JP3396524B2 - 電圧電流変換回路 - Google Patents
電圧電流変換回路Info
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Description
化を電流の変化として出力する電圧電流変換回路に関
し、より詳細には、半導体集積回路において、電圧制御
増幅回路(以下、VCA(Voltage-Controlled Amplifi
er)という。)の入力段に接続され、その入力信号とな
る電流等を出力する電圧電流変換回路に関する。
つつあることに伴い、それぞれの半導体デバイスを構成
する半導体回路の特性として、電圧振幅の高い入力信号
に対して、歪みの少ない出力信号を出力する特性をもつ
ことが要望されている。
いられる基本的な回路構成の一つに、電圧電流変換回路
がある。
トランジスタ等の半導体素子を差動対として利用した回
路が一般的である。
術の電圧電流変換回路を図3に示す。図3における電圧
電流変換回路は、npn型バイポーラトランジスタ10
1及び102、固定抵抗103並びに定電流源104及
び105により構成される差動対100と、入力バイア
ス電圧106と、電源VCCとで構成されており、トラン
ジスタ101及び102のベース端子に印加される入力
電圧VINに対応した出力電流IOUT が、トランジスタ1
02のコレクタ電流として得られる。
トランジスタ101及び102のベース−エミッタ間電
圧(以下、ベース−エミッタ間電圧をVBEという。)が
持つ非線形性による出力電流IOUT の歪みが考えられ
る。これについては、入力電圧VINが小さい範囲におい
ては、VBEの非線形性による歪み成分が出力電流IOUT
に与える影響が少ないため、出力電流IOUT としての歪
み率は小さくなる。
と、VBEの非線形性による歪み成分が大きくなり、この
歪み成分が出力電流IOUT に与える影響が大きくなるこ
とに加え、定電流源104及び105が飽和することに
より、入力電圧VINが変化しても出力電流IOUT が変化
しなくなるため、出力電流IOUT 全体としての歪み率は
大きくなる。
変換回路として、図4に示す第2の従来技術の電圧電流
変換回路がある。図4における電圧電流変換回路は、6
個のpnp型バイポーラトランジスタ201、202、
211、212、221、222及び定電流源203、
215、223により3個の差動対200、210、2
20がそれぞれ構成され、トランジスタ201及び22
2のそれぞれのベース端子に入力電圧VINが印加され
る。また、出力電流IOUT は、トランジスタ211のコ
レクタ電流として得られる。
の非線形性による歪みについては、本回路がトランジス
タ201及び222のベース端子を正転入力端子とし、
トランジスタ202及び221のベース端子を反転入力
端子とし、トランジスタ211及び212のエミッタ端
子を出力端子とする差動増幅器の全負帰還回路となり、
100%の負帰還がかかるために、当該全負帰還回路の
オープンループゲインをGOPとすると、VBEの非線形性
による歪みはほぼ1/GOPに圧縮されるので、歪み率の
低い出力電流IOUT が得られる。
術においては、出力電流の経路に直列に電圧電流変換抵
抗213及び214が挿入されているので、この抵抗に
よる損失の影響と定電流源215の動作に必要な電圧の
影響により、入力電圧VINのダイナミックレンジが狭め
られるという問題点があった。
トランジスタのVBEの非線形性による歪みの影響をなく
し、且つ、ダイナミックレンジを狭めることがない電圧
電流変換回路を提供することにある。
めに、請求項1に記載の発明は、例えば図1に示すよう
に、高電位側電源に接続されたカレントミラー回路の入
力端と低電位側電源との間に、制御端子が当該カレント
ミラー回路の出力端に接続されると共に入力端子が前記
入力端に接続された第1半導体素子と、一端が前記第1
半導体素子の出力端子に接続されると共に他端が前記低
電位側電源に接続され且つ前記カレントミラー回路に流
れる電流とは無相関の一定電流を発生させる定電流源
と、からなる直列回路が形成され、前記入力端から前記
第1半導体素子に入力される電流とほぼ等しい電流値を
もつ電流を出力する前記出力端と前記低電位側電源との
間に、前記第1半導体素子と同様の物理的特性を有する
第2半導体素子と、固定電圧値を有するバイアス電圧を
発生させるバイアス電源と、からなる直列回路が形成さ
れ、変換されるべき入力電圧が入力される入力端子と前
記第1半導体素子の出力端子との間に、前記入力電圧の
変化を電流の変化に変換する入力抵抗が接続されている
ことを特徴として構成される。
すように、高電位側電源に接続されたカレントミラー回
路の入力端と低電位側電源との間に、ベース端子が当該
カレントミラー回路の出力端に接続されると共にコレク
タ端子が前記入力端に接続された電流増幅用トランジス
タと、一端が前記電流増幅用トランジスタのエミッタ端
子に接続されると共に他端が前記低電位側電源に接続さ
れ且つ前記カレントミラー回路に流れる電流とは無相関
の一定電流を発生させる定電流源と、からなる直列回路
が形成され、前記入力端から前記電流増幅用トランジス
タに入力される電流とほぼ等しい電流値をもつ電流を出
力する前記出力端と前記低電位側電源との間に、前記電
流増幅用トランジスタのベース−エミッタ間電圧特性と
同様の電圧特性を有する半導体素子と、固定電圧値を有
するバイアス電圧を発生させるバイアス電源と、からな
る直列回路が形成され、変換されるべき入力電圧が入力
される入力端子と前記電流増幅用トランジスタのエミッ
タ端子との間に、前記入力電圧の変化を電流の変化に変
換する入力抵抗が接続されていることを特徴として構成
される。
示すように、入力抵抗は入力電圧の変化を入力抵抗を流
れる電流の変化に変換する。
入力抵抗を流れる電流を合わせた電流の値を一定に保
つ。その結果、第1半導体素子の入力電流が入力抵抗を
流れる電流の変化に対応して変化するため、第1半導体
素子の出力電流も入力抵抗を流れる電流の変化に対応し
て変化する。
子の電位を固定するためのバイアス電圧を供給する。カ
レントミラー回路は、第1半導体素子及び第2半導体素
子を同じ条件で動作させるために、第1半導体素子の出
力電流とほぼ等しい大きさを持つ電流を第2半導体素子
に供給する。
物理的特性を持つように製作されているので、第1半導
体素子における当該第1半導体素子の非線形特性による
電流増幅時の歪みを補償する。
増幅時の歪みを第2半導体素子により補償し、且つ、入
力電圧を電流に変換する入力抵抗と定電流源とを入力電
圧が入力される入力段に配置することで出力段の抵抗に
おける電圧降下による電圧損失がないので、歪みが少な
く且つダイナミックレンジを狭めることのない電圧電流
変換が可能になる。
1に示すように、入力抵抗は入力電圧の変化を入力抵抗
を流れる電流の変化に変換する。定電流源は、電流増幅
用トランジスタのエミッタ電流と入力抵抗を流れる電流
を合わせた電流の値を一定に保つ。
ッタ電流が入力抵抗を流れる電流の変化に対応して変化
するため、電流増幅用トランジスタのコレクタ電流も入
力抵抗を流れる電流の変化に対応して変化する。
のベース端子の電位を固定するためのバイアス電圧を供
給する。カレントミラー回路は、電流増幅用トランジス
タ及び半導体素子を同じ条件で動作させるために、電流
増幅用トランジスタのコレクタ電流とほぼ等しい大きさ
をもつ電流を半導体素子に供給する。
BEの特性と同じ電圧特性を持つように製作されている。
その結果、電流増幅用トランジスタのコレクタ電流(出
力電流)を表す式(例えば、後述の(3)式参照)にお
いて、電流増幅用トランジスタのVBEの非直線性を示す
項が、半導体素子の電圧特性の非直線性を示す項により
相殺されるので、電流増幅用トランジスタのVBEの非直
線性に起因する電流増幅時の歪みが半導体素子の電圧特
性の非直線性により補償されることとなる。
ける電流増幅時の歪みを半導体素子により補償し、且
つ、入力電圧を電流に変換する入力抵抗と定電流源とを
入力電圧が入力される入力段に配置することで出力段の
抵抗における電圧降下による電圧損失がないので、歪み
が少なく且つダイナミックレンジを狭めることのない電
圧電流変換が可能になる。
基づいて説明する。 (I)第1実施例 図1に本発明の第1実施例を示す。
トミラー回路6と、カレントミラー回路6の入力端にコ
レクタ端子が接続され、カレントミラー回路6の出力端
にベース端子が接続され、エミッタ端子が定電流IC を
流す定電流源5を介して接地されている第1トランジス
タ1と、ベース端子とコレクタ端子が共通接続となって
カレントミラー回路6の出力端と第1トランジスタ1の
ベース端子の接続点に接続され、エミッタ端子が第1ト
ランジスタ1のベース電位を固定するための固定バイア
ス電源VB を介して接地されている第2トランジスタ2
と、第1トランジスタ1のエミッタ端子と定電流源5の
接続点と入力端子INとの間に接続された入力抵抗3で
構成されている。
れる電流は本実施例の出力電流IOU T でもあり、かつカ
レントミラー回路6の基準電流となるものでもある。カ
レントミラー回路6は、3個のpnp型バイポーラトラ
ンジスタ61、62及び63からなる3トランジスタ型
カレントミラー回路であり、出力電流IOUTに対する各
トランジスタのアーリー効果の影響を軽減するための固
定抵抗64及び65がトランジスタ61及び62のそれ
ぞれのエミッタ端子と電源VCCとの間に接続されてい
る。
のコレクタ電流として流れる基準電流と大きさの等しい
出力電流がトランジスタ61のコレクタ電流として流れ
るように構成されている。
2は、温度特性及びVBEの非線形性等の物理的特性が同
じになるように製作されたnpn型バイポーラトランジ
スタで構成されている。
力電圧VINは、入力抵抗3を介して第1トランジスタ1
のエミッタ端子に入力される。このとき、入力電圧VIN
には、第1トランジスタ1の動作点を固定するためのエ
ミッタ入力バイアス電圧VE1が重畳されている。
ス電圧VE1とともに入力される入力電圧VINの変化は、
入力抵抗3によって入力抵抗3を流れる電流IR の変化
に変換される。
エミッタ電流IE1を合成した電流の値は、定電流源5に
よって一定値(IC )に保たれている。したがって、電
流I R の変化は電流IE1の変化に変換される。
流がほとんど零となるように設定されているので、電流
IE1の変化は、そのまま電流増幅されて第1トランジス
タ1のコレクタ電流の変化となり、このコレクタ電流が
出力電流IOUT となる。
出力電流IOUT の変化に変換され、本実施例の回路が電
圧電流変換回路として動作する。次に、カレントミラー
回路6は、第1トランジスタ1のコレクタ端子及び第2
トランジスタ2のコレクタ端子にほぼ等しい大きさの電
流を供給する。
作した場合には、第1トランジスタ1と第2トランジス
タ2は、共通の工程を経て製作され、且つ近接して製作
されるため、両者は温度依存性及びVBEの非線形性が同
じ特性を持つこととなる。
て、出力電流IOUT に影響する非線形性を持つ第1トラ
ンジスタ1のVBEは、第2トランジスタのVBEによって
相殺され、出力電流IOUT に対する第1トランジスタ1
のVBEの非線形性の影響はなくなる。
ランジスタのVBEによって相殺されることに関して詳説
する。今、第1トランジスタ1のVBEをVBE1 、第2ト
ランジスタのVBEをVBE2 、入力抵抗3の抵抗値を
RIN、第1トランジスタ1のベース接地電流増幅率をh
FBとすると、図3におけるエミッタ入力バイアス電圧V
E1、入力電圧VIN、入力抵抗3、第1トランジスタ1、
第2トランジスタ2及び固定バイアス電源VB で構成さ
れる閉回路において、第1トランジスタ1のエミッタ端
子と入力抵抗3との接続点の電位を中心として、次式
(1)が成立する。
BEの非線形性及び温度依存性等の物理的特性がほぼ等し
くなるように製作され、且つ本実施例においては、カレ
ントミラー回路6により、第1トランジスタ1及び第2
トランジスタ2のコレクタ端子にほぼ等しい値の電流が
供給されていることから、第1トランジスタ1及び第2
トランジスタ2が同じ条件で動作するため、次式(4)
が成立する。
は無関係となる。
トランジスタ1のVBEの非線形性の影響はなくなること
となる。さらに、本実施例によると、出力段の抵抗にお
ける電圧降下による電圧損失がないので入力電圧VINの
ダイナミックレンジを狭めることがない。 (II)第2実施例 図2に本発明の第2実施例を示す。
分については、同一の番号を付し、細部の説明は省略す
る。本実施例は、本発明の電圧電流変換回路の出力電流
IOUT をVCA回路の入力電流として活用した例であ
る。
した第1実施例に示す電圧電流変換回路に加えて、定電
流源5が出力する定電流IC の鏡像電流IC1を生成して
第1トランジスタ1のエミッタ電流IE1と入力抵抗3を
流れる電流IR を合成した電流の値を一定値(IC1)に
保つためのカレントミラー回路8と、VCA回路10の
入力電流とするための出力電流IOUT の鏡像電流IOUT2
及びIOUT3を生成する出力回路7と、VCA回路10に
より構成されている。
ランジスタ62とともに他のカレントミラー回路を構成
し出力電流IOUT の鏡像電流IOUT2を出力するトランジ
スタ71と、カレントミラー回路6のトランジスタ62
とともに他のカレントミラー回路を構成し出力電流I
OUT の鏡像電流IOUT3を出力するトランジスタ72で構
成されている。ここで、出力電流IOUT 、出力電流I
OUT の鏡像電流IOUT2及びIOUT3の間には、IOUT2=I
OUT3=IOUT の関係が成立する。
S2 を構成する出力トランジスタ11、12、13及び
14と、カレントミラー回路8のトランジスタ81とと
もに他のカレントミラー回路を構成し、定電流源IC の
2倍の電流値をもつ鏡像電流IC2を生成するためのトラ
ンジスタ66と、出力回路7におけるトランジスタ72
の出力電流IOUT3の鏡像電流を生成し、差動対S2 の入
力信号電流IS2-IN とするためのカレントミラー回路9
と、で構成されている。
トランジスタ11及び12のエミッタ端子に流れる電流
IS1-IN 並びに出力トランジスタ13及び14のエミッ
タ端子に流れる電流IS2-IN を入力信号電流とし、2個
の差動対S1 及びS2 におけるそれぞれの出力トランジ
スタのベース−ベース間電圧VCTL1及びVCTL2を図示し
ない制御回路から出力される制御信号として出力トラン
ジスタ11、12、13及び14の増幅率を制御するこ
とにより、互いに逆相関係(正転信号と逆転信号の関
係)にある2つの出力電流OUTPUTを変化させるも
のである。
るためには、入力信号電流である電流IS1-IN と電流I
S2-IN に関しても、互いに逆相関係になるように入力さ
れる必要がある。
においては、第1実施例に示す回路の動作に加えて、補
償用トランジスタ4は、カレントミラー回路6から第1
トランジスタ1及び第2トランジスタ2のコレクタ端子
に供給される電流を等しくする。
出力される定電流IC と同じ大きさを持つ鏡像電流IC1
を生成し、第1トランジスタ1のエミッタ電流IE1と入
力抵抗3に流れる電流IR を合成した電流の値を一定値
(IC1)に保つ。よって、第1実施例と同様に、入力電
圧VINの変化による電流IR の変化が、電流IE1の変化
に変換される。
72は、カレントミラー回路6のトランジスタ62とと
もに、それぞれ個別のカレントミラー回路を構成し、第
1トランジスタ1のコレクタ電流として流れる出力電流
IOUT の鏡像電流IOUT2及びIOUT3を生成する。よっ
て、出力回路7から出力電流IOUT と等しい大きさを持
つ2つの電流IOUT2及びIOUT3が出力され、これらはV
CA回路10における入力信号電流IS1-IN 及びI
S2-IN を生成するためにVCA回路10に供給される。
路9は、出力回路7のトランジスタ72の出力電流I
OUT3に対してさらに鏡像作用を施すことにより、差動対
S2 の入力信号電流IS2-IN を生成する。
は、カレントミラー回路8のトランジスタ81と他のカ
レントミラー回路を構成する。その結果、トランジスタ
66のコレクタ電流として、定電流源5が出力する定電
流IC の2倍の電流値をもつ定電流IC2が流れる。よっ
て、出力回路7のトランジスタ71から出力された出力
電流IOUT2と、差動対S1 の入力信号電流IS1-IN を合
成した電流の値が一定値(IC2)に保たれるので、出力
電流IOUT2と逆相関係にある入力信号電流IS1 -IN が得
られる。ここで、出力電流IOUT2は、差動対S2 の入力
信号電流IS2-I N と等しい大きさを持つ。
スタ66により、互いに逆相関係を持ち、出力電流I
OUT の変化に対応して変化する入力信号電流IS1-IN 及
びIS2 -IN が得られる。
号電流IS1-IN 及びIS2-IN を入力信号電流とし、V
CTL1及びVCTL2を制御信号として、出力トランジスタ1
1、12、13及び14の増幅率を制御し、出力電流O
UTPUTを変化させる。
により、入力電圧VINの変化に対応した入力電流により
動作するVCAが構成される。以上の各実施例における
電圧電流変換回路においては、第1トランジスタ1のV
BEを第2トランジスタ2のVBEにより相殺することによ
り、VBEの持つ非線形性及び温度依存性による出力電流
IOUT の歪みをなくすことができる。
よる電圧損失がないので入力電圧V INのダイナミックレ
ンジを狭めることがない。変型例 上記の2つの実施例において、全てのnpn型バイポー
ラトランジスタをpnn型バイポーラトランジスタに置
き換え、全てのpnp型バイポーラ・トランジスタをn
pn型バイポーラ・トランジスタに置き換え、電流
VCC、エミッタ入力バイアス電圧VEI及び固定バイアス
電流VB の正負の極性を反転し、定電流源5の方向を逆
にして構成した場合にも同様な効果が得られる。このと
き、第1トランジスタ1と第2トランジスタ2となる2
個のpnp型バイポーラトランジスタの条件として、そ
の温度依存性及びVBEの非線形性等の物理的特性が互い
に等しいことが必要である。
は全てのトランジスタを電界効果トランジスタを用いて
構成しても良い。このとき、第1トランジスタ1及び第
2トランジスタ2として用いる電界効果トランジスタに
ついては、温度依存性等の物理的特性が同じである必要
がある。
発明によれば、相互に同じ物理的特性を持つ第1半導体
素子及び第2半導体素子に対し、ほぼ等しい大きさの電
流を供給することにより、第1半導体素子における電流
増幅時の歪みを第2半導体素子により補償し、且つ、入
力電圧を電流に変換する入力抵抗と定電流源とを入力電
圧が入力される入力段に配置することで出力段の抵抗の
電圧降下による電圧損失がないので、歪みがなくダイナ
ミックレンジを狭めることのない電圧電流変換が可能に
なる。
用トランジスタ及び当該電流増幅用トランジスタのベー
ス−エミッタ間電圧特性と同じ電圧特性を持つように製
作された半導体素子に対し、ほぼ等しい大きさの電流を
供給することにより、電流増幅用トランジスタのVBEの
非直線性が半導体素子の電圧特性の非直線性により相殺
される。
BEの非直線性に起因する電流増幅時の歪みを半導体素
子の電圧の非直線性により補償し、且つ、入力電圧を電
流に変換する入力抵抗と定電流源とを入力電圧が入力さ
れる入力段に配置することで出力段の抵抗の電圧降下に
よる電圧損失がないので、歪みがなくダイナミックレン
ジを狭めることのない電圧電流変換が可能になる。
スタ 64、65…抵抗 100…差動対 101、102…npn型バイポーラトランジスタ 103…固定抵抗 104、105…定電流源 106…入力バイアス電圧 200、210、220…差動対 201、202、211、212、221、222…ト
ランジスタ 213、214…電圧電流変換抵抗 203、215、223…定電流源 S1 、S2 …差動対 IN…入力端子 VIN…入力電圧 VCC…電源 VE1…エミッタ入力バイアス電圧 VB …固定バイアス電圧 IOUT …出力電流 IOUT2、IOUT3…出力電流IOUT の鏡像電流 IR …入力電流 IE1…第1トランジスタのエミッタ電流 IC …定電流 IC1、IC2…定電流IC の鏡像電流 IS1-IN …差動対S1 の入力信号電流 IS2-IN …差動対S2 の入力信号電流 VCTL1、VCTL2…制御信号 OUTPUT…出力電流
Claims (2)
- 【請求項1】 高電位側電源に接続されたカレントミラ
ー回路の入力端と低電位側電源との間に、制御端子が当
該カレントミラー回路の出力端に接続されると共に入力
端子が前記入力端に接続された第1半導体素子と、一端
が前記第1半導体素子の出力端子に接続されると共に他
端が前記低電位側電源に接続され且つ前記カレントミラ
ー回路に流れる電流とは無相関の一定電流を発生させる
定電流源と、からなる直列回路が形成され、 前記入力端から前記第1半導体素子に入力される電流と
ほぼ等しい電流値をもつ電流を出力する前記出力端と前
記低電位側電源との間に、前記第1半導体素子と同様の
物理的特性を有する第2半導体素子と、固定電圧値を有
するバイアス電圧を発生させるバイアス電源と、からな
る直列回路が形成され、変換されるべき入力電圧が入力される 入力端子と前記第
1半導体素子の出力端子との間に、前記入力電圧の変化
を電流の変化に変換する入力抵抗が接続されていること
を特徴とする電圧電流変換回路。 - 【請求項2】 高電位側電源に接続されたカレントミラ
ー回路の入力端と低電位側電源との間に、ベース端子が
当該カレントミラー回路の出力端に接続されると共にコ
レクタ端子が前記入力端に接続された電流増幅用トラン
ジスタと、一端が前記電流増幅用トランジスタのエミッ
タ端子に接続されると共に他端が前記低電位側電源に接
続され且つ前記カレントミラー回路に流れる電流とは無
相関の一定電流を発生させる定電流源と、からなる直列
回路が形成され、 前記入力端から前記電流増幅用トランジスタに入力され
る電流とほぼ等しい電流値をもつ電流を出力する前記出
力端と前記低電位側電源との間に、前記電流増幅用トラ
ンジスタのベース−エミッタ間電圧特性と同様の電圧特
性を有する半導体素子と、固定電圧値を有するバイアス
電圧を発生させるバイアス電源と、からなる直列回路が
形成され、変換されるべき入力電圧が入力される 入力端子と前記電
流増幅用トランジスタのエミッタ端子との間に、前記入
力電圧の変化を電流の変化に変換する入力抵抗が接続さ
れていることを特徴とする電圧電流変換回路。
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JP33758093A JP3396524B2 (ja) | 1993-12-28 | 1993-12-28 | 電圧電流変換回路 |
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JPH07202578A JPH07202578A (ja) | 1995-08-04 |
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