JP4606770B2 - 増幅器および基準電圧発生回路 - Google Patents

増幅器および基準電圧発生回路 Download PDF

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Description

本発明は、増幅器および基準電圧発生回路に関するものであり、特に差動増幅を行う差動アンプを小面積で実現すると共に、差動アンプを用いた基準電圧発生回路において、小面積で安定した基準電圧の発生を実現できるようにしたものに関する。
近年、半導体プロセスの微細化が進んでいるが、アナログ回路ブロックはデジタル回路ブロックとは異なり、プロセスが微細化されても小面積化にはつながらない。このため、アナログデジタル混載LSIにおけるアナログ回路ブロックの占める割合は増える傾向にあり、アナログ回路ブロックの小面積化は重要な課題となっている。
従来、80dB程度のゲインが必要なアンプには2段アンプが用いられることが多い。2段構成で差動アンプを実現しようとすると、前段および後段の両方のアンプにコモンモードフィードバック回路が必要であり、チップの面積が増大する。
図8はADCなどの基準電圧発生回路に用いられる回路の一例である。この回路は差動アンプを有し、ADCのフルスケール電圧を決める時などに用いられる。図において、12は基準電圧発生回路、13は差動アンプ、14はコモンモードフィードバック回路、15はバイアス回路、I11,I12は電流源、R11,R12は抵抗、C11,C12は外付けの安定化容量、R21,R22は寄生抵抗を表す。なお、バイアス回路15は、不要な場合は省くことができる。
この回路は、或る電圧Vopcmを中心に+側出力端子8にVopcm+R11*I12、−側出力端子9にVopcm-R12*I11の電圧を発生する。また、発生した基準電圧を安定させるために、大きな前記安定化容量C11,C12を前記差動アンプ13の+側出力端子8および−側出力端子9に接続して用いる。前記安定化容量C11,C12をチップの外に接続するため、前記+側出力端子8および前記−側出力端子9と前記安定化容量C11,C12との間には前記寄生抵抗R21,R22(5Ω程度)が発生する。前記抵抗R11,R12によって、帰還がかかっている前記差動アンプ13は、前記安定化容量C11,C12および前記寄生抵抗R21,R22によって発生するゼロ点により、発振することがある。また、アンプのゲインは高いほど正確な基準電圧を発生させることが出来るので、80dB程度が必要となる。アンプは、高ゲインを得るために多段構成のものを用い、容量による位相補償を行うのが一般的である。
特開2003−158434号公報(第3−4頁、第1図)
以上に示した従来の2段差動アンプを実現するためには、コモンモードフィードバック回路が2つ必要である。コモンモードフィードバック回路は容量,スイッチ,さらには抵抗等で構成されるため、チップの面積増加につながる。また、従来の基準電圧発生回路においても同様に、コモンモードフィードバック回路や位相補償のための容量などが面積増大につながっている。
この発明は、上記のような従来のものの課題を解決するためになされたもので、集積回路化した際の面積増加を抑えることが可能な増幅器および基準電圧発生回路を提供することを目的としている。
発明の請求項に係る増幅器は、第1導電型の第1ないし第3のトランジスタの各ソース端子が第1の電源電位に接続され、該第1導電型の第1ないし第3のトランジスタの各ゲート端子がそれぞれ当該第1導電型の第3のトランジスタのドレイン端子および第2導電型の第3のトランジスタのドレイン端子に接続され、逆相出力ノードが前記第1導電型の第1のトランジスタおよび第2導電型の第1のトランジスタの各ドレイン端子に接続され、正相出力ノードが前記第1導電型の第2のトランジスタおよび第2導電型の第2のトランジスタの各ドレイン端子に出力され、正相入力ノードが前記第2導電型の第1のトランジスタのゲート端子に接続され、逆相入力ノードが前記第2導電型の第2のトランジスタのゲート端子に接続され、前記正相入力ノードおよび逆相入力ノードに入力すべき2つの入力信号の中心電圧を印加するための入力コモンモード電圧印加ノードが、前記第2導電型の第3のトランジスタのゲート端子に接続され、前記第2導電型の第1ないし第3のトランジスタの各ソース端子が第2導電型の第4のトランジスタのドレイン端子に接続され、第1のバイアス電圧印加ノードが前記第2導電型の第4のトランジスタのゲート端子に接続され、前記第2導電型の第4のトランジスタのソース端子が第2の電源電位に接続されていることを特徴とするものである。
これにより、2つのシングル出力アンプにより擬似差動アンプを構成するよりもトランジスタ数が少なくなり、回路面積を削減できる。
また、本発明の請求項に係る増幅器は、第2導電型の第5ないし第7のトランジスタの各ソース端子が第2の電源電位に接続され、前記第2導電型の第5ないし第7のトランジスタの各ゲート端子がそれぞれ当該第2導電型の第7のトランジスタのドレイン端子および第1導電型の第6のトランジスタのドレイン端子に接続され、逆相出力ノードが前記第2導電型の第5のトランジスタおよび第1導電型の第4のトランジスタの各ドレイン端子に接続され、正相出力ノードが前記第2導電型の第6のトランジスタおよび第1導電型の第5のトランジスタの各ドレイン端子に接続され、正相入力ノードが前記第1導電型の第4のトランジスタのゲート端子に接続され、逆相入力ノードが前記第1導電型の第5のトランジスタのゲート端子に接続され、前記正相入力ノードおよび逆相入力ノードに入力すべき2つの入力信号の中心電圧を印加するための入力コモンモード電圧印加ノードが前記第1導電型の第6のトランジスタのゲート端子に接続され、前記第1導電型の第4ないし第6のトランジスタの各ソース端子が第1導電型の第7のトランジスタのドレイン端子に接続され、第2のバイアス電圧印加ノードが前記第1導電型の第7のトランジスタのゲート端子に接続され、前記第1導電型の第7のトランジスタのソース端子が第1の電源電位にそれぞれ接続されていることを特徴とするものである。
これにより、2つのシングル出力アンプにより擬似差動アンプを構成するよりもトランジスタ数が少なくなり、回路面積を削減できる。
また、本発明の請求項に係る増幅器は、請求項に記載の増幅器において、当該増幅器をパワーダウン状態から正常動作状態に安定して復帰させるスタートアップ回路をさらに備えたことを特徴とするものである。
これにより、擬似差動アンプをパワーダウン状態から正常動作状態に復帰する際、安定して復帰させることが可能となる。
また、本発明の請求項に係る増幅器は、請求項に記載の増幅器において、当該増幅器をパワーダウン状態から正常動作状態に安定して復帰させるスタートアップ回路をさらに備えたことを特徴とするものである。
これにより、擬似差動アンプをパワーダウン状態から正常動作状態に復帰する際、安定して復帰させることが可能となる。
また、本発明の請求項に係る増幅器は、請求項に記載の増幅器において、前記スタートアップ回路は第1導電型の第8のトランジスタからなり、該第1導電型の第8のトランジスタのソースは、前記増幅器の前記正相出力ノード,逆相出力ノードまたはその両方のいずれかに、該第1導電型の第8のトランジスタのドレインは前記第2の電源電位に、該第1導電型の第8のトランジスタのゲートは第3のバイアス電圧を印加するためのバイアス電圧印加ノードに、それぞれ接続されていることを特徴とするものである。
これにより、トランジスタを追加することで、擬似差動アンプをパワーダウン状態から正常動作状態に復帰する際、安定して復帰させることが可能となる。
また、本発明の請求項に係る増幅器は、請求項に記載の増幅器において、前記スタートアップ回路は第2導電型の第8のトランジスタからなり、該第2導電型の第8のトランジスタのソースは、前記増幅器の前記正相出力ノード,逆相出力ノードまたはその両方のいずれかに、該第2導電型の第8のトランジスタのドレインは前記第1の電源電位に、該第2導電型の第8のトランジスタのゲートは第4のバイアス電圧を印加するためのバイアス電圧印加ノードに、それぞれ接続されていることを特徴とするものである。
これにより、トランジスタを追加することで、擬似差動アンプをパワーダウン状態から正常動作状態に復帰する際、安定して復帰させることが可能となる。
また、本発明の請求項に係る増幅器は、請求項に記載の増幅器において、前記スタートアップ回路は第1のスイッチからなり、該第1のスイッチは、前記増幅器の前記正相出力ノード,逆相出力ノードまたはその両方のいずれかと前記第1導電型の第3のトランジスタのドレインとの間に接続されており、前記第1のスイッチはパワーダウン復帰後第1の所定期間だけオンし、その後のアンプ動作時はオフすることを特徴とするものである。
これにより、擬似差動アンプをパワーダウン状態から正常動作状態に復帰する際、安定して復帰させることが可能となり、あわせて、擬似差動アンプの出力をリセットできる。
また、本発明の請求項に係る増幅器は、請求項に記載の増幅器において、前記スタートアップ回路は第1のスイッチからなり、該第1のスイッチは、前記増幅器の前記正相出力ノード,逆相出力ノードまたはその両方のいずれかと前記第1導電型の第3のトランジスタのドレインとの間に接続されており、前記第1のスイッチはパワーダウン復帰後第1の所定期間だけオンし、その後のアンプ動作時はオフすることを特徴とするものである。
これにより、擬似差動アンプをパワーダウン状態から正常動作状態に復帰する際、安定して復帰させることが可能となり、あわせて、擬似差動アンプの出力をリセットできる。
また、本発明の請求項に係る増幅器は、請求項に記載の増幅器において、前記スタートアップ回路は第2のスイッチからなり、該第2のスイッチは、前記増幅器の前記正相入力ノード,逆相入力ノードまたはその両方のいずれかと前記入力コモンモード電圧印加ノードとの間に接続されており、前記第2のスイッチはパワーダウン復帰後第2の所定期間だけオンし、その後のアンプ動作時はオフすることを特徴とするものである。
これにより、擬似差動アンプをパワーダウン状態から正常動作状態に復帰する際、安定して復帰させることが可能となり、あわせて、擬似差動アンプの出力をリセットできる。
また、本発明の請求項10に係る増幅器は、請求項に記載の増幅器において、前記スタートアップ回路は第2のスイッチからなり、該第2のスイッチは、前記増幅器における前記正相入力ノード,逆相入力ノードまたはその両方のいずれかと前記入力コモンモード電圧印加ノードとの間に接続されており、前記第2のスイッチはパワーダウン復帰後第2の所定期間だけオンし、その後のアンプ動作時はオフすることを特徴とするものである。
これにより、擬似差動アンプをパワーダウン状態から正常動作状態に復帰する際、安定して復帰させることが可能となり、あわせて、擬似差動アンプの入力をリセットできる。
また、本発明の請求項11に係る基準電圧発生回路は、差動アンプ,抵抗および電流源を備えた基準電圧発生回路において、前記差動アンプとして、2段構成の増幅器であって、 前段は、入力部に入力端子が出力部に出力端子がそれぞれ接続された第1のトランジスタ、入力部に入力端子が接続された第2のトランジスタ、入力部に入力端子が出力部に出力端子がそれぞれ接続された第3のトランジスタを有し、前記第1及び第2のトランジスタにより構成された第1の差動アンプと、前記第2及び第3のトランジスタにより構成された第2の差動アンプとを互いに並列接続してなる擬似差動アンプからなるとともに、後段は差動アンプからなり、前記擬似差動アンプは、前記第1のトランジスタの前記入力端子と前記第3のトランジスタの前記入力端子との間に信号が与られ、前記第1のトランジスタと前記第3のトランジスタの各出力端子間の信号が前記後段の前記差動アンプに入力として与えられてなる、増幅器を位相補償せずに用いることを特徴とするものである。
これにより、基準電圧発生回路に含まれる差動アンプの回路面積を削減できる。
また、本発明の請求項12に係る基準電圧発生回路は、差動アンプ,抵抗および電流源を備えた基準電圧発生回路において、前記差動アンプとして、請求項ないし10のいずれかに記載の増幅器と通常の差動アンプとで2段アンプを構成し、該2段アンプを位相補償せずに用いることを特徴とするものである。
これにより、基準電圧発生回路に含まれる差動アンプの回路面積をより削減でき、差動アンプをパワーダウン状態から正常動作状態に復帰する際、安定して復帰させることが可能となる
本発明の増幅器によれば、前段にはコモンモードフィードバックを用いず、高ゲインのアンプを実現できる。さらに、後段に通常の差動アンプを用い、コモンモードフィードバック回路を有することによって、出力コモンモードを容易に決めることができる。また、本発明の基準電圧発生回路によれば、差動アンプは位相補償を用いず、差動アンプ内の前段の擬似差動アンプはコモンモードフィードバック回路を必要としないため、小面積で安定した基準電圧を供給することが可能となる。
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1における増幅器の構成を示したものである。
図において、1は第1のシングル出力アンプ、2は第2のシングル出力アンプ、3はこれら2つのシングル出力アンプを互いに並列接続してなる擬似差動アンプ、4は擬似差動アンプ3の後段に接続された通常の差動アンプである第1の差動アンプ、5は擬似差動アンプ3の+側入力端子、6は擬似差動アンプ3の−側入力端子、7は擬似差動アンプ3の入力コモンモード電圧印加端子であり、擬似差動アンプ3の+側入力端子5および−側入力端子6に入力すべき入力信号の中心電圧を印加する。8は差動アンプ4の+側出力端子、9は差動アンプ4の−側出力端子、10は差動アンプ4のコモンモードフィードバック端子である。また、前記第1および第2のシングル出力アンプ1,2および前記第1の差動アンプ4は全て1段アンプとする。
前記+側入力端子(正相入力ノード)5は前記第1のシングル出力アンプ1の+側入力端子に、前記−側入力端子(逆相入力ノード)6は前記第2のシングル出力アンプ2の+側入力端子に、前記入力コモンモード電圧印加端子7は前記第1のシングル出力アンプ1および前記第2のシングル出力アンプ2の−側入力端子に、前記第1のシングル出力アンプ1の出力端子は前記第1の差動アンプ4の−側入力端子に、前記第2のシングル出力アンプ2の出力端子は前記第1の差動アンプ4の+側入力端子にそれぞれ接続されている。また、前記+側出力端子8は前記第1の差動アンプ4の+側出力端子に、前記−側出力端子9は前記第1の差動アンプ4の−側出力端子に、前記コモンモードフィードバック端子10は前記第1の差動アンプ4のコモンモードフィードバック端子にそれぞれ接続されている。
以上が本発明の実施の形態1における増幅器の構成である。
次に本発明の実施の形態1の動作について説明する。
実施の形態1における増幅器、即ち2段構成の差動アンプは、後段の出力のみにコモンモードフィードバックをかけて用いるものとする。このコモンモードフィードバック回路は第1の差動アンプ4の+側出力端子8および−側出力端子9からそれぞれ出力される正相出力信号および逆相出力信号を入力とし、これらの中心電圧を一致させるべく、コモンモードフィードバック端子10に制御信号を出力する。
前記擬似差動アンプ3は、前記シングル出力アンプ1および2で構成されている。このため、入力端子にバイアス電圧が印加されない状態、例えば図8の基準電圧発生回路のようにフィードバックをかけて用いる場合、シングル出力アンプの+側入力トランジスタ(図示せず)は負荷トランジスタ(図示せず)がダイオード接続されているため、必ず電流が流れるが、−側入力トランジスタ(図示せず)は、電流が流れる状態(状態1)と流れない状態(状態2)の2つの安定点を持つ。状態1ではアンプとして正常動作するが、状態2では正常動作しない。従来の差動アンプであれば、前記状態1で動作させるためにコモンモードフィードバック回路が必要であるが、前記擬似差動アンプ3は、−側入力トランジスタに一旦電流が流れ始めると+側入力トランジスタおよびダイオード接続された+側負荷トランジスタによって前記状態1で安定する。
また、後段に用いる第1の差動アンプ4は、通常の差動アンプからなるものであり、コモンモードフィードバック回路(図示せず)によって、アンプとしての正常な動作状態に安定しており、また出力コモンモード電圧の調整も容易である。さらに、例に挙げた図8の基準電圧発生回路12における差動アンプ13を図1の2段アンプにより構成した場合、その擬似差動アンプ3の入力端子は、+側,−側ともにそれぞれ前記第1の差動アンプ4の出力端子に抵抗R11,R12を介して接続されているため、前記擬似差動アンプ3は前記第1の差動アンプ4の出力端子の電圧が引き金となり、前記状態1に安定する。
このように、前段に擬似差動アンプを用い、後段に通常の差動アンプを用いることで、2段構成の差動アンプからなる増幅器を構成し、後段にコモンモードフィードバック回路を使用することで、擬似差動アンプおよび差動アンプ全体を正常に動作させることができる。また、出力コモンモード電圧の調整も容易となる。その結果、前段のコモンモードフィードバック回路が不要となる。コモンモードフィードバック回路はチップ上の面積を要する容量等で構成されるため、その分面積を削減できる。
なお、上述の説明における第1および第2のシングル出力アンプ1,2および第1の差動アンプ4は、いわゆるカスコード構造、即ち、互いにカスコード接続された複数のトランジスタを用いることで、より高ゲインを得るようにしてもよい。
(実施の形態2)
図2(a)は本発明の実施の形態2における増幅器の構成を示したものである。この実施の形態2は、実施の形態1の増幅器における擬似差動アンプのより好適な構成例として使用できるものである。
図において、pi(i=1ないし3)はpチャンネルトランジスタ(第1導電型の第iのトランジスタ)、nj(j=1ないし4)はnチャンネルトランジスタ(第2導電型の第jのトランジスタ)である。
本発明の実施の形態2における擬似差動アンプは、pチャンネルトランジスタp1,p2およびp3の各ソース端子は電源電圧端子(第1の電源電位)Vccに、前記pチャンネルトランジスタp1,p2およびp3の各ゲート端子は前記pチャンネルトランジスタp3のドレイン端子およびnチャンネルトランジスタn3のドレイン端子に、前記pチャンネルトランジスタp1およびnチャンネルトランジスタn1の各ドレイン端子は−側出力端子(逆相出力ノード)voutnに、前記pチャンネルトランジスタp2およびnチャンネルトランジスタn2の各ドレイン端子は+側出力端子(正相出力ノード)voutpに、前記nチャンネルトランジスタn1のゲート端子は+側入力端子(正相入力ノード)vinpに、前記nチャンネルトランジスタn2のゲート端子は−側入力端子(逆相入力ノード)vinnに、前記nチャンネルトランジスタn3のゲート端子は前記入力コモンモード電圧印加端子(入力コモンモード電圧印加ノード)vincmに、前記nチャンネルトランジスタn1,n2およびn3の各ソース端子はnチャンネルトランジスタn4のドレイン端子に、前記nチャンネルトランジスタn4のゲート端子はバイアス電圧印加端子(第1のバイアス電圧印加ノード)biasnに、前記nチャンネルトランジスタn4のソース端子はグランド端子(第2の電源電位)GNDに、それぞれ接続されている。
なお、前記nチャンネルトランジスタn4のゲート端子は図2(b)に示すようにダイオード接続されていてもよい。この時、外付けのバイアス回路が不要となるので、低消費電力の低減およびさらなる小面積化を図るうえで有効である。
以上が本発明の実施の形態2による擬似差動アンプの構成である。
次に本発明の実施の形態2の動作を説明する。
図2の本発明の実施の形態2における擬似差動アンプは、前記+側入力端子vinpおよび前記−側入力端子vinnに、前記入力コモンモード電圧印加端子vincmに印加されているバイアス電圧vincmと同じ電圧が印加されている時を平衡状態とする。
例として、平衡状態から、前記+側入力端子vinpに印加される電圧が、上昇した場合の動作を考える。この時、前記nチャンネルトランジスタn1に流れる電流は増加し、−側出力端子voutnの電圧は降下する。また、前記nチャンネルトランジスタn1に流れる電流が増加した分、前記nチャンネルトランジスタn2に流れる電流は減少するため、+側出力端子voutpの電圧は上昇する。
なお、+側入力端子に印加される電圧が降下した場合、および−側入力端子に印加される電圧が上昇・降下した時も原理は同じであるので説明は省く。
このように、本実施の形態2では、上述のような回路構成を用いることにより、擬似差動アンプを実現することができる。この回路構成では実施の形態1におけるシングル出力アンプを2つ用いた擬似差動アンプよりトランジスタ数が少なくなるため、面積および消費電力をより削減でき、また、プロセス上のマッチング精度を向上することができる。
なお、カスコード構造を用いることで、より高ゲインを得るようにしてもよい。
(実施の形態3)
図3(a)は本発明の実施の形態2における増幅器の構成を示したものである。この実施の形態3は、実施の形態1の増幅器における擬似差動アンプのより好適な構成例として使用できるもので、実施の形態2とはトランジスタの導電型を逆にしたものである。
図において、pk(k=4ないし7)はpチャンネルトランジスタ(第1導電型の第kのトランジスタ)、nl(l=5ないし7)はnチャンネルトランジスタ(第2導電型の第lのトランジスタ)である。
本発明の実施の形態3における擬似差動アンプは、nチャンネルトランジスタn5,n6およびn7の各ソース端子はグランド端子(第2の電源電位)GNDに、前記nチャンネルトランジスタn5,n6およびn7の各ゲート端子は前記チャンネルトランジスタn7のドレイン端子およびpチャンネルトランジスタp6のドレイン端子に、前記nチャンネルトランジスタn5およびpチャンネルトランジスタp4の各ドレイン端子は−側出力端子(逆相出力ノード)voutnに、前記nチャンネルトランジスタn6およびpチャンネルトランジスタp5の各ドレイン端子は+側出力端子(正相出力ノード)voutpに、前記pチャンネルトランジスタp4のゲート端子は+側入力端子(正相入力ノード)vinpに、前記pチャンネルトランジスタp5のゲート端子は−側入力端子(逆相入力ノード)vinnに、前記pチャンネルトランジスタp6のゲート端子は入力コモンモード電圧印加端子(入力コモンモード電圧印加ノード)vincmに、前記pチャンネルトランジスタp4,p5およびp6の各ソース端子はpチャンネルトランジスタp7のドレイン端子に、前記pチャンネルトランジスタp7のゲート端子はバイアス電圧印加端子(第2のバイアス電圧印加ノード)biaspに、前記pチャンネルトランジスタp7のソース端子は電源電圧端子Vccにそれぞれ接続されている。
なお、前記pチャンネルトランジスタp7のゲート端子は図3(b)に示すようにダイオード接続されていてもよい。この時、外付けのバイアス回路が不要となるので、低消費電力の低減およびさらなる小面積化を図るうえで有効である。
以上が本発明の実施の形態3による擬似差動アンプの構成である。
次に本発明の実施の形態3の動作を説明する。
図3の本発明の実施の形態3における擬似差動アンプは、前記+側入力端子vinpおよび前記−側入力端子vinnに、前記入力コモンモード電圧印加端子vincmに印加されているバイアス電圧vincmと同電位が印加されている時を平衡状態とする。
例として、平衡状態から、前記+側入力端子に印加される電圧が、上昇した時を考える。この時、前記pチャンネルトランジスタp4に流れる電流は減少し、−側出力端子voutnの電圧は降下する。また、前記pチャンネルトランジスタp4に流れる電流が減少した分、前記pチャンネルトランジスタp5に流れる電流は増加するため、+側出力端子voutpの電圧は上昇する。
なお、+側入力端子に印加される電圧が降下した場合、および−側入力端子に印加される電圧が上昇・降下した時も原理は同じであるので説明は省く。
このように、本実施の形態3では、上述のような回路構成を用いることにより、擬似差動アンプを実現することができる。この回路構成では実施の形態1におけるシングル出力アンプを2つ用いた擬似差動アンプよりトランジスタ数が少なくなるため、面積および消費電力をより削減でき、また、プロセス上のマッチング精度を向上することができる。
なお、カスコード構造を用いることで、より高ゲインを得るようにしてもよい。
(実施の形態4)
図4は本発明の実施の形態4における増幅器を示すものである。この増幅器は実施の形態2における増幅器と同様のものに、スタートアップ回路を付加した構成を有するものである。
図4において、11はスタートアップ回路を表す。その他の構成は実施の形態2で示したものと同様である。
本発明の実施の形態4におけるスタートアップ回路11は、pチャンネルトランジスタ(第1導電型の第8のトランジスタ)p8からなり、pチャンネルトランジスタp8のソース端子は擬似差動アンプの+側出力端子もしくは−側出力端子に、前記pチャンネルトランジスタp8のドレイン端子はグランド端子GNDに、前記pチャンネルトランジスタp8のゲート端子はバイアス電圧印加端子(第3のバイアス電圧印加ノード)biassu1に、それぞれ接続されている。ただし、電源電圧Vccとバイアス電圧biassu1との電位差は前記pチャンネルトランジスタp8のしきい値以上になるものとする。
なお、擬似差動アンプの+側出力端子、−側出力端子の両方に前記スタートアップ回路11を接続してもよい。
以上が本発明の実施の形態4における擬似差動アンプのスタートアップ回路の構成である。
次に本発明の実施の形態4の動作を説明する。ここでは擬似差動アンプの+側出力端子に前記スタートアップ回路11を接続したものとする。
図4の本発明の実施の形態4における擬似差動アンプは、例えばバイアス電圧biasnをグランドGND電圧とすること等で、パワーダウン状態となり消費電力を抑えることが可能であるが、このパワーダウン状態から通常動作に復帰する際に、前記pチャンネルトランジスタp1および前記nチャンネルトランジスタn1、前記pチャンネルトランジスタp2および前記nチャンネルトランジスタn2には電流が流れず、前記pチャンネルトランジスタp3および前記nチャンネルトランジスタn3からの電流のみが前記nチャンネルトランジスタn4へ流れ込む状態3があり、この状態3で安定することがある。この時、アンプは正常に動作しない。これを防ぐために前記スタートアップ回路11を接続する。
前記状態3の時、前記pチャンネルトランジスタp2のドレイン電圧は電源電圧付近で安定する。前記pチャンネルトランジスタp8のソース端子は前記pチャンネルトランジスタp2のドレイン端子と接続されているため、電源電圧付近の電圧となる。このため、前記pチャンネルトランジスタp8のVgsにはしきい値を超える電圧が印加され、電流が流れる。この電流は前記pチャンネルトランジスタp2から流れ出す。前記pチャンネルトランジスタp2に電流が流れると、前記pチャンネルトランジスタp2のドレイン電圧(=前記pチャンネルトランジスタp8のソース電圧)は下降し、前記pチャンネルトランジスタp8に流れ込んでいた電流は減少し、前記pチャンネルトランジスタp2から流れ出す電流は前記nチャンネルトランジスタn2に徐々に流れ込む。このため、アンプは正常動作状態で安定する。
なお、前記pチャンネルトランジスタp8のドレイン端子を固定する電圧は、状態3の時前記pチャンネルトランジスタp8がONするならば、電源電圧以外の電圧でもよい。
また、アンプの出力コモンモード電圧とバイアス電圧との電位差が、前記pチャンネルトランジスタp8のしきい値を超えないようにバイアス電圧biassu1を決定することで、アンプが平衡状態付近で動作する時、前記pチャンネルトランジスタp8のVgsはしきい値以下となり、前記pチャンネルトランジスタp8に電流が流れ出すのを防ぐことができる。
また、アンプの入出力電圧の変動が大きい場合などは、アンプの動作安定後、前記pチャンネルトランジスタp8のゲート電圧をスイッチにより電源電圧に切り替えることで、アンプ動作時に前記pチャンネルトランジスタp8に電流が流れ出すのを防ぐことができる。
以上のような構成により、擬似差動アンプをパワーダウン状態から復帰させる際に、スタートアップ回路により確実に正常動作状態で安定できる擬似差動アンプを実現することができる。
(実施の形態5)
図5は本発明の実施の形態5における増幅器を示すものである。この増幅器は実施の形態3における増幅器と同様のものに、スタートアップ回路を付加した構成を有するものである。
図5において、11はスタートアップ回路を表す。その他の構成は実施の形態3で示したものと同様である。
本発明の実施の形態5におけるスタートアップ回路11は、nチャンネルトランジスタ(第2導電型の第8のトランジスタ)n8からなり、nチャンネルトランジスタn8のソース端子は擬似差動アンプの+側出力端子もしくは−側出力端子に、前記nチャンネルトランジスタn8のドレイン端子は電源電圧端子Vccに、前記nチャンネルトランジスタn8のゲート端子はバイアス電圧印加端子(第4のバイアス電圧印加ノード)biassu2に、それぞれ接続されている。ただし、グランド電圧GNDとバイアス電圧biassu2との電位差は前記nチャンネルトランジスタn8のしきい値以上になるものとする。
なお、擬似差動アンプの+側出力端子、−側出力端子の両方に前記スタートアップ回路11を接続してもよい。
以上が本発明の実施の形態5における擬似差動アンプのスタートアップ回路の構成である。
次に本発明の実施の形態5の動作を説明する。ここでは擬似差動アンプの+側出力電圧端子に前記スタートアップ回路11を接続したものとする。
図5の本発明の実施の形態5における擬似差動アンプは、例えばバイアス電圧biaspを電源電圧Vccとすること等で、パワーダウン状態となり消費電力を抑えることが可能であるが、このパワーダウン状態から通常動作に復帰する際に、前記pチャンネルトランジスタp4および前記nチャンネルトランジスタn5、前記pチャンネルトランジスタp5および前記nチャンネルトランジスタn6には電流が流れず、前記nチャンネルトランジスタn7から流れ出す電流が、前記pチャンネルトランジスタp6および前記nチャンネルトランジスタn7へのみ流れ込む状態4があり、この状態4で安定することがある。この時、アンプは正常に動作しない。これを防ぐために前記スタートアップ回路11を接続する。
前記状態4の時、前記nチャンネルトランジスタn6のドレイン電圧はグランド付近で安定する。前記nチャンネルトランジスタn8のソース端子は前記nチャンネルトランジスタn6のドレイン端子と接続されているため、グランド付近の電圧となる。このため、前記nチャンネルトランジスタn8のVgsにはしきい値を超える電圧が印加され、電流が流れる。この電流は前記nチャンネルトランジスタn6へ流れ込む。前記nチャンネルトランジスタn6に電流が流れると、前記nチャンネルトランジスタn6のドレイン電圧(=前記nチャンネルトランジスタn8のソース電圧)は上昇し、前記nチャンネルトランジスタn8から流れ出す電流は減少し、前記nチャンネルトランジスタn6へ流れ込む電流は前記pチャンネルトランジスタp5から徐々に流れ出す。このため、アンプは正常動作状態で安定する。
なお、前記nチャンネルトランジスタn8のドレイン端子を固定する電圧は、状態4の時前記nチャンネルトランジスタn8がONするならば、グランド以外の電圧でもよい。
また、アンプの出力コモンモード電圧とバイアス電圧の電位差が、前記nチャンネルトランジスタn8のしきい値を超えないようにバイアス電圧biassu2を決定することで、アンプが平衡状態付近で動作する時、前記nチャンネルトランジスタn8のVgsはしきい値以下となり前記nチャンネルトランジスタn8には電流が流れず、前記nチャンネルトランジスタn8に電流が流れ込むのを防ぐことができる。
また、アンプの入出力電圧の変動が大きい場合などは、アンプの動作安定後、前記nチャンネルトランジスタn8のゲート電圧をスイッチによりグランド電圧に切り替えることにより、アンプ動作時に前記nチャンネルトランジスタn8から電流が流れ出すのを防ぐことができる。
以上のような構成により、擬似差動アンプをパワーダウン状態から復帰させる際に、スタートアップ回路により確実に正常動作状態で安定できる擬似差動アンプを実現することができる。
(実施の形態6)
図6(a)は本発明の実施の形態6における増幅器のスタートアップ回路の構成を示したものである。
本発明の実施の形態6におけるスタートアップ回路は、実施の形態2における擬似差動アンプと同様のものに対し、その+側もしくは−側出力端子と前記pチャンネルトランジスタp3のドレイン端子との間に第1のスイッチsw1を接続したものである。また、前記スイッチsw1はパワーダウン状態から復帰した後或る時間Δt1の間だけONし、その後通常動作時はOFFするようにスタートアップ制御回路111を設けている。
なお、差動アンプの+側および−側出力端子の両方とpチャンネルトランジスタp3のドレイン端子との間に前記スイッチsw1をそれぞれ接続してもよい。
以上が本発明の実施の形態6における擬似差動アンプのスタートアップ回路の構成である。
次に本発明の実施の形態6の動作を説明する。ここでは擬似差動アンプの+側出力端子と前記pチャンネルトランジスタp3のドレイン端子との間に前記スタートアップ回路11を接続したものとする。
図6の本発明の実施の形態6における擬似差動アンプは、パワーダウン状態からの復帰後、前記+側および−側出力端子が電源電圧付近に、+側および−側入力端子がグランド付近に安定することがある。パワーダウンからの復帰後、前記スイッチsw1はONするため、+側出力端子と前記pチャンネルトランジスタp3のドレイン電圧がショートされる。前記pチャンネルトランジスタp3はダイオード接続されており、電流が流れているので前記pチャンネルトランジスタp3のドレイン電圧は電源電圧からしきい値以上低い中間電圧にバイアスされている。このため、前記pチャンネルトランジスタp2のドレイン電圧が低下し、前記pチャンネルトランジスタp2に電流が流れ始める。一旦電流が流れ始めると、擬似差動アンプはアンプとして安定な状態で動作するので、その後前記スイッチsw1をOFFした後も正常に動作する。
以上のような構成により、実施の形態6における擬似差動アンプをパワーダウン状態から復帰させる際に、確実に正常動作状態で安定させるスタートアップ回路を実現することができる。また、同時に出力をリセットする効果も得られる。
なお、実施の形態3における擬似差動アンプと同様のものに本実施の形態6におけるスタートアップ回路を適用してもよく、同様の効果が得られる。
この場合、図6(b)に示すように、擬似差動アンプの+側出力端子とnチャンネルトランジスタn7のドレイン端子の間、もしくは−側出力端子と前記nチャンネルトランジスタn7のドレイン端子の間の少なくとも一方の間にスイッチsw1を接続して用いればよい。
(実施の形態7)
図7(a)は本発明の実施の形態7における増幅器のスタートアップ回路の構成を示したものである。
本発明の実施の形態7におけるスタートアップ回路は、実施の形態2における擬似差動アンプと同様のものに対し、その+側もしくは−側入力端子と前記入力コモンモード印加端子との間に第2のスイッチsw2を接続したものである。また、前記スイッチsw2はパワーダウン状態から復帰した後ある時間Δt2の間だけONし、その後通常動作時はOFFするようにスタートアップ制御回路111を設けている。
なお、擬似差動アンプの+側および−側入力端子の両方と入力コモンモード印加端子との間に前記スイッチsw2をそれぞれ接続してもよい。
以上が本発明の実施の形態7における擬似差動アンプのスタートアップ回路の構成である。
次に本発明の実施の形態7の動作を説明する。ここでは擬似差動アンプの+側入力端子と前記入力コモンモード電圧印加端子との間に前記スタートアップ回路11を接続したものとする。
図7の本発明の実施の形態7における擬似差動アンプは、パワーダウン状態からの復帰後、前記+側および−側出力端子が電源電圧付近に、+側および−側入力端子がグランド付近に安定することがある。パワーダウンからの復帰後、前記スイッチsw2はONするため、+側入力端子と前記入力コモンモード電圧との間がショートされる。このため、前記nチャンネルトランジスタn1に電流が流れ始め、前記−側出力端子の電圧は降下する。一旦電流が流れ始めると、擬似差動アンプはアンプとして安定な状態で動作するので、その後前記スイッチsw2をOFFした後も正常に動作する。
以上のような構成により、実施の形態7における擬似差動アンプをパワーダウン状態から復帰させる際に、確実に正常動作状態で安定させるスタートアップ回路を実現することができる。また、同時に入力をリセットする効果も得られる。
なお、スタートアップ制御回路111は図示しない制御回路からパワーダウン状態から復帰すべき旨の制御信号が発生された場合に、これをトリガとして一定時間継続して発生する信号をスイッチSW1に制御信号として印加する等で実現できる。
また、実施の形態3における擬似差動アンプと同様のものに本実施の形態7におけるスタートアップ回路を適用してもよく、同様の効果が得られる。
この場合、図7(b)に示すように、擬似差動アンプの+側入力端子と入力コモンモード印加端子との間、もしくは−側出力端子と前記入力コモンモード印加端子との間の少なくとも一方の間にスイッチsw2を接続して用いればよい。
なお、実施の形態2ないし7は2段構成の差動アンプ内の前段の擬似差動アンプとして使用してもよいが、ゲインが少なくてよい場合は、後段の差動アンプを省略してもよい。この場合、vincmにはバイアス回路15を接続し、biasnまたはbiaspにはコモンモードフィードバック回路14を接続すればよい。もしくは、コモンモードフィードバック回路が不要な場合には、バイアス電圧印加端子biasnまたはbiaspにもバイアス回路を接続すればよい。
(実施の形態8)
図8は本発明の実施の形態8における基準電圧発生回路の構成を示したものである。
この実施の形態8による基準電圧発生回路12はその差動アンプ13として、本発明の実施の形態1における増幅器、すなわち2段構成の差動アンプを用いたものである。また、この差動アンプには位相補償を用いないものとする。
以上が本発明の実施の形態8における差動アンプを用いた基準電圧発生回路の構成である。
次に本発明の実施の形態8の動作を説明する。
図8の本発明の実施の形態8における差動アンプ13はその前段に擬似差動アンプ3を用いており、これはシングル出力のアンプから構成されているため、コモンモードフィードバック回路が不要で、高ゲイン(40〜50dB程度)が得られる。このため、2段で必要なゲイン(80dB程度)を得ることができる。図8における基準電圧発生回路12では、負荷に大きな前記安定化容量C11,C12が接続されているために、後段の第1の差動アンプ4によるポールがより低周波側(ω≒gm1/C11)に発生し、ファーストポールとなる。ただし、gm1は前記第1の差動アンプ4の入力トランジスタのgmである。また、前記安定化容量C11,C12と前記寄生抵抗R21,R22によるゼロ点も比較的低周波側(ω≒1/C11/R21)に発生してしまうが、前記擬似差動アンプ3のゲインは高いので、前記擬似差動アンプ3によるセカンドポールも比較的低周波側(ω≒gm2/C3)に発生し、ゼロ点の影響をキャンセルすることができる(この時、1/C11/R21≒gm2/C3)。ただし、gm2は前記擬似差動アンプ3の入力トランジスタのgm、C3は前記擬似差動アンプ3の出力につく負荷容量である。この差動アンプ13のボード線図を図9に示す。この図9から明らかなように、セカンドポールspとゼロ点zpとが打ち消しあうことにより、位相補償を用いず90度近い位相余裕が確保できる。
以上のような構成により、発振を防ぎ、基準電圧発生回路の出力電圧を安定に供給する回路を小面積で実現することができる。
なお、前記差動アンプ13として図10に示すような第2の差動アンプ16および第1の差動アンプ4を用い、前記第2の差動アンプ16として本発明の実施の形態2〜7における擬似差動アンプ3を用いても同様の効果が得られる。
また、説明におけるシングル出力アンプ1,2および第1の差動アンプ4および第2の差動アンプ16は、カスコードアンプを用いることで、より高いゲインを得るようにしてもよい。
また、ゲインが少なくてもよい場合は、差動アンプ13を実施の形態2ないし7のいずれかの増幅器のみからなる1段構成としてもよい。この場合、上述のように、vincmにはバイアス回路15を接続し、biasnまたはbiaspにはコモンモードフィードバック回路14を接続すればよい。
以上のように、本発明における差動アンプは前段のコモンモードフィードバック回路が不要であるため、小面積で構成できる。また、本発明における差動アンプを用いた基準電圧発生回路は小面積で安定した電圧を発生する回路として有用である。
本発明の実施の形態1による増幅器の構成を示す図 本発明の実施の形態2による増幅器の構成を示す図 本発明の実施の形態2による増幅器の構成を示す図 本発明の実施の形態3による増幅器の構成を示す図 本発明の実施の形態3による増幅器の構成を示す図 本発明の実施の形態4によるスタートアップ回路を有する増幅器の構成を示す図 本発明の実施の形態5によるスタートアップ回路を有する増幅器の構成を示す図 本発明の実施の形態6によるスタートアップ回路を有する増幅器の構成を示す図 本発明の実施の形態6によるスタートアップ回路を有する増幅器の構成を示す図 本発明の実施の形態7によるスタートアップ回路を有する増幅器の構成を示す図 本発明の実施の形態7によるスタートアップ回路を有する差動アンプの構成を示す図 本発明の実施の形態8による基準電圧発生回路および従来例の基準電圧発生回路の構成を示す図 本発明の実施の形態8による基準電圧発生回路に用いる差動アンプを構成するアンプのボード線図 本発明の実施の形態8による基準電圧発生回路に用いる差動アンプの構成を示す図
符号の説明
10 第1のシングル出力アンプ
2 第2のシングル出力アンプ
3 擬似差動アンプ
4 第1の差動アンプ
5 +側入力端子
6 −側入力端子
7 入力コモンモード電圧印加端子
8 +側出力端子
9 −側出力端子
10 コモンモードフィードバック端子
11 スタートアップ回路
12 基準電圧発生回路
13 差動アンプ
14 コモンモードフィードバック回路
15 バイアス回路
16 第2の差動アンプ
111 スタートアップ制御回路
p1〜p8 pチャンネルトランジスタ
n1〜n8 nチャンネルトランジスタ
Vcc 電源電圧端子
GND グランド端子
vinp +側入力端子
vinn −側入力端子
voutp +側出力端子
voutn −側出力端子
vincm 入力コモンモード電圧印加端子
biasn,biasp バイアス電圧印加端子
SW1,SW2 スイッチ

Claims (12)

  1. 第1導電型の第1ないし第3のトランジスタの各ソース端子が第1の電源電位に接続され、
    該第1導電型の第1ないし第3のトランジスタの各ゲート端子がそれぞれ当該第1導電型の第3のトランジスタのドレイン端子および第2導電型の第3のトランジスタのドレイン端子に接続され、
    逆相出力ノードが前記第1導電型の第1のトランジスタおよび第2導電型の第1のトランジスタの各ドレイン端子に接続され、
    正相出力ノードが前記第1導電型の第2のトランジスタおよび第2導電型の第2のトランジスタの各ドレイン端子に出力され、
    正相入力ノードが前記第2導電型の第1のトランジスタのゲート端子に接続され、
    逆相入力ノードが前記第2導電型の第2のトランジスタのゲート端子に接続され、
    前記正相入力ノードおよび逆相入力ノードに入力すべき2つの入力信号の中心電圧を印加するための入力コモンモード電圧印加ノードが、前記第2導電型の第3のトランジスタのゲート端子に接続され、
    前記第2導電型の第1ないし第3のトランジスタの各ソース端子が第2導電型の第4のトランジスタのドレイン端子に接続され、
    第1のバイアス電圧印加ノードが前記第2導電型の第4のトランジスタのゲート端子に接続され、
    前記第2導電型の第4のトランジスタのソース端子が第2の電源電位に接続されている、
    ことを特徴とする増幅器。
  2. 第2導電型の第5ないし第7のトランジスタの各ソース端子が第2の電源電位に接続され、
    前記第2導電型の第5ないし第7のトランジスタの各ゲート端子がそれぞれ当該第2導電型の第7のトランジスタのドレイン端子および第1導電型の第6のトランジスタのドレイン端子に接続され、
    逆相出力ノードが前記第2導電型の第5のトランジスタおよび第1導電型の第4のトランジスタの各ドレイン端子に接続され、
    正相出力ノードが前記第2導電型の第6のトランジスタおよび第1導電型の第5のトランジスタの各ドレイン端子に接続され、
    正相入力ノードが前記第1導電型の第4のトランジスタのゲート端子に接続され、
    逆相入力ノードが前記第1導電型の第5のトランジスタのゲート端子に接続され、
    前記正相入力ノードおよび逆相入力ノードに入力すべき2つの入力信号の中心電圧を印加するための入力コモンモード電圧印加ノードが前記第1導電型の第6のトランジスタのゲート端子に接続され、
    前記第1導電型の第4ないし第6のトランジスタの各ソース端子が第1導電型の第7のトランジスタのドレイン端子に接続され、
    第2のバイアス電圧印加ノードが前記第1導電型の第7のトランジスタのゲート端子に接続され、
    前記第1導電型の第7のトランジスタのソース端子が第1の電源電位にそれぞれ接続されている、
    ことを特徴とする増幅器。
  3. 請求項に記載の増幅器において、
    当該増幅器をパワーダウン状態から正常動作状態に安定して復帰させるスタートアップ回路をさらに備えた、
    ことを特徴とする増幅器。
  4. 請求項に記載の増幅器において、
    当該増幅器をパワーダウン状態から正常動作状態に安定して復帰させるスタートアップ回路をさらに備えた、
    ことを特徴とする増幅器。
  5. 請求項に記載の増幅器において、
    前記スタートアップ回路は第1導電型の第8のトランジスタからなり、
    該第1導電型の第8のトランジスタのソースは、前記増幅器の前記正相出力ノード,逆相出力ノードまたはその両方のいずれかに、
    該第1導電型の第8のトランジスタのドレインは前記第2の電源電位に、
    該第1導電型の第8のトランジスタのゲートは第3のバイアス電圧を印加するためのバイアス電圧印加ノードに、それぞれ接続されている、
    ことを特徴とする増幅器。
  6. 請求項に記載の増幅器において、
    前記スタートアップ回路は第2導電型の第8のトランジスタからなり、
    該第2導電型の第8のトランジスタのソースは、前記増幅器の前記正相出力ノード,逆相出力ノードまたはその両方のいずれかに、
    該第2導電型の第8のトランジスタのドレインは前記第1の電源電位に、
    該第2導電型の第8のトランジスタのゲートは第4のバイアス電圧を印加するためのバイアス電圧印加ノードに、それぞれ接続されている、
    ことを特徴とする増幅器。
  7. 請求項に記載の増幅器において、
    前記スタートアップ回路は第1のスイッチからなり、
    該第1のスイッチは、前記増幅器の前記正相出力ノード,逆相出力ノードまたはその両方のいずれかと前記第1導電型の第3のトランジスタのドレインとの間に接続されており、
    前記第1のスイッチはパワーダウン復帰後第1の所定期間だけオンし、その後のアンプ動作時はオフする、
    ことを特徴とする増幅器。
  8. 請求項に記載の増幅器において、
    前記スタートアップ回路は第1のスイッチからなり、
    該第1のスイッチは、前記増幅器の前記正相出力ノード,逆相出力ノードまたはその両方のいずれかと前記第2導電型の第7のトランジスタのドレインとの間に接続されており、
    前記第1のスイッチはパワーダウン復帰後第1の所定期間だけオンし、その後のアンプ動作時はオフする、
    ことを特徴とする増幅器。
  9. 請求項に記載の増幅器において、
    前記スタートアップ回路は第2のスイッチからなり、
    該第2のスイッチは、前記増幅器の前記正相入力ノード,逆相入力ノードまたはその両方のいずれかと前記入力コモンモード電圧印加ノードとの間に接続されており、
    前記第2のスイッチはパワーダウン復帰後第2の所定期間だけオンし、その後のアンプ動作時はオフする、
    ことを特徴とする増幅器。
  10. 請求項に記載の増幅器において、
    前記スタートアップ回路は第2のスイッチからなり、
    該第2のスイッチは、前記増幅器の前記正相入力ノード,逆相入力ノードまたはその両方のいずれかと前記入力コモンモード電圧印加ノードとの間に接続されており、
    前記第2のスイッチはパワーダウン復帰後第2の所定期間だけオンし、その後のアンプ動作時はオフする、
    ことを特徴とする増幅器。
  11. 差動アンプ,抵抗および電流源を備えた基準電圧発生回路において、
    前記差動アンプとして、
    2段構成の増幅器であって、
    前段は、入力部に入力端子が出力部に出力端子がそれぞれ接続された第1のトランジスタ、入力部に入力端子が接続された第2のトランジスタ、入力部に入力端子が出力部に出力端子がそれぞれ接続された第3のトランジスタを有し、前記第1及び第2のトランジスタにより構成された第1の差動アンプと、前記第2及び第3のトランジスタにより構成された第2の差動アンプとを互いに並列接続してなる擬似差動アンプからなるとともに、
    後段は差動アンプからなり、
    前記擬似差動アンプは、前記第1のトランジスタの前記入力端子と前記第3のトランジスタの前記入力端子との間に信号が与られ、前記第1のトランジスタと前記第3のトランジスタの各出力端子間の信号が前記後段の前記差動アンプに入力として与えられてなる、
    幅器を位相補償せずに用いる、
    ことを特徴とする基準電圧発生回路。
  12. 差動アンプ,抵抗および電流源を備えた基準電圧発生回路において、
    前記差動アンプとして、
    請求項ないし10のいずれかに記載の増幅器と通常の差動アンプとで2段アンプを構成し、
    該2段アンプを位相補償せずに用いる、
    ことを特徴とする基準電圧発生回路。
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