JPH0269006A

JPH0269006A - 差動増幅器

Info

Publication number: JPH0269006A
Application number: JP1182764A
Authority: JP
Inventors: Bedrich Hosticka; ベートリツヒ、ホスチカ; Roland Klinke; ローラント、クリンケ; Hans-Joerg Pfleiderer; ハンスイエルク、プフライデラー
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1988-07-21
Filing date: 1989-07-17
Publication date: 1990-03-08
Also published as: EP0351709A3; US4956613A; EP0351709A2

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】〔産業上の利用分野〕この発明はそれぞれ負荷要素および電界効果トランジス
タを含んでいる２つの並列回路枝路と、電流源としての
役割をする電界効果トランジスタとを有し、該電界効果
トランジスタは第１の回路節点を介して両並列回路枝路
と接続されており、また両並列回路枝路を流れる零信号
電流を定めるバイアス電圧をそのゲート端子に与えられ
ている差動増幅器に関するものである。

〔従来の技術］この形式の差動増幅器は図書“遠隔通信用のＭＯＳ　　
ＶＬ３１回路の設計”、ワイ、ティヴイディス（Ｙ、Ｔ
ｓｔｖｉｄｌｓ）およびピー、アントグネッテ４　（Ｐ
、Ａｎｔｏｇｎｅｔｔｉ）著、ブレンタイス　ホールに
ュージャーシー州）出版、第１２９〜１３６真、特に第
５．４図に記載されている。そこでは、電流源に並列に
接続されており、制御可能な電流源としての役割をする
付加的な２つの電界効果トランジスタが電流ミラー回路
を介して、並列回路枝路を流れる電流により、ゲート電
圧に重畳された入力信号による固定の電圧値の上方超過
の際には一方の付加的な電界効果トランジスタが電流源
の零信号電流を大きくする付加電流を供給し、ゲート電
圧に重畳された人力信号による固定の電圧値の下方超過
の際には他方の付加的な電界効果トランジスタが電流源
の零信号電流を大きくする付加電流を供給するように影
響される。電流ミラー回路は、小さい零信号電流が信号
に関係する付加電流の生起によりそれぞれ強く大きくさ
れるように構成されている。それによって良好なドライ
バ特性が差動増幅器の損失電力の減少と同時に得られる
。

しかし、この公知の増幅器の欠点は、特に、急峻に上昇
または下降するエツジを有する入力信号、たとえば方形
波電圧の供給の際に、並列回路枝路、電流ミラー回路お
よび制御可能な電流源から形成された調節回路のなかに
、非常にしばしば出力信号の歪みに通ずる不安定性が生
ずることにある。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第３７０１７９１号明細
書には、冒頭に記載した種類の差動増幅器であって、電
流源に並列に接続されており、制御可能な電流源として
の役割をする２つの電界効果トランジスタが回路入力端
からレベル変換回路を介して、小さい零信号電流が、入
力信号に関係する付加電流の生起によりそれぞれ強く大
きくされるように駆動される差動増幅器が記載されてい
る。最初にあげた公知の差動増幅器にくらべて、この差
動増幅器の主な利点は、付加的な電流源の調節が増幅器
出力側から行われずに、その制御が増幅器入力側から行
われること、またこうして方形波電圧の伝送の際にも出
力信号の大きな歪みが生じないことにある。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の課題は、冒頭に記載した種類の差動増幅器であ
って、その小さい零信号電流を信号に関係して大きくす
ることにより小さい損失電力において良好なドライバ特
性を存し、また付加的な信号に関係し零信号電流に重畳
される電流成分の発生が公知の差動増幅器にくらべて簡
単に行われる差動増幅器を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

この課題は、本発明によれば、請求項１または２の特徴
部分に記載されている手段によって解決される。

請求項３および４には本発明の有利な実施態様があげら
れている。

〔発明の効果〕

本発明により得られる利点は特に、差動増幅器の零信号
電流の発生のための電流源が同時に付加的な電流成分の
発生のためにも使用され、その際にこの電流源の零信号
電流駆動が変更されるだけでよいことにある。この変更
は差動増幅器の本来の回路の外側で行われ、従って外部
の回路措置である。

〔実施例〕

以下、図面に示されている実施例により本発明を一層詳
細に説明する。

第１図には差動増幅器の１つの実施例が鎖線のブロック
１のなかに示されている。２つの並列回路枝路の一方は
負荷要素Ｌ１およびｎチャネル電界効果トランジスタＴ
Ｉの直列回路を、また他方は負荷要素Ｌ２およびｎチャ
ネル電界効果トランジスタＴ２の直列回路を含んでいる
。回路節点２はこれらの並列回路枝路を介して、供給電
圧ＶＤＤと接続されている１つの端子３と接続されてい
る。

他方において回路節点２は、電流源として接続されてい
るｎチャネル電界効果トランジスタＴ３を含んでいる別
の回路枝路を介して、基準電位ＶＳＳに接続されている
端子４と接続されている。負荷要素Ｌ１およびＬ２はそ
れぞれＰチャネル電界効果トランジスタから成っており
、そのドレイン端子はそのゲート端子と接続されている
。端子３と４との間にｐチャネル電界効果トランジスタ
Ｔ４およびｎチャネル電界効果トランジスタＴ５の直列
回路が接続されており、その際にＴ４のゲートは負荷要
素Ｌ２を形成する電界効果トランジスタのゲートと接続
されている。端子３および４を互いに接続する別の回路
枝路はｐチャネル電界効果トランジスタＴ６およびｎチ
ャネル電界効果トランジスタＴ７の直列回路を含んでお
り、その際にＴ６のゲートは負荷要素Ｌ１を形成する電
界効果トランジスタのゲートと接続されている。Ｔ７の
ゲートはＴ７のドレイン端子にもＴ５のゲートにも接続
されている。Ｔ４およびＴ５の接続点は差動増幅器の出
力端Ａに導かれており、他方においてトランジスタＴ２
およびＴ１のゲート端子はそれぞれ正および負の増幅器
入力端を成している。

参照符号７を付されているのは、零信号電流、すなわち
増幅すべき入力信号が入力端５および６に生起していな
いときに並列回路枝路Ｌ１、Ｔ１およびＬ２、Ｔ２に流
れる電流を設定するための回路段である。この回路段は
端子３と４との間に接続されているＰチャネル電界効果
トランジスタＴ８およびｎチャネル電界効果トランジス
タＴ９の直列回路から成っている。Ｔ８のゲートは、Ｖ
３、に接続されている端子４に接続されており、従って
直列回路Ｔ８、Ｔ９には■。。およびＶＳＳにより定め
られる一定の電流が流れる。Ｔ９のゲートはＴ９のドレ
イン端子と接続されており、その際にＴ９は回路段７の
出力側の抵抗を成している。

Ｔ９を通って流れる一定の電流はＴ９のドレイン端子に
一定のバイアス電圧を生じ、このバイアス電圧はＴ９お
よびＴ３のゲートを接続する導線８を介してＴ３のゲー
トにも供給され、またこのトランジスタを１つの固定の
動作点に設定する。この動作点でトランジスタＴ３は１
つの零信号電流■。を供給する。■。は並列回路枝路Ｌ
１、Ｔ１およびＬ２、Ｔ２を通って流れる等大の零信号
電流Ｉ０／２の和に等しい、その際にＴ１およびＴ２の
ゲートは、Ｔ１およびＴ２が導通状態に位置するように
選定されている１つのバイアス電圧ＵＧ１と接続されて
いる。トランジスタＬ２およびＴ４の構造的設計が一致
していると、これらはＬ２のみでなくトランジスタＴ４
にもＩ０／２が流れるようにする電流ミラー回路を形成
する。相似の仕方で、ＬｌおよびＴ６から成る電流ミラ
ー回路は、これらのトランジスタの構造的設計が一致し
ているとき、ＬｌのみでなくＴ６、従ってまたＴ７にも
■。／２が流れるようにする。等しい構造のトランジス
タＴ７およびＴ５がら成る電流ミラー回路は、Ｔ５にＴ
７と同じく■。／２が流れるようにする。しかし、Ｔ４
およびＴ５のソース−ドレイン間パスの等大の電流は、
端子Ａを介して電流が、キャパシタンスＣにより示され
ていル後段の負荷電流回路に流れないことを意味する。

この零信号電流作動は比較的小さい電力消費に相当する
。増幅すべき入力信号が増幅器入力端５および６に生起
する際に初めて、トランジスタＴ３は、差動増幅器１が
、端子Ａにおいて接続されている場合によっては大きい
抵抗を有する負荷電流回路にできるかぎり歪みおよび遅
れのない出力信号を供給し得るように、強く制御される
。この目的でレベル変換回路ＰＵおよびその後に接続さ
れている２つのｐチャネル電界効果トランジスタＴＩＯ
およびＴｌｌが設けられており、それらのソース端子は
それぞれ端子３と接続されており、またそれらのドレイ
ン端子はＴ９のドレイン端子と接続されている。それに
よってトランジスタＴ１０およびＴｌｌの各々は回路段
７の出力側の抵抗に直列に接続されており、その際にこ
れらの直列回路の各々は端子３および４を互いに接続し
ている。レベル変換回路ＰＵの入力端は参照符号８およ
び９を付されており、その際に入力端８は差動増幅器１
の入力端５と、また入力端９は差動増幅器１の入力端６
と接続されている。ＰＵの上側出力端１０はＴＩＯのゲ
ートに、また下側出力端１１はＴｌｌのゲートに接続さ
れている。

増幅器入力端５に時点ｔ１でたとえば正弦波状の人力信
号ｕ１が供給されてバイアス電圧ＵＧＩに重畳されると
仮定すると、入力端５には第２図中に実線で時間的経過
を示されている信号ｕ５が生ずる。入力端６には、ｕｌ
による逆の制御のために、第２図中に破線で時間的経過
を示されている信号ｕ６が生ずる。レベル変換回路ＰＵ
の作用により出力端１０および１１には、第２図中にｕ
ｌｏおよびｕｌｌで示されている電圧が得られる。

詳細には、ｕｌｏは、ＴＩＯのゲートに供給され、ＰＩ
Ｊのなかで増幅される信号ｕ１が重畳されているバイア
ス電圧ＵＡＩに相当し、他方においてｕｌｌは、バイア
ス電圧ＵＡｌと、これに重畳され増幅されかつ逆転され
た入力信号ｕ１とから成っている。ＵＡＩが、第２図中
に示されているように、トランジスタＴＩＯおよびＴｌ
ｌのカットオフ電圧Ｕ、よりもわずかに上に位置すると
、Ｕｔを下方超過するａｌｌの負の正弦半波の各部分は
トランジスタＴｌｌを導通状態に切換え、従って第１の
付加電流が端子３からＴｌｌおよびＴ９を経て端子４へ
流れる。これにより、端子１２に与えられる電圧が上昇
し、この電圧がＴ３のゲートに供給されるので、Ｔ３か
ら枝路Ｌ１、ＴＩおよびＬ２、Ｔ２に供給される電流も
強く上昇する。これと相似して、Ｕｔを下方超過するｕ
ｌＯの正弦半波の各部分はトランジスタＴＩＯを導通状
態に切換え、従って第２の付加電流が端子３からＴＩＯ
およびＴ９を経て端子４へ流れる。これにより、端子１
２に与えられる電圧が上昇し、従って、Ｔ３から枝路Ｌ
１、Ｔ１およびＬ２、Ｔ２に供給される電流もこの時間
区分中は強（上昇する。増幅すべき入力信号ｕ１の生起
の間、すなわち時間間隔ｔ１ないしＬ２のなかでは、こ
うしてＴ３を介して制御されて並列回路枝路Ｌ１、Ｔ１
およびＬ２、Ｔ２を流れる電流が強く高められ、従って
差動増幅器の良好なドライバ特性が達成される。しかし
、それに伴って増幅器がより大きい電力を消費する時間
間隔は、入力信号ｕ１が与えられる時間間隔に限られて
いる。

入力側のレベルＵＣ＋を出力側のレベルＵＡＩに変換す
る回路ＰＵは増幅器入力端５．６から駆動されるので、
冒頭に記載した公知の差動増幅器に存在する調節回路の
ようなものは存在せず、従ってトランジスタＬｌおよび
Ｔ１およびトランジスタＬ２およびＴ２の接続点から取
り出されて電流ミラー回路Ｌ２、Ｔ４ならびにＬ１、Ｔ
６およびＴ７、Ｔ５を介して出力端Ａに伝達される出力
信号はほぼ無歪みである。その際に出力端への信号伝達
は、詳細には、Ｌ２およびＬＬを通って流れる電流の大
きさの、入力信号ｕｌによるＴ２およびＴ１の制御によ
り生ずる差が、出力端Ａから取り出し可能な出力電流を
導＜７４およびＴ５を通る電流の大きさに相応の差を生
ずるように行われる。

本発明による差動増幅器では出力信号が非常に迅速に入
力信号の変動に応動するので、急峻に上昇または下降す
るエツジを有する入力信号、たとえば方形波電圧もほぼ
無歪みで、また大きい電流上昇率で出力端Ａに伝達され
る。

第１図には、左側の鎖線のブロックのなかに、レベル変
換回路ＰＵの１つの好ましい実施例が示されている。差
動増幅器として構成されたレベル変換回路ＰＵは、詳細
には、回路節点１３とＶＤｌｌに接続されている端子３
との間に配置されている２つの並列電流枝路を含んでお
り、それらのうち第１の電流枝路はＰチャネル電界効果
トランジスタＴ１２をｎチャネル電界効果トランジスタ
Ｔ１３と直列に有し、また第２の電流枝路はｐチャネル
電界効果トランジスタＴ１４をｎチャネル電界効果トラ
ンジスタＴ１５と直列に有する。回路節点１３は、ｎチ
ャネル電界効果トランジスタＴ　１６のソース−ドレイ
ン区間を含んでいる回路枝路を介して、基準電位ＶＳＳ
に接続されている端子４と接続されている。入力端８は
Ｔ１５のゲート端子に、また入力端９はＴ１３のゲート
端子に相当する。出力端１０はトランジスタＴ１４およ
びＴ１５の接続点と、また出力端１１はトランジスタＴ
１２およびＴ１３の接続点と接続されている。

Ｔ１６のゲート電圧を設定するために、ｐチャネル電界
効果トランジスタＴ１７およびｎチャネル電界効果トラ
ンジスタＴ１Ｂの直列回路を含む端子３と４との間に位
置する回路枝路が用いられている。Ｔ１７のゲートは端
子４と接続されており、従ってＴ１７のゲートに接続さ
れている基準電位ＶＳＳにより定められている特定の電
流がこの直列回路を通って流れる。Ｔ１８のゲートはそ
のドレイン端子と接続されている。ここで降下する電圧
は導８！１４を介してＴ１６のゲートに供給される。

ｐチャネル電界効果トランジスタＴ１９およびｎチャネ
ル電界効果トランジスタＴ２０の直列回路を含む端子３
と４との間に位置する第２の回路枝路はＴ１２およびＴ
１４のゲート電圧を設定する役割をする。この回路枝路
には、Ｔ１６と等しいゲート電圧を与えられるトランジ
スタＴ２０により定められる電流が流れる。Ｔ１９は、
そのゲート端子がそのドレイン端子と接続されているの
で、負荷要素として接続されている。Ｔ１９のドレイン
端子において降下する電圧はトランジスタＴ１２および
Ｔ１４に導線１５を介して供給される。

トランジスタＴ１２およびＴ１４の構造的寸法は互いに
等しくなければならず、またトランジスタＴ１６の構造
的寸法とは、Ｔ１２およびＴ１４がトライオード領域で
、すなわちそのＩゆ／Ｕ、、特性曲線の上昇部分で動作
し、他方においてＴ１６が飽和領域で使用されるように
異なっていなければならない、この条件は、Ｔ１２およ
びＴ１４の飽和電流の和がＴ１６の飽和電流よりも大き
く選定されることにより満足され得る。さらにＴ１２お
よびＴ１４の構造的寸法は、出力端ｌＯおよび１１に入
力信号ｕｌの供給なしに信号ＵＡｌが生ずるように選定
される。ＵＡＩがＴＩＯおよびＴｌｌのカットオフ電圧
の値をわずかに上方超過するこれまでに記載された場合
とならんで、レベルＵＡｌは、Ｕｌの値に正確に一致し
またはこれをわずかに下方超過するようにも選定され得
る。

さらに、使用される電界効果トランジスタのチャネル形
式をそれぞれ互いに交換し、また同時に供給される電圧
の極性を逆の極性に置換することは本発明の範囲内にあ
る。その際にＵＡＩおよびＵ６、の電圧値も互いに交換
する必要がある。このことは第２図中で、ｕ５およびｕ
６の電圧経過がＵｌｏおよびｕｌｌの電圧経過の代わり
に生ずること（またその逆）を意味する。この場合、レ
ベル変換回路ＰＵはより高い入力レベルＵ□、すなわち
入力信号ｕｌの直流電流成分を低い出力レベルＵＡＩに
変換する＊ＵＡｌは好ましくは、この場合ｎチャネル形
式に属するトランジスタＴＩＯおよびＴｌｌのカットオ
フ電圧Ｕもの値のわずかに下に位置する。しかし、ここ
で出力レベルＵＡＩの値は、カットオフ電圧Ｕ１の値に
正確に一致しまたはこれをわずかに上方超過するように
も選定され得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による差動増幅器の回路原理を示す図、
第２図は第１図による差動増幅器の作用の仕方を説明す
るための電圧−時間図である。ｌ・・・差動増幅器２・・・回路節点３．４・・・端子５．６・・・差動増幅器の入力端７・・・回路段８．９・・・ＰＵの入力端１０．１１・・・ＰＵの出力端１２・・・Ｔ３のゲート端子１３・・・回路節点１４．１５・・・接続導線Ａ・・・差動増幅器の出力端Ｃ・・・キャパシタンスＰＵ・・・レベル変換回路

Claims

【特許請求の範囲】１）それぞれ負荷要素（Ｌ１、Ｌ２）および電界効果ト
ランジスタ（Ｔ１、Ｔ２）を含んでいる２つの並列回路
枝路と、電流源としての役割をする電界効果トランジス
タ（Ｔ３）とを有し、該電界効果トランジスタ（Ｔ３）
は第１の回路節点（２）を介して両並列回路枝路（Ｌ１
、Ｔ１、Ｌ２、Ｔ２）と接続されており、また両並列回
路枝路を流れる零信号電流を定めるバイアス電圧をその
ゲート端子に与えられている差動増幅器において、零信
号電流を設定するための回路段として、その出力側の抵
抗（Ｔ９）で電流源としての役割をする電界効果トラン
ジスタ（Ｔ３）のゲート端子（１２）と接続されている
回路段（７）が設けられており、ｐチャネル形式の２つ
の付加的な電界効果トランジスタ（Ｔ１０、Ｔ１１）が
それぞれ出力側の抵抗（Ｔ９）に直列に配置されており
、またレベル変換回路として、その入力側で並列回路枝
路のなかの電界効果トランジスタ（Ｔ１、Ｔ２）のゲー
ト端子と接続されており、入力信号の直流成分を付加的
な電界効果トランジスタ（Ｔ１０、Ｔ１１）のカットオ
フ電圧の値にほぼ相当するより高い出力レベルに変換し
、またその出力側で付加的な電界効果トランジスタ（Ｔ
１０、Ｔ１１）のゲート端子と接続されているレベル変
換回路（ＰＵ）が設けられていることを特徴とする差動
増幅器。２）それぞれ負荷要素（Ｌ１、Ｌ２）および電界効果ト
ランジスタ（Ｔ１、Ｔ２）を含んでいる２つの並列回路
枝路と、電流源としての役割をする電界効果トランジス
タ（Ｔ３）とを有し、該電界効果トランジスタ（Ｔ３）
は第１の回路節点（２）を介して両並列回路枝路（Ｌ１
、Ｔ１、Ｌ２、Ｔ２）と接続されており、また両並列回
路枝路を流れる零信号電流を定めるバイアス電圧をその
ゲート端子に与えられている差動増幅器において、零信
号電流を設定するための回路段として、その出力側の抵
抗（Ｔ９）で電流源としての役割をする電界効果トラン
ジスタ（Ｔ３）のゲート端子（１２）と接続されている
回路段（７）が設けられており、ｎチャネル形式の２つ
の付加的な電界効果トランジスタ（Ｔ１０、Ｔ１１）が
それぞれ出力側の抵抗（Ｔ９）に直列に配置されており
、またレベル変換回路として、その入力側で並列回路枝
路のなかの電界効果トランジスタ（Ｔ１、Ｔ２）のゲー
ト端子と接続されており、入力信号の直流成分を付加的
な電界効果トランジスタ（Ｔ１０、Ｔ１１）のカットオ
フ電圧の値にほぼ相当する１つのより低い出力レベルに
変換し、またその出力側で付加的な電界効果トランジス
タ（Ｔ１０、Ｔ１１）のゲート端子と接続されているレ
ベル変換回路（ＰＵ）が設けられていることを特徴とす
る差動増幅器。３）零信号電流を設定するための回路段（７）が相異な
るチャネル形式の２つの電界効果トランジスタ（Ｔ８、
Ｔ９）の直列回路から成っており、これらの電界効果ト
ランジスタの一方（Ｔ８）のゲート端子が固定のバイア
ス電圧を与えられており、また他方（Ｔ９）が出力側の
抵抗を成しており、その際にそのゲート端子がそのソー
スまたはドレイン端子と、電流源としての役割をする電
界効果トランジスタ（Ｔ３）のゲート端子（１２）とに
接続されていることを特徴とする請求項１または２記載
の差動増幅器。４）レベル変換回路（ＰＵ）が２つの電流枝路を含んで
いる差動増幅器段から成っており、これらの電流枝路の
各々は相異なるチャネル形式の２つの電界効果トランジ
スタ（Ｔ１２、Ｔ１３；Ｔ１４、Ｔ１５）の直列回路を
有しており、一方のチャネル形式の電流源トランジスタ
（Ｔ１６）が第２の回路節点（１３）を介してこれらの
両電流枝路と接続されており、電流源トランジスタのチ
ャネル形式と同一のチャネル形式の両電流枝路の電界効
果トランジスタ（Ｔ１３、Ｔ１５）のゲート端子がレベ
ル変換回路の回路入力端（９、８）を形成しており、上
記電界効果トランジスタ（Ｔ１３、Ｔ１５）と両電流枝
路の他の両電界効果トランジスタ（Ｔ１２、Ｔ１４）と
の間の接続点がレベル変換回路の回路出力端（１０、１
１）を成しており、またこれらの他の両電界効果トラン
ジスタ（Ｔ１２、Ｔ１４）はトライオード領域で動作し
、他方において電流源トランジスタ（Ｔ１６）は飽和領
域で使用されることを特徴とする請求項１ないし３の１
つに記載の差動増幅器。