JP2801944B2 - 増幅器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、例えばIC試験装置において被試験ICに駆
動信号を与える増幅器として利用したり、あるいはオシ
ログラフのX,Y駆動信号を陰極線管に与える増幅器とし
て利用することができる増幅器に関する。

「従来の技術」 IC試験装置において、被試験ICに試験パターン信号を
与える駆動回路には、被試験ICに与える試験パターン信
号の論理値（ＨまたはＬ）に応じて被試験ICに電流を流
し込む動作と、被試験ICから電流を引き込む動作の双方
を行う機能が要求される。

このため、従来は駆動回路として第７図に示すエミッ
タホロワ回路が用いられている。

「発明が解決しようとする課題」 エミッタホロワ回路において、負荷３に例えば±50mA
の電流を供給しようとする場合には、エミッタホロワを
構成するトランジスタ１のエミッタ側に50mAの定電流回
路２を接続し、トランジスタ１がオフの状態で負荷２か
ら50mAの電流を引き込む（−50mAの意）ことができるよ
うに構成される。

つまり、この場合には負荷３に＋50mAの電流を流し込
む状態ではトランジスタ１に100mAの電流が流れ、負荷
３に流れる電流が０のとき、トランジスタ１には50mAが
流れる。従って電力消費量が大きい欠点がある。

IC試験装置では駆動回路は被試験ICの端子の数は最低
限必要である。このため数100に及ぶ端子を持つICを試
験するIC試験装置では駆動回路を少なくともその端子の
数だけは必要であるためその数は大きい。

従って、この駆動回路に電力を与える電源の容量も大
きなものが必要となる。

このため、例えばNPN型トランジスタとPNP型トランジ
スタを直列接続して構成した相補型増幅回路を使うこと
が考えられるが、相補型増幅回路に用いるPNP型トラン
ジスタはNPN型トランジスタと比較して動作速度、耐圧
の点で劣る。その傾向は回路をIC化した場合、さらに著
しくなる。

この発明の目的は、NPN型トランジスタだけで高速、
低電力消費の増幅器を構成しようとするものである。

「課題を解決するための手段」 この出願の第１発明では、エミッタホロワを構成する
NPN型の駆動トランジスタと、この駆動トランジスタの
コレクタ側に接続した正極性の定電流回路と、この駆動
トランジスタのエミッタと出力端子との接続点にコレク
タが接続された第１トランジスタと、この第１トランジ
スタのベースにベースとコレクタとが共通接続され、ベ
ースとコレクタとの共通接続点が電圧シフタを通じて定
電流回路と駆動トランジスタとの接続点に接続され、第
１トランジスタのエミッタと負極性の電源との接続点に
エミッタを接続した第２トランジスタとによって構成し
たカレントミラー回路と、 によって増幅回路を構成したものである。

この第１発明の構成によれば、駆動トランジスタを流
れる電流はカレントミラー回路を構成する第２トランジ
スタによって検出され、第２トランジスタを介して第１
トランジスタに駆動トランジスタを流れる電流に逆比例
した電圧信号を与える。

この結果、駆動トランジスタを流れる電流が増加しよ
うとした場合には、カレントミラー回路を構成する第１
トランジスタのベースに逆バイアス方向に向かう電圧信
号が与えられる。

従って、第１トランジスタのインピーダンスが増加
し、第１トランジスタを流れる電流が絞られる。よっ
て、駆動トランジスタを流れる電流の大部分は負荷側に
吐き出される。つまり電源から与えられた電流は負荷に
有効に伝達される。

一方、駆動トランジスタを流れる電流が減少しようと
する場合には、カレントミラー回路を構成する第１トラ
ンジスタは駆動トランジスタを流れる電流の減少を検知
して、カレントミラー回路を構成する第２トランジスタ
のベースに順方向バイアス方向に向かう電圧信号を与え
る。

この結果、第１トランジスタのインピーダンスは小さ
くなる方向に制御され、負荷側から引き込む電流の量を
増加させる。

このように、この出願の第１発明によれば、駆動トラ
ンジスタと直列接続した第１トランジスタが駆動トラン
ジスタの動作と見掛け上相補的に動作し、電源から与え
られる電力を有効に活用するから消費電力の少ない増幅
器を提供することができる。またNPN型トランジスタに
よって構成することができるから、高速動作および大振
幅出力に耐えられる増幅器を提供することができる。

この出願の第２発明では、カレントミラー回路を構成
する第１トランジスタを複数並列接続し、第１トランジ
スタを流れる電流の変化量を大きく採れるように構成し
たものである。

第１トランジスタを流れる電流の変化量を大きく採れ
ることによって駆動トランジスタを流れる電流の変化に
対して相補的に変化する電流の量が大きくなり、負荷に
出力される電流の変化量を大きく得ることができる。よ
って電力消費量の増加を伴わずに大振幅の電力を負荷に
出力することができる増幅器を提供することができる。

この出願の第２発明では、カレントミラー回路を構成
する第１トランジスタを複数並列接続した増幅器を提案
するものである。

この第２発明の構成によれば無信号時において駆動ト
ランジスタに流れる電流値を小さくすることができる。
この結果、電力消費量が少ない増幅器を提供することが
できる。

この出願の第３発明では、駆動トランジスタの入力側
にスイッチ素子を設け、このスイッチ素子を必要に応じ
てオンに制御することにより、駆動トランジスタおよび
カレントミラー回路を構成する第１トランジスタをオフ
に制御できるように構成したものである。

この第３発明によれば、駆動トランジスタを必要に応
じてオフの状態に制御することができるため、出力イン
ピーダンスをハイ・インピーダンス状態に制御すること
ができる。

出力インピーダンスをハイ・インピーダンス状態に制
御できることによって負荷から信号を取り込む信号取込
回路に負荷から出力される信号を有効に取り出すことが
できる。

つまり、負荷がICの場合、ICは一つの端子を入力端子
と出力端子に共用している。このため被試験ICの各端子
には試験パターン信号を与える駆動用増幅器と、信号を
取り込む信号取込回路とが接続される。従って信号取込
回路で信号を取り込む場合には、駆動用増幅器をハイ・
インピーダンス状態に制御すればICから出力される応答
出力信号を信号取込回路に有効に取り込むことができ
る。

この出願の第４発明では、駆動トランジスタのエミッ
タと、カレントミラー回路を構成する第１トランジスタ
のコレクタとの間に電位吸収用トランジスタを直列接続
した構成を提案する。

この第４発明の構成によれば、カレントミラー回路を
構成する第１トランジスタのコレクタ電位は電位吸収用
トランジスタの動作によって一定電位に維持される。

この結果、第１トランジスタのコレクタ−ベース間に
形成される静電容量に対して充電電流および放電電流が
流れることがなくなるため、第１トランジスタの動作を
高速化することができる。

この出願の第５発明では、カレントミラー回路を構成
する第２トランジスタのコレクタとベースとの間にコレ
クタ−ベース間電位を一定値に維持するための定電圧素
子を接続した構成を提案する。

この第５発明の構成によれば、定電圧素子の接続によ
ってカレントミラー回路を構成する第２トランジスタの
コレクタ−エミッタ間の電圧が定電圧素子の定電圧に維
持されるから第２トランジスタのコレクタ−エミッタ間
静電容量に対する充放電動作を除去することができる。

この結果、第２トランジスタの動作を高速化すること
ができる利点が得られる。

「実施例」 第１図にこの出願の第１発明の実施例を示す。

第１図において、１は駆動トランジスタ、２はカレン
トミラー回路、３は負荷を示す。

駆動トランジスタはNPN型トランジスタが用いられ、
そのコレクタは定電流回路４を通じて正極電圧端子に
接続され、エミッタはカレントミラー回路２を通じて負
極電圧端子に接続される。

カレントミラー回路２は駆動トランジスタ１と直列接
続される第１トランジスタ2Aと、駆動トランジスタ１を
流れる電流I₁の増加、減少を検出して第１トランジスタ
2Aのベースに、第１トランジスタ2Aを駆動トランジスタ
１とは逆向きの動作を行わせる制御信号を与える第２ト
ランジスタ2Bと、第２トランジスタのコレクタを駆動ト
ランジスタ１と定電流源４との接続点に接続する電圧シ
フタ2Cとによって構成される。

第１トランジスタ2Aと第２トランジスタ2BはともにNP
N型トランジスタによって構成され、そのエミッタは負
極電圧端子に接続され、ベースはともに共通接続さ
れ、第２トランジスタのコレクタとベースは共通接続さ
れ、その共通接続点が電圧シフタ2Cを通じて駆動トラン
ジスタ１と定電流素子との接続点に接続される。

電圧シフタ2Cは例えばツエナダイオードによって構成
することができる。この電圧シフタ2Cの電圧シフト量V_Z
は駆動トランジスタ１のコレクタ−エミッタ間に正の一
定電圧を与え、駆動トランジスタ１を飽和させない電圧
に選ぶ。

第１図に示した回路構成において、駆動トランジスタ
１を流れる電流をI₁、カレントミラー回路２を構成する
第１トランジスタ2Aを流れる電流をI₂、カレントミラー
回路２を構成する第２トランジスタ2Bを流れる電流を
I₃、定電流回路４を流れる電流をI_ref、負荷３に出力さ
れる電流をI_outとすると、 I₁＋I₃＝I_ref（一定） I₁−I₂＝I_out I₃＝I₂ となる。

つまり、無出力時I_out＝０のとき、駆動トランジスタ
１を流れる電流I₁と第１トランジスタ2Aを流れる電流I₂
はI₁＝I₂で等しい値となる。また、この状態ではカレン
トミラー回路２を構成する第２トランジスタ2Bに流れる
電流I₃はI₂＝I₃の状態になっている。

この状態で駆動トランジスタ１のベースに正電圧が与
えられ、駆動トランジスタ１を流れる電流I₁が増加する
と、その増加した量ΔI₁だけ出力電流I_outが流れ始め
る。これとともにI₁＋I₃は一定であるから、その増加し
た量だけ電流I₃が減少する。

電流I₃が減少すると、カレントミラー回路２を構成す
る第１トランジスタ2Aのベースに流れ込むベース電流が
減少し、これにより第１トランジスタ2Aのコレクタ−エ
ミッタ間の抵抗値が増加する方向に制御され、第１トラ
ンジスタ2Aを流れる電流I₂は減少する方向に制御され
る。

この結果、第１トランジスタ2Aを流れる電流I₂の減少
した分の電流ΔI₂は出力電流I_outとして出力される。つ
まり出力電流I_outは電流I₁の増加分ΔI₁と、電流I₂の減
少分ΔI₂の和（ΔI₁＋ΔI₂）となる。

一方、出力電流I_outがI_out＝０の状態で駆動トランジ
スタ１のベースに負方向の電圧が与えられると、駆動ト
ランジスタ１を流れる電流I₁は減少する。このときカレ
ントミラー回路２を構成する第１トランジスタ2Aは電流
I₂を流し続けようとするから、駆動トランジスタ１から
与えられていた電流I₁の減少分−ΔI₁は負荷３から吸収
する。

これとともに駆動トランジスタ１を流れる電流I₁が減
少することにより、電流I₃は増加し、第１トランジスタ
2Aのベース電流を増加させる。従って、第１トランジス
タ2Aのコレクタ−エミッタ間の抵抗値が減少し、電流I₂
を増加させる方向に制御される。この結果、第１トラン
ジスタ2Aを流れる電流は電流I₃の増加分に比例して増加
し、その増加した電流は負荷３から引き込まれる。

このように、この出願の第１発明によれば、NPN型ト
ランジスタで構成していながら、駆動トランジスタ１と
第１トランジスタは互いに相補動作し、負荷３に対して
振幅が大きい電流変化を出力することができる。

第２図はこの出願の第２発明の実施例を示す。

第２発明では、カレントミラー回路２を構成する第１
トランジスタ2Aを複数並列接続し、第２トランジスタ2B
を流れる電流I₃の変化を並列数倍して取り出すことがで
きるように構成し、これにより負荷３に効率よく出力電
流を取り出すことができるように構成したものである。

このため、カレントミラー回路２に加えて駆動トラン
ジスタ１のコレクタ側にもカレントミラー回路５を設
け、このカレントミラー回路５と、カレントミラー回路
２とによって駆動トランジスタ１を流れる電流I₁を並列
数倍して変化させる。

つまり、カレントミラー回路５を構成するトランジス
タ5Aのコレクタは正極電圧端子に接続し、トランジス
タ5Bのコレクタは定電流回路４を通じて正極電圧端子
に接続する。トランジスタ5Aと5Bのベースは共通接続
し、その共通接続したベースには駆動トランジスタ１の
コレクタの電位より正側に位置する適当な電位V₁を与え
る。トランジスタ5A,5Bのエミッタは共通接続して駆動
トランジスタ１のコレクタに接続する。

このように構成することにより、カレントミラー回路
５を構成するトランジスタ5Aと5Bには1:1の比を持つ電
流I₁が流れ、駆動トランジスタ１には2I₁の電流が流れ
る。

従って、駆動トランジスタ１のエミッタ側に設けるカ
レントミラー回路２を構成する第１トランジスタ2Aは２
個並列接続し、第２トランジスタを流れる電流I₂に対
し、２倍の比を持つ電流2I₂を駆動トランジスタ１から
引き込む。

この回路構成によれば I₁＝I_ref−I₂ I_out＝2I₁−2I₂ の関係がある。これにより が得られ、出力電流I_outに応じて電流I₂が変化すること
がわかる。

これにより、I_out＝±50mA最大の供給能力を持つ回路
において、無負荷時に流しておかなくてはならない電流
は37.5mAで済ませることができる。因みに第１図に示し
た回路構成によれば無負荷時に流しておかなくてはなら
ない電流は50mAとなる。

従って、この第２発明によれば、NPN型トランジスタ
だけで相補動作が可能な増幅器を構成するとともに、そ
の電力消費量を少なくすることができる利点が得られ
る。

なお、第２図の実施例では、カレントミラー回路２の
電流比を2:1にした場合を説明したが、第３図にカレン
トミラー回路２と５を構成するトランジスタ2Aと5Aを２
個以上複数並列接続することができる。第３図の例では
第１トランジスタ2Aを５個並列接続し、電流比を5:1に
採った場合を示す。

この場合、I_ref＝10mAにすれば±50mAの駆動能力が得
られる。このとき、回路に流れる電流は最大60mA（50mA
引込時）、無負荷時に流れる電流は30mAとなる。

第４図はこの出願の第３発明の実施例を示す。この出
願の第３発明では、駆動トランジスタ１の入力側にスイ
ッチ素子６を設け、このスイッチ素子をオンに制御する
ことによって駆動トランジスタ１をオフの状態に制御
し、負荷３側から見てハイ・インピーダンスの状態を採
ることができるように構成した増幅器を提供するもので
ある。

スイッチ素子６はこの例ではトランジスタ6Aと6Bを差
動結合した回路構成によって構成した場合を示す。差動
回路を構成するトランジスタ6Aをオン、6Bをオフに制御
することによってカレントミラー回路２を構成する第２
トランジスタ2Bを流れる電流I₁はダイオード2Dと、第１
トランジスタ2Aのベースを通り、さらにダイオード７を
通じてトランジスタ6Aに引き込まれる。これにより駆動
トランジスタ１と第１トランジスタ2Aおよび第２トラン
ジスタ2Bのベース電位が引き下げられ、これらのトラン
ジスタ１と2A,2Bのベース電位はV_EE1からダイオード2D
の順方向電圧降下を差し引いた電位にクランプされオフ
の状態に制御される。

駆動トランジスタ１とカレントミラー回路２を構成す
る第１トランジスタ2Aがオフの状態に制御されることに
よって負荷３側から見たインピーダンスはハイ・インピ
ーダンスの状態に見える。

従って、例えばIC試験装置のように負荷３が被試験IC
の場合、被試験ICが信号を出力するタイミングで入力端
子EN1にＨ論理を与え、EN2にＬ論理を与えることによっ
て駆動トランジスタと第１トランジスタ2Aをオフの状態
に制御することができ、この状態で信号を取り込む信号
取込回路（特に図示していない）を動作させることによ
り、負荷３から出力される信号をその信号取込回路に有
効に取り込むことができる。

なお、第４図に示すダイオード８と９は出力容量の値
を小さくするために接続したダイオードである。

第５図はこの出願の第４発明および第５発明の実施例
を示す。この出願の第４発明では、駆動トランジスタ１
とカレントミラー回路２を構成する第１トランジスタ2A
との間に電位吸収用トランジスタ11を直列接続した構成
を提案する。

この電位吸収用トランジスタ11のベースには適当な順
方向バイアスV₂を与えておくことにより、入力信号に応
じて駆動トランジスタ１のエミッタ電位が変動すると、
その電位変動に応じて電位吸収用トランジスタ11のコレ
クタ−エミッタ間の抵抗値が変化し、電位変動を吸収
し、カレントミラー回路２を構成する第１トランジスタ
2Aのコレクタの電位を一定電位に維持するように動作す
る。

このように、第１トランジスタ2Aのコレクタの電位を
一定電位に維持するように動作させることによって第１
トランジスタ2Aのコレクタ−ベース間容量C_CBに充放電
電流が流れることを阻止することができる。

この結果、カレントミラー回路２の動作速度を向上さ
せることができる利点が得られる。

つまり、第１トランジスタ2Aはカレントミラー回路２
の電流比を大きく採るために多数のトランジスタを並列
接続して構成する。

このために、コレクタ−ベース間容量C_CBの値は大き
な値となる。コレクタ−ベース間容量C_CBの値が大き
く、しかも電位吸収用トランジスタ11を設けない場合に
は、駆動トランジスタ１のエミッタ電位が変化すると、
第１トランジスタ2Aのコレクタ電位も変動する。

第１トランジスタ2Aのコレクタ電位が変動すると、コ
レクタ−ベース間容量C_CBにはコレクタの電位変動に応
じて充電−放電電流が流れる。この充電および放電電流
が流れることによって出力電流I_outが安定するまでに時
間が掛かるようになり、応答遅れが生じる。つまり、コ
レクタ−ベース間容量が形成する時定数回路の時定数に
よって応答速度の上限が決められる。

従って、電位吸収用トランジスタ11によって第１トラ
ンジスタ2Aのコレクタ電位を一定に維持し、コレクタ−
ベース間容量C_CBに充放電電流が流れることを阻止する
ことによって増幅器の応答速度を向上させることができ
る。

第５図において、カレントミラー回路２を構成する第
２トランジスタ2Bのコレクタ−ベース間に接続したダイ
オードの直列接続回路12はこの出願の第５発明で提案す
る定電圧素子を指す。

この出願の第５発明では、カレントミラー回路２を構
成する第２トランジスタ2Bのコレクタとベース間に定電
圧素子12を接続した構成を提案するものである。

この定電圧素子12を設けることによって、第２トラン
ジスタ2Bのコレクタ−エミッタ間電圧V_CEを常に確保す
ることができる。これにより、第２トランジスタ2Bのコ
レクタ−エミッタ間容量C_CEに対して充放電電圧が流れ
ることを阻止することができる。よって第２トランジス
タ2Bの動作を高速化させることができる。

「発明の効果」 以上説明したように、この出願の第１発明によればNP
N型トランジスタだけで増幅回路を構成したにもかかわ
らず、駆動トランジスタ１とカレントミラー回路２を構
成する第１トランジスタ2Aが相補動作し、低電力消費型
で大振幅の電流を出力することができる。

さらに、この出願の第２発明でよれば、カレントミラ
ー回路２と５の電流比を大きく採ることによって無負荷
時に駆動トランジスタ１に流れる電流値を小さくするこ
とができる。この結果、第１発明で提案した増幅器の電
力消費量をさらに少なくすることができる利点が得られ
る。

さらに、この出願の第３発明によれば、駆動トランジ
スタ１の入力側にスイッチ素子６を設け、このスイッチ
素子６をオン・オフ操作することによって、駆動トラン
ジスタ１と、この駆動トランジスタ１と直列接続したカ
レントミラー回路２を構成する第１トランジスタ2Aをオ
フの状態に制御することができる。よって、この状態に
制御することによって負荷３側から見たインピーダンス
をハイ・インピーダンス状態にすることができ、負荷３
に接続される信号取込回路に負荷３から出力される信号
を有効に取り込むことができる。

さらに、この出願の第４発明および第５発明によれ
ば、カレントミラー回路２の応答速度を向上させること
ができるから、周波数の高い信号を増幅して出力するこ
とができる増幅器を提供することができる。

「変形実施例」 第６図にこの発明の変形実施例を示す。この例では駆
動トランジスタ１のコレクタ電流の変化を抵抗器13の電
圧降下によってエミッタホロワ構成のトランジスタ14に
よって検出し、エミッタホロワを構成するトランジスタ
14を介してカレントミラー回路２を制御するように構成
した場合を示す。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの出願の第１発明の実施例を説明するための
接続図、第２図および第３図はこの出願の第２発明の実
施例を説明するための接続図、第４図はこの出願の第３
発明の実施例を説明するための接続図、第５図はこの出
願の第４発明と第５発明の実施例を説明するための接続
図、第６図はこの出願の第１発明の変形実施例を説明す
るための接続図、第７図は従来の技術を説明するための
接続図である。 1:駆動トランジスタ、2:カレントミラー回路、2A:第１
トランジスタ、2B:第２トランジスタ、2C:電圧シフタ、
3:負荷、4:定電流回路、5:カレントミラー回路。

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】A.エミッタホロワを構成するNPN型の駆動
   トランジスタと、 B.この駆動トランジスタのコレクタ側に接続した正極性
   の定電流回路と、 C.この駆動トランジスタのエミッタと出力端子との接続
   点にコレクタが接続された第１トランジスタと、この第
   １トランジスタのベースにベースとコレクタとが共通接
   続され、ベースとコレクタとの共通接続点が電圧シフタ
   を通じて上記定電流回路と駆動トランジスタとの接続点
   に接続され、上記第１トランジスタのエミッタと負極性
   の電源との接続点にエミッタを接続した第２トランジス
   タとによって構成したカレントミラー回路と、 によって構成した増幅器。
2. 【請求項２】上記請求項（１）記載のカレントミラー回
   路において、上記駆動トランジスタを流れる電流を引き
   込む動作を行う第１トランジスタを複数並列接続したこ
   とを特徴とする増幅器。
3. 【請求項３】請求項（１）記載の増幅器において、駆動
   トランジスタの入力側にスイッチ素子を設け、このスイ
   ッチ素子を必要に応じてショート状態に制御することに
   より、上記駆動トランジスタをカットオフ状態に制御
   し、出力のインピーダンスをハイ・インピーダンスに維
   持できるように構成したことを特徴とする増幅器。
4. 【請求項４】請求項（１）または（２）記載の増幅器に
   おいて、駆動トランジスタのエミッタと、カレントミラ
   ー回路を構成する第１トランジスタのコレクタとの間に
   電位吸収用トランジスタを直列接続し、上記カレントミ
   ラー回路を構成する第１トランジスタのコレクタの電位
   を一定に維持するように構成したことを特徴とする増幅
   器。
5. 【請求項５】請求項（１）または（２）記載の増幅器に
   おいて、カレントミラー回路を構成する第２トランジス
   タのコレクタとベースとの間にコレクタ−ベース間電位
   を一定値に維持するための定電圧素子を接続したことを
   特徴とする増幅器。