JP2005073155A - 位相補償回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】電源電圧の急峻な変動に対して出力電圧が影響を受けにくく、かつ、出力電流が変化することによる伝達コンダクタンスの変化に対して安定して適切に位相特性を補償する位相補償回路を提供する。
【解決手段】2段の増幅段からなる増幅器において、1段目の増幅段A1の出力端子と2段目の増幅段の入力信号の基準となる電圧源端子VDDとの間に直列に接続した静電容量Ccと抵抗値制御素子Mcを具備し、2段目の増幅段の入力信号によって抵抗値制御素子を制御し、1段目の増幅器の入出力間の位相特性の零点を、2段目の増幅器の伝達コンダクタンスの変化に依存して変動する2段目の増幅器の入出力間の位相特性の極に追従させる。2段目の増幅器の入力信号とその基準となる電圧源端子VDD間の電源電圧の変動に対する電圧変化が少なくなり、2段目の増幅器の出力電圧がその変動の影響を受けにくい。
【選択図】図1

Description

本発明は、位相補償回路に関する。
図4、図5を用いて,従来例の位相補償回路を説明する。図4は、従来例1の位相補償回路の回路図である。図4の回路において、VINは入力端子、A1は1段目の増幅器、M1は2段目の増幅器となるMOSトランジスタ(出力段トランジスタ)、VDDは2段目の増幅器の入力信号の基準電位となる電圧源端子、Iは2段目の増幅器のバイアス電流、Iは2段目の増幅器の出力電流、Cは出力端容量、VOUTは出力端子を示す。抵抗Rcと静電容量Ccとは位相補償用に付加された第1のフィルタを形成する。出力段トランジスタM1の伝達コンダクタンスgと出力端容量Cとによって第2のフィルタが形成される。第2のフィルタは出力端子の浮遊容量Cによって発生する好ましくないフィルタであって、図4の回路の入力対出力の伝達特性における利得・位相特性を劣化させる。第1のフィルタは、第2のフィルタに起因する利得・位相特性を改善するために出力段トランジスタM1の入力端子と出力端子の間に直列に接続されている。第1のフィルタの零点と第2のフィルタの極とが一致するように設定することにより、図4の位相補償回路は良好な利得・位相特性を有する。
図4の位相補償回路において、出力段トランジスタM1に流れる電流が変化することによって出力段トランジスタM1の伝達コンダクタンスgが変化し、出力段トランジスタM1と出力端容量Cとによって形成される第2のフィルタの位相特性の極が変化する。例えば第2のフィルタの位相特性の極と第1のフィルタの位相特性の零点とを初期状態において一致させたとしても、出力段トランジスタM1に流れる電流が変化することによって、両者は相対的にずれてしまう。これにより、図4の位相補償回路の利得・位相特性が劣化する。
特開平6−216662号公報に、この欠点を改善した従来例2の位相補償回路が開示されている。図5は、従来例2の位相補償回路の回路図である。図5に示す従来例2の位相補償回路は、図4の抵抗Rcに代えて、抵抗制御素子であるMOSトランジスタMcを有する。従来例2の位相補償回路は、MOSトランジスタM1の伝達コンダクタンスgを検出し、その検出値を用いてMOSトランジスタMcの伝達コンダクタンスを制御する。これにより、出力段トランジスタM1に流れる電流が変化しても、MOSトランジスタMc及びコンデンサCcで形成される第1のフィルタの位相特性の零点が、MOSトランジスタM1の伝達コンダクタンス及びコンデンサCで形成される第2のフィルタの極に追随して変化し、両者が相対的にずれないようにしている。これにより、従来例2の位相補償回路は、出力段トランジスタM1に流れる電流が変化しても、良好な利得・位相特性を維持する。
特開平6−216662号公報
しかしながら、図4及び図5に示す従来例1及び2の位相補償回路は電源電圧の急峻な変動に対して出力電圧が影響を受け易いという欠点があり、特に電圧安定化回路に用いる場合には重大な課題となっていた。
以下その理由を説明する。電圧安定化回路において、出力端子の直流電圧に近い電源電圧で従来例1及び2の位相補償回路を動作させる場合を想定する。MOSトランジスタである出力段トランジスタM1は、一般に図4や図5に示されるようにソースが電源端子VDDに接続され、ドレインが出力端子に接続される。出力段トランジスタM1は、ソース電圧を入力信号の基準電位とし、入力信号をゲート電圧として入力し、ゲート・ソース間の電圧を増幅して、出力信号を出力端子から出力する。出力端子と接地端子VSSとの間には出力端静電容量Cが有り、ゲートと出力端子の間には静電容量Ccが有るので、ゲートと接地端子との間には直列に接続されたCとCcからなる静電容量が存在する。このため、ソースが接続された電源電圧が階段状あるいはパルス状に急峻に変化した場合、ゲート・接地端子間の静電容量の効果によって、ゲート電圧は接地端子との電位差を保持するので(電源電圧の変化に応答しないので)、ゲート・ソース間には電源電圧の変化を含む電圧が加わる。出力段トランジスタM1はゲート・ソース間の変化電圧を増幅し、出力端子は電源電圧の変化に応じた出力信号を出力する。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、電源電圧の急峻な変動に対して出力電圧が影響を受けにくく、かつ、第2の段目の増幅器に流れる電流が変化しても良好な位相特性を維持する位相補償回路を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を有する。請求項1に記載の発明は、2段の増幅器を直結した位相補償回路であって、1段目の増幅器の出力端子と2段目の増幅器の入力信号の基準となる電圧源端子との間に直列に接続した静電容量と抵抗値制御素子を具備し、前記2段目の増幅器の入力信号によって前記抵抗値制御素子を制御し、前記1段目の増幅器の入出力間の位相特性の零点が、前記2段目の増幅器の伝達コンダクタンスの変化に依存して変動する前記2段目の増幅器の入出力間の位相特性の極に追従する構成を有することを特徴とする位相補償回路である。
請求項2に記載の発明は、前記2段目の増幅器の入出力間の位相特性の極が、設定された周波数より高くなった領域でのみ、前記1段目の増幅器の入出力間の位相特性の零点を追従させる構成を有することを特徴とする請求項1に記載の位相補償回路である。
請求項3に記載の発明は、入力信号に基づく電圧を出力する第1の増幅器と、1又は複数の第1の電界効果トランジスタで形成される抵抗値制御素子と第1のコンデンサとの直列体からなり、前記第1の増幅器の出力端子と所定の電源電位との間に挿入された第1のフィルタと、を有する第1の回路と、第2のコンデンサと、前記第1の増幅器の出力端子と前記所定の電源電位との間の電圧を入力し前記第2のコンデンサを含む負荷に増幅された電圧を出力する第2の電界効果トランジスタで形成された第2の増幅器と、を有し、前記第2の増幅器の伝達コンダクタンスと前記第2のコンデンサとの直列体で第2のフィルタを形成し、前記第2のコンデンサの両端の電圧を出力する第2の回路と、を有し、前記第2の電界効果トランジスタのソースと1つの前記第1の電界効果トランジスタのソースとは共に前記所定の電源電位に接続され、前記第2の電界効果トランジスタのゲートと1つの前記第1の電界効果トランジスタのゲートとは相互に接続され、前記抵抗値制御素子は、前記第2の電界効果トランジスタのソース及びゲートにそれぞれ接続された前記第1の電界効果トランジスタのソース及びゲートの電圧に基づいてその伝達コンダクタンスが決定される、ことを特徴とする位相補償回路である。
請求項4に記載の発明は、前記抵抗値制御素子は、複数の前記第1の電界効果トランジスタで形成され、前記第2の電界効果トランジスタのソース及びゲートの間に、複数の前記第1の電界効果トランジスタのソース及びゲートが直列に接続されることを特徴とする請求項3に記載の位相補償回路である。
本発明によれば、電源電圧の急峻な変動に対して2段目の増幅器の入力信号端子と2段目の増幅器の基準となる電圧源端子との間の電位差が変化しにくくなる。これにより、出力電圧が電源電圧の急峻な変動の影響を受けにくい位相補償回路を実現できるという有利な効果が得られる。
本発明によれば、出力電流が変化することによる伝達コンダクタンスの変化に対しても良好な位相特性を維持する位相補償回路を実現できるという有利な効果が得られる。
以下、本発明の実施をするための最良の形態を具体的に示した実施の形態について、図面とともに記載する。
《実施の形態1》
本発明の実施の形態1の位相補償回路について、図1を用いて説明する。図1は、本発明の実施の形態1における位相補償回路の回路図である。図1において図4と同じ構成要素については同じ符号を用いて説明を省略する。図1において、実施の形態1の位相補償回路は、静電容量Cを除き、1つの半導体装置に形成されている。半導体装置は静電容量Ccを外部に取り付けても良い。
図1において、A1は1段目の増幅器、M1は2段目の増幅器となるMOSトランジスタ(電界効果トランジスタ)を示す。1段目の増幅器A1は、入力信号Vinを入力し、増幅して、所定の出力インピーダンスで入力信号に応じた電圧(電流)を出力する。1段目の増幅器A1の出力端子が2段目の増幅器となるMOSトランジスタM1のゲートに接続されている。MOSトランジスタM1においては、ゲート電圧が入力信号となり、ソース電圧が入力信号の基準電位となる。MOSトランジスタM1は、ゲート・ソース間電圧を増幅して出力端子から出力電圧を出力する。1段目の増幅器A1の出力端子と、2段目の増幅器M1の入力信号の基準電位となる電圧源端子VDDとの間に、静電容量(コンデンサ)Ccと抵抗値制御素子であるMOSトランジスタMcとの直列体が接続される。MOSトランジスタMcのソースは電圧源端子VDDに、ドレインは静電容量Ccの1端に、ゲートはMOSトランジスタM1のゲートに接続される。2段目の増幅器M1の入力信号によってMOSトランジスタMcのソース・ドレイン間の抵抗値が制御されている。静電容量Ccの他端は、1段目の増幅器A1の出力端子及びMOSトランジスタM1のゲートに接続される。
MOSトランジスタMcのソース・ドレイン間の抵抗値をRcとすると、1段目の増幅器の入出力間の位相特性の零点Zは次式で表される。
Z=1/(Rc・Cc) ・・・(1)
MOSトランジスタM1の伝達コンダクタンスをg1とする。MOSトランジスタM1とMcとは同一のプロセスで生成され、ゲート・ソース間電圧が同一である故に、MOSトランジスタMcのソース・ドレイン間の抵抗値Rcは1/g1に比例する。比例定数をKとすると、MOSトランジスタMcの伝達コンダクタンスはK・g1となり、零点Zは次式に変換される。
Z=K・g1/Cc ・・・(2)
一方、2段目の増幅器の入出力間の位相特性の極Pは、MOSトランジスタM1の伝達コンダクタンスg1と出力端容量CLによって形成され、次式で表される。
P=g1/C ・・・(3)
式(2)(3)より、零点Zと極Pの関係は次式で表される。
Z/P=K・C/Cc ・・・(4)
ここで、零点Zと極Pの関係式から伝達コンダクタンスg1が消える。伝達コンダクタンスg1はMOSトランジスタM1のドレイン電流(I+I)に依存して変化し、零点Zも変化する。しかし、零点Zと極Pの関係式にg1が存在しない故に、極Pが零点Zの変化に追従して変化する。
従って、出力端容量Cに対して、適切な静電容量Ccと、抵抗値制御素子の適切な抵抗値Rc(g1に対する適切な比例定数K)とを選択すれば、実施の形態1の位相補償回路は、出力電流が変化することによって伝達コンダクタンスg1が変化しても、良好な利得・位相特性を維持する。
次に電源電圧の急峻な変動に対する出力電圧への影響について述べる。図1において電源電圧VDDが急峻に変動した場合、MOSトランジスタM1のソース・ゲート間に静電容量Ccが有り、ゲート・ソース間電圧を保持する働きをする。接地端子VSSに対するゲート電圧は電源電圧VDDの変化に追従して変化する。しかし、MOSトランジスタM1はゲート・ソース間電圧を増幅する働きをするので、MOSトランジスタM1の出力電圧は電源電圧の急峻な変動変化の影響をほとんど受けない。
《実施の形態2》
図2を用いて本発明の実施の形態2の位相補償回路を説明する。図2は、本発明の実施の形態2における位相補償回路の回路図である。図2において図1と同じ構成要素については同じ符号を用いて説明を省略する。図2において、実施の形態2の位相補償回路は、静電容量Cを除き、1つの半導体装置に形成されている。半導体装置は静電容量Ccを外部に取り付けても良い。
図2において、実施の形態2の位相補償回路は、1段目の増幅器A1と、2段目の増幅器M1の入力信号の基準電位となる電圧源端子VDDとの間に、静電容量Ccと、抵抗値制御素子であるMOSトランジスタMc1と、ゲートがドレインに接続されたMOSトランジスタMc2とを直列に接続した構成をしている。MOSトランジスタMc2のソースは電圧源端子VDDに接続され、MOSトランジスタMc2のゲート及びドレインがMOSトランジスタMc1のソースに接続される。MOSトランジスタMc1のドレインは静電容量Ccの1端に、ゲートはMOSトランジスタM1のゲートに接続される。静電容量Ccの他端は、1段目の増幅器A1の出力端子及びMOSトランジスタM1のゲートに接続される。それ以外の点において、実施の形態2の位相補償回路は、実施の形態1と同一である。
MOSトランジスタMc1のゲート・ソース間とMOSトランジスタMc2のゲート・ソース間が直列に接続されているため、MOSトランジスタのしきい電圧をVとすると、前記2つの直列MOSトランジスタが抵抗値制御素子として動作するのは、Mc1のゲートとVDD間の電圧がしきい電圧の2倍(2V)以上になった領域となる。
図1に示した本発明の実施の形態1では、2段目の増幅器であるMOSトランジスタM1の伝達コンダクタンスをg1とすると、MOSトランジスタMcのソース・ドレイン間の抵抗値Rcは1/g1に比例することを説明した。
図2に示した本発明の実施の形態2では、MOSトランジスタMc1及び2のソース・ドレイン間の抵抗値Rcは、MOSトランジスタM1が動作する全ての電流領域で1/g1に比例するのではなく、MOSトランジスタM1の出力電流が増えてg1が一定の値よりも大きくなった領域(MOSトランジスタM1のゲート・ソース間の電圧が一定値より大きくなった領域)でのみ1/g1に比例する。MOSトランジスタM1の出力電流が小さくg1が一定の値よりも小さい領域(MOSトランジスタM1のゲート・ソース間の電圧が一定値より低い領域)では、MOSトランジスタMc1及び2のソース・ドレイン間の抵抗値Rcは非常に大きな値となり、開放に近い状態となる。
すなわち、2段目の増幅器MOSトランジスタM1の入出力間の位相特性の極が、設定された周波数より高くなった領域でのみ、1段目の入出力間の位相特性の零点を追従させるようにした位相補償回路である。
本発明の実施の形態2の位相補償回路について説明する。図1に示した本発明の実施の形態1では、1段目の入出力間の位相特性の零点が、2段目の増幅器の伝達コンダクタンスの変化に依存して変動する前記2段目の入出力間の位相特性の極に追従させることによって、安定した位相補償を実現することを説明した。しかし、回路の消費電流を少なくするためMOSトランジスタM1のバイアス電流Iを少なく設計し、出力電流Iも少なくなった場合、ドレイン電流(I+I)は小さくなり1/g1は大きくなる。これにより、出力端容量Cと2段目の増幅器の伝達コンダクタンスとによって形成される2段目の入出力間の位相特性の極は1段目の増幅器の入出力間の位相特性の極よりも低い周波数まで変化することが発生する。このとき、1段目の増幅器及び2段目の増幅器の全体の位相特性において、2次のローパスフィルタの特性と同様に高い周波数領域では位相遅れが2πに近づく。そのため出力から入力へ負帰還をかけた回路では、回路動作が不安定になり易い。従って、MOSトランジスタM1のドレイン電流が小さくなり2段目の入出力間の位相特性の極が低い周波数になった場合には、1段目の出力に付いている位相補償回路はむしろ位相特性を悪くするので、機能しないようにした方が良い場合がある。
この課題を改善するため、実施の形態2の位相補償回路は、MOSトランジスタM1のドレイン電流が設定された値よりも大きくなった領域、すなわち、2段目の増幅器の入出力間の位相特性の極が設定された周波数より高い領域でのみ、1段目の入出力間の位相特性の零点を追従させるようにしたものである。MOSトランジスタMc1及びMc2の動作しきい電圧をMOSトランジスタM1のしきい電圧よりも高くすることによって、MOSトランジスタM1のドレイン電流が設定値よりも小さくなり、2段目の増幅器の入出力間の位相特性の極が設定値よりも低い周波数になった場合には、1段目の増幅器の出力に付いている位相補償回路は開放に近い状態、すなわちOFF状態になる。そのため、この領域では、MOSトランジスタMc1及びMc2と静電容量Ccとで形成される第1のフィルタは動作せず、実施の形態2の位相補償回路の位相特性は2段目の増幅器の入出力間の位相特性のみで決定され、1次のローパスフィルターの特性となり、回路の安定動作が確保される。
《実施の形態3》
図3は、本発明の実施の形態3における位相補償回路の回路図である。図3において図2と同じ構成要素については同じ符号を用いて説明を省略する。実施の形態3の位相補償回路は、静電容量Cを除き、1つの半導体装置に形成されている。半導体装置は静電容量Ccを外部に取り付けても良い。
図3において、実施の形態2の位相補償回路は、1段目の増幅器A1と、2段目の増幅器M1の入力信号の基準電位となる電圧源端子VDDとの間に、静電容量Ccと、抵抗値制御素子であるMOSトランジスタMc2とを直列に接続した構成をしている。MOSトランジスタMc2のソースは電圧源端子VDDに接続され、MOSトランジスタMc2のゲート及びドレインが静電容量Ccの1端及びMOSトランジスタMc1のソースに接続される。MOSトランジスタMc1のドレインは接地され、ゲートはMOSトランジスタM1のゲートに接続される。静電容量Ccの他端は、1段目の増幅器A1の出力端子及びMOSトランジスタM1のゲートに接続される。それ以外の点において、実施の形態2の位相補償回路は、実施の形態1と同一である。
図2の位相補償回路と同様、MOSトランジスタMc1のゲート・ソース間とMOSトランジスタMc2のゲート・ソース間が直列に接続されているため、MOSトランジスタのしきい電圧をVとすると、前記2つの直列MOSトランジスタが抵抗値制御素子として動作するのは、Mc1のゲートとVDD間の電圧がしきい電圧の2倍(2V)以上になった領域となる。
実施の形態3の位相補償回路においては、静電容量CcとMOSトランジスタMc2の抵抗値Rcによって1段目の増幅器の入出力間の位相特性の零点が形成され、前記2段目の増幅器の入出力間の位相特性の極が、設定された周波数より高くなった領域でのみ、前記1段目の増幅器の入出力間の位相特性の零点が追従する。
図3におけるMOSトランジスタMc2のドレイン電流をMOSトランジスタM1のドレイン電流の検出手段として利用しても良い。
本発明の位相補償回路は、例えば出力端子の容量に起因する位相特性を改善する位相補償回路として有用である。本発明の位相補償回路は、例えば電圧安定化回路に用いられる演算増幅回路に適用できる。
本発明の実施の形態1における位相補償回路の回路図 本発明の実施の形態2における位相補償回路の回路図 本発明の実施の形態3における位相補償回路の回路図 従来例1の位相補償回路の回路図 従来例2の位相補償回路の回路図
符号の説明
M1,Mc,Mc1,Mc2,M2〜M5 MOSトランジスタ
IN 入力端子
OUT 出力端子
A1 1段目の増幅器
DD 電圧源端子
出力電流
バイアス電流
出力端容量
Cc 位相補償用静電容量

Claims (4)

  1. 2段の増幅器を直結した位相補償回路であって、1段目の増幅器の出力端子と2段目の増幅器の入力信号の基準となる電圧源端子との間に直列に接続した静電容量と抵抗値制御素子を具備し、前記2段目の増幅器の入力信号によって前記抵抗値制御素子を制御し、前記1段目の増幅器の入出力間の位相特性の零点が、前記2段目の増幅器の伝達コンダクタンスの変化に依存して変動する前記2段目の増幅器の入出力間の位相特性の極に追従する構成を有することを特徴とする位相補償回路。
  2. 前記2段目の増幅器の入出力間の位相特性の極が、設定された周波数より高くなった領域でのみ、前記1段目の増幅器の入出力間の位相特性の零点を追従させる構成を有することを特徴とする請求項1に記載の位相補償回路。
  3. 入力信号に基づく電圧を出力する第1の増幅器と、1又は複数の第1の電界効果トランジスタで形成される抵抗値制御素子と第1のコンデンサとの直列体からなり、前記第1の増幅器の出力端子と所定の電源電位との間に挿入された第1のフィルタと、を有する第1の回路と、
    第2のコンデンサと、前記第1の増幅器の出力端子と前記所定の電源電位との間の電圧を入力し前記第2のコンデンサを含む負荷に増幅された電圧を出力する第2の電界効果トランジスタで形成された第2の増幅器と、を有し、前記第2の増幅器の伝達コンダクタンスと前記第2のコンデンサとの直列体で第2のフィルタを形成し、前記第2のコンデンサの両端の電圧を出力する第2の回路と、
    を有し、
    前記第2の電界効果トランジスタのソースと1つの前記第1の電界効果トランジスタのソースとは共に前記所定の電源電位に接続され、前記第2の電界効果トランジスタのゲートと1つの前記第1の電界効果トランジスタのゲートとは相互に接続され、前記抵抗値制御素子は、前記第2の電界効果トランジスタのソース及びゲートにそれぞれ接続された前記第1の電界効果トランジスタのソース及びゲートの電圧に基づいてその伝達コンダクタンスが決定される、
    ことを特徴とする位相補償回路。
  4. 前記抵抗値制御素子は、複数の前記第1の電界効果トランジスタで形成され、前記第2の電界効果トランジスタのソース及びゲートの間に、複数の前記第1の電界効果トランジスタのソース及びゲートが直列に接続されることを特徴とする請求項3に記載の位相補償回路。
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