JP2014158160A - Amplification circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、相補型の増幅回路に関する。 The present invention relates to a complementary amplifier circuit.
高い線形性を有する増幅回路として、特許文献1に記載された相補型増幅回路がある。この増幅回路は、Pチャネル型のMOSトランジスタとNチャネル型のMOSトランジスタが入力信号に対して相補的に動作する。このため、回路全体の入力容量およびトランスコンダクタンスが入力振幅に対してほぼ変動しないように設計でき、高い線形性が得られる。この増幅回路は、バイアス用の抵抗とインピーダンス整合用のインダクタを備えている。
As an amplifier circuit having high linearity, there is a complementary amplifier circuit described in
一般に、MOSトランジスタを用いた増幅回路は入力インピーダンスが高くなり、増幅回路の入力端子に接続される例えば50Ωのインピーダンスを有するアンテナ、フィルタなどの信号源と整合がとりにくい。上記インダクタは、増幅回路の入力インピーダンスを下げて信号源とのインピーダンス整合を図るとともに、線形性をさらに向上させるために設けられている。 In general, an amplifier circuit using a MOS transistor has a high input impedance and is difficult to match with a signal source such as an antenna or a filter having an impedance of 50Ω connected to the input terminal of the amplifier circuit. The inductor is provided to lower the input impedance of the amplifier circuit to achieve impedance matching with the signal source and to further improve linearity.
この増幅回路を半導体基板上に集積してICとして構成する場合、入力信号の周波数が低くなるほど、インピーダンス整合に必要なインダクタのサイズが大きくなり、実用に向かなくなる。また、LC共振を利用するため狭帯域となる。インダクタを使用しない入力インピーダンスの整合手段として、増幅回路の入出力間に抵抗性の帰還をかけ、入力インピーダンスを低下させる構成が考えられる。上記増幅回路にこの帰還を組み合わせれば、入力インピーダンスを低減できるだけでなく、出力インピーダンスも低減できるため、入力段の増幅回路だけでなく、出力段の増幅回路としても有用である。 When this amplifier circuit is integrated on a semiconductor substrate to constitute an IC, the lower the frequency of the input signal, the larger the size of the inductor required for impedance matching, making it unsuitable for practical use. Further, since the LC resonance is used, the band becomes narrow. As an input impedance matching means that does not use an inductor, a configuration in which resistive feedback is applied between the input and output of the amplifier circuit to lower the input impedance is conceivable. When this feedback is combined with the above-mentioned amplifier circuit, not only the input impedance can be reduced, but also the output impedance can be reduced, so that it is useful not only as an input stage amplifier circuit but also as an output stage amplifier circuit.
しかし、この増幅回路も、低周波領域で不安定になり発振する可能性があるという問題がある。不安定の原因は、入力端子とMOSトランジスタの各ゲートとの間にそれぞれ設けられたキャパシタのハイパス特性により、入力から出力までの順方向利得と、出力から入力までの逆方向利得がともに大きい周波数帯が存在することにある。 However, this amplifier circuit also has a problem that it may become unstable and oscillate in a low frequency region. The cause of instability is the frequency where the forward gain from input to output and the reverse gain from output to input are both large due to the high-pass characteristics of the capacitors provided between the input terminal and each gate of the MOS transistor. There is a belt.
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、信号源に対し入力インピーダンスを整合させるとともに安定性を高めた増幅回路を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an amplifier circuit in which input impedance is matched with a signal source and stability is improved.
請求項1に記載した増幅回路は、第1電源線と第2電源線との間に出力端子を挟んで直列に接続されたPチャネル型の第1トランジスタおよびNチャネル型の第2トランジスタからなる相補型増幅回路である。第1、第2トランジスタは、電源線に対しソース接地されている。
The amplifier circuit according to
増幅回路は、第1バイアス電圧を出力する第1バイアス電圧源と、第2バイアス電圧を出力する第2バイアス電圧源とを備えている。第1バイアス電圧源は、第1抵抗を介して第1トランジスタのゲートをバイアスする。第2バイアス電圧源は、第2抵抗を介して第2トランジスタのゲートをバイアスする。 The amplifier circuit includes a first bias voltage source that outputs a first bias voltage and a second bias voltage source that outputs a second bias voltage. The first bias voltage source biases the gate of the first transistor via the first resistor. The second bias voltage source biases the gate of the second transistor through the second resistor.
入力端子と第1、第2トランジスタの各ゲートとの間には、それぞれ入力信号を交流結合するための第1、第2キャパシタが接続されている。入力端子と出力端子との間には、入出力間で負帰還をかけることにより増幅回路の入力インピーダンスおよび出力インピーダンスを低下させる帰還抵抗が接続されている。これにより、例えば50Ωのインピーダンスを持つ信号源に対し、入力インピーダンスを整合させることができる。また、従来用いていたインダクタが不要となり広帯域化および小型化できる。 First and second capacitors for AC coupling of input signals are connected between the input terminal and the gates of the first and second transistors, respectively. Connected between the input terminal and the output terminal is a feedback resistor that lowers the input impedance and output impedance of the amplifier circuit by applying negative feedback between the input and output. Thereby, for example, the input impedance can be matched to a signal source having an impedance of 50Ω. In addition, the conventionally used inductor is not required, and the bandwidth and size can be reduced.
さらに、第1トランジスタのゲートと出力端子との間に第3抵抗が設けられ、第2トランジスタのゲートと出力端子との間に第4抵抗が設けられている。これら第3、第4抵抗は、出力端子から第1、第2トランジスタへの新たな帰還経路を提供する。そのローパス特性により、増幅する信号帯域から外れた低周波領域において、入力端子から出力端子までの順方向利得と、出力端子から入力端子までの逆方向利得がともに小さくなる。その結果、安定性が向上する。 Further, a third resistor is provided between the gate of the first transistor and the output terminal, and a fourth resistor is provided between the gate of the second transistor and the output terminal. These third and fourth resistors provide a new feedback path from the output terminal to the first and second transistors. Due to the low-pass characteristics, both the forward gain from the input terminal to the output terminal and the reverse gain from the output terminal to the input terminal are reduced in a low frequency region outside the signal band to be amplified. As a result, stability is improved.
請求項2に記載した手段によれば、入力端子に接続される信号源の出力インピーダンスをRs、帰還抵抗の抵抗値をRf、第1、第2、第3、第4抵抗の抵抗値をそれぞれR1、R2、R3、R4とし、f=Rs/(Rf+Rs)、K1=R1/(R1+R3)、K2=R2/(R2+R4)によりf、K1、K2を定義したとき、K1,K2>fが成立している。
According to the means described in
入力端子から第1、第2トランジスタのゲートへの順方向の信号経路はハイパス特性であり、出力端子から第1、第2トランジスタのゲートへの逆方向の信号経路はローパス特性になっており、これらはほぼ等しい遮断周波数を持つ。上記した条件を満たすことにより、順方向伝達関数と逆方向伝達関数のポールの周波数を、上記遮断周波数よりも高い周波数領域にシフトすることができる。その結果、上述した低周波領域において順方向利得と逆方向利得がともに下がるので、安定性が一層向上する。 The forward signal path from the input terminal to the gates of the first and second transistors has a high-pass characteristic, and the reverse signal path from the output terminal to the gates of the first and second transistors has a low-pass characteristic. They have approximately equal cut-off frequencies. By satisfying the above condition, the pole frequencies of the forward transfer function and the reverse transfer function can be shifted to a frequency region higher than the cutoff frequency. As a result, both the forward gain and the reverse gain are lowered in the low frequency region described above, and the stability is further improved.
請求項3に記載した手段によれば、第3抵抗と直列に第1定電圧素子を備え、第4抵抗と直列に第2定電圧素子を備えている。これにより、第1バイアス電圧と出力電圧との差電圧を第1抵抗、第3抵抗、第1定電圧素子で分圧したバイアス電圧が第1トランジスタのゲートに印加され、出力電圧と第2バイアス電圧との差電圧を第2定電圧素子、第4抵抗、第2抵抗で分圧したバイアス電圧が第2トランジスタのゲートに印加される。
According to the means described in
第1、第2抵抗は、入力信号が第1、第2バイアス電圧源に流れ込まないように、比較的高い抵抗値に設定されている。そのため、第1、第2トランジスタのゲートに適切なバイアス電圧を印加するためには、第1、第2抵抗とともにバイアス電圧を決定する第3、第4抵抗の抵抗値を高める必要がある。しかし、第3、第4抵抗の抵抗値を高めると、前記条件(K1,K2>f)を満たしにくくなるとともに、レイアウト面積の増大をもたらす。そこで、本手段により第1、第2定電圧素子を直列に加えることにより、その定電圧に相当する分だけ第3、第4抵抗の抵抗値を下げることができる。その結果、前記条件(K1,K2>f)とバイアス設定からくる条件を同時に満たす抵抗値の範囲が広がり、設計の自由度が増す。また、第3、第4抵抗を設けたことによるレイアウト面積の増大を抑えることもできる。 The first and second resistors are set to relatively high resistance values so that input signals do not flow into the first and second bias voltage sources. Therefore, in order to apply an appropriate bias voltage to the gates of the first and second transistors, it is necessary to increase the resistance values of the third and fourth resistors that determine the bias voltage together with the first and second resistors. However, increasing the resistance values of the third and fourth resistors makes it difficult to satisfy the condition (K1, K2> f) and increases the layout area. Therefore, by adding the first and second constant voltage elements in series by this means, the resistance values of the third and fourth resistors can be lowered by an amount corresponding to the constant voltage. As a result, the range of resistance values that simultaneously satisfy the condition (K1, K2> f) and the condition resulting from the bias setting is expanded, and the degree of freedom in design is increased. In addition, an increase in layout area due to the provision of the third and fourth resistors can be suppressed.
請求項4に記載した手段によれば、第1抵抗は、分割した第1A抵抗と第1B抵抗との直列回路により構成され、第2抵抗は、分割した第2A抵抗と第2B抵抗との直列回路により構成される。第3抵抗は、第1A、第1B抵抗の接続ノードと出力端子との間に接続され、第4抵抗は、第2A、第2B抵抗の接続ノードと出力端子との間に接続される。
According to the means described in
この構成によれば、第1バイアス電圧と出力電圧との差電圧を第1A抵抗、第3抵抗で分圧したバイアス電圧が第1トランジスタのゲートに印加され、第2バイアス電圧と出力電圧との差電圧を第4抵抗、第2A抵抗で分圧したバイアス電圧が第2トランジスタのゲートに印加される。 According to this configuration, the bias voltage obtained by dividing the difference voltage between the first bias voltage and the output voltage by the first A resistor and the third resistor is applied to the gate of the first transistor, and the second bias voltage and the output voltage are A bias voltage obtained by dividing the difference voltage by the fourth resistor and the second A resistor is applied to the gate of the second transistor.
例えば第1A抵抗と第1B抵抗の直列抵抗値を第1抵抗の抵抗値に等しく設定すれば、第1キャパシタと第1A、第1B抵抗によるハイパス特性は、非分割の第1抵抗を用いた構成に等しく保たれる。一方、第1トランジスタのゲートに適切なバイアス電圧を印加するためには、非分割の第1抵抗を用いた構成に比べ、第3抵抗の抵抗値をより小さく設定することで十分となる。第2キャパシタと第2A、第2B抵抗と第4抵抗に関しても同様の作用となる。その結果、第3、第4抵抗のレイアウト面積を一層小さく抑えることができる。また、請求項3に記載のように第3抵抗と直列に第1定電圧素子を備え、第4抵抗と直列に第2定電圧素子を備えることにより、第3、第4抵抗のレイアウト面積をさらに小さくできる。
For example, if the series resistance value of the first A resistor and the first B resistor is set equal to the resistance value of the first resistor, the high-pass characteristic by the first capacitor and the first A and first B resistors is a configuration using a non-divided first resistor. Is kept equal to On the other hand, in order to apply an appropriate bias voltage to the gate of the first transistor, it is sufficient to set the resistance value of the third resistor smaller than in the configuration using the non-divided first resistor. The same effect is obtained with respect to the second capacitor, the second A, the second B resistor and the fourth resistor. As a result, the layout area of the third and fourth resistors can be further reduced. Further, the layout area of the third and fourth resistors can be reduced by providing the first constant voltage element in series with the third resistor and the second constant voltage element in series with the fourth resistor as described in
請求項5に記載した手段によれば、第1定電圧素子は、出力端子側をカソードとするダイオードから構成され、第2定電圧素子は、出力端子側をアノードとするダイオードから構成されている。これにより、ダイオードの順方向電圧の分だけ第3、第4抵抗の抵抗値を小さく設定できる。ダイオードは、同じ電圧降下を生じる抵抗に比べ、小さいレイアウト面積で形成できる。
According to the means described in
請求項6に記載した手段によれば、第1定電圧素子は、ゲート・ドレイン間が接続されて出力端子側をソースとするNチャネル型トランジスタから構成され、第2定電圧素子は、ゲート・ドレイン間が接続されて出力端子側をソースとするPチャネル型トランジスタから構成されている。これにより、トランジスタのゲート・ソース間電圧の分だけ第3、第4抵抗の抵抗値を小さく設定できる。トランジスタは、同じ電圧降下を生じる抵抗に比べ、小さいレイアウト面積で形成できる。 According to a sixth aspect of the present invention, the first constant voltage element is composed of an N-channel type transistor whose gate and drain are connected and whose output terminal side is the source, and the second constant voltage element is the gate It is composed of a P-channel transistor whose drain is connected and whose output terminal is the source. As a result, the resistance values of the third and fourth resistors can be set smaller by the amount of the gate-source voltage of the transistor. Transistors can be formed with a smaller layout area than resistors that produce the same voltage drop.
請求項7に記載した手段によれば、第1、第2バイアス電圧源は、第1電源線にソースが接続され、ゲート・ドレイン間が接続されたPチャネル型のトランジスタと、第2電源線にソースが接続され、ゲート・ドレイン間が接続されたNチャネル型のトランジスタと、これらPチャネル型、Nチャネル型のトランジスタに等しい電流を生じさせる回路とを備え、これらPチャネル型、Nチャネル型のトランジスタのゲート・ソース間電圧をそれぞれ第1、第2バイアス電圧として出力する。 According to a seventh aspect of the present invention, the first and second bias voltage sources include a P-channel type transistor having a source connected to the first power supply line and a gate-drain connected, and the second power supply line. N-channel transistors having a source connected to each other and a gate and a drain connected to each other, and a circuit for generating an equal current to these P-channel and N-channel transistors. The gate-source voltages of the transistors are output as first and second bias voltages, respectively.
この構成によれば、Pチャネル型トランジスタとNチャネル型トランジスタに等しい電流が流れる。Pチャネル型トランジスタのゲート・ソース間電圧が、Pチャネル型の第1トランジスタのバイアス電圧を決定し、Nチャネル型トランジスタのゲート・ソース間電圧が、Nチャネル型の第2トランジスタのバイアス電圧を決定する。このようなバイアス設定により、相補型増幅回路の出力電圧を、第1電源線の電位と第2電源線の電位との中央レベルにバイアスすることができる。 According to this configuration, an equal current flows through the P-channel transistor and the N-channel transistor. The gate-source voltage of the P-channel transistor determines the bias voltage of the P-channel first transistor, and the gate-source voltage of the N-channel transistor determines the bias voltage of the N-channel second transistor. To do. With such a bias setting, the output voltage of the complementary amplifier circuit can be biased to the center level between the potential of the first power supply line and the potential of the second power supply line.
さらに、請求項6に記載した手段を備える場合には、第1電源線からPチャネル型トランジスタ、第1A抵抗、第3抵抗、Nチャネル型トランジスタを介して出力端子に至るバイアス設定経路には、Pチャネル型トランジスタとNチャネル型トランジスタのゲート・ソース間が1つずつ含まれる。一方、出力端子からPチャネル型トランジスタ、第4抵抗、第2A抵抗、Nチャネル型トランジスタを介して第2電源線に至るバイアス設定経路にも、Pチャネル型トランジスタとNチャネル型トランジスタのゲート・ソース間が1つずつ含まれる。これにより、2つのバイアス設定経路においてトランジスタのしきい値電圧のばらつきの影響が打ち消され、相補型増幅回路の出力電圧を、第1電源線の電位と第2電源線の電位との中央レベルにバイアスすることができる。
Further, in the case where the means described in
各実施形態において実質的に同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態について図1から図4を参照しながら説明する。図1に示す増幅回路1は、入力端子2に接続された外部の信号源3から与えられる電圧Viを増幅し、出力端子4に接続された外部の負荷5に対して電圧Voを出力する相補型増幅回路である。増幅回路1は、CMOSプロセスにより製造される半導体集積回路として構成されている。
In each embodiment, substantially the same parts are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. An amplifying
信号源3は、アンテナ、フィルタなどであって、50Ωの出力インピーダンスを有している。図1では、信号源3を等価的に信号発生器3aと出力抵抗3b(抵抗値Rs)とで表している。負荷5は、例えば500Ωのインピーダンスを有しており、図1では抵抗で表している。なお、これらのインピーダンス値は一例であって、これに限定されるものではない。
The
増幅回路1は、第1電源線6と第2電源線7とから電源電圧VDDの供給を受けて動作する。電源線6にソース接地されたPチャネル型の第1トランジスタQ1と、電源線7にソース接地されたNチャネル型の第2トランジスタQ2は、出力端子4を挟んでプッシュプルの形態に直列に接続されている。第1バイアス電圧源8は、トランジスタQ1に対する第1バイアス電圧VAを出力し、第2バイアス電圧源9は、トランジスタQ2に対する第2バイアス電圧VBを出力する。
The
入力端子2とトランジスタQ1のゲートとの間には、交流結合のための第1キャパシタC1が接続されている。入力端子2とトランジスタQ2のゲートとの間には、交流結合のための第2キャパシタC2が接続されている。バイアス電圧源8とトランジスタQ1のゲートとの間には、第1抵抗R1が接続されている。バイアス電圧源9とトランジスタQ2のゲートとの間には、第2抵抗R2が接続されている。抵抗R1、R2は、入力信号がバイアス電圧源8、9に流れ込まないように、比較的高い抵抗値(一例として数十kΩ)に設定されている。
A first capacitor C1 for AC coupling is connected between the
入力端子2と出力端子4との間には、帰還抵抗Rfが接続されている。トランジスタQ1のゲートと出力端子4との間には、帰還経路を構成する第3抵抗R3が接続されている。トランジスタQ2のゲートと出力端子4との間には、帰還経路を構成する第4抵抗R4が接続されている。
A feedback resistor Rf is connected between the
次に、本実施形態の作用について図2から図4も参照しながら説明する。相補型増幅回路1は、電源線6側の回路(トランジスタQ1、キャパシタC1、抵抗R1、R3、バイアス電圧源8)と電源線7側の回路(トランジスタQ2、キャパシタC2、抵抗R2、R4、バイアス電圧源9)が定数も含め対称に構成されている。このため、トランジスタQ1、Q2のゲートバイアス状態が等しくなり、トランジスタQ1、Q2に同じドレイン電流が流れる。これにより、出力端子4の電位がVDDと0Vとの中央レベルVDD/2にバイアスされる。増幅回路1は、信号源3から入力した信号電圧Viを反転増幅し、VDD/2にバイアスされた信号電圧Voを出力する。
Next, the operation of this embodiment will be described with reference to FIGS. The
帰還抵抗Rfを備えることにより、増幅回路1の入力インピーダンスが低減して信号源3のインピーダンス(50Ω)と整合をとることができる。また、増幅回路1の出力インピーダンスも低減するので、出力段の増幅回路としても適用できる。抵抗R3、R4を備えない増幅回路(以下、従来回路と称す)では、増幅する信号帯域から外れた低周波領域で不安定になる虞がある。
By providing the feedback resistor Rf, the input impedance of the
図2(a)は、増幅回路1と従来回路の入力電圧Viから出力電圧Voまでの順方向利得(dB)を表し、図2(b)は、増幅回路1と従来回路の出力電圧Voから入力電圧Viまでの逆方向利得(dB)を表すシミュレーション結果である。増幅回路1と従来回路は、ほぼ10MHzから200MHzの周波数帯で安定した負帰還がかかっている。
2A shows the forward gain (dB) from the input voltage Vi to the output voltage Vo of the
しかし、従来回路では、ほぼ1MHzよりも低い周波数帯で逆方向利得が増加しており、その一方で順方向利得はほぼ500kHzまで高く維持されている。すなわち、低周波領域(〜1MHz、特に図2に示す周波数領域A)で、順方向利得と逆方向利得がともに大きい周波数帯が存在し、位相進みの影響を加味すると利得の大きな正帰還に近づき不安定となる。 However, in the conventional circuit, the reverse gain is increased in a frequency band lower than about 1 MHz, while the forward gain is kept high up to about 500 kHz. That is, in the low frequency region (˜1 MHz, particularly frequency region A shown in FIG. 2), there is a frequency band in which both the forward gain and the reverse gain are large. It becomes unstable.
これに対し、抵抗R3、R4を備えた増幅回路1では、ほぼ5MHzよりも低い周波数帯で逆方向利得が減少しており、順方向利得もほぼ5MHzよりも低い周波数帯で減少している。すなわち、低周波領域(〜5MHz)で、順方向利得と逆方向利得がともに大きくなる周波数帯は存在せず、安定性が改善されていることが理解できる。
On the other hand, in the
そこで、従来回路と増幅回路1の周波数特性(利得)をさらに詳細に解析する。
(1)抵抗R3、R4を備えない従来回路
図3は、従来回路の順方向と逆方向の信号フロー図、伝達関数および周波数特性を示している。a1は、入力端子2からトランジスタQ1、Q2への信号経路であって、抵抗R1とキャパシタC1とからなるハイパス特性または抵抗R2とキャパシタC2とからなるハイパス特性を有している。このハイパス特性は、(1)式、(2)式により表すことができる。
a1=s/(s+ω1) …(1)
ω1=1/(C1・R1)=1/(C2・R2) …(2)
Therefore, the frequency characteristics (gain) of the conventional circuit and the
(1) Conventional circuit without resistors R3 and R4 FIG. 3 shows a signal flow diagram, a transfer function, and a frequency characteristic in the forward direction and the reverse direction of the conventional circuit. a1 is a signal path from the
a1 = s / (s + ω1) (1)
ω1 = 1 / (C1 · R1) = 1 / (C2 · R2) (2)
a2は、トランジスタQ1、Q2による反転増幅であって負の値を有している。fは、帰還抵抗Rfと信号源3の出力抵抗3b(抵抗値Rs)との分圧により、出力端子4に生じた電圧が入力端子2に伝達する経路であり、(3)式により表すことができる。
f=Rs/(Rf+Rs) …(3)
a2 is an inverting amplification by the transistors Q1 and Q2, and has a negative value. f is a path through which the voltage generated at the
f = Rs / (Rf + Rs) (3)
ほぼ10MHz以下の周波数帯では、a2とfの周波数依存性は小さく、一定とみなすことができる。順方向の伝達関数Vo/Viおよび逆方向の伝達関数Vi/Voは、それぞれ(4)式および(5)式で表せる。 In a frequency band of approximately 10 MHz or less, the frequency dependence of a2 and f is small and can be regarded as constant. The forward transfer function Vo / Vi and the reverse transfer function Vi / Vo can be expressed by equations (4) and (5), respectively.
順方向の伝達関数、逆方向の伝達関数ともに、−ω1/(1−a2・f)にポールが存在し、周波数ω1/(1−a2・f)の前後で周波数に対する利得の傾きが変化する。以下、ポール−pによる利得の傾きが変化する周波数(p)をポールの周波数と呼ぶ。a2は負の値であり、fは正の値であるので、上記伝達関数のポールの周波数は、a1単独のポールの周波数ω1よりも低くなる。図3に示す周波数特性から分かるように、ω1/(1−a2・f)とω1との間では、順方向利得が高く維持されており、逆方向利得もω1以上の周波数での値よりも大きくなる。これは、図2に示した結果と一致しており、当該周波数帯で不安定となることが解析的にも証明された。 A pole exists at -ω1 / (1-a2 · f) for both the forward transfer function and the reverse transfer function, and the slope of the gain with respect to the frequency changes before and after the frequency ω1 / (1-a2 · f). . Hereinafter, the frequency (p) at which the gain slope due to the pole -p changes is called the pole frequency. Since a2 is a negative value and f is a positive value, the frequency of the pole of the transfer function is lower than the frequency ω1 of the pole of a1 alone. As can be seen from the frequency characteristics shown in FIG. 3, the forward gain is kept high between ω1 / (1-a2 · f) and ω1, and the reverse gain is also higher than the value at the frequency equal to or higher than ω1. growing. This coincides with the result shown in FIG. 2, and it has been analytically proved that the frequency band is unstable.
(2)抵抗R3、R4を備えた増幅回路1
本実施形態の増幅回路1では、ポールの周波数をω1よりも高い周波数領域にシフトすることにより、順方向利得と逆方向利得をともに低減している。図4は、増幅回路1の順方向と逆方向の信号フロー図、伝達関数および周波数特性を示している。抵抗R3、R4を備えることにより、fを介してa1に戻る帰還経路に対し、新たに出力端子4からトランジスタQ1、Q2のゲートに戻る帰還経路が付加される。
(2)
In the
a1は、抵抗R1、R3とキャパシタC1とからなるハイパス特性または抵抗R2、R4とキャパシタC2とからなるハイパス特性である。負荷5の抵抗値はR3、R4に比べて十分に小さいため、ハイパス特性は(6)式、(7)式により表すことができる。抵抗R3、R4が付加されているので、(7)式で示す遮断周波数ω1は(2)式で示す遮断周波数ω1とは異なっている。
a1=s/(s+ω1) …(6)
ω1=(R1+R3)/(C1・R1・R3)=(R2+R4)/(C2・R2・R4) …(7)
a1 is a high-pass characteristic composed of the resistors R1, R3 and the capacitor C1, or a high-pass characteristic composed of the resistors R2, R4 and the capacitor C2. Since the resistance value of the
a1 = s / (s + ω1) (6)
ω1 = (R1 + R3) / (C1 · R1 · R3) = (R2 + R4) / (C2 · R2 · R4) (7)
f2は、抵抗R1、R3とキャパシタC1とからなるローパス特性または抵抗R2、R4とキャパシタC2とからなるローパス特性である。信号源3のインピーダンスはキャパシタC1(C2)のインピーダンスより十分に小さいので、ローパス特性は、入力端子2が電源線に接続されているものとして(8)式、(9)式により表すことができる。f2とa1は同じ遮断周波数ω1を持っている。
f2=K1・ω1/(s+ω1)=K2・ω1/(s+ω1) …(8)
K1=K2=R1/(R1+R3)=R2/(R2+R4) …(9)
f2 is a low-pass characteristic composed of resistors R1, R3 and a capacitor C1, or a low-pass characteristic composed of resistors R2, R4 and a capacitor C2. Since the impedance of the
f2 = K1 · ω1 / (s + ω1) = K2 · ω1 / (s + ω1) (8)
K1 = K2 = R1 / (R1 + R3) = R2 / (R2 + R4) (9)
順方向の伝達関数Vo/Viおよび逆方向の伝達関数Vi/Voは、それぞれ(10)式および(11)式で表せる。 The forward transfer function Vo / Vi and the reverse transfer function Vi / Vo can be expressed by equations (10) and (11), respectively.
順方向の伝達関数、逆方向の伝達関数ともに、ポールの周波数は(1−a2・K2)/(1−a2・f)・ω1となる。a2は負の値であり、fは正の値であるので、(12)式の条件を満たすことにより、ポールの周波数をω1よりも高くできる。
K1,K2>f …(12)
For both the forward transfer function and the reverse transfer function, the pole frequency is (1−a2 · K2) / (1−a2 · f) · ω1. Since a2 is a negative value and f is a positive value, the frequency of the pole can be made higher than ω1 by satisfying the condition of equation (12).
K1, K2> f (12)
図4に示す周波数特性から分かるように、順方向利得と逆方向利得は、周波数が(1−a2・K2)/(1−a2・f)・ω1から下がるにつれて減少する。これは、図2に示した結果と一致しており、順方向利得と逆方向利得がともに大きい周波数帯が消滅していることが証明された。ここではa2の前でf2の出力を加算したが、f2の直流利得が大きければa2の後で加算しても同様の効果が得られる。しかし、f2の直流利得を大きくするために回路構成が複雑になる。 As can be seen from the frequency characteristics shown in FIG. 4, the forward gain and the reverse gain decrease as the frequency decreases from (1-a2 · K2) / (1-a2 · f) · ω1. This coincides with the result shown in FIG. 2, and it has been proved that the frequency band in which both the forward gain and the reverse gain are large disappears. Here, the output of f2 is added before a2, but if the DC gain of f2 is large, the same effect can be obtained by adding after a2. However, the circuit configuration becomes complicated in order to increase the DC gain of f2.
以上説明したように、本実施形態の増幅回路1は、抵抗R3、R4を備えており、出力端子4からトランジスタQ1、Q2のゲートに戻る帰還経路が付加されている。これにより、増幅する信号帯域から外れた低周波領域において、順方向利得と逆方向利得がともに大きい周波数帯がなくなり、安定した増幅動作が可能となる。増幅回路1は、帰還抵抗Rfを備えているので、例えば50Ωのインピーダンスを持つ信号源3に対し、入力インピーダンスを整合させることができる。また、インダクタを備えて整合させる構成に比べ広帯域化および小型化できる。
As described above, the
(第2の実施形態)
第2の実施形態について図5を参照しながら説明する。増幅回路11は、図1に示した増幅回路1と比べ、抵抗R3に対し直列にダイオードD1(第1定電圧素子)を備え、抵抗R4に対し直列にダイオードD2(第2定電圧素子)を備えた構成が相違する。
(Second Embodiment)
A second embodiment will be described with reference to FIG. Compared with the
このとき、トランジスタQ1のゲート電位は、(VA−VDD/2)を抵抗R1とR3で分圧した電圧になり、トランジスタQ2のゲート電位は、(VDD/2−VB)を抵抗R4とR2で分圧した電圧になる。上述したように、抵抗R1、R2は、入力信号がバイアス電圧源8、9に流れ込まないように、比較的高い抵抗値に設定されている。そのため、トランジスタQ1、Q2のゲートを適切にバイアスするには、抵抗R3、R4の抵抗値も高める必要がある。しかし、抵抗値を高めると(9)式よりK1、K2が低下し、(12)式の条件を満たしにくくなる。また、レイアウト面積の増大をもたらす。
At this time, the gate potential of the transistor Q1 is a voltage obtained by dividing (VA−VDD / 2) by the resistors R1 and R3, and the gate potential of the transistor Q2 is (VDD / 2−VB) by the resistors R4 and R2. The voltage is divided. As described above, the resistors R1 and R2 are set to relatively high resistance values so that the input signal does not flow into the
これに対し、抵抗R3、R4にそれぞれダイオードD1、D2を直列に設けると、ダイオードD1、D2が電圧Vf(PN接合の順方向電圧)を負担するので、その定電圧に相当する分だけ抵抗R3、R4の抵抗値を下げることができる。ダイオードD1、D2は、同じ電圧降下を生じる抵抗に比べ、小さいレイアウト面積で形成できる。その結果、(12)式の条件とバイアス設定からくる条件を同時に満たす抵抗値の範囲が広がり、設計の自由度が増す。また、第3、第4抵抗R3、R4を設けたことによるレイアウト面積の増大を抑えることができる。その他、第1の実施形態と同様の効果が得られる。 On the other hand, when the diodes D1 and D2 are provided in series with the resistors R3 and R4, respectively, the diodes D1 and D2 bear the voltage Vf (forward voltage of the PN junction), so that the resistor R3 corresponds to the constant voltage. , R4 can be reduced in resistance value. The diodes D1 and D2 can be formed with a smaller layout area than a resistor that causes the same voltage drop. As a result, the range of resistance values that simultaneously satisfy the condition of equation (12) and the condition resulting from the bias setting is expanded, and the degree of freedom in design is increased. Further, an increase in layout area due to the provision of the third and fourth resistors R3 and R4 can be suppressed. In addition, the same effects as those of the first embodiment can be obtained.
(第3の実施形態)
第3の実施形態について図6を参照しながら説明する。増幅回路21は、図5に示した増幅回路11に対し、抵抗R1、R2の構成が異なる。すなわち、第1抵抗R1は、第1A抵抗R1Aと第1B抵抗R1Bとの直列回路により構成されており、第2抵抗R2は、第2A抵抗R2Aと第2B抵抗R2Bとの直列回路により構成されている。抵抗R3AとダイオードD1との直列回路は、抵抗R1A、R1Bの接続ノードと出力端子4との間に接続されており、抵抗R4AとダイオードD2との直列回路は、抵抗R2A、R2Bの接続ノードと出力端子4との間に接続されている。
(Third embodiment)
A third embodiment will be described with reference to FIG. The
直流バイアス電流は、バイアス電圧源8から抵抗R1A、R3A、ダイオードD1、D2、抵抗R4A、R2Aを通して流れる。トランジスタQ1のゲート電位は、(VA−VDD/2)を抵抗R1A、抵抗R3A、ダイオードD1で分圧した電圧になり、トランジスタQ2のゲート電位は、(VDD/2−VB)をダイオードD2、抵抗R4A、抵抗R2Aで分圧した電圧になる。
The DC bias current flows from the
ここで、R1=R1A+R1B、R2=R2A+R2Bに設定することにより、キャパシタC1と抵抗R1A、R1Bによるハイパス特性は、増幅回路11におけるキャパシタC1と抵抗R1によるハイパス特性と等しくなる。このとき、R1>R1A、R2>R2Aである。さらに、R3A/R1A、R4A/R2Aをそれぞれ増幅回路11におけるR3/R1、R4/R2と等しく設定することにより、トランジスタQ1、Q2のバイアスを増幅回路11と等しい状態にすることができる。このとき、R3A<R3となる。
Here, by setting R1 = R1A + R1B and R2 = R2A + R2B, the high-pass characteristic by the capacitor C1 and the resistors R1A and R1B becomes equal to the high-pass characteristic by the capacitor C1 and the resistor R1 in the
本実施形態の増幅回路21によれば、増幅回路11と同等のハイパス特性およびバイアス設定を持ちながら、抵抗R3A、R4Aの抵抗値を一層下げることができるので、レイアウト面積を一層小さく抑えることができる。その他、第2の実施形態と同様の効果が得られる。
According to the
(第4の実施形態)
第4の実施形態について図7を参照しながら説明する。増幅回路31は、図6に示した増幅回路21のダイオードD1、D2に替えて、ダイオード接続されたNチャネル型のトランジスタQ3、Pチャネル型のトランジスタQ4を備えるとともに、バイアス電圧源8、9の構成を具体化したものである。
(Fourth embodiment)
A fourth embodiment will be described with reference to FIG. The
バイアス電圧源32は、定電流源33、カレントミラー回路を構成するNチャネル型トランジスタQ5、Q6、およびダイオード接続されたPチャネル型トランジスタQ7を備えている。抵抗R1A、R2Aに流れる電流は微小であるため、カレントミラー回路によりNチャネル型トランジスタQ5とPチャネル型トランジスタQ7には定電流源33による電流と等しい電流が生じる。トランジスタQ7のゲート電位が第1バイアス電圧VAであり、トランジスタQ5のゲート電位が第2バイアス電圧VBである。
The
上述したように、相補型増幅回路では出力端子4をVDD/2にバイアスすることが望ましい。そのためには、次の2つの条件を満たすことが必要となる。
(1)トランジスタQ1、Q2のドレイン電流が等しい。
(2)電源線6からトランジスタQ7、抵抗R1A、R3A、トランジスタQ3を介して出力端子4に至るバイアス設定経路W1の電圧降下と、出力端子4からトランジスタQ4、抵抗R4A、R2A、トランジスタQ6を介して電源線7に至るバイアス設定経路W2の電圧降下が等しい。
As described above, in the complementary amplifier circuit, it is desirable to bias the
(1) The drain currents of the transistors Q1 and Q2 are equal.
(2) A voltage drop in the bias setting path W1 from the
(1)の条件を満たすには、トランジスタQ1、Q2に同一のドレイン電流が流れるようにゲートをバイアスするバイアス電圧源32を準備すればよい。実際にバイアス設定経路W1、W2に流れる電流は微小であり、抵抗R1A、R2Aの電圧降下も微小となる。そこで、Pチャネル型のトランジスタQ1、Nチャネル型のトランジスタQ2のゲートには、それぞれ定電流源33の出力電流を流すPチャネル型のトランジスタQ7、Nチャネル型のトランジスタQ5のゲート・ソース間電圧を与えるのがよい。
In order to satisfy the condition (1), it is sufficient to prepare a
(2)の条件を満たすには、第1、第2定電圧素子をそれぞれダイオード接続されたNチャネル型のトランジスタQ3、Pチャネル型のトランジスタQ4で構成するのがよい。トランジスタQ3、Q4は、同じ電圧降下を生じる抵抗に比べ、小さいレイアウト面積で形成できる。バイアス設定経路W1、W2には、何れも1つのPチャネル型のトランジスタと1つのNチャネル型のトランジスタのゲート・ソース間が1つずつ含まれる。これにより、MOSトランジスタのしきい値電圧のばらつきの影響が打ち消される。 In order to satisfy the condition (2), it is preferable that the first and second constant voltage elements are composed of a diode-connected N-channel transistor Q3 and a P-channel transistor Q4, respectively. Transistors Q3 and Q4 can be formed with a smaller layout area than resistors that cause the same voltage drop. Each of the bias setting paths W1 and W2 includes one between the gate and the source of one P-channel transistor and one N-channel transistor. Thereby, the influence of the variation in the threshold voltage of the MOS transistor is canceled.
本実施形態によれば、出力電圧Voを第1電源線6の電位と第2電源線7の電位との中央レベルにバイアスすることができ、出力電圧Voの最大振幅を高めることができる。また、抵抗R3、R4に対し、ダイオード接続されたトランジスタQ3、Q4を直列に備えているので、トランジスタQ3、Q4が負担するゲート・ソース間電圧に相当する分だけ抵抗R3、R4の抵抗値を下げることができる。その結果、(12)式の条件を満たし易くなり、かつレイアウト面積の増大を抑えることができる。その他、第3の実施形態と同様の効果が得られる。
According to the present embodiment, the output voltage Vo can be biased to the middle level between the potential of the first
(第5の実施形態)
図8に示す増幅回路41は、図5に示した増幅回路11のダイオードD1、D2に替えて、ダイオード接続されたNチャネル型のトランジスタQ3、Pチャネル型のトランジスタQ4を備えるとともに、バイアス電圧源32を備えたものである。本実施形態によっても、レイアウト面積の増大を抑えることができる。
(Fifth embodiment)
An
(その他の実施形態)
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形、拡張を行うことができる。
(Other embodiments)
As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described, this invention is not limited to embodiment mentioned above, A various deformation | transformation and expansion | extension can be performed within the range which does not deviate from the summary of invention.
第3の実施形態において、ダイオードD1、D2を省略した構成としてもよい。
第1定電圧素子、第2定電圧素子は、複数のダイオードの直列回路、ダイオード接続された複数のトランジスタの直列回路、ツェナーダイオード、これらの組み合わせなどにより構成してもよい。図7、図8において、トランジスタQ3をPチャネル型トランジスタにより構成し、トランジスタQ4をNチャネル型トランジスタにより構成してもよい。
In the third embodiment, the diodes D1 and D2 may be omitted.
The first constant voltage element and the second constant voltage element may be configured by a series circuit of a plurality of diodes, a series circuit of a plurality of diode-connected transistors, a Zener diode, a combination thereof, or the like. 7 and 8, the transistor Q3 may be configured by a P-channel transistor, and the transistor Q4 may be configured by an N-channel transistor.
図面中、1、11、21、31、41は増幅回路、2は入力端子、3は信号源、4は出力端子、6、7は第1、第2電源線、8、9は第1、第2バイアス電圧源、32はバイアス電圧源(第1、第2バイアス電圧源)、C1、C2は第1、第2キャパシタ、Q1、Q2は第1、第2トランジスタ、Q3はトランジスタ(第1定電圧素子)、Q4はトランジスタ(第2定電圧素子)、D1はダイオード(第1定電圧素子)、D2はダイオード(第2定電圧素子)、R1は第1抵抗、R1A、R1Bは第1A、第1B抵抗、R2は第2抵抗、R2A、R2Bは第2A、第2B抵抗、R3、R3Aは第3抵抗、R4、R4Aは第4抵抗、Rfは帰還抵抗である。 In the drawing, 1, 11, 21, 31, and 41 are amplifier circuits, 2 is an input terminal, 3 is a signal source, 4 is an output terminal, 6 and 7 are first and second power lines, and 8 and 9 are first, The second bias voltage source, 32 is a bias voltage source (first and second bias voltage sources), C1 and C2 are first and second capacitors, Q1 and Q2 are first and second transistors, and Q3 is a transistor (first transistor). Constant voltage element), Q4 is a transistor (second constant voltage element), D1 is a diode (first constant voltage element), D2 is a diode (second constant voltage element), R1 is a first resistor, and R1A and R1B are first A , 1B resistor, R2 is a second resistor, R2A and R2B are 2A and 2B resistors, R3 and R3A are 3rd resistors, R4 and R4A are 4th resistors, and Rf is a feedback resistor.
Claims (7)
入力端子(2)と前記出力端子との間に接続された帰還抵抗(Rf)と、
前記入力端子と前記第1トランジスタのゲートとの間に接続された第1キャパシタ(C1)と、
前記入力端子と前記第2トランジスタのゲートとの間に接続された第2キャパシタ(C2)と、
第1バイアス電圧を出力する第1バイアス電圧源(8,32)と、
第2バイアス電圧を出力する第2バイアス電圧源(9,32)と、
前記第1バイアス電圧源と前記第1トランジスタのゲートとの間に設けられた第1抵抗(R1)と、
前記第2バイアス電圧源と前記第2トランジスタのゲートとの間に設けられた第2抵抗(R2)と、
前記第1トランジスタのゲートと前記出力端子との間に設けられた第3抵抗(R3,R3A)と、
前記第2トランジスタのゲートと前記出力端子との間に設けられた第4抵抗(R4,R4A)とを備えていることを特徴とする増幅回路。 A P-channel first transistor (Q1) grounded at the first power supply line (6) and the second power supply line (7), and connected in series with the output terminal (4) sandwiched between the power supply lines, An N-channel second transistor (Q2);
A feedback resistor (Rf) connected between the input terminal (2) and the output terminal;
A first capacitor (C1) connected between the input terminal and the gate of the first transistor;
A second capacitor (C2) connected between the input terminal and the gate of the second transistor;
A first bias voltage source (8, 32) for outputting a first bias voltage;
A second bias voltage source (9, 32) for outputting a second bias voltage;
A first resistor (R1) provided between the first bias voltage source and the gate of the first transistor;
A second resistor (R2) provided between the second bias voltage source and the gate of the second transistor;
A third resistor (R3, R3A) provided between the gate of the first transistor and the output terminal;
An amplifier circuit comprising a fourth resistor (R4, R4A) provided between the gate of the second transistor and the output terminal.
f=Rs/(Rf+Rs)
K1=R1/(R1+R3)
K2=R2/(R2+R4)
によりf、K1、K2を定義したとき、K1,K2>fが成立していることを特徴とする請求項1記載の増幅回路。 The output impedance of the signal source (3) connected to the input terminal is Rs, the resistance value of the feedback resistor is Rf, and the resistance values of the first, second, third, and fourth resistors are R1, R2, and R3, respectively. , R4,
f = Rs / (Rf + Rs)
K1 = R1 / (R1 + R3)
K2 = R2 / (R2 + R4)
2. The amplifier circuit according to claim 1, wherein K1, K2> f is established when f, K1, and K2 are defined as follows.
前記第4抵抗と直列に接続された第2定電圧素子(D2、Q4)と
を備えていることを特徴とする請求項1または2記載の増幅回路。 A first constant voltage element (D1, Q3) connected in series with the third resistor;
3. The amplifier circuit according to claim 1, further comprising a second constant voltage element (D2, Q4) connected in series with the fourth resistor.
前記第2抵抗は、第2A抵抗(R2A)と第2B抵抗(R2B)との直列回路により構成され、
前記第3抵抗(R3,R3A)は、前記第1A、第1B抵抗の接続ノードと前記出力端子との間に接続され、
前記第4抵抗(R4,R4A)は、前記第2A、第2B抵抗の接続ノードと前記出力端子との間に接続されていることを特徴とする請求項1から3の何れか一項に記載の増幅回路。 The first resistor includes a series circuit of a first A resistor (R1A) and a first B resistor (R1B),
The second resistor is configured by a series circuit of a second A resistor (R2A) and a second B resistor (R2B),
The third resistor (R3, R3A) is connected between a connection node of the first A and first B resistors and the output terminal,
The said 4th resistance (R4, R4A) is connected between the connection node of the said 2A, 2B resistance, and the said output terminal, The Claim 1 characterized by the above-mentioned. Amplifier circuit.
前記第2定電圧素子は、前記出力端子側をアノードとするダイオード(D2)から構成されていることを特徴とする請求項3または4記載の増幅回路。 The first constant voltage element is composed of a diode (D1) having the output terminal side as a cathode,
5. The amplifier circuit according to claim 3, wherein the second constant voltage element includes a diode having an anode on the output terminal side.
前記第2定電圧素子は、ゲート・ドレイン間が接続されて前記出力端子側をソースとするPチャネル型トランジスタ(Q4)から構成されていることを特徴とする請求項3または4記載の増幅回路。 The first constant voltage element is composed of an N-channel transistor (Q3) having a gate-drain connected and having the output terminal side as a source,
5. The amplifier circuit according to claim 3, wherein the second constant voltage element includes a P-channel transistor (Q 4) having a gate and a drain connected and having the output terminal side as a source. 6. .
前記第1電源線にソースが接続され、ゲート・ドレイン間が接続されたPチャネル型のトランジスタ(Q7)と、
前記第2電源線にソースが接続され、ゲート・ドレイン間が接続されたNチャネル型のトランジスタ(Q5)と、
これらPチャネル型、Nチャネル型のトランジスタに等しい電流を生じさせる回路とを備え、
これらPチャネル型、Nチャネル型のトランジスタのゲート・ソース間電圧をそれぞれ前記第1、第2バイアス電圧として出力することを特徴とする請求項1から6の何れか一項に記載の増幅回路。 The first and second bias voltage sources (32) are:
A P-channel transistor (Q7) having a source connected to the first power supply line and a gate-drain connected;
An N-channel transistor (Q5) having a source connected to the second power supply line and a gate-drain connected;
A circuit for generating an equal current to these P-channel and N-channel transistors,
7. The amplifier circuit according to claim 1, wherein gate-source voltages of the P-channel and N-channel transistors are output as the first and second bias voltages, respectively.
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