JP2014120973A - 電流帰還型出力回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】伝達特性を向上することが可能な電流帰還型出力回路を提供する。
【解決手段】電流帰還型出力回路は、第1、第2のトランジスタを備える。電流帰還型出力回路は、非反転入力端子、反転入力端子、第1の出力端子、及び第2の出力端子を有し、非反転入力端子の入力インピーダンスが反転入力端子の入力インピーダンスよりも高くなっており、非反転入力端子に入力される入力信号の電流と反転入力端子に入力される電流の差を増幅した電流を第1の出力端子と第2の出力端子との間に流す電流アンプを備える。電流帰還型出力回路は、第1から第6のカレントミラー回路を備える。電流帰還型出力回路は、信号出力端子の電圧に応じた電流を、反転入力端子に供給する電流帰還回路を備える。
【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、電流帰還型出力回路に関する。
従来、オーディオ用電力増幅回路に適用されるMOS型出力回路がある。
特開2011−142402 特開2011−244324
本発明は、伝達特性を向上することが可能な電流帰還型出力回路を提供する。
本発明の一態様に係る実施例に従った電流帰還型出力回路は、出力信号を出力する信号出力端子を備える。電流帰還型出力回路は、前記信号出力端子と第1の電圧が印加される第1の電源レールとの間に接続された第1導電型の第1のトランジスタを備える。電流帰還型出力回路は、前記信号出力端子と前記第1の電圧よりも低い第2の電圧が印加される第2の電源レールとの間に接続され、第1導電型と異なる第2導電型の第2のトランジスタを備える。電流帰還型出力回路は、非反転入力端子、反転入力端子、第1の出力端子、及び第2の出力端子を有し、前記非反転入力端子の入力インピーダンスが前記反転入力の入力インピーダンスよりも高くなっており、前記非反転入力端子に入力される入力信号の電流と前記反転入力端子に入力される電流の差を増幅した電流を前記第1の出力端子と前記第2の出力端子の電流の差として流す電流アンプを備える。電流帰還型出力回路は、前記第1の電源レールと前記第1の出力端子との間に流れる電流をカレントミラーした第1のミラー電流を、前記第1の電源レールと第1のノードとの間に流す第1のカレントミラー回路を備える。電流帰還型出力回路は、前記第2の電源レールと前記第2の出力端子との間に流れる電流をカレントミラーした第2のミラー電流を、前記第2の電源レールと第2のノードとの間に流す第2のカレントミラー回路を備える。電流帰還型出力回路は、前記第1の電源レールと第3のノードとの間に流れる電流(第2のミラー電流)をカレントミラーした第3のミラー電流を、前記第1の電源レールと、前記第1のトランジスタの制御端子に接続された第4のノードとの間に流す第3のカレントミラー回路を備える。電流帰還型出力回路は、前記第2の電源レールと第5のノードとの間に流れる電流(第1のミラー電流)をカレントミラーした第3のミラー電流を、前記第1の電源レールと、前記第2のトランジスタの制御端子に接続された第6のノードとの間に流す第4のカレントミラー回路を備える。電流帰還型出力回路は、前記第3のノードと前記第2のノードとの間に流れる電流(第2のミラー電流)をカレントミラーした第5のミラー電流を、前記第4のノードと前記第6のノードとの間に流す第5のカレントミラー回路を備える。電流帰還型出力回路は、前記第5のノードと前記第1のノードとの間に流れる電流(第1のミラー電流)をカレントミラーした第6のミラー電流を、前記第6のノードと前記第4のノードとの間に流す第6のカレントミラー回路を備える。電流帰還型出力回路は、前記信号出力端子の電圧に応じた電流を、前記反転入力端子に供給する電流帰還回路を備える。
図1は、本発明の一態様である実施例1に係る電流帰還型出力回路100の構成の一例を示す回路図である。 図2は、図1に示す電流帰還型出力回路100が適用される増幅回路1000の構成の一例を示す図である。 図3は、実施例1に係る電流帰還型出力回路100の非反転入力端子に供給される直流(DC)電圧と出力電圧Voutとの関係(伝達特性)の一例を示す図である。 図4は、実施例1に係る電流帰還型出力回路100の非反転入力端子に供給された交流信号の周波数と出力ゲインとの関係(周波数特性)の一例を示す図である。
以下、本発明に係る各実施例について図面に基づいて説明する。なお、以下では、第1導電型のトランジスタをpMOSトランジスタとし、第2導電型のトランジスタをnMOSトランジスタとして説明する。しかし、バイポーラトランジスタを用いた場合は、第1導電型のトランジスタがNPNトランジスタに相当し、第2導電型のトランジスタがPNPトランジスタに相当する。
図1は、本発明の一態様である実施例1に係る電流帰還型出力回路100の構成の一例を示す回路図である。
図1に示すように、電流帰還型出力回路100は、第1の電源レールVL1と、第2の電源レールVL2と、信号出力端子TOUTと、第1導電型の第1のトランジスタ(pMOSトランジスタ)M1と、第1導電型と異なる第2導電型の第2のトランジスタ(nMOSトランジスタ)M2と、第1のカレントミラー回路CA1と、第2のカレントミラー回路CA2と、第3のカレントミラー回路CA3と、第4のカレントミラー回路CA4と、第5のカレントミラー回路CA5と、第6のカレントミラー回路CA6と、電流帰還回路101と、電流アンプ102と、を備える。
なお、電流アンプ102と、第1から第6のカレントミラー回路CA1〜CA6と第1導電型の第1のトランジスタM1と第2導電型の第2のトランジスタM2とは、アンプ103を構成する。
第1の電源レールVL1には、第1の電圧(例えば電源電圧)V1が供給されている。
第2の電源レールVL2には、第1の電圧V1よりも低い第2の電圧(例えば接地電圧)V2が供給されている。
信号出力端子TOUTは、出力信号Voutを出力するようになっている。
第1のトランジスタM1は、信号出力端子TOUTと第1の電圧V1が印加される第1の電源レールVL1との間に接続されている。
第2のトランジスタM2は、信号出力端子TOUTと第1の電圧V1よりも低い第2の電圧V2が印加される第2の電源レールVL2との間に接続されている。
電流アンプ102は、非反転入力端子TINP、反転入力端子TINM、第1の出力端子TOUT1、及び第2の出力端子TOUT2を有する。非反転入力端子TINPは高入力インピーダンスとなっており、反転入力端子TINMは低入力インピーダンスを特徴とする。すなわち、第1の出力端子TOUT1の入力インピーダンスが第2の出力端子TOUT2の入力インピーダンスよりも高くなっている。この電流アンプ102は、非反転入力端子TINPに入力される入力信号の電流と反転入力端子TINMに入力される電流の差を増幅した電流を、第1の出力端子TOUT1と第2の出力端子TOUT2の電流の差として流すようになっている。非反転入力端子TINPに入力される電流と反転入力端子TINMに入力される電流が等しい時、第1の出力端子TOUT1に流れる電流と第2の出力端子TOUT2に流れる電流は等しい。
電流アンプ102は、例えば、図1に示すように、電流源ISと、第2導電型の第3のトランジスタ(nMOSトランジスタ)M3と、第1導電型の第4のトランジスタ(pMOSトランジスタ)M4と、第2導電型の第5のトランジスタ(nMOSトランジスタ)M5と、第1導電型の第6のトランジスタ(pMOSトランジスタ)M6と、を備える。
電流源ISは、第1の電源レールVL1に一端が接続され、電流I1を出力するようになっている。
第3のトランジスタM3は、電流源ISの他端に一端(ドレイン)が接続され、ダイオード接続されている。
第4のトランジスタM4は、第3のトランジスタM3の他端(ソース)に一端(ソース)が接続され、非反転入力端子TINPに他端(ドレイン)が接続され、ダイオード接続されている。
第5のトランジスタM5は、第1の出力端子TOUT1に一端(ドレイン)が接続され、反転入力端子TINMに他端(ソース)が接続され、第3のトランジスタM3の制御端子(ゲート)に制御端子(ゲート)が接続されている。
第6のトランジスタM6は、反転入力端子TINMに一端(ソース)が接続され、第2の出力端子TOUT2に他端(ドレイン)が接続され、第4のトランジスタM4の制御端子(ゲート)に制御端子(ゲート)が接続されている。
第3、第5のトランジスタM3、M5は、カレントミラー回路を構成する。このカレントミラー回路のミラー比(第3、第5のトランジスタM3、M5の面積比)は、1:n(n≧1)である。また、また第4、第6のトランジスタM4、M6は、カレントミラー回路を構成する。このカレントミラー回路のミラー比(第4、第6のトランジスタM4、M6の面積比)は、1:n(n≧1)である。
すなわち、第4、第6のトランジスタM4、M6のカレントミラー回路のミラー比は、第3、第5のトランジスタM3、M5のカレントミラー回路のミラー比と等しく設定されている。
また、図1に示すように、第1のカレントミラー回路CA1は、第1の電源レールVL1と第1の出力端子TOUT1との間に流れる電流をカレントミラーした第1のミラー電流を、第1の電源レールVL1と第1のノードN1との間に流すようになっている。
この第1のカレントミラー回路CA1は、例えば、図1に示すように、第1導電型の第7のトランジスタ(pMOSトランジスタ)M7と、第1導電型の第8のトランジスタ(pMOSトランジスタ)M8と、を備える。
第7のトランジスタM7は、第1の電源レールVL1に一端(ソース)が接続され、第1の出力端子TOUT1に他端(ドレイン)が接続され、ダイオード接続されている。
第8のトランジスタM8は、第1の電源レールVL1に一端(ソース)が接続され、第1のノードN1に他端(ドレイン)が接続され、第7のトランジスタM7の制御端子(ゲート)に制御端子(ゲート)が接続されている。
また、第2のカレントミラー回路CA2は、第2の電源レールVL2と第2の出力端子TOUT2との間に流れる電流をカレントミラーした第2のミラー電流を、第2の電源レールVL2と第2のノードN2との間に流すようになっている。
この第2のカレントミラー回路CA2は、例えば、図1に示すように、第2導電型の第9のトランジスタ(nMOSトランジスタ)M9と、第2導電型の第10のトランジスタ(nMOSトランジスタ)M10と、を備える。
第9のトランジスタM9は、第2の電源レールVL2に一端(ソース)が接続され、第2の出力端子TOUT2に他端(ドレイン)が接続され、ダイオード接続されている。
第10のトランジスタM10は、第2の電源レールVL2に一端(ソース)が接続され、第2のノードN2に他端(ドレイン)が接続され、第9のトランジスタM9の制御端子(ゲート)に制御端子(ゲート)が接続されている。
また、第3のカレントミラー回路CA3は、第1の電源レールVL1と第3のノードN3との間に流れる電流(第2のミラー電流)をカレントミラーした第3のミラー電流を、第1の電源レールVL1と、第1のトランジスタM1の制御端子(ゲート)に接続された第4のノードN4との間に流すようになっている。
この第3のカレントミラー回路CA3は、例えば、図1に示すように、第1導電型の第11のトランジスタ(pMOSトランジスタ)M11と、第1導電型の第12のトランジスタ(pMOSトランジスタ)M12と、を備える。
第11のトランジスタM11は、第1の電源レールVL1に一端(ソース)が接続され、第3のノードN3に他端(ドレイン)が接続され、ダイオード接続されている。
第12のトランジスタM12は、第1の電源レールVL1に一端(ソース)が接続され、第4のノードN4に他端(ドレイン)が接続され、第11のトランジスタM11の制御端子(ゲート)に制御端子(ゲート)が接続されている。
また、第4のカレントミラー回路CA4は、第2の電源レールVL2と第5のノードN5との間に流れる電流(第1のミラー電流)をカレントミラーした第3のミラー電流を、第2の電源レールVL2と、第2のトランジスタM2の制御端子(ゲート)に接続された第6のノードN6との間に流すようになっている。
この第4のカレントミラー回路CA4は、例えば、図1に示すように、第2導電型の第13のトランジスタ(nMOSトランジスタ)M13と、第2導電型の第14のトランジスタ(nMOSトランジスタ)M14と、を備える。
第13のトランジスタM13は、第2の電源レールVL2に一端(ソース)が接続され、第5のノードN5に他端(ドレイン)が接続され、ダイオード接続されている。
第14のトランジスタM14は、第2の電源レールVL2に一端(ソース)が接続され、第6のノードN6に他端(ドレイン)が接続され、第13のトランジスタM13の制御端子(ゲート)に制御端子(ゲート)が接続されている。
また、第5のカレントミラー回路CA5は、第3のノードN3と第2のノードN2との間に流れる電流(第2のミラー電流)をカレントミラーした第5のミラー電流を、第4のノードN4と第6のノードN6との間に流すようになっている。
この第5のカレントミラー回路CA5は、例えば、図1に示すように、第1導電型の第15のトランジスタ(pMOSトランジスタ)M15と、第1導電型の第16のトランジスタ(pMOSトランジスタ)M16と、を備える。
第15のトランジスタM15は、第3のノードN3に一端(ソース)が接続され、第2のノードN2に他端(ドレイン)が接続され、ダイオード接続されている。
第16のトランジスタM16は、第4のノードN4に一端(ソース)が接続され、第6のノードN6に他端(ドレイン)が接続され、第15のトランジスタM15の制御端子(ゲート)に制御端子(ゲート)が接続されている。
また、第6のカレントミラー回路CA6は、第5のノードN5と第1のノードN1との間に流れる電流(第1のミラー電流)をカレントミラーした第6のミラー電流を、第6のノードN6と第4のノードN4との間に流すようになっている。
この第6のカレントミラー回路CA6は、例えば、図1に示すように、第2導電型の第17のトランジスタ(nMOSトランジスタ)M17と、第2導電型の第18のトランジスタ(nMOSトランジスタ)M18と、を備える。
第17のトランジスタM17は、第5のノードN5に一端(ソース)が接続され、第1のノードN1に他端(ドレイン)が接続され、ダイオード接続されている。
第18のトランジスタM18は、第6のノードN6に一端(ソース)が接続され、第4のノードN4に他端(ドレイン)が接続され、第17のトランジスタM17の制御端子(ゲート)に制御端子(ゲート)が接続されている。
ここで、第1のカレントミラー回路CA1の第1のミラー比(1:s)、すなわち、第7、第8のトランジスタM7、M8の面積比は、第2のカレントミラー回路CA2の第2のミラー比(1:s)、すなわち第9、第10のトランジスタM9、M10の面積比と等しく設定されている。なお、s≧1である。 また、第3のカレントミラー回路CA3の第3のミラー比(1:2m)、すなわち、第11、第12のトランジスタM11、M12の面積比は、第4のカレントミラー回路CA4の第4のミラー比(1:2m)、すなわち第13、第14のトランジスタM13、M14の面積比と等しく設定されている。なお、m≧1である。
また、第5のカレントミラー回路CA5の第5のミラー比(1:m)、すなわち第15、第16のトランジスタM15、M16の面積比は、第6のカレントミラー回路CA6の第6のミラー比(1:m)、すなわち第17、第18のトランジスタM17、M18の面積比)と等しく設定されている。
上述のように、第3、第4のミラー比(1:2m)は、第5、第6のミラー比(1:m)の2倍である。
また、図1に示すように、電流帰還回路101は、信号出力端子TOUTの電圧に応じた電流を、反転入力端子TINMに供給するようになっている。
この電流帰還回路101は、例えば、図1に示すように、第1の抵抗Rfと、第2の抵抗Rsと、を備える。
第1の抵抗Rfは、反転入力端子TINMに一端が接続され、信号出力端子TOUTに他端が接続されている。
第2の抵抗Rsは、反転入力端子TINMに一端が接続され、基準電圧Vrefが印加される基準端子Trefに他端が接続されている。
なお、基準電圧Vrefは、第1の電圧V1と第2の電圧V2との間の電圧に設定されている。より好ましくは、基準電圧Vrefは、第1の電圧V1と第2の電圧V2との真ん中の電圧(中間電圧(V1−V2)/2)に設定されている。
以上のような構成を有する電流帰還型出力回路100は、非反転入力端子TINPに供給される入力信号(交流信号)Vinがゼロである場合に、第1のトランジスタM1と第2のトランジスタM2に一定のバイアス電流を流すようになっている。
また、電流帰還型出力回路100は、非反転入力端子TINPに供給される入力信号(交流信号)Vinが正の場合には、第1のトランジスタM1に流す電流を増加させ且つ第2のトランジスタM2に流す電流を減少させるようになっている。
また、電流帰還型出力回路100は、非反転入力端子TINPに供給される入力信号(交流信号)Vinが負の場合には、第1のトランジスタM1に流す電流を減少させ且つ第2のトランジスタM2に流す電流を増加させるようになっている。
ここで、図2は、図1に示す電流帰還型出力回路100が適用される電力増幅回路1000の構成の一例を示す図である。
図2に示すように、電力増幅回路1000は、電流帰還型出力回路100(アンプ103および電流帰還回路101)と、アンプ200と、電圧帰還回路300と、を備える。
電圧帰還回路300は、出力端子TOUTの出力電圧Voutに基づいた帰還電圧を出力するようになっている。
アンプ200は、入力端子TINから非反転入力端子に入力された電圧と、帰還電圧との誤差を増幅して、得られた電圧を電流帰還型出力回路100の入力電圧Vinとして出力するようになっている。
この電力増幅回路1000は、TINPに入力信号が供給されていない時(無信号時)電圧帰還回路300、アンプ200、および電流帰還回路100により、出力電圧Voutが中間電圧(V1−V2)/2になるように制御されている。
次に、以上のような構成を有する電流帰還型出力回路100の動作例について、非反転入力端子TINPに入力される入力信号(交流信号)Vinの状態に分けて、説明する。なお、既述のn=1、s=1、m=1、t=100とする。
(A)先ず、非反転入力端子TINPに入力信号(交流信号)Vinが入力されていない場合(無信号時)について図1を用いて説明する。
入力端子TINPに交流信号が無い(入力信号Vinが入力されていない)場合に、第3のトランジスタM3と第4のトランジスタM4との間の電圧Vxが基準電圧Vrefに等しくなるようなDCバイアスが入力端子TINPに与えられているものとする。このDCバイアスは、例えば、上記の要件を満たす電圧源または電流源から供給される。
この入力信号Vinが入力されていない場合、第3、第5のトランジスタM3、M5に流れる電流は、電流I1と等しくなり、第7のトランジスタ、第8のトランジスタM7、M8にも等しく電流I1が流れる。また、第4、第6のトランジスタM4、M6に流れる電流も、電流I1に等しくなり、第9のトランジスタ、第10のトランジスタM9、M10にも等しく電流I1が流れる。
そして、第15、第17のトランジスタM15、M17には、等しく電流I1が流れる。
さらに、第11、第13のトランジスタM11、M13には、等しく電流I1が流れる。第11、第13のトランジスタM11、M13に対して、面積比が1:2である第12、第14のトランジスタM12、M14には、電流I1の2倍の電流(2×I1)が流れる。
ここで、第16のトランジスタM16と第18のトランジスタM18に流れる電流を求める。
まず、第16のトランジスタM16に流れる電流が、電流I1であると仮定する。
この仮定において、第14のトランジスタM14に電流(2×I1)が流れているので、第18のトランジスタM18にはその差分である電流I1が流れることになる。
一方、第12のトランジスタM12に流れる電流も電流(2×I1)であることから、第18のトランジスタM18には電流I1が流れることに矛盾はない。
このとき、第17のトランジスタM17と第18のトランジスタM18に流れる電流はI1に等しく、面積比が1:1である事からM17とM18のゲート−ソース間電圧は等しくなる。これにより、第13のトランジスタM13のゲートソース間電圧と第2のトランジスタM2のゲートソース間電圧は等しくなる。
一方、第15のトランジスタM15と第16のトランジスタM16に流れる電流はI1に等しく、面積比が1:1である事からM15とM16のゲート−ソース間電圧は等しくなる。これにより、第11のトランジスタM11のゲートソース間電圧と第1のトランジスタM1のゲートソース間電圧は等しくなる。
つまり、第2のトランジスタM2に流れる電流は、第13のトランジスタM13と第2のトランジスタM2との面積比で決定される。また、第1のトランジスタM1に流れる電流は、第11のトランジスタM11と第1のトランジスタM1との面積比で決定されることになる。
ここでは、第1、第11のトランジスタM1、M11の面積比、および、第2、第13のトランジスタM2、M13の面積比は100:1である。したがって、非反転入力端子TINPへの入力信号Vinがゼロの場合におけるアイドル電流は、電流(100×I1)となる。
ところで、上述の説明では、第16、第18のトランジスタM16、M18に流れる電流が等しく、電流I1としている。しかし、実際には、誤差電流ΔIが含まれることも想定される。
例えば、第16のトランジスタM16に流れる電流が、I1+ΔIとすれば、第18のトランジスタM18に流れる電流は、I1−ΔIとなる。
この場合、第15のトランジスタM15のゲート−ソース間電圧に比べて、第16のトランジスタM16のゲート−ソース間電圧は、電圧ΔV大きくなる。一方で、第17のトランジスタM17のゲート−ソース間電圧に比べて、第18のトランジスタM18のゲート−ソース間電圧は、電圧ΔV小さくなる。
ここで、電圧ΔVは、電流ΔIを、それぞれのトランジスタの伝達コンダクタンスgmで割った値と考えることができる。
よって、第1のトランジスタM1のゲート電圧は、“Vgs(M11)−ΔV”であり、第2のトランジスタM2のゲート電圧は、“Vgs(M13)+ΔV”となる。
このため、第1のトランジスタM1に流れる電流は、100×I1よりも小さくなり、第2のトランジスタM2に流れる電流は、100×I1よりも大きくなる。
しかしながら、図2に示すように、通常、信号出力端子TOUTは、無信号時は抵抗性の電圧帰還回路300によって、その出力電圧Voutが中間電圧(V1−V2)/2に制御される。言い換えれば、出力端子TOUTの出力電圧Voutを中間電圧(V1−V2)/2に維持するために、第1、第2のトランジスタM1、M2の電流の差をゼロとするように、電圧帰還回路300の作用によって、入力端子TINPの電圧を調整することができる。
このため、結局、第1、第2のトランジスタM1、M2の電流は、100×I1になるようにバイアスが安定するのである。
このように、電流帰還型出力回路100は、簡易な構成で、第1、第2のトランジスタ(出力トランジスタ)のアイドル電流(無信号時の電流)をより正確に決定することができる。
なお、第1、第2の抵抗Rf、Rsの値、および基準電圧Vrefは、無信号時には、特に電流帰還型出力回路100の動作に影響を及ぼさない。
しかしVout≠Vrefの時、出力端子TOUTには、(Vout−Vref)/(Rs+Rf)が直流電流として流れる。このため、基準電圧Vrefは、無信号時の信号出力端子TOUTの出力電圧Voutと同電位であることが望ましい。
(B)次に、非反転入力端子TINPに入力信号(交流信号)Vinが入力された場合について説明する。
例えば、入力端子TINPに正方向の信号が与えられた場合、第3のトランジスタM3と第4のトランジスタM4の接続点の電圧Vxは、反転入力端子TINMよりも高くなる。
よって、第5のトランジスタM5の電流は、電流I1よりΔI1増加する。一方、第6のトランジスタM6の電流は、電流I1よりΔI1減少する。 第5のトランジスタM5の電流は第7のトランジスタ、第8のトランジスタM7,M8でコピーされ、第13のトランジスタM13に流れる電流がΔI1増加する。したがって、第14のトランジスタM14の電流も2×ΔI1増加する。第17のトランジスタM17に流れる電流がΔI1増加するので第18のトランジスタM18に流れる電流はΔI1増加する。
一方で、第6のトランジスタM6の電流は第9、第10のトランジスタM9、M10でコピーされ、第11のトランジスタM11に流れる電流がΔI1減少する。従って第12のトランジスタM12の電流も2×ΔI1減少する。第15のトランジスタM15に流れる電流がΔI1減少するので第16のトランジスタM16に流れる電流はΔI1減少する。
よって、第1のトランジスタM1のゲートから電流が2×ΔI1減少する。すなわち第1のトランジスタM1のゲートソース間電圧は、第11のトランジスタM11のゲートソース間電圧よりも大きくなる。
よって第1のトランジスタM1のゲートソース間電圧は、無信号時の電圧に比較して増加することになる。
一方で、第2のトランジスタM2のゲートから電流が2×ΔI1減少する。すなわち第2のトランジスタM2のゲートソース間電圧は、第13のトランジスタM13のゲートソース間電圧よりも小さくなる。
すなわち、第2のトランジスタM2のゲートソース間電圧は、無信号時と比較して減少することになる。
したがって、入力端子TINPに正方向の信号が与えられた場合、第1のトランジスタM1の電流が増え、第2のトランジスタM2の電流が減少するため、信号出力端子TOUTは上側にスイングするように動作する。
TOUTが上側にスイングすると、第1の抵抗Rfを介して反転入力端子TINMに電流が流れ込む。反転入力端子TINMは低入力インピーダンスのためこの流れ込んだ電流は、第6のトランジスタM6の電流をΔI2だけ増加させる。このΔI2が第9のトランジスタ、第10のトランジスタM9、M10によってコピーされ、第11のトランジスタM11、第15のトランジスタM15に流れる電流もΔI2増加する。第11のトランジスタM11に流れる電流がΔI2増加するので、第12のトランジスタM12の電流も2×ΔI2増加する。第15のトランジスタM15の電流もΔI2増加するので、第16の電流もΔI2増加する。
したがって、第1のトランジスタM1のゲートへΔI2の電流が増加することにより、第1のトランジスタM1のゲートソース間電圧を小さくする。
一方、第2のトランジスタM2のゲートへΔI2の電流が増加することにより、第2のトランジスタM2のゲートソース間電圧を大きくする。
つまり信号出力端子TOUTが上側にスイングするのを抑える働きを持つ。
すなわち、第2の抵抗Rs, Rfは帰還回路101として動作し、出力回路が過剰にゲインを持つ事を抑える働きをする。
一方、非反転入力端子TINPに負方向の信号が与えられた場合、第3のトランジスタM3と第4のトランジスタM4の接続点の電圧Vxは、反転入力端子TINMよりも低くなる。
よって、第5のトランジスタM5の電流はI1よりΔI1減少し、一方で、第6のトランジスタM6の電流はI1よりΔI1増加する。
第5のトランジスタM5の電流は第7のトランジスタ、第8のトランジスタM7,M8でコピーされ、第13のトランジスタM13に流れる電流がΔI1減少するので第14のトランジスタM14の電流も2×ΔI1減少する。第17のトランジスタM17に流れる電流がΔI1減少するので第18のトランジスタM18に流れる電流はΔI1減少する。
一方で、第6のトランジスタM6の電流は第9、第10のトランジスタM9,M10でコピーされ、第11のトランジスタM11に流れる電流がΔI1増加する。従って第12のトランジスタM12の電流も2×ΔI1増加する。第15のトランジスタM15に流れる電流がΔI1増加するので第16のトランジスタM16に流れる電流はΔI増加する。
よって、第1のトランジスタM1のゲートへ電流が2×ΔI1増加する。すなわち第1のトランジスタM1のゲートソース間電圧は、第11のトランジスタM11のゲートソース間電圧よりも小さくなる。
よって第1のトランジスタM1のゲートソース間電圧は、無信号時の電圧に比較して減少することになる。
一方で、第2のトランジスタM2のゲートソース間電圧へ電流が2×ΔI増加する。すなわち第2のトランジスタM2のゲートソース間電圧は、第13のトランジスタM13のゲートソース間電圧よりも大きくなる。
すなわち、第2のトランジスタM2のゲートソース間電圧は、無信号時と比較して増加することになる。
したがって、入力端子TINに負方向の信号が与えられた場合、第1のトランジスタM1の電流が減り、第2のトランジスタM2の電流が増加するため、信号出力端子TOUTは下側にスイングするように動作する。
TOUTが下側にスイングすると、第1の抵抗Rfを介して反転入力端子TINMから電流が流れ出す。反転入力端子TINMは低入力インピータンスのため、この電流は第5のトランジスタM5の電流をΔI2増加する。このΔI2が第7のトランジスタ、第8のトランジスタM7、M8によってコピーされ、第13のトランジスタM13に流れる電流がΔI2増加するので、第14のトランジスタM14の電流も2×ΔI2増加する。第17のトランジスタM17の電流もΔI2増加するので第18の電流もΔI2増加する。
したがって、第1のトランジスタM1のゲートからΔI2の電流が減少することにより、第1のトランジスタM1のゲートソース間電圧を大きくする。
一方、第2のトランジスタM2のゲートからΔI2の電流が減少することにより、第2のトランジスタM2のゲートソース間電圧を小さくする。
つまり、信号出力端子TOUTが下側にスイングするのを抑える働きを持つ。すなわち、電流帰還回路101は動作し、電流帰還型出力回路100が過剰にゲインを持つ事を抑える働きをする。
ここで、図3は、実施例1に係る電流帰還型出力回路100の非反転入力端子に供給される直流(DC)電圧と出力電圧Voutとの関係(伝達特性)の一例を示す図である。なお、図3において、実線は、実施例1に係る電流帰還型出力回路の伝達特性を表す。また、比較例として、点線は、一般的な出力回路の伝達特性を表す。
図3に示すように、比較例に係る出力回路の伝達特性は、対称性については良いが、直線性が悪い。
一方、実施例1に係る電流帰還型出力回路100は、第1のトランジスタ(pチャネル側出力トランジスタ)M1を駆動する回路と第2のトランジスタ(nチャネル側出力トランジスタ)M2を駆動する回路との対称性だけでなく、直線性も良好である。
また、図4は、実施例1に係る電流帰還型出力回路100の非反転入力端子に供給された交流信号の周波数と出力ゲインとの関係(周波数特性)の一例を示す図である。なお、図4において、実線は、実施例1に係る電流帰還型出力回路100の周波数特性を表す。また、比較例として、点線は、一般的な出力回路の周波数特性を表す。
図4に示すように、比較例の出力回路は、例えば、可聴帯域(0.02kHz〜40kHz)において、ゲインが大きいが、周波数特性が悪い。
一方、実施例1に係る電流帰還型出力回路100は、可聴帯域(0.02kHz〜40kHz)において、過剰にゲインを取らない分、周波数特性が良好である。
したがって、本実施例1に係る電流帰還型出力回路100は、従来技術と比較して直線性と周波数特性に優れた、音質の優れたオーディオ用電力増幅回路を構成するができる。
(C)次に、非反転入力端子TINPに大きな入力信号Vinが与えられ、出力端子TOUTがクリップした場合(図3の入力電圧が電圧VDC+以上または電圧VDC+以上または電圧−以下の場合)について説明する。
入力端子TINPに大きな正方向の信号が与えられた場合、第3のトランジスタM3と第4のトランジスタM4の接続点の電圧Vxは、基準電圧VREFよりも高くなる。これにより、第5のトランジスタM5の電流は大きく増加し、一方、第6のトランジスタM6の電流はほぼゼロになる。
第6のトランジスタM6の電流がゼロになると、第9、第10、第11、第12、第15、第16のトランジスタM9、M10,M11、M12、M15、M16の電流もほぼゼロとなる。
逆に、第5のトランジスタM5の電流が大きく増加するので、第7、第8、第13、第14、第17、第18のトランジスタM7、M8、M13、M14、M17、M18の電流も大きく増加する。
第14のトランジスタM14、第18のトランジスタM18の電流が大きく増加しており、第12、第16のトランジスタM12、第16の電流がゼロであるので、第1のトランジスタM1のゲート−ソース間電圧は更に大きくなり、第18のトランジスタM18が電流を流しうる限り、第1のトランジスタM1のゲートソース間電圧は大きい電圧まで達する。
第2のトランジスタM2のゲート電圧は、第17のトランジスタM17、第18のトランジスタM18の電流がほぼ1:2に等しいので、第13のトランジスタM13のゲート−ソース間電圧よりもやや小さい値で落ち着く。
このように、第2のトランジスタM2のゲート電圧の放電を第14トランジスタM14の電流により行うことにより、高速な放電を行うことができる。
さらに、第1のトランジスタM1のゲート電圧の充電を第18のトランジスタM18の電流により行うことにより、高速な充電を行い、且つ、第1のトランジスタM1のゲートソース間電圧の最大値を大きく得ることが可能である。
なお、信号出力端子TOUTから第1、第2の抵抗Rf、Rsを介して反転入力端子TINMに電流が流れようとする。しかし、第6のトランジスタM6の電流は、ほぼゼロで高入力インピーダンスとなっている。このため、信号出力端子TOUTからの電流は、基準端子Tref側へ流れ込む。
すなわち、大きな入力信号Vinが与えられた時に、電流帰還回路101は帰還回路として動作しない。
次に、入力端子TINPに更に大きな負方向の入力信号Vinが与えられた場合、第3のトランジスタM3と第4のトランジスタM4の接続点の電圧Vxは、基準電圧VREFよりも低くなる。これにより、第6のトランジスタM6の電流は大きく増加し、一方、第5のトランジスタM5の電流はほぼゼロになる。
そして、第5のトランジスタM5の電流がゼロになると、第7、第8、第13、第14、第17、第18のトランジスタM7、M8、M13、M14、M17、M18の電流もほぼゼロとなる。
また、第6のトランジスタM6の電流が大きく増加するので、第9、第10、第11、第12、第15、第16のトランジスタM9、M10,M11、M12、M15、M16の電流も大きく増加する。
第12のトランジスタM12、第16のトランジスタM16の電流が大きく増加しており、第14、第18のトランジスタM14、M18の電流がゼロである。したがって、第2のトランジスタM2のゲート−ソース間電圧は更に大きくなり、第16のトランジスタM6が電流を流しうる限り、第2のトランジスタM2のゲート電圧は高い電圧まで達する。
第15のトランジスタM15,第16のトランジスタM16の電流の比がほぼ1:2である。したがって、第1のトランジスタM1のゲートソース間電圧は、第111のトランジスタM11のゲート−ソース間電圧よりもやや小さい値に収束する。
このように、第1のトランジスタM1のゲートの放電を第12のトランジスタM12の電流により行うことにより、高速に放電することができる。
さらに、第2のトランジスタM2のゲートの充電を第16のトランジスタM16の電流により行うことにより、第2のトランジスタM2のゲートを高速に充電しつつ、第2のトランジスタM2のゲート電圧の最大値を大きく得ることが可能である。
なお、出力端子TOUTから第1、第2の抵抗Rf、Rsを介して反転入力端子TINMから電流が流れようとするが、第5のトランジスタM5の電流はほぼゼロで高入力インピーダンスとなっているため、信号出力端子TOUTへの電流は、基準端子Tref側から流れ出す。
すなわち、大きな入力信号Vinが与えられた時に、電流帰還回路101は帰還回路として動作しない。
上記の説明のように、出力端子がクリップした場合において、第1のトランジスタM1,第2のトランジスタM2の各々のゲート電圧の充電を高速に行い、且つ振幅を大きく取ることができ、また各々のゲート電圧の放電も高速に行うことができる。
したがって、第1のトランジスタM1,第2のトランジスタM2の各々のゲート電圧の振幅を大きく取ることが可能であり、最大出力電力を大きく得ることができる。
さらに、第1のトランジスタM1,第2のトランジスタM2の各々のゲート電圧(ゲート容量)の充電だけでなく、放電も高速に行うことにより、第1のトランジスタM1,第2のトランジスタM2の上下トランジスタの同時オンを防止する特長を持つ。
すなわち、実施例1に係る電流帰還型出力回路100は、プッシュ側(pチャネル側)出力トランジスタの駆動回路とプル側(nチャネル側)出力トランジスタの駆動回路との対称性に優れ、伝達特性の直線性と対称性が良好で、且つ低電圧で広帯域動作が可能である。
このような電流帰還型出力回路100を用いることにより、音質の優れたオーディオ用電力増幅回路を形成することが可能である。
さらに、実施例1に係る電流帰還型出力回路100は、簡易な構成で出力トランジスタのアイドル電流(無信号時の電流)を正確に決定し、且つ出力トランジスタの各々のゲート電圧の振幅を大きく取ることが可能であり、最大出力電力を大きく得ることができる。
さらに、実施例1に係る電流帰還型出力回路100は、アイドル電流を正確に決定することができるので、消費電力を低減することができる。
また、実施例1に係る電流帰還型出力回路100は、出力トランジスタの各々のゲート電圧(ゲート容量)の充電だけでなく、放電も高速に行うことができ、上下の出力トランジスタの同時オンを防止できるという特長を持つ。
以上のように、本実施例1に係る電流帰還型出力回路によれば、伝達特性を向上することができる。
なお、実施例は例示であり、発明の範囲はそれらに限定されない。
100 電流帰還型出力回路
VL1 第1の電源レール
VL2 第2の電源レール
TOUT 信号出力端子
M1 第1のトランジスタ(pMOSトランジスタ)
M2 第2のトランジスタ(nMOSトランジスタ)
CA1 第1のカレントミラー回路
CA2 第2のカレントミラー回路
CA3 第3のカレントミラー回路
CA4 第4のカレントミラー回路
CA5 第5のカレントミラー回路
CA6 第6のカレントミラー回路
101 電流帰還回路
102 電流アンプ

Claims (5)

  1. 出力信号を出力する信号出力端子と、
    前記信号出力端子と第1の電圧が印加される第1の電源レールとの間に接続された第1導電型の第1のトランジスタと、
    前記信号出力端子と前記第1の電圧よりも低い第2の電圧が印加される第2の電源レールとの間に接続され、第1導電型と異なる第2導電型の第2のトランジスタと、
    非反転入力端子、反転入力端子、第1の出力端子、及び第2の出力端子を有し、前記非反転入力端子の入力インピーダンスが前記反転入力端子の入力インピーダンスよりも高くなっており、前記非反転入力端子に入力される入力信号の電流と前記反転入力端子に入力される電流の差を増幅した電流を前記第1の出力端子と前記第2の出力端子との間に流す電流アンプと、
    前記第1の電源レールと前記第1の出力端子との間に流れる電流をカレントミラーした第1のミラー電流を、前記第1の電源レールと第1のノードとの間に流す第1のカレントミラー回路と、
    前記第2の電源レールと前記第2の出力端子との間に流れる電流をカレントミラーした第2のミラー電流を、前記第2の電源レールと第2のノードとの間に流す第2のカレントミラー回路と、
    前記第1の電源レールと第3のノードとの間に流れる電流をカレントミラーした第3のミラー電流を、前記第1の電源レールと、前記第1のトランジスタの制御端子に接続された第4のノードとの間に流す第3のカレントミラー回路と、
    前記第2の電源レールと第5のノードとの間に流れる電流をカレントミラーした第3のミラー電流を、前記第1の電源レールと、前記第2のトランジスタの制御端子に接続された第6のノードとの間に流す第4のカレントミラー回路と、
    前記第3のノードと前記第2のノードとの間に流れる電流をカレントミラーした第5のミラー電流を、前記第4のノードと前記第6のノードとの間に流す第5のカレントミラー回路と、
    前記第5のノードと前記第1のノードとの間に流れる電流をカレントミラーした第6のミラー電流を、前記第6のノードと前記第4のノードとの間に流す第6のカレントミラー回路と、
    前記信号出力端子の電圧に応じた電流を、前記反転入力端子に供給する電流帰還回路と、を備える
    ことを特徴とする電流帰還型出力回路。
  2. 前記電流アンプは、
    前記第1の電源レールに一端が接続され、電流を出力する電流源と、
    前記電流源の他端に一端が接続され、ダイオード接続された第2導電型の第3のトランジスタと、
    前記第3のトランジスタの他端に一端が接続され、前記非反転入力端子に他端が接続され、ダイオード接続された第1導電型の第4のトランジスタと、
    前記第1の出力端子に一端が接続され、前記反転入力端子に他端が接続され、前記第3のトランジスタの制御端子に制御端子が接続された第2導電型の第5のトランジスタと、
    前記反転入力端子に一端が接続され、前記第2の出力端子に他端が接続され、前記第4のトランジスタの制御端子に制御端子が接続された第1導電型の第6のトランジスタと、を備える
    ことを特徴とする請求項1に記載の電流帰還型出力回路。
  3. 前記第1のカレントミラー回路の第1のミラー比は、前記第2のカレントミラー回路の第2のミラー比と等しく設定されており、
    前記第3のカレントミラー回路の第3のミラー比は、前記第4のカレントミラー回路の第4のミラー比と等しく設定されており、
    前記第5のカレントミラー回路の第5のミラー比は、前記第6のカレントミラー回路の第6のミラー比と等しく設定されており、
    前記第3、第4のミラー比は、前記第5、第6のミラー比の2倍であることを特徴とする請求項1または2に記載の電流帰還型出力回路。
  4. 前記第1のカレントミラー回路は、
    前記第1の電源レールに一端が接続され、前記第1の出力端子に他端が接続され、ダイオード接続された第1導電型の第7のトランジスタと、
    前記第1の電源レールに一端が接続され、前記第1のノードに他端が接続され、前記第7のトランジスタの制御端子に制御端子が接続された第1導電型の第8のトランジスタと、を備え、
    前記第2のカレントミラー回路は、
    前記第2の電源レールに一端が接続され、前記第2の出力端子に他端が接続され、ダイオード接続された第2導電型の第9のトランジスタと、
    前記第2の電源レールに一端が接続され、前記第2のノードに他端が接続され、前記第9のトランジスタの制御端子に制御端子が接続された第2導電型の第10のトランジスタと、を備え、
    前記第3のカレントミラー回路は、
    前記第1の電源レールに一端が接続され、前記第3のノードに他端が接続され、ダイオード接続された第1導電型の第11のトランジスタと、
    前記第1の電源レールに一端が接続され、前記第4のノードに他端が接続され、前記第11のトランジスタの制御端子に制御端子が接続された第1導電型の第12のトランジスタと、を備え、
    前記第4のカレントミラー回路は、
    前記第2の電源レールに一端が接続され、前記第5のノードに他端が接続され、ダイオード接続された第2導電型の第13のトランジスタと、
    前記第2の電源レールに一端が接続され、前記第6のノードに他端が接続され、前記第13のトランジスタの制御端子に制御端子が接続された第2導電型の第14のトランジスタと、を備え、
    前記第5のカレントミラー回路は、
    前記第3のノードに一端が接続され、前記第2のノードに他端が接続され、ダイオード接続された第1導電型の第15のトランジスタと、
    前記第4のノードに一端が接続され、前記第6のノードに他端が接続され、前記第15のトランジスタの制御端子に制御端子が接続された第1導電型の第16のトランジスタと、を備え、
    前記第6のカレントミラー回路は、
    前記第5のノードに一端が接続され、前記第1のノードに他端が接続され、ダイオード接続された第2導電型の第17のトランジスタと、
    前記第6のノードに一端が接続され、前記第4のノードに他端が接続され、前記第17のトランジスタの制御端子に制御端子が接続された第2導電型の第18のトランジスタと、を備える
    ことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の電流帰還型出力回路。
  5. 前記電流帰還回路は、
    前記反転入力端子に一端が接続され、前記信号出力端子に他端が接続された第1の抵抗と、
    前記反転入力端子に一端が接続され、基準電圧が印加される基準端子に他端が接続された第2の抵抗と、を備える
    ことを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の電流帰還型出力回路。
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