JP2009159111A - レベルシフト回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】2つの電源電圧の大きさが逆転しても適切なレベルシフトを行う。
【解決手段】 トランジスタQ1,Q21,Q2,Q22,Q6,Q26を含むアンプは、第2電源VCC2によって動作し、第2電源VCC2の電圧範囲で変化する入力信号を第2電源VCC2の電圧範囲内で増幅する。アンプの出力は、トランジスタQ6,Q7,Q26,Q27を含む変換部により、第1電源VCC1によって動作し、アンプの出力を第1電源VCC1の電圧範囲内の出力に変換する。アンプOP1,OP2は、この変換部の出力を第1電源(1/2)VCC1基準で増幅する。前記変換部は、第2電源VCC2を電源とするトランジスタQ6,Q26と、第1電源VCCを電源とするトランジスタQ7,Q27をカレントミラーとして、変換を行う。
【選択図】図1

Description

本発明は、電流信号の電圧レベルをシフトするレベルシフト回路に関する。
ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等の撮像機器では、手振れに代表される振動等により被写体像にぶれが発生し、撮影映像が見づらくなることを防止する要求があり、振動対策機能が設けられている。この振動対策機能は、被写体に対する撮像機器の振動を検出し、その振動に応じて、光学系(レンズ)などをモータによってシフト補正することが知られている(引用文献1等参照)。
この補正用のモータとしては、ボイスコイルモータなどが使用され、このボイスコイルの駆動を効率的にするために、なるべく高い電圧の電源を使用したい。
そこで、内部の基準電圧で駆動用の信号の増幅等を行った後、電源電圧を電池電源にレベルシフトして、ボイスコイルへ出力する回路などがボイスコイルの駆動回路として採用される。
特開平7−23277号公報 特開2000−244306号公報
ここで、電池電源は、その使用によって低下する。電池の種類にもよるが、電圧低下がかなり大きな場合もある。この場合において、内部で使用している基準電圧を電池電源によらず変化しないものとしている場合には、基準電圧と電池電源が逆転する場合もある。
一般にレベルシフト回路は、変換の対象となる2つの電源電圧の大小関係は固定されているものとして構成されており、関係が逆転することは前提としていない。そこで、2つの電源電圧の関係が逆転した場合に回路が所期の動作を行えないという問題があった。
本発明は、第2電源によって動作し、第2電源の電圧範囲で変化する入力信号を第2電源の電圧範囲内で増幅する入力側アンプと、前記入力側アンプの出力を第1電源の電圧範囲内の出力に変換する変換部と、を有し、前記変換部は、第2電源を電源とする入力側トランジスタと、第1電源を電源とする出力側トランジスタとによるカレントミラーを含んで構成されることを特徴とする。
また、前記変換部の出力を第1電源の1/2の電圧基準で増幅する出力側アンプをさらに有することが好適である。
また、本発明は、制御端に入力信号を受け、制御信号に応じた電流I1を流すp型の第1トランジスタと、第2電源からこの第1トランジスタに向けて定電流I0を流す第1定電流回路と、制御端に基準信号を受け、基準信号に応じた電流I2を流すp型の第2トランジスタと、第2電源からこの第2トランジスタに向けて定電流I0を流す第2定電流回路と、制御端に入力信号を受け、第1電源から電流を流すn型の第3トランジスタと、この第3トランジスタからグランドに向けて定電流I0を流す第3定電流回路と、制御端に基準信号を受け、第1電源から電流を流すp型の第4トランジスタと、この第4トランジスタからグランドに向けて定電流I0を流す第4定電流回路と、前記第1トランジスタの上流側に一端が接続され、前記第4トランジスタの下流側に他端が接続され、電流I0−I1を流す第1抵抗と、前記第2トランジスタの上流側に一端が接続され、前記第3トランジスタの下流側に他端が接続され、電流I0−I2を流す第1抵抗と、を有し、前記第3トランジスタに流れる電流がI2、第4トランジスタに流れる電流がI1に設定されるとともに、第1トランジスタおよび第3トランジスタに流れる電流をカレントミラーを利用して、第1電源を基準とした電流にそれぞれ変換するとともに、これら加算することによってこれらの差信号を得、第2トランジスタおよび第4トランジスタに流れる電流をカレントミラーを利用して、第1電源を基準とした電流にそれぞれ変換するとともに、これら加算することによってこれらの差信号を得、得られた2つの差信号を互いの逆相の信号として出力することを特徴とする。
また、前記2つの差信号を第2電源基準でそれぞれ増幅する2つのアンプを有し、この2つのアンプから一対の相補的信号を出力することが好適である。
本発明によれば、カレントミラーによって電源電圧の変換を行うため、両者の電源電圧の大小によらず、信号のレベルシフトを行うことができる。
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
図1には、実施形態に係る回路が示されている。入力信号Vinは、バッファアンプBA0を介し、PNPトランジスタQ1のベースに入力される。このトランジスタQ1のエミッタには、PNPトランジスタQ2のコレクタが接続され、このトランジスタQ2のエミッタは電源VCC2に接続されている。トランジスタQ2のベースには、同じくエミッタが電源VCC2に接続され、コレクタベース間が短絡されたトランジスタQ3のベースが接続されている。このトランジスタQ3のコレクタはNPNトランジスタQ4のコレクタに接続されている。トランジスタQ4は、エミッタがグランドに接続され、ベースはコレクタベース間が短絡されたカレントミラー入力側トランジスタQ5のベースに接続されている。
このカレントミラー入力側トランジスタQ5は、一定電流I0を流し、このトランジスタQ5とカレントミラーを構成するトランジスタはすべてこの一定電流I0を流す。従って、トランジスタQ4,Q3,Q2は、すべて電流I0を流す。
トランジスタQ1のコレクタには、NPNトランジスタQ6のコレクタが接続され、このトランジスタQ6はコレクタベース間が短絡され、エミッタがグランドに接続されている。トランジスタQ6のベースには、エミッタがグランドに接続されたNPNトランジスタQ7が接続され、このトランジスタQ7のコレクタはPNPトランジスタQ8のコレクタに接続されている。トランジスタQ8はエミッタが電源VCC1に接続され、ベースコレクタ間が短絡されている。従って、トランジスタQ8は、トランジスタQ7と同じ電流を流す。トランジスタQ8のベースには、エミッタが電源VCC1に接続されたPNPトランジスタQ9が接続され、トランジスタQ8,Q9はカレントミラーを構成する。トランジスタQ9のコレクタには、NPNトランジスタQ10のコレクタが接続され、このトランジスタQ10のエミッタはグランドに接続されている。
従って、トランジスタQ9には、トランジスタQ1に流れる電流(I1)が流れる。そして、トランジスタQ9に流れる電流とトランジスタQ10に流れる電流の差分がトランジスタQ9のコレクタとトランジスタQ10のコレクタの接続点であるノードA1に得られ、これが出力される。
一方、(1/2)VCC2の一定値の信号は、PNPトランジスタQ21のベースに入力される。このトランジスタQ21のエミッタには、PNPトランジスタQ22のコレクタが接続され、このトランジスタQ22のエミッタは電源VCC2に接続されている。トランジスタQ2のベースには、同じくエミッタが電源VCC2に接続され、コレクタベース間が短絡されたトランジスタQ23のベースが接続されている。このトランジスタQ23のコレクタはNPNトランジスタQ24のコレクタに接続されている。トランジスタQ24は、エミッタがグランドに接続され、ベースはコレクタベース間が短絡されたカレントミラー入力側トランジスタQ5のベースに接続されている。
このカレントミラー入力側トランジスタQ5は、一定電流I0を流し、このトランジスタQ5とカレントミラーを構成するトランジスタはすべてこの一定電流I0を流す。従って、トランジスタQ24,Q23,Q22は、すべて電流I0を流す。
トランジスタQ21のコレクタには、NPNトランジスタQ26のコレクタが接続され、このトランジスタQ26はコレクタベース間が短絡され、エミッタがグランドに接続されている。トランジスタQ26のベースには、エミッタがグランドに接続されたNPNトランジスタQ27が接続され、このトランジスタQ27のコレクタはPNPトランジスタQ28のコレクタに接続されている。トランジスタQ28はエミッタが電源VCC1に接続され、ベースコレクタ間が短絡されている。従って、トランジスタQ28は、トランジスタQ27と同じ電流を流す。トランジスタQ28のベースには、エミッタが電源VCC1に接続されたPNPトランジスタQ29が接続され、トランジスタQ28,Q29はカレントミラーを構成する。トランジスタQ29のコレクタには、NPNトランジスタQ30のコレクタが接続され、このトランジスタQ30のエミッタはグランドに接続されている。
従って、トランジスタQ29には、トランジスタQ21に流れる電流(I2)が流れる。そして、トランジスタQ29に流れる電流とトランジスタQ30に流れる電流の差分がトランジスタQ29のコレクタとトランジスタQ30のコレクタの接続点であるノードB1に得られ、これが出力される。
ここで、Q10のベースは、トランジスタQ26のベースに接続されている。従って、これらトランジスタQ26、Q10は、カレントミラーを構成し、トランジスタQ10は、トランジスタQ26と同じ電流を流す。トランジスタQ26は、トランジスタQ21に流れる電流I2をそのまま流すため、ノードA1に流れる電流は、I1−I2となる。また、Q30のベースは、トランジスタQ6のベースに接続されている。従って、これらトランジスタQ6、Q30は、カレントミラーを構成し、トランジスタQ30は、トランジスタQ6と同じ電流を流す。トランジスタQ6は、トランジスタQ1に流れる電流I1をそのまま流すため、ノードB1に流れる電流は、I2−I1となる。
トランジスタQ21のエミッタと、トランジスタQ22のコレクタの接続点には、抵抗R11の一端が接続されており、この抵抗R11の他端はNPNトランジスタQ11のコレクタに接続されている。このトランジスタQ11は、エミッタがグランドに接続され、ベースがトランジスタQ5のベースに接続されており、電流I0を流す。
トランジスタQ11のコレクタには、NPNトランジスタQ12のエミッタおよび抵抗R11の他端が接続され、このトランジスタQ12のベースにはバッファアンプBA0の出力が接続され、ここに入力信号Vinが入力されている。トランジスタQ12のコレクタにはPNPトランジスタQ13のコレクタが接続されている。トランジスタQ13のエミッタは電源VCC2に接続され、ベースコレクタ間が短絡されている。トランジスタQ13のベースには、エミッタが電源VCC2に接続されたPNPトランジスタQ14のベースが接続されており、トランジスタQ13とQ14はカレントミラーを構成する。トランジスタQ14のコレクタは、NPNトランジスタQ15のコレクタに接続されている。トランジスタQ15はエミッタがグランドに接続されベースコレクタ間が短絡されており、トランジスタQ14と同一の電流を流す。トランジスタQ15のベースには、エミッタがグランドに接続されたNPNトランジスタQ16のベースが接続されている。トランジスタQ15とQ16はカレントミラーを構成する。
トランジスタQ16のコレクタにはPNPトランジスタQ17のコレクタが接続されるとともに、ここがノードA2となっている。トランジスタQ17はエミッタが電源VCC1に接続されており、ベースには、PNPトランジスタQ18が接続されている。トランジスタQ18は、エミッタが電源VCC1に接続されベースコレクタ間が短絡されている。従って、トランジスタQ18とQ17はカレントミラーを構成し、トランジスタQ17はトランジスタQ18と同一の電流を流す。トランジスタQ18のコレクタには、エミッタがグランドに接続されたNPNトランジスタQ19のコレクタが接続されている。
トランジスタQ1のエミッタと、トランジスタQ2のコレクタの接続点には、抵抗R12の一端が接続されており、この抵抗R12の他端はNPNトランジスタQ31のコレクタに接続されている。このトランジスタQ31は、エミッタがグランドに接続され、ベースがトランジスタQ5のベースに接続されており、電流I0を流す。
トランジスタQ31のコレクタには、NPNトランジスタQ32のエミッタおよび抵抗R12の他端が接続され、このトランジスタQ32のベースには電源(1/2)VCC2が接続されている。トランジスタQ32のコレクタにはPNPトランジスタQ33のコレクタが接続されている。トランジスタQ33のエミッタは電源VCC2に接続され、ベースコレクタ間が短絡されている。トランジスタQ33のベースには、エミッタが電源VCC2に接続されたPNPトランジスタQ34のベースが接続されており、トランジスタQ33とQ34はカレントミラーを構成する。トランジスタQ34のコレクタは、NPNトランジスタQ35のコレクタに接続されている。トランジスタQ35はエミッタがグランドに接続されベースコレクタ間が短絡されており、トランジスタQ34と同一の電流を流す。トランジスタQ35のベースには、エミッタがグランドに接続されたNPNトランジスタQ36のベースが接続されている。トランジスタQ35とQ36はカレントミラーを構成する。
トランジスタQ36のコレクタにはPNPトランジスタQ37のコレクタが接続されるとともに、ここがノードB2となっている。トランジスタQ37はエミッタが電源VCC1に接続されており、ベースには、PNPトランジスタQ38が接続されている。トランジスタQ38は、エミッタが電源VCC1に接続されベースコレクタ間が短絡されている。従って、トランジスタQ38とQ37はカレントミラーを構成し、トランジスタQ37はトランジスタQ38と同一の電流を流す。トランジスタQ38のコレクタには、エミッタがグランドに接続されたNPNトランジスタQ39のコレクタが接続されている。
ここで、トランジスタQ39のベースにはトランジスタQ15のベースが接続されており、トランジスタQ15とトランジスタQ39はカレントミラーを構成する。また、トランジスタQ19のベースにはトランジスタQ35のベースが接続されており、トランジスタQ35とトランジスタQ19はカレントミラーを構成する。
トランジスタQ15は、トランジスタQ12と同一の電流を流し、一方トランジスタQ35はトランジスタQ32と同じ電流を流す。ここで、トランジスタQ12のエミッタには、抵抗R11の他端が接続されている。トランジスタQ12に流れる電流と、抵抗R11から流れ込む電流を合わせた電流がトランジスタQ11に流れ、このトランジスタQ11に流れる電流は、トランジスタQ5に流れる電流I0と同一である。抵抗R11の一端はトランジスタQ22のコレクタに接続されており、このトランジスタQ22は、トランジスタQ24、Q23と同様に電流I0が流れる。トランジスタQ21には電流I2が流れるため、抵抗R11には電流(I0−I2)が流れる。従って、トランジスタQ12には、トランジスタQ11に流れるI0から抵抗R11から流れ込むI0−I2を減算したI2が流れるはずである。このトランジスタQ12に電流I2が流れるのであれば、トランジスタQ15にも電流I2が流れ、トランジスタQ39にも電流I2が流れる。従って、トランジスタQ37には電流I2が流れる。
トランジスタQ35は、トランジスタQ32と同一の電流を流し、一方トランジスタQ35はトランジスタQ32と同じ電流を流す。ここで、トランジスタQ32のエミッタには、抵抗R12の他端が接続されている。トランジスタQ32に流れる電流と、抵抗R12から流れ込む電流を合わせた電流がトランジスタQ31に流れ、このトランジスタQ31に流れる電流は、トランジスタQ5に流れる電流I0と同一である。抵抗R12の一端はトランジスタQ2のコレクタに接続されており、このトランジスタQ2は、トランジスタQ24、Q23と同様に電流I0が流れる。トランジスタQ1には電流I1が流れるため、抵抗R12には電流(I0−I1)が流れる。従って、トランジスタQ32には、トランジスタQ31に流れるI0から抵抗R12から流れ込むI0−I1を減算したI1が流れるはずである。このトランジスタQ32に電流I1が流れるのであれば、トランジスタQ35にも電流I1が流れ、トランジスタQ19にも電流I1が流れる。従って、トランジスタQ17には電流I1が流れる。なお、抵抗R11、R12の抵抗値は、通常R11=R12=Rとする。
このように、トランジスタQ1、Q32には、電流I1が流れ、トランジスタQ21、Q12には電流I2が流れる。入力信号Vinは、PNPトランジスタQ1と、NPNトランジスタQ12のベースに供給され、(1/2)VCC2は、PNPトランジスタQ21と、NPNトランジスタQ32のベースに供給される。従って、抵抗R11の両端に印加されるのは、{(1/2)VCC2+1VBE}−(Vin−1VBE)={(1/2)VCC2−Vin}+2VBEであり、抵抗R12の両端に印加されるのは、{Vin+1VBE}−((1/2)VCC2−1VBE)={Vin−(1/2)VCC2}
2VBEである。これら電圧によって、抵抗R11、R12に流れる電流(I0−I2)、(I0−I1)が決定され、結局トランジスタQ1、Q9、Q17、Q30、Q36、に電流I1、トランジスタQ21、Q29、Q37、Q10、Q16に流れ、ノードA1、A2に(I1−I2)、ノードB1、B2に電流(I2−I1)が流れる。すなわち、トランジスタQ1,Q21は差動トランジスタとして動作し、トランジスタQ21に入力されるのは一定電圧(1/2)VCC2であり、ノードA1、A2には、入力信号Vinと逆極性の信号(逆相信号)が得られ、ノードB1,B2には入力信号と同じ極性の信号(同相信号)が得られる。
また、ノードA1,A2は接続されて、信号が加算されてからオペアンプOP1の正入力端に入力される。このオペアンプOP1の正入力端は、抵抗RL1、BA01を介し電源(1/2)VCC1に接続されている。また、オペアンプOP1の負入力端には、電源(1/2)VCC1が抵抗Rs1を介し接続されるとともに、オペアンプOP1の出力端が抵抗Rf1を介し接続されている。また、オペアンプOP1には電源VCC1が動作電源として供給されている。従って、このオペアンプOP1により、VCC1を電源として、逆相信号が増幅されて出力される。
また、ノードB1,B2は接続されて、信号が加算されてからオペアンプOP2の正入力端に入力される。このオペアンプOP2の正入力端は、抵抗RL2を介し電源(1/2)VCC1に接続されている。また、オペアンプOP2の負入力端には、電源(1/2)VCC1がバッファアンプBA01、抵抗Rs2を介し接続されるとともに、オペアンプOP1の出力端が抵抗Rf2を介し接続されている。また、オペアンプOP2には電源VCC1が動作電源として供給されている。従って、このオペアンプOP2により、VCC1を電源として、同相信号が増幅されて出力される。
ここで、各抵抗の抵抗値を、RL1=RL2=RL、Rs1=Rs2=Rs、Rf1=Rf2=Rfとすると、VCC2からVCC1へのレベルシフトの利得は、(4×RL)÷R、オペアンプOP1、OP2から出力されるBTLアンプとしての利得は、2×(1+Rf/Rs)となる。
すなわち、(1/2)VCC2を中心とする入力信号Vinから(1/2)VCC1を中心とする出力信号へのレベルシフトは、入力信号Vinの入力経路と基準信号の入力経路間に配置された抵抗R11,R12の抵抗値であるRと、出力側において(1/2)VCC1との間に配置された負荷抵抗RL1=RL2=RLの比になり、それが4つあるため、これらが加算されて(4×RL)÷Rとなる。一方、オペアンプOP1、OP2のそれぞれの利得は、入力抵抗の抵抗値Rs、帰還抵抗の抵抗値Rfとして、1+Rf/Rsとなり、同相側と逆相側の利得を加算して、2×(1+Rf/Rs)となる。
このように、本実施形態では、入力信号Vinが入力される差動アンプの電源はVCC2としておき、その出力についてカレントミラーによって電源VCC1基準に変換する。従って、電源VCC1と、電源VCC2は、いずれが高電圧でも問題がない。一般的には、制御信号を生成する回路は、比較的低電圧で、変動の小さな基準電源(電池電源から定電圧回路などで発生される)VCC2が用いられ、一方アンプの出力は、コイルを駆動するための電圧であり、なるべく高い電圧を利用したいため、電池電源VCC1をそのまま用いたりする。ところが、電池電源は変動し、電池が消耗した場合にはかなり低くなることもある。その場合に、電源VCC1が電源VCC2より低くなる場合も考えられる。本実施形態ではこのような場合においてもその動作自体には問題が発生しない。
また、1相について2つの出力を生成し、これを加算する形式なので、出力信号が2倍の大きさになる。
なお、上述の説明において、カレントミラーは全てエミッタ面積同一として同一の電流を流すことにしたが、適宜エミッタ面積を変更して、ミラー比を変更してもよい。また、トランジスタQ21への入力信号を一定電圧としたが、入力信号Vinの反転信号としてもよい。
実施形態のレベルシフト回路の構成を示す図である。
符号の説明
I0,I1,I2 電流、OP1,OP2 オペアンプ、Q1〜Q19,Q21〜Q24,Q26〜Q39 トランジスタ、R11,R12,Rf1,Rf2,RL1,RL2,Rs1,Rs2 抵抗、VCC1,VCC2 電源、Vin 入力信号。

Claims (4)

  1. 第2電源によって動作し、第2電源の電圧範囲で変化する入力信号を第2電源の電圧範囲内で増幅する入力側アンプと、
    前記入力側アンプの出力を第1電源の電圧範囲内の出力に変換する変換部と、
    を有し、
    前記変換部は、第2電源を電源とする入力側トランジスタと、第1電源を電源とする出力側トランジスタとによるカレントミラーを含んで構成されることを特徴とするレベルシフト増幅回路。
  2. 請求項1に記載のレベルシフト増幅回路において、
    前記変換部の出力を第1電源の1/2の電圧基準で増幅する出力側アンプをさらに有することを特徴とするレベルシフト増幅回路。
  3. 制御端に入力信号を受け、制御信号に応じた電流I1を流すp型の第1トランジスタと、
    第2電源からこの第1トランジスタに向けて定電流I0を流す第1定電流回路と、
    制御端に基準信号を受け、基準信号に応じた電流I2を流すp型の第2トランジスタと、
    第2電源からこの第2トランジスタに向けて定電流I0を流す第2定電流回路と、
    制御端に入力信号を受け、第2電源から電流を流すn型の第3トランジスタと、
    この第3トランジスタからグランドに向けて定電流I0を流す第3定電流回路と、
    制御端に基準信号を受け、第2電源から電流を流すn型の第4トランジスタと、
    この第4トランジスタからグランドに向けて定電流I0を流す第4定電流回路と、
    前記第1トランジスタの上流側に一端が接続され、前記第4トランジスタの下流側に他端が接続され、電流I0−I1を流す第1抵抗と、
    前記第2トランジスタの上流側に一端が接続され、前記第3トランジスタの下流側に他端が接続され、電流I0−I2を流す第1抵抗と、
    を有し、
    前記第3トランジスタに流れる電流がI2、第4トランジスタに流れる電流がI1に設定されるとともに、
    第1トランジスタおよび第3トランジスタに流れる電流をカレントミラーを利用して、第1電源を基準とした電流にそれぞれ変換するとともに、これら加算することによってこれらの差信号を得、
    第2トランジスタおよび第4トランジスタに流れる電流をカレントミラーを利用して、第1電源を基準とした電流にそれぞれ変換するとともに、これら加算することによってこれらの差信号を得、
    得られた2つの差信号を互いの逆相の信号として出力することを特徴とするレベルシフト回路。
  4. 請求項3に記載のレベルシフト回路において、
    前記2つの差信号を第2電源基準でそれぞれ増幅する2つのアンプを有し、
    この2つのアンプから一対の相補的信号を出力することを特徴とするレベルシフト回路。
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