JP2006237956A - Operational amplifier - Google Patents

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Junichi Todaka
順一 戸高
Shuji Toda
修二 戸田
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Toshiba Corp
Toshiba Electronic Device Solutions Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To make the transconductance of an operational amplifier having a differential amplifier circuit composed of a CMOS constant over the whole input range even in an intense inversion region. <P>SOLUTION: A Rail to Rail operational amplifier 1 comprises a voltage control section 2, a differential input stage 3, and an output stage 4. The voltage control section 2 comprises an Nch MOS transistor N3 to an Nch MOS transistor N6, a Pch MOS transistor P3, a Pch MOS transistor P4, a capacitor C1 and a constant current source 6, and controls the voltage between sources of two differential amplifier circuits constituting the differential input stage 3, thereby enabling the Rail to Rail operational amplifier 1 to operate while the transconductance (gm) and an output current (Iout) are made constant over the whole input range. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、演算増幅器(operational amplifier オペアンプとも呼称される)に係り、特に演算増幅器の入力範囲が供給電源の最小値から最大値までの全範囲でRail to Rail動作する演算増幅器に関する。   The present invention relates to an operational amplifier (also referred to as an operational amplifier operational amplifier), and more particularly to an operational amplifier that performs a rail-to-rail operation over the entire range from the minimum value to the maximum value of a power supply.

演算増幅器は、入力信号を増幅し、増幅した出力信号を出力し、初期増幅する入力段と駆動機能を提供して更なる増幅も可能とする出力段とを含む。演算増幅器の入力段には、初期利得を提供し、増幅器に一定のバンド幅と一定な利得を与えるためにトランスコンダクタンス(gmとも呼称される)が一定なRail to Rail動作する差動増幅回路が一般的に用いられている(例えば、特許文献1参照。)。   The operational amplifier includes an input stage that amplifies an input signal, outputs an amplified output signal, and initially amplifies it, and an output stage that provides a driving function and enables further amplification. At the input stage of the operational amplifier, there is a differential amplifier circuit that performs a Rail-to-Rail operation with a constant transconductance (also referred to as gm) in order to provide an initial gain and to give the amplifier a constant bandwidth and a constant gain. Generally used (for example, refer to Patent Document 1).

近年、電子機器の低消費電力化及び多機能化の進展に伴い、 差動増幅回路などをCMOSで構成されるRail to Rail動作の演算増幅器が多用されている。ところが、特許文献1などに記載される演算増幅器においては、入力段の差動増幅回路を構成するPch MOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタ及びNch MOSトランジスタが弱反転領域では全入力範囲でトランスコンダクタンス(gm)を一定にできるが、強反転領域では全入力範囲でトランスコンダクタンス(gm)を一定にできないという問題点がある。
特開2002−185272号公報(頁9、図6)
In recent years, with the progress of low power consumption and multi-functionalization of electronic devices, operational amplifiers for Rail-to-Rail operation in which a differential amplifier circuit and the like are composed of CMOS are frequently used. However, in the operational amplifier described in Patent Document 1 and the like, the Pch MOS (Metal Oxide Semiconductor) transistor and the Nch MOS transistor that constitute the differential amplifier circuit of the input stage have transconductance (gm) in the entire input range in the weak inversion region. ) Can be made constant, but there is a problem that the transconductance (gm) cannot be made constant over the entire input range in the strong inversion region.
JP 2002-185272 A (Page 9, FIG. 6)

本発明は、差動増幅回路をCMOSで構成し、強反転領域でも全入力範囲でトランスコンダクタンスを一定にできる演算増幅器を提供することにある。   An object of the present invention is to provide an operational amplifier in which a differential amplifier circuit is constituted by a CMOS and the transconductance can be made constant over the entire input range even in a strong inversion region.

上記目的を達成するために、本発明の一態様の演算増幅器は、差動対をなす第1及び第2のNch MOSトランジスタを有する第1の差動増幅回路と、差動対をなす第1及び第2のPch MOSトランジスタを有する第2の差動増幅回路とを備える差動入力段と、前記第1及び第2のNch MOSトランジスタのソースと前記第1及び第2のPch MOSトランジスタのソースとの間の電圧を制御し、入力電圧に応じて前記差動入力段のトランスコンダクタンスを一定値に制御する電圧制御部とを具備することを特徴とする。   In order to achieve the above object, an operational amplifier according to an aspect of the present invention includes a first differential amplifier circuit having first and second Nch MOS transistors forming a differential pair and a first differential pair. And a differential input stage comprising a second differential amplifier circuit having a second Pch MOS transistor, a source of the first and second Nch MOS transistors, and a source of the first and second Pch MOS transistors And a voltage controller that controls the transconductance of the differential input stage to a constant value according to the input voltage.

更に、上記目的を達成するために、本発明の他態様の演算増幅器は、差動対をなす第1及び第2のNch MOSトランジスタを有する第1の差動増幅回路と、差動対をなす第1及び第2のPch MOSトランジスタを有する第2の差動増幅回路とを備える差動入力段と、前記第1及び第2のNch MOSトランジスタのソースと前記第1及び第2のPch MOSトランジスタのソースとの間の電圧を制御し、入力電圧に応じて前記差動入力段のトランスコンダクタンスを一定値に制御する電圧制御部と、前記差動入力段から出力された信号を増幅して出力する出力段とを具備することを特徴とする。   To achieve the above object, an operational amplifier according to another aspect of the present invention forms a differential pair with a first differential amplifier circuit having first and second Nch MOS transistors forming a differential pair. A differential input stage including a second differential amplifier circuit having first and second Pch MOS transistors; a source of the first and second Nch MOS transistors; and the first and second Pch MOS transistors. A voltage control unit that controls the voltage between the source and the differential input stage according to the input voltage, and amplifies and outputs the signal output from the differential input stage And an output stage.

本発明によれば、差動増幅回路をCMOSで構成し、強反転領域でも全入力範囲でトランスコンダクタンスを一定にできる演算増幅器を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide an operational amplifier in which the differential amplifier circuit is configured by CMOS and the transconductance can be made constant over the entire input range even in the strong inversion region.

以下本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

まず、本発明の実施例1に係る演算増幅器について、図面を参照して説明する。図1はRail to Railオペアンプを示す回路図である。本実施例では、Rail to RailオペアンプをCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)で構成している。   First, an operational amplifier according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a circuit diagram showing a Rail to Rail operational amplifier. In this embodiment, the Rail to Rail operational amplifier is constituted by a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor).

図1に示すように、Rail to Railオペアンプ1は、電圧制御部2、差動入力段3、及び出力段4から構成され、全入力範囲でトランスコンダクタンス(gm)及び出力電流(Iout)を一定にして動作する。   As shown in FIG. 1, the Rail to Rail operational amplifier 1 includes a voltage control unit 2, a differential input stage 3, and an output stage 4. The transconductance (gm) and the output current (Iout) are constant over the entire input range. To work.

電圧制御部2は、Nch MOSトランジスタN3乃至Nch MOSトランジスタN6、Pch MOSトランジスタP3、Pch MOSトランジスタP4、コンデンサC1、及び定電流源6から構成され、差動入力段3を構成する2つの差動増幅回路のソース間電圧を制御する。   The voltage control unit 2 includes Nch MOS transistor N3 to Nch MOS transistor N6, Pch MOS transistor P3, Pch MOS transistor P4, capacitor C1, and constant current source 6, and includes two differentials constituting the differential input stage 3. Controls the source-to-source voltage of the amplifier circuit.

Pch MOSトランジスタP3は、ソースがノードnd3に接続され、ドレインがNch MOSトランジスタN3のドレイン(ノードnd1)に接続され、ゲートに、例えば、BGR(Band Gap Reference)回路などの基準電圧発生回路から出力された基準電圧V1が入力される。そして、Pch MOSトランジスタP3は、差動対をなすNch MOSトランジスタN1とNch MOSトランジスタN2、及び差動対をなすPch MOSトランジスタP1とPch MOSトランジスタP2に流れる電流分割用として動作し、定電流源5に流れる定電流Ib1をIb1×αとIb1×(1−α)に分割する。ここで、αは電流分割比であり、入力電圧Vinの変化により0〜1まで変化する。   The Pch MOS transistor P3 has a source connected to the node nd3, a drain connected to the drain (node nd1) of the Nch MOS transistor N3, and a gate output from a reference voltage generation circuit such as a BGR (Band Gap Reference) circuit, for example. The reference voltage V1 is input. The Pch MOS transistor P3 operates to divide the current flowing through the Nch MOS transistor N1 and the Nch MOS transistor N2 forming a differential pair, and the Pch MOS transistor P1 and the Pch MOS transistor P2 forming a differential pair. 5 is divided into Ib1 × α and Ib1 × (1−α). Here, α is a current division ratio, and changes from 0 to 1 according to the change of the input voltage Vin.

Nch MOSトランジスタN3は、ゲートがドレイン(ノードnd1)に接続され、ソースが低電位側電源Vssに接続されている。Nch MOSトランジスタN4は、ドレインがノードnd4に接続され、ゲートがNch MOSトランジスタN3のゲート及びNch MOSトランジスタN3のドレイン(ノードnd1)に接続され、ソースが低電位側電源Vssに接続されている。Nch MOSトランジスタN5は、ドレインがノードnd1に接続され、ゲートがノードnd2に接続され、ソースが低電位側電源Vssに接続されている。コンデンサC1は、一端がノードnd1に接続され、他端がノードnd2に接続されている。ここで、Nch MOSトランジスタN3及びNch MOSトランジスタN4は、Wg(ゲート幅)/Lg(ゲート長)が1:1の比からなるカレントミラー回路を構成している。   The Nch MOS transistor N3 has a gate connected to the drain (node nd1) and a source connected to the low potential power source Vss. The Nch MOS transistor N4 has a drain connected to the node nd4, a gate connected to the gate of the Nch MOS transistor N3 and the drain of the Nch MOS transistor N3 (node nd1), and a source connected to the low potential side power supply Vss. The Nch MOS transistor N5 has a drain connected to the node nd1, a gate connected to the node nd2, and a source connected to the low potential power source Vss. The capacitor C1 has one end connected to the node nd1 and the other end connected to the node nd2. Here, the Nch MOS transistor N3 and the Nch MOS transistor N4 constitute a current mirror circuit having a ratio of Wg (gate width) / Lg (gate length) of 1: 1.

Nch MOSトランジスタN6は、ドレインが高電位側電源Vddに接続され、ゲートがノードnd3に接続され、ソースがPch MOSトランジスタP4のソースに接続されている。Pch MOSトランジスタP4は、ゲートがノードnd4に接続され、ドレインがノードnd2に接続されている。定電流源6は、一端がノードnd2に接続され、他端が低電位側電源Vssに接続され定電流Ib2を発生する。なお、MOSトランジスタは、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)とも呼称される。   The Nch MOS transistor N6 has a drain connected to the high potential side power supply Vdd, a gate connected to the node nd3, and a source connected to the source of the Pch MOS transistor P4. The Pch MOS transistor P4 has a gate connected to the node nd4 and a drain connected to the node nd2. The constant current source 6 has one end connected to the node nd2 and the other end connected to the low potential side power source Vss to generate a constant current Ib2. The MOS transistor is also referred to as a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).

差動入力段3は、Nch MOSトランジスタN1、Nch MOSトランジスタN2、Pch MOSトランジスタP1、Pch MOSトランジスタP2、及び定電流源5から構成され、Nch MOSトランジスタN1及びNch MOSトランジスタN2がNchの差動対をなし、Pch MOSトランジスタP1及びPch MOSトランジスタP2がPchの差動対をなす。   The differential input stage 3 includes an Nch MOS transistor N1, an Nch MOS transistor N2, a Pch MOS transistor P1, a Pch MOS transistor P2, and a constant current source 5, and the Nch MOS transistor N1 and the Nch MOS transistor N2 are Nch differentials. A pair is formed, and the Pch MOS transistor P1 and the Pch MOS transistor P2 form a Pch differential pair.

定電流源5は、一端が高電位側電源Vddに接続され、他端がノードnd3に接続され定電流Ib1を発生する。Nch MOSトランジスタN1は、ドレインがノードnd6に接続され、ゲートに+側の入力電圧Vin+が入力され、ソースがノードnd4に接続されている。Nch MOSトランジスタN2は、ドレインがノードnd5に接続され、ゲートに−側の入力電圧Vin−が入力され、ソースがノードnd4に接続されている。   The constant current source 5 has one end connected to the high potential side power supply Vdd and the other end connected to the node nd3 to generate a constant current Ib1. In the Nch MOS transistor N1, the drain is connected to the node nd6, the + side input voltage Vin + is input to the gate, and the source is connected to the node nd4. In the Nch MOS transistor N2, the drain is connected to the node nd5, the negative input voltage Vin− is input to the gate, and the source is connected to the node nd4.

Pch MOSトランジスタP1は、ソースがノードnd3に接続され、ゲートに+側の入力電圧Vin+が入力され、ドレインがノードnd9に接続されている。Pch MOSトランジスタP2は、ソースがノードnd3に接続され、ゲートに−側の入力電圧Vin−が入力され、ドレインがノードnd8に接続されている。   In the Pch MOS transistor P1, the source is connected to the node nd3, the + side input voltage Vin + is input to the gate, and the drain is connected to the node nd9. In the Pch MOS transistor P2, the source is connected to the node nd3, the negative input voltage Vin− is input to the gate, and the drain is connected to the node nd8.

出力段4は、Nch MOSトランジスタN7、Nch MOSトランジスタN8、Pch MOSトランジスタP5、Pch MOSトランジスタP6、及び抵抗R1乃至抵抗R4から構成され、差動入力電圧差(ΔVin)をMOSトランジスタで増幅する出力変換回路として動作する。   The output stage 4 includes an Nch MOS transistor N7, an Nch MOS transistor N8, a Pch MOS transistor P5, a Pch MOS transistor P6, and resistors R1 to R4. The output stage 4 amplifies the differential input voltage difference (ΔVin) with the MOS transistor. Operates as a conversion circuit.

抵抗R1は、一端が高電位側電源Vddに接続され、他端がノードnd5に接続されている。抵抗R2は、一端が高電位側電源Vddに接続され、他端がノードnd6に接続されている。Pch MOSトランジスタP5は、ソースがノードnd5に接続され、ゲートがPch MOSトランジスタP6のゲートに接続され、ゲートに、例えば、BGR回路などの基準電圧発生回路から出力された基準電圧V2が入力され、ドレインがNch MOSトランジスタN7のドレインに接続されている。   The resistor R1 has one end connected to the high potential side power supply Vdd and the other end connected to the node nd5. The resistor R2 has one end connected to the high potential side power supply Vdd and the other end connected to the node nd6. The Pch MOS transistor P5 has a source connected to the node nd5, a gate connected to the gate of the Pch MOS transistor P6, and a reference voltage V2 output from a reference voltage generation circuit such as a BGR circuit is input to the gate. The drain is connected to the drain of the Nch MOS transistor N7.

Pch MOSトランジスタP6は、ソースがノードnd6に接続され、ゲートに基準電圧V2が入力され、ドレインがノードnd7に接続されている。Nch MOSトランジスタN7は、ゲートがドレイン及びNch MOSトランジスタN8のゲートに接続され、ソースがノードnd8に接続されている。Nch MOSトランジスタN8は、ドレインがノードnd7に接続され、ソースがノードnd9に接続されている。ここで、Nch MOSトランジスタN7及びNch MOSトランジスタN8は、Wg/Lgが1:1の比からなるカレントミラー回路を構成している。   In the Pch MOS transistor P6, the source is connected to the node nd6, the reference voltage V2 is input to the gate, and the drain is connected to the node nd7. The Nch MOS transistor N7 has a gate connected to the drain and the gate of the Nch MOS transistor N8, and a source connected to the node nd8. The Nch MOS transistor N8 has a drain connected to the node nd7 and a source connected to the node nd9. Here, the Nch MOS transistor N7 and the Nch MOS transistor N8 constitute a current mirror circuit having a Wg / Lg ratio of 1: 1.

抵抗R3は、一端がノードnd8に接続され、他端が低電位側電源Vssに接続されている。抵抗R4は、一端がノードnd9に接続され、他端が低電位側電源Vssに接続されている。そして、ノードnd7からRail to Railオペアンプ1の一定電流である出力電流Ioutが出力される。   The resistor R3 has one end connected to the node nd8 and the other end connected to the low potential side power source Vss. The resistor R4 has one end connected to the node nd9 and the other end connected to the low potential side power supply Vss. Then, an output current Iout that is a constant current of the Rail to Rail operational amplifier 1 is output from the node nd7.

次に、電圧制御部2の差動入力段2のソース間電圧制御動作について詳述する。ここで、差動対をなすNch MOSトランジスタN1のWg/LgとNch MOSトランジスタN6のWg/Lgとの比が1:Kに設定され、差動対をなすPch MOSトランジスタP1のWg/LgとPch MOSトランジスタP4のWg/Lgとの比が1:Kに設定されている。   Next, the source voltage control operation of the differential input stage 2 of the voltage controller 2 will be described in detail. Here, the ratio of Wg / Lg of the Nch MOS transistor N1 forming the differential pair to Wg / Lg of the Nch MOS transistor N6 is set to 1: K, and the Wg / Lg of the Pch MOS transistor P1 forming the differential pair is The ratio of the Pch MOS transistor P4 to Wg / Lg is set to 1: K.

そして、Nch MOSトランジスタN6及びPch MOSトランジスタP4を流れる電流(Ido)は、定電流源6を流れる定電流Ib2と比較され、その電流差がゼロになるようにNch MOSトランジスタN3、Nch MOSトランジスタN4、及びNch MOSトランジスタN5の負帰還動作を行う。なお、コンデンサC1は、負帰還ループ安定用(発振防止用)として挿入されている。   The current (Ido) flowing through the Nch MOS transistor N6 and the Pch MOS transistor P4 is compared with the constant current Ib2 flowing through the constant current source 6, and the Nch MOS transistor N3 and the Nch MOS transistor N4 are set so that the current difference becomes zero. And the negative feedback operation of the Nch MOS transistor N5. The capacitor C1 is inserted for stabilizing the negative feedback loop (for preventing oscillation).

強反転領域で、Nch MOSトランジスタN1に流れるドレイン電流(Idn)とPch MOSトランジスタP1に流れるドレイン電流(Idp)は、それぞれ、
Idn=(μnεoxεoWgn/2toxLgn)×{(Vgsn−Vthn)}・・・・・・・・・・式(1)
Idp=(μpεoxεoWgp/2toxLgp)×{(Vgsp−Vthp)}・・・・・・・・・・式(2)
と表される。なお、μnはエレクトロンの移動度、μpはホールの移動度、εoxはゲート絶縁膜の誘電率、εoは比誘電率、Wgn及びWgpはゲート幅、toxはゲート絶縁膜厚、Lgn及びLgpはゲート長、Vgsn及びVgspはゲート−ソース間電圧、Vthn及びVthpは閾値電圧である。そして、(μnεoxεoWgn/2toxLgn)は定数A、(μpεoxεoWgp/2toxLgp)は定数Bと、それぞれ表すことができる。
In the strong inversion region, the drain current (Idn) flowing through the Nch MOS transistor N1 and the drain current (Idp) flowing through the Pch MOS transistor P1 are respectively
Idn = (μ n ε ox ε o W gn / 2t ox L gn) × {(Vgsn-Vthn) 2} ·········· formula (1)
Idp = (μ p ε ox ε o W gp / 2t ox L gp ) × {(Vgsp−Vthp) 2 } Equation (2)
It is expressed. Where μ n is the electron mobility, μ p is the hole mobility, ε ox is the dielectric constant of the gate insulating film, ε o is the relative dielectric constant, W gn and W gp are the gate width, and t ox is the gate insulating film Thickness, L gn and L gp are gate lengths, Vgsn and Vgsp are gate-source voltages, and Vthn and Vthp are threshold voltages. (Μ n ε ox ε o W gn / 2t ox L gn ) can be expressed as a constant A, and (μ p ε ox ε o W gp / 2 t ox L gp ) can be expressed as a constant B.

ここで、Nch MOSトランジスタN1及びNch MOSトランジスタN2から構成される差動増幅回路と、Pch MOSトランジスタP1及びPch MOSトランジスタP2から構成される差動増幅回路とのトランスコンダクタンス(gm)を一致させるためにA=Bとなるように設計する。   Here, in order to make the transconductance (gm) of the differential amplifier circuit composed of the Nch MOS transistor N1 and the Nch MOS transistor N2 coincide with the differential amplifier circuit composed of the Pch MOS transistor P1 and the Pch MOS transistor P2. Is designed so that A = B.

ゲート−ソース間電圧であるVgsn及びVgspは、式(1)、式(2)から、
Vgsn=Vthn+(Idn/A)1/2・・・・・・・・・・式(3)
Vgsp=Vthp+(Idp/A)1/2・・・・・・・・・・式(4)
と表され、Nch MOSトランジスタN1及びNch MOSトランジスタN2から構成される差動増幅回路と、Pch MOSトランジスタP1及びPch MOSトランジスタP2から構成される差動増幅回路のソース間電圧(Va−b)は、
Va-b=Vthn+(Idn/A)1/2+Vthp+(Idp/A)1/2・・・・・・・・・・式(5)
と表される。そして、Nch MOSトランジスタN6及びPch MOSトランジスタP4を流れる電流(Ido)は、
Ido=KA(Vgsn1−Vthn)1/2=KA(Vgsp1−Vthp)1/2・・・・・・・・・式(6)
と表せる。なお、Vgsn1はNch MOSトランジスタN6のゲート−ソース間電圧、Vgsp1はPch MOSトランジスタP4のゲート−ソース間電圧である。
Vgsn and Vgsp, which are gate-source voltages, are obtained from Equations (1) and (2).
Vgsn = Vthn + (Idn / A) 1/2 ............ Formula (3)
Vgsp = Vthp + (Idp / A) 1/2 ··· Equation (4)
The source-to-source voltage (Va-b) of the differential amplifier circuit composed of the Nch MOS transistor N1 and the Nch MOS transistor N2 and the differential amplifier circuit composed of the Pch MOS transistor P1 and the Pch MOS transistor P2 is ,
Va-b = Vthn + (Idn / A) 1/2 + Vthp + (Idp / A) 1/2 ··· Equation (5)
It is expressed. The current (Ido) flowing through the Nch MOS transistor N6 and the Pch MOS transistor P4 is
Ido = KA (Vgsn1−Vthn) 1/2 = KA (Vgsp1−Vthp) 1/2 ············· Equation (6)
It can be expressed. Vgsn1 is the gate-source voltage of the Nch MOS transistor N6, and Vgsp1 is the gate-source voltage of the Pch MOS transistor P4.

差動増幅回路のソース間電圧(Va−b)は、
Va-b=Vgsn1+Vgsp1=2(Ido/KA)1/2+Vthn+Vthp・・・・・・・・・式(7)
と表せる。そして、式(5)及び式(7)から、
(Idn)1/2+(Idp)1/2=2(Ido/K)1/2・・・・・・・・・・式(8)
と表すことができ、この式(8)は、Nch MOSトランジスタN1及びNch MOSトランジスタN2から構成される差動増幅回路を流れる電流と、Pch MOSトランジスタP1及びPch MOSトランジスタP2から構成される差動増幅回路を流れる電流と、Nch MOSトランジスタN6及びPch MOSトランジスタP4を流れる電流との関係を示している。
The source-to-source voltage (Va-b) of the differential amplifier circuit is
Va-b = Vgsn1 + Vgsp1 = 2 (Ido / KA) 1/2 + Vthn + Vthp (7)
It can be expressed. And from Equation (5) and Equation (7),
(Idn) 1/2 + (Idp) 1/2 = 2 (Ido / K) 1/2 ... Equation (8)
This equation (8) can be expressed as follows: the current flowing through the differential amplifier circuit composed of the Nch MOS transistor N1 and the Nch MOS transistor N2, and the differential composed of the Pch MOS transistor P1 and the Pch MOS transistor P2. The relationship between the current flowing through the amplifier circuit and the current flowing through the Nch MOS transistor N6 and the Pch MOS transistor P4 is shown.

つまり、トランスコンダクタンス(gm)は、ドレイン電流の1/2乗に比例するので、Nch MOSトランジスタN1及びNch MOSトランジスタN2から構成される差動増幅回路のトランスコンダクタンス(gmn)と、Pch MOSトランジスタP1及びPch MOSトランジスタP2から構成される差動増幅回路のトランスコンダクタンス(gmp)とを加算した差動入力段3の総合トランスコンダクタンス(gmt)は、Nch MOSトランジスタN6及びPch MOSトランジスタP4を流れる電流(Ido)を一定に保つように、Nch MOSトランジスタN1及びNch MOSトランジスタN2から構成される差動増幅回路とPch MOSトランジスタP1及びPch MOSトランジスタP2から構成される差動増幅回路を流れる電流を制御すれば総合トランスコンダクタンス(gmt)を一定に保てることができることを示している。   That is, since the transconductance (gm) is proportional to the drain power of the 1/2 power, the transconductance (gmn) of the differential amplifier circuit composed of the Nch MOS transistor N1 and the Nch MOS transistor N2 and the Pch MOS transistor P1. And the total transconductance (gmt) of the differential input stage 3 obtained by adding the transconductance (gmp) of the differential amplifier circuit composed of the Pch MOS transistor P2 is the current flowing through the Nch MOS transistor N6 and the Pch MOS transistor P4 ( Ido) is kept constant, the differential amplifier circuit composed of Nch MOS transistor N1 and Nch MOS transistor N2 and the difference composed of Pch MOS transistor P1 and Pch MOS transistor P2. It shows that the total transconductance (gmt) can be kept constant by controlling the current flowing through the dynamic amplifier circuit.

ここでは、Nch MOSトランジスタN1、Nch MOSトランジスタN2、及びNch MOSトランジスタN6の閾値電圧は同一であり、Pch MOSトランジスタP1、Pch MOSトランジスタP2、及びPch MOSトランジスタP4の閾値電圧は同一であるとし、製造上のバラツキを考慮していない。   Here, the threshold voltages of the Nch MOS transistor N1, the Nch MOS transistor N2, and the Nch MOS transistor N6 are the same, and the threshold voltages of the Pch MOS transistor P1, the Pch MOS transistor P2, and the Pch MOS transistor P4 are the same. Does not take into account manufacturing variations.

次に、Rail to Railオペアンプの特性について、図2を参照して説明する。図2はRail to Railオペアンプの入力電圧に対するトランスコンダクタンス(gm)の関係を示す図である。   Next, the characteristics of the Rail to Rail operational amplifier will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram showing the relationship of transconductance (gm) to the input voltage of the Rail to Rail operational amplifier.

図2に示すように、低電位側電源Vss領域では、Pch MOSトランジスタP1及びPch MOSトランジスタP2から構成される差動増幅回路のみ動作し、高電位側電源Vdd領域では、Nch MOSトランジスタN1及びNch MOSトランジスタN2から構成される差動増幅回路のみ動作している。このため、上述した式(8)から、低電位側電源Vss領域でIdn=0、Idp=Ib1となり、高電位側電源Vdd領域でIdn=Ib1、Idp=0となり、低電位側電源Vss領域及び高電位側電源Vdd領域の総合トランスコンダクタンス(gmt1)は、
gmt1=(Ib1)1/2=2(Ido/K)1/2・・・・・・・・・・式(9)
と表される。
As shown in FIG. 2, only the differential amplifier circuit composed of the Pch MOS transistor P1 and the Pch MOS transistor P2 operates in the low potential side power supply Vss region, and the Nch MOS transistor N1 and Nch operate in the high potential side power supply Vdd region. Only the differential amplifier circuit composed of the MOS transistor N2 operates. Therefore, from the above equation (8), Idn = 0 and Idp = Ib1 in the low potential side power supply Vss region, and Idn = Ib1 and Idp = 0 in the high potential side power supply Vdd region, and the low potential side power supply Vss region and The total transconductance (gmt1) of the high potential side power supply Vdd region is
gmt1 = (Ib1) 1/2 = 2 (Ido / K) 1/2 Expression (9)
It is expressed.

そして、低電位側電源Vssと高電位側電源Vddとの間の中間領域の総合トランスコンダクタンス(gmt2)は、上述した式(8)及び式(9)から、
gmt2=2(Ido/K)1/2・・・・・・・・・・式(10)
と表される。
Then, the total transconductance (gmt2) of the intermediate region between the low potential side power source Vss and the high potential side power source Vdd is obtained from the above-described equations (8) and (9).
gmt2 = 2 (Ido / K) 1/2 Equation (10)
It is expressed.

つまり、式(9)及び式(10)から明白なように弱反転領域、強反転領域によらず、一定電流(Ido)を保ちながら、差動入力段3の全入力範囲での総合トランスコンダクタンス(gmt)を一定に保つことができる。   That is, as apparent from the equations (9) and (10), the total transconductance in the entire input range of the differential input stage 3 is maintained while maintaining a constant current (Ido) regardless of the weak inversion region and the strong inversion region. (Gmt) can be kept constant.

上述したように、本実施例の演算増幅器では、Nch MOSトランジスタN3乃至Nch MOSトランジスタN6、Pch MOSトランジスタP3、Pch MOSトランジスタP4、コンデンサC1、及び定電流源6から構成され、差動入力段3を構成する2つの差動増幅回路のソース間電圧を制御する電圧制御部2が設けられている。このため、Rail to Railオペアンプ1を全入力範囲でトランスコンダクタンス(gm)及び出力電流(Iout)を一定にして動作するようにできる。   As described above, the operational amplifier according to the present embodiment includes the Nch MOS transistor N3 to the Nch MOS transistor N6, the Pch MOS transistor P3, the Pch MOS transistor P4, the capacitor C1, and the constant current source 6, and the differential input stage 3 Is provided with a voltage control unit 2 for controlling the source-to-source voltage of the two differential amplifier circuits. Therefore, the Rail to Rail operational amplifier 1 can be operated with the transconductance (gm) and the output current (Iout) being constant over the entire input range.

次に、本発明の実施例2に係る演算増幅器について、図面を参照して説明する。図3はRail to Railオペアンプを示す回路図である。本実施例では、Rail to Railオペアンプの電圧制御部及び出力段をBiCMOS(Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor)で構成している。   Next, an operational amplifier according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 3 is a circuit diagram showing a Rail to Rail operational amplifier. In this embodiment, the voltage control unit and the output stage of the Rail to Rail operational amplifier are composed of BiCMOS (Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor).

以下、実施例1と同一構成部分には、同一符号を付してその部分の説明を省略し、異なる部分のみ説明する。   In the following, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted, and only different portions are described.

図3に示すように、Rail to Railオペアンプ1aは、電圧制御部2a、差動入力段3、及び出力段4aから構成され、全入力範囲でトランスコンダクタンス(gm)及び出力電流(Iout)を一定にして動作する。   As shown in FIG. 3, the Rail to Rail operational amplifier 1a includes a voltage control unit 2a, a differential input stage 3, and an output stage 4a. The transconductance (gm) and the output current (Iout) are constant over the entire input range. To work.

電圧制御部2aは、Nch MOSトランジスタN6、Pch MOSトランジスタP3、Pch MOSトランジスタP4、NPNトランジスタBN1乃至NPNトランジスタBN3、コンデンサC1、及び定電流源6から構成され、差動入力段3を構成する2つの差動増幅回路のソース間電圧を制御する。ここで、Pch MOSトランジスタP3をPNPトランジスタに置き換えてもよい。   The voltage control unit 2a includes an Nch MOS transistor N6, a Pch MOS transistor P3, a Pch MOS transistor P4, NPN transistors BN1 to NPN transistor BN3, a capacitor C1, and a constant current source 6. Controls the source-to-source voltage of two differential amplifier circuits. Here, the Pch MOS transistor P3 may be replaced with a PNP transistor.

NPNトランジスタBN1は、ベースがコレクタ(ノードnd1)に接続され、エミッタが低電位側電源Vssに接続されている。NPNトランジスタBN2は、
コレクタがノードnd4に接続され、ベースがNPNトランジスタBN1のベース及びNPNトランジスタBN1のコレクタ(ノードnd1)に接続され、ソースが低電位側電源Vssに接続されている。NPNトランジスタBN3は、コレクタがノードnd1に接続され、ベースがノードnd2に接続され、エミッタが低電位側電源Vssに接続されている。
The NPN transistor BN1 has a base connected to the collector (node nd1) and an emitter connected to the low-potential-side power supply Vss. NPN transistor BN2
The collector is connected to the node nd4, the base is connected to the base of the NPN transistor BN1 and the collector of the NPN transistor BN1 (node nd1), and the source is connected to the low potential side power supply Vss. The NPN transistor BN3 has a collector connected to the node nd1, a base connected to the node nd2, and an emitter connected to the low potential power source Vss.

ここで、NPNトランジスタBN1及びNPNトランジスタBN2は、エミッタ面積(Se)が1:1の比からなるカレントミラー回路を構成する。なお、実施例1のNch MOSトランジスタN3及びNch MOSトランジスタN4からなるカレントミラー回路に比べ、NPNトランジスタBN1及びNPNトランジスタBN2からなるカレントミラー回路は、カレントミラー回路の重要な特性であるトランジスタのペアー性を向上させながら、トランジスタの面積を縮小することができる。   Here, the NPN transistor BN1 and the NPN transistor BN2 constitute a current mirror circuit having an emitter area (Se) having a ratio of 1: 1. Compared to the current mirror circuit composed of the Nch MOS transistor N3 and the Nch MOS transistor N4 in the first embodiment, the current mirror circuit composed of the NPN transistor BN1 and the NPN transistor BN2 is an important characteristic of the current mirror circuit. Thus, the area of the transistor can be reduced.

出力段4aは、NPNトランジスタBN4、NPNトランジスタBN5、PNPトランジスタBP1、PNPトランジスタBP2、及び抵抗R1乃至抵抗R4から構成され、差動入力電圧差(ΔVin)をバイポーラトランジスタで増幅する出力変換回路として動作する。PNPトランジスタBP1は、エミッタがノードnd5に接続され、ベースがPNPトランジスタBP2のベースに接続され、ベースに基準電圧V2が入力され、コレクタがNPNトランジスタBN4のコレクタに接続されている。PNPトランジスタBP2は、エミッタがノードnd6に接続され、ベースに基準電圧V2が入力され、コレクタがノードnd7に接続されている。   The output stage 4a includes an NPN transistor BN4, an NPN transistor BN5, a PNP transistor BP1, a PNP transistor BP2, and resistors R1 to R4, and operates as an output conversion circuit that amplifies a differential input voltage difference (ΔVin) with a bipolar transistor. To do. The PNP transistor BP1 has an emitter connected to the node nd5, a base connected to the base of the PNP transistor BP2, a reference voltage V2 input to the base, and a collector connected to the collector of the NPN transistor BN4. In the PNP transistor BP2, the emitter is connected to the node nd6, the reference voltage V2 is input to the base, and the collector is connected to the node nd7.

NPNトランジスタBN4は、ベースがコレクタ及びNPNトランジスタBN5のベースに接続され、エミッタがノードnd8に接続されている。NPNトランジスタBN5は、コレクタがノードnd7に接続され、エミッタがノードnd9に接続されている。   The NPN transistor BN4 has a base connected to the collector and the base of the NPN transistor BN5, and an emitter connected to the node nd8. The NPN transistor BN5 has a collector connected to the node nd7 and an emitter connected to the node nd9.

ここで、NPNトランジスタBN4及びNPNトランジスタBN5は、エミッタ面積(Se)が1:1の比からなるカレントミラー回路を構成する。なお、実施例1のNch MOSトランジスタN7及びNch MOSトランジスタN8からなるカレントミラー回路に比べ、NPNトランジスタBN4及びNPNトランジスタBN5からなるカレントミラー回路は、カレントミラー回路の重要な特性であるトランジスタのペアー性を向上させながら、トランジスタの面積を縮小することができる。   Here, the NPN transistor BN4 and the NPN transistor BN5 constitute a current mirror circuit having an emitter area (Se) ratio of 1: 1. Compared to the current mirror circuit composed of the Nch MOS transistor N7 and the Nch MOS transistor N8 in the first embodiment, the current mirror circuit composed of the NPN transistor BN4 and the NPN transistor BN5 is an important characteristic of the current mirror circuit. Thus, the area of the transistor can be reduced.

上述したように、本実施例の演算増幅器では、Nch MOSトランジスタN6、Pch MOSトランジスタP3、Pch MOSトランジスタP4、NPNトランジスタBN1乃至NPNトランジスタBN3、コンデンサC1、及び定電流源6から構成され、差動入力段3を構成する2つの差動増幅回路のソース間電圧を制御する電圧制御部2aが設けられ、NPNトランジスタBN4、NPNトランジスタBN5、PNPトランジスタBP1、PNPトランジスタBP2、及び抵抗R1乃至抵抗R4から構成される出力段4aが設けられている。   As described above, the operational amplifier according to the present embodiment includes the Nch MOS transistor N6, the Pch MOS transistor P3, the Pch MOS transistor P4, the NPN transistors BN1 to NPN transistor BN3, the capacitor C1, and the constant current source 6. A voltage control unit 2a for controlling the source-to-source voltage of the two differential amplifier circuits constituting the input stage 3 is provided, and includes an NPN transistor BN4, an NPN transistor BN5, a PNP transistor BP1, a PNP transistor BP2, and resistors R1 to R4. A configured output stage 4a is provided.

このため、Rail to Railオペアンプ1aを全入力範囲でトランスコンダクタンス(gm)及び出力電流(Iout)を一定にして動作するようにできる。更に、電圧制御部2aのカレントミラー回路及び出力段4aのカレントミラー回路をNPNトランジスタで構成されているので、実施例1のMOSトランジスタで構成されるカレントミラー回路と比べ、トランジスタの面積を縮小させながら、カレントミラー回路のオフセット電圧を低減することができる。   For this reason, the Rail to Rail operational amplifier 1a can be operated with the transconductance (gm) and the output current (Iout) constant in the entire input range. Further, since the current mirror circuit of the voltage control unit 2a and the current mirror circuit of the output stage 4a are configured by NPN transistors, the area of the transistor is reduced as compared with the current mirror circuit configured by the MOS transistor of the first embodiment. However, the offset voltage of the current mirror circuit can be reduced.

本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々、変更してもよい。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications may be made without departing from the spirit of the invention.

例えば、実施例では、MOSトランジスタのゲート絶縁膜にシリコン酸化膜を用いているが、シリコン酸化膜を熱窒化したSiNxOy膜、シリコン窒化膜(Si)/シリコン酸化膜の積層膜、或いは高誘電体膜(High−Kゲート絶縁膜)等がゲート絶縁膜となるMIS(Metal Insulator Semiconductor)トランジスタを用いてもよい。 For example, in the embodiment, a silicon oxide film is used as the gate insulating film of the MOS transistor, but a SiNxOy film obtained by thermally nitriding a silicon oxide film, a laminated film of a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) / silicon oxide film, or A MIS (Metal Insulator Semiconductor) transistor in which a high dielectric film (High-K gate insulating film) or the like becomes a gate insulating film may be used.

本発明は、以下の付記に記載されているような構成が考えられる。
(付記1) 差動対をなす第1及び第2のNch MOSトランジスタを有する第1の差動増幅回路と、差動対をなす第1及び第2のPch MOSトランジスタを有する第2の差動増幅回路とを備える差動入力段と、高電位側電源側と低電位側電源側の間に縦続接続され、前記第1及び第2のNch MOSトランジスタのソースがゲートに接続される第3のNch MOSトランジスタと、前記第1及び第2のPch MOSトランジスタのソースがゲートに接続される第3のPch MOSトランジスタと、定電流源を流れる一定な電流と前記第3のNch MOSトランジスタ及び前記第3のPch MOSトランジスタを流れる電流を比較し、その電流差をゼロにするように負帰還動作する複数のNch MOSトランジスタから構成される負帰還制御手段とを有し、前記第1及び第2のNch MOSトランジスタのソースと前記第1及び第2のPch MOSトランジスタのソースとの間の電圧を制御し、入力電圧に応じて前記差動入力段のトランスコンダクタンスを一定値に制御する電圧制御部とを具備する演算増幅器。
The present invention can be configured as described in the following supplementary notes.
(Additional remark 1) The 1st differential amplifier circuit which has the 1st and 2nd Nch MOS transistor which makes a differential pair, and the 2nd differential which has the 1st and 2nd Pch MOS transistor which makes a differential pair A differential input stage including an amplifier circuit is connected in cascade between a high-potential-side power source side and a low-potential-side power source side, and a source of the first and second Nch MOS transistors is connected to a gate. An Nch MOS transistor, a third Pch MOS transistor in which the sources of the first and second Pch MOS transistors are connected to the gate, a constant current flowing through a constant current source, the third Nch MOS transistor, and the first 3 Pch MOS transistors are compared, and a negative feedback configured by a plurality of Nch MOS transistors that perform a negative feedback operation so as to make the current difference zero. Feedback control means for controlling the voltage between the sources of the first and second Nch MOS transistors and the sources of the first and second Pch MOS transistors, and controlling the differential according to the input voltage. An operational amplifier comprising: a voltage control unit that controls the transconductance of the input stage to a constant value.

(付記2) 差動対をなす第1及び第2のNch MOSトランジスタを有する第1の差動増幅回路と、差動対をなす第1及び第2のPch MOSトランジスタを有する第2の差動増幅回路とを備える差動入力段と、高電位側電源側と低電位側電源側の間に縦続接続され、前記第1及び第2のNch MOSトランジスタのソースがゲートに接続される第3のNch MOSトランジスタと、前記第1及び第2のPch MOSトランジスタのソースがゲートに接続される第3のPch MOSトランジスタと、定電流源を流れる一定な電流と前記第3のNch MOSトランジスタ及び前記第3のPch MOSトランジスタを流れる電流を比較し、その電流差をゼロにするように負帰還動作する複数のNPNトランジスタから構成される負帰還制御手段とを有し、前記第1及び第2のNch MOSトランジスタのソースと前記第1及び第2のPch MOSトランジスタのソースとの間の電圧を制御し、入力電圧に応じて前記差動入力段のトランスコンダクタンスを一定値に制御する電圧制御部とを具備する演算増幅器。 (Additional remark 2) The 1st differential amplifier circuit which has the 1st and 2nd Nch MOS transistor which makes a differential pair, and the 2nd differential which has the 1st and 2nd Pch MOS transistor which makes a differential pair A differential input stage including an amplifier circuit is connected in cascade between a high potential power source side and a low potential power source side, and a source of the first and second Nch MOS transistors is connected to a gate. An Nch MOS transistor, a third Pch MOS transistor in which the sources of the first and second Pch MOS transistors are connected to the gate, a constant current flowing through a constant current source, the third Nch MOS transistor, and the first 3 is a negative feedback circuit composed of a plurality of NPN transistors that perform a negative feedback operation so that the currents flowing through the three Pch MOS transistors are compared and the current difference is made zero. Control means for controlling a voltage between the sources of the first and second Nch MOS transistors and the sources of the first and second Pch MOS transistors, and the differential input according to an input voltage. An operational amplifier comprising a voltage control unit that controls the transconductance of the stage to a constant value.

本発明の実施例1に係るRail to Railオペアンプを示す回路図。1 is a circuit diagram showing a Rail to Rail operational amplifier according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 本発明の実施例1に係るRail to Railオペアンプの入力電圧に対するトランスコンダクタンス(gm)の関係を示す図。The figure which shows the relationship of the transconductance (gm) with respect to the input voltage of the Rail to Rail operational amplifier which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例2に係るRail to Railオペアンプを示す回路図。FIG. 5 is a circuit diagram illustrating a Rail to Rail operational amplifier according to a second embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1a Rail to Railオペアンプ
2a 電圧制御部
3 差動入力段
4、4a 出力段
5、6 定電流源
BN1〜5 NPNトランジスタ
BP1〜2 PNPトランジスタ
C1 コンデンサ
Ib1、Ib2 定電流
Iout 出力電流
N1〜8 Nch MOSトランジスタ
nd1〜9 ノード
P1〜6 Pch MOSトランジスタ
R1〜4 抵抗
V1、V2 基準電圧
Vin+ +側の入力電圧
Vin− −側の入力電圧
Vdd 高電位側電源
Vss 低電位側電源
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a Rail to Rail operational amplifier 2a Voltage control part 3 Differential input stage 4, 4a Output stage 5, 6 Constant current source BN1-5 NPN transistor BP1-2 PNP transistor C1 Capacitor Ib1, Ib2 Constant current Iout Output current N1-8 Nch MOS Transistors nd1 to 9 Nodes P1 to 6 Pch MOS transistors R1 to 4 Resistors V1 and V2 Reference voltage Vin ++ + side input voltage Vin− − side input voltage Vdd high potential side power supply Vss low potential side power supply

Claims (5)

差動対をなす第1及び第2のNch MOSトランジスタを有する第1の差動増幅回路と、差動対をなす第1及び第2のPch MOSトランジスタを有する第2の差動増幅回路とを備える差動入力段と、
前記第1及び第2のNch MOSトランジスタのソースと前記第1及び第2のPch MOSトランジスタのソースとの間の電圧を制御し、入力電圧に応じて前記差動入力段のトランスコンダクタンスを一定値に制御する電圧制御部と、
を具備することを特徴とする演算増幅器。
A first differential amplifier circuit having first and second Nch MOS transistors forming a differential pair, and a second differential amplifier circuit having first and second Pch MOS transistors forming a differential pair. A differential input stage comprising:
The voltage between the sources of the first and second Nch MOS transistors and the sources of the first and second Pch MOS transistors is controlled, and the transconductance of the differential input stage is set to a constant value according to the input voltage. A voltage control unit to control,
An operational amplifier comprising:
差動対をなす第1及び第2のNch MOSトランジスタを有する第1の差動増幅回路と、差動対をなす第1及び第2のPch MOSトランジスタを有する第2の差動増幅回路とを備える差動入力段と、
前記第1及び第2のNch MOSトランジスタのソースと前記第1及び第2のPch MOSトランジスタのソースとの間の電圧を制御し、入力電圧に応じて前記差動入力段のトランスコンダクタンスを一定値に制御する電圧制御部と、
前記差動入力段から出力された信号を増幅して出力する出力段と、
を具備することを特徴とする演算増幅器。
A first differential amplifier circuit having first and second Nch MOS transistors forming a differential pair, and a second differential amplifier circuit having first and second Pch MOS transistors forming a differential pair. A differential input stage comprising:
The voltage between the sources of the first and second Nch MOS transistors and the sources of the first and second Pch MOS transistors is controlled, and the transconductance of the differential input stage is set to a constant value according to the input voltage. A voltage control unit to control,
An output stage for amplifying and outputting the signal output from the differential input stage;
An operational amplifier comprising:
前記電圧制御部は、高電位側電源側と低電位側電源側の間に縦続接続され、前記第1及び第2のNch MOSトランジスタのソースがゲートに接続される第3のNch MOSトランジスタと、前記第1及び第2のPch MOSトランジスタのソースがゲートに接続される第3のPch MOSトランジスタとを具備することを特徴とする請求項1又は2に記載の演算増幅器。   The voltage control unit is connected in cascade between a high-potential-side power supply side and a low-potential-side power supply side, and a third Nch MOS transistor in which the sources of the first and second Nch MOS transistors are connected to the gates; 3. The operational amplifier according to claim 1, further comprising a third Pch MOS transistor having a source connected to a gate of the first and second Pch MOS transistors. 前記電圧制御部は、定電流源を流れる一定な電流と前記第3のNch MOSトランジスタ及び前記第3のPch MOSトランジスタを流れる電流を比較し、その電流差をゼロにするように負帰還動作する負帰還制御手段を具備することを特徴とする請求項3に記載の演算増幅器。   The voltage control unit compares a constant current flowing through a constant current source with a current flowing through the third Nch MOS transistor and the third Pch MOS transistor, and performs a negative feedback operation so that the current difference becomes zero. The operational amplifier according to claim 3, further comprising negative feedback control means. 前記負帰還制御手段は、負帰還動作の負帰還ループ安定用のコンデンサを具備することを特徴とする請求項4に記載の演算増幅器。   5. The operational amplifier according to claim 4, wherein the negative feedback control means includes a capacitor for stabilizing a negative feedback loop in a negative feedback operation.
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