(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の入力と第２の入力と出力とを有する比較器であって、低電力消費ダイオードの陽極に該第１の入力において接続されると共に該低電力消費ダイオードの陰極に前記第２の入力において接続された比較器と、ここで、該比較器は、前記第１の入力での第１の電圧と前記第２の入力での第２の電圧とを比較して、前記第１の入力での前記第１の電圧が前記第２の入力での第２の電圧よりも大きい場合には、前記出力において信号を出力し、
第１の接合部で前記比較器の前記出力に接続され、第２の接合部で前記低電力消費ダイオードの前記陽極に接続され、第３の接合部で前記低電力消費ダイオードの前記陰極に接続されるスイッチであって、該スイッチは、前記低電力消費ダイオードの前記陽極と前記低電力消費ダイオードの前記陰極とを電子的に接続し、該スイッチの切換えは、前記比較器の前記出力からの前記第１の接合部での信号の検出に応答するものであるスイッチと、
前記低電力消費ダイオードの前記陽極にその陽極で接続され、前記低電力消費ダイオードの前記陰極にその陰極で接続された、陽極および陰極を有するクランプダイオードと
を含んでなる、陽極および陰極を有する低電力消費ダイオード。
【請求項２】
前記比較器が演算増幅器である請求項１に記載の低電力消費ダイオード。
【請求項３】
前記スイッチがトランジスタである請求項２に記載の低電力消費ダイオード。
【請求項４】
前記スイッチは、前記第１の電圧が前記比較器のオフセット電圧分だけ前記第２の電圧を超えたときに動作する請求項１に記載の低電力消費ダイオード。
【請求項５】
オンの時の前記低電圧消費ダイオードの順方向電圧は、オンの時の前記スイッチの第２および第３の接合部の抵抗値と、オンの時の前記スイッチを流れる電流値との積である請求項１に記載の低電力消費ダイオード。
【請求項６】
前記スイッチは、前記第１の電圧が前記比較器のオフセット電圧とヒステリシス電圧との合計分だけ前記第２の電圧を超えたときに動作する請求項１に記載の低電力消費ダイオード。
【請求項７】
オンの時の前記低電圧消費ダイオードの順方向電圧は、オンの時の前記スイッチの第２および第３の接合部の抵抗値と、オンの時の前記スイッチを流れる電流値との積である請求項６に記載の低電力消費ダイオード。
【請求項８】
前記第１の電圧と前記比較器のオフセット電圧との合計が前記第２電圧よりも高い場合には、前記スイッチが動作を停止する請求項６に記載の低電力消費ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は電子回路の分野に関する。この発明は特に、低電力消費ダイオードに関する。
【０００２】
【発明の背景】
コンピュータから自動車や、ロケット、時計に及ぶ今日の電子製品は、数個から数１００万個にも及ぶ部品を互いに接続することによって構成されている。複雑な電子製品は数００万個もの部品を含んでいることがあるが、これらの部品のうちで別の種類の部品と真に異なっているものは少数である。電気技師の初心者は、異なる種類の部品が正に、簡単なものから複雑なものまで、全ての電子回路の構成ブロックであるので、それらの部品の全てを習得することになる。
【０００３】
以下の４種類の部品、すなわち抵抗、コンデンサ、トランジスタ及びダイオードは、ほとんど全ての電気回路に使用できるような不可欠な構成ブロックである。ダイオードは、それによって電流が意図する方向だけに流れ、意図しない方向には流れないことを保証するので、不可欠な構成ブロックであると見なされている。ダイオードがなければ、ほとんどの電子製品は簡単には動作しないであろう。
【０００４】
ダイオードはほとんどの電子製品の不可欠な部品であるが、問題がない訳ではない。その一つは、ダイオードは一般に、動作するために約０．７Ｖの順方向電圧を必要とし、かつダイオードはこの順方向電圧に比例して電力を散逸することである。テレビや電子レンジ等の家庭用電圧で給電される多くの家庭用電子製品は回路内のダイオードの電力消費を許容できるが、計算機やテープデッキ、携帯用ファミコン、小型コンピュータのようなバッテリによって給電される電子製品ではそのような電力消費は許容されない。このような製品では、上記の電力消費はバッテリの寿命の短縮に直接関係する。そしてバッテリの寿命が短くなることは製品の有用性に直接影響する。
【０００５】
電力消費が少ない低電力消費ダイオードを製造する試みの一つは米国特許明細書第３，５９９，３２３号に開示されている。この特許で開示されたダイオードは前処理されたＰ−型シリコン表面に気化クロムを蒸着することによって特製されたホットキャリヤ・ダイオードである。通電はクロム・シリコン境界面の比較的低い障壁への、シリコンからのホットホールのショットキ放出によって行われる。この特許のダイオードは順方向電圧を０．７Ｖから０．３Ｖに低減することにより電力消費を低下できるものの、コストが高く、製造が困難である。加えて、０．３Ｖの順方向電圧でも相当の電力が失われバッテリ給電式の製品やその他の低消費電力製品にとっては不都合である。
【０００６】
【発明の目的】
従って本発明の目的はダイオードとスイッチとを組み合わせて低電力消費のダイオード機能を有するダイオード回路により上記の問題点を解消することにある。
【０００７】
【発明の概要】
本発明のダイオード回路において低電力消費ダイオードはダイオードの陽極と陰極の電圧を比較する比較器を有している。比較器によって、低電力消費ダイオードの陽極の電圧が、低電力消費ダイオードの陰極の電圧と等しいか、所定の順方向電圧分だけ高いことが判定されると、信号が発生される。この信号がスイッチの動作を行うトランジスタをターンオンし、ひいては低電力消費ダイオードの陽極と陰極を互いに電子的に接続する。
【０００８】
【実施例】
図１は従来のダイオードを示している。ダイオード１０は陽極配線１１と陰極配線１２とを有している。電流が陽極配線１１から陰極配線１２へと導通するようにダイオード１０を起動するために必要な順方向電圧をＶＦＯとする。
【０００９】
図２は本発明の実施例での低電力消費ダイオード回路１００を示している。ダイオード１０と同様に、低電力消費ダイオード回路１００は陽極配線１０１と陰極配線１０２とを有している。ダイオード１０とは異なり、低電力消費ダイオード回路１００は２つの付加的な線、すなわち電圧線１０３と１０４とを有している。電流が陽極配線１０１から陰極配線１０２へと導通するようにダイオード回路１００を起動するために必要な順方向電圧をＶＦＮとする。
【００１０】
図３は図１の従来のダイオードの順方向電圧の特性を図２の低電力消費ダイオード回路のそれと比較したグラフを示している。ダイオード特性曲線５０は従来のダイオード１０の動作に対応する曲線であり、一方、ダイオード特性曲線５００は低電力消費ダイオード回路１００の動作に対応した曲線である。曲線５０は、ダイオード１０のＶＦＯが約０．７Ｖに達するまでは、電流Ｉがゼロである（すなわち、僅かな漏れ電流を除いて通電しない）ことを示している。約０．７Ｖの電圧で、ダイオード１０はターンオンし、電流が陽極配線１１と陰極配線１２の間を流れることができる。
【００１１】
曲線５００は、ダイオード回路１００のＶＦＮが約０．２５ｍＶの極めて低い電圧に達するまでは、電流Ｉがゼロである（すなわち、僅かな漏れ電流を除いて通電しない）ことを示している。約０．２５ｍＶで、ダイオード回路１００はターンオンし、電流が陽極配線１０１と陰極配線１０２の間を流れることができる。
【００１２】
図４は本発明の実施例の低電力消費ダイオード回路をより詳細に示している。低電力消費ダイオード回路１００は比較器１１０と、スイッチ１２０と、ダイオード１３０とを含んでいる。比較器１１０は電圧配線１０３及び１０４によって給電される。実施例では、電圧配線１０３は＋Ｖの電圧レベル、代表的には＋１．５Ｖから＋１５．０Ｖにできる。電圧配線１０４は、アースされていてもよいが、−Ｖの電圧レベル（すなわち−１．５Ｖから−１５．０Ｖ）としてもよい。
【００１３】
比較器１１０は２つの入力を有している。陽極配線１０１は一方の入力に接続され、陰極配線１０２は他方の入力に接続されている。陽極配線１０１の電圧が、陰極配線１０２の電圧より０．２５ｍＶ高い所定の順方向電圧と等しいか、それ以下である場合は、比較器１０１は出力線１１５で低論理レベル信号を出力する。しかし、陽極配線１０１の電圧が陰極配線１０２の電圧より所定の順方向電圧分を超える場合は、比較器１１０は出力線１１５に高論理レベル信号を出力する。
【００１４】
この実施例では、スイッチ１２０はゲートが出力線１１５に接続され、ソースが陽極配線１０１に接続され、ドレンが陰極配線１０２に接続されたＮ−ＭＯＳＦＥＴトランジスタである。便宜上、“ソース”、“ゲート”及び“ドレン”という用語は、スイッチ１２０がＦＥＴトランジスタ、バイポーラ型トランジスタ、又はその他の同様のトランジスタのどれであるかを問わず、スイッチ１２０の３つの接合部を表すことにする。実施例では、スイッチ１２０は米国インターナショナル・レクチファイア・コーポレーション製のＩＲＦ１０１０である。
【００１５】
スイッチ１２０は、比較器１１０の出力線１１５が低論理レベルにある場合は“遮断”位置にある。しかし、出力線１１５に高論理レベル信号がある場合は、スイッチ１２０は“導通”に切換わり、陽極配線１０１を陰極配線１０２と電子的に接続する。それによって低電力消費ダイオード回路１００は“導通”に切換わる。前述のように、スイッチ１２０は、陽極配線１０１の電圧が陰極配線１０２の電圧よりも約０．２５ｍＶだけ高い場合には、導通する。
【００１６】
再度図４を参照すると、クランプ・ダイオード１３０は従来形のダイオードであり、比較器１１０とスイッチ１２０との切換え速度が陽極配線１０１にある入力信号の切換え速度よりも遅い場合に備えて低電力消費ダイオード回路１００内に備えられている。例えば、陽極配線１０１にある入力信号が１００ｎｓの速度で低レベルから高レベルに移行し、又、比較器１１０とスイッチ１２０との切換え速度が１μｓである場合は、この遅延期間中に電圧ＶＦＮは所望のレベルを超過するので、入力信号が切換わる時点と、比較器１１０とスイッチ１２０とが切換わる時点との間にエネルギ消費が生ずる。クランプ・ダイオード１３０は、超過電圧量を一定の通常のダイオード電圧、すなわち０．７Ｖにクランプすることによって上記のエネルギ消費を最小限に抑止する。比較器１１０とスイッチ１２０の切換え速度が入力信号の切換え速度よりも速いか、又は、上記の遅延期間中に極めて僅かな電力消費が許容される場合には、クランプ・ダイオード１３０は必要ない。
【００１７】
図５Ａは図４に示した低電力消費ダイオード回路の好ましい比較器をより詳細に示している。比較器１１０はトランジスタ１０６及び１０７と、プルアップ抵抗１０８とからなる非反転バッファ回路を備えた演算増幅器１０５を含んでいる。この実施例では、演算増幅器１０５はバーブラウン・コーポレーション製のＯＰＡ３７演算増幅器である。演算増幅器１０５の出力が低レベルになると、トランジスタ１０７が導通し、出力線１１５が（電圧配線１０４を経て）低レベルになり、浮動しないための固体経路を与える。演算増幅器１０５の出力が高レベルに切換わると、トランジスタ１０６が導通し、電流は配線１０３からトランジスタ１０６を経て出力線１１５に通電し、それによって出力線１１５が高レベルになり、高レベルに留まるための固体経路を付与する。
【００１８】
図５Ａに示した比較器を図４に示した低電力消費ダイオード回路に使用した場合、低電力消費ダイオード回路はダイナミック・ダイオードと呼ばれる。このダイナミック・ダイオードはゼロ電圧交叉（すなわち負の電圧から正の電圧への移行）を経て、ダイオードがゼロ交叉の周囲で振動する時間がないほど急速に切換わる。
【００１９】
図６Ａは、図５Ａの比較器を使用した場合、及び演算増幅器１０５がその電圧範囲の頂点−−０．２５ｍＶで固有オフセット電圧ＶＯＳを有するＯＰＡ３７型演算増幅器である場合の、図３と同様のグラフをより詳細に示している。図３に関して前述したように、ダイオード特性曲線５００は、低電力消費ダイオード回路１００のＶＦＮがポイント５２０で示す約０．２５ミリＶの極めて低い順方向電圧に達するまで、電流Ｉがゼロである（すなわち電流が流れない）ことを示している。ポイント５２０で低電力消費ダイオード回路１００は導通し、電流は陽極配線１０１と陰極配線１０２との間を流れることができる。順方向電圧がダイオードのシリコン接合部の物理的な半導体特性で決まる従来形のダイオードにおけるとは異なり、低電力消費ダイオード回路１００の順方向電圧はＶＯＳ、すなわち演算増幅器１０５のオフセット電圧によって予め定められている。
【００２０】
ポイント５２０で、ダイオード特性曲線はポイント５３０に跳上がり、ＶＦＮ＝ＶＤＳＯＮとなる。ＶＤＳＯＮはスイッチ１０２が導通である場合のスイッチ１０２のドレンとソースの間の抵抗（ＲＤＳＯＮ）と、スイッチ１０２が導通である場合にスイッチ１０２のソースとドレンの間を流れる電流との積に等しい。実施例で使用されるＩＲＦ１０１０型スイッチは０．０１４Ωの指定ＲＤＳＯＮ値を有している。図６Ａのポイント５４０で示すように、ＶＦＮがＶＯＳを超えると、低電力消費ダイオード回路１００が導通になり、ＶＦＮは依然としてＩ＊ＲＤＳＯＮと等しい。技術が進歩し、ＲＤＳＯＮの値を低下させることができるので、ＶＤＳＯＮの値を更に低い値にすること（すなわちポイント５３０の上の傾斜がより急になる）を達成可能であることが当業者には明らかであろう。加えて、当業者には、スイッチ１０２の代わりに並列に接続した複数個のスイッチを使用すれば、ＲＤＳＯＮの値をさらに低減できることが理解されよう。
【００２１】
実施例ではＮ−ＭＯＳトランジスタを使用することとしているが、その他の素子を使用することもでき、それも本発明の趣旨と範囲に含まれる。例えば、Ｐ−ＭＯＳ、ＪＦＥＴ、センスＦＥＴ（ソースに電流検出用抵抗を埋めこんだＦＥＴ）、又は低飽和電圧型バイポーラ・トランジスタでも使用できよう。これらの代替素子を使用した場合は、低電力消費ダイオード回路の順方向電圧を算定するために使用される特性と技術用語が多少異なるであろう。例えば、センスＦＥＴを使用した場合は、ＶＤＳＯＮはＲＤＳＯＮとＩＳＥＮＣＥ  との積によって算定される。
【００２２】
図５Ｂは図４の低電力消費ダイオードの別の比較器をより詳細に示している。比較器１１０ｂは、一対の抵抗１１１と１１２、及び調整電圧源１１３を備えたことを除いて、図５Ａの比較器１１０と全く同様である。図５Ｂに示した比較器を図４に示した低電力消費ダイオード回路に使用した場合は、低電力消費ダイオード回路は汎用ダイオードと呼ぶことができる。汎用ダイオードはゼロ電圧交叉を経て遅い速度で切換わることがあるので、不都合な振動が生ずる場合がある。この振動の問題を回避するために一対の抵抗１１１と１１２がヒステリシスを生成する。演算増幅器１０５の固有オフセット電圧はＶＯＳと呼ばれ、一般的には低い負電圧から低い正電圧の範囲で変化する。このオフセット電圧の範囲は、一般に比較器が安価である場合ほど大きく、演算増幅器１０５をトリミングすればほぼゼロまで低減できる。調整電圧源１１３は、ＶＡＤＪ  とＶＯＳとの組合せが正であり、従って逆バイアス・モードでの通電を確実に回避するように、既知の正電圧を供給するためにこの種類の回路で使用される従来形の電圧源である。
【００２３】
図６Ｂは、図５Ｂの比較器を使用した場合の図３のグラフをより詳細に示している。図６Ａの場合と同様に、順方向電圧はポイント５６０の上のＲＤＳＯＮによって定められる。しかし、ダイオード回路１００は順方向電圧がＶＯＳ＋ＶＡＤＪ  （演算増幅器１０５の固有オフセット＋調整電圧源１１３）＋ＶＨＹＳ  （抵抗１１２及び１１３の作用によるヒステリシス電圧）と等しいか、これを超えるまでは導通しない。このことはポイント５５０で示されている。ダイオード１１１は、順方向電圧がＶＯＳ＋ＶＡＤＪ  以下であるか、これと等しい場合には導通する。このことはポイント５８０で示されている。
【００２４】
実施例では、低電力消費ダイオード回路１００は従来の製造技術を利用して配線１０１−１０４に対応する４本のリード線を有するＶＬＳＩとして構成されているが、スペースに余裕があり、製造量の点で許容されるならば、等価の回路を在庫の素子から構成することもできよう。加えて、適宜の異なる技術を利用して、比較器とスイッチのの特性を別個に最適化するために、ハイブリッド・チップと配線部品を使用することもできよう。
以下に本発明の実施態様のいくつかをしめす。
【００２５】
（請求項１）
陽極と陰極とを有する低電力消費ダイオード回路であって、
前記陽極を陽極とし前記陰極を陰極とするダイオードと、
第１入力と第２入力、出力とを有し、前記第１入力が前記陽極に接続され、前記第２入力が前記陰極に接続され、前記第１入力の電圧が前記第２入力の電圧よりも高い場合は、前記出力に信号を出力する比較器と、
第１及び第２、第３接合部を有し、前記第１接合部が前記出力に接続され、前記第２接合部は前記陽極に接続され、かつ前記第３接合部は前記陰極に接続されたスイッチとを備え、
前記スイッチは、前記信号に応じて前記陽極と前記陰極とを電子的に接続する低電力消費ダイオード回路。
【００２６】
（実施態様２）
前記スイッチは、前記第１電圧が前記第２電圧を、前記比較器のオフセット電圧分だけ超えたときに動作する求項１に記載の低電力消費ダイオード回路。
（実施態様３）
前記低電力消費ダイオードの順方向電圧が、前記第２と第３接合部の間の抵抗値と、該第２と第３接合部の間を流れる電流値との積である構成の実施態様１に記載の低電力消費ダイオード回路。
（実施態様４）
前記比較器が演算増幅器である実施態様１に記載の低電力消費ダイオード回路。
【００２７】
（実施態様５）
前記スイッチがトランジスタである実施態様１に記載の低電力消費ダイオード回路。
（実施態様６）
前記陽極を陽極とし前記陰極を陰極として有するクランプ・ダイオードを更に備える実施態様１に記載の低電力消費ダイオード回路。
（実施態様７）
前記比較器が演算増幅器である実施態様６に記載の低電力消費ダイオード回路。
（実施態様８）
前記スイッチがトランジスタである実施態様７に記載の低電力消費ダイオード回路。
【００２８】
（実施態様９）
前記スイッチは、前記第１電圧が前記第２電圧を、前記比較器のオフセット電圧とスヒステリシス電圧との合計分だけ超えたときに動作する構成の実施態様１に記載の低電力消費ダイオード回路。
（実施態様１０）
前記低電力消費ダイオード回路が導通である場合の順方向電圧が、前記スイッチが導通である場合の前記第２と第３接合部の間の抵抗値と前記スイッチを流れる電流値との積である構成の実施態様９に記載の低電力消費ダイオード回路。
（実施態様１１）
前記第１電圧と、前記比較器の前記オフセット電圧との合計が前記第２電圧よりも高い場合には前記スイッチが動作を停止する構成の実施態様９に記載の低電力消費ダイオード回路。
【００２９】
（実施態様１２）
陽極と陰極とを有する低電力消費ダイオード回路であって、
前記陽極を陽極とし前記陰極を陰極とするダイオード手段と、
前記陽極に接続された第１入力と、前記陰極に接続された第２入力と出力とを有し、前記第１入力の電圧が前記第２入力の電圧よりも高い場合は、前記出力に高論理レベル信号を出力する比較手段と、
第１と、第２、第３接合部を有し、前記第１接合部が前記出力に接続され、前記第２接合部が前記陽極に接続され、かつ、前記第３接合部が前記陰極に接続されたスイッチ手段とを備え、
前記スイッチ手段は、前記陽極と前記陰極が電子的に接続されるように前記低電力消費ダイオード回路を切換えるスイッチ手段であり、前記切換えは前記第１接合部での前記比較器の出力からの信号の検出に応答して行われる構成の低電力消費ダイオード回路。
【００３０】
（実施態様１３）
前記スイッチ手段は、前記陽極の電圧が前記陰極の電圧を、前記比較器のオフセット電圧分だけ超えたときに動作する実施態様１２に記載の低電力消費ダイオード回路。
（実施態様１４）
前記低電力消費ダイオード回路が導通である場合の前記低電力消費ダイオード回路の順方向電圧が、前記スイッチ手段が導通である場合の前記スイッチの前記第２と第３の接合部の間の抵抗値と、前記スイッチ手段を流れる電流値との積である実施態様１２に記載の低電力消費ダイオード回路。
（実施態様１５）
陽極と陰極とを有するダイオードにソースとドレンとを有するスイッチを接続してなり、
前記スイッチは、前記ダイオードが導通である場合の前記ダイオードの順方向電圧が、前記スイッチが導通である場合の前記スイッチの前記ソースと前記ドレンの間の抵抗値と、前記スイッチが導通である場合に前記スイッチを導通する電流値との積である低電力消費ダイオード回路。
【００３１】
【発明の効果】
（ダイオードの物理的なシリコン接合特性に応じて）約０．７Ｖの順方向電圧を有する従来のダイオードとは異なり、本発明の低電力消費ダイオード回路はたとえば０．２５ｍＶの低い順方向電圧を有するダイオード機能を提供している。したがって電力消費の小さいダイオード機能により低電力消費回路の実現が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来形のダイオードを示す図である。
【図２】本発明の実施例の低電力消費ダイオード回路である。
【図３】図１の従来形の順方向電圧特性と図２の低電力消費ダイオード回路のそれとを比較したグラフである。
【図４】本発明の実施例の低電力消費ダイオード回路の詳細回路図である。
【図５Ａ】図４に示した低電力消費ダイオードの好適な比較器の詳細図である。
【図５Ｂ】図４の低電力消費ダイオード回路の別の比較器の詳細回路図である。
【図６Ａ】図５Ａの比較器を使用した場合の、図３のグラフをより詳細に示したグラフである。
【図６Ｂ】図５Ｂの比較器を使用した場合の、図３のグラフをより詳細に示したグラフである。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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