JP2011239154A - Operational amplifier circuit - Google Patents
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Abstract
【課題】低電源電圧、低消費電流に対応可能とし、高利得、広帯域化を図る演算増幅回路を提供する。
【解決手段】入力信号を差動で受け低抵抗負荷R1、R2を持つ差動対M1、M2を含む初段増幅部と、前記初段増幅部の出力に接続され出力端子から出力信号を出力する次段増幅部を備え、次段増幅部は前記差動対M1、M2の出力対の一つをゲートに入力し前記出力端子にドレインが接続されたトランジスタM19,M20を含む1段構成の第1の信号経路と、前記差動対の出力対の他方をゲートに入力するトランジスタM5,M6を含む入力段と、前記出力端子にドレインが接続されたトランジスタM17,M18を含む出力段とを備えた第2の信号経路とを備えている。さらに次段増幅部において、第1の信号経路のトランジスタM19,M20と第2の信号経路のトランジスタM5,M6に流れるバイアス電流を設定するバイアス回路を備えている。
【選択図】図1An operational amplifier circuit that can cope with a low power supply voltage and a low current consumption and achieves a high gain and a wide band.
A first-stage amplifying unit including a differential pair M1 and M2 that receives an input signal differentially and has low resistance loads R1 and R2, and an output signal output from an output terminal connected to the output of the first-stage amplifying unit. The first stage amplifier includes a transistor M19, M20 having one of the output pairs of the differential pair M1, M2 input to the gate and the drain connected to the output terminal. Signal path, an input stage including transistors M5 and M6 for inputting the other output pair of the differential pair to a gate, and an output stage including transistors M17 and M18 having drains connected to the output terminals. And a second signal path. Further, the next-stage amplifier includes a bias circuit that sets a bias current flowing through the transistors M19 and M20 in the first signal path and the transistors M5 and M6 in the second signal path.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は半導体装置に関し、特に、演算増幅回路に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to an operational amplifier circuit.
図4は、非特許文献1のFig.3(c)の2段クラスA/ABアンプを応用した演算増幅回路の構成を説明する図である。なお、非特許文献1のFig.3(c)では、M1、M2がpMOSトランジスタ、M3、M4がnMOSトランジスタからなるPMOS差動対の構成が開示されているが、図4では、nMOS差動対としてある。また、図4では、非特許文献1のFig.3(c)とはトランジスタの参照符号等は、適宜変更されている。 4 is shown in FIG. It is a figure explaining the structure of the operational amplifier circuit which applied 2 step | paragraph class A / AB amplifier of 3 (c). Note that FIG. 3 (c) discloses a configuration of a PMOS differential pair in which M1 and M2 are pMOS transistors, and M3 and M4 are nMOS transistors, but in FIG. 4, they are nMOS differential pairs. In FIG. 4, FIG. The reference numerals and the like of the transistors in 3 (c) are appropriately changed.
図4を参照すると、この演算増幅回路において、ソースがGND(グランド)に接続されゲートにバイアス電圧Vcmfb1を受けるnMOSトランジスタM15と、共通接続されたソースがnMOSトランジスタM15のドレインに接続され、ゲートが差動入力端子Vin+、Vin−にそれぞれ接続されたMOSトランジスタ対M1、M2と、ソースが電源VDDに接続され、ゲートが共通接続されバイアス端子Vbに接続され、ドレインがnMOSトランジスタM1、M2のドレインにそれぞれ接続されたpMOSトランジスタM3、M4(負荷用トランジスタ)を備え、これらは、初段増幅部(入力差動段)を構成している。 Referring to FIG. 4, in this operational amplifier circuit, an nMOS transistor M15 whose source is connected to GND (ground) and receives a bias voltage Vcmfb1 at its gate, a commonly connected source is connected to the drain of nMOS transistor M15, and its gate is The MOS transistor pair M1 and M2 connected to the differential input terminals Vin + and Vin−, respectively, the source is connected to the power supply VDD, the gate is commonly connected to the bias terminal Vb, and the drain is the drain of the nMOS transistors M1 and M2. PMOS transistors M3 and M4 (load transistors) respectively connected to the first and second amplifiers (input differential stage).
第2段目の増幅部は、2つの信号経路を持つ。第1の信号経路はnMOSトランジスタM11(M12)を経て出力端子Vout−(Vout+)へ導出される。すなわち、ソースがGNDに接続されたnMOSトランジスタM11のゲートにnMOSトランジスタM2のドレインが接続され、nMOSトランジスタM11のドレインはVout−に接続されている。また、ソースがGNDに接続されたnMOSトランジスタM12のゲートに、nMOSトランジスタM1のドレインが接続され、nMOSトランジスタM12のドレインはVout+に接続されている。 The second-stage amplifier has two signal paths. The first signal path is led to the output terminal Vout− (Vout +) through the nMOS transistor M11 (M12). That is, the drain of the nMOS transistor M2 is connected to the gate of the nMOS transistor M11 whose source is connected to GND, and the drain of the nMOS transistor M11 is connected to Vout−. The drain of the nMOS transistor M1 is connected to the gate of the nMOS transistor M12 whose source is connected to GND, and the drain of the nMOS transistor M12 is connected to Vout +.
第2の信号経路は、nMOSトランジスタM5(M6)を経てpMOSトランジスタM7、M9(M8、M10)によるカレントミラー回路を介して出力端子Vout−(Vout+)へ導出される。すなわち、ソースがGNDに接続されたnMOSトランジスタM5のゲートにnMOSトランジスタM1のドレインが接続され、nMOSトランジスタM5のドレインは、第1のカレントミラー回路(M7、M9)の入力端をなすpMOSトランジスタM7のドレインに接続され、第1のカレントミラー回路(M7、M9)の出力端をなすpMOSトランジスタM9のドレインはVout−に接続されている。また、ソースがGNDに接続されたnMOSトランジスタM6のゲートにnMOSトランジスタM2のドレインが接続され、nMOSトランジスタM6のドレインは、第2のカレントミラー回路(M8、M10)の入力端をなすpMOSトランジスタM8のドレインに接続され、カレントミラー回路(M8、M10)の出力端をなすpMOSトランジスタM10のドレインは、Vout+に接続されている。Vout−とGND間、Vout+とGND間には、ゲートにバイアス電圧Vcmfb2を受けるnMOSトランジスタM13、M14がそれぞれ接続されている。 The second signal path is led to the output terminal Vout− (Vout +) through the nMOS transistor M5 (M6) and the current mirror circuit by the pMOS transistors M7 and M9 (M8 and M10). That is, the drain of the nMOS transistor M1 is connected to the gate of the nMOS transistor M5 whose source is connected to GND, and the drain of the nMOS transistor M5 is the pMOS transistor M7 that forms the input terminal of the first current mirror circuit (M7, M9). And the drain of the pMOS transistor M9, which forms the output terminal of the first current mirror circuit (M7, M9), is connected to Vout−. The drain of the nMOS transistor M2 is connected to the gate of the nMOS transistor M6 whose source is connected to GND, and the drain of the nMOS transistor M6 is the pMOS transistor M8 that forms the input terminal of the second current mirror circuit (M8, M10). The drain of the pMOS transistor M10 connected to the drain of the current mirror circuit (M8, M10) and connected to the drain of the current mirror circuit (M8, M10) is connected to Vout +. NMOS transistors M13 and M14 that receive a bias voltage Vcmfb2 at their gates are connected between Vout− and GND and between Vout + and GND, respectively.
nMOSトランジスタM15のゲート・バイアス電圧Vcmfb1は、nMOSトランジスタM5、M6のゲート電極の同相電圧を設定するために、不図示の第1の同相帰還回路の出力から供給され、nMOSトランジスタM13、M14のゲートバイアス電圧Vcmfb2は、演算増幅回路の同相出力電圧を設定するために、不図示の第2の同相帰還回路の出力から供給される。 The gate bias voltage Vcmfb1 of the nMOS transistor M15 is supplied from the output of the first common-mode feedback circuit (not shown) to set the common-mode voltage of the gate electrodes of the nMOS transistors M5 and M6, and the gates of the nMOS transistors M13 and M14 The bias voltage Vcmfb2 is supplied from the output of a second common-mode feedback circuit (not shown) in order to set the common-mode output voltage of the operational amplifier circuit.
入力差動段の出力であるnMOSトランジスタM2のドレインと、出力端子Vout−間に接続された容量C1と抵抗R1の直列回路、nMOSトランジスタM1のドレインと、出力端子Vout+間に接続された容量C2と抵抗R2の直列回路は位相補償回路である。 A series circuit of a capacitor C1 and a resistor R1 connected between the drain of the nMOS transistor M2, which is an output of the input differential stage, and the output terminal Vout−, and a capacitor C2 connected between the drain of the nMOS transistor M1 and the output terminal Vout +. And a series circuit of the resistor R2 is a phase compensation circuit.
図4において、入力端子の信号電圧がVin+>Vin−のとき、nMOSトランジスタM1のゲート・ソース間電圧が、nMOSトランジスタM2のゲート・ソース間電圧よりも大となり、nMOSトランジスタM1のドレイン電流がnMOSトランジスタM2のドレイン電流よりも大となり、nMOSトランジスタM1のドレイン電圧は、nMOSトランジスタM2のドレイン電圧よりも低くなる。この結果、nMOSトランジスタM5のゲート・ソース間電圧は、nMOSトランジスタM6のゲート・ソース間電圧よりも小となり、nMOSトランジスタM5のドレイン電流は、nMOSトランジスタM6のドレイン電流よりも小となり、第1のカレントミラー回路の出力電流であるpMOSトランジスタM9のドレイン電流(充電電流)は、第2のカレントミラー回路の出力電流であるpMOSトランジスタM10のドレイン電流(充電電流)よりも小となる。 In FIG. 4, when the signal voltage at the input terminal is Vin +> Vin−, the gate-source voltage of the nMOS transistor M1 is larger than the gate-source voltage of the nMOS transistor M2, and the drain current of the nMOS transistor M1 is nMOS. The drain current of the transistor M2 becomes larger and the drain voltage of the nMOS transistor M1 becomes lower than the drain voltage of the nMOS transistor M2. As a result, the gate-source voltage of the nMOS transistor M5 becomes smaller than the gate-source voltage of the nMOS transistor M6, the drain current of the nMOS transistor M5 becomes smaller than the drain current of the nMOS transistor M6, and the first The drain current (charging current) of the pMOS transistor M9, which is the output current of the current mirror circuit, is smaller than the drain current (charging current) of the pMOS transistor M10, which is the output current of the second current mirror circuit.
また、nMOSトランジスタM2のドレイン電圧は、nMOSトランジスタM1のドレイン電圧よりも高くなるため、nMOSトランジスタM11のドレイン電流(放電電流)は、nMOSトランジスタM12のドレイン電流(放電電流)よりも大となる。このため、Vout−の電圧は下がり、Vout+の電圧は上がる。 Since the drain voltage of the nMOS transistor M2 is higher than the drain voltage of the nMOS transistor M1, the drain current (discharge current) of the nMOS transistor M11 is larger than the drain current (discharge current) of the nMOS transistor M12. For this reason, the voltage of Vout− decreases and the voltage of Vout + increases.
一方、Vin+<Vin−のときは、Vout−の電圧が上がり、Vout+の電圧は下る。 On the other hand, when Vin + <Vin−, the voltage of Vout− increases and the voltage of Vout + decreases.
シミュレーション結果として、0.8μmCMOSプロセスとし電源電圧VDD=1.8Vにて動作させたところ、DC利得=68dB、ユニテイ・ゲイン周波数=24MHzを得ている。 As a simulation result, when a 0.8 μm CMOS process is performed and the power supply voltage VDD is 1.8 V, a DC gain of 68 dB and a unity gain frequency of 24 MHz are obtained.
広帯域特性と高いDC利得が得られ、低電源電圧での動作が可能な演算増幅回路として、例えば特許文献1には、図5に示す構成が提案されている。図5を参照すると、ゲート電極が差動入力端子の各一方に接続され、ソース電極が第1の電流源トランジスタ(M26)に共通接続され、ドレイン電極が第1および第2の負荷抵抗(R1、R4)に各々接続された第1および第2のNchトランジスタ(M1、M4)によって構成される第1の差動増幅回路と、
ゲート電極が前記差動入力端子の各一方に接続され、ソース電極が第2の電流源トランジスタ(M27)に共通接続され、ドレイン電極が第3および第4の負荷抵抗(R2、R3)に各々接続された第3および第4のNchトランジスタ(M2、M3)によって構成される第2の差動増幅回路と、
ソース電極が基準電位(GND)に接続され、ゲート電極が前記第1のNchトランジスタ(M1)のドレイン電極に接続された第5のNchトランジスタ(M5)と、ソース電極が前記第5のNchトランジスタ(M5)のドレイン電極と接続された第6のNchトランジスタ(M7)によって構成される第1のカスコード増幅回路と、
ソース電極が基準電位(GND)に接続され、ゲート電極が前記第2のNchトランジスタ(M4)のドレイン電極に接続された第7のNchトランジスタ(M6)と、ソース電極が前記第7のNchトランジスタ(M6)のドレイン電極と接続された第8のNchトランジスタ(M8)によって構成される第2のカスコード増幅回路と、
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6のNchトランジスタ(M7)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1のPchトランジスタ(M11)によって構成される第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8のNchトランジスタ(M8)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2のPchトランジスタ(M12)によって構成される第2の出力増幅回路と、
ソース電極が基準電位(GND)に接続され、ゲート電極が前記第4のNchトランジスタ(M3)のドレイン電極に接続され、ドレイン電極が前記差動出力端子の一方に接続された第9のNchトランジスタ(M13)によって構成される第3の出力増幅回路と、
ソース電極が基準電位(GND)に接続され、ゲート電極が前記第3のNchトランジスタ(M2)のドレイン電極に接続され、ドレイン電極が前記差動出力端子の他方に接続された第10のNchトランジスタ(M14)によって構成される第4の出力増幅回路とを備え、前記第1および第2の差動増幅回路の動作電圧は、ドレイン電極が前記電源電位(VDD)に接続され、ゲート電極が中間電位に接続された第1および第2のノン・ドープNchトランジスタ(M19およびM20)の各ソース電極から供給される。
For example,
A gate electrode is connected to one of the differential input terminals, a source electrode is commonly connected to the second current source transistor (M27), and a drain electrode is connected to the third and fourth load resistors (R2, R3), respectively. A second differential amplifier circuit constituted by connected third and fourth Nch transistors (M2, M3);
A fifth Nch transistor (M5) having a source electrode connected to a reference potential (GND) and a gate electrode connected to a drain electrode of the first Nch transistor (M1), and a source electrode being the fifth Nch transistor A first cascode amplifier circuit configured by a sixth Nch transistor (M7) connected to the drain electrode of (M5);
A seventh Nch transistor (M6) having a source electrode connected to a reference potential (GND) and a gate electrode connected to a drain electrode of the second Nch transistor (M4); and a source electrode connected to the seventh Nch transistor A second cascode amplifier circuit constituted by an eighth Nch transistor (M8) connected to the drain electrode of (M6);
A first Pch transistor (a source electrode connected to the power supply potential (VDD)), a gate electrode connected to the drain electrode of the sixth Nch transistor (M7), and a drain electrode connected to one of the differential output terminals ( A first output amplifier circuit configured by M11);
A second Pch transistor (the source electrode is connected to the power supply potential (VDD)), the gate electrode is connected to the drain electrode of the eighth Nch transistor (M8), and the drain electrode is connected to the other of the differential output terminals ( A second output amplifier circuit configured by M12);
A ninth Nch transistor having a source electrode connected to a reference potential (GND), a gate electrode connected to the drain electrode of the fourth Nch transistor (M3), and a drain electrode connected to one of the differential output terminals A third output amplifier circuit configured by (M13);
A tenth Nch transistor having a source electrode connected to a reference potential (GND), a gate electrode connected to the drain electrode of the third Nch transistor (M2), and a drain electrode connected to the other of the differential output terminals A fourth output amplifier circuit configured by (M14), and the operating voltage of the first and second differential amplifier circuits is such that the drain electrode is connected to the power supply potential (VDD) and the gate electrode is intermediate Supplied from each source electrode of the first and second non-doped Nch transistors (M19 and M20) connected to the potential.
以下に関連技術の分析を与える。 The analysis of related technology is given below.
図4に示した演算増幅回路は以下の問題点がある。 The operational amplifier circuit shown in FIG. 4 has the following problems.
(1)第1の問題点は、広帯域化が困難である、ということである。 (1) The first problem is that it is difficult to increase the bandwidth.
図4に示すように、第1、第2の信号経路を持ち、出力段は、プッシュプル動作する。しかしながら、その周波数特性上は、通常の2ステージアンプと変わらない。このため、広帯域化は困難である。即ち、図4の回路において、
ユニテイ・ゲイン周波数(×2π)は、
で与えられる。ただし、
gm1はnMOSトランジスタM1の相互コンダクタンス、
C1は位相補償容量である。
As shown in FIG. 4, the first and second signal paths are provided, and the output stage performs a push-pull operation. However, its frequency characteristics are the same as a normal two-stage amplifier. For this reason, it is difficult to increase the bandwidth. That is, in the circuit of FIG.
The unity gain frequency (× 2π) is
Given in. However,
gm1 is the mutual conductance of the nMOS transistor M1,
C1 is a phase compensation capacitor.
また、2次極(p2)は、
で与えられる。ただし、
gm11はnMOSトランジスタM11の相互コンダクタンス、
CLはVout−に接続する負荷容量(不図示)である。なお、図4において、pMOSトランジスタM9の相互コンダクタンスgm9はnMOSトランジスタM11の相互コンダクタンスgm11に等しいものとする。
The secondary pole (p2) is
Given in. However,
gm11 is the mutual conductance of the nMOS transistor M11,
CL is a load capacity (not shown) connected to Vout−. In FIG. 4, it is assumed that the mutual conductance gm9 of the pMOS transistor M9 is equal to the mutual conductance gm11 of the nMOS transistor M11.
ユニテイ・ゲイン周波数を上げるためには、nMOSトランジスタM1の相互コンダクランスgm1のみならず、nMOSトランジスタM11のgm11を大として、2次極p2の広域化が必要となる(例えば2次極p2をGB(Gain Bandwidth Product:利得帯域幅積=開ループ利得×1次極)よりも大とする)。 In order to increase the unity gain frequency, not only the mutual conductance gm1 of the nMOS transistor M1, but also the gm11 of the nMOS transistor M11 is increased, and the secondary pole p2 needs to be widened (for example, the secondary pole p2 is changed to GB). (Gain Bandwidth Product: gain bandwidth product = open loop gain × primary pole)).
このため、電流の増加、あるいはトランジスタ(M1、M2、M11、M12、M9、M10)等のサイズ(ゲート幅W)の増加を伴う。すなわち、トランジスタが飽和領域で動作するものとして、ドレイン電流(drain-to-source current)IDSは、
で与えられる。ただし、
μはキャリア(電子)の移動度、COXは単位面積当りのゲート絶縁膜容量、Wはゲート幅、Lはゲート長(チャネル長)、VGSはゲート・ソース間電圧、Vthは閾値電圧である。
For this reason, an increase in current or an increase in size (gate width W) of the transistors (M1, M2, M11, M12, M9, M10) and the like is accompanied. That is, assuming that the transistor operates in the saturation region, the drain-to-source current I DS is
Given in. However,
μ is the carrier (electron) mobility, C OX is the gate insulating film capacitance per unit area, W is the gate width, L is the gate length (channel length), V GS is the gate-source voltage, and V th is the threshold voltage. It is.
相互コンダクタンスgmは、以下にように表される。
The mutual conductance gm is expressed as follows.
トランジスタの相互コンダクタンスgmを大とするには、トランジスタに流れる電流IDS、ゲート幅Wの少なくとも一方を増大させることが必要である。 In order to increase the transconductance gm of the transistor, it is necessary to increase at least one of the current I DS flowing through the transistor and the gate width W.
また、ゼロ点補償用の抵抗R1による、2次極の消去を用いた広帯域化は、半導体集積回路における抵抗等の素子ばらつき、温度変動などを考慮した場合、現実的でない(ほとんど実現不可能である)。 Further, widening the band by using the elimination of the secondary pole by the zero point compensation resistor R1 is not practical when considering element variations such as resistance in the semiconductor integrated circuit, temperature fluctuation, etc. (almost impossible to realize). is there).
(2)第2の問題点は、低電圧動作と高利得化の両立が難しい、ということである。図4の回路の最低動作電圧は、0.9V(=nMOSトランジスタM11のゲート・ソース電圧VGSとpMOSトランジスタM4の飽和電圧の和(例えば0.65V+0.25V=0.9V))と、かなりの低電圧動作が可能である。 (2) The second problem is that it is difficult to achieve both low voltage operation and high gain. The minimum operating voltage of the circuit of FIG. 4 is 0.9 V (= the sum of the gate-source voltage VGS of the nMOS transistor M11 and the saturation voltage of the pMOS transistor M4 (eg, 0.65 V + 0.25 V = 0.9 V)) Low voltage operation is possible.
しかしながら、初段増幅段あるいは出力段をカスコード構成にするなど、低電圧動作を犠牲にしなければ、高利得化は困難である。 However, it is difficult to increase the gain without sacrificing low-voltage operation, such as using a cascode configuration for the first stage amplification stage or output stage.
したがって、本発明の目的は、低電源電圧、低消費電流に対応可能とし、高利得、広帯域化を図る演算増幅回路を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an operational amplifier circuit which can cope with a low power supply voltage and a low current consumption and achieves a high gain and a wide band.
本発明によれば、入力信号を差動で受け抵抗負荷を持つ差動対を含む初段増幅部と、
前記初段増幅部の出力に接続され出力端子から出力信号を出力する次段増幅部と、
を備え、
前記次段増幅部は、
第1電源にソースが接続され、前記差動対の出力対の一つをゲートに入力し前記出力端子にドレインが接続されたトランジスタを含む1段構成の第1の信号経路と、
前記第1電源にソースが接続され、前記差動対の出力対の他方をゲートに入力するトランジスタを含む入力段と、第2電源にソースが接続され、前記出力端子にドレインが接続されたトランジスタを含む出力段と、
前記入力段の前記トランジスタのドレインと第1のノードで入力が接続され、前記出力段の前記トランジスタのゲートと第2のノードで出力が接続された増幅段を備えた第2の信号経路と、
を備え、さらに、
前記次段増幅部において、少なくとも、前記第1の信号経路の前記トランジスタと前記第2の信号経路の入力段のトランジスタに流れるバイアス電流を所定値に設定するバイアス回路を備えた演算増幅回路が提供される。
According to the present invention, a first-stage amplifier including a differential pair that receives an input signal differentially and has a resistive load;
A next-stage amplifier connected to the output of the first-stage amplifier and outputting an output signal from an output terminal; and
With
The next-stage amplifier is
A first signal path having a one-stage configuration including a transistor having a source connected to a first power supply, one of the output pairs of the differential pair being input to a gate, and a drain connected to the output terminal;
An input stage including a transistor having a source connected to the first power supply and inputting the other output pair of the differential pair to a gate; a transistor having a source connected to the second power supply and a drain connected to the output terminal An output stage including:
A second signal path comprising an amplifying stage having an input connected at a first node to the drain of the transistor in the input stage, and an output connected to the gate of the transistor at the output stage and a second node;
In addition,
Provided is an operational amplifier circuit including a bias circuit that sets at least a bias current flowing in the transistor of the first signal path and the transistor of the input stage of the second signal path to a predetermined value in the next stage amplification unit. Is done.
本発明によれば、初段増幅部と、次段増幅部と、バイアス回路とを備え、
前記初段増幅部が、
第1電源に一端が接続された第1の電流源と、
第1及び第2の抵抗素子と、
前記第1の電流源の他端にソースが共通接続され、差動入力をなす第1及び第2の入力端子に、ゲートがそれぞれ接続され、前記第1及び第2の抵抗素子の一端にドレインがそれぞれ接続された第1導電型の第1及び第2のトランジスタと、
第2電源にソースが接続され、前記第1及び第2のトランジスタのドレインにドレインがそれぞれ接続され、ゲート同士が接続された第2導電型の第3及び第4のトランジスタと、
を備え、
前記次段増幅部が、
前記第1電源にソースが接続され、前記第1及び第2のトランジスタのドレインにゲートがそれぞれ接続された第1導電型の第5及び第6のトランジスタと、
前記第2電源にソースが接続され、差動出力をなす第1及び第2出力端子にドレインがそれぞれ接続された第2導電型の第7及び第8のトランジスタと、
前記第2電源にソースが接続され、前記第7のトランジスタと第1のカレントミラー回路を構成する第2導電型の第9及び第11のトランジスタと、
前記第2電源にソースが接続され、前記第8のトランジスタと第2のカレントミラー回路を構成する第2導電型の第10及び第12のトランジスタと、
前記第9のトランジスタのドレインにソースが接続された第2導電型の第13のトランジスタと、
前記第1電源と前記第13のトランジスタのドレイン間にカスコード接続された第1導電型の第15及び第17のトランジスタと、
前記第10のトランジスタのドレインにソースが接続された第2導電型の第14のトランジスタと、
前記第1電源と前記第14のトランジスタのドレイン間にカスコード接続された第1導電型の第16及び第18のトランジスタと、
前記第1電源にソースが接続され、前記第1及び第2の出力端子にドレインがそれぞれ接続され、前記第2及び第1のトランジスタのドレインにゲートがそれぞれ接続された第1導電型の第19及び第20のトランジスタと、
を備え、
前記第5、第9、第12のトランジスタのドレインと、前記第13のトランジスタのソースとが共通接続され、
前記第6、第10、第11のトランジスタのドレインと、前記第15のトランジスタのソースとが共通接続され、
前記第13のトランジスタのドレインは、前記第9のトランジスタのゲートに接続され、
前記第14のトランジスタのドレインは、前記第10のトランジスタのゲートに接続され、
前記バイアス回路が、
前記第1電源にソースが接続された第1導電型の第21のトランジスタと、
前記第21のトランジスタのドレインに一端が接続された第3の抵抗と、
前記第3の抵抗の他端と前記第2電源間に接続された第2の電流源と、
を備え、
前記第21のトランジスタのゲートは、前記第3の抵抗の他端に接続され、さらに、前記第1の電流源をなす第1導電型のトランジスタのゲートに接続され、
前記初段増幅部の前記第1及び第2の抵抗素子の他端が前記第21のトランジスタのドレインに共通接続されている演算増幅回路が提供される。
According to the present invention, the first stage amplifier, the next stage amplifier, and the bias circuit,
The first stage amplifier is
A first current source having one end connected to the first power source;
First and second resistance elements;
A source is commonly connected to the other end of the first current source, a gate is connected to each of the first and second input terminals forming a differential input, and a drain is connected to one end of the first and second resistance elements. Are respectively connected to the first and second transistors of the first conductivity type;
A second conductivity type third and fourth transistor having a source connected to a second power source, a drain connected to the drain of each of the first and second transistors, and a gate connected to each other;
With
The next-stage amplifier is
Fifth and sixth transistors of first conductivity type, each having a source connected to the first power supply and a gate connected to the drains of the first and second transistors;
A second conductivity type seventh and eighth transistor having a source connected to the second power source and a drain connected to first and second output terminals for differential output;
A source connected to the second power source, and a ninth transistor and an eleventh transistor of the second conductivity type constituting the first current mirror circuit with the seventh transistor;
A source connected to the second power supply; a tenth and a twelfth transistors of a second conductivity type forming a second current mirror circuit with the eighth transistor;
A second conductivity type thirteenth transistor having a source connected to the drain of the ninth transistor;
Fifteenth and seventeenth transistors of the first conductivity type cascode-connected between the first power source and the drain of the thirteenth transistor;
A fourteenth transistor of the second conductivity type having a source connected to the drain of the tenth transistor;
16th and 18th transistors of the first conductivity type cascode-connected between the first power supply and the drain of the 14th transistor;
A first conductivity type nineteenth having a source connected to the first power supply, a drain connected to each of the first and second output terminals, and a gate connected to the drain of each of the second and first transistors. And a twentieth transistor;
With
The drains of the fifth, ninth, and twelfth transistors and the source of the thirteenth transistor are connected in common,
The drains of the sixth, tenth and eleventh transistors and the source of the fifteenth transistor are connected in common,
The drain of the thirteenth transistor is connected to the gate of the ninth transistor;
The drain of the fourteenth transistor is connected to the gate of the tenth transistor;
The bias circuit comprises:
A first conductivity type twenty-first transistor having a source connected to the first power source;
A third resistor having one end connected to the drain of the twenty-first transistor;
A second current source connected between the other end of the third resistor and the second power source;
With
A gate of the twenty-first transistor is connected to the other end of the third resistor, and is further connected to a gate of a first conductivity type transistor forming the first current source;
An operational amplifier circuit is provided in which the other ends of the first and second resistance elements of the first stage amplifier are commonly connected to the drain of the twenty-first transistor.
本発明によれば、低電源電圧、低消費電流に対応可能とし、高利得、広帯域な演算増幅回路を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to cope with a low power supply voltage and a low current consumption, and to realize an operational amplifier circuit having a high gain and a wide bandwidth.
本発明に係る演算増幅回路は、その好ましい態様の1つにおいて、入力信号を差動で受け低抵抗負荷(R1、R2)を持つ差動対(M1、M2)を含む初段増幅部と、前記初段増幅部の出力に接続され出力端子から出力信号を出力する次段増幅部と、を備えている。
次段増幅部は、第1電源(GND)にソースが接続され、前記差動対(M1、M2)の出力対の一つをゲートに入力し前記出力端子にドレインが接続されたトランジスタM19(M20)を含む1段構成の第1の信号経路と、前記第1電源(GND)にソースが接続され、前記差動対の出力対の他方をゲートに入力するトランジスタM5(M6)を含む入力段と、第2電源にソースが接続され、前記出力端子にドレインが接続されたトランジスタM17(M18)を含む出力段と、前記入力段の前記トランジスタM5(M6)のドレインと第1のノードN1(N2)で入力が接続され、前記出力段の前記トランジスタM17(M18)のゲートと第2のノードN3(N4)で出力が接続された中間段を備えた第2の信号経路と、を備えている。さらに、前記次段増幅部において、少なくとも、前記第1の信号経路の前記トランジスタ19(M20)と前記第2の信号経路の入力段のトランジスタM5(M6)に流れるバイアス電流を所定値に設定するバイアス回路(トランジスタM24、抵抗R3、電流源Ib)と、を備えている。
The operational amplifier circuit according to the present invention, in one of its preferred embodiments, includes a first stage amplifying unit including a differential pair (M1, M2) having a low resistance load (R1, R2) receiving an input signal differentially, And a next-stage amplification unit that is connected to the output of the first-stage amplification unit and outputs an output signal from an output terminal.
The next stage amplifying unit includes a transistor M19 (source connected to a first power source (GND)), one of the output pairs of the differential pair (M1, M2) input to the gate, and a drain connected to the output terminal. A first signal path having a single-stage configuration including M20) and an input including a transistor M5 (M6) having a source connected to the first power supply (GND) and inputting the other of the output pair of the differential pair to the gate An output stage including a transistor M17 (M18) having a source connected to a second power supply and a drain connected to the output terminal; a drain of the transistor M5 (M6) in the input stage; and a first node N1 A second signal path having an intermediate stage with an input connected at (N2) and an output connected at the gate of the transistor M17 (M18) of the output stage and a second node N3 (N4). ing Further, in the next stage amplification section, at least a bias current flowing through the transistor 19 (M20) of the first signal path and the transistor M5 (M6) of the input stage of the second signal path is set to a predetermined value. And a bias circuit (transistor M24, resistor R3, current source Ib).
本発明において、前記中間段は、前記第1のノードN1(N2)と前記第2のノードN3(N4)間に接続されたゲート接地(ゲートがAC的に接地、すなわち、ゲートはAC的に変化しない電圧に接続される)トランジスタM13(M14)と、前記第2のノードN3(N4)と、前記第1電源(GND)間に接続された能動素子を含む負荷回路(能動負荷回路)を備えている。 In the present invention, the intermediate stage includes a grounded gate connected between the first node N1 (N2) and the second node N3 (N4) (the gate is grounded in an AC manner, that is, the gate is in an AC manner). A load circuit (active load circuit) including an active element connected between a transistor M13 (M14) connected to a voltage that does not change, the second node N3 (N4), and the first power supply (GND). I have.
本発明において、ゲート接地トランジスタM13(M14)とともに中間段を構成する能動負荷回路は、前記第2のノードN3(N4)と、前記第1電源(GND)間にカスコード接続された複数段のトランジスタからなるカスコード回路(M9、M11)((M10、M12))を備えている。 In the present invention, the active load circuit that forms an intermediate stage together with the common-gate transistor M13 (M14) includes a plurality of stages of transistors that are cascode-connected between the second node N3 (N4) and the first power supply (GND). The cascode circuit (M9, M11) ((M10, M12)) is provided.
あるいは、本発明において、ゲート接地トランジスタM13(M14)とともに中間段を構成する能動負荷回路は、前記第2のノードN3(N4)と前記第1電源(GND)間に接続されたゲイン・ブースト回路を備えた構成としてもよい。本発明において、ゲイン・ブースト回路は、第1電源(GND)に一端が接続された抵抗素子R6(R7)と、前記抵抗素子R6(R7)の端子電圧と、所定の基準電圧と、を入力とするゲイン・ブースト・アンプM25(M26)と、前記抵抗素子R6(R7)の他端にソースが接続され、前記第2のノードN3(N4)にドレインが接続され、ゲイン・ブースト・アンプM25(M26)の出力にゲートが接続されたトランジスタM33(M34)とを備えている。ゲイン・ブースト・アンプM25(M26)に、前記抵抗素子R6(R7)の端子電圧をレベルシフトする回路(トランジスタM31(M32))を備えた構成としてもよい。 Alternatively, in the present invention, the active load circuit constituting the intermediate stage together with the common-gate transistor M13 (M14) is a gain / boost circuit connected between the second node N3 (N4) and the first power supply (GND). It is good also as a structure provided with. In the present invention, the gain / boost circuit inputs a resistance element R6 (R7) having one end connected to the first power supply (GND), a terminal voltage of the resistance element R6 (R7), and a predetermined reference voltage. A gain boost amplifier M25 (M26), a source connected to the other end of the resistor element R6 (R7), a drain connected to the second node N3 (N4), and a gain boost amplifier M25. A transistor M33 (M34) having a gate connected to the output of (M26). The gain boost amplifier M25 (M26) may include a circuit (transistor M31 (M32)) for level-shifting the terminal voltage of the resistor element R6 (R7).
本発明に係る演算増幅回路は、その好ましい態様の1つにおいて、初段増幅部と次段増幅部とバイアス回路を備え、初段増幅部は、第1電源(GND)に一端が接続された第1の電流源(M23)と、第1及び第2の抵抗素子(R1、R2)と、前記第1の電流源(M23)の他端にソースが共通接続され、差動入力をなす第1及び第2の入力端子(Vin+、Vin−)に、ゲートがそれぞれ接続され、前記第1及び第2の抵抗素子(R1、R2)の一端にドレインがそれぞれ接続された第1導電型の第1及び第2のトランジスタ(M1、M2)と、第2電源(VDD)にソースが接続され、前記第1及び第2のトランジスタ(M1、M2)のドレインにドレインがそれぞれ接続され、ゲート同士が接続された第2導電型の第3及び第4のトランジスタ(M3、M4)とを備えている。 The operational amplifier circuit according to the present invention includes, in one of its preferable aspects, a first stage amplifying unit, a next stage amplifying unit, and a bias circuit, and the first stage amplifying unit is connected to a first power source (GND) at one end. Current source (M23), the first and second resistance elements (R1, R2), and the other end of the first current source (M23) are connected in common to the first and First conductivity type first and second terminals each having a gate connected to a second input terminal (Vin +, Vin−) and a drain connected to one end of each of the first and second resistance elements (R1, R2). The source is connected to the second transistor (M1, M2) and the second power supply (VDD), the drain is connected to the drain of each of the first and second transistors (M1, M2), and the gates are connected to each other. Second and third conductivity types And a transistor (M3, M4).
次段増幅部は、前記第1電源(GND)にソースが接続され、前記第1及び第2のトランジスタ(M1、M2)のドレインにゲートがそれぞれ接続された第1導電型の第5及び第6のトランジスタ(M5、M6)と、前記第2電源(VDD)にソースが接続され、差動出力をなす第1及び第2出力端子(Vout−、Vout+)にドレインがそれぞれ接続された第2導電型の第7及び第8のトランジスタ(M17、M18)と、前記第2電源(VDD)にソースが接続され、前記第7のトランジスタ(M17)と第1のカレントミラー回路を構成する第2導電型の第9及び第11のトランジスタ(M15、M7)と、
前記第2電源(VDD)にソースが接続され、前記第8のトランジスタ(M18)と第2のカレントミラー回路を構成する第2導電型の第10及び第12のトランジスタ(M16、M8)と、
前記第9のトランジスタ(M15)のドレインにソースが接続された第2導電型の第13のトランジスタ(M13)と、
前記第1電源(GND)と前記第13のトランジスタ(M13)のドレイン間にカスコード接続された第1導電型の第15及び第17のトランジスタ(M9、M11)と、
前記第10のトランジスタ(M16)のドレインにソースが接続された第2導電型の第14のトランジスタ(M14)と、
前記第1電源(GND)と前記第14のトランジスタ(M14)のドレイン間にカスコード接続された第1導電型の第16及び第18のトランジスタ(M10、M12)と、
前記第1電源(GND)にソースが接続され、前記第1及び第2の出力端子(Vout−、Vout+)にドレインがそれぞれ接続され、前記第2及び第1のトランジスタ(M2、M1)のドレインにゲートがそれぞれ接続された第1導電型の第19及び第20のトランジスタ(M19、M20)と、を備え、
前記第5、第9、第12のトランジスタ(M5、M15、M8)のドレインと、第13のトランジスタ(M13)のソースとが共通接続され、前記第6、第10、第11のトランジスタ(M6、M7、M16)のドレインと、第15のトランジスタ(M14)のソースが共通接続されている。また、前記第13のトランジスタ(M13)のドレインは、前記第9のトランジスタ(M15)のゲートに接続され、前記第14のトランジスタ(M14)のドレインは、前記第10のトランジスタ(M16)のゲートに接続されている。
The next-stage amplifying unit has fifth and fifth first conductivity types in which a source is connected to the first power supply (GND) and a gate is connected to the drains of the first and second transistors (M1 and M2). 6 transistors (M5, M6) and the second power source (VDD) are connected to the source, and the first and second output terminals (Vout−, Vout +) forming the differential outputs are connected to the drains. A source is connected to the conductive type seventh and eighth transistors (M17, M18) and the second power supply (VDD), and the seventh transistor (M17) and the second current mirror circuit constituting the first current mirror circuit. Conductive ninth and eleventh transistors (M15, M7);
A source connected to the second power supply (VDD), and a tenth and twelfth transistors (M16, M8) of the second conductivity type constituting a second current mirror circuit with the eighth transistor (M18);
A thirteenth transistor (M13) of the second conductivity type having a source connected to the drain of the ninth transistor (M15);
Fifteenth and seventeenth transistors (M9, M11) of the first conductivity type cascode-connected between the first power supply (GND) and the drain of the thirteenth transistor (M13);
A fourteenth transistor (M14) of the second conductivity type having a source connected to the drain of the tenth transistor (M16);
Sixteenth and eighteenth transistors (M10, M12) of the first conductivity type cascode-connected between the drain of the first power supply (GND) and the fourteenth transistor (M14);
A source is connected to the first power supply (GND), drains are connected to the first and second output terminals (Vout−, Vout +), and drains of the second and first transistors (M2, M1). And 19th and 20th transistors (M19, M20) of the first conductivity type each having a gate connected thereto,
The drains of the fifth, ninth, and twelfth transistors (M5, M15, and M8) and the source of the thirteenth transistor (M13) are connected in common, and the sixth, tenth, and eleventh transistors (M6) , M7, M16) and the source of the fifteenth transistor (M14) are connected in common. The drain of the thirteenth transistor (M13) is connected to the gate of the ninth transistor (M15), and the drain of the fourteenth transistor (M14) is the gate of the tenth transistor (M16). It is connected to the.
バイアス回路は、前記第1電源(GND)にソースが接続された第1導電型の第21のトランジスタ(M24)と、前記第21のトランジスタ(M24)のドレインに一端が接続された第3の抵抗(R3)と、前記第3の抵抗(R3)の他端と前記第2電源(VDD)間に接続された第2の電流源(Ib)と、を備えている。前記第21のトランジスタ(M24)のゲートは、前記第3の抵抗(R3)の他端に接続され、さらに、前記第1の電流源(M23)をなす第1導電型のトランジスタのゲートに接続され、前記初段増幅部の前記第1及び第2の抵抗素子(R1、R2)の他端が前記第21のトランジスタ(M24)のドレインに共通接続されている。以下、実施例に即して説明する。 The bias circuit includes a first conductivity type 21st transistor (M24) having a source connected to the first power supply (GND) and a third end having one end connected to the drain of the 21st transistor (M24). A resistor (R3); and a second current source (Ib) connected between the other end of the third resistor (R3) and the second power supply (VDD). The gate of the twenty-first transistor (M24) is connected to the other end of the third resistor (R3), and is further connected to the gate of the first conductivity type transistor forming the first current source (M23). The other ends of the first and second resistance elements (R1, R2) of the first stage amplifier are commonly connected to the drain of the twenty-first transistor (M24). In the following, description will be made in accordance with examples.
図1は、本発明の第1の実施例の回路構成を示す図である。図1を参照すると、本実施例の演算増幅回路は、GNDにソースが接続されたnMOSトランジスタM23と、共通接続されたソースがnMOSトランジスタM23のドレインに接続され、ゲートが端子Vin+、Vin−に接続され、ドレインがそれぞれ抵抗R1、R2の一端に接続されたnMOSトランジスタM1、M2と、
電源VDDにソースが接続され、ゲートがバイアス端子Vb1に接続され、ドレインがnMOSトランジスタM1、M2のドレインにそれぞれ接続されたpMOSトランジスタM3、M4とが、初段増幅部を構成する。抵抗(負荷抵抗)R1、R2は、pMOSトランジスタM3、M4の出力抵抗値よりも十分低い値をもつ。抵抗R1、R2の他端同士は、共通接続され、後述するnMOSトランジスタM24のドレインに接続されている。
FIG. 1 is a diagram showing a circuit configuration of a first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, in the operational amplifier circuit of this embodiment, the nMOS transistor M23 whose source is connected to GND, the commonly connected source is connected to the drain of the nMOS transistor M23, and the gates are connected to the terminals Vin + and Vin−. NMOS transistors M1, M2 connected and having drains connected to one ends of resistors R1, R2, respectively;
The pMOS transistors M3 and M4, whose source is connected to the power supply VDD, whose gate is connected to the bias terminal Vb1, and whose drains are connected to the drains of the nMOS transistors M1 and M2, respectively, constitute an initial stage amplification unit. The resistors (load resistors) R1 and R2 have values sufficiently lower than the output resistance values of the pMOS transistors M3 and M4. The other ends of the resistors R1 and R2 are connected in common and connected to the drain of an nMOS transistor M24 described later.
次段増幅部は、2つの信号経路を持つ。第1の信号経路は、nMOSトランジスタM19(M20)を経て出力端子Vout−(Vout+)へ導出される。すなわち、ソースがGNDに接続されたnMOSトランジスタM19のゲートにnMOSトランジスタM2のドレインが接続され、nMOSトランジスタM19のドレインはVout−に接続されている。また、ソースがGNDに接続されたnMOSトランジスタM20のゲートに、nMOSトランジスタM1のドレインが接続され、nMOSトランジスタM20のドレインはVout+に接続されている。 The next stage amplifier has two signal paths. The first signal path is led to the output terminal Vout− (Vout +) through the nMOS transistor M19 (M20). That is, the drain of the nMOS transistor M2 is connected to the gate of the nMOS transistor M19 whose source is connected to GND, and the drain of the nMOS transistor M19 is connected to Vout−. The drain of the nMOS transistor M1 is connected to the gate of the nMOS transistor M20 whose source is connected to GND, and the drain of the nMOS transistor M20 is connected to Vout +.
第2の信号経路は、nMOSトランジスタM5(M6)を経てpMOSトランジスタM8、nMOSトランジスタM9、M11、pMOSトランジスタM13、M15(M7、M10、M12、M14、M16)によるカスコード回路に入力され、最後に、pMOSトランジスタM17(M18)を介して、出力端子Vout−(Vout+)へ導出される。すなわち、ソースがGNDに接続されたnMOSトランジスタM5のゲートにnMOSトランジスタM1のドレインが接続され、nMOSトランジスタM5のドレインは、ソースが電源VDDに接続されたpMOSトランジスタM8、M15のドレインに接続される。トランジスタM5、M8、M15のドレインの接続点とGND間にはpMOSトランジスタM13、nMOSトランジスタM11、M9が接続され、トランジスタM13のドレインはトランジスタM15のゲートと接続され、ゲートにはバイアス電圧Vb2が供給され、nMOSトランジスタM11、M9のゲートにはバイアス電圧Vb3、Vb4がそれぞれ供給される。さらに、ソースが電源VDDに接続され、ゲートがpMOSトランジスタM17のゲートに接続され、ドレインがVout−に接続されたpMOSトランジスタM17を備えている。 The second signal path is input to the cascode circuit by the pMOS transistor M8, the nMOS transistors M9, M11, and the pMOS transistors M13, M15 (M7, M10, M12, M14, M16) through the nMOS transistor M5 (M6), and finally The output terminal Vout− (Vout +) is led through the pMOS transistor M17 (M18). That is, the drain of the nMOS transistor M1 is connected to the gate of the nMOS transistor M5 whose source is connected to GND, and the drain of the nMOS transistor M5 is connected to the drains of the pMOS transistors M8 and M15 whose source is connected to the power supply VDD. . A pMOS transistor M13 and nMOS transistors M11 and M9 are connected between the connection point of the drains of the transistors M5, M8 and M15 and GND, the drain of the transistor M13 is connected to the gate of the transistor M15, and a bias voltage Vb2 is supplied to the gate. The bias voltages Vb3 and Vb4 are supplied to the gates of the nMOS transistors M11 and M9, respectively. Further, a pMOS transistor M17 having a source connected to the power supply VDD, a gate connected to the gate of the pMOS transistor M17, and a drain connected to Vout− is provided.
ソースがGNDに接続されたnMOSトランジスタM6のゲートにnMOSトランジスタM2のドレインが接続され、nMOSトランジスタM6のドレインは、ソースが電源VDDに接続されたpMOSトランジスタM7、M16のドレインに接続される。トランジスタM6、M7、M16のドレインの接続点とGND間にはpMOSトランジスタM14、nMOSトランジスタM12、M10が接続され、トランジスタM14のドレインはトランジスタM16のゲートと接続され、pMOSトランジスタM14のゲートにはバイアス電圧Vb2が供給され、nMOSトランジスタM12、M10のゲートにはバイアス電圧Vb3、Vb4がそれぞれ供給される。さらに、電源VDDにソースが接続されゲートがpMOSトランジスタM16のゲートに接続され、ドレインがVout+に接続されたpMOSトランジスタM18を備えている。Vout−とGND間には、ゲートにバイアス電圧Vcmfbを受けるnMOSトランジスタM21を備え、Vout+とGND間には、ゲートにバイアス電圧Vcmfbを受けるnMOSトランジスタM22を備えている。 The drain of the nMOS transistor M2 is connected to the gate of the nMOS transistor M6 whose source is connected to GND, and the drain of the nMOS transistor M6 is connected to the drains of the pMOS transistors M7 and M16 whose source is connected to the power supply VDD. A pMOS transistor M14 and nMOS transistors M12 and M10 are connected between the connection point of the drains of the transistors M6, M7 and M16 and GND, the drain of the transistor M14 is connected to the gate of the transistor M16, and the gate of the pMOS transistor M14 is biased. The voltage Vb2 is supplied, and bias voltages Vb3 and Vb4 are supplied to the gates of the nMOS transistors M12 and M10, respectively. Further, a pMOS transistor M18 having a source connected to the power supply VDD, a gate connected to the gate of the pMOS transistor M16, and a drain connected to Vout + is provided. An nMOS transistor M21 that receives a bias voltage Vcmfb at its gate is provided between Vout− and GND, and an nMOS transistor M22 that receives a bias voltage Vcmfb at its gate is provided between Vout + and GND.
電源とGND間には、定電流源Ib、抵抗R3、nMOSトランジスタM24を備え、
抵抗R3の一端とトランジスタM24のドレインの接続ノードは、抵抗R1、R2の接続点に接続されている。また抵抗R3の他端はnMOSトランジスタM24、M23のゲートに接続されている。
A constant current source Ib, a resistor R3, and an nMOS transistor M24 are provided between the power supply and GND.
A connection node between one end of the resistor R3 and the drain of the transistor M24 is connected to a connection point between the resistors R1 and R2. The other end of the resistor R3 is connected to the gates of the nMOS transistors M24 and M23.
nMOSトランジスタM21、M22のゲート電極は、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(不図示)へ接続される。 The gate electrodes of the nMOS transistors M21 and M22 are connected to a common-mode feedback circuit (not shown) in order to set the common-mode output voltage of the operational amplifier circuit.
nMOSトランジスタM5(M6)、M19(M20)のゲート電位は、pMOSトランジスタM3(M4)、M23のドレイン電流とR1(R2)の抵抗値、および、nMOSトランジスタM24、抵抗R3、定電流源Ibで構成されるバイアス回路の諸定数を適当に設定することにより、バイアス回路の発生電圧VAと一致する。これにより、nMOSトランジスタM5、M6、M19、M20のバイアス電流が固定される。 The gate potentials of the nMOS transistors M5 (M6) and M19 (M20) are determined by the drain currents of the pMOS transistors M3 (M4) and M23 and the resistance value of R1 (R2), the nMOS transistors M24, the resistor R3, and the constant current source Ib. By appropriately setting various constants of the configured bias circuit, it matches the generated voltage VA of the bias circuit. As a result, the bias currents of the nMOS transistors M5, M6, M19, and M20 are fixed.
pMOSトランジスタM15(M16)と、pMOSトランジスタM8(M7)のドレインは互いに接続されることにより、同相電流を検出する。 The drains of the pMOS transistor M15 (M16) and the pMOS transistor M8 (M7) are connected to each other to detect the common-mode current.
さらに、この同相電流の値は、pMOSトランジスタM13(M14)のドレイン電極がM15(M16)とM7(M8)のゲート電極に接続された局所帰還により、M5(M6)とM9(M10)のドレイン電流の和に一致する。 Further, the value of the common-mode current is determined by the local feedback in which the drain electrode of the pMOS transistor M13 (M14) is connected to the gate electrodes of M15 (M16) and M7 (M8), and the drains of M5 (M6) and M9 (M10). It corresponds to the sum of currents.
したがって、M17(M18)のバイアス電流が固定される。 Therefore, the bias current of M17 (M18) is fixed.
pMOSトランジスタM17のドレインとゲート間に接続された容量C1、pMOSトランジスタM18のドレインとゲート間に接続された容量C2は位相補償容量である。 A capacitor C1 connected between the drain and gate of the pMOS transistor M17 and a capacitor C2 connected between the drain and gate of the pMOS transistor M18 are phase compensation capacitors.
次に、本実施例において、前記した関連技術の課題の解決を説明する。 Next, in this embodiment, a solution to the problem of the related art described above will be described.
<広帯域化>
図4に示した関連技術においては、入力端子から出力端子に至る第1と第2の信号経路は、ともに2段増幅の構成である。
<Broadband>
In the related art shown in FIG. 4, both the first and second signal paths from the input terminal to the output terminal have a two-stage amplification configuration.
これに対して、本実施例においては、初段増幅部の利得を、低抵抗の負荷(R1、R2)を用いることにより、低く抑えている。 On the other hand, in the present embodiment, the gain of the first stage amplifier is kept low by using low resistance loads (R1, R2).
このため、第1の信号経路は1段増幅、第2の信号経路は、2段増幅とみなすことができる。 Therefore, the first signal path can be regarded as one-stage amplification, and the second signal path can be regarded as two-stage amplification.
本実施例によれば、かかる構成としたことにより、総合特性としては、出力端子で生じる2次極が消去され、大幅に位相余裕が改善される。その結果、広帯域化が可能となる。 According to the present embodiment, such a configuration eliminates the secondary pole generated at the output terminal as a comprehensive characteristic, and greatly improves the phase margin. As a result, it is possible to increase the bandwidth.
因みに、ユニテイ・ゲイン周波数(×2π)は次式で与えられる。 Incidentally, the unity gain frequency (× 2π) is given by the following equation.
gm1・gm19・R1/(C1+CL)
ただし、gm1、gm19は、トランジスタM1、M19の相互コンダクタンス、
R1は抵抗R1の抵抗値、
C1は位相補償容量C1の容量値、
CLは負荷容量の容量値である。
gm1 / gm19 / R1 / (C1 + CL)
However, gm1 and gm19 are transconductances of the transistors M1 and M19,
R1 is the resistance value of the resistor R1,
C1 is a capacitance value of the phase compensation capacitor C1,
CL is a capacity value of the load capacity.
<低電圧動作と高利得化の両立>
本実施例では、初段増幅部の利得が低く、位相回りが小さい。このため、第2の信号経路の入力段と出力段の間にカスコード回路による増幅段(中間段)を置くことができる。この中間段は、ダイナミック・レンジを必要としないので、増幅率を稼ぐことができるカスコード回路(M9、M11)、(M10、M12)を用いることができる。
<Both low voltage operation and high gain>
In this embodiment, the gain of the first stage amplifier is low and the phase rotation is small. For this reason, an amplification stage (intermediate stage) by a cascode circuit can be placed between the input stage and the output stage of the second signal path. Since this intermediate stage does not require a dynamic range, cascode circuits (M9, M11) and (M10, M12) that can increase the amplification factor can be used.
上記の回路の最低動作電圧は、1.15V(=pMOSトランジスタM17のゲート・ソース間電圧VGSと、nMOSトランジスタM9、M11の飽和電圧の和(=0.65V+0.25V+0.25V)である。 The minimum operating voltage of the above circuit is 1.15V (= the sum of the gate-source voltage VGS of the pMOS transistor M17 and the saturation voltage of the nMOS transistors M9 and M11 (= 0.65V + 0.25V + 0.25V)).
上記広帯域化の効果を得るために、初段増幅部において低抵抗負荷の使用が必須となるが、本実施例においては、次段の入力トランジスタM5(M6)、M19(M20)のバイアス電流を正確に設定するために、専用のバイアス回路(M24、R3、Ib)を設けることにより、抵抗負荷の使用を可能としている。 In order to obtain the effect of widening the band, it is essential to use a low resistance load in the first stage amplifier. In this embodiment, the bias currents of the input transistors M5 (M6) and M19 (M20) in the next stage are accurately set. Therefore, a dedicated load circuit (M24, R3, Ib) is provided to enable the use of a resistive load.
<バイアス電流の設定メカニズム>
次に、本実施例におけるバイアス電流の設定メカニズムと2次極p2の消去について補足する。
<Bias current setting mechanism>
Next, the bias current setting mechanism and the erasing of the secondary pole p2 in this embodiment will be supplemented.
本実施例では、次段増幅部の入力段(素子)をなすnMOSトランジスタM5(M6)、M19(M20)のバイアス電流を、安定に、定電流源Ibの定数倍に設定する。 In this embodiment, nMOS transistor M5 which forms the input stage of the next stage amplifying portion (element) (M6), the bias current of M19 (M20), stable, set to a constant multiple of the constant current source I b.
図1の回路において、
差動対(M1、M2)に定電流を供給する電流源のnMOSトランジスタM23のドレイン電流を2I1、
pMOSトランジスタM3(M4)のドレイン電流をI2とおく。
抵抗R1、R2の値をRとし、
抵抗R3の抵抗値を、R1の抵抗値Rのk倍(=k×R)とする。
In the circuit of FIG.
The drain current of the nMOS transistor M23 of the current source that supplies a constant current to the differential pair (M1, M2) is 2I 1 ,
put and I 2 and the drain current of the pMOS transistor M3 (M4).
The values of the resistors R1 and R2 are R,
The resistance value of the resistor R3 is k times (= k × R) the resistance value R of R1.
nMOSトランジスタM23とM24のゲート面積(ゲート幅W)の比をm:1とする。 The ratio of the gate areas (gate width W) of the nMOS transistors M23 and M24 is m: 1.
仮に、I2>I1とすると、抵抗R1とR2の共通接続点から、nMOSトランジスタM24のドレインに向けて電流値、
2×(I2−I1)
が流れる。すなわち、pMOSトランジスタM3(M4)のドレイン電流I2とnMOSトランジスタM23のドレイン電流2I1の半分の差電流の2倍の電流値が、抵抗R1とR2の共通接続点から、nMOSトランジスタM24のドレインに向けて流れる。
If I 2 > I 1 , the current value from the common connection point of the resistors R1 and R2 toward the drain of the nMOS transistor M24,
2 × (I 2 −I 1 )
Flows. That is, two times the current value of the half of the difference current drain current 2I 1 of the drain current I 2 and the nMOS transistor M23 of the pMOS transistor M3 (M4) is, from the common connection point of the resistors R1 and R2, the drain of the nMOS transistor M24 It flows toward.
nMOSトランジスタM24に流れるドレイン電流は、定電流値Ibと、抵抗R1とR2の共通接続点からの電流値2×(I2−I1)の和
Ib+2×(I2−I1)
となる。
The drain current flowing through the nMOS transistor M24 is the sum of the constant current value Ib and the current value 2 × (I 2 −I 1 ) from the common connection point of the resistors R1 and R2 I b + 2 × (I 2 −I 1 )
It becomes.
nMOSトランジスタM23とM24は、カレントミラー回路を構成しており、nMOSトランジスタM23に流れる電流値2×I1と、nMOSトランジスタM24に流れる電流値Ib+2×(I2−I1)の比はm:1である。よって、次式が成り立つ。 The nMOS transistors M23 and M24 form a current mirror circuit, and the ratio between the current value 2 × I 1 flowing through the nMOS transistor M23 and the current value I b + 2 × (I 2 −I 1 ) flowing through the nMOS transistor M24 is m: 1. Therefore, the following equation holds.
m×[Ib+2×(I2−I1)]=2×I1 ・・・(1) m × [I b + 2 × (I 2 −I 1 )] = 2 × I 1 (1)
nMOSトランジスタM23のドレイン電流(=2×I1)は、式(1)から2×I1を求めると、次式(2)で与えられる。 The drain current (= 2 × I 1 ) of the nMOS transistor M23 is given by the following equation (2) when 2 × I 1 is obtained from the equation (1).
m×(Ib+2×I2)/(m+1) ・・・(2) m × (I b + 2 × I 2 ) / (m + 1) (2)
また、nMOSトランジスタM24のドレイン電流は、nMOSトランジスタM23のドレイン電流の1/mであり、次式(3)で与えられる。 The drain current of the nMOS transistor M24 is 1 / m of the drain current of the nMOS transistor M23, and is given by the following equation (3).
(Ib+2×I2)/(m+1) ・・・(3) (I b + 2 × I 2 ) / (m + 1) (3)
nMOSトランジスタM1(M2)のドレインの電位が、nMOSトランジスタM24のゲート・ソース間電圧VGS(=VA)に一致する条件を求める。 A condition is obtained in which the drain potential of the nMOS transistor M1 (M2) matches the gate-source voltage V GS (= VA) of the nMOS transistor M24.
初段増幅器の負荷抵抗R1とR2の共通接続点の電位は、VAから抵抗R3の電圧降下分(=k×R×Ib)差し引いた電圧であり、次式(4)で表せる。 The potential at the common connection point of the load resistors R1 and R2 of the first stage amplifier is a voltage obtained by subtracting the voltage drop (= k × R × I b ) of the resistor R3 from VA, and can be expressed by the following equation (4).
VA−k×R×Ib ・・・(4) VA-k × R × I b (4)
よって、nMOSトランジスタM1(M2)のドレイン電位は次式(5)で与えられる。 Therefore, the drain potential of the nMOS transistor M1 (M2) is given by the following equation (5).
R×(I2−I1)+VA−k×R×Ib ・・・(5) R × (I 2 −I 1 ) + VA−k × R × I b (5)
nMOSトランジスタM1(M2)のドレイン電位がVAと一致するための条件は、
R×(I2−I1)+VA−k×R×Ib=VA
より、次式(6)で与えられる。
The condition for the drain potential of the nMOS transistor M1 (M2) to coincide with VA is as follows:
R × (I 2 −I 1 ) + VA−k × R × I b = VA
Therefore, it is given by the following equation (6).
R×(I2−I1)=k×R×Ib ・・・(6) R × (I 2 −I 1 ) = k × R × I b (6)
pMOSトランジスタM3(M4)のドレイン電流I2の値は、式(2)と(6)より、I1を消去して、次式(7)で与えられる。 The value of the drain current I 2 of the pMOS transistor M3 (M4), from equations (2) (6), to clear the I 1, is given by the following equation (7).
I2=[m/2+k×(m+1)]Ib ・・・(7) I 2 = [m / 2 + k × (m + 1)] I b (7)
式(3)、(7)よりnMOSトランジスタM24のドレイン電流は、
(1+2×k)×Ib ・・・(8)
となる。
From the equations (3) and (7), the drain current of the nMOS transistor M24 is
(1 + 2 × k) × I b (8)
It becomes.
上記した内容をまとめると、pMOSトランジスタM3(M4)のドレイン電流I2を、上式(7)に示すように、Ibの[m/2+k×(m+1)]倍に設定すると、nMOSトランジスタM1(M2)のドレインの電位は、nMOSトランジスタM24のゲート・ソース間電圧VGS(=VA)に一致する。 To summarize the contents mentioned above, the drain current I 2 of the pMOS transistor M3 (M4), as shown in the above equation (7), is set to [m / 2 + k × ( m + 1)] times I b, nMOS transistor M1 The drain potential of (M2) matches the gate-source voltage V GS (= VA) of the nMOS transistor M24.
nMOSトランジスタM5(M6)又はnMOSトランジスタM19(M20)のゲート面積(ゲート幅W)が、nMOSトランジスタM24のゲート面積(ゲート幅W)のn倍である場合、nMOSトランジスタM5(M6)又はnMOSトランジスタM19(M20)には、(8)より
n×(1+2×k)×Ib ・・・(9)
のドレイン電流が流れる。
When the gate area (gate width W) of the nMOS transistor M5 (M6) or nMOS transistor M19 (M20) is n times the gate area (gate width W) of the nMOS transistor M24, the nMOS transistor M5 (M6) or nMOS transistor In M19 (M20), from (8), n × (1 + 2 × k) × I b (9)
The drain current flows.
式(9)から、nMOSトランジスタM5(M6)又はnMOSトランジスタM19(M20)のバイアス電流が、当該トランジスタと、nMOSトランジスタM24のゲート面積比(ゲート幅の比)nと、抵抗R3とR1の抵抗値の比kで規定される係数n×(1+2×k)で決定される。このため、極めて安定した設定が可能である。Vin+、Vin−に差動信号が入力された場合、nMOSトランジスタM5(M6)又はnMOSトランジスタM19(M20)には、このバイアス電流を中心にドレイン電流が変化することになる。 From the equation (9), the bias current of the nMOS transistor M5 (M6) or the nMOS transistor M19 (M20) indicates that the gate area ratio (gate width ratio) n of the transistor, the nMOS transistor M24, and the resistances of the resistors R3 and R1. It is determined by a coefficient n × (1 + 2 × k) defined by the value ratio k. For this reason, extremely stable setting is possible. When a differential signal is input to Vin + and Vin−, the drain current changes around the bias current in the nMOS transistor M5 (M6) or the nMOS transistor M19 (M20).
pMOSトランジスタM17(M18)については、同相電流検出回路を用いて安定したバイアス設定を行う。 For the pMOS transistor M17 (M18), a stable bias setting is performed using the common-mode current detection circuit.
入力端子Vin+、Vin−に差動信号が入力されたとき、nMOSトランジスタM5(M6)のドレイン電流の変化により、pMOSトランジスタM17(M18)のゲート電位が変動する。当然、このときも、pMOSトランジスタM17(M18)のバイアス電流の安定性が要求される。 When a differential signal is input to the input terminals Vin + and Vin−, the gate potential of the pMOS transistor M17 (M18) varies due to a change in the drain current of the nMOS transistor M5 (M6). Of course, the stability of the bias current of the pMOS transistor M17 (M18) is also required at this time.
本実施例においては、pMOSトランジスタM17のバイアス電流の安定化を実現するために、pMOSトランジスタM8とpMOSトランジスタM15のドレインを接続して構成される同相電流検出回路を備えている。また、pMOSトランジスタM18のバイアス電流の安定化を実現するために、pMOSトランジスタM7とpMOSトランジスタM16のドレインを接続して構成される同相電流検出回路を設けている。これら同相電流検出回路のバイアス設定の働きについて以下に説明する。 In this embodiment, in order to stabilize the bias current of the pMOS transistor M17, a common-mode current detection circuit configured by connecting the drains of the pMOS transistor M8 and the pMOS transistor M15 is provided. In order to stabilize the bias current of the pMOS transistor M18, a common-mode current detection circuit configured by connecting the drains of the pMOS transistor M7 and the pMOS transistor M16 is provided. The function of bias setting of these common-mode current detection circuits will be described below.
Vin+、Vin−に差動信号が入力されたとき、pMOSトランジスタM17のドレイン電流の変化に応じて、pMOSトランジスタM7と同一のゲート面積のpMOSトランジスタM15から構成される第1のカレントミラー回路(M17、M15、M7)により、これらのトランジスタM7、M15にも、pMOSトランジスタM17のドレイン電流と同一又は比例したミラー電流が流れ、pMOSトランジスタM18のドレイン電流の変化に応じて、pMOSトランジスタM8と同一のゲート面積のpMOSトランジスタM16から構成される第2のカレントミラー回路(M18、M16、M8)により、これらのトランジスタM8、M16にも、pMOSトランジスタM18のドレイン電流と同一又は比例したミラー電流が流れる。 When a differential signal is input to Vin + and Vin−, a first current mirror circuit (M17) composed of a pMOS transistor M15 having the same gate area as that of the pMOS transistor M7 according to a change in the drain current of the pMOS transistor M17. , M15, and M7), a mirror current that is the same as or proportional to the drain current of the pMOS transistor M17 flows through these transistors M7 and M15, and the same as the pMOS transistor M8 according to the change in the drain current of the pMOS transistor M18. Due to the second current mirror circuit (M18, M16, M8) composed of the pMOS transistor M16 having the gate area, a mirror current that is the same as or proportional to the drain current of the pMOS transistor M18 flows through these transistors M8, M16.
本実施例においては、pMOSトランジスタM8のドレインとpMOSトランジスタM15のドレインとがノードN1にて接続され、pMOSトランジスタM7のドレインとpMOSトランジスタM16のドレインとがノードN2にて接続されている。これらのトランジスタM8、M15(M7、M16)のドレイン電流同士を加えた電流において、差動成分は相殺されてゼロとなり、同相成分のみが残る。 In this embodiment, the drain of the pMOS transistor M8 and the drain of the pMOS transistor M15 are connected at the node N1, and the drain of the pMOS transistor M7 and the drain of the pMOS transistor M16 are connected at the node N2. In the current obtained by adding the drain currents of these transistors M8 and M15 (M7 and M16), the differential component is canceled out to become zero, and only the in-phase component remains.
すなわち、pMOSトランジスタM15(M16)のドレインには、出力端子Vout-(Vout+)に接続されるpMOSトランジスタM17(M18)のドレイン電流と同一又は比例したミラー電流(ICM/2+ΔI)が流れ、pMOSトランジスタM8(M7)のドレインには、出力端子Vout+(Vout−)に接続されたpMOSトランジスタM18(M17)のドレイン電流と同一又は比例したミラー電流(ICM/2−ΔI)が流れ、pMOSトランジスタM15、M8の各ドレインとpMOSトランジスタM13のソースとnMOSトランジスタM5のドレインとが共通接続されるノードN1(pMOSトランジスタM16、M7の各ドレインとpMOSトランジスタM14のソースとnMOSトランジスタM6のドレインとが共通接続されるノードN2)において、これら2つのミラー電流(ICM/2+ΔI)、(ICM/2−ΔI)は電流加算され、その結果、差動成分(±ΔI)は相殺され、ノードN1(N2)において、同相成分の電流(ICM)のみが残る。 That is, a mirror current (I CM / 2 + ΔI) that is the same as or proportional to the drain current of the pMOS transistor M17 (M18) connected to the output terminal Vout− (Vout +) flows through the drain of the pMOS transistor M15 (M16). A mirror current (I CM / 2-ΔI) that is the same as or proportional to the drain current of the pMOS transistor M18 (M17) connected to the output terminal Vout + (Vout−) flows to the drain of the transistor M8 (M7). The node N1 (the drains of the pMOS transistors M16 and M7, the source of the pMOS transistor M14, and the drain of the nMOS transistor M6) where the drains of M15 and M8, the source of the pMOS transistor M13, and the drain of the nMOS transistor M5 are connected in common. In the node N2 which is commonly connected to IN, these two mirror currents (I CM / 2 + ΔI) and (I CM / 2−ΔI) are summed, and as a result, the differential component (± ΔI) is canceled out. In the node N1 (N2), only the in-phase component current (I CM ) remains.
そして、この同相電流(ICM)は、ゲート接地のpMOSトランジスタM13(M14)のドレインがpMOSトランジスタM15(M16)のゲートに接続された局所帰還構成により、定電流源用のトランジスタM9(M10)の電流と、nMOSトランジスタM5(M6)のバイアス電流の和の電流値に固定される。 The common-mode current (I CM ) is supplied to the constant current source transistor M9 (M10) by a local feedback configuration in which the drain of the grounded pMOS transistor M13 (M14) is connected to the gate of the pMOS transistor M15 (M16). And the current value of the sum of the bias current of the nMOS transistor M5 (M6).
したがって、pMOSトランジスタM7、M15と第1のカレントミラー回路を構成するpMOSトランジスタM17のバイアス電流は、トランジスタ(M17、M15、M7)のゲート面積比(ゲート幅W)により安定して固定される。同様に、pMOSトランジスタM8、M16と第2のカレントミラー回路(M18、M6、M8)を構成するpMOSトランジスタM18のバイアス電流は、トランジスタ(M18、M16、M8)のゲート面積比(ゲート幅W)により安定して固定される。 Accordingly, the bias current of the pMOS transistors M17 and M15 constituting the first current mirror circuit with the pMOS transistors M7 and M15 is stably fixed by the gate area ratio (gate width W) of the transistors (M17, M15, M7). Similarly, the bias current of the pMOS transistors M18 and the pMOS transistors M18 constituting the second current mirror circuit (M18, M6, M8) is the gate area ratio (gate width W) of the transistors (M18, M16, M8). It is fixed stably by.
次に、図2を参照して、本実施例において、2次極p2が消去される条件(p2=z1)について説明する。差動信号用の小信号等価回路を用いて、2次極p2が消去される条件を与える。 Next, a condition (p2 = z1) in which the secondary pole p2 is erased will be described with reference to FIG. A condition for erasing the secondary pole p2 is given using a small signal equivalent circuit for differential signals.
図2において、
gm1、gm5、gm17、gm19は、それぞれ、図1のMOSトランジスタM1、M5、M17、M19の相互コンダクタンス、
CSは、pMOSトランジスタM17のゲート容量と並列に接続されるその他容量との和である。
CLは、出力端子Vout−に接続される負荷容量である。
R1とC1は、図1の抵抗R1とC1である。
In FIG.
gm1, gm5, gm17, and gm19 are respectively transconductances of the MOS transistors M1, M5, M17, and M19 in FIG.
CS is the sum of the gate capacitance of the pMOS transistor M17 and other capacitance connected in parallel.
CL is a load capacitance connected to the output terminal Vout−.
R1 and C1 are the resistors R1 and C1 in FIG.
なお、図2では、簡単のため、nMOSトランジスタトランジスタM1、M5、M19、M21、pMOSトランジスタM17の出力抵抗、および、ゲート接地トランジスタM13と、この負荷であるnMOSトランジスタM9、M11によるカスコード回路の影響は無視している。 In FIG. 2, for the sake of simplicity, the output resistance of the nMOS transistor transistors M1, M5, M19, and M21, the pMOS transistor M17, and the influence of the cascode circuit formed by the common gate transistor M13 and the nMOS transistors M9 and M11 that are the loads. Is ignored.
途中の計算を省略し、sを複素周波数とすると、図2の小信号等価回路の伝達関数は次式で与えられる。
If the calculation in the middle is omitted and s is a complex frequency, the transfer function of the small signal equivalent circuit of FIG.
したがって、p2=zのとき、2次極p2は、ゼロ点zにより消去される。これを満足するための条件は、p2とzの上記各式より、次式で与えられる。 Therefore, when p2 = z, the secondary pole p2 is erased by the zero point z. The condition for satisfying this is given by the following equation from the above equations for p2 and z.
上式の左辺は、相互コンダクタンスgm19とgm5の比、右辺は容量CLとCcの比である。この条件式は半導体集積回路において、素子ばらつきや温度変動に対して安定に実現可能である。このとき伝達関数は次式で示すように1次となり、位相余裕は大幅に改善される(理想的には、最小でも90°)。 The left side of the above formula is the ratio of mutual conductances gm19 and gm5, and the right side is the ratio of capacitances CL and Cc. This conditional expression can be stably realized with respect to element variations and temperature fluctuations in a semiconductor integrated circuit. At this time, the transfer function becomes first order as shown by the following equation, and the phase margin is greatly improved (ideally, at least 90 °).
よって、p2=zが成立する場合のユニティゲイン周波数は、
である。
Therefore, the unity gain frequency when p2 = z holds is
It is.
以下、図4の関連技術と本実施例について、初段増幅器、中間段、入力トランジスタのバイアス電流の設定手段について対比して説明する。 Hereinafter, the related art of FIG. 4 and this embodiment will be described in comparison with the bias current setting means for the first stage amplifier, the intermediate stage, and the input transistor.
<初段増幅器の構成>
(関連技術)
初段の負荷は、トランジスタによる能動負荷であり高利得のため、低域の極が生じるので、位相補償が必要である。
<Configuration of first stage amplifier>
(Related technology)
The first stage load is an active load by a transistor, and because of the high gain, a low frequency pole is generated, so phase compensation is necessary.
(本実施例)
初段の負荷は、低抵抗のため、低利得であり、発生する極は非常に高域にあり初段には位相補償が不要である。第1の信号経路が広帯域になり、第2の信号経路で発生する2次極を、素子バラツキなどに対して、安定に、消去することができる。結果として、トータルな演算増幅回路の周波数特性は極めて広帯域となる。
(Example)
The first stage load has a low gain because of its low resistance, and the generated poles are in a very high frequency range, and phase compensation is not required in the first stage. The first signal path has a wide band, and the secondary pole generated in the second signal path can be erased stably with respect to element variations and the like. As a result, the total operational amplifier circuit has a very wide frequency characteristic.
<中間段>
(関連技術)
第1、第2の信号経路とも、存在しない。
<Intermediate stage>
(Related technology)
Neither the first nor the second signal path exists.
(本実施例)
第2の信号経路に、カスコード回路による増幅段があるカスコード回路により、大きな利得が得られる。
(Example)
A large gain is obtained by the cascode circuit having an amplification stage of the cascode circuit in the second signal path.
また、カスコード回路をゲイン・ブースト回路に置き換えることにより、さらに高利得または、低電圧動作が可能となる。 Further, by replacing the cascode circuit with a gain / boost circuit, higher gain or low voltage operation becomes possible.
<入力トランジスタのバイアス電流の設定手段>
(関連技術)
nMOSトランジスタM15とM1、M2のドレイン出力で構成される同相帰還ループで、次段の入力トランジスタ(M5(M6)、M11(M12))のバイアス電流を固定する。
<Input transistor bias current setting means>
(Related technology)
The bias current of the input transistors (M5 (M6), M11 (M12)) at the next stage is fixed in a common-mode feedback loop constituted by the drain outputs of the nMOS transistors M15, M1, and M2.
(本実施例)
負荷抵抗R1とR2の接続点に、MOSトランジスタM24、抵抗素子R3、定電流源Ibで構成されるバイアス回路に接続することにより、次段の入力トランジスタ(M5(M6)、M19(M20))のバイアス電流を固定する。
(Example)
By connecting a connection point between the load resistors R1 and R2 to a bias circuit including a MOS transistor M24, a resistor element R3, and a constant current source Ib, the input transistors (M5 (M6) and M19 (M20)) of the next stage are connected. The bias current is fixed.
本実施例によれば、初段増幅器の負荷に、低抵抗負荷を用いることが可能となる(広帯域化)。 According to the present embodiment, it is possible to use a low resistance load as the load of the first stage amplifier (broadband).
<実施例2>
次に、本発明の第2の実施例を説明する。図3は、本発明の第2の実施例の回路構成を示す図である。図3を参照すると、本実施例の演算増幅回路は、前記第1の実施例におけるnMOSトランジスタM9、M11(M10、M12)によるカスコード回路を、低電圧動作可能なnMOSトランジスタM25、pMOSトランジスタM27、M29、nMOSトランジスタM31、M33、抵抗R4、R6(M26、M28、M30、M32、M34、R5、R7)によるゲイン・ブースト回路に置き換えたものである。図1のカスコード回路をトランジスタ1段と抵抗の直列回路に置き換えることで、さらに低電圧動作を可能としている。
<Example 2>
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 is a diagram showing a circuit configuration of the second embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, the operational amplifier circuit according to the present embodiment includes a cascode circuit formed by the nMOS transistors M9 and M11 (M10 and M12) according to the first embodiment, an nMOS transistor M25 capable of operating at a low voltage, a pMOS transistor M27, The gain / boost circuit is replaced by M29, nMOS transistors M31 and M33, and resistors R4 and R6 (M26, M28, M30, M32, M34, R5, and R7). By replacing the cascode circuit of FIG. 1 with a series circuit of one transistor and a resistor, further low voltage operation is possible.
pMOSトランジスタM13のドレインとGND間において、図1の2段縦積みされたnMOSトランジスタM9、M11の代わりに、図3では、第1のゲイン・ブースト回路を構成するnMOSトランジスタM33(第1のゲイン・ブースト・アンプによってゲート電位が制御される)と抵抗R6の直列回路を備えている。この第1のゲイン・ブースト回路は、nMOSトランジスタM33のソース電圧に応じてnMOSトランジスタM33のゲート電圧を制御してそのオン抵抗を制御する回路であり、nMOSトランジスタM33のソースと抵抗R6の接続点にソースが接続され、ゲートとドレインが接続されたnMOSトランジスタM31と、一端がGNDに接続された抵抗R4の他端にソースが接続され、ゲートがnMOSトランジスタM31のゲートに接続され、ドレインがnMOSトランジスタM33のゲートに接続されたnMOSトランジスタM25(第1のゲイン・ブースト・アンプ)を備え、nMOSトランジスタM31、M25のドレインは、ソースが電源VDDに接続され、ゲートにバイアス電圧Vb1を受けるpMOSトランジスタM29、M27(定電流源トランジスタ)のドレインにそれぞれ接続されている。 In FIG. 3, instead of the nMOS transistors M9 and M11 stacked vertically in two stages between the drain of the pMOS transistor M13 and GND, in FIG. 3, an nMOS transistor M33 (first gain) constituting the first gain / boost circuit is used. (The gate potential is controlled by a boost amplifier) and a resistor R6 series circuit. This first gain / boost circuit is a circuit that controls the on-resistance by controlling the gate voltage of the nMOS transistor M33 in accordance with the source voltage of the nMOS transistor M33. The connection point between the source of the nMOS transistor M33 and the resistor R6 Is connected to the other end of the resistor R4 whose one end is connected to GND, the source is connected to the gate of the nMOS transistor M31, and the drain is connected to the nMOS transistor. An nMOS transistor M25 (first gain boost amplifier) connected to the gate of the transistor M33 is provided. The drains of the nMOS transistors M31 and M25 are connected to the power supply VDD, and the pMOS transistor receives the bias voltage Vb1 at the gate. M29 It is connected to the drains of M27 (the constant current source transistor).
nMOSトランジスタM25は、定電流源をなすpMOSトランジスタM27からの定電流が供給される抵抗R4の端子電圧(第1のゲイン・ブースト・アンプに入力される基準電圧に対応する)と、抵抗R6の端子電圧をnMOSトランジスタM31でレベルシフトした電圧との差電圧(すなわち、nMOSトランジスタM25のゲート・ソース間電圧)に対応する出力電圧(ドレイン電圧)をnMOSトランジスタM33のゲートに与え、出力インピーダンスを高抵抗(したがってノードN3とGND間の負荷抵抗値を高抵抗)とする第1のゲイン・ブースト・アンプとして機能する。抵抗R6の抵抗値をr6、ゲイン・ブースト・アンプの利得(ゲイン)をA、トランジスタM33の相互コンダクタンスをgm33、出力抵抗をro33とすると、GNDとノードN3間の抵抗Rは、例えば、
で与えられる。
The nMOS transistor M25 includes a terminal voltage of the resistor R4 (corresponding to a reference voltage input to the first gain boost amplifier) to which the constant current from the pMOS transistor M27 serving as a constant current source is supplied, and a resistance R6 An output voltage (drain voltage) corresponding to a difference voltage (that is, a gate-source voltage of the nMOS transistor M25) from the voltage obtained by level shifting the terminal voltage by the nMOS transistor M31 is applied to the gate of the nMOS transistor M33, and the output impedance is increased. It functions as a first gain boost amplifier having a resistance (therefore, the load resistance value between the node N3 and GND is high resistance). When the resistance value of the resistor R6 is r6, the gain (gain) of the gain boost amplifier is A, the transconductance of the transistor M33 is gm33, and the output resistance is ro33, the resistance R between the GND and the node N3 is, for example,
Given in.
また、pMOSトランジスタM14のドレインとGND間において、図1の2段縦積みされたnMOSトランジスタM10、M12の代わりに、図3では、第2のゲイン・ブースト回路を構成するnMOSトランジスタM34(第2のゲイン・ブースト・アンプによってゲート電位が制御される)と、抵抗R7の直列回路を備えている。この第2のゲイン・ブースト回路は、nMOSトランジスタM34のソース電圧に応じてnMOSトランジスタM34のゲート電圧を制御してそのオン抵抗を制御する回路であり、nMOSトランジスタM34のソースと抵抗R7の接続点にソースが接続され、ゲートとドレインが接続されたnMOSトランジスタM32と、一端がGNDに接続された抵抗R5の他端にソースが接続され、ゲートがnMOSトランジスタM32のゲートに接続され、ドレインがnMOSトランジスタM34のゲートに接続されたnMOSトランジスタM26(第2のゲイン・ブースト・アンプ)を備え、nMOSトランジスタM32、M26のドレインは、ソースが電源VDDに接続され、ゲートにバイアス電圧Vb1を受けるpMOSトランジスタM30、M28(定電流源トランジスタ)のドレインにそれぞれ接続されている。 Further, instead of the two-stage vertically stacked nMOS transistors M10 and M12 in FIG. 1, between the drain of the pMOS transistor M14 and the GND, in FIG. 3, an nMOS transistor M34 (second output) constituting the second gain / boost circuit is shown. The gate potential is controlled by a gain boost amplifier), and a series circuit of a resistor R7. This second gain / boost circuit is a circuit that controls the on-resistance by controlling the gate voltage of the nMOS transistor M34 in accordance with the source voltage of the nMOS transistor M34, and the connection point between the source of the nMOS transistor M34 and the resistor R7. Is connected to the other end of the resistor R5 having one end connected to GND, the gate is connected to the gate of the nMOS transistor M32, and the drain is connected to the nMOS. The nMOS transistor M26 (second gain boost amplifier) connected to the gate of the transistor M34 is provided. The drains of the nMOS transistors M32 and M26 are connected to the power supply VDD, and the pMOS transistor receives the bias voltage Vb1 at the gate. M30 It is connected to the drains of M28 (the constant current source transistor).
nMOSトランジスタM26は、定電流源をなすpMOSトランジスタM28からの定電流が供給される抵抗R5の端子電圧(第2のゲイン・ブーストアンプに入力される基準電圧に対応する)と、抵抗R7の端子電圧をnMOSトランジスタM32でレベルシフトした電圧との差電圧(nMOSトランジスタM26のゲート・ソース間電圧)に対応する出力電圧(ドレイン電圧)を、nMOSトランジスタM34のゲートに与え、出力インピーダンスを高抵抗(したがってpMOSトランジスタM14とGND間の負荷抵抗値を高抵抗)とする第2のゲイン・ブースト・アンプとして機能する。 The nMOS transistor M26 has a terminal voltage of the resistor R5 (corresponding to the reference voltage input to the second gain / boost amplifier) to which the constant current from the pMOS transistor M28 forming the constant current source is supplied, and a terminal of the resistor R7. An output voltage (drain voltage) corresponding to a difference voltage (voltage between the gate and source of the nMOS transistor M26) from the voltage obtained by level shifting the voltage by the nMOS transistor M32 is applied to the gate of the nMOS transistor M34, and the output impedance is set to a high resistance ( Therefore, it functions as a second gain boost amplifier having a high load resistance value between the pMOS transistor M14 and GND.
なお、抵抗R6(R7)を、図1と同様、nMOSトランジスタM9(M10)で構成してもよい。 Note that the resistor R6 (R7) may be formed of an nMOS transistor M9 (M10) as in FIG.
図3の演算増幅回路の最低動作電圧は、0.95V(=pMOSトランジスタM17のゲート・ソース間電圧VGSとnMOSトランジスタM33の飽和電圧と、抵抗R6の電圧降下の和≒0.65V+0.25V+0.05V)である。 3 is 0.95V (= the sum of the gate-source voltage VGS of the pMOS transistor M17, the saturation voltage of the nMOS transistor M33, and the voltage drop of the resistor R6≈0.65V + 0.25V + 0. 05V).
シミュレーション結果として、0.25μm CMOS@1.1Vで、DC利得83dB、ユニテイ・ゲイン周波数2.2GHzと高利得・広帯域な特性を得ている。 As a simulation result, a 0.25 μm CMOS@1.1V, a DC gain of 83 dB, a unity gain frequency of 2.2 GHz, a high gain and a wide band characteristic are obtained.
なお、図1、図3に示した実施例において、差動対M1、M2をpMOSトランジスタ、M3、M4をnMOSトランジスタで構成するという具合に、トランジスタの極性を入れ替えてもよいことは勿論である。本実施例によれば、低電源電圧・低消費電流化、及び、高利得、広帯域化に対応可能とされ、半導体集積回路に実装して好適な演算増幅回路が提供される。本発明によれば、上記演算増幅回路をチップ上に実装した半導体集積回路が提供される。 In the embodiments shown in FIGS. 1 and 3, the polarity of the transistors may be changed, for example, the differential pairs M1 and M2 are composed of pMOS transistors, and M3 and M4 are composed of nMOS transistors. . According to this embodiment, it is possible to cope with low power supply voltage and low current consumption, high gain, and wide bandwidth, and an operational amplifier circuit that is suitable for mounting on a semiconductor integrated circuit is provided. According to the present invention, a semiconductor integrated circuit in which the operational amplifier circuit is mounted on a chip is provided.
なお、上記の特許文献、非特許文献の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示(請求の範囲を含む)の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素の多様な組み合わせないし選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。 It should be noted that the disclosures of the above-mentioned patent documents and non-patent documents are incorporated herein by reference. Within the scope of the entire disclosure (including claims) of the present invention, the embodiments and examples can be changed and adjusted based on the basic technical concept. Various combinations and selections of various disclosed elements are possible within the scope of the claims of the present invention. That is, the present invention of course includes various variations and modifications that could be made by those skilled in the art according to the entire disclosure including the claims and the technical idea.
C1、C2、C3 容量
Ib、Ibias 定電流源
M1〜M36 トランジスタ
R1〜R7 抵抗
Vb、Vb1、Vb2、Vb3、Vb4、Vcmfb、Vcmfb1、Vcmfb2 バイアス電圧
Vin+、Vin− 入力端子
Vout+、Vout− 出力端子
C1, C2, C3 Capacitance Ib, Ibias Constant current source M1-M36 Transistors R1-R7 Resistors Vb, Vb1, Vb2, Vb3, Vb4, Vcmfb, Vcmfb1, Vcmfb2 Bias voltage Vin +, Vin− Input terminal Vout +, Vout− Output terminal
Claims (18)
前記初段増幅部の出力に接続され出力端子から出力信号を出力する次段増幅部と、
を備え、
前記次段増幅部は、
第1電源にソースが接続され、前記差動対の出力対の一つにゲートが接続され前記出力端子にドレインが接続されたトランジスタを含む1段構成の第1の信号経路と、
前記第1電源にソースが接続され、前記差動対の出力対の他方にゲートが接続されたトランジスタを含む入力段と、第2電源にソースが接続され、前記出力端子にドレインが接続されたトランジスタを含む出力段と、
前記入力段の前記トランジスタのドレインと第1のノードで入力が接続され、前記出力段の前記トランジスタのゲートと第2のノードで出力が接続された中間段を備えた第2の信号経路と、
を備え、さらに、
前記次段増幅部において、少なくとも、前記第1の信号経路の前記トランジスタと前記第2の信号経路の入力段のトランジスタに流れるバイアス電流を所定値に設定するバイアス回路を備えた演算増幅回路。 A first-stage amplifier including a differential pair that receives a differential input signal and has a resistive load;
A next-stage amplifier connected to the output of the first-stage amplifier and outputting an output signal from an output terminal; and
With
The next-stage amplifier is
A first signal path having a one-stage configuration including a transistor having a source connected to a first power supply, a gate connected to one of the output pairs of the differential pair, and a drain connected to the output terminal;
An input stage including a transistor having a source connected to the first power supply and a gate connected to the other output pair of the differential pair, a source connected to the second power supply, and a drain connected to the output terminal An output stage including a transistor;
A second signal path comprising an intermediate stage having an input connected at a first node to the drain of the transistor in the input stage, and an output connected at the second node to the gate of the transistor in the output stage;
In addition,
An operational amplifier circuit comprising a bias circuit that sets at least a bias current flowing through the transistor of the first signal path and the transistor of the input stage of the second signal path in the next stage amplifier.
前記中間段は、
前記第1のノードと前記第2のノード間に接続されたゲート接地のトランジスタと、
前記第2のノードと前記第1電源間に接続された能動負荷回路と、
を備えている、請求項1記載の演算増幅回路。 In the second signal path,
The intermediate stage is
A gate-grounded transistor connected between the first node and the second node;
An active load circuit connected between the second node and the first power source;
The operational amplifier circuit according to claim 1, comprising:
前記第1電源に接続された抵抗素子の端子電圧と所定の基準電圧とを入力とするゲイン・ブースト・アンプと、
前記抵抗素子の他端と前記第2のノード間に接続され、前記ゲイン・ブースト・アンプの出力にゲートが接続されたトランジスタを備えた、請求項4記載の演算増幅回路。 The gain boost circuit is
A gain / boost amplifier having a terminal voltage of a resistance element connected to the first power supply and a predetermined reference voltage as inputs;
The operational amplifier circuit according to claim 4, further comprising a transistor connected between the other end of the resistance element and the second node and having a gate connected to an output of the gain boost amplifier.
前記第1のノードでは、差動出力に対応する差動成分の電流が電流加算されて打ち消され、同相成分に対応する電流が残る、請求項2乃至5のいずれか1項に記載の演算増幅回路。 In the second signal path,
6. The operational amplification according to claim 2, wherein a current of a differential component corresponding to a differential output is summed and canceled at the first node, and a current corresponding to an in-phase component remains. circuit.
前記出力段の前記トランジスタのドレインとゲートとの間に容量を備えた、請求項1乃至6のいずれか1項に記載の演算増幅回路。 In the second signal path,
The operational amplifier circuit according to claim 1, further comprising a capacitor between a drain and a gate of the transistor in the output stage.
前記第1電源に一端が接続された第1の電流源と、
前記抵抗負荷をなす第1及び第2の抵抗素子と、
前記第1の電流源の他端にソースが共通接続され、差動入力をなす第1及び第2の入力端子に、ゲートがそれぞれ接続され、前記第1及び第2の抵抗素子の一端にドレインがそれぞれ接続された第1導電型の第1及び第2のトランジスタと、
第2電源にソースが接続され、前記第1及び第2のトランジスタのドレインにドレインがそれぞれ接続され、ゲート同士が接続された第2導電型の第3及び第4のトランジスタと、
を備え、
前記次段増幅部において、
前記第2の信号経路は、
前記第1電源にソースが接続され、前記第1及び第2のトランジスタのドレインにゲートがそれぞれ接続された第1導電型の第5及び第6のトランジスタと、
前記第2電源にソースが接続され、差動出力をなす第1及び第2出力端子にドレインがそれぞれ接続された第2導電型の第7及び第8のトランジスタを備え、
前記第5及び第6のトランジスタは、前記第2の信号経路の前記入力段をなし、
前記第7及び第8のトランジスタは、前記第2の信号経路の前記出力段をなし、
前記第2電源にソースが接続され、前記第7のトランジスタと第1のカレントミラー回路を構成する第2導電型の第9及び第11のトランジスタと、
前記第2電源にソースが接続され、前記第8のトランジスタと第2のカレントミラー回路を構成する第2導電型の第10及び第12のトランジスタと、
を備え、
前記中間段が、
前記第9のトランジスタのドレインにソースが接続された第2導電型の第13のトランジスタと、
前記第1電源と前記第13のトランジスタのドレイン間にカスコード接続された第1導電型の第15と第17のトランジスタと、
前記第10のトランジスタのドレインにソースが接続された第2導電型の第14のトランジスタと、
前記第1電源と前記第14のトランジスタのドレイン間にカスコード接続された第1導電型の第16と第18のトランジスタと、
を備え、
前記第5、第9、第12のトランジスタのドレインと、前記第13のトランジスタのソースとが共通接続され、
前記第6、第10、第11のトランジスタのドレインと、前記第14のトランジスタのソースとが共通接続され、
前記第13のトランジスタのドレインは、前記第9のトランジスタのゲートに接続され、
前記第14のトランジスタのドレインは、前記第10のトランジスタのゲートに接続され、
前記第13と第14のトランジスタのソースは、それぞれ反転と非反転側に対応する前記第1のノードをなし、
前記第13と第14のトランジスタのドレインは、それぞれ反転と非反転側に対応する前記第2のノードをなし、
前記第1の信号経路は、
前記第1電源にソースが接続され、前記第1及び第2の出力端子にドレインがそれぞれ接続され、前記第2及び第1のトランジスタのドレインにゲートがそれぞれ接続された第1導電型の第19及び第20のトランジスタを備えている、請求項1記載の演算増幅回路。 The first stage amplifier is
A first current source having one end connected to the first power source;
First and second resistive elements forming the resistive load;
A source is commonly connected to the other end of the first current source, a gate is connected to each of the first and second input terminals forming a differential input, and a drain is connected to one end of the first and second resistance elements. Are respectively connected to the first and second transistors of the first conductivity type;
A second conductivity type third and fourth transistor having a source connected to a second power source, a drain connected to the drain of each of the first and second transistors, and a gate connected to each other;
With
In the next stage amplification unit,
The second signal path is:
Fifth and sixth transistors of first conductivity type, each having a source connected to the first power supply and a gate connected to the drains of the first and second transistors;
A second conductivity type seventh and eighth transistors having a source connected to the second power source and drains connected to first and second output terminals for differential output;
The fifth and sixth transistors form the input stage of the second signal path;
The seventh and eighth transistors form the output stage of the second signal path;
A source connected to the second power source, and a ninth transistor and an eleventh transistor of the second conductivity type constituting the first current mirror circuit with the seventh transistor;
A source connected to the second power supply; a tenth and a twelfth transistors of a second conductivity type forming a second current mirror circuit with the eighth transistor;
With
The intermediate stage is
A second conductivity type thirteenth transistor having a source connected to the drain of the ninth transistor;
Fifteenth and seventeenth transistors of the first conductivity type cascode-connected between the first power source and the drain of the thirteenth transistor;
A fourteenth transistor of the second conductivity type having a source connected to the drain of the tenth transistor;
Sixteenth and eighteenth transistors of the first conductivity type cascode-connected between the first power source and the drain of the fourteenth transistor;
With
The drains of the fifth, ninth, and twelfth transistors and the source of the thirteenth transistor are connected in common,
The drains of the sixth, tenth and eleventh transistors and the source of the fourteenth transistor are connected in common,
The drain of the thirteenth transistor is connected to the gate of the ninth transistor;
The drain of the fourteenth transistor is connected to the gate of the tenth transistor;
The sources of the thirteenth and fourteenth transistors form the first node corresponding to the inverting and non-inverting sides, respectively.
The drains of the thirteenth and fourteenth transistors constitute the second node corresponding to the inversion and non-inversion sides, respectively.
The first signal path is:
A first conductivity type nineteenth having a source connected to the first power supply, a drain connected to each of the first and second output terminals, and a gate connected to the drain of each of the second and first transistors. The operational amplifier circuit according to claim 1, further comprising: a twentieth transistor.
前記第1電源に一端が接続された第1の電流源と、
前記抵抗負荷をなす第1及び第2の抵抗素子と、
前記第1の電流源の他端にソースが共通接続され、差動入力をなす第1及び第2の入力端子に、ゲートがそれぞれ接続され、前記第1及び第2の抵抗素子の一端にドレインがそれぞれ接続された第1導電型の第1及び第2のトランジスタと、
第2電源にソースが接続され、前記第1及び第2のトランジスタのドレインにドレインがそれぞれ接続され、ゲート同士が接続された第2導電型の第3及び第4のトランジスタと、
を備え、
前記次段増幅部において、
前記第2の信号経路は、
前記第1電源にソースが接続され、前記第1及び第2のトランジスタのドレインにゲートがそれぞれ接続された第1導電型の第5及び第6のトランジスタと、
前記第2電源にソースが接続され、差動出力をなす第1及び第2出力端子にドレインがそれぞれ接続された第2導電型の第7及び第8のトランジスタを備え、
前記第5及び第6のトランジスタは、前記第2の信号経路の前記入力段をなし、
前記第7及び第8のトランジスタは、前記第2の信号経路の前記出力段をなし、
前記第2電源にソースが接続され、前記第7のトランジスタと第1のカレントミラー回路を構成する第2導電型の第9及び第11のトランジスタと、
前記第2電源にソースが接続され、前記第8のトランジスタと第2のカレントミラー回路を構成する第2導電型の第10及び第12のトランジスタと、
を備え、
前記中間段が、
前記第9のトランジスタのドレインにソースが接続された第2導電型の第13のトランジスタと、
前記第1電源と前記第13のトランジスタのドレイン間に接続された第1のゲイン・ブースト回路と、
前記第10のトランジスタのドレインにソースが接続された第2導電型の第14のトランジスタと、
前記第1電源と前記第14のトランジスタのドレイン間に接続された第2のゲイン・ブースト回路と、
を備え、
前記第5、第9、第12のトランジスタのドレインと、前記第13のトランジスタのソースとが共通接続され、
前記第6、第10、第11のトランジスタのドレインと、前記第14のトランジスタのソースとが共通接続され、
前記第13のトランジスタのドレインは、前記第9のトランジスタのゲートに接続され、
前記第14のトランジスタのドレインは、前記第10のトランジスタのゲートに接続され、
前記第13と第14のトランジスタのソースは、それぞれ反転と非反転側に対応する前記第1のノードをなし、
前記第13と第14のトランジスタのドレインは、それぞれ反転と非反転側に対応する前記第2のノードをなし、
前記第1の信号経路は、
前記第1電源にソースが接続され、前記第1及び第2の出力端子にドレインがそれぞれ接続され、前記第2及び第1のトランジスタのドレインにゲートがそれぞれ接続された第1導電型の第19及び第20のトランジスタを備えている、請求項1記載の演算増幅回路。 The first stage amplifier is
A first current source having one end connected to the first power source;
First and second resistive elements forming the resistive load;
A source is commonly connected to the other end of the first current source, a gate is connected to each of the first and second input terminals forming a differential input, and a drain is connected to one end of the first and second resistance elements. Are respectively connected to the first and second transistors of the first conductivity type;
A second conductivity type third and fourth transistor having a source connected to a second power source, a drain connected to the drain of each of the first and second transistors, and a gate connected to each other;
With
In the next stage amplification unit,
The second signal path is:
Fifth and sixth transistors of first conductivity type, each having a source connected to the first power supply and a gate connected to the drains of the first and second transistors;
A second conductivity type seventh and eighth transistors having a source connected to the second power source and drains connected to first and second output terminals for differential output;
The fifth and sixth transistors form the input stage of the second signal path;
The seventh and eighth transistors form the output stage of the second signal path;
A source connected to the second power source, and a ninth transistor and an eleventh transistor of the second conductivity type constituting the first current mirror circuit with the seventh transistor;
A source connected to the second power supply; a tenth and a twelfth transistors of a second conductivity type forming a second current mirror circuit with the eighth transistor;
With
The intermediate stage is
A second conductivity type thirteenth transistor having a source connected to the drain of the ninth transistor;
A first gain-boost circuit connected between the first power supply and the drain of the thirteenth transistor;
A fourteenth transistor of the second conductivity type having a source connected to the drain of the tenth transistor;
A second gain-boost circuit connected between the first power supply and the drain of the fourteenth transistor;
With
The drains of the fifth, ninth, and twelfth transistors and the source of the thirteenth transistor are connected in common,
The drains of the sixth, tenth and eleventh transistors and the source of the fourteenth transistor are connected in common,
The drain of the thirteenth transistor is connected to the gate of the ninth transistor;
The drain of the fourteenth transistor is connected to the gate of the tenth transistor;
The sources of the thirteenth and fourteenth transistors form the first node corresponding to the inverting and non-inverting sides, respectively.
The drains of the thirteenth and fourteenth transistors constitute the second node corresponding to the inversion and non-inversion sides, respectively.
The first signal path is:
A first conductivity type nineteenth having a source connected to the first power supply, a drain connected to each of the first and second output terminals, and a gate connected to the drain of each of the second and first transistors. The operational amplifier circuit according to claim 1, further comprising: a twentieth transistor.
前記第1電源に一端が接続された第4の抵抗素子と、
前記第4の抵抗素子の他端の電圧と所定の基準電圧とを入力とする第1のゲイン・ブースト・アンプと、
前記第4の抵抗素子の他端にソースが接続され、前記第13のトランジスタのドレインにドレインが接続され、前記第1のゲイン・ブースト・アンプの出力にゲートが接続された第1導電型の第22トランジスタと、
を備え、
前記第2のゲイン・ブースト回路が、
前記第1電源に一端が接続された第5の抵抗素子と、
前記第5の抵抗素子の他端の電圧と所定の基準電圧とを入力とする第2のゲイン・ブースト・アンプと、
前記第5の抵抗素子の他端にソースが接続され、前記第14のトランジスタのドレインにドレインが接続され、前記第2のゲイン・ブースト・アンプの出力にゲートが接続された第1導電型の第23トランジスタと、
を備えた、請求項9記載の演算増幅回路。 The first gain / boost circuit comprises:
A fourth resistance element having one end connected to the first power source;
A first gain-boost amplifier that receives a voltage at the other end of the fourth resistance element and a predetermined reference voltage;
A source is connected to the other end of the fourth resistance element, a drain is connected to the drain of the thirteenth transistor, and a gate is connected to the output of the first gain boost amplifier. A twenty-second transistor;
With
The second gain boost circuit is
A fifth resistance element having one end connected to the first power source;
A second gain-boost amplifier that receives as input a voltage at the other end of the fifth resistance element and a predetermined reference voltage;
A source is connected to the other end of the fifth resistance element, a drain is connected to the drain of the fourteenth transistor, and a gate is connected to the output of the second gain boost amplifier. A 23rd transistor;
The operational amplifier circuit according to claim 9, comprising:
前記第1電源に一端が接続された第4の抵抗素子と、
前記第4の抵抗素子の他端にソースが接続され、前記第13のトランジスタのドレインにドレインが接続された第1導電型の第22トランジスタと、
前記第1電源に一端が接続された第6の抵抗素子と、
前記第6の抵抗素子の他端にソースが接続され、前記第22のトランジスタのゲートにドレインが接続された第1導電型の第24のトランジスタと、
前記第4の抵抗素子の他端にソースが接続され、前記第24のトランジスタのゲートにゲートが接続され、ダイオード接続された第1導電型の第26のトランジスタと、
を備え、
前記第2のゲイン・ブースト回路が、
前記第1電源に一端が接続された第5の抵抗素子と、
前記第5の抵抗素子の他端にソースが接続され、前記第14のトランジスタのドレインにドレインが接続された第1導電型の第25トランジスタと、
前記第1電源に一端が接続された第7の抵抗素子と、
前記第7の抵抗素子の他端にソースが接続され、前記第25のトランジスタのゲートにドレインが接続された第1導電型の第26のトランジスタと、
前記第5の抵抗の他端にソースが接続され、前記第26のトランジスタのゲートにゲートが接続され、ダイオード接続された第1導電型の第27のトランジスタと、
を備えた、請求項9記載の演算増幅回路。 The first gain / boost circuit comprises:
A fourth resistance element having one end connected to the first power source;
A first conductivity type 22nd transistor having a source connected to the other end of the fourth resistance element and a drain connected to the drain of the 13th transistor;
A sixth resistance element having one end connected to the first power source;
A 24th transistor of the first conductivity type having a source connected to the other end of the sixth resistance element and a drain connected to the gate of the 22nd transistor;
A source connected to the other end of the fourth resistance element, a gate connected to the gate of the 24th transistor, and a diode-connected 26th transistor of the first conductivity type;
With
The second gain boost circuit is
A fifth resistance element having one end connected to the first power source;
A first conductivity type 25th transistor having a source connected to the other end of the fifth resistance element and a drain connected to the drain of the 14th transistor;
A seventh resistance element having one end connected to the first power source;
A 26th transistor of the first conductivity type having a source connected to the other end of the seventh resistance element and a drain connected to the gate of the 25th transistor;
A source connected to the other end of the fifth resistor, a gate connected to the gate of the 26th transistor, and a diode-connected 27th transistor of the first conductivity type;
The operational amplifier circuit according to claim 9, comprising:
前記第1電源にソースが接続された第1導電型の第21のトランジスタと、
前記第21のトランジスタのドレインに一端が接続された第3の抵抗素子と、
前記第3の抵抗素子の他端と前記第2電源間に接続された第2の電流源と、
を備え、
前記第21のトランジスタのゲートは、前記第3の抵抗素子の他端に接続され、さらに、前記第1の電流源をなす第1導電型のトランジスタのゲートに接続され、
前記初段増幅部の前記第1及び第2の抵抗素子の他端が前記第21のトランジスタのドレインに共通接続されている、請求項8乃至12のいずれか1項に記載の演算増幅回路。 The bias circuit comprises:
A first conductivity type twenty-first transistor having a source connected to the first power source;
A third resistance element having one end connected to the drain of the twenty-first transistor;
A second current source connected between the other end of the third resistance element and the second power source;
With
A gate of the twenty-first transistor is connected to the other end of the third resistance element, and further connected to a gate of a first conductivity type transistor forming the first current source;
13. The operational amplifier circuit according to claim 8, wherein the other ends of the first and second resistance elements of the first stage amplifier are commonly connected to a drain of the twenty-first transistor.
前記初段増幅部が、
第1電源に一端が接続された第1の電流源と、
第1及び第2の抵抗素子と、
前記第1の電流源の他端にソースが共通接続され、差動入力をなす第1及び第2の入力端子に、ゲートがそれぞれ接続され、前記第1及び第2の抵抗素子の一端にドレインがそれぞれ接続された第1導電型の第1及び第2のトランジスタと、
第2電源にソースが接続され、前記第1及び第2のトランジスタのドレインにドレインがそれぞれ接続され、ゲート同士が接続された第2導電型の第3及び第4のトランジスタと、
を備え、
前記次段増幅部が、
前記第1電源にソースが接続され、前記第1及び第2のトランジスタのドレインにゲートがそれぞれ接続された第1導電型の第5及び第6のトランジスタと、
前記第2電源にソースが接続され、差動出力をなす第1及び第2出力端子にドレインがそれぞれ接続された第2導電型の第7及び第8のトランジスタと、
前記第2電源にソースが接続され、前記第7のトランジスタと第1のカレントミラー回路を構成する第2導電型の第9及び第11のトランジスタと、
前記第2電源にソースが接続され、前記第8のトランジスタと第2のカレントミラー回路を構成する第2導電型の第10及び第12のトランジスタと、
前記第9のトランジスタのドレインにソースが接続された第2導電型の第13のトランジスタと、
前記第1電源と前記第13のトランジスタのドレイン間にカスコード接続された第1導電型の第15及び第17のトランジスタと、
前記第10のトランジスタのドレインにソースが接続された第2導電型の第14のトランジスタと、
前記第1電源と前記第14のトランジスタのドレイン間にカスコード接続された第1導電型の第16及び第18のトランジスタと、
前記第1電源にソースが接続され、前記第1及び第2の出力端子にドレインがそれぞれ接続され、前記第2及び第1のトランジスタのドレインにゲートがそれぞれ接続された第1導電型の第19及び第20のトランジスタと、
を備え、
前記第5、第9、第12のトランジスタのドレインと、前記第13のトランジスタのソースとが共通接続され、
前記第6、第10、第11のトランジスタのドレインと、前記第14のトランジスタのソースとが共通接続され、
前記第13のトランジスタのドレインは、前記第9のトランジスタのゲートに接続され、
前記第14のトランジスタのドレインは、前記第10のトランジスタのゲートに接続され、
前記バイアス回路が、
前記第1電源にソースが接続された第1導電型の第21のトランジスタと、
前記第21のトランジスタのドレインに一端が接続された第3の抵抗と、
前記第3の抵抗の他端と前記第2電源間に接続された第2の電流源と、
を備え、
前記第21のトランジスタのゲートは、前記第3の抵抗の他端に接続され、さらに、前記第1の電流源をなす第1導電型のトランジスタのゲートに接続され、
前記初段増幅部の前記第1及び第2の抵抗素子の他端が前記第21のトランジスタのドレインに共通接続されている、演算増幅回路。 A first stage amplifier, a next stage amplifier, and a bias circuit are provided.
The first stage amplifier is
A first current source having one end connected to the first power source;
First and second resistance elements;
A source is commonly connected to the other end of the first current source, a gate is connected to each of the first and second input terminals forming a differential input, and a drain is connected to one end of the first and second resistance elements. Are respectively connected to the first and second transistors of the first conductivity type;
A second conductivity type third and fourth transistor having a source connected to a second power source, a drain connected to the drain of each of the first and second transistors, and a gate connected to each other;
With
The next-stage amplifier is
Fifth and sixth transistors of first conductivity type, each having a source connected to the first power supply and a gate connected to the drains of the first and second transistors;
A second conductivity type seventh and eighth transistor having a source connected to the second power source and a drain connected to first and second output terminals for differential output;
A source connected to the second power source, and a ninth transistor and an eleventh transistor of the second conductivity type constituting the first current mirror circuit with the seventh transistor;
A source connected to the second power supply; a tenth and a twelfth transistors of a second conductivity type forming a second current mirror circuit with the eighth transistor;
A second conductivity type thirteenth transistor having a source connected to the drain of the ninth transistor;
Fifteenth and seventeenth transistors of the first conductivity type cascode-connected between the first power source and the drain of the thirteenth transistor;
A fourteenth transistor of the second conductivity type having a source connected to the drain of the tenth transistor;
16th and 18th transistors of the first conductivity type cascode-connected between the first power supply and the drain of the 14th transistor;
A first conductivity type nineteenth having a source connected to the first power supply, a drain connected to each of the first and second output terminals, and a gate connected to the drain of each of the second and first transistors. And a twentieth transistor;
With
The drains of the fifth, ninth, and twelfth transistors and the source of the thirteenth transistor are connected in common,
The drains of the sixth, tenth and eleventh transistors and the source of the fourteenth transistor are connected in common,
The drain of the thirteenth transistor is connected to the gate of the ninth transistor;
The drain of the fourteenth transistor is connected to the gate of the tenth transistor;
The bias circuit comprises:
A first conductivity type twenty-first transistor having a source connected to the first power source;
A third resistor having one end connected to the drain of the twenty-first transistor;
A second current source connected between the other end of the third resistor and the second power source;
With
A gate of the twenty-first transistor is connected to the other end of the third resistor, and is further connected to a gate of a first conductivity type transistor forming the first current source;
An operational amplifier circuit in which the other ends of the first and second resistance elements of the first stage amplifier are commonly connected to the drain of the twenty-first transistor.
前記初段増幅部が、
第1電源に一端が接続された第1の電流源と、
第1及び第2の抵抗素子と、
前記第1の電流源の他端にソースが共通接続され、差動入力をなす第1及び第2の入力端子に、ゲートがそれぞれ接続され、前記第1及び第2の抵抗素子の一端にドレインがそれぞれ接続された第1導電型の第1及び第2のトランジスタと、
第2電源にソースが接続され、前記第1及び第2のトランジスタのドレインにドレインがそれぞれ接続され、ゲート同士が接続された第2導電型の第3及び第4のトランジスタと、
を備え、
前記次段増幅部が、
前記第1電源にソースが接続され、前記第1及び第2のトランジスタのドレインにゲートがそれぞれ接続された第1導電型の第5及び第6のトランジスタと、
前記第2電源にソースが接続され、差動出力をなす第1及び第2出力端子にドレインがそれぞれ接続された第2導電型の第7及び第8のトランジスタと、
前記第2電源にソースが接続され、前記第7のトランジスタと第1のカレントミラー回路を構成する第2導電型の第9及び第11のトランジスタと、
前記第2電源にソースが接続され、前記第8のトランジスタと第2のカレントミラー回路を構成する第2導電型の第10及び第12のトランジスタと、
前記第9のトランジスタのドレインにソースが接続された第2導電型の第13のトランジスタと、
前記第1電源と前記第13のトランジスタのドレイン間に接続された第1のゲイン・ブースト回路と、
前記第10のトランジスタのドレインにソースが接続された第2導電型の第14のトランジスタと、
前記第1電源と前記第14のトランジスタのドレイン間に接続された第2のゲイン・ブースト回路と、
前記第1電源にソースが接続され、前記第1及び第2の出力端子にドレインがそれぞれ接続され、前記第2及び第1のトランジスタのドレインにゲートがそれぞれ接続された第1導電型の第19及び第20のトランジスタと、
を備え、
前記第5、第9、第12のトランジスタのドレインと、前記第13のトランジスタのソースとが共通接続され、
前記第6、第10、第11のトランジスタのドレインと、前記第14のトランジスタのソースとが共通接続され、
前記第13のトランジスタのドレインは、前記第9のトランジスタのゲートに接続され、
前記第14のトランジスタのドレインは、前記第10のトランジスタのゲートに接続され、
前記バイアス回路が、
前記第1電源にソースが接続された第1導電型の第21のトランジスタと、
前記第21のトランジスタのドレインに一端が接続された第3の抵抗素子と、
前記第3の抵抗素子の他端と前記第2電源間に接続された第2の電流源と、
を備え、
前記第21のトランジスタのゲートは、前記第3の抵抗素子の他端に接続され、さらに、前記第1の電流源をなす第1導電型のトランジスタのゲートに接続され、
前記初段増幅部の前記第1及び第2の抵抗素子の他端が前記第21のトランジスタのドレインに共通接続されている、演算増幅回路。 A first stage amplifier, a next stage amplifier, and a bias circuit are provided.
The first stage amplifier is
A first current source having one end connected to the first power source;
First and second resistance elements;
A source is commonly connected to the other end of the first current source, a gate is connected to each of the first and second input terminals forming a differential input, and a drain is connected to one end of the first and second resistance elements. Are respectively connected to the first and second transistors of the first conductivity type;
A second conductivity type third and fourth transistor having a source connected to a second power source, a drain connected to the drain of each of the first and second transistors, and a gate connected to each other;
With
The next-stage amplifier is
Fifth and sixth transistors of first conductivity type, each having a source connected to the first power supply and a gate connected to the drains of the first and second transistors;
A second conductivity type seventh and eighth transistor having a source connected to the second power source and a drain connected to first and second output terminals for differential output;
A source connected to the second power source, and a ninth transistor and an eleventh transistor of the second conductivity type constituting the first current mirror circuit with the seventh transistor;
A source connected to the second power supply; a tenth and a twelfth transistors of a second conductivity type forming a second current mirror circuit with the eighth transistor;
A second conductivity type thirteenth transistor having a source connected to the drain of the ninth transistor;
A first gain-boost circuit connected between the first power supply and the drain of the thirteenth transistor;
A fourteenth transistor of the second conductivity type having a source connected to the drain of the tenth transistor;
A second gain-boost circuit connected between the first power supply and the drain of the fourteenth transistor;
A first conductivity type nineteenth having a source connected to the first power supply, a drain connected to each of the first and second output terminals, and a gate connected to the drain of each of the second and first transistors. And a twentieth transistor;
With
The drains of the fifth, ninth, and twelfth transistors and the source of the thirteenth transistor are connected in common,
The drains of the sixth, tenth and eleventh transistors and the source of the fourteenth transistor are connected in common,
The drain of the thirteenth transistor is connected to the gate of the ninth transistor;
The drain of the fourteenth transistor is connected to the gate of the tenth transistor;
The bias circuit comprises:
A first conductivity type twenty-first transistor having a source connected to the first power source;
A third resistance element having one end connected to the drain of the twenty-first transistor;
A second current source connected between the other end of the third resistance element and the second power source;
With
A gate of the twenty-first transistor is connected to the other end of the third resistance element, and further connected to a gate of a first conductivity type transistor forming the first current source;
An operational amplifier circuit in which the other ends of the first and second resistance elements of the first stage amplifier are commonly connected to the drain of the twenty-first transistor.
前記第1電源に一端が接続された第4の抵抗素子と、
前記第4の抵抗素子の他端にソースが接続され、前記第13のトランジスタのドレインにドレインが接続された第1導電型の第22トランジスタと、
前記第1電源に一端が接続された第6の抵抗素子と、
前記第6の抵抗素子の他端にソースが接続され、前記第22のトランジスタのゲートにドレインが接続された第1導電型の第24のトランジスタと、
前記第4の抵抗素子の他端にソースが接続され、前記第24のトランジスタのゲートにゲートが接続され、ダイオード接続された第1導電型の第26のトランジスタと、
を備え、
前記第2のゲイン・ブースト回路が、
前記第1電源に一端が接続された第5の抵抗素子と、
前記第5の抵抗素子の他端にソースが接続され、前記第14のトランジスタのドレインにドレインが接続された第1導電型の第25トランジスタと、
前記第1電源に一端が接続された第7の抵抗素子と、
前記第7の抵抗素子の他端にソースが接続され、前記第25のトランジスタのゲートにドレインが接続された第1導電型の第26のトランジスタと、
前記第5の抵抗の他端にソースが接続され、前記第26のトランジスタのゲートにゲートが接続され、ダイオード接続された第1導電型の第27のトランジスタと、
を備え、
前記第24、第25、第26、第27のトランジスタのドレインは、第2導電型の第28、第29、第30、第31トランジスタのドレインにそれぞれ接続されており、前記第28、第29、第30、第31トランジスタは、ソースが前記第2電源に共通接続され、前記第3及び第4のトランジスタのゲートにゲートが共通接続されている、請求項15記載の演算増幅回路。 The first gain / boost circuit comprises:
A fourth resistance element having one end connected to the first power source;
A first conductivity type 22nd transistor having a source connected to the other end of the fourth resistance element and a drain connected to the drain of the 13th transistor;
A sixth resistance element having one end connected to the first power source;
A 24th transistor of the first conductivity type having a source connected to the other end of the sixth resistance element and a drain connected to the gate of the 22nd transistor;
A source connected to the other end of the fourth resistance element, a gate connected to the gate of the 24th transistor, and a diode-connected 26th transistor of the first conductivity type;
With
The second gain boost circuit is
A fifth resistance element having one end connected to the first power source;
A first conductivity type 25th transistor having a source connected to the other end of the fifth resistance element and a drain connected to the drain of the 14th transistor;
A seventh resistance element having one end connected to the first power source;
A 26th transistor of the first conductivity type having a source connected to the other end of the seventh resistance element and a drain connected to the gate of the 25th transistor;
A source connected to the other end of the fifth resistor, a gate connected to the gate of the 26th transistor, and a diode-connected 27th transistor of the first conductivity type;
With
The drains of the 24th, 25th, 26th and 27th transistors are respectively connected to the drains of the 28th, 29th, 30th and 31st transistors of the second conductivity type. The operational amplifier circuit according to claim 15, wherein the thirtieth and thirty-first transistors have a source commonly connected to the second power supply and a gate commonly connected to the gates of the third and fourth transistors.
前記第8のトランジスタのドレインとゲート間に第2の容量を備えた請求項8乃至16のいずれか1項に記載の演算増幅回路。 A first capacitor provided between the drain and gate of the seventh transistor;
The operational amplifier circuit according to claim 8, further comprising a second capacitor between a drain and a gate of the eighth transistor.
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