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JP6041241B2 - Adaptive bias generation circuit and differential amplifier circuit for differential amplifier circuit - Google Patents

Adaptive bias generation circuit and differential amplifier circuit for differential amplifier circuit Download PDF

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JP6041241B2 JP2013041698A JP2013041698A JP6041241B2 JP 6041241 B2 JP6041241 B2 JP 6041241B2 JP 2013041698 A JP2013041698 A JP 2013041698A JP 2013041698 A JP2013041698 A JP 2013041698A JP 6041241 B2 JP6041241 B2 JP 6041241B2
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Description

本発明は、差動増幅回路のための適応バイアス生成回路、及び当該適応バイアス生成回路を備えた差動増幅回路に関する。   The present invention relates to an adaptive bias generation circuit for a differential amplifier circuit, and a differential amplifier circuit including the adaptive bias generation circuit.

近年、環境センサや生体センサなどを用いて生活の利便性を向上させるユビキタスネットワーク社会の実現が期待されている。これらのセンサデバイスは環境や生体に多数設置されることが想定されるため、バッテリー交換することなく長期間の連続動作が求められる。従って、このような次世代情報社会の実現のためには、低電力で動作するスマートセンサLSI(Large Scale Integration)が必要になる。   In recent years, the realization of a ubiquitous network society that improves the convenience of life using environmental sensors, biosensors, and the like is expected. Since many of these sensor devices are assumed to be installed in the environment or a living body, long-term continuous operation is required without battery replacement. Therefore, in order to realize such a next generation information society, a smart sensor LSI (Large Scale Integration) that operates with low power is required.

スマートセンサLSIは、環境や生体から取得したアナログ信号をアンプやフィルタで信号を整形した後、AD変換器でデジタル信号に変換する。これらのシステムでは、数多くのオペアンプが利用される。従って、オペアンプを低電力で動作させることは、スマートセンサLSIの低電力化に有効な手段となる。   The smart sensor LSI shapes an analog signal acquired from the environment or a living body with an amplifier or a filter, and then converts the analog signal into a digital signal with an AD converter. These systems use a number of operational amplifiers. Therefore, operating the operational amplifier with low power is an effective means for reducing the power consumption of the smart sensor LSI.

オペアンプの基本構成要素として差動対回路がある。差動対回路は、nチャンネルMOSFET又はpチャンネルMOSFET(以下、MOSFETをMOSトランジスタといい、nチャンネルMOSトランジスタをnMOSトランジスタといい、pチャンネルMOSトランジスタをpMOSトランジスタという。)から構成され、それぞれの特性に応じて入力電圧レンジが制限される。差動対回路の入力電圧レンジが狭いと、ダイナミックレンジが狭くなる。広い入力電圧レンジを確保できる差動増幅器(以下、オペアンプという。)として、入力差動対回路をnMOSトランジスタとpMOSトランジスタの相補構成としたレール・ツー・レール(Rail−to−Rail)オペアンプがある。当該レール・ツー・レールオペアンプは実質的に接地電位から電源電圧までの範囲で入力電圧レンジを確保できる。   A differential pair circuit is a basic component of an operational amplifier. The differential pair circuit is composed of an n-channel MOSFET or a p-channel MOSFET (hereinafter, the MOSFET is referred to as a MOS transistor, the n-channel MOS transistor is referred to as an nMOS transistor, and the p-channel MOS transistor is referred to as a pMOS transistor). The input voltage range is limited accordingly. When the input voltage range of the differential pair circuit is narrow, the dynamic range becomes narrow. As a differential amplifier (hereinafter referred to as an operational amplifier) that can ensure a wide input voltage range, there is a rail-to-rail operational amplifier in which an input differential pair circuit is a complementary configuration of an nMOS transistor and a pMOS transistor. . The rail-to-rail operational amplifier can substantially secure an input voltage range in the range from the ground potential to the power supply voltage.

また、特許文献1及び2においては、MOSトランジスタ構成で、通常動作時は低電力で動作し、出力の変化時には出力電流を帰還することにより、回路動作の高速化を行う技術が開示されている。   Patent Documents 1 and 2 disclose a technique for increasing the circuit operation speed by operating with low power during normal operation and feeding back an output current when the output changes with a MOS transistor configuration. .

特開2001−255761号公報JP 2001-255761 A 特開2011−182188号公報JP 2011-182188 A

Y. Tsuruya et al., “A nano-watt power CMOS amplifier with adaptive biasing for power-aware analog LSIs”, 38th IEEE European Solid-State Circuits Conference, pp. 69-72, September 2012.Y. Tsuruya et al., “A nano-watt power CMOS amplifier with adaptive biasing for power-aware analog LSIs”, 38th IEEE European Solid-State Circuits Conference, pp. 69-72, September 2012. Chi-Hung Lin et al., “A Low-Voltage CMOS Rail-to-Rail Class-AB Input/Output OpAmp with Slew-Rate and Settling Enhancement”, IEEE International Symposium on Circuits and Systems, pp. 448-450, May 1998.Chi-Hung Lin et al., “A Low-Voltage CMOS Rail-to-Rail Class-AB Input / Output OpAmp with Slew-Rate and Settling Enhancement”, IEEE International Symposium on Circuits and Systems, pp. 448-450, May 1998. Yuan Taur et al., “Fundamentals of Modern VLSI Devices”, Cambridge University Press, pp.125-129, 1998.Yuan Taur et al., “Fundamentals of Modern VLSI Devices”, Cambridge University Press, pp.125-129, 1998. S. Hatanaka et al., “CMOS Rail-to-Rail Opamp”, Technical Report of IEICE, pp. 169-175, July 1999.S. Hatanaka et al., “CMOS Rail-to-Rail Opamp”, Technical Report of IEICE, pp. 169-175, July 1999. R. Jacob Baker et al., “CMOS Circuit Design, Layout, and Simulation”, Institute of Electrical and Electronics Engineers, pp.564-568, 1998.R. Jacob Baker et al., “CMOS Circuit Design, Layout, and Simulation”, Institute of Electrical and Electronics Engineers, pp.564-568, 1998. G. Ferri et al., “Integrated Rail-to-Rail Low-Voltage Low-Power Enhanced DC-Gain Fully Differential Operational Transconductance Amplifier”, ETRI Journal, Vol.29, No.6, pp. 785-793, December 2007.G. Ferri et al., “Integrated Rail-to-Rail Low-Voltage Low-Power Enhanced DC-Gain Fully Differential Operational Transconductance Amplifier”, ETRI Journal, Vol. 29, No. 6, pp. 785-793, December 2007 .

しかし、レール・ツー・レールオペアンプは回路が大規模であるため消費電力が大きくなる問題点がある。オペアンプの消費電力はバイアス電流に比例するため、バイアス電流を削減することで低電力動作を実現することができる。しかし、バイアス電流を削減することにより動作速度が低下する問題があった。   However, since the rail-to-rail operational amplifier has a large circuit, there is a problem that power consumption becomes large. Since the power consumption of the operational amplifier is proportional to the bias current, low power operation can be realized by reducing the bias current. However, there is a problem that the operation speed is reduced by reducing the bias current.

低電力オペアンプの高速化技術として、適応バイアス技術を用いたオペアンプが報告されている(例えば、非特許文献1参照)。適応バイアス技術とは、待機時に微小電流で動作させ、動作時に大電流を生成して動作させる回路技術である。これにより、消費電力の低減と動作速度の向上を同時に実現する。しかし、既存の適応バイアス技術はレール・ツー・レールを考慮しない単純なオペアンプに向けた構成であり、レール・ツー・レールオペアンプに用いると動作が不安定となり、意図しない大電流を発生して正しく動作しない問題があった。また、適応バイアス電流の生成量を設計で制御できない問題があった。   An operational amplifier using an adaptive bias technique has been reported as a technique for speeding up a low-power operational amplifier (see Non-Patent Document 1, for example). The adaptive bias technique is a circuit technique that operates with a small current during standby and generates a large current during operation. Thereby, reduction of power consumption and improvement of operation speed are realized at the same time. However, the existing adaptive bias technology is designed for simple op amps that do not consider rail-to-rail, and when used in rail-to-rail op amps, the operation becomes unstable, causing unintended large currents to be generated correctly. There was a problem that did not work. In addition, the amount of adaptive bias current generated cannot be controlled by design.

本発明の目的は以上の問題点を解決し、レール・ツー・レールオペアンプのための適応バイアス生成回路において、安定性を向上させ適応バイアス電流量を制御できる適応バイアス生成回路及びそれを用いた差動増幅回路を提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above problems, and in an adaptive bias generation circuit for a rail-to-rail operational amplifier, an adaptive bias generation circuit capable of improving stability and controlling an adaptive bias current amount, and a difference using the same. It is to provide a dynamic amplifier circuit.

第1の発明に係る適応バイアス生成回路は、レール・ツー・レール差動増幅回路のための適応バイアス生成回路において、
一定のバイアス電流を発生するバイアス電流源と、
上記バイアス電流と所定の適応電流とを加算して加算結果の電流を出力する加算器と、
上記加算器からの電流に基づいて動作し、差動入力電圧を差動増幅して対応する2個の電流を生成する入力差動対回路と、
上記2個の電流を比較して上記2個の電流のうち小さい電流を選択して当該小さい電流の2倍の電流を出力する電流比較回路と、
上記バイアス電流と上記適応電流と上記小さい電流の2倍の電流とを加算してなる電流から、上記2個の電流の加算結果の電流をK倍(0<K<1)してなる電流を減算し、当該減算結果の電流を上記バイアス電流と比較し、当該比較結果の電流を電圧に変換する電流電圧変換回路と、
上記電流電圧変換回路からの電圧に基づいて上記適応電流を発生する電流生成回路とを備えたことを特徴とする。
An adaptive bias generation circuit according to a first invention is an adaptive bias generation circuit for a rail-to-rail differential amplifier circuit.
A bias current source for generating a constant bias current;
An adder for adding the bias current and a predetermined adaptive current and outputting the resulting current;
An input differential pair circuit that operates based on the current from the adder and differentially amplifies the differential input voltage to generate two corresponding currents;
A current comparison circuit that compares the two currents, selects a small current from the two currents, and outputs a current twice as large as the small current;
From a current obtained by adding the bias current, the adaptive current, and a current that is twice the small current, a current obtained by multiplying the current resulting from the addition of the two currents by K (0 <K <1). A current-voltage conversion circuit that subtracts, compares the current of the subtraction result with the bias current, and converts the current of the comparison result into a voltage;
And a current generation circuit that generates the adaptive current based on a voltage from the current-voltage conversion circuit.

上記適応バイアス生成回路において、上記電流電圧変換回路は、上記加算器からの電流から上記2個の電流の加算結果の電流をK倍(0<K<1)した電流を減算し、当該減算結果の電流と上記小さい電流の2倍の電流とを加算し、当該加算結果の電流を上記バイアス電流と比較し、当該比較結果の電流を電圧に変換することを特徴とする。   In the adaptive bias generation circuit, the current-voltage conversion circuit subtracts a current obtained by multiplying the current obtained by adding the two currents by K times (0 <K <1) from the current from the adder, and the subtraction result. And a current twice as large as the small current are added, the current resulting from the addition is compared with the bias current, and the current resulting from the comparison is converted into a voltage.

また、上記適応バイアス生成回路において、上記電流電圧変換回路は、上記バイアス電流と上記適応電流と上記小さい電流の2倍の電流とを加算してなる電流を、上記2個の電流の加算結果の電流をK倍(0<K<1)してなる電流と上記バイアス電流とを加算してなる電流と比較し、当該比較結果の電流を電圧に変換することを特徴とする。   Further, in the adaptive bias generation circuit, the current-voltage conversion circuit generates a current obtained by adding the bias current, the adaptive current, and a current twice the small current as a result of the addition of the two currents. A current obtained by multiplying the current by K (0 <K <1) and a current obtained by adding the bias current are compared, and the current of the comparison result is converted into a voltage.

さらに、上記適応バイアス生成回路において、上記電流電圧変換回路において上記比較結果の電流を電圧に変換する回路をMOSトランジスタで構成し、
上記比較する回路を、上記MOSトランジスタのゲートに接続されるノードに上記適応電流と上記小さい電流の2倍の電流とが流れ込む一方、当該ノードから上記2個の電流の加算結果の電流をK倍(0<K<1)した電流が流れ出るように構成し、もしくは、
上記比較する回路を、上記MOSトランジスタのゲートに接続されるノードに上記2個の電流の加算結果の電流をK倍(0<K<1)した電流が流れ込む一方、当該ノードから上記適応電流と上記小さい電流の2倍の電流とが流れ出るように構成したことを特徴とする。
Further, in the adaptive bias generation circuit, a circuit for converting the current of the comparison result into a voltage in the current-voltage conversion circuit is configured by a MOS transistor,
In the circuit to be compared, the adaptive current and a current that is twice the small current flow into the node connected to the gate of the MOS transistor, while the current resulting from the addition of the two currents from the node is multiplied by K times. (0 <K <1) configured to flow out current, or
In the circuit to be compared, a current obtained by multiplying the current resulting from the addition of the two currents by K times (0 <K <1) flows into a node connected to the gate of the MOS transistor. It is characterized in that it is configured such that a current twice as large as the small current flows out.

また、上記適応バイアス生成回路において、上記小さい電流の2倍の電流と加算する上記適応電流を、上記適応電流のn倍(0<n<K)の電流と置き換えたことを特徴とする。   In the adaptive bias generation circuit, the adaptive current to be added to a current that is twice the small current is replaced with a current that is n times the adaptive current (0 <n <K).

またさらに、上記電流電圧変換回路において、上記帰還回路において、上記2個の電流の加算結果の電流をK倍(0<K<1)した電流を得る回路は、1対のMOSトランジスタを含み、当該1対のMOSトランジスタのアスペクト比を1:Kにして形成されたカレントミラー回路であることを特徴とする。   Still further, in the current-voltage conversion circuit, the circuit that obtains a current obtained by multiplying the current resulting from the addition of the two currents by K times (0 <K <1) in the feedback circuit includes a pair of MOS transistors, It is a current mirror circuit formed by setting the aspect ratio of the pair of MOS transistors to 1: K.

第2の発明に係るレール・ツー・レール差動増幅回路は、上記適応バイアス生成回路を備えたことを特徴とする。   A rail-to-rail differential amplifier circuit according to a second aspect of the invention includes the adaptive bias generation circuit.

本発明に係る適応バイアス生成回路によれば、上記バイアス電流と上記適応電流と上記小さい電流の2倍の電流とを加算してなる電流から、上記2個の電流の加算結果の電流をK倍(0<K<1)してなる電流を減算し、当該減算結果の電流を上記バイアス電流と比較し、当該比較結果の電流を電圧に変換するので、レール・ツー・レールオペアンプのための適応バイアス生成回路において、安定性を向上させ適応バイアス電流量を制御できる。   According to the adaptive bias generation circuit of the present invention, the current obtained by adding the two currents is multiplied by K times from the current obtained by adding the bias current, the adaptive current, and the current that is twice the small current. (0 <K <1) is subtracted, the current of the subtraction result is compared with the bias current, and the current of the comparison result is converted to a voltage, so that it is suitable for a rail-to-rail operational amplifier. In the bias generation circuit, the stability can be improved and the adaptive bias current amount can be controlled.

(a)は基本的な差動増幅回路の構成を示す回路図であり、(b)は(a)の差動増幅回路の入力電圧レンジを示す図である。(A) is a circuit diagram which shows the structure of a basic differential amplifier circuit, (b) is a figure which shows the input voltage range of the differential amplifier circuit of (a). (a)は基本的なレール・ツー・レールオペアンプの構成を示す回路図であり、(b)は(a)のレール・ツー・レールオペアンプの入力電圧レンジを示す図である。(A) is a circuit diagram which shows the structure of a basic rail-to-rail operational amplifier, (b) is a figure which shows the input voltage range of the rail-to-rail operational amplifier of (a). (a)はオペアンプを用いたユニティ・ゲイン・バッファの構成を示す回路図であり、(b)は(a)のユニティ・ゲイン・バッファのステップ応答を示す電圧波形図である。(A) is a circuit diagram showing the configuration of a unity gain buffer using an operational amplifier, (b) is a voltage waveform diagram showing the step response of the unity gain buffer of (a). 比較例に係る適応バイアス生成回路の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the adaptive bias generation circuit which concerns on a comparative example. 図4の具体例の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the specific example of FIG. 電流抽出用MOSトランジスタを備えた差動対回路の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the differential pair circuit provided with the MOS transistor for electric current extraction. 図6の差動対回路における入力電圧差ΔVINと電流I,I及びIminとの関係を示すグラフである。7 is a graph showing a relationship between an input voltage difference ΔV IN and currents I 1 , I 2, and I min in the differential pair circuit of FIG. 6. (a)は図4の適応バイアス生成回路において入力差動対回路1がオンであるときの回路であり、(b)は図4の適応バイアス生成回路において入力差動対回路1がオフであるときの回路である。4A is a circuit when the input differential pair circuit 1 is on in the adaptive bias generation circuit of FIG. 4, and FIG. 4B is a circuit when the input differential pair circuit 1 is off in the adaptive bias generation circuit of FIG. Circuit. 本発明の第1の実施形態に係る適応バイアス生成回路の構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a configuration of an adaptive bias generation circuit according to a first embodiment of the present invention. 図9Aの適応バイアス生成回路の変形例の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the modification of the adaptive bias production | generation circuit of FIG. 9A. 図9Aの適応バイアス生成回路の具体例の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the specific example of the adaptive bias production | generation circuit of FIG. 9A. (a)は図10の適応バイアス生成回路において入力差動対回路1がオンであるときの回路であり、(b)は図10の適応バイアス生成回路において入力差動対回路1がオフであるときの回路である。10A is a circuit when the input differential pair circuit 1 is on in the adaptive bias generation circuit of FIG. 10, and FIG. 10B is a circuit when the input differential pair circuit 1 is off in the adaptive bias generation circuit of FIG. Circuit. 本発明の第2の実施形態に係るレール・ツー・レール差動増幅回路の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the rail-to-rail differential amplifier circuit which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 図12のレール・ツー・レール差動増幅回路のうちのオペアンプ本体21の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the operational amplifier main body 21 among the rail-to-rail differential amplifier circuits of FIG. 図12のレール・ツー・レール差動増幅回路のうちの適応バイアス生成回路22Bの構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the adaptive bias production | generation circuit 22B among the rail-to-rail differential amplifier circuits of FIG. (a)実施例1に係る差動増幅回路のSPIEシミュレーション結果であって、その利得の周波数特性を示すグラフであり、(b)その位相の周波数特性を示すグラフである。(A) It is a graph which shows the SPIE simulation result of the differential amplifier circuit based on Example 1, Comprising: The frequency characteristic of the gain, (b) It is the graph which shows the frequency characteristic of the phase. 実施例1に係る差動増幅回路を用いたユニティ・ゲイン・バッファのSPIEシミュレーション結果であって、その入出力特性を示すグラフである。5 is a graph showing the input / output characteristics of a SPIE simulation result of a unity gain buffer using the differential amplifier circuit according to the first embodiment. 実施例1に係る差動増幅回路を用いたユニティ・ゲイン・バッファのSPIEシミュレーション結果であって、その入力電圧に対する消費電流を示すグラフである。6 is a graph showing the SPIE simulation result of the unity gain buffer using the differential amplifier circuit according to the first embodiment and showing the current consumption with respect to the input voltage. 実施例1に係る差動増幅回路を用いたユニティ・ゲイン・バッファのSPIEシミュレーション結果であって、その入力電圧に対する誤差電圧を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing an SPIE simulation result of the unity gain buffer using the differential amplifier circuit according to the first embodiment and showing an error voltage with respect to the input voltage. (a)は実施例1に係る差動増幅回路を用いたユニティ・ゲイン・バッファの入力電圧のSPIEシミュレーション結果であって、その立ち上がり時のステップ応答特性を示す電圧波形図であり、(b)はその消費電流の時間経過を示す図である。(A) is a SPIE simulation result of the input voltage of the unity gain buffer using the differential amplifier circuit according to the first embodiment, and is a voltage waveform diagram showing a step response characteristic at the time of rising; (b) These are figures which show the time passage of the consumption current. (a)は実施例1に係る差動増幅回路を用いたユニティ・ゲイン・バッファのSPIEシミュレーション結果であって、その入力電圧の立ち下がり時のステップ応答特性を示す電圧波形図であり、(b)はその消費電流の時間経過を示す図である。(A) is a SPIE simulation result of the unity gain buffer using the differential amplifier circuit according to the first embodiment, and is a voltage waveform diagram showing a step response characteristic when the input voltage falls, (b) ) Is a diagram showing the elapsed time of the current consumption. 実施例1及び2、並びに比較例1及び2のSPIEシミュレーション結果のまとめを示す表である。It is a table | surface which shows the summary of the SPIE simulation result of Example 1 and 2 and Comparative Example 1 and 2. FIG. 本発明の第1の変形例に係る適応バイアス生成回路の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the adaptive bias generation circuit which concerns on the 1st modification of this invention. 本発明の第2の変形例に係る適応バイアス生成回路の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the adaptive bias generation circuit which concerns on the 2nd modification of this invention. 図23のn倍のカレントミラー回路の構成を示す回路図である。FIG. 24 is a circuit diagram showing a configuration of an n-fold current mirror circuit of FIG. 23.

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。   Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each following embodiment, the same code | symbol is attached | subjected about the same component.

本発明では、スマートセンサLSI応用に向けたオペアンプの高性能化を目的とし、従来の適応バイアス技術の課題を克服する適応バイアス技術を開発した。またこれを用いた超低電力・高速レール・ツー・レール差動増幅回路を提案する。提案する適応バイアス生成回路は既存回路に電流経路を追加し、適応バイアス電流生成回路の安定性の向上と適応バイアス電流量の制御を可能としたことを特徴としている。   In the present invention, an adaptive bias technique that overcomes the problems of the conventional adaptive bias technique has been developed for the purpose of improving the performance of an operational amplifier for smart sensor LSI application. We also propose an ultra-low power, high-speed rail-to-rail differential amplifier circuit using this. The proposed adaptive bias generation circuit is characterized in that a current path is added to the existing circuit to improve the stability of the adaptive bias current generation circuit and to control the amount of adaptive bias current.

1.基本的な差動増幅回路
図1(a)は基本的な差動増幅回路の構成を示す回路図であり、図1(b)は図1(a)の差動増幅回路の入力電圧レンジを示す図である。図1(a)において、差動増幅回路は、入力差動対回路(MOSトランジスタM1,M2)と、カレントミラー回路(MOSトランジスタM3,M4)と、テイル電流源(MOSトランジスタM5)とを備えて構成される。ここで、電源電圧をVDD、MOSトランジスタM1のゲート・ソース間電圧をVGS1、そのドレイン・ソース間電圧をVDS1、MOSトランジスタM3のゲート・ソース間電圧をVGS3、MOSトランジスタM5のドレイン・ソース間電圧をVDS5、MOSトランジスタを飽和領域で動作させるために必要な最小飽和ドレイン・ソース間電圧をVDsatとする。
1. Basic Differential Amplifier Circuit FIG. 1A is a circuit diagram showing the configuration of a basic differential amplifier circuit, and FIG. 1B shows the input voltage range of the differential amplifier circuit of FIG. FIG. In FIG. 1A, the differential amplifier circuit includes an input differential pair circuit (MOS transistors M1 and M2), a current mirror circuit (MOS transistors M3 and M4), and a tail current source (MOS transistor M5). Configured. Here, the power supply voltage is V DD , the gate-source voltage of the MOS transistor M1 is V GS1 , the drain-source voltage is V DS1 , the gate-source voltage of the MOS transistor M3 is V GS3 , and the drain of the MOS transistor M5 The source voltage is V DS5 , and the minimum saturation drain-source voltage necessary for operating the MOS transistor in the saturation region is V Dsat .

ここで、VDS5=VIN+−VGS1であるので、MOSトランジスタM5が飽和領域で動作するための条件より、入力電圧VIN+の下限は次式で決定される。 Here, since V DS5 = V IN + −V GS1 , the lower limit of the input voltage V IN + is determined by the following equation based on conditions for the MOS transistor M5 to operate in the saturation region.

IN+−VGS1=VDS5>VDsat V IN + -V GS1 = V DS5 > V Dsat

従って、入力電圧VIN+の下限は次式で表される。 Therefore, the lower limit of the input voltage VIN + is expressed by the following equation.

IN+>VGS1+VDsat V IN + > V GS1 + V Dsat

また、MOSトランジスタM1,M3,M5のドレイン・ソース間電圧VDS1,VDS3,VDS5の合計が電源電圧よりも低くなければいけないので、VDS1=VDsatのとき、入力電圧VIN+の上限は次式で決定される。 In addition, since the sum of the drain-source voltages V DS1 , V DS3 , and V DS5 of the MOS transistors M1, M3, and M5 must be lower than the power supply voltage, the upper limit of the input voltage V IN + when V DS1 = V Dsat Is determined by the following equation.

DS1+|VGS3|+VDS5=VDsat+|VGS3|+VIN+−VGS1<VDD V DS1 + | V GS3 | + V DS5 = V Dsat + | V GS3 | + V IN + −V GS1 <V DD

従って、入力電圧VIN+の上限は次式で表される。 Therefore, the upper limit of the input voltage VIN + is expressed by the following equation.

IN+<VDD−(|VGS3|−VGS1+VDsat VIN + <V DD − (| V GS3 | −V GS1 + V Dsat )

以上より、nMOSトランジスタで構成された入力差動対回路の入力電圧レンジは次式で表される。   From the above, the input voltage range of the input differential pair circuit composed of nMOS transistors is expressed by the following equation.

GS1+VDsat<VIN+<VDD−(|VGS3|−VGS1+VDsatV GS1 + V Dsat <V IN + <V DD − (| V GS3 | −V GS1 + V Dsat )

すなわち、基本的な差動増幅回路の入力電圧レンジは電源電圧VDDよりも小さくなる。 That is, the input voltage range of the basic differential amplifier circuit is smaller than the power supply voltage V DD .

2.レール・ツー・レールオペアンプ
入力差動対回路の入力電圧レンジの制約を解決する手法として、入力差動対回路をnMOSトランジスタの入力差動対回路とpMOSトランジスタの入力差動対回路の両方を用いてレール・ツー・レール動作を可能とする手法がある。
2. Rail-to-rail operational amplifier As a technique to solve the restrictions on the input voltage range of the input differential pair circuit, the input differential pair circuit is both an nMOS transistor input differential pair circuit and a pMOS transistor input differential pair circuit. There is a technique that enables rail-to-rail operation.

図2(a)は基本的なレール・ツー・レールオペアンプの構成を示す回路図であり、図2(b)は図2(a)のレール・ツー・レールオペアンプの入力電圧レンジを示す図である。図2(a)において、レール・ツー・レールオペアンプは、nMOSトランジスタの入力差動対回路(MOSトランジスタM1,M2)と、pMOSトランジスタの入力差動対回路(MOSトランジスタM3,M4)と、テイル電流源(MOSトランジスタM5,M6)と、カスコード増幅段(MOSトランジスタM7〜M14)とを備えて構成される。図2(b)に示すように、入力電圧VIN+が所定の電圧(VGS1+VDSAT)よりも高いときにはnMOSトランジスタの入力差動対回路が、入力電圧VIN+が所定の電圧(VDD−(VGS3+VDsat)よりも低いときにはpMOSトランジスタの入力差動対回路が動作し、幅広い入力電圧範囲に対応する。 2A is a circuit diagram showing a configuration of a basic rail-to-rail operational amplifier, and FIG. 2B is a diagram showing an input voltage range of the rail-to-rail operational amplifier of FIG. 2A. is there. In FIG. 2A, a rail-to-rail operational amplifier includes an nMOS transistor input differential pair circuit (MOS transistors M1 and M2), a pMOS transistor input differential pair circuit (MOS transistors M3 and M4), and a tail. A current source (MOS transistors M5 and M6) and a cascode amplification stage (MOS transistors M7 to M14) are provided. As shown in FIG. 2B, when the input voltage V IN + is higher than a predetermined voltage (V GS1 + V DSAT ), the input differential pair circuit of the nMOS transistor indicates that the input voltage V IN + is equal to the predetermined voltage (V DD − When it is lower than (V GS3 + V Dsat ), the input differential pair circuit of the pMOS transistor operates and corresponds to a wide input voltage range.

次いで、nMOSトランジスタの入力差動対回路の入力電圧レンジについて説明する。ここで、電源電圧をVDD、MOSトランジスタM1のゲート・ソース間電圧をVGS1、そのドレイン・ソース間電圧をVDS1、MOSトランジスタM6のドレイン・ソース間電圧をVDS6、MOSトランジスタM7のドレイン・ソース間電圧をVDS7、MOSトランジスタを飽和領域で動作させるために必要な最小飽和ドレイン・ソース間電圧をVDsatとする。入力電圧VIN+の下限は、上述と同様にして次式で決定される。 Next, the input voltage range of the input differential pair circuit of the nMOS transistor will be described. Here, the power supply voltage is V DD , the gate-source voltage of the MOS transistor M1 is V GS1 , the drain-source voltage is V DS1 , the drain-source voltage of the MOS transistor M6 is V DS6 , and the drain of the MOS transistor M7 - the source voltage V DS7, the minimum saturation drain-source voltage required for the MOS transistor operates in the saturation region and V Dsat. The lower limit of the input voltage VIN + is determined by the following equation in the same manner as described above.

IN+−VGS1=VDS6>VDsat V IN + -V GS1 = V DS6 > V Dsat

従って、入力電圧VIN+の下限は次式で表される。 Therefore, the lower limit of the input voltage VIN + is expressed by the following equation.

IN+>VGS1+VDsat V IN + > V GS1 + V Dsat

入力電圧VIN+の上限も、同様に次式で決定される。 Similarly, the upper limit of the input voltage VIN + is determined by the following equation.

DS1+VDS6+VDS7=VDsat+VIN+−VGS1+VDsat<VDD V DS1 + V DS6 + V DS7 = V Dsat + V IN + -V GS1 + V Dsat <V DD

従って、入力電圧VIN+の上限は次式で表される。 Therefore, the upper limit of the input voltage VIN + is expressed by the following equation.

IN+<VDD−(2VDsat−VGS1 VIN + <V DD − (2V Dsat− V GS1 )

ここで、2VDsat−VGS1<0なので、入力電圧VIN+の上限はVDDとなる。 Here, since 2V Dsat −V GS1 <0, the upper limit of the input voltage VIN + is V DD .

そして、pMOSトランジスタの入力差動対回路の入力電圧レンジは、nMOSトランジスタ入力段の上限と下限の関係が逆転する。以上より、入力電圧VIN+が所定の電圧(VGS1+VDSAT)よりも低いときにはpMOSトランジスタ入力段が動作し、入力電圧VIN+が所定の電圧(VDD−(VGS3+VDsat)よりも高いときにはnMOSトランジスタ入力段が動作する。入力電圧VIN+がこれら2つの電圧の間の中間範囲では、両方の入力段が同時に動作する。2つの入力段がお互いに動作できない領域を補い合うことで、接地電位(GND)から電源電圧VDDまでの範囲で入力が可能である。 In the input voltage range of the input differential pair circuit of the pMOS transistor, the relationship between the upper limit and the lower limit of the nMOS transistor input stage is reversed. As described above, when the input voltage V IN + is lower than the predetermined voltage (V GS1 + V DSAT ), the pMOS transistor input stage operates, and the input voltage V IN + is higher than the predetermined voltage (V DD − (V GS3 + V Dsat ). Sometimes the nMOS transistor input stage operates, both input stages operate simultaneously when the input voltage VIN + is in the middle range between these two voltages, and compensates for the area where the two input stages cannot operate with each other. Input is possible in the range from the potential (GND) to the power supply voltage V DD .

図2のレール・ツー・レールオペアンプは、nMOSトランジスタ及びpMOSトランジスタのそれぞれの入力段に対しテイル電流が必要である。また、カスコード増幅段のバイアス電圧VB3、VB4、VB5を生成するためのバイアス回路が必要である。このため、図1の基本的な差動増幅回路と比較して回路が大規模となり、消費電力が大きくなる傾向がある(例えば、非特許文献2参照)。 The rail-to-rail operational amplifier of FIG. 2 requires a tail current for each input stage of the nMOS transistor and the pMOS transistor. In addition, a bias circuit for generating the bias voltages V B3 , V B4 , and V B5 of the cascode amplification stage is necessary. For this reason, compared with the basic differential amplifier circuit of FIG. 1, the circuit tends to be large and power consumption tends to increase (see, for example, Non-Patent Document 2).

3.オペアンプのスルーレートと消費電力
図3(a)はオペアンプを用いたユニティ・ゲイン・バッファの構成を示す回路図であり、図3(b)は図3(a)のユニティ・ゲイン・バッファのステップ応答を示す電圧波形図である。ここで、ユニティ・ゲイン・バッファは、入力電圧端子に接続された非反転入力端子を有し、出力端子から反転入力端子への帰還回路を有するオペアンプ10を備え、入力電圧VIN=出力電圧VOUTとなるように動作する。ユニティ・ゲイン・バッファに急峻なパルス電圧を入力すると、ある傾きをもって変化する。この最大傾斜をスルーレート(slew rate)SRと呼び、次式で表す(例えば、非特許文献3参照)。
3. Operational Amplifier Slew Rate and Power Consumption FIG. 3A is a circuit diagram showing a configuration of a unity gain buffer using an operational amplifier, and FIG. 3B is a step of the unity gain buffer of FIG. It is a voltage waveform diagram which shows a response. Here, the unity gain buffer includes an operational amplifier 10 having a non-inverting input terminal connected to the input voltage terminal and having a feedback circuit from the output terminal to the inverting input terminal, and the input voltage V IN = the output voltage V. Operates to be OUT . When a steep pulse voltage is input to the unity gain buffer, it changes with a certain slope. This maximum inclination is called a slew rate SR and is expressed by the following equation (for example, see Non-Patent Document 3).

SR=ΔV/Δt (1) SR = ΔV / Δt (1)

ここで、ΔVは単位時間Δt当たりの出力電圧の変化量である。スルーレートSRが大きいことは、出力電圧VOUTが高速に応答できることを意味する。このため、スルーレートSRはオペアンプ10の速度指標とみなすことができる。また、出力負荷容量Cを電圧ΔVだけ充電するのに必要な時間Δtは、オペアンプ10を駆動するバイアス電流IBIASを用いて次式で表すことができる。 Here, ΔV is a change amount of the output voltage per unit time Δt. A large slew rate SR means that the output voltage VOUT can respond at high speed. Therefore, the slew rate SR can be regarded as a speed index of the operational amplifier 10. Further, the time Δt required to charge the output load capacitance C L by a voltage ΔV can be expressed by the following equation using the bias current I BIAS to drive the operational amplifier 10.

Δt=C×ΔV/IBIAS (2) Δt = C L × ΔV / I BIAS (2)

式(2)を式(1)のSRに代入して、次式を得る。   Substituting equation (2) into SR in equation (1), we obtain:

SR=ΔV/Δt=IBIAS/C (3) SR = ΔV / Δt = I BIAS / C L (3)

式(3)より、スルーレートSRはバイアス電流IBIASに比例し、出力負荷容量Cに反比例することがわかる。 From equation (3), the slew rate SR is proportional to the bias current I BIAS, seen to be inversely proportional to the output load capacitance C L.

オペアンプ10の消費電力Powerは、次式のごとくバイアス電流IBIASと電源電圧VDDの積で表すことができる。 The power consumption Power of the operational amplifier 10 can be expressed by the product of the bias current I BIAS and the power supply voltage V DD as shown in the following equation.

Power=IBIAS×VDD (4) Power = I BIAS × V DD (4)

従って、式(4)より、オペアンプ10はバイアス電流IBIASを小さくすることで低電力動作が可能となる。しかし、前述の通り、バイアス電流IBIASを小さくすることでスルーレートSRが低下する。このため、オペアンプ10の動作速度と消費電力Powerにはトレードオフの関係がある。 Therefore, from the equation (4), the operational amplifier 10 can operate at low power by reducing the bias current I BIAS . However, as described above, the slew rate SR is lowered by reducing the bias current I BIAS . For this reason, there is a trade-off relationship between the operation speed of the operational amplifier 10 and the power consumption Power.

4.適応バイアス技術と適応バイアス生成回路
消費電力と動作速度のトレードオフ問題を解決する手法として、適応バイアス技術がある。式(3)及び式(4)より、オペアンプ10のスルーレートSRと消費電力Powerはそれぞれ次式で表すことができる。
4). Adaptive bias technology and adaptive bias generation circuit There is adaptive bias technology as a method for solving the trade-off problem between power consumption and operation speed. From the equations (3) and (4), the slew rate SR and the power consumption Power of the operational amplifier 10 can be expressed by the following equations, respectively.

SR=ΔV/Δt=IBIAS/C
Power=IBIAS×VDD
SR = ΔV / Δt = I BIAS / C L
Power = I BIAS × V DD

ここで、オペアンプ10の低消費電力動作を実現するためには、バイアス電流IBIASを低くすることが求められるが、これは動作速度が劣化することを意味する。そこで、適応バイアス技術を用いることを考える。すなわち、高いスルーレートSRが必要となる信号の遷移時に大電流IADPmaxをバイアスし、信号が入力されていない待機時に微小電流IADPminをバイアスする。このとき、スルーレートSRと消費電力Powerは次式で表される。 Here, in order to realize the low power consumption operation of the operational amplifier 10, it is required to lower the bias current I BIAS , which means that the operation speed is deteriorated. Therefore, consider using an adaptive bias technique. That is, the large current I ADPmax is biased at the time of signal transition that requires a high slew rate SR, and the minute current I ADPmin is biased at the time of standby when no signal is input. At this time, the slew rate SR and the power consumption Power are expressed by the following equations.

SR=ΔV/Δt=IADPmax/C
Power=IADPmin×VDD
SR = ΔV / Δt = I ADPmax / C L
Power = I ADPmin × V DD

これより、回路は平均の消費電力の上昇を抑えながら、高速に動作することができる。   As a result, the circuit can operate at high speed while suppressing an increase in average power consumption.

図4は比較例に係る適応バイアス生成回路の構成を示すブロック図であり、図5は図4の具体例の構成を示す回路図である。図4及び図5の適応バイアス生成回路は、入力差動対回路1(MOSトランジスタMd1,Mb1,Md2,Mb2)と、電流比較回路2(MOSトランジスタMb3〜Mb6)と、電流電圧変換回路3(MOSトランジスタMc3,Mc4及び1個の固定バイアス電流源5を含む回路)と、適応電流IADP生成回路4(MOSトランジスタMa2を含む回路)と、別の1個の固定バイアス電流源5とを備えて構成される。 FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of an adaptive bias generation circuit according to a comparative example, and FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration of a specific example of FIG. 4 and 5 includes an input differential pair circuit 1 (MOS transistors Md1, Mb1, Md2, and Mb2), a current comparison circuit 2 (MOS transistors Mb3 to Mb6), and a current-voltage conversion circuit 3 ( A circuit including MOS transistors Mc3 and Mc4 and one fixed bias current source 5), an adaptive current I ADP generation circuit 4 (circuit including the MOS transistor Ma2), and another fixed bias current source 5. Configured.

図4及び図5において、適応バイアス生成回路は、入力差動対回路1の端子間の入力電圧差ΔVIN=VIN+−VIN−に応じて適応電流IADPを制御する。ここで、入力差動対回路1に入力される非反転入力端子及び反転入力端子の各電圧VIN+,VIN−が一致する(ΔVIN=0)とき適応電流IADPは最小の値となり、非反転入力端子及び反転入力端子の各電圧VIN+,VIN−が異なる(ΔVIN≠0)とき入力電圧差ΔVINの値に応じて適応電流IADPが変化する。入力電圧差ΔVINは入力差動対回路1で電流I、Iに変換される。2つの電流のうち小さい電流Iminは、入力電圧差の絶対値|ΔVIN|に応じて変化する。このため、最小電流Iminを用いることで、入力電圧差ΔVINの値に応じた適応電流IADPの制御が可能となる。 4 and 5, the adaptive bias generation circuit controls the adaptive current I ADP according to the input voltage difference ΔV IN = V IN + −V IN− between the terminals of the input differential pair circuit 1. Here, when the voltages V IN + and V IN− of the non-inverting input terminal and the inverting input terminal input to the input differential pair circuit 1 match (ΔV IN = 0), the adaptive current I ADP becomes the minimum value, When the voltages V IN + and V IN− of the non-inverting input terminal and the inverting input terminal are different (ΔV IN ≠ 0), the adaptive current I ADP changes according to the value of the input voltage difference ΔV IN . The input voltage difference ΔV IN is converted into currents I 1 and I 2 by the input differential pair circuit 1. The small current I min of the two currents changes according to the absolute value | ΔV IN | of the input voltage difference. For this reason, the adaptive current I ADP can be controlled in accordance with the value of the input voltage difference ΔV IN by using the minimum current I min .

図6は電流抽出用MOSトランジスタを備えた入力差動対回路の構成を示す回路図である。ここで、MOSトランジスタのサブスレッショルド領域におけるドレイン電流Iは、ゲート・ソース間電圧VGS、しきい値電圧VTH、ドレイン・ソース間電圧VDSを用いて次式で与えられる(例えば、非特許文献3参照)。 FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration of an input differential pair circuit including a current extracting MOS transistor. Here, the drain current ID in the sub-threshold region of the MOS transistor is given by the following equation using the gate-source voltage V GS , the threshold voltage V TH , and the drain-source voltage V DS (for example, non- (See Patent Document 3).

=μCOX(W/L)(ζ−1)V ×exp((VGS−VTH)/ζV
×{1−exp(−VDS/V)}
I D = μC OX (W / L) (ζ−1) V 2 T × exp ((V GS −V TH ) / ζ V T )
X {1-exp (-V DS / V T )}

ただし、μは移動度、COXは酸化膜容量、Wはゲート幅、Lはゲート長、Vは熱電圧である。また、V=kT/qで、kはボルツマン定数、Tは絶対温度、qは電気素量、ζ=1+C/COXであり、Cはゲート領域直下の空乏層容量である。ここで、ドレイン・ソース間電圧VDSが約100 mVよりも大きくなると、ドレイン電流Iはドレイン・ソース間電圧VDSに依存せず、次式で表される。 Where μ is the mobility, C OX is the oxide film capacitance, W is the gate width, L is the gate length, and VT is the thermal voltage. V T = k B T / q, k B is Boltzmann's constant, T is absolute temperature, q is the elementary charge, ζ = 1 + C d / C OX , C d is the depletion layer capacitance directly under the gate region is there. Here, when the drain-source voltage V DS becomes larger than about 100 mV, the drain current ID does not depend on the drain-source voltage V DS and is expressed by the following equation.

=μCOX(W/L)(ζ−1)V ×exp((VGS−VTH)/ζVI D = μC OX (W / L) (ζ−1) V 2 T × exp ((V GS −V TH ) / ζ V T )

ここで、W/L=K、μCOX(ζ―1)V =Iとすると、次式を得る。 Here, when W / L = K and μC OX (ζ−1) V T 2 = I 0 , the following equation is obtained.

=KI×exp((VGS−VTH)/ζVI D = KI 0 × exp ((V GS −V TH ) / ζV T )

この式を、ゲート・ソース間電圧VGSについて解くと、次式を得る。 This equation is solved for the voltage V GS between the gate and the source, the following expression is obtained.

GS=VTH+ζV×ln(I/KIV GS = V TH + ζV T × ln (I D / KI 0 )

図6において、MOSトランジスタM1及びM2のゲート・ソース間電圧をそれぞれVGS1,VGS2とし、MOSトランジスタM1及びM2に流れる電流をそれぞれI,Iとすると、ゲート・ソース間電圧VGS1及びVGS2はそれぞれ電流I,Iを用いて次式で表すことができる。 In FIG. 6, assuming that the gate-source voltages of the MOS transistors M1 and M2 are V GS1 and V GS2 and the currents flowing through the MOS transistors M1 and M2 are I 1 and I 2 , respectively, the gate-source voltages V GS1 and V GS2 can be expressed by the following equation using currents I 1 and I 2 , respectively.

GS1=VTH+ζV×ln(I/KI
GS2=VTH+ζV×ln(I/KI
V GS1 = V TH + ζV T × ln (I 1 / KI 0 )
V GS2 = V TH + ζV T × ln (I 2 / KI 0 )

MOSトランジスタM1及びM2のゲート電圧をそれぞれVIN+,VIN−とすると、VIN+−VIN−=VGS1−VGS2より、次式を得る。 V IN +, respectively the gate voltage of the MOS transistors M1 and M2, when the V IN-, than V IN + -V IN- = V GS1 -V GS2, the following expression is obtained.

IN+−VIN−=VGS1−VGS2
={VTH+ζVln(I/KI)}−{VTH+ζVln(I/KI)}
=ζV×ln(I/I
V IN + −V IN− = V GS1 −V GS2
= {V TH + ζV T ln (I 1 / KI 0 )} − {V TH + ζV T ln (I 2 / KI 0 )}
= ΖV T × ln (I 1 / I 2 )

従って、次式を得る。   Therefore, the following equation is obtained.

=Iexp((VIN+−VIN−)/ζVI 1 = I 2 exp ((V IN + −V IN− ) / ζV T )

電流Iと電流Iの合計はテイル電流IBIASに等しいため、I+I=IBIASとして、VIN+−VIN−=ΔVINとすると、電流I及び電流Iは入力電圧差ΔVINの関数として次式で表すことができる。 Since the sum of the current I 1 and the current I 2 is equal to the tail current I BIAS , assuming that I 1 + I 2 = I BIAS and V IN + −V IN− = ΔV IN , the current I 1 and the current I 2 are the input voltage difference as a function of [Delta] V iN can be expressed by the following equation.

=IBIAS(exp(ΔVIN/ζV)/(1+exp(ΔVIN/ζV)))
=IBIAS(1/(1+exp(ΔVIN/ζV)))
I 1 = I BIAS (exp (ΔV IN / ζV T ) / (1 + exp (ΔV IN / ζV T )))
I 2 = I BIAS (1 / (1 + exp (ΔV IN / ζV T )))

ここで、電流I及び電流Iは入力電圧差ΔVINに関して対称となるので最小電流Imin=min(I、I)は次式で表すことができる。 Here, since the current I 1 and the current I 2 are symmetric with respect to the input voltage difference ΔV IN , the minimum current I min = min (I 1 , I 2 ) can be expressed by the following equation.

min=α×IBIAS I min = α × I BIAS

ただし、パラメータαは次式で表される。   However, the parameter α is expressed by the following equation.

α=1/(1+exp(|ΔVIN|/ζV)) (5) α = 1 / (1 + exp (| ΔV IN | / ζV T )) (5)

図7は図6の入力差動対回路における入力電圧差ΔVINと電流I,I及びIminとの関係を示すグラフである。図7から明らかなように、入力電圧差ΔVIN=0のとき、電流I=I=Imin=IBIAS/2となる。また、入力電圧差の絶対値|ΔVIN|が大きくなると最小電流Iminは減少し、|ΔVIN|>0.2Vで最小電流Imin≒0となる。 FIG. 7 is a graph showing the relationship between the input voltage difference ΔV IN and the currents I 1 , I 2 and I min in the input differential pair circuit of FIG. As is apparent from FIG. 7, when the input voltage difference ΔV IN = 0, the current I 1 = I 2 = I min = I BIAS / 2. Further, when the absolute value | ΔV IN | of the input voltage difference increases, the minimum current I min decreases, and when | ΔV IN |> 0.2V, the minimum current I min ≈0.

図4の具体例を示す図5の回路は、入力差動対回路1に入力する同相電圧VCMに応じて、「入力差動対回路1が動作する状態もしくは動作しない状態」となり、ここで、それぞれの状態を以下、「入力差動対回路1がオンもしくはオフである」という。 Circuit of Figure 5 showing a specific example of Figure 4, in accordance with the common mode voltage V CM to be input to the input differential pair circuit 1, "the state input differential pair circuit 1 does not state or operation works", and wherein Hereinafter, each state is referred to as “the input differential pair circuit 1 is on or off”.

図8(a)は図4の適応バイアス生成回路において入力差動対回路1がオンであるときの回路であり、図8(b)は図4の適応バイアス生成回路において入力差動対回路1がオフであるときの回路である。図8(a)及び図8(b)において、VACは入力差動対回路1に入力されるノーマルモードの交流電圧であり、VCMは入力差動対回路1に入力されるコモンモードの同相電圧である。なお、図8(b)において、入力差動対回路1がオフのときに動作しない回路部を点線で図示している。 8A is a circuit when the input differential pair circuit 1 is on in the adaptive bias generation circuit of FIG. 4, and FIG. 8B is an input differential pair circuit 1 in the adaptive bias generation circuit of FIG. Is a circuit when is off. In Figures 8 (a) and 8 (b), V AC is the AC voltage of the normal mode is input to the input differential pair circuit 1, V CM is the common-mode input to the input differential pair circuit 1 The common-mode voltage. In FIG. 8B, a circuit portion that does not operate when the input differential pair circuit 1 is off is indicated by a dotted line.

まず、図8(a)を用いて入力差動対回路1がオンの場合について説明する。   First, the case where the input differential pair circuit 1 is turned on will be described with reference to FIG.

同相電圧VCMが所定の電圧よりも低いとき、MOSトランジスタMd1,Mb1,Md2,Mb2により構成される入力差動対回路1は動作し、入力差動対回路1を流れる電流が、MOSトランジスタMb3〜Mb6により構成される電流比較回路2により検出される。電流比較回路2のMOSトランジスタMb3とMb5のうち、ゲート・ソース間電圧VGSが大きい方のMOSトランジスタが線形領域で動作する。これにより、MOSトランジスタMb3,Mb5には電流I及び電流Iのうち小さい方の電流Iminが流れる。MOSトランジスタMb4,Mb6についても同様に動作するため、MOSトランジスタMc3には2Iminが流れる。 When common-mode voltage V CM is lower than a predetermined voltage, MOS transistor Md1, Mb1, Md2, Mb2 input differential pair circuit 1 constituted by the operating current through the input differential pair circuit 1, MOS transistors Mb3 It is detected by the current comparison circuit 2 constituted by ~ Mb6. Of MOS transistor Mb3 of the current comparison circuit 2 and MB5, MOS transistor towards the gate-source voltage V GS is large, it operates in a linear region. As a result, the smaller current I min of the current I 1 and the current I 2 flows through the MOS transistors Mb3 and Mb5. Since MOS transistors Mb4 and Mb6 operate similarly, 2I min flows through MOS transistor Mc3.

MOSトランジスタMb5又はMb6が線形領域で動作する場合、MOSトランジスタMb3,Mb4のゲート・ソース間電圧VGSがMOSトランジスタMb1,Mb2のゲート・ソース間電圧VGSと比較して、MOSトランジスタMb5,Mb6のドレイン・ソース間電圧VDSだけ小さくなる。さらに、MOSトランジスタMb3,Mb4のソース電位Vsが基板電位よりも高くなるため、基板バイアス効果によりしきい値電圧が上昇する。これらの要因により、MOSトランジスタMb3,Mb4に流れる電流量はモニタされるべき電流量よりも減少する。ここで、この電流の減少量をΔIとする。MOSトランジスタMc3とMc4はカレントミラー構成で、MOSトランジスタMc3はMOSトランジスタMc4に自身と同じ電流を流そうとする。MOSトランジスタMc4に流れる電流をIとする。電流Iがバイアス電流IBIASよりも大きいと、制御電圧VADPが上昇し適応電流IADPが減少する。このため、最小電流Iminが減少し、電流Iも減少する。また、電流Iがバイアス電流IBIASよりも小さいと、制御電圧VADPが低下し適応電流IADPが増加する。このため、最小電流Iminが増加し、電流Iも増加する。 When the MOS transistor Mb5 or Mb6 operates in the linear region, the gate-source voltage V GS of the MOS transistors Mb3, Mb4 is compared with the gate-source voltage V GS of the MOS transistors Mb1, Mb2, and the MOS transistors Mb5, Mb6 smaller by the drain-to-source voltage V DS. Furthermore, since the source potential Vs of the MOS transistors Mb3 and Mb4 becomes higher than the substrate potential, the threshold voltage rises due to the substrate bias effect. Due to these factors, the amount of current flowing through the MOS transistors Mb3 and Mb4 is smaller than the amount of current to be monitored. Here, the amount of current decrease is assumed to be ΔI. The MOS transistors Mc3 and Mc4 have a current mirror configuration, and the MOS transistor Mc3 tries to pass the same current as itself to the MOS transistor Mc4. The current flowing through the MOS transistor Mc4 and I 4. When the current I 4 is larger than the bias current I BIAS , the control voltage V ADP increases and the adaptive current I ADP decreases. Therefore, the minimum current I min is decreased, the current I 4 also decreases. On the other hand, when the current I 4 is smaller than the bias current I BIAS , the control voltage V ADP decreases and the adaptive current I ADP increases. Therefore, the minimum current I min increases, the current I 4 is also increased.

以上の動作により、最終的にI=IBIASに収束するため、次式が成立する。 By the above operation, the following expression is established since the convergence finally occurs to I 4 = I BIAS .

2(Imin−ΔI)=IBIAS 2 (I min −ΔI) = I BIAS

ここで、Imin=α×IBIASより、次式を得る。 Here, the following equation is obtained from I min = α × I BIAS .

2(α×IBIAS−ΔI)=IBIAS 2 (α × I BIAS −ΔI) = I BIAS

入力差動対回路1を構成するMOSトランジスタMd1,Md2のテイル電流はIBIAS+IADPであるから、次式を得る。 Since the tail currents of the MOS transistors Md1 and Md2 constituting the input differential pair circuit 1 are I BIAS + I ADP , the following equation is obtained.

2α×(IBIAS+IADP)−2ΔI=IBIAS 2α × (I BIAS + I ADP ) −2ΔI = I BIAS

従って、適応電流IADPについて次式を得る。 Therefore, the following equation is obtained for the adaptive current I ADP .

ADP=((1−2α)/2α)IBIAS+(1/α)ΔI I ADP = ((1-2α) / 2α) I BIAS + (1 / α) ΔI

ここで、αは入力電圧差ΔVINの関数であるため、入力電圧差ΔVINが変化すると、上式が成立するような適応電流IADPとなるように制御電圧VADPが変化する。入力電圧差ΔVIN=0のとき、α=1/2となるので、次式が成り立つ。 Here, alpha is because it is a function of the input voltage difference [Delta] V IN, when the input voltage difference [Delta] V IN changes, the control voltage V ADP such that the adaptive current I ADP as the above equation is satisfied changes. Since α = ½ when the input voltage difference ΔV IN = 0, the following equation is established.

ADP=2ΔI I ADP = 2ΔI

また、MOSトランジスタMb3,Mb4のアスペクト比をそれぞれMOSトランジスタMb2,Mb1よりも大きくすることで、ゲート・ソース間電圧VGSの減少と基板バイアス効果による電流量の減少を緩和でき、入力電圧差ΔVIN=0における適応電流IADPの値を小さくし、待機時における消費電力を抑制することができる。入力電圧差ΔVIN≠0のとき、式(5)によれば十分大きな入力電圧差ΔVINについてα≒0となるので、適応電流IADPが増大し、オペアンプを高速に駆動することができる。 Further, MOS transistors Mb3, Mb4 of aspect ratios each MOS transistor Mb2, is made larger than Mb1, can mitigate the decrease in the amount of current due to the decrease and the substrate bias effect of the gate-source voltage V GS, the input voltage difference ΔV The value of the adaptive current I ADP at IN = 0 can be reduced, and power consumption during standby can be suppressed. When the input voltage difference ΔV IN ≠ 0, according to the equation (5), α≈0 for a sufficiently large input voltage difference ΔV IN , so that the adaptive current I ADP increases and the operational amplifier can be driven at high speed.

さらに、比較例に係る適応バイアス生成回路の問題点について以下に説明する。   Further, problems of the adaptive bias generation circuit according to the comparative example will be described below.

図5の適応バイアス生成回路は、入力差動対回路1がオフになると適応バイアス電流生成回路が動作を停止し、安定に動作できない問題がある。このことを、図8(b)を用いて以下説明する。   The adaptive bias generation circuit of FIG. 5 has a problem that when the input differential pair circuit 1 is turned off, the adaptive bias current generation circuit stops its operation and cannot operate stably. This will be described below with reference to FIG.

同相電圧VCMが所定の電圧よりも高いとき、入力差動対回路1は動作を停止する。入力差動対回路1がオフなので、電流I=I=0となる。ここで、MOSトランジスタMb3,Mb4,Mb5,Mb6,Mc3に流れる電流が0となるため、MOSトランジスタMc4がオフとなる。これにより、制御電圧VADPが接地電位に漸近する。すなわち、入力差動対回路1が動作を停止すると適応バイアスループのフィードバックループが切断されることになる。このため、制御電圧VADPの制御できず安定動作が困難になる。特に、同相電圧VCMが変化し、入力差動対回路1がオフから再びオンとなると、制御不能な大電流が発生して出力に大きな歪みが生じる。これは、接地電位から電源電圧VDDまでを入力範囲とする場合に問題となる。従って、既存の適応バイアス生成回路はレール・ツー・レールオペアンプに適用することができない。 When common-mode voltage V CM is higher than a predetermined voltage, the input differential pair circuit 1 stops operating. Since the input differential pair circuit 1 is off, the current I 1 = I 2 = 0. Here, since the current flowing through the MOS transistors Mb3, Mb4, Mb5, Mb6, and Mc3 is 0, the MOS transistor Mc4 is turned off. As a result, the control voltage V ADP gradually approaches the ground potential. That is, when the input differential pair circuit 1 stops operating, the feedback loop of the adaptive bias loop is disconnected. For this reason, the control voltage V ADP cannot be controlled, and stable operation becomes difficult. In particular, the change in common-mode voltage V CM, the input differential pair circuit 1 when turned on again off, large distortion in the output uncontrollable large currents occur arises. This becomes a problem when the input range is from the ground potential to the power supply voltage V DD . Therefore, the existing adaptive bias generation circuit cannot be applied to a rail-to-rail operational amplifier.

以上説明したように、比較例においては、レール・ツー・レールを考慮しないオペアンプの入力レンジは接地電位から電源電圧までの範囲より狭くなり、電源電圧を下げると電源電圧幅に占める入力レンジの割合が低下する問題がある。レール・ツー・レールオペアンプは接地電位から電源電圧までの全ての範囲で入力が可能であるがレール・ツー・レールを考慮しないオペアンプと比較して回路規模が大きく、消費電力が増大する問題がある。また、既存の適応バイアス技術はレール・ツー・レールオペアンプに適用できない問題があることを明らかにした。   As explained above, in the comparative example, the input range of the operational amplifier that does not consider rail-to-rail is narrower than the range from the ground potential to the power supply voltage, and the ratio of the input range to the power supply voltage width when the power supply voltage is lowered There is a problem that decreases. Rail-to-rail operational amplifiers can be input in the entire range from the ground potential to the power supply voltage, but there is a problem that the circuit scale is large and the power consumption increases compared to an operational amplifier that does not consider rail-to-rail. . In addition, it was clarified that there is a problem that the existing adaptive bias technology cannot be applied to the rail-to-rail operational amplifier.

5.第1の実施形態に係る適応バイアス生成回路
図9Aは本発明の第1の実施形態に係る適応バイアス生成回路の構成を示すブロック図であり、図10は図9Aの適応バイアス生成回路22Aの具体例の構成を示す回路図である。第1の実施形態に係る適応バイアス生成回路は、図9Aに示すように、減算及び加算回路11により構成されるフィードバック回路により、入力差動対回路1がオフとなっても適応電流IADPの帰還ループを保持し、制御電圧VADPが接地電位になる動作を防止することを特徴としている。また、図9Aの加算及びK倍回路12により、電流の帰還量を調整し適応電流IADPの生成量を制御することを特徴としている。
5. FIG. 9A is a block diagram showing a configuration of an adaptive bias generation circuit according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 10 shows a specific example of the adaptive bias generation circuit 22A in FIG. 9A. It is a circuit diagram which shows the structure of an example. As shown in FIG. 9A, the adaptive bias generation circuit according to the first embodiment has a feedback circuit constituted by a subtraction and addition circuit 11 to adjust the adaptive current I ADP even when the input differential pair circuit 1 is turned off. A feedback loop is held to prevent the control voltage V ADP from operating to the ground potential. Further, the addition and K multiplication circuit 12 in FIG. 9A is characterized in that the amount of feedback of the current is adjusted and the generation amount of the adaptive current I ADP is controlled.

図9A及び図10において、第1の実施形態に係る適応バイアス生成回路22Aは、
(1)MOSトランジスタMd1,Md2,Mb1,Mb2を含む回路により構成され、入力電圧VIN+,VIN−に対して差動増幅を行って入力電圧VIN+,VIN−に対応した電流I,Iを生成する入力差動対回路1と、
(2)MOSトランジスタMb3〜Mb6を含む回路により構成され、電流I,Iを比較して電流I,Iのうちの小さい電流である最小電流Iminの2倍の電流2Iminを生成して出力する電流比較回路2と、
(3)MOSトランジスタMc3,Mc4及び一定のバイアス電流IBIASを発生して出力する固定バイアス電流源5を含む回路により構成され、バイアス電流IBIASをMOSトランジスタMc4に流れる電流と比較し、比較結果に対応する電流を電圧に変換して出力する電流電圧変換回路3と、
(4)MOSトランジスタMa2を含む回路により構成され、電流電圧変換回路3からの電圧に対応する適応電流IADPを生成して出力する適応電流IADP生成回路4と、
(5)2個の定電流源から構成され、一定のバイアス電流IBIASを発生して出力する固定バイアス電流源5と、
(6)MOSトランジスタMa2のゲートに接続される接続点により構成され、適応電流IADPとバイアス電流IBIASを加算して加算結果の電流を入力差動対回路1に供給する加算器6と、
(7)MOSトランジスタMb7,Mb8を含む回路により構成され、加算器12aとK倍器12bとを備え、電流I,Iを加算して加算結果の電流をK倍してその結果の電流を減算及び加算回路11の減算器11aに出力する加算及びK倍回路12と、
(8)MOSトランジスタMc1,Mc2を含む回路により構成され、減算器11aと加算器11bとを備え、加算器6からの電流から加算及びK倍回路12bからの電流を減算し、電流比較回路2からの電流2Iminを加算し、加算結果の電流を電流電圧変換回路3に出力する減算及び加算回路11とを備えて構成される。
9A and 10, the adaptive bias generation circuit 22A according to the first embodiment includes:
(1) MOS transistor Md1, Md2, Mb1, is constituted by a circuit including a Mb2, the input voltage V IN +, the input voltage by performing a differential amplification with respect to V IN- V IN +, a current I 1 corresponding to V IN- , I 2 , an input differential pair circuit 1,
(2) is constituted by a circuit including a MOS transistor Mb3~Mb6, twice the current 2I min of the minimum current I min is a small current ones of currents I 1, I 2 compares the current I 1, I 2 A current comparison circuit 2 for generating and outputting;
(3) it is constituted by MOS transistors Mc3, Mc4 and constant bias current I circuit comprising fixed bias current source 5 BIAS the generated output, compared to the current flowing through the bias current I BIAS to the MOS transistor Mc4, the comparison result A current-voltage conversion circuit 3 that converts a current corresponding to the voltage into a voltage and outputs the voltage;
(4) it is constituted by a circuit including a MOS transistor Ma2, and adaptive current I ADP generation circuit 4 that generates and outputs an adaptive current I ADP corresponding to the voltage from the current-voltage conversion circuit 3,
(5) a fixed bias current source 5 composed of two constant current sources and generating and outputting a constant bias current I BIAS ;
(6) An adder 6 that is configured by a connection point connected to the gate of the MOS transistor Ma2, adds the adaptive current I ADP and the bias current I BIAS , and supplies a current resulting from the addition to the input differential pair circuit 1;
(7) Consists of a circuit including MOS transistors Mb7 and Mb8, and includes an adder 12a and a K multiplier 12b. The currents I 1 and I 2 are added and the resulting current is multiplied by K to obtain the resulting current Is added to the subtractor 11a of the subtraction and addition circuit 11, and the addition and K multiplication circuit 12;
(8) The circuit includes MOS transistors Mc1 and Mc2, and includes a subtractor 11a and an adder 11b. The current comparison circuit 2 subtracts the current from the adder 6 and the current from the K multiplier circuit 12b from the current from the adder 6. And a subtracting / adding circuit 11 for adding the current 2I min from the current and outputting the resulting current to the current-voltage conversion circuit 3.

図11(a)は図10の適応バイアス生成回路22Aにおいて入力差動対がオンであるときの回路であり、図11(b)は図10の適応バイアス生成回路22Aにおいて入力差動対がオフであるときの回路である。以下、図11(a)及び図11(b)を参照して図10の適応バイアス生成回路22Aの回路動作を説明する。   11A is a circuit when the input differential pair is on in the adaptive bias generation circuit 22A of FIG. 10, and FIG. 11B is a circuit where the input differential pair is off in the adaptive bias generation circuit 22A of FIG. It is a circuit when. Hereinafter, the circuit operation of the adaptive bias generation circuit 22A of FIG. 10 will be described with reference to FIGS. 11 (a) and 11 (b).

入力差動対回路1がオンのときを示す図11(a)において、MOSトランジスタMb1〜Mb6については図5と同様に動作する。MOSトランジスタMb7及びMb8はそれぞれMOSトランジスタMb1及びMb2のK倍(0<K<1)の電流を抽出するようにMOSトランジスタMb7,Mb8,Mb1,Mb2のアスペクト比(ゲート長Lに対するゲート幅Wの比をいう)を調整している。具体的には、MOSトランジスタMb1とMb7とはカレントミラー回路を構成し、MOSトランジスタMb2とMb8とはカレントミラー回路を構成し、MOSトランジスタMb7のアスペクト比をMOSトランジスタMb1のアスペクト比のK倍とし、MOSトランジスタMb8のアスペクト比をMOSトランジスタMb2のアスペクト比のK倍とするように各MOSトランジスタMb7,Mb8,Mb1,Mb2を形成する。このとき、MOSトランジスタMb1に流れる電流IのK倍の電流K×IがMOSトランジスタMb7に流れ、MOSトランジスタMb2に流れる電流IのK倍の電流K×IがMOSトランジスタMb8に流れる。 In FIG. 11A showing when the input differential pair circuit 1 is on, the MOS transistors Mb1 to Mb6 operate in the same manner as in FIG. The MOS transistors Mb7 and Mb8 respectively extract the aspect ratio of the MOS transistors Mb7, Mb8, Mb1, and Mb2 (of the gate width W with respect to the gate length L) so as to extract a current K times (0 <K <1) that of the MOS transistors Mb1 and Mb2. Ratio). Specifically, the MOS transistors Mb1 and Mb7 form a current mirror circuit, the MOS transistors Mb2 and Mb8 form a current mirror circuit, and the aspect ratio of the MOS transistor Mb7 is K times the aspect ratio of the MOS transistor Mb1. The MOS transistors Mb7, Mb8, Mb1, and Mb2 are formed so that the aspect ratio of the MOS transistor Mb8 is K times the aspect ratio of the MOS transistor Mb2. At this time, a current K × I 1 K times the current I 1 flowing in the MOS transistor Mb1 flows in the MOS transistor Mb7, and a current K × I 2 K times the current I 2 flowing in the MOS transistor Mb2 flows in the MOS transistor Mb8. .

MOSトランジスタMa1には適応電流IADPが流れるため、MOSトランジスタMc1には、電流(IBIAS+IADP−K(I+I))が流れる。MOSトランジスタMc1の電流は、MOSトランジスタMc1,Mc2からなるカレントミラー回路により、MOSトランジスタMc2によりコピーされるため、MOSトランジスタMc3には次の値の電流が流れる。 Since the adaptive current I ADP flows through the MOS transistor Ma1, a current (I BIAS + I ADP −K (I 1 + I 2 )) flows through the MOS transistor Mc1. Since the current of the MOS transistor Mc1 is copied by the MOS transistor Mc2 by the current mirror circuit composed of the MOS transistors Mc1 and Mc2, the current of the following value flows through the MOS transistor Mc3.

BIAS+IADP−K(I+I)+2Imin (6) I BIAS + I ADP −K (I 1 + I 2 ) + 2I min (6)

また、MOSトランジスタMc3及びMc4はカレントミラー回路を構成しており、各MOSトランジスタMc3,Mc4には上記式(6)の電流が流れ、MOSトランジスタMc4に流れる上記式(6)の電流が接続点6Cに流れ込む一方、バイアス電流IBIASが接続点6Cから流れ出る。当該回路においては、これら2つの電流が等しくなるように動作し、当該動作は次式で表される。 The MOS transistors Mc3 and Mc4 constitute a current mirror circuit. The current of the above formula (6) flows through each MOS transistor Mc3 and Mc4, and the current of the above formula (6) flowing through the MOS transistor Mc4 is connected to the connection point. While flowing into 6C, the bias current I BIAS flows out of the connection point 6C. The circuit operates so that these two currents are equal, and the operation is expressed by the following equation.

BIAS+IADP−K(I+I)+2Imin=IBIAS I BIAS + I ADP −K (I 1 + I 2 ) + 2I min = I BIAS

ここで、I+I=IBIAS+IADPであり、Imin=α(IBIAS+IADP)−ΔIなので、次式を得る。 Here, since I 1 + I 2 = I BIAS + I ADP and I min = α (I BIAS + I ADP ) −ΔI, the following equation is obtained.

BIAS+IADP−K(IBIAS+IADP)+2(α(IBIAS+IADP)−ΔI)=IBIAS I BIAS + I ADP −K (I BIAS + I ADP ) +2 (α (I BIAS + I ADP ) −ΔI) = I BIAS

これより、適応電流IADPは次式で表される。 Accordingly, the adaptive current I ADP is expressed by the following equation.

ADP=((K−2α)IBIAS+2ΔI)/(1−K+2α) I ADP = ((K-2α) I BIAS + 2ΔI) / (1−K + 2α)

入力電圧差ΔVIN=0のとき、α=1/2となるので、次式を得る。 Since α = 1/2 when the input voltage difference ΔV IN = 0, the following equation is obtained.

ADP=((K−1)IBIAS+2ΔI)/(2−K) I ADP = ((K-1) I BIAS + 2ΔI) / (2-K)

また、入力電圧差ΔVIN≠0のとき、式(5)によれば十分大きなΔVINについてα≒0となるので、次式を得る。 Further, when the input voltage difference ΔV IN ≠ 0, according to the equation (5), α≈0 is obtained for a sufficiently large ΔV IN , so the following equation is obtained.

ADP=(KIBIAS+2ΔI)/(1−K) I ADP = (KI BIAS + 2ΔI) / (1-K)

以上より、MOSトランジスタMb7,Mb8,Mb1,Mb2のアスペクト比について、MOSトランジスタMb7のアスペクト比をMOSトランジスタMb1のアスペクト比のK倍とし、MOSトランジスタMb8のアスペクト比をMOSトランジスタMb2のアスペクト比のK倍とするように、各MOSトランジスタMb7,Mb8,Mb1,Mb2を形成し、当該パラメータKを調整することで、待機時及び動作時の適応電流IADPの生成量を制御することができる。なお、適応電流IADPに対応した適応バイアス電圧VADPmはMOSトランジスタMa2のゲート電圧から出力される。 From the above, regarding the aspect ratio of the MOS transistors Mb7, Mb8, Mb1, and Mb2, the aspect ratio of the MOS transistor Mb7 is K times the aspect ratio of the MOS transistor Mb1, and the aspect ratio of the MOS transistor Mb8 is K of the aspect ratio of the MOS transistor Mb2. The MOS transistors Mb7, Mb8, Mb1, and Mb2 are formed so as to be doubled, and the parameter K is adjusted to control the generation amount of the adaptive current I ADP during standby and during operation. Note that the adaptive bias voltage V ADPm corresponding to the adaptive current I ADP is output from the gate voltage of the MOS transistor Ma2 .

入力差動対回路1がオフのときを示す図11(b)において、I=I=0となる。このとき、Imin=0、K(I+I)=0となるので、MOSトランジスタMc3に流れる電流はIBIAS+IADPとなる。入力差動対回路1がオンの場合と同様に、MOSトランジスタMc3,Mc4はカレントミラー回路を構成し、それぞれ同じ電流が流れ、当該回路においては、MOSトランジスタMc4を流れる電流とバイアス電流IBIASとが等しくなるように動作し、当該動作は次式で表される。 In FIG. 11B showing when the input differential pair circuit 1 is off, I 1 = I 2 = 0. At this time, since I min = 0 and K (I 1 + I 2 ) = 0, the current flowing through the MOS transistor Mc3 is I BIAS + I ADP . As in the case where the input differential pair circuit 1 is on, the MOS transistors Mc3 and Mc4 constitute a current mirror circuit, and the same current flows in each circuit. In this circuit, the current flowing through the MOS transistor Mc4 and the bias current I BIAS Are equal to each other, and the operation is expressed by the following equation.

BIAS+IADP=IBIAS I BIAS + I ADP = I BIAS

これより、適応電流IADP≒0に収束する。図4及び図5に図示した比較例に係る適応バイアス電流生成回路では、入力差動対回路1がオフのとき制御電圧VADPが0Vとなってフィードバック制御が切断されていた。しかし、図9A及び図10の第1の実施形態に係る適応バイアス生成回路22Aを用いることで制御電圧VADPを制御でき、安定動作を実現することができる。 As a result, the adaptive current I ADP converges to 0. In the adaptive bias current generation circuit according to the comparative example illustrated in FIGS. 4 and 5, when the input differential pair circuit 1 is off, the control voltage V ADP is 0 V and the feedback control is cut off. However, by using the adaptive bias generation circuit 22A according to the first embodiment of FIGS. 9A and 10, the control voltage V ADP can be controlled, and a stable operation can be realized.

以上説明したように、本実施形態に係る適応バイアス生成回路によれば、比較例に係る適応バイアス生成回路において減算及び加算回路11及び加算及びK倍回路12をさらに備えたことにより、接地電位から電源電圧VDDまでの全ての入力電圧に対して適応電流IADPを制御することができる。これにより、比較例に係る適応バイアス生成回路において入力差動対回路1がオフからオンへ切り替わる瞬間に大電流が発生する問題を解決した。また、MOSトランジスタMb7,Mb8,Mb1,Mb2のアスペクト比を調整することで適応電流IADPの生成量を制御することができる。 As described above, according to the adaptive bias generation circuit according to the present embodiment, the adaptive bias generation circuit according to the comparative example further includes the subtraction / addition circuit 11 and the addition / K multiplication circuit 12, thereby The adaptive current I ADP can be controlled for all input voltages up to the power supply voltage V DD . This solves the problem that a large current is generated at the moment when the input differential pair circuit 1 is switched from OFF to ON in the adaptive bias generation circuit according to the comparative example. Further, the generation amount of the adaptive current I ADP can be controlled by adjusting the aspect ratio of the MOS transistors Mb7, Mb8, Mb1, and Mb2.

以上の第1の実施形態において、入力電圧差ΔVIN=0のとき適応電流IADPが負になる可能性があり、次式の関係式について以下に説明する。 In the first embodiment described above, the adaptive current I ADP may become negative when the input voltage difference ΔV IN = 0, and the following relational expression will be described below.

nIBIAS+IADP−K(I+I)+2Imin=IBIAS nI BIAS + I ADP −K (I 1 + I 2 ) + 2I min = I BIAS

ここで、I+I=IBIAS+IADPであり、Imin=α(IBIAS+IADP)−ΔIなので、次式を得る。 Here, since I 1 + I 2 = I BIAS + I ADP and I min = α (I BIAS + I ADP ) −ΔI, the following equation is obtained.

nIBIAS+IADP−K(IBIAS+IADP)+2(α(IBIAS+IADP)−ΔI)
=IBIAS
nI BIAS + I ADP −K (I BIAS + I ADP ) +2 (α (I BIAS + I ADP ) −ΔI)
= I BIAS

これより、適応電流IADPは次式で表される。 Accordingly, the adaptive current I ADP is expressed by the following equation.

ADP=((1−n+K−2α)IBIAS+2ΔI)/(1−K+2α) I ADP = ((1-n + K-2α) I BIAS + 2ΔI) / (1-K + 2α)

ここで、入力電圧差ΔVIN=0のとき、α=1/2となるので、次式を得る。 Here, when the input voltage difference ΔV IN = 0, α = 1/2, so the following equation is obtained.

ADP=((K−n)IBIAS+2ΔI)/(2−K) I ADP = ((K−n) I BIAS + 2ΔI) / (2-K)

入力電圧差ΔVIN≠0のとき、式(5)によれば十分大きなΔVINについてα≒0となるので、次式を得る。 When the input voltage difference ΔV IN ≠ 0, according to the equation (5), α≈0 is obtained for a sufficiently large ΔV IN , so the following equation is obtained.

ADP=((1−n+K)IBIAS+2ΔI)/(1−K) I ADP = ((1-n + K) I BIAS + 2ΔI) / (1-K)

従って、Kは上述のように0<K<1の範囲で設定したが、適応電流IADPを正にするためには、1−n+K>0であり、次式の条件が成立する必要がある。 Accordingly, K is set in the range of 0 <K <1 as described above. However, in order to make the adaptive current I ADP positive, 1−n + K> 0, and the condition of the following equation needs to be satisfied. .

0<n<K<1 0 <n <K <1

図9Bは図9Aの適応バイアス生成回路の変形例の構成を示すブロック図である。図9Aにおいて減算及び加算回路11と電流電圧変換回路3とを別々に構成しているが、本発明はこれに限らず、図9Bに示すように、加算回路11と電流電圧変換回路3の動作を含む回路を一体化して電流電圧変換回路3Aで構成してもよい。すなわち、電流電圧変換回路3Aは、IBIAS+IADP+2Iminの電流とIBIAS+K(I+I)の電流が等しくなるように回路を変更できる。この構成は、後述する図22の回路構成に対応する。 FIG. 9B is a block diagram showing a configuration of a modified example of the adaptive bias generation circuit of FIG. 9A. 9A, the subtraction and addition circuit 11 and the current-voltage conversion circuit 3 are configured separately. However, the present invention is not limited to this, and as shown in FIG. 9B, the operation of the addition circuit 11 and the current-voltage conversion circuit 3 May be integrated to form the current-voltage conversion circuit 3A. That is, the current-voltage conversion circuit 3A can change the circuit so that the current of I BIAS + I ADP + 2I min is equal to the current of I BIAS + K (I 1 + I 2 ). This configuration corresponds to the circuit configuration of FIG.

6.第2の実施形態に係るレール・ツー・レール差動増幅回路
図12は本発明の第2の実施形態に係るレール・ツー・レール差動増幅回路の構成を示すブロック図である。また、図13は図12のレール・ツー・レール差動増幅回路のうちのオペアンプ本体21の構成を示す回路図であり、図14は図12のレール・ツー・レール差動増幅回路のうちの適応バイアス生成回路22Bの構成を示す回路図である。なお、図14において、図10の各回路1〜12の対応回路について同一の符号を付している。
6). Rail-to-Rail Differential Amplifier Circuit According to Second Embodiment FIG. 12 is a block diagram showing a configuration of a rail-to-rail differential amplifier circuit according to the second embodiment of the present invention. 13 is a circuit diagram showing a configuration of the operational amplifier main body 21 in the rail-to-rail differential amplifier circuit of FIG. 12, and FIG. 14 is a circuit diagram of the rail-to-rail differential amplifier circuit in FIG. It is a circuit diagram which shows the structure of the adaptive bias generation circuit 22B. In FIG. 14, the same reference numerals are assigned to the corresponding circuits of the circuits 1 to 12 in FIG.

図12において、第2の実施形態に係るレール・ツー・レール差動増幅回路は、
(1)非特許文献4において開示され、図13に図示するレール・ツー・レールオペアンプ21と、
(2)図10の適応バイアス生成回路22Aと、図14の適応バイアス生成回路22Bとを含む適応バイアス生成回路22とを備えて構成される。
In FIG. 12, the rail-to-rail differential amplifier circuit according to the second embodiment is
(1) A rail-to-rail operational amplifier 21 disclosed in Non-Patent Document 4 and illustrated in FIG.
(2) The adaptive bias generation circuit 22 includes the adaptive bias generation circuit 22A of FIG. 10 and the adaptive bias generation circuit 22B of FIG.

ここで、各適応バイアス生成回路22Aは、pMOSトランジスタの入力差動対回路1を有し、図13のレール・ツー・レールオペアンプ21のpMOSトランジスタの入力差動対回路のための適応バイアス電圧VADPmを供給する。また、各適応バイアス生成回路22Bは、nMOSトランジスタの入力差動対回路1を有し、図13のレール・ツー・レールオペアンプ21のnMOSトランジスタの入力差動対回路のための適応バイアス電圧VADPnを供給する。なお、適応電流IADPに対応した適応バイアス電圧VADPmはMOSトランジスタMa2のゲート電圧から出力される。 Here, each adaptive bias generation circuit 22A has a pMOS transistor input differential pair circuit 1, and an adaptive bias voltage V for the pMOS transistor input differential pair circuit of the rail-to-rail operational amplifier 21 of FIG. Supply ADPm . Each adaptive bias generation circuit 22B has an nMOS transistor input differential pair circuit 1, and an adaptive bias voltage V ADPn for the nMOS transistor input differential pair circuit of the rail-to-rail operational amplifier 21 of FIG. Supply. Note that the adaptive bias voltage V ADPm corresponding to the adaptive current I ADP is output from the gate voltage of the MOS transistor Ma2 .

図13のレール・ツー・レールオペアンプ21は、オペアンプ部21aと、バイアス生成回路21bとを備えて構成される。バイアス電流IBAISと適応バイアス生成回路22Aで生成したIADPと適応バイアス生成回路22Bで生成したIADPをIINとして供給することで、バイアス電圧VB1,VB2,VB3,VB4が生成される。(IIN=IBIAS+IADP(pMOS差動対回路用)+IADP(nMOS差動対回路用)) The rail-to-rail operational amplifier 21 of FIG. 13 includes an operational amplifier unit 21a and a bias generation circuit 21b. Bias voltages V B1 , V B2 , V B3 , and V B4 are generated by supplying I ADP generated by the bias current I BAIS , I ADP generated by the adaptive bias generation circuit 22 A, and I ADP generated by the adaptive bias generation circuit 22 B as I IN. Is done. (I IN = I BIAS + I ADP (for pMOS differential pair circuit) + I ADP (for nMOS differential pair circuit))

なお、図13のMOSトランジスタMe1〜Me6で構成されるカレントミラー回路は、MOSトランジスタMc1〜Mc8で構成されるカスコード出力回路に電流の同相成分が流入することを防止する(例えば、非特許文献4参照)。   Note that the current mirror circuit configured by the MOS transistors Me1 to Me6 in FIG. 13 prevents in-phase components of the current from flowing into the cascode output circuit configured by the MOS transistors Mc1 to Mc8 (for example, Non-Patent Document 4). reference).

以上のように構成された第2の実施形態に係るレール・ツー・レールオペアンプによれば、図13に示すオペアンプ本体21に対し、図10の適応バイアス生成回路22A及び図14の適応バイアス生成回路22Bを搭載し、接地電位から電源電圧VDDまでの入力電圧に対して適応バイアス電流及びそれに対応する適応バイアス電圧を生成することができる。 According to the rail-to-rail operational amplifier according to the second embodiment configured as described above, the adaptive bias generation circuit 22A of FIG. 10 and the adaptive bias generation circuit of FIG. 22B is mounted, and an adaptive bias current and an adaptive bias voltage corresponding to the input voltage from the ground potential to the power supply voltage V DD can be generated.

7.シミュレーションによる評価
本発明者らは、
(1)図10及び図14の適応バイアス生成回路22A,22Bを備えたレール・ツー・レールオペアンプ21であってK=15/16とした場合(実施例1)と、
(2)図10及び図14の適応バイアス生成回路22A,22Bを備えたレール・ツー・レールオペアンプ21であってK=14/16とした場合(実施例2)と、
(3)図4で示した適応バイアス生成回路を備えたレール・ツー・レールオペアンプ21(比較例1)と、
(4)図13で示したレール・ツー・レールオペアンプ21に適応バイアス生成回路22A,22Bを用いない場合(比較例2)とについて、SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)によるシミュレーション評価を行った。
7). Evaluation by simulation
(1) In the case of the rail-to-rail operational amplifier 21 including the adaptive bias generation circuits 22A and 22B of FIGS. 10 and 14 and K = 15/16 (Example 1),
(2) In the rail-to-rail operational amplifier 21 including the adaptive bias generation circuits 22A and 22B shown in FIGS. 10 and 14, and K = 14/16 (Embodiment 2),
(3) a rail-to-rail operational amplifier 21 (Comparative Example 1) provided with the adaptive bias generation circuit shown in FIG.
(4) Simulation evaluation was performed by SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) for the case where the adaptive bias generation circuits 22A and 22B were not used in the rail-to-rail operational amplifier 21 shown in FIG. 13 (Comparative Example 2). .

当該シミュレーションにおいて、使用したプロセスは0.18−μmCMOSプロセスであり、電源電圧VDDは1.8 V、出力負荷容量Cは10pFとした。また、固定バイアス電流のみを与えた比較例2で106.5nA、比較例1で68nA、実施例1で65.5nA、実施例2で75.5nAとし、ユニティ・ゲイン・バッファ構成において、入力電圧VINが0.9Vとなるときの回路全体の消費電流が1μAとなるように定めた。 In the simulation, the process used was 0.18-μmCMOS process, the power supply voltage V DD is 1.8 V, the output load capacitance C L is set to 10 pF. Further, 106.5 nA in Comparative Example 2 to which only a fixed bias current was applied, 68 nA in Comparative Example 1, 65.5 nA in Example 1, 75.5 nA in Example 2, and the input voltage in the unity gain buffer configuration It was determined that the current consumption of the entire circuit when VIN was 0.9 V was 1 μA.

図15(a)実施例1に係る差動増幅回路のSPICEシミュレーション結果であって、その利得の周波数特性を示すグラフであり、図15(b)その位相の周波数特性を示すグラフであり、図15に実施例1のボード線図を示す。ここで、直流利得は83.4dB、ユニティ・ゲイン周波数は5.91kHz、位相余裕は88.4°である。図15から明らかなように、位相余裕を60°以上確保することで、実施例1は負帰還をかけても安定に動作する。   FIG. 15A is a SPICE simulation result of the differential amplifier circuit according to the first embodiment, and is a graph showing frequency characteristics of the gain. FIG. 15B is a graph showing frequency characteristics of the phase. 15 shows a Bode diagram of the first embodiment. Here, the DC gain is 83.4 dB, the unity gain frequency is 5.91 kHz, and the phase margin is 88.4 °. As is clear from FIG. 15, by ensuring a phase margin of 60 ° or more, the first embodiment operates stably even when negative feedback is applied.

図16は実施例1に係る差動増幅回路を用いたユニティ・ゲイン・バッファのSPICEシミュレーション結果であって、その入出力特性を示すグラフであり、図17は実施例1に係る差動増幅回路を用いたユニティ・ゲイン・バッファのSPICEシミュレーション結果であって、その入力電圧に対する消費電流を示すグラフである。また、図18は実施例1に係る差動増幅回路を用いたユニティ・ゲイン・バッファのSPICEシミュレーション結果であって、その入力電圧に対する誤差電圧を示すグラフである。   FIG. 16 is a SPICE simulation result of the unity gain buffer using the differential amplifier circuit according to the first embodiment, and is a graph showing its input / output characteristics. FIG. 17 is a graph showing the differential amplifier circuit according to the first embodiment. 5 is a SPICE simulation result of the unity gain buffer using the, and is a graph showing current consumption with respect to the input voltage. FIG. 18 is a SPICE simulation result of the unity gain buffer using the differential amplifier circuit according to the first embodiment, and is a graph showing an error voltage with respect to the input voltage.

図18から明らかなように、実施例1は入力電圧が100mVから1.7Vまでの範囲で高い線形性を持つことが分かる。入力電圧が接地電位や電源電圧に近づくと線形性が失われるのは、出力電圧が接地電位や電源電圧に近づき出力段のMOSトランジスタが十分なドレイン・ソース間電圧を確保できなくなり、線形領域で動作するためである。消費電流が入力電圧に依存するのは、入力電圧によって差動対のオン/オフが切り替わるためである。入力電圧が低い場合にはnMOSトランジスタの入力差動対回路がオフ、pMOSトランジスタの入力差動対回路がオンとなり、入力電圧が高くなるとnMOSトランジスタの入力差動対回路がオン、pMOSトランジスタの入力差動対回路がオフとなる。入力電圧が中間の部分で両方の入力差動対回路がオンとなるため、消費電流は最大となる。   As can be seen from FIG. 18, Example 1 has high linearity in the range of input voltage from 100 mV to 1.7 V. The linearity is lost when the input voltage approaches the ground potential or the power supply voltage. The output voltage approaches the ground potential or the power supply voltage, and the MOS transistor at the output stage cannot secure a sufficient drain-source voltage. This is because it works. The current consumption depends on the input voltage because the differential pair is switched on / off by the input voltage. When the input voltage is low, the input differential pair circuit of the nMOS transistor is turned off and the input differential pair circuit of the pMOS transistor is turned on. When the input voltage is increased, the input differential pair circuit of the nMOS transistor is turned on and the input of the pMOS transistor is turned on. The differential pair circuit is turned off. Since both of the input differential pair circuits are turned on at an intermediate portion of the input voltage, the current consumption is maximized.

図19(a)は実施例1に係る差動増幅回路を用いたユニティ・ゲイン・バッファの入力電圧のSPICEシミュレーション結果であって、その立ち上がり時のステップ応答特性を示す電圧波形図であり、図19(b)はその消費電流の時間経過を示す図である。また、図20(a)は実施例1に係る差動増幅回路を用いたユニティ・ゲイン・バッファのSPICEシミュレーション結果であって、その入力電圧の立ち下がり時のステップ応答特性を示す電圧波形図であり、図20(b)はその消費電流の時間経過を示す図である。   FIG. 19A is a SPICE simulation result of the input voltage of the unity gain buffer using the differential amplifier circuit according to the first embodiment, and is a voltage waveform diagram showing a step response characteristic at the time of rising. 19 (b) is a diagram showing the elapsed time of the current consumption. FIG. 20A is a SPICE simulation result of the unity gain buffer using the differential amplifier circuit according to the first embodiment, and is a voltage waveform diagram showing step response characteristics at the time of falling of the input voltage. FIG. 20 (b) is a diagram showing the elapsed time of the current consumption.

図19及び図20から明らかなように、比較例1及び2ではステップ波が入力された瞬間に大電流が発生し、大きな歪みの原因となっている。実施例1及び実施例2は歪みが無く、適応バイアスを用いない場合よりも高速に応答していることが確認できる。また、実施例1は実施例2よりも信号遷移時の消費電流が大きいことから、Kの値に応じて適応バイアス電流の生成量を制御可能であることが確認できる。   As is clear from FIGS. 19 and 20, in Comparative Examples 1 and 2, a large current is generated at the moment when the step wave is input, causing a large distortion. It can be confirmed that Example 1 and Example 2 are not distorted and respond faster than when no adaptive bias is used. Moreover, since the consumption current at the time of signal transition is larger in the first embodiment than in the second embodiment, it can be confirmed that the generation amount of the adaptive bias current can be controlled according to the value of K.

図21は実施例1及び2、並びに比較例1及び2のSPICEシミュレーション結果のまとめを示す表である。図21から明らかなように、入力電圧VINが0.9Vのときの消費電力を待機時電力(Static Power)、1kHzの矩形波を10周期入力したときの平均消費電力を動作時電力(Dynamic Power)Pとして評価した。また、性能指数(figure of merit)FOMを、スルーレートSR+とSR−の平均値SR±、出力負荷容量C、及び動作時電力Pを用いて次式で定義して評価した。 FIG. 21 is a table showing a summary of SPICE simulation results of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2. As is clear from FIG. 21, the power consumption when the input voltage VIN is 0.9 V is the standby power (Static Power), and the average power consumption when the 1 kHz rectangular wave is input for 10 periods is the operating power (Dynamic). Power) was evaluated as P D. Moreover, the performance index (figure of merit) FOM, the slew rate SR + and SR- of the mean SR ±, output load capacitance C L, and using a dynamic power P D was evaluated defined by the following expression.

FOM=SR±・C/P FOM = SR ± C L / P D

ここで、スルーレートSR+とSR−の平均値SR±は適応バイアス生成回路を用いない場合と比較して、実施例1で9.2倍、実施例2で6.5倍となり、高速化を実現した。また、性能指数FOMは適応バイアス生成回路を用いない場合に対して実施例1で6.9倍、実施例2で4.7倍となった。 Here, the average value SR ± of the slew rates SR + and SR− is 9.2 times in the first embodiment and 6.5 times in the second embodiment, compared with the case where the adaptive bias generation circuit is not used. It was realized. Further, the figure of merit FOM was 6.9 times in Example 1 and 4.7 times in Example 2 compared to the case where the adaptive bias generation circuit was not used.

8.実施形態の作用効果
本発明に係る実施形態によれば、レール・ツー・レール動作可能な適応バイアス生成回路22A,22Bと、それを用いた超低電力・高速レール・ツー・レールオペアンプ(図12)を提案した。比較例1に係る適応バイアス生成回路は、入力差動対回路の端子電圧を電流に変換してモニタし、電流の変化に応じて適応バイアス電流を生成する。しかし、比較例1に係る適応バイアス生成回路は、入力差動対回路がオフからオンに切り替わる瞬間に大電流が発生する問題がある。これは、入力差動対回路が停止するとき、入力差動対回路を流れる電流が停止するため、適応バイアス生成回路内のフィードバックループが切断し、制御電圧が接地電位又は電源電圧に漸近することが原因である。また、適応バイアス電流の生成量を設計で制御できない問題があった。
8). Advantageous Effects of Embodiment According to the embodiment of the present invention, adaptive bias generation circuits 22A and 22B capable of rail-to-rail operation, and an ultra-low power and high-speed rail-to-rail operational amplifier (FIG. 12) using the same. ) Was proposed. The adaptive bias generation circuit according to the first comparative example converts the terminal voltage of the input differential pair circuit into a current and monitors it, and generates an adaptive bias current according to a change in current. However, the adaptive bias generation circuit according to Comparative Example 1 has a problem that a large current is generated at the moment when the input differential pair circuit is switched from OFF to ON. This is because when the input differential pair circuit stops, the current flowing through the input differential pair circuit stops, so that the feedback loop in the adaptive bias generation circuit is cut, and the control voltage gradually approaches the ground potential or the power supply voltage. Is the cause. In addition, the amount of adaptive bias current generated cannot be controlled by design.

そこで、本実施形態に係る適応バイアス生成回路では、入力差動対回路1がオフの場合における適応バイアス電流の制御と適応バイアス電流の生成量の調整を目的として新たな電流フィードバック回路11,12を追加した。これにより、入力差動対回路1が停止する入力コモンモード電圧で適応バイアス電流を収束させることができ、大電流が発生する問題を解決する。また、加算及びK倍回路12のMOSトランジスタのアスペクト比を調整することにより適応バイアス電流の生成量を制御することが可能となる。さらに、本実施形態に係る適応バイアス生成回路22A,22Bを用いてレール・ツー・レールオペアンプ21を駆動することでレール・ツー・レールオペアンプの超低電力・高速動作を可能とすることができる。また、SPICEシミュレーションにおいて、本実施形態に係る適応バイアス生成回路は、比較例1に係る適応バイアス生成回路で問題となっていた大電流が発生しないことを確認し、適応バイアスを用いない場合と比較して同一消費電力下で9.2倍の高速化を実現した。   Therefore, in the adaptive bias generation circuit according to the present embodiment, new current feedback circuits 11 and 12 are provided for the purpose of controlling the adaptive bias current and adjusting the generation amount of the adaptive bias current when the input differential pair circuit 1 is off. Added. As a result, the adaptive bias current can be converged with the input common mode voltage at which the input differential pair circuit 1 is stopped, and the problem that a large current is generated is solved. Further, the amount of adaptive bias current generated can be controlled by adjusting the aspect ratio of the MOS transistor of the adder / K multiplier circuit 12. Furthermore, by driving the rail-to-rail operational amplifier 21 using the adaptive bias generation circuits 22A and 22B according to the present embodiment, the rail-to-rail operational amplifier can be operated at extremely low power and at high speed. Further, in the SPICE simulation, the adaptive bias generation circuit according to the present embodiment confirms that the large current that has been a problem in the adaptive bias generation circuit according to Comparative Example 1 does not occur, and compares it with the case where the adaptive bias is not used. As a result, the speed was increased by 9.2 times under the same power consumption.

9.適応バイアス生成回路の第1の変形例
図22は本発明の第1の変形例に係る適応バイアス生成回路の構成を示す回路図である。図10の本実施形態に係る適応バイアス生成回路における適応バイアス電流IADPは、図10のノード6Cの電位(制御電圧V)で決定される。ノード6Cに流入し、流出する電流を考えると次式が成立する。
9. First Modified Example of Adaptive Bias Generation Circuit FIG. 22 is a circuit diagram showing a configuration of an adaptive bias generation circuit according to a first modified example of the present invention. The adaptive bias current I ADP in the adaptive bias generation circuit according to the present embodiment in FIG. 10 is determined by the potential (control voltage V M ) of the node 6C in FIG. Considering the current flowing into and out of the node 6C, the following equation is established.

BIAS+IADP−K(I+I)+2Imin=IBIAS I BIAS + I ADP −K (I 1 + I 2 ) + 2I min = I BIAS

この式を変形すると次式を得る。   When this equation is transformed, the following equation is obtained.

BIAS+IADP+2Imin=IBIAS+K(I+I) (7) I BIAS + I ADP + 2I min = I BIAS + K (I 1 + I 2 ) (7)

この式(7)から、適応バイアス電流生成回路の簡単化を行うことを考える。図22に式(7)を満たす第1の変形例に係る適応バイアス生成回路を示す。図10の第1の実施形態に係る適応バイアス生成回路22Aと異なり、ノード6Cにおいて必要な電流加減算を行う回路構成とした。当該回路構成は、図9Bの適応バイアス生成回路に対応し、図9Aの減算及び加算回路11を削減できる。当該第1の変形例に係る適応バイアス生成回路によれば、回路構成の簡略化により低電力化、高精度化が可能である。以下、回路動作について説明する。   From this equation (7), consider simplifying the adaptive bias current generating circuit. FIG. 22 shows an adaptive bias generation circuit according to a first modification that satisfies Equation (7). Unlike the adaptive bias generation circuit 22A according to the first embodiment of FIG. 10, the circuit configuration is such that necessary current addition / subtraction is performed at the node 6C. The circuit configuration corresponds to the adaptive bias generation circuit of FIG. 9B, and the subtraction and addition circuit 11 of FIG. 9A can be reduced. With the adaptive bias generation circuit according to the first modification, it is possible to reduce power and increase accuracy by simplifying the circuit configuration. The circuit operation will be described below.

上述したように、入力差動対回路1の各MOSトランジスタMb1,Mb2を流れる電流をそれぞれIとIとすると、上記式(7)の関係を満たすように制御電圧Vが決定される。 As described above, when the current flowing through the MOS transistors Mb1, Mb2 of the input differential pair circuit 1, respectively, and I 1 and I 2, the control voltage V M so as to satisfy the relation of the equation (7) is determined .

BIAS+IADP+2Imin=IBIAS+K(I+I) (8) I BIAS + I ADP + 2I min = I BIAS + K (I 1 + I 2 ) (8)

上記式(8)の左辺はノード6Cに流れ込む電流を示す一方、上記式(8)の右辺はノード6Cから流れ出る電流を示し、当該ノード6Cで流れ込む電流と流れ出る電流が等しくなるように制御を行っていることを示している。この場合は、pMOSトランジスタの入力差動対回路1の場合であるが、nMOSトランジスタの入力差動対回路1の場合は、流れ込む電流と流れ出る電流とは逆の関係になる。   The left side of the above equation (8) indicates the current flowing into the node 6C, while the right side of the above equation (8) indicates the current flowing out from the node 6C, and the control is performed so that the current flowing into the node 6C is equal to the flowing out current It shows that. This case is the case of the input differential pair circuit 1 of the pMOS transistor. However, in the case of the input differential pair circuit 1 of the nMOS transistor, the flowing current and the flowing current have an inverse relationship.

ここで、I+I=IBIAS+IADPであり、また最小電流Iminは次式で表される。 Here, I 1 + I 2 = I BIAS + I ADP , and the minimum current I min is expressed by the following equation.

min=α(IBIAS+IADP)―ΔI I min = α (I BIAS + I ADP ) −ΔI

ただし、α(IBIAS+IADP)>ΔIである。これらを代入して、整理すると次式を得る。 However, α (I BIAS + I ADP )> ΔI. Substituting and organizing these gives the following formula.

ADP=((K−2α)/(1+2α−K))IBIAS+(2/(1+2α−K))ΔI
(9)
I ADP = ((K−2α) / (1 + 2α−K)) I BIAS + (2 / (1 + 2α−K)) ΔI
(9)

この式(9)に従って、適応電流IADPが流れて制御電圧Vが制御される。ここで、数値例として、入力電圧差の絶対値|ΔVIN|=0のとき、αは1/2となる。このとき、次式を得る。 According to this equation (9), a control voltage V M adaptively current I ADP flows is controlled. Here, as a numerical example, when the absolute value of the input voltage difference | ΔV IN | = 0, α is ½. At this time, the following equation is obtained.

ADP=((K−1)/(2−K))IBIAS+(2/(2−K))ΔI I ADP = ((K-1) / (2-K)) I BIAS + (2 // (2-K)) ΔI

また、入力電圧差の絶対値|ΔVIN|≫0のとき、αは0となる。このとき、次式を得る。 Further, α is 0 when the absolute value of the input voltage difference | ΔV IN | >> 0. At this time, the following equation is obtained.

ADP=(K/(1−K))IBIAS+(2/(1−K))ΔI I ADP = (K / (1-K)) I BIAS + (2 / (1-K)) ΔI

また、入力差動対回路1がオフのとき、Imin=0、I=0、I=0なので次式を得る。 Further, when the input differential pair circuit 1 is off, since I min = 0, I 1 = 0, and I 2 = 0, the following equation is obtained.

BIAS+IADP=IBIAS (10) I BIAS + I ADP = I BIAS (10)

従って、式(10)を満たすように適応電流IADPが流れる。適応電流IADP=0なので、電力消費は0である。 Therefore, the adaptive current I ADP flows so as to satisfy the equation (10). Since the adaptive current I ADP = 0, the power consumption is zero.

10.適応バイアス生成回路の第2の変形例
図23は本発明の第2の変形例に係る適応バイアス生成回路の構成を示す回路図である。図22の第1の変形例では、入力電圧差の絶対値|ΔVIN|=0のとき、適応電流IADPがIADP=((K−1)/(2−K))IBIAS+(2/(2−K))ΔIとなり、ΔIやKの値によっては適応電流IADPが負の電流となる場合がある。また、入力差動対回路1がオフのとき、適応電流IADPが0となり、制御性が困難となる場合がある。これらの問題を解決するために、図22の第1の変形例とは異なる回路構成を考えた。これが図23の第2の変形例に係る適応バイアス生成回路である。
10. Second Modified Example of Adaptive Bias Generation Circuit FIG. 23 is a circuit diagram showing a configuration of an adaptive bias generation circuit according to a second modification of the present invention. In the first modified example of FIG. 22, when the absolute value of the input voltage difference | ΔV IN | = 0, the adaptive current I ADP is I ADP = ((K−1) / (2-K)) I BIAS + ( 2 / (2-K)) ΔI, and depending on the values of ΔI and K, the adaptive current I ADP may be a negative current. Further, when the input differential pair circuit 1 is off, the adaptive current I ADP becomes 0, which may make controllability difficult. In order to solve these problems, a circuit configuration different from that of the first modification of FIG. 22 was considered. This is the adaptive bias generation circuit according to the second modification of FIG.

図23において、ノード6Cに流し込むバイアス電流IBIASに替えて、バイアス電流nIBIASとしたことを特徴としている。これにより、ノード6Cに流入出する電流は次式で表される。 In FIG. 23, the bias current nI BIAS is used instead of the bias current I BIAS flowing into the node 6C. Thereby, the current flowing into and out of the node 6C is expressed by the following equation.

nIBIAS+IADP+2Imin=IBIAS+K(I+InI BIAS + I ADP + 2I min = I BIAS + K (I 1 + I 2 )

以下、この回路の動作を説明する。   The operation of this circuit will be described below.

図23において、ノード6Cに関する電流を整理してIADPを求めると、次式を得る。 In FIG. 23, when I ADP is obtained by arranging the current related to the node 6C, the following equation is obtained.

ADP
((1−n−2α+K)/(1+2α−K))IBIAS+(2/(1+2α−K))ΔI
(11)
I ADP =
((1-n-2α + K) / (1 + 2α-K)) I BIAS + (2 / (1 + 2α-K)) ΔI
(11)

この式(11)に従って、適応電流IADPが流れて制御電圧Vが制御される。数値例として、入力電圧差の絶対値|ΔVIN|=0のとき、αは1/2となる。従って、次式を得る。 According to this equation (11), a control voltage V M adaptively current I ADP flows is controlled. As a numerical example, when the absolute value of the input voltage difference | ΔV IN | = 0, α is ½. Therefore, the following equation is obtained.

ADP=((K−n)/(2−K))IBIAS+(2/(2−K))ΔI I ADP = ((K−n) / (2-K)) I BIAS + (2 / (2-K)) ΔI

K<1であるので、n<Kとすることで、適応電流IADPが負の電流となることを回避できる。また、入力電圧差の絶対値|ΔVIN|≫0のとき、αは0となる。従って、次式を得る。 Since K <1, it can be avoided that the adaptive current I ADP becomes a negative current by setting n <K. Further, α is 0 when the absolute value of the input voltage difference | ΔV IN | >> 0. Therefore, the following equation is obtained.

ADP=((1−n+K)/(1−K))IBIAS+(2/(1−K))ΔI I ADP = ((1-n + K) / (1-K)) I BIAS + (2 / (1-K)) ΔI

また、入力差動対回路1がオフのとき、Imin=0、I=0、I=0なので次式を得る。 Further, when the input differential pair circuit 1 is off, since I min = 0, I 1 = 0, and I 2 = 0, the following equation is obtained.

ADP=(1−n)IBIAS (12) I ADP = (1-n) I BIAS (12)

従って、式(12)を満たすように適応電流IADPが流れる。この場合においても、次式を満たす必要がある。 Therefore, the adaptive current I ADP flows so as to satisfy the equation (12). Even in this case, the following equation must be satisfied.

0<n<K<1 0 <n <K <1

図24は図23のn倍のカレントミラー回路の具体的な構成を示す回路図である。図24において、各MOSトランジスタのサイズ比をMN1:MN2:MN3:MN4を1:1:1:nとすると、MOSトランジスタMN2、MN3、MN4を流れる電流はそれぞれIBIAS、IBIAS、nIBIASとなる。pMOSトランジスタのトランジスタサイズ比をMP1:MP2:MP3=1:1:nとすると、nMOSトランジスタMN2からのバイアス電流IBIASを受けて、pMOSトランジスタMP2、MP3を流れるバイアス電流はIBIAS、nIBIASとなる。以上により、nIBIASのバイアス電流源を構成できる。 FIG. 24 is a circuit diagram showing a specific configuration of the n-fold current mirror circuit of FIG. In FIG. 24, when the size ratio of each MOS transistor is MN1: MN2: MN3: MN4 is 1: 1: 1: n, the currents flowing through the MOS transistors MN2, MN3, and MN4 are I BIAS , I BIAS , and nI BIAS , respectively. Become. When the transistor size ratio of the pMOS transistors is MP1: MP2: MP3 = 1: 1: n, the bias current I BIAS from the nMOS transistor MN2 is received, and the bias currents flowing through the pMOS transistors MP2 and MP3 are I BIAS and nI BIAS . Become. As described above, a bias current source of nI BIAS can be configured.

11.減算及び加算回路11及び加算及びK倍回路12
図9Aの第1の実施形態に係る適応バイアス生成回路においては、減算及び加算回路11と加算及びK倍回路12とを備えているが、減算及び加算回路11のみを備えた場合において当該適応バイアス生成回路が所望の動作を行うかについて以下考察した。
11. Subtraction and addition circuit 11 and addition and K multiplication circuit 12
The adaptive bias generation circuit according to the first embodiment shown in FIG. 9A includes the subtraction / addition circuit 11 and the addition / K multiplication circuit 12. However, when only the subtraction / addition circuit 11 is provided, the adaptive bias generation circuit 11 The following considers whether the generation circuit performs a desired operation.

減算及び加算回路11と加算及びK倍回路12を備えた適応バイアス生成回路の基本式は次式の通りである。   The basic formula of the adaptive bias generation circuit including the subtraction / addition circuit 11 and the addition / K multiplication circuit 12 is as follows.

BIAS+IADP−K(I+I)+2Imin=IBIAS I BIAS + I ADP −K (I 1 + I 2 ) + 2I min = I BIAS

ここで、減算及び加算回路11のみの場合を想定すると、上式は次式で表される。   Here, assuming the case of only the subtracting and adding circuit 11, the above expression is expressed by the following expression.

BIAS+IADP+2Imin=IBIAS I BIAS + I ADP + 2I min = I BIAS

ここで、Imin=α(IBIAS+IADP)―ΔIを代入すると次式を得る。 Here, when I min = α (I BIAS + I ADP ) −ΔI is substituted, the following equation is obtained.

BIAS+IADP+2(α(IBIAS+IADP)−ΔI)=IBIAS I BIAS + I ADP +2 (α (I BIAS + I ADP ) −ΔI) = I BIAS

まとめると、次式を得る。   In summary, the following equation is obtained.

ADP=(2/(1+2α))ΔI−(2α/(1+2α))IBIAS I ADP = (2 / (1 + 2α)) ΔI− (2α / (1 + 2α)) I BIAS

ここで、数値例として、入力電圧差の絶対値|ΔVIN|=0(α=1/2)のとき、適応バイアス電流IADPは次式で表される。 Here, as a numerical example, when the absolute value of the input voltage difference | ΔV IN | = 0 (α = 1/2), the adaptive bias current I ADP is expressed by the following equation.

ADP=ΔI−(1/2)IBIAS I ADP = ΔI− (1/2) I BIAS

この場合において、適応電流IADPは負の電流となるため当該回路構成を使用することができない。 In this case, since the adaptive current I ADP is a negative current, the circuit configuration cannot be used.

また、入力電圧差の絶対値|ΔVIN|≫0(α=0)のとき、適応電流IADPは次式で表される。 When the absolute value of the input voltage difference | ΔV IN | >> 0 (α = 0), the adaptive current I ADP is expressed by the following equation.

ADP=2ΔI I ADP = 2ΔI

ここで、入力電圧差の絶対値|ΔVIN|≫0のとき大電流を生成したい要求に対して微小電流しか電流が生成されないので、当該回路構成をしようすることができない。 Here, when the absolute value of the input voltage difference | ΔV IN | >> 0, only a very small current is generated in response to a request for generating a large current, so that the circuit configuration cannot be used.

そして、入力差動対回路1がオフのとき、Imin=0なので、次式を満たすように適応電流IADPが流れる。 When the input differential pair circuit 1 is off, since I min = 0, the adaptive current I ADP flows so as to satisfy the following equation.

BIAS+IADP=IBIAS I BIAS + I ADP = I BIAS

以上説明したように、図9Aの適応バイアス生成回路において減算及び加算回路11のみを備えた場合において当該適応バイアス生成回路が所望の動作を行うことはできないので、減算及び加算回路11及び加算及びK倍回路12を備えることは必須要件であることが理解できる。   As described above, when only the subtraction and addition circuit 11 is provided in the adaptive bias generation circuit of FIG. 9A, the adaptive bias generation circuit cannot perform a desired operation. Therefore, the subtraction and addition circuit 11 and the addition and K It can be understood that the provision of the double circuit 12 is an essential requirement.

以上詳述したように、本発明に係る適応バイアス生成回路によれば、上記電流電圧変換回路は、上記バイアス電流と上記適応電流と上記小さい電流の2倍の電流とを加算してなる電流から、上記2個の電流の加算結果の電流をK倍(0<K<1)してなる電流を減算し、当該減算結果の電流を上記バイアス電流と比較し、当該比較結果の電流を電圧に変換
するので、レール・ツー・レールオペアンプのための適応バイアス生成回路において、安定性を向上させ適応バイアス電流量を制御できる。
As described in detail above, according to the adaptive bias generation circuit of the present invention, the current-voltage conversion circuit is configured to add a current obtained by adding the bias current, the adaptive current, and a current that is twice the small current. The current obtained by adding the current of the two currents by K times (0 <K <1) is subtracted, the current of the subtraction result is compared with the bias current, and the current of the comparison result is converted into a voltage. Therefore, in the adaptive bias generation circuit for the rail-to-rail operational amplifier, the stability can be improved and the adaptive bias current amount can be controlled.

1…差動対、
2…電流比較回路、
3,3A…電流電圧変換回路、
4…適応電流IADP発生回路、
5…固定バイアス電流源、
6…加算器、
6C…ノード、
10…オペアンプ、
11…減算及び加算回路、
11a…減算器、
11b…加算器、
12…加算及びK倍回路、
12a…加算器、
12b…K倍器、
21…レール・ツー・レールオペアンプ本体、
22A,22B…適応バイアス生成回路。
1 ... differential pair,
2 ... Current comparison circuit,
3, 3A ... current-voltage conversion circuit,
4 ... Adaptive current I ADP generation circuit,
5 ... Fixed bias current source,
6 ... adder,
6C ... node,
10 ... operational amplifier,
11: Subtraction and addition circuit,
11a ... subtractor,
11b ... adder,
12: Addition and K-fold circuit,
12a ... adder,
12b ... K multiplier,
21 ... Rail-to-rail operational amplifier,
22A, 22B... Adaptive bias generation circuit.

Claims (7)

レール・ツー・レール差動増幅回路のための適応バイアス生成回路において、
一定のバイアス電流を発生するバイアス電流源と、
上記バイアス電流と所定の適応電流とを加算して加算結果の電流を出力する加算器と、
上記加算器からの電流に基づいて動作し、差動入力電圧を差動増幅して対応する2個の電流を生成する入力差動対回路と、
上記2個の電流を比較して上記2個の電流のうち小さい電流を選択して当該小さい電流の2倍の電流を出力する電流比較回路と、
上記バイアス電流と上記適応電流と上記小さい電流の2倍の電流とを加算してなる電流から、上記2個の電流の加算結果の電流をK倍(0<K<1)してなる電流を減算し、当該減算結果の電流を上記バイアス電流と比較し、当該比較結果の電流を電圧に変換する電流電圧変換回路と、
上記電流電圧変換回路からの電圧に基づいて上記適応電流を発生する電流生成回路とを備えたことを特徴とする適応バイアス生成回路。
In an adaptive bias generation circuit for a rail-to-rail differential amplifier circuit,
A bias current source for generating a constant bias current;
An adder for adding the bias current and a predetermined adaptive current and outputting the resulting current;
An input differential pair circuit that operates based on the current from the adder and differentially amplifies the differential input voltage to generate two corresponding currents;
A current comparison circuit that compares the two currents, selects a small current from the two currents, and outputs a current twice as large as the small current;
From a current obtained by adding the bias current, the adaptive current, and a current that is twice the small current, a current obtained by multiplying the current resulting from the addition of the two currents by K (0 <K <1). A current-voltage conversion circuit that subtracts, compares the current of the subtraction result with the bias current, and converts the current of the comparison result into a voltage;
An adaptive bias generation circuit comprising: a current generation circuit that generates the adaptive current based on a voltage from the current-voltage conversion circuit.
上記電流電圧変換回路は、上記加算器からの電流から上記2個の電流の加算結果の電流をK倍(0<K<1)した電流を減算し、当該減算結果の電流と上記小さい電流の2倍の電流とを加算し、当該加算結果の電流を上記バイアス電流と比較し、当該比較結果の電流を電圧に変換することを特徴とする請求項1記載の適応バイアス生成回路。   The current-voltage conversion circuit subtracts a current obtained by multiplying the current resulting from the addition of the two currents by K times (0 <K <1) from the current from the adder, 2. The adaptive bias generation circuit according to claim 1, wherein a current doubled is added, a current resulting from the addition is compared with the bias current, and a current resulting from the comparison is converted into a voltage. 上記電流電圧変換回路は、上記バイアス電流と上記適応電流と上記小さい電流の2倍の電流とを加算してなる電流を、上記2個の電流の加算結果の電流をK倍(0<K<1)してなる電流と上記バイアス電流とを加算してなる電流と比較し、当該比較結果の電流を電圧に変換することを特徴とする請求項1記載の適応バイアス生成回路。   The current-voltage conversion circuit is configured to add a current obtained by adding the bias current, the adaptive current, and a current that is twice the small current, and a current obtained by adding the two currents to K times (0 <K < 2. The adaptive bias generation circuit according to claim 1, wherein the current obtained by 1) is compared with a current obtained by adding the bias current, and the current of the comparison result is converted into a voltage. 上記電流電圧変換回路において上記比較結果の電流を電圧に変換する回路をMOSトランジスタで構成し、
上記比較する回路を、上記MOSトランジスタのゲートに接続されるノードに上記適応電流と上記小さい電流の2倍の電流とが流れ込む一方、当該ノードから上記2個の電流の加算結果の電流をK倍(0<K<1)した電流が流れ出るように構成し、もしくは、
上記比較する回路を、上記MOSトランジスタのゲートに接続されるノードに上記2個の電流の加算結果の電流をK倍(0<K<1)した電流が流れ込む一方、当該ノードから上記適応電流と上記小さい電流の2倍の電流とが流れ出るように構成したことを特徴とする請求項3記載の適応バイアス生成回路。
In the current-voltage conversion circuit, a circuit for converting the current of the comparison result into a voltage is configured by a MOS transistor,
In the circuit to be compared, the adaptive current and a current that is twice the small current flow into the node connected to the gate of the MOS transistor, while the current resulting from the addition of the two currents from the node is multiplied by K times. (0 <K <1) configured to flow out current, or
In the circuit to be compared, a current obtained by multiplying the current resulting from the addition of the two currents by K times (0 <K <1) flows into a node connected to the gate of the MOS transistor. 4. The adaptive bias generation circuit according to claim 3, wherein a current twice as large as the small current flows out.
上記小さい電流の2倍の電流と加算する上記適応電流を、上記適応電流のn倍(0<n<K)の電流と置き換えたことを特徴とする請求項1〜4のうちのいずれか1つに記載の適応バイアス生成回路。   5. The adaptive current that is added to a current that is twice the small current is replaced with a current that is n times the adaptive current (0 <n <K). The adaptive bias generation circuit described in 1. 上記電流電圧変換回路において、上記2個の電流の加算結果の電流をK倍(0<K<1)した電流を得る回路は、1対のMOSトランジスタを含み、当該1対のMOSトランジスタのアスペクト比を1:Kにして形成されたカレントミラー回路であることを特徴とする請求項1〜5のうちのいずれか1つに記載の適応バイアス生成回路。   In the current-voltage conversion circuit, a circuit that obtains a current obtained by multiplying the current obtained by adding the two currents by K (0 <K <1) includes a pair of MOS transistors, and the aspect of the pair of MOS transistors. 6. The adaptive bias generation circuit according to claim 1, wherein the adaptive bias generation circuit is a current mirror circuit formed at a ratio of 1: K. 請求項1〜6のうちのいずれか1つに記載の適応バイアス生成回路を備えたことを特徴とするレール・ツー・レール差動増幅回路。   A rail-to-rail differential amplifier circuit comprising the adaptive bias generation circuit according to any one of claims 1 to 6.
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