JPS60113509A - 差動増幅器 - Google Patents

差動増幅器

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JPS60113509A
JPS60113509A JP21955083A JP21955083A JPS60113509A JP S60113509 A JPS60113509 A JP S60113509A JP 21955083 A JP21955083 A JP 21955083A JP 21955083 A JP21955083 A JP 21955083A JP S60113509 A JPS60113509 A JP S60113509A
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gain
circuit
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英穂 山村
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(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】 〔発明の利用分野〕 不発り」は差動増幅器に係り、特に電界効果型トランジ
スタ(Field Effect Transisto
r、以下単にF’ETと言う)を入力手段とする差動増
幅器に関するものである。
〔発明の背景〕
半導体回路の性能向上は年々進歩を続けている。
一般に広く使用される回路の中に演算増幅器、コンパレ
ータがあるが、この種の回路においても性能向上が強く
望まれているのは言うまでもない。
演算増幅器、コンパレータは高い入力インピーダンスを
必要とするため、FETを入力手段とする差動増幅器が
入力回路に用いられることが多い。この場合この差動増
幅器の性能は、演算増幅器の入力に関する特性、すなわ
ち入力オフセット電圧。
周波数特性に直接影響を与えるので、益々その改良が望
まれている。
第1図は演算増幅器等に適用された従来の差動増幅器の
回路例を示す。この図において差動増幅器は概略第2図
のように書きなおすことができる。
ここでQl、 Q2はPETによる差動増幅回路であり
、Q3. Q4はアクティブ・ロード回路、Q5は電圧
増幅器、Q6 + Q7は出力増幅器である。
この様な構成において、入力オフセット電圧はこのFE
T差動増幅回路で決定される。すなわちN段の増幅器を
縦続接続し、各段の入力オフセット電圧を入力側から順
にs V61* V(+21・・・VoNとし、電圧利
得を順にA□+A2・・・AMとすると、全体のオ7セ
ット電圧V。は、Vo= V、 十V2/A□+ V3
/A、 ・A2・O様に表わされる。ここで、各段の利
得、特に初段のオU得が十分高いと、vo+Vo□とな
り、さらにV。□が小さければ、voすなわち全回路の
入力オフセット電圧を小さくすることができる。従って
、初段に用いられるFET入力の差動増幅回路は、入力
オフセット電圧が小さく、かつ利得が高いものであるこ
とが望ましい。
第2図の回路においては、FET差動増幅回路にモノリ
シック構造のFETを用いてオノセット電圧を小さくシ
、負荷にカレント・ミラーによるアクティブ・ロード、
すなわちインピーダンスの高い負荷を用いて、高い利得
を得ている。
演算増幅器等の高速化を計るには、初段の増幅器の周波
数特性が良好であることが必要である。
一般に、縦続接続して構成した増幅器のコーナー周波数
、すなわち、周波数特性が一3dBとなる周波数は、各
段に用いられている増幅器のうち、最も周波数特性の悪
いもので決定される。従って、演算増幅器等の高速化を
計るためには、まず入力段に用いられるFET入力の差
動増幅回路の周波数特性が良好であることが必要とされ
る。また、演算増幅器のように負帰還をかけて使用する
場合には、負帰還経路におけるループ・ゲインが1以上
の周波数帯域内で増幅器の位相回転が180度に達する
と発振する。このため、多段に縦続接続して演算増幅器
を構成する各増幅器のコーナー周波数、すなわちボール
は、互いに近い周波数関係にあるのは好しくなく、互い
に遠く離れているのが好ましい。
第2図に示した回路においてはトランジスタQ5が演算
増幅器等の利得の主要な部分を発生させる増幅器となる
。一般にこのコーナー周波数よりも、他の増幅器のコー
ナー周波数をはるかに高く設計して、発振の可能性を排
除している。第1図に示した回路の周波数特性は、第3
図に示す様になり、コーナー周波数以上の特性は約−6
dB10ctであることから、コーナー周波数は電圧増
幅器1つで決まっていることが判る。以上の理由からも
FET入力の差動増幅器の周波数特性は良好なものであ
る必要がある。
第2図に示したl+′ET差動増幅器において、コーナ
ー周波数を向上させるための手法としては。
F E’1’に周波数特性の良いものを用いる所謂素子
による改善の方法と、負荷抵抗を小さくする所謂回路上
の方法とがある。FETの動作上限周波数は、入力fi
tcissと相互コンダクタンスginによりC15s
/glnの時定数を指数に用いて評価することができ、
この指数の小さな素子を用いることが前者の素子による
特性の改善方法である。一方、後者の回路上の改善方法
は、負荷インピーダンス■tLとFETの出力容量Co
55により時定数比、・Co55が形成され、これがロ
ー・パス型フィルタとして動作する。従って、負荷イン
ピーダンス九を減少せしめれば I、T E II+素
子の持つ特性限界までコーナー周波数を高めることがで
きる。これを実現するには、入・出力の時定数の関係を
l’LLCoss≦C157gmとすればよいが、一般
にFET0入・出力容量は同程度であるので、この条件
はgm呪≦1となる。ここでFET差動増幅器の電圧利
得AVは、AV=gm几、であるから、AV≦1となり
、周波数特性を最も良くしようとすると、電圧利得は1
程度以下、すなわち減衰である、という状況になる。
この様に従来技術によれば、特性の良い演算増幅器、す
なわち入力オフセット電圧が小さく、周波数特性の良い
演算増幅器等を実現するためには。
利得が高く、かつ周波数特性の良いl”ET大入力差動
増幅器が必要である。然し乍ら、利得を向上させるため
には、負荷インピーダンスを高める必要があるが、周波
数特性を改善させるためにはこれを低くすることが必要
となり、両者の要求は背反することになる。
これら両者を同時に改善する手法としては、差動増幅器
に用いるFETの相互コンダクタンスginを高めるこ
とが考えられるが、半導体の性質上、これはFET0入
・出力容量が増大することを意味する。つまりこれは、
入力インピーダンスの低下をまねき、高い入力インピー
ダンスを必要とする演算増幅器等には不向きである。
従って、高い入力インピーダンスを目標とする上記FE
T入力の差動増幅器の従来技術によれば、利得が置く、
かつ、コーナー周波数が^い、という2つの特性を同時
に満足することができないという欠点がある。
〔発明の目的〕
従って、本発明の目的は、上述した様な従来技術の欠点
を除去し、高い利得と高い周波数特性との両方を同時に
実現し、もって高い入力インピーダンスが得られる差動
増幅器を従供することにある。
〔発明の概要〕
而して、本発明は夫々ゲート電極に入力信号が与えられ
、ドレイン電極より出力信号を得る一対のFE’l’を
有する差動増幅器において実現される。
即ち、これら一対のFETのソース電極に抵抗を介して
定電流源に接続し、この抵抗を介して一対のバイポーラ
・トランジスタのベース電圧を制御する様にし、かつF
ETのドレイン電極とバイポーラ・トランジスタのコレ
クタをたすきかけ接続して構成したものである。
〔発明の実施例〕
以下、図面を参照して本発明の一実施例について説明す
る。
第4図は本発明による差動増幅器をコンパレータに適用
した回路例について示すものである。図示のように、こ
の回路はバイポーラ・トランジスタによるコンパレータ
にFET入力の前置増幅器(図中一点鎖線)を設けて、
高入力インピーダンスの高速コンパレータを実現しよう
とするものである。
即ち、電源+Vccには、それぞれ抵抗9及びlOを介
して、PET Qll Q2のドレイン電極が接続され
ると共に、バイポーラ・トランジスタQ31 Q4ノコ
レクタ電極が接続される。このFET Q□IQ20ソ
ース電極はそれぞれ、バイポーラ・トランジスタQ31
Q4のベース電極に接続され、かつ抵抗5.6を介して
共通の定電流源7に接続される。また、バイポーラ・ト
ランジスタQ3. Q4のエミッタ電極は、共通の定電
流源8に接続される。この様な構成において、FETQ
l、Q2のゲート電極には入力信号が印加される入力端
子となり、またli”ETQl、Q2のそれぞれのドレ
イン電極は出力端子となる。
一点鎖線で示した差動増幅器の出力、即ちFETQl、
 Q2のドレイン電極は、例えばiCコンノ(レータ1
1の入力に接続される。而して、■Cコンノ(レータ1
1の出力は、トランジスタQ5. Q6によって構成さ
れる出力インタフェースのだめのレベルシフl−回路を
介して出力端に導かれる。
この様に構成された差動増幅器において周波数特性を最
適にすると、コーナー周波数は約160MI(z。
電圧利得は約2倍、すなわち+6dBとなり、従来技術
による回路に比較して、コーナー周波数をほとんど低下
させずに、利得を6.4倍に向上させることができた。
尚 p E rl+及び]くイボーラ・トランジスタと
もモノリシック・デュアル・デノくイスを用いた。
両回路の周波数特性を第5図に示す。この図において本
実施例による特性をa、従来技術による特性をbで示す
。本実施例によるFET入力差動増幅器を用いることに
より、まず、コンノ(レータ全回路の入力オフセット電
圧を約1/2にすることができた。これは、電圧利得が
向上したために、後続回路の影響がなくなったことによ
る。
次に、コンパレータ全回路のオーバードライブ特性を第
6図に示すように改善することができた。
この図でaは本実施例による特性、bは従来技術による
ものである。即ち、この特性は変曲部が急しゅんで、右
側の水平部は水平、左側の垂直部は垂直に近い程良く、
入力波形の高速な電圧比較動作を意味する。図示aのよ
うに、本実施例の回路を用いることによシコンパレータ
の特性を改善することができる。これは、入力部のコー
ナー周波数がほとんど低下せずに利得が向上したこと、
すなわちオリ得帯域幅積が増太りたことによる。
本実施例によるFET入力の差動増幅器は、1i”ET
対のソース電極に抵抗を挿入し、ソース電極からバイポ
ーラ・トランジスタ対に電圧を供給し、ドレインとコレ
クタを共通に接続して1つの差動増幅器が構成される。
このFETのソース出力の電圧利得1’ilに近いため
、バイポーラ・トランジスタ対には入力信号電圧にほぼ
等しい電圧が入力される。トランジスタの電圧増幅率は
fi’ETに比べて大きいため、この回路の利得は尚く
なる。入力には1!’E’l’を用いているため、人力
インピーダンスは大きい。この入出力特性は第7図に示
す様に、バイポーラ・トランジスタと■イ’ETの特性
の和になる。
従来技術によるに’ E ’1’のみを用いた回路では
、電圧利得AVはgl11几、である。本実施例にJ:
る回路においては、バイポーラ・トランジスタの入力イ
ンピーダンスをP;慮すると AV=gm呪(1+ 1ife/(1+ 0.026 
hfe°gm/io) )となシ、ここで0.026h
fe−gm/I、の項をIIfeに比して小さくするこ
とは容易であるから、この分だけ回路の利得は上昇する
。ここで■。は2つのバイポーラ・トランジスタのエミ
ッタ電流である。このとき、負荷抵抗に接続されてロー
パス・フィルタを形成する容量は、バイポーラ・トラン
ジスタのコレクタ出力容量が小さいため、FETのみで
決まり、負荷抵抗は、l;”ETのみの場合と同じ値を
用いることができる。従って、利得に関しては、先に述
べた考察が実現でき、かつ高いコーナー周波数が維持さ
れる。
なお、本実施例による回路はコンパレータに適した性質
を持っていて、入力端子に印加される電圧はFETの耐
圧まで許され、バイポーラ・トランジスタ差動増幅器の
ように、ベース・エミッタ逆耐圧の3〜6■で制限され
ることはない。これは、抵抗を介してFETを差動動作
していることによる。
また、本実施例による回路で改良されたリミッタ特性を
実現したいときには、FETのドレインは電源に直接接
続して、バイポーラ・トランジスタのコレクタのみから
出力を取り出すことができる。
このとき、入・出力特性はノ・−ド・クリップとなる。
マタ、トランジスタのコレクタ容量は小さいので、同じ
コーナー周波数を得るだめの負荷抵抗値を大きくするこ
とができ、電圧利得をさらに高めることができる。上述
した例は、周波数特性が最も良くなる条件に主眼を置い
て説明したものであるが、高い利得に主眼を置き、その
ときの周波数特性の改善を行なう様にアプローチしても
同様にして実施することが可能なことはもちろんである
。
〔発明の効果〕
以上説りjした様に、本発明によれば、高い利得と高い
周波数特性を同時に満足し、これによって尚入力インピ
ーダンスを持つ差動増幅器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来技術による差動増幅器の通用例を示す回路
図、第2図は第1図の動作原理を説明するための主要7
N15を示す回路図、第3図は従来の差動増幅器による
周波数特性を示す図、第4図は本発明の一実施例による
差動増幅器の適用例を示す回路図、第5図は本実施例に
よる回路と従来の回路の周波数trケ性の比較を示す図
、第6図は本実施例による回路のオーバードライブ特性
を示す図、第7図は本実施例による回路の入出力特性を
示す図である。 Q、、Q2・・・ll’ET% Q31Q4・・・バイ
ポーラ・トランジスタ第1ト1 第3図 (3)遥軟)fHz) 第4図 す■(( 昂5!、!J 第61 オーバートライへ°電圧(mV) 気70

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 夫々ゲート電極に入力信号が与えられ、ドレイン電極よ
    り出力信号を得る一対のFETを有する差動増幅器にお
    いて、該一対のFETのソース電極に接続された抵抗を
    介して、ベース電圧が制御される一対のバイポーラ・ト
    ランジスタを備え、かつ前記FETのドレイン電極と該
    バイポーラ・トランジスタのコレクタとをたすきかけ接
    続して構成したことを特徴とする差動増幅器。
JP21955083A 1983-11-24 1983-11-24 差動増幅器 Granted JPS60113509A (ja)

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JP21955083A JPS60113509A (ja) 1983-11-24 1983-11-24 差動増幅器

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