JPH0795662B2 - 演算増幅器及びその駆動方法 - Google Patents

演算増幅器及びその駆動方法

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JPH0795662B2
JPH0795662B2 JP5017977A JP1797793A JPH0795662B2 JP H0795662 B2 JPH0795662 B2 JP H0795662B2 JP 5017977 A JP5017977 A JP 5017977A JP 1797793 A JP1797793 A JP 1797793A JP H0795662 B2 JPH0795662 B2 JP H0795662B2
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transistor
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gate
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drain
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博之 岡田
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Nippon Electric Co Ltd
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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、高精度、高帯域を必要
とされるシステムに用いる演算増幅器に関する。
【0002】
【従来の技術】増幅段が一段から構成され、高利得、高
帯域を実現する演算増幅器に於ける差動増幅段として、
出力電圧のスパンが広いことを特徴とするフォールデッ
ドカスコード回路が従来から用いられていた。例えば、
1992年電子情報通信学会春季大会のテクニカルダイ
ジェストのP9〜P15に記載された四柳等による論文
“10ビット・50Mspsパイプライン型CMOSA
/D変換器”に記載された汎用演算増幅器の増幅段には
フォールデッドカスコード回路が用いられている。この
フォールデッドカスコード回路で差動増幅段を構成した
従来の演算増幅器を図2に回路図で示す。本図におい
て、フォールデッドカスコード回路は斜線を施した部分
である。この回路の特徴は、増幅段に生じるミラー容量
を減少させることと、出力スパンを広くとれることにあ
る。
【0003】一方、高い出力インピーダンスを可能にす
る定電流回路が、1990年2月のジャーナルオブソリ
ッドステイトサーキッツのP289〜P298に記載さ
れたエドワード・ゼッキンジャー(Eduard・Sa
ckinger)等による「AHigh−Swing,
High−Impedance MOS Cas−co
de Circuit」に記載されている。この定電流
回路はレギュレーテッドカスコード回路(RGC)で構
成されている。レギュレーテッドカスコード回路はフォ
ールデッドカスコード回路に比べて素子を余分に必要と
するが、より大きな出力インピーダンスを有することを
特徴としている。このように、レギュレーテッドカスコ
ード回路は公知であったが、従来は定電流回路として用
いられていた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】差動増幅段にフォール
デッドカスコード回路を用いた従来の演算増幅器では、
アクティブロードとしてウィルソンカレントミラー回路
を用いた場合でも帯域を数百MHzに選ぶと、約60d
B程度の利得しか得ることができなかった。また、従来
の演算増幅器では、5V以下の低電圧で駆動すると十分
な利得が得られなかった。そこで、本発明の目的は、利
得の高い演算増幅器を実現するとともに、5V以下の低
い電圧で駆動できる演算増幅器の提供にある。
【0005】
【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに本発明は次の手段を提供する。 本発明の演算増幅器は、1段の差動増幅段からなり、
差動増幅段が1段からなる演算増幅器において、前記差
動増幅段が差動入力回路、並びに第1及び第2のレギュ
レーテッドカスコード回路並びにウイルソンカレントミ
ラー回路等のカレントミラー回路で構成され、前記差動
入力回路は第1及び第2の入力並びに第1及び第2の出
力を有し、前記第1のレギュレーテッドカスコード回路
は、ソースが電源ラインに接続され、ゲートが電圧駆動
されたトランジスタMP1と、前記トランジスタMP1
のドレインにソースが接続されたトランジスタMP5
と、前記トランジスタMP1のドレイン及びソースにゲ
ート及びソースがそれぞれ接続されたトランジスタMP
3からなり、前記第2のレギュレーテッドカスコード回
路は、ソースが電源ラインに接続され、ゲートが電圧駆
動されたトランジスタMP2と、前記トランジスタMP
2のドレインにソースが接続されたトランジスタMP6
と、前記トランジスタMP2のドレイン及びソースにゲ
ート及びソースがそれぞれ接続されたトランジスタMP
4からなり、前記トランジスタMP3のドレインと前記
トランジスタMP5のゲートとは、短絡され、定電流を
供給されており、前記トランジスタMP4のドレインと
前記トランジスタMP6のゲートとは、短絡され、定電
流を供給されており、前記第1及び第2のレギュレーテ
ッドカスコード回路の入力は、前記差動入力回路の第1
及び第2の出力から前記トランジスタMP3のゲート及
び前記トランジスタMP4のゲートにそれぞれ電流変化
として与えられ、前記カレントミラー回路は第1及び第
2の入力並びに1つの出力を有し、前記第1及び第2の
レギュレーテッドカスコード回路の出力は、前記トラン
ジスタMP5のドレイン及び前記トランジスタMP6の
ドレインから前記カレントミラー回路の前記第1及び第
2の入力にそれぞれ電流変化として与えられることを特
徴とする演算増幅器。 差動増幅段が1段からなる演算増幅器の駆動方法にお
いて、前記差動増幅段が差動入力回路、並びに第1及び
第2のレギュレーテッドカスコード回路並びにウイルソ
ンカレントミラー回路等のカレントミラー回路で構成さ
れ、前記差動入力回路は第1及び第2の入力並びに第1
及び第2の出力を有し、前記第1のレギュレーテッドカ
スコード回路は、ソースが電源ラインに接続され、ゲー
トが電圧駆動されたトランジスタMP1と、前記トラン
ジスタMP1のドレインにソースが接続されたトランジ
スタMP5と、前記トランジスタMP1のドレイン及び
ソースにゲート及びソースがそれぞれ接続されたトラン
ジスタMP3からなり、前記第2のレギュレーテッドカ
スコード回路は、ソースが電源ラインに接続され、ゲー
トが電圧駆動されたトランジスタMP2と、前記トラン
ジスタMP2のドレインにソースが接続されたトランジ
スタMP6と、前記トランジスタMP2のドレイン及び
ソースにゲート及びソースがそれぞれ接続されたトラン
ジスタMP4からなり、前記トランジスタMP3のドレ
インと前記トランジスタMP5のゲートとは、短絡さ
れ、定電流を供給されており、前記トランジスタMP4
のドレインと前記トランジスタMP6のゲートとは、短
絡され、定電流を供給されており、前記第1及び第2の
レギュレーテッドカスコード回路の入力は、前記差動入
力回路の第1及び第2の出力から前記トランジスタMP
3のゲート及び前記トランジスタMP4のゲートにそれ
ぞれ電流変化として与えられ、前記カレントミラー回路
は第1及び第2の入力並びに1つの出力を有し、前記第
1及び第2のレギュレーテッドカスコード回路の出力
は、前記トランジスタMP5のドレイン及び前記トラン
ジスタMP6のドレインから前記カレントミラー回路の
前記第1及び第2の入力にそれぞれ電流変化として与え
られる演算増幅器の駆動方法であり、5V以下3V以上
の電源電圧で駆動することを特徴とする演算増幅器の駆
動の方法。
【0006】
【作用】差動増幅段にレギュレーテッドカスコード回路
を用いるという本発明の構成によれば、差動増幅段の出
力インピーダンスを増加することができる。また、本演
算増幅器を低電圧駆動することで、出力インピーダンス
を従来の回路構成に比べてより効果的に増大させること
ができる。
【0007】
【実施例】図1は本発明の一実施例の回路図である。こ
の実施例では、差動増幅段が1段であって、2つのレギ
ュレーテッドカスコード回路で構成されている。図1に
おいて斜線で囲まれた部分がレギュレーテッドカスコー
ド回路1であり、差動構成になっている。2つのレギュ
レーテッドカスコード回路を有する差動増幅段はシング
ルエンドの増幅部を構成している。これら2つのレギュ
レーテッドカスコード回路において互いに対応する素子
は等しい電気的特性を有している。2はウィルソンカレ
ントミラー回路であり、レギュレーテッドカスコード回
路のアクティブロードとして用いている。この実施例に
おける入力段はnチャンネルのトランジスタMN1及び
MN2で構成されている。また、定電流源以外の部分の
レギュレーテッドカスコード回路のトランジスタはpチ
ャネルである。図3(a)にレギュレーテッドカスコー
ド回路を示し、同図(b)にその等価回路を示す。図中
に示したr及びgm はトランジスタの出力インピーダン
ス及び相互コンダクタンスをそれぞれ表わしている。図
中に示したトランジスタT1 ,T2 ,T3 ,T4の添え
字と同じ添え字を付して該トランジスタの出力インピー
ダンスrをr01,r02,r03,r04とそれぞれ表わし、
図3の演算増幅器の出力インピーダンスR r を計算する
と、 Rr ≒r020304m2m4 (1) と表わすことができる。また、図4(a)に示したフォ
ールデッドカスコード回路と同図(b)に示した等価回
路を用いて出力インピーダンスRf を計算すると、 Rf ≒r0204m4 (2) と表わすことができる。各トランジスタの出力インピー
ダンスrと相互コンダクタンスgm が等しいとすると
(1),(2)式より、レギュレーテッドカスコード回
路を用いることによって出力インピーダンスをrgm
大きくとることが可能である。増幅器の利得は、入力段
トランジスタの相互コンダクタンスと増幅段の出力イン
ピーダンスとの積で与えられることから、図1のように
レギュレーテッドカスコード回路を用いることによって
全体の利得を増大させることができる。
【0008】なお、図1の実施例では入力段トランジス
タをnチャネルとしたが、npnトランジスタでもよ
い。また、レギュレーテッドカスコード回路のトランジ
スタをpチャネルとしたが、pnpトランジスタとして
も差し支えない。さらに、入力段トランジスタをpチャ
ネル又はpnpとし、レギュレーテッドカスコード回路
のトランジスタをnチャネル又はnpnとしても差し支
えない。但し、レギュレーテッドカスコード回路におけ
る定電流源のトランジスタには格別な制限はない。
【0009】次に、図1の演算増幅器を低電圧駆動する
場合について説明する。一般的に演算増幅器を低電圧駆
動すると図示しない電源部の基準電圧が低下し、各支路
を流れる電流Iが減少する。
【0010】他方、(1),(2)式で示したようにレ
ギュレーテッドカスコード回路の出力インピーダンスが
フォールデッドカスコード回路の出力インピーダンスに
比べてrgm 倍大きくなる。ここで、トランジスタの出
力インピーダンスr、相互コンダクタンスgm はそれぞ
れドレイン電流Iに対して1/I,√Iの関係にあるの
で、電源電圧が低下して電流Iが小さくなるとレギュレ
ーテッドカスコード回路とフォールデッドカスコード回
路の出力インピーダンスの比は1/√Iの割合で開き、
出力インピーダンスが増大する。先に述べたように、増
幅器の利得は入力段トランジスタの相互コンダクタンス
と増幅段の出力インピーダンスの積で与えられるので、
本駆動方法によって従来のフォールデッドカスコード回
路を用いた場合に比べて飛躍的に利得を増大させること
ができる。図1の演算増幅器は3〜5Vで駆動すること
により、5V以上の電圧で駆動するときよりも出力イン
ピーダンスを増大することができた。
【0011】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明の差動増
幅器では、高い出力インピーダンスを得ることができる
から、数百MHzの周波数帯域でも利得80dB以上の
高利得を容易に実現することができるという効果があ
る。また、本発明の演算増幅器を3〜5Vという低電圧
で駆動することによって上記効果を増大させるという効
果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例の回路図。
【図2】従来例の演算増幅器の回路図。
【図3】レギュレーテッドカスコード回路の回路図及び
等価回路図。
【図4】フォールデッドカスコード回路の回路図及び等
価回路図。
【符号の説明】
1 レギュレーテッドカスコード回路 2 ウィルソンカレントミラー回路 3 フォールデッドカスコード回路

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】差動増幅段が1段からなる演算増幅器にお
    いて、 前記差動増幅段が差動入力回路、並びに第1及び第2の
    レギュレーテッドカスコード回路並びにウイルソンカレ
    ントミラー回路等のカレントミラー回路で構成され、 前記差動入力回路は第1及び第2の入力並びに第1及び
    第2の出力を有し、 前記第1のレギュレーテッドカスコード回路は、ソース
    が電源ラインに接続され、ゲートが電圧駆動されたトラ
    ンジスタMP1と、前記トランジスタMP1のドレイン
    にソースが接続されたトランジスタMP5と、前記トラ
    ンジスタMP1のドレイン及びソースにゲート及びソー
    スがそれぞれ接続されたトランジスタMP3からなり、 前記第2のレギュレーテッドカスコード回路は、ソース
    が電源ラインに接続され、ゲートが電圧駆動されたトラ
    ンジスタMP2と、前記トランジスタMP2のドレイン
    にソースが接続されたトランジスタMP6と、前記トラ
    ンジスタMP2のドレイン及びソースにゲート及びソー
    スがそれぞれ接続されたトランジスタMP4からなり、 前記トランジスタMP3のドレインと前記トランジスタ
    MP5のゲートとは、短絡され、定電流を供給されてお
    り、 前記トランジスタMP4のドレインと前記トランジスタ
    MP6のゲートとは、短絡され、定電流を供給されてお
    り、 前記第1及び第2のレギュレーテッドカスコード回路の
    入力は、前記差動入力回路の第1及び第2の出力から前
    記トランジスタMP3のゲート及び前記トランジスタM
    P4のゲートにそれぞれ電流変化として与えられ、 前記カレントミラー回路は第1及び第2の入力並びに1
    つの出力を有し、 前記第1及び第2のレギュレーテッドカスコード回路の
    出力は、前記トランジスタMP5のドレイン及び前記ト
    ランジスタMP6のドレインから前記カレントミラー回
    路の前記第1及び第2の入力にそれぞれ電流変化として
    与えられることを特徴とする演算増幅器。
  2. 【請求項2】 差動増幅段が2つのレギュレーテッドカ
    スコード回路を有するシングルエンドの増幅部から構成
    されることを特徴とする請求項1に記載の演算増幅器。
  3. 【請求項3】 前記2つのレギュレーテッドカスコード
    回路において互いに対応する素子が等しい電気的特性を
    有することを特徴とする請求項2に記載の演算増幅器。
  4. 【請求項4】 入力段がnチャンネル又はnpnトラン
    ジスタで構成され、レギュレーテッドカスコード回路を
    構成する定電流源以外のトランジスタがpチャネル又は
    pnpトランジスタで構成されることを特徴とする請求
    項1に記載の演算増幅器。
  5. 【請求項5】 入力段がpチャネル又はpnpトランジ
    スタで構成され、レギュレーテッドカスコード回路を構
    成する定電流源以外のトランジスタがnチャネル又はn
    pnトランジスタで構成されることを特徴とする請求項
    1に記載の演算増幅器。
  6. 【請求項6】差動増幅段が1段からなる演算増幅器にお
    いて、 前記差動増幅段が差動入力回路、並びに第1及び第2の
    レギュレーテッドカスコード回路並びにウイルソンカレ
    ントミラー回路等のカレントミラー回路で構成され、 前記差動入力回路は第1及び第2の入力並びに第1及び
    第2の出力を有し、 前記第1のレギュレーテッドカスコード回路は、ソース
    が電源ラインに接続され、ゲートが電圧駆動されたトラ
    ンジスタMP1と、前記トランジスタMP1のドレイン
    にソースが接続されたトランジスタMP5と、前記トラ
    ンジスタMP1のドレイン及びソースにゲート及びソー
    スがそれぞれ接続されたトランジスタMP3からなり、 前記第2のレギュレーテッドカスコード回路は、ソース
    が電源ラインに接続され、ゲートが電圧駆動されたトラ
    ンジスタMP2と、前記トランジスタMP2のドレイン
    にソースが接続されたトランジスタMP6と、前記トラ
    ンジスタMP2のドレイン及びソースにゲート及びソー
    スがそれぞれ接続されたトランジスタMP4からなり、 前記トランジスタMP3のドレインと前記トランジスタ
    MP5のゲートとは、短絡され、定電流を供給されてお
    り、 前記トランジスタMP4のドレインと前記トランジスタ
    MP6のゲートとは、短絡され、定電流を供給されてお
    り、 前記第1及び第2のレギュレーテッドカスコード回路の
    入力は、前記差動入力回路の第1及び第2の出力から前
    記トランジスタMP3のゲート及び前記トランジスタM
    P4のゲートにそれぞれ電流変化として与えられ、 前記カレントミラー回路は第1及び第2の入力並びに1
    つの出力を有し、 前記第1及び第2のレギュレーテッドカスコード回路の
    出力は、前記トランジスタMP5のドレイン及び前記ト
    ランジスタMP6のドレインから前記カレントミラー回
    路の前記第1及び第2の入力にそれぞれ電流変化として
    与えられる演算増幅器の駆動方法において、 5V以下3V以上の電源電圧で駆動することを特徴とす
    る演算増幅器の駆動の方法。
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IEEEJOURNALOFSOLID−STATECIRCUITS〜25!1(1990−2)P.289−298
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