JPH04506287A - 利得補償形差動増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 利得舅頂形羞勲増唱器 □ 本発明は差動増幅器に関し、特に利得補償差動増幅器に関する。

賀ＪＪ１衝 差動増幅器は２つの入力信号間の電圧差を増幅するために使用される非常に良く 知られた回路構成である。理想的には、出力は個々の信号電圧から完全に独立し 、そしてそれらの差のみに依存する０作動増幅器は、弱信号、特に同相ノイズで 汚染されるかも知れない弱信号か増幅されるべき用途で広く使用されている。

それらは演算増幅器で讐遍的に使用され、そしてＤＣ増幅器の設計において非常 に重要である０図１において、古典的なバイポーラトランジスタの作動増幅器１ ０、すなわち単一端出力を有する“ロングチイルベアー”のための略式回路図が 示されている。

作動増幅器の差動利得Ｇとその温度安定性ｄＧ／ｄＴはその設計と使用において 非常に重要なパラメータである０図１の回路の差動の作動利得Ｇは、（整合して いると仮定されている）トランジスタ１２と１４の有限電流利得（ベータ）と有 限のエミッタ及びベースの抵抗を考慮に入れて、以下の等式で与えられる。

Ｇ＝Ｒｃ／２　（ｒ＋ｒｅ）、 ここでＲｃはコレクタ負荷抵抗器１３の抵抗であり、ｒｅはトランジスタ１４と １２の各々に関する固有の′電子的”エミッタ抵抗ｋＴ／ｑＬここでｋはボルツ マン定数、Ｔは絶対温度、ｑは電荷、そして１は導線１８内のティルミ流の半分 であり、そしてｒは全オームエミッタ抵抗であり、ｒ＝ｒｅｅ’　＋ｒｂｂ’／ （ベータ）、ｒｅｅ’はエミッタ抵抗、ｒｂｂ’はベース抵抗、そして（ベータ ）は各トランジスタの電流利得である。

多くの温度依存因子は前述の等式内に現われる。明らかに固有のエミッタ抵抗は 温度関数であり、そしてその量の完全な安定化にはティルミ流が絶対温度（ＰＴ ＡＴ）と比例することが必要である。ベース抵抗は非常に温度依存的である。オ ームエミッタ抵抗も又、より小さい程度に温度依存的である。更に、これらの抵 抗値は非常に幾何学的形状に敏感で、Ｒｃやベータと供に製造プロセスにおいて ウェハー毎（そしてロット毎）で変動する。

故に、利得に関して改善された温度安定性を有する差動増幅器を提供することが 本発明の目的である。

ロット毎の温度安定性や利得不確定性が製造プロセスにおいて最小となる差動増 幅器を提供することが本発明のさらなる目的である。

念凹しと」致 本発明の前述の目的や他の目的は、ＰＴＡＴであり、そしてトランジスタや有限 ベータのオーム抵抗を補償する′ＳＳ酸成分含むティルミ流を提供するためのテ ィルミ流発生手段を包含する差動増幅器により達成される。＠流の後者の成分は トランジスタの幾何学的形状の関数で有るので、ロット毎の変動を自動的に補償 する。ティルミ流発生手段は、ロングチイルベアー内のトランジスタのこれらに 関連する装置幾何学的形状を採用する△ＶＢＥセルによりバイアスされた電流ソ ースを包含する。

本発明は、ここで同番号は同構成要素を識別するために使用されている添付の図 面との関連で読まれる次の詳細な説明により更に理解されよう。

置皿の直巣皇説明 図において、 図１は従来技術による基本的な差動増幅器の回路略図である：図２は、温度安定 化利得を達成するために差動増幅器と供に使用するための、本発明によるティル ミ流発生装置の簡略回路図である；そして図３は本発明による利得補償差動増幅 器の詳細回路図である。

Ｉを　するための最　の乏。

図１の回路において、（ベータトランジスタを無限に、そしてベース及びエミッ タ抵抗を無視できるものと仮定すると）理想的に小さい信号差動電圧利得はＲｃ ／２ｒｅである。故に、実利得は因子１／（１＋ｒ／ｒｅ）だけ理想利得と異な る。ｒ＝２．５オーム、そしてｒｅ＝２６オームなどの典型的な値を使用すると 、ｒ　＜＜ｒｅの仮定のなめ小信号エラーは約１０パーセントとなる。ｒｅはテ ィルミ流の関数であるので、式は、利得を理想化値に戻す値にテイルを流を設定 するために引き出すことか出来る。この式はここでＧは所望の利得で、ＶＴは熱 電圧、ｋＴ／ｑである。もしｒか既知ならば、それは適当な因子によってテイル を流を上昇させるのは簡単なこととなろう。

しかしながら、このオーム抵抗は測定するのか容易でなく、いずれの場合におい ても、それはある製造ロットから次のロットへとかなり変動する。それゆえに、 自己補償する設計が必要とされる。

利得安定、温度補償ロングチイルベアーの設計で最初に考慮すべきことは、固有 エミッタ抵抗を一定にするためにティルミ流がＰＴＡＴであるという必要条件で ある。この目的のために図２の△ＶＢＥセル２０がティルミ流２Ｉを発生するた めの電流ソース２２をバイアスするために使用される。ＰＴＡＴであるティルミ 流を発生するための方法として△ＶＢＨの使用が従来技術として良く文書化され ている。＠流ソースは、負供給（又は接地、もし単一側供給が使用されるならば 、）に接続された抵抗Ｒｅのエミッタ抵抗器２６を有する共通エミッタＮＰＮト ランジスタ２４から構成される。ΔＶＢＥセル２０はトランジスタ２８と３２の ベアー、第一エミッタ抵抗器３４、そして第二エミッタ抵抗器３６により形成さ れる。トランジスタ３２は単位エーリアエミッタを有し、トランジスタ２０はＡ 単位のエミッタエーリアを有し、そしてトランジスタ２４はＭ単位のエミッタエ ーリアを有する。トランジスタ２８と３２は適切なベース電圧を強要する高利得 フィードバック回路３８により等しい電流密度にまで駆動される。差動増幅器が 理想的増幅器であると仮定すると、ティルミ流の半分は以下の公式により与もし オームエミッタ抵抗が包含され、しかも小さなトランジスタ、すなわちトランジ スタ３２かエミッタ抵抗ｒを有し、そして大きな素子、すなわちトランジスタ２ ０かエミッタ抵抗ｒ　／　Ａを有すると仮定するならば、■に関する等式は以下 のようになる。

等式４０の分母は等式１８のものと同じ形式を有することが容易Ｇこ解り；代数 的操作がその等式を生むことがさらに理解されよう。

エーリア比率ＡはＶＢＥ要件に適するように選択されても良いが、通常単一より も大きく無いので、項（１−１／Ａ）はそれほどＡに依存的でない、ｒは等式の 両辺に表れるので、消去される。移行すると、第一のコントロールは比率Ｒｇ／ Ｒｃ内にあることを示す。

それで、理論的に、一度Ｇ、Ａ、そしてＲｃが選択されると、Ｒｇは選択可能と なり、補償を達成する。

ロングチイルベアートランジスタ（ｉｏｎｏ−ｔａｉｌ　Ｄａｉｒ　ｔｒａｎｓ ｉｓｔｏｒ　’）の内部抵抗けられたベースコンタクトを有していることである 。そのようなトランジスタのＲｂｂ’の公称値は、例えば約５７オームであって も良い、但し、Ｒｂｂ・　はより大きな許容値に従うものとして良い９例えば、 公称５７オームを生成するの最小ベータを有するように設計されるならば、無視 出来る程度のＲｅｅ’でさえ、実利得は、設計利得からなり逸脱した９、５４デ シベル程度になるかも知れない、トリミングはこの利得を所望の値に戻すことが 出来るが、Ｒｂｂ’か非常に温度依存的である時の特定温度においてのみ可能で ある。それ故に、温度と共に追跡するようなもっと厳密な方法でベース欠陥エラ ーを補償することが望まれる。

△ＶＢＥセルを使用すると、これを可能にする。従来技術として、ＰＴＡＴであ るティルミ流を発生する方法としてのΔＶＢＥセルの動作は良く文書化されてい る。しかしながら、この発明は、正しい設計で、このΔＶＢＥセルが電流ソース （即ち、トランジスタ２４とエミッタ抵抗器２６）を、キード成分がタイル電流 に加わるポイントまでバイアスし、素子の幾何学的形状に関連するオーム抵抗を 追跡するためにいかに使用されるかを示す。

上記の図２での論議において、とりわけ、連続エミッタ抵抗器がロングチイルベ アー内に使用されず、そして固有エミッタ抵抗器のみが考慮されなければならな いと仮定して、幾分単純化された分析が使われた０本発明は、直列エミッタ抵抗 器が（トランジスタの電子エミッタ抵抗に比べて）小さい、又は使用されない時 に、熱論、そのような抵抗器の使用は珍しいことではないが、最大の実用性を有 する。その分析は多数の他のソースのエラー考慮することにも失敗した。もっと 厳しく、更に一般化された回路モデルが、明白に示された全エミッタ関連オーム 抵抗と供に、本発明による完全抵抗補正、利得補償形差動増幅器を表す図３に示 されている。

トランジスタ３２は固有エミッタ抵抗ｒと（抵抗ＮＲｒ　）の直列エミッタ抵抗 器５２とで、単位エーリアエミッタ幾何学的形状を有すると仮定される。他のΔ ＶＢＥトランジスタ２８はＡ単位のエミッタエーリア、固有抵抗ｒ　／　Ａ、直 列抵抗器５４（抵抗ＮＲ，／Ａの）、そして３４（抵抗Ｒｇの）を有する。トラ ンジスタ２８と３２は異なるコレクタ電流ではあるが、同電流密度で動作する。

ロングチイルベアートランジスタ１２と１４はＮ単位エミッタエーリア、固有エ ミッタ抵抗ｒ　７Ｍ、そして、普遍化のための、抵抗ＲＴの直列エミッタ抵抗器 ５６と５８を有する。を流ソーストランジスタ２４はＭ単位のエミッタエーリア 、固有抵抗ｒ　／　Ｎ、そして抵抗Ｒｅ／Ｍの直列抵抗器２６を有する。差動増 幅器トランジスタ１２と１４の各々の静止コレクタ電流は関連の温度範囲上で、 一定値Ｉとなるはすである。示されているように、これはトランジスタ２４のベ ースへのバイアスライン６０上に適切なバイアス電圧を確立することにより提供 される。

ロングチイルベアーの相互コンダクタンス、故にその利得は、実際にコレクタ電 流の関数であって、テイル＠ａのものではない。それで、コレクタ電流を所望の 値にセットして、有限βを補償するためにティルミ流が増加されなければならな い、従って、トランジスタ２４のコレクタ電流でもある、ティルミ？ｉ　Ｉ　ｔ 　ａ　ｉｌ（即ち、図１と図２に示されるようにＩｔａｉ１＝２１）は２Ｉ（１ ＋１／ベータンでなければならない、更に、電流ソーストランジスタ２４のエミ ッタ電流ＩＥ２４とロングチイルベアーのティルミ流Ｉｔａｉ１間に差がある。

典型的に１１００ｐｐ／’Ｃの関連温度ドリフトで、これらの各β補償要因は約 １パーセントの利得エラーになる。この合計エラーを正しく補償するために、バ イアスライン６０に適用された電圧はエミッタ抵抗器２６と固有エミッタ抵抗ｒ ／Ｍの直列結合上に、トランジスタ２４内のエミッタ電流■Ｅ２４をティルミ流 の（１＋１／ベータ）＠に、或は合計エレクタ＠ｈ流２Ｉの一時近似（１＋２／ ベータ）ｔＢにするのに十分な電圧を生成しなければならない、追加的に、ロン グチイルベアーは各入力のエミッタ従属部（図示されない）により駆動されるか も知れない（通常されている）、エミッタ従属部の差動出力は典型的に、同様の 補償が提供されるかも知れないもう一つの“ワンアルファ”エラーを導き；その ような状況においては、エミッタ電流ＩＥ２４は二次項が無視できるので、２Ｈ １＋３／ベータ）となるはずである。

トランジスタ２８．３２のコレクタとトランジスタ２４のベース間の高利得フィ ードバック回路３８は抵抗ＳＲｅを通じてトランジスタ３２を駆動する、ここで Ｓはシステム内のベータ依存を排除するように選択された因子である。

△ＶＢＥセルの動作は詳しく文書化されている。それはＰＴＡＴを生成する駆動 電圧Ｖｂｉａｓをライン６０上に提供する０種々のトランジスタは適正に整合さ れた電流利得を有していると仮定すると、ティルミ流は両方ＰＴＡＴであり、差 動増幅器内のトランジスタや電流ソースの固有エミッタ抵抗のく特にベータ）特 性を明かにするように調整（即ち、適正レベルにセット）される。

このように、発明的概念や本発明の詳細な説明することにより、種々の修正、変 更、そして改善か当業者には容易となろう、そのような修正、変更、そして改善 は、前述の詳細な説明は実ｍ１でのみ提供され、それに限定するものではないの で、明白には検討されないが、暗示されることが意図される０本発明は以下の請 求の範囲やそれに相当するものによってのみ限定される。

浄！’（内容に変更なし） ＦＩＧ、ｌ　従来技術 ＦＩＧ２ 補正書の翻訳文提出書 （特許法第１８４条の８） 平成　３年　９月２７日　ご

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．利得補償形差動増幅器回路において、（ａ）テイル電流Ｉｔａｉｌで動作す る、適性に整合された電流利得を有するトランジスタ差動増幅器、 （ｂ）コントロール電圧の関数として前記テイル電流を発生するためのコントロ ール電圧に応答するトランジスタ電流ソース、（ｃ）コントロール電圧として絶 対温度に比例して変化する電圧を発生するためのコントロール電圧発生手段、そ して （ｄ）コントロール電圧を電流ソースの固有エミッタ抵抗に機能的に関係付ける ための手段を含むコントロール電圧発生手段から構成されることを特徴とする増 幅器。
2. ２．コントロール電圧発生手段はコントロール電圧として、差動増幅器トランジ スタ及びトランジスタ電流ソースの幾何学的形状と電流利得特性と関連するオー ム抵抗に機能的に関連づけられ、そして追跡する成分を有するテイル電流を発生 する電圧を発生するように適応されていることを特徴とする請求の範囲第１項に 記載の増幅器。
3. ３．電流ソースはコレクタが差動増幅器のトランジスタのエミッタ電流を受ける ように接続されている共通エミッタトランジスタから構成され、そしてコントロ ール電圧発生手段は共通エミッタトランジスタのベースに、差動増幅器トランジ スタの電流利得の関数である電流を共通エミッタトランジスタのコレクタ内に生 成するコントロール電圧を供給するためのΔＶＢＥセルを包含することを特徴と する請求の範囲第１、２のいずれかの項に記載の増幅器。
4. ４．コントロール電圧は共通エミッタトランジスタのエミッタ内に電流２Ｉ（１ ＋２／ベータ）を生成し、ここでベータは選択された温度範囲での差動増幅器ト ランジスタの電流利得であることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の増幅器 。
5. ５．電流ソースは共通エミッタトランジスタのエミッタと電圧基準間に接続され たエミッタ抵抗器を更に包含し、そして差動増幅器トランジスタは有限固有エミ ッタ抵抗を有し、そしてコントロール電圧はエミッタ抵抗、共通エミッタトラン ジスタの有限固有エミッタ抵抗、そして差動増幅器トランジスタの電流利得の関 数であることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の増幅器。
6. ６．利得補償形差動増幅器回路において、（ａ）テイル電流Ｉｔａｉｌで動作す る、適性に整合された電流利得を有するトランジスタ差動増幅器、 （ｂ）コントロール電圧の関数として前記テイル電流を発生するためのコントロ ール電圧に応答する電流ソース、 （ｃ）コントロール電圧として絶対温度に比例して変化し、そしてΔＶＢＥセル により提供される電圧を発生するためのコントロール電圧発生手段、そして（ｄ ）コントロール電圧を電流ソースの固有エミッタ抵抗に機能的に関係付けるため の手段を含むΔＶＢＥセルから構成されることを特徴とする増幅器。
7. ７．コントロール電圧発生手段は差動増幅器トランジスタ及びその電流ソースの トランジスタ幾何学的形状と電流利得特性と関連するオーム抵抗に機能的に関連 づけられ、そして追跡する成分を有するタイル電流を発生する電圧をコントロー ル電圧として発生するように適応されていることを特徴とする請求の範囲第６項 に記載の増幅器。
8. ８．電流ソースはコレクタが差動増幅器のトランジスタのエミッタ電流を受ける ように接続されている共通エミッタトランジスタから構成され、そしてΔＶＢＥ は差動増幅器トランジスタの電流利得の関数である電流を共通エミッタトランジ スタのコレクタ内に生成するコントロール電圧を共通エミッタトランジスタのベ ースに供給することを特徴とする請求の範囲第６、７のいずれかの項に記載の増 幅器。
9. ９．コントロール電圧は共通エミッタトランジスタのエミッタ内に電流２Ｉ（１ ＋２／ベータ）とテイル電流２１（１＋１／ベータ）を生成し、ここでベータは 選択された温度範囲での差動増幅器トランジスタの電流利得であることを特徴と する請求の範囲第８項に記載の増幅器。
10. １０．電流ソースは共通エミッタトランジスタのエミッタと電圧基準間に接続さ れたエミッタ抵抗器を更に包含し、そして差動増幅器トランジスタは有限固有エ ミッタ抵抗を有し、そしてコントロール電圧はエミッタ抵抗、共通エミッタトラ ンジスタの有限固有エミッタ抵抗、そして差動増幅器トランジスタの電流利得の 関数であることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の増幅器。