JP4434759B2 - 演算増幅回路 - Google Patents

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Description

本発明は、差動型演算増幅回路に関し、特に、高利得かつ広帯域な演算増幅回路に関する。
差動型演算増幅回路として、差動トランジスタ対からなる入力回路と、カスコード回路による出力回路で構成された演算増幅回路が非特許文献1,2等に記載されている。図2は、上記非特許文献に記載されている演算増幅回路の例を示す回路図であり、トランジスタM1〜M4による広帯域の差動入力回路と、トランジスタM5〜M8によるカスコード回路からなる差動出力回路で構成されている。
トランジスタM3,M4のゲート電極は、この演算増幅回路の同相出力電圧を設定するために、同相帰還回路(図示せず)へ接続されている。図2に示す差動型演算増幅回路のシミュレーション結果として、0.5μmCMOS@3Vで、DC利得62dB、ユニティゲイン周波数:450MHz(負荷容量の記述なし)が得られている。
Analog Integrated Circuits and Signal Processing,18,21-31(1999) IEEE Journal of Solid-State Circuits,Vol.30,No.3,March1995,pp.166-172
図2に示す演算増幅回路においては、各部の最低動作電圧は、入力回路部では、トランジスタM3(M4)とM5(M6)のゲート・ソース間電圧VGS(0.65V)と、トランジスタM3(M4)のゲートを駆動する同相帰還回路が必要とするバイアス電圧(例えば、トランジスタの飽和電圧1個分0.25V)の和によって決まり、約1.55Vtyp.(0.65×2+0.25)となる。また、出力回路部では、トランジスタM5,M7,M9,M31(M6,M8,M10,M32)の各々の飽和電圧(0.25V)と、出力信号振幅(例えば、0.5Vp−p)の和で、約1.5Vtyp.(0.25×4+0.5)となる。
結局、図2に示す演算増幅回路の最低動作電圧は、入力回路部で決まり、約1.55Vtyp.となる。従って、温度特性やバラツキを考慮した公称値としては、最低動作電圧として1.8V程度必要となる。この最低動作電圧を下げるために、トランジスタM3とM4として0.1V程度のゲート・ソース間電圧VGSにすることができるノン・ドープNchトランジスタを用いることは可能であるが、ノン・ドープNchトランジスタのゲート・ソース間容量は非常に大きく、このトランジスタの巨大なゲート・ソース間容量が差動入力回路部の負荷となるために、甚だしい帯域劣化が生ずる。
また、図2に示す演算増幅回路において、入力回路でDC利得を稼ぐのは、2次極の低域化を招き動作が不安定となって好ましくないので、DC利得はカスコード回路による出力回路のみで稼がなくてはならず、その結果DC利得を高くすることができないという欠点がある。出力回路にさらにゲイン・ブースト回路を付加すればDC利得は上がるが、素子面積や消費電流も増加するという問題が生ずる。
本発明の目的は、上記問題点に鑑み、広帯域特性と高いDC利得が得られ、かつ低電源電圧での動作が可能な、新規な差動型演算増幅回路を提供することにある。
本発明の演算増幅回路は、一方の端子に中間電位が供給された抵抗をドレイン負荷とした第1及び第2の差動トランジスタ対を備え、前記第1の差動トランジスタ対を、ゲイン・パスの信号経路への入力回路とし、前記第2の差動トランジスタ対を、前記ゲイン・パスをフィードフォワードするフィードフォワード・パスの信号経路への入力回路とし、前記各パスを経由して増幅された信号を出力端子で合成するパラレル・パス構成としたことを特徴とする。
前記第1の差動トランジスタ対のドレイン負荷となる抵抗に供給される中間電位は、前記第1の差動トランジスタ対と該差動トランジスタ対の出力端が接続される次段入力トランジスタの電位関係を模擬した回路により発生された電位であり、前記第2の差動トランジスタ対のドレイン負荷となる抵抗に供給される中間電位は、当該差動トランジスタ対の同相出力電圧を設定する同相帰還回路から出力された電位である。
また、これらの中間電位は、それぞれの負荷抵抗に対してノン・ドープNchトランジスタからなるソース・フォロアを介して供給される。
より具体的には、本発明の演算増幅回路は、ゲート電極が差動入力端子の各一方に接続され、ソース電極が第1の電流源トランジスタに共通接続され、ドレイン電極が第1および第2の負荷抵抗に各々接続された第1および第2のNchトランジスタによって構成される第1の差動増幅回路と、ゲート電極が前記差動入力端子の各一方に接続され、ソース電極が第2の電流源トランジスタに共通接続され、ドレイン電極が第3および第4の負荷抵抗に各々接続された第3および第4のNchトランジスタによって構成される第2の差動増幅回路と、ソース電極が基準電位(GND)に接続され、ゲート電極が前記第1のNchトランジスタのドレイン電極に接続された第5のNchトランジスタと、ソース電極が前記第5のNchトランジスタのドレイン電極と接続された第6のNchトランジスタによって構成される第1のカスコード増幅回路と、ソース電極が基準電位(GND)に接続され、ゲート電極が前記第2のNchトランジスタのドレイン電極に接続された第7のNchトランジスタと、ソース電極が前記第7のNchトランジスタのドレイン電極と接続された第8のNchトランジスタによって構成される第2のカスコード増幅回路と、ソース電極が電源電位(VDD)に接続され、ゲート電極が前記第6のNchトランジスタのドレイン電極に接続され、ドレイン電極が差動出力端子の一方に接続された第1のPchトランジスタによって構成される第1の出力増幅回路と、ソース電極が電源電位(VDD)に接続され、ゲート電極が前記第8のNchトランジスタのドレイン電極に接続され、ドレイン電極が差動出力端子の他方に接続された第2のPchトランジスタによって構成される第2の出力増幅回路と、ソース電極が基準電位(GND)に接続され、ゲート電極が前記第4のNchトランジスタのドレイン電極に接続され、ドレイン電極が前記差動出力端子の一方に接続された第9のNchトランジスタによって構成される第3の出力増幅回路と、ソース電極が基準電位(GND)に接続され、ゲート電極が前記第3のNchトランジスタのドレイン電極に接続され、ドレイン電極が前記差動出力端子の他方に接続された第10のNchトランジスタによって構成される第4の出力増幅回路とを備え、前記第1および第2の差動増幅回路の動作電圧は、ドレイン電極が前記電源電位(VDD)に接続され、ゲート電極が中間電位に接続された第1および第2のノン・ドープNchトランジスタの各ソース電極から供給されることを特徴とする。
本発明の演算増幅回路は、前記第1の差動増幅回路と、前記第1および第2のカスコード増幅回路と、前記第1および第2の出力増幅回路によって狭帯域、高利得特性を有するゲイン・パスが構成され、前記第2の差動増幅回路と、前記第3および第4の出力増幅回路によって広帯域、低利得特性を有するフィードフォワード・パスが構成されている。これらの各パスを経由して増幅された信号を出力端子で合成することにより、広帯域特性と高いDC利得を得るとともに、低電源電圧での動作を可能にしている。
本発明は、狭帯域であるが高利得特性を有するゲイン・パスと、低利得であるが広帯域特性を有するフィードフォワード・パスとをパラレルに接続して特性を相互補完することにより、高利得、広帯域特性を有する演算増幅回路を実現すること可能となる。
また、ゲイン・パスとフィードフォワード・パスの各入力段を、動作電源として中間電位が供給されている抵抗をドレイン負荷とする差動回路によって構成し、かつ抵抗値を小さく設定してこの段の利得を抑えることにより、動作の安定化と直流の電位ドロップを小さくすることによる低電源電圧動作が可能な構成としている。また、パラレルパス構成とすることにより、低消費電流化を図ることができる。
図1は、本発明の演算増幅回路の実施形態を示す回路図である。
図1において、NchトランジスタM1とM4は、そのゲート電極に差動入力信号Vin+,Vin−が入力され、ソース電極が電流源トランジスタM26のドレイン電極に共通接続され、ドレイン電極に負荷抵抗R1,R4が接続された第1の差動トランジスタ対を構成しており、NchトランジスタM2とM3は、そのゲート電極に差動入力信号Vin+,Vin−が入力され、ソース電極が電流源トランジスタM27のドレイン電極に共通接続され、ドレイン電極に負荷抵抗R3,R2が接続された第2の差動トランジスタ対を構成している。
第1の差動トランジスタ対M1,M4および、第2の差動トランジスタ対M2,M3は、それぞれノン・ドープNchトランジスタM19および20からなるソース・フォロア回路を介して、負荷抵抗R1,R4および負荷抵抗R3,R2の一端に供給される中間電位を動作電圧とする第1の差動増幅回路および第2の差動増幅回路として動作する。バイアス電圧供給用のノン・ドープNchトランジスタは、一般にチャネル長が長く、ゲート・ソース間容量は巨大であるが、本構成では、このノン・ドープNchトランジスタM19,M20には同相信号成分のみが通り、増幅される差動信号成分に対する帯域低下などの影響は生じない。
この第1および第2の差動増幅回路は、本実施形態の演算増幅器の入力段を構成する。この入力段差動増幅回路は広帯域特性を有しているが、その利得は低く抑えられており、そのためドレイン負荷となる抵抗値R1〜R4の値を下げて直流電位ドロップを例えば0.1V程度の小さな値とすることができる。これにより入力段の必要電源電圧を下げることが可能になる。
第1の差動増幅回路の構成要素である一方のNchトランジスタM1のドレイン電極からの出力は、ソース電極が基準電位GNDに接続されたNchトランジスタM5のゲート電極に入力される。NchトランジスタM5はNchトランジスタM7とカスコード接続されており、このカスコード接続されたNchトランジスタM5,M7で更に増幅された後、ソース電極が電源電位VDDに接続されたPchトランジスタM31のゲート電極に入力され、このPchトランジスタM31で更に増幅されてドレイン電極から差動出力信号の一方Vout−として出力される。
同じく第1の差動増幅回路の構成要素である他方のNchトランジスタM4のドレイン電極からの出力は、ソース電極が基準電位GNDに接続されたNchトランジスタM6のゲート電極に入力される。NchトランジスタM6はNchトランジスタM8とカスコード接続されており、このカスコード接続されたNchトランジスタM6,M8で更に増幅された後、ソース電極が電源電位VDDに接続されたPchトランジスタM32のゲート電極に入力され、このPchトランジスタM32で更に増幅されてそのドレイン電極から差動出力信号の他方Vout+として出力される。
このNchトランジスタM1,M4→カスコード接続されたNchトランジスタ(M5,M7),(M6,M8)→PchトランジスタM31,M32からなる信号経路は3段の増幅回路として構成されており、高利得で狭帯域の特性を有するゲイン・パスとして機能する。なお、PchトランジスタM31,M32のドレイン電極とゲート電極間に接続されているコンデンサC1,C2は、このゲイン・パスの高利得による発振を防止するための位相補償容量である。
一方、第2の差動増幅回路の構成要素である一方のNchトランジスタM2のドレイン電極からの出力は、ソース電極が基準電位GNDに接続されたNchトランジスタM14のゲート電極に入力され、このNchトランジスタM14で増幅されてそのドレイン電極から差動出力信号の他方Vout+として出力される。同じく第2の差動増幅回路の構成要素である他方のNchトランジスタM3のドレイン電極からの出力は、ソース電極が基準電位GNDに接続されたNchトランジスタM13のゲート電極に入力され、このNchトランジスタM13で増幅されてそのドレイン電極から差動出力信号の一方Vout−として出力される。
このNchトランジスタM2,M3→NchトランジスタM14,M13からなる信号経路は2段の増幅回路として構成されており、低利得であるが広帯域の特性を有するフィードフォワード・パスとして機能する。このフィードフォワード・パスと上記ゲイン・パスはパラレル・パス構成となっており、各パスを経由してそれぞれ増幅された信号が出力端子で合成されることにより、高利得かつ広帯域な演算増幅回路の実現が可能となる。
また、本実施形態では、ゲイン・パスおよびフィードフォワード・パスの信号経路への入力回路となっている第1および第2の差動増幅回路の利得は低く抑えられており、ドレイン負荷である抵抗R1〜R4の抵抗値を下げて直流電位ドロップを例えば0.1V程度の小さな値とすることにより入力段の必要電源電圧を下げている。その際、負荷抵抗R1〜R4の一方の電極に接続される必要電源電圧を単に電源に接続すると、ゲイン・パスの次段の入力トランジスタM5(M6)のバイアス電流が電源電圧に直接依存したものとなるため、素子のバラツキ等があるとバイアス電流が変動し、それに伴ってゲイン特性がばらつく等の影響を受けやすくなる。
これを避けるために本実施形態では、VTの小さい(約0V)ノン・ドープNchトランジスタM19,M20によるソース・フォロアを介して抵抗R1〜R4の一方の電極にバイアス電圧を供給するとともに、VTの小さいノン・ドープNchトランジスタM21、抵抗R5、トランジスタM22〜M25によって、初段回路と次段入力トランジスタM5(M6)の電位関係を模擬した回路を構成し、この模擬回路でゲイン・パス側のノン・ドープNchトランジスタM19のゲート電極に与える電圧を発生させ、ゲイン・パスの次段入力トランジスタM5(M6)のバイアス電流を正確に定めている。
即ち、トランジスタM21〜M25、コンデンサC3、抵抗R5で、ノン・ドープNchトランジスタM19のゲート電極に与える電圧を発生するバイアス電圧発生回路が構成されており、該当するトランジスタ間の面積比と、抵抗R1及びR5の抵抗比を適切に設定することにより、ゲイン・パスの次段入力トランジスタM5(M6)のバイアス電流の安定化を図っている。
また、PchトランジスタM10(M9)のドレイン電極はソース電極が電源電位(VDD)に接続されたPchトランジスタM16(M15)のゲート電極にも接続されており、PchトランジスタM16(M15)のドレイン電極は、ゲート電極に一定の電圧が供給されているPchトランジスタM18(M17)およびNchトランジスタM8(M7)のソース・ドレインを経由してPchトランジスタM10(M9)のドレイン電極と接続されることにより、ゲイン・パス内での局所負帰還ループを構成するとともに、この局所負帰還ループを構成するPchトランジスタM16とM15のドレイン電極を互いに接続する。
その結果、それぞれの局所負帰還ループ内における差動信号は互いに打ち消し合うので、ゲイン・パス内での局所同相負帰還ループとして動作し、差動信号入力時にも安定して出力トランジスタM32とM31のゲート電位の同相成分(動作点)を正確に検出し、出力トランジスタM32とM31のバイアス電流の安定化を図ることができる。
他方、フィードフォワード・パスの信号経路への入力回路となっている第2の差動増幅回路におけるノン・ドープNchトランジスタM20のゲート電極に供給される電圧は、図1には示されていないが、出力信号(Vout+,Vout−)における同相成分を帰還する同相帰還回路から供給されている。それにより、フィードフォワード・パスの出力段であるNchトランジスタM13(M14)のバイアス電流は、ゲイン・パスの出力段であるPchトランジスタM31(M32)のバイアス電流と等しくなるように制御される。
本実施形態における各部の最低動作電圧は、ゲイン・パスおよびフィードフォワード・パスの入力回路部では、ノン・ドープNchトランジスタM19(M20)のVGS(約0.1V)と、ノン・ドープNchトランジスタM19(M20)のゲートを駆動する模擬回路あるいは同相帰還回路が必要とするバイアス電圧(例えば、トランジスタの飽和電圧1個分0.25V)と、抵抗R1〜R4の電圧ドロップ分(0.1V)と、NchトランジスタM5(M6,M13,M14)のVGS(0.65V)の和となり、typ値は約1.1V(0.1+0.25+0.1+0.65)となる。
ゲイン・パスの2段目増幅回路部では、カスコード接続トランジスタM5(M6)およびM7(M8)の各飽和電圧(0.25V)と、PchトランジスタM31(M32)のVGS(0.65V)との和となり、typ値はおおよそ1.2V(0.65+0.25×2)となる。また、出力回路部では、PchトランジスタM31(M32)およびNchトランジスタM13(M14)の各飽和電圧(0.25V)と、出力信号振幅(例えば、0.5Vp−p)の和で、約1.0Vtyp.(0.25×2+0.5)となる。
従って、この回路の最低動作電圧は、ゲイン・パスの2段目増幅回路部で決まり、約1.2Vとなるから、温度特性やバラツキを考慮した公称値としては、1.5V程度まで低減することができる。また、この低電源電圧動作により消費電流も低減することが可能となる。
このように、本実施形態によれば、1.5Vの低電源電圧動作が可能(最低動作電圧は約1.2Vtyp)であり、低消費電流で高利得、広帯域な演算増幅回路を実現することができる。本実施形態の1.5Vプロセスでの設計例では、VDD=1.5Vで、消費電流:4.9mA、DC利得98dB、ユニティゲイン周波数:1.2GHz(負荷容量1.8pF)が実現可能である。
本発明の実施形態を示す回路図である。 従来例を示す回路図である。
符号の説明
M1〜M8、M13〜M18、M23〜M27 Nchトランジスタ
M9〜M12、M22、M31、M32 Pchトランジスタ
M19〜M21 ノン・ドープNchトランジスタ
R1〜R5 抵抗
C1〜C3 コンデンサ
VDD 電源電位
GND 基準電位

Claims (4)

  1. ゲート電極が差動入力端子の各一方に接続され、ソース電極が第1の電流源トランジスタ(M26)に共通接続され、ドレイン電極が第1および第2の負荷抵抗(R1,R4)に各々接続された第1および第2のNchトランジスタ(M1、M4)によって構成される第1の差動増幅回路と、
    ゲート電極が前記差動入力端子の各一方に接続され、ソース電極が第2の電流源トランジスタ(M27)に共通接続され、ドレイン電極が第3および第4の負荷抵抗(R2,R3)に各々接続された第3および第4のNchトランジスタ(M2、M3)によって構成される第2の差動増幅回路と、
    ソース電極が基準電位(GND)に接続され、ゲート電極が前記第1のNchトランジスタ(M1)のドレイン電極に接続された第5のNchトランジスタ(M5)と、ソース電極が前記第5のNchトランジスタ(M5)のドレイン電極と接続された第6のNchトランジスタ(M7)によって構成される第1のカスコード増幅回路と、
    ソース電極が基準電位(GND)に接続され、ゲート電極が前記第2のNchトランジスタ(M4)のドレイン電極に接続された第7のNchトランジスタ(M6)と、ソース電極が前記第7のNchトランジスタ(M6)のドレイン電極と接続された第8のNchトランジスタ(M8)によって構成される第2のカスコード増幅回路と、
    ソース電極が電源電位(VDD)に接続され、ゲート電極が前記第6のNchトランジスタ(M7)のドレイン電極に接続され、ドレイン電極が差動出力端子の一方に接続された第1のPchトランジスタ(M31)によって構成される第1の出力増幅回路と、
    ソース電極が電源電位(VDD)に接続され、ゲート電極が前記第8のNchトランジスタ(M8)のドレイン電極に接続され、ドレイン電極が差動出力端子の他方に接続された第2のPchトランジスタ(M32)によって構成される第2の出力増幅回路と、
    ソース電極が基準電位(GND)に接続され、ゲート電極が前記第4のNchトランジスタ(M3)のドレイン電極に接続され、ドレイン電極が前記差動出力端子の一方に接続された第9のNchトランジスタ(M13)によって構成される第3の出力増幅回路と、
    ソース電極が基準電位(GND)に接続され、ゲート電極が前記第3のNchトランジスタ(M2)のドレイン電極に接続され、ドレイン電極が前記差動出力端子の他方に接続された第10のNchトランジスタ(M14)によって構成される第4の出力増幅回路とを備え、
    前記第1および第2の差動増幅回路の動作電圧は、ドレイン電極が前記電源電位(VDD)に接続され、ゲート電極が中間電位に接続された第1および第2のノン・ドープNchトランジスタ(M19およびM20)の各ソース電極から供給されることを特徴とする演算増幅回路。
  2. 前記第1のノン・ドープNchトランジスタ(M19)のゲート電極に供給される前記中間電位を発生する回路は、前記第1のノン・ドープNchトランジスタ(M19)と、前記第1または第2の抵抗(R1またはR4)と、前記第5または第7のNchトランジスタ(M5またはM6)の電位関係を模擬する、第3のノン・ドープNchトランジスタ(M21)と、第5の抵抗(R5)と、第11のNchトランジスタ(M24)とを含む構成となっており、前記第2のノン・ドープNchトランジスタ(M20)のゲート電極に供給される前記中間電位を発生する回路は、前記差動出力端子から出力される同相出力電圧を設定する同相帰還回路によって構成されていることを特徴とする請求項1に記載の演算増幅回路。
  3. 前記第1の差動増幅回路と、前記第1および第2のカスコード増幅回路と、前記第1および第2の出力増幅回路によって狭帯域、高利得特性を有するゲイン・パスが構成され、前記第2の差動増幅回路と、前記第3および第4の出力増幅回路によって広帯域、低利得特性を有するフィードフォワード・パスが構成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の演算増幅回路。
  4. ソース電極が電源電位(VDD)に接続され、ゲート電極が前記第6、第8のNchトランジスタ(M7、M8)のドレイン電極に各々接続された第3、第4のPchトランジスタ(M15、M16)と、ゲート電極に一定電圧が供給され、ソース電極が前記第3、第4のPchトランジスタ(M15、M16)のドレイン電極に各々接続され、ドレイン電極が前記第6、第8のNchトランジスタ(M7、M8)のソース電極に各々接続された第5、第6のPchトランジスタ(M17、M18)とからなり、前記第3、第4のPchトランジスタ(M15、M16)のドレイン電極同士が接続された局所同相帰還ループを備えていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の演算増幅回路。
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