JP2888923B2 - Linearized differential amplifier - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は、広い範囲にわたって一定のトランスコンダ
クタンスを得ることができる線形化差動増幅器に関す
る。Description of the Invention [Object of the Invention] (Industrial application field) The present invention relates to a linearized differential amplifier capable of obtaining a constant transconductance over a wide range.
(従来の技術) 差動増幅器の構成要素である差動増幅ペアは、演算増
幅器の初段の増幅器として用いられるなど増幅器の基本
的な構成単位として広く用いられている。(Prior Art) A differential amplifier pair, which is a component of a differential amplifier, is widely used as a basic structural unit of an amplifier, for example, as a first-stage amplifier of an operational amplifier.
第19図は通常のエミッタ結合対、すなわち差動増幅ペ
アを説明するための図である。図において、1,2は入力
端子、3,4は出力端子、5,6はそれぞれ差動増幅ペアを構
成する第1及び第2のバイポーラトランジスタである。
また、7,8はそれぞれ第1および第2のオフセット電圧
を与えるための直流電圧源、9は差動増幅ペアの動作電
流を決める直流電流源、10は正の電源ライン、11は負の
電源ライン、12,13は負荷電流源、14は負荷抵抗をそれ
ぞれ表している。負荷15を除く差動増幅ペア全体を16と
する。FIG. 19 is a diagram for explaining a normal emitter-coupled pair, that is, a differential amplification pair. In the drawing, reference numerals 1 and 2 denote input terminals, reference numerals 3 and 4 denote output terminals, and reference numerals 5 and 6 denote first and second bipolar transistors which constitute a differential amplification pair, respectively.
Reference numerals 7 and 8 denote a DC voltage source for providing the first and second offset voltages, 9 a DC current source for determining an operating current of the differential amplifier pair, 10 a positive power supply line, and 11 a negative power supply. Lines, 12 and 13 represent load current sources, and 14 represents load resistance. Assume that the entire differential amplification pair except for the load 15 is 16.
第19図において、電流源9の電流値をIEE、オフセッ
トを与えるための電圧源7,8の電圧値をゼロ、負荷電流
源22,23の電流値をそれぞれIEE/2、入力端子1,2の間に
印加される入力電圧をVdとし、αFをトランジスタ5,6
の順方向ベース接地電流増幅率、VTを熱電圧とすると、
負荷抵抗14を流れる電流Idは次式で表される[たとえば
文献(Paul R.Gray and Robert G.Meyer:“Analysis an
d Design of Analog Integrated Circuits"second edit
ion,pp.194−197,John Wiley & Sons,Inc.,New York,1
984)]。In FIG. 19, the current value of the current source 9 is I EE , the voltage values of the voltage sources 7 and 8 for giving an offset are zero, the current values of the load current sources 22 and 23 are I EE / 2, and the input terminal 1 , the input voltage applied between 2 and V d, the alpha F transistors 5 and 6
Forward common base current amplification factor of, when the V T is the thermal voltage,
Current I d flowing through the load resistor 14 is expressed by the following formula [e.g. literature (Paul R.Gray and Robert G.Meyer: " Analysis an
d Design of Analog Integrated Circuits "second edit
ion, pp. 194-197, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1
984)].
Id=αF・tanh(−Vd/2VT) ……(1) 入力電圧Vdと出力電流Idの関係は第20図(a)に示す
ように、Vdの絶対値が小さい場合はIdがVdに比例して直
線的に変化するが、Vdの絶対値が大きくなるにしたがっ
てIdは直線的変化からはずれて±IEEに漸近するように
なる。Relationship I d = α F · tanh ( -V d / 2V T) ...... (1) the input voltage V d and the output current I d, as shown in Figure No. 20 (a), the absolute value of V d is smaller In this case, I d changes linearly in proportion to V d , but as the absolute value of V d increases, I d deviates from the linear change and approaches ± I EE .
どのくらい直線範囲があるかを見るには、このカーブ
を入力電圧Vdで微分したもの、すなわち次式で表される
トランスコンダクタンスGmのカーブを調べると都合が良
い。How to see if there is a linear range, obtained by differentiating the curves in the input voltage V d, i.e. conveniently examining the curve of the transconductance Gm is better represented by the following formula.
Gm(Vd)=(αF・IEE)/2VT ・[1−tanh2(−Vd/2VT)] ……(2) このGmのカーブは第20図(b)に示されるように、対
称的な釣鐘型を為している。 G m (V d) = ( α F · I EE) / 2V T · [1-tanh 2 (-V d / 2V T)] ...... (2) curve of G m twentieth diagram (b) As shown, it has a symmetrical bell shape.
なお、以下の説明において、簡単のために、次のよう
な正規化を行う: x=−Vd/2VT y=Id/αFIEE ……(3) また式(1),(2)をそれぞれ次のように正規化し
て説明を進めることとする。In the following description, for simplicity, the following normalization is performed: x = −V d / 2V T y = I d / α F I EE (3) 2) will be normalized as follows to proceed with the description.
y=tanh(x) ……(4) Gm(x)=dy/dx=1−tanh2(x) ……(5) 一般に、演算増幅器は負帰還をかけて使われており、
2段目以降で大きな利得を持っているので、初段を構成
する差動増幅ペアの反転・非反転入力端子間はイマジナ
リショートとなり、入力端子間にかかる電位差は例えば
数ミリボルト程度の非常に小さな値となる。したがっ
て、この場合は差動増幅ペアの線形性は殆ど問題になる
ことがない。y = tanh (x) (4) G m (x) = dy / dx = 1−tanh 2 (x) (5) Generally, an operational amplifier is used with negative feedback.
Since the second and subsequent stages have a large gain, the inverting and non-inverting input terminals of the differential amplifier pair constituting the first stage are imaginary short between the input terminals, and the potential difference between the input terminals is a very small value of, for example, about several millivolts. Becomes Therefore, in this case, the linearity of the differential amplification pair hardly matters.
一方、差動増幅ペアは、そのトランスコンダクタンス
Gmが動作電流に比例して変えられることを利用して、フ
ィルタ、乗算器、発振器などに用いられる。この場合は
差動増幅ペアの入力端子間にかかる電圧をS/N比などの
理由から線形動作範囲で大きな値にしたいことが普通に
起る。したがって、より大きな入力信号を取扱うために
は、より広い線形動作範囲が必要とされる。On the other hand, the differential amplification pair has its transconductance
Utilizing that G m can be changed in proportion to the operating current, it is used for filters, multipliers, oscillators and the like. In this case, it is common for the voltage applied between the input terminals of the differential amplifier pair to be large in the linear operation range for reasons such as the S / N ratio. Therefore, a larger linear operating range is required to handle larger input signals.
しかし、第20図(b)に示したように、従来の差動増
幅ペアでは、トランスコンダクタンスGmがVd=0の付近
では、平坦部が非常に狭く、例えば、Gmの絶対値が最大
値から1%低下するVdの範囲は、常温で約10mV程度であ
る。However, as shown in FIG. 20 (b), in the conventional differential amplifier pair, when the transconductance Gm is near V d = 0, the flat portion is very narrow, and for example, the absolute value of Gm is the maximum value. range of V d 1% decrease from is about 10mV about at room temperature.
いわゆるエミッタデジェネレーションと呼ばれる方法
で、差動増幅ペアのエミッタ同士を直接接続せずに抵抗
を介して接続することにより局部負帰還を施して線形範
囲を拡大するものの例がある。この方法は簡単かつ有効
ではあるが、抵抗のために雑音が増加するだけでなく、
負帰還のためにトランスコンダクタンスを変化させるこ
とが困難であり、フィルタへの応用など用途によっては
これが欠点となる。There is an example of a method called emitter degeneration, in which the emitters of a differential amplification pair are not directly connected but connected via a resistor to provide local negative feedback to expand the linear range. This method is simple and effective, but not only increases the noise due to the resistance,
It is difficult to change the transconductance due to the negative feedback, and this is a disadvantage in some applications such as filter applications.
また、エミッタデジェネレーションを用いてかつトラ
ンスコンダクタンスを変化させることができる方法とし
て、ギルバートのゲインセル(Gilbert gain cell)タ
イプの差動増幅器を用いる方法がある。As a method that can change the transconductance using the emitter degeneration, there is a method using a Gilbert gain cell type differential amplifier.
ゲインセル自体については、たとえば前記文献のpp.5
90−600、または、A.Grebene著:「アナログ集積回路」
pp.234−244(中沢他訳、近代科学社、1975年)などに
詳細に説明されているのでここではあまり説明しない
が、要するに、この方法は、第1の差動増幅ペアをエミ
ッタデジェネレーション抵抗を有するものとし、その負
荷としてベースコレクタ間を短絡したトランジスタを設
け、その両端の電位差をエミッタデジェネレーション抵
抗をもたない第2の差動増幅ペアの入力とする。このよ
うにすると、第2の差動増幅ペアの共通エミッタの電流
を変化させることにより、第1の差動増幅ペアのベース
入力端子から第2の差動増幅ペアのコレクタ出力端子ま
でのトランスコンダクタンスを増加させることができ
る。Regarding the gain cell itself, for example, pp. 5
90-600 or by A. Grebene: "Analog Integrated Circuits"
pp. 234-244 (Nakazawa et al., Modern Science Co., 1975), etc., so they will not be described much here, but in short, this method uses the first differential amplifier pair for emitter degeneration. A transistor having a resistor and a short circuit between the base and collector is provided as a load, and the potential difference between both ends is used as an input of a second differential amplifier pair having no emitter degeneration resistor. Thus, the transconductance from the base input terminal of the first differential amplification pair to the collector output terminal of the second differential amplification pair is changed by changing the current of the common emitter of the second differential amplification pair. Can be increased.
また、このゲインセルを用いた差動増幅器は、1ボル
ト程度の線形入力範囲を容易に実現することができる。
このような線形化差動増幅器を用いてフィルタを構成し
た例として、特開昭58−161413「多目的フィルタ」があ
る。Further, the differential amplifier using this gain cell can easily realize a linear input range of about 1 volt.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-161413 "Multi-purpose filter" is an example of a filter using such a linearized differential amplifier.
しかし、この方式の問題として、トランジスタの指数
関数特性を打ち消すために、信号電圧の圧縮伸長を行な
っているので、線形範囲は広いがS/N比は単純な差動増
幅ペアより悪化してしまうという欠点がある。However, as a problem of this method, since the signal voltage is compressed and expanded to cancel the exponential function characteristics of the transistor, the linear range is wide, but the S / N ratio is worse than a simple differential amplifier pair There is a disadvantage that.
この点を解決するために、エミッタデジェネレーショ
ンを用いずに差動増幅ペアを線形化しようとする提案が
文献(James C.Schmoock:“An Input Transconductance
Reduntion Technique for High−Slew Rate Operation
al Amplifiers,IEEE Journal of Solid=State Circuit
s,SC−10,no.6,pp.407−411,December 1975)において
示されている。To solve this problem, a proposal to linearize a differential amplification pair without using emitter degeneration has been proposed in the literature (James C. Schmoock: “An Input Transconductance
Reduntion Technique for High-Slew Rate Operation
al Amplifiers, IEEE Journal of Solid = State Circuit
s, SC-10, no. 6, pp. 407-411, December 1975).
この提案は元来、エミッタ面積が非対称な差動増幅ペ
ア2組を用いてトランスコンダクタンスを低下させる方
法を主体にしてはいるが、エミッタ面積の比が約1:4の
とき線形動作範囲が最も広がることを述べている。Originally, this proposal mainly used a method of reducing transconductance by using two pairs of differential amplification pairs having asymmetrical emitter areas. However, when the emitter area ratio was about 1: 4, the linear operating range was the most effective. States that it will spread.
しかし、この方法では、従来の単なる差動増幅ペアを
用いる場合に比べて約4倍の線形範囲拡大ができるとは
いえ、まだ十分とはいえない。しかし、入力端子が直接
トランジスタのベースであるため入力インピーダンスは
大きい。However, in this method, although the linear range can be expanded about four times as compared with the case where a conventional simple differential amplifier pair is used, it is still not sufficient. However, since the input terminal is directly at the base of the transistor, the input impedance is large.
さらに、広い線形動作範囲を得るために、エミッタデ
ジェネレーションを用いずに差動増幅ペアを線形化しよ
うとする提案が特開昭62−200808「トランスコンダクタ
ンス増幅器」においてなされている。この方法はゲイン
セルを用いた線形化差動増幅器に匹敵するほどの非常に
広い線形範囲を得ることができ、S/N比も良好な優れた
特性を有する。Further, in order to obtain a wide linear operation range, a proposal for linearizing a differential amplifier pair without using emitter degeneration has been made in Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-200808 "Transconductance amplifier". This method can obtain a very wide linear range comparable to a linearized differential amplifier using a gain cell, and has excellent characteristics with a good S / N ratio.
この方式の原理は、簡単に言うと、差動増幅ペアをAB
級動作させることにあり、そのためには入力電圧に応じ
た動作電流を与える。これを実現するために、入力電圧
を抵抗で分圧して複数のトランジスタのベースに印加し
ているが、これらの抵抗はベースに直列に挿入されるの
で、雑音の点と周波数特性の点から、あまり大きな値に
することは好ましくない。したがって、この回路の特徴
を活かそうとすれば入力抵抗は低くならざるを得ず、こ
れが問題になる。例えば、このトランスコンダクタンス
増幅器の出力端子にキャパシタを接続して積分器を構成
することができるから、その積分器を複数個相互に接続
することによって、フィルタが構成できる。しかし、こ
れは、ある積分器の出力端子に他の積分器の入力端子が
接続されるということであるから、ある積分器の出力端
子には他の積分器の低い入力抵抗が負荷され、フィルタ
のQ値が著しく低下してしまうという問題を生ずる。The principle of this method is, in a nutshell,
Class operation, for which an operating current corresponding to the input voltage is given. In order to realize this, the input voltage is divided by a resistor and applied to the bases of a plurality of transistors, but since these resistors are inserted in series with the base, in terms of noise and frequency characteristics, It is not preferable to make the value too large. Therefore, in order to take advantage of the features of this circuit, the input resistance must be reduced, which is a problem. For example, since a capacitor can be connected to the output terminal of the transconductance amplifier to form an integrator, a filter can be formed by connecting a plurality of the integrators to each other. However, this means that the output terminal of one integrator is connected to the input terminal of another integrator, so that the output terminal of one integrator is loaded with the low input resistance of another integrator and the filter The problem is that the Q value of is significantly reduced.
(発明が解決しようとする課題) 上記の状況をまとめると、次ののようになる。(Problems to be Solved by the Invention) The above situation is summarized as follows.
広い線形動作範囲を有し、かつ、そのトランスコン
ダクタンスが可変であるような差動増幅器が、フィル
タ、乗算器、発振器などにおいて必要とされているが、
従来のエミッタデジェネレーションを用いるゲインセル
タイプの差動増幅回路では線形動作範囲は広いがS/N比
が悪い。A differential amplifier having a wide linear operating range and a variable transconductance is required in filters, multipliers, oscillators, and the like.
The gain cell type differential amplifier circuit using the conventional emitter degeneration has a wide linear operation range but a poor S / N ratio.
また、エミッタデジェネレーションを用いないAB級
差動増幅回路では線形範囲が広くS/N比も良好であるが
入力インピーダンスが低い。A class AB differential amplifier circuit that does not use emitter degeneration has a wide linear range and a good S / N ratio, but has a low input impedance.
本発明は、これらの点に鑑みて、広い線形動作範囲を
有し、かつ入力インピーダンスが高い線形化差動増幅器
を提供することを目的とする。In view of these points, an object of the present invention is to provide a linearized differential amplifier having a wide linear operation range and a high input impedance.
[発明の構成] (課題を解決するための手段) 上記の目的を達成するための本発明の線形化差動増幅
器は、バイポーラトランジスタを用いた差動増幅ペアの
入力端子同士と出力端子同士をそれぞれ並列的に接続し
て成る差動増幅器において、Nを4以上の整数としてN
組の差動増幅ペアを配置し、各差動増幅ペアに等価的な
オフセット電圧を与える手段と、これらの出力電流を重
み付けする手段と、これらの出力電流を加算する手段と
を具備することを特徴とする。[Structure of the Invention] (Means for Solving the Problems) A linearized differential amplifier according to the present invention for achieving the above object has a structure in which input terminals and output terminals of a differential amplifier pair using bipolar transistors are connected. In a differential amplifier connected in parallel, N is an integer of 4 or more, and N
A pair of differential amplification pairs, a means for applying an equivalent offset voltage to each differential amplification pair, a means for weighting these output currents, and a means for adding these output currents. Features.
(作用) Nを4以上の整数としてN組の差動増幅ペアのそれぞ
れに相異なる適切なオフセット電圧を与えると、各々の
差動増幅ペアのトランスコンダクタンスの絶対値は前記
オフセット電圧に等しい入力電圧に対して最大値を生
じ、その入力電圧を中心として対称的な値を取り、それ
より大きい電圧に対しても、また小さい電圧に対しても
単調にその値を減ずる。(Function) When N is an integer of 4 or more, and N is an integer different from each other, an appropriate offset voltage is given to each of the N differential amplification pairs. , Takes a symmetrical value about its input voltage, and monotonically reduces its value for higher and lower voltages.
その様子は、式(2)において、Vdをオフセット電圧
VOSとVdの和と置くことによって数値的に計算すること
ができ、式(2)で示す第20図(b)のグラフをVOSだ
け右に平行移動したものとなる。In the equation (2), V d is the offset voltage
Numerical calculation can be performed by placing the sum of V OS and V d , which is obtained by translating the graph of FIG. 20B shown in equation (2) to the right by V OS .
このように、一つの差動増幅ペアのトランスコンダク
タンスは入力電圧に対して単峰性の特性を持つから、N
組の差動増幅ペアのそれぞれに同一の入力電圧と適当な
オフセット電圧の和の電圧を与えれば、N個の峰を作る
ことができる。As described above, the transconductance of one differential amplification pair has a single-peak characteristic with respect to the input voltage.
By applying the same input voltage and a proper offset voltage to each of the differential amplification pairs, N peaks can be formed.
そこで、N個の差動増幅ペアの出力電流を重み付けし
て加算することにより、N個の高さの異なる峰から、平
坦な頂上を持つひとつの峰を合成し、線形動作範囲を拡
大することができる。ここに差動増幅ペアの数を4以上
とするので、拡大範囲は単なる差動増幅ペアと比べて9
倍以上となり、十分実用的となる。Therefore, by weighting and adding the output currents of the N differential amplification pairs, one peak having a flat top is synthesized from the N peaks having different heights to expand the linear operation range. Can be. Here, since the number of differential amplification pairs is four or more, the expansion range is 9 compared to a mere differential amplification pair.
This is more than doubled, which is sufficiently practical.
(実施例) 以下、本発明の実施例を説明する。(Example) Hereinafter, an example of the present invention will be described.
まず、本発明における線形化の基本的な考え方は、第
1図に示すが如き回路により、第20図(a)においてト
ランスコンダクタンスGmをX軸方向に正負のオフセット
を与えて平行移動したものを複数個用意し、それらを重
み付けして加えるというものである。First, the basic concept of the linearization in the present invention is that the transconductance Gm shown in FIG. 20 (a) is translated and given a positive / negative offset in the X-axis direction by a circuit as shown in FIG. A plurality is prepared, and they are weighted and added.
すなわち、第1図に示す線形化差動増幅器では、第19
図で示した差動増幅ペア16をN個(Nは4以上の整数)
並列に備えて成り、各ペア16には、オフセット電圧付与
手段17(7,8)と、出力電流を重み付けする手段18と、
負荷15との間に加算手段19が設けられている。That is, in the linearized differential amplifier shown in FIG.
N differential amplification pairs 16 shown in the figure (N is an integer of 4 or more)
Each pair 16 includes an offset voltage applying means 17 (7, 8), an output current weighting means 18,
Adder 19 is provided between the load and the load 15.
重み付け手段18は、各差動増幅ペアのコレクタ側に配
設することができるが、エミッタ側に設けることもでき
る。The weighting means 18 can be provided on the collector side of each differential amplification pair, but can also be provided on the emitter side.
また加算手段19は、通常の電気的加算回路を用いるこ
とができるが、加算すべき各差動増幅ペアの出力電流が
高インピーダンスで供給される場合は単に各配線を接続
するだけの特別に簡単なワイヤード・オア回路で実現で
きて有利である。As the addition means 19, a normal electric addition circuit can be used, but when the output current of each differential amplification pair to be added is supplied with high impedance, it is particularly simple to simply connect each wiring. This is advantageous because it can be realized with a simple wired-OR circuit.
第2図(a)(b)(c)に負荷回路の一例を示し
た。(a)図は抵抗負荷15Aの例、(b)図はカレント
ミラー負荷15Bの例、(C)図はバイアス電圧端子20を
持つ電流源を備えた負荷15Cの例である。2 (a), 2 (b) and 2 (c) show examples of the load circuit. (A) shows an example of a resistive load 15A, (b) shows an example of a current mirror load 15B, and (C) shows an example of a load 15C provided with a current source having a bias voltage terminal 20.
ここに、従来例で示した第20図(b)から分かるよう
に、Gmのカーブはy−軸に関して対称だから、なるべく
広い線形動作範囲を得るためには、正負のオフセットも
y−軸に関して対称に与えるべきである。同様に、各々
の差動増幅ペア16のGmに対する重み付けもy−軸に関し
て対称に与えるべきである。したがって、差動増幅ペア
を奇数個(例えば5,7個)用いる場合は、ひとつの差動
増幅ペアにはオフセットを与えず、残りの偶数個の差動
増幅ペアは2組づつまとめて絶対値が等しく正負対称な
オフセットとなるよう重み付けをすることになる。ま
た、差動増幅ペアを偶数個(例えば4,6個)用いる場合
は、奇数個の場合の残り偶数個の差動増幅ペアに対する
処置と同じにすればよい。Here, as can be seen from Figure 20 showing the conventional example (b), from the curve of G m is a symmetry with respect to y- axis, in order to obtain as wide as possible linear operating range, the positive and negative offset with regard y- axis Should be given symmetrically. Similarly, it should give symmetrically with respect to weight also y- axis with respect to G m for each of the differential amplifier pair 16. Therefore, when an odd number of differential amplification pairs (for example, 5, 7) are used, no offset is given to one differential amplification pair, and the remaining even-numbered differential amplification pairs are collectively set to an absolute value of two pairs. Are weighted so as to be equally symmetrically offset. If an even number (for example, 4, 6) of differential amplification pairs are used, the same procedure as that for the remaining even number of differential amplification pairs in the case of an odd number may be used.
Gを最終的に得られる伝達コンダクタンス、αK,βを
Gmに対する重み係数、dkをk(kは1以上の整数)番目
のオフセット値、Nを差動ペアの組の数、[N/2]をN/2
の整数部分を表す記号とすると、 となる。Let G be the ultimately obtained conductance, α K , β
The weighting factor for G m , d k is the k-th (k is an integer of 1 or more) offset value, N is the number of pairs of differential pairs, and [N / 2] is N / 2
As a symbol representing the integer part of Becomes
式(6)で総和記号の付いた項は、kについて和をと
ることを表し、偶数個の差動増幅ペアを2組づつまとめ
た部分を表す。βの掛かった項は奇数個の差動増幅ペア
を用いる場合のオフセットを与えない部分を表してい
る。すなわち、偶数個の差動増幅ペアを用いて線形化を
行なう場合にはβ=0となり、奇数個の差動増幅ペアを
用いる場合はβ≠0となる。例えば、4組の差動増幅ペ
アを用いて線形化を行う場合は、4=2・2であるか
ら、k=1,2であり、4は偶数だからβ=0として、 G(x)=α1{Gm(x−d1)+Gm(x+d1)} +α2{Gm(x−d2)+Gm(x+d2)}……(7) となる。In the equation (6), the term with the sum sign indicates that a sum is obtained for k, and indicates a part obtained by combining two even-numbered differential amplification pairs. The term multiplied by β represents a portion where no offset is given when an odd number of differential amplification pairs are used. That is, when linearization is performed using even-numbered differential amplification pairs, β = 0, and when odd-numbered differential amplification pairs are used, β ≠ 0. For example, when linearization is performed using four differential amplification pairs, k = 1,2 because 4 = 2.2, and since 4 is an even number, β = 0 and G (x) = α 1 {G m (x−d 1 ) + G m (x + d 1 )} + α 2 {G m (x−d 2 ) + G m (x + d 2 )} (7)
線形化に当っては、電流の一次導関数である伝達コン
ダクタンスGをできるだけ広範囲のxに対して一定値を
取るようにするのが望ましい。In the linearization, it is desirable that the transfer conductance G, which is the first derivative of the current, take a constant value for x as wide as possible.
そのためには、Gの各次数の導関数の値ができるだけ
広範囲にわたってゼロに近付くようにすればよい。一定
値を近似する関数近似法としてよく用いられる方法に、
最大平坦近似と、等リップル近似がある。To do so, the value of the derivative of each order of G should approach zero over as wide a range as possible. A method often used as a function approximation method for approximating a constant value is:
There is a maximum flat approximation and an equiripple approximation.
最大平坦近似は、x=0におけるGの導関数を、でき
るだけ高い次数までゼロにする近似方法である。n次ま
での導関数がゼロの場合をn次の最大平均特性と呼ぶ。The maximal flat approximation is an approximation method that makes the derivative of G at x = 0 zero to the highest possible order. The case where the derivatives up to the nth order are zero is called the nth-order maximum average characteristic.
等リップル近似では、伝達コンダクタンスの一定な部
分を、ある予め決められた許容幅をもって実現しようと
するものである。The equiripple approximation seeks to achieve a constant portion of the transconductance with some predetermined tolerance.
以下の説明のため、Gmの各次数の導関数を計算した結
果を示しておく。ここで、Gmのn次の導関数をGm(n)と
表すことにする。For the following description, the result of calculating the derivative of each order of G m is shown. Here, the n-th derivative of G m is represented as Gm (n) .
Gm(0)=dy/dx=1−tanh2(x)=Gm ……(8) Gm(1)=2tanh3(x)−2tanh(x) ……(9) Gm(2)=−6tanh4(x) +8tanh2(x)−2 ……(10) Gm(3)=24tanh5(x)−40tanh3(x) +16tanh(x) ……(11) Gm(4)=−120tanh6(x)+240tanh4(x) −136tanh2(x)+16 ……(12) 次に、4組の差動増幅ペアを使う場合を例にとって、
本発明の第1の実施例を説明する。 Gm (0) = dy / dx = 1-tanh 2 (x) = Gm ...... (8) Gm (1) = 2tanh 3 (x) -2tanh (x) ...... (9) Gm (2) = -6tanh 4 (x) +8 tanh 2 (x) -2 ... (10) Gm (3) = 24 tanh 5 (x) -40 tanh 3 (x) + 16 tanh (x) ... (11) Gm (4) = -120 tanh 6 ( x) +240 tanh 4 (x) −136 tanh 2 (x) +16 (12) Next, taking the case of using four differential amplification pairs as an example,
A first embodiment of the present invention will be described.
第3図は本発明の第1の実施例の構成を説明するため
の回路図である。同図で、15は負荷、16A,16B,16C,16D
は第1〜第4の差動増幅ペア、7A,7B,7C,7Dはオフセッ
ト電圧付与手段としての直流電圧源、9A,9B,9C,9Dはそ
れぞれ第1〜第4の差動増幅ペアの共通エミッタに接続
された電流源、1,2は入力端子、3,4は出力端子を表して
いる。FIG. 3 is a circuit diagram for explaining the configuration of the first embodiment of the present invention. In the figure, 15 is a load, 16A, 16B, 16C, 16D
Are the first to fourth differential amplification pairs, 7A, 7B, 7C, and 7D are DC voltage sources as offset voltage applying means, and 9A, 9B, 9C, and 9D are the first to fourth differential amplification pairs, respectively. Current sources connected to the common emitter, 1, 2 represent input terminals, and 3, 4 represent output terminals.
まず、電圧源7A,7B,7C,7Dおよび電流源9A,9B,9C,9Dの
具体的な値の決定法について説明する。一般的な表現で
ある(6)式を、4組の差動増幅ペアを用いる場合につ
いて具体的に書くと次式となる。First, a method of determining specific values of the voltage sources 7A, 7B, 7C, 7D and the current sources 9A, 9B, 9C, 9D will be described. Formula (6), which is a general expression, is specifically written as to the case where four differential amplification pairs are used.
G(x)=α1[Gm(x−d1)+Gm(x+d1)] +α2[Gm(x−d2)+Gm(x+d2)]……(13) すなわち、式(13)は回路的にはオフセットd1を持っ
た差動ペア2組と、オフセットd2をもった差動ペア2組
との出力を、重みα1とα2の割合で加えたものに相当
する。また、重みα1とα2は、その比が重要であっ
て、α2=1としても一般性を失わないから、以後これ
を仮定する。さらに、対称性の考察から、 0<d1<d2 ……(14) としても一般性を失わない。したがって、式(13)は次
式のように変形できる。G (x) = α 1 [Gm (x−d 1 ) + Gm (x + d 1 )] + α 2 [Gm (x−d 2 ) + Gm (x + d 2 )] (13) That is, Expression (13) is a circuit. Specifically, it corresponds to the sum of outputs of two pairs of differential pairs having an offset d 1 and two pairs of differential pairs having an offset d 2 at a ratio of weights α 1 and α 2 . The ratio between the weights α 1 and α 2 is important, and the generality is maintained even if α 2 = 1. Furthermore, from consideration of symmetry, even if 0 <d 1 <d 2 (14), generality is not lost. Therefore, equation (13) can be transformed into the following equation.
G(x)=α1[Gm(x−d1)+Gm(x+d1)] +[Gm(x−d2)+Gm(x+d2)] ……(15) 上式はx=0に関して対称であるから、G(x)の奇
数次の導関数はx=0においてゼロとなる。したがっ
て、広い範囲にわたって平坦なトランスコンダクタンス
特性を得るためには、できるだけ高次の偶数次導関数ま
でx=0においてゼロとなるようにパラメータを決定す
ることが課題となる。G (x) = α 1 [Gm (x−d 1 ) + Gm (x + d 1 )] + [Gm (x−d 2 ) + Gm (x + d 2 )] (15) The above equation is symmetric with respect to x = 0. Thus, the odd derivative of G (x) is zero at x = 0. Therefore, in order to obtain a flat transconductance characteristic over a wide range, it is an issue to determine a parameter so that even the highest-order even-order derivative becomes zero at x = 0.
そこで、上記式(15)において、G″(0)=G′
(0)=0、となるようなd1,d2,α1を求める。ここ
で、ダッシュ符号(′)はxに関する微分を表す。ま
ず、2次の微分係数がゼロになる条件から吟味する。Therefore, in the above equation (15), G ″ (0) = G ′
D 1 , d 2 , α 1 that satisfies (0) = 0 are obtained. Here, a dash (') represents a derivative with respect to x. First, the conditions under which the second derivative becomes zero are examined.
G″(0)=2α1[−3X4+4X2−1] +2[−3Y4+4Y2−1] ……(16) ここで、 X=tanh2(d1), Y=tanh2(d2) ……(17) と置き換えた。したって、0≦X<1,0≦Y<1を満足
する必要がある。G ″ (0) = 2α 1 [−3X 4 + 4X 2 −1] +2 [−3Y 4 + 4Y 2 −1] (16) where X = tanh 2 (d 1 ), Y = tanh 2 (d 2 ) (17) Therefore, it is necessary to satisfy 0 ≦ X <1,0 ≦ Y <1.
(16)式をYについて解くと; 上式で、 F=−3X2+4X−1 ……(19) と置くと、根が0≦Y<1を満足する条件は、簡単な計
算から −1/3F≦α1<1/F for F>0, 1/F≦α1<−1/3F for F<0 ……(20) となる。Solving equation (16) for Y; In the above equation, if F = −3X 2 + 4X−1 (19), the condition that the root satisfies 0 ≦ Y <1 can be calculated from a simple calculation as −1 / 3F ≦ α 1 <1 / F for F> 0, 1 / F ≦ α 1 <−1 / 3F for F <0 (20)
いったんFの値を決めると、Fの取り得る範囲は−1
<F<1/3であるが、それに対応したα1は正負全域の
範囲に亘って変化し得る。Once the value of F is determined, the possible range of F is -1
<F <1/3, but the corresponding α 1 can vary over the entire range of positive and negative.
以上のG″(0)になる条件を求める手段をまとめる
と、次の〜となる。The means for obtaining the above condition for G ″ (0) can be summarized as follows.
0≦X<1なるXをひとつ決める。 One X satisfying 0 ≦ X <1 is determined.
(19)式で与えられるFの値を計算する。 Calculate the value of F given by equation (19).
(20)式からα1の取り得る範囲を定め、その範囲
のα1をひとつ選ぶ。(20) determines the possible range of alpha 1 from the equation, choose alpha 1 of the range one.
(18)にFとα1の値を代入してYの値を計算す
る。By substituting the F and alpha 1 value to calculate the value of Y in (18).
上のととで決めたXとYとα1の組が、G″
(0)=0にするパラメータである。X and Y and alpha 1 set decided by Toto above, G "
This is a parameter for setting (0) = 0.
上記の手順から明らかな如く、Xとα1の取り得る範
囲は関係があり、このα1を介してYの取り得る値の範
囲が決まる。したがって、2次の微分係数をゼロにする
条件を課しても、可能なYの範囲から、ある特定のYを
選択する自由度が残る。すなわち、この自由度を用い
て、さらに何次かの微分係数がゼロにできる可能性があ
る。そこで、次に4次の微分係数をゼロにする条件を調
べる。As is evident from the above procedure, the possible range of X and α 1 are related, and the range of possible values of Y is determined via α 1 . Therefore, even if a condition for setting the second derivative to zero is imposed, the degree of freedom for selecting a specific Y from the range of possible Y remains. That is, using this degree of freedom, it is possible that some of the differential coefficients can be reduced to zero. Then, a condition for setting the fourth-order differential coefficient to zero is examined next.
4次の微分係数は次式で与えられる。 The fourth derivative is given by the following equation.
G′(0)=16(−15Y3+30Y2−17Y+2) +16α1・(15X3+30X2−17X+2) ……(21) ただし、X,Y,α1は上に述べた〜の条件を満たし
ているものとする。G ′ (0) = 16 (−15Y 3 + 30Y 2 −17Y + 2) + 16α 1 · (15X 3 + 30X 2 −17X + 2) (21) where X, Y and α 1 satisfy the above conditions It is assumed that
計算機を用いて(21)式の値を数値的に評価した。そ
の際、d2を与えることによって(21)式を評価するだけ
でなく、繰り返し計算によって、4次の微分係数をゼロ
にするYの値、すなわちd1の値およびそのときの6次の
微分係数も計算した。The value of equation (21) was numerically evaluated using a computer. At this time, not only the expression (21) is evaluated by giving d 2 , but also the value of Y that makes the fourth-order differential coefficient zero by repetitive calculation, that is, the value of d 1 and the sixth-order differential at that time Coefficients were also calculated.
計算結果によれば、d2≦1.147及びd2≧2.358の領域
で、G(0)≠かつG′(0)=0を満足する解が存
在することがわかった。これ以外の領域では、各次数の
微分係数がゼロにはなるが、伝達コンダクタンス自体も
ゼロとなるので回路的には意味のない解になる。According to the calculation results, it was found that a solution satisfying G (0) ≠ and G ′ (0) = 0 exists in the regions of d 2 ≦ 1.147 and d 2 ≧ 2.358. In other regions, the derivative of each order becomes zero, but the transfer conductance itself becomes zero, so that the solution is meaningless in terms of a circuit.
さらに、d2=1.2977付近において、6次の微分係数も
ゼロであるから、この条件では7次の最大平坦特性を得
ることができる。Furthermore, since the sixth-order differential coefficient is also zero around d 2 = 1.2977, a seventh-order maximum flatness characteristic can be obtained under this condition.
以上をまとめると、(15)式において、 d1=0.354071095 d2=1.297724854 α1=0.5478454142 の条件を満たすとき、7次の最大平坦特性が得られるこ
とになる。Summarizing the above, when the condition of d 1 = 0.354071095 d 2 = 1.297724854 α 1 = 0.5478454142 is satisfied in the equation (15), the seventh-order maximum flatness characteristic is obtained.
さて、次に以上の結果を実際の回路に適用する例を示
す。Now, an example in which the above result is applied to an actual circuit will be described.
式(3)では正規化を行なった変数x,yを元の変数に
戻せば、 Id=YαF/IEE ……(22) Vd=−X2VT ……(23) となる。したがって、dKに対応するオフセット電圧をVd
Kとすると、 VdK=−dK2VT,(k=1,2) ……(24) である。これらのd1,d2に対応するオフセット電圧Vd1,V
d2は式(24)により、絶対温度T=300Kのとき Vd1=−0.354071095・2VT=−18.30mV ……(25) Vd2=−1.297724854・2VT=−67.07mV ……(26) となる。By returning the variable x was subjected to Equation (3) Normalization, the y into the original variables, and I d = Yα F / I EE ...... (22) V d = -X2V T ...... (23). Therefore, Vd offset voltage corresponding to the d K
When K, Vd K = -d K 2V T, a (k = 1,2) ...... (24 ). Offset voltages V d1 and V corresponding to these d 1 and d 2
According to the equation (24), d2 is given by V d1 = −0.354071095 · 2V T = −18.30 mV when the absolute temperature T = 300 K (25) V d2 = −1.397724854 · 2V T = −67.07 mV Become.
ゆえに、第3図に示す4組の差動増幅ペアの入力端子
と出力端子同士をそれぞれ並列的に接続された回路構成
において、たとえばオフセット電圧を与える手段7Bと7C
としてそれぞれ−18.30mVおよび+18.30mVの直流電圧源
を用い、7Aと7Bとしてそれぞれ−67.07mVおよび+67.07
mVの直流電圧源を用い、出力電流を重み付けする手段と
してたとえば各差動増幅ペアの共通エミッタに接続され
ている電流源9A,9B,9C,9Dを用いて、それらの電流値を
それぞれ約1:0.54781:0.54781:1に設定することによっ
て、7次の最大平坦特性が実現できる。Therefore, in the circuit configuration in which the input terminals and the output terminals of the four differential amplification pairs shown in FIG. 3 are connected in parallel, for example, means 7B and 7C
DC voltage sources of −18.30 mV and +18.30 mV, respectively, and −67.07 mV and +67.07 as 7A and 7B, respectively.
Using a DC voltage source of mV, as a means for weighting the output current, for example, using current sources 9A, 9B, 9C, 9D connected to the common emitter of each differential amplification pair, each of the current values is about 1 : 0.54781: 0.54781: 1 can realize the 7th-order maximum flatness characteristic.
ここで負荷15の電流源22,23は回路の直流動作点を決
めるためのものであって、それぞれほぼ電流源9A,9B,9
C,9Dの電流値の和の2分の1づつに設定する。Here, the current sources 22 and 23 of the load 15 are for determining the DC operating point of the circuit, and are substantially current sources 9A, 9B and 9 respectively.
Set to half of the sum of the current values of C and 9D.
このように設定した場合の回路の動作をより直観的に
説明するため、第3図の各差動増幅ペア16A,16B,16C,16
Dの差動入力電圧に対する差動出力電流の依存性を第4
図(a)のグラフ25,27a,27b,26でそれぞれ示す。In order to more intuitively explain the operation of the circuit in such a case, the differential amplifier pairs 16A, 16B, 16C, 16 in FIG.
The dependence of the differential output current on the differential input voltage of D
These are shown by graphs 25, 27a, 27b, and 26 in FIG.
各差動増幅ペアの出力端子は並列接続されているの
で、負荷抵抗24を流れる差動出力電流は、それぞれの電
流の和になるから、第4図(a)に示す25,27a,27b,26
のカーブの和になり、同図に28で示すカーブとなる。Since the output terminals of each differential amplification pair are connected in parallel, the differential output current flowing through the load resistor 24 is the sum of the respective currents, so that 25, 27a, 27b, and 25 shown in FIG. 26
, And the curve indicated by 28 in FIG.
同図から明らかなように、カーブ28は25〜27のどれよ
りも広い直線範囲を示している。As can be seen from the figure, the curve 28 shows a wider linear range than any of 25 to 27.
このことをより明確にするため、カーブ25〜28を微分
したカーブ、すなわちトランスコンダクタンスのカーブ
をそれぞれの番号に′を付けて第4図(b)に示した。
同図から、本例の線形化差動増幅器のトランスコンダク
タンスのカーブ28′は通常の差動増幅ペアのそれを横軸
方向へ平行移動したものである26′に比べて9倍以上の
広い線形動作範囲を提供することがわかる。In order to make this clearer, the curves obtained by differentiating the curves 25 to 28, that is, the curves of the transconductance are shown in FIG.
From the figure, it can be seen that the transconductance curve 28 'of the linearized differential amplifier of the present example is nine times or more wider than that of the normal differential amplifier pair 26' which is translated in the horizontal axis direction. It can be seen that it provides an operating range.
第3図に示した回路では、逆極性で大きさの等しいオ
フセット電圧付与手段7A,7D(7B,7C)が、差動増幅ペア
16A,16D(16B,16C)を構成するトランスジスタ5A,5D(5
B,5C)にそれぞれ加えられているが、差動増幅ペアの特
性を利用して、たとえば、第5図に示すように、7A(7
B)を短絡除去し、代わりにトランジスタ6A(6B)のベ
ース端子と入力端子2の間に大きさが7A(7B)と等しい
電圧源を入力端子2の側が正になるように挿入しても全
く同様の効果が得られる。In the circuit shown in FIG. 3, offset voltage applying means 7A, 7D (7B, 7C) having opposite polarities and the same magnitude are connected to a differential amplification pair.
Transistors 5A and 5D (5B) that constitute 16A and 16D (16B and 16C)
B, 5C), respectively, by utilizing the characteristics of the differential amplification pair, for example, as shown in FIG.
B) is removed by short-circuiting, and instead, a voltage source having a magnitude equal to 7A (7B) is inserted between the base terminal of the transistor 6A (6B) and the input terminal 2 so that the side of the input terminal 2 is positive. Exactly the same effect can be obtained.
さらに、オフセット電圧付与手段として別の方法を用
いた例を第6図を用いて説明する。この方法は差動増幅
ペアを構成する2個のトランジスタのエミッタ面積を故
意に異ならせることにより、オフセットを持った差動増
幅ペアを得るものである。Further, an example in which another method is used as the offset voltage applying means will be described with reference to FIG. This method obtains a differential amplifier pair having an offset by intentionally making the emitter areas of two transistors constituting a differential amplifier pair different.
すなわち、トランジスタのベース・エミッタ間電圧を
Vbe、コレクタ電流をICとすると、 Vbe=VTloge[IC/IS] ……(27) なる関係が成り立つ。ここで、VT,ISは前述の熱電圧、
逆方向飽和電流である。ISはエミッタ面積に比例するの
で、差動増幅ペアの一方のトランジスタのエミッタ面積
を他方のM倍にすると、コレクタ電流が同じだと、その
トランジスタのベース・エミッタ間電圧Vbeは、 Vbe=VTloge[IC/MIS] ……(28) となるので、両トランジスタのベース・エミッタ間電圧
の差をΔVbeとすると ΔVbe=VTloge[IC/IS]−VTloge[IC/MIS] =VTloge(M) ……(29) となる。That is, the base-emitter voltage of the transistor
Assuming that V be and the collector current are I C , the following relationship holds: V be = V T log e [I C / I S ] (27) Here, V T , I S is the aforementioned thermal voltage,
This is the reverse saturation current. Since I S is proportional to the emitter area, if the emitter area of one transistor of the differential amplifier pair is M times the other, if the collector current is the same, the base-emitter voltage V be of that transistor becomes V be = V T log e because [I C / MI S] a ... (28), when the difference in base-emitter voltages of the transistors and ΔV be ΔV be = V T log e [I C / I S] -V T log e [I C / MI S] = V T log e (M) becomes ... (29).
したがって、この非対称な差動増幅ペアは、見掛上VT
loge(M)のオフセット電圧を持つ対称な差動増幅ペア
と等価になる。本実施例の場合は VTloge(M)=dk2VT(k=1,2) ……(30) となるようにMを定めればよいから、二つのMを添字で
区別すると、 M1=e2d1=13.40261 ……(31) M2=e2d2=2.030215 ……(32) となる。Therefore, this asymmetric differential amplification pair has apparently V T
This is equivalent to a symmetric differential amplification pair having an offset voltage of log e (M). In the case of the present embodiment, M may be determined so that V T log e (M) = d k 2 V T (k = 1, 2) (30). M1 = e2d1 = 13.40261 (31) M2 = e2d2 = 2.030215 (32)
すなわち、差動増幅ペアを構成するトランジスタのエ
ミッタ面積の比を1:13.40261および1:2.030215にすれば
よい。That is, the ratio of the emitter area of the transistors forming the differential amplification pair may be set to 1: 13.40261 and 1: 2.030215.
このオフセット電圧付与手段は、第3図及び第5図に
示した実施例とくらべて、温度補償をする必要のない点
が優れている。すなわち、オフセット電圧付与手段とし
て直流電圧源を用いるならば、その値は式(24)で与え
られる通り、VTに比例する必要がある。しかるに、エミ
ッタ面積の違いを利用したオフセット電圧手段は式(3
0)から分かるようにVTが打ち消し合うから、自動的に
その温度に応じた適切なオフセット電圧を発生すること
ができる。This offset voltage applying means is superior to the embodiment shown in FIGS. 3 and 5 in that it does not require temperature compensation. That is, if the DC voltage source is used as an offset voltage applying means, the value as given by equation (24) should be proportional to V T. However, the offset voltage means using the difference in emitter area is given by the formula (3)
Since V T cancel As can be seen from 0), it is possible to automatically generate the appropriate offset voltage corresponding to the temperature.
第6図は第2実施例の具体的な回路例である。図にお
いて、第3図及び第5図と異なるところは、オフセット
電圧付与手段が電圧源ではなく、差動増幅ペアのエミッ
タ面積の違いで実現されているところである。FIG. 6 is a specific circuit example of the second embodiment. In the figure, the difference from FIGS. 3 and 5 is that the offset voltage applying means is realized not by the voltage source but by the difference in the emitter area of the differential amplifier pair.
第6図において、オフセット電圧付与手段はトランジ
スタ5A,6Dのエミッタ面積がトランジスタ6A,5Dのエミッ
タ面積の約13.40倍に、トランジスタ5B,6Cのエミッタ面
積がトランジスタ6B,5Cのエミッタ面積の約2.03倍にそ
れぞれ設定してあることで実現されている。In FIG. 6, the offset voltage applying means is such that the emitter area of the transistors 5A and 6D is about 13.40 times the emitter area of the transistors 6A and 5D, and the emitter area of the transistors 5B and 6C is about 2.03 times the emitter area of the transistors 6B and 5C. This is realized by having been set respectively.
さらに別の変形例を説明する。第7図(a)はオフセ
ット電圧Vd1,Vd2を発生するための回路であるが、オフ
セット電圧はエミッタフォロワを構成するトランジスタ
30,31,32のエミッタ面積の違いによって変化させること
ができる点に着目する。Another modification will be described. FIG. 7A shows a circuit for generating offset voltages V d1 and V d2 , wherein the offset voltage is a transistor constituting an emitter follower.
Attention is paid to the fact that it can be changed by the difference in the emitter area of 30, 31, 32.
すなわち、式(30)のM値を、トランジスタ30,31,32
のエミッタ面積比としても、所望のオフセットを得るこ
とができる。この場合はトランジスタ30,31,32に等しい
電流を流すためにトランジスタ33,34,35による電流源が
配設されている。すなわちトランジスタ33,34,35はいず
れも同じエミッタ面積のトランジスタであり、それらの
ベースに端子37を介して等しい電圧が与えられている。
この条件は、前記式(29)を導いた場合と同じであるか
ら、トランジスタ30と31のエミッタ面積比M1を約1:2.0
3、トランジスタ30と32のエミッタ面積比M2を約1:13.40
とすることにより入力端子36に加えられた電圧は出力端
子38と39および38と40の間で式(24)の値だけ電位差を
持つようになる。That is, the M value of the expression (30) is calculated using the transistors 30, 31, 32
, A desired offset can be obtained. In this case, a current source including transistors 33, 34, and 35 is provided so that currents equal to the transistors 30, 31, and 32 flow. That is, the transistors 33, 34, and 35 are all transistors having the same emitter area, and their bases are supplied with the same voltage via the terminal 37.
Since this condition is the same as when the above equation (29) is derived, the emitter area ratio M1 of the transistors 30 and 31 is set to about 1: 2.0
3, the emitter area ratio M2 of the transistors 30 and 32 is about 1: 13.40
As a result, the voltage applied to the input terminal 36 has a potential difference between the output terminals 38 and 39 and between the output terminals 38 and 40 by the value of the equation (24).
このようにすることにより、絶対温度が300Kのとき出
力端子38を基準にして、出力端子39,40はそれぞれ約18.
30mV,67.07mVの電位差を発生することができ、第3図の
回路と同様の効果が得られる。In this way, when the absolute temperature is 300 K, the output terminals 39 and 40 are about 18.
A potential difference of 30 mV and 67.07 mV can be generated, and the same effect as the circuit of FIG. 3 can be obtained.
さらに、第7図(a)に示すオフセット電圧を発生す
る回路を用いて構成される差動増幅器の各差動増幅ペア
はすべて同じエミッタ面積比のトランジスタを用いて構
成することができるので、エミッタ面積の大きいトラン
ジスタを含む第6図の回路よりも高周波特性の優れた7
次の最大平坦特性を得ることができる。Further, since each differential amplification pair of the differential amplifier constituted by using the circuit for generating the offset voltage shown in FIG. 7A can be constituted by using transistors having the same emitter area ratio, the emitter 6 which has higher high frequency characteristics than the circuit of FIG. 6 including a transistor having a large area.
The following maximum flatness characteristics can be obtained.
つぎに、さらに別の変形例を説明する。すでに説明し
たように、第7図(a)はオフセットを発生するための
回路であるが、オフセット電圧はトランジスタ30,31,32
のエミッタ面積の違いだけでなく、これらの動作電流に
よっても変化させることができる。Next, still another modification will be described. As described above, FIG. 7A shows a circuit for generating an offset.
Can be changed not only by the difference in the emitter area, but also by these operating currents.
すなわち、式(30)のM値を、トランジスタ30,31,32
のエミッタ面積比でなく動作電流の比としても、所望の
オフセットを得ることができる。That is, the M value of the expression (30) is calculated using the transistors 30, 31, 32
A desired offset can be obtained not only by the emitter area ratio but also by the operating current ratio.
この場合はトランジスタ30,31,32を等しいエミッタ面
積とし、それぞれにM2:M1:1の電流を流すためにトラン
ジスタ33,34,35による電流源を配設すればよい。すなわ
ち、この場合はトランジスタ33,34,35はエミッタ面積比
をM2:M1:1としたトランジスタであり、それらのベース
には端子37を介して等しい電圧が与えられている。この
条件は、前記式(29)を導いた場合と同じであるから、
入力端子36に加えられた電圧は出力端子38と39の間で式
(24)の値だけ電位差を持つようになる。In this case, the transistors 30, 31, and 32 may have the same emitter area, and a current source including the transistors 33, 34, and 35 may be provided to supply a current of M2: M1: 1 to each of the transistors. That is, in this case, the transistors 33, 34, and 35 are transistors having an emitter area ratio of M2: M1: 1, and their bases are supplied with the same voltage via the terminal 37. Since this condition is the same as when the above equation (29) is derived,
The voltage applied to the input terminal 36 has a potential difference between the output terminals 38 and 39 by the value of equation (24).
したがって、第7図(a)の回路を用いて構成される
第8図の回路構成において、トランジスタ33,34,35のエ
ミッタ面積を等しく設定し、トランジスタ30,31,32のエ
ミッタ面積比を1:2.03:13.04とすることにより、第3図
の回路と同様の効果が得られる。Therefore, in the circuit configuration shown in FIG. 8 using the circuit shown in FIG. 7A, the emitter areas of the transistors 33, 34, and 35 are set to be equal, and the emitter area ratio of the transistors 30, 31, and 32 is set to 1. : 2.03: 13.04 has the same effect as the circuit of FIG.
上述のエミッタフォロワを用いたオフセット電圧付与
手段では周波数特性が向上するという利点があるもの
の、差動増幅ペア自体のエミッタ面積を変える第6図に
示した実施例に比べて、回路を構成するトランジスタの
占める総面積が大きくなってしまうという問題が残る。
この点を緩和するため、エミッタフォロワを用いるオフ
セット電圧手段のトランジスタが占める面積を低減する
方法をつぎに示す。Although the offset voltage applying means using the emitter follower has the advantage of improving the frequency characteristic, the transistor constituting the circuit is different from the embodiment shown in FIG. 6 in which the emitter area of the differential amplifier pair itself is changed. However, there remains a problem that the total area occupied by the elements increases.
In order to alleviate this point, a method of reducing the area occupied by the transistor of the offset voltage means using the emitter follower will be described below.
オフセット電圧Vd1,Vd2を発生するための第7図
(a)の回路において、オフセット電圧はトランジスタ
のエミッタ面積の違いだけでなく、これらの動作電流に
よっても変化させることができる点に着目する。すなわ
ち、式(28)のM値を、トランジスタ30,31,32のエミッ
タ面積比だけでなく動作電流の比も利用して実現するこ
とにより、所望のオフセットを得ることができる。そこ
で、面積比だけ、あるいは電流比だけを利用するのでは
なく、この両方を利用して占有面積も電流値も適当な値
にできる。In the circuit of FIG. 7A for generating the offset voltages V d1 and V d2 , attention is paid to the fact that the offset voltage can be changed not only by the difference in the emitter area of the transistor but also by these operating currents. . That is, a desired offset can be obtained by realizing the M value of Expression (28) using not only the emitter area ratio of the transistors 30, 31, and 32 but also the operating current ratio. Therefore, not only the area ratio or the current ratio is used, but also the occupied area and the current value can be made appropriate values using both of them.
この回路でトランジスタの占有面積を減らすため、ト
ランジスタのエミッタ電流を異ならせた例を第7図
(b)に示す。FIG. 7B shows an example in which the emitter current of the transistor is changed in order to reduce the area occupied by the transistor in this circuit.
第7図(b)では第7図(a)に比べてトランジスタ
の占有面積を削減するために、トランジスタ41,42,43お
よび44,45,46のエミッタ面積を すなわち約1:1.425:3.661:3.661:2569:1に設定する。こ
のようにすることにより、絶対温度が300Kのとき出力端
子38を基準にして、出力端子30,40はそれぞれ約18.30m
V、67.07mVの電位差を発生することができ、第3図の回
路よりも良好な高周波特性を得ることができる。この場
合の全体の回路構成を第9図に示す。In FIG. 7B, the emitter areas of the transistors 41, 42, 43 and 44, 45, 46 are reduced in order to reduce the area occupied by the transistors as compared with FIG. 7A. That is, it is set to about 1: 1.425: 3.661: 3.661: 2569: 1. By doing so, when the absolute temperature is 300K, the output terminals 30 and 40 are about 18.30 m each with respect to the output terminal 38.
V, a potential difference of 67.07 mV can be generated, and better high-frequency characteristics can be obtained than the circuit of FIG. FIG. 9 shows the entire circuit configuration in this case.
この方法による面積低減の効果を比較してみると、最
も小さいトランジスタのエミッタ面積を1として、第6
図の回路では2・(13.40+1+2.03+1)=34.86とな
り、第9図の差動増幅器に第7図(a)のオフセット電
圧付与手段を適用した場合は2・(1+1+2.030+1
+13.40+4)=46.86となり、また第9図に第7図
(b)のオフセット電圧付与手段を適用した場合は2・
(1+3.661+1.425+2.569+3.661+4)=34.63とな
り、第7図(b)に示した面積低減法を適用すると、素
子数は増加するがむしろ第3図の回路よりも少ない面積
で、より高性能の回路が実現できることが分かる。Comparing the effect of the area reduction by this method, when the smallest emitter area of the transistor is 1, the sixth transistor
In the circuit shown in the figure, 2 · (13.40 + 1 + 2.03 + 1) = 34.86. When the offset voltage applying means shown in FIG. 7A is applied to the differential amplifier shown in FIG. 9, 2 · (1 + 1 + 2.030 + 1).
+ 13.40 + 4) = 46.86, and when the offset voltage applying means shown in FIG. 7B is applied to FIG. 9, 2 ·
(1 + 3.661 + 1.425 + 2.569 + 3.661 + 4) = 34.63 When the area reduction method shown in FIG. 7 (b) is applied, the number of elements increases but the area is smaller than that of the circuit of FIG. It can be seen that a high-performance circuit can be realized.
ここで、本発明に係る線形範囲拡大の効果をより明確
に示すため、従来の差動増幅ペア2組を用いる増幅器
と、本発明に係る4組の差動増幅ペアを用いる増幅器
を、正規化した入出力特性のグラフで比較してみる。第
10図はトランスコンダクタンス特性のグラフであるが、
横軸が差動入力電圧であり、縦軸が正規化したトランス
コンダクタンスである。Here, in order to more clearly show the effect of the linear range expansion according to the present invention, an amplifier using two conventional differential amplifier pairs and an amplifier using four differential amplifier pairs according to the present invention are normalized. Let's compare with the graph of the input / output characteristics. No.
Figure 10 is a graph of transconductance characteristics.
The horizontal axis is the differential input voltage, and the vertical axis is the normalized transconductance.
同図中でIは4組の差動増幅ペアを用いた本案の場合
のトランスコンダクタンスを、IIは従来の2組の差動増
幅ペアを用いた場合のトランスコンダクタンス特性をそ
れぞれ表している。同図から明らかなように、本発明に
より線形動作範囲を大幅に拡大できることが分かる。In the figure, I represents transconductance in the case of the present invention using four differential amplification pairs, and II represents transconductance characteristics in the case of using two conventional differential amplification pairs. As is apparent from the figure, it can be seen that the linear operation range can be greatly expanded by the present invention.
定量的に線形範囲の広さを比較するため、最大値で正
規化したトランスコンダクタンスG(Vd)が最大値から
1%低下するまでのVdの幅(尖−尖頭値)を調べた結果
を表1に示す。To compare the size of the quantitative linear range, the width of the V d up transconductance G normalized by the maximum value (V d) is 1% decrease from the maximum value - was examined (apex peak) Table 1 shows the results.
上記表から、G(Vd)が最大値から1%低下するまで
のVdの幅で比較すると、差動ペアを4組用いることによ
り、単なる差動ペアに比べて約9.35倍、従来の2組の差
動ペアを用いる線形化差動ペアに比べて約2.32倍に線形
範囲が拡大されている。 From the above table, comparing the width of Vd until G ( Vd ) decreases by 1% from the maximum value, the use of four differential pairs is about 9.35 times that of a conventional differential pair, The linear range is extended about 2.32 times as compared with the linearized differential pair using two differential pairs.
これまでの説明の過程からわかるように、5組以上の
差動ペアを用いて、同様な手続きによりいくらでも広い
範囲に亘って線形化が可能なことは明らかである。た
だ、その場合は、4組までの場合と違って、最大平坦特
性を与えるパラメータが解析的に求まらず、数値計算に
よって求めなければならない。As can be seen from the process described above, it is clear that linearization can be performed over a wide range by using a similar procedure using five or more differential pairs. However, in this case, unlike the case of up to four sets, the parameter giving the maximum flatness characteristic cannot be obtained analytically, but must be obtained by numerical calculation.
これまではトランスコンダクタンスができるだけ水平
な線に近似するよう、最大平坦特性を実現する条件につ
いて述べたが、他の近似法として、一定の波打ちを許容
する等リップル近似があり、波打ちを許すことにより最
大平坦近似よりも広い線形範囲が得られる。そこで、つ
ぎに、4組の差動ペアを用いた線形化差動増幅器におい
て等リップル近似を実現する実施例について説明する。So far, we have described the conditions to achieve the maximum flatness so that the transconductance approximates the horizontal line as much as possible.However, as another approximation method, there is an equiripple approximation that allows a certain waving, and by allowing the waving A wider linear range is obtained than the maximum flat approximation. Therefore, an embodiment for realizing equiripple approximation in a linearized differential amplifier using four differential pairs will now be described.
等リップル特性を実現するために必要なパラメータに
関する解析的な条件を導くことはできるが、非線形の連
立方程式となり、それに解くのは困難であるため、ここ
では計算機を用いて数値的にパラメータの近似値を求め
た。その一例として、 α1=0.72, α2=1, d1=0.55, d2=1.794 とすると、トランスコンダクタンスは最大値の約0.75%
の波打ちをもった等リップル特性にできる。Although it is possible to derive analytical conditions related to the parameters required to realize equiripple characteristics, it is a nonlinear system of equations that is difficult to solve, so here we use a computer to approximate the parameters numerically. The value was determined. As an example, if α 1 = 0.72, α 2 = 1, d 1 = 0.55, d 2 = 1.794, the transconductance is about 0.75% of the maximum value.
Equal ripple characteristics with undulation.
上記のパラメータを回路的に実現することは、これま
で説明した本発明の実施例の回路が全て利用できること
は当然である。この実施例の効果を他の場合と比較する
ため、第10図の中に符号IIIを付けて等リップル近似の
実施例を示した。同図(a)から明らかなように最大平
坦近似の場合よりも平坦な範囲が広がっている。ただ
し、同図(b)に示す部分拡大図から見える通り、細か
く見ると波打ちが観察される。It is natural that all the circuits of the embodiments of the present invention described above can be used to realize the above parameters in a circuit. In order to compare the effect of this embodiment with the other cases, an embodiment of equiripple approximation is shown in FIG. As is clear from FIG. 9A, the flat range is wider than in the case of the maximum flat approximation. However, as can be seen from the partial enlarged view shown in FIG.
たとえば、負荷回路として同図(b)のカレントミラ
ーを用いれば、出力端子4に接続された別の負荷に対し
て入力端子1,2の間に印加された差動入力電圧のトラン
スコンダクタンス倍の電流を、別の負荷に流すことがで
きる。For example, if the current mirror shown in FIG. 3B is used as a load circuit, the transconductance times the differential input voltage applied between the input terminals 1 and 2 to another load connected to the output terminal 4. Current can be passed to another load.
本発明はまた、第5図(b)に示した各差動増幅ペア
のトランスコンダクタンスの合成の仕方から容易に考え
付くように、オフセット電圧値と出力電流の重み付け係
数を、最大平坦特性を与える値から適当に変化させるこ
とにより、全体のトランスコンダクタンスの平坦性をあ
る程度低下させて、トランスコンダクタンスが一定と見
做せる範囲をより拡大することができるものも明らかで
ある。According to the present invention, the offset voltage value and the weighting coefficient of the output current are set to a value that gives the maximum flat characteristic, as can be easily conceived from the method of synthesizing the transconductance of each differential amplifier pair shown in FIG. 5 (b). It is clear that by appropriately changing the range, the flatness of the entire transconductance can be reduced to some extent, and the range in which the transconductance can be regarded as constant can be further expanded.
さらに、実施例は差動増幅ペアを構成するトランジス
タとして全てNPNトランジスタを用いて説明したが、こ
れはPNPトランジスタであっても同様の効果を得ること
ができる。また、ここで用いたバイポーラトランジスタ
としては、ゲルマニウム、シリコン、ガリウム砒素な
ど、どれでも同様の効果を得ることができる。勿論ヘテ
ロバイポーラトランジスタを用いることもできる。Further, in the embodiments, all the transistors constituting the differential amplifier pair are described as NPN transistors. However, the same effect can be obtained even with PNP transistors. The same effect can be obtained with any of the bipolar transistors used here, such as germanium, silicon, and gallium arsenide. Of course, a hetero bipolar transistor can also be used.
要するに、4組以上の差動ペアを並列してトランスコ
ンダクタンスの平坦範囲を拡大せんと意図するものは全
て本発明に含まれる。In short, the present invention includes anything intended to extend the flat range of transconductance by connecting four or more differential pairs in parallel.
また、以上の実施例では単に増幅器の応用のみを示し
たが、増幅器を利用したフィルタ、リミッタ、ミクサ回
路等にも使用できる。Further, in the above embodiments, only the application of the amplifier is shown, but the present invention can also be used for a filter, a limiter, a mixer circuit, and the like using the amplifier.
まず、リミッタとしての実施例を説明する。第4図
(a)から明らかなように、本発明によれば、例えばN
=4のとき同図の曲線28に示されるような入出力特性を
実現することができ、例えば同図の曲線25に示されてい
るような従来の単なる差動増幅器の入出力特性に比べて
肩の部分の湾曲が角張っている。第11図はこれらの入力
特性を比較する目的で、入力、出力共に正規化して示し
たものである。理想的なリミッタの入出力特性は、第11
図に示した折れ線47で表わされるものであるが、本発明
によれば従来の単なる差動増幅器の特性48に比べて理想
に近い特性49を実現できる。差動ペア数Nが4の場合の
特性を示す。具体的には、第1図、第3図、第5図、第
6図、第8図、第9図に示した上述の実施例において、
用途に応じて負荷15を第2図(a)〜(c)等の適当な
回路で実現し、入力端子1,2から信号を入力し、出力端
子3,4から振幅制限された出力を得ることができる。First, an embodiment as a limiter will be described. As is clear from FIG. 4 (a), according to the present invention, for example, N
= 4, it is possible to realize the input / output characteristics as shown by the curve 28 in the same figure, for example, as compared with the input / output characteristics of the conventional mere differential amplifier as shown by the curve 25 in the same figure. The curvature of the shoulder is angular. FIG. 11 shows the normalized input and output for the purpose of comparing these input characteristics. The ideal input / output characteristics of the limiter
Although represented by a polygonal line 47 shown in the figure, according to the present invention, a characteristic 49 closer to an ideal can be realized as compared with a characteristic 48 of a conventional simple differential amplifier. The characteristics when the number N of differential pairs is 4 are shown. Specifically, in the above-described embodiment shown in FIG. 1, FIG. 3, FIG. 5, FIG. 6, FIG.
The load 15 is realized by an appropriate circuit as shown in FIGS. 2 (a) to 2 (c) according to the application, a signal is inputted from the input terminals 1 and 2, and an output whose amplitude is limited is obtained from the output terminals 3 and 4. be able to.
次に本発明の増幅器を乗算器に適用した場合の実施例
を説明する。Next, an embodiment in which the amplifier of the present invention is applied to a multiplier will be described.
第12図は本発明を適用したアナログ乗算器の回路図で
ある。同図で50(50−1,50−2,50−3)は本発明に係る
線形化差動増幅器を表しており、一例として第6図の差
動増幅器を用いている。この部分は本発明の第8図に示
されている実施例のものを用いても差しつかえない。FIG. 12 is a circuit diagram of an analog multiplier to which the present invention is applied. In the figure, reference numeral 50 (50-1, 50-2, 50-3) denotes a linearized differential amplifier according to the present invention, and the differential amplifier shown in FIG. 6 is used as an example. This part may be the same as that of the embodiment shown in FIG. 8 of the present invention.
第12図には、3つの線形化差動増幅器50−1,50−2,50
−3が示されているが、このうち同図の上部にある50−
2は下部にある2つとは逆特性のトランジスタで構成さ
れている。このことは必ずしも必要な条件ではないが、
回路が単純になるのでこの場合について説明する。FIG. 12 shows three linearized differential amplifiers 50-1, 50-2, 50
-3 is shown, of which 50-
Reference numeral 2 denotes a transistor having characteristics opposite to those of the two transistors below. This is not a necessary condition,
This case will be described because the circuit becomes simple.
第12図において、第1の入力信号源51によって第1の
入力端子52,53に印加された差動電圧信号は第2の線形
化差動増幅器50−2のトランスコンダクタンスによって
差動出力電流を生じ、その差動出力電流をダイオード接
続されたトランジスタ54,55によって第1,第3の線形化
差動増幅器50−1,50−3の動作電流が差動出力電流に比
例するように配設してある。In FIG. 12, the differential voltage signal applied to the first input terminals 52 and 53 by the first input signal source 51 changes the differential output current by the transconductance of the second linearized differential amplifier 50-2. The differential output current is generated by diode-connected transistors 54 and 55 so that the operating currents of the first and third linearized differential amplifiers 50-1 and 50-3 are proportional to the differential output current. I have.
一方、第1、第3の線形化差動増幅器50−1,50−3
は、第2の入力信号源56によって第2の入力端子57,58
に印加された信号が互いに逆相で入力されるように接続
され、かつ第1、第3の線形化差動増幅器50−1,50−3
の出力電流は互いに加え合うように接続されており、最
終的な出力はこれら第1,第3の線形化差動増幅器50−1,
50−3の出力電流を負荷抵抗59,60で電圧に変換して出
力端子61,62へ出力される。On the other hand, the first and third linearized differential amplifiers 50-1, 50-3
Are connected to the second input terminals 57 and 58 by the second input signal source 56.
Are connected so as to be inputted in opposite phases to each other, and the first and third linearized differential amplifiers 50-1, 50-3 are connected to each other.
Are connected so as to add to each other, and the final output is the first and third linearized differential amplifiers 50-1, 50-1,
The output current of 50-3 is converted into a voltage by the load resistors 59 and 60 and output to the output terminals 61 and 62.
まず第1の信号源51の差動入力電圧が零のときは、第
1、第3の線形化差動増幅器50−1,50−3の動作電流が
等しいので、第2の信号源56の差動入力電圧に関係なく
第1、第3の線形化差動増幅器50−1,50−3の出力電流
の変化分は互いに打ち消し合い、これらを加え合わせた
出力電流は変化しない。すなわち出力端子61,62の電位
差も零となる。しかし、第1の信号源51の差動入力電圧
が零でないときは、第1、第3の線形化差動増幅器50−
1,50−3の動作電流が第1の入力に比例した互いに逆極
性の変化を生ずるので、第2の信号源56の差動入力電圧
に比例した値となる。このとき、その比例係数は第1、
第3の線形化差動増幅器50−1,50−3のトランスコンダ
クタンスで決まり、これは動作電流に比例するから、結
局第1の入力に比例することとなる。First, when the differential input voltage of the first signal source 51 is zero, the operating currents of the first and third linearized differential amplifiers 50-1 and 50-3 are equal. Regardless of the differential input voltage, the changes in the output currents of the first and third linearized differential amplifiers 50-1 and 50-3 cancel each other out, and the output current obtained by adding these changes does not change. That is, the potential difference between the output terminals 61 and 62 also becomes zero. However, when the differential input voltage of the first signal source 51 is not zero, the first and third linearized differential amplifiers 50-
Since the operating currents of 1,50-3 produce opposite polarity changes in proportion to the first input, they have a value proportional to the differential input voltage of the second signal source 56. At this time, the proportional coefficient is the first,
It is determined by the transconductance of the third linearized differential amplifiers 50-1 and 50-3, which is proportional to the operating current, and is therefore proportional to the first input.
したがって、出力端子61,62に得られる差動出力は、
第1および第2の信号源51,56の双方の差動入力電圧に
比例した値となり、結局乗算器が実現できる。回路の対
称性から、第2の差動入力信号が零の場合は最終的な差
動出力電圧も零となることは明らかである。かくして、
第12図の構成によれば4象限型のアナログ乗算器が実現
できる。Therefore, the differential output obtained at the output terminals 61 and 62 is
The value becomes proportional to the differential input voltage of both the first and second signal sources 51 and 56, and eventually a multiplier can be realized. It is clear from the symmetry of the circuit that if the second differential input signal is zero, the final differential output voltage will also be zero. Thus,
According to the configuration of FIG. 12, a four-quadrant analog multiplier can be realized.
第13図は、第12図の回路において電流源63の値を10μ
A、正の電源端子64と負の電源端子65の間に1.5Vを印加
することにより電源電圧を±0.75Vとした場合の入出力
特性をシミュレーションした結果を示す。FIG. 13 shows that the value of the current source 63 in the circuit of FIG.
A shows the results of simulating the input / output characteristics when the power supply voltage is ± 0.75 V by applying 1.5 V between the positive power supply terminal 64 and the negative power supply terminal 65.
同図の横軸は第1の信号源51の差動入力電圧であり、
縦軸は負荷抵抗59,60を流れる電流の差電流値であり、
パラメータとして第2の信号源56の差動入力電圧を−40
mV〜40mVの範囲で変化させた。同図から、第1、第2い
づれの入力に対しても±数+mVの範囲にわたって線形動
作することがわかる。The horizontal axis in the figure is the differential input voltage of the first signal source 51,
The vertical axis is the difference current value of the current flowing through the load resistors 59 and 60,
The differential input voltage of the second signal source 56 is set to -40 as a parameter.
The range was varied from mV to 40 mV. It can be seen from the figure that the linear operation is performed over the range of ± several + mV for both the first and second inputs.
この回路は、例えば前記文献「アナログ集積回路」7.
3.節(pp.234−238)に記載されている従来の差動ペア
を用いた可変トランスコンダクタンス型乗算器(同書、
図7.3)、[または“Bipdar and MOS Analog Integrate
d Circuit Designの9.4,pp.456−459 Figure9.4]の変
形に相当するが、同節に述べられているように従来の差
動ペアでは線形動作範囲は数mV以下であった。これに本
発明による線形化差動増幅器を用いることにより、10倍
以上の線形範囲拡大が低い電源電圧で可能となる。This circuit is described, for example, in the aforementioned document `` Analog integrated circuit '' 7.
Variable transconductance type multiplier using the conventional differential pair described in Section 3. (pp.234-238) (Id.
Figure 7.3), [or “Bipdar and MOS Analog Integrate
9.4, pp. 456-459 Figure 9.4] of d Circuit Design, but as described in the same section, the linear operating range of the conventional differential pair was less than several mV. By using the linearized differential amplifier according to the present invention, the linear range can be increased by a factor of 10 or more at a low power supply voltage.
さて、以上では3つの線形化差動増幅器50−1,50−2,
50−3のうち第1、第3がNPN、第2がPNPトランジスタ
で構成されている例を説明したが、例えば第14図のごと
く全てNPNトランジスタで構成された線形化差動増幅器5
0−1と同じものを3個用い、中央に示したものの出力
電流をカレントミラー回路66,67で折り返しても第12図
と同様の動作が実現できる。ただし、中央の線形化差動
増幅器をNPNトランジスタで構成したため、バイアスを
設定するためのトランジスタと電流源68,63をそれぞれ
逆極性の68Aと63Aに変更する必要がある。By the way, in the above, three linearized differential amplifiers 50-1, 50-2,
The example in which the first and third of the 50-3 are constituted by NPN transistors and the second are constituted by PNP transistors has been described. For example, as shown in FIG.
The same operation as in FIG. 12 can be realized by using three of the same components as 0-1 and returning the output current of the one shown in the center by the current mirror circuits 66 and 67. However, since the central linearized differential amplifier is composed of NPN transistors, it is necessary to change the transistors for setting the bias and the current sources 68 and 63 to 68A and 63A of opposite polarities, respectively.
次に、本発明の線形化差動増幅器は動作電流を変化さ
せることにより、可変トランスコンダクタとして使用で
きる。したがって、例えば文献D.W.H.Calder;“Audio F
requency Gyrattor Filters for an Integrated Radio
Paging Receiver",International Conference on Mobil
e Radio Techniques,IEE Conference,York England,pp.
21−26,1984.のFig.3,4に記載されているように、トラ
ンスコンダクタを2個用いてジャイレータを構成し、そ
のジャイレータとキャパシタを用いて等価的にインダク
タを実現することができるから、最終的にトランスコン
ダクタとキャパシタを用いて集積回路でアクティブフィ
ルタを実現できる。Next, the linearized differential amplifier of the present invention can be used as a variable transconductor by changing the operating current. Therefore, for example, the document DWHCalder; “Audio F
requency Gyrattor Filters for an Integrated Radio
Paging Receiver ", International Conference on Mobil
e Radio Techniques, IEE Conference, York England, pp.
As described in Figs. 3 and 4 in 21-26, 1984, a gyrator can be constructed using two transconductors, and an inductor can be equivalently realized using the gyrator and a capacitor. Finally, an active filter can be realized by an integrated circuit using the transconductor and the capacitor.
第15図は、同文献に示されている手法で設計した5次
のローパスフィルタの回路図である。同図中の三角形の
記号はトランスコンダクタを表しており、具体的には第
16図に示すように本発明の線形化差動増幅器(この場合
はN=4の例を示してある)を用いることができる。同
文献ではN=2の従来の線形化差動増幅器を用いている
ので、この実施例の方が2倍以上の線形動作範囲が確保
できる。実際には、線形化差動増幅器は数mV〜10mV程度
のオフセット電圧を有するため、その分だけ線形動作範
囲が狭まる。すなわち、従来の線形化差動増幅器のよう
に線形動作範囲が30mV程度しかない場合は本発明のよう
に100mV程度の線形動作範囲を有するものに比べて、事
実上下著しく線形動作範囲が狭まることとなり、実際は
本発明の方が数倍の線形動作範囲を有する結果となる。FIG. 15 is a circuit diagram of a fifth-order low-pass filter designed by the method disclosed in the document. The triangular symbols in the figure represent transconductors.
As shown in FIG. 16, a linearized differential amplifier of the present invention (in this case, an example where N = 4 is shown) can be used. In this document, since a conventional linearized differential amplifier with N = 2 is used, this embodiment can secure a linear operation range of twice or more. Actually, since the linearized differential amplifier has an offset voltage of about several mV to 10 mV, the linear operation range is narrowed accordingly. In other words, when the linear operation range is only about 30 mV as in the conventional linearized differential amplifier, the linear operation range is actually significantly narrower in the vertical direction than in the case where the linear operation range is about 100 mV as in the present invention. In fact, the invention results in having a several times linear operating range.
第17図は、第16図に示した本発明に係る線形化差動増
幅器を、第15図のローパスフィルタに適用して実際に試
作したアクティブフィルタの周波数特性の実測結果であ
る。同図はパラメータを電源電圧として入力電圧が100m
Vp−pの条件で測定したものであり、1V程度まで良好な
性能を示している。また、第18図は、試作したアクティ
ブフィルタの1kHzにおける歪率特性の実測結果であり、
歪率が1%の点で見ると、電源電圧1.1V,1.5Vのいずれ
についても約150mVp−pの入力が可能であった。以上の
ように、本発明は低電圧動作に好適であることが実証さ
れた。FIG. 17 shows actual measurement results of frequency characteristics of an active filter actually manufactured by applying the linearized differential amplifier according to the present invention shown in FIG. 16 to the low-pass filter shown in FIG. In the figure, the input voltage is 100m with the parameters as the power supply voltage.
It is measured under the condition of Vp-p, and shows good performance up to about 1V. FIG. 18 shows the measurement results of the distortion characteristics at 1 kHz of the prototype active filter.
When viewed from the point that the distortion rate is 1%, it was possible to input about 150 mVp-p for both the power supply voltages of 1.1 V and 1.5 V. As described above, it has been proved that the present invention is suitable for low-voltage operation.
[発明の効果] 以上の通り、本発明は特許請求の範囲に記載の通り線
形化差動増幅器であるので、広い線形動作範囲を有し、
かつ入力インピーダンスを高くすることができ、増幅器
を始めとして、増幅器を利用したフィルタ、リミッタ、
ミクサ回路等に広く利用できる。[Effects of the Invention] As described above, since the present invention is a linearized differential amplifier as described in the claims, it has a wide linear operation range,
Also, the input impedance can be increased, and amplifiers, filters, limiters,
It can be widely used for mixer circuits and the like.
第1図は本発明の全体概要を示す説明図、第2図は本発
明に利用される負荷の一例を示す説明図、第3図は本発
明の一実施例を示す回路図、第4図は上記実施例の作用
を示す説明図、第5図は上記実施例の変形例を示す回路
図、第6図は上記実施例の他の変形例を示す回路図、第
7図(a)(b)はいずれも本発明の他の実施例に用い
るオフセット電圧付与手段の構成例を示す回路図、第8
図は第7図(a)に示す回路を用いた差動増幅器の回路
図、第9図は第7図(b)の回路を用いた差動増幅器の
回路図、第10図は本発明の作用を従来例との比較で示す
説明図、第11図はリミッタへの対応につき正規化入力に
対する正規化出力の特性を示す説明図、第12図はアナロ
グ乗算器への応用例を示す回路図、第13図は第12図の回
路の入出力特性のシミュレーション結果の説明図、第14
図は第12図のアナログ乗算器の他の実施例を示す説明
図、第15図は5次のローパスフィルタの回路図、第16図
はこの回路に適用される線形化差動増幅器の説明図、第
17図はこの線形化差動増幅器の周波数特性の説明図、第
18図はアクティブフィルタの歪率特性の実測結果を示す
図、第19図は一般的な差動増幅ペアの説明図、第20図は
その作用を示す説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram showing an overall outline of the present invention, FIG. 2 is an explanatory diagram showing an example of a load used in the present invention, FIG. 3 is a circuit diagram showing an embodiment of the present invention, and FIG. Is an explanatory diagram showing the operation of the above embodiment, FIG. 5 is a circuit diagram showing a modification of the above embodiment, FIG. 6 is a circuit diagram showing another modification of the above embodiment, and FIG. b) is a circuit diagram showing a configuration example of an offset voltage applying means used in another embodiment of the present invention, and FIG.
FIG. 7 is a circuit diagram of a differential amplifier using the circuit shown in FIG. 7 (a), FIG. 9 is a circuit diagram of a differential amplifier using the circuit of FIG. 7 (b), and FIG. FIG. 11 is an explanatory diagram showing the operation in comparison with a conventional example, FIG. 11 is an explanatory diagram showing the characteristics of a normalized output with respect to a normalized input in response to a limiter, and FIG. 12 is a circuit diagram showing an application example to an analog multiplier. FIG. 13 is an explanatory diagram of a simulation result of input / output characteristics of the circuit of FIG. 12, and FIG.
FIG. 12 is an explanatory diagram showing another embodiment of the analog multiplier of FIG. 12, FIG. 15 is a circuit diagram of a fifth-order low-pass filter, and FIG. 16 is an explanatory diagram of a linearized differential amplifier applied to this circuit. ,
Figure 17 is an explanatory diagram of the frequency characteristics of this linearized differential amplifier.
FIG. 18 is a view showing an actual measurement result of the distortion factor characteristic of the active filter, FIG. 19 is an explanatory view of a general differential amplifier pair, and FIG. 20 is an explanatory view showing its operation.
Claims (11)
ペアの入力端子同士と出力端子同士をそれぞれ並列的に
接続して成る差動増幅器において、Nを4以上の整数と
してN組の差動増幅ペアを並列配置し、各差動増幅ペア
に等価的なオフセット電圧を与える手段と、これらの出
力電流を重み付けする手段と、これらの出力電流を加算
する手段と、を具備することを特徴とする線形化差動増
幅器。1. A differential amplifier in which input terminals and output terminals of a differential amplifier pair using bipolar transistors are connected in parallel with each other, wherein N is an integer of 4 or more, and N pairs of differential amplifier pairs are provided. Are arranged in parallel, means for giving an equivalent offset voltage to each differential amplification pair, means for weighting these output currents, and means for adding these output currents are provided. Differential amplifier.
て、前記オフセット電圧を与える手段及び前記重み付け
する手段は、差動入力電圧の変化分に対する差動出力電
流の変化分が平坦特性となるような等価的オフセット電
圧と出力電流の重み付けを行うことを特徴とする線形化
差動増幅器。2. The linearized differential amplifier according to claim 1, wherein the means for applying the offset voltage and the means for weighting are characterized in that a change in the differential output current with respect to a change in the differential input voltage has a flat characteristic. A linearized differential amplifier characterized in that the equivalent offset voltage and the output current are weighted as follows.
て、前記オフセット電圧を与える手段及び前記重み付け
手段は、差動入力電圧の変化分に対する差動出力電流の
変化分が等リップル特性となるような等価的オフセット
電圧と出力電流の重み付けを行うことを特徴とする線形
化差動増幅器。3. The linearized differential amplifier according to claim 1, wherein said means for applying an offset voltage and said weighting means are configured such that a change in differential output current with respect to a change in differential input voltage has an equal ripple characteristic. A linearized differential amplifier characterized in that the equivalent offset voltage and the output current are weighted as follows.
て、前記重み付けする手段が重み付けする電流は、前記
差動増幅ペアの共通接続されたエミッタに接続された電
流源の電流値であることを特徴とする線形化差動増幅
器。4. The linearized differential amplifier according to claim 2, wherein the current weighted by said weighting means is a current value of a current source connected to a commonly connected emitter of said differential amplifier pair. A linearized differential amplifier, characterized in that:
て、前記重み付け手段が重み付けする電流は、前記差動
増幅ペアの共通接続されたエミッタに接続された電流源
の電流値であることを特徴とする線形化差動増幅器。5. The linearized differential amplifier according to claim 3, wherein the current weighted by said weighting means is a current value of a current source connected to a commonly connected emitter of said differential amplifier pair. A linearized differential amplifier.
て、差動増幅ペアの数が4組であり、該4組の差動増幅
ペアに与える等価的オフセット電圧がそれぞれ、第1の
差動増幅対に対しては1.298・2・VT、第2の差動増幅
ペアに対しては0.354・2・VT、第3の差動増幅ペアに
対しては−0.354・2・VT、第4の差動増幅ペアに対し
ては−1.298・2・VT(ただしVTは熱電圧で、VT=KT/
q、K:ボルツマン定数、T:絶対温度、q:電子の電荷)付
近であり、該4組の差動増幅ペアの出力電流の重み付け
のわりあいが、前記第1および第4の差動増幅ペアの出
力電流に対して他の2組の差動増幅ペアの出力電流が0.
5478倍付近であるように構成したことを特徴とする線形
化差動増幅器。6. The linearized differential amplifier according to claim 4, wherein the number of differential amplification pairs is four, and the equivalent offset voltage applied to each of said four differential amplification pairs is a first differential amplification pair. 1.298 · 2 · V T for the differential amplifier pair, 0.354 · 2 · V T for the second differential amplifier pair, −0.354 · 2 · V for the third differential amplifier pair T, relative to the fourth differential amplifier pair -1.298 · 2 · V T (although V T is the thermal voltage, V T = KT /
q, K: Boltzmann's constant, T: absolute temperature, q: charge of electrons), and the weights of the output currents of the four differential amplification pairs are determined by the first and fourth differential amplification pairs. The output current of the other two differential amplification pairs is
A linearized differential amplifier characterized by being configured to be around 5478 times.
て、前記オフセット電圧を与える手段を、各差動増幅ペ
アの構成要素であるトランジスタのエミッタ面積を変化
させることで構成することを特徴とする線形化差動増幅
器。7. The linearized differential amplifier according to claim 1, wherein said means for applying said offset voltage is constituted by changing an emitter area of a transistor which is a constituent element of each differential amplification pair. And a linearized differential amplifier.
て、前記差動増幅ペアの出力電流を加算する手段が、前
記差動増幅ペアの出力端子同士を接続するワイヤード・
オアで構成されることを特徴とする線形化差動増幅器。8. The linearized differential amplifier according to claim 1, wherein said means for adding the output current of said differential amplifier pair comprises a wired amplifier connecting said output terminals of said differential amplifier pair.
A linearized differential amplifier comprising an OR.
て、前記電流を重み付けする手段は、全ての差動増幅ペ
アの動作電流を比例させて変化させることにより、トラ
ンスコンダクタンスを可変としたものであることを特徴
とする線形化差動増幅器。9. The linearized differential amplifier according to claim 1, wherein the means for weighting the current varies the transconductance by proportionally changing the operating currents of all the differential amplifier pairs. A linearized differential amplifier, characterized in that:
いて、差動増幅ペアを構成するバイポーラトランジスタ
が、シリコントランジスタ、またはシリコンヘテロバイ
ポーラトランジスタ、またはガリウム砒素ヘテロバイポ
ーラトランジスタであることを特徴とする線形化差動増
幅器。10. The linearized differential amplifier according to claim 1, wherein the bipolar transistors forming the differential amplification pair are silicon transistors, silicon hetero bipolar transistors, or gallium arsenide hetero bipolar transistors. Linearized differential amplifier.
いて、前記重み付けする手段は、全ての差動増幅ペアの
動作電流を絶対温度に比例して変化させることを特徴と
する線形化差動増幅器。11. The linearized differential amplifier according to claim 1, wherein said weighting means changes operating currents of all differential amplifier pairs in proportion to absolute temperature. Dynamic amplifier.
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