JP2011182229A - 差動増幅回路、表示パネルドライバ、及び、表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】消費電流の増大を抑制しながら、スルーレートが高い差動増幅回路を提供する。
【解決手段】差動増幅回路が、PMOS差動入力部101と、NMOS差動入力部102と、カレントミラー回路103、104と、PMOS出力トランジスタM115と、NMOS出力トランジスタM116と、フィードバック回路108を備えている。PMOS差動入力部101のバイアス電流は、PMOS出力トランジスタのゲート電位の低下に応じて増大され、NMOS差動入力部102のバイアス電流は、NMOS出力トランジスタのゲート電位の上昇に応じて増大される。フィードバック回路108は、NMOS出力トランジスタM116のゲート電位の低下を抑制するようにカレントミラー回路104にフィードバックを行い、PMOS出力トランジスタM115のゲート電位の上昇を抑制するようにカレントミラー回路103にフィードバックを行う。
【選択図】図1
【解決手段】差動増幅回路が、PMOS差動入力部101と、NMOS差動入力部102と、カレントミラー回路103、104と、PMOS出力トランジスタM115と、NMOS出力トランジスタM116と、フィードバック回路108を備えている。PMOS差動入力部101のバイアス電流は、PMOS出力トランジスタのゲート電位の低下に応じて増大され、NMOS差動入力部102のバイアス電流は、NMOS出力トランジスタのゲート電位の上昇に応じて増大される。フィードバック回路108は、NMOS出力トランジスタM116のゲート電位の低下を抑制するようにカレントミラー回路104にフィードバックを行い、PMOS出力トランジスタM115のゲート電位の上昇を抑制するようにカレントミラー回路103にフィードバックを行う。
【選択図】図1
Description
本発明は、差動増幅回路、及び、それを搭載する表示パネルドライバ、及び、表示装置に関する。
近年、パネル表示装置(例えば、液晶表示装置)の大画面化、高精細化が進んでおり、それに伴い、表示パネルを駆動するソースドライバには大きな容量負荷をより高速に駆動する能力が求められている。このためには、ソースドライバの出力段に用いられる差動増幅回路のスルーレートを向上することが必要になる。
その一方で、携帯電話その他のパネル表示装置を内蔵した携帯機器の市場においては、バッテリ駆動を延ばすための低消費電流駆動の要求が高まっている。パネル表示装置のソースドライバにおいては、表示パネルのサイズに応じ数十基から数百基の差増増幅回路が使用されるため、差動増幅回路1基あたりの消費電流を下げることは重要である。
高スルーレートを実現するための一つの手法は、差動増幅回路の入力段の差動対に供給されるバイアス電流を増大させることである。バイアス電流を増大させると、差動対の各トランジスタの相互コンダクタンスgmが増大し、高いスルーレートを実現することができる。しかしながら、この手法は、差動増幅回路の消費電流を増大してしまう問題がある。
消費電流の増大を抑制しながら高スルーレートを実現するための手法の一つは、反転入力信号と正転入力信号の信号レベルの大小関係が入れ替わる場合にのみ選択的に入力段の差動対に供給されるバイアス電流を増大させることである。このような構成の差動増幅回路が、特開2001−156559号公報に開示されている。
図6は、特開2001−156559号公報に開示されている差動増幅回路の構成を示す回路図である。図6の差動増幅回路は、PMOS差動入力部1と、NMOS差動入力部2と、カレントミラー回路3、4と、プッシュプル出力段5と、PMOS副電流源6と、NMOS副電流源7とを備えている。
PMOS差動入力部1は、PMOSトランジスタM1、M2、M3を備えている。PMOSトランジスタM2、M3は、ソースが共通に接続されており、差動トランジスタ対を構成している。PMOSトランジスタM2のゲートは反転入力In−に接続されており、PMOSトランジスタM3のゲートは、非反転入力In+に接続されている。PMOSトランジスタM1は、バイアス電圧Vb1がゲートに供給されており、バイアス電流をPMOSトランジスタM2、M3に供給する。PMOSトランジスタM2、M3からのPMOS差動入力部1の出力は、カレントミラー回路4に入力される。
一方、NMOS差動入力部2は、NMOSトランジスタM4、M5、M6を備えている。NMOSトランジスタM4、M5は、ソースが共通に接続されており、差動トランジスタ対を構成している。NMOSトランジスタM4のゲートは反転入力In−に接続されており、NMOSトランジスタM5のゲートは、非反転入力In+に接続されている。NMOSトランジスタM6は、バイアス電圧Vb2がゲートに供給されており、バイアス電流をNMOSトランジスタM4、M5に供給する。NMOSトランジスタM4、M5からのNMOS差動入力部2の出力は、カレントミラー回路3に入力されている。
カレントミラー回路3は、PMOSトランジスタM7、M8、M9、M10を備えており、PMOSトランジスタM9、M10のゲートには、バイアス電圧Vb3が供給される。一方、カレントミラー回路4は、NMOSトランジスタM11、M12、M13、M14を備えており、NMOSトランジスタM11、M12のゲートにはバイアス電圧Vb3が供給される。カレントミラー回路3とカレントミラー回路4とは抵抗素子R1、R2で接続されている。抵抗素子R1、R2は、MOSトランジスタなどでも構成できる。
プッシュプル出力段5は、PMOS出力トランジスタM15とNMOS出力トランジスタM16とを備えており、出力端子Voutに接続されている。PMOS出力トランジスタM15のゲートはPMOSトランジスタM10と抵抗器R2の一端との接続ノードに接続され、プッシュプル出力段5のNMOS出力トランジスタM16のゲートはNMOSトランジスタM12と抵抗器R2の他端との接続点に接続されている。加えて、出力端子VoutとPMOSトランジスタM10のソースの間に位相補償容量C1が接続され、出力端子VoutとNMOSトランジスタM12のソースの間に位相補償容量C2が接続されている。
PMOS副電流源6は、PMOS出力トランジスタM15のゲート電圧がゲートに入力されているPMOS副電流源トランジスタM18を備えている。PMOS副電流源6は、PMOS差動入力部1のPMOSトランジスタM1に並列に接続されている。同様に、NMOS副電流源7は、プッシュプル出力段5のNMOS出力トランジスタM16のゲート電圧がゲートに入力されているNMOS副電流源トランジスタM19を備えている。NMOS副電流源7は、NMOS差動入力部2のNMOSトランジスタM6に並列に接続されている。
図6において、符号CLは、プッシュプル出力段5の出力端子Voutに接続された外部負荷を表わしており、符号Vddは正電源線、符号Vssは負電源線を表わしている。
図6の差動増幅回路は、下記のように動作することにより、消費電流の増加を抑制しながら、高い出力スルーレートを実現している。定常状態から非反転入力電圧Vin+が反転入力電圧Vin−より高い状態に変化すると、PMOS副電流源トランジスタM18がオンしてPMOS副電流源6が動作する。これにより、PMOS差動入力部1のバイアス電流が一時的に増加する。同様に、定常状態から非反転入力電圧Vin+が反転入力電圧Vin−より低い状態に変化すると、NMOS副電流源トランジスタM19がオンしNMOS副電流源7が動作する。これにより、NMOS差動入力部2のバイアス電流が一時的に増加する。いずれの場合でも、非反転入力電圧Vin+及び反転入力電圧Vin−に変動があった場合に一時的にバイアス電流を増加させることで、高いスルーレートを実現している。その一方で、バイアス電流の増加は一時的であるため、消費電流の増加は抑制される。
しかしながら、図6の差動増幅回路の構成においても、消費電流の増大の問題は解消されない。これは、PMOS差動入力部1又はNMOS差動入力部2の電流が増加したときの位相余裕を確保するためには、プッシュプル出力段5に大きな電流を流す必要があるためである。上述のように、定常状態から非反転入力電圧Vin+が反転入力電圧Vin−より高い電圧の状態に変化する、又は定常状態から非反転入力電圧Vin+が反転入力電圧Vin−より低い電圧の状態に変化すると、PMOS副電流源6またはNMOS副電流源7がオンしてPMOS差動入力部1、またはNMOS差動入力部2のバイアス電流が増加する。PMOS差動入力部1又はNMOS差動入力部2のバイアス電流が増加すると、位相余裕が低下し、差動増幅回路の安定性が悪くなる。このときに差動増幅回路が安定動作から外れることを回避するためには、予めプッシュプル出力段5に流す電流を大きくしておく必要があり、低消費電流駆動が困難になる。以下では、図6の差動増幅回路の安定性と、プッシュプル出力段5に流す電流の増大の必要性について議論する。
図7は、図6の差動増幅回路の周波数特性の模式図であり、電圧利得の角周波数特性と位相遅れの角周波数特性を表している。差動増幅回路の周波数特性は、ファーストポール周波数|ωp1|とセカンドポール周波数|ωp2|とユニティーゲイン周波数ωuで表すことができる。例えば、差動増幅回路の電圧利得Adcと位相遅れの関係は、ファーストポール周波数|ωp1|の前後で90°の位相遅れが発生し、更にセカンドポール周波数|ωp2|の前後でも90°の位相遅れが発生する。差動増幅回路は、ユニティーゲイン周波数ωuの時の位相遅れが少ないほど安定するので、差動増幅回路を設計する場合は、なるべく位相遅れを少なくし、位相余裕を大きくする必要がある。ここで、位相余裕とは、180°から位相遅れ分を引いた値である。
セカンドポール周波数|ωp2|、及びユニティーゲイン周波数ωuは、次式で表すことができる:
|ωp2|=gm6/C2 ・・・式(1)
ωu=gm1/Cc ・・・式(2)
ここでgm1は、図6のPMOSトランジスタM2、M3又はNMOSトランジスタM4、M5の相互コンダクタンスgmであり、gm6はPMOS出力トランジスタM15又はNMOS出力トランジスタM16の相互コンダクタンスgmである。また、Ccは、図6の位相補償容量C1、C2の容量値であり、式(2)のC2は外部負荷CLの容量値である。MOSトランジスタの相互コンダクタンスgmは、MOSトランジスタに流れる電流量の平方根に比例する。
|ωp2|=gm6/C2 ・・・式(1)
ωu=gm1/Cc ・・・式(2)
ここでgm1は、図6のPMOSトランジスタM2、M3又はNMOSトランジスタM4、M5の相互コンダクタンスgmであり、gm6はPMOS出力トランジスタM15又はNMOS出力トランジスタM16の相互コンダクタンスgmである。また、Ccは、図6の位相補償容量C1、C2の容量値であり、式(2)のC2は外部負荷CLの容量値である。MOSトランジスタの相互コンダクタンスgmは、MOSトランジスタに流れる電流量の平方根に比例する。
ここで、定常状態から非反転入力電圧Vin+が反転入力電圧Vin−より高い状態になった場合、低い電圧の状態になった場合のいずれにおいても、ユニティーゲイン周波数ωuが高くなる。詳細には、定常状態から非反転入力電圧Vin+が反転入力電圧Vin−より高い状態、又は低い状態に変化すると、PMOS差動入力部1、又はNMOS差動入力部2のバイアス電流が大きくなる。これにより、PMOSトランジスタM2、M3又はNMOSトランジスタM4、M5の相互コンダクタンスgmが増加し、言い換えれば、式(2)のgm1が増加する。式(2)のgm1が増加すると、ユニティーゲイン周波数ωuが高くなる。
一方、定常状態から非反転入力電圧Vin+が反転入力電圧Vin−より高い電圧、または低い電圧の状態に変化すると、セカンドポール周波数|ωp2|は低くなる。まず、定常状態から非反転入力電圧Vin+が反転入力電圧Vin−より高い状態に変化すると、PMOSトランジスタM2の電流が増加し、NMOSトランジスタM13のドレイン電圧が上昇し、更にNMOSトランジスタM11のドレイン電圧及びNMOSトランジスタM13、M14のゲート電圧が上昇する。これにより、NMOS出力トランジスタM16のゲート電圧が低下し、NMOS出力トランジスタM16に流れる電流が減少する。一方、定常状態から非反転入力電圧Vin+が反転入力電圧Vin−より低い状態に変化するときは、NMOSトランジスタM4の電流が増加し、PMOSトランジスタM7のドレイン電圧が低下し、更にPMOSトランジスタM9のドレイン電圧及びPMOSトランジスタM7、M8のゲート電圧が低下する。これにより、PMOS出力トランジスタM15のゲート電圧が上昇し、PMOS出力トランジスタM15に流れる電流が減少する。このように、定常状態から非反転入力電圧Vin+が反転入力電圧Vin−より高い状態、または低い状態のいずれに変化しても、PMOS出力トランジスタM15又はNMOS出力トランジスタM16に流れる電流が減少するので、PMOS出力トランジスタM15、又はNMOS出力トランジスタM16の相互コンダクタンスgmが下がる。したがって、式(1)から理解されるように、セカンドポール周波数|ωp2|は低くなる。
このように、定常状態から非反転入力電圧Vin+が反転入力電圧Vin−より高い電圧、または低い電圧の状態に変化すると、ユニティーゲイン周波数ωuが高くなり、セカンドポール周波数|ωp2|が低くなり、図7から理解されるように位相余裕が小さくなる。このような特性を有する図6の演算増幅回路では、安定性劣化を抑えるために予めセカンドポール周波数|ωp2|を高くする必要があり、定常状態時におけるプッシュプル出力段5の電流を小さくできない。
本発明の一の観点においては、差動増幅回路が、非反転入力及び反転入力にゲートがそれぞれに接続された一対のPMOSトランジスタを備える第1差動トランジスタ対と、第1差動トランジスタ対に第1バイアス電流を供給する第1定電流源部と、非反転入力及び反転入力にゲートがそれぞれに接続された一対のNMOSトランジスタを備える第2差動トランジスタ対と、第2差動トランジスタ対に第2バイアス電流を供給する第2定電流源部と、第1差動トランジスタ対に接続された第1カレントミラー回路と、第2差動トランジスタ対に接続された第2カレントミラー回路と、正電源線と出力端子の間に接続され、第1カレントミラー回路の出力にゲートが接続されたPMOS出力トランジスタと、負電源線と出力端子の間に接続され、第2カレントミラー回路の出力にゲートが接続されたNMOS出力トランジスタとを具備する。第1定電流源部は、PMOS出力トランジスタのゲート電位の低下に応じて第1バイアス電流を増大するように構成され、第2定電流源部は、NMOS出力トランジスタのゲート電位の上昇に応じて第2バイアス電流を増大するように構成される。フィードバック回路は、NMOS出力トランジスタのゲート電位の低下に応答して、NMOS出力トランジスタのゲート電位の低下を抑制するように第1カレントミラー回路にフィードバックを行い、PMOS出力トランジスタのゲート電位の上昇に応答して、PMOS出力トランジスタのゲート電位の上昇を抑制するように第2カレントミラー回路にフィードバックを行う。
本発明によれば、消費電流の増大を抑制しながら、スルーレートが高い差動増幅回路を提供できる。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態の差動増幅回路の構成を示す回路図である。
図1の差動増幅回路は、PMOS差動入力部101と、NMOS差動入力部102と、カレントミラー回路103、104と、抵抗器R101、R102と、プッシュプル出力段105と、PMOS副電流源106と、NMOS副電流源107と、フィードバック回路108とを備えている。
図1は、本発明の第1の実施形態の差動増幅回路の構成を示す回路図である。
図1の差動増幅回路は、PMOS差動入力部101と、NMOS差動入力部102と、カレントミラー回路103、104と、抵抗器R101、R102と、プッシュプル出力段105と、PMOS副電流源106と、NMOS副電流源107と、フィードバック回路108とを備えている。
PMOS差動入力部101は、PMOSトランジスタM101、M102、M103を備えている。PMOSトランジスタM102、M103は、そのソースが共通に接続されており、PMOS差動トランジスタ対を構成している。PMOSトランジスタM102のゲートは非反転入力(+)に、PMOSトランジスタM103のゲートは反転入力(−)に接続されている。PMOSトランジスタM101は、バイアス端子Vb101にゲートが接続されており、PMOSトランジスタM102、M103の共通接続ソースにバイアス電流を供給する定電流源として動作する。
NMOS差動入力部102は、NMOSトランジスタM104、M105、M106を備えている。NMOSトランジスタM104、M105は、そのソースが共通に接続されており、NMOS差動トランジスタ対を構成している。NMOSトランジスタM104のゲートは非反転入力(+)に、NMOSトランジスタM105のゲートは反転入力(−)に接続されている。NMOSトランジスタM106は、バイアス端子Vb102にゲートが接続されており、NMOSトランジスタM104、M105の共通接続ソースからバイアス電流を引き出す定電流源として動作する。
カレントミラー回路103は、PMOSトランジスタM107、M108、M109、M110を備えている。PMOSトランジスタM107、M108は、そのソースが正電源線Vddに共通に接続され、ゲートがPMOSトランジスタM109のドレインに共通に接続されている。PMOSトランジスタM109、M110は、そのソースがそれぞれPMOSトランジスタM107、M108のドレインに接続され、ゲートは、バイアス端子Vb103に共通に接続されている。
一方、カレントミラー回路104は、NMOSトランジスタM111、M112、M113、M114を備えている。NMOSトランジスタM113、M114は、そのソースが負電源線Vssに共通に接続され、ゲートがNMOSトランジスタM111のドレインに共通に接続されている。NMOSトランジスタM111、M112は、そのソースがそれぞれNMOSトランジスタM113、M114のドレインに接続され、ゲートは、バイアス端子Vb104に共通に接続されている。
抵抗器R101、R102は、カレントミラー回路103、104の間に接続されており、カレントミラー回路103、104の負荷として機能する。なお、抵抗器R101、R102の代わりに、MOSトランジスタで構成された負荷(例えば、浮遊電流源)を使用することも可能である。
プッシュプル出力段105は、PMOS出力トランジスタM115とNMOS出力トランジスタM116とを備えている。PMOS出力トランジスタM115は、ソースが正電源線Vddに接続され、ドレインが出力端子Voutに接続されている。NMOS出力トランジスタM116は、ソースが負電源線Vssに接続され、ドレインが出力端子Voutに接続されている。PMOS出力トランジスタM115のゲートは、カレントミラー回路103のPMOSトランジスタM110のドレイン(即ち、抵抗器R102の一端)に接続され、NMOS出力トランジスタM116のゲートは、カレントミラー回路104のNMOSトランジスタM112のドレイン(即ち、抵抗器R102の他端)に接続されている。
PMOS副電流源106は、PMOSトランジスタM101と並列に接続されたPMOS副電流源トランジスタM120を備えている。PMOS副電流源トランジスタM120は、ゲートがPMOS出力トランジスタM115のゲートと共通に接続され、ドレインがPMOSトランジスタM102、M103の共通接続ソースに接続されている。
NMOS副電流源107は、NMOSトランジスタM106と並列に接続されたNMOS副電流源トランジスタM121を備えている。NMOS副電流源トランジスタM121は、ゲートがNMOS出力トランジスタM116のゲートと共通に接続され、ドレインがNMOSトランジスタM104、M105の共通接続ソースに接続されている。
フィードバック回路108は、PMOS出力トランジスタM115のゲート電位の上昇に応答してカレントミラー回路103の出力端子(PMOSトランジスタM110のドレイン)の電位を低下させるようにカレントミラー回路103にフィードバックを行うように構成され、また、NMOS出力トランジスタM116のゲート電位が低下したときにカレントミラー回路104の出力端子(NMOSトランジスタM112のドレイン)の電位を上昇させるようにカレントミラー回路103にフィードバックを行うように構成されている。
具体的には、本実施形態では、フィードバック回路108がPMOSトランジスタM150、M160、M152、NMOSトランジスタM151、M161、M162を備えている。PMOSトランジスタM150とNMOSトランジスタM151は、そのゲートがそれぞれPMOS出力トランジスタM115及びNMOS出力トランジスタM116のゲートに接続され、ドレインが共通に接続されている。PMOSトランジスタM160とNMOSトランジスタM161は、そのゲートがそれぞれPMOS出力トランジスタM115及びNMOS出力トランジスタM116のゲートに接続され、ドレインが共通に接続されている。PMOSトランジスタM152は、そのゲートがPMOSトランジスタM150及びNMOSトランジスタM151の共通接続ドレインに接続され、ドレインがカレントミラー回路103内のPMOSトランジスタM109のドレインに接続され、ソースがPMOSトランジスタM109のソース電極に接続されている。更に、NMOSトランジスタM162は、そのゲートがPMOSトランジスタM160及びNMOSトランジスタM161の共通接続ドレインに接続され、ドレインがカレントミラー回路104内のNMOSトランジスタM111のドレインに接続され、ソースがNMOSトランジスタM111のソースに接続されている。
位相補償容量C101は、カレントミラー回路103のPMOSトランジスタM110のソースと出力端子Voutの間に接続され、位相補償容量C102は、カレントミラー回路104のNMOSトランジスタM112のソースと出力端子Voutの間に接続されている。外部負荷CLは、プッシュプル出力段105の出力端子Voutに接続される。
本実施形態の差動増幅回路では、定常状態(非反転入力電圧Vin+と反転入力電圧Vin−が等しい状態)から非反転入力電圧Vin+が反転入力電圧Vin−より高い状態に変化するとPMOS副電流源トランジスタM120が動作し、PMOS差動入力部101のバイアス電流が一時的に増加する。これにより、スルーレートが有効に向上する。このとき、PMOSトランジスタM160とNMOSトランジスタM161の共通接続ドレインの電位が上昇し、これに応答してNMOSトランジスタM162がオンする。NMOSトランジスタM162のオンにより、NMOSトランジスタM111のソース−ドレイン間をショートすることでNMOSトランジスタM113とNMOSトランジスタM114のゲート電位の上昇が抑えられる。これにより、NMOS出力トランジスタM116のゲート電位の低下を抑え、NMOS出力トランジスタM116の電流減少が抑えられる。
また、定常状態から非反転入力電圧Vin+が反転入力電圧Vin−より低い状態に変化するときは、NMOS副電流源トランジスタM121が動作し、NMOS差動入力部102のバイアス電流が一時的に増加する。これにより、スルーレートが有効に向上される。このとき、PMOSトランジスタM150とNMOSトランジスタM151の共通接続ドレインの電位が上昇し、PMOSトランジスタM152がオンする。PMOSトランジスタM152がオンしてPMOSトランジスタM109をショートすることでPMOSトランジスタM107とPMOSトランジスタM108のゲート電位の低下が抑えられる。これにより、NMOS出力トランジスタM116のゲート電位の上昇を抑え、PMOS出力トランジスタM115の電流減少が抑えられる。
いずれの場合においても、図1の差動増幅回路では、PMOS出力トランジスタM115、NMOS出力トランジスタM116の電流減少が抑えられる。これは、PMOS出力トランジスタM115、NMOS出力トランジスタM116の相互コンダクタンスgmの減少を抑制してセカンドポール周波数|ωp2|の低下を抑制し、位相余裕を増大するために有効である。これは、プッシュプル出力段105の電流を予め大きくしておく必要性をなくし、差動増幅回路の消費電流を小さくするために有効である。以下では、PMOS出力トランジスタM115、NMOS出力トランジスタM116の電流の減少の抑制により、位相余裕を増大できることを詳細に説明する。
図2は、図1の演算増幅回路の電圧利得及び位相遅れの角周波数特性の概要を示すグラフである。前述したように、セカンドポール周波数|ωp2|、及びユニティーゲイン周波数ωuは、式(1)と式(2)で表すことができる。ここで、gm1が図1のPMOSトランジスタM102、M103またはNMOSトランジスタM104、M105の相互コンダクタンスgmに相当し、gm6はPMOS出力トランジスタM115又はNMOS出力トランジスタM116の相互コンダクタンスgmに相当する。Ccは、図1の位相補償容量C101、C102の容量値に相当し、式(1)のC2は外部負荷CLの容量値に相当する。
本実施形態では、非反転入力電圧Vin+が反転入力電圧Vin−より高い電圧の状態に変化するときでも、NMOS出力トランジスタM116の電流減少を抑えることができ、非反転入力電圧Vin+が反転入力電圧Vin−より低い電圧の状態に変化するときでも、PMOS出力トランジスタM115の電流減少を抑えることができる。したがって、PMOS出力トランジスタM115、NMOS出力トランジスタM116の相互コンダクタンスgmの低下、即ち、式(1)のgm6の低下を抑えることができる。従って、定常状態から非反転入力電圧Vin+が反転入力電圧Vin−より高い電圧、または低い電圧の状態に変化するときは、セカンドポール周波数|ωp2|の低下を抑えることができる、図2と図6の比較から理解されるように、セカンドポール周波数|ωp2|の低下を抑制できれば、位相余裕の減少を抑えることができる。位相余裕の減少の抑制が、プッシュプル出力段105の電流を予め大きくしておく必要性をなくし、差動増幅回路の消費電流を小さくするために有効であることは上述したとおりである。
ここで、PMOS出力トランジスタM115、NMOS出力トランジスタM116、PMOSトランジスタM150、NMOSトランジスタM151、PMOSトランジスタM160、NMOSトランジスタM161のそれぞれのゲート幅−ゲート長比W/L(ゲート長に対するゲート幅の比)を、下記の式(3)、式(4)の関係を満足するように選択すると、定常状態時でのPMOSトランジスタM152とNMOSトランジスタM162に流れる電流を0にすることができる:
W/L(M115)/W/L(M116)<W/L(M150)/W/L(M151),・・・(3)
W/L(M115)/W/L(M116)>W/L(M160)/W/L(M161),・・・(4)
ここで、W/L(M115)、W/L(M116)、W/L(M150)、W/L(M151)、W/L(M160)、W/L(M161)は、それぞれ、PMOS出力トランジスタM115、NMOS出力トランジスタM116、PMOSトランジスタM150、NMOSトランジスタM151、PMOSトランジスタM160、NMOSトランジスタM161のゲート幅−ゲート長比である。式(3)、式(4)を満足するようなW/L比の選択は、定常状態での消費電流を低減するために有効である。
W/L(M115)/W/L(M116)<W/L(M150)/W/L(M151),・・・(3)
W/L(M115)/W/L(M116)>W/L(M160)/W/L(M161),・・・(4)
ここで、W/L(M115)、W/L(M116)、W/L(M150)、W/L(M151)、W/L(M160)、W/L(M161)は、それぞれ、PMOS出力トランジスタM115、NMOS出力トランジスタM116、PMOSトランジスタM150、NMOSトランジスタM151、PMOSトランジスタM160、NMOSトランジスタM161のゲート幅−ゲート長比である。式(3)、式(4)を満足するようなW/L比の選択は、定常状態での消費電流を低減するために有効である。
(第2の実施形態)
図3は、本発明の第2の実施形態の差動増幅回路の構成を示す回路図である。
第2の実施形態の差動増幅回路は、第1の実施形態の差動増幅回路(図1)のフィードバック回路108に、PMOSトランジスタM153とNMOSトランジスタM163を追加した構成を有している。PMOSトランジスタM153は、そのゲートがPMOSトランジスタM150、及びNMOSトランジスタM151の共通接続ドレインに接続され、ドレインがPMOSトランジスタM110のドレインに接続され、ソースがPMOSトランジスタM110のソースに接続されている。NMOSトランジスタM163は、そのゲートがPMOSトランジスタM160、及びNMOSトランジスタM161の共通接続ドレインに接続され、ドレインがNMOSトランジスタM112のドレインに接続され、ソースがNMOSトランジスタM112のソースに接続されている。
図3は、本発明の第2の実施形態の差動増幅回路の構成を示す回路図である。
第2の実施形態の差動増幅回路は、第1の実施形態の差動増幅回路(図1)のフィードバック回路108に、PMOSトランジスタM153とNMOSトランジスタM163を追加した構成を有している。PMOSトランジスタM153は、そのゲートがPMOSトランジスタM150、及びNMOSトランジスタM151の共通接続ドレインに接続され、ドレインがPMOSトランジスタM110のドレインに接続され、ソースがPMOSトランジスタM110のソースに接続されている。NMOSトランジスタM163は、そのゲートがPMOSトランジスタM160、及びNMOSトランジスタM161の共通接続ドレインに接続され、ドレインがNMOSトランジスタM112のドレインに接続され、ソースがNMOSトランジスタM112のソースに接続されている。
第2の実施形態の差動増幅回路は、本質的には第1の実施形態と同じ動作を行い、したがって、位相余裕の低下を抑制できる利点が得られる。これが、プッシュプル出力段105の電流を予め大きくしておく必要性がなくし、差動増幅回路の消費電流を小さくするために有効であることは、上述されている通りである。
加えて、第2の実施形態では、カレントミラー回路103、104に対するMOSトランジスタの接続が対称的になるためカレントミラー特性が向上し、差動増幅回路のオフセット電圧が小さい出力を得ることができる。
(第3の実施形態)
図4は、本発明の第3の実施形態の差動増幅回路の構成を示す回路図である。
第3の実施形態の差動増幅回路では、フィードバック回路108の構成が第1及び第2の実施形態の差動増幅回路から変更されている。具体的には、NMOSトランジスタM151のゲートが、NMOS出力トランジスタM116のゲートの代わりにバイアス端子Vb151に接続されている。NMOSトランジスタM151のゲートには、バイアス端子Vb151から所定のバイアス電圧が供給される。同様に、PMOSトランジスタM160のゲートが、PMOS出力トランジスタM115のゲートの代わりにバイアス端子Vb152に接続されている。PMOSトランジスタM160のゲートには、バイアス端子Vb152から所定のバイアス電圧が供給される。この場合、NMOSトランジスタM151が、単に、PMOSトランジスタM150と負電源線Vssの間に接続された負荷として動作し、また、PMOSトランジスタM160が、単に、NMOSトランジスタM161と正電源線Vddの間に接続された負荷として動作する。
図4は、本発明の第3の実施形態の差動増幅回路の構成を示す回路図である。
第3の実施形態の差動増幅回路では、フィードバック回路108の構成が第1及び第2の実施形態の差動増幅回路から変更されている。具体的には、NMOSトランジスタM151のゲートが、NMOS出力トランジスタM116のゲートの代わりにバイアス端子Vb151に接続されている。NMOSトランジスタM151のゲートには、バイアス端子Vb151から所定のバイアス電圧が供給される。同様に、PMOSトランジスタM160のゲートが、PMOS出力トランジスタM115のゲートの代わりにバイアス端子Vb152に接続されている。PMOSトランジスタM160のゲートには、バイアス端子Vb152から所定のバイアス電圧が供給される。この場合、NMOSトランジスタM151が、単に、PMOSトランジスタM150と負電源線Vssの間に接続された負荷として動作し、また、PMOSトランジスタM160が、単に、NMOSトランジスタM161と正電源線Vddの間に接続された負荷として動作する。
しかしながら、第3の実施形態の差動増幅回路の動作は、第1及び第2の実施形態と本質的には同じであり、位相余裕の低下を抑制できる利点が得られる。これがプッシュプル出力段105の電流を予め大きくしておく必要性をなくして差動増幅回路の消費電流を小さくするために有効であることは、上述されている通りである。
加えて、第3の実施形態では、PMOS出力トランジスタM115とNMOS出力トランジスタM116のゲートに接続されるMOSトランジスタが減ることで当該ゲートに接続される配線の寄生容量が少なくなり、より高速な応答スピードを得られる。なお、第3の実施形態の差動増幅回路においても、第2の実施形態と同様に、フィードバック回路108がPMOSトランジスタM153、NMOSトランジスタM163を追加的に備える構成を採用してもよい。
(差動増幅回路の好適な応用)
上述された差動増幅回路は、液晶表示装置においてLCD(liquid crystal display)パネルのデータ線を駆動するソースドライバの出力アンプとして適している。図5は、ソースドライバに上述の演算増幅回路が適用された液晶表示装置111の概略的な構成の例を示すブロック図である。液晶表示装置111は、LCDコントローラ112と、ソースドライバ113と、走査線ドライバ114と、LCDパネル115とを備えている。LCDコントローラ112は、ソースドライバ113に、LCDパネル115の各画素の階調を指定する表示データを供給する。ソースドライバ113は、該表示データに応答して、LCDパネル115のデータ線(信号線)を駆動する。走査線ドライバ114は、LCDパネル115の走査線を駆動する。LCDパネル115は、データ線と走査線とが交差する位置のそれぞれに画素を備えており、表示データに対応する画像を表示する。
上述された差動増幅回路は、液晶表示装置においてLCD(liquid crystal display)パネルのデータ線を駆動するソースドライバの出力アンプとして適している。図5は、ソースドライバに上述の演算増幅回路が適用された液晶表示装置111の概略的な構成の例を示すブロック図である。液晶表示装置111は、LCDコントローラ112と、ソースドライバ113と、走査線ドライバ114と、LCDパネル115とを備えている。LCDコントローラ112は、ソースドライバ113に、LCDパネル115の各画素の階調を指定する表示データを供給する。ソースドライバ113は、該表示データに応答して、LCDパネル115のデータ線(信号線)を駆動する。走査線ドライバ114は、LCDパネル115の走査線を駆動する。LCDパネル115は、データ線と走査線とが交差する位置のそれぞれに画素を備えており、表示データに対応する画像を表示する。
ソースドライバ113は、D/A変換回路116と出力回路117とを備えている。D/A変換回路116は、表示データに対応する階調電圧を出力する。出力回路117は、上述の差動増幅回路100を備えている。差動増幅回路100は、図1、図3、図4のいずれの構成であってもよい。差動増幅回路100のそれぞれは、その出力端子が一方の入力端子(例えば、反転入力端子In−)に接続されており、ボルテッジフォロアとして動作する。差動増幅回路100は、D/A変換回路116から受け取った階調電圧に対応する駆動電圧を対応するデータ線に出力する。これにより、LCDパネル115の各画素が駆動される。ここではLCDパネルを駆動するソースドライバに差動増幅回路100が適用された液晶表示装置について言及されているが、本発明が容量負荷として機能する他の表示パネルのデータ線(信号線)を駆動する表示パネルドライバに適用可能であることは、当業者には自明的であろう。
1:PMOS差動入力部
2:NMOS差動入力部
3、4:カレントミラー回路
5:プッシュプル出力段
6:PMOS副電流源
7:NMOS副電流源
M1、M2、M3、M7、M8、M9、M10:PMOSトランジスタ
M15:PMOS出力トランジスタ
M18:PMOS副電流源トランジスタ
M4、M5、M6、M11、M12、M13、M14:NMOSトランジスタ
M16:NMOS出力トランジスタ
M19:NMOS副電流源トランジスタ
101:PMOS差動入力部
102:NMOS差動入力部
103、104:カレントミラー回路
105:プッシュプル出力段
106:PMOS副電流源
107:NMOS副電流源
108:フィードバック回路
100:差動増幅回路
111:液晶表示装置
112:LCDコントローラ
113:ソースドライバ
114:走査線ドライバ
115:LCDパネル
116:D/A変換回路
117:出力回路
M101、M102、M103、M107、M108、M109、M110、M118、M150、M152、M153、M160:PMOSトランジスタ
M115:PMOS出力トランジスタ
M120:PMOS副電流源トランジスタ
M104、M105、M106、M111、M112、M113、M114、M119、M151、M161、M162、M163:NMOSトランジスタ
M116:NMOS出力トランジスタ
M121:NMOS副電流源トランジスタ
2:NMOS差動入力部
3、4:カレントミラー回路
5:プッシュプル出力段
6:PMOS副電流源
7:NMOS副電流源
M1、M2、M3、M7、M8、M9、M10:PMOSトランジスタ
M15:PMOS出力トランジスタ
M18:PMOS副電流源トランジスタ
M4、M5、M6、M11、M12、M13、M14:NMOSトランジスタ
M16:NMOS出力トランジスタ
M19:NMOS副電流源トランジスタ
101:PMOS差動入力部
102:NMOS差動入力部
103、104:カレントミラー回路
105:プッシュプル出力段
106:PMOS副電流源
107:NMOS副電流源
108:フィードバック回路
100:差動増幅回路
111:液晶表示装置
112:LCDコントローラ
113:ソースドライバ
114:走査線ドライバ
115:LCDパネル
116:D/A変換回路
117:出力回路
M101、M102、M103、M107、M108、M109、M110、M118、M150、M152、M153、M160:PMOSトランジスタ
M115:PMOS出力トランジスタ
M120:PMOS副電流源トランジスタ
M104、M105、M106、M111、M112、M113、M114、M119、M151、M161、M162、M163:NMOSトランジスタ
M116:NMOS出力トランジスタ
M121:NMOS副電流源トランジスタ
Claims (10)
- 非反転入力及び反転入力にゲートがそれぞれに接続された一対のPMOSトランジスタを備える第1差動トランジスタ対と、
前記第1差動トランジスタ対に第1バイアス電流を供給する第1定電流源部と、
前記非反転入力及び前記反転入力にゲートがそれぞれに接続された一対のNMOSトランジスタを備える第2差動トランジスタ対と、
前記第2差動トランジスタ対に第2バイアス電流を供給する第2定電流源部と、
前記第1差動トランジスタ対に接続された第1カレントミラー回路と、
前記第2差動トランジスタ対に接続された第2カレントミラー回路と、
正電源線と出力端子の間に接続され、前記第1カレントミラー回路の出力にゲートが接続されたPMOS出力トランジスタと、
負電源線と前記出力端子の間に接続され、前記第2カレントミラー回路の出力にゲートが接続されたNMOS出力トランジスタ
とを具備し、
前記第1定電流源部は、前記PMOS出力トランジスタのゲート電位の低下に応じて前記第1バイアス電流を増大するように構成され、
前記第2定電流源部は、前記NMOS出力トランジスタのゲート電位の上昇に応じて前記第2バイアス電流を増大するように構成され、
前記フィードバック回路は、前記NMOS出力トランジスタのゲート電位の低下に応答して、前記NMOS出力トランジスタのゲート電位の低下を抑制するように前記第1カレントミラー回路にフィードバックを行い、前記PMOS出力トランジスタのゲート電位の上昇に応答して、前記PMOS出力トランジスタのゲート電位の上昇を抑制するように前記第2カレントミラー回路にフィードバックを行う
差動増幅回路。 - 請求項1に記載の差動増幅回路であって、
前記第2カレントミラー回路は、
ソースが前記正電源線に共通に接続され、ゲートが共通に接続された第1及び第2PMOSトランジスタと、
ソースが前記第1及び第2PMOSトランジスタのドレインにそれぞれに接続され、ゲートが共通に接続された第3及び第4PMOSトランジスタ
とを備え、
前記第1及び第2PMOSトランジスタのゲートが前記第3PMOSトランジスタのドレインに接続され、
前記一対のNMOSトランジスタのソースが前記第1及び第2PMOSトランジスタのドレインにそれぞれに接続され、
前記第4PMOSトランジスタのドレインが前記PMOS出力トランジスタのゲートに接続され、
前記フィードバック回路は、
ゲートが前記PMOS出力トランジスタのゲートに接続され、ソースが前記正電源線に接続された第5PMOSトランジスタと、
ゲートが前記第5PMOSトランジスタのドレインに接続され、ソースが前記第3PMOSトランジスタのソースに接続され、ドレインが前記第3PMOSトランジスタのドレインに接続された第6PMOSトランジスタ
とを備える
差動増幅回路。 - 請求項2に記載の差動増幅回路であって、
前記フィードバック回路が、更に、ゲートが前記第1PMOSトランジスタのドレインに接続され、ソースが前記第4PMOSトランジスタのソースに接続され、ドレインが前記第4PMOSトランジスタのドレインに接続された第7PMOSトランジスタを備える
差動増幅回路。 - 請求項1乃至3のいずれかに記載の差動増幅回路であって、
前記第1カレントミラー回路は、
ソースが前記負電源線に共通に接続され、ゲートが共通に接続された第1及び第2NMOSトランジスタと、
ソースが前記第1及び第2NMOSトランジスタのドレインにそれぞれに接続され、ゲートが共通に接続された第3及び第4NMOSトランジスタ
とを備え、
前記第1及び第2NMOSトランジスタのゲートが前記第3NMOSトランジスタのドレインに接続され、
前記一対のPMOSトランジスタのソースが前記第1及び第2NMOSトランジスタのドレインにそれぞれに接続され、
前記第4NMOSトランジスタのドレインが前記NMOS出力トランジスタのゲートに接続され、
前記フィードバック回路は、
ゲートが前記NMOS出力トランジスタのゲートに接続され、ソースが前記負電源線に接続された第5NMOSトランジスタと、
ゲートが前記第5NMOSトランジスタのドレインに接続され、ソースが前記第3NMOSトランジスタのソースに接続され、ドレインが前記第3NMOSトランジスタのドレインに接続された第6NMOSトランジスタ
とを備える
差動増幅回路。 - 請求項2に記載の差動増幅回路であって、
前記フィードバック回路が、更に、ゲートが前記第1NMOSトランジスタのドレインに接続され、ソースが前記第4NMOSトランジスタのソースに接続され、ドレインが前記第4NMOSトランジスタのドレインに接続された第7NMOSトランジスタを備える
差動増幅回路。 - 請求項1乃至3のいずれかに記載の差動増幅回路であって、
前記フィードバック回路が、更に、ゲートに所定のバイアス電圧が供給され、ドレインが前記第5PMOSトランジスタのドレインに接続され、ソースが前記負電源線に接続された第7NMOSトランジスタを備える
差動増幅回路。 - 請求項1、4又は5のいずれかに記載の差動増幅回路であって、
前記フィードバック回路が、更に、ゲートに所定のバイアス電圧が供給され、ドレインが前記第5NMOSトランジスタのドレインに接続され、ソースが前記正電源線に接続された第7PMOSトランジスタを備える
差動増幅回路。 - 請求項1に記載の差動増幅回路であって、
前記第1カレントミラー回路は、
ソースが前記負電源線に共通に接続され、ゲートが共通に接続された第1及び第2NMOSトランジスタと、
ソースが前記第1及び第2NMOSトランジスタのドレインにそれぞれに接続され、ゲートが共通に接続された第3及び第4NMOSトランジスタ
とを備え、
前記第1及び第2NMOSトランジスタのゲートが前記第3NMOSトランジスタのドレインに接続され、
前記一対のPMOSトランジスタのソースが前記第1及び第2NMOSトランジスタのドレインにそれぞれに接続され、
前記第4NMOSトランジスタのドレインが前記NMOS出力トランジスタのゲートに接続され、
前記第2カレントミラー回路は、
ソースが前記正電源線に共通に接続され、ゲートが共通に接続された第1及び第2PMOSトランジスタと、
ソースが前記第1及び第2PMOSトランジスタのドレインにそれぞれに接続され、ゲートが共通に接続された第3及び第4PMOSトランジスタ
とを備え、
前記第1及び第2PMOSトランジスタのゲートが前記第3PMOSトランジスタのドレインに接続され、
前記一対のNMOSトランジスタのソースが前記第1及び第2PMOSトランジスタのドレインにそれぞれに接続され、
前記第4PMOSトランジスタのドレインが前記PMOS出力トランジスタのゲートに接続され、
前記フィードバック回路は、
ゲートが前記PMOS出力トランジスタのゲートに接続され、ソースが前記正電源線に接続された第5PMOSトランジスタと、
ゲートが前記PMOS出力トランジスタのゲートに接続され、ソースが前記正電源線に接続された第8PMOSトランジスタと、
ゲートが前記第5PMOSトランジスタのドレインに接続され、ソースが前記第3PMOSトランジスタのソースに接続され、ドレインが前記第3PMOSトランジスタのドレインに接続された第6PMOSトランジスタと、
ゲートが前記NMOS出力トランジスタのゲートに接続され、ソースが前記負電源線に接続され、ドレインが前記第8PMOSトランジスタのドレインに接続された第5NMOSトランジスタと、
ゲートが前記NMOS出力トランジスタのゲートに接続され、ソースが前記負電源線に接続され、ドレインが前記第5PMOSトランジスタのドレインに接続された第8NMOSトランジスタと、
ゲートが前記第5NMOSトランジスタのドレインに接続され、ソースが前記第3NMOSトランジスタのソースに接続され、ドレインが前記第3NMOSトランジスタのドレインに接続された第6NMOSトランジスタ
とを備え、
前記PMOS出力トランジスタのゲート幅−ゲート長比W/L(M115)、前記NMOS出力トランジスタのゲート幅−ゲート長比W/L(M116)、前記第5PMOSトランジスタのゲート幅−ゲート長比W/L(M150)、前記第8NMOSトランジスタのゲート幅−ゲート長比W/L(M151)、前記第8PMOSトランジスタのゲート幅−ゲート長比W/L(M160)、及び、前記第5NMOSトランジスタのゲート幅−ゲート長比W/L(M161)が、下記式:
W/L(M115)/W/L(M116)<W/L(M150)/W/L(M151),
W/L(M115)/W/L(M116)>W/L(M160)/W/L(M161),
を満足する
差動増幅回路。 - 表示パネルを駆動する表示パネルドライバであって、
前記表示パネルを駆動する出力回路が、請求項1乃至8のいずれかに記載の差動増幅回路を備えている
表示パネルドライバ。 - 表示パネルと、
前記表示パネルのデータ線を駆動する出力回路を備えるドライバ
とを具備し、
前記出力回路が、請求項1乃至8のいずれかに記載の差動増幅回路を備えている
表示装置。
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