JPH11504487A - 低電圧差動増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 低電圧差動増幅器（１０）は差動対（１４）および負荷（２２および２４）を有する回路（１２）を含む。第１の負荷（２２）は第１の組み込まれた差動増幅器（３０）および出力トランジスタ（３２）を含むことができ、かつ第２の負荷（２４）は第２の組み込まれた差動増幅器（３６）および出力トランジスタ（３８）を含むことができる。前記差動増幅器（１０）は広い電圧動作範囲を提供できる。前記差動増幅器（１０）は低電圧温度補償水晶発振器と共に使用するのに有用である。

Description

【発明の詳細な説明】 低電圧差動増幅器 発明の分野 この発明は一般的には差動増幅器に関し、かつより特定的には低電圧差動増幅 器に関する。 発明の背景 図１は、伝統的な、完全差動増幅器段を示す。それは差動利得対Ｍ１およびＭ ２、負荷対Ｍ３およびＭ４、そして電流源Ｍ５を含む。コモンモード入力電圧の 下限は次の式で与えられる。 【数１】 この場合、Ｖｄｓａｔ_mxはトランジスタｍｘの飽和電圧を表し、かつＶｔ_mxは トランジスタｍｘのしきい値電圧を表す。 コモンモード入力電圧の上限は次の式で表される。 【数２】 典型的には、Ｖ_t＝０．７５ｖおよびＶｄｓａｔ＝０．１Ｖである。これらの 値により、差動増幅器の動作はＶｌｏｗ＝Ｖｈｉｇｈの場合に停止する。 【数３】 【数４】 この電圧（Ｖｄｄ＝１．０５）において、増幅器は何らの有用な入力範囲を持 たない。２．７ボルト＝Ｖｄｄで動作する場合、有用な入力範囲は０．９５ｖ〜 ０．２６ｖまたは１．６５ボルトである。数多くの用途においては、この範囲は 不適当なものとなるでろう（図５の項目１０２を参照）。該入力範囲はＭ１およ びＭ２に対してゼロしきい値のデバイスを使用することにより移動（変換）する ことができるが（すなわち、Ｖｔ_m2＝０．０ｖ）、何らの余分の有用な入力範囲 も得られない（図５の項目１００を参 照）。ゼロしきい値デバイスはＭ３およびＭ４を置き換えるために利用できない ことに注意を要する。 もし低電圧差動増幅器が、広い動作電圧範囲と共に、作製できれば、技術的に 改善になることが考えられる。 図面の簡単な説明 図１は、従来技術の完全差動増幅器の単純化した回路図である。 図２は、本発明に係わる、低電圧差動増幅器の単純化した回路図である。 図３は、本発明に係わる、図２の低電圧差動増幅器と組み合わせて使用するた めの組み込まれた差動増幅器の回路図である。 図４は、本発明に係わる、図２の低電圧差動増幅器と組み合わせて使用するた めの組み込まれた差動増幅器の別の実施形態を示す回路図である。 図５は、本発明に係わる、図２および図３の低電圧差動増幅器および構成要素 と比較した、図１の従来技術の差動増幅器に対する種々の電圧範囲を示す、縦軸 にボルトを有する説明図である。 好ましい実施形態の詳細な説明 図２を参照すると、低電圧差動増幅器１０が示されている。該低電圧差動増幅 器１０は差動増幅回路１２を含み、 該差動増幅回路１２は反転入力１６および非反転入力１８を有する差動対１４お よび差動対１４に接続されたバイアス電流源２０、そして第２の負荷２２および ２４、そして反転および非反転出力２６および２８を含む。第１の負荷２２は第 １の埋め込まれたまたは組み込まれた（ｅｍｂｅｄｄｅｄ）差動増幅器３０、第 １の出力トランジスタ３２および第１の電流源３４を含む。同様に、第２の負荷 ２４は第２の埋め込まれたまたは組み込まれた差動増幅器３６、第２の出力トラ ンジスタ３８および第２の電流源４０を含む。 第１および第１の負荷２２および２４は反転および非反転入力１６および１８ における入力電圧とは実質的に独立に出力トランジスタ３２および３４の動作を それらの飽和領域に維持する手段を提供する。出力トランジスタ３２および３８ のソース−ドレイン電圧は組み込まれた差動増幅器３０および３６ならびに第１ および第２の基準電圧によって、公称値、Ｖｄｓａｔ₃₂に固定される。この構成 においては、コモンモード入力電圧の上限は次の数式で与えられる。 【数５】 また、コモンモード入力電圧の下限は次の数式で与えら れる。 【数６】 典型的な値であるＶ_t＝０．７５ｖおよびＶｄｓａｔ＝０．１ＶおよびＶｄｄ ＝２．７ｖによれば、前記差動増幅器のコモンモード入力範囲は次の数式で与え られる。 【数７】 【数８】 これは実質的に低電圧差動増幅器１０の動作範囲を改善する（実質的に図５の 項目１０４に示されている）。前記コモンモード入力電圧の上限は差動対１４に 対してゼロしきい値デバイスを使用することによりＶｄｄより低くすることがで きる。前記差動増幅器に対するコモンモード入力範囲は従って次のように表され る。 【数９】 および 【数１０】 （実質的に図５の範囲１０６に示されている） 図２を参照すると、前記第１の負荷２２は第１の反転入力４６および第１の非 反転入力４８を有する第１の組み込まれた差動増幅器（Ｄｉｆｆ．Ａｍｐ）３０ を含む。第１の出力トランジスタ３２はゲート、ソースおよびドレイン、それぞ れ、５２，５４および５６を含む。第１の電流源３４は第１の非反転入力４８お よび第１の出力トランジスタ３２のドレイン５６に接続されている。第１の共通 ノード接続は項目６０として示されている。電流源３４は第１の出力トランジス タ３２から電流を引き込むこと（ｓｉｎｋｉｎｇ）が可能である。第１の組み込 まれた差動増幅器の出力５０はＰチャネルトランジスタ３２のゲート５２に接続 されている。 この構造は第１の出力トランジスタ３２のドレイン５６から第１の組み込まれ た差動増幅器３０の非反転入力４８へのネガティブフィードバック経路を使用し ている。このネガティブフィードバックは第１の出力トランジスタ３２に対する 、固定された公称のソース５４からドレイン５６への電圧を確立する。第１の電 流源３４は出力トランジスタ３２が実質的に常に、差動対１４が出力トランジス タ３ ２から最小の電流を引き込む場合に電流源３４の値より大きいかあるいは等しい 値のドレイン電流と共に、オンにバイアスされることを保証することによって回 路に対する周波数安定性を提供する。第１の組み込まれた差動増幅器３０の出力 は第１の出力トランジスタ３２のドレイン５６の電流の関数である出力電圧を非 反転出力２８に提供する。ドレイン５６の電流が増大すると、非反転出力２８の 電圧は低下する。 差動対１４は反転および非反転入力トランジスタ６８および７０を含む。反転 入力トランジスタ６８のドレイン７２は共通接続ノード６０に接続されている。 第１の出力トランジスタ３２のゲート５２は前記組み込まれた差動増幅器の出力 ５０に接続されている。ドレイン５６は第１の共通接続ノード６０に接続され、 第１のソース５４は差動対１４の少なくとも一部を通って電流が流れることがで きるようにするのに十分な、Ｖｄｄのような、ＤＣ電源に接続されている。 １実施形態では、第１の組み込まれた差動増幅器の出力５０は反転および非反 転出力２６および２８の内の少なくとも１つを規定する。好ましい実施形態では 、図２に示されるように、第１の負荷２２は差動対１４の反転入力トランジスタ ６８に対する負荷である。反転入力４６は、Ｖｄｄ−Ｖｄｓａｔのような、第１ の電圧基準への接続を含み、この第１の電圧基準は典型的にはＶｄｄより約５０ ｍＶ低 い電圧からＶｄｄより約２００ｍＶ低い電圧におよぶ。好ましくは、該第１の電 圧基準はＶｄｄに非常に近くされ、それはＶｄｄからのその変位は回路のコモン モード入力範囲を低減するからである。 第２の負荷２４は第１の負荷２２について述べたのと実質的に同様に機能する 。 より詳細には、第２の負荷２４は第２の反転入力４６′および第２の非反転入 力４８′を有する第２の組み込まれた差動増幅器３６を含む。第２の出力トラン ジスタ３８はゲート、ソースおよびドレイン、それぞれ、５２′，５４′および ５６を含む。 第２の電流源４０は第２の非反転入力４８′および第２の出力トランジスタ３ ８のドレイン５６′に接続されている。第２の共通ノード接続は項目６２として 示されている。電流源４０は第２の出力トランジスタ３８から電流を引き込むこ とができる。 前記組み込まれた差動増幅器の出力５０′は出力トランジスタ３８のゲート５ ２′に接続されている。１実施形態では、第２の組み込まれた差動増幅器の出力 ５０′は反転出力２６′を規定する。 第２の反転入力４６′は、Ｖｄｄ−Ｖｄｓａｔのような、第２の電圧基準への 接続を含み、この電圧基準は典型的にはＶｄｄから約５０ｍＶ低い電圧からＶｄ ｄより約２００ｍＶ低い電圧におよぶ。好ましくは、第２の電圧基準はＶ ｄｄに非常に近く、それはＶｄｄからのその変位は回路のコモンモード入力範囲 を低減するからである。 トランジスタ３８のゲート５２′は第２の組み込まれた差動増幅器の出力５０ ′に接続されている。ドレイン５６′は第２の共通接続ノード６２に接続され、 かつソース５４′は、非反転トランジスタ７０のような、差動対１４の少なくと も一部を通って電流を流すことができるように十分な、Ｖｄｄのような、ＤＣ電 源に接続されている。 図２においては、第１の入力電圧６４が反転入力１６に印加され、かつ第２の 入力電圧７４が非反転入力１８に印加されている。差動対１４の反転トランジス タ６８および非反転トランジスタ７０を流れる電流の合計は組み合わせてバイア ス電流源２０を通る電流と等しくなる。もし反転入力１６に印加される第１の入 力電圧６４が非反転入力１８に印加される第２の入力電圧７４より小さければ、 出力トランジスタ３２のドレイン５６からの電流は出力トランジスタ３８のドレ イン５６′からの電流より小さくなる。非反転出力２８の電圧はドレイン５６の 電流の関数であり、かつ反転出力２６の電圧はドレイン５６′の電流の関数であ る。従って、もし非反転入力１８および反転入力１６の間の電圧差が正であれば 、非反転出力２８および反転出力２６の間の電圧差は入力電圧差の正の関数であ る。これは回路の伝達関数を次のように規定する。 【数１１】 回路に対する最小コモンモード入力電圧Ｖｌｏｗは該Ｖｌｏｗが反転入力１６ および非反転入力１８の双方に印加される場合の動作ポイントであり、かつバイ アス電流源２０が飽和領域で動作を停止するようにさせかつリニア領域で動作を 開始するように十分低い値である。これが生じると、差動対１４の反転トランジ スタ６８および非反転トランジスタ７０を通る電流の合計は電流源２０が供給す ることを意図している電流バイアスより実質的に低くなり、かつ回路の伝達関数 はもはや適切ではなくなる。回路に対する最大コモンモード入力電圧Ｖｈｉｇｈ はＶｈｉｇｈが反転入力１６および非反転入力１８の双方に印加された場合の動 作ポイントであり、かつ差動対１４の反転トランジスタ６８および非反転トラン ジスタ７０が飽和領域で動作を停止しかつリニア（またはトライオード）領域で 動作を開始するようにさせる十分高い値である。これが生じたとき、差動対１４ の反転トランジスタ６８および非反転トランジスタ７０はもはや電圧制御電流源 として動作せず、電圧制御抵抗として動作する。コモンモード入力電圧がこのよ うに高くなると、差動対１４の電圧利得は実質的に低減されかつ回路の伝達関数 はもはや適切ではなくなる。 図３は、第１または第２の組み込み差動増幅器３０または３６として使用する ための、単一段、シングルエンデッド出力差動増幅器の回路図である。図３に示 される組み込み差動増幅器３０は第１〜第４のトランジスタ８０，８２，８４お よび８６を有し、容量結合８８がトランジスタ８０のゲートをトランジスタ８２ および８６のドレインと接続している。 好ましい実施形態では、差動増幅器３０は出力トランジスタ３２および電流源 ３４に接続されている。同様に、差動増幅器３６は出力トランジスタ３８および 電流源４０に、図２に示されるように、接続されている。反転トランジスタ６８ のドレイン７２は出力トランジスタ３２のドレインに接続されている。同様に、 非反転トランジスタ７０のドレイン７１は出力トランジスタ３８のドレイン５６ に接続されている。これは一般的に差動対１４および負荷２２および２４の間の 接続を述べている。 図４は、前記第１または第２の組み込まれた差動増幅器３０または３６のため の、別のシングルエンデッド出力差動増幅器の回路図である。図４に示される組 み込まれた差動増幅器３０は第１〜第３のトランジスタ９２，９４および９６、 そして電流源９８を有する。負荷２２および２４の出力トランジスタ３２および ３８に接続されたとき、ノード６０および６２をノード４６および４６′に印加 される基準電圧に固定するネガティブフィードバックが存在す る。１実施形態では、もし図４に示される構成が図２の組み込まれた差動増幅器 ３０および３６と置き換えるよう使用されれば、電流源３４および４０は安定し た動作のためには必要ではない。 図５においては、第１、第２、第３および第４の電圧範囲が項目１００，１０ ２，１０４および１０６として示されている。第１および第２の範囲１００およ び１０２は図１の従来技術の装置に対する電圧範囲に対応する。 第１の範囲は図１のＭ１およびＭ２に対して０．０ボルトのしきい値のデバイ スが使用された場合の約０．２ボルト〜約１．６５ボルトの有用な従来技術の電 圧範囲を示している。第２の範囲１０２は図１のＭ１およびＭ２に対して０．７ ５ボルトのしきい値のデバイスが使用された場合の、約０．９５ボルト〜約２． ６ボルトの有用な従来技術の電圧範囲、従って約１．６５ボルトの有用な範囲を 提供することを示している。０．０ボルトまたは０．７５ボルトのしきい値のデ バイスを選択することは回路に対する有用なコモンモード入力範囲を増大するも のではなく、単に該コモンモード入力範囲を選択されたデバイスに応じて０．７ ５ボルトだけ上または下に変換するのみである。 第３および第４の範囲１０４および１０６は本発明に係わる、図２に示される 回路に対する電圧範囲に対応する。都合のよいことに、範囲１０４および１０６ は図１の従来技術のものよりも広くなっている。 より詳細には、第３の範囲１０４は、反転トランジスタ６８および非反転トラ ンジスタ７０のために０．７５ボルトのしきい値のデバイスが使用された場合に 、約０．９５ボルト〜約３．３５ボルトの範囲を提供し、従って（図２において ）約２．４０ボルトの有用な範囲を提供している。２．７ボルトより上の電圧範 囲はもし入力電圧がＶｄｄおよびＶｓｓの間になるよう制限されれば使用できな いものであるが、コモンモード入力範囲は０．７５ボルトだけ増大している。 第４の範囲１０６は、反転トランジスタ６８および非反転トランジスタ７０に 対して０．０ボルトのしきい値のデバイスが使用された場合に、約０．２ボルト 〜約２．６０ボルトの有用な電圧範囲を提供し、約２．４０ボルトの有用な範囲 を提供している。この例では、全体のコモンモード入力範囲はＶｄｄおよびＶｓ ｓの電源の限界の間にあり、かつ全範囲が通常その共通の電源に制約される回路 によって使用可能である。 この発明は特に区分的にまたはピースワイズな（ｐｉｅｃｅ ｗｉｓｅ）リニ アな関数を発生するために広いコモンモード入力電圧を備えた低電圧完全差動増 幅器が必要とされる、低電圧温度補償水晶発振器のための温度補償回路の実施に おいて有用である。都合のよいことには、本発明の広いコモンモード範囲は従来 技術よりも良好なノイズ性能と共に広い範囲の温度の動作を可能にする。より詳 細に は、前記範囲１０４および１０６はより大きな入力信号を受信できるようにし、 これは結果として改善された信号対雑音比を生じる。 この発明の種々の実施形態が示されかつ説明されたが、この発明の新規な精神 および範囲から離れることなく当業者によって種々の変更および置き換え、なら びに、前に述べた実施形態の修正および組合せを行うことが可能なことが理解さ れるべきである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．低電圧差動増幅器であって、 差動増幅回路であり、 ｉ）反転入力および非反転入力を含む差動対および該差動対に接続されたバイ アス電流源、および ｉｉ）第１および第２の負荷および反転および非反転出力、 を含む前記差動増幅回路、 を具備し、前記第１の負荷は第１の組み込まれた差動増幅器および第１の出力 トランジスタを備え、 前記第１の組み込まれた差動増幅器は第１の反転入力および第１の非反転入力 そして第１の組み込まれた差動増幅器の出力を含み、前記第１の出力トランジス タは第１のゲート、ソースおよびドレインを含み、 前記第１の非反転入力、前記差動対および前記第１の出力トランジスタの第１ のドレインは接続されて第１の共通接続ノードを規定し、そして 前記第２の負荷は第２の組み込まれた差動増幅器、および第２の出力トランジ スタを備える、 低電圧差動増幅器。 ２．前記共通接続ノードは前記差動対のドレイン、前記第１の出力トランジス タのドレインおよび前記第１の非反転入力に接続されている、請求項１に記載の 低電圧差動増 幅器。 ３．前記第１の組み込まれた差動増幅器の出力は前記第１のゲートに接続され ている、請求項１に記載の低電圧差動増幅器。 ４．前記第１の組み込まれた差動増幅器の出力は前記反転および非反転出力の 内の少なくとも１つを規定する、請求項１に記載の低電圧差動増幅器。 ５．前記第１の反転入力は第１のＤＣ電圧基準への接続を含む、請求項１に記 載の低電圧差動増幅器。 ６．前記差動対は反転および非反転トランジスタを含み、かつ前記反転トラン ジスタのドレインは前記第１の共通接続ノードに接続されている、請求項１に記 載の低電圧差動増幅器。 ７．前記第１のゲートは前記第１の組み込まれた差動増幅器の出力に接続され 、前記第１のドレインおよび第１の電流源は前記第１の共通接続ノードに接続さ れ、前記第１のソースは前記差動対の少なくとも一部を通って電流が流れるよう にするのに十分なＤＣ電源に接続されている、請求項１に記載の低電圧差動増幅 器。 ８．前記第１のＤＣ電圧基準は前記第１の出力トランジスタを十分に飽和領域 にバイアスする、請求項５に記載の低電圧差動増幅器。 ９．前記第２の組み込まれた差動増幅器は第２の反転入力および第２の非反転 入力そして第２の組み込まれた差動 増幅器の出力を含み、かつ前記第２の出力トランジスタは第２のゲート、ソース およびドレインを含む、請求項１に記載の低電圧差動増幅器。 １０．さらに、前記第２の非反転入力および前記第２の出力トランジスタの第 ２のドレインに接続された第２の電流源を備え、第２の共通接続ノードを規定し 、それによって前記第２の電流源が前記第２の出力トランジスタから電流を引き 込みまたは流し込むことが可能な、請求項９に記載の低電圧差動増幅器。