JP2010041645A - 演算増幅器 - Google Patents
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Abstract
【課題】広い同相入力電圧範囲において、相互コンダクタンスの平坦性が改善された演算増幅器を提供する。
【解決手段】第1及び第2の差動対を有し、第1の電源電圧と前記第1の電源電圧よりも低い第2の電源電圧とが供給される差動入力回路と、前記第1の電源電圧と前記第2の電源電圧との間の同相入力電圧が前記第1及び第2の差動対にそれぞれ入力される場合、前記第1の差動対を構成するFETが動作することを検出し、前記差動入力回路の相互コンダクタンスを略一定値に保持するように前記第2の差動対を構成するFETの動作を調整可能な制御回路と、を備えたことを特徴とする演算増幅器が提供される。
【選択図】図1
【解決手段】第1及び第2の差動対を有し、第1の電源電圧と前記第1の電源電圧よりも低い第2の電源電圧とが供給される差動入力回路と、前記第1の電源電圧と前記第2の電源電圧との間の同相入力電圧が前記第1及び第2の差動対にそれぞれ入力される場合、前記第1の差動対を構成するFETが動作することを検出し、前記差動入力回路の相互コンダクタンスを略一定値に保持するように前記第2の差動対を構成するFETの動作を調整可能な制御回路と、を備えたことを特徴とする演算増幅器が提供される。
【選択図】図1
Description
本発明は、演算増幅器に関する。
電子機器の多機能化及び低消費電力化のために、低電源電圧で動作可能な差動対を有する演算増幅器(Operational Amplifier:オペアンプ)が要求されている。この場合、2つの差動対を並列に接続すると、2つの電源電圧の給電線間において、入力同相電圧のフルレンジ機能を得ることが容易となる。
この場合、例えばPチャネルMOSFET差動対とNチャネルMOSFET差動対とを並列接続した差動入力回路を相補的に動作させると、広い同相入力電圧範囲内で動作可能である。
しかしながら、MOSFETが飽和動作する強反転領域において、相互コンダクタンス(gm)は飽和ドレイン電流の平方根に比例して変化する。このために、広い同相入力電圧範囲内において、差動入力回路のgmを平坦にすることは容易ではない。
gmの平坦化のための技術開示例がある(特許文献1)。この技術開示例では、強反転動作する相補型差動対において、制御回路により浮動電圧Vcを制御しgmを一定に保っている。
しかしながら、この技術開示例を用いても入力フルレンジ機能を有する演算増幅器を得ることは容易ではない。
特表平10−509013号公報
しかしながら、この技術開示例を用いても入力フルレンジ機能を有する演算増幅器を得ることは容易ではない。
広い同相入力電圧範囲において、相互コンダクタンスの平坦性が改善された演算増幅器を提供する。
本発明の一態様によれば、第1及び第2の差動対を有し、第1の電源電圧と前記第1の電源電圧よりも低い第2の電源電圧とが供給される差動入力回路と、前記第1の電源電圧と前記第2の電源電圧との間の同相入力電圧が前記第1及び第2の差動対にそれぞれ入力される場合、前記第1の差動対を構成するFETが動作することを検出し、前記差動入力回路の相互コンダクタンスを略一定値に保持するように前記第2の差動対を構成するFETの動作を調整可能な制御回路と、を備えたことを特徴とする演算増幅器が提供される。
広い同相入力電圧範囲において、相互コンダクタンスの平坦性が改善された演算増幅器が提供される。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明にかかる演算増幅器(オペアンプ)を説明する図である。すなわち、図1(a)は基本構成を表すブロック図、図1(b)は相互コンダクタンス(gm)の電圧依存性を表すグラフ図である。
第1の電源電圧Vddと、第2の電源電圧Vss(但し、Vdd>Vss)と、の2つの給電線間に、制御回路10、差動入力回路12、及びカスコード回路14が接続されている。なお、Vddをプラス且つVssをマイナスとする両電源方式としてもよく、VddとVssとのいずれかを略ゼロとする単一電源方式としてもよい。
図1は、本発明にかかる演算増幅器(オペアンプ)を説明する図である。すなわち、図1(a)は基本構成を表すブロック図、図1(b)は相互コンダクタンス(gm)の電圧依存性を表すグラフ図である。
第1の電源電圧Vddと、第2の電源電圧Vss(但し、Vdd>Vss)と、の2つの給電線間に、制御回路10、差動入力回路12、及びカスコード回路14が接続されている。なお、Vddをプラス且つVssをマイナスとする両電源方式としてもよく、VddとVssとのいずれかを略ゼロとする単一電源方式としてもよい。
差動入力回路12は、第1の差動対12a、第2の差動対12b、第1の入力端子INa、及び第2の入力端子INb、を有している。第1及び第2の差動対12a、12bには、入力端子INa、INbからの同相入力電圧VICがそれぞれ供給される。
差動入力回路12がMOSFETで構成されていると、制御回路10は、第1の差動対12aを構成するMOSFETのゲート・ソース間電圧Vgsである検出信号S1を検出する。また、制御回路10は、第2の差動対12bを構成するMOSFETのゲート・ソース間電圧Vgsと、第1の差動対12aを構成するMOSFETのゲート・ソース間電圧Vgsと、の和が所定電圧と等しくなるように調整信号S2により演算増幅器を制御可能である。
また、カスコード回路14は、差動入力回路12の出力が入力され、合成出力Voを出力端子OUTから出力する。
図1(b)において、縦軸はgm、横軸は同相入力電圧VICを表す。入力コモン電圧をVCMとすると、例えば入力端子INaには(VCM+ΔV)が入力し、入力端子INbには(VCM−ΔV)が入力する。すなわち、入力端子INaとINbとの間には、中心値がVCM、振幅が2Δである同相入力電圧VICが印加され、第1の電源電圧Vdd(V)と、第2の電源電圧Vss(V)と、の間の範囲において、入力フルレンジ動作が可能である。
図2は、第1の実施形態にかかる演算増幅器を表す図である。すなわち、図2(a)はブロック図、図2(b)は回路図である。
また、図3は、制御回路の動作を説明するフローチャートである。
本実施形態において、第1の差動対12aは一対のエンハンスメント型PチャネルMOSFET(P11、P12)を有し、第2の差動対12bは一対のデプレッション型PチャネルMOSFET(PD1、PD2)を有している。P11及びP12は、エンハンスメント型MOSFET(P10)を介して電流が供給される。他方、PD1及びPD2は、エンハンスメント型PチャネルMOSFET(P9)を介して電流が供給される。
また、図3は、制御回路の動作を説明するフローチャートである。
本実施形態において、第1の差動対12aは一対のエンハンスメント型PチャネルMOSFET(P11、P12)を有し、第2の差動対12bは一対のデプレッション型PチャネルMOSFET(PD1、PD2)を有している。P11及びP12は、エンハンスメント型MOSFET(P10)を介して電流が供給される。他方、PD1及びPD2は、エンハンスメント型PチャネルMOSFET(P9)を介して電流が供給される。
第1の差動対12aは、カレントミラー接続されたP7とP10とを介して電流が供給される。P10のW/Lサイズは、P7のW/Lサイズの2倍に設定されている。但し、Wはチャネル幅、Lはチャネル長である。P7に直列接続されたPチャネルMOSFET(P8)は、P6、及びP11と略同一のW/Lとする。なお、P8のバックゲートは、ソースに接続される。なお、図2〜図9において、エンハンスメント型PチャネルMOSFETのバックゲート接続が表示されいなくともバックゲートは第1の電源電圧Vddに接続されているものとし、エンハンスメント型NチャネルMOSFETのバックゲート接続が表示されていなくともバックゲートは第2の電源電圧Vssに接続されているものとする。
まず、図3のフローチャートにおいて、第1の差動対12aが動作し、P10を介して電流がP11及びP12にそれぞれ注入される。P10とカレントミラーを構成するP7を介してP8に注入された電流は、NチャネルMOSFET(N5、N6)により構成されたカレントミラーを介してP6に、P11と略同一な電流を注入する(S102)。P6とP11とは、略同一W/Lサイズであるため、P6のゲート・ソース間電圧VgsP6は、入力端子INaの電圧にかかわらず、P11のゲート・ソース間電圧VgsP11と略同一となり、端子AとVddとの間の電圧となる。すなわち、P6は検出用トランジスタ10aとして動作し、P11のゲート・ソース間電圧VgsP11がP6のゲート・ソース間電圧VgsP6に置換(複写)される。
他方、第2の差動対12bは、カレントミラー接続されたPチャネルMOSFET(P4、P5、P9)を介して電流が供給される。P9のW/LサイズはP5の2倍、P4のW/LサイズはP5と略同一とする。また、デプレッション型PチャネルMOSFET(PD1)のW/Lサイズは、デプレッション型PチャネルMOSFET(PD3)のW/Lサイズと略同一とする。なお、PD1、PD2、PD3、P8、P11、及びP12のバックゲートはソースに接続する。
このように設定すると、カレントミラーを介して、PD1の電流は、PD3の電流と略同一にできる。このために、端子Bと端子Aとの間の電圧と同一となるPD3のゲート・ソース間電圧VgsPD3は、PD1のゲート・ソース間電圧VgsPD1と略同一である。すなわち、PD3は調整用トランジスタ10bとして動作し、そのゲート・ソース間電圧VgsPD3が、PD1のゲート・ソース間電圧VgsPD1に置換(複写)される。
Vdd端子と点Bとの間の電圧は、(VgsP11+VgsPD3)となるが、この和を一定値に設定する(S104)。この一定値は基準電圧Vrefとされる。
また、PチャネルMOSFET(P1、P2、P3)及びNチャネルMOSFET(N1、N2)から構成される差動CMOS回路は負帰還回路11であり、INa及びINb端子の同相入力電圧がいかなる場合であっても、VgsP11とVgsPD1との和が基準電圧Vref(=Vdd−VB1)となるよう動作する(S106)。調整用トランジスタ10bは、カレントミラーを介してPD1を調整する(S108)。このようにして、差動入力回路12のgmを、図1(b)のように平坦にすることができる(S110)。
なお、差動入力回路12を構成しているMOSFETは、強反転領域で動作するので、相互コンダクタンスgmは次式で表すことができる。
gm=μCox(W/L)×(Vgs−Vth)
但し、μ:電子移動度
Cox:ゲート酸化膜厚
W:チャネル幅
L:チャネル長
Vgs:ゲート・ソース間電圧
Vth:閾値電圧
gm=μCox(W/L)×(Vgs−Vth)
但し、μ:電子移動度
Cox:ゲート酸化膜厚
W:チャネル幅
L:チャネル長
Vgs:ゲート・ソース間電圧
Vth:閾値電圧
すなわち、gmは(Vgs−Vth)に略比例する。このために、入力端子INaとINbとの間に入力される同相入力電圧VICがVddとVssとの間の電圧範囲で変化しても、差動対12aの相互コンダクタンスと差動対12bの相互コンダクタンスの和で表される差動入力回路12のgmは図1(b)のように一定とできる。
図4は比較例にかかる演算増幅器を説明する図である。すなわち、図4(a)は回路図、図4(b)はgmのVIC依存性を表すグラフ図である。
比較例にかかる演算増幅器は、差動入力回路及びカスコード回路を有する。差動入力回路は、エンハンス型PチャネルMOSFETを有する第1の差動対106と、デプレッション型PチャネルMOSFETを有する第2の差動対108と、を有する。
比較例にかかる演算増幅器は、差動入力回路及びカスコード回路を有する。差動入力回路は、エンハンス型PチャネルMOSFETを有する第1の差動対106と、デプレッション型PチャネルMOSFETを有する第2の差動対108と、を有する。
第1の差動対106及び第2の差動回路108に流れる電流は、電流切替回路104により制御されている。同相入力電圧VICが第1の電源電圧Vddと、第2の電源電圧Vssと、の中間領域Gにおいて、電流源102からの電流が第1及び第2の差動対106、108にそれぞれ分割される。
他方、同相入力電圧VICが中間領域Gと第1の電源電圧Vddとの間にある場合、差動対106は動作、差動対108は非動作である。また、同相入力電圧VICが中間領域Gと第2の電源電圧Vssとの間にある場合、差動対106は非動作、差動対108は動作している。ここで、第1の差動対106のgm1と、第2の差動対108のgm2と、をgm0と同一とする。
第1の差動対106及び第2の差動対108が弱反転領域で動作している場合、中間領域Gにおける差動入力回路106、108のgmの和をgm0と同一にできる。他方、強反転領域で動作している場合、gmは電流の平方根に比例するため、中間領域Gにおける差動入力回路のgmは次式である。
gm=gm1/21/2+gm2/21/2
=21/2gm0
gm=gm1/21/2+gm2/21/2
=21/2gm0
すなわち、gmは平坦部の21/2倍となり、図4(b)のように、1.41gm0となる。同相入力電圧VIC範囲においてgmがこのように変動すると、利得帯域幅の変動を生じる。利得帯域幅が変動すると、位相歪を生じたり、負帰還増幅器の周波数補償が困難になることがあり問題である。
これに対して、本実施形態では、簡素な回路構成を用いて、広い同相入力電圧範囲VIC内において強反転領域内で動作する差動入力回路12のgmを平坦にすることが容易である。このために、位相歪を抑制でき、また負帰還増幅器の周波数補償を容易にできる。
第1の実施形態において、第1のMOSFETであるエンハンスメント型PチャネルMOSFETの閾値電圧VthPはマイナスであり、VgsP≦VthPでオンとなる。他方、第2のMOSFETであるデプレッション型PチャネルMOSFETの閾値電圧VthPDはプラスであり、VgsPD≦VthPDでオンとなる。このように、閾値電圧が異なる差動対を設けることにより、広い同相入力電圧VIC範囲において動作が可能な演算増幅器が提供される。
図5は、第1の実施形態の変形例にかかる演算増幅器のブロック図である。第1の差動対12aは、デプレッション型PチャネルMOSFETで構成され、そのゲート・ソース間電圧VgsPDが検出される。他方、第2の差動対12bは、エンハンスメント型PチャネルMOSFETにより構成され、そのゲート・ソース間電圧VgsPとVgsPDとの和が基準電圧Vrefとなるように制御回路10により制御される。
図6は、第2の実施形態にかかる演算増幅器のブロック図である。
図6(a)において、 第1の差動対12aのMOSFETはエンハンスメント型NチャネルMOSFETからなり、第2の差動対12bのMOSFETはデプレッション型NチャネルMOSFETからなる。第1の差動対12aの一方のMOSFETのゲート・ソース間電圧VgsNを検出し、第2の差動対の一方のMOSFETのゲート・ソース間電圧VgsNDとVgsNとの和が基準電圧VrefとなるようにVgsNDが制御される。
図6(a)において、 第1の差動対12aのMOSFETはエンハンスメント型NチャネルMOSFETからなり、第2の差動対12bのMOSFETはデプレッション型NチャネルMOSFETからなる。第1の差動対12aの一方のMOSFETのゲート・ソース間電圧VgsNを検出し、第2の差動対の一方のMOSFETのゲート・ソース間電圧VgsNDとVgsNとの和が基準電圧VrefとなるようにVgsNDが制御される。
第2の実施形態において、エンハンスメント型NチャネルMOSFETの閾値電圧VthNはプラスであり、VgsN≧VthNでオンとなる。他方、デプレッション型NチャネルMOSFETの閾値電圧VthPDはマイナスであり、VgsND≧VthNDでオンとなる。
図6(b)は、第2の実施形態の変形例を表すブロック図である。第1の差動対12aのデプレッション型NチャネルMOSFETのゲート・ソース間電圧VgsDNを検出し、第2の差動対のエンハンスメント型NチャネルMOSFETのゲート・ソース間電圧VgsNとVgsNDとの和が基準電圧となるように制御回路10が動作する。第2の実施形態及びこれに付随した変形例において、閾値電圧が異なる差動対を有する差動入力回路とすることにより、広い同相入力電圧VIC範囲に対してgmが一定である演算増幅器が提供される。
図7は、第3の実施形態にかかる演算増幅器を表す図である。すなわち、図7(a)はブロック図、図7(b)は回路図である。
本実施形態において、第1の差動対12aはエンハンスメント型NチャネルMOSFET(N8、N9)からなり、第2の差動対12bはエンハンスメント型PチャネルMOSFET(P9、P10)からなる。第1の差動対12aのN8のゲート・ソース間電圧VgsN8は、検出用トランジスタ10aであるN5のゲート・ソース間電圧VgsN5に置換される。調整用トランジスタ10bはP6でありそのゲート・ソース間電圧VgsP6は、第2の差動対12bのP9のゲート・ソース間電圧VgsM9に置換される。
本実施形態において、第1の差動対12aはエンハンスメント型NチャネルMOSFET(N8、N9)からなり、第2の差動対12bはエンハンスメント型PチャネルMOSFET(P9、P10)からなる。第1の差動対12aのN8のゲート・ソース間電圧VgsN8は、検出用トランジスタ10aであるN5のゲート・ソース間電圧VgsN5に置換される。調整用トランジスタ10bはP6でありそのゲート・ソース間電圧VgsP6は、第2の差動対12bのP9のゲート・ソース間電圧VgsM9に置換される。
負帰還回路11により(VgsN5+VgsP6)は、基準電圧Vref(=VB1−Vss)に保たれる。このために、同相入力電圧VICがVddとVssとの電圧範囲で変化しても、差動入力回路12のgmを一定に保つことができる。なお、PチャネルMOSFET(P11、P12、P13、P14)及びNチャネルMOSFET(N11、N12、N13、N14)は、第1の差動対12aの出力と、第2の差動対12bの出力と、を合成するカスコード回路14を構成する。
NチャネルMOSFETの閾値電圧VthNはプラスであり、PチャネルMOSFETの閾値電圧VthPはマイナスである。このように、共にエンハンスメント型MOSFETを用いて、且つ相補型差動対とすることにより、同相入力電圧VICの広い範囲に対してVgsNとVgsPとの和を基準電圧Vrefに保持することが容易となる。
図8は、第3の実施形態の変形例にかかる演算増幅器を表す図である。
第1の差動対12aを構成するエンハンスメント型PチャネルMOSFETのゲート・ソース間電圧VgsPが検出され、第2の差動対12bを構成するエンハンスメント型NチャネルMOSFETのゲート・ソース間電圧VgsNと、VgsPと、の和が基準電圧Vrefとなるように制御回路10が動作する。
第1の差動対12aを構成するエンハンスメント型PチャネルMOSFETのゲート・ソース間電圧VgsPが検出され、第2の差動対12bを構成するエンハンスメント型NチャネルMOSFETのゲート・ソース間電圧VgsNと、VgsPと、の和が基準電圧Vrefとなるように制御回路10が動作する。
図9は、第4の実施形態にかかる演算増幅器のブロック図である。
図9(a)において、第1の差動対12aを構成するデプレッション型NチャネルMOSFETのゲート・ソース間電圧VgsNDが検出され、第2の差動対12bを構成するデプレッション型PチャネルMOSFETのゲート・ソース間電圧VgsPDと、VgsNDと、の和が基準電圧Vrefとなるように制御回路10が動作する。
図9(a)において、第1の差動対12aを構成するデプレッション型NチャネルMOSFETのゲート・ソース間電圧VgsNDが検出され、第2の差動対12bを構成するデプレッション型PチャネルMOSFETのゲート・ソース間電圧VgsPDと、VgsNDと、の和が基準電圧Vrefとなるように制御回路10が動作する。
また、図9(b)は、図9(a)に表す第4の実施形態の変形例であり、第1の差動対12aを構成するデプレッション型PチャネルMOSFETのゲート・ソース間電圧VgsPDが検出され、第2の差動対12bを構成するデプレッション型NチャネルMOSFETのゲート・ソース間電圧VgsNDと、VgsPDと、の和が基準電圧Vrefとなるように制御回路10が動作する。
デプレッション型MOSFETでは低閾値電圧とするのが容易であるので、電源電圧を例えば1.0V以下と低くすることができる。このようにして、共にデプレッション型MOSFETを用いて、且つ相補型差動対とすることにより、同相入力電圧VICの広い範囲においてgmを所定値に保つことが容易となる。
実施形態及びこれらに付随する変形例において、同相入力電圧VICが入力フルスウィングの範囲で変化しても、差動入力回路の相互コンダクタンスgmを一定とし、オフセット電圧の変動が抑制できる。これにより、CMRR(Common Mode Rejection Ratio:同相入力電圧除去比)及びSVRR(Supply-Voltage Rejection Ratio:電源入力電圧除去比)などの改善が容易となる。
以上、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかしながら本発明はこれら実施形態に限定されない。演算増幅器を構成する差動入力回路、差動対、制御回路、負帰還回路、FETのサイズ、配置、導電型などに関して当業者が設計変更を行ったものであっても、本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。
10 制御回路、11 負帰還回路、12 差動入力回路、12a、12b 差動対、INa、INb 入力端子、VIC 同相入力電圧、Vdd 第1の電源電圧、Vss 第2の電源電圧
Claims (5)
- 第1及び第2の差動対を有し、第1の電源電圧と前記第1の電源電圧よりも低い第2の電源電圧とが供給される差動入力回路と、
前記第1の電源電圧と前記第2の電源電圧との間の同相入力電圧が前記第1及び第2の差動対にそれぞれ入力される場合、前記第1の差動対を構成するFETが動作することを検出し、前記差動入力回路の相互コンダクタンスを略一定値に保持するように前記第2の差動対を構成するFETの動作を調整可能な制御回路と、
を備えたことを特徴とする演算増幅器。 - 前記制御回路は、検出用FETと、調整用FETと、負帰還回路と、を有し、
前記第1の差動対の前記FETのうちの一方のFETのゲート・ソース間電圧は、前記検出用FETのゲート・ソース間電圧に置換可能とされ、
前記調整用FETのゲート・ソース間電圧は、前記第2の差動対の前記FETのうちの一方のFETのゲート・ソース間電圧に置換可能とされ、
前記負帰還回路は、前記検出用FETの前記ゲート・ソース間電圧と前記調整用FETの前記ゲート・ソース間電圧との和を基準電圧に保持可能としたことを特徴とする請求項1記載の演算増幅器。 - 前記第1の差動対の前記一方のFETのゲートと、前記第2の差動対の前記一方のFETのゲートと、は、前記同相入力電圧が入力される端子のいずれかに共通に接続されたことを特徴とする請求項2記載の演算増幅器。
- 前記第1の差動対の前記FET及び前記第2の差動対の前記FETは、共にデプレッション型MOSFETであり且つ互いに反対導電型であるか、または共にエンハンスメント型MOSFETであり且つ互いに反対導電型であることを特徴とすることを特徴とする請求項2または3に記載の演算増幅器。
- 前記第1の差動対の前記FETと、前記第2の差動対の前記FETと、のうちの、いずれか一方はデプレッション型MOSFETであり、いずれか他方はエンハンスメント型MOSFETであり、
前記デプレッション型MOSFETの導電型と前記エンハンスメント型MOSFETの導電型とは、同一であることを特徴とする請求項2または3に記載の演算増幅器。
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