JP7388914B2 - operational amplifier - Google Patents

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本発明はバイポーラトランジスタを使用した演算増幅器に関する。 The present invention relates to an operational amplifier using bipolar transistors.

演算増幅器では、入力電圧がバイポーラの入力トランジスタのコレクタ側の電源電圧を大きく超えた場合、その入力トランジスタのベース・コレクタ間の寄生ダイオードを通過する電流が原因で出力電圧が変化して、出力電圧が入力電圧と逆位相になる出力位相反転現象を引き起こす。 In an operational amplifier, when the input voltage greatly exceeds the power supply voltage on the collector side of the bipolar input transistor, the output voltage changes due to the current passing through the parasitic diode between the base and collector of the input transistor, causing the output voltage to change. This causes an output phase inversion phenomenon in which the output voltage becomes the opposite phase to the input voltage.

図2にこのような出力位相反転現象を防止する対策を施していない演算増幅器を示す。1は正転入力端子、2は反転入力端子、3は出力端子、4は電圧がVccの電源端子、5は接地端子、6は出力差動回路である。 FIG. 2 shows an operational amplifier that does not take measures to prevent such an output phase inversion phenomenon. 1 is a normal input terminal, 2 is an inverting input terminal, 3 is an output terminal, 4 is a power supply terminal whose voltage is Vcc, 5 is a ground terminal, and 6 is an output differential circuit.

Q1,Q2はエミッタが電流源I1に共通接続された入力差動回路を構成するNPNトランジスタであり、ベースが正転入力端子1、反転入力端子2に接続され、コレクタと電源端子4の間にそれぞれ負荷としての抵抗R1,R2が接続されている。抵抗R1,R2の抵抗値は同値である。Dbc1はトランジスタQ1のベース・コレクタ間の寄生ダイオード、Dbc2はトランジスタQ2のベース・コレクタ間の寄生ダイオードである。出力差動回路6はトランジスタQ1,Q2のコレクタに現れる電圧V-IN,V+INの差分に応じた電圧を出力端子3に出力する。 Q1 and Q2 are NPN transistors constituting an input differential circuit whose emitters are commonly connected to the current source I1, whose bases are connected to the normal input terminal 1 and the inverting input terminal 2, and between the collector and the power supply terminal 4. Resistors R1 and R2 are connected as loads, respectively. The resistance values of the resistors R1 and R2 are the same. Dbc1 is a parasitic diode between the base and collector of the transistor Q1, and Dbc2 is a parasitic diode between the base and collector of the transistor Q2. The output differential circuit 6 outputs to the output terminal 3 a voltage corresponding to the difference between the voltages V -IN and V +IN appearing at the collectors of the transistors Q1 and Q2.

図2の演算増幅器において、正転入力端子1と反転入力端子2にトランジスタQ1,Q2が正常に動作する電圧を印加した場合、出力差動回路6の正転入力端子61の入力電圧V+IN,反転入力端子62の入力電圧V-INは、それぞれ式(1)、(2)となる。
ここで、ICQ1はトランジスタQ1のコレクタ電流、ICQ2はトランジスタQ2のコレクタ電流である。
In the operational amplifier shown in FIG. 2, when a voltage at which transistors Q1 and Q2 operate normally is applied to the normal input terminal 1 and the inverting input terminal 2, the input voltage V +IN of the normal input terminal 61 of the output differential circuit 6 is , the input voltage V -IN of the inverting input terminal 62 are expressed by equations (1) and (2), respectively.
Here, I CQ1 is the collector current of transistor Q1, and I CQ2 is the collector current of transistor Q2.

正転入力端子1と反転入力端子2に電圧Vcc/2を印加した場合、電流源I1の電流をI1とすると、トランジスタQ1,Q2には同じコレクタ電流(=I1/2)が流れ、同じ抵抗値である抵抗R1,R2にも同じ電流が流れる。このため、出力差動回路6の入力電圧V+IN,V-INは同じ電圧となる。
When voltage Vcc/2 is applied to normal input terminal 1 and inverting input terminal 2, if the current of current source I1 is I1, the same collector current (=I1/2) flows through transistors Q1 and Q2, and the same resistance The same current flows through the resistors R1 and R2. Therefore, the input voltages V +IN and V -IN of the output differential circuit 6 are the same voltage.

ここで、例えば正転入力端子1の印加電圧を上昇させた場合、トランジスタQ1のコレクタ電流が増加し、トランジスタQ2のコレクタ電流が減少する。このトランジスタQ1のコレクタ電流の増加量とトランジスタQ2のコレクタ電流の減少量は等しくなる。このときの電流の変動分をΔIとすると、出力差動回路6の入力電圧V+IN,V-INは、
となる。
Here, for example, when the voltage applied to the normal rotation input terminal 1 is increased, the collector current of the transistor Q1 increases and the collector current of the transistor Q2 decreases. The amount of increase in the collector current of transistor Q1 is equal to the amount of decrease in the collector current of transistor Q2. If the current variation at this time is ΔI, the input voltages V +IN and V -IN of the output differential circuit 6 are as follows:
becomes.

これにより、V+IN>V-INとなり、出力差動回路6の出力端子3の電圧は増加する。この動作は図2の演算増幅器としての正常動作である。 As a result, V +IN >V -IN , and the voltage at the output terminal 3 of the output differential circuit 6 increases. This operation is the normal operation of the operational amplifier shown in FIG.

しかし、正転入力端子1の印加電圧が上昇し、電源電圧Vccよりも更に高い電圧になると、トランジスタQ1の寄生ダイオードDbc1がオンすることで、出力差動回路6の入力電圧V-INが式(6)のように変化する。
INPは正転入力端子1の電圧である。VDbc1は寄生ダイオードDbc1にかかる電圧であり、0.7V程度である。
However, when the voltage applied to the normal input terminal 1 rises and becomes even higher than the power supply voltage Vcc, the parasitic diode Dbc1 of the transistor Q1 turns on, and the input voltage V -IN of the output differential circuit 6 becomes It changes as shown in (6).
V INP is the voltage at the normal rotation input terminal 1. V Dbc1 is a voltage applied to the parasitic diode Dbc1, and is approximately 0.7V.

一方、トランジスタQ2はオフすることで、そのコレクタ電流ICQ2はゼロとなり、出力差動回路6の入力電圧V+INは式(7)のように変化する。
ここで
となるまで正転入力端子1の電圧VINPが上昇すると、V+IN<V-INとなり、出力差動回路6の出力端子3の電圧が低下する方向に働いてしまう。これが出力位相反転現象である。
On the other hand, by turning off the transistor Q2, its collector current I CQ2 becomes zero, and the input voltage V +IN of the output differential circuit 6 changes as shown in equation (7).
here
When the voltage V INP at the normal rotation input terminal 1 increases until it becomes , V +IN < V -IN , which causes the voltage at the output terminal 3 of the output differential circuit 6 to decrease. This is the output phase inversion phenomenon.

そこで、面積の大きいダイオードを用いずに出力位相反転現象の防止対策を施した演算増幅器として、図3に示すように、入力トランジスタQ1,Q2のベースに抵抗R5,R6をそれぞれ直列接続し、正転入力端子1とトランジスタQ2のコレクタとの間にダイオードD4を接続し、反転入力端子2とトランジスタQ1のコレクタとの間にダイオードD5を接続する構成がある(特許文献1)。 Therefore, in order to create an operational amplifier that takes measures to prevent the output phase reversal phenomenon without using large-area diodes, resistors R5 and R6 are connected in series to the bases of input transistors Q1 and Q2, respectively, as shown in Figure 3. There is a configuration in which a diode D4 is connected between the inverting input terminal 1 and the collector of the transistor Q2, and a diode D5 is connected between the inverting input terminal 2 and the collector of the transistor Q1 (Patent Document 1).

この図3の演算増幅器では、例えば正転入力端子1の電圧が電源電圧Vccよりも高くなったとき、正転入力端子1→ダイオードD4→抵抗R2を経由して電源端子4に流れる電流により発生する入力電圧V+INが、正転入力端子1→抵抗R5→寄生ダイオードDbc1→抵抗R1を経由して電源端子4に流れる電流により発生する電圧V-INよりも高くなるように、抵抗R5の値を設定することにより、V+IN>V-INにすることができるので、このときの出力位相反転現象の発生を防止することができる。 In the operational amplifier of FIG. 3, for example, when the voltage at the normal input terminal 1 becomes higher than the power supply voltage Vcc, a current is generated that flows to the power supply terminal 4 via the normal input terminal 1 → diode D4 → resistor R2. The resistor R5 is adjusted so that the input voltage V +IN generated by the current flowing to the power supply terminal 4 via the normal input terminal 1 → resistor R5 → parasitic diode Dbc1 → resistor R1 is higher than the voltage V -IN generated by the current flowing to the power supply terminal 4 via the normal input terminal 1 → resistor R5 → parasitic diode Dbc1 → resistor R1. By setting the value, V +IN > V -IN can be satisfied, so it is possible to prevent the output phase inversion phenomenon from occurring at this time.

また、反転入力端子2の電圧が電源電圧Vccよりも高くなったとき、反転入力端子2→ダイオードD5→抵抗R1を経由して電源端子4に流れる電流により発生する電圧V-INが、反転入力端子2→抵抗R6→寄生ダイオードDbc2→抵抗R2を経由して電源端子4に流れる電流により発生する電圧V+INよりも高くなるように、抵抗R6の値を設定することにより、V+IN<V-INにすることができるので、このときの出力位相反転現象の発生を防止することができる。 Furthermore, when the voltage at the inverting input terminal 2 becomes higher than the power supply voltage Vcc, the voltage V -IN generated by the current flowing to the power supply terminal 4 via the inverting input terminal 2 → diode D5 → resistor R1 is By setting the value of resistor R6 to be higher than the voltage V +IN generated by the current flowing to power supply terminal 4 via terminal 2 → resistor R6 → parasitic diode Dbc2 → resistor R2, V +IN < Since the output voltage can be set to V -IN , it is possible to prevent the output phase inversion phenomenon from occurring at this time.

特開2010-28311号公報JP2010-28311A

ところが、図3に示す演算増幅器では、正転入力端子1に入力する過大電圧を抵抗R1とで分圧するための抵抗R5をトランジスタQ1のベースに直列接続し、反転入力端子2に入力する過大電圧を抵抗R2とで分圧するための抵抗R6をトランジスタQ2のベースに直列接続する必要があるため、それらの抵抗R5,R6が常時接続されることになり、通常動作時でも、それらの抵抗R5,R6が発生する熱雑音によって、演算増幅器全体の入力換算雑音電圧特性が悪化してしまうという問題がある。 However, in the operational amplifier shown in FIG. 3, a resistor R5 is connected in series to the base of the transistor Q1 to divide the excessive voltage input to the non-inverting input terminal 1 with the resistor R1, and the excessive voltage input to the inverting input terminal 2 is connected in series to the base of the transistor Q1. Since it is necessary to connect the resistor R6 in series to the base of the transistor Q2 to divide the voltage between the resistor R6 and the resistor R2, these resistors R5 and R6 are always connected, and even during normal operation, the resistors R5, There is a problem in that the thermal noise generated by R6 deteriorates the input equivalent noise voltage characteristics of the entire operational amplifier.

本発明の目的は、出力位相反転現象の発生を防止し且つ演算増幅器全体の入力換算雑音電圧特性の悪化を防止した演算増幅器を提供することである。 An object of the present invention is to provide an operational amplifier that prevents the occurrence of an output phase inversion phenomenon and prevents deterioration of the input-referred noise voltage characteristics of the entire operational amplifier.

上記目的を達成するために、請求項1にかかる発明は、ベースが第1入力端子に接続されコレクタが第1負荷を介して第1電源端子に接続されたバイポーラ第1導電型の第1トランジスタ、ベースが第2入力端子に接続されコレクタが第2負荷を介して前記第1電源端子に接続されたバイポーラ第1導電型の第2トランジスタ、前記第1及び第2トランジスタのエミッタと第2電源端子との間に接続された第1電流源を含む入力差動回路と、第3入力端子及び第4入力端子を有する出力差動回路と、を備えた演算増幅器において、ベースが前記第1トランジスタのコレクタに接続されエミッタが前記第4入力端子に接続されるバイポーラ第1導電型の第3トランジスタ、ベースが前記第2トランジスタのコレクタに接続されエミッタが前記第3入力端子に接続されるバイポーラ第1導電型の第4トランジスタを含む中間回路と、前記第1入力端子と前記第4トランジスタのエミッタの間に接続されるとともに、前記第1トランジスタのベース・コレクタ間の寄生ダイオードの端子であるアノードあるいはカソードのうち前記第1入力端子に接続された端子と同じ種類の端子が、前記第1入力端子に接続された第1ダイオードと、前記第2入力端子と前記第3トランジスタのエミッタの間に接続されるとともに、前記第2トランジスタのベース・コレクタ間の寄生ダイオードの端子であるアノードあるいはカソードのうち前記第2入力端子に接続された端子と同じ種類の端子が、前記第2入力端子に接続された第2ダイオードと、を更に備えていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 provides a bipolar first conductivity type first transistor whose base is connected to a first input terminal and whose collector is connected to a first power supply terminal via a first load. , a bipolar first conductivity type second transistor having a base connected to a second input terminal and a collector connected to the first power supply terminal via a second load; emitters of the first and second transistors and a second power supply. an operational amplifier including an input differential circuit including a first current source connected between the terminals and an output differential circuit having a third input terminal and a fourth input terminal, the base of which is connected to the first transistor; a bipolar third transistor of the first conductivity type whose base is connected to the collector of the second transistor and whose emitter is connected to the third input terminal; an intermediate circuit including a fourth transistor of one conductivity type; and an anode connected between the first input terminal and the emitter of the fourth transistor and serving as a terminal of a parasitic diode between the base and collector of the first transistor; Alternatively, a terminal of the same type as the terminal connected to the first input terminal among the cathodes is connected between the first diode connected to the first input terminal, the second input terminal and the emitter of the third transistor. and a terminal of the same type as the terminal connected to the second input terminal among the anode or cathode terminal of the parasitic diode between the base and collector of the second transistor is connected to the second input terminal. The invention is characterized in that it further comprises a second diode.

請求項2にかかる発明は、請求項1に記載の演算増幅器において、前記第3及び第4トランジスタのコレクタと前記第1電源端子との間に第3ダイオードが接続されていることを特徴とする。 The invention according to claim 2 is characterized in that, in the operational amplifier according to claim 1, a third diode is connected between the collectors of the third and fourth transistors and the first power supply terminal. .

請求項3にかかる発明は、請求項1又は2に記載の演算増幅器において、前記第3トランジスタのエミッタと前記第4入力端子の間に挿入接続されたバイポーラ第2導電型の第5トランジスタと、前記第4トランジスタのエミッタと前記第3入力端子の間に挿入接続されたバイポーラ第2導電型の第6トランジスタを更に備え、前記第5及び第6トランジスタのベースに共通の電圧が印加されていることを特徴とする。 The invention according to claim 3 is the operational amplifier according to claim 1 or 2, wherein a fifth transistor of a bipolar second conductivity type is inserted and connected between the emitter of the third transistor and the fourth input terminal; The device further includes a bipolar second conductivity type sixth transistor inserted and connected between the emitter of the fourth transistor and the third input terminal, and a common voltage is applied to the bases of the fifth and sixth transistors. It is characterized by

請求項4にかかる発明は、請求項3に記載の演算増幅器において、前記共通の電圧は、通常動作時に前記第1及び第2ダイオードがオンせず、前記第1入力端子に前記第1電源端子の電圧以上の電圧が印加したときに前記第1ダイオードがオンし、前記第2入力端子に前記第1電源端子の電圧以上の電圧が印加したときに前記第2ダイオードがオンするよう、前記第5及び第6トランジスタを制御する電圧に設定されていることを特徴とする。 The invention according to claim 4 is the operational amplifier according to claim 3, in which the common voltage is connected to the first power supply terminal at the first input terminal without turning on the first and second diodes during normal operation. The first diode is turned on when a voltage equal to or higher than the voltage of the first power supply terminal is applied to the second input terminal, and the second diode is turned on when a voltage equal to or higher than the voltage of the first power supply terminal is applied to the second input terminal. The voltage is set to control the fifth and sixth transistors.

本発明によれば、第1入力端子又は第2入力端子に電源電圧以上の電圧が入力したときに、第1又は第2ダイオードを経由する電流により発生する電圧は、そのまま出力差動回路の一方の入力端子に入力するが、入力差動回路の第1又は第2トランジスタの寄生ダイオードを経由する電流により発生する電圧は、中間回路の第3又は第4トランジスタのベース・エミッタ間電圧分だけ低くなって出力差動回路の他方の入力端子に入力するので、出力位相反転現象の発生を防止することができる。また、第1及び第2トランジスタのベースに抵抗を直列接続する必要がないため、出力位相反転現象防止対策が施されていない場合と同等の入力換算雑音電圧特性を有する演算増幅器を得ることができる。 According to the present invention, when a voltage higher than the power supply voltage is input to the first input terminal or the second input terminal, the voltage generated by the current passing through the first or second diode is directly transferred to one side of the output differential circuit. However, the voltage generated by the current passing through the parasitic diode of the first or second transistor of the input differential circuit is lower by the base-emitter voltage of the third or fourth transistor of the intermediate circuit. Since the output signal is inputted to the other input terminal of the output differential circuit, it is possible to prevent the output phase inversion phenomenon from occurring. Furthermore, since there is no need to connect a resistor in series to the bases of the first and second transistors, it is possible to obtain an operational amplifier that has equivalent input noise voltage characteristics as in the case where no measures are taken to prevent the output phase reversal phenomenon. .

本発明の実施例の演算増幅器の回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram of an operational amplifier according to an embodiment of the present invention. 従来の演算増幅器の回路図である。FIG. 1 is a circuit diagram of a conventional operational amplifier. 出力位相反転現象防止対策が施された従来の演算増幅器の回路図である。1 is a circuit diagram of a conventional operational amplifier in which measures are taken to prevent an output phase reversal phenomenon. 図2の演算増幅器に1倍の閉ループとなる帰還を掛けて一方の入力端子に電源電圧以上の振幅のサイン波を入力したときの出力電圧のシミュレーション結果を示す波形図である。FIG. 3 is a waveform diagram showing a simulation result of an output voltage when the operational amplifier of FIG. 2 is subjected to feedback to form a closed loop of 1 times and a sine wave having an amplitude greater than the power supply voltage is input to one input terminal. 図1の演算増幅器に1倍の閉ループとなる帰還を掛けて一方の入力端子に電源電圧以上の振幅のサイン波を入力したときの出力電圧のシミュレーション結果を示す波形図である。FIG. 2 is a waveform diagram showing a simulation result of an output voltage when the operational amplifier of FIG. 1 is subjected to feedback to form a closed loop of 1 times and a sine wave having an amplitude equal to or higher than the power supply voltage is input to one input terminal.

図1に本発明の演算増幅器の一実施例の回路を示す。1は正転入力端子(請求項の第1入力端子)、2は反転入力端子(請求項の第2入力端子)、3は出力端子、4は電圧Vccの電源端子、5は接地端子、6は出力差動回路,61は出力差動回路の正転入力端子(請求項の第3入力端子)、62は反転入力端子(請求項の第4入力端子)である。 FIG. 1 shows a circuit of an embodiment of the operational amplifier of the present invention. 1 is a normal input terminal (first input terminal in the claims), 2 is an inversion input terminal (second input terminal in the claims), 3 is an output terminal, 4 is a power supply terminal for voltage Vcc, 5 is a ground terminal, 6 is an output differential circuit, 61 is a normal input terminal (third input terminal in the claims), and 62 is an inverting input terminal (fourth input terminal in the claims) of the output differential circuit.

Q1,Q2はエミッタが電流源I1に共通接続された入力差動回路を構成するNPNトランジスタであり、ベースが正転入力端子1、反転入力端子2に接続され、コレクタと電源端子4の間にそれぞれ負荷としての抵抗R1,R2が接続されている。抵抗R1,R2の抵抗値は同値である。Dbc1はトランジスタQ1のベース・コレクタ間の寄生ダイオード、Dbc2はトランジスタQ2のベース・コレクタ間の寄生ダイオードである。 Q1 and Q2 are NPN transistors constituting an input differential circuit whose emitters are commonly connected to the current source I1, whose bases are connected to the normal input terminal 1 and the inverting input terminal 2, and between the collector and the power supply terminal 4. Resistors R1 and R2 are connected as loads, respectively. The resistance values of the resistors R1 and R2 are the same. Dbc1 is a parasitic diode between the base and collector of the transistor Q1, and Dbc2 is a parasitic diode between the base and collector of the transistor Q2.

Q3,Q4はコレクタがダイオードD3に共通接続され中間回路を構成するNPNトランジスタであり、ベースがトランジスタQ1,Q2のコレクタに接続され、エミッタがPNPトランジスタQ5,Q6と負荷としての抵抗R3,R4を介して接地端子5に接続されている。抵抗R3,R4の抵抗値は同値である。トランジスタQ5,Q6はバッファ回路を構成するトランジスタであり、ベースに固定電圧Vaが印加されている。D1は正転入力端子1とトランジスタQ4のエミッタ間に接続されたダイオード、D2は反転入力端子2とトランジスタQ3のエミッタ間に接続されたダイオードである。出力差動回路6は、トランジスタQ3,Q4のエミッタ電圧、つまり抵抗R3,R4に生じる電圧V-IN,V+INの差分に対応した電圧を出力端子3から出力する。 Q3 and Q4 are NPN transistors whose collectors are commonly connected to the diode D3 and constitute an intermediate circuit, whose bases are connected to the collectors of the transistors Q1 and Q2, and whose emitters are connected to the PNP transistors Q5 and Q6 and resistors R3 and R4 as loads. It is connected to the ground terminal 5 via the ground terminal 5. The resistance values of resistors R3 and R4 are the same. Transistors Q5 and Q6 are transistors forming a buffer circuit, and a fixed voltage Va is applied to their bases. D1 is a diode connected between the normal input terminal 1 and the emitter of the transistor Q4, and D2 is a diode connected between the inverting input terminal 2 and the emitter of the transistor Q3. The output differential circuit 6 outputs from the output terminal 3 a voltage corresponding to the emitter voltage of the transistors Q3 and Q4, that is, the difference between the voltages V -IN and V +IN generated across the resistors R3 and R4.

ここで、トランジスタQ1,Q2が正常に動作する入力電圧範囲において、正転入力端子1に高い電圧を印加し、反転入力端子2に低い電圧を印加した場合のトランジスタQ1のコレクタ電流とトランジスタQ2のコレクタ電流の変動分をΔIとすると、トランジスタQ3,Q4のベース電圧VBQ3、VBQ4はそれぞれ式(9),(10)で表される。
従って、VBQ3<VBQ4となる。
Here, in the input voltage range in which transistors Q1 and Q2 operate normally, the collector current of transistor Q1 and the collector current of transistor Q2 when a high voltage is applied to the non-inverting input terminal 1 and a low voltage is applied to the inverting input terminal 2. When the collector current variation is ΔI, the base voltages V BQ3 and V BQ4 of the transistors Q3 and Q4 are expressed by equations (9) and (10), respectively.
Therefore, V BQ3 <V BQ4 .

また、トランジスタQ3,Q4のエミッタ電圧VEQ3,VEQ4は、それらのトランジスタQ3,Q4のベース電圧VBQ3、VBQ4からベース・エミッタ間電圧分だけ低下した電圧となる。トランジスタQ3のベース・エミッタ間電圧をVBEQ3とし、トランジスタQ4のベース・エミッタ間電圧をVBEQ4とするとき、VBEQ3≒VBEQ4≒VBEとすると、エミッタ電圧VEQ3,VEQ4は、
となり、VEQ3<VEQ4となる。
Furthermore, the emitter voltages V EQ3 and V EQ4 of the transistors Q3 and Q4 are voltages lower than the base voltages V BQ3 and V BQ4 of those transistors Q3 and Q4 by the base-emitter voltage. When the base-emitter voltage of transistor Q3 is V BEQ3 and the base-emitter voltage of transistor Q4 is V BEQ4 , and if V BEQ3 ≒ V BEQ4 ≒ V BE , the emitter voltages V EQ3 and V EQ4 are as follows.
Therefore, V EQ3 < V EQ4 .

このエミッタ電圧VEQ3,VEQ4の大小関係は、トランジスタQ5,Q6を介して出力差動回路6の正転入力端子61、反転入力端子62にそのまま印加されるため、V+IN>V-INとなり、出力差動回路6の出力端子3の電圧は増加する方向に働く。以上が図1の演算増幅器の正常動作である。 Since the emitter voltages V EQ3 and V EQ4 are directly applied to the normal input terminal 61 and the inverted input terminal 62 of the output differential circuit 6 via the transistors Q5 and Q6, V +IN > V -IN Therefore, the voltage at the output terminal 3 of the output differential circuit 6 works in the direction of increasing. The above is the normal operation of the operational amplifier shown in FIG.

ここで、正転入力端子1の電圧VINPが寄生ダイオードDbc1がオンするまで上昇した場合、トランジスタQ3のベース電圧VBQ3は、
となる。トランジスタQ3のエミッタ電圧VEQ3は式(11)と同様であるので、
となる。
Here, when the voltage V INP of the normal input terminal 1 increases until the parasitic diode Dbc1 turns on, the base voltage V BQ3 of the transistor Q3 becomes
becomes. Since the emitter voltage V EQ3 of transistor Q3 is similar to equation (11),
becomes.

一方、ダイオードD1がオンするので、トランジスタQ4のエミッタ電圧VEQ4は、そのダイオードD1にかかる電圧をVD1とすると、
となる。
On the other hand, since the diode D1 is turned on, the emitter voltage V EQ4 of the transistor Q4 is as follows, assuming that the voltage applied to the diode D1 is V D1 .
becomes.

従って、各ダイオードの順方向電圧はほぼ等しいと考えてVDbc1≒VD1とすると、式(14),(15)より、電圧VEQ3は電圧VEQ4よりも電圧VBE分だけ低い電圧となり、VEQ3<VEQ4となる。これより、正常動作時と同様に、V+IN>V-INとなり、出力差動回路6の出力端子3の電圧は増加する方向に働くため、出力位相反転現象は発生しない。 Therefore, assuming that the forward voltages of each diode are approximately equal and V Dbc1 ≈ V D1 , from equations (14) and (15), the voltage V EQ3 will be lower than the voltage V EQ4 by the voltage V BE , V EQ3 < V EQ4 . From this, as in normal operation, V +IN > V -IN , and the voltage at the output terminal 3 of the output differential circuit 6 acts in the direction of increasing, so that no output phase inversion phenomenon occurs.

また、反転入力端子2の印加電圧VINNが寄生ダイオードDbc2がオンするまで上昇した場合は、上記と反対に、電圧VEQ4が電圧VEQ3よりも電圧VBE分だけ低い電圧となり、VEQ3>VEQ4となる。これより、正常動作時と同様に、V+IN<V-INとなり、出力差動回路6の出力端子3の電圧は低下する方向に働くため、出力位相反転現象は発生しない。 In addition, when the voltage V INN applied to the inverting input terminal 2 increases until the parasitic diode Dbc2 turns on, contrary to the above, the voltage V EQ4 becomes lower than the voltage V EQ3 by the voltage V BE , and V EQ3 > V EQ4 . As a result, as in normal operation, V +IN <V -IN , and the voltage at the output terminal 3 of the output differential circuit 6 acts in the direction of decreasing, so that no output phase inversion phenomenon occurs.

なお、ダイオードD3は、トランジスタQ4のエミッタにダイオードD1を経由して正転入力端子1から電源電圧Vccよりも高い電圧が印加したときに、そのトランジスタQ4を破壊から保護し、またトランジスタQ3のエミッタにダイオードD2を経由して反転入力端子2から電源電圧Vccよりも高い電圧が印加したときに、そのトランジスタQ3を破壊から保護する。 Note that the diode D3 protects the transistor Q4 from destruction when a voltage higher than the power supply voltage Vcc is applied to the emitter of the transistor Q4 from the normal input terminal 1 via the diode D1, and also protects the emitter of the transistor Q4 from destruction. When a voltage higher than the power supply voltage Vcc is applied from the inverting input terminal 2 via the diode D2 to the transistor Q3, the transistor Q3 is protected from destruction.

トランジスタQ5,Q6からなるバッファ回路は、そのベースに固定電圧Vaが印加されているので、この電圧Vaの値を適宜設定することにより、ダイオードD1,D2を、入力端子1,2に過剰電圧が印加したときにのみオンさせ、通常動作時にはオフにすることができる。 The buffer circuit consisting of transistors Q5 and Q6 has a fixed voltage Va applied to its base, so by appropriately setting the value of this voltage Va, the diodes D1 and D2 can be connected to the input terminals 1 and 2 to avoid excessive voltage. It can be turned on only when the voltage is applied and turned off during normal operation.

図4に、図2の従来の演算増幅器に1倍の閉ループとなる帰還を掛けて入力に電源電圧以上の振幅のサイン波を入力したときの出力電圧のシミュレーション結果を示す。この図4では、入力電圧が上側の電源電圧Vccを超えた際に出力位相反転現象が発生し、出力電圧が大幅に低下していることが分かる。 FIG. 4 shows a simulation result of the output voltage when the conventional operational amplifier of FIG. 2 is subjected to feedback to form a closed loop of 1 times, and a sine wave having an amplitude equal to or higher than the power supply voltage is input to the input. In FIG. 4, it can be seen that an output phase inversion phenomenon occurs when the input voltage exceeds the upper power supply voltage Vcc, and the output voltage significantly decreases.

図5に、図1の本実施例の演算増幅器で同様にシミュレーションした結果を示す。この図5では、電源電圧Vccを超えても出力電圧が低下せず、出力位相反転現象が抑制されていることが分かる。 FIG. 5 shows the results of a similar simulation using the operational amplifier of this embodiment shown in FIG. In FIG. 5, it can be seen that the output voltage does not decrease even if it exceeds the power supply voltage Vcc, and the output phase inversion phenomenon is suppressed.

以上のように、本実施例では、正転入力端子1に電源電圧Vccを超える電圧が印加した際には、正転入力端子1→寄生ダイオードDbc1→トランジスタQ3のベース・エミッタ間→トランジスタQ5のエミッタ・コレクタ間→抵抗R3を経由して接地端子5に流れる電流により発生する電圧V-INが、正転入力端子1→ダイオードD1→トランジスタQ6のエミッタ・コレクタ間→抵抗R4を経由して接地端子5に流れる電流により発生する電圧V+INよりも、VBE3分だけ低くなることで、V+IN>V-INとなり、出力差動回路6の出力端子3の電圧の出力位相反転現象が防止される。 As described above, in this embodiment, when a voltage exceeding the power supply voltage Vcc is applied to the normal input terminal 1, the normal input terminal 1 → the parasitic diode Dbc1 → the base-emitter of the transistor Q3 → the transistor Q5. The voltage V -IN generated by the current flowing to the grounding terminal 5 between the emitter and collector → via the resistor R3 is transferred to the normal input terminal 1 → the diode D1 → between the emitter and collector of the transistor Q6 → to the ground via the resistor R4. Since the voltage V +IN generated by the current flowing through the terminal 5 becomes lower by V BE3 , V +IN > V -IN , and the output phase inversion phenomenon of the voltage at the output terminal 3 of the output differential circuit 6 occurs. Prevented.

また、反転入力端子2に電源電圧Vccを超える電圧が印加した際には、反転入力端子2→寄生ダイオードDbc2→トランジスタQ4のベース・エミッタ間→トランジスタQ6のエミッタ・コレクタ間→抵抗R4を経由して接地端子5に流れる電流により発生する電圧V+INが、反転入力端子2→ダイオードD2→トランジスタQ5のエミッタ・コレクタ間→抵抗R3を経由して接地端子5に流れる電流により発生する電圧V-INよりも、VBE4分だけ低くなることで、V+IN<V-INとなり、出力差動回路6の出力端子3の電圧の出力位相反転現象が防止される。 Furthermore, when a voltage exceeding the power supply voltage Vcc is applied to the inverting input terminal 2, the voltage is applied to the inverting input terminal 2 → parasitic diode Dbc2 → between the base and emitter of transistor Q4 → between the emitter and collector of transistor Q6 → via resistor R4. The voltage V +IN generated by the current flowing to the ground terminal 5 is the voltage V - generated by the current flowing to the ground terminal 5 via the inverting input terminal 2 → diode D2 → emitter-collector of transistor Q5 → resistor R3 . By being lower than IN by V BE4 , V +IN < V -IN , and the output phase inversion phenomenon of the voltage at the output terminal 3 of the output differential circuit 6 is prevented.

つまり、図3における抵抗R5,R6の機能をトランジスタQ3,Q4のベース・エミッタ間電圧VBE3、VBE4より実現しているので、抵抗R5,R6を使用する必要がなく、入力換算雑音電圧特性の劣化の問題は生じない。 In other words, since the functions of resistors R5 and R6 in FIG. 3 are realized by the base-emitter voltages V BE3 and V BE4 of transistors Q3 and Q4, there is no need to use resistors R5 and R6, and the input-referred noise voltage characteristics The problem of deterioration does not occur.

なお、図1ではトランジスタQ3,Q4のコレクタを共通接続して電源端子4との間に保護用のダイオードD3を接続しているが、トランジスタQ3,Q4のそれぞれのコレクタを分離して、それらのコレクタと電源端子4との間に個々に保護用のダイオードを接続してもよい。 In addition, in FIG. 1, the collectors of transistors Q3 and Q4 are commonly connected and a protection diode D3 is connected between them and the power supply terminal 4, but the collectors of transistors Q3 and Q4 are separated and their A protective diode may be individually connected between the collector and the power supply terminal 4.

1:正転入力端子(第1入力端子)、2:反転入力端子(第2入力端子)、3:出力端子、4:電源端子、5:接地端子、6:出力差動回路、61:正転入力端子(第3入力端子)、62:反転入力端子(第4入力端子)
Q1,Q2,Q3,Q4:NPNトランジスタ
Q5,Q6:PNPトランジスタ
R1,R2,R3,R4,R5,R6:抵抗
D1,D2,D3,D4,D5:ダイオード
Dbc1:トランジスタQ1のベース・コレクタ間の寄生ダイオード
Dbc2:トランジスタQ2のベース・コレクタ間の寄生ダイオード
1: Normal input terminal (first input terminal), 2: Inverting input terminal (second input terminal), 3: Output terminal, 4: Power supply terminal, 5: Ground terminal, 6: Output differential circuit, 61: Positive Inversion input terminal (third input terminal), 62: Inversion input terminal (fourth input terminal)
Q1, Q2, Q3, Q4: NPN transistor Q5, Q6: PNP transistor R1, R2, R3, R4, R5, R6: Resistor D1, D2, D3, D4, D5: Diode Dbc1: Between the base and collector of transistor Q1 Parasitic diode Dbc2: Parasitic diode between the base and collector of transistor Q2

Claims (4)

ベースが第1入力端子に接続されコレクタが第1負荷を介して第1電源端子に接続されたバイポーラ第1導電型の第1トランジスタ、ベースが第2入力端子に接続されコレクタが第2負荷を介して前記第1電源端子に接続されたバイポーラ第1導電型の第2トランジスタ、前記第1及び第2トランジスタのエミッタと第2電源端子との間に接続された第1電流源を含む入力差動回路と、第3入力端子及び第4入力端子を有する出力差動回路と、を備えた演算増幅器において、
ベースが前記第1トランジスタのコレクタに接続されエミッタが前記第4入力端子に接続されるバイポーラ第1導電型の第3トランジスタ、ベースが前記第2トランジスタのコレクタに接続されエミッタが前記第3入力端子に接続されるバイポーラ第1導電型の第4トランジスタを含む中間回路と、
前記第1入力端子と前記第4トランジスタのエミッタの間に接続されるとともに、前記第1トランジスタのベース・コレクタ間の寄生ダイオードの端子であるアノードあるいはカソードのうち前記第1入力端子に接続された端子と同じ種類の端子が、前記第1入力端子に接続された第1ダイオードと、
前記第2入力端子と前記第3トランジスタのエミッタの間に接続されるとともに、前記第2トランジスタのベース・コレクタ間の寄生ダイオードの端子であるアノードあるいはカソードのうち前記第2入力端子に接続された端子と同じ種類の端子が、前記第2入力端子に接続された第2ダイオードと、
を更に備えていることを特徴とする演算増幅器。
a bipolar first conductivity type first transistor whose base is connected to a first input terminal and whose collector is connected to a first power supply terminal via a first load; whose base is connected to a second input terminal and whose collector connects to a second load; a second bipolar transistor of a first conductivity type connected to the first power supply terminal via a first current source connected between the emitters of the first and second transistors and the second power supply terminal; An operational amplifier comprising a differential circuit and an output differential circuit having a third input terminal and a fourth input terminal,
a third transistor of a bipolar first conductivity type, the base of which is connected to the collector of the first transistor, and the emitter of which is connected to the fourth input terminal; the base is connected to the collector of the second transistor, and the emitter is connected to the third input terminal; an intermediate circuit including a fourth transistor of a bipolar first conductivity type connected to;
It is connected between the first input terminal and the emitter of the fourth transistor, and is connected to the first input terminal of an anode or a cathode that is a terminal of a parasitic diode between the base and collector of the first transistor. a first diode in which a terminal of the same type as the terminal is connected to the first input terminal ;
The second input terminal is connected between the second input terminal and the emitter of the third transistor, and the anode or cathode, which is a terminal of a parasitic diode between the base and collector of the second transistor, is connected to the second input terminal. a second diode, the same type of terminal as the terminal being connected to the second input terminal ;
An operational amplifier further comprising:
請求項1に記載の演算増幅器において、
前記第3及び第4トランジスタのコレクタと前記第1電源端子との間に第3ダイオードが接続されていることを特徴とする演算増幅器。
The operational amplifier according to claim 1,
An operational amplifier characterized in that a third diode is connected between the collectors of the third and fourth transistors and the first power supply terminal.
請求項1又は2に記載の演算増幅器において、
前記第3トランジスタのエミッタと前記第4入力端子の間に挿入接続されたバイポーラ第2導電型の第5トランジスタと、前記第4トランジスタのエミッタと前記第3入力端子の間に挿入接続されたバイポーラ第2導電型の第6トランジスタを更に備え、
前記第5及び第6トランジスタのベースに共通の電圧が印加されていることを特徴とする演算増幅器。
The operational amplifier according to claim 1 or 2,
a fifth transistor of a bipolar second conductivity type inserted and connected between the emitter of the third transistor and the fourth input terminal; and a bipolar fifth transistor inserted and connected between the emitter of the fourth transistor and the third input terminal. further comprising a sixth transistor of the second conductivity type,
An operational amplifier characterized in that a common voltage is applied to the bases of the fifth and sixth transistors.
請求項3に記載の演算増幅器において、
前記共通の電圧は、通常動作時に前記第1及び第2ダイオードがオンせず、前記第1入力端子に前記第1電源端子の電圧以上の電圧が印加したときに前記第1ダイオードがオンし、前記第2入力端子に前記第1電源端子の電圧以上の電圧が印加したときに前記第2ダイオードがオンするよう、前記第5及び第6トランジスタを制御する電圧に設定されていることを特徴とする演算増幅器。
The operational amplifier according to claim 3,
The common voltage is such that the first and second diodes are not turned on during normal operation, and the first diode is turned on when a voltage higher than the voltage of the first power supply terminal is applied to the first input terminal, The voltage is set to control the fifth and sixth transistors so that the second diode is turned on when a voltage higher than the voltage of the first power supply terminal is applied to the second input terminal. operational amplifier.
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