差動増幅器

本発明は、差動増幅器に、特に、差動増幅器における同相電圧の制御に関する。

差動増幅器は、二つの入力信号間の差異を増幅し、増幅された差動信号を出力として生成する。しかしながら、従来から、これらのデバイスは、実際には非理想的であり、例えば、同相信号を差動出力に重ね合わせる傾向がある。同相信号は、両方の入力に存在する信号であり、関心のある差動信号を不明瞭にする傾向がある。同相信号は、多くの場合、両方の入力に伴うエネルギ放射から生じる。同相信号は、公称値が同じ抵抗の抵抗値間の、それぞれに伴う固有の製造公差に起因する差異が原因で、または有限(および温度依存)の抵抗を有しロングテール対として構成されたテールトランジスタからも生じることがある。同相信号の別の発生源は、電源電圧の変動である。多くの場合、差動増幅器を設計するときに、この同相出力信号の存在を可能な限り減少することが目標となる。

従来の差動増幅器では、フィードバックループを用いて差動増幅器への入力を調節することによって、検知された同相電圧を補償する同相フィードバック(CMFB)と呼ばれる技術を利用することがいわば公知となっている。この技術の実施例は、「Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, 5th Edition」, Gray, Hurst, Lewis and Meyer, 2009 Wiley & Sons に載っている。

しかしながら、このような増幅器は、多くの場合、安定化が困難であって、同相出力を測定するため出力端子間に接続された補償用のコンデンサおよび抵抗を必要とするので、帯域幅が劣り、特定の周波数において望ましくない不安定性が生じることがある。フィードバックループは、かなりの電力を必要とする傾向もあるので、電池式のポータブルデバイスなどの低電力用途には適さない。このような増幅器は、起動時間が長く、増幅器が飽和状態になったあとの復旧時間も長いという欠点がある。

本発明は、代替的手法の提供を試みるものである。

本発明は、第一の態様からみると、 トランジスタの差動対と、テールトランジスタと、を備えたロングテール対トランジスタ構成と、 自回路のフィードバック電流を変化させることによって複製電圧を基準電圧に一致させるように構成された複製回路と、を備える差動増幅器であって、 前記複製回路の前記フィードバック電流を変化させることによって、前記ロングテール対トランジスタ構成の前記テールトランジスタに、前記テールトランジスタを流れるテール電流を制御するバイアス電圧を供給し、前記ロングテール対トランジスタ構成の同相電圧を決定する、差動増幅器を提供する。

したがって、本発明によれば、前記複製回路が、所与の瞬間におけるロングテール対の状態をモデル化し、フィードフォワード制御を行うことによって、前記ロングテール対の同相電圧を特定の値に設定できることが当業者にはわかるであろう。こうすれば、前記複製回路が、デバイスの製造に伴う工程変動はもちろん、温度変動などの局所パラメータ変動を補償することもできるという優位性がある。また、このような回路を設計するときに軽減する努力を必要とする、フィードバック回路の実装に伴う不安定性の問題も取り除くことができるという優位性もある。

前記テールトランジスタは、電流源として機能し、通常、前記トランジスタの差動対と電源回路線または一般に接地との間に配置されることが当業者には理解できるであろう。しかしながら、これは必須ではなく、他のトポロジも構想される。例えば、前記差動対とテールトランジスタとの間にカスケードトランジスタ構成を設置すれば、単一テールトランジスタ構成と比較すると前記電流源の出力抵抗が増加し、性能が向上することになる。

また、前記複製回路は、複製するように設計された元の回路のコンポーネントと同様に(ただし、必ずしも同一ではなく)配置されたコンポーネントを備えることが好ましいことも当業者には理解できるであろう。

多くの場合、最新の回路設計において電力は最優先の考慮事項である。フィードバックを使用することによって、差動増幅器の出力に存在する同相電圧を制御する従来の差動増幅器は、電池式のデバイスなどの低電力用途にとって望ましい電力よりも多くの電力を消費する。本発明に係り提供されるフィードフォワード制御を使用すれば、同相電圧を十分に制御しつつ、差動増幅器に必要な電力を減少することができる優位性をもつ。

差動増幅器を構成する多くの手法がある。一例ではシングルエンド出力が提供されるが、該出力は、二つの入力信号間の差異を増幅したものであり、所定値、多くの場合、接地に対して相対的な値である。これは、当技術分野においてシングルエンド増幅器として公知である。しかしながら、多くの場合、該出力は二つの入力信号間の差異を増幅したものであるが、所定ではない値の前後を変動するような差動増幅器を構成することが望ましい。これは、当技術分野において完全差動増幅器として公知である。完全差動増幅器は、多くの場合、次に後続の差動対へのダブルエンド入力として使用される該増幅器のダブルエンド出力を出力できるので、有用である。言い換えれば、完全差動増幅器を利用すればカスケード接続が容易になる。また、完全差動増幅器は、シングルエンド増幅器の場合に同様の利得を提供するのに必要となる電流ミラーなどの追加回路を必要とせずに、シングルエンド増幅器の2倍の利得を提供することができる。いくつかの一連の実施形態において、差動増幅器は、完全差動増幅器として構成される。

前述のように、特定の増幅回路にとって二つ以上の差動段を備えることが望ましいことがある。本発明によれば、前記フィードフォワード制御を二つ以上の差動対に適用することによって、特定の同相出力を維持するために各差動対に専用のフィードバック制御を行う必要性をなくすことができる。同じフィードフォワード制御を複数の差動対に対して使用すれば、従来の差動増幅器設計を採用した場合よりもコンポーネントの数が少なく必要となる電力も少ない多段増幅器を実装することができる優位性がある。いくつかの一連の実施形態において、前記複製回路は、前記差動対および少なくとももう一つ追加の差動対における前記同相電圧を制御する。複数の前記差動対は、(例えば、ロングテール対を備えたすべてが)同様または同一であると好都合であるが、異なってもよい。

前記複製回路を使用することによって、前記差動増幅器の出力に存在する前記同相電圧の一定制御を行うことができる。前記複製回路は、前記差動増幅器の出力に存在する前記同相電圧の複製を行い、内部のフィードバックループのフィードバック電流を調節することによって、所望の基準電圧になるまで前記複製電圧を駆動する。

フィードバックを使用せずに前記差動増幅器の出力に存在する前記同相電圧を制御するためには、前記同相電圧の局所的な複製を有することが望ましい。前記複製電圧が前記同相電圧の最新状態を反映するためには、前記複製回路が前記差動増幅器のトポロジを反映することが好都合であるが、片方の前記差動対のみが前記同相電圧をモデル化すればよいので、必ずしも前記複製回路が差動対全体を備える必要はない。いくつかの一連の実施形態において、前記複製回路は、差動対の半分を備えたフィードバックループを含む。いくつかの一連の実施形態において、前記フィードバックループは、増幅器をさらに備える。

差動対トランジスタは、負荷を介して電源電圧に接続してもよい。従来の差動増幅器構成では、前述の負荷は、一般的に、トランジスタを備えた能動負荷である。しかしながら、出願人は、状況次第でトランジスタを抵抗に置き換えることが好都合であると理解するに至った。この行為は、抵抗が利得および駆動強度を低減するので、増幅器構成において一般的ではないであろう。しかしながら、フィルタ用途における前記回路の使用を再検討する中で、高利得は必須ではなく、固定抵抗によって、前記複製回路によって制御されたテール電流と前記差動増幅器の出力に存在する前記同相電圧との間が線形関係になると判明した。したがって、いくつかの一連の実施形態において、前記トランジスタの差動対の少なくとも一つは、抵抗を介して電源電圧に接続される。

必要となる電力が大幅に削減される理由は、各差動対が専用のフィードバック回路を必要とするのではなく、単一の複製回路が複数の差動対を駆動できるからであることが当業者には理解できるであろう。また、当業者であれば、前記差動対の外部に複製電圧を生成することによって、従来の差動増幅回路において必要となるコンポーネントよりも低電力のコンポーネントを使用して同じ電圧が得られることも理解するであろう。この理由は、前記複製回路の一部である抵抗またはトランジスタなどいずれのコンポーネントも、すべて、前記回路の効果を同じに維持しつつ前記複製回路の消費電力が減少するように規模を縮小できるからである。前記複製回路は、増幅器に起因して従来のフィードバックループよりも多くの電力を必要とするかもしれないが、当業者であれば、複数の差動対を同じ複製回路で駆動することによって、この必要電力増加を打ち消すことができることを理解するであろう。いくつかの一連の実施形態において、前記複製回路は、前記ロングテール対トランジスタ構成の電流よりも少ない電流を使用するように規模が縮小される。いくつかの別の一連の実施形態では、前記複製回路は、前記ロングテール対トランジスタ構成の電流の50%未満を使用するように規模が縮小される。

半導体デバイスの製造に使用できる多くの異なるトランジスタ技術がある。しかしながら、低電力用途では、電界効果トランジスタ(FET)が、低電流動作要件の理由から最も適切な技術である。いくつかの一連の実施形態において、前記差動増幅器は、電界効果トランジスタを備える。

本発明は、第二の態様からみると、前述の差動増幅器を備える電池式集積回路を提供する。

次に、ほんの一例として、本発明の実施形態を、添付の図面を参照しながら説明することにする。

本発明の典型的な実施形態の回路図である。

図1は、本発明の典型的な実施形態の回路図を示す。差動増幅器は、ロングテール対2と、複製回路4と、を備える。複製回路4は、さらに詳細を後述するように、ロングテール対2のテールトランジスタ10に接続される出力を提供する。

ロングテール対2は、それぞれのソースが互いに接続されたのちにテールトランジスタ10を介して接地14に接続されるように配置されたNチャネル電界効果トランジスタの差動対6、8を備える。そして、それぞれのトランジスタのドレインは、それぞれの抵抗16、18を介して正電源12に接続される。そして、NチャネルFET6、8の各々のゲートは、それぞれ、正信号入力20および負信号入力22に接続される。この差動入力は、当業者にはいわば公知であるやり方で、ロングテール対を駆動する。

複製回路4は、差動対トランジスタ6、8と同様に機能するトランジスタ30を備えて、ロングテール対の半分に類似するフィードバックループを配置した高利得増幅器28を備える。高利得増幅器28は、正電源12および接地14に接続され、負入力には基準電圧36が供給される。この基準電圧36は、ロングテール対2の同相電圧がこれと同じになるまで駆動される電圧である。

さらに後述するように、高利得増幅器28の出力は、ロングテール対2のテールトランジスタ10はもちろん、フィードバックループ内の複製テールトランジスタ32も駆動する。複製テールトランジスタ32は、フィードバックループの周囲を流れる電流量を変化させ、この電流が、抵抗38に起因して複製電圧34を変化させる。高利得増幅器28は、複製電圧34と基準電圧36との間の差異を増幅するので、これらの間に差異があると、複製テールトランジスタ32は、電圧間の差異に対抗するように作用して、基準電圧36に一致させるように複製電圧34を駆動する。

高利得増幅器28からの出力は、上述したように、テールトランジスタ10にも接続される。こうすれば、複製テールトランジスタ32で行われる動作が、テールトランジスタ10で行われる同様の動作として反映されることによって、ロングテール対2を流れる電流を制御できることが保証される。固定抵抗16、18があるので、この電流制御は、ロングテール対2の出力24、26に存在する同相電圧を制御することと相似しており、複製電圧34および基準電圧36に一致させるように同相電圧を駆動する。

複製回路4内のトランジスタ30、32および抵抗38は、ロングテール対の電流の4分の1を使用するように縮小される。これにより、ロングテール対2の同相電圧を制御する能力を維持しつつ、複製回路4の消費電力を減少することができる。

追加の差動対40は、これらを追加のテールトランジスタ42、44、46に接続することによって、同じ複製回路4によって駆動することができる。高利得増幅器28の出力を追加のテールトランジスタ42、44、46のゲートに接続することによって、ロングテール対2の出力に提供されるのと同じ同相電圧をそれぞれの出力端で供給することができる。

上述したように、フィードフォワード同相信号制御を有する差動増幅器について説明したことがわかるであろう。特定の実施形態を詳細に説明したが、本発明の範囲内において多くの変更および変形が可能である。

複製回路は、ロングテール対(複数可)の出力に存在する同相電圧をリアルタイムにモデル化する。フィードバックループ内の高利得増幅器は、同相電圧の複製を基準電圧と比較し出力電圧を変化させることによって、基準電圧の値になるまで同相電圧を駆動する、すなわち、高利得増幅器の出力電圧は、複製電圧と基準電圧との間の差異に依存する。その結果、テールトランジスタ(複数可)が、自らを通って流れ得る電流を変化させる。次に、この制御された電流が、ロングテール対(複数可)の出力に存在する実際の同相電圧を基準電圧の値になるまで駆動する。現実には、これによって、出力信号が集中する電圧を、基準電圧の値の前後までシフトさせる。