JPH0385803A - レベルシフト回路 - 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】 （発明の概要〕 オペアンプ、コンパレータ、Ｄ／Ａ変換器などのバイア
ス回路に利用できるレベルシフト回路に関し、 正確に闇値電圧を発生することができ、集積回路化に適
するレベルシフト回路を提供することを目的とし、 ゲートを入力端子に接続する第１のトランジスタと、該
第のトランジスタと低電位との間に接続された第２の電
流源と、ゲートとドレインを出力端子に接続する第２の
トランジスタと、該第２のトランジスタと低電位との間
に接続された第３の電流源と、高電位に接続された第１
のｔ流源と、該第１の電流源の出力と前記第１のトラン
ジスタとの間と、該第１の電流源の出力と前記第２のト
ランジスタとの間との少なくとも一方にレベルシフト部
を備えた構成とする。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、オペアンプ、コンパレータ、Ｄ／Ａ変換器な
どのバイアス回路に利用できるレベルシフト回路に関す
る。

上記種類のバイアス回路では、ＭＯＳ）ランジスタの闇
値電圧Ｖｔｈを発生する、入力電圧をＶｔｈだけシフト
した電圧を発生する必要のあるものがある。本発明はこ
のＶいの発生、Ｖｔｋだけシフト、を行なう回路に係る
ものである。

〔従来の技術〕

従来のこの種回路を第７図に示す。ＱはｐチャネルＭＯ
３Ｉ−ランジスタ、ｃｓ１１ｃｓ、は同じ微小電流を流
す電流源である。■いは第８図の■。。

−１，特性で、ドレイン電流Ｉｎが流れ始める点のゲー
ト、ソース間電圧ＶＧｉであるが、これを発生させるに
は電流源によりトランジスタＱに微小ながら電流ｉを流
すので、このときのゲート、ソース間電圧はＶい＋αに
なり、正確にＶｔｈが必要な所では該αなる誤差が問題
である。

また微小電流は簡単には高抵抗により発生させることが
できるが、高抵抗を用いれば回路は高インピーダンスに
なり、集積回路の製作上や応答性などで問題が出てくる
。

〔発明が解決しようとする課題〕

このように従来のレベルシフト回路では正確に闇値電圧
を発生することができない、高インピーダンス回路にな
り集積回路化に適さない等の問題がある。

本発明はかりる点を改善し、正確に閾値電圧を発生する
ことができ、集積回路化に適するレベルシフト回路を提
供することを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

第１図に示すように本発明では同じ導電型の電界効果ト
ランジスタｎ＋２個と、電流供給手段３個でレベルシフ
ト回路を構成する。　（ａ）（Ｃ）ではＰチャネルＦＥ
Ｔを使用し、（ｂ）ではＮチャネルＦＥＴを使用する。

（ａ）では第１のトランジスタＱ　＋　ｒと第２の電流
供給手段ＣＳオを直列に、これらと並列に、第２のトラ
ンジスタＱＩｔと残りｎ個のトランジスタＱ。

〜Ｑ７を直列に接続したものを接続し、この並列回路と
直列に第１の電流供給手段Ｃ３１を接続する。第２のト
ランジスタＱ１ｇとｎ個のトランジスタＱ、−Ｑ、はゲ
ートをドレインに接続してダイオードにしており、その
順方向は電流供給手段の電流供給方向である。

第２の電流供給手段Ｃ８！の出力電流りと、第３の電流
供給手段Ｃ３，の出力電流Ｉ０とは、第１のトランジス
タＱ　＋　＋の電流増幅率をβ正、第２のトランジスタ
およびｎ個のトランジスタＱ１〜Ｑ１の電流増幅率をβ
。として、 β１．’Ｉ＠／βｏ　・Ｋ１−１／　（ｎ＋１）”　　
””（１）の関係を持たせる。

第１図０）は、ＦＥＴがＮチャネルであることを除いて
は、第１図（ａ）と同様である。

第を図（Ｃ）では、ｎ個のトランジスタＱ、−Ｑ。

を第１のトランジスタＱ、側へ移している。増幅率と電
流の関係は、第１のトランジスタＱ□とｎ個のトランジ
スタＱ、−Ｑ、の電流増幅率をβ１、第２の電流供給手
段Ｃ３つの出力電流をｈ、第２のトランジスタＱ　、ｔ
の電流増幅率をβ。、第３の電流供給手段Ｃ５，の出力
電流を１゜として、β１１０／βｏ・Ｉ！−（ｍ＋１）
”／　（ｒｈ＋　１）”の関係にしておく。

第１図（２）は同図（ｂ）’（Ｃ）の併用で、ｎ個のト
ランジスタＱ１〜Ｑ工とｍ個のトランジスタＱ１１−Ｑ
□を用いている。この場合はβ、ＸＩ０：βＯＸＩｊ−
（ｍ＋１）冨：（ｎ＋１）”にする。

〔作用〕

このレベルシフト回路は、同じ導電型のトランジスタと
電流供給手段のみで構成されているので、集積化に適し
ている。

また前記αがＯになり、正確に闇値電圧Ｖいを発生する
ことができる。即ち入力電圧Ｖ　Ａｎに対し出力電力Ｖ
　ｏｗＬをＶ　０１１Ｌ＝　Ｖ　ｉａｆ　ｎ　Ｖ　（ｙ
にすることができる。

また第１図（ｄ）ではＶｏａｔ　＝Ｖｉ＊　　（ｎ　　
ｍ）　７％とすることができる。

（実施例） 第２図、第３図にｎ−１，ｍ＝１の場合の第１図（ａ）
、　（Ｃ）の実施例を示す、これらのトランジスタのｔ
流増幅率は全て同じとすると、電流供給手段Ｃ３ｚ、Ｃ
３ｓが供給する電流１！、１０は第２図ではＩ。／　Ｉ
　ｉ　＝　１　／　４、第３図ではＩ。／Ｉｔ＝４／ｌ
である。これでｖｔｓｔだけのレベルシフトが得られる
理由を次に説明する。

電界効果トランジスタにはソース・ドレイン電流Ｉ、を
流増幅率β、制ｍ電圧（ゲート、ソース間電圧）ＶｃＯ
間に飽和領域では の関係がある。即ちＶｃ−Ｖい＝π■Ｔである。

従ってトランジスタＱ、ではｖ、−Ｖａｎ　　Ｖｔｈ−
π”Ｔｒ７Ｔ、そしてトランジスタＱ、ではｖ、−ｖ、
−ｖ１１＝ＪＴ７７、）ランジスタＱ　ＩｚではＶ＋　
　Ｖｔ　　Ｖい＝ｆｌであるから、これらよりＶ０□＝
　Ｖ　１１−Ｖいになる。第３図では、同様の手順で計
算するとＶ。、ｔ＝Ｖ１１＋Ｖいになる。

第１図（ａ）のｎ＋２個のトランジスタを用いる場合で
説明すると、 β１１０／βｏ・ｌ１＝１／　（ｎ＋１）”　　”・・
（１）β １＝−（Ｖｃ−Ｖい）２　　　　　　　　・旧・・（２
）βｏ／　Ｎ　ｏ＝　（ｎ　＋　１　）”ｘ　（βｉ／
Ｉｉ）　　　・”（３）Ｖ　ｃ　　Ｖ　ｔ　＊−＝　Ａ
ＴＴＦ　　　　　　　　　　　−＝　（４）であるから
、第１のトランジスタＱ　ｌ＋についてｖ　ｓ　−ｖ　
ｉ　−ｖ　ｔｈ　＝　π「７Ｔフ−−−−−−（５）ｎ
個のトランジスタＱ、〜Ｑ、について第２のトランジス
タＱ目について １ これら（５）〜（７）式より Ｖ６−Ｖ１＋ｎＶｔｂ−Ｏ Ｖ（１＝Ｖ１　　ｎ　Ｖｔｂ　　　　　　　　　　　　
””（８）が得られる。第１図（Ｃ）の入力側にｎ個の
トランジスタＱ、〜Ｑ７を接続する場合は、 βｉ・Ｉｏ／βｏ　・Ｉ　ｎ　＝　（ｍ　＋　１　）”
／１　　−（１）’として同様に解くと、 Ｖ（、＝Ｖ１＋ｍ、Ｖい　　　　　　　　　　　・・・
・・・（９）が得られる。即ちこの場合は出力電圧ｖ０
を入力電圧■１に対して、ｍＶいだけ、シフトダウンで
はなく、シフトアップすることができる。

第１図（ｄ）　テはＶｏｕｔ　＋ｗ■１１　　（ｎ　　
ｍ）ｖｔ＆になるが、このようになる手順を示すと次の
通りである。

β、・■。／β０・Ｉｔ−（ｍ＋１）”／（ｎ＋１）”
・・・０ωβ １＝−（Ｖｃ−Ｖい）！　　　　　　　　　　・・・・
・・（Ｉ］）Ｖ、−ｖｔｈＮ１Ｔ丁７Ｔ Ｑ　ｒ　＋について、 （Ｖ１１−Ｖ、）−ｖ１１＝−１了７Ｔｉｍ個のトラン
ジスタＱ□〜Ｑ１．．について・・・・・・０３） ・・・・・・０４） ｎ個のトランジスタＱい〜ＱｂｎについてＱ　＋　ｔに
ついて ｖｂ、−ｖ、−ｖｔｈ＝πＴ訝ワｒ　　　　−−−−−
−ａｅ（５）〜（７）より（（５）　＋　（５）’　−
（（６）→−（７）））Ｖｏ　　Ｖ’ａ＋（ｎ　　ｓｏ
）Ｖｔｂ＝（ｍ＋１）ｌ「ｎｌ（ｎ＋１）π■ｕｒ（３
）より Ｖｏ−Ｖ、＋（ｎ−ｒｎ）Ｖｔｂ＝０ ’１０＝Ｖｉ　　（ｎ　　ｒｎ）Ｖい 本発明でも電流を流してＶｔｈを発生させるので、第８
図のαは発生する。唯これはＶ７側とＶ。ｕｔ側で相殺
され、入／出力間で見ればα−０になる。次にこのレベ
ルシフト回路の応用例を挙げる。

第４図はＤ／Ａ変換器のバイアス回路に用いた例を示す
。１０が本発明のレベルシフト回路、■１〜ＩＮはＤＡ
Ｃの電流源、２０はデコーダ回路、３０は負荷抵抗であ
る。デジタル入力をデコーダ回路２０に加え、該入力に
従って電流源１１〜ＩＮをオン／オフし人力のコードｍ
に対応するｌＯ進数の数の分だけオンにしその出力電流
を負荷抵抗３０に流し、該負荷抵抗の端子電圧としてＤ
／Ａ変換出力を生じる。電流源１１はカレントスイッチ
であり、デコーダ回路より入力すると電流出力／同停止
する。

第５図に第４図中のレベルシフト回路とこの電流源１１
〜ＩＮを詳細に示す。バイアス電圧としては、電圧が低
いと出力ｖ０がバイアス電圧＋Ｖいを越えた場合トラン
ジスタＱ！Ｉがトライオード領域に入ったり、また電圧
が高いと電流供給手段Ｃ３，が定電流を供給しにく＼な
るため、Ｑｚ　＋のゲート電圧として抵抗ＲＬに生じる
最大出力電圧■。□、（Ｑ１１がトライオード領域に入
る）　　Ｖｔｈが必要である。本回路でＶ　ｉ＋ｓをＶ
。７．、とするとこの条件を満足できる。そしてトラン
ジスタＱｚｌのゲートバイアスが正確にＶ１１（Ｖ。１
１Ｘ）−Ｖいに維持されると、デコーダ回路の出力Ｈ，
ＬによりトランジスタＱ　ｚ＋のソース電圧をＶ１１（
Ｖ、□Ｘ）を中心に小振幅で振らせられるため高速動作
が可能になる。

次に検波回路には第９図に示すものがある。

これはトランジスタＱハのゲートをトランジスタＱｚｓ
によりバイアスしているためトランジスタＱ０のゲート
はＶ直−（Ｖｔｂ＋α）になってしまう。そのためコン
デンサＣを介して交流電圧ｖｉを該ゲートに加えると同
図（１））に示すように■Ｌがある電圧以上正に振れた
状態でトランジスタＱｚｈはオンになり、負荷に電圧ｖ
０を生じる。このＶｏが検波出力である。この場合半波
整流させるためには、トランジスタＱｔｂのゲートバイ
アスは正確にＶい−Ｖいでなければならない。

第６図（ａ）は本発明のレベルシフト回路をこの検波回
路に応用した例を示す。同図中）は同図（ａ）のＶ　１
ｍ＋■。の波形を示す。これによればトランジスタＱ１
のゲートに正確にＶｉａ　　ｖｔｈを供給することがで
きる。そのため同図（ロ）のように正確に半波整流させ
ることができる。なお全図を通してそうであるが、他の
図と同じ部分には同じ符号が付しである。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば正確にＶいヲ発生さ
せ、±ｎＶいだけのレベルシフトをさせることができて
、Ｄ／Ａ変換器、検波回路などに利用して有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理図、 第２図および第３図は本発明の実施例１および２の回路
図、 第４図は本発明の実施例３のブロック図、第５図は第４
図の一部の回路図、 第６図は本発明の実施例４の回路図および波形図、 第７図は従来例を示す回路図、 第８図はトランジスタの■。ｓ　　１ｏｖｆ性図、第９
図は検波回路の従来例の説明図である。 第１図でＱ　＋　＋　＋　Ｑ　ｌ　！は第１、第２のト
ランジスタ、 Ｑ、〜Ｑ７ はｎ個のトランジスタ、 Ｃ３，〜Ｃ ３゜ は電流供給手段である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ゲートを入力端子に接続する第１のトランジスタ（
   Ｑ＿１＿１）と、該第１のトランジスタ（Ｑ＿１＿１）
   と低電位との間に接続された第２の電流源（ＣＳ＿２）
   と、 ゲートとドレインを出力端子に接続する第２のトランジ
   スタ（Ｑ＿１＿２）と、該第２のトランジスタ（Ｑ＿１
   ＿２）と低電位との間に接続された第３の電流源（ＣＳ
   ＿３）と、高電位に接続された第１の電流源（ＣＳ＿１
   ）と、該第１の電流源（ＣＳ＿１）の出力と前記第１の
   トランジスタ（Ｑ＿１＿１）との間と、該第１の電流源
   （ＣＳ＿１）の出力と前記第２のトランジスタ（Ｑ＿１
   ＿２）との間との少なくとも一方にレベルシフト部を備
   えたことを特徴とするレベルシフト回路。 ２、前記レベルシフト部は、 前記第１の電流源（ＣＳ＿１）の出力と前記第１のトラ
   ンジスタ（Ｑ＿１＿１）との間に直列に接続され、ゲー
   トをドレインに接続したｍ個のトランジスタ（Ｑ＿ａ＿
   １……Ｑ＿ａ＿ｍ）（ｍ＝１，２，……）と、前記第１
   の電流源（ＣＳ＿１）の出力と前記第２のトランジスタ
   （Ｑ＿１＿２）との間に直列に接続され、ゲートをドレ
   インに接続したｎ個のトランジスタ（Ｑ＿ｂ＿１……Ｑ
   ＿ｂ＿ｎ）（ｎ＝１，２……）と、から成ることを特徴
   とする請求項１記載のレベルシフト回路。 ３、ゲートを入力端子に接続した第１のトランジスタ（
   Ｑ＿１＿１）と、高電位と該第１のトランジスタ（Ｑ＿
   １＿１）との間に接続された第２の電流源と、ゲートと
   ソースを出力端子に接続した第２のトランジスタ（Ｑ＿
   １＿２）と、高電位と該第２のトランジスタ（Ｑ＿１＿
   ２）との間に接続された第３の電流源（ＣＳ＿３）と、 低電位に接続された第１の電流源（ＣＳ＿１）と、該第
   １の電流源（ＣＳ＿１）の入力と前記第１のトランジス
   タ（Ｑ＿１＿１）との間を、該第１の電流源（ＣＳ＿１
   ）の入力と前記第２のトランジスタ（Ｑ＿１＿２）との
   間との少なくとも一方にレベルシフト部を備えたことを
   特徴とするレベルシフト回路。 ４、前記レベルシフト部は、 前記第１の電流源（ＣＳ＿１）の入力と、前記第１のト
   ランジスタ（Ｑ＿１＿１）との間に直列に接続され、ゲ
   ートをドレインに接続したｍ個のトランジスタ（Ｑ＿ａ
   ＿１……Ｑ＿ａ＿ｍ）（ｍ＝１，２，……）と、前記第
   １の電流源（ＣＳ＿１）の入力と、前記第２のトランジ
   スタ（Ｑ＿１＿２）との間に直列に接続され、ゲートを
   ドレインに接続したｎ個のトランジスタ（Ｑ＿ｂ＿１…
   …Ｑ＿ｂ＿ｎ）（ｎ＝１，２……）とから成ることを特
   徴とする請求項４記載のレベルシフト回路。 ５、請求項２、或いは請求項４記載のレベルシフト回路
   において、 第１のトランジスタ（Ｑ＿１＿１）とｍ個のトランジス
   タ（Ｑ＿ａ＿１……Ｑ＿ａ＿ｍ）の電流増幅率β＿ｉ、
   第２のトランジスタ（Ｑ＿１＿２）とｎ個のトランジス
   タ（Ｑ＿ｂ＿１……Ｑ＿ｂ＿ｎ）の電流増幅率β＿ｏ、
   第２の電流供給手段の出力電流をＩ＿ｉ、第３の電流供
   給手段の出力電流Ｉ＿ｏの間に、β＿ｉ×Ｉ＿ｏ：β＿
   ｏ×Ｉ＿ｉ＝（ｍ＋１）＾２：（ｎ＋１）＾２の関係が
   あることを特徴とするレベルシフト回路。