JPH0616248B2 - 電流制御回路 - Google Patents

電流制御回路

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JPH0616248B2
JPH0616248B2 JP63200306A JP20030688A JPH0616248B2 JP H0616248 B2 JPH0616248 B2 JP H0616248B2 JP 63200306 A JP63200306 A JP 63200306A JP 20030688 A JP20030688 A JP 20030688A JP H0616248 B2 JPH0616248 B2 JP H0616248B2
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F3/00—Non-retroactive systems for regulating electric variables by using an uncontrolled element, or an uncontrolled combination of elements, such element or such combination having self-regulating properties
    • G05F3/02—Regulating voltage or current
    • G05F3/08—Regulating voltage or current wherein the variable is DC
    • G05F3/10—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics
    • G05F3/16—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
    • G05F3/20—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations
    • G05F3/24—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations wherein the transistors are of the field-effect type only
    • G05F3/242—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations wherein the transistors are of the field-effect type only with compensation for device parameters, e.g. channel width modulation, threshold voltage, processing, or external variations, e.g. temperature, loading, supply voltage
    • G05F3/247—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations wherein the transistors are of the field-effect type only with compensation for device parameters, e.g. channel width modulation, threshold voltage, processing, or external variations, e.g. temperature, loading, supply voltage producing a voltage or current as a predetermined function of the supply voltage

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Description

【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 本発明は電流制御回路、より具体的に言えば、小さな電
圧変化を生じる直流電圧源から、制御された電流を発生
するための回路に関する。本発明は、電界効果トランジ
スタ(FET)技術に特に好適である。
B.従来の技術及び解決しようとする問題点 供給電位の増加によって、電流が増加する回路は、従来
技術で容易に得ることが出来た。しかし電位が上昇し、
または降下している供給電位の下で、電流を減少し、ま
たは増加するよう制御する回路、あるいは、電流を一定
に維持するよう制御する回路は簡単には得られなかっ
た。
C.問題点を解決するための手段 本発明は、電圧が変動する直流電位供給源から、制御さ
れた電流を発生する回路を与える。本発明に従った特定
の装置は、例えば、上昇する供給電圧の下で、電流が減
少するよう制御する回路であり、あるいは、上昇する供
給電圧の下で、一定電流を流すよう制御する回路であ
る。
本発明の回路によって、制御された電流は、それら自身
が電圧供給源から発生された2つの異なった電流の間の
差異として取り出される。これらの異なった各電流は、
直流電圧源の電圧変動によって変化されるが、その変化
の度合は、使用されているトランジスタの特性に依存し
ている。本発明に従って、半導体デバイスの特性を丹念
に選択することによって、電源電圧の上昇(例えば)に
よる一方の電流の増加の度合を、他方の電流の増加の度
合と同じか、または大きいか、または小さくすることが
出来る。これらの電流それ自身は、電圧供給源から発生
されるので、2つの電流の間の差異として発生され、制
御される電流は、必要に応じて、増加させるか、または
同じに留まらせるか、または減少させることが出来る。
実際上、供給電位源が上昇した場合、上昇する電流は、
月並な技術で容易に得られるから、本発明の最も重要な
応用は、上昇する電圧源の下にあって、減少する電流を
発生させるか、または、上昇する電圧源の下にあって、
一定電流を発生させることにある。
本発明の構成は次の通りである。
直流供給電圧の両端間に並列接続された第1及び第2の
直列接続トランジスタ回路と、各直列接続トランジスタ
回路は、Pチャンネル電界効果トランジスタ(PFET
と呼ぶ)に直列接続されたNチャンネル電界効果トラン
ジスタ(NFETと呼ぶ)から構成されており、 上記第2の直列接続トランジスタ回路のPFET及びN
FETの共通接続点と上記直流供給電圧の一端との間に
接続された第3のPFETと、 上記各直列接続トランジスタ回路の各NFETの各ゲー
トに接続された入力制御電圧端子と、 より成る電流制御回路であって、 上記第1及び第2のPFETの各ゲートは相互に接続さ
れており、 上記第1及び第3のPFETの各々は、各ゲートが各ソ
ースに接続されており、 上記第2のNFETの電圧・電流特性の電流レベルが第
1のNFETの電流レベルよりも高くなるように各FE
Tの物理的特性が選択されており、 上記第1の直列接続トランジスタ回路を流れる電流I1
と第3PFETを流れる電流I3との和が上記第2のN
FETと流れる電流I2に実質的に等しいことを特徴と
する電流制御回路。
供給直列電圧の上昇は、上記の第1電流の値を増加さ
せ、この電流の増加は上記第2電流の値と等しくし、こ
れにより、上記第3の電流が一定に留まるようにするこ
とが望ましい。この配列は、本発明の最も簡単な実施例
である。
その代案として、第3電流は、供給値流電圧に応答して
減少し、そして、第4電流を流す第4デバイスを、第3
デバイスと鏡像関係配列に接続し、そして、第3電流の
減少による第4電流への影響を、供給値流電圧の増加に
よる第4電流の影響によってバランスさせることによっ
て、この第4電流を供給電位について不変であるように
させることがある。これは、出力電流がこの第4電流と
なり、これが第2電流を代表せず、そして必要に応じ
て、第1、第2及び第3電流を制御する回路の動作を混
乱させることなく電流模写することが出来る。
上記第1の手段は、第1、第2及び第3の能動デバイス
の組合せと、入力制御電圧に印加するための上記第1の
デバイスに接続された入力とを含み、これにより、上記
入力制御電圧によって決められる値の入力電流が上記第
1のデバイスに発生され、そして、上記入力電流を上記
第1電流として、上記第3のデバイス中に鏡像化するよ
うに、上記第2のデバイスは、上記第1のデバイス及び
上記第3のデバイスに接続されていることが好ましい。
これは、バッファ手段、又はレベル変換手段を用いるこ
となく、制御電圧が第1の能動デバイスの制御入力に接
続することが出来るので、制御電圧による出力電流の制
御を容易にする。
代案として、第1の手段は、第1、第2及び第3の能動
デバイスと、入力制御電圧を印加するために、上記第1
のデバイスに接続された入力とを含み、更に、複数個の
電流増幅鏡像化回路を構成するデバイスの組合せによる
付加的なデバイスを含んでおり、これにより、入力制御
電圧によって決められる入力電流の値が、第1のデバイ
ス中に発生され、その入力電流は、上記第1電流を形成
するために、電流増幅鏡像化回路(amplifying current
mirror)によって増幅され、これにより入力電流の小さ
な増加が上記第1電流に大きな増加を発生させる。この
技術によって、第1の電流は、ただ1つの電子デバイス
によって直接に制御されることはないが、その代りに、
小さな入力電流に従属する。この入力電流は小さいの
で、この電流を制御するデバイス(好ましくはFET)
は、大きな物理的寸法を持つことが出来る。これらのデ
バイスを製造する際には、固有の製造上のバラツキがあ
るので、大きなデバイスは、小さなデバイスに比べて、
より正確な精度(公称寸法との比率)を達成することが
出来る。従って、通過する電流は所定の値に対してより
正確に制御することが出来る。
D.実施例 第1図は本発明の簡単な第1の実施例の回路を示してい
る。この回路において、Pチャンネル電界効果トランジ
スタ(PFET)10、12、14のすべてのソース電
極は、直流電位源Vddの正電圧供給母線に接続されてい
る。Nチャンネル電界効果トランジスタ(NFET)1
1、13のソース電極は、接地電位のようなより低い電
圧源の電圧母線に接続されている。Vddは、通常、5ボ
ルトのレベルにある。FET10及び11は、FET1
2及び13と同様に、直列に接続されている。FET1
0及び12は、FET11及び13と同様に共通ゲート
接続を持っている。入力端子(i/p)は、FET11
及び13の共通ゲート接続に接続されている。FET1
4は、既に述べたような正の電圧源と、FET12及び
13の間にあるノード22との間に接続されている。F
ET10及び14のゲートは、ダイオードとして作用す
るように、夫々のドレインに接続されている。
FET10及び11の間のノード20の電位は、ダイオ
ード効果によって、Vdd以下のほぼ一定電圧にある。P
FET10を経て降下する電圧の大きさは、デバイスの
物理的特性、即ち幅、長さ及びドーパント密度に依存す
る(本明細書において、述語、「長さ」とは、デバイス
が形成されている基板の面上で測定されたソースからド
レインまでの距離を意味し、そして、「幅」とは、ソー
スの長さ方向と直交する方向の寸法を意味する。通常の
FETデバイスは長さ寸法よりも大きな幅寸法を有して
いる)。この実施例において、物理的パラメータは、約
1.5ボルトの電圧降下を与えるように選択されている
ので、ノード20は、接地電位よりも約3.5ボルトだ
け高い電圧を持っている。この電位は、FET10、1
1を通る電流が変化すると、その名目の電圧値に関して
僅かに上下する。PFET10と直列に接続されている
NFET11を通る電流は、入力端子i/pに印加され
ている入力制御電圧Vcによって制御される。制御電圧
が増加すると、FET10、11を通る電流I1は増加
する。ノード20の電位は、ほぼ一定であるが、実際
は、極めて僅かだけ降下する。同様に、ノード22の電
位は、PFET14によって与えられた等価ダイオード
を通る電圧降下によって、主として制御される。
PFET10、12、14は、ほぼ同じ物理的及び電気
的特性を持つように選ばれている。従って、FET10
及び14がダイオード構成だから、ノード22の電位
は、ノード20の電圧に極めて近い値にある。図示され
た回路は、単一の半導体基体上で製造され、従って、3
つのすべてのデバイスは、同じ処理工程で同一の処理条
件で処理されるので、これら3つのPFETの特性の近
似性は、容易に達成することが出来る。この回路がデイ
スクリート・デバイスとして構成される場合は、サンプ
リングなどの技術によって、デバイスの近似性を保証す
る必要がある。ノード22の電圧は、ノード20の電圧
とほぼ同じであり、そしてPFET12は、PFET1
0と物理的に近似しているから、PFET12を通る電
流はPFET10を通る電流とほぼ同じである。
NFET13を通る電流I2は、それ自身の物理的及び
電気的特性、ゲート・ソース電位Vgs及びドレイン・ソ
ース電位Vdsによって決められる。NFET13のVgs
電位は、NFET11のVgs電位、即ち印加制御電圧V
cに等しい。ノード20及び22の電位は、同じなの
で、NFET13のVds電圧はNFET11のドレイン
対ソース電圧とほぼ同じである。然しながら、NFET
13は、その物理的寸法を丹念に選択することによっ
て、NFET11とは明らかに異なった電気的特性を持
つように作られる。この特性の実施例において、NFE
T13はNFET11よりも大きな幅と、大きな長さと
を有し、そしてまた、NFET13はより大きな幅対長
さ比を持たせてある。この相対的な寸法は、NFET1
1及びNFET13が第2図に示された特性を示すよう
に選択される。図示された曲線の上部領域において(即
ち「飽和領域」において)、2つのデバイスは同じ傾斜
を持っているが、NFET13の曲線は、NFET11
の曲線よりも本質的に高い電流レベルにある。従って、
第2図から理解し得るように、デバイスの破壊が生じる
電圧(非常に高電圧なので図示し得ない)と最小電圧V
minとの間の任意のVddの値において、NFET13を
通って流れる電流I2は、NFET11を通って流れる
電流I1よりも一定値だけ超えた大きさを持っている。
然しながら、NFET11を通る電流は、PFET12
を通る電流とほぼ等しいことは既に示した通りである。
NFET13の電流I2と、PFET12の電流I1との
間の差異は、PFET14で供給される。NFET11
及びNFET13のデバイス特性の各直線部分が平行に
なっているのでPFET14によって供給される電流I
3は、供給電圧の変化とは無関係に、一定値(I2−I
1)である。この回路配列におけるPFET14の特性
は、第2図に示されている。
従って、本発明のこの特定の実施例は、印加された制御
電圧Vcに応答して、出力電流I3を与え、出力電流I3
の値は制御電圧Vcの値によって決められるが、供給電
圧の変動には無関係であるという重要な利点を有してい
る。
上述の実施例は、制御電流の出力がただ1つしかなかっ
た。然しながら、ある場合には、多くの定電流電源を設
けることが必要である。更に、上述の実施例の回路によ
って発生される電流は、ノード22を流れなければなら
ないから、この回路を実際の回路に応用することは困難
があるかもしれない。これら2つの問題は、第3図に示
した第2実施例によって解決される。
第3図に示した実施例において、PFET14は、出力
電流を供給するために直接には使用されない。その代り
に、電流鏡像化回路(current mirror)として動作するよ
うに、ノード22に接続されたゲート電極を持ち、供給
電位Vddに跨がって接続された付加的なPFET15及
び16が設けられる。この手段によって、PFET14
を流れる電流I3は、PFET15及び16の出力に模
写(replicate)されることになる。当業者には容易に理
解されるように、この技術は、所望の回路設計要件を満
たすのに必要な出力電流を模写するために、2つのFE
Tのみに限定されることなく、任意の数の付加的FET
デバイスに拡張することが出来る。
然しながら、これには問題がある。若し、PFET14
を通る電流が、供給電位の増加(第1図の実施例と同様
な)に応答して、一定に留まったとすると、ノード22
の電位は、供給電位と全く同じ大きさで増加することに
なる。その結果、PFET15及び16は、増加したソ
ース・ドレイン電圧の下で、且つ変化しないソース・ゲ
ート電圧の下にあるから、それらのPFETを通る電流
は増加する。従って、月並な鏡像化技術を使用して、P
FET15及び16を通る一定電流を与えるためには、
以下に述べるような回路の修正を施す必要がある。即
ち、供給電位の増加に単純に追従する電圧増加以上の予
め決められた電圧増加が、供給電圧の増加によって、ノ
ード22に発生されるような回路に修正する必要があ
る。これは、供給電位の増加に応答して制御される値に
よって、PFET14を通る電流を減少するように、回
路条件を適合させることによって達成される。
これを達成し、第4図に示した特性をNFET11及び
13に与えるために、NFET11及び13として使う
デバイスは、第1図の実施例に用いられたNFETデバ
イスとは若干異なった製造工程が取られる。図示された
ように飽和領域の傾斜を増加させるために、NFET1
1の幅を縮め、長さを小さくするような製造方法を用い
る。PFET14中の電流は、NFET13の電流から
PFET12の電流(NFET11中の電流に等しい電
流)を差し引いた電流に等しくなるように拘束されるの
で、上述の製造方法は、転じて、供給電位の増加の下で
電流が減少するPFET14の特性(第4図参照)を生
じる。
PFET14の電流は、供給電位の上昇によって減少す
るので、PFET14のソース・ドレイン電圧は、増加
した供給電位によって、僅かに降下しなければならず、
従って、ノード22の電位は、供給電位の増加よりも僅
かに大きく増加する(逆の場合、供給電圧の減少よりも
僅かに大きく減少する)ことになる。若し、ノード22
の電位が、供給電位と完全に同じ大きさだけ変化したと
すれば、PFET15及び16を通る電流は、既に説明
したように、ソース・ドレイン電圧の増加によって、増
加した供給電位に伴って増加する。然しながら、ノード
22の電位は、供給電位の変化よりも僅かに大きく変化
するから、PFET15及び16の実効抵抗は、供給電
位が上昇したとき、一定のコレクタ電流を維持すること
が出来るように、変化される。何故ならば、PFET1
5、16のドレイン・ソース電圧の上昇は、ソース・ゲ
ート電圧Vsgの降下によって代償されるからである。こ
れは、PFET15、または16の特性を示す第5図、
特に、供給電位Vddの関数として、Vsgの4つの異なっ
た値(即ち、供給電位からノード22への4つの電位)
に対して、ソース・ドレイン電流Isdを示す第5図を参
照することによって、より良く理解することが出来る。
第5図から、Vsgを一定にして、Vddを増加すると、I
sdは増加するが、然し、第5図に示されているように、
Isdは減少したVsgによって減少されるから、Vddが上
昇したとき、Isdを僅かに減少すると、一定のIsdを得
ることが出来る。
第3図の実施例には、未だ弱点がある。第2図に示した
特性を持つデバイス11、特に第4図に示した特性を持
つデバイスを製造するためには、NFETデバイス11
の長さを、1ミクロン程度の非常に短い寸法にする必要
がある。この程度の長さを持つデバイスを製造すること
は可能であるけれども、製造上のバラツキを少なくする
ために、この長さを正確に制御することに問題がある。
この長さのバラツキは、デバイス特性に好ましくない変
化を生じるので、所望のデバイスが製造されたことを保
証するために、製造された回路を個々に検査しなければ
ならない。これのプロシージャは、費用がかかり過ぎ、
且つ無駄が多い。
これに代わるアプローチが第6図に示されている。これ
は、第3図に示した回路に対して、以下に説明する電流
増幅鏡像化回路(amplifying current mirror)として機
能するFET30乃至33を更に追加したものである。
FET10は、ダイオード構成、即ち上述の実施例と同
様にゲートとドレインとを接続した構成を持っている。
従って、それは、電流とは殆ど無関係のソース対ドレイ
ンの電圧降下を持っている。このデバイスは、その電圧
降下を、名目供給電位Vdd(5ボルト)の半分よりも実
質的に小さい電圧に等しい電圧降下(約1.5ボルト)
を持たせるために、デバイスの幅、長さ及びドーパント
濃度を丹念に選択することによって作られる。また、同
様な手段によって、ダイオード構成に接続されているN
FETに跨がる電位を、名目電圧値Vddの半分以下の値
に設定する。
FET10及び30を考察すると、それらのデバイス
は、Vddの半分以下のPFET10の飽和電圧によって
決められる電圧と全く同じソース・ゲート電圧を持って
いる。然しながら、PFET30の電流は、デバイス3
0のソース・ドレイン電圧がデバイス10のそれよりも
大きいので(それは、Vddの半分よりも小さい電圧に比
較してVddの半分よりも大きいので)、PFET10の
電流よりも大きい。若し、Vddが増加したならば、デバ
イス10に跨がる電位は、顕著に増加しないけれども、
デバイス30に跨がる電位殆どVddの増加と同じに増加
する。その結果デバイス30の電流は、PFET10の
電流に比べて相対的に増加する。
然しながら、デバイス10の電流は、ドレイン・ソース
電圧が増加したデバイス11によって制御されるから、
PFET10の電流は増加する。これは、PFET10
のソース・ゲート電圧を僅かに増加させ、そして、PF
ET10及び30の両方は、同じソース対ゲート電圧を
持っているから、この増加は、PFET30に反射され
る。上述の効果と組合わされた全体としての効果によっ
て、Vddの増加は、PFET10及びNFET11の電
流を増加させ、そしてPFET30及びNFET31
に、より大きな電流の増加を惹起する。PFET10の
電流は、PFET30の電流として増幅され且つ鏡像化
されるので、デバイス11、10とデバイス30、31
の組合せは、電流増幅鏡像化回路を与える。同様に、デ
バイス30、31及び33、32との組合せは他の電流
増幅鏡像化回路を与える。
同様なメカニズムによって、デバイス30及び31中の
電流が、NFET33及びPFET32に反射され、増
幅されて、この原理が繰り返される。従って、PFET
32の電流は、PFET12に反射され、そして、第3
図の実施例の動作と同じ動作を行う。
電流増幅鏡像化回路を使用することは、回路全体の動作
に影響するPFET11の初期電流が、通常必要とする
電流の大きさよりも小さくなり、これにより、PFET
11は、より大きな長さを持つことが出来、従って、製
造がより容易になることを意味する。
第6図の実施例において用いられるデバイスの幅及び長
さをミクロン単位で示すと、以下のようになる。
デバイス 幅 長さ 10 12 4 11 3.5 2.5 12 4 1.5 13 32 16 14 4 1.5 15 5 1.5 16 5 1.5 30 12 4 31 3.5 2.5 32 4 1.5 33 3.5 2.5 デバイス13は、第2図に示した特性を与えるために、
回路中の他のデバイスよりも遥かに大きいことが、この
表から理解出来る。
説明してきたどの実施例においても、変化する電圧Vc
によるNFET11の電流の変化の割合は、NFET1
3のそれよりも小さいから、制御された電流の振幅は、
デバイス11及び13のゲートに印加されるVcの値に
従属する。然しながら、Vddの変化により変化する電流
を制御するこの方法は、Vcの変化によっては変化され
ない。Vcを制御するメカニズムは示していないが、任
意の公知の適当な技術を使用することが出来る。
本発明は、供給電位Vddの変化とは無関係であり、制御
電圧Vcの値に従属する電流を発生する回路を主として
説明した。然しながら、若し、増加する供給電位によっ
て減少する電流を与えるような特性が必要ならば、図示
された3つの実施例の任意のものを使って、適当な幅、
長さ及びドーパント濃度を持つFETデバイスを選択す
ることによって、増加する供給電位によって減少する電
流を与えるための回路を作ることは、当業者には容易に
行うことが出来る。
E.発明の効果 本発明は、電位が上昇し、または降下している直流供給
電位の下で、電流を減少し、または増加するよう制御す
る回路、あるいは、電流を一定に維持するよう制御する
半導体集積回路を与える。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第1実施例の回路図、第2図は本発明
の第1実施例に用いられるある種のデバイスの電気的特
性を示すグラフ、第3図は本発明の第2実施例の回路
図、第4図は本発明の第2実施例に用いられるある種の
デバイスの電気的特性を示すグラフ、第5図はVsgとV
ddの関係を示すグラフ、第6図は本発明の第3実施例の
回路図である。 10、12、14……Pチャンネル電界効果トランジス
タ(PFET)、11、13……Nチャンネル電界効果
トランジスタ(NFET)、20、22……ノード、V
dd……直流供給電位、Vc……制御入力電圧。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】直流供給電圧の両端間に並列接続された第
    1及び第2の直列接続トランジスタ回路と、各直列接続
    トランジスタ回路は、Pチャンネル電界効果トランジス
    タ(PFETと呼ぶ)に直列接続されたNチャンネル電
    界効果トランジスタ(NFETと呼ぶ)から構成されて
    おり、 上記第2の直列接続トランジスタ回路のPFET及びN
    FETの共通接続点と上記直流供給電圧の一端との間に
    接続された第3のPFETと、 上記各直列接続トランジスタ回路の各NFETの各ゲー
    トに接続された入力制御電圧端子と、 より成る電流制御回路であって、 上記第1及び第2のPFETの各ゲートは相互に接続さ
    れており、 上記第1及び第3のPFETの各々は、各ゲートが各ソ
    ースに接続されており、 上記第2のNFETの電圧・電流特性の電流レベルが第
    1のNFETの電流レベルよりも高くなるように各FE
    Tの物理的特性が選択されており、 上記第1の直列接続トランジスタ回路を流れる電流I1
    と第3PFETを流れる電流I3との和が上記第2のN
    FETを流れる電流I2に実質的に等しいことを特徴と
    する電流制御回路。
JP63200306A 1987-10-08 1988-08-12 電流制御回路 Expired - Lifetime JPH0616248B2 (ja)

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