JPH10209781A - 差動回路を含む電子回路 - Google Patents

差動回路を含む電子回路

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JPH10209781A
JPH10209781A JP9006120A JP612097A JPH10209781A JP H10209781 A JPH10209781 A JP H10209781A JP 9006120 A JP9006120 A JP 9006120A JP 612097 A JP612097 A JP 612097A JP H10209781 A JPH10209781 A JP H10209781A
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研次 豊田
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達治 松浦
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 比較的単純な回路構成によって線形な伝達特
性が得られる入力範囲を拡大することができる差動回路
を提供すること。 【解決手段】 差動回路101の差動FETM1、M2のゲ
ートの差動入力電圧Vinの振幅値が増大すると、制御回
路102の制御電圧VCONTが減少して、差動回路101
の第FETM3、M4に流れる電流を減少させると差動回路
101の差動FETM1、M2に流れる電流が増大し、差動
入力電圧Vinに対する入力範囲(入力ダイナミックレン
ジ)を実効的に拡大する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、差動回路を含む電
子回路に関わり、特に電界効果トランジスタを使用した
差動回路に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、ハードディスク用リードチャ
ネルLSI内部のフィルタ、移動体通信のRF帯信号処
理LSI内部のフィルタ等の分野では、電圧・電流変換
を行うコンダクタンスアンプ(Gm-アンプ)が利用されて
いる。
【0003】すなわち、フィルタ回路の時定数をデイス
クリート素子の抵抗RとキャパシタCとで構成するので
はなく、集積回路のトランスコンダクタンスアンプ(Gm-
アンプ)とキャパシタCとによって集積化フィルタ回路
を構成し、このフィルタ回路の変動をトリミング調整に
より補償することが従来より行われている。
【0004】このコンダクタンスアンプ(Gm-アンプ)の
電圧・電流変換のコンダクタンスを可変とすることによ
り、所望の特性のフィルタを実現することができる。す
なわち、Gm-アンプは、入力電圧に比例した電流を出力
する回路であり、演算増幅器(OP-アンプ)に比べ低電圧
で高速なフィルタを構成するとこが可能となる。
【0005】一方、OP-アンプは高い電圧利得(≒60dB)
を持っており、負帰還による仮想接地を利用してフィル
タなどの回路が設計されてる。しかし負帰還系の安定性
を確保するために補償容量を増加させなければならず、
帯域を制限してしまうという欠点がある。
【0006】これに対してGm-アンプは、仮想接地では
なく一定なトランスコンダクタンスを利用して回路設計
を行うので、補償容量が不要となり、OP-アンプに比べ
帯域を延ばすことができる点で有利である。しかし、高
いS/Nと低歪な入出力特性を得るためには、入力振幅
に依らず一定なトランスコンダクタンス(線形な伝達特
性)が必要となる。またトランスコンダクタンスは広帯
域に渡り一定であることが望まれる。
【0007】
【発明が解決しょうとする課題】従来より電圧・電流変
換を行うGm-アンプは、単純な差動対増幅素子によって
構成されるが、一定なトランスコンダクタンスが得られ
る入力範囲は必ずしも充分ではない。
【0008】図2は電圧・電流変換を行う従来の差動回
路を示しており、差動対201はMOS型電界効果トラン
ジスタ(MOSFET)M1、M2により構成されている。
【0009】このMOSFETM1、M2はそれぞれ飽和領
域で動作するので、差動入力電圧をVin、MOSFET
M1、M2の相互コンダクタンスをK、しきい値電圧を
T、それぞれのゲート・ソース間電圧をVGS1
GS2、それぞれのゲート電圧をV1、V2、それぞれの
ドレイン電流をI1、I2、 MOSFETM1、M2の共通
ソースの電圧をVS、MOSFETM1、M2の共通ソース
の定電流源の電流を2ISSとすると、下式が成立する。
【0010】
【数1】
【0011】
【数2】
【0012】
【数3】
【0013】
【数4】
【0014】
【数5】
【0015】
【数6】
【0016】
【数7】
【0017】数6、数7を数1、数2に代入することに
より、下式が得られる。
【0018】
【数8】
【0019】この数8を展開することにより、下式が得
られる。
【0020】
【数9】
【0021】数9を、数6、数7に代入することによ
り、下式が得られる。
【0022】
【数10】
【0023】
【数11】
【0024】数10、数11を数1、数2に代入するこ
とにより、下式が得られる。
【0025】
【数12】
【0026】
【数13】
【0027】差動対MOSFETM1、M2のドレインに接
続された負荷MOSFETM3、M4のドレイン電流I3
4がそれぞれISSとすると、差動出力OUTP、OU
TNの出力電流Iop、Ionは下式のように求められる。
【0028】
【数14】
【0029】
【数15】
【0030】数14、数15から、電圧・電流変換を行
うGm-アンプのトランスコンダクタンスGmは、下式のよ
うに求められる。
【0031】
【数16】
【0032】数14、数15で与えられる出力電流
op、Ionの回路シミュレーションによる伝達特性は、
図4の403(Iop)と404(Ion)で示され、また数16で与え
られるトランスコンダクタンスGmは図5の503と504で示
されている。
【0033】この図4および図5から判るように、差動
入力電圧Vinが微少な振幅範囲においては差動入力電圧
inに比例して出力電流IOP、IONが変化すると言う線
形な伝達特性が得られるが、差動入力電圧Vinが大きく
なり出力電流IOP、IONの飽和部分に近づくと線形な伝
達特性が得られるなくなる。このように入力電圧Vin
振幅が大きくなると、トランスコンダクタンスGmは大き
な値から小さな値に変化してしまう。
【0034】以上説明したように、電圧・電流変換を行
うGm-アンプのトランスコンダクタンスGmを構成する従
来の差動回路においては、線形な伝達特性が得られる入
力範囲(入力ダイナミックレンジ)が不十分であると言う
問題がある。
【0035】一方、入力範囲を拡大する方法として、図
3のように差動対MOSFETのソースに抵抗を挿入し
た、抵抗分圧型Gm-アンプが知られている(IEEE JOURNAL
OFSOLID-STATE CIRCUITS, VOL.29,No.4, APRIL 1994,P
P.489〜499参照)。
【0036】この図3のGm-アンプは、ソース抵抗301(R
d)により入力電圧を分圧することで入力範囲を拡大して
いるが、その分だけトランスコンダクタンスが減少して
しまい、フィルタの帯域を制限してしまうという問題が
生じる。更に、寄生容量302(Cp)とソース抵抗301(Rd)と
が原因となり、Gm-アンプの伝達特性に寄生的な零点を
生じ、この零点近傍の周波数帯でトランスコンダクタン
スが変動してしまうという問題が発生する。この零点
は、Qの高いフィルタ回路では特性を劣化させる原因と
なるので、従来ではマスター・スレーブ補償回路と言う
複雑な回路構成によりキャンセルしなければならない。
【0037】従って、本発明の目的とするところは、比
較的単純な回路構成によって線形な伝達特性が得られる
入力範囲を拡大することができる差動回路を提供するこ
とにある。
【0038】
【課題を解決するための手段】本発明の代表的な実施形
態は、差動入力電圧(Vin)がゲートに印加され、ソース
が共通に接続された第1と第2の電界効果トランジスタ
(M1、M2)を含む差動回路(101)を含む電子回路であっ
て、上記差動回路(101)は上記第1と第2の電界効果
トランジスタ(M1、M2)の上記ソースとソースが共通に接
続された第3と第4の電界効果トランジスタ(M3、M4)を
さらに含んでなり、上記第1の電界効果トランジスタ(M
1)のドレインと上記第3の電界効果トランジスタ(M3)の
ドレインとは差動出力の一方(OUTN)に接続され、上記第
2の電界効果トランジスタ(M2)のドレインと上記第4の
電界効果トランジスタ(M4)のドレインとは差動出力の他
方(OUTP)に接続され、上記差動回路(101)は上記第1
と第2の電界効果トランジスタ(M1、M2)のゲートに印加
される上記差動入力電圧(Vin)の振幅値の増大に応答し
て減少する制御電圧(VCONT)を出力ノード(n3)から発
生する制御回路(102)をさらに具備してなり、上記制
御回路(102)の上記出力ノード(n3)から発生する上
記制御電圧(VCONT)を上記差動回路(101)の上記第3
と第4の電界効果トランジスタ(M3、M4)のゲートに供給
せしめることを特徴とする(図1参照)。
【0039】本発明の代表的な実施形態によれば、差動
入力電圧(Vin)の振幅値が増大した場合には、制御回路
(102)の出力ノード(n3)から発生する制御電圧(V
CONT)が減少して、差動回路(101)の第3と第4の電
界効果トランジスタ(M3、M4)に流れる電流が減少する。
この電流の減少に応じて差動回路(101)の第1と第2
の電界効果トランジスタ(M1、M2)に流れる電流が増大す
るので、差動回路(101)に印加される差動入力電圧
(Vin)に対する入力範囲(入力ダイナミックレンジ)を実
効的に拡大することが可能となる。
【0040】
【発明の実施の形態】図1は電圧・電流変換を行う本発
明の実施例による差動回路を示しており、差動入力電圧
inの電圧・電流変換を行う差動回路101はMOSF
ETM1、M2、M3、M4により構成され、制御回路102は
差動回路101の入力範囲を拡大する回路であり、ソー
スが共通接続されたMOSFETM9、M5、M7、M8、M6と
カレントミラー回路を構成するMOSFETM14、M15、
M16、M17、M18により構成されている。
【0041】差動回路101のMOSFETM1、M2、M
3、M4はそれぞれ飽和領域で動作し、MOSFETM1、M
2、M3、M4は略等しい相互コンダクタンスK、略等しい
しきい値電圧をVTを有しており、MOSFETM1、M
2、M3、M4の共通ソースの定電流源の電流を4ISSとす
る。差動回路101に供給される差動入力電圧VinはM
OSFETM1、M2のゲートに印加され、MOSFETM
3、M4のゲートには制御回路102の出力ノードn3の
制御電圧VCONTが供給される。
【0042】制御回路102のMOSFETM9、M5、M
7、M8、M6は略等しい相互コンダクタンスK、略等しい
しきい値電圧をVTを有しており、MOSFETM1、M
2、M3、M4の共通ソースのノードn2に接続された定電
流源の電流は5ISSとされている。MOSFETM5、M6
のゲートには差動回路101に供給される差動入力電圧
inが印加され、MOSFETM9のゲートにはこの差動
入力電圧Vinの中間電圧VCMが印加されている。インピ
ーダンス素子としてのMOSFETM7、M8のゲートとド
レインとは短絡されておりMOSFETM7、M8はダイオ
ード接続されている。
【0043】制御回路102において差動入力電圧Vin
の直流レベルの中間電圧VCMがゲートに印加されたMO
SFETM9のソースフォロワの作用によって、差動入力
電圧Vinの振幅値に拘わらず、共通ソースのノードn2
の電位は安定化されている。
【0044】すなわち、差動入力電圧Vinの振幅値が零
の時(すなわち、無入力信号状態の時)には、制御回路1
02の出力ノードn3の制御電圧VCONTは差動入力電圧
inの直流レベルの中間電圧VCMにバランスされてい
る。この結果、差動回路101のMOSFETM1、M2、
M3、M4の各ドレインにはISSの等しい電流が流れ、制御
回路102のMOSFETM9、M5、M7、M8、M6の各ドレ
インにはISSの等しい電流が流れる。従って、差動回路
101の共通ソースのノードn1の電位と制御回路10
2の共通ソースのノードn2の電位とは、下式で与えら
れる。
【0045】
【数17】
【0046】すなわち、制御回路102のダイオード接
続のMOSFETM7、M8は出力ノードn3の制御電圧V
CONTを共通ソースのノードn2の電位によりゲート・ソ
ース間電圧VGS分高い電圧に制御するレベルシフト素子
として動作する。
【0047】この結果、中間電圧VCMがゲートに印加さ
れたMOSFETM9のゲート・ソース間電圧VGS9とレ
ベルシフト素子としてのダイオード接続MOSFETM7
のゲート・ソース間電圧VGS7とは、下式のように相殺
されて、出力ノードn3の制御電圧VCONTは下式のよう
に中間電圧VCMにバランスする。
【0048】
【数18】
【0049】出力ノードn3の制御電圧VCONTがなんら
かの理由によって中間電圧VCMより高くなると、ダイオ
ード接続MOSFETM7、M8の電流がISSより増加し
て、この増加分に応じてMOSFETM9、M5、M6の電流
が減少する。従って、カレントミラー回路のMOSFE
TM14、M15、M16、M17、M18の電流も減少して、出力ノ
ードn3の制御電圧VCONTは中間電圧VCMまで低下す
る。
【0050】一方、差動回路101のMOSFETM1、
M2のドレイン電流の和を2Idsとすれば、差動入力電圧
inの振幅値が零でない時(すなわち、有入力信号状態
の時)の差動回路101のMOSFETM1、M2のドレイ
ン電流I1、I2は、上記の数12、数13と同様にそれ
ぞれ下式で与えられる。
【0051】
【数19】
【0052】
【数20】
【0053】この時、制御回路102ではMOSFET
M9のソースフォロワの作用により共通ソースのノードn
2の電位は略安定化されているため、同様に差動入力電
圧Vinが供給されるMOSFETM5、M6は差動対のMO
SFETの伝達特性ではなく、ソース接地のMOSFE
Tの伝達特性によりそれぞれのドレイン電流I5、I6
よびドレイン電流の和I5+I6が下式のように求められ
る。
【0054】
【数21】
【0055】
【数22】
【0056】
【数23】
【0057】
【数24】
【0058】
【数25】
【0059】
【数26】
【0060】
【数27】
【0061】
【数28】
【0062】一方、制御回路102で安定化されている
ソースフォロワのMOSFETM9のドレイン電流で駆動
されるカレントミラー回路の出力側MOSFETM15、M
16、M17、M18により4ISSの電流が供給されているの
で、ダイオード接続MOSFETM7、M8のドレイン電流
の和I7+I8が下式のように求められる。
【0063】
【数29】
【0064】ところで、上式で差動入力電圧Vinが零の
時にはI7+I8=2ISSであるので、下式が与えられ
る。
【0065】
【数30】
【0066】この数30を数29に代入すると、下式が
与えられる。
【0067】
【数31】
【0068】従って、数28と数31から、制御回路1
02のMOSFETM5、M7、M8、M6のドレイン電流の和
5+I6+I7+I8が下式のように求められる。
【0069】
【数32】
【0070】この数32を展開すると、下式が求められ
る。
【0071】
【数33】
【0072】これらの数28と数31と数32とから、
差動入力電圧Vinの振幅値に比例して制御回路102の
MOSFETM、M6のドレイン電流の和I5+I6は増加
する分制御回路102のダイオード接続MOSFETM
7、M8のドレイン電流の和I7+I8が減少し、差動入力
電圧Vinの振幅値の変化と略無関係に制御回路102の
MOSFETM5、M7、M8、M6のドレイン電流の和I5
6+I7+I8が略一定となり、制御回路102の共通
ソースのノードn2の電位Vn2も略一定となることが理
解される。
【0073】尚、数33はノードn2の電位Vn2が交流
的に変動しないことを示し、ノードn2の直流電位Vn2
は数17で与えられるものである。
【0074】従って、数31に従って制御回路102の
インピーダンス素子としてのダイオード接続のMOSF
ETM7、M8のドレイン電流の和I7+I8が減少する分、
ダイオード接続のMOSFETM7、M8の電圧、すなわち
制御回路102の出力ノードn3と共通ソースのノード
n2との間の電位差が減少する。この電位差はダイオー
ド接続のMOSFETM7、M8のゲート・ソース間電圧V
GS7であり、数31の半分がダイオード接続のMOSF
ETM7のドレイン電流I7であるので、下式が求められ
る。
【0075】
【数34】
【0076】従って、数34で与えられる制御回路10
2のインピーダンス素子としてのダイオード接続のMO
SFETM7のゲート・ソース間電圧VGS7が差動回路1
01のMOSFETM3、M4のゲート・ソース間に印加さ
れると考えることができるので、MOSFETM3、M4の
ドレイン電流I3、I4は下式で与えられる。
【0077】
【数35】
【0078】一方、差動回路101の共通ソースのノー
ドn1の定電流源によってMOSFETM1、M2、M3、M4
のドレイン電流の和I1+I2+I3+I4は4ISSに設定
されるので、数19、数20、数35より、下式が得ら
れる。
【0079】
【数36】
【0080】差動回路101において、差動出力OUT
NにはMOSFETM1のドレインとMOSFETM3のド
レインとが接続され、差動出力OUTPにはMOSFE
TM2のドレインとMOSFETM4のドレインとが接続さ
れている。
【0081】従って、差動出力OUTNに接続されたM
OSFETM1のドレイン電流I3とMOSFETM3のド
レイン電流I3との和は、数19、数35、数36とを
用いて整理すると、下式で与えられる。
【0082】
【数37】
【0083】同様に、差動出力OUTPに接続されたM
OSFETM2のドレイン電流I2とMOSFETM43のド
レイン電流I4との和は、数20、数35、数36とを
用いて整理すると、下式で与えられる。
【0084】
【数38】
【0085】差動回路101の差動対MOSFETM1、
M2のドレインに接続された負荷MOSFETM10、M11、
M12、M13の各ドレイン電流がISSとすると、差動出力O
UTP、OUTNの出力電流Iop、Ionは下式のように
求められる。
【0086】
【数39】
【0087】
【数40】
【0088】数39、数40から、電圧・電流変換を行
うGm-アンプのトランスコンダクタンスGmは、下式のよ
うに求められる。
【0089】
【数41】
【0090】数39、数40で与えられる出力電流
op、Ionの回路シミュレーションによる伝達特性は、
図4の401(Iop)と402(Ion)で示され、また数41で与え
られるトランスコンダクタンスGmは図5の501と502で示
されている。
【0091】この図4および図5から判るように、差動
入力電圧Vinの振幅値が大きくなって出力電流Iop、I
onの絶対値が2ISSの付近まで線形な伝達特性が得ら
れ、トランスコンダクタンスGmは大きな値を保ち、線形
な伝達特性が得られる入力範囲(入力ダイナミックレン
ジ)を拡大することができる。
【0092】以上、本発明の好適な実施形態を詳細に説
明したが、本発明はこの好適な実施形態に限定されるも
のではなく、その基本的技術思想の範囲内で種々の変形
が可能であることは言うまでもない。
【0093】例えば、差動回路101のMOSFETと
制御回路102のMOSFETとは、シリコン等の接合
型電界効果トランジスタに置換することも可能であり、
さらには化合物半導体等によるMESFET型の電界効
果トランジスタに置換するも可能である。
【0094】また、ハードディスク用リードチャネルL
SI内部のフィルタ、移動体通信のRF帯信号処理LS
I内部のフィルタ等の分野における電圧・電流変換を行
うコンダクタンスアンプ(Gm-アンプ)の差動回路に限定
されるものではなく、線形な伝達特性が得られる入力範
囲(入力ダイナミックレンジ)を拡大することの可能な汎
用の差動回路に適用することができる。
【0095】
【発明の効果】本発明によれば、比較的単純な回路構成
によって線形な伝達特性が得られる入力範囲を拡大する
ことができる差動回路を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例による差動回路である。
【図2】従来の差動回路である。
【図3】他の従来の差動回路である。
【図4】図1の差動回路と図2の差動回路の出力電流の
伝達特性を示す特性図である。
【図5】図1の差動回路と図2の差動回路のトランスコ
ンダクタンスを示す特性図である。
【符号の説明】
in…差動入力電圧、101…差動回路、102…制御
回路、M1、M2…第1と第2の電界効果トランジスタ、M
3、M4…第3と第4の電界効果トランジスタ、OUTP、OUT
N…差動出力、VCONT…制御電圧。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】差動入力電圧がゲートに印加され、ソース
    が共通に接続された第1と第2の電界効果トランジスタ
    を含む差動回路を含む電子回路であって、 上記差動回路は上記第1と第2の電界効果トランジスタ
    の上記ソースとソースが共通に接続された第3と第4の
    電界効果トランジスタをさらに含んでなり、 上記第1の電界効果トランジスタのドレインと上記第3
    の電界効果トランジスタのドレインとは差動出力の一方
    に接続され、上記第2の電界効果トランジスタのドレイ
    ンと上記第4の電界効果トランジスタのドレインとは差
    動出力の他方に接続され、 上記差動回路は上記第1と第2の電界効果トランジスタ
    のゲートに印加される上記差動入力電圧の振幅値の増大
    に応答して減少する制御電圧を出力ノードから発生する
    制御回路をさらに具備してなり、 上記制御回路の上記出力ノードから発生する上記制御電
    圧を上記差動回路の上記第3と第4の電界効果トランジ
    スタのゲートに供給せしめることを特徴とする電子回
    路。
  2. 【請求項2】上記制御回路は、 上記差動入力電圧がゲートに印加され、ソースが共通に
    接続され、ドレインが上記出力ノードに共通に接続され
    た第5と第6の電界効果トランジスタと、 上記第5と第6の電界効果トランジスタの上記ソースと
    共通にソースが接続され、ゲートとドレインとが上記出
    力ノードに共通に接続された第7と第8の電界効果トラ
    ンジスタと、 上記第5と第6の電界効果トランジスタの上記ソースと
    上記第7と第8の電界効果トランジスタの上記ソースと
    共通にソースが接続され、ゲートに上記差動入力信号電
    圧の直流電圧が供給される第9の電界効果トランジスタ
    と、 入力が上記第9の電界効果トランジスタのドレインに接
    続され、出力が上記出力ノードに共通に接続されたカレ
    ントミラー回路とを含むことを特徴とする請求項1に記
    載の電子回路。
  3. 【請求項3】上記差動回路の上記第1と第2の電界効果
    トランジスタの上記ソースと上記第3と第4の電界効果
    トランジスタの上記ソースには第1の定電流源が接続さ
    れ、 上記制御回路の上記第5と第6の電界効果トランジスタ
    の上記ソースと上記第7と第8の電界効果トランジスタ
    の上記ソースには第2の定電流源が接続され、 上記第2の定電流源の定電流は上記第1の定電流源の定
    電流の略5/4倍に設定されていることを特徴とする請
    求項1に記載の電子回路。
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