JP6227143B2 - オペアンプ回路 - Google Patents
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Description
VIN=VINP−VINM (1)
VINに対する差動出力電圧を、
VOUT=G・VIN=VOUTP−VOUTM (2)
とする。
ここで、Gは増幅回路の電圧利得である。尚、簡略化のため、オペアンプの利得は無限大とする。
R200=R201 (3)
とすると、その利得Gは、
G=(R100+2・R200)/R100 (4)
となり、式(2)により差動出力電圧が得られる。
図10、図11は、2重差動対型オペアンプの記号を示す。
図10に対しては、
G=1 (5)
また、図11に対しては、
R100=R101 (6)
R200=R201 (7)
とすると、
G=(R100+R200)/R100 (8)
となる。
gmdiff=gmn+gmp (9)
となる。
しかし、たとえばグランド電位付近の電圧が入力された場合、NMOS型差動対がOFFし、動作できなくなることでgmn≒0となり、
gmdiff≒gmp (10)
に減少してしまう。
gmdiff≒gmn (11)
となる。
Nチャネル型とPチャネル型とのうちチャネル型を同じくする2つの電界効果トランジスタからなる第1の差動対と、前記第1の差動対と異なるチャネル型の2つの電界効果トランジスタからなり、前記第1の差動対に並列に接続される第2の差動対とを含む第1の並列部と、
前記第1の差動対と同一のチャネル型の2つの電界効果トランジスタからなる第3の差動対と、前記第2の差動対と同一のチャネル型の2つの電界効果トランジスタからなり、前記第3の差動対に並列に接続される第4の差動対とを含む第2の並列部と、
前記第1の差動対と前記第3の差動対とにバイアス電流を供給する一つの第1の電流源と、
前記第2の差動対と前記第4の差動対とにバイアス電流を供給する一つの第2の電流源と
を備えたことを特徴とする。
図1は、差動増幅回路を構成するオペアンプ回路1000の回路図である。
図2は、オペアンプ回路1000の具体例を示す回路図である。図2は図1の能動負荷AL100の回路構成を記載した図である。後述するが、オペアンプ回路1000は、図10、図11、図12に示す差動増幅回路に適用できる。つまり、図10、図11、図12でオペアンプ記号として示した2重差動型オペアンプA100には、オペアンプ回路1000が組み込まれてもよい。
オペアンプ回路1000は、差動対D10(第1の差動対)、差動対D20(第3の差動対)、差動対D30(第2の差動対)、差動対D40(第4の差動対)を備える。差動対D10、D20、D30,D40は、図13の場合と同様に、差動対D10に対し差動対D30が並列に接続し、差動対D20に対し差動対D40が並列に接続する。差動対D10と差動対D30とは第1の並列部PC101を構成し、差動対D20と差動対D40とは第2の並列部PC102を構成する。
(1)差動対D10は、トランジスタN11、N12からなる。トランジスタN11、N12は、それぞれ、反転入力端子として配置された第1の反転入力端子VI1M、非反転入力端子として配置された第1の非反転入力端子VI1Pに、ゲート端子が接続されている。
(2)差動対D20は、トランジスタN21、N22からなる。トランジスタN21、N22は、それぞれ、反転入力端子として配置された第2の反転入力端子VI2M、非反転入力端子として配置された第2の非反転入力端子VI2Pに、ゲート端子が接続されている。
(3)差動対D30は、トランジスタP31、P32からなる。トランジスタP31、P32は、それぞれ、反転入力端子として配置された第1の反転入力端子VI1M、非反転入力端子として配置された第1の非反転入力端子VI1Pに、ゲート端子が接続されている。
(4)差動対D40は、トランジスタP41、P42からなる。トランジスタP41、P42は、それぞれ、反転入力端子として配置された第2の反転入力端子VI2M、非反転入力端子として配置された第2の非反転入力端子VI2Pに、ゲート端子が接続されている。
差動対D10及びD20は、1つのトランジスタN10(第1の電流源)からバイアス電流が供給される。図1のように、トランジスタN11とトランジスタN12とのソース端子どうしは接続されている。トランジスタN21とトランジスタN22とのソース端子どうしも接続されている。差動対D10と差動対D20のソース端子どうしはショートされている。電流源であるトランジスタN10は、ショートされた差動対D10と差動対D20とのソース端子に、ドレインからバイアス電流を供給する。
トランジスタN10、N100は、NMOS型の差動対D10、D20のバイアス電流用のカレントミラーを構成するNMOSトランジスタである。トランジスタN100のドレインに電流源IR1が接続する。トランジスタN100のソースは接地されている。トランジスタN100のドレインとゲートとを接続する接続経路が形成され、この接続経路の途中とトランジスタN10のゲートとが接続される。トランジスタN10のソースは接地されている。
差動対D10及びD20は、トランジスタN11及びN21のドレインがショートされており、これらのドレインは、能動負荷AL100の第1の入力端子T1に接続される。更に、差動対D10及びD20では、トランジスタN12及びN22のドレインがショートされており、これらのドレインは、能動負荷AL100の第2の入力端子T2に接続される。
差動対D30及びD40は、1つのトランジスタP30(第2の電流源)からバイアス電流が供給される。図1のように、トランジスタP31とトランジスタP32とのソース端子どうしは接続されている。トランジスタP41とトランジスタP42とのソース端子どうしも接続されている。差動対D30と差動対D40のソース端子どうしはショートされている。電流源であるトランジスタP30は、ショートされた差動対D30と差動対D40とのソース端子に、ドレインからバイアス電流を供給する。
トランジスタP30、P101は、PMOS型の差動対D30、D40のバイアス電流用のカレントミラーを構成するPMOSトランジスタである。トランジスタP101のドレインに電流源IR2が接続する。トランジスタP101のドレインとゲートとを接続する接続経路が形成され、この接続経路の途中とトランジスタP30のゲートとが接続される。
また、トランジスタP31及びP41では、ドレインがショートされて、これらのドレインは、能動負荷AL100の第3の入力端子T3に接続される。更に、トランジスタP32及びP42では、ドレインがショートされて、これらのドレインは、能動負荷AL100の第4の入力端子T4に接続される。
VOUT=AP・VP+AM・VM (12)
ここで、
VOUT=VOP−VOM (13)
VP=VI1P−VI1M (14)
VM=VI2P−VI2M (15)
である。
更に、差動対D10、D20、D30、D40の相互コンダクタンスをgm10、gm20、gm30、gm40とおき、
gmP=gm10+gm30 (16)
gmM=gm20+gm40 (17)
と定義する。この場合、式(12)において、電圧利得AP及びAMは、
AP=gmP・Zout (18)
AM=gmM・Zout (19)
と表される。
尚、式(18)、式(19)のZoutは、能動負荷AL100の、電流・電圧変換ノードにおける出力インピーダンスである。
gmP=gm10+gm30
のうちgm10=0となったとしても、トランジスタN10のすべてのバイアス電流が差動対D20に流れるので、
式(17)において、
gmM=gm20+gm40
のうち、gm20が増大する。
よって、式(12)の
VOUT=AP・VP+AM・VM
におけるVOUTの変動を抑制できる。また回路電流は一定に保たれるので周波数特性の変動を抑えることができる。
能動負荷AL100は、カスコード接続されたトランジスタP51、P52、P61、P62、及びカスコード接続されたトランジスタN71、N72、N81、N82で構成される。カスコード接続されたトランジスタP51、P52、P61、P62は、第1の負荷部L101を構成する。カスコード接続されたトランジスタN71、N72、N81、N82は、第2の負荷部L102を構成する。トランジスタP51とP52、トランジスタP61とP62は、それぞれ、電流源IR3によりバイアスされたトランジスタP50、P60、抵抗R1により、ゲート電圧V3及びV4が供給される。トランジスタN71とN72とは、電流源IR4によりバイアスされたトランジスタN70により、ゲート電圧V5が供給される。トランジスタN81とN82とは、ゲート制御電圧V6が、コモンモード・フィードバック回路CMFBにより供給される。コモンモード・フィードバック回路CMFBは、出力端子VOP及びVOMの出力コモンモード電圧をモニタし、出力コモンモード電圧が所定の入力電圧VCOMと等しくなるようゲート制御電圧V6を出力する。
図1、図2に示すオペアンプ回路1000を図10に示す差動増幅回路に適用することができる。
図3は、オペアンプ回路1000を図10に示す差動増幅回路に適用する場合の回路図である。図3に示す差動増幅回路は、非反転入力電圧VINP及び反転入力電圧VINMが、第1の非反転入力端子VI1P及び第2の反転入力端子VI2Mに入力される。非反転出力電圧VOP及び反転出力電圧VOMは、それぞれ、差動増幅回路の非反転出力VOUTP及び反転出力VOUTMとする。また、差動増幅回路では、非反転出力電圧VOPと反転出力電圧VOMとの差分が、差動出力電圧VOUTとして出力される。更に非反転出力電圧VOUTP(図2のVOP)は第1の反転入力端子VI1Mに帰還され、反転出力電圧VOUTM(図2のVOM)は、第2の非反転入力端子VI2Pに帰還される。
その場合、VI1PとVI1M、VI2PとVI2Mが、それぞれイマジナリ・ショートされて同電位となる。
出力電圧として、
VOUT=VOUTP−VOUTM=VINP−VINM (20)
が得られる。すなわち、オペアンプ回路1000を適用した図3の差動増幅回路は、差動信号に対する電圧バッファとして動作する。図10はボルテージフォロワの場合を示す。
また、図1のオペアンプ回路1000は、図11の差動増幅回路に適用してもよい。図11は、抵抗ネットワークを用いた非反転増幅回路である。図11の構成により、信号を増幅することが可能である。
また、図1のオペアンプ回路1000は、図12に示す差動増幅回路に適用してもよい。図1のオペアンプ回路1000は図12のオペアンプA100に内蔵されているものとする。
R200=R201 (21)
とすると、
式(2)における利得Gは、
G=(R100+2・R200)/R100 (22)
となり、コモン電圧VCOMを用いず、より簡素な構成で増幅回路を構成することが可能である。
図4、図5を参照して実施の形態2を説明する。
図4は、実施の形態2の差動増幅回路2001(オペアンプ回路)を示す概略図である。
図5は、実施の形態2の差動増幅回路2001の具体例を示す回路図である。図5は図4の能動負荷AL100、出力アンプOA100の回路構成を示す図である。
実施の形態2の差動増幅回路2001は、実施の形態1のオペアンプ回路1000の能動負荷AL100の出力部に、電圧増幅回路(出力アンプOA100)を接続した構成である。
図6、図7を参照して実施の形態3を説明する。
図6は、実施の形態3の差動増幅回路3001(オペアンプ回路)の概略図である。
図7は、実施の形態3の差動増幅回路3001の回路の具体例を示す。図7は図6の能動負荷AL200、AL201の回路構成を示す図である。実施の形態3では、実施の形態1との差分にのみ注目し説明を行う。
図6、図7の構成により、図14の従来の計装アンプの構成においても、入力電圧によるオペアンプの相互コンダクタンスの変動を抑制することが可能になるとともに、実施の形態1及び2で必要とされるコモンモード・フィードバック回路を不用とすることで回路設計の容易化を図ることが可能である。
図8、図9を参照して実施の形態4を説明する。
図8は、実施の形態4の差動増幅回路4001(オペアンプ回路)の概略図である。
図9は、実施の形態4の差動増幅回路4001の具体例を示す。図9は図8の能動負荷AL200、AL201,出力アンプOA200、OA201の回路構成を示す図である。実施の形態4では、実施の形態3との差分にのみ注目し説明を行う。
Claims (13)
- Nチャネル型とPチャネル型とのうちチャネル型を同じくする2つの電界効果トランジスタからなる第1の差動対と、前記第1の差動対と異なるチャネル型の2つの電界効果トランジスタからなり、前記第1の差動対に並列に接続される第2の差動対とを含む第1の並列部と、
前記第1の差動対と同一のチャネル型の2つの電界効果トランジスタからなる第3の差動対と、前記第2の差動対と同一のチャネル型の2つの電界効果トランジスタからなり、前記第3の差動対に並列に接続される第4の差動対とを含む第2の並列部と、
前記第1の差動対と前記第3の差動対とにバイアス電流を供給する一つの第1の電流源と、
前記第2の差動対と前記第4の差動対とにバイアス電流を供給する一つの第2の電流源と、
前記第1の並列部と、前記第2の並列部とが接続する能動負荷と
を備え、
前記第1の並列部は、
それぞれの差動対を構成する一方の電界効果トランジスタのゲート端子が反転入力端子として配置された第1の反転入力端子に接続され、それぞれの差動対を構成する他方の電界効果トランジスタのゲート端子が非反転入力端子として配置された第1の非反転入力端子に接続され、
前記第2の並列部は、
それぞれの差動対を構成する一方の電界効果トランジスタのゲート端子が反転入力端子として配置された第2の反転入力端子に接続され、それぞれの差動対を構成する他方の電界効果トランジスタのゲート端子が非反転入力端子として配置された第2の非反転入力端子に接続され、
前記第1の並列部と前記第2の並列部とは、
前記第1の差動対の前記一方の電界効果トランジスタのドレインと、前記第3の差動対の前記一方の電界効果トランジスタのドレインとが短絡されて前記能動負荷に接続し、
前記第1の差動対の前記他方の電界効果トランジスタのドレインと、前記第3の差動対の前記他方の電界効果トランジスタのドレインとが短絡されて前記能動負荷に接続し、
前記第2の差動対の前記一方の電界効果トランジスタのドレインと、前記第4の差動対の前記一方の電界効果トランジスタのドレインとが短絡されて前記能動負荷に接続し、
前記第2の差動対の前記他方の電界効果トランジスタのドレインと、前記第4の差動対の前記他方の電界効果トランジスタのドレインとが短絡されて前記能動負荷に接続する
ことを特徴とするオペアンプ回路。 - 前記第1の差動対と前記第3の差動対とは、
Nチャネル型の電界効果トランジスタからなり、
前記第2の差動対と前記第4の差動対とは、
Pチャネル型の電界効果トランジスタからなり、
前記能動負荷は、
カスコード接続された4つのPチャネル型の電界効果トランジスタを有し、前記第1の差動対及び前記第3の差動対が接続する第1の負荷部と、
カスコード接続された4つのNチャネル型の電界効果トランジスタを有し、前記第2の差動対及び前記第4の差動対が接続する第2の負荷部と
を備えたことを特徴とする請求項1に記載のオペアンプ回路。 - 前記オペアンプ回路は、さらに、
前記能動負荷の出力端子に接続する電圧増幅回路を備えたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のオペアンプ回路。 - 前記能動負荷は、
反転出力電圧を出力する反転出力端子と、非反転出力電圧を出力する非反転出力端子とを備え、
前記電圧増幅回路は、
前記反転出力端子の前記反転出力電圧がゲート端子に印加され、ソース端子が接地された電界効果トランジスタと、前記非反転出力端子の前記反転出力電圧がゲート端子に印加され、ソース端子が接地された電界効果トランジスタとを備えたソース接地型の電圧増幅回路であることを特徴とする請求項3に記載のオペアンプ回路。 - 前記能動負荷は、
反転出力端子と、非反転出力端子とを備え、
前記反転出力端子の出力を前記第2の非反転入力端子に帰還し、
前記非反転出力端子の出力を前記第1の反転入力端子に帰還することを特徴とする請求項1に記載のオペアンプ回路。 - 前記能動負荷は、
反転出力端子と、非反転出力端子とを備え、
前記反転出力端子の出力を前記第2の非反転入力端子に帰還し、
前記非反転出力端子の出力を前記第1の反転入力端子に帰還し、
前記オペアンプ回路は、さらに、
前記非反転出力端子から前記第1の反転入力端子に帰還する経路に配置された第1の抵抗要素と、
前記反転出力端子から前記第2の非反転入力端子に帰還する経路に配置された第2の抵抗要素と、
コモン電圧端子として配置された第1のコモン電圧端子から、前記第1の抵抗要素と前記第1の反転入力端子との間に接続する経路に配置された第3の抵抗要素と、
コモン電圧端子として配置された第2のコモン電圧端子から、前記第2の抵抗要素と前記第2の非反転入力端子との間に接続する経路に配置された第4の抵抗要素と
を備えたことを特徴とする請求項1に記載のオペアンプ回路。 - 前記能動負荷は、
反転出力端子と、非反転出力端子とを備え、
前記反転出力端子の出力を前記第2の非反転入力端子に帰還し、
前記非反転出力端子の出力を前記第1の反転入力端子に帰還し、
前記オペアンプ回路は、さらに、
前記第1の反転入力端子と前記第2の非反転入力端子とを接続する経路に配置された抵抗要素と、
前記非反転出力端子から前記第1の反転入力端子に帰還する経路に配置された抵抗要素と、
前記反転出力端子から前記第2の非反転入力端子に帰還する経路に配置された抵抗要素と
を備えたことを特徴とする請求項1に記載のオペアンプ回路。 - Nチャネル型とPチャネル型とのうちチャネル型を同じくする2つの電界効果トランジスタからなる第1の差動対と、前記第1の差動対と異なるチャネル型の2つの電界効果トランジスタからなり、前記第1の差動対に並列に接続される第2の差動対とを含む第1の並列部と、
前記第1の差動対と同一のチャネル型の2つの電界効果トランジスタからなる第3の差動対と、前記第2の差動対と同一のチャネル型の2つの電界効果トランジスタからなり、前記第3の差動対に並列に接続される第4の差動対とを含む第2の並列部と、
前記第1の差動対と前記第3の差動対とにバイアス電流を供給する一つの第1の電流源と、
前記第2の差動対と前記第4の差動対とにバイアス電流を供給する一つの第2の電流源と、
前記第1の並列部が接続する第1の能動負荷と、
前記第2の並列部が接続する第2の能動負荷と
を備え、
前記第1の並列部は、
それぞれの差動対を構成する一方の電界効果トランジスタのゲート端子が第1の反転入力端子に接続され、それぞれの差動対を構成する他方の電界効果トランジスタのゲート端子が第1の非反転入力端子に接続され、
前記第2の並列部は、
それぞれの差動対を構成する一方の電界効果トランジスタのゲート端子が第2の反転入力端子に接続され、それぞれの差動対を構成する他方の電界効果トランジスタのゲート端子が第2の非反転入力端子に接続され、
前記第1の並列部は、
前記第1の差動対と前記第2の差動対との前記電界効果トランジスタのドレインが前記第1の能動負荷に接続し、
前記第2の並列部は、
前記第3の差動対と前記第4の差動対との前記電界効果トランジスタのドレインが前記第2の能動負荷に接続する
ことを特徴とするオペアンプ回路。 - 前記第1の能動負荷は、
カスコード接続された4つの電界効果トランジスタを有し、前記第1の差動対の前記一方の電界効果トランジスタのドレインと、前記第1の差動対の前記他方の電界効果トランジスタのドレインとが接続する第1の接続部と、
カスコード接続された4つの電界効果トランジスタを有し、前記第2の差動対の前記一方の電界効果トランジスタのドレインと、前記第2の差動対の前記他方の電界効果トランジスタのドレインが接続する第2の接続部とを備え、
第2の能動負荷は、
カスコード接続された4つの電界効果トランジスタを有し、前記第3の差動対の前記一方の電界効果トランジスタのドレインと、前記第3の差動対の前記他方の電界効果トランジスタのドレインとが接続する第3の接続部と、
カスコード接続された4つの電界効果トランジスタを有し、前記第4の差動対の前記一方の電界効果トランジスタのドレインと、前記第4の差動対の前記他方の電界効果トランジスタのドレインとが接続する第4の接続部とを備えた
ことを備えたことを特徴とする請求項8に記載のオペアンプ回路。 - 前記オペアンプ回路は、
前記第1の能動負荷の出力端子に接続する第1の電圧増幅回路と、
前記第2の能動負荷の出力端子に接続する第2の電圧増幅回路と
を備えたことを特徴とする請求項8に記載のオペアンプ回路。 - 前記第1の電圧増幅回路は、
前記第1の能動負荷の前記出力端子から出力される電圧がゲート端子に印加され、ソース端子が接地された電界効果トランジスタを備えたソース接地型の電圧増幅回路であり、
前記第2の電圧増幅回路は、
前記第2の能動負荷の前記出力端子から出力される電圧がゲート端子に印加され、ソース端子が接地された電界効果トランジスタを備えたソース接地型の電圧増幅回路であることを特徴とする請求項10に記載のオペアンプ回路。 - 前記第1の差動対は、
2つの前記電界効果トランジスタのソース端子どうしが短絡され、
前記第3の差動対は、
2つの前記電界効果トランジスタのソース端子どうしが短絡され、
前記第1の電流源は、
短絡されたそれぞれの前記ソース端子に前記バイアス電流を供給し、
前記第2の差動対は、
2つの前記電界効果トランジスタのソース端子どうしが短絡され、
前記第4の差動対は、
2つの前記電界効果トランジスタのソース端子どうしが短絡され、
前記第2の電流源は、
短絡されたそれぞれの前記ソース端子に前記バイアス電流を供給することを特徴とする請求項1から請求項11のいずれか一項に記載のオペアンプ回路。 - 前記第1の電流源は、
前記第1の差動対と前記第3の差動対とに前記バイアス電流を供給する一つのトランジスタを備え、
前記第2の電流源は、
前記第2の差動対と前記第4の差動対とに前記バイアス電流を供給する一つのトランジスタを備えることを特徴とする請求項1から請求項12のいずれか一項に記載のオペアンプ回路。
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