JP2003133868A - 広帯域差動増幅回路 - Google Patents
広帯域差動増幅回路Info
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Abstract
く確保できる広帯域差動増幅回路を提供する。 【解決手段】 前段に配置され入力信号Vinを増幅し電
流信号を出力する電圧電流変換回路1と、後段に配置さ
れ前記電圧電流変換回路が出力する電流信号を増幅して
電圧信号Vout を出力する電流電圧変換回路2と、前記
電圧電流変換回路1の出力と電源電圧VREF2との間に接
続された第1の負荷インピーダンス回路3と、前記電圧
電流変換回路1の出力と前記電流電圧変換回路2の入力
との間に接続された電圧レベルシフト回路4と、前記電
圧レベルシフト回路4の入力と前記電流電圧変換回路2
の出力との間に接続され、前記電圧電流変換回路1の電
流を電圧に変換する第2の負荷インピーダンス回路5と
で広帯域差動増幅回路を構成する。
Description
回路に関するもので、特に電源電圧を大きくすることな
く入出力信号レベルを大きく確保できる広帯域差動増幅
回路に関する。
示すような回路が知られている。この図9に示す回路
は、「BIPOLAR AND MOS ANALOG INTEGRATED CIRCUIT DE
SIGN」(ALAN B.GREBENE 著、第 422頁)に記載されて
いる回路である。
R2からなる負荷インピーダンス回路101 と、トランジ
スタQ1,Q2,電流源I1,及び抵抗R7,R8による
直列帰還抵抗つまりエミッタ帰還抵抗を用いた電圧電流
変換回路102 と、トランジスタQ3,Q4,抵抗R3,
R4,電流源I2,電流バッファを構成するトランジス
タQ5,Q6と電流源I3,I4,及び抵抗R5,R6
による並列帰還抵抗を用いた電流電圧変換回路103 とを
備え、図9に示すよう接続して構成されている。そし
て、この構成により広帯域、高利得の電圧増幅を実現し
ている。
ついて説明する。この回路の電圧利得Gain1は、主に抵
抗R7,R8及び抵抗R5,R6によってきまる。すな
わち次式(1)で示される。 Gain1≒(R5+R6)/(R7+R8) ・・・・・・・・・・(1) 実際このような回路の各抵抗値及び電流源値の設定は、
入力電圧範囲、出力電圧範囲、電源電圧等を考慮して決
定し、抵抗R7,R8と電流源I1は、入力電圧の最大
振幅レベルVinMAX が次式(2)を満足するように設定
される。 VinMAX <(R7×I1)=(R8×I1) ・・・・・・・・・(2)
ベルのピーク値VinPEAKが電源電圧VCC (図中ではVREF
2としている)より次式(3)を満足するように設定さ
れる。 VinPEAK<VCC −(R1×I1÷2)=VCC −(R2×I1÷2)・・・・・(3)
圧の最大振幅レベルVoutMAXが次式(4)を満足するよ
うに設定される。 VoutMAX<(R3×I2)=(R4×I2) ・・・・・・・・・(4) 但し、同時に次式(5)を満足させる必要がある。 [VCC−(R3×I2)]−[VCC−(R1×I1÷2)−VBEQ] ≧VCEsatQ3= 0.5V ・・・・・・・・(5) ここでは、抵抗R5,R6を流れる電流は、電流源I1
に比べ小さいものとする。また VBEQ3はトランジスタQ
3のベースエミッタ間電圧、VCEsatQ3はトランジスタQ
3のコレクタエミッタ間飽和電圧である。
圧VCC の1/2と設定した場合、 R1×I1÷2= VCC÷2 となり、VoutMAX は、式(4),式(5)より、 〔 VCC−(R3×I2)〕−〔 VCC−(R1×I1÷2)−VBEQ3 〕−VCEsatQ3 =〔 VCC−(R3×I2)〕−〔 VCC−(VCC ÷2)−VBEQ3 〕−VCEsatQ3 =〔 VCC−(R3×I2)〕−〔(VCC ÷2)−VBEQ3 〕−VCEsatQ3 ・・・・・・・・(6) VoutMAX <(R3×I2)=(VCC ÷2)+VBEQ3 −VCEsatQ3 ・・・・(7) となる。
ン等の電子機器の高速化により、それらに使用されるL
SIの広帯域周波数特性への要求が高くなってきてい
る。しかしながら、データ記録装置などは、記録容量の
高密度化により再生信号レベルのバラツキも大きくなっ
ている。そのため、メディアの再生信号バラツキを考慮
した、入出力信号レベルが大きい信号処理回路が要求さ
れてきている。
回路では、上述した式からわかるように、電源電圧を上
げれば入出力信号レベルを大きく出来るが、近年では電
源電圧の低電圧化も求められているため、電源電圧を上
げることは好ましくない。
帯域差動増幅回路における上記問題点を解消するために
なされたもので、従来の電源電圧でも同等以上に入出力
信号レベルが大きく確保できる広帯域差動増幅回路を提
供することを目的とするものである。
を解決するため請求項1に係る発明は、前段に配置され
入力信号を増幅し電流信号を出力する電圧電流変換回路
と、後段に配置され前記電圧電流変換回路が出力する電
流信号を増幅して電圧信号を出力する電流電圧変換回路
と、前記電圧電流変換回路の出力と電源電圧との間に接
続された第1の負荷インピーダンスと、前記電圧電流変
換回路の出力と前記電流電圧変換回路の入力との間に接
続された電圧レベルシフト回路と、前記電圧レベルシフ
ト回路の入力と前記電流電圧変換回路の出力との間に接
続され、前記電圧電流変換回路の電流を電圧に変換する
第2の負荷インピーダンスとで広帯域差動増幅回路を構
成するものである。
おいては、前記電圧電流変換回路の出力と前記電流電圧
変換回路の入力との間に電圧レベルシフト回路を接続し
ているので、この電圧レベルシフト回路の電圧シフトレ
ベルを適切に設定することによって、前記電圧電流変換
回路の入力電圧の最大振幅レベルと、前記電流電圧変換
回路の出力電圧の最大振幅レベルを夫々大きくすること
が可能となる。なお、この請求項1に係る発明の実施の
形態としては、図1,2,3,4,7,8に示す第1の
実施形態及びその変形例が対応している。
され入力信号を増幅し電流信号を出力する電圧電流変換
回路と、後段に配置され前記電圧電流変換回路が出力す
る電流信号を増幅して電圧信号を出力する電流電圧変換
回路と、前記電圧電流変換回路の出力と電源電圧との間
に接続された第1の負荷インピーダンスと、前記電圧電
流変換回路の出力と前記電流電圧変換回路の入力との間
に接続された電圧レベルシフト回路と、前記電圧レベル
シフト回路の出力と前記電流電圧変換回路の出力との間
に接続され、前記電圧電流変換回路の電流を電圧に変換
する第2の負荷インピーダンスとで広帯域差動増幅回路
を構成するものである。
おいては、前記電圧電流変換回路の出力と前記電流電圧
変換回路の入力との間に電圧レベルシフト回路を接続し
ているので、この電圧レベルシフト回路のシフトレベル
を適切に設定することによって、前記電圧電流変換回路
の入力電圧の最大振幅レベルと、前記電流電圧変換回路
の出力電圧の最大振幅レベルを夫々大きくすることが可
能となる。また、前段の電圧電流変換回路の出力信号と
後段の電流電圧変換回路の出力信号との電位差が大きい
場合、第2の負荷インピーダンスに流れる電流を小さく
することができ、電圧電流変換回路の入力電圧の最大振
幅レベルのピーク値を大きくすることが可能となる。な
お、この請求項2に係る発明の実施の形態としては、図
5,6に示す第2の実施の形態が対応している。
は2に係る広帯域差動増幅回路において、前記前段に配
置された電圧電流変換回路の出力と、前記電源電圧との
間に電流源を接続することを特徴とするものである。
おいては、前記電圧電流変換回路の出力と、前記電源電
圧との間に接続された電流源の値を電圧レベルシフト回
路に流れる電流値に設定することにより、前記電圧電流
変換回路の入力電圧の最大振幅レベルのピーク値を大き
くすることが可能となる。なお、この請求項3に係る発
明の実施の形態としては、図7,8に示す第1の実施の
形態の変形例が対応している。
3のいずれか1項に係る広帯域差動増幅回路において、
前記電圧レベルシフト回路がダイオードで構成されるこ
とを特徴とするものである。
おいては、前記電圧レベルシフト回路をダイオードのみ
で簡単に構成することが可能となる。なお、この請求項
4に係る発明の実施の形態としては、図2,3,6,8
に示す第1及び第2の実施の形態及びその変形例が対応
している。
3のいずれか1項に係る広帯域差動増幅回路において、
前記電圧レベルシフト回路を直列接続の複数ダイオード
で構成することを特徴とするものである。
おいては、電圧レベルシフト回路で発生する電圧を簡単
に大きく設定することが可能となる。なお、この請求項
5に係る発明の実施の形態としては、図3に示す第1の
実施の形態の変形例が対応している。
3のいずれか1項に係る広帯域差動増幅回路において、
前記電圧レベルシフト回路は、前記前段の電圧電流変換
回路の出力にコレクタを、コレクタベース間に第1の抵
抗を、ベースエミッタ間に第2の抵抗を、エミッタを前
記電流電圧変換回路の入力にそれぞれ接続したトランジ
スタを備えていることを特徴とするものである。
おいては、電圧レベルシフト回路で発生する電圧を、第
1及び第2の抵抗値にて所望の値に設定することが可能
となる。なお、この請求項6に係る発明の実施の形態と
しては、図4に示す第1の実施の形態の変形例が対応し
ている。
施の形態を説明する。図1は、本発明に係る広帯域差動
増幅回路の第1の実施の形態の概要を示す概念図であ
る。この実施の形態に係る差動増幅回路は、図1に示す
ように、前段に配置され入力信号Vinを増幅し電流信号
を出力する電圧電流変換回路1と、後段に配置され前記
電圧電流変換回路1が出力する電流信号を増幅して電圧
信号Vout を出力する電流電圧変換回路2と、前記電圧
電流変換回路1の出力と電源電圧VREF2との間に接続さ
れた第1の負荷インピーダンス回路3と、前記電圧電流
変換回路1の出力と前記電流電圧変換回路2の入力との
間に接続された電圧レベルシフト回路4と、前記電圧レ
ベルシフト回路4の入力と前記電流電圧変換回路2の出
力との間に接続され、前記電圧電流変換回路1の電流を
電圧に変換する第2の負荷インピーダンス回路5とで構
成されている。
回路においては、入力信号は電圧電流変換回路1の入力
に印加することにより電流に変換される。変換された電
流は、第1の負荷インピーダンス回路3と電圧レベルシ
フト回路4の入力及び第2の負荷インピーダンス回路5
へ夫々出力されが、前記第2の負荷インピーダンス回路
5は電流電圧変換回路2の出力信号を前記電圧レベルシ
フト回路4の入力へ帰還させるように接続しているの
で、前記電圧電流変換回路1からの電流は殆ど前記第2
の負荷インピーダンス回路5へ流れ、該第2の負荷イン
ピーダンス回路5で発生する電圧が、本回路の出力電圧
Vout となる。ここで電圧電流変換回路1の出力と電流
電圧変換回路2の入力との間に前記電圧レベルシフト回
路4を接続し、電圧レベルシフト回路4の入力である前
記電圧電流変換回路1の出力電圧と、電圧レベルシフト
回路4の出力である前記電流電圧変換回路2の入力電圧
に電圧差を設けることにより、前記電圧電流変換回路1
の入力電圧Vinの最大振幅レベルと前記電流電圧変換回
路2の出力電圧Vout の最大振幅レベルを、夫々大きく
することが可能となる。
おける具体的な構成例を示す図である。図2において、
R1,R2は第1の負荷インピーダンス回路3を構成し
ており、トランジスタQ1,Q2,電流源I1,I2,
及びトランジスタQ1,Q2のエミッタ帰還抵抗抵抗R
7を用いて電圧電流変換回路1を構成している。また、
トランジスタQ3,Q4,抵抗R3,R4,電流源I3
及び、電流バッファを構成するトランジスタQ5,Q
6,電流源I4,I5とで電流電圧変換回路2を構成し
ている。また前記電圧電流変換回路1の出力と前記電流
電圧変換回路2の入力との間に接続した、ダイオードD
1,D2と、電流源I6,I7とで電圧レベルシフト回
路4を構成している。但し、この電圧レベルシフト回路
4において、電流源I6,I7は低周波領域で使用する
場合は無くても構わない。また、電圧レベルシフト回路
4の入力と電流電圧変換回路2の出力の間に接続した抵
抗R5,R6による並列帰還抵抗で第2の負荷インピー
ダンス回路5を構成している。なお、図2において、VR
EF1は電源電圧の最低電位を、VREF2は電源電圧の最高
電位を、VREF3は電圧電流変換回路1の入力バイアス電
圧を示している。
電圧利得GainAは、主に抵抗R5,R6及び抵抗R7に
よって決まり、次式(1A)で示される。 GainA≒(R5+R6)/(R7) ・・・・・・・・・・・・(1A) 電圧電流変換回路1の入力電圧の最大振幅レベルVinMA
XAは、次式(2A)で表され、 VinMAXA<(R7×I1)=(R7×I2) ・・・・・・・・・(2A) 入力電圧の最大振幅レベルのピーク値VinPEAKA は、次
式(3A)で表され、 VinPEAKA <VREF2 −(R1×I1)=VREF2 −(R2×I2) ・・・・・(3A) 電流電圧変換回路2の出力電圧の最大振幅レベルVoutM
AXA は、次式(4A)で表され、 VoutMAXA <(R3×I3)=(R4×I3)・・・・・・・・・(4A) 但し、同時に次式(5A)を満足させる必要がある。 [VREF2−(R3×I3)]−[VREF2−(R1×I1)−VBEQ3 −VD2]≧VCEsatQ3=0.5V ・・・・・・・・ (5A) ここでは、第2の負荷インピーダンス回路5を構成する
抵抗R5,R6を流れる電流は、電流源I1,I2の電
流に比べ小さいものとする。また、VBEQ3 はトランジス
タQ3のベースエミッタ間電圧、VCEsatQ3はトランジス
タQ3のコレクタエミッタ間飽和電圧、VD2 はダイオー
ドD2の両端子間の電圧を示している。
生する電圧を電源電圧VREFの1/2と設定した場合、次
式が成立する。R1×I1=VCC ÷2(但し、電源電圧VCC
は、VCC =VREF2−VREF1とする)出力電圧の最大振幅
レベルVoutMAXA は、式(4A),式(5A)より、 [VCC−(R3×I3)]−[VCC−(R1×I1)−VBEQ3 −VD2]−VCEsatQ3 =[VCC−(R3×I3)]−[VCC−(VCC ÷2)−VBEQ3 −VD2]−VCEsatQ3 =[VCC−(R3×I3)]−[(VCC ÷2)−VBEQ3 −VD2]−VCEsatQ3 ・・・・・・・・(6A) VoutMAXA <(R3×I3)=(VCC ÷2)+VBEQ3 +VD2 −VCEsatQ3 ・・・・・・・・(7A) となる。
(8)が成立する。 (VCC ÷2)+VBEQ3 +VD2 −VCEsatQ3−[(VCC ÷2)+VBEQ3 −VCEsatQ3] =VD2 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・(8) よって、電圧レベルシフト回路4で生じる電圧レベル
(図2に示した構成例ではダイオードD1,D2の電
圧)の大きさだけ、電流電圧変換回路2の最大出力電圧
レベルを大きくすることが可能となる。
outMAXA を従来技術と同じ値に設定した場合は、電圧電
流変換回路1の入力電圧Vinの最大振幅レベルのピーク
値VinPEAKA は、電圧レベルシフト回路4で生じる電圧
レベル(図2に示した構成例ではダイオードD1,D2
の電圧)の大きさだけ、大きくすることが可能となる。
他の具体的な構成例を示す図である。図3に示す構成例
においては、上述の図1に示した第1の実施の形態にお
ける電圧レベルシフト回路4を、複数ダイオード(D
1,D2,D3,D4)の直列構成にしたものである。
このように構成した広帯域差動増幅回路は、基本的に図
2に示した構成例と効果は同じであるが、電圧レベルシ
フト回路4で生じる電圧レベルを、ダイオードの数だけ
大きく設定できる。なお、この構成は、後述する第2及
び第3の実施の形態における電圧レベルシフト回路4に
も適用可能である。
更に他の具体的な構成例を示す図である。図4に示す構
成例においては、上述の図1に示した第1の実施の形態
における電圧レベルシフト回路4を、コレクタ・ベース
間に抵抗R8を、ベース・エミッタ間に抵抗R9を接続
したトランジスタQ7と、コレクタ・ベース間に抵抗R
10を、ベース・エミッタ間に抵抗R11を接続したトラン
ジスタQ8とで構成するようにしたものである。なお、
この構成は、後述する第2及び第3の実施の形態におけ
る電圧レベルシフト回路4にも適用可能である。
は、基本的に図2に示した構成例と効果は同じである
が、電圧レベルシフト回路4で生じる電圧レベルVSを、
以下の式(9)に従い、R8とR9(R10とR11)との
抵抗比により大きく設定できる。 VS= VBEQ7÷R9×R8+VBEQ7 =VBEQ8 ÷R11 ×R10 +VBEQ8 ・・・・(9)
を示す概念図である。この第2の実施の形態は、図1に
示した第1の実施の形態における第2の負荷インピーダ
ンス回路5の接続を、電流電圧変換回路2の出力信号か
ら電圧レベルシフト回路4の出力へ負帰還させる構成と
したものである。基本的な効果は第1の実施の形態と同
じであるが、前段の電圧電流変換回路1の出力信号と、
前記の電流電圧変換回路2の出力信号との電位差が大き
い場合、前記第2の負荷インピーダンス回路5に流れる
電流を小さくすることができ、電圧電流変換回路1の入
力電圧の最大振幅レベルのピーク値VinPEAKA を大きく
することが可能となる。
な構成例を示す図である。図6においては、図2に示し
た上述の第1の実施の形態の具体的な構成例における、
並列帰還抵抗である抵抗R5,R6による第2の負荷イ
ンピーダンス回路5を、電流電圧変換回路2の出力と電
圧レベルシフト回路4の出力側に接続した構成としたも
のである。このように構成した広帯域差動増幅回路は、
基本的に第1の実施の形態の構成例と効果は同じである
が、前段の電圧電流変換回路1の出力端と、後段の電流
電圧変換回路2の出力端の電位差が大きい場合、並列帰
還抵抗R5,R6に流れる電流を小さくすることがで
き、電圧電流変換回路1の入力電圧の最大振幅レベルの
ピーク値VinPEAKA を、大きくすることが可能となる。
を示す概念図である。図7においては、図1及び図5に
示した第1及び第2の実施の形態における電圧電流変換
回路1の出力と電源電圧VREF2 間に、電流源6を接続し
たものである。この電流源6の値を、電圧レベルシフト
回路4に流れる電流値に設定することにより、前記電圧
電流変換回路1の入力電圧の最大振幅レベルのピーク値
VinPEAKA を、大きくすることが可能となる。
な構成例を示す図である。図8においては、図2に示し
た上述の第1の実施の形態の具体的な構成例における、
電圧電流変換回路1の出力端と電源電圧VREF2 間に、電
流源I8,I9を接続した構成とするものである。この
ように構成した広帯域差動増幅回路は、基本的に第1の
実施の形態の構成例と効果は同じであるが、電流源I
6,I7と電流源I8,I9の値を同じにすることによ
り、電流源I6,I7の電流が第1の負荷インピーダン
ス回路3を構成する抵抗R1,R2へ流れなくなるた
め、電圧電流変換回路1の入力電圧の最大振幅レベルの
ピーク値VinPEAKA を、大きくすることが可能となる。
たように、本発明によれば、前段に配置した電圧電流変
換回路の出力と後段に配置した電流電圧変換回路の入力
との間に、電圧レベルシフト回路を接続しているので、
電源電圧を変えずに且つ広帯域周波数特性を損なうこと
なく、入出力電圧レベルを大きく確保できる広帯域差動
増幅回路を実現することができる。
の形態を示す概念図である。
例を示す回路構成図である。
構成例を示す回路構成図である。
他の構成例を示す回路構成図である。
る。
例を示す回路構成図である。
る。
例を示す回路構成図である。
構成図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 前段に配置され入力信号を増幅し電流信
号を出力する電圧電流変換回路と、後段に配置され前記
電圧電流変換回路が出力する電流信号を増幅して電圧信
号を出力する電流電圧変換回路と、前記電圧電流変換回
路の出力と電源電圧との間に接続された第1の負荷イン
ピーダンスと、前記電圧電流変換回路の出力と前記電流
電圧変換回路の入力との間に接続された電圧レベルシフ
ト回路と、前記電圧レベルシフト回路の入力と前記電流
電圧変換回路の出力との間に接続され、前記電圧電流変
換回路の電流を電圧に変換する第2の負荷インピーダン
スを有することを特徴とする広帯域差動増幅回路。 - 【請求項2】 前段に配置され入力信号を増幅し電流信
号を出力する電圧電流変換回路と、後段に配置され前記
電圧電流変換回路が出力する電流信号を増幅して電圧信
号を出力する電流電圧変換回路と、前記電圧電流変換回
路の出力と電源電圧との間に接続された第1の負荷イン
ピーダンスと、前記電圧電流変換回路の出力と前記電流
電圧変換回路の入力との間に接続された電圧レベルシフ
ト回路と、前記電圧レベルシフト回路の出力と前記電流
電圧変換回路の出力との間に接続され、前記電圧電流変
換回路の電流を電圧に変換する第2の負荷インピーダン
スを有することを特徴とする広帯域差動増幅回路。 - 【請求項3】 前記前段に配置された電圧電流変換回路
の出力と、前記電源電圧との間に接続された電流源を有
することを特徴する請求項1又は2に係る広帯域差動増
幅回路。 - 【請求項4】 前記電圧レベルシフト回路が、ダイオー
ドで構成されていることを特徴とする請求項1〜3のい
ずれか1項に係る広帯域差動増幅回路。 - 【請求項5】 前記電圧レベルシフト回路が、直列接続
の複数ダイオードで構成されていることを特徴とする請
求項1〜3のいずれか1項に係る広帯域差動増幅回路。 - 【請求項6】 前記電圧レベルシフト回路は、前記前段
に配置された電圧電流変換回路の出力にコレクタを、コ
レクタベース間に第1の抵抗を、ベースエミッタ間に第
2の抵抗を、エミッタを前記電流電圧変換回路の入力に
それぞれ接続したトランジスタを備えていることを特徴
とする請求項1〜3のいずれか1項に係る広帯域差動増
幅回路。
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---|---|---|---|---|
JP2007043604A (ja) * | 2005-08-05 | 2007-02-15 | Sony Corp | 出力回路、差動出力回路及びテレビ放送受信装置 |
JP2008109489A (ja) * | 2006-10-26 | 2008-05-08 | Sony Corp | 信号処理回路及び光ディスク装置 |
CN114094962A (zh) * | 2021-11-23 | 2022-02-25 | 广州慧智微电子股份有限公司 | 一种电压电流转换电路、射频功率放大器和电子系统 |
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