JP5248432B2 - Operational amplifier - Google Patents
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Description
本発明は、高周波動作用として好適なフォールデッドカスコード型の演算増幅器に係り、特に高周波外来ノイズの影響(電波かぶり)を低減した演算増幅器に関する。 The present invention relates to a folded cascode operational amplifier suitable for high-frequency operation, and more particularly to an operational amplifier that reduces the influence of high-frequency external noise (radiation fog).
図3に、従来のフォールデッドカスコード型の演算増幅器を示す。10は入力側の差動増幅回路であり、PNPトランジスタQ1,Q2、そのトランジスタQ1,Q2のエミッタに接続された電流源I1、入力抵抗R1,R2、負荷抵抗R3,R4からなる。20は差動増幅回路10の差動出力信号をエミッタに入力するベース接地増幅回路であり、電流源I2,I3、ベース接地のNPNトランジスタQ3,Q4、ベースバイアス用のNPNトランジスタQ5、およびベース抵抗R5からなる。トランジスタQ5と抵抗R5はベースバイアス回路を構成する。以上の「差動増幅回路10+ベース接地増幅回路20」がフォールデッドカスコード型増幅回路を構成する。30はベース接地増幅回路20の出力信号を入力しインピーダンス変換するエミッタホロワ回路であり、NPNトランジスタQ6、およびエミッタ抵抗R6からなる。40は出力回路であり、電流源I4、NPNトランジスタQ7、位相補償用キャパシタCc、およびエミッタ抵抗R7からなる。1は非反転入力端子、2は反転入力端子、3は出力端子、4は高電圧電源端子、5は低電圧電源端子である。
FIG. 3 shows a conventional folded cascode operational amplifier.
図4は、図3の演算増幅器に対して高周波外来ノイズ低減対策を施した従来の演算増幅器である。高周波外来ノイズ低減対策は、入力側の差動増幅回路10’に施されている。この対策回路は、キャパシタC2〜C4からなるπ型フィルタである。基本的な高周波外来ノイズ低減のメカニズムは、キャパシタと抵抗で構成されたローパスフィルタである。非反転入力端子1の側では、キャパシタC2と抵抗R1で構成されたローパスフィルタ、反転入力端子2の側では、キャパシタC3と抵抗R2で構成されたローパスフィルタである。トランジスタQ1,Q2のベース間に接続したキャパシタC4は、高周波領域においてそれぞれの入力端子からみたインピーダンスの整合をとるための同相ブリッジキャパシタである。
FIG. 4 shows a conventional operational amplifier in which the operational amplifier shown in FIG. The countermeasure for reducing high-frequency external noise is applied to the differential amplifier circuit 10 'on the input side. This countermeasure circuit is a π-type filter composed of capacitors C2 to C4. A basic high-frequency external noise reduction mechanism is a low-pass filter composed of a capacitor and a resistor. On the
一般的に、演算増幅器の高周波外来ノイズ低減能力は、図5(a)に示す検証回路を用いて周波数特性を評価することで検証できるとされている。図5(a)において、RG1,RG2,RF1,RF2,RLは抵抗、OPが検証対象の演算増幅器である。高周波外来ノイズの仮想モデル信号は、一般的に、400MHz以上の−10dBmの信号電力とされており、反転入力端子2にその仮想モデル信号Vnoiseを入力したとき、演算増幅器OPのユニティ利得周波数より高い周波数での出力利得が低いほど、高周波外来ノイズを低減できることを示す。図7はこの図5(a)の検証回路を使用して、演算増幅器をシミュレーションして得た周波数特性であり、S2は高周波外来ノイズ対策を施さない図3の演算増幅器の周波数特性、S3は高周波外来ノイズ対策を施した図4の演算増幅器の周波数特性であり、S3の方がS2に比べて良好な特性となっている。
In general, it is said that the high-frequency external noise reduction capability of an operational amplifier can be verified by evaluating frequency characteristics using a verification circuit shown in FIG. In FIG. 5A, RG1, RG2, RF1, RF2, and RL are resistors, and OP is an operational amplifier to be verified. The virtual model signal of high-frequency external noise is generally a signal power of −10 dBm of 400 MHz or higher, and is higher than the unity gain frequency of the operational amplifier OP when the virtual model signal Vnoise is input to the inverting
なお、以上では高周波外来ノイズ低減対策を施した従来の演算増幅器として、図4に記載した演算増幅器について述べたが、一般的に、演算増幅器では、演算増幅器とCR回路からなるアクティブフィルタを用いた高周波ノイズ対策が知られている(例えば、特許文献1の段落0009参照)。 In the above description, the operational amplifier described in FIG. 4 has been described as a conventional operational amplifier that has taken measures to reduce high-frequency external noise. In general, an operational amplifier that uses an operational amplifier and a CR circuit is used in an operational amplifier. High frequency noise countermeasures are known (for example, see paragraph 0009 of Patent Document 1).
しかし、実際には、高周波外来ノイズは、演算増幅器のチップ全体に照射され、その演算増幅器の全ノードに高周波外来ノイズが入力される。高周波外来ノイズ対策を施した図4の回路では、「差動増幅器10’+ベース接地増幅回路20」の構成を有するので、トランジスタQ1のコレクタのノードCでも、高周波外来ノイズの影響を大きく受ける。その理由を以下で説明する。
However, in practice, the high-frequency external noise is applied to the entire operational amplifier chip, and the high-frequency external noise is input to all nodes of the operational amplifier. The circuit of FIG. 4 in which countermeasures against high-frequency external noise are taken has the configuration of “
非反転入力端子1の側であるノードAのインピーダンスRA、抵抗R1とトランジスタQ1のベースとの間のノードBのインピーダンスRB、前記ノードCのインピーダンスRCの大きさは、入力する信号源のインピーダンスをRS、トランジスタQ1のトランスコンダクタンスをgm1として、
で表される。
The impedance R A of the node A on the
It is represented by
非反転入力端子1に接続される抵抗R1は、ほとんどESD保護素子として設置される抵抗分であり、100Ω〜2kΩが選定されるが、近年のDC仕様の厳しさから、限りなく0Ωに近づく傾向にある。したがって、ノードBから入力される高周波外来ノイズの信号をフィルタリングするためには、キャパシタC2の値をかなり大きな値に選定しなければならない。
The resistor R1 connected to the
図4の演算回路においては、キャパシタC2〜C4の値を各々2pF、抵抗R1,R2の値を各々200Ωとすると、カットオフ周波数fc1は、
となる。
In the arithmetic circuit of FIG. 4, when the values of the capacitors C2 to C4 are 2 pF and the values of the resistors R1 and R2 are 200 Ω, the cutoff frequency fc1 is
It becomes.
以上により、キャパシタC2〜C4および抵抗R1,R2によって、ノードBから混入する高周波外来ノイズは低減させることができる。また、ノードAから混入した高周波外来ノイズについても、ノードBを通過するので、同様に低減させることができる。 As described above, the high-frequency external noise mixed from the node B can be reduced by the capacitors C2 to C4 and the resistors R1 and R2. Further, the high-frequency external noise mixed from the node A also passes through the node B, and can be similarly reduced.
ところで、ノードCに直接照射される高周波外来ノイズについては、インピーダンスRCが小さければ、その高周波外来ノイズの振幅が低減されるので大きな問題はないが、低消費電流で設計される演算増幅器では、そのノードCのインピーダンスRCが小さく見えることはない。 By the way, for the high frequency external noise directly irradiated to the node C, if the impedance RC is small, the amplitude of the high frequency external noise is reduced, so that there is no big problem. However, in the operational amplifier designed with low current consumption, The impedance R C of the node C does not appear small.
現実的には、トランジスタQ1のコレクタ電流が25μAのときはgm1=0.95m[1/Ω]となるので、インピーダンスRCの値は式(3)から約520Ωとなる。演算増幅器が高周波領域で動作すると、トランジスタQ1の電流増幅率βは、β≒1となり、式(3)は式(3’)のようになる。
この式(3’)によれば、インピーダンスRCの値は約260Ωとなる。なお、詳細に計算すると、260Ωよりもいくらか大きくなるが、ここでは計算は割愛する。
In practice, the collector current of the transistor Q1 is gm1 = 0.95m [1 / Ω] when the 25 .mu.A, the value of the impedance R C is about 520Ω from equation (3). When the operational amplifier operates in the high frequency region, the current amplification factor β of the transistor Q1 becomes β≈1, and Equation (3) becomes Equation (3 ′).
According to this equation (3 ′), the value of the impedance R C is about 260Ω. Note that, when calculated in detail, it is somewhat larger than 260Ω, but the calculation is omitted here.
重要なことは、ノードCのインピーダンスRCの実抵抗成分が200Ω以上に大きくなると、そこに高周波外来ノイズが電圧として印加可能になることである。これを、演算増幅器の利得の観点から検討する。 What is important is that when the actual resistance component of the impedance R C of the node C becomes larger than 200Ω, high-frequency external noise can be applied thereto as a voltage. This will be examined from the viewpoint of the gain of the operational amplifier.
図4の演算増幅器における「差動増幅器10’+ベース接地増幅回路20」の構成は、差動増幅器10’のトランジスタQ1のエミッタのノードCを信号入力点とすると、「ベース接地増幅回路+ベース接地増幅回路20」と等価となる。よって、このときの電圧利得AVは、Vnoiseを入力電圧、ノードDのインピーダンスをRDとし、そのノードDの電圧をVDとし、gm4をトランジスタQ4のトランスコンダクタンスとすると、
となる。
The configuration of “
It becomes.
この式(5)は、ノードCに信号を入力しても、同等のゲインで増幅できることを示す。このとき、トランジスタQ1のコレクタ電流が13mA以上であれば、ノードCの高周波領域での実抵抗成分は、式(3’)より1Ω以下となり、−10dBmの信号を入力し電圧変換しても、10mV以下となり、よって高周波外来ノイズが照射されていも、影響は小さいといえる。 This equation (5) indicates that even if a signal is input to the node C, it can be amplified with the same gain. At this time, if the collector current of the transistor Q1 is 13 mA or more, the actual resistance component in the high frequency region of the node C is 1Ω or less from the equation (3 ′), and even if a signal of −10 dBm is input and converted into voltage, Therefore, even if high frequency external noise is irradiated, it can be said that the influence is small.
しかし、実際の低消費電流化した演算増幅器は数十μAの小さなコレクタ電流で動作するので、ノードCの実抵抗成分は200Ω以上の有意な値をとり、高周波外来ノイズの影響が無視できない。演算増幅器を低消費電流に設計するほど、トランジスタQ1のコレクタ電流は縮小され、結果としてノードCのインピーダンスは非常に高くなる傾向にある。 However, since the actual operational amplifier with reduced current consumption operates with a small collector current of several tens of μA, the actual resistance component of the node C takes a significant value of 200Ω or more, and the influence of high-frequency external noise cannot be ignored. As the operational amplifier is designed to have a lower current consumption, the collector current of the transistor Q1 is reduced, and as a result, the impedance of the node C tends to be very high.
この低消費電流になるほど有意な抵抗成分を示し、かつ高周波外来ノイズ低減を必要とするノードCにおいて、対策を施した例はこれまでにない。図4の従来の演算増幅器は、ノードA,Bから重畳する高周波外来ノイズを低減できるが、ノードCから重畳する高周波外来ノイズは低減できない。 There has never been an example in which a countermeasure has been taken at node C that shows a significant resistance component as the current consumption becomes lower and requires high-frequency external noise reduction. The conventional operational amplifier of FIG. 4 can reduce high-frequency external noise superimposed from nodes A and B, but cannot reduce high-frequency external noise superimposed from node C.
図8のP3は、図6(b)に示すように、図4の演算増幅器の差動増幅器10’のトランジスタQ1,Q2のエミッタのノードCに直接に仮想モデル信号Vnoiseを入力させ、図5(b)の検証回路を使用した場合の周波数特性である。この特性P3は、対策なしの従来の図3の演算増幅器について同様に仮想モデル信号Vnoiseを入力した場合の特性P2とほぼ同等であり、高周波外来ノイズの低減能力はない。
P3 in FIG. 8 causes the virtual model signal Vnoise to be directly input to the node C of the emitters of the transistors Q1 and Q2 of the
なお、トランジスタQ4のコレクタであるノードDより後段のゲインの計算は、ノードDのインピーダンスに含めることで割愛する。たとえノードDより後段のノードに高周波外来ノイズが重畳しても、その影響は演算増幅器の入力換算エラーとしてわずかな値にしかならない。 The calculation of the gain after the node D, which is the collector of the transistor Q4, is omitted by including it in the impedance of the node D. Even if high-frequency external noise is superimposed on a node subsequent to node D, the effect is only a small value as an input conversion error of the operational amplifier.
本発明の目的は、入力側の差動増幅器のトランジスタのエミッタのノードに高周波外来ノイズが重畳しても、これを効果的に低減できるようにした演算増幅器を提供することである。 An object of the present invention is to provide an operational amplifier capable of effectively reducing high-frequency external noise even if it is superimposed on the emitter node of the transistor of the differential amplifier on the input side.
上記目的を達成するために、請求項1にかかる発明は、第1の電源端子に一端が接続された第1の電流源、該第1の電流源の他端にエミッタが共通接続された第1の導電型の第1および第2のトランジスタ、該第1のトランジスタのコレクタと第2の電源端子との間に接続された第1の負荷抵抗、および前記第2のトランジスタのコレクタと前記第2の電源端子との間に接続された第2の負荷抵抗からなる入力側の差動増幅回路と、エミッタが前記第2のトランジスタのコレクタに接続されコレクタが前記第1の電源端子に第2の電流源を介して接続された第2の導電型の第3のトランジスタ、エミッタが前記第1のトランジスタのコレクタに接続されコレクタが前記第1の電源端子に第3の電流源を介して接続された第2の導電型の第4のトランジスタ、および前記第3および第4のトランジスタにベースバイアスを与えるベースバイアス回路からなり、前記第4のトランジスタのコレクタから出力を取り出すベース接地増幅回路と、を含む演算増幅器において、前記第1および第2のトランジスタのエミッタと前記第1の電源端子、前記第2の電源端子、又は接地との間に、第1のキャパシタを接続したことを特徴とする。 To achieve the above object, according to a first aspect of the present invention, there is provided a first current source having one end connected to the first power source terminal, and a first current source having an emitter connected in common to the other end of the first current source. First and second transistors of one conductivity type, a first load resistor connected between a collector of the first transistor and a second power supply terminal, and a collector of the second transistor and the second transistor A differential amplifier circuit on the input side composed of a second load resistor connected between the two power supply terminals, an emitter connected to the collector of the second transistor, and a collector connected to the first power supply terminal A third transistor of the second conductivity type connected via the current source of the first transistor, an emitter connected to the collector of the first transistor, and a collector connected to the first power supply terminal via the third current source Of the second conductivity type An operational amplifier comprising: a transistor; and a base-bias amplifier circuit that includes a base-bias circuit that applies a base bias to the third and fourth transistors, and that outputs an output from a collector of the fourth transistor. A first capacitor is connected between the emitter of the second transistor and the first power supply terminal, the second power supply terminal, or the ground.
請求項2にかかる発明は、請求項1に記載の演算増幅器において、前記第1のトランジスタのベースと前記第1の電源端子、前記第2の電源端子、又は接地との間に第2のキャパシタを、前記第2のトランジスタのベースと前記第1の電源端子、前記第2の電源端子、又は接地との間に第3のキャパシタを、前記第1のトランジスタのベースと前記第2のトランジスタのベースとの間に第4のキャパシタを、それぞれ接続したことを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the operational amplifier according to the first aspect, a second capacitor is provided between the base of the first transistor and the first power supply terminal, the second power supply terminal, or the ground. A third capacitor between the base of the second transistor and the first power supply terminal, the second power supply terminal, or the ground, and the base of the first transistor and the second transistor A fourth capacitor is connected to the base, respectively.
請求項3にかかる発明は、請求項1又は2に記載の演算増幅器において、前記第1乃至第4のトランジスタをFETトランジスタに置き換え、前記コレクタをドレインに、前記エミッタをソースに、前記ベースをゲートに置き換え、前記ベース接地増幅回路をゲート接地増幅回路に置き換えたことを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the operational amplifier according to the first or second aspect, the first to fourth transistors are replaced with FET transistors, the collector is a drain, the emitter is a source, and the base is a gate. The grounded base amplifier circuit is replaced with a grounded gate amplifier circuit.
本発明によれば、入力側の差動増幅器の第1および第2のトランジスタのエミッタ又はソースに第1のキャパシタを接続しているので、それらのトランジスタのエミッタ又はソースに重畳する高周波外来ノイズの悪影響を、効果的に低減させることができる。 According to the present invention, since the first capacitor is connected to the emitters or sources of the first and second transistors of the differential amplifier on the input side, the high-frequency external noise superimposed on the emitters or sources of these transistors is reduced. Adverse effects can be effectively reduced.
図1に本発明の第1の実施例の演算増幅器を示す。10Aは入力側の差動増幅回路であり、PNPトランジスタQ1,Q2、そのトランジスタQ1,Q2のエミッタに接続された電流源I1、入力抵抗R1,R2、負荷抵抗R3,R4、およびキャパシタC1からなる。キャパシタC1は、トランジスタQ1,Q2のエミッタと低電圧電源端子5との間に接続されている。ベース接地増幅回路20、エミッタホロワ回路30、および出力回路40は、図3と同じ構成である。このように、本実施例は、図3の従来の演算増幅器において、トランジスタQ1,Q2のエミッタと低電圧電源端子5との間に、ローパスフィルタ用のキャパシタC1を接続したものである。
FIG. 1 shows an operational amplifier according to a first embodiment of the present invention.
図2に本発明の第2の実施例の演算増幅器を示す。本実施例は、入力側の差動増幅回路10Bに、キャパシタC1の他に、図4の演算増幅器と同様に、トランジスタQ1,Q2のベースと接地間にキャパシタC2,C3を接続し、さらにそのベース間にキャパシタC4を接続したところが、図1の演算増幅器と異なる。
FIG. 2 shows an operational amplifier according to a second embodiment of the present invention. In this embodiment, in addition to the capacitor C1, capacitors C2 and C3 are connected between the bases of the transistors Q1 and Q2 and the ground, in addition to the capacitor C1, to the
図7のS1は、図5(a)の検証回路を使用して、図2の演算増幅器をシミュレーションして得た周波数特性である。このように、反転入力端子2に仮想モデル信号Vnoiseを入力したときは、高周波外来ノイズ対策を施した図4の演算増幅器の周波数特性S3とほぼ同等に、高周波領域において利得を抑制できている。
S1 in FIG. 7 is a frequency characteristic obtained by simulating the operational amplifier in FIG. 2 using the verification circuit in FIG. As described above, when the virtual model signal Vnoise is input to the inverting
図8のP1は、図6(a)に示すように、図2の演算増幅器の差動増幅器10BのトランジスタQ1,Q2のエミッタのノードCに、直接に仮想モデル信号Vnoiseを入力させ、図5(b)の検証回路を使用した場合の周波数特性である。この特性P1は、高周波外来ノイズ低減対策なしの従来の図3の演算増幅器について同様に仮想モデル信号Vnoiseを入力した場合の特性P2、および高周波外来ノイズ低減対策ありの従来の図4の演算増幅器について同様に仮想モデル信号Vnoiseを入力した場合{図6(b)}の特性P3と比べて、大幅に高周波領域における利得の抑制が実現されている。この結果、トランジスタQ1,Q2のエミッタのノードCに高周波外来ノイズが照射された場合でも、それを低減できることが明らかになった。
As shown in FIG. 6A, the virtual model signal Vnoise is input directly to the node C of the emitters of the transistors Q1 and Q2 of the
また、式(3)から、トランジスタQ1,Q2のコレクタ電流を小さく設定するほどコレクタのインピーダンスRCが増大するので、同じカットオフ周波数であれば、式(4)により、キャパシタC1の値を小さくすることができる。すなわち、演算増幅器を低消費電流化し、トランジスタQ1,Q2のコレクタ電流を低電流に設計するほど、キャパシタC1の値を小さくでき、小型化を実現できる。 Further, from equation (3), the collector impedance RC increases as the collector currents of the transistors Q1 and Q2 are set smaller. Therefore, if the cutoff frequency is the same, the value of the capacitor C1 is reduced by equation (4). can do. That is, the value of the capacitor C1 can be reduced and the size can be reduced as the operational amplifier has a lower current consumption and the collector currents of the transistors Q1 and Q2 are designed to be lower.
なお、図1および図2の実施例において、トランジスタQ1,Q2のエミッタに一端が接続されるキャパシタC1は、その他端を、接地に接続しても、高電圧電源端子4に接続しても良い。また、図2の実施例において、トランジスタQ1,Q2のベースに一端が接続されるキャパシタC2,C3について、その他端を、高電圧電源端子4に接続しても、低電圧電源端子5に接続しても良い。さらに、図1,図2では演算増幅器をPNP型、NPN型のバイポーラトランジスタで構成したが、NMOS、PMOSのFETトランジスタで構成することもできる。
1 and 2, the capacitor C1 having one end connected to the emitters of the transistors Q1 and Q2 may be connected to the ground or the high voltage
1:非反転入力端子、2:反転入力端子、3:出力端子、4:高電圧電源端子、5:低電圧電源端子
10,10’,10A,10B:入力側の差動増幅回路
20:ベース接地増幅回路
30:エミッタホロワ回路
40:出力回路
1: non-inverting input terminal, 2: inverting input terminal, 3: output terminal, 4: high voltage power supply terminal, 5: low voltage
Claims (3)
エミッタが前記第2のトランジスタのコレクタに接続されコレクタが前記第1の電源端子に第2の電流源を介して接続された第2の導電型の第3のトランジスタ、エミッタが前記第1のトランジスタのコレクタに接続されコレクタが前記第1の電源端子に第3の電流源を介して接続された第2の導電型の第4のトランジスタ、および前記第3および第4のトランジスタにベースバイアスを与えるベースバイアス回路からなり、前記第4のトランジスタのコレクタから出力を取り出すベース接地増幅回路と、を含む演算増幅器において、
前記第1および第2のトランジスタのエミッタと前記第1の電源端子、前記第2の電源端子、又は接地との間に、第1のキャパシタを接続したことを特徴とする演算増幅器。 A first current source having one end connected to a first power supply terminal; a first conductivity type first and second transistor having an emitter commonly connected to the other end of the first current source; A first load resistor connected between the collector of the first transistor and the second power supply terminal, and a second load resistor connected between the collector of the second transistor and the second power supply terminal An input side differential amplifier circuit comprising:
A third transistor of the second conductivity type having an emitter connected to the collector of the second transistor and a collector connected to the first power supply terminal via a second current source, and an emitter being the first transistor A base bias is applied to the fourth transistor of the second conductivity type, the collector of which is connected to the first power supply terminal via a third current source, and the third and fourth transistors. An operational amplifier including a base bias circuit and a grounded base amplification circuit that extracts an output from a collector of the fourth transistor;
An operational amplifier comprising a first capacitor connected between the emitters of the first and second transistors and the first power supply terminal, the second power supply terminal, or the ground.
前記第1のトランジスタのベースと前記第1の電源端子、前記第2の電源端子、又は接地との間に第2のキャパシタを、前記第2のトランジスタのベースと前記第1の電源端子、前記第2の電源端子、又は接地との間に第3のキャパシタを、前記第1のトランジスタのベースと前記第2のトランジスタのベースとの間に第4のキャパシタを、それぞれ接続したことを特徴とする演算増幅器。 The operational amplifier according to claim 1,
A second capacitor between the base of the first transistor and the first power supply terminal, the second power supply terminal, or the ground; the base of the second transistor and the first power supply terminal; A third capacitor is connected between the second power supply terminal or the ground, and a fourth capacitor is connected between the base of the first transistor and the base of the second transistor, respectively. Operational amplifier.
前記第1乃至第4のトランジスタをFETトランジスタに置き換え、前記コレクタをドレインに、前記エミッタをソースに、前記ベースをゲートに置き換え、前記ベース接地増幅回路をゲート接地増幅回路に置き換えたことを特徴とする演算増幅器。 The operational amplifier according to claim 1 or 2,
The first to fourth transistors are replaced with FET transistors, the collector is replaced with a drain, the emitter is replaced with a source, the base is replaced with a gate, and the grounded base amplifier circuit is replaced with a grounded gate amplifier circuit. Operational amplifier.
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