JP2010206578A - Input rail-to-rail differential amplification circuit - Google Patents
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Description
本発明は、レールツーレールの小振幅差動信号を受け取って増幅出力する差動増幅回路に関するものである。 The present invention relates to a differential amplifier circuit that receives and amplifies and outputs a rail-to-rail small amplitude differential signal.
従来、非特許文献1に開示されているように、差動増幅回路の同相入力電圧を負の電源電圧(VSS)から正の電源電圧(VDD)まで対応させた入力レールツーレール(Rail-to-Rail)差動増幅回路技術が報告されている。 Conventionally, as disclosed in Non-Patent Document 1, an input rail-to-rail (Rail-to-Rail) in which a common-mode input voltage of a differential amplifier circuit is made to correspond from a negative power supply voltage (VSS) to a positive power supply voltage (VDD). -Rail) Differential amplifier circuit technology has been reported.
しかし、非特許文献1の入力レールツーレール差動増幅回路では、同相入力電圧レベルがVSSからVDDまですべての範囲(Rail-to-Rail)に対応することが可能であるが、回路のトランスコンダクタンス(Gm)が同相入力電圧レベルに依存して変化するという問題があった。これは、同相入力電圧レベルによって動作する入力差動対の種類が変化するためである。 However, in the input rail-to-rail differential amplifier circuit of Non-Patent Document 1, the common-mode input voltage level can correspond to the entire range (Rail-to-Rail) from VSS to VDD. There is a problem that (Gm) varies depending on the common-mode input voltage level. This is because the type of input differential pair that operates depends on the common-mode input voltage level.
すなわち、同相入力電圧がVSSに近いときは、PMOS受け型入力差動対のトランスコンダクタンス(Gmp)が支配的になり、同相入力電圧がVDDに近いときは、NMOS受け型入力差動対のトランスコンダクタンス(Gmn)が支配的となり、同相入力電圧がVDDとVSSの中間レベルではGmpとGmnの和が回路のトランスコンダクタンスとなるためである。 That is, when the common-mode input voltage is close to VSS, the transconductance (Gmp) of the PMOS receiving input differential pair is dominant, and when the common-mode input voltage is close to VDD, the transformer of the NMOS receiving input differential pair is dominant. This is because the conductance (Gmn) becomes dominant and the sum of Gmp and Gmn becomes the transconductance of the circuit when the common-mode input voltage is at an intermediate level between VDD and VSS.
これに対し、特許文献1に開示の回路は、NMOS/PMOS両受け型の差動レールツーレールの入力増幅段となっており、出力はほぼ電源電圧の1/2の電圧を中心とした小振幅差動信号となっている。特許文献1の回路では、通常のレールツーレール回路におけるトランスコンダクタンスGmの入力同相電圧レベル依存性を解消すべく、NMOS/PMOSそれぞれの入力段の前にレベルシフタを設けている。 On the other hand, the circuit disclosed in Patent Document 1 is an NMOS / PMOS dual-type differential rail-to-rail input amplification stage, and the output is small with a voltage of about half the power supply voltage. It is an amplitude differential signal. In the circuit of Patent Document 1, a level shifter is provided in front of each input stage of the NMOS / PMOS in order to eliminate the dependency of the transconductance Gm on the input common-mode voltage level in a normal rail-to-rail circuit.
また、特許文献1には、上記のレベルシフタを構成する、小振幅差動信号の入力段として、NMOSまたはPMOSからなるソースフォロワ回路を利用することが提案されている。
しかし、特許文献1の提案する、NMOSまたはPMOSのソースフォロワを利用したレベルシフタでは、入力段にNMOSを用いると、スレッショルド電圧(Vth)未満の同相入力電圧が入力されたとき、入力段の2つのNMOSが両方ともオフとなり、後段の差動増幅回路に信号を伝えることができないという問題があった。また、入力段にPMOSを用いると、正の電源電圧(VDD)と(正の電源電圧(VDD)−スレッショルド電圧(Vth))との間の同相入力電圧が入力されたとき、入力段の2つのPMOSが両方ともオフとなり、後段の差動増幅回路に信号を伝えることができないという問題があった。
すなわち、VSS〜Vthの電圧範囲と(VDD−Vth)〜VDDの電圧範囲の信号を入力することができず、入力レールツーレールとすることはできなかった。
Patent Document 1 proposes to use a source follower circuit made of NMOS or PMOS as an input stage of a small amplitude differential signal that constitutes the level shifter.
However, in the level shifter using an NMOS or PMOS source follower proposed by Patent Document 1, when an NMOS is used in the input stage, when a common-mode input voltage less than the threshold voltage (Vth) is input, Both NMOS transistors are turned off, and there is a problem that signals cannot be transmitted to the differential amplifier circuit at the subsequent stage. When a PMOS is used for the input stage, when a common-mode input voltage between the positive power supply voltage (VDD) and (positive power supply voltage (VDD) −threshold voltage (Vth)) is input, Both PMOSs are turned off, and there is a problem that signals cannot be transmitted to the differential amplifier circuit at the subsequent stage.
That is, a signal in the voltage range of VSS to Vth and a voltage range of (VDD−Vth) to VDD cannot be input, and input rail-to-rail cannot be achieved.
本発明の目的は、簡易な回路構成であり、かつ、入力トランスコンダクタンスを一定にすることができる入力レールツーレール差動増幅回路を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an input rail-to-rail differential amplifier circuit that has a simple circuit configuration and can make the input transconductance constant.
上記課題を解決するために、本発明は、第1の型のMOSトランジスタにより、レールツーレールの小振幅差動信号を受けて、該小振幅差動信号のレベルをシフトするレベルシフタと、第2の型のMOSトランジスタにより、前記レベルシフタの出力を受けて増幅出力する差動増幅器とを備え、前記第1の型のMOSトランジスタがネイティブMOSであることを特徴とする入力レールツーレール差動増幅回路を提供する。 In order to solve the above problems, the present invention provides a level shifter for receiving a rail-to-rail small amplitude differential signal by a first type MOS transistor and shifting the level of the small amplitude differential signal; An input rail-to-rail differential amplifier circuit comprising: a differential amplifier for receiving and amplifying and outputting the output of the level shifter by a type MOS transistor; and wherein the first type MOS transistor is a native MOS I will provide a.
本発明によれば、レベルシフタの入力段にネイティブ(デプレッション型)PMOSまたはネイティブNMOSを用いることにより、簡易な回路構成で完全に入力レールツーレールに対応することができる。また、本発明によれば、NMOSまたはPMOS差動増幅回路のみを用いることで入力トランスコンダクタンス(Gm)を一定にすることができる。 According to the present invention, by using a native (depletion type) PMOS or native NMOS for the input stage of the level shifter, it is possible to completely support input rail-to-rail with a simple circuit configuration. Further, according to the present invention, the input transconductance (Gm) can be made constant by using only the NMOS or PMOS differential amplifier circuit.
本発明に係る入力レールツーレール差動増幅回路を、添付の図面に示す好適実施形態に基づいて以下に詳細に説明する。 An input rail-to-rail differential amplifier circuit according to the present invention will be described below in detail based on a preferred embodiment shown in the accompanying drawings.
図1は、本発明の入力レールツーレール差動増幅回路の構成を表す一実施形態の回路図である。図1に示す入力レールツーレール差動増幅回路10は、PMOS受け型レベルシフタ(以下、単にレベルシフタともいう)12と、NMOS受け型差動増幅回路(以下、単に差動増幅回路ともいう)14とによって構成されている。なお、以下単にPMOS/NMOSという場合は、エンハンスメント型PMOS/NMOSのことである。
FIG. 1 is a circuit diagram of an embodiment showing a configuration of an input rail-to-rail differential amplifier circuit of the present invention. An input rail-to-rail
レベルシフタ12は、レールツーレールの小振幅差動入力信号を受け取り、レベルシフトして差動増幅回路14へと出力する。レベルシフタ12は、定電流源16と、カレントミラー回路を構成するPMOS24a,24b,24cと、差動入力信号INN,INPを受け取って検出するスイッチング素子となる2つのネイティブ(デプレッション型)PMOS20a,20bとによって構成されている。
The
PMOS24a,24b,24cのソースは高電位電圧VDDにつながるノードに接続され、ゲートがPMOS24aのドレインに接続されている。PMOS24aのドレインは定電流源16を介しグランド(GND)に接続されている。ネイティブPMOS20a,20bのソースは、それぞれ、PMOS24b,24cのドレインに接続され、ドレインはグランドに接続され、ゲートには、それぞれ差動入力信号INN,INPが接続されている。
The sources of the
続いて、差動増幅回路14は、カレントミラー回路を構成する2つのPMOS26a,26bと、レベルシフタ12の出力信号を受け取って検出するスイッチング素子となる2つのNMOS22a,22bと、定電流源18とによって構成されている。
Subsequently, the
PMOS26a,26bのソースは高電位電圧VDDにつながるノードに接続され、ゲートがPMOS26aのドレインに接続されている。NMOS22a,22bのドレインは、それぞれ、PMOS26a,26bのドレインに接続され、ソースは、定電流源18を介しグランドに接続され、ゲートは、それぞれレベルシフタ12を構成するPMOS20a,20bのソースに接続されている。
The sources of the
また、PMOS26bのドレインとNMOS22bのドレインとの間のノードから、シングルエンド出力信号OUTが出力される。
A single-ended output signal OUT is output from a node between the drain of the
なお、図1では、カレントミラー回路を構成するPMOS24a、24b、24cおよびPMOS26a、26bのソースと高電位電圧VDDとの間の接続を省略しているが、これらのPMOS24a、24b、24cおよびPMOS26a、26bのソースは直接高電位電圧に接続されていてもよいし、あるいは必要に応じて、その間に各種構成の回路が接続されていてもよい。
In FIG. 1, the connection between the sources of the
次に、入力レールツーレール差動増幅回路10の動作を説明する。
Next, the operation of the input rail-to-rail
入力レールツーレール差動増幅回路10には、同相入力電圧Vicmを中心とする小振幅Vidの差動信号である小振幅差動入力信号INP,INNが入力される。
The input rail-to-rail
まず、レベルシフタ12の入力段のネイティブPMOS20a,20bの代わりに、2つのエンハンスメント型PMOSを用いた場合を説明する。
エンハンスメント型PMOSにおいてVDD〜(VDD−Vth)の範囲の電圧の差動入力信号INP,INNが入力された場合には、ゲート・ソース間の電圧Vgsの絶対値|Vgs|が、Vthよりも小さくなる。そのため、両方のPMOSが同時にオフとなって、差動入力信号のLレベル/Hレベルを検出することができず、後段の差動増幅回路14に信号を伝えることができない。従って、0V〜(VDD−Vth)の範囲の電圧の信号しか入力することができず、レールツーレールの信号を入力することができない。
First, a case where two enhancement type PMOSs are used instead of the
In the enhancement type PMOS, when the differential input signals INP and INN having a voltage in the range of VDD to (VDD−Vth) are input, the absolute value | Vgs | of the gate-source voltage Vgs is smaller than Vth. Become. For this reason, both PMOSs are turned off at the same time, and the L level / H level of the differential input signal cannot be detected, and a signal cannot be transmitted to the
次に、本発明の場合、すなわちレベルシフタ12の入力段のPMOS20a,20bとしてネイティブPMOS(デプレッション型PMOS)を用いた場合を説明する。
ネイティブPMOSは、例えばスレッショルド電圧Vth≧0Vであり、ゲート・ソース間の電圧Vgs(=ゲート電圧Vg−ソース電圧Vs)≧0Vであってもオン状態となる。
レベルシフタ12の差動入力信号INP,INNはレールツーレールなので、同相入力電圧VicmがVDDに近い場合はゲート電圧Vg≧ソース電圧Vsとなる場合もある。つまり、ネイティブPMOS受け型にすると、Vth≧0Vであるから、Vgs≧0V、例えば、差動入力信号INPまたは、INNのLレベル=VDDであっても、ネイティブPMOS20a,20bはオン状態となる。
Next, the case of the present invention, that is, the case where a native PMOS (depletion type PMOS) is used as the
The native PMOS, for example, has a threshold voltage Vth ≧ 0 V, and is turned on even when the gate-source voltage Vgs (= gate voltage Vg−source voltage Vs) ≧ 0 V.
Since the differential input signals INP and INN of the
ここで、差動入力信号INP,INNは同相入力電圧Vicmを中心として、一方がHレベルの時、他方がLレベルとなるので、ゲートにLレベルが入力された側の入力段のネイティブPMOSが、Hレベルを入力された側の入力段のネイティブPMOSよりも強くオン(強くオンするほどオン抵抗が下がる)し、流れる電流Idも多くなる。従って、便宜上以下の説明では、Lレベルが入力された(より強くオンする側)入力段のネイティブPMOSをオンと表現し、他方のHレベルが入力された入力段のネイティブPMOSをオフと表現する。また、差動増幅回路14の入力段のNMOSも同様に表現する。
Here, the differential input signals INP and INN are centered on the common-mode input voltage Vicm, and when one is at the H level, the other is at the L level. Therefore, the native PMOS of the input stage on the side where the L level is input to the gate is The H level is turned on more strongly than the native PMOS of the input stage on the side to which the H level is inputted (on resistance is lowered as the power is turned on more strongly), and the flowing current Id is also increased. Therefore, for the sake of convenience, in the following description, the native PMOS of the input stage to which the L level is input (the more strongly turned on) is expressed as ON, and the native PMOS of the input stage to which the other H level is input is expressed as OFF. . The NMOS of the input stage of the
つまり、レベルシフタ12では、差動入力信号INP,INNとして、LレベルがVDDに近い電圧レベルで入力された場合であっても、ネイティブPMOS20a,20bの一方がオン、他方がオフとなるため、後段の差動増幅回路14に信号を伝えることができる。
That is, in the
例えば、レベルシフタ12の差動入力信号INPにLレベル、差動入力信号INNにHレベルが入力されると、ネイティブPMOS20aはオフ、ネイティブPMOS20bはオンとなる。ネイティブPMOS20aがオフになると、ネイティブPMOS20aのソースはHレベルとなり、差動増幅回路14のNMOS22aのゲート入力はHレベルとなる。また、ネイティブPMOS20bがオンになると、ネイティブPMOS20bのソースはLレベルとなり、差動増幅回路14のNMOS22bのゲート入力はLレベルとなる。
For example, when the L level is input to the differential input signal INP of the
差動増幅回路14は入力段のNMOS22a,22bにより、レベルシフタ12から出力される差動出力信号、すなわち差動入力信号INP,INNがレベルシフトされた後の信号の微少電位差を検出して、これを増幅出力する。
上記例のように、NMOS22aのゲート入力信号が高電位(Hレベル)(差動入力信号INNがHレベル)で、NMOS22bのゲート入力信号が低電位(Lレベル)(差動入力信号INPがLレベル)の時、NMOS22aがオン、NMOS22bがオフとなる。この時、NMOS22aのドレインはLレベル、NMOS22bのドレインはHレベルとなり、PMOS26bのドレインとNMOS22bのドレインとの間のノードから出力されるシングルエンド出力信号OUTはHレベルとなる。
The
As in the above example, the gate input signal of the
なお、差動入力信号INPがHレベル、差動入力信号INNがLレベルの時、レベルシフタ12および差動増幅回路14の動作は同様であり、ネイティブPMOS20aはオン、ネイティブPMOS20bはオフとなり、NMOS22aのゲート入力信号がLレベル、NMOS22bのゲート入力信号がHレベルとなり、シングルエンド出力信号OUTはLレベルとなる。
When the differential input signal INP is at the H level and the differential input signal INN is at the L level, the operations of the
差動増幅回路14に入力されるレベルシフタ12の差動出力信号は、差動入力信号INP,INNと比べてレベルがシフトされ、NMOS受け型である差動増幅回路14で増幅することができる。すなわち、レベルシフタ12の差動出力信号は、NMOS22a,22bの一方がオンとなり、他方がオフとなる範囲で出力される。レベルシフタ12の差動出力信号の電圧は、NMOS受け型の差動増幅回路14の入力電圧の許容範囲内となり、差動増幅回路14はレールツーレールの差動入力信号INP,INNを増幅出力することができる。
また、差動増幅回路14はNMOS受け型差動増幅回路であることから、つまり、NMOSおよびPMOS両受けではないため、トランスコンダクタンス(Gm)は一定であり、シングルエンド出力信号OUTの出力波形はゆがむことなく出力される。
The differential output signal of the
Further, since the
また、本発明は、図2に示す入力レールツーレール差動増幅回路50のように、レベルシフタ52の差動入力信号INP,INNを受けるMOSをネイティブNMOSとし、差動増幅回路54をPMOS受け型とすることもできる。入力レールツーレール差動増幅回路50の動作は、入力レールツーレール差動増幅回路10と同様であるから、繰り返しの説明は省略する。
Further, in the present invention, like the input rail-to-rail
なお、本発明において、第1および第2の型のMOSトランジスタはPMOSおよびNMOSのことであり、一方がPMOSである時、他方はNMOSであり、一方がNMOSである時、他方はPMOSである。 In the present invention, the first and second type MOS transistors are PMOS and NMOS. When one is PMOS, the other is NMOS, and when one is NMOS, the other is PMOS. .
以上、本発明の入力レールツーレール差動増幅回路について詳細に説明したが、本発明は、上記実施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、各種の改良や変更を行ってもよい。 As described above, the input rail-to-rail differential amplifier circuit of the present invention has been described in detail. However, the present invention is not limited to the above embodiment, and various improvements and modifications can be made without departing from the scope of the present invention. May be performed.
10,50 入力レールツーレール差動増幅回路
12,52 レベルシフタ
14,54 差動増幅回路
16,18 定電流源
20 ネイティブPMOS
22 NMOS
24,26 PMOS
10, 50 Input rail-to-rail
22 NMOS
24, 26 PMOS
Claims (1)
第2の型のMOSトランジスタにより、前記レベルシフタの出力を受けて増幅出力する差動増幅器とを備え、
前記第1の型のMOSトランジスタがネイティブMOSであることを特徴とする入力レールツーレール差動増幅回路。 A level shifter that receives a rail-to-rail small-amplitude differential signal and shifts the level of the small-amplitude differential signal by a first-type MOS transistor;
A differential amplifier that receives and amplifies and outputs the output of the level shifter by a second type MOS transistor;
An input rail-to-rail differential amplifier circuit, wherein the first type MOS transistor is a native MOS.
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2009
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