JP4799051B2 - Semiconductor circuit - Google Patents
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Description
本発明は、カスコード型オペアンプの回路構造を有する半導体回路に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor circuit having a cascode operational amplifier circuit structure.
図5は従来のフォールデッドカスコード型オペアンプの回路構成を示す図である。図5に示すように、この回路は、電流源回路101を基準として、そのミラー比の組み合わせのトランジスタで構成されており、差動入力端子VINP、VINMが接続されたトランジスタM533、M534のドレインを出力回路104のトランジスタM502、M512のドレインと接続することで、ダイナミックレンジを確保しつつ高速動作を実現している。
FIG. 5 is a diagram showing a circuit configuration of a conventional folded cascode operational amplifier. As shown in FIG. 5, this circuit is composed of transistors having a combination of mirror ratios with the current source circuit 101 as a reference, and drains of transistors M533 and M534 connected to the differential input terminals VINP and VINM. By connecting to the drains of the transistors M502 and M512 of the
また、コモンゲートと呼ばれる電源部に接続されたトランジスタ105のゲートによる電流制御と、回路下部のミラー構造の電流源回路101との独立した二つの電流制御を持つ。上部のコモンゲートのトランジスタ105は電流制御回路であると同時に、動作オフセット電圧の制御回路も兼ねている(例えば、非特許文献1参照)。
In addition, it has two independent current controls: a current control by the gate of the
図6は、フォールデッドカスコード型オペアンプの制御電圧−出力電圧特性を示す図である。上記の回路において、トランジスタ105のゲートに対する制御電圧VCMに対して差動出力端子VOP、VOMの出力電圧であるVOP/VOMは、通常、図6の特性C1に示す通り、ほぼリニアに動作し、出力電圧中心点を安定に制御し安定した動作範囲を確保する。このため、ここには一定電圧を印可し、下側の電流源にて規定される電流値にて動作する。
FIG. 6 is a diagram illustrating control voltage-output voltage characteristics of a folded cascode operational amplifier. In the above circuit, the output voltage VOP / VOM of the differential output terminals VOP and VOM with respect to the control voltage VCM for the gate of the
しかしながら、コモンゲートのトランジスタ105及び電流源回路101の二つの制御回路を有するこの半導体回路は、一度バランスが崩れると入力信号に対して出力信号の動作中心点が同じ印加電圧に対しても大きく変動してしまう。
However, in this semiconductor circuit having the two control circuits of the
一例として、入力信号回路103のトランジスタM531の下に寄生抵抗が発生した場合を考えると、その寄生抵抗値と電流比率の関係に応じて、図6の特性C2に示されるように、その特性が大きく変化する。このような状態では安定な動作を確保する制御電圧VCMの制御範囲が著しく減少し、電圧変動に非常に弱くなる。この特性変動は、特に半導体のプロセスに起因し発生するため、そのバラつきによって制御特性が大きく変動する。
As an example, when a parasitic resistance is generated under the transistor M531 of the
このように、回路構成がトランジスタのみで構成されていることから、ミラー構造の電流源回路101、基準電流回路102、入力回路103、出力回路104のいずれかに、殊に基準電流回路102と入力回路103の間にプロセスその他の要因で、寄生抵抗や動作抵抗値の差異が生じると、同じ制御電圧VCMをコモンモードトランジスタ制御端子VCMに与えても差動入力端子VINP、VINMに対して比制御の傾斜が急峻になってしまう。したがって、安定動作範囲が著しく狭くなり、微小変動で差動出力端子VOM、VOPの出力が大幅なオフセット、動作中心点の差異を生じてしまうといった事情があった。
Thus, since the circuit configuration is composed of only transistors, any one of the mirror current source circuit 101, the reference
本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、製造時のばらつき等に起因したオフセット変動を吸収し、制御特性を安定化させることが可能なカスコード型オペアンプの回路構造を有する半導体回路を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described conventional circumstances, and has a circuit structure of a cascode operational amplifier capable of absorbing offset fluctuations caused by manufacturing variations and stabilizing control characteristics. An object is to provide a semiconductor circuit.
本発明の半導体回路は、カスコード型オペアンプの回路構造を有する半導体回路であって、一方が電源に、他方に第一の電流源が接続される基準電流回路部と、一方が前記電源に、他方に第二の電流源が接続される出力部と、一方が前記電源に接続され、他方に前記出力部及び前記第二の電流源が接続される入力部とを備え、前記第一の電流源及び前記第二の電流源は所定のミラー比率を有するミラー構造を備え、前記基準電流回路部、前記出力部、及び前記入力部は、前記電源に接続されたP型トランジスタとゲート接地トランジスタとを有し、前記それぞれのP型トランジスタと前記それぞれのゲート接地トランジスタとの間に抵抗が設けられる。 The semiconductor circuit of the present invention is a semiconductor circuit having a cascode-type operational amplifier circuit structure, one of which is connected to a power source and the other is connected to a first current source, one of which is connected to the power source and the other An output unit to which a second current source is connected, and an input unit to which one of the two is connected to the power source and the output unit and the second current source are connected to the other. And the second current source has a mirror structure having a predetermined mirror ratio, and the reference current circuit unit, the output unit, and the input unit include a P-type transistor and a gate grounded transistor connected to the power source. a resistance is provided between the front Symbol respective P-type transistor and the respective gate-grounded transistor.
この構成により、挿入された抵抗がプロセスバラつきなどで電流ミラー構造のバランスが崩れるのを防ぎ、ハード的に製造後にその変動量を調整することが可能となるので、性能を維持したまま安定な高速オペアンプを実現することが出来る。 This configuration prevents the inserted resistor from losing the balance of the current mirror structure due to process variations, etc., and it is possible to adjust the amount of fluctuation after manufacturing in hardware, so stable high speed while maintaining performance An operational amplifier can be realized.
また、本発明の半導体回路において、前記抵抗の各々は、前記複数のP型トランジスタに流れる電流のそれぞれの電流比の逆数に近似する抵抗値を有する。 In the semiconductor circuit of the present invention, each of the resistors has a resistance value that approximates the reciprocal of the current ratio of the currents flowing through the plurality of P-type transistors.
この構成により、プロセス変動その他の要因によるオフセット変動を最も効果的に押さえ込む構造を実現できる。 With this configuration, it is possible to realize a structure that most effectively suppresses offset fluctuation due to process fluctuation and other factors.
また、本発明の半導体回路において、前記トランジスタは、3−WELL構造又はバックゲートを有するトランジスタであり、前記バックゲートをソース接続にした構造を有する。 In the semiconductor circuit of the present invention, the transistor is a 3-WELL structure or a transistor having a back gate, and has a structure in which the back gate is source-connected.
この構成により、デジタル回路とアナログ回路の混載LSIを作るための半導体基板分離技術である3−WELL構造という、しきい値電圧変動が起こりやすい半導体の構造において、その安定度を向上しまた、製造後に調整が可能な構造を付加し、安定した性能のオペアンプを実現できるという作用をもつこととなる。 With this configuration, the stability of a semiconductor structure that is susceptible to threshold voltage fluctuation, such as a 3-WELL structure, which is a semiconductor substrate separation technology for creating a mixed LSI of digital and analog circuits, is improved. A structure that can be adjusted later is added, and an operational amplifier with stable performance can be realized.
また、本発明の半導体回路において、前記基準電流回路部及び前記出力回路部は、バイアス制御用に挿入されたトランジスタを備える。 In the semiconductor circuit of the present invention, the reference current circuit unit and the output circuit unit each include a transistor inserted for bias control.
この構成により、動作点制御構造を有し、変動要因を多く持ちながら、製造後に調整が可能な構造を付加し、安定した性能のオペアンプを実現できるという作用をもつこととなる。 With this configuration, an operational point control structure is provided, and a structure that can be adjusted after manufacture is added while having many fluctuation factors, so that an operational amplifier with stable performance can be realized.
本発明によれば、製造時のばらつき等に起因したオフセット変動を吸収し、制御特性を安定化させることが可能なカスコード型オペアンプの回路構造を有する半導体回路を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the semiconductor circuit which has the circuit structure of the cascode type | mold operational amplifier which can absorb the offset fluctuation | variation resulting from the dispersion | variation at the time of manufacture, etc., and can stabilize a control characteristic can be provided.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係るフォールデッドカスコード型全差動オペアンプの回路構成を示す図である。図1に示すように、第1の実施形態の電流源回路1と、基準電流回路2と、入力回路3と、出力回路4とを備える。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a circuit configuration of a folded cascode fully differential operational amplifier according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the
電流源回路1は一方が接地され、ミラー構造を有し、それぞれの電流源I1〜I3においてミラー回路を構成するトランジスタ数に応じたミラー比率に応じた電流を流す。そして、基準電流回路2、入力回路3及び出力回路4は、このミラー比率によって制御された電流比率で動作する。
One side of the
基準電流回路2は、一方が電源Vddに接続され、他方が電流源回路1の電流源I3に接続される。そして、ゲートに制御電圧VCMが入力されるP型トランジスタM121と、P型トランジスタM122とを有する。なお、図中のmは並列接続されるトランジスタ数を示す。
One of the reference
入力回路3は、一方が電源Vddに接続され、他方が電流源回路1及び出力回路4に接続される。そして、ゲートに制御電圧VCMが入力されるP型トランジスタM131と、P型トランジスタM122とミラー接続されるP型トランジスタM132と、差動入力端子VINM、VINPに接続されるP型トランジスタ133、134と有する。なお、トランジスタM121とM131は、コモンゲートトランジスタ5を構成する。
One of the
出力回路4は、一方が電源Vddに接続され、他方が電流源回路1の電流源I1、I2に接続される。そして、P型トランジスタM101、M111と、P型トランジスタM121とミラー接続されるP型トランジスタM102,102と、を有する。トランジスタM102、M112のドレインには、差動出力端子VOM、VOPが接続されている。
One of the output circuits 4 is connected to the power supply Vdd, and the other is connected to the current sources I1 and I2 of the
本実施形態では、P型トランジスタM101、M111、M121、M131と次段の回路の間に緩衝用を兼ねる抵抗6(R0〜R3)を有する。なお、この抵抗6では、R0〜R3全てを設ける必要はなく、少なくとも一つ設けられればよい。
In the present embodiment, a resistor 6 (R0 to R3) that also serves as a buffer is provided between the P-type transistors M101, M111, M121, and M131 and the next-stage circuit. In the
以上のように構成された半導体回路について、その動作を説明する。 The operation of the semiconductor circuit configured as described above will be described.
まず、差動出力形式の演算増幅器ではその中点出力電位を適切な電位に保つ必要がある。この制御を行うのが、VCM制御端子である。動作最適点になるようになんらかの手段で検出し、適切な設定電位となるように上位のコモンゲートトランジスタ5を制御する。差動出力形式の演算増幅器の出力電圧レンジを入力電圧との電位差を押さえ込みつつ実現する手段としてフォールデットカスコード型回路が良く用いられる。
First, in the differential output type operational amplifier, it is necessary to maintain the midpoint output potential at an appropriate potential. This control is performed by the VCM control terminal. The upper
入力回路3のトランジスタM133、M134が入力信号の電圧変化を電流変化に変換する差動対で、出力回路4のトランジスタM102、M112がゲート接地のトランジスタであり、電流源回路1でバイアスされている。
Transistors M133 and M134 of the
トランジスタM102、M112のうち、トランジスタM133、M134から電流が流れ込む電流が大きくなるノード側に接続されるトランジスタを流れる電流は、その分小さくなることで、カスコード作用を実現することが出来る。 Of the transistors M102 and M112, the current flowing through the transistor connected to the node where the current flows from the transistors M133 and M134 increases, and accordingly, the cascode action can be realized.
この時、製造バラつきにより、特にVCM制御端子によって制御されるコモンゲートトランジスタ5の動作抵抗値に差違が生じると、入力信号の電流変換に対するバランスが崩れ、本来同じ電圧中点で動作するべき差動入力端子の入力信号VINP/VINMと差動出力端子の出力信号VOP/VOMとの間に電位差が生じる。
At this time, if there is a difference in the operating resistance value of the
これはプロセスと半導体設計のレイアウトに起因する変動となるため、本実施形態では、そのバランスの劣化を補正する量の抵抗6を挿入することで、もとの安定な状態に修正することが出来る。
Since this is a variation caused by the layout of the process and the semiconductor design, in the present embodiment, it is possible to correct the original stable state by inserting the
図2は、本発明の第1の実施形態に係る回路の制御電圧−出力電圧特性を示す図である。図2では、P型トランジスタのしきい値電圧Vt変動が起きて劣化特性C0から、抵抗R2の値を変化させることにより、特性C10、C20、C30、C40を示す。したがって、回路の製造時に抵抗6を挿入し、製造後、レーザートリミング等により、ハード的にその抵抗値を調整することで、トランジスタに発生する規正抵抗等、プロセスばらつきを吸収し、回路の電流ミラー構造のバランスを防ぐことができる。
FIG. 2 is a diagram showing control voltage-output voltage characteristics of the circuit according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 shows characteristics C10, C20, C30, and C40 by changing the value of the resistance R2 from the deterioration characteristic C0 due to the threshold voltage Vt fluctuation of the P-type transistor. Therefore, the
なお、抵抗6の抵抗値は、それぞれの回路における電源部Vddから接地部GNDに向かって流れる同じ段のトランジスタを通過する電流の比の逆数と近似した関係であることが好ましい。これにより、プロセス変動によるオフセット変動を最も効果的に押さえ込む構造を実現できる。
なお、抵抗6の抵抗値の例としては、電流の比が1:2:3のとき、その逆数は1:0.5:0.3であるため、R1、R2、R3は次のような関係になっていることが好ましい。
(0.5−0.1)R1<R2<(0.5+0.1)R1
(0.3−0.1)R1<R3<(0.3+0.1)R1
Note that the resistance value of the
As an example of the resistance value of the
(0.5-0.1) R1 <R2 <(0.5 + 0.1) R1
(0.3-0.1) R1 <R3 <(0.3 + 0.1) R1
このような本発明の第1の実施の形態の半導体回路によれば、電源に接続されたP型トランジスタと次段の回路の間の幾つか、あるは全てに緩衝用を兼ねる抵抗10とを設けることにより、トランジスタに発生する寄生抵抗などによりプロセスバラつきなどで電流ミラー構造のバランスが崩れるのを防ぎ、製造後にその変動量を調整するハード的な構造を持ち、性能を維持したまま安定な高速オペアンプを実現することが出来る。 According to the semiconductor circuit of the first embodiment of the present invention as described above, some or all of the P-type transistor connected to the power source and the circuit of the next stage are also used as a buffer. This prevents the current mirror structure from being out of balance due to process variations due to parasitic resistance generated in the transistor, etc., and has a hardware structure that adjusts the amount of fluctuation after manufacturing, maintaining high performance and maintaining high speed An operational amplifier can be realized.
(第2の実施形態)
図3は、本発明の第2の実施形態に係るフォールデッドカスコード型全差動オペアンプの回路構成を示す図である。同図において、第1の実施形態で説明した図1と重複する部分には同一の符号を付して説明を省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a diagram showing a circuit configuration of a folded cascode fully differential operational amplifier according to the second embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals are given to the same parts as those in FIG. 1 described in the first embodiment, and the description thereof is omitted.
本実施形態では、トランジスタM201、M211、M221、M231、M202、M212、M222、M232は、それぞれ3−WELL構造の又はバックゲートを有するトランジスタである。そして、これらのトランジスタにおいて、製造上のしきい値電圧VTの変動を抑える為にバックゲートをソース接続されている。 In this embodiment, the transistors M201, M211, M221, M231, M202, M212, M222, and M232 are transistors each having a 3-WELL structure or having a back gate. In these transistors, the back gate is connected to the source in order to suppress the fluctuation of the manufacturing threshold voltage VT.
この構成により、デジタル回路とアナログ回路の混載LSIを作るための半導体基板分離技術である3−WELL構造というしきい値電圧変動が起こりやすい半導体の構造において、その安定度を向上する。また、抵抗6を調整することで、製造後に調整が可能な構造を付加し、安定した性能のオペアンプを実現できるという作用をもつこととなる。
With this configuration, the stability of a semiconductor structure that is susceptible to threshold voltage fluctuation, such as a 3-WELL structure, which is a semiconductor substrate separation technique for making a mixed LSI of a digital circuit and an analog circuit, is improved. Further, by adjusting the
(第3の実施形態)
図4は、本発明の第3の実施形態に係るフォールデッドカスコード型全差動オペアンプの回路構成を示す図である。同図において、第2の実施形態で説明した図3と重複する部分には同一の符号を付して説明を省略する。
(Third embodiment)
FIG. 4 is a diagram showing a circuit configuration of a folded cascode fully differential operational amplifier according to the third embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals are given to the same parts as those in FIG. 3 described in the second embodiment, and the description thereof is omitted.
図4に示すように、本実施形態の半導体回路は、環境変動や外部要因による動作バイアス点の補正が可能となる二つのバイアス制御回路7、8を備える。バイアス回路7は、出力動作点の電源側の制御回路であり、ゲートに制御電圧VBHIが加えられるP型トランジスタM203、M213、M223を有して構成される。バイアス回路8は、出力側動作点の接地側の制御回路であり、ゲートに制御電圧VBLOが加えられるN型トランジスタM204、M214、M224を有して構成される。
As shown in FIG. 4, the semiconductor circuit of this embodiment includes two
この構成により、動作点制御構造を有し、変動要因を多く持ちながら、製造後に調整が可能な構造を付加し、安定した性能のオペアンプを実現できるという作用をもつこととなる。 With this configuration, an operational point control structure is provided, and a structure that can be adjusted after manufacture is added while having many fluctuation factors, so that an operational amplifier with stable performance can be realized.
本発明は、製造時のばらつき等に起因したオフセット変動を吸収し、制御特性を安定化させることが可能な効果を有し、カスコード型オペアンプ等に有用である。 The present invention has an effect of absorbing offset fluctuation due to manufacturing variations and stabilizing control characteristics, and is useful for a cascode operational amplifier or the like.
1 電流源回路
2 基準電流回路
3 入力回路
4 出力回路
5 コモンゲートトランジスタ
6 緩衝用抵抗
7、8 バイアス制御回路
DESCRIPTION OF
Claims (4)
一方が電源に、他方に第一の電流源が接続される基準電流回路部と、
一方が前記電源に、他方に第二の電流源が接続される出力部と、
一方が前記電源に接続され、他方に前記出力部及び前記第二の電流源が接続される入力部とを備え、
前記第一の電流源及び前記第二の電流源は所定のミラー比率を有するミラー構造を備え、
前記基準電流回路部、前記出力部、及び前記入力部は、前記電源に接続されたP型トランジスタとゲート接地トランジスタとを有し、
前記それぞれのP型トランジスタと前記それぞれのゲート接地トランジスタとの間に抵抗が設けられる半導体回路。 A semiconductor circuit having a cascode operational amplifier circuit structure,
A reference current circuit unit in which one is connected to the power source and the first current source is connected to the other;
One output to the power supply and the other to which the second current source is connected;
One is connected to the power supply, and the other is provided with an input unit to which the output unit and the second current source are connected,
The first current source and the second current source include a mirror structure having a predetermined mirror ratio,
The reference current circuit unit, the output unit, and the input unit have a P-type transistor and a grounded gate transistor connected to the power source,
Before Symbol semiconductor circuit resistance is provided between the respective P-type transistor and the respective gate-grounded transistor.
前記抵抗の各々は、前記複数のP型トランジスタに流れる電流のそれぞれの電流比の逆数に近似する抵抗値を有する半導体回路。 The semiconductor circuit according to claim 1,
Each of the resistors is a semiconductor circuit having a resistance value that approximates the reciprocal of a current ratio of currents flowing through the plurality of P-type transistors.
前記トランジスタは、3−WELL構造又はバックゲートを有するトランジスタであり、前記バックゲートをソース接続にした構造を有する半導体回路。 A semiconductor circuit according to claim 1 or 2,
The transistor is a transistor having a 3-WELL structure or a back gate, and having a structure in which the back gate is source-connected.
前記基準電流回路部及び前記出力回路部は、バイアス制御用に挿入されたトランジスタを備える半導体回路。 A semiconductor circuit according to claim 3,
The reference current circuit unit and the output circuit unit are semiconductor circuits including transistors inserted for bias control.
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