JPWO2008026528A1

JPWO2008026528A1 - トランスコンダクタンスアンプ

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Publication number: JPWO2008026528A1
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Abstract

入力電圧と出力電流との関係が線形である範囲のチューニング電圧Ｖｃｔｒｌの大きさによる変化を抑え、より広い動作入力範囲においてトランスコンダクタンスを調整することのできるトランスコンダクタンスアンプを提供する。ソース接地されたＭＯＳトランジスタ（１１１、１１２）とで形成される差動対と、ＭＯＳトランジスタ（１１３、１１４）と、増幅器（１０６、１０７）と、電圧発生回路（１００）と、差動対入力電圧発生回路（１２０）とから構成されている。トランスコンダクタンスを制御するチューニング電圧Ｖｃｔｒｌの変化に合せて差動対に入力される全差動信号の入力差動コモン電圧ＶｃｍをＶｃｔｒｌとの差が一定になるように調整することによって、トランスコンダクタンスアンプが良好な線形性を得ることができる範囲を一定に保つことができる。

Description

本発明は、トランスコンダクタンスアンプに関し、より詳細には、電圧を電流に変換するトランスコンダクタンスアンプに関するものである。

トランスコンダクタンスアンプは、入力電圧に比例した出力電流を供給する増幅器であり、一般に安定した利得（トランスコンダクタンス）を持つ。言い換えると、所定の動作入力範囲にわたり入力電圧を変化させたとき出力電流がそれに比例して変化している、つまり出力電流が入力電圧に関して線形である。

所定の動作入力範囲において入力電圧と出力電流との間の良好な線形性を持つ従来のトランスコンダクタンスアンプとして、例えば、図１にあるようなソース接地されたＭＯＳトランジスタ対を用いる方法が知られている（非特許文献１参照）。増幅器１０６、１０７、およびＭＯＳトランジスタ１１１、１１２に対してそれぞれカスコード接続されたＭＯＳトランジスタ１１３、１１４を用いることによって、入力の変化に対して常にＭＯＳトランジスタ１１１、１１２のドレイン電圧が一定になるようにされている。また、各ＭＯＳトランジスタの（チャネル幅とチャネル長との比である）トランジスタサイズやチューニング電圧値Ｖｃｔｒｌおよびコモン電圧Ｖｃｍは、差動対を形成するＭＯＳトランジスタ１１１、１１２が三極管領域で動作するように、かつ、ＭＯＳトランジスタ１１３および１１４が飽和領域で動作するように電圧発生回路１００および固定電圧発生器１１９によってそれぞれ制御されている。また、入力電圧Ｖｉｐ、Ｖｉｎは差動対入力電圧発生回路１２０によって制御され、差動対入力電圧発生回路１２０は、入力電圧Ｖｉｎｐｕｔとコモン電圧Ｖｃｍが入力され、電圧ＶｉｐをＭＯＳトランジスタ１１１のゲート端子に出力し電圧ＶｉｎをＭＯＳトランジスタ１１２のゲート端子に出力する。

図２に、従来のトランスコンダクタンスアンプにおける入力電圧と出力電流を入力電圧で微分して得られるトランスコンダクタンスＧｍとの関係を示す。Ｖｉｐ−Ｖｉｎ＝０の付近においてトランスコンダクタンスＧｍが一定であり、出力電流が入力電圧に比例することが分かる。入力電圧と出力電流との間の線形性を保ちながら、チューニング電圧Ｖｃｔｒｌの制御によってトランスコンダクタンスＧｍの調整を行うことも可能であり、チューニング電圧Ｖｃｔｒｌを中レベルから小レベルおよび大レベルに変えたときのトランスコンダクタンスＧｍがそれぞれ示されている。

しかしながら、図１に示すような従来のトランスコンダクタンスアンプでは、トランスコンダクタンスの調整を行うためにチューニング電圧Ｖｃｔｒｌを大きくしていくと、図２に示すようにトランスコンダクタンスアンプの入力電圧と出力電流との間の線形性が悪化してしまうという課題があった。すなわち、チューニング電圧Ｖｃｔｒｌの大きさによってトランスコンダクタンスＧｍが一定である範囲が変化するので、動作入力範囲全体にわたって入力電圧と出力電流との間の線形性を保った状態でトランスコンダクタンスＧｍの調整を行えるようにするためには、動作入力範囲を狭くするか、チューニング電圧Ｖｃｔｒｌの変化量を小さくしてトランスコンダクタンスＧｍの調整範囲を狭くする必要があった。

ＢｅｈｚａｄＲａｚａｖｉ著、黒田忠広監約、「アナログＣＭＯＳ集積回路の設計応用編」、丸善株式会社、平成１７年７月３０日、ｐ５５９

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、入力電圧と出力電流との関係が線形である範囲のチューニング電圧Ｖｃｔｒｌの大きさによる変化を抑え、より広い動作入力範囲においてトランスコンダクタンスを調整することのできるトランスコンダクタンスアンプを提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明は、入力電圧に比例した出力電流を供給するトランスコンダクタンスアンプであって、三極管領域で動作する、ソース接地された第１および第２のＭＯＳトランジスタから形成された差動対と、飽和領域で動作する、ソース端子が第１のＭＯＳトランジスタのドレイン端子と接続された第３のＭＯＳトランジスタと、飽和領域で動作する、ソース端子が第２のＭＯＳトランジスタのドレイン端子と接続された第４のＭＯＳトランジスタと、負入力端子が第３のＭＯＳトランジスタのソース端子に接続され、出力端子が第３のＭＯＳトランジスタのゲート端子に接続された第１の増幅器と、負入力端子が第４のＭＯＳトランジスタのソース端子に接続され、出力端子が第４のＭＯＳトランジスタのゲート端子に接続された第２の増幅器と、第１および第２の増幅器の正入力端子電圧に入力されるチューニング電圧と、差動対に入力される第１の電圧および第２の電圧のコモン電圧とを、チューニング電圧とコモン電圧との差が一定となるように生成する電圧発生回路と、コモン電圧が入力され、第１のＭＯＳトランジスタのゲート端子に出力する第１の電圧と、第２のＭＯＳトランジスタのゲート端子に出力する第２の電圧とを生成する差動対入力電圧発生回路とを備え、第２の電圧は、２×（コモン電圧）−（第１の電圧）であり、入力電圧は、第１の電圧と第２の電圧との差であり、出力電流は、第１および第３のＭＯＳトランジスタのドレイン・ソース間を流れる第１の電流Ｉｐと、第２および第４のＭＯＳトランジスタのドレイン・ソース間を流れる第２の電流Ｉｎとの差であることを特徴とする。

前記トランスコンダクタンスアンプは、電圧発生回路が、電圧発生器と、固定電流源と、電圧発生器と固定電流源の出力端子との間に直列接続された抵抗とを備え、電圧発生器と抵抗との間からチューニング電圧を出力し、抵抗と固定電流源との間からコモン電圧を出力することができる。

前記トランスコンダクタンスアンプは、電圧発生回路が、電圧発生器と、固定電流源と、電圧発生器と固定電流源の入力端子との間に直列接続された抵抗とを備え、電圧発生器と抵抗との接続点がコモン電圧であり、抵抗と固定電流源との接続点がチューニング電圧であることができる。

前記トランスコンダクタンスアンプは、電圧発生器が、直列接続された、第２の電流源と、第５および第６のＭＯＳトランジスタと、第３の増幅器とを備え、第６のＭＯＳトランジスタのソース端子と、第５のトランジスタのドレイン端子と、第３の増幅器の負入力端子とが接続され、ソース接地された第５のトランジスタのゲート端子が、第６のＭＯＳトランジスタのドレイン端子と第２の電流源の出力端子とに接続され、第５のＭＯＳトランジスタのゲート電圧がコモン電圧であり、第３の増幅器の正入力端子電圧がチューニング電圧であることができる。

前記トランスコンダクタンスアンプは、第５のＭＯＳトランジスタが第１および第２のＭＯＳトランジスタと、第６のＭＯＳトランジスタが第３および第４のＭＯＳトランジスタとカレントミラー関係を有するようにされることができる。

前記トランスコンダクタンスアンプは、第２の電流源を可変とすることができる。

前記トランスコンダクタンスアンプは、電圧発生器を可変とすることができる。

本発明によれば、入力電圧と出力電流との間に良好な線形性を持つ範囲がチューニング電圧Ｖｃｔｒｌに依存せず、広いトランスコンダクタンスチューニングレンジを持つトランスコンダクタンスアンプを提供することができる。

図１は従来のトランスコンダクタンスアンプの回路図である。図２は従来のトランスコンダクタンスアンプをチューニングしたときの動作を説明する図である。図３は本発明のトランスコンダクタンスアンプの回路図である。図４はＭＯＳトランジスタ１１１の動作を説明する図である。図５は差動対の動作を説明する図である。図６は本発明の実施形態に係るトランスコンダクタンスアンプをチューニングしたときの動作を説明する図である。図７は本発明に係る実施形態２のトランスコンダクタンスアンプの回路図である。図８は本発明に係る実施形態３のトランスコンダクタンスアンプの回路図である。図９は本発明に係る実施形態４のトランスコンダクタンスアンプの回路図である。図１０は本発明の一実施形態に係る差動対入力電圧発生回路１２０の一実施例を示す図である。図１１は本発明の一実施形態に係る差動対入力電圧発生回路１２０の別の実施例を示す図である。

以下、図面を参照にしながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

（実施形態１）
図３に、本発明の実施形態１に係るトランスコンダクタンスアンプの回路図を示す。図３に示すように、本実施形態のトランスコンダクタンスアンプは、ソース接地されたＭＯＳトランジスタ１１１、１１２とで形成される差動対と、ＭＯＳトランジスタ１１３、１１４と、増幅器１０６、１０７と、電圧発生回路１００と、差動対入力電圧発生回路１２０とから構成されている。

電圧発生回路１００は差動対に入力される全差動信号のコモン電圧Ｖｃｍと、トランスコンダクタンスを制御するチューニング電圧Ｖｃｔｒｌを生成し、チューニング電圧Ｖｃｔｒｌを増幅器１０６、１０７の正入力端子に出力可能なように、および電圧Ｖｃｍを差動対入力電圧発生回路１２０に出力可能なようにそれぞれ接続されている。ＭＯＳトランジスタ１１１、１１２の各ドレイン端子はＭＯＳトランジスタ１１３、１１４のソース端子とそれぞれ接続され、ＭＯＳトランジスタ１１１、１１２の各ゲート端子は差動対入力電圧発生回路１２０の電圧Ｖｉｐを出力する端子、Ｖｉｎを出力する端子とそれぞれ接続されている。差動対入力電圧発生回路１２０は、入力端子ＩＮＰＵＴから入力される入力電圧Ｖｉｎｐｕｔとコモン電圧Ｖｃｍが入力され、電圧Ｖｉｐ及び電圧Ｖｉｎを生成する。増幅器１０６、１０７の負入力端子にはＭＯＳトランジスタ１１１、１１２のドレイン端子およびＭＯＳトランジスタ１１３、１１４のソース端子がそれぞれ接続されている。また、増幅器１０６、１０７の各出力端子は、ＭＯＳトランジスタ１１３、１１４のゲート端子とそれぞれ接続されている。また、ＭＯＳトランジスタ１１１、１１２は三極管領域で、ＭＯＳトランジスタ１１３、１１４は飽和領域で、それぞれ動作するように調整されている。

図１０に、差動対入力電圧発生回路１２０の一実施例を示す。電圧Ｖｉｐと電圧Ｖｉｎとの差（トランスコンダクタンスアンプの入力）と実質的に等価である入力電圧Ｖｉｎｐｕｔと、コモン電圧Ｖｃｍとが入力され、差動対に入力される電圧Ｖｉｐ、Ｖｉｎが出力される。

入力電圧Ｖｉｎｐｕｔは、シングル差動変換回路１３０を経て差動信号Ｖｉｎｐｕｔｐ、Ｖｉｎｐｕｔｎとなり、抵抗Ｒｈｐ１、Ｒｈｐ２と容量Ｃｈｐ１、Ｃｈｐ２とから構成されるＨＰＦ（ハイパスフィルタ）により、それぞれの信号の基準電位をコモン電圧Ｖｃｍに直したあと、ＭＯＳトランジスタ１１１および１１２のゲート端子に出力される。シングル差動変換回路１３０を用いず直接、差動信号であるＶｉｎｐｕｔｐ、Ｖｉｎｐｕｔｎを元に差動対へ入力される電圧を発生させてももちろん良い。

また図１１に、差動対入力電圧発生回路１２０の別の実施例を示す。電圧Ｖｉｐと電圧Ｖｉｎとの差（トランスコンダクタンスアンプの入力）と実質的に等価である入力電圧Ｖｉｎｐｕｔと、コモン電圧Ｖｃｍとが入力され、差動対に入力される電圧Ｖｉｐ、Ｖｉｎが出力される。

入力電圧Ｖｉｎｐｕｔは、シングル差動変換回路１３０を経て差動信号Ｖｉｎｐｕｔｐ、Ｖｉｎｐｕｔｎとなり、レベルシフト回路１３１および１３２によりそれぞれの信号の基準電位をコモン電圧Ｖｃｍに直したあと、ＭＯＳトランジスタ１１１および１１２のゲート端子に出力される。シングル差動変換回路１３０を用いず直接、差動信号であるＶｉｎｐｕｔｐ、Ｖｉｎｐｕｔｎを元に差動対へ入力される電圧を発生させてももちろん良い。

ここで差動対入力電圧発生回路は、上記二つの実施例のみに限定されるわけではないことを付け加えておく。

このような構成において、ＭＯＳトランジスタ１１１、１１２の各ゲート端子に発生する電圧Ｖｉｐ、Ｖｉｎの差Ｖｉｐ−Ｖｉｎを入力電圧とし、ＭＯＳトランジスタ１１３、１１４の各ドレイン端子ＯＰ、ＯＮに流れる電流Ｉｐ、Ｉｎの差Ｉｐ−Ｉｎを出力電流とすると、図３に示されている回路はトランスコンダクタンスアンプとして機能する。

ここで、図４に、ＭＯＳトランジスタ１１１のゲート電圧Ｖｉｐに対する電流Ｉｐの値と、電流Ｉｐをゲート電圧Ｖｉｐで微分した値、すなわちＭＯＳトランジスタ１１１のトランスコンダクタンスＧｍｐをあわせて示す。以下、ＭＯＳトランジスタ１１１に注目し、ＭＯＳトランジスタ１１１のゲート電圧Ｖｉｐに応じて電流Ｉｐがどのように変化するかを、図４を参照にしながら説明する。

増幅器１０６、１０７およびＭＯＳトランジスタ１１３、１１４により、差動対を形成するＭＯＳトランジスタ１１１、１１２のドレイン電圧は入力の変化に対して、常に一定（＝Ｖｃｔｒｌ）となる。

ゲート電圧Ｖｉｐが０ＶからＭＯＳトランジスタ１１１のスレショルド電圧Ｖｔｈ１までの領域では、電流Ｉｐは０である（遮断領域）。

ゲート電圧ＶｉｐがＶｔｈ１＜Ｖｉｐ＜Ｖｃｔｒｌ＋Ｖｔｈ１となる領域では、ＭＯＳトランジスタ１１１は飽和領域で動作し、そのときの電流Ｉｐは次式で表される。

ここで、ｋ_１はトランジスタサイズと製造プロセスに依存する係数である。さらに、ＶｉｐがＶｉｐ＞Ｖｃｔｒｌ＋Ｖｔｈ１となる領域では、ＭＯＳトランジスタ１１１は三極管領域で動作し、そのときの電流Ｉｐは次式であらわされる。

ここで、飽和領域と三極管領域の境界であるゲート電圧Ｖｉｐの電圧をＶｔｒ１とすると、

となる。

以下、ＭＯＳトランジスタ１１１、１１２で構成される差動対について図５を参照にしながら説明する。

ＭＯＳトランジスタ１１２のゲート電圧をＶｉｎとする。さらにゲート電圧Ｖｉｐとゲート電圧Ｖｉｎの入力差動コモン電圧をＶｃｍとすると、ゲート電圧Ｖｉｎは

で与えられる。よってゲート電圧Ｖｉｐを変化させたとき、ＭＯＳトランジスタ１１２のトランスコンダクタンスＧｍｎの絶対値の変化は、図５のようにちょうどＧｍｐの曲線をコモン電圧Ｖｃｍで折り返したようになる。

差動対の全体のトランスコンダクタンスＧｍは、ＧｍｐとＧｍｎの和で与えられる。図５に示すように、トータルのトランスコンダクタンスＧｍは、Ｖｃｍを中心に、±（Ｖｃｍ−Ｖｔｒ１）の範囲内で良好な線形性を得ることができる。ここでＭＯＳトランジスタ１１１、１１２を両方とも三極管領域で動作させるために、ＶｃｍをＶｔｒ１＜Ｖｃｍとなるよう設定することに留意されたい。

ここで、本発明では、トランスコンダクタンスのチューニングの際に、チューニング電圧Ｖｃｔｒｌだけでなく入力差動コモン電圧Ｖｃｍも制御することによって、良好な線形性を有する領域を制御することを特徴としている。具体的には、コモン電圧は、電圧発生回路１００において、チューニング電圧との差が定数となるように調整される。数式（３）からＶｃｍ−Ｖｔｒ１を計算すると次式のように表現することができる。

数式（５）から、コモン電圧Ｖｃｍとチューニング電圧Ｖｃｔｒｌとの差が定数になるようにすると、Ｖｃｍ−Ｖｔｒ１に対するチューニング電圧Ｖｃｔｒｌの影響を低減することができることが見出される。

すなわち、たとえトランスコンダクタンスのチューニング目的でチューニング電圧Ｖｃｔｒｌを変化させたとしても、チューニング電圧Ｖｃｔｒｌの変化に合せて入力差動コモン電圧Ｖｃｍを調整することによって、トランスコンダクタンスアンプが良好な線形性を得ることができる範囲を一定に保つことができる（図６参照）。

特に、

を満たすように電圧発生回路１００が調整されると、数式（６）を数式（５）に代入して

が得られる。つまり図６に示されているように、±βの領域で良好な線形性を有することができる。ここでβは任意の定数である。

これより本発明は、動作入力範囲における良好な線形性を有する範囲のチューニング電圧Ｖｃｔｒｌの大きさによる変化を抑え、広いトランスコンダクタンスチューニングレンジを持つ、トランスコンダクタンスアンプを提供することができる。

（実施形態２）
図７に、本発明の実施形態２に係るトランスコンダクタンスアンプの回路図を示す。本実施形態のトランスコンダクタンスアンプは、ソース接地されたＭＯＳトランジスタ１１１、１１２とで形成される差動対と、ＭＯＳトランジスタ１１３、１１４と、増幅器１０６、１０７と、電圧発生回路１００と、差動対入力電圧発生回路１２０とから構成されている。

図７に示すように、本実施形態のトランスコンダクタンスアンプは、実施形態１における電圧発生回路１００の構成を次に示すような構成のもので置き換えたものである。すなわち、電圧発生回路１００は、電圧発生器１０２と固定電流源１０９と抵抗Ｒｄとから構成され、抵抗Ｒｄは電圧発生器１０２と固定電流源１０９との間に接続されており、固定電流源１０９の出力側に接続されている。抵抗Ｒｄは、チップ上に形成されるポリシリコンからなる抵抗体だけに限られることはなく、例えば金属配線や三極管領域で動作させたＭＯＳトランジスタなどでも良い。

ここで電圧発生器１０２からの出力をＶｃｔｒｌとし、固定電流源１０９と抵抗Ｒｄの接続点の電圧もしくはそれをボルテージホロアしたものをＶｃｍとすると、抵抗Ｒｄと固定電流Ｉｄの積Ｒｄ×ＩｄがＶｃｍとＶｃｔｒｌの差である。このように図７に示す構成により、ＶｃｍとＶｃｔｒｌとを常に一定の電圧差に保つことができ、この差をβ＋Ｖｔｈ１となるように構成すると、数式（５）により±βの領域で良好な線形性を有することができる。ここでβは任意の定数である。電圧発生器１０２の出力電圧を所望の値にすることにより、チューニング電圧Ｖｃｔｒｌ及びコモン電圧Ｖｃｍを所望の値にすることができる。ここで、電圧発生器１０２の出力電圧を可変としても良いし、チューニング電圧Ｖｃｔｒｌ及びコモン電圧Ｖｃｍが所望の値となるように設定した後にその出力電圧の値を固定としても良い。

よって、本実施形態は、動作入力範囲における良好な線形性を有する範囲のチューニング電圧Ｖｃｔｒｌの大きさによる変化を抑え、広いトランスコンダクタンスチューニングレンジを持つ、トランスコンダクタンスアンプを可能にする。

（実施形態３）
図８に、本発明の実施形態３に係るトランスコンダクタンスアンプの回路図を示す。本実施形態のトランスコンダクタンスアンプは、ソース接地されたＭＯＳトランジスタ１１１、１１２とで形成される差動対と、ＭＯＳトランジスタ１１３、１１４と、増幅器１０６、１０７と、電圧発生回路１００と、差動対入力電圧発生回路１２０とから構成されている。

電圧発生回路１００は差動対に入力される全差動信号のコモン電圧Ｖｃｍと、トランスコンダクタンスを制御するチューニング電圧Ｖｃｔｒｌを生成し、チューニング電圧Ｖｃｔｒｌを増幅器１０６、１０７の正入力端子に出力可能なように、および電圧Ｖｃｍを差動対入力電圧発生回路１２０に出力可能なようにそれぞれ接続されている。差動対入力電圧発生回路１２０は、入力端子ＩＮＰＵＴから入力される入力電圧Ｖｉｎｐｕｔとコモン電圧Ｖｃｍが入力され、電圧Ｖｉｐ及び電圧Ｖｉｎを生成する。ＭＯＳトランジスタ１１１、１１２の各ドレイン端子はＭＯＳトランジスタ１１３、１１４のソース端子とそれぞれ接続され、ＭＯＳトランジスタ１１１、１１２の各ゲート端子は差動対入力電圧発生回路１２０の電圧Ｖｉｐを出力する端子、Ｖｉｎを出力する端子とそれぞれ接続されている。増幅器１０６、１０７の負入力端子にはＭＯＳトランジスタ１１１、１１２のドレイン端子およびＭＯＳトランジスタ１１３、１１４のソース端子がそれぞれ接続されている。また、増幅器１０６、１０７の各出力端子は、ＭＯＳトランジスタ１１３、１１４のゲート端子とそれぞれ接続されている。また、ＭＯＳトランジスタ１１１、１１２は三極管領域で、ＭＯＳトランジスタ１１３、１１４は飽和領域で、それぞれ動作するように調整されている。

図８に示すように、本実施形態のトランスコンダクタンスアンプは、実施形態１における電圧発生回路１００の構成を次に示すような構成のもので置き換えたものである。すなわち、電圧発生回路１００は、電圧発生器１０４と固定電流源１１０と抵抗Ｒｄとから構成され、抵抗Ｒｄは電圧発生器１０４と固定電流源１１０との間に接続されており、固定電流源１１０の入力側に接続されている。抵抗Ｒｄは、チップ上に形成されるポリシリコンからなる抵抗体だけに限られることはなく、例えば金属配線や三極管領域で動作させたＭＯＳトランジスタなどでも良い。

ここで電圧発生器１０４からの出力をＶｃｍとし、固定電流源１１０と抵抗Ｒｄの接続点の電圧もしくはそれをボルテージホロアしたものをＶｃｔｒｌとすると、抵抗Ｒｄと固定電流Ｉｄの積Ｒｄ×ＩｄがＶｃｍとＶｃｔｒｌの差である。このように図８に示す構成により、ＶｃｍとＶｃｔｒｌとを常に一定の電圧差に保つことができ、この差をβ＋Ｖｔｈ１となるように構成すると、数式（５）により±βの領域で良好な線形性を有することができる。ここでβは任意の定数である。電圧発生器１０４の出力電圧を所望の値にすることにより、コモン電圧Ｖｃｍ及びチューニング電圧Ｖｃｔｒｌを所望の値にすることができる。ここで、電圧発生器１０４の出力電圧を可変としても良いし、コモン電圧Ｖｃｍ及びチューニング電圧Ｖｃｔｒｌが所望の値となるように設定した後にその出力電圧の値を固定としても良い。

（実施形態４）
図９に、本発明の実施形態４に係るトランスコンダクタンスアンプの回路図を示す。本実施形態のトランスコンダクタンスアンプは、ソース接地されたＭＯＳトランジスタ１１１、１１２とで形成される差動対と、ＭＯＳトランジスタ１１３、１１４と、増幅器１０６、１０７と、電圧発生回路１００と、差動対入力電圧発生回路１２０とから構成されている。

電圧発生回路１００は、電圧発生器１０４と固定電流源１１０と抵抗Ｒｄとから構成され、抵抗Ｒｄは電圧発生器１０４と固定電流源１１０との間に接続されており、固定電流源１１０の入力側に接続されている。抵抗Ｒｄは、チップ上に形成されるポリシリコンからなる抵抗体だけに限られることはなく、例えば金属配線や三極管領域で動作させたＭＯＳトランジスタなどでも良い。

図９に示すように、本実施形態のトランスコンダクタンスアンプは、実施形態３における電圧発生器１０４を次に示すような構成もので置き換えたものである。すなわち、電圧発生器１０４は、電流源１０５と、ＭＯＳトランジスタ１１５、１１６と、増幅器１０８とから構成され、ソース接地されたＭＯＳトランジスタ１１５のドレイン端子とＭＯＳトランジスタ１１６のソース端子は互いに接続されており、ＭＯＳトランジスタ１１６のドレイン端子は電流源１０５の出力側と接続されている。ＭＯＳトランジスタ１１６と電流源１０５との接続点はＭＯＳトランジスタ１１５のゲート端子と接続されている。増幅器１０８の正入力端子は固定電流源１１０と抵抗Ｒｄの接続点に接続され、負入力端子はＭＯＳトランジスタ１１５のドレイン端子およびＭＯＳトランジスタ１１６のソース端子と接続されている。増幅器１０８の出力は、ＭＯＳトランジスタ１１６のゲート端子と接続されている。

ここで電圧発生器１０４からの出力、すなわちＭＯＳトランジスタ１１６のドレイン端子と電流源１０５とＭＯＳトランジスタ１１５のゲート端子との接続点の電圧をＶｃｍとし、固定電流源１１０と抵抗Ｒｄの接続点の電圧もしくはそれをボルテージホロアしたものをＶｃｔｒｌとすると、抵抗Ｒｄと固定電流Ｉｄの積Ｒｄ×ＩｄがＶｃｍとＶｃｔｒｌとの差である。このように図９に示す構成により、ＶｃｍとＶｃｔｒｌとを常に一定の電圧差に保つことができ、この差をβ＋Ｖｔｈ１となるように構成すると、数式（５）により±βの領域で良好な線形性を有することができる。ここでβは任意の定数である。電流源１０５の出力電流を所望の値にすることにより、電圧発生器１０４の出力を所望の値にし、チューニング電圧Ｖｃｔｒｌ及びコモン電圧Ｖｃｍを所望の値にすることができる。ここで、電流源１０５の出力電流を可変としても良いし、チューニング電圧Ｖｃｔｒｌ及びコモン電圧Ｖｃｍが所望の値となるように電流源１０５の出力電流を設定した後にその出力電流の値を固定としても良い。

ＭＯＳトランジスタ１１５はトランスコンダクタンスアンプを構成するＭＯＳトランジスタ１１１、１１２と、ＭＯＳトランジスタ１１６はＭＯＳトランジスタ１１３、１１４とそれぞれカレントミラー関係を有するようなトランジスタサイズにすることが望ましい。すなわち、カレントミラー比を例えばγとする場合、ＭＯＳトランジスタ１１５のトランジスタサイズ×γ＝ＭＯＳトランジスタ１１１、１１２のトランジスタサイズ、およびＭＯＳトランジスタ１１６のトランジスタサイズ×γ＝ＭＯＳトランジスタ１１３、１１４のトランジスタサイズとなるように構成する。このとき、電流源１０５から出力される電流をＩｃとすると、ミラー比γでカレントミラーされ、Ｉｐ＝γ×（Ｉｃ−Ｉｄ）、Ｉｎ＝γ×（Ｉｃ−Ｉｄ）となる。

以上により本実施形態は、動作入力範囲における良好な線形性を有する範囲のチューニング電圧Ｖｃｔｒｌの大きさによる変化を抑え、広いトランスコンダクタンスチューニングレンジを持つトランスコンダクタンスアンプであって、さらに、差動対を形成するＭＯＳトランジスタ１１１、１１２を流れる電流Ｉｐ、Ｉｎが、電流源１０５により直接カレントミラー比で決定できるという特徴をあわせもつトランスコンダクタンスアンプを可能にする。

Claims

入力電圧に比例した出力電流を供給するトランスコンダクタンスアンプであって、
三極管領域で動作する、ソース接地された第１および第２のＭＯＳトランジスタから形成された差動対と、
飽和領域で動作する、ソース端子が前記第１のＭＯＳトランジスタのドレイン端子と接続された第３のＭＯＳトランジスタと、
飽和領域で動作する、ソース端子が前記第２のＭＯＳトランジスタのドレイン端子と接続された第４のＭＯＳトランジスタと、
負入力端子が前記第３のＭＯＳトランジスタのソース端子に接続され、出力端子が前記第３のＭＯＳトランジスタのゲート端子に接続された第１の増幅器と、
負入力端子が前記第４のＭＯＳトランジスタのソース端子に接続され、出力端子が前記第４のＭＯＳトランジスタのゲート端子に接続された第２の増幅器と、
前記第１および第２の増幅器の正入力端子電圧に入力されるチューニング電圧と、前記差動対に入力される第１の電圧および第２の電圧のコモン電圧とを、前記チューニング電圧と前記コモン電圧との差が一定となるように生成する電圧発生回路と、
前記コモン電圧が入力され、前記第１のＭＯＳトランジスタのゲート端子に出力する前記第１の電圧と、前記第２のＭＯＳトランジスタのゲート端子に出力する前記第２の電圧とを生成する差動対入力電圧発生回路と
を備え、
前記第２の電圧は、２×（前記コモン電圧）−（前記第１の電圧）であり、
前記入力電圧は、前記第１の電圧と前記第２の電圧との差であり、
前記出力電流は、前記第１および第３のＭＯＳトランジスタのドレイン・ソース間を流れる第１の電流Ｉｐと、前記第２および第４のＭＯＳトランジスタのドレイン・ソース間を流れる第２の電流Ｉｎとの差であることを特徴とするトランスコンダクタンスアンプ。
前記電圧発生回路は、電圧発生器と、固定電流源と、前記電圧発生器と前記固定電流源の出力端子との間に直列接続された抵抗とを備え、
前記電圧発生器と前記抵抗との間から前記チューニング電圧を出力し、前記抵抗と前記固定電流源との間から前記コモン電圧を出力することを特徴とする請求項１に記載のトランスコンダクタンスアンプ。
前記電圧発生回路は、電圧発生器と、固定電流源と、前記電圧発生器と前記固定電流源の入力端子との間に直列接続された抵抗とを備え、
前記電圧発生器と前記抵抗との接続点が前記コモン電圧であり、前記抵抗と前記固定電流源との接続点が前記チューニング電圧であることを特徴とする請求項１に記載のトランスコンダクタンスアンプ。
前記電圧発生器は、
直列接続された、第２の電流源と、第５および第６のＭＯＳトランジスタと、第３の増幅器とを備え、
前記第６のＭＯＳトランジスタのソース端子と、前記第５のトランジスタのドレイン端子と、前記第３の増幅器の負入力端子とが接続され、
ソース接地された前記第５のトランジスタのゲート端子は、前記第６のＭＯＳトランジスタのドレイン端子と前記第２の電流源の出力端子とに接続され、
前記第５のＭＯＳトランジスタのゲート電圧は前記コモン電圧であり、前記第３の増幅器の正入力端子電圧は前記チューニング電圧であることを特徴とする請求項３に記載のトランスコンダクタンスアンプ。
前記第５のＭＯＳトランジスタは前記第１および第２のＭＯＳトランジスタと、前記第６のＭＯＳトランジスタは前記第３および第４のＭＯＳトランジスタとカレントミラー関係を有するようにされていることを特徴とする請求項４に記載のトランスコンダクタンスアンプ。
前記第２の電流源は可変であることを特徴とする請求項４又は５に記載のトランスコンダクタンスアンプ。
前記電圧発生器は可変であることを特徴とする請求項２乃至６のいずれかに記載のトランスコンダクタンスアンプ。