JPH06507286A - 広帯域相互コンダクタンス発生器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 広帯域相互コンダクタンス発生器 発明の背景 発明の分野 この発明は、バッファとして有用な集積回路（Ｉ　Ｃ）増幅器に関する。特に、 この発明は、優秀なパルス忠実度と低歪率を有する広帯域幅操作を形成するため に配列された相互コンダクタンス発生器を用いた回路に関する。

先行技術の記述 相互コンダクタンスは、装置の印加入力電圧対出力電流の比率で表され、しばし ばｇｍ（抵抗値の逆）と呼ばれる。この種の装置は多くの異なる種類の応用例で 使われる。例えば可変相互コンダクタンス装置は、広くアナログ乗算器で使われ 例えば米国特許４，４７５，１６９及び４．４７６．５３８　（Ｇｉｌｂｅｒｔ ）に示されるように特殊化されたアナログ計算回路である。交差結合カッド（ｑ ｕａｄ）回路は、かなり前から知られ、Ｇｏｓｓｅｒ特許第４，９７０，４７０ 号で示されるように、相互コンダクタンス増幅器として使われた。

先行技術で利用可能なバッファ増幅器は、特に帯域幅と交流及び直流利得精度と に関して重大な性能限界を持っていた。この発明の主要な目的は、このような先 行技術の限界を克服して重要で有利な特性を持つ相互コンダクタンス発生器の形 態の増幅回路を提供することである。

発明の要約 詳細に後述される本発明の好ましい実施例では、直流精度と共に広い帯域幅（優 秀な利得精度）を持つ単一利得バッファとして有用な増幅器が提供される。この 回路は、高速（広帯域幅）オーブンループフォロアと同様に伝統的低速（ＤＣ） 閉塞ループバッファの属性を実現する。特に開示された回路は、非常に低交流歪 みと高スルーレートを持つ動作ができる。

より詳細には、開示された増幅回路は、第１及び第２組の直列接続の相補トラン ジスタを持つ交差結合カッド回路を用い、第１の入力端子が第１組のカッド（ｑ ｕａｄ）　トランジスタのベースに各々接続された高及び低出力を持つ高入力イ ンピーダンスレベルシフト回路に接続され、第２の入力端子が第２組のカッドト ランジスタのベースに各々接続された高及び低出力を持つ第２の高入力インピー ダンスレベルシフト回路に接続されている点で同じく配列された入力回路に接続 されている。２つのＮＰＮカッドトランジスタのコレクタが第１のカレントミラ ーに接続され、２つのＰＮＰカッドトランジスタのコレクタが第２のカレントミ ラーに接続されている。出力信号は、第２組のトランジスタのコレクタ及びカレ ントミラーの対応するトランジスタのコレクタがら各々取出されて、一対の出力 トランジスタで出力端子に供給される。この出力信号を第２の入力端子に結合す ることは、閉塞ループ帰還を形成する。従って、この回路は高度に有利な特性を 持っている単一利得バッファを実現する。

出力信号の歪率が幾つかの追加の回路配列によってがなり最小にされる。これら の配列は、出力トランジスタ及びカッドトランジスタのコレクタ・ベース容量に よる非直線性の影響を減少させ、出力トランジスタのベース電流の非直線性の影 響をも減少させる。

従って、本発明の目的は改善された相互コンダクタンス発生器を提供することで ある。本発明の他の目的と面と長所は、発明の好ましい実施例の以下の記述で指 摘され或は同記述から明白である。

図面の簡単な説明 図１は発明の好ましい実施例の回路配列を示している概略図である。

好ましい実施例の説明 合図面の左側を参照して、交流入力信号が印加され得る第１の増幅器入力端子１ ０がある。これは、正の入力端子であって、入力回路の役目を果たすために相互 接続されたベースを持つ一対の相補トランジスタＱ１及びＱ２を備えるバイアス 回路１２の入力に接続されている。これらトランジスタのコレクタが例えば５ボ ルトのプラス及びマイナス電源線１４及び１６に各々接続されている。これらト ランジスタのエミッタ１８及び２゜は、対応する抵抗Ｒ７及びＲ８を通して、第 １組の相補トランジスタＱ７及びＱ８の各ベースに接続されて、これらベースに 高及び低レベルシフト出力を各々供給する。

この第１組の相補トランジスタＱ７及びＱ８は、第２組の相補トランジスタＱ１ ２及びＱ１０を含む交差結合カッド回路３０の部分を形成する。この交差結合接 続は、第１組の左上のＮＰＮトランジスタＱ７が第２組の右下のＰＮＰ　トラン ジスタＱ１３に直列であり、右上のＮＰＮ）ランジスタＱ１２が左下のＰＮＰ） ランジスタＱ８に直列であることを規定する。

第２の入力端子４０は図１の回路の右の縁の近くに示される。

これは負の入力端子であって、第２のバイアス回路４２に接続されている。この バイアス回路は、第１のバイアス回路１２と同一で、２つの入力に対称を形成す る。即ちこのバイアス回路４２は、相互接続されて第２の入力端子４０に接続さ れるベースを持つ一対のトランジスタＱ、ｌ　５及びＱ１０を含む。これらトラ ンジスタは、コレクタがプラス及びマイナス電源線１４及び１６に各々接続され 、エミッタが第２組のカッドトランジスタＱ１２及びＱ１３のベースに抵抗Ｒ９ 及びＲＩＯを各々介して接続されて、第２の入力端子４０に供給された信号に対 応する高及び低レベルシフト信号を供給する。

ここに開示された実施例において、この第２の入力端子４゜には、相互コンダク タンス発生器及びミラートランジスタの出力信号がＲ１８及びＲ２０及び出力ト ランジスタＱ１９／Ｑ２０を各々通して供給される。従って、この入力端子４ｏ は出力信号を同様に供給するので、出力端子４４に接続されている。

上位（ＮＰＮ）カッドトランジスタＱ７及びＱ１２のコレクタは、第１のカレン トミラー５４の端子５ｏ及び５２に各々接続されている。左側の端子５０への接 続がトランジスタＱ６を通し、その機能が後述される。同様に、低位（ＰＮＰ） カッドトランジスタＱ８及びＱ１３のコレクタは、第１のカレントミラーのそれ に同一の配列で、第２カレントミラー６０の端子５６及び５８に各々接続されて いる。

動作において、もし、差動入力電圧（Ｖ　Ｉ　Ｎ−ＶＯＵＴ）が正であるならば 、カッドトランジスタＱ７及びＱ１３は電流増加方向に駆動され、一方残りのカ ッドトランジスタＱ１２及びＱ８が電流減少方向に駆動される。そこで、トラン ジスタＱ７及びＱ１３を通る静止電流工。の増加分ｉ、がある。カレントミラー ５４は、右側の端子５２からの出発電流へのこの増加電流ｉ、を反転する。

他のカッドトランジスタＱ１２及びＱ８を通るコレクタ電流は、線形領域におけ るＱ７及びＱ１３より一層少ないように対応駆動されるので、ｌ１分減少する。

従って、Ｑ１２のコレクタに接続された出力線７０の右に流れ込む電流の正味増 加分２　ｉｑがある。同様に、対称形の結果として、トランジスタＱＩ３及びＱ １４のコレクタに接続された他の出力線７２の右に流入する増加分２ｉｑがある 。

マグニチュード２　Ｉｑのこれら２つの出力電流が、出力端子４４に相互コンダ クタンス回路増幅器の出力信号を形成するバッファとして作用する一対の出力ト ランジスタＱ１９及びＱ２０のベースを駆動する。また、この出力信号は、第２ バイアス回路４２に第２の入力端子４０を通して指向されて、第１の入力端子１ ０を通して印加したものの反対の負帰還信号としての役割を果たす。それによっ て出力信号を入力信号に密接に追従させる。２信号（Ｖ　Ｉ　Ｎ　−ＶＯＵＴ） の間の差は、非常に小さく、子連されたように交差結合カッド回路３０を活発化 させる誤差信号としての役割を果たす。

抵抗Ｒ１及びＲ３が外に存在するならば、この交流誤差信号が以下にあげるもの である。

ＶＩＮ−Ｖｏｔｙｒ＝に／ＧｍＲ。

但し、Ｇｍ＝４／Ｒｇ Ｒｇ＝Ｒ２＋２ＶＴ／ＩＱ＝Ｒ４＋２ＶＴ／ＩＱＫ−ＲＬ／　（ＲＬ＋１／２　 （Ｒ１８＋ＶＴ／Ｉｏｑ））Ｒ１８＝Ｒ２０ ＶＴ＝ｋＴ／ｑ Ｒｏ（）ツブ）及びＲｏ（ボトム）がそれぞれポート７０と７２で見られたオー プンループ抵抗であり、但し、Ｒｏは、Ｒｏ　（ボトム）と平行であるＲｏ（） ツブ）と等しい。

上述された相互コンダクタンス発生器は、出力信号の歪みを相当減少させる回路 を更に含む。この歪み問題と今形成された更なる回路は記述される。

出力トランジスタＱ１９は、コレクタ・ベース容量（Ｃｃｂ）を通る置換電流が 非直線的に変化しがちであり、従って出力信号に歪みを起こすように、その容量 値が電圧で非線形に変化する。低位の出力トランジスタＱ２０も、その機能が同 じであり、同じ修正法が使われて、説明が省略される。そのような歪みを避ける ために、Ｑｌ８は加えられた。

この追加トランジスタＱ１８は、出力トランジスタＱ１９と直列接続されて、Ｑ ｌ９のコレクタ電圧をそのベース電圧に等しくさせ、従って交差カッドＧｍステ ージ３０のいかなる置換電流の流れを防止して、そうでなければ起こる歪みを回 避している。より詳細には、Ｑｌ８のベースは、そのベース電圧が入力信号ＶＩ Ｎを運ぶが、入力端子１０のレベルより２Ｖｂｅ分上のレベルで運ぶように、Ｑ ３及びＱｌを通して駆動される。勿論、Ｑｌ９のベースが、入力端子の丁度Ｖｂ ｅ分上のレベルで入力信号を運ぶ。Ｑｌ８のエミッタはベース電圧よりＶｂｅ分 下であり、Ｑｌ９のコレクタに接続されているので、Ｑｌ９のコレクタ電圧がＤ ＣとＡＣ動作のためにそのベース電圧とマツチして、従って置換（容量）電流の 流れを防止して、歪みの影響を減少させることが理解される。

Ｑｌ９のベース電流は、非線形成分を持ちその電流が交差カッド回路３０に流入 するので、交差カッドトランジスタ及び関連の抵抗の非線形電圧としてこの歪み を対応的に反転して、出力信号を対応して歪まさせる。このような歪みを回避す るためには、今述べるように、２つのフィードフォワード回路が形成される。再 度、この説明は、回路の下半分が対称でその機能が同じであるので、回路の上半 分のみを行なう。

１つのフィードフォワード回路は、Ｑｌ７及びＱ５及びＱｌｌを含む。動作にお いて、Ｑｌ９は、コレクタでの負荷電流がＱｌ７のそれと非常に等しく、ベース 電流（反転された負荷電流）が対応して全く同じである。Ｑｌ７のベース電流は 、Ｑｌ９のベースに直接接続されたＱｌｌのコレクタによって、ミラートランジ スタＱ５及びＱｌｌを通してＱｌ９のベースに帰還される。従って、Ｑｌ９のベ ース電流（反転された負荷電流）は、ベース電流の非直線性が第１次式の歪みで 、交差カッド回路３０からこの歪み成分を除去するように、ミラートランジスタ Ｑ１１から供給される。この打ち消し配列は、相互コンダクタンス発生器から非 線形ベース反転負荷電流を除去することによって全入出力歪み減少を形成する。

第２のフィードフォワード通路は、入力信号をＱｌ及びＱｌ９を経て出力に直接 重ね合わせるＲ１を通して形成される。このフィードフォワード作用はバッファ のループ利得を増やして、そうでなければ起こる装置の歪み特性を減少させる。

Ｒ１＞＞Ｒ７＋Ｑ１のエミッタ抵抗によって、入力信号は、ノード７０（高オー プンループＲｏポート）で１対１重複される。有限のアーり電圧を無視して、こ の入力信号は、オープンループバッファと同様に、出力に約１；１転送される。

閉塞ループ修正前のオープンループ出力信号が次の通りである。

ＶＩＮ　（２ＲＬ／　（２ＲＬ＋Ｉ／Ｇｍ＋Ｒ１８））＝ＶＩＮ　（Ｋ）Ｇｍ＝ Ｉ。、／ＶＴ 交差カッド回路に印加されたエラー信号（ＶＩＮ−ＶＩＮ−Ｋ）は、　（即ち、 帰還接続されて）全利得が１に最接近するように修正される。伝達式（Ｖｏ／Ｖ ＩＮ）は次の通り、記述することができる。

ＶＯ／ＶＩＮ＝　（Ｒｇ＋２Ｒ１）　／　（２ＲＮ　（１−ｋ）　＋ＫＲｇ＋２ Ｒ１）但し、Ｒ１＜＜Ｒｏ及びＲＮ＝Ｒ７＋ＶＴ／Ｉ　ＩＰＲｌを介する（Ｖ　 Ｉ　Ｎ−ＶＯＵＴ）誤差を減少させることによって、ＤＣ及びＡＣ直線性の更な る改良が達成される。

左上の交差カッドトランジスタＱ７のコレクタ・ベース容量が電圧によっても非 直線的に変化する。それで、カッド回路の動作に歪みをもたらすという傾向があ る。その影響を最小にするために、トランジスタＱ６はＱｌと直列接続されて、 Ｑｌ８がＱｌ９のためにした同じ機能を実行する。即ちＱ６のベースが、入力端 子１０の上で平らな２ＶｂｅでＶＩＮに供給される。Ｑ６のエミッタが、１つの Ｖｂｅの電圧降下を持つＱｌのコレクタにその信号を転送する。それで、事実上 どんな置換電流も流れないように、Ｑｌのコレクタ電圧が、Ｑｌのベース電圧に 対応する。かくして、ＱｌのためのＣｃｂの非線形変動の影響が排除されて、そ れで装置の低歪率特性をさらに改善する。同じ回路配列は、左下カッドトランジ スタＱ８からそのような歪みを避ける。

右上の交差カッドトランジスタＱ１２のコレクタ・ベース容量が、信号レベルに よっても非直線的に変化する。それで、出力信号に歪みをもたらすという傾向が ある。バイアス回路４２を通る帰還力によってそのような歪みは、Ｑｌ２のコレ クタ電圧にそのベース電圧を効果的に追従させることによって減少される。即ち 、Ｑｌ２のベース電圧は、人力信号ＶＩＮに本質的に同一の出力信号ＶＯＵＴに Ｖｂｅをプラスしたものを含む。同様にＲ１及びＲ３を含むバッファの全利得は 、以下の等式によ２て記述できる。

Ｖｏ／ＶＩＮ　（Ｒ１＜＜Ｒｏによる）　〜（Ｒｇ＋２Ｒ１）Ｒｇ／　（ＫＲｇ ＋２Ｒ１＋２ＲＮ　（１−ｋ））のとして解釈されるべきでない。

つ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、各々がベース、エミッタ及びコレクタを含む第１及び第２組の相補トランジ スタと、 これら第１及び第２組のトランジスタが交差結合されて、前記第１組の１つが前 記第２組の一相補トランジスタに直列であり、前記第１組の他が前記第２組の他 に直列である交差カッド回路を形成し、 直流電源線間に接続されて、入力回路と、この入力回路に接続された信号に対応 して各々レベルシフトした出力を供給する２つの出力回路とを持つ第１のバイア ス回路と、この第１のバイアス回路の前記入力回路に接続されて、交流信号を供 給する第１の入力端子と、 前記第１組のトランジスタのベースに前記第１のバイアス回路の２つのレベルシ フト出力を各々接続する手段と、前記直流電源線間に接続されて、入力回路と、 この入力回路に接続された信号に対応して各々レベルシフトした出力を供給する ２つの出力回路とを持つ第２のバイアス回路と、この第２のバイアス回路の前記 入力回路に接続されて、交流信号を供給する第２の入力端子と、 前記第２組のトランジスタのベースに前記第２のバイアス回路の２つのレベルシ フト出力を各々接続する手段と、前記第１及び第２組のトランジスタの２つのコ レクタに結合されて、相互コンダクタンス発生器用の出力信号を生成する出力手 段とを含む広帯域相互コンダクタンス発生器。 ２、前記出力信号を前記第２のバイアス回路の前記入力回路に接続する手段を含 んで、閉塞ループの略単一利得電圧フォロアを形成する請求の範囲第１項に記載 の相互コンダクタンス発生器。 ３、前記第１のバイアス回路は、各々がベース、コレクタ及びエミッタを持つ第 １と第２トランジスタを含み、これらベースが相互接続され、 これらエミッタが前記第１組のトランジスタのベースに各々接続され、 これらコレクタがプラス及びマイナス電源線に各々接続される請求の範囲第１項 に記載の相互コンダクタンス発生器。 ４、前記第２のバイアス回路は、前記第１のバイアス回路と同じ回路構成で、２ つの対称入力回路を形成する請求の範囲第３項に記載の相互コンダクタンス発生 器。 ５、各々が２つの電流端子を持つ第１及び第２カレントミラーを含み、 この第１のカレントミラーの電流端子が各々前記第１組の前記第１トランジスタ と、前記第２組の前記第１トランジスタのコレクタに接続され、 前記第２のカレントミラーの電流端子が各々前記第１及び第２組のトランジスタ の残り２つのトランジスタのコレクタに接続される請求の範囲第１項に記載の相 互コンダクタンス発生器。 ６、各々がベース、エミッタ及びコレクタを含む第１及び第２組の相補トランジ スタと、 これら第１及び第２組のトランジスタが交差結合されて、前記第１組の１つが前 記第２組の一相補トランジスタに直列であり、前記第１組の他が前記第２組の他 に直列である交差カッド回路を形成し、 第１の入力端子に接続され、前記第１組のトランジスタのベースに対応信号を各 々供給する第１の入力回路と、第２の入力端子に接続され、前記第２組のトラン ジスタのベースに対応信号を各々供給する第２入力回路と、前記第１及び第２組 のトランジスタの２つのコレクタに結合されて、バッファ用の出力信号を生成す る出力手段と、この出力信号を前記第２の入力端子に接続する手段とを含む広帯 域単一利得バッファ。 ７、各々がベース、エミッタ及びコレクタを含む第１及び第２組の相補トランジ スタと、 これら第１及び第２組のトランジスタが交差結合されて、前記第１組の１つが前 記第２組の一相補トランジスタに直列であり、前記第１組の他が前記第２組の他 に直列である交差カッド回路を形成し、 第１の入力端子に接続され、前記第１組のトランジスタのベースに対応信号を各 々供給する第１の入力回路と、第２の入力端子に接続され、前記第２組のトラン ジスタのベースに対応信号を各々供給する第２入力回路と、各々がベース、エミ ッタ及びコレクタを持つ１対の直列接続の出力トランジスタを備え、前記第１及 び第２組のトランジスタの２つのコレクタに結合されて、相互コンダクタンス発 生器用の出力信号を生成する出力手段と、 各々がベース、エミッタ及びコレクタを持つて、各々が対応の前記出力トランジ スタと直列接続された１対の補償トランジスタと、 これら補償トランジスタのベースに対応の制御信号を供給して、前記出力信号の 歪みを減少させる回路手段とを含む低歪率相互コンダクタンス発生器。 ８、前記回路手段は前記第１の入力端子にベースを各々結合する手段を含む請求 の範囲第７項に記載の相互コンダクタンス発生器。 ９、前記補償トランジスタのエミッタが、前記出力トランジスタのコレクタに各 々接続される請求の範囲第７項に記載の相互コンダクタンス発生器。 １０、前記第１の入力端子と前記補償トランジスタのベースとの間に接続されて 、前記出力トランジスタのコレクタベース電圧が殆どゼロに減少することを保証 するように配置されるレベルシフト手段を含む請求の範囲第８項に記載の相互コ ンダクタンス発生器。 １１、前記回路手段は、各々が１つの前記補償トランジスタのベースと、対応の 前記出力トランジスタのベースとに結合される第１及び第２トランジスタ手段を 備えた２つのフィードフォワード回路を含み、 各フィードフォワード回路は、前記出力トランジスタのベース電流における非線 形変化が前記交差カッド回路トランジスタから分離されるように、前記補償トラ ンジスタのベース電流を対応の前記出力トランジスタのベースに反転させるよう に配置される請求の範囲第７項に記載の相互コンダクタンス発生器。 １２、前記フィードフォワードトランジスタ手段の各々が、前記交差カッド回路 の前記２対のトランジスタの２つの対応するセットに結合されたカレントミラー を含む請求の範囲第１１項に記載の相互コンダクタンス発生器。 １３、各々がベース、エミッタ及びコレクタを含む第１及び第２組の相補トラン ジスタと、 これら第１及び第２組のトランジスタが交差結合されて、前記第１組の１つが前 記第２組の一相補トランジスタに直列であり、前記第１組の他が前記第２組の他 に直列である交差カッド回路を形成し、 第１の入力端子に接続され、前記第１組のトランジスタのベースに対応信号を各 々供給する第１の入力回路と、第２の入力端子に接続され、前記第２組のトラン ジスタのベースに対応信号を各々供給する第２入力回路と、各々がベース、エミ ッタ及びコレクタを持つ１対の直列接続の出力トランジスタを備え、前記第１及 び第２組のトランジスタの２つのコレクタに結合されて、相互コンダクタンス発 生器用の出力信号を生成する出力手段と、 各々がベース、エミッタ及びコレクタを持って、各々が対応の前記交差カッドト ランジスタと直列接続された１対の補償トランジスタと、 前記第１の入力端子に結合され、前記補償トランジスタのベースに対応の制御信 号を供給して、前記出力信号の歪みを減少させる回路手段とを含む低歪率相互コ ンダクタンス発生器。 １４、前記補償トランジスタのエミッタが前記第１組のトランジスタのコレクタ に各々接続されている請求の範囲第１３項に記載の相互コンダクタンス発生器。 １５、各々が２つの端子を持つ第１及び第２カレントミラーを含み、 各ミラーの１つの端子が対応する補償トランジスタのコレクタに接続され、 各ミラーの他の端子が前記第２組の交差カッドトランジスタの対応する１つのコ レクタに接続されている請求の範囲第１４項に記載の相互コンダクタンス発生器 。 １６、各々がベース、エミッタ及びコレクタを含む第１及び第２組の相補トラン ジスタと、 これら第１及び第２組のトランジスタが交差結合されて、前記第１組の１つが前 記第２組の一相補トランジスタに直列であり、前記第１組の他が前記第２組の他 に直列である交差カッド回路を形成し、 この交差カッド回路が更に第１と第２抵抗を含み、この第１の抵抗が前記第１組 のトランジスタの前記１つのベースと、前記第２組のトランジスタの前記他のコ レクタとの間に接続され、 前記第２の抵抗が前記第１組のトランジスタの前記他のトランジスタのベースと 、前記第２組のトランジスタの前記相補トランジスタのコレクタとの間に接続さ れ、第１の入力端子に接続されて、前記第１組のトランジスタのベースに対応信 号を各々供給する第１の入力回路と、第２の入力端子に接続されて、前記第２組 のトランジスタのベースに対応信号を各々供給する第２の入力回路と、前記第１ 及び第２組のトランジスタの２つのコレクタに接続されて、バッファ用の出力信 号を生成する出力手段と、この出力信号を前記第２の入力端子に接続する手段と 、を含む広帯域単一利得バッファ。