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JP3178494B2 - Mosfet電力増幅器 - Google Patents

Mosfet電力増幅器

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JP3178494B2
JP3178494B2 JP30968493A JP30968493A JP3178494B2 JP 3178494 B2 JP3178494 B2 JP 3178494B2 JP 30968493 A JP30968493 A JP 30968493A JP 30968493 A JP30968493 A JP 30968493A JP 3178494 B2 JP3178494 B2 JP 3178494B2
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JP
Japan
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output
power
pmosfet
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voltage
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JP30968493A
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晋一 秋田
泰典 池田
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New Japan Radio Co Ltd
Original Assignee
New Japan Radio Co Ltd
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、携帯音響製品、携帯パ
ーソナルコンピュータ、携帯マルチメディア機器、移動
電話機等の携帯用電気機器において、音声信号を増幅す
るMOSFET電力増幅器に関するものである。
【0002】
【従来の技術】携帯用電気機器の音声信号の電力増幅
は、従来ではバイポーラトランジスタ回路によって実現
されていたが、使用する電源電圧の低電圧化に伴って、
バイポーラトランジスタが本質的に持っているコレクタ
・エミッタ間飽和電圧(Vce)が出力電圧の利用効率
を落してしまい、結果として出力パワーが不十分となっ
たり、電力効率が低下するという問題が大きくなってき
た。
【0003】そこで、昇圧回路を付加し、電源電圧を昇
圧して電力増幅部を動作させることが行なわれてきた
が、電力効率の面の改善は進まなかった。
【0004】一方、FET素子を使用して電力増幅器を
構成する試みが成された。しかし、品質の要求が厳しく
ない分野には応用されているものの、ハイファイでは充
分に高い電圧で動作させることができる場合以外は、実
用化されていない。
【0005】これは、FETは電流を駆動する能力がバ
イポーラトランジスタに劣っており、パイポーラトラン
ジスタ並に電力を駆動しようとすると、それ以上に無効
電力(貫通電流による)を消費する結果になることが不
可避であるからである。
【0006】ところで、近年バイアス電流を出力振幅に
応じて制御する方法を実用化して、大振幅のときだけ電
流駆動能力を増加させて電力効率を改善した、図2に示
すようなMOSFET電力増幅器が提案されている(IE
EE J.SOLID STATE CIRCUITS,Vol.SC-17,no.6,pp929-98
2, Dec.1982 )。この図2の回路は準ソースホロワ電力
増幅器とよばれるもので、図中、1は入力端子、2は出
力端子、3は正側増幅段、4は負側増幅器段である。ま
た、Q1は出力用PMOSFET、Q2は出力用NMO
SFETであり、CMOS構成の電力増幅段を構成す
る。
【0007】またこのような準ソースホロワ電力増幅器
においては、入力無信号時の消費電力低減化のために、
図3に示すように、増幅段3、4に対して入力オフセッ
トを持たせる方法も提案されている。V1、V2が入力
オフセット電圧である(IEEEJ.SOLID STATE CIRCUITS,V
ol.SC-20,no.6,pp1200-1205, Dec.1982 )。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】ところで、電力増幅器
に求められる資質として、出力電圧範囲が広いこと、大
電流を駆動できること及び回路内部の消費電流が少ない
こと等が挙げられる。上記した準ソースホロワ増幅器
は、基本的に入力電圧が出力電圧に等しいボルテージホ
ロワ回路として動作するが、出力レベルを電源電圧範囲
でフルスイングさせようとすると、増幅段3、4の入力
範囲を全電源電圧範囲まで拡大し、いわゆるRAIL TO RA
IL 動作(フルスイング動作)を行なわせなければなら
ない。
【0009】しかし、ここに使用するエンハンスメント
形MOSFETは、閾値(Vth)以下の入力では動作
しないため、上記フルスイング動作を得るためには、回
路部品数が増加し、複雑化してしまうことが避けられな
い。
【0010】かといって、入力範囲に制限のある図2、
図3に示した従来の増幅器を用いると、その入力範囲外
の信号については、上記増幅器の出力電圧が所望の電圧
に安定せず、MOSFETQ1、Q2間に過大な貫通電
流が流れたり、得られる出力電圧が飽和し音声品質が劣
化する等の問題がある。
【0011】本発明の目的は、出力電圧を電源レベルま
で安定的に駆動できるようにし、上記した問題を解決し
た電力増幅器を提供することである。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明は、入力信号の正側信号を増幅するNMOSFE
Tの差動対をもつ正側増幅段と、該正側増幅段の出力信
号を増幅する電力出力PMOSFETと、上記入力信号
の負側信号を増幅するPMOSFETの差動対をもつ負
側増幅段と、該負側増幅段の出力信号を増幅し上記電力
出力PMOSFETと相補形に接続される電力出NM
OSFETとを具備するプッシュプル型のMOSFET
電力増幅器において、上記正側増幅段の出力電圧を常時
監視し上記正側増幅段の上記差動対のNMOSFETが
カットオフするとこれを検出する第1の検出手段と、該
第1の検出手段の検出出力によって上記電力出力PMO
SFETに逆バイアスを印加し上記電力出力PMOSF
ETをカットオフさせる第1の補正手段と、上記負側増
幅段の出力電圧を常時監視し上記負側増幅段の上記差動
対のPMOSFETがカットオフするとこれを検出する
第2の検出手段と、該第2の検出手段の検出出力によっ
上記電力出力NMOSFETに逆バイアスを印加し
記電力出力NMOSFETをカットオフさせる第2の補
正手段と、を設けて構成した。
【0013】
【0014】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。図
1はその一実施例の電力増幅器の回路図である。本実施
例では、正側増幅段3を、差動接続のNMOSFETQ
3、Q4、その能動負荷としてのカレントミラー接続の
PMOSFETQ5、Q6、差動回路の動作電流を決め
る電流源用のNMOSFETQ7、その差動回路から出
力を取り出すPMOSFETQ8、電流源用のNMOS
FETQ9から構成している。この内、MOSFETQ
3〜Q7はMOSFET差動増幅器を構成し、MOSF
ETQ8、Q9は増幅出力部を構成する。Vs1は定電
圧である。
【0015】また、負側増幅段4は、差動接続のPMO
SFETQ10、Q11、その能動負荷としてのカレン
トミラー接続のNMOSFETQ12、Q13、差動回
路の動作電流を決める電流源用のPMOSFETQ1
4、その差動回路から出力を取り出すNMOSFETQ
15、電流源用のPMOSFETQ16から構成してい
る。この内MOSFETQ10〜Q14はMOSFET
差動増幅器を構成し、MOSFETQ15、Q16は増
幅出力部を構成する。Vs2は定電圧である。
【0016】このような基本的な回路において、本実施
例では、正側増幅段3のレファレンス側NMOSFET
Q3の出力を受けるPMOSFETQ17とそこに接続
される電流源としてのNMOSFETQ18とにより正
側検出回路5を構成し、そこで得られる検出信号を、電
力出力PMOSFETQ1のゲートと正電源電圧Vdd
との間に接続したPMOSFETQ19からなる正側補
正回路6に印加している。
【0017】また、負側増幅段4においても、レファレ
ンス側PMOSFETQ10の出力を受けるNMOSF
ETQ20とそこに接続される電流源としてのPMOS
FETQ21とにより負側検出回路7を構成し、そこで
得られる出力信号を電力出力NMOSFETQ2のゲー
トと接地との間に接続したNMOSFETQ22からな
る負側補正回路8に印加している。
【0018】さて、この回路では、正側増幅段3と電力
出力PMOSFETQ1がボルテージホロワとして動作
し、また負側増幅段4と電力出力NMOSFETQ2が
ボルテージホロワとして動作するので、出力端子2に現
れる電圧が入力端子1の電圧に等しくなるように動作す
る。
【0019】ところが、この入力端子1の電圧が電源電
圧Vdd近くにまで高くなると、負側増幅段4のPMO
SFETQ10、Q11がカットオフするので、そこの
NMOSFETQ12、Q13もカットオフし、NMO
SFETQ15のゲートがフローティング状態(又は接
地状態)になる。
【0020】よって、このままでは、電力出力NMOS
FETQ2が不安定になって動作(オン)することも有
り得、この場合にはオンしている他方の電力出力PMO
SFETQ1との間に貫通電流が流れて無駄な電流が消
費されるばかりか、出力電圧や電流の低下が起こる事態
が発生する。
【0021】このような場合に、本実施例では負側検出
回路7と負側補正回路8が有効に機能する。上記したよ
うに入力端子1の電圧が電源電圧Vdd近くにまで上昇
しPMOSFETQ10がカットオフしたとき、NMO
SFETQ12、Q13と共に負側検出回路7のNMO
SFETQ20もカットオフするので、PMOSFET
Q21のドレイン電圧(Vddに近い電圧)が負側補正
回路8のNMOSFETQ21のゲート電圧に印加し、
そのNMOSFETQ22がオンする。この結果、電力
出力NMOSFETQ2のゲートが接地されるので、そ
のNMOSFETQ2は完全にカットオフし、そこに貫
通電流が流れることはない。なお、以上の動作は入力端
子1の電圧が正側のある電圧範囲の場合に限られ、負側
の電圧が入力された場合にはNMOSFET22はソー
ス・ゲートがほぼ同一電位となりオンすることはないの
で、負側の出力用MOSFETQ2の動作を妨げること
はない。
【0022】一方、入力端子1に入力する電圧が接地電
圧近くにまで低下したときは、今度は正側増幅段3のN
MOSFETQ3、Q4がカットオフし、カレントミラ
ーPMOSFETQ5、Q6もカットオフして、PMO
SFETQ8のゲートがフローテンィグ状態(又は電源
電位)となるが、このときは正側検出回路5のPMOS
FETQ17もカットオフになり、正側補正回路6のP
MOSFETQ19がオンして、電力出力PMOSFE
TQ1をカットオフさせ、貫通電流の発生を防止する。
なお、以上の動作は入力端子1の電圧が接地電位に近い
電圧範囲の場合に限られ、正側の電圧が入力された場合
にはPMOSFET19はソース・ゲートがほぼ同一電
位となりオンすることはないので、正側の出力用MOS
FETQ1の動作を妨げることはない。
【0023】以上から、入力端子1に入力する電圧が電
源電圧近くにまで高くなり、若しくは接地電圧近くにま
で低下したときでも、電力出力MOSFETQ1、Q2
間を流れる貫通電流が発生することはなく、出力端子2
の電圧をフルスイングさせることが可能となる。
【0024】このように、本実施例では正側増幅段3の
差動回路を流れる電流が減少乃至0になると、当該正側
の電力出力PMOSFETQ1をカットオフさせ、負側
増幅段4の差動回路を流れる電流が減少乃至0になると
当該負極側の電力出力NMOSFETQ2をカットオフ
させるものであるが、入力電圧の検出は増幅段3、4内
の差動回路内の電圧を検出することに限られるものでは
なく、入力端子1に印加した電圧をそこで直接検出して
も良く、また電力出力MOSFETQ1、Q2のカット
オフ制御は、そこに制御用トランジスタを直列接続して
これを入力電圧の振幅が大きく又は小さくなったときに
オフさせることでも、貫通電流の発生を防止できる。
【0025】
【発明の効果】以上から本発明によれば、駆動能力向上
のために出力電圧をフルスイングさせようとする場合
に、貫通電流が発生することが確実に防止されるので、
安定的に完全なフルスイングを実現できるばかりか、無
効な消費電流を防止でき、更に特別部品点数が増加する
こともないという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例の電力増幅器の回路図であ
る。
【図2】 従来の準ソースホロワ電力増幅器のブロック
図である。
【図3】 従来の別の準ソースホロワ電力増幅器のブロ
ック図である。
【符号の説明】 1:入力端子、2:出力端子、3:正側増幅段、4:負
側増幅段、5:正側検出回路、6:正側補正回路、7:
負側検出回路、8:負側補正回路。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−326525(JP,A) 特開 昭59−54306(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03F 1/00 - 3/36

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】入力信号の正側信号を増幅するNMOSF
    ETの差動対をもつ正側増幅段と、該正側増幅段の出力
    信号を増幅する電力出力PMOSFETと、上記入力信
    号の負側信号を増幅するPMOSFETの差動対をもつ
    負側増幅段と、該負側増幅段の出力信号を増幅し上記電
    力出力PMOSFETと相補形に接続される電力出
    MOSFETとを具備するプッシュプル型のMOSFE
    T電力増幅器において、 上記正側増幅段の出力電圧を常時監視し上記正側増幅段
    の上記差動対のNMOSFETがカットオフするとこれ
    を検出する第1の検出手段と、該第1の検出手段の検出
    出力によって上記電力出力PMOSFETに逆バイアス
    を印加し上記電力出力PMOSFETをカットオフさせ
    る第1の補正手段と、上記負側増幅段の出力電圧を常時
    監視し上記負側増幅段の上記差動対のPMOSFETが
    カットオフするとこれを検出する第2の検出手段と、該
    第2の検出手段の検出出力によって上記電力出力NMO
    SFETに逆バイアスを印加し上記電力出力NMOSF
    ETをカットオフさせる第2の補正手段と、を設けたこ
    とを特徴とするMOSFET電力増幅器。
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