JPS5972210A - 差動増幅回路 - Google Patents

差動増幅回路

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JPS5972210A
JPS5972210A JP57182317A JP18231782A JPS5972210A JP S5972210 A JPS5972210 A JP S5972210A JP 57182317 A JP57182317 A JP 57182317A JP 18231782 A JP18231782 A JP 18231782A JP S5972210 A JPS5972210 A JP S5972210A
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JP
Japan
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circuit
current
output
terminal
transistor
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Pending
Application number
JP57182317A
Other languages
English (en)
Inventor
Kiyuuichi Haruyama
晴山 「きゆう」一
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
Nippon Electric Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPS5972210A publication Critical patent/JPS5972210A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/30Single-ended push-pull [SEPP] amplifiers; Phase-splitters therefor
    • H03F3/3069Single-ended push-pull [SEPP] amplifiers; Phase-splitters therefor the emitters of complementary power transistors being connected to the output
    • H03F3/3076Single-ended push-pull [SEPP] amplifiers; Phase-splitters therefor the emitters of complementary power transistors being connected to the output with symmetrical driving of the end stage

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は差動増幅回路に関するものであり、特にバイポ
ーラあるいはMISモノリシック集積回路でrり成する
超高利得の差動増幅回路に関するものである。
従来、モノリシック集積回路の発展にょシ、差動増幅回
路の構成として種々の回路手段が提示されて来ている。
しかし、従来回路では差動増幅回路1段当りに得られる
増幅率(利得)は約40〜60 dBである。一方、今
日、例えば超高精度A/D変換器に使用される比較回路
として、その初段増幅回路としてこれまで得られている
ものよりも格段と利得の大きなもの(例えば100 d
B以上)が必要になってきている。更にそれらのものを
モノリシック集積回路特KMI8モノリシック集積回路
で形成できることが強く望まれている。
本発明の目的は、か\る要求を満足するところの超高利
得を有する差動増幅回路を提供することにあり、更にモ
ノリシック集着回路特にMI8モノリシック集積回路で
形成され、差動1段増幅回路で100 dI(以上の利
得を有する超高利得差動増幅回路を提供することにある
本発明の回路は、出力端子と、第1.第2の差動入力端
子と、第1.第2のトランジスタで構成された差動入力
トランジスタ対と、前記第1.第2の入力端子を各々前
記第1.第2のトランジスタの制御入力へ導く回路接続
と、共通接続された前記第1.第2のトランジスタの入
力端子を定電流源回路を介して第1の電源端子へ導く回
路接続と、前記第1のトランジスタの出力端子を第1の
電流反転回路へ導く回路接続と、該第1の電流反転回路
の出力を第1の電流ホロワ回路へ導く回路接続と、前記
第2のトランジスタの出力端子を第2の電流反転回路へ
導く回路接続と、前S己第2の電流反転回路の出力を第
2の電流ホロワ回路の入力へ導く回路接続と、前記第1
の電流ホロワ回路の出力を第3の電流反転回路の入力へ
導く回路接1、院と、該第3の電流反転回路の出力を第
3の電流ホロワ回路の入力へ導く回路接続と、該第3の
電流ホロワ回路の出力とを共に前記出力端子へ導く回路
接続とを含むことからなっている。
以下本発明について図面を参照して詳細に説明する。
本発明では電流反転回路と電流ホロワ回路により達成さ
れる非常に高いインピーダンスを有する電流源回路が利
得向上のための基本となっている。
本発明に使用される電流ホロワ回路を用いた電流源回路
の出力インピーダンスの向上については、本発明者が先
に出願した特開昭56−72507(5G、6.1G、
)に詳細が示されている。
以下図面に従って本発明の構成、動作原理、及び実施例
について説明する。
第1図は本発明の構成を示すブロック図である。
1.2は第1.第2の電源端子、3,4は第1゜第2の
入力端子、5は出力端子である。6は差動入力トランジ
スタ対でありその制御端子は各々入接続されている。又
、トランジスタ対6の第1のトランジスタの出力端子は
第1の電流反転回路8の入力に接続され、第2のトラン
ジスタの出力端子は第2の電流反転回路100入力に接
続されている。ここで、トランジスタの制御端子は例え
ばベース又はゲート、入力端子はエミッタ又はソース、
出力端子はコレクタ又はドレインを示している。
第1の電流反転回路8は、第2の電源源子2へ接続され
ると共に、その出力は第1の電流ホロワ回路9を介して
第3の電流反転回路120入力に接続される。
又、第2の電流反転回路10は、第2の電源端子2に接
続されると共に、その出力は第2の電流ホロワ回路、1
1を介して出力端子5へ接続され、又、第3の電流反転
回路12は第1の電源端子1へ接続されると共に、その
出力は第3の電流ホロワ回路13を介して出力端子5へ
接続されている。
電流反転回路は一般にトランジスタ対により構成する事
ができ、その出力トランジスタと電流ホロワ回路により
非常に高い出力インピーダンスを有する電流源回路を構
成する事ができる。
したがって、出力端子5での出力インピーダンスは非常
に高く、差動入力トランジスタのトランスコンダクタン
スと出力インピーダンスの積で決まるとの差動増幅段の
利得は著しく高くなる。
なお実際に出力に負荷が接続される場合には、ソースホ
ロワ回路等のバッファを介する事によシ出力端子5のイ
ンピーダンスを低下させる事々く負荷を接続する事がで
きる。
次に、特開昭56−72507により本発明者が先に出
願した電流ホロワ回路を用いた電流源回路の動作原理に
ついて説明する。
第2図(4)は単体のFET30を増幅素子として用い
た電流源の一例であり、その簡略な等両回路を同図■に
示す。Fli!iT 30のソース31とゲート32間
はバイアス電圧源15でバイアスされドレイン33から
定電流出力が得られる。第3図(至)K示す等両回路は
電流源34と出力抵抗35から構成される。ゲートバイ
アス電圧をVG1%FET30のトランスコンダクタン
スをgmとすると電流源34の値はgm ” VGIと
なり、よってドレイン端子からの出力電流工。は Io ” gml・VGI +VO/r* となる。
ことでr。は出力抵抗35の抵抗値でありV。はドレイ
ン33の電位である。この従来例の出力コンダクタンス
(θ工。、、1avo )はa工0/aVo=1/r0
となる。
第2図(Oは第2図囚の回路にゲート接地FB’I’4
0を付加した電流源回路である。第2図(6)の簡略な
等両回路を第2図(ト)に示す。ゲート接地FIT40
のゲートは端子42を介して第2のバイアス電圧源16
へ接続され、F J) T 40のソースは端子41を
介してFliT 30のドレインl\接続され、FET
40のドレインは出力端子43へ接続さiしている。第
2図01の憎:両回路ではFE’J’40は電 ′流源
44と出力抵抗45の並列接続とで表わされている。電
流源44の値はgm(−Vl)である。ここでV、は端
子41の電位である。この回路に於てFIST 30及
びFET40のトランスコンダクタンス及び出力抵抗を
共1c gmとr。と仮定すると、出力端子43からの
出力電流は Io=(Vo  Vl)/’r6  g+n’V+とな
る。Voは出力端子43の電位である。この従来例の出
力コンダクタンスは と外シ、(gmro)倍だけ改善されている。
一方、第2図(ト)は湯用彰氏により発明され本出願人
よシ出願された特開昭51−23645号公報に開示さ
れている電流源である。T1は負荷MOBであり、T、
は昭勤段であり、’i’、 l T2が反転回路を構成
する。μ〉1とすると、との従来例の電流源の出力コン
ダクタンスは となシ、第2図(4)の回路に比してμ倍だけ改善され
ている。
第2図(ト)は本発明に使用する電流ホロワ型の回路で
あり%FET30のゲート32を介してバイアス電圧源
15によりバイアスされている。50は論理集積回路で
構成された反転回路であり、その出力は1llET40
のゲート42へ導かれている。
第2図(0の等両回路は第2図(ト)と同等であるが、
電流源55は(−μ)・gm (−Vl )なる値を有
する。(−μ)は上記反転回路の利得である。このとき
、端子43かもの出力電流工。は ■。−(Vo  vl )/ro+μ・gm”Vrとな
る。この電流源回路での出力コンダクタンスはとなり、
いずれの他の回路に比してもさらにμ倍 、又はgm 
ro倍の改善がなされている。
次に1この第1図の回路の利得を求めることにする。
差動入力トランジスタの相互コンダクタンスもgmであ
るとすると、差動入力電圧vDにより差動入力トランジ
スタ対6が出力する電流IODは、IOD ” gmV
DとなるO 差動入力トランジスタ対6から電流反転回路8゜流が流
れる。ずなわちIOD =(ト)’gmVD  (−1
2 gmVD ) = gmVDである。電流反転回路8,
10゜12での利得も損失もないと仮定すると、出力端
11 子5では(−t)gmVn及び(−)(2gmVD)な
る電流が加算されIOD ” gmVDなる電流が出力
される。
出力端子5から見込むインピーダンスは電流ホロワ回路
11.13の出力インピーダンスの並列回路とみなす事
が出来る。したがって、各々の出力インピーダンスは、
μ―(gm@r6)・ro (出力コンダクタンスの逆
数)となる。したがって、出力端子5に発生する出力電
圧VOは となる。しだがって、この差動増幅回路の利得ADは 従来構成の差動増幅回路では一般的に前述の第2図(4
)に示す電流源回路を用いているので、AT)−gm 
ro なる利得が得られる事が公知となっている。
したがって、本発明の差動増幅回路では、了(gm r
o )倍だけの改善が外されている事になる。
gm roO値は−・般的に40〜60 dBが得られ
る。
又μは10〜45 dB程度がモノリシック集積回路に
於いて実現される。
したがって、以上の原理に基づいて構成された本発明の
第1図に示す差動増幅回路は、この一段増幅構成で理論
的に120dB稈度の直流利得を有することになる。こ
の値は従来一般的に知られている差動増幅回路一段で得
られる利得40〜60dBに対して少くとも60 dE
という大きな改善が得られる事になる。
第3図は本発明の具体的な一実施例を示す回路図であシ
、第1図との共通部分には同一番号を付しである。又、
この実施例は本発明の構成を0M08(相補型MO8)
ランジスタ)を用いて実施している。
101.102は各々第1.第2のFETであ流源7へ
接続され差動入力トランジスタ対6を構成している。
第1の電流反転回路8はダイオード接続され九F、ET
 103と、PET 103とゲート及びソースが各々
共通接続されたFET 104とで構成される。
又第1の電流ホロワ回路9は、FE’l’108と反転
増幅器107とで構成される0 第2.第3の電流反転回路10.12及び第2゜第3の
電流ホロワ回路11.13も同様に構成されている。
第3図の実施例では、FETl0I、102゜111.
112及び113はNチャンネルFETであり、他のF
E’I’はPチャンネルFETである。
なお、全てのFETを各々反対導電型としだ回路構成も
また可能である。
端子3,4への差動入力に対し、FET 101 。
102は電圧電流変換するトランスコンダクタンス増幅
器としで動作し、第1〜第3の電流反転回路s、io、
12及び第1〜第3の電流ホロワ回路9,11.13を
介し出力端子5においてシングルエンド出力として取り
出される。この出力端子5での出力インピーダンスが前
述のように非常に高いので結果として非常に高い電圧利
得が得られる。
第4図は第3図の実施例に対し、入力インピーダンスの
高い出力反転増幅回路160を・付加し、演算増幅回路
を$7’l成した実施例の回路図である。
出力反転増幅回路160の入力は本発明の超高利得差動
増幅回路の出力端子5に接続されている。
出力反転増幅回路160はFB’l’ 161とlT1
62と周波数補償容ft163とで構成され、その出力
は演算増幅回路の出力端子164となっている。
又第3図における電流ホロワ回路として使用される反転
増幅回路107,1.10,114はそれぞれFTfl
T150,151,152,153゜154.155で
構成されている。
こ\でF1?1T151,1.53,154,162は
NチャンネルFET%F TI T 150 、 15
2 。
155.161はPチャンネルFETである。
この演算増幅回路の直流利得は約150 dllが得ら
れ、出力反転増幅回路の利得が20〜30d:f3程度
であるので、差動増幅段での利得は120dB程度とな
り前述の理論値と良く一致している。
第5図はバイポーラトランジスタで本発明の構成を実施
した例である。
NチャンネルFETはNPN)ランジスタに、Pチャン
ネルFETはPNP )ランジスタに置換\ られており、第4図との共通部分には同一番号を付しで
ある。
との構成の差動増幅回路の出力端子5にダーリントン接
続されたエミッタホロワ回路あるいは最近のバイポーラ
集積回路で実現できる接合FE’l”を用いたバッファ
l増幅器を付加する事により出力端子5のインピーダン
スを高く保つ事ができる。
このよう外オーク族によりバイポーラ集積回路において
もとの差動増1f+、T回路1段で120dB程度の利
得が得られる。
以上詳細に説明した通り本発明の差動増幅回路は、非常
に高いインピーダンスを有する電流ホロワ回路を用いた
電流源回路を溝底要素としているので、1段の増幅で1
20 dI3程度の超高利得が得られ、従来例に比して
2〜3桁という大幅な改善が得られる。
叉、本発明の応用例としては、まず出力にホロワ回路を
付加したイ苫成により、周波数補償容量を必要としない
一段構成の高帯域高利得演算増幅器が達成できる。
また他の応用例として、出力インバータ回路を付加した
超高利得演算増幅器が構成でき、精度の良い積分器が達
成できる。この積分器は例えば高精度積分型A/′D変
換器に応用できる。
さらに、また他の応用例として、本発明を比較器に応用
した場合には、初段の利得が著しく高く又帯域も広いか
ら微小差動入力信号に対する高速応答が可能となる。
このように本発明は、アナログ信号を取り扱う技術分野
における大きな技術進歩に貢献できうるものでその効果
は大である。
【図面の簡単な説明】
M1図は本発明の構成を示すブロック図、第2図は本発
明に使用される電流源回路の動作原理面。 第3図は本発明の一実施例を示す回路図、第4図及び第
5図はそれぞれ本発明の他の実施例を示す回路図である
。 1.2・・・・・・電源端子、3,4・・・・・・入力
端子、5゜164・・・・・・出力端子、6・・・・・
・差動入力トランジスタ対、7・・・・シー流源、8,
10.12・・・・・・電流反転回路、9,11.13
・・・・・・電流ホロワ回路、15・・・・・・バイア
ス電圧源、31.43・・・・・・端子、50.107
.”110,114,160・・・・・・反転増幅回路
、30,40,101〜106,108゜111〜11
3,150〜155,161,162・・・・・・トラ
ンジスタ、163・・・・・・容量。 (A)      (B) (C)            とl))      
       (z=ジとF、)          
          ど42ノ82図

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)出力端子と、第1.第2の差動入力端子と、第1
    .第2のトランジスタで構成された差動入力トランジス
    タ対と、前記第1.第2の入力端子を各々前記第1.第
    2のトランジスタの制御入力へ導く回路接続と、共通接
    続された前記第1.第2のトランジスタの入力端子を定
    電流源回路を介して第1の電源端子へ導く回路接続と、
    前記第1のトランジスタの出力端子を第1の電流反転回
    路へ導く回路接続と、該第1の電流反転回路の出力を第
    1の電流)ロワ回路へ導く回路接続と、前記第2のトラ
    ンジスタの出力端子を第2の電流反転回路へ導く回路接
    続と、前記第2の電流反転回路の出力を第2の電流ホロ
    ワ回路の入力へ導く回路接続と、前記第1の電流ホロワ
    回路の出力を第3の電流反転回路の入力へ導く回路接続
    と、該第3の電流反転回路の出力を第3の電流ホロワ回
    路の入力へ導°く回路接続と、該第3の電流ホロワ回路
    の出力と前記第2の電流ホロワ回路の出力とを共に前記
    出力端子へ導く回路接続とを含むことを特徴とする差動
    増幅回路回路。
  2. (2)前記電流ホロワ回路が、トランジスタと反転増幅
    回路とで構成され前記電流ホロワ回路の入力端子には前
    記トランジスタの入力端子と前記反転増幅回路の入力と
    が接続され、該反転増幅回路の出力は前記トランジスタ
    の制御端子に接続され、該トランジスタの出力端子は前
    記電流ホロワ回路の出力端子に接続されていることを特
    徴とする特許請求の範vN第(1)項記載の差動増幅回
    路。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5199959A (ja) * 1975-01-29 1976-09-03 Rca Corp
JPS5672507A (en) * 1979-11-19 1981-06-16 Nec Corp Current source circuit

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