JP3545142B2 - 差動増幅器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は差動増幅器に関し、特にその動作周波数が数GHz以上におよぶ広範囲にわたって、十分な電圧利得が得られるシングルエンド入力インターフェースにて使用されるのに適した差動増幅器に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図14は、例えば、“Bipolar and MOS Analog Integrated Circuit design”(ALAN B.GREBENE著)に記載された従来の入力インターフェースを有する差動増幅器を示す回路図であり、図において、1は入力信号DのDC電位を一定のレベルに降下させるための第1のレベルシフト回路、2は入力リファレンス電圧VR を第1のレベルシフト回路1と同じだけ電圧降下させるための第2のレベルシフト回路、3は、前記第1および第2のレベルシフト回路1,2に直接あるいはカスケード接続され図示しないさらなるレベルシフト回路を介して後段に接続された差動増幅器である。
【0003】
また、上記第1のレベルシフト回路1において、入力信号Dは、ソースフォロア電界効果トランジスタ(以下、FETと記す)4のゲート端子から入力される。そして入力信号Dは、そのアノード電極が前記FET4のソース電極に接続された一個あるいは複数個のダイオードが直列に接続されてなるレベルシフト用ダイオード6が定電流源FET5により供給される電流によって発生する順方向電圧分だけそのDC電位が降下する。例えば上記ダイオードとしてGaAsショットキーダイオードを用いた場合、ダイオード1個分のレベルシフト量は0.6V程度となる。上記第2のレベルシフト回路2についても同様に、入力リファレンス電圧VR はソースフォロアFET7のゲート端子に入力され、レベルシフト用ダイオード8を介してその電位が降下した後、出力される。9は上記第2のレベルシフト回路2の定電流源である。
【0004】
また、上記差動増幅器3において、10および11はソース結合トランジスタ対を構成するFETであり、FET10のゲートには高周波信号が入力され、また、FET11のゲートにはDC電位が供給されるようになっている。12はレベルシフト用ダイオードであり、出力信号のDCレベルをさげる役割を果たしている。13および14は各々上記FET10及びFET11のドレインに直列接続された負荷抵抗である。また、15は上記ソース結合トランジスタ対を構成するFET10,11のソースに接続された定電流源である。
【0005】
次に上記差動増幅器3の動作について、図15(a) に示される信号波形図を用いて説明する。ある時間Tarb において、図中実線で示すデータ信号V1
【0006】
【数1】
【0007】
がFET10のゲート電極に入力され、FET11の端子には図中点線で示す位相反転信号V2
【0008】
【数2】
【0009】
が入力されている。そして、差動増幅器3の2つの入力に共通に含まれる同相成分Vcom 及び差動成分Vdif を次のように定義する。
【0010】
【数3】
【0011】
これらを用いると差動増幅器3の入力信号は以下の様に書き換えられる。
【0012】
【数4】
【0013】
差動増幅器3の差動利得をAdとし、同相利得をAcとすると、FET10と負荷抵抗13との接続点である出力OUT での出力電位VOUT と、FET11と負荷抵抗14との接続点である出力/OUTでの出力電位V/OUTは以下のように表される。
【0014】
【数5】
【0015】
2つの出力端での電位差△VOUT を出力とすると、
【0016】
【数6】
【0017】
となり、差動成分の利得のみを取り出すことができる。
次に、差動増幅器3において、図15(b) で表されるようなシングルエンド入力をしたときの動作について説明する。シングルエンド入力の場合、FET11のゲート端子にはDC電位V2 =VD (図中点線)が与えられる。同相成分Vcom 及び差動成分Vdif はおのおの、
【0018】
【数7】
【0019】
で表され、また各出力端での出力電圧は、
【0020】
【数8】
【0021】
この時電位差△VOUT は、
【0022】
【数9】
【0023】
となる。
従って、シングルエンド入力の時の利得は、入力信号V1の振幅VD _PPと電位差△VOUT との関係で考えると、差動入力時の1/2になることがわかる。図16は上記シングルエンド入力時のレベルシフト回路1,2の入力波形(図16(a) )、及び出力波形(図16(b) )と、差動増幅器3の出力波形(図16(c) )との関係を時間軸を基準として見たときの図である。図16(b) から分かるように、シングルエンド入力では、第2のレベルシフト回路2の出力はその入力VR が一定電位であるために、これを反映してフラットな波形となっている。
【0024】
ところで、近年の光通信においては長距離・大容量化が進んでおり、これに用いられる光送受信器に対しては高速・高感度化が要求されている。光送受信器は広帯域増幅器や、入力信号のH,Lレベルを区別するための識別器や、レーザダイオードを駆動するためのドライバなどで構成される。これらの回路は、Gbps 以上の伝送速度が要求される場合、高速化に有利な差動増幅器(または、ソース結合型FETロジック:SCFL)で構成されている場合が多い。例えば、識別器において入力感度を向上させたい場合、差動増幅器で構成される入力バッファの利得(差動利得Ad )を上げる必要がある。入力バッファへの入力方法は、差動増幅器の2つの入力端子に差動(データ信号とその位相反転信号)の信号を入力する場合、2入力間の位相差を精密に合わせる必要があり、そのために信号源と回路の入力との間を結ぶ配線の長さを調節したり、あるいは入力端子の一方側に位相調整用の回路を追加することになり、システム設計が複雑になるため、シングルエンド入力が一般的である。従って、利得を上げたいにもかかわらず、シングルエンド入力を行っているために利得を半分損していることになる。
【0025】
詳述すると、差動増幅器3において、差動利得Ad はソース結合FET10,11のトランスコンダクタンスgmと負荷抵抗13,14の抵抗値に比例している。したがって、利得を上げるためにはトランスコンダクタンスgmあるいは抵抗値、またはその両方を大きくすればよい。しかしながら、ゲート長が決まっているFETを使用する場合、トランスコンダクタンスgmを大きくするためにはFETのゲート幅を大きくしなければならないので、FETのゲート・ソース間あるいはゲート・ドレイン間の容量の増加を招く。一方、負荷抵抗値を大きくすると、出力端に接続される負荷の寄生容量、たとえば次段である出力OUT 、/OUTに接続されたFETの入力容量等、とにより形成されるCR時定数が増加する。
【0026】
結果として、トランスコンダクタンスgmあるいは抵抗値の増加は、入力バッファが使用される帯域において所期の利得が得られる帯域が狭まり、いわゆる帯域劣化の原因となる。すなわち図17に示すように、通常、周波数fの領域まで所期の利得が得られていたものが、周波数fよりも低い周波数f′までの領域でしか得られなくなる。また、高利得化のために、増幅器(入力バッファ)の段数を増やす場合、上述したように、帯域劣化による影響が前段の増幅器から後段の増幅器へ信号が伝送されるに従って加算され、一層帯域劣化が促進されたり、また、消費電流増加の原因となる。以上のことから、10Gbps以上の光通信システムの光送受信器に差動増幅器を適用し、該差動増幅器を構成するソース結合FETのトランスコンダクタンスgmや、ソース結合FETに直列接続される抵抗の抵抗値を増加させることで、高利得化を図ることは困難であるという問題があった。
【0027】
【発明が解決しようとする課題】
従来の差動増幅器は以上のように構成されており、シングルエンド入力を行う場合には、差動入力時の半分以下の利得しか得られないという問題点があった。
【0028】
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、シングルエンド入力を行う場合にも十分な利得を得ることができる差動増幅器を提供することを目的とする。
【0029】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項1に係る差動増幅器は、第1の入力信号と第2の入力信号とを独立的に入力して第1の入力信号と第2の入力信号との差電圧を増幅する差動増幅器において、データ信号を上記第1の入力信号として外部より入力される第1のソースフォロア回路と、一定電位の信号が上記第2の入力信号として入力される第2のソースフォロア回路と、上記第1のソースフォロア回路の任意の接続点より上記データ信号と同位相の信号を取り出し、これを上記第2のソースフォロア回路の電流源FETのゲート端子に入力するバイアス回路とを備え、上記バイアス回路を構成する第1及び第2のソースフォロア回路の出力をそれぞれ、上記第1及び第2の入力信号として差動増幅器に供給するように構成したものである。
【0030】
また、この発明の請求項2に係る差動増幅器は、上記請求項1記載の差動増幅器において、上記バイアス回路を、上記第1のソースフォロア回路から上記データ信号と同位相の信号を取り出す点と上記第2のソースフォロア回路の定電流源FETのゲート端子間を結合するバイパスコンデンサと、上記第2のソースフォロア回路電流源FETのゲートバイアスを与えるバイアス抵抗とを用いて構成したものである。
【0031】
また、この発明の請求項3に係る差動増幅器は、上記請求項1記載の差動増幅器において、上記バイアス回路を、上記第1のソースフォロア回路から上記データ信号と同位相の信号を取り出す点と上記第2のソースフォロア回路の定電流源FETのゲート端子間を結合する逆バイアス状態のダイオードと、上記第2のソースフォロア回路電流源FETのゲートバイアスを与えるバイアス抵抗とを用いて構成したものである。
【0032】
また、この発明の請求項4に係る差動増幅器は、上記請求項2記載の差動増幅器において、上記バイアス抵抗と直列にインダクタを挿入して設け、上記第2のソースフォロア回路電流源FETの入力容量による位相遅れを補償するようにしたものである。
【0033】
また、この発明の請求項5に係る差動増幅器は、上記請求項2記載の差動増幅器において、上記バイパスコンデンサと並列に抵抗を挿入して設け、上記バイパス回路を構成するバイパスコンデンサによる位相進みを補償するようにしたものである。
【0034】
また、この発明の請求項6に係る差動増幅器は、上記請求項1記載の差動増幅器において、上記バイアス回路を、上記第1のソースフォロア回路から上記データ信号と同位相の信号を取り出す点と上記第2のソースフォロア回路の定電流源FETのゲート端子間を結合するバイパス抵抗と、上記第2のソースフォロア回路電流源FETのゲートバイアスを与えるバイアス抵抗とを用いて構成したものである。
【0035】
また、この発明の請求項7に係る差動増幅器は、上記請求項5記載の差動増幅器において、上記第2のソースフォロア回路電流源FETのゲートバイアスを与えるバイアス抵抗と並列にコンデンサを接続し、上記第2のソースフォロア回路電流源FETの入力容量を増大させるようにしたものである。
【0036】
また、この発明の請求項8に係る差動増幅器は、上記請求項7記載の差動増幅器において、上記コンデンサとして可変容量コンデンサを用いるようにしたものである。
【0037】
また、この発明の請求項9に係る差動増幅器は、上記請求項8記載の差動増幅器において、上記可変容量コンデンサを、その上地電極が複数に分割され、それぞれの分割された上地電極が配線により結合されてなるMIMキャパシタで構成したものである。
【0038】
また、この発明の請求項10に係る差動増幅器は、上記請求項8記載の差動増幅器において、上記可変容量コンデンサをダイオードを用いて構成したものである。
【0039】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
図1は本発明の実施の形態1による差動増幅器の構成を示す図である。図1において、図12と同一符号は同一または相当部分を示し、16は第1のレベルシフト回路から信号を取り出し、これを第2のレベルシフト回路2の電流源FET9のゲート端子に入力するためのバイアス回路である。このバイアス回路16によって、第2のレベルシフト回路2の電流源FET9のゲート端子に、入力信号と同位相の信号が入力されると第2のレベルシフト回路2の電流源の電流が変化するように構成されている。上記バイアス回路16は、第1のレベルシフト回路1の出力がバイパスコンデンサ17に入力され、ここで高周波のみが取り出され、電流源FET9のゲートに向けて出力されるように構成されている。また、バイパスコンデンサ17と電流源FET9のゲートとの間には、電流源FET9のゲートバイアスを補償するためのゲートバイアス用抵抗18が設けられている。
【0040】
図2は、上記図1に示した構成の差動増幅器をIC化したときのソースフォロア回路1,2、及びバイアス回路16で構成される入力位相反転機能つき入力インターフェース回路のパターンレイアウトを示す図である。この図2ではバイパスコンデンサとしてMIM(Metal Insulator Metal )を用いている。
【0041】
次に動作について説明する。
入力信号DがHighレベルの時は、第2のレベルシフト回路2を構成する電流源FET9のゲート電圧が上昇してその電流が増加する。同時に、ソースフォロアFET7に流れる電流も増加するが、そのゲート電圧が一定レベルVR に固定されているので、そのソース電位は降下する。逆に、上記入力信号DがLowレベルのときは、第2のレベルシフト回路2を構成する電流源FET9のゲート電圧が下がり、その電流は減少する。これに応じて、ソースフォロアFET7のソース電位は上昇する。
【0042】
本バイアス回路16を用いた場合、第2のレベルシフト回路2を構成する電流源FET9のゲート電位はVSSを中心に変化するため、DC成分を呈する出力レベルは第1および第2のレベルシフト回路1,2共に等しく、RF成分に関して第2のレベルシフト回路2からの出力信号は、第1のレベルシフト回路1の出力信号の逆位相となり、上記第1及び第2のレベルシフト回路1,2の出力が後段の差動増幅器3の2つの入力端子に入力されるときには、あたかも差動入力のようになり、従って差動増幅器としての利得が向上することになる。
【0043】
図3は本実施の形態1において、シングルエンド入力時のレベルシフト回路1,2の入力波形(図3(a) )、及び出力波形(図3(b) )と、差動増幅器3の出力波形(図3(c) )との関係を時間軸を基準として見たときの図である。図3(b) から分かるように、シングルエンド入力では、第2のレベルシフト回路2の出力はその入力VR が一定電位であるが、バイアス回路16によって、第1のレベルシフト回路1から取り出された出力がその電流源FET9に入力される構成となっているため、これを反映して、第1のレベルシフト回路1の出力を反転した形状に近い形状の波形となっている。
【0044】
また、図4は本実施の形態1による差動増幅器を用いてシングルエンド入力したときの周波数と電圧利得との関係を示すシミュレーション結果を示す図であり、この図から、従来の差動増幅器を用いてシングルエンド入力したときに比べて、高い利得が得られていることが分かる。
【0045】
このように本実施の形態1によれば、入力信号Dが入力される第1のレベルシフト回路1の出力を、入力リファレンス電圧VRが入力される第2のレベルシフト回路2の電流源FET9のゲートに入力するバイアス回路16を設けたので、第2のレベルシフト回路2の出力には一定の電圧ではなく、常に入力信号Dと逆位相の波形を有する信号が出力されるようになる。そして、上記第1および第2のレベルシフト回路1,2の出力を、直接あるいは他のレベルシフト回路を介して後段の差動増幅器3の2つの入力端子に入力するように構成することにより、差動増幅器3はあたかも差動入力が行われたときのように動作し、シングルエンド入力時よりも大きな利得が得られるようになる。
【0046】
実施の形態2.
図5は本実施の形態2による差動増幅器の構成を示す図である。図5において、図1と同一符号は同一または相当部分を示し、161は第1のレベルシフト回路から信号を取り出し、これを第2のレベルシフト回路2の電流源FET9のゲート端子に入力するためのバイアス回路である。
【0047】
本実施の形態2においては、上記実施の形態1におけるバイアス回路16を構成するバイパスコンデンサ17に代えてダイオード19を用いるようにした点が特徴である。
【0048】
すなわち、19は図1に示したバイパス回路16を構成するバイパスコンデンサ17の代わりに用いられた逆方向バイアス状態のダイオードである。逆方向バイアス状態のダイオード19の等価回路は、抵抗成分と容量成分の直列接続で表され、従って回路の動作としては上記実施の形態1と同様な動作を行うことになる。
【0049】
本実施の形態2では、上記ダイオード19として、例えば、FETのショットキー特性を利用した、いわゆるショットキーダイオードを用いることにより、上記実施の形態1のように、MIMキャパシタを用いた場合に比べてMIM工程が不要になるためプロセスの工程数を削減することができ、また、パターンレイアウト上においてもその占有面積を小さいものとすることができ、集積化に有利である。
【0050】
実施の形態3.
図6は本実施の形態3による差動増幅器の構成を示す図である。図6において、図1と同一符号は同一または相当部分を示し、162は第1のレベルシフト回路から信号を取り出し、これを第2のレベルシフト回路2の電流源FET9のゲート端子に入力するためのバイアス回路である。
【0051】
本実施の形態3においては、上記実施の形態1におけるバイアス回路16を構成するゲートバイアス用の抵抗18と電流源FET9に位相補償用のインダクタ20を設けた点が特徴である。
【0052】
すなわち、上記実施の形態1あるいは実施の形態2の回路では、使用される信号が高周波になると、電流源FET9のゲートの寄生容量の影響が現れてきて、電流源FET9のゲート端での電圧位相が変化(位相遅れ)することになる。すると、第2のレベルシフト回路2から出力される信号は、第1のレベルシフト回路1から出力される信号に対して位相反転信号ではなくなる。そこで、図6に示されるように、バイアス回路162において、バイアス抵抗18とインダクタ20からなる直列回路に対しては電圧位相は進むので、本直列回路と容量17とからなる並列回路によって、上記電流源FET9のゲート寄生容量による上記第1、及び第2のレベルシフト回路1,2から出力される信号の位相の変化は減少し、第1のレベルシフト回路1から出力される信号に対して、逆位相の信号が第2のレベルシフト回路2の出力として得られるようになる。例えば、識別器のクロックバッファ回路のような、ある中心周波数に対して感度が必要な回路に差動増幅器が適用される場合には、必要となる中心周波数で以下の〔数10〕に示す条件を満たすように上記インダクタ20の値を調整すれば、電流源FET9のゲート入力信号の位相は、第1のレベルシフト回路1から取り出される信号と全く同位相になる。従って、第1のレベルシフト回路1から出力される信号と第2のレベルシフト回路2から出力される信号とは全く逆位相となる。
【0053】
【数10】
【0054】
なお、上記〔数10〕において、Cはバイパスコンデンサ17の容量を示し、Lはインダクタ20のインダクタンスを示し、Rはバイアス抵抗18の抵抗値を示し、ωは角周波数を示す。
【0055】
実施の形態4.
図7(a) は本実施の形態4による差動増幅器の構成を示す図である。図7(a) において、図1と同一符号は同一または相当部分を示し、163は第1のレベルシフト回路1から信号を取り出し、これを第2のレベルシフト回路2の電流源FET9のゲート端子に入力するためのバイアス回路である。
【0056】
本実施の形態4においては、上記実施の形態1におけるバイアス回路16を構成するバイパスコンデンサ17と並列に抵抗21を設けた点が特徴である。また、22及び23は第1のレベルシフト回路1を構成する定電流源FET5のゲートバイアスを、第2のレベルシフト回路2を構成する電流源FET9のゲートバイアスに等しくするためのバイアス回路を構成する抵抗である。さらに、24は上記電流源FET9のゲート・ソース間抵抗(電圧)を調整するための抵抗であって、本抵抗24を挿入することにより上記電流源FET9のゲート・ソース間電圧を0V以下にも設定できる。また、25は上記定電流源FET5のゲート・ソース間電位を上記電流源FET9のそれと等しくするために挿入された抵抗である。
【0057】
上記実施の形態1から実施の形態3で示したバイアス回路16,161,162においては、バイパスコンデンサ17がショートとみなせる、すなわち、その存在が高周波的には無視できることを前提としていたが、本実施の形態4では、バイパスコンデンサ17がショートと見なせないような低周波領域で使用する場合においても対応できるものである。すなわち、使用する周波数が低くなるとバイパスコンデンサ17は第1のレベルシフト回路1から出力される出力(高周波)に対して位相の変化(位相進み)をもたらすことになる。
【0058】
そこで本実施の形態4では、図7(a) に示すように抵抗21〜25をそれぞれ設けることにより、図7(b) に示すようなバイアス回路163が等価的に形成されるようにしたものである。すなわち、図7(b) において、R1は抵抗21の抵抗値を示し、C1はバイパスコンデンサ17の容量値を示し、R2はバイアス抵抗18の抵抗値を示し、C2は電流源FET9のゲート端子の入力容量を示している。なお、図7(b) において、抵抗24の抵抗値は、バイアス抵抗18、及び抵抗21の抵抗値に比べて十分小さな値を用いているとして無視した。本バイアス回路において、第1のソースフォロア回路1からバイアス回路163に入力された電圧をV3 とし、電流源FET9のゲート端子に発生した電圧をV4 とすると、電圧V3 に対して、抵抗21と容量17とからなる並列回路を流れた後の電流位相は進むのに対して、抵抗18と電流源FET9の寄生容量とによる並列回路に電流が流れた時に発生する電圧V4 は、電流位相に対して遅れる。
【0059】
ここで、抵抗21と容量17との並列回路において入力電圧に対する電流の位相角をφ1 とし、抵抗18と電流源FET19の寄生容量とによる並列回路において入力電流に対する発生電圧V4 の位相角をφ2 とすると、φ1 =φ2 の時、入力電圧V3 とV4 との位相が等しくなる。つまり、
【0060】
【数11】
【0061】
が成り立つためには、C1 R1 =C2 R2 となるように抵抗値、及び容量値を決めればよいことになる。この時、周波数に依らず位相は等しくなるので、バイアス回路163は使用周波数が変化しても位相は変化しない。また、電流源FET9のゲート端に発生する電圧V4 の振幅について考えると、上記C1 R1 =C2R2 が成り立っている時、V3 とV4 の比は以下の〔数12〕のように表され、
【0062】
【数12】
【0063】
周波数に依らず一定に保たれる。
このように本実施の形態4によれば、バイパス回路163を構成するバイパスコンデンサ17と並列に抵抗21を設け、コンデンサ17による位相進みを、これに直列接続された、抵抗18と電流源9の寄生容量とからなる並列回路を用いて調整することにより補償するようにしたから、バイパスコンデンサ17をショートと見なせないような低周波領域で使用する場合においても、第1のレベルシフト回路1と第2のレベルシフト回路2から出力される信号の位相偏差を低く保つことができ、周波数特性を持たないバイアス回路163を備えた差動増幅器を提供することができる。
【0064】
実施の形態5.
図8は本実施の形態5による差動増幅器の構成を示す図である。図8において、図1と同一符号は同一または相当部分を示し、164は第1のレベルシフト回路1から信号を取り出し、これを第2のレベルシフト回路2の電流源FET9のゲート端子に入力するためのバイアス回路である。
【0065】
本実施の形態5においては、上記実施の形態4におけるバイアス回路163を構成するバイパスコンデンサ17を取り除き、抵抗21のみを備えた構成とした点が特徴である。
【0066】
上記実施の形態4のバイアス回路163において、電流源FET9の入力インピーダンスが非常に大きく見える周波数領域ではバイパスコンデンサ17は不要である。従って、図8の回路は電流源FET9の入力インピーダンスが無視できる範囲において上記実施の形態4の構成のものと同じ効果を奏する。
【0067】
このように本実施の形態5によれば、電流源FET9の入力インピーダンスが、使用される周波数帯にとって大きく見える時にはバイパス回路を構成するバイパスコンデンサが不要になるので、これを排除するようにしたことで、その分チップ面積の縮小が可能である。
【0068】
実施の形態6.
図9は本実施の形態6による差動増幅器の構成を示す図である。図9において、図7と同一符号は同一または相当部分を示し、165は第1のレベルシフト回路から信号を取り出し、これを第2のレベルシフト回路2の電流源FET9のゲート端子に入力するためのバイアス回路である。
【0069】
本実施の形態6においては、上記実施の形態4におけるバイアス回路163を構成する電流源FET9のゲートバイアス用の抵抗18と並列にコンデンサ26を備えた構成とした点が特徴である。
【0070】
上記実施の形態4のバイアス回路163を用いた場合、電流源FET9の入力容量が非常に小さい時には、バイパスコンデンサ17を、例えば、MIMキャパシタなどで構成したい場合に精度よく作り込むことが困難である。そこで、本実施の形態6では、電流源FET9の入力容量に対して、バイパスコンデンサ17がMIMキャパシタなどで実現可能となるような大きめの容量C3 を持つコンデンサ26を並列に接続することで、
【0071】
【数13】
【0072】
となり、バイパスコンデンサ17の作製を容易にすることができる。図10はバイパスコンデンサ17とコンデンサ26とをそれぞれMIMキャパシタで構成したときのパターンレイアウトを示す図である。
【0073】
このように本実施の形態7によれば、電流源FET9の入力容量が小さい場合に、該電流源FET9のゲート前段に該電流源FET9のゲートバイアス抵抗18と並列にコンデンサ26を設け、電流源FET9の入力容量を補償し、見かけ上大きな容量となるようにしたので、電流源FET9の入力容量が非常に小さい時でも、バイパスコンデンサ17を、MIMキャパシタなどで容易に精度よく構成することができる。
【0074】
実施の形態7.
図11は本実施の形態7による差動増幅器の構成を示す図である。図11において、図9と同一符号は同一または相当部分を示し、166は第1のレベルシフト回路から信号を取り出し、これを第2のレベルシフト回路2の電流源FET9のゲート端子に入力するためのバイアス回路である。
【0075】
本実施の形態7においては、上記実施の形態6におけるバイアス回路165を構成する電流源FET9の入力容量を補償するためのコンデンサ26に代えて、その容量が可変な可変容量コンデンサ27を備えた構成とした点が特徴である。
【0076】
すなわち、実際にはICを構成する場合、電流源FET9の入力容量はプロセス毎に変化する可能性がある。これに対し、本実施の形態7では、バイアス抵抗18と並列に接続されるコンデンサとして、可変容量コンデンサ27を用いることで、電流源FET9の製造プロセスによる入力容量のバラツキを補正可能としたものである。
【0077】
図12は本実施の形態7で示された可変容量コンデンサ27をMIMキャパシタで構成したときのパターンレイアウトを示す図であり、MIMの上地電極28を可変したいレンジの大きさとなるように分割し、個々の上地電極28を配線29で並列に接続し、必要に応じてこの配線29をレーザ等で切断することにより、キャパシタとしての容量を調節することができる。
【0078】
このように本実施の形態8によれば、電流源FET9の入力容量を調整するためのコンデンサとして可変容量コンデンサ27を用いるようにしたので、製造プロセスによって電流源FET9の入力容量がバラついても、これを適宜補正することができ、製造歩留まりの向上を図ることができる。
【0079】
実施の形態8.
図13は本実施の形態8による差動増幅器の構成を示す図である。図13において、図11と同一符号は同一または相当部分を示し、167は第1のレベルシフト回路から信号を取り出し、これを第2のレベルシフト回路2の電流源FET9のゲート端子に入力するためのバイアス回路である。
【0080】
本実施の形態8においては、上記実施の形態7におけるバイアス回路166を構成する可変容量コンデンサ27に代えて、ダイオード32で構成した点が特徴である。すなわち、ダイオード32に抵抗30を介して与えられる電圧VCON を変化させることによりダイオード32の容量を変化させることができる。また、ダイオード33は電流源FET9のゲートバイアスが変化するのに伴って、電流源FET5のゲートバイアスも変化するように構成するために付加されたものであり、抵抗31を介して電圧VCON が与えられるように構成されている。
【0081】
このように本実施の形態8によれば、電流源FET9のゲートに接続される容量素子として、ダイオード32を用い、これに抵抗30を介してコントロール用の電圧VCON を印加するように構成したので、上記実施の形態7のように、変化量が固定のMIMキャパシタを用いる場合に比べて容量の微調整が可能となり、また、使用中の経年変化等によって第1のレベルシフト回路1と第2のレベルシフト回路2との位相にズレが生じても、上記コントロール用電圧VCON を外部より調整する等によって補正することができる。
【0082】
【発明の効果】
以上のように、この発明の請求項1に係る差動増幅器によれば、第1の入力信号と第2の入力信号とを独立的に入力して第1の入力信号と第2の入力信号との差電圧を増幅する差動増幅器において、データ信号を上記第1の入力信号として外部より入力される第1のソースフォロア回路と、一定電位の信号が上記第2の入力信号として入力される第2のソースフォロア回路と、上記第1のソースフォロア回路の任意の接続点より上記データ信号と同位相の信号を取り出し、これを上記第2のソースフォロア回路の電流源FETのゲート端子に入力するバイアス回路とを備え、上記バイアス回路を構成する第1及び第2のソースフォロア回路の出力をそれぞれ、上記第1及び第2の入力信号として差動増幅器に供給するように構成し、外部信号源に接続される入力インターフェース回路に入力データ信号の位相反転信号を発生する機能を付加することにより、1個の差動増幅器,あるいは差動増幅器が多段に接続されている場合には初段の差動増幅器に対して、差動入力時なみに差動利得を向上させることができる効果がある。
【0083】
また、この発明の請求項3に係る差動増幅器によれば、上記請求項1記載の差動増幅器において、上記バイアス回路を、上記第1のソースフォロア回路から上記データ信号と同位相の信号を取り出す点と上記第2のソースフォロア回路の定電流源FETのゲート端子間を結合する逆バイアス状態のダイオードと、上記第2のソースフォロア回路電流源FETのゲートバイアスを与えるバイアス抵抗とを用いて構成したので、比較的小さな素子領域でバイパス回路を実現でき、また、製造工程も簡単になるという効果がある。
【0084】
また、この発明の請求項4に係る差動増幅器によれば、上記請求項2記載の差動増幅器において、上記バイアス抵抗と直列にインダクタを挿入して設け、上記第2のソースフォロア回路電流源FETの入力容量による位相遅れを補償するようにしたので、高周波領域において第2のソースフォロア回路電流源FETの入力容量の影響を抑制して差動増幅器を使用することができるという効果がある。
【0085】
また、この発明の請求項5に係る差動増幅器によれば、上記請求項2記載の差動増幅器において、上記バイパスコンデンサと並列に抵抗を挿入して設け、上記バイパス回路を構成するバイパスコンデンサによる位相進みを補償するようにしたので、上記バイパスコンデンサがショートと見なせないような周波数帯においても差動増幅器を使用することができるという効果がある。
【0086】
また、この発明の請求項6に係る差動増幅器によれば、上記請求項1記載の差動増幅器において、上記バイアス回路を、上記第1のソースフォロア回路から上記データ信号と同位相の信号を取り出す点と上記第2のソースフォロア回路の定電流源FETのゲート端子間を結合するバイパス抵抗と、上記第2のソースフォロア回路電流源FETのゲートバイアスを与えるバイアス抵抗とを用いて構成したので、第2のソースフォロア回路電流源FETの入力インピーダンスが非常に大きく見える周波数領域で差動増幅器を使用する際に、その構成を簡略化することができるという効果がある。
【0087】
また、この発明の請求項7に係る差動増幅器によれば、上記請求項5記載の差動増幅器において、上記第2のソースフォロア回路電流源FETのゲートバイアスを与えるバイアス抵抗と並列にコンデンサを接続し、上記第2のソースフォロア回路電流源FETの入力容量を増大させるようにしたので、上記第2のソースフォロア回路電流源FETの入力容量が非常に小さい時にも、バイパスコンデンサを、MIMキャパシタなどを用いて精度よく構成することができるという効果がある。
【0088】
また、この発明の請求項8に係る差動増幅器によれば、上記請求項7記載の差動増幅器において、上記コンデンサとして可変容量コンデンサを用いるようにしたので、ICを作製する際の製造プロセスのバラツキ等があってもこれを吸収することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態1による差動増幅器の構成を示す回路図である。
【図2】上記実施の形態1による差動増幅器のパターンレイアウトの一例を示す図である。
【図3】上記実施の形態1による差動増幅器のレベルシフト回路の入出力波形、及び差動増幅器の出力波形を示す図である。
【図4】上記実施の形態1による差動増幅器の周波数と利得との関係を示す図である。
【図5】この発明の実施の形態2による差動増幅器の構成を示す回路図である。
【図6】この発明の実施の形態3による差動増幅器の構成を示す回路図である。
【図7】この発明の実施の形態4による差動増幅器の構成を示す回路図である。
【図8】この発明の実施の形態5による差動増幅器の構成を示す回路図である。
【図9】この発明の実施の形態6による差動増幅器の構成を示す回路図である。
【図10】上記実施の形態6による差動増幅器におけるバイアス回路のパターンレイアウトの一例を示す図である。
【図11】この発明の実施の形態7による差動増幅器の構成を示す回路図である。
【図12】上記実施の形態7による差動増幅器において、可変容量をMIMキャパシタで構成した場合の可変容量を中心としたパターンレイアウトの一例を示す図である。
【図13】この発明の実施の形態8による差動増幅器の構成を示す回路図である。
【図14】従来の差動増幅器の構成を示す回路図である。
【図15】上記従来の差動増幅器の2つの入力端子に入力される信号波形を示す図である。
【図16】従来の差動増幅器のレベルシフト回路の入出力波形、及び差動増幅器の出力波形を示す図である。
【図17】従来の差動増幅器による周波数と利得との関係を示す図である。
【符号の説明】
1 第1のレベルシフト回路、2 第2のレベルシフト回路、3 差動増幅器、4,7 ソースフォロアFET、5 定電流源FET、6,8,12 レベルシフト用ダイオード、9 電流源FET、10,11 ソース結合トランジスタ対を形成するFET、13,14 負荷抵抗、15 定電流源、16,161〜
167 バイアス回路。
Claims (10)
- 第1の入力信号と第2の入力信号とを独立的に入力して第1の入力信号と第2の入力信号との差電圧を増幅する差動増幅器において、
データ信号を上記第1の入力信号として外部より入力される第1のソースフォロア回路と、
一定電位の信号が上記第2の入力信号として入力される第2のソースフォロア回路と、
上記第1のソースフォロア回路の任意の接続点より上記データ信号と同位相の信号を取り出し、これを上記第2のソースフォロア回路の電流源FETのゲート端子に入力するバイアス回路とを備え、
上記バイアス回路を構成する第1及び第2のソースフォロア回路の出力をそれぞれ、上記第1及び第2の入力信号として差動増幅器に供給するように構成したことを特徴とする差動増幅器。 - 請求項1記載の差動増幅器において、
上記バイアス回路を、
上記第1のソースフォロア回路から上記データ信号と同位相の信号を取り出す点と上記第2のソースフォロア回路の定電流源FETのゲート端子間を結合するバイパスコンデンサと、
上記第2のソースフォロア回路電流源FETのゲートバイアスを与えるバイアス抵抗とを用いて構成したことを特徴とする差動増幅器。 - 請求項1記載の差動増幅器において、
上記バイアス回路を、
上記第1のソースフォロア回路から上記データ信号と同位相の信号を取り出す点と上記第2のソースフォロア回路の定電流源FETのゲート端子間を結合する逆バイアス状態のダイオードと、
上記第2のソースフォロア回路電流源FETのゲートバイアスを与えるバイアス抵抗とを用いて構成したことを特徴とする差動増幅器。 - 請求項2記載の差動増幅器において、
上記バイアス抵抗と直列にインダクタを挿入して設け、
上記第2のソースフォロア回路電流源FETの入力容量による位相遅れを補償するようにしたことを特徴とする差動増幅器。 - 請求項2記載の差動増幅器において、
上記バイパスコンデンサと並列に抵抗を挿入して設け、
上記バイパス回路を構成するバイパスコンデンサによる位相進みを補償するようにしたことを特徴とする差動増幅器。 - 請求項1記載の差動増幅器において、
上記バイアス回路を、
上記第1のソースフォロア回路から上記データ信号と同位相の信号を取り出す点と上記第2のソースフォロア回路の定電流源FETのゲート端子間を結合するバイパス抵抗と、
上記第2のソースフォロア回路電流源FETのゲートバイアスを与えるバイアス抵抗とを用いて構成したことを特徴とする差動増幅器。 - 請求項5記載の差動増幅器において、
上記第2のソースフォロア回路電流源FETのゲートバイアスを与えるバイアス抵抗と並列にコンデンサを接続し、
上記第2のソースフォロア回路電流源FETの入力容量を増大させるようにしたことを特徴とする差動増幅器。 - 請求項7記載の差動増幅器において、
上記コンデンサとして可変容量コンデンサを用いることを特徴とする差動増幅器。 - 請求項8記載の差動増幅器において、
上記の可変容量コンデンサを、その上地電極が複数に分割され、それぞれの分割された上地電極が配線により結合されてなるようなMIMキャパシタで構成したことを特徴とする差動増幅器。 - 請求項8記載の差動増幅器において、
上記可変容量コンデンサをダイオードを用いて構成したことを特徴とする差動増幅器。
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