JP4527416B2 - 差動増幅器及び半導体装置 - Google Patents
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Description
IEEE1394.bで使用するインターフェース回路では、入力電圧範囲が0〜3.0Vであるとき、例えば入力信号の振幅が80mV未満は信号無しとして判定し、200mV以上では信号有りとして判定する必要がある。このような仕様を満足させるために、上記インターフェース回路では入力段回路としてレールトゥレールアンプが使用される。このレールトゥレールアンプは、入力信号が入力電圧範囲の高電位側であるとき動作する差動対と、入力信号が入力電圧範囲の低電位側であるとき動作する差動対とを備え、高電位側電源と低電位側電源との間で変化する入力電圧に対し安定して動作するように構成されている。
従って、トランジスタTr1,Tr2には入力信号Vin1,Vin2に基づく動作電流In1,In2が流れる。
一方、入力信号Vin1,Vin2中心電圧が電源VDDと電源Vssとの中間レベルに近づくにつれて、トランジスタTr1,Tr2及びトランジスタTr3,Tr4はともに動作状態となり、トランジスタTr9,Tr10に流れる出力電流Io1,Io2が増大する。そして、入力信号Vin1,Vin2の中心電圧が電源VDDと電源Vssとの中間レベルとなったとき、トランジスタTr1,Tr2及びトランジスタTr3,Tr4はほぼ飽和状態で動作し、図4に示すように、トランジスタTr9,Tr10に流れる出力電流Io1,Io2が最大となる。
このような動作により、入力信号Vin1,Vin2の中心電圧が電源VDDと電源Vssとの中間レベル近傍で推移するとき増幅率が増大し、入力信号Vin1,Vin2の振幅が80mV未満であったとしても、出力電圧Vout1,Vout2の振幅が増大し、次段の回路では80mV未満の入力信号Vin1,Vin2に基づく出力電圧Vout1,Vout2についても信号有りと判定してしまうという問題点がある。
電流スイッチとして動作するNチャネルMOSトランジスタTr19及びPチャネルMOSトランジスタTr20と、定電圧源5,6と、カレントミラー回路7,8は、入力信号Vin1,Vin2の電源電圧に対する電圧変化に対して出力電圧Voutの変動を抑制するテール電流制御部を構成する。
この発明の目的は、入力信号の中心電圧の変動に関わらず、入力信号の振幅を一定の増幅率で出力し得る差動増幅器を提供することにある。
以下、本発明をインターフェース回路に使用する差動増幅器に具体化した第一の実施の形態を図1に従って説明する。前記従来例と同一構成部分は、同一符号を付して説明する。トランジスタTr1〜Tr10及び電流源1,2の構成は、図3に示す構成と同様であり、電流合成部である出力トランジスタTr9,Tr10がPチャネル側の入力差動対と電源Vss(低電位側電源)との間に配設される。そして、この実施の形態は、出力トランジスタTr9,Tr10に流れる出力電流を、入力信号の中心電圧の変動に関わらず一定とする出力電流相殺回路を備えるものである。
PチャネルMOSトランジスタTr33,Tr34のソースは電流源12に接続され、その電流源11には電源VDDが供給される。前記トランジスタTr33のゲートには入力信号Vin2が入力され、前記トランジスタTr34のゲートにはVin1が入力される。
前記トランジスタTr34のドレインは、NチャネルMOSトランジスタTr36のドレイン及びゲートに接続されるとともに、NチャネルMOSトランジスタTr39のゲートに接続される。前記トランジスタTr36,Tr39のソースは電源Vssに接続される。従って、トランジスタTr36,Tr39はカレントミラー回路として動作する。また、トランジスタTr34は前記トランジスタTr4と同一サイズで形成され、同トランジスタTr34,Tr36,Tr39には、入力信号Vin1に基づいて、トランジスタTr4に流れる動作電流Ip2と同一の動作電流Ipr2が流れる。
このような構成により、トランジスタTr33,Tr34は相殺電流生成回路として動作し、トランジスタTr31,Tr32及びトランジスタTr33,Tr34を除く制御信号生成回路11aが相殺電流供給回路として動作する。
入力信号Vin1,Vin2の中心電圧が、電源VDD,電源Vssの中間レベルであるとき、入力差動対であるトランジスタTr1,Tr2及びトランジスタTr3,Tr4が飽和状態で動作し、トランジスタTr1,Tr2の動作電流In1,In2及びトランジスタTr3,Tr4の動作電流Ip1,Ip2は飽和電流となる。
また、相補信号である入力信号Vin1,Vin2の中心電圧が、電源VDD,電源Vssの中間レベルより低下すると、トランジスタTr33,Tr34は飽和領域に維持され、トランジスタTr31,Tr32にはそれぞれ電流In1,In2と等しい電流が流れ、トランジスタTr7,Tr8の動作電流は0となる。
一方、入力信号Vin1,Vin2の中心電圧が、電源VDD,電源Vssの中間レベルより上昇して、トランジスタTr33,Tr34が非飽和領域で動作するとき、トランジスタTr1,Tr2は飽和領域で動作する。
(1)入力信号Vin1,Vin2の中心電圧が、電源VDD,電源Vssの範囲で変動しても、出力電圧Vout1,Vout2を生成する出力トランジスタTr9,Tr10に流れる出力電流Io1,Io2を入力差動対であるトランジスタTr1,Tr2の動作電流In1,In2あるいはトランジスタTr3,Tr4の動作電流Ip1,Ip2に相当する電流とすることができる。従って、入力信号Vin1,Vin2の中心電圧の変動に関わらず、増幅率を一定とすることができる。
(2)入力信号Vin1,Vin2の中心電圧が、電源VDD,電源Vssの中間レベルであるとき、前記制御信号CL1,CL2を生成する制御信号生成回路11aと、その制御信号CL1,CL2に基づいて動作するトランジスタTr31,Tr32の動作により、Nチャネル側の入力差動トランジスタTr1,Tr2の動作電流分を出力トランジスタTr9,Tr10に流れないようにすること、すなわち相殺することができる。従って、出力電圧Vout1,Vout2の振幅の増大を防止することができる。
(3)入力信号Vin1,Vin2の中心電圧が、電源VDD,電源Vssの中間レベルより低い場合には、トランジスタTr1,Tr2の動作電流分を相殺して、Pチャネル側の入力差動トランジスタTr3,Tr4に流れる動作電流Ip1,Ip2のみに基づいて出力電圧Vout1,Vout2を生成することができる。
(4)入力信号Vin1,Vin2の中心電圧が、電源VDD,電源Vssの中間レベルより高い場合には、Pチャネル側の入力差動トランジスタTr3,Tr4の動作電流分を相殺して、Nチャネル側の入力差動トランジスタTr1,Tr2に流れる動作電流In1,In2に相当する電流のみに基づいて出力電圧Vout1,Vout2を生成することができる。
(5)制御信号生成回路11aを構成するPチャネルMOSトランジスタ及びNチャネルMOSトランジスタと、出力電圧Vout1,Vout2を生成する出力トランジスタTr9,Tr10を除く他のPチャネルMOSトランジスタ及びNチャネルMOSトランジスタのサイズを揃えることにより、上記のような電流相殺動作を正確にかつ容易に行うことができる。
(6)制御信号生成回路11aで消費する動作電流Ipr1,Ipr2は、入力信号Vin1,Vin2の中心電圧が電源VDDと電源Vssとの中間レベルから電源Vssまでの範囲にあるときに限り増大するので、図6に示す従来例に比して消費電流を低減することができる。
(第二の実施の形態)
図2は、第二の実施の形態を示す。この実施の形態は、電流合成部をNチャネル側の入力差動対と電源VDDとの間に配設し、それに対応して制御信号生成回路11bの入力差動対をNチャネルMOSトランジスタで構成したものであり、第一の実施の形態と同一構成部分は同一符号を付して説明する。
前記トランジスタTr3,Tr4のソースは、電流源1に接続され、その電流源1は電源VDDに接続される。前記トランジスタTr3のドレインはPチャネルMOSトランジスタTr40のドレイン及びゲートに接続され、同トランジスタTr40のソースは電源Vssに接続される。
前記トランジスタTr40のゲートには、NチャネルMOSトランジスタTr41のゲートが接続され、そのトランジスタTr41のソースは電源Vssに接続され、ドレインはPチャネルMOSトランジスタで構成される出力トランジスタTr44のドレイン及びゲートに接続される。また、前記トランジスタTr44のドレインは前記トランジスタTr1のドレインに接続され、ソースは電源VDDに接続される。
NチャネルMOSトランジスタTr46のソースは電源Vssに接続され、ドレインは前記トランジスタTr40のドレインに接続される。従って、トランジスタTr46はトランジスタTr40に対し並列に接続される。
前記トランジスタTr49のドレインは、PチャネルMOSトランジスタTr51のドレイン及びゲートに接続されるとともに、PチャネルMOSトランジスタTr54のゲートに接続される。前記トランジスタTr51,Tr54のソースは電源VDDに接続される。従って、トランジスタTr51,Tr54はカレントミラー回路として動作する。また、トランジスタTr49は前記トランジスタTr2と同一サイズで形成され、同トランジスタTr49,Tr51,Tr54には、入力信号Vin2に基づいて、トランジスタTr2に流れる動作電流In2と同一の動作電流Inr2が流れる。
次に、上記のように構成されたレールトゥレールアンプの動作を説明する。
また、上記各実施の形態のレールトゥレールアンプは、バイポーラトランジスタで構成してもよい。
VDD,Vss 電源
Tr1,Tr2 第一の差動対
Tr3,Tr4 第二の差動対
Vout1,Vout2 出力電圧
Tr5〜Tr10 電流合成部Tr31,Tr32,11a
Tr31,Tr32,11a 出力電流相殺回路
Claims (7)
- 相補入力信号が入力され、該相補入力信号が、電源電圧の中間レベル以上となるとき主に動作する第一の差動対と、
前記相補入力信号が入力され、該相補入力信号が、前記電源電圧の中間レベル以下となるとき主に動作する第二の差動対と、
前記第一及び第二の差動対の出力電流を合成して出力電圧を生成する電流合成部と
を備えた差動増幅器であって、
前記相補入力信号に基づいて、一方の差動対の出力電流に相当する電流を前記電流合成部において相殺させる出力電流相殺回路を備え、
前記電流合成部は、前記第一及び第二の差動対のうちの一方の差動対の出力電流が供給される出力トランジスタと、
他方の差動対の出力電流と等しい電流を生成して前記出力トランジスタに供給する第一のカレントミラー回路とを備え、
前記出力電流相殺回路は、
前記入力信号に基づいて前記一方の差動対の出力電流と等しい相殺電流を生成する相殺電流生成回路と、
前記相殺電流を前記他方の差動対に供給して、前記第一のカレントミラー回路の出力電流を相殺する相殺電流供給回路と
を備えたことを特徴とする差動増幅器。 - 前記相殺電流生成回路は、前記一方の差動対と同一構成の差動対で前記相殺電流を生成することを特徴とする請求項1記載の差動増幅器。
- 前記第一の差動対を、前記相補入力信号がゲートに入力される一対のNチャネルMOSトランジスタで構成し、前記第二の差動対を前記相補入力信号がゲートに入力される一対のPチャネルMOSトランジスタで構成し、前記相殺電流生成回路は第二の差動対と同一サイズのPチャネルMOSトランジスタで構成される相殺電流生成用差動対を備え、前記相殺電流供給回路は前記相殺電流生成用差動対の出力電流を前記第一の差動対に供給して、前記第一のカレントミラー回路の出力電流の少なくとも一部を相殺する第二のカレントミラー回路を備えたことを特徴とする請求項1又は2記載の差動増幅器。
- 前記第一の差動対を、前記相補入力信号がゲートに入力される一対のNチャネルMOSトランジスタで構成し、前記第二の差動対を前記相補入力信号がゲートに入力される一対のPチャネルMOSトランジスタで構成し、前記相殺電流生成回路は第一の差動対と同一サイズのNチャネルMOSトランジスタで構成される相殺電流生成用差動対を備え、前記相殺電流供給回路は前記相殺電流生成用差動対の出力電流を前記第二の差動対に供給して、前記第一のカレントミラー回路の出力電流の少なくとも一部を相殺する第二のカレントミラー回路を備えたことを特徴とする請求項1又は2記載の差動増幅器。
- 前記第一の差動対を、前記相補入力信号がゲートに入力される一対のNチャネルMOSトランジスタで構成し、前記第二の差動対を前記相補入力信号がゲートに入力される一対のPチャネルMOSトランジスタで構成し、前記電流合成部は前記第二の差動対と低電位側電源との間に接続されるNチャネルMOSトランジスタで構成し、前記第一のカレントミラー回路は前記第一の差動対の出力電流に基づいて動作するPチャネルMOSトランジスタで構成し、前記相殺電流生成回路は第二の差動対と同一サイズのPチャネルMOSトランジスタで構成される相殺電流生成用差動対を備え、前記相殺電流供給回路は前記相殺電流生成用差動対の出力電流を前記第一の差動対に供給して、前記第一のカレントミラー回路の出力電流の少なくとも一部を相殺する第二のカレントミラー回路を備えたことを特徴とする請求項1又は2記載の差動増幅器。
- 前記第一の差動対を、前記相補入力信号がゲートに入力される一対のNチャネルMOSトランジスタで構成し、前記第二の差動対を前記相補入力信号がゲートに入力される一対のPチャネルMOSトランジスタで構成し、前記電流合成部は前記第一の差動対と高電位側電源との間に接続されるPチャネルMOSトランジスタで構成し、前記第一のカレントミラー回路は前記第二の差動対の出力電流に基づいて動作するPチャネルMOSトランジスタで構成し、前記相殺電流生成回路は第一の差動対と同一サイズのNチャネルMOSトランジスタで構成される相殺電流生成用差動対を備え、前記相殺電流供給回路は前記相殺電流生成用差動対の出力電流を前記第二の差動対に供給して、前記第一のカレントミラー回路の出力電流の少なくとも一部を相殺する第二のカレントミラー回路を備えたことを特徴とする請求項1又は2記載の差動増幅器。
- 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の差動増幅器をインターフェース回路として搭載したことを特徴とする半導体装置。
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