JPH0666604B2 - プログラマブル利得計測増幅器 - Google Patents
プログラマブル利得計測増幅器Info
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- JPH0666604B2 JPH0666604B2 JP63167625A JP16762588A JPH0666604B2 JP H0666604 B2 JPH0666604 B2 JP H0666604B2 JP 63167625 A JP63167625 A JP 63167625A JP 16762588 A JP16762588 A JP 16762588A JP H0666604 B2 JPH0666604 B2 JP H0666604B2
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03G—CONTROL OF AMPLIFICATION
- H03G3/00—Gain control in amplifiers or frequency changers
- H03G3/001—Digital control of analog signals
Landscapes
- Amplifiers (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、プログラマブル利得増幅器に関し、より詳細
には、従来のバイポーラbi−fet製造工程を用いてモノ
リシック集積回路チップ上に都合よく実現できるプログ
ラマブル利得計測増幅器に関する。
には、従来のバイポーラbi−fet製造工程を用いてモノ
リシック集積回路チップ上に都合よく実現できるプログ
ラマブル利得計測増幅器に関する。
従来技術 従来、種々の計測増幅器が知られている。第１図は、標
準的な三演算増幅器型の計測増幅器を示しており、この
増幅器は二つの「利得セル」を含んでいる。これらの二
つの利得セルは、それらの正入力に作動入力信号が適用
されるように接続されており、これら二つの利得セルの
出力は、差動増幅器として接続された第三作動増幅器に
差動入力として適用されている。
準的な三演算増幅器型の計測増幅器を示しており、この
増幅器は二つの「利得セル」を含んでいる。これらの二
つの利得セルは、それらの正入力に作動入力信号が適用
されるように接続されており、これら二つの利得セルの
出力は、差動増幅器として接続された第三作動増幅器に
差動入力として適用されている。
第１図の従来技術の回路における問題は、標準的なモノ
リシック集積回路チップにプログラマブル利得計測増幅
器を設けるのに、この設計を用いることが実用的でない
ことである。第１図の回路にプログラム可能な利得を与
えるために、非常に多くのトランジスタ及び抵抗を二重
に用いて効率的な設計を成し遂げる必要がある。更に、
第１図の計測増幅器のコモンモード除去は、抵抗11、1
2、15及び16の整合の精度に大きく依存している。この
ことは、好ましくないことである。というのは、抵抗の
極端に精密な整合を高生産歩留りでもって行うことが困
難であるからである。
リシック集積回路チップにプログラマブル利得計測増幅
器を設けるのに、この設計を用いることが実用的でない
ことである。第１図の回路にプログラム可能な利得を与
えるために、非常に多くのトランジスタ及び抵抗を二重
に用いて効率的な設計を成し遂げる必要がある。更に、
第１図の計測増幅器のコモンモード除去は、抵抗11、1
2、15及び16の整合の精度に大きく依存している。この
ことは、好ましくないことである。というのは、抵抗の
極端に精密な整合を高生産歩留りでもって行うことが困
難であるからである。
計測増幅器を実現する他の従来方法が第２図に示されて
いる。この図は、PMI社（カリフォルニア州サンタクラ
ラのプレシジヨン・モノリシックス・インコポレーテッ
ド）が同社のAMPO1及びAMPO5型計測増幅器に用いている
回路を示している。入力信号VINは、定電流で動作する
２つのエミッタフォロアによって緩衝され、利得抵抗25
は、それらのエミッタ間に接続されている。駆動電流23
及び24と利得回路25を流れる信号電流との差は、トラン
ジスタ28及び29のコレクタに供給され、トランジスタ28
及び29のエミッタは、スケーリング抵抗30及び電流源34
及び35に接続されている。これらのコレクタ電流とエミ
ッタ電流源との間の差は、スケーリング抵抗30を流れる
ように強制される。トランジスタ28及び29のエミッタに
おける電圧は次に、フィードバック回路36及び37により
使用されて、計測増幅器の出力を入力信号の倍信号とす
る。
いる。この図は、PMI社（カリフォルニア州サンタクラ
ラのプレシジヨン・モノリシックス・インコポレーテッ
ド）が同社のAMPO1及びAMPO5型計測増幅器に用いている
回路を示している。入力信号VINは、定電流で動作する
２つのエミッタフォロアによって緩衝され、利得抵抗25
は、それらのエミッタ間に接続されている。駆動電流23
及び24と利得回路25を流れる信号電流との差は、トラン
ジスタ28及び29のコレクタに供給され、トランジスタ28
及び29のエミッタは、スケーリング抵抗30及び電流源34
及び35に接続されている。これらのコレクタ電流とエミ
ッタ電流源との間の差は、スケーリング抵抗30を流れる
ように強制される。トランジスタ28及び29のエミッタに
おける電圧は次に、フィードバック回路36及び37により
使用されて、計測増幅器の出力を入力信号の倍信号とす
る。
再び、第２図の計測増幅器は、プログラム可能な利得を
与えるようには簡単には修正できない。個別電界効果ト
ランジスタ（破線で示してある）を用いて25A等の付加
的な利得抵抗を切り換えることが、唯一の実用的な技法
と思われる。この方法は、非常に不便である。というの
は、電界効果トランジスタの「オン」抵抗値は、利得抵
抗25及び25Aの抵抗値と比較して非常に小さくする必要
があるからであり、このためハイブリッド集積回路デバ
イスに大型の高価な電界効果トランジスタを用いる必要
があるからである。更に、この電界効果トランジスタの
温度依存性によってエラーが利得に導入される。電界効
果トランジスタの大きなゲート−ドレイン容量カップリ
ングによって、この方法で実現されるプログラマブル計
測増幅器の帯域幅が大きく制限される。また、これらの
デバイスのゲートにおける論理レベルは、入力信号に追
従する必要があり、これにより、この追従を達成するた
めに複雑な回路を含める必要が生じる。
与えるようには簡単には修正できない。個別電界効果ト
ランジスタ（破線で示してある）を用いて25A等の付加
的な利得抵抗を切り換えることが、唯一の実用的な技法
と思われる。この方法は、非常に不便である。というの
は、電界効果トランジスタの「オン」抵抗値は、利得抵
抗25及び25Aの抵抗値と比較して非常に小さくする必要
があるからであり、このためハイブリッド集積回路デバ
イスに大型の高価な電界効果トランジスタを用いる必要
があるからである。更に、この電界効果トランジスタの
温度依存性によってエラーが利得に導入される。電界効
果トランジスタの大きなゲート−ドレイン容量カップリ
ングによって、この方法で実現されるプログラマブル計
測増幅器の帯域幅が大きく制限される。また、これらの
デバイスのゲートにおける論理レベルは、入力信号に追
従する必要があり、これにより、この追従を達成するた
めに複雑な回路を含める必要が生じる。
発明の要約 本発明の目的は、トランジスタパラメータの不整合によ
る不平衡の除去をもたらす、対称性の高い回路を有する
プログラマブル利得計測増幅器を提供することにある。
る不平衡の除去をもたらす、対称性の高い回路を有する
プログラマブル利得計測増幅器を提供することにある。
本発明の目的は、種々の利得制御抵抗を切り換えて回路
動作に入れたり又はそれから外したりすることにより生
じる、その出力信号におけるグリッチの影響を実質的に
受けないプログラマブル利得計測増幅器を提供すること
にある。
動作に入れたり又はそれから外したりすることにより生
じる、その出力信号におけるグリッチの影響を実質的に
受けないプログラマブル利得計測増幅器を提供すること
にある。
本発明の別の目的は、短いセトリング時間を有するプロ
グラマブル計測増幅器を提供することにある。
グラマブル計測増幅器を提供することにある。
簡単に説明すると、且つ本発明の一つの実施例に依れ
ば、本発明が提供するプログラマブル利得増幅器は、第
一、第二、第三、及び第四利得選択トランジスタを含
み、その第一及び第二利得選択トランジスタの制御電極
が第一利得選択信号に接続されている。この増幅器はま
た、第三及び第四利得選択トランジスタの制御電極が第
二利得選択信号に接続されており、そして第一及び第二
出力トランジスタを含み、この第一出力トランジスタ及
び上記第一及び第三利得選択トランジスタの第一電流搬
送電極が第一定電流源に結合されており、上記第二出力
トランジスタ及び上記第二及び第四利得選択トランジス
タの第一電流搬送電極が第二定電流源に接続されてい
る。この増幅器は更に、第一、第二、第三、及び第四入
力トランジスタを含み、これら第一、第二、第三、及び
第四入力トランジスタの第一電流搬送電極が、上記第
一、第二、第三、及び第四利得選択トランジスタの第二
電流搬送電極にそれぞれ接続されており、上記第一及び
第三入力トランジスタの制御電極が第一入力端子に接続
されている。上記第二及び第四入力トランジスタの制御
電極は、第二入力端子に接続されており、上記第一及び
第三入力トランジスタの第二電流搬送端子は、第三定電
流源に接続されており、上記第一及び第三入力トランジ
スタの第二電流搬送電極は、第三定電流源に接続されて
おり、上記第二及び第四入力トランジスタの第二電流搬
送電極は、第四定電流源に接続されている。この増幅器
は更に、上記第一及び第二入力トランジスタの第一及び
第二電流搬送電極間に接続された第一利得抵抗を含んで
いる。この増幅器はまた、上記第三及び第四入力トラン
ジスタの第一電流搬送電極間に接続された第二利得抵抗
を含んでいる。この増幅器は、上記第一及び第二出力ト
ランジスタの制御電極をバイアスするための回路を含ん
でいる。これらの第一及び第二入力トランジスタの第二
電流搬送端子を第一及び第二出力電流がそれぞれ流れ
る。この増幅器の利得は、第一利得選択信号に応答して
上記第一及び第二利得選択トランジスタをオンにするこ
とにより且つ上記第三及び第四利得選択トランジスタを
オフにすることにより上記第一利得抵抗により決定され
る第一値に選定し、あるいは上記第二利得選択信号に応
答して上記第三及び第四利得選択トランジスタをオンに
することにより上記第二利得抵抗により決定される第二
値に選定することが可能である。
ば、本発明が提供するプログラマブル利得増幅器は、第
一、第二、第三、及び第四利得選択トランジスタを含
み、その第一及び第二利得選択トランジスタの制御電極
が第一利得選択信号に接続されている。この増幅器はま
た、第三及び第四利得選択トランジスタの制御電極が第
二利得選択信号に接続されており、そして第一及び第二
出力トランジスタを含み、この第一出力トランジスタ及
び上記第一及び第三利得選択トランジスタの第一電流搬
送電極が第一定電流源に結合されており、上記第二出力
トランジスタ及び上記第二及び第四利得選択トランジス
タの第一電流搬送電極が第二定電流源に接続されてい
る。この増幅器は更に、第一、第二、第三、及び第四入
力トランジスタを含み、これら第一、第二、第三、及び
第四入力トランジスタの第一電流搬送電極が、上記第
一、第二、第三、及び第四利得選択トランジスタの第二
電流搬送電極にそれぞれ接続されており、上記第一及び
第三入力トランジスタの制御電極が第一入力端子に接続
されている。上記第二及び第四入力トランジスタの制御
電極は、第二入力端子に接続されており、上記第一及び
第三入力トランジスタの第二電流搬送端子は、第三定電
流源に接続されており、上記第一及び第三入力トランジ
スタの第二電流搬送電極は、第三定電流源に接続されて
おり、上記第二及び第四入力トランジスタの第二電流搬
送電極は、第四定電流源に接続されている。この増幅器
は更に、上記第一及び第二入力トランジスタの第一及び
第二電流搬送電極間に接続された第一利得抵抗を含んで
いる。この増幅器はまた、上記第三及び第四入力トラン
ジスタの第一電流搬送電極間に接続された第二利得抵抗
を含んでいる。この増幅器は、上記第一及び第二出力ト
ランジスタの制御電極をバイアスするための回路を含ん
でいる。これらの第一及び第二入力トランジスタの第二
電流搬送端子を第一及び第二出力電流がそれぞれ流れ
る。この増幅器の利得は、第一利得選択信号に応答して
上記第一及び第二利得選択トランジスタをオンにするこ
とにより且つ上記第三及び第四利得選択トランジスタを
オフにすることにより上記第一利得抵抗により決定され
る第一値に選定し、あるいは上記第二利得選択信号に応
答して上記第三及び第四利得選択トランジスタをオンに
することにより上記第二利得抵抗により決定される第二
値に選定することが可能である。
発明の好ましい実施例の説明 第３図は、本発明に係るバイポーラトランジスタ実施例
を示す。第３図の計測増幅器は、二つの入力端子７及び
８を含んでおり、これらの入力端子間に入力電圧VINが
適用される。入力端子７は、NPN入力トランジスタ21A及
び21Bのベースに接続されている。同様に、入力端子８
は、NPN入力トランジスタ22A及び22Bのベースに接続さ
れている。入力トランジスタ21A及び21Bのコレクタは、
定電流源23に且つ反転増幅器46Aの入力に接続されてお
り、反転増幅器46Aの出力は、NPN出力トランジスタ43の
ベースに接続されている。同様に、入力トランジスタ22
A及び22Bのコレクタは、定電流源24に且つ反転増幅器46
Bの入力に接続されており、反転増幅器46Bの出力50B
は、NPN出力トランジスタ44のベース電極に接続されて
いる。定電流源23及び24は、＋Ｖから等しい電流を供給
する。
を示す。第３図の計測増幅器は、二つの入力端子７及び
８を含んでおり、これらの入力端子間に入力電圧VINが
適用される。入力端子７は、NPN入力トランジスタ21A及
び21Bのベースに接続されている。同様に、入力端子８
は、NPN入力トランジスタ22A及び22Bのベースに接続さ
れている。入力トランジスタ21A及び21Bのコレクタは、
定電流源23に且つ反転増幅器46Aの入力に接続されてお
り、反転増幅器46Aの出力は、NPN出力トランジスタ43の
ベースに接続されている。同様に、入力トランジスタ22
A及び22Bのコレクタは、定電流源24に且つ反転増幅器46
Bの入力に接続されており、反転増幅器46Bの出力50B
は、NPN出力トランジスタ44のベース電極に接続されて
いる。定電流源23及び24は、＋Ｖから等しい電流を供給
する。
入力トランジスタ21Aのエミッタは、その抵抗値がR1で
ある第一利得抵抗25Aの一方の端子に、且つNPN選択トラ
ンジスタ28Aのコレクタに接続されている。トランジス
タ28Aのベースは、第一利得選択電圧VR1を受けるように
導体42Aによって接続されている。トランジスタ28Aのエ
ミッタは、導体45Aによって出力トランジスタ43のエミ
ッタに且つ定電流源34に接続されており、この定電流源
34は、定電流を−Ｖに戻す。
ある第一利得抵抗25Aの一方の端子に、且つNPN選択トラ
ンジスタ28Aのコレクタに接続されている。トランジス
タ28Aのベースは、第一利得選択電圧VR1を受けるように
導体42Aによって接続されている。トランジスタ28Aのエ
ミッタは、導体45Aによって出力トランジスタ43のエミ
ッタに且つ定電流源34に接続されており、この定電流源
34は、定電流を−Ｖに戻す。
同様に、入力トランジスタ22Aのエミッタは、利得抵抗2
5Aの他方の端子に且つ利得選択トランジスタ29Aのコレ
クタに接続されている。利得選択トランジスタ29Aのベ
ースは、導体42Aに接続されており、そのエミッタは、
導体45Bによって出力トランジスタ44のエミッタに且つ
定電流源35に接続されており、定電流源35の電流は、定
電流源34の電流に等しく、そして−Ｖに接続されてい
る。
5Aの他方の端子に且つ利得選択トランジスタ29Aのコレ
クタに接続されている。利得選択トランジスタ29Aのベ
ースは、導体42Aに接続されており、そのエミッタは、
導体45Bによって出力トランジスタ44のエミッタに且つ
定電流源35に接続されており、定電流源35の電流は、定
電流源34の電流に等しく、そして−Ｖに接続されてい
る。
入力トランジスタ21Bのエミッタは、その抵抗値がR2で
ある第二利得選択抵抗25Bの一方の端子に且つNPN利得ト
ランジスタ28Bのコレクタに接続されている。この利得
選択トランジスタ28Bのエミッタは、導体45Aに接続され
ており、そのベースは、導体42Bによって第二利得選択
電圧VR2に接続されている。入力トランジスタ22Bのエミ
ッタは、利得選択抵抗25Bの他方の端子に且つ利得選択
トランジスタ29Bのコレクタに接続されており、トラン
ジスタ29Bのベースは、導体42BによってVR2に接続され
ている。トランジスタ29Bのエミッタは、導体45Bに接続
されている。
ある第二利得選択抵抗25Bの一方の端子に且つNPN利得ト
ランジスタ28Bのコレクタに接続されている。この利得
選択トランジスタ28Bのエミッタは、導体45Aに接続され
ており、そのベースは、導体42Bによって第二利得選択
電圧VR2に接続されている。入力トランジスタ22Bのエミ
ッタは、利得選択抵抗25Bの他方の端子に且つ利得選択
トランジスタ29Bのコレクタに接続されており、トラン
ジスタ29Bのベースは、導体42BによってVR2に接続され
ている。トランジスタ29Bのエミッタは、導体45Bに接続
されている。
出力トランジスタ43のコレクタは、導体53Aによって演
算増幅器38の反転入力に且つフィードバック抵抗48の一
方の端子に接続されており、この抵抗48の抵抗値はＲで
ある。演算増幅器38の出力は、抵抗48の他方の端子に接
続されており、また導体17によってVOUTに接続されてい
る。
算増幅器38の反転入力に且つフィードバック抵抗48の一
方の端子に接続されており、この抵抗48の抵抗値はＲで
ある。演算増幅器38の出力は、抵抗48の他方の端子に接
続されており、また導体17によってVOUTに接続されてい
る。
出力トランジスタ44のコレクタは、導体53Bによって演
算増幅器38の非反転入力にまたその抵抗値がＲである抵
抗47の一方の端子に接続されている。抵抗47の他方の端
子は接地されている。
算増幅器38の非反転入力にまたその抵抗値がＲである抵
抗47の一方の端子に接続されている。抵抗47の他方の端
子は接地されている。
出力電流I01が導体53Aを通して出力トランジスタ43のコ
レクタに流れ込み、出力電流I02が導体53Bを通して出力
トランジスタ44のコレクタに流れ込む。
レクタに流れ込み、出力電流I02が導体53Bを通して出力
トランジスタ44のコレクタに流れ込む。
当業者は、以下のことを認識できる。即ち、利得抵抗ト
ランジスタ28A及び29AがオフになるようにVR1が比較的
低い電圧にあり且つVR2が比較的高い電圧にある場合、
入力トランジスタ21A及び22Aのエミッタを電流が流れ
ず、その利得抵抗25Aは回路外となるように効果的に切
り換えられ、従ってプログラマブル利得増幅器の利得
は、利得抵抗25B、即ちR2によって決定される。同様
に、VVR1が高電圧にあり且つVR2が低電圧にある場合、
利得選択トランジスタ28B及び29Bはオフであり、入力ト
ランジスタ21B及び22Bを通して電流が流れず、利得抵抗
25Bは回路外となるように効果的に切り換えられ、従っ
て第３図のプログラマブル利得増幅器の利得は、利得抵
抗25A、即ち、R1によって決定される。
ランジスタ28A及び29AがオフになるようにVR1が比較的
低い電圧にあり且つVR2が比較的高い電圧にある場合、
入力トランジスタ21A及び22Aのエミッタを電流が流れ
ず、その利得抵抗25Aは回路外となるように効果的に切
り換えられ、従ってプログラマブル利得増幅器の利得
は、利得抵抗25B、即ちR2によって決定される。同様
に、VVR1が高電圧にあり且つVR2が低電圧にある場合、
利得選択トランジスタ28B及び29Bはオフであり、入力ト
ランジスタ21B及び22Bを通して電流が流れず、利得抵抗
25Bは回路外となるように効果的に切り換えられ、従っ
て第３図のプログラマブル利得増幅器の利得は、利得抵
抗25A、即ち、R1によって決定される。
第３図のプログラマブル計測増幅器の動作の他の特徴
は、VR1が高電圧になり且つVR2が低電圧にあることを仮
定することにより理解できる。このように仮定すると、
R1の両端に直接、差分入力電圧△VINが現われることが
判る。抵抗R1の両端のこと差分電圧によって、R1に差分
電流△Ｉが形成され、これは、I02の増分的な増加とし
て且つI01の増分的な減少として現れる。当業者は、こ
れが生じるのは、入力トランジスタ21A及び22Aを流れる
電流が一定であり、定電流源23及び24が等しく、そして
定電流源34及び35が等しいこと、が理由であることを認
識しよう。
は、VR1が高電圧になり且つVR2が低電圧にあることを仮
定することにより理解できる。このように仮定すると、
R1の両端に直接、差分入力電圧△VINが現われることが
判る。抵抗R1の両端のこと差分電圧によって、R1に差分
電流△Ｉが形成され、これは、I02の増分的な増加とし
て且つI01の増分的な減少として現れる。当業者は、こ
れが生じるのは、入力トランジスタ21A及び22Aを流れる
電流が一定であり、定電流源23及び24が等しく、そして
定電流源34及び35が等しいこと、が理由であることを認
識しよう。
これら二つの出力電流I01及びI02並びにそれらの増分的
な増加及び減少は、それぞれ抵抗48及び47を流れ、これ
により抵抗47の両端の電圧の増分的な減少及び抵抗48の
両端の電圧の増分的な増加を生じる。抵抗47の両端の電
圧の差分減少は、単に△Ｉ×Ｒであり、そして抵抗48の
両端には等しい増分的な増加が現われ、ここで△Ｉは、
I02−I01と等しい。この電流差△Ｉが△VIN÷R1と等し
いため、第３図の増幅器の電圧利得式は、VR1が高電圧
にあり且つVR2が低電圧にある場合は2R÷R1であり、VR2
が高電圧にありVR1が低電圧にある場合は2R÷R2にな
る。
な増加及び減少は、それぞれ抵抗48及び47を流れ、これ
により抵抗47の両端の電圧の増分的な減少及び抵抗48の
両端の電圧の増分的な増加を生じる。抵抗47の両端の電
圧の差分減少は、単に△Ｉ×Ｒであり、そして抵抗48の
両端には等しい増分的な増加が現われ、ここで△Ｉは、
I02−I01と等しい。この電流差△Ｉが△VIN÷R1と等し
いため、第３図の増幅器の電圧利得式は、VR1が高電圧
にあり且つVR2が低電圧にある場合は2R÷R1であり、VR2
が高電圧にありVR1が低電圧にある場合は2R÷R2にな
る。
Ｒの典型的な値は、30キロオームとすることができ、R1
及びR2の値は、60オーム乃至60キロオームの範囲内であ
り得る。
及びR2の値は、60オーム乃至60キロオームの範囲内であ
り得る。
上記のプログラマブル計測利得増幅器の帯域幅は、非常
に高くすることができ、一般的には、１乃至100の利得
に対して１メガヘルツより高くすることができる。増幅
器の利得が約100を超えた場合、トランジスタパラメー
タの幾つかが作用してきて、その結果帯域幅が減少す
る。反転増幅器46A及び46Bの利得は非常に低くすること
ができる。本発明者の回路シミュレーションによると、
この回路は、反転増幅器46A及び46Bの利得が約15と言う
ような低さでもって正確に機能する。
に高くすることができ、一般的には、１乃至100の利得
に対して１メガヘルツより高くすることができる。増幅
器の利得が約100を超えた場合、トランジスタパラメー
タの幾つかが作用してきて、その結果帯域幅が減少す
る。反転増幅器46A及び46Bの利得は非常に低くすること
ができる。本発明者の回路シミュレーションによると、
この回路は、反転増幅器46A及び46Bの利得が約15と言う
ような低さでもって正確に機能する。
第３図の計測増幅器回路が初期に「平衡」を取られる
と、即ち、VINが０と等しくなると、電流源23及び24
は、選択された入力トランジスタ及び利得選択トランジ
スタを通して等しい電流を供給する。利得抵抗R1が選択
された場合、トランジスタ28A及び29Aを流れる電流はI
01及びI02と等しくなる。増幅器46A及び46Bの入力にお
ける電圧は、同一の静止値を確立している。
と、即ち、VINが０と等しくなると、電流源23及び24
は、選択された入力トランジスタ及び利得選択トランジ
スタを通して等しい電流を供給する。利得抵抗R1が選択
された場合、トランジスタ28A及び29Aを流れる電流はI
01及びI02と等しくなる。増幅器46A及び46Bの入力にお
ける電圧は、同一の静止値を確立している。
この回路の動作原理を理解するために、VINがゼロから
△VINに増加すると仮定しよう。これにより、R1の両端
に△VINの電圧降下が生じ、そして△VIN÷R1に等しい電
流がR1の左手から右手に流れる。この電流は、トランジ
スタ29Aのコレクタに流れ込もうとし且つトランジスタ2
2Aのエミッタの電圧を増大して、このコレクタ電流を減
少する傾向にある。これは、定電流源24を流れる電流を
減少させようと試みこれにより導体49Bの電圧の上昇を
生じさせる。反転増幅器46Bは、導体50Bの電圧に対応の
減少を生じ、出力トランジスタ44を流れる電流を減少す
る傾向にある。これにより、定電流源35からの定電流が
トランジスタ29Bを通ってもっと流れるようになり、ト
ランジスタ29Bのコレクタ電圧は、電流増分△VIN÷R1が
どこかで流れるように調節する。電流源35の電流は一定
であるため、トランジスタ29Bを流れる電流の増加によ
り、出力電流I02における△Ｉの減少をもたらす。
△VINに増加すると仮定しよう。これにより、R1の両端
に△VINの電圧降下が生じ、そして△VIN÷R1に等しい電
流がR1の左手から右手に流れる。この電流は、トランジ
スタ29Aのコレクタに流れ込もうとし且つトランジスタ2
2Aのエミッタの電圧を増大して、このコレクタ電流を減
少する傾向にある。これは、定電流源24を流れる電流を
減少させようと試みこれにより導体49Bの電圧の上昇を
生じさせる。反転増幅器46Bは、導体50Bの電圧に対応の
減少を生じ、出力トランジスタ44を流れる電流を減少す
る傾向にある。これにより、定電流源35からの定電流が
トランジスタ29Bを通ってもっと流れるようになり、ト
ランジスタ29Bのコレクタ電圧は、電流増分△VIN÷R1が
どこかで流れるように調節する。電流源35の電流は一定
であるため、トランジスタ29Bを流れる電流の増加によ
り、出力電流I02における△Ｉの減少をもたらす。
同様にして、実質的に反対の動作が計測増幅器の左半分
に生じる。抵抗R1を左から右に流れる電流△Ｉは、トラ
ンジスタ28Bのコレクタを流れてしまうような電流を奪
う。これにより、トランジスタ21Aのエミッタ電圧が減
少する。この減少により、トランジスタ21Aをより少し
強くオンにするため、トランジスタ21Aに定電流源23か
ら電流をもっと引かせようとする。これにより、増幅器
46Aの入力における電圧が減少し、増幅器46Aは、導体50
Aに対応の増加を生じ、これにより、出力トランジスタ4
3を流れる定電流34の部分における対応の増加を生じ、
そしてI01の△Ｉの増加を生じる。
に生じる。抵抗R1を左から右に流れる電流△Ｉは、トラ
ンジスタ28Bのコレクタを流れてしまうような電流を奪
う。これにより、トランジスタ21Aのエミッタ電圧が減
少する。この減少により、トランジスタ21Aをより少し
強くオンにするため、トランジスタ21Aに定電流源23か
ら電流をもっと引かせようとする。これにより、増幅器
46Aの入力における電圧が減少し、増幅器46Aは、導体50
Aに対応の増加を生じ、これにより、出力トランジスタ4
3を流れる定電流34の部分における対応の増加を生じ、
そしてI01の△Ｉの増加を生じる。
ここで銘記すべきことは以下の通りである。即ち、第３
図のプログラマブル利得増幅器「差動サブセクション」
56及び57において、選択された利得選択トランジスタ
（即ち28Aあるいは28B）を通る電流が、定電流源23と選
択された利得抵抗（即ち抵抗R1又はR2）を流れる電流と
の差に等しいことである。従って、出力トランジスタ43
のコレクタ電流は、信号△Ｉ電流に定電流23及び34間の
差を加えたものと等しくなければならない。斯くして、
これら二つの作動サブセクション56及び57が第３図に示
されているように接続されてこれにより計測増幅器を形
成すると、出力電流I02は、定数から信号電流△Ｉを足
したものと等しくなり、一方他方の側の出力電流I
01は、定数から信号電流△Ｉを引いたものとなる。勿
論、上記と同じようにして、三つ以上の選択可能利得抵
抗及び関連の回路を形成することもできる。
図のプログラマブル利得増幅器「差動サブセクション」
56及び57において、選択された利得選択トランジスタ
（即ち28Aあるいは28B）を通る電流が、定電流源23と選
択された利得抵抗（即ち抵抗R1又はR2）を流れる電流と
の差に等しいことである。従って、出力トランジスタ43
のコレクタ電流は、信号△Ｉ電流に定電流23及び34間の
差を加えたものと等しくなければならない。斯くして、
これら二つの作動サブセクション56及び57が第３図に示
されているように接続されてこれにより計測増幅器を形
成すると、出力電流I02は、定数から信号電流△Ｉを足
したものと等しくなり、一方他方の側の出力電流I
01は、定数から信号電流△Ｉを引いたものとなる。勿
論、上記と同じようにして、三つ以上の選択可能利得抵
抗及び関連の回路を形成することもできる。
ここで銘記すべきことは、VINのコモンモード信号成分
は、出力増幅器38の入力を通して運ばれないということ
である。従って、この回路においてうまく整合されてい
ない抵抗は、コモンモード除去を制限しないがこのコモ
ンモード除去は、主に出力インピーダンスによって決定
される。
は、出力増幅器38の入力を通して運ばれないということ
である。従って、この回路においてうまく整合されてい
ない抵抗は、コモンモード除去を制限しないがこのコモ
ンモード除去は、主に出力インピーダンスによって決定
される。
第３図に述べた回路の主な利点は、計測増幅器に対して
更に別の切換え可能利得値を与えるのに、二つの入力ト
ランジスタ、二つの利得選択トランジスタ、及び一つの
利得抵抗を含む五つの付加的なデバイスだけした必要と
しないということである。
更に別の切換え可能利得値を与えるのに、二つの入力ト
ランジスタ、二つの利得選択トランジスタ、及び一つの
利得抵抗を含む五つの付加的なデバイスだけした必要と
しないということである。
従来技術の計測増幅器は、出力電圧を生じるのに、入力
トランジスタのコレクタに生成された信号を用いている
ため、第３図の計測増幅器は、新規であり、プログラマ
ブル利得特性がなくてもかなり有用であり得ると信ず
る。
トランジスタのコレクタに生成された信号を用いている
ため、第３図の計測増幅器は、新規であり、プログラマ
ブル利得特性がなくてもかなり有用であり得ると信ず
る。
この回路は電流ステアリング原理によって作動するた
め、切換電圧VR1及びVR2の高速過渡が発生する容量カッ
プリングに起因した信号「グリッチ」について、そのセ
トリング時間が長くなるということが避けられる。第３
図の回路の対称性の程度が高いことによって、トランジ
スタパラメータにおける変化によるエラーが相殺され、
ICチップレイアウトにおける対称性の程度が高くなり、
これによりチップの良好な熱平衡が得られる。
め、切換電圧VR1及びVR2の高速過渡が発生する容量カッ
プリングに起因した信号「グリッチ」について、そのセ
トリング時間が長くなるということが避けられる。第３
図の回路の対称性の程度が高いことによって、トランジ
スタパラメータにおける変化によるエラーが相殺され、
ICチップレイアウトにおける対称性の程度が高くなり、
これによりチップの良好な熱平衡が得られる。
次に、第４図について説明する。第４図には、本発明の
代替の好ましい実施例が示されている。出力トランジス
タ43及び44、利得選択トランジスタ28A、28B、29A、及
び29Bは、Ｐチャンネル接合形電界効果トランジスタで
もって実現されており、これらの電界効果トランジスタ
は、多くの従来のバイポーラIC製造工程でモノリシック
「bi-fet」IC構造に集積することができる。第３図のNP
N入力トランジスタは、第４図において同一の参照数字
で表わされたPNP入力トランジスタに置き換えられてい
る。第３図に比べて第４図の回路が好ましい理由は、NP
N利得選択トランジスタ28A、28B、29A、及び29Bのベー
ス電流は、それらのそれぞれのエミッタ電流に「加わ
る」からである。従って、これらのベース電流における
変化が、対応のコレクタ電流の変調をもたらし得る。言
及したそのエミッタ電流はそれぞれ定電流源23及び24に
よって決定されるため、これらの利得選択トランジスタ
のあるトランジスタのベース電流における変化によっ
て、そのコレクタ電流における対応の変化がもたらさ
れ、従って、選択された利得トランジスタのコレクタを
流れる信号電流における変化がもたらされる。これによ
って、計測増幅器利得のエラーがもたらされる。第４図
の回路において、斯かるエラーは、Ｐチャンネル接合形
電界効果トランジスタを利得抵抗スイッチングバイスと
して用いることにより避けられる。斯かる電界効果トラ
ンジスタのゲート電流は無視できるからである。
代替の好ましい実施例が示されている。出力トランジス
タ43及び44、利得選択トランジスタ28A、28B、29A、及
び29Bは、Ｐチャンネル接合形電界効果トランジスタで
もって実現されており、これらの電界効果トランジスタ
は、多くの従来のバイポーラIC製造工程でモノリシック
「bi-fet」IC構造に集積することができる。第３図のNP
N入力トランジスタは、第４図において同一の参照数字
で表わされたPNP入力トランジスタに置き換えられてい
る。第３図に比べて第４図の回路が好ましい理由は、NP
N利得選択トランジスタ28A、28B、29A、及び29Bのベー
ス電流は、それらのそれぞれのエミッタ電流に「加わ
る」からである。従って、これらのベース電流における
変化が、対応のコレクタ電流の変調をもたらし得る。言
及したそのエミッタ電流はそれぞれ定電流源23及び24に
よって決定されるため、これらの利得選択トランジスタ
のあるトランジスタのベース電流における変化によっ
て、そのコレクタ電流における対応の変化がもたらさ
れ、従って、選択された利得トランジスタのコレクタを
流れる信号電流における変化がもたらされる。これによ
って、計測増幅器利得のエラーがもたらされる。第４図
の回路において、斯かるエラーは、Ｐチャンネル接合形
電界効果トランジスタを利得抵抗スイッチングバイスと
して用いることにより避けられる。斯かる電界効果トラ
ンジスタのゲート電流は無視できるからである。
第１図は、従来技術の標準的な三演算増幅器型計測増幅
器の図。第２図は、計測増幅器を実現するための別の従
来の方法を示す図。第３図は、本発明のプログラマブル
利得計測増幅器の１実施例を示す図。第４図は、本発明
の計測増幅器の代替の実施例を示す図。 ７、８……入力端子 21A、21B、22A、22B……トランジスタ、23、24……定電
流源、 25A……第一利得抵抗、25B……第二利得抵抗、28A、28
B、29A、29B……利得選択トランジスタ、 34、35……定電流源、 43、44……出力トランジスタ、 46A、46B……反転増幅器、 VIN……入力電圧、VR1……第一利得選択電圧、VR2……
第二利得選択電圧、I01、I02……出力電流、VOUT……出
力電圧。
器の図。第２図は、計測増幅器を実現するための別の従
来の方法を示す図。第３図は、本発明のプログラマブル
利得計測増幅器の１実施例を示す図。第４図は、本発明
の計測増幅器の代替の実施例を示す図。 ７、８……入力端子 21A、21B、22A、22B……トランジスタ、23、24……定電
流源、 25A……第一利得抵抗、25B……第二利得抵抗、28A、28
B、29A、29B……利得選択トランジスタ、 34、35……定電流源、 43、44……出力トランジスタ、 46A、46B……反転増幅器、 VIN……入力電圧、VR1……第一利得選択電圧、VR2……
第二利得選択電圧、I01、I02……出力電流、VOUT……出
力電圧。
Claims (8)
- 【請求項１】プログラマブル利得増幅器において、 ａ）各々が、制御電極及び第一及び第二電流搬送電極を
有する第一、第二、第三、及び第四利得選択トランジス
タであって、上記第一及び第二利得選択トランジスタの
上記制御電極が、第一利得選択導体に接続されており、
上記第三及び第四利得選択トランジスタの上記制御電極
が、第二利得選択導体に接続されている、第一、第二、
第三、及び第四利得選択トランジスタ、 ｂ）各々が制御電極及び第一及び第二電流搬送電極を有
する第一及び第二出力トランジスタであって、上記第一
出力トランジスタ及び上記第一及び第三利得選択トラン
ジスタの上記第一電流搬送電極が、第一定電流源に結合
されており、上記第二出力トランジスタ及び上記第二及
び第四利得選択トランジスタの上記第一電流搬送電極
が、第二定電流源に接続されている、第一及び第二出力
トランジスタ、 ｃ）各々が制御電極及び第一及び第二電流搬送電極を有
する第一，第二，第三、及び第四入力トランジスタであ
って、上記第一、第二、第三、及び第四入力トランジス
タの上記第一電流搬送電極が、上記第一、第二、第三及
び第四利得選択トランジスタの上記第二電流搬送電極に
それぞれ接続されており、上記第一及び第三入力トラン
ジスタの上記制御電極が、第一入力端子に接続されてお
り、上記第二及び第四入力トランジスタの上記制御電極
が第二入力端子に接続されており、上記第一及び第三入
力トランジスタの上記第二電流搬送電極が、第三定電流
源に接続されており、上記第二及び第四入力トランジス
タの上記第二電流搬送電極が、第四定電流源に接続され
ている、第一、第二、第三、及び第四入力トランジス
タ、 ｄ）上記第一及び第二入力トランジスタの上記第一電流
搬送電極間に接続された第一利得抵抗、並びに上記第三
及び第四入力トランジスタの上記第一電流搬送電極間に
接続された第二利得抵抗、 ｅ）上記第一及び第二出力トランジスタの上記制御電極
をバイアスするためのバイアス手段、を組み合わせて含
み、 これにより、第一及び第二出力電流が上記第一及び第二
出力トランジスタの上記第二電流搬送電極をそれぞれ流
れ、上記増幅器の利得が、上記第一利得選択導体の信号
に応答して上記第一及び第二利得選択トランジスタをオ
ンにすることにより且つ上記第三及び第四利得選択トラ
ンジスタをオフにすることにより上記第一利得抵抗によ
り決定される第一値に選択可能であり、また上記第二利
得選択導体の信号に応答して上記第三及び第四利得選択
トランジスタをオンにし且つ上記第一及び第二利得選択
トランジスタをオフにすることにより上記第二利得抵抗
により決定される第二値に選択可能であること、を特徴
とするプログラマブル利得増幅器。 - 【請求項２】上記バイアス手段が、上記第一及び第三入
力トランジスタの上記第二電流搬送電極に結合された入
力及び上記第一出力トランジスタの上記制御電極に結合
された出力を有する第一反転増幅器、並びに上記第二及
び第四入力トランジスタの上記第二電流搬送電極に接続
された入力及び上記第二出力トランジスタの上記制御電
極に結合された出力を有する第二反転増幅器を含むこ
と、を特徴とする請求項第１項に記載のプログラマブル
利得増幅器。 - 【請求項３】上記第一及び第二出力電流間の増分的電流
差を増幅された増分的出力電圧に変換するために、上記
第一及び第二出力トランジスタの上記第二電流搬送電極
にそれぞれ結合されている電流−電圧変換手段を更に含
むこと、を特徴とする請求項第２項に記載のプログラマ
ブル利得増幅器。 - 【請求項４】上記電流−電圧変換手段が、第一及び第二
入力並びに上記増分的出力電圧を生成するための出力を
有する演算増幅器、上記演算増幅器の上記出力を上記第
一入力及び上記第一出力トランジスタの上記第二電流搬
送電極に結合する第１抵抗、及び基準電圧導体と上記第
二出力トランジスタの第二電流搬送電極との間に結合さ
れた第二抵抗を含み、上記演算増幅器の上記第二入力
が、上記第二出力トランジスタの上記第二電流搬送電極
に結合されていること、を特徴とする請求項第３項に記
載のプログラマブル利得増幅器。 - 【請求項５】上記第一、第二、第三、及び第四入力トラ
ンジスタ、上記第一、第二、第三、及び第四利得選択ト
ランジスタ、並びに上記第一及び第二出力トランジスタ
が全てNPNトランジスタであること、を特徴とする請求
項第２項に記載のプログラマブル利得増幅器。 - 【請求項６】上記第一、第二、第三、及び第四利得選択
トランジスタ、及び上記第一及び第二出力トランジスタ
がバイポーラトランジスタであること、を特徴とする請
求項第２項に記載のプログラマブル利得増幅器。 - 【請求項７】上記第一、第二、第三、及び第四入力トラ
ンジスタが電界効果トランジスタであること、を特徴と
する請求項第２項に記載のプログラマブル利得増幅器。 - 【請求項８】増幅器において、 ａ）各々が、制御電極及び第一及び第二電流搬送電極を
有する第一及び第二トランジスタであって、上記第一及
び第二トランジスタの上記制御電極が上記第一及び第二
トランジスタをオンにするための第一電圧を受けるよう
に接続されている、第一及び第二トランジスタ、 ｂ）各々が制御電極及び第一及び第二電流搬送電極を有
する第一及び第二出力トランジスタであって、上記第一
出力トランジスタ及び上記第一トランジスタの上記第一
電流搬送電極が、第一定電流源に結合されており、上記
第二出力トランジスタ及び上記第二トランジスタの上記
第一電流搬送電極が第二定電流源に接続されている、第
一及び第二出力トランジスタ、 ｃ）各々が制御電極及び第一及び第二電流搬送電極を有
する第一及び第二入力トランジスタであって、上記第一
及び第二入力トランジスタの上記第一電流搬送電極が、
上記第一及び第二トランジスタの上記第二電流搬送電極
にそれぞれ接続されており、上記第一入力トランジスタ
の上記制御電極が第一入力端子に接続されており、上記
第二入力トランジスタの上記制御電極が第二入力端子に
接続されており、上記第一入力トランジスタの上記第二
電流搬送電極が第三定電流源に接続されており、上記第
二入力トランジスタの上記第二電流搬送電極が、第四定
電流源に接続されている、第一及び第二入力トランジス
タ、 ｄ）上記第一及び第二入力トランジスタの上記第一電流
搬送電極間に接続された第一利得抵抗、 ｅ）上記第一及び第二出力トランジスタの上記制御電極
をバイアスするための手段、 を組み合わせて含み、 これにより第一及び第二出力電流が上記第一及び第二出
力トランジスタの上記第二電流搬送電極を流れること、
を特徴とする増幅器。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US100556 | 1987-09-24 | ||
| US07/100,556 US4833422A (en) | 1987-09-24 | 1987-09-24 | Programmable gain instrumentation amplifier |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6471203A JPS6471203A (en) | 1989-03-16 |
| JPH0666604B2 true JPH0666604B2 (ja) | 1994-08-24 |
Family
ID=22280365
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63167625A Expired - Lifetime JPH0666604B2 (ja) | 1987-09-24 | 1988-07-05 | プログラマブル利得計測増幅器 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4833422A (ja) |
| JP (1) | JPH0666604B2 (ja) |
| DE (1) | DE3832448A1 (ja) |
| FR (1) | FR2621190B1 (ja) |
| GB (1) | GB2210221B (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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