JP6338807B1 - Ab級アンプおよびオペアンプ - Google Patents
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Abstract
Description
以下の説明では、トランジスタがMOSトランジスタで構成される場合について説明する。トランジスタがMOSトランジスタで構成される場合、トランジスタの制御電極、第1の主電極、第2の主電極が、ゲート、ソース、ドレインであるものとする。説明を簡単にするため、すべてのトランジスタの閾値電圧はすべてVthであると仮定する。また、特記無き場合、すべてのトランジスタは、強反転かつ飽和領域で動作しているものとする。オペアンプの出力端子VOの電圧Voutは一定値とする。後述するバイアス状態において、出力電圧Vout、Vout1、Vout2は、すべてのトランジスタが強反転かつ飽和領域で動作できる電圧値、例えば電源電圧の1/2の電圧値であるものとする。この条件において、2つのトランジスタのゲートサイズ、すなわちW/Lの比、およびゲート・ソース間電圧が等しく、かついずれも飽和領域で動作している場合、2つのトランジスタに流れる電流は一致する。ただし、Wは、トランジスタのゲート幅、Lはトランジスタのゲート長である。
図1は、参考例のAB級アンプを備えるオペアンプ900の構成を表わす図である。
このオペアンプ900は、差動入力段A100と、出力段A1600とを備える。
第1のトランジスタM1は、制御電圧VGをゲートに受けて、増幅する。
第3のトランジスタM3は、ソース接地アンプとして機能する。第3のトランジスタM3は、制御電圧VGを受けるゲートを有し、出力端子VOを駆動する。
<バイアス状態>
まず、オペアンプ900が負荷を駆動していないバイアス状態について説明する。バイアス状態は、図2および図3における負荷駆動電流Ioutが「0」の状態に対応する。バイアス状態では、第3のトランジスタM3に流れる電流I4と第4のトランジスタM4に流れる電流I4が互いに等しく、出力端子VOから外部に出力される負荷駆動電流Ioutがゼロとなる。第1のトランジスタM1のゲート長をL1、ゲート幅をW1とする。第3のトランジスタM3のゲート長をL3、ゲート幅をW3とする。以下の関係が成立するものとする。
ただし、Nは整数である。
ここでIqは正の値をとり、バイアス状態における第3のトランジスタM3、第4のトランジスタM4に流れる静止電流(Quiescent Current)を表わすものとする。
次に、オペアンプが負荷を駆動している負荷駆動状態について説明する。
I3=|Iout| (Iout<−Iq) ・・・(3−2)
I4=Iq+Iout (Iout≧0) ・・・(3−3)
I4=Iq−|Iout| (−Iq≦Iout<0) ・・・(3−4)
I4=0 (Iout≦−Iq) ・・・(3−5)
式(3−1)〜(3−5)に示すように、第3のトランジスタM3を流れる電流I3は常に非ゼロの値をとる。すなわち、第3のトランジスタM3は常にオンしている。第4のトランジスタM4を流れる電流I4は、式(3−5)の条件においてゼロとなる。すなわち、第4のトランジスタM4は、オフになることがある。
ただし、gM1は第1のトランジスタM1の相互コンダクタンスである。rds1は第1のトランジスタM1のドレインインピーダンスである。rds2は第2のトランジスタM2のドレインインピーダンスである。//は、並列接続された2個のインピーダンスの合成インピーダンスを表わす。
Zout(A)≒1/gM4 ・・・(5)
ただし、gM4は第4のトランジスタM4の相互コンダクタンスである。説明を簡単にするため、第4のトランジスタM4によるソース・フォロワの電圧利得は1と仮定した。
ただし、gM3は第3のトランジスタM3の相互コンダクタンスである。rds3は第3のトランジスタM3のドレインインピーダンスである。
Zout(B)≒rds3 ・・・(7)
上記の考察により、図1の参考例のオペアンプ900の出力段A1600は、負荷駆動電流Ioutの値に応じて、第4のトランジスタM4のオンとオフが切り替わる。これによって、電圧利得AV及び出力インピーダンスZoutが大きく変動する。その結果、オペアンプ900全体の伝達関数、つまり利得および位相特性が大きく変動する。その結果、オペアンプ900を用いて負帰還回路を構成したときに安定性が損なわれる。
図4は、実施の形態1のオペアンプ100の構成を表わす図である。
差動入力段A100は、非反転入力端子VIPに入力される第1の電位と反転入力端子VIMに入力される第2の電位の差を反転増幅して、制御電圧VGを出力する。
第1のトランジスタM1及び第3のトランジスタM3〜第6のトランジスタM6は、N型MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)である。第2のトランジスタM2は、P型MOSFETである。第1のトランジスタM1、第2のトランジスタM2、第5のトランジスタM5、および第6のトランジスタM6は、レプリカアンプを構成する。第3のトランジスタM3、および第4のトランジスタM4は、メインアンプを構成する。
ただし、Nは整数である。
<バイアス状態>
まず、オペアンプ100が負荷を駆動していないバイアス状態について説明する。
ここでIqは正の値をとり、バイアス状態における第3のトランジスタM3、第4のトランジスタM4に流れる静止電流(Quiescent Current)を表すものとする。
VGS4は、第4のトランジスタM4のゲート・ソース間電圧である。
VGS5は、第5のトランジスタM5のゲート・ソース間電圧である。
VGS4=VGS5 ・・・(12)
式(10)、(11)、(12)より、以下が成り立つ。
利得制御アンプA201は、第1のトランジスタM1が飽和領域で動作できるように第6のトランジスタM6のゲート電位を制御する。
次に、オペアンプ100が負荷を駆動している負荷駆動状態について説明する。
I3=|Iout| (Iout<−Iq) ・・・(14−2)
I4=Iq+Iout (Iout≧0) ・・・(14−3)
I4=Iq (Iout<0) ・・・(14−4)
式(14−1)〜(14−4)に示すように、第3のトランジスタM3および第4のトランジスタM4は、ともに電流値は常に非ゼロの値をとる。すなわち第3のトランジスタM3および第4のトランジスタM4は常にオンしている状態を保っている。
ただし、gM1は第1のトランジスタM1の相互コンダクタンスである。rds1は第1のトランジスタM1のドレインインピーダンスである。rds2は第2のトランジスタM2のドレインインピーダンスである。//は、並列接続された2個のインピーダンスの合成インピーダンスを表わす。
Zout≒1/gM4 ・・・(16)
ただし、gM4は第4のトランジスタM4の相互コンダクタンスである。説明を簡単にするため、第4のトランジスタM4によるソース・フォロワの電圧利得は1と仮定する。
Iout=−(Iq+ΔIq) ・・・(17)
式(9)、(14−2)により、第1のトランジスタM1の電流I1及び第3のトランジスタM3の電流I3は、以下で表される。
I3=|Iout|=Iq+ΔIq ・・・(19)
式(18)および(19)より、電流I1と電流I3との間には、以下の関係が成り立つ。
この時、仮に第1のトランジスタM1及び第2のトランジスタM2がともに飽和領域で動作した場合のそれぞれに流れる電流I1及びI2の関係は、以下となる。
このため、第1のトランジスタM1のドレイン電位が低下し、以下が成り立つ。
VDS1は、第1のトランジスタM1のドレイン・ソース間電圧である。VGS1は、第1のトランジスタM1のゲート・ソース間電圧である。Vthは、第1のトランジスタM1の閾値電圧である。
ここで、VDS3は、第3のトランジスタM3のドレイン・ソース間電圧である。VGS3は、第3のトランジスタM3のゲート・ソース間電圧である。Vthは、第3のトランジスタM3の閾値電圧である。
出力電圧Voutはオペアンプ100を含む負帰還回路の動作により、第1のトランジスタM1および第2のトランジスタM2の動作状態に無関係に決定される。
したがって、第4のトランジスタM4がオン状態を保つことが可能となる。
ここで、vsr、vg1、vout、vgは、VSR、VG1、Vout、VGの小信号電圧信号である。
gM1は第1のトランジスタM1の相互コンダクタンスである。rds1は第1のトランジスタM1のドレインインピーダンスである。rds2は第2のトランジスタM2のドレインインピーダンスである。
Zout≒1/gM4 ・・・(26)
gM4は第4のトランジスタM4の相互コンダクタンスである。説明を簡単にするため、第4のトランジスタM4によるソース・フォロワの電圧利得は1と仮定する。
実施の形態1において、第1のトランジスタM1及び第3のトランジスタM3〜第6のトランジスタM6がN型MOSFET、第2のトランジスタがP型MOSFETとし、さらに基準電位端子V1の電位が基準電位端子V2の電位より低いものとして説明したが、これに限定されるものではない。
図7に示すように、MOSFETの極性(N型、P型)を入れ替えるとともに、基準電位端子V1の電位が基準電位端子V2の電位よりも高い。
差動入力段A100は、実施の形態1と同様に、非反転入力端子VIPに入力される第1の電位と反転入力端子VIMに入力される第2の電位の差を反転増幅して、制御電圧VGを出力する。
第1のトランジスタM1及び第3のトランジスタM3〜第6のトランジスタM6は、P型MOSFETである。第2のトランジスタM2は、N型MOSFETである。第1のトランジスタM1、第2のトランジスタM2、第5のトランジスタM5、および第6のトランジスタM6は、レプリカアンプを構成する。第3のトランジスタM3、および第4のトランジスタM4は、メインアンプを構成する。第1のトランジスタM1と第6のトランジスタM6とは、出力段A300の利得制御部を構成する。
ただし、Nは整数である。
図8は、実施の形態2のオペアンプ300の構成を表わす図である。
実施の形態2の出力段A400は、実施の形態1の出力段A200において第1のトランジスタM1と第6のトランジスタM6とが入れ替えられている。
第1のトランジスタM1及び第3のトランジスタM3〜第6のトランジスタM6は、N型MOSFETである。第2のトランジスタM2は、P型MOSFETである。第1のトランジスタM1、第2のトランジスタM2、第5のトランジスタM5、および第6のトランジスタM6は、レプリカアンプを構成する。第3のトランジスタM3、および第4のトランジスタM4とは、メインアンプを構成する。
ただし、Nは整数である。
この結果、第4のトランジスタがオン状態を保つことが可能となる。
図9は、実施の形態2の変形例のオペアンプ400の構成を表わす図である。
出力段A500は、出力インピーダンスを抑えることができるソース・フォロワ型AB級アンプである。
図10は、実施の形態3のオペアンプ500の構成の概略図である。
差動入力段A100は、実施の形態1と同様に、非反転入力端子VIPに入力される第1の電位と反転入力端子VIMに入力される第2の電位の差を反転増幅して、制御電圧VGを出力する。
差動入力段A100は、トランジスタM105と、トランジスタM101、M102、M103、M104とを備える。トランジスタM105は、P型MOSFETである。トランジスタM101、M102、M103、M104は、N型MOSFETである。
出力段A600の利得制御アンプA201以外の構成は、容量素子Cc1を備える点を除いて、図4の出力段A200と同様である。容量素子Cc1は、第5のトランジスタM5のソースと入力端子VIとの間に接続される。容量素子Cc1は、位相補償のために設けられる。
図12は、実施の形態4のオペアンプ600の構成の概略図である。
図13において、出力段A600の構成は、入力端子がVIからVI1に変更され、出力端子がVOから非反転出力端子VOPに変更され、電圧VsrがVsr1に変更された点を除いて、図11の出力段A600の構成と同様である。
出力段A300は、出力インピーダンスを抑えることができるソース・フォロワ型AB級アンプである。
第1のトランジスタM1及び第3のトランジスタM303〜第6のトランジスタM306は、N型MOSFETである。第2のトランジスタM302は、P型MOSFETである。第1のトランジスタM301、第2のトランジスタM302、第5のトランジスタM305、および第6のトランジスタM306は、レプリカアンプを構成する。第3のトランジスタM303、および第4のトランジスタM304とは、メインアンプを構成する。第1のトランジスタM301と第6のトランジスタM306とは、出力段A300の利得制御部G301を構成する。
ただし、Nは整数である。
図14は、実施の形態5のオペアンプ700の構成の概略図である。
図15において、出力段A600、A300の構成は、図13の出力段A600、A300の構成と同様である。また、コモンモードフィードバックアンプC400の構成は、図13のコモンモードフィードバックアンプC400の構成と同様である。
Claims (10)
- 入力端子と、
出力端子と、
第1の基準電位端子と、
第2の基準電位端子と、
第1のトランジスタ、第2のトランジスタ、第3のトランジスタ、第4のトランジスタ、第5のトランジスタ、および第6のトランジスタと、
反転入力端子、非反転入力端子、および電圧出力端子を有する利得制御アンプとを備え、
前記第1のトランジスタ、前記第3のトランジスタ、前記第4のトランジスタおよび前記第5のトランジスタおよび前記第6のトランジスタは第1導電型トランジスタであり、前記第2のトランジスタが第2導電型トランジスタであり、
前記第1のトランジスタの第2の主電極と前記第6のトランジスタの第1の主電極とが接続され、前記第6のトランジスタの第2の主電極と前記第5のトランジスタの第1の主電極とが第1のノードで接続され、前記第5のトランジスタの第2の主電極と前記第2のトランジスタの第2の主電極とが接続され、前記第5のトランジスタの制御電極と前記第5のトランジスタの第2の主電極とが接続され、
前記第3のトランジスタの第2の主電極と前記第4のトランジスタの第1の主電極とが第2のノードで接続され、前記第2のノードが前記出力端子に接続され、
前記第4のトランジスタの制御電極と、前記第5のトランジスタの制御電極とが接続され、
前記第1の基準電位端子は、前記第2のトランジスタの第1の主電極および前記第4のトランジスタの第2の主電極に接続され、
前記第2の基準電位端子は、前記第1のトランジスタの第1の主電極および前記第3のトランジスタの第1の主電極に接続され、
前記入力端子は、前記第1のトランジスタの制御電極および前記第3のトランジスタの制御電極に接続され、
前記利得制御アンプの前記非反転入力端子が、前記第1のノードに接続され、前記利得制御アンプの前記反転入力端子が、前記第2のノードに接続され、前記利得制御アンプの前記電圧出力端子が、前記第6のトランジスタの制御電極に接続され、
前記利得制御アンプは、前記第1のノードの電圧と前記第2のノードの電圧とが等しくなるように、前記第6のトランジスタの制御電極へ供給する電圧を制御する、AB級アンプ。 - 前記第1のトランジスタ、前記第2のトランジスタ、前記第3のトランジスタ、前記第4のトランジスタ、前記第5のトランジスタ、および前記第6のトランジスタは、MOSトランジスタであり、
前記第1のトランジスタ、前記第3のトランジスタ、前記第4のトランジスタ、および前記第5のトランジスタのゲート長をそれぞれ、L1、L3、L4、L5とし、前記第1のトランジスタ、前記第3のトランジスタ、前記第4のトランジスタ、および前記第5のトランジスタのゲート幅をそれぞれ、W1、W3、W4、W5としたときに、以下の関係が成立する、
(W3/L3)/(W1/L1)=(W4/L4)/(W5/L5)=N・・・(A1)
ただし、Nは整数である、請求項1に記載のAB級アンプ。 - 入力端子と、
出力端子と、
第1の基準電位端子と、
第2の基準電位端子と、
第1のトランジスタ、第2のトランジスタ、第3のトランジスタ、第4のトランジスタ、第5のトランジスタ、および第6のトランジスタと、
反転入力端子、非反転入力端子、および電圧出力端子を有する利得制御アンプとを備え、
前記第1のトランジスタ、前記第3のトランジスタ、前記第4のトランジスタおよび前記第5のトランジスタおよび前記第6のトランジスタは第1導電型トランジスタであり、前記第2のトランジスタが第2導電型トランジスタであり、
前記第6のトランジスタの第2の主電極と前記第1のトランジスタの第1の主電極とが接続され、前記第1のトランジスタの第2の主電極と前記第5のトランジスタの第1の主電極とが第1のノードで接続され、前記第5のトランジスタの第2の主電極と前記第2のトランジスタの第2の主電極とが接続され、前記第5のトランジスタの制御電極と前記第5のトランジスタの第2の主電極とが接続され、
前記第3のトランジスタの第2の主電極と前記第4のトランジスタの第1の主電極とが第2のノードで接続され、前記第2のノードが前記出力端子に接続され、
前記第4のトランジスタの制御電極と、前記第5のトランジスタの制御電極とが接続され、
前記第1の基準電位端子は、前記第2のトランジスタの第1の主電極および前記第4のトランジスタの第2の主電極に接続され、
前記第2の基準電位端子は、前記第6のトランジスタの第1の主電極および前記第3のトランジスタの第1の主電極に接続され、
前記入力端子は、前記第1のトランジスタの制御電極および前記第3のトランジスタの制御電極に接続され、
前記利得制御アンプの前記非反転入力端子が、前記第1のノードに接続され、前記利得制御アンプの前記反転入力端子が、前記第2のノードに接続され、前記利得制御アンプの前記電圧出力端子が、前記第6のトランジスタの制御電極に接続され、
前記利得制御アンプは、前記第1のノードの電圧と前記第2のノードの電圧とが等しくなるように、前記第6のトランジスタの制御電極へ供給する電圧を制御する、AB級アンプ。 - 前記第1のトランジスタ、前記第2のトランジスタ、前記第3のトランジスタ、前記第4のトランジスタ、前記第5のトランジスタ、および前記第6のトランジスタは、MOSトランジスタであり、
前記第3のトランジスタ、前記第4のトランジスタ、前記第5のトランジスタ、および前記第6のトランジスタのゲート長をそれぞれ、L3、L4、L5、L6とし、前記第3のトランジスタ、前記第4のトランジスタ、前記第5のトランジスタ、および前記第6のトランジスタのゲート幅をそれぞれ、W3、W4、W5、W6としたときに、以下の関係が成立する、
(W3/L3)/(W6/L6)=(W4/L4)/(W5/L5)=N・・・(A2)
ただし、Nは整数である、請求項3に記載のAB級アンプ。 - 前記第1のトランジスタ、前記第2のトランジスタ、前記第3のトランジスタ、前記第4のトランジスタ、前記第5のトランジスタ、および前記第6のトランジスタの各々の前記第1の主電極はソースであり、
前記第1のトランジスタ、前記第2のトランジスタ、前記第3のトランジスタ、前記第4のトランジスタ、前記第5のトランジスタ、および前記第6のトランジスタの各々の前記第2の主電極はドレインである、請求項2または4記載のAB級アンプ。 - 前記第1導電型トランジスタは、N型MOSトランジスタであり、前記第2導電型トランジスタは、P型MOSトランジスタである、請求項5記載のAB級アンプ。
- 前記第1導電型トランジスタは、P型MOSトランジスタであり、前記第2導電型トランジスタは、N型MOSトランジスタである、請求項5記載のAB級アンプ。
- 第1の電位と第2の電位との差を反転増幅して、制御電圧を出力する差動入力段と、
前記制御電圧を増幅する出力段とを備え、
前記出力段は、請求項1〜7のいずれか1項に記載のAB級アンプで構成されている、オペアンプ。 - 非反転入力端子および反転入力端子を有し、前記非反転入力端子の電位と前記反転入力端子の電位の差を反転増幅して、非反転中間電圧及び反転中間電圧を出力する差動入力段と、
前記非反転中間電圧を増幅して、反転出力電圧を出力する第1の出力段と、
前記反転中間電圧を増幅して、非反転出力電圧を出力する第2の出力段と、
前記非反転出力電圧および前記反転出力電圧を受けて、前記非反転出力電圧および前記反転出力電圧の中間の電圧が基準電圧になるように前記差動入力段を制御するコモンモードフィードバックアンプとを備え、
前記第1の出力段および前記第2の出力段は、請求項1〜7のいずれか1項に記載のAB級アンプで構成される、オペアンプ。 - 前記差動入力段は、各々が差動入力電圧を受ける2つの差動対を有する、2重差動型増幅器である、請求項9記載のオペアンプ。
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