JPH0626290B2 - 差動増幅器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は差動増幅器、特に業界ではカスコンプ（ＣＡＳ
ＣＯＭＰ）増幅器と称される線形補償した高精度トラン
ジスタ差動増幅器に関する。

［従来の技術及び発明が解決しようとする課題］ 差動相互コンダクタンス増幅器は差動入力電圧信号を差
動出力電流信号に変換出力する回路であるが、簡単なも
のは使用するトランジスタの自己発熱による熱歪により
又は入力信号電圧が大きくなると出力電流に誤差を生じ
る。別の誤差増幅器を用いて主信号増幅器の出力の誤差
を相殺又は低減する補正信号を発生し、出力信号の直線
性を改善する相互コンダクタンス増幅器が提案されてい
る。例えば米国特許第４，１４６，８４４号及び第４，
３２２，６８８号には、主差動増幅器、ベース接地段及
び誤差増幅器を有し、この誤差増幅器の入力及び出力を
夫々ベース接地段のエミッタ及びコレクタに接続する増
幅回路を開示している。米国特許第４，３９０，８４８
号にはエミッタ抵抗を有する主差動増幅器と誤差増幅器
とを有し、後者の入力をエミッタ抵抗器両端に、出力を
主差動増幅器の出力に接続した差動増幅器を開示してい
る。

しかし、これら従来の差動増幅器は、望ましくない誤差
を低減することはできるが、電力消費も増加するという
欠点がある。これらの増幅器が正常に動作するには、誤
差増幅器自体が完全に線形でなければならない。即ち、
誤差増幅器自身により誤差が生じてはならない。誤差増
幅器の線形増幅動作を保証する一般的な方法は、十分な
エミッタバイアス電流を維持することである。しかし、
このバイアス電流は回路中で、他の目的には使用でき
ず、単に消費電力を増加することとなる。

従って、誤差増幅器のバイアス電流が主差動増幅器に再
利用でき、低消費電力で直線性が改善できる線形差動増
幅器を得ることが好ましい。

［課題を解決するための手段及び作用］ 本発明の差動増幅器によると、２個の誤差増幅器を有
し、誤差補正電流を作り主差動増幅器の直線性を改善す
る。この誤差増幅器のバイアス電流の一部は主差動増幅
器に再利用され、消費電力を増加することのない線形動
作が得られる。

本発明の好適実施例によると、主差動増幅器段は２個の
バイポーラトランジスタで構成し、そのエミッタを共通
エミッタ抵抗で相互接続する。この主差動増幅器段は信
号利得の大部分を得るが、その出力中には大入力電圧に
対して誤差項を含んでいる。１対の基準トランジスタの
ベースを主差動増幅器段のトランジスタのベースと共通
に接続する。これら基準トランジスタは主差動増幅器段
のトランジスタと共に２つの誤差増幅器の入力電圧を形
成する。各誤差増幅器は２個のバイポーラトランジスタ
と、主差動増幅器段のトランジスタのエミッタ抵抗と同
じ抵抗を有する単一エミッタ抵抗と、この両端から電源
に接続された１対の電流源とにより構成される。これら
両誤差増幅器の出力電流は夫々基準トランジスタと主差
動増幅器段トランジスタのエミッタに戻し、主差動増幅
器段により生じた誤差電流を相殺する。

［実施例］ 第１図は本発明による差動増幅器の一実施例の回路図を
示す。同図において、主差動増幅器はトランジスタ（１
２）、（１４）とエミッタ抵抗（１８）で構成される。
この主差動増幅器は両トランジスタ（１２）、（１４）
のベースに入力電圧を受け、そのコレクタに信号電流出
力の大部分と誤差電流出力を生じる。１対の基準（又は
付加）トランジスタ（１０）、（１６）のベースは夫々
トランジスタ（１２）、（１４）のベースに接続されて
同じ入力電圧が入力される。この基準トランジスタはバ
イポーラトランジスタ以外にＭＯＳトランジスタその他
高インピーダンス入力電流シンキング用正出力及び電圧
を確立し、電流を供給する負出力の３端子回路であって
もよい。両トランジスタ（１０）、（１２）のエミッタ
間電圧をトランジスタ（２０）、（２４）、エミッタ抵
抗（２２）及び電流源（３２）、（３４）で構成する誤
差増幅器の入力（ベース）電圧とする。他方、トランジ
スタ（１４）、（１６）のエミッタ間電圧をトランジス
タ（２６）、（３０）、エミッタ抵抗（２８）、電流源
（３６）、（３８）で構成する誤差増幅器の入力（ベー
ス）電圧とする。これら両誤差増幅器で得る差動電流を
主差動増幅器の電流と合成して線形出力電流を得る。誤
差増幅器は交差クァド（ＱＵＡＤ）回路に類似してお
り、且つ誤差補償電流（ＣＯＭＰ）を発生するので、こ
れをＱＵＡＤＣＯＭＰ増幅器と称する。

以下、このＱＵＡＤＣＯＭＰ増幅器の動作説明をする。
静止（定常）状態、即ち入力電圧が増幅器に印加されな
いとき、トランジスタのβと誤差電圧の影響は無視する
と、増幅器のバイアス及び動作は容易に明かである。即
ち、電流源（３２）、（３８）が発生する電流は夫々ト
ランジスタ（２０）、（３０）を流れ、エミッタ抵抗を
有する単純な差動トランジスタ対と同様に電流バイアス
を供給する。電流源（３４）、（３６）の電流は夫々ト
ランジスタ（２４）、（２６）を介して夫々基準トラン
ジスタ（１０）、（１６）に流れ、主差動増幅器のコレ
クタで加算される。

次に、差動信号電圧が印加され、エミッタ抵抗（１８）
両端にこれに応じた電位差が生じ、差動信号電流が流れ
ると仮定する。また、バイアス電流源（３２）、（３
８）の大きさはＩ_Ｍであり、バイアス電流源（３４）、
（３６）の大きさはＩ_Ｅであるとする。差動出力電流は
数式で表わすことができる。トランジスタ（１２）、
（１４）のベース−エミッタ間電圧ｄＶ_１、ｄＶ_２が共
に０であるとすると、誤差増幅器は差動電流を生じな
い。よって、増幅器の合計差動出力電流は次式で表わさ
れる。

Ｉ_０＝Ｉ₀₁−Ｉ₀₂＝Ｉ_M＋Ｉ_E＋｛＋Ｖ_IN−（−Ｖ_IN）｝／ Ｒ_Ｅ−〔Ｉ_Ｍ＋Ｉ_Ｅ−｛＋Ｖ_IN−（−Ｖ_IN）｝／Ｒ_Ｅ〕＝２｛＋Ｖ_IN−（−Ｖ
_IN）｝／Ｒ_Ｅ ここで、印加した差動入力電圧により主差動増幅器に誤
差電圧が存すると仮定する。第１図中、誤差電圧をｄＶ
_１及びｄＶ_２で示す。図示の如く、誤差電圧ｄＶ_１はト
ランジスタ（１２）のベース−エミッタ接合電圧に加算
され、誤差電圧ｄＶ_２はトランジスタ（１４）のベース
−エミッタ接合電圧から減算される。この増幅器はこれ
ら誤差電圧により生じる電流を相殺するよう設計されて
いる。換言すると、増幅器の出力電流Ｉ₀₁−Ｉ₀₂には誤
差電流は含まない。

解析の便宜上、入力電圧により流れる差動電流は無視す
るものとする。以下の解析は増幅器のどこに誤差電流が
現われ、いかにしてそれが相殺されるかを示す。

第１図でラベルを付した電流は誤差電力とエミッタ抵抗
Ｒ_Ｅにより定義できる。エミッタ抵抗を流れる３つの電
流は次式で与えられる。

Ｉ_RE1＝（ｄＶ_１＋ｄＶ_２）／Ｒ_Ｅ・・・・（１） Ｉ_RE2＝ｄＶ_１／Ｒ_Ｅ ・・・・（２） Ｉ_RE3＝ｄＶ_２／Ｒ_Ｅ ・・・・（３） トランジスタのβの影響を無視すると、誤差補正増幅器
の出力電流は次式で与えられる。

Ｉ_３＝Ｉ_RE2 ・・・・（４） Ｉ_４＝−Ｉ_RE2 ・・・・（５） Ｉ_５＝Ｉ_RE3 ・・・・（６） Ｉ_６＝−Ｉ_RE3 ・・・・（７） 主差動増幅器のコレクタ電流は次式で与えられる。

Ｉ_１＝Ｉ_３−Ｉ_RE1 ・・・・（８） Ｉ_２＝Ｉ_６＋Ｉ_RE1 ・・・・（９） よって、合計差動出力電流Ｉ_０は次式で与えられる。

Ｉ_０＝Ｉ₀₁−Ｉ₀₂＝Ｉ_１＋Ｉ_５−（Ｉ_２＋Ｉ_４） この式に（８）、（９）、（５）及び（６）式を代入す
ると、Ｉ_０は次式のようになる。

Ｉ_０＝Ｉ_３−Ｉ_RE1＋Ｉ_RE3 −（Ｉ_６＋Ｉ_RE1−Ｉ_RE2） 更に式（４）、（７）、（１）、（２）及び（３）を代
入すると Ｉ_０＝ｄＶ_１／Ｒ_Ｅ−（ｄＶ_１＋ｄＶ_２）／Ｒ_Ｅ＋ｄ Ｖ_２／Ｒ_Ｅ−｛−ｄＶ_２／Ｒ_Ｅ＋（ｄＶ_１＋ ｄＶ_２）／Ｒ_Ｅ−ｄＶ_１／Ｒ_Ｅ｝＝０ 従って、増幅器は主差動増幅器の誤差電圧により生じた
誤差電流の線形化手段を提供することが明かになる。

誤差補正を生じる誤差増幅器は主増幅器へのバイアス電
流をも供給することに注目されたい。電流源（３２）、
（３８）はトランジスタ（２０）、（３０）にバイアス
電流を供給すると共にトランジスタ（１２）、（１４）
にもバイアス電流を供給する。電流源（３４）、（３
６）の電流のみが再利用されない。これにより、主差動
増幅器への別個の電流源が不要になるので、消費電力の
節約が可能になる。

本発明の差動増幅器の更に別の効果として、誤差増幅器
が自己線形作用をすることである。これは誤差増幅器の
二次的誤差を最小にするのに有効である。即ち、トラン
ジスタ（２４）が、小さな誤差項を有し、そのベース−
エミッタ電圧から差引き、且つトランジスタ（２０）が
小さな誤差項を有し、そのベース−エミッタ電圧に加算
されるとすると、これは次式で表わされる。

Ｖ_BE（２４）＝Ｖ−ｄＶ_Ａ Ｖ_BE（２０）＝Ｖ−ｄＶ_Ｂ しかし、トランジスタ（２０）、（２４）の電流は夫々
トランジスタ（１０）、（１２）に流入するので、トラ
ンジスタ（１０）、（１２）のベース−エミッタ接合電
圧は次式で表わされる。

Ｖ_BE（１０）＝Ｖ−ｄＶ_Ａ Ｖ_BE（１２）Ｖ＋ｄＶ_Ｂ エミッタ抵抗（２２）両端の合計電圧Ｖ（２２）は次式
で与えられる。

Ｖ（２２）Ｖ_BE（１０）＋Ｖ_BE（２０）− ｛Ｖ_BE（１２）＋Ｖ_BE（２４）｝２Ｖ− ｄＶ_Ａ＋ｄＶ_Ｂ−（２Ｖ−ｄＶ_Ａ＋ｄＶ_Ｂ）０ 従って、誤差増幅機内の誤差電圧によりエミッタ抵抗
（２２）両端には殆ど電圧が現われない。そこで、誤差
増幅器は大きな二次的誤差電流を主差動増幅器に付加し
ないので、自己線形作用を有すると言える。

主差動増幅器の誤差補正と誤差増幅器の自己線形動作と
により、付加的な効果が得られる。即ち、増幅器は鋭い
リミタ作用を有する。入力デバイス（トランジスタ）の
一方が遮断状態に近づくと、従来の未補正増幅器は大き
な利得変化を生じるが、本発明の差動増幅器では略一定
利得を維持する。

誤差補正増幅器が過大差動電圧入力により飽和するのを
防止する為に、誤差補正増幅器を一部変形してもよい。
その一例を第２図に示す。ツェナダイオード（４０）〜
（４６）等の電圧シフト回路をトランジスタ（２０）、
（２４）、（２６）及び（３０）のベースに直列接続す
る。

多くの集積回路（ＩＣ）の場合と同様に、各デバイスが
マッチングするのが好ましい。最適動作の為、トランジ
スタ（１０）−（１６）、（１２）−（１４）、（２
０）−（２４）、（２６）−（３０）及び抵抗（１８）
−（２２）−（２８）がマッチングしていることが好ま
しい。電流源（３２）、（３４）、（３６）及び（３
８）もマッチングしてもよいが、特にマッチングした電
流源（３２）及び（３８）とマッチングした電流源（３
４）及び（３６）の電流比を所定値にする。この比関係
の電流源を用いる場合には、トランジスタ（２０）及び
（３０）と（２４）及び（２６）のエミッタ面積比も同
じにするのが好ましい。更に、正しい入力電圧が誤差補
正増幅器に入力されるようにする為、トランジスタ（１
０）と（１６）を熱的にマッチングさせるのが好まし
い。

尚、上述の実施例では４個の電流源（３２）−（３８）
を使用したが、エミッタ抵抗（２２）、（２８）を各々
Ｒ_Ｅ／２の大きさの２個の直列抵抗とし、その中央に各
１個の電流源を接続した回路構成として必要とする電流
源を２個とすることも可能である。

［発明の効果］ 上述の説明から明らかな如く、本発明の差動増幅器によ
ると、主差動増幅器の両入力側に１対の差動型誤差補正
増幅器を使用することにより、主差動増幅器のトランジ
スタのベース−エミッタ接合電圧に起因する誤差電流を
効果的に相殺ないし著しく低減すると共に、主差動増幅
器のバイアス電流も供給するよう構成している。よっ
て、差動増幅器全体の消費電力を低減することができ、
しかも自己線形動作するので、誤差補正増幅器による二
次的な誤差の発生を最小にすることが可能である。更
に、主差動増幅器と誤差補正増幅器の入力間に電圧シフ
ト手段を挿入することにより、主差動増幅器への過大入
力特性を改善することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による差動増幅器の第１実施例の回路
図、第２図は本発明による差動増幅器の第２実施例の回
路図である。 （１２）、（１４）、（１８）は主差動増幅器、（１
０）、（１６）は付加トランジスタ、（２０）、（２
２）、（２４）及び（２６）、（２８）、（３０）は第
１及び第２誤差（補正）増幅器、（４０）−（４６）は
電圧シフト回路である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】１対のエミッタ結合トランジスタを含む主
   差動増幅器と、 該主差動増幅器の入力に夫々入力端子が接続され出力端
   子が上記主差動増幅器の出力に交差接続された付加トラ
   ンジスタと、 上記主差動増幅器の上記トランジスタのエミッタ及び上
   記付加トランジスタの対応電極間に夫々入力及び出力が
   交差関係で接続された１対の差動接続された誤差補正増
   幅器と を具える差動増幅器。