JP4527416B2 - 差動増幅器及び半導体装置 - Google Patents

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Description

この発明は、IEEE1394.b等のインターフェース回路として使用するレールトゥレールアンプを搭載した半導体装置に関するものである。
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。
図3は、従来のレールトゥレールアンプの一例を示す。入力差動対をなすNチャネルMOSトランジスタTr1,Tr2のうち、トランジスタTr1のゲートには、入力信号Vin1が入力され、トランジスタTr2のゲートには入力信号Vin2が入力される。
同じく入力差動対をなすPチャネルMOSトランジスタTr3,Tr4のうち、トランジスタTr3ゲートには入力信号Vin2が入力され、トランジスタTr4のゲートには入力信号Vin1が入力される。前記入力信号Vin1,Vin2は、図5(a)に示すように、例えば80mV程度の振幅を有する相補信号である。
前記トランジスタTr3,Tr4のソースには電流源1が接続され、その電流源1には電源VDDが供給される。従って、トランジスタTr3,Tr4には入力信号Vin2,Vin1に基づく動作電流Ip1,Ip2が流れる。
前記トランジスタTr1,Tr2のソースは、電流源2に接続され、その電流源2は電源Vssに接続される。前記トランジスタTr1のドレインはPチャネルMOSトランジスタTr5のドレイン及びゲートに接続され、同トランジスタTr5のソースは電源VDDに接続される。
また、前記トランジスタTr2のドレインはPチャネルMOSトランジスタTr6のドレイン及びゲートに接続され、同トランジスタTr6のソースは電源VDDに接続される。
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。
前記トランジスタTr5のゲートには、PチャネルMOSトランジスタTr7のゲートが接続され、そのトランジスタTr7のソースは電源VDDに接続され、ドレインはNチャネルMOSトランジスタTr9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Tr9のドレインは前記トランジスタTr3のドレインに接続され、ソースは電源Vssに接続される。
前記トランジスタTr6のゲートには、PチャネルMOSトランジスタTr8のゲートが接続され、そのトランジスタTr8のソースは電源VDDに接続され、ドレインはNチャネルMOSトランジスタTr10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Tr10のドレインは前記トランジスタTr4のドレインに接続され、ソースは電源Vssに接続される。
従って、トランジスタTr5,Tr7及びトランジスタTr6,Tr8はカレントミラー動作を行い、トランジスタTr7のドレイン電流がトランジスタTr9に流れ、トランジスタTr8のドレイン電流がトランジスタTr10に流れる。
このように構成されたレールトゥレールアンプでは、図4に示すように、入力信号Vin1,Vin2の中心電圧が電源VDD付近で推移する場合には、主にNチャネルMOSトランジスタで構成される入力差動対、すなわちトランジスタTr1,Tr2が動作する。そして、その動作電流In1,In2に相当する電流がトランジスタTr9,Tr10に出力電流Io1,Io2として流れる。
また、入力信号Vin1,Vin2の中心電圧が電源Vss付近で推移する場合には、主にNチャネルMOSトランジスタで構成される入力差動対、すなわちトランジスタTr3,Tr4が動作し、その動作電流Ip1,Ip2に相当する電流がトランジスタTr9,Tr10に出力電流Io1,Io2として流れる。
そして、トランジスタTr9,Tr10のサイズとその他のトランジスタのサイズの設定に基づいて、例えば増幅率が「2」に設定されると、図5(a)に示す80mVの振幅で入力される入力信号Vin1,Vin2が、図5(b)に示す160mVの振幅を有する出力電圧Vout1,Vout2としてトランジスタTr9,Tr10のドレインから出力される。
このような構成により、トランジスタTr9,Tr10は入力差動対の出力電流を合成して出力電圧Vout1,Vout2を生成する電流合成部として動作する。
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。
すると、入力信号Vin1,Vin2の振幅が80mVであるにも関わらず、図5(c)に示すように、出力電圧Vout1,Vout2の振幅は320mVまで増大することになる。
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。
図6は、上記のような入力信号Vin1,Vin2の中心電圧の変化に対して、出力電圧の変動を抑制する手段を備えた入力段回路の一例を示す。この入力段回路において、NチャネルMOSトランジスタTr11,Tr12及びPチャネルMOSトランジスタTr13,Tr14は入力差動対を構成し、トランジスタTr11,Tr12には電流源3により動作電流が供給され、トランジスタTr13,Tr14には電流源4により動作電流が供給される。
トランジスタTr15〜Tr18及び抵抗R1〜R4は、前記入力差動対の出力電流を合成して、出力電圧Voutを出力する出力部である。
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。
すなわち、トランジスタTr20は入力信号Vin1,Vin2の中心電圧が電源VDDに近いレベルとなったときオンされ、カレントミラー回路8を動作させる。カレントミラー回路8を構成するNチャネルMOSトランジスタTr21,Tr22は、そのサイズが1:3に設定され、トランジスタTr21に流れるドレイン電流の3倍の電流がトランジスタTr11,Tr12に供給される。
また、トランジスタTr19は入力信号Vin1,Vin2中心電圧が電源Vssに近いレベルとなったときオンされ、カレントミラー回路7を動作させる。カレントミラー回路7を構成するPチャネルMOSトランジスタTr23,Tr24は、そのサイズが1:3に設定され、トランジスタTr23に流れるドレイン電流の3倍の電流がトランジスタTr13,Tr14に供給される。
このような動作により、入力信号Vin1,Vin2の中心電圧の変化に対しても、トランジスタTr11〜Tr14に流れる動作電流を平準化して、出力電圧Voutの変動を抑制するようにしている。
また、特許文献1には、類似のレールトゥレールアンプにおいて、入力信号の変動に基づく動作不良を抑止し、かつ差動対に入力される入力信号に電位差がない場合には、入力信号の中心電圧の変化に対して、出力電圧を変動させないようにする構成が開示されている。
特開2002−43871号公報(第7頁 図1)
図3に示すレールトゥレールアンプでは、入力信号Vin1,Vin2の中心電圧が電源VDDと電源Vssとの間で変動すると、出力電圧Vout1,Vout2の振幅も変動する。従って、入力信号の振幅が信号無しと判定すべき振幅であっても、信号有りとして判定される振幅の出力電圧を出力してしまうことがあるという問題点がある。
図6に示す入力段回路では、入力信号Vin1,Vin2の中心電圧の変動に関わらず、入力差動対に流れる動作電流を平準化して、トランスコンダクタンスの変動を抑制可能であるが、カレントミラー回路を構成するトランジスタのサイズ比はあらかじめ設定された固定値であるため、入力差動対に流れる動作電流を完全に平準化することはできない。従って、入力信号の中心電圧の変動に対する出力電圧の変動を完全に抑えることができない。
また、入力信号Vin1,Vin2の中心電圧が電源VDD,Vssの中間レベルにあるとき、すなわち入力差動対に流れる動作電流の総和が最も大きくなるときの電流値に合わせてカレントミラー回路から入力差動対に供給する電流を設定するため、入力差動対に流れる動作電流が常時増大されることとなり、消費電流が増大するという問題点がある。
また、特許文献1には入力信号の電圧レベルの変動に基づく、出力電圧の振幅変動を抑制する思想は開示されていない。
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。
上記目的を達成するために、本発明に係る差動増幅器では、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、前記相補入力信号に基づいて、前記電流合成部で合成された電流値が前記第一及び第二の差動対のいずれかの出力電流となるように、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た。また、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た。そして、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。
本発明によれば、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ができる。
(第一の実施の形態)
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。
その出力電流相殺回路について説明すると、PチャネルMOSトランジスタTr31のソースは電源VDD(高電位側電源)に接続され、ドレインは前記トランジスタTr5のドレインに接続される。従って、トランジスタTr31はトランジスタTr5に対し並列に接続される。
PチャネルMOSトランジスタTr32のソースは電源VDDに接続され、ドレインは前記トランジスタTr6のドレインに接続される。従って、トランジスタTr32はトランジスタTr6に対し並列に接続される。
前記トランジスタTr31,Tr32のゲートには、入力信号Vin1,Vin2の中心電圧が電源VDD,Vssの中間レベル近傍となって、出力トランジスタTr9,Tr10に流れる出力電流Io1,Io2が増大しようとするとき、その増大分を相殺するための制御信号CL1,CL2が入力される。
次に、前記制御信号CL1,CL2を生成する制御信号生成回路11aについて説明する。
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Tr33のドレインは、NチャネルMOSトランジスタTr35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Tr37のゲートに接続される。前記トランジスタTr35,Tr37のソースは電源Vssに接続される。従って、トランジスタTr35,Tr37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Tr33は前記トランジスタTr3と同一サイズで形成され、同トランジスタTr33,Tr35,Tr37には、入力信号Vin2に基づいて、トランジスタTr3に流れる動作電流Ip1と同一の動作電流Ipr1が流れる。
前記トランジスタTr37のドレインは、PチャネルMOSトランジスタTr38のドレイン及びゲートに接続され、そのトランジスタTr38のソースは電源VDDに接続される。従って、トランジスタTr37の動作に基づいて、トランジスタTr38からトランジスタTr37に動作電流Ipr1が供給される。
前記トランジスタTr38のゲートは、前記トランジスタTr31のゲートに接続される。従って、トランジスタTr38のゲート電圧が前記制御信号CL1としてトランジスタTr31に入力され、同トランジスタTr38,Tr31がカレントミラー動作を行う。
このような構成により、入力信号Vin2に基づいてトランジスタTr33に動作電流Ipr1が流れると、トランジスタTr35,Tr37のカレントミラー動作に基づいて、トランジスタTr38に同一の動作電流Ipr1が流れる。
すると、トランジスタTr38,Tr31のカレントミラー動作により、同トランジスタTr31に動作電流Ipr1に等しい動作電流Ipc1が流れるようになっている。
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。
前記トランジスタTr39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、そのトランジスタTr40のソースは電源VDDに接続される。従って、トランジスタTr39の動作に基づいて、トランジスタTr40からトランジスタTr39に動作電流Ipr2が供給される。
前記トランジスタTr40のゲートは、前記トランジスタTr32のゲートに接続される。従って、トランジスタTr40のゲート電圧が前記制御信号CL2としてトランジスタTr32に入力され、同トランジスタTr40,Tr32(第二のカレントミラー回路)がカレントミラー動作を行う。
このような構成により、入力信号Vin1に基づいてトランジスタTr34に動作電流Ipr2が流れると、トランジスタTr36,Tr39のカレントミラー動作に基づいて、トランジスタTr40に同一の動作電流Ipr2が流れる。
すると、トランジスタTr40,Tr32のカレントミラー動作により、同トランジスタTr32に動作電流Ipr2に等しい動作電流Ipc2が流れるようになっている。
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。
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。
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。
このとき、トランジスタTr33,Tr34に流れる動作電流Ipr1,Ipr2も飽和電流となり、トランジスタTr38,Tr40にも同様の動作電流Ipr1,Ipr2が流れる。すると、トランジスタTr31,Tr32にも同様な動作電流Ipc1,Ipc2(相殺電流)が流れる。
この動作電流Ipc1,Ipc2はトランジスタTr1,Tr2に流れる動作電流In1,In2に等しいため、第一のカレントミラー回路を構成するトランジスタTr5,Tr7及び同トランジスタTr6,Tr8はそのゲート電位が上昇し、ドレイン電流が流れない状態となる。
この結果、出力電圧Vout1,Vout2を生成するトランジスタTr9,Tr10には、トランジスタTr3,Tr4に流れる動作電流Ip1,Ip2のみが出力電流Io1,Io2として流れる。
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。
従って、出力電圧Vout1,Vout2を生成するトランジスタTr9,Tr10には、トランジスタTr3,Tr4に流れる動作電流Ip1,Ip2のみが出力電流Io1,Io2として流れる。
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。
すると、トランジスタTr33,Tr34に流れる動作電流Ipr1,Ipr2、すなわちトランジスタTr31,Tr32に流れる動作電流Ipc1,Ipc2がトランジスタTr1,Tr2の動作電流In1,In2より小さくなる。そして、トランジスタTr7の動作電流は(In1−Ipc1)となり、トランジスタTr8の動作電流は(In2−Ipc2)となる。
また、トランジスタTr3,Tr4の動作電流Ip1,Ip2は、動作電流Ipc1,Ipc2と等しくなる。従って、トランジスタTr9,Tr10には、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が出力電流Io1,Io2として流れる。
上記のように構成されたレールトゥレールアンプでは、次に示す作用効果を得ることができる。
(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。
トランジスタTr1,Tr2のソースには電流源2が接続され、その電流源2には電源Vssが供給される。
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。
また、前記トランジスタTr4のドレインはNチャネルMOSトランジスタTr42のドレイン及びゲートに接続され、同トランジスタTr42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。
前記トランジスタTr42のゲートには、NチャネルMOSトランジスタTr43のゲートが接続され、そのトランジスタTr43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Tr45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Tr45のドレインは前記トランジスタTr2のドレインに接続され、ソースは電源VDDに接続される。
従って、トランジスタTr40,Tr41及びトランジスタTr42,Tr43はカレントミラー動作を行い、トランジスタTr41のドレイン電流がトランジスタTr44に流れ、トランジスタTr43のドレイン電流がトランジスタTr45に流れる。そして、トランジスタTr44,Tr45のドレインからそれぞれ出力電圧Vout1,Vout2が出力される。
次に、入力信号Vin1,Vin2の中心電圧の変動にともなう出力電圧Vout1,Vout2の振幅の変動を防止する出力電流相殺回路について説明する。
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。
NチャネルMOSトランジスタTr47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Tr42のドレインに接続される。従って、トランジスタTr47はトランジスタTr42に対し並列に接続される。
前記トランジスタTr46,Tr47のゲートには、制御信号生成回路11bで生成される制御信号CL3,CL4が入力される。その制御信号生成回路11bを説明すると、NチャネルMOSトランジスタTr48,Tr49のソースは電流源13に接続され、その電流源13には電源Vssが供給される。前記トランジスタTr48のゲートには入力信号Vin1が入力され、前記トランジスタTr49のゲートには入力信号Vin2が入力される。
前記トランジスタTr48のドレインは、PチャネルMOSトランジスタTr50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Tr52のゲートに接続される。前記トランジスタTr50,Tr52のソースは電源VDDに接続される。従って、トランジスタTr50,Tr52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Tr48は前記トランジスタTr1と同一サイズで形成され、同トランジスタTr48,Tr50,Tr52には、入力信号Vin1に基づいて、トランジスタTr1に流れる動作電流In1と同一の動作電流Inr1が流れる。
前記トランジスタTr52のドレインは、NチャネルMOSトランジスタTr53のドレイン及びゲートに接続され、そのトランジスタTr53のソースは電源Vssに接続される。従って、トランジスタTr52の動作に基づいて、トランジスタTr52からトランジスタTr53に動作電流Inr1が供給される。
前記トランジスタTr53のゲートは、前記トランジスタTr46のゲートに接続される。従って、トランジスタTr53のゲート電圧が前記制御信号CL3としてトランジスタTr46のゲートに入力され、同トランジスタTr53,Tr46がカレントミラー動作を行う。
このような構成により、入力信号Vin1に基づいてトランジスタTr48に動作電流Inr1が流れると、トランジスタTr50,Tr52のカレントミラー動作に基づいて、トランジスタTr53に同一の動作電流Inr1が流れる。
すると、トランジスタTr53,Tr46のカレントミラー動作により、同トランジスタTr46に動作電流Inr1に等しい動作電流Inc1が流れるようになっている。
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。
前記トランジスタTr54のドレインは、NチャネルMOSトランジスタTr55のドレイン及びゲートに接続され、そのトランジスタTr55のソースは電源Vssに接続される。従って、トランジスタTr54の動作に基づいて、トランジスタTr54からトランジスタTr55に動作電流Inr2が供給される。
前記トランジスタTr55のゲートは、前記トランジスタTr47のゲートに接続される。従って、トランジスタTr55のゲート電圧が前記制御信号CL4としてトランジスタTr47のゲートに入力され、同トランジスタTr55,Tr47がカレントミラー動作を行う。
このような構成により、入力信号Vin2に基づいてトランジスタTr49に動作電流Inr2が流れると、トランジスタTr51,Tr54のカレントミラー動作に基づいて、トランジスタTr55に同一の動作電流Inr2が流れる。
すると、トランジスタTr55,Tr47のカレントミラー動作により、同トランジスタTr47に動作電流Inr2に等しい動作電流Inc2が流れるようになっている。
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。
入力信号Vin1,Vin2の中心電圧が、電源VDD,電源Vssの中間レベルとあるとき、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。
このとき、トランジスタTr48,Tr49に流れる動作電流Inr1,Inr2も飽和電流となり、トランジスタTr53,Tr55にも同様の動作電流Inr1,Inr2が流れる。すると、トランジスタTr47,Tr46にも同様な動作電流Inc1,Inc2が流れる。
この動作電流Inc1,Inc2はトランジスタTr3,Tr4に流れる動作電流Ip1,Ip2に等しいため、トランジスタTr40,Tr41及び同トランジスタTr42,Tr43はそのゲート電位が低下し、ドレイン電流が流れない状態となる。
この結果、出力電圧Vout1,Vout2を生成する出力トランジスタTr44,Tr45には、トランジスタTr1,Tr2に流れる動作電流In1,In2のみが出力電流Io1,Io2として流れる。
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の中間レベルより上昇すると、トランジスタTr48,Tr49は飽和領域に維持され、トランジスタTr46,Tr47にはそれぞれ電流Ip1,Ip2と等しい電流が流れ、トランジスタTr41,Tr43の動作電流は0となる。
従って、出力電圧Vout1,Vout2を生成する出力トランジスタTr44,Tr45には、トランジスタTr1,Tr2に流れる動作電流In1,In2のみが出力電流Io1,Io2として流れる。
一方、入力信号Vin1,Vin2の中心電圧が、電源VDD,電源Vssの中間レベルより低下して、トランジスタTr48,Tr49が非飽和領域で動作するとき、トランジスタTr3,Tr4は飽和領域で動作する。
すると、トランジスタTr48,Tr49に流れる動作電流Inr1,Inr2すなわちトランジスタTr46,Tr47に流れる動作電流Inc1,Inc2がトランジスタTr3,Tr4の動作電流Ip1,Ip2より小さくなる。そして、トランジスタTr41の動作電流は(Ip1−Inc1)となり、トランジスタTr43の動作電流は(Ip2−Inc2)となる。
また、トランジスタTr1,Tr2の動作電流In1,In2は、動作電流Inc1,Inc2と等しくなる。従って、トランジスタTr44,Tr45には、トランジスタTr3,Tr4に流れる動作電流Ip1,Ip2に相当する電流のみが出力電流Io1,Io2として流れる。
このような動作により、前記第一の実施の形態で得られた作用効果に相当する作用効果を得ることができる。
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。
第一の実施の形態を示す回路図である。 第二の実施の形態を示す回路図である。 従来例を示す回路図である。 従来例における入力信号の中心電圧と動作電流との関係を示す説明図である。 (a)(b)(c)は入力信号と出力電圧の関係を示す説明図である。 別の従来例を示す回路図である。
符号の説明
Vin1,Vin2 相補入力信号
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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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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