説明

ドライバ回路

【課題】
高温時の振幅低下を防止するドライバ回路を提供する。
【解決手段】
入力信号に対し非線形な電圧電流特性を有するダイオード16、17によって信号をクランプして出力する差動プリバッファ回路22と、差動プリバッファ回路22の出力信号を増幅して出力する差動出力回路23を備える。さらに、ダイオード16、17と同一の温度係数の電圧電流特性を有するダイオード43に流す電流に基づいて、ダイオード16、17に流す直流電流を制御する温度特性補償回路44を備える。このような構成のドライバ回路によれば、ダイオード16、17の順方向電圧降下の温度特性をキャンセルする電流として、定電流I1、I2に対応する電流が温度特性補償回路44から供給される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ドライバ回路に関し、特に温度補償機能を備えるドライバ回路に関する。
【背景技術】
【0002】
周辺機器を接続するためのパソコン用インタフェース使用であるUSB(Universal Serial Bus)2.0のような高速通信回路の出力特性は、非常に厳しい仕様によって規定されている。個々の設計産物の結果は、特定の機関においてその特性が仕様に合致するか、認定試験を実施し判定される。半導体集積回路は、プロセスのばらつきや温度変動、電源電圧変動によって特性が変動し、すべての条件下で仕様を満足させることはそう容易なことではない。近年、高速、大規模、高消費電力の半導体が一般的となってきており、ジャンクション温度が動作状態により大きく変化することから、特に大きな温度変動があっても仕様を充分満たすドライバ回路が望まれている。
【0003】
図5は、従来技術のドライバ回路の回路図である。図5において、ドライバ回路は、差動プリバッファ回路101、差動出力回路102、定電流回路103を備える。1は電源端子、2は入力端子(+)、3は入力端子(−)、4はGND端子、5〜12はPchMOSトランジスタ、13〜15はNchMOSトランジスタ、16、17はダイオード、18、19は出力の終端抵抗、20は出力端子(+)、21は出力端子(−)である。
【0004】
定電流回路103は、図6で示すような構成となっており、図6において基準電圧回路61は、バンド・ギャップ・レギュレータのような安定な基準電圧源であって、安定した電圧をオペアンプ62の非反転入力端子に入力する。オペアンプ62の出力端子は、出力段のNchMOSトランジスタ63のゲートに接続され、NchMOSトランジスタ63のソースは、電圧出力端子64と、オペアンプ62の反転入力端子とに接続される。電圧出力端子64とGND(接地)との間には、LSIの外付け抵抗65が接続され、出力段のNchMOSトランジスタ63のドレインは、PchMOSトランジスタ66、67で構成するカレントミラー回路の入力側に接続され、カレントミラーの出力は、NchMOSトランジスタ68、69で構成されるカレントミラーへ入力され、NchMOSトランジスタ69のドレインに接続される電流出力端子25から出力電流Irefが出力される。
【0005】
基準電圧回路61の出力電圧をVrefとし、外付け抵抗65の値をRrefとすると、カレントミラーの電流出力端子25からの出力電流Irefは、式(1)で表される。
Iref=Vref/Rref……式(1)
Vrefは、ばらつきも温度変動も小さく、Rrefは、ばらつきも温度変動もないとすれば、Irefは、ばらつきも温度変動も非常に小さくなる。定電流回路103の出力電流I0(Iref)は、ばらつきも温度変動も小さい電流であって、PchMOSトランジスタ5〜8で構成されるカレントミラー回路に入力される。
【0006】
PchMOSトランジスタ7のドレイン電流I1は、差動プリバッファ101の差動段のPchMOSトランジスタ9、10の定電流源の電流である。PchMOSトランジスタ6のドレインは、NchMOSトランジスタ13〜15で構成するカレントミラーの入力側に接続され、NchMOSトランジスタ14、15のドレインは、PchMOSトランジスタ9、10のドレインにそれぞれ接続される。さらに、NchMOSトランジスタ14、15のドレインは、それぞれダイオード16、17のアノードに接続されると共に、それぞれ差動プリバッファ回路101の出力端となるA点、B点に接続される。NchCMOSトランジスタ14、15のドレイン電流は等しく、その電流値をI2とすると、I1およびI2も、ばらつきも温度変動も小さい定電流となる。
【0007】
差動出力回路102の差動段のPchMOSトランジスタ11、12は、カレントミラー回路の出力PchMOSトランジスタ8の出力電流I3を定電流とし、出力端子20、21とGNDの間には、終端抵抗18、19がそれぞれ接続されている。電流I3も同様に、ばらつきも温度変動も小さい定電流であるから、終端抵抗18、19にばらつきも温度変動も小さい抵抗(たとえば外付け抵抗)を用いれば、出力端子20、21の出力振幅も、ばらつきと温度変動は小さくなる。
【0008】
図7は、各点の動作波形であって、入力端子(+)2、入力端子(−)3に互いに反転した入力信号を与えると、差動プリバッファ回路101の出力であるA点、B点と、差動出力回路102の出力端子(+)20、(−)21とには、図7に示すような波形の信号が出力される。
【0009】
ここで、差動出力回路の差動段のPchMOSトランジスタ11、12の入力容量をCinとし、これが他の寄生容量に対し十分大きいとすると、図8で示すようにA点およびB点の立ち上がり時間と立下り時間は、それぞれ式(2)、式(3)で示される。
立ち上がり時間=(I1−I2)/Cin……式(2)
立下り時間=I2/Cin……式(3)
ここで、Cinは、CMOSトランジスタの入力容量であるから、温度変動は小さい。したがって、出力端子20、21の出力波形の立ち上がり時間と、立ち下がり時間は、差動プリバッファ回路101の出力A、Bの波形の立ち上がり時間、立ち下がり時間に依存するため、ばらつきと温度変動の小さい出力波形が得られる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
従来技術において、出力波形のばらつきと温度変動が小さくなる条件は、差動プリバッファ回路101の出力振幅が十分に大きく、差動出力回路102の差動段のPchMOSトランジスタ11、12が、完全に切り替わることである。差動プリバッファ回路101の出力振幅である図8のVFは、ダイオード16、17の順方向電圧であり、VFと電流値I1、I2との関係は、式(4)で示される。
VF=(k×T/q)×ln{(I1−I2)/Is}……式(4)
ここで、kはボルツマン定数、Tは絶対温度、qは電子電荷、Isはダイオードの順方向飽和電流である。一般的にVFは、比較的大きな負の温度係数を持つため、高温で差動プリバッファ回路101の出力振幅が低下する。
【0011】
図9は、差動出力回路102の出力信号のアイ(開口)波形を常温時と高温時とで観測し示したものである。アイ波形が、レベル規格および開口規格にかかると、認定試験では不合格になる。常温時では規格を満たす良好な波形が得られるが、高温時には振幅が低下するため、規格、特に開口規格に対しマージンがなくなり、最悪の場合、規格を満たさなくなってしまう虞がある。
【課題を解決するための手段】
【0012】
上記課題を解決するために、本発明の一つのアスペクトに係るドライバ回路は、非線形な電圧電流特性を有する第1の半導体素子によって入力信号をクランプして出力するバッファ回路と、第1の半導体素子と同一の温度係数の電圧電流特性を有する第2の半導体素子に流す直流電流に基づいて、第1の半導体素子に流す直流電流を制御する温度補償回路と、を備える。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、ドライバ回路の出力信号振幅における温度変動を小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
本発明の実施形態に係るドライバ回路は、入力信号に対し非線形な電圧電流特性を有するダイオード(図1の16、17)によって信号をクランプして出力する差動プリバッファ回路(図1の22)と、差動プリバッファ回路の出力信号を増幅して出力する差動出力回路(図1の23)を備える。さらに、ダイオード(図1の16、17)と同一の温度係数の電圧電流特性を有するダイオード(図1の43)に流す電流に基づいて、ダイオード(図1の16、17)に流す直流電流を制御する温度特性補償回路(図1の44)を備える。このような構成のドライバ回路によれば、ダイオード(図1の16、17)の順方向電圧降下の温度特性をキャンセルする電流が温度特性補償回路(図1の44)から供給される。したがって、差動プリバッファ回路(図1の22)から出力される出力波形の振幅の温度補償がなされ、高温時の振幅低下を防止することができる。以下、実施例に即し、図面を参照して詳しく説明する。
【実施例1】
【0015】
図1は、本発明の第1の実施例に係るドライバ回路の回路図である。図1のドライバ回路は、図5に示すドライバ回路に温度特性補償回路44が追加される。また、差動プリバッファ回路22は、図5の差動プリバッファ回路101に、定電流入力端子48、電流折り返し用カレントミラーを構成するNchMOSトランジスタ27、28およびPchMOSトランジスタ29が加えられている。さらに、PchMOSトランジスタ6、7のゲートは、PchMOSトランジスタ29のドレインと接続され、カレントミラーを構成している。定電流回路24は、図2に示すような定電流回路であって、図6に示す定電流回路103にNchMOSトランジスタ69bと電流出力端子26とを加えたものである。差動出力回路23は、差動出力回路102と同じものである。その他、図1において、図5と同じ符号のものは同一物であり、その説明を省略する。
【0016】
定電流回路24の電流出力端子26は、温度特性補償回路44のPchMOSトランジスタ32、33で構成されるカレントミラーの入力側、すなわちPchMOSトランジスタ32のドレインとゲートおよびPchMOSトランジスタ33のゲートに接続される。カレントミラーの出力となるPchMOSトランジスタ33のドレインは、差動増幅器を構成するPchMOSトランジスタ34、35のソースに接続され、差動増幅器の出力であるPchMOSトランジスタ35のドレインは、カレントミラーを構成するNchMOSトランジスタ39、40の入力側、すなわちNchMOSトランジスタ39のドレインとゲートおよびNchMOSトランジスタ40のゲートに接続される。NchMOSトランジスタ39、40で構成されるカレントミラーの出力、すなわちNchMOSトランジスタ40のドレインは、PchMOSトランジスタ36〜38で構成されるカレントミラーの入力側、すなわちPchMOSトランジスタ36のゲートとドレイン、PchMOSトランジスタ37のゲートとドレイン、PchMOSトランジスタ38のゲートに接続される。PchMOSトランジスタ37のドレインは、ダイオード43のアノード側に接続される一方、抵抗42を介して、差動増幅器差動の反転入力であるPchMOSトランジスタ35のゲートに接続される。なお、PchMOSトランジスタ35のゲートとGND端子間には、高周波成分除去のためのコンデンサ41が接続される。PchMOSトランジスタ38のドレインは、定電流出力端子45を経て差動プリバッファ回路22の定電流入力端子48に接続される。差動増幅器の非反転入力端子であるPchMOSトランジスタ34のゲートは、定電圧回路30の出力端子31に接続される。定電圧回路30は、図2で示した定電流回路に内蔵される基準電圧回路61と同等のものであれば良く、また兼用してもよい。
【0017】
以上のような構成のドライバ回路において、定電圧回路30の出力端子31の電圧をVref2とすると、Vref2は、従来技術で説明したとおり、ばらつきや温度変動を小さくすることができる。PchMOSトランジスタ34、35は、ダイオード43の順方向電圧をVref2で一定に保つように帰還される差動増幅器を構成する。この時、PchMOSトランジスタ37のドレイン電流I7は、
I7=Is×exp(q×Vref2/k/T)……式(5)
で表される。温度特性補償回路44の出力段のPchMOSトランジスタ38を、I7を供給するPchMOSトランジスタ37と同じディメンジョンとすれば、温度特性補償回路44の出力電流I8は、
I8=I7……式(6)
となる。
【0018】
更に、出力電流I8を基準電流とする差動プリバッファ回路22の入力のNchMOSトランジスタ27から、差動段定電流源を構成するPchMOSトランジスタ7までのミラー比をM倍、同じく、PchMOSトランジスタ6までのミラー比をN倍とし、NchMOSトランジスタ13〜15のミラー比を1倍とすると、
I1=M×I8……式(7)
I2=N×I8……式(8)
である。そして、ダイオード16又はダイオード17にはI1−I2の電流値が流れる。すなわち、ダイオード16又はダイオード17にはダイオード43に流れる電流値に比例する電流値が流れることとなる。
【0019】
また、差動プリバッファ回路22内のダイオード16、17のエミッタ面積を温度特性補償回路44内のダイオード43のK倍とすれば、差動プリバッファ回路22の出力振幅VF’は、式(4)に式(7)、式(8)を代入し、
VF’=(k×T/q)×ln((M−N)I8/K/Is)……式(9)
となる。I8は、式(5)、式(6)で表され、
VF’=(k×T/q)×ln{(M−N)/K}+Vref2……式(10)
となる。このVF’の温度特性は、温度Tで微分すると、
dVF’/dT=(k/q)×ln{(M−N)/K}……式(11)
となる。ここで(M−N)/K=1とすれば、dVF’/dT=0となり、差動プリバッファ回路22の出力振幅の温度依存性を最小化することができる。なお、ダイオード16、17とダイオード43とは、温度特性をできる限り一致させるように、同一チップ内で近傍に配置されることが望ましい。
【0020】
以上のとおり、差動プリバッファ回路22の出力A、Bの出力振幅の温度変動が小さくなれば、高温となっても差動出力回路23の差動増幅器を構成するPchMOSトランジスタ11、12に十分な振幅を供給できる。したがって、出力端子20、21の出力振幅が高温時に低下する問題が解決される。すなわち、図9に示す高温時のアイ波形は、常温時のアイ波形とほぼ同じようなアイ波形となり、開口規格を充分満たすような特性が得られることとなる。
【実施例2】
【0021】
図3は、本発明の第2の実施例に係るドライバ回路の回路図である。図3のドライバ回路において、温度特性補償回路44aは、図1の温度特性補償回路44にPchMOSトランジスタ49を加えている点が異なり、それ以外は、図1と同等であるので、PchMOSトランジスタ49を主に説明する。PchMOSトランジスタ49のゲートは、PchMOSトランジスタ33のゲートに接続され、ドレインは、PchMOSトランジスタ32を入力とするカレントミラーの出力であって、ドレインからの出力電流は、ばらつきと温度変動が小さい定電流である。PchMOSトランジスタ49のドレインは、PchMOSトランジスタ38のドレインと接続され、定電流出力端子45に接続される。PchMOSトランジスタ49のドレイン電流とPchMOSトランジスタ38のドレイン電流とが加算されて出力電流I8aとして定電流出力端子45から定電流入力端子48に出力される。
【0022】
以上のような構成のドライバ回路において、温度特性補償回路44aの入力電流をI4、温度特性補償回路44aの入力PchMOSトランジスタ32からPchMOSトランジスタ49までのミラー比をZとすると、温度特性補償回路44aの出力電流I8aは、式(5)、式(6)に対しZ×I4が加算され、式(12)のように表される。
I8a=Is×exp(q×Vref2/k/T)+Z×I4……式(12)
【0023】
式(12)は、当然のことながら、I4=0の場合には、式(5)を代入した式(6)と同様となり、Z×I4が、非常に大きい場合には、
I8a=Z×I4……式(13)
となる。この時の差動プリバッファ回路22の出力振幅VF”は、
VF”=(k×T/q)×ln{(M−N)×Z×I4/K/Is}……式(14)
で示されるように従来例と同じような温度特性を有する。
【0024】
すなわち、ミラー比Zを適宜設定することで、第1の実施例と従来例との中間の温度特性が得られるようにすることができる。本実施例では、温度補償を行う電流と行わない電流とを混合し、混合比を適切に設定することで、実施例1における温度特性補償回路の過補償を補正することができる。
【実施例3】
【0025】
図4は、本発明の第3の実施例に係るドライバ回路の回路図である。図4のドライバ回路において、差動プリバッファ回路22bおよび温度特性補償回路44bは、図3におけるダイオード16、17、43を、ゲートとドレインを接続したNchMOSトランジスタ50、51、52にそれぞれ置き換えたものである。それ以外は、図3と同じであるので説明を省略し、NchMOSトランジスタ50、51、52について主として説明する。
【0026】
一般に、MOSトランジスタのゲート・ソース間電圧Vgsとドレイン電流Idとの間には、ゲート長をL、ゲート幅をWとして、
Vgs={(2L/β/W)Id}1/2+Vt……式(15)
の関係がある。ここで、β=μs×Cox、μsはキャリア移動度、Coxはゲート単位容量、Vtはしきい値電圧である。
【0027】
Idを一定にした場合のVgsは、温度Tの関数となり、式(15)は、
Vgs(T)=(2L/β(T)/W×Id)1/2+Vt(T)……式(16)
と表される。式(12)と同様にして、温度特性補償回路44bの出力電流I8bは、
I8b=β(T)×W/2L×(Vref2−Vt(T))+Z×I4……式(17)
となる。仮にZ=0とおくと、差動プリバッファ回路22の出力振幅Vgs’は、
Vgs(T)’={(M−N)/K}1/2×Vref2+[1−{(M−N)/K}1/2]×Vt(T))……式(18)
である。ここでKは、NchMOSトランジスタ50のW/Lと、NchMOSトランジスタ51あるいは52のW/Lとの比である。
【0028】
式(18)を温度で微分すると、
dVgs(T)’/dT=[1−{(M−N)/K}1/2]×dVt(T)/dT……式(19)
となり、実施例1の場合と同様に、(M−N)/K=1とすれば、差動プリバッファ回路22bの出力振幅Vgs’の温度依存性を最小化することができる。また、ミラー比Zを調節すれば、過補償の防止となることも実施例2の場合と同様である。
【図面の簡単な説明】
【0029】
【図1】本発明の第1の実施例に係るドライバ回路の回路図である。
【図2】定電流回路の回路図である。
【図3】本発明の第2の実施例に係るドライバ回路の回路図である。
【図4】本発明の第3の実施例に係るドライバ回路の回路図である。
【図5】従来のドライバ回路の回路図である。
【図6】従来のドライバ回路で用いる定電流回路の回路図である。
【図7】ドライバ回路の各部の動作波形を示す図である。
【図8】A点、B点での波形の傾きを示す図である。
【図9】常温時と高温時における出力信号のアイ波形を示す図である。
【符号の説明】
【0030】
1 電源端子
2 入力端子(+)
3 入力端子(−)
4 GND端子
5〜12、29、32〜38、49、66、67 PchMOSトランジスタ
13〜15、27、28、39、40、50、51、52、63、68、69、69b NchMOSトランジスタ
16、17、43 ダイオード
18、19 終端抵抗
20 出力端子(+)
21 出力端子(−)
22 差動プリバッファ回路
23 差動出力回路
24 定電流回路
25、26 電流出力端子
30 定電圧回路
31 出力端子
41 コンデンサ
42 抵抗
44、44a、44b 温度特性補償回路
45 定電流出力端子
46 電源端子
47 GND端子
48 定電流入力端子
61 基準電圧回路
62 オペアンプ
64 電圧出力端子
65 外付け抵抗

【特許請求の範囲】
【請求項1】
非線形な電圧電流特性を有する第1の半導体素子によって入力信号をクランプして出力するバッファ回路と、
前記第1の半導体素子と同一の温度係数の電圧電流特性を有する第2の半導体素子に流す直流電流に基づいて、前記第1の半導体素子に流す直流電流を制御する温度補償回路と、
を備えることを特徴とするドライバ回路。
【請求項2】
前記第1の半導体素子に流す直流電流が前記第2の半導体素子に流す直流電流に比例するように制御されることを特徴とする請求項1記載のドライバ回路。
【請求項3】
前記第2の半導体素子に流す直流電流に、さらに温度変化に依存しない所定の電流を加えた直流電流に基づいて、前記第1の半導体素子に流す直流電流が制御されることを特徴とする請求項1または2記載のドライバ回路。
【請求項4】
前記第2の半導体素子に流す直流電流は、温度変化に依存しない所定の電圧を前記第2の半導体素子に与えた時に流れる電流であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一に記載のドライバ回路。
【請求項5】
前記第1及び第2の半導体素子は、ダイオードであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一に記載のドライバ回路。
【請求項6】
前記第1及び第2の半導体素子は、ドレインとゲートが接続されたMOSトランジスタであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一に記載のドライバ回路。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【公開番号】特開2006−191482(P2006−191482A)
【公開日】平成18年7月20日(2006.7.20)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−2941(P2005−2941)
【出願日】平成17年1月7日(2005.1.7)
【出願人】(000232036)NECマイクロシステム株式会社 (72)
【Fターム(参考)】