JP4337866B2 - アナログ回路、電子機器及びオペアンプ - Google Patents
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Description
図1に本実施形態のアナログ回路(アナログフロントエンド回路)300の構成例を示す。このアナログ回路300は、第1の回路310と第2の回路320を含む。
2.1 ノイズ解析
図4(A)に本実施形態で使用されるオペアンプの構成例を示す。このオペアンプは差動部200と出力部210を含む。
(P1)差動段トランジスタM1、M2のWL積W1×L1(ゲート面積)をできるだけ大きくする。これにより上式(10)の第1項が小さくなり、SvgFlcが小さくなる。
(P2)L1/L3の比率をなるべく小さくする。即ち例えばL1<L3とする。これにより、上式(10)の第2項が小さくなり、SvgFlcが小さくなる。また結果的に、能動負荷段トランジスタM3、M4のWL積W3×L3も大きくなる。
(P3)フリッカノイズSvgFlcはIdsには依存しない。従って、フリッカノイズだけを考慮するならば、Idsを小さくすることで、低消費電力化を図れる。
(Q1)電流Ids(IBD)をできるだけ大きくする。これにより上式(16)の第1項及び第2項が小さくなり、SvgThmが小さくなる。
(Q2)差動段トランジスタM1、M2のWL比RT1=W1/L1をできるだけ大きくし、能動負荷段トランジスタM3、M4のWL比RT3=W3/L3をできるだけ小さくする。即ち例えばRT1>RT3とする。
(Q3)熱ノイズSvgThmはWL積W1×L1やW3×L3には依存しない。従って、熱ノイズだけを考慮するならば、W1×L1やW3×L3を小さくすることで、オペアンプの小面積化を図れる。
上述の(P1)(Q1)から明らかなように、オペアンプのノイズを低減するためには、差動段トランジスタのWL積W1×L1を大きくしてフリッカノイズを低減し、差動部のバイアス電流IBDを大きくして熱ノイズを低減すればよい。
本実施形態では、周波数f1、f2、コーナ周波数fcrが例えば図6(B)、図6(C)のような関係になるように、第1型、第2型のオペアンプOP1、IP2のトランジスタのサイジングを行っている。
図5(C)や前述の式(10)に示すように、差動段トランジスタのWL積W1b×L1bをなるべく大きくすると共に、チャネル長L1bをなるべく小さくすることで、フリッカノイズ低減できる。従って、WL比W1b/L1bが大きくなるようなサイジングを行えば、フリッカノイズを効率的に低減できると考えられる。
次に、第1型、第2型のオペアンプOP1、OP2のレイアウト手法について説明する。図11(A)は第1型のオペアンプOP1のレイアウト例であり、図11(B)は第2型のオペアンプOP2のレイアウト例である。
図13に本実施形態の変形例を示す。図13では図1の構成に対して更に基準電圧供給回路20の構成が加わっている。
次に、本実施形態の手法をジャイロセンサの検出装置に適用した場合について説明する。図15に検出装置30の構成例を示す。この検出装置30は駆動回路40と検出回路60を含む。なお検出装置30は図15の構成に限定されず、その構成要素の一部を省略したり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。例えば、振動子10からの検出信号に基づいて同期信号を抽出できる場合等には、駆動回路40の構成を省略してもよい。
図21に本実施形態の検出装置30を含むジャイロセンサ510(広義にはセンサ)と、ジャイロセンサ510を含む電子機器500の構成例を示す。なお電子機器500、ジャイロセンサ510は図21の構成に限定されず、その構成要素の一部を省略したり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。また本実施形態の電子機器500としては、デジタルカメラ、ビデオカメラ、携帯電話機、カーナビゲーションシステム、ロボット、ゲーム機、携帯型情報端末等の種々のものが考えられる。
23 第3の供給回路、26 基準電圧発生回路、
300 アナログ回路、310 第1の回路、320 第2の回路、322 ミキサ、
330 アンテナ、332 増幅回路、334 フィルタ部、336 ミキサ、
338 増幅回路、340 フィルタ部、342 復調部、344 局部発振回路、
350 アンテナ、352 増幅回路、354 フィルタ部、356 ミキサ、
358 フィルタ部、360 検波回路、362 復調部、364 局部発振回路、
500 電子機器、510 ジャイロセンサ、520 処理部、530 メモリ、
540 操作部、550 表示部
Claims (15)
- 増幅対象信号の周波数が第1の周波数である第1型のオペアンプを有する第1の回路と、
増幅対象信号の周波数が前記第1の周波数よりも低い第2の周波数である第2型のオペアンプを有する第2の回路とを含み、
前記第1型のオペアンプの差動部の差動段トランジスタのチャネル幅をW1aとし、チャネル長をL1aとし、前記第1型のオペアンプの差動部に流れるバイアス電流をIaとし、前記第2型のオペアンプの差動部の差動段トランジスタのチャネル幅をW1bとし、チャネル長をL1bとし、前記第2型のオペアンプの差動部に流れるバイアス電流をIbとした場合に、W1b×L1b>W1a×L1a、Ia>Ibであり、
前記第2型のオペアンプの前記差動段トランジスタの実効ゲート電圧をVeffとし、ドレイン・ソース間に流れる電流をIdsとし、移動度をμとし、単位面積あたりのゲート容量をCoxとし、WL比をRT1bとし、ボルツマン定数をkとし、絶対温度をTとし、電子電荷量をqとし、プロセス変動パラメータをP(P>1)とした場合に、P×(k×T/q)>Veff={2×Ids/(μ×Cox×RT1b)} 1/2 >k×T/qの関係を満たす比に、前記WL比RT1bが設定されていることを特徴とするアナログ回路。 - 請求項1において、
前記第1の周波数をf1とし、前記第2の周波数をf2とし、周波数−ノイズ特性におけるフリッカノイズと熱ノイズのコーナ周波数をfcrとした場合に、前記第1型のオペアンプでは、f1−fcr<fcr−f2であり、前記第2型のオペアンプでは、fcr−f2<f1−fcrであることを特徴とするアナログ回路。 - 請求項1又は2において、
所望信号を含む信号に対して所与の周波数の信号をミキシングするミキサを含み、
前記第1の回路は、前記ミキサの前段側に設けられる回路であり、
前記第2の回路は、前記ミキサの後段側に設けられる回路であることを特徴とするアナログ回路。 - 請求項3において、
前記第1の回路は、
入力信号を増幅する第1の増幅回路であり、
前記第1の増幅回路が、前記第1型のオペアンプにより構成されていることを特徴とするアナログ回路。 - 請求項3又は4において、
前記第2の回路は、
前記ミキサからのミキシング後の信号を増幅する第2の増幅回路又はミキシング後の信号のフィルタ処理を行うフィルタ部であり、
前記第2の増幅回路又は前記フィルタ部が、前記第2型のオペアンプにより構成されていることを特徴とするアナログ回路。 - 請求項1乃至5のいずれかにおいて、
前記第2型のオペアンプの差動部の能動負荷段トランジスタのチャネル長をL3bとした場合に、L1b<L3bであることを特徴とするアナログ回路。 - 請求項1乃至6のいずれかにおいて、
前記第1型のオペアンプの前記差動段トランジスタのWL比をRT1aとし、前記第1型のオペアンプの能動負荷段トランジスタのWL比をRT3aとした場合に、RT1a>RT3aであることを特徴とするアナログ回路。 - 請求項1乃至7のいずれかにおいて、
前記第2型のオペアンプを構成する素子のうち前記差動段トランジスタの配置領域の面積をSdfとし、前記第2型のオペアンプを構成する素子のうち前記差動段トランジスタ以外の素子の配置領域の面積をSreとした場合に、Sdf>Sreであることを特徴とするアナログ回路。 - 請求項8において、
前記第2型のオペアンプの前記差動段トランジスタは並列接続されたJ個(J>2)のトランジスタにより構成され、前記差動段トランジスタの前記配置領域には、並列接続された前記J個のトランジスタが配置されることを特徴とするアナログ回路。 - 請求項9において、
前記第2型のオペアンプの前記能動負荷段トランジスタは並列接続されたI個(J>I>2)のトランジスタにより構成され、
前記差動負荷段トランジスタを構成する前記J個のトランジスタがX方向に沿って並んで配置されると共に、前記J個のトランジスタのY方向側には、前記能動負荷段トランジスタを構成する前記I個のトランジスタがX方向に沿って並んで配置されることを特徴とするアナログ回路。 - 請求項3乃至5のいずれかにおいて、
前記ミキサは、第3型のオペアンプを含み、
前記第3型のオペアンプの差動部の差動段トランジスタのチャネル幅をW1cとし、チャネル長をL1cとし、前記第3型のオペアンプの差動部に流れるバイアス電流をIcとした場合に、W1c×L1c>W1a×L1a、Ic>Ibであることを特徴とするアナログ回路。 - 増幅対象信号の周波数が第1の周波数である第1型のオペアンプを有する第1の回路と、
増幅対象信号の周波数が前記第1の周波数よりも低い第2の周波数である第2型のオペアンプを有する第2の回路と、
アナログ基準電圧を供給する基準電圧供給回路とを含み、
前記基準電圧供給回路は、
基準電圧用の第1型のオペアンプを有し、前記第1の回路に対してアナログ基準電圧を供給する第1の供給回路と、
基準電圧用の第2型のオペアンプを有し、前記第2の回路に対してアナログ基準電圧を供給する第2の供給回路を含み、
前記第1型のオペアンプの差動部の差動段トランジスタのチャネル幅をW1aとし、チャネル長をL1aとし、前記第1型のオペアンプの差動部に流れるバイアス電流をIaとし、前記第2型のオペアンプの差動部の差動段トランジスタのチャネル幅をW1bとし、チャネル長をL1bとし、前記第2型のオペアンプの差動部に流れるバイアス電流をIbとした場合に、W1b×L1b>W1a×L1a、Ia>Ibであり、
前記基準電圧用の第1型のオペアンプの差動部の差動段トランジスタのチャネル幅をW1dとし、チャネル長をL1dとし、前記基準電圧用の第1型のオペアンプの差動部に流れるバイアス電流をIdとし、前記基準電圧用の第2型のオペアンプの差動部の差動段トランジスタのチャネル幅をW1eとし、チャネル長をL1eとし、前記基準電圧用の第2型のオペアンプの差動部に流れるバイアス電流をIeとした場合に、W1e×L1e>W1d×L1d、Id>Ieであることを特徴とするアナログ回路。 - 請求項1乃至12のいずれかにおいて、
前記第1の周波数は、キャリア信号の周波数であり、前記第2の周波数は、前記キャリア信号により搬送される所望信号の周波数であることを特徴とするアナログ回路。 - 請求項1乃至13のいずれかに記載のアナログ回路と、
前記アナログ回路からの情報に基づいて処理を行う処理部と、
を含むことを特徴とする電子機器。 - 差動部と、
前記差動部の出力ノードに接続される出力部とを含み、
前記差動部は、差動段トランジスタと、能動負荷段トランジスタを含み、
オペアンプを構成する素子のうち前記差動段トランジスタの配置領域の面積をSdfとし、オペアンプを構成する素子のうち前記差動段トランジスタ以外の素子の配置領域の面積をSreとし、前記差動段トランジスタのチャネル長をL1とし、実効ゲート電圧をVeffとし、ドレイン・ソース間に流れる電流をIdsとし、移動度をμとし、単位面積あたりのゲート容量をCoxとし、WL比をRT1とし、前記能動負荷段トランジスタのチャネル長をL3とし、ボルツマン定数をkとし、絶対温度をTとし、電子電荷量をqとし、プロセス変動パラメータをP(P>1)とした場合に、Sdf>Sreであり、L1<L3であると共に、P×(k×T/q)>Veff={2×Ids/(μ×Cox×RT1)}1/2>k×T/qの関係を満たす比に、前記WL比RT1が設定されていることを特徴とするオペアンプ。
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