JP2002164748A - 増幅回路 - Google Patents
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Abstract
き、利得の周波数帯域が広い増幅回路を提供する。 【解決手段】 MOSトランジスタM11はゲート接地
による電流バッファを構成し、入力電流iaがドレイン
に出力される。このドレイン電流と定電流回路I11の
高出力インピーダンスにより高利得のドレイン電圧が発
生して、MOSトランジスタM12のエミッタフォロア
により端子Vから出力される。端子Aと端子Vは同相な
ので、本発明では図2の増幅部を2つ使い、一方の端子
Vと他方の端子Aをたすきに接続して、入力差動電流に
応じた差動電圧を出力する差動増幅回路を構成する。ま
た、出力の同相電圧を端子CMへ帰還させ、同相電圧の
正帰還を相殺させる。キャパシタCL およびキャパシタ
C11による高域の極の周波数が利得によらず一定なの
で、高い開ループ利得で安定に負帰還できる。
Description
て出力する増幅回路に関し、特に、入力差動電流に応じ
た差動電圧を出力するトランスインピーダンス増幅回路
に関するものである。
力信号の一部が増幅回路の入力側へ負帰還されることに
より、元の利得より小さい利得(閉ループ利得)で増幅
動作が行なわれる負帰還増幅回路には、利得安定度や信
号歪率、出力インピーダンスなど、増幅回路における種
々の性能を向上させる利点がある。一般にこれらの性能
は、増幅回路の入力から帰還回路を経て再び増幅回路の
入力に負帰還される点までの系(開ループ系)における
利得(開ループ利得)が大きいほど向上する。
的な容量成分が含まれているため、信号の周波数が高く
なるとこれらの容量成分によって開ループ利得が低下す
るとともに、開ループ系において信号に位相の遅れが生
じてしまう。この位相遅れがあるため、開ループ利得を
あまり高くしてしまうと、負帰還の系が不安定となり発
振してしまう場合がある。
じさせるこの容量成分は、負帰還増幅回路の伝達関数に
おける極に対応させることができ、1つの極によって開
ループ系に(π/2)の位相遅れが生じる。また負帰還
増幅回路では、開ループ利得が1より大きい周波数の範
囲において、開ループ系における位相遅れがπを越えて
しまうと、正帰還となって発振してしまう。したがっ
て、2つ以上の極がある増幅回路においては、開ループ
利得や極の周波数が適切に設定される必要がある。
増幅回路の基本的な構成を示す回路図である。図7の負
帰還増幅回路は、MOSトランジスタM101およびM
OSトランジスタM102、定電流回路I101および
定電流回路I102、帰還抵抗Rf により構成されてい
る。また図7において、キャパシタC101およびキャ
パシタC102は、MOSトランジスタM101および
MOSトランジスタM102のゲート寄生容量をそれぞ
れ示している。キャパシタCLは、次段に接続される回
路の入力容量を示している。抵抗Rs101は、MOS
トランジスタM102のソースにおける等価的な抵抗を
示している。
チャンネル型のMOSトランジスタであり、ソースが接
地電位に接続され、ドレインが定電流回路I101を介
して電源電圧Vccに接続されている。また、ゲートが
帰還抵抗Rf を介してMOSトランジスタM102のソ
ースと接続されている。定電流回路I101は、例えば
カレントミラー回路などのMOSトランジスタによって
構成される定電流回路であり、電源電圧Vccから一定
電流をMOSトランジスタM101のドレインに出力し
ている。MOSトランジスタM102は、例えばnチャ
ンネル型のMOSトランジスタであり、定電流回路I1
01とMOSトランジスタM101のドレインとの接続
点にゲートが接続され、ドレインが電源電圧Vccに接
続されている。また、ソースが定電流回路I102を介
して接地電位に接続されているとともに、帰還抵抗Rf
を介してMOSトランジスタM101のゲートに接続さ
れている。定電流回路I102は、例えばカレントミラ
ー回路などのMOSトランジスタによって構成される定
電流回路であり、MOSトランジスタM102のソース
および帰還抵抗Rf から一定の電流を接地電位に流して
いる。
回路I101は、大きい電圧利得を有する反転増幅回路
を構成している。MOSトランジスタM101のゲート
電圧viは、MOSトランジスタM101の相互コンダ
クタンスgm101 によってドレイン電流(gm101 ×v
i)に変換され、このドレイン電流が定電流回路I10
1の出力インピーダンスによりドレイン電圧に変換され
てMOSトランジスタM102のゲートに供給される。
定電流回路I101の出力インピーダンスは、例えば数
100kΩと非常に大きいので、MOSトランジスタM
101のゲート電圧に対するドレイン電圧の利得は大き
い。
回路I102は、ソースフォロアによる電圧バッファ回
路を構成している。電圧バッファであるため電圧の利得
は無いが、MOSトランジスタM102のゲートに受け
た信号が低い出力インピーダンスでソースから出力され
る。このソースから電圧voが出力される。
ランジスタM101に負帰還されることにより、電圧v
iに対する電圧voの利得は、MOSトランジスタM1
01および定電流回路I101による反転増幅回路の利
得より小さくなる。電圧viに対する電圧voの閉ルー
プ利得Avは次式のように表される。
1および寄生容量C102、負荷容量CLのそれぞれに
対応する極P1、極P2および極P3を有している。極
P1、極P2および極P3による位相遅れが(π/4)
となる周波数f1、周波数f2および周波数f3はそれ
ぞれ次式のように表される。
きさから一般に次のような大小関係を有している。
回路を安定に動作させるためには、1つの極を低域に配
置させ、他の2つの極を開ループ利得が十分に低下する
高域に配置させる手法が一般に用いられる。したがっ
て、式(5)に示す関係を有した極の場合において、極
P2が低域に配置されるとともに、極P1および極P2
が高域に配置されることによって、負帰還は安定にな
る。
くなると、MOSトランジスタM101および定電流回
路I101による反転増幅回路の利得が小さくなって開
ループ利得が低下し、利得安定度や信号歪率、出力イン
ピーダンスなどの性能が劣化してしまうので、相互コン
ダクタンスgm101 はあまり小さな値にはできない。と
ころが、相互コンダクタンスgm101 の値を大きくする
ために、MOSトランジスタM101のチャンネル幅を
広くすると、寄生容量C101も大きくなるので、式
(2)の関係から極P1が低域に移動するとともに、式
(3)の関係から極P2が高域に移動する。極P1と極
P2の周波数が接近すると、この2つの極による位相遅
れが加わるために開ループ系の位相遅れがπに近づき、
位相余裕が少なくなって負帰還の安定性が低下してしま
う。
に帰還抵抗Rf を大きくすると、式(2)の関係により
極P1が低域に移動してしまうため、この場合にも負帰
還の安定性が低下してしまう。
ことよって、極P2を低域に配置させることもできる
が、この場合には、極P2によって開ループ利得が減少
し始める周波数が低域に移動するので、負帰還増幅回路
の周波数帯域が狭くなってしまう。
おいては、開ループ利得を増やすために相互コンダクタ
ンスgm101 を増大させると、極P1と極P2が接近す
るためため、負帰還の安定性が低下してしまう。また、
閉ループ利得Av増やすために帰還抵抗Rf を大きくす
る場合にも、極P1が低域に移動するため、負帰還の安
定性が低下してしまう。すなわち、閉ループ利得や開ル
ープ利得を増やすことによって、負帰還が不安定になり
易い問題があるので、大きな閉ループ利得や開ループ利
得を得ながら、周波数帯域を広くすることが難しい。
であり、その目的は、負帰還を安定に保ちながら大きな
閉ループ利得や開ループ利得が得られ、周波数帯域を広
くすることができる増幅回路を提供することにある。
に、本発明の増幅回路は、第1の電流と第2の電流との
差動電流に応じた差動電圧である第1の電圧と第2の電
圧とを出力するための増幅回路であって、上記第2の電
圧に応じた第1の帰還電流を出力する第1の電流帰還回
路と、上記第1の電流と上記第1の帰還電流との第1の
合成電流を入力し、当該第1の合成電流に応じた第3の
電流を出力する第1の電流バッファ回路と、上記第3の
電流に応じた第1の電圧を出力する第1の電圧出力回路
と、上記第1の電圧に応じた第2の帰還電流を出力する
第2の電流帰還回路と、上記第2の電流と上記第2の帰
還電流との第2の合成電流を入力し、当該第2の合成電
流に応じた第4の電流を出力する第2の電流バッファ回
路と、上記第4の電流に応じた第2の電圧を出力する第
2の電圧出力回路とを有する。
3の電流に応じた第3の電圧を発生する第1の負荷回路
と、上記第3の電圧に応じた上記第1の電圧を出力する
第1の電圧バッファ回路とを有し、上記第2の電圧出力
回路は、上記第4の電流に応じた第4の電圧を発生する
第2の負荷回路と、上記第4の電圧に応じた上記第2の
電圧を出力する第2の電圧バッファ回路とを有する。
圧と上記第2の電圧との同相電圧に応じた同相電圧帰還
信号を出力する同相電圧帰還回路と、上記同相電圧帰還
信号に応じた第5の電流を上記第1の電流バッファ回路
に供給する第1の電流供給回路と、上記同相電圧帰還信
号に応じた第6の電流を上記第2の電流バッファ回路に
供給する第2の電流供給回路とを有する。
それぞれ抵抗素子を有し、上記第1及び第2の電流バッ
ファ回路はそれぞれ制御端子が固定電位に接続されたト
ランジスタを有し、上記第1及び第2の負荷回路はそれ
ぞれ電流を供給する電流源を有し、上記第1及び第2の
電圧バッファ回路はそれぞれソースフォロア又はエミッ
タフォロアを構成するトランジスタを有する。
電圧の供給端子と上記第2の電圧の供給端子との間に直
列接続された抵抗素子を有し、上記第1及び第2の電流
供給回路はそれぞれ制御端子に上記同相電圧帰還信号を
入力するトランジスタを有する。
じた差動電流を生成して上記第1及び第2の電流として
供給する差動電流供給回路を有する。
の2つの実施形態について説明する。
増幅回路の第1の実施形態を示す回路図である。図1に
示す増幅回路は、増幅部1a、増幅部1b、帰還抵抗R
f1、帰還抵抗Rf2、抵抗R1および抵抗R2により構成
されている。帰還抵抗Rf1および帰還抵抗Rf2は、本発
明の増幅回路における第1の電流帰還回路および第2の
電流帰還回路の一実施形態である。抵抗R1および抵抗
R2は、本発明の増幅回路における同相電圧帰還回路の
一実施形態である。
を電圧に変換して出力するトランスインピーダンス増幅
回路である。この回路の詳細については後で説明する。
増幅部1aの入力には、端子A1からの電流i1と帰還
抵抗Rf1に流れる電流との合成電流が入力され、この合
成電流が増幅部1aのトランスインピーダンスに応じて
電圧v1に変換されて、端子V1から出力されている。
同様に、増幅部1bの入力には、端子A2からの電流i
2と帰還抵抗Rf2に流れる電流との合成電流が入力さ
れ、この合成電流が増幅部1bのトランスインピーダン
スに応じて電圧v2に変換されて、端子V2に出力され
ている。増幅部1aの出力電圧v1は、帰還抵抗Rf2に
おいて電流に変換されて増幅部1bの入力に帰還されて
いる。また、増幅部1bの出力電圧v2は、帰還抵抗R
f1において電流に変換されて増幅部1aの入力に帰還さ
れている。また、増幅部1aおよび増幅部1bの同相帰
還端子CMは、端子V1と端子V2との間に直列接続さ
れた抵抗R1と抵抗R2との接続中点に接続されてい
る。
成を示す回路図である。図2に示す増幅部1aおよび増
幅部1bは、MOSトランジスタM11〜MOSトラン
ジスタM13、定電流回路I11、定電流回路I12、
端子A、端子Vおよび同相帰還端子CMにより構成され
ている。また図2において、キャパシタC11およびキ
ャパシタC12は、MOSトランジスタM11およびM
OSトランジスタM12のゲート寄生容量をそれぞれ示
している。キャパシタCLは、次段に接続される回路の
入力容量を示している。抵抗Rs11および抵抗Rs1
2は、MOSトランジスタM11およびMOSトランジ
スタM12のソースにおける等価的な抵抗をそれぞれ示
している。MOSトランジスタM11は、本発明の増幅
回路における第1の電流バッファ回路または第2の電流
バッファ回路の一実施形態である。MOSトランジスタ
M12および定電流回路I12は、本発明の増幅回路に
おける第1の電圧バッファ回路または第2の電圧バッフ
ァ回路の一実施形態である。MOSトランジスタM13
は、本発明の増幅回路における第1の電流供給回路また
は第2の電流供給回路の一実施形態である。定電流回路
I11は、本発明の増幅回路における第1の負荷回路ま
たは第2の負荷回路の一実施形態である。
ャンネル型のMOSトランジスタであり、ソースが端子
AおよびMOSトランジスタM13のドレインに接続さ
れ、ゲートが所定の電位、例えば電源電圧Vccに接続
されている。また、ドレインに定電流回路I11による
電流が入力されるとともに、ドレインとMOSトランジ
スタM12のゲートが接続されている。定電流回路I1
1は、例えばカレントミラー回路などのMOSトランジ
スタによって構成される定電流回路であり、電源電圧V
ccから一定電流をMOSトランジスタM11のドレイ
ンに出力している。MOSトランジスタM12は、例え
ばnチャンネル型のMOSトランジスタであり、定電流
回路I11とMOSトランジスタM11のドレインとの
接続点がゲートに接続され、ドレインが電源電圧Vcc
に接続されている。また、ソースが端子Vおよび定電流
回路I12に接続されている。定電流回路I12は、例
えばカレントミラー回路などのMOSトランジスタによ
って構成される定電流回路であり、MOSトランジスタ
M12のソースおよび端子Vから一定の電流を接地電位
に流している。MOSトランジスタM13は、例えばn
チャンネル型のMOSトランジスタであり、ドレインが
端子AおよびMOSトランジスタM11のソースに接続
され、ゲートが同相帰還端子CMに接続されている。ま
た、ソースが接地電位に接続されている。
について説明する。
ト接地による電流バッファ回路を構成しており、ソース
電流に応じたドレイン電流が出力される。したがって、
例えば同相帰還端子CMに印加される一定の電圧によっ
てMOSトランジスタM13のドレインに一定の電流i
13が流れ、さらに端子Aから電流iaが流れ込んでい
る場合には、MOSトランジスタM11のドレイン電流
は(i13−ia)となる。このドレイン電流が、定電
流回路I11の高い出力インピーダンスによって電圧に
変換されて、MOSトランジスタM12のゲートに入力
される。したがって、入力電流iaに対するMOSトラ
ンジスタM11のドレイン電圧のトランスインピーダン
スは、定電流回路I11の出力インピーダンスに応じた
大きな値を有している。
と、MOSトランジスタM11のドレイン電流(i13
−ia)が減少するので、定電流回路I11の出力イン
ピーダンスによる電圧降下が減少し、ドレイン電圧が上
昇する。逆に端子Aから流入する電流iaが減少する
と、MOSトランジスタM11のドレイン電流(i13
−ia)が増大するので、定電流回路I11の出力イン
ピーダンスによる電圧降下が増大し、ドレイン電圧は低
下する。すなわち、MOSトランジスタM11のドレイ
ン電圧は、電流iaが増大するときに上昇し、電流ia
が減少するときに低下する。
電流回路I12は、ソースフォロアによる電圧バッファ
回路を構成している。電圧バッファであるため電圧の利
得は無いが、MOSトランジスタM12のゲートに受け
た信号が低い出力インピーダンスでソースから出力され
る。ソースフォロアによって信号の極性は反転しないの
で、端子Vの出力電圧は、端子Aから流入する電流ia
が増大するとき上昇し、電流iaが減少するときに低下
する。
同様に出力端子Vから入力端子Aへ帰還抵抗により電流
が帰還されると、例えば出力端子Vの電圧上昇にともな
って入力端子Aに帰還抵抗から流入する電流が増大する
場合に、この電流の増大に応じて出力端子Vの電圧がさ
らに上昇してしまう。すなわち、出力端子Vと入力端子
Aは同相であるので、直接帰還抵抗で接続されると正帰
還になり発振を起こしてしまう。
な正帰還になることを避けるために、増幅部1aおよび
増幅部1bの出力から入力へ直接帰還は行なわれておら
ず、その代わりに、一方の増幅部の出力から他方の増幅
部の入力へ帰還が行なわれている。そして、増幅部1a
および増幅部1bの入力には、それぞれ電流i1および
電流i2が入力され、この電流に応じた電圧v1および
電圧v2が出力されている。
流が増大すると、電流i1が増大することによって電圧
v1が増大するとともに電流i2が減少することによっ
て電圧v2が減少するので、これにより、電圧v1と電
圧v2の間の差動電圧が増大する。しかしその一方で、
電圧v1が増大することによって帰還抵抗Rf2から端子
A2の方向への帰還電流が増えるために電圧v2の減少
が抑えられ、また、電圧v2が減少することによって端
子A1から帰還抵抗Rf1の方向への帰還電流が増えるた
めに電圧v1の増大も抑えられる。また逆に、電流i1
と電流i2の間の差動電流が減少すると、電流i1が減
少することによって電圧v1が減少するとともに電流i
2が増大することによって電圧v2が増大するので、こ
れにより、電圧v1と電圧v2の間の差動電圧が減少す
る。しかしその一方で、電圧v1が減少することによっ
て端子A2から帰還抵抗Rf2の方向への帰還電流が増え
るために電圧v2の増大が抑えられ、また、電圧v2が
増大することによって帰還抵抗Rf1から端子A1の方向
への帰還電流が増えるために電圧v1の減少も抑えられ
る。すなわち帰還抵抗Rf1および帰還抵抗Rf2によっ
て、出力の差動信号が負帰還されている。
大きいので、負帰還の動作状態においては、増幅部1a
および増幅部1bの入力に電流がほとんど流れず、電流
i1は帰還抵抗Rf1に、電流i2は帰還抵抗Rf2に流れ
る。ここで、電流i1および電流i2の平均が一定の電
流Iであり、差動電流Id によって電流i1が(I+I
d )、電流i2が(I−Id )で表されるとすると、端
子A1の電圧V1 および端子A2の電圧V2 からの電圧
降下によって、端子V1の電圧v1と端子V2電圧v2
の間の差動電圧vdは次式のように表される。
電流Id に応じて変動しないものとすると、差動電流I
d に対する差動電圧vdのトランスインピーダンスTZ
は次式のように表される。
は、例えば等しい大きさに設定されており、この抵抗に
よって平均化された電圧が増幅部1aおよび増幅部1b
の同相帰還端子CMを介してMOSトランジスタM13
のゲートに印加されている。これらの構成は出力の同相
電圧を負帰還するためのものである。
接続点に同相電圧を印加すると、この場合増幅部1aの
入出力間が帰還抵抗Rf1によって直接接続されるととも
に、増幅部1bの入出力間が帰還抵抗Rf2によって直接
接続されるので、各増幅部はいずれも正帰還となり、出
力電圧は正または負の最大電圧で飽和してしまう。すな
わち、端子A1および端子A2に入力される信号に同相
電圧があると、同相の正帰還によって端子V1および端
子V2の電圧が正または負に飽和してしまう。
SトランジスタM13は、出力の同相電圧を負帰還する
ことによって、上述した同相の正帰還を相殺するための
構成要素である。例えば、端子V1および端子V2の同
相電圧が上昇すると、これに応じて抵抗R1と抵抗R2
の接続点の電圧も上昇し、これによりMOSトランジス
タM13のゲート電圧が上昇する。すると、MOSトラ
ンジスタM13のドレイン電流i13が増大するので、
MOSトランジスタM11のドレイン電流も増大し、定
電流回路I11の出力インピーダンスによる電圧降下に
よってMOSトランジスタM12のゲート電圧が低下す
る。これにより、各増幅部の出力電圧が低下して、端子
V1および端子V2の同相電圧が低下する。また逆に、
端子V1および端子V2の同相電圧が低下すると、これ
に応じて抵抗R1と抵抗R2の接続点の電圧も低下し、
これによりMOSトランジスタM13のゲート電圧が低
下する。すると、MOSトランジスタM13のドレイン
電流i13が減少するので、MOSトランジスタM11
のドレイン電流も減少し、定電流回路I11の出力イン
ピーダンスによる電圧降下が減少するためにMOSトラ
ンジスタM12のゲート電圧が上昇する。これにより、
各増幅部の出力電圧が上昇して、端子V1および端子V
2の同相電圧が上昇する。このような動作によって、同
相の正帰還による出力電圧の飽和が防止される。
対する等価な2つの回路のうちの一方だけを示した図で
ある。図3と図2において同一の符号は同一の構成要素
を示している。また、抵抗Rf は、図1の帰還抵抗Rf1
または帰還抵抗Rf2を示している。
係に加えて、端子Aと端子Vとの間に帰還抵抗Rf が接
続されているとともに、MOSトランジスタM13のゲ
ートが端子Vに接続されている。
と端子A2を接続させることによって得られる。なおこ
の場合、抵抗R1および抵抗R2がMOSトランジスタ
M13のゲートと端子Vとの間に接続されるが、ゲート
のインピーダンスは抵抗R1や抵抗R2の抵抗値に比べ
て十分大きいので、図3の回路においてはこの抵抗R1
および抵抗R2が省略されている。
入力電流x、帰還抵抗Rf による電流irfおよびMOS
トランジスタM13による電流i13が入力され、これに
応じた電流がドレインに流れる。このドレイン電流と定
電流回路I11の出力インピーダンスによって発生する
電圧がMOSトランジスタM12のゲートに入力され、
このゲート電圧に応じた電圧yが端子Vに出力される。
例えば電圧yの増大に応じて帰還抵抗Rf による正帰還
の電流irfも増大するが、この電流irfと逆極性の電流
i13も増大する。このように、正帰還の電流irfがMO
SトランジスタM13のドレイン電流i13によって相殺
されることによって、正帰還が防止される。
図4のブロック図は、伝達要素TE1〜伝達要素TE3
および加算点ADDにより構成されている。
スタM13に対応する。電圧yが相互コンダクタンスμ
13によって電流i13に変換されて加算点ADDに入力さ
れる。伝達要素TE2は、図3のMOSトランジスタM
11、MOSトランジスタM12、定電流回路I11お
よび定電流回路I12からなる増幅回路に対応する。加
算点ADDからの電流x、電流irfおよび電流i13は、
トランスインピーダンスμ11によって電圧yに変換され
る。伝達要素TE3は、図3の帰還抵抗Rfに対応す
る。電圧yがコンダクタンスβに応じた電流irfに変換
されて、加算点ADDに入力される。加算点ADDは、
図3において、端子A、帰還抵抗RfおよびMOSトラ
ンジスタM13のドレインの接続点に対応する。この接
続点からの電流がMOSトランジスタM11のソースに
入力される。
と出力電圧yとの間の伝達関数Tは次の式で表される。
βは帰還抵抗Rf のコンダクタンスであり(1/Rf )
に等しいので、MOSトランジスタM13の相互コンダ
クタンスμ13に比べて十分小さい。また、定電流回路I
12の出力インピーダンスにほぼ等しいトランスインピ
ーダンスμ11は大きな値を有しているので、(1/μ1
1)も相互コンダクタンスμ13に比べて十分小さい。し
たがって、式(6)の分母において相互コンダクタンス
μ13が支配的となり、伝達関数Tは零に近い値となる。
これにより、図4のブロック図に示す系は安定となる。
に、図1および図2に示す負帰還増幅回路の伝達関数
も、寄生容量C11および寄生容量C12、負荷容量C
Lのそれぞれに対応する極P1’、極P2’および極P
3’を有している。極P1’、極P2’および極P3’
による位相遅れが(π/4)となる周波数f1’、周波
数f2’および周波数f3’は、れぞれ次式のように表
される。
Rf2とが等しい場合の抵抗値である。また抵抗値Rp
は、抵抗Rf と抵抗Rs11が並列接続された抵抗値を
であり、以下の式で表される。
小さいので、抵抗値Rp は抵抗値Rs11とほぼ等しい
大きさを有している。よって式(9)〜式(11)から
分かるように、極P1’および極P3’が極P2’に対
して高域に配置される。また、抵抗Rf の大きさに応じ
て極P2’は移動するが、極P1’および極P3’は移
動しない。さらに、図2に示す増幅部の利得は主に定電
流回路I11の出力インピーダンスによって決まるが、
この出力インピーダンスを可変しても極P1’〜極P
3’は移動しない。
れば、開ループ利得や閉ループ利得を増やしても高域と
低域の極が接近しないので、位相余裕を大きくすること
ができ、安定に負帰還できる。また、安定に負帰還させ
ながら開ループ利得を増大させることができるので、利
得安定度や利得誤差、信号歪率、出力インピーダンスな
どの性能を向上させることができる。また、安定に負帰
還させながら、大きい閉ループ利得を得ることができ
る。また、安定に負帰還させながら抵抗値Rf を大きく
できるので、消費電力を低減できる。また、開ループ利
得を増大させても高域の極が移動しないので、低域の極
P2’をさらに低い周波数域に移動させる必要がない。
すなわち、安定に負帰還させながら利得の周波数帯域を
広くすることができる。
増幅回路の第2の実施形態を示す図である。図5と図1
において同一の符号は同一の構成要素を示している。そ
の他、図5に示す増幅回路は、抵抗R3、増幅部2およ
び増幅部3を有している。増幅部2は、本発明の増幅回
路における差動電流供給回路の一実施形態である。増幅
部3、抵抗R1、抵抗R2および抵抗R3は、本発明の
増幅回路における同相電圧帰還回路の一実施形態であ
る。
るトランスコンダクタンス増幅回路であり、入力差動電
圧viを受けて、この電圧に応じた差動電流を有する電
流i1および電流i2を増幅部1aおよび増幅部1bに
出力する。増幅部1aの入力には、増幅部2からの電流
i1と帰還抵抗Rf1に流れる電流との合成電流が入力さ
れ、この合成電流が増幅部1aのトランスインピーダン
スに応じて電圧v1に変換されて、端子V1から出力さ
れている。同様に、増幅部1bの入力には、増幅部2か
らの電流i2と帰還抵抗Rf2に流れる電流との合成電流
が入力され、この合成電流が増幅部1bのトランスイン
ピーダンスに応じて電圧v2に変換されて、端子V2に
出力されている。増幅部1aの出力電圧v1は、帰還抵
抗Rf2において電流に変換されて増幅部1bの入力に帰
還されている。また、増幅部1bの出力電圧v2は、帰
還抵抗Rf1において電流に変換されて増幅部1aの入力
に帰還されている。また、増幅部1aおよび増幅部1b
の同相帰還端子CMは、端子V1と端子V2との間に直
列接続された抵抗R1と抵抗R2との接続中点に、抵抗
R3を介して接続されている。増幅部3は、端子V+と
端子V−の間の差動電圧を、出力端子Aに流れる電流i
3に変換するトランスコンダクタンス増幅回路であり、
端子V−が抵抗R1と抵抗R2の接続中点に接続され、
端子V+に所定の基準電圧Vrefが印加され、出力端
子Aが同相帰還端子CMと抵抗R3の接続点に接続され
ている。
る。図6に示す増幅部は、MOSトランジスタM31〜
MOSトランジスタM35、および定電流回路I31に
より構成されている。
ャンネル型のMOSトランジスタであり、ゲートが端子
V+に接続され、ドレインがMOSトランジスタM33
のドレインに接続されているとともに、ソースに定電流
回路I31からの電流が入力されている。MOSトラン
ジスタM32は、例えばpチャンネル型のMOSトラン
ジスタであり、ゲートが端子V−に接続され、ドレイン
がMOSトランジスタM34のドレインに接続されてい
るとともに、ソースに定電流回路I31からの電流が入
力されている。MOSトランジスタM33は、例えばn
チャンネル型のMOSトランジスタであり、ドレインが
MOSトランジスタM31のドレインに接続され、ソー
スが接地電位に接続されているとともに、ゲートがドレ
インに接続されている。MOSトランジスタM34は、
例えばnチャンネル型のMOSトランジスタであり、ド
レインがMOSトランジスタM32のドレインに接続さ
れ、ソースが接地電位に接続されているとともに、ゲー
トがMOSトランジスタM33のゲートに接続されてい
る。MOSトランジスタM35は、例えばnチャンネル
型のMOSトランジスタであり、ゲートがMOSトラン
ジスタM32とMOSトランジスタM34のドレインの
接続中点に接続され、ソースが接地電位に接続されてい
るとともに、ドレインが端子Aに接続されている。定電
流回路I31は、例えばMOSトランジスタなどによっ
て構成されるカレントミラー回路であり、電源電圧Vc
cから一定の電流をMOSトランジスタM31およびM
OSトランジスタM32のソースへ出力している。
いて説明する。
路の端子A1および端子A2に増幅部2を縦続接続し、
入力差動電圧viに応じた差動電圧voを端子V1と端
子V2との間に発生させる電圧入出力型の差動増幅回路
である。差動電圧viに対する差動電圧voの利得は、
増幅部2の相互コンダクタンスgmおよび式(7)か
ら、次式のように表される。
抵抗R2および抵抗R3は、出力の同相電圧を帰還させ
る回路を構成している。図1における同相電圧の帰還回
路との違いは、同相電圧が所定の基準電圧Vrefと等
しくなるように制御されることにある。
ランジスタM32のソースがともに定電流回路I31に
接続されているので、MOSトランジスタM31のドレ
イン電流i31とMOSトランジスタM32のドレイン
電流i32の和は、定電流回路I31の出力電流に等し
くなる。また、MOSトランジスタM33とMOSトラ
ンジスタM34はカレントミラー回路を構成しているの
で、ドレイン電流i31とドレイン電流i32とが等し
くなるように、MOSトランジスタM34のドレイン−
ソース間抵抗が変化する。
なると、MOSトランジスタM31のゲート−ソース間
電圧が小さくなってドレイン電流i31が減少するとと
もに、ドレイン電流i32が増加する。MOSトランジ
スタM34のドレイン−ソース間抵抗はドレイン電流i
31とドレイン電流i32が近づく方向に変化するため
に大きくなり、これによりMOSトランジスタM35の
ゲート電圧が上昇して、出力電流i3が増大する。また
逆に、端子V+の電圧が端子V−の電圧より低くなる
と、MOSトランジスタM31のゲート−ソース間電圧
が大きくなってドレイン電流i31が増大するととも
に、ドレイン電流i32が減少する。MOSトランジス
タM34のドレイン−ソース間抵抗はドレイン電流i3
1とドレイン電流i32が近づく方向に変化するために
小さくなり、これによりMOSトランジスタM35のゲ
ート電圧が低下して、出力電流i3が減少する。
点から検出される同相電圧が基準電圧Vrefより小さ
い場合には、端子V+の電圧が端子V−の電圧より高く
なるので出力電流i3が増大し、抵抗R3による電圧降
下が増大して同相帰還端子CMの電圧が低下する。これ
により、増幅部1aおよび増幅部1bの出力電圧が共に
上昇して、同相電圧が大きくなる。また逆に、抵抗R1
と抵抗R2の接続中点から検出される同相電圧が基準電
圧Vrefより大きい場合には、端子V+の電圧が端子
V−の電圧より低くなるので出力電流i3が減少し、抵
抗R3による電圧降下が減少して同相帰還端子CMの電
圧が上昇する。これにより、増幅部1aおよび増幅部1
bの出力電圧が共に低下して、同相電圧が小さくなる。
このような負帰還の制御が行われることによって、抵抗
R1と抵抗R2の接続中点における同相電圧が、基準電
圧Vrefと等しくなるように制御される。
形態によれば、第1の実施形態において説明した増幅回
路の入力側に適当なトランスコンダクタンス増幅回路を
接続させることによって、電圧入出力型の差動増幅回路
を構成できる。これにより、電流のみならず電圧の入力
信号も増幅させることができる。加えて、入力側のトラ
ンスコンダクタンス増幅回路が十分に広帯域であれば、
第1の実施形態における効果と同様に、開ループ利得や
閉ループ利得を大きくさせながら周波数帯域を広くでき
る電圧入出力型の差動増幅回路を構成させることができ
る。
出力の同相電圧が所定の電圧と等しくなるように制御で
きる。これにより、増幅回路が出力する同相電圧を、出
力に接続される他の回路のバイアスに合わせて任意に設
定することができる。
スタはMOSトランジスタに限定されるものではなく、
例えばバイポーラトランジスタ等の他のトランジスタを
適用させることも可能である。
得を増やしても低域と高域の極が接近しないので、安定
に負帰還させながら大きな開ループ利得を有ることがで
きる。また、低域の極を低い周波数域に移動させずに開
ループ利得を増やしても安定に負帰還できるので、利得
の周波数帯域を広くすることができる。
回路図である。
図である。
2つの回路のうちの一方だけを示した図である。
図である。
路図である。
1,R2,R3,Rs11,Rs12,Rs101…抵
抗、C11,C12,C101,C102…キャパシ
タ、M11〜M13,M31〜M35,M101,M1
02…MOSトランジスタ、I11,I12,I31,
I101,I102…定電流回路。
Claims (6)
- 【請求項1】 第1の電流と第2の電流との差動電流に
応じた差動電圧である第1の電圧と第2の電圧とを出力
するための増幅回路であって、 上記第2の電圧に応じた第1の帰還電流を出力する第1
の電流帰還回路と、 上記第1の電流と上記第1の帰還電流との第1の合成電
流を入力し、当該第1の合成電流に応じた第3の電流を
出力する第1の電流バッファ回路と、 上記第3の電流に応じた上記第1の電圧を出力する第1
の電圧出力回路と、 上記第1の電圧に応じた第2の帰還電流を出力する第2
の電流帰還回路と、 上記第2の電流と上記第2の帰還電流との第2の合成電
流を入力し、当該第2の合成電流に応じた第4の電流を
出力する第2の電流バッファ回路と、 上記第4の電流に応じた上記第2の電圧を出力する第2
の電圧出力回路と、 を有する増幅回路。 - 【請求項2】 上記第1の電圧出力回路は、上記第3の
電流に応じた第3の電圧を発生する第1の負荷回路と、
上記第3の電圧に応じた上記第1の電圧を出力する第1
の電圧バッファ回路とを有し、 上記第2の電圧出力回路は、上記第4の電流に応じた第
4の電圧を発生する第2の負荷回路と、上記第4の電圧
に応じた上記第2の電圧を出力する第2の電圧バッファ
回路とを有する請求項1に記載の増幅回路。 - 【請求項3】 上記第1の電圧と上記第2の電圧との同
相電圧に応じた同相電圧帰還信号を出力する同相電圧帰
還回路と、 上記同相電圧帰還信号に応じた第5の電流を上記第1の
電流バッファ回路に供給する第1の電流供給回路と、 上記同相電圧帰還信号に応じた第6の電流を上記第2の
電流バッファ回路に供給する第2の電流供給回路と、 を有する請求項1又は2に記載の増幅回路。 - 【請求項4】 上記第1及び第2の電流帰還回路はそれ
ぞれ抵抗素子を有し、上記第1及び第2の電流バッファ
回路はそれぞれ制御端子が固定電位に接続されたトラン
ジスタを有し、上記第1及び第2の負荷回路はそれぞれ
電流を供給する電流源を有し、上記第1及び第2の電圧
バッファ回路はそれぞれソースフォロア又はエミッタフ
ォロアを構成するトランジスタを有する請求項2又は3
に記載の増幅回路。 - 【請求項5】 上記同相電圧帰還回路は上記第1の電圧
の供給端子と上記第2の電圧の供給端子との間に直列接
続された抵抗素子を有し、上記第1及び第2の電流供給
回路はそれぞれ制御端子に上記同相電圧帰還信号を入力
するトランジスタを有する請求項3又は4に記載の増幅
回路。 - 【請求項6】 入力信号に応じた差動電流を生成して上
記第1及び第2の電流として供給する差動電流供給回路
を有する請求項1、2、3、4又は5に記載の増幅回
路。
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CN115412041A (zh) * | 2022-10-31 | 2022-11-29 | 成都市安比科技有限公司 | 一种包含共模反馈电路的低噪声全差分放大器 |
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WO2000044090A1 (fr) * | 1999-01-19 | 2000-07-27 | Hitachi, Ltd. | Circuit integre a semiconducteur |
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