JP2019096970A - Operational amplifier, semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、オペアンプに関する。 The present invention relates to an operational amplifier.
2つの入力電圧の差を増幅するために、オペアンプ(差動アンプ)が利用される。図1は、一般的なオペアンプの構成例を示す回路図である。オペアンプ100Rは、入力差動対10、テイル電流源12、カレントミラー回路14、バイアス回路20、出力段30を備える。
An operational amplifier (differential amplifier) is used to amplify the difference between the two input voltages. FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration example of a general operational amplifier. The
入力差動対10は、第1トランジスタM1および第2トランジスタM2を含む。テイル電流源12は、入力差動対10にテイル電流ITAILを供給する。カレントミラー回路14は、入力差動対10の能動負荷であり、低電圧動作可能なカスコード型で構成される。
The input
カレントミラー回路14は、第3トランジスタM3〜第6トランジスタM6を含む。トランジスタM5,M6のゲートは適切にバイアスされ、またトランジスタM3(M4)のゲートは、トランジスタM5のドレインと接続される。これによりトランジスタM3,M5を確実に飽和させることができ、それがコピーされてトランジスタM4,M6も飽和し、低電圧動作が実現できる。
The
回路の高速動作のためには、カレントミラー回路14に大電流を流す必要があり、トランジスタの素子サイズが大きく、ノードCのゲート容量が大きくなる。図1のオペアンプ100Rでは、ノードCがノードBと直接結線されており、ノードBを含む信号ラインからゲート容量が見えるため、回路動作の低下を招く。
In order to operate the circuit at high speed, a large current needs to be supplied to 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、高速動作が可能なオペアンプの提供にある。 The present invention has been made in view of such problems, and one of the exemplary objects of one aspect thereof is to provide an operational amplifier capable of high-speed operation.
本発明のある態様はオペアンプに関する。オペアンプは、非反転入力端子、反転入力端子と接続される入力差動対と、入力差動対と接続され、入力差動対にテイル電流を供給するテイル電流源と、入力差動対に能動負荷として接続され、同型のトランジスタを2段縦積みして構成されるカスコードカレントミラー回路と、を備える。カスコードカレントミラー回路は、カスコードカレントミラー回路の入力ノードと出力ノードの電圧が等しくなるように、カスコードカレントミラー回路の動作点を調節するバッファアンプを含む。バッファアンプは、デプレッション型MOSトランジスタで構成される差動対を含む。 One aspect of the present invention relates to an operational amplifier. The operational amplifier is connected to the non-inverted input terminal, the input differential pair connected to the inverted input terminal, the tail current source connected to the input differential pair and supplying tail current to the input differential pair, and active to the input differential pair And a cascode current mirror circuit connected as a load and configured by vertically stacking two stages of identical transistors. The cascode current mirror circuit includes a buffer amplifier that adjusts the operating point of the cascode current mirror circuit so that the voltages at the input node and the output node of the cascode current mirror circuit become equal. The buffer amplifier includes a differential pair composed of depletion type MOS transistors.
この態様によれば、バッファアンプを設けることにより信号ラインに結合する容量を低減することができ、オペアンプを高速化できる。また、バッファアンプの差動対をデプレッション型MOSトランジスタで構成することにより、電源投入時にオペアンプを確実に起動できる。 According to this aspect, by providing the buffer amplifier, the capacitance coupled to the signal line can be reduced, and the speed of the operational amplifier can be increased. Further, by forming the differential pair of the buffer amplifier with a depression type MOS transistor, the operational amplifier can be reliably activated when the power is turned on.
バッファアンプの差動対はNチャンネルMOSトランジスタで構成されてもよい。 The differential pair of buffer amplifiers may be configured by N channel MOS transistors.
本発明の別の態様は半導体装置に関する。半導体装置は、上述のオペアンプを備えてもよい。 Another aspect of the present invention relates to a semiconductor device. The semiconductor device may include the above-described operational amplifier.
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。 It is to be noted that any combination of the above-described constituent elements, or one in which the constituent elements and expressions of the present invention are mutually replaced among methods, apparatuses, systems, etc. is also effective as an aspect of the present invention.
本発明のある態様によれば、オペアンプを高速化できる。 According to an aspect of the present invention, the speed of the operational amplifier can be increased.
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。 Hereinafter, the present invention will be described 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 duplicating descriptions will be omitted as appropriate. In addition, the embodiments do not limit the invention and are merely examples, and all the 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実質的に影響を及ぼさず、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実質的に影響を及ぼさず、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 the present specification, "a state in which the member A is connected to the member B" means that the members A and B are physically directly connected, or the members A and B are electrically connected. It also includes the case of being indirectly connected through other members that do not substantially affect the state or inhibit the function.
Similarly, "a state in which the member C is provided between the member A and the member B" means that the member A and the member C, or the member B and the member C are directly connected, or the electric member It also includes the case of being indirectly connected through other members that do not substantially affect the connection state or inhibit the function.
図2は、実施の形態に係るオペアンプ100の回路図である。オペアンプ100の基本構成は図1のオペアンプ100Rと同様であり、入力差動対10、テイル電流源12、カレントミラー回路14、バイアス回路20、出力段30を備える。オペアンプ100は、ひとつの半導体チップに集積化される。この半導体チップは、オペアンプICやその他の機能ICなどの半導体装置に内蔵される。
FIG. 2 is a circuit diagram of the
入力差動対10は、PMOSトランジスタである第1トランジスタM1,第2トランジスタM2を含む。テイル電流源12は、ゲートがバイアスされたPMOSトランジスタで構成される。
The input
カレントミラー回路14は、入力差動対10の能動負荷として設けられる。カレントミラー回路14は、低電圧動作可能なカスコードカレントミラー回路であり、NMOSトランジスタである第3トランジスタM3〜第6トランジスタM6およびバッファアンプ16を含む。第3トランジスタM3と第4トランジスタM4のゲートは共通に接続される。第5トランジスタM5と第6トランジスタM6のゲートは共通に接続され、図示しないバイアス回路によって適切にバイアスされる。
The
バッファアンプ16は、カレントミラー回路14の入力ノードBと出力ノードBの電圧VB,VAが等しくなるように、カレントミラー回路14の動作点、すなわちトランジスタM3,M4のゲートCの電圧を調節する。
The
出力段30は、カレントミラー回路14の出力ノードAの電圧に応じた出力電圧VOUTを生成する。出力段30の構成は特に限定されず、公知技術を用いればよい。
図3は、図2のバッファアンプ16の回路図である。バッファアンプ16は、差動対40、テイル電流源42、能動負荷44およびカレントミラー回路46を含む差動アンプである。能動負荷44は、トランジスタM9〜M12を含む。またカレントミラー回路46は、トランジスタM13〜M16を含む。バッファアンプ16の差動対40は、デプレッション型NMOSトランジスタで構成される。なお能動負荷44、カレントミラー回路46の構成は図3のそれらに限定されない。
FIG. 3 is a circuit diagram of the
以上がオペアンプ100の構成である。続いてその利点を説明する。
The above is the configuration of the
図3のオペアンプ100では、信号の伝搬経路であるノードA,Bが、バッファアンプ16によって、容量の大きなノードCから分離されている。バッファアンプ16の入力容量を、ノードCのゲート容量よりも十分小さく設計することで、動作速度の低下が抑制され、オペアンプ100の高速動作が可能となる。
In the
加えて、図3を参照して説明したように、バッファアンプ16の差動対がデプレッション型のMOSトランジスタで構成される。この利点は、以下で説明する比較技術との対比によって明確となる。
In addition, as described with reference to FIG. 3, the differential pair of the
図4は、比較技術に係るバッファアンプ16Rの回路図である。入力容量を極力低減することが求められるため、バッファアンプ16Rは、最も単純な差動アンプで構成され、差動対が一般的なエンハンスメント型のPMOSトランジスタで構成される。
FIG. 4 is a circuit diagram of a
図5は、図4の差動アンプでボルテージフォロアを構成したときの入出力特性を示す図である。図5から分かるように、図4のバッファアンプ16Rは、VDD側、VSS側の両方に不感帯を有する。
FIG. 5 is a diagram showing input / output characteristics when a voltage follower is configured by the differential amplifier of FIG. As can be seen from FIG. 5, the
このような特性を有するバッファアンプ16Rを、図3のカレントミラー回路14に組み込むと、オペアンプが起動不能となるという問題が生ずる。以下、バッファアンプ16Rをカレントミラー回路14に組み込んだオペアンプを100Rの符号を付すこととする。なおこの問題は本発明者らが独自に認識したものであり、当業者の共通の認識と認定してはならない。
When the
詳しくは、オペアンプ100Rの電源起動の際に、ノードA,Bの電圧がVDD側の不感帯に含まれると、バッファアンプ16Rの入力差動対がオフし、バッファアンプ16Rの出力、すなわちノードCの電位がローとなり、カレントミラー回路14がオフ状態に陥り、起動不能となる。
More specifically, when the voltage of nodes A and B is included in the dead band on the VDD side at the time of power activation of
図3に戻る。なおこの起動不能の問題は、出力段30に電流制限回路32を設けることで解決できる場合もある。すなわち、電流制限回路32は、オペアンプ100(100R)の動作状態において、オペアンプ100が出力端子OUTからシンクする電流を制限する。より詳しくは、ノードAの電圧(すなわち出力トランジスタM23のゲート電圧)が上昇すると、トランジスタM21がオン、トランジスタM22がオンし、ノードAから電流が引き抜かれ、ノードAの電圧が低下し、出力トランジスタM23に流れるシンク電流が減少するように帰還がかかる。
Return to FIG. There are also cases where this problem of unstartable can be solved by providing the
この電流制限回路32は、電源起動時の起動回路としても作用する。起動直後、ノードAには電源電圧VDD近傍の電圧が現れる。そうするとトランジスタM21、M22がオンし、ノードAの電位を引き下げる。これにより、ノードAの電圧がノードBの電圧より低くなり、バッファアンプ16Rのコンパレータ動作により、ノードCの電圧が上昇し、カレントミラー回路14に電流が流れ、オペアンプ100Rが起動する。
The current limiting
ところが、電流制限回路32の本来の機能である電流制限と、起動補助が両立できない場合もある。具体的には、制限したい電流量の設定によっては、ノードAの電圧がバッファアンプ16の入力電圧範囲に入らない場合もあり、その場合、電流制限回路32による起動補助は期待できない。
However, there are cases where the current limiting function, which is the original function of the current limiting
単純に起動特性の改善のみを考えた場合、バッファアンプ16Rの差動入力段を、Rail-To-Railアンプで用いられるPMOS差動対とNMOS差動対を含むフルスイングタイプで構成するというアプローチを取りうるが、このような差動入力段は、素子数が多いため、入力容量が大きくなり、高速化が要求されるオペアンプ100には採用しえない。
If only the improvement of the start-up characteristic is considered, the approach of configuring the differential input stage of the
以上が比較技術とそれに関連する問題点である。実施の形態に係るオペアンプ100の説明に戻る。
The above is the comparative technique and the problems associated with it. The description returns to the description of the
図6は、図3の差動アンプでボルテージフォロアを構成したときの入出力特性を示す図である。差動対をデプレッション型で構成したことにより、入力電圧範囲が図5に比べて大きく拡大されている。 FIG. 6 is a diagram showing input / output characteristics when a voltage follower is configured by the differential amplifier of FIG. By forming the differential pair in a depletion type, the input voltage range is greatly expanded compared to FIG.
図7(a)は、実施の形態に係るオペアンプ100の複数のノードの電源電圧依存性を示す図である。あわせて図7(b)に、比較技術に係るオペアンプ100Rの複数のノードの電源電圧依存性を示す。
FIG. 7A shows the power supply voltage dependency of a plurality of nodes of the
先に図7(b)を参照し、比較技術の動作を説明する。電源電圧が2.45Vより低い領域ではノードA,Bの電圧は、電源電圧近傍に張り付いており、ノードCの電圧は、MOSFETのゲートしきい値を下回っており、したがってオペアンプ100Rは起動不能である。 The operation of the comparison technique will be described with reference to FIG. 7 (b) earlier. In the region where the power supply voltage is lower than 2.45 V, the voltages at nodes A and B stick close to the power supply voltage, and the voltage at node C is lower than the gate threshold of the MOSFET. It is.
続いて図7(a)を参照し、実施の形態に係るオペアンプ100の動作を説明する。電源電圧が上昇すると、ノードCの電圧は、0Vに張り付かずに増大する。そしてノードCの電圧がMOSFETのゲートしきい値を超えると、カレントミラー回路14に電流が流れて、オペアンプ100が起動する。
Subsequently, the operation of the
このように実施の形態に係るオペアンプ100によれば、バッファアンプ16を設けることにより信号ライン(ノードA,B)に結合する容量を低減することができ、オペアンプ100を高速化できる。また、バッファアンプ16の差動対40をデプレッション型MOSトランジスタで構成することにより、電源投入時にオペアンプ100を確実に起動できる。
As described above, according to the
また、図3の電流制限回路32を、本来の電流制限の機能のみを考慮して設計することができる。なお、電流制限回路32は必須ではなく、省略してもよいし、別の回路構成の電流制限回路を付加してもよい。
Further, the current limiting
実施の形態で説明したオペアンプ100の構成は例示であり、当業者によれば、さまざまな変形例が存在することが理解される。実施の形態ではPMOS入力のオペアンプを説明したが、NMOS入力のオペアンプにも本発明は適用可能である。たとえば回路を天地反転し、PチャンネルとNチャンネルを入れ替えてもよい。バイアス回路20の構成も図3のそれに限定されない。
The configuration of 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。 While the present invention has been described using specific terms based on the embodiments, the embodiments merely show the principles and applications of the present invention, and the embodiments are defined in the claims. Many variations and modifications of the arrangement can be made without departing from the concept of the present invention.
100 オペアンプ
102 電源ライン
104 接地ライン
INP 非反転入力端子
INN 反転入力端子
10 差動対
12 テイル電流源
14 カレントミラー回路
16 バッファアンプ
20 バイアス回路
30 出力段
32 電流制限回路
40 差動対
42 テイル電流源
44 能動負荷
46 カレントミラー回路
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記入力差動対と接続され、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、
前記入力差動対に能動負荷として接続され、同型のトランジスタを2段縦積みして構成されるカスコードカレントミラー回路と、
を備え、
前記カスコードカレントミラー回路は、前記カスコードカレントミラー回路の入力ノードと出力ノードの電圧が等しくなるように、前記カスコードカレントミラー回路の動作点を調節するバッファアンプを含み、
前記バッファアンプは、デプレッション型MOSトランジスタで構成される差動対を含むことを特徴とするオペアンプ。 An input differential pair connected to the non-inverting input terminal and the inverting input terminal,
A tail current source connected to the input differential pair and supplying tail current to the input differential pair;
A cascode current mirror circuit connected as an active load to the input differential pair and configured by vertically stacking two stages of transistors of the same type;
Equipped with
The cascode current mirror circuit includes a buffer amplifier that adjusts an operating point of the cascode current mirror circuit so that voltages of an input node and an output node of the cascode current mirror circuit become equal,
The operational amplifier is characterized in that the buffer amplifier includes a differential pair composed of depletion type MOS transistors.
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN116805859A (en) * | 2023-08-28 | 2023-09-26 | 江苏润石科技有限公司 | Operational amplifier offset voltage regulation circuit and method |
Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4371844A (en) * | 1980-02-25 | 1983-02-01 | U.S. Philips Corporation | Differential load circuit equipped with field-effect transistors |
JPS6110305A (en) * | 1984-06-26 | 1986-01-17 | Nec Corp | Buffer amplifier |
US6377085B1 (en) * | 2000-11-06 | 2002-04-23 | Oki Semiconductor | Precision bias for an transconductor |
US20040090268A1 (en) * | 2002-07-12 | 2004-05-13 | Sanchez Stephen J. | Amplifier gain boost circuitry and method |
JP2007267016A (en) * | 2006-03-28 | 2007-10-11 | Ricoh Co Ltd | Operational amplifier |
JP2011004309A (en) * | 2009-06-22 | 2011-01-06 | Renesas Electronics Corp | Differential signal receiving circuit and display device |
WO2012036014A1 (en) * | 2010-09-15 | 2012-03-22 | ミツミ電機株式会社 | Differential circuit |
JP2013207602A (en) * | 2012-03-28 | 2013-10-07 | Renesas Electronics Corp | Bias circuit, semiconductor integrated circuit and display device |
JP2017184122A (en) * | 2016-03-31 | 2017-10-05 | ローム株式会社 | Differential amplifier |
-
2017
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Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4371844A (en) * | 1980-02-25 | 1983-02-01 | U.S. Philips Corporation | Differential load circuit equipped with field-effect transistors |
JPS6110305A (en) * | 1984-06-26 | 1986-01-17 | Nec Corp | Buffer amplifier |
US6377085B1 (en) * | 2000-11-06 | 2002-04-23 | Oki Semiconductor | Precision bias for an transconductor |
US20040090268A1 (en) * | 2002-07-12 | 2004-05-13 | Sanchez Stephen J. | Amplifier gain boost circuitry and method |
JP2007267016A (en) * | 2006-03-28 | 2007-10-11 | Ricoh Co Ltd | Operational amplifier |
JP2011004309A (en) * | 2009-06-22 | 2011-01-06 | Renesas Electronics Corp | Differential signal receiving circuit and display device |
WO2012036014A1 (en) * | 2010-09-15 | 2012-03-22 | ミツミ電機株式会社 | Differential circuit |
JP2013207602A (en) * | 2012-03-28 | 2013-10-07 | Renesas Electronics Corp | Bias circuit, semiconductor integrated circuit and display device |
JP2017184122A (en) * | 2016-03-31 | 2017-10-05 | ローム株式会社 | Differential amplifier |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN116805859A (en) * | 2023-08-28 | 2023-09-26 | 江苏润石科技有限公司 | Operational amplifier offset voltage regulation circuit and method |
CN116805859B (en) * | 2023-08-28 | 2023-11-07 | 江苏润石科技有限公司 | Operational amplifier offset voltage regulation circuit and method |
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