JP2009260419A - Push-pull amplifier - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、無駆動時の消費電流が低くかつ高い電流駆動能力を有するプッシュプル増幅
器に関するものである。
The present invention relates to a push-pull amplifier having low current consumption when not driven and high current driving capability.
従来のプッシュプル増幅器は多種多様な構成のものが提案されており、それぞれの目的
および電源電圧などの条件によって使い分けている。
その中でも低電圧で動作するプッシュプル増幅器として、図11のような回路が知られている(特許文献1などを参照)。
このプッシュプル増幅器は、図11に示すように、差動増幅回路101と、差動差動増幅回路117と、レベルシフト回路103と、出力増幅回路4とを備えている。さらに、このプッシュプル増幅器は、反転入力端子105と、非反転入力端子106と、出力端子116とを備えている。
Conventional push-pull amplifiers have been proposed in a wide variety of configurations, and are selectively used according to their purpose and conditions such as power supply voltage.
Among them, a circuit as shown in FIG. 11 is known as a push-pull amplifier that operates at a low voltage (see Patent Document 1).
As shown in FIG. 11, the push-pull amplifier includes a
通常、プッシュプル増幅器は、差動増幅回路101を備えて演算増幅器として構成されているが、差動増幅回路101がない場合、または他のタイプの増幅回路が備わっている場合がある。
ここでは背景技術例としては、通常よく用いられる差動増幅回路101を備えたプッシュプル増幅器について説明する。
差動増幅回路101は、反転入力端子105と非反転入力端子106とを有し、これらの両入力端子105および106に供給される入力信号の差動増幅を行う。この差動増幅回路101の出力端子110は、差動差動増幅回路117の第1の反転入力端子および出力増幅回路104のMOSトランジスタM24のゲートに接続されている。
Normally, a push-pull amplifier is configured as an operational amplifier including a
Here, as a background art example, a push-pull amplifier including a
The
差動差動増幅回路117は、差動増幅回路101からの出力信号を第1の反転入力端子で受け取り、この受け取った信号を反転させ、反転信号を出力信号としてレベルシフト回路103のMOSトランジスタM22のゲートに供給する。
このため、差動差動増幅回路117は、上記の第1の反転入力端子の他に、第2の反転入力端子、第1の非反転入力端子、第2の非反転入力端子、および出力端子114を備え、その第2の反転入力端子がその出力端子114と接続されている。
さらに、その2つの非反転入力端子は基準電圧端子112に接続され、その各非反転入力端子に基準電圧Vref1が供給される。
The differential
Therefore, in addition to the first inverting input terminal, the differential
Further, the two non-inverting input terminals are connected to the
レベルシフト回路103は、差動差動増幅回路117からの出力信号のレベルシフトを行うと共に、その出力信号を反転させる回路であり、P型のMOSトランジスタM21とN型のMOSトランジスタM22とを組み合わせて構成されている。
上述のMOSトランジスタM21は、そのソースに電源電圧VDDが供給され、そのゲートとドレインが共通接続されている。そして、その共通接続部は、出力増幅部104のMOSトランジスタM23のゲートとMOSトランジスタM22のドレインとにそれぞれ接続されている。MOSトランジスタM22は、そのゲートに差動差動増幅回路117の出力信号が供給され、そのソースに電源電圧VSSが供給されるようになっている。
The
The above-mentioned MOS transistor M21 is supplied with the power supply voltage VDD at its source, and its gate and drain are commonly connected. The common connection is connected to the gate of the MOS transistor M23 and the drain of the MOS transistor M22 of the
出力増幅回路104は、互いに極性の異なる相補型のMOSトランジスタM23、M24からなり、そのMOSトランジスタM23、M24が、レベルシフト回路103の出力信号と差動増幅回路101の出力信号とを入力してプッシュプル増幅動作を行う回路である。
すなわち、P型のMOSトランジスタM23は、そのソースに電源電圧VDDが供給さ
れ、そのゲートがレベルシフト回路103の出力端子に接続されている。MOSトランジスタM23のドレインは、N型のMOSトランジスタM24のドレインと接続され、その共通接続部が出力端子116に接続されている。
さらに、MOSトランジスタM24は、そのゲートに差動増幅回路101の出力信号が供給され、そのソースに電源電圧VSSが供給されるように構成されている。
The
That is, the power source voltage VDD is supplied to the source of the P-type MOS transistor M23, and the gate thereof is connected to the output terminal of the
Further, the MOS transistor M24 is configured such that the output signal of the
次に、差動差動増幅回路117に適用できる回路の構成例について、図12を参照して説明する。
図12に示す差動差動増幅回路は、N型のMOSトランジスタM1、M2、M5から構成される差動入力部231と、N型のMOSトランジスタM3、M4、M6から構成される差動入力部232と、P型のMOSトランジスタM7〜M10およびN型のMOSトランジスタM11、M12から構成され上述の各差動入力部231および232の出力を加算する加算部233と、を備えている。
Next, a configuration example of a circuit applicable to the differential
The differential differential amplifier circuit shown in FIG. 12 includes a
ここで、MOSトランジスタM7、M8は、差動入力部231と差動入力部232との共通の負荷として使用される。
また、この差動差動増幅回路は、図12に示すように、第1の非反転入力端子234と、第1の反転入力端子235と、第2の反転入力端子236と、第2の非反転入力端子237と、出力端子238とを備えている。
さらに詳述すると、MOSトランジスタM1、M2は差動対を構成し、MOSトランジ
スタM1のゲートは第1の非反転入力端子234に接続され、MOSトランジスタM2のゲートは第1の反転入力端子235に接続されている。
Here, the MOS transistors M7 and M8 are used as a load common to the
Further, as shown in FIG. 12, the differential differential amplifier circuit includes a first
More specifically, the MOS transistors M1 and M2 constitute a differential pair, the gate of the MOS transistor M1 is connected to the first
MOSトランジスタM3、M4は差動対を構成し、MOSトランジスタM3のゲートは第2の反転入力端子236に接続され、MOSトランジスタM4のゲートは第2の非反転入力端子237に接続されている。
MOSトランジスタM5は、MOSトランジスタM1、M2の定電流源として機能し、
MOSトランジスタM6は、MOSトランジスタM3、M4の定電流源として機能するも
のである。
このため、MOSトランジスタM5、M6の各ゲートはバイアス端子239に接続され、その各ゲートに所定のバイアス電圧が供給されるようになっている。
The MOS transistors M3 and M4 form a differential pair, the gate of the MOS transistor M3 is connected to the second
The MOS transistor M5 functions as a constant current source for the MOS transistors M1 and M2.
The MOS transistor M6 functions as a constant current source for the MOS transistors M3 and M4.
Therefore, the gates of the MOS transistors M5 and M6 are connected to the
MOSトランジスタM7、M8の各ゲートはバイアス端子240に接続され、その各ゲートに所定のバイアス電圧が供給されるようになっている。
また、MOSトランジスタM9、M10の各ゲートはバイアス端子241に接続され、その各ゲートに所定のバイアス電圧が供給されるようになっている。
さらに、MOSトランジスタM11、M12はカレントミラー回路を構成している。
Each gate of the MOS transistors M7 and M8 is connected to the
The gates of the MOS transistors M9 and M10 are connected to a
Further, the MOS transistors M11 and M12 constitute a current mirror circuit.
次に、図12に示す差動差動増幅回路の動作について説明する。
いま、図12に示す差動差動増幅回路において、入力端子234、235に入力電圧V1、V2が供給され、入力端子236、237に入力電圧V4、V3が供給されているものとする。
また、出力端子238の出力電圧をVOUTとすると、これらの電圧の関係は次式で表される。
VOUT=A1(V1−V2)+A2(V3−V4)………(1)
ここで、(1)式中のA1は入力端子234、235から出力端子238に対するゲイン(利得)であり、A2は入力端子236、237から出力端子238に対するゲインである。
Next, the operation of the differential differential amplifier circuit shown in FIG. 12 will be described.
Now, in the differential differential amplifier circuit shown in FIG. 12, it is assumed that the input voltages V1 and V2 are supplied to the
If the output voltage of the
VOUT = A1 (V1-V2) + A2 (V3-V4) (1)
Here, A1 in the equation (1) is a gain (gain) from the
いま、MOSトランジスタM1〜M4の各サイズが同じで、かつ、MOSトランジスタ
M5、M6の各サイズが同じであるとすると、ゲインA1およびA2は等しくなるので、A1=A2=Aとおくことができ、(1)式は(2)式のように書き直すことができる。
VOUT=A(V1−V2+V3−V4)………(2)
ここで、差動差動増幅回路のゲインが十分に大きければ、(2)式により帰還回路で用
いる場合にはV1−V2+V3−V4=0が成立することになる。この関係を図11の差動差動増幅回路117の出力信号に適用すると、次の(3)式のような関係が得られる。
V14=2×Vref1―V10………(3)
但し、V10は差動増幅回路101の出力端子110の電圧、V14は差動差動増幅回路117の出力端子114の電圧である。
Now, assuming that the sizes of the MOS transistors M1 to M4 are the same and the sizes of the MOS transistors M5 and M6 are the same, the gains A1 and A2 are equal, so that A1 = A2 = A can be set. , (1) can be rewritten as (2).
VOUT = A (V1-V2 + V3-V4) (2)
Here, if the gain of the differential differential amplifier circuit is sufficiently large, V1−V2 + V3−V4 = 0 holds when used in the feedback circuit according to equation (2). When this relationship is applied to the output signal of the differential
V14 = 2 × Vref1-V10 (3)
However, V10 is the voltage of the
(3)式によれば、差動差動増幅回路117の出力電圧V14は、その差動差動増幅回路117の入力電圧を反転したものであることがわかる。
また、レベルシフト回路103の出力端子115の電圧V15は、差動差動増幅回路117の出力端子114の電圧V14を反転したものとなる。
いま、差動増幅回路101の出力端子110の電圧V10を正弦波とした場合に、その各端子110、114、115の各電圧V10、V14,V15の各波形の関係を図13に示す。
According to the equation (3), it can be seen that the output voltage V14 of the differential
Further, the voltage V15 at the
Now, when the voltage V10 of the
図13において、Dは差動増幅回路101の出力端子110の電圧V10の波形である。波形Eは、端子114の電圧で、(3)式で示されるように電圧V10の反転された反転信号となっている。言い換えれば、差動差動増幅回路117は、信号Dを入力し、これを反転させた信号Eを生成している。
ここで、差動差動増幅回路117の出力端子114の信号Eは,レベルシフト回路103によって、基準レベルVref1から基準レベルVref2に変換されると共に、さらに反転されて信号Fのようになる。この再度の極性反転により、信号Fは信号Dの極性と同じになっている。
In FIG. 13, D is the waveform of the voltage V10 at the
Here, the signal E at the
このようなレベルシフト回路103の作用により、出力端子116から低い電源電圧VSS側に電流を供給する場合は、端子110の信号レベルは基準レベルVref1よりも高いレベルに移動する。これは、図13の矢印50付近が対応する。
すると、MOSトランジスタM24のゲート電圧はより高くなるので、電流を多く流す
ことができ、一方、MOSトランジスタM23のゲート電圧は高くなるため電流をより少
なくするように働き、MOSトランジスタM24が電流を流すのを助ける。
Due to the action of the
Then, since the gate voltage of the MOS transistor M24 becomes higher, a larger amount of current can flow. On the other hand, the gate voltage of the MOS transistor M23 increases, so that the current is reduced, and the MOS transistor M24 flows current. To help.
また逆に、高い電源電圧VDD側から出力端子116に電流を供給する場合は、端子110の信号レベルは基準レベルVref1よりも低いレベルに移動する。これは、図13の矢印51付近が対応する。
すると、MOSトランジスタM24のゲート電圧はより低くなるので、電流を少なめに
することができた分だけ出力端子116へより多くの電流が供給でき、一方、MOSトランジスタM23のゲート電圧は低くなるため電流をより多く流すことができる。
Conversely, when a current is supplied to the
Then, since the gate voltage of the MOS transistor M24 becomes lower, more current can be supplied to the
このように、プッシュプル増幅回路においては、出力トランジスタM23、M24のう
ち、その一方が大きく電流を流す時、他方のトランジスタは電流を抑制しまたはオフするように作用する。このような原理で、大きな電流を流す必要がある場合、消費電流を抑えながら動作することができる。
さて、出力MOSトランジスタM23,M24が大きな出力電流を駆動するには、MO
SトランシスタM23、M24のゲートに印加する信号をより大きくすれば良い。例えば
、MOSトランジスタM24の場合、図13における信号波形Dのピークレベルがより高くなれば良い。
In this manner, in the push-pull amplifier circuit, when one of the output transistors M23 and M24 flows a large current, the other transistor acts to suppress or turn off the current. Based on such a principle, when it is necessary to flow a large current, it is possible to operate while suppressing current consumption.
In order for the output MOS transistors M23 and M24 to drive a large output current, the MO
What is necessary is just to enlarge the signal applied to the gate of S transistor M23 and M24. For example, in the case of the MOS transistor M24, the peak level of the signal waveform D in FIG.
しかし、信号波形DのピークレベルがVref1に対してより大きくなると、ピーク時
において信号波形Eとの差の電圧が大きくなる。このときに、差動差動増幅器117の入力トランジスタM1〜M4のいずれかがオフ状態になるくらいに大きな信号が印加されると、差動差動増幅器117は(3)式で説明したような演算通りに動作しないので、信号波形E(端子114の電圧)がより低いレベルに到達しない。
上述のような現象の発生を解消するために、MOSトランジスタM1〜M4のオーバードライブ電圧(Vgs−Vth)を大きくすれば良いが、大きくするにも限度があった。
In order to eliminate the above-described phenomenon, the overdrive voltage (Vgs−Vth) of the MOS transistors M1 to M4 may be increased, but there is a limit to increase the overdrive voltage.
本発明は上述のような点に鑑みてなされたものであり、オーバードライブ電圧に依存することなく、出力トランジスタのゲート電圧のピーク値を従来よりも一層高いレベルにでき、且つ、低消費電流で従来のものより高い出力電流が得られるプッシュプル増幅器を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points. The peak value of the gate voltage of the output transistor can be made higher than before without depending on the overdrive voltage, and the current consumption can be reduced. An object of the present invention is to provide a push-pull amplifier capable of obtaining an output current higher than that of a conventional one.
上記目的を達成するべく、本願では次に列記するようなプッシュプル増幅器を提案する。
本発明の請求項1のプッシュプル増幅器は:
所定の抵抗の一端側および他端側に各接続され可変電流源を含む各所定の電流源から電流が供給されて前記抵抗の両端に生起する電圧によって入力信号に対し該電圧に相応する所定のレベルシフトを与える第一のレベルシフト回路と、
互いに極性の異なる相補型の各トランジスタからなり、前記各トランジスタのうちの一のトランジスタに前記入力信号が入力され前記各トランジスタのうちの他のトランジスタに前記レベルシフト回路の出力信号が入力されて該両入力された信号に対しプッシュプル増幅を行う出力増幅回路と、
前記第一のレベルシフト回路の該当する可変電流源に出力電流を制御するための電流制御信号を各供給する電流制御回路と、
を備えていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present application proposes push-pull amplifiers listed below.
The push-pull amplifier according to claim 1 of the present invention is:
A current is supplied from each predetermined current source including a variable current source connected to one end side and the other end side of the predetermined resistor, and a predetermined voltage corresponding to the voltage is generated with respect to an input signal by a voltage generated at both ends of the resistor. A first level shift circuit for providing a level shift;
Complementary transistors having different polarities from each other, the input signal is input to one of the transistors, and the output signal of the level shift circuit is input to the other transistor of the transistors. An output amplifier circuit that performs push-pull amplification on both input signals;
A current control circuit for supplying a current control signal for controlling an output current to a corresponding variable current source of the first level shift circuit;
It is characterized by having.
本発明の請求項2のプッシュプル増幅器は:
上記請求項1のプッシュプル増幅器において特に、前記レベルシフト回路の前記電流源のうち該当する電流源は対をなす構成の可変電流源であり、該対をなす構成の可変電流源は、前記電流制御回路からの電流制御信号がゲート端子に供給されるPMOSトランジスタによる可変電流源、および、前記電流制御回路からの電流制御信号がゲート端子に供給されるNMOSトランジスタによる可変電流源であることを特徴とする。
The push-pull amplifier according to
In the push-pull amplifier according to claim 1, in particular, the corresponding current source among the current sources of the level shift circuit is a variable current source having a pair configuration, and the variable current source having the pair configuration is the current source A variable current source by a PMOS transistor to which a current control signal from a control circuit is supplied to a gate terminal, and a variable current source by an NMOS transistor to which a current control signal from the current control circuit is supplied to a gate terminal And
本発明の請求項3のプッシュプル増幅器は:
上記請求項1または2のプッシュプル増幅器において特に、前記電流制御回路は、所定の定常電流が供給されることによって第一の基準電圧を生起するNMOSトランジスタを備えた第一基準電圧回路と、所定の定常電流が供給されることによって第二の基準電圧を生起するPMOSトランジスタを備えた第二基準電圧回路と、前記第一のレベルシフト回路と同様の回路構成を有し入力端子に前記第一の基準電圧が供給されるように配された第二のレベルシフト回路と、前記第二のレベルシフト回路の出力信号レベルと前記第二の基準電圧のレベルとが等しくなるように前記第一のレベルシフト回路および前記第二のレベルシフト回路に各供給する前記電流制御信号を生成する電流制御信号生成回路とを備えていることを特徴とする。
The push-pull amplifier according to claim 3 of the present invention is:
In particular, in the push-pull amplifier according to claim 1, the current control circuit includes a first reference voltage circuit including an NMOS transistor that generates a first reference voltage when a predetermined steady current is supplied; And a second reference voltage circuit having a PMOS transistor that generates a second reference voltage by being supplied with a steady current, and a circuit configuration similar to that of the first level shift circuit, the input terminal having the first reference voltage The second level shift circuit arranged to be supplied with the reference voltage, and the output signal level of the second level shift circuit and the level of the second reference voltage are equal to each other. And a current control signal generation circuit for generating the current control signal supplied to each of the level shift circuit and the second level shift circuit.
本発明の請求項4のプッシュプル増幅器は:
上記請求項3のプッシュプル増幅器において特に、前記電流制御信号生成回路は、前記第二のレベルシフト回路の出力と前記第二基準電圧回路による第二の基準電圧とを差動増幅して第一の電流制御信号を生成する差動増幅器と、
前記差動増幅器の出力信号に基づいて第二の電流制御信号を生成する電流制御信号発生器とを備えていることを特徴とする。
The push-pull amplifier according to
In the push-pull amplifier according to claim 3, in particular, the current control signal generation circuit differentially amplifies an output of the second level shift circuit and a second reference voltage by the second reference voltage circuit to perform a first amplification. A differential amplifier for generating a current control signal of
And a current control signal generator for generating a second current control signal based on an output signal of the differential amplifier.
本発明の請求項5のプッシュプル増幅器は:
上記請求項1または2のプッシュプル増幅器において特に、前記電流制御回路は、所定の定常電流が供給されることによって第一の基準電圧を生起するNMOSトランジスタを備えた第一基準電圧回路と、前記第一のレベルシフト回路と同様の回路構成を有し入力端子に前記第一の基準電圧が供給されるように配された第二のレベルシフト回路と、前記第二のレベルシフト回路の出力信号をレベル反転するレベル反転器と、前記レベル反転器の出力と前記第一の基準電圧とが等しくなるように前記第一のレベルシフト回路および前記第二のレベルシフト回路に各供給する前記電流制御信号を生成する電流制御信号生成回路とを備えていることを特徴とする。
The push-pull amplifier according to
In the push-pull amplifier according to
本発明の請求項6のプッシュプル増幅器は:
上記請求項5のプッシュプル増幅器において特に、前記電流制御信号生成回路は、前記のレベル反転器の出力と前記第一の基準電圧とを差動増幅して第二の電流制御信号を生成する差動増幅器と、前記差動増幅器の出力信号に基づいて第二の電流制御信号を生成する電流制御信号発生器とを備えていることを特徴とする。
本発明の請求項7のプッシュプル増幅器は:
上記請求項1に記載のプッシュプル増幅器において特に、前記第一のレベルシフト回路の入力側に該第一のレベルシフト回路の入力インピーダンスを高くするためのバッファ回路を更に設けたことを特徴とする。
本発明の請求項8のプッシュプル増幅器は:
上記請求項2乃至6の何れか一のプッシュプル増幅器において特に、第一のレベルシフト回路および第二のレベルシフト回路の少なくとも何れかのレベルシフト回路の入力側に当該レベルシフト回路の入力インピーダンスを高くするためのバッファ回路を更に設けたことを特徴とする。
The push-pull amplifier according to
The push-pull amplifier according to
The push-pull amplifier according to
2. The push-pull amplifier according to claim 1, further comprising a buffer circuit for increasing the input impedance of the first level shift circuit on the input side of the first level shift circuit. .
The push-pull amplifier according to
In the push-pull amplifier according to any one of
このような構成からなる本発明によれば、低消費電流で、かつ、MOSトランジスタが
オフする状態を回避することができるため、従来のものに比べ大きな駆動電流能力を有す
るプッシュプル増幅器を提供できる。
According to the present invention having such a configuration, it is possible to provide a push-pull amplifier having a low driving current and a large driving current capability as compared with the conventional one because it is possible to avoid a state in which the MOS transistor is turned off. .
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図1は、本発明のプッシュプル増幅器の実施形態の構成を示すブロック図である。
この実施形態は、図1に示すように、第一のレベルシフト回路6と、電流制御回路7と、トランジスタM1、M2から構成される出力増幅回路10と、入力端子1と、出力端子3と、電流制御信号を供給する電流制御端子8および9と、を備えている。
出力増幅回路10は高電位Vdd側の端子4と低電位Vss側の端子5との間にトランジスタM1およびM2が図示のとおりに接続されて、両トランジスタM1、M2の接続点から上記の出力端子3が導出されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a push-pull amplifier according to an embodiment of the present invention.
In this embodiment, as shown in FIG. 1, a first
In the output amplifier circuit 10, transistors M1 and M2 are connected as illustrated between a terminal 4 on the high potential Vdd side and a
通常、プッシュプル増幅器は、入力端子1の前段部に差動増幅器を備えて演算増幅器として構成されているが、差動増幅器がない場合、または他のタイプの増幅器を備えている場合がある。
第一のレベルシフト回路6は、入力端子1と出力端子2ならびに電流制御端子8、9を有しており、入力端子1の電圧V1をレベルシフトして出力端子2に電圧V2を出力している。
電流制御回路7は電流制御端子8、9を有しており、その電流制御端子8、9から電流制御信号をレベルシフト回路のレベルシフト量を調整するための電流制御端子に供給している。
In general, the push-pull amplifier is configured as an operational amplifier including a differential amplifier in the front stage portion of the input terminal 1, but there are cases where there is no differential amplifier or other types of amplifiers.
The first
The
出力増幅回路10は、互いに極性の異なる相補型のMOSトランジスタM1、M2からなり、そのMOSトランジスタM1、M2が、第一のレベルシフト回路6の出力信号と入力端子1からの信号を入力してプッシュプル増幅動作を行う回路である。
すなわち、P型のMOSトランジスタM2は、そのソースに電源電圧VDDが供給され、そのゲートがレベルシフト回路6の出力端子2に接続されている。MOSトランジスタM2のドレインは、N型のMOSトランジスタM1のドレインと接続され、その共通接続部が出力端子3に接続されている。さらに、MOSトランジスタM1は、そのゲートに入力端子1からの信号が供給され、そのソースに電源電圧VSSが供給されるようになっている。
The output amplifier circuit 10 is composed of complementary MOS transistors M1 and M2 having different polarities, and the MOS transistors M1 and M2 receive the output signal of the first
That is, the power source voltage VDD is supplied to the source of the P-type MOS transistor M2, and the gate thereof is connected to the
次に、第一のレベルシフト回路6に用いるのに適した回路の構成について説明する。
図2は、図1の第一のレベルシフト回路6として適用可能な回路構成の一例を説明の便宜上一般的に表した図である。図2に例示した第一のレベルシフト回路6は、図示のとおり、高電位Vdd側の端子27と低電位Vss側の端子28との間に、4つの可変電流源23,24,25,26と、1つの抵抗R20を備えて構成されている。
この構成のレベルシフト回路の場合、抵抗R20を挟んで配置される可変電流源23、24の電流は同じ値であるI1に、また抵抗R20を挟んで配置するもう一組の可変電流源25,26の電流は同じ値であるI2になっている。
Next, a circuit configuration suitable for use in the first
FIG. 2 is a diagram generally showing an example of a circuit configuration applicable as the first
In the case of the level shift circuit of this configuration, the currents of the variable
次にレベルシフト回路の動作について説明する。仮に電流源25,26がゼロの場合、電流は正の電源端子27から可変電流源23を通って端子21に流れ、続いて抵抗R20を通って、端子22に流れ、さらに可変電流源24を通って電流は負の電源端子28に流れる。ここで端子21と端子22のそれぞれの電圧をV1,V2とするとオームの法則より次の式が成立する。
V1−V2=I1・R………(4)
Next, the operation of the level shift circuit will be described. If the
V1−V2 = I1 · R (4)
すなわち、レベルシフト回路の入力端子21と出力端子22の間に発生する電圧差は抵抗R20の抵抗値Rと可変電流源23,24の電流値に比例することがわかる。
即ち、図2のレベルシフト回路では、可変電流源の電流値を制御することによって任意の値の電圧差すなわちレベルシフト量が実現できる。但し、この場合はいつも入力端子21の電圧が出力端子22の電圧よりも高くなる。逆の極性のレベルシフト量を実現するには、電流源23,24の電流をゼロにしておいて、電流が正の電源端子27から可変電流源25を通って端子22に流れ、続いて抵抗R20を通って、端子21に流れ、さらに可変電流源26を通って負の電源端子28に電流が流れるようにすると良い。
That is, it can be seen that the voltage difference generated between the
That is, in the level shift circuit of FIG. 2, a voltage difference of an arbitrary value, that is, a level shift amount can be realized by controlling the current value of the variable current source. However, in this case, the voltage at the
図2の回路の場合、制御すべき可変電流源が4つと多いため、電流制御するために回路がかなり複雑になる場合がある。図1のレベルシフト回路としてより簡便に制御できるレベルシフト回路を図3に示す。
図3は、図1の第一のレベルシフト回路6として適用可能な回路構成の他の例を説明の便宜上一般的に表した図である。
図3に例示した第一のレベルシフト回路6は、図示のとおり、高電位Vdd側の端子37と低電位Vss側の端子38との間に、2つの可変電流源35、36と、2つの固定電流源33,34と1つの抵抗R30を備えて構成されている。また入力端子31、出力端子32と可変電流源35,36の電流値を制御するための電流制御端子8、9を有している。
In the case of the circuit of FIG. 2, since there are as many as four variable current sources to be controlled, the circuit may be considerably complicated for current control. FIG. 3 shows a level shift circuit that can be more easily controlled as the level shift circuit of FIG.
FIG. 3 is a diagram generally showing another example of a circuit configuration applicable as the first
As illustrated, the first
図3のレベルシフト回路の場合、固定電流源33、34の電流は同じ値であるI1に、可変電流源35,36の電流は同じ値であるI2になっている。この場合、抵抗R30を端子31から端子32の方向へ流れる電流はI1−I2であるので、端子31と端子32の電圧差V1−V2は次式のようになる。
V1−V2=(I1−I2)・R………(5)
ここで、固定電流値I1に対して、可変電流値I2の範囲を0から2・I1にしておけば、レベルシフト量は正方向、負方向共に同じ値となる。実際に設計する際には、電源電圧、必要な出力電流に応じて最適なI1に対する最適なI2の範囲を決定すると良い。
In the case of the level shift circuit of FIG. 3, the currents of the fixed
V1-V2 = (I1-I2) · R (5)
Here, if the range of the variable current value I2 is changed from 0 to 2 · I1 with respect to the fixed current value I1, the level shift amount becomes the same value in both the positive direction and the negative direction. When actually designing, it is preferable to determine the optimum range of I2 with respect to the optimum I1 according to the power supply voltage and the required output current.
尚、実施例の回路では固定電流源を33,34、可変電流源を35,36としたが、逆に固定電流源を35,36、可変電流源を33,34とすることもできる。
上述のように図3のレベルシフト回路は正負に関わらず任意の電圧レベルシフト量を与えることができるという特徴がある。またレベルシフトの符号がいつも正または負で良い場合には、図2の回路において、電流源23、24を除去するか、或は電流源25,26を除去すれば良い。
図2および図3の回路において、電流源の具体的な回路はMOSトランジスタで容易に実現できる。すなわち、MOSトランジスタのゲート端子に一定電圧を与えると定電流源回路になるし、MOSトランジスタのゲート端子に可変電圧を与えるとその電圧に応じて可変電流源回路となる。
In the circuit of the embodiment, the fixed current sources are 33 and 34 and the variable current sources are 35 and 36, but conversely, the fixed
As described above, the level shift circuit of FIG. 3 is characterized in that it can give an arbitrary voltage level shift amount regardless of positive or negative. When the sign of the level shift is always positive or negative, the
In the circuits of FIGS. 2 and 3, a specific circuit of the current source can be easily realized by a MOS transistor. That is, when a constant voltage is applied to the gate terminal of the MOS transistor, a constant current source circuit is formed. When a variable voltage is applied to the gate terminal of the MOS transistor, a variable current source circuit is formed according to the voltage.
図4は、図2および図3に一般的な形式で表記した回路についてそれらのより具体的な構成例を表す図である。
図4に例示した第一のレベルシフト回路6は、図示のとおり、高電位Vdd側の端子47と低電位Vss側の端子48との間に、2つの可変電流源45、46と、2つの固定電流源43,44と1つの抵抗R40を備えて構成されている。また入力端子41、出力端子42と可変電流源45,46の電流値を制御するための電流制御端子8、9を有している。
FIG. 4 is a diagram illustrating a more specific configuration example of the circuits represented in the general format in FIGS. 2 and 3.
As illustrated, the first
即ち、図2における電流源23,25、および、図3における電流源33,35は、図4に示す電流源43,45のようにP型のMOSトランジスタに置き換えられている。また、図2における電流源24,26、および、図3における電流源34,36は、図4に示す電流源44,46のようにN型のMOSトランジスタに置き換えられている。
図5は、図1の出力増幅部10を構成するMOSトランジスタM1,M2のゲート端子に印加する電圧の振舞いについて説明するための図である。図5において、横軸は時間、縦軸は電圧をそれぞれ表し、Vssは負の電源電圧、Vddは正の電源電圧、V10、V20はそれぞれ出力端子3からの電流がゼロであると仮定した場合のMOSトランジスタM1,M2のゲート電圧である。
That is, the
FIG. 5 is a diagram for explaining the behavior of the voltage applied to the gate terminals of the MOS transistors M1 and M2 constituting the output amplifying unit 10 of FIG. In FIG. 5, the horizontal axis represents time, the vertical axis represents voltage, Vss is a negative power supply voltage, Vdd is a positive power supply voltage, and V10 and V20 are assumed to have zero current from the output terminal 3, respectively. The gate voltages of the MOS transistors M1 and M2.
出力端子3からの電流がゼロであるということは、即ち、この端子3を通して電流の流出および流入は無いということであり、従って、この仮定に該当する場合には、MOSトランジスタM1,M2の電流は同じ値になっている。
従って、MOSトランジスタM1のゲート電圧がV10より高い場合には、より多くの電流をVss側に引っ張るので外側から出力端子3を通して電流を吸込むことを表し、逆にMOSトランジスタM1のゲート電圧がV10より低い場合には、MOSトランジスタM2のゲート電圧はV20よりも低くなり、より多くの電流を正の電源から流して、出力端子3を介して外側に電流を排出する。
The fact that the current from the output terminal 3 is zero means that there is no outflow or inflow of current through this terminal 3, so that when this assumption is true, the currents of the MOS transistors M1 and M2 Have the same value.
Therefore, when the gate voltage of the MOS transistor M1 is higher than V10, it means that more current is pulled to the Vss side, so that current is sucked from the outside through the output terminal 3, and conversely, the gate voltage of the MOS transistor M1 is higher than V10. When the voltage is low, the gate voltage of the MOS transistor M2 becomes lower than V20, and a larger amount of current is supplied from the positive power supply, and the current is discharged to the outside through the output terminal 3.
プッシュプル増幅器の出力部のMOSトランジスタM1、M2は出力電流がゼロの場合は可能な限り電流を小さくしておくことが好ましい。この電流値は回路の安定性を保つために必要な位相余裕を確保できるような値に設定することができれば尚好ましい。この最適な電流値は、増幅回路の電源電圧、環境温度、プロセスに無関係に一定にできることが好ましい。 The MOS transistors M1 and M2 at the output of the push-pull amplifier are preferably kept as small as possible when the output current is zero. It is more preferable that this current value be set to a value that can secure a phase margin necessary for maintaining the stability of the circuit. This optimum current value is preferably constant regardless of the power supply voltage of the amplifier circuit, the environmental temperature, and the process.
次に電源電圧、環境温度、プロセスに無関係にMOSトランジスタM1,M2に流れる電流値を一定にする方法について説明する。
図6は、図1の電流制御回路7の構成例を表す回路図である。図1を参照して既述の通り、電流制御回路7はその出力によって第一のレベルシフト回路6の可変電流源の電流値を制御する。
図6に示す電流制御回路7は、2つの電流源61,62と、第二のレベルシフト回路63と、差動増幅器64とMOSトランジスタM21,M22、M26,M27を備えて構成されている。
Next, a method of making the current value flowing through the MOS transistors M1 and M2 constant regardless of the power supply voltage, the environmental temperature, and the process will be described.
FIG. 6 is a circuit diagram illustrating a configuration example of the
The
ここで電流源61とMOSトランジスタM21によって、第一の基準電圧を生成するための第一基準電圧回路601が形成され、電流源62とMOSトランジスタM22によって、第二の基準電圧を生成するための第二基準電圧回路602が形成され、MOSトランジスタM26とM27によって、電流制御信号発生器603が形成され、また電流制御信号発生器603と差動増幅器64によって、電流制御信号生成回路604が形成されている。
Here, a first reference voltage circuit 601 for generating a first reference voltage is formed by the
第二のレベルシフト回路63は図1の第一のレベルシフト回路6と全く同じ回路構成を有しており、またそのレベルシフト量も端子8,9に印加する電圧に応じて全く同じになるように設定されている。
一方、MOSトランジスタM21はソース端子を負の電源電圧を供給する端子に接続し、Vssが供給されており、そのドレイン端子とゲート端子を共通接続し、その接続した端子68のひとつはレベルシフト回路63の入力端子65に接続し、もうひとつは電流源61の一端に接続してある。電流源61の他端は正の電源電圧を供給する端子に接続し、Vddが供給されている。
The second
On the other hand, the MOS transistor M21 has a source terminal connected to a terminal for supplying a negative power supply voltage, supplied with Vss, and has a drain terminal and a gate terminal connected in common, and one of the connected
MOSトランジスタ22はソース端子を正の電源電圧を供給する端子に接続し、Vddが供給されており、そのドレイン端子とゲート端子を共通接続し、その接続点は差動増幅器の非反転入力端子67に接続されると共に電流源62の一端に接続されている。
また電流源62の他端は負の電源電圧を供給する端子に接続し、Vssが供給されている。
差動増幅器64の反転入力端子66は第二のレベルシフト回路63の出力端子66に接続されており、出力端子9はMOSトランジスタM26のゲート端子に接続されており、かつ第二のレベルシフト回路63の電流制御端子9に接続され、さらに図1の第一のレベルシフト回路6の電流制御端子9に接続されている。
The
The other end of the
The inverting
MOSトランジスタM27のソース端子は正の電源電圧を供給する端子に接続し、Vddが供給されていて、ゲートとドレインを共通接続した端子8はMOSトランジスタM26のドレイン端子に接続すると共に第二のレベルシフト回路63の電流制御端子8に接続されている。
また、電流制御端子8は、図1の第一のレベルシフト回路6の電流制御端子8に接続されており、電気信号に着目すればこれらの端子は同一に看做せるため、単一の電流制御端子8の如くに表記してある。
MOSトランジスタ26のソース端子は負の電源電圧を供給する端子に接続し、Vssが供給されている。
The source terminal of the MOS transistor M27 is connected to a terminal for supplying a positive power supply voltage, Vdd is supplied, and the
Further, the
The source terminal of the
次に図6の電流制御回路の動作について図1の回路をも併せ参照しながら説明する。
ここで図6の電流制御回路に用いている第二のレベルシフト回路63と図1における第一のレベルシフト回路6は相対的にデバイスサイズが一致していれば構わないが、説明を容易にするため完全に同じものであるとする。従って、同じ電流制御端子8、9によって制御される第一レベルシフト回路6および第二のレベルシフト回路63のレベルシフト量は全く同じになる。
Next, the operation of the current control circuit of FIG. 6 will be described with reference to the circuit of FIG.
Here, the second
次に、図6における第二のレベルシフト回路63に係るレベルシフト量について説明する。差動増幅器64の2つの入力信号において、端子67の電圧V67が端子66の電圧V66よりも高いとき、差動増幅器64の出力は高いレベルになる。この結果、MOSトランジスタM26のゲート電圧は高くなるので、MOSトランジスタM26およびM27に流れる電流は大きくなる。
Next, the level shift amount related to the second
同時に、制御端子8,9によって制御される第二のレベルシフト回路63のMOSトランジスタで形成されている図4の可変電流源45、46の電流も大きくなる。すると正の電源端子から電流源45、端子42、抵抗R40、端子41、電流源46を経由して流れる電流が増加するので、図4における端子42と端子41、すなわち図6における端子66と端子65の電圧差V66−V65はより大きくなる。
この結果、図6の端子66の電圧V66はより高い電圧になる。逆に差動増幅器64の2つの入力信号において、端子66の電圧V66が端子67の電圧V67よりも高いとき、差動増幅器64の出力は低いレベルになる。
At the same time, the currents of the variable
As a result, the voltage V66 of the terminal 66 in FIG. 6 becomes a higher voltage. Conversely, in the two input signals of the
従って、M26のゲート電圧は低くなるので、M26およびM27に流れる電流は小さくなる。同時に、制御端子8,9によって制御される第二のレベルシフト回路63のMOSトランジスタで形成されている可変電流源45、46の電流も小さくなる。すると正の電源端子から可変電流源45、端子42、抵抗R40、端子41、可変電流源46を経由して流れる電流が減少するので、図4における端子42と端子41、すなわち図6における端子66と端子65の電圧差V66−V65はより小さくなる。
Accordingly, since the gate voltage of M26 becomes low, the current flowing through M26 and M27 becomes small. At the same time, the currents of the variable
この結果、図6の端子66の電圧V66はより低い電圧になる。このようにして最終的には差動増幅器64の利得が十分高ければ、端子66の電圧V66と端子67の電圧V67は同じになる。
次にレベルシフト量がどのようにして最適値に設定されるかについて説明する。図6においてMOSトランジスタM22のゲート電圧V67とMOSトランジスタM21のゲート電圧V65の差は第二のレベルシフト回路63の出力端子66と入力端子65の電圧差と同じであると同時に、同じ回路構成のレベルシフト回路を用いている図1の第一のレベルシフト回路6の出力端子2の電圧V2と入力端子1の電圧V1との電圧差とも同じであるので、(6)式が成立する。
V66−V65=V2−V1………(6)
As a result, the voltage V66 of the terminal 66 in FIG. 6 becomes a lower voltage. Thus, finally, if the gain of the
Next, how the level shift amount is set to the optimum value will be described. In FIG. 6, the difference between the gate voltage V67 of the MOS transistor M22 and the gate voltage V65 of the MOS transistor M21 is the same as the voltage difference between the
V66−V65 = V2−V1 (6)
ここで、図6の電流制御回路において、電流源61,62の電流を同じ値I20にする。MOSトランジスタM21のサイズは図1のMOSトランジスタM1のサイズと同じに、またMOSトランジスタM22のサイズは図1のMOSトランジスタM2のサイズと同じにする。上述のように電流が同じで、MOSトランジスタサイズが同じで、さらに(6)式を合わせると、プッシュプル増幅器が出力電流ゼロの場合或は無負荷時の場合はそれぞれのゲート電圧も同じ値になる。すなわち次式が成立する。
V1=V65………(7)
V2=V66………(8)
Here, in the current control circuit of FIG. 6, the currents of the
V1 = V65 (7)
V2 = V66 ......... (8)
さらに、この時のMOSトランジスタM1とM2に流れる電流I10はM21,M22に流れる電流I20に一致する。すなわち次式が成立する。
I10=I20………(9)
これら(7)〜(9)の関係式は電源電圧のパラメータであるVdd、Vssが含まれていないので電源電圧に関係なく、また温度に依存する移動度、閾値のパラメータがないので環境温度に依存しないしさらには移動度、閾値、ゲート酸化膜等のパラメータがないのでプロセス条件にも依存せず成立する。言い換えると、本回路を用いると、MOSトランジスタM1,M2に流れる無負荷時の電流I10は電流源61、62に流す電流値I20によって自由に設定でき、しかもこの電流I10はI20が基準電圧源を元にして生成する電流の場合、電源電圧に依らずいつも一定であり、かつ環境温度、プロセスに無関係にいつも一定とすることができる。
Further, the current I10 flowing through the MOS transistors M1 and M2 at this time coincides with the current I20 flowing through M21 and M22. That is, the following equation is established.
I10 = I20 (9)
Since the relational expressions (7) to (9) do not include the power supply voltage parameters Vdd and Vss, they are independent of the power supply voltage, and since there are no temperature-dependent mobility and threshold parameters, the environmental temperature is not affected. It does not depend, and furthermore, since there are no parameters such as mobility, threshold value, and gate oxide film, it does not depend on process conditions. In other words, when this circuit is used, the no-load current I10 flowing through the MOS transistors M1 and M2 can be freely set by the current value I20 flowing through the
尚、図6のMOSトランジスタM21,M22は図1のMOSトランジスタM1,M2と同じサイズとしたが、一般に図1の出力MOSトランジスタM1,M2のサイズは大きいので、MOSトランジスタM21,M22も同じサイズにするとチップサイズが大きくなってしまう場合がある。
これを避けるために、MOSトランジスタM21,M22のサイズをMOSトランジスタM1,M2のサイズの1/N倍(N>1)にしてかつ電流源61、62の電流I20はMOSトランジスタM1,M2に流したい電流I10の1/N倍すなわち次式のように
I10=N・I20………(10)
としても(7)式および(8)式は成立するので、同じ結果が得られる。
ここで、図6の電流制御回路は図7のように回路の接続関係を一部変更して構成することもできる。
The MOS transistors M21 and M22 in FIG. 6 are the same size as the MOS transistors M1 and M2 in FIG. 1, but since the output MOS transistors M1 and M2 in FIG. 1 are generally large, the MOS transistors M21 and M22 are also the same size. In some cases, the chip size may increase.
In order to avoid this, the size of the MOS transistors M21 and M22 is set to 1 / N times the size of the MOS transistors M1 and M2 (N> 1), and the current I20 of the
However, since the expressions (7) and (8) hold, the same result can be obtained.
Here, the current control circuit of FIG. 6 can also be configured by partially changing the circuit connection relationship as shown in FIG.
図7は、図6の電流制御回路の変形例としての構成例を表す回路図である。
図7に示す電流制御回路7は、2つの電流源71,72と、第二のレベルシフト回路73と、差動増幅器74とMOSトランジスタM21,M22、M26,M27を備えて構成されている。
ここで電流源71とMOSトランジスタM21によって、第一の基準電圧を生成するための第一基準電圧回路701が形成され、電流源72とMOSトランジスタM22によって、第二の基準電圧を生成するための第二基準電圧回路702が形成され、MOSトランジスタM26とM27によって、電流制御信号発生器703が形成され、また電流制御信号発生器703と差動増幅器74によって、電流制御信号生成回路704が形成されている。
FIG. 7 is a circuit diagram illustrating a configuration example as a modification of the current control circuit of FIG. 6.
The
Here, a first reference voltage circuit 701 for generating a first reference voltage is formed by the
この図7の回路は、図6の回路に対して、差動増幅器の極性を置き換えて、さらに差動増幅器の出力端子をレベルシフト回路73の電流制御端子8に接続し、MOSトランジスタM27のゲート端子に接続して、またMOSトランジスタM26のゲートとドレインを共通接続し、さらにそれをレベルシフト回路73の電流制御端子9に接続している。
The circuit of FIG. 7 replaces the polarity of the differential amplifier with respect to the circuit of FIG. 6, further connects the output terminal of the differential amplifier to the
次に図7の電流制御回路の動作について図1の回路をも併せ参照しながら説明する。ここで図7の電流制御回路に用いている第二のレベルシフト回路73と図1に用いられている第一のレベルシフト回路6は相対的にデバイスサイズが一致していれば構わないが、説明を容易にするため完全に同じものであるとする。
従って、同じ電流制御端子8、9によって制御される第一のレベルシフト回路6および第二のレベルシフト回路73のレベルシフト量は全く同じになる。
次に、図7によって制御された第二のレベルシフト回路73に係るレベルシフト量について説明する。差動増幅器74の2つの入力信号において、端子77の電圧V77が端子76の電圧V76よりも高いとき、差動増幅器74の出力は低いレベルになる。
Next, the operation of the current control circuit of FIG. 7 will be described with reference to the circuit of FIG. Here, the second
Accordingly, the level shift amounts of the first
Next, the level shift amount related to the second
この結果、MOSトランジスタM27のゲート電圧は低くなるので、MOSトランジスタM26およびM27に流れる電流は大きくなる。同時に、制御端子8,9によって制御される第二のレベルシフト回路73のMOSトランジスタで形成されている図4の可変電流源45、46の電流も大きくなる。
すると正の電源端子から電流源45、端子42、抵抗R40、端子41、電流源46を経由して流れる電流が増加するので、図4における端子42と端子41、すなわち図7における端子76と端子75の電圧差V76−V75はより大きくなる。この結果、図7の端子76の電圧V76はより高い電圧になる。
As a result, the gate voltage of MOS transistor M27 becomes low, so that the current flowing through MOS transistors M26 and M27 becomes large. At the same time, the currents of the variable
Then, the current flowing from the positive power supply terminal via the
逆に差動増幅器74の2つの入力信号において、端子76の電圧V76が端子77の電圧V77よりも高いとき、差動増幅器74の出力は高いレベルになる。この結果、M27のゲート電圧は高くなるので、M27およびM26に流れる電流は小さくなる。同時に、制御端子8,9によって制御される第二のレベルシフト回路73のMOSトランジスタで形成されている可変電流源45、46の電流も小さくなる。
Conversely, in the two input signals of the
すると正の電源端子から電流源45、端子42、抵抗R40、端子41、電流源46を経由して流れる電流が減少するので、図4における端子42と端子41、すなわち図7における端子76と端子75の電圧差V76−V75はより小さくなる。この結果、図7の端子76の電圧V76はより低い電圧になる。このようにして最終的には差動増幅器74の利得が十分高ければ、端子76の電圧V76と端子77の電圧V77は同じになる。
Then, the current flowing from the positive power supply terminal via the
以下、図6の回路における説明と同様に(6)〜(9)式を用いてレベルシフト量について説明でき、略同様の作用・効果を奏するものであり、この点に関しては図6の電流制御回路についての説明を援用する。
図8は、図1の電流制御回路7の他の構成例を表す回路図である。図1を参照して既述の通り、電流制御回路7はその出力によって第一のレベルシフト回路6の可変電流源の電流値を制御する。
In the following, the level shift amount can be explained using the equations (6) to (9) in the same way as in the circuit of FIG. 6, and substantially the same operation and effect can be obtained. In this respect, the current control of FIG. The description about the circuit is cited.
FIG. 8 is a circuit diagram showing another configuration example of the
図8の電流制御回路7は、図示のように、電流源81と、レベルシフト回路82と、差動増幅器83とMOSトランジスタM41,M42、M43,M46,M47を備えて構成されている。
ここで電流源81とMOSトランジスタM41によって、第一の基準電圧を生成するための第一基準電圧回路801が形成され、MOSトランジスタM42とMOSトランジスタM43によって、レベル反転器802が形成され、MOSトランジスタM46とM47によって、電流制御信号発生器803が形成され、また電流制御信号発生器803と差動増幅器83によって、電流制御信号生成回路804が形成されている。
8, the
Here, a first reference voltage circuit 801 for generating a first reference voltage is formed by the
第二のレベルシフト回路82は、既述の第一のレベルシフト回路6と全く同じ回路構成を有しており、またそのレベルシフト量も端子8,9に印加する電圧に応じて全く同じになるように設定されている。
MOSトランジスタM41は、ソース端子が負の電源電圧を供給する端子に接続されて、Vssが供給されており、そのドレイン端子とゲート端子が共通接続され、その接続された端子84のひとつは第二のレベルシフト回路82の入力端子に接続されると共に、電流源81の一端に接続され、さらに差動増幅器83の反転入力端子に接続されている。
The second
In the MOS transistor M41, the source terminal is connected to a terminal that supplies a negative power supply voltage, Vss is supplied, the drain terminal and the gate terminal are commonly connected, and one of the connected
電流源81の他端は正の電源電圧を供給する端子に接続され、Vddが供給されている。
MOSトランジスタM42は、ソース端子が正の電源電圧を供給する端子に接続されて、Vddが供給されており、そのゲート端子85は第二のレベルシフト回路82の出力端子と接続され、そのドレイン端子はMOSトランジスタM43のゲートとドレインを共通接続した端子86に接続されているとともに差動増幅器83の非反転入力端子に接続されている。
The other end of the
The MOS transistor M42 has a source terminal connected to a terminal that supplies a positive power supply voltage, and is supplied with Vdd. Its
MOSトランジスタM43は、そのソースが負の電源電圧を供給する端子に接続されて、Vssが供給されている。
差動増幅器83は、その出力端子はMOSトランジスタM46のゲート端子に接続されており、かつ第二のレベルシフト回路82の電流制御端子9に接続し、さらに図1の第一のレベルシフト回路6の電流制御端子9に接続されている。
The source of the MOS transistor M43 is connected to a terminal that supplies a negative power supply voltage, and Vss is supplied.
The output terminal of the
MOSトランジスタM47は、そのソース端子が正の電源電圧を供給する端子に接続されて、Vddが供給され、ゲートとドレインを共通接続した端子8がMOSトランジスタM46のドレイン端子に接続されると共に第二のレベルシフト回路82の電流制御端子8に接続し、さらに図1の第一のレベルシフト回路6の電流制御端子8に接続されている。
MOSトランジスタM46のソース端子は負の電源電圧を供給する端子に接続されて、Vssが供給されている。
In the MOS transistor M47, the source terminal is connected to a terminal that supplies a positive power supply voltage, Vdd is supplied, the
The source terminal of the MOS transistor M46 is connected to a terminal that supplies a negative power supply voltage, and is supplied with Vss.
次に図8の電流制御回路の動作について図1を併せ参照して説明する。
ここで図8の電流制御回路に用いている第二のレベルシフト回路82と図1に用いられている第一のレベルシフト回路6は相対的にデバイスサイズが一致していれば構わないが、説明を容易にするため完全に同じものであるとする。
従って、同じ電流制御端子8、9によって制御される第一のレベルシフト回路6および第二のレベルシフト回路82のレベルシフト量は全く同じになる。
Next, the operation of the current control circuit of FIG. 8 will be described with reference to FIG.
Here, the second
Accordingly, the level shift amounts of the first
次に、図8の電流制御回路における第二のレベルシフト回路82に係るレベルシフト量について説明する。
差動増幅器83の2つの入力信号において、端子86の電圧V86が端子87の電圧V87よりも高いとき、差動増幅器83の出力は高いレベルになる。この結果、MOSトランジスタM46のゲート電圧は高くなるので、MOSトランジスタM46およびM47に流れる電流は大きくなる。
同時に、制御端子8,9によって制御される第二のレベルシフト回路82のMOSトランジスタで形成されている図4の可変電流源45、46の電流も大きくなる。すると正の電源端子から電流源45、端子42、抵抗R40、端子41、電流源46を経由して流れる電流が増加するので、図4における端子42と端子41、すなわち図8における端子89と端子88の電圧差V89−V88はより大きくなる。
Next, the level shift amount related to the second
In the two input signals of the
At the same time, the currents of the variable
この結果、図8の端子89の電圧V89はより高い電圧になる。これによって、MOSトランジスタM42,M43に流れる電流は減少する。従って、MOSトランジスタM43のゲート端子86の電圧V86も減少する。
逆に差動増幅器83の2つの入力信号において、端子86の電圧V86が端子87の電圧V87よりも低いとき、差動増幅器83の出力は低いレベルになる。この結果、M46のゲート電圧は低くなるので、M46およびM47に流れる電流は小さくなる。同時に、制御端子8,9によって制御される第二のレベルシフト回路82のMOSトランジスタで形成されている図4の可変電流源45、46の電流も小さくなる。
As a result, the voltage V89 at the terminal 89 in FIG. 8 becomes a higher voltage. As a result, the current flowing through the MOS transistors M42 and M43 decreases. Accordingly, the voltage V86 at the
Conversely, in the two input signals of the
すると正の電源端子から電流源45、端子42、抵抗R40、端子41、電流源46を経由して流れる電流が減少するので、図4における端子42と端子41、すなわち図8における端子89と端子88の電圧差V89−V88はより小さくなる。
この結果、図8の端子89の電圧V89はより低い電圧になる。これによって、MOSトランジスタM42,M43に流れる電流は増加する。従って、MOSトランジスタM43のゲート端子86の電圧V86も増加する。
このようにして最終的には差動増幅器83の利得が十分高ければ、端子86の電圧V86と端子87の電圧V87は同じになる。
Then, the current flowing from the positive power supply terminal via the
As a result, the voltage V89 at the terminal 89 in FIG. 8 becomes a lower voltage. As a result, the current flowing through the MOS transistors M42 and M43 increases. Accordingly, the voltage V86 at the
Thus, finally, if the gain of the
次にレベルシフト量がどのようにして最適値に設定されるかについて説明する。図8においてMOSトランジスタM43のゲート電圧V86とMOSトランジスタM41のゲート電圧V88の差はレベルシフト回路82の出力端子89と入力端子88の電圧差と同じであると同時に、同じ回路構成を用いている図1の第一のレベルシフト回路6の出力端子2の電圧V2と入力端子1の電圧差とも同じであるので、(11)式が成立する。
V89−V88=V2−V1………(11)
Next, how the level shift amount is set to the optimum value will be described. In FIG. 8, the difference between the gate voltage V86 of the MOS transistor M43 and the gate voltage V88 of the MOS transistor M41 is the same as the voltage difference between the
V89-V88 = V2-V1 (11)
またMOSトランジスタM41とM43のサイズを同じにする。この回路は先に述べたように差動増幅器83の2つの入力電圧V86とV87が等しくなる時がこの負帰還回路における安定点である。MOSトランジスタM41とM43は同じサイズであり、しかも両者のゲート電圧V88とV87が同じにするには、MOSトランジスタM42に流れる電流と電流源81の電流が等しくなる時が系の安定点である。言い換えるとMOSトランジスタM41とM42に流れる電流は等しくI40となっている。
Further, the sizes of the MOS transistors M41 and M43 are made the same. In this circuit, when the two input voltages V86 and V87 of the
ここで、MOSトランジスタM41のサイズは図1のMOSトランジスタM1のサイズと同じに、またMOSトランジスタM42のサイズは図1のMOSトランジスタM2のサイズと同じにする。このようにMOSトランジスタのサイズが同じである条件、M41,M42に流れる電流が同じであること、さらに(11)式を合わせると、プッシュプル増幅器が出力電流ゼロの場合或は無負荷時の場合はそれぞれのゲート電圧も同じ値になる。すなわち次式が成立する。
V1=V88………(12)
V2=V89………(13)
さらに、この時のMOSトランジスタM1とM2に流れる電流I10はM41に流れる電流I40に一致する。すなわち次式が成立する。
I10=I40………(14)
Here, the size of the MOS transistor M41 is the same as the size of the MOS transistor M1 in FIG. 1, and the size of the MOS transistor M42 is the same as the size of the MOS transistor M2 in FIG. As described above, when the sizes of the MOS transistors are the same, the currents flowing through M41 and M42 are the same, and when the equation (11) is combined, the push-pull amplifier has zero output current or no load. Each gate voltage has the same value. That is, the following equation is established.
V1 = V88 (12)
V2 = V89 (13)
Further, the current I10 flowing through the MOS transistors M1 and M2 at this time coincides with the current I40 flowing through M41. That is, the following equation is established.
I10 = I40 ......... (14)
これら(12)〜(14)の関係式は電源電圧の大小に関係なく、また環境温度さらにはプロセス条件にも依存せず成立する。言い換えると、本回路を用いると、MOSトランジスタM1,M2に流れる無負荷時の電流I10は電流源81に流す電流値I40によって自由に設定できしかもこの電流I10はI40が基準電圧源を元にして生成する電流の場合、電源電圧に依らずいつも一定であり、かつ環境温度、プロセスに無関係にいつも一定とすることができる。
These relational expressions (12) to (14) are established regardless of the magnitude of the power supply voltage, and do not depend on the environmental temperature or the process conditions. In other words, when this circuit is used, the no-load current I10 flowing through the MOS transistors M1 and M2 can be freely set by the current value I40 flowing through the
尚、図8のMOSトランジスタM41,M42は図1のM1,M2と同じサイズとしたが一般に図1の出力MOSトランジスタのサイズは大きいので、M41,M42も同じサイズにするとチップサイズが大きくなってしまうという問題がある。これを避けるために、MOSトランジスタM41,M42のサイズをMOSトランジスタM1,M2のサイズの1/N倍(N>1)にしてかつ電流源81の電流I40はMOSトランジスタM1,M2に流したい電流I10の1/N倍すなわち次式のように
I10=N・I40………(15)
としても(12)(13)式は成立するので、同じ結果が得られる。
Although the MOS transistors M41 and M42 in FIG. 8 are the same size as M1 and M2 in FIG. 1, the size of the output MOS transistor in FIG. 1 is generally large, so if M41 and M42 are also the same size, the chip size increases. There is a problem of end. In order to avoid this, the size of the MOS transistors M41 and M42 is set to 1 / N times the size of the MOS transistors M1 and M2 (N> 1), and the current I40 of the
However, since the expressions (12) and (13) hold, the same result can be obtained.
ここで、図8の電流制御回路は図9のように回路の接続関係を一部変更しても構わない。
図9は、図8の電流制御回路の変形例としての構成例を表す回路図である。
図9の電流制御回路7は、図示のように、電流源91と、レベルシフト回路92と、差動増幅器93とMOSトランジスタM41,M42、M43,M46,M47を備えて構成されている。
ここで電流源91とMOSトランジスタM41によって、第一の基準電圧を生成するための第一基準電圧回路901が形成され、MOSトランジスタM42とMOSトランジスタM43によって、レベル反転器902が形成され、MOSトランジスタM46とM47によって、電流制御信号発生器903が形成され、また電流制御信号発生器903と差動増幅器93によって、電流制御信号生成回路904が形成されている。
Here, the current control circuit of FIG. 8 may partially change the circuit connection as shown in FIG.
FIG. 9 is a circuit diagram illustrating a configuration example as a modification of the current control circuit of FIG.
9, the
Here, a first reference voltage circuit 901 for generating a first reference voltage is formed by the
端的には、図9は図8に対して、差動増幅器の極性を置き換えている。さらに差動増幅器の出力端子を第二のレベルシフト回路92の電流制御端子8に接続し、且つ、MOSトランジスタM47のゲート端子に接続している。
またMOSトランジスタM46のゲートとドレインを共通接続し、さらにそれを第二のレベルシフト回路92の電流制御端子9に接続するようにしている。
In short, FIG. 9 replaces the polarity of the differential amplifier with respect to FIG. Further, the output terminal of the differential amplifier is connected to the
Further, the gate and drain of the MOS transistor M46 are connected in common, and further connected to the
次に図9の電流制御回路の動作について図1の回路も併せ参照して説明する。
ここで図9の電流制御回路に用いている第二のレベルシフト回路と図1に用いられている第一のレベルシフト回路は相対的にデバイスサイズが一致していれば構わないが、説明を容易にするため完全に同じものであるとする。
従って、同じ電流制御端子8、9によって制御される第一のレベルシフト回路6および第二のレベルシフト回路92のレベルシフト量は全く同じになる。
Next, the operation of the current control circuit of FIG. 9 will be described with reference to the circuit of FIG.
Here, the second level shift circuit used in the current control circuit of FIG. 9 and the first level shift circuit used in FIG. 1 may have relatively the same device size. Let it be completely the same for ease.
Therefore, the level shift amounts of the first
次に、図9における第二のレベルシフト回路92に係るレベルシフト量について説明する。
差動増幅器93の2つの入力信号において、端子96の電圧V96が端子97の電圧V97よりも高いとき、差動増幅器93の出力は低いレベルになる。この結果、MOSトランジスタM47のゲート電圧は低くなるので、MOSトランジスタM46およびM47に流れる電流は大きくなる。同時に、制御端子8,9によって制御される第二のレベルシフト回路92のMOSトランジスタで形成されている図4の可変電流源45、46の電流も大きくなる。
Next, the level shift amount related to the second
In the two input signals of the
すると正の電源端子から電流源45、端子42、抵抗R40、端子41、電流源46を経由して流れる電流が増加するので、図4における端子42と端子41、すなわち図9における端子99と端子98の電圧差V99−V98はより大きくなる。この結果、図9の端子99の電圧V99はより高い電圧になる。これによって、MOSトランジスタM42,M43に流れる電流は減少する。従って、MOSトランジスタM43のゲート端子96の電圧V96も減少する。
Then, the current flowing from the positive power supply terminal via the
逆に差動増幅器93の2つの入力信号において、端子96の電圧V96が端子97の電圧V97よりも低いとき、差動増幅器93の出力は高いレベルになる。この結果、M47のゲート電圧は高くなるので、MOSトランジスタM46およびM47に流れる電流は小さくなる。
同時に、制御端子8,9によって制御される第二のレベルシフト回路92のMOSトランジスタで形成されている図4の可変電流源45、46の電流も小さくなる。すると正の電源端子から電流源45、端子42、抵抗R40、端子41、電流源46を経由して流れる電流が減少するので、図4における端子42と端子41、すなわち図9における端子99と端子98の電圧差V99−V98はより小さくなる。
Conversely, in the two input signals of the
At the same time, the currents of the variable
この結果、図9の端子99、従って、端子95の電圧V95はより低い電圧になる。これによって、MOSトランジスタM42,M43に流れる電流は増加する。従って、MOSトランジスタM43のゲート端子96の電圧V96も増加する。
このようにして最終的には差動増幅器93の利得が十分高ければ、端子97の電圧V97と端子96の電圧V96は同じになる。
As a result, the voltage V95 at the terminal 99 in FIG. 9, and therefore at the terminal 95, is lower. As a result, the current flowing through the MOS transistors M42 and M43 increases. Therefore, the voltage V96 at the
In this way, finally, if the gain of the
以下、図8の回路における説明と同様に(11)〜(14)式を用いてレベルシフト量について説明でき、略同様の作用・効果を奏するものであり、この点に関しては図8の電流制御回路についての説明を援用する。
図10は、本発明のプッシュプル増幅器の他の実施形態の構成を示すブロック図である。図10において既述の図1との対応部には同一の参照符号を附して示してそれら各部の説明は省略し、図1の回路との相違点についてのみ説明する。
In the following, the level shift amount can be explained using the equations (11) to (14) in the same manner as in the circuit of FIG. 8, and substantially the same operation and effect can be obtained. In this respect, the current control of FIG. The description about the circuit is cited.
FIG. 10 is a block diagram showing a configuration of another embodiment of the push-pull amplifier of the present invention. In FIG. 10, the same reference numerals are assigned to the corresponding parts in FIG. 1 described above, and the description of each part will be omitted, and only the differences from the circuit in FIG. 1 will be described.
図10のプッシュプル増幅器は図1の回路と比較して、バッファ回路100が入力端子1と第一のレベルシフト回路6の間に追加されていること以外は図1における回路と同じである。すなわち、バッファ回路100の入力端子をプッシュプル増幅器の入力端子1と接続し、バッファ回路100の出力端子を第一のレベルシフト回路の入力端子に接続している。
The push-pull amplifier of FIG. 10 is the same as the circuit of FIG. 1 except that a
次に図10の実施例のプッシュプル増幅器の動作について説明する。ここで用いているバッファ回路100は1倍のゲインを有したもので、例えばボルテージフォロワ回路、或はソースフォロワ回路をこのバッファ回路として用いることができる。
バッファ回路としてボルテージフォロワを用いる場合、バッファ回路100の入力端子と出力端子の電圧は同じである。従って、図1のものと完全に同じ動作を行う。
Next, the operation of the push-pull amplifier of the embodiment of FIG. 10 will be described. The
When a voltage follower is used as the buffer circuit, the voltage at the input terminal and the output terminal of the
ここで、第一のレベルシフト回路6は図3或は図4のように4組の電流源と1つの抵抗から構成されており、これらが動作する前提として、電流源33(43)と34(44)の電流値が同じであり、かつ電流源35(45)と36(46)の電流値が同じであるとして説明してきた。
しかしながら、実際の回路においては製造ばらつきに伴ういわゆる製造ミスマッチによって、それぞれの電流値が完全に一致することはない。このため、入力側からレベルシフト回路を見た場合、ミスマッチによる誤差電流が入力端子に流れるという問題がある。この誤差電流が大きい場合、図1の端子1の前段に通常用いられる差動増幅器に流れて、歪を発生させる原因となる。
Here, the first
However, in an actual circuit, the respective current values do not completely match due to so-called manufacturing mismatch due to manufacturing variation. For this reason, when the level shift circuit is viewed from the input side, there is a problem that an error current due to mismatch flows to the input terminal. When this error current is large, it flows to the differential amplifier normally used in the previous stage of the terminal 1 in FIG. 1 and causes distortion.
これに対して図10の回路の場合は、電流源に例えミスマッチがあって誤差電流が存在しても、上述のようにボルテージフォロワ等で構成されるバッファ回路に誤差電流が流れるだけで、前段に設置する差動増幅器に影響を与えることがない。
尚、図10の回路は別途バッファ回路100を必要とするので、電流源35(45)、36(46)の電流値の絶対値を小さくすること、或は前段の差動増幅器の出力インピーダンスを小さくして誤差電流の影響を受け難くする等対策を行えば、図1のような回路を用いても問題はない。
On the other hand, in the case of the circuit of FIG. 10, even if there is a mismatch in the current source and an error current exists, the error current only flows through the buffer circuit composed of the voltage follower as described above. It does not affect the differential amplifier installed in the.
Since the circuit of FIG. 10 requires a
バッファ回路としてソースフォロワ回路を用いる場合、バッファ回路100の入力端子と出力端子の電圧は異なる値になる。しかしながら、図1の第一のレベルシフト回路6と電流制御回路7の中の第二のレベルシフト回路63(73,82,92)の前段にそれぞれ同じソースフォロワ回路を使用すると、それぞれのソースフォロワ回路の入力電圧、出力電圧の差は同じであるので、ソースフォロワ回路によって電圧がシフトしても図1の説明と同じ動作を行うことになり、またボルテージフォロワ回路を用いる場合と同様に電流源に例えミスマッチがあって誤差電流が存在しても、ソースフォロワ回路に誤差電流が流れるだけで、前段に設置する差動増幅器に影響を与えることがない。
When a source follower circuit is used as the buffer circuit, the voltages at the input terminal and the output terminal of the
本発明のプッシュプル増幅器は、1つの抵抗と4つの電流源から構成されるレベルシフタ回路を用いているので、MOSトランジスタのオーバードライブ電圧に無関係に、無負荷時の消費電流を抑えつつ大電流駆動能力を有する効果がある。 Since the push-pull amplifier of the present invention uses a level shifter circuit composed of one resistor and four current sources, a large current drive is achieved while suppressing current consumption during no load regardless of the overdrive voltage of the MOS transistor. There is an effect that has the ability.
1…入力端子
2…第一のレベルシフト回路の出力端子
3…出力端子
4…端子
5…端子
6…第一のレベルシフト回路
7…電流制御回路
8…電流制御端子
9…電流制御端子
10…出力増幅回路
21,31,41…端子
22,32,42…端子
23,24,25,26…可変電流源
27,28,37,38…端子
33,34,43,44…固定電流源
35,36,45,46…可変電流源
61,62,71,72…電流源
63、73…第二のレベルシフト回路
64、74…差動増幅器
65,66,67,68,75,76,77,78…端子
81,91…電流源
82,92…第二のレベルシフト回路
83,93…差動増幅器
84,85,86,87,88,89…端子
94,95,96,97,98,99…端子
100…バッファ回路
601,701…第一基準電圧回路
602,702…第二基準電圧回路
603,703…電流制御信号発生器
604,704…電流制御信号生成回路
801,901…第一基準電圧回路
802,902…レベル反転器
803,903…電流制御信号発生器
804,904…電流制御信号生成回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (8)
互いに極性の異なる相補型の各トランジスタからなり、前記各トランジスタのうちの一のトランジスタに前記入力信号が入力され前記各トランジスタのうちの他のトランジスタに前記レベルシフト回路の出力信号が入力されて該両入力された信号に対しプッシュプル増幅を行う出力増幅回路と、
前記第一のレベルシフト回路の該当する可変電流源に出力電流を制御するための電流制御信号を各供給する電流制御回路と、
を備えていることを特徴とするプッシュプル増幅器。 A current is supplied from each predetermined current source including a variable current source connected to one end side and the other end side of the predetermined resistor, and a predetermined voltage corresponding to the voltage is generated with respect to an input signal by a voltage generated at both ends of the resistor. A first level shift circuit for providing a level shift;
Complementary transistors having different polarities from each other, the input signal is input to one of the transistors, and the output signal of the level shift circuit is input to the other transistor of the transistors. An output amplifier circuit that performs push-pull amplification on both input signals;
A current control circuit for supplying a current control signal for controlling an output current to a corresponding variable current source of the first level shift circuit;
A push-pull amplifier comprising:
前記差動増幅器の出力信号に基づいて第二の電流制御信号を生成する電流制御信号発生器とを備えていることを特徴とする請求項3に記載のプッシュプル増幅器。 The current control signal generation circuit differentially amplifies the output of the second level shift circuit and the second reference voltage by the second reference voltage circuit to generate a first current control signal; ,
The push-pull amplifier according to claim 3, further comprising a current control signal generator that generates a second current control signal based on an output signal of the differential amplifier.
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