JP4745559B2 - オペアンプ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、出力回路にバイポーラトランジスタを使用したオペアンプに関するものである。
【0002】
近年、種々の電子機器に使用される半導体装置は、電源電圧の低電圧化及び低消費電力化がますます要請されている。このような半導体装置に搭載されるオペアンプは、電源電圧の低電圧化及び低消費電力化にともない、出力電力も低下する傾向にある。そこで、消費電力を低減しながら、出力電力を向上させ得るオペアンプを開発することが必要となっている。
【0003】
【従来の技術】
図10は、オペアンプの従来例を示す。入力信号IN1,IN2はPNPトランジスタTr1,Tr2のベースに入力され、各トランジスタTr1,Tr2のコレクタは、カレントミラー回路を構成するNPNトランジスタTr3,Tr4のコレクタに接続される。
【0004】
入力信号IN1に対し入力信号IN2の電圧レベルが上昇すると、トランジスタTr2のコレクタ電流が減少するため、NPNトランジスタTr5のベース電流が減少して、同トランジスタTr5のコレクタ電流が減少する。
【0005】
また、入力信号IN1に対し入力信号IN2の電圧レベルが低下すると、トランジスタTr2のコレクタ電流が増大するため、トランジスタTr5のベース電流が増大して、同トランジスタTr5のコレクタ電流が増大する。
【0006】
トランジスタTr5のコレクタ電流が減少すると、NPNトランジスタで構成されるソース側の出力トランジスタTr6のベース電流が増大して、同出力トランジスタTr6のコレクタ電流が増大し、PNPトランジスタTr7のベース電流が減少して、同トランジスタTr7のコレクタ電流が減少する。
【0007】
また、トランジスタTr5のコレクタ電流が増大すると、出力トランジスタTr6のベース電流が減少して、同出力トランジスタTr6のコレクタ電流が減少し、PNPトランジスタTr7のベース電流が増大して、同トランジスタTr7のコレクタ電流が増大する。
【0008】
トランジスタTr7のコレクタ電流が増大すると、NPNトランジスタで構成されるシンク側の出力トランジスタTr8のベース電流が増大して、同出力トランジスタTr8のコレクタ電流が増大する。
【0009】
また、トランジスタTr7のコレクタ電流が減少すると、出力トランジスタTr8のベース電流が減少して、同出力トランジスタTr8のコレクタ電流が減少する。
出力トランジスタTr6,Tr8は、ともにNPNトランジスタで構成されるため、このオペアンプは出力部が準コンプリメンタリ回路で構成される。
【0010】
トランジスタTr7のコレクタ電流は、NPNトランジスタTr9のコレクタ電流として供給される。トランジスタTr9のベース電流は、トランジスタTr10〜Tr12及び抵抗Rから構成されるアイドリング電流設定部の動作により制御される。
【0011】
そして、アイドリング電流設定部は出力電圧Voを検出して、出力電圧Voが上昇すると、トランジスタTr9のベース電流を増大させて、トランジスタTr9のコレクタ電流を増大させ、出力電圧Voが低下すると、トランジスタTr9のベース電流を減少させて、トランジスタTr9のコレクタ電流を減少させる。
【0012】
また、トランジスタTr9のベース電位は、出力電圧VoからトランジスタTr6,Tr7,Tr9のベース・エミッタ間電圧降下VBE6,VBE7,VBE9分上昇した電圧であるとともに、出力電圧VoからトランジスタTr10〜Tr12のベース・エミッタ間電圧降下VBE10,VBE11,VBE12分上昇した電圧である。
【0013】
従って、トランジスタTr10のVBE10とトランジスタTr6のVBE6とがほぼ一致する。
上記のように構成されたオペアンプでは、入力信号IN1,IN2に基づいて、トランジスタTr5のコレクタ電流が増大すると、出力トランジスタTr6のコレクタ電流が減少するとともに、出力トランジスタTr8のコレクタ電流が増大して、出力電圧Voが低下する。
【0014】
また、入力信号IN1,IN2に基づいて、トランジスタTr5のコレクタ電流が減少すると、出力トランジスタTr6のコレクタ電流が増大するとともに、出力トランジスタTr8のコレクタ電流が減少して、出力電圧Voが上昇する。
【0015】
このとき、出力トランジスタTr6に流れるアイドリング電流は、トランジスタTr10のVBE10で設定され、トランジスタTr8のアイドリング電流はトランジスタTr10のコレクタ電流で設定される。
【0016】
そして、電流源1a,1bの許容供給電流I1,I2が等しいとき、電源Vccから出力トランジスタTr6,Tr8を経てグランドGNDに流れるアイドリング電流Idは、次式で表される。なお、Q6,Q7,Q9,Q10,Q11,Q12は、トランジスタTr6,Tr7,Tr9,Tr10,Tr11,Tr12のサイズを示す。
【0017】
【数1】
【0018】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなオペアンプでは、出力部が準コンプリメンタリ回路で構成されて、シンク側出力トランジスタTr8がNPNトランジスタで構成されているので、最低出力電圧VoLをほぼグランドGNDレベルまで下降させることができる。
【0019】
しかし、アイドリング電流設定部を正常に動作させるためには、出力電圧Voと電源Vccとの間に、少なくともVBE10〜VBE12を加算した電圧より大きな電位差が必要となる。
【0020】
従って、最高出力電圧VoHを電源Vccレベルまで十分に上昇させることはできないという問題点がある。
また、消費電力を低減するためには、アイドリング電流Idを削減する必要がある。アイドリング電流Idを削減するためには、電流源1bの供給電流I2を削減すればよいが、供給電流I2を削減すると、出力トランジスタTr8の最大出力電流が減少して、負荷駆動能力が低下する。
【0021】
従って、負荷駆動能力を確保しながら、アイドリング電流Idを削減することができない。
また、ソース側出力トランジスタTr6の出力電流を増大させて負荷駆動能力を向上させるために、ソース側出力トランジスタTr6をダーリントン接続とすると、出力トランジスタTr6とトランジスタTr10のベース・エミッタ間電圧降下VBE6,VBE10を揃えるために、トランジスタTr6,Tr7のベース間にダイオード接続したトランジスタを挿入する必要がある。
【0022】
すると、VBE6の値に電流源1aの供給電流I1が影響を及ぼすことになり、トランジスタのばらつきによりアイドリング電流Idの変動が大きくなるという問題点がある。
【0023】
また、ソース側出力トランジスタをNPNトランジスタで構成し、シンク側出力トランジスタをPNPトランジスタで構成した純コンプリメンタリ回路の出力部を備えたオペアンプでは、最高出力電圧VoHと電源Vccとの間に、NPNトランジスタのベース・エミッタ間電圧降下VBEが存在し、最低出力電圧VoLとグランドGNDとの間に、PNPトランジスタのベース・エミッタ間電圧降下VBEが存在する。
【0024】
従って、出力電圧Voの振幅を十分に確保することができないという問題点がある。
この発明の目的は、アイドリング電流を削減して消費電力の低減を図りながら、出力電圧の振幅を拡大し、かつ出力電流を増大させて負荷駆動能力を向上させ得るオペアンプを提供することにある。
【0025】
【課題を解決するための手段】
図1は、本発明の原理説明図である。ソース側出力トランジスタT1とシンク側出力トランジスタT2とが高電位電源Vccと低電位側電源GNDとの間に直列に接続され、前記出力トランジスタT1,T2の接続点から出力信号Voが出力される。前記シンク側出力トランジスタT2のベース電位に基づいて、前記ソース側出力トランジスタT1のコレクタ電流を制御することにより、前記出力トランジスタのアイドリング電流Idを制御するアイドリング電流制御部4が備えられる。
【0026】
また、図2に示すように、前記アイドリング電流制御部は、カレントミラー回路を構成する一対のNPNトランジスタのうち、第一のトランジスタのエミッタに基準電圧を供給し、第二のトランジスタのエミッタを前記シンク側出力トランジスタのベースに接続し、前記シンク側出力トランジスタのベース電位と、あらかじめ設定された基準電圧との比較に基づいて、第二のトランジスタのコレクタ電流を制御して、前記ソース側出力トランジスタのベース電流を制御する。
また、図5に示すように、前記第二のトランジスタのコレクタに接続する電流源は、入力信号に基づいて動作するNPNトランジスタのコレクタ電流に基づいて動作するカレントミラー回路で構成される。
【0027】
【発明の実施の形態】
(第一の実施の形態)
図2は、この発明を具体化したオペアンプの第一の実施の形態を示す。入力信号IN1,IN2は入力回路2に入力される。入力回路2は、前記従来例のトランジスタTr1〜Tr4で構成されるカレントミラー回路と同様な構成である。
【0028】
前記入力回路2の出力信号は、NPNトランジスタTr13のベースに入力され、同トランジスタTr13のコレクタは電源Vccに接続され、エミッタは電流源3aを介してグランドGNDに接続される。
【0029】
カレントミラー回路を構成するNPNトランジスタTr14,Tr15は、ベースが互いに接続されるとともに、同トランジスタTr14のコレクタに接続される。
前記トランジスタTr14のコレクタは、電流源3bを介して電源Vccに接続され、トランジスタTr15のコレクタは、電流源3cを介して電源Vccに接続される。前記トランジスタTr14のエミッタは、ダイオード接続されたNPNトランジスタTr16を介してグランドGNDに接続される。
【0030】
前記トランジスタTr15のコレクタは、PNPトランジスタで構成されるソース側の出力トランジスタTr17のベースに接続され、同トランジスタTr17のエミッタは電源Vccに接続される。
【0031】
前記出力トランジスタTr17のコレクタは、NPNトランジスタで構成されるシンク側の出力トランジスタTr18のコレクタに接続され、同トランジスタTr18のエミッタはグランドGNDに接続される。
【0032】
そして、両出力トランジスタTr17,Tr18のコレクタから出力電圧Voが出力される。
前記トランジスタTr18のベースは、前記トランジスタTr15のエミッタ及び前記トランジスタTr13のエミッタに接続される。
【0033】
上記のように構成されたオペアンプでは、トランジスタTr14のエミッタ電位VBは、電流源3bから供給される定電流I3が流れるトランジスタTr16のベース・エミッタ間電圧降下VBE16により定電圧となる。
【0034】
この状態で、入力信号IN1,IN2により、トランジスタTr13のコレクタ電流が増大すると、トランジスタTr18のコレクタ電流が増大する。また、トランジスタTr13のコレクタ電流の増大に基づいて、トランジスタTr15のエミッタ電位が上昇すると、トランジスタTr15のコレクタ電流が減少し、トランジスタTr17のベース電流が減少して、同トランジスタTr17のコレクタ電流が減少する。この結果、出力電圧Voが低下する。
【0035】
また、入力信号IN1,IN2により、トランジスタTr13のコレクタ電流が減少すると、トランジスタTr18のコレクタ電流が減少する。また、トランジスタTr13のコレクタ電流の減少に基づいて、トランジスタTr15のエミッタ電位が低下すると、トランジスタTr15のコレクタ電流が増大し、トランジスタTr17のベース電流が増大して、同トランジスタTr17のコレクタ電流が増大する。この結果、出力電圧Voが上昇する。
【0036】
上記のような動作により、定電圧VBとトランジスタTr15のエミッタ電位との比較動作により、出力トランジスタTr18のコレクタ電流が増大するとき、出力トランジスタTr17のコレクタ電流が抑制され、出力トランジスタTr18のコレクタ電流が減少するとき、出力トランジスタTr17のコレクタ電流が増大する。
【0037】
従って、電源Vccから出力トランジスタTr17,Tr18を介してグランドGNDに流れるアイドリング電流Idは、定電圧VBすなわち定電流I3を基準として安定化される。
【0038】
アイドリング電流Idと、定電流I3との関係は、次式で表される。なお、I4は電流源3cから供給される電流、Q18、Q16、Q15、Q14は、トランジスタTr18,Tr16,Tr14,Tr15のサイズを示す。
【0039】
【数2】
上式に示すように、電流源3aに流れる定電流I5は、アイドリング電流Idに影響することはないが、出力トランジスタTr17の最大ベース電流となる。従って、出力トランジスタTr17の最大出力電流を十分確保できるように、定電流I5を設定すればよい。
【0040】
上記のように構成されたオペアンプでは、次に示す作用効果を得ることができる。
(1)アイドリング電流Idの設定と、出力トランジスタの最大出力電流との設定を独立して行うことができる。従って、アイドリング電流Idを抑制して消費電力を低減しながら、最大出力電流を十分に確保することができる。
(2)ソース側出力トランジスタTr17をPNPトランジスタで構成し、シンク側出力トランジスタTr18をNPNトランジスタで構成した純コンプリメンタリ回路で出力部が構成されるので、出力電圧Voの最高値を電源Vccレベルまで引き上げ、最低値をグランドGNDレベルまで引き下げることができる。
(3)アイドリング電流Idを設定するために、出力電圧Voと電源Vccとの間に所定の電位差を必要としない。従って、出力電圧Voの最高値を電源Vccレベルまで引き上げることができる。
(4)出力トランジスタTr17を、図3(a)に示すPNPトランジスタTr19及びNPNトランジスタTr20をダーリントン接続した回路、あるいは図3(b)に示すPNPトランジスタTr21,Tr22をダーリントン接続した回路に置換することができる。このような回路に置換しても、アイドリング電流Idが変化することはない。
(第二の実施の形態)
図4は、第二の実施の形態を示す。この実施の形態は、前記第一の実施の形態の電流源3cを、PNPトランジスタTr23,Tr24及びNPNトランジスタTr25に置換した構成であり、その他の構成は第一の実施の形態と同様である。
【0041】
前記トランジスタTr25は、ベースが前記トランジスタTr13のエミッタに接続され、エミッタはグランドGNDに接続される。
前記トランジスタTr23,Tr24はカレントミラー回路を構成し、両トランジスタTr23,Tr24のベースが同トランジスタTr24のコレクタに接続される。そして、トランジスタTr23のコレクタが前記トランジスタTr15のコレクタ及び出力トランジスタTr17のベースに接続され、トランジスタTr24のコレクタが前記トランジスタTr25のコレクタに接続される。
【0042】
このような構成により、トランジスタTr15のエミッタ電位が上昇して、同トランジスタTr15のコレクタ電流が減少するとき、トランジスタTr25のコレクタ電流が増大して、トランジスタTr23,Tr24のコレクタ電流が増大し、出力トランジスタTr17のベース電位が上昇する。
【0043】
また、トランジスタTr15のエミッタ電位が低下して、同トランジスタTr15のコレクタ電流が増大するとき、トランジスタTr25のコレクタ電流が減少して、トランジスタTr23,Tr24のコレクタ電流が減少し、出力トランジスタTr17のベース電位が低下する。
【0044】
従って、この実施の形態では、前記第一の実施の形態と同様な作用効果を得ることができるとともに、第一の実施の形態に比べて、出力トランジスタTr17の動作速度を高速化することができる。
【0045】
なお、この実施の形態においても、出力トランジスタTr17を図3に示すダーリントン接続した回路に置換することは容易である。
(第三の実施の形態)
図5は、第三の実施の形態を示す。この実施の形態は、前記第一の実施の形態の電流源3cを、PNPトランジスタTr26,Tr27に置換した構成であり、その他の構成は、第一の実施の形態と同様である。
【0046】
すなわち、トランジスタTr26,Tr27はカレントミラー回路を構成し、両トランジスタTr26,Tr27のベースが同トランジスタTr26のコレクタに接続され、同トランジスタTr26のコレクタがトランジスタTr13のコレクタに接続される。
【0047】
前記トランジスタTr27のコレクタは、出力トランジスタTr17のベース及びトランジスタTr15のコレクタに接続される。
このような構成により、トランジスタTr13のコレクタ電流が増大して、トランジスタTr15のエミッタ電位が上昇し、同トランジスタTr15のコレクタ電流が減少するとき、トランジスタTr26,Tr27のコレクタ電流が増大し、出力トランジスタTr17のベース電位が上昇する。
【0048】
また、トランジスタTr13のコレクタ電流が減少して、トランジスタTr15のエミッタ電位が低下し、同トランジスタTr15のコレクタ電流が増大するとき、トランジスタTr26,Tr27のコレクタ電流が減少し、出力トランジスタTr17のベース電位が低下する。
【0049】
従って、この実施の形態では、前記第二の実施の形態と同様な作用効果を得ることができる。
(第四の実施の形態)
図6は、第四の実施の形態を示す。この実施の形態は、前記第二の実施の形態の出力トランジスタTr17をNPNトランジスタの出力トランジスタTr28に置換し、それに付随してカレントミラー回路を構成するトランジスタTr23,Tr24のベースを同トランジスタTr23のコレクタに接続したものである。
【0050】
このような構成により、トランジスタTr15のエミッタ電位が上昇して、同トランジスタTr15のコレクタ電流が減少するとき、トランジスタTr25のコレクタ電流が増大するとともに、トランジスタTr23,Tr24のコレクタ電流が減少し、出力トランジスタTr28のベース電流が減少する。
【0051】
また、トランジスタTr15のエミッタ電位が低下し、同トランジスタTr15のコレクタ電流が増大するとき、トランジスタTr25のコレクタ電流が減少するとともに、トランジスタTr23,Tr24のコレクタ電流が増大し、出力トランジスタTr28のベース電流が増大する。
【0052】
シンク側の出力トランジスタTr18の動作は、前記各実施の形態と同様である。
上記のように構成されたオペアンプでは、次に示す作用効果を得ることができる。
(1)アイドリング電流Idの設定と、出力トランジスタの最大出力電流との設定を独立して行うことができる。従って、アイドリング電流Idを抑制して消費電力を低減しながら、最大出力電流を十分に確保することができる。
(2)アイドリング電流Idを設定するために、出力電圧Voと電源Vccとの間に所定の電位差を必要としない。従って、出力電圧Voの最高値を電源Vccレベルから出力トランジスタTr28のベース・エミッタ間電圧降下VBE28分低下したレベルまで引き上げることができる。
(3)第二の実施の形態とほぼ同様な構成で、ソース側出力トランジスタTr28をNPNトランジスタで構成し、シンク側出力トランジスタTr18をNPNトランジスタで構成した準コンプリメンタリ回路で出力部を構成することができる。
(4)出力トランジスタTr28を、図7(a)に示すNPNトランジスタTr29,Tr30をダーリントン接続した回路、あるいは図7(b)に示すPNPトランジスタTr31及びNPNトランジスタTr32をダーリントン接続した回路に置換することができる。このような回路に置換しても、アイドリング電流Idが変化することはない。
(第五の実施の形態)
図8は、第五の実施の形態を示す。この実施の形態は、第四の実施の形態のトランジスタTr25を電流源3dに置換したものである。このような構成により、第四の実施の形態と同様な作用効果を得ることができる。
【0053】
なお、第四の実施の形態に比べて、出力トランジスタTr28の動作速度は若干低下する。
(第六の実施の形態)
図9は、第六の実施の形態を示す。この実施の形態は、前記第三の実施の形態の出力トランジスタTr17をNPNトランジスタの出力トランジスタTr28に置換したものである。
【0054】
このような構成により、第二の実施の形態に対する第四の実施の形態と同様な作用効果を得ることができる。
なお、シンク側の出力トランジスタTr18のベース電流を十分に確保するために、トランジスタTr33を追加している。
【0055】
上記実施の形態は、次に示すように変更することもできる。
・定電流源3aは、抵抗あるいは抵抗と定電流源とからなる回路に置換してもよい。
・出力トランジスタは、FETで構成してもよい。
【0056】
【発明の効果】
以上詳述したように、この発明はアイドリング電流を削減して消費電力の低減を図りながら、出力電圧の振幅を拡大し、かつ出力電流を増大させて負荷駆動能力を向上させ得るオペアンプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の原理説明図である。
【図2】 第一の実施の形態を示す回路図である。
【図3】 出力部の別例を示す回路図である。
【図4】 第二の実施の形態を示す回路図である。
【図5】 第三の実施の形態を示す回路図である。
【図6】 第四の実施の形態を示す回路図である。
【図7】 出力部の別例を示す回路図である。
【図8】 第五の実施の形態を示す回路図である。
【図9】 第六の実施の形態を示す回路図である。
【図10】 従来例を示す回路図である。
【符号の説明】
4 アイドリング電流制御部
T1 ソース側出力トランジスタ
T2 シンク側出力トランジスタ
Vcc 高電位側電源
GND 低電位側電源
Vo 出力信号
Id アイドリング電流
Claims (2)
- ソース側出力トランジスタとシンク側出力トランジスタとを高電位側電源と低電位側電源との間に直列に接続し、前記出力トランジスタの接続点から出力信号を出力するオペアンプであって、
前記ソース側出力トランジスタをPNPトランジスタで構成するとともに、シンク側出力トランジスタをNPNトランジスタで構成し、
前記シンク側出力トランジスタのベース電位と、あらかじめ設定された基準電圧との比較に基づいて、前記ソース側出力トランジスタのベース電流を制御することで前記ソース側出力トランジスタのコレクタ電流を制御することにより、前記出力トランジスタのアイドリング電流を制御するアイドリング電流制御部を備え、
前記アイドリング電流制御部は、カレントミラー回路を構成する第一及び第二のNPNトランジスタのコレクタに電流源を接続し、前記第一のトランジスタのエミッタに基準電圧を供給し、第二のトランジスタのエミッタを前記シンク側出力トランジスタのベースに接続し、該第二のトランジスタのコレクタを前記ソース側出力トランジスタのベースに接続し、前記第二のトランジスタのコレクタに接続する電流源は、入力信号に基づいて動作するNPNトランジスタのコレクタ電流に基づいて動作するカレントミラー回路で構成したことを特徴とするオペアンプ。 - 前記ソース側出力トランジスタは、ダーリントン接続としたしたことを特徴とする請求項1に記載のオペアンプ。
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