JPH09232886A - 差動増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 増幅利得と入力ダイナミックレンジを独立に
設定できるようにする。 【解決手段】 この差動増幅器は、負荷抵抗回路１０
１、電圧電流変換回路１０２と、先に提案された高イン
ピーダンス電位設定回路１０３によって構成されてい
る。電圧電流変換回路１０２には、差動対を形成する一
対のトランジスタ（能動素子）１、２が設けられると共
に、これらのトランジスタ１、２のエミッタ間にエミッ
タ抵抗器３（値Ｒｅ）が接続される。さらにこれらのト
ランジスタ１、２のエミッタには、それぞれ電流源４、
５が接続される。負荷抵抗回路１０１は、値２ＲL の負
荷抵抗器６によって構成される。この負荷抵抗器６は、
電圧電流変換回路１０２の出力点となるトランジスタ
１、２のコレクタ（出力端子８、９）の間に接続され
る。それと共に、この出力端子８、９に高インピーダン
ス電位設定回路１０３のバイアス電位の出力点ｙ、ｚが
接続される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば集積回路
（ＩＣ）を含む電子回路の全般に使用して好適な差動増
幅器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば集積回路（ＩＣ）を含む電子回路
において、例えば直流電圧信号の増幅を行う増幅器とし
ては、従来から例えば図５に示すような差動増幅器が多
く用いられてきた。すなわち図５において、この例示し
た差動増幅器は、それぞれ破線で囲って示す負荷抵抗回
路５０１と、電圧電流変換回路５０２とによって構成さ
れている。

【０００３】そしてこの電圧電流変換回路５０２には、
差動対を形成する一対のトランジスタ（能動素子）５
１、５２が設けられると共に、これらのトランジスタ５
１、５２のエミッタ間にエミッタ抵抗器５３（値Ｒe ）
が接続される。さらにこれらのトランジスタ５１、５２
のエミッタには、それぞれ電流源５４、５５が接続され
て、電圧電流変換回路５０２が構成されている。

【０００４】また、負荷抵抗回路５０１は一対の負荷抵
抗器５６、５７（値ＲL ）によって構成される。そして
これらの負荷抵抗器５６、５７が、それぞれ電圧電流変
換回路５０２の出力点となるトランジスタ５１、５２の
コレクタと、電源電圧Ｖccの電源端子５０３との間に接
続される。さらに上述のコレクタから一対の出力端子５
８、５９が導出される。このようにして差動増幅器が構
成されている。

【０００５】従ってこの差動増幅器において、トランジ
スタ５１、５２のベース間に差動の入力信号（レベルＶ
in）が印加されると、この入力信号のレベルＶinは電圧
電流変換回路５０２によって電流ｉに変換されて負荷抵
抗回路５０１に流し込まれる。そしてこのとき、負荷抵
抗回路５０１には直流バイアス電流Ｉ0 と電流±ｉとが
流入されるために電圧降下が起こり、次の〔数１〕の各
式に示すような出力電圧Ｖp 、Ｖn が形成される。

【０００６】

【数１】

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが上述の差動増
幅器において、増幅利得は、〔数１〕に示すように負荷
抵抗器５６、５７の値ＲL とエミッタ抵抗器５３の値Ｒ
e の比で決まっている。従って最大増幅利得を大きくす
るためには、負荷抵抗器５６、５７の値ＲL を大きくす
るか、エミッタ抵抗器５３の値Ｒe を小さくしなければ
ならない。

【０００８】しかしながら、例えば上述の負荷抵抗器５
６、５７の値ＲL を大きくすると、〔数１〕から明らか
なように出力電圧Ｖp 、Ｖn の直流バイアス電圧が下が
ってしまい、トランジスタ５１、５２のコレクタ−エミ
ッタ間電圧ＶCE、すなわち出力ダイナミックレンジが狭
まってしまう。逆に、上述のエミッタ抵抗器５３の値Ｒ
e を小さくすると、エミッタ抵抗器５３の値Ｒe と直流
バイアス電流Ｉ0 の積で決まる入力ダイナミックレンジ
が狭まってしまうことになる。

【０００９】また、例えば上述の直流バイアス電流Ｉ0
を大きくすることで入力ダイナミックレンジを拡げよう
とすると、出力ダイナミックレンジが狭まってしまう。
また直流バイアス電流Ｉ0 を小さくすることで出力ダイ
ナミックレンジを拡げようとすると、入力ダイナミック
レンジが狭まってしまうことになる。

【００１０】このように、上述の差動増幅器において
は、最大増幅利得が入力信号のレベルＶinと電源電圧Ｖ
ccとの関係で制約されているために、上述の負荷抵抗器
５６、５７の値ＲL 、エミッタ抵抗器５３の値Ｒe 、直
流バイアス電流Ｉ0 は、各々独立に設定することができ
ないものである。

【００１１】そのため、より大きな増幅利得を必要とす
るときには、従来の構成では電源電圧Ｖccを大きくする
か、この差動増幅器を何段も従属に繋いで使用していた
が、この方法では、消費電力の増加や、歪み、ノイズ特
性の悪化等の問題を生じるものであった。

【００１２】また、上述の構成では、負荷抵抗器５６、
５７の値ＲL のばらつきによって、出力電圧Ｖp 、Ｖn
の出力動作点に直流オフセットが発生するなどの問題も
生じていた。

【００１３】この出願はこのような点に鑑みて成された
ものであって、解決しようとする問題点は、従来の差動
増幅器の構成では、増幅利得と入力ダイナミックレンジ
を各々独立に設定することができず、より大きな増幅利
得を必要とするときには、消費電力の増加や、歪み、ノ
イズ特性の悪化等の問題を生じていた。また、負荷抵抗
の値のばらつきによって、出力電圧の出力動作点に直流
オフセットが発生するなどの問題も生じていたというも
のである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】このため本発明において
は、電圧電流変換回路と、出力点間の電流を電圧に変換
する負荷抵抗、及び高インピーダンス電位設定回路を用
いて差動増幅器を構成し、負荷抵抗に直流バイアス電流
を流さないようにしたものであって、これによれば、負
荷抵抗値とエミッタ抵抗値の比によって決まる増幅利得
が直流バイアス電流に無関係になり、増幅利得と入力ダ
イナミックレンジを各々独立に設定できる。また出力動
作点の直流オフセットの発生の問題も解消することがで
きる。

【００１５】

【発明の実施の形態】ところで、本願出願人は先に集積
回路（ＩＣ）を含む電子回路に使用される高インピーダ
ンス電位設定回路を提案（特願平７−２９８８８９号参
照）した。すなわち図３のＡ、Ｂは、それぞれ先に提案
した高インピーダンス電位設定回路の構成を示す。な
お、図３のＢは先の提案で示した回路そのものであっ
て、Ａは回路内のトランジスタのｐ−ｎ極性を逆にして
回路を組み替えたものである。

【００１６】これらの図３のＡ、Ｂにおいて、先に提案
した高インピーダンス電位設定回路は、それぞれ破線で
囲って示す電圧帰還回路３０１、３０２、中点電位検出
回路３０３、及び基準電圧源３０４により構成されてい
る。なお図中の符号は、図３のＡ、Ｂのそれぞれで対応
する部分に同一の符号を用いて示してある。

【００１７】そして電圧帰還回路３０１は、例えばコレ
クタ接地（エミッタフォロア）とされたトランジスタ３
０と、ベース接地とされたトランジスタ３１、及び電流
源３２、３３で構成されている。また、電圧帰還回路３
０２は、例えばコレクタ接地（エミッタフォロア）とさ
れたトランジスタ３４と、ベース接地とされたトランジ
スタ３５、及び電流源３６、３７で構成されている。

【００１８】また、中点電位検出回路３０３は、一対の
抵抗器３８、３９の直列回路で構成される。そして一方
の抵抗器３８の一端（端点）がトランジスタ３０のエミ
ッタに接続されると共に、他方の抵抗器３９の一端（端
点）がトランジスタ３４のエミッタに接続される。さら
に抵抗器３８、３９の他端（中点）とトランジスタ３
１、３５のベースがそれぞれ接続されている。

【００１９】さらに、基準電圧源３０４は、電圧がＶe
とされる直流電圧源で構成される。そしてこの基準電圧
源３０４の一端が電圧帰還回路３０１、３０２のトラン
ジスタ３１、３５のエミッタに接続される。それと共
に、基準電圧源３０４の他端は、図３のＡにおいては電
源電圧Ｖccの電源端子３０５に接続され、Ｂにおいては
接地されている。

【００２０】そこで、まず先の提案で示した図３のＢの
回路においては、電圧帰還回路３０１、３０２のトラン
ジスタ３１、３５のエミッタ電位が、基準電圧源３０４
から供給されているので、トランジスタ３１、３５のベ
ースである中点電位検出回路３０３の中点ｘの電位は、
基準電圧源３０４の電圧Ｖe からトランジスタ３１、３
５のベース−エミッタ間電圧ＶBEだけ高い電位となる。

【００２１】また、電圧帰還回路３０１のトランジスタ
３１のコレクタは、トランジスタ３０のベースと接続さ
れると共に、トランジスタ３０のエミッタが抵抗器３８
を介してトランジスタ３１のベースに接続されている。
すなわち、トランジスタ３０はトランジスタ３１のコレ
クタ電位を抵抗器３８を介してトランジスタ３１のベー
スに帰還している。

【００２２】これによって、トランジスタ３１のコレク
タ（トランジスタ３０のベース）である電圧帰還回路３
０１の出力点ｙの電位は、中点ｘの電位から抵抗器３８
の電圧降下分及びトランジスタ３０のベース−エミッタ
間電圧ＶBE分だけ高い電位となる。

【００２３】同様にして電圧帰還回路３０２では、出力
点ｚの電位は、中点ｘの電位から抵抗器３９の電圧降下
分及びトランジスタ３４のベース−エミッタ間電圧ＶBE
分だけ高い電位となる。なお、回路に設けられた電流源
３２、３３、３６、３７は、それぞれ各トランジスタの
動作に必要な電流を流すものとする。

【００２４】従ってこのような図３のＢに示す高インピ
ーダンス電位設定回路においては、基準電圧源３０４の
電圧Ｖｅを定めることによって、上述の中点ｘ、及び出
力点ｙ、ｚのバイアス電位を、例えば以下に示すように
所定の電位に設定することができる。

【００２５】 出力点ｙの電位：Ｖe ＋２ＶBE 出力点ｚの電位：Ｖe ＋２ＶBE 中点ｘの電位 ：Ｖe ＋ＶBE 但し、抵抗器３８、３９（値Ｒa ）に流れる電流ｉb が
無視できない場合には、Ｒa ×ｉb の電圧降下分が出力
点ｙ、ｚの電位に加算される。

【００２６】同様にして、図３のＡに示す高インピーダ
ンス電位設定回路においては、基準電圧源３０４の電圧
Ｖe を定めることによって、上述の中点ｘ、及び出力点
ｙ、ｚのバイアス電位は、例えば以下に示すような所定
の電位に設定される。

【００２７】 出力点ｙの電位：Ｖcc−（Ｖe ＋２ＶBE） 出力点ｚの電位：Ｖcc−（Ｖe ＋２ＶBE） 中点ｘの電位 ：Ｖcc−（Ｖe ＋ＶBE） 但し、抵抗器３８、３９（値Ｒa ）に流れる電流ｉb が
無視できない場合には、Ｒa ×ｉb の電圧降下分が出力
点ｙ、ｚの電位から減算される。

【００２８】一方、これらの出力点ｙ、ｚはそれぞれト
ランジスタ３０、３４のベースと、トランジスタ３１、
３５のコレクタに接続されている。この場合にトランジ
スタのコレクタのインピーダンスは数１０ＭΩである。
また、トランジスタのベースのインピーダンスはエミッ
タ抵抗のｈｆｅ倍となる。従ってこれらの出力点ｙ、ｚ
のインピーダンスは非常に高いものになっている。

【００２９】さらに、例えば出力点ｙ、ｚに差動信号±
ΔＶが加えられたとすると、この電圧変動分に対応した
±ΔＶの電圧が抵抗器３８、３９の一端Ｙ、Ｚに発生す
る。しかしこの場合に、抵抗器３８、３９の電圧降下
は、ｘ−Ｙ、ｘ−Ｚ間では逆極性になり、且つその絶対
値が等しくなるので、中点ｘの電位変動は０となる。従
ってこの構成により高インピーダンス電位設定回路が形
成されるものである。

【００３０】そこで本発明は、このような構成の高イン
ピーダンス電位設定回路を用いて、差動増幅器を形成す
るものである。すなわち本発明においては、差動接続さ
れた増幅回路の一対の出力端子間に負荷抵抗を接続する
と共に、上述の高インピーダンス電位設定回路のバイア
ス電位の出力点を差動接続された増幅回路の一対の出力
端子間に接続してなるものである。

【００３１】以下、図面を参照して本発明を説明する
に、図１は本発明による差動増幅器の第１の実施例の構
成を示す回路図である。すなわちこの図１において、こ
の例示した差動増幅器は、それぞれ破線で囲って示す負
荷抵抗回路１０１、電圧電流変換回路１０２と、上述の
図３のＡに示した高インピーダンス電位設定回路１０３
によって構成されている。

【００３２】この回路において、電圧電流変換回路１０
２には、差動対を形成する一対のトランジスタ（能動素
子）１、２が設けられると共に、これらのトランジスタ
１、２のエミッタ間にエミッタ抵抗器３（値Ｒｅ）が接
続される。さらにこれらのトランジスタ１、２のエミッ
タには、それぞれ電流源４、５が接続されて、電圧電流
変換回路１０２が構成されている。

【００３３】そしてこの電圧電流変換回路１０２におい
て、上述のトランジスタ１、２のベース間に差動の入力
信号（レベルＶin）が印加されると、このレベルＶinは
そのままトランジスタ１、２のベース−エミッタ間電圧
ＶBEだけ降下されてエミッタ抵抗器３の両端に発生され
る。このためこのエミッタ抵抗器３には、入力信号のレ
ベルＶinに対応した、次の〔数２〕の式に示すような電
流ｉが発生される。

【００３４】

【数２】

【００３５】一方、負荷抵抗回路１０１は、値２ＲL の
負荷抵抗器６によって構成される。この負荷抵抗器６
は、電圧電流変換回路１０２の出力点となるトランジス
タ１、２のコレクタ（出力端子８、９）の間に接続され
る。それと共に、この出力端子８、９に、上述した高イ
ンピーダンス電位設定回路１０３のバイアス電位の出力
点ｙ、ｚが接続される。

【００３６】従ってこの回路において、電圧電流変換回
路１０２によって変換された電流ｉが負荷抵抗回路１０
１の負荷抵抗器６に流入されるために電圧降下が起こ
り、負荷抵抗器６の両端（出力端子８、９）間に電位差
Ｖrlが発生する。そしてこの場合に、電位差Ｖrlは次の
〔数３〕の式に示すような電位となり、出力端子８、９
には、〔数４〕の各式に示すような出力電圧Ｖp 、Ｖn
が取り出される。

【００３７】

【数３】

【００３８】

【数４】

【００３９】この〔数４〕の各式から明らかなように、
上述の回路において出力電圧Ｖp 、Ｖn から、従来の差
動増幅器で〔数１〕に示したようなＲL 、Ｉ0 の項の影
響が排除される。すなわち上述の回路において、直流バ
イアス電流Ｉ0 による出力動作点の直流シフトが除去さ
れることになる。

【００４０】さらに上述の回路において、負荷抵抗器６
が出力端子８、９間に接続されることによって、出力端
子８、９での負荷抵抗を共通化することができる。これ
により従来の回路で負荷抵抗器の値のばらつきによって
生じていた、出力電圧Ｖp 、Ｖn の出力動作点の直流オ
フセット等の問題を排除することができる。

【００４１】従って上述の回路において、入力ダイナミ
ックレンジ、増幅利得を各々独立に設定することができ
るようになり、設計等の自由度を大幅に向上させること
ができる。これによって、出力ダイナミックレンジの最
適化、歪み、ノイズ特性等の向上を図ることができる。

【００４２】また、一段当たりの最大増幅利得が拡大で
きので、歪み、ノイズ特性等の向上を図ることができる
と共に、回路全体の消費電力の低減を図ることができ
る。

【００４３】さらに、負荷抵抗器が出力端子間に接続さ
れることによって、従来の回路で負荷抵抗器の値のばら
つきによって生じていた、出力電圧の出力動作点の直流
オフセット等の問題を排除することができ、特に回路を
低電圧で駆動する場合において充分なダイナミックレン
ジを確保することができる。

【００４４】こうして上述の差動増幅器によれば、差動
接続された増幅回路の一対の出力端子間に負荷抵抗を接
続すると共に、上述した高インピーダンス電位設定回路
のバイアス電位の出力点を差動接続された増幅回路の一
対の出力端子間に接続することにより、増幅利得が直流
バイアス電流に無関係になり、増幅利得と入力ダイナミ
ックレンジを各々独立に設定できる。また出力動作点の
直流オフセットの発生の問題も解消することができるも
のである。

【００４５】さらに図２は本発明による第２の実施例を
示し、この実施例では上述の回路内のトランジスタのｐ
−ｎ極性を逆にして回路を組み替えたものである。すな
わちこの回路において、上述の図３のＢに示した高イン
ピーダンス電位設定回路２０３の構成を用いると共に、
トランジスタのｐ−ｎ極性を逆にした電圧電流変換回路
２０２と、負荷抵抗回路２０１が接続される。

【００４６】従ってこの第２の実施例の回路において
も、上述の第１の実施例の回路と同様の動作が行われ、
上述と同様の作用効果を得ることができるものである。

【００４７】また、上述した本発明による差動増幅器
は、例えばカラーテレビジョン受信機に用いられるＡＦ
Ｔ回路において位相弁別器の後段に用いられる直流増幅
器として使用することができる。

【００４８】すなわち例えばカラーテレビジョン受信機
に用いられるＡＦＴ回路は図４に示すように構成されて
いる。この図４において、チューナー４００を構成する
高周波増幅段４０１からの受信信号は、混合回路４０２
で局部発振器４０３からの後述する局部発振信号と混合
されて中間周波信号が取り出される。この中間周波信号
が映像中間周波増幅回路４０４、映像検波回路４０５を
通じて後段の映像増幅回路に供給される。

【００４９】一方、映像中間周波増幅回路４０４からは
例えば５８．７５ＭＨｚの映像搬送波信号が取り出され
る。そしてこの映像搬送波信号が、ＡＦＴ回路４１０を
構成する映像搬送波増幅回路４１１に供給され、この増
幅回路４１１からの信号がリミッター４１２を通じてＦ
Ｍ検波回路４１３に供給される。さらにＦＭ検波された
信号が直流増幅器４１４に供給され、この直流増幅され
た信号がローパスフィルタ４１５を通じて局部発振器４
０３に供給される。

【００５０】従ってこの回路において、中間周波信号の
映像搬送波信号がＦＭ検波回路４１３でＦＭ検波され
て、映像搬送波信号の周波数の変動が直流電圧の変化に
変換される。さらにこの変換された直流電圧の信号が直
流増幅器４１４で直流増幅されて局部発振器４０３に供
給される。そして上述の映像搬送波信号の周波数の変動
が除去されるように局部発振器４０３の局部発振信号が
制御されることによって、受信された中間周波信号の微
同調が自動的に行われるものである。

【００５１】ところで上述のＡＦＴ回路４１０におい
て、ＦＭ検波回路４１３の検波出力電圧は数１０ｍＶと
非常に小さいレベルの信号である。従ってこのような小
さいレベルの信号を上述の局部発振器４０３の制御電圧
（ＡＦＴ制御電圧）として用いるためには、一般的に上
述の直流増幅器４１４では、例えば４０〜６０ｄＢ程度
の増幅を行わなければならない。

【００５２】そこでこのような直流増幅器４１４とし
て、上述した図１または図２に示すような差動増幅器を
用いることによって、充分な増幅利得を得ることができ
ると共に、出力ダイナミックレンジの最適化、歪み、ノ
イズ特性等の向上、設計の自由度の拡大、さらに回路全
体の消費電力の低減を図ることができ、高性能で安定な
回路を得ることができるものである。

【００５３】

【発明の効果】この発明によれば、差動接続された増幅
回路の一対の出力端子間に負荷抵抗を接続すると共に、
上述した高インピーダンス電位設定回路のバイアス電位
の出力点を差動接続された増幅回路の一対の出力端子間
に接続することにより、増幅利得が直流バイアス電流に
無関係になり、増幅利得と入力ダイナミックレンジを各
々独立に設定でき、また出力動作点の直流オフセットの
発生の問題も解消することができるようになった。

【００５４】すなわちこの発明によれば、入力ダイナミ
ックレンジ、増幅利得を各々独立に設定することができ
るようになり、設計等の自由度を大幅に向上させること
ができる。従ってこの回路において、出力ダイナミック
レンジの最適化、歪み、ノイズ特性等の向上を図ること
ができる。

【００５５】またこの発明によれば、一段当たりの最大
増幅利得が拡大できので、歪み、ノイズ特性等の向上を
図ることができると共に、回路全体の消費電力の低減を
図ることができるものである。

【００５６】さらに、負荷抵抗器が出力端子間に接続さ
れることによって、従来の回路で負荷抵抗器の値のばら
つきによって生じていた、出力電圧の出力動作点の直流
オフセット等の問題を排除することができ、特に回路を
低電圧で駆動する場合において充分なダイナミックレン
ジを確保することができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による差動増幅器の第１の実施例の構成
図である。

【図２】本発明による差動増幅器の第２の実施例の構成
図である。

【図３】先に提案した高インピーダンス電位設定回路の
説明のための図である。

【図４】本発明による差動増幅器の適用されるＡＦＴ回
路の一例の構成図である。

【図５】従来の差動増幅器の構成図である。

【符号の説明】

１０１ 負荷抵抗回路、１０２ 電圧電流変換回路、１
０３ 高インピーダンス電位設定回路、１，２ 差動対
を形成する一対のトランジスタ（能動素子）、３ エミ
ッタ抵抗器、４，５ 電流源、６ 負荷抵抗器、８，９
出力端子、３０，３４ コレクタ接地トランジスタ、
３１，３５ ベース接地トランジスタ３２，３３，３
６，３７ 電流源、３８，３９ 一対の抵抗器、３０４
基準電圧源、３０５ 電源電圧Ｖccの電源端子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 村山 宜弘 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソニ ー株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 差動接続された増幅回路の一対の出力端
   子間に負荷抵抗を接続すると共に、 エミッタ接地とされる第１の増幅手段、ベース接地とさ
   れる第２の増幅手段、及び上記第１の増幅手段のエミッ
   タに接続される電流源によって構成される一対の電圧帰
   還回路と、上記一対の電圧帰還回路の上記第２の増幅手
   段のベース間が互いに接続されると共に、上記一対の電
   圧帰還回路のそれぞれの上記第１の増幅手段のエミッタ
   及び上記第２の増幅手段のベースの間に接続される一対
   の抵抗器によって構成される中点電位検出回路と、上記
   一対の電圧帰還回路の上記第１の増幅手段のエミッタに
   接続される基準電圧源とから成る高インピーダンス電位
   設定回路の上記第１の増幅手段のベースをバイアス電位
   の出力点とし、 このバイアス電位の出力点を上記差動接続された増幅回
   路の一対の出力端子間に接続することを特徴とする差動
   増幅器。
2. 【請求項２】 請求項１記載の差動増幅器において、 上記差動接続された増幅回路は、一対の能動素子のベー
   ス間に差動信号が供給され、上記一対の能動素子のエミ
   ッタ間に抵抗器が接続されると共に、上記一対の能動素
   子のエミッタにそれぞれ電流源が接続され、 上記一対の能動素子のコレクタを上記一対の出力端子と
   して上記高インピーダンス電位設定回路のバイアス電位
   の出力点を接続したことを特徴とする差動増幅器。
3. 【請求項３】 任意の一定周期信号がＦＭ検波回路に供
   給され、上記ＦＭ検波回路の検波信号から直流増幅器を
   通じて上記一定周期信号の周波数を制御する制御信号を
   形成する回路に対して、 上記直流増幅器に用いられることを特徴とする請求項１
   記載の差動増幅器。