JPH10270957A - Cmosオペアンプ - Google Patents

Cmosオペアンプ

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JPH10270957A
JPH10270957A JP9087436A JP8743697A JPH10270957A JP H10270957 A JPH10270957 A JP H10270957A JP 9087436 A JP9087436 A JP 9087436A JP 8743697 A JP8743697 A JP 8743697A JP H10270957 A JPH10270957 A JP H10270957A
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JP
Japan
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terminal
gate
operational amplifier
channel mos
mos transistor
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Application number
JP9087436A
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English (en)
Inventor
Masakazu Ikegami
雅一 池上
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NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
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Publication date
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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Amplifiers (AREA)
  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】位相補償のための容量素子をプロセスの追加工
程なしに作製でき、上記従来技術で問題とされた、オペ
アンプの出力電圧範囲に制限を不要とし、オペアンプの
アプリケーション上の自由度を上げる半導体装置の提
供。 【解決手段】差動入力信号を入力とする第1導電型のト
ランジスタQ1、Q2からなる入力段の差動対と、該差
動対の負荷素子Q3、Q4と、差動対の出力をゲート入
力としドレインを出力端子に接続した第2導電型のMO
SトランジスタQ6と、第2導電型のMOSトランジス
タQ6の電流源と、を含み、第2導電型のMOSトラン
ジスタQ6のゲートとドレイン間に、位相補償用回路6
として、上部端子と下部端子を相互に逆並列接続した2
つのNウェル容量素子C1、C2を備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はCMOSオペアンプ
に関し、特にNウェル容量及びPチャネルトランジスタ
から成る容量素子を位相補償容量に使用したCMOSオ
ペアンプに関する。
【0002】
【従来の技術】アナログ機能を搭載したLSI(半導体
集積回路)には、必ずと言っていいほど、オペアンプ
(operational amplifier;演算増幅器)が実装されて
いる。図5は、CMOS(相補型MOS)により構成さ
れる従来のオペアンプの代表的な回路構成の一例を示す
図である。
【0003】図5を参照して、トランジスタQ1、Q
2、Q3、Q4、Q5は差動入力段部を構成し、ソース
が共通接続され、ゲートが反転入力端子1、非反転入力
端子2にそれぞれ接続されたNチャネルMOSトランジ
スタQ1とQ2は入力段の差動対を構成しており、ゲー
トとドレインが互いに接続されてNチャネルMOSトラ
ンジスタQ1のドレインに接続されソースが高位側電源
VDDに接続されたPチャネルMOSトランジスタQ3
と、ゲートがPチャネルMOSトランジスタQ3のゲー
トに共通接続されドレインがNチャネルMOSトランジ
スタQ1のドレインに接続されソースが高位側電源VD
Dに接続されたPチャネルMOSトランジスタQ4と
は、差動段の負荷部を構成し、トランジスタQ1、Q2
の共通接続されたエミッタにドレインを接続しソースを
低位側電源に接続しゲートがバイアス電圧入力端子3に
接続されたNチャネルMOSトランジスタQ5は、差動
段の電流源を構成している。
【0004】また高位側電源VDDにソースが接続さ
れ、ゲートがトランジスタQ2とQ4の接続点に接続さ
れたPチャネルMOSトランジスタQ6と、ドレインを
PチャネルMOSトランジスタQ6のドレインに接続す
ると共に容量素子C1を介してトランジスタQ6のゲー
トに接続しソースを低位側電源(図ではGND)に接続
し、ゲートをバイアス電圧入力端子3に接続したNチャ
ネルMOSトランジスタQ7とは出力段部を構成し、ト
ランジスタQ6は出力段の入力部を、トランジスタQ7
は出力段の電流源を構成しており、トランジスタQ6、
Q7のドレインの共通接続点を出力端子4に接続してい
る。なお、容量素子C1は位相補償のためのものであ
る。
【0005】容量素子は、二層ポリシリコンまたはメタ
ル容量により作製可能であるが、製造時に追加マスクが
1枚または2枚必要になりコストアップとなる。そのた
め、図5の容量素子C1では追加マスクを必要としない
Nウェル容量を使用している。
【0006】Nウェル容量の断面図を図6に示す。図6
において、16は容量素子の上部端子であり、17は容
量素子の下部端子である。9はNウェル容量のゲートで
あり上部端子16に接続されている。10はN+拡散層
であり下部端子17に接続されている。11、12はそ
れぞれNウェル層とP型サブストレートである。
【0007】またNウェル容量の替わりにPチャネルト
ランジスタによるゲート容量素子も同様に使用可能であ
る。そのゲート容量素子の断面図を図7に示す。図7に
おいて、18、19は上部端子、下部端子である。15
はP+拡散層である。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来技術にお
いて、Nウェル容量の容量値は、図8に示すような電圧
依存性を持つ。図8において、V1はトランジスタQ6
のゲート電圧、VOUTは出力端子4の出力電圧である
(図5参照)。図8からわかるように、Nウェル容量素
子C1の端子間電圧V1−VOUTがVt(トランジス
タのスレッショルド電圧)よりも低くなると容量値が減
少し、最悪の場合、オペアンプは発振にいたる。
【0009】これを防止するためには、容量素子C1に
印加される電圧、すなわちV1−VOUTの電圧をVt
以上保つ必要が生じ、結果としてオペアンプの出力範囲
が制限されることになる。
【0010】Nウェル容量のバイアス電圧依存の原因
は、Nウェル容量へのバイアス電圧がスレッショルド電
圧Vt以上の場合には、チャネルに反転層が十分に形成
され、容量値が一定になるが、バイアス電圧がスレッシ
ョルド電圧Vt以下になると、反転層が次第に消滅し、
空乏層が成長してくるため、容量値が減少するためであ
る。
【0011】このように、CMOSにより構成されるオ
ペアンプにおいて、位相補償容量としてNウェル容量素
子を使用した場合、Nウェル容量素子の容量値が電圧依
存を持ち、バイアス電圧が小さくなると容量値が減少
し、最悪の場合オペアンプは発振にいたるという問題点
を有しており、またこれを防止するために、容量素子に
印加される電圧をNウェル容量を構成するトランジスタ
のスレッショルド電圧以上に保つ必要が生じ、結果とし
てオペアンプの出力範囲が制限されることになる。
【0012】したがって、本発明は、上記問題点に鑑み
てなされたものであって、その目的は、位相補償のため
の容量素子を製造プロセスの追加工程なしに作製でき、
上記従来技術で問題とされた、オペアンプの出力電圧範
囲に制限を不要とし、オペアンプのアプリケーション上
の自由度を上げる、半導体装置を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明のCMOSオペアンプは、位相補償回路にお
いて2つのNウェル容量素子の上部端子と下部端子を相
互に逆並列接続した容量を有している。またPチャネル
MOSトランジスタから成るゲート容量素子でも同様で
ある。
【0014】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について以下
に説明する。本発明の半導体装置は、その好ましい実施
の形態において、エミッタが共通接続され差動入力電圧
信号を入力とする第1導電型のMOSトランジスタ(図
1のQ1、Q2)からなる差動対と、差動対の負荷素子
(図のQ3、Q4)と、差動対の電流源(図のQ5)
と、差動対の出力をゲート入力としドレインを出力端子
に接続した第2導電型のMOSトランジスタ(図1のQ
6)と、第2導電型のMOSトランジスタの電流源(図
1のQ7)と、を含み、第2導電型のMOSトランジス
タ(図1のQ6)のゲートとドレインの間に、上部端子
と下部端子を相互に逆並列形態に接続した二つの容量素
子(図1のC1、C2)を位相補償回路(図1の6)と
して備えたCMOSオペアンプを含む。
【0015】
【実施例】上記した本発明の実施の形態について更に詳
細に説明するため、本発明の実施例について図面を参照
して説明する。図1は、本発明の一実施例の回路構成を
示す図である。
【0016】図1を参照して、トランジスタQ1、Q
2、Q3、Q4、Q5は差動入力段部を構成しており、
ソースが共通接続され、ゲートが反転入力端子1、非反
転入力端子2にそれぞれ接続されたNチャネルMOSト
ランジスタQ1とQ2は入力段の差動対を構成してお
り、ゲートとドレインが互いに接続されてNチャネルM
OSトランジスタQ1のドレインに接続されソースが高
位側電源VDDに接続されたPチャネルMOSトランジ
スタQ3と、ゲートがPチャネルMOSトランジスタQ
3のゲートに共通接続されドレインがNチャネルMOS
トランジスタQ1のドレインに接続されソースが高位側
電源VDDに接続されたPチャネルMOSトランジスタ
Q4とは、差動段の負荷部を構成し、トランジスタQ
1、Q2の共通接続されたエミッタにドレインを接続し
ソースを低位側電源に接続しゲートがバイアス電圧入力
端子3に接続されたNチャネルMOSトランジスタQ5
は差動段の電流源部を構成している。
【0017】また高位側電源VDDにソースが接続さ
れ、ゲートがトランジスタQ2とQ4の接続点に接続さ
れたPチャネルMOSトランジスタQ6と、ドレインを
PチャネルMOSトランジスタQ6のドレインに接続す
ると共に、容量素子C1、C2からなる位相補償回路6
を介してトランジスタQ6のゲートに接続しソースを低
位側電源(図ではGND)に接続し、ゲートをバイアス
電圧入力端子3に接続したNチャネルMOSトランジス
タQ7とは出力段部を構成し、トランジスタQ6は出力
段の入力部を、トランジスタQ7は出力段の電流源部を
構成しており、トランジスタQ6、Q7のドレインの接
続点を出力端子4に接続している。
【0018】図1において、容量素子C1、C2は、上
部端子と下部端子とが相互に逆並列接続されている。
【0019】図2に、容量素子C1、C2としてNウェ
ル容量素子を使用した場合の断面図及び接続に示す。図
2において、7、8は容量素子の端子であり、それぞれ
トランジスタQ5のゲート5、端子4に接続される。9
はNウェル容量のゲート、10はN+拡散層、11、1
2はそれぞれNウェル層とP型サブストレートである。
図2に示すように、Nウェル容量素子C1の上部端子で
あるゲート9はNウェル容量素子C1側の下部端子であ
るN+拡散層10と共通に接続されて端子7に接続さ
れ、Nウェル容量素子C2の上部端子であるゲート9は
Nウェル容量素子C2側の下部端子であるN+拡散層1
0と共通に接続されて端子8に接続されている。
【0020】そして、図2に示すように接続されたNウ
ェル容量素子のバイアス電圧依存性は、図3に示すよう
に、小さくなる。なお、図3において、V1、VOUT
は、図1のノード5、4の電圧を示し、V1−VOUT
は逆並列接続されたC1、C2の端子間電圧を示してい
る。
【0021】すなわち、容量素子C1とC2は、相互に
逆並列接続されているため、一方の素子の容量値が小さ
くなっても、他方の素子の容量値が小さくならないため
であり、全バイアス電圧範囲でほぼ一定の容量値を確保
できる。
【0022】図4は、本発明の別の実施例を示す図であ
り、PチャネルMOSトランジスタから成るゲート容量
素子で、図1の容量素子C1、C2を構成した場合の断
面及び接続を示す図である。PチャネルMOSトランジ
スタから成るゲート容量素子でC1、C2を構成した場
合でも同様に容量値のバイアス電圧依存を小さくでき
る。13、14は容量素子の端子である。15はP+
散層である。端子13は、容量素子C2のP+拡散層、
+拡散層及び容量素子C1のゲート9に接続され、端
子14は、容量素子C1のP+拡散層、N+拡散層及び容
量素子C1のゲート9に接続されている。
【0023】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、位
相補償のための容量素子をプロセスの追加工程なしに作
製でき、しかも、オペアンプの出力電圧範囲に制限を設
ける必要がないため、オペアンプのアプリケーション上
の自由度を向上するという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す回路構成を示す図であ
る。
【図2】本発明の一実施例におけるNウェル容量素子の
断面及び接続を示す図である。
【図3】図2のNウェル容量素子のバイアス電圧依存特
性を示す図である。
【図4】本発明の他の実施例における容量素子の断面及
び接続を示す図である。
【図5】従来技術の回路構成を示す図である。
【図6】Nウェル容量素子の断面を示す図である。
【図7】Pチャネルトランジスタによるゲート容量素子
の断面を示す図である。
【図8】図6のNウェル容量素子のバイアス電圧依存特
性を示す図である。
【符号の説明】
C1、C2 位相補償容量素子 Q1〜Q7 MOSトランジスタ 1 反転入力端子 2 非反転入力端子 3 バイアス電圧入力端子 4 出力端子 5 トランジスタQ6のゲート端子 6 位相補償容量 7、8 Nウェル容量素子の端子 9 Nウェル容量素子のゲート 10 N+拡散層 11 Nウェル層 12 P型サブストレート 13、14 Pチャネルトランジスタによるゲート容量
素子の端子 15 P+拡散層 16 Nウェル容量素子の上部端子 17 Nウェル容量端子の下部端子 18 Pチャネルトランジスタによるゲート容量素子の
上部端子 19 Pチャネルトランジスタによるゲート容量素子の
下部端子

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】CMOSオペアンプの位相補償回路におい
    て、2つのNウェル容量素子の上部端子と下部端子を相
    互に逆並列接続した容量を有する、ことを特徴とするC
    MOSオペアンプ。
  2. 【請求項2】CMOSオペアンプの位相補償回路におい
    て、2つのPチャネルトランジスタから成るゲート容量
    素子の上部端子と下部端子を相互に逆並列接続した容量
    を有する、ことを特徴とするCMOSオペアンプ。
  3. 【請求項3】第1導電型のMOSトランジスタからなる
    入力段の差動対、該差動対の電流源及び負荷素子を含む
    入力段の差動増幅回路と、前記差動増幅回路からの出力
    をゲート入力とし、ドレインを出力端子に接続した第2
    導電型のMOSトランジスタ及び前記第2導電型のMO
    Sトランジスタの電流源を含む出力段とを備え、 前記第2導電型のMOSトランジスタのゲートとドレイ
    ン間に、位相補償用回路として、上部端子と下部端子を
    相互に逆並列接続した2つのNウェル容量素子を備えた
    CMOSオペアンプを含む、ことを特徴とする半導体装
    置。
  4. 【請求項4】前記2つのNウェル容量素子が、一方の容
    量素子のゲートと他方の容量素子の拡散層とを共通に一
    の端子に接続し、 前記他方の容量素子のゲートを前記一方の容量素子の拡
    散層とを共通に他の端子に接続することにより、逆並列
    接続してなることを特徴とする請求項3記載の半導体装
    置。
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