JP3809113B2 - Cmos演算増幅回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、CMOS演算増幅回路に関し、詳しくは、低電圧駆動において、入出力電圧範囲を広く採ることができ、高い精度で増幅することが可能で、特に比較回路等に適するCMOS演算増幅回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
CMOS演算増幅回路は、アナログ信号とデジタル信号が混在するシステムICなどに使用され、μAオーダの微小電流の増幅あるいは比較回路として利用する場合に適している。
この種の回路は、通常、PチャネルMOSトランジスタもしくはNチャネルMOSトランジスタを対とする差動増幅器を入力段に有していて、カレントミラー回路で差動増幅器の出力電流を出力側に転送する構成を採る。しかし、この種の回路は、同相入力に対してMOSトランジスタのソース−ゲートの閾値電圧分の不感帯があるので、入出力電圧がグランドGNDから電源電圧VDDまでの範囲を採ることができず、入出力のダイナミックレンジが制限される。
【0003】
この種の問題を解決するものとして、PチャネルMOSトランジスタの差動増幅器とNチャネルMOSトランジスタの差動増幅器を入力段に設ける発明が特開平3−62712号「CMOS演算増幅回路」に記載されている。
これは、入力段として設けられたPチャネルMOSトランジスタの差動増幅器とNチャネルMOSトランジスタの差動増幅器とを入力信号で同時に駆動してそれぞれの出力電流をカレントミラー回路で合成する。これにより、この回路は、PチャネルあるいはNチャネルの一方の差動増幅器が不感帯に入っているときに他方の差動増幅器の出力を得て実質的に不感帯を排除した出力を発生させて、グランドGNDから電源電圧VDDまでの広い入出力ダイナミックレンジを確保している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
このようなPチャネルとNチャネルの差動増幅器を設けて同時駆動するCMOS演算増幅回路は、Pチャネルの差動増幅器の不感帯ではNチャネルの差動増幅器のみが動作し、逆にNチャネルの差動増幅器の不感帯ではPチャネルの差動増幅器のみが動作する。そして、両者の不感帯を除いた範囲では、双方の差動増幅器が動作する。
そのために、例えば、電源電圧VDDを1.8Vとし、NチャネルとPチャネルのMOSトランジスタの入力信号に対する不感帯電圧を0.7Vとし、Nチャネルの差動増幅器のトランスコンダクタンスGmをGmNとし、Pチャネルの差動増幅器のトランスコンダクタンスGmをGmPとすれば、CMOS演算増幅回路のGmは、入力信号の電圧が0〜0.7Vの範囲では、Gm=GmPとなり、0.7V〜1.1Vの範囲では、Gm=GmN+GmPとなり、1.1V〜1.8Vの範囲では、Gm=GmNとなって、入力信号の電圧に応じてトランスコンダクタンスが変化する。その結果、利得帯域幅積(GB積)が変化する。
【0005】
このようにこのCMOS演算増幅回路は、入力信号の電圧によって動作する差動増幅器が異なり、かつ、3つの動作範囲でそれぞれに差動増幅器が動作するので入力信号の電圧によってGB積(利得帯域幅積)が大きく変化する。その結果、最適な位相補償コンデンサの選択が難しくなる。位相補償コンデンサの選択が難しくなると、演算増幅回路が発振し易くなる問題がある。また、前記のような構成のCMOS演算増幅回路は、低い電源電圧において、両者の不感帯前後でトランスコンダクタンスGmに大きな段差が生じるので高精度な増幅ができない問題がある。
この発明は、このような従来技術の問題点を解決するものであって、低電圧駆動に適し、入出力電圧範囲を広く採ることができ、高い精度で増幅することができるCMOS演算増幅回路を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するための第1の発明のCMOS演算増幅回路の構成は、入力信号を受けるPチャネルおよびNチャネルのいずれか一方の差動MOSトランジスタを有する第1の差動増幅器と前記入力信号を受けるPチャネルおよびNチャネルのいずれか他方の差動MOSトランジスタを有する第2の差動増幅器とを有し、これら差動増幅器の出力に応じて前記入力信号に応じた出力信号を発生するCMOS演算増幅回路において、前記第1および第2の差動増幅器の電流出力信号をそれぞれ受けてそれぞれの前記電流出力信号の電流値に応じた電流出力信号を発生するカレントミラー回路と、このカレントミラー回路の出力信号を受けて前記入力信号に応じた出力信号を発生する出力回路と、前記第1の差動増幅器が前記入力信号に対して不感帯動作領域に入るときあるいは入ったときに前記第1の差動増幅器の動作を停止させて第2の差動増幅器を動作させる動作の切換を行う切換回路とを備えている。
しかも、第1の差動増幅器は、自己の差動MOSトランジスタの動作電流を流す第1の電流源を有し、第2の差動増幅器は、自己の差動MOSトランジスタの動作電流を流す第2の電流源を有し、第1の差動増幅器の差動MOSトランジスタはPチャネルであり、第2の差動増幅器の差動MOSトランジスタはNチャネルであり、第1の差動増幅器および第2の差動増幅器のGmは実質的に等しいものであり、第1および第2の電流源は定電流源である。
切換回路は、第1の電流源の電流を分流する回路であって、ゲート電圧が不感帯動作領域に入る電圧に対応する所定の電圧ラインに接続されたPチャネルのMOSトランジスタで構成され、ソースが第1の電流源に接続され、第1の差動増幅器が入力信号に対して不感帯動作領域に入るときあるいは入ったときにこのMOSトランジスタがOFFからONになって前記ソースを経てこのMOSトランジスタのドレインから第1の電流源の電流を全部流出させて第1の差動増幅器の動作を停止させて前記ドレインからの電流に応じて第2の電流源の電流を流させて記第2の差動増幅回路を動作させ、第1の差動増幅器が不感帯動作領域から出たときには逆にこのMOSトランジスタがOFFからONになって第1の電流源の電流を全部第1の差動増幅器に流すことにより第1の差動増幅器を動作させて第2の差動増幅回路の動作を停止させる動作の切換を行う。
カレントミラー回路は、電源ラインとグランドラインとの間に縦に複数のカレントミラーが積み上げられ、その入力側トランジスタが第3の定電流源を介して電源ラインに接続され、その出力側トランジスタが第4の定電流源を介して電源ラインに接続された縦にカスケード接続された回路であり、第3および第4の定電流源の電流が第2の差動増幅器の差動MOSトランジスタにこれのバイアス電流として分流され、そして、
第1の差動増幅器は、カレントミラー回路の複数のカレントミラーのうちグランドラインの側のカレントミラーを負荷とし、第2の差動増幅器は、第3および第4の定電流源を負荷とするものである。
【0007】
また、第2の発明のCMOS演算増幅回路の構成は、前記第1の差動増幅器の差動トランジスタのバイアス電流値に相当する第1の電流値を流す第1のバイアス電流生成回路と、前記第2の差動増幅器の差動トランジスタのバイアス電流値に相当する第2の電流値を流す第2のバイアス電流生成回路とを有し、前記カレントミラー回路は、前記第1の差動増幅器の差動トランジスタに流れるバイアス電流が流されあるいはシンクされ、かつ、前記第2の差動増幅器の差動トランジスタに流れるバイアス電流が流されあるいはシンクされることで前記第1および第2の差動増幅器の電流出力信号が入力されるものであり、前記切換回路は、前記第1の差動増幅器を動作させるとともに前記第2のバイアス電流生成回路から前記第2の電流値を前記カレントミラー回路に流しあるいは前記カレントミラー回路からシンクし、前記第1の差動増幅器が入力信号に対して不感帯動作領域に入るときあるいは入ったときに前記第1の差動増幅器の動作および前記第2の電流値を停止させて前記第2の差動増幅器を動作させるとともに前記第1のバイアス電流生成回路から前記第1の電流値を前記カレントミラー回路に流しあるいは前記カレントミラー回路からシンクするものである。
【0008】
【発明の実施の形態】
さて、第1の発明では、PチャネルのMOSトランジスタで構成される前記した切換回路と、前記した構成のカレントミラー回路と第1および第2の差増増幅器とを設けて、第1の差動増幅器を動作させて第1の差動増幅器が入力信号に対して不感帯動作領域に入るときあるいは入ったときに第1の差動増幅器の動作を停止させて第2の差動増幅器を動作させる。このことにより、CMOS演算増幅回路のGmは、いずれか一方のGmとなり、入力信号に対してGmの変化が抑制される。また、設計上で第1および第2の差動増幅器のGmを実質的に等しいものとすることが容易にできる。
そこで、このような構成のCMOS演算増幅回路の入力信号の電圧変化に対するGmの変化は非常に少ない。
【0009】
さらに、第2の発明では、第1、第2の差動増幅器の差動トランジスタのそれぞれのバイアス電流を生成する第1、第2のバイアス電流生成回路を設けて、一方の差動増幅器が動作しているときの他方の差動増幅器のバイアス電流をバイアス電流生成回路からカレントミラー回路に供給し、あるいはカレントミラー回路へバイアス電流を流す電源からバイアス電流生成回路にバイアス電流を流出するようにしているので、第1、第2の差動増幅器の動作切換を行ってもカレントミラー回路のバイアス電流がほとんど変化しないで済む。その結果、第1、第2の差動増幅器の電流出力を受けるカレントミラー回路のGmも実質的に一定に保持することができる。
これにより、CMOS演算増幅回路のGmの変化をいっそう抑えることができる。
その結果、低電圧駆動に適し、入出力電圧範囲を広く採ることができ、高い精度で増幅することができるCMOS演算増幅回路を容易に実現することができる。
【0010】
【実施例】
図1は、この発明を適用したCMOS演算増幅回路の一実施例のブロック図であり、図2は、その、他の実施例のブロック図である。
図1において、CMOS演算増幅回路10は、入力段として、それぞれが入力信号を受ける差動増幅器1と差動増幅器2とを有している。差動増幅器1は、上流側に定電流源1aを有し、これを介して電源ラインVDDに接続されたPチャネル差動MOSトランジスタP1,P2からなる。差動増幅器2は、下流側に定電流源2aを有し、これを介してグランドGNDに接続されたNチャネル差動MOSトランジスタN1,N2からなる。さらに、CMOS演算増幅回路10は、切換スイッチ回路3と、カレントミラー回路4a,4bが縦方向に2個積み上げられたカスコード接続型のカレントミラー回路4と、電流源5、6、これら電流源の下流でカレントミラー回路4bとの間に設けられた電流源5a、5b、さらにバイアス回路7a,7b、7c、そして出力段アンプ(AMP)8とから構成されている。
【0011】
なお、出力段アンプ8は、出力段アンプ8に設けられたコンデンサCcは位相補償コンデンサであり、8aは出力端子である。また、電流源5、6と、電流源5a、5b、カレントミラー回路4a,4bの入力側トランジスタと出力側トランジスタとは、図示するようにそれぞれ対の関係でこれの順で電源ラインVDDとグランドGNDとの間に縦方向に従属接続されている。また、電流源5、6と電流源5a、5bとで2個積み上げられたカスコード接続型の定電流源となっていて、電流源5、6は、カレントミラー回路4にバイアス電流を供給するとともに差動増幅器2の差動MOSトランジスタN1,N2にもバイアス電流を供給するこれらに共通電源となっている。
【0012】
差動増幅器1は、Pチャネルの差動増幅器であり、上流の定電流源1aから電流値Ioのバイアス電流を受けて動作し、トランジスタP1のゲートが非反転入力端子(+入力)11aから入力信号を受ける。その動作範囲は、GNDから(VDD−Vth1)である。ただし、Vth1は、PチャネルトランジスタP1,P2のソース−ゲート間の閾値電圧である。なお、11bは、反転入力端子(−入力)であり、トランジスタP2のゲートに接続されている。
ここで、定電流源1aの電流値をIo とすると、電源ラインVDDに接続された定電流源5、6の電流値もIoになるように設定されている。
差動増幅器2は、Nチャネルの差動増幅器であり、その定電流源2aが動作状態にあるときには、上流の定電流源5,6から差動のトランジスタN1,N2がそれぞれ電流値Io/2のバイアス電流を受けて動作し、下流の定電流源2aに電流値Ioのバイアス電流を流す。NチャネルトランジスタN1のゲートが非反転入力端子(+入力)11aから入力信号を受ける。その動作範囲は、(GND+Vth2)からVDDである。ただし、Vth2は、Nチャネルトランジスタのソース−ゲート間の閾値電圧とする。なお、トランジスタN2のゲートは、反転入力端子11bに接続されている。
これら2つの差動増幅器1,2の出力を、積み上げカスコード接続のカレントミラー回路4で合成すると、その動作範囲はGNDからVDDとなり広いダイナミックレンジを実現できる。
【0013】
カレントミラー回路4は、グランドGNDと電源ラインVDDとの間にカレントミラー回路4a、4bがこの順で積み上げられた回路であって、カレントミラー回路4aは、NチャネルMOSトランジスタN7,N8からなる。カレントミラー回路4bは、NチャネルMOSトランジスタN5,N6からなる。そして、電流源5aは、PチャネルMOSトランジスタP3からなり、電流源5bは、PチャネルMOSトランジスタP4からなり、これらトランジスタのベースが共通に接続されている。
カスコード接続された電流源5aのトランジスタP3は、電源ラインVDDに接続された上流の定電流源5から電流値Io(あるいは差動増幅器2が動作したときにはIo/2)のバイアス電流を受けて動作し、カスコード接続された電流源5bのトランジスタP4は、電源ラインVDDに接続された上流の定電流源6から電流値Io(あるいは差動増幅器2が動作したときにはIo/2)のバイアス電流を受けて動作する。そして、これらトランジスタP3,P4のベースは、共通に接続されてバイアス回路7bからバイアス電圧Vb2を受ける。これの下流に設けられたカレントミラー回路4bのトランジスタN5,N6は、それぞれに対応する上流のトランジスタP3,P4からバイアス電流を受けてそれぞれに対応する下流のトランジスタN7,N8にその電流をシンクさせる。これらトランジスタN5,N6のベースは、共通に接続されてそのベースがバイアス回路7cからバイアス電圧Vb3が与えられている。
【0014】
また、カレントミラー回路4aのトランジスタN7,N8のゲートは、共通に接続されてそのゲートがトランジスタN5のドレイン側に接続され、さらにそれぞれのドレインが差動増幅器1のトランジスタP1,P2のそれぞれのドレインと対応して接続されてトランジスタN7,N8が差動増幅器1のアクティブ負荷となっている。そこで、トランジスタN7,N8には、差動増幅器1が動作しているときには差動増幅器1のバイアス電流と電流源5,6からのバイアス電流とが流れる。そして、カレントミラー回路4bと電流源5bでCMOSが構成され、出力側の、電流源5のトランジスタP4とカレントミラー回路4bのトランジスタN6のドレイン同士の接続点が出力端子4dに接続され、この出力端子4dを介して出力段のアンプ8の入力に接続されて出力段のアンプ8がカレントミラー回路4の電流出力信号で駆動される。
差動増幅器1と差動増幅器2とは、入力信号に対して相互に逆方向の反転動作をするので、カレントミラー回路4も前記接続によりカレントミラーを構成する一対のトランジスタが差動増幅器の動作に対して反転動作となり、差動増幅器1、差動増幅器2の出力が合成されたものがカレントミラー回路4の出力端子4dから取り出される。
【0015】
ここで、定電流源2aは、NチャネルMOSトランジスタN3,N4からなるカレントミラー回路で構成されていて、カレントミラー出力側のトランジスタN4のドレインがトランジスタN1,N2のソースに共通に接続され、カレントミラー入力側のトランジスタN3の上流には、差動増幅器1の定電流源1aが設けられている。定電流源2aは、バイアス電流(電流値Io)を定電流源1aからPチャネルMOSトランジスタP5を介してこれがONしたときにこれのソース−ドレインを介して受ける。
前記の切換スイッチ回路3は、このトランジスタP5からなり、そのゲートがバイアス回路7aに接続されていてこれにバイアス電圧Vb1が与えられている。これにより、この切換スイッチ回路3は、そのソース電圧の上昇に応じてスイッチ動作をする。
【0016】
すなわち、このバイアス電圧Vb1は、差動増幅器1の入力信号の電圧が不感帯電圧となるときあるいは不感帯電圧に入ったときに定電流源1aの出力側の電圧に対応していて、差動増幅器1が不感帯動作となるときあるいは不感帯動作になったときにトランジスタP5がONするように設定されている。トランジスタP5は、通常OFFのスイッチング素子として動作して、トランジスタP5がOFFしている時は、電流源1aのバイアス電流Ioは、トランジスタP1,P2で構成された差動増幅器1に流れる。一方、トランジスタP5がONしたときとONしているときは電流源1aのバイアス電流Ioは、トランジスタN3,N4で構成されるカレントミラー回路の入力側トランジスタN3へと流れ、その出力側ミラー電流は、トランジスタN1,N2で構成された差動増幅器2の定電流源2aのトランジスタN4に流れて、差動増幅器2のバイアス電流となり、差動増幅器2を動作させる。
その結果、差動増幅器1が不感帯動作となるときあるいは不感帯動作になったときには差動増幅器1の動作が停止して差動増幅器2が動作し、その動作が切り替わる。逆に、差動増幅器1の入力信号の電圧が不感帯電圧でなくなったときにはトランジスタP5がOFFするので差動増幅器2の動作が停止して差動増幅器1が動作し、その動作が切り替わる。
【0017】
この差動増幅器1から差動増幅器2へのバイアス電流の切り換えあるいはその逆の切換えにより、トランジスタP5は、2つの差動増幅器1,2が同時に動作することを防いでいて、いずれかの差動増幅器を選択する切換回路となっている。
そこで、ここでのバイアス回路7aはコンパレータを用いてもよい。このコンパレータは、入力信号の電圧を電圧(VDD−Vth1)の基準電圧と比較してトランジスタP5をONさせる切換信号を発生する回路であって、差動増幅器1から差動増幅器2へ動作を切り換えるあるいは逆に動作を切り換える切換信号を発生する回路になる。
ここで、Nチャネルの差動増幅器2のトランスコンダクタンスGmをGmNとし、Pチャネルの差動増幅器1のトランスコンダクタンスGmをGmPとすれば、CMOS演算増幅回路10のトランスコンダクタンスGmは、入力信号の電圧が0V〜Pチャネルの差動増幅器1の不感帯に入る電圧Vfまでは、差動増幅器1が動作してGmPとなり、Pチャネルの差動増幅器1の不感帯の電圧Vfから電源ラインVDDの電圧までは、Nチャネルの差動増幅器2が動作してGmNとなる。ここで、GmPとGmNとの差は小さいので、CMOS演算増幅回路10は、入力信号を高い精度で増幅することが可能であり、Gmに大きな段差が生じないので、最適な位相補償コンデンサCcを選択することができる。
【0018】
しかも、Pチャネルトランジスタで構成された差動増幅器1のGmPとNチャネルトランジスタで構成された差動増幅器2のGmNを等しくすることは、設計上で容易にできる。ここでは、差動増幅器1のGmと差動増幅器2のGmとが実質的に等しいものとする。
カスコード接続型カレントミラー回路4のGmは、カスコード接続型カレントミラー回路4のバイアス電流IDの平方根に比例しているため、カレントミラー対のそれぞれのトランジスタに流れるバイアス電流IDは一定であることが望ましい。
しかし、図1の実施例では、PチャネルトランジスタP3、P4と、NチヤネルトランジスタN5,N6,N7,N8で構成されるカスコー接続型のカレントミラー回路4とのバイアス電流IDが差動増幅器1,2の切換により変化する。言い換えれば、入力信号の電圧によって変化する。これによりカレントミラー回路4のトランスコンダクタンスGmが変化する。
【0019】
この問題を解決するのが次の図2に示す実施例のCMOS演算増幅回路20である。
図1との構成上の相違点は、カスコード接続型のカレントミラー回路4に対してバイアス電流調整回路9を新たに設けたことにある。その理由は、図1の実施例では、図1の差動増幅器1は、これが動作しているときには、その動作電流をカレントミラー回路4のトランジスタN7,N8を負荷としてこれらトランジスタにシンクするバイアス電流を流してカレントミラー回路4に電流を加える。これにより差動増幅器1は、入力信号に応じた電流出力信号をカレントミラー回路4に入力する。
これに対して差動増幅器2は、これが動作しているときには、その動作電流をカレントミラー回路4の電流源5、6を負荷としてこれにカスコード接続された電流源5a,5bのトランジスタP3,P4に流れる電流の一部を取出し、カレントミラー回路4から電流を引き出す。これにより差動増幅器2は、入力信号に応じた電流出力信号をカレントミラー回路4に入力する。
【0020】
つまり、カレントミラー回路4が差動増幅器1,2の負荷をそれぞれ持っていて、これら負荷に流れるバイアス電流の方向が相違しているので、差動増幅器1が動作しているとき(このときには差動増幅器2が動作せず)、と差動増幅器2が動作しているときとでは、カレントミラー回路4a、4bに流れるバイアス電流IDが相違してくる。このバイアス電流IDを一定にするために、ここでは、バイアス電流調整回路9を設け、カレントミラー回路4に流れるバイアス電流を差動増幅器1から差動増幅器2へ動作が切り換えられたときにもあるいはその逆に切り換えられたときにもカレントミラー回路4a、4bに流れるバイアス電流IDが実質的に等しくなるように調整する。
バイアス電流調整回路9は、差動増幅器1と等価の動作をするダミー動作回路9aと、差動増幅器2と等価の動作をし、バイアス電流を生成するバイアス電流生成回路9b、差動増幅器1の定電流源1aと等しい電流値Ioの定電流源9c、そして切換スイッチ回路3と実質的に同時に切り換え動作をして差動増幅器1と等価のバイアス動作電流を生成する切換スイッチ回路9dとからなる。
ここでは、バイアス電流調整回路9は、差動増幅器1が動作しているときにダミー動作回路9aを同時に動作させて差動増幅器2と同じバイアス動作電流を生成してカレントミラー回路4からバイアス電流分の電流をシンクする。これによりカレントミラー回路4を差動増幅器2が動作している状態と同じバイアス電流が流れる状態にする。
【0021】
また、差動増幅回路1が不感帯に入ったときには差動増幅器2に動作が切り換えられて差動増幅器2が動作をするが、このときにバイアス電流調整回路9は、ダミー動作回路9aの動作を停止させる切換スイッチ回路9d(これは切換スイッチ回路3と同じ動作をする)を動作させて差動増幅器1のバイアス電流と同じバイアス電流を定電流源9cから切換スイッチ回路9dを介してカレントミラー回路4に供給する。これによりカレントミラー回路4を差動増幅器1が動作している状態と同じバイアス電流が流れる状態にする。
ダミー動作回路9aは、定電流源1aと同じ電流値Ioの定電流源9cにソース側が共通に接続されたPチャネルMOSトランジスタP6,P7からなる差動増幅器11と、これのアクティブ負荷としてこれらトランジスタの下流に共通に設けられた、カレントミラー接続の入力側トランジスタN9とからなる。
定電流源9cは、電源ラインVDDに接続され、ダミー動作回路9aと切換スイッチ回路9dとに接続され、これらのいずれかにバイアス電流Ioを流す。ダミー動作回路9aのトランジスタP6,P7のゲートは、それぞれ差動増幅器1のトランジスタP1,P2のゲートと同様に非反転入力端子20aと反転入力端子20bとにそれぞれ接続されている。差動増幅器2のトランジスタN1,N2のゲートも非反転入力端子20aと反転入力端子20bとにそれぞれ接続されている。
【0022】
バイアス電流生成回路9bは、トランジスタN9にカレントミラー接続された出力側NチャネルMOSトランジスタN10,N11とからなり、これらトランジスタの能力比若しくはW/L比をトランジスタN9に対して1/2にすることで、Io/2のシンク電流を生成する。トランジスタN10,N11のドレイン側は、電流源5、6に接続され、それぞれのソース側は接地されている。これにより、差動増幅器1が動作しているときに電流源5、6からIo/2の電流をシンクする。このシンク電流値Io/2は、差動増幅器2の差動対トランジスタN1,N2のそれぞれのバイアス電流Io/2に対応している。すなわち、ダミー動作回路9aとバイアス電流生成回路9bとは、差動増幅器1が動作しているときに差動増幅器2のバイアス電流値に相当するバイアス電流値を生成する第2の発明の第2のバイアス電流生成回路を構成している。
【0023】
スイッチ回路9dは、PチャネルMOSトランジスタP8,P9からなり、トランジスタP5と同様なスイッチ回路であって、等価のトランジスタ(ペアトランジスタ)として形成される。それぞれのゲートが接続されてトランジスタP5と同様にバイアス回路7aから電圧Vb1を受ける。このことで、トランジスタP5とトランジスタP8,P9の3つのトランジスタは、同時にON/OFFする。
トランジスタP8,P9のソースは、ともに定電流源9cに接続され、トランジスタP8のドレインは、カレントミラー回路4のトランジスタN7のドレインに接続され、トランジスタP9のドレインは、カレントミラー回路4のトランジスタN8のドレインに接続されている。
スイッチ回路9dのトランジスタP8,P9は、差動増幅器1が不感帯動作となるときに、トランジスタP5と同時にONになる。このとき、上流に設けられ電源ラインVDDに接続された定電流源9cから電流値Ioを受けて、それぞれが電流Io/2を下流の回路のカレントミラー回路4のトランジスタN7,N8にバイアス電流としてそれぞれに流出する。すなわち、ここでは、この切換スイッチ回路9d自体が差動増幅器1の差動対トランジスタP1,P2のそれぞれのバイアス電流Io/2を生成する回路となっている。すなわち、定電流源9cとスイッチ回路9dとは差動増幅器1のバイアス電流値に相当するバイアス電流値を生成する第2の発明の第1のバイアス電流生成回路を構成している。
【0024】
これにより、差動増幅器1が動作しているときには(このときには差動増幅器2が動作せず)、ダミー動作回路9aも同時に動作してカレントミラー回路4のトランジスタに流れるバイアス電流IDは、電流源5、6からバイアス動作電流としてIo/2がトランジスタN10,N11によりシンクされるのでカレントミラー回路4a,4bにはこれの上流から差動増幅器2が動作しているときと同じバイアス電流が供給されることになる。
一方、差動増幅器1の動作が停止して差動増幅器2が動作しているときには、PチャネルMOSトランジスタP8,P9がOFFからONとなって、ダミー動作回路9aも動作が停止し、バイアス動作電流としてIo/2がトランジスタP8,P9により定電流源1aと等しい電流を流す定電流源9cからシンクされてそれがカレントミラー回路4の下流のトランジスタN7,N8に流れて、差動増幅器1が動作しているときのバイアス動作電流Io/2がカレントミラー回路4aに供給される。
その結果、差動増幅器1が動作しても差動増幅器2が動作してもカレントミラー回路4a,4bのカレントミラー対の各トランジスタに流れるバイアス電流IDには変化がない。
【0025】
以上説明してきたが、前記したように、この実施例のバイアス回路7aは、切換信号を発生する回路である。そこで、入力信号の電圧を電圧(VDD−Vth1)を基準電圧としてこれと比較してトランジスタP5をONさせる切換信号を発生するコンパレータを用いることができる。このコンパレータを用いる場合には、実施例のバイアス電流調整回路9の切換スイッチ回路9dもこのコンパレータの切換信号により動作するようにすることができる。さらに、このときには、差動増幅器1と等価の動作をするダミー動作回路9aは、単に、差動増幅器1と等価のバイアス電流を生成するあるいはシンクするバイアス電流生成回路に置き換えることができる。
また、コンパレータの切換信号に応じて第1の差動増幅器1の差動トランジスタのバイアス電流値に相当する第1の電流値を流す第1のバイアス電流生成回路と、第2の差動増幅器2の差動トランジスタのバイアス電流値に相当する第2の電流値を流す第2のバイアス電流生成回路とを切換えるようにすれば、切換スイッチ回路9dが不要になる。
【0026】
【発明の効果】
このようにこの発明にあっては、切換回路を設けて、第1の差動増幅器を動作させて第1の差動増幅器が入力信号に対して不感帯動作領域に入るときあるいは入ったときに第1の差動増幅器の動作を停止させて第2の差動増幅器を動作させる。このことにより、CMOS演算増幅回路のGmは、いずれか一方のGmとなり、入力信号に対してGmの変化が抑制される。また、設計上で第1および第2の差動増幅器のGmを実質的に等しいものとすることも容易にできる。
そこで、このような構成のCMOS演算増幅回路の入力信号の電圧変化に対するGmの変化は非常に少ない。
その結果、低電圧駆動に適し、入出力電圧範囲を広く採ることができ、高い精度で増幅することができるCMOS演算増幅回路を容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、この発明を適用したCMOS演算増幅回路の一実施例のブロック図である。
【図2】図2は、その、他の実施例のブロック図である。
【符号の説明】
1,2,11…差動増幅器、
3…切換スイッチ回路、4,4a,4b…カレントミラー回路、
5,6,9c…定電流源、7a、7b、7c…バイアス回路、
8…出力段アンプ、9…バイアス電流設定回路、
9a…ダミー動作回路、9b…バイアス電流生成回路、
9d…切換スイッチ回路、10,20…CMOS演算増幅回路、
P1〜P9…Pチャネルトランジスタ、
N1〜N11…Nチャネルトランジスタ。
Claims (10)
- 入力信号を受けるPチャネルおよびNチャネルのいずれか一方の差動MOSトランジスタを有する第1の差動増幅器と前記入力信号を受けるPチャネルおよびNチャネルのいずれか他方の差動MOSトランジスタを有する第2の差動増幅器とを有し、これら差動増幅器の出力に応じて前記入力信号に応じた出力信号を発生するCMOS演算増幅回路において、
前記第1および第2の差動増幅器の電流出力信号をそれぞれ受けてそれぞれの前記電流出力信号の電流値に応じた電流出力信号を発生するカレントミラー回路と、
このカレントミラー回路の出力信号を受けて前記入力信号に応じた出力信号を発生する出力回路と、
前記第1の差動増幅器が前記入力信号に対して不感帯動作領域に入るときあるいは入ったときに前記第1の差動増幅器の動作を停止させて前記第2の差動増幅器を動作させる動作の切換を行う切換回路とを備え、
前記第1の差動増幅器は、自己の前記差動MOSトランジスタの動作電流を流す第1の電流源を有し、前記第2の差動増幅器は、自己の前記差動MOSトランジスタの動作電流を流す第2の電流源を有し、前記第1の差動増幅器の差動MOSトランジスタはPチャネルであり、前記第2の差動増幅器の差動MOSトランジスタはNチャネルであり、前記第1の差動増幅器および前記第2の差動増幅器のGmは実質的に等しいものであり、前記第1および前記第2の電流源は定電流源であり、
前記切換回路は、前記第1の電流源の電流を分流する回路であって、ゲート電圧が前記不感帯動作領域に入る電圧に対応する所定の電圧ラインに接続されたPチャネルのMOSトランジスタで構成され、ソースが前記第1の電流源に接続され、前記第1の差動増幅器が前記入力信号に対して不感帯動作領域に入るときあるいは入ったときにこのMOSトランジスタがOFFからONになって前記ソースを経てこのMOSトランジスタのドレインから前記第1の電流源の電流を全部流出させて前記第1の差動増幅器の動作を停止させて前記ドレインからの電流に応じて前記第2の電流源の電流を流させて記第2の差動増幅回路を動作させ、前記第1の差動増幅器が前記不感帯動作領域から出たときには逆にこのMOSトランジスタがOFFからONになって前記第1の電流源の電流を全部前記第1の差動増幅器に流すことにより前記第1の差動増幅器を動作させて前記第2の差動増幅回路の動作を停止させる動作の切換を行い、
前記カレントミラー回路は、電源ラインとグランドラインとの間に縦に複数のカレントミラーが積み上げられ、その入力側トランジスタが第3の定電流源を介して電源ラインに接続され、その出力側トランジスタが第4の定電流源を介して前記電源ラインに接続された縦にカスケード接続された回路であり、前記第3および第4の定電流源の電流が前記第2の差動増幅器の前記差動MOSトランジスタにこれのバイアス電流として分流され、
前記第1の差動増幅器は、前記カレントミラー回路の前記複数のカレントミラーのうち前記グランドラインの側のカレントミラーを負荷とし、前記第2の差動増幅器は、前記第3および第4の定電流源を負荷とするCMOS演算増幅回路。 - さらに前記第1の差動増幅器の差動トランジスタのバイアス電流値に相当する第1の電流値を流出するバイアス電流流出回路と、前記第2の差動増幅器の差動トランジスタのバイアス電流値に相当する第2の電流値をシンクするバイアス電流シンク回路とを有し、前記切換回路は、さらに前記第1の差動増幅器が動作しているときに前記第3および第4の定電流源から前記バイアス電流シンク回路に前記第2の電流値の電流を流し、前記第1の差動増幅器が動作を停止しているときに前記第2の電流値の電流を停止させて前記バイアス電流流出回路から前記グランドラインの側のカレントミラーに前記第1の電流値の電流を流す請求項1記載のCMOS演算増幅回路。
- 入力信号を受けるPチャネルおよびNチャネルのいずれか一方の差動MOSトランジス タを有する第1の差動増幅器と前記入力信号を受けるPチャネルおよびNチャネルのいずれか他方の差動MOSトランジスタを有する第2の差動増幅器とを有し、これら差動増幅器の出力に応じて前記入力信号に応じた出力信号を発生するCMOS演算増幅回路において、
前記第1および第2の差動増幅器の電流出力信号をそれぞれ受けてそれぞれの前記電流出力信号の電流値に応じた電流出力信号を発生するカレントミラー回路と、
このカレントミラー回路の出力信号を受けて前記入力信号に応じた出力信号を発生する出力回路と、
前記第1の差動増幅器が前記入力信号に対して不感帯動作領域に入るときあるいは入ったときに前記第1の差動増幅器の動作を停止させて前記第2の差動増幅器を動作させる動作の切換を行う切換回路とを備え、
前記第1の差動増幅器の前記差動MOSトランジスタのバイアス電流値に相当する第1の電流値を流す第1のバイアス電流生成回路と、前記第2の差動増幅器の前記差動MOSトランジスタのバイアス電流値に相当する第2の電流値を流す第2のバイアス電流生成回路とを有し、前記カレントミラー回路は、前記第1の差動増幅器の前記差動MOSトランジスタに流れるバイアス電流が流されあるいはシンクされ、かつ、前記第2の差動増幅器の前記差動MOSトランジスタに流れるバイアス電流が流されあるいはシンクされることで前記第1および第2の差動増幅器の電流出力信号が入力されるものであり、
前記切換回路は、さらに前記第1の差動増幅器が動作しているときに前記第2のバイアス電流生成回路から前記第2の電流値を前記カレントミラー回路に流しあるいは前記カレントミラー回路からシンクし、前記第1の差動増幅器の動作が停止しているときに前記第2の電流値を停止させて前記第1のバイアス電流生成回路から前記第1の電流値を前記カレントミラー回路に流しあるいは前記カレントミラー回路からシンクする請求項1記載のCMOS演算増幅回路。 - 前記切換回路は、前記第1の差動増幅器が前記不感帯動作領域から出たときには前記第2の差動増幅器の動作を停止させて前記第1の差動増幅器を動作させる動作の切換を行う請求項3記載のCMOS演算増幅回路。
- 前記第1の差動増幅器は、自己の前記差動MOSトランジスタの動作電流を流す第1の電流源を有し、前記第2の差動増幅器は、自己の前記差動MOSトランジスタの動作電流を流す第2の電流源を有し、前記切換回路は、前記第1の電流源の電流を分流する第1の切換回路と、前記第1のバイアス電流生成回路と前記第2のバイアス電流生成回路といずれかを選択的に動作させる第2の切換回路とからなり、前記第1の切換回路は、前記第1の電流源の電流を全部分流すことにより前記第1の差動増幅器の動作を停止させて前記第2の差動増幅回路を動作させる請求項4記載のCMOS演算増幅回路。
- さらに第3および第4の定電流源を有し、前記第1の差動増幅器の前記差動MOSトランジスタはPチャネルであり、前記第2の差動増幅器の前記差動MOSトランジスタはNチャネルであり、前記第1の差動増幅器および前記第2の差動増幅器のGmは実質的に等しいものであり、前記カレントミラー回路は、電源ラインとグランドラインとの間に縦に複数のカレントミラーが積み上げられ、その入力側トランジスタが前記第3の定電流源を介して電源ラインに接続され、その出力側トランジスタが前記第4の定電流源を介して前記電源ラインに接続された縦にカスケード接続された回路であり、前記第3および第4の定電流源の電流が前記第2の差動増幅器の前記差動MOSトランジスタにこれのバイアス電流として分流される請求項5記載のCMOS演算増幅回路。
- 前記第1のバイアス電流生成回路は、前記カレントミラー回路へのバイアス電流を流出する電流流出回路であり、前記第2のバイアス電流生成回路は、前記カレントミラー回路の前記第3および第4の定電流源から電流をシンクするバイアス電流シンク回路である請 求項6記載のCMOS演算増幅回路。
- さらに、前記第1の定電流源の電流値と実質的に等しい電流値を発生する第5の定電流源を有し、前記第1の切換回路は、前記第1の定電流源の電流を全部分流すことにより前記第1の差動増幅器の動作を停止させて前記第2の差動増幅回路を動作させ、逆に前記第1の定電流源の電流を全部を前記第1の差動増幅器の前記差動MOSトランジスタに流すことにより前記第1の差動増幅器を動作させて前記第2の差動増幅回路の動作を停止させるものであり、前記第2の切換回路は、前記第1の切換回路と実質的に同時に動作して前記第5の定電流源の電流を全部前記バイアス電流シンク回路に流すことにより前記バイアス電流シンク回路を動作させかつ前記バイアス電流流出回路の動作を停止させて、逆に前記第5の定電流源の電流全部を前記バイアス電流流出回路に流すことにより前記バイアス電流流出回路を動作させかつ前記バイアス電流シンク回路の動作を停止させるものである請求項7記載のCMOS演算増幅回路。
- 前記カレントミラー回路を第1として、前記バイアス電流シンク回路は、前記第5の定電流源に接続された、前記第1の差動増幅器の等価のダミー動作をする回路と第2のカレントミラー回路とを有し、前記第2のカレントミラー回路は、前記第3および第4の定電流源に接続されている請求項8記載のCMOS演算増幅回路。
- 前記第1の差動増幅器は、前記第1のカレントミラー回路の前記複数のカレントミラーのうち前記グランドラインの側のカレントミラーを負荷とし、前記第2の差動増幅器は、前記第3および第4の定電流源を負荷とする請求項9記載のCMOS演算増幅回路。
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