JPS59200510A - 低消費電力増巾器 - 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】 本発明は音声信号のような交流信号を電力増巾する交流
電力増巾器の低電力化に係わるものである。

本発明の目的は、３ボルト以下の低い電源電圧で動作し
、無信号時の消費電力が１ミリワツト以下であって、し
かも低インピーダンスの負荷回路に十分な電圧振巾を持
った交流信号を供給できる交流電力増巾器を実現するこ
とである。

従来、スピーカー等の音響出力機器や、シンクロナスモ
ーターのような低インピーダンスの負荷を駆動する回路
装置においては、負荷に対して電力を供給する直接の手
段として出カドランスを使用し、電力増巾器から供給さ
れる電圧信号を出カドランスによって電流信号に変換し
て負荷に印加する間接駆動方式を使うことが一般的であ
った。

しかし出カドランスは重量が大変大きく、その重量を軽
減しようとすると、伝達する信号に歪を生じたり、周波
数特性に悪影響を与えると云う重大な欠点を有している
。

近年、半導体技術の著しい進歩によりバイポーラトラン
ジスタを使用した電力増巾器が普及し、低インピーダン
スの負荷を増巾器で直接駆動する例が多くなった。この
バイポーラトランジスタによる電力増巾器は、様々な用
途に合わせて多種多様なものが開発されているが、消費
電力の節約のために、増巾器の出力部にバイポーラトラ
ンジスタのトーテムポール構造を設けたり、相補型の二
種類のバイポーラトランジスタを電源に対して直列に接
続したコンブレメンタリー増巾型構造を設けたりしてい
る例が多いので、電源電圧に比較して出力信号電圧のダ
イナミックレンジが相対的に小さくなってしまう欠点が
ある。

この欠点のため電源電圧を５ボルト以上に設定する場合
が一般的なのであるが、例えば２個の電池により得られ
る３ボルトの電源で動作するような機器を設計する場合
、ブートストラップ回路のような技術を併用しなげれば
ならず、大容量のコンデンサ等が必要となっていた。ま
た、バイポーラトランジスタによって構成される回路に
おいては、その動作原理に基づ（バイアス電流を必要と
するので、伝達すべき交流信号がＯボルトの時の消費電
力、すなわち無信号時消費電力を必要とする。該無信号
時消費電力は増巾器が負荷に供給する電力（以下出力電
力と称す。）の最大能力に比例して大となる頃向を持っ
ているので、出力電力の最大値が通常信号レベルに対し
て十分に余裕を持っているような電気機器においては、
増巾型自身の消費電力量の方が負荷に伝達される電力量
より遥かに太きいと云うことが度々起っている。このた
め増巾型自身は小型でも、その発熱対策や電源装置が大
損りになったり、電池を電源とする機器においては電池
の消耗が大変激しい等の欠点がある。

このようなバイポーラトランジスタによる電力増巾器の
欠点はＭＯＳトランジスタの利用によりかなり克服する
ことができる。すなわち相補型の二種類のエンハンスメ
ント型ＭＯ８）ランジスタを組合わせたいわゆるＣ−Ｍ
ＯＳ構造を採用することで、増巾器の出力信号電圧のダ
イナミックレンジを電源電圧の範囲にほぼ等しくするこ
とが可能になる上、増巾器の出力段を除いた部分の回路
に要するバイアス電流を数マイクロアンペア乃至数十マ
イクロアンペアに減少できる。しかしながら増巾器の最
大出力電力を大きくするためには、増巾器の出力段にお
ける無信号時消費電力を大きくする必要があり、このた
めに増巾型全体の消費電力を節約することができなかっ
た。

本発明はＣ−ＭＯ８構造を有する増巾器の出力段を工夫
すると共に入力段に設けた入力増巾回路で十分な増中度
を得ることにより無信号時消費電力を節約しながら、３
ボルト程度の比較的低い電源電圧で大きな出力信号電圧
を出力できる電力増巾器を達成したのである。以下に図
面に従ってその詳細を説明する。

第１図は本発明の第１の実施例を示す回路図であり、太
き（分けて入力増巾回路１と出力段２（一点鎖線で囲ま
れた範囲）から構成される。入力増巾回路１の信号入力
端子は入力増巾器１０入力点ＩＮに接続され、出力端子
は出力段２０入力端子に接続されている。また該入力増
巾回路１は２個の電源線Ｖ。、及びＶＢ２から電力の供
給を受けて動作をするようになっている。

一方出力段２０入力端子はＰチャンネルＭＯＳトランジ
スタによって実現された第１のＭＯＳトランジスタ（以
下単にトランジスタと称す）乙のゲートに接続される一
方、コンデンサ４を介して、ＮチャンネルＭＯ８）ラン
ジスタで実現された第２のＭＯ８）ランジスタ（以下単
にトランジスタと称す）５のゲートに接続されている。

該第２のトランジスタ５のゲートには抵抗６を介してバ
イアス電圧■、が印加されており、第１及び第２のトラ
ンジスタ６．５のドレインは接続されて出力端子となっ
て増巾器の出力点ＯＵＴに接続されている。又２個のト
ランジスタ６．５のソースとサブストレートは結合され
てそれぞれ第１の電源線ｖｏｏ及び第２の電源線Ｖｌｌ
ｌ＋に接続されている。

このような回路構成において、出力段２の直流動作点は
入力増巾回路１によって定められる第１のトランジスタ
乙の直流ゲート電圧Ｖ。Ｐと、第２のトランジスタ５の
直流ゲート電圧Ｖ。Ｎ（＝ＶＩ＋）に依存する。

第２図は出力段２の動作点が、２個のトランジスタ３．
５の直流ゲート電圧■。Ｐ及びＶｏＮによって定まるこ
とを説明するグラフであり、横軸に第１及び第２のトラ
ンジスタ３．５のドレイン電圧■１及びＶＤＮ％縦軸に
該２個のトランジスタ３．５のドレイン電流Ｉ。Ｐ及び
Ｉ。Ｎを衣わしている。

グラフ上の曲線■及び■は第１のトランジスタ６のドレ
イン電圧■。、対ドレイン電１Ｉｏｐの関係を示してお
り、曲線■及び■は第２のトランジスタ５のドレイン電
圧Ｖ。Ｎ対ドレイン電流ＩＤＨの関係を示している。増
巾器の出力点ＯＵＴに負荷が接続されていない時、２個
のトランジスタ３及び５のドレイン電流ＩｏｐとＩＤＮ
は等しいから、曲線■又は■と曲線■又は■の交点が２
個のＭＯＳ）ランジスタの直流動作点である。

例えば２個のトランジスタが曲線■及び■で示される動
作条件にある時、該２個の曲線の交点Ｐ１が直流動作点
となり、その点のドレイン電圧Ｖ　ｏ　ｐ　＋が増巾器
の出力電圧の中央値となる。また共通のドレイン電流■
。、１は出力部２の無信号時消費電流となる。今、バイ
アス電圧ＶＢが小さくなり、第２のトランジスタ５の直
流ゲート電圧ｖｏが電源線ｖＩＩＢの電圧に近づくと、
第２図の曲線■は下方に移動して曲線■となる。

その結果直流動作点はＰ２に移動し無信号時消費電流は
減少するが、出力電圧中央値の片寄りが大きく、グイナ
ミソクレンジが著しく小さくなってしまう。この時は、
増巾器の入力点ＩＮに印加する直流電圧値を変化させる
等の方法で、第１のトランジスタ乙の直流ゲート電圧■
。、を電源線ｖｏ、の電圧に近づけ、曲線■を下方に移
動し曲線■とする。こうして直流動作点はＰ、となり、
更に無信号時消費電流を減少させることができる一方、
出力電圧の中央値を２個の電源線ｖ、ｏ及びｖ、Ｂの電
圧の中央値に設定しなおすことができる。

このようにして決められる無信号時消費電流は負荷のイ
ンピーダンスに無関係に小さくすることができるので、
増巾器全体の無信号時消費電力を大巾に節減できるので
ある。

次に第１図の回路の交流特性について述べる。

第３図は上記増巾器の出力段乙の交流特性を説明するグ
ラフであり、横軸に第１及び第２のトランジスタ６及び
５のゲート電圧■。Ｐ及びＶ。、を示してあり、縦軸に
該２個のトランジスタ３．５のドレイン電流Ｉ。Ｐ及び
１．を示している。曲線■は第１のトランジスタ乙のゲ
ート電圧Ｖ。、対ドレイン電流ＩＤＰの関係を示してお
り、曲線■は第２のトランジスタ５のゲート電圧Ｖ。Ｎ
対ドレイン電流■。の関係を示しており、共に回路の出
力点ＯＵＴの電圧が一定値に保たれている時にはゲート
電圧の増大によって急激にドレイン電流が増大する様を
表わしている。２個のトランジスタ３及び５のゲートの
動作点電圧はそれぞれ無信号時消費電ＩＩ。Ｃを与える
曲線上の一点に定められており、又、回路の出力点ＯＵ
Ｔに接続された負荷の一端は出力電圧の中央値と等しい
電圧に保たれているとすれば、前記ゲート動作点電圧を
中心として変化する交流電圧が印加されることによって
２個のトランジスタ３及び５のドレイン電流は大きく変
動する。

第３図のグラフにおいて、波形Ｖ。Ｐは入力増巾回路１
から第１のトランジスタ乙のゲートに直接印加される電
圧信号の交流分波形であり、波形ＶＧＮは同じ電圧信号
をコンデンサ４によって直流カットした信号波形であっ
て第２のトランジスタ５のゲートに印加されているもの
である。該２個の電圧波形Ｖ。、及びＶＧＮをそれぞれ
曲線■及び■に投影して得られる波形ＩＤＰ及びｉ。Ｎ
は２個のトランジスタ６及び５のドレイン電流の変化を
示す電流波形である。この２個の電流波形’ｏｐ及び’
ＯＮは極性が反対であり、図より明らかなように互いに
排他的に動作するので、回路の出力点ＯＵＴに接続され
た負荷には二つの波形の合成による電流波形が供給され
るのである。該負荷に供給される電流の最大振巾は負荷
インピーダンスと電源電圧によって制約されるが、無信
号時消費電流Ｉ。Ｃの大小とは直接的な関係はない。

一方、第３図より明らかなように交流電圧波形ｖｏＰ及
びＶ。Ｎの振巾が増大すると電流波形ｉ。、及びｉ。の
ビーク値は急激に増大する。更に、入力増巾回路１０入
力点ＩＮに印加された微小な交流信号は入力増巾回路１
で増巾されて出力段２に伝達されるので、負荷に供給で
きる電流値を十分に大きな値にすることができるのであ
る。

以上に第１図の回路図の動作について詳細な説明を行っ
たが以下にそのいくつかの変形例を列挙する。

第４図は第１図の実施例における出力段２のトランジス
タ極性を逆転した出力段２′を使用した本発明の第２の
実施例を示す回路図であり、入力増巾回路１からの信号
はＮチャンネルＭＯ８）ランジスタで構成された第１の
トランジスタ７のゲートに直接伝達されると同時に、コ
ンデンサ４を介してＰチャンネルＭＯ８）ランジスタで
構成された第２のトランジスタ８のゲートに伝達される
ようになっている。該第２のトランジスタ８のゲートは
抵抗６を介して電圧ｖ１１′によってバイアスされろよ
うになっている。その動作原理は第１の実施例と類似し
ているので説明を省略する。

第５図は本発明によりなる交流電力増巾器をより実用的
に改良した第３の実施例を示す回路図であり、入力増巾
回路が差動増巾器９によって達成されていることと、ゲ
ートとドレインを結合したＰチャンネルＭＯ８）ランジ
スタ１０と抵抗１１とからなる簡易定電圧回路を内蔵し
て、第２のトランジスタ８のゲートバイアス電圧を発生
している出力段２”を有することを特徴としている。

差動増巾器９は（＋）及び（−）の二つの入力端子を有
し、それぞれ非反転入力端子及び反転入力端子と称され
る。反転入力端子（−）に印加される信号は差動増巾器
９によって反転増巾され、出力段２“によってもう一度
反転増巾されて回路出力点ＯＵＴに伝達される。

一方非反転入力端子（＋）に印加される信号は差動増巾
器９によって非反転増巾された後、出力段２“によって
反転増巾されて回路出力点ＯＵＴに伝達されるようにな
っている。差動増巾器９と出力段２“とによるこのよう
な回路構成において、その直流動作にのみ注目すれば、
それは一般に演算増巾器と呼称されているものに等価で
あるのだが、出力段２“の中に交流結合を行うコンデン
サ４を使用しているので、演算増巾器のオーブンループ
ゲインが直流信号と交流信号の間で異なった値になると
いう特徴がある。しかしこの値は共に十分大きいのでこ
の回路を第５図の実施例のような交流増巾器として使用
する場合は普通の演算増巾器を利用した交流増巾器と同
じように考えることができる。

本実施例においては、信号源１２から回路の入力点ＩＮ
に印加される交流信号が直流遮断コンデンサ１３と入力
抵抗１４を介して反転入力端子（−）に印加される一方
で、回路の出力点ＯＵＴからフィードバック抵抗１５を
介して反転入力端子（−）に負帰還信号が印加されてお
り、いわゆる反転増巾回路が構成されているのである。

このような反転増巾回路では、回路の出力点ＯＵＴの無
信号時の電圧ｖ［ｌｃは非反転入力端子（＋）に印加さ
れた基準電圧■。ＮＯに等しくなるので、該基準電圧■
。ＮＯの値を定めることにより、回路動作点を任意の電
圧に設定できるのである。

したがって一端を基準電圧Ｖ。ＮＤに固定し、他の一端
を回路の出力点ＯＵＴに接続した負荷１６に対して無信
号時に供給される電流はな（、無信号時消費電力節約の
効果は極めて大きい。又、上述したように交流信号のオ
ープンループゲインが十分に大きい場合、本実施例のよ
うに負帰還回路を設けた反転増巾器の交流増中度は入力
抵抗１４と帰還抵抗１５の抵抗値比率に等しくなるので
、非常に容易に増中度の選択ができろと云う利点をもっ
ている。

次に出力段２“の特徴について述べる。本実施例の出力
段２“において第２のトランジスタ８のゲートには抵抗
６を介して簡易定電圧回路の出力電圧が印加されるよう
になっているが、トランジスタ８とトランジスタ１０は
電流ミラー回路を構成しているので、回路をＩＣ化した
場合には該二つのトランジスタ８及び１０を流れる電流
は極めて再現性の良い比例関係を有する。したがって抵
抗１１の値を適当に設定することにより、トランジスタ
８に直流的に流れる電流、すなわち無信号時消費電流を
容易に決定できろと云う利点があり、回路設計が大変系
になる。

以上に第５図の実施例の動作原理及びその特徴について
説明したが、差動アンプ９及び出力段２“からなる回路
は、演算増ｌ］器と同様に広い応用範囲を有している。

例えば、交流信号を非反転入力端子（＋）に印加して非
反転増巾器としたり、入力部分のコンデンサ１３、抵抗
１４及び帰還抵抗１５を目的に合った回路網に置き換え
てアクティブフィルターを構成したりすることができる
。

第６図は本発明の交流電力増巾器の一応用例を示す回路
図であって、差動増巾器１７又は１８と出力段１９又は
２０とからなる二つの交流電力増巾器を用いたＢＴＬ回
路の構成を示している。本回路は、差動増巾器１７、出
力段１９、コンデンサ２１、抵抗２２．２６及び２４か
らなり、信号の入力点ＩＮ及び第１の出力点ＯＵＴ、を
有する第１の増巾回路と、差動増巾器１８、出力段２０
、抵抗２５及び２６からなり、第１の増巾回路の出力信
号を入力信号とし第２の出力点０ＵＴ２を有する第２の
増巾回路とで構成されている。第１の増巾回路は非反転
増巾器として構成され、その増ｌ′Ｊ度Ｇは、抵抗２３
及び２４の抵抗値をそれぞれの増巾回路は反転増巾器と
して構成され、その増中度が−１となるように抵抗２５
及び２６の値を等しくしである。

このような構成において出力点ＯＵＴ、　　と出力点０
ＵＴ２にはそれぞれ入力点ＩＮに印加された電圧信号を
Ｇ倍又は−Ｇ倍した電圧信号が出力され、該２個の出力
点ＯＵＴ、及びＯＵＴ２間に接続された負荷２７に電力
を供給することができるのである。

次に本発明の交流電力増巾器の入力増巾回路をＣ−ＭＯ
Ｓ差動増巾器で構成した場合について、更に具体的な実
施例を第７図及び第８図に示す。

第７図及び第８図において、＋側電源端子は■、１．１
１−側電源端子はｖ６６として表わされている。

又、増巾器の反転入力端子は○、非反転入力端子は■、
出力端子はＯＵＴとして表わされる。

第７図の回路図について説明すると、回路は一点鎖線で
区別した三つのブロックからなる。第１のブロックは直
流差動増巾器２８であり、定電流源としてのＰチャンネ
ルＭＯ８）ランジスタ’ｒ。

と、２個の差動入力端子Ｏ及び■に直結した増巾用Ｐチ
ャンネルＭＯ８）ランジスタＴ２及びＴ３と、該２個の
増巾用トランジスタＴ２及びＴ３の負荷抵抗としてそれ
ぞれに結合したＮチャンネルＭＯ８）ランジスタＴ４及
びＴ、とがらなり、トランジスタＴ３のドレインとトラ
ンジスタＴ５のドレインの結合点から信号を出力してい
る。

第２のブロックは出力段２９であって出力用の大型Ｎチ
ャンネルＭＯ８）ランジスタで実現された第１のトラン
ジスタＴ６、同様に出力用でチャンネル巾が第１のトラ
ンジスタＴ６の約２倍の大きさを有するＰチャンネルＭ
Ｏ８）ランジスタで実現された第２のトランジスタＴ６
、交流結合用コンデンサＣＩ、バイアス電圧印加回路の
抵抗Ｒ２、高周波発振防止用の負帰還コンデンサＣ２と
からなっている。

第３のブロックは簡易定電圧回路３０であって、Ｐチャ
ンネルＭＯ８）ランジスタＴ８と抵抗Ｒ０とからなって
おり、差動増巾器２８のトランジスタＴ、及び出力段２
９の第２のトランジスタＴ７のゲートにバイアス電圧を
供給している。

第８図においては第７図の回路の差動増巾器２８の出力
と出力段２９０入力の間にＣ−ＭＯＳの増巾回路６１を
挿入することにより、増巾器全体のオープンループゲイ
ンを増大させたものである。該増巾回路３１はＮチャン
ネルＭＯ８）ランジスタＴ９とその負荷抵抗としてのＰ
チャンネルＭＯ８）ランジスタスタＴＩＯとからなる第
１のインバータ回路と、ＮチャンネルＭＯ８）ランジス
タＴ１１とその負荷抵抗としてのＰチャンネルＭＯ８）
ランジスタＴＩ２とからなる第２のインバータ回路とを
直結したものであるが、負荷抵抗としてのトランジス−
’ＴＩＯ及びＴＩ２はチャンネル巾に対してチャンネル
長を十分に大きく設定してあり、高インピーダンスであ
るので消費電力は十分に小さく押えられている。

以上に図面に従って本発明の詳細な説明をしたが、本発
明によってグイナミソクレンジがほぼ電源電圧範囲に等
しい程度まで太き（とれて、かつ無信号時出力電圧が出
力電力に比較して十分率さい交流電力増巾器が実現され
た。更に、本発明の増巾器の入力増巾回路を差動増巾器
構造にすることによって、直流動作点電圧（無信号時出
力電圧）を任意に設定できろと共に、負帰還回路を設け
ろことにより増中度の設定が容易になった。又、反転増
巾器でも非反転増巾器でも実現することができるので、
その応用としてＢＬＴ回路を簡単に作ることができるの
である。その上に、本発明の回路はＭＯＳトランジスタ
と若干の抵抗、コンデンサのみで構成されているのでＣ
−ＭＯＳＩＣ化が容易であり、回路の小型化が達成でき
、デジタル回路との混成ＩＣも又容易に達成できる。

このように優れた特徴を有する本発明の交流電力増巾器
を、電池を電源とする小型携帯機器に応用すると極めて
便利である。例えば、音声報時腕時計のように内部抵抗
の大きな電池を電源としな１ｉ がらスピーカーのような低いインピーダンスの負荷を駆
動しな（てはならない機器において特に特徴を発揮する
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図、第４図、第５図及び第６図は本発明の実施例を
示す各回路図であり、第７図及び第８図は本発明のより
具体的な実施例を示す各回路図であり、第２図及び第３
図は本発明の交流電力増巾器に使用されているトランジ
スタの動作を説明する各特性グラフである。 １・・・・・・入力増巾回路、 ２．２′、２“、１９．２ｏ、２９・・・・・・出力段
を示すブロック、 ３．７・・・・・・第１のＭＯＳ）ランジスタ、５．８
・・・・・・第２のＭＯＳトランジスタ、４・・・・・
・コンデンサ、　６・・・・・・バイアス用抵抗、９．
１７．１８．２８・・・・・・差動増巾器、１２・・・
・・・交流信号源、　１６．２７・・・・・・負荷、第
１図 ＩＤＮ　　　　　　　　　　　　　ＩＤＰ第４図 第５図 第６図 、２３，２４．７，９ ７、〈・・　　「Ｗ′・ −ｊ、／２７ ジ　　（２６Ｂ２０ ２ ７　　　ｏｕｒ２ 第８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）入力増巾回路と、該入力増巾回路の出力点にゲー
   トを接続された第１のＭＯＳ）ランジスタと、該第１の
   ＭＯＳ）ランジスタと相補的極性を有して前記入力増巾
   回路の出力点にコンデンサを介してゲートに接続された
   第２のＭＯＳ）ランジスタとを有し、前記第１及び第２
   のＭＯＳ）ランジスタのドレインを接続して回路の出力
   点とし、前記第１及び第２のトランジスタのソースをそ
   れぞれ第１の電源線及び第２の電源線に接続すると共に
   、前記第２のＭＯＳ）ランジスタのゲートに直流バイア
   ス電圧を印加してなる低消費電力増巾器。 （２、特許請求の範囲第１項記載の入力増巾回路が、差
   動増巾器であることを特徴とした低消費電力増巾器。