JP5555600B2 - Current mirror circuit - Google Patents
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Description
本発明は、電流源からミラー元のトランジスタに流れる参照電流を基準値として、ミラー先のトランジスタに流れる出力電流にミラーすることによって、所望の出力電流を生成するカレントミラー回路に関するものである。 The present invention relates to a current mirror circuit that generates a desired output current by using a reference current flowing from a current source to a mirror source transistor as a reference value and mirroring the output current to a mirror destination transistor.
テクノロジー(半導体製造技術)の微細化が進むにつれて、MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)トランジスタのゲートリーク電流は指数関数的に増大しており、それがカレントミラー回路を構成するミラー元およびミラー先のMOSトランジスタのゲート電圧を所望のバイアス点(バイアス電圧)から変動させてしまうことも少なくない。このため、精度よく参照電流をミラーするために、カレントミラー回路に対して、ゲートリーク電流を補償する回路を付加した構成が用いられることがある(特許文献1参照)。 As technology (semiconductor manufacturing technology) continues to shrink, the gate leakage current of MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) transistors has increased exponentially, which is the mirror source and mirror destination of the current mirror circuit. In many cases, the gate voltage of the MOS transistor is changed from a desired bias point (bias voltage). For this reason, in order to mirror the reference current with high accuracy, a configuration in which a circuit for compensating the gate leakage current is added to the current mirror circuit may be used (see Patent Document 1).
一方で、参照電流の電流源から供給される参照電流に含まれる高周波ノイズを軽減させるために、カレントミラー回路自身にRC型ローパスフィルタ回路を付加した構成が用いられることがある(特許文献2〜4参照)。このように、カレントミラー回路にローパスフィルタ回路を付加することによって、付加したローパスフィルタ回路のカットオフ周波数よりも高周波成分のノイズは出力電流から除去され、安定した出力電流を供給することが可能になる。
On the other hand, in order to reduce high-frequency noise included in a reference current supplied from a reference current source, a configuration in which an RC low-pass filter circuit is added to the current mirror circuit itself may be used (
図8は、RC型ローパスフィルタ回路を備える従来のカレントミラー回路の構成を表す一例の回路図である。同図に示すカレントミラー回路40は、参照電流の電流源12と、ミラー元となるN型MOSトランジスタ(以下、NMOSという)M0と、ミラー先となるNMOSM1と、抵抗R0および容量C0からなるRC型ローパスフィルタ回路とによって構成されている。ここで、カレントミラー回路40のミラー比は1であるものとする。
FIG. 8 is a circuit diagram illustrating an example of a configuration of a conventional current mirror circuit including an RC type low-pass filter circuit. The
カレントミラー回路40では、電流源12から供給される参照電流IREFがミラー元のNMOSM0に流れる。NMOSM0のゲートは、そのドレインに接続されているため、NMOSM0に参照電流IREFを流すことができる所定の電圧にバイアスされる。
The
NMOSM0のゲートの電圧は、RC型ローパスフィルタ回路を介してミラー先のNMOSM1のゲートに供給される。従って、理想的には、NMOSM1には、ミラー元のNMOSM0に流れる参照電流IREFと等しい出力電流IOUTが流れる。 The voltage of the gate of the NMOSM 0 is supplied to the gate of NMOSM 1 of the mirror destination through an RC low-pass filter circuit. Therefore, ideally, an output current I OUT equal to the reference current I REF flowing through the mirror source NMOS M 0 flows through the NMOS M 1 .
ここで、ローパスフィルタ回路40は、抵抗R0および容量C0の時定数によって決定されるカットオフ周波数に応じて、電流源12から供給される参照電流IREFに含まれる、カットオフ周波数よりも高い周波数成分のノイズを除去する。
Here, the low-
MOSトランジスタのゲート酸化膜厚が十分厚い場合には、ゲートリーク電流を無視することができるが、微細化が進んでMOSトランジスタのゲート酸化膜厚が薄くなるに従って、図中矢印で示すように、無視できないゲートリーク電流のパス(経路)が生じる。プロセス上、薄膜MOSトランジスタにおけるゲートリーク電流自体を軽減させることは非常に困難である。 When the gate oxide film thickness of the MOS transistor is sufficiently thick, the gate leakage current can be ignored, but as the gate oxide film thickness of the MOS transistor becomes thinner as the miniaturization progresses, as shown by the arrows in the figure, A non-negligible path of gate leakage current is generated. In terms of process, it is very difficult to reduce the gate leakage current itself in the thin film MOS transistor.
ゲートリーク電流が発生した場合、ゲートリーク電流が抵抗R0を流れることによってIRドロップが生じ、NMOSM0のゲートと抵抗R0との間のノードX’の電圧VX’と、NMOSM1のゲートと抵抗R0との間のノードB’の電圧VB’との間に差が生じる。その結果、ミラー元のNMOSM0に流れる参照電流IREFとミラー先のNMOSM1に流れる出力電流IOUTとの間に差が生じる。 If gate leakage current occurs, resulting IR drop by the gate leakage current flows through the resistor R 0, the node X 'voltage V X of' between the gate and the resistance R 0 of NMOSM 0, the gate of NMOSM 1 And the voltage V B ′ at the node B ′ between the resistor R 0 and the resistor R 0 . As a result, a difference is generated between the reference current I REF flowing through the mirror source NMOS M 0 and the output current I OUT flowing through the mirror destination NMOS M 1 .
また、高周波ノイズを軽減させるために、カレントミラー回路に対して、MOS容量を利用したRC型ローパスフィルタ回路を付加した場合、図中矢印で示すように、参照電流をミラーするためのNMOSM0およびM1だけではなく、ローパスフィルタ回路の容量(C)として機能するMOS容量においてもゲートリーク電流が発生する。このため、ローパスフィルタ回路を構成する抵抗(R)におけるIRドロップによるバイアス点の更なる変動は避けられない。 Further, when an RC type low-pass filter circuit using a MOS capacitor is added to the current mirror circuit in order to reduce high-frequency noise, NMOS M 0 for mirroring the reference current as shown by an arrow in the figure and A gate leakage current is generated not only in M 1 but also in a MOS capacitor that functions as a capacitor (C) of the low-pass filter circuit. For this reason, further fluctuation of the bias point due to IR drop in the resistor (R) constituting the low-pass filter circuit is inevitable.
言い換えると、ミラー元とミラー先におけるMOSトランジスタのゲート−ソース間の電圧差がより一層広がるために、カレントミラー回路における電流ミラーの精度が格段に低下してしまう。 In other words, since the voltage difference between the gate and the source of the MOS transistor at the mirror source and the mirror destination is further widened, the accuracy of the current mirror in the current mirror circuit is significantly reduced.
本発明の目的は、ゲートリーク電流による影響を軽減させることができ、なおかつ、高周波ノイズに対する耐性を向上させることができるカレントミラー回路を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a current mirror circuit that can reduce the influence of gate leakage current and can improve resistance to high-frequency noise.
上記目的を達成するために、本発明は、第1の電流源からミラー元となる第1のMOSトランジスタのゲートおよびドレインに流れる電流を、第2のMOSトランジスタを流れる電流にミラーするカレントミラー回路において、
前記第1のMOSトランジスタのゲートと前記第2のMOSトランジスタのゲートとの間に、この順序で直列に接続された第4、第2、第1および第3の抵抗と、
前記第1の抵抗および前記第3の抵抗の間のノード、ならびに、前記第2の抵抗および前記第4の抵抗の間のノードを入力とし、前記第1および第2の抵抗の間のノードを出力とする差動増幅回路とを備え、
前記第3の抵抗は前記第1の抵抗よりも大きい抵抗値に設定され、前記第4の抵抗は前記第2の抵抗よりも大きい抵抗値に設定され、前記第3の抵抗は前記第4の抵抗よりも大きい抵抗値に設定されていることを特徴とするカレントミラー回路を提供するものである。
In order to achieve the above object, the present invention provides a current mirror circuit that mirrors the current flowing from the first current source to the gate and drain of the first MOS transistor serving as the mirror source to the current flowing through the second MOS transistor. In
A fourth resistor, a second resistor, a first resistor and a third resistor connected in series in this order between the gate of the first MOS transistor and the gate of the second MOS transistor;
The node between the first resistor and the third resistor and the node between the second resistor and the fourth resistor are input, and the node between the first resistor and the second resistor is input. A differential amplifier circuit for output,
The third resistor is set to a resistance value greater than the first resistance, the fourth resistor is set to a resistance value greater than the second resistance, and the third resistance is the fourth resistance. The present invention provides a current mirror circuit characterized in that the resistance value is set to be larger than the resistance.
ここで、前記第1の抵抗および前記第3の抵抗の抵抗値の比率と前記第2の抵抗および前記第4の抵抗の抵抗値の比率とが等しい値に設定されていることが好ましい。 Here, it is preferable that the ratio of the resistance values of the first resistor and the third resistor and the ratio of the resistance values of the second resistor and the fourth resistor are set to be equal.
さらに、一方の端子が前記第3の抵抗と前記第2のMOSトランジスタのゲートとの間のノードに接続された容量素子を備え、前記第1の抵抗および前記第3の抵抗と前記容量素子とによってローパスフィルタが構成されていることが好ましい。 And a capacitor having one terminal connected to a node between the third resistor and the gate of the second MOS transistor, the first resistor, the third resistor, and the capacitor It is preferable that a low-pass filter is configured.
さらに、前記第1の抵抗および前記第2の抵抗の間のノードに接続された第2の電流源と、ゲートおよびドレインが前記第1の抵抗および前記第2の抵抗の間のノードに接続された第3のMOSトランジスタとを備えることが好ましい。 Furthermore, a second current source connected to a node between the first resistor and the second resistor, and a gate and a drain are connected to a node between the first resistor and the second resistor. And a third MOS transistor.
本発明によれば、差動増幅回路によるフィードバック制御を行うことによって、ゲートリーク電流が生じる場合であっても、ゲートリーク電流によるバイアス電圧の変動を軽減し、ミラーされる電流の変動を軽減することができる。 According to the present invention, by performing feedback control using a differential amplifier circuit, even when a gate leakage current occurs, fluctuations in the bias voltage due to the gate leakage current are reduced, and fluctuations in the mirrored current are reduced. be able to.
以下に、添付の図面に示す好適実施形態に基づいて、本発明のカレントミラー回路を詳細に説明する。 Hereinafter, a current mirror circuit of the present invention will be described in detail based on a preferred embodiment shown in the accompanying drawings.
図1は、本発明のカレントミラー回路の構成を表す一実施形態の回路図である。同図に示すカレントミラー回路10は、電流源12,14と、NMOSM0,M1,M2と、抵抗R1,αR1,R2,αR2と、容量C0と、差動増幅回路であるAmp16とによって構成されている。本実施形態のカレントミラー回路10は、図8に示す従来のカレントミラー回路40に本発明を適用したものであり、同一の構成要素には同一の符号を付けてある。
FIG. 1 is a circuit diagram of an embodiment showing a configuration of a current mirror circuit of the present invention. The
ミラー元となるNMOSM0は、電流源12とグランドとの間に接続され、ゲートがドレインに接続(ダイオード接続)されている。また、ミラー先となるMOSM1のソースは、グランドに接続されている。
A mirror source NMOSM 0 is connected between the
抵抗R1,αR1,R2,αR2および容量C0は、RC型ローパスフィルタを構成する。抵抗R1,αR1,R2,αR2は、NMOSM0のゲートとNMOSM1のゲートとの間に、NMOSM0のゲートの側から(図1中左側から)抵抗αR2,R2,R1,αR1の順序で直列に接続されている。容量C0は、抵抗αR1とNMOSM1のゲートとの間のノードBとグランドとの間に接続されている。電流源14は、抵抗R1と抵抗R2との間のノードZに接続されている。NMOSM2は、ノードZとグランドとの間に接続され、ゲートがドレインに接続(ダイオード接続)されている。
The resistors R 1 , αR 1 , R 2 , αR 2 and the capacitor C 0 constitute an RC type low pass filter. The resistors R 1 , αR 1 , R 2 , and αR 2 are arranged between the gate of the NMOS M 0 and the gate of the NMOS M 1 from the gate side of the NMOS M 0 (from the left side in FIG. 1), the resistors αR 2 , R 2 , R 1 and αR 1 are connected in series in the order. The capacitor C 0 is connected between the node B between the resistor αR 1 and the gate of the NMOS M 1 and the ground.
ここで、抵抗αR1は、抵抗R1よりも大きい抵抗値に設定されている。例えば、抵抗αR1は抵抗R1の10〜50倍程度の抵抗値に設定することが望ましい。同様に、抵抗αR2は、抵抗R2よりも大きい抵抗値に設定されている。例えば、抵抗αR2は抵抗R2の10〜50倍程度の抵抗値に設定することが望ましい。また、抵抗R1,αR1の抵抗値の比率と抵抗R2,αR2の抵抗値の比率とが等しい値に設定されている。 Here, the resistance αR 1 is set to a resistance value larger than the resistance R 1 . For example, the resistance αR 1 is desirably set to a resistance value that is about 10 to 50 times the resistance R 1 . Similarly, the resistance αR 2 is set to a resistance value larger than the resistance R 2 . For example, the resistance αR 2 is desirably set to a resistance value of about 10 to 50 times the resistance R 2 . The ratio of the resistance values of the resistors R 1 and αR 1 and the ratio of the resistance values of the resistors R 2 and αR 2 are set to be equal.
抵抗αR1の抵抗値は大きい方が、αR1および容量C0からなるRC型ローパスフィルタのカットオフ周波数を低くするために好ましい。これによって電流IREFに含まれる高周波ノイズだけでなく、Amp16が発生する高周波ノイズも除去することができる。
A larger resistance value of the resistor αR 1 is preferable in order to lower the cut-off frequency of the RC low-pass filter composed of αR 1 and the capacitor C 0 . As a result, not only high frequency noise included in the current I REF but also high frequency noise generated by the
一方、抵抗R1の抵抗値は小さい方が好ましい。その理由は以下の通りである。
・Amp16の入力から出力間の抵抗を小さくするため。
・Amp16にノイズが入力すればそれも増幅されることを考えると、ミラー元入力ノードにノイズの発生する要因となる抵抗値を大きくするのは回路動作においてマイナスとなる。
On the other hand, the resistance value of the resistor R 1 is preferably small. The reason is as follows.
-To reduce the resistance between the input and output of Amp16.
-Considering that if noise is input to
また、抵抗R1を抵抗R2よりも大きく設定することが好ましい。その理由は以下の通りである。
・ローパスフィルタによってノイズを排除することを考えれば、ミラー先に近い側に高抵抗値を配置するのが理想である。
・仮にミラー元に近い抵抗R2が大きいと、Amp16に接続するノードはAmp16の正入力端子に入力しており、Amp16の正入力端子への入力電圧が大きく(正帰還ループのゲインが高く)なり、ループが不安定になる。
・また、ミラー元の抵抗αR2として高抵抗を配置した場合、αは抵抗R1と抵抗R2で等しくする必要があるので、必然的に抵抗R2の抵抗値は現状より大きくなり(例えば、抵抗αR2を500kΩとした場合、抵抗R2は10kΩとなるが、これは実施例の20倍となる)、Amp16に数倍以上のノイズが入力され、むしろAmp16でノイズを増幅することになり、上述したように回路動作においてマイナスとなる。従って、その副次的な理由からもミラー先に大きな抵抗を配置することが好ましい。
Further, it is preferable to set the resistance R 1 larger than the resistance R 2 . The reason is as follows.
-Considering eliminating noise with a low-pass filter, it is ideal to place a high resistance value on the side closer to the mirror tip.
When - if a large resistance R 2 close to the mirror source, nodes connected to
In addition, when a high resistance is arranged as the mirror source resistance αR 2 , α needs to be equal between the resistance R 1 and the resistance R 2 , so that the resistance value of the resistance R 2 inevitably becomes larger than the current value (for example, When the resistance αR 2 is set to 500 kΩ, the resistance R 2 is 10 kΩ, which is 20 times that of the embodiment), but a noise several times or more is input to the
なお、抵抗R1,αR1の値の比率と抵抗R2,αR2の値の比率とを等しく設定する理由に関しては後述する。 The reason why the ratio of the values of the resistors R 1 and αR 1 and the ratio of the values of the resistors R 2 and αR 2 are set equal will be described later.
Amp16の入力端子−には、抵抗R1と抵抗αR1との間のノードAの電圧VAが入力され、入力端子+には、抵抗R2と抵抗αR2との間のノードYの電圧VYが入力される。Amp16は、ノードAの電圧VAとノードYの電圧VYとの差を検出し、その差に応じて、その差を打ち消すためのフィードバック電流IAmpをノードZに出力する。
Amp16 input terminal -, the resistor R 1 and the voltage V A of the node A between the resistor [alpha] R 1 is input to the input terminal + is the voltage at node Y between the resistor R 2 and the resistor [alpha] R 2 V Y is input. The
以下、Amp16の一例を挙げて説明する。
Hereinafter, an example of
図2は、図1に示すAmpの構成を表す回路図である。同図に示すAmp16は、入力部18と、出力部20と、バイアス電圧発生部22とによって構成されている。
FIG. 2 is a circuit diagram showing the configuration of Amp shown in FIG.
バイアス電圧発生部22は、電流源30と、NMOSM3とを備えている。NMOSM3は、電流源30とグランドGNDとの間に接続されている。バイアス電圧発生部22では、NMOSM3のゲートが、電流源30とNMOSM3のドレインとの間のノードに接続(ダイオード接続)されて、NMOSM3のゲート上にDCバイアス電圧Vbが発生される。
Bias
入力部18は、NMOSM4,M5,M6と、P型MOSトランジスタ(以下、PMOSという)M7,M8とを備えている。NMOSM5,M6のゲートには、それぞれ入力電圧Vin −,Vin +が入力され、ソースはNMOSM4を介してグランドGNDに接続されている。PMOSM7,M8のソースは電源VDDに接続され、ドレインは、それぞれ、NMOSM5,M6のドレインに接続され、ゲートは、PMOSM7のドレインに接続されて、カレントミラー回路が構成されている。
The
出力部20は、電源VDDとグランドGNDとの間に直列に接続されたPMOSM10およびNMOSM9と、容量C1と備えている。容量C1は、入力部18のPMOSM8とNMOSM6との間のノードDと、出力部20のPMOSM10とNMOSM9との間のノードEと、の間に接続されている。PMOSM10のゲートは、ノードDに接続されている。また、ノードEから出力電流IOUTが出力される。
The
また、バイアス電圧発生部22のNMOSM3のゲートと、入力部18のNMOSM4のゲートと、出力部20のNMOSM9のゲートとが接続されて、カレントミラー回路が構成されている。
Further, the gate of the NMOS M 3 of the
Amp16では、入力部18の2つのNMOSM5,M6に入力される差動入力電圧Vin −およびVin +(つまり、電圧VAおよびVY)に応じて、これに対応する出力電流Iout(つまり、フィードバック電流IAmp)が、出力部20のノードEから出力される。つまり、Vin +>Vin −の場合には、その電圧差に応じて出力電流Ioutが増加し、Vin +<Vin −の場合には、その電圧差に応じて出力電流Ioutが減少する。
In
なお、Amp16の具体的な構成は上記例に限定されず、各種構成の差動増幅回路を利用することができる。
Note that the specific configuration of the
次に、カレントミラー回路10における作用を説明する。
Next, the operation of the
カレントミラー回路10は、電流源12からミラー元のNMOSM0に流れる参照電流IREFを基準値として、ミラー先のNMOSM1に流れる電流にミラーすることによって、所望の出力電流IOUTを生成するものである。
The
カレントミラー回路10では、電流源12から供給される参照電流IREFがミラー元のNMOSM0に流れる。NMOSM0のゲートは、そのドレインに接続されているため、NMOSM0に参照電流IREFを流すことができる所定の電圧にバイアスされる。
In the
また、電流源14から供給される参照電流IREFがNMOSM2に流れる。同様に、NMOSM2のゲートは、そのドレインに接続されているため、ゲートリーク電流が流れないと仮定した場合には、NMOSM2に参照電流IREFを流すことができる所定の電圧にバイアスされる。
Further, the reference current I REF supplied from the
NMOSM0のゲートの電圧は、抵抗αR2,R2,R1,αR1および容量C0を介してミラー先のNMOSM1のゲートに供給される。ここで、ゲートリーク電流が、抵抗αR2,R2,R1,αR1に流れないと仮定した場合には、NMOSM0のゲートと抵抗αR2との間のノードXの電圧VXとノードBの電圧VBとの間にIRドロップによる電圧差は生じることはなく、ミラー先のNMOSM1には、ミラー元のNMOSM0に流れる参照電流IREFと等しい値の出力電流IOUTが流れる。 The voltage of the gate of the NMOS M 0 is supplied to the gate of the NMOS M 1 as a mirror destination via the resistors αR 2 , R 2 , R 1 , αR 1 and the capacitor C 0 . Here, assuming that the gate leakage current does not flow through the resistors αR 2 , R 2 , R 1 , and αR 1 , the voltage V X of the node X between the gate of the NMOS M 0 and the resistor αR 2 and the node A voltage difference due to IR drop does not occur between the voltage V B of B and an output current I OUT having a value equal to the reference current I REF flowing in the mirror source NMOS M 0 flows through the mirror destination NMOS M 1 .
上記の説明では、ゲートリーク電流が流れない場合を仮定しているが、実際には、テクノロジが微細化され、MOSトランジスタのゲート酸化膜が薄膜化されるに従って、ゲートリーク電流が増大し、無視できなくなる。カレントミラー回路10において、ゲートリーク電流が流れるパス(経路)は、図1中に矢印で示すように、NMOSM0,M1,M2および容量C0の合計4箇所である。
In the above description, it is assumed that the gate leakage current does not flow. However, as the technology is miniaturized and the gate oxide film of the MOS transistor is thinned, the gate leakage current increases and is ignored. become unable. In the
ローパスフィルタ回路は、電流源12から供給される参照電流IREFに高周波ノイズが含まれていた場合には、NMOSM0のゲートに発生するバイアス電圧にも高周波ノイズが含まれる。しかし、抵抗αR2,R2,R1,αR1および容量C0の時定数によって決定されるカットオフ周波数に応じて、カットオフ周波数よりも高い周波数成分のノイズを除去する。これにより、参照電流IREFに含まれる高周波ノイズの影響によってノードBの電圧VBが変動し、ミラーされる電流が変動するのを防止することができる。
In the low-pass filter circuit, when the reference current I REF supplied from the
Amp16は、ゲートリーク電流によるIRドロップによって、ノードAの電圧VAとノードYの電圧VYとの間に差が生じた場合に、その差に応じて、両者の電圧が等しくなるようにフィードバック電流IAmpを出力する。これにより、ゲートリーク電流が生じる場合であっても、ゲートリーク電流によるバイアス電圧の低下を軽減し、ミラー精度の低下を軽減することができる。なお、Amp16内にもカレントミラー回路を使用しており、本願のカレントミラー回路でのゲートリーク電流によるIRドロップと同様の現象によって、ミラーの精度が低下することが考えられるが、Amp16に要求される動作周波数が低いため、動作性能に影響を及ぼす可能性は低い。また、ローパスフィルタ回路を付加する必要もない。
ここで、ローパスフィルタ回路は、Amp16から出力されるフィードバック電流IAmpに高周波ノイズが含まれていた場合にも、抵抗R1,αR1および容量C0の時定数によって決定されるカットオフ周波数よりも高い周波数成分のノイズを除去することができる。これにより、フィードバック電流IAmpに含まれる高周波ノイズの影響によってノードBの電圧VBが変動し、ミラーされる電流が変動するのを防止することができる。 Here, the low-pass filter circuit also uses a cutoff frequency determined by the time constants of the resistors R 1 and αR 1 and the capacitor C 0 even when high-frequency noise is included in the feedback current I Amp output from the Amp 16. High frequency component noise can be removed. As a result, it is possible to prevent the voltage V B at the node B from fluctuating due to the influence of the high frequency noise included in the feedback current I Amp and the mirrored current from fluctuating.
以下、Amp16によって、ノードAの電圧VAとノードYの電圧VYとの間の電圧差を検出し、この電圧差を解消するフィードバック電流IAmpを出力することにより、ノードXの電圧VXとノードBの電圧VBとの電位差を解消できることを説明する。 Hereinafter, the voltage difference between the voltage V A at the node A and the voltage V Y at the node Y is detected by the Amp 16 and a feedback current I Amp that eliminates the voltage difference is output, whereby the voltage V X at the node X is output. And the fact that the potential difference between node B and voltage V B can be eliminated.
ここで、カレントミラー回路10における電流のミラー比は1であるとする。また、NMOSM0,M1,M2のトランスコンダクタンスをgm、Amp16のトランスコンダクタンスをGmとする。また、ノードZからノードBに向かって抵抗R1,αR1に流れる電流をIR1、ノードZからノードXに向かって抵抗R2,αR2に流れる電流をIR2とする。
Here, it is assumed that the mirror ratio of the current in the
前述のように、Amp16は、ノードAの電圧VAとノードYの電圧VYとの差を検出し、その差に応じて、下記式(1)に示すように、その電圧差を打ち消すためのフィードバック電流IAmpを出力する。
Gm(VY−VA)=IAmp … (1)
As described above, the
G m (V Y -V A) = I Amp ... (1)
ここで、Amp16が理想的であるとすると、Amp16の入力端子に流れ込む電流は無視できるので、抵抗R1を流れる電流IR1および抵抗R2を流れる電流IR2を用いて、ノードXの電圧VXおよびノードBの電圧VBは、それぞれ下記式(2)で表すことができる。
VX=VZ−(1+α)R2IR2
VB=VZ−(1+α)R1IR1 … (2)
Here, if the
V X = V Z − (1 + α) R 2 I R2
V B = V Z − (1 + α) R 1 I R1 (2)
同じく、Amp16が理想的であれば、ノードYの電圧VYとノードAの電圧VAは等しくなるので、下記式(3)が成り立つ。
R1IR1=R2IR2 … (3)
Similarly, if
R 1 I R1 = R 2 I R2 (3)
従って、式(1)〜(3)をまとめると、下記式(4)を導き出すことができる。
VX=VB … (4)
つまり、前述のように、Amp16によって、ノードAの電圧VAとノードYの電圧VYとの間の電圧差を検出し、この電圧差を解消するフィードバック電流IAmpを出力することにより、ノードXの電圧VXとノードBの電圧VBとの電位差を解消できる。
Therefore, the following formula (4) can be derived by summarizing the formulas (1) to (3).
V X = V B (4)
That is, as described above, the voltage difference between the voltage V A at the node A and the voltage V Y at the node Y is detected by the Amp 16 and the feedback current I Amp that eliminates the voltage difference is output, thereby outputting the node The potential difference between the voltage V X at X and the voltage V B at node B can be eliminated.
なお、上記式(4)が成り立つためには、抵抗R1,αR1の値の比率と抵抗R2,αR2の値の比率とを等しく設定する必要がある。 In order to satisfy the above formula (4), it is necessary to set the ratio of the values of the resistors R 1 and αR 1 equal to the ratio of the values of the resistors R 2 and αR 2 .
上記のようにAmp16が理想的であれば、Amp16によって、ノードAの電圧VAとノードYの電圧VYが等しくなると、ノードXの電圧VXとノードBの電圧VBは等しくなり、ミラー先のNMOSM1には、ミラー元のNMOSM0に流れる参照電流IREFと等しい出力電流IOUTが流れる。しかし、実際のAmp16では、ノードXの電圧VXとノードBの電圧VBとの間に、近似的にGm/gmの大きさに応じた分のオフセットが生じることになる。
If the
前述のように、ゲートリーク電流によるIRドロップによって、ノードXの電圧VXとノードBの電圧VBとの間には差が生じる。カレントミラー回路10では、Gm/gmの値が大きくなればなるほど、この差を打ち消すことができる。従って、Amp16の利得(ゲイン)を大きくすることが望まれるが、Amp16のポール(Pole:極)と、Amp16の外部のポールとの関係に注意が必要となる。
As described above, the IR drop due to the gate leakage current causes a difference between the voltage V X at the node X and the voltage V B at the node B. In the
ここで、ポールとは、Amp16のゲイン(利得)が低下し始めるポイント(周波数)である。例えば、横軸を周波数特性とし、縦軸をゲインとするAmp16の動作特性のグラフを想定する(例えば、図5参照)。このグラフにおいて、ある一定の周波数まではゲインは変化しないが、周波数が高くなっていってポールの周波数に到達すると、それ以上の周波数ではゲインが低下する(図5の場合、概略で104前後)。
Here, the pole is a point (frequency) at which the gain of the
ポールが1個しか存在しない場合には、Amp16へのフィードバック信号の位相は最大で90°までしかずれないので正帰還がかかる虞はないが、Amp16と、出力ノードZとノードA,Yにポールを持つ可能性があり、メインとなるAmp16のポールと他のポールとの距離が近いと、Amp16へのフィードバック信号の位相が容易に最大で180°までずれる現象が発生し、そのため、設計次第ではAmp16に正帰還がかかって発振する虞がある。
When there is only one pole, the phase of the feedback signal to
従って、複数のポールが存在する場合には、Amp16の内部にポールが発生する周波数を、他のポールから十分離すように設計することによって、Amp16に正帰還がかかって発振する可能性をより低減することができる。従って、図7に示すように、論理的には、電流源14とトランジスタM2を設けることは必須ではないが、設計上では、電流源14とトランジスタM2を設けた方が上記のような設計が容易になるというメリットがあるため、図1に示すように、電流源14とNMOSM2を設けた構成の方が好ましい。
Therefore, when there are a plurality of poles, the frequency at which the poles are generated in the
ここで、電流源14とNMOSM2を設けると、内部のポールとAmp16出力のポールとを離すことができる理由について説明する。
・Amp16の出力に直接見えるRC時定数を小さくすることによって極を遠ざけることができる。
・RC時定数の「R」を小さくするために、ダイオードMOSを設ける(ダイオードMOSを設けるため、結果的に電流源も必要となる)。
・Gmを下げる(利得を下げる)ことで極を遠ざけ、正帰還を抑制する。
また、このことから出力のRC時定数も改善されるので、実施例の回路特性としても改善される。
Here, the reason why the internal pole and the Amp16 output pole can be separated by providing the
• The poles can be moved away by reducing the RC time constant directly visible at the output of Amp16.
A diode MOS is provided in order to reduce the RC time constant “R” (the diode MOS is provided, so that a current source is also required as a result).
-Lowering the Gm (lowering the gain) keeps the pole away and suppresses positive feedback.
This also improves the RC time constant of the output, so that the circuit characteristics of the embodiment are also improved.
次に、カレントミラー回路10の具体的な設計例を挙げて説明する。
Next, a specific design example of the
図1に示す本実施形態のカレントミラー回路10および図8に示す従来のカレントミラー回路40について、各構成要素の具体的な値(参照電流IREFの電流値、NMOSのトランジスタサイズおよびトランスコンダクタンス値、抵抗値、容量値等)を設定し、シミュレーションを実施した。
For the
図9は、図8に示す従来のカレントミラー回路の具体的な設計例の回路概念図である。同図は、図8に示す従来のカレントミラー回路40の各構成要素に設定した値を示したものである。すなわち、図9のカレントミラー回路40において、電流源12から供給される参照電流IREF=50μA、NMOSM0,M1のトランジスタサイズW/L=10μm/1.5μm、NMOSM0,M1のトランスコンダクタンスgm=0.5mS、抵抗R0=500kΩ、容量C0=100pFに設定した。
FIG. 9 is a circuit conceptual diagram of a specific design example of the conventional current mirror circuit shown in FIG. This figure shows the values set for each component of the conventional
図3は、図1に示す本実施形態のカレントミラー回路の具体的な設計例の回路概念図である。同図は、図1に示す本実施形態のカレントミラー回路10の各構成要素に設定した値を示したものである。すなわち、図3のカレントミラー回路10において、電流源12,14から供給される参照電流IREF=50μA、NMOSM0,M1,M2のトランジスタサイズW/L=10μm/1.5μm、NMOSM0,M1,M2のトランスコンダクタンスgm=0.5mS、抵抗R1,αR1,R2,αR2=10kΩ、500kΩ、0.5kΩ、25kΩ、容量C0=100pF、Amp16のポールの周波数=100kHz、Amp16のトランスコンダクタンスGm=200mSに設定した。
FIG. 3 is a circuit conceptual diagram of a specific design example of the current mirror circuit of the present embodiment shown in FIG. This figure shows values set for each component of the
前述のように、図1に示す本実施形態のカレントミラー回路10は、図8に示す従来のカレントミラー回路40に本発明を適用したものである。そのため、図3に示すカレントミラー回路10において、電流源12から供給される参照電流IREF、NMOSM0,M1のトランジスタサイズW/Lおよびトランスコンダクタンスgm、容量C0の値は、図9に示すカレントミラー回路40の場合と同じ値に設定している。また、抵抗R1,αR1,R2,αR2の合成抵抗の値についても、抵抗R0とほぼ同様の値に設定している。
As described above, the
続いて、図10は、図9に示す従来のカレントミラー回路のシミュレーション結果を表す回路概念図である。同図に示すように、従来のカレントミラー回路40では、シミュレーションの結果、ミラー元のNMOSM0に流れる電流は50μAであり、ノードX’における電圧は506mVであった。これに対し、ミラー先のNMOSM1に流れる電流は30μAであり、ノードB’におけるバイアス電圧は457mVであった。
Next, FIG. 10 is a circuit conceptual diagram showing a simulation result of the conventional current mirror circuit shown in FIG. As shown in the figure, in the conventional
従来のカレントミラー回路40では、ノードX’におけるバイアス電圧が506mVであるのに対して、ノードB’におけるバイアス電圧は457mVであり、ゲートリーク電流の影響によって、バイアス電圧が大きく変動していることが分かる。そのため、ミラー元のNMOSM0に流れる電流が50μAであるのに対して、ミラー先のNMOSM1に流れる電流は30μAとなり、大幅に減少している。
In the conventional
一方、図4は、図3に示す本実施形態のカレントミラー回路のシミュレーション結果を表す回路概念図である。同図に示すように、本実施形態のカレントミラー回路10において、ミラー元のNMOSM0に流れる電流は52μAであり、ノードXにおけるバイアス電圧は511mVであった。これに対し、ミラー先のNMOSM1に流れる電流は49μAであり、ノードBにおけるバイアス電圧は502mVであった。
On the other hand, FIG. 4 is a circuit conceptual diagram showing a simulation result of the current mirror circuit of the present embodiment shown in FIG. As shown in the figure, in the
本実施形態のカレントミラー回路10では、ノードXにおけるバイアス電圧が511mVであるのに対して、ノードBにおけるバイアス電圧は502mVであり、バイアス電圧がほとんど変動していないことが分かる。ミラー元のNMOSM0に流れる電流は、Amp16等の追加によって52μAと微増しているが、ミラー先のNMOSM1に流れる電流は49μAとなり、ほとんど減少していない。
In the
以上のように、本実施形態のカレントミラー回路10は、従来のカレントミラー回路40と比べて、ゲートリーク電流の影響によるバイアス電圧の変動を大幅に低減し、ミラー元からミラー先に精度よく電流をミラーすることができることが分かった。
As described above, the
続いて、図5および図6に、カレントミラー回路におけるRC型ローパスフィルタの特性を表すシミュレーション結果のグラフを示す。これらのグラフの縦軸は利得G(dB)、横軸は周波数freq(Hz)を表す。 Next, FIGS. 5 and 6 are graphs of simulation results representing the characteristics of the RC low-pass filter in the current mirror circuit. In these graphs, the vertical axis represents gain G (dB), and the horizontal axis represents frequency freq (Hz).
図5は、図3に示す本実施形態のカレントミラー回路における伝達関数(Z→B)のシミュレーション結果を表す。RC型ローパスフィルタの特性は、抵抗R1,αR1および容量C0の時定数に応じて決定される。このグラフに示すように、図3に示す本実施形態のカレントミラー回路10のRC型ローパスフィルタのカットオフ周波数は、概略で周波数104である。そして、そこから入力信号の周波数が101(10倍)増加するに従って、出力信号の利得は20dBずつ減少する(−20dB/dec)。
FIG. 5 shows a simulation result of the transfer function (Z → B) in the current mirror circuit of the present embodiment shown in FIG. The characteristics of the RC type low-pass filter are determined according to the time constants of the resistors R 1 and αR 1 and the capacitor C 0 . As shown in this graph, the cut-off frequency of the RC low-pass filter of the
図6は、図9に示す従来のカレントミラー回路における伝達関数(X’→B’)および図3に示す本実施形態のカレントミラー回路における伝達関数(X→B)のシミュレーション結果を表す。このグラフに示すように、図9に示す従来のカレントミラー回路40のカットオフ周波数は、概略で103〜104の間、図3に示す本実施形態のカレントミラー回路のカットオフ周波数は、概略で104〜105の間であり、カットオフ周波数は、従来のカレントミラー回路40の方が少しだけ低い。一方、カットオフ周波数以上の周波数におけるゲイン低下量は、105〜106の間でグラフが交差し、それ以上の周波数では、本実施形態のカレントミラー回路10の方が、従来のカレントミラー回路40よりも大きい。すなわち、良好なフィルタ特性を示している。
FIG. 6 shows a simulation result of the transfer function (X ′ → B ′) in the conventional current mirror circuit shown in FIG. 9 and the transfer function (X → B) in the current mirror circuit of the present embodiment shown in FIG. As shown in this graph, the cutoff frequency of the conventional
ここで、Z→B、X→Bの伝達関数のグラフ(図5,6)が異なるのは、対象となる系の伝達関数に影響を与える回路が全く異なるためである。
図5(Z→B)は、Amp16や電流源14を追加しているが、Zからミラー先までの部分では従来技術と変わらない回路構成であり(抵抗値が10kΩ増えているが、無視できるレベル)、実際に従来技術と特性が変わっていないことを示す。
X→Bは、系の中に複数のポールを持ち、特に最初の部分は、第1のpole(−20dB/dec)と第2のpole(−40dB/dec)がかなり接近していると考えられる。その後、zero点(グラフが変化しない。水平になる。)を経てさらに第3のpoleを持つような特性となっていることにより、グラフが波打っているような形となっている。つまり、Amp16などの回路が系の中に存在するが故の特性である。
Here, the graphs of the transfer functions of Z → B and X → B (FIGS. 5 and 6) are different because the circuits that affect the transfer function of the target system are completely different.
In FIG. 5 (Z → B),
X → B has multiple poles in the system, especially in the first part, the first pole (−20 dB / dec) and the second pole (−40 dB / dec) are considered to be quite close It is done. After that, the characteristic is such that the graph has a third pole after passing through the zero point (the graph does not change. Becomes horizontal), so that the graph is wavy. That is, this is because the circuit such as Amp16 exists in the system.
また、図6(X→B)において、従来技術の最初のpoleが高周波側にずれているのは、Amp16の利得による影響である(10倍程度伸びている。)。それをフィルタの抵抗値で再現すると80kΩであり、「帯域が広くてもよければ80kΩで良い」ことを示す。ただし、その後のフィルタ特性は本提案の回路の方が良く、結果として本提案の方が特性としては良い。
なお、正帰還に留意すべきは、Amp16の系を持つAまたはY→Zのループ内であり、X→Bについては問題とはならない。
Further, in FIG. 6 (X → B), the fact that the first pole of the prior art is shifted to the high frequency side is due to the effect of the gain of Amp 16 (expanded about 10 times). When it is reproduced by the resistance value of the filter, it is 80 kΩ, which indicates that “80 kΩ is sufficient if the band is wide”. However, the subsequent filter characteristics are better for the proposed circuit, and as a result, the proposed characteristics are better.
It should be noted that positive feedback is in the loop of A or Y → Z having the Amp16 system, and X → B is not a problem.
以上のように、本実施形態のカレントミラー回路10は、同程度の帯域幅(カットオフ周波数)を持つ従来のカレントミラー回路40と比べて、高周波領域におけるノイズ軽減特性が大きく改善されていることが分かる。
As described above, the
なお、カレントミラー回路10は、NMOSM0〜M2の代わりにPMOSを使用して構成することも可能である。また、電流源12から供給される参照電流IREFの値は適宜変更してもよいし、カレントミラー回路10のミラー比を適宜変更してもよい。また、電流源14からNMOSM2に供給される参照電流IREFの値を、電流源12から供給される参照電流IREFとは別個に適宜変更してもよい。また、電流源14およびNMOSM2は必要に応じて適宜設けることが望ましい。容量C0は、例えば、ミラー先のMOSトランジスタのゲート容量等で代用することによって省略することも可能である。Ampの出力にダイオード接続のMOSを設けることは必須ではないが、極による正帰還が発生する可能性を考慮すると、設けた回路構成にした方が好ましい。
Note that the
本発明は、基本的に以上のようなものである。
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。例えば、本実施例では、カレントミラーのミラー比を1で説明しているが、本発明はミラー比によって限定されるものではなく、他のミラー比の場合にも適用可能である。
The present invention is basically as described above.
Although the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various improvements and modifications may be made without departing from the gist of the present invention. For example, in this embodiment, the mirror ratio of the current mirror is described as 1. However, the present invention is not limited to the mirror ratio, and can be applied to other mirror ratios.
10,40 カレントミラー回路
12,14,30 電流源
16 Amp
18 入力部
20 出力部
22 バイアス電圧発生部
M0〜M6,M9 NMOS
M7,M8,M10 PMOS
R0,R1,αR1,R2,αR2 抵抗
C0,C1 容量
10, 40
18
M 7, M 8, M 10 PMOS
R 0 , R 1 , αR 1 , R 2 , αR 2 resistance C 0 , C 1 capacitance
Claims (4)
前記第1のMOSトランジスタのゲートと前記第2のMOSトランジスタのゲートとの間に、この順序で直列に接続された第4、第2、第1および第3の抵抗と、
前記第1の抵抗および前記第3の抵抗の間のノード、ならびに、前記第2の抵抗および前記第4の抵抗の間のノードを入力とし、前記第1および第2の抵抗の間のノードを出力とする差動増幅回路とを備え、
前記第3の抵抗は前記第1の抵抗よりも大きい抵抗値に設定され、前記第4の抵抗は前記第2の抵抗よりも大きい抵抗値に設定され、前記第3の抵抗は前記第4の抵抗よりも大きい抵抗値に設定されていることを特徴とするカレントミラー回路。 In a current mirror circuit that mirrors the current flowing from the first current source to the gate and drain of the first MOS transistor serving as the mirror source to the current flowing through the second MOS transistor,
A fourth resistor, a second resistor, a first resistor and a third resistor connected in series in this order between the gate of the first MOS transistor and the gate of the second MOS transistor;
The node between the first resistor and the third resistor and the node between the second resistor and the fourth resistor are input, and the node between the first resistor and the second resistor is input. A differential amplifier circuit for output,
The third resistor is set to a resistance value greater than the first resistance, the fourth resistor is set to a resistance value greater than the second resistance, and the third resistance is the fourth resistance. A current mirror circuit characterized by being set to a resistance value larger than the resistance.
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