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JPWO2015190030A1 - Operational amplifier and charge amplifier using the same - Google Patents

Operational amplifier and charge amplifier using the same Download PDF

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JPWO2015190030A1
JPWO2015190030A1 JP2015559342A JP2015559342A JPWO2015190030A1 JP WO2015190030 A1 JPWO2015190030 A1 JP WO2015190030A1 JP 2015559342 A JP2015559342 A JP 2015559342A JP 2015559342 A JP2015559342 A JP 2015559342A JP WO2015190030 A1 JPWO2015190030 A1 JP WO2015190030A1
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bipolar transistor
current
power supply
supply line
operational amplifier
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JP2015559342A
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鈴木 健
健 鈴木
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Fuji Electric Co Ltd
Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/45Differential amplifiers
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/70Charge amplifiers

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Abstract

速度性能を損なうことなく、インピーダンスの高い入力型とし、さらに発生ノイズを抑制することができる演算増幅器及びこれを適用したチャージアンプを提供する。エミッタを互いに接続してコンプリメンタリ接続されたバイポーラトランジスタとバイアス用のダイオードを有し、並列配置された第1のバッファ(11)及び第2のバッファ(12)と、両バッファ間におけるエミッタ間の接続点間に接続された抵抗(Re)と、第1及び第2のバッファを正極電源ライン及び負極電源ラインに接続する第1の電流電圧変換回路(13)及び第2の電流電圧変換回路(14)と、ダイオードに流れる電流を制御する第1及び第2の接合型電界効果トランジスタ(Q15),(Q25)と、第1及び第2の電流電圧変換回路の出力に接続された出力段(15)とを備え、第1及び第2の接合型電界効果トランジスタのゲートを入力端子としている。Provided are an operational amplifier that can be of an input type with high impedance without impairing speed performance, and that can further suppress generated noise, and a charge amplifier to which the operational amplifier is applied. First and second buffers (11) and (12) arranged in parallel, each having a bipolar transistor and a bias diode, which are connected in a complementary manner by connecting emitters to each other, and the connection between the emitters between the two buffers A resistor (Re) connected between the points, a first current-voltage conversion circuit (13) and a second current-voltage conversion circuit (14) for connecting the first and second buffers to the positive power supply line and the negative power supply line ), First and second junction field effect transistors (Q15), (Q25) for controlling the current flowing in the diode, and an output stage (15) connected to the outputs of the first and second current-voltage conversion circuits And the gates of the first and second junction field effect transistors are used as input terminals.

Description

本発明は、高速且つ入力バイアス電流が低く、さらに低ノイズ特性を有する演算増幅器及びこれを使用したチャージアンプに関する。   The present invention relates to an operational amplifier having high speed, low input bias current, and low noise characteristics, and a charge amplifier using the operational amplifier.

微小な容量変化を抑制する原理を用いたセンサとして、近年開発・研究がなされているものにMEMS(Micro Electro Mechanical System)構造を利用した各種物理量を検出する各種物理量センサがある。
容量可変型物理量センサは、非常にシンプルで錘とこの錘を支持する微小なばねとをSiプロセスなどで作成し、錘に対向する形で固定電極を設ける構成としている。錘はバネで支持されているので、外力に対してある程度自由に移動することが可能となり、外力が加わると結果として錘と固定電極間の静電容量が変化することになる。この静電容量をチャージアンプで読み取ることで錘の変位を検知するのがMEMSを利用した容量可変型物理量センサの原理である。
As sensors using the principle of suppressing minute capacitance changes, there are various physical quantity sensors that detect various physical quantities using a MEMS (Micro Electro Mechanical System) structure that have been developed and researched in recent years.
The capacitance variable type physical quantity sensor is very simple and has a configuration in which a weight and a minute spring supporting the weight are formed by a Si process or the like, and a fixed electrode is provided so as to face the weight. Since the weight is supported by the spring, it can move to some extent with respect to the external force, and when the external force is applied, the capacitance between the weight and the fixed electrode changes as a result. The principle of the capacitance variable physical quantity sensor using MEMS is to detect the displacement of the weight by reading this capacitance with a charge amplifier.

このように容量変化を観測するために演算増幅器を用いてチャージアンプを構成すると、高周波でノイズが低下する。高いSNを確保するためには、100kHz以上で容量変化を測定することが望ましい。SNが上昇するおよその傾向として、1桁のSN向上のためには1桁の高周波化が必要なる。逆に言うと、高周波での動作が可能な回路構成をとれば、高SN化が可能になることを示している。   When a charge amplifier is configured using an operational amplifier to observe a capacitance change in this way, noise is reduced at high frequencies. In order to ensure a high SN, it is desirable to measure the capacity change at 100 kHz or higher. As an approximate trend of increasing SN, a single digit higher frequency is required to improve the single digit SN. In other words, it is shown that a high SN can be achieved by adopting a circuit configuration capable of operating at a high frequency.

高周波で動作が可能な演算増幅器として知られているものに電流帰還型演算増幅器が存在する。この電流帰還型演算増幅器は、単純化した場合に、図12に示す構成となる。すなわち、エミッタ同士が互いに接続されたコンプリメンタリなnpn型のバイポーラトランジスタQ101及びpnp型のバイポーラトランジスタQ102を直列に接続したバッファBUを有する。   Current feedback operational amplifiers are known as operational amplifiers that can operate at high frequencies. This current feedback operational amplifier has a configuration shown in FIG. 12 when simplified. That is, it has a buffer BU in which complementary npn-type bipolar transistor Q101 and pnp-type bipolar transistor Q102 having emitters connected to each other are connected in series.

このバッファBUは、バイポーラトランジスタQ101のコレクタが正極側電源ラインLpにダイオードD101を順方向に介して接続され、バイポーラトランジスタQ102のコレクタが負極側電源ラインLnにダイオードD102を順方向に介して接続されている。
バイポーラトランジスタQ101及びQ102のベース間には2つのダイオードD103及びD104が順方向に直列に接続されている。ここで、ダイオードD103のアノードが正極側電源ラインLpに接続された定電流源CI101に接続され、ダイオードD104のカソードが負極側電源ラインLnに接続された定電流源CI102に接続されている。
In this buffer BU, the collector of the bipolar transistor Q101 is connected to the positive power supply line Lp via the diode D101 in the forward direction, and the collector of the bipolar transistor Q102 is connected to the negative power supply line Ln via the diode D102 in the forward direction. ing.
Two diodes D103 and D104 are connected in series in the forward direction between the bases of the bipolar transistors Q101 and Q102. Here, the anode of the diode D103 is connected to the constant current source CI101 connected to the positive power supply line Lp, and the cathode of the diode D104 is connected to the constant current source CI102 connected to the negative power supply line Ln.

そして、ダイオードD103のカソード及びD104のアノードの接続点が正極側入力端子+tinに接続されている。また、バイポーラトランジスタQ101及びQ102のエミッタ間の接続点が負側入力端子−tinに接続されている。
さらに、バッファBUのバイポーラトランジスタQ101のコレクタとダイオードD101のカソードとの接続点が、出力段を構成するpnp型のバイポーラトランジスタQ103のベースに接続されている。同様にバッファBUのバイポーラトランジスタQ102のコレクタとダイオードD102のアノードとの接続点が出力段を構成するnpn型のバイポーラトランジスタQ104のベースに接続されている。
A connection point between the cathode of the diode D103 and the anode of D104 is connected to the positive input terminal + tin. A connection point between the emitters of the bipolar transistors Q101 and Q102 is connected to the negative side input terminal -tin.
Further, the connection point between the collector of the bipolar transistor Q101 of the buffer BU and the cathode of the diode D101 is connected to the base of a pnp bipolar transistor Q103 constituting the output stage. Similarly, the connection point between the collector of the bipolar transistor Q102 of the buffer BU and the anode of the diode D102 is connected to the base of an npn-type bipolar transistor Q104 constituting the output stage.

バイポーラトランジスタQ103及びQ104はコレクタ同士が互いに接続され、バイポーラトランジスタQ103のエミッタが正極側電源ラインLpに接続され、バイポーラトランジスタQ104のエミッタが負極側電源ラインLnに接続されている。
さらに、バイポーラトランジスタQ103及びQ104のコレクタ間の接続点が高いインピーダンスを持つ出力段バッファBU2を介して出力端子toutに接続されている。なお、バイポーラトランジスタQ103及びQ104のコレクタ間の接続点及び出力段バッファBU2の入力側間と接地との間に抵抗R101及びキャパシタC101の並列回路が接続されている。
The bipolar transistors Q103 and Q104 have collectors connected to each other, the emitter of the bipolar transistor Q103 is connected to the positive power supply line Lp, and the emitter of the bipolar transistor Q104 is connected to the negative power supply line Ln.
Further, the connection point between the collectors of the bipolar transistors Q103 and Q104 is connected to the output terminal tout via the output stage buffer BU2 having a high impedance. A parallel circuit of a resistor R101 and a capacitor C101 is connected between a connection point between the collectors of the bipolar transistors Q103 and Q104 and between the input side of the output stage buffer BU2 and the ground.

さらに、負極側入力端子−tinと接地との間に負荷抵抗Rが接続され、この負荷抵抗Rと負極側入力端子−tinとの接続点が帰還抵抗Rfを介してバッファアンプBU2の出力側に接続されて電流帰還型演算増幅器が構成されている。
この電流帰還型演算増幅器では、正極側入力端子+tinの入力電圧が上昇した場合、負荷抵抗Rに流れ込む電流の増加分がそのまま折り返されて高いインピーダンスを持つ出力段バッファBU2の電位を上昇させる。入力端子+tin及び−tinの電位が等しくなると電流増加分が消失するので、その電位で出力は安定する。電流帰還型演算増幅器では、電流の切り替えで増幅を行っており、高速である理由は、バイポーラトランジスタの電流は電圧より速く切り替えることが可能なためである。
Furthermore, a load resistor R is connected between the negative input terminal -tin and the ground, and a connection point between the load resistance R and the negative input terminal -tin is connected to the output side of the buffer amplifier BU2 via the feedback resistor Rf. A current feedback type operational amplifier is configured by being connected.
In this current feedback operational amplifier, when the input voltage at the positive input terminal + tin increases, the increase in the current flowing into the load resistor R is folded as it is to increase the potential of the output stage buffer BU2 having a high impedance. When the potentials at the input terminals + tin and -tin become equal, the increase in current disappears, and the output is stabilized at that potential. In the current feedback operational amplifier, amplification is performed by switching the current, and the reason for the high speed is that the current of the bipolar transistor can be switched faster than the voltage.

ところで、上記構成の電流帰還型演算増幅器は微小な容量変化を検出するチャージアンプには適用することができない。その理由は、2つある。先ず、第1の理由は、負極側入力端子−tinのインピーダンスが非常に低く(およそ10〜100Ω)、且つ原理上、確実に電流を流さなければゲインが得られない点である。第2の理由は、正極側入力端子+tinのインピーダンスもチャージアンプに適用できるまでに高くない点である。   By the way, the current feedback operational amplifier having the above configuration cannot be applied to a charge amplifier that detects a minute capacitance change. There are two reasons for this. First, the first reason is that the impedance of the negative side input terminal -tin is very low (approximately 10 to 100Ω), and in principle, a gain cannot be obtained unless a current is supplied reliably. The second reason is that the impedance of the positive input terminal + tin is not high enough to be applied to the charge amplifier.

一方、演算増幅器の定常動作時の消費電力を低減しながらスルーレートを改善するために、差動入力信号のレベルを変換して差動出力するレベル変換回路と、レベル変換回路の差動出力に入力が直列接続された差動増幅器と、差動増幅器の正極側及び負極側に接続した電流電圧変換回路とを備えて演算増幅器を構成したものが提案されている(特許文献1及び2参照)。この場合、差動増幅器は、2つのpチャネルMOS型電界効果トランジスタ(以下「pMOS」とも称する)を並列接続すると共に、2つのnチャネルMOS型電界効果トランジスタ(以下「nMOS」とも称する)を並列接続し、並列接続された各pMOS及びnMOSのソースを直接又は抵抗を介して接続した構成とされている。
この演算増幅器では、2つの入力端子がpMOSのゲートに接続されているので、両入力端子を高インピーダンスとすることができ、前述した図12の演算増幅器における第1の理由及び第2の理由を解消することができる。
On the other hand, in order to improve the slew rate while reducing the power consumption during the steady operation of the operational amplifier, the level conversion circuit that converts the differential input signal level and outputs it differentially, There has been proposed an operational amplifier that includes a differential amplifier having inputs connected in series and a current-voltage conversion circuit connected to the positive side and the negative side of the differential amplifier (see Patent Documents 1 and 2). . In this case, the differential amplifier connects two p-channel MOS field effect transistors (hereinafter also referred to as “pMOS”) in parallel and two n-channel MOS field effect transistors (hereinafter also referred to as “nMOS”) in parallel. The source of each pMOS and nMOS connected in parallel is connected directly or via a resistor.
In this operational amplifier, since the two input terminals are connected to the gate of the pMOS, both input terminals can be set to high impedance. The first reason and the second reason in the operational amplifier of FIG. Can be resolved.

特開2009−171479号公報JP 2009-171479 A 米国特許第7982537号明細書US Pat. No. 7,982,537

しかしながら、上記特許文献1及び2に記載の従来例では、演算増幅器を構成する差動増幅器、レベル変換回路及び電流電圧変換回路がNMOS及びPMOSで構成されている関係で、1/fノイズによる発生ノイズが大きく、高いSNを得るためには適しておらず、微小容量変化を検出するチャージアンプには適用することができないという未解決の課題がある。
そこで、本発明は上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、速度性能を損なうことなく、インピーダンスの高い入力型とし、さらに発生ノイズを抑制することができる演算増幅器及びこれを使用したチャージアンプを提供することを目的としている。
However, in the conventional examples described in Patent Documents 1 and 2, the differential amplifier, the level conversion circuit, and the current-voltage conversion circuit that constitute the operational amplifier are configured by NMOS and PMOS, and thus are generated by 1 / f noise. There is an unsolved problem that the noise is large and is not suitable for obtaining a high SN and cannot be applied to a charge amplifier that detects a minute capacitance change.
Therefore, the present invention has been made paying attention to the unsolved problems of the above-described conventional example, and an operational amplifier capable of suppressing the generated noise and the input type having a high impedance without impairing the speed performance. The purpose of this is to provide a charge amplifier using this.

上記目的を達成するために、本発明に係る演算増幅器の一態様は、正極電源ラインと負極電源ラインとの間に順方向に電流が流れるように直列に介挿されたダイオードと、互いのエミッタ間を接続し、前記逝去電源ライン側のダイオードのアノードにベースを接続したnpnバイポーラトランジスタ及び前記負極電源ライン側のダイオードのカソードにベースを接続したpnpバイポーラトランジスタとを有する第1及び第2のバッファと、前記第1及び第2のバッファにおける前記npnバイポーラトランジスタ及び前記pnpバイポーラトランジスタのエミッタ間の接続点間に介挿された抵抗と、前記第1及び第2のバッファにおける前記npnバイポーラトランジスタ及び前記pnpバイポーラトランジスタのコレクタのうち高い電位側を接続する前記正極電源ラインに接続した第1の電流電圧変換回路と、当該コレクタのうち低い電位側を接続する前記負極電源ラインに接続した第2の電流電圧変換回路と、前記第1及び第2のバッファにおけるダイオードの前記アノード及び前記npnバイポーラトランジスタのベースの接続点にソースを接続し、前記正極電源ライン側にドレインを接続したnチャネルの第1及び第2の接合型電界効果トランジスタと、前記第1及び第2の電流電圧変換回路の出力と電気的に接続され、かつ、該第1及び第2の電流電圧変換回路によって制御される出力段とを備えている。そして、前記第1及び第2の接合型電界効果トランジスタのゲートを入力端子とするとともに、前記出力段の出力を出力端子に電気的に接続して電圧帰還型差動増幅器構成としている。
また、本発明に係るチャージアンプの一態様は、積分回路を構成する演算増幅器として少なくとも上記演算増幅器を適用している。
In order to achieve the above object, one aspect of an operational amplifier according to the present invention includes a diode inserted in series so that a current flows in a forward direction between a positive power supply line and a negative power supply line, and a mutual emitter. First and second buffers having an npn bipolar transistor having a base connected to an anode of a diode on the side of the dead power line and a pnp bipolar transistor having a base connected to a cathode of the diode on the negative power line side A resistor interposed between connection points between the emitters of the npn bipolar transistor and the pnp bipolar transistor in the first and second buffers, the npn bipolar transistor in the first and second buffers, and the High potential among pnp bipolar transistor collectors A first current-voltage conversion circuit connected to the positive power supply line connecting the first current-voltage conversion circuit, a second current-voltage conversion circuit connected to the negative power supply line connecting the lower potential side of the collector, the first and first N-channel first and second junction field effect transistors having a source connected to a connection point of the anode of the diode and a base of the npn bipolar transistor in the second buffer, and a drain connected to the positive power supply line side; An output stage electrically connected to the outputs of the first and second current-voltage conversion circuits and controlled by the first and second current-voltage conversion circuits. The gates of the first and second junction field effect transistors are used as input terminals, and the output of the output stage is electrically connected to the output terminal to form a voltage feedback differential amplifier configuration.
In one embodiment of the charge amplifier according to the present invention, at least the operational amplifier is applied as an operational amplifier constituting the integrating circuit.

本発明によれば、第1及び第2のバッファを構成するnpnバイポーラトランジスタのベース又はpnpバイポーラトランジスタのベースとダイオードとの接続点に第1及び第2の接合型電界効果トランジスタを接続し、これら第1及び第2の接合型電界効果トランジスタのゲートを入力端子としたので、高速性能を損なうことなく、入力インピーダンスを高くし、さらにノイズを確実に抑制することができる演算増幅器を提供することができる。
また、上記効果を有する演算増幅器を積分回路を構成する演算増幅器として適用してチャージアンプが構成されるので、動作速度を確保しながら外来ノイズの影響を確実に抑制することができるチャージアンプを提供することができる。
According to the present invention, the first and second junction field effect transistors are connected to the connection points between the bases of the npn bipolar transistors or the bases of the pnp bipolar transistors and the diodes constituting the first and second buffers. Since the gates of the first and second junction field effect transistors are used as input terminals, it is possible to provide an operational amplifier that can increase input impedance and reliably suppress noise without impairing high-speed performance. it can.
In addition, since the charge amplifier is configured by applying the operational amplifier having the above effect as the operational amplifier constituting the integration circuit, a charge amplifier capable of reliably suppressing the influence of external noise while ensuring the operation speed is provided. can do.

本発明に係る演算増幅器の第1の実施形態を示す回路図である。1 is a circuit diagram showing a first embodiment of an operational amplifier according to the present invention. 接合型電界効果トランジスタの電流を1mAとしたときのバイポーラトランジスタ電流と電圧ノイズ密度との関係を示す特性線図である。It is a characteristic diagram which shows the relationship between a bipolar transistor current and a voltage noise density when the electric current of a junction field effect transistor is 1 mA. 接合型電界効果トランジスタの電流を10mAとしたときのバイポーラトランジスタ電流と電圧ノイズ密度との関係を示す特性線図である。It is a characteristic diagram which shows the relationship between a bipolar transistor current and a voltage noise density when the electric current of a junction field effect transistor is 10 mA. 第1の実施形態の変形例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the modification of 1st Embodiment. 第1の実施形態の演算増幅器を使用したチャージアンプを示す回路図である。It is a circuit diagram showing a charge amplifier using the operational amplifier of the first embodiment. 従来のチャージアンプを示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the conventional charge amplifier. 本実施形態と従来例のチャージアンプの周波数特性を示す図であって、(a)は周波数とゲインとの関係を示す特性線図、(b)は周波数と位相との関係を示す特性線図である。4A and 4B are diagrams illustrating frequency characteristics of a charge amplifier according to the present embodiment and a conventional example, where FIG. 5A is a characteristic diagram illustrating a relationship between frequency and gain, and FIG. 5B is a characteristic diagram illustrating a relationship between frequency and phase. It is. 本実施形態と従来例のチャージアンプの出力特性を示す特性線図である。It is a characteristic diagram which shows the output characteristic of the charge amplifier of this embodiment and a prior art example. チャージアンプの周波数とノイズとの関係を示す特性線図である。It is a characteristic diagram which shows the relationship between the frequency of a charge amplifier, and noise. 第1の実施形態の演算増幅器を使用した差動型チャージアンプを示す回路図である。1 is a circuit diagram showing a differential charge amplifier using an operational amplifier according to a first embodiment. FIG. カスコードトランジスタが有る場合及び無い場合の電源電圧依存特性を示す特性線図である。It is a characteristic diagram which shows the power supply voltage dependence characteristic with and without a cascode transistor. 従来の演算増幅器を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the conventional operational amplifier.

次に、図面を参照して、本発明の一実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。
また、以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals.
Further, the following embodiments exemplify devices for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention is the material, shape, structure, arrangement, etc. of the component parts. Is not specified as follows. The technical idea of the present invention can be variously modified within the technical scope defined by the claims described in the claims.

まず、本発明の一の態様を表す演算増幅器の第1の実施形態について説明する。
演算増幅器1は、図1に示すように、正極側電源ラインLpに、並列配置された第1のバッファ11及び第2のバッファ12が第1の電流電圧変換回路13を介して接続されているとともに、第2の電流電圧変換回路14を介して負極側電源ラインLnに接続されている。
また、第1のバッファ11と第1の電流電圧変換回路13との間の接続点と第1のバッファ11と第2の電流電圧変換回路14との間の接続点とが個別に出力段15に接続されている。
First, a first embodiment of an operational amplifier that represents one aspect of the present invention will be described.
In the operational amplifier 1, as shown in FIG. 1, a first buffer 11 and a second buffer 12 arranged in parallel are connected to a positive power supply line Lp via a first current-voltage conversion circuit 13. At the same time, it is connected to the negative power supply line Ln via the second current-voltage conversion circuit 14.
Further, a connection point between the first buffer 11 and the first current-voltage conversion circuit 13 and a connection point between the first buffer 11 and the second current-voltage conversion circuit 14 are individually provided in the output stage 15. It is connected to the.

第1のバッファ11は、エミッタが互いに接続されたコンプリメンタリ接続のnpn型バイポーラトランジスタQ11とpnp型バイポーラトランジスタQ12とを有する。npn型バイポーラトランジスタQ11のコレクタは第1の電流電圧変換回路13に接続され、pnp型バイポーラトランジスタQ12のコレクタは第2の電流電圧変換回路14に接続されている。
さらに、npn型バイポーラトランジスタQ11のベース及びpnp型バイポーラトランジスタQ12のベースがバイアス回路21に接続されてB級プッシュプル回路を構成している。
バイアス回路21は、それぞれダイオードとして動作するnpn型バイポーラトランジスタQ13及びpnp型バイポーラトランジスタQ14を有する。
The first buffer 11 includes a complementary connection npn-type bipolar transistor Q11 and pnp-type bipolar transistor Q12 whose emitters are connected to each other. The collector of the npn-type bipolar transistor Q11 is connected to the first current-voltage conversion circuit 13, and the collector of the pnp-type bipolar transistor Q12 is connected to the second current-voltage conversion circuit 14.
Further, the base of the npn type bipolar transistor Q11 and the base of the pnp type bipolar transistor Q12 are connected to the bias circuit 21 to constitute a class B push-pull circuit.
The bias circuit 21 includes an npn bipolar transistor Q13 and a pnp bipolar transistor Q14 that operate as diodes.

npn型バイポーラトランジスタQ13のコレクタは、第1のnチャネル接合型電界効果トランジスタQ15とカスコード接続されたnpn型バイポーラトランジスタQ16を介して正極側電源ラインLpに接続されるとともに、npn型バイポーラトランジスタQ11のベースに接続されている。
pnp型バイポーラトランジスタQ14のコレクタはカレントミラー回路22を介して負極側電源ラインLnに接続されているとともに、pnp型バイポーラトランジスタQ12のベースに接続されている。
The collector of the npn-type bipolar transistor Q13 is connected to the positive power supply line Lp via the npn-type bipolar transistor Q16 that is cascode-connected to the first n-channel junction field effect transistor Q15, and the npn-type bipolar transistor Q11 Connected to the base.
The collector of the pnp bipolar transistor Q14 is connected to the negative power supply line Ln via the current mirror circuit 22, and is also connected to the base of the pnp bipolar transistor Q12.

また、npn型バイポーラトランジスタQ13のベースがnpn型バイポーラトランジスタQ13のコレクタ及びnpn型バイポーラトランジスタQ11のベースとの接続点に接続されている。同様に、pnp型バイポーラトランジスタQ14のベースがpnp型バイポーラトランジスタQ14のコレクタ及びpnp型バイポーラトランジスタQ12のベース間の接続点に接続されている。ここで、ダイオードとして動作するnpn型バイポーラトランジスタQ13のコレクタ及びベースがアノードとなり、エミッタがカソードとなる。また、ダイオードとして動作するpnp型バイポーラトランジスタQ14のエミッタがアノードとなり、コレクタ及びベースがカソードとなる。
そして、第1のnチャネル接合型電界効果トランジスタQ15のゲートに正極側入力端子+tinが接続されている。また、カスコード接続されたnpn型バイポーラトランジスタQ16のベースには電源回路23が接続され、この電源回路23によってnpn型バイポーラトランジスタQ16のベース電位がグランド電位と電源電位との中間電位Vcas1に設定されている。
The base of npn bipolar transistor Q13 is connected to the connection point between the collector of npn bipolar transistor Q13 and the base of npn bipolar transistor Q11. Similarly, the base of the pnp bipolar transistor Q14 is connected to the connection point between the collector of the pnp bipolar transistor Q14 and the base of the pnp bipolar transistor Q12. Here, the collector and base of the npn-type bipolar transistor Q13 operating as a diode are the anode, and the emitter is the cathode. Further, the emitter of the pnp bipolar transistor Q14 operating as a diode is the anode, and the collector and base are the cathode.
The positive input terminal + tin is connected to the gate of the first n-channel junction field effect transistor Q15. The power supply circuit 23 is connected to the base of the cascode-connected npn bipolar transistor Q16, and the power supply circuit 23 sets the base potential of the npn bipolar transistor Q16 to an intermediate potential Vcas1 between the ground potential and the power supply potential. Yes.

第2のバッファ12も上述した第1のバッファ11と同様の構成を有し、エミッタが互いに接続されたコンプリメンタリ接続のnpn型バイポーラトランジスタQ21及びpnp型バイポーラトランジスタQ22を有する。npn型バイポーラトランジスタQ21のコレクタは電流電圧変換回路13を介して正極側電源ラインLpに接続されている。また、pnp型バイポーラトランジスタQ22のコレクタは第2の電流電圧変換回路14を介して負極側電源ラインLnに接続されている。
さらに、npn型バイポーラトランジスタQ21のベース及びpnp型バイポーラトランジスタQ22のベースがバイアス回路24に接続されてB級プッシュプル回路を構成している。
The second buffer 12 has the same configuration as that of the first buffer 11 described above, and has complementary npn-type bipolar transistor Q21 and pnp-type bipolar transistor Q22 whose emitters are connected to each other. The collector of the npn-type bipolar transistor Q21 is connected to the positive power supply line Lp via the current-voltage conversion circuit 13. The collector of the pnp bipolar transistor Q22 is connected to the negative power supply line Ln via the second current-voltage conversion circuit 14.
Further, the base of the npn-type bipolar transistor Q21 and the base of the pnp-type bipolar transistor Q22 are connected to the bias circuit 24 to constitute a class B push-pull circuit.

バイアス回路24は、それぞれダイオードとして動作するnpn型バイポーラトランジスタQ23及びpnp型バイポーラトランジスタQ24を有する。
npn型バイポーラトランジスタQ23のコレクタは、第2のnチャネル接合型電界効果トランジスタQ25とカスコード接続されたnpn型バイポーラトランジスタQ26を介して正極側電源ラインLpに接続されるとともに、npn型バイポーラトランジスタQ21のベースに接続されている。
The bias circuit 24 includes an npn bipolar transistor Q23 and a pnp bipolar transistor Q24 that operate as diodes.
The collector of the npn-type bipolar transistor Q23 is connected to the positive power supply line Lp via the npn-type bipolar transistor Q26 that is cascode-connected to the second n-channel junction field-effect transistor Q25, and the npn-type bipolar transistor Q21 Connected to the base.

pnp型バイポーラトランジスタQ24のコレクタはカレントミラー回路22を介して負極側電源ラインLnに接続されているとともに、pnp型バイポーラトランジスタQ22のベースに接続されている。また、npn型バイポーラトランジスタQ23のベースがnpn型バイポーラトランジスタQ23のコレクタ及びnpn型バイポーラトランジスタQ21のベースとの接続点に接続されている。同様に、pnp型バイポーラトランジスタQ24のベースがpnp型バイポーラトランジスタQ24のコレクタ及びpnp型バイポーラトランジスタQ22のベース間の接続点に接続されている。ここで、ダイオードとして動作するnpn型バイポーラトランジスタQ23のコレクタ及びベースがアノードとなり、エミッタがカソードとなる。また、ダイオードとして動作するpnp型バイポーラトランジスタQ24のエミッタがアノードとなり、コレクタ及びベースがカソードとなる。   The collector of the pnp bipolar transistor Q24 is connected to the negative power supply line Ln via the current mirror circuit 22, and is also connected to the base of the pnp bipolar transistor Q22. The base of npn bipolar transistor Q23 is connected to the connection point between the collector of npn bipolar transistor Q23 and the base of npn bipolar transistor Q21. Similarly, the base of the pnp bipolar transistor Q24 is connected to the connection point between the collector of the pnp bipolar transistor Q24 and the base of the pnp bipolar transistor Q22. Here, the collector and base of the npn-type bipolar transistor Q23 operating as a diode are the anode, and the emitter is the cathode. The emitter of the pnp bipolar transistor Q24 operating as a diode is the anode, and the collector and base are the cathode.

そして、第1のバッファ11のnpn型バイポーラトランジスタQ11及びpnp型バイポーラトランジスタQ12のエミッタ間の接続点と、第2のバッファ12のnpn型バイポーラトランジスタQ21及びpnp型バイポーラトランジスタQ22のエミッタ間の接続点とがエミッタ接続抵抗Reを介して接続されている。
また、第1の接合型電界効果トランジスタQ25のゲートに負極側入力端子−tinが接続されている。さらに、カスコード接続されたnpn型バイポーラトランジスタ26のベースには電源回路25が接続され、この電源回路25によってnpn型バイポーラトランジスタ26のベース電位がグランド電位と電源電位との中間電位Vcas2に固定されている。
A connection point between the emitters of the npn-type bipolar transistor Q11 and the pnp-type bipolar transistor Q12 of the first buffer 11 and a connection point between the emitters of the npn-type bipolar transistor Q21 and the pnp-type bipolar transistor Q22 of the second buffer 12 Are connected via an emitter connection resistor Re.
Further, the negative input terminal -tin is connected to the gate of the first junction field effect transistor Q25. Further, a power supply circuit 25 is connected to the base of the cascode-connected npn bipolar transistor 26, and the power supply circuit 25 fixes the base potential of the npn bipolar transistor 26 to an intermediate potential Vcas2 between the ground potential and the power supply potential. Yes.

なお、カスコード接続されたnpn型バイポーラトランジスタQ16及びQ26の固定電位Vcas1及びVcas2は、その下限電圧を、nチャネル接合型電界効果トランジスタQ15及びQ25の動作(スレッシュホールド電圧:Vth)を考慮し、最低でもVth+1Vに設定し、上限電圧は(電源電圧−1)Vを確保するように設定する。
第1の電流電圧変換回路13は、エミッタが正極側電源ラインLpに接続され、コレクタが第1のバッファ11に接続されたpnp型バイポーラトランジスタQ31と、エミッタが正極側電源ラインLpに接続され、コレクタが第2のバッファ12に接続されたpnp型バイポーラトランジスタQ32とを有する。これらpnp型バイポーラトランジスタQ31及びQ32のベースが互いに接続され、両ベースの接続点がpnp型バイポーラトランジスタQ32のコレクタに接続されてカレントミラー回路が構成されている。
Note that the fixed potentials Vcas1 and Vcas2 of the npn-type bipolar transistors Q16 and Q26 that are cascode-connected are set to the lowest voltage in consideration of the operation (threshold voltage: Vth) of the n-channel junction field effect transistors Q15 and Q25. However, it is set to Vth + 1V, and the upper limit voltage is set to ensure (power supply voltage-1) V.
The first current-voltage conversion circuit 13 includes a pnp bipolar transistor Q31 having an emitter connected to the positive power line Lp and a collector connected to the first buffer 11, and an emitter connected to the positive power line Lp. And a pnp bipolar transistor Q32 having a collector connected to the second buffer 12. The bases of these pnp bipolar transistors Q31 and Q32 are connected to each other, and the connection point of both bases is connected to the collector of the pnp bipolar transistor Q32 to form a current mirror circuit.

また、第2の電流電圧変換回路14は、エミッタが負極側電源ラインLnに接続され、コレクタが第1のバッファ11に接続されたnpn型バイポーラトランジスタQ33と、エミッタが負極側電源ラインLnに接続され、コレクタが第2のバッファ12に接続されたnpn型バイポーラトランジスタQ34とを有する。これらnpn型バイポーラトランジスタQ33及びQ34のベースが互いに接続され、両ベースの接続点がnpn型バイポーラトランジスタQ34のコレクタに接続されてカレントミラー回路が構成されている。   The second current-voltage conversion circuit 14 has an npn bipolar transistor Q33 whose emitter is connected to the negative power supply line Ln and collector connected to the first buffer 11, and an emitter connected to the negative power supply line Ln. And an npn-type bipolar transistor Q34 having a collector connected to the second buffer 12. The bases of these npn-type bipolar transistors Q33 and Q34 are connected to each other, and the connection point of both bases is connected to the collector of the npn-type bipolar transistor Q34 to form a current mirror circuit.

カレントミラー回路22は、定電流源31と負極側電源ラインLnとの間に介挿されたnpn型バイポーラトランジスタQ35と、このnpn型バイポーラトランジスタのベースにベースが接続されたnpn型バイポーラトランジスタQ36及びQ37とを有する。
npn型バイポーラトランジスタQ35は、コレクタ及びベースが定電流Irefを供給する定電流源31に接続され、エミッタが負極側電源ラインLnに接続されている。
The current mirror circuit 22 includes an npn bipolar transistor Q35 inserted between the constant current source 31 and the negative power supply line Ln, an npn bipolar transistor Q36 having a base connected to the base of the npn bipolar transistor, and Q37.
The npn bipolar transistor Q35 has a collector and a base connected to a constant current source 31 that supplies a constant current Iref, and an emitter connected to a negative power supply line Ln.

npn型バイポーラトランジスタQ36は、npn型バイポーラトランジスタQ35のベースにベースが接続され、コレクタが第1のバッファ11のpnp型バイポーラトランジスタQ12のベースとpnp型バイポーラトランジスタQ14のコレクタ及びベースとに接続され、エミッタが負極側電源ラインLnに接続されている。
npn型バイポーラトランジスタQ37は、npn型バイポーラトランジスタQ35のベースにベースが接続され、コレクタが第2のバッファ12のpnp型バイポーラトランジスタQ22のベースとpnp型バイポーラトランジスタQ24のコレクタ及びベースとに接続され、エミッタが負極側電源ラインLnに接続されている。
The npn bipolar transistor Q36 has a base connected to the base of the npn bipolar transistor Q35, and a collector connected to the base of the pnp bipolar transistor Q12 of the first buffer 11 and the collector and base of the pnp bipolar transistor Q14. The emitter is connected to the negative power line Ln.
The npn bipolar transistor Q37 has a base connected to the base of the npn bipolar transistor Q35, and a collector connected to the base of the pnp bipolar transistor Q22 of the second buffer 12 and the collector and base of the pnp bipolar transistor Q24. The emitter is connected to the negative power line Ln.

出力段15は、正極側電源ラインLpに接続された電圧を電流に変換する第1の電圧電流変換回路41と、負極側電源ラインLnに接続された電圧を電流に変換する第2の電圧電流変換回路42とを備えている。
第1の電圧電流変換回路41は、pnp型バイポーラトランジスタQ41及びQ42を有する。pnp型バイポーラトランジスタQ41は、エミッタが正極側電源ラインLpに接続され、ベースが第1のバッファ11及び第1の電流電圧変換回路13間の接続点に接続され、コレクタが第2の電圧電流変換回路42のnpn型バイポーラトランジスタQ43のコレクタに接続されている。
pnp型バイポーラトランジスタQ42は、エミッタが正極側電源ラインLpに接続され、コレクタ及びベースがpnp型バイポーラトランジスタQ41のベースと第1のバッファ11及び第1の電流電圧変換回路13間の接続点との間に接続されている。
The output stage 15 includes a first voltage-current conversion circuit 41 that converts a voltage connected to the positive power supply line Lp into a current, and a second voltage current that converts a voltage connected to the negative power supply line Ln into a current. And a conversion circuit 42.
The first voltage-current conversion circuit 41 includes pnp bipolar transistors Q41 and Q42. The pnp bipolar transistor Q41 has an emitter connected to the positive power supply line Lp, a base connected to a connection point between the first buffer 11 and the first current / voltage conversion circuit 13, and a collector connected to the second voltage / current conversion. The npn-type bipolar transistor Q43 of the circuit 42 is connected to the collector.
The pnp bipolar transistor Q42 has an emitter connected to the positive power supply line Lp, a collector and a base connected to the base of the pnp bipolar transistor Q41 and a connection point between the first buffer 11 and the first current-voltage conversion circuit 13. Connected between.

第2の電圧電流変換回路42は、npn型バイポーラトランジスタQ43及びQ44を有する。npn型バイポーラトランジスタQ43は、コレクタが前述した第1の電圧電流変換回路41のpnp型バイポーラトランジスタQ41のコレクタに接続され、エミッタが負極側電源ラインLnに接続され、ベースが第1のバッファ11及び第2の電流電圧変換回路14間の接続点に接続されている。
npn型バイポーラトランジスタQ44は、エミッタが負極側電源ラインLnに接続され、コレクタ及びベースがnpn型バイポーラトランジスタQ43のベースと第1のバッファ11及び第2の電流電圧変換回路14間の接続点との間に接続されている。
The second voltage-current conversion circuit 42 includes npn-type bipolar transistors Q43 and Q44. The npn bipolar transistor Q43 has a collector connected to the collector of the pnp bipolar transistor Q41 of the first voltage-current conversion circuit 41 described above, an emitter connected to the negative power supply line Ln, and a base connected to the first buffer 11 and It is connected to a connection point between the second current-voltage conversion circuits 14.
The npn bipolar transistor Q44 has an emitter connected to the negative power supply line Ln, and a collector and a base connected to the base of the npn bipolar transistor Q43 and a connection point between the first buffer 11 and the second current-voltage conversion circuit 14. Connected between.

また、第1の電圧電流変換回路41のpnp型バイポーラトランジスタQ41のコレクタ及び第2の電圧電流変換回路のnpn型バイポーラトランジスタQ43のコレクタ間の接続点が出力端子toutに接続されているとともに、キャパシタCを介して第2のバッファ12のバイアス回路24におけるバイポーラトランジスタQ23及びQ24のエミッタ間の接続点に接続されている。
そして、少なくとも第1のバッファ11、第2のバッファ12、第1の電流電圧変換回路13、第2の電流電圧変換回路14、出力段15、接合型電界効果トランジスタQ15,Q25及びカレントミラー回路22を含んで電圧帰還型差動増幅器が構成されている。
A connection point between the collector of the pnp bipolar transistor Q41 of the first voltage-current conversion circuit 41 and the collector of the npn-type bipolar transistor Q43 of the second voltage-current conversion circuit is connected to the output terminal tout, and a capacitor It is connected via C to the connection point between the emitters of the bipolar transistors Q23 and Q24 in the bias circuit 24 of the second buffer 12.
At least the first buffer 11, the second buffer 12, the first current-voltage conversion circuit 13, the second current-voltage conversion circuit 14, the output stage 15, the junction field effect transistors Q15 and Q25, and the current mirror circuit 22 A voltage feedback type differential amplifier is configured.

次に、上記第1の実施形態の動作を説明する。
上記第1の実施形態では、コンプリメンタリなバイポーラトランジスタQ11,Q12及びQ21,Q22を用いた第1のバッファ11及び第2のバッファ12のコレクタ電流をそれぞれ第1の電流電圧変換回路13及び第2の電流電圧変換回路14を構成するカレントミラー回路で折り返した構造を持つ。したがって、正極側入力端子+tinの電圧が上昇した場合、エミッタ接続抵抗Reに流れ込む電流の増加分がそのまま折り返されて高いインピーダンスを持つ出力段15のバッファ(Q41及びQ43)の電位を上昇させる。
Next, the operation of the first embodiment will be described.
In the first embodiment, the collector currents of the first buffer 11 and the second buffer 12 using the complementary bipolar transistors Q11, Q12 and Q21, Q22 are converted into the first current-voltage conversion circuit 13 and the second current, respectively. The current-voltage conversion circuit 14 has a folded structure with a current mirror circuit. Therefore, when the voltage at the positive input terminal + tin rises, the increase in the current flowing into the emitter connection resistor Re is folded as it is, and the potential of the buffers (Q41 and Q43) of the output stage 15 having high impedance is raised.

正極側入力端子+tinと負極側入力端子−tinの電位が等しくなると電流増加分が消失するので、その電位で出力は安定する。本実施形態では、電流の切り替えで増幅を行っており、バイポーラトランジスタの電流は電圧より早く切り替えることが可能なため高速動作が可能となる。
このとき、第1のバッファ11及び第2のバッファ12を設けて、これらを電流経路とすることで電圧帰還の演算増幅器を実現している。エミッタ接続抵抗Reで接続された4つのトランジスタQ11,Q12及びQ21,Q22と電源側に配置された第1の電流電圧変換回路13及び第2の電流電圧変換回路14を構成するカレントミラー回路とは電流動作しているために非常に高速である。最終的に出力段15のバイポーラトランジスタQ41,Q43で電圧変換されるために、この部分で速度制限を受けるが、各バイポーラトランジスタの面積とバイアス電流を最適に設定することで高速な増幅が可能となる。
When the potentials of the positive electrode side input terminal + tin and the negative electrode side input terminal -tin become equal, the increase in current disappears, and the output is stabilized at that potential. In this embodiment, amplification is performed by switching the current, and the current of the bipolar transistor can be switched faster than the voltage, so that high-speed operation is possible.
At this time, a voltage feedback operational amplifier is realized by providing the first buffer 11 and the second buffer 12 and using these as current paths. What are the four transistors Q11, Q12 and Q21, Q22 connected by the emitter connection resistor Re and the current mirror circuit constituting the first current-voltage conversion circuit 13 and the second current-voltage conversion circuit 14 arranged on the power supply side? Very fast due to current operation. Since the voltage is finally converted by the bipolar transistors Q41 and Q43 in the output stage 15, the speed is limited in this portion, but high speed amplification is possible by optimally setting the area and bias current of each bipolar transistor. Become.

そして、入力端子+tin及び−tinをnチャネル接合型電界効果トランジスタQ15及びQ25のゲートに接続することにより、入力インピーダンスを高めることができるとともに、バイポーラトランジスタを使用して第1バッファ11及び第2バッファ12、第1電流電圧変換回路13及び第2電流電圧変換回路14、出力段15を構成することにより、高速性能はほとんど損なわれること無く、電圧帰還型演算増幅器を構成することが可能となる。
また、高SNを実現するためには、演算増幅器自体の低ノイズ化が重要となる。そのためにはトランジスタに与えるバイアス電流値を適切に設定することが重要である。特に、チャージアンプに用いる場合には高周波の電圧ノイズ密度が重要なので、まずこれについて述べる。
By connecting the input terminals + tin and -tin to the gates of the n-channel junction field effect transistors Q15 and Q25, the input impedance can be increased, and the first buffer 11 and the second buffer can be formed using bipolar transistors. 12, the first current-voltage conversion circuit 13, the second current-voltage conversion circuit 14, and the output stage 15 constitute a voltage feedback operational amplifier with almost no loss of high-speed performance.
In order to realize a high SN, it is important to reduce the noise of the operational amplifier itself. For that purpose, it is important to appropriately set a bias current value to be applied to the transistor. In particular, when used in a charge amplifier, high-frequency voltage noise density is important.

無帰還の場合、演算増幅器の自己ノイズは全てのデバイスで発生するノイズの総和で与えられるが、通常帰還をかけてゲインを限定して使用する。この場合、負帰還ループの外側にあるデバイスから発生するノイズは負帰還により修正されるので、負帰還の効果がある周波数帯域では無視することができる。したがって、ノイズを考慮するときには、帰還ループ内のデバイスが発生するノイズのみに着目すればよい。したがって、正極側入力端子+tinから負極側入力端子−tinまでのデバイスから発生するノイズを考慮すればよい。具体的には、図1でQ15−Q11−Re−Q21−Q25の電流経路で、もう1つは、Q15−Q13−Q14−Q12−Re−Q22−Q24−Q23−Q25の電流経路である。
接合型電界効果トランジスタQ15及びQ25の電圧ノイズVfetは周波数の関数であり、以下の式(1)で表すことができる。
In the case of non-feedback, the self-noise of the operational amplifier is given by the sum of noises generated in all devices, but is usually used with limited gain by applying feedback. In this case, noise generated from a device outside the negative feedback loop is corrected by the negative feedback and can be ignored in the frequency band where the negative feedback effect is present. Therefore, when considering noise, it is only necessary to focus on noise generated by devices in the feedback loop. Therefore, it is only necessary to consider noise generated from devices from the positive input terminal + tin to the negative input terminal −tin. Specifically, in FIG. 1, the current path is Q15-Q11-Re-Q21-Q25, and the other is the current path of Q15-Q13-Q14-Q12-Re-Q22-Q24-Q23-Q25.
The voltage noise Vfet of the junction field effect transistors Q15 and Q25 is a function of frequency and can be expressed by the following equation (1).

Figure 2015190030
Figure 2015190030

ここで、kはボルツマン定数、gmJFETは接合型電界効果トランジスタの相互コンダクタンス、Tは絶対温度である。また、KJFETは接合型電界効果トランジスタの形状に起因する定数であって、それぞれのプロセスによって変化する。
また、バイポーラトランジスタの電圧ノイズは以下の式(2)で表すことができる。
Here, k is the Boltzmann constant, g mJFET is the mutual conductance of the junction field effect transistor, and T is the absolute temperature. K JFET is a constant attributed to the shape of the junction field effect transistor, and changes depending on each process.
The voltage noise of the bipolar transistor can be expressed by the following formula (2).

Figure 2015190030
Figure 2015190030

ここで、gmBJTはバイポーラトランジスタの相互コンダクタンス、rはベース抵抗(通常5Ω程度)である。
また、抵抗の電圧ノイズは、Rを抵抗値として以下の式(3)で表すことができる。
Here, g mBJT transconductance, r b of the bipolar transistor is the base resistance (usually about 5 [Omega).
Further, the voltage noise of the resistor can be expressed by the following formula (3), where R is a resistance value.

Figure 2015190030
Figure 2015190030

小信号でのダイオードの抵抗rは、qを素電荷、Iをダイオードを流れる電流として

Figure 2015190030
にて表すことができるが、これはモデル上のもので、物理的な抵抗ではない。したがって、熱ノイズへの寄与は考えなくて良い。
以上より、ノイズを加算すればよいのだが、バイポーラトランジスタQ11,Q12(Q21、Q22)は並列なので半分のノイズになることに注意する。結果としてトータルノイズVnは、以下の式(5)で表すことができる。Resistance r d of the diodes in the small signal, q the elementary charge, as current through the diode I d
Figure 2015190030
This is on the model, not a physical resistance. Therefore, it is not necessary to consider the contribution to thermal noise.
From the above, it is only necessary to add noise, but it should be noted that the bipolar transistors Q11 and Q12 (Q21, Q22) are in parallel because of the parallel noise. As a result, the total noise Vn can be expressed by the following equation (5).

Figure 2015190030
Figure 2015190030

ここで、2KJFET/fは1/fノイズであり、適切な接合型電界効果トランジスタを選択すれば、測定周波数で問題となるノイズを発生させないようにできる。その他の項は抵抗成分の和になっており、抵抗による熱ノイズを計算していることになる。
一般的な接合型電界効果トランジスタのコンダクタンスgmはIs/1V(Isはソース電流)程度であり、高性能なものでもIs/0.2Vなのに対して、バイポーラトランジスタのコンダクタンスgmは良く知られているようにIc/26mVである。これは同じ電流を流した時に接合型電界効果トランジスタの換算抵抗は、バイポーラトランジスタに比べて10〜40倍高いことを示している。
Here, 2K JFET / f is 1 / f noise, and if an appropriate junction field effect transistor is selected, noise that causes a problem at the measurement frequency can be prevented. The other terms are the sum of the resistance components, and the thermal noise due to the resistance is calculated.
A common junction field effect transistor has a conductance gm of about Is / 1V (Is is a source current), and even a high-performance type has Is / 0.2V, whereas a bipolar transistor has a well-known conductance gm. Thus, Ic / 26 mV. This indicates that the equivalent resistance of the junction field effect transistor is 10 to 40 times higher than that of the bipolar transistor when the same current flows.

たとえば、高性能な接合型電界効果トランジスタで、1mAのソース電流のとき、およそ5mS(前記(5)式の抵抗換算で約270Ω)の相互コンダクタンスを持っている接合型電界効果トランジスタを使用したときを例に考える。
図2は接合型電界効果トランジスタの電流IJFETが1mAのときに図1の演算増幅器が持つ電圧ノイズ密度を、(5)式の1/fノイズ項を無視して計算した結果である。この図2から明らかなように、バイポーラトランジスタの電流IBPTが接合型電界効果トランジスタの電流IJFETの1/10である0.1mA以上では、ほぼ一定値をとるが、その値より小さくすると、急激にノイズ増加する。図3は接合型電界効果トランジスタの電流IJFETを10mAにした場合であるが、やはりバイポーラトランジスタの電流IBPTを接合型電界効果トランジスタの電流IJFETの1/10の1mA以下にした場合、急激にノイズが上昇する。
For example, when a high-performance junction field effect transistor having a mutual conductance of about 5 mS (about 270 Ω in terms of resistance in the equation (5)) is used when the source current is 1 mA. Take the example.
FIG. 2 shows the result of calculating the voltage noise density of the operational amplifier of FIG. 1 while ignoring the 1 / f noise term in the equation (5) when the current I JFET of the junction field effect transistor is 1 mA. As is apparent from FIG. 2, when the current I BPT of the bipolar transistor is 0.1 mA or more, which is 1/10 of the current I JFET of the junction field effect transistor, it takes a substantially constant value. Noise increases suddenly. FIG. 3 shows the case where the current I JFET of the junction field effect transistor is set to 10 mA, but when the current I BPT of the bipolar transistor is reduced to 1 mA which is 1/10 of 1/10 of the current I JFET of the junction field effect transistor, Noise increases.

ノイズ設計は以下のように行う。まず、求める機器のノイズ量から接合型電界効果トランジスタの電流を定める。このことは図2及び図3では平坦部のノイズを設定することにあたる。ここでは2例しか計算していないが、図2の接合型電界効果トランジスタの電流IJFETが1mAの場合、2.2nV/√Hz、図3の接合型電界効果トランジスタの電流IJFETが10mAの場合1nV/√Hzになる。Noise design is performed as follows. First, the current of the junction field effect transistor is determined from the amount of noise of the required device. This corresponds to setting the noise of the flat portion in FIGS. Here not only calculate two cases, but if the current I JFET junction field effect transistor of Fig 2 is 1mA, 2.2nV / √Hz, the current I JFET junction field effect transistor of FIG. 3 10 mA of In this case, 1 nV / √Hz.

次にバイポーラトランジスタの電流値を決める。このバイポーラトランジスタの電流IBPTは、図2及び図3からも明らかなように接合型電界効果トランジスタの電流IJFET以上に設定してもノイズは低下せず、温度上昇などの消費電流が増加することによる弊害が多くなる。普通、ノイズを低下させるには電流量を下げるようにするが、バイポーラトランジスタの電流量が接合型電界効果トランジスタの電流IJFETの1/10以下になるとノイズが増大するため低ノイズの演算増幅器としての意味が無くなる。このため、バイポーラトランジスタの電流IBPTは接合型電界効果トランジスタの電流IJFETと同等か僅かに小さい値に設定することにより、電圧ノイズ密度を抑制しながら消費電流の増加による温度上昇の弊害を抑制することができる。Next, the current value of the bipolar transistor is determined. As is clear from FIGS. 2 and 3, even if the current I BPT of the bipolar transistor is set to be higher than the current I JFET of the junction field effect transistor, noise does not decrease and current consumption such as temperature rise increases. The harmful effects caused by this increase. Normally, the amount of current is reduced to reduce noise, but the noise increases when the current amount of the bipolar transistor becomes 1/10 or less of the current IJFET of the junction field effect transistor. The meaning of disappears. For this reason, the current I BPT of the bipolar transistor is set to a value that is equal to or slightly smaller than the current I JFET of the junction field effect transistor, thereby suppressing the adverse effect of temperature rise due to an increase in current consumption while suppressing the voltage noise density. can do.

ところで、nチャネル接合型電界効果トランジスタQ15及びQ25に代えてMOS型電界効果トランジスタを適用する場合には、MOS型電界効果トランジスタの1/fノイズが大きいことから、電圧ノイズ密度を抑制することができず、低ノイズ特性の演算増幅器を構成することができない。しかも、各バイポーラトランジスタに代えてMOS型電界効果トランジスタを適用した場合には、電圧ノイズ密度がさらに増加することになり、低ノイズ特性の演算増幅器を構成することは全くできない。   By the way, when a MOS field effect transistor is applied instead of the n-channel junction field effect transistors Q15 and Q25, the 1 / f noise of the MOS field effect transistor is large, so that the voltage noise density can be suppressed. It is impossible to construct an operational amplifier with low noise characteristics. In addition, when a MOS field effect transistor is applied in place of each bipolar transistor, the voltage noise density is further increased, and an operational amplifier having low noise characteristics cannot be constructed at all.

また、本実施形態では、第1のバッファ11のコンプリメンタリ接続したバイポーラトランジスタQ11及びQ12のエミッタ間の接続点と第2のバッファ12のコンプリメンタリ接続したバイポーラトランジスタQ21及びQ22のエミッタ間の接続点とをエミッタ接続抵抗Reを介して接続している。このように、エミッタ接続抵抗Reを配置することにより、コンプリメンタリ接続される4つのバイポーラトランジスタQ11,Q12及びQ21,Q22の特性にバラツキがある程度大きい場合でもよりエミッタ接続抵抗Reによって特性のバラツキを吸収して安定した回路とすることができる。   In this embodiment, the connection point between the emitters of the complementary transistors Q11 and Q12 of the first buffer 11 and the connection point between the emitters of the bipolar transistors Q21 and Q22 of the second buffer 12 are connected. They are connected via an emitter connection resistor Re. As described above, by arranging the emitter connection resistor Re, even if the characteristics of the four bipolar transistors Q11, Q12 and Q21, Q22 that are connected in a complementary manner have a certain degree of variation, the emitter connection resistor Re absorbs the variation in characteristics. And a stable circuit.

ちなみに、エミッタ接続抵抗Reを省略して、コンプリメンタリ接続したバイポーラトランジスタQ11及びQ12のエミッタ間の接続点とコンプリメンタリ接続したバイポーラトランジスタQ21及びQ22のエミッタ間の接続点とを直接接続した場合には、バイポーラトランジスタQ11,Q12及びQ21,Q22の特性のバラツキに応じて接続部を流れる電流が安定せず、正常な動作が損なわれることになる。   Incidentally, when the emitter connection resistor Re is omitted and the connection point between the emitters of the complementary transistors Q11 and Q12 and the connection point between the emitters of the complementary transistors Q21 and Q22 connected directly are bipolar. The current flowing through the connecting portion is not stable according to variations in the characteristics of the transistors Q11, Q12 and Q21, Q22, and normal operation is impaired.

さらに、本実施形態では、nチャネル接合型電界効果トランジスタQ15及びQ25の正極側電源ラインLp側にnpn型バイポーラトランジスタQ16及びQ26をカスコード接続し、バイポーラトランジスタQ16及びQ26のベース電位をグランド電位と電源電位との中間電位に固定している。
このため、第1のバッファ11及び第2のバッファ12のバイアス回路21及び24のバイアス電圧が正極側電源ラインLpからの電源電圧変動の影響を受けることを防止することができ、第1のバッファ11と第1の電流電圧変換回路13及び第2の電流電圧変換回路14との間の接続点から出力される出力電圧の変動を抑制することができる。
Further, in this embodiment, npn-type bipolar transistors Q16 and Q26 are cascode-connected to the positive-side power supply line Lp side of the n-channel junction field effect transistors Q15 and Q25, and the base potentials of the bipolar transistors Q16 and Q26 are connected to the ground potential and the power supply. It is fixed at an intermediate potential.
Therefore, it is possible to prevent the bias voltages of the bias circuits 21 and 24 of the first buffer 11 and the second buffer 12 from being affected by the power supply voltage fluctuation from the positive power supply line Lp. 11 and the first current-voltage conversion circuit 13 and the second current-voltage conversion circuit 14 can be prevented from changing in output voltage.

なお、上記第1の実施形態においては、nチャネル接合型電界効果トランジスタQ15及びQ25と正極側電源ラインLpとの間に同極性のnpn型バイポーラトランジスタQ16及びQ26を接続した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、nチャネル接合型電界効果トランジスタQ15及びQ25と異極性のpチャネル接合型電界効果トランジスタを適用するようにしてもよい。   In the first embodiment, the case where npn-type bipolar transistors Q16 and Q26 having the same polarity are connected between the n-channel junction field effect transistors Q15 and Q25 and the positive power supply line Lp has been described. The present invention is not limited to this, and p-channel junction field effect transistors having different polarities from the n-channel junction field effect transistors Q15 and Q25 may be applied.

また、上記第1の実施形態では、nチャネル接合型電界効果トランジスタQ15及びQ25と正極側電源ラインLpとの間にnpn型バイポーラトランジスタQ16及びQ26をカスコード接続した場合について説明した。しかしながら、本発明では、上記構成に限定されるものではなく、npn型バイポーラトランジスタQ16及びQ26に代えて定電流源を適用するようにしても良い。   In the first embodiment, the case where the npn bipolar transistors Q16 and Q26 are cascode-connected between the n-channel junction field effect transistors Q15 and Q25 and the positive power supply line Lp has been described. However, the present invention is not limited to the above configuration, and a constant current source may be applied instead of the npn-type bipolar transistors Q16 and Q26.

また、上記第1の実施形態においては、nチャネル接合型電界効果トランジスタQ15及びQ25、npn型バイポーラトランジスタQ16及びQ26を第1のバッファ11及び第2のバッファ12と正極側電源ラインLpとの間に介挿した。しかしながら、本発明では、上記構成に限定されるものではなく、図4に示すように、第1のバッファ11及び第2のバッファ12のバイアス回路21及び24と正極側電源ラインLpとの間にカレントミラー回路22を介挿し、第1のバッファ11及び第2のバッファ12のバイアス回路21及び24と負極側電源ラインLnとの間にpチャネル接合型電界効果トランジスタQ51及びQ52を介挿し、これらpチャネル接合型電界効果トランジスタQ51及びQ52に同極性のpnp型バイポーラトランジスタQ53及びQ54をカスコード接続するようにしてもよい。この場合も前述した第1の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。勿論、pnp型バイポーラトランジスタQ53及びQ54に代えてpチャネル接合型電界効果トランジスタを適用するようにしてもよい。   In the first embodiment, the n-channel junction field effect transistors Q15 and Q25 and the npn bipolar transistors Q16 and Q26 are connected between the first buffer 11 and the second buffer 12 and the positive power supply line Lp. Inserted. However, the present invention is not limited to the above configuration, and as shown in FIG. 4, between the bias circuits 21 and 24 of the first buffer 11 and the second buffer 12 and the positive power supply line Lp. A current mirror circuit 22 is inserted, and p-channel junction field effect transistors Q51 and Q52 are inserted between the bias circuits 21 and 24 of the first buffer 11 and the second buffer 12 and the negative power supply line Ln. The pnp bipolar transistors Q53 and Q54 having the same polarity may be cascode-connected to the p-channel junction field effect transistors Q51 and Q52. Also in this case, the same effect as that of the first embodiment described above can be obtained. Of course, p-channel junction field effect transistors may be applied instead of the pnp bipolar transistors Q53 and Q54.

次に、本発明の第2の実施形態を図5に基づいて説明する。
この第2の実施形態は、前述した第1の実施形態における演算増幅器1を使用してチャージアンプを構成したものである。
この第2の実施形態では、演算増幅器1の負極側入力端子−tinすなわちnチャネル接合型電界効果トランジスタQ25のゲートが可変容量センサの例えば1pFの微小容量の可変容量CSENSを介して入力端子tinに接続されている。ここで、可変容量センサとしては、MEMS(Micro Electro Mechanical System)構造を利用した加速度、振動等の物理量を検出するセンサが適用されている。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In the second embodiment, a charge amplifier is configured using the operational amplifier 1 in the first embodiment described above.
In the second embodiment, the negative side input terminal -tin of the operational amplifier 1, that is, the gate of the n-channel junction field effect transistor Q25 is connected to the input terminal tin via the variable capacitance C SENS of a minute capacitance of, for example, 1 pF of the variable capacitance sensor. It is connected to the. Here, as the variable capacitance sensor, a sensor that detects a physical quantity such as acceleration or vibration using a MEMS (Micro Electro Mechanical System) structure is applied.

また、可変容量CSENSとnチャネル接合型電界効果トランジスタQ25のゲートとの接続点と、出力端子toutと出力段15との接続点との間にフィードバック用の抵抗Rf及びキャパシタCfの並列回路が接続されてチャージアンプ50が構成されている。これら抵抗Rf及びキャパシタCfによって演算増幅器1の出力信号が負極側入力端子−tinに負帰還されている。Further, a parallel circuit of a feedback resistor Rf and a capacitor Cf is provided between the connection point between the variable capacitor C SENS and the gate of the n-channel junction field effect transistor Q25 and the connection point between the output terminal tout and the output stage 15. The charge amplifier 50 is configured by being connected. The output signal of the operational amplifier 1 is negatively fed back to the negative input terminal -tin by the resistor Rf and the capacitor Cf.

このように、演算増幅器1を使用してチャージアンプ50を構成することにより、動作領域における出力端子toutから出力される出力電圧Voutと、入力端子tinに入力される入力電圧Vinとの関係は、

Figure 2015190030
で表される。
したがって、入力電圧Vinを一定値に制御すれば、可変容量CSENSの変化量に比例した出力電圧Voutを得ることができる。Thus, by configuring the charge amplifier 50 using the operational amplifier 1, the relationship between the output voltage Vout output from the output terminal tout in the operation region and the input voltage Vin input to the input terminal tin is
Figure 2015190030
It is represented by
Therefore, if the input voltage Vin is controlled to a constant value, an output voltage Vout proportional to the amount of change of the variable capacitor C SENS can be obtained.

この第2の実施形態によると、前述した第1の実施形態における高速性能を有しながら低ノイズ特性を有する演算増幅器1を利用してチャージアンプ50を構成しているので、演算増幅器1の高速性能及び低ノイズ性能を引き継いだチャージアンプとなる。
この第2の実施形態におけるチャージアンプ50の高速性能を確認するために、図6に示す従来型のチャージアンプ110との性能比較を行った。ここで、従来型のチャージアンプ110の構成は、nチャネル接合型電界効果トランジスタQ111及びQ112と抵抗R111及びR112の直列回路を並列に接続した差動増幅回路111を有する。この差動増幅回路111は、抵抗R111及びR112のnチャネル接合型電界効果トランジスタQ111及びQ112とは反対側が互いに接続されて正極側電源ラインLpに接続されている。また、nチャネル接合型電界効果トランジスタQ111及びQ112のソースが互いに接続されて定電流源113を介して負極側電源ラインLnに接続されている。
According to the second embodiment, the charge amplifier 50 is configured by using the operational amplifier 1 having the low noise characteristics while having the high speed performance in the first embodiment described above. It becomes a charge amplifier that inherits performance and low noise performance.
In order to confirm the high-speed performance of the charge amplifier 50 in the second embodiment, a performance comparison with the conventional charge amplifier 110 shown in FIG. 6 was performed. Here, the configuration of the conventional charge amplifier 110 includes a differential amplifier circuit 111 in which n-channel junction field effect transistors Q111 and Q112 and a series circuit of resistors R111 and R112 are connected in parallel. In the differential amplifier circuit 111, the opposite sides of the resistors R111 and R112 to the n-channel junction field effect transistors Q111 and Q112 are connected to each other and connected to the positive power supply line Lp. The sources of the n-channel junction field effect transistors Q111 and Q112 are connected to each other and connected to the negative power line Ln via the constant current source 113.

また、差動増幅回路111の差動出力が演算増幅器114の反転入力端子及び非反転入力端子に接続され、この演算増幅器114の出力側に出力端子toutが接続されている。
さらに、nチャネル接合型電界効果トランジスタQ111のゲートは接地され、nチャネル接合型電界効果トランジスタQ112のゲートが可変容量センサの可変容量CSENSを介して入力端子tinに接続され、可変容量CSENS及びnチャネル接合型電界効果トランジスタQ112のゲートとの間の接続点と演算増幅器114の出力側との間にフィードバック用の抵抗Rf及びキャパシタCfの並列回路が接続されている。
The differential output of the differential amplifier circuit 111 is connected to the inverting input terminal and the non-inverting input terminal of the operational amplifier 114, and the output terminal tout is connected to the output side of the operational amplifier 114.
Further, the gate of the n-channel junction field effect transistor Q111 is grounded, and the gate of the n-channel junction field effect transistor Q112 is connected to the input terminal tin via the variable capacitor C SENS of the variable capacitance sensor, and the variable capacitors C SENS and A parallel circuit of a feedback resistor Rf and a capacitor Cf is connected between a connection point between the gate of the n-channel junction field effect transistor Q112 and the output side of the operational amplifier 114.

そして、図5に示す本発明のチャージアンプ50と図6に示す従来型のチャージアンプ110の入力端子tinに、それぞれ8Vで10MHzの入力電圧Vinを印加した場合の出力波形のゲイン及び位相を測定した。
これらゲイン及び位相の測定結果を、図7(a)及び(b)に示す。図7(a)のように、従来型のチャージアンプ110では、ゲインは破線図示のように周波数が1MHzを超えると緩やかに低下し始めるが、本発明のチャージアンプ50ではゲインが実線図示のように周波数が例えば60MHzを超えると急峻に低下する。
Then, the gain and phase of the output waveform are measured when the input voltage Vin of 8 V and 10 MHz is applied to the input terminal tin of the charge amplifier 50 of the present invention shown in FIG. 5 and the conventional charge amplifier 110 shown in FIG. did.
The measurement results of these gains and phases are shown in FIGS. 7 (a) and 7 (b). As shown in FIG. 7A, in the conventional charge amplifier 110, the gain begins to gradually decrease when the frequency exceeds 1 MHz as shown by the broken line, but in the charge amplifier 50 of the present invention, the gain is shown as the solid line. When the frequency exceeds 60 MHz, for example, it sharply decreases.

また、図7(b)のように、位相については、従来型のチャージアンプ50では周波数が500kHzを超えると低下し始めるが、本発明のチャージアンプ50では例えば3MHzを超えると緩やかに低下し始める。
この結果、本発明のチャージアンプ50では、入力電圧Vinの周波数が10MHzである場合でも、位相遅れ時間が3nsec程度でゲインの低下もなく十分に動作することが確認された。しかしながら、従来型のチャージアンプ110では、位相遅れ時間が16nsecでゲインも61%に低下してしまい十分な動作を行うことができない。
Further, as shown in FIG. 7B, the phase starts to decrease when the frequency exceeds 500 kHz in the conventional charge amplifier 50, but starts to gradually decrease when the frequency exceeds 3 MHz, for example. .
As a result, it was confirmed that the charge amplifier 50 of the present invention operates satisfactorily with a phase delay time of about 3 nsec and no gain reduction even when the frequency of the input voltage Vin is 10 MHz. However, the conventional charge amplifier 110 cannot perform a sufficient operation because the phase delay time is 16 nsec and the gain is reduced to 61%.

また、出力電圧Voutについては、図8に示すように、本発明のチャージアンプ50では、実線図示のように±4Vの範囲で変化する出力波形となるが、従来型のチャージアンプ110の場合には破線図示のように±2Vの範囲で変化する出力波形となり、本発明のチャージアンプ50の半分の出力電圧となる。
さらに、本発明のチャージアンプ50を可変容量測定へ適用した場合のノイズ特性は、図9に示すようになる。従来型のチャージアンプ110のノイズ特性も、同じ入力のnチャネル接合型電界効果トランジスタを適用すれば本発明と殆どかわらないノイズ特性が得られる。図9で、10kHz以上のノイズが変化しない平坦な部分は演算増幅器自体のノイズが支配的な部分であり、同一ゲインで延長した図中の細い点線で示したノイズが大きなノイズの中に隠れて存在している。
Further, as shown in FIG. 8, the output voltage Vout has an output waveform that changes within a range of ± 4 V as shown by the solid line in the charge amplifier 50 of the present invention. As shown by the broken line, the output waveform changes within a range of ± 2 V, which is half the output voltage of the charge amplifier 50 of the present invention.
Furthermore, the noise characteristics when the charge amplifier 50 of the present invention is applied to variable capacitance measurement are as shown in FIG. As for the noise characteristics of the conventional charge amplifier 110, if an n-channel junction field effect transistor having the same input is applied, a noise characteristic almost the same as that of the present invention can be obtained. In FIG. 9, the flat portion where the noise of 10 kHz or more does not change is the portion where the noise of the operational amplifier itself is dominant, and the noise indicated by the thin dotted line in the figure extended with the same gain is hidden in the large noise. Existing.

そして、100kHz以下で増大していくノイズは、帰還抵抗Rfによるもので、チャージアンプを構成する場合に避けられない。したがって、可変容量センサに応用する場合は図に示した平坦部が現れる周波数領域で使用すれば最も低ノイズの特性を得られることになる。
従来型のチャージアンプ110では、10MHzではゲイン及び位相特性が悪化するので、1MHz以下で使用しなければならない。また、10kHz以下では帰還抵抗ノイズが増大するので、丁度中心周波数の100kHz程度で使用するのが望ましいことになる。しかしながら、この条件は帰還抵抗Rfの抵抗値として1000MegΩを確保できる場合である。1000MegΩの高抵抗は、工業的には作成可能であるが、実際に使用する場合には、経年劣化及び基板若しくはウェハの寄生抵抗の影響による抵抗低下が発生する可能性が高く、不安定な回路となってしまう。
The noise increasing at 100 kHz or less is due to the feedback resistor Rf, and is unavoidable when configuring a charge amplifier. Therefore, when applied to a variable capacitance sensor, the lowest noise characteristic can be obtained if it is used in the frequency region where the flat portion shown in the figure appears.
In the conventional charge amplifier 110, since the gain and phase characteristics deteriorate at 10 MHz, it must be used at 1 MHz or less. Moreover, since feedback resistance noise increases at 10 kHz or less, it is desirable to use it at a center frequency of about 100 kHz. However, this condition is a case where 1000 MegΩ can be secured as the resistance value of the feedback resistor Rf. A high resistance of 1000 MegΩ can be produced industrially, but in actual use, there is a high possibility that the resistance will decrease due to aging and the parasitic resistance of the substrate or wafer. End up.

本発明では、上述したように、従来型に比べて周波数でおよそ1桁の高速化が可能となっている。このことは測定周波数が1MHzでも十分な余裕を持って動作可能なことを意味し、ひいては帰還抵抗Rfによるノイズ増加にも余裕を持つことができる。図9において太い破線は、帰還抵抗Rfを100MegΩに設定した場合のノイズ特性を示す。100MegΩに設定した場合、ノイズが上昇する周波数は100kHzとなるが1MHzの動作点に対してはまだ余裕がある。経年劣化による抵抗低下も30MegΩまでは許容されるので、実用上問題のないチャージアンプを提供することができる。   In the present invention, as described above, the frequency can be increased by about one digit compared with the conventional type. This means that even if the measurement frequency is 1 MHz, the operation can be performed with a sufficient margin. As a result, the noise can be increased due to the feedback resistor Rf. In FIG. 9, a thick broken line indicates a noise characteristic when the feedback resistance Rf is set to 100 MegΩ. When set to 100 MegΩ, the frequency at which the noise rises is 100 kHz, but there is still room for the 1 MHz operating point. Since the resistance drop due to deterioration over time is allowed up to 30 MegΩ, a charge amplifier having no practical problem can be provided.

次に、本発明の第3の実施形態を図10について説明する。
この第3の実施形態では、前述した第1の実施形態における演算増幅器を使用して差動型のチャージアンプを構成したものである。
すなわち、第3の実施形態では、上述した第2の実施形態と同様に、上述した第1の実施形態の演算増幅器1の反転入力側端子と出力側端子との間にフィードバック用の抵抗Rf及びキャパシタCfの並列回路が接続されている。
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In the third embodiment, a differential charge amplifier is configured using the operational amplifier in the first embodiment described above.
That is, in the third embodiment, like the second embodiment described above, the feedback resistor Rf and the feedback resistor Rf between the inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier 1 of the first embodiment described above are provided. A parallel circuit of the capacitor Cf is connected.

また、演算増幅器1の反転入力端子及び非反転入力端子に、一方の可変容量が増加すると他方の可変容量が減少する差動構造を有する可変容量センサ60の一方の可変容量CSENSM及び他方の可変容量CSENSPが接続されている。
この可変容量センサ60は、MEMS(Micro Electro Mechanical System)構造を利用した加速度、振動等の物理量を検出するセンサが適用され、可変容量CSENSM及びCSENSPはともに例えば1pFと微小容量とされている。そして、可変容量CSENSMと演算増幅器1の反転入力端子との間と接地との間に例えば10pFのキャパシタCppが接続され、同様に、可変容量CSENSPと演算増幅器1の非反転入力端子との間と接地との間に例えば10pFのキャパシタCpmが接続されている。
In addition, one variable capacitor C SENS M of the variable capacitance sensor 60 having a differential structure in which one variable capacitor decreases at the inverting input terminal and the non-inverting input terminal of the operational amplifier 1 and the other variable capacitor decreases, A variable capacitor C SENS P is connected.
The variable capacitance sensor 60 is a sensor that detects physical quantities such as acceleration and vibration using a MEMS (Micro Electro Mechanical System) structure, and the variable capacitances C SENS M and C SENS P are both 1 pF and a small capacitance, for example. ing. A capacitor Cpp of 10 pF, for example, is connected between the variable capacitor C SENS M and the inverting input terminal of the operational amplifier 1 and the ground. Similarly, the variable capacitor C SENS P and the non-inverting input terminal of the operational amplifier 1 are connected. For example, a capacitor Cpm of 10 pF is connected between the capacitor and the ground.

各可変容量CSENSM及びCSENSPの演算増幅器1とは反対側の電極には例えば100kHzで±8Vの交流キャリア信号を出力する交流発振器61が接続されている。
また、演算増幅器1の出力側には復調回路としての掛け算器62が接続され、この掛け算器62に交流発振器61の交流キャリア信号が入力されている。この掛け算器62で復調された容量検出信号は抵抗R1及びキャパシタC1で構成されるローパスフィルタ63によってノイズ除去して出力端子Toutから出力される。
An AC oscillator 61 that outputs an AC carrier signal of ± 8 V at 100 kHz, for example, is connected to the electrode on the opposite side of the operational amplifier 1 of each variable capacitor C SENS M and C SENS P.
Further, a multiplier 62 as a demodulation circuit is connected to the output side of the operational amplifier 1, and the AC carrier signal of the AC oscillator 61 is input to the multiplier 62. The capacitance detection signal demodulated by the multiplier 62 is subjected to noise removal by a low-pass filter 63 including a resistor R1 and a capacitor C1, and is output from an output terminal Tout.

また、可変容量センサ60の可変容量CSENSPと演算増幅器1の非反転入力端子との間と接地との間に調整用のトリマキャパシタCpinと抵抗Rpinとの並列回路が接続されている。ここで、トリマキャパシタCpinは、チャージアンプ50の出力となる掛け算器62の入力信号に含まれる100kHzのキャリア信号が最小になるように調整するものである。
このようにチャージアンプ50を構成すると、出力端子Toutに接続されるローパスフィルタ63のカットオフ周波数(例えば72.3Hz)以下の容量変化を測定することができる。
Further, a parallel circuit of an adjustment trimmer capacitor Cpin and a resistor Rpin is connected between the variable capacitor C SENSP of the variable capacitor 60 and the non-inverting input terminal of the operational amplifier 1 and the ground. Here, the trimmer capacitor Cpin is adjusted so that the 100 kHz carrier signal included in the input signal of the multiplier 62 which is the output of the charge amplifier 50 is minimized.
When the charge amplifier 50 is configured in this way, it is possible to measure a change in capacitance of the low-pass filter 63 connected to the output terminal Tout below a cutoff frequency (for example, 72.3 Hz).

この第3の実施形態の回路構成において、演算増幅器1を構成する接合型電界効果トランジスタQ15及びQ25にカスコード接続するバイポーラトランジスタQ16及びQ26が有る場合と無い場合の電源電圧依存性として、演算増幅器1に供給される動作電源であるVddの電圧を変化させて出力電圧を測定した。なお、可変容量センサ60には外力を加えず、静止状態を保った。この測定結果を図11に示す。
この図11から明らかなように、カスコード接続したトランジスタがある場合、動作電源Vddの電圧を変化させても出力値に変化は見られず、“0”Vを維持するが、カスコード接続したトランジスタが無い場合には、動作電源Vddの電圧の1Vの変化でおよそ1.5mVの出力変化が見られた。
In the circuit configuration of the third embodiment, the operational amplifier 1 is shown as the power supply voltage dependency with and without the bipolar transistors Q16 and Q26 cascode-connected to the junction field effect transistors Q15 and Q25 constituting the operational amplifier 1. The output voltage was measured by changing the voltage of Vdd, which is the operating power supply supplied to the power supply. The variable capacitance sensor 60 was kept stationary without applying an external force. The measurement results are shown in FIG.
As is apparent from FIG. 11, when there is a cascode-connected transistor, the output value does not change even when the voltage of the operating power supply Vdd is changed, and “0” V is maintained. In the absence, an output change of about 1.5 mV was observed with a change of 1 V in the voltage of the operating power supply Vdd.

この現象は差動型チャージアンプのプラスとマイナスの入力容量が異なることに起因して発生する現象である。完全な容量バランスが取れた場合には、このような現象は発生しないことは回路シミュレーションにより確認できるが、実際の回路では、可変容量センサ60の容量ばらつきや、プラスとマイナスのゲインを決定している容量などのばらつきが存在する。このばらつきをトリマキャパシタCpinでゲイン調整してゼロ点を決めているが、演算増幅器1の入力容量がnチャネル接合型電界効果トランジスタQ15及びQ25のソースドレイン電圧に依存しているために、カスコード接続したトランジスタの無い場合、電源電圧を変化させると容量バランス、すなわちゲインバランスが崩れてしまうことに起因して上述のような出力変化の現象が発生する。
シミュレーションで容量バランスを検討した結果、本実施形態では0.1pF程度の容量アンバランスがあることが判った。この程度のアンバランスは製造上容易に発生してしまう。
This phenomenon occurs due to the difference between the positive and negative input capacities of the differential charge amplifier. It can be confirmed by circuit simulation that such a phenomenon does not occur when the capacitance balance is perfect, but in an actual circuit, the capacitance variation of the variable capacitance sensor 60 and the plus and minus gains are determined. There are variations in capacity. The zero point is determined by adjusting the gain of this variation with the trimmer capacitor Cpin. However, since the input capacitance of the operational amplifier 1 depends on the source-drain voltages of the n-channel junction field effect transistors Q15 and Q25, the cascode connection In the absence of such a transistor, when the power supply voltage is changed, the capacity balance, that is, the gain balance is lost, and the above-described output change phenomenon occurs.
As a result of examining the capacitance balance by simulation, it was found that there is a capacitance imbalance of about 0.1 pF in this embodiment. This level of imbalance can easily occur in manufacturing.

一方、高分解能の可変容量センサの場合、5uV程度の分解能が必要になる。したがって、カスコード接続したトランジスタの無い場合、本実施例では許容される電源電圧変動は5mV程度となる。このような電源は、たとえば鉛蓄電池などで実現できるが、センサ機器の小型化が困難になってしまう。
したがって、高分解能センサに応用する場合には、前述した第1の実施形態のように、nチャネル接合型電界効果トランジスタQ15及びQ25のドレイン側すなわち正極側電源ラインLp側に同極性のトランジスタをカスコード接続することにより、電源電圧の変動の影響を抑制することが望ましい。
On the other hand, in the case of a high-resolution variable capacitance sensor, a resolution of about 5 uV is required. Therefore, when there is no cascode-connected transistor, the allowable power supply voltage fluctuation is about 5 mV in this embodiment. Such a power supply can be realized by, for example, a lead storage battery, but it is difficult to reduce the size of the sensor device.
Therefore, when applied to a high-resolution sensor, as in the first embodiment described above, transistors having the same polarity are cascaded on the drain side of the n-channel junction field effect transistors Q15 and Q25, that is, on the positive power supply line Lp side. By connecting, it is desirable to suppress the influence of fluctuations in the power supply voltage.

1…演算増幅器、Lp…正極側電源ライン、Ln…負極側電源ライン、11…第1のバッファ、12…第2のバッファ、13…第1の電流電圧変換回路、14…第2の電流電圧変換回路、15…出力段、Q11〜Q14…バイポーラトランジスタ、Q15…接合型電界効果トランジスタ、Q16…カスコード接続したバイポーラトランジスタ、Q21〜Q24…バイポーラトランジスタ、21,24…バイアス回路、22…カレントミラー回路、Re…エミッタ接続抵抗、Q25…接合型電界効果トランジスタ、Q26…カスコード接続したバイポーラトランジスタ、+tin…正極側入力端子、−tin…負極側入力端子、Q31〜Q37…バイポーラトランジスタ、41,42…定電流回路、Q41〜Q44…バイポーラトランジスタ、50…チャージアンプ、CSENS…可変容量、60…可変容量センサ、61…交流発振器、62…掛け算器、63…ローパスフィルタDESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Operational amplifier, Lp ... Positive electrode side power supply line, Ln ... Negative electrode side power supply line, 11 ... 1st buffer, 12 ... 2nd buffer, 13 ... 1st current-voltage conversion circuit, 14 ... 2nd current voltage Conversion circuit, 15 ... output stage, Q11 to Q14 ... bipolar transistor, Q15 ... junction field effect transistor, Q16 ... cascode-connected bipolar transistor, Q21-Q24 ... bipolar transistor, 21,24 ... bias circuit, 22 ... current mirror circuit , Re ... Emitter connection resistance, Q25 ... Junction field effect transistor, Q26 ... Cascode-connected bipolar transistor, + tin ... Positive side input terminal, -tin ... Negative side input terminal, Q31-Q37 ... Bipolar transistor, 41, 42 ... Constant Current circuit, Q41 to Q44 ... bipolar transistor, 0 ... charge amplifier, C SENS ... variable capacitor 60 ... variable capacitance sensor, 61 ... AC generator, 62 ... multiplier, 63 ... low-pass filter

上記目的を達成するために、本発明に係る演算増幅器の一態様は、正極電源ラインと負極電源ラインとの間に順方向に電流が流れるように直列に介挿されたダイオードと、互いのエミッタ間を接続し、前記制御電源ライン側のダイオードのアノードにベースを接続したnpnバイポーラトランジスタ及び前記負極電源ライン側のダイオードのカソードにベースを接続したpnpバイポーラトランジスタとを有する第1及び第2のバッファと、前記第1及び第2のバッファにおける前記npnバイポーラトランジスタ及び前記pnpバイポーラトランジスタのエミッタ間の接続点間に介挿された抵抗と、前記第1及び第2のバッファにおける前記npnバイポーラトランジスタ及び前記pnpバイポーラトランジスタのコレクタのうち高い電位側を接続する前記正極電源ラインに接続した第1の電流電圧変換回路と、当該コレクタのうち低い電位側を接続する前記負極電源ラインに接続した第2の電流電圧変換回路と、前記第1及び第2のバッファにおけるダイオードの前記アノード及び前記npnバイポーラトランジスタのベースの接続点にソースを接続し、前記正極電源ライン側にドレインを接続した電圧ノイズ密度を抑制するnチャネルの第1及び第2の接合型電界効果トランジスタと、前記第1及び第2の電流電圧変換回路の出力と電気的に接続され、かつ、該第1及び第2の電流電圧変換回路によって制御される出力段とを備えている。そして、前記第1及び第2の接合型電界効果トランジスタのゲートを入力端子とするとともに、前記出力段の出力を出力端子に電気的に接続して電圧帰還型差動増幅器構成としている。
また、本発明に係るチャージアンプの一態様は、積分回路を構成する演算増幅器として少なくとも上記演算増幅器を適用している。
In order to achieve the above object, one aspect of an operational amplifier according to the present invention includes a diode inserted in series so that a current flows in a forward direction between a positive power supply line and a negative power supply line, and a mutual emitter. First and second buffers having an npn bipolar transistor having a base connected to an anode of a diode on the control power line side and a pnp bipolar transistor having a base connected to a cathode of a diode on the negative power line side A resistor interposed between connection points between the emitters of the npn bipolar transistor and the pnp bipolar transistor in the first and second buffers, the npn bipolar transistor in the first and second buffers, and the High potential among pnp bipolar transistor collectors A first current-voltage conversion circuit connected to the positive power supply line connecting the first current-voltage conversion circuit, a second current-voltage conversion circuit connected to the negative power supply line connecting the lower potential side of the collector, the first and first N-channel first and second junctions for suppressing voltage noise density in which a source is connected to a connection point of the anode of the diode and a base of the npn bipolar transistor in the second buffer and a drain is connected to the positive power supply line side Type field effect transistor, and an output stage electrically connected to the outputs of the first and second current-voltage conversion circuits and controlled by the first and second current-voltage conversion circuits . The gates of the first and second junction field effect transistors are used as input terminals, and the output of the output stage is electrically connected to the output terminal to form a voltage feedback differential amplifier configuration.
In one embodiment of the charge amplifier according to the present invention, at least the operational amplifier is applied as an operational amplifier constituting the integrating circuit.

Claims (10)

正極電源ラインと負極電源ラインとの間に順方向に電流が流れるように直列に接続されたダイオードと、互いのエミッタ間を接続し、前記正極電源ライン側のダイオードのアノードにベースを接続したnpnバイポーラトランジスタ及び前記負極電源ライン側のダイオードのカソードにベースを接続したpnpバイポーラトランジスタとを有する第1及び第2のバッファと、
前記第1及び第2のバッファにおける前記npnバイポーラトランジスタ及び前記pnpバイポーラトランジスタのエミッタ間の接続点間に接続された抵抗と、
前記第1及び第2のバッファにおける前記npnバイポーラトランジスタ及び前記pnpバイポーラトランジスタのコレクタのうち高い電位側を接続する前記正極電源ラインに接続した第1の電流電圧変換回路と、当該コレクタのうち低い電位側を接続する前記負極電源ラインに接続した第2の電流電圧変換回路と、
前記第1及び第2のバッファにおけるダイオードの前記アノード及び前記npnバイポーラトランジスタのベースの接続点にソースを接続し、前記正極電源ライン側にドレインを接続したnチャネルの第1及び第2の接合型電界効果トランジスタと、
前記第1及び第2の電流電圧変換回路の出力と電気的に接続され、かつ、該第1及び第2の電流電圧変換回路によって制御される出力段とを備え、
前記第1及び第2の接合型電界効果トランジスタのゲートを入力端子とするとともに、前記出力段の出力を出力端子に電気的に接続して電圧帰還型差動増幅器構成としたことを特徴とする演算増幅器。
A diode connected in series so that a forward current flows between the positive power supply line and the negative power supply line, and the emitters connected to each other, and a base connected to the anode of the diode on the positive power supply line side First and second buffers each having a bipolar transistor and a pnp bipolar transistor having a base connected to a cathode of a diode on the negative power supply line side;
A resistor connected between connection points between the emitters of the npn bipolar transistor and the pnp bipolar transistor in the first and second buffers;
A first current-voltage conversion circuit connected to the positive power supply line connecting a higher potential side of collectors of the npn bipolar transistor and the pnp bipolar transistor in the first and second buffers, and a lower potential of the collectors; A second current-voltage conversion circuit connected to the negative power line connecting the side;
The n-channel first and second junction types have a source connected to a connection point between the anode of the diode and the base of the npn bipolar transistor in the first and second buffers, and a drain connected to the positive power supply line side. A field effect transistor;
An output stage electrically connected to the outputs of the first and second current-voltage conversion circuits and controlled by the first and second current-voltage conversion circuits;
The gates of the first and second junction field effect transistors are used as input terminals, and the output of the output stage is electrically connected to the output terminal to form a voltage feedback differential amplifier configuration. Operational amplifier.
前記第1及び第2の接合型電界効果トランジスタのドレインと正極電源ラインとの間に当該第1及び第2の接合型電界効果トランジスタと同極性のトランジスタをカスコード接続し、当該トランジスタの制御端子の電位をグランド電位と電源電位との中間電位に固定したことを特徴とする請求項1に記載の演算増幅器。   A transistor having the same polarity as the first and second junction field effect transistors is cascode-connected between the drains of the first and second junction field effect transistors and the positive power supply line, and the control terminal of the transistor is connected 2. The operational amplifier according to claim 1, wherein the potential is fixed to an intermediate potential between a ground potential and a power supply potential. 前記ダイオードはダイオード接続したバイポーラトランジスタで構成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の演算増幅器。   3. The operational amplifier according to claim 1, wherein the diode is composed of a diode-connected bipolar transistor. 正極電源ラインと負極電源ラインとの間に順方向に電流が流れるように直列に介挿されたダイオードと、互いのエミッタ間を接続し、前記正極電源ライン側のダイオードのアノードにベースを接続したnpnバイポーラトランジスタ及び前記負極電源ライン側のダイオードのカソードにベースを接続したpnpバイポーラトランジスタとを有する第1及び第2のバッファと、
前記第1及び第2のバッファにおける前記npnバイポーラトランジスタ及び前記pnpバイポーラトランジスタのエミッタ間の接続点間に介挿された抵抗と、
前記第1及び第2のバッファにおける前記npnバイポーラトランジスタ及び前記pnpバイポーラトランジスタのコレクタのうち高い電位側を接続する前記正極電源ラインに接続した第1の電流電圧変換回路と、当該コレクタのうち低い電位側を接続する前記負極電源ラインに接続した第2の電流電圧変換回路と、
前記第1及び第2のバッファにおけるダイオードの前記カソード及び前記npnバイポーラトランジスタのベースの接続点にソースを接続し、前記負極電源ライン側にドレインを接続したpチャネルの第1及び第2の接合型電界効果トランジスタと、
前記第1及び第2の電流電圧変換回路の出力と電気的に接続され、かつ、該第1及び第2の電流電圧変換回路によって制御される出力段とを備え、
前記第1及び第2の接合型電界効果トランジスタのゲートを入力端子とするとともに、前記出力段の出力を出力端子に電気的に接続して電圧帰還型差動増幅器構成としたことを特徴とする演算増幅器。
A diode inserted in series so that a current flows in a forward direction between the positive power supply line and the negative power supply line, and the emitters connected to each other, and a base connected to the anode of the diode on the positive power supply line side first and second buffers having an npn bipolar transistor and a pnp bipolar transistor having a base connected to the cathode of the diode on the negative power supply line side;
A resistor interposed between connection points between the emitters of the npn bipolar transistor and the pnp bipolar transistor in the first and second buffers;
A first current-voltage conversion circuit connected to the positive power supply line connecting a higher potential side of collectors of the npn bipolar transistor and the pnp bipolar transistor in the first and second buffers, and a lower potential of the collectors; A second current-voltage conversion circuit connected to the negative power line connecting the side;
First and second junction types of p-channel having a source connected to a connection point between the cathode of the diode and the base of the npn bipolar transistor in the first and second buffers and a drain connected to the negative power supply line side. A field effect transistor;
An output stage electrically connected to the outputs of the first and second current-voltage conversion circuits and controlled by the first and second current-voltage conversion circuits;
The gates of the first and second junction field effect transistors are used as input terminals, and the output of the output stage is electrically connected to the output terminal to form a voltage feedback differential amplifier configuration. Operational amplifier.
前記第1及び第2の接合型電界効果トランジスタのドレインと負極電源ラインとの間に当該第1及び第2の接合型電界効果トランジスタと同極性のトランジスタをカスコード接続し、当該トランジスタの制御端子の電位をグランド電位と電源電位との中間電位に固定したことを特徴とする請求項4に記載の演算増幅器。   A transistor having the same polarity as that of the first and second junction field effect transistors is cascode-connected between the drains of the first and second junction field effect transistors and the negative power supply line, and a control terminal of the transistor is connected. 5. The operational amplifier according to claim 4, wherein the potential is fixed to an intermediate potential between the ground potential and the power supply potential. 前記ダイオードはダイオード接続したバイポーラトランジスタで構成されていることを特徴とする請求項4又は5に記載の演算増幅器。   6. The operational amplifier according to claim 4, wherein the diode is a diode-connected bipolar transistor. 前記第1及び第2のバッファにおける各バイポーラトランジスタを流れる電流を、前記第1及び第2の接合型電界効果トランジスタを流れる電流の1/10〜1の範囲となるノイズ抑制電流値に設定したことを特徴とする請求項1乃至6の何れか1項に記載の演算増幅器。   The current flowing through each bipolar transistor in the first and second buffers is set to a noise suppression current value in a range of 1/10 to 1 of the current flowing through the first and second junction field effect transistors. The operational amplifier according to claim 1, wherein: 前記第1及び第2の電流電圧変換回路はそれぞれカレントミラー回路で構成されていることを特徴とする請求項1乃至7の何れか1項に記載の演算増幅器。   The operational amplifier according to claim 1, wherein each of the first and second current-voltage conversion circuits includes a current mirror circuit. 積分回路を構成する演算増幅器として前記請求項1乃至8の何れかに記載の演算増幅器を適用したことを特徴とするチャージアンプ。   9. A charge amplifier characterized by applying the operational amplifier according to claim 1 as an operational amplifier constituting an integrating circuit. 物理量変化に応じた静電容量変化を生じる可動電極及び固定電極で構成される電極部を一対備えた差動構造の物理量センサと、前記一対の電極部における可動電極及び固定電極の一方に供給するバイアス電圧を生成するバイアス電圧生成回路とを備え、前記一対の電極部における可動電極及び固定電極の他方が入力端子に入力されて前記一対の電極部における可動電極及び固定電極間の微小静電容量の差分を前記演算増幅器の第1及び第2の接合型電界効果トランジスタのゲートに入力したことを特徴とする請求項9に記載のチャージアンプ。   A physical quantity sensor having a differential structure having a pair of electrode parts composed of a movable electrode and a fixed electrode that generates a change in capacitance according to a change in physical quantity, and supplying the physical quantity sensor to one of the movable electrode and the fixed electrode in the pair of electrode parts A bias voltage generation circuit that generates a bias voltage, and the other of the movable electrode and the fixed electrode in the pair of electrode portions is input to an input terminal, and the minute capacitance between the movable electrode and the fixed electrode in the pair of electrode portions The charge amplifier according to claim 9, wherein the difference is input to gates of the first and second junction field effect transistors of the operational amplifier.
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