JPH01189212A - 定電流発生回路 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電流発生回路に係り、特に集積回路に多用さ
れる定電流発生回路に関する。

〔従来の技術〕

集積回路、特にアナログ集積回路には定電流発生回路が
非常に良く用いられる。この定電流発生回路には、トラ
ンジスタの飽和特性を用いた定電流発生回路が用いられ
るのが普通である。これら従来例として、たとえば、Ｐ
、Ｒ，グレイ者、「アナログ集積回路の解析と設計」第
２版、第１２章Ｐ７０９〜Ｐ７１１、（Ａｎａｌｙｓｉ
ｓ　ａｎｄＤｅｓｊｇｎ　ｏｆ　Ａｎａｌｏｇ　Ｉｎｔ
ｅｇｒａｔｅｄ　Ｃ１ｒｃｕｉｔｓ　：　Ｐ　、　Ｒ。

Ｇｒａｙ、Ｒ，Ｇ、Ｍｅｙｅｒ　　；　　２ｎｄ　ｅｄ
ｉｔｉｏｎ、　　Ｊｏｈｎ１１ｉ１ｅｙ＆５ｏｎｓ　Ｉ
ｎｃ　　１９７７　　　Ｐ７０９〜Ｐ７１１）に記載さ
れている。

これらのうち、最も簡単な回路構成であるトランジスタ
１個を用いたソース接地定電流発生回路について説明す
る。この定電流発生回路は第１２図に示すように、ＭＯ
Ｓトランジスタ７のソース端子をグランドに接地し、ゲ
ート端子に一定のゲートバイアス電圧Ｖｓを与える。こ
のときドレイン端子に流れる電流Ｉｎｓは、ドレイン端
子の電圧Ｖｏｓが、ある電圧より大きければ、ドレイン
端子の電圧に無関係に、一定値となる。この性質をＭｏ
Ｓトランジスタの飽和特性と言う。またドレイン電流Ｉ
ＤＳが一定電流になるために必要なドレインの最低電圧
を（ドレイン）飽和電圧Ｖｏｓａｔと言う。このドレイ
ン電圧Ｖｏｇとドレイン電流、ＴＤＳの関係を第１５図
に示す。太線は一例としてＶｎ＝２．５Ｖにした時の特
性である。

この回路によれば簡単に定電流発生回路が得られるので
、アナログ回路の設計に非常によく用いられる。なお、
良く知られているように、飽和電圧Ｖｏｓａｔは、トラ
ンジスタのしきい電圧（ゲートをオンするために必要な
最小電圧）をＶＴＨとすると、ゲート電圧Ｖａｓを用い
て、 Ｖｎｓａｔ　＝　Ｖａｓ　−ＶＴＨ・・・（］）で表わ
すことができる。またこのときのドレイン電流Ｉｎｓは で表わすことができる。ここでμは電子又はホールの表
面移動度、ＣＯＸはゲート酸化膜のｍ位面積当りの容量
、ＷとＬはそれぞれトランジスタのチャンネル幅とチャ
ンネル長である。

本技術によれば、定電流値Ｔｏの定電流源は、ゲート電
圧Ｖａｓを とすれば、ドレイン電圧Ｖｏｓが飽和電圧Ｖｏｓａｔよ
り大きい範囲で定電流値を発生することができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで上記従来技術は、電流値の出力電流値Ｉｎ　を
大きくすると、飽和電圧Ｖｏｓａｔも（４）式に従って
大きくなるため、定電流源として使用できる出力電圧範
囲（ＶＤｎからＶＤＳａｔまで）が狭くな　゛るという
問題点があった。Ｖ　ＤＳａｔを小さくするには、（４
）式かられかるように、チャンネル幅Ｗを大きくするこ
とが効果があるが、チップ面積が大きくなるという問題
も発生する。さらに将来の集積回路では、デバイスが微
細化されるためにデバイスの耐圧が低下するので、電源
電圧Ｖｏｏを低くして回路設計しなければならない。そ
の場合Ｖｏｓａｔ弄大きいと、定電流源として使用でき
る出力電圧範囲（ＶｏｏからＶｏｓａｔまで）がますま
す狭くなるためアナログ回路の設計が難しいという問題
点があった。

第１の問題点を、定電流源を使用した代表的な回路（■
ソースフォロワー回路、■差動増幅回路）で説明すると
次のようになる。

第１３図は、信号のレベルシフトやインピーダンス変換
に使われるソースフォロワ−回路である。

この図でトランジスタ７は定電流発生回路である。

その設定電流をＩＯとすると、この定電流発生回路はド
レイン電圧が（４）式より低くなると、定電流でなくな
り、電流値はＩＯよりも小さくなる。

したがって、このソースフォロワ−回路のレベルシフト
量は出力電圧が低くなると電流が［０のときよりも小さ
くなるため、変わってしまう。また出力インピーダンス
も変わってしまう。したがって、ソースフォロワ−回路
はその出力電圧が（４）式の値よりも大きくなければ、
一定量のレベルシフト回路やインピーダンス変換回路と
して使えないという問題点があった。

また第１４図は、差動増幅回路である。この図でトラン
ジスタ７は定電流発生回路である。差動増幅器では、定
電流源の定電流特性が悪い（すなわち、ドレイン電圧が
変わった時、その定電流値が変わってしまう）と、差動
増幅器の一つの性能である同相分除去比（ＣＭ　Ｉ’＜
　Ｒ：　Ｃｏｍｍｏｎ　ＭｏｄｅＲｅｊｅｃｔｉｏｎ　
Ｒａｔｉｏ）が悪くなる。ＣＭＲＲが悪いと、差動増幅
器は、差動入力信号成分だけでなく、同相入力信号成分
も増幅してしまうので、差動成分のみ増幅したい差動増
幅器としては好ましくない。

第１４図の回路では、人力信号Ｖ　ｔ　ｎ＋ともう一つ
の人力信号Ｖｌｎ−の電圧がともに充分高ければ、トラ
ンジスタ７のドレイン電圧も高くなるので、トランジス
タ７は定電流発生回路として働き、ＣＭ　ＲＲの良い差
動増幅回路になる。ところが入力信号Ｖ　ｌ　ｎ＋とＶ
　ｒ　ｎ−の電圧が低いと、トランジスタ７のドレイン
電圧が低くなり、トランジスタ７が定電流発生回路とし
て働かなくなるため、ＣＭＲＲが悪い差動増幅回路にな
ってしまうという問題点があった。

本発明の目的は、定電流源の出力電流Ｉｏが大きくとも
、定電流源として使用できる出力電圧の範ＩＪｔｌが広
い定電流発生回路を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、定電流を発生させるための手段として、ト
ランジスタの飽和特性を使用するのではなく、発生する
電流の大きさを制御できる電圧制御電流発生回路と、電
流の大きさを検出する電流検出回路と、電流検出回路で
検出した実際に流れている電流値１１と設定した定電流
値Ｉｏとの差を増幅する誤差増幅器とを用いて、設定し
た電流１０に発生電流■１が近ずくように、電圧制御電
流発生回路をフィードバック制御することにより達成さ
れる。

〔作用〕

すなわち、誤差増幅器は、実際に流れている電流Ｉｆか
ら設定した電流Ｉｏを引き、もしＩｔが設定電流Ｉｏよ
りも小さければ、その誤差を増幅して電圧制御電流発生
回路に与え、電流■１を増加させる。電流１．が増加し
て設定電流ＩＯに等しくなると、誤差が無（なるので、
誤差増幅器の出力は増加しなくなり、そこで電圧制御電
流発生回路の電流も増加しなくなる。こうして、発生す
る電流■１と設定電流Ｉｏを等しくすることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を、第１図により説明する６第
１図はソースフォロワ−回路の定電流源に本発明の定電
流発生回路を用いたものである。

この図においてトランジスタ１−１は、ソースフォロワ
−回路のレベルシフトを行なう信号入力トランジスタで
ある。信号は端子１−２より入力され、端子１−３より
出力される。このトランジスタに流れている電流１１は
、ダイオード接続した（ドレインとゲートを接続した）
電流検出用トランジスタ２−１で、その電流値を検出さ
れ、電圧信号に変換される。その電圧信号は、検出電流
発生回路用トランジスタ３−１に印加され、このトラン
ジスタはドレイン電流として、検出した電流慎重１と同
じ大きさの電流を流す９以上の部分はトランジスタ２−
１と３−１によりカレントミラー回路になっており、１
１と同じ電流を流すと言うこともできる。一方トランジ
スタ４−１は、設定電流Ｔｏ　を発生する飽和領域で動
作するトランジスタである。１−ランジスタ３−１とト
ランジスタ４−１とはそれぞれのドレイン端子同志が接
続されており、この点のが電流の差を増幅する誤差増幅
器の中間出力端子である。この中間出力端子の電圧は、
トランジスタ５−１と５−２で構成されるインバータ５
により反転されて、電圧制御電流発生回路に印加される
にの世圧制ａｌ電流発生回路は、トランジスタ６−１よ
り構成されており、そのドレイン端子が電流出力端子で
あり、ゲート端子が制御電圧入力端子である。このトラ
ンジスタ６−１は飽和領域と非飽和領域の両方で動作す
ることになる。

本実施例の動作を説明するとっぎのとうりである。まず
、ソースフォロワ−回路の電流検出用トランジスタ２−
１に流れている電流ｒ１が、設定電流Ｉｏよりも小さい
場合、誤差増幅器の中間出力端子０点の電位は下がって
ゆき、この電位はインバータ５により反転されるため、
誤差増幅器の出力端子０点の電位は上昇してゆく。０点
の電位が上昇すると、電流発生用トランジスタ６−１の
出力電流■１′　　は増加してゆく。この出力電流Ｉｆ
’　　は、ソースフォロワ−回路の出力端子１−３に、
抵抗負荷Ｒｔ、や大きな容量性負荷ＣＬが付いていない
限り、出力端子１−３から電流の出入りが（容量性負荷
を充放電する微少電流を除いて）無い又は無視できるの
で、ソースフォロワ−回路の電流検出用トランジスタ２
−１に流れている電流１１と等しい。したがって電流工
１が増加してゆく、この増加は電流工１が増加して、設
定電流Ｉｏに等しくなるまで続く。逆に、ソースフォロ
ワ−回路の電流検出用トランジスタ２−１に流れている
電流１１が、設定電流ＩＯよりも大きい場合、０点の電
位は上昇し、０点の電位は下降する。したがって電流Ｉ
ｚ’　　つまりｔ流■１は減少してゆく。この減少は電
流Ｉｚが減少して、設定電流ＩＯに等しくなるまで続く
。したがって、この回路によりソースフォロワ−回路の
′直流■１は、設定？ｌ！流１０に等しくなる。つまり
。

１〜ランジスタロー１は、全体として定電流発生回路に
見えることになる。

本実施例によれば、トランジスタ６−１のドレイン電圧
、すなわち、リースフォロワ回路の最低出力電圧を大幅
に引き下げることができる。第１５図によれば、定電流
値Ｉｏを、たとえばＬ Ｖｕ＝２．５Ｖ、ＶｔＨ＝１．ＯＶ　　と設定したとき
、従来の定電流発生回路では、ドレイン電圧ＶｏｓがＶ
ｏｓａｔ＝　Ｖａｓ　−ＶＴ）ｌ：　１　、５　Ｖ　ま
でじか定電流性が成立しなかった。ところが本実施例に
よれば、トランジスタ６−１のゲート電圧はＶｌｌから
Ｖｏ。

まで上昇させることができるので、ゲート電圧の制御に
より、図中、横向きの点線１５１のように、電流値がＩ
ｏのドレイン電圧Ｖｏｓの範囲を拡大することができる
。このＶａ＝２．５Ｖの例の場合には、１．５ｖから０
．２９２Ｖまで引き下げることができる。なお、この電
圧Ｖｏｓ２はＭＯＳトランジスタの非飽和領域の電流の
式を解くことにより次式から計算することができる。

または Ｖｏｓｚ＝（Ｖａｎ−ＶＴＨ）−（ＶＤＤ　ＶＴＨ）”
　（Ｖａ−Ｖｒｏ）”・＝（６）第１図の実施例におい
て、ソースフォロワ−回路の出、刃端子１−３からの電
流の出入り（負荷抵抗を流れる電流および容量性負荷を
充放電する電流）が無視できない場合には、第２図に示
す実施例を用いることができる。この実施例では、ソー
スフォロワ−回路の出力端子からの電流の出入りの影響
をさけるため、ソースフォロワ−回路と同じトランジス
タサイズのダミー（模擬回路）のソースフォロワ−回路
１−１１および６−１１を設けた。この模擬回路のソー
スフォロワ−回路では出力端子を設けていないため、電
流の出入りが無い。そのため第１の実施例で説明したよ
うに電流Ｉｌ′　　と電流１１が全く等しくなって理想
的な定電流発生回路が実現できる。しかも、模擬回路で
ない方の、本来のソースフォロワ−回路の出力端子から
は電流を人出力させることができる。

第３図は、本発明の実施例を概念的に書いたものである
。すなわち、１は定？ｌｌｉ流を使用する電流源使用回
路である。そこで使用さオＬる電流ｒ１は、電流値検出
回路２で検出され、検出電流発生回路３へ伝えられる。

設定電流発生回路４の電流Ｉ。

と電流■１の差は、（電流差）誤差増幅回路５で増幅さ
れ、＠流発生回路６へ伝えられる。電流Ｉｏと電流Ｉ＋
の間に差があると、その差を小さくする方へｆｆｉ流発
生回路の電流が制御されるので、電流値１１が設定値ｒ
ｏと等しくなり、一定値となる。このようにして定電流
発生回路が実現できる。

第４図は本発明による定電流発生回路を差動増幅回路へ
用いたものである。この場合の電流値検出回路は、電流
発生回路６−１の全電流を検出する必要があるので、電
流検出回路２−１と電流発生回路６−１との間に挿入す
る。この場合、差動増幅器から見ると電源電圧が少し低
下したように見えることになるが、入力電圧ｖ１ｎ＋と
Ｖ　ｓ　ｎ−の最高電圧があまり高くない場合には電源
電圧に余裕があり、これは問題にならない。なお電源電
圧のである。本実施例の定電流発生回路自体の回路動作
は、ソースフォロワ−回路の場合と全く同じなので説明
を省略する。本実施例の定電流発生回路を用いる時に得
られる効果は、差動増幅回路の、入力信号ｖｉｎ＋とＶ
　ｉ　ｎ−の、入力として許容される電圧を大幅に引き
下げることができることである。

定電流源が定電流値を出すドレイン電圧の最低値が、（
１）式で表わされるＶｏｓａｔから、（５）式または（
６）式で表わされるＶａｓｔに低下するので、入力とし
て許容される電圧も、その低下分と同じたけ、引き下げ
ることができる。

第５図は、第４＠とばば同じ回路であるが、このうち、
検出電流発生回路３と、設定電流発生回路４とを、トラ
ンジスタ１個でなく、それぞれトランジスタを２個用い
たカスコード型の電流源に変更したものである。カスコ
ード型の電流源のため出力抵抗が非常に高く、そのため
誤差増幅器の利得が非常に高くなる。負帰還ループの利
得が高くなるため、発生電流Ｉｆと設定電流１０との差
が非常に小さいという効果が得られる。

第６図は、第４図の実施例において電源電圧が（７）式
の大きさだけ低下することを説明したが、この低下が問
題になる場合に、使用することのできる１ｊｌＪ路であ
る。本実施例の場合、差動増幅器本体の電流を検出する
ことはやめ、差動増幅器のダミー（模擬回路）を設け、
その電流を検出する。

同図において、トランジスタ２−２．２−３および６−
２が差動増幅器の模擬回路である。入力電圧Ｖ　ｉ　ｎ
＋とＶｌｎ−から、電流源トランジスタ６−２のドレイ
ン電圧が決まり、電流Ｉｓ　が流れる。この電流Ｉｆを
設定電流ＩＯと等しくなるように制御がかかる。したが
って差動増幅器の模葭回路と本体回路ともに、設定電流
Ｉｏが流れることになる。また差動増幅器本体では、電
源電圧Ｖｏｏの低下はない。

第７図は、はぼ第６図と同様の回路構成であるが、差動
増幅器の出力を、シングルエンドにする代わりに、完全
差動出力としたものである。

第８図は、電流１１と電流ＩＯの差を増幅する回路に、
差動増幅回路を用いた定電流発生回路である。差動入力
の一方の入力端子には、バイアス電圧ｖａｐｇを与える
が、この値を調整することにより、設定電流Ｉｏと電流
値■１の比率を微小量変更することが可能である。

第９図はカレントミラー回路を多用して、回路に流れて
いる電流Ｉｉと、設定電流ＩＯの差を増幅するようにし
た回路である。誤差は０点に電圧信号となって表われる
ので、この電圧をトランジスタ６−１のゲートに与え、
電流値■１を発生させている。

第９図の回路において、負帰還ループの利得が不足して
、誤差が大きい場合には、第１０図に示すようなカスコ
ード接続したトランジスタを用いて利得を上げ、これを
解決することもできる。

第１１図は誤差増幅器に、抵抗Ｒａを用いた演算増幅器
を用いた実施例である。

以上詳細に説明したように、本実施例によれば、定電流
源において、定電流性が成立するために必要な最低の電
圧を大幅に引き下げることができるようになり、電源電
圧を有効に利用することができる。たとえばＶａ＝２．
５Ｖのバイアスを用いていた定電流源では、Ｖｏｓ”＝
１．５Ｖ以上のドレイン電圧を印加する必要があったが
、本発明によればこの電圧を０．２９　Ｖ　にまで引き
下げることができる。

本実施例をソースフォロワ−回路に適用した場合、ソー
スフォロワ−回路の出力電圧の最低値を、たとえば１．
５ｖから０．２９Ｖに引き下げることができ、電源電圧
を有効に利用することができる。

また本実施例を差動増幅回路に適用した場合。

差動増幅器の人力として許容される最低入力電圧を大幅
に引き下げることができ、上記と同様に電源電圧を有効
に利用することができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、出力電流が大きく、かつ、出力電圧の
範凹の広い定電流発生回路を提供することができるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の定ｆｉｔ流発生回路をソー
スフォロワ−回路に適用した回路の回路図である。第２
図、第３図は本発明の他の実施例である。第４図から第
７図はそれぞれ本発明を差動増幅回路に適用した別個の
実施例である。第８図から第１１図はそれぞれ本発明を
ソースフォロワ−回路に適用したまた別の実施例である
。第１２図は従来の定電流発生回路である。第１３．１
４図は従来の定電流発生回路をソースフォロワ−回路及
び差動増幅回路に適用した回路である。第１５図は従来
の定電流源の特性と１本発明の定電流回路の特性を比較
説明する図面である。 １・・・電流源使用回路、２・・・電流値検出回路、；
３・・・検出電流発生回路、４・・・設定電流発生回路
、５・・・電流差増幅回路、６・・・電流発生回路。 ＄／　囚 第３図 ｖ８わ ６　１乙為ｚ１５日ηト 第２　躬 ５ｓ ５−２　　囁しジ祇ｊ１シ曽巾１Ｃη祠１１−／ｌ　　
宅浅む咽外 茶　乙　呂 第８　口 第し？　図 ５−２１　７７レントミラーＣ］閾ト 茶１０図 第　／／　図 第７２Ｓ ↓■θ５ 第１Ｓ図 ＩＤＳ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　ＶＯＳａｔ　−Ｔ’ｆＳ−ｖｒＨ
：馬、ａ〆

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、回路に流れている電流の大きさを検出する電流検出
   回路と、検出した電流と同じ大きさの電流を発生する第
   １回路と、回路に流すべき設定電流を発生する第２回路
   と、上記第１及び第２の回路の電流の差を増幅する増幅
   回路と、電圧で電流の大きさを制御できる電流発生回路
   とから成ることを特徴とする定電流発生回路。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記電流検出回路
   と、前記第１回路に、カレントミラー回路を用いたこと
   を特徴とする定電流発生回路。 ３、特許請求の範囲第１項において、前記増幅回路に、
   ２つの定電流源を対向させ、定電流源の出力端子同志を
   結合し、この結合点の電圧を出力電圧とする増幅回路を
   用いたことを特徴とする定電流発生回路。 ４、特許請求の範囲第３項において、前記２つの定電流
   源にカスコード型の定電流源を用いたことを特徴とする
   定電流発生回路。 ５、特許請求の範囲第１項において、定電流発生回路の
   出力電圧を、本来の電流源使用回路の場合と同じになる
   ように模擬する模擬回路を設け、電流検出回路をこの模
   擬回路に用いたことを特徴とする定電流発生回路。