JP4845868B2 - 差動カレントミラー回路 - Google Patents

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Description

この発明は、電流を任意の倍率で複製する差動カレントミラー回路に関する。
従来、アナログ回路の基本的な回路ブロックの一つにカレントミラー回路がある。差動電流を扱うカレントミラー回路に関する技術として、電流吸い込み型入力端子と、この電流吸い込み型入力端子に接続され、第1極性のバイポーラトランジスタの負帰還による低インピーダンスを利用した入力部と、電流吐き出し型出力端子と、この電流吐き出し型出力端子に接続され、第2極性のバイポーラトランジスタにおけるコレクタの高インピーダンスを利用した出力部と、前記入力部から吸い込んだ電流に応じた所定の処理を行い、前記出力部から電流を吐き出す処理部とを備え、異なるアナログ回路セルの電流吐き出し型出力端子と電流吸い込み型入力端子との間で差動電流により信号の受け渡しを行うアナログ回路セルが公知である(例えば、下記特許文献1参照。)。
特許第2610361号明細書
しかしながら、前記特許文献1に開示された回路では、同相電流を除去することができない。従って、電源変動などで生じる同相電流やトランジスタのミスマッチなどによるバイアス電流の誤差がそのまま増幅されてしまうため、信号処理の精度が劣化するという問題点がある。
精度良く信号処理を行うことができる差動カレントミラー回路を提供することを目的とする。
この差動カレントミラー回路は、第1分流手段により、第1電流入力端子に流れる電流を第1電流経路と第2電流経路に分けて流すとともに、第2分流手段により、第2電流入力端子に流れる電流を第3電流経路と第4電流経路に分けて流す。そして、第1電流源により、第2電流経路に流れる電流と第4電流経路に流れる電流を合成した電流に基づいて第1電流経路から同相成分の電流を引き、第1電流経路を流れる残りの電流を第1電流出力端子側へ流す。また、第2電流源により、第2電流経路に流れる電流と第4電流経路に流れる電流を合成した電流に基づいて第3電流経路から同相成分の電流を引き、第3電流経路を流れる残りの電流を第2電流出力端子側へ流すこととする。
従って、第1電流出力端子には、第1電流経路を流れる電流のうち、同相成分を含まない電流が流れる。また、第2電流出力端子には、第3電流経路を流れる電流のうち、同相成分を含まない電流が流れる。
この差動カレントミラー回路によれば、電流出力端子から同相成分を含まない電流、すなわち差動成分の電流が出力されるので、精度良く信号処理を行うことができるという効果を奏する。
以下に添付図面を参照して、この差動カレントミラー回路の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、実施の形態1〜4の説明において、同様の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1にかかる差動カレントミラー回路の構成を示す回路図である。図1に示すように、差動カレントミラー回路は、第1電流入力端子1、第2電流入力端子2、第1電流出力端子3、第2電流出力端子4、第1分流手段5、第2分流手段6、第1電流源7、第2電流源8、第3電流源9、第4電流源10、第1バイアス電流源11および第2バイアス電流源12を備えている。
第1電流入力端子1および第2電流入力端子2には、それぞれ、同相成分に差動成分が重畳された電流が流れ込む。第1分流手段5は、第1電流入力端子1に流れ込んだ電流を第1電流経路21と第2電流経路22に分けて流す。0<m<1とすると、第1電流経路21と第2電流経路22の分流比は[1−m]:mである。第2分流手段6は、第2電流入力端子2に流れ込んだ電流を第3電流経路23と第4電流経路24に分けて流す。第3電流経路23と第4電流経路24の分流比は[1−m]:mである。
第2電流経路22および第4電流経路24は第5電流経路25に接続されており、第2電流経路22を流れる電流と第4電流経路24を流れる電流が合成されて第5電流経路25に流れる。第5電流経路25には、第1電流源7および第2電流源8とともにカレントミラー(第3カレントミラーとする)13を構成する第1電流入力パス14が接続されている。
第1電流源7は第3カレントミラー13の一方の電流出力パスとして第1電流経路21に接続されている。第2電流源8は第3カレントミラー13のもう一方の電流出力パスとして第3電流経路23に接続されている。第1電流源7および第2電流源8は、第1電流入力パス14を流れる電流の[(1−m)/2m]倍の電流を流す。
第1電流経路21と第1電流源7の間のノードには、第6電流経路26が接続されており、第1電流経路21を流れる電流から第1電流源7が流す電流を引いた電流が流れる。第6電流経路26には、第3電流源9とともに第1カレントミラー15を構成する第2電流入力パス16が接続されている。第2電流入力パス16には、第1バイアス電流源11が接続されている。従って、第2電流入力パス16には、第1電流経路21を流れる電流から第1電流源7が流す電流を引いた電流と、第1バイアス電流源11が流すバイアス電流が合成されて流れる。
第3電流源9は第1カレントミラー15の電流出力パスとして第1電流出力端子3に接続されている。kを自然数とすると、第3電流源9は、第2電流入力パス16を流れる電流の[k/(1−m)]倍の電流を流す。従って、第1電流出力端子3には、第2電流入力パス16を流れる電流の[k/(1−m)]倍の電流が流れる。
第3電流経路23と第2電流源8の間のノードには、第7電流経路27が接続されており、第3電流経路23を流れる電流から第2電流源8が流す電流を引いた電流が流れる。第7電流経路27には、第4電流源10とともに第2カレントミラー17を構成する第3電流入力パス18が接続されている。第3電流入力パス18には、第2バイアス電流源12が接続されている。従って、第3電流入力パス18には、第3電流経路23を流れる電流から第2電流源8が流す電流を引いた電流と、第2バイアス電流源12が流すバイアス電流が合成されて流れる。
第4電流源10は第2カレントミラー17の電流出力パスとして第2電流出力端子4に接続されている。第4電流源10は、第3電流入力パス18を流れる電流の[k/(1−m)]倍の電流を流す。従って、第2電流出力端子4には、第3電流入力パス18を流れる電流の[k/(1−m)]倍の電流が流れる。
図2は、図1に示す差動カレントミラー回路をCMOSアナログ回路で構成した例を示す回路図である。図2に示すように、第1分流手段5および第2分流手段6はPチャネルMOSトランジスタ(以下、PMOSトランジスタとする)で構成されており、第1カレントミラー15、第2カレントミラー17および第3カレントミラー13はNチャネルMOSトランジスタ(以下、NMOSトランジスタとする)で構成されている。
第1PMOSトランジスタ31および第2PMOSトランジスタ32は第1分流手段5を構成する。第1PMOSトランジスタ31のソース端子および第2PMOSトランジスタ32のソース端子は第1電流入力端子1に接続されている。第1PMOSトランジスタ31のゲート端子および第2PMOSトランジスタ32のゲート端子はバイアス端子35に接続されている。バイアス端子には、バイアス電圧が印加される。
第1PMOSトランジスタ31のドレイン端子は、第1電流入力パス14を構成する第1NMOSトランジスタ36のドレイン端子に接続されている。第1NMOSトランジスタ36のゲート端子は自身のドレイン端子に接続されている。第1NMOSトランジスタ36のソース端子は接地されている。
第2PMOSトランジスタ32のドレイン端子は、第1電流源7を構成する第2NMOSトランジスタ37のドレイン端子に接続されている。第2NMOSトランジスタ37のゲート端子は第1NMOSトランジスタ36のゲート端子に接続されている。第2NMOSトランジスタ37のソース端子は接地されている。第1NMOSトランジスタ36および第2NMOSトランジスタ37は第3カレントミラー13を構成する。
第2電流入力パス16を構成する第3NMOSトランジスタ39のドレイン端子は、第2PMOSトランジスタ32のドレイン端子および第1バイアス電流源11に接続されている。第3NMOSトランジスタ39のゲート端子は自身のドレイン端子に接続されている。第3NMOSトランジスタ39のソース端子は接地されている。
第3電流源9を構成する第4NMOSトランジスタ40のドレイン端子は第1電流出力端子3に接続されている。第4NMOSトランジスタ40のゲート端子は第3NMOSトランジスタ39のゲート端子に接続されている。第4NMOSトランジスタ40のソース端子は接地されている。第3NMOSトランジスタ39および第4NMOSトランジスタ40は第1カレントミラー15を構成する。
第3PMOSトランジスタ33および第4PMOSトランジスタ34は第2分流手段6を構成する。第3PMOSトランジスタ33のソース端子および第4PMOSトランジスタ34のソース端子は第2電流入力端子2に接続されている。第3PMOSトランジスタ33のゲート端子および第4PMOSトランジスタ34のゲート端子は前記バイアス端子35に接続されている。
第3PMOSトランジスタ33のドレイン端子は前記第1NMOSトランジスタ36のドレイン端子に接続されている。第4PMOSトランジスタ34のドレイン端子は、第2電流源8を構成する第5NMOSトランジスタ38のドレイン端子に接続されている。第5NMOSトランジスタ38のゲート端子は第1NMOSトランジスタ36のゲート端子に接続されている。第5NMOSトランジスタ38のソース端子は接地されている。第5NMOSトランジスタ38は第3カレントミラー13を構成する。
第3電流入力パス18を構成する第6NMOSトランジスタ41のドレイン端子は、第4PMOSトランジスタ34のドレイン端子および第2バイアス電流源12に接続されている。第6NMOSトランジスタ41のゲート端子は自身のドレイン端子に接続されている。第6NMOSトランジスタ41のソース端子は接地されている。
第4電流源10を構成する第7NMOSトランジスタ42のドレイン端子は第2電流出力端子4に接続されている。第7NMOSトランジスタ42のゲート端子は第6NMOSトランジスタ41のゲート端子に接続されている。第7NMOSトランジスタ42のソース端子は接地されている。第6NMOSトランジスタ41および第7NMOSトランジスタ42は第2カレントミラー17を構成する。
ここで、例えば、第1PMOSトランジスタ31、第2PMOSトランジスタ32、第3PMOSトランジスタ33および第4PMOSトランジスタ34において、ゲート長は同じである。第2PMOSトランジスタ32のゲート幅と第1PMOSトランジスタ31のゲート幅の比は[1−m]:mである。第4PMOSトランジスタ34のゲート幅と第3PMOSトランジスタ33のゲート幅の比は[1−m]:mである。
また、例えば、第1NMOSトランジスタ36、第2NMOSトランジスタ37、第3NMOSトランジスタ39、第4NMOSトランジスタ40、第5NMOSトランジスタ38、第6NMOSトランジスタ41および第7NMOSトランジスタ42において、ゲート長は同じである。第1NMOSトランジスタ36のゲート幅と第2NMOSトランジスタ37のゲート幅と第5NMOSトランジスタ38のゲート幅の比は2m:[1−m]:[1−m]である。第3NMOSトランジスタ39のゲート幅と第4NMOSトランジスタ40のゲート幅の比は[1−m]:kである。第6NMOSトランジスタ41のゲート幅と第7NMOSトランジスタ42のゲート幅の比は[1−m]:kである。
図1に示す差動カレントミラー回路は次のように動作する。図1に示すように、第1電流入力端子1の入力電流をIin1とし、第2電流入力端子2の入力電流をIin2とする。これらIin1およびIin2を差動電流信号とし、その差動成分をIdifとし、同相成分をIcomとすると、Iin1およびIin2は、それぞれ、次の(1)式および(2)式で表される。
in1=Icom+Idif/2 ・・・(1)
in2=Icom−Idif/2 ・・・(2)
第1分流手段5による第1電流経路21と第2電流経路22の分流比は[1−m]:mであるから、第1電流経路21に流れる電流Idiv1aおよび第2電流経路22に流れる電流Idiv1bは、前記(1)式より、それぞれ、次の(3)式および(4)式で表される。
div1a=(1−m)(Icom+Idif/2) ・・・(3)
div1b=m(Icom+Idif/2) ・・・(4)
また、第2分流手段6による第3電流経路23と第4電流経路24の分流比は[1−m]:mであるから、第3電流経路23に流れる電流Idiv2aおよび第4電流経路24に流れる電流Idiv2bは、前記(2)式より、それぞれ、次の(5)式および(6)式で表される。
div2a=(1−m)(Icom−Idif/2) ・・・(5)
div2b=m(Icom−Idif/2) ・・・(6)
第5電流経路25には、Idiv1bとIdiv2bの合成電流が流れるので、第3カレントミラー13の第1電流入力パス14に流れる電流Im3iは、前記(4)式および前記(6)式より、次の(7)式で表される。
m3i=Idiv1b+Idiv2b=2m・Icom ・・・(7)
第3カレントミラー13の増幅比は[(1−m)/2m]であるから、第1電流源7および第2電流源8は、第1電流入力パス14に流れるIm3iの[(1−m)/2m]倍の電流を流す。その値をIm3oとすると、前記(7)式より、Im3oは次の(8)式で表される。
m3o={(1−m)/(2m)}Im3i=(1−m)Icom ・・・(8)
従って、第1分流手段5から第1電流経路21へ流れる電流Idiv1aのうち、Im3oの電流が第1電流源7により引かれる。それによって、第6電流経路26には、次の(9)式で表される電流が流れる。そして、第6電流経路26を流れる電流と、第1バイアス電流源11が流すバイアス電流Ibiasが第1カレントミラー15の第2電流入力パス16に流れるので、第2電流入力パス16に流れる電流Im1iは、(9)式、前記(3)式および前記(8)式より、次の(10)式で表される。
div1a−Im3o ・・・(9)
m1i=Idiv1a−Im3o+Ibias=(1−m)Idif/2+Ibias ・・・(10)
同様に、第7電流経路27には、次の(11)式で表される電流が流れる。そして、第2カレントミラー17の第3電流入力パス18に流れる電流Im2iは、(11)式、前記(5)式および前記(8)式より、次の(12)式で表される。
div2a−Im3o ・・・(11)
m2i=Idiv2a−Im3o+Ibias=−(1−m)Idif/2+Ibias ・・・(12)
前記(10)式および(12)式から明らかなように、第1カレントミラー15および第2カレントミラー17の各電流入力パス16,18に流れる電流Im1iおよびIm2iには、第1電流入力端子1および第2電流入力端子2に入力した電流の同相成分Icomが含まれていない。つまり、この時点で、第1電流入力端子1および第2電流入力端子2に入力した電流の同相成分が除去されたことになる。
第1カレントミラー15および第2カレントミラー17の増幅比は[k/(1−m)]であるから、第1電流出力端子3には、第2電流入力パス16に流れるIm1iの[k/(1−m)]倍の電流が流れる。その値をIout1とすると、前記(10)式より、Iout1は次の(13)式で表される。同様に、第2電流出力端子4には、次の(14)式で表される電流Iout2が流れる。
out1={k/(1−m)}Im1i=k・Idif/2+{k/(1−m)}Ibias ・・・(13)
out2=(k/(1−m))Im2i=−k・Idif/2+(k/(1−m))Ibias ・・・(14)
従って、(13)式および(14)式より、出力電流の差動成分は次の(15)式で表される。つまり、図1に示す差動カレントミラー回路は、入力電流の差動成分Idifをk倍に変換して出力する。
out1−Iout2=k・Idif ・・・(15)
このように、図1に示す差動カレントミラー回路は、同相成分が打ち消されて差動成分のみとなった電流に任意のバイアス電流Ibiasを加え、分流手段5,6による分流で目減りした分を考慮した倍率のカレントミラー15,17で増幅した電流信号として、電流出力端子3,4に出力する。その際、例えば、第1分流手段5および第2分流手段6における分流比のmの値を小さくするとよい。そうすれば、カレントミラー13,15,17の負荷をあまり増やさずに同相信号を検出し、同相信号を除去しながら高速な差動信号処理を行うことができる。特に限定しないが、例えばmの値は1/4程度が適当である。
図3および図4は、それぞれ、図2に示す差動カレントミラー回路(実施例とする)の周波数とゲインの関係を示す特性図である。図3は同相信号に対する特性を示し、図4は差動信号に対する特性を示す。これらの図において、実施例の特性を実線で示す。比較のため、図2において第3および第4のNMOSトランジスタ39,40と第6および第7のNMOSトランジスタ41,42のみからなり、第3NMOSトランジスタ39および第6NMOSトランジスタ41の各ドレイン端子を電流入力端子とする擬似差動回路(比較例とする)の特性を破線で示す。
これらの図に示すように、実施例は同相信号を低減させることができる。差動信号については、実施例は、比較例と同程度の高速動作をすることができる。従って、実施の形態1によれば、高速かつ低電圧動作が可能であるという電流信号処理の利点を損なうことなく、精度良く信号処理を行うことができるという効果を奏する。このような効果を有する差動カレントミラー回路は、光通信や無線通信における高周波回路を含むアナログ回路全般に用いることができる。
(実施の形態2)
図5は、実施の形態2にかかる差動カレントミラー回路の構成を示す回路図である。図5に示すように、実施の形態2は、実施の形態1において、第1カレントミラー15の第2電流入力パス16および第2カレントミラー17の第3電流入力パス18にバイアス電流源(図1の第1バイアス電流源11および第2バイアス電流源12)が接続されていない構成としたものである。このような構成でも、実施の形態1と同様の効果を奏する。
(実施の形態3)
図6は、実施の形態3にかかる差動カレントミラー回路の構成を示す回路図である。図6に示すように、実施の形態3は、第1カレントミラー15、第2カレントミラー17および第3カレントミラー13が電源を基準とする構成としたものである。図6に示す差動カレントミラー回路をCMOSアナログ回路で構成した場合の回路図を図7に示す。図7に示すように、第1分流手段5および第2分流手段6はNMOSトランジスタで構成されており、第1カレントミラー15、第2カレントミラー17および第3カレントミラー13はPMOSトランジスタで構成されている。このような構成でも、実施の形態1と同様の効果を奏する。
(実施の形態4)
図8は、実施の形態4にかかる差動カレントミラー回路の構成を示す回路図である。図8に示すように、実施の形態4は、実施の形態3において、第1カレントミラー15の第2電流入力パス16および第2カレントミラー17の第3電流入力パス18にバイアス電流源(図6の第1バイアス電流源11および第2バイアス電流源12)が接続されていない構成としたものである。このような構成でも、実施の形態1と同様の効果を奏する。
実施の形態1にかかる差動カレントミラー回路の構成を示す回路図である。 実施の形態1にかかる差動カレントミラー回路をCMOSアナログ回路で構成した例を示す回路図である。 実施の形態1にかかる差動カレントミラー回路の同相信号に対する周波数とゲインの関係を示す特性図である。 実施の形態1にかかる差動カレントミラー回路の差動信号に対する周波数とゲインの関係を示す特性図である。 実施の形態2にかかる差動カレントミラー回路の構成を示す回路図である。 実施の形態3にかかる差動カレントミラー回路の構成を示す回路図である。 実施の形態3にかかる差動カレントミラー回路をCMOSアナログ回路で構成した例を示す回路図である。 実施の形態4にかかる差動カレントミラー回路の構成を示す回路図である。
符号の説明
1 第1電流入力端子
2 第2電流入力端子
3 第1電流出力端子
4 第2電流出力端子
5 第1分流手段
6 第2分流手段
7 第1電流源
8 第2電流源
9 第3電流源
10 第4電流源
11 第1バイアス電流源
12 第2バイアス電流源
21 第1電流経路
22 第2電流経路
23 第3電流経路
24 第4電流経路
25 第5電流経路
26 第6電流経路
27 第7電流経路

Claims (7)

  1. 同相成分に差動成分が重畳された電流が流れる第1電流入力端子と、
    同相成分に差動成分が重畳された電流が流れる第2電流入力端子と、
    前記第1電流入力端子に流れる電流の電流経路を第1電流経路および第2電流経路に分ける第1分流手段と、
    前記第2電流入力端子に流れる電流の電流経路を第3電流経路および第4電流経路に分ける第2分流手段と、
    前記第2電流経路および前記第4電流経路に接続された第5電流経路と、
    前記第5電流経路に流れる電流に基づいて前記第1電流経路に同相成分の電流を流す第1電流源と、
    前記第1電流経路に流れる電流のうち、前記第1電流源が流す分を除く電流が流れる第6電流経路と、
    前記第6電流経路に流れる電流に基づいて電流が流れる第1電流出力端子と、
    前記第5電流経路に流れる電流に基づいて前記第3電流経路に同相成分の電流を流す第2電流源と、
    前記第3電流経路に流れる電流のうち、前記第2電流源が流す分を除く電流が流れる第7電流経路と、
    前記第7電流経路に流れる電流に基づいて電流が流れる第2電流出力端子と、
    を備えることを特徴とする差動カレントミラー回路。
  2. 前記第1電流源は、前記第5電流経路に流れる電流を、前記第1電流経路に流れる同相成分の電流に複製するカレントミラーを構成することを特徴とする請求項1に記載の差動カレントミラー回路。
  3. 前記第2電流源は、前記第5電流経路に流れる電流を、前記第3電流経路に流れる同相成分の電流に複製するカレントミラーを構成することを特徴とする請求項1または2に記載の差動カレントミラー回路。
  4. mを0よりも大きく、かつ1よりも小さい値とすると、
    前記第1電流経路に流れる電流量と前記第2電流経路に流れる電流量の比は[1−m]:mであり、
    前記第3電流経路に流れる電流量と前記第4電流経路に流れる電流量の比は[1−m]:mであり、
    前記第1電流源は前記第1電流経路に、前記第5電流経路に流れる電流量の[(1−m)/2m]倍の電流を流し、
    前記第2電流源は前記第3電流経路に、前記第5電流経路に流れる電流量の[(1−m)/2m]倍の電流を流すことを特徴とする請求項2または3に記載の差動カレントミラー回路。
  5. 前記第6電流経路に流れる電流をカレントミラーにより複製した電流を前記第1電流出力端子に流す第3電流源と、
    前記第7電流経路に流れる電流をカレントミラーにより複製した電流を前記第2電流出力端子に流す第4電流源と、
    をさらに備えることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一つに記載の差動カレントミラー回路。
  6. 前記第6電流経路にバイアス電流を流す第1バイアス電流源と、
    前記第7電流経路にバイアス電流を流す第2バイアス電流源と、
    をさらに備えることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一つに記載の差動カレントミラー回路。
  7. CMOSアナログ回路で構成されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一つに記載の差動カレントミラー回路。
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