JP2015146497A - amplifier circuit - Google Patents

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潔 篠井
Kiyoshi Shinoi
潔 篠井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an amplifier circuit capable of being operated at a high speed when capacity load is connected thereto.SOLUTION: A second amplifying stage 20 has very large output resistance, and a pole frequency fp_L caused by this output resistance and output capacity (capacitor Co) is the lowest pole frequency in a transfer function. Since the pole frequency limiting the upper limit of a frequency band becomes high in comparison with a conventional operational amplifier whose upper limit of the frequency band is limited by the pole frequency fp_L caused by the output resistance and the output capacity, the lowest pole frequency in the transfer function is made possible to be put in a higher frequency.

Description

本発明は、センサなどから出力される信号を増幅する増幅回路に係り、特に容量負荷を駆動する増幅回路に関するものである。   The present invention relates to an amplifier circuit that amplifies a signal output from a sensor or the like, and more particularly to an amplifier circuit that drives a capacitive load.

湿度センサや加速度センサなどに用いられる容量性センサ素子は、物理量に応じて静電容量が変化する素子であり、その静電容量の変化は一般に静電容量−電圧変換回路(CV変換回路ともいう)を用いて電気信号に変換される。   A capacitive sensor element used for a humidity sensor, an acceleration sensor, or the like is an element whose capacitance changes in accordance with a physical quantity, and the change in capacitance is generally called a capacitance-voltage conversion circuit (CV conversion circuit). ) To be converted into an electrical signal.

図5は、容量性センサ素子を用いたセンサ装置の一例を示す図である。図5Aは、容量性センサ素子の静電容量を電気信号に変換するCV変換回路の一般的な構成を示す。図5Bと図5Cは、容量性センサ素子の駆動電圧VP1,VP2の波形を示す。図5Dは、スイッチSW1のオンオフの状態を示す。図5Eは、検出信号VSの波形を示す。   FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a sensor device using a capacitive sensor element. FIG. 5A shows a general configuration of a CV conversion circuit that converts the capacitance of the capacitive sensor element into an electric signal. 5B and 5C show waveforms of the drive voltages VP1 and VP2 of the capacitive sensor element. FIG. 5D shows an on / off state of the switch SW1. FIG. 5E shows the waveform of the detection signal VS.

センサ部106の容量性センサ素子104,105は、湿度や加速度などの物理量に応じて静電容量の差が変化するように構成される。直列に接続された容量性センサ素子104,105の両端には、それぞれ逆相の駆動電圧VP1,VP2が印加される。駆動電圧VP1,VP2は、パルス発生部101の周期的なパルス信号に基づいてインバータ回路102とバッファ回路103からそれぞれ出力される。容量性センサ素子104,105の共通接続ノードは、チャージアンプを構成するオペアンプ107の反転入力端子に接続される。オペアンプ107の反転入力端子と出力端子との間には、キャパシタ108とスイッチSW1が並列に接続される。オペアンプ107の非反転入力端子には、基準電圧Vrefが入力される。基準電圧Vrefは、一般に駆動電圧VP1,VP2のハイレベルとローレベルの中間の電圧に設定される。オペアンプ107の出力信号(検出信号Vs)は、AD変換器109においてデジタル信号DATに変換される。   The capacitive sensor elements 104 and 105 of the sensor unit 106 are configured such that the difference in capacitance changes according to physical quantities such as humidity and acceleration. Opposite phase driving voltages VP1 and VP2 are applied to both ends of the capacitive sensor elements 104 and 105 connected in series, respectively. The drive voltages VP1 and VP2 are output from the inverter circuit 102 and the buffer circuit 103 based on the periodic pulse signal of the pulse generator 101, respectively. The common connection node of the capacitive sensor elements 104 and 105 is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier 107 constituting the charge amplifier. A capacitor 108 and a switch SW1 are connected in parallel between the inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier 107. The reference voltage Vref is input to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 107. The reference voltage Vref is generally set to an intermediate voltage between the high level and the low level of the drive voltages VP1 and VP2. The output signal (detection signal Vs) of the operational amplifier 107 is converted into a digital signal DAT by the AD converter 109.

図5に示すセンサ装置では、スイッチSW1がオンのとき(図5D)、駆動電圧VP1,VP2の一方がハイレベル、他方がローレベルとなる(図5B,図5C)。このとき、キャパシタ108の両端の電圧はゼロにリセットされて、電荷が放電される。容量性センサ素子104,105の両端にはほぼ同一の電圧がそれぞれ印加され、静電容量に応じた電荷が蓄積される。   In the sensor device shown in FIG. 5, when the switch SW1 is on (FIG. 5D), one of the drive voltages VP1 and VP2 is at a high level and the other is at a low level (FIGS. 5B and 5C). At this time, the voltage across the capacitor 108 is reset to zero, and the charge is discharged. Almost the same voltage is applied to both ends of the capacitive sensor elements 104 and 105, and charges corresponding to the capacitance are accumulated.

スイッチSW1がオンからオフに変化すると、駆動電圧VP1,VP2のレベルがそれぞれ反転する。このとき、容量性センサ素子104,105の両端にはほぼ同一の電圧がそれぞれ印加されるが、スイッチSW1がオンの場合に対して電圧の極性が逆になる。容量性センサ素子104,105の静電容量が同一でない場合、電圧の極性が逆になることによって、容量性センサ素子104,105に蓄積される電荷量の総量が変化する。この変化分に相当する電荷が、キャパシタ108に蓄積される。キャパシタ108に蓄積される電荷は、容量性センサ素子104,105の静電容量の差に比例するため、スイッチSW1がオフの期間の検出信号Vsは、容量性センサ素子104,105の静電容量の差に応じた電圧となる。静電容量の差は、基準電圧Vrefからの差分として表れる。スイッチSW1がオンのときの駆動電圧VP1,VP2のレベルを周期的に反転することにより、基準電圧Vrefからの差分の極性も周期的に反転する。   When the switch SW1 changes from on to off, the levels of the drive voltages VP1 and VP2 are inverted. At this time, substantially the same voltage is applied to both ends of the capacitive sensor elements 104 and 105, respectively, but the polarity of the voltage is reversed with respect to the case where the switch SW1 is on. When the capacitances of the capacitive sensor elements 104 and 105 are not the same, the total amount of charges accumulated in the capacitive sensor elements 104 and 105 is changed by reversing the polarity of the voltage. The electric charge corresponding to this change is accumulated in the capacitor 108. Since the charge accumulated in the capacitor 108 is proportional to the difference in capacitance between the capacitive sensor elements 104 and 105, the detection signal Vs during the period when the switch SW1 is off is the capacitance of the capacitive sensor elements 104 and 105. The voltage depends on the difference. The difference in capacitance appears as a difference from the reference voltage Vref. By periodically inverting the levels of the drive voltages VP1 and VP2 when the switch SW1 is on, the polarity of the difference from the reference voltage Vref is also periodically inverted.

容量性センサ素子104,105の静電容量の差を精度よく検出するためには、検出信号Vsに含まれるノイズを低減することが必要であり、できるだけ多くの検出信号Vsをサンプリングして平均化することが好ましい。しかしながら、サンプリング動作が遅いと、1つの検出結果を得るのに要する時間が長くなり、回路の動作時間が長くなるため、平均消費電流が増えてしまう。平均消費電流を抑えつつサンプリング回数を増やすには、サンプリング動作の高速化が必要である。従って、CV変換回路のオペアンプ107には、容量負荷を接続した状態で高速な動作が求められる。   In order to accurately detect the difference in capacitance between the capacitive sensor elements 104 and 105, it is necessary to reduce noise included in the detection signal Vs, and as many detection signals Vs as possible are sampled and averaged. It is preferable to do. However, if the sampling operation is slow, the time required to obtain one detection result becomes long and the operation time of the circuit becomes long, so that the average current consumption increases. In order to increase the number of samplings while suppressing the average current consumption, it is necessary to speed up the sampling operation. Therefore, the operational amplifier 107 of the CV conversion circuit is required to operate at high speed with a capacitive load connected.

図6は、従来の一般的なオペアンプの構成を示す図である。図6に示すオペアンプは、P型のMOSトランジスタQ101,Q102,Q107,Q108と、N型のMOSトランジスタQ103,Q104,Q105,Q106と、定電流源111と、抵抗Rcと、キャパシタCcを有する。MOSトランジスタQ101,Q102は、対をなすゲートにおいて差動電圧(VIN+,VIN−)を入力する。定電流源111は、MOSトランジスタQ101,Q102の共通接続されたソースに電源ライン(VDD)から一定の電流を流す。MOSトランジスタQ101のドレインとグランド(VSS)の間にMOSトランジスタQ103が設けられ、MOSトランジスタQ102のドレインとグランド(VSS)の間にMOSトランジスタQ105が設けられる。MOSトランジスタQ104のゲートはMOSトランジスタQ103のゲートとドレインに接続され、そのソースはグランド(VSS)に接続され、そのドレインはMOSトランジスタQ107を介して電源ライン(VDD)に接続される。MOSトランジスタQ106のゲートはMOSトランジスタQ105のゲートとドレインに接続され、そのソースはグランド(VSS)に接続され、そのドレインはMOSトランジスタQ108を介して電源ライン(VDD)に接続される。MOSトランジスタQ107のゲートは、MOSトランジスタQ108のゲートとドレインに接続される。抵抗RcとキャパシタCcは、MOSトランジスタQ104及びQ107のドレインとMOSトランジスタQ102のドレインとの間に直列に接続される。MOSトランジスタQ104及びQ107のドレインが、負荷に接続される出力(OUT)となっている。   FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a conventional general operational amplifier. The operational amplifier shown in FIG. 6 includes P-type MOS transistors Q101, Q102, Q107, and Q108, N-type MOS transistors Q103, Q104, Q105, and Q106, a constant current source 111, a resistor Rc, and a capacitor Cc. The MOS transistors Q101 and Q102 receive a differential voltage (VIN +, VIN−) at a pair of gates. The constant current source 111 supplies a constant current from the power supply line (VDD) to the commonly connected sources of the MOS transistors Q101 and Q102. A MOS transistor Q103 is provided between the drain of the MOS transistor Q101 and the ground (VSS), and a MOS transistor Q105 is provided between the drain of the MOS transistor Q102 and the ground (VSS). The gate of the MOS transistor Q104 is connected to the gate and drain of the MOS transistor Q103, its source is connected to the ground (VSS), and its drain is connected to the power supply line (VDD) via the MOS transistor Q107. The gate of the MOS transistor Q106 is connected to the gate and drain of the MOS transistor Q105, its source is connected to the ground (VSS), and its drain is connected to the power supply line (VDD) via the MOS transistor Q108. The gate of MOS transistor Q107 is connected to the gate and drain of MOS transistor Q108. Resistor Rc and capacitor Cc are connected in series between the drains of MOS transistors Q104 and Q107 and the drain of MOS transistor Q102. The drains of the MOS transistors Q104 and Q107 serve as an output (OUT) connected to the load.

MOSトランジスタQ101,Q102には、差動電圧(VIN+,VIN−)に応じた差を持つ電流が流れる。MOSトランジスタQ103とQ104はカレントミラー回路を構成しているため、MOSトランジスタQ104には、MOSトランジスタQ101の電流に応じた電流が流れようとする。他方、MOSトランジスタQ105とQ106、MOSトランジスタQ107とQ108もそれぞれカレントミラー回路を構成しているため、MOSトランジスタQ107には、MOSトランジスタQ102の電流に応じた電流が流れようとする。出力(OUT)に負荷が接続されると、その負荷には、MOSトランジスタQ101に流れる電流とMOSトランジスタQ102に流れる電流との差に応じた電流、すなわち、差動電圧(VIN+,VIN−)に応じた電流が流れる。   A current having a difference corresponding to the differential voltage (VIN +, VIN−) flows through the MOS transistors Q101, Q102. Since the MOS transistors Q103 and Q104 constitute a current mirror circuit, a current corresponding to the current of the MOS transistor Q101 tends to flow through the MOS transistor Q104. On the other hand, since the MOS transistors Q105 and Q106 and the MOS transistors Q107 and Q108 also constitute current mirror circuits, a current corresponding to the current of the MOS transistor Q102 tends to flow through the MOS transistor Q107. When a load is connected to the output (OUT), the load has a current corresponding to the difference between the current flowing through the MOS transistor Q101 and the current flowing through the MOS transistor Q102, that is, a differential voltage (VIN +, VIN−). A corresponding current flows.

図7は、図6に示すオペアンプの伝達関数のゲインと位相の周波数特性を示す図である。図7において、「fp_M」と「fp_L」はそれぞれ伝達関数の極周波数を示す。最も低い極周波数fp_Mは、位相補償回路(抵抗RcとキャパシタCcの直列回路)によって設定される極周波数であり、2番目に低い極周波数fp_Lは、オペアンプの出力抵抗と負荷容量(図5の例では、AD変換器109の入力容量とキャパシタ108の静電容量)に起因する極周波数である。位相補償回路による極周波数fp_Mは、負荷容量と出力抵抗に起因する極周波数fp_Lに応じて、十分な位相余裕とゲイン余裕が得られるように設定される。   FIG. 7 is a diagram showing the frequency characteristics of the gain and phase of the transfer function of the operational amplifier shown in FIG. In FIG. 7, “fp_M” and “fp_L” indicate the pole frequencies of the transfer function, respectively. The lowest pole frequency fp_M is a pole frequency set by the phase compensation circuit (a series circuit of the resistor Rc and the capacitor Cc), and the second lowest pole frequency fp_L is the output resistance and load capacitance of the operational amplifier (example in FIG. 5). Then, the polar frequency is caused by the input capacitance of the AD converter 109 and the capacitance of the capacitor 108. The pole frequency fp_M by the phase compensation circuit is set so that sufficient phase margin and gain margin can be obtained according to the pole frequency fp_L caused by the load capacitance and the output resistance.

図7に示す伝達特性を有する従来のオペアンプでは、負荷容量と出力抵抗に起因する極周波数fp_Lによって周波数帯域の上限が定まるため、更に周波数帯域を高域へ延ばすことが難しいという問題がある。   In the conventional operational amplifier having the transfer characteristics shown in FIG. 7, the upper limit of the frequency band is determined by the pole frequency fp_L caused by the load capacitance and the output resistance, and therefore there is a problem that it is difficult to further extend the frequency band to a high frequency.

また、極周波数fp_Lが低い位置にある場合、位相補償回路の極周波数fp_Mの設定だけで系の安定性を確保しようとすると、極周波数fp_Mも低くしなくてはならず、応答が著しく遅くなってしまう。これを避けるため、差動対を構成するMOSトランジスタQ101,Q102の相互コンダクタンスgmを小さくしてゲインを低下させると、入力雑音が大きくなるという問題が生じる。   Also, when the pole frequency fp_L is at a low position, if the system stability is to be ensured only by setting the pole frequency fp_M of the phase compensation circuit, the pole frequency fp_M must also be lowered, and the response will be significantly slowed down. End up. In order to avoid this, if the mutual conductance gm of the MOS transistors Q101 and Q102 constituting the differential pair is reduced to reduce the gain, there arises a problem that input noise increases.

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、容量負荷が接続される場合において高速に動作可能な増幅回路を提供することにある。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide an amplifier circuit that can operate at high speed when a capacitive load is connected.

本発明に係る増幅回路は、差動対を構成する一対の第1トランジスタ及び第2トランジスタを含み、前記差動対に入力される差動信号を増幅する第1増幅段と、前記第1増幅段において増幅された差動信号を更に増幅する第2増幅段と、前記第2増幅段の出力に接続される出力キャパシタとを有しており、伝達関数における最も低い極周波数が、前記第2増幅段の出力抵抗と前記出力キャパシタの静電容量とに起因する極周波数であることを特徴とする。
上記の構成によれば、前記出力抵抗と前記出力キャパシタの静電容量とに起因する極周波数が伝達関数における最も低い極周波数とされる。そのため、出力抵抗と出力キャパシタの静電容量とに起因する極周波数によって周波数帯域の上限が制限されるオペアンプ等と比較して、周波数帯域の上限を制限する極周波数が高くなり、伝達関数における最も低い極周波数を、より高い周波数に置くことが可能になる。
An amplifier circuit according to the present invention includes a pair of first and second transistors constituting a differential pair, a first amplification stage for amplifying a differential signal input to the differential pair, and the first amplification A second amplification stage for further amplifying the differential signal amplified in the stage and an output capacitor connected to the output of the second amplification stage, wherein the lowest pole frequency in the transfer function is The pole frequency is caused by the output resistance of the amplification stage and the capacitance of the output capacitor.
According to said structure, the pole frequency resulting from the said output resistance and the electrostatic capacitance of the said output capacitor is made into the lowest pole frequency in a transfer function. As a result, the pole frequency that limits the upper limit of the frequency band is higher than that of an operational amplifier that limits the upper limit of the frequency band due to the pole frequency caused by the output resistance and the capacitance of the output capacitor, and the highest in the transfer function. A low pole frequency can be placed at a higher frequency.

好適に、前記第1増幅段は、前記一対の第1トランジスタ及び第2トランジスタの共通接続ノードと第1電源ラインとの間の電流経路に設けられた定電流源と、前記第1トランジスタと第2電源ラインとの間の電流経路に設けられた第1負荷回路と、前記第2トランジスタと前記第2電源ラインとの間の電流経路に設けられた第2負荷回路とを含んでよい。前記第2増幅段は、前記第1負荷回路に発生する電圧と前記第2負荷回路に発生する電圧との差を増幅してよい。   Preferably, the first amplification stage includes a constant current source provided in a current path between a common connection node of the pair of first transistor and second transistor and a first power supply line, the first transistor, A first load circuit provided in a current path between two power supply lines, and a second load circuit provided in a current path between the second transistor and the second power supply line. The second amplification stage may amplify a difference between a voltage generated in the first load circuit and a voltage generated in the second load circuit.

好適に、前記第1負荷回路と前記第2負荷回路がそれぞれ抵抗素子であってもよい。
これにより、トランジスタ等の能動素子を負荷回路として用いる場合に比べて入力雑音を抑えることができる。
Preferably, each of the first load circuit and the second load circuit may be a resistance element.
Thereby, input noise can be suppressed compared with the case where active elements, such as a transistor, are used as a load circuit.

好適に、前記第2増幅段は、第1ノードと前記第2電源ラインとの間の電流経路に設けられ、前記第1負荷回路に発生する電圧に応じて電流を制御する第3トランジスタと、第2ノードと前記第2電源ラインとの間の電流経路に設けられ、前記第2負荷回路に発生する電圧に応じて電流を制御する第4トランジスタと、前記第1ノードと前記第1電源ラインとの間の電流経路に設けられ、第1バイアス電圧に応じた電流が流れる第5トランジスタと、前記第2ノードと前記第1電源ラインとの間の電流経路に設けられ、前記第1バイアス電圧に応じた電流が流れる第6トランジスタと、前記第3トランジスタと前記第1ノードとの間の電流経路に高出力抵抗の電流バッファとして設けられた第7トランジスタと、前記第4トランジスタと前記第2ノードとの間の電流経路に高出力抵抗の電流バッファとして設けられた第8トランジスタと、前記第5トランジスタと前記第1ノードとの間の電流経路に高出力抵抗の電流バッファとして設けられた第9トランジスタと、前記第6トランジスタと前記第2ノードとの間の電流経路に高出力抵抗の電流バッファとして設けられた第10トランジスタとを含んでよい。前記第1ノード及び前記第2ノードの少なくとも一方に前記出力キャパシタが接続されてよい。   Preferably, the second amplification stage is provided in a current path between a first node and the second power supply line, and controls a current according to a voltage generated in the first load circuit; A fourth transistor provided in a current path between a second node and the second power supply line and controlling a current according to a voltage generated in the second load circuit; the first node; and the first power supply line Is provided in a current path between the second node and the first power line, and is provided in a current path between the second node and the first power supply line. A sixth transistor in which a current according to the current flows, a seventh transistor provided as a current buffer of a high output resistance in a current path between the third transistor and the first node, the fourth transistor, An eighth transistor provided as a high output resistance current buffer in the current path between the two nodes, and a high output resistance current buffer provided in the current path between the fifth transistor and the first node. A ninth transistor and a tenth transistor provided as a high output resistance current buffer in a current path between the sixth transistor and the second node may be included. The output capacitor may be connected to at least one of the first node and the second node.

好適に、前記第3トランジスタと前記第7トランジスタとの接続ノードにおける電圧と前記第4トランジスタと前記第8トランジスタとの接続ノードにおける電圧との差を増幅し、当該増幅結果を前記第7トランジスタの制御電圧と前記第8トランジスタの制御電圧との差動電圧として出力する第1差動増幅部を有してよい。   Preferably, a difference between a voltage at a connection node between the third transistor and the seventh transistor and a voltage at a connection node between the fourth transistor and the eighth transistor is amplified, and the amplification result is expressed by the seventh transistor. A first differential amplifying unit that outputs a differential voltage between a control voltage and a control voltage of the eighth transistor may be provided.

好適に、前記第5トランジスタと前記第9トランジスタとの接続ノードにおける電圧と前記第6トランジスタと前記第10トランジスタとの接続ノードにおける電圧との差を増幅し、当該増幅結果を前記第9トランジスタの制御電圧と前記第10トランジスタの制御電圧との差動電圧として出力する第2差動増幅部とを有してよい。   Preferably, the difference between the voltage at the connection node between the fifth transistor and the ninth transistor and the voltage at the connection node between the sixth transistor and the tenth transistor is amplified, and the result of amplification is amplified by the ninth transistor. A second differential amplifier that outputs a differential voltage between the control voltage and the control voltage of the tenth transistor may be included.

好適に、前記第1トランジスタと前記第1負荷回路との接続ノードにおける電圧と前記第2トランジスタと前記第2負荷回路との接続ノードにおける電圧との中間電圧が所定の電圧に近づくように前記定電流源の電流を制御するコモンモード帰還部を有してよい。   Preferably, the constant voltage is set such that an intermediate voltage between a voltage at a connection node between the first transistor and the first load circuit and a voltage at a connection node between the second transistor and the second load circuit approaches a predetermined voltage. You may have a common mode feedback part which controls the electric current of a current source.

本発明によれば、容量負荷が接続される場合において高速に動作可能な増幅回路を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide an amplifier circuit that can operate at high speed when a capacitive load is connected.

本発明の実施形態に係る増幅回路の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of the amplifier circuit which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る増幅回路の伝達関数のゲインと位相の周波数特性を示す図である。図2Aは従来のオペアンプの周波数特性を示し、図2Bは本発明の実施形態に係る増幅回路の周波数特性を示す。It is a figure which shows the frequency characteristic of the gain and phase of a transfer function of the amplifier circuit which concerns on embodiment of this invention. FIG. 2A shows frequency characteristics of a conventional operational amplifier, and FIG. 2B shows frequency characteristics of an amplifier circuit according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る増幅回路の一変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the amplifier circuit which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る増幅回路の他の変形例を示す図である。It is a figure which shows the other modification of the amplifier circuit which concerns on embodiment of this invention. 容量性センサ素子を用いたセンサ装置の一例を示す図である。図5Aは、容量性センサ素子の静電容量を電気信号に変換するCV変換回路の一般的な構成を示す。図5Bと図5Cは、容量性センサ素子の駆動電圧の波形を示す。図5Dは、スイッチのオンオフ状態を示す。図5Eは、検出信号の波形を示す。It is a figure which shows an example of the sensor apparatus using a capacitive sensor element. FIG. 5A shows a general configuration of a CV conversion circuit that converts the capacitance of the capacitive sensor element into an electric signal. 5B and 5C show waveforms of the driving voltage of the capacitive sensor element. FIG. 5D shows the on / off state of the switch. FIG. 5E shows the waveform of the detection signal. 従来の一般的なオペアンプの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional general operational amplifier. 図6に示すオペアンプの伝達関数のゲインと位相の周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of the gain of a transfer function of the operational amplifier shown in FIG. 6, and a phase.

図1は、本発明の実施形態に係る増幅回路の構成の一例を示す図である。
図1に示す増幅回路は、第1増幅段10と、第2増幅段20と、コモンモード帰還部30と、基準電圧発生部40と、出力キャパシタCoと、出力抵抗Roを有する。
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a configuration of an amplifier circuit according to an embodiment of the present invention.
The amplifier circuit shown in FIG. 1 includes a first amplification stage 10, a second amplification stage 20, a common mode feedback unit 30, a reference voltage generation unit 40, an output capacitor Co, and an output resistance Ro.

第1増幅段10は、入力される差動信号(VIN+,VIN−)を増幅する回路であり、図1の例では、差動対を構成する一対の第1トランジスタQ1及び第2トランジスタQ2と、定電流源11と、抵抗R1,R2とを有する。第1トランジスタQ1及び第2トランジスタQ2はP型のMOSトランジスタである。   The first amplification stage 10 is a circuit for amplifying an input differential signal (VIN +, VIN−). In the example of FIG. 1, the pair of first transistor Q1 and second transistor Q2 constituting the differential pair. And a constant current source 11 and resistors R1 and R2. The first transistor Q1 and the second transistor Q2 are P-type MOS transistors.

第1トランジスタQ1のゲートには差動信号の一方(入力信号VIN+)が入力され、第2トランジスタQ2のゲートには差動信号の他方(入力信号VIN−)が入力される。   One of the differential signals (input signal VIN +) is input to the gate of the first transistor Q1, and the other of the differential signals (input signal VIN−) is input to the gate of the second transistor Q2.

定電流源11は、第1トランジスタQ1及び第2トランジスタQ2の共通接続されたソースと電源電圧VDDを与える電源ライン(以下、「電源ラインVDD」と記す場合がある。)との間の電流経路に設けられている。定電流源11は、電源ラインから差動対(Q1,Q2)へ一定の電流を流す。   The constant current source 11 is a current path between a commonly connected source of the first transistor Q1 and the second transistor Q2 and a power supply line for supplying a power supply voltage VDD (hereinafter sometimes referred to as “power supply line VDD”). Is provided. The constant current source 11 allows a constant current to flow from the power supply line to the differential pair (Q1, Q2).

抵抗R1は、第1トランジスタQ1のドレインとグランド電位VSSを与える電源ライン(以下、「グランドVSS」と記す場合がある。)との間の電流経路に設けられる。抵抗R2は、第2トランジスタQ2のドレインとグランドVSSとの間の電流経路に設けられる。なお、抵抗R1は、本発明における第1負荷回路の一例である。抵抗R2は、本発明における第2負荷回路の一例である。   The resistor R1 is provided in a current path between the drain of the first transistor Q1 and a power supply line that supplies the ground potential VSS (hereinafter, may be referred to as “ground VSS”). The resistor R2 is provided in a current path between the drain of the second transistor Q2 and the ground VSS. The resistor R1 is an example of a first load circuit in the present invention. The resistor R2 is an example of a second load circuit in the present invention.

第2増幅段20は、第1増幅段10において増幅された差動信号を更に増幅する回路であり、抵抗R1において発生する電圧と抵抗R2において発生する電圧との差を増幅する。図1の例において、第2増幅段20は、第3トランジスタQ3と、第4トランジスタQ4と、第5トランジスタQ5と、第6トランジスタQ6と、第7トランジスタQ7と、第8トランジスタQ8と、第9トランジスタQ9と、第10トランジスタQ10と、第1差動増幅部21と、第2差動増幅部22とを有する。第3トランジスタQ3,第4トランジスタQ4,第7トランジスタQ7及び第8トランジスタQ8はN型のMOSトランジスタであり、第5トランジスタQ5,第6トランジスタQ6,第9トランジスタQ9及び第10トランジスタQ10はP型のMOSトランジスタである。   The second amplification stage 20 is a circuit that further amplifies the differential signal amplified in the first amplification stage 10, and amplifies the difference between the voltage generated in the resistor R1 and the voltage generated in the resistor R2. In the example of FIG. 1, the second amplification stage 20 includes a third transistor Q3, a fourth transistor Q4, a fifth transistor Q5, a sixth transistor Q6, a seventh transistor Q7, an eighth transistor Q8, A ninth transistor Q9; a tenth transistor Q10; a first differential amplifier 21; and a second differential amplifier 22. The third transistor Q3, the fourth transistor Q4, the seventh transistor Q7 and the eighth transistor Q8 are N-type MOS transistors, and the fifth transistor Q5, the sixth transistor Q6, the ninth transistor Q9 and the tenth transistor Q10 are P-type. MOS transistor.

第3トランジスタQ3は、第1ノードN1とグランドVSSとの間の電流経路に設けられており、抵抗R1に発生する電圧に応じて電流を制御する。第3トランジスタQ3のソースはグランドVSSに接続され、そのドレインは第7トランジスタQ7を介して第1ノードN1に接続され、そのゲートは第1トランジスタQ1のドレイン(第7ノードN7)に接続される。   The third transistor Q3 is provided in the current path between the first node N1 and the ground VSS, and controls the current according to the voltage generated in the resistor R1. The source of the third transistor Q3 is connected to the ground VSS, its drain is connected to the first node N1 via the seventh transistor Q7, and its gate is connected to the drain (seventh node N7) of the first transistor Q1. .

第4トランジスタQ4は、第2ノードN2とグランドVSSとの間の電流経路に設けられており、抵抗R2に発生する電圧に応じて電流を制御する。第4トランジスタQ4のソースはグランドVSSに接続され、そのドレインは第8トランジスタQ8を介して第2ノードN2に接続され、そのゲートは第2トランジスタQ2のドレイン(第8ノードN8)に接続される。   The fourth transistor Q4 is provided in the current path between the second node N2 and the ground VSS, and controls the current according to the voltage generated in the resistor R2. The source of the fourth transistor Q4 is connected to the ground VSS, the drain thereof is connected to the second node N2 via the eighth transistor Q8, and the gate thereof is connected to the drain of the second transistor Q2 (eighth node N8). .

第5トランジスタQ5は、第1ノードN1と電源ラインVDDとの間の電流経路に設けられており、第1バイアス電圧Vb1に応じた電流が流れる。第5トランジスタQ5のソースは電源ラインVDDに接続され、そのドレインは第9トランジスタQ9を介して第1ノードN1に接続され、そのゲートには第1バイアス電圧Vb1が入力される。   The fifth transistor Q5 is provided in a current path between the first node N1 and the power supply line VDD, and a current according to the first bias voltage Vb1 flows. The source of the fifth transistor Q5 is connected to the power supply line VDD, the drain thereof is connected to the first node N1 via the ninth transistor Q9, and the first bias voltage Vb1 is input to the gate thereof.

第6トランジスタQ6は、第2ノードN2と電源ラインVDDとの間の電流経路に設けられており、第1バイアス電圧Vb1に応じた電流が流れる。第6トランジスタQ6のソースは電源ラインVDDに接続され、そのドレインは第10トランジスタQ10を介して第2ノードN2に接続され、そのゲートには第1バイアス電圧Vb1が入力される。   The sixth transistor Q6 is provided in a current path between the second node N2 and the power supply line VDD, and a current according to the first bias voltage Vb1 flows. The source of the sixth transistor Q6 is connected to the power supply line VDD, the drain is connected to the second node N2 via the tenth transistor Q10, and the first bias voltage Vb1 is input to the gate.

第5トランジスタQ5及び第6トランジスタQ6のゲートには、共通の第1バイアス電圧Vb1として、第2ノードN2の電圧が印加される。第5トランジスタQ5及び第6トランジスタQ6は、第6トランジスタQ6の電流に応じた電流が第5トランジスタQ5に流れるように動作するカレントミラー回路を構成する。   The voltage of the second node N2 is applied to the gates of the fifth transistor Q5 and the sixth transistor Q6 as the common first bias voltage Vb1. The fifth transistor Q5 and the sixth transistor Q6 constitute a current mirror circuit that operates so that a current corresponding to the current of the sixth transistor Q6 flows to the fifth transistor Q5.

第7トランジスタQ7は、第3トランジスタQ3と第1ノードN1との間の電流経路に高出力抵抗の電流バッファとして設けられている。第7トランジスタQ7と第3トランジスタQ3はカスコード回路を構成しており、第1ノードN1からみた第7トランジスタQ7のドレインの出力抵抗は非常に大きな値となっている。   The seventh transistor Q7 is provided as a current buffer having a high output resistance in the current path between the third transistor Q3 and the first node N1. The seventh transistor Q7 and the third transistor Q3 constitute a cascode circuit, and the output resistance of the drain of the seventh transistor Q7 viewed from the first node N1 is a very large value.

第8トランジスタQ8は、第4トランジスタQ4と第2ノードN2との間の電流経路に高出力抵抗の電流バッファとして設けられている。第8トランジスタQ8と第4トランジスタQ4はカスコード回路を構成しており、第2ノードN2からみた第8トランジスタQ8のドレインの出力抵抗は非常に大きな値となっている。   The eighth transistor Q8 is provided as a current buffer with a high output resistance in the current path between the fourth transistor Q4 and the second node N2. The eighth transistor Q8 and the fourth transistor Q4 constitute a cascode circuit, and the output resistance of the drain of the eighth transistor Q8 viewed from the second node N2 has a very large value.

第9トランジスタQ9は、第5トランジスタQ5と第1ノードN1との間の電流経路に高出力抵抗の電流バッファとして設けられている。第9トランジスタQ9と第5トランジスタQ5はカスコード回路を構成しており、第1ノードN1からみた第9トランジスタQ9のドレインの出力抵抗は非常に大きな値となっている。   The ninth transistor Q9 is provided as a current buffer having a high output resistance in the current path between the fifth transistor Q5 and the first node N1. The ninth transistor Q9 and the fifth transistor Q5 constitute a cascode circuit, and the output resistance of the drain of the ninth transistor Q9 viewed from the first node N1 has a very large value.

第10トランジスタQ10は、第6トランジスタQ6と第2ノードN2との間の電流経路に高出力抵抗の電流バッファとして設けられている。第10トランジスタQ10と第6トランジスタQ6はカスコード回路を構成しており、第2ノードN2からみた第10トランジスタQ10のドレインの出力抵抗は非常に大きな値となっている。   The tenth transistor Q10 is provided as a current buffer with a high output resistance in the current path between the sixth transistor Q6 and the second node N2. The tenth transistor Q10 and the sixth transistor Q6 constitute a cascode circuit, and the output resistance of the drain of the tenth transistor Q10 viewed from the second node N2 has a very large value.

第1差動増幅部21は、第3トランジスタQ3と第7トランジスタQ7との接続ノード(第3ノードN3)における電圧と、第4トランジスタQ4と第8トランジスタQ8との接続ノード(第4ノードN4)における電圧との差を増幅する。第1差動増幅部21は、この電圧差の増幅結果を、第7トランジスタQ7の制御電圧(ゲート電圧)と第8トランジスタQ8の制御電圧(ゲート電圧)との差動電圧として出力する。すなわち、第1差動増幅部21は、第3ノードN3と第4ノードN4の電圧差が小さくなるように第7トランジスタQ7と第8トランジスタQ8のゲート電圧の差を調節する。   The first differential amplifier 21 includes a voltage at a connection node (third node N3) between the third transistor Q3 and the seventh transistor Q7, and a connection node (fourth node N4) between the fourth transistor Q4 and the eighth transistor Q8. ) To amplify the difference with voltage. The first differential amplifier 21 outputs the amplification result of this voltage difference as a differential voltage between the control voltage (gate voltage) of the seventh transistor Q7 and the control voltage (gate voltage) of the eighth transistor Q8. That is, the first differential amplifier 21 adjusts the difference between the gate voltages of the seventh transistor Q7 and the eighth transistor Q8 so that the voltage difference between the third node N3 and the fourth node N4 becomes small.

第2差動増幅部22は、第5トランジスタQ5と第9トランジスタQ9との接続ノード(第5ノードN5)における電圧と、第6トランジスタQ6と第10トランジスタQ10との接続ノード(第6ノードN6)における電圧との差を増幅する。第2差動増幅部22は、この電圧差の増幅結果を、第9トランジスタQ9の制御電圧(ゲート電圧)と第10トランジスタQ10の制御電圧(ゲート電圧)との差動電圧として出力する。すなわち、第2差動増幅部22は、第5ノードN5と第6ノードN6の電圧差が小さくなるように第9トランジスタQ9と第10トランジスタQ10のゲート電圧の差を調節する。   The second differential amplifier 22 includes a voltage at a connection node (fifth node N5) between the fifth transistor Q5 and the ninth transistor Q9, and a connection node (sixth node N6) between the sixth transistor Q6 and the tenth transistor Q10. ) To amplify the difference with voltage. The second differential amplifier 22 outputs the amplification result of this voltage difference as a differential voltage between the control voltage (gate voltage) of the ninth transistor Q9 and the control voltage (gate voltage) of the tenth transistor Q10. That is, the second differential amplifying unit 22 adjusts the difference between the gate voltages of the ninth transistor Q9 and the tenth transistor Q10 so that the voltage difference between the fifth node N5 and the sixth node N6 becomes small.

出力キャパシタCoと出力抵抗Roは、差動信号(VIN+,VIN−)の増幅結果が出力される第1ノードN1(OUT)とグランドVSSとの間に直列に接続される。   The output capacitor Co and the output resistor Ro are connected in series between the first node N1 (OUT) from which the amplification result of the differential signal (VIN +, VIN−) is output and the ground VSS.

コモンモード帰還部30は、第1トランジスタQ1と抵抗R1との接続ノード(第7ノードN7)における電圧と、第2トランジスタQ2と抵抗R2との接続ノード(第8ノードN8)における電圧との中間電圧が基準電圧Vrefに近づくように定電流源11を制御する。   The common mode feedback section 30 is intermediate between the voltage at the connection node (seventh node N7) between the first transistor Q1 and the resistor R1 and the voltage at the connection node (eighth node N8) between the second transistor Q2 and the resistor R2. The constant current source 11 is controlled so that the voltage approaches the reference voltage Vref.

図1の例において、コモンモード帰還部30は、抵抗Rc1及び抵抗Rc2と差動増幅部31を有する。抵抗Rc1及び抵抗Rc2は、第7ノードN7と第8ノードN8との間に直列に接続される。差動増幅部31は、この抵抗Rc1及び抵抗Rc2の共通接続ノードにおける電圧と基準電圧Vrefとの差を増幅し、その増幅結果を定電流源11に出力する。抵抗Rc1と抵抗Rc2はほぼ等しい抵抗値を有するため、抵抗Rc1と抵抗Rc2の共通接続ノードにおける電圧は、第7ノードN7における電圧と第8ノードN8における電圧とのほぼ中間の電圧となる。定電流源11の電流は、この中間電圧が基準電圧Vrefとほぼ等しくなるように、差動増幅部31の出力信号に応じて制御される。   In the example of FIG. 1, the common mode feedback unit 30 includes a resistor Rc1, a resistor Rc2, and a differential amplifying unit 31. The resistor Rc1 and the resistor Rc2 are connected in series between the seventh node N7 and the eighth node N8. The differential amplifier 31 amplifies the difference between the voltage at the common connection node of the resistors Rc1 and Rc2 and the reference voltage Vref, and outputs the amplification result to the constant current source 11. Since the resistance Rc1 and the resistance Rc2 have substantially the same resistance value, the voltage at the common connection node of the resistance Rc1 and the resistance Rc2 is an approximately intermediate voltage between the voltage at the seventh node N7 and the voltage at the eighth node N8. The current of the constant current source 11 is controlled according to the output signal of the differential amplifying unit 31 so that the intermediate voltage becomes substantially equal to the reference voltage Vref.

基準電圧発生部40は、コモンモード帰還部30に入力する基準電圧Vrefを発生する回路であり、図1の例では、P型のMOSトランジスタQ15と定電流源41を有する。MOSトランジスタQ15のソースは電源ラインVDDに接続され、そのゲートとドレインは定電流源41に接続される。定電流源41は、MOSトランジスタQ15のドレインからグランドVSSに一定の電流を流す。MOSトランジスタQ15のゲートに発生する電圧が、基準電圧Vrefとしてコモンモード帰還部30に供給される。   The reference voltage generation unit 40 is a circuit that generates a reference voltage Vref to be input to the common mode feedback unit 30. In the example of FIG. 1, the reference voltage generation unit 40 includes a P-type MOS transistor Q15 and a constant current source 41. The source of the MOS transistor Q15 is connected to the power supply line VDD, and the gate and drain thereof are connected to the constant current source 41. The constant current source 41 allows a constant current to flow from the drain of the MOS transistor Q15 to the ground VSS. The voltage generated at the gate of the MOS transistor Q15 is supplied to the common mode feedback unit 30 as the reference voltage Vref.

ここで、上述した構成を有する図1に示す増幅回路の動作を説明する。   Here, the operation of the amplifier circuit shown in FIG. 1 having the above-described configuration will be described.

入力信号VIN+の電圧が入力信号VIN−の電圧に比べて高くなると、第1トランジスタQ1の電流が第2トランジスタQ2の電流に対して小さくなり、抵抗R1の電圧が抵抗R2の電圧に対して低くなる。これにより、第3トランジスタQ3の電流は第4トランジスタQ4の電流に対して小さくなる。第5トランジスタQ5と第6トランジスタQ6はカレントミラー回路を構成しており、第5トランジスタQ5は第4トランジスタQ4と同じ電流を流そうとするため、第3トランジスタQ3の電流は第5トランジスタQ5の電流に対して小さくなる。従って、第1ノードN1(OUT)に接続された出力キャパシタCoと出力抵抗Roには、電源ラインVDDから吐き出す方向に電流が流れ、第1ノードN1(OUT)の電圧が上昇する。入力信号VIN+が入力信号VIN−に対して上昇するほど、第3トランジスタQ3の電流が第5トランジスタQ5の電流に対して減少するため、第1ノードN1(OUT)において吐き出される電流が大きくなる。
他方、入力信号VIN+の電圧が入力信号VIN−の電圧に比べて低くなる場合は、上記と逆の動作により、第3トランジスタQ3の電流が第5トランジスタQ5の電流に対して大きくなるため、第1ノードN1(OUT)にはグランドVSSへ引き込む方向に電流が流れ、第1ノードN1(OUT)の電圧は低下する。入力信号VIN+が入力信号VIN−に対して低下するほど、第3トランジスタQ3の電流が第5トランジスタQ5の電流に対して増大するため、第1ノードN1(OUT)において引き込まれる電流が大きくなる。
以上の動作により、差動信号(VIN+,VIN−)を増幅した結果が第1ノードN1(OUT)から電流として出力される。
When the voltage of the input signal VIN + becomes higher than the voltage of the input signal VIN−, the current of the first transistor Q1 becomes smaller than the current of the second transistor Q2, and the voltage of the resistor R1 is lower than the voltage of the resistor R2. Become. Thereby, the current of the third transistor Q3 becomes smaller than the current of the fourth transistor Q4. The fifth transistor Q5 and the sixth transistor Q6 constitute a current mirror circuit, and the fifth transistor Q5 tries to pass the same current as the fourth transistor Q4. Therefore, the current of the third transistor Q3 is the same as that of the fifth transistor Q5. It becomes smaller with respect to the current. Accordingly, a current flows in the direction discharged from the power supply line VDD through the output capacitor Co and the output resistor Ro connected to the first node N1 (OUT), and the voltage of the first node N1 (OUT) rises. As the input signal VIN + increases with respect to the input signal VIN−, the current of the third transistor Q3 decreases with respect to the current of the fifth transistor Q5, so that the current discharged at the first node N1 (OUT) increases.
On the other hand, when the voltage of the input signal VIN + is lower than the voltage of the input signal VIN−, the current of the third transistor Q3 becomes larger than the current of the fifth transistor Q5 due to the reverse operation to the above. A current flows through the 1 node N1 (OUT) in a direction toward the ground VSS, and the voltage of the first node N1 (OUT) decreases. As the input signal VIN + decreases with respect to the input signal VIN−, the current of the third transistor Q3 increases with respect to the current of the fifth transistor Q5, and thus the current drawn at the first node N1 (OUT) increases.
Through the above operation, the result of amplifying the differential signals (VIN +, VIN−) is output as a current from the first node N1 (OUT).

以上の差動増幅動作において、第2増幅段20の第7トランジスタQ7,第8トランジスタQ8,第9トランジスタQ9,第10トランジスタQ10は、それぞれカスコード回路の電流バッファ(ゲート接地回路)として働く。そのため、これらを設けない場合に比べて、第1ノードN1(OUT)の出力抵抗は非常に大きくなる。   In the above differential amplification operation, the seventh transistor Q7, the eighth transistor Q8, the ninth transistor Q9, and the tenth transistor Q10 of the second amplification stage 20 each function as a current buffer (gate ground circuit) of the cascode circuit. Therefore, compared with the case where these are not provided, the output resistance of the first node N1 (OUT) becomes very large.

また、第1差動増幅部21によって、第3ノードN3と第4ノードN4の電圧差が小さくなるように第7トランジスタQ7と第8トランジスタQ8のゲート電圧の差が調節されるため、第3トランジスタQ3と第4トランジスタQ4を差動電流の電流源としてみた場合、差動電流の大きさに関わらず第3ノードN3と第4ノードN4の電圧差が一定となり、見掛け上の出力抵抗が更に高くなる。
他方、第2差動増幅部22によって、第5ノードN5と第6ノードN6の電圧差が小さくなるように第9トランジスタQ9と第10トランジスタQ10のゲート電圧の差が調節されることから、第5トランジスタQ5と第6トランジスタQ6の互いのゲート電圧がほぼ等しくなるとともに互いのドレイン電圧もほぼ等しくなり、第5トランジスタQ5と第6トランジスタQ6との電流差は非常に小さくなる。従って、第5トランジスタQ5と第6トランジスタQ6を差動電流の電流源としてみた場合、差動電流がゼロに保たれることになるため、見掛け上の出力抵抗が非常に高くなる。
従って、第1差動増幅部21,第2差動増幅部22を設けることにより、第1ノードN1(OUT)の出力抵抗は更に大きくなる。
In addition, since the first differential amplifier 21 adjusts the difference in gate voltage between the seventh transistor Q7 and the eighth transistor Q8 so that the voltage difference between the third node N3 and the fourth node N4 is reduced, When the transistor Q3 and the fourth transistor Q4 are viewed as differential current sources, the voltage difference between the third node N3 and the fourth node N4 is constant regardless of the magnitude of the differential current, and the apparent output resistance is further increased. Get higher.
On the other hand, the second differential amplifier 22 adjusts the difference between the gate voltages of the ninth transistor Q9 and the tenth transistor Q10 so that the voltage difference between the fifth node N5 and the sixth node N6 is reduced. The gate voltages of the fifth transistor Q5 and the sixth transistor Q6 are substantially equal and the drain voltages of the fifth transistor Q5 and the sixth transistor Q6 are also substantially equal, and the current difference between the fifth transistor Q5 and the sixth transistor Q6 becomes very small. Therefore, when the fifth transistor Q5 and the sixth transistor Q6 are viewed as a current source of the differential current, the differential current is kept at zero, so that the apparent output resistance becomes very high.
Therefore, by providing the first differential amplifier 21 and the second differential amplifier 22, the output resistance of the first node N1 (OUT) is further increased.

図2は、本実施形態に係る増幅回路の伝達関数のゲインと位相の周波数特性を示す図である。図2Aは従来のオペアンプの周波数特性を示し、図2Bは本実施形態に係る増幅回路の周波数特性を示す。
上述したように、図1に示す増幅回路では第2増幅段20の出力抵抗が極めて大きいため、第2増幅段20の出力抵抗と出力容量(キャパシタCc)に起因する極周波数fp_Lは、図2Aと図2Bにおいて比較して示すように、従来のオペアンプ(図5)に比べて低い周波数に移動する。図1に示す増幅回路では、従来のオペアンプ(図5)のような位相補償回路(キャパシタCc,抵抗Rc)による極周波数fp_Mが存在せず、極周波数fp_Lが伝達関数における最も低い極周波数となっている。2番目に低い極周波数fp_Fは、第1増幅段10の出力抵抗(R1,R2)と第2増幅段20の入力容量(Q3,Q4のゲート容量等)に起因する極周波数である。
FIG. 2 is a diagram illustrating the frequency characteristics of the gain and phase of the transfer function of the amplifier circuit according to the present embodiment. FIG. 2A shows the frequency characteristics of the conventional operational amplifier, and FIG. 2B shows the frequency characteristics of the amplifier circuit according to this embodiment.
As described above, since the output resistance of the second amplification stage 20 is extremely large in the amplifier circuit shown in FIG. 1, the polar frequency fp_L resulting from the output resistance and the output capacitance (capacitor Cc) of the second amplification stage 20 is as shown in FIG. As shown in comparison with FIG. 2B, the frequency shifts to a lower frequency than that of the conventional operational amplifier (FIG. 5). In the amplifier circuit shown in FIG. 1, there is no pole frequency fp_M due to the phase compensation circuit (capacitor Cc, resistor Rc) like the conventional operational amplifier (FIG. 5), and the pole frequency fp_L is the lowest pole frequency in the transfer function. ing. The second lowest pole frequency fp_F is a pole frequency resulting from the output resistance (R1, R2) of the first amplification stage 10 and the input capacitance (such as the gate capacitance of Q3, Q4) of the second amplification stage 20.

伝達関数における最も低い極周波数について比較すると、本実施形態に係る増幅回路の極周波数fp_L(図2B)は、従来のオペアンプの極周波数fp_M(図2A)に比べて高い周波数になっている。そのため、本実施形態に係る増幅回路は、従来のオペアンプに比べて高い周波数で動作する。   Comparing the lowest pole frequency in the transfer function, the pole frequency fp_L (FIG. 2B) of the amplifier circuit according to this embodiment is higher than the pole frequency fp_M (FIG. 2A) of the conventional operational amplifier. Therefore, the amplifier circuit according to this embodiment operates at a higher frequency than the conventional operational amplifier.

以上説明したように、本実施形態に係る増幅回路では、第2増幅段20が非常に大きい出力抵抗を有しており、この出力抵抗と出力容量(キャパシタCo)に起因する極周波数fp_Lが、伝達関数における最も低い極周波数となっている。すなわち、極周波数fp_Lによるゲインの低下を他の極周波数(fp_F等)よりも十分低い周波数から生じさせることによって、従来のオペアンプ(図5)のように、極周波数fp_Lのための位相補償回路(キャパシタCc,抵抗Rc)を設けることなく、十分なゲイン余裕や位相余裕を得ている。これにより、出力抵抗と出力容量(キャパシタCo)に起因する極周波数fp_Lによって周波数帯域の上限が制限されていた従来のオペアンプと比較して、周波数帯域の上限を制限する極周波数(fp_F等)が高くなるため、伝達関数における最も低い極周波数を、より高い周波数に置くことが可能になる。従って、容量負荷が接続される場合において従来のオペアンプよりも高速な動作が可能となる。   As described above, in the amplifier circuit according to the present embodiment, the second amplifier stage 20 has a very large output resistance, and the polar frequency fp_L caused by the output resistance and the output capacitance (capacitor Co) is The lowest pole frequency in the transfer function. That is, by causing the gain decrease due to the pole frequency fp_L to occur from a frequency sufficiently lower than other pole frequencies (fp_F, etc.), the phase compensation circuit for the pole frequency fp_L (FIG. 5) ( A sufficient gain margin and phase margin are obtained without providing the capacitor Cc and the resistor Rc). Thereby, compared with the conventional operational amplifier in which the upper limit of the frequency band is limited by the polar frequency fp_L caused by the output resistance and the output capacitance (capacitor Co), the pole frequency (such as fp_F) that limits the upper limit of the frequency band is reduced. Because it becomes higher, it is possible to place the lowest pole frequency in the transfer function at a higher frequency. Accordingly, when a capacitive load is connected, it is possible to operate at a higher speed than the conventional operational amplifier.

また、本実施形態に係る増幅回路によれば、周波数帯域の上限を制限する極周波数(fp_F等)が高くなるため、第1増幅段10の差動対を構成する第1トランジスタQ1,第2トランジスタQ2の相互コンダクタンスgmを大きくしても、十分なゲイン余裕や位相余裕を得ることができる。これにより、第1増幅段10の第1トランジスタQ1,第2トランジスタQ2に起因する入力雑音を低減することができる。   Further, according to the amplifier circuit according to the present embodiment, the pole frequency (such as fp_F) that limits the upper limit of the frequency band is increased, and therefore, the first transistor Q1 and the second transistor Q2 constituting the differential pair of the first amplifier stage 10 are increased. Even if the mutual conductance gm of the transistor Q2 is increased, sufficient gain margin and phase margin can be obtained. Thereby, the input noise caused by the first transistor Q1 and the second transistor Q2 of the first amplification stage 10 can be reduced.

更に、本実施形態に係る増幅回路では、第1増幅段10の差動対(Q1,Q2)の負荷として抵抗R1,R2を設けているため、トランジスタ等の能動素子を負荷として用いる場合に比べて、入力雑音を小さくすることができる。   Furthermore, since the resistors R1 and R2 are provided as the load of the differential pair (Q1, Q2) of the first amplification stage 10 in the amplifier circuit according to the present embodiment, compared to the case where an active element such as a transistor is used as the load. Thus, input noise can be reduced.

また、本実施形態に係る増幅回路によれば、コモンモード帰還部30によって差動対(Q1,Q2)のドレインのコモンモード電圧が基準電圧Vrefに近づくように定電流源11の電流が制御されるため、電源電圧VDDの変動や温度の変化による差動対(Q1,Q2)のバイアス電流の変動を抑制して、電源変動の除去性能やオフセット電圧の温度特性等を向上できる。   Further, according to the amplifier circuit according to the present embodiment, the current of the constant current source 11 is controlled by the common mode feedback unit 30 so that the common mode voltage of the drain of the differential pair (Q1, Q2) approaches the reference voltage Vref. Therefore, fluctuations in the bias current of the differential pair (Q1, Q2) due to fluctuations in the power supply voltage VDD and changes in temperature can be suppressed to improve power supply fluctuation removal performance, offset voltage temperature characteristics, and the like.

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々のバリエーションを含んでいる。   In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, Various modifications are included.

例えば、上述した実施形態では差動信号(VIN+,VIN−)の増幅結果としてグランド電位VSSを基準とする単一の信号を出力する例を示しているが、本発明はこれに限定されない。本発明の他の実施形態では、例えば図3において示すように、差動信号(VIN+,VIN−)の増幅結果として差動信号を出力してもよい。図4の例では、第5トランジスタQ5及び第6トランジスタQ6のゲートの第1バイアス電圧Vb1が、図示しないバイアス電圧生成回路によって生成される。増幅結果の差動信号は、第1ノードN1と第2ノードN2の両端から出力される。出力キャパシタCcと出力抵抗Rcは、図3において示すように第1ノードN1と第2ノードN2との間に接続してもよいし、これらのノードと電源ラインVDD,グランドVSSとの間に接続してもよい。   For example, in the above-described embodiment, an example in which a single signal based on the ground potential VSS is output as an amplification result of the differential signal (VIN +, VIN−) is shown, but the present invention is not limited to this. In another embodiment of the present invention, for example, as shown in FIG. 3, a differential signal may be output as the amplification result of the differential signal (VIN +, VIN−). In the example of FIG. 4, the first bias voltage Vb1 of the gates of the fifth transistor Q5 and the sixth transistor Q6 is generated by a bias voltage generation circuit (not shown). The amplified differential signal is output from both ends of the first node N1 and the second node N2. The output capacitor Cc and the output resistor Rc may be connected between the first node N1 and the second node N2 as shown in FIG. 3, or are connected between these nodes and the power supply line VDD and the ground VSS. May be.

上述した実施形態では第1負荷回路,第2負荷回路として抵抗素子(R1,R2)が用いられているが、本発明はこれに限定されない。本発明の他の実施形態では、例えば図4において示すように、第1負荷回路,第2負荷回路としてトランジスタを用いてもよい。図4の例では、抵抗R1の代わりにダイオード接続されたN型MOSトランジスタQ11が設けられ、抵抗R2の代わりにダイオード接続されたN型MOSトランジスタQ12が設けられている。   In the embodiment described above, the resistance elements (R1, R2) are used as the first load circuit and the second load circuit, but the present invention is not limited to this. In another embodiment of the present invention, for example, as shown in FIG. 4, transistors may be used as the first load circuit and the second load circuit. In the example of FIG. 4, a diode-connected N-type MOS transistor Q11 is provided instead of the resistor R1, and a diode-connected N-type MOS transistor Q12 is provided instead of the resistor R2.

上述した実施形態では、コモンモード帰還部30の例として直流電圧により動作する回路を挙げているが、本発明はこれに限定されない。本発明の他の実施形態では、スイッチトキャパシタを用いてコモンモード電圧を制御する回路を設けてもよい。   In the above-described embodiment, a circuit that operates with a DC voltage is cited as an example of the common mode feedback unit 30, but the present invention is not limited to this. In another embodiment of the present invention, a circuit for controlling the common mode voltage using a switched capacitor may be provided.

10…第1増幅段、11…定電流源、20…第2増幅段20、21…第1差動増幅部、22…第2差動増幅部、30…コモンモード帰還部、40…基準電圧発生部、Q1…第1トランジスタ、Q2…第2トランジスタ、Q3…第3トランジスタ、Q4…第4トランジスタ、Q5…第5トランジスタ、Q6…第6トランジスタ、Q7…第7トランジスタ、Q8…第8トランジスタ、Q9…第9トランジスタ、Q10…第10トランジスタ、R1,R2…抵抗、Cc…出力キャパシタ。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... 1st amplification stage, 11 ... Constant current source, 20 ... 2nd amplification stage 20, 21 ... 1st differential amplification part, 22 ... 2nd differential amplification part, 30 ... Common mode feedback part, 40 ... Reference voltage Generator, Q1 ... first transistor, Q2 ... second transistor, Q3 ... third transistor, Q4 ... fourth transistor, Q5 ... fifth transistor, Q6 ... sixth transistor, Q7 ... seventh transistor, Q8 ... eighth transistor Q9: Ninth transistor, Q10: Tenth transistor, R1, R2: Resistance, Cc: Output capacitor.

Claims (7)

差動対を構成する一対の第1トランジスタ及び第2トランジスタを含み、前記差動対に入力される差動信号を増幅する第1増幅段と、
前記第1増幅段において増幅された差動信号を更に増幅する第2増幅段と、
前記第2増幅段の出力に接続される出力キャパシタと
を有し、
伝達関数における最も低い極周波数が、前記第2増幅段の出力抵抗と前記出力キャパシタの静電容量とに起因する極周波数である
ことを特徴とする増幅回路。
A first amplification stage including a pair of first and second transistors constituting a differential pair, and amplifying a differential signal input to the differential pair;
A second amplification stage for further amplifying the differential signal amplified in the first amplification stage;
An output capacitor connected to the output of the second amplification stage;
The amplifier circuit, wherein the lowest pole frequency in the transfer function is a pole frequency resulting from the output resistance of the second amplification stage and the capacitance of the output capacitor.
前記第1増幅段は、
前記一対の第1トランジスタ及び第2トランジスタの共通接続ノードと第1電源ラインとの間の電流経路に設けられた定電流源と、
前記第1トランジスタと第2電源ラインとの間の電流経路に設けられた第1負荷回路と、
前記第2トランジスタと前記第2電源ラインとの間の電流経路に設けられた第2負荷回路と
を含み、
前記第2増幅段は、前記第1負荷回路に発生する電圧と前記第2負荷回路に発生する電圧との差を増幅する
ことを特徴とする請求項1に記載の増幅回路。
The first amplification stage includes:
A constant current source provided in a current path between a common connection node of the pair of first and second transistors and a first power supply line;
A first load circuit provided in a current path between the first transistor and a second power supply line;
A second load circuit provided in a current path between the second transistor and the second power supply line,
2. The amplifier circuit according to claim 1, wherein the second amplification stage amplifies a difference between a voltage generated in the first load circuit and a voltage generated in the second load circuit.
前記第1負荷回路と前記第2負荷回路がそれぞれ抵抗素子である
ことを特徴とする請求項2に記載の増幅回路。
The amplifier circuit according to claim 2, wherein each of the first load circuit and the second load circuit is a resistance element.
前記第2増幅段は、
第1ノードと前記第2電源ラインとの間の電流経路に設けられ、前記第1負荷回路に発生する電圧に応じて電流を制御する第3トランジスタと、
第2ノードと前記第2電源ラインとの間の電流経路に設けられ、前記第2負荷回路に発生する電圧に応じて電流を制御する第4トランジスタと、
前記第1ノードと前記第1電源ラインとの間の電流経路に設けられ、第1バイアス電圧に応じた電流が流れる第5トランジスタと、
前記第2ノードと前記第1電源ラインとの間の電流経路に設けられ、前記第1バイアス電圧に応じた電流が流れる第6トランジスタと、
前記第3トランジスタと前記第1ノードとの間の電流経路に高出力抵抗の電流バッファとして設けられた第7トランジスタと、
前記第4トランジスタと前記第2ノードとの間の電流経路に高出力抵抗の電流バッファとして設けられた第8トランジスタと、
前記第5トランジスタと前記第1ノードとの間の電流経路に高出力抵抗の電流バッファとして設けられた第9トランジスタと、
前記第6トランジスタと前記第2ノードとの間の電流経路に高出力抵抗の電流バッファとして設けられた第10トランジスタと
を含み、
前記第1ノード及び前記第2ノードの少なくとも一方に前記出力キャパシタが接続される
ことを特徴とする請求項2又は3に記載の増幅回路。
The second amplification stage includes
A third transistor provided in a current path between the first node and the second power supply line and controlling a current according to a voltage generated in the first load circuit;
A fourth transistor provided in a current path between a second node and the second power supply line and controlling a current according to a voltage generated in the second load circuit;
A fifth transistor provided in a current path between the first node and the first power supply line, through which a current corresponding to a first bias voltage flows;
A sixth transistor which is provided in a current path between the second node and the first power supply line and through which a current corresponding to the first bias voltage flows;
A seventh transistor provided as a current buffer with a high output resistance in a current path between the third transistor and the first node;
An eighth transistor provided as a current buffer with a high output resistance in a current path between the fourth transistor and the second node;
A ninth transistor provided as a high output resistance current buffer in a current path between the fifth transistor and the first node;
A tenth transistor provided as a high output resistance current buffer in a current path between the sixth transistor and the second node;
The amplifier circuit according to claim 2, wherein the output capacitor is connected to at least one of the first node and the second node.
前記第3トランジスタと前記第7トランジスタとの接続ノードにおける電圧と前記第4トランジスタと前記第8トランジスタとの接続ノードにおける電圧との差を増幅し、当該増幅結果を前記第7トランジスタの制御電圧と前記第8トランジスタの制御電圧との差動電圧として出力する第1差動増幅部を有する
ことを特徴とする請求項4に記載の増幅回路。
Amplifying a difference between a voltage at a connection node between the third transistor and the seventh transistor and a voltage at a connection node between the fourth transistor and the eighth transistor, and calculating the amplified result as a control voltage of the seventh transistor; The amplifier circuit according to claim 4, further comprising a first differential amplifier that outputs a differential voltage with respect to a control voltage of the eighth transistor.
前記第5トランジスタと前記第9トランジスタとの接続ノードにおける電圧と前記第6トランジスタと前記第10トランジスタとの接続ノードにおける電圧との差を増幅し、当該増幅結果を前記第9トランジスタの制御電圧と前記第10トランジスタの制御電圧との差動電圧として出力する第2差動増幅部とを有する
ことを特徴とする請求項4又は5に記載の増幅回路。
Amplifying a difference between a voltage at a connection node between the fifth transistor and the ninth transistor and a voltage at a connection node between the sixth transistor and the tenth transistor, and calculating the amplified result as a control voltage of the ninth transistor The amplifier circuit according to claim 4, further comprising: a second differential amplifier that outputs a differential voltage with respect to a control voltage of the tenth transistor.
前記第1トランジスタと前記第1負荷回路との接続ノードにおける電圧と前記第2トランジスタと前記第2負荷回路との接続ノードにおける電圧との中間電圧が所定の電圧に近づくように前記定電流源の電流を制御するコモンモード帰還部を有する
ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載の増幅回路。

The constant current source is configured such that an intermediate voltage between a voltage at a connection node between the first transistor and the first load circuit and a voltage at a connection node between the second transistor and the second load circuit approaches a predetermined voltage. The amplifier circuit according to claim 1, further comprising a common mode feedback unit that controls current.

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