JPH0147048B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔本発明の分野〕 本発明は一般的には、差動増幅器回路に関する
ものであり、特に、最適な動作速度、非常に大き
な電圧幅即ち電圧スイング及び非常に小さな電力
損即ち電力消失を提供するように、出力トランジ
スタをバイアスする手段を含む差動増幅器回路に
関するものである。

〔先行技術〕 本発明に最も近い公知の先行技術としては、米
国特許第3435365号及び第3551836号並びにIBM
Technical Disclosure Bulletin，Vol，６，No.
３，pp.70―71（August1963）がある。

先行技術では、陰極線管（CRT）ビデオ増幅
器に差動増幅器回路を適用することは、周知であ
る。これらの増幅器の高速動作では、短いドツト
時間のために、大きな電圧スイングが望ましい。
しかしながら、所望の大きな電圧スイングと結び
つく、トランジスタ増幅器回路に固有の低出力イ
ンピーダンスは、活動状態にある出力段で大きな
電力消失を生じる。

増幅器の大きな電力消失は、ヒート・シンクを
要する。ヒート・シンクの装置は、余分なコスト
及び回路実装容積の他に、不必要なキヤパシタン
ス（回路の動作速度を減少させる）の問題を生じ
る。

差動増幅器の飽和状態にされた部分で消失され
る電力は、線型モードで動作する差動増幅器回路
の類似の部分で消失される電力よりも、多少、減
少するが、飽和状態にされたモードは、差動増幅
器回路のこのセクシヨンをターン・オフする際
に、許容できない遅延を導びく。

差動増幅器の何れかの脚部（leg）において導
通可能な最大の電流が、余りに小さいなら、増幅
器回路の電圧スイングは、許容できない程小さく
なる。従つて、非常に大きな電圧スイング、最適
な動作速度及び非常に小さな電力消失について、
通常、望ましくは、差動増幅器回路の２つの脚部
のうちの１つが導電するような、最適である非常
に大きな電流を、定めることができる。この電流
は、適切な電圧スイングを保証するのに十分な大
きさであるが、しかし、スイツチ動作において時
間遅延の不所望な結果を生じることになり、それ
故に増幅器の帯域幅が減少することになるよう
な、どちらの出力トランジスタについても飽和状
態を結果的に生じるというようなことはない。し
かしながら、この最適な電流は、差動増幅器の出
力トランジスタにおいて最大の電力消失を生じる
ことになる電流よりも、実質的に大きい。

もちろん、長に期間にわたつて安定した組の所
望の動作特性を達成するために、差動増幅器用に
厳密に規定された電源を使用することは、先行技
術において公知である。しかしながら、現在の差
動増幅器回路では、電源の重大な変動が起り得る
ことが認識された。従つて、差動増幅器を動作さ
せる最適な最大の電流を予測して達成すること
が、不可能になつた。それ故に、電源が変動する
条件下で、差動増幅器の出力装置を流れるこの最
適の電流即ち電流量を達成するためには、あるタ
イプの自動的にバイアス動作する構成が望ましい
ことが明らかになつてきた。

差動増幅器の出力装置を流れる電流を制御する
ために今まで使用されていたバイアス動作の形式
は、２つの出力装置の接合と電源との間に接続さ
れた可変電流源である。差動増幅器の出力段にお
けるNPNトランジスタの場合には、この電流源
は、これらのトランジスタのエミツタの接合と負
電圧源との間に挿入される。

先行技術の参考文献は、いずれも、一定の最適
な電流をセツトすべく本発明のように変られる電
流源ではないのであるが、それらは、差動増幅器
の出力トランジスタ（NPN）のエミツタの接合
と負電圧源との間に接続された可変電流源の構成
を示している。米国特許第3435365号においては、
出力電流の１部分が、出力トランンジスタのエミ
ツタと負電圧源との間に挿入された可変電流源を
制御するために、用いられる。出力信号が増加す
ると、この電流フイードバツクが増幅器を流れる
電流の減少を生じ、それで、自動的な利得機能が
実現される。米国特許3551836号は、増幅器の全
体的な出力電流が抽出され、増幅器の利得を変え
るようにフイードバツク・パスにおいて用いられ
る点で、米国特許第3435365号に類似する。また、
前記IBM TDBの文献は、NPN差動増幅器中の
エミツタの接合と負電圧源との間に可変電流源を
用いることにより実現される、もう１つの自動的
な利得制御機能を示している。その回路では、増
幅器の出力電圧は、可変電流源を制御するため
に、整流され、そして、積分される。これらの先
行技術の例のいずれにおいても、増幅器を流れる
最適な電流を維持するために、差動増幅器の出力
トランジスタの各々における出力電圧が抽出され
て、基準電圧、即ちこれらのトランジスタのベー
ス・バイアス電圧と比較され、これらのトランジ
スタを飽和状態外に保ちながら、同時に、実質的
に小さな電力消失を維持しながら、出力トランジ
スタの性能を最適にすることは、行なわれていな
い。

〔本発明の概要〕

従つて、本発明の目的は、増幅器の出力のいず
れにおいても小さい方の電圧について両出力が感
知されるような、自動的なバイアス調節を有する
改良された差動増幅器回路を提供することであ
る。

これらの出力における電圧の低い方が、基準電
圧と比較され、飽和状態にする電流に近づける
が、決して出力トランジスタを飽和状態にしない
回路が、増幅器を流れる最適な電流を維持するた
めに、提供される。この自動的なバイアス調節の
特徴によつて、差動増幅器は非常に小さな電力消
失とともに、非常に大きな電圧スイング及び最適
の動作速度を達成する。

〔本発明の実施例〕

本発明の前述の及びその他の目的、特徴及び利
点が、添付図面に示されているような、本発明の
好実施例に関する以下のより特定した説明から、
明らかになる。

第１図を参照するに、トランジスタ１及び２
は、差動増幅器回路の出力トランジスタである。
この図の差動増幅器回路は、古典的な形式で示さ
れている。本発明が等しく適用できるより複雑な
差動増幅器回路が、先行抜術では示されている。
その回路は、２つの脚部のうちの各々が単一の出
力トランジスタの代わりにカスコード回路構成か
ら成る差動増幅器を含む。それ故に、トランジス
タ１及び２は、どのような差動増幅器構成につい
ても出力トランジスタと考えられる。

さて、第２図を参照するに、出力トランジスタ
１及び２を流れるコレクタ電流に対するこれらの
トランジスタの電力消失を表わしたグラフが示さ
れている。基準電圧Vrefに対する入力電圧Vinの
大きさに依存して、出力トランジスタ１及び２の
うちの一方は、これら２つの出力トランジスタの
他方がカツト・オフ（cut―off）近くで動作する
ことになる間、飽和状態近くで動作することにな
るの説明のために、第２図に示された曲線は、よ
り大きなコレクタ電流が流れる、２つの出力トラ
ンジスタ１及び２の一方における電力消失を表わ
すものとする。

第２図においては、出力トランジスタ１及び２
の動作可能な種々の動作点を考えれば、幾つかの
事実が明らかになる。最初に、増幅器の出力にお
ける適切な電圧スイングに対しては、出力負荷抵
抗体間の適切な電圧スイングのために、出力段を
流れる大きな電流が必要である。しかしながら、
先にも述べたように、低電力消失の点で望ましい
飽和領域での動作は、増幅器の段を飽和外にする
際に含まれる遅延のために、高速動作の増幅器に
おては、避けられねばならない。電流が飽和点か
ら減少すると、電力消失は、曲線に示されたピー
クの電力消失に向つて増加することが、第２図で
は明らかである。“大きな（high）”消失として任
意に定められた範囲が、示されており、そして、
大きな消失の領域における動作を含むことに加え
て、もし増幅器のいずれかの脚部を流れ得る大き
な電流１１が、飽和に必要な電流よりも実質的に
小さいようにセツトされるなら、不適切な電圧ス
イングを生じることになることが、またわかるで
あろう。

それ故に、非常に大きな電圧スイング、非常に
速い動作速度及び非常に小さな電力消失を保証す
る最適な電流は、飽和電流よりもわずかに小さい
電流であることが、第２図から明らかである。電
源の出力における比較的幅広い変動にもかかわら
ず、この電流は、安定した方法で増幅器の脚部の
うちの１つを流れるように維持されるべきであ
る。

第１図を再び参照するに、示された差動増幅器
回路では、入力電圧Vinは、出力トランジスタ１
のベースに印加され、一方、基準電圧Vrefは、
出力トランジスタ２のベースに印加される。これ
らの出力トランジスタ１及び２のコレクタは、負
荷抵抗体３及び４を介して、電圧源Ｖ１に接続さ
れる。示された回路では、トランジスタ１及び２
はNPNであり、それ故に、抵抗体３及び４の電
圧源側は、電圧源の正端子に接続される。しかし
ながら、第１図の回路全体にわたつて、NPNト
ランジスタではなくてPNPトランジスタが２つ
の電圧源の極性を逆にして用いられ得ることは、
当業者には明らかであろう。

この差動増幅器回路では、出力電圧Ｖ０１及び
Ｖ０２は、出力トランジスタ１及び２のコレクタ
で取られる。トランジスタ１及び２のエミツタ
は、共に接続されて、差動増幅器の自動的に調節
される電流源の出力部分を形成するトランジスタ
５のコレクタに接続される。トランジスタ５のエ
ミツタは、抵抗体６を介して、負の電位Ｖ２に接
続され、一方、トランジスタ５のベースは、抵抗
体１５を介して、演算増幅器７の出力に接続され
る。その動作は、自動的にバイアス動作する回路
の残りの部分と共に、詳細に、説明される。

ダイオード８及び９の陰極は、出力トランジス
タ１及び２のコレクタに、夫々接続される。ダイ
オード８及び９の陽極は、演算増幅器７非反転入
力で共に接続される。抵抗体１０及び１１は、２
つの出力電圧Ｖ０１及びＶ０２のうちの低い方よ
りも１ダイオード降下分だけ大きい電圧をわずか
に越える電圧を、増幅器７の非反転入力に、回路
の開始の間に、最初に提供するように、抵抗体の
比が選ばれて、DC電圧駆動器を形成する。

回路動作の分分析のために、Vrefが20Vにセツ
トされ、Vinが２つの状態を有し、低い方が1.5V
で高い方が2.5Vであると仮定する。トランジス
タ１及び２のいずれもが飽和点へ駆動されないこ
とを保証することになる選ばれた出力の大きさ
に、Ｖ０１及びＶ０２を維持するのに必要とされ
るのだが、トランジスタ１及び２のエミツタから
電流を引くようにトランジスタ５を制御するた
め、抵抗体１２及び１３並びに抵抗体１５及び１
６の比が、選ばれる。

さて、Vinが2.5Vの最も高い状態にあると仮定
する。これにより、トランジスタ１はオンにな
り、トランジスタ２はオフになる。もし、トラン
ジスタ５を流れる電流がトランジスタ１のコレク
タを3.0Vに降下させるようなものであるなら、
トランジスタ１は、飽和状態にされない。Ｖ０１
が3Vにあると仮定すると、増幅器７の入力は両
方とも、3.7Vにある。これは、入力が等しくな
ければならないようなその活動状態モードで演算
脱幅器７が動作していることを、仮定している。
従つて、1.7Vが抵抗体１２間で降下し、そして、
抵抗体１３及び１５の接合における電圧は、抵抗
体１２を流れる電流に抵抗体１３の抵抗値を掛け
て、3.7Vに加えたものになる。

トランジスタ５のコレクタは、1.8Vにあり、
そして、トランジスタ５のエミツタ電圧は、差動
増幅器回路を流れる電流より決められる（ほぼ
27Vを抵抗体４の抵抗値で割つて、抵抗体６の抵
抗値を掛けて、代数的に、負の電圧Ｖ２の電位に
加えたものになる）。それから、トランジスタ５
のベース電圧は、トランジスタ５のエミツタ電圧
よりも0.7V高いと、仮定される。それ故に、抵
抗体１５と１６の抵抗値の比が、決められ得る。

このように、抵抗体１２及び１３の比並びに抵
抗体１５及び１６の比が、電圧Ｖ０１及びＶ０２
をセツトする、差動増幅器回路のより大きな電流
が流れる脚部の電流量を決める。差動増幅器回路
の正の脚部を流れる電流を考える前に、回路動作
におけるＶ１の増加の影響を考えることにする。
これは、Ｖ０１を上昇させることになり、増幅器
７の入力における電圧が増加することになる。こ
れにより、結果的に、より多くの電流が抵抗体１
２及び１３を通つて引かれるようになり、それ故
に、増幅器７の出力において、より高い正の電圧
を生じることになる。これは、トランジスタ５の
ベースにあまり負でない（less negative）電圧
を提供し、それ故に、トランジスタ５を流れる差
動増幅器からのより大きな電流を提供する。差動
増幅器からのこのより大きな電流は、出力電圧Ｖ
０１を3Vのレベルまで戻すように下げることに
なる、抵抗体３間のより大きな電圧降下を提供す
る。逆に、Ｖ１の減少は、より小さな電流が流れ
るようにして、同じＶ０１に維持する。

さて、Vinの電圧が2.5Vから1.5Vに降下する
と、仮定する。もはや、トランジスタ１及び２の
エミツタ電圧は、1.3Vの値、即ち以前よりも
0.5V低いと仮定する。トランジスタ５について
のベース・バイアス動作は、変化しないので、そ
れ故に、トランジスタ５、トランジスタ２及び抵
抗体４を流れる電流は、トランジスタ１及び抵抗
体３が導電していたときに以前に引かれた電流に
等しいままである。Ｖ０２は、Ｖ０１の以前の値
に等しくなり、提供された抵抗体３及び４は、同
じ値であり、トランジスタ１及び２は、実質的に
高い利得を有する。

以上述べたように、トランジスタ１の作動条件
については、V_BE（ベース・エミツタ間電圧）が
0.7Vで、コレクタ電圧（Ｖ０１）が3Vのときに、
ベース電圧が2.5Vでは導通してエミツタ電圧が
1.8Vになり、ベース電圧が1.5Vではオフになる。
そして、トランジスタ２の作動条件については、
V_BEが0.7Vで、ベース電圧が2.0Vの基準電圧であ
り、トランジスタ１がオフになると導通して、エ
ミツタ電圧が1.3Vになる。また、トランジスタ
５の作動条件については、V_BEが0.7Vで、ベース
電圧が、エミツタ電圧よりも0.7V高くなるよう
に演算増幅器７の出力と負の電圧Ｖ２との間に接
続された抵抗体１５と１６の抵抗値の比によつて
て決められた電圧である。さらに、演算増幅器７
の作動条件については、反転入力及び非反転入力
がともに3.7Vであり、トランジスタ５のベース
電圧を抵抗体１５と１６の抵抗値の比によつて決
めるのに必要な出力電圧を生じるように、抵抗体
１３の抵抗値が決められる。

Vinの電圧がVrefの電圧よりも降下されたとき
には、トランジスタ１は、オフに切換わつた。切
り換えの間、キヤパシタ１７は、安定化のため
に、増幅器７の入力における電圧を切換る直前の
レベルに瞬間的に保つように働らく。また、増幅
器７は、反転入力と出力との間に、比較的ゆつく
りした応答又はある等価のキヤパシタンスを有す
ると、仮定される。

このように、増幅器の出力がこれらの出力のい
ずれかにおける小さい方の電圧について感知され
るような、自動的なバイアス調節回路を含む、改
良された差動増幅器回路が示された。これらの電
圧のうちの低い方が、ベースのバイアス電圧と比
較される。示された増幅器の場合には、このベー
ス・バイアス電圧は、差動増幅器入力のうちの１
つとして印加される基準電圧である。出力トラン
ジスタを飽和させないことにより、非常に大きな
電圧スイング及び増幅器の最適な動作速度を提供
し、一方、増幅器を流れる電流を飽和に近いレベ
ルに規定することにより、非常に小さな電力消失
をも提供するように、増幅器を流れる最適な電流
を維持する回路が提供される。

説明のために、最も簡単な形で示されたが、差
動増幅器の２つの出力段の各々は、カスコード回
路を構成し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、自動的なバイアス調節用の手段を含
む本発明の差動増幅器回路の概略図である。第２
図は、本発明の回路のように最適なコレレクタ電
流を自動的に維持することができる結果をグラフ
で示すために、コレクタ電流に対する差動増幅器
の出力トランジスタの電力消失を表わした曲線を
示すグラフである。 １，２……出力トランジスタ、５……電流制御
トランジスタ、６……抵抗体、７……演算増幅
器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１電圧源と第２電圧源との間に接続された
   差動増幅器回路であつて、 前記第１電圧源につながつた１対の出力トラン
   ジスタと、 前記１対の出力トランジスタの両出力の電圧を
   感知するように接続された１対のダイオードを含
   む感知手段と、 前記第２電圧源につながつた電流源トランジス
   タと、前記感知手段と前記電流源トランジスタと
   の間に接続された演算増幅器とを含み、前記感知
   された出力電圧のうちの小さい方に応答して当該
   小さい方の電圧の値を所定の実質的に一定なレベ
   ルに維持するように前記差動増幅器を流れる電流
   を制御する手段と、 を備えた前記回路。