JPH10322143A - Ac結合回路 - Google Patents
Ac結合回路Info
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- JPH10322143A JPH10322143A JP9130838A JP13083897A JPH10322143A JP H10322143 A JPH10322143 A JP H10322143A JP 9130838 A JP9130838 A JP 9130838A JP 13083897 A JP13083897 A JP 13083897A JP H10322143 A JPH10322143 A JP H10322143A
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- Japan
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- differential
- circuit
- input
- terminal
- transconductance
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 AC結合コンデンサを内蔵でき、動作点のバ
イアスを設定できるAC結合回路を提供する。 【解決手段】 トランスコンダクタンス回路Gm1〜G
m3と定ゲインアンプk1,k2とコンデンサC1,C
2を構成要素としてこれを組み合わせて全差動型にて構
成することにより、AC結合容量をICに内蔵できる。
さらに、同相負帰還にすることにより、動作点のバイア
ス設定やDCオフセットを補正することができる。
イアスを設定できるAC結合回路を提供する。 【解決手段】 トランスコンダクタンス回路Gm1〜G
m3と定ゲインアンプk1,k2とコンデンサC1,C
2を構成要素としてこれを組み合わせて全差動型にて構
成することにより、AC結合容量をICに内蔵できる。
さらに、同相負帰還にすることにより、動作点のバイア
ス設定やDCオフセットを補正することができる。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、MOS型半導体
集積回路において、アナログ信号処理を行う場合の基本
となるAC結合回路に関する。
集積回路において、アナログ信号処理を行う場合の基本
となるAC結合回路に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、デジタル機器の増大とデジタル信
号処理技術の進歩によって、デジタル信号処理に適した
CMOS集積回路が半導体市場の大部分を占めるように
なってきている。
号処理技術の進歩によって、デジタル信号処理に適した
CMOS集積回路が半導体市場の大部分を占めるように
なってきている。
【0003】ところが、映像や音声は入出力がアナログ
であるため、アナログで処理する方が簡単であったり、
デジタルで処理するにしてもA/D、D/A変換やその
前後のフィルタ処理およびクロック発生のための発振器
などにアナログ回路が必要である。
であるため、アナログで処理する方が簡単であったり、
デジタルで処理するにしてもA/D、D/A変換やその
前後のフィルタ処理およびクロック発生のための発振器
などにアナログ回路が必要である。
【0004】アナログ回路にはバイポーラが向いてお
り、CMOSはアナログスイッチやサンプルホールドな
どの一部の回路を除いては不向きとされてきた。しか
し、バイポーラやBiCMOSプロセスはややコスト高
になる上、CMOSでのデジタルアナログ混載による1
チップ化という要求が強く、CMOSでアナログ信号処
理を行うための回路開発が盛んになってきている。基本
回路である図7の差動アンプをCMOSで実現した回路
の一例を図8に示す。
り、CMOSはアナログスイッチやサンプルホールドな
どの一部の回路を除いては不向きとされてきた。しか
し、バイポーラやBiCMOSプロセスはややコスト高
になる上、CMOSでのデジタルアナログ混載による1
チップ化という要求が強く、CMOSでアナログ信号処
理を行うための回路開発が盛んになってきている。基本
回路である図7の差動アンプをCMOSで実現した回路
の一例を図8に示す。
【0005】図7の負荷側のトランスコンダクタンス回
路Gm2は入出力を直接接続しているので、ドレイン・
ソース接続のトランジスタに他ならない。すなわち、M
OSトランジスタを負荷とした1対のソース接地アンプ
で構成している。(Vin)DC=(Vout )DCである
場合には、M1〜M4の各トランジスタは全て同じゲー
トバイアスで動作するので、動作電流は各素子のW/L
比に比例する。
路Gm2は入出力を直接接続しているので、ドレイン・
ソース接続のトランジスタに他ならない。すなわち、M
OSトランジスタを負荷とした1対のソース接地アンプ
で構成している。(Vin)DC=(Vout )DCである
場合には、M1〜M4の各トランジスタは全て同じゲー
トバイアスで動作するので、動作電流は各素子のW/L
比に比例する。
【0006】図8では入力側のトランジスタM1が出力
側のトランジスタM4のn倍にとっているので、NMO
S電流源で与えている電流はn:1に配分されて流れる
ことになる。よって、トランジスタM1はトランジスタ
M4に対して、動作電流はn:1となりGmの比もn:
1となり、従って、図7の回路のゲインは、Gm1/G
m2=nとなり、高ゲインアンプを作ることができる。
側のトランジスタM4のn倍にとっているので、NMO
S電流源で与えている電流はn:1に配分されて流れる
ことになる。よって、トランジスタM1はトランジスタ
M4に対して、動作電流はn:1となりGmの比もn:
1となり、従って、図7の回路のゲインは、Gm1/G
m2=nとなり、高ゲインアンプを作ることができる。
【0007】しかし、入出力のDC値が一定でない場合
には、出力信号に2次の同相リップルが乗り、次段の処
理が理想的に行われなくなり信号の品位の劣化を招いて
しまう。さらに、同相信号を制御するためには差動信号
のDC抽出が必要であるが、バイポーラの場合のように
差動出力信号に対し2本の同じ抵抗で中点電圧を検出
し、そのDC電圧を目標電圧と比較してDCフィードバ
ックをかけるという方法はCMOSでは適さない。
には、出力信号に2次の同相リップルが乗り、次段の処
理が理想的に行われなくなり信号の品位の劣化を招いて
しまう。さらに、同相信号を制御するためには差動信号
のDC抽出が必要であるが、バイポーラの場合のように
差動出力信号に対し2本の同じ抵抗で中点電圧を検出
し、そのDC電圧を目標電圧と比較してDCフィードバ
ックをかけるという方法はCMOSでは適さない。
【0008】また、CMOSはオフセット電圧が生じや
すく、そのためAC結合が多く必要になるが、通過信号
帯域を広くするためには、図7におけるコンデンサまた
は抵抗を大きくする必要がある。しかし、バイアス抵抗
が大きくなればオフセット電圧などの影響が大きくな
り、コンデンサが大きくなればICの内蔵が難しくな
る、という問題がある。
すく、そのためAC結合が多く必要になるが、通過信号
帯域を広くするためには、図7におけるコンデンサまた
は抵抗を大きくする必要がある。しかし、バイアス抵抗
が大きくなればオフセット電圧などの影響が大きくな
り、コンデンサが大きくなればICの内蔵が難しくな
る、という問題がある。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】上記したように、CM
OSにより回路を設計するにはAC結合は不可欠である
が、このAC結合に用いるコンデンサが大きくなりIC
内蔵が難しい。また、バイアス電圧を制御するためには
従来のバイポーラで使われていた、差動出力信号に対し
2本の同じ抵抗で中点電圧を検出する、という方法は使
えない。
OSにより回路を設計するにはAC結合は不可欠である
が、このAC結合に用いるコンデンサが大きくなりIC
内蔵が難しい。また、バイアス電圧を制御するためには
従来のバイポーラで使われていた、差動出力信号に対し
2本の同じ抵抗で中点電圧を検出する、という方法は使
えない。
【0010】この発明の目的は、AC結合コンデンサを
内蔵でき、動作点のバイアスを設定できるAC結合回路
を提供することにある。
内蔵でき、動作点のバイアスを設定できるAC結合回路
を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記した課題を解決する
ためにこの発明においては、1対の差動入力端子と1対
の差動出力端子を持ち同相入力電圧に対しては高い反転
ゲインを有し差動入力電圧に対してはあるトランスコン
ダクタンスで電流出力するトランスコンダクタンス回路
と、1対の差動入力端子と1対の差動出力端子を持ち差
動入力に対してはあるゲインで出力し同相入力に対して
は前記ゲインと同程度の反転ゲインを有する定ゲインア
ンプと、前記トランスコンダクタンス回路の差動出力端
子に接続されるコンデンサとを構成要素とし、これらを
組み合わせて相互に結線することにより、全差動AC結
合回路を構成する。このようなAC結合回路を構成する
前記トランスコンダクタンス回路と前記定ゲインアンプ
は電界効果トランジスタで構成する。
ためにこの発明においては、1対の差動入力端子と1対
の差動出力端子を持ち同相入力電圧に対しては高い反転
ゲインを有し差動入力電圧に対してはあるトランスコン
ダクタンスで電流出力するトランスコンダクタンス回路
と、1対の差動入力端子と1対の差動出力端子を持ち差
動入力に対してはあるゲインで出力し同相入力に対して
は前記ゲインと同程度の反転ゲインを有する定ゲインア
ンプと、前記トランスコンダクタンス回路の差動出力端
子に接続されるコンデンサとを構成要素とし、これらを
組み合わせて相互に結線することにより、全差動AC結
合回路を構成する。このようなAC結合回路を構成する
前記トランスコンダクタンス回路と前記定ゲインアンプ
は電界効果トランジスタで構成する。
【0012】また、前記トランスコンダクタンス回路は
1対の電界効果トランジスタで構成し、前記対になった
電界効果トランジスタのソースは共通の定電圧端子に接
続し、対のゲート端子を前記トランスコンダクタンス回
路の入力端子対とし、対のドレイン端子を出力端子対と
し、前記定ゲインアンプは2対の電界効果トランジスタ
で構成し、入力側の電界効果トランジスタ対のソースは
前記定電圧端子に共通に接続し、対のゲート端子を入力
端子対とし、対のドレイン端子を出力側の電界効果トラ
ンジスタ対のソース端子にそれぞれ接続してこれらを出
力端子対とし、出力側の電界効果トランジスタ対のゲー
ト端子対とドレイン端子対はそれぞれ別々の定電圧端子
に共通に接続する。このような回路構成で前記AC結合
回路のバイアス点における入力インピーダンスを高く
し、前記コンデンサを小さくすることができる。
1対の電界効果トランジスタで構成し、前記対になった
電界効果トランジスタのソースは共通の定電圧端子に接
続し、対のゲート端子を前記トランスコンダクタンス回
路の入力端子対とし、対のドレイン端子を出力端子対と
し、前記定ゲインアンプは2対の電界効果トランジスタ
で構成し、入力側の電界効果トランジスタ対のソースは
前記定電圧端子に共通に接続し、対のゲート端子を入力
端子対とし、対のドレイン端子を出力側の電界効果トラ
ンジスタ対のソース端子にそれぞれ接続してこれらを出
力端子対とし、出力側の電界効果トランジスタ対のゲー
ト端子対とドレイン端子対はそれぞれ別々の定電圧端子
に共通に接続する。このような回路構成で前記AC結合
回路のバイアス点における入力インピーダンスを高く
し、前記コンデンサを小さくすることができる。
【0013】さらに、前記AC結合回路を構成する回路
網において、あるノードから出発し前記トランスコンダ
クタンス回路または前記定ゲインアンプの入力から入り
出力に出るという手順を順番に繰り返し一巡して元のノ
ードに戻るようなループが存在し、前記回路網に存在す
るいかなるループにおいても、経由するトランスコンダ
クタンス回路と定ゲインアンプの総和が奇数であるよう
にする。
網において、あるノードから出発し前記トランスコンダ
クタンス回路または前記定ゲインアンプの入力から入り
出力に出るという手順を順番に繰り返し一巡して元のノ
ードに戻るようなループが存在し、前記回路網に存在す
るいかなるループにおいても、経由するトランスコンダ
クタンス回路と定ゲインアンプの総和が奇数であるよう
にする。
【0014】この発明のAC結合回路に用いるトランス
コンダクタンス回路は、電界効果トランジスタのソース
結合点を直接接地し、各ドレイン側にバイアス電流を流
してトランジスタをバイアスしている。これにより、差
動回路特有の「同相除去」を行わないようにし、トラン
スコンダクタンス回路は入力の同相電圧に対しても高い
ゲインで反転増幅することになる。この場合、帰還動作
に支配的な初段のトランスコンダクタンス回路の出力か
らの帰還ループで同相電圧が正帰還となってしまい、系
が不安定となり、発振したり動作点異常で全く動作しな
くなったりという状態に陥る。この帰還ループの反転回
数を3回あるいは奇数回にすることで同相帰還ループを
負帰還にしてこれを解決する。帰還ループの同相負帰還
動作で各電界効果トランジスタは、ドレイン側の電流源
で決まる電流値に自己バイアスされることになり、安定
したバイアスを得ることができる。
コンダクタンス回路は、電界効果トランジスタのソース
結合点を直接接地し、各ドレイン側にバイアス電流を流
してトランジスタをバイアスしている。これにより、差
動回路特有の「同相除去」を行わないようにし、トラン
スコンダクタンス回路は入力の同相電圧に対しても高い
ゲインで反転増幅することになる。この場合、帰還動作
に支配的な初段のトランスコンダクタンス回路の出力か
らの帰還ループで同相電圧が正帰還となってしまい、系
が不安定となり、発振したり動作点異常で全く動作しな
くなったりという状態に陥る。この帰還ループの反転回
数を3回あるいは奇数回にすることで同相帰還ループを
負帰還にしてこれを解決する。帰還ループの同相負帰還
動作で各電界効果トランジスタは、ドレイン側の電流源
で決まる電流値に自己バイアスされることになり、安定
したバイアスを得ることができる。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて、図面を参照しながら詳細に説明する。図1は、こ
の発明の基本概念について説明するための回路構成図で
ある。図1において、第1の回路11は差動入力信号の
同相成分に依存した電流を出力し、また、第1の回路1
1または第2の回路12のいずれか一方は入力の同相電
圧極性を反転させて出力する。このため、ループの同相
電圧伝播は一巡で負帰還になり、安定な自己バイアスを
つくることができる。AC結合容量C1,C2は、第2
の回路12によりバイアスされているため、入力インピ
ーダンスは数MΩと大きく、小さなコンデンサでも低域
からの信号を通すことができる。
いて、図面を参照しながら詳細に説明する。図1は、こ
の発明の基本概念について説明するための回路構成図で
ある。図1において、第1の回路11は差動入力信号の
同相成分に依存した電流を出力し、また、第1の回路1
1または第2の回路12のいずれか一方は入力の同相電
圧極性を反転させて出力する。このため、ループの同相
電圧伝播は一巡で負帰還になり、安定な自己バイアスを
つくることができる。AC結合容量C1,C2は、第2
の回路12によりバイアスされているため、入力インピ
ーダンスは数MΩと大きく、小さなコンデンサでも低域
からの信号を通すことができる。
【0016】図2は、図1の第1および第2の回路1
1,12を具体的にして示した、この発明の第1の実施
の形態について説明するための回路構成図である。図
中、台形で示した箱が1つの構成要素回路を表わし、G
m1〜Gm3がトランスコンダクタンス回路を表わし、
k1,k2がゲイン1の定ゲインアンプを表わす。特徴
的なのは、各構成要素回路(Gm回路と定ゲインアン
プ)の入力と出力はともにすべて完全差動信号である全
差動型回路である点と、帰還ループ上のこれら構成要素
回路の個数が3個である点である。本来はAC結合の帰
還に無関係な1倍の定ゲインアンプk1,k2を入れる
ことによって個数を奇数の3個に増やしている。
1,12を具体的にして示した、この発明の第1の実施
の形態について説明するための回路構成図である。図
中、台形で示した箱が1つの構成要素回路を表わし、G
m1〜Gm3がトランスコンダクタンス回路を表わし、
k1,k2がゲイン1の定ゲインアンプを表わす。特徴
的なのは、各構成要素回路(Gm回路と定ゲインアン
プ)の入力と出力はともにすべて完全差動信号である全
差動型回路である点と、帰還ループ上のこれら構成要素
回路の個数が3個である点である。本来はAC結合の帰
還に無関係な1倍の定ゲインアンプk1,k2を入れる
ことによって個数を奇数の3個に増やしている。
【0017】こうすることにより、各構成要素回路はあ
とで述べるように同相電圧に対しては反転して出力する
極性になるので、この帰還ループは同相電圧に対し負帰
還となり、自身でフィードバックがかかるため、専用の
DCフィードバック(コモンモードフィードバック)回
路を必要としないで動作点を定めることができる。この
点がこの発明のAC結合回路のポイントである。トラン
スコンダクタンス回路Gm3によりバイアスを設定し、
定ゲインアンプk1,k2により差動電流を電流加算し
てDC抽出を行い、これを入力側に帰還して入力のDC
電圧を制御することにより、同相負帰還ループを構成し
ている。
とで述べるように同相電圧に対しては反転して出力する
極性になるので、この帰還ループは同相電圧に対し負帰
還となり、自身でフィードバックがかかるため、専用の
DCフィードバック(コモンモードフィードバック)回
路を必要としないで動作点を定めることができる。この
点がこの発明のAC結合回路のポイントである。トラン
スコンダクタンス回路Gm3によりバイアスを設定し、
定ゲインアンプk1,k2により差動電流を電流加算し
てDC抽出を行い、これを入力側に帰還して入力のDC
電圧を制御することにより、同相負帰還ループを構成し
ている。
【0018】トランスコンダクタンス回路Gm1〜Gm
3は、具体的にはそれぞれ図3に示す回路で構成する。
すなわち、各トランスコンダクタンス回路Gm1+,−
〜Gm3+,−は、それぞれソースを直接電源に接続し
たソース結合の差動MOSトランジスタM1,M2で構
成し、ゲートには前段の差動信号を入力する。このよう
な2つのトランスコンダクタンス回路の極性の同じドレ
イン端子同士を結線し、正負の出力端子にコンデンサC
nをつなぎ、この両端子を差動出力端子とする。この両
端子はそれぞれ電流源でバイアスしておく。
3は、具体的にはそれぞれ図3に示す回路で構成する。
すなわち、各トランスコンダクタンス回路Gm1+,−
〜Gm3+,−は、それぞれソースを直接電源に接続し
たソース結合の差動MOSトランジスタM1,M2で構
成し、ゲートには前段の差動信号を入力する。このよう
な2つのトランスコンダクタンス回路の極性の同じドレ
イン端子同士を結線し、正負の出力端子にコンデンサC
nをつなぎ、この両端子を差動出力端子とする。この両
端子はそれぞれ電流源でバイアスしておく。
【0019】この回路の動作を調べるためトランジスタ
M1とM2による電圧電流変換特性を計算する。ここ
で、入力信号は完全差動信号であることを前提とし、両
トランジスタは同じ特性でありともに飽和モード領域に
バイアスされていると仮定する。出力抵抗と基板バイア
ス効果を無視すれば、トランジスタM1,M2のドレイ
ン電流は次のように表わされる。
M1とM2による電圧電流変換特性を計算する。ここ
で、入力信号は完全差動信号であることを前提とし、両
トランジスタは同じ特性でありともに飽和モード領域に
バイアスされていると仮定する。出力抵抗と基板バイア
ス効果を無視すれば、トランジスタM1,M2のドレイ
ン電流は次のように表わされる。
【0020】 M1:I1=(k1/2)(VGS1−Vth1)2 … (1) M2:I2=(k1/2)(VGS2−Vth1)2 … (2) ただし、k=μCoxW/L=μ(εox/tox)W/L
で、μはデバイスでの電子移動度、εoxはゲート酸化膜
誘電率、toxはゲート酸化膜圧、Wはゲート幅、Lはゲ
ート長である。M1とM2のドレイン電流の差電流を出
力とすると、出力I1−I2は(1)−(2)より、 I1−I2=(k1/2)(VGS1+VGS2−2Vth1)(VGS1−VGS2) =(k1/2)(VGS1+VGS2−2Vth1) Vin 入力信号の電源に対する直流電圧をVB とすると、入力
は完全差動信号であり、今回はトランジスタM1とM2
のソース端子が電源Vccに接続されていて固定だから、
VGS1+VGS2=2VB ということになる。従って、 I1−I2=k1(VB −Vth1)Vin … (3) となり、この回路の差動入力電圧から差動出力電流まで
のトランスコンダクタンスは、 Gm=Iout/Vin=(I1−I2)/Vin =k1(VB −Vth1) … (4) と表わすことができる。(4)式は入力信号Vinに依存
した項を含まず、2次ひずみの原因となる「Vin2」の
項も含まない。素子ペア(M1=M2)が完全にとれて
いれば、トランスコンダクタンスGmは理想的には主に
素子のW/L比で決まる。従って、出力を差動で取り出
す限りにおいては、トランスコンダクタンス値は入力に
依存することなく一定である。また、Vth1のばらつき
は入力のバイアス電圧VB を調整することによって調整
でき、さらにVB によってGm値を積極的に変えることも
できることが(4)式からわかる。
で、μはデバイスでの電子移動度、εoxはゲート酸化膜
誘電率、toxはゲート酸化膜圧、Wはゲート幅、Lはゲ
ート長である。M1とM2のドレイン電流の差電流を出
力とすると、出力I1−I2は(1)−(2)より、 I1−I2=(k1/2)(VGS1+VGS2−2Vth1)(VGS1−VGS2) =(k1/2)(VGS1+VGS2−2Vth1) Vin 入力信号の電源に対する直流電圧をVB とすると、入力
は完全差動信号であり、今回はトランジスタM1とM2
のソース端子が電源Vccに接続されていて固定だから、
VGS1+VGS2=2VB ということになる。従って、 I1−I2=k1(VB −Vth1)Vin … (3) となり、この回路の差動入力電圧から差動出力電流まで
のトランスコンダクタンスは、 Gm=Iout/Vin=(I1−I2)/Vin =k1(VB −Vth1) … (4) と表わすことができる。(4)式は入力信号Vinに依存
した項を含まず、2次ひずみの原因となる「Vin2」の
項も含まない。素子ペア(M1=M2)が完全にとれて
いれば、トランスコンダクタンスGmは理想的には主に
素子のW/L比で決まる。従って、出力を差動で取り出
す限りにおいては、トランスコンダクタンス値は入力に
依存することなく一定である。また、Vth1のばらつき
は入力のバイアス電圧VB を調整することによって調整
でき、さらにVB によってGm値を積極的に変えることも
できることが(4)式からわかる。
【0021】このように、トランスコンダクタンス回路
としてソース接地型の全差動動作にすることによって、
CMOSアナログ回路で発生しやすい2次ひずみ問題を
解決し、線形性のよいトランスコンダクタンス特性を提
供する。さらには差動のソース接続点に電流源を置く必
要がないためその電圧分だけ電源電圧を有効に使うこと
ができ、低電圧化に向くという利点もある。
としてソース接地型の全差動動作にすることによって、
CMOSアナログ回路で発生しやすい2次ひずみ問題を
解決し、線形性のよいトランスコンダクタンス特性を提
供する。さらには差動のソース接続点に電流源を置く必
要がないためその電圧分だけ電源電圧を有効に使うこと
ができ、低電圧化に向くという利点もある。
【0022】なお、図3の回路はPMOSを差動トラン
ジスタに用いた例で示したが、電源Vccと接地を逆にし
てNMOSを差動トランジスタに用いても全く同じよう
に回路が構成できる。
ジスタに用いた例で示したが、電源Vccと接地を逆にし
てNMOSを差動トランジスタに用いても全く同じよう
に回路が構成できる。
【0023】図2の回路の定ゲインアンプk1,k2
は、具体的には図4に示す回路で構成する。すなわち、
図3のトランスコンダクタンス回路を構成する差動MO
SトランジスタM1とM2の負荷として、MOSトラン
ジスタM3とM4を接続したものである。トランジスタ
M1,M2のゲートには前段の差動信号を入力する。
は、具体的には図4に示す回路で構成する。すなわち、
図3のトランスコンダクタンス回路を構成する差動MO
SトランジスタM1とM2の負荷として、MOSトラン
ジスタM3とM4を接続したものである。トランジスタ
M1,M2のゲートには前段の差動信号を入力する。
【0024】この場合も先の計算と同様の前提条件でト
ランジスタM1とM2による電圧電流変換特性を計算す
るとM1の動作特性は(1)式と同じになり、M2の動
作特性は(2)式と同じになる。同様にトランジスタM
3とM4の動作特性(ドレイン電流)は次のように表わ
される。
ランジスタM1とM2による電圧電流変換特性を計算す
るとM1の動作特性は(1)式と同じになり、M2の動
作特性は(2)式と同じになる。同様にトランジスタM
3とM4の動作特性(ドレイン電流)は次のように表わ
される。
【0025】 M3:I1=(k2/2)(VGS3−Vth2)2 … (5) M4:I2=(k2/2)(VGS4−Vth2)2 … (6) 以上、(1),(2),(5),(6)の各式を連立し
て解くと、差動入力電圧から差動出力電圧までのゲイン
は、 Vout /Vin=(VGS3−VGS4)/(VGS1−VGS2) =k1/k2 … (7) と求めることができる。これによると素子のペアマッチ
ング(M1=M2,M3=M4)が完全にとれていれ
ば、ゲインは理想的には素子の物理的形状W/L比だけ
で決まることになり、差動信号に対しては原理的にひず
みのない一定ゲインのアンプとなる。
て解くと、差動入力電圧から差動出力電圧までのゲイン
は、 Vout /Vin=(VGS3−VGS4)/(VGS1−VGS2) =k1/k2 … (7) と求めることができる。これによると素子のペアマッチ
ング(M1=M2,M3=M4)が完全にとれていれ
ば、ゲインは理想的には素子の物理的形状W/L比だけ
で決まることになり、差動信号に対しては原理的にひず
みのない一定ゲインのアンプとなる。
【0026】一方、同相信号を考えるとソース接地アン
プなので、ゲインは差動信号に対するゲインと同程度で
あるが位相は反転する。すなわち差動信号に対しては次
段との接続の仕方で正相にも逆相にもなるが、同相信号
に対しては必ず逆相の反転アンプとなる。図2の回路で
はこのアンプの前後で同相信号が反転する。
プなので、ゲインは差動信号に対するゲインと同程度で
あるが位相は反転する。すなわち差動信号に対しては次
段との接続の仕方で正相にも逆相にもなるが、同相信号
に対しては必ず逆相の反転アンプとなる。図2の回路で
はこのアンプの前後で同相信号が反転する。
【0027】図3のトランスコンダクタンス回路はソー
スを直接接地点に接続しており、一般的な差動回路のよ
うにソースを電流源に繋いでバイアスしていないので、
入力信号の同相成分の除去ができない、という点があ
る。実はこれを逆に利用することによって、図2のAC
結合回路では専用のDCフィードバック回路を設けるこ
とを不要にしている。
スを直接接地点に接続しており、一般的な差動回路のよ
うにソースを電流源に繋いでバイアスしていないので、
入力信号の同相成分の除去ができない、という点があ
る。実はこれを逆に利用することによって、図2のAC
結合回路では専用のDCフィードバック回路を設けるこ
とを不要にしている。
【0028】つまり、トランジスタM1とM2で構成す
る差動回路はそれぞれのソースが電源で固定されている
ため、入出力間で同相電圧に対して高い反転ゲインを持
つ。入力であるゲート電圧がともに上がれば、出力のド
レイン電圧はともに大きく下がる。逆に、入力であるゲ
ート電圧がともに下がれば、出力のドレイン電圧はとも
に大きく上昇する。さらに図4の定ゲインアンプも、す
でに説明したように同相電圧に対して反転ゲインを持
つ。
る差動回路はそれぞれのソースが電源で固定されている
ため、入出力間で同相電圧に対して高い反転ゲインを持
つ。入力であるゲート電圧がともに上がれば、出力のド
レイン電圧はともに大きく下がる。逆に、入力であるゲ
ート電圧がともに下がれば、出力のドレイン電圧はとも
に大きく上昇する。さらに図4の定ゲインアンプも、す
でに説明したように同相電圧に対して反転ゲインを持
つ。
【0029】そこで、図2の回路を同相電圧の伝達とい
う観点で見ると次のようになる。図2の回路ではGm1
→1→Gm3→Gm1という帰還ループが存在する。各
構成要素は全差動回路であり、このループの差動信号は
リニアアンプ1のところで逆相信号を同振幅で加算して
いるので差動信号のループゲインはゼロとなる。
う観点で見ると次のようになる。図2の回路ではGm1
→1→Gm3→Gm1という帰還ループが存在する。各
構成要素は全差動回路であり、このループの差動信号は
リニアアンプ1のところで逆相信号を同振幅で加算して
いるので差動信号のループゲインはゼロとなる。
【0030】従って、差動信号に対してはこの帰還ルー
プはオープンとして動作し、入力信号はトランスコンダ
クタンス回路Gm1とGm2とで構成する差動アンプで
増幅して出力する。同相信号は、入力は容量結合となっ
ているのでこのループだけで直流動作点が決まる。ルー
プを構成しているのはトランスコンダクタンス回路と定
ゲインアンプで、+側と−側ともに入出力は反転関係に
ある。
プはオープンとして動作し、入力信号はトランスコンダ
クタンス回路Gm1とGm2とで構成する差動アンプで
増幅して出力する。同相信号は、入力は容量結合となっ
ているのでこのループだけで直流動作点が決まる。ルー
プを構成しているのはトランスコンダクタンス回路と定
ゲインアンプで、+側と−側ともに入出力は反転関係に
ある。
【0031】すなわち、入力の同相分に対しては反転出
力となる。定ゲインアンプの部分も逆相加算するのはあ
くまで差動信号であって、同相分について見れば反転同
士の単純加算になっている。
力となる。定ゲインアンプの部分も逆相加算するのはあ
くまで差動信号であって、同相分について見れば反転同
士の単純加算になっている。
【0032】このように、帰還ループは同相入出力特性
がいずれも反転関係にある3つの要素から成っているの
で、ループの同相電圧伝播は一巡で負帰還になる。
がいずれも反転関係にある3つの要素から成っているの
で、ループの同相電圧伝播は一巡で負帰還になる。
【0033】図2の回路において、1倍の定ゲインアン
プでは同相ゲインは−1なので、同相利得段はトランス
コンダクタンス回路Gm1とGm3の2つである。トラ
ンスコンダクタンス回路Gm1はGmと差動アンプを構
成しているが、高利得を設定している場合、発振につい
ての配慮が必要である。
プでは同相ゲインは−1なので、同相利得段はトランス
コンダクタンス回路Gm1とGm3の2つである。トラ
ンスコンダクタンス回路Gm1はGmと差動アンプを構
成しているが、高利得を設定している場合、発振につい
ての配慮が必要である。
【0034】しかし、幸いなことに最もインピーダンス
の高いトランスコンダクタンス回路Gm3の出力点に接
続しているAC結合コンデンサが結果的に低域に極を作
り、出力端にできる極との分離がなされるため、この帰
還ループの位相補償容量として働く。従って、出力が重
い容量負荷にならない限り発振は回避できる。このよう
に図2のAC結合回路は特別に補償用コンデンサを用意
しなくとも発振のない安定動作が期待できる。
の高いトランスコンダクタンス回路Gm3の出力点に接
続しているAC結合コンデンサが結果的に低域に極を作
り、出力端にできる極との分離がなされるため、この帰
還ループの位相補償容量として働く。従って、出力が重
い容量負荷にならない限り発振は回避できる。このよう
に図2のAC結合回路は特別に補償用コンデンサを用意
しなくとも発振のない安定動作が期待できる。
【0035】入力コンデンサの接続点は、トランスコン
ダクタンス回路Gm3の電流出力部であり、ここの直流
インピーダンスは極めて高くできるので、内蔵コンデン
サで低域からの信号を通すことができる。具体的にはM
Ωオーダーのインピーダンスが容易に実現できる。
ダクタンス回路Gm3の電流出力部であり、ここの直流
インピーダンスは極めて高くできるので、内蔵コンデン
サで低域からの信号を通すことができる。具体的にはM
Ωオーダーのインピーダンスが容易に実現できる。
【0036】しかし、定ゲインアンプの同相ゲインが大
きすぎる場合には、トランスコンダクタンス回路Gm3
の電流出力が大きくなるため直流インピーダンスが小さ
くなるので、同相ゲインは1 倍程度であることが望まし
い。
きすぎる場合には、トランスコンダクタンス回路Gm3
の電流出力が大きくなるため直流インピーダンスが小さ
くなるので、同相ゲインは1 倍程度であることが望まし
い。
【0037】図5は、この発明の第2の実施の形態につ
いて説明するための回路構成図である。この実施の形態
もトランスコンダクタンス回路と定ゲインアンプで構成
され、1→1→Gmという帰還ループが存在し、本来は
AC結合の帰還に無関係な1倍の定ゲインアンプを入れ
ることによって、ループにおける構成要素の個数を奇数
の3個にしている。この場合は、トランスコンダクタン
ス回路のところで逆相信号を同振幅で加算しているの
で、差動信号のループゲインはゼロとなっている。
いて説明するための回路構成図である。この実施の形態
もトランスコンダクタンス回路と定ゲインアンプで構成
され、1→1→Gmという帰還ループが存在し、本来は
AC結合の帰還に無関係な1倍の定ゲインアンプを入れ
ることによって、ループにおける構成要素の個数を奇数
の3個にしている。この場合は、トランスコンダクタン
ス回路のところで逆相信号を同振幅で加算しているの
で、差動信号のループゲインはゼロとなっている。
【0038】この実施の形態でも第1の実施の形態と同
じように、同相信号は帰還ループに同相入出力特性がい
ずれも反転関係にある3つの要素が含まれているので、
ループの同相電圧伝播は一巡で負帰還になっており、安
定な自己バイアスをつくることができる。また、入力コ
ンデンサC1,C2の接続点は、トランスコンダクタン
ス回路Gmの電流出力部でなので、直流インピーダンス
は極めて高くでき、内蔵コンデンサで低域からの信号を
通すことができる。
じように、同相信号は帰還ループに同相入出力特性がい
ずれも反転関係にある3つの要素が含まれているので、
ループの同相電圧伝播は一巡で負帰還になっており、安
定な自己バイアスをつくることができる。また、入力コ
ンデンサC1,C2の接続点は、トランスコンダクタン
ス回路Gmの電流出力部でなので、直流インピーダンス
は極めて高くでき、内蔵コンデンサで低域からの信号を
通すことができる。
【0039】図6は、この発明の第3の実施の形態につ
いて説明するための回路構成図である。この実施の形態
はトランスコンダクタンス回路のみで構成され、Gm1
→Gm3→Gmという帰還ループが存在する。トランス
コンダクタンス回路Gm1,Gm2とトランスコンダク
タンス回路Gm3,Gm4という2組の差動アンプを組
み合わせることで、完全対称な無ひずみの差動出力が得
られる上、第1の実施の形態と同じように、同相信号は
帰還ループに同相入出力特性がいずれも反転関係にある
3つの要素が含まれているので、ループの同相電圧伝播
は一巡で負帰還になっており、安定な自己バイアスをつ
くることができる。
いて説明するための回路構成図である。この実施の形態
はトランスコンダクタンス回路のみで構成され、Gm1
→Gm3→Gmという帰還ループが存在する。トランス
コンダクタンス回路Gm1,Gm2とトランスコンダク
タンス回路Gm3,Gm4という2組の差動アンプを組
み合わせることで、完全対称な無ひずみの差動出力が得
られる上、第1の実施の形態と同じように、同相信号は
帰還ループに同相入出力特性がいずれも反転関係にある
3つの要素が含まれているので、ループの同相電圧伝播
は一巡で負帰還になっており、安定な自己バイアスをつ
くることができる。
【0040】また、入力コンデンサC1,C2の接続点
は、トランスコンダクタンス回路Gmの電流出力部でな
ので、直流インピーダンスは極めて高くでき、内蔵コン
デンサで低域からの信号を通すことができる。CMOS
はオフセットを発生しやすいので随所にAC結合が必要
になると考えられるが、このようなAC結合回路は内蔵
回路だけで実現できるので有用である。
は、トランスコンダクタンス回路Gmの電流出力部でな
ので、直流インピーダンスは極めて高くでき、内蔵コン
デンサで低域からの信号を通すことができる。CMOS
はオフセットを発生しやすいので随所にAC結合が必要
になると考えられるが、このようなAC結合回路は内蔵
回路だけで実現できるので有用である。
【0041】
【発明の効果】以上説明したように、この発明に係るC
MOSで構成するAC結合回路は、トランスコンダクタ
ンス回路と定ゲインアンプとコンデンサを構成要素とし
てこれを組み合わせて全差動型にて構成することによ
り、AC結合コンデンサをICに内蔵できる。さらに、
同相負帰還することにより、動作点のバイアス設定やD
Cオフセットの補正をすることができる。また低電圧化
には適しており高周波特性も良いという点で、CMOS
あるいはBiCMOSの信号処理ICに広く使用するこ
とができ、極めて利用価値が高い。
MOSで構成するAC結合回路は、トランスコンダクタ
ンス回路と定ゲインアンプとコンデンサを構成要素とし
てこれを組み合わせて全差動型にて構成することによ
り、AC結合コンデンサをICに内蔵できる。さらに、
同相負帰還することにより、動作点のバイアス設定やD
Cオフセットの補正をすることができる。また低電圧化
には適しており高周波特性も良いという点で、CMOS
あるいはBiCMOSの信号処理ICに広く使用するこ
とができ、極めて利用価値が高い。
【図1】この発明の基本概念について説明するためのブ
ロック図。
ロック図。
【図2】この発明の第1の実施の形態について説明する
ための回路構成図。
ための回路構成図。
【図3】図1で用いる各トランスコンダクタンス回路の
構成例について説明するための回路構成図。
構成例について説明するための回路構成図。
【図4】図1で用いる定ゲインアンプの構成例について
説明するための回路構成図。
説明するための回路構成図。
【図5】この発明の第2の実施の形態について説明する
ための回路構成図。
ための回路構成図。
【図6】この発明に第3の実施の形態について説明する
ための回路構成図。
ための回路構成図。
【図7】従来の全差動アンプについて説明するための回
路構成図。
路構成図。
【図8】従来の全差動アンプについて説明するための回
路図。
路図。
トランスコンダクタンス回路…Gm,Gm1〜Gm4、
k1,k2…定ゲインアンプ、C1,C2…コンデン
サ、M1〜M4…トランジスタ。
k1,k2…定ゲインアンプ、C1,C2…コンデン
サ、M1〜M4…トランジスタ。
Claims (10)
- 【請求項1】 差動電圧入力と差動電圧出力とからなる
第1の回路と、差動電圧入力と直流電流出力とからなる
第2の回路とからなり、 前記第1の回路の差動出力の同相電圧は差動入力の同相
電圧に依存して変化する直流特性を有し、 前記第2の回路の出力電流は差動入力の同相電圧に依存
した特性を有し、 前記第1の回路の入力と前記第2の回路の出力とを接続
し、 前記第1の回路の出力と前記第2の回路の入力とを接続
し、 前記第1の回路の入力にコンデンサを接続し、該コンデ
ンサの他端をAC結合回路入力端子とし、 前記第1の回路の出力をAC結合回路出力端子とし、前
記第1、第2の回路のいずれか一方は入力の同相電圧極
性を反転させ出力する直流特性を有することを特徴とす
るAC結合回路。 - 【請求項2】 前記第2の回路は、 1対の差動電圧入力端子と1対の差動電流出力端子を有
し、同相の入力電圧に対しては高い反転ゲインを有し、
差動入力電圧に対しては所定のトランスコンダクタンス
で電流出力するトランスコンダクタンス回路のみか、1
対の差動電圧入力端子と1対の差動電圧出力端子を有
し、差動入力に対してはあるゲインで出力し、同相入力
に対しては前記ゲインと同程度の反転ゲインを有する定
ゲインアンプのみか、前記トランスコンダクタンス回路
と前記定ゲインアンプの両方かを、構成要素とすること
を特徴とする請求項1記載のAC結合回路。 - 【請求項3】 前記トランスコンダクタンス回路は、 1対の電界効果トランジスタで構成し、該トランジスタ
の対のソースを共通の定電圧端子に接続し、対のゲート
を前記トランスコンダクタンス回路の入力端子対とし、
対のドレイン端子を定電流源に接続するとともにこれを
出力端子対とし、前記定ゲインアンプは、2対の電界効
果トランジスタで構成し、入力側の電界効果トランジス
タ対のソースを前記定電圧端子に共通に接続し、対のゲ
ート端子を入力端子対とし、対のドレイン端子を出力側
の電界効果トランジスタ対のソース端子にそれぞれ接続
してこれらを出力端子対とし、出力側の電界効果トラン
ジスタ対のゲート端子対とドレイン端子対をそれぞれ定
電圧端子に共通に接続したことを特徴とする請求項2記
載のAC結合回路。 - 【請求項4】 前記AC結合回路に存在する全ての一巡
ループは、 その経路に少なくとも前記トランスコンダクタンス回路
と前記定ゲインアンプのいずれか一方を含み、該ループ
内の前記トランスコンダクタンス回路と前記定ゲインア
ンプをあわせた数が奇数であることを特徴とする請求項
2記載のAC結合回路。 - 【請求項5】 差動入力端子および差動出力端子を有
し、同相入力電圧に対しては高い反転ゲインを有し、差
動入力電圧に対してはあるトランスコンダクタンスで電
流出力する第1〜第3のトランスコンダクタンス回路の
うち、前記第1のトランスコンダクタンス回路の差動出
力端子と前記第2のトランスコンダクタンス回路の差動
入力端子とを接続し、 前記接続点にコンデンサの一端を接続し、該コンデンサ
の他端をAC結合回路入力端子とし、 前記第2のトランスコンダクタンス回路の差動出力端子
と前記第3のトランスコンダクタンス回路の差動入力端
子および差動出力端子を接続し、該接続点をAC結合回
路出力端子とし、 差動入力端子および差動出力端子を有し、差動入力に対
してはあるゲインで出力し、同相入力に対しては前記ゲ
インと同程度の反転ゲインを有する第1および第2の定
ゲインアンプの前記差動入力端子と前記AC結合回路出
力端子を接続し、 前記第1と第2の定ゲインアンプの差動出力端子は入力
側から見て互いに逆極性の関係になるように接続し、該
接続点と前記第1のトランスコンダクタンス回路の差動
入力端子とを接続することを特徴とするAC結合回路。 - 【請求項6】 前記第1および第2の定ゲインアンプの
ゲインは同構成で、係数がおよそ1であることを特徴と
する請求項5記載のAC結合回路。 - 【請求項7】 差動入力端子および差動出力端子を有
し、差動入力に対してはあるゲインで出力し、同相入力
に対しては前記ゲインと同程度の反転ゲインを有する第
1および第2の定ゲインアンプの第1の定ゲインアンプ
の差動出力端子と第2の定ゲインアンプの差動入力端子
を接続し、第1の定ゲインアンプの差動入力端子にコン
デンサを接続し、該コンデンサの他端を入力端子とし、 差動入力端子および差動出力端子を有し、同相入力電圧
に対しては高い反転ゲインを有し、差動入力電圧に対し
てはあるトランスコンダクタンスで電流出力する第1お
よび第2トランスコンダクタンス回路の前記差動入力端
子と前記第2の定ゲインアンプの差動出力端子とを接続
し、 前記第1と第2のトランスコンダクタンスの差動出力端
子は入力側から見て互いに逆極性の関係になるように接
続し、該接続点と前記第1の定ゲインアンプの差動入力
端子を接続し、 前記第2の定ゲインアンプの差動出力端子を出力端子と
することを特徴とするAC結合回路。 - 【請求項8】 前記第1の定ゲインアンプの差動出力端
子を前記AC結合回路出力端子とすることを特徴とする
請求項7記載のAC結合回路。 - 【請求項9】 差動入力端子および差動出力端子を有
し、同相入力電圧に対しては高い反転ゲインを有し、差
動入力電圧に対してはあるトランスコンダクタンスで電
流出力する第1〜第6のトランスコンダクタンス回路を
備え、 前記第1のトランスコンダクタンス回路の差動出力端子
と前記第2のトランスコンダクタンス回路の差動入力お
よび出力端子と前記第3のトランスコンダクタンス回路
の差動入力端子を接続し、 前記第3のトランスコンダクタンス回路の差動出力端子
と前記第4のトランスコンダクタンス回路の差動入力お
よび出力端子と前記第5のトランスコンダクタンス回路
の差動出力端子と前記第6のトランスコンダクタンス回
路の差動出力端子を接続し、 前記第5と第6のトランスコンダクタンスの差動出力端
子は入力側から見て互いに逆極性の関係になるように接
続し、該接続点と前記第1のトランスコンダクタンス回
路の差動入力端子を接続し、 前記第1のトランスコンダクタンス回路の差動入力端子
にコンデンサを接続し、該コンデンサの他端をAC結合
回路入力端子とし、 前記第3のトランスコンダクタンス回路の差動出力端子
をAC結合回路出力端子とすることを特徴とするAC結
合回路。 - 【請求項10】 前記第1のトランスコンダクタンス回
路の差動出力端子を前記AC結合回路出力端子とするこ
とを特徴とする請求項9記載のAC結合回路。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9130838A JPH10322143A (ja) | 1997-05-21 | 1997-05-21 | Ac結合回路 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9130838A JPH10322143A (ja) | 1997-05-21 | 1997-05-21 | Ac結合回路 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10322143A true JPH10322143A (ja) | 1998-12-04 |
Family
ID=15043889
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9130838A Withdrawn JPH10322143A (ja) | 1997-05-21 | 1997-05-21 | Ac結合回路 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10322143A (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20020069181A (ko) * | 2002-05-13 | 2002-08-29 | 주식회사 엠씨링크 | 에프엠 전송신호 발생기용 전압조정 발진기의 집적회로 설계방법 |
| JP2002280877A (ja) * | 2001-03-14 | 2002-09-27 | Sony Corp | トランスコンダクタ及びそれを用いたフィルタ回路 |
| JP2004297631A (ja) * | 2003-03-28 | 2004-10-21 | Nec Electronics Corp | コモンモード電圧制御回路及びコモンモード電圧制御方法 |
| JP3887171B2 (ja) * | 1999-01-19 | 2007-02-28 | 株式会社ルネサステクノロジ | 半導体集積回路 |
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| US8278962B2 (en) | 2007-09-04 | 2012-10-02 | Advantest Corporation | Transfer circuit, transmitter, receiver and test apparatus |
| US20220109470A1 (en) * | 2020-10-07 | 2022-04-07 | Canon Kabushiki Kaisha | Wireless communication system and reception apparatus |
-
1997
- 1997-05-21 JP JP9130838A patent/JPH10322143A/ja not_active Withdrawn
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US8149020B2 (en) | 2008-09-02 | 2012-04-03 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Differential amplifier, sample-and-hold circuit, and amplifier circuit |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20040803 |