JPH07283660A - 多入力トランジスタおよび多入力トランスコンダクタ回路 - Google Patents

多入力トランジスタおよび多入力トランスコンダクタ回路

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JPH07283660A
JPH07283660A JP6071057A JP7105794A JPH07283660A JP H07283660 A JPH07283660 A JP H07283660A JP 6071057 A JP6071057 A JP 6071057A JP 7105794 A JP7105794 A JP 7105794A JP H07283660 A JPH07283660 A JP H07283660A
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drain
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ジスラフ・チャーノル
Kazuhiro Tsuji
和 宏 辻
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】入出力間の直線性が良く、ダイナミックレンジ
の広い、nゲートトランジスタに等価な多入力トランジ
スタ、多入力トランスコンダクタンス回路の提供。 【構成】多入力トランジスタは、それぞれゲートが電圧
入力端子となっており、非飽和動作する並列接続された
複数個の入力用MOSトランジスタ(QA1、..QAn)
と、これらの入力用MOSトランジスタのドレイン・ソ
ース間電圧を一定化する手段10とを備え、入力用MO
Sトランジスタのドレイン共通接続点から電流出力を取
り出す多入力トランスコンダクタ回路は、それぞれゲー
トが電圧入力端子となっており、非飽和動作する並列接
続された複数個のトランジスタよりなる第1のMOSト
ランジスタ群(QA1、..QAn)と、同様構成の第2の
MOSトランジスタ群(QB1、..QBn)と、これらの
トランジスタ群の各トランジスタのドレイン・ソース間
電圧を一定化する手段30とを備え、各MOSトランジ
スタ群のドレイン共通接続点側から電流出力を取り出
す。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は多入力トランジスタおよ
び多入力トランスコンダクタ回路に関するもので、特に
信号処理システムに好適なものである。
【0002】
【従来の技術】複数の入力を有する多入力素子は単純な
論理演算や比較のみならず乗算や加算を行うアナログ・
ディジタル混合信号プロセッサを初めとして種々の分野
で使用されている。このような混合信号プロセッサにお
いては、各演算の速度を向上させるために、多入力素子
の入出力間のゲイン比が良好であることが望まれる。こ
のような要求に応えるものとして複数の電圧入力に対す
る電流出力を得るトランスコンダクタ回路がある。ま
た、多入力素子の一例として、従来、MOSトランジス
タを組み合わせてあたかも多入力を有する1つのMOS
トランジスタであるかのように作動させる疑似多入力M
OSトランジスタ(以下、単に多入力MOSトランジス
タという)が用いられており、これもトランスコンダク
タ回路の一例である。
【0003】従来提案されている多入力トランスコンダ
クタ回路は、典型的には単一のトランスコンダクタを複
数個並列接続することにより実現される。
【0004】単一のトランスコンダクタ回路は例えば、
米国特許4,749,957 に開示されたようなものが知られて
いるが、これを複数個並列接続したものとしては、例え
ば、ゼッキンガおよびグッゲンビュール(Saeckinger ,
Guggenbuehl )著の「万能組立ブロック:CMOS差動
差増幅器」(A Versatile Building Block:The CMOSDef
ferential Amplifier)IEEE半導体回路ジャーナ
ル、Vol.22,No.20,April 1987
等に記載されており、全く同一の構成を有する差動増幅
器を複数組並列に配置したものである。図13はこのよ
うな例を示しており、それぞれ電圧VPPおよびVPNがゲ
ートに印加され、ソースが共通接続されて電流源に接続
された2つのNチャネルMOSトランジスタQ11および
Q12からなる第1の差動増幅器と、それぞれ電圧VNPお
よびVNNがゲートに印加され、ソースが共通接続されて
電流源に接続された2つのNチャネルMOSトランジス
タQ13およびQ14からなる第2の差動増幅器とを備えて
おり、トランジスタQ11およびQ14、ならびにQ12およ
びQ13の対応する側のドレインは共通接続されている。
出力電流はトランジスタQ14のドレイン側から取り出さ
れる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構成では入力電圧に対する電流出力は比例関係にな
く、直線性は得られず、信号プロセッサシステムに適し
てはいない。
【0006】また、米国特許4,533,876 中には2入力ト
ランスコンダクタが記載されており、差動増幅器の出力
共通電圧レベルを連続的に調整するフィードバックルー
プの実現を提案している。しかし、ここに示されたトラ
ンスコンダクタは回路を構成しているトランジスタ間の
閾値電圧の相違のために相互コンダクタンスが一致しな
いという問題があり、このため、信号を扱う能力が制限
され、小さなダイナミックレンジしか持ち得ない。
【0007】本発明はこのような問題を解決するために
なされたもので、入出力間の直線性が良く、ダイナミッ
クレンジの広い、nゲートトランジスタに等価な多入力
トランジスタおよび多入力トランスコンダクタンス回路
を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明にかかる多入力ト
ランジスタによれば、それぞれゲートが電圧入力端子と
なっており、非飽和動作する並列接続された複数個の入
力用MOSトランジスタと、これらの入力用MOSトラ
ンジスタのドレイン・ソース間電圧を一定化する手段と
を備え、前記入力用MOSトランジスタのドレイン共通
接続点から電流出力を取り出すようにしたものである。
ドレイン・ソース間電圧を一定化する手段が、前記複数
個の入力用MOSトランジスタのドレイン共通接続点が
ゲートに接続され、前記入力用トランジスタのソース共
通接続点がソースに接続され、ドレインに定電流源が接
続された第1のトランジスタと、前記第1のトランジス
タのドレインにゲートが、前記入力用トランジスタのド
レイン共通接続点にソースがそれぞれ接続され、ソース
が電流出力取り出し点となる第2のトランジスタよりな
る負帰還回路であると良い。
【0009】また、本発明にかかる多入力トランスコン
ダクタ回路によれば、それぞれゲートが電圧入力端子と
なっており、非飽和動作する並列接続された複数個のト
ランジスタよりなる第1のMOSトランジスタ群と、そ
れぞれゲートが電圧入力端子となっており、非飽和動作
する並列接続された複数個のトランジスタよりなり、そ
のソース共通接続点が前記第1のトランジスタ群のソー
ス共通接続点と接続された第2のMOSトランジスタ群
と、前記第1および第2のMOSトランジスタ群の各ト
ランジスタのドレイン・ソース間電圧を一定化する手段
とを備え、前記各MOSトランジスタ群のドレイン共通
接続点側から電流出力を取り出すようにしたものであ
る。前記ドレイン・ソース間電圧を一定化する手段が、
前記第1群のMOSトランジスタのドレイン共通接続点
がソースに接続され、ドレインが第1の出力端子となる
第1のトランジスタと、前記第2群のMOSトランジス
タのドレイン共通接続点がソースに接続され、ドレイン
が第2の出力端子となり、ゲートが前記第1のトランジ
スタのゲートと共通接続されて一定電圧が供給される第
2のトランジスタとを備えたものであると良い。
【0010】この第1および第2のトランジスタのゲー
ト共通接続点と前記各トランジスタ群の各ソース共通接
続点との間に定電圧源を備えると良い。
【0011】さらに、前記第1のトランジスタのソース
が非反転入力端子、出力端子が前記第1のトランジスタ
のゲートに接続された第1の差動増幅器と、前記第1群
のトランジスタのソース共通接続点と前記第1の差動増
幅回路の反転入力端子間に接続された第1の定電圧源と
を備えた第1のフィードバック回路と、前記第2のトラ
ンジスタのソースが非反転入力端子、出力端子が前記第
2のトランジスタのゲートに接続された第2の差動増幅
器と、前記第2群のトランジスタのソース共通接続点と
前記第2の差動増幅回路の反転入力端子間に接続された
第2の定電圧源とを備えた第2のフィードバック回路と
を備えることが望ましい。
【0012】
【作用】多入力MOSトランジスタでは、非飽和領域で
動作する入力用MOSトランジスタが複数個並列接続さ
れ、それらのドレイン・ソース間電圧を一定化している
ので、相互コンダクタンスの比はパラメータの比とな
り、入力電圧と出力電流との間の直線性が確保される。
【0013】多入力トランスコンダクタ回路においても
同様に、2つのMOSトランジスタ群はそれぞれ非飽和
領域で動作するMOSトランジスタが複数個並列接続さ
れたトランジスタ群が2つ設けられ、それらの各群にお
いてドレイン・ソース間電圧を一定化している。したが
って、この場合も各入力電圧に対して直線性の良い出力
電流を得ることができる。
【0014】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例のいく
つかを詳細に説明する。図1は本発明にかかる多入力M
OSトランジスタの構成を示す回路図である。図2はそ
のシンボル表示である。
【0015】この回路においては、それぞれパラメータ
K1 、K2 、...KN および閾値Vth1 、Vth2
、...VthN を有し、ゲートに接続された入力端子
IN1 、IN2 、...INN に入力電圧VGS1 、VGS
2 、...VGSn が印加されるトランジスタQA1、QA
2、...QAnは並列接続され、これらの共通ソース接
続点と共通ドレイン接続点間にはバイアス回路10が設
けられている。
【0016】図3はこのバイアス回路10の一例を含む
構成を示したもので、入力トランジスタの共通ドレイン
接続点はトランジスタQA のゲートと接続されている。
このトランジスタQA のソースは入力トランジスタの共
通ソース接続点と接続され、ドレインは電流源Iに接続
されている。さらにトランジスタQA のドレインにゲー
トが接続されたトランジスタQB が設けられており、そ
のソースは入力用トランジスタの共通ドレイン接続点に
接続され、そのドレインは電流出力端子となっている。
【0017】この回路における動作を説明する。トラン
ジスタQA1、QA2、...QAnはそれぞれ非飽和領域内
で動作する。すなわち、各トランジスタにおいて、入力
電圧と出力電流間の特性はほぼ I0 = Ki(VGSi −Vthi −VDSi /2)VDSi (1) であり、各トランジスタの相互コンダクタンスgmiは次
の式で与えられる。 gmi=dI0 /dVGS=Ki VDSi (2) VDSi はすべてのトランジスタQA1、QA2、...QAn
に対して一定の等しい値とすれば、トランジスタ間の相
互コンダクタンス比は(2)式の結果を用いて次のよう
になる。 gm1:gm2:...gmn=K1 :K2 :....Kn (3) (3)式より明らかなように、相互コンダクタンスの比
は各トランジスタの閾値に無関係である。
【0018】したがって、相互コンダクタンスgm の調
整は、図3に示すトランジスタQA,QB と定電流源IC
を有するフィードバック回路によって一定化されたVD
S電圧によって実現される。これにより、全体のゲイン
は電流源Ic によりロードされるトランジスタQB のゲ
インと等しくなって、比較的大きなゲインが得られる。
また、このフィードバックにより、各トランジスタのド
レイン・ソース間電圧VDSは非常に正確に制御されるだ
けでなく、出力ノードにおけるインピーダンスは劇的に
増加することになる。
【0019】なお、トランジスタQA は、トランジスタ
QB が弱い反転状態でも強い反転状態でも動作できるの
に対し、飽和領域でも非飽和領域でも動作できる。この
ような動作特性は特に低電圧が供給される回路の動作に
好適なものとなる。
【0020】図4は図1に示した多入力トランジスタ回
路を2つペア接続したもののシンボル図である。この回
路においては、通常の差動MOSトランジスタ対の場合
と異なって、出力電流は各疑似トランジスタの出力電流
Ia およびIb の差である(Ia −Ib)で与えられ、
各トランジスタが非飽和領域で動作する限り、対応入力
端子間の差動電圧V1 (INA1−INB1間)、V2 (I
NA2−INB2)間...Vn (INAN−INBN間)のい
ずれに対してもほぼ直線的な関数関係で得られることに
なる。
【0021】図5は本発明にかかるトランスコンダクタ
回路の一実施例を示す回路図である。この回路はそれぞ
れゲート電圧入力端子INA1−INANとなっており、非
飽和動作する並列接続された複数個のトランジスタより
なる第1のMOSトランジスタ群QA1、QA2、...Q
Anと、それぞれゲートが電圧入力端子INB1−INBNと
なっており、非飽和動作する並列接続された複数個のト
ランジスタよりなる第2のMOSトランジスタ群QB1、
QB2、...QBnとを備えている。これらのMOSトラ
ンジスタ群の共通ソース接続点同士は共通接続され、定
電流源IC を介して基準電位−Vssに接続されている。
この電流源は同相成分除去比を向上させるために設けた
もので、入力のDCバイアスが一定である場合には必ず
しも必要ではない。
【0022】また、バイアス回路30が第1のMOSト
ランジスタ群のドレイン共通接続点であるノードx、第
2のMOSトランジスタ群のドレイン共通接続点である
ノードy、定電流源Ic に接続されており、このバイア
ス回路30は電源VDDに能動負荷20を介して接続さ
れ、能動負荷との2本の接続線に出力電流を取り出す出
力端子OUT1およびOUT2が設けられている。
【0023】ここでバイアス回路30は各MOSトラン
ジスタ群のドレイン共通接続点(ノードx,y)とソー
ス共通接続点間の電圧を一定にする機能を有しており、
例えば図6から図9に示すような構成を用いることがで
きる。図6はゲートに一定電位が与えられるNチャネル
MOSトランジスタQ1、図7はベースに一定電位が与
えられエミッタに抵抗R1が接続されたNPNトランジ
スタQ2、図8はベースとコレクタが接続され、エミッ
タに抵抗R2が接続されたトランジスタQ3、図9は単
なる抵抗R3をそれぞれ示している。
【0024】図10はバイアス回路として図6に示すも
のを用いた具体的な実施例を示す回路図である。図5と
異なるところは、第1のMOSトランジスタ群のドレイ
ン共通接続点にソースが接続され、ドレインが能動負荷
に接続された第1のトランジスタQA と、第2のMOS
トランジスタ群のドレイン共通接続点にソースが接続さ
れ、ドレインが能動負荷に接続された第2のトランジス
タQB とが設けられており、これらのトランジスタQA
およびQB のゲートは共通接続されて一定電圧VB が与
えられている点である。なお、電流出力は第1のトラン
ジスタQA のドレイン側に設けられた出力端子OUT1
および第2のトランジスタQB のドレイン側に設けられ
た出力端子OUT2から取り出される。
【0025】このような構成では各トランジスタ群を構
成するトランジスタはそのドレイン・ソース間電圧が一
定化されてそれぞれ非飽和領域で動作する。トランスコ
ンダクタにおいては、その相互コンダクタンスはトラン
ジスタが非飽和である限りほぼ一定で、かつトランジス
タの形状計数として代表的なW/L係数(Wは幅、Lは
長さ)およびソース・ドレイン間の電圧に比例すること
が知られている。したがって、ソース・ドレイン間の電
圧を一定にすることにより、広い範囲の入力電圧に対し
て直線性の良い電流出力を得ることが可能となる。これ
は低い電圧領域においても成立する。しかも、各トラン
ジスタの閾値電圧が整合しない場合やディジタルノイズ
等に起因する基板寄生信号が存在してもその影響を受け
にくい。
【0026】したがって、このようなトランスコンダク
タは、現存するアナログ回路を置き換え、直線性の向
上、高調波歪の減少を達成することができるとともに、
連続時間フィルタ、増幅器、信号プロセッサ、乗算器、
符号器、共通モードフィードバックを持つ差動/平衡ア
ナログディジタルMOSシステムなどの広い応用に好適
である。
【0027】また、図1の実施例で説明したように、M
OSトランジスタ群の各トランジスタ相互コンダクタン
スは良好な制御性で調整することができる。すなわち、
非飽和状態のトランジスタのソース・ドレイン間電圧を
変化させ、あるいはトランジスタの形状を変更すること
により、所望の相互コンダクタンスを得ることができ
る。
【0028】図11は図10に示した実施例の変形例で
あって、図10においてトランジスタQA およびQB の
ゲートに印加される一定電圧を発生する定電圧源Vc を
トランジスタQA およびQB のゲートと各トランジスタ
群のソース共通接続点との間に設けている。
【0029】図12は本発明にかかるトランスコンダク
タ回路のさらに他の実施例を示す回路図であって、それ
ぞれMOSトランジスタ群のドレイン・ソース間電圧を
一定にするフィードバック回路を備えたものである。す
なわち、第1のMOSトランジスタ群のドレイン共通接
続点に第1のトランジスタQA のソースが接続され、そ
のドレインは出力端子OUT1となるとともに能動負荷
20に接続されている。トランジスタQA のゲートには
差動増幅器DA1 の出力が接続されている。この差動増
幅器DA1 の非反転入力端子は第1のMOSトランジス
タ群のドレイン共通接続点に接続され、反転入力端子と
第1のMOSトランジスタ群のソース共通接続点との間
には定電圧源VC1が接続されている。同様に、第2のM
OSトランジスタ群のドレイン共通接続点に第2のトラ
ンジスタQB のソースが接続され、そのドレインは出力
端子OUT2となるとともに能動負荷20に接続されて
いる。トランジスタQB のゲートには差動増幅器DA2
の出力が接続されている。この差動増幅器DA2 の非反
転入力端子は第2のMOSトランジスタ群のドレイン共
通接続点に接続され、反転入力端子と第2のMOSトラ
ンジスタ群のソース共通接続点との間には定電圧源VC2
が接続されている。
【0030】このような構成では各MOSトランジスタ
群のドレイン・ソース間電圧はトランジスタQA および
QB がそのゲートにMOSトランジスタ群のドレイン電
圧と定電圧との差の電圧が印加されてMOSトランジス
タ群のドレイン・ソース間電圧が一定に制御されるた
め、動作をより安定化させることができる。
【0031】この実施例においては、差動増幅器をMO
Sトランジスタで構成したものとしているが、バイポー
ラトランジスタで構成することもできる。以上の各実施
例を通じて、トランスコンダクタの相互コンダクタンス
がW/L係数(Wは幅、Lは長さ)およびソース・ドレ
イン間の電圧に比例することからこれを利用して相互コ
ンダクタンスを良好な制御性で調整することができる。
また、各実施例において、MOSトランジスタはNチャ
ネル型となっているが、Pチャネル型でもよい。さら
に、入力信号の数は任意の数とすることができる。
【0032】
【発明の効果】以上のように、本発明にかかる多入力ト
ランジスタにおいては、非飽和領域で動作する入力用M
OSトランジスタが複数個並列接続され、それらのドレ
イン・ソース間電圧を一定化しているので、簡単な構成
で入力電圧と出力電流との間の直線性が確保される。
【0033】本発明にかかる多入力トランスコンダクタ
回路においては、それぞれ非飽和領域で動作するMOS
トランジスタが複数個並列接続されたトランジスタ群が
2つ設けられ、それらの各群においてドレイン・ソース
間電圧を一定化しているので、簡単な構成で各入力電圧
に対して直線性の良い出力電流を得ることができる。
【0034】また、トランジスタ群のドレイン・ソース
間電圧を一定化するのに定電圧源を含むフィードバック
回路を用いた場合、ドレイン・ソース間電圧をより安定
化させることができ、特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかる多入力トランジスタの構成を示
す回路図。
【図2】図1の多入力トランジスタのシンボル図。
【図3】バイアス回路の詳しく記載した多入力トランジ
スタの構成を示す回路図。
【図4】図2のトランジスタをペア接続した場合のシン
ボル図。
【図5】本発明にかかる多入力トランスコンダクタの構
成を示す回路図。
【図6】図5におけるバイアス回路の例を示す回路図。
【図7】図5におけるバイアス回路の他の例を示す回路
図。
【図8】図5におけるバイアス回路のさらに他の例を示
す回路図。
【図9】図5におけるバイアス回路のさらに他の例を示
す回路図。
【図10】図6に示したバイアス回路を用いて具体化し
た実施例を示す回路図。
【図11】図10の実施例において、定電圧源をさらに
備えた実施例を示す回路図。
【図12】各MOSトランジスタ群においてドレイン・
ソース間電圧をフィードバック回路を用いて一定化した
実施例を示す回路図。
【図13】従来の多入力トランジスタの一例を示す回路
図。
【符号の説明】
10,30 バイアス回路 20 能動負荷 I0 、Ic 定電流源 Vc 定電圧源 IN 入力端子 OUT 出力端子 DA 差動増幅器 Q トランジスタ R 抵抗

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】それぞれゲートが電圧入力端子となってお
    り、非飽和動作する並列接続された複数個の入力用MO
    Sトランジスタと、 これらの入力用MOSトランジスタのドレイン・ソース
    間電圧を一定化する手段とを備え、前記入力用MOSト
    ランジスタのドレイン共通接続点から電流出力を取り出
    すようにした多入力トランジスタ。
  2. 【請求項2】ドレイン・ソース間電圧を一定化する手段
    が、前記複数個の入力用MOSトランジスタのドレイン
    共通接続点がゲートに接続され、前記入力用トランジス
    タのソース共通接続点がソースに接続され、ドレインに
    定電流源が接続された第1のトランジスタと、 前記第1のトランジスタのドレインにゲートが、前記入
    力用トランジスタのドレイン共通接続点にソースがそれ
    ぞれ接続され、ソースが電流出力取り出し点となる第2
    のトランジスタよりなる負帰還回路であることを特徴と
    する請求項1に記載の多入力トランジスタ。
  3. 【請求項3】それぞれゲートが電圧入力端子となってお
    り、非飽和動作する並列接続された複数個のトランジス
    タよりなる第1のMOSトランジスタ群と、 それぞれゲートが電圧入力端子となっており、非飽和動
    作する並列接続された複数個のトランジスタよりなり、
    そのソース共通接続点が前記第1のトランジスタ群のソ
    ース共通接続点と接続された第2のMOSトランジスタ
    群と、 前記第1および第2のMOSトランジスタ群の各トラン
    ジスタのドレイン・ソース間電圧を一定化する手段とを
    備え、前記各MOSトランジスタ群のドレイン共通接続
    点側から電流出力を取り出すようにした多入力トランス
    コンダクタンス回路。
  4. 【請求項4】前記ドレイン・ソース間電圧を一定化する
    手段が、前記第1群のMOSトランジスタのドレイン共
    通接続点がソースに接続され、ドレインが第1の出力端
    子となる第1のトランジスタと、前記第2群のMOSト
    ランジスタのドレイン共通接続点がソースに接続され、
    ドレインが第2の出力端子となり、ゲートが前記第1の
    トランジスタのゲートと共通接続されて一定電圧が供給
    される第2のトランジスタとを備えたことを特徴とする
    請求項3に記載の多入力トランスコンダクタンス回路。
  5. 【請求項5】前記第1および第2のトランジスタのゲー
    ト共通接続点と前記各トランジスタ群の各ソース共通接
    続点との間に定電圧源を備えたことを特徴とする請求項
    4に記載の多入力トランスコンダクタンス回路。
  6. 【請求項6】前記第1のトランジスタのソースが非反転
    入力端子、出力端子が前記第1のトランジスタのゲート
    に接続された第1の差動増幅器と、前記第1群のトラン
    ジスタのソース共通接続点と前記第1の差動増幅回路の
    反転入力端子間に接続された第1の定電圧源とを備えた
    第1のフィードバック回路と、 前記第2のトランジスタのソースが非反転入力端子、出
    力端子が前記第2のトランジスタのゲートに接続された
    第2の差動増幅器と、前記第2群のトランジスタのソー
    ス共通接続点と前記第2の差動増幅回路の反転入力端子
    間に接続された第2の定電圧源とを備えた第2のフィー
    ドバック回路とを備えたことを特徴とする請求項4に記
    載の多入力トランスコンダクタンス回路。
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