JP5432839B2

JP5432839B2 - 可変ゲイン差動入出力アンプ

Info

Publication number: JP5432839B2
Application number: JP2010148548A
Authority: JP
Inventors: 和宏高鳥
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2010-06-30
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2030-06-30
Also published as: JP2012015676A

Description

本発明は、ゲイン抵抗の比を選択することによりゲインを変化させる可変ゲイン差動入出力アンプに関する。

従来の差動入出力アンプを図６に示す。この差動入出力アンプはオペアンプ（演算増幅器）１１の出力とオペアンプ１２の出力との間に抵抗Ｒａ(抵抗値Ｒａ)、Ｒｇ（抵抗値Ｒｇ）およびＲｂ（抵抗値Ｒｂ）を直列に接続し、抵抗ＲａとＲｇの接続点とオペアンプ１１の反転入力端子を接続すると共に、抵抗ＲｇとＲｂの接続点とオペアンプ１２の反転入力端子を接続している。そして、オペアンプ１１の正転入力端子の電圧Ｖｉｎ１とオペアンプ１２の正転入力端子の電圧Ｖｉｎ２との電位差を増幅して、オペアンプ１１の出力電圧Ｖｏｕｔ１とオペアンプ１１の出力電圧Ｖｏｕｔ２との電位差Ｖｏｕｔ（Ｖｏｕｔ＝Ｖｏｕｔ１−Ｖｏｕｔ２）として出力する。

上記出力電圧Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２およびＶｏｕｔは以下の式により表される。

これより電位差Ｖｏｕｔは、

となり、電圧Ｖｉｎ１とＶｉｎ２の電位差入力が、（１＋（Ｒａ＋Ｒｂ）／Ｒｇ）倍に増幅されて出力電圧Ｖｏｕｔ１とＶｏｕｔ２の電位差出力として出力されることが分かる。

条件として、抵抗ＲａとＲｂの抵抗値が等しく（Ｒａ＝Ｒｂ＝Ｘ）、且つ、値Ｙを抵抗値Ｒｇの１／２の値（Ｙ＝Ｒｇ／２）であるとすると、式（３）はより簡略化され、

となる。

オペアンプを使用してゲインの切換えをおこなう従来技術には、ゲイン設定用の抵抗比を切換えてゲインを変化させる可変ゲインアンプがある。例えば特許文献１には帰還抵抗と入力抵抗の比を変えることによりゲインを変える可変ゲインアンプが開示されている。

第１の従来例として、差動入出力アンプを使用した可変ゲインアンプの例を図５に示す。この方式は抵抗Ｒｇ０と並列に新たな抵抗を接続していくことにより、アンプのゲインを変えている。この方式は特に整数倍のゲインを得るのに有利であり以下に動作を説明する。

整数倍のゲインを得るための条件として、抵抗Ｒｇ０〜Ｒｇｎの抵抗値を全て等しく（抵抗値Ｒｇ）設定し、且つ、抵抗ＲａとＲｂの抵抗値が等しく、抵抗値が抵抗Ｒｇ０の１／２である（Ｒａ＝Ｒｂ＝Ｒｇ／２）とする。
まず、全てのスイッチ（ＳＷａ１〜ＳＷａｎ、ＳＷｂ１〜ＳＷｂｎ）がオフの状態では、差動入出力アンプのゲインは式（３）より、

となり、２倍のゲインを得ることができる。

次に、スイッチＳＷａ１、ＳＷｂ１をオン、それ以外のスイッチをオフにすると、

となり、３倍のゲインを得ることができる。
同様にして、抵抗Ｒｇ０と並列に、抵抗Ｒｇ０と同一抵抗値の抵抗を次々と接続していくことにより整数倍のゲインの可変ゲインアンプが実現できる。

この方式の利点は、抵抗Ｒｇ０〜Ｒｇｎを単位抵抗で構成し、抵抗Ｒａ、Ｒｂを２個の単位抵抗を並列接続させて構成することにより、使用する単位抵抗の数を減らせることである。ここで言う単位抵抗とは、抵抗分割の精度を高めるために使用する、同一抵抗値を有する抵抗のことである。図５に示す方式では、ゲインを２〜ｎ（整数）倍に可変するためのゲイン抵抗を、（ｎ＋３）個の単位抵抗により構成することができる。

しかしながら、通常可変ゲイン差動入出力アンプを半導体基板上で実現させる場合は、上記スイッチをアナログスイッチにより実現させるのが一般的である。その場合、アナログスイッチのオン抵抗は無視できないため、アナログスイッチのオン抵抗が所定の精度以下になるようにゲイン切換え用の抵抗値とアナログスイッチのオン抵抗値の比を設計する必要がある。そのためアナログスイッチのサイズを大きくしてオン抵抗を下げることが不可欠となり、チップサイズが大きくなるデメリットが発生する。また、この方式ではゲインステップ数が増加するほど、アナログスイッチのオン抵抗の影響が効いてくるため、単純に単位抵抗の数からゲインを算出することができない。さらに、ゲイン設定を変更すると差動入出力アンプの負荷抵抗値が変化してしまう問題点がある。

第２の従来例として、直列に接続する単位抵抗からなる複数の抵抗群により構成される抵抗列を２つのオペアンプの出力間に接続すると共に、隣り合う上記の抵抗群の接続点を複数のスイッチを介してオペアンプの反転入力と接続し、複数のスイッチの一組を選択することにより差動入出力アンプのゲインを切換える方式がある。

図４にゲインが２、３倍に設定可能な可変ゲイン差動入出力アンプの一例を示す。スイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂをオン、それ以外のスイッチをオフにすることにより２倍のゲインが、スイッチＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂをオン、それ以外のスイッチをオフにすることにより３倍のゲインが得られる構成となっている。ゲイン抵抗を構成する単位抵抗の数を以下で求める。

条件として、抵抗群Ｒ１ａ（抵抗値Ｒ１ａ）とＲ１ｂ（抵抗値Ｒ１ｂ）の抵抗値が等しく（Ｒ１ａ＝Ｒ１ｂ＝Ｘ１）、抵抗群Ｒ２ａ（抵抗値Ｒ２ａ）とＲ２ｂ（抵抗値Ｒ２ｂ）の抵抗値が等しい（Ｒ２ａ＝Ｒ２ｂ＝Ｘ２）。値Ｙを抵抗群Ｒｇの抵抗値Ｒｇの１／２（Ｙ＝Ｒｇ／２）であるとする。各抵抗値とゲインの関係を式（４）に代入して以下の連立方程式（５）、（６）が得られる。

この連立方程式を解くと、各抵抗値の比はＸ１：Ｘ２：Ｙ＝１：１／３：２／３となる。

これより、各抵抗群を構成する単位抵抗の数を求めると、抵抗群Ｒ１ａ、Ｒ１ｂはそれぞれ１個の単位抵抗により、抵抗群Ｒ２ａ、Ｒ２ｂはそれぞれ３個の単位抵抗を並列接続することにより、また、抵抗群Ｒｇは単位抵抗を４個直列接続したものを３個並列接続することにより構成されることが分かる。このように、ゲインを２、３倍に変える可変ゲイン差動入出力アンプのゲイン抵抗は、２＋６＋１２（＝２０）個の単位抵抗により構成される。

次に、ゲインステップをより増やした例として、図３にゲインが２〜９の整数倍に設定可能な可変ゲイン差動入出力アンプを示す。スイッチＳＷｎａ（ｎ＝１〜８）と、ＳＷｎｂ（ｎ＝１〜８）から一組のスイッチを選択してオンに、それ以外のスイッチをオフにすることで、ｎ＋１（ｎ＝１〜８）倍のゲインが得られるように構成している。

条件として、抵抗群Ｒｎａ（抵抗値Ｒｎａ）（ｎ＝１〜８）と抵抗群Ｒｎｂ（抵抗値Ｒｎｂ）（ｎ＝１〜８）の抵抗値が等しい（Ｒｎａ＝Ｒｎｂ＝Ｘｎ（ｎ＝１〜８））、抵抗群Ｒｇの抵抗値の１／２が値Ｙ（Ｙ＝Ｒｇ／２）であるとする。各抵抗値とゲインの関係を式（４）に代入すると以下の連立方程式（７）〜（１４）が得られる。

この連立方程式を解いて、Ｘ１〜Ｘ８，Ｙの比を求めると、規則性のある式（１５）が得られる。

式（１５）から分かるように、抵抗群Ｒ１ａ、Ｒ１ｂを１つの単位抵抗で構成すると、抵抗群Ｒ２ａ、Ｒ２ｂはそれぞれ３個、抵抗群Ｒ３ａ、Ｒ３ｂはそれぞれ６個、抵抗群Ｒ４ａ、Ｒ４ｂはそれぞれ１０個、抵抗群Ｒ５ａ、Ｒ５ｂはそれぞれ１５個、抵抗群Ｒ６ａ、Ｒ６ｂはそれぞれ２１個、抵抗群Ｒ７ａ、Ｒ７ｂはそれぞれ２８個、抵抗群Ｒ８ａ、Ｒ８ｂはそれぞれ３６個、Ｒｇは３６個（４個を直列にしたものを９個並列）の単位抵抗より構成され。合計２７６個の単位抵抗によりゲイン抵抗が構成されることになる。

以上述べたように、この方式による可変ゲイン差動入出力アンプでは、ゲインが２ステップ（２〜３倍の整数）から８ステップ（２〜９倍の整数）に増えると、ゲイン抵抗を構成する単位抵抗の数は２０個から２７６個に急激に増大する。このため、この方式により数十ステップのゲイン設定を実現させるのは現実的ではない。

特開２００１−２９８３３７号公報

このように、２つのオペアンプの出力間に１列の抵抗列を接続し、当該抵抗列を所定の抵抗比になるように、複数の抵抗群を直列接続して構成にすると共に、上記抵抗比の精度を確保するために、各抵抗群を単位抵抗の組み合わせにより構成しようとすると、ゲインのステップ数の増加にともない単位抵抗の数が急激に多くなるという問題点がある。

本発明は、かかる点に鑑み、単位抵抗の数を最小限に抑えた可変ゲイン差動入出力アンプを提供することを目的とする。

上記課題を解決するための第１の発明は、第１のオペアンプと、第２のオペアンプと、前記第１のオペアンプの出力と前記第２のオペアンプの出力間に単位抵抗からなる抵抗群を複数直列接続して複数のゲイン設定値に対応する分割比に抵抗分割した第１の抵抗列と、前記抵抗分割により得られる分割電圧を選択して前記第１及び前記第２のオペアンプの反転入力に入力するスイッチ手段とを備える可変ゲイン差動入出力アンプにおいて、単位抵抗からなる抵抗群を複数直列に接続して前記複数のゲイン設定値より高いゲイン設定値に対応する分割比に抵抗分割した第２の抵抗列を前記第１の抵抗列と並列に接続することを特徴とする。

第２の発明は、第１のオペアンプと、第２のオペアンプと、前記第１のオペアンプの出力と前記第２のオペアンプの出力間に単位抵抗からなる抵抗群を複数直列接続して複数のゲイン設定値に対応する分割比に抵抗分割した第１の抵抗列と、前記第１のオペアンプの出力と前記第２のオペアンプの出力間に単位抵抗からなる抵抗群を複数直列接続して抵抗分割して１つのゲイン設定値に対応する分割比にした第２の抵抗列と、前記抵抗分割により得られる分割電圧を選択して前記第１及び前記第２のオペアンプの反転入力に入力するスイッチ手段とを備えるゲインが２から連続する整数値に設定可能な可変ゲイン差動入出力アンプにおいて、前記１つのゲイン設定値が奇数値であることを特徴とする。

本発明では、１本の抵抗列によりゲイン抵抗を構成する従来の可変ゲイン差動入出力アンプに比べて単位抵抗の数を少なくすることができ、よってレイアウト面積を小さく抑えることができる。

本発明の第１の実施例の可変ゲイン差動入出力アンプの回路図である。本発明の第２の実施例の可変ゲイン差動入出力アンプの回路図である。従来の可変ゲイン差動入出力アンプ（ゲインは２〜９の整数倍）の回路図である。従来の可変ゲイン差動入出力アンプ（ゲインは２〜３の整数倍）の回路図である。従来の可変ゲイン差動入出力アンプ（ゲインは２〜ｎの整数倍）の回路図である。従来の差動入出力アンプの回路図である。

以下、本発明の実施例について、図１乃至図２を参照しつつ説明する。

図１に、本発明の第１の実施例であるゲインを２〜９の整数倍に設定可能な可変ゲイン差動入出力アンプの回路を示す。以下、本発明の第１の実施例と図３の従来例とを比較しながら説明する。

図３に示すような抵抗群を直列に接続した１本の抵抗列２５により全てのゲイン設定をおこなう従来方式では、式（１５）から分かるように高いゲインを設定するための抵抗群において単位抵抗の数が多くなっている。そこで、高いゲイン設定は、低いゲイン設定をおこなう抵抗列と分け、新たに抵抗列を並列に接続したほうが単位抵抗の数を減らすことができる。つまり、第１の実施例（図１）では、ゲインを９に設定するための抵抗群Ｒ８ａ´（抵抗値Ｒ８ａ´）、Ｒ８ｂ´（抵抗値Ｒ８ｂ´）を抵抗列２１から分離して、抵抗群Ｒｇ２（抵抗値Ｒｇ２）とともに、新たな抵抗列２２として抵抗列２１と並列に接続させている。

抵抗群Ｒ８ａ´、Ｒ８ｂ´、Ｒｇ２の単位抵抗数は、式（３）にゲイン設定値の９を代入することで求められる。式（３）から１＋（Ｒ８ａ＋Ｒ８ｂ）／Ｒｇ３＝９となり、条件として、抵抗群Ｒ８ａ（抵抗値Ｒ８ａ）、Ｒ８ｂ（抵抗値Ｒ８ｂ）の抵抗値が等しい（Ｒ８ａ＝Ｒ８ｂ＝Ｒ８）とすると、Ｒｇ３＝Ｒ８／４となる。よって、抵抗群Ｒａ´、Ｒｂ´はそれぞれ１個、抵抗群Ｒｇ２は４個の単位抵抗により構成される。

また、図３の抵抗群Ｒ８ａ、Ｒｇ、Ｒ８ｂは、図１の抵抗群Ｒｇ１としてまとめられる。これは、式（１５）から抵抗群Ｒ８ａ、Ｒｇ、Ｒ８ｂの合計の抵抗比を求めると１／３６＋４／９＋１／３６＝１／２となり、図１の抵抗群Ｒｇ１は２個の単位抵抗で構成できることが分かる。

以上より、図３の従来回路の抵抗群Ｒ８ａ、Ｒ８ｇ、Ｒ８ｂは計１０８個の単位抵抗により構成されていた。これに対し、本発明の第１の実施例では抵抗群Ｒｇ１、Ｒ８ａ´、Ｒｇ２、Ｒ８ｂ´は６個の単位抵抗で構成できる。

本発明の第２の実施例の回路図を図２に示す。従来例で示したように、可変ゲイン差動入出力アンプのゲインが２、３、４、・・・のように連続的に変化する場合は、１つのゲイン抵抗列において設定するゲインの値を選択することにより効率的に単位抵抗の数を減らすことが可能である。例えば、式（１５）から、ゲインが（２ｎ＋１）（ｎは整数）、（２ｎ＋２）倍に設定するためのゲイン抵抗の比は、Ｘ_2n：Ｘ_2n+1＝２／２ｎ×（２ｎ＋１）：２／（２ｎ＋１）×（２ｎ＋２）と表される。そこでゲイン（２ｎ＋１）をこの抵抗列において設定せず、ゲイン（２ｎ＋２）のみを設定すると、抵抗比は、Ｘ_2n＋Ｘ_2n+1＝１／ｎ×（ｎ＋１）となり式を簡略化することができる。そしてゲイン（２ｎ＋１）の設定は、新たに従来の抵抗列と並列に接続する抵抗列において設定することとする。新しい抵抗列を接続しゲイン（２ｎ＋１）を実現するために必要な単位抵抗の数は（ｎ＋１）個となる。このようにゲインが連続する可変ゲイン差動入出力アンプでは、奇数値（２ｎ＋１）のゲイン設定は、従来の複数のゲイン設定をおこなう抵抗列とは別に新たに抵抗列を並列接続してゲイン設定をおこなうほうが単位抵抗の数を少なくすることができる。

一例として、ｎ＝３の場合を以下に示す。式（１５）から、Ｘ６：Ｘ７＝１／２１：１／２８となる。これより、図３の従来例の抵抗群Ｒ６ａ、Ｒ６ｂは計４２個、抵抗群Ｒ７ａ、Ｒ７ｂは計５６個の単位抵抗により構成されることが分かる。これに対し、図２に示す第２の実施例では、抵抗群Ｒ７ａ´、Ｒ７ｂ´は計２４個（Ｘ６＋Ｘ７＝１／１２より）の単位抵抗で構成され、ゲインを７に設定する新たな抵抗列２４は計５個の単位抵抗により構成される。このように本発明の第２の実施例によると、従来例と比べ６９個の単位抵抗が減っていることが分かる。

しかしながら、上記第１の実施例及び第２の実施例では、抵抗列を増やすことによりオペアンプの負荷抵抗が大きくなってしまう欠点がある。このためオペアンプの駆動能力、抵抗で発生する熱雑音、レイアウト面積などにより抵抗列の数を総合的に判断する必要がある。

１１、１２：オペアンプ
２１、２２、２３、２４、２５：抵抗列
Ｒ６ａ´、Ｒ６ｂ´、Ｒ７ａ´、Ｒ７ｂ´、Ｒ８ａ´、Ｒ８ｂ´：抵抗群
Ｒ１ａ〜Ｒ８ａ、Ｒ１ｂ〜Ｒ８ｂ、Ｒｇ１、Ｒｇ２、Ｒｇ３：抵抗群
ＳＷ１ａ〜ＳＷ８ａ、ＳＷ１ｂ〜ＳＷ８ｂ：スイッチ

Claims

第１のオペアンプと、
第２のオペアンプと、
前記第１のオペアンプの出力と前記第２のオペアンプの出力間に単位抵抗からなる抵抗群を複数直列接続して複数のゲイン設定値に対応する分割比に抵抗分割した第１の抵抗列と、
前記抵抗分割により得られる分割電圧を選択して前記第１及び前記第２のオペアンプの反転入力に入力するスイッチ手段とを備える可変ゲイン差動入出力アンプにおいて、
単位抵抗からなる抵抗群を複数直列に接続して前記複数のゲイン設定値より高いゲイン設定値に対応する分割比に抵抗分割した第２の抵抗列を前記第１の抵抗列と並列に接続することを特徴とする可変ゲイン差動入出力アンプ。
第１のオペアンプと、
第２のオペアンプと、
前記第１のオペアンプの出力と前記第２のオペアンプの出力間に単位抵抗からなる抵抗群を複数直列接続して複数のゲイン設定値に対応する分割比に抵抗分割した第１の抵抗列と、
前記第１のオペアンプの出力と前記第２のオペアンプの出力間に単位抵抗からなる抵抗群を複数直列接続して抵抗分割して１つのゲイン設定値に対応する分割比にした第２の抵抗列と、
前記抵抗分割により得られる分割電圧を選択して前記第１及び前記第２のオペアンプの反転入力に入力するスイッチ手段とを備えるゲインが２から連続する整数値に設定可能な可変ゲイン差動入出力アンプにおいて、
前記１つのゲイン設定値が奇数値であることを特徴とする可変ゲイン差動入出力アンプ。