JP2000286648A - 半導体集積回路装置 - Google Patents

半導体集積回路装置

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JP2000286648A JP11090610A JP9061099A JP2000286648A JP 2000286648 A JP2000286648 A JP 2000286648A JP 11090610 A JP11090610 A JP 11090610A JP 9061099 A JP9061099 A JP 9061099A JP 2000286648 A JP2000286648 A JP 2000286648A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高速化及び高ゲインを実現した増幅回路を備
えた半導体集積回路装置を提供する。 【解決手段】 第1導電型の第1増幅MOSFETのド
レインにゲートとドレインが接続された第2導電型の第
1MOSFETを接続し、上記第1MOSFETと電流
ミラー形態とされた第2MOSFETのドレインを上記
第1増幅MOSFETと差動形態にされた第2増幅MO
SFETのドレインに接続したシングルエンド型差動ア
ンプを2個直列形態に接続し、前段の差動アンプには互
いに逆相の小振幅入力信号を供給し、後段のシングルエ
ンド型差動アンプの上記第1増幅MOSFETに対応し
たMOSFETのゲートには、上記第2増幅MOSFE
Tのドレイン出力信号を入力し、上記第2増幅MOSF
ETに対応したMOSFETののゲートには、上記第1
増幅MOSFETのドレイン出力信号を入力して上記第
2増幅MOSFETに対応したMOSFETのドレイン
から出力信号を得る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、半導体集積回路
装置に関するものであり、例えば発振回路で形成された
小振幅の高周波信号を受けてデューティがほぼ50%の
クロック信号を形成する増幅回路を備えたものに利用し
て有効な技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】デジタル集積回路では、発振回路で形成
された小振幅信号を増幅して、電源電圧に対応した第1
レベルと、回路の接地電位に対応した第2レベルの2値
信号に変換して、デジタル回路の動作に必要なクロック
信号を形成するものがある。上記増幅回路は、発振周波
数が比較的低いものではゲインが比較的大きく設定でき
るシングルエンド型差動アンプ等簡単な回路を用いるこ
とができる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】デジタル集積回路の高
速化に伴い、例えば500MHzを超えるような高速な
クロック信号を形成する場合、一般にアンプを高帯域化
するとゲインが大きくとれないため、上記のようなシン
グルエンド型差動アンプでは必要なゲインが確保できな
い。そこで、本願発明者等は図2に示すように差動アン
プを2個縦列接続して高帯域化と必要なゲインを確保す
ることを考えた。この場合、差動アンプを直列形態に接
続するために、完全差動化の差動アンプが用いられる。
そして、上記のような小振幅信号を増幅する場合、次段
の差動MOSFETM16,M17を飽和領域で動作さ
せるために、初段アンプの定電流源の負荷MOSFET
M2,M4に並列にダイオード接続のMOSFETM
3,M5を接続して出力の動作点を決めるものである。
【0004】このようにすると、増幅MOSFETM1
4,M15のドレインにそれぞれ設けられる負荷回路
が、並列接続の定電流MOSFETM2とダイオード接
続のMOSFETM3及び定電流MOSFETM4とダ
イオード接続のMOSFETM5となり、電流ミラーM
OSFETを負荷回路として用いるシングルエンド型差
動アンプに比べてゲインが小さく、図2のように2段直
列形態に接続しても十分なゲインが得られない。また、
出力段の差動アンプには、出力をバランスさせるために
ダミーのインバータ回路が必要となり、回路が複雑にな
るとともにその分消費電流も増加し、後述するように出
力パルスの立ち上がり時間trと立ち下がり時間tdの
バランスが悪くパルスデューティが50%からずれてし
まうことが本願発明者によって見い出された。
【0005】この発明の目的は、高速化及び高ゲインを
実現した増幅回路を備えた半導体集積回路装置を提供す
ることにある。簡単な構成で高周波数のクロック信号を
形成する増幅回路を備えた半導体集積回路装置を提供す
ることにある。この発明の前記ならびにそのほかの目的
と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明
らかになるであろう。
【0006】
【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下
記の通りである。すなわち、差動形態にされた第1導電
型の第1と第2増幅MOSFETと、上記第1増幅MO
SFETのドレインにゲートとドレインが接続された第
2導電型の第1MOSFETと、上記第1MOSFET
とゲート及びソースが接続されて電流ミラー形態とさ
れ、そのドレインが上記第2増幅MOSFETのドレイ
ンに接続された第2導電型の第2MOSFETとを含む
第1のシングルエンド型差動アンプと、差動形態にされ
た第1導電型の第3と第4増幅MOSFETと、上記第
3増幅MOSFETのドレインにゲートとドレインが接
続された第2導電型の第3MOSFETと、上記第3M
OSFETとゲート及びソースが接続されて電流ミラー
形態とされ、そのドレインが上記第4増幅MOSFET
のドレインに接続された第2導電型の第4MOSFET
とを含む第2のシングルエンド型差動アンプとを備え、
上記第1と第2増幅MOSFETのゲートには互いに逆
相の小振幅入力信号を供給し、上記第2のシングルエン
ド型差動アンプの上記第3増幅MOSFETのゲートに
は、上記第2増幅MOSFETのドレイン出力信号を入
力し、上記第4増幅MOSFETのゲートには、上記第
1増幅MOSFETのドレイン出力信号を入力し、上記
第4増幅MOSFETのドレインから出力信号を得る。
【0007】
【発明の実施の形態】図1には、この発明に係る半導体
集積回路装置に設けられる増幅回路の一実施例の回路図
が示されている。この実施例では、高ゲインを実現する
ために2個のシングルエンド型差動アンプが用いられ
る。この2個のシングルエンド型差動アンプを含む増幅
回路に供給される入力信号INY,INXは、例えば図
示しない発振回路で形成され、電源電圧VDDに対して
小さな信号振幅(例えば、0.5V程度)とされた互い
に逆相の信号とされる。発振回路は例えば水晶振動子を
用いた発振回路とされる。上記増幅回路は上記の小振幅
の発振信号を増幅し、電源電圧VDD(例えば3V程
度)の回路の接地電位GND(0V)に対応したパルス
信号に変換し、クロックパルスとして半導体集積回路装
置に形成された内部回路に供給する。
【0008】上記2個のシングルエンド型差動アンプの
うち入力(前段)側の差動アンプは、差動形態にされた
Pチャンネル型の増幅MOSFETM1、M2と、その
共通接続されたソースと電源電圧VDDとの間に設けら
れた定電流源I1と、上記増幅MOSFETM1,M2
のドレインと回路の接地電位GNDとの間に設けられ、
電流ミラー形態にされたPチャンネル型の負荷MOSF
ETM3,M4とから構成される。上記増幅MOSFE
TM1のゲートには、上記差動入力のうちの一方の入力
信号INXが供給され、上記増幅MOSFETM2のゲ
ートには、上記一方の入力信号INXとは逆位相にされ
た上記差動入力のうちの他方の入力信号INYが供給さ
れる。特に制限されないが、上記定電流源I1には定電
流2Idsが流れるようにされる。
【0009】上記2個のシングルエンド型差動アンプの
うち出力(後段)側の差動アンプは、差動形態にされた
Pチャンネル型の増幅MOSFETM5、M6と、その
共通接続されたソースと電源電圧VDDとの間に設けら
れた定電流源I2と、上記増幅MOSFETM5,M6
のドレインと回路の接地電位GNDとの間に設けられ、
電流ミラー形態にされたPチャンネル型の負荷MOSF
ETM7,M8とから構成される。この実施例では、パ
ルスデューティの劣化を防ぐために、換言すれば、パル
スの立ち上がりtrと立ち下がりtdを均等にしてほぼ
50%のデューティを確保するために、上記増幅MOS
FETM5のゲートには、入力段の増幅MOSFETM
2のドレイン出力が供給され、上記増幅MOSFETM
6のゲートには、入力段の増幅MOSFETM1のドレ
イン出力が供給される。上記定電流源I2には上記電流
源I1と同じ定電流2Idsが流れるようにされる。
【0010】この実施例では、上記のようにパルスデュ
ーティが50%からずれてしまうのを防ぐために、2個
のシングルエンド型差動アンプの接続に工夫がなされて
いる。つまり、入力側の差動アンプを構成する電流ミラ
ー回路の2つの負荷MOSFETM3とM4のうち、ダ
イオード接続された入力側の負荷MOSFETM3に対
応した増幅MOSFETM1のドレイン出力を、それと
は逆に出力側の差動アンプを構成する電流ミラー回路の
2つの負荷MOSFETM7とM8のうち、ダイオード
接続されない出力側の負荷MOSFETM8に対応した
増幅MOSFETM6のゲートに供給する。また、入力
側の差動アンプを構成する電流ミラー回路の2つの負荷
MOSFETM3とM4のうち、ダイオード接続されな
い出力側の負荷MOSFETM4に対応した増幅MOS
FETM2のドレイン出力を、それとは逆に出力側の差
動アンプを構成する電流ミラー回路の2つの負荷MOS
FETM7とM8のうち、ダイオード接続された入力側
の負荷MOSFETM7に対応した増幅MOSFETM
5のゲートに供給する。
【0011】このように2個のシングルエンド型差動ア
ンプの直列接続する際に、その入力と出力との関係を上
記のようにいわばクロスさせて接続させるようにするも
のである。この理由は、入力側の差動アンプで見ると、
増幅MOSFETM1のソースに流れる電流は、負荷M
OSFETM3とM4のゲート容量等を駆動する電流が
含まれるために、実質的な電流比は全体を100とする
とM1:M2=49:51のようにアンバランスとな
る。出力側の差動アンプも入力信号が同じなら同様にM
5:M6=49:51のようなアンバランスを持つ。し
たがって、同図のような接続を行うことで、入力側の差
動アンプで発生した出力信号のアンバランスを出力側の
差動アンプの持つ信号伝達特性のアンバランスによって
補正することができる。
【0012】上記のような信号伝達特性のアンバランス
を正確に補正するために、上記入力側の差動形態の増幅
MOSFETM1,M2とそれに対応した出力側の増幅
MOSFETM5の素子定数が同じく、言い換えるなら
ば、同じ素子サイズに形成される。また、上記と同様に
電流ミラー形態にされた入力側の負荷MOSFETM
3,M4とそれに対応した出力側の負荷MOSFETM
7,M8及び定電流源I1とI2も上記同様にそれぞれ
に対応したものどうしは、素子サイズが同じものとされ
る。
【0013】この実施例では、出力側の差動アンプの出
力信号は、Nチャンネル型MOSFETM9と定電流源
I4からなる定電流インバータアンプに伝えられる。こ
のようなインバータアンプを偶数個直列接続して、デジ
タル回路等に供給されるクロックパルスが形成される。
同図には、MOSFETM9と定電流源I3、MOSF
ETM10と定電流源I4からなる2つのインバータア
ンプと、4個のインバータアンプINV1〜INV4か
らなる全体で6個から構成される。
【0014】これらのインバータアンプは、その電流駆
動能力が順次に大きくされて最終段では必要な電流駆動
能力を持つようにされる。この場合、電源線VDD及び
GNDに流れる電流が一定になるように定電流負荷が用
いられインバータアンプを偶数個として、2個ずつが対
とされて信号変化に無関係に常に一定の電流が流れるよ
うにされる。このように電源線に流れる電流を一定にす
ることにより、電源供給のためのボンディングワイヤの
持つ寄生インダクタンス成分による不所望なノイズの発
生を抑えることが出来る。
【0015】この実施例の増幅回路は、上記のように高
帯域化し、しかもゲインを大きく設定しているので、電
源線VDD及びGNDに発生するノイズが無視できなく
なるるが、上記のようなインバータアンプを用いること
によって安定した増幅動作を行わせることができる。
【0016】図3には、この発明を説明するための波形
図が示されている。同図は、前記図1に示した定電流イ
ンバータアンプM9のドレイン出力波形と、図2に示さ
れた完全差動化アンプを用いた場合の同様なインバータ
アンプの出力波形が示されている。この出力波形は、コ
ンピュータシュミレーションにより形成されたものであ
る。同図の実線で示したのが、本願発明に係る図1に示
した波形図であり、(a)のように立ち上がりtr及び
立ち下がりtdとがほぼ同一となり、約50%のパルス
デューティを実現している。是れに対して、図2に示し
た回路では、点線で示したように全体としてのゲインが
不足し、立ち上がりtrに比べて立ち下がりtdが遅く
なり、その結果パルスデューティが50%以下になって
しまっている。このデューティ変動を定量的に算出する
と、図1のものでは±3.5%であるのに対して、図2
のものでは±8%にも達している。
【0017】図4には、この発明が適用される磁気ディ
スクメモリ装置の一実施例の概略ブロック図が示されて
いる。磁気ディスクメモリ装置は、磁気記録面を持つ複
数のディクスと、それを回転駆動する駆動装置、上記デ
ィスク面への記録及び再生を行うヘッドと、そのヘッド
との間でリード/ライト信号を授受するリード/ライト
(R/W)LSI(集積回路)及びR/WLSIとの間
での信号の授受を行う信号処理処理LSI及びコントロ
ーラから構成される。
【0018】この実施例の増幅回路は、信号処理LSI
に設けられる。信号処理LSIのAGC回路は、各ヘッ
ドに対応したチャンネル毎の信号振幅を検出して一定の
信号振幅になるように自動利得制御を行い、アクティブ
フィルタAFを通してサーボ回路に供給される。アクテ
ィブフィルタAFは、そのカットオフ周波数がレジスタ
によりADC(アナログ・デジタル・コンパレータ)を
制御し、このDACの出力電流に対応した周波数に設定
される。
【0019】上記ADCは、クロックパルスにより動作
するチョッパ型のコンパレータを含んでおり、その高精
度で高速化のためにクロックパルスは前記のような高い
周波数にされる。特に制限されないが、読み出し信号に
含まれるクロック信号成分に同期してVCOに含まれる
発振回路で形成され、小振幅で約500MHzのような
高い周波数信号を前記図1に示したような増幅回路で増
幅し、クロックパルスを発生させて上記ADCやデジタ
ル回路に供給される。
【0020】上記の実施例から得られる作用効果は、下
記の通りである。すなわち、 (1) 第1導電型の第1増幅MOSFETのドレイン
にゲートとドレインが接続された第2導電型の第1MO
SFETを接続し、上記第1MOSFETと電流ミラー
形態とされた第2MOSFETのドレインを上記第1増
幅MOSFETと差動形態にされた第2増幅MOSFE
Tのドレインに接続したシングルエンド型差動アンプを
2個直列形態に接続し、前段の差動アンプには互いに逆
相の小振幅入力信号を供給し、後段のシングルエンド型
差動アンプの上記第1増幅MOSFETに対応したMO
SFETのゲートには、上記第2増幅MOSFETのド
レイン出力信号を入力し、上記第2増幅MOSFETに
対応したMOSFETののゲートには、上記第1増幅M
OSFETのドレイン出力信号を入力して上記第2増幅
MOSFETに対応したMOSFETのドレインから出
力信号を得るようにすることにより、高ゲインのシング
ルエンド型差動アンプのアンバランスが補正されて高速
化及び高ゲインを実現することができるという効果が得
られる。
【0021】(2) 上記第1と第2のシングルエンド
型差動アンプは、対応する素子がそれぞれ同じ素子サイ
ズに形成することにより、シングルエンド型差動アンプ
の出力のアンバランスを高い精度で補正することができ
るという効果が得られる。
【0022】(3) 上記互いに逆相にされた第1と第
2の入力信号を発振回路で形成され、電源電圧に対して
信号振幅が小さな信号とし出力信号を電源電圧に対応し
た大振幅信号とすることにより、高周波数のクロックパ
ルスを形成することができるという効果が得られる。
【0023】(4) 上記増幅回路の出力信号を増幅す
る増幅MOSFETと定電流負荷からなるインバータ回
路の偶数個を更に備えることにより、必要な駆動能力を
確保しつつ、電源線に流れる電流を一定にできるから電
源線に発生するノイズを低減でき、安定した増幅動作を
行わせることができるという効果が得られる。
【0024】以上本発明者よりなされた発明を実施例に
基づき具体的に説明したが、本願発明は前記実施例に限
定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種
々変更可能であることはいうまでもない。例えば、増幅
MOSFETをNチャンネル型MOSFETとし、電流
ミラー形態の負荷MOSFETをPチャンネル型MOS
FETとしてもよい。出力パルスが供給される負荷回路
の入力容量等が小さくて電流駆動能力が小さくてよいな
らば、前記定電流インバータアンプを省略することがで
きる。定電流インバータアンプは、Pチャンネル型の増
幅MOSFETとNチャンネル型の定電流源MOSFE
Tとで構成してもよい。この発明は、高域化で高ゲイン
の増幅回路を備えた半導体集積回路装置に広く利用する
ことができる。
【0025】
【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記の通りである。すなわち、第1導電型の第1増幅MO
SFETのドレインにゲートとドレインが接続された第
2導電型の第1MOSFETを接続し、上記第1MOS
FETと電流ミラー形態とされた第2MOSFETのド
レインを上記第1増幅MOSFETと差動形態にされた
第2増幅MOSFETのドレインに接続したシングルエ
ンド型差動アンプを2個直列形態に接続し、前段の差動
アンプには互いに逆相の小振幅入力信号を供給し、後段
のシングルエンド型差動アンプの上記第1増幅MOSF
ETに対応したMOSFETのゲートには、上記第2増
幅MOSFETのドレイン出力信号を入力し、上記第2
増幅MOSFETに対応したMOSFETののゲートに
は、上記第1増幅MOSFETのドレイン出力信号を入
力して上記第2増幅MOSFETに対応したMOSFE
Tのドレインから出力信号を得るようにすることによ
り、高ゲインのシングルエンド型差動アンプのアンバラ
ンスが補正されて高速化及び高ゲインを実現することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に係る半導体集積回路装置に設けられ
る増幅回路の一実施例を示す回路図である。
【図2】この発明に先立って検討された増幅回路の一例
を示す回路図である。
【図3】この発明を説明するための波形図である。
【図4】この発明が適用される磁気ディスクメモリ装置
の一実施例を示す概略ブロック図である。
【符号の説明】
M1〜M17…MOSFET、I1〜I4…定電流源、
INV0〜INV4…定電流インバータアンプ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5J056 AA32 BB02 CC01 CC02 DD13 DD39 EE06 EE12 FF08 GG07 GG14 KK01 5J066 AA03 AA12 AA13 CA85 FA09 FA15 HA01 HA10 KA02 KA06 MA08 ND05 TA01 TA02

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 差動形態にされた第1導電型の第1増幅
    MOSFET及び第2増幅MOSFETと、上記第1増
    幅MOSFETのドレインにゲートとドレインが接続さ
    れた第2導電型の第1MOSFETと、上記第1MOS
    FETとゲート及びソースが接続されて電流ミラー形態
    とされ、そのドレインが上記第2増幅MOSFETのド
    レインに接続された第2導電型の第2MOSFETとを
    含む第1のシングルエンド型差動アンプと、 差動形態にされた第1導電型の第3増幅MOSFET及
    び第4増幅MOSFETと、上記第3増幅MOSFET
    のドレインにゲートとドレインが接続された第2導電型
    の第3MOSFETと、上記第3MOSFETとゲート
    及びソースが接続されて電流ミラー形態とされ、そのド
    レインが上記第4増幅MOSFETのドレインに接続さ
    れた第2導電型の第4MOSFETとを含む第2のシン
    グルエンド型差動アンプを備え、 上記第1のシングルエンド型差動アンプの上記第1と第
    2増幅MOSFETのゲートには、互いに逆相にされた
    小振幅の入力信号が供給され、 上記第2のシングルエンド型差動アンプの上記第3増幅
    MOSFETのゲートには上記第2増幅MOSFETの
    ドレイン出力信号を供給し、上記第4増幅MOSFET
    のゲートには上記第1増幅MOSFETのドレイン出力
    信号を供給し、上記第4増幅MOSFETのドレインか
    ら出力信号を得るようにした増幅回路を具備することを
    特徴とする半導体集積回路装置。
  2. 【請求項2】 請求項1において、 上記第1と第2のシングルエンド型差動アンプは、対応
    する素子がそれぞれ同じ素子サイズに形成されるもので
    あることを特徴とする半導体集積回路装置。
  3. 【請求項3】 請求項2において、 上記互いに逆相にされた第1と第2の入力信号は、発振
    回路で形成され、電源電圧に対して信号振幅が小さな信
    号であり、 上記出力信号はほぼ電源電圧に対応した大振幅信号であ
    ることを特徴とする半導体集積回路装置。
  4. 【請求項4】 請求項1ないし請求項3のいずれかにお
    いて、 上記増幅回路の出力信号を増幅する増幅MOSFETと
    定電流負荷からなるインバータ回路の偶数個を更に備え
    てなることを特徴とする半導体集積回路装置。
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