JP4862694B2 - Fetアンプおよびそのバイアス回路 - Google Patents
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Description
一方のチャンネルの第1のMOS−FETのソースを第1の電位点に接続し、
上記第1のMOS−FETのドレインを、少なくとも1つの第1の抵抗器を通じて他方のチャンネルの第2のMOS−FETのドレインに接続し、
この第2のMOS−FETのソースを上記第1の電位点とは異なる電位の第2の電位点に接続し、
上記一方のチャンネルの第3のMOS−FETのソースを上記第1の電位点に接続し、
上記第3のMOS−FETのドレインを、少なくとも1つの第2の抵抗器を通じて上記他方のチャンネルの第4のMOS−FETのドレインに接続し、
この第4のMOS−FETのソースを上記第2の電位点に接続し、
上記第1のMOS−FETのドレインをそのゲートおよび上記第3のMOS−FETのゲートに接続し、
上記第2のMOS−FETのドレインをそのゲートおよび上記第4のMOS−FETのゲートに接続し、
上記第2の抵抗器の両端に得られる電圧を、CMOS接続された出力用の1対のMOS−FETのゲートにそれぞれ供給し、
上記出力用のMOS−FETのゲートに供給されるバイアス電圧の変化が最小となるように、上記第1の抵抗器における降下電圧と、上記第2の抵抗器における降下電圧との比を設定する
ようにしたバイアス回路
とするものである。
図1は、CMOSを使用したFETアンプ10の基本等価回路を示す。この例においては、FETアンプ10は、入力回路(相互コンダクタンス回路)11と、出力回路13と、そのバイアス回路12から構成されているとともに、バイアス回路12および出力回路13が積分回路を構成している場合である。また、FETアンプ10は、全体が1チップIC化されている。
Gv=gm/ωC21[倍]
gm:入力回路11の相互コンダクタンス
ω :信号の角周波数
となる。また、直流利得は、相互コンダクタンスgmと、相互コンダクタンス回路(入力回路)11の出力インピーダンスと、バイアス回路12のインピーダンスとにより決まる。
図1のFETアンプ10においては、負帰還量が低下する高周波域における歪み率が、出力用FET(P31、M31)のバイアス電流(アイドリング電流)の大きさにより左右される。この歪みは、FET(P31、M31)のバイアス電流を大きくしてA級動作に近付ければ抑えることができるが、そのようにすると、消費電流が増加してしまう。このため、歪みと消費電流との最適化が必要となるとともに、その最適化した状態を維持する必要がある。
VGP21:FET(P21)のゲート・ソース間電圧
VGM21:FET(M21)のゲート・ソース間電圧
I21 :抵抗器R21を流れる電流
VDD :端子T13の電源電圧
とすれば、
I21=(VDD−VGP21−VGM21)/R21 ・・・ (1)
となる。
VG:スレッショールド電圧を差し引いたMOS−FETのゲート電圧
ID:MOS−FETのドレイン電流
とすると、FETのゲート電圧VG対ドレイン電流IDの特性は2乗特性で近似することができるので、
ID=α・VG^2 ・・・ (2)
α :所定の定数
“^2”は2乗を示し、“VG^2”はVGの2乗を示す(以下同様)
と表すことができる。
VTH:PチャンネルおよびNチャンネルのMOS−FETのスレッショールド電圧の和
とすると、
VGP21+VGM21=VG+VTH ・・・ (3)
と表すことができる。
ID=I21
とすると、(1)、(2)式から
α・VG^2=(VDD−VGP21−VGM21)/R21 ・・・ (4)
となり、この右辺に(3)式を代入して
α・VG^2=(VDD−(VG+VTH))/R21 ・・・ (5)
となる。
I22:抵抗器R22を流れる電流
とすれば、カレントミラー回路211、212の入力電流は電流I21で互いに等しく、出力電流も電流I22で互いに等しい。また、これら電流I21、I22は、FET(P21、M21)、(P22、M22)のゲート幅により設定できる。
m=I22・R22/(I21・R21) ・・・ (7)
とする。
VGP31:FET(P31)のゲート・ソース間電圧
VGM31:FET(M31)のゲート・ソース間電圧
VGP31+VGM31=VO ・・・ (8)
とする。すると、
VO=VDD−I22・R22
であるから、これに(7)式を代入して変形すると、
VO=VDD−mI21R21
=VDD−m(VDD−VG−VTH)
=(1−m)VDD+m(VG+VTH) ・・・ (9)
となる。
n:ICにおけるFET(P21、M21)とFET(P31、M31)とのサイズ比
とすると、このサイズ比nから決まる係数nαから
I31=nαVO^2
となる。
dVO/dVTH=1
となる。したがって、電源電圧VDDの変化に対するバイアス電圧VOの変化が0になる条件は、スレッショールド電圧VTHの変化に対して正確に追従するポイントでもある。
α=77.8μA/V^2、VTH=0.67V
FET(M31)について、
α=61.4μA/V^2、VTH=0.64V
とすると、それらの直列回路の合成特性は、
α=17.2μA/V^2、VTH=1.31V
となる。この結果、R21=120kΩ、VDD=3Vの場合、(12)式からm=1.35となる。
図5は、この発明を適用したFETアンプ10の一例を示すもので、入力回路11が図1の場合と同様に構成されるとともに、バイアス回路12および出力回路13が図2で説明したように構成される。ただし、この場合、抵抗器R22は、抵抗器R22A、R22Bに分割され、その接続中点が、FET(P14、P18)のドレインに接続されるとともに、FET(P31、M31)のドレインが、負帰還回路14を通じてFET(P11、P12)のゲートに接続される。
上述のFETアンプおよびバイアス回路によれば、以下のような効果を得ることができる。すなわち、
1.電源電圧の変動や素子の特性に変化があっても、出力用のFETに安定したバイアスを与えることができる。
2.回路が単純であり、簡単なので、バイアス回路における消費電流が少ない。
3.電源電圧に対してシリーズとなる素子が少ないので、低電圧で動作する。
4.前段(入力回路11)に接続される入力端が1つなので、前段との接続が容易であり、前段として複雑な回路が不要である。
5.容量により高周波帯域の補正を行うことができ、高周波アンプとしても動作が可能である。
6.FETの特性や抵抗値により動作点をA級でもAB級でも容易に設定することができる。
7.入力インピーダンスを高くできるので、利得の大きなFETアンプを実現することができる。
9.CMOS回路は基準電圧の変化しない安定化電源の実現が難しいが、そのような安定化電源が不要なので、CMOS回路で実現することができる。
CMOS :Complementary Metal Oxide Semiconductor
FET :Field Effect Transistor
IC :Integrated Circuit
MOS :Metal Oxide Semiconductor
Claims (4)
- 一方のチャンネルの第1のMOS−FETのソースを第1の電位点に接続し、
上記第1のMOS−FETのドレインを、少なくとも1つの第1の抵抗器を通じて他方のチャンネルの第2のMOS−FETのドレインに接続し、
この第2のMOS−FETのソースを上記第1の電位点とは異なる電位の第2の電位点に接続し、
上記一方のチャンネルの第3のMOS−FETのソースを上記第1の電位点に接続し、
上記第3のMOS−FETのドレインを、少なくとも1つの第2の抵抗器を通じて上記他方のチャンネルの第4のMOS−FETのドレインに接続し、
この第4のMOS−FETのソースを上記第2の電位点に接続し、
上記第1のMOS−FETのドレインをそのゲートおよび上記第3のMOS−FETのゲートに接続し、
上記第2のMOS−FETのドレインをそのゲートおよび上記第4のMOS−FETのゲートに接続し、
上記第2の抵抗器の両端に得られる電圧を、CMOS接続された出力用の1対のMOS−FETのゲートにそれぞれ供給し、
上記出力用のMOS−FETのゲートに供給されるバイアス電圧の変化が最小となるように、上記第1の抵抗器における降下電圧と、上記第2の抵抗器における降下電圧との比を設定する
ようにしたバイアス回路。 - 請求項1に記載のバイアス回路において、
上記第2の抵抗器に周波数特性を補償するためのコンデンサを並列接続する
ようにしたバイアス回路。 - 入力信号の供給される入力回路と、
この入力回路の出力が供給される出力回路と、
この出力回路に所定のバイアス電圧を供給するバイアス回路と
を有し、
上記バイアス回路は、
一方のチャンネルの第1のMOS−FETのソースが電源ラインに接続され、
上記第1のMOS−FETのドレインが、第1の抵抗器を通じて他方のチャンネルの第2のMOS−FETのドレインに接続され、
この第2のMOS−FETのソースが接地ラインに接続され、
上記一方のチャンネルの第3のMOS−FETのソースが上記電源ラインに接続され、
上記第3のMOS−FETのドレインが、第2および第3の抵抗器の直列回路を通じて上記他方のチャンネルの第4のMOS−FETのドレインに接続され、
この第4のMOS−FETのソースが上記接地ラインに接続され、
上記第1のMOS−FETのドレインがそのゲートおよび上記第3のMOS−FETのゲートに接続され、
上記第2のMOS−FETのドレインがそのゲートおよび上記第4のMOS−FETのゲートに接続されて構成され、
上記出力回路は、上記一方のチャンネルの第5のMOS−FETと、上記他方のチャンネルの第6のMOS−FETとが、上記電源ラインおよび上記接地ラインの間に、コンプリメンタリ接続されて構成され、
上記入力回路の出力端が、上記第2および第3の抵抗器の接続中点に接続され、
上記第2および第3の抵抗器の直列回路の両端が、上記第5および第6のMOS−FETのゲートにそれぞれ接続され、
この第5および第6のMOS−FETのドレインから出力が取り出されるとともに、その出力の一部が上記入力回路に負帰還され、
上記第5および第6のMOS−FETのゲートに供給されるバイアス電圧の変化が最小となるように、上記第1の抵抗器における降下電圧と、上記第2および第3の抵抗器の直列回路における降下電圧との比を設定する
ようにしたFETアンプ。 - 一方のチャンネルの第1のMOS−FETのソースを第1の電位点に接続し、
上記第1のMOS−FETのドレインを、少なくとも1つの第1の抵抗器を通じて他方のチャンネルの第2のMOS−FETのドレインに接続し、
この第2のMOS−FETのソースを上記第1の電位点とは異なる第2の電位点に接続し、
上記一方のチャンネルの第3のMOS−FETのソースを上記第1の電位点に接続し、
上記第3のMOS−FETのドレインを、少なくとも1つの第2の抵抗器を通じて上記他方のチャンネルの第4のMOS−FETのドレインに接続し、
この第4のMOS−FETのソースを上記第2の電位点に接続し、
上記第1のMOS−FETのドレインをそのゲートに接続し、
上記第2のMOS−FETのドレインをそのゲートおよび上記第4のMOS−FETのゲートに接続し、
上記第2の抵抗器の両端に得られる電圧を、CMOS接続された出力用の1対のMOS−FETのゲートにそれぞれ供給し、
上記出力用のMOS−FETのゲートに供給されるバイアス電圧の変化が最小となるように、上記第1の抵抗器における降下電圧と、上記第2の抵抗器における降下電圧との比を設定する
ようにしたバイアス回路。
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