JP5795934B2 - Operational amplifier - Google Patents
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Description
本発明は、演算増幅器に係り、特に、出力位相の反転防止を施したものに関する。 The present invention relates to an operational amplifier, and more particularly to an operational amplifier in which output phase inversion is prevented.
従来の演算増幅器としては、例えば、図6に示された構成のものが知られている。
かかる演算増幅器は、トランジスタQ1,Q2による差動回路からなる入力部10aと、フォールデットカスコード増幅回路が構成されたフォールデットカスコード部20aとに大別されて構成されたものとなっている。
この演算増幅器においては、いわゆる反転防止回路が設けられていないため、入力端子100,200における入力端子電圧が、電源端子400の電圧より0.7V低下すると、図7に示されたように出力電圧が変化し、出力位相反転を起こすという欠点がある。
なお、図7において、点線は電源電圧のレベルを、実線の特性線は入力電圧の変化を、二点鎖線の特性線は出力電圧の変化を、それぞれ示している。ここで、出力電圧の変化は、上述の出力位相反転を生ずる前後においては、実線の特性線で表された入力電圧変化と同一となっており、実線の特性線と重複したものとなっている。
As a conventional operational amplifier, for example, the one having the configuration shown in FIG. 6 is known.
Such an operational amplifier is roughly divided into an
In this operational amplifier, since a so-called inversion prevention circuit is not provided, when the input terminal voltage at the
In FIG. 7, the dotted line indicates the level of the power supply voltage, the solid characteristic line indicates the change in the input voltage, and the two-dot chain characteristic line indicates the change in the output voltage. Here, the change in the output voltage is the same as the change in the input voltage represented by the solid characteristic line before and after the above-described output phase inversion, and overlaps with the solid characteristic line. .
上述のような出力位相反転を防止する対策が施された演算増幅器として、例えば、図8に示された回路構成のものが知られている(例えば、特許文献1等参照)。
以下、同図を参照しつつ、従来の出力位相反転防止機能を有する演算増幅器について説明する。
この演算増幅器は、トランジスタQ1,Q2による差動回路からなる入力部10bと、フォールデットカスコード増幅回路が構成されたフォールデットカスコード部20bとに大別されて構成される点は、図6に示された従来回路と基本的に同一である。
For example, an operational amplifier having the circuit configuration shown in FIG. 8 is known as an operational amplifier in which measures for preventing the output phase inversion as described above are taken (see, for example, Patent Document 1).
Hereinafter, a conventional operational amplifier having an output phase inversion prevention function will be described with reference to FIG.
FIG. 6 shows that this operational amplifier is roughly divided into an
かかる演算増幅器においては、上述の基本構成において、さらに、反転入力端子100とトランジスタQ2のコレクタとの間に、アノードがトランジスタQ2のコレクタ側となるように第1のダイオードD1が接続されて設けられる一方、非反転入力端子200とトランジスタQ1のコレクタとの間に、アノードがトランジスタQ2のコレクタ側となるように第2のダイオードD2が接続されて設けられたものとなっている。
In such an operational amplifier, in the basic configuration described above, the first diode D1 is further connected between the inverting
かかる構成において、非反転入力端子200の電圧が第1電源端子400の電圧よりも低下した場合の出力位相反転防止動作について説明する。
まず、第1電源端子400の電圧を0Vとし、非反転入力端子200の端子電圧V200が、V200<−0.7(V)となった場合を考えると、この際、トランジスタQ2のコレクタ・ベース間の寄生ダイオードD4を通じて電流ID4が流れる。同時に、非反転入力端子200に接続されたダイオードD2を通して電流ID2が流れる。このような電流が流れることにより、点Bの電圧VBと点Aの電圧VAが低下する。なお、図8において、寄生ダイオードD3、D4は点線により表されている。
In this configuration, the output phase inversion prevention operation when the voltage at the
First, considering the case where the voltage of the first
ここで、便宜的に、トランジスタQ2の寄生ダイオードD4のアノード・カソード間電圧をVD4、ダイオードD2のアノード・カソード間電圧をVD2とすると、VA、VBの電圧は下記する式1、式2により表されるものとなる。
Here, for convenience, when the anode-cathode voltage of the parasitic diode D4 of the transistor Q2 is VD4 and the anode-cathode voltage of the diode D2 is VD2, the voltages of VA and VB are expressed by the following
VA=V200+VD2=V200+VT×ln{ID2/(nD2×Is)}・・・式1
VA = V200 + VD2 = V200 + VT * ln {ID2 / (nD2 * Is)}
VB=V200+VD4=V200+VT×ln{ID4/(nD4×Is)}・・・式2
VB = V200 + VD4 = V200 + VT * ln {ID4 / (nD4 * Is)}
ここで、VTは熱電圧で、周囲温度が300Kの時に約26(mV)となる。また、Isは逆方向飽和電流、nD2及びnD4は単位素子面積に対する倍率である。
そして、VA>VBの関係が成り立つ場合には、出力位相反転は生じないが、VA<VBとなると、フォールデットカスコード部20bのトランジスタQ5、Q6の振る舞いが変わり、出力位相反転が生ずる。この場合の条件を数式化すると下記する式3により表される。
Here, VT is a thermal voltage, which is about 26 (mV) when the ambient temperature is 300K. Further, Is is a reverse saturation current, and nD2 and nD4 are magnifications with respect to the unit element area.
When the relationship of VA> VB is established, output phase inversion does not occur. However, when VA <VB, the behavior of the transistors Q5 and Q6 of the folded
VA−VB>0、且つ、ln{ID4×nD2/(ID2×nD4)}>0・・・式3
VA−VB> 0, and ln {ID4 × nD2 / (ID2 × nD4)}> 0
この式3を満たすようにnD2を調整することで、図9に示されたように出力位相反転を防止することができる。
なお、図9において、点線は電源電圧のレベルを、実線の特性線は入力電圧の変化を、二点鎖線の特性線は出力電圧の変化を、それぞれ示している。ここで、出力電圧の変化は、入力電圧が電源電圧レベルを越える前後、及び、入力電圧が電源電圧レベルを下回る前後においては、実線の特性線で表された入力電圧変化と同一となっており、実線の特性線と重複したものとなっている。
By adjusting nD2 so as to satisfy
In FIG. 9, the dotted line indicates the power supply voltage level, the solid characteristic line indicates the change in the input voltage, and the two-dot chain characteristic line indicates the change in the output voltage. Here, the change in the output voltage is the same as the change in the input voltage represented by the solid characteristic line before and after the input voltage exceeds the power supply voltage level and before and after the input voltage falls below the power supply voltage level. This overlaps with the characteristic line of the solid line.
ところが、図8に示された回路は、確かに出力位相反転を防止することはできるが、非反転入力端子200の電圧が第1電源端子400より下がった場合に、フォールデットカスコード部20bのベース接地のトランジスタQ5、Q6のベース・エミッタ間電圧が増加し、コレクタ電流が増加するという問題がある。
この現象について、以下に説明する。
まず、第1電源端子400の電圧を0Vとし、非反転入力端子200の端子電圧V200が、V200<−0.7(V)となった際に、トランジスタQ5、Q6のエミッタ電位である点A、点Bの電位は、式1、式2で表されることは先に説明した通りである。このとき、トランジスタQ5、Q6のベース電位である点Cの電位Vcは下記する式4で与えられる。
However, the circuit shown in FIG. 8 can surely prevent the output phase inversion, but when the voltage at the
This phenomenon will be described below.
First, when the voltage of the first
Vc=Ics3×R5+VT×ln{Ics3/(nQ9×Is)}・・・式4
Vc = Ics3 * R5 + VT * ln {Ics3 / (nQ9 * Is)}
ここで、Ics3はトランジスタQ3のコレクタ電流、R5はトランジスタQ9のエミッタに接続された負荷の抵抗値、VTは熱電圧、nQ9はトランジスタQ9のの単位素子面積に対する逆方向飽和電流Isの倍率である。
したがって、トランジスタQ5のベース・エミッタ間電位差VBEQ5は下記する式5で表される。
Here, Ics3 is the collector current of the transistor Q3, R5 is the resistance value of the load connected to the emitter of the transistor Q9, VT is the thermal voltage, and nQ9 is the magnification of the reverse saturation current Is with respect to the unit element area of the transistor Q9. .
Therefore, the base-emitter potential difference VBEQ5 of the transistor Q5 is expressed by the following
VBEQ5=Vc−VB=Ics3×R5+VT×ln{Ics3/(nQ9×Is)}−V200−VT×ln{ID4/(nD4×Is)}=Ics3×R5+VT×ln{Ics3×nD4/(nQ9×ID4)}−V200・・・式5 VBEQ5 = Vc-VB = Ics3 * R5 + VT * ln {Ics3 / (nQ9 * Is)}-V200-VT * ln {ID4 / (nD4 * Is)} = Ics3 * R5 + VT * ln {Ics3 * nD4 / (nQ9 * ID4 )}-V200 Formula 5
ここで、非反転入力端子電圧V200は、−0.7Vよりも小さいと仮定しているが、この電圧が小さくなるに従って、トランジスタQ5のベース・エミッタ間電位差VBEQ5が大きくなることが式5から明らかである。そして、トランジスタQ5のベース・エミッタ間電位差VBEQ5が大きくなると、トランジスタQ5のコレクタ電流が増加し、演算増幅器の消費電流増加を招くこととなる。
Here, it is assumed that the non-inverting input terminal voltage V200 is smaller than −0.7 V, but it is clear from
一方、トランジスタQ6のベース・エミッタ間電位差VBEQ6は、下記する式6で表される。
On the other hand, the base-emitter potential difference VBEQ6 of the transistor Q6 is expressed by
VBEQ6=Vc−VA=Ics3×R5+VT×ln{Ics3/(nQ9×Is)}−V200−VT×ln{ID2/(nD2×Is)}=Ics3×R5+VT×ln{Ics3×nD2/(nQ9×ID2)}−V200・・・式6 VBEQ6 = Vc-VA = Ics3 * R5 + VT * ln {Ics3 / (nQ9 * Is)}-V200-VT * ln {ID2 / (nD2 * Is)} = Ics3 * R5 + VT * ln {Ics3 * nD2 / (nQ9 * ID2 )}-V200 Formula 6
トランジスタQ5と同様に、非反転入力端子電圧V200の低下に従ってトランジスタQ6のベース・エミッタ間電位差VBEQ6が大きくなり、図10に示されたようにトランジスタQ6のコレクタ電流が増加し、演算増幅器の消費電流増加を招くという問題がある。
なお、図10において、実線の特性線は入力電圧の変化を、二点鎖線の特性線は出力電圧の変化を、一点鎖線の特性線はコレクタ電流の変化を、それぞれ示している。ここで、出力電圧の変化は、入力電圧が10Vを越える範囲、及び、入力電圧が0Vを下回る範囲を除いては、実線の特性線で表された入力電圧変化同一となっており、実線の特性線と重複したものとなっている。
Similar to the transistor Q5, the base-emitter potential difference VBEQ6 of the transistor Q6 increases as the non-inverting input terminal voltage V200 decreases, and the collector current of the transistor Q6 increases as shown in FIG. There is a problem of causing an increase.
In FIG. 10, a solid characteristic line indicates a change in input voltage, a two-dot chain line characteristic line indicates a change in output voltage, and a one-dot chain line characteristic line indicates a change in collector current. Here, the change of the output voltage is the same as the change of the input voltage represented by the solid characteristic line except for the range where the input voltage exceeds 10V and the range where the input voltage is less than 0V. It overlaps with the characteristic line.
この消費電流増加の問題を解決する方策としては、例えば、図11に示された回路構成が提案されている(例えば、特許文献2等参照)。
以下、かかる回路について図11を参照しつつ説明する。
なお、先に図6、図8に示された回路構成例における構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付して、その詳細な説明を省略し、以下、異なる点を中心に説明する。
かかる回路は、フォールデットカスコード部20cのベース接地トランジスタQ5、Q6のベース電流を制御することで消費電流の増加を抑制可能とした構成となっており、この電流制御を行う回路は、具体的には、トランジスタQ7、Q8、Q9、及び、電流源CS4によって構成されたものとなっている。
As a measure for solving this problem of increase in current consumption, for example, the circuit configuration shown in FIG. 11 has been proposed (see, for example, Patent Document 2).
Hereinafter, such a circuit will be described with reference to FIG.
The same components as those in the circuit configuration examples shown in FIGS. 6 and 8 are denoted by the same reference numerals, detailed description thereof is omitted, and the following description focuses on the different points. To do.
Such a circuit is configured to be able to suppress an increase in current consumption by controlling the base current of the grounded base transistors Q5 and Q6 of the folded
しかしながら、図11に示された回路にあっては、上述のように消費電流の増加を抑制することはできるが、追加回路により、最低動作電源電圧が引き上げられるという欠点がある。
かかる欠点について以下に説明する。
まず、先に図8に示された従来回路の最低動作電源電圧をV+(min)2とし、図11に示された従来回路の最低動作電源電圧をV+(min)3とすると、最低動作電源電圧は、それぞれ式7、式8により表される。
However, the circuit shown in FIG. 11 can suppress an increase in current consumption as described above, but has a disadvantage that the minimum operating power supply voltage is raised by an additional circuit.
Such drawbacks will be described below.
First, when the minimum operating voltage of the conventional circuit shown in FIG. 8 above and
V+(min)2=VCEQ5+VBEQ3+VR4・・・式7
V + (min) 2 = VCEQ5 + VBEQ3 +
V+(min)3=VCECS4+VBEQ8+VBEQ9・・・式8
V + (min) 3 = VCECS4 + VBEQ8 + VBEQ9 ...
ここで、VCEQ5はトランジスタQ5のコレクタ・エミッタ間での電圧降下、VBEQ3はトランジスタQ3のベース・エミッタ間電圧、VR4は負荷R4での電圧降下、VCECS4は電流源CS4での電圧降下、VBEQ8はトランジスタQ8のベース・エミッタ間電圧、VBEQ9はトランジスタQ9のベース・エミッタ間電圧である。
図11に示された従来回路にあっては、入力端子電圧が第1電源端子400の電圧に低下した場合でも、演算増幅器の電圧利得が保たれる、いわゆる単電源オペアンプとして動作することが望ましい。
したがって、その場合、負荷R4での電圧降下は下記する式9で表される。
Where VCEQ5 is the voltage drop between the collector and emitter of the transistor Q5, VBEQ3 is the base-emitter voltage of the transistor Q3, VR4 is the voltage drop at the load R4, VCECS4 is the voltage drop at the current source CS4, and VBEQ8 is the transistor The base-emitter voltage of Q8, VBEQ9, is the base-emitter voltage of transistor Q9.
In the conventional circuit shown in FIG. 11, it is desirable to operate as a so-called single power supply operational amplifier in which the voltage gain of the operational amplifier is maintained even when the input terminal voltage drops to the voltage of the first
Therefore, in that case, the voltage drop at the load R4 is expressed by the following
VR4=VBEQ2−VCEQ2・・・式9
VR4 = VBEQ2-
ここで、VBEQ2はトランジスタQ2のベース・エミッタ間電圧、VCEQ2はトランジスタQ2のコレクタ・エミッタ間の電圧降下である。したがって、図8に示された従来回路における最低動作電源電圧V+(min)2は下記する式10により表される。 Here, VBEQ2 is the base-emitter voltage of transistor Q2, and VCEQ2 is the voltage drop between the collector and emitter of transistor Q2. Therefore, the minimum operating power supply voltage V + (min) 2 in the conventional circuit shown in FIG.
V+(min)2=VCEQ5+VBEQ3+VBEQ2−VCEQ2・・・式10
V + (min) 2 = VCEQ5 + VBEQ3 + VBEQ2-VCEQ2 ...
ここで、VCEの添え字の電圧(コレクタ・エミッタ間電圧)は約0.2V、VBEの添え字の電圧(ベース・エミッタ間電圧)は約0.7Vと仮定すると、図8に示された従来回路の最低動作電源電圧V+(min)2は1.4V、図11に示された従来回路の最低動作電源電圧V+(min)3は1.6Vとなる。
したがって、図11に示された従来回路を用いた場合、図8に示された従来回路に比して、最低動作電源電圧が0.2V引き上げられることとなる。
Assuming that the subscript voltage of VCE (collector-emitter voltage) is about 0.2 V and the subscript voltage of VBE (base-emitter voltage) is about 0.7 V, it is shown in FIG. The minimum operating power supply voltage V + (min) 2 of the conventional circuit is 1.4 V, and the minimum operating power supply voltage V + (min) 3 of the conventional circuit shown in FIG. 11 is 1.6 V.
Therefore, when the conventional circuit shown in FIG. 11 is used, the minimum operating power supply voltage is raised by 0.2 V compared to the conventional circuit shown in FIG.
本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、消費電流の増加や最低動作電源電圧の上昇などを招くことなく出力位相反転を抑圧可能な演算増幅器を提供するものである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides an operational amplifier capable of suppressing output phase inversion without causing an increase in current consumption or an increase in the minimum operating power supply voltage.
上記本発明の目的を達成するため、本発明に係る演算増幅器は、
差動増幅回路が構成されてなる入力部と、フォールデットカスコード回路により前記入力部の出力を増幅出力するよう構成されてなるフォールデットカスコード部とを具備してなる演算増幅器において、
前記差動増幅回路は、第1及び第2のトランジスタが差動増幅可能に接続されて設けられ、前記第1のトランジスタのベースは第1の抵抗器を介して反転入力端子に、前記第2のトランジスタのベースは第2の抵抗器を介して非反転入力端子に、それぞれ接続される一方、
前記第1及び第2のトランジスタは、出力側にそれぞれ負荷が接続され、前記第2のトランジスタと前記対応する負荷の相互の接続点と、前記反転入力端子との間に第1の入力部用ダイオードが、前記第1のトランジスタと前記対応する負荷の相互の接続点と、前記非反転入力端子との間に第2の入力部用ダイオードが、前記反転入力端子と前記非反転入力端子との間の入力電圧が電源電圧の範囲を超えても、前記第1のトランジスタの前記負荷との接続点の電圧を、前記第2のトランジスタの前記負荷との接続点の電圧より大に維持可能とする方向に、それぞれ接続されて設けられ、
前記フォールデットカスコード回路は、フォールデットカスコード接続された第1及び第2のフォールデットカスコードトランジスタを用いてなると共に、前記第1及び第2のフォールデットカスコードトランジスタのベースにバイアスを供給するバイアス回路が設けられ、
前記バイアス回路には、高圧電源と低圧電源との間に、ダイオード接続されたバイアス回路用トランジスタが設けられ、前記バイアス回路用トランジスタと負荷の相互の接続点と、前記反転入力端子と前記非反転入力端子とが、それぞれ第1及び第2のフォールデットカスコード部用ダイオードを介して接続され、前記第1及び第2のフォールデットカスコード部用ダイオードは、前記第1及び第2の入力部用ダイオードの前記反転入力端子、及び、非反転入力端子に対する接続方向と同一となるように接続されてなるものである。
In order to achieve the above object of the present invention, an operational amplifier according to the present invention comprises:
In an operational amplifier comprising: an input unit configured with a differential amplifier circuit; and a folded cascode unit configured to amplify and output the output of the input unit by a folded cascode circuit.
The differential amplifier circuit is provided by connecting first and second transistors so that differential amplification is possible, and the base of the first transistor is connected to an inverting input terminal via a first resistor, and the second transistor is connected to the second amplifier. The bases of the transistors are respectively connected to the non-inverting input terminal via a second resistor,
The first and second transistors each have a load connected to the output side, and the first input section is connected between the connection point between the second transistor and the corresponding load and the inverting input terminal. A diode is connected between the connection point of the first transistor and the corresponding load and the non-inverting input terminal, and a second input diode is connected between the inverting input terminal and the non-inverting input terminal. The voltage at the connection point of the first transistor with the load can be maintained larger than the voltage at the connection point of the second transistor with the load even if the input voltage between them exceeds the range of the power supply voltage. Are connected to each other,
The folded cascode circuit includes first and second folded cascode transistors connected in a folded cascode, and a bias circuit for supplying a bias to the bases of the first and second folded cascode transistors. Provided,
Wherein the bias circuit, between the high voltage power supply and low-voltage power supply, provided a diode-connected bias circuit transistor is, the mutual connection point of the bias circuit transistor and load, the said inverting input and non An inverting input terminal is connected to each of the first and second folded cascode diodes, and the first and second folded cascode diodes are used for the first and second input parts, respectively. The diode is connected so as to be in the same direction as the connection direction with respect to the inverting input terminal and the non-inverting input terminal.
本発明によれば、従来と異なり、消費電流の増加や最低動作電源電圧の上昇などを招くことなく出力位相反転を確実に防止することができるという効果を奏するものである。 According to the present invention, unlike the prior art, there is an effect that output phase inversion can be reliably prevented without causing an increase in current consumption or an increase in the minimum operating power supply voltage.
以下、本発明の実施の形態について、図1乃至図5を参照しつつ説明する。
なお、以下に説明する部材、配置等は本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
最初に、本発明の実施の形態の演算増幅器の第1の構成例について、図1を参照しつつ説明する。
この演算増幅器は、第1及び第2のトランジスタ(図1においては、それぞれ「Q1」、「Q2」と表記)1,2を主たる構成要素としてなる差動回路を有する入力部10と、フォールデットカスコード増幅回路が構成されたフォールデットカスコード部20とに大別されて構成される点は、この主の従来回路とその基本構成を同一とするものである。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 to 5.
The members and arrangements described below do not limit the present invention and can be variously modified within the scope of the gist of the present invention.
First, a first configuration example of the operational amplifier according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
This operational amplifier includes an
入力部10は、PNP型の第1及び第2のトランジスタ1,2を主たる構成要素としてなる差動回路を有し、差動増幅出力がフォールデットカスコード部20へ入力されるようになっている。
具体的には、まず、第1及び第2のトランジスタ1,2のエミッタ同士が相互に接続されると共に、第1の定電流源(図1においては「CS1」と表記)21に接続されて定電流が流入せしめられるようになっている。なお、第1の定電源21は第2電源端子300に接続されて、高圧電源電圧が印加されるようになっている。
The
Specifically, first, the emitters of the first and
一方、第1のトランジスタ1のベースは、第1の抵抗器(図1においては「R1」と表記)31を介して反転入力端子100に接続され、第2のトランジスタ2のベースは、第2の抵抗器(図1においては「R2」と表記)32を介して非反転入力端子200に接続されたものとなっている。
On the other hand, the base of the
また、第1のトランジスタ1のコレクタは、第1の負荷(図1においては「R3」と表記)33を介して、第2のトランジスタ2のコレクタは、第2の負荷(図1においては「R4」と表記)34を介して、共に第1の電源端子400に接続されており、低圧電源電圧が印加されるようになっている。
さらに、反転入力端子100と第2のトランジスタ2のコレクタの間には、カソードが反転入力端子100側となるように第1の入力部用ダイオード(図1においては「D1」と表記)11が接続されている。
またさらに、非反転入力端子200とトランジスタ1のコレクタの間には、カソードが非反転入力端子200側となるように第2の入力部用ダイオード(図1においては「D2」と表記)12が接続されている。
In addition, the collector of the
Further, between the inverting
Furthermore, a second input diode (denoted as “D2” in FIG. 1) 12 is provided between the
次に、フォールデットカスコード部20は、PNP型の第3及び第4のトランジスタ(図1においては、それぞれ「Q3」、「Q4」と表記)3,4と、第1及び第2のフォールデットカスコードトランジスタとしてのNPN型の第5及び第6のトランジスタ(図1においては、それぞれ「Q5」、「Q6」と表記)5,6と、NPN型の第9のトランジスタ9と、第3の定電流源(図1においては「CS3」と表記)23を主たる構成要素として、フォールデットカスコード増幅回路が構成されたものとなっている。
Next, the folded
具体的には、第3及び第4のトランジスタ3,4は、ベースが相互に接続されると共に、第3のトランジスタ3のコレクタと接続される一方、各々のエミッタは第2電源端子300に接続されて、カレントミラー回路を構成するものとなっている。
そして、第3のトランジスタ3のコレクタは、第5のトランジスタ5のコレクタに接続される一方、第4のトランジスタ4のコレクタは、第6のトランジスタ6のコレクタと共に出力端子500に接続されている。
Specifically, the bases of the third and
The collector of the
第5及び第6のトランジスタ5,6は、ベースが相互に接続されると共に、第9のトランジスタのベース及びコレクタに接続されている。
また、第5のトランジスタ5のエミッタは、先の第2のトランジスタ2のコレクタに、第6のトランジスタ6のエミッタは、先の第1のトランジスタ1のコレクタに、それぞれ接続されている。
第9のトランジスタ9のコレクタは、第3の定電流源23に接続されて、定電流が供給されるようになっている。なお、第3の定電流源23は第2電源端子300に接続されて高圧電源電圧が印加されるようになっている。
The bases of the fifth and
The emitter of the
The collector of the
また、第9のトランジスタ9のエミッタは、負荷としての第3の負荷(図1においては「R5」と表記)35を介して第1電源端子400に接続されている。
なお、上述の第3の定電流源23、第9のトランジスタ9、及び、第3の負荷35の直列回路は、第5及び第6のトランジスタ5,6のバイアス回路として機能するものとなっている。
さらに、第9のトランジスタ9のエミッタには、第1のフォールデットカスコード部用ダイオードとしての第5のダイオード(図1においては「D5」と表記)15のアノード、及び、第2のフォールデットカスコード部用ダイオードとしての第6のダイオード(図1においては「D6」と表記)16のアノードが接続されている。そして、第5のダイオード15のカソードは反転入力端子100に、第6のダイオード16のカソードは非反転入力端子200に、それぞれ接続されている。
The emitter of the
The series circuit of the third constant
Further, the emitter of the
かかる構成により、出力位相反転が防止され、非反転入力端子200における電圧(非反転入力端子電圧)が第1電源端子400の電圧よりも0.7V程度低下した際には、第5及び第6のトランジスタ5,6のコレクタ電流の増加が抑制され、かつ、従来回路と異なり、最低動作電源電圧が引き上げられることがないようになっている。
以下、具体的な回路動作について、特に、非反転入力端子200における電圧(非反転入力端子電圧)が第1電源端子400の電圧よりも0.7V程度低下した場合の回路動作を中心に説明する。
With this configuration, output phase inversion is prevented, and when the voltage at the non-inverting input terminal 200 (non-inverting input terminal voltage) is reduced by about 0.7 V from the voltage at the first
Hereinafter, a specific circuit operation will be described focusing on the circuit operation particularly when the voltage at the non-inverting input terminal 200 (non-inverting input terminal voltage) is reduced by about 0.7 V from the voltage at the first
まず、第1電源端子400の電圧を0Vとし、非反転入力端子200の端子電圧V200が、V200<−0.7(V)となった場合を考える。
この場合における入力部10の動作は、従来回路と基本的に同様であるので、概略的に説明すれば、まず、第2のトランジスタ2のコレクタ・ベース間の寄生ダイオードD4を通じて電流ID4が流れる。同時に、非反転入力端子200に接続された第2の入力部用ダイオード12を通して電流ID2が流れる。このような電流が流れることにより、点Bの電圧VBと点Aの電圧VAが低下する。
First, consider a case where the voltage of the first
Since the operation of the
一方、非反転入力端子200の端子電圧が第1電源端子400の電圧を下回らない状態においては、第6のダイオード16のカソード電位は、非反転入力端子200と同電位であるが、このカソード電位が第1電源端子400の電圧より0.7V程度低下すると、第6のダイオード16のアノードからカソードへ順方向電流が流れる。この順方向電流が第3の負荷35に流れることで点Dの電位が低下する。この時の点Dの電位は下記する式11により表される。
On the other hand, when the terminal voltage of the
VD=V200+VD6=V200+VT×ln{ID6/(nD6×Is)}・・・式11
VD = V200 + VD6 = V200 + VT * ln {ID6 / (nD6 * Is)}
ここで、VTは熱電圧、Isは逆方向飽和電流、nD6は単位素子面積に対する倍率である。また、V200は非反転入力端子200の端子電圧、VD6は第6のダイオード16のアノード・カソード間の順方向電圧降下、ID6はその順方向電流値である。
点Dの電位が低下するため、ダイオード接続された第9のトランジスタ9を通して点Cの電位も低下する。この点Cの電位Vcは、下記する式12により表される。
Here, VT is a thermal voltage, Is is a reverse saturation current, and nD6 is a magnification with respect to a unit element area. V200 is a terminal voltage of the
Since the potential at the point D decreases, the potential at the point C also decreases through the diode-connected
Vc=VD+VT×ln{Ics3/(nQ9×Is)}=V200+VT×ln{ID6/(nD6×Is)}+VT×ln{Ics3/(nQ9×Is)}・・・式12 Vc = VD + VT * ln {Ics3 / (nQ9 * Is)} = V200 + VT * ln {ID6 / (nD6 * Is)} + VT * ln {Ics3 / (nQ9 * Is)}
ここで、Ics3は第3の定電流源23の電流値であり、第9のトランジスタ9に流れる電流である。また、nQ9は第9のトランジスタ9の単位素子面積に対する倍率である。
次に、点Bの電位を算出する。
先に述べたように、点Bは第2のトランジスタ2のコレクタからベースへの逆流電流が生ずることで電位が低下する。また、点Aは、第2の入力部用ダイオード12の順方向電流が流れることで電位が低下する。
そして、点Bの電位VBと点Aの電位VAは、下記する式13、式14で表される。
Here, Ics3 is the current value of the third constant
Next, the potential at point B is calculated.
As described above, the potential at the point B decreases due to the occurrence of a backflow current from the collector to the base of the
The potential VB at the point B and the potential VA at the point A are expressed by the following expressions 13 and 14.
VB=V200+VT×ln{ID4/(nD4×Is)}+ID4×R2・・・式13 VB = V200 + VT * ln {ID4 / (nD4 * Is)} + ID4 * R2 Equation 13
VA=V200+VT×ln{ID2/(nD2×Is)}・・・式14 VA = V200 + VT * ln {ID2 / (nD2 * Is)} Expression 14
ここで、ID4は第2のトランジスタ2のコレクタからベースに流れる逆方向電流値、ID2は第2の入力部用ダイオード12に流れる順方向電流値、nD4は第2のトランジスタ2のコレクタ・ベース間のPN接合の単位素子面積に対する倍率、nD2は第2の入力部用ダイオード12の単位素子面積に対する倍率である。
これらの式より、第5のトランジスタ5のベース・エミッタ間電圧を求めると、以下のようになる。
Here, ID4 is the reverse current value flowing from the collector to the base of the
From these equations, the base-emitter voltage of the
Vc−VB=VT×ln{ID6/(nD6×Is)}+VT×ln{Ics3/(nQ9×Is)}−VT×ln{ID4/(nD4×Is)}−ID4×R2=VT×ln{ID6×Ics3×nD4/(nD6×nQ9×ID4×Is)}−ID4×R2・・・式15
Vc-VB = VT * ln {ID6 / (nD6 * Is)} + VT * ln {Ics3 / (nQ9 * Is)}-VT * ln {ID4 / (nD4 * Is)}-ID4 * R2 = VT * ln { ID6 * Ics3 * nD4 / (nD6 * nQ9 * ID4 * Is)}-ID4 *
Vc−VA=VT×ln{ID6/(nD6×Is)}+VT×ln{Ics3/(nQ9×Is)}−VT×ln{ID2/(nD2×Is)}≒VT×ln{ID6×Ics3×nD2/(nD6×nQ9×ID2×Is)}・・・式16
Vc-VA = VT * ln {ID6 / (nD6 * Is)} + VT * ln {Ics3 / (nQ9 * Is)}-VT * ln {ID2 / (nD2 * Is)} ≈VT * ln {ID6 * Ics3 * nD2 / (nD6 × nQ9 × ID2 × Is)}
一方、非反転入力端子電圧V200が、第1電源端子400と第2電源端子300の中点付近での第5及び第6のトランジスタ5,6のベース・エミッタ間電圧は、下記する式17で表される如くとなる。
On the other hand, the non-inverting input terminal voltage V200 is such that the base-emitter voltages of the fifth and
VBEQ5=VT×ln{IQ5/(nQ5×Is)}=VT×ln{Ics3/(nQ9×Is)}・・・式17
VBEQ5 = VT * ln {IQ5 / (nQ5 * Is)} = VT * ln {Ics3 / (nQ9 * Is)}
よって下記する式18、式19の条件が満たされたときには、非反転入力端子電圧V200が、第1電源端子400の電圧よりも0.7V程度低くなっても第5及び第6のトランジスタ5,6のコレクタ電流は増加しない。
Therefore, when the conditions of the following
Vc−VB<VBEQ5・・・式18 Vc-VB <VBEQ5 ... Equation 18
Vc−VA<VBEQ5・・・式19
Vc-VA <
この式18、式19に、先の式15、式16、式17を代入し、より詳細な条件を求めると以下のようになる。
Substituting
VT×ln{nD4×ID6/(nD6×ID4)}<ID4×R2・・・式20 VT × ln {nD4 × ID6 / (nD6 × ID4)} <ID4 × R2
VT×ln{nD2×ID6/(nD6×ID2)}<0・・・式21
VT × ln {nD2 × ID6 / (nD6 × ID2)} <0
式20、式21を満たすようにnD6やR2などを調整する、すなわち、第6のダイオード16や第2の抵抗器32などの大きさを調整することで、非反転入力端子電圧V200が、第1電源端子400の電圧より0.7V程度低くなったときに第5及び第6のトランジスタ5,6のコレクタ電流の増加が抑圧されることとなる。
図5には、図1に示された回路構成の演算増幅器における入出力電圧の変化と第5及び第6のトランジスタのコレクタ電流変化のシミュレーション結果を示す特性線図が示されている。
By adjusting nD6, R2 and the like so as to satisfy
FIG. 5 is a characteristic diagram showing simulation results of changes in the input / output voltages and changes in the collector currents of the fifth and sixth transistors in the operational amplifier having the circuit configuration shown in FIG.
同図において、実線の特性線は入力電圧の変化を、二点鎖線の特性線は出力電圧の変化を、それぞれ示している。また、一点鎖線の特性線はコレクタ電流を示している。
ここで、出力電圧の変化は、入力電圧が10Vを越える範囲、及び、入力電圧が0Vを下回る範囲を除いては、実線の特性線で表された入力電圧変化同一となっており、実線の特性線と重複したものとなっている。
図5によれば、入力電圧が第1電源端子400の電圧より0.7V程度低くなっても、出力位相反転を生ずることなく、かつ、第5及び第6のトランジスタ5,6のコレクタ電流の増加が抑圧されることが確認できる。
In the figure, a solid characteristic line indicates a change in input voltage, and a two-dot chain characteristic line indicates a change in output voltage. The characteristic line of the alternate long and short dash line indicates the collector current.
Here, the change of the output voltage is the same as the change of the input voltage represented by the solid characteristic line except for the range where the input voltage exceeds 10V and the range where the input voltage is less than 0V. It overlaps with the characteristic line.
According to FIG. 5, even if the input voltage is about 0.7 V lower than the voltage of the first
また、最低動作電源電圧は、先に従来回路の説明における式10に示された関係式、V+(min)2=VCEQ5+VBEQ3+VBEQ2−VCEQ2と同様であるので、第5及び第6のトランジスタ5,6のコレクタ電流を抑圧するために付加された追加回路部分によって、最低動作電源電圧が引き上げられることはない。
なお、上述した回路構成において、PNP型トランジスタをNPN型トランジスタに置き換え、NPN型トランジスタをPNP型トランジスタに置き換えて、さらに、第1及び第2のダイオード11,12の順方向となる向きを逆にして接続し、第1及び第3の定電流源21,23の接続の向きを逆にし、高圧電源側である第2電源端子300と低圧電源側である第1電源端子400を逆とした構成としても良い。この場合、反転入力端子100、非反転入力端子200への入力電圧が第2電源端子300の電圧を超えた際に、上述した構成例と同様の動作となる。
Since the minimum operating power supply voltage is the same as the relational expression V + (min) 2 = VCEQ5 + VBEQ3 + VBEQ2−VCEQ2 previously shown in the description of the conventional circuit, the fifth and
In the circuit configuration described above, the PNP transistor is replaced with an NPN transistor, the NPN transistor is replaced with a PNP transistor, and the forward direction of the first and
次に、第2の構成例について、図2を参照しつつ説明する。
なお、図1に示された第1の構成例の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略し、以下、異なる点を中心に説明する。
この第2の構成例は、図1に示された第1の構成例において、第6の抵抗器(図1においては「R6」と表記)36を第1の入力部用ダイオード11のカソード側に、第7の抵抗器(図1においては「R7」と表記)37を第2の入力部用ダイオード12のカソード側に、それぞれ設け、入力部10Aが構成されたものとなっている。
すなわち、第1の入力部用ダイオード11のカソードは、第1のダイオード用直列抵抗器としての第6の抵抗器36を介して反転入力端子100に、第2の入力部用ダイオード12のカソードは、第2のダイオード用直列抵抗器としての第7の抵抗器37を介して非反転入力端子200に、それぞれ接続されたものとなっている。
Next, a second configuration example will be described with reference to FIG.
The same components as those of the first configuration example shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, detailed description thereof will be omitted, and different points will be mainly described below.
This second configuration example is the same as the first configuration example shown in FIG. 1 except that a sixth resistor (indicated as “R6” in FIG. 1) 36 is connected to the cathode side of the
That is, the cathode of the
かかる構成により、出力位相反転が防止され、非反転入力端子200における電圧(非反転入力端子電圧)が第1電源端子400の電圧よりも0.7V程度低下した際には、第5及び第6のトランジスタ5,6のコレクタ電流の増加が抑制され、かつ、従来回路と異なり、最低動作電源電圧が引き上げられることがないようになっている。
以下、具体的な回路動作について、特に、非反転入力端子200における電圧(非反転入力端子電圧)が第1電源端子400の電圧よりも0.7V程度低下した場合の回路動作を中心に説明する。なお、入力部10における動作は、第1の構成例で説明したように、従来回路と基本的に同様であるので、ここでの再度の詳細な説明を省略する。
With this configuration, output phase inversion is prevented, and when the voltage at the non-inverting input terminal 200 (non-inverting input terminal voltage) is reduced by about 0.7 V from the voltage at the first
Hereinafter, a specific circuit operation will be described focusing on the circuit operation particularly when the voltage at the non-inverting input terminal 200 (non-inverting input terminal voltage) is reduced by about 0.7 V from the voltage at the first
まず、非反転入力端子200の端子電圧が第1電源端子400の電圧を下回らない状態においては、第6のダイオード16のカソード電位は、非反転入力端子200と同電位であるが、このカソード電位が第1電源端子400の電圧より0.7V程度低下すると、第6のダイオード16のアノードからカソードへ順方向電流が流れる。この順方向電流が第3の負荷35に流れることで点Dの電位が低下する。この時の点Dの電位は先の第1の構成例同様に式11により表される。
First, in a state where the terminal voltage of the
点Dの電位が低下するため、ダイオード接続された第9のトランジスタ9を通して点Cの電位も低下する。この点Cの電位Vcは、第1の構成例で示した式12により表される。
次に、点Bの電位を算出する。
先に述べたように、点Bは第2のトランジスタ2のコレクタからベースへの逆流電流が生ずることで電位が低下する。また、点Aは、第2の入力部用ダイオード12の順方向電流が流れることで電位が低下する。
そして、点Bの電位VBは、第1の構成例で示した式13により表され、点Aの電位VAは、下記する式14Aで表される。
Since the potential at the point D decreases, the potential at the point C also decreases through the diode-connected
Next, the potential at point B is calculated.
As described above, the potential at the point B decreases due to the occurrence of a backflow current from the collector to the base of the
The potential VB at the point B is expressed by the equation 13 shown in the first configuration example, and the potential VA at the point A is expressed by the following equation 14A.
VA=V200+VT×ln{ID2/(nD2×Is)}+ID2×R7・・・式14A VA = V200 + VT * ln {ID2 / (nD2 * Is)} + ID2 * R7 Expression 14A
ここで、R7は第7の抵抗器37の抵抗値である。なお、上記式14Aにおける他の各項目の定義は、先の式14で説明した通りである。
これらの式より、第5のトランジスタ5のベース・エミッタ間電圧を求めると、以下のようになる。
まず、点Cの電位と点Bの電位の差Vc−VBは、先の第1の構成例で示した式15により求められる。
一方、点Cの電位と点Aの電位の差Vc−VAは、下記する式16Aにより求められる。
Here,
From these equations, the base-emitter voltage of the
First, the difference Vc−VB between the potential at the point C and the potential at the point B is obtained by the
On the other hand, the difference Vc−VA between the potential at the point C and the potential at the point A is obtained by the following equation 16A.
Vc−VA=VT×ln{ID6/(nD6×Is)}+VT×ln{Ics3/(nQ9×Is)}−VT×ln{ID2/(nD2×Is)}−ID2×R7=VT×ln{ID6×Ics3×nD2/(nD6×nQ9×ID2×Is)}−ID2×R7・・・式16A Vc-VA = VT * ln {ID6 / (nD6 * Is)} + VT * ln {Ics3 / (nQ9 * Is)}-VT * ln {ID2 / (nD2 * Is)}-ID2 * R7 = VT * ln { ID6 * Ics3 * nD2 / (nD6 * nQ9 * ID2 * Is)}-ID2 * R7 ... Equation 16A
一方、非反転入力端子電圧V200が、第1電源端子400と第2電源端子300の中点付近での第5及び第6のトランジスタ5,6のベース・エミッタ間電圧は、先の第1の構成例で示した式17で表される如くとなる。
よって、第1の構成例で示した式18、式19の条件が満たされたときには、非反転入力端子電圧V200が、第1電源端子400の電圧よりも0.7V程度低くなっても第5及び第6のトランジスタ5,6のコレクタ電流は増加しない。
On the other hand, the non-inverting input terminal voltage V200 is the same as that of the first and
Therefore, when the conditions of
ここで、式18、式19に、先の式15、式16A、式17を代入し、より詳細な条件を求めると、先の第1の構成例同様、式20が求められると共に、下記する式21Aが求められる。
Here, by substituting
VT×ln{nD2×ID6/(nD6×ID2)}<ID2×R7・・・式21A VT × ln {nD2 × ID6 / (nD6 × ID2)} <ID2 × R7 Equation 21A
しかして、式20、式21Aを満たすようにnD6やR2などを調整する、すなわち、第6のダイオード16や第2の抵抗器32などの大きさを調整することで、非反転入力端子電圧V200が、第1電源端子400の電圧より0.7V程度低くなったときに第5及び第6のトランジスタ5,6のコレクタ電流の増加が抑圧されることとなる。
なお、先に第1の構成例で示した図5のシミュレーションに基づく特性線図は、この第2の構成例においても同様に適用されるが、ここでの再度の詳細な説明は省略する。
Thus, by adjusting nD6, R2, etc. so as to satisfy the
Note that the characteristic diagram based on the simulation of FIG. 5 previously shown in the first configuration example is similarly applied to the second configuration example, but detailed description thereof is omitted here.
この第2の構成例における先の式21Aと、第1の構成例で示した式21とを比較すると、式21Aの右辺は0より大きい値であるため、第1の構成例よりもnD6を小さくすることができる。したがって、この第2の構成例では、第1の構成例に比較して、フォールデットカスコード部20の第6のダイオード16のサイズを小さく抑えることができるという利点がある。
また、最低動作電源電圧についても、先の第1の構成例で説明したと同様、第5及び第6のトランジスタ5,6のコレクタ電流を抑圧するために付加された追加回路部分によって、最低動作電源電圧が引き上げられることはない。
Comparing the previous expression 21A in the second configuration example with the
As for the minimum operating power supply voltage, as described in the first configuration example, the minimum operation power supply voltage can be reduced by the additional circuit portion added to suppress the collector currents of the fifth and
なお、この第2の構成例においても、PNP型トランジスタをNPN型トランジスタに置き換え、NPN型トランジスタをPNP型トランジスタに置き換えて、さらに、第1及び第2のダイオード11,12の順方向となる向きを逆にして接続し、第1及び第3の定電流源21,23の接続の向きを逆にし、高圧電源側である第2電源端子300と低圧電源側である第1電源端子400を逆とした構成としても良い。この場合、反転入力端子100、非反転入力端子200への入力電圧が第2電源端子300の電圧を超えた際に、上述した構成例と同様の動作となる。
In this second configuration example, the PNP transistor is replaced with an NPN transistor, the NPN transistor is replaced with a PNP transistor, and the first and
次に、第3の構成例について、図3を参照しつつ説明する。
なお、図1に示された第1の構成例の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略し、以下、異なる点を中心に説明する。
この第3の構成例は、図1に示された第1の構成例において、新たにPNP型の第7及び第8のトランジスタ(図1においては「Q7」、「Q8」と表記)7,8により構成された差動回路が設けられ、フォールデットカスコード部20Aが構成されたものとなっている。
Next, a third configuration example will be described with reference to FIG.
The same components as those of the first configuration example shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, detailed description thereof will be omitted, and different points will be mainly described below.
This third configuration example is the same as the first configuration example shown in FIG. 1 except that PNP-type seventh and eighth transistors (indicated as “Q7” and “Q8” in FIG. 1) 7, The differential circuit comprised by 8 is provided, and the folded
以下、具体的に説明すれば、まず、第1及び第2の追加差動回路用トランジスタとしてのPNP型の第7及び第8のトランジスタ7,8は、エミッタ同士が相互に接続されると共に、第2の定電流源(図1においては「CS2」と表記)22に接続されて定電流が流入せしめられるようになっている。なお、第2の定電源22は第2電源端子300に接続されて、高圧電源電圧が印加されるようになっている。
一方、第7及び第8のトランジスタ7,8のコレクタは、共に第3の負荷35を介して第1電源端子400に接続されるようになっている。
そして、第7のトランジスタ7のベースは反転入力端子100に、第8のトランジスタ8のベースは非反転入力端子200に、それぞれ接続されたものとなっている。
Specifically, first, the PNP type seventh and
On the other hand, the collectors of the seventh and
The base of the
かかる構成により、出力位相反転が防止され、非反転入力端子200における電圧(非反転入力端子電圧)が第1電源端子400の電圧よりも0.7V程度低下した際には、第5及び第6のトランジスタ5,6のコレクタ電流の増加が抑制され、かつ、従来回路と異なり、最低動作電源電圧が引き上げられることがないようになっている。
以下、具体的な回路動作について、特に、非反転入力端子200における電圧(非反転入力端子電圧)が第1電源端子400の電圧よりも0.7V程度低下した場合の回路動作を中心に説明する。なお、入力部10における動作は、第1の構成例で説明したように、従来回路と基本的に同様であるので、ここでの再度の詳細な説明を省略する。
With this configuration, output phase inversion is prevented, and when the voltage at the non-inverting input terminal 200 (non-inverting input terminal voltage) is reduced by about 0.7 V from the voltage at the first
Hereinafter, a specific circuit operation will be described focusing on the circuit operation particularly when the voltage at the non-inverting input terminal 200 (non-inverting input terminal voltage) is reduced by about 0.7 V from the voltage at the first
まず、第8のトランジスタ8のベース電位は、非反転入力端子200の端子電圧と同電位であり、このベース電位が第1電源端子400の電圧より0.7V程度低下すると、第8のトランジスタ8のコレクタからベースへ逆方向電流が流れる。この逆方向電流が第3の負荷35に流れることで点Dの電位が低下する。この時の点Dの電位は先の第1の構成例同様に式11により表される。
なお、この第3の構成例においては、式11のVD6は、第8のトランジスタ8のコレクタからベースへ逆方向電流が流れるときの閾値電圧、ID6はその逆方向電流値となる。
点Dの電位が低下するため、ダイオード接続された第9のトランジスタ9を通して点Cの電位も低下する。この点Cの電位Vcは、第1の構成例で示した式12により表される。
First, the base potential of the
In the third configuration example, VD6 in
Since the potential at the point D decreases, the potential at the point C also decreases through the diode-connected
次に、点Bの電位を算出する。
先に述べたように、点Bは第2のトランジスタ2のコレクタからベースへの逆流電流が生ずることで電位が低下する。また、点Aは、第2の入力部用ダイオード12の順方向電流が流れることで電位が低下する。
しかして、点Bの電位VBは、第1の構成例で示した式13により、点Aの電位VAは、第1の構成例で示した式14により、それぞれ表される。
Next, the potential at point B is calculated.
As described above, the potential at the point B decreases due to the occurrence of a backflow current from the collector to the base of the
Therefore, the potential VB at the point B is expressed by the equation 13 shown in the first configuration example, and the potential VA at the point A is expressed by the equation 14 shown in the first configuration example.
これらの式より、第5のトランジスタ5のベース・エミッタ間電圧を求めると、以下のようになる。
まず、点Cの電位と点Bの電位の差Vc−VBは、先の第1の構成例で示した式15により求められる。
また、点Cの電位と点Aの電位の差Vc−VAは、先の第1の構成例で示した式16により求められる。
From these equations, the base-emitter voltage of the
First, the difference Vc−VB between the potential at the point C and the potential at the point B is obtained by the
Further, the difference Vc−VA between the potential at the point C and the potential at the point A is obtained by the
一方、非反転入力端子電圧V200が、第1電源端子400と第2電源端子300の中点付近での第5及び第6のトランジスタ5,6のベース・エミッタ間電圧は、先の第1の構成例で示した式17で表される如くとなる。
よって、第1の構成例で示した式18、式19の条件が満たされたときには、非反転入力端子電圧V200が、第1電源端子400の電圧よりも0.7V程度低くなっても第5及び第6のトランジスタ5,6のコレクタ電流は増加しない。
On the other hand, the non-inverting input terminal voltage V200 is the same as that of the first and
Therefore, when the conditions of
ここで、式18、式19に、先の式15、式16、式17を代入し、より詳細な条件を求めると、先の第1の構成例同様、式20、式21が求められる。
しかして、式20、式21を満たすようにnD6やR2などを調整する、すなわち、第8のトランジスタ8や第2の抵抗器32などの大きさを調整することで、非反転入力端子電圧V200が、第1電源端子400の電圧より0.7V程度低くなったときに第5及び第6のトランジスタ5,6のコレクタ電流の増加が抑圧されることとなる。
Here, when
Thus, by adjusting nD6, R2, etc. so as to satisfy
なお、先に第1の構成例で示した図5のシミュレーションに基づく特性線図は、この第3の構成例においても同様に適用されるが、ここでの再度の詳細な説明は省略する。
また、最低動作電源電圧についても、先の第1の構成例で説明したと同様、第5及び第6のトランジスタ5,6のコレクタ電流を抑圧するために付加された追加回路部分によって、最低動作電源電圧が引き上げられることはない。
Note that the characteristic diagram based on the simulation of FIG. 5 previously shown in the first configuration example is similarly applied to this third configuration example, but detailed description thereof is omitted here.
As for the minimum operating power supply voltage, as described in the first configuration example, the minimum operation power supply voltage can be reduced by the additional circuit portion added to suppress the collector currents of the fifth and
なお、この第3の構成例においても、PNP型トランジスタをNPN型トランジスタに置き換え、NPN型トランジスタをPNP型トランジスタに置き換えて、さらに、第1及び第2のダイオード11,12の順方向となる向きを逆にして接続し、第1乃至第3の定電流源21〜23の接続の向きを逆にし、高圧電源側である第2電源端子300と低圧電源側である第1電源端子400を逆とした構成としても良い。この場合、反転入力端子100、非反転入力端子200への入力電圧が第2電源端子300の電圧を超えた際に、上述した構成例と同様の動作となる。
Also in this third configuration example, the PNP transistor is replaced with an NPN transistor, the NPN transistor is replaced with a PNP transistor, and the forward direction of the first and
次に、第4の構成例について、図4を参照しつつ説明する。
なお、図1、図3に示された第1の構成例の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略し、以下、異なる点を中心に説明する。
この第4の構成例は、図3に示された第3の構成例において、図2に示された第2の構成例のように第6及び第7の抵抗器36,37を設けた構成を有するものである。
Next, a fourth configuration example will be described with reference to FIG.
In addition, about the same component as the component of the 1st structural example shown by FIG. 1, FIG. 3, the same code | symbol is attached | subjected, the detailed description is abbreviate | omitted, and it focuses on a different point hereafter. explain.
In the fourth configuration example, the sixth and
すなわち、第1の入力部用ダイオード11のカソードは、第6の抵抗器36を介して反転入力端子100に、第2の入力部用ダイオード12のカソードは、第7の抵抗器37を介して非反転入力端子200に、それぞれ接続されたものとなっている。
かかる構成により、出力位相反転が防止され、非反転入力端子200における電圧(非反転入力端子電圧)が第1電源端子400の電圧よりも0.7V程度低下した際には、第5及び第6のトランジスタ5,6のコレクタ電流の増加が抑制され、かつ、従来回路と異なり、最低動作電源電圧が引き上げられることがないようになっている。
That is, the cathode of the
With this configuration, output phase inversion is prevented, and when the voltage at the non-inverting input terminal 200 (non-inverting input terminal voltage) is reduced by about 0.7 V from the voltage at the first
以下、具体的な回路動作について、特に、非反転入力端子200における電圧(非反転入力端子電圧)が第1電源端子400の電圧よりも0.7V程度低下した場合の回路動作を中心に説明する。なお、入力部10における動作は、第1の構成例で説明したように、従来回路と基本的に同様であるので、ここでの再度の詳細な説明を省略する。
Hereinafter, a specific circuit operation will be described focusing on the circuit operation particularly when the voltage at the non-inverting input terminal 200 (non-inverting input terminal voltage) is reduced by about 0.7 V from the voltage at the first
まず、非反転入力端子200の端子電圧が第1電源端子400の電圧を下回らない状態においては、第6のダイオード16のカソード電位は、非反転入力端子200と同電位であるが、このカソード電位が第1電源端子400の電圧より0.7V程度低下すると、第6のダイオード16のアノードからカソードへ逆方向電流が流れる。この逆方向電流が第3の負荷35に流れることで点Dの電位が低下する。この時の点Dの電位は先の第1の構成例同様に式11により表される。
First, in a state where the terminal voltage of the
点Dの電位が低下するため、ダイオード接続された第9のトランジスタ9を通して点Cの電位も低下する。この点Cの電位Vcは、第1の構成例で示した式12により表される。
次に、点Bの電位を算出する。
先に述べたように、点Bは第2のトランジスタ2のコレクタからベースへの逆流電流が生ずることで電位が低下する。また、点Aは、第2の入力部用ダイオード12の順方向電流が流れることで電位が低下する。
そして、点Bの電位VBは、第1の構成例で示した式13により表され、点Aの電位VAは、先の第2の構成例で示した下記する式14Aで表される。
Since the potential at the point D decreases, the potential at the point C also decreases through the diode-connected
Next, the potential at point B is calculated.
As described above, the potential at the point B decreases due to the occurrence of a backflow current from the collector to the base of the
The potential VB at the point B is expressed by the equation 13 shown in the first configuration example, and the potential VA at the point A is expressed by the following equation 14A shown in the second configuration example.
VA=V200+VT×ln{ID2/(nD2×Is)}+ID2×R7・・・式14A VA = V200 + VT * ln {ID2 / (nD2 * Is)} + ID2 * R7 Expression 14A
ここで、R7は第7の抵抗器37の抵抗値である。なお、上記式14Aにおける他の各項目の定義は、先の式14で説明した通りである。
これらの式より、第5のトランジスタ5のベース・エミッタ間電圧を求めると、以下のようになる。
まず、点Cの電位と点Bの電位の差Vc−VBは、先の第1の構成例で示した式15により求められる。
一方、点Cの電位と点Aの電位の差Vc−VAは、先の第2の構成例で示した下記する式16Aにより求められる。
Here,
From these equations, the base-emitter voltage of the
First, the difference Vc−VB between the potential at the point C and the potential at the point B is obtained by the
On the other hand, the difference Vc−VA between the potential at the point C and the potential at the point A is obtained by the following equation 16A shown in the second configuration example.
Vc−VA=VT×ln{ID6/(nD6×Is)}+VT×ln{Ics3/(nQ9×Is)}−VT×ln{ID2/(nD2×Is)}−ID2×R7=VT×ln{ID6×Ics3×nD2/(nD6×nQ9×ID2×Is)}−ID2×R7・・・式16A Vc-VA = VT * ln {ID6 / (nD6 * Is)} + VT * ln {Ics3 / (nQ9 * Is)}-VT * ln {ID2 / (nD2 * Is)}-ID2 * R7 = VT * ln { ID6 * Ics3 * nD2 / (nD6 * nQ9 * ID2 * Is)}-ID2 * R7 ... Equation 16A
一方、非反転入力端子電圧V200が、第1電源端子400と第2電源端子300の中点付近での第5及び第6のトランジスタ5,6のベース・エミッタ間電圧は、先の第1の構成例で示した式17で表される如くとなる。
よって、第1の構成例で示した式18、式19の条件が満たされたときには、非反転入力端子電圧V200が、第1電源端子400の電圧よりも0.7V程度低くなっても第5及び第6のトランジスタ5,6のコレクタ電流は増加しない。
On the other hand, the non-inverting input terminal voltage V200 is the same as that of the first and
Therefore, when the conditions of
ここで、式18、式19に、先の式15、式16A、式17を代入し、より詳細な条件を求めると、先の第1の構成例同様、式20が求められると共に、先の第2の構成例で示した下記する式21Aが求められる。
Here, by substituting
VT×ln{nD2×ID6/(nD6×ID2)}<ID2×R7・・・式21A VT × ln {nD2 × ID6 / (nD6 × ID2)} <ID2 × R7 Equation 21A
しかして、式20、式21Aを満たすようにnD6やR2などを調整する、すなわち、第6のダイオード16や第2の抵抗器32などの大きさを調整することで、非反転入力端子電圧V200が、第1電源端子400の電圧より0.7V程度低くなったときに第5及び第6のトランジスタ5,6のコレクタ電流の増加が抑圧されることとなる。
なお、先に第1の構成例で示した図5のシミュレーションに基づく特性線図は、この第4の構成例においても同様に適用されるが、ここでの再度の詳細な説明は省略する。
Thus, by adjusting nD6, R2, etc. so as to satisfy the
The characteristic diagram based on the simulation of FIG. 5 previously shown in the first configuration example is similarly applied to this fourth configuration example, but detailed description thereof is omitted here.
この第4の構成例における先の式21Aと、第1の構成例で示した式21とを比較すると、式21Aの右辺は0より大きい値であるため、第1の構成例よりもnD6を小さくすることができる。したがって、この第4の構成例では、第1の構成例に比較して、フォールデットカスコード部20の第6のダイオード16のサイズを小さく抑えることができるという利点がある。
また、最低動作電源電圧についても、先の第1の構成例で説明したと同様、第5及び第6のトランジスタ5,6のコレクタ電流を抑圧するために付加された追加回路部分によって、最低動作電源電圧が引き上げられることはない。
Comparing the previous equation 21A in the fourth configuration example with the
As for the minimum operating power supply voltage, as described in the first configuration example, the minimum operation power supply voltage can be reduced by the additional circuit portion added to suppress the collector currents of the fifth and
なお、この第4の構成例においても、PNP型トランジスタをNPN型トランジスタに置き換え、NPN型トランジスタをPNP型トランジスタに置き換えて、さらに、第1及び第2のダイオード11,12の順方向となる向きを逆にして接続し、第1乃至第3の定電流源21〜23の接続の向きを逆にし、高圧電源側である第2電源端子300と定圧電源側である第1電源端子400を逆とした構成としても良い。この場合、反転入力端子100、非反転入力端子200への入力電圧が第2電源端子300の電圧を超えた際に、上述した構成例と同様の動作となる。
In the fourth configuration example, the PNP transistor is replaced with an NPN transistor, the NPN transistor is replaced with a PNP transistor, and the first and
消費電流の増加や最低動作電源電圧の上昇などを招くことない出力位相反転防止動作が所望される演算増幅器に適用できる。 The present invention can be applied to an operational amplifier in which an output phase inversion prevention operation is desired without causing an increase in current consumption or an increase in the minimum operating power supply voltage.
10、10A…入力部
20、20A…フォールデットカスコード部
100…反転入力端子
200…非反転入力端子
300…第1電源端子
400…第2電源端子
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記差動増幅回路は、第1及び第2のトランジスタが差動増幅可能に接続されて設けられ、前記第1のトランジスタのベースは第1の抵抗器を介して反転入力端子に、前記第2のトランジスタのベースは第2の抵抗器を介して非反転入力端子に、それぞれ接続される一方、
前記第1及び第2のトランジスタは、出力側にそれぞれ負荷が接続され、前記第2のトランジスタと前記対応する負荷の相互の接続点と、前記反転入力端子との間に第1の入力部用ダイオードが、前記第1のトランジスタと前記対応する負荷の相互の接続点と、前記非反転入力端子との間に第2の入力部用ダイオードが、前記反転入力端子と前記非反転入力端子との間の入力電圧が電源電圧の範囲を超えても、前記第1のトランジスタの前記負荷との接続点の電圧を、前記第2のトランジスタの前記負荷との接続点の電圧より大に維持可能とする方向に、それぞれ接続されて設けられ、
前記フォールデットカスコード回路は、フォールデットカスコード接続された第1及び第2のフォールデットカスコードトランジスタを用いてなると共に、前記第1及び第2のフォールデットカスコードトランジスタのベースにバイアスを供給するバイアス回路が設けられ、
前記バイアス回路には、高圧電源と低圧電源との間に、ダイオード接続されたバイアス回路用トランジスタが設けられ、前記バイアス回路用トランジスタと負荷の相互の接続点と、前記反転入力端子と前記非反転入力端子とが、それぞれ第1及び第2のフォールデットカスコード部用ダイオードを介して接続され、前記第1及び第2のフォールデットカスコード部用ダイオードは、前記第1及び第2の入力部用ダイオードの前記反転入力端子、及び、非反転入力端子に対する接続方向と同一となるように接続されてなることを特徴とする演算増幅器。 In an operational amplifier comprising: an input unit configured with a differential amplifier circuit; and a folded cascode unit configured to amplify and output the output of the input unit by a folded cascode circuit.
The differential amplifier circuit is provided by connecting first and second transistors so that differential amplification is possible, and the base of the first transistor is connected to an inverting input terminal via a first resistor, and the second transistor is connected to the second amplifier. The bases of the transistors are respectively connected to the non-inverting input terminal via a second resistor,
The first and second transistors each have a load connected to the output side, and the first input section is connected between the connection point between the second transistor and the corresponding load and the inverting input terminal. A diode is connected between the connection point of the first transistor and the corresponding load and the non-inverting input terminal, and a second input diode is connected between the inverting input terminal and the non-inverting input terminal. The voltage at the connection point of the first transistor with the load can be maintained larger than the voltage at the connection point of the second transistor with the load even if the input voltage between them exceeds the range of the power supply voltage. Are connected to each other,
The folded cascode circuit includes first and second folded cascode transistors connected in a folded cascode, and a bias circuit for supplying a bias to the bases of the first and second folded cascode transistors. Provided,
Wherein the bias circuit, between the high voltage power supply and low-voltage power supply, provided a diode-connected bias circuit transistor is, the mutual connection point of the bias circuit transistor and load, the said inverting input and non An inverting input terminal is connected to each of the first and second folded cascode diodes, and the first and second folded cascode diodes are used for the first and second input parts, respectively. An operational amplifier, wherein the diode is connected so as to have the same connection direction as that of the inverting input terminal and the non-inverting input terminal of the diode.
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