JP7316116B2 - semiconductor equipment - Google Patents
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Description
本発明は、基準電流源に関する。 The present invention relates to reference current sources.
一般的に半導体集積回路は、電源電圧等に依存しない一定の基準電流を生成する基準電流源を備え、この基準電流がコピーされて、半導体集積回路内のさまざまな回路ブロックにバイアス電流として分配される。 Generally, a semiconductor integrated circuit has a reference current source that generates a constant reference current that does not depend on the power supply voltage, etc. This reference current is copied and distributed as a bias current to various circuit blocks within the semiconductor integrated circuit. be.
図1は、従来の基準電流源100Rの回路図である。基準電流源100Rは、トランジスタM1~M4および抵抗Rを含む。M1,M2は、NMOSトランジスタ、M3,M4はPMOSトランジスタである。
FIG. 1 is a circuit diagram of a conventional reference
トランジスタM1とM2は、サイズ比が1:nである。トランジスタM3,M4は、ミラー比が1のカレントミラー回路である。 Transistors M1 and M2 have a size ratio of 1:n. The transistors M3 and M4 are current mirror circuits with a mirror ratio of one.
トランジスタM1~M4に流れる電流をIrefとする。トランジスタM1,M2それぞれのゲートソース間電圧をVgs1,Vgs2とするとき、式(1)が成り立つ。
Iref=(Vgs1-Vgs2)/R
Let I ref be the current flowing through the transistors M1 to M4. When the gate-source voltages of the transistors M1 and M2 are respectively V gs1 and V gs2 , Equation (1) holds.
I ref =(V gs1 -V gs2 )/R
トランジスタM1およびM2は、飽和領域で動作する。トランジスタM1に関して式(2)が、トランジスタM2に関して式(3)が成り立つ。
Iref=1/2×μnCox・(W/L)(Vgs1-VTH)2 …(2)
Iref=1/2×μnCox・(n・W/L)(Vgs2-VTH)2 …(3)
μn: NMOSトランジスタの移動度
Cox: 単位面積当たりの容量
W/L: ゲート幅とゲート長の比
VTH: しきい値電圧
Transistors M1 and M2 operate in the saturation region. Equation (2) holds for transistor M1, and equation (3) holds for transistor M2.
I ref =1/2×μ n C ox ·(W/L)(V gs1 −V TH ) 2 (2)
I ref =1/2×μ n C ox ·(n·W/L)(V gs2 −V TH ) 2 (3)
μ n : Mobility of NMOS transistor C ox : Capacity per unit area W/L : Ratio of gate width to gate length V TH : Threshold voltage
K=W/Lとする。式(2),(3)は、式(4),(5)に変形できる。
√(2Iref/μnCoxK)=Vgs1-VTH …(4)
√(2Iref/μnCox・nK)=Vgs2-VTH …(5)
Let K=W/L. Equations (2) and (3) can be transformed into equations (4) and (5).
√(2I ref /μ n C ox K)=V gs1 −V TH (4)
√(2I ref /μ n C ox ·nK)=V gs2 −V TH (5)
式(4),(5)を式(1)に代入して整理する。
以上より、基準電流は、式(6)で表される。
式(6)から基準電流Irefはしきい値電圧VTHに依存しない。したがって抵抗Rのばらつき及び素子サイズ(すなわちnおよびK)、酸化膜厚(すなわちCox)、移動度μnなどがばらつきの要因となる。また移動度μn、抵抗Rなどが温度依存性を持つが、変数が素子サイズ(nおよびK)だけなので、基準電流Irefの温度依存性(温度特性)の調整は難しい。 From equation (6), the reference current I ref does not depend on the threshold voltage V TH . Therefore, variations in resistance R, element size (that is, n and K), oxide film thickness (that is, C ox ), mobility μ n , and the like are factors of variation. Also, the mobility μ n , the resistance R, etc. have temperature dependence, but since the only variable is the element size (n and K), it is difficult to adjust the temperature dependence (temperature characteristic) of the reference current I ref .
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、従来とは異なる回路形式の基準電流源の提供にある。 The present invention has been made in view of these problems, and one exemplary object of certain aspects thereof is to provide a reference current source with a circuit type different from the conventional one.
本発明のある態様は基準電流源に関する。基準電流源は、制御端子同士が接続された第1トランジスタと第2トランジスタと、第1トランジスタを含む第2経路に第2トランジスタを含む第1経路に流れる電流と同量の電流を供給し、それとは別の第3経路に、第1経路の電流の所定数倍の電流量の電流を供給するカレントミラー回路と、第3経路上に設けられ、そのソースが第1トランジスタの一端と接続される第3トランジスタと、第3経路上の第3トランジスタより低電位側に設けられ、ゲートが第3トランジスタのゲートと共通に接続される第4トランジスタと、第4トランジスタのソースと第2トランジスタの一端の間に設けられた抵抗と、を備える。 One aspect of the invention relates to a reference current source. The reference current source supplies a first transistor and a second transistor whose control terminals are connected to each other and a second path including the first transistor with the same amount of current as a current flowing in the first path including the second transistor, A current mirror circuit is provided on the third path and has a source connected to one end of the first transistor. a fourth transistor provided on the third path on the lower potential side than the third transistor and having a gate commonly connected to the gate of the third transistor; and a resistor provided between one end.
第3トランジスタおよび第4トランジスタはサブスレッショルド領域で動作してもよい。 The third transistor and the fourth transistor may operate in the subthreshold region.
基準電流源は、第3経路上の第4トランジスタより低電位側に設けられた第5トランジスタをさらに備えてもよい。第5トランジスタの制御端子の電圧が、第3トランジスタおよび第4トランジスタのゲートに供給されてもよい。 The reference current source may further include a fifth transistor provided on the lower potential side than the fourth transistor on the third path. The voltage at the control terminal of the fifth transistor may be supplied to the gates of the third and fourth transistors.
カレントミラー回路は、第1トランジスタと接続される第6トランジスタと、第2トランジスタと接続される第7トランジスタと、第3経路と接続される第8トランジスタと、を含んでもよい。 The current mirror circuit may include a sixth transistor connected to the first transistor, a seventh transistor connected to the second transistor, and an eighth transistor connected to the third path.
本発明の別の態様もまた、基準電流源である。この基準電流源は、制御端子同士が接続された第1トランジスタと第2トランジスタと、第1トランジスタを含む第2経路に第2トランジスタを含む第1経路に流れる電流と同量の電流を供給し、それとは別の第3経路に、第1経路の電流の所定数倍の電流量の電流を供給するカレントミラー回路と、第3経路上に直列に設けられ、それぞれのゲートが共通に接続される複数のMOSトランジスタと、を備える。第1トランジスタの一端は、複数のMOSトランジスタのひとつの一端と接続され、第2トランジスタの一端は、抵抗を介して、複数のMOSトランジスタの別のひとつの一端と接続される。 Another aspect of the invention is also a reference current source. The reference current source supplies a first transistor and a second transistor whose control terminals are connected to each other, a second path including the first transistor, and the same amount of current as a current flowing in the first path including the second transistor. , and a current mirror circuit for supplying a current of a predetermined several times as much as the current of the first path to a third path separate from it, and a current mirror circuit provided in series on the third path, with their respective gates connected in common. and a plurality of MOS transistors. One end of the first transistor is connected to one end of one of the plurality of MOS transistors, and one end of the second transistor is connected to another one end of the plurality of MOS transistors via a resistor.
第1トランジスタと第2トランジスタのサイズは等しくてもよい。また第1トランジスタおよび第2トランジスタはFET(Field Effect Transistor)であってもよい。第1トランジスタおよび第2トランジスタはバイポーラトランジスタであってもよい。 The sizes of the first transistor and the second transistor may be equal. Also, the first transistor and the second transistor may be FETs (Field Effect Transistors). The first transistor and the second transistor may be bipolar transistors.
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。 It should be noted that arbitrary combinations of the above-described constituent elements and mutually replacing the constituent elements and expressions of the present invention in methods, devices, systems, etc. are also effective as embodiments of the present invention.
本発明のある態様によれば、従来と異なる形式の基準電流源を提供できる。 According to one aspect of the present invention, a non-conventional reference current source can be provided.
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、実施の形態ごとに同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。言い換えれば、実施の形態が異なると、異なる部材に同じ符号が付される場合もある。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. The same or equivalent constituent elements, members, and processes shown in each drawing are given the same reference numerals for each embodiment, and duplication of description will be omitted as appropriate. In other words, different members may be given the same reference numerals in different embodiments. Moreover, the embodiments are illustrative rather than limiting the invention, and not all features and combinations thereof described in the embodiments are necessarily essential to the invention.
本明細書において、「部材Aが、部材Bと接続された状態」とは、部材Aと部材Bが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Aと部材Bが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。 In the present specification, "a state in which member A is connected to member B" refers to a case in which member A and member B are physically directly connected, as well as a case in which member A and member B are electrically connected. It also includes the case where it is indirectly connected via another member that does not affect the connection state.
同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。 Similarly, "the state in which the member C is provided between the member A and the member B" includes the case where the member A and the member C or the member B and the member C are directly connected, or the state where the member C is electrically connected. It also includes the case where it is indirectly connected via another member that does not affect the connection state.
(実施の形態1)
図2は、実施の形態1に係る基準電流源100の回路図である。基準電流源100は、第1トランジスタM1、第2トランジスタM2、第3トランジスタM3、第4トランジスタM4、カレントミラー回路110、抵抗Rを備える。
(Embodiment 1)
FIG. 2 is a circuit diagram of reference
第1トランジスタM1および第2トランジスタM2はNMOSトランジスタ(FET)であり、それらの制御端子(すなわちゲート)同士が接続される。また第1トランジスタM1のゲートとドレインは接続される。 The first transistor M1 and the second transistor M2 are NMOS transistors (FETs), and their control terminals (ie gates) are connected together. Also, the gate and drain of the first transistor M1 are connected.
カレントミラー回路110は、第2トランジスタM2を含む第1経路112に流れる電流Irefをコピーし、それと同量の電流を、第1トランジスタM1を含む第2経路112に供給する。またカレントミラー回路110は、第1経路112の電流Irefの所定係数倍(m倍)の電流m×Irefを、第3経路114に供給する。
The
第3トランジスタM3は、NMOSトランジスタであり、第3経路116上に設けられる。第3トランジスタM3のゲートには、バイアス電圧Vbが印加され、そのソースは、第1トランジスタM1の一端(ソース)と接続される。
A third transistor M3 is an NMOS transistor and is provided on the
第4トランジスタM4は、第3経路116上であって、第3トランジスタM3より低電位側に設けられる。第4トランジスタM4のゲートには、第3トランジスタM3と同じバイアス電圧Vbが印加される。
The fourth transistor M4 is provided on the
抵抗Rは、第4トランジスタM4のソースと第2トランジスタM2の一端(ソース)の間に設けられる。 A resistor R is provided between the source of the fourth transistor M4 and one end (source) of the second transistor M2.
以上が基準電流源100の基本構成である。続いてその動作を説明する。
The above is the basic configuration of the reference
第3トランジスタM3および第4トランジスタM4は、サブスレッショルド領域で動作するとする。サブスレッド領域では、ドレイン電流IDは式(7)で表される。
η: サブスレッショルド係数
k: ボルツマン定数
q: 電子電荷
T: 絶対温度
ρ: 抵抗温度係数
It is assumed that the third transistor M3 and the fourth transistor M4 operate in the subthreshold region. In the sub-thread region, the drain current I D is expressed by Equation (7).
η: subthreshold coefficient k: Boltzmann constant q: electron charge T: absolute temperature ρ: temperature coefficient of resistance
抵抗Rの両端間の電圧(電圧降下)を求める。トランジスタM3とM4のゲートソース間電圧に関して以下の式が成り立つ。
Vb-Vgs3=VR1
Vb-Vgs4=VR2
A voltage (voltage drop) across the resistor R is obtained. The following equation holds for the gate-to-source voltages of transistors M3 and M4.
V b −V gs3 =V R1
V b −V gs4 =V R2
本実施の形態では、トランジスタM1,M2のサイズは等しい。したがってトランジスタM1,M2に関して以下の式が成り立つ。
VR1+Vgs1-Vgs2=VR2A
Vgs1=Vgs2
したがって、VR1=VR2A
In this embodiment, the sizes of the transistors M1 and M2 are equal. Therefore, the following equations hold for the transistors M1 and M2.
V R1 +V gs1 -V gs2 =V R2A
V gs1 =V gs2
Therefore, V R1 =V R2A
基準電流Irefは式(8)で表される。
式(7)を変形すると式(9)を得る。
第3トランジスタM3に着目する。第3トランジスタM3には、m×Irefが流れるから、式(9)にID=m×Irefを代入することによりゲートソース間電圧Vgs3は、式(10)で与えられる。K3は、第3トランジスタM3のW/Lである。
また第4トランジスタM4に着目する。第4トランジスタM4には、第3トランジスタM3に流れる電流m×Irefと、第1トランジスタM1に流れる電流Irefの合計電流(m+1)×Irefが流れるから、式(9)にID=(m+1)×Irefを代入することによりゲートソース間電圧Vgs4は、式(11)で与えられる。K4は、第4トランジスタM4のW/Lである。
式(8)に、式(10)、(11)を代入すると、基準電流Irefは、式(12)で与えられる。
式(12)を整理すると、基準電流Irefは式(13)で表すことができる。
抵抗Rの温度特性は、式(14)で表される。
R=R0+ρT …(14)
R0は、T=0のときの抵抗値である。
The temperature characteristic of resistor R is represented by equation (14).
R=R 0 +ρT (14)
R0 is the resistance value when T=0.
式(14)を式(13)に代入すると、式(15)を得る。
すなわち、図2の基準電流源100によれば、熱電圧VT、サブスレッショルド係数および抵抗に応じた基準電流Irefを生成できる。そして、第3トランジスタM3および第4トランジスタM4のサイズK3,K4、あるいはミラー比mを調整することにより、基準電流Irefの温度特性を調節することができる。
That is, the reference
本発明は、図2のブロック図や回路図として把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな装置、方法に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な構成例や実施例を説明する。 The present invention extends to various apparatus and methods grasped as the block diagram and circuit diagram of FIG. 2 or derived from the above description, and is not limited to any particular configuration. Hereinafter, more specific configuration examples and embodiments will be described not for narrowing the scope of the present invention, but for helping to understand the essence and operation of the invention and clarifying them.
(実施例1.1)
図3は、実施例1.1に係る基準電流源100Aの回路図である。実施例1.1に係る基準電流源100Aは、第5トランジスタM5を備える。第5トランジスタM5は、第3経路116上の第4トランジスタM4より低電位側に設けられ、その一端(ソース)は接地ライン104と接続される。第5トランジスタM5には、第4トランジスタM4に流れる電流(m+1)×Irefと、第2トランジスタM2に流れる電流Irefの合計電流(m+2)×Irefが流れる。
(Example 1.1)
FIG. 3 is a circuit diagram of the reference
第5トランジスタM5の制御端子(すなわちゲート)の電圧Vgs5が、図2におけるバイアス電圧Vbとして、トランジスタM3,M4のゲートに印加される。 The voltage Vgs5 at the control terminal (ie gate) of the fifth transistor M5 is applied to the gates of transistors M3 and M4 as the bias voltage Vb in FIG.
カレントミラー回路110は、PMOSトランジスタである第6トランジスタM6,第7トランジスタM7、第8トランジスタM8を含む。第6トランジスタM6~第8トランジスタM8のゲート同士は共通に接続され、それらのソースは、電源ライン102と接続される。また第6トランジスタM6のゲート、ドレイン間は結線される。
The
実施例1.1において、カレントミラー回路110のミラー比はm=1であり、第3経路116に流れる電流は、基準電流Irefと等しい。
In example 1.1, the mirror ratio of the
第3経路116上であって、第3トランジスタM3のドレイン側には、少なくともひとつのPMOSトランジスタを挿入することができる。図3では、2個のPMOSトランジスタM9,M10が挿入されており、それらのゲートには、バイアス電圧Vbが印加されている。
At least one PMOS transistor may be inserted on the
トランジスタM9,M10を挿入し、トランジスタM10のドレインをトランジスタM5のゲートと接続することにより、トランジスタM3,M4をサブスレッショルド領域で動作させることができる。 By inserting transistors M9 and M10 and connecting the drain of transistor M10 to the gate of transistor M5, transistors M3 and M4 can be operated in the subthreshold region.
以上が実施例1.1に係る基準電流源100Aの構成である。続いて、その動作を説明する。
The above is the configuration of the reference
実施例1.1では、m=1であるから、基準電流Irefは式(16)で与えられる。
すなわち、図3の基準電流源100Aによれば、熱電圧VT、サブスレッショルド係数および抵抗Rに応じた基準電流Irefを生成できる。そして、トランジスタM3,M4のサイズK3,K4を調整することにより、基準電流Irefの温度特性を調節することができる。
That is, according to the reference
図4は、図3の基準電流源100Aの温度特性を示す図である。比較のために、図1の基準電流源100Rの温度特性も示す。従来では、基準電流Irefは温度に対して単調減少しており、-50℃~100℃の温度範囲において、0.8nAの変動があった。これに対して、本実施の形態では、基準電流Irefを温度に関して弓形とすることができる。ピークを常温(30℃)付近に設定した場合、-50℃~100℃の温度範囲における変動幅は、0.2A以下に抑えることができる。また本実施の形態では、温度係数の最大値は0.48pA/degであり、従来に比べて1/10程度まで抑制することができる。
FIG. 4 is a diagram showing temperature characteristics of the reference
図5(a)は、図2の基準電流源100Aのバラツキのシミュレーション結果を示す図である。図5(b)に、従来の基準電流源100Rのバラツキのシミュレーション結果を示す。シミュレーションに関しては、しきい値電圧VTH、移動度μ、酸化膜厚を考慮している。
FIG. 5(a) is a diagram showing a simulation result of variations in the reference
図5(a)、(b)の対比から分かるように、本実施の形態によれば、ばらつきについても従来の1/2程度に抑制することができる。 As can be seen from the comparison between FIGS. 5A and 5B, according to the present embodiment, the variation can be suppressed to about 1/2 of the conventional one.
さらに図1の従来回路では、低消費電力化のために、基準電流IrefをnAオーダーまで小さくしたい場合に、抵抗Rの抵抗値を数MΩとする必要があった。これに対して、本実施の形態では、同じ電流量を生成するために必要な抵抗値は、1MΩ以下とすることができる。これは抵抗Rの両端の電圧VR2A,VR2を、トランジスタM6_2とM6_3の電流量の差で作り出しているからである。たとえば従来回路で5MΩの抵抗Rが必要出会った場合、本実施の形態では、900kΩまで小さくでき、素子面積を小さくできる。具体的には、5MΩでは23040μm2の面積が必要である場合、900kΩでは、4320μm2と1/5程度にシュリンクできる。 Furthermore, in the conventional circuit of FIG. 1, in order to reduce the power consumption, it is necessary to reduce the resistance value of the resistor R to several MΩ when the reference current I ref is to be reduced to the order of nA. In contrast, in the present embodiment, the resistance value required to generate the same amount of current can be 1 MΩ or less. This is because the voltages V.sub.R2A and V.sub.R2 across the resistor R are produced by the difference between the current amounts of the transistors M6_2 and M6_3. For example, if a conventional circuit requires a resistor R of 5 MΩ, it can be reduced to 900 kΩ in this embodiment, and the element area can be reduced. Specifically, when 5 MΩ requires an area of 23040 μm 2 , 900 kΩ can be shrunk to 4320 μm 2 , which is about 1/5.
(実施例1.2)
図6は、実施例1.2に係る基準電流源100Bの回路図である。実施例1.2では、図3のトランジスタM5が省略され、第4トランジスタM4のソースが接地ライン104と接続される。すなわち第4トランジスタM4のゲートソース間電圧Vgs4が、バイアス電圧Vbに対応する。
(Example 1.2)
FIG. 6 is a circuit diagram of a reference
実施の形態1は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。
(変形例1.1)
実施の形態では、第1トランジスタM1、第2トランジスタM2をNMOSトランジスタで構成したがその限りでなく、バイポーラトランジスタで構成してもよい。この場合、それらのサイズが等しければ、ベースエミッタ間電圧Vbe1,Vbe2は等しくなるため、式(8)が成り立つ。
(Modification 1.1)
In the embodiment, the first transistor M1 and the second transistor M2 are composed of NMOS transistors, but they may be composed of bipolar transistors. In this case, if they are equal in size, the base-emitter voltages V be1 and V be2 are equal, so that equation (8) holds.
(変形例1.2)
カレントミラー回路110の構成は特に限定されない。カレントミラー回路110は、バイポーラトランジスタで構成してもよい。また、ワイドラーカレントミラー、ウィルソンカレントミラーなど、その他のカレントミラー回路を採用してもよい。
(Modification 1.2)
The configuration of the
(変形例1.3)
実施例1.1や1.2では、m=1の場合を説明したがその限りでなく、mは任意に決めることができる。式(15)に示されるように、mをパラメータとして、基準電流Irefを調節できる。たとえば第3トランジスタM3と第4トランジスタM4のサイズを等しくし(K3=K4)、mのみによって基準電流Irefを最適化してもよいし、サイズとmの両方にもとづいて、基準電流Irefを最適化してもよい。
(Modification 1.3)
In Examples 1.1 and 1.2, the case of m=1 was explained, but m is not limited to this and can be determined arbitrarily. Using m as a parameter, the reference current I ref can be adjusted as shown in equation (15). For example, the size of the third transistor M3 and the fourth transistor M4 may be equal (K 3 =K 4 ) and the reference current I ref may be optimized by m only, or based on both the size and m, the reference current I ref may be optimized.
(変形例1.4)
実施の形態の構成において、N型とP型を相互に置換して、天地を反転した回路も、本発明の範囲に含まれる。
(Modification 1.4)
In the configuration of the embodiment, circuits in which the N-type and the P-type are replaced with each other and the top and bottom are reversed are also included in the scope of the present invention.
(実施の形態2)
実施の形態2では、基準電流源の起動回路について説明する。実施の形態2で説明する起動回路は、実施の形態1で説明した基準電流源100と組み合わせることが可能であるが、実施の形態1とは別の基準電流源と組み合わせもよい。
(Embodiment 2)
In the second embodiment, a startup circuit for a reference current source will be described. The startup circuit described in the second embodiment can be combined with the reference
一般的に半導体集積回路は、電源電圧等に依存しない一定の基準電流を生成する基準電流源を備え、この基準電流がコピーされて、半導体集積回路内のさまざまな回路ブロックにバイアス電流として分配される。 Generally, a semiconductor integrated circuit has a reference current source that generates a constant reference current that does not depend on the power supply voltage, etc. This reference current is copied and distributed as a bias current to various circuit blocks within the semiconductor integrated circuit. be.
電源電圧の投入時に、基準電流源は自律的に起動できないため、基準電流源にトリガーを与える起動回路が必要となる。 Since the reference current source cannot autonomously start when the power supply voltage is turned on, a starting circuit is required to give a trigger to the reference current source.
図7は、本発明者らが検討した起動回路100Rを備える半導体集積回路200Rの回路図である。半導体集積回路200Rは、基準電流源210と、基準電流源210に起動のトリガーを与える起動回路100Rを備える。
FIG. 7 is a circuit diagram of a semiconductor integrated
基準電流源210は、トランジスタM104を含む。トランジスタM104は、トランジスタM201,M202…とともにカレントミラー回路を形成する。基準電流源210の起動完了後、トランジスタM104に流れる基準電流IREFがコピーされ、トランジスタM201,M202…によって半導体集積回路200Rのさまざまな回路ブロックに供給される。
Reference
起動回路100Rは、トランジスタM101~M107を備える。起動回路100Rは、電源ライン102の電圧VDDが上昇すると、基準電流源210に起動のトリガーを与え、基準電流源210の起動が完了すると動作を停止する。
The
トランジスタM101は、ゲートが接地されたPMOSトランジスタである。電源ライン102の電源電圧VDDが上昇すると、トランジスタM101のゲートソース間電圧がしきい値を超えてトランジスタM101がオンとなり、電流I1が流れ始める。
Transistor M101 is a PMOS transistor with a grounded gate. When the power supply voltage VDD of the
トランジスタM102,M103はカレントミラー回路106を形成しており、電流I1をコピーし、その出力電流I2によってトランジスタM104から電流をシンクする。 Transistors M102 and M103 form a current mirror circuit 106 which copies current I1 and sinks current from transistor M104 by its output current I2 .
トランジスタM105とM104はカレントミラー回路を形成しており、電流I2をコピーし、電流I3を生成する。さらにトランジスタM106,M107はカレントミラー回路を形成しており、電流I3をコピーし、電流I4を生成する。 Transistors M105 and M104 form a current mirror circuit that copies current I2 and produces current I3 . In addition, transistors M106 and M107 form a current mirror circuit that copies current I3 and produces current I4 .
I4>I1の関係が成り立つとき、トランジスタM101に流れる電流はすべてトランジスタM107側に流れるため、カレントミラー回路108の入力電流がゼロとなり、電流I2もゼロとなり、起動回路100Rは、基準電流源210に影響を与えなくなる。
When the relationship I 4 >I 1 holds true, all the current flowing through the transistor M101 flows to the transistor M107 side, so the input current of the
本発明者らは、図7の起動回路100Rの起動について検討した結果、以下の課題を認識するに至った。
The inventors have studied the activation of the
図7の起動回路100Rは、基準電流源210の起動が完了した後、電流I2は流れなくなるが、依然として電流I3およびI4が流れ続ける。起動回路100Rを備える集積回路の消費電流がμAオーダーである場合、電流I3,I4の残留は無視できる。しかしながら、集積回路の消費電流をサブμA(たとえば100~200nA)程度まで低減することを要求されることがあり、電流I3,I4が無視できなくなる。
After the start-up
実施の形態2には、起動完了後の消費電流を低減した起動回路が説明される。
図8は、実施の形態2に係る起動回路100を備える半導体集積回路200の回路図である。半導体集積回路200は、起動回路100および基準電流源210を備える。
FIG. 8 is a circuit diagram of a semiconductor integrated
起動回路100は、電源ライン102の電源電圧VDDが上昇すると、基準電流源210に起動のトリガーを与え、基準電流源210の起動が完了すると動作を停止する。
The
起動回路100は、主として、第1回路110、第2回路120、キャパシタC1およびいくつかのトランジスタを備える。
The start-up
第1回路110は、電源ライン102と接地ライン104の間に設けられ、起動時に電源ライン102から接地ライン104に第1電流I1が流れるように構成され、さらに第1電流I1に応じた第2電流I2を基準電流源210に供給する。
The
基準電流源210は、トランジスタM0を含む。トランジスタM0は、ゲートドレインが接続される。トランジスタM0は、トランジスタM201,M202,…および起動回路100のトランジスタM5,M9とともにカレントミラー回路を形成している。通常動作時においては、トランジスタM0に流れる基準電流IREFが、トランジスタM201,M202…等に流れて、半導体集積回路200の複数の回路ブロックに基準電流が分配される。
Reference
半導体集積回路200の起動時においては、トランジスタM0に、第2電流I2が流れ、それがトランジスタM5,M9によってコピーされ、第3電流I3、第4電流I4が流れる。
At the startup of the semiconductor integrated
第2回路120は、第2電流I2に応じた第3電流I3が流れると、第2電流I2がゼロになるように第1回路110に作用する。この作用は、図8において一点鎖線で示される。
The
キャパシタC1の第1端は接地される。キャパシタC1は、第2電流I2に応じた第4電流I4によって充電されるように接続される。第4電流I4によってキャパシタC1が充電されると、キャパシタC1の第2端の電圧VC1が上昇する。 A first end of capacitor C1 is grounded. A capacitor C1 is connected to be charged by a fourth current I4 responsive to the second current I2 . As the capacitor C1 is charged by the fourth current I4, the voltage VC1 at the second end of the capacitor C1 increases.
第1回路110は、キャパシタC1の電圧VC1が上昇すると、第1回路110に流れる第1電流I1が遮断されるよう構成される。また第2回路120は、キャパシタC1の電圧VC1が上昇すると、第2回路120に流れる第3電流I3が遮断されるよう構成される。
The
以上が起動回路100の基本構成である。図9は、起動回路100の具体的な構成例を示す回路図である。
The above is the basic configuration of the
第1回路110は、第1トランジスタM1~第4トランジスタM4を含む。PMOSトランジスタである第1トランジスタM1のゲートは接地される。第2トランジスタM2はNMOSトランジスタであり、ソースが接地され、ゲートドレイン間が第1トランジスタM1のドレインと接続される。第3トランジスタM3はNMOSトランジスタであり、ソースが接地され、ゲートが第2トランジスタM2のゲートと接続され、ドレインが基準電流源210のトランジスタM0のゲートおよびドレインと接続される。
The
第2トランジスタM2および第3トランジスタM3は、第1カレントミラー回路112を形成しており、第1トランジスタM1に流れる第1電流I1をコピーし、第2電流I2を生成する。
The second transistor M2 and the third transistor M3 form a first
第4トランジスタM4は、ソースが電源ライン102と接続され、ドレインが第1トランジスタM1のソースと接続され、ゲートにキャパシタC1の第2端の電圧VC1が印加される。第4トランジスタM4は、第1電流I1の経路上に設けられ、キャパシタ電圧VC1に応じてオフとなる第1遮断トランジスタである。
The fourth transistor M4 has a source connected to the
第5トランジスタM5は、ソースが電源ライン102と接続され、ゲートが基準電流源210のトランジスタM0のゲートおよびドレインと接続される。
The fifth transistor M5 has a source connected to the
第9トランジスタM9は、ソースが電源ライン102と接続され、ゲートが基準電流源210のトランジスタM0のゲートおよびドレインと接続され、ドレインがキャパシタC1の第2端と接続される。
The ninth transistor M9 has a source connected to the
第2回路120は、NMOSトランジスタであるトランジスタM6,M7、M10,M11と、PMOSトランジスタであるトランジスタM8を含む。
The
第6トランジスタM6は、ソースが接地され、ゲートドレイン間が接続される。第7トランジスタM7は、ソースが接地され、ゲートが第6トランジスタM6のゲートと接続され、ドレインが第2トランジスタM2のドレインと接続される。第6トランジスタM6および第7トランジスタM7は、第3電流I3をコピーして第5電流I5を生成する第2カレントミラー回路122を形成している。第2カレントミラー回路122は、第5電流I5を第1カレントミラー回路112のゲートからシンクする。これにより、第2電流I2が減少し、やがて第3トランジスタM3がオフになると第2電流I2はゼロとなる。第5電流I5は、図8における一点鎖線に対応する。
The sixth transistor M6 has a source grounded and a gate-drain connected. The seventh transistor M7 has a source grounded, a gate connected to the gate of the sixth transistor M6, and a drain connected to the drain of the second transistor M2. A sixth transistor M6 and a seventh transistor M7 form a second
第8トランジスタM8は、ソースが第5トランジスタM5のドレインと接続され、ドレインが第6トランジスタM6のドレインと接続され、ゲートにキャパシタC1の第2端の電圧VC1が印加される。第8トランジスタM8は、第3電流I3の経路上に設けられ、ゲートにキャパシタ電圧VC1に応じてオフとなる第2遮断トランジスタである。 The eighth transistor M8 has a source connected to the drain of the fifth transistor M5, a drain connected to the drain of the sixth transistor M6, and a gate to which the voltage VC1 of the second terminal of the capacitor C1 is applied. The eighth transistor M8 is a second cutoff transistor which is provided on the path of the third current I3 and whose gate is turned off in response to the capacitor voltage VC1 .
第10トランジスタM10は、ソースが接地され、ドレインが第6トランジスタM6のゲートと接続され、ゲートにキャパシタC1の第2端の電圧VC1が印加される。キャパシタ電圧VC1が第10トランジスタM10のしきい値を超えると、第10トランジスタM10がオン状態となり、トランジスタM6,M7を含む第2カレントミラー回路122が停止し、第5電流I5がゼロとなる。第10トランジスタM10は、ゲートに印加されるキャパシタ電圧VC1に応じて第2カレントミラー回路122をオフさせる第3遮断トランジスタである。
The tenth transistor M10 has a source grounded, a drain connected to the gate of the sixth transistor M6, and a gate to which the voltage VC1 of the second terminal of the capacitor C1 is applied. When the capacitor voltage VC1 exceeds the threshold of the tenth transistor M10, the tenth transistor M10 turns on, the second
第11トランジスタM11は、ソースが接地され、ドレインがキャパシタC1の第2端と接続され、ゲートが第6トランジスタM6のゲートと接続される。すなわち第11トランジスタM11は、第2カレントミラー回路122の一部である。
The eleventh transistor M11 has a source grounded, a drain connected to the second terminal of the capacitor C1, and a gate connected to the gate of the sixth transistor M6. That is, the eleventh transistor M11 is part of the second
第11トランジスタM11には、第3電流I3に応じた第6電流I6が流れる。第6電流I6は、キャパシタC1の電荷を放電する。すなわちキャパシタC1は、第9トランジスタM9に流れる電流I4と、第11トランジスタM11に流れる電流I6の差分ICHG=I4-I6によって充電される。キャパシタC1の電圧VC1が第10トランジスタM10のゲートソース間のしきい値VGS(th)を超えると、電流I6はゼロとなる。したがって、キャパシタC1の充電開始から、キャパシタ電圧VC1がしきい値VGS(th)に達するまでは、充電電流ICHGは、I4-I6であり、充電能力が制限され、キャパシタ電圧VC1がしきい値VGS(th)を超えると、充電電流ICHGはI4となり、充電能力の制限が解除される。 A sixth current I6 corresponding to the third current I3 flows through the eleventh transistor M11. A sixth current I6 discharges the charge on the capacitor C1. That is, the capacitor C1 is charged by the difference I CHG =I 4 -I 6 between the current I 4 flowing through the ninth transistor M9 and the current I 6 flowing through the eleventh transistor M11. When the voltage V C1 on the capacitor C1 exceeds the gate-source threshold V GS(th) of the tenth transistor M10, the current I6 becomes zero. Therefore, from the start of charging the capacitor C1 until the capacitor voltage V C1 reaches the threshold V GS(th) , the charging current I CHG is I 4 -I 6 , the charging capability is limited, and the capacitor voltage V When C1 exceeds the threshold V GS(th) , the charging current I CHG becomes I4 and the restriction on the charging capability is lifted.
第12トランジスタM12は、PMOSトランジスタであり、ドレインが接地され、ソースがキャパシタC1の第2端と接続され、ゲートが電源ライン102と接続される。第12トランジスタM12によって、高温時にキャパシタ電圧VC1が、トランジスタM9のリーク電流により初期状態でハイレベルになるのを防止できる。
The twelfth transistor M12 is a PMOS transistor having a drain grounded, a source connected to the second end of the capacitor C1, and a gate connected to the
以上が起動回路100の構成である。続いてその動作をシミュレーション結果を参照しながら説明する。図10は、起動回路100の動作波形図である。時刻t0(100ms)に、電源電圧VDDが立ち上がり始める。時刻t1に電源電圧VDDがある電圧レベルに達すると、第1回路110が活性化し、第2電流I2が流れ始める。
The configuration of the
この第2電流I2が、トランジスタM0およびM5を含むカレントミラー回路によりコピーされ、時刻t2に第3電流I3および第4電流I4が流れ始める。第3電流I3はトランジスタM6,M7によってコピーされ、第5電流I5が、第1カレントミラー回路112のトランジスタM2,M3のゲートから引き抜かれる。これにより、基準電流源210に流れる第2電流I2が減少する。
This second current I2 is copied by a current mirror circuit including transistors M0 and M5, and a third current I3 and a fourth current I4 begin to flow at time t2 . A third current I 3 is copied by
第4電流I4から第6電流I6を減じた電流が充電電流ICHGとしてキャパシタC1に供給され、キャパシタ電圧VC1が上昇する。時間区間τは、第6電流I6によって充電電流ICHGが制限されているため、電圧の増加速度が小さくなっている。 A current obtained by subtracting the sixth current I6 from the fourth current I4 is supplied as the charging current I CHG to the capacitor C1 , and the capacitor voltage V C1 rises. In the time interval τ, the charging current ICHG is limited by the sixth current I6 , so the voltage increases at a slow rate.
時刻t3にキャパシタ電圧VC1が、トランジスタM10がしきい値を超えると、トランジスタM10がオンし、トランジスタM11がオフとなり、電流I6がゼロとなる。その結果、充電電流ICHGのリミッタが解除され、キャパシタ電圧VC1の上昇スピードが速くなる。またトランジスタM10のオンによって、トランジスタM6のゲートおよびドレインが接地されるため、電流I3,I5,I6はゼロとなる。 At time t3 , when capacitor voltage V C1 exceeds the threshold of transistor M10, transistor M10 turns on, transistor M11 turns off, and current I6 becomes zero. As a result, the limiter of the charging current ICHG is released, and the rising speed of the capacitor voltage VC1 becomes faster. Also, by turning on the transistor M10, the gate and drain of the transistor M6 are grounded, so that the currents I3 , I5 , and I6 become zero.
キャパシタ電圧VC1が電源電圧VDDに達すると、電源電圧VDDに追従して増加するようになる。そしてトランジスタM1およびM8がオフとなり、電流I1およびI3の経路が遮断される。 When the capacitor voltage VC1 reaches the power supply voltage VDD , it follows the power supply voltage VDD and increases. Transistors M1 and M8 are then turned off, blocking the paths of currents I1 and I3 .
その後、電源電圧VDDが一定になると、充電電流ICHGはゼロとなる。やがて、第2電流I2がゼロとなり、すべての経路の電流がゼロになる。 After that, when the power supply voltage V DD becomes constant, the charging current I CHG becomes zero. Eventually, the second current I2 becomes zero and the currents of all paths become zero.
図11は、実施の形態2に係る起動回路100の総消費電流の波形図である。比較のために、図7の起動回路100Rの消費電流も示している。比較技術では、回路の起動完了後においても、150nAもの電流が定常的に流れ続ける。これに対して、本実施の形態2では、回路電流は、起動期間の間だけ流れており、起動完了後(110ns以降)の電流は実質的にゼロとなる。
FIG. 11 is a waveform diagram of total current consumption of the
また本実施の形態2に係る起動回路100では、電流I6によってキャパシタC1の充電速度を制限することができる。電流I6は、トランジスタM11のサイズに応じて設定できる。図12は、トランジスタM11のサイズをパラメータとしたときの、キャパシタ電圧VC1の波形図である。x1.0はM6:M11=1:2、x0.5はM6:M11=1:1、x0.25はM6:M11=1:0.5に対応する。トランジスタM11のサイズが大きくなり、電流I6が増加するほど、遅延時間τが長くなる。
Further, in the starting
(付記2)
実施の形態2には以下の技術思想が開示される。
(項目2.1)
基準電流源の起動回路であって、
電源ラインと接地ラインの間に設けられ、起動時において前記電源ラインから前記接地ラインに第1電流が流れるとともに、前記第1電流に応じた第2電流を前記基準電流源に供給する第1回路と、
前記第2電流に応じた第3電流が流れると、前記第2電流がゼロになるように前記第1回路に作用する第2回路と、
前記第2電流に応じた第4電流によって充電されるキャパシタと、
を備え、
前記第1回路は、前記キャパシタの電圧が上昇すると、前記第1回路に流れる前記第1電流が遮断されるよう構成される。
(項目2.2)
前記第1回路は、前記第1電流の経路上に設けられ、ゲートに前記キャパシタの電圧が印加される第1遮断トランジスタを含むことを特徴とする項目2.1に記載の起動回路。
(項目2.3)
前記第2回路は、前記キャパシタの電圧が上昇すると、前記第2回路に流れる前記第3電流が遮断されるように構成されることを特徴とする項目2.1または2.2に記載の起動回路。
(項目2.4)
前記第2回路は、前記第3電流の経路上に設けられ、ゲートに前記キャパシタの電圧が印加される第2遮断トランジスタを含むことを特徴とする項目2.3に記載の起動回路。
(項目2.5)
前記第1回路は、
電源ラインと接地ラインの間に設けられ、ゲートがバイアスされた第1トランジスタと、
前記第1トランジスタに流れる前記第1電流をコピーし、前記第2電流を生成する第1カレントミラー回路と、
を含むことを特徴とする項目2.1から2.4のいずれかに記載の起動回路。
(項目2.6)
前記第2回路は、前記第3電流をコピーして第5電流を生成する第2カレントミラー回路を含み、前記第5電流が前記第1カレントミラー回路からシンクされることを特徴とする項目2.5に記載の起動回路。
(項目2.7)
ゲートに前記キャパシタの電圧が印加され、前記第2カレントミラー回路のゲートと接続される第3遮断トランジスタをさらに備えることを特徴とする項目2.6に記載の起動回路。
(項目2.8)
前記第2カレントミラー回路は、前記第3電流に比例する第6電流によって前記キャパシタへの充電を制限することを特徴とする項目2.6または2.7に記載の起動回路。
(項目2.9)
基準電流源の起動回路であって、
第1端が接地されたキャパシタと、
ゲートが接地された第1トランジスタと、
ソースが接地され、ゲートドレイン間が前記第1トランジスタのドレインと接続された第2トランジスタと、
ソースが接地され、ゲートが前記第2トランジスタのゲートと接続され、ドレインが前記基準電流源のトランジスタのゲートおよびドレインと接続された第3トランジスタと、
ソースが電源ラインと接続され、ドレインが前記第1トランジスタのソースと接続され、ゲートに前記キャパシタの第2端の電圧が印加される第4トランジスタと、
ソースが前記電源ラインと接続され、ゲートが前記基準電流源の前記トランジスタの前記ゲートおよび前記ドレインと接続された第5トランジスタと、
ソースが接地され、ゲートドレイン間が接続された第6トランジスタと、
ソースが接地され、ゲートが前記第6トランジスタのゲートと接続され、ドレインが前記第2トランジスタのドレインと接続された第7トランジスタと、
ソースが前記第5トランジスタのドレインと接続され、ドレインが前記第6トランジスタのドレインと接続され、ゲートに前記キャパシタの前記第2端の電圧が印加された第8トランジスタと、
ソースが前記電源ラインと接続され、ゲートが前記基準電流源の前記トランジスタの前記ゲートおよび前記ドレインと接続され、ドレインが前記キャパシタの前記第2端と接続された第9トランジスタと、
を備えることを特徴とする起動回路。
(項目2.10)
ソースが接地され、ドレインが前記第6トランジスタのゲートと接続され、ゲートに前記キャパシタの前記第2端の電圧が印加される第10トランジスタをさらに備えることを特徴とする項目2.9に記載の起動回路。
(項目2.11)
ソースが接地され、ドレインが前記キャパシタの前記第2端と接続され、ゲートが前記第6トランジスタのゲートと接続される第11トランジスタをさらに備えることを特徴とする項目2.9または2.10に記載の起動回路。
(項目2.12)
ドレインが接地され、ソースが前記キャパシタの前記第2端と接続され、ゲートが前記電源ラインと接続される第12トランジスタをさらに備えることを特徴とする項目2.9から2.10のいずれかに記載の起動回路。
(項目2.13)
基準電流源と、
項目2.1から2.12のいずれかに記載の起動回路と、
を備えることを特徴とする半導体集積回路。
(Appendix 2)
The following technical idea is disclosed in the second embodiment.
(Item 2.1)
A starting circuit for a reference current source,
A first circuit provided between a power supply line and a ground line, wherein a first current flows from the power supply line to the ground line at startup and a second current corresponding to the first current is supplied to the reference current source. and,
a second circuit that acts on the first circuit such that the second current becomes zero when a third current corresponding to the second current flows;
a capacitor charged by a fourth current corresponding to the second current;
with
The first circuit is configured to interrupt the first current flowing through the first circuit when the voltage of the capacitor increases.
(Item 2.2)
The start-up circuit according to item 2.1, wherein the first circuit includes a first cut-off transistor provided on the path of the first current and having a gate to which the voltage of the capacitor is applied.
(Item 2.3)
Activation according to item 2.1 or 2.2, characterized in that the second circuit is arranged such that when the voltage of the capacitor increases, the third current flowing through the second circuit is interrupted. circuit.
(Item 2.4)
The start-up circuit according to item 2.3, wherein the second circuit includes a second cut-off transistor provided on the path of the third current and having a gate to which the voltage of the capacitor is applied.
(Item 2.5)
The first circuit is
a first transistor provided between a power supply line and a ground line and having a biased gate;
a first current mirror circuit that copies the first current flowing through the first transistor to generate the second current;
A start-up circuit according to any one of clauses 2.1 to 2.4, characterized in that it comprises:
(Item 2.6)
(Item 2.7)
Start-up circuit according to item 2.6, characterized in that it further comprises a third blocking transistor having a gate to which the voltage of the capacitor is applied and which is connected to the gate of the second current mirror circuit.
(Item 2.8)
Start-up circuit according to item 2.6 or 2.7, wherein the second current mirror circuit limits the charging of the capacitor by a sixth current proportional to the third current.
(Item 2.9)
A starting circuit for a reference current source,
a capacitor having a first end grounded;
a first transistor having a grounded gate;
a second transistor having a source grounded and a gate-drain connected to the drain of the first transistor;
a third transistor having a source grounded, a gate connected to the gate of the second transistor, and a drain connected to the gate and drain of the reference current source transistor;
a fourth transistor having a source connected to the power supply line, a drain connected to the source of the first transistor, and a gate to which the voltage of the second end of the capacitor is applied;
a fifth transistor having a source connected to the power supply line and having a gate connected to the gate and the drain of the transistor of the reference current source;
a sixth transistor whose source is grounded and whose gate and drain are connected;
a seventh transistor having a source grounded, a gate connected to the gate of the sixth transistor, and a drain connected to the drain of the second transistor;
an eighth transistor having a source connected to the drain of the fifth transistor, a drain connected to the drain of the sixth transistor, and a gate to which the voltage of the second end of the capacitor is applied;
a ninth transistor having a source connected to the power supply line, a gate connected to the gate and the drain of the transistor of the reference current source, and a drain connected to the second end of the capacitor;
A startup circuit comprising:
(Item 2.10)
10. The method of item 2.9, further comprising a tenth transistor having a source grounded, a drain connected to the gate of the sixth transistor, and a gate to which the voltage of the second end of the capacitor is applied. startup circuit.
(Item 2.11)
2.9 or 2.10, further comprising an eleventh transistor having a source grounded, a drain connected to the second end of the capacitor, and a gate connected to the gate of the sixth transistor. Startup circuit as described.
(Item 2.12)
2.10 according to any one of items 2.9 to 2.10, further comprising a twelfth transistor having a drain grounded, a source connected to the second end of the capacitor, and a gate connected to the power supply line. Startup circuit as described.
(Item 2.13)
a reference current source;
a startup circuit according to any one of items 2.1 to 2.12;
A semiconductor integrated circuit comprising:
(実施の形態3)
実施の形態3では、演算増幅器について説明する。
(Embodiment 3)
近年、電子機器の低消費電力化の要請から、演算増幅器に供給される電源電圧は低下の一途をたどっている。低電圧アプリケーションにおいて、演算増幅器の入力電圧のレンジを広げるためRail-To-Rail動作が必要となる。 2. Description of the Related Art In recent years, due to the demand for lower power consumption of electronic devices, the power supply voltage supplied to operational amplifiers has been steadily decreasing. In low voltage applications, Rail-To-Rail operation is required to extend the input voltage range of the operational amplifier.
図13は、Rail-To-Railの折り返しカスコード型の演算増幅器1Rの回路図である。演算増幅器1Rは、差動入力端子INP,INNに入力される2つの電圧の差分を増幅し、出力端子OUTから出力する。演算増幅器1Rは主として、第1入力差動対10、第2入力差動対12、第1テイル電流源14、第2テイル電流源16、出力段20、切り替え回路30を備える。
FIG. 13 is a circuit diagram of a Rail-To-Rail folded cascode
第1入力差動対10は、第1極性のPMOSトランジスタである第1トランジスタM1、第2トランジスタM2を含む。テイル電流源14は、適切にバイアスされたPMOSトランジスタを含み、第1入力差動対10にテイル電流Itpを供給する。
The first input
第2入力差動対12は、第2極性のNMOSトランジスタである第3トランジスタM3、第4トランジスタM4を含む。テイル電流源16は第2入力差動対12にテイル電流Itnを供給する。
The second input
出力段20は、第1入力差動対10に流れる差動電流および第2入力差動対12に流れる差動電流を出力電圧Voutに変換する。出力段20は、下側回路21、上側回路22およびバイアス回路23を含む。
The
下側回路21は、第1入力差動対10の差動電流を折り返す定電流回路24(M5,M6)と、折り返された差動電流の経路上に設けられるゲート接地回路25を含む。ゲート接地回路25は、ゲートがバイアスされたNMOSトランジスタM7,M8のペアである。上側回路22は、第2入力差動対12の差動電流を折り返す定電流回路26(M9,M10)と、折り返された差動電流の経路上に設けられるゲート接地回路27を含む。ゲート接地回路27は、ゲートがバイアスされたPMOSトランジスタM11,M12のペアである。
The
切り替え回路30は、入力電圧Vp,Vnの同相成分(同相入力電圧VCM)に応じて、第1入力差動対10と第2入力差動対12を切り替える。切り替え回路30は、PMOSトランジスタであるトランジスタM21を含む。トランジスタM21のソースは、第1トランジスタM1、第2トランジスタM2のソースと共通に接続され、そのゲートには、出力段20によってバイアス電圧Vbが与えられる。
The switching
Vgs1とVgs2のうち、大きい方の電圧をVgsと表す。同相入力電圧VCMがバイアス電圧Vbよりも十分に低い状態(Vgs21<Vgs)では、テイル電流源14が生成するテイル電流Itpはすべて、第1入力差動対10側に流れ(2×I1=Itp)、トランジスタM21に電流は流れない(I1_2=0)。
The larger one of Vgs1 and Vgs2 is represented as Vgs. When the common-mode input voltage VCM is sufficiently lower than the bias voltage Vb (Vgs21<Vgs), the tail current Itp generated by the tail
同相入力電圧VCMがバイアス電圧Vb程度まで増加すると、言い換えると、Vgs21≒Vgsとなると、トランジスタM21に電流I1_2が流れ始める。切り替え回路30のトランジスタM22,M23は、テイル電流源16のトランジスタM24,M25とともにカレントミラーを形成しており、電流I1_2がコピーされ、テイル電流2×I2として第2入力差動対12に供給される。同相入力電圧VCMが電源電圧VDDに近づくにしたがい、言い換えるとVgsがVgs21より小さくなるにしたがい、第1入力差動対10に供給されるテイル電流2×I1が減少し、第2入力差動対12に供給されるテイル電流2×I2が増大していく。これにより、同相入力電圧VCMに応じて、第1入力差動対10と第2入力差動対12が切り替えられる。
When the common-mode input voltage VCM increases to about the bias voltage Vb, in other words, when Vgs21≈Vgs, the current I1_2 starts flowing through the transistor M21. Transistors M22 and M23 of switching
トランジスタM1とM2のミスマッチ、トランジスタM3とM4のミスマッチ、トランジスタM5とM6のミスマッチ、トランジスタM9とM10のミスマッチは、演算増幅器1Rの入力オフセット電圧の要因となる。入力オフセット電圧を減少させるために、下側回路21の抵抗R1,R2の抵抗値がトリミングするなどの手法が採られる。
The mismatch between transistors M1 and M2, the mismatch between transistors M3 and M4, the mismatch between transistors M5 and M6, and the mismatch between transistors M9 and M10 contribute to the input offset voltage of
本発明者らは、図13の演算増幅器1Rについて検討した結果、以下の課題を認識するに至った。出力段20のゲート接地回路25および27に流れる電流(以下、カスコード電流と称する)Ioに着目する。以下の検討では、理解の容易化の説明の簡潔化のために、同相成分にのみ着目し、差動成分はゼロであるとする。図14は、同相入力電圧と、演算増幅器1Rの内部電流の関係を示す図である。
As a result of studying the
演算増幅器1Rの動作は、第1入力差動対10の動作が支配的な低電圧領域、第2入力差動対12の動作が支配的な高電圧領域、それらの両方が動作する遷移領域に分けて考えることができる。図中、低電圧領域における電流を破線で、高電圧領域における電流を実線で示す。
Operation of the
(低電圧領域)
第2定電流回路26は、バイアス回路23によって定電流I_pが流れるようにバイアスされる。第2テイル電流源16の電流はゼロであり、第3トランジスタM3、第4トランジスタM4の電流はいずれもゼロである。したがって、カスコード電流Ioは、定電流I_pと等しい。
(Low voltage area)
The second constant
(高電圧領域)
高電圧領域では、第2テイル電流源16によって、第2入力差動対12にテイル電流2×I2が供給される。第3トランジスタM3、第4トランジスタM4それぞれに、電流I2が流れる。したがって、カスコード電流Ioは、I_pよりもI2だけ減少する。
(high voltage area)
In the high voltage region, second tail
カスコード電流の減少は、消費電流が大きい演算増幅器ではそれほど問題とならないが、全消費電流が数百nAオーダーの演算増幅器では、大きな弊害となる。図15(a)は、カスコード電流の温度依存性を示し、図15(b)は、第1入力差動対10のリーク電流の温度依存性を示す。
A decrease in the cascode current is not so problematic for an operational amplifier with a large current consumption, but it becomes a serious problem for an operational amplifier whose total current consumption is on the order of several hundred nA. 15(a) shows the temperature dependence of the cascode current, and FIG. 15(b) shows the temperature dependence of the leakage current of the first input
温度が高くなると、トランジスタのリーク電流の影響が大きくなる。図15(b)に示すように、高電圧領域において、第2入力差動対12に流れる電流は、温度が上昇するにしたがって増大する。その結果、高電圧領域において、カスコード電流Ioは温度が高いほど少なくなり、高温状態(125℃)ではゼロ付近まで低下してしまい、演算増幅器1Rが正常に動作できなくなる。
As the temperature increases, the effect of transistor leakage current increases. As shown in FIG. 15(b), in the high voltage region, the current flowing through the second input
図16は、演算増幅器1Rの入力オフセット電圧と同相入力電圧の関係を示す図である。-50℃~105℃の範囲では、入力オフセット電圧は0~5Vの同相入力範囲においてゼロ付近に保たれているが、125℃では入力オフセット電圧が大きくなっており、特に4.8V~5Vの範囲では、動作不能となっている。
FIG. 16 is a diagram showing the relationship between the input offset voltage and the common-mode input voltage of the
実施の形態3では、幅広い電圧範囲において正常動作可能な演算増幅器が説明される。
図17は、実施の形態3に係る演算増幅器1の回路図である。演算増幅器1は、折り返しカスコード型であり、第1入力差動対10、第2入力差動対12、第1テイル電流源14、第2テイル電流源16、出力段20、補正回路90を備える。
FIG. 17 is a circuit diagram of
非反転入力端子INPには、第1入力電圧Vpが入力され、反転入力端子INNには第2入力電圧Vnが入力される。上側電源端子VDDには上側の電源電圧が入力され、下側電源端子(接地端子)VSSには下側の電源電圧(たとえば接地電圧)が供給される。演算増幅器1は、第1入力電圧Vpと第2入力電圧Vnの差分を増幅し、出力端子OUTから出力電圧Voutを出力する。
A first input voltage Vp is input to the non-inverting input terminal INP, and a second input voltage Vn is input to the inverting input terminal INN. An upper power supply voltage is input to the upper power supply terminal VDD, and a lower power supply voltage (eg, ground voltage) is supplied to the lower power supply terminal (ground terminal) VSS. The
第1入力差動対10は、PMOSトランジスタである第1トランジスタM1、第2トランジスタM2を含む。第1トランジスタM1のゲートは反転入力端子INNと接続され、第2トランジスタM2のゲートは非反転入力端子INPと接続される。
The first input
第2入力差動対12は、NMOSトランジスタである第3トランジスタM3、第4トランジスタM4を含む。第3トランジスタM3のゲートは非反転入力端子INPと接続され、第4トランジスタM4のゲートは反転入力端子INNと接続される。
The second input
第1テイル電流源14は、第1入力差動対10に第1テイル電流Itpを供給する。第2テイル電流源16は、第2入力差動対12に第2テイル電流Itnを供給する。
A first tail
出力段20は、電源ラインVDDと接地ラインVSSの間に縦積みされる上側回路22および下側回路21を含む。下側回路21は、第1入力差動対10に接続され、上側回路22は第2入力差動対12と接続される。出力端子OUTは、出力段20の内部のノードから引き出される。この例では、上側回路22と下側回路21の接続ノードがOUT端子である。
出力段20は、下側回路21および上側回路22を含む。下側回路21は、第1定電流回路24および第1ゲート接地回路25を含む。第1定電流回路24は、トランジスタM5,M6を含み、第1入力差動対10の差動電流を折り返す。第1ゲート接地回路25は、折り返された差動電流(第1折り返し差動電流という)の経路上に設けられる。第1ゲート接地回路25は、図示しないバイアス回路が生成したバイアス電圧Vbnがゲートに印加されたトランジスタペアM7,M8を含む。下側回路21は、M5側を入力、M6側を出力とするカスコードカレントミラーである。
上側回路22は、第1折り返し差動電流に対する能動負荷として機能し、第1折り返し差動電流を出力電圧Voutに変換する。上側回路22は、第2定電流回路26、第2ゲート接地回路27を含む。第2定電流回路26は、トランジスタM9,M10を含み、第2入力差動対12の差動電流を折り返す。第2ゲート接地回路27は、トランジスタM11,M12を含み、折り返された差動電流の経路上に設けられる。下側回路21は第2折り返し差動電流に対する能動負荷としても機能し、第2折り返し差動電流を出力電圧Voutに変換する。トランジスタM11,M12およびM14のゲートには図示しないバイアス回路によって生成されるバイアス電圧Vbpが印加されている。
The
上側回路22のトランジスタM9~M12は、バイアス回路23のトランジスタM13,M14とともにカスコードカレントミラーを構成する。トランジスタM9,M10の電流I_pは、トランジスタM13に流れる電流Ip_0に比例する。
The transistors M9 to M12 of the
切り替え回路30は、第1入力電圧Vpおよび第2入力電圧Vnに応じて、第1テイル電流2×I1と第2テイル電流2×I2を動的に変化させる。具体的には、上述の低電圧領域においては、第2テイル電流2×I2を実質的にゼロとし、高電圧領域においては、第1テイル電流2×I1を実質的にゼロとする。切り替え回路30は、遷移領域においては、同相入力電圧VCMに応じて第1テイル電流2×I1と第2テイル電流2×I2を連続的に変化させ、高電圧範囲と低電圧領域をシームレスに繋いでもよい。
The switching
第1テイル電流源14は、第1テイル電流Itpを生成する。切り替え回路30は、第1入力電圧Vpと第2入力電圧Vnの同相入力電圧VCMに応じた電流量I1_2をシンクする。したがって第1入力差動対10に供給されるテイル電流2×I1の量は、Itp-I1_2となる。
A first tail
シンク電流I1_2は、低電圧領域において実質的にゼロであり、高電圧範囲においてテイル電流量Itpと等しくてもよい。また遷移領域において、シンク電流I1_2は、同相入力電圧VCMが高いほど増加してもよい。 The sink current I1_2 may be substantially zero in the low voltage range and equal to the tail current amount Itp in the high voltage range. Also, in the transition region, the sink current I1_2 may increase as the common-mode input voltage VCM increases.
第2テイル電流源16は、切り替え回路30と接続されており、切り替え回路30の状態、言い換えればシンク電流I1_2と連動して、第2テイル電流2×I2を生成する。第2テイル電流2×I2は、低電圧領域において実質的にゼロであり、高電圧範囲において所定量となる。また遷移領域において、第2テイル電流2×I2は、同相入力電圧VCMが高いほど増加してもよい。切り替え回路30は、図13と同様に、トランジスタM21~M23を含む。
The second tail
補正回路90は、第1入力電圧Vpおよび第2入力電圧Vnに応じて、第2定電流回路26に流れる電流I_pを補正する。本実施の形態において補正回路90は、第1入力電圧Vpおよび第2入力電圧Vnの同相入力電圧VCMにもとづいて、電流I_pを補正する。より具体的には第2入力差動対12が動作する高電圧範囲において、第1入力差動対10が動作する低電圧範囲よりも、電流I_pを増大させる。
The
補正回路90は、第1入力電圧Vpおよび第2入力電圧Vnに応じて、バイアス電流Ip_0を変化させるように構成される。たとえばバイアス電流Ip_0は、所定の基準電流Irefと、補助電流Iauxの合成電流とすることができる。補正回路90は、第1入力電圧Vpおよび第2入力電圧Vnの同相入力電圧VCMに応じた補助電流Iauxを生成する。
The
以上が演算増幅器1の基本構成である。本発明は、図17のブロック図や回路図として把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな装置、方法に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な構成例や実施例を説明する。
The above is the basic configuration of the
(実施例3.1)
図18は、実施例3.1に係る補正回路90の回路図である。補正回路90は、定電流源92、トランジスタM201~M206を含む。定電流源92は、定電流2I1を生成する。定電流源92は、実施の形態1あるいは実施の形態2で説明した基準電流源の技術を用いて構成してもよい。
(Example 3.1)
FIG. 18 is a circuit diagram of the
第1検出トランジスタM201~第3検出トランジスタM203のソースは、定電流源92と共通に接続される。第1検出トランジスタM201のゲートには第1入力電圧Vpが入力され、第2検出トランジスタM202のゲートには第2入力電圧Vnが入力され、第3検出トランジスタM203のゲートにはバイアス電圧Vbが印加されている。トランジスタM201,M202のドレインには、負荷としてトランジスタM204が接続される。第3検出トランジスタM203に流れる電流は、カレントミラーM205,M206によってコピーされ、補助電流Iauxとして出力される。この補正回路90の動作は、切り替え回路30と同様であり、トランジスタM203には、同相入力電圧VCMに応じた電流が流れ、それがコピーされて補助電流Iauxとなる。
Sources of the first to third detection transistors M201 to M203 are commonly connected to the constant
続いて実施例3.1に係る演算増幅器1の動作を説明する。図19(a)は、同相入力電圧と演算増幅器1の内部電流の関係を示す図である。高電圧領域では、第2定電流回路26に流れる電流I_pが補助電流Iauxの分だけ増加する。補助電流Iauxに相当信号ルウ電流の増加分が、第2入力差動対12の電流I2と相殺するため、カスコード電流Ioは、全電圧範囲において一定となる。
Next, the operation of the
図19(b)は、同相入力電圧とカスコード電流の関係を示す図である。同相入力範囲の0~5Vにおいて、広い温度範囲において、カスコード電流Ioが正常範囲に保たれていることがわかる。 FIG. 19(b) is a diagram showing the relationship between the common-mode input voltage and the cascode current. It can be seen that the cascode current Io is maintained within a normal range over a wide temperature range in the common-mode input range of 0 to 5V.
図20は、同相入力電圧と入力オフセット電圧の関係を示す図である。実施例3.1によれば、同相入力範囲である0~5Vにおいて、入力オフセット電圧が実質的に一定に保たれている。 FIG. 20 is a diagram showing the relationship between the common-mode input voltage and the input offset voltage. According to Example 3.1, the input offset voltage is kept substantially constant in the common mode input range of 0 to 5V.
このように実施例3.1に係る演算増幅器1は、幅広い電圧範囲において正常動作が可能である。
Thus, the
(実施例3.2)
図21は、実施例3.2に係る演算増幅器1Dの回路図である。この実施例において、バイアス電流I_p0は、切り替え回路30の状態と連動して変化する。
(Example 3.2)
FIG. 21 is a circuit diagram of an
補正回路90は、トランジスタM91を含み、トランジスタM91に流れる電流が補助電流Iauxである。トランジスタM91のゲートは、切り替え回路30のトランジスタM23のゲートと接続されており、したがって補助電流Iauxは、トランジスタM21の電流I1_2に比例しており、したがって同相入力電圧VCMに応じて変化する。図21において定電流源92は、カスコードカレントミラーで構成される。
The
図21の演算増幅器1Dにおいても、図19,図20の特性を得ることができ、幅広い電圧範囲において正常動作が可能である。図21の演算増幅器1Dは、追加のトランジスタ素子数が非常に少ないため、回路面積や消費電力の増大を抑えつつ、演算増幅器1Dの特性を改善できる。
19 and 20 can be obtained in the
(変形例3.1)
実施の形態3では、バイアス回路23に流れるバイアス電流Ip_0を変化させることにより、第2定電流回路26が生成する電流I_pを変化させたがその限りでない。たとえば、補正回路90は、トランジスタM9とM11の接続ノード、M10とM12の接続ノードそれぞれに、電流Iauxをソースするように構成してもよい。ただし、この場合、ソースする2系統の電流Iauxにバラツキがあると、追加の入力オフセット電圧が導入されるおそれがある。実施の形態3で説明したバイアス電流Ip_0を変化させる手法によれば、追加の入力オフセット電圧が生じないという利点がある。
(Modification 3.1)
In the third embodiment, the current I_p generated by the second constant
(付記3)
実施の形態3には以下の技術思想が開示される。
(項目3.1)
第1入力電圧を受ける反転入力端子および第2入力電圧を受ける非反転入力端子と、
前記反転入力端子および非反転入力端子と接続される第1極性の第1入力差動対と、
前記反転入力端子および非反転入力端子と接続される第2極性の第2入力差動対と、
前記第1入力差動対に第1テイル電流を供給する第1テイル電流源と、
前記第2入力差動対に第2テイル電流を供給する第2テイル電流源と、
前記第1入力差動対の差動電流、前記第2入力差動対の差動電流を、出力電圧に変換する出力段であり、前記第1入力差動対の差動電流を折り返す第1定電流回路と、前記第1定電流回路により折り返された第1折り返し差動電流の経路に設けられる第1ゲート接地回路と、前記第2入力差動対の差動電流を折り返す第2定電流回路と、前記第2定電流回路により折り返された第2折り返し差動電流の経路に設けられる第2ゲート接地回路と、を含む出力段と、
前記第1入力電圧および前記第2入力電圧に応じて、前記第1定電流回路、前記第2定電流回路の少なくとも一方に流れる電流を補正する補正回路と、
を備えることを特徴とする演算増幅器。
(項目3.2)
前記第1定電流回路と前記第2定電流回路の一方は、バイアス電流に比例した電流を生成する定電流源であり、
前記補正回路は、前記第1入力電圧および前記第2入力電圧に応じて、前記バイアス電流を変化させることを特徴とする項目3.1に記載の演算増幅器。
(項目3.3)
前記バイアス電流は、所定の基準電流と、前記第1入力電圧および前記第2入力電圧に応じた補助電流と、を合成した電流であることを特徴とする項目3.2に記載の演算増幅器。
(項目3.4)
前記第1入力電圧および前記第2入力電圧に応じて、前記第1テイル電流と前記第2テイル電流を動的に変化させる切り替え回路をさらに備えることを特徴とする項目3.2または3.3に記載の演算増幅器。
(項目3.5)
前記バイアス電流は、前記切り替え回路の状態と連動していることを特徴とする項目3.4に記載の演算増幅器。
(項目3.6)
前記補正回路は、
定電流を生成する定電流源と、
ソースが前記定電流源と接続され、ゲートに前記第1入力電圧を受ける第1検出トランジスタと、
ソースが前記定電流源と接続され、ゲートに前記第2入力電圧を受ける第2検出トランジスタと、
ソースが前記定電流源と接続され、ゲートがバイアスされた第3検出トランジスタと、
を含み、前記補助電流は、前記第3検出トランジスタに流れる電流に応じていることを特徴とする項目3.2から3.4のいずれかに記載の演算増幅器。
(Appendix 3)
The following technical idea is disclosed in the third embodiment.
(Item 3.1)
an inverting input terminal that receives a first input voltage and a non-inverting input terminal that receives a second input voltage;
a first polarity first input differential pair connected to the inverting input terminal and the non-inverting input terminal;
a second polarity second input differential pair connected to the inverting input terminal and the non-inverting input terminal;
a first tail current source that supplies a first tail current to the first input differential pair;
a second tail current source that supplies a second tail current to the second input differential pair;
An output stage that converts a differential current of the first differential input pair and a differential current of the second differential input pair into an output voltage, and a first differential current that folds back the differential current of the first differential input pair. a constant current circuit, a first gate-grounded circuit provided in a path of a first folded differential current folded back by the first constant current circuit, and a second constant current for folding back the differential current of the second input differential pair. an output stage including a circuit and a second gate-grounded circuit provided in a path of a second folded differential current folded by the second constant current circuit;
a correction circuit that corrects current flowing through at least one of the first constant current circuit and the second constant current circuit according to the first input voltage and the second input voltage;
An operational amplifier comprising:
(Item 3.2)
one of the first constant current circuit and the second constant current circuit is a constant current source that generates a current proportional to a bias current;
3. The operational amplifier according to item 3.1, wherein the correction circuit changes the bias current according to the first input voltage and the second input voltage.
(Item 3.3)
The operational amplifier according to Item 3.2, wherein the bias current is a combined current of a predetermined reference current and an auxiliary current corresponding to the first input voltage and the second input voltage.
(Item 3.4)
Item 3.2 or 3.3, further comprising a switching circuit that dynamically changes the first tail current and the second tail current in response to the first input voltage and the second input voltage. The operational amplifier according to .
(Item 3.5)
5. The operational amplifier of item 3.4, wherein the bias current is linked to the state of the switching circuit.
(Item 3.6)
The correction circuit is
a constant current source that generates a constant current;
a first detection transistor having a source connected to the constant current source and having a gate receiving the first input voltage;
a second detection transistor having a source connected to the constant current source and having a gate receiving the second input voltage;
a third detection transistor having a source connected to the constant current source and a gate biased;
and wherein said auxiliary current is responsive to the current flowing through said third sensing transistor.
(実施の形態4)
実施の形態3では、実施の形態4と同様に、演算増幅器について説明する。再び図13を参照する。本発明者らは、図13の演算増幅器1Rについて検討した結果、以下の課題を認識するに至った。
(Embodiment 4)
In the third embodiment, as in the fourth embodiment, an operational amplifier will be described. Refer to FIG. 13 again. As a result of studying the
図22は、図13の演算増幅器1Rの入力オフセット電圧の同相入力電圧VCMの関係を示す図である。特性(i)は補正前の入力オフセット電圧を示す。特性(ii)および(iii)はオフセット補正のためのトリミングを行った後の入力オフセット電圧を示す。特性(ii)に示すように、第1入力差動対10の動作領域における入力オフセット電圧が小さくなるようにトリミングを行うと、第2入力差動対12の動作領域において入力オフセット電圧が大きくなる。特性(iii)に示すように、第2入力差動対12の動作領域における入力オフセット電圧が小さくなるようにトリミングを行うと、第1入力差動対10の動作領域における入力オフセット電圧が大きくなる。
FIG. 22 is a diagram showing the relationship between the input offset voltage of the
実施の形態4では、幅広い電圧範囲において入力オフセット電圧を補正可能な演算増幅器について説明する。
図23は、実施の形態3に係る演算増幅器1の回路図である。演算増幅器1は、第1入力差動対10、第2入力差動対12、第1テイル電流源14、第2テイル電流源16、出力段20、補正回路40を備える。
FIG. 23 is a circuit diagram of
非反転入力端子INPには、第1入力電圧Vpが入力され、反転入力端子INNには第2入力電圧Vnが入力される。上側電源端子VDDには上側の電源電圧が入力され、下側電源端子(接地端子)VSSには下側の電源電圧(たとえば接地電圧)が供給される。演算増幅器1は、第1入力電圧Vpと第2入力電圧Vnの差分を増幅し、出力端子OUTから出力電圧Voutを出力する。
A first input voltage Vp is input to the non-inverting input terminal INP, and a second input voltage Vn is input to the inverting input terminal INN. An upper power supply voltage is input to the upper power supply terminal VDD, and a lower power supply voltage (eg, ground voltage) is supplied to the lower power supply terminal (ground terminal) VSS. The
第1入力差動対10は、PMOSトランジスタである第1トランジスタM1、第2トランジスタM2を含む。第1トランジスタM1のゲートは反転入力端子INNと接続され、第2トランジスタM2のゲートは非反転入力端子INPと接続される。
The first input
第2入力差動対12は、NMOSトランジスタである第3トランジスタM3、第4トランジスタM4を含む。第3トランジスタM3のゲートは非反転入力端子INPと接続され、第4トランジスタM4のゲートは反転入力端子INNと接続される。
The second input
第1テイル電流源14は、第1入力差動対10に第1テイル電流Itpを供給する。第2テイル電流源16は、第2入力差動対12に第2テイル電流Itnを供給する。
A first tail
出力段20は、電源ラインVDDと接地ラインVSSの間に縦積みされる上側回路22および下側回路21を含む。下側回路21は、第1入力差動対10に接続され、上側回路22は第2入力差動対12と接続される。出力端子OUTは、出力段20の内部のノードから引き出される。この例では、上側回路22と下側回路24の接続ノードがOUT端子である。
補正回路40は、第1入力電圧Vpおよび第2入力電圧Vnに応じて、出力段20の状態を動的に変化させる。たとえば補正回路40は、第1入力電圧Vpおよび第2入力電圧Vnの同相入力電圧VCMに応じて、出力段20の状態を変化させる。
The
補正回路40は、第1入力電圧Vpおよび第2入力電圧Vnに応じて、下側回路21の状態と上側回路22の状態を調整する。たとえば補正回路40は、第1入力差動対10の動作が支配的である入力電圧範囲(低電圧領域という)においては、入力オフセット電圧がキャンセルされるように、下側回路21に含まれるトランジスタのペア(後述のトランジスタM5,M6)にミスマッチを導入する。補正回路40は、第2入力差動対12の動作が支配的である入力電圧範囲(高電圧領域)においては、入力オフセット電圧がキャンセルされるように、上側回路22に含まれるトランジスタのペア(後述のトランジスタM9,M10)にミスマッチを導入する。
The
低電圧領域と高電圧領域に挟まれ、第1入力差動対10と第2入力差動対12の両方が動作する入力電圧範囲(遷移領域という)においては、下側回路21に導入するミスマッチと、上側回路22に導入するミスマッチを、連続的かつ相補的に変化させてもよい。
In the input voltage range (referred to as the transition region) sandwiched between the low voltage region and the high voltage region where both the first
補正回路40は、低電圧領域において下側回路21のトランジスタ対(M5,M6)にミスマッチを導入する。ミスマッチの導入方法は特に限定されないが、たとえばトランジスタ対M5,M6の一方に第1補正信号Sc1を供給してもよい。トランジスタ対M5,M6のいずれに第1補正信号Sc1を供給すべきかは、入力オフセット電圧の極性に応じて選択される。第1補正信号Sc1は、ゼロから、最大量MAX1の間で変化する。最大量MAX1は、低電圧領域における入力オフセット電圧をキャンセルできるように、演算増幅器1の個体毎に最適化(トリミング)するとよい。
補正回路40は、高電圧領域において上側回路22のトランジスタ対(M9,M10)にミスマッチを導入する。たとえば補正回路40は、トランジスタ対M9,M10の一方に第2補正信号Sc2を供給してもよい。トランジスタ対M9,M10のいずれに第2補正信号Sc2を供給すべきかは、入力オフセット電圧の極性に応じて選択される。第2補正信号Sc2は、ゼロから、最大量MAX2の間で変化する。最大量MAX2は、高電圧領域における入力オフセット電圧をキャンセルできるように、演算増幅器1の個体毎に最適化(トリミング)するとよい。
図24は、図23の演算増幅器1の動作を説明する図である。横軸は同相入力電圧VCMを、縦軸は、下側回路21、上側回路22それぞれのに導入されるミスマッチ量(補正量)を示す。第1入力差動対10が支配的な低電圧領域Lでは、第1補正信号Sc1が最大量MAX1となり、第2補正信号Sc2が最小値(たとえばゼロ)となる。反対に第2入力差動対12が支配的な高電圧範囲Hでは、第2補正信号Sc2が最大量MAX2となり、第1補正信号Sc1が最小値(たとえばゼロ)となる。遷移領域Mでは、同相入力電圧VCMに応じて、第1補正信号Sc1、第2補正信号Sc2を連続的に変化させることで、低電圧領域Lと高電圧領域Hをシームレスに接続することができる。
FIG. 24 is a diagram for explaining the operation of
以上が演算増幅器1の基本構成である。本発明は、図23のブロック図や回路図として把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな装置、方法に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な構成例や実施例を説明する。
The above is the basic configuration of the
(実施例4.1)
図25は、実施例4.1に係る演算増幅器1Aの回路図である。演算増幅器1Aは、切り替え回路30を備える。切り替え回路30は、第1入力電圧Vpおよび第2入力電圧Vnに応じて、第1テイル電流Itpと第2テイル電流Itnを動的に変化させる。具体的には、上述の低電圧領域においては、第2テイル電流Itnを実質的にゼロとし、高電圧領域においては、第1テイル電流Itpを実質的にゼロとする。切り替え回路30は、遷移領域においては、同相入力電圧VCMに応じて第1テイル電流Itpと第2テイル電流Itnを連続的に変化させ、高電圧範囲と低電圧領域をシームレスに繋いでもよい。
(Example 4.1)
FIG. 25 is a circuit diagram of an
第1テイル電流源14は、第1テイル電流Itpを生成する。切り替え回路30は、第1入力電圧Vpと第2入力電圧Vnの同相入力電圧VCMに応じた電流量I1_2をシンクする。したがって第1入力差動対10に供給されるテイル電流の量は、Itp-I1_2となる。
A first tail
シンク電流I1_2は、低電圧領域において実質的にゼロであり、高電圧範囲においてテイル電流量Itpと等しくてもよい。また遷移領域において、シンク電流I1_2は、同相入力電圧VCMが高いほど増加してもよい。 The sink current I1_2 may be substantially zero in the low voltage range and equal to the tail current amount Itp in the high voltage range. Also, in the transition region, the sink current I1_2 may increase as the common-mode input voltage VCM increases.
第2テイル電流源16は、切り替え回路30と接続されており、切り替え回路30の状態、言い換えればシンク電流I1_2と連動して、第2テイル電流Itnを生成する。第2テイル電流Itnは、低電圧領域において実質的にゼロであり、高電圧範囲において所定量となる。また遷移領域において、第2テイル電流Itnは、同相入力電圧VCMが高いほど増加してもよい。
The second tail
補正回路40は、第1補正部42と第2補正部44を含む。第1補正部42は、下側回路21のトランジスタ対(M5,M6)にミスマッチを導入する。第1補正部42は、入力電圧Vp,Vnを受け、それらの同相入力電圧VCMにもとづいて、第1補正信号Sc1を生成してもよい。
The
第2補正部44は、上側回路22のトランジスタ対M9,M10にミスマッチを導入する。第2補正部44は、切り替え回路30と接続され、切り替え回路30の状態に応じて、第2補正信号Sc2を生成する。切り替え回路30の状態は、たとえばシンク電流I1_2の量であってもよいし、切り替え回路30の内部ノードの電圧であってもよい。
The
図26は、図25の演算増幅器1Aの具体的な構成例を示す回路図である。切り替え回路30は、トランジスタM21,M22,M23を含む。トランジスタM21はPチャンネルMOSFETであり、そのソースは、第1テイル電流源14と接続され、そのゲートには出力段20により生成されるバイアス電圧Vbが供給される。トランジスタM21に流れるシンク電流I1_2は、同相入力電圧VCMが応じて変化する。
FIG. 26 is a circuit diagram showing a specific configuration example of the
第2テイル電流源16は、トランジスタM24,M25を含む。トランジスタM24,M25は、トランジスタM22,M23とともにカレントミラーを形成しており、シンク電流I1_2がコピーして折り返され、第2テイル電流Itnとして第2入力差動対12に供給される。
The second tail
図26の演算増幅器1Aは、折り返しカスコードオペアンプである。下側回路21は、第1定電流回路24および第1ゲート接地回路25を含む。第1定電流回路24は、第1入力差動対10の差動電流を折り返す。第1ゲート接地回路25は、折り返された差動電流(第1折り返し差動電流という)の経路上に設けられる。上側回路22は、第1折り返し差動電流に対する能動負荷として機能し、第1折り返し差動電流を出力電圧Voutに変換する。
The
上側回路22は、第2定電流回路26および第2ゲート接地回路27を含む。第2定電流回路26は、第2入力差動対12の差動電流を折り返す。第2ゲート接地回路27は、折り返された差動電流の経路上に設けられる。下側回路21は第2折り返し差動電流に対する能動負荷として機能し、第2折り返し差動電流を出力電圧Voutに変換する。
第2定電流回路26のトランジスタM9,M10はバイアス回路23によってバイアスされ、定電流源として機能する。第1定電流回路24のトランジスタM5,M6は、トランジスタM5側を入力、M6側を出力とするカレントミラーであり、同じく定電流源として機能する。
The transistors M9 and M10 of the second constant
図26において、第1補正信号Sc1、第2補正信号Sc2は電流信号である。第1定電流回路24は、トランジスタ対M5,M6と、それらのソースに接続されるソース抵抗R1,R2を備える。第1補正部42は、ソース抵抗R1,R2の一方に、補正電流I_R1,I_R2をソースすることにより、トランジスタ対M5,M6にミスマッチを導入する。トランジスタ対M5,M6と、抵抗ペアR1,R2の間には、抵抗ペアRa1,Ra2が挿入されている。この抵抗ペアRa1,Ra2と、電流信号の量と、抵抗ペアR1,R2の3つのパラメータによって、入力オフセット電圧の補正量を調節できる。
In FIG. 26, the first correction signal Sc1 and the second correction signal Sc2 are current signals. The first constant
同様に上側回路22は、トランジスタ対M9,M10と、それらのソースに接続されるソース抵抗R3,R4を備える。第2補正部44は、ソース抵抗R3,R4の一方から、補正電流I_R3,I_R4をシンクすることにより、トランジスタ対M9,M10にミスマッチを導入する。トランジスタ対M9,M10と、抵抗ペアR3,R4の間には、抵抗ペアRa3,Ra4が挿入されている。この抵抗ペアRa3,Ra4と、電流信号の量と、抵抗ペアR3,R4の3つのパラメータによって、入力オフセット電圧の補正量を調節できる。
Similarly, the
図27は、第1補正部42の構成例を示す回路図である。第1補正部42は主として、第1電流源50、第1検出トランジスタM31、第2検出トランジスタM32、第3検出トランジスタM33、第1スイッチSW1、第2スイッチSW2を備える。第1電流源50は、第1電流I1を生成する。第1電流源50は、定電流Itrim1を生成するトリミング可能な電流源52と、定電流Itrim1をコピーして折り返し、第1電流I1を出力するカレントミラー回路54を含む。
FIG. 27 is a circuit diagram showing a configuration example of the
電流源52が生成する定電流Itrim1の電流量は、演算増幅器1Aの検査工程において決定される。具体的には、VCM=Vp=Vnとして、低電圧領域で演算増幅器1Aを動作させ、そのときの入力オフセット電圧を測定し、入力オフセット電圧がゼロに近づくように、定電流Itrim1が決定される。定電流Itrim1は上述の最大量MAX1に相当する。
The current amount of the constant current Itrim1 generated by the
第1検出トランジスタM31~第3検出トランジスタM33は、ソース同士が共通に接続される。また第1検出トランジスタM31および第2検出トランジスタM32のドレイン同士が共通に接続される。第1検出トランジスタM31のゲートには第1入力電圧Vpが入力され、第2検出トランジスタM32のゲートには第2入力電圧Vnが入力される。第3検出トランジスタM33のゲートには適切なバイアス電圧Vbが印加される。このバイアス電圧Vbは、図26の上側回路22により生成されるバイアス電圧Vbを用いることができる。第3検出トランジスタM33のドレインと接地端子VSSの間には、トランジスタM34(あるいはその他の負荷)が設けられる。
Sources of the first detection transistor M31 to the third detection transistor M33 are connected in common. Also, the drains of the first detection transistor M31 and the second detection transistor M32 are connected in common. A first input voltage Vp is input to the gate of the first detection transistor M31, and a second input voltage Vn is input to the gate of the second detection transistor M32. A proper bias voltage Vb is applied to the gate of the third detection transistor M33. As this bias voltage Vb, the bias voltage Vb generated by the
第1スイッチSW1は、制御信号CNT1がハイのときオンとなり、第2スイッチSW2は、制御信号CNT2がハイのときオンとなる。第1検出トランジスタM31、第2検出トランジスタM32に流れる電流をIRとする。第1スイッチSW1がオン、第2スイッチSW2がオフのとき、電流IRは下側回路21の抵抗R1に供給される。反対に第1スイッチSW1がオフ、第2スイッチSW2がオンのとき、電流IRは下側回路21の抵抗R2に供給される。
The first switch SW1 is turned on when the control signal CNT1 is high, and the second switch SW2 is turned on when the control signal CNT2 is high. Let IR be the current flowing through the first detection transistor M31 and the second detection transistor M32. The current IR is supplied to the resistor R1 of the
Vgs31とVgs32のうち、大きい方の電圧をVgsと表す。同相入力電圧VCMがバイアス電圧Vbよりも十分に低い状態(Vgs33<Vgs)では、第1電流I1のすべてがトランジスタM31,M32側に流れ、電流IRが増大する。同相入力電圧VCMがバイアス電圧Vb程度まで増加すると、言い換えると、Vgs33≒Vgsとなると、トランジスタM33に電流が流れ始め、電流IRが減少し始める。同相入力電圧VCMがバイアス電圧Vbより高くなると、言い換えると、Vgs33>Vgsとなると、電流IRがさらに減少してゼロとなる。 Vgs is the larger one of Vgs31 and Vgs32. When the common-mode input voltage VCM is sufficiently lower than the bias voltage Vb (Vgs33<Vgs), all of the first current I1 flows to the transistors M31 and M32, increasing the current IR. When the common-mode input voltage VCM increases to about the bias voltage Vb, in other words, when Vgs33≈Vgs, current begins to flow through the transistor M33 and current IR begins to decrease. When the common-mode input voltage VCM becomes higher than the bias voltage Vb, in other words, when Vgs33>Vgs, the current IR further decreases to zero.
図27の第1補正部42によれば、最大量が定電流Itrim1で規定され、同相入力電圧VCMに応じて電流量が動的に変化する第1補正電流Ic1を生成できる。
According to the
図28(a)、(b)は、第2補正部44の構成例を示す回路図である。図28(a)を参照すると、第2補正部44は、第2電流源56、第3スイッチSW3、第4スイッチSW4を含む。第3スイッチSW3、第4スイッチSW4は、制御信号CNT1,CNT2に応じて相補的にオンとなる。第2電流源56は、トリミングに応じて最大量が設定可能であり、切り替え回路30の状態に応じて、ゼロから最大量の間で変化する補正電流IR2を生成可能に構成される。
28A and 28B are circuit diagrams showing configuration examples of the
図28(b)を参照する。トランジスタM41,M42は、切り替え回路30のトランジスタM22,M23と接続され、カレントミラー回路を形成する。トランジスタM41に流れる電流I2は、切り替え回路30に流れるシンク電流I1_2に応じており、同相入力電圧VCMの上昇にともない、増大していく。
See FIG. 28(b). The transistors M41 and M42 are connected to the transistors M22 and M23 of the switching
カレントミラー回路58は、トランジスタM41の電流I2を折り返す。カレントミラー回路60は、ミラー比Kが変更可能に構成され、OUT端子から、第2補正電流Ic2=I2’×Kをシンクする。複数のトランジスタM51,M52…のサイズは、バイナリで重み付けされてもよい。
カレントミラー回路58は、複数のヒューズF1,F2…と、複数のトランジスタM61,M62…を含む。複数のヒューズF1、F2…それぞれを溶断するか否かに応じて、ミラー比Kが変更可能である。具体的には、i番目のヒューズF1を溶断すると、対応トランジスタM6iがオフとなり、電流経路が遮断される。
The
図28(a)、(b)の第2補正部44によれば、相電圧VCMに応じて電流量が動的に変化する電流I2を、トリミングに応じたミラー比Kで増幅することにより、上側回路22のトランジスタ対M5,M6に適切なオフセットを導入できる。
According to the
図29は、図25の演算増幅器1Aの動作を説明する図である。横軸は同相入力電圧を表す。図29には、第1テイル電流I1_1、第2テイル電流I1_2、第1補正電流I_R1,R2、第2補正電流I_R3,R4が示される。
FIG. 29 is a diagram for explaining the operation of the
図30は、図25の演算増幅器1Aにおける同相入力電圧と入力オフセット電圧の関係を示す図である。図30には、図28(b)のカレントミラー回路60のミラー比Kをパラメータとする複数の特性が示される。これらの特性は、第1補正部42を最適化する前の特性を示しており、したがって低電圧領域における入力オフセット電圧は、非ゼロとなっている。図30からわかるように、高電圧領域における入力オフセット電圧の調整は、低電圧範囲における入力オフセット電圧に影響を及ぼさない。したがって、高電圧領域と低電圧領域の入力オフセット電圧を独立して最適化することができ、それらの両方をゼロに近づけることができる。
FIG. 30 is a diagram showing the relationship between the common-mode input voltage and the input offset voltage in
(変形例4.1)
図31は、変形例4.1に係る演算増幅器1Bの回路図である。演算増幅器1Bの構成、動作について、図25の演算増幅器1Aとの相違点を説明する。図25の演算増幅器1Aでは、第1補正信号Sc1が、同相入力電圧VCMに応じて変化していた。これに対して、図31の演算増幅器1Bでは、補正回路40Bの第1補正部42Bが生成する第1補正信号Sc1は、同相入力電圧VCMに依存せず一定である。
(Modification 4.1)
FIG. 31 is a circuit diagram of an
図32は、第1補正部42Bの回路図である。第1補正部42Bは、図27の第1補正部42から、トランジスタM31~M34を省略した構成として把握され、カレントミラー回路54の出力電流I1が、補正電流IRとなる。
FIG. 32 is a circuit diagram of the
図33は、図31の演算増幅器1Bの動作を説明する図である。横軸は同相入力電圧を表す。図33には、第1テイル電流I1_1、第2テイル電流I1_2、第1補正電流I_R1,R2、第2補正電流I_R3,R4が示される。
33A and 33B are diagrams for explaining the operation of the
図34は、図31の演算増幅器1Bにおける同相入力電圧と入力オフセット電圧の関係を示す図である。図30には、図28(b)のカレントミラー回路60のミラー比Kをパラメータとする複数の特性が示される。これらの特性は、第1補正部42を最適化する前の特性を示しており、したがって低電圧領域における入力オフセット電圧は、非ゼロとなっている。変形例4.1においても、高電圧領域における入力オフセット電圧の調整は、低電圧範囲における入力オフセット電圧に影響を及ぼさない。したがって、高電圧領域と低電圧領域の入力オフセット電圧を独立して最適化することができ、それらの両方をゼロに近づけることができる。
FIG. 34 is a diagram showing the relationship between the common-mode input voltage and the input offset voltage in
ただし変形例4.1では、図34において破線で示すように、高電圧領域の入力オフセット電圧を低電圧領域のそれと等しくしたときに、遷移領域において、完全に補償しきれないディップ(あるいはピーク)が残る場合がある。したがって、変形例4.1は、入力オフセット電圧の補償能力の犠牲と引き換えに、実施例4.1に比べて回路面積を小さくできる。逆に見れば、実施例4.1によれば、遷移領域も含めた同相入力電圧範囲において、フラットなゼロの入力オフセット電圧を実現できる。 However, in Modification 4.1, as shown by the dashed line in FIG. 34, when the input offset voltage in the high voltage region is made equal to that in the low voltage region, a dip (or peak) that cannot be completely compensated in the transition region. may remain. Therefore, modification 4.1 can reduce the circuit area compared to embodiment 4.1 at the expense of compensating the input offset voltage. Conversely, according to Example 4.1, a flat zero input offset voltage can be realized in the common-mode input voltage range including the transition region.
(変形例4.2)
変形例4.1では、第1補正電流を一定として、第2補正電流を同相入力電圧に応じて動的に変化させたがその限りでない。その反対に、第2補正電流を一定として、第1補正電流を同相入力電圧に応じて動的に変化させてもよい。
(Modification 4.2)
In modification 4.1, the first correction current is constant and the second correction current is dynamically changed according to the common-mode input voltage, but this is not the only option. Conversely, the second correction current may be constant and the first correction current may be dynamically varied according to the common mode input voltage.
(変形例4.3)
図35~図37を参照して、変形例4.3に係る演算増幅器1Cを説明する。図35は、変形例4.3に係る演算増幅器1Cの回路図である。図35の演算増幅器1Cと図26の演算増幅器1Aの相違点を説明する。第1補正部42Cは、下側回路21CのトランジスタM6,M5それぞれのドレインの電圧Vu,Vvを変化させる。第2補正部44Cは、上側回路22CのトランジスタM9,M10それぞれのドレインの電圧Vx,Vyを変化させる。
(Modification 4.3)
An
図36(a)、(b)は、図35の第1補正部42Cおよび第2補正部44Cの回路図である。第1補正部42Cは、トランジスタM11~M14、コモンモードフィードバック回路70、補正電流生成部72を備える。コモンモードフィードバック回路70はトランジスタM11,M12のドレインを同相電圧に固定し、トランジスタM13,M14の飽和を防止する。
36(a) and (b) are circuit diagrams of the
補正電流生成部72は、ノードV3,V4の一方からトリミング可能な電流をシンクする。シンク電流の量は、オフセット電圧がゼロに近づくように調節される。たとえば補正電流生成部72は、図28(a)の第2補正部44と同様に構成することができる。トランジスタM13,M14のドレインは、図35のトランジスタM6,M5のドレインと接続される。
Correction
第2補正部44Cは、トランジスタM15~M18、コモンモードフィードバック回路74、補正電流生成部76を備える。コモンモードフィードバック回路74はトランジスタM15,M16のドレインを同相電圧に固定し、トランジスタM17,M18の飽和を防止する。
The
補正電流生成部76は、ノードV1,V2の一方にトリミング可能な電流をソースする。ソース電流の量は、オフセット電圧がゼロに近づくように調節される。たとえば補正電流生成部76は、図27の第1補正部42あるいは図32の第1補正部42Bと同様に構成することができる。トランジスタM17,M18のドレインは、図35のトランジスタM9,M10のドレインと接続される。
Correction
図37は、切り替え回路80の回路図である。切り替え回路80は、図36(a)の第1補正部42Cと図36(b)の第2補正部44Cの動作を切り替える。切り替え回路80は、トランジスタM71~M75を含む。切り替え回路80の基本的な構成および動作は、図26の切り替え回路30と同様である。
FIG. 37 is a circuit diagram of the switching
トランジスタM71のソースは、図36(a)のノードN1と接続される。同相入力電圧VCMが低いとき、トランジスタM71に流れる電流はゼロであり、図36(a)のトランジスタM11,M12には、テイル電流IA1が流れる。同相入力電圧VCMが増大すると、トランジスタM71に流れる電流が増加し、図36(a)のトランジスタM11,M12のテイル電流が減少し、第1補正部42Cがオフになる。
The source of transistor M71 is connected to node N1 in FIG. 36(a). When the common-mode input voltage VCM is low, the current flowing through the transistor M71 is zero, and the tail current IA1 flows through the transistors M11 and M12 in FIG. 36(a). When the common-mode input voltage VCM increases, the current flowing through the transistor M71 increases, the tail currents of the transistors M11 and M12 in FIG. 36(a) decrease, and the
またトランジスタM73は、図36(b)のトランジスタM15,M16のテイル電流源75に相当する。同相入力電圧VCMが低いとき、トランジスタM71に流れる電流はゼロであり、したがってテイル電流IB1もゼロである。同相入力電圧VCMが増大すると、トランジスタM71に流れる電流が増加し、テイル電流IB1が増加し、図36(b)のトランジスタM15,M16のテイル電流が減少し、第2補正部44Cがオンになる。
The transistor M73 corresponds to the tail
(付記4)
実施の形態4には以下の技術思想が開示される。
(Appendix 4)
The following technical idea is disclosed in the fourth embodiment.
(項目4.1)
第1入力電圧を受ける反転入力端子および第2入力電圧を受ける非反転入力端子と、
前記反転入力端子および非反転入力端子と接続される第1極性の第1入力差動対と、
前記反転入力端子および非反転入力端子と接続される第2極性の第2入力差動対と、
前記第1入力差動対に第1テイル電流を供給する第1テイル電流源と、
前記第2入力差動対に第2テイル電流を供給する第2テイル電流源と、
前記第1入力差動対に流れる差動電流、前記第2入力差動対に流れる差動電流を、出力電圧に変換する出力段と、
前記第1入力電圧および前記第2入力電圧に応じて、前記出力段の状態を動的に変化させる補正回路と、
を備えることを特徴とする演算増幅器。
(項目4.2)
前記出力段は、電源ラインと接地ラインの間に縦積みされる上側回路と下側回路を含み、
前記補正回路は、前記第1入力差動対がアクティブであるとき、前記下側回路の状態を調節し、前記第2入力差動対がアクティブであるとき、前記上側回路の状態を調節することを特徴とする項目4.1に記載の演算増幅器。
(項目4.3)
前記出力段は、
前記第1入力差動対の差動電流を折り返す第1定電流回路と、
前記第1定電流回路によって折り返される差動電流の経路に設けられる第1ゲート接地回路と、
前記第2入力差動対の差動電流を折り返す第2定電流回路と、
前記第2定電流回路によって折り返される差動電流の経路に設けられる第2ゲート接地回路と、
を含み、
前記補正回路は、前記第1入力電圧および前記第2入力電圧に応じて、前記第1定電流回路と前記第2定電流回路の状態を調整することを特徴とする項目4.1または4.2に記載の演算増幅器。
(項目4.4)
前記補正回路は、
前記第1定電流回路に第1補正電流を供給する第1補正部と、
前記第2定電流回路に第2補正電流を供給する第2補正部と、
を含むことを特徴とする項目4.3に記載の演算増幅器。
(項目4.5)
前記第1補正部は、
第1基準電流を生成する第1電流源と、
前記第1入力電圧がゲートに入力される第1トランジスタと、
前記第1トランジスタと並列に設けられ、前記第2入力電圧がゲートに入力される第2トランジスタと、
を含み、前記第1補正電流は、前記第1トランジスタおよび前記第2トランジスタに流れる電流に応じていることを特徴とする項目4.4に記載の演算増幅器。
(項目4.6)
前記第1入力電圧および前記第2入力電圧に応じて、前記第1テイル電流と前記第2テイル電流を動的に変化させる切り替え回路をさらに備えることを特徴とする項目4.1から4.5のいずれかに記載の演算増幅器。
(項目4.7)
前記補正回路は、前記切り替え回路の状態と連動して、前記出力段の状態を調節することを特徴とする項目4.6に記載の演算増幅器。
(項目4.8)
第1入力電圧を受ける反転入力端子および第2入力電圧を受ける非反転入力端子と、
前記反転入力端子および非反転入力端子と接続される第1入力差動対と、
前記反転入力端子および非反転入力端子と接続される第2入力差動対と、
前記第1入力差動対に第1テイル電流を供給する第1テイル電流源と、
前記第2入力差動対に第2テイル電流を供給する第2テイル電流源と、
前記第1入力電圧および前記第2入力電圧に応じて、前記第1テイル電流と前記第2テイル電流を動的に変化させる切り替え回路と、
第1入力差動対に接続される下側回路および第2入力差動対と接続される上側回路を含む出力段と、
前記第1入力電圧および前記第2入力電圧に応じた第1補正電流を前記下側回路に供給するとともに、前記切り替え回路の状態に応じた第2補正電流を前記上側回路に供給する補正回路と、
を備えることを特徴とする演算増幅器。
(項目4.9)
第1入力電圧を受ける反転入力端子および第2入力電圧を受ける非反転入力端子と、
前記反転入力端子および非反転入力端子と接続される第1入力差動対と、
前記反転入力端子および非反転入力端子と接続される第2入力差動対と、
前記第1入力差動対に第1テイル電流を供給する第1テイル電流源と、
前記第2入力差動対に第2テイル電流を供給する第2テイル電流源と、
前記第1入力電圧および前記第2入力電圧に応じて、前記第1テイル電流と前記第2テイル電流を動的に変化させる切り替え回路と、
前記第1入力差動対の差動電流を折り返す第1定電流回路と、
前記第1定電流回路によって折り返される差動電流の経路に設けられる第1ゲート接地回路と、
前記第2入力差動対の差動電流を折り返す第2定電流回路と、
前記第2定電流回路によって折り返される差動電流の経路に設けられる第2ゲート接地回路と、
前記切り替え回路と連動して、前記第1定電流回路、前記第2定電流回路に、第1補正電流、第2補正電流を供給する補正回路と、
を備えることを特徴とする演算増幅器。
(Item 4.1)
an inverting input terminal that receives a first input voltage and a non-inverting input terminal that receives a second input voltage;
a first polarity first input differential pair connected to the inverting input terminal and the non-inverting input terminal;
a second polarity second input differential pair connected to the inverting input terminal and the non-inverting input terminal;
a first tail current source that supplies a first tail current to the first input differential pair;
a second tail current source that supplies a second tail current to the second input differential pair;
an output stage that converts the differential current flowing through the first differential input pair and the differential current flowing through the second differential input pair into an output voltage;
a correction circuit that dynamically changes the state of the output stage in response to the first input voltage and the second input voltage;
An operational amplifier comprising:
(Item 4.2)
the output stage includes an upper circuit and a lower circuit vertically stacked between a power supply line and a ground line;
The correction circuit adjusts the state of the lower circuit when the first differential input pair is active and adjusts the state of the upper circuit when the second differential input pair is active. An operational amplifier according to item 4.1, characterized in that
(Item 4.3)
The output stage is
a first constant current circuit that folds back the differential current of the first input differential pair;
a first gate grounding circuit provided on a path of the differential current folded back by the first constant current circuit;
a second constant current circuit that folds back the differential current of the second input differential pair;
a second gate grounding circuit provided on a path of the differential current folded back by the second constant current circuit;
including
Item 4.1 or 4., wherein the correction circuit adjusts states of the first constant current circuit and the second constant current circuit according to the first input voltage and the second input voltage. 2. The operational amplifier according to
(Item 4.4)
The correction circuit is
a first correction unit that supplies a first correction current to the first constant current circuit;
a second correction unit that supplies a second correction current to the second constant current circuit;
An operational amplifier according to item 4.3, characterized in that it comprises:
(Item 4.5)
The first correction unit is
a first current source that generates a first reference current;
a first transistor having a gate to which the first input voltage is input;
a second transistor provided in parallel with the first transistor and having a gate to which the second input voltage is input;
5. The operational amplifier of clause 4.4, wherein said first correction current is responsive to currents flowing through said first transistor and said second transistor.
(Item 4.6)
Items 4.1 to 4.5, further comprising a switching circuit that dynamically changes the first tail current and the second tail current in response to the first input voltage and the second input voltage. An operational amplifier according to any one of the preceding claims.
(Item 4.7)
An operational amplifier according to item 4.6, characterized in that the correction circuit adjusts the state of the output stage in conjunction with the state of the switching circuit.
(Item 4.8)
an inverting input terminal that receives a first input voltage and a non-inverting input terminal that receives a second input voltage;
a first input differential pair connected to the inverting input terminal and the non-inverting input terminal;
a second input differential pair connected to the inverting input terminal and the non-inverting input terminal;
a first tail current source that supplies a first tail current to the first input differential pair;
a second tail current source that supplies a second tail current to the second input differential pair;
a switching circuit that dynamically changes the first tail current and the second tail current according to the first input voltage and the second input voltage;
an output stage including a lower circuit connected to the first differential input pair and an upper circuit connected to the second differential input pair;
a correction circuit that supplies a first correction current corresponding to the first input voltage and the second input voltage to the lower circuit and a second correction current corresponding to the state of the switching circuit to the upper circuit; ,
An operational amplifier comprising:
(Item 4.9)
an inverting input terminal that receives a first input voltage and a non-inverting input terminal that receives a second input voltage;
a first input differential pair connected to the inverting input terminal and the non-inverting input terminal;
a second input differential pair connected to the inverting input terminal and the non-inverting input terminal;
a first tail current source that supplies a first tail current to the first input differential pair;
a second tail current source that supplies a second tail current to the second input differential pair;
a switching circuit that dynamically changes the first tail current and the second tail current according to the first input voltage and the second input voltage;
a first constant current circuit that folds back the differential current of the first input differential pair;
a first gate grounding circuit provided on a path of the differential current folded back by the first constant current circuit;
a second constant current circuit that folds back the differential current of the second input differential pair;
a second gate grounding circuit provided on a path of the differential current folded back by the second constant current circuit;
a correction circuit that supplies a first correction current and a second correction current to the first constant current circuit and the second constant current circuit in conjunction with the switching circuit;
An operational amplifier comprising:
実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。 Although the present invention has been described using specific terms based on the embodiments, the embodiments merely show the principles and applications of the present invention, and the embodiments are defined in the scope of claims. Many modifications and changes in arrangement are permitted without departing from the spirit of the present invention.
100 基準電流源
102 電源ライン
104 接地ライン
110 カレントミラー回路
112 第1経路
114 第2経路
116 第3経路
C1 キャパシタ
M1 第1トランジスタ
M2 第2トランジスタ
M3 第3トランジスタ
M4 第4トランジスタ
M5 第5トランジスタ
M6 第6トランジスタ
R 抵抗
100 reference
Claims (10)
起動回路と、
を備え、
前記基準電流源は、
制御端子同士が接続された第1トランジスタと第2トランジスタと、
第1トランジスタを含む第2経路に前記第2トランジスタを含む第1経路に流れる電流と同量の電流を供給し、それとは別の第3経路に、第1経路の電流の所定数倍の電流量の電流を供給するカレントミラー回路と、
前記第3経路上に設けられ、そのソースが前記第1トランジスタの一端と接続される第3トランジスタと、
前記第3経路上の前記第3トランジスタより低電位側に設けられ、ゲートが前記第3トランジスタのゲートと共通に接続される第4トランジスタと、
前記第4トランジスタのソースと前記第2トランジスタの一端の間に設けられた抵抗と、
を備え、
前記起動回路は、
電源ラインと接地ラインの間に設けられ、起動時において前記電源ラインから前記接地ラインに第1電流が流れるとともに、前記第1電流に応じた第2電流を前記基準電流源に供給する第1回路と、
前記第2電流に応じた第3電流が流れると、前記第2電流がゼロになるように前記第1回路に作用する第2回路と、
前記第2電流に応じた第4電流によって充電されるキャパシタと、
を含み、
前記第1回路は、前記キャパシタの電圧が上昇すると、前記第1回路に流れる前記第1電流が遮断されるよう構成されることを特徴とする半導体装置。 a reference current source;
a starter circuit;
with
The reference current source is
a first transistor and a second transistor whose control terminals are connected to each other;
A second path including a first transistor is supplied with the same amount of current as the current flowing in the first path including the second transistor, and a current of a predetermined several times the current of the first path is supplied to a separate third path. a current mirror circuit that supplies a quantity of current;
a third transistor provided on the third path and having a source connected to one end of the first transistor;
a fourth transistor provided at a lower potential side than the third transistor on the third path and having a gate commonly connected to the gate of the third transistor;
a resistor provided between the source of the fourth transistor and one end of the second transistor;
with
The starting circuit is
A first circuit provided between a power supply line and a ground line, wherein a first current flows from the power supply line to the ground line at startup and a second current corresponding to the first current is supplied to the reference current source. and,
a second circuit that acts on the first circuit such that the second current becomes zero when a third current corresponding to the second current flows;
a capacitor charged by a fourth current corresponding to the second current;
including
The semiconductor device, wherein the first circuit is configured to cut off the first current flowing through the first circuit when the voltage of the capacitor rises.
起動回路と、 a starter circuit;
を備え、 with
前記基準電流源は、 The reference current source is
制御端子同士が接続された第1トランジスタと第2トランジスタと、 a first transistor and a second transistor whose control terminals are connected to each other;
第1トランジスタを含む第2経路に前記第2トランジスタを含む第1経路に流れる電流と同量の電流を供給し、それとは別の第3経路に、第1経路の電流の所定数倍の電流量の電流を供給するカレントミラー回路と、 A second path including a first transistor is supplied with the same amount of current as the current flowing in the first path including the second transistor, and a current of a predetermined several times the current of the first path is supplied to a separate third path. a current mirror circuit that supplies a quantity of current;
前記第3経路上に設けられ、そのソースが前記第1トランジスタの一端と接続される第3トランジスタと、 a third transistor provided on the third path and having a source connected to one end of the first transistor;
前記第3経路上の前記第3トランジスタより低電位側に設けられ、ゲートが前記第3トランジスタのゲートと共通に接続される第4トランジスタと、 a fourth transistor provided at a lower potential side than the third transistor on the third path and having a gate commonly connected to the gate of the third transistor;
前記第4トランジスタのソースと前記第2トランジスタの一端の間に設けられた抵抗と、 a resistor provided between the source of the fourth transistor and one end of the second transistor;
を備え、 with
前記起動回路は、 The starting circuit is
第1端が接地されたキャパシタと、 a capacitor having a first end grounded;
ゲートが接地された第1トランジスタと、 a first transistor having a grounded gate;
ソースが接地され、ゲートドレイン間が前記第1トランジスタのドレインと接続された第2トランジスタと、 a second transistor having a source grounded and a gate-drain connected to the drain of the first transistor;
ソースが接地され、ゲートが前記第2トランジスタのゲートと接続され、ドレインが前記基準電流源のトランジスタのゲートおよびドレインと接続された第3トランジスタと、 a third transistor having a source grounded, a gate connected to the gate of the second transistor, and a drain connected to the gate and drain of the reference current source transistor;
ソースが電源ラインと接続され、ドレインが前記第1トランジスタのソースと接続され、ゲートに前記キャパシタの第2端の電圧が印加される第4トランジスタと、 a fourth transistor having a source connected to the power supply line, a drain connected to the source of the first transistor, and a gate to which the voltage of the second end of the capacitor is applied;
ソースが前記電源ラインと接続され、ゲートが前記基準電流源の前記トランジスタの前記ゲートおよび前記ドレインと接続された第5トランジスタと、 a fifth transistor having a source connected to the power supply line and having a gate connected to the gate and the drain of the transistor of the reference current source;
ソースが接地され、ゲートドレイン間が接続された第6トランジスタと、 a sixth transistor whose source is grounded and whose gate and drain are connected;
ソースが接地され、ゲートが前記第6トランジスタのゲートと接続され、ドレインが前記第2トランジスタのドレインと接続された第7トランジスタと、 a seventh transistor having a source grounded, a gate connected to the gate of the sixth transistor, and a drain connected to the drain of the second transistor;
ソースが前記第5トランジスタのドレインと接続され、ドレインが前記第6トランジスタのドレインと接続され、ゲートに前記キャパシタの前記第2端の電圧が印加された第8トランジスタと、 an eighth transistor having a source connected to the drain of the fifth transistor, a drain connected to the drain of the sixth transistor, and a gate to which the voltage of the second end of the capacitor is applied;
ソースが前記電源ラインと接続され、ゲートが前記基準電流源の前記トランジスタの前記ゲートおよび前記ドレインと接続され、ドレインが前記キャパシタの前記第2端と接続された第9トランジスタと、 a ninth transistor having a source connected to the power supply line, a gate connected to the gate and the drain of the transistor of the reference current source, and a drain connected to the second end of the capacitor;
を含むことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device comprising:
前記第5トランジスタの制御端子の電圧が、前記第3トランジスタおよび前記第4トランジスタのゲートに供給されることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の半導体装置。 The reference current source further comprises a fifth transistor provided on the lower potential side than the fourth transistor on the third path,
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the voltage of the control terminal of said fifth transistor is supplied to the gates of said third transistor and said fourth transistor.
前記第1トランジスタと接続される第6トランジスタと、
前記第2トランジスタと接続される第7トランジスタと、
前記第3経路と接続される第8トランジスタと、
を含むことを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の半導体装置。 The current mirror circuit of the reference current source comprises:
a sixth transistor connected to the first transistor;
a seventh transistor connected to the second transistor;
an eighth transistor connected to the third path;
5. The semiconductor device according to claim 1, comprising:
起動回路と、
を備え、
前記基準電流源は、
制御端子同士が接続された第1トランジスタと第2トランジスタと、
第1トランジスタを含む第2経路に前記第2トランジスタを含む第1経路に流れる電流と同量の電流を供給し、それとは別の第3経路に、第1経路の電流の所定数倍の電流量の電流を供給するカレントミラー回路と、
前記第3経路上に直列に設けられ、それぞれのゲートが共通に接続される複数のMOSトランジスタと、
を備え、
前記第1トランジスタの一端は、前記複数のMOSトランジスタのひとつの一端と接続され、前記第2トランジスタの一端は、抵抗を介して、前記複数のMOSトランジスタの別のひとつの一端と接続され、
前記起動回路は、
電源ラインと接地ラインの間に設けられ、起動時において前記電源ラインから前記接地ラインに第1電流が流れるとともに、前記第1電流に応じた第2電流を前記基準電流源に供給する第1回路と、
前記第2電流に応じた第3電流が流れると、前記第2電流がゼロになるように前記第1回路に作用する第2回路と、
前記第2電流に応じた第4電流によって充電されるキャパシタと、
を含み、
前記第1回路は、前記キャパシタの電圧が上昇すると、前記第1回路に流れる前記第1電流が遮断されるよう構成されることを特徴とする半導体装置。 a reference current source;
a starter circuit;
with
The reference current source is
a first transistor and a second transistor whose control terminals are connected to each other;
A second path including a first transistor is supplied with the same amount of current as the current flowing in the first path including the second transistor, and a current of a predetermined several times the current of the first path is supplied to a separate third path. a current mirror circuit that supplies a quantity of current;
a plurality of MOS transistors provided in series on the third path and having gates connected in common;
with
one end of the first transistor is connected to one end of one of the plurality of MOS transistors, one end of the second transistor is connected to another one end of the plurality of MOS transistors via a resistor,
The starting circuit is
A first circuit provided between a power supply line and a ground line, wherein a first current flows from the power supply line to the ground line at startup and a second current corresponding to the first current is supplied to the reference current source. and,
a second circuit that acts on the first circuit such that the second current becomes zero when a third current corresponding to the second current flows;
a capacitor charged by a fourth current corresponding to the second current;
including
The semiconductor device , wherein the first circuit is configured to cut off the first current flowing through the first circuit when the voltage of the capacitor rises.
起動回路と、 a starter circuit;
を備え、 with
前記基準電流源は、 The reference current source is
制御端子同士が接続された第1トランジスタと第2トランジスタと、 a first transistor and a second transistor whose control terminals are connected to each other;
第1トランジスタを含む第2経路に前記第2トランジスタを含む第1経路に流れる電流と同量の電流を供給し、それとは別の第3経路に、第1経路の電流の所定数倍の電流量の電流を供給するカレントミラー回路と、 A second path including a first transistor is supplied with the same amount of current as the current flowing in the first path including the second transistor, and a current of a predetermined several times the current of the first path is supplied to a separate third path. a current mirror circuit that supplies a quantity of current;
前記第3経路上に直列に設けられ、それぞれのゲートが共通に接続される複数のMOSトランジスタと、 a plurality of MOS transistors provided in series on the third path and having gates connected in common;
を備え、 with
前記第1トランジスタの一端は、前記複数のMOSトランジスタのひとつの一端と接続され、前記第2トランジスタの一端は、抵抗を介して、前記複数のMOSトランジスタの別のひとつの一端と接続され、 one end of the first transistor is connected to one end of one of the plurality of MOS transistors, one end of the second transistor is connected to another one end of the plurality of MOS transistors via a resistor,
前記起動回路は、 The starting circuit is
第1端が接地されたキャパシタと、 a capacitor having a first end grounded;
ゲートが接地された第1トランジスタと、 a first transistor having a grounded gate;
ソースが接地され、ゲートドレイン間が前記第1トランジスタのドレインと接続された第2トランジスタと、 a second transistor having a source grounded and a gate-drain connected to the drain of the first transistor;
ソースが接地され、ゲートが前記第2トランジスタのゲートと接続され、ドレインが前記基準電流源のトランジスタのゲートおよびドレインと接続された第3トランジスタと、 a third transistor having a source grounded, a gate connected to the gate of the second transistor, and a drain connected to the gate and drain of the reference current source transistor;
ソースが電源ラインと接続され、ドレインが前記第1トランジスタのソースと接続され、ゲートに前記キャパシタの第2端の電圧が印加される第4トランジスタと、 a fourth transistor having a source connected to the power supply line, a drain connected to the source of the first transistor, and a gate to which the voltage of the second end of the capacitor is applied;
ソースが前記電源ラインと接続され、ゲートが前記基準電流源の前記トランジスタの前記ゲートおよび前記ドレインと接続された第5トランジスタと、 a fifth transistor having a source connected to the power supply line and having a gate connected to the gate and the drain of the transistor of the reference current source;
ソースが接地され、ゲートドレイン間が接続された第6トランジスタと、 a sixth transistor whose source is grounded and whose gate and drain are connected;
ソースが接地され、ゲートが前記第6トランジスタのゲートと接続され、ドレインが前記第2トランジスタのドレインと接続された第7トランジスタと、 a seventh transistor having a source grounded, a gate connected to the gate of the sixth transistor, and a drain connected to the drain of the second transistor;
ソースが前記第5トランジスタのドレインと接続され、ドレインが前記第6トランジスタのドレインと接続され、ゲートに前記キャパシタの前記第2端の電圧が印加された第8トランジスタと、 an eighth transistor having a source connected to the drain of the fifth transistor, a drain connected to the drain of the sixth transistor, and a gate to which the voltage of the second end of the capacitor is applied;
ソースが前記電源ラインと接続され、ゲートが前記基準電流源の前記トランジスタの前記ゲートおよび前記ドレインと接続され、ドレインが前記キャパシタの前記第2端と接続された第9トランジスタと、 a ninth transistor having a source connected to the power supply line, a gate connected to the gate and the drain of the transistor of the reference current source, and a drain connected to the second end of the capacitor;
を含むことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device comprising:
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