JP2018056760A - Differential amplifier and voltage follower circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、差動増幅器に関する。 The present invention relates to a differential amplifier.
多くの電子回路において、差動増幅器(演算増幅器)が利用される。差動増幅器は、2つの入力電圧の差を増幅する回路である。図1(a)は、差動増幅器の用途のひとつであるバッファ回路(ボルテージフォロア、ボルテージトラッカー)の回路図である。ボルテージフォロア回路200は、出力と反転入力が結線された差動増幅器100Rを含む。ボルテージフォロア回路200の入力(差動増幅器100Rの非反転入力)には、電圧源204からの入力電圧VINが入力され、その出力には平滑キャパシタ202が接続されており、たとえば電源回路として利用される。
In many electronic circuits, differential amplifiers (operational amplifiers) are used. The differential amplifier is a circuit that amplifies a difference between two input voltages. FIG. 1A is a circuit diagram of a buffer circuit (voltage follower, voltage tracker) which is one of applications of a differential amplifier. The
図1(b)は、差動増幅器の構成例を示す回路図である。差動増幅器100Rは、主として、入力差動対102、テイル電流源104、定電流回路106、出力段110を含む。
FIG. 1B is a circuit diagram illustrating a configuration example of the differential amplifier. The
入力差動対102は、第1入力トランジスタM1および第2入力トランジスタM2を含む。第1入力トランジスタM1のゲートは差動増幅器100Rの反転入力(IN−)と接続され、第2入力トランジスタM2のゲートは差動増幅器100Rの非反転入力(IN+)と接続される。
Input
テイル電流源104は、入力差動対102にテイル電流Iを供給する。テイル電流源104は、ゲートに第1バイアス端子(bias1)端子が接続されるPチャンネルMOSトランジスタM3を含み、bias1端子の電圧に応じて、テイル電流Iが規定される。
The tail
定電流回路106は、入力差動対102に接続されるいわゆる能動負荷であり、トランジスタM1と接続されるトランジスタM4、トランジスタM2と接続されるトランジスタM5を含む。トランジスタM4,M5はbias1端子の電圧に応じた定電流を発生する。
The constant
出力段110は、入力差動対102を構成するトランジスタM1,M2それぞれに流れる電流IM1,IM2の差分を、出力電圧VOUTに変換し、OUT端子から出力する。
The
図1(a)のボルテージフォロア回路200のように、差動増幅器100Rの出力端子OUTに大容量のキャパシタ(容量性負荷)が接続される場合、入力差動対102のドレイン側に位相補償のために、抵抗R1,R2およびキャパシタC3が挿入される。
When a large-capacity capacitor (capacitive load) is connected to the output terminal OUT of the
本発明者らは、図1(b)の差動増幅器100Rについて検討した結果、以下の課題を認識するに至った。
As a result of studying the
位相補償用の抵抗R1,R2は同じ抵抗値Rを有するよう設計され、理想状態では差動増幅器100Rの入力オフセット電圧VOSはゼロとなる。しかしながら現実的には、抵抗R1,R2の抵抗値Rにミスマッチが発生し、これが入力オフセット電圧VOSの原因となる。
The phase compensation resistors R 1 and R 2 are designed to have the same resistance value R, and the input offset voltage V OS of the
抵抗のミスマッチの影響について検討する。簡単のため、トランジスタにミスマッチは発生しておらず、抵抗R2の抵抗値が設計値RよりもΔR増加しているとする。この増加した抵抗成分ΔRによって、第2入力トランジスタM2のソース電圧VS2は、第1入力トランジスタM1のソース電圧VS1よりも低くなる。この電位差VS2−VS1が、入力オフセット電圧VOSとなる。ボルテージフォロア回路200においては、オフセット電圧VOSは、入力電圧VINと出力電圧VOUTの差分として現れ、式(1)で定義することができる。
VIN−VOUT=VOS …(1)
Consider the effects of resistance mismatch. For simplicity, not mismatch occurs in the transistor, the resistance value of the resistor R 2 is to be increased ΔR than the design value R. Due to the increased resistance component ΔR, the source voltage V S2 of the second input transistor M 2 becomes lower than the source voltage V S1 of the first input transistor M 1 . This potential difference V S2 −V S1 becomes the input offset voltage V OS . In the
V IN −V OUT = V OS (1)
また差動対のトランジスタM1,M2のソース電圧VS1,VS2と、入力電圧VIN、出力電圧VOUTの関係式は以下の通りである。
VIN+VGS2=VS2
VOUT+VGS1=VS1
ここで、VGS1=VGS2として式を整理すると、式(2)を得る。
VIN−VOUT=VOS=VS2−VS1 …(2)
次に、コモン端子VCの電圧VCとソース電圧VS1,VS2の関係は、式(3),(4)で表される。
VC−VS2=(I/2+ΔI)×(R+ΔR) …(3)
VC−VS1=(I/2−ΔI)×R …(4)
式(2)〜(4)を整理すると、抵抗のミスマッチによって発生する入力オフセット電圧VOSは式(5)として得られる。
VOS=VS2−VS1=(I/2+ΔI)×(R+ΔR)−(I/2−ΔI)×R
=2ΔI・R+1/2・ΔR+ΔI・ΔR …(5)
The relational expression between the source voltages V S1 and V S2 of the differential pair transistors M 1 and M 2 , the input voltage V IN , and the output voltage V OUT is as follows.
V IN + V GS2 = V S2
V OUT + V GS1 = V S1
Here, when the expression is arranged as V GS1 = V GS2 , Expression (2) is obtained.
V IN −V OUT = V OS = V S2 −V S1 (2)
Next, the relationship between voltage V C and the source voltage V S1, V S2 common terminal VC of the formula (3) is expressed by (4).
V C −V S2 = (I / 2 + ΔI) × (R + ΔR) (3)
V C −V S1 = (I / 2−ΔI) × R (4)
By arranging the equations (2) to (4), the input offset voltage V OS generated by the resistance mismatch is obtained as the equation (5).
V OS = V S2 −V S1 = (I / 2 + ΔI) × (R + ΔR) − (I / 2−ΔI) × R
= 2ΔI · R + 1/2 · ΔR + ΔI · ΔR (5)
式(5)から明らかなように、入力オフセット電圧VOSは、抵抗のミスマッチ量ΔRに応じて発生する。 As is apparent from the equation (5), the input offset voltage V OS is generated according to the resistance mismatch amount ΔR.
一般的に位相補償用の抵抗R1,R2は半導体チップ(ダイ)上にペア性を有するように近接配置される。これによりプロセスばらつきや温度変動に対して、抵抗R1,R2の抵抗値のミスマッチΔRが小さくなるよう配慮される。しかしながら、ミスマッチΔRを完全にゼロとすることは難しい。 In general, the resistances R 1 and R 2 for phase compensation are arranged close to each other on a semiconductor chip (die) so as to have a pair property. Accordingly, consideration is given to reducing the mismatch ΔR of the resistance values of the resistors R 1 and R 2 with respect to process variations and temperature variations. However, it is difficult to make the mismatch ΔR completely zero.
従来では、抵抗R1,R2の抵抗値をトリミング(調節)可能に構成し、半導体チップの出荷前の検査工程において、入力オフセット電圧VOSがゼロに近づくように抵抗R1,R2の抵抗値が調節される。 Conventionally, resistors R 1, trimming the resistance value of R 2 (adjusted) capable constitute, in an inspection process before shipment of the semiconductor chip, the input offset voltage V OS is the resistor R 1, R 2 as close to zero The resistance value is adjusted.
ところがトリミングが完了した後に、差動増幅器100の半導体チップをパッケージに収容する際、あるいはパッケージを、プリント基板に実装する際に、半導体チップに応力が発生し、抵抗R1,R2の抵抗値に、後発的なミスマッチが生ずる場合がある。
However, after the trimming is completed, when the semiconductor chip of the
本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、入力オフセット電圧を改善した差動増幅器の提供にある。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and one of exemplary objects of an embodiment thereof is to provide a differential amplifier having an improved input offset voltage.
本発明のある態様は差動増幅器に関する。差動増幅器は、第1入力トランジスタおよび第2入力トランジスタを含み、反転入力端子、非反転入力端子それぞれの電圧に応じた差動電流を生成する入力差動対と、入力差動対にテイル電流を供給するテイル電流源と、第1入力トランジスタの第1端子とテイル電流源の間に設けられる第1抵抗と、第2入力トランジスタの第1端子とテイル電流源の間に設けられる第2抵抗と、第1入力トランジスタの第2端子および第2入力トランジスタの第2端子と接続され、定電流を発生する定電流回路と、第1入力トランジスタの第2端子および第2入力トランジスタの第2端子と接続され、出力電圧を生成する出力段と、第1入力トランジスタの第2端子および第2入力トランジスタの第2端子と接続され、第1入力トランジスタの第1端子と第2入力トランジスタの第1端子の電位差に応じた差動の補正電流を発生する補正回路と、を備える。 One embodiment of the present invention relates to a differential amplifier. The differential amplifier includes a first input transistor and a second input transistor. The differential amplifier generates a differential current corresponding to the voltage of each of the inverting input terminal and the non-inverting input terminal, and a tail current in the input differential pair. , A first resistor provided between the first terminal of the first input transistor and the tail current source, and a second resistor provided between the first terminal of the second input transistor and the tail current source. A constant current circuit for generating a constant current connected to the second terminal of the first input transistor and the second terminal of the second input transistor; the second terminal of the first input transistor; and the second terminal of the second input transistor Connected to the output stage for generating the output voltage, the second terminal of the first input transistor and the second terminal of the second input transistor, and the first terminal of the first input transistor, And a correction circuit for generating a correction current differential in accordance with the potential difference between the first terminal of the second input transistor.
この態様によると、第1抵抗および第2抵抗のミスマッチを補正できる。 According to this aspect, the mismatch between the first resistor and the second resistor can be corrected.
補正回路は、第1補正トランジスタおよび第2補正トランジスタを含み、第1入力トランジスタの第1端子および第2入力トランジスタの第1端子それぞれの電圧に応じた差動の補正電流を生成する補正差動対と、補正差動対に電流を供給する補正電流源と、を含んでもよい。 The correction circuit includes a first correction transistor and a second correction transistor, and generates a correction current that generates a differential correction current according to the voltages of the first terminal of the first input transistor and the first terminal of the second input transistor. And a correction current source for supplying a current to the correction differential pair.
第1補正トランジスタ、第2補正トランジスタは、第1入力トランジスタ、第2入力トランジスタと同一極性であってもよい。同一極性とは、トランジスタが同型で、かつ極性(導電型)が同一である場合のほか、トランジスタが別型で、かつ極性(導電型)が同一である場合を含む。 The first correction transistor and the second correction transistor may have the same polarity as the first input transistor and the second input transistor. The same polarity includes not only the case where the transistors are the same type and the same polarity (conductivity type) but also the case where the transistors are different types and the same polarity (conductivity type).
第1補正トランジスタ、第2補正トランジスタは、第1入力トランジスタ、第2入力トランジスタと逆極性(異極性)であり、補正回路は、第1補正トランジスタ、第2補正トランジスタに流れる電流を折り返し、差動の補正電流を生成するカレントミラー回路をさらに含んでもよい。逆極性とは、トランジスタが同型で、かつ極性(導電型)が異なる場合のほか、トランジスタが別型で、かつ極性(導電型)が異なる場合を含む。 The first correction transistor and the second correction transistor have opposite polarities (different polarities) to the first input transistor and the second input transistor, and the correction circuit loops back the current flowing through the first correction transistor and the second correction transistor. A current mirror circuit for generating a dynamic correction current may be further included. The reverse polarity includes not only the case where the transistors are of the same type and different polarities (conductivity types) but also the case where the transistors are different types and have different polarities (conductivity types).
入力差動対は、PチャンネルMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)であり、第1補正トランジスタ、第2補正トランジスタはPNP型バイポーラトランジスタであってもよい。 The input differential pair is a P-channel MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), and the first correction transistor and the second correction transistor may be PNP-type bipolar transistors.
入力差動対は、PチャンネルMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)であり、第1補正トランジスタ、第2補正トランジスタはNPN型バイポーラトランジスタであってもよい。 The input differential pair is a P-channel MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), and the first correction transistor and the second correction transistor may be NPN bipolar transistors.
入力差動対は、NチャンネルMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)であり、第1補正トランジスタ、第2補正トランジスタはNPN型バイポーラトランジスタであってもよい。 The input differential pair is an N-channel MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), and the first correction transistor and the second correction transistor may be NPN bipolar transistors.
入力差動対は、NチャンネルMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)であり、第1補正トランジスタ、第2補正トランジスタはPNP型バイポーラトランジスタであってもよい。 The input differential pair is an N-channel MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), and the first correction transistor and the second correction transistor may be PNP bipolar transistors.
本発明の別の態様もまた、差動増幅器である。この差動増幅器は、反転入力端子および非反転入力端子と、制御端子が反転入力端子と接続される第1入力トランジスタと、制御端子が非反転入力端子と接続される第2入力トランジスタと、テイル電流を供給するテイル電流源と、テイル電流源と第1入力トランジスタの第1端子の間に設けられる第1抵抗と、テイル電流源と第2入力トランジスタの第1端子の間に設けられる第2抵抗と、制御端子が第1入力トランジスタの第1端子と接続され、第1入力トランジスタと同極性の第1補正トランジスタと、制御端子が第2入力トランジスタの第1端子と接続され、第2入力トランジスタと同極性の第2補正トランジスタと、第1補正トランジスタの第1端子および第2補正トランジスタの第1端子と接続される補正電流源と、第1入力トランジスタの第2端子および第1補正トランジスタの第2端子と接続される第1電流源と、第2入力トランジスタの第2端子および第2補正トランジスタの第2端子と接続される第2電流源と、第1入力トランジスタの第2端子および第2入力トランジスタの第2端子と接続され、出力電圧を生成する出力段と、を備える。 Another aspect of the present invention is also a differential amplifier. The differential amplifier includes an inverting input terminal and a non-inverting input terminal, a first input transistor having a control terminal connected to the inverting input terminal, a second input transistor having a control terminal connected to the non-inverting input terminal, a tail, A tail current source for supplying current, a first resistor provided between the tail current source and the first terminal of the first input transistor, and a second resistor provided between the tail current source and the first terminal of the second input transistor. The resistor, the control terminal are connected to the first terminal of the first input transistor, the first correction transistor having the same polarity as the first input transistor, the control terminal is connected to the first terminal of the second input transistor, and the second input A second correction transistor having the same polarity as the transistor; a correction current source connected to the first terminal of the first correction transistor and the first terminal of the second correction transistor; A first current source connected to the second terminal of the transistor and the second terminal of the first correction transistor; a second current source connected to the second terminal of the second input transistor and the second terminal of the second correction transistor; And an output stage connected to the second terminal of the first input transistor and the second terminal of the second input transistor to generate an output voltage.
本発明のさらに別の態様もまた、差動増幅器である。この差動増幅器は、反転入力端子および非反転入力端子と、制御端子が反転入力端子と接続される第1入力トランジスタと、制御端子が非反転入力端子と接続される第2入力トランジスタと、テイル電流を供給するテイル電流源と、テイル電流源と第1入力トランジスタの第1端子の間に設けられる第1抵抗と、テイル電流源と第2入力トランジスタの第1端子の間に設けられる第2抵抗と、制御端子が第1入力トランジスタの第1端子と接続され、第1入力トランジスタと逆極性の第1補正トランジスタと、制御端子が第2入力トランジスタの第1端子と接続され、第2入力トランジスタと逆極性の第2補正トランジスタと、第1補正トランジスタの第1端子および第2補正トランジスタの第1端子と接続される補正電流源と、第1補正トランジスタに流れる電流を折り返す第1カレントミラー回路と、第2補正トランジスタに流れる電流を折り返す第2カレントミラー回路と、第1入力トランジスタの第2端子および第1カレントミラー回路の出力端子と接続される第1電流源と、第2入力トランジスタの第2端子および第2カレントミラー回路の出力端子と接続される第2電流源と、第1入力トランジスタの第2端子および第2入力トランジスタの第2端子と接続され、出力電圧を生成する出力段と、を備える。 Yet another embodiment of the present invention is also a differential amplifier. The differential amplifier includes an inverting input terminal and a non-inverting input terminal, a first input transistor having a control terminal connected to the inverting input terminal, a second input transistor having a control terminal connected to the non-inverting input terminal, a tail, A tail current source for supplying current, a first resistor provided between the tail current source and the first terminal of the first input transistor, and a second resistor provided between the tail current source and the first terminal of the second input transistor. The resistor, the control terminal are connected to the first terminal of the first input transistor, the first correction transistor having the opposite polarity to the first input transistor, the control terminal is connected to the first terminal of the second input transistor, and the second input A second correction transistor having a polarity opposite to that of the transistor; a correction current source connected to the first terminal of the first correction transistor and the first terminal of the second correction transistor; Connected to the first current mirror circuit for folding the current flowing through the transistor, the second current mirror circuit for folding the current flowing through the second correction transistor, the second terminal of the first input transistor, and the output terminal of the first current mirror circuit. A first current source; a second current source connected to a second terminal of the second input transistor and an output terminal of the second current mirror circuit; a second terminal of the first input transistor; and a second terminal of the second input transistor. And an output stage for generating an output voltage.
差動増幅器は、ひとつの半導体基板に一体集積化されてもよい。「一体集積化」とは、回路の構成要素のすべてが半導体基板上に形成される場合や、回路の主要構成要素が一体集積化される場合が含まれ、回路定数の調節用に一部の抵抗やキャパシタなどが半導体基板の外部に設けられていてもよい。 The differential amplifier may be integrated on a single semiconductor substrate. “Integrated integration” includes the case where all of the circuit components are formed on a semiconductor substrate and the case where the main components of the circuit are integrated. A resistor, a capacitor, or the like may be provided outside the semiconductor substrate.
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。 Note that any combination of the above-described constituent elements and the constituent elements and expressions of the present invention replaced with each other among methods, apparatuses, systems, and the like are also effective as an aspect of the present invention.
本発明のある態様によれば、差動増幅器の特性を改善できる。 According to an aspect of the present invention, the characteristics of the differential amplifier can be improved.
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。 The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. The same or equivalent components, members, and processes shown in the drawings are denoted by the same reference numerals, and repeated descriptions are omitted as appropriate. The embodiments do not limit the invention but are exemplifications, and all features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the invention.
本明細書において、「部材Aが、部材Bと接続された状態」とは、部材Aと部材Bが物理的に直接的に接続される場合や、部材Aと部材Bが、電気的な接続状態に影響を及ぼさず、あるいは機能を阻害しない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさず、あるいは機能を阻害しない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
In this specification, “the state in which the member A is connected to the member B” means that the member A and the member B are physically directly connected, or the member A and the member B are electrically connected. The case where it is indirectly connected through other members that do not affect the state or inhibit the function is also included.
Similarly, “the state in which the member C is provided between the member A and the member B” refers to the case where the member A and the member C or the member B and the member C are directly connected, as well as an electrical condition. This includes cases where the connection is indirectly made through other members that do not affect the connection state or inhibit the function.
図2は、実施の形態に係る差動増幅器100の回路図である。差動増幅器100は主として、入力差動対102、テイル電流源104、定電流回路106、位相補償回路108、出力段110および補正回路120を備え、ひとつの半導体基板に一体集積化されている。差動増幅器100は、反転入力端子(IN−)と非反転入力端子(IN+)の電位差を増幅し、出力端子OUTから出力電圧VOUTを出力する。
FIG. 2 is a circuit diagram of the
入力差動対102は、PチャンネルMOSFETである第1入力トランジスタM1、第2入力トランジスタM2を含む。第1入力トランジスタM1の制御端子(ゲート)は反転入力端子IN−と接続され、第2入力トランジスタM2の制御端子は非反転入力端子IN+と接続される。入力差動対102は、反転入力端子IN−、非反転入力端子IN+それぞれの電圧VIN+,VIN−に応じた差動電流IM1,IM2を生成する。
The input
テイル電流源104は、入力差動対102にテイル電流Iを供給する。たとえばテイル電流源104は、制御端子(ゲート)がバイアス端子bias1と接続されるPチャンネルMOSFETであるトランジスタM3を含む。
The tail
位相補償回路108は、入力差動対102とテイル電流源104の間に挿入されている。位相補償回路108は、第1抵抗R1、第2抵抗R2およびキャパシタC1を含む。第1抵抗R1は、第1入力トランジスタM1の第1端子(ソース)とテイル電流源104の間に設けられ、第2抵抗R2は第2入力トランジスタM2の第1端子(ソース)とテイル電流源104の間に設けられる。キャパシタC1は、第1入力トランジスタM1のソースと第2入力トランジスタM2のソースの間に接続される。
The
定電流回路106は、第1入力トランジスタM1の第2端子(ドレイン)および第2入力トランジスタM2の第2端子(ドレイン)と接続され、定電流IM4,IM5を発生する。たとえば定電流回路106は、制御端子(ゲート)が共通に接続されたNチャンネルMOSFETであるトランジスタM4,M5を含む。トランジスタM4,M5は、テイル電流源104が生成するテイル電流Iに比例した電流IM4,IM5が流れるように、bias1端子の電圧Vbias1に応じた電圧によってバイアスされる。具体的にはトランジスタM11は、トランジスタM4,M5とともにカレントミラー回路を形成している。トランジスタM12のゲートはbias1端子と接続され、トランジスタM12には、テイル電流Iに比例した電流IM12が流れ、したがって定電流回路106が生成する電流IM4,IM5と電流Iとは比例関係にある。
The constant
出力段110は、第1入力トランジスタM1の第2端子(ドレイン)および第2入力トランジスタM2の第2端子(ドレイン)と接続され、出力電圧VOUTを生成する。たとえば出力段110は、トランジスタM6,M7,M8,M9を含む。トランジスタM6,M7はNチャンネルMOSFETであり、それらの制御端子(ゲート)はbias2端子と接続され、所定のバイアス電圧が供給されている。トランジスタM8,M9はカレントミラー回路を構成している。トランジスタM6のドレインは出力端子OUTと接続されている。
なお、定電流回路106および出力段110の回路構成は特に限定されず、公知のさまざまな回路形式を採用することができる。たとえばカレントミラー回路としてカスコード型を用いてもよい。
The circuit configurations of the constant
補正回路120は、第1入力トランジスタM1の第1端子の電圧(ソース電圧)VS1および第2入力トランジスタM2の第1端子(ソース電圧)VS2を受ける。補正回路120の2つの出力は、第1入力トランジスタM1の第2端子(ドレイン)および第2入力トランジスタM2の第2端子(ドレイン)と接続されており、第1入力トランジスタIM1のソース電圧VS1と第2入力トランジスタM2のソース電圧VS2の電位差に応じた差動の補正電流ICMP1,ICMP2を発生する。
本発明は、図2のブロック図や回路図として把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな装置、回路に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や回路動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な構成例や実施例を説明する。 The present invention is understood as the block diagram and circuit diagram of FIG. 2 or extends to various devices and circuits derived from the above description, and is not limited to a specific configuration. In the following, more specific configuration examples and examples will be described in order not to narrow the scope of the present invention but to help understanding and clarify the essence and circuit operation of the present invention.
図3は、差動増幅器100の構成例の回路図である。図3には差動増幅器100を用いて構成される。補正回路120は、補正差動対122、補正電流源124を含む。補正差動対122は、第1入力トランジスタM1の第1端子(ソース)の電圧VS1および第2入力トランジスタM2の第1端子(ソース)の電圧VS2に応じた差動の補正電流ICMP1,ICMP2を生成する。補正電流源124は、補正差動対122に定電流I2を供給する。
FIG. 3 is a circuit diagram of a configuration example of the
より具体的には補正差動対122は、PNP型の第1補正トランジスタQ1および第2補正トランジスタQ2を含む。PNP型のバイポーラトランジスタは、入力差動対102を構成するPチャンネルMOSFETと同極性である。第1補正トランジスタQ1、第2補正トランジスタQ2それぞれの制御端子(ベース)には、第1入力トランジスタM1、第2入力トランジスタM2のソースの電圧VS1,VS2が入力される。補正電流源124はPチャンネルMOSFETであるトランジスタM10を含む。トランジスタM10のゲートはbias1端子と接続され、トランジスタM12、M3とともにカレントミラー回路を形成しており、補正電流源124が生成する定電流I2は、テイル電流源104が生成するテイル電流Iと比例関係にある。
More specifically correction
以上が差動増幅器100の構成例である。続いてその動作を説明する。
いま、抵抗R1とR2の抵抗値にミスマッチが発生し、R1=R,R2=R+ΔRとなったとする。このとき、トランジスタM1の電流IM1はΔI増加し、トランジスタM2の電流IM2はΔI減少する。
IM1=I/2+ΔI
IM2=I/2−ΔI
The above is an example of the configuration of the
Now, it is assumed that a mismatch occurs between the resistance values of the resistors R 1 and R 2 and R 1 = R, R 2 = R + ΔR. At this time, the current I M1 of the transistor M 1 increases by ΔI, and the current I M2 of the transistor M 2 decreases by ΔI.
I M1 = I / 2 + ΔI
I M2 = I / 2−ΔI
第2入力トランジスタM2のソース電圧VS2は、第1入力トランジスタM1のソース電圧VS1より低くなる。そうすると、補正差動対122のトランジスタQ2に流れる補正電流ICMP2が増加し、トランジスタQ1に流れる補正電流ICMP1は減少する。
ICMP1=I2/2−ΔI’
ICMP2=I2/2+ΔI’
The source voltage V S2 of the second input transistor M 2 is lower than the source voltage V S1 of the first input transistor M 1 . Then, it increases the correction current I CMP2 flowing through the transistor Q 2 of the correction
I CMP1 = I 2 / 2-ΔI ′
I CMP2 = I 2/2 + ΔI '
入力差動対102から定電流回路106に流れ込む差動電流には、補正回路120が生成する補正電流が重畳される。したがって、補正後の差動電流はIM1+ICMP1およびIM2+ICMP2となる。つまりトランジスタM1の電流IM1の増加分ΔIが、トランジスタQ1の電流IM1の減少分ΔI’と打ち消しあい、トランジスタM2の電流IM2の減少分ΔIが、トランジスタQ2の電流IM1の増加分ΔI’と打ち消しあう。
The correction current generated by the
補正回路120は、抵抗R1,R2のミスマッチに起因するソース電圧VS1,VS2の差分、言い換えれば差動増幅器100の入力オフセット電圧VOSを、差動の補正電流ICMP1,ICMP2に変換し、定電流回路106に流れ込むドレイン電流IM1+ICMP1,IM2+ICMP2が一定となるようにフィードバックがかかる。
The
図3に示すようにボルテージフォロア回路200を構成すると、VIN=VOUTが成り立つようにフィードバックがかかる。したがって、第1入力トランジスタM1、第2入力トランジスタM2それぞれのソース電圧VS1,VS2は等しくなり、入力オフセット電圧VOSをゼロに近づけることができる。
When the
以上が差動増幅器100の動作である。この差動増幅器100によれば、補正回路120による補正効果によって、入力オフセット電圧VOSをゼロに近づけることができる。この補正効果は、プロセスばらつき、温度変動、応力などさまざまな要因に起因する抵抗のミスマッチΔRに対して有効である。
The above is the operation of the
図4(a)、(b)は、図3の差動増幅器100における入力オフセット電圧VOSの補正効果を示す図である。図4(a)は、入力オフセット電圧VOSの入力電圧VINに対する依存性を示す。抵抗R1,R2の設計値は100kΩであり、(i)は、R1が設計値よりも4kΩ増加した場合の特性を、(ii)は、R2が設計値よりも4kΩ増加した場合の特性を示す。また比較のために、図1(b)の従来の差動増幅器100Rの特性(iii)、(iv)が示される。(v)は抵抗のミスマッチΔRがゼロのときの特性を示す。
Figure 4 (a), (b) is a diagram showing a correction effect of the input offset voltage V OS at the
補正回路120を設けない従来回路では、4kΩのミスマッチに対して、±7mVの入力オフセット電圧VOSが発生するのに対して、補正回路120を備える差動増幅器100によれば、入力オフセット電圧VOSを±1mV程度まで小さくできる。
In the conventional circuit in which the
図4(b)は、入力オフセット電圧VOSの抵抗値の差分ΔRに対する依存性を示す。(i)、(ii)はそれぞれ、図3の差動増幅器100において、R1,R2が変動したときの特性を示す。(iii)、(iv)はそれぞれ、従来の差動増幅器100Rにおいて、R1,R2が変動したときの特性を示す。(i)と(iii)の対比、あるいは(ii)と(iv)の対比から、補正回路120を設けることにより、入力オフセット電圧VOSが大幅に低減されることが分かる。
4 (b) shows the dependence on the difference ΔR of the resistance value of the input offset voltage V OS. (I) and (ii) show characteristics when R 1 and R 2 fluctuate in the
図5は、差動増幅器100の別の構成例(100A)を示す回路図である。図5の差動増幅器100Aにおいて、補正回路120Aは、補正差動対122A、補正電流源124Aに加えてカレントミラー回路126,128を備える。
FIG. 5 is a circuit diagram showing another configuration example (100A) of the
補正差動対122Aを構成する第1補正トランジスタQ1、第2補正トランジスタQ2は、NPN型バイポーラトランジスタであり、Pチャンネルの第1入力トランジスタM1、第2入力トランジスタM2とは逆極性である。補正電流源124Aは、トランジスタQ1,Q2の共通に接続されたエミッタに接続され、定電流I2を生成する。補正電流源124Aは、定電流回路106のトランジスタM4,M5と同様にバイアスされるトランジスタM11を含み、定電流I2と、定電流回路106が生成する電流IM4,IM5とは比例関係にある。
The first correction transistor Q 1 and the second correction transistor Q 2 constituting the correction
カレントミラー回路126は、第1補正トランジスタQ1に流れる電流を折り返し、カレントミラー回路128は、第2補正トランジスタQ2に流れる電流を折り返す。カレントミラー回路126,128は、差動の補正電流ICMP1,ICMP2を生成する。
The
この構成によっても、図3の差動増幅器100と同様の効果を得ることができる。
Also with this configuration, the same effect as that of the
以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。 The present invention has been described based on the embodiments. This embodiment is an exemplification, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications can be made to combinations of the respective constituent elements and processing processes, and such modifications are within the scope of the present invention. is there. Hereinafter, such modifications will be described.
(第1変形例)
図2、図3、図5に示されるMOSFETは、バイポーラトランジスタに置換してもよい。この場合、第1端子のソースをエミッタと読み替え、第2端子のドレインをコレクタと読み替えればよい。反対に図2、図3、図5に示されるバイポーラトランジスタを、MOSFETに置換してもよい。
(First modification)
The MOSFET shown in FIGS. 2, 3, and 5 may be replaced with a bipolar transistor. In this case, the source of the first terminal may be read as the emitter, and the drain of the second terminal may be read as the collector. Conversely, the bipolar transistors shown in FIGS. 2, 3, and 5 may be replaced with MOSFETs.
(第2変形例)
図6は、第2変形例に係る差動増幅器100Bの回路図である。この差動増幅器100Bは、図2の差動増幅器100を天地反転し、PチャンネルとNチャンネルを置換し、NPN型をPNP型に置換した構成と把握される。
(Second modification)
FIG. 6 is a circuit diagram of a
(変形例3)
実施の形態では、差動増幅器100をボルテージフォロア回路に利用したが、差動増幅器100の用途はそれには限定されない。差動増幅器100を用いて、非反転型あるいは反転入力端子のアンプを構成してもよい。
(Modification 3)
In the embodiment, the
実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。 Although the present invention has been described using specific terms based on the embodiments, the embodiments only illustrate the principles and applications of the present invention, and the embodiments are defined in the claims. Many variations and modifications of the arrangement are permitted without departing from the spirit of the present invention.
100…差動増幅器、102…入力差動対、104…テイル電流源、106…定電流回路、108…位相補償回路、110…出力段、120…補正回路、122…補正差動対、124…補正電流源、200…ボルテージフォロア回路、202…平滑キャパシタ、204…電圧源、M1…第1入力トランジスタ、M2…第2入力トランジスタ、Q1…第1補正トランジスタ、Q2…第2補正トランジスタ。
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記入力差動対にテイル電流を供給するテイル電流源と、
前記第1入力トランジスタの第1端子と前記テイル電流源の間に設けられる第1抵抗と、
前記第2入力トランジスタの第1端子と前記テイル電流源の間に設けられる第2抵抗と、
前記第1入力トランジスタの第2端子および前記第2入力トランジスタの第2端子と接続され、定電流を発生する定電流回路と、
前記第1入力トランジスタの前記第2端子および前記第2入力トランジスタの前記第2端子と接続され、出力電圧を生成する出力段と、
前記第1入力トランジスタの前記第2端子および前記第2入力トランジスタの前記第2端子と接続され、前記第1入力トランジスタの前記第1端子と前記第2入力トランジスタの前記第1端子の電位差に応じた差動の補正電流を発生する補正回路と、
を備えることを特徴とする差動増幅器。 An input differential pair that includes a first input transistor and a second input transistor, and generates a differential current according to the voltages of the inverting input terminal and the non-inverting input terminal;
A tail current source for supplying a tail current to the input differential pair;
A first resistor provided between a first terminal of the first input transistor and the tail current source;
A second resistor provided between the first terminal of the second input transistor and the tail current source;
A constant current circuit connected to a second terminal of the first input transistor and a second terminal of the second input transistor and generating a constant current;
An output stage connected to the second terminal of the first input transistor and the second terminal of the second input transistor to generate an output voltage;
Connected to the second terminal of the first input transistor and the second terminal of the second input transistor, and according to a potential difference between the first terminal of the first input transistor and the first terminal of the second input transistor A correction circuit for generating a differential correction current;
A differential amplifier comprising:
第1補正トランジスタおよび第2補正トランジスタを含み、前記第1入力トランジスタの前記第1端子および前記第2入力トランジスタの前記第1端子それぞれの電圧に応じた前記差動の補正電流を生成する補正差動対と、
前記補正差動対に電流を供給する補正電流源と、
を含むことを特徴とする請求項1に記載の差動増幅器。 The correction circuit includes:
A correction difference that includes a first correction transistor and a second correction transistor, and that generates the differential correction current according to the voltages of the first terminal of the first input transistor and the first terminal of the second input transistor. Moving pair,
A correction current source for supplying a current to the correction differential pair;
The differential amplifier according to claim 1, comprising:
前記補正回路は、前記第1補正トランジスタ、前記第2補正トランジスタに流れる電流を折り返し、前記差動の補正電流を生成するカレントミラー回路をさらに含むことを特徴とする請求項2に記載の差動増幅器。 The first correction transistor and the second correction transistor are opposite in polarity to the first input transistor and the second input transistor,
3. The differential circuit according to claim 2, wherein the correction circuit further includes a current mirror circuit that folds back currents flowing through the first correction transistor and the second correction transistor to generate the differential correction current. amplifier.
前記第1補正トランジスタ、前記第2補正トランジスタはPNP型バイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項2または3に記載の差動増幅器。 The input differential pair is a P-channel MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor),
4. The differential amplifier according to claim 2, wherein the first correction transistor and the second correction transistor are PNP type bipolar transistors.
前記第1補正トランジスタ、前記第2補正トランジスタはNPN型バイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項2または4に記載の差動増幅器。 The input differential pair is a P-channel MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor),
5. The differential amplifier according to claim 2, wherein the first correction transistor and the second correction transistor are NPN bipolar transistors.
前記第1補正トランジスタ、前記第2補正トランジスタはNPN型バイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項2または3に記載の差動増幅器。 The input differential pair is an N-channel MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor),
4. The differential amplifier according to claim 2, wherein the first correction transistor and the second correction transistor are NPN bipolar transistors.
前記第1補正トランジスタ、前記第2補正トランジスタはPNP型バイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項2または4に記載の差動増幅器。 The input differential pair is an N-channel MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor),
5. The differential amplifier according to claim 2, wherein the first correction transistor and the second correction transistor are PNP type bipolar transistors.
制御端子が前記反転入力端子と接続される第1入力トランジスタと、
制御端子が前記非反転入力端子と接続される第2入力トランジスタと、
テイル電流を供給するテイル電流源と、
前記テイル電流源と前記第1入力トランジスタの第1端子の間に設けられる第1抵抗と、
前記テイル電流源と前記第2入力トランジスタの第1端子の間に設けられる第2抵抗と、
制御端子が前記第1入力トランジスタの前記第1端子と接続され、前記第1入力トランジスタと同極性の第1補正トランジスタと、
制御端子が前記第2入力トランジスタの前記第1端子と接続され、前記第2入力トランジスタと同極性の第2補正トランジスタと、
前記第1補正トランジスタの第1端子および前記第2補正トランジスタの第1端子と接続される補正電流源と、
前記第1入力トランジスタの第2端子および前記第1補正トランジスタの第2端子と接続される第1電流源と、
前記第2入力トランジスタの第2端子および前記第2補正トランジスタの第2端子と接続される第2電流源と、
前記第1入力トランジスタの前記第2端子および前記第2入力トランジスタの前記第2端子と接続され、出力電圧を生成する出力段と、
を備えることを特徴とする差動増幅器。 An inverting input terminal and a non-inverting input terminal;
A first input transistor having a control terminal connected to the inverting input terminal;
A second input transistor having a control terminal connected to the non-inverting input terminal;
A tail current source for supplying tail current;
A first resistor provided between the tail current source and a first terminal of the first input transistor;
A second resistor provided between the tail current source and the first terminal of the second input transistor;
A control terminal connected to the first terminal of the first input transistor, a first correction transistor having the same polarity as the first input transistor;
A control terminal connected to the first terminal of the second input transistor, a second correction transistor having the same polarity as the second input transistor;
A correction current source connected to the first terminal of the first correction transistor and the first terminal of the second correction transistor;
A first current source connected to a second terminal of the first input transistor and a second terminal of the first correction transistor;
A second current source connected to the second terminal of the second input transistor and the second terminal of the second correction transistor;
An output stage connected to the second terminal of the first input transistor and the second terminal of the second input transistor to generate an output voltage;
A differential amplifier comprising:
制御端子が前記反転入力端子と接続される第1入力トランジスタと、
制御端子が前記非反転入力端子と接続される第2入力トランジスタと、
テイル電流を供給するテイル電流源と、
前記テイル電流源と前記第1入力トランジスタの第1端子の間に設けられる第1抵抗と、
前記テイル電流源と前記第2入力トランジスタの第1端子の間に設けられる第2抵抗と、
制御端子が前記第1入力トランジスタの前記第1端子と接続され、前記第1入力トランジスタと逆極性の第1補正トランジスタと、
制御端子が前記第2入力トランジスタの前記第1端子と接続され、前記第2入力トランジスタと逆極性の第2補正トランジスタと、
前記第1補正トランジスタの第1端子および前記第2補正トランジスタの第1端子と接続される補正電流源と、
前記第1補正トランジスタに流れる電流を折り返す第1カレントミラー回路と、
前記第2補正トランジスタに流れる電流を折り返す第2カレントミラー回路と、
前記第1入力トランジスタの第2端子および前記第1カレントミラー回路の出力端子と接続される第1電流源と、
前記第2入力トランジスタの第2端子および前記第2カレントミラー回路の出力端子と接続される第2電流源と、
前記第1入力トランジスタの前記第2端子および前記第2入力トランジスタの前記第2端子と接続され、出力電圧を生成する出力段と、
を備えることを特徴とする差動増幅器。 An inverting input terminal and a non-inverting input terminal;
A first input transistor having a control terminal connected to the inverting input terminal;
A second input transistor having a control terminal connected to the non-inverting input terminal;
A tail current source for supplying tail current;
A first resistor provided between the tail current source and a first terminal of the first input transistor;
A second resistor provided between the tail current source and the first terminal of the second input transistor;
A control terminal connected to the first terminal of the first input transistor, a first correction transistor having a polarity opposite to that of the first input transistor;
A control terminal connected to the first terminal of the second input transistor; a second correction transistor having a polarity opposite to that of the second input transistor;
A correction current source connected to the first terminal of the first correction transistor and the first terminal of the second correction transistor;
A first current mirror circuit for turning back a current flowing through the first correction transistor;
A second current mirror circuit for turning back the current flowing through the second correction transistor;
A first current source connected to a second terminal of the first input transistor and an output terminal of the first current mirror circuit;
A second current source connected to a second terminal of the second input transistor and an output terminal of the second current mirror circuit;
An output stage connected to the second terminal of the first input transistor and the second terminal of the second input transistor to generate an output voltage;
A differential amplifier comprising:
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