JP4859389B2 - Differential amplifier circuit - Google Patents

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本発明は、常にマッチングしたバイアス電流で動作するようにして同相入力電圧範囲を広くした差動増幅回路に関するものである。   The present invention relates to a differential amplifier circuit in which a common-mode input voltage range is widened by always operating with a matched bias current.

図3に従来の差動増幅回路の基本的な回路構成を示す。差動増幅回路本体部分は、差動接続されたPMOSトランジスタMP21,MP22、そのトランジスタMP21,MP22のソースに共通接続されたPMOSトランジスタMP23、トランジスタMP21のドレインにドレインが接続されたNMOSトランジスタMN21、およびトランジスタMP22のドレインにドレインが接続されたNMOSトランジスタMN22からなる。   FIG. 3 shows a basic circuit configuration of a conventional differential amplifier circuit. The differential amplifier circuit main body includes differentially connected PMOS transistors MP21 and MP22, a PMOS transistor MP23 commonly connected to the sources of the transistors MP21 and MP22, an NMOS transistor MN21 having a drain connected to the drain of the transistor MP21, and It comprises an NMOS transistor MN22 having a drain connected to the drain of the transistor MP22.

PMOSトランジスタMP24はPMOSトランジスタMP23,MP25と第1のカレントミラー回路を構成するトランジスタであり、基準電源回路21から供給される電流を基準電流としている。   The PMOS transistor MP24 is a transistor that forms a first current mirror circuit with the PMOS transistors MP23 and MP25, and uses a current supplied from the reference power supply circuit 21 as a reference current.

NMOSトランジスタMN23はNMOSトランジスタMN21,MN22と第2のカレントミラー回路構成するトランジスタであり、前記トランジスタMP25から供給される電流を基準電流としている。   The NMOS transistor MN23 constitutes a second current mirror circuit with the NMOS transistors MN21 and MN22, and the current supplied from the transistor MP25 is used as a reference current.

この差動増幅回路では、トランジスタMN21,MN22,MP23,MP25の電流をそれぞれI21,I22,I23,I25とすると、
I23=2×I25、I21=I22=I25
となるように、トランジスタMN21,MN22,MP23,MP25のW/L(ゲート幅/ゲート長)を設定することにより、
I21:I22:I23=1:1:2
の関係が得られるようにしている。
In this differential amplifier circuit, if the currents of the transistors MN21, MN22, MP23, and MP25 are I21, I22, I23, and I25, respectively,
I23 = 2 × I25, I21 = I22 = I25
By setting the W / L (gate width / gate length) of the transistors MN21, MN22, MP23, and MP25 so that
I21: I22: I23 = 1: 1: 2
The relationship is obtained.

ところが、上記した回路構成では、入力端子IN1,IN2に印加する入力電圧Vin(+)、Vin(-)が同相で変動するとき、ノードN21の電圧が変動し、ノードN22の固定の電圧との関係が変動する。このため、I23=2×I25の関係が崩れてしまい、I25=I21=I22の関係も崩れ、I21:I22:I23=1:1:2の関係が崩れてしまう。   However, in the circuit configuration described above, when the input voltages Vin (+) and Vin (−) applied to the input terminals IN1 and IN2 fluctuate in the same phase, the voltage at the node N21 fluctuates, and the fixed voltage at the node N22 Relationships fluctuate. For this reason, the relationship of I23 = 2 × I25 is broken, the relationship of I25 = I21 = I22 is also broken, and the relationship of I21: I22: I23 = 1: 1: 2 is broken.

この結果、図4の差電流−同相入力電圧特性に破線で示すように、入力端子IN1,IN2に同相の電圧を入力してこれを増大させた(同相入力電圧増大)とき、I23−2×I25=ΔIとし、I23=Irefとすると、ΔI/Irefの値が低下する。また、図5のオフセット電圧−同相入力電圧特性に破線で示すように、同相入力電圧が増大したとき、オフセット電圧Vos(=Vout(+)−Vout(-))も大きくなる。これらは、同相入力電圧を電源電圧VDDに近づけるほどより顕著となる。以上の結果、同相入力電圧範囲が非常に狭くなるという問題が起こる。なお、図4および図5のV(sat)は差動回路の共通電流源トランジスタ(図3ではMP23)の飽和電圧である。   As a result, as shown by the broken line in the differential current-common-mode input voltage characteristic of FIG. 4, when a common-mode voltage is input to the input terminals IN1 and IN2 and is increased (increase in common-mode input voltage), I23-2 × When I25 = ΔI and I23 = Iref, the value of ΔI / Iref decreases. Further, as indicated by a broken line in the offset voltage-common-mode input voltage characteristic of FIG. 5, when the common-mode input voltage increases, the offset voltage Vos (= Vout (+) − Vout (−)) also increases. These become more prominent as the common-mode input voltage approaches the power supply voltage VDD. As a result, the common mode input voltage range becomes very narrow. 4 and 5 is the saturation voltage of the common current source transistor (MP23 in FIG. 3) of the differential circuit.

本発明の目的は、同相入力電圧が大きく変動しても上記したような問題が発生しないようにした差動増幅回路を提供することである。   An object of the present invention is to provide a differential amplifier circuit in which the above-described problem does not occur even when the common-mode input voltage varies greatly.

上記課題を解決するために、本発明の差動増幅回路は、ゲートがそれぞれ第1および第2の入力端子に接続される差動接続MOSトランジスタの共通ソースに第1の電流源を接続し、該差動接続MOSトランジスタの各々のドレインにそれぞれ第2および第3の電流源を接続し、前記差動接続MOSトランジスタの各々のドレインにそれぞれ第1および第2の出力端子を接続し、前記第2および第3の電流源の電流が前記第1の電流源の電流の1/2に設定されるべき差動増幅回路において、前記差動接続MOSトランジスタと同一極性の補償用MOSトランジスタを設け、該補償用トランジスタのゲートを前記第1又は第2の入力端子に接続し、ソースを前記第1の電流源の1/2の電流の第4の電流源に接続し、ドレインを前記第2および第3の電流源を出力側にもつカレントミラー回路の基準側に接続したことを特徴とする。   In order to solve the above-described problem, a differential amplifier circuit according to the present invention has a first current source connected to a common source of differentially connected MOS transistors whose gates are connected to first and second input terminals, respectively. Second and third current sources are connected to the drains of the differential connection MOS transistors, respectively, and first and second output terminals are connected to the drains of the differential connection MOS transistors, respectively. In the differential amplifier circuit in which the current of the second and third current sources is to be set to ½ of the current of the first current source, a compensation MOS transistor having the same polarity as the differential connection MOS transistor is provided, A gate of the compensation transistor is connected to the first or second input terminal, a source is connected to a fourth current source having a half current of the first current source, and a drain is connected to the second input terminal. Yo Characterized by being connected to the reference side of the current mirror circuit having a third current source to the output side.

ここで、前記補償用MOSトランジスタは、前記差動接続MOSトランジスタと同一特性であることが望ましい。   Here, it is desirable that the compensation MOS transistor has the same characteristics as the differential connection MOS transistor.

また、本発明の差動増幅回路は、ゲートが第1および第2の入力端子にそれぞれ接続されソースが共通接続されドレインが第1および第2の出力端子にそれぞれ接続された第1および第2のMOSトランジスタと、該第1および第2のMOSトランジスタのソースに出力側の第3のMOSトランジスタが接続された第1のカレントミラー回路と、該第1のカレントミラー回路の出力側の第4のMOSトランジスタの電流が基準側の第5のMOSトランジスタに供給され前記第1および第2のMOSトランジスタのドレインにそれぞれ出力側の第6および第7のMOSトランジスタが接続された第2のカレントミラー回路とを具備し、前記第4,第6および第7のMOSトランジスタの電流が同一で且つ前記第3のMOSトランジスタの電流の1/2になるように設定されるべき差動増幅回路において、前記第1および第2のMOSトランジスタと同一極性の補償用MOSトランジスタを設け、該補償用MOSトランジスタのゲートを前記第1又は第2の入力端子に接続し、ソースを前記第4のMOSトランジスタのドレインに接続し、ドレインを前記第5のトランジスタのドレインに接続したことを特徴とするよう構成することが望ましい。   In the differential amplifier circuit of the present invention, the first and second gates are connected to the first and second input terminals, the sources are commonly connected, and the drains are connected to the first and second output terminals, respectively. A first current mirror circuit in which the output third MOS transistor is connected to the sources of the first and second MOS transistors, and a fourth current mirror circuit on the output side of the first current mirror circuit. Current of the first MOS transistor is supplied to the fifth MOS transistor on the reference side, and the sixth and seventh MOS transistors on the output side are connected to the drains of the first and second MOS transistors, respectively. A circuit, wherein the currents of the fourth, sixth and seventh MOS transistors are the same and the current of the third MOS transistor In the differential amplifier circuit to be set to / 2, a compensation MOS transistor having the same polarity as the first and second MOS transistors is provided, and the gate of the compensation MOS transistor is connected to the first or second MOS transistor. It is desirable that the source terminal is connected to the drain of the fourth MOS transistor, and the drain is connected to the drain of the fifth transistor.

また、前記補償用MOSトランジスタは、前記第1および第2のMOSトランジスタと同一特性であることが望ましい。   The compensation MOS transistor preferably has the same characteristics as the first and second MOS transistors.

さらに、前記各MOSトランジスタをバイポーラトランジスタに置き換え、前記ゲートをベースに置き換え、ソースをエミッタに置き換え、ドレインをコレクタに置き換えることもできる。   Further, each MOS transistor can be replaced with a bipolar transistor, the gate can be replaced with a base, the source can be replaced with an emitter, and the drain can be replaced with a collector.

本発明の差動増幅回路によれば、同相入力電圧の変動によって差動接続トランジスタの共通ソース又はエミッタの電位が変動するとき、補償用トランジスタのソース又はエミッタの電位も同様に同じ方向に変動するので、第1の電流源と第4の電流源の電流の比率関係2:1を保持することが可能となるため、第2および第3の電流源の電流を常時第1の電流源の電流の1/2に保持させることが可能となり、同相入力電圧範囲を広くすることが可能となる。   According to the differential amplifier circuit of the present invention, when the potential of the common source or emitter of the differential connection transistor varies due to the variation of the common-mode input voltage, the potential of the source or emitter of the compensation transistor also varies in the same direction. Therefore, since it becomes possible to maintain the current ratio of 2: 1 between the first current source and the fourth current source, the currents of the second and third current sources are always used as the currents of the first current source. Therefore, the common-mode input voltage range can be widened.

図1に本発明の実施例の差動増幅回路の回路構成を示す。差動増幅回路本体部分は、差動接続されたPMOSトランジスタMP1,MP2、そのトランジスタMP1,MP2のソースに共通接続されたPMOSトランジスタMP3、トランジスタMP1のドレインにドレインが接続されたNMOSトランジスタMN1、およびトランジスタMP2のドレインにドレインが接続されたNMOSトランジスタMN2からなる。ここで、トランジスタMP1,MP2が差動接続MOSトランジスタを、トランジスタMP3が第1の電流源を、トランジスタMN1,MN2が第2および第3の電流源を構成する。   FIG. 1 shows a circuit configuration of a differential amplifier circuit according to an embodiment of the present invention. The differential amplifier circuit main body includes differentially connected PMOS transistors MP1 and MP2, a PMOS transistor MP3 commonly connected to the sources of the transistors MP1 and MP2, an NMOS transistor MN1 having a drain connected to the drain of the transistor MP1, and It comprises an NMOS transistor MN2 whose drain is connected to the drain of the transistor MP2. Here, the transistors MP1 and MP2 constitute a differential connection MOS transistor, the transistor MP3 constitutes a first current source, and the transistors MN1 and MN2 constitute second and third current sources.

PMOSトランジスタMP4はPMOSトランジスタMP3,MP5と第1のカレントミラー回路構成するトランジスタであり、基準電源回路1から供給される電流を基準電流としている。NMOSトランジスタMN3はNMOSトランジスタMN1,MN2と第2のカレントミラー回路を構成するトランジスタである。ここで、トランジスタMP4が第5の電流源を構成する。   The PMOS transistor MP4 is a transistor constituting a first current mirror circuit with the PMOS transistors MP3 and MP5, and uses a current supplied from the reference power supply circuit 1 as a reference current. The NMOS transistor MN3 is a transistor that forms a second current mirror circuit with the NMOS transistors MN1 and MN2. Here, the transistor MP4 constitutes a fifth current source.

ドレインとソースが共通接続されたPMOSトランジスタMP6,MP7は、トランジスタMP5のドレインとトランジスタMN3のドレインの間に接続され、かつゲートが入力端子IN1,IN2に接続されている。このトランジスタMP6,MP7はトランジスタMP1,MP2と同じ特性である。ここで、トランジスタMP6,MP7が補償用MOSトランジスタを構成する。   The PMOS transistors MP6 and MP7 whose drain and source are commonly connected are connected between the drain of the transistor MP5 and the drain of the transistor MN3, and the gates are connected to the input terminals IN1 and IN2. The transistors MP6 and MP7 have the same characteristics as the transistors MP1 and MP2. Here, the transistors MP6 and MP7 constitute a compensation MOS transistor.

この差動増幅回路では、トランジスタMN1,MN2,MP3,MP5の電流をそれぞれI1,I2,I3,I5とするとき、
I3=2×I5、I1=I2=I5
となるように、トランジスタMN1,MN2,MP3,MP5のW/L(ゲート幅/ゲート長)を設定することにより、
I1:I2:I3=1:1:2
の関係が得られるようにする。
In this differential amplifier circuit, when the currents of the transistors MN1, MN2, MP3, and MP5 are I1, I2, I3, and I5, respectively,
I3 = 2 × I5, I1 = I2 = I5
By setting W / L (gate width / gate length) of transistors MN1, MN2, MP3, and MP5 so that
I1: I2: I3 = 1: 1: 2
So that the relationship can be obtained.

この差動増幅回路では、平衡時(同相入力時)において、トランジスタMP6,MP7はトランジスタMP1,MP2と同一動作点で動作する。よって、入力電圧Vin(+)、Vin(-)が同相で変動するとき、ノードN1とN2の電位は同じように変動する。これにより、I3=2×I5の関係が保持され、I5=I1=I2の関係も保持される。このため、I1:I2:I3=1:1:2の関係が保持され、同相入力電圧範囲を高い電圧まで実現することが可能となる。   In this differential amplifier circuit, the transistors MP6 and MP7 operate at the same operating point as the transistors MP1 and MP2 during equilibrium (in-phase input). Therefore, when the input voltages Vin (+) and Vin (−) fluctuate in phase, the potentials of the nodes N1 and N2 fluctuate in the same way. Thereby, the relationship of I3 = 2 × I5 is maintained, and the relationship of I5 = I1 = I2 is also maintained. Therefore, the relationship of I1: I2: I3 = 1: 1: 2 is maintained, and the common-mode input voltage range can be realized up to a high voltage.

図4の差電流−同相入力電圧特性に本実施例の差動増幅回路の特性を実線で示す。破線で示す図3の従来回路の特性に比べて、差電流ΔI(I3−2×I5)は同相入力電圧が電源電圧VDDに近づいても、その増大が抑圧されている。I3=Irefである。また、図5のオフセット電圧−同相入力電圧特性に本実施例の差動増幅回路の特性を実線で示す。破線で示す図3の従来回路の特性に比べて、同様にオフセット電圧Vosの増大が抑圧されている。以上のように、本実施例の差動増幅回路によれば、広い同相入力電圧の範囲に亘って差電流ΔIおよびオフセット電圧Vosともに良好な特性を示し、同相入力電圧範囲が拡大することがわかる。   The characteristic of the differential amplifier circuit of the present embodiment is shown by a solid line in the difference current-in-phase input voltage characteristic of FIG. Compared to the characteristic of the conventional circuit of FIG. 3 indicated by a broken line, the difference current ΔI (I3-2 × I5) is suppressed from increasing even when the common-mode input voltage approaches the power supply voltage VDD. I3 = Iref. Further, the characteristic of the differential amplifier circuit of the present embodiment is shown by a solid line in the offset voltage-common-mode input voltage characteristic of FIG. Compared to the characteristic of the conventional circuit of FIG. 3 indicated by the broken line, the increase of the offset voltage Vos is similarly suppressed. As described above, according to the differential amplifier circuit of the present embodiment, both the differential current ΔI and the offset voltage Vos exhibit good characteristics over a wide range of the common-mode input voltage, and the common-mode input voltage range is expanded. .

図2は図1の差動増幅回路の変形例を示す回路図であり、図1の回路のPMOSトランジスタとNMOSトランジスタを入れ替えたものである。この場合は、差動接続回路にNMOSトランジスタを使用しているので、同相入力電圧が低くなる領域で前記と同様な同相入力電圧範囲拡大の効果を得ることができる。   FIG. 2 is a circuit diagram showing a modification of the differential amplifier circuit of FIG. 1, in which the PMOS transistor and NMOS transistor of the circuit of FIG. 1 are replaced. In this case, since the NMOS transistor is used in the differential connection circuit, the same effect of expanding the common-mode input voltage range as described above can be obtained in a region where the common-mode input voltage is low.

なお、以上の説明では、補償用トランジスタとして、回路バランスを考慮して、図1では並列接続のPMOSトランジスタMP6,MP7を使用し、図2では並列接続のNMOSトランジスタMN16,MN17を使用したが、これらは1個のPMOSあるいはNMOSのトランジスタとし、そのゲートは入力端子IN1又はIN2に接続してもよい。   In the above description, in consideration of circuit balance, PMOS transistors MP6 and MP7 connected in parallel are used in FIG. 1 and NMOS transistors MN16 and MN17 connected in parallel are used in FIG. These may be one PMOS or NMOS transistor, and the gate thereof may be connected to the input terminal IN1 or IN2.

また、以上説明した実施例ではMOSトランジスタを使用したが、バイポーラトランジスタを使用しても同様の作用効果を得ることができる。この場合、ゲートがベースに、ソースがエミッタに、ドレインがコレクタに置き換わる。   In the embodiment described above, a MOS transistor is used, but the same effect can be obtained even if a bipolar transistor is used. In this case, the gate replaces the base, the source replaces the emitter, and the drain replaces the collector.

本発明の実施例の差動増幅回路の回路図である。It is a circuit diagram of the differential amplifier circuit of the Example of this invention. 図1の差動増幅回路の変形例の回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram of a modification of the differential amplifier circuit of FIG. 1. 従来の差動増幅回路の回路図である。It is a circuit diagram of the conventional differential amplifier circuit. 差電流−同相入力電圧特性の特性図である。It is a characteristic view of a difference current-common mode input voltage characteristic. オフセット電圧−同相入力電圧特性の特性図である。It is a characteristic figure of an offset voltage-common mode input voltage characteristic.

符号の説明Explanation of symbols

MP1〜MP7,MP11〜MP13,MP21〜MP25:PMOSトランジスタ
MN1〜MN3,MN11〜MN17,MN21〜MN23:NMOSトランジスタ
1,11,21:基準電源回路
MP1 to MP7, MP11 to MP13, MP21 to MP25: PMOS transistors MN1 to MN3, MN11 to MN17, MN21 to MN23: NMOS transistors 1, 11, 21: Reference power supply circuit

Claims (5)

ゲートがそれぞれ第1および第2の入力端子に接続される差動接続MOSトランジスタの共通ソースに第1の電流源を接続し、該差動接続MOSトランジスタの各々のドレインにそれぞれ第2および第3の電流源を接続し、前記差動接続MOSトランジスタの各々のドレインにそれぞれ第1および第2の出力端子を接続し、前記第2および第3の電流源の電流が前記第1の電流源の電流の1/2に設定されるべき差動増幅回路において、
前記差動接続MOSトランジスタと同一極性の補償用MOSトランジスタを設け、該補償用トランジスタのゲートを前記第1又は第2の入力端子に接続し、ソースを前記第1の電流源の1/2の電流の第4の電流源に接続し、ドレインを前記第2および第3の電流源を出力側にもつカレントミラー回路の基準側に接続したことを特徴とする差動増幅回路。
The first current source is connected to the common source of the differential connection MOS transistors whose gates are connected to the first and second input terminals, respectively, and the second and third are respectively connected to the drains of the differential connection MOS transistors. Are connected to the respective drains of the differentially connected MOS transistors, and the currents of the second and third current sources are connected to the drains of the differentially connected MOS transistors, respectively. In the differential amplifier circuit to be set to 1/2 of the current,
A compensation MOS transistor having the same polarity as that of the differential connection MOS transistor is provided, a gate of the compensation transistor is connected to the first or second input terminal, and a source is ½ of the first current source. A differential amplifier circuit, characterized in that a fourth current source of current is connected and a drain is connected to a reference side of a current mirror circuit having the second and third current sources on the output side.
請求項1に記載の差動増幅回路において、
前記補償用MOSトランジスタは、前記差動接続MOSトランジスタと同一特性であることを特徴とする差動増幅回路。
The differential amplifier circuit according to claim 1,
The differential MOS circuit according to claim 1, wherein the compensation MOS transistor has the same characteristics as the differential connection MOS transistor.
ゲートが第1および第2の入力端子にそれぞれ接続されソースが共通接続されドレインが第1および第2の出力端子にそれぞれ接続された第1および第2のMOSトランジスタと、該第1および第2のMOSトランジスタのソースに出力側の第3のMOSトランジスタが接続された第1のカレントミラー回路と、該第1のカレントミラー回路の出力側の第4のMOSトランジスタの電流が基準側の第5のMOSトランジスタに供給され前記第1および第2のMOSトランジスタのドレインにそれぞれ出力側の第6および第7のMOSトランジスタが接続された第2のカレントミラー回路とを具備し、前記第4,第6および第7のMOSトランジスタの電流が同一で且つ前記第3のMOSトランジスタの電流の1/2になるように設定されるべき差動増幅回路において、
前記第1および第2のMOSトランジスタと同一極性の補償用MOSトランジスタを設け、該補償用MOSトランジスタのゲートを前記第1又は第2の入力端子に接続し、ソースを前記第4のMOSトランジスタのドレインに接続し、ドレインを前記第5のトランジスタのドレインに接続したことを特徴とする差動増幅回路。
First and second MOS transistors, each having a gate connected to the first and second input terminals, a source connected in common, and a drain connected to the first and second output terminals, respectively; A first current mirror circuit in which a third MOS transistor on the output side is connected to the source of the first MOS transistor, and a current in the fourth MOS transistor on the output side of the first current mirror circuit is the fifth current on the reference side. And a second current mirror circuit connected to the drains of the first and second MOS transistors and the sixth and seventh MOS transistors on the output side, respectively. The currents of the sixth and seventh MOS transistors should be the same and should be set to be 1/2 of the current of the third MOS transistor. In the differential amplifier circuit,
A compensation MOS transistor having the same polarity as that of the first and second MOS transistors is provided, a gate of the compensation MOS transistor is connected to the first or second input terminal, and a source is connected to the fourth MOS transistor. A differential amplifier circuit comprising: a drain connected to the drain; and the drain connected to the drain of the fifth transistor.
請求項3に記載の差動増幅回路において、
前記補償用MOSトランジスタは、前記第1および第2のMOSトランジスタと同一特性であることを特徴とする差動増幅回路。
The differential amplifier circuit according to claim 3,
The differential MOS circuit according to claim 1, wherein the compensation MOS transistor has the same characteristics as the first and second MOS transistors.
請求項1、2、3又は4に記載の差動増幅回路において、
前記各MOSトランジスタをバイポーラトランジスタに置き換え、前記ゲートをベースに置き換え、ソースをエミッタに置き換え、ドレインをコレクタに置き換えたことを特徴とする差動増幅回路。
The differential amplifier circuit according to claim 1, 2, 3, or 4,
A differential amplifier circuit, wherein each MOS transistor is replaced with a bipolar transistor, the gate is replaced with a base, the source is replaced with an emitter, and the drain is replaced with a collector.
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