JP2009290704A - Differential amplifier circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本願の開示は、一般に増幅回路に関し、詳しくは差動増幅回路に関する。 The present disclosure generally relates to amplifier circuits, and more particularly to differential amplifier circuits.
全差動型オペアンプにおいては、同相信号を出力から入力へフィードバックすることによりコモンモード電圧を制御する。また差動の入力段と出力段の間に帰還容量を設けることにより、同相信号と差動信号との両方に対して位相補償を行なっている。 In a fully differential operational amplifier, a common mode voltage is controlled by feeding back an in-phase signal from an output to an input. Further, by providing a feedback capacitor between the differential input stage and the output stage, phase compensation is performed for both the in-phase signal and the differential signal.
図1は、全差動型オペアンプに対するコモンモードフィードバックの構成の一例を示す図である。オペアンプ10の差動信号出力をそれぞれ抵抗R1及びR2を介して入力に負帰還することにより、入力端子側の抵抗R5及びR6の抵抗値と抵抗R1及びR2の抵抗値とで増幅率が定まる増幅器を構成している。またオペアンプ10の第1の差動信号出力(+側)は、並列接続された容量C1及び抵抗R5を介して比較器11の反転入力に供給される。更にオペアンプ10の第2の差動信号出力(−側)は、並列接続された容量C2及び抵抗R6を介して比較器11の反転入力に供給される。抵抗R5と抵抗R6との抵抗値は等しく、第1の差動信号出力の電位と第2の差動信号出力の電位との中間電位が比較器11の反転入力に印加される。また容量C1及び容量C2により、オペアンプ10の差動信号出力電流の高い周波数での変動を吸収することにより、比較器11の反転入力には、第1の差動信号出力の電位と第2の差動信号出力の電位との中間電位の時間平均が印加されることになる。比較器11は、この平均化された中間電位と参照電位VREFとを比較し、比較結果を示す電圧信号をオペアンプ10にコモンモードフィードバックとして供給する。
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a configuration of common mode feedback for a fully differential operational amplifier. An amplifier whose amplification factor is determined by the resistance values of the resistors R5 and R6 on the input terminal side and the resistance values of the resistors R1 and R2 by negatively feeding back the differential signal output of the
図2は、オペアンプ10の構成の一例を示す図である。図2に示すオペアンプ10は、PMOSトランジスタ21乃至25、NMOSトランジスタ26乃至29、抵抗R7、抵抗R8、容量C3、及び容量C4を含む。PMOSトランジスタ21及び23のゲートにはバイパス電圧BPが印加され、PMOSトランジスタ22のゲートにはバイパスコモン電圧BPCが印加される。PMOSトランジスタ22、PMOSトランジスタ24及び25、及びNMOSトランジスタ28及び29が、オペアンプ10の差動入力段を構成する。NMOSトランジスタ28及び29のゲートに共通に印加されるコモンフィードバック信号CMは、図1に示す比較器11の出力信号である。比較器11によりコモンフィードバック信号CMを調整することにより、オペアンプ10の第1の差動信号出力OUT_PLUSの平均電圧と第2の差動信号出力OUT_MINUSの平均電圧との中間の電位が基準電位VREFに等しくなるように制御される。
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the configuration of the
差動入力段のPMOSトランジスタ25のゲートには第1の差動信号入力IN_PLUSが印加される。また差動入力段のPMOSトランジスタ24のゲートには第2の差動信号入力IN_MINUSが印加される。PMOSトランジスタ24及び25のドレイン端が差動入力段の出力であり、それぞれNMOSトランジスタ26及び27のゲートに印加される。
The first differential signal input IN_PLUS is applied to the gate of the
NMOSトランジスタ27とPMOSトランジスタ23とが、オペアンプ10の第1の単相出力段を構成する。NMOSトランジスタ27のドレイン端が第1の単相出力段の出力即ちオペアンプ10の第1の差動信号出力となる。即ち、NMOSトランジスタ27のドレイン端からは、第1の差動信号OUT_PLUSが出力される。
The
NMOSトランジスタ26とPMOSトランジスタ21とが、オペアンプ10の第2の単相出力段を構成する。NMOSトランジスタ26のドレイン端が第2の単相出力段の出力即ちオペアンプ10の第2の差動信号出力となる。即ち、NMOSトランジスタ26のドレイン端からは、第2の差動信号OUT_MINUSが出力される。
The
オペアンプ10においては、同相信号と差動信号との位相補償のために帰還容量C3及びC4を設けている。具体的には、直列接続された容量C4と抵抗R8とにより、第1の単相出力段の出力と入力との間を接続している。即ち、NMOSトランジスタ27のドレイン端とゲート端とを、直列接続された容量C4と抵抗R8とにより接続している。また直列接続された容量C3と抵抗R7とにより、第2の単相出力段の出力と入力との間を接続している。即ち、NMOSトランジスタ26のドレイン端とゲート端とを、直列接続された容量C3と抵抗R7とにより接続している。
In the
この帰還容量C4及びC3により、第1及び第2の単相出力段の高周波領域におけるゲインを下げる。これにより位相補償を行い、図1に示されるように同相信号と差動信号との双方に対して負帰還をかけた構成において、発振のない安定した動作を実現することができる。 The feedback capacitors C4 and C3 reduce the gain in the high frequency region of the first and second single-phase output stages. Thereby, phase compensation is performed, and stable operation without oscillation can be realized in a configuration in which negative feedback is applied to both the in-phase signal and the differential signal as shown in FIG.
一般に、オペアンプが差動信号に対し高速に動作することが望ましい。高速に動作させるためには、高周波領域でのゲインを高くする必要があり、差動信号に対するユニティゲイン周波数(利得が1である周波数)が高くなるように位相補償容量を調整することになる。しかし図2の位相補償容量C3及びC4を小さくして差動信号に対するユニティゲイン周波数を高くしようとすると、同相信号に対するユニティゲイン周波数も高くなってしまい、同相信号に対する十分な位相余裕を確保できなくなるという問題がある。逆に、同相信号に対して十分な位相余裕を確保できるように位相補償容量を調整すると、差動信号に対するユニティゲイン周波数が低くなり、高速な動作が実現できない。
以上を鑑みて、同相信号に対して十分な位相余裕を確保しながら差動信号に対する高速動作を実現可能な差動増幅回路が望まれる。 In view of the above, a differential amplifier circuit capable of realizing a high-speed operation for a differential signal while ensuring a sufficient phase margin for the in-phase signal is desired.
第1の構成による差動増幅回路は、入力端に印加される差動入力信号を増幅する差動入力段と、前記差動入力段の第1の出力端に結合される第1の単相出力段と、前記差動入力段の第2の出力端に結合される第2の単相出力段と、前記第1の出力端と前記第1の単相出力段の出力との間を結合する第1の容量と、前記第2の出力端と前記第2の単相出力段の出力との間を結合する第2の容量と、前記第1の出力端と前記第2の単相出力段の出力との間を結合する第3の容量と、前記第2の出力端と前記第1の単相出力段の出力との間を結合する第4の容量とを含むことを特徴とする。 A differential amplifier circuit according to a first configuration includes a differential input stage for amplifying a differential input signal applied to an input terminal, and a first single phase coupled to a first output terminal of the differential input stage. Coupling between an output stage, a second single-phase output stage coupled to a second output terminal of the differential input stage, and an output of the first output terminal and the first single-phase output stage A first capacitor, a second capacitor coupling between the second output terminal and the output of the second single-phase output stage, the first output terminal and the second single-phase output. And a third capacitor coupled between the output of the stage and a fourth capacitor coupled between the output of the second output terminal and the output of the first single-phase output stage. .
また第2の構成による差動増幅回路は、入力端に印加される差動入力信号を増幅する差動入力段と、前記差動入力段の第1の出力端に結合される第1の単相出力段と、前記差動入力段の第2の出力端に結合される第2の単相出力段と、切り替え信号に応じて容量結合による帰還経路の接続を切り替える帰還回路とを含み、前記帰還回路は、前記切り替え信号の第1の状態において前記第1の出力端と前記第1の単相出力段の出力との間及び前記第2の出力端と前記第2の単相出力段の出力との間をそれぞれ容量を介して結合し、前記切り替え信号の第2の状態において前記第1の出力端と前記第2の単相出力段の出力との間及び前記第2の出力端と前記第1の単相出力段の出力との間をそれぞれ容量を介して結合することを特徴とする。 The differential amplifier circuit according to the second configuration includes a differential input stage that amplifies a differential input signal applied to an input terminal, and a first single unit coupled to the first output terminal of the differential input stage. A phase output stage, a second single-phase output stage coupled to a second output terminal of the differential input stage, and a feedback circuit that switches connection of a feedback path by capacitive coupling according to a switching signal, A feedback circuit is provided between the first output terminal and the output of the first single-phase output stage in the first state of the switching signal and between the second output terminal and the second single-phase output stage. And outputs between the first output terminal and the output of the second single-phase output stage in the second state of the switching signal, and the second output terminal, respectively. The outputs of the first single-phase output stage are respectively coupled via capacitors.
第1の単相出力段については、第1の容量と第4の容量との和が同相信号に対するフィードバック容量となり、第1の容量と第4の容量との差が差動信号に対するフィードバック容量となる。また同様に、第2の単相出力段については、第2の容量と第3の容量との和が同相信号に対するフィードバック容量となり、第2の容量と第3の容量との差が差動信号に対するフィードバック容量となる。このようにして、差動信号に対するフィードバック容量を削減して差動信号の動作速度を高めながら、同相信号に対するフィードバック容量を増加して同相信号の位相余裕を十分に確保することができる。 For the first single-phase output stage, the sum of the first capacitor and the fourth capacitor becomes the feedback capacitor for the in-phase signal, and the difference between the first capacitor and the fourth capacitor is the feedback capacitor for the differential signal. It becomes. Similarly, for the second single-phase output stage, the sum of the second capacitor and the third capacitor becomes the feedback capacitor for the in-phase signal, and the difference between the second capacitor and the third capacitor is the differential. This is the feedback capacity for the signal. In this way, while reducing the feedback capacity for the differential signal and increasing the operation speed of the differential signal, it is possible to increase the feedback capacity for the in-phase signal and sufficiently secure the phase margin of the in-phase signal.
以下に、本発明の実施例を添付の図面を用いて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図3は、オペアンプ30の構成の一例を示す図である。図3に示すオペアンプ30は、図2のオペアンプ10と同様に、図1に示されるように同相信号と差動信号との双方に対して負帰還をかけた構成において用いることができる。 FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the configuration of the operational amplifier 30. The operational amplifier 30 shown in FIG. 3 can be used in a configuration in which negative feedback is applied to both the in-phase signal and the differential signal as shown in FIG.
PMOSトランジスタ31乃至35、NMOSトランジスタ36乃至39、抵抗R10乃至R13、及び容量C10乃至C13を含む。PMOSトランジスタ31及び33のゲートにはバイパス電圧BPが印加され、PMOSトランジスタ32のゲートにはバイパスコモン電圧BPCが印加される。PMOSトランジスタ32、PMOSトランジスタ34及び35、及びNMOSトランジスタ38及び39が、オペアンプ30の差動入力段を構成する。NMOSトランジスタ38及び39のゲートに共通に印加されるコモンフィードバック信号CMは、例えば図1に示す構成においてオペアンプ10をオペアンプ30で置き換えた場合の比較器11の出力信号である。比較器11によりコモンフィードバック信号CMを調整することにより、オペアンプ30の第1の差動信号出力OUT_PLUSの平均電圧と第2の差動信号出力OUT_MINUSの平均電圧との中間の電位が基準電位VREFに等しくなるように制御される。
It includes
差動入力段のPMOSトランジスタ35のゲートには第1の差動信号入力IN_PLUSが印加される。また差動入力段のPMOSトランジスタ34のゲートには第2の差動信号入力IN_MINUSが印加される。PMOSトランジスタ34及び35のドレイン端が差動入力段の出力であり、それぞれNMOSトランジスタ36及び37のゲートに印加される。
The first differential signal input IN_PLUS is applied to the gate of the
NMOSトランジスタ37とPMOSトランジスタ33とが、オペアンプ30の第1の単相出力段を構成する。NMOSトランジスタ37のドレイン端が第1の単相出力段の出力即ちオペアンプ30の第1の差動信号出力となる。即ち、NMOSトランジスタ37のドレイン端からは、第1の差動信号OUT_PLUSが出力される。
The
NMOSトランジスタ36とPMOSトランジスタ31とが、オペアンプ30の第2の単相出力段を構成する。NMOSトランジスタ36のドレイン端が第2の単相出力段の出力即ちオペアンプ30の第2の差動信号出力となる。即ち、NMOSトランジスタ36のドレイン端からは、第2の差動信号OUT_MINUSが出力される。
The
このようにして、差動入力段は、入力端(PMOSトランジスタ35及び34のゲート端)に印加される差動入力信号(IN_PLUS及びIN_MINUS)を増幅し、第1の出力端及び第2の出力端から増幅後の信号を出力する。差動入力段の第1の出力端であるPMOSトランジスタ35のドレインには、NMOSトランジスタ37とPMOSトランジスタ33を含む第1の単相出力段が結合されている。また差動入力段の第2の出力端であるPMOSトランジスタ34のドレインには、NMOSトランジスタ36とPMOSトランジスタ31を含む第2の単相出力段が結合されている。
In this way, the differential input stage amplifies the differential input signals (IN_PLUS and IN_MINUS) applied to the input ends (the gate ends of the
オペアンプ30においては、同相信号と差動信号との位相補償のために帰還容量C10及びC11を設けている。具体的には、直列接続された容量C11と抵抗R11とにより、第1の単相出力段の出力と入力との間を接続している。即ち、NMOSトランジスタ37のドレイン端とゲート端とを、直列接続された容量C11と抵抗R11とにより接続している。また直列接続された容量C10と抵抗R10とにより、第2の単相出力段の出力と入力との間を接続している。即ち、NMOSトランジスタ36のドレイン端とゲート端とを、直列接続された容量C10と抵抗R10とにより接続している。
In the operational amplifier 30, feedback capacitors C10 and C11 are provided for phase compensation between the in-phase signal and the differential signal. Specifically, the output and input of the first single-phase output stage are connected by a capacitor C11 and a resistor R11 connected in series. That is, the drain end and the gate end of the
また更にオペアンプ30においては、差動信号に対する動作速度を増大しながら同相信号の位相余裕を補償するために、帰還容量C12及びC13を設けている。具体的には、直列接続された容量C13と抵抗R13とにより、第1の単相出力段の出力と差動入力段の第2の出力との間を接続している。即ち、NMOSトランジスタ37のドレイン端とPMOSトランジスタ34のドレイン端とを、直列接続された容量C13と抵抗R13とにより接続している。また直列接続された容量C12と抵抗R12とにより、第2の単相出力段の出力と差動入力段の第1の出力との間を接続している。即ち、NMOSトランジスタ36のドレイン端とPMOSトランジスタ35のドレイン端とを、直列接続された容量C12と抵抗R12とにより接続している。
Further, in the operational amplifier 30, feedback capacitors C12 and C13 are provided in order to compensate for the phase margin of the in-phase signal while increasing the operation speed for the differential signal. Specifically, the capacitor C13 and the resistor R13 connected in series connect the output of the first single-phase output stage and the second output of the differential input stage. That is, the drain end of the
このようにして、第1の容量C11が第1の出力端(PMOSトランジスタ35のドレイン端)と第1の単相出力段の出力(NMOSトランジスタ37のドレイン端)との間を結合する。また第2の容量C10が第2の出力端(PMOSトランジスタ34のドレイン端)と第2の単相出力段の出力(NMOSトランジスタ36のドレイン端)との間を結合する。また第3の容量C12が第1の出力端(PMOSトランジスタ35のドレイン端)と第2の単相出力段の出力(NMOSトランジスタ36のドレイン端)との間を結合する。また更に第4の容量C13が第2の出力端(PMOSトランジスタ34のドレイン端)と第1の単相出力段の出力(NMOSトランジスタ37のドレイン端)との間を結合する。 In this way, the first capacitor C11 couples between the first output terminal (the drain terminal of the PMOS transistor 35) and the output of the first single-phase output stage (the drain terminal of the NMOS transistor 37). The second capacitor C10 couples between the second output terminal (the drain terminal of the PMOS transistor 34) and the output of the second single-phase output stage (the drain terminal of the NMOS transistor 36). The third capacitor C12 couples between the first output terminal (the drain terminal of the PMOS transistor 35) and the output of the second single-phase output stage (the drain terminal of the NMOS transistor 36). Further, the fourth capacitor C13 couples between the second output terminal (the drain terminal of the PMOS transistor 34) and the output of the first single-phase output stage (the drain terminal of the NMOS transistor 37).
図4は、図3の差動増幅回路における同相信号成分のフィードバックについて説明するための図である。図4において、図3と同一の構成要素は同一の番号で参照し、その説明は省略する。 FIG. 4 is a diagram for explaining feedback of the in-phase signal component in the differential amplifier circuit of FIG. 4, the same components as those in FIG. 3 are referred to by the same numerals, and a description thereof will be omitted.
電圧波形41は、NMOSトランジスタ37のゲート端に印加される電圧の同相信号成分を示す。電圧波形42は、NMOSトランジスタ36のゲート端に印加される電圧の同相信号成分を示す。また電圧波形43は、NMOSトランジスタ37のドレイン端に現れるオペアンプ出力電圧OUT_PLUSの同相信号成分を示す。更に電圧波形44は、NMOSトランジスタ36のドレイン端に現れるオペアンプ出力電圧OUT_MINUSの同相信号成分を示す。同相信号成分について示しているので、正側と負側とで各電圧波形は同相の同一波形となる。
A
容量C11によりNMOSトランジスタ37のドレイン端からゲート端へフィードバックされる電流が電流I1として示されている。また容量C12によりNMOSトランジスタ36のドレイン端からNMOSトランジスタ37のゲート端へフィードバックされる電流が電流I2として示されている。電流I1の波形は電流波形45のようになり、電流I2の波形は電流波形46のようになる。電流波形47は、電流波形45と電流波形46とを加算したものであり、電流I1と電流I2との和を示すものである。ここで、出力電圧OUT_PLUSの同相信号成分と出力電圧OUT_MINUSの同相信号成分とを電圧V0とすると、
I1=V0・jωC11
I2=V0・jωC12
であると考えることができる。この場合I1とI2との和は、
I1+I2=V0・jω(C11+C12)
となる。即ち、C11の容量値とC12の容量値との和C11+C12が、同相信号に対するフィードバック容量となる。
A current fed back from the drain end to the gate end of the
I1 = V0 · jωC11
I2 = V0 · jωC12
Can be considered. In this case, the sum of I1 and I2 is
I1 + I2 = V0 · jω (C11 + C12)
It becomes. That is, the sum C11 + C12 of the capacitance value of C11 and the capacitance value of C12 becomes the feedback capacitance for the in-phase signal.
図5は、図3の差動増幅回路における差動信号成分のフィードバックについて説明するための図である。図5において、図3と同一の構成要素は同一の番号で参照し、その説明は省略する。 FIG. 5 is a diagram for explaining feedback of differential signal components in the differential amplifier circuit of FIG. 5, the same components as those in FIG. 3 are referred to by the same numerals, and a description thereof will be omitted.
電圧波形51は、NMOSトランジスタ37のゲート端に印加される電圧の差動信号成分を示す。電圧波形52は、NMOSトランジスタ36のゲート端に印加される電圧の差動信号成分を示す。また電圧波形53は、NMOSトランジスタ37のドレイン端に現れるオペアンプ出力電圧OUT_PLUSの差動信号成分を示す。更に電圧波形54は、NMOSトランジスタ36のドレイン端に現れるオペアンプ出力電圧OUT_MINUSの差動信号成分を示す。差動信号成分について示しているので、正側と負側とで各電圧波形は同一形状で逆相の波形となる。
A voltage waveform 51 indicates a differential signal component of a voltage applied to the gate terminal of the
容量C11によりNMOSトランジスタ37のドレイン端からゲート端へフィードバックされる電流が電流I1として示されている。また容量C12によりNMOSトランジスタ36のドレイン端からNMOSトランジスタ37のゲート端へフィードバックされる電流が電流I2として示されている。電流I1の波形は電流波形55のようになり、電流I2の波形は電流波形56のようになる。電流波形57は、電流波形55と電流波形56とを加算したものであり、電流I1と電流I2との和を示すものである。ここで、出力電圧OUT_PLUSの差動信号成分を電圧V0とし、出力電圧OUT_MINUSの差動信号成分を電圧−V0とすると、
I1=V0・jωC11
I2=−V0・jωC12
であると考えることができる。この場合I1とI2との和は、
I1+I2=V0・jω(C11−C12)
となる。即ち、C11の容量値とC12の容量値との差C11−C12が、差動信号に対するフィードバック容量となる。
A current fed back from the drain end to the gate end of the
I1 = V0 · jωC11
I2 = −V0 · jωC12
Can be considered. In this case, the sum of I1 and I2 is
I1 + I2 = V0 · jω (C11-C12)
It becomes. That is, the difference C11−C12 between the capacitance value of C11 and the capacitance value of C12 is a feedback capacitance for the differential signal.
上記説明したように、第1の単相出力段については、C11+C12が同相信号に対するフィードバック容量となり、C11−C12が差動信号に対するフィードバック容量となる。また同様に、第2の単相出力段については、C10+C13が同相信号に対するフィードバック容量となり、C10−C13が差動信号に対するフィードバック容量となる。このように容量C12及びC13を帰還容量として設けることにより、差動信号に対するフィードバック容量を削減して差動信号の動作速度を高めながら、同相信号に対するフィードバック容量を増加して同相信号の位相余裕を十分に確保することができる。 As described above, for the first single-phase output stage, C11 + C12 is a feedback capacitor for the in-phase signal, and C11-C12 is a feedback capacitor for the differential signal. Similarly, for the second single-phase output stage, C10 + C13 is a feedback capacitor for the in-phase signal, and C10-C13 is a feedback capacitor for the differential signal. By providing the capacitors C12 and C13 as feedback capacitors in this way, the feedback capacitance for the differential signal is reduced to increase the operation speed of the differential signal, while the feedback capacitance for the common signal is increased to increase the phase of the common signal. A sufficient margin can be secured.
図6は、全差動型オペアンプを用いたローパスフィルタの構成の一例を示す図である。オペアンプ30Aの差動信号出力をそれぞれ抵抗値R2である抵抗83及び84を介して入力に負帰還することにより、入力端子側の抵抗81及び82の抵抗値R1と負帰還の抵抗値R2とで増幅率が定まる増幅器を構成している。また抵抗83に並列に可変容量60を接続することにより、可変容量60を介した負帰還経路を設けてある。更に抵抗84に並列に可変容量70を接続することにより、可変容量70を介した負帰還経路を設けてある。これら帰還容量により、ローパスフィルタ特性を実現している。
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a configuration of a low-pass filter using a fully differential operational amplifier. The differential signal output of the
可変容量60は、容量61乃至63及びスイッチ64及び65を含む。容量61、62、63の容量値はそれぞれCfc0、Cfc1、Cfc2である。またスイッチ64及び65はそれぞれ制御信号FC_SW1及びFC_SW2により制御される。各スイッチは制御信号が1のときに導通し、制御信号が0のときに非導通となる。同様に可変容量70は、容量71乃至73及びスイッチ74及び75を含む。容量71、72、73の容量値はそれぞれCfc0、Cfc1、Cfc2である。またスイッチ74及び75はそれぞれ制御信号FC_SW1及びFC_SW2により制御される。各スイッチは制御信号が1のときに導通し、制御信号が0のときに非導通となる。可変容量60と可変容量70とで各容量値は同一であり且つ同一の制御信号を用いる構成となっており、可変容量60の可変容量値と可変容量70の可変容量値とは同一となる。
The
またオペアンプ30Aの第1の差動信号出力(+側)は、並列接続された容量87及び抵抗85を介して比較器90の反転入力に供給される。更にオペアンプ30Aの第2の差動信号出力(−側)は、並列接続された容量88及び抵抗86を介して比較器90の反転入力に供給される。抵抗85と抵抗86との抵抗値は等しく、第1の差動信号出力の電位と第2の差動信号出力の電位との中間電位が比較器90の反転入力に印加される。また容量87及び容量88により、オペアンプ30Aの差動信号出力電流の高い周波数での変動を吸収することにより、比較器90の反転入力には、第1の差動信号出力の電位と第2の差動信号出力の電位との中間電位の時間平均が印加されることになる。比較器90は、この平均化された中間電位と参照電位VREFとを比較し、比較結果を示す電圧信号をオペアンプ30Aにコモンモードフィードバックとして供給する。
The first differential signal output (+ side) of the
図6に示すローパスフィルタでは、可変容量60及び70の容量値(カットオフ容量)を大きくすることにより、カットオフ周波数を低くするよう調整することができる。また可変容量60及び70の容量値(カットオフ容量)を小さくすることにより、カットオフ周波数を高くするよう調整することができる。この際、カットオフ周波数が高い場合には、差動信号に対してオペアンプ30Aのユニティゲイン周波数を高くする必要がある。またカットオフ周波数が低い場合には、差動信号に対してオペアンプ30Aのユニティゲイン周波数は低くてよい。従って、可変容量60及び70の容量値の制御に連動してオペアンプ30Aの内部帰還容量を制御することが必要になる。
In the low-pass filter shown in FIG. 6, the cutoff frequency can be adjusted to be low by increasing the capacitance values (cut-off capacitances) of the
図7は、図6のオペアンプ30Aの構成の一例を示す図である。図7において、図3と同一の構成要素は同一の番号で参照し、その説明は省略する。
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the configuration of the
図7のオペアンプ30Aでは、図3のオペアンプ30に対して、容量C10乃至C13及び抵抗R10乃至R13の代わりに、容量101乃至106及び抵抗111乃至116が設けられている。またスイッチ121乃至124が設けられている。
In the
直列接続された容量106と抵抗116とにより、第1の単相出力段の出力と入力との間を固定的に接続している。即ち、NMOSトランジスタ37のドレイン端とゲート端とを、直列接続された容量106と抵抗116とにより接続している。また直列接続された容量105と抵抗115とにより、第2の単相出力段の出力と入力との間を固定的に接続している。即ち、NMOSトランジスタ36のドレイン端とゲート端とを、直列接続された容量105と抵抗115とにより接続している。ここで容量105及び106の各々の容量値はC3とする。
The output of the first single-phase output stage and the input are fixedly connected by the
また直列接続された容量102、抵抗112、及びスイッチ122により、第1の単相出力段の出力と差動入力段の第1又は第2の出力との間を切り替え可能に接続する。スイッチ122の接続状態は、切り替え信号SW1により制御する。切り替え信号SW1が0のときには、NMOSトランジスタ37のドレイン端とPMOSトランジスタ35のドレイン端とを、容量102と抵抗112とを介して接続する。また切り替え信号SW1が1のときには、NMOSトランジスタ37のドレイン端とPMOSトランジスタ34のドレイン端とを、容量102と抵抗112とを介して接続する。ここで容量102の容量値はC1とする。
Further, the
更に、直列接続された容量101、抵抗111、及びスイッチ121により、第2の単相出力段の出力と差動入力段の第1又は第2の出力との間を切り替え可能に接続する。スイッチ121の接続状態は、スイッチ122と同様に切り替え信号SW1により制御する。切り替え信号SW1が0のときには、NMOSトランジスタ36のドレイン端とPMOSトランジスタ34のドレイン端とを、容量101と抵抗111とを介して接続する。また切り替え信号SW1が1のときには、NMOSトランジスタ36のドレイン端とPMOSトランジスタ35のドレイン端とを、容量101と抵抗111とを介して接続する。ここで容量101の容量値はC1とする。
Further, the
また直列接続された容量104、抵抗114、及びスイッチ124により、第1の単相出力段の出力と差動入力段の第1又は第2の出力との間を切り替え可能に接続する。スイッチ124の接続状態は、切り替え信号SW2により制御する。切り替え信号SW2が0のときには、NMOSトランジスタ37のドレイン端とPMOSトランジスタ35のドレイン端とを、容量104と抵抗114とを介して接続する。また切り替え信号SW2が1のときには、NMOSトランジスタ37のドレイン端とPMOSトランジスタ34のドレイン端とを、容量104と抵抗114とを介して接続する。ここで容量104の容量値はC2とする。
In addition, the
更に、直列接続された容量103、抵抗113、及びスイッチ123により、第2の単相出力段の出力と差動入力段の第1又は第2の出力との間を切り替え可能に接続する。スイッチ123の接続状態は、スイッチ124と同様に切り替え信号SW2により制御する。切り替え信号SW2が0のときには、NMOSトランジスタ36のドレイン端とPMOSトランジスタ34のドレイン端とを、容量103と抵抗113とを介して接続する。また切り替え信号SW2が1のときには、NMOSトランジスタ36のドレイン端とPMOSトランジスタ35のドレイン端とを、容量103と抵抗113とを介して接続する。ここで容量103の容量値はC2とする。
Further, the
図8は、図6及び図7に示す回路におけるカットオフ容量の容量値、差動容量値、及び同相容量値の関係を示す表である。図6に示す制御信号FC_SW1及びFC_SW2をともに0にした場合、可変容量60と可変容量70との各々の容量値(カットオフ容量)はCfc0となる。この状態が、図8の表中のfc1として示す行に示される。ここでfc1はカットオフ周波数を意味しており、fc1=1/(2π・R2・Cfc0)となる。この場合、カットオフ周波数が高・中・低のうちの高に該当するので、差動信号に対する帰還容量である差動容量値を十分に小さくして、差動信号に対する高速動作を実現する必要がある。図8に示す例では、カットオフ周波数fc1に対して、図7に示す切り替え信号SW1及びSW2をそれぞれ0及び1に設定している。これにより差動容量値はC1−C2+C3=Coとなる。なおCoを基本容量値として、C1=Co、C2=C3=2Coとなるように設計してあるものとする。
FIG. 8 is a table showing the relationship between the capacitance value of the cutoff capacitance, the differential capacitance value, and the common-mode capacitance value in the circuits shown in FIGS. 6 and 7. When the control signals FC_SW1 and FC_SW2 shown in FIG. 6 are both 0, the capacitance values (cut-off capacitances) of the
また図6に示す制御信号FC_SW1及びFC_SW2をそれぞれ1及び0にした場合、可変容量60と可変容量70との各々の容量値(カットオフ容量)はCfc0+Cfc1となる。この状態が、図8の表中のfc2として示す行に示される。ここでfc2はカットオフ周波数を意味しており、fc2=1/(2π・R2・(Cfc0+Cfc1))となる。この場合、カットオフ周波数が高・中・低のうちの中に該当するので、差動信号に対する帰還容量である差動容量値をある程度小さくして、差動信号に対する高速動作を実現する必要がある。図8に示す例では、カットオフ周波数fc2に対して、図7に示す切り替え信号SW1及びSW2をそれぞれ1及び0に設定している。これにより差動容量値は−C1+C2+C3=3Coとなる。
When the control signals FC_SW1 and FC_SW2 shown in FIG. 6 are set to 1 and 0, respectively, the capacitance values (cutoff capacitances) of the
また図6に示す制御信号FC_SW1及びFC_SW2をともに1にした場合、可変容量60と可変容量70との各々の容量値(カットオフ容量)はCfc0+Cfc1+Cfc2となる。この状態が、図8の表中のfc3として示す行に示される。ここでfc3はカットオフ周波数を意味しており、fc3=1/(2π・R2・(Cfc0+Cfc1+Cfc2))となる。この場合、カットオフ周波数が高・中・低のうちの低に該当するので、差動信号に対する高速動作は特に要求されていないが、カットオフ容量が大きいため高周波帯での位相の遅れが大きくなり位相余裕が足りなくなる。そのため、位相余裕を確保するために差動容量値を大きくする必要がある。図8に示す例では、カットオフ周波数fc3に対して、図7に示す切り替え信号SW1及びSW2をともに0に設定している。これにより差動容量値はC1+C2+C3=5Coとなる。
When both the control signals FC_SW1 and FC_SW2 shown in FIG. 6 are set to 1, the capacitance values (cut-off capacitances) of the
上記のように図6のローパスフィルタにおけるカットオフ周波数の高、中、低に対して、それぞれ差動容量値(差動信号に対する帰還容量の値)をCo、3Co、及び5Coとすることができる。即ち、差動信号に対する高速動作が要求される度合いに応じて、差動信号に対する帰還容量の値を調整することができる。なお図8から分かるように、カットオフ周波数の値に関わらず、同相容量値(同相信号に対する帰還容量の値)は5Coで一定となっている。従って、差動信号に対する帰還容量の値を調整しても、同相信号に対しては常に一定且つ十分な位相余裕を確保することができる。 As described above, the differential capacitance value (the value of the feedback capacitance with respect to the differential signal) can be set to Co, 3Co, and 5Co for the high, medium, and low cutoff frequencies in the low-pass filter of FIG. . That is, the value of the feedback capacitance for the differential signal can be adjusted according to the degree to which high-speed operation for the differential signal is required. As can be seen from FIG. 8, the in-phase capacitance value (the value of the feedback capacitance for the in-phase signal) is constant at 5Co regardless of the value of the cutoff frequency. Therefore, even if the value of the feedback capacitance for the differential signal is adjusted, a constant and sufficient phase margin can always be secured for the in-phase signal.
図7に示す構成では、差動入力段の第1の出力端(PMOSトランジスタ35のドレイン端)と第1の単相出力段の出力(NMOSトランジスタ37のドレイン端)との間を固定的に容量結合している。また差動入力段の第2の出力端(PMOSトランジスタ34のドレイン端)と第2の単相出力段の出力(NMOSトランジスタ36のドレイン端)との間を固定的に容量結合している。これら固定の容量結合に加えて、切り替え信号SW1に応じて容量結合による帰還経路の接続を切り替える帰還回路を設けている。この帰還回路は、切り替え信号SW1の第1の状態(0)において、上記第1の出力端と第1の単相出力段の出力との間及び上記第2の出力端と第2の単相出力段の出力との間をそれぞれ容量102及び容量101を介して結合する。また切り替え信号SW1の第2の状態(1)において、第1の出力端と第2の単相出力段の出力との間及び第2の出力端と第1の単相出力段の出力との間をそれぞれ容量101及び容量102を介して結合する。またこの帰還回路とは別に更に、第2の切り替え信号SW2に応じて容量結合による帰還経路の接続を切り替える第2の帰還回路を設けている。この第2の帰還回路は、切り替え信号SW2の第1の状態(0)において、上記第1の出力端と第1の単相出力段の出力との間及び上記第2の出力端と第2の単相出力段の出力との間をそれぞれ容量104及び容量103を介して結合する。また切り替え信号SW2の第2の状態(1)において、第1の出力端と第2の単相出力段の出力との間及び第2の出力端と第1の単相出力段の出力との間をそれぞれ容量103及び容量104を介して結合する。
In the configuration shown in FIG. 7, the gap between the first output terminal of the differential input stage (the drain terminal of the PMOS transistor 35) and the output of the first single-phase output stage (the drain terminal of the NMOS transistor 37) is fixed. Capacitive coupling. In addition, the second output terminal of the differential input stage (the drain terminal of the PMOS transistor 34) and the output of the second single-phase output stage (the drain terminal of the NMOS transistor 36) are fixedly capacitively coupled. In addition to these fixed capacitive couplings, a feedback circuit is provided that switches the connection of feedback paths by capacitive coupling in accordance with the switching signal SW1. In the first state (0) of the switching signal SW1, the feedback circuit is provided between the first output terminal and the output of the first single-phase output stage, and between the second output terminal and the second single-phase. The output of the output stage is coupled via a
上記構成において、第1の帰還回路及び第2の帰還回路の両方を設ける必要はなく、何れか一方のみを設けてもよい。また更に第3の帰還回路等、1つ又は複数の帰還回路を追加で設けてもよい。また容量105及び106による固定的な容量結合による帰還経路についても同様にスイッチ切り替え可能な構成としてもよい。
In the above configuration, it is not necessary to provide both the first feedback circuit and the second feedback circuit, and only one of them may be provided. Furthermore, one or more feedback circuits such as a third feedback circuit may be additionally provided. Similarly, the feedback path by fixed capacitive coupling by the
以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で様々な変形が可能である。 As mentioned above, although this invention was demonstrated based on the Example, this invention is not limited to the said Example, A various deformation | transformation is possible within the range as described in a claim.
31〜35 PMOSトランジスタ
36〜39 NMOSトランジスタ
R10〜R13 抵抗
C10〜C13 容量
31 to 35
Claims (7)
前記差動入力段の第1の出力端に結合される第1の単相出力段と、
前記差動入力段の第2の出力端に結合される第2の単相出力段と、
前記第1の出力端と前記第1の単相出力段の出力との間を結合する第1の容量と、
前記第2の出力端と前記第2の単相出力段の出力との間を結合する第2の容量と、
前記第1の出力端と前記第2の単相出力段の出力との間を結合する第3の容量と、
前記第2の出力端と前記第1の単相出力段の出力との間を結合する第4の容量と
を含むことを特徴とする差動増幅回路。 A differential input stage for amplifying a differential input signal applied to the input end;
A first single-phase output stage coupled to a first output of the differential input stage;
A second single-phase output stage coupled to the second output of the differential input stage;
A first capacitor for coupling between the first output terminal and the output of the first single-phase output stage;
A second capacitor for coupling between the second output terminal and the output of the second single-phase output stage;
A third capacitor for coupling between the first output terminal and the output of the second single-phase output stage;
A differential amplifier circuit comprising: a fourth capacitor coupling between the second output terminal and the output of the first single-phase output stage.
前記差動入力段の第1の出力端に結合される第1の単相出力段と、
前記差動入力段の第2の出力端に結合される第2の単相出力段と、
切り替え信号に応じて容量結合による帰還経路の接続を切り替える帰還回路と
を含み、前記帰還回路は、前記切り替え信号の第1の状態において前記第1の出力端と前記第1の単相出力段の出力との間及び前記第2の出力端と前記第2の単相出力段の出力との間をそれぞれ容量を介して結合し、前記切り替え信号の第2の状態において前記第1の出力端と前記第2の単相出力段の出力との間及び前記第2の出力端と前記第1の単相出力段の出力との間をそれぞれ容量を介して結合することを特徴とする差動増幅回路。 A differential input stage for amplifying a differential input signal applied to the input end;
A first single-phase output stage coupled to a first output of the differential input stage;
A second single-phase output stage coupled to the second output of the differential input stage;
A feedback circuit that switches connection of a feedback path by capacitive coupling according to a switching signal, wherein the feedback circuit is configured to connect the first output terminal and the first single-phase output stage in a first state of the switching signal. And the second output terminal and the output of the second single-phase output stage are respectively coupled via capacitors, and in the second state of the switching signal, the first output terminal Differential amplification characterized by coupling the output of the second single-phase output stage and the output of the second output terminal and the output of the first single-phase output stage through capacitors, respectively. circuit.
前記第2の出力端と前記第2の単相出力段の出力との間を固定的に結合する容量と
を更に含むことを特徴とする請求項4乃至6の何れか一項に記載の差動増幅回路。 A capacitor for fixedly coupling between the first output terminal and the output of the first single-phase output stage;
The difference according to any one of claims 4 to 6, further comprising a capacitor for fixedly coupling between the second output terminal and the output of the second single-phase output stage. Dynamic amplification circuit.
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