JP2006262265A - 演算増幅器およびそれを用いた増幅回路、ならびに電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 利得をシームレスに切り替え可能な増幅回路およびそれに使用することができる演算増幅器を提供する。
【解決手段】 ２組の差動入力端子を備える演算増幅器１００において、第１差動対は、それぞれの制御端子が第１非反転入力端子１０２および第１反転入力端子１０４に接続された第１、第２トランジスタＭ１、Ｍ２を含む。第２差動対は、それぞれの制御端子が第２非反転入力端子１０６および第２反転入力端子１０８に接続された第３、第４トランジスタＭ３、Ｍ４を含む。第５トランジスタＭ５、第６トランジスタＭ６は、カレントミラー負荷として第１、第２差動対に共通に設けられる。第１電流源１０、第２電流源１２は、第１、第２差動対それぞれにバイアス電流を供給する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、演算増幅器に関し、特に差動入力を複数有する多入力演算増幅器に関する。

演算増幅器は、電子回路を構成する基本回路としてあらゆる用途において広く用いられている。演算増幅器は、ＭＯＳＦＥＴやバイポーラトランジスタなどを用いて構成され、入力段に設けられた差動対に入力された信号を差動増幅して出力する。

従来の演算増幅器は、非反転入力端子と反転入力端子の２つの入力端子を備え、出力端子から２つの入力端子への帰還構成を変えることにより、用途に応じて反転増幅回路、非反転増幅回路などとして用いられる。

たとえば、オーディオ信号を増幅するオーディオ信号増幅回路においては、演算増幅器を用いて構成される反転増幅回路が広く用いられている。このような反転増幅回路の利得は、演算増幅器の出力端子から反転入力端子の間に可変抵抗を設け、この可変抵抗の値を変化させることにより制御することができる。たとえば、特許文献１には可変抵抗を用いた増幅回路が開示されている。このような可変利得増幅回路は、ボリュームコントロール回路として用いられる。

特開２００４−３３６１２９号公報

しかしながら、可変抵抗の抵抗値は、離散的な値で切り替えられるため、増幅回路の利得も離散的に切り替えられることになる。増幅回路の利得が離散的に切り替えられると、増幅回路から出力されるオーディオ信号の電圧値が急激に変化することになるため、ノイズが発生する要因となるため望ましくない。

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、利得をシームレスに切り替え可能な増幅回路およびそれに使用することができる演算増幅器の提供にある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の演算増幅器は、２組の差動入力端子を備える演算増幅器であって、それぞれの制御端子が第１非反転入力端子および第１反転入力端子に接続された第１、第２トランジスタを含む第１差動対と、それぞれの制御端子が第２非反転入力端子および第２反転入力端子に接続された第３、第４トランジスタを含む第２差動対と、第１、第２差動対に共通に設けられたカレントミラー負荷と、第１、第２差動対それぞれにバイアス電流を供給する第１、第２電流源と、を備える。

この態様によると、第１、第２差動対のいずれにバイアス電流を供給するかによって、いずれの差動対をアクティブとするかを切り替えられる。その結果、第１差動対側の第１非反転入力端子および第１反転入力端子を利用して構成される増幅回路と、第２差動対側の第２非反転入力端子および第２反転入力端子を利用して構成される増幅回路を切り替えて使用することができる。

演算増幅器は、第１、第２電流源により第１、第２差動対に供給されるバイアス電流を制御する電流制御部をさらに備え、当該電流制御部は、第１、第２差動対に供給されるバイアス電流の和が一定値となるよう制御してもよい。
第１、第２差動対に供給されるバイアス電流の和を一定とすることにより、カレントミラー負荷に流れる電流が一定値に保たれることになり、安定した差動増幅を行うことができる。

電流制御部は、キャパシタと、キャパシタを充放電する充放電回路と、キャパシタの一端に現れる電圧を電流に変換する電圧電流変換回路と、所定の定電流を生成する定電流源と、を備えてもよい。電圧電流変換回路により変換された電流を第１差動対に供給するバイアス電流とし、所定の定電流と電圧電流変換回路により変換された電流との差分を第２差動対に供給するバイアス電流としてもよい。
この電流制御部によれば、キャパシタの充放電によってバイアス電流を調節することができる。

本発明の別の態様は、増幅回路である。この増幅回路は、上述の演算増幅器と、演算増幅器の出力端子と第１反転入力端子間に設けられた第１帰還経路と、演算増幅器の出力端子と第２反転入力端子間に設けられた第２帰還経路と、を備える。増幅すべき入力信号は、第１非反転入力端子および第２非反転入力端子に入力される。

この態様によると、第１差動対および第１帰還経路によって構成される非反転増幅器と、第２差動対および第２帰還経路によって構成される非反転増幅器を、演算増幅器のバイアス電流の調節によって切り替えて使用することができる。

本発明のさらに別の態様もまた、増幅回路である。この増幅回路は、上述の演算増幅器と、演算増幅器の出力端子と第１反転入力端子間に設けられた第１帰還経路と、演算増幅器の出力端子と第２反転入力端子間に設けられた第２帰還経路と、を備える。増幅すべき入力信号は、入力抵抗を介して第１反転入力端子および第２反転入力端子に入力され、所定の基準電圧が第１非反転入力端子および第２非反転入力端子に入力される。

この態様によると、第１差動対および第１帰還経路によって構成される反転増幅器と、第２差動対および第２帰還経路によって構成される反転増幅器を、演算増幅器のバイアス電流の調節によって切り替えて使用することができる。

本発明のさらに別の態様もまた、増幅回路である。この増幅回路は、上述の演算増幅器と、演算増幅器の出力端子と第１反転入力端子間に設けられた第１帰還経路と、演算増幅器の出力端子と第２反転入力端子間に設けられた第２帰還経路と、を備える。増幅すべき入力信号は、入力抵抗を介して第１反転入力端子および第２非反転入力端子に入力され、第１非反転入力端子に所定の基準電圧が入力される。

この態様によると、第１差動対および第１帰還経路によって構成される反転増幅器と、第２差動対および第２帰還経路によって構成される非反転増幅器を、演算増幅器のバイアス電流の調節によって切り替えて使用することができる。

本発明のさらに別の態様もまた、増幅回路である。この増幅回路は、上述の演算増幅器と、演算増幅器の出力端子と第１反転入力端子間に設けられた第１帰還経路と、演算増幅器の出力端子と第２反転入力端子間に設けられた第２帰還経路と、を備える。増幅すべき入力信号は、入力抵抗を介して第１反転入力端子に入力され、第１非反転入力端子および第２非反転入力端子に所定の基準電圧が入力される。

この態様によると、第１差動対および第１帰還経路によって反転増幅器が構成され、第２差動対および第２帰還経路によって固定電圧を出力する電圧源が構成される。演算増幅器のバイアス電流の調節によって、入力信号を反転増幅した信号または固定電圧を切り替えて出力することができる。

第１帰還経路または第２帰還経路の少なくとも一方は、可変抵抗を含んでもよい。帰還経路に可変抵抗を設けることにより、可変利得増幅器として用いることができる。

本発明のさらに別の態様もまた、増幅回路である。この増幅回路は、上述の演算増幅器と、複数の抵抗が直列に接続され、その一端が演算増幅器の出力端子に接続された抵抗群と、抵抗群に含まれる複数の抵抗の各接続ノードと、第１反転入力端子との間に設けられた複数のスイッチを含む第１スイッチ群と、複数の抵抗の各接続ノードと、第２反転入力端子との間に設けられた複数のスイッチを含む第２スイッチ群と、第１スイッチ群および第２スイッチ群から、それぞれひとつのスイッチを選択してオンするスイッチ制御部と、を備える。第１、第２非反転入力端子に所定の基準電圧が印加され、抵抗群の他端には増幅すべき入力信号が印加される。

この態様によると、第１スイッチ群および第２スイッチ群により帰還抵抗の値を切り替えることができ、可変利得増幅回路を構成することができる。

本発明のさらに別の態様は、演算増幅器である。この演算増幅器は、複数の差動対と、複数の差動対に共通に設けられた負荷と、複数の差動対それぞれにバイアス電流を供給する複数の電流源と、を備える。

この態様によると、任意の数の差動入力対を有する演算増幅器を提供することができる。

演算増幅器は、複数の差動対に供給するバイアス電流を制御する電流制御部をさらに備えてもよい。当該電流制御部は、複数の電流源により生成される電流の総和が一定値となるように複数の電流源を制御してもよい。
上記負荷は、カレントミラー負荷であってもよい。

複数の差動対は電界効果トランジスタであってもよく、また、複数の差動対はバイポーラトランジスタであってもよい。

本発明のさらに別の態様は、電子機器に関する。この電子機器は、音声出力部と、音声出力部を駆動する上述の増幅回路と、を備える。音声出力部とは、スピーカやイヤホンなどを含む。

なお、以上の構成要素の任意の組合せや本発明の構成要素や表現を方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、利得をシームレスに切り替え可能な増幅回路およびそれに使用することができる演算増幅器を提供することができる。

図１は、本実施の形態に係る演算増幅器の構成を示す回路図である。この演算増幅器１００は、２組の差動入力端子を備える。第１の差動入力端子をＡチャンネル、第２の差動入力端子をＢチャンネルとする。
演算増幅器１００は、第１トランジスタＭ１〜第６トランジスタＭ６、第１電流源１０、第２電流源１２、出力増幅段２０を含む。

この演算増幅器１００は、第１トランジスタＭ１、第２トランジスタＭ２により構成されるＡチャンネルに対応する第１差動対と、第３トランジスタＭ３、第４トランジスタＭ４により構成されるＢチャンネルに対応する第２差動対の２つの差動対を備える。
第１トランジスタＭ１〜第４トランジスタＭ４は、ＰチャンネルＭＯＳトランジスタであって、それぞれの制御端子であるゲート端子は、第１非反転入力端子１０２、第１反転入力端子１０４、第２非反転入力端子１０６、第２反転入力端子１０８となっている。

第１トランジスタＭ１、第２トランジスタＭ２により構成される第１差動対には、テール電流として第１電流源１０により第１バイアス電流Ｉｂｉａｓ１が供給される。
同様に、第３トランジスタＭ３、第４トランジスタＭ４により構成される第２差動対には、テール電流として第２電流源１２により第２バイアス電流Ｉｂｉａｓ２が供給される。
第１電流源１０、第２電流源１２により生成される第１バイアス電流Ｉｂｉａｓ１および第２バイアス電流Ｉｂｉａｓ２の電流値は可変となっている。

第５トランジスタＭ５、第６トランジスタＭ６は、第１差動対および第２差動対に共通に接続されたカレントミラー負荷である。第５トランジスタＭ５、第６トランジスタＭ６はＮチャンネルＭＯＳトランジスタであって、ソース端子が接地されており、ゲート端子は、第５トランジスタＭ５のドレイン端子に接続されている。
また、第５トランジスタＭ５のドレイン端子は第１トランジスタＭ１、第３トランジスタＭ３のドレイン端子と接続され、同様に第６トランジスタＭ６のドレイン端子は第２トランジスタＭ２、第４トランジスタＭ４のドレイン端子と接続される。
第５トランジスタＭ５、第６トランジスタＭ６は、第１差動対および第２差動対の定電流負荷として機能する。

第６トランジスタＭ６のドレイン端子には出力増幅段２０が接続されている。出力増幅段２０は、２つの差動対により生成された出力電流Ｉｏｕｔを増幅し、出力端子１１０から出力する。出力増幅段２０は、一般的な演算増幅器の出力段の構成するものであればよく、その回路形式は本実施の形態において特に限定されるものではない。

以上のように構成された演算増幅器１００の動作について説明する。
第１差動対の相互コンダクタンスｇｍ１は、ｇｍ１＝√（β×Ｉｂｉａｓ１）で与えられる。ここで、βは、ゲート幅Ｗ、ゲート長Ｌ、移動度μ、ゲート酸化膜のキャパシタンスＣｏｘを用いて、β＝Ｗ／Ｌ×μＣｏｘで与えられる。いま、第１非反転入力端子１０２、第１反転入力端子１０４に入力される電圧の差、すなわち差動入力電圧をＶｉｎ１とすると、第１差動対により生成される差動電流Ｉｏｕｔ１は、Ｉｏｕｔ１＝ｇｍ１×Ｖｉｎ１となる。
同様にして第２差動対の相互コンダクタンスｇｍ２は、ｇｍ２＝√（β×Ｉｂｉａｓ２）で与えられ、差動入力電圧をＶｉｎ２とすると、第２差動対により生成される差動電流Ｉｏｕｔ２は、Ｉｏｕｔ２＝ｇｍ２×Ｖｉｎ２となる。

出力増幅段２０により増幅される出力電流Ｉｏｕｔは、第１差動対および第２差動対によりそれぞれ生成される差動電流Ｉｏｕｔ１、Ｉｏｕｔ２の和で与えられる。すなわち、Ｉｏｕｔ＝Ｉｏｕｔ１＋Ｉｏｕｔ２＝ｇｍ１×Ｖｉｎ１＋ｇｍ２×Ｖｉｎ２で与えられる。
上述のように、差動対の相互コンダクタンスｇｍ１、ｇｍ２は、それぞれ第１バイアス電流Ｉｂｉａｓ１、第２バイアス電流Ｉｂｉａｓ２の関数として与えられる。したがって、この演算増幅器１００においては、第１バイアス電流Ｉｂｉａｓ１、第２バイアス電流Ｉｂｉａｓ２を制御することにより、第１差動対および第２差動対に対応したＡチャンネル、Ｂチャンネルのいずれをアクティブとするかを、連続的に切り替えることができる。

本実施の形態においては、第１差動対、第２差動対に流れるバイアス電流の和を一定値Ｉｓｓとなるように制御する。Ｉｂｉａｓ１＋Ｉｂｉａｓ２＝Ｉｓｓとし、第１差動対、第２差動対のいずれに流れるバイアス電流を多くするかによって、Ａチャンネル、Ｂチャンネルのいずれを支配的とするかを調節することができる。
たとえば、Ｉｂｉａｓ１＝０、Ｉｂｉａｓ２＝Ｉｓｓとした場合、第２非反転入力端子１０６、第２反転入力端子１０８に入力される電圧が差動増幅され、Ｉｂｉａｓ１＝Ｉｓｓ、Ｉｂｉａｓ２＝０とした場合、第１非反転入力端子１０２、第１反転入力端子１０４に入力される電圧を差動増幅することができる。第１、第２差動対の両方にバイアス電流を供給した場合、Ａチャンネル、Ｂチャンネルそれぞれの差動入力電圧がバイアス電流の平方根に比例して増幅される。

次に、以上のように構成された演算増幅器１００を用いた増幅回路について、いくつかの実施例をもとに説明する。
（第１の実施例）
図２は、第１の実施例に係る増幅回路２００の構成を示す回路図である。この増幅回路２００は、演算増幅器１００、第１抵抗Ｒ１、第２抵抗Ｒ２、第３抵抗Ｒ３、第４抵抗Ｒ４、電流制御部３０を含む。同図において、演算増幅器１００の＋Ａ、−Ａは、図１における第１非反転入力端子１０２、第１反転入力端子１０４であり、＋Ｂ、−Ｂは、第２非反転入力端子１０６、第２反転入力端子１０８である。

図２において、演算増幅器１００の出力端子と第１反転入力端子１０４（＋Ａ）の間には、第１抵抗Ｒ１、第２抵抗Ｒ２が接続される。この第１抵抗Ｒ１、第２抵抗Ｒ２は、演算増幅器１００の出力端子の電圧Ｖｏｕｔを分圧して第１反転入力端子１０４（−Ａ）へ帰還する第１帰還経路として設けられる。
同様に、演算増幅器１００の出力端子１１０と、第２反転入力端子１０８（＋Ｂ）の間には、第３抵抗Ｒ３、第４抵抗Ｒ４が接続される。第３抵抗Ｒ３、第４抵抗Ｒ４は、第２帰還経路として設けられている。

増幅すべき入力信号Ｖｉｎは、第１非反転入力端子１０２（＋Ａ）および第２非反転入力端子１０６（＋Ｂ）に入力される。

このように構成された増幅回路では、ＡチャンネルおよびＢチャンネルそれぞれが非反転増幅器を構成し、それぞれのチャンネルの利得は、第１利得ｇ１＝（１＋Ｒ２／Ｒ１）、第２利得ｇ２＝（１＋Ｒ４／Ｒ３）で与えられる。

電流制御部３０は、演算増幅器１００の第１電流源１０、第２電流源１２により第１差動対、第２差動対に供給される第１バイアス電流Ｉｂｉａｓ１、第２バイアス電流Ｉｂｉａｓ２を制御する。電流制御部３０は、Ｉｂｉａｓ１＋Ｉｂｉａｓ２＝Ｉｓｓとなるように演算増幅器１００のバイアス電流を制御する。図３は、電流制御部３０の構成例を示す回路図である。

電流制御部３０は、キャパシタＣ１、充放電回路４０、電圧電流変換回路５０、定電流源６０を含む。
充放電回路４０は、電流源４２、４４を含み、キャパシタＣ１を充放電する。この充放電回路４０において、電流源４２がオンすることによりキャパシタＣ１が充電され、キャパシタＣ１の一端に現れる電圧Ｖｘが上昇し、電流源４４がオンすることによりキャパシタＣ１が放電され、電圧Ｖｘが下降する。

電圧電流変換回路５０は、キャパシタＣ１の一端に現れる電圧Ｖｘを電流に変換する。この電圧電流変換回路５０は、トランジスタＭ１０〜Ｍ１６を含む。
トランジスタＭ１０のゲート端子には電圧Ｖｘが入力され、トランジスタＭ１１のゲート端子には所定の基準電圧Ｖｒｅｆが入力されている。トランジスタＭ１０、Ｍ１１には、テール電流源５２が接続されている。トランジスタＭ１２には、電圧Ｖｘに応じた電流Ｉｘ１が流れる。

トランジスタＭ１２とトランジスタＭ１３はカレントミラー回路を構成しており、トランジスタＭ１３には、電流Ｉｘ１が増幅された電流Ｉｘ２が流れる。トランジスタＭ１３のドレイン端子には、定電流Ｉｃを生成する定電流源５４が接続されている。トランジスタＭ１４には、電流Ｉｘ３＝（Ｉｃ−Ｉｘ２）が流れる。
トランジスタＭ１４とトランジスタＭ１５、Ｍ１８は、カレントミラー回路を構成しており、トランジスタＭ１５、Ｍ１８には、電流Ｉｘ３が増幅された電流Ｉｘ４が流れる。
トランジスタＭ１８に流れる電流Ｉｘ４は、第１バイアス電流Ｉｂｉａｓ１として出力される。

定電流源６０は、所定の定電流Ｉｓｓを生成する。この定電流源６０には、トランジスタＭ１５と、トランジスタＭ１６が接続されている。トランジスタＭ１５には、上述のように、電流Ｉｘ４が流れるため、トランジスタＭ１６には、Ｉｘ５＝Ｉｓｓ−Ｉｘ４が流れることになる。トランジスタＭ１６とトランジスタＭ１７はカレントミラー回路を構成しており、トランジスタＭ１７にも、Ｉｘ５＝Ｉｓｓ−Ｉｘ４が流れる。トランジスタＭ１７に流れる電流Ｉｘ５は、第２バイアス電流Ｉｂｉａｓ２として出力される。

このようにして生成される第１バイアス電流Ｉｂｉａｓ１と第２バイアス電流Ｉｂｉａｓ２は、Ｉｂｉａｓ１＋Ｉｂｉａｓ２＝Ｉｓｓが成り立っている。いま、キャパシタＣ１を充電すると、第１バイアス電流Ｉｂｉａｓ１が増加し、キャパシタＣ１を放電すると、第２バイアス電流Ｉｂｉａｓ２が増加する。
トランジスタＭ１８、トランジスタＭ１７は、それぞれ演算増幅器１００の第１電流源１０、第２電流源１２に接続され、第１電流源１０、第２電流源１２によって生成されるバイアス電流が制御される。

図２に戻る。演算増幅器１００のバイアス電流を電流制御部３０により制御すると、ＡチャンネルとＢチャンネルのいずれを支配的とするかを調節することができるのは上述したとおりである。
第１バイアス電流Ｉｂｉａｓ１＝Ｉｓｓのとき、Ａチャンネルがオンし、Ｂチャンネルがオフするため、入力信号Ｖｉｎは、第１利得ｇ１＝（１＋Ｒ２／Ｒ１）で増幅される。逆に、第２バイアス電流Ｉｂｉａｓ２＝Ｉｓｓのとき、Ｂチャンネルがオンし、Ａチャンネルがオフするため、入力信号Ｖｉｎは、第２利得ｇ２＝（１＋Ｒ４／Ｒ３）で増幅される。

図４は、第１の実施例に係る増幅回路２００の動作を示す図である。この増幅回路２００には、振幅が一定値の入力信号Ｖｉｎが入力されている。時刻Ｔ０から時刻Ｔ１の間、電流制御部３０によってＩｂｉａｓ１＝Ｉｓｓ、Ｉｂｉａｓ２＝０となるように演算増幅器１００のバイアス電流は制御されている。その結果、演算増幅器１００はＡチャンネルがアクティブとなり、入力信号Ｖｉｎは、第１利得ｇ１で増幅される。

時刻Ｔ１に、電流制御部３０によって第１バイアス電流Ｉｂｉａｓ１を徐々に減少させ、第２バイアス電流Ｉｂｉａｓ２を徐々に増加させる。その結果、演算増幅器１００のＢチャンネルが徐々にアクティブとなり、増幅回路２００の利得が第１利得ｇ１から第２利得ｇ２へと徐々に変化していく。
時刻Ｔ２には、Ｉｂｉａｓ２＝Ｉｓｓとなり、Ｂチャンネルのみがアクティブとなり、増幅回路２００の利得は第２利得ｇ２となる。

本実施例に係る増幅回路２００によれば、電流制御部３０により、第１バイアス電流Ｉｂｉａｓ１および第２バイアス電流Ｉｂｉａｓ２を連続的に変化させることによって、第１利得ｇ１と第２利得ｇ２の間で連続的に変化させることができる。その結果、増幅回路２００から出力される出力信号Ｖｏｕｔは、不連続とならず、その振幅を徐々に変化させることができる。

（第２の実施例）
図５は、第２の実施例に係る増幅回路２１０の構成を示す回路図である。以降の図において、図１から図３と同一、もしくは同等の構成要素には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
演算増幅器１００の出力端子と第１反転入力端子１０４（−Ａ）の間には、第６抵抗Ｒ６が接続される。この第６抵抗Ｒ６は、演算増幅器１００の出力端子の電圧Ｖｏｕｔが第１反転入力端子１０４（−Ａ）へ帰還する第１帰還経路に相当する。第１反転入力端子１０４（−Ａ）には、増幅すべき入力信号Ｖｉｎが、入力抵抗である第５抵抗Ｒ５を介して入力される。第１非反転入力端子１０２（＋Ａ）には、所定の基準電圧Ｖｃが入力される。
このように演算増幅器１００のＡチャンネルおよび第１帰還経路は、利得がｇ１＝−Ｒ６／Ｒ５で与えられる反転増幅器として機能する。

一方、演算増幅器１００の出力端子１１０と、第２反転入力端子１０８（＋Ｂ）の間には、第３抵抗Ｒ３、第４抵抗Ｒ４が接続される。第３抵抗Ｒ３、第４抵抗Ｒ４は、第２帰還経路として設けられている。増幅すべき入力信号Ｖｉｎは、第９抵抗Ｒ９、第１０抵抗Ｒ１０によって分圧され、第２非反転入力端子１０６（＋Ｂ）に入力される。
演算増幅器１００のＢチャンネルおよび第２帰還経路は、利得がｇ２＝Ｒ９／（Ｒ９＋Ｒ１０）×（１＋Ｒ４／Ｒ３）で与えられる非反転増幅器として機能する。

本実施例に係る増幅回路２１０によれば、第１の実施例と同様に、電流制御部３０によってＡチャンネルとＢチャンネルのいずれをアクティブとするかをシームレスに切り替えることができる。
また、Ｒ５＝Ｒ６、Ｒ９＝Ｒ１０、Ｒ３＝Ｒ４となるように抵抗値を選べば、ｇ１＝１、ｇ２＝−１となるため、入力信号Ｖｉｎの位相を任意に制御可能な増幅回路として使用することができる。

（第３の実施例）
図６は、第３の実施例に係る増幅回路２２０の構成を示す回路図である。この増幅回路２２０は、可変利得増幅器であり、オーディオ信号を増幅する回路において、ボリューム調節回路として使用することができる。
増幅回路２２０は、抵抗Ｒ２０〜Ｒ２４を含む抵抗群、スイッチＳＷ１ａ〜ＳＷ４ａを含む第１スイッチ群ＳＷａ、スイッチＳＷ１ｂ〜ＳＷ４ｂを含む第２スイッチ群ＳＷｂ、スイッチ制御部７０、電流制御部３０を備える。
抵抗Ｒ２０〜Ｒ２４は直列に接続され、その一端が演算増幅器１００の出力端子に接続される。抵抗Ｒ２０〜Ｒ２４の他端には、増幅すべき入力信号Ｖｉｎが入力される。

第１スイッチ群に含まれるスイッチＳＷ１ａ〜ＳＷ４ａは、複数の抵抗Ｒ２０〜Ｒ２４の各接続ノードと、演算増幅器１００の第１反転入力端子１０４（−Ａ）との間に設けられる。同様に、第２スイッチ群に含まれるスイッチＳＷ１ｂ〜ＳＷ４ｂは、複数の抵抗Ｒ２０〜Ｒ２４の各接続ノードと、演算増幅器１００の第２反転入力端子１０８（−Ｂ）との間に設けられる。

スイッチ制御部７０は、第１スイッチ群ＳＷａおよび第２スイッチ群ＳＷｂから、それぞれひとつのスイッチを選択してオンする。図６は、第１スイッチ群ＳＷａのスイッチＳＷ４ａが選択され、第２スイッチ群ＳＷｂのスイッチＳＷ２ｂが選択され、オンとなった状態を示している。
演算増幅器１００の第１非反転入力端子１０２（＋Ａ）および第２非反転入力端子１０６（＋Ｂ）には、所定の基準電圧Ｖｃが印加される。

第３の実施例に係る増幅回路２２０は、演算増幅器１００のＡチャンネル、抵抗Ｒ２０〜Ｒ２４、第１スイッチ群ＳＷａによって一つの反転増幅器が構成され、演算増幅器１００のＢチャンネル、抵抗Ｒ２０〜Ｒ２４、第２スイッチ群ＳＷｂによって一つの反転増幅器が構成される。
この増幅回路２２０は、スイッチ制御部７０によってＡチャンネルの利得ｇ１、Ｂチャンネルの利得ｇ２を切り替えることができる。また、電流制御部３０によってＡチャンネルとＢチャンネルのいずれをアクティブとするかが切り替えられる。

増幅回路２２０を、オーディオ信号を増幅する回路において、ボリューム調節回路として使用する場合の動作について説明する。ある時刻において、スイッチＳＷ２ａがオンした状態でＡチャンネルがアクティブとなり、利得ｇ１でオーディオ信号Ｖｉｎを増幅している。
ある時刻にユーザからボリューム変更の指示を受けると、スイッチ制御部７０は、現在アクティブでないＢチャンネルの利得を、変更後のボリュームに対応した値ｇ２に設定するために、第２スイッチ群ＳＷｂのいずれかのスイッチをオンとする。

その後、電流制御部３０は、第１バイアス電流Ｉｂｉａｓ１を徐々に減少させ、第２バイアス電流Ｉｂｉａｓ２を徐々に増加させる。その結果、増幅回路２２０の利得は、ｇ１からｇ２に徐々に切り替わっていき、増幅されたオーディオ信号Ｖｏｕｔの振幅も連続的に変化し、ボリュームがなめらかに切り替えられる。
その後、ユーザから再度ボリューム変更の指示を受けると、スイッチ制御部７０は、現在アクティブでないＡチャンネルの利得を変更後のボリュームに対応した値ｇ１に設定し、電流制御部３０は第１バイアス電流Ｉｂｉａｓ１を徐々に増加させ、Ａチャンネルをアクティブに切り替える。

このように、本実施例に係る増幅回路２２０を、オーディオ信号のボリューム制御に用いることにより、ボリュームの変更があるたびにＡチャンネルとＢチャンネルを交互に使用することができる。ボリュームの変更、すなわち増幅回路２２０の利得が変更されるたびに、ＡチャンネルとＢチャンネルのバイアス電流をなめらかに変化させることによって、利得の切り替えに際しクリック音と呼ばれるノイズが発生するのを防止することができる。

（第４の実施例）
図７は、第４の実施例に係る増幅回路２３０の構成を示す回路図である。この増幅回路２３０は、オーディオ信号を増幅する回路においてスピーカの前段に設けられ、最終段の増幅器として機能するとともに、スピーカやイヤホンから出力される音声を強制的に無音状態とするミュート回路として使用することができる。

増幅回路２３０において、演算増幅器１００のＡチャンネルは、図５に示した第２の実施例に係る増幅回路２１０と同様に反転増幅器として動作する。
一方、演算増幅器１００の出力端子と第２非反転入力端子１０６（＋Ｂ）の間には帰還抵抗Ｒｍｕｔｅが設けられており、出力電圧Ｖｏｕｔが全帰還される。演算増幅器１００の第２反転入力端子１０８（−Ｂ）には、所定の固定電圧Ｖｃが入力されている。また、帰還抵抗Ｒｍｕｔｅには、定電流回路８０が接続される。定電流回路８０により生成される電流をスロープ電流Ｉｓｌｐという。
このＢチャンネルは、固定電圧Ｖｃをそのまま出力するボルテージフォロアとして動作する。

図８は、図７の増幅回路２３０の動作状態を示す図である。時刻Ｔ０以前、Ｉｂｉａｓ２＝Ｉｓｓ、Ｉｂｉａｓ１＝０となっており、演算増幅器１００のＢチャンネルがアクティブとなっている。この間、定電流回路８０により生成されるスロープ電流Ｉｓｌｐは、Ｉｍａｘとなっている。このスロープ電流Ｉｓｌｐは、帰還抵抗Ｒｍｕｔｅに流れ、Ｉｓｌｐ×Ｒｍｕｔｅの電圧降下が発生する。その結果、演算増幅器１００の出力端子の電圧は、強制的に０Ｖに設定される。

時刻Ｔ０に、ミュート状態の解除動作が開始され、スロープ電流Ｉｓｌｐが徐々に減少を始める。その結果、帰還抵抗Ｒｍｕｔｅでの電圧降下が徐々に小さくなり、出力信号Ｖｏｕｔは、Ｂチャンネルの本来の出力電圧である所定の固定電圧Ｖｃに近づいていく。
時刻Ｔ１にスロープ電流Ｉｓｌｐが０となり、出力信号Ｖｏｕｔ＝Ｖｃとなる。
時刻Ｔ２に、電流制御部３０によりバイアス電流の制御が開始され、第１バイアス電流Ｉｂｉａｓ１が徐々に増加し、第２バイアス電流Ｉｂｉａｓ２が徐々に減少する。バイアス電流の変化にともなって、増幅回路２３０は、ＢチャンネルからＡチャンネルへとアクティブなチャンネルが徐々に移行し、オーディオ信号Ｖｉｎが反転増加され、出力信号Ｖｏｕｔにオーディオ信号Ｖｉｎの成分が現れ始める。時刻Ｔ３にＩｂｉａｓ１＝Ｉｓｓとなると、Ａチャンネルが完全にアクティブとなり、オーディオ信号Ｖｉｎが反転増幅されて出力される。

ミュート状態への移行は次のようにして行われる。時刻Ｔ４に、電流制御部３０によってバイアス電流の制御が開始され、第１バイアス電流Ｉｂｉａｓ１が徐々に減少し、ＡチャンネルからＢチャンネルへアクティブなチャンネルが徐々に切り替わる。それに伴って、出力信号Ｖｏｕｔは、オーディオ信号Ｖｉｎの成分が減少し、直流電圧に近づいていく。
時刻Ｔ５にＩｂｉａｓ２＝Ｉｓｓとなると、完全にＢチャンネルがアクティブとなり、増幅回路２３０は固定電圧Ｖｃを出力するボルテージフォロアとして動作する。

時刻Ｔ６から、定電流回路８０により生成されるスロープ電流Ｉｓｌｐが増加を開始する。その結果、帰還抵抗Ｒｍｕｔｅで発生する電圧降下Ｒｍｕｔｅ×Ｉｓｌｐが増加し、出力信号Ｖｏｕｔが０Ｖに近づいていく。時刻Ｔ７にＩｓｌｐ＝Ｉｍａｘとなると、出力信号Ｖｏｕｔは０Ｖとなり、その後、増幅回路２３０はオフ状態とされる。

このように、本実施例に係る増幅回路は、オーディオ信号Ｖｉｎのミュート状態と音声再生状態をシームレスに切り替えることができる。

図１１は、第１から第４の実施例に係る増幅回路を利用した携帯電話端末６００の構成を示すブロック図である。
携帯電話端末６００は、処理ユニット５１０、通信処理部５２０、操作部５３０、オーディオマネージメントＩＣ５００、第１スピーカＳＰ１、第２スピーカＳＰ２を備える。

処理ユニット５１０は、ＣＰＵ５１２、メモリ５１４を含み、携帯電話端末６００を統括的に制御するユニットであり、各機能ブロックとバスを介して接続されている。メモリ５１４は、プログラムがロードされ、あるいは携帯電話端末６００の各処理に必要なデータが保持される。
操作部５３０は、ユーザが電話番号や文字等を入力するためのインターフェースであり、ボタンを含む。
通信処理部５２０は、通信に必要な処理を実行する通信ユニットであって、具体的には外部の電話機やサーバからの着信を検出し、または外部の電話機またはサーバに対して発信する。なお、ここでいう着信は、電話の着呼だけでなく、ネットワーク経由のサーバからのパケット通信の着呼も含む。なお、発信についても同様である。携帯電話システムとしては、ＰＤＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｅｌｌｕｌａｒ ｓｙｓｔｅｍ）方式を採用したものであってもよく、また、簡易型携帯電話システム、ＣＤＭＡ（Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）方式やＧＳＭ方式の移動通信システムであってもよい。

以下、本実施の形態に係るオーディオマネージメントＩＣ５００ついて説明する。
オーディオマネージメントＩＣ５００には、第１スピーカＳＰ１、第２スピーカＳＰ２が接続されている。第１スピーカＳＰ１は、通話用スピーカであり、第２スピーカＳＰ２は、着信音を再生し、あるいはその他の音声情報を再生するためのスピーカである。
オーディオマネージメントＩＣ５００は、通話時においては、通信処理部５２０から出力されるデジタルデータを、アナログの音声信号に変換し、第１スピーカＳＰ１に出力する。ユーザは、第１スピーカＳＰ１から出力される音声信号を利用して通話相手との会話を行う。
また、通話時以外、たとえば着信音や着信音メロディなどの音声情報を再生する際には、処理ユニット５１０から出力されるデジタルデータをアナログの音声信号に変換し、第２スピーカＳＰ２から出力する。第１スピーカＳＰ１、第２スピーカＳＰ２から出力される音声信号の音量は、オーディオマネージメントＩＣ５００によって、独立に制御される。

オーディオマネージメントＩＣ５００は、オーディオ信号増幅装置３００、ＤＳＰ３１０、Ｄ／Ａコンバータ３１２を含み、ひとつの半導体回路として集積化されている。ＤＳＰ３１０は、オーディオマネージメントＩＣ５００全体を統括的に制御するデジタル信号処理回路であり、処理ユニット５１０との間でデータの送受を行うインターフェース機能や、音声データをコーディング、デコーディングする機能を備える。ＤＳＰ３１０は、第１スピーカＳＰ１あるいは第２スピーカＳＰ２から再生すべき音声データをデジタルデータとしてＤ／Ａコンバータ３１２に出力する。

Ｄ／Ａコンバータ３１２は、デジタルデータをＤ／Ａ変換し、アナログのオーディオ信号ＳＩＧ１、ＳＩＧ２をオーディオ信号増幅装置３００へと出力する。
アナログのオーディオ信号ＳＩＧ１は、主として通話時に通話相手から発生される音声がアナログ電気信号に変換されたものであり、また、アナログのオーディオ信号ＳＩＧ２は、たとえば、着信音などがアナログ電気信号に変換されたものである。

オーディオ信号増幅装置３００は、バイアス電流制御回路９０、第１増幅回路２００ａ、第２増幅回路２００ｂを含む。第１増幅回路２００ａは、オーディオ信号ＳＩＧ１を増幅し、第１スピーカＳＰ１に出力する。同様に、第２増幅回路２００ｂは、オーディオ信号ＳＩＧ２を増幅し、第２スピーカＳＰ２に出力する。第１増幅回路２００ａ、第２増幅回路２００ｂは、可変利得増幅器であって、第１スピーカＳＰ１、第２スピーカＳＰ２から出力される音声のボリューム調節は、第１増幅回路２００ａ、第２増幅回路２００ｂの利得を変化することによって行う。第１増幅回路２００ａ、第２増幅回路２００ｂとしては、上述の第１〜第４の実施例に係る増幅回路２００〜２４０を用いることができる。
実際の回路においては、第１増幅回路２００ａや第２増幅回路２００ｂの前段もしくは後段に、利得が固定された増幅器を備えているが、説明の簡略化のため省略している。

ユーザが操作部５３０に対して音量変更に対応した操作を行うと、処理ユニット５１０は、オーディオマネージメントＩＣ５００に対して音量を変更する指示を与える。ＤＳＰ３１０は、ＣＰＵからの指示を受けると、オーディオ信号増幅装置３００に第１増幅回路２００ａ、第２増幅回路２００ｂの利得を制御するよう指示する。第１スピーカＳＰ１、第２スピーカＳＰ２の音量は、独立に制御されるため、第１増幅回路２００ａ、第２増幅回路２００ｂの利得もそれぞれ独立に制御される。

バイアス電流制御回路９０は、第１増幅回路２００ａ、第２増幅回路２００ｂのバイアス電流を制御し、このバイアス電流を制御することにより第１増幅回路２００ａ、第２増幅回路２００ｂの利得を制御する。

このように、第１から第４の実施例に係る増幅回路は、携帯電話端末などの音声出力部を備えた電子機器に好適に用いることができ、ボリューム変更時の際にスピーカから出力されるクリック音を低減することができる。

以上、本発明の実施の形態について、第１から第４の実施例に係る増幅回路について説明した。上記実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

図１で説明した演算増幅器１００は、図９に示すようにＰチャンネルＭＯＳトランジスタとＮチャンネルＭＯＳトランジスタを置換して構成してもよい。また図１０に示すように、ＭＯＳトランジスタに変えて、バイポーラトランジスタと用いて構成してもよい。さらに、図１０のＮＰＮ型バイポーラトランジスタとＰＮＰ型バイポーラトランジスタを置換して構成することも可能である。

また、演算増幅器１００は、相互コンダクタンスアンプ（ｇｍアンプ）などの電流出力型の増幅器であってもよい。さらに、演算増幅器１００は、差動入力に対し差動出力を有する完全差動増幅器として構成されていてもよい。これらの演算増幅器については、出力増幅段２０の構成を変更することにより実現することができる。

実施の形態では、第１差動対および第２差動対の２つの差動対を有する演算増幅器１００について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、３つ以上の差動対を有していてもよい。この場合も、各差動対ごとにバイアス電流を供給する電流源を接続し、各バイアス電流の合計値が一定値になるように制御することによって、３つ以上のチャンネルのいずれをアクティブとするかをシームレスに切り替えることができる。

実施の形態では、オーディオ信号を増幅し、あるいはミュートする場合について説明したが、本発明に係る演算増幅器および増幅回路の用途はこれに限定されるものではなく、通信などの信号処理などに広く用いることができる。

実施の形態に係る演算増幅器の構成を示す回路図である。 第１の実施例に係る増幅回路の構成を示す回路図である。 図２の電流制御部の構成例を示す回路図である。 第１の実施例に係る増幅回路の動作を示す図である。 第２の実施例に係る増幅回路の構成を示す回路図である。 第３の実施例に係る増幅回路の構成を示す回路図である。 第４の実施例に係る増幅回路の構成を示す回路図である。 図７の増幅回路の動作状態を示す図である。 図１の演算増幅器の変形例を示す回路図である。 図１の演算増幅器の別の変形例を示す回路図である。 図１１は、第１から第４の実施例に係る増幅回路を利用した携帯電話端末の構成を示すブロック図である。

符号の説明

Ｍ１ 第１トランジスタ、 Ｍ２ 第２トランジスタ、 Ｍ３ 第３トランジスタ、 Ｍ４ 第４トランジスタ、 Ｍ５ 第５トランジスタ、 Ｍ６ 第６トランジスタ、 １０ 第１電流源、 １２ 第２電流源、 ２０ 出力増幅段、 ３０ 電流制御部、 １００ 演算増幅器、 １０２ 第１非反転入力端子、 １０４ 第１反転入力端子、 １０６ 第２非反転入力端子、 １０８ 第２反転入力端子、 １１０ 出力端子。

Claims (13)

1. ２組の差動入力端子を備える演算増幅器であって、
   それぞれの制御端子が第１非反転入力端子および第１反転入力端子に接続された第１、第２トランジスタを含む第１差動対と、
   それぞれの制御端子が第２非反転入力端子および第２反転入力端子に接続された第３、第４トランジスタを含む第２差動対と、
   前記第１、第２差動対に共通に設けられたカレントミラー負荷と、
   前記第１、第２差動対それぞれにバイアス電流を供給する第１、第２電流源と、
   を備えることを特徴とする演算増幅器。
2. 前記第１、第２電流源により前記第１、第２差動対に供給されるバイアス電流を制御する電流制御部をさらに備え、当該電流制御部は、前記第１、第２差動対に供給されるバイアス電流の和が一定値となるよう制御することを特徴とする請求項１に記載の演算増幅器。
3. 前記電流制御部は、
   キャパシタと、
   前記キャパシタを充放電する充放電回路と、
   前記キャパシタの一端に現れる電圧を電流に変換する電圧電流変換回路と、
   所定の定電流を生成する定電流源と、を備え、
   前記電圧電流変換回路により変換された電流を前記第１差動対に供給するバイアス電流とし、前記所定の定電流と前記電圧電流変換回路により変換された電流との差分を前記第２差動対に供給するバイアス電流とすることを特徴とする請求項２に記載の演算増幅器。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の演算増幅器と、
   前記演算増幅器の出力端子と前記第１反転入力端子間に設けられた第１帰還経路と、
   前記演算増幅器の出力端子と前記第２反転入力端子間に設けられた第２帰還経路と、
   を備え、増幅すべき入力信号が前記第１非反転入力端子および前記第２非反転入力端子に入力されたことを特徴とする増幅回路。
5. 請求項１から３のいずれかに記載の演算増幅器と、
   前記演算増幅器の出力端子と前記第１反転入力端子間に設けられた第１帰還経路と、
   前記演算増幅器の出力端子と前記第２反転入力端子間に設けられた第２帰還経路と、
   を備え、増幅すべき入力信号が入力抵抗を介して前記第１反転入力端子および前記第２反転入力端子に入力され、所定の基準電圧が前記第１非反転入力端子および前記第２非反転入力端子に入力されたことを特徴とする増幅回路。
6. 請求項１から３のいずれかに記載の演算増幅器と、
   前記演算増幅器の出力端子と前記第１反転入力端子間に設けられた第１帰還経路と、
   前記演算増幅器の出力端子と前記第２反転入力端子間に設けられた第２帰還経路と、
   を備え、増幅すべき入力信号が入力抵抗を介して前記第１反転入力端子および前記第２非反転入力端子に入力され、前記第１非反転入力端子に所定の基準電圧が入力されたことを特徴とする増幅回路。
7. 請求項１から３のいずれかに記載の演算増幅器と、
   前記演算増幅器の出力端子と前記第１反転入力端子間に設けられた第１帰還経路と、
   前記演算増幅器の出力端子と前記第２反転入力端子間に設けられた第２帰還経路と、
   を備え、増幅すべき入力信号が入力抵抗を介して前記第１反転入力端子に入力され、前記第１非反転入力端子および前記第２非反転入力端子に所定の基準電圧が入力されたことを特徴とする増幅回路。
8. 前記第１帰還経路または第２帰還経路の少なくとも一方は、可変抵抗を含むことを特徴とする請求項４から７のいずれかに記載の増幅回路。
9. 請求項１から３のいずれかに記載の演算増幅器と、
   複数の抵抗が直列に接続され、その一端が前記演算増幅器の出力端子に接続された抵抗群と、
   前記抵抗群に含まれる複数の抵抗の各接続ノードと、前記第１反転入力端子との間に設けられた複数のスイッチを含む第１スイッチ群と、
   前記複数の抵抗の各接続ノードと、前記第２反転入力端子との間に設けられた複数のスイッチを含む第２スイッチ群と、
   前記第１スイッチ群および前記第２スイッチ群から、それぞれひとつのスイッチを選択してオンするスイッチ制御部と、
   を備え、前記第１、第２非反転入力端子に所定の基準電圧が印加され、前記抵抗群の他端に増幅すべき入力信号が印加されることを特徴とする増幅回路。
10. 複数の差動対と、
    前記複数の差動対に共通に設けられた負荷と、
    前記複数の差動対それぞれにバイアス電流を供給する複数の電流源と、
    を備えることを特徴とする演算増幅器。
11. 前記複数の差動対に供給するバイアス電流を制御する電流制御部をさらに備え、
    当該電流制御部は、前記複数の電流源により生成される電流の総和が一定値となるように前記複数の電流源を制御することを特徴とする請求項１０に記載の演算増幅器。
12. 前記負荷は、カレントミラー負荷であることを特徴とする請求項１０に記載の演算増幅器。
13. 音声出力部と、
    前記音声出力部を駆動する請求項４から７のいずれかに記載の増幅回路と、
    を備えることを特徴とする電子機器。

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