JP4327615B2 - 演算増幅回路 - Google Patents

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Description

本発明は、演算増幅回路に関し、特に、低消費電流、低電源電圧で動作し、高利得かつ広帯域な差動型演算増幅回路に関する。
差動型演算増幅回路として、駆動側及び負荷側をそれぞれカスコード回路構成としたテレスコピック型アンプと呼ばれる演算増幅回路が非特許文献1に記載されている。図2は、上記非特許文献1に記載されているテレスコピック型アンプの例を示す回路図であり、NchトランジスタM1〜M4により駆動側カスコード回路が構成され、PchトランジスタM5〜M8により負荷側カスコード回路が構成されている。またテール・カレント用電流源としてNchトランジスタM9がNchトランジスタM1,M2の共通ソース電極に接続されている。
差動入力信号Vin+,Vin−はNchトランジスタM1,M2のゲート電極に入力され、NchトランジスタM3,M4のドレイン電極から増幅された差動信号Vout−,Vout+が出力される。カスコード回路の出力インピーダンスは高く、DC利得は数1000倍程度に上げることができる。また、差動信号はNchトランジスタのみを伝搬するので広帯域であり、かつ回路もシンプルであって低消費電流化が可能である。
IEEE J. Solid-State Circuits 24,pp.1461-1465, 1989
DC利得は、高精度の用途では80dB(10000倍程度)以上要求されるが、上記カスコード接続された差動型演算増幅回路のDC利得は、入力NchトランジスタM1,M2の相互コンダクタンスgmとカスコード回路の出力インピーダンスの積で決まり、素子特性で上限が定まってしまうために、上記文献に記載されているテレスコピック回路構成だけではそのような高利得の実現は困難である。
そのためより高い利得を得るには、トリプル・カスコード回路を用いるか、または、ゲイン・ブースト回路を付加する等の改良を行う方法が考えられるが、前者では出力ダイナミックレンジの減少が生じ、後者では素子面積と消費電流の増加などの問題が生ずる。
また、上記文献に記載されているテレスコピック回路構成では、駆動側及び負荷側にカスコード回路を用いる関係上、最低動作電圧として、トランジスタM1,M3,M5,M7(M2,M4,M6,M8)とテール・カレント用電流源トランジスタM9の各飽和電圧(0.25V)と出力信号振幅(例えば、0.5Vp−p)の和に相当する電圧が必要であり、約1.75Vtyp.(0.25×5+0.5)となるため、最低動作電圧が比較的高いという欠点がある。
本発明の目的は、上記問題点に鑑み、比較的小さい素子面積で高いDC利得と十分なダイナミックレンジが得られ、かつ低電源電圧での動作が可能な、新規な差動型演算増幅回路を提供することにある。
本発明の演算増幅回路は、カスコード接続されたNchトランジスタおよび該カスコード接続されたNchトランジスタに対してフォールデッド・カスコード接続されたPchトランジスタからなる差動対により差動入力信号を増幅する第1の差動増幅回路と、ソース電極が電源電位に接続され、前記第1の差動増幅回路を経由して増幅された差動信号を各ゲート電極から入力してさらに増幅し、ドレイン電極から差動信号を出力する一対のPchトランジスタとを有する第1の信号増幅経路と、カスコード接続されたNchトランジスタからなる差動対により前記差動入力信号を増幅する第2の差動増幅回路によって構成された第2の信号増幅経路とを備え、前記第2の差動増幅回路を構成するカスコード接続されたNchトランジスタからなる差動対の出力側Nchトランジスタのドレイン電極を、前記一対のPchトランジスタのドレイン電極と各々接続することにより、前記第1の信号増幅経路をゲイン・パス、前記第2の信号増幅経路をフィードフォワード・パスとするパラレル・パス構成としたことを特徴とする。
前記第1の差動増幅回路は、ソース電極が基準電位に接続された第1の電流源用Nchトランジスタと、該電流源用Nchトランジスタのドレイン電極にソース電極が共通接続され、ゲート電極に差動入力信号が供給される第1及び第2のNchトランジスタと、ソース電極が前記第1及び第2のNchトランジスタのドレイン電極に各々接続されることによってカスコード回路を構成する第3及び第4のNchトランジスタと、ソース電極が電源電位に接続され、ゲート電極に定電圧が供給され、ドレイン電極が前記第3及び第4のNchトランジスタのドレイン電極に各々接続される第1及び第2のPchトランジスタと、ソース電極が前記第3及び第4のNchトランジスタのドレイン電極に各々接続され、前記第1及び第2のPchトランジスタを電流バイアス源として前記カスコード回路の信号電流を折り返して増幅するフォールデッド・カスコード回路を構成する第3及び第4のPchトランジスタを備え、前記第2の差動増幅回路は、ソース電極が基準電位に接続された第2の電流源用Nchトランジスタと、該電流源用Nchトランジスタのドレイン電極にソース電極が共通接続され、ゲート電極に前記差動入力信号が供給される第5及び第6のNchトランジスタと、ソース電極が前記第5及び第6のNchトランジスタのドレイン電極に各々接続されることによってカスコード回路を構成するとともに、ドレイン電極が前記一対のPchトランジスタのドレイン電極に各々接続された第7及び第8のNchトランジスタを備えている。
より具体的には、本発明の演算増幅回路は、ソース電極が基準電位(GND)に接続された第1の電流源用Nchトランジスタと、ゲート電極が差動入力端子の各一方に接続され、ソース電極が前記第1の電流源トランジスタに共通接続された第1および第2のNchトランジスタと、ソース電極が前記第1及び第2のNchトランジスタのドレイン電極に各々接続されることによってカスコード回路を構成する第3及び第4のNchトランジスタと、ソース電極が電源電位(VDD)に接続され、ゲート電極に定電圧が供給され、ドレイン電極が前記第3及び第4のNchトランジスタのドレイン電極に各々接続される第1及び第2のPchトランジスタと、ソース電極が前記第3及び第4のNchトランジスタのドレイン電極に各々接続され、前記第1及び第2のPchトランジスタを電流バイアス源として前記カスコード回路の信号電流を折り返して増幅するフォールデッド・カスコード回路を構成する第3及び第4のPchトランジスタを備える第1の差動増幅回路と、ソース電極が基準電位(GND)に接続された第2の電流源用Nchトランジスタと、ゲート電極が前記差動入力端子の各一方に接続され、ソース電極が前記第2の電流源トランジスタに共通接続された第5および第6のNchトランジスタと、ソース電極が前記第5及び第6のNchトランジスタのドレイン電極に各々接続されることによってカスコード回路を構成する第7及び第8のNchトランジスタを備える第2の差動増幅回路と、ソース電極が電源電位(VDD)に接続され、ゲート電極が前記第3のPchトランジスタのドレイン電極に接続され、ドレイン電極が差動出力端子の一方に接続された第5のPchトランジスタを増幅素子として備える第1の出力増幅回路と、ソース電極が電源電位(VDD)に接続され、ゲート電極が前記第4のPchトランジスタのドレイン電極に接続され、ドレイン電極が差動出力端子の他方に接続された第6のPchトランジスタを増幅素子として備える第2の出力増幅回路とを備え、前記第8のNchトランジスタのドレイン電極を前記第5のPchトランジスタのドレイン電極と接続し、前記第7のNchトランジスタのドレイン電極を前記第6のPchトランジスタのドレイン電極と接続することにより、前記第2の差動増幅回路の差動出力と前記第1及び第2の出力増幅回路の差動出力を合算して出力することを特徴とする。
本発明は、高利得で狭帯域なゲイン・パスと、Nchトランジスタのみを用いた駆動側カスコード回路での広帯域なフィードフォワード・パスとからなる信号増幅経路を並列に接続したパラレル・パス構成としているので、互いの特性が相互補完され、高利得、広帯域特性の演算増幅回路を実現することができる。
また、ゲイン・パスを別に設けて高いDC利得を確保しているので、従来のテレスコピック型アンプのように出力段で駆動側と負荷側の両方をカスコード構成とする必要がないので、十分なダイナミックレンジが得られ、また最低動作電圧も従来のテレスコピック型アンプと比較して低くすることができる。
図1は、本発明の演算増幅回路の実施形態を示す回路図である。
図1において、NchトランジスタM11とM14は、そのゲート電極に差動入力信号Vin+,Vin−が入力され、ソース電極は電流源トランジスタM31のドレイン電極に共通接続される。NchトランジスタM11のドレイン電極にはNchトランジスタM15のソース電極が接続され、NchトランジスタM15のドレイン電極は、ソース電極が電源電位(VDD)に接続されたPchトランジスタM30のドレイン電極と接続されるとともに、PchトランジスタM20のソース電極と接続される。
PchトランジスタM20は、そのゲート電極に一定のバイアス電圧が与えられ、ドレイン電極は、NchトランジスタM22,M34で構成される負荷側カスコード回路と接続される。PchトランジスタM30のゲート電極には定電圧が供給され、そのドレイン電流は、NchトランジスタM11とM15からなるカスコード回路とPchトランジスタM20に分流される。即ちPchトランジスタM30はPchトランジスタM20に対しては電流バイアス源として機能し、PchトランジスタM20は、NchトランジスタM11とM15からなるカスコード回路の信号電流を折り返して増幅するフォールデッド・カスコード回路を構成している。
また、NchトランジスタM14のドレイン電極にはNchトランジスタM18のソース電極が接続され、NchトランジスタM18のドレイン電極は、ソース電極が電源電位(VDD)に接続されたPchトランジスタM29のドレイン電極と接続されるとともに、PchトランジスタM19のソース電極と接続される。
PchトランジスタM19は、そのゲート電極に一定のバイアス電圧が与えられ、ドレイン電極は、NchトランジスタM21,M33で構成される負荷側カスコード回路と接続される。PchトランジスタM29のゲート電極には定電圧が供給され、そのドレイン電流は、NchトランジスタM14とM18からなるカスコード回路とPchトランジスタM19に分流される。即ちPchトランジスタM29はPchトランジスタM19の電流バイアス源として機能し、このPchトランジスタM19により、NchトランジスタM14とM18からなるカスコード回路の信号電流を折り返して増幅するフォールデッド・カスコード回路を構成している。
これらのNchトランジスタM11、M15およびNchトランジスタM14、M18からなるカスコード回路と、電流源トランジスタM31と、PchトランジスタM20およびM19と、PchトランジスタM20およびM19に対する電流バイアス源として機能するPchトランジスタM30およびM29と、NchトランジスタM22,M34およびNchトランジスタM21,M33で構成される負荷側カスコード回路によって、フォールデッド・カスコード構成を有する差動対により差動入力信号Vin+,Vin−を増幅する第1の差動増幅回路が構成される。
PchトランジスタM20とM19の各ドレイン電極から出力される差動信号は、ソース電極が電源電位(VDD)に接続されたPchトランジスタM24とM23のゲート電極に入力される。PchトランジスタM24とM23は、それぞれ第1、第2のソース接地型増幅回路として動作し、各ドレイン電極から差動出力信号Vout+,Vout−が出力される。
このカスコード接続されたNchトランジスタからなる差動対(M11,M15),(M14,M18)→フォールデッド・カスコード接続されたPchトランジスタM20,M19→PchトランジスタM24,M23からなる信号経路によって構成される増幅回路は、高利得で狭帯域の特性を有するゲイン・パスとして機能する。なお、PchトランジスタM24,M23のドレイン電極とゲート電極間に接続されているコンデンサC2,C1は、このゲイン・パスの高利得による発振を防止するための位相補償容量である。
一方、図1において、NchトランジスタM12とM13は、そのゲート電極に前記差動入力信号Vin+,Vin−が入力され、ソース電極は電流源トランジスタM32のドレイン電極に共通接続される。NchトランジスタM12のドレイン電極にはNchトランジスタM16のソース電極が接続され、NchトランジスタM16のドレイン電極は、上記ソース接地型増幅回路として動作しているPchトランジスタM23のドレイン電極即ち前記差動出力のVout−側の端子に接続される。また、NchトランジスタM13のドレイン電極にはNchトランジスタM17のソース電極が接続され、NchトランジスタM17のドレイン電極は、上記ソース接地型増幅回路として動作しているPchトランジスタM24のドレイン電極即ち前記差動出力のVout+側の端子に接続される。
これらのNchトランジスタM12、M16およびNchトランジスタM13、M17によって、カスコード接続されたNchトランジスタからなる差動対により差動入力信号Vin+,Vin−を増幅する第2の差動増幅回路が構成される。上記ソース接地型増幅回路として動作しているPchトランジスタM23およびM24は、カスコード接続されたNchトランジスタからなる差動対に対する負荷側トランジスタとしての機能を兼ねている。
この第2の差動増幅回路は、低利得であるが広帯域の特性、および広ダイナミックレンジ特性を有するフィードフォワード・パスとして機能する。このフィードフォワード・パスと上記ゲイン・パスは並列接続されたパラレル・パス構成となっており、入力された差動信号は、各パスを経由してそれぞれ増幅され、出力端子で合成されることにより高利得かつ広帯域、広ダイナミックレンジの演算増幅回路として動作する。
また、PchトランジスタM20(M19)のドレイン電極はソース電極が電源電位(VDD)に接続されたPchトランジスタM26(M25)のゲート電極にも接続されており、PchトランジスタM26(M25)のドレイン電極は、ゲート電極に一定の電圧が供給されているPchトランジスタM28(M27)およびNchトランジスタM22(M21)のソース・ドレインを経由してPchトランジスタM20(M19)のドレイン電極と接続されることにより、ゲイン・パス内での局所負帰還ループを構成するとともに、この局所負帰還ループを構成するPchトランジスタM26とM25のドレイン電極を互いに接続する。
その結果、それぞれの局所負帰還ループ内における差動信号は互いに打ち消し合うので、ゲイン・パス内での局所同相負帰還ループとして動作し、差動信号入力時にも安定して出力トランジスタM24とM23のゲート電位の同相成分(動作点)の変動を検出し、出力トランジスタM24とM23のバイアス電流の安定化を図ることができる。
さらに、図1には示されていないが、第2の差動増幅回路に定電流を供給する電流源トランジスタM32のゲート電極には、この演算増幅回路の同相出力電圧を設定するために、同相帰還回路の出力が接続されている。これにより出力トランジスタM24とM23のソース・ドレインを流れる動作電流と電流源トランジスタM32を流れる電流による差動出力信号Vout+,Vout−出力端における同相出力電圧が予め設定された値となるように電流源トランジスタM32を流れる電流が制御される。
本実施形態によれば、低消費電流、高利得で狭帯域な特性を有するゲイン・パスと、Nchトランジスタのみ用いた駆動側カスコード回路での広帯域なフィードフォワード・パスとをパラレルに接続し、互いの特性を相互補完させることにより、高利得、広帯域特性、広ダイナミックレンジ特性が得られる。
また、本実施形態の演算増幅回路の最低動作電圧は、NchトランジスタM12(M13)、M16(M17)、PchトランジスタM23(M24)とテール・カレント用電流源トランジスタM32の各飽和電圧、またはNchトランジスタM11(M14)、M15(M18)、PchトランジスタM30(M29)とテール・カレント用電流源トランジスタM32の各飽和電圧と、出力信号振幅(例えば、0.5Vp−p)の和となるので、約1.5Vtyp.(0.25×4+0.5)となり、前記従来のテレスコピック型アンプに対し、1個分のトランジスタの飽和電圧(約0.25V)分だけ最低動作電圧を改善することができ、同時に低消費電流化を図ることができる。
本実施形態の3.3Vプロセスでの設計例では、VDD=3.3Vで、消費電流:1.1mA、DC利得98dB、ユニティゲイン周波数:160MHz(負荷容量1.8pF)が実現可能である。
本発明の実施形態を示す回路図である。 従来例を示す回路図である。
符号の説明
M1〜M4、M9、M11〜M18、M21〜M22、M31〜M34 Nchトランジスタ
M5〜M8、M19〜M20、M23〜M30 Pchトランジスタ
C1〜C2 コンデンサ
VDD 電源電位
GND 基準電位

Claims (7)

  1. カスコード接続されたNchトランジスタおよび該カスコード接続されたNchトランジスタに対してフォールデッド・カスコード接続されるPchトランジスタとからなる差動対により差動入力信号を増幅する第1の差動増幅回路と、ソース電極が電源電位に接続され、前記第1の差動増幅回路を経由して増幅された差動信号を各ゲート電極から入力してさらに増幅し、ドレイン電極から差動信号を出力する一対のPchトランジスタとを有する第1の信号増幅経路と、カスコード接続されたNchトランジスタからなる差動対により前記差動入力信号を増幅する第2の差動増幅回路によって構成された第2の信号増幅経路とを備え、
    前記第2の差動増幅回路を構成するカスコード接続されたNchトランジスタからなる差動対の出力側Nchトランジスタのドレイン電極を、前記一対のPchトランジスタのドレイン電極と各々接続することにより、前記第1の信号増幅経路をゲイン・パス、前記第2の信号増幅経路をフィードフォワード・パスとするパラレル・パス構成としたことを特徴とする演算増幅回路。
  2. 前記第1の差動増幅回路は、ソース電極が基準電位に接続された第1の電流源用Nchトランジスタと、該電流源用Nchトランジスタのドレイン電極にソース電極が共通接続され、ゲート電極に差動入力信号が供給される第1及び第2のNchトランジスタと、ソース電極が前記第1及び第2のNchトランジスタのドレイン電極に各々接続されることによってカスコード回路を構成する第3及び第4のNchトランジスタと、ソース電極が電源電位に接続され、ゲート電極に定電圧が供給され、ドレイン電極が前記第3及び第4のNchトランジスタのドレイン電極に各々接続される第1及び第2のPchトランジスタと、ソース電極が前記第3及び第4のNchトランジスタのドレイン電極に各々接続され、前記第1及び第2のPchトランジスタを電流バイアス源として前記カスコード回路の信号電流を折り返すフォールデッド・カスコード回路を構成する第3及び第4のPchトランジスタを備え、
    前記第2の差動増幅回路は、ソース電極が基準電位に接続された第2の電流源用Nchトランジスタと、該電流源用Nchトランジスタのドレイン電極にソース電極が共通接続され、ゲート電極に前記差動入力信号が供給される第5及び第6のNchトランジスタと、ソース電極が前記第5及び第6のNchトランジスタのドレイン電極に各々接続されることによってカスコード回路を構成するとともに、ドレイン電極が前記一対のPchトランジスタのドレイン電極に各々接続された第7及び第8のNchトランジスタを備えていることを特徴とする請求項1に記載の演算増幅回路。
  3. 前記第1の信号増幅経路は、高利得・狭帯域な特性を有しており、前記第2の信号増幅経路は、低利得・広帯域な特性を有していることを特徴とする請求項1または2に記載の演算増幅回路。
  4. ソース電極が基準電位(GND)に接続された第1の電流源用Nchトランジスタ(M31)と、ゲート電極が差動入力端子の各一方に接続され、ソース電極が前記第1の電流源トランジスタに共通接続された第1および第2のNchトランジスタ(M11、M14)と、ソース電極が前記第1及び第2のNchトランジスタのドレイン電極に各々接続されることによってカスコード回路を構成する第3及び第4のNchトランジスタ(M15、M18)と、ソース電極が電源電位(VDD)に接続され、ゲート電極に定電圧が供給され、ドレイン電極が前記第3及び第4のNchトランジスタのドレイン電極に各々接続される第1及び第2のPchトランジスタ(M30、M29)と、ソース電極が前記第3及び第4のNchトランジスタのドレイン電極に各々接続され、前記第1及び第2のPchトランジスタを電流バイアス源として前記カスコード回路の信号電流を折り返すフォールデッド・カスコード回路を構成する第3及び第4のPchトランジスタ(M20、M19)を備える第1の差動増幅回路と、
    ソース電極が基準電位(GND)に接続された第2の電流源用Nchトランジスタ(M32)と、ゲート電極が前記差動入力端子の各一方に接続され、ソース電極が前記第2の電流源トランジスタに共通接続された第5および第6のNchトランジスタ(M12、M13)と、ソース電極が前記第5及び第6のNchトランジスタのドレイン電極に各々接続されることによってカスコード回路を構成する第7及び第8のNchトランジスタ(M16、M17)を備える第2の差動増幅回路と、
    ソース電極が電源電位(VDD)に接続され、ゲート電極が前記第3のPchトランジスタ(M20)のドレイン電極に接続され、ドレイン電極が差動出力端子の一方に接続された第5のPchトランジスタ(M24)を増幅素子として備える第1の出力増幅回路と、
    ソース電極が電源電位(VDD)に接続され、ゲート電極が前記第4のPchトランジスタ(M19)のドレイン電極に接続され、ドレイン電極が差動出力端子の他方に接続された第6のPchトランジスタ(M23)を増幅素子として備える第2の出力増幅回路とを備え、
    前記第8のNchトランジスタ(M17)のドレイン電極を前記第5のPchトランジスタ(M24)のドレイン電極と接続し、前記第7のNchトランジスタ(M16)のドレイン電極を前記第6のPchトランジスタ(M23)のドレイン電極と接続することにより、前記第2の差動増幅回路の差動出力と前記第1及び第2の出力増幅回路の差動出力を合算して出力することを特徴とする演算増幅回路。
  5. 前記第1の差動増幅回路と、前記第1および第2のゲート接地型増幅回路と、前記第1および第2の出力増幅回路によって高利得・狭帯域な特性を有するゲイン・パスが構成され、前記第2の差動増幅回路によって低利得・広帯域な特性を有するフィードフォワード・パスが構成されていることを特徴とする請求項4に記載の演算増幅回路。
  6. 前記第2の電流源トランジスタ(M32)のゲート電極には、当該演算増幅回路の同相出力電圧を設定するために設けられている同相帰還回路の出力が接続されていることを特徴とする請求項4または5に記載の演算増幅回路。
  7. ソース電極が電源電位(VDD)に接続され、ゲート電極が前記第3、第4のPchトランジスタ(M20、M19)のドレイン電極に各々接続された第7、第8のPchトランジスタ(M26、M25)と、ゲート電極に一定電圧が供給され、ソース電極が前記第7、第8のPchトランジスタ(M26、M25)のドレイン電極に各々接続された第9、第10のPchトランジスタ(M28、M27)と、ゲート電極に一定電圧が供給され、ソース電極が前記第9、第10のPchトランジスタ(M28、M27)のドレイン電極に各々接続され、ドレイン電極が前記第3、第4のPchトランジスタ(M20、M19)のドレイン電極に各々接続された第9、第10のNchトランジスタ(M22、M21)とからなり、前記第7、第8のPchトランジスタ(M26、M25)のドレイン電極同士が接続された局所同相帰還ループを備えていることを特徴とする請求項4〜6のいずれかに記載の演算増幅回路。
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