JPH01190016A - 出力ダイナミクスが増加された改良された電力段 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、出力ダイナミックが増加された改良された
電力段に関するものである。

特に、この発明は、反転入力２と、非反転入力３と、負
荷ＲＬに接続される出力４とを有する電力増幅器１を含
む、第１図に例示される簡略化されたレイアウトを有す
る電力段に関するものである。この段は、反転入力２と
出力４の間に接続される抵抗器Ｒ２と、ｍｌの端子が反
転入力２に接続されかつ第２の端子が基準電圧発生器ｖ
１１を介して第１の基準電圧（この場合は接地）に接続
される第２の抵抗器Ｒ１とを含むフィードバック回路網
をさらに含んでいる。増幅器１の非反転入力３は、基準
電圧Ｖ、たけ接地よりも高くされた増幅されるべき信号
ｖＩを受ける。この図は、非反転入力３および反転入力
２のバイアス電流■＋およびＩ−をそれぞれさらに例示
している。

信号が与えられない場合（すなわち、Ｖ＋−０の場合）
、出力電圧ＶＱは基準電圧■、に等しく、それは、第１
図に例示されるもののような、１個の電源線路が使用さ
れる応用例においては電源電圧の半分に等しい。

バイアス電流ｌ＋およびＩ−が無視できると考えられ得
る場合、出力信号ＶＯは次の式により入力信号Ｖ、に関
連する。

Ｖｏ　　−影」」工　ｖ、　＋ｖ。

Ｒ，（１） この段の開ループ利得が十分に高くない場合、または特
定の回路構成を有している場合（後で説明される例示の
回路において明らかになるように）、負荷が高い値の電
流１ｏを吸収するならば、バイアス電流Ｉ＋およびＩ−
はかなりの値を有し得る。したがって、関係（１）はも
はや電力段の実際の動作の良好な近似ではない。この場
合、増幅器のダイナミックな特性が特にかなり減じられ
る。

この電力段に含まれるトランジスタを飽和するという可
能性は制限され、この制限は比較的煩わしく、というの
は、電力の応用ではトランジスタが飽和状態で動作しな
ければならないという条件がしばしば強制されるからで
ある。

実際、ｖＭが増幅器の反転端子により達成可能な最も高
い値を規定する場合、抵抗器Ｒ７を流れ得る最大電流は
当然次のものにより与えられ、ＶＭ−Ｖ。

Ｒ４ 次の条件 が満たされる場合、抵抗器Ｒ２を流れる電流を無視しか
つ飽和状態にある入力バイアス電流をＩｓαｔによって
示すと、この段はより正の電圧に対して飽和された出力
を持続させることができない。

同じことがより負の電圧に対する飽和に当てはまる。

低電源電圧がバッテリ動作のシステムにおいて使用され
る場合、この問題は特に明らかである。

この概念を明瞭化するために、同一出願人の名前で１９
８８年４月２０日に出願された、日本国特願昭６３−９
８０３５号に開示されるような演算電力増幅器を示して
いる、第２図に示される例示の回路に対し参照がなされ
るべきである。前記演算電力増幅器は出力信号の高ダイ
ナミクスを可能にし、それは出力トランジスタＱ、また
は飽和状態のＱｌでの降下”ＣＥ＋ＳＱｊより小さい電
源電圧に近づき得る。

第２図に示される回路は、従来の態様で、差動入力段１
０と、利得−Ａを有する増幅器１１と、バッファ段１２
と、電力出力段１３とを含む。入力段１０および増幅器
１１は全〈従来どおりであり、それらの説明はこの回路
の動作を理解するのに重要ではなく、それらは説明され
ない。その代わりに、バッファ段１２および出力段１３
がより詳細に例示されている。後者は第１図に例示され
る簡略化された図と同等であり、そのため、同一参照番
号が使用されている。見てのとおり、バッファ段１２は
、電力出力セクション１３のそれぞれ下部段１７および
上部段１８を駆動するようにされるそれぞれの電流発生
器１１５およびｌ’ｓにより給電される１対のトランジ
スタ１５および１６を含む。各段１７および１８は（特
に上部段１８を参照すると）、出力電力トランジスタＱ
。

を駆動するための１対の駆動トランジスタＱ、およびＱ
４を含む。さらなるトランジスタＱ２は、そのエミッタ
がトランジスタＱ、およびＱ、のベースに接続され、そ
のベースがＱ、のコレクタに接続され、出力電力トラン
ジスタＱ、のベース電流を回復する。この図はまた、一
方の端子が基準電圧ｖ１１に接続されかつその他方の端
子がトランジスタＱ、のエミッタ（点Ｖ−）に接続され
る抵抗器Ｒ４により、かつ点Ｖ−と電圧Ｖ、を有する出
力との間に接続される抵抗器Ｒ２により構成されるフィ
ードバック回路網を例示している。回路は、Ｑｓのエミ
ッタおよびベースと電源ｖｃｅの間に接続される抵抗器
ＲおよびＲ′をさらに含む。

動作に関して、出力Ｖ、がより正の電圧に向かう場合を
考えられたい。すなわち、この出力がより負の電圧に向
かう場合には、次の説明が明らかに対称的に繰返され得
る。第２図の分析から、電流発生器１１Ｇが適当な寸法
で規定される場合には電流Ｉ＋は過度の問題を生じない
ことが当業者には明らかである。■、（トランジスタＱ
、を流れる電流）と１２　（トランジスタＱ２のベース
電流）の和に等しい電流Ｉ−に対しては、争点は異なる
。正しい動作条件において、前記電流Ｉ−は完全に抵抗
器Ｒ４を流れなければならない。この回路網を詳しく調
べることにより、次のことが明言され得る。すなわち、
反転端子Ｖ−の最大エクスカーション（ｅｘｃｕｒｓｉ
ｏｎ）はおおよそＶｎＡｘ＝Ｖｃｃ　　ＶＡＬＥ　Ｉ＋
　ｓａｔ”ＢＨ３−ｖＣＥ４＋　ｓＱｔ であり、この場合、ｖｓεｌ＋　５（ｉｔは飽和状態の
Ｑ、のベース・エミッタ電圧降下であり、Ｖｌ１１ε２
はＱ２のベース・エミッタ電圧降下であり、さらに、”
ＣＥ４＋５（ｌｉは飽和状態のトランジスタＱ、のコレ
クタ・エミッタ電圧降下である。

Ｖ、ｍＶｃｃ／２を仮定すると、抵抗器Ｒ４を流れ得る
最大電流は次のものにより与えられる。

にＬ ３ボルトと４ボルトの間から成る電源電圧に対し、（２
）の分子は非常に小さい電圧になる。

それゆえ、飽和状態の所要の動作を得るために、Ｑ、の
飽和を得るように、次の条件を強制することが必要であ
る。

ＩＭＡＸ　　　ン　　１ｓａｔ この条件を満足させるため、種々の解決方法が公知であ
る。

特に、第１の解決方法はＲ１の値を、それゆえＲ２の値
を十分に低く保持する。しかしながら、この解決方法は
、それが必然的に飽和状態にある段の高電流消費を伴う
ので不利である。

別な解決方法は、トランジスタＱ２のエミッタ接合領域
を電流Ｉ２の重量を減じるのに十分な大きさにする。し
かしながら、この解決方法も、集積回路の寸法のかなり
の増大のために不利である。

別な解決方法は、デジェネレーション（ｄｅｇｅｎｅｒ
ａｔｉｏｎ）レジスタＲに十分に高い値を与え、あるい
は、電流■、の重量を減じるようにトランジスタＱ＋お
よびＱ、のエミッタ接合の面積比を増大させる。しかし
ながら、この解決方法も、出力の際に電力トランジスタ
を流れる残余の電流が非常に高くなってそれらの散逸を
増大させるので、不利である。

最後の解決方法が基準電圧Ｖ、をＶｃ　ｃ　／　２より
低い値に保持する。しかしながら、この解決方法もまた
、この回路の動作の際に生じる非対称のせいで有利では
ない。

この状況が与えられれば、この発明の目標は、電流技術
の不利な点を解決することが可能である改良された出力
段を提供することであり、特に、その段の出力ダイナミ
クスを増大させ、それが低電源電圧であっても動作する
ことを可能にすることができる改良された出力段を提供
することである。

この目標の範囲内において、この発明の特定の目的は、
電力の応用でしばしば必要とされるような、その出力で
トランジスタの飽和を確実に可能にする電力段を提供す
ることである。

この発明の別な目的は、その安定性の点で確実な動作を
有する電力段を提供することであり、特に、正帰還の利
用を必要としない電力段を提供することである。

この発明のなお別な目的は、エミッタ接合面積が増加さ
れた解決方法のものより小さい、面積が減じられた上述
の型の電力段（出力電力トランジスタのベース電流を回
復するトランジスタに対し）を提供することである。

この発明の少なからぬ目的は、構造上概念が簡単で、そ
れゆえ完全にコントロール可能な特性を有する本来公知
の構成要素の使用を必要とし、かつエレクトロニクス産
業の従来通りの機械および工程を利用して容易に集積化
され得る、上で説明された型の電力段を提供することで
ある。

この目標、上述の目的、および後で明らかになる目的は
、前掲の特許請求の範囲に規定されるように、出力ダイ
ナミクスが増加された改良された出力段により達成され
る。

この発明のさらなる特徴および利点は、添付の図面にお
いて非制限的具体例としてのみ例示されている、好まし
くしかもそれに限られない実施例の説明から明らかにな
るであろう。

照は先の説明に対しなされる。

この発明に従った電力段の説明のために第３図に対し参
照がなされるべきである。すなわち、第１図に類似する
第３図においては、公知の解決方法と共通の部分は、こ
の発明の特徴のより良い比較のために同一参照番号で示
されている。詳細にいうと、電力段４よ、その非反転入
力３が基準電圧Ｖ、を基準とする入力信号Ｖ、に接続さ
れかつその反転入力２がＲ４およびＲ２により形成され
るフィードバック回路網に接続される増幅器１を含む。

第１図の公知の回路とは異なり、入力２に接続されてい
ないＲ７の端子は、接地に対して固定された電圧ではな
いが、基準電圧Ｖ、と相関的な、入力電圧ｖ１に反比例
して変化する電圧を発生するセフシラン２０に接続され
る。実際、第１図の図を分析することにより、公知の解
決方法において、電圧ｖＡは入力信号の変化とは無関係
に常に電圧Ｖ、に等しく保持されることがわかる。実際
には、Ｖｏ−Ｖｌｌとフィードバック抵抗器Ｒ４および
Ｒ２を流れるゼロ電流とを有するように、入力信号がゼ
ロである場合（すなわち、Ｖ、−Ｏの場合）のみ、この
条件が必要である。入力信号がゼロではない場合、条件
Ｖ＾−Ｖ「は余分である。

それゆえ、この発明によれば、電圧ＶＡは基準電圧Ｖ、
に関してｖｌに反比例して変化するようにされ、このよ
うにしてダイナミックのかなりの増加を得る。

この目的に対し、セクション２０は、演算増幅器の出力
と反転入力の間に接続される抵抗器Ｒ８およびＲ２のさ
らなる回路網によりフィードバックされる演算増幅器Ａ
、を含む。Ｒ８の他方の端子は増幅器１の非反転入力３
に接続されるが、Ａ、の非反転入力は基準電圧■、に接
続される。

したがって、簡単な計算によってわかるように、る電圧
ｖＡ１すなわち、ゼロ入力信号ｖ１がある場合にはｖＲ
に等しく、そうでない場合には基準電圧Ｖ、と相関的に
前記入力信号に関して反比例的に可変である電圧Ｖ＾を
出力において発生する。

したがって、電流Ｉ−が無視できると仮定しかつＢ−Ｒ
，／Ｒ，を設定すると、第３図の回路に対して、この段
の出力電圧は次のものにより与えられる。

式（３）は、抵抗器Ｒ７およびＲ２の等しい値に対し式
（１）に関する利得の増加を既に示している。

しかしながら、この発明の利点はこの特性には存しない
。実際にここでは抵抗器Ｒ４を流れ得るこの場合、ｖＡ
Ｆ＋５（ｌｊは、■１が最大の許容値に達する場合に得
られる、増幅器Ａ、の最小出力電圧である。電力段のダ
イナミックな可能性はこうして増加される。Ｒ１にがが
る電圧の変化は、実際は公知の段に対して次の量だけ増
加される。

ΔＶ−ＶＲ−ＶＡ　Ｆ　ｌ　ｓ　ａ　ｔこの発明の利点
を指摘するために、この発明に従って第４図に示される
ように修正される、第２図の電力動作に対し再び参照が
なされるべきである。第４図においては、第２図と共通
の要素の参照番号が再び維持されている。

第４図の回路においては、最大電流を生じる式（２）は
ここでは次のように修正される。

増幅器ＡＦが第５図に例示される最終段を有する従来の
演算増幅器から作られる場合、ＶＡＦ、ｓａｔ：Ｖａ［
＋ＶＣＥ、ｓａｔを仮定することは確かに可能であり、
この場合、Ｖ［ＩＥはトランジスタＱ、またはＱ６での
ベース・エミッタ電圧降下であり、かつｖＣＥ＋５（ｌ
ｉは電流発生器Ｉ、またはＩ、それぞれでの電圧降下で
ある。

この場合、式（４）の分子は、３ｖの電源電圧（Ｖｃ　
ｃ　）に対しおよそ０．５ないし０．６ｖの最小電圧を
生じる。

上の説明かられかるように、この発明は意図された目標
および目的を十分に達成している。実際、示されてきた
ように、入力信号の値に従って抵抗器Ｒ７に対する基準
電圧を変えることが可能である要素の挿入は、低電源電
圧値であってもデバイスの正確な動作とトランジスタの
所要の飽和を可能にする。

次のことを強調することが重要である。すなわち、この
発明は、前記回路の安定性に問題を引き起こし得る正帰
還を利用せずに、提示された問題を解決する。

次のことがさらに注目されるべきである。すなわち、例
示された解決方法は、出力トランジスタの面積の増大を
提供する公知の解決方法よりも有利である。公知の解決
方法に従って必要となる面積の増加は、この発明によっ
て提案されるように、抵抗器Ｒ１を活発に駆動するのに
必要とされるものよりも実際に著しく大きい。したがっ
て、増幅器ＡＦは、こうして節約されたシリコン領域に
容易に挿入され得て、さらなる面積の節約を得る。

この解決方法は、概念的に簡単かつ確実である。

このように考えられるこの発明は多数の修正および変更
が可能であり、それらのすべてはこの発明の概念の範囲
内に入る。特に、この発明は特定の演算電力回路を参照
しながら詳細に例示されてきたが、それはいずれの場合
にも、第１図におけるように概略的に表わされ得る構造
を有するあらゆる電力段に適用できる。

さらに、すべての詳細は他の技術的に同等の要素と置換
され得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、公知の電力段の概括的な回路図である。 第２図は、第１図に従った公知の電力段を含む、さらに
詳細な回路図である。 第３図は、第１図のものに類似する、この発明に従った
電力段の概括的な回路図である。 第４図は、第３図に例示される電力段を含む回路のより
詳細な回路図である。 第５図は、第４図の回路の一部の詳細な回路図である。 図において、１は電力増幅器、２は第１の反転入力、３
は第２の非反転入力、２０は電圧発生手段、ＲＬは負荷
、Ｒ７およびＲ２は抵抗器である。 特許出願人　エッセ・ジ・エッセ・トムソン・ミクロエ
レクトロニクス中エツセ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）電力増幅器（１）を含み、前記電力増幅器（１）
   が第１の反転入力（２）と、第２の非反転入力（３）と
   、負荷（Ｒ＿Ｌ）およびフィードバック回路網に接続さ
   れる出力とを有し、前記フィードバック回路網が反転入
   力（２）と前記増幅器（１）の出力の間に接続される第
   １の抵抗器（Ｒ＿２）と、前記第１の反転入力（２）と
   予め設定された電圧を発生するようにされる手段（２０
   ）により第１の基準電圧（Ｖ＿Ａ）に設定される第１の
   線路との間に接続される第２の抵抗器（Ｒ＿１）とを含
   み、 増幅される入力電圧信号を発生しかつ前記第２の非反転
   入力（３）と第１のものとは異なる第２の基準電圧（Ｖ
   ＿Ｒ）に設定される第２の線路との間に接続される電圧
   発生器（Ｖｉ）を含む出力ダイナミクスが増加された改
   良された電力段であって、 前記電圧発生手段（２０）が、前記入力電圧信号に反比
   例して可変でありかつ前記第２の基準電圧（Ｖ＿Ｒ）と
   相関的な電圧を発生することを特徴とする、電力段。
2. （２）電圧差を発生するようにされる前記手段（２０）
   が、前記第２の基準電圧（Ｖ＿Ｒ）と前記入力電圧信号
   （Ｖ＿ｉ）に比例する値との間の差に等しい信号を発生
   するようにされる減算手段（Ａ＿Ｆ、Ｒ＿３、Ｒ＿４）
   を含むことを特徴とする、請求項１に記載の電力段。
3. （３）前記手段（２０）が、それ自体の反転入力と、そ
   れ自体の非反転入力と、それ自体の出力と、それ自体の
   フィードバック回路網を有する演算増幅器（Ａ＿Ｆ）を
   含み、前記フィードバック回路網が前記それ自体の反転
   入力と前記それ自体の出力との間に接続される第３の抵
   抗器（Ｒ＿４）と、前記電力増幅器（１）の前記それ自
   体の反転入力と前記第２の非反転入力（３）の間に接続
   される第４の抵抗器（Ｒ＿３）とを含み、前記それ自体
   の非反転入力が前記第２の基準電圧（Ｖ＿Ｒ）に設定さ
   れる前記第２の線路に接続されることを特徴とする、請
   求項１に記載の電力段。
4. （４）相互に縦続結合される、差動入力セクション（１
   ０）と、増幅器セクション（１１）と、バッファセクシ
   ョン（１２）と、出力電力セクション（１３）とを含む
   演算電力回路であって、前記バッファ（１２）と電力セ
   クション（１３）が各々上部段（１６、Ｉ＿１＿６、１
   ８）と下部段（１５、Ｉ＿１＿５、１７）を含み、電力
   センショク（１３）の前記下部段（１７）および上部段
   （１８）の各々がそれ自体の基準電圧に設定される線路
   と出力（Ｖ＿０）の間に接続される最終電力トランジス
   タ（Ｑ＿１、Ｑ＿１′）と駆動トランジスタ（Ｑ＿２、
   Ｑ＿３、Ｑ＿４）とを含み、抵抗フィードバック回路網
   （Ｒ＿１、Ｒ＿２）が前記電力セクションの出力と入力
   の間に接続される第１の抵抗器（Ｒ＿２）と、第１の端
   子が前記電力セクション（１３）の前記入力に接続され
   る第２の抵抗器（Ｒ＿１）とを含み、前記増幅器セクシ
   ョン（１１）の出力と前記第２の抵抗器（Ｒ＿１）の端
   子の間に接続され、かつ前記増幅器セクション（１１）
   により出力において発生される信号に反比例して可変で
   ありかつさらなる基準電圧（Ｖ＿Ｒ）と相関的な電圧（
   Ｖ＿Ａ）を発生するようにされる可変電圧発生器（２０
   ）を含むことを特徴とする、演算電力回路。
5. （５）前記可変電圧発生器（２０）が、それ自体の反転
   入力と、それ自体の非反転入力と、それ自体の出力と、
   それ自体のフィードバック回路網を有する演算増幅器（
   Ａ＿Ｆ）を含み、前記フィードバック回路網が、前記そ
   れ自体の反転入力と前記それ自体の出力の間に接続され
   る第３の抵抗器（Ｒ＿４）と、前記それ自体の反転入力
   と前記増幅器セクション（１１）の前記出力の間に接続
   される第４の抵抗器（Ｒ＿３）とを含み、前記それ自体
   の非反転入力が前記さらなる基準電圧（Ｖ＿Ｒ）に設定
   される線路に接続されることを特徴とする、請求項４に
   記載の演算電力回路。