JP2017201451A - 安定化電源回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】電源電圧利用効率が良好で、電源電圧の変動に関わらず安定した出力電圧を得ることができる安定化電源回路を提供する。【解決手段】電源電圧がツェナーダイオード21に電流を流すに足りる電圧以上の場合、バイアス電圧生成用可変抵抗器23のインピーダンスを低下させるべく電流検出回路50によりバイアス電圧生成用可変抵抗器23が制御されて出力端子41にはツェナーダイオード21の電圧にほぼ等しい安定化電源電圧が出力される一方、電源電圧がツェナーダイオード21に電流を流すに満たない電圧の場合、バイアス電圧生成用可変抵抗器23のインピーダンスを増大させるべく電流検出回路50によりバイアス電圧生成用可変抵抗器23が制御されて出力端子41にはほぼ電源電圧に等しい電圧が得られるものとなっている。【選択図】図1

Description

本発明は、電源電圧の安定化回路に係り、特に、出力電圧のさらなる安定化と共に電源電圧利用率の向上等を図ったものに関する。
半導体集積回路において、素子のレイアウト面積の削減の要請や、IC外部に接続される回路とのインターフェース電圧の制限等の観点から、高耐圧な電源端子を有するICの中には、その電源端子に、低耐圧素子で構成された内部回路の安定化電源回路を接続し、その安定化電源回路以外の主要な回路を低耐圧素子を用いる構成を採るものがある。
このようなIC内部に用いられる安定化電源回路を構成する素子として、例えば、MOSFETを用いる場合、出力抵抗が低く、周波数特性が良好で、位相補償等の回路調整も比較的簡易であるという利点を有するソースフォロワ回路が採用されることがある(例えば、特許文献1、特許文献2等参照)。
このようなソースフォロワ回路としては、例えば、図4に示されたようにエンハンスメント型MOSFETを用いたものや、また、図5に示されたように、図4の回路の特性改善を図ったものなどがある。
例えば、図4には、エンハンスメント型NMOSFET45を用いて構成されたソースフォロア回路の一例が示されており、エンハンスメント型NMOSFETのゲートに基準電圧を印加し、ソースから安定化された電圧を得る構成となっている。
また、図5には、図4に示された回路の動作特性の改善を図った従来回路の一例である特許文献2に開示された回路例の主要部を示した回路図が示されている。
この回路は、エンハンスメント型NMOSFET45と絶対値の等しいスレッショルド電圧を有するエンハンスメント型PMOSFET46のソースフォロワによって、エンハンスメント型NMOSFET45のゲートに、基準電圧からエンハンスメント型NMOSFET45のスレッショルド電圧に近いバイアス電圧を生成、印加するよう構成されたものである。かかる回路においては、エンハンスメント型NMOSFET45のスレッショルド電圧がエンハンスメント型PMOSFET46のスレッショルド電圧で相殺され、出力端子47に基準電圧にほぼ等しい電圧出力を可能としている。
特開2011−211444号公報 特許第3556328号公報
しかしながら、図4に示された構成にあっては、エンハンスメント型NMOSFET45のスレッショルド電圧は正の値を採るため、出力端子47に得られる安定化された出力電圧(安定化電源出力電圧)は、下記する式1で表されるように、NMOSFET45のゲート電圧から、NMOSFET45のスレッショルド電圧分だけ、低い電圧となるというデメリットがある。
安定化電源出力電圧=NMOSFETのゲート電圧−NMOSFETのスレッショルド電圧・・・式1
図5に示された回路は、上述のような出力電圧の低下を改善する方策を施した回路であるが、NMOS型半導体素子とPMOS型半導体素子という、特性の異なる素子を用いるため、ウェハープロセス上のばらつきにより、NMOS型半導体素子とPMOS型半導体素子のスレッショルド電圧が異なった場合に、上述のような互いのスレッショルド電圧の相殺ができないとうい問題を生ずる。
また、ウェハープロセス上のばらつきによりMOSFETのスレッショルド電圧が当然ばらつく。このため、基準電圧にツェナーダイオードなどのウェハープロセス上のばらつきが少ない素子により生成された基準電圧を用いたとしても、先の図4や図5に示された回路では、やはり出力電圧のばらつきは生ずる。
このため、図4や図5に示された回路の出力電圧を直接に基準電圧とする製品構成は、所望される精度によっては難しい場合もある。
加えて、エンハンスメント型NMOSFETを用いる場合、図4の従来回路では、先に式1に示したように、出力電圧は、必ずNMOSFET45のゲート電圧から、NMOSFET45のスレッショルド電圧だけ低い電圧となる。そのため、電源電圧が基準電圧を下回った場合は、例え出力電圧を電源電圧に等しくするためにNMOSFET45のゲート電圧を電源電圧と等しくしても、NMOSFET45のスレッショルド電圧分だけ、出力電圧は低い電圧となってしまい電源電圧利用率を悪化させてしまうという問題があった。
本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、電源電圧利用効率が良好で、電源電圧の変動に関わらず安定した出力電圧を得ることができる安定化電源回路を提供するものである。
上記本発明の目的を達成するため、本発明に係る安定化電源回路は、
ゲートが相互に接続された第1及び第2のデプレッション型NMOSFETを有し、前記第1のデプレッション型NMOSFETのドレインと電源との間には、前記第1のデプレッション型NMOSFETのドレインに流れる電流を検出する電流検出回路が設けられる一方、前記第1のデプレッション型NMOSFETのソースには、ツェナーダイオードのカソードが接続され、前記ツェナーダイオードのアノードは接地電位に接続され、
前記第1及び第2のデプレッション型NMOSFETのゲートと電源との間には電流源が設けられる一方、ゲートと接地電位との間には、前記電流検出回路の電流検出結果に応じてインピーダンスが制御可能に構成された可変抵抗器が設けられ、
前記第2のデプレッション型NMOSFETは、ドレインに電源電圧が印加される一方、ソースに安定化された電圧が出力可能に設けられてなる安定化電源回路であって、
前記電流検出回路は、電源電圧が前記ツェナーダイオードに電流を流すに満たない状態にあることに対応する電流検出結果が得られた際には、前記可変抵抗器のインピーダンスが前記電流源のインピーダンスよりも大となるよう前記可変抵抗器を制御し、前記第2のデプレッション型NMOSFETのソースから電源電圧にほぼ等しい電圧の出力を可能とする一方、電源電圧が前記ツェナーダイオードに電流を流すに足りる電圧以上であることに対応する電流検出結果が得られた際には、前記可変抵抗器のインピーダンスが前記電流源のインピーダンスよりも低くなるよう前記可変抵抗器を制御し、前記第2のデプレッション型NMOSFETのソースから前記ツェナーダイオードの電圧にほぼ等しい電圧の出力を可能に構成されてなるものである。
本発明によれば、スレッショルド電圧が負の符号を採るデプレッション型NMOSFETを出力段に用いることにより、電源電圧がツェナーダイオードに電流を流すに満たない低い電圧の場合には、ほぼ電源電圧を出力することができ、電源電圧利用率を従来に比して確実に向上することができる。
また、電源電圧がツェナーダイオードに電流を流すに足りる電圧以上の場合には、回路動作は、デプレッション型NMOSFETのスレッショルド電圧を打ち消すようになるため、内部電源に用いられているデプレッション型NMOSFETのスレッショルド電圧がばらついたとしても、ツェナーダイオードの電圧にほぼ等しい電圧を出力することができる。
さらに、電源電圧が急上昇した場合にあっても、出力電圧としての安定化電源電圧の上昇を抑えることができ、従来に比して、安定性、信頼性の高い安定化電源回路を提供することができるという効果を奏するものである。
本発明の実施の形態における安定化電源回路の基本回路構成例を示す回路図である。 本発明の実施の形態における安定化電源回路の具体回路構成例を示す回路図である。 本発明の実施の形態における安定化電源回路の他の具体回路構成例を示す回路図である。 従来のエンハンスメント型NMOSFETによるソースフォロア回路を用いた安定化電源回路の回路構成例を示す回路図である。 図4に示された安定化電源回路の出力特性の改善を図った従来回路の一回路構成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、図1乃至図3を参照しつつ説明する。
なお、以下に説明する部材、配置等は本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
最初に、本発明の実施の形態における安定化電源回路の基本回路構成例について、図1を参照しつつ説明する。
まず、本発明の実施の形態における安定化電源回路は、第1及び第2のNMOSFET(NチャンネルMOS電界効果トランジスタ)1,2と、ツェナーダイオード21と、電流検出回路(図1においては「I−DET」と表記)50と、バイアス電圧生成用電流源22と、バイアス電圧生成用可変抵抗器23を主たる構成要素として構成されたものとなっている。
以下、具体的な回路構成について説明すれば、まず、本発明の実施の形態において、第1及び第2のNMOSFET1,2は、デプレッション型が用いられている。
第1のNMOSFET1は、そのドレインと電源との間に電流検出回路50が設けられる一方、そのソースには、ツェナーダイオード21のカソードが接続され、ツェナーダイオード21のアノードは接地電位に接続されたものとなっている。
また、第1のNMOSFET1のゲートは、第2のNMOSFET2のゲートと相互に接続されると共に、この接続点と電源との間にはバイアス電圧生成用電流源22が直列接続されて設けられている。このバイアス電圧生成用電流源22は、第2のNMOSFET2のゲートバイアス電圧生成用の電流源として機能するものである。
さらに、第1及び第2のNMOSFET1,2のゲートと接地電位との間には、電流検出回路50の出力信号によってインピーダンスが可変可能なバイアス電圧生成用可変抵抗器23が直列接続されて設けられている。
そして、第2のNMOSFET2のドレインには電源電圧が印加されるようになっている一方、ソースには、出力端子41が接続されて、安定化された電圧(以下、説明の便宜上、「安定化電源出力電圧」と称する)が出力されるようになっている。
次に、かかる構成における回路動作について説明する。
まず、第1のNMOSFET1と第2のNMOSFET2は、そのスレッショルド電圧が等しいものが用いられている。
デプレッション型NMOSFETのスレッショルド電圧は、負の値を採るため、ドレイン電圧がゲート電圧よりも高い場合、最大でゲート電圧よりもスレッショルド電圧の絶対値分、出力電圧である安定化電源出力電圧を高くすることができる。
また、ドレイン電圧がゲート電圧以下の場合、安定化電源出力電圧は、ドレイン電圧とほぼ等しくなる。
電流検出回路50の動作について説明すれば、まず、電源電圧がツェナーダイオード21に電流を流すに足りる電圧以上の場合、ツェナーダイオード21に電流が流れたことが電流検出回路50により検出され、電流検出回路50からバイアス電圧生成用可変抵抗器23に対して、そのインピーダンスを低下させるべく制御信号が出力され、バイアス電圧生成用可変抵抗器23のインピーダンスが低下する。
その結果、バイアス電圧生成用電流源22とバイアス電圧生成用可変抵抗器23のインピーダンスの差に応じたバイアス電圧が、第2のNMOSFET2のゲートに生成されることとなる。すなわち、このバイアス電圧は、第2のNMOSFET2が有する負の符号のスレッショルド電圧の絶対値分低い電圧となる。これにより、出力端子41にはツェナーダイオード21の電圧にほぼ等しい安定化電源電圧が出力されることとなる。
また、電源電圧が急上昇した場合には、ツェナーダイオード21に流れる電流が増大するため、電流検出回路50により、バイアス電圧生成用可変抵抗器23のインピーダンスはより低くなるように制御され出力端子41における出力電圧の上昇が抑圧されるようになっている。
次に、電流検出回路50及びバイアス電圧生成用可変抵抗器23の具体的な回路構成例について図2を参照しつつ説明する。なお、図1に示された構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略し、以下、異なる点を中心に説明する。
図2に示された回路構成例において、電流検出回路50は、第1及び第2のPMOSFET(PチャンネルMOSFET)11,12と、制御用抵抗器30とを主たる構成要素として構成されたものとなっている。
また、バイアス電圧生成用可変抵抗器23は、第3のNMOSFET3を用いて構成されたものとなっている。
具体的には、まず、第1及び第2のPMOSFET11,12は、カレントミラー回路を構成しており、各々のソースが相互に接続されて電源電圧が印加されるようになっている一方、各々のゲートと第1のNMOSFET1のドレインが相互に接続されている。
また、第2のPMOSFET12のドレインは、制御用抵抗器30を介して接地電位に接続されると共に、ドレインと制御用抵抗器30の接続点は第3のNMOSFET3のゲートに接続されている。
バイアス電圧生成用可変抵抗器23として機能する第3のNMOSFET3は、ドレインが第1及び第2のNMOSFET1,2のゲートと接続される一方、ソースは、接地電位に接続されている。
次に、かかる構成における動作について説明する。
第1及び第2のPMOSFET11,12のゲート・ソース間電圧は等しいため、それぞれのドレイン電流は等しく、制御用抵抗器30にはツェナーダイオード21に流れる電流と等しい電流が流れる。
そして、電源電圧が低い場合には、ツェナーダイオード21に電流が流れず、第3のNMOSFET3のゲート電圧が第3のNMOSFET3のスレッショルド電圧を下回り、第3のNMOSFET3のインピーダンスが大きくなるため、第2のNMOSFET2のゲート電圧は、電源電圧にほぼ等しくなり、出力端子41に得られる安定化電源出力電圧も電源電圧にほぼ等しくなる。
一方、電源電圧が高くなり、ツェナーダイオード21に電流が流れ、制御用抵抗器30の両端の電圧が第3のNMOSFET3のスレッショルド電圧を超えると、第3のNMOSFET3のインピーダンスが低下し、バイアス電圧生成用電流源22とのインピーダンスの差に応じて、第2のNMOSFET2のゲートには、デプレッション型NMOSFETの負の符号のスレッショルド電圧の絶対値分に等しいバイアス電圧が生成、印加されることとなる。
これにより、出力端子41における安定化電源出力電圧は、ツェナーダイオード21の電圧にほぼ等しい電圧となる。
このように、この図2に示された回路構成例においては、電流検出回路50は、第1及び第2のPMOSFET11,12を用いたカレントミラー回路により構成され、カレントミラー回路の入力段において第1のNMOSFET1のドレイン電流の検出、換言すれば、ツェナーダイオード21に流れる電流の検出を行う一方、出力段の第2のPMOSFET12のドレイン出力によりバイアス電圧生成用可変抵抗器23として機能する第3のNMOSFET3の動作が制御されるようになっている。
なお、図2に示されたような回路は、一般的な2つの極性のウェル構造を有するCMOSプロセスによって1チップ半導体集積回路として実現可能である。
次に、電流検出回路50の第2の具体回路構成例について図3を参照しつつ説明する。なお、図1、図2に示された構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略し、以下、異なる点を中心に説明する。
この第2の具体回路構成例において、電流検出回路50は、第1及び第2のPMOSFET11,12によるゲート接地型コンパレータ回路と、第4乃至第6のNMOSFET4〜6によるバイアス回路とを有して構成されたものとなっている。
以下、具体的に説明すれば、まず、第1のPMOSFET11のソースには第1のソース抵抗器31を介して、第2のPMOSFET12のソースには第2のソース抵抗器32を介して、それぞれ電源電圧が印加されるようになっている。なお、第1のソース抵抗器31の抵抗値は、第2のソース抵抗器32の抵抗値よりも小さな値に設定するのが好適である。
また、第1及び第2のPMOSFET11,12は、相互のゲートと第1のPMOSFET11のドレインが接続され、その接続点は、第4のNMOSFET4のドレインに接続されており、この第4のNMOSFET4のソースは接地電位に接続されている。
一方、第2のPMOSFET12のドレインは、第3のNMOSFET3のゲートに接続されると共に、第5のNMOSFET5のドレインに接続されている。
第4乃至第6のNMOSFET4〜6、及び、バイアス回路用電流源24は、第1及び第2のPMOSFET11,12によるゲート接地型コンパレータ回路に対するバイアス回路を構成するものとなっている。
すなわち、第4乃至第6のNMOSFET4〜6は、各々のゲートと第6のNMOSFET6のドレインが相互に接続されると共に、第6のNMOSFET6のドレインには、バイアス回路用電流源24が接続されて定電流が供給されるようになっている。
そして、第5及び第6のNMOSFET5,6のソースは、共に接地電位に接続されている。
次に、かかる構成における動作について説明する。
まず、電源電圧が低い場合、第2のソース抵抗器32は、第1のソース抵抗器31よりも高い抵抗値が設定されているため、第2のPMOSFET12のドレイン電流は第1のPMOSFET11のドレイン電流よりも小さいものとなる。そのため、第3のNMOSFET3のゲート電圧は、第3のNMOSFET3のスレッショルド電圧を下回り、第3のNMOSFET3のインピーダンスは大きくなるため第2のNMOSFET2のゲート電圧は電源電圧にほぼ等しくなり、出力端子41に得られる安定化電源出力電圧は電源電圧とほぼ等しくなる。
一方、電源電圧が高くなり、ツェナーダイオード21に電流が流れると、第1のソース抵抗器31の両端の電圧が上昇し、第1及び第2のPMOSFET11,12のゲート・ソース間電圧が上昇する。そして、第1のPMOSFET11のドレイン電流がバイアス電圧生成用電流源22の電流値を超えると、第3のNMOSFET3のゲート電圧が第3のNMOSFET3のスレッショルド電圧を上回り、第3のNMOSFET3のインピーダンスが小さくなる。
その結果、バイアス電圧生成用電流源22と第3のNMOSFET3のインピーダンスの差に応じたバイアス電圧が、第2のNMOSFET2のゲートに生成されることとなる。すなわち、このバイアス電圧は、第2のNMOSFET2が有する負の符号のスレッショルド電圧の絶対値分低い電圧となる。
これにより、出力端子41にはツェナーダイオード21の電圧にほぼ等しい安定化電源電圧が出力されることとなる。
このように、この図3に示された回路構成例においては、電流検出回路50は、第1及び第2のPMOSFET11,12によるゲート接地型コンパレータ回路により構成され、コンパレータ回路は、第1のNMOSFET1のドレイン電圧がツェナーダイオード21に電流を流すに足りる電圧を越えたか否かが比較されて、その比較結果に応じて第3のNMOSFET3の動作が制御されるようになっている。
この図3に示されたような回路は、一般的な2つの極性のウェル構造を有するCMOSプロセスによって1チップ半導体集積回路として実現可能である。
上述した本発明の実施の形態においては、電流検出回路50を構成する半導体素子としてMOSFETを用いたが、これに限定される必要はなく、例えば、バイポーラトランジスタを用いても良い。
また、電流検出回路50は、図2に例示したカレントミラー回路を用いた構成としても、又は、図3に例示したように、電流検出用の抵抗器である第1のソース抵抗器31に発生する電圧をコンパレータ回路で検出するような構成としても、いずれでも良い。
コンパレータ回路を用いる場合、接地形式は、図3に示されたゲート接地に限定される必要はなく、エミッタ接地、ソース接地、ベース接地など種々あるが、いずれを用いても良い。
さらに、バイアス電圧生成用電流源22は、電流源回路を用いて実現しても良く、また、高耐圧デプレッション型NMOSFETのドレイン飽和電流IDSSを出力する構成としても良い。
またさらに、バイアス電圧生成用可変抵抗器23は、バイポーラトランジスタやMOSFETを用いて構成するのが好適である。
電源電圧利用率の向上と出力電圧のさらなる安定化が所望される安定化電源回路に適用できる。
21…ツェナーダイオード
22…バイアス電圧生成用電流源
23…バイアス電圧生成用可変抵抗器
50…電流検出回路

Claims (3)

  1. ゲートが相互に接続された第1及び第2のデプレッション型NMOSFETを有し、前記第1のデプレッション型NMOSFETのドレインと電源との間には、前記第1のデプレッション型NMOSFETのドレインに流れる電流を検出する電流検出回路が設けられる一方、前記第1のデプレッション型NMOSFETのソースには、ツェナーダイオードのカソードが接続され、前記ツェナーダイオードのアノードは接地電位に接続され、
    前記第1及び第2のデプレッション型NMOSFETのゲートと電源との間には電流源が設けられる一方、ゲートと接地電位との間には、前記電流検出回路の電流検出結果に応じてインピーダンスが制御可能に構成された可変抵抗器が設けられ、
    前記第2のデプレッション型NMOSFETは、ドレインに電源電圧が印加される一方、ソースに安定化された電圧が出力可能に設けられてなる安定化電源回路であって、
    前記電流検出回路は、電源電圧が前記ツェナーダイオードに電流を流すに満たない状態にあることに対応する電流検出結果が得られた際には、前記可変抵抗器のインピーダンスが前記電流源のインピーダンスよりも大となるよう前記可変抵抗器を制御し、前記第2のデプレッション型NMOSFETのソースから電源電圧にほぼ等しい電圧の出力を可能とする一方、電源電圧が前記ツェナーダイオードに電流を流すに足りる電圧以上であることに対応する電流検出結果が得られた際には、前記可変抵抗器のインピーダンスが前記電流源のインピーダンスよりも低くなるよう前記可変抵抗器を制御し、前記第2のデプレッション型NMOSFETのソースから前記ツェナーダイオードの電圧にほぼ等しい電圧の出力を可能に構成されてなることを特徴とする安定化電源回路。
  2. 前記電流検出回路は、カレントミラー回路を用いて構成され、前記カレントミラー回路は、その入力段において前記第1のデプレッション型NMOSFETのドレイン電流の検出を行う一方、出力段の出力により前記可変抵抗器の制御が可能に設けられ、
    前記可変抵抗器は、トランジスタを用いてなり、当該トランジスタは、前記カレントミラー回路の出力段の出力信号によりその動作が制御されるよう設けられてなることを特徴とする請求項1記載の安定化電源回路。
  3. 前記電流検出回路は、前記カレントミラー回路に代えて、ゲート接地型、又は、ベース接地型のアンプを用いたコンパレータ回路で構成され、前記コンパレータ回路は、前記第1のデプレッション型NMOSFETのドレイン電圧が前記ツェナーダイオードに電流を流すに足りる電圧を越えたか否かを比較し、その比較結果に応じて前記可変抵抗器の制御が可能に設けられてなることを特徴とする請求項2記載の安定化電源回路。
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