JPH1168472A - 増幅回路 - Google Patents

増幅回路

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JPH1168472A
JPH1168472A JP9240252A JP24025297A JPH1168472A JP H1168472 A JPH1168472 A JP H1168472A JP 9240252 A JP9240252 A JP 9240252A JP 24025297 A JP24025297 A JP 24025297A JP H1168472 A JPH1168472 A JP H1168472A
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亮 合田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電源電圧を高く設定することなく低電圧で広
帯域かつ低ノイズの増幅作用を行う増幅回路を提供する
ことを目的とする。 【解決手段】 増幅回路は、電流源回路111、電流帰
還オペアンプ113、帰還抵抗(Rfb)112、基準
電源114などから構成される。増幅回路のゲインを決
めているのは、電圧電流変換回路102の変換ゲインg
mと抵抗Rfbであり、抵抗Rfbには直流電流が流れ
ない回路構成になっているので、電源電圧と独立にその
大きさを決めることができる。したがって、電源電圧を
高くすることなく、低雑音の増幅回路を実現することが
可能である。また、電圧電流変換回路102の電流出力
ポートに、電流帰還オペアンプ113の反転入力端子が
接続されており、接続点のインピーダンスが低くなって
いるので、初段の入力から見たミラー容量が小さく周波
数特性に優れる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は広帯域かつ低雑音の
増幅作用を行う増幅回路に関する。
【0002】
【従来の技術】図6は従来の広帯域増幅回路の基本的構
成を示す原理図である。図において、101aは入力端
子、102aは電圧電流変換回路、106aは出力端子
である。103aはベース接地のトランジスタであり、
電圧電流変換回路102aとの組合せはカスコード接続
として知られている。
【0003】この増幅回路では、入力電圧は電圧電流変
換回路102aで電流に変換された後、ベース接地トラ
ンジスタ103aで電流増幅され、負荷抵抗器104a
で電圧に変換される。
【0004】ここで、入力電圧をVin,出力電圧をV
out,電圧電流変換回路102aの変換ゲインをg
m,トランジスタ103aのエミッタ電流をIe,コレ
クタ電流をIc,負荷抵抗器104aの抵抗値をRlo
adとすると、数式(1)、(2)、(3)に示す関係
が得られる。
【0005】 Ie=gm・Vin ………(1) Ic=Ie ………(2) Vout=Ic・Rload ………(3) その結果、数式(4)が成り立つ。
【0006】 Vout/Vin=gm・Rload ………(4) このとき、ベース接地トランジスタ103aのエミッタ
電圧で電圧電流変換回路102aの出力が決定されるの
で、入力端子101aから見てミラー効果による入力容
量の増加はなく、インピーダンスの高い入力信号に対し
ても広帯域な増幅作用を行うことができる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな広帯域増幅回路においてさらに低雑音であることが
要望されている。一般に、低雑音の増幅回路を実現する
ためには、初段増幅器のゲインを大きくすることが必要
である。これは増幅回路の構成要素のうち、入力に近い
構成要素だけがノイズ特性に寄与する状態を実現したい
ためである。初段増幅器のゲインが大きいと、後段では
信号レベルが大きくなり、後段の増幅回路のノイズを相
対的に小さくすることができる。
【0008】図6において、ゲインを大きくして増幅回
路の低雑音を実現するには、電圧電流変換回路102a
の変換ゲインを大きくし、かつ負荷抵抗器104aを大
きくしなければならない。そして、負荷抵抗器104a
を大きくするためには電源電圧をある程度以上高く設定
しなければならないが、電源電圧が高くなると消費電力
が多くなるので、望ましいことではない。
【0009】そこで、本発明は、電源電圧を高く設定す
ることなく低電圧で広帯域かつ低ノイズの増幅作用を行
う増幅回路を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項1に記載の増幅回路は、電圧電流変
換回路と、電流源回路と、電流帰還演算増幅回路とを備
え、前記電圧電流変換回路の電流出力端子と前記電流源
回路の電流出力端子とが接続されており、前記電流帰還
演算増幅回路の出力端子と反転入力端子とが帰還抵抗を
介して接続されており、前記電圧電流変換回路の出力電
流と前記電流源回路の出力電流との差電流が、前記電流
帰還演算増幅回路の反転入力と前記帰還抵抗との接続点
に入力するように構成されたことを特徴とする。
【0011】請求項2に記載の増幅回路では、請求項1
に係る増幅回路において前記電圧電流変換回路は、エミ
ッタ接地のトランジスタ回路であることを特徴とする。
【0012】請求項3に記載の増幅回路では、請求項1
に係る増幅回路において前記電圧電流変換回路は、ソー
ス接地の電解効果トランジスタ回路であることを特徴と
する。
【0013】請求項4に記載の増幅回路は、第1および
第2の電圧電流変換回路からなる差動増幅回路と、電流
源回路と、電流帰還演算増幅回路とを備え、前記第2の
電圧電流変換回路の電流出力端子と前記電流源回路の電
流出力端子とが接続されており、前記電流帰還演算増幅
回路の出力端子と反転入力端子とが帰還抵抗を介して接
続されており、前記第2の電圧電流変換回路の出力電流
と前記電流源回路の出力電流との差電流が、前記電流帰
還演算増幅回路の反転入力と前記帰還抵抗との接続点に
入力するように構成されたことを特徴とする。
【0014】請求項5に記載の増幅回路では、請求項4
に係る増幅回路において前記第1および第2の電圧電流
変換回路からなる差動増幅回路は、エミッタ結合された
トランジスタ回路であることを特徴とする。
【0015】請求項6に記載の増幅回路では、請求項4
に記載の増幅回路において前記第1および第2の電圧電
流変換回路からなる差動増幅回路は、ソース結合された
電解効果トランジスタ回路であることを特徴とする。
【0016】請求項7に記載の増幅回路では、請求項4
に係る増幅回路において前記第2の電圧電流変換回路に
接続された電流源回路がカレントミラー回路の出力回路
であり、該カレントミラー回路の入力回路が前記第1の
電圧電流変換回路の電流出力端子に接続されていること
を特徴とする。
【0017】請求項8に記載の増幅回路は、第1および
第2の電圧電流変換回路からなる差動増幅回路と、電流
帰還演算増幅回路とを備え、前記第1の電圧電流変換回
路の電流出力端子に第1のトランジスタのコレクタとベ
ースとが接続され、前記第2の電圧電流変換回路の電流
出力端子に第2のトランジスタのコレクタが接続され、
前記第1および第2のトランジスタのベースが互いに接
続されており、前記電流帰還演算増幅回路の出力端子と
反転入力端子とが帰還抵抗を介して接続されており、前
記第2の電圧電流変換回路の出力電流と前記第2のトラ
ンジスタのコレクタ電流との差電流が、前記電流帰還演
算増幅回路の反転入力と前記帰還抵抗との接続点に入力
するように構成されたことを特徴とする。
【0018】請求項9に記載の増幅回路は、請求項8記
載に係る増幅回路において比較回路を有し、該比較回路
は前記電流帰還演算増幅回路の出力電圧と基準電圧との
差を出力し、該出力が前記第1および第2のトランジス
タのベース接続点に入力するように構成されたことを特
徴とする。
【0019】
【発明の実施の形態】本発明の増幅回路の実施の形態に
ついて説明する。
【0020】[第1の実施の形態]図1は第1の実施形
態における増幅回路の基本的構成を示す原理図である。
図において、111は電流源回路、113は電流帰還オ
ペアンプ、112は帰還抵抗Rfb、114は基準電源
である。
【0021】電流帰還オペアンプ113は通常のオペア
ンプと同じく反転入力、非反転入力および出力の3つの
端子を有する。非反転入力端子は高入力インピーダンス
でゲイン1のアンプに接続され、そのアンプ出力は反転
入力端子に接続されている。
【0022】したがって、通常のオペアンプと異なり、
反転入力端子の入力インピーダンスが非常に低くなって
いる。一方、出力端子には反転入力端子からの出力電流
を増幅した値が電圧として出力される。
【0023】ここで、入力電圧をVin,出力電圧をV
out,電流帰還オペアンプ113の反転入力端子の電
圧をV1,電流帰還オペアンプ113の非反転入力端子
の電圧をVrefとし、電圧電流変換回路102の出力
電流をI1、電流源回路111の出力電流をI2、I1
とI2の差電流をI3、電流帰還オペアンプ113の反
転入力端子からの出力電流をIinv,帰還抵抗Rfb
を通って帰還する電流をI4とする。
【0024】この増幅回路では直流バイアスがバランス
良く設定されており、数式(5)、(6)、(7)の関
係が成り立つとする。
【0025】I1=I2 ………(5) I3=I4 ………(6) Vout=Vref ………(7) この増幅回路の交流成分に関しては、数式(8)、
(9)、(10)の関係が成り立つ。
【0026】 I3=gm・Vin ………(8) Iinv=I3−I4 ………(9) I4=(Vout−V1)/Rfb ………(10) ここで、gmは電圧電流変換回路102の変換ゲインで
ある。
【0027】また、電流帰還オペアンプの特性から数式
(11)、(12)に示す関係式が成り立つ。
【0028】Vout=Iinv・Z ………(11) V1=0 ………(12) ここで、Zは電流帰還オペアンプのオープンループゲイ
ンである。
【0029】図1の増幅回路のトータルの電圧ゲイン
は、数式(13)に示す通りである。
【0030】 Vout/Vin=gm・1/(1/Z+1/Rfb) ………(13) 電流帰還オペアンプのオープンループゲインが十分に大
きい場合(Z>>Rfb)、数式(13)は数式(1
4)に示す関係式となり、前述した数式(4)と同じ形
になる。
【0031】 Vout/Vin=gm・Rfb ………(14) 数式(14)に示す通り、増幅回路のゲインを決めてい
るのは、電圧電流変換回路102の変換ゲインgmと抵
抗Rfbである。したがって、低ノイズを実現するため
には、抵抗Rfbの値を大きくして回路のゲインを大き
くするアプローチが考えられる。
【0032】ここで、抵抗Rfbは直流電流が流れない
回路構成になっているので、電源電圧と独立にその大き
さを決めることができる。これにより、電源電圧を高く
することなく、低雑音の増幅回路を実現することが可能
である。
【0033】また、この増幅回路では、電圧電流変換回
路102の電流出力ポートに、電流帰還オペアンプ11
3の反転入力端子が接続されており、接続点のインピー
ダンスが実際に低くなっている。このことは初段の電圧
電流変換回路の増幅段において、入力から見たミラー容
量が小さく、周波数特性が本質的に良いことを示す。
【0034】このように、第1の実施形態の増幅回路は
低電圧で広帯域かつ低雑音の増幅作用を行うことが可能
である。
【0035】尚、電圧電流変換回路は、エミッタ接地の
トランジスタ回路、ソース接地の電解効果トランジスタ
回路で構成することが可能である。
【0036】[第2の実施の形態]図2は第2の実施形
態における増幅回路の基本的構成を示す原理図である。
前記第1の実施形態と同一の構成要素については同一の
番号を付してその説明を省略する。
【0037】この増幅回路では、入力段が差動増幅回路
で構成されている。前記第1の実施形態では定電流源1
11が設けられていたが、第2の実施形態の増幅回路で
はカレントミラー回路111mになっており、差動アン
プの電流変化の和を次段の電流帰還オペアンプ113に
送る構成になっている。
【0038】ここで、115は差動増幅回路の動作電流
を規定する定電流源である。この増幅回路では前記第1
の実施形態と同じく全体のゲインを抵抗Rfbで設定す
ることができる。したがって、広帯域でかつ低い電源電
圧と低ノイズを両立させることが可能である。
【0039】図3は第2の実施形態における増幅回路の
構成を具体的に示す回路図である。入力における2個の
NPNトランジスタQ1、Q2でエミッタ結合の差動ア
ンプが構成されている。この差動アンプの電圧電流変換
ゲインはNPNトランジスタQ1、Q2のコレクタ電流
に依存するが、コレクタ電流は電流源CS1で電源電圧
に対して独立に設定可能である。
【0040】Q3はカレントミラー回路の入力トランジ
スタ、Q4は出力トランジスタである。NPNトランジ
スタQ2の電流出力と出力トランジスタQ4の電流出力
との差電流が、次段の電流帰還オペアンプに送られる。
【0041】電流帰還オペアンプはトランジスタQ5、
Q6、Q7、Q8で簡単に構成されている。電流帰還オ
ペアンプでは、トランジスタQ5のエミッタが反転入力
であり、トランジスタQ5のベースが非反転入力であ
り、トランジスタQ8のエミッタが出力である。帰還抵
抗はR1であり、原理的にこの抵抗には直流電流が流れ
ないように構成することができ、抵抗値は直流バイアス
の制約なく決定できる。
【0042】このように、第2の実施形態においても低
電圧で広帯域かつ低雑音の増幅作用を行う増幅回路を実
現することが可能である。
【0043】尚、差動増幅回路はエミッタ結合されたト
ランジスタ回路、ソース結合された電解効果トランジス
タ回路で構成することが可能である。
【0044】[第3の実施の形態]図4は第3の実施形
態における増幅回路の基本的構成を示す原理図である。
前記第1および第2の実施形態と同一の構成要素は同一
の番号を付してその説明を省略する。
【0045】この増幅回路は入力段がエミッタ結合のP
NPトランジスタ2個による差動入力を構成している。
また、前記第2の実施形態と同様にカレントミラー回路
11mになっており、差動アンプの電流差を次段の電流
帰還オペアンプ113に送るようになっている。
【0046】この増幅回路の特徴は、電流帰還オペアン
プの出力からカレントミラー回路のベースへのフィード
バックループにある。このループの目的は入力の差動ア
ンプの個体差による電流帰還オペアンプの出力オフセッ
トを補償することである。
【0047】電流帰還オペアンプ113の出力電圧と目
的とするリファレンス電圧116との差を比較回路11
7で検出する。そして、そのエラー電圧を電圧電流変換
回路118で電流に変換してカレントミラー回路111
mのベースに戻している。
【0048】図5は第3の実施形態における増幅回路の
構成を具体的に示す回路図である。入力における2個の
PNPトランジスタQ1、Q2でエミッタ結合の差動ア
ンプが構成されている。この差動アンプの電圧電流変換
ゲインは、PNPトランジスタQ1、Q2のコレクタ電
流に依存するが、コレクタ電流は電流源CS1で電源電
圧と独立に設定可能である。
【0049】Q3はカレントミラー回路の入力トランジ
スタ、Q4は出力トランジスタである。PNPトランジ
スタQ2の電流出力と出力トランジスタQ4の電流出力
との差電流が、次段の電流帰還オペアンプに送られる。
【0050】ここで、PNPトランジスタQ2、出力ト
ランジスタQ4の差電流出力と電流帰還オペアンプの反
転入力との間にベース接地のNPNトランジスタQ9を
配置することにより、PNPトランジスタQ2、出力ト
ランジスタQ4の差電流出力のインピーダンスをさらに
小さくしている。
【0051】電流帰還オペアンプはトランジスタQ5、
Q6、Q7、Q8で構成されている。トランジスタQ5
のエミッタが反転入力であり、トランジスタQ5のベー
スが非反転入力であり、トランジスタQ8のエミッタが
出力である。
【0052】帰還抵抗はR1であり、原理的にこの帰還
抵抗には直流電流が流れないように構成することがで
き、抵抗値を直流バイアスの制約なく決定できることは
図3に示した第2の実施形態の場合と同様である。
【0053】また、トランジスタQ10、Q11は比較
回路を構成している。トランジスタQ10のベースに入
力されるリファレンス電圧と、トランジスタQ11のベ
ースに入力される電流帰還オペアンプの出力電圧との差
電圧は、トランジスタQ10のコレクタから電流で取り
出される。
【0054】この差電流とコンデンサC1とで簡単な積
分フィルタを構成しており、結果は電圧としてトランジ
スタQ12のベースに入力される。トランジスタQ12
は、エミッタフォロワであり、抵抗R3を介して電流に
変換され、カレントミラー回路Q3、Q4のベースにフ
ィードバックされる。このフィードバックループによ
り、電流帰還オペアンプの直流電位を、差動アンプの特
性に依らず、安定して得ることが可能となる。
【0055】このように、第3の実施形態の増幅回路に
おいても低電圧で広帯域かつ低雑音の増幅作用を行うこ
とができる。
【0056】
【発明の効果】本発明の請求項1に記載の増幅回路によ
れば、増幅回路のゲインを決めているのは、電圧電流変
換回路の変換ゲインと帰還抵抗であり、低ノイズを実現
するためには、帰還抵抗の値を大きくして回路のゲイン
を大きくする必要があるが、帰還抵抗は直流電流が流れ
ない回路構成になっているので、電源電圧と独立にその
大きさを決めることができる。これにより、電源電圧を
高くすることなく、低雑音の増幅回路を実現することが
可能である。このように、増幅回路は電源電圧を高く設
定することなく、低電圧で広帯域かつ低ノイズの増幅作
用を行うことができる。
【0057】請求項2に記載の増幅回路によれば、前記
電圧電流変換回路は、エミッタ接地のトランジスタ回路
であるので、簡単な構成で電圧電流変換を行うことがで
きる。
【0058】請求項3に記載の増幅回路によれば、前記
電圧電流変換回路は、ソース接地の電解効果トランジス
タ回路であるので、入力インピーダンスが高くかつ簡単
な構成で電圧電流変換を行うことができる。
【0059】請求項4に記載の増幅回路によれば、増幅
回路のゲインを決定する帰還抵抗に直流電流が流れない
ように構成することができ、抵抗値は直流バイアスの制
約なく決定できるので、電源電圧を高くすることなく、
差動増幅による低雑音の増幅作用を行うことが可能であ
る。しかも、入力段を差動アンプとし、その電圧電流変
換ゲインを電源電圧によらなく設定することができる。
【0060】請求項5に記載の増幅回路によれば、前記
第1および第2の電圧電流変換回路からなる差動増幅回
路は、エミッタ結合されたトランジスタ回路であるの
で、簡単な構成で電圧電流変換を行うことができる。
【0061】請求項6に記載の増幅回路によれば、前記
第1および第2の電圧電流変換回路からなる差動増幅回
路は、ソース結合された電解効果トランジスタ回路であ
るので、入力インピーダンスが高くかつ簡単な構成で電
圧電流変換を行うことができる。
【0062】請求項7に記載の増幅回路によれば、前記
第2の電圧電流変換回路に接続された電流源回路がカレ
ントミラー回路の出力回路であり、該カレントミラー回
路の入力回路が前記第1の電圧電流変換回路の電流出力
端子に接続されているので、簡単な構成で電圧電流変換
を行うことが可能である。
【0063】請求項8に記載の増幅回路によれば、入力
段をエミッタ結合のPNPトランジスタ2個による差動
入力で構成することができ、カレントミラー回路による
差動入力の電流差を次段の電流帰還演算増幅器に送るこ
とにより低雑音かつ広帯域の増幅作用を行うことができ
る。
【0064】請求項9に記載の増幅回路によれば、比較
回路を有し、該比較回路は、前記電流帰還演算増幅回路
の出力電圧と基準電圧との差を出力し、該出力が前記第
1および第2のトランジスタのベース接続点に入力する
ように構成されたので、差動アンプの個体差による電流
帰還オペアンプの出力オフセットを補償し、電流帰還オ
ペアンプの直流電位を、差動アンプの特性に依らず安定
して得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態における増幅回路の基本的構成
を示す原理図である。
【図2】第2の実施形態における増幅回路の基本的構成
を示す原理図である。
【図3】第2の実施形態における増幅回路の構成を具体
的に示す回路図である。
【図4】第3の実施形態における増幅回路の基本的構成
を示す原理図である。
【図5】第3の実施形態における増幅回路の構成を具体
的に示す回路図である。
【図6】従来の広帯域増幅回路の基本的構成を示す原理
図である。
【符号の説明】
102、118 電圧電流変換回路 111 電流源回路 111m カレントミラー回路 112 帰還抵抗 113 電流帰還オペアンプ 117 比較回路

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電圧電流変換回路と、電流源回路と、電
    流帰還演算増幅回路とを備え、 前記電圧電流変換回路の電流出力端子と前記電流源回路
    の電流出力端子とが接続されており、 前記電流帰還演算増幅回路の出力端子と反転入力端子と
    が帰還抵抗を介して接続されており、 前記電圧電流変換回路の出力電流と前記電流源回路の出
    力電流との差電流が、前記電流帰還演算増幅回路の反転
    入力と前記帰還抵抗との接続点に入力するように構成さ
    れたことを特徴とする増幅回路。
  2. 【請求項2】 前記電圧電流変換回路は、エミッタ接地
    のトランジスタ回路であることを特徴とする請求項1記
    載の増幅回路。
  3. 【請求項3】 前記電圧電流変換回路は、ソース接地の
    電解効果トランジスタ回路であることを特徴とする請求
    項1記載の増幅回路。
  4. 【請求項4】 第1および第2の電圧電流変換回路から
    なる差動増幅回路と、電流源回路と、電流帰還演算増幅
    回路とを備え、 前記第2の電圧電流変換回路の電流出力端子と前記電流
    源回路の電流出力端子とが接続されており、 前記電流帰還演算増幅回路の出力端子と反転入力端子と
    が帰還抵抗を介して接続されており、 前記第2の電圧電流変換回路の出力電流と前記電流源回
    路の出力電流との差電流が、前記電流帰還演算増幅回路
    の反転入力と前記帰還抵抗との接続点に入力するように
    構成されたことを特徴とする増幅回路。
  5. 【請求項5】 前記第1および第2の電圧電流変換回路
    からなる差動増幅回路は、エミッタ結合されたトランジ
    スタ回路であることを特徴とする請求項4記載の増幅回
    路。
  6. 【請求項6】 前記第1および第2の電圧電流変換回路
    からなる差動増幅回路は、ソース結合された電解効果ト
    ランジスタ回路であることを特徴とする請求項4記載の
    増幅回路。
  7. 【請求項7】 前記第2の電圧電流変換回路に接続され
    た電流源回路がカレントミラー回路の出力回路であり、
    該カレントミラー回路の入力回路が前記第1の電圧電流
    変換回路の電流出力端子に接続されていることを特徴と
    する請求項4記載の増幅回路。
  8. 【請求項8】 第1および第2の電圧電流変換回路から
    なる差動増幅回路と、電流帰還演算増幅回路とを備え、 前記第1の電圧電流変換回路の電流出力端子に第1のト
    ランジスタのコレクタとベースとが接続され、 前記第2の電圧電流変換回路の電流出力端子に第2のト
    ランジスタのコレクタが接続され、 前記第1および第2のトランジスタのベースが互いに接
    続されており、 前記電流帰還演算増幅回路の出力端子と反転入力端子と
    が帰還抵抗を介して接続されており、 前記第2の電圧電流変換回路の出力電流と前記第2のト
    ランジスタのコレクタ電流との差電流が、前記電流帰還
    演算増幅回路の反転入力と前記帰還抵抗との接続点に入
    力するように構成されたことを特徴とする増幅回路。
  9. 【請求項9】 比較回路を有し、 該比較回路は前記電流帰還演算増幅回路の出力電圧と基
    準電圧との差を出力し、 該出力が前記第1および第2のトランジスタのベース接
    続点に入力するように構成されたことを特徴とする請求
    項8記載の増幅回路。
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