JP2526808B2 - チュ―ニング可能なmos ota - Google Patents

チュ―ニング可能なmos ota

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JP2526808B2
JP2526808B2 JP13046794A JP13046794A JP2526808B2 JP 2526808 B2 JP2526808 B2 JP 2526808B2 JP 13046794 A JP13046794 A JP 13046794A JP 13046794 A JP13046794 A JP 13046794A JP 2526808 B2 JP2526808 B2 JP 2526808B2
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transistor
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はアナログ信号を増幅する
OTA(Operational Tarnsconductance Amplifier) に
係わり、特に半導体集積回路上に構成されるチューニン
グ可能なMOS OTAに関する。
【0002】
【従来の技術】従来のこの種のチューニング可能なMO
S OTAは、Wang が提案した回路が、IEEE J
ournal of Solid−State Cir
cuits,VOL.25,NO.1,pp.315−
317,Feb.1990に載っている。
【0003】飽和領域で動作しているMOSトランジス
タのドレイン電流は、チャネル長変調と基板効果を無視
すれば、
【0004】
【0005】ここで、β=μ(Cox/2)(W/L)
はトランスコンダクタンス・パラメータであり、μはキ
ャリアの実効モビリティ、Coxは単位面積当たりのゲ
ート酸化膜容量、W、Lはそれぞれ、ゲート幅、ゲート
長である。また、VTHはスレッショルド電圧、VGSi
それぞれのゲート・ソース間電圧である。
【0006】図13に、4個のトランジスタが1つのテ
ール電流で駆動されたクァドリテールセルを用いて実現
されるチューニング可能なMOS OTAを示す。各ト
ランジスタのドレイン電流は、次式で示される。
【0007】
【0008】ただし、VR は入力信号の直流電圧、VS
は共通ソース電圧である。
【0009】テール電流の条件より、
【0010】
【0011】チューニング可能なMOS OTAの差動
出力電流△Iは次式で示される。
【0012】
【0013】(7)式からわかるように、MOSトラン
ジスタの2乗則を仮定すれば、回路内のMOSトランジ
スタがいずれもカットオフしない入力電圧範囲において
は、線形動作する。入力電圧が大きくなるにしたがっ
て、回路内のMOSトランジスタがカットオフし始め、
線形動作からずれてくる。
【0014】(7)式をもとに、チューニング可能なM
OS OTAの伝達特性は、VB をパラメータにして図
14に示す。また、大信号に対してはテール電流によ
り、リミッティング特性を持つことがわかる。
【0015】チューニング可能なMOS OTAのトラ
ンスコンダクタンス特性は、(28)式を、Vi につい
て微分すれば、トランスコンダクタンス特性が求まる。
【0016】
【0017】チューニング可能なMOS OTAのトラ
ンスコンダクタンス特性を、(8)式をもとに、VB
パラメータにして図15に示す。
【0018】
【発明が解決しようとする課題】アナログ信号処理にお
いては、OTAに欠くことのできないファンクションで
ある。プロセスのファイン化が進み、それに伴いLSI
の電流電圧も5Vから3.3Vあるいは3Vへと低電圧
化してきており、低電圧回路技術の必要性が一層高まっ
てきている。さらに、CMOSプロセスがLSI化には
最適のプロセス技術として広く認められるようになり、
CMOSプロセスでOTAを実現するための回路技術が
求められている。特に、チューニング可能なMOS O
TAは利用価値が高い。
【0019】
【課題を解決するための手段】本発明のチューニング可
能なMOS OTAは、4つのトランジスタのソースが
共通接続されて1つのテール電流で駆動されるクァドリ
テールセルを有し、クァドリテールセルを構成する第一
のトランジスタ対は、カスコード接続される第三のトラ
ンジスタ対をそれぞれ負荷に持ち、クァドリテールセル
を構成する第二のトランジスタ対は、それぞれのゲート
が第一のトランジスタ対のそれぞれのドレインと共通接
続されたカスコード・クァドリテールセルにおいて、第
一のトランジスタ対と第三のトランジスタ対のいずれか
一方のトランジスタ対それぞれのゲートが共通接続され
てチューニング電圧が印加され、他方のトランジスタ対
のそれぞれのゲートには差動入力信号が印加される。
【0020】
【実施例】図1から図6は、本発明の請求項1の実施例
を示す回路図である。4つのトランジスタが1つのテー
ル電流を共有するが、カスコード接続されたトランジス
タを含んでいるから、カスコード・クァドリテールセル
と呼ぶ。
【0021】図1〜図3に示すカスコード・クァドリテ
ールセルを構成するおのおののトランジスタのドレイン
電流は、VGS1 =VGS2 =VGS5 =VGS6 (=V1 ),
D1=ID2であるから、
【0022】
【0023】テール電流の条件より、
【0024】
【0025】したがって、差動出力電流△Iは2つのト
ランジスタのドレイン電流をそのまま差動出力電流を取
るか、他のトランジスタと並列接続して差動出力電流を
取るか、あるいは、交又接続して差動出力電流を取るか
の3通りの出力方法が考えられる。
【0026】
【0027】ただし、共通ソース電圧VS は入力電圧V
i に依存し、
【0028】
【0029】すなわち、共通ソース電圧VS は一定値と
はならないが、VS を消去しているので線形動作する。
【0030】同様に、図4に示すカスコード・クァドリ
テールを構成するおのおののトランジスタのドレイン電
流は、VGS1 =VGS5 ,VGS2 =VGS6 ,ID1=ID5
D2=ID6であるから、
【0031】
【0032】テール電流の条件より、(12)式が成り
立つ。
【0033】
【0034】したがって、差動出力電流△Iは、
【0035】
【0036】ここで、共通ソース電圧VS は入力電圧V
i に依存し、
【0037】
【0038】この場合も、共通ソース電圧VS は一定値
とはならないが、VS を消去しているので線形動作す
る。
【0039】同様に、図5に示す平衡型カスコード・ク
ァドリテールの差動出力電流△Iは、(15)式〜(1
8)式、および(12)式と(20)式が成り立つか
ら、
【0040】
【0041】ここで、共通ソース電圧VS は(20)式
に示すように、入力電圧Vi に依存するために、一定値
とはならずに、非直線項として直線性を劣化させてい
る。
【0042】同様に、図6に示す不平衡型カスコード・
クァドリテールの差動出力電流△Iは(15)式〜(1
8)式および(12)式と(20)式が成り立つから、
【0043】
【0044】この場合にも、共通ソース電圧VS は(2
0)式に示すように、入力電圧Vi に依存するために、
一定値とはならずに、非直線項として直線性を劣化させ
ている。
【0045】定電流駆動することでフローティング入力
化でき、図1〜図4に示すカスコード・クァドリテール
セルでは線形動作が実現できるが、図5と図6に示すカ
スコード・クァドリテールセルでは線形動作が実現でき
ずにチューニング電圧に対する直線性が犠牲になってい
る。
【0046】実際には、(21)式により、図5に示す
平衡型カスコード・クァドリテールセルのチューニング
電圧を共通ソース電圧VS を基準に印加すれば線形動作
となる。チューニング電圧VC を与えられる回路とし
て、図7に、OPアンプを追加した回路例を、本発明請
求項2の一実施例として示す。次に、図8にトランジス
タを追加した回路例を本発明請求項3の一実施例として
示す。図8は、正確には、平衡型カスコード・クィント
テールセル(cascode quint-tail cell )であり、チュ
ーニング電圧VC はVB −VR +VS +VTHで与えられ
る。
【0047】一方、図9に示す不平衡型カスコード・ク
ァドリテールセルは本発明請求項4の一実施例を示す回
路図である。このように、トランジスタを3段カスコー
ド接続し、トランジスタサイズを異ならせることで共通
ソース電圧に依存しない回路を実現でき、線形動作を確
保できる。図9において、K=1/2とおくと、不平衡
型ダブルカスコード・クァドリテールセルの差動出力電
流△Iは、
【0048】
【0049】と与えられる。同一サイズトランジスタで
構成する場合には、図10に示すように、ペアトランジ
スタで電流を2分すれば、等価的にK=1/2のトラン
ジスタを実現できる。
【0050】実際には、図9では、トランジスタM3、
M4を単位トランジスタとすれば、14個の単位トラン
ジスタを必要とするが、図10では、12個のトランジ
スタで良い。また、これらの回路構成では、トランジス
タを3段カスコード接続しているために、電源電圧は低
くはできない。
【0051】さらに、本発明請求項6では、従来回路で
詳しく回路解析したWang の提案した回路を用い、入力
回路を付加したチューニング可能なMOS OTAの構
成方法を請求する。
【0052】Wang の提案した回路(クァドリテールセ
ル)への入力回路(オフセット発生回路)としては、ト
ランジスタをカスコード接続したカスコード差動対、あ
るいは、電圧分圧器を包含したカスコード・クァドリテ
ールセルを用いるやり方が考えられる。
【0053】図11は、カスコード差動対で構成される
MOS電圧加算回路を入力回路に用いて、チューニング
可能なオフセット発生回路を実現したMOS OTAの
回路を示す。
【0054】図12は、カスコード・クァドリテールセ
ルで構成されるMOS電圧分圧回路とMOS電圧加算回
路を包含した回路を入力回路に用いて、チューニング可
能なオフセット発生回路を実現したMOS OTAの回
路を示す。MOS電圧分圧回路により、入力電圧が2分
されるために、図11に示した回路に対して、出力が半
分となっている。
【0055】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のチューニ
ング可能なMOS OTA回路は、直線性の良い入力電
圧範囲を広くでき、比較的小さな回路規模で実現できる
という効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明請求項1の第一の実施例を示すチューニ
ング可能なMOS OTAの回路図。
【図2】本発明請求項1の第二の実施例を示すチューニ
ング可能なMOS OTAの回路図。
【図3】本発明請求項1の第三の実施例を示すチューニ
ング可能なMOS OTAの回路図。
【図4】本発明請求項1の第四の実施例を示すチューニ
ング可能なMOS OTAの回路図。
【図5】本発明請求項1の第五の実施例を示すチューニ
ング可能なMOS OTAの回路図。
【図6】本発明請求項1の第六の実施例を示すチューニ
ング可能なMOS OTAの回路図。
【図7】本発明請求項2の一実施例を示すチューニング
可能なMOS OTAの回路図。
【図8】本発明請求項3の一実施例を示すチューニング
可能なMOS OTAの回路図。
【図9】本発明請求項4の一実施例を示すチューニング
可能なMOS OTAの回路図。
【図10】本発明請求項5の一実施例を示すチューニン
グ可能なMOS OTAの回路図。
【図11】本発明請求項6の一実施例を示すチューニン
グ可能なMOS OTAの回路図。
【図12】本発明請求項7の一実施例を示すチューニン
グ可能なMOS OTAの回路図。
【図13】従来回路例。
【図14】従来回路例の伝達特性。
【図15】従来回路例のトランスコンダクタンス特性。
【符号の説明】
M1〜M12 MOSトランレジスタ

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 4つのトランジスタのソースが共通接続
    されて1つのテール電流で駆動されるクァドリテールセ
    ルを有し、クァドリテールセルを構成する第一のトラン
    ジスタ対は、カスコード接続される第三のトランジスタ
    対をそれぞれ負荷に持ち、クァドリテールセルを構成す
    る第二のトランジスタ対は、それぞれのゲートが第一の
    トランジスタ対のそれぞれのドレインと共通接続された
    カスコード・クァドリテールセルにおいて、 第一のトランジスタ対と第三のトランジスタ対のうちい
    ずれか一方のトランジスタ対のそれぞれのゲートが共通
    接続されてチューニング電圧が印加され、他方のトラン
    ジスタ対のそれぞれのゲートには差動入力信号が印加さ
    れ、第二のトランジスタ対のそれぞれのドレイン電流を
    少なくとも差動出力電流に含むことを特徴とするチュー
    ニング可能なMOS OTA。
  2. 【請求項2】 請求項1において、共通ソース電圧との
    差電圧がチューニング電圧として印加されることを特徴
    とするチューニング可能なMOS OTA。
  3. 【請求項3】 請求項1において、クァドリテールセル
    にカスコード接続されたトランジスタが追加され、ダイ
    オード接続された上段トランジスタはソース電圧をチュ
    ーニング電圧として印加し、下段トランジスタは差動入
    力信号の直流電圧が印加されることを特徴とするチュー
    ニング可能なMOS OTA。
  4. 【請求項4】 請求項1において、第一のトランジスタ
    対と第三のトランジスタ対との間に、さらに、それぞれ
    のトランジスタがダイオード接続された第四のトランジ
    スタ対が挿入され、前記第二のトランジスタ対を構成す
    るトランジスタのゲートW/L比が他のトランジスタ対
    を構成するトランジスタのゲートW/L比の半分である
    ことを特徴とするチューニング可能なMOS OTA。
  5. 【請求項5】 請求項4において、第一のトランジスタ
    対と第三のトランジスタ対との間に、さらに、それぞれ
    のトランジスタがダイオード接続された第四のトランジ
    スタ対が挿入され、前記第二のトランジスタ対のそれぞ
    れのトランジスタのドレイン電流の半分を差動出力電流
    としたことを特徴とするチューニング可能なMOS O
    TA。
  6. 【請求項6】 出力が交差接続された2つのトランジス
    タ対のソースが共通接続されて1つのテール電流で駆動
    されるクァドリテールセルとカスコード接続された差動
    対を有し、カスコード接続された差動対を構成する上段
    のトランジスタのそれぞれのゲートは共通接続されてチ
    ューニング電圧が印加され、カスコード接続された差動
    対を構成する上段トランジスタのそれぞれのソースは、
    前記クァドリテールセルを構成する第一のトランジスタ
    対のそれぞれのゲートと共通接続されて、カスコード接
    続された差動対を構成する下段のトランジスタのそれぞ
    れのゲートと前記クァドリテールセルを構成する第二の
    トランジスタ対のそれぞれのゲートが共通接続されて差
    動入力信号が印加されることを特徴とするチューニング
    可能なMOS OTA。
  7. 【請求項7】 請求項6において、カスコード接続され
    た差動対にさらに、カスコード接続されたトランジスタ
    対の追加され、それぞれのカスコード接続されたトラン
    ジスタの下段トランジスタはそれぞれダイオード接続さ
    れ、それぞれのカスコード接続されたトランジスタの上
    段トランジスタには、差動入力信号が印加され、カスコ
    ード接続された上段トランジスタのソースと前記クァド
    リテールセルを構成する第二のトランジスタのそれぞれ
    のゲートと共通接続されたことを特徴とするチューニン
    グ可能なMOS OTA。
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US7944298B2 (en) * 2007-12-18 2011-05-17 Qualcomm, Incorporated Low noise and low input capacitance differential MDS LNA

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