JP2007311910A - 増幅器および負帰還増幅回路 - Google Patents

Abstract

【課題】バイポーラトランジスタによる位相補償切り替えを実現する。
【解決手段】位相補償用コンデンサ３４−１，３４−２は、差動段３１出力（出力段３２入力）と接地ラインＧＮＤとの間に並列接続されている。位相補償用コンデンサ３４−２はカレントミラースイッチ回路３５のバイポーラトランジスタＱ８を介して接地ラインＧＮＤに接続されている。位相補償用コンデンサ３４−２とトランジスタＱ８の直列接続点（Ａ点）に直流電位供給回路３６が接続されている。カレントミラースイッチ回路３５がオンしたとき、Ａ点に直流電位供給回路３６から直流電位が供給され、Ａ点は交流的に接地されたことになり、差動増幅器３０の位相補償容量の大きさはＣ１＋Ｃ２となる。カレントミラースイッチ回路３５がオフしたとき、直流電位供給回路３６もオフしてＡ点はオープンとなり、差動増幅器３０の位相補償容量の大きさはＣ１のみとなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、増幅器および負帰還増幅回路に関し、特に位相補償容量切り替え機能を有し、受光増幅回路等に用いて好適な増幅器および負帰還増幅回路に関する。

複数の利得切り替え機能を有する可変利得増幅回路は、各利得毎にアンプの周波数特性および位相余裕度を確保するために、位相補償容量の利得による場合分けが必要である。すなわち、高利得時は周波数特性を確保するために位相補償容量を小さく、低利得時は位相余裕度を確保するために位相補償容量を大きくする必要がある。

この種の増幅回路における位相補償容量切り替え機能を有する増幅器が特許文献１や特許文献２に開示されている。特許文献１には、ＭＯＳトランジスタで構成された差動型アンプにおける位相補償容量を切り替える技術の一例が示されている。また、特許文献２には、バイポーラトランジスタで構成された差動型アンプにおける位相補償容量を切り替える技術の一例が示されている。

特許文献１に示されている差動型アンプ（演算増幅器）１０は、本願図面の図４に示すように、ＭＯＳトランジスタで構成される差動段１１および出力段１２を有している。そして、差動段１１の出力とアンプ出力Ｖout（出力段１２の出力）との間に、位相補償用コンデンサ１３−１（容量の値をＣ１とする）と、スイッチ素子としてのＭＯＳトランジスタ１４−１，１４−２により制御される位相補償用コンデンサ１３−２（容量の値をＣ２とする）とが並列に接続されている。

Ｃ１は、負荷が大きい場合に目標動作速度が満足でき、かつ発振しない程度に位相余裕のある大きさである。一方、Ｃ２は利得が小さくなり発振してしまうのを抑えることができ、かつ目標動作速度が満足できる大きさとＣ１の差分である。したがって、出力がある利得以上のときは、MOSトランジスタ１４−１，１４−２をオフしておき増幅器１０の位相補償容量の大きさをＣ１として目標動作を満足させるように制御している。また、出力がある利得以下のときは、MOSトランジスタ１４−１，１４−２をオンさせ増幅器１０の位相補償容量の大きさをＣ１＋Ｃ２とし発振しない程度に位相余裕を抑えるように制御している。

特許文献２に示されている差動型アンプ（演算増幅器）２０は、本願図面の図５に示すように、バイポーラトランジスタで構成される差動段２１および出力段２２を有している。そして、差動段２１の出力と出力段２２の入力のトランジスタ２３のコレクタとの間に、位相補償用コンデンサ２４−１（容量の値をＣ１とする）と、スイッチ素子としてのアナログスイッチ２５により制御される位相補償用コンデンサ２４−２（容量の値をＣ２とする）とが並列に接続されている。

出力がある利得以下のときは、アナログスイッチ２５をオンさせ、増幅器２０の位相補償容量の大きさをＣ１＋Ｃ２とする。また、出力がある利得以上のときは、アナログスイッチ２５をオフさせ、増幅器２０の位相補償容量の大きさをＣ１のみとする。これにより、出力利得が小さいときも大きいときも、それぞれ同等の周波数帯域を持つように動作する。
特開平６−２９１５７４号公報 特開平１０−２９０１２７号公報

ところで、図４に示した増幅器１０はＭＯＳトランジスタを用いた半導体集積回路には適用することができるが、バイポーラトランジスタのみを用いた半導体集積回路には適用することができない。そこで、増幅器１０のＭＯＳトランジスタをバイポーラトランジスタに置換えて用いることが考えられる。しかし、増幅器１０の位相補償容量切り替え用スイッチとしてのＭＯＳトランジスタ１４−１，１４−２を単にバイポーラトランジスタに置換えただけでは、バイポーラトランジスタがオン状態になったときに必要になる駆動電流を、ＭＯＳトランジスタ１４−１の替わりのバイポーラトランジスタでは、抜くパスが存在しなく、また、ＭＯＳトランジスタ１４−２の替わりのバイポーラトランジスタでは、供給するパスが存在しないため、位相補償用コンデンサ１３−２を交流的に完全に接続することができない。

一方、図５に示した増幅器２０は、差動段および出力段がバイポーラトランジスタで構成されている。しかし、増幅器２０のアナログスイッチ２５については、特許文献２においてシンボル化して表現されており、実際にはどのような回路構成で実現するのかといった、具体的な手段については開示されていない。すなわち、従来は、位相補償容量切り替え用スイッチをバイポーラトランジスタで実現する技術がなかった。

本発明の増幅器は、位相補償用コンデンサに直列接続された位相補償容量切り替えのためのスイッチ手段がバイポーラ構成のスイッチ手段であり、その直列接続点に直流電位供給手段が接続され、スイッチ手段がオン状態のときに直流電位供給手段がオンしてその直列接続点に直流電位が供給され、スイッチ手段がオフ状態のときに直流電位供給手段がオフしてその直列接続点の電位がオープンとなるバイポーラ構成の増幅器である。

本発明によれば、バイポーラ構成の増幅器の諸特性(周波数特性や位相余裕度等)に影響を与えることなく、位相補償容量切り替え用スイッチをバイポーラトランジスタで実現することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態を示すものである。差動増幅器３０は、差動段３１、出力段３２および位相補償回路３３を有している。

差動段３１は、ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２と、ＰＮＰトランジスタＱ３，Ｑ４と、抵抗Ｒ１，Ｒ２と、定電流回路ＣＣ１とが結合されて構成されている。トランジスタＱ１，Ｑ２は、エミッタが共通接続されて差動対を構成し、そのエミッタが定電流回路ＣＣ１を介して接地ラインＧＮＤに接続されている。トランジスタＱ１のベースは反転入力端子（−）に接続され、トランジスタＱ２のベースは非反転入力端子（＋）に接続されている。トランジスタＱ３，Ｑ４は、ベースが共通接続されトランジスタＱ４のベースとコレクタとがショートされてカレントミラー対を構成し、エミッタがそれぞれ抵抗Ｒ１，Ｒ２を介して電源ラインＶＣＣに接続されている。トランジスタＱ３，Ｑ４のコレクタはそれぞれトランジスタＱ１，Ｑ２のコレクタに接続されている。トランジスタＱ３のコレクタからこの差動段３１の出力が得られる。

出力段３２は、ＮＰＮトランジスタＱ５と定電流回路ＣＣ２とが接続されて構成されている。トランジスタＱ５は、コレクタが電源ラインＶＣＣに接続され、エミッタが定電流回路ＣＣ２を介して接地ラインＧＮＤに接続されている。トランジスタＱ５のベースに差動段３１の出力が入力される。トランジスタＱ５と定電流回路ＣＣ２との直列接続点からこの差動増幅器３０の出力電圧Ｖoutが得られる。

位相補償回路３３は、第１位相補償用コンデンサ３４−１（容量の値をＣ１とする）と、第２位相補償用コンデンサ３４−２（容量の値をＣ２とする）と、カレントミラースイッチ回路３５と、直流電位供給回路３６とが結合されて構成されている。第１位相補償用コンデンサ３４−１は、一端側が差動段３１の出力端に接続され、他端側が接地ラインＧＮＤに接続されている。第１位相補償用コンデンサ３４−１は差動増幅器３０の位相補償に常に関与する。Ｃ１は、差動増幅器３０をある利得以上で使用する場合、位相補償用コンデンサ３４−１のみで目標周波数帯域が満足でき、かつ発振しない程度に位相余裕を確保できる値に設定されている。第２位相補償用コンデンサ３４−２は、一端側が差動段３１の出力端に接続され、他端側がカレントミラースイッチ回路３５を介して接地ラインＧＮＤに接続されている。第２位相補償用コンデンサ３４−２は、カレントミラースイッチ回路３５がオンしたときに第１位相補償用コンデンサ３４−１に並列接続されて差動増幅器３０の位相補償に関与する。Ｃ２は、差動増幅器３０をある利得以下で使用する場合、位相補償用コンデンサ３４−１と位相補償用コンデンサ３４−２とを並列接続した状態で目標周波数帯域が満足でき、かつ発振しない程度に位相余裕を確保できる値に設定されている。

カレントミラースイッチ回路３５は、ＮＰＮトランジスタＱ６，Ｑ７，Ｑ８と、抵抗Ｒ３，Ｒ４と、定電流回路ＣＣ３とが結合されて構成されている。トランジスタＱ７，Ｑ８は、ベースが共通接続されトランジスタＱ７のベースとコレクタとがショートされてカレントミラー対を構成し、エミッタがそれぞれ抵抗Ｒ３，Ｒ４を介して接地ラインＧＮＤに接続されている。トランジスタＱ７のコレクタは定電流回路ＣＣ３を介して電源ラインＶＣＣに接続されている。トランジスタＱ８のコレクタは第２位相補償用コンデンサ３４−２の他端側に接続されている。トランジスタＱ６は、コレクタが定電流回路ＣＣ３とトランジスタＱ７との直列接続点に接続され、エミッタが接地ラインＧＮＤに接続されている。トランジスタＱ６は、ベースにスイッチ信号Ｖswが入力されることによりオン／オフする。トランジスタＱ７，Ｑ８のカレントミラー対には、トランジスタＱ６がオフのとき電流が流れ、トランジスタＱ６がオンのとき電流が流れない。

直流電位供給回路３６は、ＮＰＮトランジスタＱ９と抵抗Ｒ５とが結合されて構成されている。トランジスタＱ９は、コレクタが抵抗Ｒ５を介して電源ラインＶＣＣに接続され、エミッタが第２位相補償用コンデンサ３４−２とトランジスタＱ８との直列接続点（Ａ点）に接続されている。トランジスタＱ９のベースの電位は所定の直流電位Ｖ１に固定される。

差動増幅器３０の動作について、差動段３１および出力段３２の基本動作の説明は省略し、位相補償回路３３の動作について説明する。差動増幅器３０をある利得以上で使用する場合、スイッチ信号Vswの電圧は"Ｈ（ハイ）"レベルであり、トランジスタＱ６は飽和してオンするため、定電流回路ＣＣ３の電流はすべてトランジスタＱ６へと流れる。このときトランジスタＱ７，Ｑ８のカレントミラー対に電流が流れないため、トランジスタＱ９はカットオフ状態であり、トランジスタＱ８のコレクタ電位（Ａ点電位）はオープンとなる。従って、この場合、差動増幅器３０の位相補償には、第２位相補償用コンデンサ３４−２は関与せず、第１位相補償用コンデンサ３４−１だけが関与することになり、差動増幅器３０の位相補償容量の大きさはＣ１のみとなる。

一方、ある利得以下で使用する場合、スイッチ信号Vswの電圧は"Ｌ（ロウ）"レベルであり、トランジスタＱ６はカットオフ状態にあり、定電流回路ＣＣ３の電流はトランジスタＱ７，Ｑ８のカレントミラー対に流れるため、トランジスタＱ９はオンしてトランジスタＱ８のコレクタ電位（Ａ点電位）は、直流電位Ｖ１に設定されたトランジスタＱ９のベース電位からトランジスタＱ９のベース−エミッタ間電圧ＶＢＥ分下がった電位に固定される。これにより、第２位相補償用コンデンサ３４−２は他端側が交流的に接地され、交流的に容量として機能する。従って、この場合、差動増幅器３０の位相補償には、第２位相補償用コンデンサ３４−２は第１位相補償用コンデンサ３４−１に並列接続されて関与することになり、差動増幅器３０の位相補償容量の大きさはＣ１＋Ｃ２となり、低利得時でも十分に位相余裕を確保できるようになる。

以上に説明したように、差動増幅器３０の位相補償容量を切り替えるために、Ａ点に直流電位供給回路３６を接続し、トランジスタＱ８がオンしたときに必要になる駆動電流を供給するパスを生成することで、第２位相補償用コンデンサ３４−２の他端側を交流的に完全に接地することができる。従って、差動段および出力段がバイポーラトランジスタで構成された差動増幅器の諸特性(周波数特性や位相余裕度等)に影響を与えることなく、位相補償容量切り替え用スイッチをバイポーラトランジスタで実現することができる。また、ＩＣを製造するうえで、バイポーラトランジスタとＭＯＳトランジスタとの複合プロセスを用いなくても、バイポーラトランジスタのプロセスのみで製造できるためプロセスコスト的に有利である。

図２は、本発明の第２の実施形態を示すものである。受光増幅回路１００は、第１の実施形態で説明した差動増幅器３０と、一端側が差動増幅器３０の反転入力端子（−）に接続され、他端側が差動増幅器３０の出力に選択接続される、出力の利得を決定する複数の帰還抵抗Ｒ１１〜Ｒ１６からなる帰還抵抗群４０と、帰還抵抗群４０のうちの１つの帰還抵抗の他端側を差動増幅器３０出力と出力端子Ｖoutとに選択接続する帰還抵抗選択回路５０と、差動増幅器３０の位相補償回路３３へのスイッチ信号Vswを生成する制御回路６０と、帰還抵抗選択回路５０を制御する制御回路７０とを備えている。差動増幅器３０の反転入力端子（−）にはフォトダイオードＰＤが接続され、非反転入力端子（＋）には基準電圧Ｖrefが印加されている。差動増幅器３０の出力は帰還抵抗選択回路５０を介して出力端子Ｖoutに出力される。

帰還抵抗選択回路５０は、複数のバッファ（図示せず）を有し、制御回路７０により、それらのバッファの駆動／非駆動が制御される。これにより、帰還抵抗群４０の帰還抵抗Ｒ１１〜Ｒ１６のうちのいずれかの抵抗の他端側が差動増幅器３０出力と出力端子Ｖoutとに選択接続されることとなり、その値に応じて出力電圧の利得を切り替える。

受光増幅回路１００の動作について説明する。受光増幅回路１００に接続されたフォトダイオードＰＤは、照射された光信号を電流Ｉに変換する。受光増幅回路１００は負帰還アンプを構成し、帰還抵抗群４０のうちの選択された１つの抵抗を介して電流Ｉを電圧に変換して出力する。光が照射されていない場合は、電流Ｉが発生しないため出力電圧は基準電圧Ｖref に等しい電圧となる。光が照射されると発生する電流Ｉは負帰還アンプの出力側から帰還抵抗を通して流れるため、出力端子Ｖoutから出力される電圧はＩ×Ｒｘ(Ｒｘは選択された帰還抵抗の抵抗値)だけ上昇する。このようにして、フォトダイオードＰＤの出力電流Ｉが電圧に変換される。

制御回路７０からの制御信号が帰還抵抗選択回路５０に入力されると、帰還抵抗群４０の帰還抵抗Ｒ１１〜Ｒ１６のうちのいずれかの抵抗の他端側が差動増幅器３０出力と出力端子Ｖoutとに選択接続され、その値に応じて出力電圧の利得が切り替えられる。ある利得以上で使用するように制御された場合、制御回路６０から"Ｈ"レベルのスイッチ信号Vswが差動増幅器３０に入力され、上述したように、増幅器３０の位相補償容量の大きさがＣ１のみとなる。また、ある利得以下で使用するように制御された場合、制御回路６０から"Ｌ"レベルのスイッチ信号Vswが差動増幅器３０に入力され、上述したように、増幅器３０の位相補償容量の大きさがＣ１＋Ｃ２となる。

以上に説明したように、受光増幅回路１００に差動増幅器３０を用いるようにしたため、受光増幅回路１００において、バイポーラ構成の帰還アンプの位相補償容量切り替えを安定した動作で実現でき、広帯域の仕様に対して対応することができる。

尚、上記第１の実施の形態において、差動増幅器３０の位相補償容量を切り替えることができるコンデンサとして、１つのコンデンサ（第２位相補償用コンデンサ３４−２）を例にして説明したが、２つ以上でもよい。また、差動増幅器３０を構成するバイポーラトランジスタの極性を、図３に示す差動増幅器８０のように、逆極性としてもよい。

本発明の第１の実施形態の回路図。 本発明の第２の実施形態のブロック図。 図１に示す回路図のトランジスタの極性を逆極性にした例。 従来の第１例の回路図。 従来の第２例の回路図。

符号の説明

３０，８０ 差動増幅器
３１，８１ 差動段
３２，８２ 出力段
３３，８３ 位相補償回路
３４−１，８４−１ 第１位相補償用コンデンサ
３４−２，８４−２ 第２位相補償用コンデンサ
３５，８５ カレントミラースイッチ回路
３６，８６ 直流電位供給回路
４０ 帰還抵抗群
５０ 帰還抵抗選択回路
６０，７０ 制御回路
１００ 受光増幅回路
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ５，Ｑ６，Ｑ７，Ｑ８，Ｑ９，Ｑ２３，Ｑ２４ ＮＰＮトランジスタ
Ｑ３，Ｑ４，Ｑ２１，Ｑ２２，Ｑ２５，Ｑ２６，Ｑ２７，Ｑ２８，Ｑ２９ ＰＮＰトランジスタ
Ｒ１〜Ｒ５，Ｒ２１〜Ｒ２５ 抵抗
Ｒ１１〜Ｒ１６ 帰還抵抗
ＣＣ１，ＣＣ２，ＣＣ３，ＣＣ２１，ＣＣ２２，ＣＣ２３ 定電流回路

Claims (7)

1. 位相補償用コンデンサに直列接続された位相補償容量切り替えのためのスイッチ手段がバイポーラ構成のスイッチ手段であり、その直列接続点に直流電位供給手段が接続され、スイッチ手段がオン状態のときに直流電位供給手段がオンしてその直列接続点に直流電位が供給され、スイッチ手段がオフ状態のときに直流電位供給手段がオフしてその直列接続点の電位がオープンとなるバイポーラ構成の増幅器。
2. 前記スイッチ手段は、カレントミラースイッチ回路からなることを特徴とする請求項１記載の増幅器。
3. 前記直流電位供給手段はバイポーラトランジスタを有し、前記直流電位が前記バイポーラトランジスタのベースからエミッタを介して前記直列接続点に供給されることを特徴とする請求項１記載の増幅器。
4. 第１の電源ラインと第２の電源ラインとの間に接続されたバイポーラ構成の差動段および出力段と、増幅器の位相補償をするための位相補償回路とを備えた増幅器において、
   前記位相補償回路は、
   一端が前記差動段の出力に接続され他端が前記第２の電源ラインに接続された複数の位相補償用コンデンサと、
   前記複数の位相補償用コンデンサのうち少なくとも１つの位相補償用コンデンサの他端と前記第２の電源ラインとの間に挿入接続されたバイポーラ構成のスイッチ手段と、
   前記１つの位相補償用コンデンサと前記スイッチ手段との直列接続点に接続された直流電位供給手段とを有し、
   前記スイッチ手段がオン状態のときに前記直流電位供給手段がオンして前記直列接続点に直流電位が供給され、前記スイッチ手段がオフ状態のときに前記直流電位供給手段がオフして前記直列接続点の電位がオープンとなることを特徴とする増幅器。
5. 入力信号を受けこれを増幅して出力する増幅器と、複数の帰還抵抗を有しそのうちの１つが入出力端子間に選択接続される帰還抵抗群と、前記帰還抵抗を選択接続する帰還抵抗選択回路とを備えた負帰還増幅回路において、
   前記増幅器は、複数の位相補償用コンデンサと、そのうち少なくとも１つの位相補償用コンデンサに直列接続された位相補償容量切り替えのためのバイポーラ構成のスイッチ手段と、その直列接続点に接続された直流電位供給手段とを有し、スイッチ手段がオン状態のときに直流電位供給手段がオンしてその直列接続点に直流電位が供給され、スイッチ手段がオフ状態のときに直流電位供給手段がオフしてその直列接続点の電位がオープンとなるバイポーラ構成の増幅器であることを特徴とする負帰還増幅回路。
6. 前記入力端子に前記入力信号としての入力電流が供給されることを特徴とする請求項５記載の負帰還増幅回路。
7. 前記入力電流は、フォトダイオードからの受光に基づく電流であることを特徴とする請求項６記載の負帰還増幅回路。

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