JP2009530952A

JP2009530952A - 同相利得を反転する入力段を有する差動増幅器

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Publication number: JP2009530952A
Application number: JP2009501008A
Authority: JP
Inventors: イェーエムファントゥエルアドリアヌス
Original assignee: NXP BV
Current assignee: NXP BV
Priority date: 2006-03-23
Filing date: 2007-03-21
Publication date: 2009-08-27
Also published as: CN101405935A; WO2007107962A2; WO2007107962A3; US20090115518A1

Abstract

トランサ及び特別な帰還ループを取り入れる必要なく作動入力信号における同相成分を抑制するために、差動増幅器（１）は、同相信号を含む差動入力信号を受信し、第１の差動中間信号を出力するための、第１の入力ステージ（１１）と、同相信号を反転させて、反転させた同相信号と第１の差動中間信号を合成して第２の差動中間信号を生成するための、第２の入力段（１２）と、第２の差動中間信号を受信、差動出力信号を出力するための、出力段（１３）と、を備えることを特徴とする。第１の入力段（１１）は、第１及び第２のトランジスタ（３１、３２）を有する折り返し型カスコード段であり、第２の入力段（１２）は、第３、第４、第５、第６、第７のトランジスタ（３３、３４、３５、３６、３７）を有するミラー段であり、出力段（１３）は、第１０、第１１のトランジスタ（４０、４１）を有する共通の主電極段である。

Description

本発明は、差動増幅器、差動増幅器を備えた装置、差動信号を差動増幅する方法、および該方法のステップを実行するためのコンピュータ・プログラム製品に関する。

その様な装置の例として、テレビ受像機やその他の消費者製品及び非消費者製品、並びに、消費者製品及び／又は非消費者製品において用いられるコンバータ及びチューナなどの回路が挙げられる。

従来技術による装置は、特許文献１により既知であり、該文献は、増幅回路用の差動回路を開示している。この様な周知の差動増幅器は、出力から差動入力信号用の入力へ負帰還をもたらす基本的な帰還ループを備えることができる。差動入力信号が同相信号（同相成分）を有する場合には、基本的な帰還ループは、少なくとも特定の同相信号について、出力から入力へ正帰還をもたらす。この正帰還の結果、差動増幅器において信号がクランプされるために歪みを生じる、及び／又は、差動増幅器が発振し始める可能性がある。
米国特許第６,８９７,７２６号明細書

従来技術に従う第１の解決策によれば、歪み及び／又は発振を回避するために、差動入力信号内の同相信号は変成器を用いて遮断される。この様な変成器は、通常、帯域幅が不十分である。

従来技術に従う第２の解決策によれば、付加的な帰還ループが採用され、この帰還ループは、同相信号について、出力から入力への正帰還に等しいかそれよりも大きい、出力から入力への付加的な負帰還のみをもたらす。この様な付加的な帰還ループは、基本的な帰還ループの帯域幅に等しいかそれよりも大きいバンド幅を有していなければならず、多くの場合実現が難しく、差動増幅器を複雑かつ高価なものとしている。

既知の装置には、少なくとも特定の同相信号に対して正帰還をもたらす基本的な帰還ループから生じる歪み及び／又は発振を、帯域幅を減少させること、及び／又は、複雑さ及びコストを比較的大きくすること、によってしか避けることができない不利がある。

本発明の目的は、特に、同相安定化用の帰還ループを採用する必要なしに、同相信号を有する差動入力信号を処理できる差動増幅器を提供することである。

本発明の更なる目的は、特に、同相安定化用の帰還ループを採用する必要なしに、同相信号を有する差動入力信号を処理できる差動増幅器を備える装置、差動信号を差動増幅する方法および該方法のステップを実行するためのコンピュータ・プログラム製品を提供することである。

本発明に従う差動増幅器は、
同相信号を有する差動入力信号を受信し、第１の差動中間信号を出力する第１の入力段と、
前記同相信号を反転し、反転させた同相信号と前記第１の差動中間信号を合成して第２の差動中間信号を生成する第２の入力段と、
前記第２の差動中間信号を受信し、差動出力信号を出力する出力段と、
を備えることを特徴とする。

第１の入力段（従来技術）は、同相信号を有する差動入力信号を処理し、それに応じて、第１の差動中間信号を生成する。第１の入力段（従来技術）に加えて、同相信号のみを反転させ、反転させた同相信号と第１の差動中間信号を合成して、第２の差動中間信号を合成する第２の入力段を採用することによって、有害な同相信号が第２の入力段において少なくとも大幅に除去される。よって、第２の入力段から出力段に供給される第２の差動中間信号は、減衰された同相信号を有するか、又は、同相信号を全く有さないことさえある。従って、もはや、同相安定化のためだけに、差動出力から差動入力への帰還ループを採用する必要はない。その結果、本発明に従う差動増幅器は、同相安定化のために帰還ループを採用する必要なしに、同相信号を有する差動入力信号を処理できる。

本発明に従う差動増幅回路の更なる利点は、差動出力から差動入力への基本的な帰還ループの有無に関わらず、第２の入力段が有害な同相信号を、該信号が出力段に至る前に、少なくとも大部分除去できることである。

本発明に従う差動増幅器の一つの実施態様においては、第１の入力段が折り返し型カスコード段を備え、第２入力段がミラー段を備え、出力段が共通主電極段を備えることを特徴とする。他の種類の段の使用を除外しない。

本発明に従う差動増幅器の一つの実施態様においては、第１の入力段が、差動入力を構成する制御電極を有する第１及び第２のトランジスタを備え、該第１及び第２のトランジスタの第１の主電極は相互に結合されていることを特徴とする。第１の差動中間信号は、第１及び第２のトランジスタの第２の主電極を経て供給される。

本発明に従う差動増幅器の一つの実施態様においては、第２入力段が、第１及び第２のトランジスタの制御電極にそれぞれ結合された制御電極を有する第３、第４のトランジスタを備え、前記第３、第４のトランジスタはさらに相互に結合された第２の主電極を有することを特徴とする。同相信号は、第３、第４のトランジスタの第２の主電極を経て供給される。

本発明に従う差動増幅器の一つの実施態様においては、第１、第２のトランジスタの第１の主電極が、更に、第１の基準端子に第１の電流源を経て結合され、第３、第４のトランジスタの第１の主電極が相互に結合され且つ第１の基準端子に第２の電流源を経て結合されていることを特徴とする。この場合、第１及び第２の入力段は、例えば、正電圧源のような第１の基準端子に結合された個別の電流源を有する。個別の電流源は、差動増幅器のノイズ挙動を改善する。

本発明に従う差動増幅器の一つの実施態様においては、第１、第２のトランジスタの第１の主電極が、更に、第３、第４のトランジスタの第１の主電極に結合されるとともに、第１の電流源を経て第１の基準端子にも結合されることを特徴とする。この場合、第１及び第２の入力段は、正電圧源のような第１の基準端子に結合された共通の電流源を有する。共通の電流源は、差動増幅器の構成要素数を低減する。

本発明に従う差動増幅器の一つの実施態様においては、第２入力段が、更に、相互に結合された制御電極を有する第５、第６、第７のトランジスタを備え、該第５、第６、第７のトランジスタの第１の主電極は相互に結合され、更に、第５及び第７のトランジスタの第２の主電極は、それぞれ第１及び第２のトランジスタの第２の主電極に結合され、第６のトランジスタの第２の主電極は、第３及び第４のトランジスタの第２の主電極に結合され且つ第６のトランジスタの制御電極に結合されることを特徴とする。第３及び第４のトランジスタは、同相信号を差動入力信号から濾波し、第５、第６、第７のトランジスタは該同相信号を反転させ、反転させた同相信号と第１の中間信号を合成する。第２の基準端子は、例えば、グランドに対応する。

本発明に従う差動増幅器の一つの実施態様においては、更に、相互に結合された制御電極を有する第８、第９のトランジスタを備え、該第８、第９のトランジスタのそれぞれは、更に第１、第２のトランジスタの第２の電極に結合された第１の主電極を有することを特徴とする。第８及び第９のトランジスタは、第２の入力段と出力段を結合し、第２の入力段又は出力段の一部を形成することができる。第８及び第９のトランジスタは、第２の入力段から第２の差動中間信号を受信し、出力段に供給する。

本発明に従う差動増幅器の一つの実施態様においては、第８、第９トランジスタの第１の主電極がそれぞれ、第３、第４の電流源を経て、第２の基準端子に更に結合されることを特徴とする。これらの第３、第４の電流源によって、第５及び第７のトランジスタを適切に寸法決定する必要性が排除される。

本発明に従う差動増幅器の一つの実施態様においては、出力段は、第８、第９のトランジスタの第２の主電極に結合された制御電極を有する第１０、第１１のトランジスタを備え、第１０、第１１のトランジスタは第２の基準端子に結合された第１の主電極並びに差動出力を構成する第２の主電極を有し、該第２の主電極が第５、第６の電流源を経て第１の基準電極にそれぞれ結合され、第１０、第１１のトランジスタの制御電極が、更に、第７、第８の電流源を経て第１の基準端子に結合されるとともに、それぞれ抵抗及びコンデンサの直列接続を備える回路を介して第１０、第１１のトランジスタの第２の主電極に結合されていることを特徴とする。これらの直列接続は、差動増幅器を安定させる。

本発明に従う装置、方法及びコンピュータ・プログラム製品の実施態様は、本発明に従う差動増幅器の実施態様と対応する。

本発明は、特に、差動増幅器の差動入力におけるトランス及び／又は差動増幅器の二重帰還ループは、回避されるべきであるという洞察と、及び、特に、差動増幅器において第２の入力段が導入されるべきであるという着想に基づくものである。第２の入力段は差動入力信号の同相信号を反転させて、反転した同相信号と第１の入力段より発生した第１の差動中間信号を合成して、出力段に供給される第２差動中間信号を生成する。

本発明は、特に、同相安定性のために帰還ループを取り入れずに、同相信号を有する差動入力信号を操作できる差動増幅器を提供することにより上記課題を解決する。本発明に従う差動増幅器は、差動出力から差動入力への基本的な帰還ループの有無に関わらず、出力段に至る前に、第２の入力段が不利な同相信号を少なくとも大部分除去するという点で特に有利である。

本発明のこれら及び他の態様は以下に記載する実施態様についての記述を参照することで明らかになる。

図１に示す、本発明に従う差動増幅器１は、同相信号を有する差動入力信号を受信する差動入力２１、２２を有し、第１の差動中間信号を出力する第１の入力段１１と、同相信号を反転させ、反転させた同相信号と第１の差動中間信号を合成して、第２の差動中間信号を生成する第２の入力段１２と、第２の差動中間信号を受信し、差動出力信号を出力する差動出力２３、２４を有する出力段１３とを備える。

第１の入力段１１は、例えば、折り返し型カスコード段を備え、第２入力段１２は、例えば、ミラー段を備え、出力段１３は、例えば、共通主電極段を粗備える。

図２に示す、本発明に従う装置２は、本発明に従う差動増幅器１と、差動入力２１、２２に結合され差動入力信号を差動増幅器１に供給する入力回路３と、差動出力２３、２４に結合され、差動出力信号を差動増幅器１から受信する出力回路４とを備える。この装置は、例えば、テレビ受像機やその他の消費者製品や非消費者製品、又は、消費者製品及び／又は非消費者製品に用いられるコンバータやチューナなどの回路である。

図３に示される差動増幅器１の第１の実施例は、差動入力２１、２２を構成する制御電極（ゲート）と、相互に結合された第１の主電極（ソース）とを有する第１及び第２のトランジスタ３１、３２を備える。更に、差動増幅器１は、第１及び第２のトランジスタ３１、３２の制御電極（ゲート）に結合された制御ゲートと、相互に結合された第２の主電極（ドレイン）とを有する第３及び第４トランジスタ３３、３４備える。

更に、第１及び第２のトランジスタ３１、３２の第１の主電極は、正電圧源のような第１の基準端子６１に、第１の電流源５１を経て結合され、第３及び第４のトランジスタ３３、３４の第１の主電極は、相互に結合され且つ第２の電流源５２を経て第１の基準端子６１に結合される。

更に、差動増幅器１は、相互に結合された制御電極（ゲート）を有する第５、第６、第７のトランジスタ３５、３６、３７を備える。第５、第６、第７のトランジスタ３５、３６、３７は更に、それらの第１の主電極（ソース）が相互に結合され且つグランドのような第２の基準端子６２に結合され、更に、第５及び第７トランジスタの第２主電極（ドレイン）は、第１及び第２のトランジスタ３１、３２の第２の主電極（ドレイン）にそれぞれ結合され、第６トランジスタ３６の第２主電極（ドレイン）は、第３及び第４のトランジスタ３３、３４の第２の主電極（ドレイン）に結合されるとともに、第６のトランジスタ３６の制御電極にも結合される。

更に、差動増幅器１は、第８及び第９のトランジスタ３８、３９を備え、それらの制御電極（ゲート）は相互に結合され、また、第３の基準端子に結合される。更に、第８、第９のトランジスタ３８、３９の第１の主電極（ソース）はそれぞれ第１、第２のトランジスタ３１、３２の第２の電極に結合される。

第８、第９のトランジスタ３８、３９の第１の主電極は、更に、それぞれ第３、第４の電流源５３、５４を経て、第２の基準端子６２に結合される。差動増幅器１は、更に、第１０、第１１のトランジスタ４０、４１を備え、それぞれの制御電極（ゲート）は、第８、第９のトランジスタ３８、３９の第２の主電極に結合される。第１０及び第１１のトランジスタ４０、４１は、更に、第２の基準端子６２に結合された第１の主電極（ソース）及び差動出力２３、２４を構成する第２の主電極（ドレイン）を有し、第２の主電極は第５、第６の電流源５５、５６を経て第１の基準端子６１に結合される。第１０、第１１のトランジスタ４０、４１の制御電極は、更に、第７、第８の電流源５７、５８を経て第１の基準端子６１に結合され、かつ、それぞれ回路５９、６０を経て、第１０及び第１１のトランジスタ４０、４１の第２の主電極に結合される。これらの回路５９、６０は、それぞれ、抵抗及びコンデンサの直列接続を備える。

第１及び第２のトランジスタ３１、３２は、入力段１１の一部を形成する。第３、４、５、６、７のトランジスタ３３、３４、３５、３６、３７は、第２の入力段１２の一部を形成する。第１０及び第１１のトランジスタ４０、４１は、出力段１３の一部を形成する。第８、第９のトランジスタ３８、３９は第２の入力段１２または出力段１３の一部を形成することができ、また別個のバッファ段を形成することができる。第８、第９のトランジスタ３８、３９の制御電極は、第３の基準端子から差動増幅器１を調整するための基準信号を受け取る。

第１及び第２の電流源５１、５２は、理想的な電流源及び抵抗の並列回路として示されている。実際には、理想的な電流源は存在しない。これらの２つの電流源のみを非理想的な（非無限大の）並列抵抗と共に示す理由は、これらの抵抗が、差動入力信号の同相成分によって生ずる問題の原因となることにある。回路５９、６０は、周波数補償及び安定化機能を有する。

図４に示す差動増幅回路１の第２の実施態様は、図３に示した第１の実施態様に従うが、第３及び第４の電流源５３、５４が除去されている点で異なる。このために、第５及び第７のトランジスタ３５、３７は、対応する大きさに調節される。

図５に示す差動増幅器１の第３の実施態様は、図３及び４に示した第１及び第２の実施態様に従うが、第２の電流源５２が除去されているという点で異なる。このために、第１の電流源５１は、第３、第４のトランジスタ３３、３４の第１の主電極にも結合され（第１、第２のトランジスタ３１、３２の第１の主電極は第３、第４のトランジスタ３３、３４の第１の主電極にも結合され）、対応する大きさに調節される。

ＦＥＴトランジスタの代わりに、バイポーラートランジスタのような他の種類のトランジスタを用いることができ、他の種類のトランジスタの使用を除外しない。本発明は、一般に、帰還ループ及び変成器の使用も除外しない。信号の合成は、非加重合成及び／又は加重合成とし得る。

上記の実施例は、本発明を制限するよものではなく、例示するものであり、当業者は添付の請求の範囲の範囲内において、多くの代替実施態様を設計することが可能であるということに留意されたい。動詞「備える」及びその活用形を用いて、特許請求の範囲に記載した要素及びステップは、それら以外の存在を除外するものではない。単数で示した要素についても、それらが複数存在する可能性を除外するものではない。本発明は、いくつかの異なった要素から成るハードウェアによって、及び、最適にプログラムされたコンピュータによって実施できる。いくつかの手段を列挙している、装置についての請求項においては、列挙された手段のうちのいくつかは、ハードウェアの同一の要素によって具現化できる。また、ある手段が互いに異なる従属請求項に記載されているということは、これらの手段の組み合わせが有利に使用できないことを示すものではない。

本発明に従う差動増幅器の概略図である。本発明に従う差動増幅器を備える装置の概略図である。本発明に従う差動増幅器の、第１の実施態様の概略図である。本発明に従う差動増幅器の、第２の実施態様の概略図である。本発明に従う差動増幅器の、第３の実施態様の概略図である。

Claims

同相信号を有する差動入力信号を受信し、第１の差動中間信号を出力する第１の入力段と、
前記同相信号を反転し、反転させた同相信号と前記第１の差動中間信号を合成して第２の差動中間信号を生成する第２の入力段と、
前記第２の差動中間信号を受信し、差動出力信号を出力する出力段と、
を備えることを特徴とする差動増幅器。
前記第１の入力段が折り返し型カスコード段を備え、前記第２入力段がミラー段を備え、前記出力段が共通主電極段を備えることを特徴とする請求項１に記載の差動増幅器。
前記第１の入力段が、差動入力を構成する制御電極を有する第１及び第２のトランジスタを備え、前記第１及び第２のトランジスタの第１主電極が相互に結合されていることを特徴とする請求項１に記載の差動増幅器。
前記第２の入力段が、前記第１及び第２トランジスタの制御電極にそれぞれ結合された制御電極を有する第３、第４のトランジスタを備え、前記第３、第４のトランジスタの第２主電極が相互に結合されていることを特徴とする請求項３に記載の差動増幅器。
前記第１、第２のトランジスタの第１主電極が、更に、第１基準端子に第１電流源を経て結合され、前記第３、第４のトランジスタの第１主電極が相互に結合され且つ第２の電流源を経て前記第１基準端子に結合されていることを特徴とする請求項４に記載の差動増幅器。
前記第１、第２のトランジスタの第１の主電極が、更に、前記第３、第４のトランジスタの第１の主電極に結合されるとともに、第１の電流源を経て第１の基準端子にも結合されていることを特徴とする請求項４に記載の差動増幅器。
前記第２の入力段が、更に、相互に結合された制御電極を有する第５、第６、第７のトランジスタを備え、前記第５、第６、第７のトランジスタの第１主電極が相互に結合され且つ第２の基準端子に結合され、さらに、前記第５及び第７のトランジスタの第２の主電極がそれぞれ前記第１及び第２のトランジスタの第２の主電極に結合され、前記第６のトランジスタの第２主電極が前記第３及び第４のトランジスタの第２主電極に結合され且つ前記第６のトランジスタの制御電極に結合されていることを特徴とする請求項４に記載の差動増幅器。
更に、相互に結合された制御電極を有する第８、第９のトランジスタを備え、前記第８、第９のトランジスタは、更に、前記第１、第２のトランジスタの第２の主電極に結合された第１の主電極を有することを特徴とする請求項７に記載の差動増幅器差動増幅器。
前記第８、第９のトランジスタの第１の主電極がそれぞれ第３、第４の電流源を経て前記第２の基準端子に更に結合されていることを特徴とする請求項８に記載の差動増幅器。
前記出力段は、前記第８、第９のトランジスタの第２の主電極に結合された制御電極を有する第１０、第１１のトランジスタを有し、前記第１０、第１１のトランジスタは、更に、前記第２の基準端子に結合された第１の主電極並びに差動出力を構成する第２の主電極を有し、前記第１０、第１１のトランジスタの第２の主電極は第５、第６の電流源を経て第１の基準電極にそれぞれ結合され、前記第１０、第１１のトランジスタの制御電極は、更に、第７、第８の電流源を経て前記第１の基準端子に結合されるとともに、それぞれ抵抗及びコンデンサの直列接続を有する回路を介して前記第１０、第１１のトランジスタの第２の主電極にも結合されていることを特徴とする請求項８に記載の差動増幅器差動増幅器。
請求項１に記載の差動増幅器を備える、装置。
差動信号を差動増幅する方法であって、
第１の入力段を経て、同相信号を有する差動入力信号を受信し、第１の差動中間信号を出力するステップと、
第２の入力段を経て、前記同相信号を反転させて、反転させた同相信号と前記第１の差動中間信号を合成して第２の差動中間信号を生成するステップと、
出力段を経て、前記第２の差動中間信号を受信し、差動出力信号を出力するステップと、
を備えることを特徴とする方法。
請求項１２に記載の方法のステップを実行するコンピュータ・プログラム製品。