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JP2005260773A - 駆動回路及びディジタルアンプ - Google Patents

駆動回路及びディジタルアンプ Download PDF

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JP2005260773A JP2004071962A JP2004071962A JP2005260773A JP 2005260773 A JP2005260773 A JP 2005260773A JP 2004071962 A JP2004071962 A JP 2004071962A JP 2004071962 A JP2004071962 A JP 2004071962A JP 2005260773 A JP2005260773 A JP 2005260773A
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Abstract

【課題】 部品点数を増大させることなく、遅延時間の設定制御を高精度に行うことができる駆動回路、及びその製造方法、並びに駆動回路を搭載したディジタルアンプを提供する。
【解決手段】 駆動回路1は、時定数を設定するための外付けCR回路2,3と、駆動信号生成回路4とを有し、生成された駆動信号によりMOSFETM1,M2のゲートを駆動する。外付けCR回路2,3は、それぞれ入力信号HIが入力される入力端子7a,入力信号HIとは論理レベルが反転した入力信号LIが入力される入力端子7bに接続される。駆動信号生成回路4は、低電源電圧の論理回路であるANDゲート5a,5bと、高電圧出力回路6a,6bとからなり、ANDゲート5a,5bと高電圧出力回路6a,6bとがSOIプロセスにて同一チップに形成される。
【選択図】 図1

Description

本発明は、直列に接続された2つのスイッチング素子を駆動するための駆動回路及びこの駆動回路とこれにより駆動されるスイッチング素子とを有するディジタルアンプに関する。
パワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)などのスイッチング素子が2つ直列に接続されてなる回路は様々な用途に使用される。例えば、D級アンプは、MOSFETのスイッチング動作を利用して信号を増幅するアンプであり、電力効率が80%以上と高いため、近年、携帯型のオーディオ機器、又は業務用アンプなどに利用されている。
この場合、出力側の2つのMOSFET(+側MOSFETと−側MOSFET)を駆動させる際に、両方が同時にONにならない(短絡故障しない)よう、スイッチングの時間をずらす必要がある。すなわち、パワーMOSFETを2つ直列に接続して使用する回路において、2個のFETが同時に導通もしくは半導通する期間があると、2つのFETを貫通して電流が流れ、FETの熱破壊及び電力効率の低下等の問題を引き起こす。このため、このような回路では、各FETの導通状態を反転させる際に、両方のFETが導通しない時間(以下、これをデッドタイムという。)を設け、この問題を防いでいる。
従来、個別部品で構成した外付け回路のデッドタイム生成回路が下記特許文献1に記載されている。図5は下記特許文献1に記載のデッドタイム生成回路、図6は、その動作を示すタイミングチャートである。
図5に示すように、特許文献1に記載のデッドタイム生成回路100は、信号入力端子101を介して外部からの信号を受ける、抵抗103及びコンデンサ104からなる積分回路102と、直列に接続された抵抗106,107,108からなる基準電圧部105と、積分回路102、及び抵抗106と抵抗107との接続点xに接続されたオペアンプ109と、積分回路102、及び抵抗107と抵抗108との接続点yに接続されたオペアンプ110とを有する。接続点xは、オペアンプ109の反転入力端子に接続され、接続点yは、オペアンプ110の反転入力端子に接続されている。
このデッドタイム生成回路100においては、信号入力端子に図6(A)に示すパルス波形が入力されると、積分回路102は図6(B)に示す立ち上がり及び立下りが同一の時定数となるパルス波形を出力する。オペアンプ109,110は、図6(B)に示すパルス波形と基準電圧部105の接続点x,yにおける電圧とを比較し、それぞれその出力端子111,112から図6(C),(D)に示すパルス波形を出力することで、2つのFETが同時に非導通となる期間であるデッドタイムtdを付与した信号を生成している。
また、下記特許文献2には、インバータのオン・オフ時に出力回路に貫通電流が流れることを防止したトランステートインバータ回路が開示されている。図7は、特許文献2に記載のトランステートインバータ回路を示す回路図である。
図7に示すように、特許文献2に記載のトランステートインバータ回路201は、パルス信号入力端子201と、HIZモード(出力フローティング状態)設定入力端子202とを有する。HIZモード設定入力端子202がLOの時、インバータ回路動作を行い、HIZモード設定入力端子202がHIの時、HIZモード、すなわち、出力端子Yはフローティング状態となる。
HIZモード設定入力端子202がLOの時、パルス信号入力端子201に印加された入力信号パルスは、インバータ203、NAND回路205、インバータ206、インバータ214およびNAND回路207を介して、第1出力回路212の入力トランジスタTR1の入力部である端子T3に導出される。
パルス入力端子201に印加された入力信号パルスは、NAND回路208、インバータ209、インバータ215、NAND回路210及びインバータ211を介して、第2出力回路213のトランジスタTR4の入力部である端子T6に導出され、第1出力回路212および第2出力回路213の共通の出力端子であるY端子に反転したパルス信号として出力される。この時、パルス入力端子201のパルス信号と、インバータ206の出力部の端子T1およびインバータ209の出力部の端子T4に表れるパルスとは同期している。
一方、インバータ214の出力部の端子T2において、その入力部の端子T1に対して遅延時間が発生する。ここでNAND回路207の2つの入力部にはインバータ214の入力部と出力部の2つの同じ極性のパルスを印加させるために、インバータ214は偶数段で構成している。こうしてNAND回路207の出力、即ち第1出力回路212の入力部の端子T3においては、パルス入力端子201に対して立ち下がり時d2の遅延時間が生ずる。また、インバータ回路215の入力部の端子T4と出力部の端子T5との間には遅延時間が発生する。NAND回路210の2つの入力部には同じ極性のパルスを印加するため、インバータ215もインバータ214と同様に偶数段で構成している。従って、インバータ211の出力、即ち第2出力回路213の入力部である端子T6においてはパルス信号入力端子201に対して立ち上がり時d1の遅延時間が生ずる。
こうしてHI側の第1出力回路12とLO側の第2出力回路213の入力部では、端子T3、端子T6の間でd1、d2の遅延時間が得られる。この遅延時間d1によりHI側の第1出力回路212が先にオフしてから、LO側の第2出力回路213がオンする。さらに遅延時間d2によりLO側の第2出力回路213がオフしてから、HIの第2出力回路213がオンする。この遅延時間によって第1出力回路212および第2出力回路213が接続される出力端子においてパルス信号がHIからLO、LOからHIに切り換わる瞬間に発生する貫通電流の発生を防止することができる。
特開昭61−218372号公報 特開平11−340107号公報
ところで、デッドタイムの設定は、MOSFETの貫通電流を低減することと、及び音質を向上させることという、相反する特性に大きく影響する。このため、2つのMOSFETを駆動させる回路においては、デッドタイムを高精度に設定し、制御することが必要である。このデッドタイムの設定制御のためには、部品のばらつきに対する配慮も重要であり、ばらつきを減らすためにも、構成部品数は少ないことが望ましい。
これに対して、上述の特許文献1に記載のデッドタイム生成回路においては、デッドタイム生成回路が個別部品の外付けであるため、部品点数が増加し、個々の部品のばらつきや温度変化への配慮等が必要になり、回路が複雑になってしまう。さらに、オペアンプ109,110自体の遅延ばらつきと無関係に、外付け遅延回路の素子のばらつきを考慮しなければならず、設計作業が煩雑になるという問題点がある。
また、特許文献2に記載のトライステートインバータ回路は、デッドタイム生成回路と高耐電圧出力回路を1チップIC内にて形成している。この場合、回路は同一プロセスで製造されなければならないが、低耐電圧プロセスで製造した場合には出力段の耐圧が上げられない一方で、高耐電圧プロセスで製造した場合には、前段の論理回路の動作速度が上げられない。さらに、遅延素子をIC内部に製造すると、ばらつきが大きくデッドタイムを高精度に設定することができないというという問題点がある。
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、部品点数を増大させることなく、遅延時間の設定制御を高精度に行うことができる駆動回路及びこの駆動回路を搭載したディジタルアンプを提供することを目的とする。
上述した目的を達成するために、本発明に係る駆動回路は、直列に接続された2つのスイッチング素子を駆動する駆動回路において、時定数を設定する時定数設定手段と、1つの基板に設けられ、互いに論理レベルが異なる2つの入力信号から前記時定数設定手段により設定された時定数だけ遅延させた前記スイッチング素子の駆動信号を生成する駆動信号生成手段とを有し、前記時定数設定手段は前記駆動信号生成手段とは別部品からなることを特徴とする。
本発明においては、互いに論理レベルが異なる2系統の信号を時定数によって定まる遅延時間だけ遅延させた駆動信号を生成する駆動信号生成手段を1つの基板に形成されたものとし、時定数設定手段を駆動信号生成手段とは別部品とすることで、時定数設定手段の高精度の部品選択を可能とし、デッドタイムとなる遅延時間を精度よく設定することができる。
また、前記駆動信号生成手段は、低電圧の論理回路部と高電圧の駆動信号生成部とを有し、該論理回路部と該駆動信号生成部とは絶縁膜上のシリコン層の素子分離酸化膜により互いに分離されて形成されたものとすることができ、駆動信号生成部と共に論理回路部を1つの基板にて生成することにより、2系統の信号に対してばらつきなどを含めた特性がそろった論理回路部を得ることができると共にその特性は後段の駆動信号生成部と同じ傾向となることから、遅延時間決定の際、後段の駆動信号生成部のばらつきを含めた調整が可能となる。更に、低電圧回路部である論理回路と高電圧回路部である駆動信号生成部とが相互に影響を受けることなく、また、SOIプロセスにより低電圧動作、低消費電力化、及び高速動作を図ることができる。
更に、前記スイッチング素子は、ディジタルアンプ用MOSFETとすることができ、このように高精度にデッドタイムを制御可能な駆動回路を例えばオーディオ用D級アンプに使用すれば、歪等をなくして音質改善を図ることができる。
更にまた、前記時定数設定手段は、前記2つの入力信号に対して個別に時定数を設定するものとすることができ、2系統の信号に対して個別にデッドタイムを設定制御することができる。
また、前記時定数設定手段は、抵抗とコンデンサとが直列に接続されたものとすることができ、このことにより、極めて高精度に時定数を設定することができる。
本発明のディジタルアンプは、直列に接続された2つのスイッチング素子と、前記スイッチング素子を駆動する駆動回路とを備え、前記駆動回路は、時定数を設定する時定数設定手段と、1つの基板に設けられ、互いに論理レベルが異なる2つの入力信号から前記時定数設定手段により設定された時定数だけ遅延させた前記スイッチング素子の駆動信号を生成する駆動信号生成手段とを有し、前記時定数設定手段は前記駆動信号生成手段とは別部品からなることを特徴とする。
本発明においては、駆動回路がデッドタイムを極めて高精度に設定制御することが可能であるため、例えばオーディオ用途とすれば歪などをなくして音質を向上させることができる。
本発明に係る駆動回路によれば、互いに論理レベルが異なる2系統の信号を時定数によって定まる遅延時間だけ遅延させた駆動信号生成手段を1つの基板に形成することで、駆動信号生成手段を構成する素子間のばらつき傾向を一致させることができると共に、時定数設定手段を駆動信号生成手段とは別部品とすることで、高精度の部品選択を可能とし、これらのことにより遅延時間を精度よく設定することができる。
また、本発明に係るディジタルアンプによれば、デットタイムとなる遅延時間を正確に設定可能な駆動回路によりスイッチング素子を駆動させることで、例えばオーディオ用に使用すれば除去した高品質のディジタルアンプを提供することができる。
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。この実施の形態は、本発明を、例えば、D級オーディオアンプなどに使用されるパワーMOSFETの駆動回路に適用したものである。
本実施の形態における駆動回路は、2系統の遅延回路を、駆動信号を出力する駆動信号生成回路と共に1つのICに内蔵することで、これらの回路を構成する素子を特性が揃ったものとすると共に、遅延回路の遅延時間(デッドタイム)を決定する時定数を設定するための時定数設定手段を、外付けの別部品とする。このように時定数設定手段を外付け部品とし、遅延回路とは別部材とすることにより、高精度の部品を選択することができる。すなわち、1チップに時定数設定手段以外の素子を作り込むことにより、製造時、及びその他の要因で生じる素子間のばらつきを一致させ、かつ時定数設定手段のみは高性能の別部材とすることにより、2つのFETがONするタイミングを個別にかつ精度よく設定し、貫通電流を最小限にしながら、相反する特性である歪特性を改善するものである。
図1は、本発明の実施の形態における駆動回路を示す回路図である。図1に示すように、本実施の形態における駆動回路1は、負荷部8としての例えばスピーカやモータなどの駆動部に接続して駆動するものであり、2つのスイッチング素子としてのパワーMOSFETM1,M2を駆動するプリドライバICである。この駆動回路1は、時定数を設定するための外付けCR回路2,3と、駆動信号生成手段としての駆動信号生成回路4とを有し、駆動回路1とMOSFETM1,M2とにより例えばD級アンプなどが構成され、駆動回路1により生成された駆動信号によりMOSFETM1,M2のゲートを駆動する。
外付けCR回路2は、入力信号HIが入力される入力端子7aに接続され、抵抗R1とコンデンサC1とが直列に接続された積分回路である。外付けCR回路3は、入力信号HIと論理レベルが反転した入力信号LIが入力される入力端子7bに接続され、抵抗R2とコンデンサC2とが直列に接続された積分回路である。
駆動信号生成回路4は、遅延回路としてのANDゲート5a,5bと、高電圧の駆動信号を出力する駆動信号生成部としての高圧駆動回路6a,6bとからなり、2つのパワーMOSFETのゲートを駆動するための駆動信号を生成する。遅延回路であるANDゲート5a,5bは、低電源電圧の論理回路であり、上述のCR回路2,3は、この遅延回路に対して時定数を設定するための時定数設定手段である。
ANDゲート5aの一方の入力端子は、抵抗R1とコンデンサC1との接続点と接続され、外付けCR回路2からの出力信号が入力される。また、ANDゲート5aの他方の入力端子には入力端子7aを介して入力信号HIが入力される。また、ANDゲート5bの一方の入力端子には、入力端子7bを介して入力信号LIが入力される。また、ANDゲート5bの他方の入力端子は、抵抗R2とコンデンサC2との接続点と接続され、外付けCR回路3の出力信号が入力される。
高圧駆動回路6a,6bは、それぞれANDゲート5a,5bの出力信号を増幅して駆動信号Hout,Loutを出力する。この駆動信号生成回路4は、後述するように、ANDゲート5a,5bと高電圧出力回路6a,6bとが例えばSOIプロセスにて素子分離酸化膜を介して同一ICチップに形成される。
図2は、本実施の形態における駆動回路におけるタイミングチャートである。図2(A),図2(B)に示すように、入力信号HI,LIは、互いに反転した論理レベルのパルス信号である。そして、ANDゲート5aに入力信号HIと、この入力信号HIの外付けCR回路2からの出力とが入力され、入力信号HIの立ち上がり時間がCR回路2の時定数で決定される時間dtだけ遅延された信号HI2が出力される。また、ANDゲート5bに入力信号LIと、この入力信号LIの外付けCR回路3からの出力とが入力され、入力信号LIの立ち上がり時間がCR回路3の時定数で決定される時間dtだけ遅延された信号LI2が出力される。こうしてデッドタイムdtが付加された信号HI2,LI2から、高電圧出力回路6a,6bによりそれぞれ増幅された駆動信号Hout,Loutが出力される。この駆動信号Hout,Loutは、一方の信号の立ち下がりから他方の信号の立ち上がりまでに遅延時間としてデッドタイムdtが付加された信号となっている。これらの出力信号Hout,LoutにてMOSFETのゲートを制御することで、2つのMOSFET間を貫通して電流が流れることを防止することができる。
ここで、上述したように、駆動信号生成回路4の出力である駆動信号Hout,Loutが共にLowになってしまう時間(デッドタイム)の設定制御に影響する要因としては、ICの内部素子のばらつき及び温度変化などに起因する2系統の伝播時間の遅れの差がある。このような要因に対し、本実施の形態における駆動信号生成回路4は、2系統の信号を個別に制御するための素子を同一ICチップ上に形成するため、極めてばらつきの傾向が似たものとすることができ、2系統の信号の伝播遅延時間の差を小さくすることができる。
すなわち、駆動信号生成回路4は、2つのMOSFETを駆動するための2つの駆動信号を生成するために、2系統の入力信号HI、LIからそれぞれ駆動信号Hout,Loutを生成するため、2つのANDゲート5a,5bを1つの基板に形成している。このように、1つの基板に2つのANDゲート5a,5bを形成することにより、これらの素子間のばらつきを一致させることができる。更に、この駆動信号生成回路4は、上述のごとく、高電圧出力回路6a,6bを有しており、同じく同一基板に形成されてなる。したがって、これらすべての素子間のばらつき、特性を一致させることができ、遅延時間を設定制御を正確に行うことができる。
一方で、遅延時間を決定するためのCR回路2,3における抵抗R1,R2とコンデンサC1,C2を、同じく同一ICチップに形成すると、その抵抗の大きさ及び容量の大きさの絶対値のばらつきが大きくなってしまう。これに対して、本実施の形態における時定数設定のためのCR回路2,3は、駆動信号生成回路4とは別の外付け部品とすることにより、高精度の部品を選択、入手して使用することができ時定数を正確に設定することができる。また、入力信号HI及び入力信号LIに対して時定数を設定するためのCR回路2,3を独立して設けることにより、各入力信号HI,LIに対して個別に時定数を設定することができ、更に正確に遅延時間の調整をすることができる。
次に、この駆動回路について更に詳細に説明する。駆動回路1は、CR回路2,3は外付けとするが、それ以外の部分は同一の基板に形成される。図3は、本実施の形態における駆動回路の一部を示す模式図である。図3に示すように、駆動回路は、接地されたシリコン基板21上のシリコン酸化膜22及びシリコン基板23からなるSOI(silicon on insulator)構造の基板に、素子分離酸化膜24により、低圧論理回路部11と、高電圧出力回路12とが分離されて形成される。素子分離酸化膜24に囲まれた領域には、各素子を分離するためにLOCOS(LOCal Oxidation of silicon)法などによりフィールド酸化膜25が形成され、このフィールド酸化膜25に囲まれた領域には、ソース・ドレイン領域26やゲート27が形成された論理回路部11,高電圧出力回路12が形成される。このように、論理回路部11と高電圧出力回路12とは絶縁酸化膜24により完全に分離されることで相互に影響を受けにくく、遅延時間を高精度に設定制御することができる。また、MOSトランジスタを絶縁膜22上の単結晶シリコン基板などのシリコン層に形成することにより、半導体素子の低電圧動作、低消費電力化、及び高速動作が可能となる。
なお、図4に示すように、シリコン基板41上にウェル42を形成して低圧論理回路部31と高圧論理回路部32とPN接合の逆バイアスで分離する接合分離により分離する構造とすると、浮遊容量による結合を生じ、一定時間以上負電圧が印加されるとPN接合が導通して素子が破壊に至る場合がある。従って、必要に応じて、図3に示すようなSOIプロセスによる素子分離構造とすることで、各ブロックが相互に影響を受けないようにし、負電圧印加時にも破壊に至らないICを提供することができる。
本実施の形態においては、時定数設定のためのCR回路のみを外付け部品とすることで、構成部品点数を減らしつつ、高精度のデッドタイムを付与した高耐圧のMOSFET駆動回路を1チップICにて提供することができる。このことにより、精度が高いデッドタイム制御を可能とし、貫通電流の抑制によるFETの破壊対策を図ると共に消費電力を低減することができる。
すなわち、SIOプロセスなどを使用した1チップのICにて駆動信号生成回路4を形成することにより、各素子のばらつきの傾向を一致させると共に、外付け部品とするCR回路において抵抗及び容量のばらつきが小さい部品を入手することができ、極めて高精度な駆動信号を生成することができ、D級アンプに使用する場合には歪等をなくして音質を改善することができる。また、上述の特許文献1及び特許文献2に記載の回路はいずれも、2系統の信号を個別に制御することができないのに対し、本実施の形態における駆動回路は、論理レベルが反転した2つの入力信号に対して個別に時定数を設定するためのCR回路を設け、後段の駆動信号生成回路4においても2系統の駆動信号Hout,Loutを個別に生成するため、特にD級オーディオアンプ用途などに必要な微妙なタイミング制御を行うことができる。
なお、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。例えば、本実施の形態においては、時定数を設定する時定数設定手段を抵抗及びコンデンサからなるCR回路として説明したが、その用途に応じて必要な精度が得られる時定数設定手段を選択すればよく、例えば偶数段で構成されたインバーダなどをCR回路の代わりに使用し、入力信号に対して所定時間遅延させた信号を生成し、ANDゲートに入力するようにしてもよい。また、論理回路としては、ANDゲートに限らず、ORゲートなどのその他の論理回路を適用したものであってもよい。
本発明の実施の形態における駆動回路を示す回路図である。 本発明の実施の形態の駆動回路におけるタイミングチャートを示す図である。 本実施の形態における駆動回路をSOI構造とした場合の一例を示す模式図である。 接合分離プロセスにより生成される駆動回路の一例を示す模式図である。 特許文献1に記載のデッドタイム生成回路を示す回路図である。 図5に示すデッドタイム生成回路におけるタイミングチャートである。 特許文献2に記載のトランステートインバータ回路を示す回路図である。
符号の説明
1 駆動回路 2,3 CR回路4 駆動信号生成回路 5a,5b ANDゲート6a,6b 高電圧出力回路 7a,7b 入力端子 8 負荷部 M1,M2 MOSFETM R1,R2 抵抗 C1,C2 コンデンサ

Claims (6)

  1. 直列に接続された2つのスイッチング素子を駆動する駆動回路において、
    時定数を設定する時定数設定手段と、
    1つの基板に設けられ、互いに論理レベルが異なる2つの入力信号から前記時定数設定手段により設定された時定数だけ遅延させた前記スイッチング素子の駆動信号を生成する駆動信号生成手段とを有し、
    前記時定数設定手段は前記駆動信号生成手段とは別部品からなる
    ことを特徴とする駆動回路。
  2. 前記駆動信号生成手段は、低電圧の論理回路部と高電圧の駆動信号生成部とを有し、該論理回路部と該駆動信号生成部とは絶縁膜上のシリコン層の素子分離酸化膜により互いに分離されて形成される
    ことを特徴とする請求項1記載の駆動回路。
  3. 前記スイッチング素子は、ディジタルアンプ用MOSFETである
    ことを特徴とする請求項1記載の駆動回路。
  4. 前記時定数設定手段は、前記2つの入力信号に対して個別に時定数を設定する
    ことを特徴とする請求項1記載の駆動回路。
  5. 前記時定数設定手段は、抵抗とコンデンサとが直列に接続されたものである
    ことを特徴とする請求項1記載の駆動回路。
  6. 直列に接続された2つのスイッチング素子と、
    前記スイッチング素子を駆動する駆動回路とを備え、
    前記駆動回路は、時定数を設定する時定数設定手段と、1つの基板に設けられ、互いに論理レベルが異なる2つの入力信号から前記時定数設定手段により設定された時定数だけ遅延させた前記スイッチング素子の駆動信号を生成する駆動信号生成手段とを有し、
    前記時定数設定手段は前記駆動信号生成手段とは別部品からなる
    ことを特徴とするディジタルアンプ。

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008172323A (ja) * 2007-01-09 2008-07-24 Nec Electronics Corp デッドタイム制御回路
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JP2017208949A (ja) * 2016-05-19 2017-11-24 三菱電機株式会社 遅延時間補正回路、半導体デバイス駆動回路および半導体装置

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