JP3685118B2 - Cmosインバータ回路及びdcオフセット検出回路 - Google Patents
Cmosインバータ回路及びdcオフセット検出回路 Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、CMOSを構成するNMOSトランジスタおよびPMOSトランジスタについて製造プロセス毎に生じる素子特性のバラツキに起因するDCオフセットを除去することでアナログ信号処理に適用し得るように成されたCMOSインバータ回路、並びにCMOSインバータ回路によるアナログ信号処理についての性能向上を図って改善が成されたDCオフセット検出回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、デジタル信号処理技術の進歩に伴ったデジタル機器製造の増大に応じて、デジタル機器内部に設けられた半導体装置においてCMOS集積回路が大幅に使用されるようになっている。ところが、高周波信号、映像信号、音声信号等についてはアナログ信号として処理するほうが容易な場合があり、またA/D変換回路、D/A変換回路、クロック発振回路等を実現するためにはアナログ信号処理が必要となってくる。
【0003】
アナログ信号処理回路としてはバイポーラトランジスタが良好な適性を有しており、CMOSについては、サンプルホールド回路等の一部のアナログ信号処理回路を除いてアナログ信号処理回路としての適性は低いとされてきた。然るに、CMOSインバータ回路は、非常に簡単な構成であるにもかかわらず、入力ダイナミックレンジが大きいこと、高い利得を得られること、電流供給能力が優れていること等の利点を有しており、CMOSインバータ回路をアナログ信号処理回路として利用することで全体的な回路規模の縮小並びに性能の向上を実現することが期待されている。
【0004】
図10は、アナログ信号処理回路としてのCMOSインバータ回路の構成の一例を示す図である。ここで、(a)についてはCMOSインバータ回路自体が示されており、(b)については、CMOSインバータ回路の動作特性に係る説明を容易とする為に、アナログ信号処理を実施する際の理想的な動作点を与える仮想の電圧源等を付与した回路構成が示されている。図10において、111は電圧源、112はPMOSトランジスタ、113はNMOSトランジスタ、114は接地部、115は入力端子、116は出力端子、117はMOSトランジスタのドレイン抵抗により定まる負荷抵抗、118はバイアス電圧として仮想的に設定された電圧源である。なお、電圧源111の電圧値をVdd、電圧源118の電圧値をVdd/2、負荷抵抗の抵抗値をRd、PMOSトランジスタ112のドレイン電流をIp、NMOSトランジスタ113のドレイン電流をIn、負荷抵抗117を流れる電流をId、入力端子115における入力電圧の電圧値をVg、出力端子116における出力電圧の電圧値をVoとする。
【0005】
次に、図10に示されたCMOSインバータ回路の動作特性について説明する。CMOSインバータ回路をアナログ信号処理回路として使用する場合には、入出力のダイナミックレンジをできるだけ大きくとれるように、入力電圧についてVg=Vdd/2とした際に、出力電圧についてVo=Vdd/2となるようにバイアス設定することが望まれる。このようにバイアス設定した際におけるPMOSトランジスタ112のドレイン電流IpおよびNMOSトランジスタ113のドレイン電流Inは、それぞれ式(1)および式(2)により示される。
【数1】
ここで、MpはPMOSトランジスタ112のドレイン電流係数、VtpはPMOSトランジスタ112の閾値電圧、MnはNMOSトランジスタ113のドレイン電流係数、VtnはNMOSトランジスタ113の閾値電圧である。
【0006】
図10(b)に示されるように、出力電圧Voは、MOSトランジスタのドレイン抵抗により規定される負荷抵抗117の抵抗値Rdと当該負荷抵抗117に流れる電流Idとにより定まり、式(3)により与えられる。また、適切なバイアス設定を実現するために、Vo=Vg=Vdd/2とする条件は式(4)により与えられる。
【数2】
式(4)に示されるように、PMOSトランジスタ112およびNMOSトランジスタ113について、ドレイン電流係数Mp,Mn、閾値電圧Vtp,Vtn等のパラメータが一致する場合にVo=Vgとなる。したがって、PMOSトランジスタ112およびNMOSトランジスタ113の素子特性に係るパラメータを等しくすることで所望のバイアス設定を実現することができる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
然るに、PMOSトランジスタおよびNMOSトランジスタの素子特性に係るパラメータは、通常各製造プロセス毎に生じる微妙な製造環境の差異に起因して大きくばらつくことが知られている(以降では、このような製造プロセス毎に生じるMOSトランジスタの素子特性のバラツキを製造バラツキと称するものとする)。このために、Vo=Vgとはならず、素子特性のバラツキに基づいて、Ip>Inとなる場合にはVo>Vgとなり、Ip<Inとなる場合にはVo<Vgとなる。したがって、バイアス設定のために、入力電圧をVg=Vdd/2としても出力電圧VoはVdd/2からずれてしまって所謂DCオフセットが生じることとなる。
【0008】
したがって、製造バラツキに応じてDCオフセットが発生するために、出力について充分なダイナミックレンジをとることができす、このままでは高利得アンプあるいはバッファアンプ等のアナログ信号処理回路としては使用することができないという課題があった。
【0009】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、製造バラツキに起因するDCオフセットを除去してアナログ信号処理に適用可能なCMOSインバータ回路及びDCオフセット検出回路を得ることを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るCMOSインバータ回路は、電圧源に直接的または間接的にソースが接続される第1のPMOSトランジスタと、接地部に間接的にソースが接続される第1のNMOSトランジスタと、前記第1のPMOSトランジスタのゲートおよび前記第1のNMOSトランジスタのゲートに接続される入力端子と、前記第1のPMOSトランジスタのドレインと前記第1のNMOSトランジスタのドレインとの接続部位に接続される出力端子と、前記第1のNMOSトランジスタのソースと前記接地部との間に介装される第2のNMOSトランジスタと、前記電圧源に直接的または間接的にソースが接続され、前記第1のPMOSトランジスタと同一に形成される第3のPMOSトランジスタと、前記接地部に間接的にソースが接続され前記第1のNMOSトランジスタと同一に形成される第3のNMOSトランジスタと、前記第3のPMOSトランジスタのゲートおよび前記第3のNMOSトランジスタのゲートに直流バイアス電圧を与えるバイアス用電圧源と、前記第3のNMOSトランジスタのソースと前記接地部との間に介装され前記第2のNMOSトランジスタと同一に形成される第4のNMOSトランジスタと、非反転入力部が前記第3のPMOSトランジスタのドレインと前記第3のNMOSトランジスタのドレインとの接続部位に接続され、反転入力部が前記第3のPMOSトランジスタのゲートと前記第3のNMOSトランジスタのゲートとの接続部位に接続され、出力部が前記第2のNMOSトランジスタのゲートおよび前記第4のNMOSトランジスタのゲートに接続される演算増幅器とを有して構成される。
【0011】
この発明に係るCMOSインバータ回路は、演算増幅器が、差動対を構成するように互いにドレインが接続されてゲートに非反転入力部が接続される第5のNMOSトランジスタおよびゲートに反転入力部が接続される第6のNMOSトランジスタと、カレントミラーを構成するように互いにゲートが接続される第5のPMOSトランジスタおよび第6のPMOSトランジスタと、前記第5のNMOSトランジスタのソースにドレインが接続される第7のNMOSトランジスタと、前記第6のNMOSトランジスタのソースにドレインが接続される第8のNMOSトランジスタと、前記第5のPMOSトランジスタのドレインにドレインが接続される第9のNMOSトランジスタと、前記第6のPMOSトランジスタのドレインにドレインが接続される第10のNMOSトランジスタとを有して構成され、前記第7のNMOSトランジスタのゲートと前記第10のNMOSトランジスタのゲートと前記第6のNMOSトランジスタのソースとが接続され、前記第8のNMOSトランジスタのゲートと前記第9のNMOSトランジスタのゲートと前記第5のNMOSトランジスタのソースとが接続され、前記第5のPMOSトランジスタのドレインと前記第9のNMOSトランジスタのドレインとの接続部位あるいは前記第6のPMOSトランジスタのドレインと前記第10のNMOSトランジスタのドレインとの接続部位のいずれかが出力部に接続される。
【0012】
この発明に係るCMOSインバータ回路は、電圧源に間接的にソースが接続される第1のPMOSトランジスタと、接地部に直接的または間接的にソースが接続される第1のNMOSトランジスタと、前記第1のPMOSトランジスタのゲートおよび前記第1のNMOSトランジスタのゲートに接続される入力端子と、前記第1のPMOSトランジスタのドレインと前記第1のNMOSトランジスタのドレインとの接続部位に接続される出力端子と、前記第1のPMOSトランジスタのソースと前記電圧源との間に介装される第2のPMOSトランジスタと、前記電圧源に間接的にソースが接続され、前記第1のPMOSトランジスタと同一に形成される第3のPMOSトランジスタと、前記接地部に直接的または間接的にソースが接続され前記第1のNMOSトランジスタと同一に形成される第3のNMOSトランジスタと、前記第3のPMOSトランジスタのゲートおよび前記第3のNMOSトランジスタのゲートに直流バイアス電圧を与えるバイアス用電圧源と、前記第3のPMOSトランジスタのソースと前記電圧源との間に介装され前記第2のPMOSトランジスタと同一に形成される第4のPMOSトランジスタと、非反転入力部が前記第3のPMOSトランジスタのドレインと前記第3のNMOSトランジスタのドレインとの接続部位に接続され、反転入力部が前記第3のPMOSトランジスタのゲートと前記第3のNMOSトランジスタのゲートとの接続部位に接続され、出力部が前記第2のPMOSトランジスタのゲートおよび前記第4のPMOSトランジスタのゲートに接続される演算増幅器とを有して構成される。
この発明に係るCMOSインバータ回路は、演算増幅器が、差動対を構成するように互いにドレインが接続されてゲートに非反転入力部が接続される第5のPMOSトランジスタおよびゲートに反転入力部が接続される第6のPMOSトランジスタと、カレントミラーを構成するように互いにゲートが接続される第5のNMOSトランジスタおよび第6のNMOSトランジスタと、前記第5のPMOSトランジスタのソースにドレインが接続される第7のPMOSトランジスタと、前記第6のPMOSトランジスタのソースにドレインが接続される第8のPMOSトランジスタと、前記第5のNMOSトランジスタのドレインにドレインが接続される第9のPMOSトランジスタと、前記第6のNMOSトランジスタのドレインにドレインが接続される第10のPMOSトランジスタとを有して構成され、前記第7のPMOSトランジスタのゲートと前記第10のPMOSトランジスタのゲートと前記第6のPMOSトランジスタのソースとが接続され、前記第8のPMOSトランジスタのゲートと前記第9のPMOSトランジスタのゲートと前記第5のPMOSトランジスタのソースとが接続され、前記第5のNMOSトランジスタのドレインと前記第9のPMOSトランジスタのドレインとの接続部位あるいは前記第6のNMOSトランジスタのドレインと前記第10のPMOSトランジスタのドレインとの接続部位のいずれかが出力部に接続される。
【0013】
この発明に係るCMOSインバータ回路は、電圧源に間接的にソースが接続される第1のPMOSトランジスタと、接地部に間接的にソースが接続される第1のNMOSトランジスタと、前記第1のPMOSトランジスタのゲートおよび前記第1のNMOSトランジスタのゲートに接続される入力端子と、前記第1のPMOSトランジスタのドレインと前記第1のNMOSトランジスタのドレインとの接続部位に接続される出力端子と、前記第1のNMOSトランジスタのソースと前記接地部との間に介装される第2のNMOSトランジスタと、前記第1のPMOSトランジスタのソースと前記電圧源との間に介装される第2のPMOSトランジスタと、前記電圧源に間接的にソースが接続され、前記第1のPMOSトランジスタと同一に形成される第3のPMOSトランジスタと、前記接地部に間接的にソースが接続され前記第1のNMOSトランジスタと同一に形成される第3のNMOSトランジスタと、前記第3のPMOSトランジスタのゲートおよび前記第3のNMOSトランジスタのゲートに直流バイアス電圧を与えるバイアス用電圧源と、前記第3のNMOSトランジスタのソースと前記接地部との間に介装され前記第2のNMOSトランジスタと同一に形成される第4のNMOSトランジスタと、前記第3のPMOSトランジスタのソースと前記電圧源との間に介装され前記第2のPMOSトランジスタと同一に形成される第4のPMOSトランジスタと、非反転入力部が前記第3のPMOSトランジスタのドレインと前記第3のNMOSトランジスタのドレインとの接続部位に接続され、反転入力部が前記第3のPMOSトランジスタのゲートと前記第3のNMOSトランジスタのゲートとの接続部位に接続され、出力部が前記第2のNMOSトランジスタのゲートおよび前記第4のNMOSトランジスタのゲートに接続される第1の演算増幅器と、非反転入力部が前記第3のPMOSトランジスタのドレインと前記第3のNMOSトランジスタのドレインとの接続部位に接続され、反転入力部が前記第3のPMOSトランジスタのゲートと前記第3のNMOSトランジスタのゲートとの接続部位に接続され、出力部が前記第2のPMOSトランジスタのゲートおよび前記第4のPMOSトランジスタのゲートに接続される第2の演算増幅器とを有して構成される。
【0014】
この発明に係るDCオフセット検出回路は、電圧源に接続される第3のPMOSトランジスタと、該第3のPMOSトランジスタのドレインにドレインが接続される第3のNMOSトランジスタと、第3のPMOSトランジスタのゲートおよび第3のNMOSトランジスタのゲートに直流バイアス電圧を与えるバイアス用電圧源と、第3のNMOSトランジスタのソースにドレインが接続されるとともに接地部にソースが接続される第4のNMOSトランジスタと、非反転入力部が第3のPMOSトランジスタのドレインと第3のNMOSトランジスタのドレインとの接続部位に接続され、反転入力部が第3のPMOSトランジスタのゲートと第3のNMOSトランジスタのゲートとの接続部位に接続され、出力部が第4のNMOSトランジスタのゲートに接続される演算増幅器とを有して構成されるようにしたものである。
【0015】
この発明に係るDCオフセット検出回路は、接地部に接続される第3のNMOSトランジスタと、該第3のNMOSトランジスタのドレインにドレインが接続される第3のPMOSトランジスタと、第3のPMOSトランジスタのゲートおよび第3のNMOSトランジスタのゲートに直流バイアス電圧を与えるバイアス用電圧源と、第3のPMOSトランジスタのソースにドレインが接続されるとともに電圧源にソースが接続される第4のPMOSトランジスタと、非反転入力部が第3のPMOSトランジスタのドレインと第3のNMOSトランジスタのドレインとの接続部位に接続され、反転入力部が第3のPMOSトランジスタのゲートと第3のNMOSトランジスタのゲートとの接続部位に接続され、出力部が第4のPMOSトランジスタのゲートに接続される演算増幅器とを有して構成されるようにしたものである。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本願発明に係る実施の形態を説明する。なお、以下の説明においては、本願発明の実施の形態に記載された実施例の各要素と、特許請求の範囲に記載された発明の各要素との対応関係を明らかにするために、実施例の各要素にそれぞれ対応する特許請求の範囲に記載された発明の各要素を本願発明の実施の形態に係る説明文中において適宜かっこ書きにより示すものとする。
【0019】
実施の形態1.
図1は、本願発明に係るDCオフセット検出回路の動作原理を示すための図である。図1において、1は電圧源、2はPMOSトランジスタ(第3のPMOSトランジスタ)、3はNMOSトランジスタ(第3のNMOSトランジスタ)、4は接地部、5はNMOSトランジスタ3のソースと接地部4との間に介装されDCオフセットを削減するようにNMOSトランジスタ3のソース電圧を上げる電圧源、6は入力端子、7は出力端子である。なお、PMOSトランジスタ2のバックゲートはソースに接続され、NMOSトランジスタ3のバックゲートは接地部4に接続される。なお、電圧源1の電源値をVdd、PMOSトランジスタのドレイン電流をIp、NMOSトランジスタのドレイン電流をIn、出力端子7へ流れる電流をId、電圧源5の電圧値(以下、シフト電圧と称する)をVs、入力電圧をVg、出力電圧をVoとする。
【0020】
次に、図1に示されたCMOS回路の動作特性について説明する。ここでも、適切なバイアス設定を実現するために、Vg=Vdd/2としてDCオフセットに係る評価を実施する。上記条件下におけるPMOSトランジスタ2のドレイン電流IpおよびNMOSトランジスタ3のドレイン電流Inは、それぞれ式(5)および式(6)により与えられる。
【数3】
したがって、PMOSトランジスタ2のドレイン電流IpとNMOSトランジスタ3のドレイン電流Inとの差として与えられる電流Idは、式(7)により与えられる。
【数4】
【0021】
式(7)から明らかなように、シフト電圧Vsの電圧値を適宜調整することで、Id=0とすることができる。この際、出力電圧Voが入力電圧Vgに一致する。ここで、Id=0とすることができるシフト電圧Vsの電圧値は、以下の式(8)から算出される。
【数5】
例えば、PMOSトランジスタ2のドレイン電流係数MpとNMOSトランジスタ3のドレイン電流係数Mnとが等しい場合には、Vs=Vtp−Vtnとなってシフト電圧の電圧値が定まる。ところで、単一電源により動作する際にはVs≧0となるから、Vtp≧Vtnである場合についてのみ出力電圧に係るDCオフセットを除去することが可能となる。なお、Vtp<Vtnである場合については、PMOSトランジスタ2のソースと電圧源1との間に電圧シフト用の電圧源を介装することにより、DCオフセットを同様に除去することが可能となる。
【0022】
また、PMOSトランジスタ2の閾値電圧VtpとNMOSトランジスタ3の閾値電圧Vtnとが等しい場合には、Vtp=Vtn=Vtとして、以下の式(9)に基づいてシフト電圧Vsの電圧値を求めることができる。
【数6】
ところで、単一電源により動作する際にはVs≧0であるとともに、Vg−Vt>0であるから、Mp≦Mnである場合についてのみ出力電圧に係るDCオフセットを除去することが可能となる。なお、Mp>Mnである場合については、PMOSトランジスタ2のソースと電圧源1との間に電圧シフト用の電圧源を介装することにより、DCオフセットを同様に除去することが可能となる。
【0023】
次に、製造バラツキに起因するDCオフセットを除去するようにシフト電圧を自動的に調整可能であるDCオフセット検出回路(DCオフセット検出手段)について説明する。図2は、この発明の実施の形態1によるDCオフセット検出回路を示す回路図である。図2において、図1と同一符号は同一または相当部分を示すのでその説明を省略する。8はNMOSトランジスタ3のソースと接地部4との間に介装されたNMOSトランジスタ(第4のNMOSトランジスタ)、9は非反転入力部が出力端子7に接続され反転入力部が入力端子6に接続され出力部がNMOSトランジスタ8のゲートに接続される演算増幅器(第1の演算増幅器)である。ここで、NMOSトランジスタ8のバックゲートは接地部4に接続される。
【0024】
次に、図2に示されたDCオフセット検出回路の動作特性について説明する。PMOSトランジスタ2のドレイン電流Ipは式(10)により与えられ、NMOSトランジスタ3のドレイン電流Inは式(11)により与えられ、NMOSトランジスタ8のドレイン電流Inは式(12)により与えられる。ここでは説明を簡単にするために、NMOSトランジスタ3とNMOSトランジスタ8とは同一に形成されるものとして、ドレイン電流係数Mn、閾値電圧Vtn等の素子特性については互いに等しいものとして解析を実施する。なお、本願発明に係るDCオフセット検出回路では、NMOSトランジスタ3とNMOSトランジスタ8とが同一に形成されることを必須要件とするものではない。
【数7】
ここで、VnはNMOSトランジスタ8のゲート電圧である。演算増幅器9によりゲート電圧Vnを印加することで、非飽和領域において動作するNMOSトランジスタ8のドレイン電流と飽和領域において動作するNMOSトランジスタ3のドレイン電流とが等しくなり、式(11)と式(12)とから、所望のシフト電圧Vsを発生させるためのゲート電圧Vnは式(13)に示すように求められる。
【数8】
【0025】
シフト電圧Vsは、CMOSインバータに係るDCオフセットを除去するための電圧値として式(8)に基づいて定められるから、式(13)に式(8)を代入することにより、製造バラツキに起因して発生するDCオフセットを除去するためにNMOSトランジスタ8のゲートに与えられるべきゲート電圧Vnは式(14)により与えられる。
【数9】
上記のように、PMOSトランジスタ2、NMOSトランジスタ3およびNMOSトランジスタ8に係るドレイン電流係数Mp、ドレイン電流係数Mn、閾値電圧Vtp、閾値電圧Vtn等の素子特性のバラツキに応じて、印加することが必要とされるゲート電圧Vnの電圧値は式(14)に基づき一意に決定されるものである。
【0026】
例えば、PMOSトランジスタ2のドレイン電流係数MpとNMOSトランジスタ3,8のドレイン電流係数Mnとが等しく、PMOSトランジスタ2の閾値電圧VtpとNMOSトランジスタ3,8の閾値電圧Vtnとにバラツキが生じている場合には、式(15)からゲート電圧Vnは求められる。
【数10】
また、PMOSトランジスタ2の閾値電圧VtpとNMOSトランジスタ3,8の閾値電圧Vtnとが等しくてVtp=Vtn=Vtとなり、PMOSトランジスタ2のドレイン電流係数MpとNMOSトランジスタ3,8のドレイン電流係数Mnとにバラツキが生じている場合には、式(16)からゲート電圧Vnは求められる。
【数11】
【0027】
ここで、図2に示されるDCオフセット検出回路の動作について説明する。出力電圧Voが入力電圧Vgより大きくなると、出力電圧Voと入力電圧Vgとの差動電圧を増幅した電圧がNMOSトランジスタ8のゲートに印加される。NMOSトランジスタ8のゲート電圧が大きくなると当該NMOSトランジスタのドレイン抵抗が小さくなって出力電圧Voは低下する。したがって、演算増幅器9から出力される電圧Vnは、出力電圧Voと入力電圧Vgとを等しくさせるような電圧値に収斂する。
【0028】
次に、図2に示されるDCオフセット検出回路を利用したこの発明の実施の形態1によるCMOSインバータ回路について説明する。図3は、この発明の実施の形態1によるCMOSインバータ回路の構成を示す回路図である。図3において、図2と同一符号は同一または相当部分を示すのでその説明を省略する。10はアナログ信号処理を実施できるように設定されるバイアス電圧を印加する電圧源、11はPMOSトランジスタ2と同一に形成されるPMOSトランジスタ(第1のPMOSトランジスタ)、12はNMOSトランジスタ3と同一に形成されるNMOSトランジスタ(第1のNMOSトランジスタ)、13はNMOSトランジスタ8と同一に形成されるNMOSトランジスタ(第2のNMOSトランジスタ)、14は入力端子、15は出力端子である。ここで、入力端子14における入力電圧をVin、出力端子15における出力電圧をVoutとする。また、PMOSトランジスタ11のバックゲートはソースに接続され、NMOSトランジスタ12のバックゲートは接地部4に接続され、NMOSトランジスタ13のバックゲートは接地部4に接続される。なお、バイアス用電圧源10については、例えば電圧源1の電源電圧を抵抗分割すること等の種々の方法を用いて実現することが可能である。また、上記のインバータ回路は同一チップ内に形成されることで同一の製造プロセスを経るものであるから、PMOSトランジスタ2とPMOSトランジスタ11、NMOSトランジスタ3とNMOSトランジスタ12、NMOSトランジスタ8とNMOSトランジスタ13とについては、それぞれドレイン電流係数や閾値電圧等の素子特性が互いに等しいものとみなすことができる。また、PMOSトランジスタ2、NMOSトランジスタ3、NMOSトランジスタ8、演算増幅器9およびバイアス用電圧源10等から成るDCオフセット検出回路(第1のDCオフセット検出手段)と、NMOSトランジスタ13とから、DCオフセットを削減するように、NMOSトランジスタ12のソース電圧を上げる第1の電圧シフト手段が構成される。
【0029】
次に、図3に示されたCMOSインバータ回路の動作について説明する。図2に示されるDCオフセット検出回路に係る動作において述べたように、PMOSトランジスタ2のドレインとNMOSトランジスタ3のドレインとの接続部位の電圧Voはバイアス設定用に電圧源10により与えられるバイアス電圧Vgに等しくなる。また、上述したように、PMOSトランジスタ2とPMOSトランジスタ11、NMOSトランジスタ3とNMOSトランジスタ12、およびNMOSトランジスタ8とNMOSトランジスタ13とについては、それぞれ素子特性が同一であるものとみなすことができるので、演算増幅器9の出力電圧をNMOSトランジスタ13のゲートに印加することで、入力電圧VinについてVin=Vgの際に出力電圧VoutについてVout=Vgとすることができて、DCオフセットを除去することが可能となる。すなわち、DCオフセット検出回路により当該DCオフセット検出回路を備えたCMOSインバータ回路が生成されたチップについて発現するDCオフセット量を検出し、このDCオフセット量を指標する電圧Vnを電圧シフト用のNMOSトランジスタ13のゲートに印加することで、PMOSトランジスタ11およびNMOSトランジスタ12等から成るCMOSインバータ回路のDCオフセットを除去することが可能となる。
【0030】
次に、図2および図3に示される演算増幅器の構成について説明する。図4は、演算増幅器の構成の一例を示す回路図である。図4において、21は電圧源、22,23,24,25はPMOSトランジスタ、26,27,28,29,30はNMOSトランジスタ、31は電圧源、32は接地部、33は反転入力部、34は非反転入力部、35は出力部である。
【0031】
PMOSトランジスタ22,23,24,25のソースは電圧源21に接続され、PMOSトランジスタ22のゲートとPMOSトランジスタ23のゲートとは、互いに接続されるとともにPMOSトランジスタ23のドレインに接続される。PMOSトランジスタ24のゲートとPMOSトランジスタ25のゲートとは、互いに接続されるとともにPMOSトランジスタ24のドレインに接続される。NMOSトランジスタ26については、ドレインがPMOSトランジスタ23のドレインに接続され、ゲートが反転入力部33に接続される。NMOSトランジスタ27については、ドレインがPMOSトランジスタ24のドレインに接続され、ゲートが非反転入力部34に接続される。NMOSトランジスタ26のソースとNMOSトランジスタ27のソースとは、互いに接続されるとともにNMOSトランジスタ30のドレインに接続される。NMOSトランジスタ28のドレインはPMOSトランジスタ22のドレインに接続され、NMOSトランジスタ29のドレインはPMOSトランジスタ25のドレインに接続される。NMOSトランジスタ28のゲートとNMOSトランジスタ29のゲートとは、互いに接続されるとともにNMOSトランジスタ28のドレインに接続される。NMOSトランジスタ30のゲートは電圧源31に接続される。NMOSトランジスタ28,29,30のソースは接地部32に接続される。そして、PMOSトランジスタ25のドレインとNMOSトランジスタ29のドレインとの接続部位が出力部35に接続される。なお、PMOSトランジスタ22,23,24,25のバックゲートは電圧源21に接続され、NMOSトランジスタ26,27のバックゲートはそれぞれソースに接続され、NMOSトランジスタ28,29,30のバックゲートは接地部32に接続される。
【0032】
上記のような演算増幅器において、PMOSトランジスタ22とPMOSトランジスタ23、PMOSトランジスタ24とPMOSトランジスタ25、NMOSトランジスタ28とNMOSトランジスタ29とにより、それぞれカレントミラーが構成される。また、NMOSトランジスタ30と電圧源31とにより、定電流源が構成される。
【0033】
次に、図4に示される演算増幅器の動作について説明する。演算増幅器の反転入力部33はDCオフセット検出回路を構成するCMOSの入力部に接続されるとともに非反転入力部34はDCオフセット検出回路を構成するCMOSの出力部に接続されるから、反転入力部33に印加される電圧をVg、非反転入力部34に印加される電圧をVo、ゲート電圧Vgに応じてNMOSトランジスタ26を流れるドレイン電流をIg、およびゲート電圧Voに応じてNMOSトランジスタ27を流れるドレイン電流をIoとする。
【0034】
NMOSトランジスタ26のドレイン電流すなわちPMOSトランジスタ23のドレイン電流は、PMOSトランジスタ22,23から成るカレントミラーにより折り返されてPMOSトランジスタ22のドレイン電流と等しくなる。PMOSトランジスタ22のドレイン電流すなわちNMOSトランジスタ28のドレイン電流は、NMOSトランジスタ28,29から成るカレントミラーにより折り返されてNMOSトランジスタ29のドレイン電流と等しくなる。これにより、NMOSトランジスタ29のドレイン電流はIgとなる。また、NMOSトランジスタ27のドレイン電流すなわちPMOSトランジスタ24のドレイン電流は、PMOSトランジスタ24,25から成るカレントミラーにより折り返されてPMOSトランジスタ25のドレイン電流に等しくなる。これにより、PMOSトランジスタ25のドレイン電流はIoとなる。したがって、出力部35を流れる電流はIo−Igとなる。
【0035】
ここで、NMOSトランジスタ29が引き込むドレイン電流Igに対してPMOSトランジスタ25から流れ込むドレイン電流Ioの方が大きくなると出力電圧Vnは上昇し、逆にPMOSトランジスタ25から流れ込むドレイン電流Ioに対してNMOSトランジスタ29が引き込むドレイン電流Igの方が大きくなると出力電圧Vnは低下する。したがって、図4に示される演算増幅器は、DCオフセット検出回路の出力電圧Voと入力電圧Vgとの差動電圧を増幅した電圧Vnを出力する。
【0036】
次に、図2および図3に示される演算増幅器の変形例について説明する。図5は、演算増幅器の構成の他の例を示す図である。図5において、41は電圧源、42はPMOSトランジスタ(第5のPMOSトランジスタ)、43はPMOSトランジスタ(第6のPMOSトランジスタ)、44はNMOSトランジスタ(第5のNMOSトランジスタ)、45はNMOSトランジスタ(第6のNMOSトランジスタ)、46はNMOSトランジスタ(第9のNMOSトランジスタ)、47はNMOSトランジスタ(第7のNMOSトランジスタ)、48はNMOSトランジスタ(第8のNMOSトランジスタ)、49はNMOSトランジスタ(第10のNMOSトランジスタ)、50は接地部、51は非反転入力部、52は反転入力部、53は出力部である。
【0037】
PMOSトランジスタ42,43のソースは、電圧源41に接続される。PMOSトランジスタ42のゲートとPMOSトランジスタ43のゲートとは、互いに接続されるとともにPMOSトランジスタ42のドレインに接続される。NMOSトランジスタ44のドレインとNMOSトランジスタ45のドレインとは互いに接続され、NMOSトランジスタ44のゲートは非反転入力部51に接続され、NMOSトランジスタ45のゲートは反転入力部52に接続される。PMOSトランジスタ42のドレインとNMOSトランジスタ46のドレインとは接続され、PMOSトランジスタ43のドレインとNMOSトランジスタ49のドレインとは接続される。NMOSトランジスタ44のソースとNMOSトランジスタ47のドレインとNMOSトランジスタ46のゲートとNMOSトランジスタ48のゲートとは、互いに接続される。NMOSトランジスタ45のソースとNMOSトランジスタ48のドレインとNMOSトランジスタ47のゲートとNMOSトランジスタ49のゲートとは、互いに接続される。NMOSトランジスタ46,47,48,49のソースは接地部50に接続される。そして、PMOSトランジスタ43のドレインとNMOSトランジスタ49のドレインとの接続部位が出力部53に接続される。なお、PMOSトランジスタ42,43のバックゲートは電圧源41に接続され、NMOSトランジスタ44,45のバックゲートはそれぞれソースに接続され、NMOSトランジスタ46,47,48,49のバックゲートは接地部50に接続される。
【0038】
上記のような演算増幅器において、NMOSトランジスタ44およびNMOSトランジスタ45から成る差動対と、NMOSトランジスタ47およびNMOSトランジスタ48から成る負性コンダクタンス回路とから高Gm回路が構成される。また、PMOSトランジスタ42とPMOSトランジスタ43、NMOSトランジスタ46とNMOSトランジスタ48、NMOSトランジスタ47とNMOSトランジスタ49とにより、それぞれカレントミラーが構成される。
【0039】
次に、図5に示される演算増幅器の動作について説明する。この演算増幅器においても、演算増幅器の反転入力部52はDCオフセット検出回路を構成するCMOSの入力部に接続されるとともに非反転入力部51はDCオフセット検出回路を構成するCMOSの出力部に接続されるから、反転入力部52に印加される電圧をVg、非反転入力部51に印加される電圧をVo、ゲート電圧Vgに応じてNMOSトランジスタ45を流れるドレイン電流をIg、およびゲート電圧Voに応じてNMOSトランジスタ44を流れるドレイン電流をIoとする。
【0040】
NMOSトランジスタ44のドレイン電流すなわちNMOSトランジスタ47のドレイン電流は、NMOSトランジスタ47,49から成るカレントミラーにより折り返されてNMOSトランジスタ49のドレイン電流と等しくなる。これにより、NMOSトランジスタ49のドレイン電流はIoとなる。また、NMOSトランジスタ45のドレイン電流すなわちNMOSトランジスタ48のドレイン電流は、NMOSトランジスタ46,48から成るカレントミラーにより折り返されてNMOSトランジスタ46のドレイン電流と等しくなる。NMOSトランジスタ46のドレイン電流すなわちPMOSトランジスタ42のドレイン電流は、PMOSトランジスタ42,43から成るカレントミラーにより折り返されてPMOSトランジスタ43のドレイン電流と等しくなる。これにより、PMOSトランジスタ43のドレイン電流はIgとなる。したがって、出力部53を流れる電流はIg−Ioとなる。ここで、PMOSトランジスタ43から流れ込むドレイン電流Igに対してNMOSトランジスタ49が引き込むドレイン電流Ioの方が小さくなると出力電圧Vnは上昇し、逆にPMOSトランジスタ43から流れ込むドレイン電流Igに対してNMOSトランジスタ49が引き込むドレイン電流Ioの方が大きくなると出力電圧Vnは低下する。また、NMOSトランジスタ47のゲートがNMOSトランジスタ45のソースとNMOSトランジスタ48のドレインとの接続部位に接続されるとともにNMOSトランジスタ48のゲートがNMOSトランジスタ44のソースとNMOSトランジスタ47のドレインとの接続部位に接続されることにより、電圧Voが電圧Vgより大きくなると電流Igの電流量が大きくなるとともに電流Ioの電流量は相当に小さくなり、電圧Vgが電圧Voより大きくなると電流Ioの電流量が大きくなるとともに電流Igの電流量は相当に小さくなる。したがって、この演算増幅器は、上記のような負性コンダクタンス特性を備えることで、DCオフセット検出回路の出力電圧Voと入力電圧Vgとの差動電圧を増幅した電圧Vnを出力する。
【0041】
ここで、図4に示される演算増幅器と図5に示される演算増幅器との差異について説明する。図4に示されるような演算増幅器においては、通常、オープンループゲインは差動対を構成するNMOSトランジスタ26,27のトランジスタサイズおよび定電流源を流れるバイアス電流に基づいて定まる。したがって、DCオフセットを除去するためにオープンループゲインを大きくしようとすると、MOSトランジスタのサイズを大きくする必要並びにバイアス電流を増加させる必要が生じて、回路規模が大きくなるとともに消費電流が増加するという短所があった。
【0042】
これに対して、図5に示される演算増幅器においては、NMOSトランジスタ44およびNMOSトランジスタ45から成る差動対と、NMOSトランジスタ47およびNMOSトランジスタ48から成る負性コンダクタンス回路とから、高い相互コンダクタンスを有する増幅回路が構成される。これにより、MOSトランジスタのサイズを大きくすることなく並びにバイアス電流を増加させることなく、高利得の演算増幅器を得ることが可能となる。
【0043】
以上のようにこの実施の形態1によれば、CMOSインバータ回路に、DCオフセットを削減するようにNMOSトランジスタ12のソース電圧を上げる電圧シフト手段を備えるように構成したので、DCオフセットを削減して出力電圧のダイナミックレンジを大きくとることができ、当該CMOSインバータ回路をアナログ信号処理回路として使用可能とすることができるという効果を奏する。
【0044】
また、電圧シフト手段がNMOSトランジスタ13とDCオフセットを検出して当該NMOSトランジスタ13のゲートにDCオフセットを削減するように調整された電圧を印加するDCオフセット検出手段とを有して構成されるようにしたので、検出されたDCオフセット量に応じてNMOSトランジスタ12のソース電圧を適切なレベルまで上げることができて、DCオフセットを除去することが可能になるという効果を奏する。
【0045】
また、DCオフセット検出回路が、PMOSトランジスタ11と同一に形成されるPMOSトランジスタ2、NMOSトランジスタ12と同一に形成されるNMOSトランジスタ3、NMOSトランジスタ13と同一に形成されるNMOSトランジスタ8、並びにバイアス電圧とPMOSトランジスタ2およびNMOSトランジスタ3等から成るCMOSの出力電圧との差動電圧を増幅する演算増幅器9等から構成されるようにしたので、DCオフセット検出回路を簡単な構成により実現することができるとともに、当該DCオフセット検出回路を使用したCMOSインバータ回路の回路規模を小さくすることができるという効果を奏する。
【0046】
さらに、演算増幅器9が、差動対を構成するNMOSトランジスタ44,45と、NMOSトランジスタ44,45にそれぞれ接続されるNMOSトランジスタ47,48と、カレントミラーを構成するPMOSトランジスタ42,43と、PMOSトランジスタ42,43にそれぞれ接続されるNMOSトランジスタ46,49とを有して構成されるとともに、NMOSトランジスタ46のゲートとNMOSトランジスタ48のゲートとNMOSトランジスタ44のソースとが接続され、NMOSトランジスタ47のゲートとNMOSトランジスタ49のゲートとNMOSトランジスタ45のソースとが接続されるようにしたので、NMOSトランジスタ44,45から成る差動対とNMOSトランジスタ47,48から成る負性コンダクタンス回路とから高い相互コンダクタンスを有する増幅回路が構成されるから、演算増幅器を構成するMOSトランジスタのサイズを大きくすることなく並びにバイアス電流を大きくすることなく高利得の演算増幅器が得られるとともに、当該演算増幅器を使用したDCオフセット検出回路およびCMOSインバータ回路の回路規模を小さくすることができるという効果を奏する。
【0047】
実施の形態2.
図6は、この発明の実施の形態2によるCMOSインバータ回路の構成を示す図である。上述したように、単一電源により動作させる際には、図3に示されるようなCMOSインバータ回路は、Vtp≧Vtnである場合並びにMp≦Mnである場合において、DCオフセットを除去することが可能である。これに対して、図6に示されるこの発明の実施の形態2によるCMOSインバータ回路はVtp<Vtnである場合並びにMp>Mnである場合において、DCオフセットを除去できる点で実施の形態1によるCMOSインバータ回路と差異を有する。図6において、図3と同一符号は同一または相当部分を示すのでその説明を省略する。61はPMOSトランジスタ11のソース電圧を下げてDCオフセットを除去するためにPMOSトランジスタ11のソースと電圧源1との間に介装されたPMOSトランジスタ(第2のPMOSトランジスタ)、62はPMOSトランジスタ61と同一に形成されPMOSトランジスタ2のソースと電圧源1との間に介装されたPMOSトランジスタ(第4のPMOSトランジスタ)、63は反転入力部にPMOSトランジスタ2のゲートおよびNMOSトランジスタ3のゲートが接続され、非反転入力部にPMOSトランジスタ2のドレインおよびNMOSトランジスタ3のドレインが接続され、出力部にPMOSトランジスタ61のゲートおよびPMOSトランジスタ62のゲートが接続される演算増幅器(第2の演算増幅器)である。また、PMOSトランジスタ61のバックゲートは電圧源1に接続され、PMOSトランジスタ62のバックゲートは電圧源1に接続される。なお、上記のCMOSインバータ回路は同一チップ内に形成されることで同一の製造プロセスを経るものであるから、PMOSトランジスタ2とPMOSトランジスタ11、NMOSトランジスタ3とNMOSトランジスタ12、PMOSトランジスタ62とPMOSトランジスタ61とについては、それぞれドレイン電流係数や閾値電圧等の素子特性が互いに等しいものとみなすことができる。また、PMOSトランジスタ2、NMOSトランジスタ3、PMOSトランジスタ62、演算増幅器63およびバイアス用電圧源10等から成るDCオフセット検出回路(第2のDCオフセット検出手段)と、PMOSトランジスタ61とから、DCオフセットを削減するように、PMOSトランジスタ11のソース電圧を下げる第2の電圧シフト手段が構成される。
【0048】
次に、図6に示されるCMOSインバータ回路の動作について説明する。図6に示されるCMOSインバータ回路の動作は、基本的には図3に示されるCMOSインバータ回路と同様である。すなわち、PMOSトランジスタ2およびNMOSトランジスタ3等から成るCMOSの出力電圧Voがバイアス電圧Vgより大きくなると、出力電圧Voとバイアス電圧Vgとの差動電圧を増幅した電圧がPMOSトランジスタ62のゲートに印加される。PMOSトランジスタ62のゲート電圧が大きくなると当該PMOSトランジスタのドレイン抵抗が大きくなって出力電圧Voは低下する。したがって、演算増幅器63から出力される電圧Vpは、出力電圧Voとバイアス電圧Vgとを等しくさせるような電圧に収斂する。
【0049】
PMOSトランジスタ2とPMOSトランジスタ11、NMOSトランジスタ3とNMOSトランジスタ12、およびPMOSトランジスタ62とPMOSトランジスタ61とについては、それぞれ同一に形成されて素子特性が同一であるとみなすことができるので、演算増幅器63の出力電圧VpをPMOSトランジスタ61のゲートに印加することで、入力電圧VinについてVin=Vgの際に出力電圧VoutについてVout=Vgとすることができて、DCオフセットを除去することが可能となる。すなわち、DCオフセット検出回路により当該DCオフセット検出回路を備えたCMOSインバータ回路が生成されたチップについて発現するDCオフセット量を検出し、このDCオフセット量を指標する電圧Vpを電圧シフト用のPMOSトランジスタ61のゲートに印加することで、PMOSトランジスタ11およびNMOSトランジスタ12等から成るCMOSインバータ回路のDCオフセットを除去することが可能となる。
【0050】
次に、図6に示される演算増幅器の構成について説明する。図7は、演算増幅器の構成の一例を示す回路図である。図7において、71は電圧源、72はPMOSトランジスタ、73は電圧源、74,75,76,77はPMOSトランジスタ、78,79,80,81はNMOSトランジスタ、82は接地部、83は反転入力部、84は非反転入力部、85は出力部である。
【0051】
PMOSトランジスタ72,74,75のソースは、電圧源71に接続される。PMOSトランジスタ72のゲートは、電圧源73の負極側に接続される。PMOSトランジスタ74のゲートとPMOSトランジスタ75のゲートとは、互いに接続されるとともにPMOSトランジスタ74のドレインに接続される。PMOSトランジスタ76のソースとPMOSトランジスタ77のソースとは、互いに接続されるとともにPMOSトランジスタ72のドレインに接続される。PMOSトランジスタ76のゲートは反転入力部83に接続され、PMOSトランジスタ77のゲートは非反転入力部84に接続される。PMOSトランジスタ74のドレインはNMOSトランジスタ78のドレインに接続され、PMOSトランジスタ76のドレインはNMOSトランジスタ79のドレインに接続され、PMOSトランジスタ77のドレインはNMOSトランジスタ80のドレインに接続され、PMOSトランジスタ75のドレインはNMOSトランジスタ81のドレインに接続される。NMOSトランジスタ78のゲートとNMOSトランジスタ79のゲートとは、互いに接続されるとともにNMOSトランジスタ79のドレインに接続される。NMOSトランジスタ80のゲートとNMOSトランジスタ81のゲートとは、互いに接続されるとともにNMOSトランジスタ80のドレインに接続される。NMOSトランジスタ78のソース、NMOSトランジスタ79のソース、NMOSトランジスタ80のソースおよびNMOSトランジスタ81のソースは、接地部82に接続される。そして、PMOSトランジスタ75のドレインとNMOSトランジスタ81のドレインとの接続部位が出力部85に接続される。なお、PMOSトランジスタ72,74,75のバックゲートは電圧源71に接続され、PMOSトランジスタ76,77のバックゲートはそれぞれソースに接続され、NMOSトランジスタ78,79,80,81のバックゲートは接地部82に接続される。
【0052】
上記のような演算増幅器において、PMOSトランジスタ74とPMOSトランジスタ75、NMOSトランジスタ78とNMOSトランジスタ79、NMOSトランジスタ80とNMOSトランジスタ81とにより、それぞれカレントミラーが構成される。また、PMOSトランジスタ72と電圧源73とにより、定電流源が構成される。なお、図7に示される演算増幅器については、図4に示される演算増幅器と比較するとNMOSとPMOSとが入れ替わっているのみであり、基本的な動作は同様であるので、動作に係る説明についてはこれを省略する。
【0053】
次に、図6に示される演算増幅器の変形例について説明する。図8は、演算増幅器の構成の他の例を示す図である。図8において、91は電圧源、92はPMOSトランジスタ(第9のPMOSトランジスタ)、93はPMOSトランジスタ(第7のPMOSトランジスタ)、94はPMOSトランジスタ(第8のPMOSトランジスタ)、95はPMOSトランジスタ(第10のPMOSトランジスタ)、96はPMOSトランジスタ(第5のPMOSトランジスタ)、97はPMOSトランジスタ(第6のPMOSトランジスタ)、98はNMOSトランジスタ(第5のNMOSトランジスタ)、99はNMOSトランジスタ(第6のNMOSトランジスタ)、100は接地部、101は非反転入力部、102は反転入力部、103は出力部である。
【0054】
PMOSトランジスタ92のソース、PMOSトランジスタ93のソース、PMOSトランジスタ94のソースおよびPMOSトランジスタ95のソースは、電圧源91に接続される。PMOSトランジスタ92のドレインはNMOSトランジスタ98のドレインに接続され、PMOSトランジスタ95のドレインはNMOSトランジスタ99のドレインに接続される。PMOSトランジスタ93のドレインはPMOSトランジスタ96のソースに接続され、PMOSトランジスタ94のドレインはPMOSトランジスタ97のソースに接続される。PMOSトランジスタ93のドレインとPMOSトランジスタ96のソースとPMOSトランジスタ92のゲートとPMOSトランジスタ94のゲートとは、互いに接続される。PMOSトランジスタ94のドレインとPMOSトランジスタ97のソースとPMOSトランジスタ93のゲートとPMOSトランジスタ95のゲートとは、互いに接続される。PMOSトランジスタ96のゲートは非反転入力部101に接続され、PMOSトランジスタ97のゲートは反転入力部102に接続される。PMOSトランジスタ96のドレインとPMOSトランジスタ97のドレインとは、互いに接続されるとともに接地部100に接続される。NMOSトランジスタ98のゲートとNMOSトランジスタ99のゲートとは、互いに接続されるとともにNMOSトランジスタ98のドレインに接続される。NMOSトランジスタ98のソースとNMOSトランジスタ99のソースとは、接地部100に接続される。そして、PMOSトランジスタ95のドレインとNMOSトランジスタ99のドレインとの接続部位が出力部103に接続される。
【0055】
上記のような演算増幅器において、PMOSトランジスタ96およびPMOSトランジスタ97から成る差動対と、PMOSトランジスタ93およびPMOSトランジスタ94から成る負性コンダクタンス回路とから高Gm回路が構成される。また、PMOSトランジスタ92とPMOSトランジスタ94、PMOSトランジスタ93とPMOSトランジスタ95、NMOSトランジスタ98とNMOSトランジスタ99とにより、それぞれカレントミラーが構成される。なお、図8に示される演算増幅器については、図5に示される演算増幅器と比較すると、NMOSとPMOSとが入れ替わっているのみであり、基本的な動作は同様であるので、動作に係る説明についてはこれを省略する。
【0056】
ここで、図7に示される演算増幅器と図8に示される演算増幅器との差異について説明する。図7に示されるような演算増幅器においては、通常、オープンループゲインは差動対を構成するPMOSトランジスタ76,77のトランジスタサイズおよび定電流源を流れるバイアス電流に基づいて定まる。したがって、DCオフセットを除去するためにオープンループゲインを大きくしようとすると、MOSトランジスタのサイズを大きくする必要並びにバイアス電流を増加させる必要が生じて、回路規模が大きくなるとともに消費電流が増加するという短所があった。
【0057】
これに対して、図8に示される演算増幅器においては、PMOSトランジスタ96およびPMOSトランジスタ97から成る差動対と、PMOSトランジスタ93およびPMOSトランジスタ94から成る負性コンダクタンス回路とから、高い相互コンダクタンスを有する増幅回路が構成される。これにより、MOSトランジスタのサイズを大きくすることなく並びにバイアス電流を増加させることなく、高利得の演算増幅器を得ることが可能となる。
【0058】
以上のようにこの実施の形態2によれば、Vtp≧Vtnである場合並びにMp≦Mnである場合にDCオフセットを削減する機能を有する実施の形態1によるCMOSインバータ回路と比較して、Vtp<Vtnである場合並びにMp>Mnである場合においてDCオフセットの削減等について実施の形態1と同様の効果を奏することができる。
【0059】
実施の形態3.
この実施の形態3によるCMOSインバータ回路は、図3に示されるようにCMOSインバータ回路を成すNMOSトランジスタのソース電圧を上げる第1の電圧シフト手段と、図6に示されるようにCMOSインバータ回路を成すPMOSトランジスタのソース電圧を下げる第2の電圧シフト手段とについて、共通部分を設けることにより、2つの電圧シフト手段を簡略な構成によって併合して実現している点で、実施の形態1および実施の形態2と差異を有している。図9は、この実施の形態3によるCMOSインバータ回路の構成を示す回路図である。図9において、図3および図6と同一符号は同一または相当部分を示すのでその説明を省略する。
【0060】
次に、図9に示されるCMOSインバータ回路の動作について説明する。Vtp≧Vtnの場合並びにMp≦Mnの場合には、演算増幅器9が機能して演算増幅器9からNMOSトランジスタ8へ出力される電圧VnはPMOSトランジスタ2およびNMOSトランジスタ3から成るCMOSの出力電圧Voをバイアス電圧Vgに等しくさせる電圧に収斂する。また、Vtp<Vtnの場合並びにMp>Mnの場合には、演算増幅器63が機能して演算増幅器63からPMOSトランジスタ62へ出力される電圧VpはPMOSトランジスタ2およびNMOSトランジスタ3から成るCMOSの出力電圧Voをバイアス電圧Vgに等しくさせる電圧に収斂する。
【0061】
PMOSトランジスタ62とPMOSトランジスタ61、PMOSトランジスタ2とPMOSトランジスタ11、NMOSトランジスタ3とNMOSトランジスタ12、NMOSトランジスタ8とNMOSトランジスタ13とについては、それぞれ同一に形成されて素子特性が同一であるとみなすことができるので、演算増幅器9の出力電圧VnをNMOSトランジスタ13に入力すること、並びに演算増幅器63の出力電圧VpをPMOSトランジスタ61に入力することで、入力電圧VinについてVin=Vgの際に出力電圧VoutについてVout=Vgとすることができて、DCオフセットを除去することが可能となる。すなわち、PMOSトランジスタ2、NMOSトランジスタ3,8、演算増幅器9およびバイアス設定用電圧源10等を有して構成される第1のDCオフセット検出手段、あるいはPMOSトランジスタ2,62、NMOSトランジスタ3、演算増幅器63およびバイアス設定用電圧源10等を有して構成される第2のDCオフセット検出手段により、図9に示されたCMOSインバータ回路が生成されたチップについて発現するDCオフセット量を検出し、検出されたDCオフセット量を指標する電圧Vnを電圧シフト用のNMOSトランジスタ13のゲートに印加すること、あるいは検出されたDCオフセット量を指標する電圧Vpを電圧シフト用のPMOSトランジスタ61のゲートに印加することで、PMOSトランジスタ11およびNMOSトランジスタ12等から成るCMOSインバータ回路のDCオフセットを除去することができる。
【0062】
以上のように、この実施の形態3によれば、実施の形態1および実施の形態2と同様の効果を奏するとともに、CMOSインバータ回路に対して、DCオフセットを削減するようにNMOSトランジスタ12のソース電圧を上げる第1の電圧シフト手段と、DCオフセットを削減するようにPMOSトランジスタ11のソース電圧を下げる第2の電圧シフト手段とを備えるように構成したので、閾値電圧VtpとVtnとの間の大小関係並びにドレイン電流係数MpとMnとの間の大小関係にかかわりなく、DCオフセットを削減して出力電圧のダイナミックレンジを大きくとることができ、当該CMOSインバータ回路をアナログ信号処理回路として使用可能とすることができるという効果を奏する。
【0063】
なお、実施の形態1から実施の形態3により説明されるCMOSインバータ回路は、本願発明を限定するものではなく、例示することを意図して開示されているものである。本願発明の技術的範囲は特許請求の範囲により定められるものであり、特許請求の範囲に記載された技術的範囲において種々の設計的変更が可能である。例えば、図3、図6および図9に示されるように、DCオフセット検出回路に接続されるCMOSの数は1つに限定されるものではなく、DCオフセット検出回路に対して複数のCMOSを接続するような構成を採ることもできる。このような構成において、各CMOSの入力部および出力部を共通に接続することで、駆動能力の大きなCMOSインバータ回路を得ることができる。
【0067】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、第1のPMOSトランジスタと同一に形成される第3のPMOSトランジスタと、第1のNMOSトランジスタと同一に形成される第3のNMOSトランジスタと、バイアス用電圧源と、第3のNMOSトランジスタと接地部との間あるいは第3のPMOSトランジスタと電圧源との間に介装され第2のMOSトランジスタと同一に形成される第4のMOSトランジスタと、第3のPMOSトランジスタおよび第3のNMOSトランジスタから成るCMOSの入力部に反転入力部が接続されるとともに当該CMOSの出力部に非反転入力部が接続されて出力電圧を第2のMOSトランジスタのゲートおよび第4のMOSトランジスタのゲートに印加する演算増幅器とを有して構成されるようにしたので、DCオフセット検出回路を簡単な構成により実現することができるとともに、当該DCオフセット検出回路を使用したアナログ信号処理回路等の回路規模を小さくすることができるという効果を奏する。
【0068】
この発明によれば、演算増幅器が、差動対を構成するように互いにドレインが接続されてゲートに非反転入力部が接続される第5のNMOSトランジスタおよびゲートに反転入力部が接続される第6のNMOSトランジスタと、カレントミラーを構成するように互いにゲートが接続される第5のPMOSトランジスタおよび第6のPMOSトランジスタと、第5のNMOSトランジスタのソースにドレインが接続される第7のNMOSトランジスタと、第6のNMOSトランジスタのソースにドレインが接続される第8のNMOSトランジスタと、第5のPMOSトランジスタのドレインにドレインが接続される第9のNMOSトランジスタと、第6のPMOSトランジスタのドレインにドレインが接続される第10のNMOSトランジスタとを有して構成され、第7のNMOSトランジスタのゲートと第10のNMOSトランジスタのゲートと第6のNMOSトランジスタのソースとが接続され、第8のNMOSトランジスタのゲートと第9のNMOSトランジスタのゲートと第5のNMOSトランジスタのソースとが接続されるようにしたので、第5のNMOSトランジスタおよび第6のNMOSトランジスタから成る差動対と第7のNMOSトランジスタおよび第8のNMOSトランジスタから成る負性コンダクタンス回路とから高い相互コンダクタンスを有する増幅回路が構成されるから、MOSトランジスタのサイズを大きくすることなく並びにバイアス電流を大きくすることなく高利得の演算増幅器が得られるとともに、当該演算増幅器を使用したアナログ信号処理回路等の回路規模を小さくすることができるという効果を奏する。
【0069】
この発明によれば、演算増幅器が、差動対を構成するように互いにドレインが接続されてゲートに非反転入力部が接続される第5のPMOSトランジスタおよびゲートに反転入力部が接続される第6のPMOSトランジスタと、カレントミラーを構成するように互いにゲートが接続される第5のNMOSトランジスタおよび第6のNMOSトランジスタと、第5のPMOSトランジスタのソースにドレインが接続される第7のPMOSトランジスタと、第6のPMOSトランジスタのソースにドレインが接続される第8のPMOSトランジスタと、第5のNMOSトランジスタのドレインにドレインが接続される第9のPMOSトランジスタと、第6のNMOSトランジスタのドレインにドレインが接続される第10のPMOSトランジスタとを有して構成され、第7のPMOSトランジスタのゲートと第10のPMOSトランジスタのゲートと第6のPMOSトランジスタのソースとが接続され、第8のPMOSトランジスタのゲートと第9のPMOSトランジスタのゲートと第5のPMOSトランジスタのソースとが接続されるようにしたので、第5のPMOSトランジスタおよび第6のPMOSトランジスタから成る差動対と第7のPMOSトランジスタおよび第8のPMOSトランジスタから成る負性コンダクタンス回路とから高い相互コンダクタンスを有する増幅回路が構成されるから、MOSトランジスタのサイズを大きくすることなく並びにバイアス電流を大きくすることなく高利得の演算増幅器が得られるとともに、当該演算増幅器を使用したアナログ信号処理回路等の回路規模を小さくすることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本願発明のオフセット検出回路に係る動作原理を示すための回路図である。
【図2】 この発明の実施の形態1によるCMOSインバータ回路に含まれるDCオフセット検出回路を示す回路図である。
【図3】 この発明の実施の形態1によるCMOSインバータ回路の構成を示す回路図である。
【図4】 この発明の実施の形態1によるCMOSインバータ回路に係る演算増幅器の構成の一例を示す回路図である。
【図5】 この発明の実施の形態1によるCMOSインバータ回路に係る演算増幅器の構成の他の例を示す回路図である。
【図6】 この発明の実施の形態2によるCMOSインバータ回路の構成を示す回路図である。
【図7】 この発明の実施の形態2によるCMOSインバータ回路に係る演算増幅器の構成の一例を示す回路図である。
【図8】 この発明の実施の形態2によるCMOSインバータ回路に係る演算増幅器の構成の他の例を示す回路図である。
【図9】 この発明の実施の形態3によるCMOSインバータ回路の構成を示す回路図である。
【図10】 アナログ信号処理回路としてのCMOSインバータ回路の構成の一例を示す図である。
【符号の説明】
1 電圧源、2 PMOSトランジスタ(第3のPMOSトランジスタ)、3 NMOSトランジスタ(第3のNMOSトランジスタ)、4 接地部、5 電圧シフト用電圧源、6 入力部、7 出力部、8 NMOSトランジスタ(第4のNMOSトランジスタ)、9 演算増幅器(第1の演算増幅器)、10 バイアス用電圧源、11 PMOSトランジスタ(第1のPMOSトランジスタ)、12 NMOSトランジスタ(第1のNMOSトランジスタ)、13 NMOSトランジスタ(第2のNMOSトランジスタ)、14 入力端子、15 出力端子、21 電圧源、22,23,24,25 PMOSトランジスタ、26,27,28,29,30 NMOSトランジスタ、31 電圧源、32 接地部、33 反転入力部、34 非反転入力部、35 出力部、41 電圧源、42 PMOSトランジスタ(第5のPMOSトランジスタ)、43 PMOSトランジスタ(第6のPMOSトランジスタ)、44 NMOSトランジスタ(第5のNMOSトランジスタ)、45 NMOSトランジスタ(第6のNMOSトランジスタ)、46 NMOSトランジスタ(第9のNMOSトランジスタ)、47 NMOSトランジスタ(第7のNMOSトランジスタ)、48 NMOSトランジスタ(第8のNMOSトランジスタ)、49 NMOSトランジスタ(第10のNMOSトランジスタ)、50 接地部、51 非反転入力部、52 反転入力部、53 出力部、61 PMOSトランジスタ(第2のPMOSトランジスタ)、62 PMOSトランジスタ(第4のPMOSトランジスタ)、63 演算増幅器(第2の演算増幅器)、71 電圧源、72 PMOSトランジスタ、73 電圧源、74,75,76,77 PMOSトランジスタ、78,79,80,81 NMOSトランジスタ、82 接地部、83 反転入力部、84 非反転入力部、85 出力部、91 電圧源、92 PMOSトランジスタ(第9のPMOSトランジスタ)、93 PMOSトランジスタ(第7のPMOSトランジスタ)、94 PMOSトランジスタ(第8のPMOSトランジスタ)、95 PMOSトランジスタ(第10のPMOSトランジスタ)、96 PMOSトランジスタ(第5のPMOSトランジスタ)、97 PMOSトランジスタ(第6のPMOSトランジスタ)、98 NMOSトランジスタ(第5のNMOSトランジスタ)、99 NMOSトランジスタ(第6のNMOSトランジスタ)、100 接地部、101 非反転入力部、102 反転入力部、103 出力部
Claims (7)
- 電圧源に直接的または間接的にソースが接続される第1のPMOSトランジスタと、
接地部に間接的にソースが接続される第1のNMOSトランジスタと、
前記第1のPMOSトランジスタのゲートおよび前記第1のNMOSトランジスタのゲートに接続される入力端子と、
前記第1のPMOSトランジスタのドレインと前記第1のNMOSトランジスタのドレインとの接続部位に接続される出力端子と、
前記第1のNMOSトランジスタのソースと前記接地部との間に介装される第2のNMOSトランジスタと、
前記電圧源に直接的または間接的にソースが接続され、前記第1のPMOSトランジスタと同一に形成される第3のPMOSトランジスタと、
前記接地部に間接的にソースが接続され前記第1のNMOSトランジスタと同一に形成される第3のNMOSトランジスタと、
前記第3のPMOSトランジスタのゲートおよび前記第3のNMOSトランジスタのゲートに直流バイアス電圧を与えるバイアス用電圧源と、
前記第3のNMOSトランジスタのソースと前記接地部との間に介装され前記第2のNMOSトランジスタと同一に形成される第4のNMOSトランジスタと、
非反転入力部が前記第3のPMOSトランジスタのドレインと前記第3のNMOSトランジスタのドレインとの接続部位に接続され、反転入力部が前記第3のPMOSトランジスタのゲートと前記第3のNMOSトランジスタのゲートとの接続部位に接続され、出力部が前記第2のNMOSトランジスタのゲートおよび前記第4のNMOSトランジスタのゲートに接続される演算増幅器とを有して構成されることを特徴とするCMOSインバータ回路。 - 演算増幅器が、差動対を構成するように互いにドレインが接続されてゲートに非反転入力部が接続される第5のNMOSトランジスタおよびゲートに反転入力部が接続される第6のNMOSトランジスタと、
カレントミラーを構成するように互いにゲートが接続される第5のPMOSトランジスタおよび第6のPMOSトランジスタと、
前記第5のNMOSトランジスタのソースにドレインが接続される第7のNMOSトランジスタと、
前記第6のNMOSトランジスタのソースにドレインが接続される第8のNMOSトランジスタと、
前記第5のPMOSトランジスタのドレインにドレインが接続される第9のNMOSトランジスタと、
前記第6のPMOSトランジスタのドレインにドレインが接続される第10のNMOSトランジスタとを有して構成され、
前記第7のNMOSトランジスタのゲートと前記第10のNMOSトランジスタのゲートと前記第6のNMOSトランジスタのソースとが接続され、
前記第8のNMOSトランジスタのゲートと前記第9のNMOSトランジスタのゲートと前記第5のNMOSトランジスタのソースとが接続され、
前記第5のPMOSトランジスタのドレインと前記第9のNMOSトランジスタのドレインとの接続部位あるいは前記第6のPMOSトランジスタのドレインと前記第10のNMOSトランジスタのドレインとの接続部位のいずれかが出力部に接続されることを特徴とする請求項1記載のCMOSインバータ回路。 - 電圧源に間接的にソースが接続される第1のPMOSトランジスタと、
接地部に直接的または間接的にソースが接続される第1のNMOSトランジスタと、
前記第1のPMOSトランジスタのゲートおよび前記第1のNMOSトランジスタのゲートに接続される入力端子と、
前記第1のPMOSトランジスタのドレインと前記第1のNMOSトランジスタのドレ インとの接続部位に接続される出力端子と、
前記第1のPMOSトランジスタのソースと前記電圧源との間に介装される第2のPMOSトランジスタと、
前記電圧源に間接的にソースが接続され、前記第1のPMOSトランジスタと同一に形成される第3のPMOSトランジスタと、
前記接地部に直接的または間接的にソースが接続され前記第1のNMOSトランジスタと同一に形成される第3のNMOSトランジスタと、
前記第3のPMOSトランジスタのゲートおよび前記第3のNMOSトランジスタのゲートに直流バイアス電圧を与えるバイアス用電圧源と、
前記第3のPMOSトランジスタのソースと前記電圧源との間に介装され前記第2のPMOSトランジスタと同一に形成される第4のPMOSトランジスタと、
非反転入力部が前記第3のPMOSトランジスタのドレインと前記第3のNMOSトランジスタのドレインとの接続部位に接続され、反転入力部が前記第3のPMOSトランジスタのゲートと前記第3のNMOSトランジスタのゲートとの接続部位に接続され、出力部が前記第2のPMOSトランジスタのゲートおよび前記第4のPMOSトランジスタのゲートに接続される演算増幅器とを有して構成されることを特徴とするCMOSインバータ回路。 - 演算増幅器が、差動対を構成するように互いにドレインが接続されてゲートに非反転入力部が接続される第5のPMOSトランジスタおよびゲートに反転入力部が接続される第6のPMOSトランジスタと、
カレントミラーを構成するように互いにゲートが接続される第5のNMOSトランジスタおよび第6のNMOSトランジスタと、
前記第5のPMOSトランジスタのソースにドレインが接続される第7のPMOSトランジスタと、
前記第6のPMOSトランジスタのソースにドレインが接続される第8のPMOSトランジスタと、
前記第5のNMOSトランジスタのドレインにドレインが接続される第9のPMOSトランジスタと、
前記第6のNMOSトランジスタのドレインにドレインが接続される第10のPMOSトランジスタとを有して構成され、
前記第7のPMOSトランジスタのゲートと前記第10のPMOSトランジスタのゲートと前記第6のPMOSトランジスタのソースとが接続され、
前記第8のPMOSトランジスタのゲートと前記第9のPMOSトランジスタのゲートと前記第5のPMOSトランジスタのソースとが接続され、
前記第5のNMOSトランジスタのドレインと前記第9のPMOSトランジスタのドレインとの接続部位あるいは前記第6のNMOSトランジスタのドレインと前記第10のPMOSトランジスタのドレインとの接続部位のいずれかが出力部に接続されることを特徴とする請求項3記載のCMOSインバータ回路。 - 電圧源に間接的にソースが接続される第1のPMOSトランジスタと、
接地部に間接的にソースが接続される第1のNMOSトランジスタと、
前記第1のPMOSトランジスタのゲートおよび前記第1のNMOSトランジスタのゲートに接続される入力端子と、
前記第1のPMOSトランジスタのドレインと前記第1のNMOSトランジスタのドレインとの接続部位に接続される出力端子と、
前記第1のNMOSトランジスタのソースと前記接地部との間に介装される第2のNMOSトランジスタと、
前記第1のPMOSトランジスタのソースと前記電圧源との間に介装される第2のPMOSトランジスタと、
前記電圧源に間接的にソースが接続され、前記第1のPMOSトランジスタと同一に形成される第3のPMOSトランジスタと、
前記接地部に間接的にソースが接続され前記第1のNMOSトランジスタと同一に形成される第3のNMOSトランジスタと、
前記第3のPMOSトランジスタのゲートおよび前記第3のNMOSトランジスタのゲートに直流バイアス電圧を与えるバイアス用電圧源と、
前記第3のNMOSトランジスタのソースと前記接地部との間に介装され前記第2のNMOSトランジスタと同一に形成される第4のNMOSトランジスタと、
前記第3のPMOSトランジスタのソースと前記電圧源との間に介装され前記第2のPMOSトランジスタと同一に形成される第4のPMOSトランジスタと、
非反転入力部が前記第3のPMOSトランジスタのドレインと前記第3のNMOSトランジスタのドレインとの接続部位に接続され、反転入力部が前記第3のPMOSトランジスタのゲートと前記第3のNMOSトランジスタのゲートとの接続部位に接続され、出力部が前記第2のNMOSトランジスタのゲートおよび前記第4のNMOSトランジスタのゲートに接続される第1の演算増幅器と、
非反転入力部が前記第3のPMOSトランジスタのドレインと前記第3のNMOSトランジスタのドレインとの接続部位に接続され、反転入力部が前記第3のPMOSトランジスタのゲートと前記第3のNMOSトランジスタのゲートとの接続部位に接続され、出力部が前記第2のPMOSトランジスタのゲートおよび前記第4のPMOSトランジスタのゲートに接続される第2の演算増幅器とを有して構成されることを特徴とするCMOSインバータ回路。 - 電圧源に接続される第3のPMOSトランジスタと、
該第3のPMOSトランジスタのドレインにドレインが接続される第3のNMOSトランジスタと、
前記第3のPMOSトランジスタのゲートおよび前記第3のNMOSトランジスタのゲートに直流バイアス電圧を与えるバイアス用電圧源と、
前記第3のNMOSトランジスタのソースにドレインが接続されるとともに接地部にソースが接続される第4のNMOSトランジスタと、
非反転入力部が前記第3のPMOSトランジスタのドレインと前記第3のNMOSトランジスタのドレインとの接続部位に接続され、反転入力部が前記第3のPMOSトランジスタのゲートと前記第3のNMOSトランジスタのゲートとの接続部位に接続され、出力部が前記第4のNMOSトランジスタのゲートに接続される演算増幅器とを有して構成されることを特徴とするDCオフセット検出回路。 - 接地部に接続される第3のNMOSトランジスタと、
該第3のNMOSトランジスタのドレインにドレインが接続される第3のPMOSトランジスタと、
前記第3のPMOSトランジスタのゲートおよび前記第3のNMOSトランジスタのゲートに直流バイアス電圧を与えるバイアス用電圧源と、
前記第3のPMOSトランジスタのソースにドレインが接続されるとともに電圧源にソースが接続される第4のPMOSトランジスタと、
非反転入力部が前記第3のPMOSトランジスタのドレインと前記第3のNMOSトランジスタのドレインとの接続部位に接続され、反転入力部が前記第3のPMOSトランジスタのゲートと前記第3のNMOSトランジスタのゲートとの接続部位に接続され、出力部が前記第4のPMOSトランジスタのゲートに接続される演算増幅器とを有して構成されることを特徴とするDCオフセット検出回路。
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