JPS6038907A - 大スイングcmos電力増幅器 - Google Patents

大スイングcmos電力増幅器

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JPS6038907A
JPS6038907A JP59139747A JP13974784A JPS6038907A JP S6038907 A JPS6038907 A JP S6038907A JP 59139747 A JP59139747 A JP 59139747A JP 13974784 A JP13974784 A JP 13974784A JP S6038907 A JPS6038907 A JP S6038907A
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    • H03F1/30Modifications of amplifiers to reduce influence of variations of temperature or supply voltage or other physical parameters
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    • H03F1/308Modifications of amplifiers to reduce influence of variations of temperature or supply voltage or other physical parameters in push-pull amplifiers using MOSFET
    • HELECTRICITY
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    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/30Single-ended push-pull [SEPP] amplifiers; Phase-splitters therefor
    • H03F3/3001Single-ended push-pull [SEPP] amplifiers; Phase-splitters therefor with field-effect transistors

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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】 発明の背景 発明の分野 本発明はモノリシック電力増幅器に関する。さらに具体
的にいえば、本発明は電源間の出力スウィングが可能で
ある相補金属酸化物半導体(にMO8)AB級主電力増
幅器関する。この方法の他の特徴は出力デバイス中の制
御DCバイアス電流と低ひずみにある。
従来技術の説明 集積回路技術の発展はモノリシック構造体として電子回
路乞形成する際に特有の問題をおこす。
例えばリニヤ0M08回路はその低電力消費のゆえに市
場において成功を収めてきた。しかし、CrX1(JS
技術に特有の問題はにMO8IJニヤ回路の設計に対し
難題乞提示しており、つまり多(の共通の機能要素がC
MO8形式において容易には提供されずあるいは全く利
用できないのである。
従来技術のリニヤCMO8回路における制約は集積回路
の製造者7長ら(悩まし、そして有効な犬ダイナミック
レンジ完全CMO8電力増幅器の製造を妨げてきた。従
来法のCMOS fi電力増幅器各種の制限7受けろ出
力段構成乞使用した。第1図はこれらの従来法出力段の
三つ、すなわち、A吸出力ステージ(第1A図)、8級
出力ステージ(第1B図)、およびAB級出力ステージ
(第1C図)を示す。
従来法のA級およびAB級の出力段は限られた出力電圧
スイングンもち、低抵抗負荷を駆動するのに必要な大量
の電流を送るために大出力ドライバデバイスを必要とす
る。出力電圧スイングは出力ドライバデバイスの閾値と
、内部デバイスが飽和から駆動される前にこれらの出力
ドライバの人力が達し得る最大電圧とてよって制限され
る。
従来法のB吸出力度は大出力電圧スイングを駆動するこ
とができるが、しかし出力ドライバデバイスにおけるク
ロスオーバー歪と制御不能のDCバイアス電流に悩んで
いる。これらの問題の両者ン解決するのに用いる構成は
ダイオード回路乞デバイス1!+aと1′5bの2個の
入力装置と直列で含めることによるバイポーラ法によっ
て与えられろ。cMos法は、バイポーラデバイスによ
って示される必要な特性乞もつCMOSデバイスにこの
種の回路構成を形成することが困難であるために、この
種の解決策ン受は入れろ余地がなかった。
発明の要約 本発明はCMO8AB級電力増幅器を提供するものであ
り、その場合、低抵抗性負荷の両端間の電源間出力電圧
スイングが効率的かつ容易に行なわれる。共通ソース増
幅器を駆動する差動増幅器を含む高利得人力段が結合さ
れて単位利得出力段乞駆動する。
出力段はプッシュプル構成において2つの単位利得増幅
器2含む。各々の増幅器は差動出力段を含み、その出力
は出力ドライバデバイスのゲートを制御する。出力ドラ
イバデバイスのドレインは差動段の非反転入力へフィー
ドバックされて非反転単位利得増幅器ン形成する。出力
段電流レベルはこれら二つのプッシュプル増幅器の間の
オフセットの際に調節される。
プッシュプル出力段は出力信号レベルによって必要とさ
」する通り電圧電源間欠スウィングし、そして、低抵抗
負荷ン駆動する時に大量の電流を供給しかつ減少するこ
とができる。出力ドライバーデバイスにおけるDCバイ
アス電流の制御が与えられ、その負荷にとっての最高の
電力変換効率が大出力電圧スウィングに対して得られろ
本発明はクロスオーバーひずみの問題乞解決し、そして
きわめて低い高調波ひずみ合計をもつものである。本発
明は標準または逆CM(JS、金属ゲー)CMO8,お
よびシングルまたはダブルの多重ゲー トCMO8i含
めたCMOSプロセスのいずれにおいてもなし得る。
好適実施例の詳細な説明 本発明は低抵抗性負荷の両端間に電源間の出力電圧スイ
ングが可能である大スイングCIVItJS AB級電
力増幅器である。この設計のその他の特色は出力ドライ
バーデバイスにおける制御DCバイアス電流、および負
荷に対して電力効率乞改善づ−ろプッシュプル出力段構
造である。
第2図はこの電力増幅器が使用されるべき代表的用途の
ブロック図乞示している。回路は高利得人力段20から
成り、単位利得出力段21を駆動する。人力段20は第
ろ図においてさらに詳細に示されろ。
人力段20は共通ソース増幅器をドライブ1−ろ差動増
幅器から成る。この差動増幅器は電力増幅器が使用され
るべき用途に応じて、大小いずれかの共通モードレンジ
(CM几)ン有している。本発明の実施例においては、
電力増幅器は反転単位利得構成で使用される。そftゆ
え、低CM R乞もつ差動段7用いることができる。低
CMitの差動増幅器装用いろことの利点はカスケード
トランジスタ26aおよび27aに基づくより大きい利
得、並びに電流フィードバック補償法に基づく電力供給
ノイズのより良好な防止である。
この差動段は差動トランジスタ対26/27、カスコー
ド対26 a /27 a、電流ミラ一対2ろ/24、
および電流シンクトランジスタ25かも成る。トランジ
スタ26および27のそれぞれのゲート上で見られろ通
りの、人出端子■1o+とVin−との間のいかなる電
圧も、トランジスタ対26/27によって増幅さ身t、
そしてミラ一対2ろ/24によってトランジスタ26a
のドレインにおいてシングルエンド出力へ変換される。
差動段の出力は共通ソース増幅器乞駆動し、それは出力
段て大きい信号入力を与える。共通ソース増幅器もまた
入力段の合計のAC利得の約半分乞提供し、そしてAC
安定性を与えるのに必要とされろ補償容量の大きさ乞減
らす。
第2図に示す出力段21は2個の順方向の単位利得プッ
シュプル増幅器から成り、それらは第4図において増幅
器A1およびA2とトランジスタ56およびろ6aとし
て、それぞ11−示されている。
各増幅器は差動増幅器入力段を含み、それはトランジス
タろ6および56a(第4図において示す通り)から成
る出力ドライバーデバイスのゲート乞制御する出力信号
乞つくり出す。この出力ドライバーデバイスのドレイン
は直接に差動増幅器順方向人力へフィードバックされて
l1ilj方向単位利得増幅器乞形成する。
第4図は完全な電力増幅器の簡単比ブロック図であり、
ここでは、プッシュプル出力段が明示されかつ理解でき
る。増幅器A1とトランジスタろ6とは出力電圧スウィ
ングの正の半サイクルだ対する単位利得増幅器を形成し
、そして、逆に、増幅器A2とトランジスタろ6aとは
負の半サイクル回路乞形成する。トランジスタ58a 
、 59−454−11゜帰還回路乞形成し、それは増
幅器A1とA2の間のオフセットの際に出力ドライバー
デノ(イスろ6および56aにおけるDCバイアス電流
ケ制御1−ろ。増幅器40.差動増幅器、およびデノ(
イス37゜58および44で電力増幅器の人力段が成り
立っている。
簡単のために、出力段の正の半分の出力スウィングに関
する回路だけ乞詳細に論する。負の半分のスウィング回
路の動作はこの正の半分のスウィング回路の動作の逆の
鏡像である。各々の回路中で同じ機作7果1こす諸成分
は正の半分′のスウィング回路についての基本記号(例
えば、ろ1)で以て記号7付け、そして負の半分のスウ
ィング回路については特記しないかぎり追加文字” a
”′馨つけて記号とする(例えばろIa)。
本発明の好適実施例は第5図において回路図で示されて
いる。正のスウィング乞制御するための基本の単位利得
増幅器から成る構成要素はトランジスタろ1−56’&
含む。トランジスタ51−65は差動増幅器を形成する
動作要素であり、そttの出力がトランジスタろ6への
出力となる。この差動増幅器の負人力は入力段の出力へ
接続され、正人力はトランジスタろ6のドレインへ接続
さftろ。
負の半分のスイング乞制御する単位利得増幅器はトラン
ジスタろ1a−ろ6aから成る。この負の半分のスイン
グに対する差動増幅器回路は上で論じり正の半分のスイ
ングについてのものと同様に作動するが、ただし、差動
増幅器への負人力は正の半分のスイング回路のそれから
レベルシフトされている。
正半分のスイング回路の差動増幅器(トランジスタ51
−35 )の出力はトランジスタ56のゲートを、トラ
ンジスタが抵抗性負荷へ適切な電流7送って差動増幅器
の負端子へ印加されろ電圧と等しい電圧欠その負荷の両
端間に発生jろのに十分なレベルまで駆動する。この出
力段において用いられる差動増幅器は大きい共通モード
レンジ(CMI()暑もち、これがトランジスタろ6が
負荷へ大電流乞供給することを可能にし、−万ではモノ
リシック回路へ組込む合理的な物理的寸法でもある。
大きいCMRは、トランジスタろ1および52が高い閾
値電圧tもつときに発生されろ。この晶閾値電圧は差動
人力対の共通ソースノード2更に電圧VSSの万へ駆動
する。その結果、トランジスタろ6はより大きいゲート
駆動信号を受けとる。
CM几馨さらに増大することはトランジスタろ1と52
とが形成されている基板をVSSへ直接に接続すること
Kよって得られ、これによってこれらのトランジスタの
ソース−基板電圧乞変調し、従って差動増幅器の共通ソ
ースノードに対づ−る利イ4)を減少させる。トランジ
スタろ1と52に及はすこの変調効果はトランジスタろ
6へ追加のゲート乞駆動させ、これがトランジスタ56
が負荷へ追加の電流を供給することt可能にする。
本発明の好適実施例において、トランジスタ56は負荷
へ犬量電流乞供給する。それゆえ、このデバイスにおけ
るL) Cバイアス電流の制御は低電力損失ン与えるの
に必要である。トランジスタろ6中のD Cバイアス電
流は、第4図において示されかつ第5図の破線内に示さ
れろ増幅器A1とA2との入力端子オフセットに応じて
変動する。
増幅器A1とA2の人力オフセット電圧差が無視し得る
ものである場合えは、トランジスタ66のj)Cバイア
ス電流は差動増幅器中で発生する電流ミラーによって制
御される。トランジスタろ5と64は平衡差動増幅器中
の電流ミラーとして作用する。それゆえ、トランジスタ
5ろと34のドレインとゲートはともにほぼ同電位にあ
るべきである。トランジスタ56はトランジスタろろの
ドレインへ接続されるので、トランジスタろ6のゲート
上の電位はトランジスタろろおよびろ4の電位と同じで
ある。トランジスタ56のデバイス寸法ヲトランジスタ
3ろおよび54と相対的に定めろことによって、DCバ
イアス電流はトランジスタ65と54中の電流の何分の
1かになる。
もし、増幅器A1とA2の人力オフセット電圧差が実質
的である場合には、トランジスタろ3a−46はフィー
ドバックループ父形成してトランジスタろ6およびろ6
a乞通ろ電流乞安定1ヒする。
このフィードバックループは次の通り作動する。
増幅器A1はトランジスタ56が過剰駄の電流を供給さ
せ始めるようなオフセット乞もつと仮定1−ろ。この過
剰電流はトランジスタ59Kjつて感知され、そしてト
ランジスタろ8aと43とによって形成されるソースフ
ォロアーへフィートノ(ツクされる。トランジスタろ8
aへ与えられろ電流の増加はソースフォロアーの電圧降
下ケ増し、増幅器A2上の差動信号7少なくしかつトラ
ンジスタろ6a上のゲート駆動を少なくする。トランジ
スタ56乞オン ろ6aにおけるD C電流ケ減らし、完全な増幅器フィ
ードバックはトランジスタろ6と36aを通ろ電流乞安
定fヒする。
出力電圧は、正スイング増幅器がその両人力を同電位て
保とうとするので増加した。完全な電力増幅器は反転単
位利得構造にある。増幅器フィードバックは、この完全
な電力増幅器の出力YDCバイアス条件ておいてゼロポ
ル)K保とうとする際如、増幅器A1の負人力の電圧を
低下させろ。
トランジスタろ8は増幅器A1の負人力におけるこの電
圧降下をトランジスタ38を経て増幅器A2へ移し、か
(して増幅器A2の人カオフセッ)Y平衡させる。増幅
器AIKよりはじめに導入されたオフセットはソースフ
ォロアートランジスタろ8と58aKよって吸収されろ
出力段電流フィードバックは単位利得ではないので、い
(らかの電流変動がトランジスタろ6と56a中でおこ
る。本発明の実施例においては、±20v+Vのオフセ
ットは温度とプロセスの変動についてI)C電流で2=
1の変動乞発生する。
トランジスタろ6が大量の電流乞供給できるので、この
トランジスタが出力電圧スイングの負の半サイクルの間
オフであることン保証するよう注意が払われる。大きい
負のスイングのために、トランジスタろ5のドレインは
VSSへ引かれ、差動増幅器A1乞バイアスする電流源
をオフする。バイアスがオフにされるので、トランジス
タろ6のゲートが浮き■5sの万へ引かれ、トランジス
タ56乞オンにする。
この好適実施例においては、トランジスタろ6が大きい
負電圧スイングの間オフのままであること乞保証する回
路構成も提供されている。トランジスタろ5がオフにな
ると、トランジスタ45および46がトランジスタろ6
および54のゲートケそれぞれ引(。その結果、トラン
ジスiろ6はオフになり、差動増幅器中の浮遊ノードは
どれも除かれる。正スイングの保護は、負スイング保護
回路について上述したのと同じ方式で作動1″ろトラン
ジスタ45aおよび46aによって負の半サイクル回路
に与えられる。
本発明を組込むモノリシック集積回路への、過剰電流の
結果としての永久的損傷ン回避するために、この電力増
幅器の出力装置において短絡保護が設けられている。ト
ランジスタ47はトランジスタ36を通して出力電流を
感知1−る。過大の出力電流の場合には、トランジスタ
47および52によって形成されるバイアスインバータ
ーカドリップし、か(してトランジスタ50を使用可能
てする。トランジスタ50が使用可能如なると、トラン
ジスタろ6のゲートは正の電源電圧vssの方へ引かf
t、)ランジスタ36が供給し得る電流を制限する。
増幅器が単位利得周波数(F U )においてもつ位相
シフトの大きさは増幅器のAC安定性乞決める一つの方
法である。良好なAC安定性を提供するために、FUに
おける位相シフトは代表的にいえば120度より小さい
があるいは120度に等しく、2ボール系においては、
その中の90度が主ポールから生じ、50度は第二ポー
ルから生しる。
本発明におけるAC安定性は広帯域出力段を提供するこ
とによりかつ入力段において補償乞用いて主ポール7つ
くり出すことによって達成される。
この人力段において提供されろ補償はコンデンサC2と
トランジスタ51とから成る直列ltC補償である。類
似のAC補償はコンデンサCろおよびトランジスタ51
aKよって負の半分のスイングの増幅回路に与えられる
本発明の追加的特色は、パワーダウン制御回路である。
トランジスタ5ろ−58は電力増幅器およびその中のす
べてのノードが遮断される論理機能パワーダウン制御回
路を提供する。このような特徴は、電力増幅器機能か要
求されないかあるいは回路作動が望まれる選択された時
間間隔においてのみ要求される大規模集積回路において
望まれる。
いずれの場合尾おいても、パワーダウン回路は電力増幅
器回路から電流を取除き、従って電力乞節減する。この
ようにして、本発明をその一つの構成成分として含むモ
ノリシック回路はより効果的に作動し、電力増幅器は必
要として選択されたときにのみ電力をひき出す。
作動に際しては、パワーダウ/信号がトランジスタ57
および58によって形成されるインバータの入力を制御
する。従って、バイアス電圧■バイアス+は正の電源V
CCヘトランジスタ547a1″経て接続される。トラ
ンジスタろ6のゲートもまた■ccへトランジスタ5ろ
7経て接続される。バイアス電圧■バイアス−はトラン
ジスタ55乞経て負の電源VSSへ接続されろ。トラン
ジスタ36aのゲートもまたVSSヘトランジスタ56
乞経て接続されろ。このようにして、電力増幅器は遮断
され、非作動中の電力損失が除かれる。その結果、合計
の作動効率は著しく改善されろ。
本発明の実施例によって達成される特性の例は次の仕様
中に示される。
CMO8’詩カー幅°l 化上を 入力オフセット電圧 ±25mV 単位利寿帯域幅 オープン7L/−ブ 4QQKhZV
CCvSSのパワーサプライリジェクション O−4K
hZ −60dBAVOL 負荷なし 8ろ dE スル−レー) 、 [1,3V/μ杉 セツト’J 7クタイムRJJ:ろ00−>ム C:1
=1000pF 3.111w′4.0#1(L=60
0オーム C:1= 500pl” 3.5μ秒/2.
2μ杉* セットリングタイムは01%まで測定され、
仕様では正のセットリングタイム7示し、その次に負の
セットリングタイムを示している。
前記のものは例示として示したものである。本発明が各
種の実施例において与えられ得ることがわかる。I+l
Jえは、入力共通モード信号が存在しない反転増幅器構
成が示されているけれども、共通モード信号が含まれろ
入力段増幅器も提供さ、I”tてもよい。さらに、本発
明は、標準または逆のCへυS。
金属ゲー)eMOs、およびシングルまたはダブルのポ
リゲートC:MO8y含めた01〜10Sプロセスのい
かなるものにおいてもなし得ろ。それゆえ、本発明の範
囲は「特許請求の範囲」によってのみ限定されるべきも
のである。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来法のA級、B級およびAB級のCMO8電
力増幅出力段の簡単【ヒ回路図であり、第り 2図は本
発明の電力増幅器が使用されろ代表的用電力増幅器人力
段の回路図であり、第4図は本発明の電力増幅器出力段
の詳細ブロック図であり、第5図は本発明のプッシュプ
ルCMo5AB級電力増幅器の回路図である。 20:高利得入力段 21:単位利得出力段特許出願人
 ナショナル・セミコンダクター・コーポレーション (外5名) FIG、IC。 2 FIG、2゜ °゛4 FIG、4゜

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 (1)大スイングCMO8電力増幅器であって;増幅器
    入力端子へ結合した人力信号の差に従って出力端子にお
    いて増幅された出力を発生するよう作動し得ろ人力差動
    増幅器; 上記人力差動増幅器の出力信号を受けとるよう結合した
    入力端子ケもちかつそf”Lに従って出力信号乞発生す
    るよう作動する共通ソース増幅器であって、上記人力差
    動増幅器と上記共通ソース増幅器とが高利得増幅器人力
    段ン提供1−ろ共通ソース増幅器; 上記共通ソース増幅器へ結合して、上記共通ソース増幅
    器出力信号に従って出力差動増幅器出力端子において出
    力信号ン発生する出力差動増幅器; 上記出力差動増幅器によって駆動されかつそれに応じて
    大スイング出力信号乞発生するよう正および負の電源の
    間で作動し得るプッシュプル出力増幅器であって、上記
    出力差動増幅器および上記プッシュプル出力増幅器が単
    位利得増幅器出力段を提供するプッシュプル出力増幅器
    ;から成ろ、大スイングCLiO8電力増幅器。 (2)上記のプッシュプル出力増幅器がさらに、直接的
    負フィードバックヶ与えるフィードバックループから成
    る特許請求の範囲第1項に記載の増幅器。 (ロ)上記フィードバックループが上記出力段の作動乞
    制御して上記プッシュプル出力増幅器中でオフセット電
    流を妨げる特許請求の範囲第2項に記載の増幅器。 (4)上記プッシュプル出力段増幅器が更にプッシュプ
    ル構成において二つの相互コンダクタンス増幅器から成
    り、該増幅器の第一が正信号中スイング回路乞提供しか
    つ該増幅器の第二が負信号半スイング回路乞提供する特
    許請求の範囲第5項に記載の増幅器。 (5)負信号半スイングサイクル中は上記第一増幅器χ
    使用不能にする手段と正信号半スイングサイクル中は上
    記第二増幅器を使用不能にずろ手段とから成る特許請求
    の範囲第4項に記載の増幅器。 (6)上記増幅器において過剰電流乞感知して、該増幅
    器の継続的作動7妨げそtl[よって短絡保護を提供す
    ることから成る特許請求の範囲第5項に記載の増幅器。 (7)l記増幅器人力段ておけろAC補償コンデンサ;
    および 上記増幅器出力段ておける直夕1月(C補償回路;から
    成る特許請求の範囲第6項に記載の増幅器。 (8)非使用の選ばれた時間間隔の間、上記増幅器から
    電力7除くための、パワーダウン信号に応答するパワー
    ダウン回路; から成る特許請求の範囲第7項に記載の増幅器。 (9)モノリシックにMO8回路の中で提供される特許
    請求の範囲第1項に記載の増幅器。 (10)共通ソース増幅器へ結合した差動設入カ回路乞
    含む高利得人力段;および 上記共通ソース増幅器へ結合された第一人力をもつ差動
    人力段を含み、そしてプッシュプル相互コンダクタンス
    増幅器を駆動して上記差動人力段のもう一万の人力へ直
    接に負フィードバックケ与える単位利得出力段; から成る、電源間出力電圧スイングを与える低ひずみの
    制御DCバイアス電流のAB級C4viO8電力増幅器
    。 (11)上記プッシュプル相互コンダクタンス増幅器が
    直接に負フィードバックヶ与えるフィードバックループ
    から成る特許請求の範囲第10項に記載の増幅器。 (12)上記フィードバックループが上記出力段を開側
    1シて上記プッシュプル相互コンダクタンス増幅器中の
    オフセット電流を妨げろ特許請求の範囲第11項に記載
    の増幅器。 (1ろ)上記プッシュプル出力段が、プッシュプル構成
    における二つの相互コンダクタンス・トランジスタ増幅
    器から成り、該トランジスタ増幅器の第一が正信号半ス
    イング回路乞与え、該トランジスタ増幅器の第二が負信
    号半スイング回路を与えろ特許請求の範囲第12項に記
    載の増幅器。 (14)負信号半スイングサイクル中は上記第一のトラ
    ンジスタ増幅器7使用不能にする手段と、正信号半スイ
    ングサイクル中は上記第二のトランジスタ増幅器ケ使用
    可能にする手段とから成る特許請求の範囲第15項に記
    載の増幅器。 (15)上記トランジスタ増幅器において過剰電流を感
    知し、該トランジスタ増幅器の継続作動2妨げて、これ
    により短絡保護7与えろことから成る特許請求の範囲第
    10項に記載の増幅器。 (16)上記増幅器人力段におけるAC補償コンデンサ
    ;および、 上記増幅器出力段におけろ直列Re補償回路;から成ろ
    特許請求の範囲第15項に記載の増幅器。 (17)選択された非使用時間間隔の間上記増幅器から
    電力を除(ための、パワーダウン信号に応答するパワー
    ダウン回路から成る特許請求の範囲第16項に記載の増
    幅器。 (18)モノリシックCM<US回路中で提供されろ特
    許請求の範囲第10項に記載の増幅器。
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