JP2000516789A - 差動増幅器、集積回路、及び電話機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 差動増幅器は、差動主電流ストリームと、主電流ストリームを制御するための制御入力を有する、主電流ストリームへ電流を供給する被制御電流源手段と、主電流ストリームと制御入力との間に結合され、主電流ストリームのうちの少なくとも１つにおいて検出された飽和に依存して制御入力信号を発生するための飽和検出回路とを含む。差動増幅器は、低い電力消費及び増加された効率で、改善された大きな信号の挙動を有する。

Description

【発明の詳細な説明】 差動増幅器、集積回路、及び電話機 本発明は請求項１の前段部に記載される差動増幅器に関する。 本発明はまた、係る差動増幅器を設けられた集積回路及び係る集積回路を設け られた電話機に関する。 係る差動増幅器は、米国特許第３，４４０，５５４号より既知である。既知の 差動増幅器は、制御用の制御入力を有する制御された電流源トランジスタ手段に よって供給される２段差動トランジスタ対を有する差動主電流（路、経路）、以 下ストリームと称する、を含み、主電流ストリームと制御された電流源トランジ スタ手段の制御入力との間に結合される共通モード負帰還ループとして実施され るループ回路を含む。共通モード負帰還ループは、弁別係数（差動モードと共通 モード利得との比率として定義される）を改善し、共通モード除去係数（共通モ ード電圧入力と同一の出力電圧を発生するための差動モード電圧入力との比率と して定義される）を改善するよう作用する。負帰還に加え、差動主電流ストリー ム中ではこのストリームのコレクタ抵抗の除去を許すようバイアスループが実施 される。既知の差動増幅器の動作により、共通モード負帰還ループと負帰還バイ アスループとの組み合わせは、コレクタバイアス電圧定数を維持するための協働 する効果を生ずる。既知の差動増幅器の欠点は、大きな交流信号の挙動が乏しく 、入力振幅の限られた範囲のみが効果的に増幅されうることである。 従って、本発明は、改善された大きな交流信号の挙動を有し、より広い用途に 適用される差動増幅器を提供することを目的とする。 そのため本発明による差動増幅器は、請求項１記載の特徴を有する。本発明は 、既知の差動増幅器の大きな交流信号の挙動の乏しさ は電源電圧に近い最大振幅を有する大きな交流出力信号から生ずる飽和効果によ るものであること、また、この不利な作用は、飽和である間に飽和効果を補償す るために被制御電流源手段によって与えられる差動主電流が一時的に増加される よう被制御電流源手段が制御される場合に改善されるという概念を利用している 。本発明による差動回路は、低い電力消費及び／又は高い効率が要求される用途 に使用されうる。本発明による差動増幅器は、低い周波数の他に、適用される半 導体の帯域幅に依存してＲＦ用途にも使用されうる。ダイナミックレンジ要件を 達成するのに必要とされる電流よりも低い電流において過剰な帯域幅を提供する 過程における用途は特に注目に値する。過剰な帯域幅は、電力消費を減少させ効 率を増加させるために本発明による差動増幅器を通じて使用されうるが、それと 共に、電力消費を、処理されている信号レベルに適合可能にさせる。これは本発 明による差動増幅器が、移動無線及び移動電話機用途のためのフロントエンド回 路、例えばＧＳＭ及びＡＭＰＳ式フロントエンドに適用される可能性を広げる。 更に、容易な集積が可能となり、集積することにより夫々の差動主電流ストリー ムにおいてよりよく整合された適合可能な半導体構成要素及び小型な装置が与え られるため、改善された特徴が与えられる。 本発明による差動回路の１つの実施例は、請求項２に記載される特徴を有する 。本発明による差動増幅器のこの実施例では、係る検出回路は、飽和のない動作 に対して許容可能な最大電圧を検出することによって主電流ストリーム中の飽和 を検出する。 １つの種類の半導体のみを使用して、即ちＰＮＰ又はＮＰＮのいずれかの半導 体を集積することによって、容易に実施可能であるという利点を有する実施例は 、請求項３に記載される特徴を有する。 本発明による差動増幅器の更なる実施例は、請求項４に記載される特徴を有す る。抵抗バイアス要素又は無効バイアス要素のいずれかである係るバイアス要素 は、被制御電流源手段によって与えられ るテール電流、即ち両方の主電流ストリーム中の結合された電流、を制御するた めの有効利得制御のために使用されうる。 本発明による差動増幅器の更なる実施例は、請求項５に記載される特徴を有す る。縮退要素を与えること、例えば差動主電流ストリーム中に抵抗器を与えるこ とは、これらの要素がクロスオーバ点の周辺の線形性を改善するため有利であり 、これの要素が与えられなければ厄介な３次歪みが生じうる。 本発明による差動増幅器の更なる実施例は、請求項６に記載される特徴を有す る。本発明による差動増幅器のこの実施例は、バイアス制御要素として主に半導 体要素を含むという利点を有し、従ってバイアス抵抗器手段によって実施される 係るバイアス制御要素の変形を形成する。 本発明による差動増幅器の更なる実施例は、上記差動増幅器の作用の電源電圧 に対する依存性を減少させるという利点を与えるため、請求項７に記載される利 点を有する。 以下、添付の図面を参照して本発明を説明する。図中、 図１は本発明による差動増幅器の組み合わされた実施例を概略的に示す図であ り、 図２は、図１に示される増幅器に出現するＶce，Ｉbias及びＶout（＝Ｖ７− Ｖ６）を夫々、時間（ｔ）の関数のグラフとして示す図であり、 図３は、本発明による差動増幅器の更なる実施例を示す図であり、 図４は、本発明による差動増幅器の更なる他の実施例を示す図であり、 図５は、本発明による差動増幅器を含む集積回路を有する電話機を設けられた 電気通信システムを示す図であり、 図６は、本発明による差動増幅器の実施例を示す図である。 全ての図について、同一の特徴に対して同一の参照番号が使用される。 図１は、２つの制御半導体トランジスタ２及び３のコレクターエミッタ鎖によ って形成される差動主電流路（差動主電流ストリーム）Ａ及びＢを含む差動増幅 器１を示す図である。増幅器１に含まれる被制御電流源手段４は、主電流ストリ ームＡ及びＢに電流を供給する。１つの電流源トランジスタを示す被制御電流源 手段４は、主電流ストリーム中の電流を制御するための制御入力５を有する。ト ランジスタ２及び３の夫々のコレクタ６及び７は、抵抗器８及び９並びに可能な 共通抵抗器１０を通じて電源電圧Ｖccに接続される。トランジスタ２及び３の夫 々のベース１１及び１２は増幅されるべき入力信号用の入力端子を形成し、一方 増幅された信号はコレクタ６及び７から取り出すことができる。図示されるよう に、主電流ストリームＡ，Ｂは、接地されたエミッタを有する電流源トランジス タ４のコレクタ１３において組み合わされる。係る差動増幅器の動作は一般的に 知られている。 差動増幅器１は更に、図示される実施例では、バイアス要素１６に相互接続さ れたエミッタを夫々有する２つの半導体１４及び１５を有する飽和検出回路を更 に含み、この飽和検出回路１４，１５，１６は、主電流ストリームＡ，Ｂと被制 御電流源手段４の制御入力５との間に結合されている。トランジスタ１４，１５ の夫々のベースはコレクタ６及び７に接続され、一方そのコレクタはＶccに相互 接続される。飽和検出回路１４−１６は、主電流ストリームＡ及びＢのうちの少 なくとも１つにおいて飽和を検出するよう動作する。図中、検出回路１４−１６ は主電流ストリーム最大電圧検出回路として実施されて示され、飽和は、コレク タ６及び７のうちのいずれかの最大電圧を検出することによって検出され、最大 電圧ＶceはＶccに接近し、図２に示される飽和の徴候を示す。 検出回路１４−１６は、コレクタ６，７上の２つの出力電圧の最大によって制 御されるバイアス電流Ｉbias（図２参照）をより多く発生させるよう動作する。 この最大電圧は、最も低い電流、従って 最も低い入力電圧を含むストリームの中で発生する。増加されたバイアス電流は 電流源４の制御入力５において流入され、従って電流源４を通るテール電流を増 加させ、この増加は本質的には最も高い電流が流れるストリームＡ又はＢの中の 電流を増加させるだけである。他のストリーム中の電流はゼロよりも高い略一定 の値に維持される。このように更に増加されたより高い電流ストリームは、飽和 の間、対応するコレクタ出力を一時的に低下させる。結果として、飽和効果のな い図２に示される増幅された差動電圧Ｖoutが得られる。 抵抗器を含むとして図示されたバイアス要素１６は、電流源４を通るテール電 流を制御することによって単に利得制御のために使用されうる。抵抗器を含む縮 退要素１７及び１８は、トランジスタ２，３のうちの一方の伝導が他方によって 取って代わられるクロスオーバ点の周辺の線形性を改善するために使用される。 これは３次高調波歪みを減少する。 差動増幅器１は、更に被制御電流源手段４の制御入力５に結合されたリプル制 御出力を有するリプル電源電圧検出手段を更に含む。リプル電源電圧検出手段は 、エミッタフォロアとして抵抗器２０に接続されたトランジスタ１９と、アース に直列に接続された電流源２１とを含み、接続点はトランジスタ１９のベース２ ２に接続されている。トランジスタ１９のエミッタ２３は、抵抗器２４及び接合 ２５の直列配置を通じてアースに接続される。抵抗器２４と接合２５との接続点 は、制御入力５に接続されたミラー主電流ストリームを有するトランジスタ２７ のベース２６に接続される。 差動増幅器１の電源電圧の変化は、トランジスタ４へのベース電流の対応する 変化を引き起こし、抵抗器１６を通るバイアス電流は影響を受けないままにする ため、リプル電源電圧検出手段１９−２７は、電源電圧Ｖccに依存するバイアス 電流を減少させるよう動作する。 図３は、本発明による差動増幅器の更なる実施例を示す図であり、被制御電流 源手段は２つの別個の電流源半導体４−１及び４−２を含み、夫々のバイアス電 流は半導体４−１及び４−２の相互接続された夫々のベース２８及び２９への唯 一のＶbiasによって要求に応じて電圧制御される。 図４は、差動増幅器１の更なる実施例を示す図である。この実施例では、３ｄ Ｂの３次高調波歪みを低下させるため、更なる回路が追加されている。回路は本 質的には、並列入力トランジスタ３２及び３３によって夫々制御され、従って上 述のクロスオーバ点において線形性を改善するために電流源４に対して追加的な 制御を与える２つの電流源３０及び３１を含む。バイアス要素１６は、速度制御 特徴を改善するための抵抗器４１及びコンデンサ３４の並列配置を含む。 差動増幅器１は、図５に示される電話機３５といった電気通信装置の中の用途 のためにＩＣの中に実施されうる。係る電話機は移動式電話機又は固定式電話機 等でありえ、電気通信システム３６の中で実施されうる。電話機３５は、マイク ロプロセッサ３７、関連するメモリ３８、表示スクリーン３９及びキーボード４ ０を含む。もちろん電話機３５は、正しく実施され、電話機の動作のために必要 とされる全ての更なる特徴及びを含み、ハンドフリー式動作の可能性、聴取用特 徴、スピーカ設備、ダイアル特徴、充電設備等を更に含みうる。 図６は、トランジスタ４０，４１，４２，４３，４４及び４５と、抵抗器４６ ，４７，４８，４９，５０，５１，５２，５３，５４及び５５と、更なるコンデ ンサ５６及び５７と、トランジスタ４０及び４１のエミッタ間の抵抗器５８とを 含む本発明による差動増幅器１の１つの実施例を示す図である。この実施例は他 の実施例と同様の性質を有するが、作動中の装置から充分な帯域幅が使用可能で ある場合のより大きな出力電圧ＯＵＴによって、より高い効率を与え る。抵抗器５８は利得を設定する。バイアス電圧Ｖbiasは動作のＡ級領域のため の限界を設定する。出力電圧ＯＵＴはＮＰＮのみの回路では可能な限り大きく、 ＣＭＯＳ実施もまた適応可能である。コンデンサ５６及び５７は、従来技術で周 知のレベルシフト回路によって置き換えられ得る。 上述より、当業者によって、以下添付の請求項によって定義される本発明の精 神及び範囲を逸脱することなく様々な変更がなされることが可能であり、従って 本発明は本願に記載される実施例に制限されるものではない。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 差動主電流ストリームと、 上記主電流ストリームを制御するための制御入力を有する、上記主電流ストリ ームへ電流を供給する被制御電流源手段と、 上記主電流ストリームと上記制御入力との間に結合されたループ回路とを含む 、差動増幅器であって、 上記ループ回路は、上記主電流ストリームのうち少なくとも１つにおいて検出 された飽和に依存して制御入力信号を発生するための飽和検出回路であることを 特徴とする差動増幅器。 ２． 上記飽和検出回路は、主電流ストリーム最大電圧検出回路であることを特 徴とする、請求項１記載の差動増幅器。 ３． 上記主電流ストリーム最大電圧検出回路は、共通のコレクタで接続された 半導体を含むことを特徴とする、請求項２記載の差動増幅器。 ４． 上記差動増幅器は、上記主電流ストリームと上記被制御電流源手段の制御 入力との間に結合されるバイアス要素を含むことを特徴とする、請求項１乃至３ のうちいずれか１項記載の差動増幅器。 ５． 上記差動増幅器は、上記差動主電流ストリームの中に含まれる縮退要素を 含むことを特徴とする、請求項１乃至４のうちいずれか１項記載の差動増幅器。 ６． 上記被制御電流源手段は、夫々が対応する差動主電流ストリームに結合さ れる別々に制御される電流源を含むことを特徴とする、請求項１乃至５のうちい ずれか１項記載の差動増幅器。 ７． 上記差動増幅器は、上記被制御電流源手段の上記制御入力に結合されたリ プル制御出力を有するリプル電源電圧検出手段を含むことを特徴とする、請求項 １乃至６のうちいずれか１項記載の差動増幅器。 ８． 差動主電流ストリームと、 上記主電流ストリームを制御するための制御入力を有する、上記主電流ストリ ームへ電流を供給する被制御電流源手段と、 上記主電流ストリームと上記制御入力との間に結合されたループ回路とを含む 、請求項１乃至７のうちいずれか１項記載の差動増幅器を有する集積回路であっ て、 上記ループ回路は、上記主電流ストリームのうち少なくとも１つにおいて検出 された飽和に依存して制御入力信号を発生するための飽和検出回路であることを 特徴とする差動増幅器。 ９． 差動主電流ストリームと、 上記主電流ストリームを制御するための制御入力を有する、上記主電流ストリ ームへ電流を供給する被制御電流源手段と、 上記主電流ストリームと上記制御入力との間に結合されたループ回路とを含む 、請求項１乃至７のうちいずれか１項記載の差動増幅器を有する電話機であって 、 上記ループ回路は、上記主電流ストリームのうち少なくとも１つにおいて検出 された飽和に依存して制御入力信号を発生するための飽和検出回路であることを 特徴とする電話機。