JP4091185B2 - バッファ回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、高入力インピーダンスを有するバッファ回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
バイポーラトランジスタにより構成されているバッファ回路において、信号入力端子にトランジスタのベース電流からなる漏れ電流が発生するので、バッファ回路の入力インピーダンスが低下する。これに対処するため、通常、トランジスタのベース電流を補償する電流補償回路が設けられている。
【0003】
図3は電流補償回路を有するバッファ回路の一例を示している。図示のように、このバッファ回路はエミッタフォロワを構成するトランジスタQ11の他に、トランジスタQ12およびトランジスタQ13,Q14からなる補償電流発生回路が設けられている。トランジスタQ11とQ12は、npnトランジスタであり、トランジスタQ13とQ14はpnpトランジスタである。
【0004】
トランジスタQ11のベースはバッファ回路の入力端子に接続されている。トランジスタQ11のエミッタは電流源IS10に接続され、さらにバッファ回路の出力端子に接続されている。トランジスタQ12のエミッタはトランジスタQ11のコレクタに接続され、コレクタは電源電圧VCCに接続されている。トランジスタQ13とQ14は、カレントミラー回路を構成している。トランジスタQ13とQ14のベース同士が接続され、その接続点がトランジスタQ14のコレクタとともにトランジスタQ12のベースに接続されている。トランジスタQ13とQ14のエミッタが電源電圧VCCに接続され、トランジスタQ13のコレクタは、トランジスタQ11のベース、即ち、信号入力端子に接続されている。
【0005】
バッファ回路の入力端子に入力信号VINが入力されているとき、トランジスタQ11のエミッタ、即ち、バッファ回路の出力端子から入力信号VINに応じた信号VOUT が出力される。ここで、電流源IS10の電流値をI1 とすると、トランジスタQ11のエミッタ電流がI1 となる。さらに、トランジスタQ11のベース電流をIB1とすると、トランジスタQ11のコレクタ、即ち、トランジスタQ12のエミッタ電流I2 が次式により求められる。
【0006】
【数1】
I2 =I1 −IB1 …(1)
【0007】
ベース電流IB1は非常に小さいので、トランジスタQ12のエミッタにはトランジスタQ11のエミッタとほぼ同じ電流が流れる。トランジスタQ13とQ14により構成されたカレントミラー回路により、トランジスタQ12のベース電流IB2とほぼ同じ電流I3 がトランジスタQ13のコレクタに出力される。電流I3 は補償電流として、トランジスタQ11のベースに入力される。この結果、入力端子に流れる電流IINは、トランジスタQ11のベース電流IB1とカレントミラーで発生した電流I3 との差電流となり、次式により求められる。
【0008】
【数2】
IIN=IB1−I3 …(2)
【0009】
式(2)から分かるように、トランジスタQ11のベース電流は電流補償回路により発生した補償電流により一部相殺されるので、入力端子の入力電流が低減され、バッファ回路の入力インピーダンスが高く保持できる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来のバッファ回路においては、電流補償回路を構成するpnpトランジスタQ13とQ14の電流増幅率が低い場合に、生成した補償電流I3 はトランジスタQ11のベース電流IB1を完全に補償することができない。さらに、バッファ回路の入力ダイナミックレンジがpnpトランジスタQ13またはQ14のベース−エミッタ間電圧VBEP 分だけ減少するという不利益がある。
【0011】
例えば、npnトランジスタQ11とQ12の電流増幅率をともにβN とし、pnpトランジスタQ13とQ14の電流増幅率をともにβP とした場合に、トランジスタQ11のベース電流IB1は、I1 /(1+βN )となり、トランジスタQ12のエミッタ電流I2 は、トランジスタQ11のコレクタ電流に等しく、βN I1 /(1+βN )となる。このため、トランジスタQ12のベース電流IB2は、次式により求められる。
【0012】
【数3】
【0013】
さらに、上記カレントミラー回路において、トランジスタQ13のコレクタ電流I3 とトランジスタQ12のベース電流IB2には、次の関係が成り立つ。
【0014】
【数4】
【0015】
式(3)および(4)により、次式が求められる。
【0016】
【数5】
I3 =βN βP I1 /(1+βN )2 (2+βP )…(5)
【0017】
この結果、式(2)に示す入力電流IINは、次のように求められる。
【0018】
【数6】
【0019】
βN が(βN ≫1)を満足し、且つ、βP がβN に比べてかなり小さいとき、式(6)により入力電流IINは、次の近似式で求められる。
【0020】
【数7】
IIN=2/βN (2+βP ) …(7)
【0021】
式(6)および(7)により、電流補償回路を構成するpnpトランジスタQ13とQ14の電流増幅率βP が低い場合に、補償電流I3 によりトランジスタQ11のベース電流が十分補償できないので、入力電流IINを十分低減できず、バッファ回路の入力インピーダンスが低下してしまう。
【0022】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電流補償回路によりトランジスタのベース電流を補償することにより、入力漏れ電流を低減し、高入力インピーダンスを実現でき、且つ電流補償回路による入力ダイナミックレンジの低下を回避できるバッファ回路を提供することにある。
【0023】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のバッファ回路は、ベースが信号入力端子に接続され、コレクタが第1の電源電圧に接続され、エミッタが信号出力端子に接続されている信号出力用トランジスタと、それぞれのエミッタが共通接続されており、差動回路を構成する第1及び第2のトランジスタと、コレクタが第1の電源電圧に接続され、エミッタが上記第1のトランジスタのベースに接続されている電圧設定用トランジスタと、上記第2のトランジスタのベースに基準電圧を供給する基準電圧源と、エミッタが第1の電源電圧に接続され、コレクタが上記電圧設定用トランジスタのベースに接続されている補償電流発生用トランジスタと、エミッタが第1の電源電圧に接続され、コレクタが上記信号出力用トランジスタのベースに接続されている補償電流供給用トランジスタとを有し、上記補償電流供給用トランジスタのベースと上記補償電流発生用トランジスタのベースとが上記第2のトランジスタのコレクタに接続されている。
【0024】
また、本発明では、好適には、上記信号出力用トランジスタのエミッタと第2の電源電圧との間に第1の電流源が接続されており、上記電圧設定用トランジスタのエミッタと第2の電源電圧との間に第2の電流源が接続されており、上記第1及び第2のトランジスタのエミッタと第2の電源電圧との間に第3の電流源が接続されており、上記補償電流発生用トランジスタのコレクタと第2の電源電圧との間にキャパシタが接続されており、第1の電源電圧と上記第1及び第2のトランジスタのコレクタとの間にカレントミラー回路で構成される電流源が接続されている。
【0025】
さらに、本発明では、好適には、上記第1及び第2の電流源は等しい電流を供給し、上記補償電流発生用トランジスタと上記補償電流供給用トランジスタの電流増幅率は等しく、上記信号出力用トランジスタと上記電圧設定用トランジスタの電流増幅率は等しい。
【0026】
本発明によれば、差動回路、補償電流発生用トランジスタにより電圧設定用トランジスタのベース電圧が設定される。この結果、電圧設定用トランジスタのエミッタ電圧、即ち、設定電圧が常に基準電圧とほぼ等しく保持される。補償電流発生用トランジスタのコレクタ電流が電圧設定用トランジスタのベース電流に等しく、その電流値は電圧設定用トランジスタの電流増幅率及びそのエミッタに接続されている第2の電流源により設定される。
【0027】
補償電流発生用トランジスタと補償電流供給用トランジスタの電流増幅率を等しく設定した場合、これらのコレクタ電流はほぼ等しくなる。さらに、第1の電流源と第2の電流源が供給する電流を等しく設定すると、信号出力用トランジスタのベース電流は補償電流供給用トランジスタのコレクタ電流により十分補償され、バッファ回路の入力電流が低減される。
【0028】
【発明の実施の形態】
図1は本発明に係るバッファ回路の一実施形態を示す回路図である。
図示のように、本実施形態のバッファ回路は、エミッタフォロワを構成するnpnトランジスタQ1の他に、npnトランジスタQ2,Q3,Q4およびpnpトランジスタP1,P2,P3,P4で構成されている電流補償回路が設けられている。
【0029】
トランジスタQ1(信号出力用トランジスタ)のベースがバッファ回路の入力端子に接続され、そのコレクタが電源電圧VCCに接続され、エミッタが電流源IS1に接続され、さらにバッファ回路の出力端子に接続されている。
トランジスタQ2(電圧設定用トランジスタ)のベースがトランジスタP2(補償電流発生用トランジスタ)のコレクタに接続され、コレクタが電源電圧VCCに接続され、エミッタが電流源IS2に接続されている。
トランジスタQ3とQ4は、差動回路を構成している。トランジスタQ3のベースがトランジスタQ2のエミッタに接続され、トランジスタQ4のベースには基準電圧Vref が印加されている。トランジスタQ3とQ4のエミッタ同士が接続され、その接続点が電流源IS3に接続されている。トランジスタP3とP4はカレントミラーを構成しており、これらのトランジスタのベース同士が接続され、その接続点がトランジスタP3のコレクタとともにトランジスタQ3のコレクタに接続されている。トランジスタP4のコレクタとトランジスタQ4のコレクタが接続され、その接続点がノードND1を構成している。トランジスタP3とP4のエミッタが電源電圧VCCに接続されている。
【0030】
トランジスタP1(補償電流供給用トランジスタ)のベースがノードND1に接続され、エミッタが電源電圧VCCに接続され、コレクタがトランジスタQ1のベースに接続されている。トランジスタP2のベースがノードND1に接続され、エミッタが電源電圧VCCに接続され、コレクタがトランジスタQ2のベースに接続されている。さらに、トランジスタQ2のベースと接地電位GNDとの間に、キャパシタC1が接続されている。
なお、差動回路を構成するトランジスタQ4のベースに印加される基準電圧Vref はトランジスタQ1のエミッタのバイアス電圧とほぼ等しく設定することができる。
【0031】
以下、上述した構成を有するバッファ回路の動作について説明する。
トランジスタQ2により構成されているエミッタフォロワ、トランジスタQ3とQ4により構成されている差動回路およびトランジスタP2により、トランジスタQ2のエミッタ電圧VE は、基準電圧Vref とほぼ同じレベルに保持される。例えば、トランジスタQ2のエミッタ電圧VE が上昇して基準電圧Vref より高くなると、差動回路の出力ノードND1の電圧が高くなり、これに応じてトランジスタP2のコレクタ電流IC2が小さくなるので、トランジスタQ2のベース電圧が低下し、そのエミッタ電圧VE も低くなる。逆に、トランジスタQ2のエミッタ電圧VE が降下して基準電圧Vref より低くなると、差動回路の出力ノードND1の電圧が低くなり、これに応じてトランジスタP2のコレクタ電流IC2が増加するので、トランジスタQ2のベース電圧が上昇し、そのエミッタ電圧VE も高くなる。
【0032】
上述のように、回路に何らかの原因でトランジスタQ2のエミッタ電圧VE が変動したとき、トランジスタQ2のエミッタ電圧VE が常に基準電圧Vref に近づくように制御される。このため、通常、トランジスタQ2のエミッタ電圧VE が基準電圧Vref とほぼ同じレベルに保持されている。
【0033】
なお、トランジスタQ2のベースに接続されているキャパシタC1は、回路の発振を抑制するために設けられている。トランジスタP2によりノードND1の電圧に応じてトランジスタQ2のベース電圧を制御する負帰還回路が構成されているので、当該帰還回路における発振を抑制するために、トランジスタQ2のベースと接地電位GNDとの間にキャパシタC1が接続されている。
【0034】
ここで、トランジスタQ1とQ2の電流増幅率をともにβN とし、且つ電流源IS1とIS2の電流値I1 ,I2 が等しいとする。差動回路を構成しているトランジスタQ3のベース電流をIB3とすると、トランジスタQ2のベース電流IB2が次式により求まる。
【0035】
【数8】
IB2=(I2 +IB3)/(1+βN ) …(8)
【0036】
トランジスタP2のコレクタ電流IC2は、トランジスタQ2のベース電流IB2と等しい。さらに、トランジスタP1とP2の電流増幅率が等しい場合に、トランジスタP1のコレクタ電流IC1とP2のコレクタ電流IC2はほぼ等しくなる。即ち、次式が成り立つ。
【0037】
【数9】
IC1=(I2 +IB3)/(1+βN ) …(9)
【0038】
トランジスタQ1のベース電流IB1は、電流源IS1の電流値I1 およびトランジスタQ1の電流増幅率βN により決まり、IB1=I1 /(1+βN )となる。
【0039】
このため、バッファ回路の入力電流IINは、次式により求められる。
【0040】
【数10】
【0041】
即ち、電流源IS1の電流値I1 と電流源IS2の電流値I2 が等しく設定される場合に、入力電流IINはトランジスタQ3のベース電流とトランジスタQ1の電流増幅率により決められる。通常、トランジスタQ3の電流増幅率が大きく、そのベース電流IB3が非常に小さいので、入力電流IINはごくわずかな値となる。この結果、本実施形態のバッファ回路の入力インピーダンスが非常に小さくなる。
【0042】
さらに、図1に示すように、本実施形態のバッファ回路の入力ダイナミックレンジの上限は、電源電圧VCCおよびトランジスタP1のエミッタ−コレクタ間電圧VCEにより決まり、(VCC−VCE)となる。トランジスタP1は通常飽和状態に近い状態で動作するので、そのエミッタ−コレクタ間電圧VCEはエミッタ−ベース間電圧より低い。このため、本実施形態のバッファ回路の入力ダイナミックレンジは、図3に示す従来のバッファ回路より広く確保できる。
【0043】
以上説明したように、本実施形態によれば、トランジスタP2により差動回路の出力ノードND1の信号に応じてトランジスタQ2のベース電圧を設定し、トランジスタQ2のエミッタ電圧をほぼ基準電圧Vref と同レベルに設定する。トランジスタP2のコレクタ電流IC2はトランジスタQ2のベース電流IB2と等しく、トランジスタQ2の電流増幅率および電流源IS2の電流I2 で設定され、トランジスタP1とP2の電流増幅率を等しくした場合、これらのコレクタ電流IC1,IC2も等しく、さらにトランジスタQ1とQ2の電流増幅率を等しく設定すると、トランジスタQ1のベース電流IB1はトランジスタP1のコレクタIC1により十分補償でき、バッファ回路の入力電流IINを低減でき、入力インピーダンスを高く保持できる。
【0044】
図2は、本実施形態のバッファ回路の一応用例を示す回路図である。図示のように、本実施形態のバッファ回路BUF1、スイッチング素子SWおよびキャパシタCS により、サンプル/ホールド回路が構成されている。
サンプル信号SC の制御により、スイッチング素子SWが所定のタイミングでオン/オフし、入力信号VIN、例えば、アナログ信号がサンプルされる。スイッチング素子SWがオンするとき、サンプルされた入力信号により、サンプリングキャパシタCS が充電され、スイッチング素子SWがオフの間に、キャパシタCS の電荷が保持されるので、サンプル電圧VS が保持(ホールド)される。
【0045】
キャパシタCS によりホールドしたサンプル電圧VS がバッファ回路BUF1に入力され、当該バッファ回路BUF1により信号VOUT が出力される。サンプル/ホールド回路に本発明のバッファ回路を用いることにより、バッファ回路BUF1の入力端子の漏れ電流が小さく、入力インピーダンスが高い。このため、ホールド電圧VS は漏れ電流により生じる歪みが小さく、高精度なサンプル/ホールド回路を構成できる。
【0046】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のバッファ回路によれば、トランジスタのベース電流を補償電流により十分に補償でき、バッファ回路の入力電流を低減でき、高入力インピーダンスを実現できる。
さらに、差動回路などにより電流補償回路を構成することにより、バッファ回路の入力ダイナミックレンジを損なうことなく、補償電流を発生することができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るバッファ回路の一実施形態を示す回路図である。
【図2】本発明に係るバッファ回路の一応用例を示す回路図である。
【図3】従来のバッファ回路の一例を示す回路図である。
【符号の説明】
Q1,Q2,Q3,Q4…npnトランジスタ、P1,P2,P3,P4…pnpトランジスタ、IS1,IS2,IS3…電流源、VS1…電圧源、C1…キャパシタ、VCC…電源電圧、GND…接地電位。
Claims (5)
- ベースが信号入力端子に接続され、コレクタが第1の電源電圧に接続され、エミッタが信号出力端子に接続されている信号出力用トランジスタと、
それぞれのエミッタが共通接続されており、差動回路を構成する第1及び第2のトランジスタと、
コレクタが第1の電源電圧に接続され、エミッタが上記第1のトランジスタのベースに接続されている電圧設定用トランジスタと、
上記第2のトランジスタのベースに基準電圧を供給する基準電圧源と、
エミッタが第1の電源電圧に接続され、コレクタが上記電圧設定用トランジスタのベースに接続されている補償電流発生用トランジスタと、
エミッタが第1の電源電圧に接続され、コレクタが上記信号出力用トランジスタのベースに接続されている補償電流供給用トランジスタと、
を有し、上記補償電流供給用トランジスタのベースと上記補償電流発生用トランジスタのベースとが上記第2のトランジスタのコレクタに接続されているバッファ回路。 - 上記信号出力用トランジスタのエミッタと第2の電源電圧との間に第1の電流源が接続されており、上記電圧設定用トランジスタのエミッタと第2の電源電圧との間に第2の電流源が接続されており、上記第1及び第2のトランジスタのエミッタと第2の電源電圧との間に第3の電流源が接続されており、上記補償電流発生用トランジスタのコレクタと第2の電源電圧との間にキャパシタが接続されており、第1の電源電圧と上記第1及び第2のトランジスタのコレクタとの間にカレントミラー回路で構成される電流源が接続されている請求項1に記載のバッファ回路。
- 上記第1及び第2の電流源は等しい電流を供給する請求項2に記載のバッファ回路。
- 上記信号出力用トランジスタ、上記電圧設定用トランジスタ、上記第1のトランジスタ及び上記第2のトランジスタはnpnトランジスタであり、上記補償電流発生用トランジスタ及び上記補償電流供給用トランジスタはpnpトランジスタである請求項1、2又は3に記載のバッファ回路。
- 上記補償電流発生用トランジスタと上記補償電流供給用トランジスタの電流増幅率は等しく、上記信号出力用トランジスタと上記電圧設定用トランジスタの電流増幅率は等しい請求項1、2、3又は4に記載のバッファ回路。
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