JP3022731B2 - 加算器及び減算器 - Google Patents

加算器及び減算器

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JP3022731B2
JP3022731B2 JP6192844A JP19284494A JP3022731B2 JP 3022731 B2 JP3022731 B2 JP 3022731B2 JP 6192844 A JP6192844 A JP 6192844A JP 19284494 A JP19284494 A JP 19284494A JP 3022731 B2 JP3022731 B2 JP 3022731B2
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bipolar transistor
pair
transistors
mos
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克治 木村
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NEC Corp
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、2つのアナログ信号を
加算及び減算する加算器及び減算器に係り、特に半導体
集積回路上に形成されるバイポーラトランジスタ及びM
OSトランジスタで構成される加算器及び減算器に関す
る。
【0002】
【従来の技術】アナログ信号処理においては、加算器と
減算器は欠くことのできないファンクション・ブロック
であるが、近時集積回路の超微細化が進み、それに伴い
集積回路の電源電圧も5Vから3.3Vあるいは3Vへ
と低電圧化してきており、低電圧回路技術の必要性が一
層高まってきている。
【0003】また、CMOSプロセスは、LSI化に最
適のプロセスとして広く認められるようになってきてい
るので、CMOSプロセスでマルチプライヤを実現する
ための回路技術が求められている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明者(木
村)は、低電圧動作が可能で、かつ、直線性の良い入力
電圧範囲を広くできる加算器及び減算器を提案した(特
開平3−210683号公報)。このものは、図5(加
算器)及び図6(減算器)に示すように、2組の差動対
の出力電流が加算または減算されるように出力端を共通
接続する構成であるが、2組の差動対を用いた加算器及
び減算器として更に異なる構成のものが得られることを
知見した。
【0005】本発明は、このような知見に基づきなされ
たもので、その目的は、低電圧動作が可能で、かつ、直
線性の良い入力電圧範囲を広くできる加算器及び減算器
を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】 前記目的を達成するた
めに、本発明の加算器および減算器は次の如き構成を有
する。すなわち、第1発明の加算器は、第1の入力電圧
の半分の第1の信号が差動入力する第1のバイポーラト
ランジスタ対と、第2の入力電圧の半分の第2の信号が
差動入力する第2のバイポーラトランジスタ対と、それ
らを駆動する共通の電流源と、を備え、前記第1のバイ
ポーラトランジスタ対と第2のバイポーラトランジスタ
対の4つのバイポーラトランジスタのエミッタが共通接
続されると共に、第1のバイポーラトランジスタ対と第
2のバイポーラトランジスタ対の相互間において同極性
の信号が入力する側のトランジスタのコレクタ同士が共
通接続され、差動出力対を構成することを特徴とするも
のである。
【0007】第2発明の減算器は、第1の入力電圧の半
分の第1の信号が差動入力する第1のバイポーラトラン
ジスタ対と、第2の入力電圧の半分の第2の信号が差動
入力する第2のバイポーラトランジスタ対と、それらを
駆動する共通の電流源と、を備え、前記第1のバイポー
ラトランジスタ対と第2のバイポーラトランジスタ対の
4つのバイポーラトランジスタのエミッタが共通接続さ
れると共に、第1のバイポーラトランジスタ対と第2の
バイポーラトランジスタ対の相互間において逆極性の信
号が入力する側のトランジスタのコレクタ同士が共通接
続され、差動出力対を構成することを特徴とするもので
ある。
【0008】第3発明の加算器は、第1の入力電圧の半
分の第1の信号が差動入力する第1のMOSトランジス
タ対と、第2の入力電圧の半分の第2の信号が差動入力
する第2のMOSトランジスタ対と、それらを駆動する
共通の電流源と、を備え、前記第1のMOSトランジス
タ対と第2のMOSトランジスタ対の4つのMOSトラ
ンジスタのエミッタが共通接続されると共に、第1のM
OSトランジスタ対と第2のMOSトランジスタ対の相
互間において同極性の信号が入力する側のトランジスタ
のコレクタ同士が共通接続され、差動出力対を構成す
ことを特徴とするものである。
【0009】第4発明の減算器は、第1の入力電圧の半
分の第1の信号が差動入力する第1のMOSトランジス
タ対と、第2の入力電圧の半分の第2の信号が差動入力
する第2のMOSトランジスタ対と、それらを駆動する
共通の電流源と、を備え、前記第1のMOSトランジス
タ対と第2のMOSトランジスタ対の4つのMOSトラ
ンジスタのエミッタが共通接続されると共に、第1のM
OSトランジスタ対と第2のMOSトランジスタ対の相
互間において逆極性の信号が入力する側のトランジスタ
のコレクタ同士が共通接続され、差動出力対を構成す
ことを特徴とするものである。
【0010】
【作用】次に、前記の如く構成される本発明の加算器及
び減算器の作用を説明する。本発明では、2組のトラン
ジスタ対を構成する4個のトランジスタのエミッタまた
はソースが共通接続され、共通の電流源で駆動されるク
ァドリテールセルにおいて、2組のトランジスタ対それ
ぞれのベース間またはゲート間に第1の信号と第2の信
号を差動入力し、出力対を出力電流が加算または減算さ
れるようにコレクタまたはドレインを共通接続して加算
器及び減算器を構成する。
【0011】従って、直線性の良い入力電圧範囲を広く
できる。また、2組のトランジスタ対は横一列配置とな
るので、低電圧動作が可能である。
【0012】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図1は、本発明の第1実施例に係る加算器を示
す。この加算器は、バイポーラトランジスタで構成され
るもので、第1の信号(電圧V1 )が差動入力する第1
のバイポーラトランジスタ対(Q1、Q2)と第2の信
号が差動入力する第2のバイポーラトランジスタ対(Q
3、Q4)とそれらを駆動する共通の電流源I0とを備
える。
【0013】第1のバイポーラトランジスタ対(Q1、
Q2)では、ある直流電圧(VR )を基準に正極性の入
力電圧(V1 /2)がQ1のベースに印加され、負極性
の入力電圧(−V1 /2)がQ2のベースに印加され
る。同様に、第2のバイポーラトランジスタ対(Q3、
Q4)では、ある直流電圧(VR )を基準に正極性の入
力電圧(V1 /2)がQ3のベースに印加され、負極性
の入力電圧(−V1 /2)がQ4のベースに印加され
る。
【0014】そして、第1のバイポーラトランジスタ対
と第2のバイポーラトランジスタ対の相互間において同
極性の信号が入力する側のトランジスタ(Q1とQ
3)、同(Q2とQ4)のコレクタ同士が共通接続さ
れ、差動出力対を構成する。
【0015】素子間の整合性は良いと仮定し、ベース幅
変調を無視すれば、4つのトランジスタ(Q1、Q2、
Q3、Q4)が1つの定電流源I0 で駆動されるクァド
リテールセルを構成する各トランジスタのコレクタ電流
(IC1、IC2、IC3、IC4)は数式1で表される。但
し、数式1において、IS はトランジスタの飽和電流、
R は入力信号の直流電圧、VA はクァドリテールセル
の共通エミッタ電圧である。また、VT は熱電圧であっ
て、ボルツマン定数kと絶対温度Tと単位電子電荷qと
を用いて、VT =kT/qと表される。
【0016】
【数1】
【0017】また、当該クァドリテールセルのテール電
流は、数式2で表されるので、コレクタ電流の式に含ま
れる共通項IS exp{(VR −VA )/VT }は、数
式1と数式2を解いて数式3となる。なお、数式2にお
いて、αは直流電流増幅率である。
【0018】
【数2】IC1+IC2+IC3+IC4=αF0
【0019】
【数3】
【0020】従って、バイポーラ加算器の差動出力電流
ΔI+ {=(IC1+IC3)−(IC2+IC4)}は数式4
で示される。
【0021】
【数4】
【0022】数式4から解るように、このバイポーラ加
算器では、2信号の和電圧に対して、4VT で規格化さ
れており、整合差動対のそれに対して2倍大きくなって
いる。従って、比較的直線性の良い加算器が得られる。
【0023】次に、図2は、本発明の第2実施例に係る
減算器を示す。この減算器は、バイポーラトランジスタ
で構成されるもので、第1の信号(電圧V1 )が差動入
力する第1のバイポーラトランジスタ対(Q1、Q2)
と第2の信号が差動入力する第2のバイポーラトランジ
スタ対(Q3、Q4)とそれらを駆動する共通の電流源
0 とを備える。
【0024】第1のバイポーラトランジスタ対(Q1、
Q2)では、ある直流電圧(VR )を基準に正極性の入
力電圧(V1 /2)がQ1のベースに印加され、負極性
の入力電圧(−V1 /2)がQ2のベースに印加され
る。同様に、第2のバイポーラトランジスタ対(Q3、
Q4)では、ある直流電圧(VR )を基準に正極性の入
力電圧(V1 /2)がQ3のベースに印加され、負極性
の入力電圧(−V1 /2)がQ4のベースに印加され
る。
【0025】そして、第1のバイポーラトランジスタ対
と第2のバイポーラトランジスタ対の相互間において逆
極性の信号が入力する側のトランジスタ(Q1とQ
4)、同(Q2とQ3)のコレクタ同士が共通接続さ
れ、差動出力対を構成する。
【0026】このバイポーラ減算器の差動出力電流ΔI
- {=(IC1+IC4)−(IC2+IC3)}は、上述した
結果を用いて数式5で示され、同様に比較的直線性の良
い減算器が得られる。
【0027】
【数5】
【0028】次に、図3は、本発明の第3実施例に係る
加算器を示す。この加算器は、第1実施例のバイポーラ
トランジスタをMOSトランジスタで置換したMOS加
算器である。
【0029】同一チップ上では素子間の整合性は良いと
仮定し、ゲート幅変調と基板効果を無視すると、飽和領
域で動作するMOSトランジスタのドレイン電流とゲー
ト・ソース間電圧との関係が2乗則に従うものとすれ
ば、クァドリテールセルを構成する各MOSトランジス
タのドレイン電流(ID1、ID2、ID3、ID4)は、数式
6、数式7、数式8、数式9で示される。但し、数式6
〜数式9において、βはトランスコンダクタンス・パラ
メータであり、キャリアの実効モビリティμ、単位面積
当たりのゲート酸化膜容量COX、ゲート幅W、ゲート長
Lとして、β=μ(COX/2)(W/L)である。ま
た、VA はクァドリテールセルの共通ソース電圧、VTH
はスレッショルド電圧である。
【0030】
【数6】
【0031】
【数7】
【0032】
【数8】
【0033】
【数9】
【0034】また、テール電流は、数式10で表せる。
【0035】
【数10】ID1+ID2+ID3+ID4=I0
【0036】数式6〜数式10を解くと、MOS加算器
の差動出力電流ΔI+ {=(ID1+ID4)−(ID2+I
D3)}は、数式11と表せる。
【0037】
【数11】
【0038】数式11から、バイポーラ加算器と同様
に、比較的直線性の良い加算器となっていることが解
る。
【0039】次に、図4は、本発明の第4実施例に係る
減算器を示す。この減算器は、第2実施例のバイポーラ
トランジスタをMOSトランジスタで置換したMOS減
算器である。
【0040】このMOS減算器の差動出力電流ΔI-
{=(ID1+ID3)−(ID2+ID4)}は、数式12と
表せる。バイポーラ減算器と同様に、比較的直線性の良
い減算器となっていることが解る。
【0041】
【数12】
【0042】なお、2組の差動対は横一列配置となるの
で、低電圧動作が可能であることが理解できる。
【0043】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の加算器及
び減算器は、2組のトランジスタ対を構成する4個のト
ランジスタのエミッタまたはソースが共通接続され、共
通の電流源で駆動されるクァドリテールセルにおいて、
2組のトランジスタ対それぞれのベース間またはゲート
間に第1の信号と第2の信号を差動入力し、出力対を出
力電流が加算または減算されるようにコレクタまたはド
レインを共通接続して加算器及び減算器を構成する。従
って、直線性の良い入力電圧範囲を広くでき、かつ、低
電圧動作が可能な加算器及び減算器を提供できる効果が
ある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例に係るバイポーラ加算器の
回路図である。
【図2】本発明の第2実施例に係るバイポーラ減算器の
回路図である。
【図3】本発明の第3実施例に係るMOS加算器の回路
図である。
【図4】本発明の第4実施例に係るMOS減算器の回路
図である。
【図5】従来のMOS加算器の回路図である。
【図6】従来のMOS減算器の回路図である。
【符号の説明】
0 定電流源 M1〜M4 MOSトランジスタ Q1〜Q4 バイポーラトランジスタ

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1の入力電圧の半分の第1の信号が差
    動入力する第1のバイポーラトランジスタ対と、第2の
    入力電圧の半分の第2の信号が差動入力する第2のバイ
    ポーラトランジスタ対と、それらを駆動する共通の電流
    源と、を備え、前記第1のバイポーラトランジスタ対と
    第2のバイポーラトランジスタ対の4つのバイポーラト
    ランジスタのエミッタが共通接続されると共に、第1の
    バイポーラトランジスタ対と第2のバイポーラトランジ
    スタ対の相互間において同極性の信号が入力する側のト
    ランジスタのコレクタ同士が共通接続され、差動出力対
    を構成することを特徴とする加算器。
  2. 【請求項2】 第1の入力電圧の半分の第1の信号が差
    動入力する第1のバイポーラトランジスタ対と、第2の
    入力電圧の半分の第2の信号が差動入力する第2のバイ
    ポーラトランジスタ対と、それらを駆動する共通の電流
    源と、を備え、前記第1のバイポーラトランジスタ対と
    第2のバイポーラトランジスタ対の4つのバイポーラト
    ランジスタのエミッタが共通接続されると共に、第1の
    バイポーラトランジスタ対と第2のバイポーラトランジ
    スタ対の相互間において逆極性の信号が入力する側のト
    ランジスタのコレクタ同士が共通接続され、差動出力対
    を構成することを特徴とする減算器。
  3. 【請求項3】 第1の入力電圧の半分の第1の信号が差
    動入力する第1のMOSトランジスタ対と、第2の入力
    電圧の半分の第2の信号が差動入力する第2のMOSト
    ランジスタ対と、それらを駆動する共通の電流源と、を
    備え、前記第1のMOSトランジスタ対と第2のMOS
    トランジスタ対の4つのMOSトランジスタのエミッタ
    が共通接続されると共に、第1のMOSトランジスタ対
    と第2のMOSトランジスタ対の相互間において同極性
    の信号が入力する側のトランジスタのコレクタ同士が共
    通接続され、差動出力対を構成することを特徴とする加
    算器。
  4. 【請求項4】 第1の入力電圧の半分の第1の信号が差
    動入力する第1のMOSトランジスタ対と、第2の入力
    電圧の半分の第2の信号が差動入力する第2のMOSト
    ランジスタ対と、それらを駆動する共通の電流源と、を
    備え、前記第1のMOSトランジスタ対と第2のMOS
    トランジスタ対の4つのMOSトランジスタのエミッタ
    が共通接続されると共に、第1のMOSトランジスタ対
    と第2のMOSトランジスタ対の相互間において逆極性
    の信号が入力する側のトランジスタのコレクタ同士が共
    通接続され、差動出力対を構成することを特徴とする減
    算器。
  5. 【請求項5】 第1の入力電圧の半分の第1の信号が差
    動入力する第1のバイポーラトランジスタ対と、第2の
    入力電圧の半分の第2の信号が差動入力する第2のバイ
    ポーラトランジスタ対と、それらを駆動する共通の電流
    源と、のみから構成され、前記第1のバイポーラトラン
    ジスタ対と第2のバイポーラトランジスタ対の4つのバ
    イポーラトランジスタのエミッタが共通接続されると共
    に、第1のバイポーラトランジスタ対と第2のバイポー
    ラトランジスタ対の相互間において同極性の信号が入力
    する側のトランジスタのコレクタ同士が共通接続され
    差動出力対を構成することを特徴とする加算器。
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RU2724802C1 (ru) * 2019-12-30 2020-06-25 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Забайкальский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ЗабГУ") Сумматор натуральных чисел

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