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JP2002064343A - Defferential amplifier circuit - Google Patents

Defferential amplifier circuit

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JP2002064343A
JP2002064343A JP2000249957A JP2000249957A JP2002064343A JP 2002064343 A JP2002064343 A JP 2002064343A JP 2000249957 A JP2000249957 A JP 2000249957A JP 2000249957 A JP2000249957 A JP 2000249957A JP 2002064343 A JP2002064343 A JP 2002064343A
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voltage
transistors
transistor
amplifier circuit
differential amplifier
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JP2000249957A
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Shinichi Akita
晋一 秋田
Yasukazu Tosumi
泰和 戸住
Tetsuo Omori
鉄男 大森
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New Japan Radio Co Ltd
Original Assignee
New Japan Radio Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a differential amplifier circuit capable of being realized with a simple circuit configuration without distorting the output voltage and without causing crossover distortion even when input voltage approaches the VDD or VSS. SOLUTION: A differential couple is composed of depression type transistors MP11 and MP12, an active load is composed of enhancement transistors MN11 and MN12 and a current source is composed of an enhancement MP13. When the substrate effect coefficient of MP11 and MP12 is defined as B and the threshold voltage of MN11 and MN12 is defined as A, a threshold voltage Y of MP11 and MP12 is made -0.125<Y< (-0.875×A+0.675)×B-0.125}.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、入力電圧が電源の
低電位側、高電位側のいずれの側に大きく振れても歪み
無く出力電圧が得られるようにした差動増幅回路に関す
るものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a differential amplifier circuit capable of obtaining an output voltage without distortion even if an input voltage largely swings to a low potential side or a high potential side of a power supply. .

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、携帯電子機器の動作電源は電池が
一般的となっており、軽量化のためにその電圧は低下す
る一方である。これに伴って、回路の電源電圧利用を効
率的に行うために、特にアナログ回路の信号振幅を電源
電圧の両端にまで広げる必要性が高まってきた。
2. Description of the Related Art In recent years, a battery has been generally used as an operating power supply of a portable electronic device, and its voltage has been decreasing due to weight reduction. Along with this, in order to efficiently use the power supply voltage of the circuit, it is necessary to increase the signal amplitude of the analog circuit particularly to both ends of the power supply voltage.

【0003】図14は従来の一般的な差動増幅回路50
の回路図であり、エンハンスメント型のPMOSトラン
ジスタMP51,MP52,MP53,MP54、エン
ハンスメント型のNMOSトランジスタMN51,MN
52,MN53を使用して構成したものである。トラン
ジスタMP51,MP52は差動対を構成し、トランジ
スタMP53,MP54は電流源を構成し、トランジス
タMN51,MN52は差動対トランジスタMP51,
MP52の能動負荷としてのカレントミラー回路を構成
する。トランジスタMN53,MP54は出力回路を構
成する。51は非反転入力端子、52は反転入力端子、
53は出力端子、54はバイアス端子である。
FIG. 14 shows a conventional general differential amplifier circuit 50.
FIG. 3 is a circuit diagram of an enhancement type PMOS transistor MP51, MP52, MP53, MP54, and an enhancement type NMOS transistor MN51, MN.
52 and MN53. The transistors MP51 and MP52 form a differential pair, the transistors MP53 and MP54 form a current source, and the transistors MN51 and MN52 form a differential pair transistor MP51.
A current mirror circuit as an active load of the MP 52 is configured. The transistors MN53 and MP54 form an output circuit. 51 is a non-inverting input terminal, 52 is an inverting input terminal,
53 is an output terminal and 54 is a bias terminal.

【0004】図15はこの差動増幅回路50の動作波形
を示したもので、出力端子53と反転入力端子52を接
続して全体を図2に示すようなボルテージホロワ接続と
し、非反転入力端子51に入力信号Vinを印加したとき
の差動対トランジスタMP51,MP52の共通ソース
であるノードTAILの電圧Vtailと出力端子53の電
圧Votの波形を示したものである。
FIG. 15 shows operation waveforms of the differential amplifier circuit 50. The output terminal 53 and the inverting input terminal 52 are connected to form a voltage follower connection as shown in FIG. 7 shows waveforms of a voltage Vtail of a node TAIL, which is a common source of the differential pair transistors MP51 and MP52, and a voltage Vot of an output terminal 53 when an input signal Vin is applied to a terminal 51.

【0005】この図15を見ると、入力電圧Vinが電源
電圧VDDに近づくと、電圧Vtailと電圧Votがクリッ
プされ歪んでいる。これは、入力電圧Vinが電源電圧V
DDに近づくと、差動対トランジスタMP51,MP5
2のゲート・ソース間電圧VgsがそのトランジスタMP
51,MP52のしきい値電圧Vthp51,Vthp52より小
さくなり、その差動対トランジスタMP51,MP52
がカットオフするためである。このように、図14の差
動増幅回路50では、入力電圧Vinが電源電圧VDD近
くになると、出力電圧Votが歪む問題がある。
Referring to FIG. 15, when the input voltage Vin approaches the power supply voltage VDD, the voltage Vtail and the voltage Vot are clipped and distorted. This is because the input voltage Vin is equal to the power supply voltage V
When approaching DD, the differential pair transistors MP51 and MP5
2 the gate-source voltage Vgs of the transistor MP
Threshold voltages Vthp51 and Vthp52 of the differential pair transistors MP51 and MP52.
Is to cut off. Thus, in the differential amplifier circuit 50 of FIG. 14, when the input voltage Vin becomes close to the power supply voltage VDD, there is a problem that the output voltage Vot is distorted.

【0006】図16は別の差動増幅回路50’を示す回
路図であり、図14における差動増幅回路50の差動対
のトランジスタMP51,MP52をデプレッション型
のPMOSトランジスタMP55,MP56に置換した
ものである。他は図14の差動増幅回路50と同じであ
る。
FIG. 16 is a circuit diagram showing another differential amplifier circuit 50 ', in which the differential pair of transistors MP51 and MP52 of the differential amplifier circuit 50 in FIG. 14 are replaced with depletion type PMOS transistors MP55 and MP56. Things. Others are the same as the differential amplifier circuit 50 of FIG.

【0007】ところが、差動増幅回路50’では、入力
端子52を出力端子53に接続してボルテージホロワ接
続とし、入力端子51に電圧Vinを入力するとき、その
入力電圧Vinが電源電圧VDDに近づいたときは差動対
トランジスタMP55,MP56はカットオフしない
が、接地電圧VSSに近づいたときに、その差動対P5
5,MP56がカットオフし、図17に示すように出力
波形がクリップされる。このように、差動対トランジス
タをデプレッション型にするのみでは出力をフルスイン
グさせることは出来ない。図18は入力電圧Vinを0V
から2Vに変化させたときの電圧Vtail,Vout,Votの
特性図である。55に示されるように、入力電圧Vinが
約0.3Vになって初めて電圧Votが立ち上っている。
However, in the differential amplifying circuit 50 ', the input terminal 52 is connected to the output terminal 53 to form a voltage follower connection, and when the voltage Vin is input to the input terminal 51, the input voltage Vin changes to the power supply voltage VDD. When approaching, the differential pair transistors MP55 and MP56 do not cut off, but when approaching the ground voltage VSS, the differential pair P5
5, MP56 is cut off, and the output waveform is clipped as shown in FIG. Thus, the output cannot be fully swung simply by making the differential pair transistors depletion type. FIG. 18 shows that the input voltage Vin is 0 V
FIG. 7 is a characteristic diagram of voltages Vtail, Vout, and Vot when the voltage is changed from V to 2V. As shown by 55, the voltage Vot rises only when the input voltage Vin becomes about 0.3V.

【0008】図19は以上のような問題を解決するため
に、電源電圧VDD側の歪みを防止する正側差動増幅回
路61と接地電圧VSS側の歪みを防止する負側差動増
幅回路62を独立して構成し、両差動増幅回路61と6
2の入力端子、出力端子をそれぞれ共通接続して構成し
た差動増幅回路60である。63,64は入力端子、6
5は出力端子である。
FIG. 19 shows a positive differential amplifier circuit 61 for preventing distortion on the power supply voltage VDD side and a negative differential amplifier circuit 62 for preventing distortion on the ground voltage VSS side in order to solve the above problems. Are independently configured, and both differential amplifier circuits 61 and 6
2 is a differential amplifier circuit 60 configured by connecting the input terminal and the output terminal of each of them in common. 63 and 64 are input terminals, 6
5 is an output terminal.

【0009】正側差動増幅回路61はエンハンスメント
型のPMOSトランジスタMP61,MP62,MP6
3、エンハンスメント型のNMOSトランジスタMN6
1,MN62、および電流源I61からなる。トランジ
スタMN61,MN62は差動対を構成し、トランジス
タMP61,MP62はその差動対トランジスタMN6
1,MN62の能動負荷としてのカレントミラー回路を
構成する。トランジスタMP63は出力回路を構成す
る。
The positive differential amplifier 61 is an enhancement type PMOS transistor MP61, MP62, MP6.
3. Enhancement type NMOS transistor MN6
1, MN62 and a current source I61. Transistors MN61 and MN62 form a differential pair, and transistors MP61 and MP62 are the differential pair transistor MN6.
1, a current mirror circuit as an active load of MN62. The transistor MP63 forms an output circuit.

【0010】負側差動増幅回路62はエンハンスメント
型のPMOSトランジスタMP64,MP65,エンハ
ンスメント型のNMOSトランジスタMN63、MN6
4,MN65、および電流源I62からなる。トランジ
スタMP64,MP65は差動対を構成し、トランジス
タMN63,MN64はその差動対トランジスタMP6
4,MP65の能動負荷としてのカレントミラー回路を
構成する。トランジスタMN65は出力回路を構成す
る。
The negative differential amplifier circuit 62 includes enhancement type PMOS transistors MP64 and MP65, and enhancement type NMOS transistors MN63 and MN6.
4, MN65, and a current source I62. Transistors MP64 and MP65 form a differential pair, and transistors MN63 and MN64 are the differential pair transistor MP6.
4, a current mirror circuit as an active load of MP65 is formed. The transistor MN65 forms an output circuit.

【0011】この差動増幅回路60では、入力端子63
に入力する電圧が電源電圧VDD近くにまで上昇する
と、負側差動増幅回路62のトランジスタMP64,M
P65の差動対はカットオフするが、正側差動増幅回路
61のトランジスタMN61,MN62の差動対が正常
動作するので、出力端子64の出力電圧Votが歪むこと
はない。
In the differential amplifier circuit 60, the input terminal 63
Rises to near the power supply voltage VDD, the transistors MP64 and MP of the negative differential amplifier circuit 62
Although the differential pair at P65 is cut off, the output voltage Vot at the output terminal 64 is not distorted because the differential pair of the transistors MN61 and MN62 of the positive-side differential amplifier circuit 61 operates normally.

【0012】逆に、入力端子63に入力する電圧が接地
電圧VSS近くにまで下降すると、正側差動増幅回路6
1のトランジスタMN61,MN62の差動対はカット
オフするが、負側差動増幅回路62のトランジスタMP
64,MP65の差動対が正常動作するので、出力端子
64の出力電圧Votが歪むことはない。すなわち、入力
電圧Vinが過大になっても過小になっても、出力電圧V
otは正常に現れる。
Conversely, when the voltage input to the input terminal 63 drops to near the ground voltage VSS, the positive differential amplifier 6
1, the differential pair of the transistors MN61 and MN62 is cut off.
Since the differential pair 64 and MP65 operate normally, the output voltage Vot of the output terminal 64 is not distorted. That is, even if the input voltage Vin becomes excessively large or small, the output voltage V
ot appears normally.

【0013】ところが、この差動増幅回路60では、正
側と負側差動増幅回路61,62が独立しているので、
両者間にバラツキが発生し易く、製造歩留まりが低下す
る問題がある。また、正側差動増幅回路61は接地電圧
VSS側でカットオフし、負側差動増幅回路62は電源
電圧VDD側でカットオフするので、図20の66,6
7に示すように正側差動増幅回路61の低入力領域と負
側差動増幅回路62の高入力領域で出力電圧が非直線特
性となる。なお、図20のVotpはトランジスタMP6
3のドレインにトランジスタMN65に変えて電流源を
接続したときの出力電圧、VotnはトランジスタMN6
5のドレインにトランジスタMP63に変えて電流源を
接続したときの出力電圧である。このため、図21に示
すように、非連続点68が発生し、出力波形に歪が発生
する問題がある。
However, in this differential amplifier circuit 60, since the positive and negative differential amplifier circuits 61 and 62 are independent,
There is a problem that variation easily occurs between the two, and the production yield decreases. Further, since the positive differential amplifier 61 is cut off on the ground voltage VSS side and the negative differential amplifier 62 is cut off on the power supply voltage VDD, 66 and 6 in FIG.
As shown in FIG. 7, the output voltage has non-linear characteristics in the low input region of the positive differential amplifier circuit 61 and the high input region of the negative differential amplifier circuit 62. Note that Votp in FIG.
The output voltage Vont when the current source is connected to the drain of the transistor MN65 instead of the transistor MN65 is the transistor MN6
5 is an output voltage when a current source is connected to the drain of the transistor 5 instead of the transistor MP63. For this reason, as shown in FIG. 21, there is a problem that a discontinuous point 68 is generated and the output waveform is distorted.

【0014】図22は別の差動増幅回路70の回路図で
ある。MP71,MP72,MP73はエンハンスメン
ト型のPMOSトランジスタ、MN71,MN72,M
N73,MN74,MN75はエンハンスメント型のN
MOSトランジスタ、MN76,MN77はデプレッシ
ョン型のNMOSトランジスタである。71は非反転入
力端子、72は反転入力端子、73は出力端子、74は
バイアス端子である。
FIG. 22 is a circuit diagram of another differential amplifier circuit 70. MP71, MP72, MP73 are enhancement type PMOS transistors, MN71, MN72, M
N73, MN74 and MN75 are enhancement type N
MOS transistors MN76 and MN77 are depletion type NMOS transistors. 71 is a non-inverting input terminal, 72 is an inverting input terminal, 73 is an output terminal, and 74 is a bias terminal.

【0015】エンハンスメント型の差動対トランジスタ
MN71,MN72の各ドレインはトランジスタMP7
1,MP72からなる能動負荷としてのカレントミラー
回路に接続され、各ゲートは入力端子71,72に共通
に接続され、ソースは電流源としてのトランジスタMN
74に共通接続されている。
The drains of the enhancement type differential pair transistors MN71 and MN72 are connected to a transistor MP7.
1, MP72, is connected to a current mirror circuit as an active load, each gate is commonly connected to input terminals 71, 72, and the source is a transistor MN as a current source.
74 are commonly connected.

【0016】また、デプレッション型の差動対トランジ
スタMN71,MN72の各ドレインもトランジスタM
P71,MP72からなる能動負荷としてのカレントミ
ラー回路に接続され、各ゲートも入力端子71,72に
共通に接続され、ソースは電流源としてのトランジスタ
MN73に共通接続されている。
The drains of the depletion type differential pair transistors MN71 and MN72 are connected to the transistor MN71.
The gates are connected to a current mirror circuit as an active load composed of P71 and MP72, the gates are also commonly connected to the input terminals 71 and 72, and the source is commonly connected to a transistor MN73 as a current source.

【0017】すなわち、この差動増幅回路70は、エン
ハンスメント型の差動対とデプレッション型の差動対を
並列接続したもので、特開平8−256026号に記載
されているものである。
That is, the differential amplifier circuit 70 is obtained by connecting an enhancement-type differential pair and a depletion-type differential pair in parallel, and is described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-256,026.

【0018】この差動増幅回路70では、エンハンスメ
ント型の差動対トランジスタMN71,MN72は、入
力端子71、72に入力する電圧の低電圧領域ではその
しきい値電圧Vthn71,Vthn72以下となるとカットオフ
するが、高電圧領域では電源電圧VDDまで動作する。
一方、デプレッション型の差動対トランジスタMN7
6,MN77は、入力電圧がそのしきい値電圧Vthn7
6、Vthn77まではエンハンスメント型の差動対トランジ
スタMN71,MN72と同様に動作する。(Vthn7
6、Vthn77)<<(Vthn71,Vthn72)であるので、デ
プレッション型差動対トランジスタMN76,MN77
はエンハンスメント型差動対トランジスタMN71,M
N72より低電圧領域まで動作する。つまり、エンハン
スメント型差動対トランジスタMN71,MN72は入
力電圧の高電圧領域を受け持ち、デプレッション型差動
対トランジスタMN76,MN77は入力電圧の低電圧
領域を受け持つよう動作する。
In the differential amplifier circuit 70, the enhancement-type differential pair transistors MN71 and MN72 are cut off when their threshold voltages Vthn71 and Vthn72 become lower than the threshold voltages Vthn71 and Vthn72 in the low voltage region of the voltage input to the input terminals 71 and 72. However, in the high voltage region, the operation is performed up to the power supply voltage VDD.
On the other hand, a depletion-type differential pair transistor MN7
6, MN77 has an input voltage whose threshold voltage Vthn7
6. Up to Vthn77, they operate in the same manner as the enhancement type differential pair transistors MN71 and MN72. (Vthn7
6, Vthn77) << (Vthn71, Vthn72), so the depletion type differential pair transistors MN76, MN77
Are enhancement type differential pair transistors MN71, MN
It operates up to the low voltage region from N72. That is, the enhancement type differential pair transistors MN71 and MN72 operate to cover the high voltage region of the input voltage, and the depletion type differential pair transistors MN76 and MN77 operate to cover the low voltage region of the input voltage.

【0019】しかしながら、デプレッション型差動対ト
ランジスタMN76,MN77は、そのソース電位を電
流源トランジスタMN73のドレイン電圧よりも低くす
ることはできないので、入力電圧が接地電圧VSSにな
ると、カットオフし、動作が不連続となる。
However, since the source potential of the depletion type differential pair transistors MN76 and MN77 cannot be made lower than the drain voltage of the current source transistor MN73, when the input voltage becomes the ground voltage VSS, it is cut off and operates. Becomes discontinuous.

【0020】図23は別の差動増幅回路80の回路図で
ある。MP81,MP82,MP83はエンハンスメン
ト型のPMOSトランジスタ、MN81,MN82はエ
ンハンスメント型のNMOSトランジスタである。SW
はスイッチ、81は非反転入力端子、82は反転入力端
子である。なお、出力回路は省略している。
FIG. 23 is a circuit diagram of another differential amplifier circuit 80. MP81, MP82 and MP83 are enhancement type PMOS transistors, and MN81 and MN82 are enhancement type NMOS transistors. SW
Is a switch, 81 is a non-inverting input terminal, and 82 is an inverting input terminal. The output circuit is omitted.

【0021】この差動増幅回路80は特開平5−102
756号に記載されているもので、スイッチSWによっ
て差動対トランジスタMP81,MP82の基板電圧を
切り替え、動作範囲を変化させるようにしたものであ
る。ここでは、スイッチSWを端子a1の側に切り替え
れば基板電位はソース電位となり、このときのしきい値
電圧をVthp8-1とすると、端子a1の側に切り替えたと
きの基板電位は電源電圧VDDとなり、しきい値電圧は
Vthp8-2(>Vthp8-1)と大きくなる。よって、入力電
圧が電源電圧VDDに近い領域で変化するようなときは
スイッチSWを端子a1側に切り替えてしきい値電圧を
Vthp8-1とし、接地電圧VSSに近い領域で変化するよ
うなときは端子a2側に切り替えてしきい値電圧をVth
p8-2とすることにより、ダイナミックレンジを広くする
ことができる。
This differential amplifier circuit 80 is disclosed in
No. 756, the substrate voltage of the differential pair transistors MP81 and MP82 is switched by a switch SW to change the operation range. Here, if the switch SW is switched to the terminal a1, the substrate potential becomes the source potential. If the threshold voltage at this time is Vthp8-1, the substrate potential when the switch is switched to the terminal a1 becomes the power supply voltage VDD. , The threshold voltage increases to Vthp8-2 (> Vthp8-1). Therefore, when the input voltage changes in a region close to the power supply voltage VDD, the switch SW is switched to the terminal a1 to set the threshold voltage to Vthp8-1, and when the input voltage changes in a region close to the ground voltage VSS. Switch to terminal a2 to set threshold voltage to Vth
By setting p8-2, the dynamic range can be widened.

【0022】しかし、入力電圧が電源電圧VDDの付近
ではその差動対トランジスタMP81,MP82がカッ
トオフして動作しなくなる。
However, when the input voltage is near the power supply voltage VDD, the differential pair transistors MP81 and MP82 are cut off and do not operate.

【0023】[0023]

【発明が解決しようとする課題】以上のように、図14
の差動増幅回路50や図23の差動増幅回路80では入
力電圧が電源電圧VDDに近づくと出力電圧がクリップ
されて歪み、図16の差動増幅回路50’や図22の差
動増幅回路70では入力電圧が接地電圧VSSに近づく
と出力電圧がクリップされて歪むという問題がある。ま
た、図19の差動増幅回路60では差動増幅回路50,
50’のような問題はないものの、回路構成が複雑とな
りクロスオーバ歪みが発生し易いという問題がある。
As described above, FIG.
When the input voltage approaches the power supply voltage VDD in the differential amplifier circuit 50 of FIG. 23 and the differential amplifier circuit 80 of FIG. 23, the output voltage is clipped and distorted, and the differential amplifier circuit 50 ′ of FIG. 16 and the differential amplifier circuit of FIG. In 70, there is a problem that the output voltage is clipped and distorted when the input voltage approaches the ground voltage VSS. In the differential amplifier circuit 60 shown in FIG.
Although there is no problem as in the case of 50 ', there is a problem that the circuit configuration is complicated and crossover distortion is easily generated.

【0024】本発明は以上のような点に鑑みてなされた
もので、その目的は、入力電圧がVDDやVSSに近づ
いても出力電圧が歪むことなく、またクロスオーバ歪み
も発生せず、しかも簡単な回路で実現できるようにした
差動増幅回路を提供することである。
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to prevent the output voltage from being distorted even when the input voltage approaches VDD or VSS, and to cause no crossover distortion. An object of the present invention is to provide a differential amplifier circuit that can be realized by a simple circuit.

【0025】[0025]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の第1の発明は、差動接続される第1の導電型でデプレ
ッション型の第1,第2のMOSトランジスタと、該第
1,第2のMOSトランジスタのドレインにドレインが
接続され且つ前記第1の導電型と反対の第2の導電型で
互いにカレントミラー接続されるエンハンスメント型の
第3,第4のMOSトランジスタと、前記第1,第2の
MOSトランジスタの共通ソースにドレインが接続され
エンハンスメント型で且つ電流源としての第1の導電型
の第5のMOSトランジスタとを含み、前記第1,第2
のMOSトランジスタの基板効果係数をBとし、前記第
3,第4のMOSトランジスタのしきい値電圧をAとす
るとき、前記第1,第2のMOSトランジスタのしきい
値電圧Yを、0<Aのときは、 −0.125<Y<{(−0.875×A+0.675)×B−0.125)} A<0のときは、 {(0.875×A−0.675)×B+0.125)}<Y<0.125 となるよう構成した。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a depletion-type first and second MOS transistor of a first conductivity type which are differentially connected to each other. An enhancement-type third and fourth MOS transistor having a drain connected to the drain of the second MOS transistor and having a second conductivity type opposite to the first conductivity type and being current mirror-connected to each other; , A drain connected to a common source of the second MOS transistor, a fifth MOS transistor of an enhancement type and a first conductivity type as a current source.
Assuming that the substrate effect coefficient of the MOS transistor is B and the threshold voltage of the third and fourth MOS transistors is A, the threshold voltage Y of the first and second MOS transistors is 0 < When A, -0.125 <Y <{(-0.875 × A + 0.675) × B−0.125)} When A <0, {(0.875 × A−0.675) × B + 0.125)} <Y <0.125 It was constituted so that it might become.

【0026】第2の発明は、第1の発明において、前記
第1,第2のMOSトランジスタを1組としてこれを複
数組設け、各組のMOSトランジスタのソースを前記第
5のMOSトランジスタのドレインに共通接続し、各組
のMOSトランジスタの一方のMOSトランジスタのド
レインを個々にヒューズ又はスイッチを介して前記第3
のトランジスタに共通接続すると共に他方のMOSトラ
ンジスタのドレインを個々にヒューズ又はスイッチを介
して前記第4のトランジスタに共通接続して構成した。
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, a plurality of sets of the first and second MOS transistors are provided, and a source of each set of MOS transistors is connected to a drain of the fifth MOS transistor. And the drain of one of the MOS transistors in each set is individually connected to the third MOS transistor via a fuse or a switch.
And the drains of the other MOS transistors are individually connected commonly to the fourth transistor via fuses or switches.

【0027】[0027]

【発明の実施の形態】図1は本発明の原理説明のための
差動増幅回路10を示す図である。同図において、MP
11,MP12,MP13,MP14はPMOSトラン
ジスタ、MN11,MN12,MN13はNMOSトラ
ンジスタである。トランジスタMP11,MP12は差
動対を構成するデプレッション型であり、その基板は電
源電圧VDDのラインに接続されている。他のトランジ
スタはエンハンスメント型である。トランジスタMP1
3は電流源を構成し、トランジスタMN11,MN12
は能動負荷としてのカレントミラー回路を構成する。ト
ランジスタMP14とMN13は出力回路を構成する。
FIG. 1 is a diagram showing a differential amplifier circuit 10 for explaining the principle of the present invention. In FIG.
11, MP12, MP13 and MP14 are PMOS transistors, and MN11, MN12 and MN13 are NMOS transistors. The transistors MP11 and MP12 are of a depletion type forming a differential pair, and their substrates are connected to a power supply voltage VDD line. Other transistors are enhancement type. Transistor MP1
Reference numeral 3 denotes a current source, and transistors MN11 and MN12
Constitutes a current mirror circuit as an active load. The transistors MP14 and MN13 form an output circuit.

【0028】このように、本発明では、差動対トランジ
スタMP11,MP12の基板をソースではなく、電源
電圧VDDのラインに接続し、さらにこの差動対トラン
ジスタMP11,MP12をデプレッション型として機
能させる。なお、ここでの「デプレッション型」とは、
エンハンスメント型のようにしきい値電圧が−0.6V
程度ではなく、0V付近の負電圧又は正電圧を呈するト
ランジスタを呼ぶ。つまり、通常のノーマリオンの特性
を示すのではなく、しきい値電圧がエンハンスメント型
と同一極性で小さな値の場合も含まれるものとする。
As described above, in the present invention, the substrates of the differential pair transistors MP11 and MP12 are connected not to the source but to the line of the power supply voltage VDD, and the differential pair transistors MP11 and MP12 are made to function as a depletion type. The “depression type” here means
Threshold voltage is -0.6V like enhancement type
Rather, it refers to a transistor that exhibits a negative or positive voltage near 0 V. That is, it is assumed that the threshold voltage does not show the normal normally-on characteristics but has a small value with the same polarity as that of the enhancement type.

【0029】図2は差動増幅回路の特性試験用の接続関
係を示すもので、反転入力端子と出力端子を接続してボ
ルテージホロワとし、非反転入力端子に電圧を入力させ
て出力端子に現れる電圧の特性を測定する。
FIG. 2 shows a connection relationship for a characteristic test of the differential amplifier circuit, in which an inverting input terminal and an output terminal are connected to form a voltage follower, a voltage is input to a non-inverting input terminal, and a voltage is applied to an output terminal. Measure the characteristics of the appearing voltage.

【0030】図1の差動増幅回路10をこのようなボル
テージ接続として、非反転入力端子11に入力させる入
力電圧Vinを接地電圧VSS〜電源電圧VDDまで変化
させたとき、出力端子13の電圧Votがその入力電圧V
inと全く同じ電位で変化すれば理想的な動作と言える。
しかし、従来では前述したように、種々な要因で電源電
圧VDDに近い領域で入力電圧に追従できなかったり、
接地電圧VSSに近い領域で同様に追従できなかったり
して、歪みが発生する。
When the input voltage Vin to be input to the non-inverting input terminal 11 is changed from the ground voltage VSS to the power supply voltage VDD while the differential amplifier circuit 10 of FIG. Is the input voltage V
It can be said that the operation is ideal if it changes at the same potential as in.
However, conventionally, as described above, the input voltage cannot be tracked in a region close to the power supply voltage VDD due to various factors,
Similarly, in a region close to the ground voltage VSS, the tracking cannot be performed, and distortion occurs.

【0031】図3、図4はその入出力特性を示す図であ
り、横軸は非反転入力端子11に入力する電圧Vin、縦
軸はノードOUTの電圧Vout、ノードTAILの電圧
Vtail、出力端子13の電圧Votである。
FIGS. 3 and 4 show the input / output characteristics. The horizontal axis represents the voltage Vin input to the non-inverting input terminal 11, the vertical axis represents the voltage Vout at the node OUT, the voltage Vtail at the node TAIL, and the output terminal. 13 is the voltage Vot.

【0032】まず、図3はデプレッション型の差動対ト
ランジスタMP11,MP12のしきい値電圧Vthp11,
Vthp12がエンハンスメント型に近い値(負側に大きい
値:−0.3V)となったときの特性で、入力電圧Vin
がVSS付近とVDD付近をくらべてみると、VSS付
近では電圧Vout、Vtail、Votの変化は滑らかである
のに対し、VDD付近では符号15に示すように大きく
変化し、電圧VoutがVSSになるので、電圧VotはV
DDに張り付いてしまう。これは、入力電圧VinがVD
D側になるとMP12がカットオフするためである。
First, FIG. 3 shows the threshold voltages Vthp11 and Vthp11 of the depletion type differential pair transistors MP11 and MP12.
This is a characteristic when Vthp12 becomes a value close to the enhancement type (a large value on the negative side: -0.3 V).
In comparison with the vicinity of VSS and the vicinity of VDD, the changes of the voltages Vout, Vtail, and Vot near the VSS are smooth, whereas the changes near the VDD greatly change as indicated by reference numeral 15, and the voltage Vout becomes VSS. Therefore, the voltage Vot is V
Stick to DD. This is because the input voltage Vin is VD
This is because the MP12 cuts off on the D side.

【0033】図4はデプレッション型の差動対トランジ
スタMP11,MP12のしきい値電圧Vthp11,Vthp1
2がより深いデプレッション型(0.2V)となったと
きの特性で、入力電圧VinがVSS付近とVDD付近を
くらべてみると、VDD付近では電圧Vout、Vtail、
Votの変化は滑らかであるのに対し、VSS付近では符
号16に示すように大きく変化し、電圧VotはVDDに
張り付き、電圧Voutも不十分な特性である。これは、
ノードOXの電圧を電圧Voxとすると、入力電圧Vinが
VSS付近では、 Vthn11<Vox<Vtail ・・・(1) の関係が保持できなくなるためである。なお、Vthn11
はMN11のしきい値電圧である。
FIG. 4 shows the threshold voltages Vthp11 and Vthp1 of the depletion type differential pair transistors MP11 and MP12.
When the input voltage Vin is close to VSS and close to VDD, the characteristics when the deeper depletion type (0.2 V) is applied to the input voltage Vin are closer to VDD.
While the change of Vot is smooth, it largely changes near VSS, as indicated by reference numeral 16, and the voltage Vot is stuck to VDD, and the voltage Vout is also insufficient. this is,
This is because if the voltage of the node OX is the voltage Vox, the relationship of Vthn11 <Vox <Vtail (1) cannot be maintained when the input voltage Vin is around VSS. Note that Vthn11
Is the threshold voltage of MN11.

【0034】そこで、式(1)が満足される範囲でトラン
ジスタMN11のしきい値電圧Vthn11を小さくする
か、又は電圧Vtailを大きくすればよいが、ある程度の
余裕をもってそれらの最適値を見つけることは不可能で
あった。
Therefore, the threshold voltage Vthn11 of the transistor MN11 may be reduced or the voltage Vtail may be increased within a range in which the expression (1) is satisfied. It was impossible.

【0035】このように、差動対トランジスタMP1
1、MP12のしきい値電圧Vthp11,Vthp12を小さく
してデプレッション型にしただけでは、入出力の動作範
囲をVSSからVDDの範囲まで広げることは、不可能
であった。そのしきい値電圧Vthp11,Vthp12を非常に
狭い範囲に閉じこめれば可能性はあるが、これでは現実
の生産現場では非常に低い歩留まりになり、実用的では
ない。しきい値電圧の制御性は、技術の進歩で将来的に
は著しく向上することが予想されるが、現状ではねらっ
た値の±150mV程度のバラツキは避けられない。
As described above, the differential pair transistor MP1
1. It was not possible to widen the input / output operating range from VSS to VDD only by reducing the threshold voltages Vthp11 and Vthp12 of MP12 to depletion type. If the threshold voltages Vthp11 and Vthp12 are confined to a very narrow range, there is a possibility. However, this yields a very low yield in an actual production site and is not practical. It is expected that the controllability of the threshold voltage will be significantly improved in the future due to the progress of technology, but at present, a variation of about ± 150 mV of the intended value cannot be avoided.

【0036】そこで本発明では、従来考慮されなかった
別のパラメータとしきい値電圧との関係に着目し、VS
S〜VDDの全範囲で連続的に動作できるようにした差
動増幅回路を実現するものである。
Therefore, the present invention focuses on the relationship between another parameter and the threshold voltage which have not been considered in the past, and
An object of the present invention is to realize a differential amplifier circuit capable of continuously operating in the entire range of S to VDD.

【0037】図5は図1の差動増幅回路10において、
基板効果係数BをB=0.7、1.3、1.9とした各
場合の電圧Vtailの変化を示した図である。基板効果係
数Bの値を大きくしたときほど、電圧Vtailが電圧Vou
tから離れていくことが分かる。つまり、式(1)内のVox
とVtailの差が大きくなり、しきい値電圧Vthn11のバ
ラツキの許容範囲が広くなることが分かる。
FIG. 5 shows the differential amplifier circuit 10 of FIG.
FIG. 9 is a diagram illustrating a change in voltage Vtail in each case where the substrate effect coefficient B is set to B = 0.7, 1.3, and 1.9. As the value of the body effect coefficient B increases, the voltage Vtail increases
You can see that it moves away from t. That is, Vox in equation (1)
It can be seen that the difference between the threshold voltage Vthn11 and the threshold voltage Vthn11 increases.

【0038】図6は単体のPMOSトランジスタMPの
基板効果を説明するための図である。これは、ゲート電
圧Vgを2V(=VDD)から0V(=VSS)まで変
化させたときのドレイン電流Idsの変化を示すもので、
MOSトランジスタの基板に印加する基板電圧VsbをV
DD+0VからVDD+2.5Vまで0.5Vピッチで
変化させた各場合についてのものである。この図6から
明らかなように、基板電圧Vsbが大きくなるほど見かけ
上のしきい値電圧が大きくなっている。
FIG. 6 is a diagram for explaining the substrate effect of a single PMOS transistor MP. This shows a change in the drain current Ids when the gate voltage Vg is changed from 2V (= VDD) to 0V (= VSS).
The substrate voltage Vsb applied to the substrate of the MOS transistor is V
This is for each case of changing from DD + 0V to VDD + 2.5V at 0.5V pitch. As apparent from FIG. 6, as the substrate voltage Vsb increases, the apparent threshold voltage increases.

【0039】基板効果については、参考文献として「サ
ブミクロンデバイスI、小柳光正、丸善」や「CMO
S、R.Jacob Baker,et al IEEE Press」等を挙げること
ができる。これらによれば、基板効果係数Bは B=√(2×Es×Eo×q×Na)/Cox ・・・(2) で表される。Esはシリコンの比誘電率、Eoは真空の
誘電率、Naは基板の不純物濃度、Coxはゲート電極下
の絶縁酸化膜の容量である。
Regarding the substrate effect, reference materials such as “Submicron Device I, Mitsumasa Koyanagi, Maruzen” and “CMO
S. R. Jacob Baker, et al IEEE Press "and the like. According to these, the substrate effect coefficient B is represented by B = √ (2 × Es × Eo × q × Na) / Cox (2) Es is the relative dielectric constant of silicon, Eo is the dielectric constant of vacuum, Na is the impurity concentration of the substrate, and Cox is the capacitance of the insulating oxide film below the gate electrode.

【0040】現在では多くのFET計算用モデルが提案
されており、基板効果についても、特性の正確な再現の
ために複雑な式で表現されるが、基板電位を変化させて
しきい値電圧の変化を観測する点は常に同じであり、い
ずれも図6と同様な特性を得ることができる。前記式
(2)によれば、不純物濃度Naや酸化膜厚を変えれば基
板効果係数Bを変化させることができること分かる。そ
して、不純物濃度Naを2倍にすれば基板効果係数Bは
√2倍にできる。このように不純物濃度Na等の調整に
よって基板効果係数Bを、ひいてはしきい値電圧を変化
させることができる。
At present, many FET calculation models have been proposed, and the substrate effect is expressed by a complicated equation for accurate reproduction of the characteristics. However, the substrate potential is changed to change the threshold voltage. The point at which the change is observed is always the same, and in each case, characteristics similar to those in FIG. 6 can be obtained. The formula
According to (2), it is found that the substrate effect coefficient B can be changed by changing the impurity concentration Na and the oxide film thickness. If the impurity concentration Na is doubled, the substrate effect coefficient B can be doubled. As described above, the substrate effect coefficient B and, consequently, the threshold voltage can be changed by adjusting the impurity concentration Na and the like.

【0041】図7は図1の差動増幅回路10における差
動対トランジスタMP11,MP12の基板効果係数B
に対するしきい値電圧Vthp11、Vthp12(以下、Yと呼
ぶ)の変化を示した特性図であり、その負荷側のトラン
ジスタMN11,MN12のしきい値電圧Vthn11,Vt
hn12(以下、Aと呼ぶ)を種々変化させたときのもので
ある。なお、VDD=2V,VSS=0Vである。
FIG. 7 shows the substrate effect coefficient B of the differential pair transistors MP11 and MP12 in the differential amplifier circuit 10 of FIG.
FIG. 5 is a characteristic diagram showing changes in threshold voltages Vthp11 and Vthp12 (hereinafter, referred to as Y) with respect to the threshold voltages Vthn11 and Vt of transistors MN11 and MN12 on the load side.
hn12 (hereinafter, referred to as A) when variously changed. Note that VDD = 2V and VSS = 0V.

【0042】まず、A=0.5Vのときに回路がフルス
イングする範囲は、限界ライン15と限界16の間の斜
線部分aの領域である。限界ライン15は、 Y=−0.125 ・・・(3) 限界ライン16は、 Y=0.2375×B−0.125 ・・・(4) である。これらは、多くの測定データやシミュレーショ
ン結果を回帰分析して得られたものであり、グラフ化し
さらに数式で表現し一般化したものである。
First, the range in which the circuit makes a full swing when A = 0.5 V is the area of the hatched portion a between the limit line 15 and the limit 16. The limit line 15 is Y = −0.125 (3) The limit line 16 is Y = 0.2375 × B−0.125 (4) These are obtained by regression analysis of many measurement data and simulation results, are graphed, further expressed by mathematical expressions, and generalized.

【0043】次に、A=0.4Vのときに回路がフルス
イングする範囲は、限界ライン15と限界17の間の斜
線部分a,bの領域である。限界ライン17は、 Y=0.325×B−0.125 ・・・(5) である。
Next, the range in which the circuit makes a full swing when A = 0.4 V is the area of the hatched portions a and b between the limit line 15 and the limit 17. The limit line 17 is Y = 0.325 × B−0.125 (5).

【0044】また、A=0.2Vのときに回路がフルス
イングする範囲は、限界ライン15と限界18の間の斜
線部分a,b、cの領域である。限界ライン18は、 Y=0.5×B−0.125 ・・・(6) である。
The range where the circuit makes a full swing when A = 0.2 V is the area of hatched portions a, b and c between the limit line 15 and the limit 18. The limit line 18 is as follows: Y = 0.5 × B−0.125 (6)

【0045】なお、以上のフルスイングする範囲を示す
斜線部分a,b,cは基板効果係数Bが 1.0≦B≦2.2 ・・・(7) の範囲としているが、製造上から決めたものであり、こ
れに限られない。
The hatched portions a, b, and c indicating the full swing range have the substrate effect coefficient B in the range of 1.0 ≦ B ≦ 2.2 (7). It is decided and not limited to this.

【0046】以上をまとめれば、デプレッション型のP
MOS差動対トランジスタMP11,MP12のしきい
値電圧Yを、 −0.125<Y<{(−0.875×A+0.675)×B−0.125} ・・・(8) の範囲に設定することにより、入力電圧VinをVSS〜
VDDまでフルスイングさせたとき、それに応じた歪み
のない出力電圧Votを得ることができる。
In summary, the depletion type P
By setting the threshold voltage Y of the MOS differential pair transistors MP11 and MP12 in the range of −0.125 <Y <{(− 0.875 × A + 0.675) × B−0.125} (8) The voltage Vin is changed from VSS to
When a full swing is made to VDD, an output voltage Vot without distortion corresponding to the full swing can be obtained.

【0047】このように、しきい値電圧Yの範囲は、負
荷側トランジスタMN11,MN12のしきい値電圧A
と基板効果係数Bとによって、かなり広い範囲内で設定
することができるので容易に実現できる。
As described above, the range of the threshold voltage Y depends on the threshold voltage A of the load side transistors MN11 and MN12.
And the substrate effect coefficient B, it can be set within a fairly wide range, so that it can be easily realized.

【0048】以上は差動対トランジスタをデプレッショ
ン型のPMOSトランジスタMP11,MP12とした
ときの差動増幅回路についての場合であったが、図8に
示すように、その差動対トランジスタにデプレッション
型のNMOSトランジスタを使用する差動増幅回路20
についても同様な考え方が当てはまる。図8において、
MP21,MP22,MP23はエンハンスメント型の
PMOSトランジスタ、MN21,MN22はデプレッ
ション型のNMOSトランジスタ、MN23,MN24
はエンハンスメント型のNMOSトランジスタである。
The above is the case of the differential amplifier circuit in which the differential pair transistors are depletion type PMOS transistors MP11 and MP12. However, as shown in FIG. 8, the differential pair transistors have depletion type PMOS transistors MP11 and MP12. Differential amplifier circuit 20 using NMOS transistors
A similar idea applies to In FIG.
MP21, MP22 and MP23 are enhancement type PMOS transistors, MN21 and MN22 are depletion type NMOS transistors, and MN23 and MN24.
Is an enhancement type NMOS transistor.

【0049】図9はそのときのフルスイングする範囲を
示す特性図であり、差動対トランジスタMN21,MN
22のしきい値電圧Vthn21,Vthn22をY’、負荷用の
トランジスタMP21,MP22のしきい値電圧Vthp2
1,Vthp22を同値のA’としたとき、この差動増幅回路
では、限界ライン25は、 Y’=0.125 ・・・(9) A’=−0.5Vのときの限界ライン26は、 Y’=−0.2375×B+0.125 ・・・(10) A’=0.4Vのときの限界ライン27は、 Y’=−0.325×B+0.125 ・・・(11) A’=−0.2Vのときの限界ライン28は Y’=−0.5×B+0.125 ・・・(12) で表される。
FIG. 9 is a characteristic diagram showing the full swing range at that time. The differential pair transistors MN21 and MN
The threshold voltages Vthn21 and Vthn22 of Y.22 are Y ', and the threshold voltages Vthp2 of the load transistors MP21 and MP22.
1, when Vthp22 is A ′ of the same value, in this differential amplifier circuit, the limit line 25 is Y ′ = 0.125 (9) When A ′ = − 0.5V, the limit line 26 is Y ′ = − 0.2375 × B + 0.125 (10) The limit line 27 when A ′ = 0.4 V is as follows: Y ′ = − 0.325 × B + 0.125 (11) A The limit line 28 when '= −0.2 V is represented by Y ′ = − 0.5 × B + 0.125 (12).

【0050】以上をまとめれば、デプレッション型のN
MOS差動対トランジスタMN21,MN22のしきい
値電圧Y’を、 {(0.875×A’−0.675)×B+0.125}<Y’<0.125 ・・・(13) の範囲に設定することにより、入力電圧VinをVSS〜
VDDまでフルスイングさせたとき、それに応じた歪み
のない出力電圧Votを得ることができる。基板効果係数
Bの範囲は式(7)で表される範囲である。
To summarize the above, the depletion type N
By setting the threshold voltage Y ′ of the MOS differential pair transistors MN21 and MN22 in the range of {(0.875 × A′−0.675) × B + 0.125} <Y ′ <0.125 (13) Input voltage Vin from VSS
When a full swing is made to VDD, an output voltage Vot without distortion corresponding to the full swing can be obtained. The range of the substrate effect coefficient B is the range represented by the equation (7).

【0051】図10は実際に製造するのに好適な実施例
の差動増幅回路の構成を示すブロック図であり、(a)の
差動増幅回路100は差動トランジスタとしてデプレッ
ション型のPMOSトランジスタを使用する場合につい
て、(b)の差動増幅回路200はデプレッション型のN
MOSトランジスタを使用する場合についてのものであ
る。
FIG. 10 is a block diagram showing the configuration of a differential amplifier circuit according to an embodiment suitable for actual manufacture. The differential amplifier circuit 100 shown in FIG. 10A is a depletion type PMOS transistor as a differential transistor. For use, the differential amplifier circuit 200 shown in FIG.
This is for the case where a MOS transistor is used.

【0052】図10(a)において、101は電流源、1
02はデプレッション型の複数の差動対PMOSトラン
ジスタからなる差動対トランジスタ群、103はこの差
動対トランジスタ群102内から使用するトランジスタ
を選択する選択手段、104はカレントミラーからなる
負荷、105,106は差動入力端子であり、出力回路
は省略している。
In FIG. 10A, 101 is a current source, 1
02 is a differential pair transistor group composed of a plurality of depletion type differential pair PMOS transistors, 103 is a selecting means for selecting a transistor to be used from the differential pair transistor group 102, 104 is a load composed of a current mirror, 105, 105 106 is a differential input terminal, and the output circuit is omitted.

【0053】ここでは、差動対トランジスタ群102内
の各差動対トランジスタ単位で、基板効果係数Bを前記
式(7)の範囲内において互いに異ならせて形成する。こ
の基板効果係数Bの設定は、トランジスタのゲート酸化
膜直下部における基板濃度を各差動対トランジスタ毎に
少しずつ異ならせることにより行う。
Here, the substrate effect coefficients B are formed so as to be different from each other within the range of the equation (7) for each differential pair transistor in the differential pair transistor group 102. The setting of the substrate effect coefficient B is performed by slightly varying the substrate concentration just below the gate oxide film of each transistor for each differential pair transistor.

【0054】図10(b)において、201は電流源、2
02はデプレッション型の複数の差動対NMOSトラン
ジスタからなる差動対トランジスタ群、203はこの差
動対トランジスタ群202内から使用するトランジスタ
を選択する選択手段、204はカレントミラー回路から
なる負荷、205,206は差動入力端子であり、出力
回路は省略している。
In FIG. 10B, 201 is a current source, 2
02, a differential pair transistor group composed of a plurality of depletion type differential pair NMOS transistors; 203, a selection unit for selecting a transistor to be used from the differential pair transistor group 202; 204, a load composed of a current mirror circuit; , 206 are differential input terminals, and the output circuit is omitted.

【0055】ここでも、差動対トランジスタ群202内
の各差動対トランジスタ単位で、基板効果係数Bを前記
式(7)の範囲内において互いに異ならせて形成する。こ
の基板効果係数Bの設定も、トランジスタのゲート酸化
膜直下部における基板濃度を差動対トランジスタ毎に少
しずつ異ならせることにより行う。
Also in this case, the substrate effect coefficients B are made different from each other within the range of the equation (7) for each differential pair transistor in the differential pair transistor group 202. The setting of the substrate effect coefficient B is also performed by making the substrate concentration immediately below the gate oxide film of the transistor slightly different for each differential pair transistor.

【0056】図11は図10(a)の構成を具体化した差
動増幅回路100の回路図である。電流源101はエン
ハンスメント型のPMOSトランジスタMP101で、
差動対トランジスタ群102はデプレッション型のPM
OSトランジスタMP102,MP103,MP10
4,MP105,MP106,MP107で構成してい
る。また、選択手段103は差動対トランジスタ群10
2のトランジスタMP102〜MP107のドレインに
個々に接続したヒューズH102,H103,H10
4,H105,H106,H107で構成している。負
荷104はエンハンスメント型のNMOSトランジスタ
MN101,MN102から構成している。図10(a)
と同様に出力回路は省略している。
FIG. 11 is a circuit diagram of a differential amplifier circuit 100 that embodies the configuration of FIG. The current source 101 is an enhancement type PMOS transistor MP101.
The differential pair transistor group 102 is a depletion type PM
OS transistors MP102, MP103, MP10
4, MP105, MP106, and MP107. Further, the selection means 103 includes the differential pair transistor group 10
Fuses H102, H103, H10 individually connected to the drains of the two transistors MP102 to MP107.
4, H105, H106 and H107. The load 104 includes enhancement-type NMOS transistors MN101 and MN102. FIG. 10 (a)
Similarly, the output circuit is omitted.

【0057】差動対トランジスタ群102の各トランジ
スタMP102〜MP107の基板濃度の調整は、2段
階の不純物注入により行う。最初の不純物注入は各トラ
ンジスタMP102〜MP107に共通に行い、2度目
の不純物注入時に各対のトランジスタ毎に異ならせる。
これにより、例えば、MP102とMP107の差動対
の濃度をN1、MP103とMP106の差動対の濃度
をN2、MP104とMP105の差動対の濃度をN3
のように設定する。例えば、N1<N2<N3である。
Adjustment of the substrate concentration of each of the transistors MP102 to MP107 of the differential pair transistor group 102 is performed by two-stage impurity implantation. The first impurity implantation is common to the transistors MP102 to MP107, and is different for each pair of transistors at the time of the second impurity implantation.
Thus, for example, the density of the differential pair of MP102 and MP107 is N1, the density of the differential pair of MP103 and MP106 is N2, and the density of the differential pair of MP104 and MP105 is N3.
Set as follows. For example, N1 <N2 <N3.

【0058】そして、この差動増幅回路100を図2に
示したようにボルテージホロワ接続し、入力端子106
に電圧Vinを入力してVSS〜VDDの範囲で変化させ
たときの図示しなかった出力回路の出力電圧の変化を観
測して、その出力電圧の波形歪みの最も少ない差動対を
残して、他の差動対はヒューズを切断することにより回
路から切り離す。
Then, the differential amplifier circuit 100 is connected by a voltage follower connection as shown in FIG.
, The change in the output voltage of the output circuit (not shown) when the voltage Vin is input and changed in the range of VSS to VDD is observed, and the differential pair having the least waveform distortion of the output voltage is left. The other differential pair is disconnected from the circuit by cutting the fuse.

【0059】具体的には、VSS側で歪みがある場合に
は、しきい値電圧が正側によったデプレッション傾向が
強いトランジスタ、つまり濃度がN1、N2のトランジ
スタMP102,MP103,MP106,MP107
を切り離すべくヒューズH102,H103,H10
6,H107を遮断して、濃度がN3のトランジスタ対
MP104,MP105のみを残す。逆にVDD側で歪
みがある場合には、その反対にしきい値電圧が負側に大
きなエンハンスメント傾向が強いトランジスタ、つまり
濃度がN2,N3のトランジスタMP103,MP10
4,MP105,MP106を切り離すべくヒューズH
103,H104,H105,H106を遮断して、濃
度がN1のトランジスタ対MP102,MP107のみ
を残す。
More specifically, when there is distortion on the VSS side, transistors having a strong depletion tendency due to the threshold voltage being on the positive side, that is, transistors MP102, MP103, MP106 and MP107 having densities of N1 and N2.
Fuses H102, H103, H10
6, H107 are cut off, leaving only the transistor pair MP104 and MP105 with the concentration of N3. Conversely, if there is distortion on the VDD side, on the other hand, transistors having a strong threshold voltage and a strong enhancement tendency on the negative side, that is, transistors MP103 and MP10 having concentrations of N2 and N3.
4, MP105, fuse H to separate MP106
103, H104, H105, and H106 are cut off, leaving only the transistor pair MP102 and MP107 with the concentration of N1.

【0060】図12は図11に示した差動増幅回路10
0の変形例の回路100’を示すものであり、選択手段
103をアナログスイッチS102、S103,S10
4,S105,S106,S107で構成し、これらの
オン/オフをセレクタ107で制御するようにして、ア
ナログスイッチS102とS107の組,S103とS
106の組,又はS104とS105の組のいずれかの
1つの組のみがオンするようにしたものである。
FIG. 12 shows the differential amplifier circuit 10 shown in FIG.
0 shows a circuit 100 ′ according to a modification example, in which the selecting means 103 is provided with analog switches S 102, S 103 and S 10
4, S105, S106 and S107, and the on / off of these switches is controlled by the selector 107, so that a set of analog switches S102 and S107, S103 and S107
Only one of the set 106 or the set of S104 and S105 is turned on.

【0061】このように、図12の差動増幅回路10
0’は、製造段階ではなく、使用段階でアナログスイッ
チS102〜S107のオン/オフを外部から制御でき
るようにしたものであり、製造工程での選択が省略でき
る。
As described above, the differential amplifier circuit 10 shown in FIG.
0 'enables the analog switches S102 to S107 to be turned on / off externally at the use stage, not at the manufacturing stage, and the selection in the manufacturing process can be omitted.

【0062】図13は図10(b)の構成を具体化した差
動増幅回路200の回路図である。電流源201はエン
ハンスメント型のNMOSトランジスタMN201で、
差動対トランジスタ群202はデプレッション型のNM
OSトランジスタMN202,MN203,MN20
4,MN205,MN206,MN207で構成してい
る。また、選択手段203は差動対トランジスタ群20
2のトランジスタMN202〜MN207のドレインに
個々に接続したアナログスイッチS202、S203,
S204,S205,S206,S207で構成してい
る。負荷204はエンハンスメント型のPMOSトラン
ジスタMP201,MP202で構成している。図10
(b)と同様に出力回路は省略している。207はセレク
タである。
FIG. 13 is a circuit diagram of a differential amplifier circuit 200 that embodies the configuration of FIG. The current source 201 is an enhancement type NMOS transistor MN201.
The differential pair transistor group 202 is a depletion type NM
OS transistors MN202, MN203, MN20
4, MN205, MN206 and MN207. Further, the selection means 203 is provided for the differential pair transistor group 20.
, The analog switches S202, S203, respectively connected to the drains of the two transistors MN202 to MN207.
It comprises S204, S205, S206, and S207. The load 204 is composed of enhancement type PMOS transistors MP201 and MP202. FIG.
The output circuit is omitted as in (b). 207 is a selector.

【0063】ここでも、差動対の各トランジスタMN2
02〜MN207の基板濃度の調整は、2段階の不純物
注入により行う。
Also in this case, each transistor MN2 of the differential pair
Adjustment of the substrate concentration of 02 to MN 207 is performed by two-stage impurity implantation.

【0064】なお、以上説明した図12,図13では差
動対トランジスタを3対としているが、しきい値電圧の
調整は前述したようにその精度が±150mV程度であ
るので、少なくとも2対設ければよい。
In FIGS. 12 and 13 described above, the number of differential pair transistors is three, but at least two pairs of threshold voltage adjustments are provided because the accuracy is about ± 150 mV as described above. Just do it.

【0065】[0065]

【発明の効果】以上から本発明の差動増幅回路によれ
ば、入力電圧がVDDやVSSに近づいても出力電圧が
歪むことなく、またクロスオーバ歪みも発生せず、しか
も簡単な回路で実現できるようになる。
As described above, according to the differential amplifier circuit of the present invention, even if the input voltage approaches VDD or VSS, the output voltage is not distorted, no crossover distortion occurs, and the circuit can be realized with a simple circuit. become able to.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明の原理説明用の差動増幅回路の回路図
である。
FIG. 1 is a circuit diagram of a differential amplifier circuit for explaining the principle of the present invention.

【図2】 測定用のボルテージホロワの接続説明図であ
る。
FIG. 2 is a connection explanatory diagram of a voltage follower for measurement.

【図3】 図1の回路の差動対トランジスタMP11,
MP12のしきい値電圧が−0.3Vのときの入力電圧
Vin変化に対する電圧Vtail、Vout、Votの特性図で
ある。
FIG. 3 shows a differential pair transistor MP11,
FIG. 14 is a characteristic diagram of voltages Vtail, Vout, and Vot with respect to a change in input voltage Vin when the threshold voltage of MP12 is −0.3 V.

【図4】 図1の回路の差動対トランジスタMP11,
MP12のしきい値電圧が0.2Vのときの入力電圧V
in変化に対する電圧Vtail、Vout、Votの特性図であ
る。
FIG. 4 shows a differential pair transistor MP11,
Input voltage V when the threshold voltage of MP12 is 0.2V
FIG. 9 is a characteristic diagram of voltages Vtail, Vout, and Vot with respect to in change.

【図5】 図1の回路の差動対トランジスタMP11,
MP12の各基板効果係数Bにおける入力電圧Vin変化
に対する電圧Vtail、Vout、Votの特性図である。
FIG. 5 shows a differential pair transistor MP11,
FIG. 9 is a characteristic diagram of voltages Vtail, Vout, and Vot with respect to a change in input voltage Vin at each substrate effect coefficient B of MP12.

【図6】 PMOSトランジスタの各基板電圧Vsbにお
いてゲート電圧Vgを変化させたときのソース・ドレイ
ン電流Idsの特性図である。
FIG. 6 is a characteristic diagram of the source / drain current Ids when the gate voltage Vg is changed at each substrate voltage Vsb of the PMOS transistor.

【図7】 図1の回路の能動負荷トランジスタMN1
1,MN12の各しきい値電圧Aにおける差動対トラン
ジスタMP11,MP12の基板効果Bに対するそのト
ランジスタMP11,MP12のしきい値電圧Yの特性
図である。
FIG. 7 shows an active load transistor MN1 of the circuit of FIG.
7 is a characteristic diagram of the threshold voltage Y of the transistors MP11 and MP12 with respect to the body effect B of the differential pair transistors MP11 and MP12 at the respective threshold voltages A of MN1 and MN12.

【図8】 図1の回路の各トランジスタの極性を反転し
た差動増幅回路の回路図である。
FIG. 8 is a circuit diagram of a differential amplifier circuit in which the polarity of each transistor in the circuit of FIG. 1 is inverted.

【図9】 図8の回路の能動負荷トランジスタMN2
1,MP22の各しきい値電圧A’における差動対トラ
ンジスタMN21,MN22の基板効果Bに対するその
トランジスタMN21,MN22のしきい値電圧Y’の
特性図である。
FIG. 9 shows an active load transistor MN2 of the circuit of FIG. 8;
7 is a characteristic diagram of the threshold voltage Y ′ of the transistors MN21 and MN22 with respect to the body effect B of the differential pair transistors MN21 and MN22 at the respective threshold voltages A ′ of MP1 and MP22.

【図10】 (a)、(b)は本発明の実施例の差動増幅回路
のブロック図である。
FIGS. 10A and 10B are block diagrams of a differential amplifier circuit according to an embodiment of the present invention.

【図11】 図10(a)の差動増幅回路の具体的回路図
である。
FIG. 11 is a specific circuit diagram of the differential amplifier circuit of FIG.

【図12】 図10(a)の差動増幅回路の別の具体的回
路図である。
FIG. 12 is another specific circuit diagram of the differential amplifier circuit of FIG.

【図13】 図10(b)の差動増幅回路の具体的回路図
である。
FIG. 13 is a specific circuit diagram of the differential amplifier circuit of FIG.

【図14】 従来の差動増幅回路の回路図である。FIG. 14 is a circuit diagram of a conventional differential amplifier circuit.

【図15】 図14の差動増幅回路に入力電圧Vinを入
力させたときの電圧Vtail,Votの波形図である。
15 is a waveform diagram of voltages Vtail and Vot when an input voltage Vin is input to the differential amplifier circuit of FIG.

【図16】 従来の別の差動増幅回路の回路図である。FIG. 16 is a circuit diagram of another conventional differential amplifier circuit.

【図17】 図16の差動増幅回路に入力電圧Vinを入
力させたときの電圧Votの波形図である。
17 is a waveform diagram of a voltage Vot when an input voltage Vin is input to the differential amplifier circuit of FIG.

【図18】 図16の差動増幅回路に入力電圧Vinを入
力させたときの電圧Vtail,Vout,Votの特性図であ
る。
FIG. 18 is a characteristic diagram of voltages Vtail, Vout, and Vot when an input voltage Vin is input to the differential amplifier circuit of FIG.

【図19】 従来の更に別の差動増幅回路の回路図であ
る。
FIG. 19 is a circuit diagram of another conventional differential amplifier circuit.

【図20】 図19の差動増幅回路に入力電圧Vinを入
力させたときの電圧Vtail-p,Vtail-n,Voutp,Vou
tn,Votp,Votnの特性図である。
20 shows voltages Vtail-p, Vtail-n, Voutp, and Vou when input voltage Vin is input to the differential amplifier circuit of FIG.
It is a characteristic diagram of tn, Votp, Vont.

【図21】 図19の差動増幅回路の出力電圧Votの波
形図である。
21 is a waveform chart of an output voltage Vot of the differential amplifier circuit of FIG.

【図22】 従来の更に別の差動増幅回路の回路図であ
る。
FIG. 22 is a circuit diagram of another conventional differential amplifier circuit.

【図23】 従来の更に別の差動増幅回路の回路図であ
る。
FIG. 23 is a circuit diagram of another conventional differential amplifier circuit.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大森 鉄男 埼玉県上福岡市福岡2丁目1番1号 新日 本無線株式会社川越製作所内 Fターム(参考) 5J066 AA01 AA12 CA21 CA24 FA16 FA18 HA10 HA14 HA15 HA16 HA17 HA38 HA39 HA49 KA00 KA05 KA09 MA05 MA19 MA22 ND01 ND14 ND22 ND23 PD01 TA01 TA02 TA06 5J090 AA01 AA12 CA21 CA24 FA16 FA18 GN01 HA10 HA14 HA15 HA16 HA17 HA38 HA39 HA49 KA00 KA05 KA09 MA05 MA19 MA22 TA01 TA02 TA06  ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (72) Inventor Tetsuo Omori 2-1-1 Fukuoka, Kamifukuoka-shi, Saitama F-term in Kawagoe Works, Nippon Radio Co., Ltd. 5J066 AA01 AA12 CA21 CA24 FA16 FA18 HA10 HA14 HA15 HA16 HA17 HA38 HA39 HA49 KA00 KA05 KA09 MA05 MA19 MA22 ND01 ND14 ND22 ND23 PD01 TA01 TA02 TA06 5J090 AA01 AA12 CA21 CA24 FA16 FA18 GN01 HA10 HA14 HA15 HA16 HA17 HA38 HA39 HA49 KA00 KA05 KA09 MA05 TA02 TA06

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】差動接続される第1の導電型でデプレッシ
ョン型の第1,第2のMOSトランジスタと、該第1,
第2のMOSトランジスタのドレインにドレインが接続
され且つ前記第1の導電型と反対の第2の導電型で互い
にカレントミラー接続されるエンハンスメント型の第
3,第4のMOSトランジスタと、前記第1,第2のM
OSトランジスタの共通ソースにドレインが接続されエ
ンハンスメント型で且つ電流源としての第1の導電型の
第5のMOSトランジスタとを含み、前記第1,第2の
MOSトランジスタの基板効果係数をBとし、前記第
3,第4のMOSトランジスタのしきい値電圧をAとす
るとき、前記第1,第2のMOSトランジスタのしきい
値電圧Yを、 0<Aのときは、 −0.125<Y<{(−0.875×A+0.675)×B−0.125)} A<0のときは、 {(0.875×A−0.675)×B+0.125)}<Y<0.125 としたことを特徴とする差動増幅回路。
A first conductive type and depletion type first and second MOS transistor which are differentially connected;
An enhancement-type third and fourth MOS transistor having a drain connected to the drain of the second MOS transistor and having a second conductivity type opposite to the first conductivity type and being current mirror-connected to each other; , The second M
A drain connected to a common source of the OS transistor, a fifth MOS transistor of an enhancement type and a first conductivity type as a current source, wherein a substrate effect coefficient of the first and second MOS transistors is B; When the threshold voltage of the third and fourth MOS transistors is A, the threshold voltage Y of the first and second MOS transistors is: -0.125 <Y <{ (−0.875 × A + 0.675) × B−0.125)} When A <0, the differential amplifier circuit satisfies {(0.875 × A−0.675) × B + 0.125)} <Y <0.125. .
【請求項2】請求項1において、 前記第1,第2のMOSトランジスタを1組としてこれ
を複数組設け、各組のMOSトランジスタのソースを前
記第5のMOSトランジスタのドレインに共通接続し、
各組のMOSトランジスタの一方のMOSトランジスタ
のドレインを個々にヒューズ又はスイッチを介して前記
第3のトランジスタに共通接続すると共に他方のMOS
トランジスタのドレインを個々にヒューズ又はスイッチ
を介して前記第4のトランジスタに共通接続してなるこ
とを特徴とする差動増幅回路。
2. The device according to claim 1, wherein a plurality of sets of the first and second MOS transistors are provided, and a source of each set of MOS transistors is commonly connected to a drain of the fifth MOS transistor.
The drains of one MOS transistor of each set of MOS transistors are individually connected to the third transistor via a fuse or a switch, and the other MOS transistor is connected to the other MOS transistor.
A differential amplifier circuit, wherein drains of transistors are individually connected to the fourth transistor via a fuse or a switch.
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