WO2004032319A1

WO2004032319A1 - 温度補償機能付き差動増幅器

Info

Publication number: WO2004032319A1
Application number: PCT/JP2002/010380
Authority: WO
Inventors: Tetsuya Ueda; Yoshinori Takahashi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-10-04
Filing date: 2002-10-04
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2005-04-04
Also published as: JPWO2004032319A1; KR20040063982A; US20040251965A1; CN1599975A

Abstract

　フィードバック抵抗を有し、利得が温度に比例した特性を有する差動増幅器１と、その差動増幅器１の後段に接続され、フィードバック抵抗が無く、利得が温度に反比例した特性を有する差動増幅器２とを備え、差動増幅器１によって、差動増幅器２の利得と歪の温度補償を行う。

Description

明細

' 温度補償機能付き差動増幅器技術分野

この発明は、フィードバック抵抗が無い差動増幅器の利得および歪みの温度補償を行う温度補償機能付き差動増幅器に関するものである。背景技術

第 1図は従来のフィ一ドバック抵抗が無い差動増幅器を示す回路図であり、図において、 V c cは電源、 GNDはグランド、 R Lは負荷抵抗、 Q 1 , Q 2はトランジスタ、 C 1は定電流源である。

次に動作について説明する。

差動入力電流 Δ Iを次式（ 1 ) で表すことができる。

Δ I = I 0 · t a n h (△ V/ 2 V_T) ( 1 ) 但し、 I 0は定電流源 C 1の電流、 Δνは差動入力電圧、 V_T= k T Zqで、 kはボルツマン定数、 Tは絶対温度、 qは電荷である。

上式（ 1 ) を級数展開すると、一次項は利得 G a i nとなり、二次項以降は全て歪成分となるが、その歪成分は三次項成分が最も支配的となる。そこで、上式（ 1 ) を級数展開して、一次項の利得 G a i nと、一次項と三次項との比である歪 HD 3とは、次式（ 2 ) ( 3 ) で表すことができる。

G a i n - a 1 (Δ V/T) ( 2 )

H D 3 = ( a 3/a 1 ) · (Δ V/T) ² ( 3 ) 但し、 a 1は一次項の定数、 a 3は三次項の定数である。

従来のフィ一ドバック抵抗が無い差動増幅器は以上のように構成されているので、その利得および歪は上式（ 2 ) ( 3 ) に示したように、絶対温度 Tに反比例しており、温度が高くなると利得は低下し、歪は小さくなる（良好になる）。

このように、フィードバック抵抗が無い差動増幅器では、利得および歪が絶対温度 Tに依存して変化してしまう課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、フィ ―ドバック抵抗が無い差動増幅器の利得および歪みの温度補償を行う温度補償機能付き差動増幅器を得ることを目的とする。発明の開示

，請求の範囲第 1項記載の発明に係る温度補償機能付き差動増幅器は、フィ一ドバック抵抗を有し、利得が温度に比例した特性を有する第 1の差動増幅器と、その第 1の差動増幅器の後段に接続され、フィードバック抵抗が無く、利得が温度に反比例した特性を有する第 2の差動増幅器とを備えたものである。

このことによって、第 1の差動増幅器と第 2の差動増幅器との利得の温度特性が相殺され、フィードバック抵抗が無い第 2の差動増幅器の利得の温度補償を行うことができる。また、第 2の差動増幅器の歪も、温度に反比例した特性を有するが、第 1の差動増幅器から温度に比例した利得特性を有する入力を得ることで、フィードバック抵抗が無い第 2の差動増幅器の歪の温度補償を行うことができる効果を奏する。

請求の範囲第 2項記載の発明に係る温度補償機能付き差動増幅器は、第 1の差動増幅器を、外部電圧により利得が制御されるようにしたものである。

このことによって、第 1の差動増幅器の外部電圧により利得を制御することができ、高可変範囲を有する温度補償機能付き差動増幅器を得ることができる効果を奏する。

請求の範囲第 3項記載の発明に係る温度補償.機能付き差動増幅器は、第 1の差動増幅器を、温度比例電流を生成する定電流回路と、差動入力を温度比例電流と同一の比率の電流に応じて増幅して差動出力する増幅回路とにより構成したものである。

このことによって、利得が温度に比例した特性を有する第 1の差動増幅器を得ることができる効果を奏する。

請求の範囲第 4項記載の発明に係る温度補償機能付き差動増幅器は、第 1の差動増幅器を、温度一定電流を生成する第 1の定電流回路と、温度比例電流を生成する第 2の定電流回路と、差動入力を温度一定電流に応じた信号に変換する入力回路と、その変換された信号を温度比例電流に応じた信号に変換して差動出力する出力回路とにより構成したものである。

請求の範囲第 5項記載の発明に係る温度補償機能付き差動増幅器は、第 1の差動増幅器を、温度一定電流で且つ外部電圧比例電流を生成する第 1の定電流回路と、温度比例電流で且つ外部電圧一定電流を生成する第 2の定電流回路と、第 1および第 2の定電流回路により生成された電流に応じて温度比例電流で且つ外部電圧比例電流を生成する電流生成回路と、差動入力を温度比例電流で且つ外部電圧比例電流と同一の比率の電流に応じて増幅して差動出力する増幅回路とにより構成したものである。

このことによって、外部電圧により利得が制御される第 1の差動増幅器を得ることができる効果を奏する。図面の簡単な説明

第 1図は従来のフィ一ドバック抵抗が無い差動増幅器を示す回路図である。

第 2図はこの発明の実施の形態 1による温度補償機能付き差動増幅器を示す構成図である。

第 3図はこの発明の実施の形態 2による第 1の差動増幅器の詳細を示す回路図である。

第 4図はこの発明の実施の形態 2による第 2の差動増幅器の詳細を示す回路図である。

第 5図はこの発明の実施の形態 3による第 1の差動増幅器の詳細を示す回路図である。

第 6図はこの発明の実施の形態 4による温度補償機能付き差動増幅器を示す構成図である。

第 7図はこの発明の実施の形態 5による第 1の差動増幅器の一部詳細を示す回路図である。

第 8図は各部の温度および外部電圧に対応する電流を示す特性図である。発明を実施するための最良の形態

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための最良の形態について、添付の図面に従って説明する。

実施の形態 1.

第 2図はこの発明の実施の形態 1による温度補償機能付き差動増幅器を示す構成図であり、図において、 1はフィードバック抵抗を有し、利得が絶対温度に比例した特性を有する差動増幅器（第 1の差動増幅器） ' 、 C 2は温度比例電流 P TAT (P r o p o r t i o n a l i t y T o Ab s o l u t e T emp e r a t u r e) を流す定電流源である。 2はその差動増幅器 1の後段に接続され、フィードバック抵抗が無く、利得が絶対温度に反比例した特性を有する差動増幅器（第 2の差動増幅器）であり、例えば、第 1図に示した従来の差動増幅器に相当するものである。

次に動作について説明する。

第 1図に示したようなフィ一ドバック抵抗が無い差動増幅器では、その利得および歪が絶対温度に反比例し、温度が高くなると利得は低下し、歪は小さくなつてしまった。

そこで、この実施の形態 1では、第 2図に示したように、そのフィ一ドバック抵抗が無い差動増幅器 2の前段に、フィ一ドバック抵抗を有し、利得が絶対温度に比例した特性を有する差動増幅器 1を設けるものでめる。

ここで、一般にフィードバック抵抗を有する差動増幅器は、利得および歪が絶対温度にほとんど依存しない特性を有する。この実施の形態 1 では、そのような特性を有する差動増幅器に、例えば、絶対温度に比例した電流を流す定電流源等の回路構成を組み合せることで、利得が絶対温度に比例した特性を有する上記差動増幅器 1の達成を容易にするものである。

差動増幅器 1から出力される差動電圧 Δ Vは、利得が絶対温度 Tに比例した特性を有することから、 Δνを V 0 - Τと置くことができる。上式（ 2 ) ( 3 ) において、 Δνを V 0 · Τに置換すれば、次式（4) ( 5 ) で表すことができる。

G a i n = a 1 ( Δ V/T ) = a 1 ( V 0 · T/T ) = a 1 - V 0

(4 )

H D 3 = ( a 3/a 1 ) · (Δ V/T) ² = ( a 3 /a 1 ) ■ ( V 0 · T/T ) ²

二（a 3/a l ) . (V 0) ² ( 5 ) このように、利得および歪は上式（4) ( 5 ) に示したように、絶対温度 Tに依存することなく、フィードバック抵抗が無い差動増幅器 2の歪の温度補償を行うことができる。

すなわち、差動増幅器 1と差動増幅器 2との利得の温度特性が相殺され、また、差動増幅器 2の歪は、絶対温度 Tに反比例した特性を有しているが、差動増幅器 1から絶対温度 Tに比例した利得特性を有する入力を得ることで、差動増幅器 1および差動増幅器 2を連動した歪を、絶対温度 Tに対して一定にすることができる。実施の形態 2.

第 3図はこの発明の実施の形態 2による第 1の差動増幅器の詳細を示す回路図であり、第 2図の差動増幅器 1の詳細を示したものである。図において、 V c cは電源、 GNDはグランドである。

C 1 0は温度比例電流 I 1 0を流す定電流源、 Q 1 0 , Q 1 1はトランジス夕、 C 1 1は温度一定電流 I 1 1を流す定電流源であり、以上により、定電流回路を構成する。

R Lは負荷抵抗、 OUT , OUTXは差動出力端子、 Q 1 2〜Q 1 5 はトランジスタ、 I N， I NXは差動入力端子、 Q 1 6 , Q 1 7はトランジス夕、： R Eはフィードバヅク抵抗、 C 1 2は温度一定電流 I 1 2を流す定電流源であり、以上により、増幅回路を構成する。

なお、 D 1 0はトランジスタ Q l 0〜Q 1 5のカレントミラ一回路を動作させる電源である。

第 4図はこの発明の実施の形態 2による第 2の差動増幅器の詳細を示す回路図であり、第 2図の差動増幅器 2の詳細を示したものである。図において、 Q 2 0〜Q 2 5はトランジスタ、 C 2 0〜C 2 2は温度一定電流を流す定電流源である。

次に動作について説明する。

第 3図に示した差動増幅器 1では、トランジスタ Q 1 1に定電流源 C 1 0からの温度比例電流 1 1 0が流れ、トランジスタ Q 1 0に温度一定電流 I 1 1と温度比例電流 I 1 0との差分の電流が流れる。

トランジスタ Q 1 0 , Q 1 1と、トランジスタ Q 1 2 , Q 1 3と、トランジス夕 Q 1 4， Q 1 5とは、それそれカレントミラー回路を構成しており、それそれ同一の比率の電流が流れる。また、定電流源 C 1 2は温度一定電流 I 1 2を流すので、例えば、トランジスタ Q 1 6には、 I 1 2/2、トランジスタ Q 1 3には、 Ι 1 2 · Ι 1 0/2 · Ι 1 1に応じた温度比例電流が流れる。

差動入力端子 I N, I NXからの差動入力は、増幅されて差動出力端子 OUT， OUTXから差動出力されるが、負荷抵抗を RL、フィードバヅク抵抗を R Eとして、この第 3図の差動増幅器 1の利得 G a i nを次式（ 6 ) で表すことができる。

G a i n = (R L/R E ) · ( 1 1 2 · 1 1 0/2 · 1 1 1 )

( 6 ) このように、利得 G a i nが温度比例電流 I 1 0を分子とする関数で表されることから、利得が絶対温度に比例した特性を有する差動増幅器 1を得ることができる。

第 4図に示した差動増幅器 2では、差動増幅器 1の差動出力を、差動入力端子 I N, I NXから差動入力して、トランジスタ Q 2 0， Q 2 1 、トランジスタ Q 2 2 , Q 2 3、トランジスタ Q 24 , Q 2 5の 3組みの差動対により増幅して、差動出力端子 OUT, OUTXから差動出力する。なお、第 4図では、 3組みの差動対を示したが、 2組みあるいは 1組みの差動対であつても機能を満たすことができる。

上記実施の形態 1でも示したが、この差動増幅器 2は、利得が絶対温度に反比例した特性を有しているので、差動増幅器 1と連動することにより、利得の温度特性が相殺され、また、歪の温度特性も相殺され、温度補償することができる。実施の形態 3.

第 5図はこの発明の実施の形態 3による第 1の差動増幅器の詳細を示す回路図であり、第 2図の差動増幅器 1の詳細の他の例を示したものである。図において、 Q 3 0〜Q 33はトランジスタ、 I N, I NXは差動入力端子、： R Eはフィードバック抵抗であり、以上により、入力回路を構成する。

C 30は温度一定電流 I 3 0を流す定電流源、 Q 34 , Q 3 5はトランジス夕であり、以上により、第 1の定電流回路を構成する。

HLは負荷抵抗、 O.UT， OUTXは差動出力端子、 Q 3 6， Q 3 7 はトランジスタであり、以上により、出力回路を構成する。

C 3 1は温度比例電流 I 3 1を流す定電流源、 Q 3 8， Q 3 9はトランジス夕であり、以上により、第 2の定電流回路を構成する。

次に動作について説明する。

第 5図において、電圧厶 V Iと、トランジスタ Q 30， Q 3 1 , Q 3 6， Q 37のべ一ス一エミヅ夕間電圧 V B E 3 0， V B E 3 1 , V B E 3 6， VBE 3 7との関係は、次式（ 7 ) で表すことができる。

AV 1 =VB E 3 6 -VB E 3 7 =VB E 3 0 -VB E 3 1 ( 7 ) V τ · I n ( I 3 6 / I s ) - V_T · I n ( I 3 7 / I s )

= V_T · 1 n ( I 3 0 / I s ) - V_x · 1 n ( I 3 1 / I s ) .-.1 3 6/1 37 = 1 30/1 3 1 ( 8 ) 但し、 I sは飽和電流である。

この上式（ 8) から分かるように、トランジスタ Q 3 0 , Q 3 1の差動対に流れる電流比とトランジスタ Q 3 6， Q 3 7の差動対に流れる電流比とは同一となる。

定電流源 C 3 0は温度一定電流 1 3 0を流すので、トランジスタ Q 3 5にも温度一定電流が流れる。差動入力端子 I N， I NXからの差動入力は、トランジスタ Q 3 2およびフィドバック抵抗 R Eと、トランジスタ Q 3 3およびフィードバック抵抗 REとによって、電流 1 3 0， I 3 1に変換されるが、それら電流は温度に依存するものではない。

また、トランジスタ Q 3 0， Q 3 1の差動対に電流 1 3 0， I 3 1が流れることにより、トランジスタ Q 3, 6， Q 3 7の差動対にも同一の比率の電流 1 3 6， 1 3 7が流れる。定電流源 C 3 1は温度比例電流 I 3 1を流すので、トランジスタ Q 3 9にも温度比例電流が流れ、電流 I 3 6 , I 3 7は、温度比例電流となる。

' 差動入力端子 I N， I NXからの差動入力は、増幅されて差動出力端子 OUT, OUTXから差動出力されるが、負荷抵抗を R L、フィードバック抵抗を R Eとして、この第 5図の差動増幅器 1の利得 G a i nを次式（ 9 ) で表すことができる。

G a i n= (R L/RE) . ( 1 3 1 /1 30 ) ( 9 ) このように、利得 G a i nが温度比例電流 I 3 1を分子とする関数で表されることから、利得が絶対温度に比例した特性を有する差動増幅器 1を得ることができる。実施の形態 4.

第 6図はこの発明の実施の形態 4による温度補償機能付き差動増幅器を示す構成図であり、図において、 C 3は温度比例電流 P T A Tを流すと共に、外部電圧に応じた制御電流を流す定電流源である。その他の構成については、第 2図に示した構成と同等である。

次に動作について説明する。 ·

この実施の形態 4では、第 6図に示したように、差動増幅器 1に温度比例電流 P T A Tと、外部電圧に応じた制御電流とを合成して流すようにしたものである。

このように、差動増幅器 1の外部電圧により利得を制御することができ、フィードバック抵抗が無い差動増幅器 2と連動することにより、高可変範囲を有する温度補償機能付き差動増幅器を得ることができる。実施の形態 5.

第 7図はこの発明の実施の形態 5による第 1の差動増幅器の一部詳細を示す回路図であり、第 6図の定電流源 C 3の一部詳細を示したものである。さらに具体的には、この第 7図に示す回路は、第 3図における定電流源 C 1 0の代わりに設けられるものであり、第 7図における電源 V c cおよび電流出力端子 I 0 U Tは、第 3図における電源 V c cおよびトランジスタ Q l 1のコレクタに接続されるものである。

図において、 C 40は温度一定電流で外部電圧比例電流 1 40を流す定電流源であり、第 1の定電流回路を構成する。

Q 40 , Q 4 1はトランジスタ、 C 42は温度一定電流で外部電圧一定電流 I 42を流す定電流源である。

T 40 , T 4 1は F E T、 Q 42 , Q 43はトランジスタであり、以上により、電流生成回路を構成する。

C 43は温度比例電流で外部電圧一定電流 I 43を流す定電流源であり、第 2の定電流回路を構成する。

なお、 D 40はトランジスタ Q 40〜Q 43のカレントミラー回路を動作させる電源である。

第 8図は各部の温度および外部電圧に対応する電流を示す特性図であり、（ a) は定電流源 C 40、（b) は定電流源 C 42、（ c) は定電流源 C 43、（d) は電流出力端子 I OUTの特性を示したものである次に動作について説明する。

第 7図において、定電流源 C 40は、第 8図（ a ) に示した温度に依存せず外部電圧に比例する電流 I 40をトランジスタ Q 4 1に流し、定電流源 C 42は、第 8図（b) に示した温度および外部電圧に依存しない電流 142を流す。したがって、トランジスタ Q 40に電流 I 4 2と電流 140との差分の電流が流れる。

トランジスタ Q 40， Q 43と、トランジスタ Q 4 1， Q 42と、 F E T T 40 , T 4 1とは、それそれカレントミラー回路を構成しており、それそれ同一の比率の電流が流れる。また、定電流源 C 43は、第 8 図（ c) に示した温度に比例し外部電圧に依存しない電流 I 43を流すので、例えば、 F E T T 4 1から電流出力端子 I OUTに、第 8図（d ) に示すような、次式（ 1 0 ) に応じた電流 I 0 U Tが流れる。

I OUT = I 40 - 1 43/1 42 ( 1 0) この電流 I OUTは、温度比例で且つ外部電圧比例の電流である。この電流 I 0 U Tを、第 3図における定電流源 C 1 0の代わりにトランジス夕 Q l 1のコレクタに供給する。

上式（ 6 ) で示したように、第 3図の差動増幅器 1の利得 G a i nは、温度比例電流 I 1 0に比例したが、この温度比例電流 I 1 0に代えて、温度比例で且つ外部電圧比例の電流 I OUTを用いることから、第 3 図の差動増幅器 1の利得 G a i nを、絶対温度に比例し、且つ外部電圧に比例して制御されるものにすることができる。このように、外部電圧により利得が制御される差動増幅器 1を得ることができる。産業上の利用可能性

以上のように、この発明に係る温度補償機能付き差動増幅器は、差動増幅器 1 と差動増幅器 2 とを連動することにより、差動増幅器 2の利得および歪の温度補償を行うのに適している。

Claims

請求の範囲

1 . フィードバック抵抗を有し、利得が温度に比例した特性を有する第 1の差動増幅器と、

上記第 1の差動増幅器の後段に接続され、フィ一ドバック抵抗が無く、利得が温度に反比例した特性を有する第 2の差動増幅器とを備えた温度補償機能付き差動増幅器。

2 . 第 1の差動増幅器は、外部電圧により利得が制御されることを特徴とする請求の範囲第 1項記載の温度補償機能付き差動増幅器。

3 . 第 1の差動増幅器は、

温度比例電流を生成する定電流回路と、

差動入力を上記定電流回路により生成された温度比例電流と同一の比率の電流に応じて増幅して差動出力する増幅回路とを備えたことを特徴とする請求の範囲第 1項記載の温度補償機能付き差動増幅器。

4 . 第 1の差動増幅器は、

温度一定電流を生成する第 1の定電流回路と、

温度比例電流を生成する第 2の定電流回路と、

差動入力を上記第 1の定電流回路により生成された温度一定電流に応じた信号に変換する入力回路と、

上記入力回路により変換された信号を上記第 2の定電流回路により生成された温度比例電流に応じた信号に変換して差動出力する出力回路とを備えたことを特徴とする請求の範囲第 1項記載の温度補償機能付き差動増幅器。

5 . 第 1の差動増幅器は、

温度一定電流で且つ外部電圧比例電流を生成する第 1の定電流回路と温度比例電流で且つ外部電圧一定電流を生成する第 2の定電流回路と上記第 1および第 2の定電流回路により生成された電流に応じて温度比例電流で且つ外部電圧比例電流を生成する電流生成回路と、

差動入力を上記電流生成回路により生成された温度比例電流で且つ外部電圧比例電流と同一の比率の電流に応じて増幅して差動出力する増幅回路とを備えたことを特徴とする請求の範囲第 2項記載の温度補償機能付き差動増幅器。