JP5199222B2 - 演算増幅器および演算増幅装置 - Google Patents
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Description
図8は、一般的な演算増幅器の回路構成を説明するための図である。(非特許文献1を参照)図示した演算増幅器は、差動増幅回路1、出力増幅回路2によって構成されている。
MOSトランジスタ13のゲートは、MOSトランジスタ10のドレインに接続されていて、MOSトランジスタ13、14はカレントミラーを構成している。MOSトランジスタ10、MOSトランジスタ11のソースには、電流供給用のMOSトランジスタ12が接続されている。
このような演算増幅器を高速で動作させると、演算増幅器の伝達関数に現れる第2ポール、あるいはそれ以上の高次ポールの影響により、回路動作の安定性を確保することが困難になることがある。この内容について、以下に回路の伝達関数を使って説明する。
A(s)=Ao・ω1・ω2(1−s/ωz)/{(s+ω1)(s+ω2)(1+s/ω3)}…式(1)
式(1)中のAoは演算増幅器のDCゲイン、ω1は第1ポールの角周波数、ω2は第2ポールの角周波数、ω3は第3ポールの角周波数である。
また、演算増幅器のGB積は、式(2)のように表すことができる。
GB=Ao・ω1 …式(2)
GB=Ao・ω1=gm1/c1 …式(3)
ω2=gm2/c2 …式(4)
以上の式において、gm1はMOSトランジスタ10、11のトランスコンダクタンス値、gm2はMOSトランジスタ16のトランスコンダクタンス値である。また、c1、c2は容量素子18、19の容量値である。トランスコンダクタンス値を、以降gm値と記す。
ωz=(c2/gm2−c1・R)-1 …式(5)
式(5)において、RはMOSトランジスタ17の抵抗値である。GB積(Gain-Bandwidth Product)とは、演算増幅器をボルテージフォロワとして用いる場合の帯域を表す。演算増幅器は、GB積を大きくすることによってより高速に動作することができるようになる。
A(s)=Ao・ω1/(s+ω1)(1+s/ω3) …式(6)
式(6)によれば、式(1)から位相遅れに寄与していた(s+ω2)の成分を除くことができる。このため、図8に示した演算増幅器の位相遅れを改善することができる。位相遅れの改善により、演算増幅器の位相余裕が改善できて、この新たに生じた位相余裕分を使ってGB積向上に使うことができる。式(6)によると、第2ポールω2と無関係にGB積をω3に近づけることができる。
R=(c1+c2)/c1/gm2 …式(7)
すなわち、演算増幅器の伝達関数においては、図8に示した抵抗用MOSトランジスタ17を、式(7)に示した抵抗値Rを持った抵抗として動作させることにより、第2ポールの周波数の影響を除くことができる。
このため、IC上に形成された抵抗を用いて形成されるゼロ点を用いて第2ポールを打ち消すことはやはり困難である。
本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、製造変動や温度変動に関わらず、消費電流を抑えながら、充分な位相余裕を持って、高速動作が可能な演算増幅器を提供することを目的とする。
請求項3の発明によれば、制御用MOSトランジスタと制御用MOSトランジスタと同一の基板上に形成された抵抗素子とを組合せているから、抵抗用MOSトランジスタの良好な線形性を得ることができる。
請求項5の発明によれば、制御用MOSトランジスタと制御用MOSトランジスタと同一の基板上に形成された抵抗素子とを組合せているから、抵抗用MOSトランジスタの良好な線形性を得ることができる。
(実施形態1)
1 回路構成
図1は、本発明の実施形態1の演算増幅器を説明するための回路図である。
図示した演算増幅器は、前述した図8の演算増幅器と同様の構成を含む。このため、同様の構成については同様の符号を付し、その説明を一部略すものとする。
図示した演算増幅器は、正の電圧Vddが供給される電源(図中にVddで示し、電源Vddとも記す)と、負の電圧Vssを供給する電源(図中にVssで示し、電源Vssとも記す)との間に差動増幅回路1、出力増幅回路2が接続されて構成されている。
なお、差動増幅回路1のMOSトランジスタ12のゲート端子をバイアス端子B1、出力増幅回路2のMOSトランジスタ15のゲート端子をバイアス端子B2とも記す。バイアス端子B1は入力MOSトランジスタ対に流れる電流を、B2はMOSトランジスタ15、MOSトランジスタ16に流れる電流を制御するバイアス端子である。
さらに、実施形態1の演算増幅器は、抵抗用MOSトランジスタ17の抵抗値を制御する制御回路20を備えている。実施形態1では、抵抗用MOSトランジスタ17、制御回路20を合わせて抵抗回路170とする。
図2は、図1に示した制御回路20を説明するための図である。制御回路20は、図1に示した演算増幅器の抵抗用MOSトランジスタ17をスレーブ回路として制御するマスタ回路となっている。抵抗用MOSトランジスタ17では、マスタ回路となる制御回路20によってそのゲート電圧が制御され、ソース、ドレイン間の抵抗(以降、単に抵抗用MOSトランジスタ17の抵抗とも記す)が、任意の抵抗値に調整される。
I1=−Δ1/R1 …式(8)
式(8)において、R1は抵抗用MOSトランジスタ17の抵抗値及び制御用MOSトランジスタ201の抵抗値である。
I2=Δ2・Gmx …式(9)
I1+I2=−Δ1/R1+Δ2・Gmx=0 …式(10)
式(10)より、MOSトランジスタ201の抵抗値R1とトランスコンダクタンスアンプ202のgm値Gmxの関係が式(11)で表される。
R1=(Δ1/Δ2)・(1/Gmx) …式(11)
Gmx=gm2・(Δ1/Δ2)・{c1/(c1+c2)} …式(12)
図2に示したトランスコンダクタンスアンプ202は、トランスコンダクタンスアンプ202の本体部分128、本体部分128のMOSトランジスタ101のゲート端子へ供給されるバイアス電圧を生成するためのバイアス回路129によって構成されている。本体部分128は、入力MOSトランジスタ対を構成するMOSトランジスタ102、MOSトランジスタ103と、入力MOSトランジスタ対に電流を供給する電流源MOSトランジスタとして動作するMOSトランジスタ101と、入力MOSトランジスタのドレインに接続されるロードMOSトランジスタを構成するMOSトランジスタ104、MOSトランジスタ105から構成されている。またバイアス回路129は、本体回路128のMOSトランジスタ101とカレントミラーを構成するMOSトランジスタ106と、MOSトランジスタ106に電流を供給するMOSトランジスタ107から構成されている。図3のトランスコンダクタンスアンプのgm値は、入力MOSトランジスタ102(または103)のgm値に等しいので、次に入力MOSトランジスタのgm値について説明する。
gm=2[I・μ・Cox・(W/L)]1/2 …式(14)
ところで、一般的に、MOSトランジスタ16は出力増幅回路の構成要素のひとつなので流れる電流は大きくなりがちである。このため、図3に示したMOSトランジスタ102、MOSトランジスタ103に流れる電流は、MOSトランジスタ16に流れる電流値に係数(Δ1/Δ2)・{c1/(c1+c2)}がかかっているとはいえ、大きな値になって、演算増幅器全体の消費電流を高める一因となる。
この点を解消するため、実施形態1では、図2に示したマスタ回路の制御用MOSトランジスタ201のトランジスタサイズを、図1に示した抵抗用MOSトランジスタ17のトランジスタサイズの1/M倍にすることが考えられる。
また、Δ1の値は、MOS抵抗素子が線形性能を良好に保つために、MOS抵抗素子201のVgs−Vthに比べて十分小さくする必要がある。ただし、小さすぎるとΔ1およびΔ2の設定電圧からの偏移に対する影響が大きくなるので、適正な値に設定することが望ましい。
次にリファレンス信号電圧VAを生成するためのリファレンス信号生成回路610について説明する。前記したように、MOSトランジスタ201、17の抵抗値は、MOSトランジスタ201、17各々のゲート・ソース間の電圧で決まる。このため、MOSトランジスタ201、17において、ゲートの電圧だけでなく、ソース電圧も同じにする必要がある。マスタ回路20では、MOSトランジスタ201のソース電圧を、図1に示した演算増幅器の抵抗回路17の両端の電圧に等しくしなければならない。これを実現する方法としては、図1に示した演算増幅器をコピーした、この演算増幅器と同じ回路構成であって、かつ、演算増幅器に含まれる素子のサイズが等しい回路(以下、レプリカ回路Aと記す)をボルテージフォロワ構成にし、抵抗回路17の両端子のどちらか一方の電圧信号を、マスタ回路20の差動増幅器203の非反転入力端子へ電圧VAとして供給すればよい。すなわちリファレンス信号生成回路610として、レプリカ回路Aを用いて、そのリファレンス信号生成回路610から出力されるリファレンス信号電圧VAとして、レプリカ回路Aの中の抵抗回路17(これもレプリカである)の2つの端子のいずれか一方の信号電圧を用いることができる。
図6は、図1に示した演算増幅器の出力増幅回路2をコピーした、出力増幅回路2と同じ回路構成であって、かつ、演算増幅器に含まれる素子のサイズが等しい回路(以下、レプリカ回路Bと記す)を説明するための図である。図示したレプリカ回路Bでは、図1に示したMOSトランジスタ16に対応するMOSトランジスタ160、図1に示したMOSトランジスタ15に対応するMOSトランジスタ150が直列に接続されている。MOSトランジスタ150のゲート端子にはMOSトランジスタ15のゲート端子へ印加される電圧が供給され、MOSトランジスタ160のゲート端子とドレイン端子を接続すると、その接続点の端子161に、図1のMOSトランジスタ16のゲート電圧が形成される。この理由は、図1に示したMOSトランジスタ16とMOSトランジスタ160に同じ電流が流れるので、MOSトランジスタ16、MOSトランジスタ160のゲート電圧が等しくなることによる。この端子161の電圧は、抵抗用MOSトランジスタ17の両端の電圧に等しいので、リファレンス信号電圧VAとして、差動増幅器203の非反転入力端子に供給することができる。
また、レプリカ回路Bにあっても、消費電流低減のため、レプリカ回路に含まれるMOSトランジスタ150、160のサイズを、図1に示した出力増幅回路2に含まれるMOSトランジスタ15、16のサイズに対して一定の割合で縮小してもよい。
図2においてMOSトランジスタ17,201のゲート電圧が低いと、抵抗用MOSトランジスタ17,201の線形性能劣化のために、MOSトランジスタ17と201の抵抗が同じでなくなる。この理由は、線形領域におけるSAHの式であるIds=K(Vgs−Vth−0.5Vds)Vdsからもわかるように、ドレイン・ソース間電流Idsは、(Vgs−Vth)に比べてドレイン・ソース間電圧Vdsが無視できないくらいに大きい場合には、比例関係から大きく外れるので、抵抗用MOSトランジスタは最適な抵抗値からずれた値になる。(抵抗値のずれは、MOSトランジスタ17,201のドレイン・ソース間電圧が異なることに起因している)。
実施形態1の演算増幅器は、抵抗用MOSトランジスタ17または抵抗用MOSトランジスタ17に置き換えられている組み合わせ抵抗30が制御回路20によって、製造変動や温度変動に関わらず、いつも第2ポールをゼロ点でキャンセルしているので、消費電流を抑えながら、十分な位相余裕をもって高速動作可能な演算増幅器を提供することができる。
図7は、本発明の実施形態2の演算増幅器を説明するための回路図である。実施形態1と実施形態2とは、差動増幅回路の回路構成が相違している。すなわち、実施形態2も、実施形態1と同様に、差動増幅回路67と出力増幅回路68とを備えている。差動増幅回路67、出力増幅回路68の間には、抵抗用MOSトランジスタ62と容量素子61が接続されていて、さらに抵抗用MOSトランジスタ制御用の制御回路65が抵抗用MOSトランジスタ62のゲートに接続されている。実施形態2では、抵抗用MOSトランジスタ62、制御回路65を合わせて抵抗回路620とする。
差動増幅回路67に対応し、出力増幅回路68では、出力電圧を制御する、いわゆる出力MOSトランジスタ59の極性がN型になっている。実施形態2においても、式(1)〜式(7)が適用できる。ここで式(3)のgm1はMOSトランジスタ50、51のトランスコンダクタンス値、式(4)のgm2はMOSトランジスタ59のトランスコンダクタンス値である。また、式(3)、(4)のc1、c2は容量素子61、64の容量値、式(5)のRはMOSトランジスタ62の抵抗値である。 ここでgm2について補足説明しておく。gm2は、図7の出力増幅回路68のMOSトランジスタ59のgm値であるとともに、出力増幅回路68のgm値(トランスコンダクタンス値)でもある。何故なら、出力増幅回路68を構成する他方のMOSトランシスタ60のゲートには一定のバイアス電圧が供給されていて、AC信号としての電流信号に寄与しないからである。
図10は、本発明の実施形態3の演算増幅器を説明するための回路図である。実施形態1と実施形態3とは、演算増幅器が1個だけなのか、複数備えているかが相違している。
一般にIC上に回路を構成する場合、演算増幅器を複数備えることが通常よく行われる。このような場合でも、実施形態1のように、1つの演算増幅器に対して、1つの制御回路を用いても良い。しかしながら、制御回路は図2あるいは図4に示すように構成回路規模が大きいため、チップサイズおよび消費電流の増加をもたらす。本実施形態3においては、複数の演算増幅器を1つの制御回路で制御することで、チップサイズおよび消費電流を抑える方法を提示するものである。以下、図10を用いて説明する。
例えば、図10の全ての演算増幅器の回路構成が、図7であれば制御回路としては、図9の回路を用いることで、第2ポールをゼロ点でキャンセルできる。
また、図10のような複数の演算増幅器を有する演算増幅装置においても、図4、図5で用いた組み合わせ抵抗を、抵抗用MOSトランジスタ17の代わりに用いることにより、いつでも最適な抵抗値とすることができる。
17、62 抵抗用MOSトランジスタ
18、19、61、62、64、204 容量素子
20、65、200 制御回路
1、67 差動増幅回路
2、68 出力増幅回路
112 リニア抵抗素子
201、251 制御用MOSトランジスタ
202 トランスコンダクタンスアンプ
203 差動増幅器
Claims (5)
- 差動増幅回路と、当該差動増幅回路の第1出力端子に接続される入力端子及び外部に電気信号を出力する第2出力端子を有する出力増幅回路と、
を備えた演算増幅器であって、
前記第1出力端子と前記第2出力端子との間に接続される位相補償回路を備え、
前記位相補償回路は、
容量素子と、当該容量素子と直列に接続された抵抗回路と、を含み、
前記抵抗回路は、
抵抗値を制御するための抵抗用MOSトランジスタを含むスレーブ回路と、
前記抵抗用MOSトランジスタのゲートに対し、前記抵抗用MOSトランジスタのソース、ドレイン間の抵抗値を所定の値にするための抵抗制御信号を供給するマスタ回路と、を含み、
前記マスタ回路は、
反転入力端子、非反転入力端子、出力端子を有し、前記非反転入力端子にリファレンス信号電圧が与えられる差動増幅器と、
前記差動増幅器の反転入力端子に接続される出力端子と、差動入力信号が入力される入力端子と、を有し、前記出力増幅回路のトランスコンダクタンス値に比例するトランスコンダクタンス値を有するトランスコンダクタンスアンプと、
前記差動増幅器の反転入力端子にドレイン、またはソースのいずれか一方が接続され、前記差動増幅器の反転入力端子に接続されていない前記ドレイン、または前記ソースに基準電圧が与えられ、ゲートが前記抵抗用MOSトランジスタのゲート及び前記差動増幅器の出力端子に接続された制御用MOSトランジスタと、
を含むことを特徴とする演算増幅器。 - 前記マスタ回路の差動増幅器の非反転入力端子に供給される前記リファレンス信号電圧を生成するリファレンス信号生成回路を備え、
前記リファレンス信号生成回路は、
前記演算増幅器が備える出力増幅回路に含まれるMOSトランジスタのチャネルのサイズに比例して縮小され、前記縮小の縮小率に応じた電流が供給されるMOSトランジスタを有することを特徴とする請求項1に記載の演算増幅器。 - 前記スレーブ回路は、前記抵抗用MOSトランジスタと同一の基板上に形成された内部抵抗素子を有し、
前記抵抗用MOSトランジスタと前記内部抵抗素子とは、直列、または並列に接続された組み合わせ抵抗を構成し、
前記マスタ回路は、前記制御用MOSトランジスタと同一の基板上に形成された内部抵抗素子を有し、
前記制御用MOSトランジスタと前記内部抵抗素子とは、直列または並列に接続された組み合わせ抵抗を構成することを特徴とする請求項1に記載の演算増幅器。 - 差動増幅回路と、当該差動増幅回路の第1出力端子に接続される入力端子及び外部に電気信号を出力する第2出力端子を有する出力増幅回路と、前記第1出力端子と前記第2出力端子との間に接続される位相補償回路と、を含み、前記位相補償回路は容量素子及び当該容量素子と直列に接続された抵抗素子を有し、前記抵抗素子は抵抗値を制御するための抵抗用MOSトランジスタを有するスレーブ回路である、演算増幅器
を複数個と、
前記複数個の演算増幅器の抵抗用MOSトランジスタのゲートに対し、前記抵抗用MOSトランジスタのソース、ドレイン間の抵抗値を所定の値にするための抵抗制御信号を供給するマスタ回路と、
を備えた演算増幅装置であって、
前記マスタ回路は、
反転入力端子、非反転入力端子、出力端子を有し、前記非反転入力端子にリファレンス信号電圧が与えられる差動増幅器と、
前記差動増幅器の反転入力端子に接続される出力端子と、差動入力信号が入力される入力端子と、を有し、前記出力増幅回路のトランスコンダクタンス値に比例するトランスコンダクタンス値を有するトランスコンダクタンスアンプと、
前記差動増幅器の反転入力端子にドレイン、またはソースのいずれか一方が接続され、前記差動増幅器の反転入力端子に接続されていない前記ドレイン、または前記ソースに基準電圧が与えられ、ゲートが前記抵抗用MOSトランジスタのゲート及び前記差動増幅器の出力端子に接続された制御用MOSトランジスタと、
を含むことを特徴とする演算増幅装置。 - 前記スレーブ回路は、前記抵抗用MOSトランジスタと同一の基板上に形成された内部抵抗素子を有し、
前記抵抗用MOSトランジスタと前記内部抵抗素子とは、直列、または並列に接続された組み合わせ抵抗を構成し、
前記マスタ回路は、前記制御用MOSトランジスタと同一の基板上に形成された内部抵抗素子を有し、
前記制御用MOSトランジスタと前記内部抵抗素子とは、直列または並列に接続された組み合わせ抵抗を構成することを特徴とする請求項4に記載の演算増幅装置。
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