JP3907130B2 - 改良された出力電圧範囲を有する増幅器 - Google Patents
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Description
このような増幅器は当該技術分野において既知である。このような増幅器における負荷はダイオードの形をとり、この負荷ダイオードは、一般に、ダイオード接続されたトランジスタとして構成される。この場合、その増幅段の電圧利得は、増幅トランジスタのトランスコンダクタンスとダイオード接続トランジスタのトランスコンダクタンスとの比によって決まる。
既知の増幅段の欠点は、その出力端子の電圧が、そのダイオードのしきい値電圧のせいで、その電源供給端子の電圧に近づくことができないことである。ある用途に対しては、出力端子の電圧が電源供給端子の電圧に近似することが必要である。
本発明の目的は、出力端子の電圧が電源供給端子の電圧に近似する増幅段を有する増幅器を提供することである。
この目的のため、本発明は、冒頭の段落において特定されたタイプの増幅器において、前記負荷が、前記電源供給端子に結合されたソースと、前記出力端子に結合されたドレインと、ゲートとを有する第1の電界効果トランジスタと、前記出力端子に結合されたソースと、前記第1の電界効果トランジスタのゲートに結合されたドレインと、当該ドレインに結合されたゲートとを有する第2の電界効果トランジスタとを含むことを特徴とする。
この増幅器の電源供給端子と出力端子との間の電圧差は、第1の電界効果トランジスタのゲート−ソース間電圧と第2の電界効果トランジスタのゲート−ソース間電圧との電圧差に等しい。第1および第2の電界効果トランジスタを互に適切に寸法決定した場合には、この電圧差を小さくすることができる。この小さな電圧差は第1の電界効果トランジスタのソース−ドレイン間電圧も形成するので、第1の電界効果トランジスタは(一般に)飽和領域にはなくその線形動作領域にある。
この第1の電界効果トランジスタはその線形動作領域にあるという事実にもかかわらず、この負荷は、ダイオード接続された慣例の電界効果トランジスタのインピーダンス特性と同様のインピーダンス特性を有する。この負荷は、要するに、ダイオードとしてふるまい、そのしきい値電圧は、慣例のダイオードのしきい値電圧よりもはるかに小さい。
本発明を、添付の図面を参照して、さらに詳細に説明する。
図1-図3において、同様の部分あるいは要素は、同じ参照符号を有する。
図1は、慣例の増幅段を示す。ここに、この増幅段は、入力信号を受信する入力端子1と、入力信号に応答する出力信号を供給する出力端子2と、電源供給端子3と、出力端子2に結合した主電流路を有する増幅トランジスタ4と、出力端子2と電源供給端子3との間に結合されたダイオード接続された第1の電界効果トランジスタT1の形態の負荷5とを有する。この第1の電界効果トランジスタT1のゲート−ソース間電圧は、
VGS1=√(2×I/β1)+VT1 [1]
によって与えられる。
ここに、VGS1は第1の電界効果トランジスタT1のゲート−ソース間電圧;Iは第1の電界効果トランジスタT1の主電流路を通る直流電流;βは、電界効果トランジスタのパラメータであり、このパラメータは、ゲートの幅に正比例し、ゲートの長さに反比例し、さらに、ゲート酸化物の厚さ、電荷移動度およびゲート酸化物の誘電率に依存する。β1は第1の電界効果トランジスタT1に関する上記パラメータβを表し、VT1は第1の電界効果トランジスタT1のしきい値電圧である。
負荷5の微分抵抗RCは、直流電流Iに関する第1の式[1]の微分によって、計算することができる。したがって、その微分抵抗RCは、
RC=1/√(2×I×β1) [2]
によって与えられる。
式[2]から、この微分抵抗RCは、もし第1の電界効果トランジスタT1を通る直流電流Iがわかっているならば、パラメータβ1にのみ依存することになる。このパラメータβ1のばらつきはたいして大きくはない。その結果として、その微分抵抗RCはかなり正確に予測できる。
図2は、本発明による増幅器の増幅段の第1の実施態様を示す。
第1の増幅トランジスタ4は、例えば、バイポーラトランジスタであるが、これに代えて、図1におけるように、電界効果トランジスタとしてもよい。この増幅トランジスタ4は、端子6に結合されたエミッタを有する。この増幅段は、さらに、第2の電界効果トランジスタT2を含み、この第2の電界効果トランジスタT2は、出力端子2に結合されたソースを有するとともに、第1の電界効果トランジスタT1のゲートに結合されたゲート及びドレインを有する。電流源ICは、この第2の電界効果トランジスタT2のドレインに結合される。この電流源ICは、第2のトランジスタT2の主電流路を通る直流電流Iを供給する。
もし、出力端子2に積分キャパシタCIが結合されていると、この増幅段は、際上、積分器を構成する。この積分器の時定数は、第1および第2の電界効果トランジスタT1およびT2により形成される負荷5の微分抵抗RNと、積分キャパシタCIの容量値との積により決定される。
この微分抵抗RNは、
RN=1/{β1×(VGS1−VT1−VDS1)} [3]
によって与えられる。
ここに、VDS1は、第1の電界効果トランジスタT1のドレイン−ソース間電圧である。この第1の電界効果トランジスタT1のドレイン−ソース間電圧VDS1は、第1の電界効果トランジスタT1のゲート−ソース間電圧VGS1と第2の電界効果トランジスタT2のゲート−ソース間電圧VGS2との電圧差に等しいので、この第1の電界効果トランジスタT1のドレイン−ソース間電圧VDS1は、通常、非常に低い。この結果、この微分抵抗RNは、
RN=1/{β1×(VGS1−VT1)} [4]
に近似することができる。
式[1]は、第1の電界効果トランジスタT1のゲート−ソース間電圧VGS1の計算に使うことはできない。なぜなら、この式は、図1に示される慣例の増幅段におけるように、第1の電界効果トランジスタT1が飽和領域にあるときにだけ有効なものだからである。本発明に従う増幅段において、第1の電界効果トランジスタT1は線形領域で動作する。逆にいえば、第2の電界効果トランジスタT2は飽和領域で動作する。この場合、第1の電界効果トランジスタT1のゲート−ソース間電圧VGS1は、
VGS1=VGS2+VDS1=√(2×I/β2)+VT2+VDS1 [5]
に従う。
ここに、VGS2は第2の電界効果トランジスタT2のゲート−ソース間電圧、VT2は第2の電界効果トランジスタT2のしきい値電圧、β2は第2の電界効果トランジスタT2に関するパラメータβである。第1の電界効果トランジスタT1が線形領域で動作するとき、この第1の電界効果トランジスタT1のドレイン−ソース間電圧VDS1は、第2の電界効果トランジスタT2のゲート−ソース間電圧VGS2よりも十分に小さい。そのうえ、第1の電界効果トランジスタT1のしきい値電圧VT1は、第2の電界効果トランジスタT2のしきい値電圧VT2にほぼ等しい。その結果、次の近似が成立する。
VGS1−VT1=√(2×I/β2) [6]
式[6]を式[4に代入すると、
RN=1/{β1×√(2×I/β2)} [7]
になる。
式[7]を式[2]と比較することにより、本発明に従う負荷5の微分抵抗RNは、慣例の増幅段のダイオード接続された第1の電界効果トランジスタT1の微分抵抗RCのダイオード特性と同様のダイオード特性を有することが明らかである。これは、直流電流Iがわかっているならば、この微分抵抗RNは、そのパラメータβ1およびβ2にのみ依存すること意味する。そのパラメータβ1およびβ2のばらつきはたいして大きくはない。したがって、この微分抵抗RNはかなり正確に予測できる。第1および第2の電界効果トランジスタT1、T2により構成される負荷5は、実際上、ダイオード接続の電界効果トランジスタとしてふるまい、このように形成されたダイオードのしきい値電圧は第1の電界効果トランジスタT1のドレイン−ソース間電圧VDS1に等しく、慣例のダイオードの場合のしきい値電圧よりも相当低いことがわかる。
図3は、本発明による増幅器の増幅段の第2の実施態様を示す。本実施態様は、実際上、図2に示される実施態様による2つの増幅段を具え、増幅トランジスタ4は、本例では、電界効果トランジスタとする。次の参照符号の各対、すなわち、1、1A;2,2A;4,4A;5,5A;IC,ICA;T1,T1A;T2,T2A;CI,CIAは、同様の部分あるいは要素に該当する。この2つの増幅段は、互いに、端子6を介して結合され、その結果として、差動入力信号を受けるための2つの入力端子1,1Aと、差動出力信号を供給するための2つの出力端子2,2Aとを有する差動増幅器になる。末端の電流源ITは、増幅トランジスタ4,4Aのための直流バイアスを提供する。
増幅トランジスタ4は、図2および図3に示される導電型と反対導電型のものとすることができる。そのうえ、増幅トランジスタ4は、図2および図3のどちらの例でもイポーラトランジスタあるいは電界効果トランジスタとすることができる。この増幅器は、集積回路にも、個別構成要素にも形成することができる。
【図面の簡単な説明】
図1は、増幅器の慣例の増幅段を示し、
図2は、本発明による増幅器の増幅段の第1の実施態様を示し、
図3は、本発明による増幅器の増幅段の第2の実施態様を示す。
Claims (4)
- 入力信号を受信する入力端子と、前記入力信号に応答する出力信号を供給する出力端子と、電源供給端子と、前記出力端子に結合した主電流路を有する増幅トランジスタと、前記出力端子と前記電源供給端子との間に結合された負荷とを有する増幅段を具える増幅器において、前記負荷は、前記電源供給端子に結合されたソースと、前記出力端子に結合されたドレインと、ゲートとを有する第1の電界効果トランジスタと、前記出力端子に結合されたソースと、前記第1の電界効果トランジスタのゲートに結合されたドレインと、当該ドレインに結合されたゲートとを有する第2の電界効果トランジスタとを具えることを特徴とする増幅器。
- 前記増幅器は、さらに、上記の増幅段と同様に構成された他の増幅段を含み、それぞれの増幅段の増幅トランジスタは差動増幅器として配置されていることを特徴とする請求項1に記載の増幅器。
- 積分キャパシタが前記出力端子に結合されていることを特徴とする請求項1または2に記載の増幅器。
- 前記積分キャパシタは電界効果トランジスタによって形成されていることを特徴とする請求項3に記載の増幅器。
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