JP3846267B2 - Differential amplifier and level detector - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、差動増幅回路、特に電池等の低電圧電源で動作し、プラス数mV程度の低レベル信号のレベル検出器に利用して有効な技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、自動車内の各種信号の多くはICを使用した電子回路を用いて処理されており、これらの電子回路は電池からの単一電源で動作し、且つ低消費電力で動作するようさまざまな工夫が施されている。たとえば、ICカードを使用したETCS(自動料金徴収システム)用アナログ回路では、路上器アンテナが受信した信号をモニタし、信号を受信している間のみシステムを通常消費電力状態で動作させ、信号を受信していない時は低消費電力状態であるスリープ状態に保持して消費電力を少なくすることが行われている。
【0003】
このETCSに必要なアンテナ信号の有無の判定は、数mVという非常に低い電圧レベルで行われる。図3は従来技術の差動増幅回路によるコンパレータである。ここでこの差動増幅回路を前述のような低い電圧のレベル検出に使用した場合に生ずる問題点、ひいては本発明が解決しようとする課題を明らかにするために、この回路の構成および動作について説明する。(以下の説明においては、図3中の素子は全て同一ICチップ上に形成され、トランジスタP1とP2、N1とN2は同じ特性を有するものとする。)
【0004】
図3中の差動対をなす2つのPMOSトランジスタ(P-type Metal Oxide Semiconductor)P1、P2のソースは互いに共通にPMOSトランジスタP3のドレインに接続され、そのPMOSトランジスタP3はソースが電源電圧Vddを供給する電源線に、ゲートはPMOSトランジスタP4のゲートに接続されている。そしてトランジスタP4は、ソースが電源電圧Vddを供給する電源線に、ドレインとゲートは共通に接続された上で抵抗Rを介して接地された基準電位Vgndにそれぞれ接続されている。これによりトランジスタP4のゲート、ソース間の電圧VgsP4 は、その電流駆動能力が十分高く形成されているとすると、PMOSトランジスタP4のしきい値電圧VthPにほぼ等しい一定電圧となる。従ってトランジスタP3のゲート、ソース間にもPMOSトランジスタのしきい値電圧Vthpにほぼ等しい一定電圧が常時加わる。この状態でトランジスタP3のドレイン、ソース間に僅かの電圧(ソースに対してドレインがマイナスとなる電圧)が加われば、トランジスタP3は定電流源として動作し、トランジスタP1、P2のソース共通接続点に一定の電流が供給される。
【0005】
一方、トランジスタP1、P2のドレインは、能動負荷としてのカレントミラー回路を構成するNMOSトランジスタ(N-type Metal Oxide Semiconductor)N1、N2のドレインにそれぞれ接続されている。トランジスタN1、N2のゲートは、共通接続されてトランジスタN1のドレインに接続されているので、そのゲート、ソース間電圧VgsN1、VgsN2が所定電圧以上(例えばNMOSトランジスタのしきい値電圧VthN以上)であれば、トランジスタN1、N2には殆ど等しい大きさのドレイン電流Id1、Id2が流れる。
【0006】
差動入力電圧は差動対をなすトランジスタP1、P2のゲートに印加され、出力電圧VoutはトランジスタP2のドレインから取り出される。低電圧の単一電源で動作させるために全てのトランジスタはエンハンスメント型MOSにより形成されている。
【0007】
ここで、この回路を用いて微小電圧Vinと基準電圧0Vとのレベル比較をする場合を考える。基準電圧Vrefは0Vであるので、トランジスタP2のゲートを基準電位Vgndに接続し、微小入力電圧VinはトランジスタP1のゲートに加えたとする。この場合の回路の小信号差動電圧利得Admは、トランジスタP3が定電流源として動作している場合には次式で表される。
Adm=(−1/2)gm・Rd (1)式
ここにgmはトランジスタP1、P2の相互コンダクタンス、RdはトランジスタN1、N2のソース接地出力抵抗である。
【0008】
図3の回路が差動増幅器として性能を発揮するためには、(1)式で表される差動電圧利得Admができる限り大きいことが望ましい。そのためには各トランジスタを相互コンダクタンスgmと出力抵抗Rdの値が大きな値となる動作状態、即ち、ゲート、ソース間電圧Vgsをパラメータとしてドレイン電流Idを縦軸に、ドレイン、ソース間電圧Vdsを横軸にとって描いたMOSトランジスタのソース接地出力特性図(以下、Id−Vd特性図と略す)におけるドレイン電流の飽和領域で動作させることが必要である。
【0009】
図2はMOSトランジスタの一般的なId−Vd特性図を示したものである。図中に示した飽和領域では、ドレイン電流Idがドレイン、ソース間電圧Vdsの変化に関わらず殆ど一定値で飽和の状態を呈する。このため相互コンダクタンスgmおよび出力抵抗Rdは、図中の非飽和領域で動作する場合と比べて非常に大きな値となる。
【0010】
MOSトランジスタの理論解析によれば、MOSトランジスタがこのId−Vd特性図における飽和領域で動作するのは、次の条件式が成立する場合であることが知られている。
|Vds|≧|Vgs|−|Vth| (2)式
ここにVdsはドレイン、ソース間電圧、Vgsはゲート、ソース間電圧、Vthはしきい値電圧である。
この(2)式より、図3のトランジスタP1が相互コンダクタンスの高い状態、即ち飽和領域で動作するための条件は次のようになる。
|VdsP1| ≧ (|VgsP1|−|VthP|) (3)式
ここにVthPはPMOSトランジスタP1のしきい値電圧である。
NMOSトランジスタN1のドレイン、ソース間電圧をVdsN1とすると(3)式より次式が導かれる。
|VthP|+ Vin ≧ VdsN1 (4)式
【0011】
他方、トランジスタN1が出力抵抗の高い状態、即ち飽和領域で動作する条件を考えると、トランジスタN1はゲート電圧とドレイン電圧とが等しいことから、常に(2)式を満足している。即ち、ドレイン電流が流れている状態では常に飽和領域で動作していることになる。このことからトランジスタN1が飽和状態で動作するための条件は、次式で表せる。
VdsN1 ≧ VthN (5)式
(4)、(5)式をまとめると、次式のようになる。
|VthP|+ Vin ≧ VdsN1 ≧|VthN| (6)式
これより入力電圧Vinが0Vの基準電圧に等しい場合には、次のようになる。
|VthP|≧ VdsN1 ≧|VthN| (7)式
以上はトランジスタP1、N1について検討してきたが、トランジスタN1とN2、P1とP2は同特性であるので、入力電圧Vinと基準電圧Vrefが共に0Vである場合には、(6)式はトランジスタP2、N2が飽和領域で動作するための条件でもある。
【0012】
(7)式の条件が満足されない場合には、飽和領域で動作できないトランジスタがあることを、具体的な数字による例で説明する。いま、図3の回路を次の条件で動作させたとする。
PMOSしきい値電圧: |VthP|=0.9V
NMOSしきい値電圧: |VthN|=1.0V
電源電圧 : Vdd=2.5V
入力電圧、基準電圧 : ViN=Vref=0V
電源基準電位 : Vgnd=0V
定電流を供給するトランジスタP3の電流駆動能力は十分に高いものとする。
【0013】
この条件の下、定電流源トランジスタP3、能動負荷N1、N2がすべて飽和領域で動作しているとすると、トランジスタP3のドレイン電位は電源電圧より約0.1V低い約2.4V、トランジスタN1のドレイン電位は、基準電位よりNMOSトランジスタのしきい値電圧より少し高い約1.1Vとなる。この結果トランジスタP1のドレイン、ソース間電圧の絶対値は1.3V、ゲート、ソース間電圧の絶対値は2.4Vとなる。トランジスタP1が飽和領域で動作するには、ゲート、ソース間電圧2.4VからPMOSトランジスタのしきい値電圧0.9Vを差し引いた1.5V以上でなければならない。しかしトランジスタP1のドレイン、ソース間電圧は、これより小さい1.3Vである。従って、トランジスタP1は飽和領域で動作することができず、非飽和領域で動作することとなる。
【0014】
ここまで説明してきたことより、次のようなことが言える。即ち、図3の差動増幅回路を、入力電圧Vinおよび基準電圧Vrefを電源基準電位Vgndに近い低レベルにして動作させた場合において、PMOSトランジスタのしきい値電圧VthPの絶対値が、NMOSトランジスタのしきい値電圧VthNの絶対値より小さく形成されていると、トランジスタP1、P2、N1、N2の内の何れか1個または複数個の動作点が飽和領域から外れて非飽和領域に移ることとなるため、(1)式で表される差動電圧利得Admが十分に得られず、増幅器としての性能が低下するという問題が生ずる。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した問題を解決せんとするものであって、その目的は、図3に示すような従来の差動増幅回路を、電源基準電位Vgnd近傍の入力電圧で動作させた場合において、回路を構成するPMOSトランジスタのしきい値電圧の絶対値がNMOSトランジスタのしきい値電圧の絶対値より小さく形成されていても、回路を構成するトランジスタを全てドレイン電流の飽和領域で動作させるようにして差動電圧利得Amdの低下を防ぎ、電圧利得が高く、安定動作する差動増幅回路を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る差動増幅回路は、差動対をなす1対のPMOSトランジスタと、それらトランジスタの負荷となるNMOSトランジスタで構成したカレントミラー回路と、前記1対のPMOSトランジスタの共通接続したソースに定電流を供給する定電流回路とからなる差動回路の反転入力端子および非反転入力端子に、定電流源を負荷とするPMOSトランジスタで構成したソースフォロワ回路からなるレベルシフト回路をそれぞれ接続して構成した差動増幅回路であって、前記差動対及びソースフォロワ回路を構成するPMOSトランジスタはしきい値電圧を等しく、その値を前記カレントミラー回路を構成するNMOSトランジスタのしきい値電圧の1/2以上となるように形成してあることを特徴とするものである。
このような構成の差動増幅回路は、PMOSトランジスタのしきい値電圧をV thP 、NMOSトランジスタのしきい値電圧をV thN とすると、差動増幅回路の入力電圧が例え負の値であっても、( |V thN |− 2|V thP |)以上の値であれば、反転、非反転の2つの入力電圧の差が小さい場合に高い差動電圧利得を得ることができる利点を有する。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態の一例を図1を用いて説明する。図中の1は第1のレベルシフト回路、2は第2のレベルシフト回路である。この第1、第2のレベルシフト回路1、2を除いた回路部分は図3に示した差動増幅回路と同じであり、その構成および動作は「従来の技術」の項で詳述した通りである。(図1中、図3と同じ部分は同じ符号が付してある。)
【0018】
第1のレベルシフト回路は2つのPMOSトランジスタP5、P6を縦続接続してソースフォロワ回路構成としたもので、一方のトランジスタP6のソースは電源電圧Vddを供給する電源線に接続され、他方のトランジスタP5のドレインは、電源基準電位 Vgndに接続される。
共通接続されたトランジスタP5のソースとトランジスタP6のドレインの接続点3は、第1のレベルシフト回路の出力電圧が現れる個所であり、差動対の反転入力端子であるトランジスタP1のゲートに接続される。電源基準電位Vgnd側に接続されたトランジスタP5のゲートには入力電圧Vinが印加され、他方、電源Vdd側に接続されたトランジスタP6のゲートはトランジスタP4のゲートに接続される。
【0019】
ここでトランジスタP4のゲート、ソース間電圧は、ゲートとドレインが共通に接続されているため、トランジスタP4の電流駆動能力が高く形成されていれば、PMOSトランジスタのしきい値電圧に殆ど等しい一定の値となる。従って、トランジスタP6のゲート、ソース間電圧もPMOSトランジスタのしきい値電圧に殆ど等しい一定値に維持されるため、トランジスタP6は電流源として動作し、電源基準電位Vgnd側に接続されたトランジスタP5のドレインに一定の電流Id6を供給する。この結果、第1のレベルシフト回路の出力にあたる接続点3の電位Vin1は、トランジスタP5のゲート電位に、トランジスタP5のゲート、ソース間電圧の絶対値|VgsP5|がプラスされた電位となる。この電圧|VgsP5|はトランジスタP5に供給されるドレイン電流Id6に依存するが、トランジスタP5がドレイン電流Id6を十分駆動できる能力を有している場合には、PMOSトランジスタのしきい値電圧の絶対値|VthP|に殆ど等しい値となる。従って、次の式が成り立つ。
Vin1 ≒ Vin + |VthP| (8)式
【0020】
第2のレベルシフト回路2の構成と動作も、第1のレベルシフト回路1と同じである。異なるのは電源基準電位Vgnd側に接続されたトランジスタP7のゲートには、差動入力の他方の入力電圧Vrefが印加され、そのレベルシフトされた出力であるトランジスタP7のソースが差動対の非反転入力端子であるトランジスタP2のゲートに接続される点である。
【0021】
この回路を「従来の技術」の項で検討したと同じ条件、即ち、基準電圧Vrefを与える端子を電源基準電位Vgndに接続して0Vとし、入力電圧Vinとして電源基準電位Vgnd近傍の微小電圧を加えて動作させたとする。この場合に回路中の全てのトランジスタが飽和領域で動作する条件は、(8)式のVin1を(6)式のVinに代入して次のようになる。
2|VthP|+ Vin ≧ VdsN1 ≧ |VthN| (9)式
従って、VdsN1が|VthN|に殆ど等しい場合には、入力電圧Vinが0Vであっても次の式、
2|VthP| ≧ |VthN|
が成り立つようにトランジスタのしきい値電圧が設計してあれば、全てのトランジスタが飽和領域で動作し、高い差動電圧利得が得られることとなる。
【0022】
なお、(9)式から次の関係が得られる。
Vin ≧ |VthN| − 2|VthP| (10)式
従って、入力電圧Vinは、この(10)式を満足する限りは負の値であっても、全てのトランジスタが飽和領域で動作し、高い差動電圧利得が得られる。
【0023】
なお第1、第2のレベルシフト回路の中のトランジスタP6、P8は、それぞれ入力トランジスタP5、P7に一定の定電流を供給する役割を果たすものであるので、必ずしも図に示した回路構成に限られるものではなく、一定の電流を入力トランジスタP5、P7にそれぞれ常時供給できる定電流回路であればよい。同様に図中のトランジスタP3は、差動対をなすトランジスタP1とP2のソース共通接続点に定電流を供給する役割を果たすものであるので、図に示す回路に限られるものではなく、一定電流を流せる他の方式の回路でもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を示す差動増幅回路の電気的構成図
【図2】MOSトランジスタのソース接地の一般的な出力特性図
【図3】従来技術を示す図1相当図
【符号の説明】
図面中、1、2はレベルシフト回路、Vddは電源電圧、Vgndは電源の基準電位、Vin、Vrefは差動入力電圧、Voutは出力電圧、N1、N2はNMOSトランジスタ、P1〜P8はPMOSトランジスタを示す。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a differential amplifier circuit, particularly a technique that operates with a low voltage power source such as a battery and is effective when used for a level detector of a low level signal of about plus several mV.
[0002]
[Prior art]
In recent years, most of various signals in automobiles are processed using electronic circuits using ICs, and these electronic circuits are operated with a single power source from a battery and various devices are designed to operate with low power consumption. Is given. For example, in an analog circuit for ETCS (automatic toll collection system) using an IC card, the signal received by the roadside antenna is monitored, and the system is operated in the normal power consumption state only while the signal is received, When not receiving, the power consumption is reduced by maintaining the sleep state, which is a low power consumption state.
[0003]
The presence / absence of an antenna signal necessary for the ETCS is determined at a very low voltage level of several mV. FIG. 3 shows a comparator using a conventional differential amplifier circuit. Here, in order to clarify the problems that occur when this differential amplifier circuit is used for low voltage level detection as described above, and the problem to be solved by the present invention, the configuration and operation of this circuit will be described. To do. (In the following description, all elements in FIG. 3 are formed on the same IC chip, and transistors P1 and P2 and N1 and N2 have the same characteristics.)
[0004]
The sources of two PMOS transistors (P-type Metal Oxide Semiconductors) P1 and P2 forming a differential pair in FIG. 3 are connected to the drain of the PMOS transistor P3 in common, and the source of the PMOS transistor P3 is the power supply voltage Vdd. The gate of the power supply line to be supplied is connected to the gate of the PMOS transistor P4. The transistor P4 has a source connected to a power supply line for supplying the power supply voltage Vdd, a drain and a gate connected in common, and a grounded potential Vgnd via a resistor R. As a result, the voltage VgsP4 between the gate and source of the transistor P4 becomes a constant voltage substantially equal to the threshold voltage VthP of the PMOS transistor P4, assuming that its current driving capability is sufficiently high. Therefore, a constant voltage substantially equal to the threshold voltage Vthp of the PMOS transistor is always applied between the gate and source of the transistor P3. In this state, if a slight voltage is applied between the drain and the source of the transistor P3 (a voltage at which the drain is negative with respect to the source), the transistor P3 operates as a constant current source, and is connected to the source common connection point of the transistors P1 and P2. A constant current is supplied.
[0005]
On the other hand, the drains of the transistors P1 and P2 are respectively connected to the drains of NMOS transistors (N-type Metal Oxide Semiconductor) N1 and N2 constituting a current mirror circuit as an active load. Since the gates of the transistors N1 and N2 are connected in common and connected to the drain of the transistor N1, the gate-source voltages VgsN1 and VgsN2 are not less than a predetermined voltage (for example, not less than the threshold voltage VthN of the NMOS transistor). For example, drain currents Id1 and Id2 having almost equal magnitudes flow in the transistors N1 and N2.
[0006]
The differential input voltage is applied to the gates of the transistors P1 and P2 forming a differential pair, and the output voltage Vout is extracted from the drain of the transistor P2. In order to operate with a single power source of low voltage, all transistors are formed of enhancement type MOS.
[0007]
Here, consider a case where the level comparison between the minute voltage Vin and the reference voltage 0 V is performed using this circuit. Since the reference voltage Vref is 0 V, it is assumed that the gate of the transistor P2 is connected to the reference potential Vgnd and the minute input voltage Vin is applied to the gate of the transistor P1. The small signal differential voltage gain Adm of the circuit in this case is expressed by the following equation when the transistor P3 operates as a constant current source.
Adm = (− 1/2) gm · Rd (1) where gm is the mutual conductance of the transistors P1 and P2, and Rd is the common source output resistance of the transistors N1 and N2.
[0008]
In order for the circuit of FIG. 3 to exhibit performance as a differential amplifier, it is desirable that the differential voltage gain Adm represented by the equation (1) be as large as possible. For this purpose, each transistor is in an operating state in which the mutual conductance gm and the output resistance Rd are large, that is, the drain current Id is plotted on the vertical axis and the drain-source voltage Vds is plotted on the vertical axis using the gate-source voltage Vgs as a parameter. It is necessary to operate in the saturation region of the drain current in the grounded source output characteristic diagram (hereinafter abbreviated as Id-Vd characteristic diagram) of the MOS transistor drawn for the axis.
[0009]
FIG. 2 shows a general Id-Vd characteristic diagram of a MOS transistor. In the saturation region shown in the figure, the drain current Id is saturated at a substantially constant value regardless of the change in the drain-source voltage Vds. For this reason, the mutual conductance gm and the output resistance Rd are very large values compared to the case of operating in the non-saturated region in the figure.
[0010]
According to the theoretical analysis of the MOS transistor, it is known that the MOS transistor operates in the saturation region in the Id-Vd characteristic diagram when the following conditional expression is satisfied.
| Vds | ≧ | Vgs | − | Vth | (2) where Vds is the drain-source voltage, Vgs is the gate-source voltage, and Vth is the threshold voltage.
From this equation (2), the conditions for the transistor P1 of FIG. 3 to operate in a state where the mutual conductance is high, that is, in the saturation region, are as follows.
| VdsP1 | ≧ (| VgsP1 | − | VthP |) (3) where VthP is the threshold voltage of the PMOS transistor P1.
When the drain-source voltage of the NMOS transistor N1 is VdsN1, the following equation is derived from the equation (3).
| VthP | + Vin ≧ VdsN1 (4) Formula
On the other hand, considering the condition in which the transistor N1 operates with a high output resistance, that is, in the saturation region, the transistor N1 always satisfies the expression (2) because the gate voltage and the drain voltage are equal. That is, when the drain current is flowing, it always operates in the saturation region. From this, the condition for the transistor N1 to operate in a saturated state can be expressed by the following equation.
VdsN1 ≧ VthN (5) Equations (4) and (5) can be summarized as follows.
| VthP | + Vin ≧ VdsN1 ≧ | VthN | (6) From this, when the input voltage Vin is equal to the reference voltage of 0 V, the following occurs.
| VthP | ≧ VdsN1 ≧ | VthN | (7) Although the transistors P1 and N1 have been studied above, the transistors N1 and N2 and P1 and P2 have the same characteristics, and therefore the input voltage Vin and the reference voltage Vref are both 0V. (6) is also a condition for the transistors P2 and N2 to operate in the saturation region.
[0012]
When the condition of the expression (7) is not satisfied, the fact that there is a transistor that cannot operate in the saturation region will be described with an example using specific numbers. Assume that the circuit of FIG. 3 is operated under the following conditions.
PMOS threshold voltage: | VthP | = 0.9V
NMOS threshold voltage: | VthN | = 1.0V
Power supply voltage: Vdd = 2.5V
Input voltage, reference voltage: ViN = Vref = 0V
Power supply reference potential: Vgnd = 0V
It is assumed that the current driving capability of the transistor P3 that supplies a constant current is sufficiently high.
[0013]
If the constant current source transistor P3 and the active loads N1 and N2 are all operating in the saturation region under this condition, the drain potential of the transistor P3 is about 2.4V, which is about 0.1V lower than the power supply voltage. The drain potential is about 1.1 V, which is slightly higher than the threshold voltage of the NMOS transistor than the reference potential. As a result, the absolute value of the drain-source voltage of the transistor P1 is 1.3V, and the absolute value of the gate-source voltage is 2.4V. In order for the transistor P1 to operate in the saturation region, it must be 1.5 V or more obtained by subtracting the threshold voltage 0.9 V of the PMOS transistor from the gate-source voltage 2.4 V. However, the drain-source voltage of the transistor P1 is 1.3 V, which is smaller than this. Therefore, the transistor P1 cannot operate in the saturation region, and operates in the non-saturation region.
[0014]
From what has been described so far, the following can be said. That is, when the differential amplifier circuit of FIG. 3 is operated with the input voltage Vin and the reference voltage Vref being at a low level close to the power supply reference potential Vgnd, the absolute value of the threshold voltage VthP of the PMOS transistor is the NMOS transistor. If it is smaller than the absolute value of the threshold voltage VthN, one or more of the operating points of the transistors P1, P2, N1, and N2 move out of the saturation region and move to the non-saturation region. Therefore, the differential voltage gain Adm represented by the equation (1) cannot be sufficiently obtained, and there arises a problem that the performance as an amplifier is deteriorated.
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention is intended to solve the above-described problem, and an object of the present invention is to provide a circuit in the case where a conventional differential amplifier circuit as shown in FIG. 3 is operated with an input voltage near the power supply reference potential Vgnd. Even if the absolute value of the threshold voltage of the PMOS transistor constituting the transistor is smaller than the absolute value of the threshold voltage of the NMOS transistor, all the transistors constituting the circuit are operated in the drain current saturation region. An object of the present invention is to provide a differential amplifier circuit that prevents a decrease in the differential voltage gain Amd, has a high voltage gain, and operates stably.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a differential amplifier circuit according to the present invention includes a pair of PMOS transistors forming a differential pair, a current mirror circuit composed of an NMOS transistor serving as a load of the transistors, and the pair of PMOS transistors. A level consisting of a source follower circuit composed of a PMOS transistor with a constant current source as a load at the inverting input terminal and non-inverting input terminal of a differential circuit consisting of a constant current circuit that supplies a constant current to sources connected in common to the transistors A differential amplifier circuit configured by connecting shift circuits to each other, wherein the PMOS transistors constituting the differential pair and the source follower circuit have the same threshold voltage, and the values thereof are NMOS transistors constituting the current mirror circuit Characterized by being formed to be 1/2 or more of the threshold voltage of A.
In the differential amplifier circuit having such a configuration, when the threshold voltage of the PMOS transistor is V thP and the threshold voltage of the NMOS transistor is V thN , the input voltage of the differential amplifier circuit is a negative value, for example. Also,( | V thN | − If the value is 2 | V thP |) or more, there is an advantage that a high differential voltage gain can be obtained when the difference between the two input voltages of inversion and non-inversion is small.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the figure, 1 is a first level shift circuit, and 2 is a second level shift circuit. The circuit portion excluding the first and second level shift circuits 1 and 2 is the same as that of the differential amplifier circuit shown in FIG. 3, and the configuration and operation thereof are as described in detail in the section “Prior Art”. It is. (In FIG. 1, the same parts as those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals.)
[0018]
The first level shift circuit is a source follower circuit configuration in which two PMOS transistors P5 and P6 are connected in cascade. The source of one transistor P6 is connected to a power supply line for supplying a power supply voltage Vdd, and the other transistor The drain of P5 is connected to the power supply reference potential Vgnd.
A connection point 3 between the source of the commonly connected transistor P5 and the drain of the transistor P6 is where the output voltage of the first level shift circuit appears, and is connected to the gate of the transistor P1, which is the inverting input terminal of the differential pair. The The input voltage Vin is applied to the gate of the transistor P5 connected to the power supply reference potential Vgnd side, while the gate of the transistor P6 connected to the power supply Vdd side is connected to the gate of the transistor P4.
[0019]
Here, the voltage between the gate and the source of the transistor P4 is constant and almost equal to the threshold voltage of the PMOS transistor if the current driving capability of the transistor P4 is formed high because the gate and the drain are connected in common. Value. Accordingly, since the gate-source voltage of the transistor P6 is also maintained at a constant value almost equal to the threshold voltage of the PMOS transistor, the transistor P6 operates as a current source, and the transistor P5 connected to the power supply reference potential Vgnd side. A constant current Id6 is supplied to the drain. As a result, the potential Vin1 at the connection point 3 corresponding to the output of the first level shift circuit becomes a potential obtained by adding the absolute value | VgsP5 | of the gate-source voltage of the transistor P5 to the gate potential of the transistor P5. This voltage | VgsP5 | depends on the drain current Id6 supplied to the transistor P5. However, if the transistor P5 has the ability to sufficiently drive the drain current Id6, the absolute value of the threshold voltage of the PMOS transistor A value almost equal to | VthP |. Therefore, the following equation holds.
Vin1 ≒ Vin + | VthP | Equation (8)
The configuration and operation of the second level shift circuit 2 are also the same as those of the first level shift circuit 1. The difference is that the other input voltage Vref of the differential input is applied to the gate of the transistor P7 connected to the power supply reference potential Vgnd side, and the source of the transistor P7 which is the level-shifted output is not in the differential pair. This is a point connected to the gate of the transistor P2, which is an inverting input terminal.
[0021]
The same conditions as those discussed in the section “Prior Art” of this circuit, that is, the terminal for supplying the reference voltage Vref is connected to the power supply reference potential Vgnd to be 0 V, and the minute voltage near the power supply reference potential Vgnd is set as the input voltage Vin. In addition, it is assumed that it is operated. In this case, the conditions under which all transistors in the circuit operate in the saturation region are as follows by substituting Vin1 in equation (8) for Vin in equation (6).
2 | VthP | + Vin ≧ VdsN1 ≧ | VthN | (9) Therefore, when VdsN1 is almost equal to | VthN |, the following equation is obtained even if the input voltage Vin is 0V:
2 | VthP | ≧ | VthN |
If the threshold voltages of the transistors are designed so as to hold, all the transistors operate in the saturation region, and a high differential voltage gain can be obtained.
[0022]
The following relationship is obtained from the equation (9).
Vin ≧ | VthN | −2 | VthP | Equation (10) Therefore, as long as the input voltage Vin is negative as long as this equation (10) is satisfied, all the transistors operate in the saturation region and are high. A differential voltage gain is obtained.
[0023]
The transistors P6 and P8 in the first and second level shift circuits serve to supply a constant current to the input transistors P5 and P7, respectively. Any constant current circuit that can always supply a constant current to the input transistors P5 and P7 may be used. Similarly, the transistor P3 in the figure plays a role of supplying a constant current to the source common connection point of the transistors P1 and P2 forming the differential pair, and is not limited to the circuit shown in the figure. It is also possible to use a circuit of another type that can flow.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an electrical configuration diagram of a differential amplifier circuit according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a general output characteristic diagram of a source grounding of a MOS transistor. FIG. Explanation of symbols]
In the drawing, 1 and 2 are level shift circuits, Vdd is a power supply voltage, Vgnd is a reference potential of the power supply, Vin and Vref are differential input voltages, Vout is an output voltage, N1 and N2 are NMOS transistors, and P1 to P8 are PMOS transistors. Indicates.

Claims (2)

差動対をなす1対のPMOSトランジスタと、それらトランジスタの負荷となるNMOSトランジスタで構成したカレントミラー回路と、前記1対のPMOSトランジスタの共通接続したソースに定電流を供給する定電流回路とからなる差動回路の反転入力端子および非反転入力端子に、定電流源を負荷とするPMOSトランジスタで構成したソースフォロワ回路からなるレベルシフト回路をそれぞれ接続して構成した差動増幅回路であって、
前記差動対及びソースフォロワ回路を構成するPMOSトランジスタはしきい値電圧が等しく、その値は前記カレントミラー回路を構成するNMOSトランジスタのしきい値電圧の1/2以上となるように形成してあることを特徴とする差動増幅回路。
A current mirror circuit composed of a pair of PMOS transistors forming a differential pair, an NMOS transistor serving as a load of the transistors, and a constant current circuit for supplying a constant current to the commonly connected sources of the pair of PMOS transistors A differential amplifier circuit configured by connecting a level shift circuit composed of a source follower circuit composed of a PMOS transistor having a constant current source as a load to the inverting input terminal and the non-inverting input terminal of the differential circuit,
The PMOS transistors constituting the differential pair and the source follower circuit have the same threshold voltage, and the value is set to be 1/2 or more of the threshold voltage of the NMOS transistor constituting the current mirror circuit. There is a differential amplifier circuit.
前記ソースフォロワ回路の定電流源は、ソースを電源に接続し、ゲートに一定電圧を印加したPMOSトランジスタで構成したことを特徴とする請求項1記載の差動増幅回路。  2. The differential amplifier circuit according to claim 1, wherein the constant current source of the source follower circuit comprises a PMOS transistor having a source connected to a power source and a constant voltage applied to a gate.
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