JPH077890B2

JPH077890B2 - ３端子演算増幅器

Info

Publication number: JPH077890B2
Application number: JP2284119A
Authority: JP
Inventors: デレク・ボウアーズ
Original assignee: プレシジョン・モノリシックス・インコーポレーテッド
Priority date: 1990-04-27
Filing date: 1990-10-22
Publication date: 1995-01-30
Anticipated expiration: 2010-01-30
Also published as: DE69025398D1; EP0453680B1; KR910019320A; EP0453680A3; EP0453680A2; US5041795A; KR950005172B1; JPH0414903A; DE69025398T2

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）本発明は、演算増幅器回路に関し、特に演算増幅器を用
いた更に複雑な回路に関する。

（背景技術）演算増幅器（OPアンプ）は、アナログ・システムに対す
る汎用構成ブロックとなっている。この主な理由は、簡
単なフィードバック構成要素を用いてその全体特性が正
確に定義できる容易性である。これは、加算、減算、乗
算、積分、微分および対数の如き種々の数学的演算の実
施における基本的要素として用いられる。

従来のOPアンプの基本的な構成図が第１図に示される。
１対のトランジスタQ1、Q2が差動的に接続され、電流源
トランジスタQ6からの電流を分割し、この電流源は更に
正の電圧バスＶ＋から電流を供給される。反転入力がQ1
のベースに与えられ、非反転入力はQ2のベースに与えら
れる。

Q1に接続されたダイオード接続トランジスタQ3により等
しい電流がQ1およびQ2のコレクタ−エミッタ回路を経て
引張られ、Q3に流れる電流を鏡映する別のトランジスタ
Q4がQ2に接続されている。トランジスタQ3およびQ4のエ
ミッタは、等しい値の抵抗R1、R2の各々を介して負の電
圧バスＶ−に接続されている。

出力はQ4のコレクタから第２の利得段トランジスタQ5の
ベースへ取出され、このトランジスタは更に出力段２に
給電する。出力端子４が出力段から取られ、出力電圧V₀
を供給する。

電流源トランジスタQ6は、差動的に接続された入力トラ
ンジスタQ1、Q2に電流を供給する。この２つの入力分岐
が平衡状態に置かれて等しい電流を有するため、反転入
力電圧が非反転入力電圧に追従する。周知の方法で種々
のOP増幅器機能を行うように、種々の入力フォーマット
を出力端子４と反転入力間のフィードバック回路と関連
してOP増幅器に与えることができる。

しかし、フィードバックを加える時、反転入力と非反転
入力間の明瞭な対称性が壊され、非反転入力側には高い
インピーダンスを、また反転入力側には低いインピーダ
ンスをもたらす結果となる。その結果、シャント・フィ
ードバックに加わるものは反転のみでなければならず、
直列フィードバック加わるものは非反転のみでなければ
ならない。このような制約の故に、計測増幅器の如き真
に差動の回路は、通常多数のOP増幅器および別の外部構
成要素から構成される。しかし、このような方法では、
整合された増幅器、広範囲な調整および複雑な周波数補
償手法に対する要求なしに、真の対称性を維持すること
は難しい。更に、OP増幅器用途のあるものを実現するた
め必要な回路は複雑であり、これを簡素化する方法を持
つことが望ましい。

（発明の概要）上記の諸問題に関して、本発明は、従来のOP増幅器より
も著しく高度の対称性を達成しながら、従来の対称回路
と関連する複雑さを回避する演算増幅器機能を提供する
ものである。１つの目的は、従来のOP増幅器の全ての機
能を行うことができる新しいタイプのOP増幅器を提供す
ることである。

本発明は３端子のOP増幅器からなり、これにおいては通
常の反転および非反転入力に加えて電流入力が提供され
る。この新しいOP増幅器は、作用において、電流入力か
らの電流を反転し、この電流を１あるいは１以外の利得
のいずれかで反転入力電流に加算する。この新しい増幅
回路は、電流入力の電圧を反転および非反転入力と共通
の電圧レベルに強制する。

３端子OP増幅器は、１対の２端子OP増幅器により実現さ
れる。第１のOP増幅器は従来の反転および非反転入力を
有するが、第２のOP増幅器は電流入力と前記第１のOP増
幅器に対する入力の１つと共通に接続された第２の入力
とを有する。第１のフィードバック回路は、OP増幅器の
一方の出力と、第１のOP増幅器の反転入力との間に接続
されるが、第２のフィードバック回路は、前記一方のOP
増幅器の出力と第２のOP増幅器に対するその時の入力と
の間に接続され、回路の出力は内部のフィードバック回
路と接続されないOP増幅器の出力からとられる。

２つのOP増幅器は相互に個別のものでよいが、これらOP
増幅器は、第２のOP増幅器の第２の入力と第１のOP増幅
器とのその共通の入力とが共通の入力端子および全増幅
器内の共通の回路と共用するように、一つに結合される
ことが望ましい。内部のフィードバック回路は抵抗から
なるが、増幅器から得られる電流に対する制限を減少す
るため、前記フィードバック回路も非線形回路として構
成することもできる。

本発明はまた、加算増幅器、電圧増幅器、計測増幅器、
積分器および微分器における使用を含めて、新しい３端
子OP増幅器に対する色々な用途を含む。

本発明の上記および他の特徴および利点については、添
付図面に関して望ましい実施態様の以降の詳細な記述を
読めば当業者には明らかであろう。

（実施例）新しい３端子OP増幅器の記号６が第２図に示されてい
る。本装置は、通常の反転および非反転入力を有し、更
に電流信号入力を収容することができる。もし電流入力
が無視されると、増幅器は従来の２端子OP増幅器と同様
に機能し、フィードバックを通常の方法で出力から反転
入力へ与えることができる。電流入力を付加すること
で、装置に対する新しい能力を開くもので、多数の現存
する２端子OP増幅器機能の実現のための回路構成を簡素
化する。その基本的な動作は、電流入力における電流を
反転し、反転された電流を反転入力へ加え、電流入力に
おける電圧を他の２つの入力の電圧レベルに保持する。
特定の回路構成に応じて、１あるいは１以外のいずれか
の利得で電流の反転が起生し得る。

第３図は、新しい３端子OP増幅器の一構成を示す機能ブ
ロック図である。回路は、１対の従来の２端子OP増幅器
A1およびA2の組合わせと見做すことができる。A1は従来
の反転および非反転入力端子８、10を有するが、A2はさ
もなければその非反転入力となるものに接続された電流
信号入力端子12を有し、その反転入力14はA1に対する反
転入力と共通に接続されている。第１のフィードバック
抵抗R1は、A1の出力とその反転入力との間に接続される
が、第２のフィードバック抵抗R2は、A1の出力とA2の非
反転入力との間に接続されている。回路全体に対する出
力端子16は、A2の出力から取られる。

電流入力12における電流は、R2を介してA1の出力に送ら
れる。これは、A1の反転入力８からR1を流れる電流を軽
減し、これにより実際に反転されて反転入力電流に加え
られる。もしR1およびR2の抵抗値が等しければ、反転入
力から差し引かれる電流の大きさは電流入力端子12にお
ける電流と等しくなる。R1およびR2が等しくなければ、
反転入力から差し引かれる電流の大きさは、電流入力信
号に関して１以外の利得を持つことになる。

OP増幅器A1は、通常の方法でその反転入力における電圧
をその非反転入力における電圧と等しい値に強制する。
A2の反転入力がA1の反転入力に接続されるため、この入
力もまたA1の非反転入力における電圧に追従する。A2の
通常のOP増幅器動作により、電流入力端子12により電圧
もまたこれによりA1の反転および非反転入力電圧レベル
を追跡することになる。

第３図の回路構成は、本発明の範囲内で変更することが
でき、このような変更の特定例を以下に述べる。しか
し、このような変更例の共通の特性は下記の如くであ
る。即ち、１）個々あるいは一つに組合わされた１対の２入力OP増
幅器が存在する。

２）第１のOP増幅器は反転および非反転入力を有する
が、第２のOP増幅器は電流入力と、第１のOP増幅器に対
する入力の１つと共通に接続される第２の入力とを有す
る。

３）第１のフィードバック回路は、１つのOP増幅器の出
力と第１のOP増幅器の反転入力との間に接続される。

４）第２のフィードバック回路は、前記１つのOP増幅器
の出力と第２のOP増幅器に対する電流入力との間に接続
される。

５）３端子OP増幅器の出力は、内部のフィードバック回
路が接続されない２端子OP増幅器の出力から取られる。

使用に際して、外部のフィードバック回路は通常３端子
OP増幅器の出力とその反転入力との間に接続される。こ
のため、反転入力ならびに内部のフィードバック回路が
接続される電流入力に対して比較的低い入力インピーダ
ンスを生じ、非反転入力端子においては高い入力インピ
ーダンスを生じる。

第３図に示した構成は、２端子OP増幅器の各部を統合す
ることにより簡素化することができる。第４図は、これ
を達成するため可能な方法を示す更に詳細に概略図であ
る。実際に、この設計は、３入力が何らかの方法で一緒
に接続されるため、第３図に示したA1およびA2の反転入
力に対する単一の共通入力段を提供する。

第４図の回路は、それぞれA1およびA2の共通反転入力、
A1の非反転入力およびA2の電流入力に対する３つの入力
トランジスタQ7、Q8およびQ9を用いる。相対的なトラン
ジスタのサイズは、回路図に示される「ｘ」因子により
示される。３つのトランジスタQ7、Q8、Q9は異なる方法
で接続され、共通の電流源トランジスタQ10により電流
が供給され、Q10はバイアス電圧X_Rによりバイアスがか
けられ、正の電圧バスＶ＋に接続されている。

略々等しい電流が、３トランジスタ電流ミラー回路18に
より３つのトランジスタQ7、Q8、Q9を経て引張られる。
単一入力のトランジスタQ7が第３図において一緒に接続
されたA1およびA2の双方に対する反転入力の共通な入力
機能を行うことが判る。

トランジスタQ10は、そのベースが非反転入力トランジ
スタQ8のコレクタに接続され、第３図に示される２端子
OP増幅器A1に対する第２の利得段として機能する。A1に
対する出力段は、破線20で囲まれている。別のトランジ
スタQ11は、そのベースがQ9のコレクタに接続され、２
端子のOP増幅器A2に対する第２の利得段として機能す
る。A2に対する出力段は、破線22で囲まれている。出力
段20の出力とそれぞれQ7およびQ9のベース間の内部フィ
ードバック抵抗R1およびR2に対する接続もまた、第４図
に示されている。

新しい３端子OP増幅器に対する構成の変更例は第５図に
示される。この構成は、２端子OP増幅器も第４図の方法
と似た方法で一つに組合わせることもできるが、第３図
と類似の方法で１対の個々の２端子OP増幅器として示さ
れる。

第５図の実施例においては、A1およびA2の非反転入力
は、第３図における如き反転入力ではなく共通に接続さ
れる。電流入力端子12は、A2の反転入力に接続されてい
る。フィードバックの内部抵抗R1およびR2、第３図にお
ける如きA1の出力ではなく、A2の出力に接続される。R1
はA2の出力と電流入力との間に接続されるが、R2はA2の
出力と反転入力との間に接続されている。

第５図の回路における一変更例として、A2の非反転入力
は、非反転入力端子10ではなく、反転入力端子８に接続
することもできる。本変更例は主として第５図の回路と
同じように作動するが、発振の不安定性問題の遭遇の可
能性は大きくなる。

これまで述べた構成の１つの短所は、第３図におけるA1
からと第５図におけるA2からの出力電流の全てがフィー
ドバック抵抗R1およびR2に流れねばならないということ
である。このため電流入力の選択から得られる電流に対
して電源に依存する限度が生じ、この限度を超えること
を避けるため装置の使用に際して注意しなければならな
い。この限度はフィードバック抵抗を小さくするだけで
正すことがことができるが、このような試みは、これが
フィードバック抵抗が取られる増幅器における増幅誤差
の影響を持つ故に一般に実施されない。

この限度を取除く１つの方法は、フィードバック抵抗R
1、R2をダイオードまたはトランジスタ等の非線形要素
で置換することであり、これはAB級動作を有効にもたら
す結果となる。このような動作は、もし非線形要素が完
全にマッチしなければある非線形性をもたらすことにな
るが、これはおそらくはモノリシック・デバイスでは非
常に小さなものとなろう。第６図は、このタイプの動作
を達成するため第５図の回路の可能な修正を示してい
る。

第６図においては、非線形回路24がR1の代わりにA2の出
力と電流入力端子12との間に接続されるが、非線形回路
26がR2の代わりにA2の出力と反転入力端子８との間に接
続されている。非線形回路26におけるトランジスタQ1
2、Q13、Q14、Q15が、略々１である利得を持つ開ループ
・バッファを形成し、負荷電流により減少する適合出力
インピーダンスを形成する。このバッファは、電流を３
端子OP増幅器の反転入力の反転入力に供給する。この電
流に対する限度は、この時電流源11および12に流れる等
価電流を出力トランジスタの利得で乗じたものに等し
い。電圧源V1はバッファのアイドル電流を低減して、低
電流端子電流における高い出力インパーダンスを保証す
る。

非線形回路24は、理想的には回路26と同じものである。
トランジスタQ15、Q17、Q18、Q19は、A2のフィードバッ
ク経路における同じバッファを形成して、回路26におけ
る第１のバッファの非線形性を打ち消す。第６図の回路
のシミュレーションにおいては、100マクロアンペアの
値が電流源に対して選択され、120mVがV1およびV2に対
して選択された。

次に、新しい３端子OP増幅器のいくつかの用途について
論述する。第１は、加算増幅器である。従来の加算増幅
器が第７図に示され、フィードバック抵抗Rfbが従来の
２端子OP増幅器A3の出力と反転入力間に接続され、一緒
に加えられるべき１組の入力が抵抗Ra、Rb、Rcの各々を
介して反転OP増幅器入力に接続されている。この回路
は、信号間に相互作用を生じることなく多数の信号の和
およびスケーリング（定数の乗算）を行う。これは、シ
ャント・フィードバック・システムであって、結果とし
て反転伝達関数を提供する。非反転入力が接地されて、
反転入力は仮想グラウンドに保持される。

加算増幅器に対する本発明の３端子OP増幅器の置換は第
８図に示される。反転入力に対するフィードバックおよ
び加算入力の接続は、第７図の従来の回路におけるもの
と同じであり、非反転入力もまた接地される。もし電流
入力に対して接続がなければ、回路は第７図と同じよう
に機能することになる。別の加算入力が抵抗Rd、Re、Rf
の各々を介して電流入力に接続されている。電流入力に
おける別の仮想グラウンドは、増幅器出力に対して非反
転伝達関数を加える。従って、この回路は、増幅器出力
において反転入力に与えられた信号が差し引かれ、電流
入力に与えられた信号が加算される、「加算」機能とし
て全体的に示される汎用加算／減算器として使用するこ
とができる。３端子OP増幅器は、あるアナログ乗算器お
よび多数のディジタル／アナログ・コンバータにおける
ように、相補的電流出力を有するデバイスからの電流／
電圧変換を行うため同様に使用することができる。

非反転入力における電圧信号の反転増幅を行うことが可
能な増幅器形態が第９図に示されている。これは、２端
子デバイスに対する直列フィードバック接続と等価の３
端子OP増幅器を使用する。フィードバック抵抗R3が、３
端子OP増幅器６とその反転入力との間に接続されてい
る。第２の抵抗R4は、OP増幅器６の電流入力と典型的に
はグラウンドである電圧基準点との間に接続されてい
る。全体的な伝送関数は、 V₀＝Vin（１−R3/R4）本発明はまた、計測増幅器にも適用し得る。これらの増
幅器は、定義された利得で２つの入力間の差を増幅して
通常グラウンドである既知の基準点に照合されるシング
ル・エンデッド出力を生じるように設計される。汎用目
的の計測増幅器の構成は、従来のOP増幅器を用いるやや
複雑なものである。伝統的な３端子OP増幅器構成が第10
図に示される。１対の入力の２端子OP増幅器A11およびA
5がその各非反転入力において入力信号VinpとVinmを受
取るが、その反転入力は利得抵抗Rgを介して一緒に接続
される。増幅器A11、A5は各々、各フィードバック抵抗R
fbがその出力と反転入力間に接続される。A11およびA5
の出力は、各抵抗R5およびR7を介してそれぞれ第３の２
端子OP増幅器A6の非反転入力および反転入力に接続さ
れ、別の抵抗R6がA6の非反転入力から電圧基準点にタッ
プされる。回路の出力は、A6の出力から取られ、このA6
はその反転入力に対するフィードバック抵抗R8を有す
る。

R5、R6、R7およびR8が等しいとすれば、第10図の回路に
対する全体的な伝達関数は、 V₀−Vrcf＝（Vinp−Vinm）（2Rfb/Rg＋１）この伝達関数は、抵抗値の観点からはやや不似合いであ
り、更に１より小さな利得を決して持たない。この回路
の他の２つの重大な短所は、差の信号が存在する際に共
通モードの入力レンジが減少すること、およびR5乃至R8
は全て良好な同相成分除去に対して特に充分にマッチし
なければならないことで、これらの抵抗においてなされ
る調整が利得式と相互に作用する。

計測増幅器の３端子OP増幅器の構成は第11図に示され、
前記短所の全てを実質的に取除くものである。この回路
は、その出力と反転入力間にフィードバック抵抗Rfbを
有する本文に前述したタイプの３端子OP増幅器６を含
む。その電流入力は、同相成分除去比（CMRR）の劣化を
避けるためRfbと等しいことが望ましい基準抵抗Rrcfを
介してVrcfと接続されている。Vinpは３端子OP増幅器６
の非反転入力に直接接続されるが、Vinmは２端子OP増幅
器A6の非反転入力に接続されている。A6の出力は、再び
その反転入力に接続され、利得抵抗Rgを介して３端子OP
増幅器６の反転入力に接続される。回路の伝達関数は、 V₀−Vrcf＝（Vinp−Vinm）（Rfb/Rg）この伝達関数はRrcfとは独立しており、このRrcfは、同
相成分除去比を調整するため使用することができる。バ
ッファ増幅器A6はまた、必要に応じて対称性の目的のた
め別の３端子OP増幅器として構成することも可能であ
る。

積分器に対する本発明の用例は第12図に示される。フィ
ードバック・コンデンサC1は、３端子OP増幅器６の出力
とその反転入力間に接続され、積分抵抗Riが反転入力と
典型的にはグラウンドである電圧基準点との間に接続さ
れる。別のコンデンサC2がOP増幅器に対する電流入力と
グラウンド間に小さな安定化抵抗Rsを介して接続されて
いるが、入力電圧信号は非反転入力OP増幅器入力に加え
られる。C1およびC2が等しいものと仮定すれば、回路に
対する伝達関数は、 V₀＝1/RiC∫Vin dt もしC1およびC2が異なる値を持つならば、回路は依然と
して機能するが、別の項が前記伝達関数に導入されてこ
れを著しく複雑にさせる。

微分回路が第13図に示される。フィードバック抵抗R9が
３端子OP増幅器６の出力と反転入力間に接続され、コン
デンサC3および小さな安定化抵抗Rsが反転入力とグラウ
ンドの如き電圧基準点との間に直列に接続される。別の
抵抗R10がOP増幅器の電流入力とグラウンド間に接続さ
れ、入力電圧信号が非反転入力に接続される。R9がR10
と等しいものとすれば、この回路に対する伝達関数は、もしR9がR10に等しくなければ、別の項を持つ更に複雑
な伝達関数を結果として得る。

このように、本発明は、従来の２端子OP増幅器よりも大
きな対称性および用途の柔軟性を有する新しいタイプの
OP増幅器を提供するものであることが判る。基本的な３
端子OP増幅器のいくつかの異なる実施例ならびにデバイ
スのいくつかの用途について示し記したが、当業者には
多くの変更例および代替例が着想されよう。従って、本
発明は頭書の特許請求の範囲に照らしてのみ限定される
べきものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のOP増幅器を示す概略図、第２図は現在の
２端子OP増幅器に使用される回路の記号を示す図、第３
図は新しいOP増幅器の望ましい構成を示すブロック図、
第４図は第３図のブロック図を実現するため使用される
回路の概略図、第５図は新しいOP増幅器の変更実施例を
示すブロック図、第６図はフィードバック抵抗が非線形
フィードバック回路で置換される第５図の回路の変更例
を示す概略図、第７図は従来の加算増幅器を示す概略
図、第８図は新しい３端子OP増幅器を使用する加算増幅
器の概略図、第９図は新しい３端子OP増幅器を使用する
電圧増幅器の概略図、第10図は従来の計測増幅器の概略
図、および第11図、第12図および第13図は新しい３端子
OP増幅器を使用する計測増幅器、積分回路および微分回
路をそれぞれ示す概略図である。６……３端子演算増幅器、８……反転入力端子、10……
非反転入力端子、12……電流入力端子、14……反転入
力、16……出力端子、18……３トランジスタ電流ミラー
回路、20……出力段、22……出力段、24……非線形回
路、26……非線形回路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反転入力端子（８）および非反転入力端子
（10）と、出力端子（16）と、前記反転入力および非反
転入力を共通電圧レベルに強制する回路（A1）とを備え
た演算増幅器（６）において、電流信号を前記演算増幅器に供給する第３の入力端子
（12）と、前記入力電流信号とマッチしてこれと反転される第２の
電流を前記反転入力端子（８）から供給される電流に加
え、かつ前記反転入力端子（８）および非反転入力端子
（10）と共通の電圧レベルに前記第３の入力端子（12）
を強制する回路手段（A2）と、を設けてなる演算増幅器。
【請求項２】３端子演算増幅器（６）において、反転入力（８）および非反転入力（10）と、出力とを有
する第１の演算増幅器（A1）と、電流入力（12）と、前記第１の演算増幅器（A1）に対す
る入力（８、10）の一方と共通に接続された第２の入力
（14）と、出力（16）とを有する第２の演算増幅器（A
2）と、前記演算増幅器の一方の出力と、前記第１の演算増幅器
（A1）の反転入力（８）との間に接続された第１のフィ
ードバック回路（R1）と、前記一方の演算増幅器の出力と、前記第２の演算増幅器
（A2）に対する電流入力（12）との間に接続された第２
のフィードバック回路（R2）と、前記フィードバック回路（R1、R2）と接続されない演算
増幅器の出力における出力端子とを設けてなる３端子演算増幅器。
【請求項３】前記第１および第２の演算増幅器（A1、A
2）が相互に別個のものである請求項２記載の３端子演
算増幅器。
【請求項４】前記第１および第２の演算増幅器（A1、A
2）が合体され、前記第２の演算増幅器（A2）の第２の
入力（14）と前記第１の演算増幅器（A1）と共通のその
入力とが、増幅器内の共通入力端子および共通回路を共
有する請求項２記載の３端子演算増幅器。