JP4672883B2 - Semiconductor device - Google Patents
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- H03F3/3001—Single-ended push-pull [SEPP] amplifiers; Phase-splitters therefor with field-effect transistors
- H03F3/3022—CMOS common source output SEPP amplifiers
- H03F3/3023—CMOS common source output SEPP amplifiers with asymmetrical driving of the end stage
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、CMOS出力回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
電子デバイスにおける演算増幅器には、特定用途において増幅器に接続される追加デバイスを駆動するための出力段が備えられている。広範な用途に適するように、かかる出力段に、比較的大きくかつ対称な出力スイング、好ましくはレールツーレール等の各種特徴を設けることが好ましい。また、かなりの容量分を有する負荷を駆動するために、相当量の電流を供給すると共にシンクさせることが可能な出力を有することも望ましい。さらに、出力は、比較的低い静的電力を消費し、かかる負荷の非駆動時の電力消費を最小に抑えるべきである。明らかに、安定性、製造性等他の特徴も重要な考慮事項である。
【0003】
1ボルトで動作可能な大部分の従来技術による出力段は、プッシュプルクラスA出力段である。この場合、プルアップデバイスまたはプルダウンデバイスは、電流源であり、他のデバイスは、ソース接地構成に構成される。この結果、大きな出力負荷の駆動における電力損失が高レベルになる。
【0004】
出力段における電力損失を最小に抑えるために、クラスAB段がしばしば用いられる。かかる段は、比較的低い零入力電力損失を有するが、依然として大量の電流を駆動することが可能である。
【0005】
バイポーラ技術において、低電圧プッシュプル出力段は、概して、出力トランジスタへのベース電流駆動の制御に頼っている。バイポーラトランジスタは、電流駆動デバイスであるため、制御された電流源でベースが駆動される場合、デバイスの出力電流を制御することができる。コレクタ電流は、指数的にベース−エミッタ電圧に依存するため、ベース−エミッタ電圧における小さな変化で、出力電流における大きな変化を実現することができる。したがって、1ボルトで動作可能なバイポーラ設計では、回路をデバイスのベース電流駆動を制御するよう設計し、さらにまた高出力電流を達成することができる。しかし、CMOS回路において、出力電流の量は、厳密に、デバイスのゲートとソース間の電圧量(VGS)の関数であるため、このような技術は有効ではない。
【0006】
CMOSプッシュプル出力段は、概して、1つのトランジスタが直接出力段の入力から駆動され、相補的なトランジスタが出力回路ネットワークによって駆動されるよう設計される。しかし、従来のCMOS出力回路は、従来のCMOS出力回路ネットワークが、対称な出力の生成に十分なほど強く相補的なトランジスタを駆動する場合もあり、またしない場合もあるという点において問題がある。この問題は、1ボルト等低電圧では、さらに大きくなる。
【0007】
図1(従来技術)は、従来のCMOS出力段100の概略図である。従来の出力段100は、プッシュプル構成にセットされた、Pチャネルトランジスタ102と、Nチャネルトランジスタ104を備える。さらに、出力段100は、Pチャネルトランジスタ106と、Nチャネルトランジスタ108、110、および112、ならびに電流源114と、を備える。
【0008】
従来の出力段100は、1V CMOSプッシュプル出力段の一例である。本質的に、Pチャネルトランジスタ102のドレインおよびNチャネルトランジスタ104は、共に接続される。さらに、Pチャネルトランジスタ102のソースは、正の電源Vccに接続される一方で、Nチャネルトランジスタ104のソースは、負の電源VEEに接続される。このようにして、従来の出力段100は、負荷が出力に配置されるまで、ほぼレーツツーレール性能を達成する。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
負の駆動能力を提供するには、従来の出力段100は、高い静的電流において動作しなければならない。電流源114は、NMOSトランジスタ108および104の面積比と共に、出力段の最大シンク電流能力をセットする。NMOS104における出力シンク電流は、NMOSトランジスタ110および112へのバイアスを制御するレプリカPMOSトランジスタ106によって制御される。NMOS110は、次に、出力NMOS104へのバイアスを変調する。回路100の出力駆動能力は、PMOS102におけるドレイン電流がそのVGSによってのみ制限されるため、対称ではなく、一方、NMOS104は、I114((W/L104)/(W/L108))を運ぶことができるだけである。これにより、出力段100とともに正しく機能する応用回路のタイプが制限される。
【0010】
上記を鑑みて、必要とされるのは、略レールツーレール性能を提供し、負の駆動能力を提供するのに高い静的電流を必要としない出力段である。さらに、出力段は、単一のVGS電圧よりもわずかに高い電圧等、低い供給電圧から動作可能であるべきである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は、本質的にレールツーレール性能を提供し、かつ単一のVGS電圧よりもわずかに高い電圧まで下げた供給電圧から動作する出力段を提供することで、この必要性に対処するものである。
【0012】
【発明の実施の形態】
一実施形態において、低電圧動作に適し、かつ本質的に対照的なレールツーレール出力電圧を提供することが可能な出力段が開示される。本出力段は、第1のドレイン、第1のゲート、および電源VCCに接続される第1のソースを有する第1の電界効果デバイスを含む。本出力段は、第1の電界効果デバイスに対して相補的であり、第2のドレイン、第2のゲート、および公称電圧VEEを有する電源に接続される第2のソースを備える第2の電界効果デバイスをさらに含む。さらに、第2のドレインは、第1のドレインに接続される。また、本出力段には、第2の電界効果デバイスに接続される出力シンク回路が含まれる。出力シンク回路は、第1の電界効果デバイスにおける電流と第2の電界効果デバイスにおける電流の積が、出力段の動作中に、所定の定数に概ね等しいように、第2の電界効果デバイスを駆動する。
【0013】
別の実施形態において、略レールツーレール出力電圧を提供可能な低電圧増幅器の出力段から出力信号を提供する方法が開示される。本方法は、第1のドレイン、第1のゲート、および電源VCCに接続される第1のソースを有する第1の電界効果デバイスに入力信号を提供することを含む。次に、出力シンク回路を利用して、第1の電界効果デバイスにおける電流と第2の電界効果デバイスにおける電流の積が、増幅器の動作中に、所定の定数に概ね等しいように、相補的な第2の電界効果デバイスが駆動される。
【0014】
さらに別の実施形態において、低電圧動作増幅器用の出力段を備える特定用途向け集積回路(ASIC)が開示される。ASICは、第1のドレイン、第1のゲート、および電源VCCに接続される第1のソースを有する第1の電界効果デバイスを備える。ASICは、第1の電界効果デバイスに対して相補的であり、第2のドレイン、第2のゲート、および公称電圧VEEを有する電源に接続される第2のソースをさらに備える。さらに、第2のドレインは、第1のドレインに接続される。また、本出力段には、第2の電界効果デバイスに接続される出力シンク回路が含まれる。出力シンク回路は、第1の電界効果デバイスにおける電流と第2の電界効果デバイスにおける電流の積が、出力段の動作中に、所定の定数に概ね等しいように、第2の電界効果デバイスを駆動する。
【0015】
演算増幅器出力段は、本発明のさらなる実施形態において開示される。演算増幅器出力段は、第1の入力信号および第2の入力信号を受け取るプッシュプル出力回路を備え、第1の入力信号は、入力信号VINによって提供される。また、演算増幅器出力段には、第2の入力信号をプッシュプル出力回路に提供する出力シンク回路が備えられる。
【0016】
最後に、低入力電圧での動作に適し、かつ略対称なレールツーレール出力電圧を提供可能な演算増幅器が開示される。演算増幅器は、入力段と、該入力段に接続される出力段と、を備える。さらに、出力段は、出力シンク回路ネットワークを備える。
【0017】
有利なことに、本発明は、本質的なレールツーレール性能を提供し、負の駆動能力を提供するために、高い静的電流を必要としない。さらに、本発明の出力段は、単一のVGS電圧よりもわずかに高いほどの低供給電圧から動作可能である。
【0018】
【実施例】
本質的に対称なレールツーレール性能を達成し、かつ単一のVGS電圧よりもわずかに高い電源で動作可能な出力段を提供する発明が、開示される。以下の説明において、本発明の完全な理解を提供するために、多数の具体的な詳細が記載される。しかし、当業者には、これら具体的な詳細のすべてまたはいくつかなしでも、本発明を実施しうることが理解されよう。他の例では、本発明を不必要に曖昧にしないために、周知の工程ステップについては詳細に説明していない。
【0019】
図1については、従来技術に関して説明した。図2は、本発明の一実施形態による演算増幅器200を示すブロック図である。演算増幅器200は、入力段202と、出力段204と、を備える。
【0020】
動作において、入力段202は、差分入力信号VINを受け取る。次に、入力段202は、差分入力信号を単一の出力段入力信号に変換してから、出力段入力信号を出力段204に与える。出力段204は、出力段入力信号を受け取り、これを増幅された出力電圧VOに変換する。
【0021】
出力段204は、本質的にレールツーレール性能を提供し、かつ概ね単一のVGS電圧と同程度に低い電源で動作可能である。次により詳細に説明するように、出力段204は、出力シンク回路を利用して、この機能性を達成する。
【0022】
図3は、本発明の一実施形態による出力段204のブロック図である。出力段204は、プッシュプル出力300と、出力シンク回路302と、を備える。使用中、プッシュプル出力300は、2つの入力信号を受け取る。一方の信号は、ソースVINから受け取られ、他方の信号は出力シンク回路302から受け取られる。
【0023】
図3に示すように、プッシュプル出力300の一方の側は、ソース信号VINによって直接駆動される一方で、他方の側は出力シンク回路302によって制御される。結果として、1ボルトで駆動されると、対称なレールツーレールの出力を提供する出力段204になる。
【0024】
次に、図4を参照して、本発明の一実施形態による出力段400を示す。出力段400は、出力シンク回路302と、Pチャネルトランジスタ402およびNチャネルトランジスタ404を含むプッシュプル出力300と、を備える。Pチャネルトランジスタ402のソースはVCCに接続される一方で、Nチャネルトランジスタ404のソースはVEEに接続される。最後に、Pチャネルトランジスタ402およびNチャネルトランジスタ404双方のドレインは、共に接続される。
【0025】
使用中、Pチャネルトランジスタ402は、ソース電圧VINによって直接駆動される一方で、Nチャネルトランジスタ404は、出力シンク回路302によって駆動される。プッシュプル出力を提供するために、Pチャネルトランジスタ402およびNチャネルトランジスタ404における電流は、共に乗算されたときに、常に定数に等しい。
【0026】
したがって、本発明は、Pチャネルトランジスタ402を直接ソース電圧VINを用いて駆動され、かつPチャネルトランジスタ402およびNチャネルトランジスタ404における電流の積が、常に所定の定数に等しいように、出力シンク回路を用いてNチャネルトランジスタを駆動する。換言すれば、Pチャネルトランジスタ402における電流が増大すると、Nチャネルトランジスタ404における電流が低減し、またその逆の場合も同様である。当業者には、同様のアプローチは、電圧VINをNMOSトランジスタ404のゲートに接続し、出力ソース回路にPMOS402を駆動させるものであることが理解されよう。
【0027】
図5は、本発明の一態様による出力段500の概略図である。出力段500は、Pチャネルトランジスタ402およびNチャネルトランジスタ404を有するプッシュプル出力300と、出力シンク回路302と、Pチャネルトランジスタ502、504、および506と、を備える。
【0028】
Pチャネルトランジスタ402は、共通ソース構成に構成される。Pチャネルトランジスタ502は、トランジスタ402における電流を6:1等所定の比にトラックするために、Pチャネルトランジスタ402を複製するよう構成される。このため、Pチャネルトランジスタ402には、Pチャネルトランジスタ502における電流の6倍の電流がある。この電流は、次に、出力シンク回路302に送られ、次により詳細に説明するように、トランジスタ402および404の上述した電流の一定の積を提供する。
【0029】
出力シンク回路302は、VGS電圧のループを備える。図5の左側から開始して、Nチャネルトランジスタ508は、1つのVGSを提供するダイオード接続に接続され、ダイオード510は、ノードn6へのダイオード1つ分の電圧変化を提供する。Nチャネルトランジスタ508およびダイオード510は双方とも電流Iを有する。したがって、ノードn6は、本質的に1つのVGSと1つのダイオード降下とを有するバイアスノードである。次に、ノードn6においてNチャネルトランジスタ512のゲートからソースには、1つのVGS降下がある。Nチャネルトランジスタ514は、ソースからノードn13へのゲートに、1つのVGS上昇を提供する。次に、ダイオード516からの1つのダイオード降下する。最後に、Nチャネルトランジスタ404は、1つのVGS降下を提供する。
【0030】
したがって、VGS電圧のループを通ると、Nチャネルトランジスタ508についてのVGSに、ダイオード510のダイオード降下を加え、Nチャネルトランジスタ512のVGSを差し引き、Nチャネルトランジスタ514のVGSを加え、ダイオード516のダイオード降下を差し引き、Nチャネルトランジスタ404のVGSを差し引き、これらはすべて、以下の式に記載のように、ゼロに等しい。
【0031】
(1) (IP/3−I)/(W/L512)=ID512
(2) ID=ID0(W/L)exp(V88/nVT)exp(−VS/VT)−exp(−Vd/VT)
(3) nVTln(I/(ID0(W/L508))+VTln(I/IS)−nVTln((IP/3−I)/(ID0(W/L512)))+nVTln(2I/(ID0(W/L514)))−VTln(2I/2Is)−nVTln(IN/(ID0(W/L404)))=0
(4) 2I2/((W/L508)(W/L514))=((IP/3−I)(IN))/((W/L512)(W/L404))
K1?((IP)(IN))/(K2)――>プッシュプルアクション
零入力点において、IP=IN=IQ
上記式では、すべてのMOSFETが副閾値領域において動作するものと仮定している。零入力電流IQを計算するには、以下の式を用いることができる。
【0032】
(5)(2I2)/((W/L508)(W/L514))=((1/3)(IQ 2)−(IQ)(I)/((W/L512)(W/L404))
――>(1/3)(IQ 2)−(IQ)(I)−(2I2)/(((W/L512)(W/L404))/((W/L508)(W/L514)))=0
これは、二次方程式を用いて解くことができる。
【0033】
飽和で動作しているMOSFETについて、同様の式を導き出すことが可能である。本質的に、飽和において、
(1)IN+IP=K
式中、Kは定数の値である。
【0034】
上記式からわかるように、ダイオード510および516は、互いに相殺される。この主な目的は、ノードn10におけるNチャネルトランジスタ512及び514のソースにおいて電圧を生成することで、電流源が動作できるように、電流を生成することである。代替の実施形態において、ダイオード510および516は、本質的に同じ機能を行う抵抗で、置き換えされてもよい。
【0035】
上記式(3)を参照して、Nチャネルトランジスタ506および504によってセットされるI2の2倍をNチャネルトランジスタ508および514のサイズで除算したものは、Pチャネルトランジスタ402における電流であるIPを、Nチャネルトランジスタ404における電流であるINで乗算して、それをトランジスタ402、502、520、および522の比から導き出される3で除算し、それにトランジスタ402および404のサイズを乗算したものに等しい。このため、対称なレールツーレールプッシュプル出力が達成される。
【0036】
使用中、出力段500は、図2に示すように、入力段の出力に接続され、Pチャネルデバイスは直接接続される。出力シンク回路302は、プッシュプル出力が達成されるように、出力Nチャネルトランジスタ404をどのようにバイアスするかを決定する。
【0037】
本発明において、両方のレールの間にVGS1つ分プラスVDsat2つ分しかない。したがって、本発明は、1ボルト未満で動作する。
【0038】
さらに、従来の出力段とは異なり、本発明は、Nチャネルトランジスタ404のゲート電圧を略VCCに駆動することができる。例えば、トランジスタ402がオフになると、トランジスタ402のゲート電圧がVCCに近くなるため、トランジスタ502における電流が低減する。しかし、トランジスタ504は、2Iでバイアスされる一方で、トランジスタ518はIでバイアスされる。このため、トランジスタ404のゲートにおける電圧は、トランジスタ504の飽和電圧プラスダイオード516のダイオードドロップ分まで増大する。したがって、増幅器が開ループである(すなわち、差分入力電圧が大きい)場合に、出力が非常に強く駆動されると、トランジスタ404のゲートにおける電圧は、劇的に増大し、それにより非常に良好な出力駆動を提供する。
【0039】
ここでも、NMOS404を制御するために、出力段500を出力シンク回路と共に説明したが、代替のアプローチは、回路302と同様の出力ソース回路を用いてPMOS402を駆動し、かつNMOS404を入力VINから直接駆動するというものであることに留意されたい。
【0040】
本発明について、いくつかの好ましい実施形態に関して説明したが、本発明の範囲内にありうる多くの代替、変更、および均等物がある。また、本発明の代替方法および装置が数多くあることにも留意されたい。したがって、以下に添付する特許請求の範囲は、本発明の精神および範囲内にあるかかるすべての代替、変更、および均等物を包含するものと解釈されるよう意図される。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の出力段の概略図である。
【図2】本発明の一実施形態による演算増幅器を示すブロック図である。
【図3】本発明の一実施形態による出力段のブロック図である。
【図4】本発明の一態様による出力段の概略図である。
【図5】本発明の別の態様による出力段の概略図である。
【符号の説明】
100 CMOS出力段
102、402、502、504,506 Pチャネルトランジスタ
104、108、110、112、404、504、506、508,512、514 Nチャネルトランジスタ
114 電流源
200 演算増幅器
202 入力段
204 出力段
300 プッシュプル出力
302 出力シンク回路
400、500 出力段
510,516 ダイオード[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a CMOS output circuit.
[0002]
[Prior art]
An operational amplifier in an electronic device is provided with an output stage for driving an additional device connected to the amplifier in a specific application. In order to suit a wide range of applications, it is preferable to provide such output stages with various features such as relatively large and symmetrical output swings, preferably rail-to-rail. It is also desirable to have an output that can supply and sink a significant amount of current to drive a load having a significant capacity. Furthermore, the output should consume relatively low static power and minimize power consumption when such loads are not driven. Obviously, other features such as stability and manufacturability are also important considerations.
[0003]
Most prior art output stages that can operate at 1 volt are push-pull class A output stages. In this case, the pull-up device or pull-down device is a current source, and the other devices are configured in a source ground configuration. As a result, the power loss in driving a large output load becomes a high level.
[0004]
Class AB stages are often used to minimize power loss in the output stage. Such a stage has a relatively low quiescent power loss, but can still drive large amounts of current.
[0005]
In bipolar technology, the low voltage push-pull output stage generally relies on control of the base current drive to the output transistor. Since bipolar transistors are current driven devices, the output current of the device can be controlled when the base is driven by a controlled current source. Since the collector current exponentially depends on the base-emitter voltage, a large change in the output current can be realized with a small change in the base-emitter voltage. Thus, in a bipolar design that can operate at 1 volt, the circuit can be designed to control the base current drive of the device and still achieve high output current. However, in CMOS circuits, the amount of output current is strictly a function of the amount of voltage (V GS ) between the gate and source of the device, so such a technique is not effective.
[0006]
CMOS push-pull output stages are generally designed so that one transistor is driven directly from the input of the output stage and complementary transistors are driven by an output circuit network. However, conventional CMOS output circuits are problematic in that conventional CMOS output circuit networks may or may not drive complementary transistors that are strong enough to produce symmetric outputs. This problem becomes even greater at low voltages such as 1 volt.
[0007]
FIG. 1 (Prior Art) is a schematic diagram of a conventional
[0008]
The
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
To provide negative drive capability, the
[0010]
In view of the above, what is needed is an output stage that provides approximately rail-to-rail performance and does not require high static currents to provide negative drive capability. Furthermore, the output stage should be able to operate from a low supply voltage, such as a voltage slightly higher than a single V GS voltage.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention addresses this need by providing an output stage that provides rail-to-rail performance in nature and operates from a supply voltage that is lowered to a voltage slightly higher than a single V GS voltage. Is.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In one embodiment, an output stage suitable for low voltage operation and capable of providing an essentially contrasting rail-to-rail output voltage is disclosed. The output stage includes a first field effect device having a first source connected to a first drain, a first gate, and a power supply V CC . The output stage is complementary to the first field effect device and includes a second drain, a second gate, and a second source connected to a power supply having a nominal voltage V EE . It further includes a field effect device. Further, the second drain is connected to the first drain. The output stage includes an output sink circuit connected to the second field effect device. The output sink circuit drives the second field effect device such that the product of the current in the first field effect device and the current in the second field effect device is approximately equal to a predetermined constant during operation of the output stage. To do.
[0013]
In another embodiment, a method for providing an output signal from an output stage of a low voltage amplifier capable of providing a substantially rail-to-rail output voltage is disclosed. The method includes providing an input signal to a first field effect device having a first source connected to a first drain, a first gate, and a power supply V CC . The output sink circuit is then utilized to complement the product of the current in the first field effect device and the current in the second field effect device so that they are approximately equal to a predetermined constant during operation of the amplifier. The second field effect device is driven.
[0014]
In yet another embodiment, an application specific integrated circuit (ASIC) comprising an output stage for a low voltage operational amplifier is disclosed. The ASIC includes a first field effect device having a first drain, a first gate, and a first source connected to a power supply V CC . The ASIC further includes a second source that is complementary to the first field effect device and connected to a power source having a second drain, a second gate, and a nominal voltage V EE . Further, the second drain is connected to the first drain. The output stage includes an output sink circuit connected to the second field effect device. The output sink circuit drives the second field effect device such that the product of the current in the first field effect device and the current in the second field effect device is approximately equal to a predetermined constant during operation of the output stage. To do.
[0015]
An operational amplifier output stage is disclosed in a further embodiment of the invention. The operational amplifier output stage comprises a push-pull output circuit that receives a first input signal and a second input signal, where the first input signal is provided by the input signal V IN . The operational amplifier output stage is provided with an output sink circuit that provides the second input signal to the push-pull output circuit.
[0016]
Finally, an operational amplifier suitable for operation at low input voltages and capable of providing a substantially symmetrical rail-to-rail output voltage is disclosed. The operational amplifier includes an input stage and an output stage connected to the input stage. Furthermore, the output stage comprises an output sink circuit network.
[0017]
Advantageously, the present invention provides intrinsic rail-to-rail performance and does not require high static currents to provide negative drive capability. Furthermore, the output stage of the present invention can operate from a supply voltage as low as slightly higher than a single V GS voltage.
[0018]
【Example】
An invention is disclosed that achieves an essentially symmetric rail-to-rail performance and provides an output stage that can operate with a power supply slightly higher than a single V GS voltage. In the following description, numerous specific details are set forth in order to provide a thorough understanding of the present invention. However, one skilled in the art will understand that the invention may be practiced without all or some of these specific details. In other instances, well known process steps have not been described in detail in order not to unnecessarily obscure the present invention.
[0019]
FIG. 1 has been described with respect to the prior art. FIG. 2 is a block diagram illustrating an
[0020]
In operation,
[0021]
The
[0022]
FIG. 3 is a block diagram of
[0023]
As shown in FIG. 3, one side of the push-
[0024]
Turning now to FIG. 4, an
[0025]
In use, P-
[0026]
Thus, the present invention provides an output sink circuit so that the P-
[0027]
FIG. 5 is a schematic diagram of an
[0028]
P-
[0029]
The
[0030]
Therefore, when passing through the loop of the V GS voltage, the V GS of the N-
[0031]
(1) (I P / 3 -I) / (W / L 512 ) = I D512
(2) I D = I D0 (W / L) exp (V 88 / nV T ) exp (−V S / V T ) −exp (−V d / V T )
(3) nV T In (I / (I D0 (W / L 508 )) + V T In (I / I S ) −nV T In ((I P / 3 −I) / (I D0 (W / L 512 ))) + NV T ln (2I / (I D0 (W / L 514 ))) − V T ln (2I / 2I s ) −nV T ln (I N / (I D0 (W / L 404 ))) = 0
(4) 2I 2 / ((W / L 508 ) (W / L 514 )) = ((I P / 3 −I) (I N )) / ((W / L 512 ) (W / L 404 ))
K 1 ? ((I P ) (I N )) / (K 2 )-> Push pull action At the zero input point, I P = I N = I Q
In the above equation, it is assumed that all MOSFETs operate in the subthreshold region. To calculate the quiescent current I Q can be used the following equation.
[0032]
(5) (2I 2 ) / ((W / L 508 ) (W / L 514 )) = ((1/3) (I Q 2 ) − (I Q ) (I) / ((W / L 512 ) (W / L 404 ))
-> (1/3) (I Q 2 )-(I Q ) (I)-(2I 2 ) / (((W / L 512 ) (W / L 404 )) / ((W / L 508 ) (W / L 514 ))) = 0
This can be solved using a quadratic equation.
[0033]
Similar equations can be derived for MOSFETs operating at saturation. In essence, in saturation
(1) I N + I P = K
In the formula, K is a constant value.
[0034]
As can be seen from the above equation,
[0035]
Referring to equation (3) above, twice the I 2 set by N-
[0036]
In use, the
[0037]
In the present invention, there is only one V GS plus two V Dsat between both rails. Thus, the present invention operates at less than 1 volt.
[0038]
Further, unlike the conventional output stage, the present invention can drive the gate voltage of the N-
[0039]
Again, the
[0040]
Although the invention has been described with reference to several preferred embodiments, there are many alternatives, modifications, and equivalents that may be within the scope of the invention. It should also be noted that there are many alternative methods and apparatus of the present invention. Accordingly, the claims appended hereto are intended to be construed to include all such alternatives, modifications and equivalents that are within the spirit and scope of the invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of a conventional output stage.
FIG. 2 is a block diagram illustrating an operational amplifier according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a block diagram of an output stage according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic diagram of an output stage in accordance with an aspect of the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram of an output stage according to another aspect of the present invention.
[Explanation of symbols]
100
Claims (1)
ドレインが前記出力端子に接続され、ゲートが前記入力端子に接続され、ソースが電源V CC に接続される第1の電界効果デバイスと、
前記第1の電界効果デバイスに対して相補的であり、ドレインが前記出力端子に接続され、ソースが電源V EE に接続される第2の電界効果デバイスと、を備えた出力段と、
前記第2の電界効果デバイスのゲートに接続され、前記第1の電界効果デバイスにおける電流と前記第2の電界効果デバイスにおける電流の和が、前記出力段の動作中に、所定の定数に略等しいように、前記第2の電界効果デバイスを駆動する出力シンク回路と、を備え、
前記出力シンク回路は、
ゲートが前記入力端子と前記第1の電界効果デバイスのゲートに接続され、ソースが電源V CC に接続される第3の電界効果デバイスと、
入力端子が前記第3の電界効果デバイスのドレインに接続されるカレントミラー回路と、
電源V CC と電源V EE の間に直列に接続される第1の電流源、第1のダイオード、及びダイオード接続された第4の電界効果デバイスと、
ゲートが前記第1の電流源と前記第1のダイオードの接続ノードに接続され、ドレインが電源V CC に接続される第5の電界効果デバイスと、
ドレインが前記第5の電界効果デバイスのソースに接続され、ソースが電源V EE に接続される第6の電界効果デバイスと、
電源V CC と前記第6の電界効果デバイスのドレイン及び前記カレントミラー回路の他方の端子の接続ノードの間に直列に接続される第2の電流源、第2のダイオード、及びダイオード接続された第7の電界効果デバイスと、を備え、
前記第2のダイオードと前記第7の電界効果デバイスのドレインの接続ノードが、前記第2の電界効果デバイスのゲートに接続される、
ことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device having a CMOS output circuit that outputs a substantially symmetrical rail-to-rail output voltage to an output terminal based on a voltage input to an input terminal ,
A first field effect device having a drain connected to the output terminal, a gate connected to the input terminal, and a source connected to a power supply V CC ;
An output stage comprising: a second field effect device complementary to the first field effect device, having a drain connected to the output terminal and a source connected to a power supply VEE ;
Is connected to the gate of the second field effect device, the sum of the current in the first current and the second field effect device in the field effect device, during operation of the output stage is substantially equal to a predetermined constant as such, Bei example and an output sink circuit for driving the second field effect device,
The output sink circuit is
A third field effect device having a gate connected to the input terminal and the gate of the first field effect device and a source connected to a power supply V CC ;
A current mirror circuit having an input terminal connected to the drain of the third field effect device;
A first current source connected in series between a power supply V CC and a power supply V EE, a first diode, and a diode-connected fourth field effect device;
A fifth field effect device having a gate connected to a connection node of the first current source and the first diode, and a drain connected to a power supply V CC ;
A sixth field effect device having a drain connected to a source of the fifth field effect device and a source connected to a power supply VEE ;
A second current source, a second diode, and a diode-connected first connected in series between the power source V CC and the connection node of the drain of the sixth field effect device and the other terminal of the current mirror circuit 7 field effect devices,
A connection node of the second diode and the drain of the seventh field effect device is connected to a gate of the second field effect device;
A semiconductor device.
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Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS63207209A (en) * | 1987-02-24 | 1988-08-26 | Asahi Kasei Micro Syst Kk | Operational amplifier |
JPH088654A (en) * | 1994-06-17 | 1996-01-12 | Fujitsu Ltd | Operational amplifier |
JPH11274860A (en) * | 1998-03-24 | 1999-10-08 | Asahi Kasei Micro Syst Co Ltd | Push-pull amplifier circuit |
JP2003142960A (en) * | 2001-11-07 | 2003-05-16 | Fujitsu Ltd | Push-pull amplifying circuit |
-
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Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS63207209A (en) * | 1987-02-24 | 1988-08-26 | Asahi Kasei Micro Syst Kk | Operational amplifier |
JPH088654A (en) * | 1994-06-17 | 1996-01-12 | Fujitsu Ltd | Operational amplifier |
JPH11274860A (en) * | 1998-03-24 | 1999-10-08 | Asahi Kasei Micro Syst Co Ltd | Push-pull amplifier circuit |
JP2003142960A (en) * | 2001-11-07 | 2003-05-16 | Fujitsu Ltd | Push-pull amplifying circuit |
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