JPS6314506A - 電圧増幅回路 - Google Patents

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】 （産業上の利用分野） 本発明は電圧増幅回路、特に差動増幅器とカレントミラ
ー回路とを組合わせることによってノイズが小さく、大
きな電圧利得が得られ、しかも直流電圧降下が少なく、
電源電圧の低電圧化および入力の電源方向に見た同相電
圧範囲の拡大（ヒが可能な電圧増幅回路に関するもので
ある。

（従来の技術） 差動的な入力端子を周囲温度変化あるいは）＜イアスミ
流変動に対して安定に増幅する電圧増幅器としては第８
図に示すような差動増幅器が広く用いられている。すな
わち、第１および第２のトランジスタ０１およびＱ２の
エミッタをそれぞれエミッタ抵抗ＲＥを経て共通に接続
し、これらエミッタ抵抗ＲＥの共通接続点をバイアス電
流源ＩＨに接続する。

また、トランジスタＱ１およびＱ２のベース間には増幅
すべき差動電圧ｖ１゜を印加する。トランジスタ０、お
よび０２のコレクタはそれぞれ負荷抵抗Ｒしを介して直
流電圧源ＶＣＣに接続する。出力電圧Ｖ。。、はコレク
タ間より取り出す。

このような差動増幅器の電圧利得は、抵抗ＲＥおよびＲ
Ｌの値をそれぞれＲ５およびＲ５とするとき、次式で与
えられる。

Ｖｌｈ　　　ｌ”ｅ”Ｒ２ ここにＲ８はバイアス電へ源ＩＥを流れる電流をＩＥ　
、ボルツマン定数をに、絶対温度をＴ、電子の電荷量を
ｑとするとき、 ｑ　゛　− で与えられる。上式（１）と（２）から明らかなように
、第８図の示す従来の差動増幅器においては、エミッタ
抵抗ＲＥの抵抗値Ｒ５をＲ８に比べて十分大きく設定す
ると電圧利得の温度変化あるいはバイアス電流ｌ、の変
化による変動は抑えられ、利得の安定化を図ることがで
きる。しかしながら従来の差動増幅器は低雑音化の点で
著しく不利となっている。すなわち、トランジスタの内
部で発生したノイズ成分はエミック電流中に含まれてエ
ミッタ抵抗ＲＥに流れるため、エミッタ抵抗の両端にノ
イズ電圧として現われることになる。このノイズは入力
に直列に加算されたノイズ電圧源として考えられるので
、利得の安定化を図るためにエミッタ抵抗ＲＥの値を大
きくすればするほど信号対ノイズ比が悪化することにな
る。

上述した欠点を除去するために、第９図に示すようにエ
ミッタ抵抗を取除き、トランジスタＱ、およびＱ２のエ
ミッタを直接結合するとともに負荷抵抗をダイオード０
１〜０８で置換えた差動増幅器も提案されている。１つ
のダイオードの小信号に対する端子間のインピーダンス
ｒｏは、Ｉｎをダイオードを流れるバイアス電流とする
と、で与えられる。第８図の差動増幅器においてはｔ １ε ｑ　・　□ ここでＮは直列接続したダイオードｎ、、　Ｄ２−−−
Ｄ、Ｉの個数、Ｔ１はグイ万一ドの温度、Ｔ２はトラン
ジスタの温度である。−役にＴ１・Ｔ２　と考えること
ができるので、第９図の差動増幅器の利得は、となり、
温度変化に対して安定な利得が得られることがわかるｃ
Ｔ、＝Ｔ２　とするのは実際上困難ではなく、例えば差
動増幅器を集積回路で構成することによりこの条件は容
易に満たすことができる。

また、エミッタ抵抗は設けられていないのでノイズに対
しても有利である。

（発明が解決しようとする問題点） 上述したように、第９図に示す従来の差動増幅器におい
ては、温度変化による影響を受けない安定した電圧利得
が得られるとともに両トランジスタのエミッタは直結さ
れているので信号対ノイズ比を悪化させないと言う利点
がある。しかし、電圧利得の値は負荷としてコレクタに
直列に接続されたダイオードＤＩ、　Ｄ２−−−ＯＮの
個数Ｎによって決まるため、大きな利得を得ようとすば
する程多数のダイオードを接続する必要がある。その結
果、負荷での直流電圧降下が一層大きくなり、電源の低
電圧化あるいは入力の電源方向に見た同相電圧範囲が狭
くなる欠点がある。

本発明の目的は上述した欠点を除去し、大きな電圧利得
が１尋られるとともに信号対ノイズ比を改善することが
でき、しかも負荷での直流電圧降下を小さくすることが
できる電圧増幅回路を提供しようとするものである。

本発明の池の目的は低い電源電圧で作動し、入力の電源
方向の同相電圧範囲の広い電圧増幅回路を提供しようと
するものである。

本発明のさらに池の目的は、直列接続したダイオードの
個数によって電圧利得を設定することができ、しかも負
荷での直流電圧降下を極力小さくすることができる電圧
増幅回路を提供しようとするものである。

（問題点を解決するための手段および作用）本発明の電
圧増幅回路は、差動入力が供給される第１および第２の
入力端子と、差動出力を供給する第１および第２の出力
端子とを有する差動増幅器と、それぞれ電流制御枝路お
よび電流出力枝路を有する第１および第２のカレントミ
ラー回路とを具え、前記差動増幅器の第１の出力端子を
前記第１のカレントミラー回路の電流制御枝路に結合す
るとともに第２のカレントミラー回路の電流出力枝路に
結合し、前記差動増幅器の第２出力端子を前記第２のカ
レントミラー回路の電流制御枝路に結合するとともに第
１のカレントミラー回路の電流出力枝路に結合したこと
を特徴とするものである。

さらに本発明の電圧増幅回路は、差動入力が供給される
第１および第２の入力端子と、差動出力を供給する第１
および第２の出力端子とを有する差動増幅器と、それぞ
れ電流制御枝路および電流出力枝路を有する第１．第２
．第３および第４のカレントミラー回路とを具え、前記
差動増幅器の第１および第２の出力端子を前記第３およ
び第４のカレントミラー回路の電流制御枝路に結合し、
第３のカレントミラー回路の電流出力枝路を少なくとも
１つのダイオードを介して第１のカレントミラー回路の
電流制御枝路に結合するとともに第２のカレントミラー
回路の電流出力枝路に結合し、第４のカレントミラー回
路の電流出力枝路を少なくとも１個のダイオードを介し
て第２のカレントミラー回路の電流制御枝路に結合する
とともに第１のカレントミラー回路の電流制御枝路に結
合したことを特徴とするものである。

第１図は本発明の電圧増幅回路の基本的構成を示す回路
図である。差動増幅器１を構成する第１および第２のト
ランジスタ２および３のベースをそれぞれ入力端子４−
１および４−２に接続する。これろ入力端子には増幅す
べき差動入力端子Ｖ、およびｖ２を印加する。また、ト
ランジスタ２および３のコレクタは出力端子５−１およ
び５−２に接続する。

トランジスタ２および３のエミッタは相互に結合し、バ
イアス電流源６に接続する。このバイアス電流、５６は
グラウンドに接続する。本発明においては、さらに第１
および第２のカレントミラー回路７および８を設ける。

これらカレントミラー回路７および８は、それぞれ第１
および第２のトランジスタ９．１１および１０．１２を
具えており、第１のトランジスタ９および１１のベース
−コレクタは短絡する。また、第１および第２のトラン
ジスタのベースは相互接続するとともにエミッタも卜目
互接続し、十Ｖ。０が印加される直流型デ原ライン１３
に接続する。このようなカレントミラー回路７および８
自体は既知であり、第１トランジスタ９および１１は制
御トランジスタとして動作し、そのエミッターコレクタ
通路を流れる電流に対して所定の関係を有する電流を第
２トランジスタ１０および１２のエミッターコレクタ通
路に流すものである。したがって本明細書においては、
第１のトランジスタ９および１１のエミッターコレクタ
通路を電流制御枝路と称し、第２のトランジスタ１０お
よび１２のエミッターコレクタ通路を電流出力枝路と弥
することにする。

本発明においては、差動増幅器１の第１のトランジスタ
２のコレクタを第１のカレントミラー回路７の電流制御
枝路に接続するとともに第２のカレントミラー回路８の
電流出力枝路に接続し、差動増幅器１の第２のトランジ
スタ３のコレクタを第２のカレントミラー回路８の電流
制御枝路に接続するとともに第１のカレントミラー回路
７の電流出力枝路に接続する。

一般にカレントミラー回路では第１のトランジスタ９．
１１を流れるエミッタ電流ＩＥＩと、第２のトランジス
タ１０．１２を流れるエミッタ電流ＩＥ２との間には、
近似的に次式の関係がある。

Ｉい、ζα・ＩＥＩ　　　−（５） ここにαはカレントミラー回路の電流制御枝路を流れる
電流と電流出力枝路を流れる電流の比を表わす比例定数
である。さらにエミッタ電流とコレクタ電流の比は一般
に１にきわめて近く、ベース電流はコレクタ電流に比べ
て無視し得ることを考慮すると、次式が得られる。

１ｏ＋ΔＩ　＃１．＋α２’ＩＹ　　−−−（６）ｉｏ
−ΔＩ　！；ｌ、＋α、・ＩＸ−−−−−（７）ここで
Ｉ。はバイアス電流であり、バイアス電流源６を流れる
電流をＩＥ　とするとＩ、／２に等しいものであり、△
Ｉは信号変化分に相当し、Ｉ８およびＩＹは第１および
第２のカレントミラー回路７および８の電流制御枝路を
流れる電流であり、α１およびα２は第１および第２の
カレントミラー回路７および８の比例定数である。ただ
し、α１　く１゜α２　く１とする。上記の（６）およ
び（７〕式をｌｘおよびＩ、について整理すると次式が
得られる。

ここで差動増幅器■の第１のトランジスタ２の出力端子
と第１および第２のカレントミラー回路７および８の入
力端子との結合点であるノードＡにおけるΔ■に対応す
る電圧変化ΔｖＡについて考えて見る。第１カレントミ
ラー７の第１トランジスタ９はダイオードと等価である
ので、そのコレクタとグラウンド（大地電位）との間の
インピーダンスは上述した式（２）で与えられる。ここ
でΔＩが零のときの第１トランジスタ９を流れるバイア
ス電流は、式（８）におけるΔｔｏを零と置（ことによ
って与えられ、 となる。したがって、この第１トランジスタ９のインピ
ーダンスは、式（２〕とαつより、で与えられることに
なる。一方、第２カレントミラー回路８の第２トランジ
スタ１２のコレクターグラウンド間のインピーダンスは
トランジスタの性質上、第１カレントミラー回路７の第
１トランジスタ９のインピーダンスに比べて相当大きい
ことが期待できるので、これを無視すると、信号成分Δ
Ｉに対応する出力電圧変化ΔＶＡ　は弐Ｑｌ）より、次
式で与えられる。

ここでΔＩＸはΔｌに対するＩＸの変化分であり、式（
８）より、 で与えられる。したがってΔｖＡは、 で与えられることになる。したがってノードＡのインピ
ーダンスは、 で与えられる。同様に差動増幅器１の第２トランジスタ
３のコレクク出力端子と第１および第２のカレントミラ
ー回路７および８との結合点であるノードＢのインピー
ダンスは、 ＩＥ で与えられることになる。ここで１゜＝□となることに
留意すると、本発明の電圧増幅回路のノードＡおよびＢ
におけるインピーダンスはダイオード１個分のインピー
ダンスのそれぞれる。今、α１＝α２・αとして、式（
４）より電圧利得を求めると、 はダイオード１個分ではあるが、信号に対するインピー
ダンスは７個のダイオードを直列に接続したことと等価
となる。

上述したように本発明電圧増幅回路においては、差動増
幅器とカレントミラー回路とを巧みに組合せることによ
って、負荷での直流電圧降下を極力小さく抑えながら大
きな電圧利得が得られ、しかも電圧利得の温度依存性は
殆どないため安定したものとなる。さらに差動増幅器の
第１および第２のトランジスタのニミックは直結してい
るため信号対ノイズ比を良好に保てることになる。

（実方色例）　　　　　・ 上述した本発明の電圧増幅回路は種々の用途に用いるこ
とができ、例えばフロッピ・ディスク・ドライブのリー
ド系のプリアンプとして用いることができる。このよう
なプリアンプに要求される条件を列挙すると次のように
なる。

（１）　　ライト系の回路の最適化の要求により、入力
コモン電圧は電源電圧Ｖ　ｃｅまたはグラウンド電位と
したい。

（２）　　ノイズを極力低減したい。

（３）バッテリ動作を考慮して広範囲の電源電圧で動作
させるのが望ましく、特に４．４ｖ程度の低電圧でも動
作させたい。

（４）　　ライト時に磁気ヘッドコイルに誘導される起
電圧に対して負荷とならないようにしたい。

このような要求をできるだけ満足するべ〈従来の手法で
は第１０図に示されたような回路が用いられている。こ
の回路において第８図に示した要素と同じ要素には同じ
符号を付けて示す。磁気ヘッドＭ）ｌのコイルＣの中点
は電源電圧＋Ｖｃｃに接続され、コイルＣの両端はそれ
ぞれ直列接続したダイオード列ＳＯ，およびＳＯ２を経
て差動増幅器を構成するトランジスタＱ、および０２の
ベースに接続されている。また、ダイオード列ＳＯ，お
よびＳＯ２はそれぞれ直流電流源ＩＬおよびＩＢ２　に
よって１項方向にバイアスされている。これらのダイオ
ード列ＳＯ。

およびＳＯ２はプリアンプを所望の動作域にセットする
ためのレベルシフトとして働くとともにライト時にコイ
ルＣに誘導される起電圧からトランジスタＱ１およびＱ
２を保護するとともに誘導起電圧に対してプリアンプが
負荷とならないように働く。

また差動増幅器の負荷抵抗ＲＬと電源電圧＋ＶＣＣとの
間に接続されたダイオードＤもコイルＣでの誘導起電圧
が■。Ｃよりも高くなるときにコイルＣからダイオード
列ＳＤ、−）ランジメタΩ１−負荷抵抗ＲＬを経てまた
はダイオード列５Ｄ２−　トランジスタ０２−負荷抵抗
ＲＬを経てｙ　ｃｃへ流れるのを阻止するように作用す
る。

しかしながら、第９図に示す従来のフロッピ・ディスク
・ドライブのリード系プリアンプでは、第７図に就き上
述したようにエミッタ抵抗ＲＥ間にノイズ電圧が発生す
るとともにダイオード列Ｓ貼。

ＳＯ２もノイズ源となり低ノイズ化の要求が満足されな
い欠点がある。ここで第８図に示すようにエミック抵抗
Ｒεを取除いて、負荷抵抗を直列接続したダイオードで
置換えることも考えられるが、電源電圧の低下を図るた
めには大きな電圧利得が得られない欠点が生ずる。一般
に初段アンプの増幅度は後段のアンプでのノイズの影響
を低減するためにできるだけ高くするこ七が望ましいが
、このためには多数のダイオードが必要となり、負荷で
の直流電圧降下が大きくなり、電源電圧の低減化ができ
なくなる。また、コイルＣと直列に接続したダイオード
列のダイオードの個数も多く必要となり、ノイズがそれ
だけ増大する欠点もある。

第２図は本発明の電圧増幅回路を組込んだフロッピ・デ
ィスク・ドライブのリード系のプリアンプの構成を示す
ものであり、第１図および第１０図に示した要素と同じ
ものには同じ符号を付けて示す。上述したように本発明
の増幅回路では、カレントミラー回路７および８のトラ
ンジスタ９〜１２は第１０図のダイオードＤと同じ働き
をするため、コイルＣに接続したダイオード列ＳＤ、お
よびＳＯ２のダイオードの個数を減らすことができ、差
動増幅＆のトランジスタ２および３のエミッタを直結し
たことと相俟ってノイズの発生を大幅に抑えることがで
きる。また、電圧利得を容易に高く設定することができ
、しかも負荷における直流電圧の降下はダイオード１個
分に抑えることができ、電源電圧の低減化を達成するこ
とができる。

第３図は、カレントミラー回路を追加するとともにダイ
オードを追加して電圧利得をさらに大きくすることがで
きるようにした本発明の電圧増幅回路の一例の構成を示
す回路図である。本例において第１図に示した要素と同
じ要素には同じ符号を付けて示す。この電圧増幅回路に
おいては、差動増幅器１の第１および第２のトランジス
タ２および３のコレクタを第３および第４のカレントミ
ラー回路２１および２２の電流制御枝路を構成する第１
のトランジスタ２３および２５のコレクタに接続する。

また、第３および第４のカレントミラー回路２１および
２２の電流出力枝路を構成する第２のトランジスタ２４
および２６のコレクタをダイオード列２７および２８を
経て第１および第２のカレントミラー回路７および８の
電流制御枝路を構成する第１のトランジスタ９および１
１のコレクタに結合するとともに第２および第１のカレ
ントミラー回路の電流出力枝路を構成する第２トランジ
スタ１２および１０のコレクタに結合する。

本例の電圧増幅回路においては入力端子は差動増幅器１
で電流に変換され、この電流は第３および第４のカレン
トミラー回路２１および２２で電流の方向が変換され、
この電流がノードＡおよびＢを介して第１および第２の
カレントミラー回路７および８で電圧に変換されること
になる。この場合、電圧利得は、ダイオード列２７およ
び２８のダイオードの個数をｎ、カレントミラー回路２
１と２２の比例定数を１とするとき、 で与えられ、第１図に示した増幅回路の電圧利得に比べ
ｎだけ大きくなっている。しかもダイオード列２７およ
び２８は電源に関して差動増幅器と直列に接続されてお
らず、差動増幅器の直接の負荷での直流電圧降下は第１
図に示した増幅回路と比べて河んら増大していない。本
例では＋Ｖ　ＣＣの電、原電圧が与えられる電源ライン
１３とグラウンドとの間に１対のカレントミラー回路２
１および２２を追加しただけであるが、複数対のカレン
トミラー回路を追加することもできる。

本発明は上述した実施例にのみ限定されるものではなく
、幾多の変形や変更を加えることができる。

第１〜第３図に示した増幅回路では、第１および第２の
カレントミラー回路として最も基本的な構成のカレント
ミラー回路を□用いたが、第４図Ａ〜Ｄに示すようなカ
レントミラー回路を用いることができる。第４図Ａに示
すカレントミラー回路を用いる場合、直流電圧降下はダ
イオード１個分であるが、第４図ＢおよびＣに示すカレ
ントミラー回路ではダイオード２個分、第４図りではダ
イオード３個分の直流電圧降下が適当と思われるが、そ
れぞれの特徴を活かして最適のカレントミラー回路を採
用すればよい。

また、第５図ＡおよびＢは本発明の電圧増幅回路の変形
例を示すものであり、第１図に示した素子と同一の素子
は同じ符号を付けて示す。第５図Ａに示す例ではノード
Ａと第１のカレントミラー回路７の電流制御枝路との間
に１個または複数個のダイオード列ＳＤ、を直列接続す
るとともに、ノードＢと第２のカレントミラー回路８の
電流制御枝路との間に１個または複数個のダイオード列
ＳＤ２を直列にしたものである。本例の電圧増幅度は直
列接続したダイオードの個数をＭとするとき、弐〇７）
を留意して、 となる。

また、第５図Ｂに示す例では、差動増幅器１の第１トラ
ンジスタ２のコレクタと一方の出力端子５−２との接続
点とノードＡとの間に１個または複数個のダイオード列
ＳＤ、を直列接続するとともに第２トランジスタのコレ
クタと他方の出力端子５−２との接続点とノードＢとの
間に１個または複数個のダイオード列ＳＤ２を直列に接
続する。この場合の電圧増幅度は、上式α母を参照する
ことにより、 となる。

さらに本発明においては第６図に示すようにノードＡお
よびＢとグラウンドとの間に可変のバイアス電流源３１
および３２を接続し、これを加減することにより電圧利
得を可変とすることができる。

あるいはまた性能向上のためにまたは何んらかの目的の
ために、抵抗等の回路素子を差動増幅器のコレクタ回路
やエミッタ回路に挿入したものも本発明の技術的範囲に
含まれるものである。また、ＰＮＰ　　）ランジスクと
ＮＰ・Ｎトランジスタとを入れ換えたり、バイポーラト
ランジスタをＭＯＳ　　）ランジスタ等の能動素子で置
換えたりすることもできる。

さらに、カレントミラー回路での電流の比例定数αはカ
レントミラーを構成する第１および第２のトランジスタ
のエミッタの面積の比を任意に設定することによって所
望の値とすることができるが、第７図に示すように、複
数のトランジスタを並列に接続したカレントミラー回路
を以って実現することも可能である。

さらに、上述した実施例ではエミッタ共通形の差動増幅
器を用いたが、ベース共通形の差動増幅器を用いること
もできる。

（発明の効果） 上述したように、本発明の電圧増幅回路によれド１個分
とすることができ、電源電圧の低減化が可能である。ま
た、差動増幅器のエミッタまたはベースを直結すること
ができるので低ノイズ化が可能となる。さらに、第３お
よび第４のカレントミラー回路を設け、これをダイオー
ドを介して第１および第２のカレントミラー回路と結合
することによって直流電圧降下を増大することなくより
大きな電圧利得を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電圧増幅回路の基本的構成を示す回路
図、 第２図はフロッピ・ディスク・ドライブのリード系のプ
リアンプとして構成した本発明の電圧増幅回路の一実施
例の構成を示す回路図、第３図は本発明の電圧増幅回路
の他の実施例の構成を示す回路図、 第４図Ａ−Ｄは本発明の電圧増幅回路のカレントミラー
回路の変形例を示す回路図、 第５図ＡおよびＢおよび第６図は本発明の電圧増幅回路
のさらに他の実施例の構成を示す回路図、第７図は本発
明の電圧増幅回路に用いるカレントミラー回路の他の実
施例の構成を示す回路図、第８図および第９図は従来の
差動増幅器の構成を示す回路図、 第１０図は従来のフロッピ・ディスク・ドライバのリー
ド系のプリアンプの構成を示す回路図である。 １・・・差動増幅器 ２．３・・・第１．第２トランジスタ ４−１．４−２・・・入力端子　　５−１．５−２・・
・出力端子６・・・バイアス電流源 ７．８・・・第１．第２カレントミラー回路９．１１・
・第１トランジスタ １０、１２・・・第２トランジスタ １３・・・電源ライン　　　　Ａ、Ｂ・・・ノード２１
．２２・・・第３．第４カレントミラー回路２３、２５
・・・第１トランジスタ ２４、２６・・・第２トランジスタ ２７、２８・・・ダイオード列 第４図 Ａ　　　　　　Ｂ ＣＤ 第５図 第６図 グ３ 第８図 ）ｌｎ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、差動入力が供給される第１および第２の入力端子と
   、差動出力を供給する第１および第２の出力端子とを有
   する差動増幅器と、それぞれ電流制御枝路および電流出
   力枝路を有する第１および第２のカレントミラー回路と
   を具え、前記差動増幅器の第１の出力端子を前記第１の
   カレントミラー回路の電流制御枝路に結合するとともに
   第２のカレントミラー回路の電流出力枝路に結合し、前
   記差動増幅器の第２出力端子を前記第２のカレントミラ
   ー回路の電流制御枝路に結合するとともに第１のカレン
   トミラー回路の電流出力枝路に結合したことを特徴とす
   る電圧増幅回路。 ２、差動入力が供給される第１および第２の入力端子と
   、差動出力を供給する第１および第２の出力端子とを有
   する差動増幅器と、それぞれ電流制御枝路および電流出
   力枝路を有する第１、第２、第３および第４のカレント
   ミラー回路とを具え、前記差動増幅器の第１および第２
   の出力端子を前記第３および第４のカレントミラー回路
   の電流制御枝路に結合し、第３のカレントミラー回路の
   電流出力枝路を少なくとも１つのダイオードを介して第
   １のカレントミラー回路の電流制御枝路に結合するとと
   もに第２のカレントミラー回路の電流出力枝路に結合し
   、第４のカレントミラー回路の電流出力枝路を少なくと
   も１個のダイオードを介して第２のカレントミラー回路
   の電流制御枝路に結合するとともに第１のカレントミラ
   ー回路の電流制御枝路に結合したことを特徴とする電圧
   増幅回路。