、上記実施形態では電圧降下回路３６をＭＯＳＦＥＴ３２及び抵抗３４を用いて構成する例について説明したが、これに限定されるものではない。

例えば、図５（Ａ）に示すように、２つの抵抗６０、６２を直列に接続して電圧降下回路を構成してもよい。抵抗６０の一端を演算増幅器３０の出力端子に接続し、他端を抵抗６２の一端に接続する。抵抗６２の他端は、グランドに接続する。抵抗６０と抵抗６２との間のノードＮｓと、演算増幅器３０の反転入力端子とをスイッチ４２を介して接続する。

この電圧降下回路によれば、２つの抵抗による分圧により電圧降下（電位差）を発生させる。抵抗６０の抵抗値をR1とし、抵抗６２の抵抗値をR2とし、演算増幅器３０の出力電圧をVoutとすると、電位差ΔVを以下の式で表わすことができる。

ΔV＝Vout*R1/(R1+R2)

また、例えば、図５（Ｂ）に示すように、抵抗６４と定電流源６６とを直列に接続して電圧降下回路を構成してもよい。抵抗６４の一端を演算増幅器３０の出力端子に接続し、他端を定電流源６６に接続する。抵抗６４と定電流源６６との間のノードＮｓと、演算増幅器３０の反転入力端子とをスイッチ４２を介して接続する。

この電圧降下回路によれば、定電流源６６により発生させる電流値と抵抗６４の抵抗値とにより、所望の電位差を発生させる。抵抗６４の抵抗値をR3とし、定電流源６６の電流値をIoとすると、電位差ΔVを以下の式で表わすことができる。

ΔV＝R3*Io

定電流源６６によりほぼ一定の電流を流すことができるため、動作中はほぼ一定の電位差（ほぼ理想の電位差）を発生させることができ、図５（Ａ）の構成と比べて制御性が良い。

また、例えば、図５（Ｃ）に示すように、ダイオード６８と抵抗７０を直列に接続して電圧降下回路を構成してもよい。ダイオードのアノードを演算増幅器３０の出力端子に接続し、カソードを抵抗７０の一端に接続する。抵抗７０の他端は、グランドに接続する。ダイオード６８と抵抗７０との間のノードＮｓと、演算増幅器３０の反転入力端子とをスイッチ４２を介して接続する。電圧降下回路に電流を流すときのダイオード６８にかかる順方向電圧V_Fとすると、電位差ΔVは以下の式で表せる。

ΔV≒V_F

この電圧降下回路において、電位差ΔVは、ダイオード６８にかかる順方向電圧V_Fにほぼ等しくなる。

また、例えば、図５（Ｄ）に示すように、ダイオード７２と定電流源７４とを直列に接続して電圧降下回路を構成してもよい。ダイオード７２のアノードを演算増幅器３０の出力端子に接続し、カソードを定電流源７４に接続する。ダイオード７２と定電流源７４との間のノードＮｓと、演算増幅器３０の反転入力端子とをスイッチ４２を介して接続する。

この電圧降下回路によれば、定電流源７４によりほぼ一定の電流を流すことができるため、動作中はほぼ一定の電位差（ほぼ理想の電位差）を発生させることができ、図５（Ｃ）の構成と比べて制御性が良い。

また、例えば、図６（Ａ）に示すように、ｎチャンネルのバイポーラトランジスタ７６と抵抗７８を直列に接続して電圧降下回路を構成してもよい。バイポーラトランジスタ７６のコレクタ端子を電源電圧VDDに接続し、ベース端子を演算増幅器３０の出力端子に接続し、エミッタ端子を抵抗７８の一端に接続する。抵抗７８の他端は、グランドに接続する。バイポーラトランジスタ７６と抵抗７８との間のノードＮｓと、演算増幅器３０の反転入力端子とをスイッチ４２を介して接続する。バイポーラトランジスタ７６をオンして電圧降下回路に電流を流すときのベース・エミッタ間電圧をVbeとすると、電位差ΔVは以下の式で表せる。

ΔV≒Vbe

この電圧降下回路において、電位差ΔVは、バイポーラトランジスタ７６のベース・エミッタ間電圧Vbeにほぼ等しくなる。

また、例えば、図６（Ｂ）に示すように、ｎチャンネルのバイポーラトランジスタ８０と定電流源８２とを直列に接続して電圧降下回路を構成してもよい。バイポーラトランジスタ８０のコレクタ端子を電源電圧VDDに接続し、ベース端子を演算増幅器３０の出力端子に接続し、エミッタ端子を定電流源８２に接続する。バイポーラトランジスタ８０と定電流源８２との間のノードＮｓと、演算増幅器３０の反転入力端子とをスイッチ４２を介して接続する。

この電圧降下回路によれば、定電流源８２によりほぼ一定の電流を流すことができるため、動作中は一定の電位差（ほぼ理想の電位差）を発生させることができ、図６（Ａ）の構成と比べて制御性が良い。

また、例えば、図６（Ｃ）に示すように、ＮチャンネルのＭＯＳＦＥＴ８４と定電流源８６とを直列に接続して電圧降下回路を構成してもよい。ＭＯＳＦＥＴ８４のドレイン端子を電源電圧VDDに接続し、ゲート端子を演算増幅器３０の出力端子に接続し、エミッタ端子を定電流源８２に接続する。ＭＯＳＦＥＴ８４と定電流源８６との間のノードＮｓと、演算増幅器３０の反転入力端子とをスイッチ４２を介して接続する。

ＭＯＳＦＥＴ８４をオンして電圧降下回路に電流を流すときのゲート・ソース間電圧をVgsとすると、電位差ΔVは以下の式で表せる。

ΔV≒Vgs

この電圧降下回路によれば、定電流源８６によりほぼ一定の電流を流すことができるため、動作中は一定の電位差（ほぼ理想の電位差）を発生させることができ、図２及び図３で例示した電圧降下回路３６の構成と比べて制御性が良い。

上記例示した電圧降下回路の各々により発生させる電位差は、Vgs1に近いほど好ましいが、ＭＯＳＦＥＴ２０のVgs1との差が所定値未満（所定値は、0Vより大きく、Vgs1より小さな値）となる電位差とすれば、従来例に比べて時間ｔｒを短縮できる。

また、ＭＯＳＦＥＴ２０のゲート・ソース間電圧Vgs1に合わせて、上記例示した電圧降下回路のいずれかを複数接続して１つの電圧降下回路として用いてもよいし、上記例示した複数種類の電圧降下回路を組み合わせて用いて１つの電圧降下回路として用いてもよいのはもちろんである。

なお、上記では、半導体装置１２を構成するデバイスのうち、ＬＥＤアレイ１８のカソード側の端部に接続され、オン時にＬＥＤアレイ１８に所定の電流を供給する能動素子として、ＭＯＳＦＥＴ２０を例に挙げて説明したが、該能動素子はこれに限定されない。例えば、JFET(接合型FET)や、バイポーラトランジスタなどでもよいのはもちろんである。

［第２実施形態］

次に、第２実施形態のＬＥＤ駆動システムについて説明する。第２実施形態のＬＥＤ駆動システムは、第１実施形態のＬＥＤ駆動システムに含まれる定電流回路の構成を除いては、図１に示した構成と同じ構成であるため、ここでは図示を省略し、第２実施形態に係る定電流回路（以下、符号１３を付す）について詳細に説明する。

図７及び図８に、第２実施形態の半導体装置１３を含むＬＥＤ駆動装置の構成を示す。図７は、パルス幅変調回路１６から入力されたＰＷＭ信号がＨのときの回路状態を示し、図８は、パルス幅変調回路１６から入力されたＰＷＭ信号がＬのときの回路状態を示している。

ここで、図７及び図８において、図２及び図３と同一もしくは同等の部分には同じ記号を付し、その説明を省略する。

半導体装置１３は、ＭＯＳＦＥＴ２０を制御する半導体回路２５を備えている。半導体回路２５は、演算増幅器３０、スイッチ９０、及びスイッチ９２を備えている。スイッチ９０及びスイッチ９２は、パルス幅変調回路１６から入力されるＰＷＭ信号により制御される。なお、スイッチ９０及びスイッチ９２は、一般的な半導体スイッチとすることができる。

スイッチ９０とＭＯＳＦＥＴ２０のゲート端子とは、接続端子ＬＧＯを介して接続されている。ＰＷＭ信号がＨのときには、スイッチ９０は、ＭＯＳＦＥＴ２０のゲート端子と演算増幅器３０の出力端子とを接続する第１の状態となる（図７参照）。また、ＰＷＭ信号がＬのときには、スイッチ９０は、ＭＯＳＦＥＴ２０のゲート端子とグランドとを接続する第２の状態となる（図８参照）。なお、ここでは図示を省略するが、例えば、電流制限のため、スイッチ９０とゲート端子との間に抵抗を設けてもよい。

演算増幅器３０の非反転入力端子には、定電圧回路１４から基準電圧V_Rが供給される。演算増幅器３０の反転入力端子には、スイッチ９２が設けられている。ＰＷＭ信号がＨのときには、スイッチ９２は、演算増幅器３０の反転入力端子を、ＭＯＳＦＥＴ２０のソース端子と抵抗２２との間のノードＮａに接続する第１の状態となる（図７参照）。また、ＰＷＭ信号がＬのときには、スイッチ９２は、演算増幅器３０の反転入力端子を演算増幅器３０の出力端子に接続する第２の状態となる（図８参照）。

図９に、図７及び図８に示す半導体装置１３の各端子の電圧・電流波形の一例を示す。ここでは、以下の条件を仮定している。ただし、下記条件は一例であって、これらに限定するものではない。

・基準電圧V_R：0.4[V]
・ＬＥＤ５０_１〜５０_ｎを点灯（駆動）させるときの駆動電流I_LED：20[mA]
・ＭＯＳＦＥＴ２０をオンして駆動電流I_LEDを流すときのゲート・ソース間電圧Vgs1：2.1[V]
・抵抗２２の抵抗値：2[Ω]

ＰＷＭ信号をＬからＨに切換えると（図９（Ａ）参照）、図７に示すように、スイッチ９０が第１の状態とされ、演算増幅器３０の出力端子と、ＭＯＳＦＥＴ２０のゲート端子とが接続された状態とされる。また、スイッチ９２が第１の状態とされるため、演算増幅器３０の反転入力端子は、ノードＮａに接続された状態となる。また、演算増幅器３０の非反転入力端子には、基準電圧V_R(0.4[V])が供給され続ける（図９（Ｂ）参照）。演算増幅器３０は、反転入力端子の電圧が0.4[V]になるよう、出力端子から出力する電圧Voを2.5[V]（V_R+Vgs1）まで上昇させる（図９（Ｃ）参照）。演算増幅器３０の出力端子からＭＯＳＦＥＴ３０がオンする電圧がゲート端子に印加されることにより（図９（Ｄ）も参照）、ＬＥＤアレイ１８に20[mA]の電流が流れ（図９（Ｆ）も参照）、演算増幅器３０の反転入力端子に入力される電圧が0.4[V]になる（図９（Ｅ）も参照）と共に、ＬＥＤ５０_１〜５０_ｎが点灯する。

ＰＭＷ信号をＨからＬに切換えると（図９（Ａ）参照）、図８に示すように、スイッチ９０が第２の状態とされ、演算増幅器３０の出力端子は、ＭＯＳＦＥＴ２０のゲート端子との接続が絶たれた状態となる（図９（Ｄ）参照）。ＭＯＳＦＥＴ２０のゲート端子はグランドに接続され、ＭＯＳＦＥＴ２０はオフし、ＬＥＤ電流がほぼ0[mA]となるため（図９（Ｆ）参照）、ＬＥＤアレイ１８の各ＬＥＤ５０_１〜５０_ｎは消灯状態とされる。

また、ＰＷＭ信号がＬの期間であっても、定電圧回路１４の定電圧出力動作は継続されるため、演算増幅器３０の非反転入力端子に対する基準電圧V_R（0.4[V]）の供給は継続される（図９（Ｂ）参照）。また、スイッチ９２が第２の状態とされるため、演算増幅器３０の反転入力端子は、演算増幅器３０の出力端子に接続された状態となる。これにより、演算増幅器３０は利得１の増幅器（ボルテージフォロア）の構成となることから、演算増幅器３０の出力端子から出力される電圧、及び演算増幅器３０の反転入力端子に入力される電圧は0.4[V]となる（図９（Ｃ）、（Ｅ）参照）。

このように、ＰＷＭ信号がＬの期間においても、演算増幅器３０の非反転入力端子には基準電圧V_Rが入力され、反転入力端子には基準電圧V_R相当の電圧が入力される。従って、演算増幅器３０を0[V]入力を可能に構成する必要がなく、演算増幅器３０の設計或いは選択上の制限が緩和される。各端子への入力電圧が従来例に比較して大きく変化しないため、動作が安定する。更にまた、演算増幅器３０の出力電圧の変化は、V_R(0.4[V])からV_R+Vsg1(2.5[V])となるため、出力電圧が0[V]からV_R+Vsg1(2.5[V])まで変化する従来例（図１０、図１１参照）に比べて、変化に要する時間tr（図９（Ｃ）参照）を短くすることができる。すなわち、本実施形態によれば、ＭＯＳＦＥＴ２０をオフからオンに切換えるときに、該切換え開始から駆動電流I_LED（上記例では20[mA]）がＬＥＤアレイ１８及び抵抗２２に流れるまでの時間を従来に比べて短縮することができる。

なお、上記では、半導体装置１３を構成するデバイスのうち、ＬＥＤアレイ１８のカソード側の端部に接続され、オン時にＬＥＤアレイ１８に所定の電流を供給する能動素子として、ＭＯＳＦＥＴ２０を例に挙げて説明したが、該能動素子はこれに限定されない。例えば、JFET(接合型FET)や、バイポーラトランジスタなどでもよいのはもちろんである。

また、上記第１実施形態及び第２実施形態では、ＬＥＤアレイに対して所定の電流を供給するための半導体装置を例に挙げて説明したが、所定の電流を供給して駆動させる負荷はＬＥＤに限定されるものではなく、例えば有機ＥＬ等、種々の発光素子とすることができる。また、液晶表示装置のバックライトとしてのＬＥＤではなく、例えば照明装置に用いられるＬＥＤや有機ＥＬ等の発光素子に対して所定の電流を供給する装置に上記例を適用してもよい。

１０ ＬＥＤ駆動装置
１２、１３ 半導体装置
１４ 定電圧回路
１６ パルス幅変調回路
１８ ＬＥＤアレイ
２２ 抵抗
２４、２５ 半導体回路
３０ 演算増幅器
３４ 抵抗
３６ 電圧降下回路
４０ スイッチ
４２ スイッチ
６０ 抵抗
６２ 抵抗
６４ 抵抗
６６ 定電流源
６８ ダイオード
７０ 抵抗
７２ ダイオード
７４ 定電流源
７６ バイポーラトランジスタ
７８ 抵抗
８０ バイポーラトランジスタ
８２ 定電流源
８４ ＭＯＳＦＥＴ
８６ 定電流源
９０ スイッチ
９２ スイッチ

Claims (4)

1. 第１負荷と、所定の電圧が入力された場合にオンして前記第１負荷を駆動させる所定の電流を流すことが可能な能動素子とが電気的に接続されており、前記能動素子に前記所定の電圧を入力して前記第１負荷の駆動を制御することが可能な半導体回路であって、
   基準電圧が入力される第１入力端子と、第２入力端子と、出力端子とを有し、前記第２入力端子に入力される電圧が前記第１入力端子に入力される前記基準電圧に近づくように前記出力端子から第１電圧を出力可能な演算増幅器と、
   前記演算増幅器の出力端子から出力された前記第１電圧を降下させて第２電圧を生成可能な電圧降下回路と、
   前記能動素子が前記演算増幅器の前記出力端子から出力された前記第１電圧によってオンされる第１期間には、前記能動素子がオンされることにより流れる前記所定の電流に応じた第３電圧を前記演算増幅器の前記第２入力端子に入力させ、前記能動素子がオフされる第２期間には、前記第２電圧を前記第２入力端子に入力させることが可能な入力切換部と、
   を備えた半導体回路。
2. 前記能動素子は、前記所定の電圧が入力される制御入力端子、前記第１負荷に接続され且つ前記制御入力端子に前記所定の電圧が入力された場合に前記所定の電流を出力する第１電流出力端子、及び前記所定の電流が流れることにより前記第３の電圧を生成可能な第２負荷に接続され且つ前記制御入力端子に前記所定の電圧が入力されたときに前記所定の電流を出力する第２電流出力端子を備え、
   前記電圧降下回路により降下する電圧と、前記能動素子をオンして前記所定の電流を前記第１負荷及び前記第２負荷に出力した場合の前記制御入力端子及び前記第２電流出力端子の間の電圧との差が、所定値未満となるように構成した
   請求項１に記載の半導体回路。
3. 前記第１負荷は、発光素子であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体回路。
4. 第１負荷に電気的に接続され、所定の電圧が入力された場合にオンして前記第１負荷を駆動させる所定の電流を流すことが可能な能動素子と、
   前記能動素子に電気的に接続され、前記所定の電流が流れることにより第１電圧を生成可能な第２負荷と、
   基準電圧が入力される第１入力端子と、第２入力端子と、出力端子とを有し、前記第２入力端子に入力される電圧が前記第１入力端子に入力される前記基準電圧に近づくように前記出力端子から第２電圧を出力可能な演算増幅器と、
   前記演算増幅器の出力端子から出力された前記第２電圧を降下させて第３電圧を生成可能な電圧降下回路と、
   前記能動素子が前記演算増幅器の前記出力端子から出力された前記第２電圧によってオンされる第１期間には、前記第１電圧を前記演算増幅器の前記第２入力端子に入力させ、前記能動素子がオフされる第２期間には、前記第３電圧を前記第２入力端子に入力させることが可能な入力切換部と、
   を備えた半導体装置。

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