JP3971605B2 - ゲインブースト演算増幅回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、大きい入力ダイナミックレンジを持つ高速演算増幅回路の改良に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
演算増幅回路をボルテージフォロワとして構成したバッファ回路は、高入力インピーダンスかつ低出力インピーダンスの駆動回路としてよく用いられる。
【0003】
図4は、従来のCMOS型AB級出力演算増幅回路の回路図である(Ron Hogervorst and Johan H. Huijsing, "Design of Low-Voltage, Low-Power Operational Amplifier Cells", Kluwer Academic Publishers, pp.154)。図4の演算増幅回路は、入力増幅段401と、出力段402とで構成される。入力増幅段401は、第1極性(NMOS構成)の入力差動対を有する第1のフォールデッドカスコード型演算増幅回路と、第2極性(PMOS構成)の入力差動対を有する第2のフォールデッドカスコード型演算増幅回路とを有する。第1のフォールデッドカスコード型演算増幅回路は、入力段バイアス電流源102に接続された第1極性の入力差動対101と、第1極性の電流折り返し回路103と、第1極性の折り返し用バイアス電流源104と、第2極性の電流ミラー105とで構成される。第2のフォールデッドカスコード型演算増幅回路は、入力段バイアス電流源202に接続された第2極性の入力差動対201と、第2極性の電流折り返し回路203と、第2極性の折り返し用バイアス電流源204と、第1極性の電流ミラー205とで構成される。そして、第1のフォールデッドカスコード型演算増幅回路と第2のフォールデッドカスコード型演算増幅回路とは、第1及び第2のカップル回路301,302を介して接続されている。MN1〜MN9は第1極性のMOSトランジスタ、MP1〜MP9は第2極性のMOSトランジスタであり、Vin1及びVin2は差動入力電圧、Voutは演算増幅回路出力電圧、Vdd及びVssは電源電圧、Vbn1及びVbn2は第1極性のMOSトランジスタに与えられるバイアス電圧、Vbp1及びVbp2は第2極性のMOSトランジスタに与えられるバイアス電圧である。
【0004】
図4の演算増幅回路によれば、入力信号の立ち上がり時には第1のフォールデッドカスコード型演算増幅回路が主に働き、入力信号の立ち下がり時には第2のフォールデッドカスコード型演算増幅回路が主に働くことで、立ち上がり、立ち下がり共に高速に動作する。また、折り返し用バイアス電流源104及び204のMOSトランジスタが飽和領域動作するために必要なドレイン・ソース間電圧は小さく、したがって入力ダイナミックレンジはレール間電圧、すなわち両電源電圧Vdd及びVssの差にほぼ匹敵する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
図4の演算増幅回路を低消費電力化するには、MOSトランジスタのアスペクト比を小さくする必要がある。ところが、MOSトランジスタのアスペクト比を小さくして低消費電力化すると、出力段402のトランスコンダクタンスが低下するため、演算増幅回路の駆動能力が低下してしまう。
【0006】
本発明の目的は、回路規模を小さく保ったまま、静止消費電力をあまり増加させることなく演算増幅回路の駆動能力を向上させることにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、入力増幅段と、入力増幅段の出力に接続された出力段と、入力増幅段にバイアス電流を供給するための入力段バイアス電流源と、入力増幅段の出力変動に従って、バイアス電流が増加する方向に入力段バイアス電流源の制御電圧を変動させるための駆動能力増幅部とを備えたゲインブースト演算増幅回路の構成を採用することとしたものである。
【0008】
本発明による駆動能力増幅部は、入力増幅段の出力電圧の変動を例えばダイオード接続のMOSトランジスタ(レベルシフタ)で検出し、検出した出力電圧の変動に基づき、新たに付加したカップル回路によって、バイアス電流が増加する方向に入力段バイアス電流源の制御電圧を変動させる構成である。
【0009】
入力段バイアス電流源が飽和領域動作のMOSトランジスタとすると電圧変動の2乗に比例してバイアス電流が増加するため、駆動能力の増幅効率が高い。また、付加するMOSトランジスタの数は少なく、これらに必要な静止電流はこれらが飽和領域動作するための値があれば十分であるため、演算増幅回路全体の静止消費電流が大幅に増加することはなく、したがって実装面積及び静止消費電力の点でも有利である。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【0011】
図1は、本発明に係るゲインブースト演算増幅回路の基本構成を示している。図1の演算増幅回路は、入力増幅段1と、入力増幅段1の出力に接続された出力段2と、入力増幅段1にバイアス電流を供給するための入力段バイアス電流源3と、入力増幅段1の出力変動に従って、バイアス電流が増加する方向に入力段バイアス電流源3の制御電圧を変動させるための駆動能力増幅部4とを備えた構成を採用したものである。Vin1及びVin2は差動入力電圧、Voutは演算増幅回路出力電圧である。
【0012】
図2は、本発明に係るゲインブースト演算増幅回路の具体的な構成例を示している。図2の演算増幅回路は、レベルシフタ501と、掃き出し定電流源502と、引き込み定電流源503と、第3のカップル回路504とを、上記駆動能力増幅部4として図4の構成に付加したものである。
【0013】
第1極性の入力差動対101にバイアス電流を供給するための入力段バイアス電流源102は第1極性のMOSトランジスタMN12により、第2極性の入力差動対201にバイアス電流を供給するための入力段バイアス電流源202は第2極性のMOSトランジスタMP12によりそれぞれ構成されている。
【0014】
第1のカップル回路301は、互いのドレイン端子とソース端子とが接続された第1極性のMOSトランジスタMN7と第2極性のMOSトランジスタMP7とで構成される。第2のカップル回路302は、互いのドレイン端子とソース端子とが接続された第1極性のMOSトランジスタMN8と第2極性のMOSトランジスタMP8とで構成される。第3のカップル回路504は、互いのドレイン端子とソース端子とが接続された第1極性のMOSトランジスタMN11と第2極性のMOSトランジスタMP11とで構成され、第1のカップル回路301と並列に接続されている。
【0015】
入力段バイアス電流源102を構成する第1極性のMOSトランジスタMN12のゲート端子は第1のカップル回路301中の同一極性のMOSトランジスタMN7のソース端子に、入力段バイアス電流源202を構成する第2極性のMOSトランジスタMP12のゲート端子は第1のカップル回路301中の同一極性のMOSトランジスタMP7のソース端子にそれぞれ接続されている。
【0016】
第2のカップル回路302中のMN8のソース端子は第2のフォールデッドカスコード型演算増幅回路の出力(入力増幅段401の一方の出力)を受け取るMOSトランジスタ、すなわち出力段402中の第1極性のMOSトランジスタMN9のゲート端子に、第2のカップル回路302中のMP8のソース端子は第1のフォールデッドカスコード型演算増幅回路の出力(入力増幅段401の他方の出力)を受け取るMOSトランジスタ、すなわち出力段402中の第2極性のMOSトランジスタMP9のゲート端子にそれぞれ接続されている。
【0017】
レベルシフタ501は、各々ダイオード接続された第1極性のMOSトランジスタMN10と第2極性のMOSトランジスタMP10とで構成される。MN10のドレイン端子及びゲート端子は掃き出し定電流源502に、MP10のドレイン端子及びゲート端子は引き込み定電流源503にそれぞれ接続されている。また、MN10のソース端子は第2のカップル回路302中のMN8のソース端子及び出力段402中のMN9のゲート端子に、MP10のソース端子は第2のカップル回路302中のMP8のソース端子及び出力段402中のMP9のゲート端子にそれぞれ接続されている。また、第3のカップル回路504中のMN11のゲート端子はレベルシフタ501中のMN10のドレイン端子及びゲート端子に、第3のカップル回路504中のMP11のゲート端子はレベルシフタ501中のMP10のドレイン端子及びゲート端子にそれぞれ接続されている。これにより、レベルシフタ501は、第1及び第2のフォールデッドカスコード型演算増幅回路の出力をそれぞれレベルシフトし、これらのレベルシフトの結果を第3のカップル回路504へ供給するようになっている。第3のカップル回路504は平衡状態においてMN11及びMP11がいずれもOFF状態となり、かつ出力変動状態においてMN11及びMP11のうちいずれかがON状態となるように、MN10、MP10、MN11及びMP11のアスペクト比が調整されている。
【0018】
以上のように構成された図2のゲインブースト演算増幅回路においてVin1がhigh、Vin2がlowになるとき、入力増幅段401の両出力がいずれもlowとなり、第3のカップル回路504においてMP11は大電流を流すが、MN11はほとんど電流を流さずにOFF状態となり、MP11のドレイン端子電圧が引き上げられる。したがって、入力段バイアス電流源102を構成するMN12のゲート端子電圧も同時に引き上げられ、同電流源102による入力段バイアス電流(MN12のドレイン電流)が増加する。またこのとき、電流ミラー105に流れる電流も増加するため、MP3のドレイン端子電圧は引き下げられる。したがって、入力段バイアス電流源202を構成するMP12のゲート端子電圧も引き下げられ、同電流源202による入力段バイアス電流(MP12のドレイン電流)が増加する。
【0019】
一方、Vin1がlow、Vin2がhighになるときには、入力増幅段401の両出力がいずれもhighとなり、第3のカップル回路504においてMN11は大電流を流すが、MP11はほとんど電流を流さずにOFF状態となり、MN11のドレイン端子電圧が引き下げられる。したがって、入力段バイアス電流源202を構成するMP12のゲート端子電圧も同時に引き下げられ、同電流源202による入力段バイアス電流(MP12のドレイン電流)が増加する。またこのとき、電流ミラー205に流れる電流も増加するため、MN3のドレイン端子電圧が引き上げられる。したがって、入力段バイアス電流源102を構成するMN12のゲート端子電圧も引き上げられ、同電流源102による入力段バイアス電流(MN12のドレイン電流)が増加する。
【0020】
以上のとおり、図2のゲインブースト演算増幅回路によれば、入力信号の立ち上がり時、立ち下がり時共に入力段バイアス電流が増加させられるので、演算増幅回路の駆動能力が向上する。
【0021】
しかも、図2によれば、掃き出し定電流源502と等しい電流値を持つ掃き出し電流源601を第3のカップル回路504中のMN11のソース端子に、引き込み定電流源503と等しい電流値を持つ引き込み電流源602を第3のカップル回路504中のMP11のソース端子にそれぞれ接続することで、第1のカップル回路301に流れる電流と第2のカップル回路302に流れる電流とのバランスを取り、第1極性のMOSトランジスタMN3〜MN6による電流ミラー205と、第2極性のMOSトランジスタMP3〜MP6による電流ミラー105とのミラー精度の悪化を防ぎ、演算増幅回路の精度を向上させている。ただし、これらの電流源601及び602は省略が可能である。
【0022】
図3に、図2に示した本発明のゲインブースト演算増幅回路と図4に示した従来の演算増幅回路とをそれぞれボルテージフォロワ構成としたときの入出力波形のシミュレーション結果を示す。入力波形に対して従来の演算増幅回路では出力波形の立ち上がり及び立ち下がりが遅い。これに対して、本発明のゲインブースト演算増幅回路の出力波形は立ち上がり、立ち下がり共に急峻であり、出力駆動能力が改善されていることが判る。
【0023】
【発明の効果】
以上説明してきたとおり、本発明によれば、4個のMOSトランジスタと2個ないし4個の定電流源とを付加し、入力段バイアス電流源を構成するMOSトランジスタのゲート端子を接続し直すことで、静止消費電流をあまり増加させることなく、入力変動時の出力駆動能力の向上に大きな効果をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るゲインブースト演算増幅回路の基本構成を示すブロック図である。
【図2】本発明に係るゲインブースト演算増幅回路の具体的な構成例を示す回路図である。
【図3】本発明の効果を説明するための電圧波形図である。
【図4】従来の演算増幅回路の回路図である。
【符号の説明】
1 入力増幅段
2 出力段
3 入力段バイアス電流源
4 駆動能力増幅部
101 第1極性の入力差動対
102 第1極性の入力段バイアス電流源
103 第1極性の電流折り返し回路
104 第1極性の電流折り返し用バイアス電流源
105 第2極性の電流ミラー
201 第2極性の入力差動対
202 第2極性の入力段バイアス電流源
203 第2極性の電流折り返し回路
204 第2極性の電流折り返し用バイアス電流源
205 第1極性の電流ミラー
301 第1のカップル回路
302 第2のカップル回路
401 入力増幅段
402 出力段
501 レベルシフタ
502 掃き出し定電流源
503 引き込み定電流源
504 第3のカップル回路
601 掃き出し電流源
602 引き込み電流源
MN1〜MN12 第1極性のMOSトランジスタ
MP1〜MP12 第2極性のMOSトランジスタ
Vbn1,Vbn2 バイアス電圧
Vbp1,Vbp2 バイアス電圧
Vdd,Vss 電源電圧
Vin1,Vin2 差動入力電圧
Vout 演算増幅回路出力電圧
Claims (2)
- 入力増幅段と、
前記入力増幅段の出力に接続された出力段と、
前記入力増幅段にバイアス電流を供給するための入力段バイアス電流源と、
前記入力増幅段の出力変動に従って、前記バイアス電流が増加する方向に前記入力段バイアス電流源の制御電圧を変動させるための駆動能力増幅部とを備えたCMOS型のゲインブースト演算増幅回路であって、
前記入力増幅段は、第1極性の入力差動対を有する第1のフォールデッドカスコード型演算増幅回路と、第2極性の入力差動対を有する第2のフォールデッドカスコード型演算増幅回路とが、第1及び第2のカップル回路を介して接続された構成を有し、
前記入力段バイアス電流源は、前記第1極性の入力差動対にバイアス電流を供給するための第1極性のMOSトランジスタと、前記第2極性の入力差動対にバイアス電流を供給するための第2極性のMOSトランジスタとを有し、
前記第1及び第2のカップル回路の各々は、互いのドレイン端子とソース端子とが接続された第1極性及び第2極性のMOSトランジスタを有し、
前記入力段バイアス電流源を構成する各MOSトランジスタのゲート端子は、前記第1のカップル回路中の同一極性のMOSトランジスタのソース端子にそれぞれ接続され、
前記第2のカップル回路中の各MOSトランジスタのソース端子は、前記入力増幅段の2出力にそれぞれ接続され、
前記駆動能力増幅部は、前記入力増幅段の出力変動に従って前記第1のカップル回路のドレイン端子・ソース端子間の電圧を低下させることで、前記バイアス電流が増加する方向に前記入力段バイアス電流源の各MOSトランジスタのゲート端子の電圧を変動させるように、前記入力増幅段の2出力に接続されたレベルシフタと、前記第1のカップル回路と並列に接続された第3のカップル回路とを備え、
前記レベルシフタは、各々ダイオード接続された第1極性及び第2極性のMOSトランジスタを有し、
前記ダイオード接続された第1極性のMOSトランジスタのドレイン端子は掃き出し定電流源に、前記ダイオード接続された第1極性のMOSトランジスタのソース端子は前記第2のカップル回路中の第1極性のMOSトランジスタのソース端子に、前記ダイオード接続された第2極性のMOSトランジスタのドレイン端子は引き込み定電流源に、前記ダイオード接続された第2極性のMOSトランジスタのソース端子は前記第2のカップル回路中の第2極性のMOSトランジスタのソース端子にそれぞれ接続され、
前記第3のカップル回路は、互いのドレイン端子とソース端子とが接続された第1極性及び第2極性のMOSトランジスタを有し、
前記第3のカップル回路中の第1極性のMOSトランジスタのゲート端子は前記ダイオード接続された第1極性のMOSトランジスタのゲート端子に、前記第3のカップル回路中の第2極性のMOSトランジスタのゲート端子は前記ダイオード接続された第2極性のMOSトランジスタのゲート端子にそれぞれ接続されたことを特徴とするゲインブースト演算増幅回路。 - 請求項1記載のゲインブースト演算増幅回路において、
前記第3のカップル回路中の第1極性のMOSトランジスタのソース端子に前記掃き出し定電流源と同一の電流を流すための掃き出し電流源と、
前記第3のカップル回路中の第2極性のMOSトランジスタのソース端子に前記引き込み定電流源と同一の電流を流すための引き込み電流源とを更に備えたことを特徴とするゲインブースト演算増幅回路。
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