JP3830724B2 - 増幅器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、増幅器に係り、特に、分散型利得ラインドライバ増幅器に関する。
【0002】
【従来の技術】
ラインドライバ(line driver)増幅器は、現代のアナログ回路設計におけるボトルネックである。他のアナログ回路構成部品とのそれらの統合は、問題が多い。この1つの理由は、比較的大きな供給電圧を使用する必要性が、より微細でより高速な集積回路技術を使用することから生じる利点を得ることを妨げることである。他の理由は、大きな電力消費、電源および集積回路基板からくる雑音への遷移状態の間遙かに大きい電流を提供する能力と共に、その出力トランジスタによく制御された無活動の電流(quiescent current)を有するべきである。また、多くのアプリケーションにおいて、高い周波数におけるラインドライバ増幅器の歪み特性は、非常に重要である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
従来のラインドライバ増幅器構成において、増幅器出力トランジスタの相互コンダクタンスは、電流で変化する。結果として、増幅器帯域幅は、出力トランジスタ電流に依存する。これは、増幅器出力にダイナミックな歪みを生じ、周波数ドメインにおける非線形性を生じる。
【0004】
【課題を解決するための手段】
従来のラインドライバ増幅器のこれらの問題点および他の問題および制約は、それぞれが複数の出力トランジスタおよび対応する複数の補助増幅器を含む増幅器段を使用することにより解決される。出力トランジスタおよび補助増幅器対は、並列に接続される。補助増幅器の各々は、ビルトイン電圧オフセットを含み、最小の電圧オフセットを有する補助増幅器から始まり、最大のオフセットを有する補助増幅器で終わる。
【0005】
個々の補助増幅器は、全体的な増幅器入力信号が補助増幅器オフセット電圧レベルよりも小さい大きさを有する限り、それらの対応する出力トランジスタをオフ状態に維持する。入力信号の大きさのレベルが、補助増幅器のオフセットレベル以上である場合、補助増幅器は、その対応する出力トランジスタをオン状態にする。したがって、より小さな入力信号に対して、全てよりも少ない出力トランジスタがオン状態であり、最大の入力信号に対して、全ての出力トランジスタがオン状態となる。
【0006】
補助増幅器−出力トランジスタ対を使用することで、より小さなサイズのトランジスタの使用が可能となる。そしてそのトランジスタの各々は、等価な単一の出力トランジスタよりも小さい出力電流を有する。各増幅器段における全ての出力トランジスタは並列に接続されているので、増幅器出力電流は、オン状態の出力トランジスタを通って流れる電流の和である。したがって、増幅器帯域幅は、出力トランジスタ電流により依存性が小さくなり、全体の増幅器構造のダイナミック線形性は、周波数ドメインにおいて大幅に改善される。
【0007】
本発明の一実施形態において、補助増幅器オフセット電圧レベルは固定であり、本発明の別の実施形態において、補助増幅器のオフセット電圧レベルは、調節可能、例えばプログラム可能である。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下の例において、トランジスタは電界効果トランジスタ(FET)として示されているが、本発明は、他の半導体デバイストランジスタエレメントで好都合に使用され得る。したがって、説明の単純化および明瞭化のために、FETは、以下トランジスタと呼ばれる。
【0009】
図1は、従来のラインドライバ増幅器100の典型的な出力段を示す単純化したブロック図である。増幅器100は、2つの同様の出力段を含むこの技術分野においてよく知られたタイプのいわゆる対称型増幅器である。一方の増幅器段101は、補助増幅器102および出力トランジスタ103を含み、他方の増幅器段104は、補助増幅器105および出力電界効果トランジスタ106を含む。
【0010】
増幅器段101は、増幅器100の入力端子107、出力端子108および供給電圧端子109の間に接続されている。増幅器段104は、入力端子107、出力端子108および接地電位端子110の間に接続されている。出力トランジスタ103はp形であり、出力トランジスタ106はn形である、それ以外、増幅器段101および104は本質的に同一である。増幅器100の段101および104は、本質的に同一であり、段101のみを詳細に説明する。
【0011】
この従来技術による増幅器100は、フィードバックによるその線形性および大きな出力電圧スイングを提供するその能力のために魅力的である。高い周波数における増幅器100の線形性を改善するために、その増幅器段例えば補助増幅器102および出力トランジスタ103を含む増幅器段101の統一体の利得帯域幅が最大化されるべきである。
【0012】
増幅器102の伝達関数は、次式で与えられる。
【数1】
ここで、1/τは、ドミナントポール周波数である。
【0013】
増幅器段101の伝達関数は、次式で与えられる。
【数2】
ここで、gmOUTは、出力トランジスタ103の相互コンダクタンスであり、RLは負荷インピーダンスである。この伝達関数は、ミラー効果が顕著ではなく、即ち、補助増幅器102の出力と出力トランジスタ103の出力との間の容量性結合がない場合のような、非常に小さい出力負荷(50Ω以下)に対して有効である。出力トランジスタ103は、通常、低い無活動電流(quiescent current)(典型的には、100μA−1mA)を運び、ピーク電流は100−400mAである。
【0014】
図2は、図1の増幅器についての帯域幅対出力トランジスタ電流特性をグラフ的に示す。図1に示された増幅器の出力トランジスタのgmOUT は、電流で変化するので、出力段の遅れの帯域幅は、図2において帯域幅対出力トランジスタ電流(Iout)特性により示されているように信号に依存する。これは出力段のダイナミックな歪みとなる。補助増幅器の容量性負荷は、非常に小さな抵抗性出力負荷インピーダンスに対して、出力トランジスタのゲートキャパシタンスCgsにより主に決定される。
【0015】
所定の抵抗性負荷インピーダンスにおける所定の最大電圧レベル条件に対して、所定のCMOS技術に対して、出力トランジスタ103のサイズおよびそのCgsが決定される。増幅器段101に対する得られる伝達関数は、次式で表される。
【数3】
ここで、gmINは、増幅器102の相互コンダクタンスである。
【0016】
式3は、伝達関数の周波数応答を最適化することは、出力トランジスタ103のFt=Cgs/gmを最適化することになる。比Ftは、次式で表される。
【数4】
ここで、W,LおよびIは、それぞれ出力トランジスタの幅、長さおよび電流である。
【0017】
Ftを最大化するために、出力トランジスタの所定の電流要求およびチャネル長Lに対して、チャネルの幅Wが最小化されなければならない。従来技術によるラインドライバ増幅器100は、異なる出力電圧レベルで動作し、その出力トランジスタ103は、最大の電圧レベルを送出するように設計されるので、チャネル幅Wはオーバサイズであり、ラインドライバ増幅器100の周波数応答は最適化されていない。
【0018】
図3は、本発明の一実施形態を含むラインドライブ増幅器300を示す単純化されたブロック図である。具体的には、2つの増幅器段301および302を含む増幅器300が示されている。増幅器段301は、複数の補助増幅器303−1ないし303−Nおよびそれぞれ並列接続されたそれらの関連づけられた出力トランジスタ304−1ないし304−Nを含む。同様に、増幅器段302は、補助増幅器305−1ないし305−Nおよびそれぞれ並列に接続されたそれらの出力トランジスタ306−1ないし306−Nを含む。
【0019】
この例において、補助増幅器303および305は、第1および第2の入力および1つの出力を有する差動増幅器を含み、「ビルトイン」、即ち内部的に生成されるオフセット電圧を有する。差動増幅器は、図4に関して以下に説明されるように、特定のオフセット電圧を提供するように設計されている。補助増幅器303および305の各々の第1の入力は、増幅器300の入力端子307に接続されており、補助増幅器303および305の第2の入力は、増幅器300の出力端子308に接続されている。
【0020】
同様に、補助増幅器303−1ないし303−Nの各々からの出力は、それぞれ、関連づけられた出力トランジスタ304−1ないし304−Nのゲート端子に接続されている。出力トランジスタ304の各々のソース端子は、供給電圧端子309に接続されており、出力トランジスタ304の各々のドレイン端子は、出力端子308に接続されている。同様に、補助増幅器305−1ないし305−Nの各々からの出力は、それぞれ、関連づけられた出力トランジスタ306−1ないし306−Nのゲート端子に接続されている。
【0021】
出力トランジスタ306の各々のソース端子は、この場合は接地電位にある端子310に推測されており、出力トランジスタ306の各々のドレイン端子は、出力端子308に接続されている。この例において、図示されているように、出力トランジスタ304は、CMOS技術により製造されたn形の電界効果トランジスタである。同様に、この例において、出力トランジスタ306は、CMOS技術により製造されたn形の電界効果トランジスタである。
【0022】
補助増幅器303−1ないし303−Nおよびそれぞれそれらの関連づけられた出力トランジスタ304−1ないし304−Nは、増幅器300の入力端子307、供給電圧端子309および増幅器300の出力端子308の間に並列に接続されている。補助増幅器305−1ないし305−Nおよびそれぞれそれらの関連づけられた出力トランジスタ306−1ないし306−Nは、増幅器300の入力端子307、接地電位端子310および増幅器300の出力端子308の間に並列接続されている。
【0023】
複数の出力トランジスタ304および306はそれぞれ本発明に従って、増幅器段301および302において使用されているので、個々の出力トランジスタは、従来のラインドライバ増幅器においてなされていたように単一の出力トランジスタが増幅器段当たりに使用される場合に必要とされるものよりもより小さいサイズであり得る。この場合において、ラインドライバ増幅器300は、CMOS技術を使用して集積回路中に具現化される。
【0024】
また、この例において、補助増幅器303および305は、それらの個々のビルトインオフセット電圧に従って、シーケンス中に構成される。したがって、補助増幅器303−1および305−1の各々は、最小の所望のオフセット電圧を有し、補助増幅器303−Nおよび305−Nは、最大の所望のオフセット電圧を有する。補助増幅器303および305の中間のものは、所望の回路構成により決定されるオフセット電圧を有する。
【0025】
この方法において、補助増幅器303および305は、それぞれ関連づけられた出力トランジスタ304および306を、端子307に供給される入力信号の大きさが、補助増幅器のオフセット電圧よりも小さい限り、オフ状態に維持する。入力端子307に供給される入力信号の大きさが補助増幅器のオフセット電圧に到達したかまたは超えた場合、これは、その関連づけられた出力トランジスタをオン状態に駆動する。
【0026】
したがって、出力トランジスタ304のうちの1つ以上および出力トランジスタ306のうちの1つ以上が、オン状態であり得る。入力信号の大きさが、最大のオフセット電圧以上である場合、出力トランジスタの全ては、オン状態に駆動され、増幅器300の出力電流を送出することに参加する。式4において、所定の出力電流要求および出力トランジスタチャネル長Lに対して、チャネル幅Wは最小化されるべきである。
【0027】
上述の本発明の実施形態において、複数のより小さなチャネル幅の出力トランジスタを使用することにより、これらの出力トランジスタのみが、入力信号の大きさに依存してオン状態にあることが理解される。即ち、より小さな入力信号に対して、より大きな入力信号よりも少ない数の出力トランジスタがオン状態になる。即ち、この方法において、複数の出力トランジスタに等価な1つのトランジスタの有効幅Wは、増幅器300の出力電流Iに比例するようになり、本発明によれば、全ての入力信号レベルに対してFtが等しくなりかつ最大化される。
【0028】
この本発明の複数の補助増幅器および複数の出力トランジスタの実施形態は、周波数ドメインにおいて全体のラインドライバ増幅器300の線形性を増大させる。しかし、使用されるべき補助増幅器および出力トランジスタ段の数と増幅器300の性能との間にトレードオフがある。したがって、所定の数の補助増幅器段が使用されると、追加的な補助増幅器および出力トランジスタ段の使用で、性能における仮想的な改善のみが期待され得る。
【0029】
図4は、図3のラインドライバ増幅器において、使用される補助増幅器303または305において使用され得るビルトインオフセット電圧レベルを含む差動増幅器を示す単純化した図である。入力信号が、入力端子401から電界効果トランジスタ402および403のゲート端子に供給される。トランジスタ402および403は、よく知られた差動対増幅器構成で、負荷インピーダンス407および408とバイアス電界効果トランジスタ405と共に、供給電圧端子409と、この場合は、接地電位端子410との間に接続される。バイアス電圧は、バイアス端子406により、トランジスタ405のゲート端子に加えられ、周知の方法で、差動増幅器の動作電流を設定する。
【0030】
上述したように、補助増幅器303および305の各々は、ビルトインオフセット電圧レベルを有する。このオフセット電圧レベルは、トランジスタ402および403に電流の不一致を持たせることにより得られる。オフセット電圧レベルを制御するために、トランジスタ402と403との間の電流の不一致は、トランジスタ間のしきい値不一致よりも大きくなければならない。したがって、トランジスタ402および403の同じゲート・ソース端子電圧に対して、電流不一致は、トランジスタ402および403のチャネルの比W/Lに比例することになる。ここで、Wはチャネル幅であり、Lはチャネル長である。
【0031】
確かに、得られる電流不一致は、トランジスタ402および403が対称的である場合の電圧に対して、出力404における出力電圧に所望の偏差を生じる。したがって、本発明によれば、所望のオフセット電圧レベルを生じる。実際には、トランジスタ402と403との間の所望の電流不一致を得るため、したがって増幅器オフセット電圧を得るため、固定長Lのチャネルとし、チャネル幅Wのみを調節することが有利である。
【0032】
図5は、図3に示された本発明の実施形態において使用される補助増幅器において、好都合に使用され得るプログラム可能なオフセット電圧レベルを有する差動増幅器を示す単純化された図である。図4に示された差動増幅器において使用されたものと同様の動作および機能を有する構成要素であって上述されたものは、同様の符号がふられており、ここでは詳細に説明しない。したがって、複数の電界効果トランジスタ403−1ないし403−Yが示されており、これらは、互いに異なるチャネル領域を有し、トランジスタ402のチャネル領域に対して異なるチャネル領域を有する。
【0033】
そして、所望のオフセット電圧レベルを得るために、トランジスタ403−1ないし403−Yのうちの1つ以上が、それぞれ、制御可能なスイッチ411−1ないし411−Yにより、図4のトランジスタ403のように、差動増幅器500の第2の位置に切り換えられる。所望のオフセット電圧を生じる理由は、図4に示された差動増幅器に対して上述されており、図5の差動増幅器500に同様に適用可能である。
【0034】
例えば、特定のアプリケーションによりまたは所望の応答特性を得ることにより、全て同じサイズではなく、様々なサイズの出力トランジスタを使用することが望ましい可能性がある。また、本発明がいわゆる平衡型増幅器構成で構成されることが分かる。どのようにそのような平衡型増幅器構成が実現できるかは、当業者に明らかである。
【0035】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、増幅器帯域幅は、出力トランジスタ電流により依存性が小さくなり、全体の増幅器構造のダイナミック線形性は、周波数ドメインにおいて大幅に改善される。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来技術によるラインドライバ増幅器を示す単純化されたブロック図。
【図2】図1の増幅器の帯域幅対出力トランジスタ電流特性を示す図。
【図3】本発明の一実施形態を含むラインドライバ増幅器を示す単純化されたブロック図。
【図4】図3のラインドライバ増幅器に使用される補助増幅器において使用され得るビルトインオフセット電圧レベル含む差動増幅器を示す単純化された図。
【図5】プログラム可能なオフセット電圧レベルを有する差動増幅器を示す単純化された図。
【符号の説明】
300 ラインドライバ増幅器
301,302 増幅器段
303,305 補助増幅器
304,306 出力トランジスタ
307 入力端子
308 出力端子
309 供給電圧端子
310 接地電位端子
303,305 補助増幅器
401 入力端子
402,403 電界効果トランジスタ
405 バイアス電界効果トランジスタ
406 バイアス端子 バイアス
407,408 負荷インピーダンス
409 供給電圧端子
410 接地電位端子
500 差動増幅器
401 入力端子
402 トランジスタ
403 電界効果トランジスタ
404 出力端子
406 バイアス端子 バイアス
409 供給電圧端子
410 接地電位端子
411 スイッチ
Claims (10)
- 少なくとも第1の増幅器段を備える増幅器において、
前記少なくとも第1の増幅器段は、第1の複数の補助増幅器手段と第1の複数の出力トランジスタ手段とを有し、前記第1の複数の補助増幅器手段の各々は、入力および出力を有し、所定のオフセット電圧レベルを含み、
前記第1の複数の補助増幅器手段の前記第1の複数の出力トランジスタの各々は、前記第1の複数の補助増幅器手段の関連した1つと一対一対応で回路状に接続されて、前記出力トランジスタ手段の各々の入力が、第1の複数の、補助増幅器手段−出力トランジスタ手段対を形成する、その関連した補助増幅器手段に回路状に接続されており、該第1の複数の、補助増幅器手段−出力トランジスタ手段対は互いに並列に接続されておりかつオン状態において出力電流成分を提供しており、前記第1の複数の出力トランジスタ手段のうちの前記出力トランジスタ手段の各々は、前記第1の複数の補助増幅器手段の入力に供給される入力信号が前記第1の複数の出力トランジスタ手段の前記それぞれの出力トランジスタ手段と回路状に接続されたそれぞれの補助増幅器手段のオフセット電圧レベル以上の大きさの信号を有するまで、オフ状態にバイアスされており、前記第1の複数の出力トランジスタ手段がオン状態にバイアスされたときに、前記増幅器の周波数ドメインにおける線形性が改善されることを特徴とする増幅器。 - 前記第1の複数の補助増幅器手段のオフセット電圧が、前記第1の複数の出力トランジスタ手段のうちの他の出力トランジスタ手段が前記入力信号の大きさの増大でオン状態に駆動されるような値に設定されていることを特徴とする請求項1記載の増幅器。
- 等価な単一のトランジスタが前記第1の複数の出力トランジスタの代わりに使用された場合、前記第1の複数の出力トランジスタ手段の各々は、該等価な単一の出力トランジスタ手段よりも小さい物理的なサイズであり、オン状態においてより小さい電流を運ぶことを特徴とする請求項2記載の増幅器。
- 前記第1の複数の補助増幅器の各々は、内部で発生される所定のオフセット電圧を有し、前記第1の複数の補助増幅器手段の各々の前記オフセット電圧は制御可能でかつ選択可能であり、そして前記第1の複数の補助増幅器手段の他のものの前記オフセット電圧と異なる電圧値を有することを特徴とする請求項1記載の増幅器。
- 入力および出力を有する第2の増幅器段をさらに含み、前記第2の増幅器段は第2の複数の補助増幅器手段を含み、該複数の補助増幅器手段の各々は第1および第2の入力と出力とを有し、前記第1の複数の補助増幅器手段は第1および第2の入力と前記出力とを有し、前記第1および第2の増幅器段の前記入力は、前記増幅器への入力を形成するよう互いに接続されており、前記第1および第2の増幅器段の前記出力は、前記増幅器からの出力を形成するよう互いに接続されており、前記第1および第2の複数の補助増幅器手段の各補助増幅器手段は、前記増幅器の入力に接続された第1の入力を有し、かつ前記増幅器の出力に接続された第2の入力を有しており、前記第1の複数の出力トランジスタ手段のうちの各出力トランジスタ手段は、前記第1の複数の補助増幅器のうちの関連する補助増幅器の出力に一対一対応で接続される入力を有しており、前記第2の複数の出力トランジスタ手段のうちの各出力トランジスタ手段は、前記第2の複数の補助増幅器のうちの関連する補助増幅器の出力に一対一対応で接続される入力を有しており、前記第1および第2の増幅器段は対称的な増幅器を形成するよう配置されることを特徴とする請求項1記載の増幅器。
- 前記第2の複数の補助増幅器手段のうちの各補助増幅器手段は所定のオフセット電圧レベルおよび第2の複数の出力トランジスタ手段を有しており、該第2の複数の出力トランジスタ手段のうちの各出力トランジスタと前記第2の複数の補助増幅器手段のうちの前記関連する補助増幅器手段は接続して、互いに並列に接続される第2の複数の補助増幅器手段−出力トランジスタ手段対を形成しており、前記第2の複数の補助増幅器手段の入力に供給される入力信号が、前記第2の複数の出力トランジスタ手段のうちの各出力トランジスタ手段へ回路状に接続された前記関連する補助増幅器手段のオフセット電圧レベル以上の大きさの信号を有するまで、前記第2の複数の出力トランジスタ手段のうちの各出力トランジスタ手段はOFF状態にバイアスされており、前記第2の複数の出力トランジスタ手段のうちの1以上のものはON状態にバイアスされるときに、前記増幅器の周波数ドメインにおける線形性が改善されることを特徴とする請求項1記載の増幅器。
- 前記第1および第2の複数の補助増幅器手段の各補助増幅器手段は、内部で生成された所定のオフセット電圧を有しており、前記第1および第2の複数の補助増幅器手段の各々のオフセット電圧は、制御可能でかつ選択可能であり、そして前記第1の複数の補助増幅手段の各々のオフセット電圧が、前記第1の補助増幅器手段の他のもののオフセット電圧と異なる電圧値を有し、また、前記第2の複数の補助増幅器手段の各々が、前記第2の補助増幅器手段の他のもののオフセット電圧と異なる電圧値を有することを特徴とする請求項6記載の増幅器。
- 前記第1および第2の複数の補助増幅器手段のオフセット電圧が、前記第1および第2の複数の出力トランジスタ手段の追加されたいくつかのものが前記入力信号の大きさの増大でオン状態に駆動されるような値に設定されていることを特徴とする請求項6記載の増幅器。
- 前記第1の複数の出力トランジスタ手段の代わりに第1の等価な単一のトランジスタ手段が使用される場合、かつ前記第2の複数の出力トランジスタ手段の代わりに第2の等価な単一のトランジスタ手段が使用される場合に、前記第1および第2の複数の出力トランジスタ手段の各々が、等価な単一の出力トランジスタ手段よりも、より小さな物理的サイズであり、オン状態においてより小さな信号を運ぶことを特徴とする請求項8記載の増幅器。
- 前記第1および第2の複数の出力トランジスタのうちの各出力トランジスタはチャネルを有する電界効果トランジスタであり、該チャネルはチャネル幅(W)およびチャネル長さ(L)を持ち、第1の単一の出力トランジスタが前記第1の複数の出力トランジスタの代わりに使用される場合および第2の単一の出力トランジスタが前記第2の複数の出力トランジスタの代わりに使用される場合には、該第1および第2の単一の出力トランジスタの各々の有効幅は実質的に最小化され、かつ前記増幅器の出力電流(I)に比例することを特徴とする請求項9記載の増幅器。
Applications Claiming Priority (2)
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