JP4894425B2 - 電圧源回路 - Google Patents

Description

本発明は、出力キャパシタを用いた電圧源回路に関し、特に出力キャパシタの端子電圧を一定時間で直線的にグランド電位まで降下させる電圧源回路に関する。

基準電圧源により充電された出力キャパシタの端子電圧を時間とともにグランド電位（０Ｖ）まで降下させる場合、例えば図９に示すような電圧源回路が用いられる。図９は従来の電圧源回路の構成を示す図であり、この電圧源回路では、基準電圧源１０１によりスイッチＳＷ１０１を介して出力キャパシタＣ１０１に電荷を蓄えておき、初期電圧値を与える。そして、スイッチＳＷ１０１を切断して電荷の供給を遮断し、抵抗Ｒ１０１により出力キャパシタＣ１０１の電荷を放電させることによってその端子電圧を降下させる。

ここで、出力キャパシタＣ１０１の容量値もＣ１０１（Ｆ）で表し、基準電圧源１０１の電圧値（初期電圧値）をＶ１０１（Ｖ）、抵抗Ｒ１０１に流れる電流値をＩ１０１（Ａ）とすると、放電終了時間、すなわち出力キャパシタＣ１０１の端子電圧がグランド電位まで降下するまでの時間ｔ１０１は、次式で表される。

ｔ１０１＝Ｃ１０１×Ｖ１０１／Ｉ１０１……（１）
なお、出力キャパシタＣ１０１の放電回路には、抵抗Ｒ１０１に代えて定電流回路が用いられることもある。
特開平１０−３２２９１４号公報

ところで、上記のような従来の電圧源回路においては、出力キャパシタに蓄えられる初期電荷、つまり出力キャパシタの初期電圧値を決定する基準電圧源と、出力キャパシタの放電電流量を決定する抵抗（もしくは定電流回路）は、それぞれ異なる素子により構成されており、電源電圧の変化、温度変化、製造ばらつきなどによって各素子、回路の特性が変動した場合、それらの特性の変動の割合は互いに独立したものとなる。

このため、例えば温度変化によって基準電圧源の電圧値、出力キャパシタの放電電流量及び容量値がそれぞれｋｖ倍、ｋｉ倍、ｋｃ倍に変動した場合、上記（１）式から放電終了時間は（ｋｃ×ｋｖ／ｋｉ）倍になり、出力キャパシタの端子電圧の降下開始からグランド電位に達するまでの時間が変動するという問題点がある。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、基準電圧源、出力キャパシタ及びその放電系統を構成する各素子、回路の特性に変動があっても、出力キャパシタの端子電圧を常に一定時間で直線的にグランド電位まで降下させることができ、信頼性の高い電圧源回路を提供することを目的とする。

本発明では上記課題を解決するために、出力キャパシタを充電して初期電圧値を与える基準電圧源と、前記基準電圧源と同一特性を持つ第２、第３の電圧源、前記第２の電圧源から第１の倍率回路及び基準抵抗を介して駆動電流が供給される第１のトランジスタ、及び前記第３の電圧源から第２の倍率回路を介して反転入力端子に電圧が供給されるとともに前記基準抵抗と前記第１のトランジスタとの接続点の電圧が非反転入力端子に供給され、前記第１のトランジスタの駆動電流を制御する第１の演算増幅器を有する定電流回路と、前記出力キャパシタを前記定電流回路に流れる電流値と相関のある電流値で放電させる放電回路と、を備えたことを特徴とする電圧源回路が提供される。

このような電圧源回路によれば、定電流回路が基準電圧源の特性変動と相関関係を持つ特性変動を有し、この定電流回路に流れる電流値と相関のある電流値で出力キャパシタを放電させるので、基準電圧源、出力キャパシタ及びその放電系統を構成する各素子、回路の特性に変動があっても、出力キャパシタの端子電圧を常に一定時間で直線的にグランド電位まで降下させることができる。

本発明の電圧源回路は、基準電圧源の特性変動と相関関係を持つ特性変動を有する定電流回路を備え、この定電流回路に流れる電流値と相関のある電流値で出力キャパシタを放電させるので、基準電圧源、出力キャパシタ及びその放電系統を構成する各素子、回路の特性に変動があっても、出力キャパシタの端子電圧を常に一定時間で直線的にグランド電位まで降下させることができ、信頼性が向上するという利点がある。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態の電圧源回路の構成を示す図である。この電圧源回路は、スイッチＳＷ１を通して出力キャパシタＣ１を充電して初期電圧値を与える基準電圧源１と、基準電圧源１と同一特性を持つ二つの第２の電圧源２及び第３の電圧源３を備えており、第２の電圧源２及び第３の電圧源３、倍率回路４，５、基準抵抗Ｒ１、第２の電圧源２から倍率回路４及び基準抵抗Ｒ１を介して駆動電流が供給されるトランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）Ｑ１、及びトランジスタＱ１の駆動電流を制御するオペアンプ（第１の演算増幅器）ＯＰ１により、基準電圧源１の特性変動と相関関係を持つ特性変動を有する定電流回路が構成されている。また、出力キャパシタＣ１と並列にトランジスタＱ１と同一のトランジスタＱ２が放電回路として接続され、上記定電流回路に流れる電流値と相関のある電流値で出力キャパシタＣ１が放電される。図１の回路では、定電流回路のトランジスタＱ１と放電回路のトランジスタＱ２によりカレントミラー回路が構成され、定電流回路に流れる電流値に比例した電流値で出力キャパシタＣ１が放電される。また、この電圧源回路は、１つの半導体基板上に集積して形成することができる。

上記のように構成された電圧源回路においては、初期値決定用の基準電圧源１によって出力キャパシタＣ１に初期電荷が蓄えられ、放電電流決定用の第２の電圧源２の電圧値が基準抵抗Ｒ１及びオペアンプＯＰ１を用いた回路によって定電流に変換され、その定電流で出力キャパシタＣ１に蓄えられた電荷が放電される。そして、出力キャパシタＣ１の端子電圧が出力端子Ｔｏから出力され、直線降下型の電圧源として使用される。

詳細に説明すると、基準電圧源１で決定された初期電圧値に比例した電荷がスイッチＳＷ１を介して出力キャパシタＣ１に蓄えられる。また、基準電圧源１と同一の回路構成の第２の電圧源２及び第３の電圧源３の電圧値が抵抗分圧などによる任意の倍率回路４，５で増倍あるいは減衰され、オペアンプＯＰ１、基準抵抗Ｒ１及びトランジスタＱ１とともに出力キャパシタＣ１の放電用の基準電流が作られる。

そして、図１のｃ点の電圧値はオペアンプＯＰ１−トランジスタＱ１のフィードバックループによりｂ点の電圧値と等しくなるため、基準抵抗Ｒ１の両端に印加される電圧値はａ点とｂ点の電圧値の差分と等しくなる。このとき、第２の電圧源２と第３の電圧源３は基準電圧源１と同一回路構成であるため、ａ点とｂ点の差分電圧値は基準電圧源１から出力されたｄ点の電圧値に比例し、互いの電圧値の変動割合にも相関が生じる。基準電圧源１と第２の電圧源２及び第３の電圧源３を基板上で近接して配置しておけば、それらの特性はより近づき、変動割合の相関を強めることができる。

ここで、基準抵抗Ｒ１としてばらつき、温度依存性の小さい高濃度のＮ型Ｐｏｌｙ−Ｓｉ抵抗などを使用し、抵抗値の変動分を十分小さく抑えることによって、基準抵抗Ｒ１とトランジスタＱ１に、ｄ点の電圧値に比例し、かつ変動割合にも相関のある電流を流すことが可能となる。また、トランジスタＱ１とトランジスタＱ２はカレントミラー構成になっているため、出力キャパシタＣ１を放電させるトランジスタＱ２の電流値はトランジスタＱ１の電流値に比例し、同様の特性を持つ。そこで、トランジスタＱ１とトランジスタＱ２のミラー比の調整により、トランジスタＱ２のインピーダンスを十分高くしておくことによって、トランジスタＱ２が与えるｄ点の電圧値への影響を十分小さくすることができる。

上記の回路構成で、基準抵抗Ｒ１の抵抗値もＲ１と表し、ｄ点の電圧値をＶｄ、倍率回路４，５の倍率値をｋ１，ｋ２、トランジスタＱ１，Ｑ２のミラー比をＭ１とすると、トランジスタＱ２に流れる放電電流Ｉ１は、次式で表される。

Ｉ１＝Ｍ１×（ｋ１−ｋ２）×Ｖｄ／Ｒ１……（２）
そして、任意の時刻でスイッチＳＷ１を切断することにより、出力キャパシタＣ１に供給される電荷が遮断され、トランジスタＱ２による放電が始まるが、出力キャパシタＣ１の容量値もＣ１と表すと、式（２）により放電終了時間ｔ１は、次式で表される。

ｔ１＝Ｃ１×Ｒ１／（Ｍ１×（ｋ１−ｋ２））……（３）
式（３）により、電源電圧の変化、温度変化、製造ばらつきなどにより基準電圧源１により決定される初期電圧値が変動した場合でも、放電電流も同様に変動し、両特性の変動分は相殺され、放電電流終了時間には影響しない。このため、出力キャパシタＣ１の端子電圧は、倍率回路４，５の倍率値、基準抵抗Ｒ１の抵抗値、トランジスタＱ１，Ｑ２のミラー比、出力キャパシタＣ１の容量値で決定される時間で直線的にグランド電位まで降下する。そして、これらの特性変動分は小さいので、出力端子Ｔｏの電圧値は常に安定した時間で直線的にグランド電位まで降下する。

図２は実施の形態の温度変化による出力キャパシタＣ１の放電時間を示す図である。初期電圧値であるｄ点の電圧値Ｖｄが温度変化に伴って変動しても、放電電流を決定するためのａ点とｂ点の間の差分電圧Ｖａ−Ｖｃも温度特性が等しいので同様に変動し、出力キャパシタＣ１の放電時間はほぼ一定となる。このため、図３に示すように、出力端子Ｔｏの初期電圧値が異なっていても、電圧降下開始時刻よりグランド電位に到達するまでの時間は一定となる。図３は実施の形態の出力端子Ｔｏの電圧値がグランド電位まで降下する時間を示す図であり、温度が１００℃のときと２５℃のときの降下時間を示している。

以上のように、第１の実施の形態では、初期電圧値決定用の基準電圧源１と特性変動に相関関係のある第２の電圧源２及び第３の電圧源３を用い、初期電圧値に比例し、かつその変動割合が初期電圧値と相関のある電流量を持つ定電流回路を構成し、その電流量に比例した電流量で出力キャパシタＣ１を放電させる。このため、電源電圧の変化、温度変化、製造ばらつきなどによって初期電圧値や放電電流量が変動した場合でも、その変動割合は相関を持っているので、前述の（３）式のようにそれらの変動分を相殺することができ、放電終了時間の変動は出力キャパシタＣ１の変動分のみに抑えることができる。

一般的に、キャパシタの電源電圧、温度、製造ばらつきによる変動割合は小さいので、上記の構成により、基準電圧源１、出力キャパシタＣ１及びその放電系統を構成する各素子、回路の特性に変動があっても、常に一定時間で出力キャパシタＣ１の端子電圧をグランド電位まで直線的に降下させることができ、信頼性が向上したものとなる。

図４は本発明の第２の実施の形態の電圧源回路の構成を示す図である。第２の実施の形態では、図１に示す基準電圧源１が定電流回路の電圧源と共用になっており、基準電圧源１と第２の電圧源２を用いて定電流回路が構成されている。その他は図１の回路と同様の構成であり、基準電圧源１の特性変動と相関関係を持つ特性変動を有する定電流回路を備え、この定電流回路に流れる電流値と相関のある電流値で出力キャパシタＣ１を放電させるので、出力キャパシタＣ１の端子電圧を常に一定時間で直線的にグランド電位まで降下させることができる。

図５は本発明の第３の実施の形態の電圧源回路の構成を示す図である。第３の実施の形態においても、図１に示す基準電圧源１が定電流回路の電圧源と共用になっており、基準電圧源１と第２の電圧源２を用いて定電流回路が構成されている。その他は図１の回路と同様の構成であり、基準電圧源１の特性変動と相関関係を持つ特性変動を有する定電流回路を備え、この定電流回路に流れる電流値と相関のある電流値で出力キャパシタＣ１を放電させるので、出力キャパシタＣ１の端子電圧を常に一定時間で直線的にグランド電位まで降下させることができる。

図６は本発明の第４の実施の形態の電圧源回路の構成を示す図である。第４の実施の形態においても、図１に示す基準電圧源１が定電流回路の電圧源と共用になっており、一つの基準電圧源１を用いて定電流回路が構成されている。その他は図１の回路と同様の構成であり、基準電圧源１の特性変動と相関関係を持つ特性変動を有する定電流回路を備え、この定電流回路に流れる電流値と相関のある電流値で出力キャパシタＣ１を放電させるので、出力キャパシタＣ１の端子電圧を常に一定時間で直線的にグランド電位まで降下させることができる。

図７は本発明の第５の実施の形態の電圧源回路の構成を示す図である。第５の実施の形態においても、図１に示す基準電圧源１が定電流回路の電圧源と共用になっており、一つの基準電圧源１を用いて定電流回路が構成されている。出力キャパシタＣ１には基準電圧源１からオペアンプ（第２の演算増幅器）ＯＰ２を介して初期電圧値が与えられ、また基準電圧源１の電圧が抵抗Ｒ２，Ｒ３によって分圧され、その分圧された電圧がオペアンプＯＰ１の反転入力端子に入力される。その他は図６の回路と同様の構成であり、基準電圧源１の特性変動と相関関係を持つ特性変動を有する定電流回路を備え、この定電流回路に流れる電流値と相関のある電流値で出力キャパシタＣ１を放電させるので、出力キャパシタＣ１の端子電圧を常に一定時間で直線的にグランド電位まで降下させることができる。

図８は本発明の第６の実施の形態の電圧源回路の構成を示す図である。第６の実施の形態では、図１に示す第２の電圧源２が第３の電圧源３と共用になっており、一つの第２の電圧源２を用いて定電流回路が構成されている。その他は図７の回路と同様の構成であり、基準電圧源１の特性変動と相関関係を持つ特性変動を有する定電流回路を備え、この定電流回路に流れる電流値と相関のある電流値で出力キャパシタＣ１を放電させるので、出力キャパシタＣ１の端子電圧を常に一定時間で直線的にグランド電位まで降下させることができる。

本発明の第１の実施の形態の電圧源回路の構成を示す図である。 実施の形態の温度変化による出力キャパシタの放電時間を示す図である。 実施の形態の出力端子の電圧値がグランド電位まで降下する時間を示す図である。 本発明の第２の実施の形態の電圧源回路の構成を示す図である。 本発明の第３の実施の形態の電圧源回路の構成を示す図である。 本発明の第４の実施の形態の電圧源回路の構成を示す図である。 本発明の第５の実施の形態の電圧源回路の構成を示す図である。 本発明の第６の実施の形態の電圧源回路の構成を示す図である。 従来の電圧源回路の構成を示す図である。

符号の説明

１ 基準電圧源
２ 第２の電圧源
３ 第３の電圧源
４，５ 倍率回路
Ｃ１ 出力キャパシタ
ＯＰ１，ＯＰ２ オペアンプ
Ｑ１，Ｑ２ トランジスタ
Ｒ１ 基準抵抗
Ｒ２，Ｒ３ 抵抗
ＳＷ１ スイッチ
Ｔｏ 出力端子

Claims (9)

1. 出力キャパシタを充電して初期電圧値を与える基準電圧源と、
   前記基準電圧源と同一特性を持つ第２、第３の電圧源、前記第２の電圧源から第１の倍率回路及び基準抵抗を介して駆動電流が供給される第１のトランジスタ、及び前記第３の電圧源から第２の倍率回路を介して反転入力端子に電圧が供給されるとともに前記基準抵抗と前記第１のトランジスタとの接続点の電圧が非反転入力端子に供給され、前記第１のトランジスタの駆動電流を制御する第１の演算増幅器を有する定電流回路と、
   前記出力キャパシタを前記定電流回路に流れる電流値と相関のある電流値で放電させる放電回路と、を備えたことを特徴とする電圧源回路。
2. 前記第２の電圧源が前記基準電圧源と共通の電圧源として構成されていることを特徴とする請求項１記載の電圧源回路。
3. 前記第３の電圧源が前記基準電圧源と共通の電圧源として構成されていることを特徴とする請求項１記載の電圧源回路。
4. 前記第２の電圧源及び前記第３の電圧源が前記基準電圧源と共通の電圧源として構成されていることを特徴とする請求項１記載の電圧源回路。
5. 前記第２の電圧源と前記第３の電圧源が一つの共通の電圧源として構成されていることを特徴とする請求項１記載の電圧源回路。
6. 前記第１の倍率回路は、出力端子が反転入力端子に接続され、前記共通の電圧源の電圧が非反転入力端子に供給される第２の演算増幅器であり、
   前記第２の倍率回路は抵抗分圧回路によって構成されていることを特徴とする請求項４または５記載の電圧源回路。
7. 前記第１の倍率回路は、出力端子が反転入力端子に接続され、前記第２の電圧源の電圧が非反転入力端子に供給される演算増幅器であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の電圧源回路。
8. 前記第２の倍率回路は抵抗分圧回路によって構成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の電圧源回路。
9. 前記放電回路は、前記出力キャパシタと並列に接続された第２のトランジスタであって、前記定電流回路の前記第１のトランジスタとカレントミラー回路を構成していることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか一項に記載の電圧源回路。

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