JP2007267016A - 演算増幅器 - Google Patents

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Abstract

【課題】電源電圧の低電圧化においても安定した高利得の演算増幅器を提供することを目的とするものである。
【解決手段】AB級演算増幅器100では、出力段5を構成するトランジスタM17、M18の閾値電圧を、前記出力段5に接続されたカスコード接続段3、4を構成するトランジスタの飽和ドレイン電圧の和よりも高くすることにより、低電源電圧においてAB級演算増幅器100を構成する全てのトランジスタを飽和領域内で動作させる。
【選択図】図1

Description

本発明は、低電圧で動作する演算増幅器に関する。
電子機器に用いられる演算増幅器などの電子回路では、常に安定した動作を行う回路が望まれている。例えば特許文献1には、同相入力電圧の変化に対するオフセット電圧の変化を抑制し、出力の歪みを低減する演算増幅器が開示されている。
さらに近年では、小型化された携帯用の電子機器等の普及に伴い、電子機器に使用される電子回路も小型化され、低消費電圧化されつつある。このため、低電源電圧においても安定した動作を行う電子回路が望まれている。
例えば演算増幅器などでは、この演算増幅器を構成するトランジスタに閾値の低いトランジスタを使用したものがある。こうすることにより、電源電圧を低くした場合でも、トランジスタが飽和領域内で動作するため、低い電源電圧においても高利得で安定した動作を行う演算増幅器を実現している。
また、例えば特許文献2には、低電圧レールツーレールCMOS入力段を有するCMOS入力回路か開示されている。
特開2001−339257号公報 特開2001−274642号公報
しかしながら、上記従来の演算増幅器においてさらに電源電圧を低くすると、その回路構成上、温度、プロセスのばらつきにより飽和領域で動作しないトランジスタが出現するという問題点があった。
本発明は、このような問題点を鑑みてこれらを解決すべくなされたものであり、電源電圧の低電圧化においても安定した高利得の演算増幅器を提供することを目的とするものである。
上記目的を達成するために、本発明の演算増幅器は次の如き構成を採用した。
本発明の演算増幅器は、2対の差動段と、カスコード増幅段と、出力段とを有する演算増幅器において、前記出力段を構成する出力トランジスタの閾値電圧が、前記出力トランジスタ以外のトランジスタの閾値電圧よりも高い構成とすることができる。
このような構成によれば、電源電圧を低くした場合でも、前記演算増幅器を構成する全てのトランジスタが飽和領域で動作するため、高利得な演算増幅器を提供することができる。
また、本発明の演算増幅器は、上記目的を達成するために、さらに、前記出力トランジスタの閾値電圧は、略0.7V〜0.8Vであって、前記出力トランジスタ以外のトランジスタの閾値電圧は、略0.3V〜0.4Vである構成とすることができる。
これにより、電源電圧を低くしても、温度、プロセスのばらつきによる前記演算増幅器の動作効率の低下を防止する。
また、本発明の演算増幅器は、上記目的を達成するために、さらに、前記カスコード増幅段は、pチャネルMOSトランジスタにより構成された第一のカスコード接続段と、nチャネルMOSトランジスタにより構成された第二のカスコード接続段とから構成され、前記第一のカスコード接続段は、前記2対の差動段の一方の差動段の出力側に接続され、前記第二のカスコード接続段は、前記2対の差動段の他方の差動段の出力側に接続されている構成とすることができる。
このような構成により、当該演算増幅器においてフォールデッドカスコード増幅段を構成する。
また、本発明の演算増幅器は、上記目的を達成するために、さらに、前記出力トランジスタのゲート・ソース間電圧は、前記トランジスタのゲートに接続された、前記カスコード接続段を構成する二つのトランジスタの飽和ドレイン電圧の和より大きい構成とすることができる。
係る構成によれば、前記カスコード接続段を構成するトランジスタを常に飽和領域で動作するため、前記カスコード接続段の飽和動作を保つことができる。
また、本発明の演算増幅器は、上記目的を達成するために、さらに、非反転入力端子に基準電圧が印加され、反転入力端と出力端子とが直接接続された構成とすることができる。
また、本発明の演算増幅器は、上記目的を達成するために、さらに、非反転入力端子に基準電圧が印加され、反転入力端子と出力端子とが、抵抗を介して接続された構成とすることができる。
本発明によれば、電源電圧の低電圧化においても安定した高利得の演算増幅器を提供することができる。
本発明の演算増幅器では、出力段を構成する出力トランジスタの閾値電圧を、前記出力段に接続されたカスコード接続段を構成するトランジスタの飽和ドレイン電圧の和よりも高くすることにより、当該演算増幅器を構成する全てのトランジスタを飽和領域内で動作させる。
以下に、本発明の実施例について図面を参照して説明する。本実施例における演算増幅器は、レール・トゥ・レール入力フォールデッドカスコード型AB級演算増幅器である。図1は本発明の実施例1のAB級演算増幅器100を示す回路構成図である。
本実施例のAB級演算増幅器100は、差動段1、差動段2、カスコード接続段3、カスコード接続段4、出力段5から構成されている。
AB級演算増幅器100では、差動段を構成する2つのトランジスタのうち、一方のゲート端子が非反転入力端子となっており、他方のゲート端子が反転入力端子となっている。そして、AB級演算増幅器100は、出力段5の出力をAB級演算増幅器100の出力電圧Voutとしている。AB級演算増幅器100は、この非反転入力端子と反転入力端子に印加された入力電圧の差電圧を増幅して出力端子より出力する。
AB級演算増幅器100では、差動段を構成するトランジスタの閾値電圧と入力電圧が交差すると、動作させる差動段を切り替えるレール・トゥ・レール入力方式をとっている。
差動段1は、pチャネルMOSトランジスタであるトランジスタM1、トランジスタM2、トランジスタM3により構成されている。トランジスタM1は、バイアス電流用MOSトランジスタであって、そのゲートにはバイアス電圧bias1が印加されて電流源となっている。トランジスタM1のソースには、電源電圧VDDが印加されており、トランジスタM1のドレインには、共通接続されたトランジスタM2とトランジスタM3のソースが接続されている。トランジスタM2のドレインはカスコード接続段4の出力側に接続されており、トランジスタM3のドレインはカスコード接続段4の入力側に接続されている。
差動段2は、nチャネルMOSトランジスタであるトランジスタ4、トランジスタM5、トランジスタM6により構成されている。トランジスタM4は、バイアス電流用MOSトランジスタであって、そのゲートにはバイアス電圧bias2が印加されて電流源となっている。トランジスタM2のソースは接地されており、トランジスタM4のドレインには、共通接続されたトランジスタM5とトランジスタM6のソースが接続されている。トランジスタM5のドレインはカスコード接続段3の出力側に接続されており、トランジスタM6のドレインはカスコード接続段3の入力側に接続されている。
カスコード接続段3は、pチャネルMOSトランジスタであるトランジスタM7、M8、M9、M10で構成されている。トランジスタM7、M8は負荷電流源MOSトランジスタであって、トランジスタM7、M8のゲートにはバイアス電圧bias3が印加されて電流源となっている。また、トランジスタM7、M8のソースは共通接続されて、その共通接続されたソースには電源電圧VDDが印加されている。トランジスタM7、M8のドレインは、トランジスタM9、M10のソースに接続されている。
トランジスタM9、M10は、ゲート接地MOSトランジスタであって、トランジスタM9、M10のゲートには、トランジスタM7、M8が飽和領域で動作するように設定されたバイアス電圧bias4が印加されている。かかる構成によれば、カスコード接続段3は、カスコード電流源を構成している。
トランジスタM7とトランジスタM9の接続点には、トランジスタM6のドレインが接続されて、差動段2からの出力信号が印加されている。トランジスタM8とトランジスタM10の接続点にも同様に、トランジスタM5のドレインが接続されて、差動段2からの出力信号が印加されている。
トランジスタM9のドレインは、カスコード接続段4を構成するnチャネルMOSトランジスタであるトランジスタM13のドレインに接続されている。そして、トランジスタM10のドレインは出力段5を構成するpチャネルMOSトランジスタであるトランジスタM17のゲートに接続されている。
カスコード接続段4は、nチャネルMOSトランジスタであるトランジスタM13、M14、M15、M16で構成されている。トランジスタM13、M14はゲート接地MOSトランジスタであって、トランジスタM15、M16が飽和領域で動作するように設定されたバイアス電圧bias7が印加されている。トランジスタM13のドレインは、トランジスタM9のドレインと接続されており、トランジスタM14のドレインは、出力段5を構成いるnチャネルMOSトランジスタであるトランジスタM18のゲートと接続されている。
トランジスタM13、M14のソースは、トランジスタM15、M16のドレインにそれぞれ接続されている。そして、トランジスタM13とトランジスタM15の接続点には、トランジスタM3のドレインが接続されて、差動段1の出力信号が印加されている。トランジスタM14とトランジスタM16の接続点にも同様に、トランジスタM2のドレインが接続されて、差動段1の出力信号が印加されている。
トランジスタM15、M16のソースは共通接続されて接地されている。また、トランジスタM15、M16のゲートは共通接続されて、トランジスタM13のドレインに接続されてカレントミラー回路を構成している。
ここで、カスコード接続段3とカスコード接続段4は、カスコード接続段3を負荷電流源とするカスコード増幅段を構成している。
出力段5は、nチャネルMOSトランジスタであるトランジスタM11、M18と、pチャネルMOSトランジスタであるトランジスタM12、M17で構成されている。トランジスタM17とトランジスタM18はプッシュプル回路を構成しており、トランジスタM17のソースには電源電圧VDDが印加されている。トランジスタM17のドレインはトランジスタM18のドレインと接続されており、トランジスタM18のソースは接地されている。トランジスタM17とトランジスタM18の接続点からの出力電圧が、AB級演算増幅器100の出力電圧Voutとなる。
トランジスタM17のゲートには、トランジスタM10のドレインが接続され、トランジスタM18のゲートにはトランジスタM14のドレインが接続されて、トランジスタM17及びトランジスタM18のゲートには、カスコード接続段3及びカスコード接続段4が構成するカスコード増幅段からの出力電圧が印加されている。
トランジスタM11のドレインと、トランジスタM12のソースは共通接続されて、トランジスタM10とトランジスタM17の接続点に接続されている。トランジスタM11のソースと、トランジスタM12のドレインは共通接続されて、トランジスタM14とトランジスタM18の接続点に接続されている。そして、トランジスタM11のゲートにはバイアス電圧bias5、トランジスタM12のゲートにはバイアス電圧bias6が印加されている。
AB級演算増幅器100では、バイアス電圧bias5及びバイアス電圧bias6によりトランジスタM17とトランジスタM18の定常状態における電流が決定される。
AB級演算増幅器100では、入力電圧を低くすると差動段1が動作する。差動段1からの出力信号はカスコード接続段4の入力となり、カスコード接続段3及びカスコード接続段4により増幅されて、出力段5に印加される。この出力信号は、出力段5においてトランジスタM17によりさらに増幅されて出力される。また、AB級演算増幅器100の入力電圧を高くすると、動作する差動段が切り替わり差動段2が動作する。差動段2からの出力信号はカスコード接続段4の入力となり、カスコード接続段3及びカスコード接続段4により増幅されて、出力段5に印加される。この出力信号は、出力段5において、トランジスタM18によりさらに増幅されて出力される。
ここで、本実施例におけるAB級演算増幅器100では、出力段5を構成するトランジスタM17とトランジスタM18の閾値電圧を、差動段1、差動段2、カスコード接続段3、カスコード接続段4を構成するトランジスタの閾値電圧よりも高くした。
本実施例において、具体的には、トランジスタM17とトランジスタM18の閾値電圧は0.7V〜0.8Vとし、それ以外のトランジスタのうち、pチャネルMOSトランジスタの閾値電圧を0.3V程度とした。ここで、本実施例ではトランジスタM17とトランジスタM18以外のpチャネルMOSトランジスタの閾値電圧を0.3V程度としたが、トランジスタM17とトランジスタM18以外の全てのトランジスタの閾値電圧を0.3V程度としても良い。尚、この電圧値は本実施例における数値であって、これに限定されるものではなく、出力段5を構成するトランジスタの閾値電圧が、出力段5以外を構成するトランジスタの閾値電圧より所定電位高ければ本発明の効果を奏することができる。
以下にその数値的意義を説明する。尚ここでの説明は、AB級演算増幅器100において差動段1が動作した場合について説明する。
AB級演算増幅器100の定常状態において、電源電圧VDDを低電圧とすると、トランジスタM2、M3のゲート・ソース間電圧が一定であるとき、トランジスタM1のソース・ドレイン電圧が飽和ドレイン電圧よりも低くなり、トランジスタM1が飽和領域で動作しなくなる。このことにより、AB級演算増幅器100の高利得が失われる。
そこで、本実施例のように、差動段1とカスコード接続段3を構成するpチャネルMOSトランジスタの閾値電圧を低く設定することにより、電源電圧VDDを低電圧にした場合でも、トランジスタM1を飽和領域で動作させることができる。よって、AB級演算増幅器100は高利得で安定した動作をすることができる。
また、本実施例のAB級演算増幅器100では、トランジスタM2及びトランジスタM5のゲート端子が共通接続されてAB級演算増幅器100の非反転入力端子となっており、トランジスタM3とトランジスタM6のゲート端子が共通接続されて反転入力端子となっている。よって、出力段5からの出力を反転入力端子であるトランジスタM3及びトランジスタM6のゲート端子に印加し、非反転入力端子であるトランジスタM2及びトランジスタM5のゲート端子に接地電位を印加することにより、ボルテージフォロア接続を実現できる。
また、反転入力端子であるトランジスタM3及びトランジスタM6のゲート端子と、出力段5の出力端子との間に抵抗素子を接続することにより、反転入力接続を実現できる。尚このとき、非反転入力端子であるトランジスタM2及びトランジスタM5のゲート端子に印加される接地電位は、入力電圧の許容範囲であるコモンモード電圧範囲とすることが好ましく、これによれば高利得のAB級演算増幅器100を実現できる。
ここで、AB級演算増幅器100の電源電圧VDDをさらに低電圧化していくと、カスコード接続段3においてトランジスタM8が飽和領域で動作していても、トランジスタM10は温度やプロセスのバラツキの影響により飽和領域での安定した動作しなくなる。本実施例ではこの現象を改善すべく、トランジスタM10が常に飽和領域で安定した動作をするように、出力段5のトランジスタM17の閾値を決定した。
図2はカスコード接続段3の回路構成を示す部分拡大図である。図2において、トランジスタM8のソース・ドレイン間電圧をVds8、トランジスタM10のソース・ドレイン間電圧をVds10、トランジスタM17のゲート・ソース間電圧をVgs17とした。
ここで、トランジスタM10の飽和ドレイン電圧をVdsat10としたとき、トランジスタM10が飽和領域で動作を行うための条件は、Vdsat10<Vds10である。また、AB級演算増幅器100の定常状態において、トランジスタM8とトランジスタM10のソース・ドレイン間電圧の関係は、Vds8+Vds10=Vgs17となっている。
例えばここで、AB級演算増幅器100を構成する全てのトランジスタに閾値の低いトランジスタを使用した場合、定常状態においてトランジスタM17のゲート・ソース間電圧Vgs17が低くなり、トランジスタM8が飽和領域で動作していた場合でも、トランジスタM10は飽和領域で動作しなくなる。すると、AB級演算増幅器100の利得は大きく減少することになる。
本実施例では、出力段5を構成するトランジスタM17、M18の閾値電圧を他のトランジスタよりも高く設定することにより、このような現象を回避している。すなわち、トランジスタM8とトランジスタM10の閾値電圧を低く設定し、トランジスタM17のゲート・ソース間電圧が、トランジスタM8とトランジスタM10の飽和ドレイン電圧の和よりも大きくなるように、トランジスタM17の閾値電圧を高く設定した。
このように、トランジスタM17の閾値電圧を高くすると、トランジスタM17のゲート・ソース間電圧Vgs17が大きくなる。よって、トランジスタM10のソース・ドレイン間電圧Vds10を大きくすることができる。このため、トランジスタM10のソース・ドレイン間電圧Vds10を、常にトランジスタM10の飽和ドレイン電圧Vdsat10よりも大きい状態とすることができる。よって、電源電圧VDDを低くした場合でも、トランジスタM8及びトランジスタM10を飽和領域で安定した動作をさせることが可能となる。
以上、本実施例において差動段1が動作した場合について説明したが、差動段2が動作した場合も同様のことが言える。
図3はカスコード接続段4の回路構成を示す部分拡大図である。図3において、トランジスタM14のソース・ドレイン間電圧をVds14、トランジスタM16のソース・ドレイン間電圧をVds16、トランジスタM18のゲート・ソース間電圧をVgs18とした。
ここで、トランジスタM18の閾値電圧は、トランジスタM14とトランジスタM16の飽和ドレイン電圧の和よりも大きくなるように設定されている。よって、トランジスタM18のゲート・ソース間電圧Vgs18は大きくなり、トランジスタM16が飽和領域で動作している場合でも、トランジスタM14のソース・ドレイン間電圧Vds14を大きくすることができる。このため、トランジスタM14のソース・ドレイン間電圧Vds14を、常にトランジスタM14の飽和ドレイン電圧Vdsat14よりも大きい状態とすることができる。よって、トランジスタM14及びトランジスタM16を、常に飽和領域で安定した動作をさせることが可能となる。
以上に説明したように、本発明によれば、AB級演算増幅器を構成する全てのトランジスタについて飽和領域で安定した動作をさせることができ、安定した高利得のAB級演算増幅器を提供することができる。また、本発明によれば、温度、プロセスのばらつきによる影響を受けず、安定した動作を行うAB級演算増幅器を提供できる。
さらに、本発明によれば、回路のレイアウト面積を増加させることなく電源電圧の低電圧化に対応した高利得のAB級演算増幅器を提供することができる。
また、本実施例では、レール・トゥ・レール入力方式のフォールデッドカスコード型AB級演算増幅器について説明したが、本発明は例えばpチャネルMOSトランジス入力方式及びnチャネルMOSトランジスタ入力方式についても同様に適用可能である。
図4は、本発明の実施例2のAB級演算増幅器200を示す回路構成図である。AB級演算増幅器200は、pチャネルMOSトランジスタ入力方式のAB級演算増幅器である。
AB級演算増幅器200は、差動段が1段である以外は実施例1で説明したAB級演算増幅器100と同様の構成である。よって、図2に示すAB級演算増幅器200において実施例1と同様の構成であるものには図1と同様の符号を付与し、説明を省略する。
AB級演算増幅器200は、差動段20、カスコード接続段3、カスコード接続段4、出力段5で構成されている。
差動段20は、pチャネルMOSトランジスタであるトランジスタM19、トランジスタM20、トランジスタM21により構成されている。トランジスタM19は、バイアス電流用MOSトランジスタであって、そのゲートにはバイアス電圧bias8が印加されて電流源となっている。トランジスタM19のソースには、電源電圧VDDが印加されており、トランジスタM19のドレインには、共通接続されたトランジスタM20とトランジスタM21のソースが接続されている。
トランジスタM20のドレインは、カスコード接続段4を構成するトランジスタM13とトランジスタM15の接続点に接続されている。そして、トランジスタM21のドレインは、カスコード接続段4を構成するトランジスタM14とトランジスタM16の接続点に接続されている。そして、トランジスタM20とトランジスタM21のゲートに入力電圧が印加される。
AB級演算増幅器200では、差動段20からの出力信号はカスコード接続段4の入力となり、カスコード接続段3及びカスコード接続段4により増幅されて、出力段5に印加される。この出力信号は、出力段5においてトランジスタM17によりさらに増幅されて出力される。
本実施例においても、実施例1と同様にトランジスタM17の閾値電圧を、トランジスタM8の飽和ドレイン電圧とトランジスタM10の飽和ドレイン電圧の和よりも大きく設定し、トランジスタM18の閾値電圧をトランジスタM14の飽和ドレイン電圧とトランジスタM16の飽和ドレイン電圧の和よりも大きく設定した。よって、実施例1で説明した効果と同様の効果を奏することができる。
また、本実施例では、差動段20をpチャネルMOSトランジスタで構成したが、差動段をnチャネルMOSトランジスタで構成しても良い。その場合は、バイアス電流用MOSトランジスタとなるトランジスタを接地側に配設し、このバイアス電流用MOSトランジスタとカスコード接続段3との間にソースが共通接続された2つのnチャネルMOSトランジスタを配設すれば良い。
以上、各実施例に基づき本発明の説明を行ってきたが、上記実施例にあげた構成、その他の要素との組み合わせなど、ここで示した要件に本発明が限定されるものではない。これらの点に関しては、本発明の主旨をそこなわない範囲で変更することが可能であり、その応用形態に応じて適切に定めることができる。
本発明は、低電源電圧の演算増幅器に応用することができる。
本発明の実施例1のAB級演算増幅器100を示す回路構成図である。 カスコード接続段3の回路構成を示す部分拡大図である。 カスコード接続段4の回路構成を示す部分拡大図である。 本発明の実施例2のAB級演算増幅器200を示す回路構成図である。
符号の説明
100、200 AB級演算増幅器
1、2、20 差動段
3、4 カスコード接続段
5 出力段

Claims (6)

  1. 2対の差動段と、カスコード増幅段と、出力段とを有する演算増幅器において、
    前記出力段を構成する出力トランジスタの閾値電圧が、前記出力トランジスタ以外のトランジスタの閾値電圧よりも高いことを特徴とする演算増幅器。
  2. 前記出力トランジスタの閾値電圧は、略0.7V〜0.8Vであって、
    前記出力トランジスタ以外のトランジスタの閾値電圧は、略0.3V〜0.4Vであることを特徴とする請求項1に記載の演算増幅器。
  3. 前記カスコード増幅段は、pチャネルMOSトランジスタにより構成された第一のカスコード接続段と、nチャネルMOSトランジスタにより構成された第二のカスコード接続段とから構成され、
    前記第一のカスコード接続段は、前記2対の差動段の一方の差動段の出力側に接続され、
    前記第二のカスコード接続段は、前記2対の差動段の他方の差動段の出力側に接続されていることを特徴とする請求項1または2に記載の演算増幅器。
  4. 前記出力トランジスタのゲート・ソース間電圧は、
    前記出力トランジスタのゲートに接続された、前記カスコード接続段を構成する二つのトランジスタの飽和ドレイン電圧の和より大きいことを特徴とする請求項1または2に記載の演算増幅器。
  5. 非反転入力端子に基準電圧が印加され、
    反転入力端子との出力端子とが直接接続されたことを特徴とする請求項1ないし4に記載の演算増幅器。
  6. 非反転入力端子に基準電圧が印加され、
    反転入力端子と出力端子とが、抵抗を介して接続されたことを特徴とする請求項1ないし4に記載の演算増幅器。
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