JPH08148944A - 演算増幅器 - Google Patents

演算増幅器

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JPH08148944A
JPH08148944A JP6285341A JP28534194A JPH08148944A JP H08148944 A JPH08148944 A JP H08148944A JP 6285341 A JP6285341 A JP 6285341A JP 28534194 A JP28534194 A JP 28534194A JP H08148944 A JPH08148944 A JP H08148944A
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Ryotaro Kudo
良太郎 工藤
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体集積回路内に内蔵可能な容量素子を用
いて、演算増幅器による容量性負荷のステップ駆動動作
を安定化させる。 【構成】 差動入力段と高利得増幅段と出力バッファ段
を多段接続してなる演算増幅器にあって、上記高利得増
幅段の入出力間に容量素子を負帰還接続することによっ
て第1の位相補償回路を形成するとともに、上記出力バ
ッファ段の出力を増幅回路と容量素子を介して上記高利
得増幅回路の入力に負帰還させることによって第2の位
相補償回路を形成する。 【効果】 ミラー効果によって大きく拡大された容量に
よる位相補償が行われ、これにより負荷容量が大きく
て、系全体が増幅器の開放利得で動作する場合でも、そ
の開放利得を確実に低く保つことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、演算増幅器、さらには
容量性負荷をスイッチ駆動する演算増幅器に適用して有
効な技術に関するものであって、たとえば液晶ドライバ
に利用して有効な技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】高利得の開放利得(オープンゲイン)を
有する増幅回路では、発振防止および動作の安定化のた
めに位相補償が必要になることがある。
【0003】図5および図6はそれぞれ従来の演算増幅
器の構成例を示す。この場合、各演算増幅器1はいずれ
も、その出力から入力にかけて直流負帰還がかけられて
いて、いわゆるボルテージフォロワ回路を形成してい
る。
【0004】図5に示す演算増幅器1では、差動入力段
11と高利得増幅段12と出力バッファ段13とを多段
接続するとともに、高利得増幅段12の入出力間に容量
素子Cf1を負帰還接続することによって位相補償回路
を形成している。
【0005】図6に示す演算増幅器1では、図5の構成
に加えて、差動増幅段11の出力を第2の容量素子Cf
2で接地することによって高周波数領域での利得を抑
え、これにより発振および動作の不安定化を一層確実に
抑えんとしている。
【0006】なお、上述した演算増幅器については、た
とえば「超LSIのためのアナログ集積回路設計技術<
下巻>」126ページ、P.Rグレイ/R.Gメイヤー
共著、永田 穣 訳、1990年培風館発行などに記載
されいる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た技術には、次のような問題のあることが本発明者らに
よってあきらかとされた。
【0008】すなわち、図5または図6に示した演算増
幅器1では、その出力outに液晶表示素子などの容量
性負荷2を接続し、さらにその容量性負荷2をその当初
の充電電位から別の電位にステップ駆動するような場合
に、その負荷2の容量CLが大きいと、その容量CLを
入力電圧Vinに追従して充電/放電させるために、一
時的に開放利得状態で動作する。
【0009】このとき、その開放利得が大きいと、ボル
テージフォロワ回路を形成している負帰還ループ全体が
不安定な系となって、出力電圧Voのオーバシュートや
リンギングが生じやすくなる。
【0010】図7は、図5に示した演算増幅器1の伝達
周波数と開放利得(dB)の関係を示す。
【0011】同図に示すように、演算増幅器1の開放利
得は、第1のコーナー周波数f1で下がりはじめ、第2
のコーナー周波数f2でその下げ方を加速する。この2
つのコーナー周波数f1,f2は次の式で決定される。 f1=1/(2π×A2×Cf1×Zo1) f2=1/(2π×CL×Zo3) 上式において、A2は高利得増幅段12での利得、Zo
1は差動入力段の出力インピーダンス、CLは負荷2の
容量、Zo3は出力バッファ段13の出力インピーダン
スである。
【0012】ここで、第2のコーナー周波数f2での開
放利得は、容量性負荷2の容量CLの大小によって変動
する。負荷容量CLが大きいとき、第2のコーナー周波
数f2での開放利得が増大するが、この開利利得の増大
により負帰還ループ全体が不安定な系となり、これによ
ってオーバーシュートやリンギングなどが生じ、場合に
よっては発振することもある。
【0013】この不安定な動作下で液晶表示素子の駆動
を行った場合には、その液晶の表示が不鮮明になった
り、あるいは表示ムラが現れたりする。
【0014】そこで、本発明者らは、上述した問題を解
決するために、上記コーナー周波数f1,f2を下げる
ことに着目し、そのコーナー周波数f1,f2を決定し
ているパラメータの一つである容量素子の容量Cf1を
大きくすることを検討した。
【0015】しかしながら、負荷容量CLがたとえば
0.1μFといった大きさになると、容量素子Cf1の
容量増大では対応しきれなくなり、また半導体集積回路
化も困難になる、という別の問題を生じることが判明し
た。
【0016】本発明の目的は、半導体集積回路内に内蔵
可能な容量素子を用いて、演算増幅器による容量性負荷
のステップ駆動動作を安定化させる、という技術を提供
することにある。
【0017】本発明の前記ならびにそのほかの目的と特
徴は、本明細書の記述および添付図面からあきらかにな
るであろう。
【0018】
【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
下記のとおりである。
【0019】すなわち、差動入力段と高利得増幅段と出
力バッファ段を多段接続してなる演算増幅器にあって、
上記高利得増幅段の入出力間に容量素子を負帰還接続す
ることによって第1の位相補償回路を形成するととも
に、上記出力バッファ段の出力を増幅回路と容量素子を
介して上記高利得増幅回路の入力に負帰還させることに
よって第2の位相補償回路を形成する、というものであ
る。
【0020】
【作用】上述した手段によれば、ミラー効果によって大
きく拡大された容量による位相補償が行われ、これによ
り負荷容量が大きくて、系全体が増幅器の開放利得で動
作する場合でも、その開放利得を確実に低く保つことが
できる。
【0021】これにより、半導体集積回路内に内蔵可能
な比較的小容量の容量素子を用いて、演算増幅器による
容量性負荷のステップ駆動動作を安定化させる、という
目的が達成される。
【0022】
【実施例】以下、本発明の好適な実施例を図面を参照し
ながら説明する。なお、図において、同一符号は同一あ
るいは相当部分を示すものとする。
【0023】図1は本発明の技術が適用された演算増幅
器1の一実施例を示したものであって、11は反転入力
(−)と非反転入力(+)を有する差動入力段、12は
その差動増幅段11の出力を高利得で反転増幅する高利
得増幅段、13はその高利得増幅段12の出力を電圧利
得ゼロで出力増幅する出力バッファ段、2は液晶表示素
子などの容量性負荷、Vbは入力バイアス電圧源であ
る。上述した差動増幅段11、高利得増幅段12、出力
バッファ段13は順次多段接続されている。
【0024】さらに、図1に示した増幅器1では、上記
に加えて、第1,第2の容量素子Cf1,Cf2および
中利得の非反転増幅回路14がそれぞれ同一半導体集積
回路内に設けられている。
【0025】第1の容量素子Cf1は、上記高利得増幅
段12の入出力間に接続されることにより第1の位相補
償回路を形成している。
【0026】第2の容量素子Cf2と増幅回路14は、
上記出力バッファ段13の出力を上記高利得増幅段12
の入力に負帰還させることにより第2の位相補償回路を
形成する。このとき、増幅回路14は出力バッファ段1
3の出力を増幅する。この増幅出力は第2の容量素子C
f2を介して高利得増幅段12の入力に帰還される。
【0027】上述した演算増幅器1は、その出力out
から入力inにかけられた負帰還によって、全体として
は、利得ゼロのボルテージフォロワ回路を形成してい
る。
【0028】次に、動作について説明する。
【0029】図1において、演算増幅器1の内部には、
上述したように、第1および第2の2つの位相補償回路
がそれぞれ負帰還によって形成されている。
【0030】図2は、図1に示した演算増幅器1の伝達
周波数と開放利得(dB)の関係を示す。
【0031】同図に示すように、演算増幅器1の開放利
得は、第1のコーナー周波数f1で下がりはじめ、第2
のコーナー周波数f2でその下げ方を加速する。
【0032】ここで、第1のコーナー周波数f1は次の
式で決定される。 f1=1/{2π×A2×(Cf1+A4×Cf2)×Zo1} 上式において、A2は高利得増幅段12での利得、A4
は増幅回路14での利得、Zo1は差動入力段の出力イ
ンピーダンスである。
【0033】上式のように、第1のコーナー周波数f1
は、増幅回路14の増幅動作によってミラー拡大された
容量(A4×Cf2)により、低い周波数の方に大きく
シフトされている。これにともない、第2のコーナー周
波数f2での開放利得は、負荷容量CLの大小にかかわ
らず、ゼロdBによりも下に確実に引き下げられてい
る。
【0034】これにより、負荷容量CLが大きくて、系
全体が増幅器の開放利得で動作する場合でも、その開放
利得を確実に低く保つことができる。
【0035】これにより、半導体集積回路内に内蔵可能
な容量素子を用いて、演算増幅器による容量性負荷のス
テップ駆動動作を安定化させることができるようにな
る。したがって、液晶表示素子の駆動を行う場合には、
その液晶の表示を鮮明に保つことができる。
【0036】図3は上述した演算増幅器1の詳細な回路
実施例を示す。同図において、差動入力段11は、pn
pバイポーラ・トランジスタQ1,Q2、npnバイポ
ーラ・トランジスタQ3,Q4、定電流源I1によって
形成される。この場合、pnpバイポーラ・トランジス
タQ1とQ2は定電流源I1を介してエミッタ結合され
ることにより差動回路を形成し、npnバイポーラ・ト
ランジスタQ3,Q4はカレントミラー回路を形成す
る。この差動入力段11の出力は電流出力側トランジス
タQ4のコレクタから取り出されて高利得増幅段12に
入力される。
【0037】高利得増幅段12は、npnバイポーラ・
トランジQ5、レベルシフト用のダイオードQ6,Q
7、定電流源I2によって形成される。トランジスタQ
5はエミッタ接地増幅回路として中利得の反転増幅動作
を行い、ダイオードQ6,Q7はその増幅出力を電源電
位Vcc側にレベルシフトする。トランジスタQ5のコ
レクタとベース間には、第1の位相補償回路を形成する
容量素子Cf1が接続されている。
【0038】出力バッファ段13は、npnバイポーラ
・トランジスタQ8とpnpバイポーラ・トランジスタ
Q9によって形成される。トランジスタQ8はそのコレ
クタが電源電位Vcc側に接続されることにより、トラ
ンジスタQ9はそのてコレクタが基準電位に接続される
ことにより、それぞれコレクタ接地増幅回路として動作
する。この2つのバイポーラ・トランジスタQ8,Q9
の共通エミッタが出力端子(out)に接続されてい
る。
【0039】容量素子Cf2と共に第2の位相補償回路
を形成する増幅回路14は、npnバイポーラ・トラン
ジスタQ10,Q11,Q12、抵抗R1、定電流源I
3,I4によって形成される。この場合、トランジスタ
Q10とQ11は定電流源I4を介してエミッタ結合さ
れることにより差動増幅回路を形成する。しかし、コレ
クタ負荷抵抗R1は片方のトランジスタQ10だけに接
続されていて、非反転出力だけが取り出されるようにな
っている。また、一方のトランジスタQ11のベースは
出力端子(out)に接続され、他方のトランジスタQ
10のベースには差動入力段11と共通のバイアス電圧
源Vbに接続されている。この増幅回路14の出力は、
他方のトランジスタQ10のコレクタから、トランジス
タQ12と定電流源I3によるエミッタフォロワを介し
て取り出され、容量素子Cf2を介して上記高利得増幅
段12の入力すなわちQ5のベースに帰還されるように
なっている。
【0040】この演算増幅器1では、第2の位相補償回
路を形成する増幅回路14を差動入力形式にしたことに
より、その増幅回路14の直流バイアス点を任意に設定
することができるようになっている。
【0041】図4は本発明の演算増幅器1を用いて構成
される液晶ドライバの実施例を示す。同図に示す液晶ド
ライバは、抵抗列R,R,R,・・・によって段階的に
異なる複数の電圧を生成する電圧分割回路4、この電圧
分割回路4の出力電圧を電圧ごとに出力するためのボル
テージフォロワ回路を形成する演算増幅器1、この複数
の演算増幅器1の出力をスイッチ選択して液晶表示素子
に与える選択回路3によって構成されている。2は容量
性負荷であって、ここではその負荷2として液晶表示素
子が接続される。
【0042】この液晶ドライバでは、上述したように、
負荷容量CLが大きくて、系全体が増幅器1の開放利得
で動作するような場合があっても、その開放利得を確実
に低く保つことができるため、リンギング等が抑制され
て、安定かつ鮮明な表示を行わせることができる。
【0043】以上、本発明者によってなされた発明を実
施例にもとづき具体的に説明したが、本発明は上記実施
例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範
囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【0044】以上の説明では主として、本発明者によっ
てなされた発明をその背景となった利用分野である液晶
ドライバに適用した場合について説明したが、それに限
定されるものではなく、たとえばバイモルフなどの容量
性負荷の駆動にも適用できる。
【0045】
【発明の効果】本願において開示される発明のうち、代
表的なものの効果を簡単に説明すれば、下記のとおりで
ある。
【0046】すなわち、半導体集積回路内に内蔵可能な
比較的小容量の容量素子を用いて、演算増幅器による容
量性負荷のステップ駆動動作を安定化させることができ
る、という効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の技術が適用された演算増幅器の実施例
を示す回路図
【図2】図1に示した演算増幅器の伝達周波数と開放利
得(dB)の関係を示す特性図
【図3】図1に示した演算増幅器の詳細な回路実施例を
示す図
【図4】本発明の演算増幅器を用いて構成される液晶ド
ライバの実施例を示すブロック図
【図5】従来の演算増幅器の第1の構成例を示す。
【図6】従来の演算増幅器の第2の構成例を示す。
【図7】図5に示した演算増幅器の伝達周波数と開放利
得(dB)の関係を示す特性図
【符号の説明】
1 演算増幅器 11 差動入力段 12 高利得増幅段 13 出力バッファ段 14 増幅回路 Cf1,Cf2 容量素子 2 容量性負荷 CL 負荷容量 3 選択回路 4 電圧分割回路

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 差動入力段と高利得増幅段と出力バッフ
    ァ段とからなる多段増幅回路と、上記高利得増幅段の入
    出力間に容量素子を負帰還接続することによって形成さ
    れる第1の位相補償回路と、上記出力バッファ段の出力
    を増幅回路と容量素子を介して上記高利得増幅回路の入
    力に負帰還させることにより形成される第2の位相補償
    回路とを設けたことを特徴とする演算増幅器。
  2. 【請求項2】 第2の位相補償回路を形成する増幅回路
    は差動入力を有していて、その一方の入力が直流バイア
    スされることを特徴とする請求項1に記載の演算増幅
    器。
  3. 【請求項3】 段階的に異なる複数の電圧を生成する電
    圧分割回路と、この電圧分割回路の出力電圧を電圧ごと
    に出力する複数のボルテージフォロワ回路と、この複数
    のボルテージフォロワ回路の出力をスイッチ選択して液
    晶表示素子に与える選択回路とを備えた液晶ドライバで
    あって、上記ボルテージフォロワ回路は、差動入力段と
    高利得増幅段と出力バッファ段とからなる多段増幅回路
    と、上記高利得増幅段の入出力間に容量素子を負帰還接
    続することによって形成される第1の位相補償回路と、
    上記出力バッファ段の出力を増幅回路と容量素子を介し
    て上記高利得増幅回路の入力に負帰還させることにより
    形成される第2の位相補償回路とを有することを特徴と
    する液晶ドライバ。
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