JP2008235963A - Operational amplifier - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高レベルのパルス信号が入力する際に高スルーレートを実現した演算増幅器に関するものである。 The present invention relates to an operational amplifier that realizes a high slew rate when a high-level pulse signal is input.
図6に従来例の二重差動入力型の演算増幅器20の構成を示す。Q1,Q2,Q8,Q9,Q10はNPNトランジスタ、Q3,Q4,Q5,Q6,Q7はPNPトランジスタ、R1,R2,R3,R4は抵抗、Ccはコンデンサ、I1,I2は電流源(電流値I1=I2)、D1,D2,D3,D4はダイオード、X1はバッファである。V+およびV−はそれぞれ第1電源および第2電源、IN+は正転入力端子、IN−は反転入力端子、OUTは出力端子である。
FIG. 6 shows a configuration of a conventional dual differential input type
この演算増幅器20を、図2に示すように、反転入力端子IN−を出力端子OUTに接続してボルテージホロワ回路を構成し、正転入力端子IN+に、低電圧VLと高電圧VHの間で変化するパルス信号S1を入力させたときの動作を説明する。
As shown in FIG. 2, the
最初、パルス信号S1が低電圧VLの時は、両入力端子IN+とIN−は同電圧(=VL)である。次に、正転入力端子IN+に高電圧VHが任意の傾斜をもって印加されると、トランジスタQ2,Q3がオン状態となり、トランジスタQ1,Q4がオフ状態となり、電流源I1の電流I1がトランジスタQ2のコレクタに流れ、電流源I2の電流I2がトランジスタQ3のコレクタに流れる。よって、カレントミラー回路を構成するトランジスタQ5〜Q7にその電流I1が流れ、カレントミラー回路を構成するトランジスタQ8〜Q10には電流が流れないので、電流I1がコンデンサCcに充電されて、電圧Vpが上昇し、出力端子OUTの電圧VOUT(=−VIN)も上昇する。そして、VIN+=VIN−=VHになると、充電が完了する。図3にこのときの電圧VIN+とVOUT(=−VIN)の波形を、図4に電流I1の波形を示した。 Initially, when the pulse signal S1 is at a low voltage VL, both input terminals IN + and IN- are at the same voltage (= VL). Next, when the high voltage VH is applied to the normal input terminal IN + with an arbitrary slope, the transistors Q2 and Q3 are turned on, the transistors Q1 and Q4 are turned off, and the current I1 of the current source I1 is changed to that of the transistor Q2. The current I2 of the current source I2 flows to the collector of the transistor Q3. Therefore, since the current I1 flows through the transistors Q5 to Q7 constituting the current mirror circuit and no current flows through the transistors Q8 to Q10 constituting the current mirror circuit, the current I1 is charged in the capacitor Cc, and the voltage Vp is The voltage VOUT (= −VIN) at the output terminal OUT also rises. When VIN + = VIN− = VH, charging is completed. FIG. 3 shows the waveforms of the voltages VIN + and VOUT (= −VIN) at this time, and FIG. 4 shows the waveform of the current I1.
なお、パルス信号S1が高電圧VHから低電圧VLに変化する際は、トランジスタQ8〜Q10に電流I2が流れ、この電流I2がコンデンサCcの放電電流となって、電圧Vpが低下し、出力端子OUTの電圧VOUT(=−VIN)も低下する。 When the pulse signal S1 changes from the high voltage VH to the low voltage VL, a current I2 flows through the transistors Q8 to Q10, and this current I2 becomes a discharge current of the capacitor Cc, the voltage Vp decreases, and the output terminal The voltage VOUT (= −VIN) of OUT also decreases.
以上の遷移時、出力電圧VOUT(=−VIN)の変化は傾斜をもち、スルーレートSRは、電流I1がコンデンサCcを充電し、又は電流I2がコンデンサCcの電荷を放電する次の式で定義される。
SR=I1/Cc
=I2/Cc (1)
During the above transition, the change in the output voltage VOUT (= −VIN) has a slope, and the slew rate SR is defined by the following equation in which the current I1 charges the capacitor Cc or the current I2 discharges the charge in the capacitor Cc. Is done.
SR = I1 / Cc
= I2 / Cc (1)
すなわち、図6に示した従来例の演算増幅器20の回路では、パルス応答速度は(1)式で示されるように、電流I1で規定されるスルーレートによって制限されるという問題があった。
That is, in the circuit of the
一方、特許文献1には、スルーレート増大回路が提案されている。このスルーレート増大回路は、差動入力電圧がある値より大きくなったとき、演算増幅器の動作電流を増大させるものである。
ところが、上記特許文献1に記載の回路は、そのスルーレート増大回路が本来の演算増幅器に対する別の回路として構成されており、多数の回路素子を必要とし、回路構成が複雑化するという問題がある。
However, the circuit described in
本発明の目的は、少ない付加回路でスルーレートを増大できるようにした演算増幅器を提供することである。 An object of the present invention is to provide an operational amplifier capable of increasing the slew rate with a small number of additional circuits.
上記目的を達成するために、請求項1にかかる発明は、正転入力端子と反転入力端子にベースがそれぞれ接続されエミッタが第1の電流源に接続される第1の極性の第1および第2のトランジスタからなる第1の差動入力回路と、前記正転入力端子と前記反転入力端子にベースがそれぞれ接続されエミッタが第2の電流源に接続される第2の極性の第3および第4のトランジスタからなる第2の差動入力回路と、前記第1の差動入力回路の前記正転入力端子に接続された前記第2のトランジスタのコレクタ電流、又は前記第2の差動入力回路の前記反転入力端子に接続された前記第3のトランジスタのコレクタ電流をミラーして出力する第1のカレントミラー回路と、前記第2の差動入力回路の前記正転入力端子に接続された前記第4のトランジスタのコレクタ電流、又は前記第1の差動入力回路の前記反転入力端子に接続された前記第1のトランジスタのコレクタ電流をミラーして出力する第2のカレントミラー回路と、前記第1のカレントミラー回路の出力電流が吐き出し電流として供給され、前記第2のカレントミラー回路の出力電流が吸い込み電流として供給されるコンデンサと、前記正転入力端子の電圧が前記反転入力端子の電圧より所定以上高くなるとき、前記第1のカレントミラー回路の出力電流を増大させる吐き出し電流追加回路と、前記正転入力端子の電圧が前記反転入力端子の電圧より所定以上低くなるとき、前記第2のカレントミラー回路の出力電流を増大させる吸い込み電流追加回路と、を備えることを特徴とする。
請求項2にかかる発明は、請求項1に記載の発明において、前記吐き出し電流追加回路は、前記第2のトランジスタにベースが共通接続された第1の極性の第5のトランジスタと、前記第3のトランジスタにベースが共通接続されエミッタが前記第5のトランジスタのエミッタに接続された第2の極性の第6のトランジスタとからなり、前記第5又は第6のトランジスタのコレクタ電流が前記第1のカレントミラー回路の基準側電流として追加され、前記吸い込み電流追加回路は、前記第1のトランジスタにベースが共通接続された第1の極性の第7のトランジスタと、前記第4のトランジスタにベースが共通接続されエミッタが前記第7のトランジスタのエミッタに接続された第2の極性の第8のトランジスタとからなり、前記第7又は第8のコレクタ電流が前記第2のカレントミラー回路の基準側電流として追加される、ことを特徴とする。
請求項3にかかる発明は、請求項1又は2に記載の発明において、前記各トランジスタを電界効果トランジスタに置き換え、前記ベースをゲート、前記コレクタをドレイン、前記エミッタをソースに、それぞれ置き換えたことを特徴とする。
To achieve the above object, according to a first aspect of the present invention, there is provided a first and a first polarity having a first polarity in which a base is connected to the normal input terminal and the inverting input terminal, respectively, and an emitter is connected to the first current source. A first differential input circuit composed of two transistors; a third polarity and a second polarity; a base connected to the normal input terminal and the inverting input terminal; and an emitter connected to a second current source. A second differential input circuit comprising four transistors, and a collector current of the second transistor connected to the normal input terminal of the first differential input circuit, or the second differential input circuit. A first current mirror circuit that mirrors and outputs the collector current of the third transistor connected to the inverting input terminal, and the non-inverting input terminal of the second differential input circuit. 4th tiger A second current mirror circuit that mirrors and outputs a collector current of a transistor or a collector current of the first transistor connected to the inverting input terminal of the first differential input circuit; and the first current The output current of the mirror circuit is supplied as the discharge current, the output current of the second current mirror circuit is supplied as the sink current, and the voltage of the normal input terminal is higher than the voltage of the inverting input terminal by a predetermined amount or more. The discharge current adding circuit for increasing the output current of the first current mirror circuit, and the second current mirror circuit when the voltage of the non-inverting input terminal is lower than the voltage of the inverting input terminal by a predetermined value or more. And a sink current adding circuit for increasing the output current of the circuit.
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the discharge current adding circuit includes a fifth transistor of a first polarity having a base commonly connected to the second transistor, and the third transistor. And a sixth transistor having a second polarity, the emitter of which is connected to the emitter of the fifth transistor, and the collector current of the fifth or sixth transistor is the first transistor. The sink current adding circuit is added as a reference side current of a current mirror circuit, and the sink current adding circuit has a common base to the fourth transistor and a seventh transistor of the first polarity whose base is commonly connected to the first transistor. And an eighth transistor having a second polarity and having an emitter connected to the emitter of the seventh transistor. The collector current is added as a reference side current of the second current mirror circuit, characterized in that.
The invention according to claim 3 is the invention according to
本発明によれば、二重差動入力型の演算増幅器に対して、簡単な回路、例えばわずか4個のトランジスタを追加するのみで、入力差動電圧が所定値、例えば2VBEより高くなるとスルーレートが増大するので、少ない付加回路で所定以上のレベルの入力に対してスルーレート増大を実現させることができ、高速動作させることができる。また、入力差動電圧が所定値未満のときは、従来と同様に動作し、消費電流が増大することはない。 According to the present invention, a simple circuit, for example, only four transistors are added to a dual differential input type operational amplifier, and when the input differential voltage becomes higher than a predetermined value, for example, 2V BE, Since the rate increases, an increase in the slew rate can be realized with respect to an input of a predetermined level or more with a few additional circuits, and a high-speed operation can be achieved. When the input differential voltage is less than a predetermined value, the operation is the same as in the prior art, and the current consumption does not increase.
図1は本発明の実施例の二重差動入力型の演算増幅器10の構成を示す回路である。Q1,Q2,Q8,Q9,Q10、QA1,QA2はNPNトランジスタ、Q3,Q4,Q5,Q6,Q7,QA3,QA4はPNPトランジスタ、R1,R2,R3,R4は抵抗、Ccはコンデンサ、I1,I2は電流源(電流値I1=I2)、D1,D2,D3,D4はダイオード、X1はバッファである。V+およびV−はそれぞれ第1電源および第2電源、IN+は正転入力端子、IN−は反転入力端子、OUTは出力端子である。
FIG. 1 is a circuit diagram showing the configuration of a dual differential input
請求項との関係では、トランジスタQ1,Q2と電流源I1は第1の差動入力回路を構成し、トランジスタQ3,Q4と電流源I2は第2の差動入力回路を構成する。また、トランジスタQ5〜Q7はウイルソン型の第1のカレントミラー回路(ミラー比=1)を構成し、トランジスタQ8〜Q10はウイルソン型の第2のカレントミラー回路(ミラー比=1)を構成する。また、トランジスタQA2、QA3,QA1,QA4は、それぞれ第5、第6、第7、第8のトランジスタを構成する。 In relation to the claims, the transistors Q1 and Q2 and the current source I1 constitute a first differential input circuit, and the transistors Q3 and Q4 and the current source I2 constitute a second differential input circuit. The transistors Q5 to Q7 constitute a Wilson-type first current mirror circuit (mirror ratio = 1), and the transistors Q8 to Q10 constitute a Wilson-type second current mirror circuit (mirror ratio = 1). Transistors QA2, QA3, QA1, and QA4 constitute fifth, sixth, seventh, and eighth transistors, respectively.
本実施例の演算増幅器10は、図6の演算増幅器20に対して、トランジスタQA1〜QA4を追加接続したものである。そして、トランジスタQA1,QA4のエミッタが共通接続され、トランジスタQA2,QA3のエミッタが共通接続されている。また、トランジスタQA1,QA3のベースは反転入力端子IN−に接続され、トランジスタQA2,QA4のベースは正転入力端子IN+に接続されている。また、トランジスタQA1のコレクタは電源V+に、トランジスタQA2のコレクタはトランジスタQ2のコレクタに、トランジスタQA3のコレクタは電源V−に、トランジスタQA4のコレクタはトランジスタQ4のコレクタに、それぞれ接続されている。
In the
さて、この演算増幅器10を、図2に示すように、反転入力端子IN−を出力端子OUTに接続してボルテージホロワ回路を構成し、正転入力端子IN+に、低電圧VLと高電圧VHの間で変化するパルス信号S1を入力させたときの動作を説明する。
As shown in FIG. 2, the
最初、パルス信号S1が低電圧VLの時は、両入力端子IN+とIN−は同電圧(=VL)である。次に、正転入力端子IN+に高電圧VHが任意の傾斜をもって印加されると、トランジスタQ2,Q3がオン状態となり、トランジスタQ1,Q4がオフ状態となり電流源I1の電流I1がトランジスタQ2のコレクタに流れ、電流源I2の電流I2がトランジスタQ3のコレクタに流れる。よって、第1のカレントミラー回路のトランジスタQ5〜Q7に電流I1が流れ、この電流I1が吐き出し電流となってコンデンサCcに供給されて電圧Vpが上昇し、出力端子OUTの電圧VOUT(=−VIN)も上昇する。 Initially, when the pulse signal S1 is at a low voltage VL, both input terminals IN + and IN- are at the same voltage (= VL). Next, when the high voltage VH is applied to the normal input terminal IN + with an arbitrary slope, the transistors Q2 and Q3 are turned on, the transistors Q1 and Q4 are turned off, and the current I1 of the current source I1 is the collector of the transistor Q2. The current I2 of the current source I2 flows to the collector of the transistor Q3. Therefore, a current I1 flows through the transistors Q5 to Q7 of the first current mirror circuit, and this current I1 becomes a discharge current and is supplied to the capacitor Cc, so that the voltage Vp rises and the voltage VOUT (= −VIN) of the output terminal OUT. ) Will also rise.
そして、入力端子IN+と入力端子IN−の端子間の入力差動電圧ΔVINが、
ΔVIN≧VBEQA2+VBEQA3=2VBE (2)
になると、トランジスタQA2,QA3がオン状態になる。VBEQA2,VBEQA3はトランジスタQA2,QA3のベース・エミッタ間電圧である。このとき、トランジスタQA2のコレクタに流れる電流ICQA2は、
ICQA2=ISQA2 exp(ΔVIN/2)/VT (3)
である。ISQA2はトランジスタQA2の飽和電流、VTはサーマル電圧(=kT/q)である。トランジスタQA3のコレクタにも同じ電流が流れる。
The input differential voltage ΔVIN between the input terminal IN + and the input terminal IN− is
ΔVIN ≧ V BEQA2 + V BEQA3 = 2V BE (2)
Then, the transistors QA2 and QA3 are turned on. V BEQA2 and V BEQA3 are base-emitter voltages of the transistors QA2 and QA3. At this time, the current I CQA2 flowing through the collector of the transistor QA2 is
I CQA2 = I SQA2 exp (ΔVIN / 2) / V T (3)
It is. I SQA2 is a saturation current of the transistor QA2, and V T is a thermal voltage (= kT / q). The same current also flows through the collector of transistor QA3.
以上から、第1のカレントミラー回路(トランジスタQ5〜Q7)にはICQA2が基準側電流として追加されるので、トランジスタQ7のコレクタ電流は、「I1+ICQA2 」となり、電流ICQA2分だけ増大する。したがって、このときのスルーレートは、
SR=(I1+ICQA2 )/Cc (4)
となり、前記した式(1)のスルーレートに比較して、ICQA2/Cc分だけ高くなる。そして、入力端子IN+と入力端子IN−の端子間の入力差動電圧ΔVINが、
ΔVIN<VBEQA2+VBEQA3=2VBE (5)
になると、トランジスタトランジスタQA2,QA3がオフ状態となり、スルーレートSRは式(1)に示した値に戻り、VIN+=VIN−=VHになると、充電が完了する。
From the above, since I CQA2 is added as the reference-side current to the first current mirror circuit (transistors Q5 to Q7), the collector current of the transistor Q7 becomes “I1 + I CQA2 ” and increases by the current I CQA2 . Therefore, the slew rate at this time is
SR = (I1 + I CQA2 ) / Cc (4)
Therefore , it is higher by I CQA2 / Cc than the slew rate of the above-described equation (1). The input differential voltage ΔVIN between the input terminal IN + and the input terminal IN− is
ΔVIN <V BEQA2 + V BEQA3 = 2V BE (5)
Then, the transistor transistors QA2 and QA3 are turned off, the slew rate SR returns to the value shown in the equation (1), and when VIN + = VIN− = VH, the charging is completed.
このように、本実施例の演算増幅器10は、入力差動電圧ΔVINが2VBE以上になるとコンデンサCcの充電電流が増大して高速動作を行う。トランジスタQA2,QA3がオンしない通常動作時に流れる電流の総計は、図6に示した演算増幅器20の動作時に流れる電流の総計と全く同じである。つまり、小振幅信号のパルス動作やアナログ動作を実施させるときは、図6に示した演算増幅器20と全く同様に、安定的に動作する。
As described above, the
図3にパルス信号S1が低電圧VLから高電圧VHに変化する際の図1、図6の演算増幅器10,20の入出力電圧の応答波形を、図4にコンデンサCcに供給される電流の変化を示した。図3では、入力電圧VIN+を点線で、図1の演算増幅器10の出力電圧VOUTを実線で、図6の演算増幅器20の出力電圧VOUTを破線で示した。図4では図1の演算増幅器10のコンデンサCcに供給される電流を実線で、図6の演算増幅器20のコンデンサCcに供給される電流を破線で示した。
FIG. 3 shows the response waveforms of the input and output voltages of the
本実施例の演算増幅器10では、コンデンサCcの充電電流は、入力電圧VIN+が低電圧VLのときはゼロであるが、時刻t1で入力電圧VIN+が高電圧VHに向けて立ち上がると増大を開始し、電流I1になる。さらに、時刻t2に至り、入力差動電圧ΔVINが2VBEに達すると、トランジスタQA2,QA3がオンして、コンデンサCcの充電電流は「I1+ICQA2 」に増大し、出力電圧VOUTが高電圧VHに近づき、時刻t3に至り、入力差動電圧ΔVINが2VBE未満になると、トランジスタQA2,QA3がオフして電流I1に戻り、この後の時刻t4に至り、入力差動電圧ΔVINがゼロになると、充電電流はゼロに戻る。なお、入力電圧VIN+が低電圧VLに向けて立ち下がる時は、今度は上記と逆の動作となり、コンデンサCcの電荷が放電される。このときは、トランジスタQA1,QA4が途中で一時的にオン状態となり、吸い込み電流を増大させて、コンデンサCcの放電電流を一時的に増大させる。
In the
図5に、図2のようにボルテージホロワ接続したときの演算増幅器10,20の応答特性のシミュレーション結果を示した。(a)は図1の本実施例の演算増幅器10、(b)は図6の従来の演算増幅器20についてである。いずれも、演算増幅器10,20の電圧増幅度Gv=1、抵抗RT=50Ω、抵抗RL=150Ω、コンデンサCL=10pFの条件である。(a)の応答特性が(b)に比べて高速応答を示していることが確認できる。
FIG. 5 shows a simulation result of response characteristics of the
なお、以上説明した実施例の演算増幅器10は本発明の一例であり、種々変形が可能である。例えば、図1では吐き出し電流を供給する第1のカレントミラー回路(トランジスタQ5〜Q7)の基準側電流をトランジスタQ2のコレクタ電流としているが、トランジスタQ3のコレクタ電流を基準側電流としてもよい。また、図1では吸い込み電流を供給する第2のカレントミラー回路(トランジスタQ8〜Q10)の基準側電流をトランジスタQ4のコレクタ電流としているが、トランジスタQ1のコレクタ電流を基準側電流としてもよい。さらに、図1ではトランジスタQA2のコレクタ電流を第1のカレントミラー回路(トランジスタQ5〜Q7)の追加基準側電流としているが、トランジスタQA3のコレクタ電流を追加基準側電流としても良い。さらに、図1ではトランジスタQA4のコレクタ電流を第2のカレントミラー回路(トランジスタQ8〜Q10)の追加基準側電流としているが、トランジスタQA1のコレクタ電流を追加基準側電流としても良い。さらに、図1で示したバイポーラトランジスタの極性(PNP,NPN)は反対にすることができることは勿論である。また、バイポーラトランジスタに代えて電界効果トランジスタを使用することもできる。
The
10,20:演算増幅器 10, 20: operational amplifier
Claims (3)
前記正転入力端子と前記反転入力端子にベースがそれぞれ接続されエミッタが第2の電流源に接続される第2の極性の第3および第4のトランジスタからなる第2の差動入力回路と、
前記第1の差動入力回路の前記正転入力端子に接続された前記第2のトランジスタのコレクタ電流、又は前記第2の差動入力回路の前記反転入力端子に接続された前記第3のトランジスタのコレクタ電流をミラーして出力する第1のカレントミラー回路と、
前記第2の差動入力回路の前記正転入力端子に接続された前記第4のトランジスタのコレクタ電流、又は前記第1の差動入力回路の前記反転入力端子に接続された前記第1のトランジスタのコレクタ電流をミラーして出力する第2のカレントミラー回路と、
前記第1のカレントミラー回路の出力電流が吐き出し電流として供給され、前記第2のカレントミラー回路の出力電流が吸い込み電流として供給されるコンデンサと、
前記正転入力端子の電圧が前記反転入力端子の電圧より所定以上高くなるとき、前記第1のカレントミラー回路の出力電流を増大させる吐き出し電流追加回路と、
前記正転入力端子の電圧が前記反転入力端子の電圧より所定以上低くなるとき、前記第2のカレントミラー回路の出力電流を増大させる吸い込み電流追加回路と、
を備えることを特徴とする演算増幅器。 A first differential input circuit comprising first and second transistors having a first polarity, each having a base connected to a normal input terminal and an inverting input terminal and an emitter connected to a first current source;
A second differential input circuit comprising third and fourth transistors of second polarity, each having a base connected to the normal input terminal and the inverting input terminal and an emitter connected to a second current source;
The collector current of the second transistor connected to the normal input terminal of the first differential input circuit, or the third transistor connected to the inverted input terminal of the second differential input circuit A first current mirror circuit that mirrors and outputs the collector current of
The collector current of the fourth transistor connected to the normal input terminal of the second differential input circuit, or the first transistor connected to the inverted input terminal of the first differential input circuit A second current mirror circuit that mirrors and outputs the collector current of
A capacitor in which an output current of the first current mirror circuit is supplied as a discharge current, and an output current of the second current mirror circuit is supplied as a sink current;
A discharge current adding circuit for increasing the output current of the first current mirror circuit when the voltage of the normal input terminal is higher than the voltage of the inverting input terminal by a predetermined value or more;
A sink current adding circuit for increasing the output current of the second current mirror circuit when the voltage of the normal input terminal is lower than the voltage of the inverting input terminal by a predetermined value or more;
An operational amplifier comprising:
前記吸い込み電流追加回路は、前記第1のトランジスタにベースが共通接続された第1の極性の第7のトランジスタと、前記第4のトランジスタにベースが共通接続されエミッタが前記第7のトランジスタのエミッタに接続された第2の極性の第8のトランジスタとからなり、前記第7又は第8のコレクタ電流が前記第2のカレントミラー回路の基準側電流として追加される、
ことを特徴とする請求項1に記載の演算増幅器。 The discharge current adding circuit includes a fifth transistor having a first polarity whose base is commonly connected to the second transistor, and a base commonly connected to the third transistor and an emitter being an emitter of the fifth transistor. And a collector current of the fifth or sixth transistor is added as a reference side current of the first current mirror circuit,
The sink current adding circuit includes a first polarity seventh transistor having a base commonly connected to the first transistor, and a base commonly connected to the fourth transistor and an emitter being an emitter of the seventh transistor. And the seventh or eighth collector current is added as a reference side current of the second current mirror circuit.
The operational amplifier according to claim 1.
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