JP2021101520A - Operational amplifier - Google Patents

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Abstract

To provide an operational amplifier in which the occurrence of an output phase inversion phenomenon is prevented and a deterioration in input-referred noise voltage characteristics is prevented.SOLUTION: An operational amplifier includes: an input differential circuit including transistors Q1 and Q2, a first load, a second load and a current source I1; an intermediate circuit including a transistor Q3 with the base that is connected to the collector of the transistor Q1 and a transistor Q4 with the base that is connected to the collector of the transistor Q2; a diode D1 connected between a non-inverting input terminal 1 and the emitter of the transistor Q4; a diode D2 connected between an inverting input terminal 2 and the emitter of the transistor Q3; and an output differential circuit 6 outputting a voltage according to the difference between the emitter voltages of the transistors Q3 and Q4.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明はバイポーラトランジスタを使用した演算増幅器に関する。 The present invention relates to an operational amplifier using a bipolar transistor.

演算増幅器では、入力電圧がバイポーラの入力トランジスタのコレクタ側の電源電圧を大きく超えた場合、その入力トランジスタのベース・コレクタ間の寄生ダイオードを通過する電流が原因で出力電圧が変化して、出力電圧が入力電圧と逆位相になる出力位相反転現象を引き起こす。 In an operational amplifier, when the input voltage greatly exceeds the power supply voltage on the collector side of the bipolar input transistor, the output voltage changes due to the current passing through the parasitic diode between the base and collector of the input transistor, and the output voltage changes. Causes an output phase inversion phenomenon in which is out of phase with the input voltage.

図2にこのような出力位相反転現象を防止する対策を施していない演算増幅器を示す。1は正転入力端子、2は反転入力端子、3は出力端子、4は電圧がVccの電源端子、5は接地端子、6は出力差動回路である。 FIG. 2 shows an operational amplifier without measures to prevent such an output phase inversion phenomenon. 1 is a forward rotation input terminal, 2 is an inverting input terminal, 3 is an output terminal, 4 is a power supply terminal having a voltage of Vcc, 5 is a ground terminal, and 6 is an output differential circuit.

Q1,Q2はエミッタが電流源I1に共通接続された入力差動回路を構成するNPNトランジスタであり、ベースが正転入力端子1、反転入力端子2に接続され、コレクタと電源端子4の間にそれぞれ負荷としての抵抗R1,R2が接続されている。抵抗R1,R2の抵抗値は同値である。Dbc1はトランジスタQ1のベース・コレクタ間の寄生ダイオード、Dbc2はトランジスタQ2のベース・コレクタ間の寄生ダイオードである。出力差動回路6はトランジスタQ1,Q2のコレクタに現れる電圧V-IN,V+INの差分に応じた電圧を出力端子3に出力する。 Q1 and Q2 are NPN transistors that form an input differential circuit in which the emitter is commonly connected to the current source I1, the base is connected to the forward rotation input terminal 1 and the inverting input terminal 2, and between the collector and the power supply terminal 4. Resistors R1 and R2 as loads are connected, respectively. The resistance values of the resistors R1 and R2 are the same. Dbc1 is a parasitic diode between the base and collector of the transistor Q1, and Dbc2 is a parasitic diode between the base and collector of the transistor Q2. Output differential circuit 6 outputs the voltage V -IN appearing at the collectors of the transistors Q1, Q2, the voltage corresponding to the difference between V + IN to the output terminal 3.

図2の演算増幅器において、正転入力端子1と反転入力端子2にトランジスタQ1,Q2が正常に動作する電圧を印加した場合、出力差動回路6の正転入力端子61の入力電圧V+IN,反転入力端子62の入力電圧V-INは、それぞれ式(1)、(2)となる。

Figure 2021101520
Figure 2021101520
ここで、ICQ1はトランジスタQ1のコレクタ電流、ICQ2はトランジスタQ2のコレクタ電流である。 In the operational amplifier of FIG. 2, when a voltage for normal operation of the transistors Q1 and Q2 is applied to the forward rotation input terminal 1 and the inverting input terminal 2, the input voltage V + IN of the normal rotation input terminal 61 of the output differential circuit 6 , The input voltage V- IN of the inverting input terminal 62 is given by Eqs. (1) and (2), respectively.
Figure 2021101520
Figure 2021101520
Here, I CQ1 the collector current of the transistor Q1, I CQ2 is the collector current of the transistor Q2.

正転入力端子1と反転入力端子2に電圧Vcc/2を印加した場合、電流源I1の電流をI1とすると、トランジスタQ1,Q2には同じコレクタ電流(=I1/2)が流れ、同じ抵抗値である抵抗R1,R2にも同じ電流が流れる。このため、出力差動回路6の入力電圧V+IN,V-INは同じ電圧となる。

Figure 2021101520
When a voltage Vcc / 2 is applied to the forward rotation input terminal 1 and the inverting input terminal 2, if the current of the current source I1 is I1, the same collector current (= I1 / 2) flows through the transistors Q1 and Q2, and the same resistance. The same current flows through the values R1 and R2. Therefore, the input voltage V + IN of the output differential circuit 6, V -IN is the same voltage.
Figure 2021101520

ここで、例えば正転入力端子1の印加電圧を上昇させた場合、トランジスタQ1のコレクタ電流が増加し、トランジスタQ2のコレクタ電流が減少する。このトランジスタQ1のコレクタ電流の増加量とトランジスタQ2のコレクタ電流の減少量は等しくなる。このときの電流の変動分をΔIとすると、出力差動回路6の入力電圧V+IN,V-INは、

Figure 2021101520
Figure 2021101520
となる。 Here, for example, when the applied voltage of the forward rotation input terminal 1 is increased, the collector current of the transistor Q1 increases and the collector current of the transistor Q2 decreases. The amount of increase in the collector current of the transistor Q1 and the amount of decrease in the collector current of the transistor Q2 are equal. When the variation in the current at this time is [Delta] it, the input voltage V + IN of the output differential circuit 6, V -IN is
Figure 2021101520
Figure 2021101520
It becomes.

これにより、V+IN>V-INとなり、出力差動回路6の出力端子3の電圧は増加する。この動作は図2の演算増幅器としての正常動作である。 Thus, V + IN> V -IN and the voltage at the output terminal 3 of the output differential circuit 6 is increased. This operation is a normal operation as the operational amplifier of FIG.

しかし、正転入力端子1の印加電圧が上昇し、電源電圧Vccよりも更に高い電圧になると、トランジスタQ1の寄生ダイオードDbc1がオンすることで、出力差動回路6の入力電圧V-INが式(6)のように変化する。

Figure 2021101520
INPは正転入力端子1の電圧である。VDbc1は寄生ダイオードDbc1にかかる電圧であり、0.7V程度である。 However, the applied voltage of the non-inverting input terminal 1 rises and becomes higher than the power supply voltage Vcc, by a parasitic diode Dbc1 transistor Q1 is turned on, the input voltage V -IN an expression of the output differential circuit 6 It changes as in (6).
Figure 2021101520
V INP is the voltage of the forward rotation input terminal 1. V Dbc1 is a voltage applied to the parasitic diode Dbc1 and is about 0.7V.

一方、トランジスタQ2はオフすることで、そのコレクタ電流ICQ2はゼロとなり、出力差動回路6の入力電圧V+INは式(7)のように変化する。

Figure 2021101520
ここで
Figure 2021101520
となるまで正転入力端子1の電圧VINPが上昇すると、V+IN<V-INとなり、出力差動回路6の出力端子3の電圧が低下する方向に働いてしまう。これが出力位相反転現象である。 On the other hand, when the transistor Q2 is turned off, its collector current I CQ2 becomes zero, and the input voltage V + IN of the output differential circuit 6 changes as shown in equation (7).
Figure 2021101520
here
Figure 2021101520
When the voltage V INP of the forward rotation input terminal 1 rises until it becomes, V + IN <V-IN, and the voltage of the output terminal 3 of the output differential circuit 6 works in the direction of falling. This is the output phase inversion phenomenon.

そこで、面積の大きいダイオードを用いずに出力位相反転現象の防止対策を施した演算増幅器として、図3に示すように、入力トランジスタQ1,Q2のベースに抵抗R5,R6をそれぞれ直列接続し、正転入力端子1とトランジスタQ2のコレクタとの間にダイオードD4を接続し、反転入力端子2とトランジスタQ1のコレクタとの間にダイオードD5を接続する構成がある(特許文献1)。 Therefore, as an operational amplifier with measures to prevent the output phase inversion phenomenon without using a diode with a large area, resistors R5 and R6 are connected in series to the bases of the input transistors Q1 and Q2, respectively, as shown in FIG. There is a configuration in which a diode D4 is connected between the transfer input terminal 1 and the collector of the transistor Q2, and a diode D5 is connected between the inverting input terminal 2 and the collector of the transistor Q1 (Patent Document 1).

この図3の演算増幅器では、例えば正転入力端子1の電圧が電源電圧Vccよりも高くなったとき、正転入力端子1→ダイオードD4→抵抗R2を経由して電源端子4に流れる電流により発生する入力電圧V+INが、正転入力端子1→抵抗R5→寄生ダイオードDbc1→抵抗R1を経由して電源端子4に流れる電流により発生する電圧V-INよりも高くなるように、抵抗R5の値を設定することにより、V+IN>V-INにすることができるので、このときの出力位相反転現象の発生を防止することができる。 In the operational amplifier of FIG. 3, for example, when the voltage of the forward rotation input terminal 1 becomes higher than the power supply voltage Vcc, it is generated by the current flowing to the power supply terminal 4 via the normal rotation input terminal 1 → the diode D4 → the resistor R2. input voltage V + iN which is the non-inverting input terminal 1 → resistor R5 → parasitic diode DBC1 → as via a resistor R1 is higher than the voltage V -IN generated by the current flowing through the power supply terminal 4, the resistor R5 by setting the value, it is possible to V + iN> V -IN, it is possible to prevent the occurrence of output phase inversion in this case.

また、反転入力端子2の電圧が電源電圧Vccよりも高くなったとき、反転入力端子2→ダイオードD5→抵抗R1を経由して電源端子4に流れる電流により発生する電圧V-INが、反転入力端子2→抵抗R6→寄生ダイオードDbc2→抵抗R2を経由して電源端子4に流れる電流により発生する電圧V+INよりも高くなるように、抵抗R6の値を設定することにより、V+IN<V-INにすることができるので、このときの出力位相反転現象の発生を防止することができる。 Further, when the voltage of the inverting input terminal 2 becomes higher than the power supply voltage Vcc, the voltage V- IN generated by the current flowing to the power supply terminal 4 via the inverting input terminal 2 → diode D5 → resistor R1 is inverting input. By setting the value of the resistor R6 so that it is higher than the voltage V + IN generated by the current flowing to the power supply terminal 4 via the terminal 2 → resistor R6 → parasitic diode Dbc2 → resistor R2 , V + IN < Since it can be set to V- IN , it is possible to prevent the occurrence of the output phase inversion phenomenon at this time.

特開2010−28311号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-28311

ところが、図3に示す演算増幅器では、正転入力端子1に入力する過大電圧を抵抗R1とで分圧するための抵抗R5をトランジスタQ1のベースに直列接続し、反転入力端子2に入力する過大電圧を抵抗R2とで分圧するための抵抗R6をトランジスタQ2のベースに直列接続する必要があるため、それらの抵抗R5,R6が常時接続されることになり、通常動作時でも、それらの抵抗R5,R6が発生する熱雑音によって、演算増幅器全体の入力換算雑音電圧特性が悪化してしまうという問題がある。 However, in the operational amplifier shown in FIG. 3, a resistor R5 for dividing the excessive voltage input to the forward rotation input terminal 1 with the resistor R1 is connected in series to the base of the transistor Q1 and is input to the inverting input terminal 2. Since it is necessary to connect the resistor R6 for dividing the voltage with the resistor R2 in series with the base of the transistor Q2, those resistors R5 and R6 are always connected, and even during normal operation, those resistors R5 and R6 are connected. There is a problem that the input conversion noise voltage characteristic of the entire operational amplifier is deteriorated by the thermal noise generated by R6.

本発明の目的は、出力位相反転現象の発生を防止し且つ演算増幅器全体の入力換算雑音電圧特性の悪化を防止した演算増幅器を提供することである。 An object of the present invention is to provide an operational amplifier that prevents the occurrence of an output phase inversion phenomenon and prevents deterioration of the input conversion noise voltage characteristics of the entire operational amplifier.

上記目的を達成するために、請求項1にかかる発明は、ベースが第1入力端子に接続されコレクタが第1負荷を介して第1電源端子に接続されたバイポーラ第1導電型の第1トランジスタ、ベースが第2入力端子に接続されコレクタが第2負荷を介して前記第1電源端子に接続されたバイポーラ第1導電型の第2トランジスタ、前記第1及び第2トランジスタのエミッタと第2電源端子との間に接続された第1電流源を含む入力差動回路と、前記第2トランジスタのコレクタ電圧を第3入力端子に入力し前記第1トランジスタのコレクタ電圧を第4入力端子に入力する出力差動回路と、を備えた演算増幅器において、ベースが前記第1トランジスタのコレクタに接続されエミッタが前記第4入力端子に接続されるバイポーラ第1導電型の第3トランジスタ、ベースが前記第2トランジスタのコレクタに接続されエミッタが前記第3入力端子に接続されるバイポーラ第1導電型の第4トランジスタを含む中間回路と、前記第1入力端子と前記第4トランジスタのエミッタの間に接続された第1ダイオードと、前記第2入力端子と前記第3トランジスタのエミッタの間に接続された第2ダイオードと、を更に備えていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is a bipolar first conductive type first transistor in which a base is connected to a first input terminal and a collector is connected to a first power supply terminal via a first load. , The bipolar first conductive type second transistor whose base is connected to the second input terminal and the collector is connected to the first power supply terminal via the second load, the emitter and the second power supply of the first and second transistors. An input differential circuit including a first current source connected between the terminals and the collector voltage of the second transistor are input to the third input terminal, and the collector voltage of the first transistor is input to the fourth input terminal. In an arithmetic amplifier including an output differential circuit, a bipolar first conductive type third transistor in which a base is connected to a collector of the first transistor and an emitter is connected to the fourth input terminal, and a base is the second transistor. An intermediate circuit including a bipolar first conductive type fourth transistor connected to a collector of a transistor and an emitter connected to the third input terminal was connected between the first input terminal and the emitter of the fourth transistor. It is characterized by further including a first diode and a second diode connected between the second input terminal and the emitter of the third transistor.

請求項2にかかる発明は、請求項1に記載の演算増幅器において、前記第3及び第4トランジスタのコレクタと前記第1電源端子との間に第3ダイオードが接続されていることを特徴とする。 The invention according to claim 2 is characterized in that, in the operational amplifier according to claim 1, a third diode is connected between the collectors of the third and fourth transistors and the first power supply terminal. ..

請求項3にかかる発明は、請求項1又は2に記載の演算増幅器において、前記第3トランジスタのエミッタと前記第4入力端子の間に挿入接続されたバイポーラ第2導電型の第5トランジスタと、前記第4トランジスタのエミッタと前記第3入力端子の間に挿入接続されたバイポーラ第2導電型の第6トランジスタを更に備え、前記第5及び第6トランジスタのベースに共通の電圧が印加されていることを特徴とする。 The invention according to claim 3 comprises a bipolar second conductive type fifth transistor inserted and connected between the emitter of the third transistor and the fourth input terminal in the operational amplifier according to claim 1 or 2. A bipolar second conductive type sixth transistor inserted and connected between the emitter of the fourth transistor and the third input terminal is further provided, and a common voltage is applied to the bases of the fifth and sixth transistors. It is characterized by that.

請求項4にかかる発明は、請求項3に記載の演算増幅器において、前記共通の電圧は、通常動作時に前記第1及び第2ダイオードがオンせず、前記第1入力端子に前記第1電源端子の電圧以上の電圧が印加したときに前記第1ダイオードがオンし、前記第2入力端子に前記第1電源端子の電圧以上の電圧が印加したときに前記第2ダイオードがオンするよう、前記第5及び第6トランジスタを制御する電圧に設定されていることを特徴とする。 According to the fourth aspect of the present invention, in the operational amplifier according to the third aspect, the common voltage is such that the first and second diodes do not turn on during normal operation, and the first power supply terminal is connected to the first input terminal. The first diode is turned on when a voltage equal to or higher than the voltage of the above is applied, and the second diode is turned on when a voltage equal to or higher than the voltage of the first power supply terminal is applied to the second input terminal. The voltage is set to control the 5th and 6th transistors.

本発明によれば、第1入力端子又は第2入力端子に電源電圧以上の電圧が入力したときに、第1又は第2ダイオードを経由する電流により発生する電圧は、そのまま出力差動回路の一方の入力端子に入力するが、入力差動回路の第1又は第2トランジスタの寄生ダイオードを経由する電流により発生する電圧は、中間回路の第3又は第4トランジスタのベース・エミッタ間電圧分だけ低くなって出力差動回路の他方の入力端子に入力するので、出力位相反転現象の発生を防止することができる。また、第1及び第2トランジスタのベースに抵抗を直列接続する必要がないため、出力位相反転現象防止対策が施されていない場合と同等の入力換算雑音電圧特性を有する演算増幅器を得ることができる。 According to the present invention, when a voltage equal to or higher than the power supply voltage is input to the first input terminal or the second input terminal, the voltage generated by the current passing through the first or second diode is directly one of the output differential circuits. The voltage generated by the current passing through the parasitic diode of the 1st or 2nd transistor of the input differential circuit is lower by the voltage between the base and emitter of the 3rd or 4th transistor of the intermediate circuit. Since the voltage is input to the other input terminal of the output differential circuit, it is possible to prevent the occurrence of the output phase inversion phenomenon. Further, since it is not necessary to connect a resistor in series to the bases of the first and second transistors, it is possible to obtain an operational amplifier having the same input conversion noise voltage characteristics as when the output phase inversion phenomenon prevention measure is not taken. ..

本発明の実施例の演算増幅器の回路図である。It is a circuit diagram of the operational amplifier of the Example of this invention. 従来の演算増幅器の回路図である。It is a circuit diagram of a conventional operational amplifier. 出力位相反転現象防止対策が施された従来の演算増幅器の回路図である。It is a circuit diagram of the conventional operational amplifier which took measures to prevent the output phase inversion phenomenon. 図2の演算増幅器に1倍の閉ループとなる帰還を掛けて一方の入力端子に電源電圧以上の振幅のサイン波を入力したときの出力電圧のシミュレーション結果を示す波形図である。FIG. 5 is a waveform diagram showing a simulation result of an output voltage when a sine wave having an amplitude equal to or higher than the power supply voltage is input to one of the input terminals by applying feedback that becomes a 1x closed loop to the operational amplifier of FIG. 図1の演算増幅器に1倍の閉ループとなる帰還を掛けて一方の入力端子に電源電圧以上の振幅のサイン波を入力したときの出力電圧のシミュレーション結果を示す波形図である。FIG. 5 is a waveform diagram showing a simulation result of an output voltage when a sine wave having an amplitude equal to or higher than the power supply voltage is input to one of the input terminals by applying feedback that becomes a 1x closed loop to the operational amplifier of FIG.

図1に本発明の演算増幅器の一実施例の回路を示す。1は正転入力端子(請求項の第1入力端子)、2は反転入力端子(請求項の第2入力端子)、3は出力端子、4は電圧Vccの電源端子、5は接地端子、6は出力差動回路,61は出力差動回路の正転入力端子(請求項の第3入力端子)、62は反転入力端子(請求項の第4入力端子)である。 FIG. 1 shows a circuit of an embodiment of the operational amplifier of the present invention. 1 is a forward rotation input terminal (first input terminal of the claim), 2 is an inverting input terminal (second input terminal of the claim), 3 is an output terminal, 4 is a power supply terminal of voltage Vcc, 5 is a ground terminal, 6 Is an output differential circuit, 61 is a forward rotation input terminal (the third input terminal of the claim) of the output differential circuit, and 62 is an inverting input terminal (the fourth input terminal of the claim).

Q1,Q2はエミッタが電流源I1に共通接続された入力差動回路を構成するNPNトランジスタであり、ベースが正転入力端子1、反転入力端子2に接続され、コレクタと電源端子4の間にそれぞれ負荷としての抵抗R1,R2が接続されている。抵抗R1,R2の抵抗値は同値である。Dbc1はトランジスタQ1のベース・コレクタ間の寄生ダイオード、Dbc2はトランジスタQ2のベース・コレクタ間の寄生ダイオードである。 Q1 and Q2 are NPN transistors that form an input differential circuit in which the emitter is commonly connected to the current source I1, the base is connected to the forward rotation input terminal 1 and the inverting input terminal 2, and between the collector and the power supply terminal 4. Resistors R1 and R2 as loads are connected, respectively. The resistance values of the resistors R1 and R2 are the same. Dbc1 is a parasitic diode between the base and collector of the transistor Q1, and Dbc2 is a parasitic diode between the base and collector of the transistor Q2.

Q3,Q4はコレクタがダイオードD3に共通接続され中間回路を構成するNPNトランジスタであり、ベースがトランジスタQ1,Q2のコレクタに接続され、エミッタがPNPトランジスタQ5,Q6と負荷としての抵抗R3,R4を介して接地端子5に接続されている。抵抗R3,R4の抵抗値は同値である。トランジスタQ5,Q6はバッファ回路を構成するトランジスタであり、ベースに固定電圧Vaが印加されている。D1は正転入力端子1とトランジスタQ4のエミッタ間に接続されたダイオード、D2は反転入力端子2とトランジスタQ3のエミッタ間に接続されたダイオードである。出力差動回路6は、トランジスタQ3,Q4のエミッタ電圧、つまり抵抗R3,R4に生じる電圧V-IN,V+INの差分に対応した電圧を出力端子3から出力する。 Q3 and Q4 are NPN transistors in which the collector is commonly connected to the diode D3 to form an intermediate circuit, the base is connected to the collector of the transistors Q1 and Q2, and the emitter is the PNP transistors Q5 and Q6 and the resistors R3 and R4 as loads. It is connected to the ground terminal 5 via. The resistance values of the resistors R3 and R4 are the same. Transistors Q5 and Q6 are transistors forming a buffer circuit, and a fixed voltage Va is applied to the base. D1 is a diode connected between the forward rotation input terminal 1 and the emitter of the transistor Q4, and D2 is a diode connected between the inverting input terminal 2 and the emitter of the transistor Q3. Output differential circuit 6 outputs emitter voltage of the transistor Q3, Q4, i.e. the voltage V -IN generated in the resistor R3, R4, a voltage corresponding to the difference between the V + IN from the output terminal 3.

ここで、トランジスタQ1,Q2が正常に動作する入力電圧範囲において、正転入力端子1に高い電圧を印加し、反転入力端子2に低い電圧を印加した場合のトランジスタQ1のコレクタ電流とトランジスタQ2のコレクタ電流の変動分をΔIとすると、トランジスタQ3,Q4のベース電圧VBQ3、VBQ4はそれぞれ式(9),(10)で表される。

Figure 2021101520
Figure 2021101520
従って、VBQ3<VBQ4となる。 Here, in the input voltage range in which the transistors Q1 and Q2 operate normally, the collector current of the transistor Q1 and the collector current of the transistor Q2 when a high voltage is applied to the forward rotation input terminal 1 and a low voltage is applied to the inverting input terminal 2. Assuming that the fluctuation of the collector current is ΔI, the base voltages V BQ3 and V BQ4 of the transistors Q3 and Q4 are represented by the equations (9) and (10), respectively.
Figure 2021101520
Figure 2021101520
Therefore, V BQ3 <V BQ4 .

また、トランジスタQ3,Q4のエミッタ電圧VEQ3,VEQ4は、それらのトランジスタQ3,Q4のベース電圧VBQ3、VBQ4からベース・エミッタ間電圧分だけ低下した電圧となる。トランジスタQ3のベース・エミッタ間電圧をVBEQ3とし、トランジスタQ4のベース・エミッタ間電圧をVBEQ4とするとき、VBEQ3≒VBEQ4≒VBEとすると、エミッタ電圧VEQ3,VEQ4は、

Figure 2021101520
Figure 2021101520
となり、VEQ3<VEQ4となる。 Further, the emitter voltages V EQ3 and V EQ4 of the transistors Q3 and Q4 are voltages that are lower than the base voltages V BQ3 and V BQ4 of the transistors Q3 and Q4 by the voltage between the base and the emitter. When the base-emitter voltage of the transistor Q3 is V BEQ3 and the base-emitter voltage of the transistor Q4 is V BEQ4 , if V BEQ3 ≒ V BEQ4 ≒ V BE , the emitter voltages V EQ3 and V EQ4 are
Figure 2021101520
Figure 2021101520
Then, V EQ3 <V EQ4 .

このエミッタ電圧VEQ3,VEQ4の大小関係は、トランジスタQ5,Q6を介して出力差動回路6の正転入力端子61、反転入力端子62にそのまま印加されるため、V+IN>V-INとなり、出力差動回路6の出力端子3の電圧は増加する方向に働く。以上が図1の演算増幅器の正常動作である。 Since the magnitude relationship between the emitter voltages V EQ3 and V EQ4 is directly applied to the forward rotation input terminal 61 and the inverting input terminal 62 of the output differential circuit 6 via the transistors Q5 and Q6, V + IN > V -IN Therefore, the voltage of the output terminal 3 of the output differential circuit 6 works in an increasing direction. The above is the normal operation of the operational amplifier of FIG.

ここで、正転入力端子1の電圧VINPが寄生ダイオードDbc1がオンするまで上昇した場合、トランジスタQ3のベース電圧VBQ3は、

Figure 2021101520
となる。トランジスタQ3のエミッタ電圧VEQ3は式(11)と同様であるので、
Figure 2021101520
となる。 Here, when the voltage V INP of the forward rotation input terminal 1 rises until the parasitic diode Dbc1 is turned on, the base voltage V BQ3 of the transistor Q3 becomes.
Figure 2021101520
It becomes. Since the emitter voltage V EQ3 of the transistor Q3 is the same as that in the equation (11),
Figure 2021101520
It becomes.

一方、ダイオードD1がオンするので、トランジスタQ4のエミッタ電圧VEQ4は、そのダイオードD1にかかる電圧をVD1とすると、

Figure 2021101520
となる。 On the other hand, since the diode D1 is turned on, the emitter voltage V EQ4 of the transistor Q4 is assumed that the voltage applied to the diode D1 is V D1 .
Figure 2021101520
It becomes.

従って、各ダイオードの順方向電圧はほぼ等しいと考えてVDbc1≒VD1とすると、式(14),(15)より、電圧VEQ3は電圧VEQ4よりも電圧VBE分だけ低い電圧となり、VEQ3<VEQ4となる。これより、正常動作時と同様に、V+IN>V-INとなり、出力差動回路6の出力端子3の電圧は増加する方向に働くため、出力位相反転現象は発生しない。 Therefore, assuming that the forward voltage of each diode is almost equal and V Dbc1 ≒ V D1 , from equations (14) and (15), the voltage V EQ3 is lower than the voltage V EQ 4 by the voltage V BE. V EQ3 <V EQ4 . From this, similarly to the normal operation, V + IN> V -IN next, to work in the direction voltage is to increase the output terminal 3 of the output differential circuit 6, output phase inversion does not occur.

また、反転入力端子2の印加電圧VINNが寄生ダイオードDbc2がオンするまで上昇した場合は、上記と反対に、電圧VEQ4が電圧VEQ3よりも電圧VBE分だけ低い電圧となり、VEQ3>VEQ4となる。これより、正常動作時と同様に、V+IN<V-INとなり、出力差動回路6の出力端子3の電圧は低下する方向に働くため、出力位相反転現象は発生しない。 Also, if the applied voltage V INN of the inverting input terminal 2 is a parasitic diode Dbc2 rises to turn on the contrary to the above, the voltage V EQ4 becomes voltage V BE amount corresponding voltage lower than the voltage V EQ3, V EQ3> It becomes V EQ4. From this, similarly to the normal operation, since V + IN <V -IN, and the voltage of the output terminal 3 outputs a differential circuit 6 acting in the direction to decrease the output phase inversion does not occur.

なお、ダイオードD3は、トランジスタQ4のエミッタにダイオードD1を経由して正転入力端子1から電源電圧Vccよりも高い電圧が印加したときに、そのトランジスタQ4を破壊から保護し、またトランジスタQ3のエミッタにダイオードD2を経由して反転入力端子2から電源電圧Vccよりも高い電圧が印加したときに、そのトランジスタQ3を破壊から保護する。 The diode D3 protects the transistor Q4 from destruction when a voltage higher than the power supply voltage Vcc is applied to the emitter of the transistor Q4 from the forward rotation input terminal 1 via the diode D1 and also protects the transistor Q4 from destruction. When a voltage higher than the power supply voltage Vcc is applied from the inverting input terminal 2 via the diode D2, the transistor Q3 is protected from destruction.

トランジスタQ5,Q6からなるバッファ回路は、そのベースに固定電圧Vaが印加されているので、この電圧Vaの値を適宜設定することにより、ダイオードD1,D2を、入力端子1,2に過剰電圧が印加したときにのみオンさせ、通常動作時にはオフにすることができる。 Since a fixed voltage Va is applied to the base of the buffer circuit composed of the transistors Q5 and Q6, by appropriately setting the value of this voltage Va, the diodes D1 and D2 are subjected to an excess voltage at the input terminals 1 and 2. It can be turned on only when applied and turned off during normal operation.

図4に、図2の従来の演算増幅器に1倍の閉ループとなる帰還を掛けて入力に電源電圧以上の振幅のサイン波を入力したときの出力電圧のシミュレーション結果を示す。この図4では、入力電圧が上側の電源電圧Vccを超えた際に出力位相反転現象が発生し、出力電圧が大幅に低下していることが分かる。 FIG. 4 shows a simulation result of an output voltage when a sine wave having an amplitude equal to or higher than the power supply voltage is input to the input by applying feedback that becomes a 1x closed loop to the conventional operational amplifier of FIG. In FIG. 4, it can be seen that the output phase inversion phenomenon occurs when the input voltage exceeds the upper power supply voltage Vcc, and the output voltage is significantly reduced.

図5に、図1の本実施例の演算増幅器で同様にシミュレーションした結果を示す。この図5では、電源電圧Vccを超えても出力電圧が低下せず、出力位相反転現象が抑制されていることが分かる。 FIG. 5 shows the result of the same simulation with the operational amplifier of this embodiment of FIG. In FIG. 5, it can be seen that the output voltage does not decrease even when the power supply voltage Vcc is exceeded, and the output phase inversion phenomenon is suppressed.

以上のように、本実施例では、正転入力端子1に電源電圧Vccを超える電圧が印加した際には、正転入力端子1→寄生ダイオードDbc1→トランジスタQ3のベース・エミッタ間→トランジスタQ5のエミッタ・コレクタ間→抵抗R3を経由して接地端子5に流れる電流により発生する電圧V-INが、正転入力端子1→ダイオードD1→トランジスタQ6のエミッタ・コレクタ間→抵抗R4を経由して接地端子5に流れる電流により発生する電圧V+INよりも、VBE3分だけ低くなることで、V+IN>V-INとなり、出力差動回路6の出力端子3の電圧の出力位相反転現象が防止される。 As described above, in this embodiment, when a voltage exceeding the power supply voltage Vcc is applied to the forward rotation input terminal 1, the normal rotation input terminal 1 → the parasitic diode Dbc1 → between the base and emitter of the transistor Q3 → the transistor Q5. Between the emitter and collector → The voltage V-IN generated by the current flowing to the ground terminal 5 via the resistor R3 is the forward rotation input terminal 1 → the diode D1 → between the emitter and collector of the transistor Q6 → grounded via the resistor R4. than the voltage V + iN generated by the current flowing through the terminal 5, that is lower by V BE3 minutes, V + iN> V -IN, and the output phase inversion of the voltage at the output terminal 3 of the output differential circuit 6 Be prevented.

また、反転入力端子2に電源電圧Vccを超える電圧が印加した際には、反転入力端子2→寄生ダイオードDbc2→トランジスタQ4のベース・エミッタ間→トランジスタQ6のエミッタ・コレクタ間→抵抗R4を経由して接地端子5に流れる電流により発生する電圧V+INが、反転入力端子2→ダイオードD2→トランジスタQ5のエミッタ・コレクタ間→抵抗R3を経由して接地端子5に流れる電流により発生する電圧V-INよりも、VBE4分だけ低くなることで、V+IN<V-INとなり、出力差動回路6の出力端子3の電圧の出力位相反転現象が防止される。 When a voltage exceeding the power supply voltage Vcc is applied to the inverting input terminal 2, the inverting input terminal 2 → the parasitic diode Dbc2 → between the base and emitter of the transistor Q4 → between the emitter and collector of the transistor Q6 → via the resistor R4. voltage voltage V + iN generated by the current flowing to the ground terminal 5 is generated by the current flowing through the ground terminal 5 via the emitter-collector → resistor R3 of the inverting input terminal 2 → the diode D2 → the transistor Q5 Te V - than iN, that lower only V BE4 minutes, V + iN <V -IN, and the output phase inversion of the voltage at the output terminal 3 of the output differential circuit 6 is prevented.

つまり、図3における抵抗R5,R6の機能をトランジスタQ3,Q4のベース・エミッタ間電圧VBE3、VBE4より実現しているので、抵抗R5,R6を使用する必要がなく、入力換算雑音電圧特性の劣化の問題は生じない。 That is, since the functions of the resistors R5 and R6 in FIG. 3 are realized by the base-emitter voltages V BE3 and V BE4 of the transistors Q3 and Q4, it is not necessary to use the resistors R5 and R6, and the input conversion noise voltage characteristic. There is no problem of deterioration.

なお、図1ではトランジスタQ3,Q4のコレクタを共通接続して電源端子4との間に保護用のダイオードD3を接続しているが、トランジスタQ3,Q4のそれぞれのコレクタを分離して、それらのコレクタと電源端子4との間に個々に保護用のダイオードを接続してもよい。 In FIG. 1, the collectors of the transistors Q3 and Q4 are commonly connected and the protection diode D3 is connected to the power supply terminal 4, but the collectors of the transistors Q3 and Q4 are separated from each other. A protective diode may be individually connected between the collector and the power supply terminal 4.

1:正転入力端子(第1入力端子)、2:反転入力端子(第2入力端子)、3:出力端子、4:電源端子、5:接地端子、6:出力差動回路、61:正転入力端子(第3入力端子)、62:反転入力端子(第4入力端子)
Q1,Q2,Q3,Q4:NPNトランジスタ
Q5,Q6:PNPトランジスタ
R1,R2,R3,R4,R5,R6:抵抗
D1,D2,D3,D4,D5:ダイオード
Dbc1:トランジスタQ1のベース・コレクタ間の寄生ダイオード
Dbc2:トランジスタQ2のベース・コレクタ間の寄生ダイオード
1: Forward rotation input terminal (1st input terminal) 2: Inverted input terminal (2nd input terminal) 3: Output terminal 4: Power supply terminal 5: Ground terminal, 6: Output differential circuit, 61: Positive Input terminal (3rd input terminal), 62: Inverted input terminal (4th input terminal)
Q1, Q2, Q3, Q4: NPN transistor Q5, Q6: PNP transistor R1, R2, R3, R4, R5, R6: Resistance D1, D2, D3, D4, D5: Diode Dbc1: Between base and collector of transistor Q1 Parasitic diode Dbc2: Parasitic diode between the base and collector of transistor Q2

Claims (4)

ベースが第1入力端子に接続されコレクタが第1負荷を介して第1電源端子に接続されたバイポーラ第1導電型の第1トランジスタ、ベースが第2入力端子に接続されコレクタが第2負荷を介して前記第1電源端子に接続されたバイポーラ第1導電型の第2トランジスタ、前記第1及び第2トランジスタのエミッタと第2電源端子との間に接続された第1電流源を含む入力差動回路と、前記第2トランジスタのコレクタ電圧を第3入力端子に入力し前記第1トランジスタのコレクタ電圧を第4入力端子に入力する出力差動回路と、を備えた演算増幅器において、
ベースが前記第1トランジスタのコレクタに接続されエミッタが前記第4入力端子に接続されるバイポーラ第1導電型の第3トランジスタ、ベースが前記第2トランジスタのコレクタに接続されエミッタが前記第3入力端子に接続されるバイポーラ第1導電型の第4トランジスタを含む中間回路と、
前記第1入力端子と前記第4トランジスタのエミッタの間に接続された第1ダイオードと、
前記第2入力端子と前記第3トランジスタのエミッタの間に接続された第2ダイオードと、
を更に備えていることを特徴とする演算増幅器。
The base is connected to the first input terminal and the collector is connected to the first power supply terminal via the first load. Bipolar first conductive type first transistor, the base is connected to the second input terminal and the collector is connected to the second load. Input difference including a bipolar first conductive type second transistor connected to the first power supply terminal via a first current source connected between the emitters of the first and second transistors and the second power supply terminal. In an operational amplifier including a dynamic circuit and an output differential circuit in which the collector voltage of the second transistor is input to the third input terminal and the collector voltage of the first transistor is input to the fourth input terminal.
A bipolar first conductive type third transistor whose base is connected to the collector of the first transistor and an emitter is connected to the fourth input terminal, and a base is connected to the collector of the second transistor and the emitter is connected to the third input terminal. An intermediate circuit including a bipolar first conductive type fourth transistor connected to the
A first diode connected between the first input terminal and the emitter of the fourth transistor,
A second diode connected between the second input terminal and the emitter of the third transistor,
An operational amplifier characterized by further equipped with.
請求項1に記載の演算増幅器において、
前記第3及び第4トランジスタのコレクタと前記第1電源端子との間に第3ダイオードが接続されていることを特徴とする演算増幅器。
In the operational amplifier according to claim 1,
An operational amplifier characterized in that a third diode is connected between the collectors of the third and fourth transistors and the first power supply terminal.
請求項1又は2に記載の演算増幅器において、
前記第3トランジスタのエミッタと前記第4入力端子の間に挿入接続されたバイポーラ第2導電型の第5トランジスタと、前記第4トランジスタのエミッタと前記第3入力端子の間に挿入接続されたバイポーラ第2導電型の第6トランジスタを更に備え、
前記第5及び第6トランジスタのベースに共通の電圧が印加されていることを特徴とする演算増幅器。
In the operational amplifier according to claim 1 or 2.
A bipolar second conductive type fifth transistor inserted and connected between the emitter of the third transistor and the fourth input terminal, and a bipolar inserted and connected between the emitter of the fourth transistor and the third input terminal. Further equipped with a second conductive type sixth transistor,
An operational amplifier characterized in that a common voltage is applied to the bases of the fifth and sixth transistors.
請求項3に記載の演算増幅器において、
前記共通の電圧は、通常動作時に前記第1及び第2ダイオードがオンせず、前記第1入力端子に前記第1電源端子の電圧以上の電圧が印加したときに前記第1ダイオードがオンし、前記第2入力端子に前記第1電源端子の電圧以上の電圧が印加したときに前記第2ダイオードがオンするよう、前記第5及び第6トランジスタを制御する電圧に設定されていることを特徴とする演算増幅器。
In the operational amplifier according to claim 3,
The common voltage is such that the first and second diodes do not turn on during normal operation, and the first diode turns on when a voltage equal to or higher than the voltage of the first power supply terminal is applied to the first input terminal. It is characterized in that the voltage for controlling the fifth and sixth transistors is set so that the second diode is turned on when a voltage equal to or higher than the voltage of the first power supply terminal is applied to the second input terminal. Operational amplifier.
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