JPS6113650B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は増幅器に関するものである。より詳細
にいえば、電圧信号に対し高インピーダンス入力
を有し、そして電流信号に対し高インピーダンス
出力を有する増幅器に関するものである。

電圧信号に対し高インピーダンス入力を有しそ
して電圧信号に対して低インピーダンス出力を有
する高利得増幅器として定義することのできる演
算増幅器はアナログ信号波形処理のための回路、
能動フイルタ、積分回路および微分回路に広く用
いられている。このような回路において、入力信
号と出力信号との間に所望の関係を得るために増
幅器にフイードバツク回路網が通常備えられる。
しかし、増幅器の電圧対電圧の性質のために、フ
イードバツクは増幅器の固有の入力共通モード除
去を狂わさないようにかなりの注意が必要であ
り、特に増幅器の入力と出力に異つた共通モード
レベルが存在する場合に必要である。このような
問題は計測回路でよく起こる。

演算増幅器の出力が低インピーダンスであると
いる事実は、この増幅器が能動フイルタの中で用
いられている時、有害でありうる。ある種の能動
フイルタにおいて、入力と出力の両方が高インピ
ーダンスである増幅器を用いるのが望ましいこと
を示すことができる。このような応用の場合に、
もし演算増幅器が用いられるならば、回路は過度
に複雑になりそして増幅器からえられる利得は大
幅に限定される。

本発明の目的は、電圧信号に対し高インピーダ
ンス入力を有し、そして電流信号に対し高インピ
ーダンス出力を有する改良された増幅器をうるこ
とである。このような装置は時として電圧電流ト
ランスアクタといわれる。

本発明により、第１および第２入力電圧をそれ
ぞれ受信するための第１および第２入力端子と、
第１および第２出力電流をそれぞれ出力するため
の第１および第２出力端子と、等しい電流が印加
され第１および第２入力電圧に比例した電圧を増
幅器の使用の際出力する出力導体をそれぞれ有し
かつ第１および第２入力端子にそれぞれが結合さ
れた第１および第２電流発生器と、電流発生器の
出力導体を相互接続するための抵抗装置に関する
端子であつてそれによつて電流発生器からの電流
出力を第１および第２入力電圧の間の差に比例し
て異らしめこの電流の差異は抵抗装置の抵抗値に
逆比例的に依存するようにした端子と、第１およ
び第２出力端子に前記電流発生器の出力導体を結
合する装置とを有する増幅器がえられる。

電流発生器はおのおのカスケードに接続された
交互導電形の複数個のウイルソンソース（wilson
source）を有することが望ましい。第１および第
２電流発生器にそれぞれ接続された２つの出力を
有するさらに別のウイルソンソースは、バイアス
抵抗器によつていずれも決定される等しい電流を
この電流発生器が確実に受取るように備えること
ができる。バイアス抵抗器の抵抗値は、電流発生
器Ａの出力導体を流れようとする電流がこれらの
発生器の出力導体を相互接続する抵抗装置を流れ
るであろう最大電流を越えるように選定されるべ
きである。第１および第２電流発生器の中のウイ
ルソンソースは２つの電流出力をほとんど等しく
するように相互接続されることができる。電流発
生器の出力導体に現われる電圧はそれぞれ第１お
よび第２入力電圧に等しい、すなわち、電流発生
器内で入力端子を出力導体に結びつける信号経路
は１の電圧利得をもつている。

電流発生器の出力導体はウイルソンソースを通
して交差接続され、その結果両出力端子は両電流
発生器の電流出力に接続されるが交差接続のため
に符号を反転するように接続される。

本発明による増幅器は、電流発生器の出力導体
と電流発生器への電流供給を定めるためのバイア
ス抵抗器とを相互接続する抵抗装置のための端子
を備えた集積回路形に構成することができる。

第１図は２個の電流発生器ＡおよびＢを示して
いる。これらの電流発生器にはバイアス電流源Ｃ
から等しい電流が供給される。電流発生器Ａおよ
びＢにはそれぞれ入力端子T₁およびT₂が接続さ
れており、これらの端子はそれぞれ第１入力電圧
および第２入力電圧をこれらの電流発生器に印加
するためのものである。電流発生器ＡおよびＢか
らの出力電流はそれぞれ端子T₂およびT₄に現わ
れ、そして端子T₁およびT₂に印加された第１入
力電圧および第２入力電圧に比例した電圧がそれ
ぞれ端子T₅およびT₄に現われ、そしてこれらの
端子は電流発生器ＡおよびＢの電流経路に接続さ
れる。抵抗器R₁が端子T₅とT₆との間に接続され
る。交差接続Ｘは各電流発生器の電流出力を相互
に供給するために備えられる。

第１図に示された回路の動作を理解するため
に、電流発生器Ａの動作を説明する。電流源Ｃか
ら電流発生器Ａに定電流が供給され、そしてこの
定電流のうちの一定割合のものが電流発生器Ａ内
の導体に沿つて流れる。この割合は図には示され
ていない回路配列によつて決定される。この回路
配列はまた入力端子T₁を端子TEに結合させる役
割も果しており、それによつて端子T₁に印加さ
れた第１入力電圧に比例した電圧が端子T₅に現
われる。端子T₅はまた定電流のうちの一定割合
の電流が流れている導体に接続されている。同様
の回路配列が電流発生器Ｂの中にも存在し、その
結果第１入力電圧と第２入力電圧の差に比例した
電位差が抵抗器R₁に加えられ、それにより第１
入力電圧と第２入力電圧の差に比例しそして抵抗
器R₁の抵抗値に逆比例した電流が抵抗器R₁を流
れる。抵抗器R₁を電流が流れる結果、電流発生
器Ａ，Ｂ中の２つの導体から流れ出る電流は第１
入力電圧と第２入力電圧の差に比例した量だけ異
なり、そして本発明による簡単な増幅器でこれら
の差電流を流しているこれらの導体はそれぞれ端
子T₃およびT₄に接続される。したがつて、電流
発生器Ａの電流出力は一定の差をもつた第１入力
電圧に比例し、電流発生器Ｂの電流出力は一定の
差をもつた第２入力電圧に比例することは明らか
であろう。もし第１入力電圧と第２入力電圧が平
衡入力信号（balanced input signal）の２つの
端子から実際に供給され、かつ端子T₃およびT₄
に供給される出力電流が増幅器からの平衡出力電
流の２つの導体として用いられるならば、出力電
流間の差を入力電圧の差で割つた商に等しい増幅
器の相互コンダクタンスは抵抗器R₁の抵抗値に
逆比例することは明らかであろう。

増幅器の利得は交差接続Ｘを備えることによつ
て改良することができる。この交差接続のおのお
のは１つの電流発生器の電流出力を反転して相手
の電流出力に加える役割を果し、したがつて出力
電流の差が端子T₃およびT₄のおのおのに現われ
るがしかも逆の極性で現われ、そして電流源Ｃか
らのバイアス電流の寄与は実質的には消える。

第２図は、第１図で記述したように動作しおよ
び集積回路として構成するのに適した、本発明の
１つの実施例による増幅器の回路図を示したもの
である。第２図において、電流発生器Ａ，Ｂはそ
れぞれ第１、第２および第３の電流ミラー回路を
有する。第１電流ミラー回路はそれぞれトランジ
スタ１，２，４，１６，１８，１９，２０，２１
およびトランジスタ２，３，９，１７，２２，２
３，２４，２５で構成され、定電流源Ｃに接続さ
れると共に入力端子（トランジスタ１８，２５の
ベース）が入力端子T₁，T₂に接続され、第１電
流ミラー回路により第１、第２入力電圧Ｖ_io１，
Ｖ_io２に比例する電圧kV_io1，kV_io2がそれぞれ第
１、第２電流加算点T₅，T₆に出力される。ただ
し、ｋは比例定数である。

また、第２電流ミラー回路は、それぞれトラン
ジスタ５，６，１０，１１，１４およびトランジ
スタ７，８，１２，１３，１５で構成され、それ
ぞれ入力端子（トランジスタ１４，１５のベー
ス）が第１電流ミラー回路の出力端子（トランジ
スタ１６，１７のコレクタ）に接続され、第１、
第２の中間電流Io＋ｉ，Io−ｉとこれらに対応す
る出力とを、出力する。なお、トランジスタ２は
電流発生器Ａ，Ｂで共用されている。

また、第３電流ミラー回路は、それぞれトラン
ジスタ３０，３１，３２およびトランジスタ３
３，３４，３５で構成され、それぞれ出力端子
（トランジスタ３０，３５のコレクタ）が出力端
子T₃，T₄と第２電流ミラー回路の上記対応する
出力の端子（トランジスタ１０，１３のコレク
タ）に接続され、入力端子（トランジスタ３２，
３３のコレクタ）が他方の第２電流ミラー回路の
第２、第１中間電流Io−ｉ，Io＋ｉ出力端子（ト
ランジスタ１５，１４のコレクタ）に接続されて
いる。抵抗手段R₁を流れる横流ｉの向きは図中
右向きである。第２図で、電流発生器Ａの回路は
点線で囲まれて示されており、この回路はダーリ
ントン対（darlington pair）として接続されたト
ランジスタ１８，１９を有しており、トランジス
タ１８のベースは端子T₁に接続されている。ト
ランジスタ１９のエミツタは導体Ｇに接続され、
そしてトランジスタ１８および１９の共通接続さ
れたコレクタはPNP形トランジスタ１のコレクタ
に接続される。ここでトランジスタ１８および１
９はNPN形である。共通接続されたコレクタは
またPNPトランジスタ４のベースに接続され、ト
ランジスタ４のエミツタはPNPトランジスタ２の
コレクタおよびベースおよびトランジスタ１のベ
ースに接続される。トランジスタ１および２のエ
ミツタは端子T₉に接続された正電源導体Ｆに接
続される。トランジスタ１および２のベースは電
流発生器Ｂ内のトランジスタ３のベースに接続さ
れている。この交差接続の目的は後で詳細に記述
されるであろう。トランジスタ１，２および４は
I.E.E.E.Journal of Solid State Circuits第Sc−
３巻第４号（1968年12月）第343344頁に記述され
たウイルソンソースを構成し、その動作は次のよ
うである。トランジスタ１８および１９によつて
トランジスタ１のコレクタに供給された電流は、
トランジスタ４のコレクタから再生される。しか
しこの場合、トランジスタ２のエミツタベース接
合の面積がトランジスタ１のエミツタベース接合
の面積より大きいために一定の因子だけ増加して
再生される。この面積の大きいことはトランジス
タ２のエミツタへの接続を太く書くことによつて
示されている。トランジスタ４のコレクタはトラ
ンジスタ１６，２０および２１のによつて構成さ
れる別のウイルソンソースに入力電流を印加する
ように構成される。またこのウイルソンソース
は、トランジスタ２１のエミツタベース接合面積
がトランジスタ２０のエミツタベース接合面積よ
りも大きいために一定の電流利得をもつている。
トランジスタ２０および２１の両方のエミツタは
導体Ｇに接続される。端子T₅はトランジスタ２
１のコレクタとベースに接続されている。そして
トランジスタ１８，１９，１，２，４，２０，２
１および１６が共に動作し、したがつて端子T₁
に印加された電圧変化は端子T₅に同じ電圧変化
を生じる。ウイルソンソース１６，２０，２１の
出力電流であるトランジスタ１６のコレクタから
の出力電流は５個のトランジスタ５，６，１０，
１１および１４の組合せ体に印加される。これら
のトランジスタは２個のウイルソンソースを構成
し、１つはトランジスタ５，１０および１１によ
つて構成されたトランジスタ１０のコレクタから
出力電流を生じ、そして他の１つはトランジスタ
５，６，１１および１４によつて構成される。こ
の最後のウイルソンソースはトランジスタ６が加
わつているので複雑である。トランジスタ６は、
トランジスタ５が既にトランジスタ１０のエミツ
タに電流を供給するのに用いられているために、
トランジスタ５の代りにトランジスタ１４のエミ
ツタに印加される電流を生ずるのに用いられる。
またトランジスタ５および１０のエミツタベース
接合面積はトランジスタ６および１１のエミツタ
ベース接合面積より大きいために、トランジスタ
１０のコレクタからの電流出力はこの面積比で定
まる利得をもつている。けれども、このような因
子はトランジスタ１４の電流出力に影響を与えな
く、したがつてそれはトランジスタ１６のコレク
タ電流に等しい。

さらに別のウイルソンソースがトランジスタ３
０，３１および３２によつて構成され、このウイ
ルソンソースは他の電流発生器Ｂのトランジスタ
１５からの電流出力を入力として受入れる。トラ
ンジスタ１５は電流発生器Ａのトランジスタ１４
に対応するものである。またトランジスタ３１の
エミツタベース面積がトランジスタ３２のエミツ
タベース面積より大きいために、トランジスタ３
０，３１および３２によつて構成されるウイルソ
ンソースはこの面積比によつて定まる電流利得を
もつている。トランジスタ３０および１０のコレ
クタは電流出力端子T₃に接続される。トランジ
スタ３１および３２のエミツタは負電源導体であ
る導体Ｅに接続されているから、トランジスタ１
０のコレクタからの電流が正であるトランジスタ
３０のコレクタからの電流は負であることは明ら
かであろう。１つが正で１つが負であるこれらの
電流が一緒に加えられるので、端子T₃のところ
の電流出力はこれらの電流の差に等しい。

電流発生器Ｂの構造は、トランジスタ２のベー
スからトランジスタ３のベースへの接続を除き、
上述した電流発生器Ａの構造と同じである。

また別のウイルソンソースがトランジスタ２
６，２７，２８および２９によつて構成され、そ
して導体ＧおよびＨに等しい定電流を生ずる。導
体Ｇは電流発生器Ａのところで既に記述した。導
体Ｈは同じ目的で電流発生器Ｂに接続される。導
体ＧおよびＨを流れる電流の大きさはトランジス
タ２６のコレクタに接続されたバイアス端子T₇
に印加される電流によつて定められる。この電流
は導体Ｆと端子T₇の間に接続された抵抗器R₂を
通して印加される。

第１図におけるように、端子T₅およびT₆は抵
抗器R₁によつて接続される。

第２図の回路の動作のさい、導体Ｇを流れる電
流は抵抗器R₂とウイルソンソース２６，２７，
２８，２９によつて固定される。この電流はソー
ス３０，３１，３２を除く電流発生器Ａを構成す
る他のウイルソンソースによつてさらに分割さ
れ、その結果トランジスタ１６のエミツタコレク
タ経路を予め定められた電流が流れるようにな
る。けれども、トランジスタ１６のエミツタに接
続された端子T₅は前述のように入力端子T₁に印
加された電位と同じ電位に保たれ、その結果、端
子T₅とT₆の間の電位差とトランジスタ１６のエ
ミツタコレクタ電流に依存して端子T₅を通つて
抵抗器R₁を流れる電流は、所定の値から変えら
れる。電流発生器ＡおよびＢの電流出力の間に差
が生ずるのはこの点である。これらの変化電流は
いろいろなウイルソンソースによつて反映されそ
して組合わされ、それによつてこの電流間の差が
端子T₃とT₄に反対向きに現われ、バイアス電流
の部分がウイルソンソース３０，３１，３２およ
び３３，３４，３５によつて実行される反転と加
算によつて相殺される。

電流発生器ＡおよびＢを流れる電流は等しいこ
とが望ましく、またトランジスタ２のベースがト
ランジスタ３のベースに接続されているのはこの
目的のためのものであることは前記記述から明ら
かであろう。トランジスタ１，２および４の配置
は明らかにウイルソンソースを構成しておりそし
て同様にトランジスタ３，２および９の配置はま
たウイルソンソースを構成しており、トランジス
タ４および９のエミツタに印加される電流を供給
するのに同じトランジスタ２を使つていることは
２つのウイルソンソース１，２，４および３，
２，９の電流利得を同じにする役割を果してお
り、その結果２つの発生器の電流をバランスさせ
ている。

前記回路を満足に動作させるために、導体Ｇお
よびＨを流れる電流は抵抗器R₁を流れるどんな
電流よりも大きいべきである。したがつて、抵抗
器R₂はこの基準で選定されることが望ましいこ
とはまた明らかであろう。

第２図の回路配列は、抵抗器R₁およびR₂のた
めの外部接続を備えたトランジスタT₅，T₆，
T₇，T₉で構成することができるから、集積回路
形式で製造するのに特に適している。

以上の様に、第１図及び第２図に示した本発明
による増幅器は高入力インピーダンス及び高出力
インピーダンスを有することを特徴とするもの
で、入力電圧に応じて出力電流の振幅及び極性が
制御される電圧電流トランスアクタ増幅器であ
る。

高出力インピーダンスを有しているため、入力
端子と出力端子は電気的に分離され、入力電圧は
出力電流に影響を及ぼすが、出力電圧は出力端子
の電位の影響を受けず、従つて次段の回路の電圧
を任意の値とすることができる。またリニアな入
出力特性がワイドレンジにわたつて得られ、電
源、温度及び入出力の同相モードの変動に対して
高レベルの除去をしうる。一方、抵抗器R₁によ
りトランスアクタ増幅器のトランスコンダクタン
スは所望値となる様広範囲にわたり設定しうる。

更に、第１、第２電流発生器に対してそれぞれ
別々の定電流源（トランジスタ２８，２９）が用
いられているため、二つの出力端子はそれぞれ独
立、即ちフロートしている。従つて、一方の出力
端子を基準電位、例えばアースに接続して基準点
として使用可能であり、また二つの出力をアース
で平衡をとられた出力とすることもできる。

本発明は特定の実施例に基づいて記述されてき
たけれども、この実施例に必らずしも限定される
ものではなく、本発明を用いて他の構成体をつく
りうることは明らかであろう。例えば、ウイルソ
ンソースの代りに、回路内の電圧と電流の特定の
要請が満されるならば他の形式の電流発生器を用
いることができる。さらに、入力電圧の初期増幅
を行なうダーリングトン対は他の多分より複雑な
増幅器によつて置換えることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による増幅器の原理を示したブ
ロツク線図、第２図は本発明による増幅器の１実
施例の回路図を示す。 Ａ…第１電流発生器、Ｂ…第２電流発生器、Ｃ
…バイアス電流源、T₁…第１入力端子、T₂…第
２入力端子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ (イ) 第１、第２の入力電圧Ｖ_io１，Ｖ_io２を
   夫々受信するための第１、第２入力端子T₁，
   T₂と、 (ロ) 第１、第２の出力電流Io₁，Io₂を夫々出力す
   るために第１、第２出力端子T₃，T₄と、 (ハ) 互いに左右対称的に構成されるとともに、
   夫々が前記第１、第２入力端子T₁，T₂および
   前記第１、第２出力端子T₃，T₄に接続され、
   かつ、夫々が第１、第２電流加算点T₅，T₆を
   有する第１、第２電流発生器Ａ，Ｂと、 (ニ) 前記第１、第２電流発生器Ａ，Ｂの各々に等
   しい定電流Ioを与える定電源手段Ｃと、 (ホ) 前記第１、第２電流加算点T₅と、T₆間に接
   続された抵抗手段R₁と、を備えた増幅器であ
   つて、 (ヘ) 前記第１、第２の電流発生器Ａ，Ｂの夫々
   は、 第１電流ミラー回路１，２，４，１６，１
   ８，１９，２０，２１、２，３，９，１７，２
   ２，２３，２４，２５と、 第２電流ミラー回路５，６，１０，１１，１
   ４、７，８，１２，１３，１５と、 第３電流ミラー回路３０，３１，３２、３
   ３，３４，３５と、 を有し、 (ト) 前記第１電流ミラー回路１，２，４，１６，
   １８，１９，２０，２１、２，３，９，１７，
   ２２，２３，２４，２５は、それぞれ前記定電
   流手段に接続されると共に入力端子が前記第
   １、第２入力端子T₁，T₂に接続され、それぞ
   れ 前記第１、第２入力電圧Ｖ_io１，Ｖ_io２に比
   例する電圧kV_io1，kV_io2を前記第１、第２電流
   加算点T₅，T₆に出力し、 (チ) 前記第２電流ミラー回路５，６，１０，１
   １，１４、７，８，１２，１３，１５は、それ
   ぞれ入力端子が前記第１電流ミラー回路の出力
   端子に接続され、それぞれ 前記第１、第２電流加算点間の電圧の差に比
   例し且つ前記抵抗手段R₁の抵抗値に逆比例す
   る、前記抵抗手段R₁を流れる横流ｉ＝ｋ（Ｖ_{io
   １}−Ｖ_io２）／R₁により前記定電流Ioを互いに
   逆極性に修正した第１、第２の中間電流Io＋
   ｉ，Io−ｉとこれに対応する出力とを出力し、 (リ) 前記第３電流ミラー回路３０，３１，３２、
   ３３，３４，３５は、それぞれ出力端子が前記
   出力端子T₃，T₄と前記第２電流ミラー回路の
   前記対応する出力の端子に接続され、入力端子
   が第２電流ミラー回路の第２、第１中間電流Io
   −ｉ，Io＋ｉ出力端子に接続され、それぞれ 前記第１、第２中間電流Io＋ｉ，Io−ｉから
   前記定電流成分Ioを消去するよう前記第１、第
   ２出力端子T₃，T₄において前記第１、第２中
   間電流Io＋ｉ，Io−ｉを加算結合し、前記第
   １、第２出力電流Io₁，Io₂が前記入力電圧間の
   差に等しく比例し逆極性の電流2i＝2k（Ｖ_io１
   −Ｖ_io２）／R₁，−2i＝−2k（Ｖ_io１−Ｖ_io２）
   R₁とする、 ことを特徴とする増幅器。