JP2009100278A - Peak hold circuit, and operational amplifier - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はピークホールド回路、オペアンプに関し、特に、低電圧での駆動に有利なピークホールド回路、オペアンプに関する。 The present invention relates to a peak hold circuit and an operational amplifier, and more particularly to a peak hold circuit and an operational amplifier that are advantageous for driving at a low voltage.
図1は、ゲインコントロールアンプの一例の構成を示す図である。ゲインコントロールアンプは、信号を一定に保つために用いられる。ゲインコントロールアンプは、ゲインコントロール部11とレベル検出部12を含む構成とされる。ゲインコントロール部11は、入力された信号のレベルが、予め設定されている信号のレベルになるように制御する。その制御は、レベル検出部12からの指示による。
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an example of a gain control amplifier. The gain control amplifier is used to keep the signal constant. The gain control amplifier includes a
ゲインコントロール部11からの出力は、図示していない他の部分に出力されるとともに、レベル検出部12に供給される。レベル検出部12は、予め設定されている信号のレベルと、供給された信号のレベルを比較し、供給された信号のレベルが、設定されている信号のレベルになるように、入力信号が弱い場合には感度を上げるように指示を出し、入力信号が強い場合には感度を下げるように指示を出す。
The output from the
このようなゲインコントロールアンプのレベル検出部12には、ピークホールド回路と称される回路が含まれている。ピークホールド回路は、入力された信号の最大値を保持する回路である。
The
このピークホールド回路には、オペアンプが含まれている。オペアンプは、BJT(Bipolar Junction Transistor)やMOS(Metal Oxide Semiconductor)などの半導体素子により構成される。オペアンプの回路構成は、オペアンプを構成する半導体素子がBJTまたはMOSのいずれであっても、ほぼ同一である。 This peak hold circuit includes an operational amplifier. The operational amplifier is configured by a semiconductor element such as BJT (Bipolar Junction Transistor) or MOS (Metal Oxide Semiconductor). The circuit configuration of the operational amplifier is almost the same regardless of whether the semiconductor element constituting the operational amplifier is BJT or MOS.
図2は、MOSで構成される従来のオペアンプの一例の構成を示す回路図である(例えば、特許文献1参照)。図2において、オペアンプ21は、引き算回路22、出力増幅回路23、反転入力端子24、非反転入力端子25、および出力端子26から構成される。
FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of an example of a conventional operational amplifier composed of a MOS (see, for example, Patent Document 1). In FIG. 2, the
引き算回路22は、PMOS(Positive Metal Oxide Semiconductor)31,32、NMOS(Negative Metal Oxide Semiconductor)33,34、並びに定電流源35から構成される。引き算回路22では、PMOS31のゲートが反転入力端子24に接続され、PMOS32のゲートが非反転入力端子25に接続されている。また、PMOS31のソースおよびPMOS32のソースは、定電流源35の一端に接続されており、定電流源35の他端は、駆動電圧E1を供給する図示しない電源に接続されている。
The
また、引き算回路22では、PMOS31のドレインとNMOS33のドレインとが接続され、PMOS32のドレインとNMOS34のドレインとが接続されており、NMOS33およびNMOS34のソースがそれぞれ接地されている。また、NMOS33のゲートとNMOS34のゲートとが接続されており、NMOS33のゲートとNMOS34のゲートとの接続点と、PMOS31のドレインとNMOS33のドレインとの接続点とが接続されている。また、PMOS32のドレインとNMOS34のドレインとの接続点が、出力増幅回路23に接続されている。
In the
出力増幅回路23は、NMOS41、コンデンサ42、および定電流源43から構成される。出力増幅回路23では、NMOS41のゲートとコンデンサ42の一端とが接続されており、NMOS41のゲートとコンデンサ42の一端との接続点が、引き算回路22のPMOS32のドレインとNMOS34のドレインとの接続点に接続されている。また、NMOS41のソースは接地されており、NMOS41のドレインは、コンデンサ42の他端と、定電流源43の一端と、出力端子26とに接続されている。定電流源43の他端は、駆動電圧E1を供給する図示しない電源に接続されている。
The
オペアンプ21では、第1の入力電圧が反転入力端子24に入力されるとともに、第2の入力電圧が非反転入力端子25に入力され、第2の入力電圧から第1の入力電圧を減算した電圧が、引き算回路22から出力増幅回路23に供給される。そして、引き算回路22から供給された電圧を出力増幅回路23が増幅し、出力増幅回路23により増幅された電圧が、出力電圧として出力端子26から出力される。
In the
このように構成されているオペアンプ21は、一般にバートンアンプと呼ばれ、バイポーラプロセスやMOSプロセスにおいて一般的に使用されている。
The
ここで、定電流源35も半導体素子により構成されており、オペアンプ21の引き算回路22は、3段の半導体素子が積み重ね(Stuck)られた構成となっている。即ち、引き算回路22は、図2に示すように、定電流源35に供給される駆動電圧E1からグランドレベルまでの間に、定電流源35、PMOS31または32、NMOS33または34が、直列的に接続された構成とされている。
Here, the constant
従って、定電流源35、PMOS31または32、NMOS33または34のそれぞれに供給される電圧は、駆動電圧E1よりも低くなる。これにより、定電流源35、PMOS31またはPMOS32、NMOS33またはNMOS34のそれぞれを駆動させるためには、定電流源35、PMOS31または32、NMOS33または34のそれぞれの駆動に必要な電圧を足し合わせた電圧以上の電圧を、駆動電圧E1とする必要がある。
Accordingly, the voltages supplied to the constant
このように、定電流源35、PMOS31またはPMOS32、NMOS33またはNMOS34のそれぞれの駆動に必要な電圧を足し合わせた電圧以上の電圧を、駆動電圧E1とする必要があるため、引き算回路22、ひいてはオペアンプ21は、低電圧での駆動には不向きであった。
上記したように、引き算回路22は、3段の半導体素子が積み重ねられた、差動入力構造とされているため、低電圧で駆動させることが困難である。近年、例えば、携帯電話機など、駆動電圧を低く抑えたい機器で、上記したオペアンプ21を組み込みたいという要望がある。
As described above, since the
しかしながら、駆動電圧を低く抑えたい機器に、低電圧で駆動させることが困難なオペアンプ21を組み込むことは困難である。さらに、オペアンプ21を含むレベル検出部12やレベル検出部12を含むゲインコントロールアンプを、低電圧を低く抑えたい機器に組み込むことも困難である。
However, it is difficult to incorporate the
また、上記した引き算回路22は、3段の半導体素子が積み重ねられた、差動入力構造とされているため、周波数特性が悪いため、RF(radio frequency)帯域で使用するのは困難であった。
Further, since the
また、回路のNF(Noise Figure:雑音指数)を良くするために、初段の差動入力部のトランジスタのサイズを大きくしなくてはならないという制限があり、このために周波数特性が悪化してしまう。また、回路のNFを良くするために、初段の差動入力部のトランジスタのバイアス電流を大きくしなくてはならないという制限があり、このために消費電力が増加してしまう。 In addition, in order to improve the NF (Noise Figure) of the circuit, there is a limitation that the size of the transistor of the first-stage differential input section must be increased, and the frequency characteristic is deteriorated due to this. . In addition, in order to improve the NF of the circuit, there is a limitation that the bias current of the transistor in the first-stage differential input section must be increased, which increases power consumption.
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、低電圧での駆動に有利であり、NFを良くすることができるようなオペアンプやピークホールド回路を提供するものである。 The present invention has been made in view of such a situation, and provides an operational amplifier and a peak hold circuit which are advantageous for driving at a low voltage and can improve NF.
本発明の一側面のピークホールド回路は、入力端子に入力された電圧を反転して出力端子から出力する第1乃至第3の半導体素子を含むピークホールド回路であって、前記第1の半導体素子の入力端子に、外部からの入力される信号を入力する端子が接続され、前記第1の半導体素子の出力端子に、前記第2の半導体素子の入力端子と、前記第3の半導体素子の出力端子が接続され、前記第2の半導体素子の出力端子に、前記第1の半導体素子乃至第3の半導体素子とは異なる構成とされている第4の半導体素子のゲートが接続され、第4の半導体素子のドレインに、抵抗の一端、コンデンサの一端、前記第3の半導体素子の入力端子、および外部に信号を出力する出力端子が接続されている。 A peak hold circuit according to an aspect of the present invention is a peak hold circuit including first to third semiconductor elements that invert a voltage input to an input terminal and output the inverted voltage from an output terminal, wherein the first semiconductor element The input terminal of the second semiconductor element is connected to the input terminal of the first semiconductor element, the input terminal of the second semiconductor element is connected to the output terminal of the first semiconductor element, and the output of the third semiconductor element. And a gate of a fourth semiconductor element having a configuration different from that of the first semiconductor element to the third semiconductor element is connected to the output terminal of the second semiconductor element. One end of a resistor, one end of a capacitor, an input terminal of the third semiconductor element, and an output terminal for outputting a signal to the outside are connected to the drain of the semiconductor element.
前記第1の半導体素子乃至第3の半導体素子は、一対のPMOS(Positive Metal Oxide Semiconductor)とNMOS(Negative Metal Oxide Semiconductor)とから構成されるCCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)であるようにすることができる。 The first to third semiconductor elements may be CCMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) configured by a pair of PMOS (Positive Metal Oxide Semiconductor) and NMOS (Negative Metal Oxide Semiconductor). it can.
前記第4の半導体素子は、NMOSまたはPMOSであるようにすることができる。 The fourth semiconductor element may be an NMOS or a PMOS.
前記第1の半導体素子乃至第3の半導体素子と同じ半導体素子を、偶数単位分だけさらに加えた構成とされるようにすることができる。 The same semiconductor element as the first to third semiconductor elements may be further added by an even number of units.
本発明の一側面のピークホールド回路においては、3個のCMOSインバータと、NMOSまたはPMOS、抵抗、コンデンサを少なくとも含む構成され、NMOSまたはPMOSは、スイッチの役割を果たすように構成される。 The peak hold circuit according to one aspect of the present invention includes three CMOS inverters and at least an NMOS or PMOS, a resistor, and a capacitor, and the NMOS or PMOS is configured to serve as a switch.
本発明の一側面のオペアンプは、入力端子に入力された電圧を反転して出力端子から出力する半導体素子を複数備えるオペアンプであって、第1の半導体素子の入力端子に、外部からの入力される信号を入力する端子が接続され、前記第1の半導体素子の出力端子に、第2の半導体素子の入力端子が接続され、前記第2の半導体素子の出力端子に、第3の半導体素子の入力端子が接続され、前記第3の半導体素子の出力端子に、第4の半導体素子の入力端子と、外部に信号を出力する出力端子が接続され、前記第4の半導体素子の出力端子に、前記第1の半導体素子の出力端子と、前記第2の半導体素子の入力端子が接続されている。 An operational amplifier according to one aspect of the present invention is an operational amplifier including a plurality of semiconductor elements that invert a voltage input to an input terminal and output the output from an output terminal, and is input to the input terminal of the first semiconductor element from the outside. A signal input terminal is connected, an output terminal of the second semiconductor element is connected to an output terminal of the first semiconductor element, and an output terminal of the third semiconductor element is connected to an output terminal of the second semiconductor element. An input terminal is connected, an output terminal of the fourth semiconductor element is connected to an output terminal of the third semiconductor element, and an output terminal for outputting a signal to the outside is connected, and an output terminal of the fourth semiconductor element is connected to the output terminal of the fourth semiconductor element, An output terminal of the first semiconductor element and an input terminal of the second semiconductor element are connected.
前記第1の半導体素子乃至第4の半導体素子は、一対のPMOS(Positive Metal Oxide Semiconductor)とNMOS(Negative Metal Oxide Semiconductor)とから構成されるCCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)であるようにすることができる。 The first to fourth semiconductor elements may be CCMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) configured by a pair of PMOS (Positive Metal Oxide Semiconductor) and NMOS (Negative Metal Oxide Semiconductor). it can.
前記第1の半導体素子乃至第4の半導体素子と同じ半導体素子を、偶数単位分だけさらに加えた構成とされるようにすることができる。 The same semiconductor element as the first to fourth semiconductor elements may be further added by an even number unit.
コンダクタンスがそれぞれ異なる前記第1の半導体素子乃至第4の半導体素子で構成され、前記第1の半導体素子のコンダクタンスと前記第4の半導体素子のコンダクタンスとの比で、ゲインが決定されるようにすることができる。 The first to fourth semiconductor elements having different conductances are configured, and the gain is determined by the ratio of the conductance of the first semiconductor element to the conductance of the fourth semiconductor element. be able to.
本発明の一側面のオペアンプにおいては、4個のCMOSインバータを少なくとも含む構成とされ、第1のCMOSインバータ乃至第3のCMOSインバータは、直列に接続され、第1のCMOSインバータと第2のCMOSインバータとの間に、第4からのCMOSインバータからの信号が帰還される構成とされている。 The operational amplifier according to one aspect of the present invention includes at least four CMOS inverters, and the first to third CMOS inverters are connected in series, and the first CMOS inverter and the second CMOS inverter are connected. A signal from the fourth CMOS inverter is fed back between the inverter and the inverter.
本発明の一側面によれば、低電圧での駆動に有利な回路を提供することが可能となる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to provide a circuit that is advantageous for driving at a low voltage.
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図3は、本発明を適用したオペアンプ(operational amplifier)の一実施の形態の構成を示す図である。図3に示したオペアンプ61は、入力端子62、CMOS(complementary mental-oxide semiconductor)インバータ63、CMOSインバータ64、CMOSインバータ65、CMOSインバータ66、および、出力端子67を含む構成である。
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of an embodiment of an operational amplifier to which the present invention is applied. The
CMOSインバータ63、CMOSインバータ64、CMOSインバータ65、およびCMOSインバータ66は、それぞれ回路構成が同一であるとして説明を続ける。また、これらのCMOSインバータ63乃至66は、それぞれ入力された信号を反転して出力するインバータとしての機能を有する。
The description will be continued assuming that the
入力端子62は、CMOSインバータ63の入力端子に接続されている。CMOSインバータ63の出力端子は、CMOSインバータ64の入力端子に接続されている。CMOSインバータ64の出力端子は、CMOSインバータ65の入力端子に接続されている。CMOSインバータ65の出力端子は、CMOSインバータ66の入力端子と出力端子67に接続されている。CMOSインバータ66の出力端子は、CMOSインバータ63の出力端子とCMOSインバータ64の入力端子を結ぶ線に接続されている。
The
ここで、図4を参照し、CMOSインバータ63乃至66の回路構成について説明する。上記したように、CMOSインバータ63乃至66は、それぞれ同一の回路構成であるので、ここでは、CMOSインバータ63を例に挙げて説明する。
Here, the circuit configuration of the
CMOSインバータ63は、PMOS(Positive Metal Oxide Semiconductor)81とNMOS(Negative Metal Oxide Semiconductor)82から構成される。CMOSインバータ63の入力端子には、PMOS81のゲートとNMOS82のゲートとが接続されており、PMOS81のソースは、駆動電圧E2を供給する図示しない電源に接続され、NMOS82のソースは、接地される。また、PMOS81のドレインとNMOS82のドレインとが、CMOSインバータ63の出力端子に接続されている。
The
また、CMOSインバータ63は、入力端子に入力される電圧に応じ、出力端子から出力される電流を制御するので、CMOSインバータ63の入力端子に供給される電圧をVとし、CMOSインバータ63の出力端子から出力される(図4に示されている矢印の方向に流れる)電流をIとすると、電圧Vと電流Iとは、次式に示す関係を有する。
ここで、gmはコンダクタンスを表し、コンダクタンスgmは、CMOSインバータ63が、電圧Vに応じて電流Iを制御する能力(即ち、電圧-電流変換能力)を示す値である。上述したように、CMOSインバータ63乃至66の回路構成は、いずれも同一であるので、CMOSインバータ63乃至66のそれぞれのコンダクタンスgmも同一の値である。
Here, gm represents conductance, and the conductance gm is a value indicating the ability of the
次に、図3に示したオペアンプ61において、入力端子62に入力される電圧Vinと、出力端子67から出力される電圧Voutについて説明する。以下の説明において、図3に示したオペアンプ61内の接続点などを、以下のように定義する。
Next, the voltage Vin input to the
入力端子62に入力される電圧を、電圧Vin
出力端子67から出力される電圧を、電圧Vout
CMOSインバータ63の出力端子、CMOSインバータ64の入力端子、およびCMOSインバータ66の出力端子との接続点を、接続点e
接続点eにおける電圧を、電圧Ve
CMOSインバータ64に出力端子とCMOSインバータ65の入力端子との接続点における電圧を、電圧V1
CMOSインバータ63を流れる電流(接続点eに入力される電流)を、電流iin
CMOSインバータ66を流れる電流(接続点eに入力される電流)を、電流i2
The voltage input to the
The voltage output from the
A connection point between the output terminal of the
The voltage at connection point e is expressed as voltage Ve
The voltage at the connection point between the output terminal of the
The current flowing through the CMOS inverter 63 (current input to the connection point e) is changed to the current iin
The current flowing through the CMOS inverter 66 (current input to the connection point e) is changed to current i2.
このように定義したとき、まず電流iinは、以下のように表せる。すなわち、CMOSインバータ63の入力端子には、入力端子62から電圧Vinが入力され、上述した式(1)の関係を満たすことから、CMOSインバータ63の出力端子から出力される電流iinは、次式(2)で表される。
また、CMOSインバータ66の入力端子には、出力端子67から出力される電圧Voutと等しい電圧が入力される。従って、この場合も、CMOSインバータ66は、上述した式(1)の関係を満たすことから、CMOSインバータ66の出力端子から出力される電流i2は、次式(3)で表される。
ところで、CMOSインバータ63乃至66のそれぞれは、入力端子に入力される電圧に応じた電流を出力端子から出力する定電流源と、一端が出力端子に接続され、他端が接地されている抵抗(以下、適宜、ドレイン抵抗という)からなる等価回路として考えることができる。
Each of the
よって、接続点eは、CMOSインバータ63の出力端子に接続されているとみなされるドレイン抵抗と、CMOSインバータ66の出力端子に接続されているとみなされるドレイン抵抗とが並列に接続された回路を介して、接地されているとみなすことができる。従って、CMOSインバータ63乃至66のそれぞれのドレイン抵抗の抵抗値をRdとすると、接続点eは抵抗値Re(Re=Rd/2)の抵抗を介して接地されているとみなすことができる。
Therefore, the connection point e is a circuit in which a drain resistance that is considered to be connected to the output terminal of the
また、CMOSインバータ63乃至66の、それぞれの入力インピーダンスは非常に高いものであり、接続点eに接続されているCMOSインバータ64の入力端子には電流が流れ込むことはないものとすると、CMOSインバータ63の出力端子から出力される電流iin、およびCMOSインバータ66の出力端子から出力される電流i2は、接続点eに接続されているとみなされる抵抗値Reの抵抗を介して、グランドレベルに流れるとみなすことができる。このことより、接続点eの電圧Veは、次式(4)で表される。
式(4)に、式(2)で表される電流iinと、式(3)で表される電流i2を代入し、変形すると、次式(5)となる。
次に、電圧V1について考慮する。電圧V1は、CMOSインバータ64を流れる電流(ここでは、電流i1とする)と、CMOSインバータ64の抵抗により求めることができる。CMOSインバータ64の抵抗は、上記したように抵抗値Rdで表すことができるので、電圧V1は、次式(6)で表される。
また同様に、電圧Voutは、CMOSインバータ65を流れる電流と、CMOSインバータ65の抵抗により求めることができる。よって、電圧Voutは、次式(7)で表される。
式(7)に式(6)を代入することで、次式(8)を得ることができる。
式(8)に、式(4)で求められる電圧Veを代入し、まとめることで、次式(9)を得ることができる。
式(9)を変形するとで、次式(10)を得ることができる。
さらに、式(10)を変形することで、次式(11)を得ることができる。
ここで、ドレイン抵抗の抵抗値Rdは、一般に、数百kΩから数十MΩであり、抵抗値Rdの3乗の値は、1に比べて非常に大きな値となる。よって、式(11)において、抵抗値Rdの3乗を含む項の値は1よりも非常に大きな値になるため、分母の“1”という数値は無視できることになる。その結果、分母と分子は、同じ値と考えられる数値となる。このようなことを考慮すると、式(11)に示したように、電圧Vinと電圧Voutの比、すなわちゲインは、−1と近似することができる。マイナスは、入力された電圧Vinと出力される電圧Voutは、位相が反転していることを意味する。 Here, the resistance value Rd of the drain resistance is generally several hundred kΩ to several tens of MΩ, and the value of the third power of the resistance value Rd is much larger than 1. Therefore, in the expression (11), the value of the term including the third power of the resistance value Rd is much larger than 1, and therefore, the numerical value “1” in the denominator can be ignored. As a result, the denominator and the numerator are values that are considered to be the same value. Considering this, the ratio of the voltage Vin to the voltage Vout, that is, the gain, can be approximated to −1 as shown in the equation (11). The minus sign means that the phase of the input voltage Vin and the output voltage Vout are inverted.
このようにして伝達関数が求められることにより、図3に示したオペアンプ61は、2端子の反転アンプとして用いることが可能であることがわかる。
By obtaining the transfer function in this way, it can be seen that the
また、図3を再度参照するに、接続点eでは、CMOSインバータ63からの信号とCMOSインバータ66からの信号が入力され、それらの信号が加算されることになる。このCMOSインバータ66からの帰還される信号は、逆位相の信号である。よって、オペアンプ61は、この接続点eで発生する電流がつりあうように動作することになる。このことを換言するならば、バイアス点がつりあうに動作することで自動的に決定される構成とされていることになる。なお“自動的に”とは、制御を行うための特別な処理を、制御部を設けて行ったりすることなく、またユーザの手を煩わせることなく行われることを意味する。従って、図3に示したオペアンプ61は、バイアス点が自動的に決まる2端子の反転アンプである。
Referring again to FIG. 3, at the connection point e, the signal from the
上記した実施の形態においては、CMOSインバータ63乃至66は、それぞれ同一のコンダクタンスgmを有するとして説明した。ここで、CMOSインバータ63のコンダクタンスgmをコンダクタンスgm3、CMOSインバータ64のコンダクタンスgmをコンダクタンスgm4、CMOSインバータ65のコンダクタンスgmをコンダクタンスgm5、および、CMOSインバータ66のコンダクタンスgmをコンダクタンスgm6とした場合、式(11)は、次式(12)のようになる。
In the above-described embodiment, the
式(12)は、上記した式(2)乃至式(11)と同じように変形や代入を行うことで導き出すことができるので、ここでは、その説明は省略する。式(12)において、次式(13)の項は、次式(13)の関係を満たすと考えることができる。
すなわち、上記したように、ドレイン抵抗の抵抗値Rdは、一般に、数百kΩから数十MΩであるので、コンダクタンスgm3、コンダクタンスgm4、コンダクタンスgm5、および、コンダクタンスgm6は、それぞれ1よりも大きな値になると考えられる。よって、式(13)に示したように、コンダクタンスgm3×コンダクタンスgm4×コンダクタンスgm5の値は、1よりも非常に大きな値になると考えられる。 That is, as described above, since the resistance value Rd of the drain resistance is generally several hundred kΩ to several tens MΩ, the conductance gm3, the conductance gm4, the conductance gm5, and the conductance gm6 are each larger than 1. It is considered to be. Therefore, it is considered that the value of conductance gm3 × conductance gm4 × conductance gm5 is much larger than 1 as shown in Expression (13).
同様に、次式(14)の関係も満たされる。
このような式(14)の関係が満たされることにより、分母における“1”という値は無視することができる。よって、式(12)は、コンダクタンスgm3乃至6と抵抗値Rdのみから構成される式と考えることができる。このようなことを考慮すると、式(12)は、次式(15)のように簡便化できる。
式(15)から、オペアンプ61のゲインは、CMOSインバータ63のコンダクタンスgm3と、CMOSインバータ66のコンダクタンスgm6の比で設定できることがわかる。よって、CMOSインバータ63のコンダクタンスgm3と、CMOSインバータ66のコンダクタンスgm6を可変にすることで、図3に示したオペアンプ61の構成で、可変反転アンプを構成できることになる。また、CMOSインバータ63のコンダクタンスgm3と、CMOSインバータ66のコンダクタンスgm6を固定値とした場合、その固定値を所望のゲインになるように設定すれば、所望のゲインを有するオペアンプ61を構成することができる。
From the equation (15), it can be seen that the gain of the
図3に示したオペアンプ61は、CMOSインバータ63乃至66の4個のCMOSインバータから構成される例を示したが、CMOSインバータは、4個の場合に、本発明のオペアンプ61が限定されるわけではない。本発明を適用したオペアンプ61は、偶数個(ただし、2を除く)のCMOSインバータから構成されていれば良い。すなわち、図3に示したオペアンプ61の構成に、偶数単位分だけ、さらにCMOSインバータを追加した構成とすることができる。例えば、6個のCMOSインバータや8個のCMOSインバータから、本発明を適用したオペアンプ61を構成することも可能である。
Although the
本発明を適用したオペアンプ61には、以下のような効果がある。まず、図3に示したようにオペアンプ61は、CMOSインバータからのみ構成されている。そのため、周波数特性が良く、RF(Radio Frequency)回路にも対応可能である。また、入力ダイナミック・レンジが広く、出力ダイナミック・レンジも広い。このような効果があることから、低電圧動作に有利なオペアンプを構成できるという効果もある。さらに、図3に示したオペアンプ61は、CMOSインバータから構成されているため、低消費電力に有利なオペアンプとすることができる。
The
また、入力部のコンダクタンスgm、すなわち、CMOSインバータ63のコンダクタンスgm3を大きくすれば、雑音指数を低く抑えることができる。そして、そのコンダクタンスgm3の値を大きくすることは可能であるので、そのような雑音指数を低く抑えるといったことは実現可能である。
Further, if the conductance gm of the input section, that is, the conductance gm3 of the
さらに、このような効果があるため、同じ雑音指数を確保するためにかかるバイアス電流を少なくすることが可能となり、低消費化に有利なオペアンプを構成できるようになる。さらには、低電圧での動作に有利であることと、FULL―CMOSプロセスでの製作が可能であるため、デジタル‐アナログ混在チップへの有効な手段となると考えられる。そして、入力部がCMOS構成によるため、非常に高い入力インピーダンスを実現しており回路構成に非常に有利となる。 Further, since such an effect is obtained, it is possible to reduce the bias current required to ensure the same noise figure, and it is possible to configure an operational amplifier that is advantageous for low consumption. Furthermore, since it is advantageous for operation at a low voltage and can be manufactured by a FULL-CMOS process, it is considered to be an effective means for a digital-analog mixed chip. Since the input unit has a CMOS configuration, a very high input impedance is realized, which is very advantageous for the circuit configuration.
本発明のオペアンプ61には、このような効果を期待することができる。
Such an effect can be expected from the
次に、オペアンプ61の構成の一部を変更することで実現されるピークホールド回路について説明を加える。図5に示したピークホールド回路101は、入力端子102、CMOSインバータ103、CMOSインバータ104、CMOSインバータ105、抵抗106、NMOS(n-channel metal-oxide semiconductor)107、コンデンサ108、および出力端子109を含む構成とされている。
Next, a description will be given of a peak hold circuit realized by changing a part of the configuration of the
入力端子102は、CMOSインバータ103の入力端子に接続されている。CMOSインバータ103の出力端子は、NMOS107のゲートに接続されている。NMOS107のソースは接地され、ドレインは抵抗106の一端、コンデンサ108の一端、CMOSインバータ105の入力端子、および出力端子109に接続されている。抵抗106の他端は、図示されていない駆動電源に接続されている。コンデンサ108の他端は、接地されている。CMOSインバータ105の出力端子は、CMOSインバータ103の出力端子とCMOSインバータ104の入力端子に接続されている。
The
図3に示したオペアンプ61と図5に示したピークホールド回路101を比較するに、ピークホールド回路101は、オペアンプ61のCMOSインバータ65を、抵抗106、NMOS107、およびコンデンサ108に置き換えた構成とされている。このような構成とすることで、帰還をかけて自己バイアスが決まる動作を利用して、ピークホールド回路を実現することができる。
Comparing the
図5に示したピークホールド回路101の動作について説明する。以下の説明において、図5に示したピークホールド回路101の接続点などを、以下のように定義する。
入力端子102に入力される電圧を、電圧Vin
出力端子109から出力される電圧を、電圧Vout
CMOSインバータ103の出力端子、CMOSインバータ104の入力端子、およびCMOSインバータ105の出力端子との接続点を、接続点g
接続点gにおける電圧を、電圧Vg
CMOSインバータ103を流れる電流(接続点gに入力される電流)を、電流iin
CMOSインバータ105を流れる電流(接続点gに入力される電流)を、電流io
The operation of the
The voltage input to the
The voltage output from the
A connection point between the output terminal of the
The voltage at the connection point g is expressed as voltage Vg
The current flowing through the CMOS inverter 103 (current input to the connection point g) is expressed as current iin
The current flowing through the CMOS inverter 105 (current input to the connection point g) is expressed as current io
このように定義して、ピークホールド回路101の動作について説明を加える。図5に示したピークホールド回路101は、CMOSインバータ103を介した入力信号(入力電圧Vin)と、CMOSインバータ105を介して電圧Voutで帰還された信号が、接続点gで加算される。接続点gで加算されたレベルが、NMOS107のオン/オフ(ON/OFF)を制御することになる。
With this definition, the operation of the
すなわち、電圧Vinと電圧Voutとの関係で、NMOS107のオンとオフが制御される。NMOS107は、閾値Vthのスイッチとして働くことになる。また、その閾値Vthは、電圧Vinと電圧Voutとの関係で可変的に設定される値となる。
That is, on / off of the
まず、入力電圧Vinが大きいピーク電圧のときについて説明する。このとき、入力電圧Vinに対して接続点gにおける電圧Vgがつりあうようにピークホールド回路101は動作するため、電圧Voutは電圧を下げる方向に動く。よって、NMOS107のゲート電圧は上昇することになるので、NMOS107は、オンの状態となる。NMOS107がオンの状態のときには、図6に示すように、コンデンサ108からNMOS107を介して放電が行われる。図6では、太線の矢印により、この放電による電流の流れを示している。NMOS107がオンの状態のときには、出力端子109の電圧Voutは、降下することになる。
First, the case where the input voltage Vin is a high peak voltage will be described. At this time, since the
一方、入力電圧Vinが下がってくると、電圧Vinに対して電圧Vgがつりあうようにピークホールド回路101は動作するため、出力Voutは電圧をあげる方向に動く。よって、NMOS107のゲート電圧は下降することになるので、閾値Vth以下になるとNMOS107は、オフの状態となる。NMOS107がオフの状態のときには、図7に示すように、コンデンサ108に、図示していない電源から抵抗106を介して電力が供給され、コンデンサ108の充電が行われる。図7では、太線の矢印により、この充電による電流の流れを示している。NMOS107がオフの状態のときには、出力端子109の電圧Voutは、上昇することになる。上昇するレベル、時間は、抵抗106、コンデンサ108の時定数によって決まる。
On the other hand, when the input voltage Vin decreases, the
このようなことをさらに、図8も参照して説明する。図8において、波線Aは、入力電圧Vin の変化を表し、波線Bは、図3に示したオペアンプ61での出力電圧Voutaの変化を表し、点線Cは、図5に示したピークホールド回路101の電圧Voutの変化を表す。なお図8においては、ピークホールド回路101におけるピークホールド動作をわかりやすくするために、オペアンプ61とピークホールド回路101の波形を重ねて示している。
This will be further described with reference to FIG. In FIG. 8, a broken line A represents a change in the input voltage Vin, a broken line B represents a change in the output voltage Vouta in the
時刻t1にいたるまで、NMOS107はオフの状態であり、図7に示した太線の方向に電流が流れる状態であり、コンデンサ108に図示していない電源から電力が供給され、充電される状態である。よって、出力電圧Voutは、抵抗106とコンデンサ108の時定数で上昇する状態となっている。入力電圧Vinのレベルがさらに大きくなると、それに伴って電圧Vgとつりあうように出力電圧Voutが下がる方向に制御され、NMOS107のゲート電圧が上がる。そのため、時刻t1のときNMOS107は、オフの状態からオンの状態に切り替わり、図6に示した太線の方向に電流が流れる状態になり、コンデンサ108からの放電が開始される状態に移行する。
Until the time t1, the
入力電圧Vinが下がり始める時刻t2のとき、入力電圧Vinに対して出力電圧Voutは上がる方向に動く。、その結果、NMOS107のゲート電圧が下がり、NMOS107は、オンの状態からオフの状態に切り替わり、コンデンサ108に充電が開始される状態となる。
At time t2 when the input voltage Vin starts to decrease, the output voltage Vout moves in the increasing direction with respect to the input voltage Vin. As a result, the gate voltage of the
時刻t2から時刻t3までの間、入力電圧Vinは変動するが、時刻t1のピーク以上の電圧を越えないため、NMOS107はオフの状態が維持され、コンデンサ108への充電が維持される。
The input voltage Vin varies from time t2 to time t3, but does not exceed the voltage equal to or higher than the peak at time t1, so that the
時刻t3のとき、入力電圧Vinが次のピーク電圧であり、Vgにつりあうように出力電圧Voutは下がる方向に制御され、NMOS107は、オフの状態からオンの状態に切り換えられる。NMOS107がオンの状態となることで、図6に示した太線の方向に電流が流れる状態になり、コンデンサ108からの放電が開始される。
At time t3, the input voltage Vin is the next peak voltage, and the output voltage Vout is controlled to decrease so as to match Vg, and the
以下、同様に、時刻t4で、NMOS107がオフの状態に切り換えられ、時刻t5で、オンの状態に切り換えられ、時刻t6でオフの状態に切り換えられる。
Similarly, at time t4, the
このように、ピークホールド回路101からの出力電圧Voutは、現時点までの入力信号のピークを検出し、保持し、さらに次のピーク電圧がきたときにNMOS107がオンとなることで、ピークホールド回路101は、入力信号のピークのレベルを検出する。このように、ピークホールド回路101では、NMOS107のオン、オフによって、ピークホールドが実現される。
As described above, the output voltage Vout from the
図5に示したピークホールド回路101は、図3に示したオペアンプ61を変形することで、構成することができることは、既に説明した。よって、オペアンプ61に期待できる効果を、ピークホールド回路101にも期待でき、ピークホールド回路101においても、上記したオペアンプ61における効果を得ることができる。
As described above, the
なお、NMOS107で構成されるスイッチを、PMOSで構成されるスイッチとしても良い。すなわち、NMOS107の代わりにPMOSを用いても良い。PMOSを用いた場合、上述したNMOS107を用いたときと逆極性のピークが検出できるようになる。
Note that the switch constituted by the
図5に示したピークホールド回路101は、CMOSインバータ103乃至105の3個のCMOSインバータを含む構成される例を示したが、CMOSインバータは、3個の場合に、本発明のピークホールド回路101が限定されるわけではない。本発明を適用したピークホールド回路103は、奇数個(ただし、1を除く)のCMOSインバータから構成されていれば良い。換言すれば、図5に示したピークホールド回路101の構成に、偶数単位分だけ、さらにCMOSインバータを追加した構成とすることができる。例えば、5個のCMOSインバータや7個のCMOSインバータを含む、本発明を適用したピークホールド回路101を構成することも可能である。
Although the
なお、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。 The embodiment of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
63乃至66 CMOSインバータ, 103乃至105 CMOSインバータ, 106 抵抗, 107 NMOS, 108 コンデンサ 63 to 66 CMOS inverter, 103 to 105 CMOS inverter, 106 resistor, 107 NMOS, 108 capacitor
Claims (8)
前記第1の半導体素子の入力端子に、外部からの入力される信号を入力する端子が接続され、
前記第1の半導体素子の出力端子に、前記第2の半導体素子の入力端子と、前記第3の半導体素子の出力端子が接続され、
前記第2の半導体素子の出力端子に、前記第1の半導体素子乃至第3の半導体素子とは異なる構成とされている第4の半導体素子のゲートが接続され、
第4の半導体素子のドレインに、抵抗の一端、コンデンサの一端、前記第3の半導体素子の入力端子、および外部に信号を出力する出力端子が接続されている
ピークホールド回路。 A peak hold circuit including first to third semiconductor elements that invert a voltage input to an input terminal and output from an output terminal,
A terminal for inputting an externally input signal is connected to the input terminal of the first semiconductor element,
The output terminal of the first semiconductor element is connected to the input terminal of the second semiconductor element and the output terminal of the third semiconductor element,
The output terminal of the second semiconductor element is connected to the gate of a fourth semiconductor element having a different configuration from the first semiconductor element to the third semiconductor element,
A peak hold circuit, wherein one end of a resistor, one end of a capacitor, an input terminal of the third semiconductor element, and an output terminal for outputting a signal to the outside are connected to the drain of the fourth semiconductor element.
請求項1に記載のピークホールド回路。 The first semiconductor element to the third semiconductor element are CCMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) configured by a pair of PMOS (Positive Metal Oxide Semiconductor) and NMOS (Negative Metal Oxide Semiconductor). Peak hold circuit.
請求項1に記載のピークホールド回路。 The peak hold circuit according to claim 1, wherein the fourth semiconductor element is an NMOS or a PMOS.
請求項1に記載のピークホールド回路。 The peak hold circuit according to claim 1, wherein the same semiconductor element as the first to third semiconductor elements is further added by an even number unit.
第1の半導体素子の入力端子に、外部からの入力される信号を入力する端子が接続され、
前記第1の半導体素子の出力端子に、第2の半導体素子の入力端子が接続され、
前記第2の半導体素子の出力端子に、第3の半導体素子の入力端子が接続され、
前記第3の半導体素子の出力端子に、第4の半導体素子の入力端子と、外部に信号を出力する出力端子が接続され、
前記第4の半導体素子の出力端子に、前記第1の半導体素子の出力端子と、前記第2の半導体素子の入力端子が接続されている
オペアンプ。 An operational amplifier comprising a plurality of semiconductor elements that invert the voltage input to the input terminal and output from the output terminal,
A terminal for inputting a signal input from the outside is connected to the input terminal of the first semiconductor element,
An input terminal of a second semiconductor element is connected to an output terminal of the first semiconductor element;
An input terminal of a third semiconductor element is connected to an output terminal of the second semiconductor element;
An output terminal of the fourth semiconductor element and an output terminal for outputting a signal to the outside are connected to the output terminal of the third semiconductor element,
An operational amplifier in which an output terminal of the first semiconductor element and an input terminal of the second semiconductor element are connected to an output terminal of the fourth semiconductor element.
請求項5に記載のピークホールド回路。 The first semiconductor element to the fourth semiconductor element are CCMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) configured by a pair of PMOS (Positive Metal Oxide Semiconductor) and NMOS (Negative Metal Oxide Semiconductor). Peak hold circuit.
請求項5に記載のピークホールド回路。 The peak hold circuit according to claim 5, wherein the same semiconductor element as the first to fourth semiconductor elements is further added by an even number unit.
前記第1の半導体素子のコンダクタンスと前記第4の半導体素子のコンダクタンスとの比で、ゲインが決定される
請求項5に記載のオペアンプ。 The first to fourth semiconductor elements having different conductances are configured,
The operational amplifier according to claim 5, wherein the gain is determined by a ratio of conductance of the first semiconductor element and conductance of the fourth semiconductor element.
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JP2007270147A JP2009100278A (en) | 2007-10-17 | 2007-10-17 | Peak hold circuit, and operational amplifier |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015053607A (en) * | 2013-09-06 | 2015-03-19 | ソニー株式会社 | Current-voltage conversion circuit, optical reception device and optical transmission system |
-
2007
- 2007-10-17 JP JP2007270147A patent/JP2009100278A/en not_active Withdrawn
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