JP3110743B2

JP3110743B2 - レール間入力能力を有する迅速応答差動増幅器

Info

Publication number: JP3110743B2
Application number: JP02235481A
Authority: JP
Inventors: フィリップテロジョン
Original assignee: コーニンクレッカフィリップスエレクトロニクスエヌヴィ
Priority date: 1989-09-08
Filing date: 1990-09-05
Publication date: 2000-11-20
Anticipated expiration: 2015-11-20
Also published as: EP0416703B1; KR910007242A; EP0416703A2; DE69020266D1; JPH03104407A; DE69020266T2; HK164996A; KR0146358B1; EP0416703A3; US4977378A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、半導体集積回路の形態で作り得る差動増幅
器に関するものであり、更に具体的には、第一の入力端
子と第二の入力端子間に差動的に加えられた入力信号を
増幅するために、第一の電圧と第二の電圧の差を供給電
圧の範囲を限定する電力供給電圧とし、該二つの電圧源
間に結合される電子回路に関するものである。

〔従来の技術〕

差動入力信号を増幅する場合、集積回路の部分を形成
する差動増幅器には、低電力供給電圧がしばしば使われ
る。これは、入力信号のコモンモード差動部の電圧の範
囲を厳しく別限するものである。従って増幅器は、レー
ル間の入力能力を有するものであることが望ましい。即
ち、増幅された出力信号は、コモンモード電圧が電力供
給電圧の全範囲を移動するに従い、入力信号を表すもの
でなければならない。

レール間入力能力を達成するために、補足的な対の入
力トランジスタを用いた差動増幅器に関する幾つかの実
施態様が、米国特許第4,555,673号に述べられている。
図面に関して、第１図は米国特許第4,555,673号に開示
された、バイポーラの実施態様の一つを示すものであ
る。この装置は、入力電圧をV_I1とV_I2として、入力端子
T_I1とT_I2との間に差動的に与えられる入力信号を増幅す
るものである。入力信号のコモンモード電圧V_CMは、V_I1
＋V_I2/2である。

第１図の装置は、高供給電圧V_HH（高レール）と低供
給電圧V_LL（低レール）源間に結合される。電圧差V_HH−
V_LLは、増幅器への全部の電力供給源である。V_PSは、2V
_BEより幾らか大きい。ここで、V_BEはバイポーラ・トラ
ンジスタがＴ度ターンオンする時に、そのベースエミッ
タの結合点を通る標準電圧の絶対値である。V_BEは約0.6
〜0.8ボルトである。

この増幅器は、供給点P₁とV_LLの供給との間に結合さ
れ、主電流源６を有する。電流源６は、一対の差動部８
と10へ主電流I_Lを与える。第１図の回路では、電流I_Lは
主として動作電流I_P1とI_P2に分けられる。

差動部８は、増幅器によって信号を高レール迄増幅さ
せているNPN入力トランジスタQ₁とQ₂から構成される。
電圧V_I1とV_I2は、トランジスタQ₁とQ₂のベースに加えら
れる。これらのエミッタは、動作電流I_P1を受け入れら
れるよう、P₁点で一緒に結合される。入力コモンモード
の電圧V_CMが、V_HHから低下し、V_LLより大きい前記電圧
との間を移動するV_PSの範囲の一部にある場合、トラン
ジスタQ₁とQ₂は、電流I_P1の殆どを中間電流I_AとI_Bとに
分けることによって、入力信号を増幅させる。ここで中
間電流I_AとI_Bとの差は、入力信号を表すものである。差
動部10は、コモンモード信号により入力信号を、少なく
ともV_CMより高いシフトされた差動信号に変換する電圧
レベルシフト回路を含んでいる。レベルシフト回路12
は、増幅器により信号を低レール迄下げるPNP入力トラ
ンジスタQ₃とQ₄のまわりに集められる。電圧V_I1とV
_I2は、トランジスタQ₃とQ₄のベースに与えられる。これ
らのコレクタはV_LL供給に結合される。

トランジスタQ₃とQ₄のエミッタは、シフトされた差動
信号が加えられる接続点N₁とN₂へ、レベルシフト抵抗器
RL₁とRL₂を介して結合される。Q₃とQ₄のベースエミッタ
の結合点は、レベルシフトのIV_BEの部分になるようにす
る。抵抗器R_L1とR_L2は、必要に応じ1V_BE以上のレベルシ
フトに増加する。

電流源16と18は、レベルシフトのために供給電流I_H1
とI_H2を加える。電流源16は、接続点N₁とV_HH供給との間
に結合される。同様に、電流源18は接続点N₂とV_HH供給
との間に結合される。

差動部10での実際の信号は、NPNトランジスタQ₅とQ₆
からなる増幅回路14によって増幅させる。接続点N₁とN₂
でシフトされた差動信号は、トランジスタQ₅とQ₆のベー
スに与えられる。これらのエミッタは、動作電流I_P2を
受け入れられるように、共に供給点P₂で結合される。電
圧V_CMがV_LLから、V_HHより低い前記電圧迄の範囲の部分
にある場合、トランジスタQ₅とQ₆は殆どの電流を、中間
電流I_CとI_Dに分けることにより（レベルシフトされた形
態で）、差動入力信号を増幅する。ここで、中間電流I_C
とI_Dの差は入力信号を表す。

増幅器の最終構成要素は、NPN制御トランジスタであ
り、そのエミッタとコレクタはそれぞれP₁点とP₂点に結
合される。トランジスタQ_Nは、そのベースに加えられる
制御電圧V_RNに応答し、V_CMの関数として電流I_P1とI_P2の
値を調節する。制御電圧V_RNは、V_LL＋V_SM＋V_BEからV_HH
−V_SM−V_BE迄の範囲にある。V_SMの安全の余裕は小さ
く、通常0.2〜0.3ボルトである。

第２図は、第１図の回路の動作を理解する上で有用な
理想的なグラフである。前記方法にて電圧V_RNを選択す
ることにより、差動部８と10が信号を増幅するV_PSの範
囲の部分が部分的に重複する。差動部８と10は、V_CMが
通常V_RNに集まっている狭い中間のサブレンジ内にある
場合、共に作動上導電状態にある。第２図ではこのサブ
レンジは、V_RN−V_WからV_RN＋V_Wの間に広がり、ここで2
_VWは約100ミリボルトのサブレンジ巾である。

V_CMがV_LCからV_HHへ増加するにつれ、差動部10はま
ず、全ての信号を与える。V_LCからV_RN−V_Wの範囲の低サ
ブレンジを通過する。すると、トランジスタQ₃〜Q₆がタ
ーンオンとなる。トランジスタQ₁とQ₂は、差動部８が非
導電状態になるようターンオフする。そこで増幅器は、
トランシスタQNが次第にV_RN−V_WからV_RN＋V_Wの範囲の中
間サブレンジを通過する。トランジスタQ₅とQ₆は、トラ
ンジスタQ₁とQ₂が次第にターンオンとなるにつれ、次第
にターンオフとなる。

差動増幅器は最終的には、差動部８が全ての信号を与
えるところのV_RN＋V_WとV_HHの範囲の高サブレンジを通過
する。トランジスタQ₁とQ₂は完全にターンオンとなる。
トランジスタQ₅とQ₆は、この様に差動部10がターンオフ
となるよう、非導電状態にある。もしV_CMがV_HHに十分近
ければ、トランジスタQ₃とQ₄はターンオフとなる。

回路相互コンダクタンス、つまり出力電流の差I₀₁−I
₀₂の増分変化と入力電圧コレクタV_I1−V_I2の増分変化の
差との比、は第１図の差動増幅器中の電流I_P1とI_P2の合
計に比例する。トランジスタQ_Nが与える電流動作により
I_P1とI_P2の合計は、V_PSの範囲にあるV_CMがどんな値をと
っても、I_Lにほぼ等しい。この結果、相互コンダクタン
スは殆ど一定である。V_CMがV_PSの範囲を通過するにつ
れ、相互コンダクタンス中に大きな変化が生ずる状態に
対して、差動増幅器が負のフィードバックを有する演算
増幅器の状態で使用される場合、第１図の回路の一定の
相互インダクタンスはV_CMの値とは無関係に、最適周波
数での応答をできるようにする。

V_CMが、トランジスタQ₃とQ₄がターンオフとなるに十
分な点に迄高くなると、レベルシフトの電流源16と18は
飽和になるか、もしくはターンオフとなる。V_CMがトラ
ンジスタQ₃とQ₄をターンオン状態に戻すに足る程十分に
低下した場合、電流源16と18がそれにより、通常の非飽
和の十分な導電状態に戻るために、比較的長い時間がか
かる。従って、入力差V_I1−V_I2の値の変化に対する増幅
器の回路の応答は著しく遅い。トランジスタQ₃とQ₄のタ
ーンオフが基本的に避けられない限り、電流源16と18が
回路の差動の間に飽和にならぬよう、或いは又、ターン
オフとならぬようにすることが強く望まれる。従って本
発明の目的は、この問題を打破する解決策を与えるもの
である。

〔発明の概要〕

本発明に係わる電子回路は、第一及び第二入力端子間
に作動的に加えられる入力信号を増幅するために、第一
供給電圧と第二供給電圧の差が供給電圧の範囲を限定す
る電力供給電圧である該二つの電圧源の間に連結された
電子回路であって、上記回路は、コモンモード電圧V_CM
が第二供給電圧に及ぶ供給範囲の一部にある場合に入力
信号を増幅するための第一差動手段であって、第一極性
型の同様に形成された第一及び第二入力増幅器を備えて
おり、該第一及び第二増幅器はそれぞれ第一及び第二入
力端子に連結された各制御電極を有し、各第一１フロー
電極は第一供給点に連結される一方、各第二フロー電極
はそれぞれと第一及び第二出力端子に連結される第一差
動手段と、コモンモード電圧V_CMが第一供給電に及ぶ供
給範囲の一部にある場合に入力信号を増幅するための第
二差動手段であって、上記供給範囲の二つの部分は一部
重複しており、（ａ）第一極性型とは逆の第二極性型の
同様に形成された第三及び第四入力増幅器であって、そ
れぞれ第一及び第二入力端子に連結された各制御電極を
有し、各第一フロー電極はそれぞれ第一及び第二結合点
に連結される一方、各第二フロー電極は第一供給電圧源
に連結される第三及び第四増幅器と、（ｂ）第一結合点
と第二供給電圧源の間に連結された第一電流供給と、
（ｃ）第二結合点と第二供給電圧源との間に連結された
第二電流供給源と、（ｄ）第一極性型の同様に形成され
た第５及び第６増幅器であって、それぞれ第一及び第二
結合点に連結された各制御電極を有し、各第一フロー電
極は第二供給点に連結される一方、各第三フロー電極は
それぞれ第一及び第二出力端子に連結される第五及び第
六増幅器とを備えた第二差動手段と、第一供給点と第一
供給電圧源との間に連結された主電流源と、第一極性型
の制御増幅器であって、制御電圧を受容するための制御
電極を有して、第一フロー電極は第一供給点に連結され
る一方、第二フロー電極は第二供給点に連結される制御
増幅器とを備えている。

この電子回路の特長は、V_CMが本質的に全供給範囲を
通過するにつれ、第１と第２の電流源を動作上導電状態
にしておく電流動作手段にある。

この電流動作手段により、V_CMが全供給範囲を通過す
るにつれ、第一と第二のレベルシフト電流源は、動作上
導電状態に保たれる。電圧のレベルシフト回路がターン
オフになると、電流動作手段はレベルシフト電流源から
与えられた電流のために、第一の電圧供給に通路を開
く。これは一般的に、第一と第二の接続点で電圧を適切
に固定することを必要とする。V_CMが第二の供給電圧に
近づくと、レベルシフト供給は望ましくない状態になる
のを防ぐ。従って本電子回路は、V_CMが全供給範囲間を
変化するにつれ、入力電圧差の変化に対し迅速に応答す
るものである。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を添付図面を参照して説明す
る。

第３図は、相対するレール間入力能力と制御相互イン
ダクタンスを有する差動増幅器の全体構成を図解したも
のである。入力コモンモードV_CMが、V_CCからV_HH迄のV_PS
全範囲に渡る変化の値に関わらず迅速な応答ができるよ
う、本発明の教示に基づき電流動作機構が増幅器に用い
られる。

第３図の増幅装置では、文字Ａで始まる参照記号によ
り識別される種々の三電極が使われる。Ａの各増幅器に
は、フロー電極（1Eと2E）間の電流量を制御するため
に、制御電極（1E）、第二のフロー電極（2E）、及び制
御電極（CE）が設けられる。Ａの各増幅器のフロー電極
間を移動する電荷キャリヤ、即ち電子又はホールは、第
一のフロー電極から流れ始め、第二のフロー電極で終わ
る。制御電極と第一のフロー電極間の電圧が特定の限界
レベルを越えるとき、電流が流れ始める。制御電極に流
れる電流（もしあるとすれば）は、別のフロー電極間を
流れる電流よりはるかに小さい。

Ａの各増幅器は、なるべくなら単一のトランジスタで
構成するようにした方が良い。バイポーラ・トランジス
タの場合、そのエミッタ、コレクタ、ベースなどはそれ
ぞれ、第一電極、第二電極、制御電極に相当する。これ
らのエレメントは、それぞれ絶縁ゲート又は接合タイプ
のいずれかのフィールド効果トランジスタ（FET）に対
するソース、ドレーン、ゲートである。

ある場合には、Ａの各増幅器には１個以上のトランジ
スタを用いても良い。一例としてバイポーラ・ダーリン
トン回路があるが、ここでは入力トランジスタのエミッ
タが付随トランジスタのベースに結合されている。この
場合、増幅器Ａの制御電極は入力トランジスタのベース
（に結合され）、一方第一と第二の制御電極は付随トラ
ンジスタのエミッタとコレクタ（に結合される）。

二つ（又はそれぞれ）の増幅器Ａを述べるときに用い
る如く、「類似構成の」とは、増幅器が同じ方法で相互
結合される対応エレメントを有すること、及び対応エレ
メントの各セットが同じ半導体の極性から成っているこ
とを意味する。同様にダーリントン回路では、入力トラ
ンジスタが同じ極性から成り、且つ付随トランジスタが
同じ極性（入力トランジスタの極性と違ったものであっ
ても）である限り、類似構成である。

もし電子が、一つの増幅器Ａのフロー電極間を移動
し、一方ホールは別の増幅器Ａのフロー電極間を移動す
る場合、二つの増幅器を「補足的」又は「異極性的」と
呼ぶことができる。このようにして、PNPトランジスタ
で形成される増幅器Ａは、NPNトランジスタで形成され
る異極性から成る。第３図の差動増幅器は、P₁点とV_LL
間に結合される主電流源６から供給電流I_Lを受け入れる
ところの差動的に増幅する差動部20と22のまわりに集め
られる。差動部20と22は、共に入力電圧V_I1とV_I2との差
で形成される入力信号を増幅するように作動する。V_CM
が低下して、V_LLより幾分大きい前記電圧V_AL迄V_PSの範
囲の部分にある場合は、差動部20は動作上導電状態にあ
る。V_CMがV_LLから上昇して、V_HHより幾らか小さい前記
電圧V_AH迄のV_PSの範囲の部分にある場合、差動部22は動
作上導電状態にある。回路パラメータは、V_AHがV_ALより
大きくなるように選ぶ。即ち、V_PSの範囲の二つの部分
は部分的に重複する。その結果差動部20と22は、差動増
幅器が相対レール入力能力を可能とするように、中間の
V_ALからV_AH迄のサブレンジ内で共に導電状態にある。

差動部20は、第一の極性型、類似構成の入力増幅器A₁
とA₂によって形成される。増幅器A₁とA₂の第一の電極
は、動作電流I_P1を受け入れるために供給点P₁で共に結
合される。入力電圧V_I1とV_I2は、増幅器A₁とA₂の制御電
極へ供給される。その中の第二の電極は、差動20の出力
信号として補足的中間電流I_AとI_Bを加える。V_CMがV_AL〜
V_HHの範囲にあるときは、差が入力信号を表す値のこと
ろで、増幅器A₁とA₂は電流I_P1の殆どをI_AとI_Bに振り分
ける。

差動部22は、差動信号をコモンモード電圧が特定の量
だけV_CMより大きくなるシフトされた差動信号に変換す
るために、電圧レベルシフト回路24を含む。レベルシフ
ト回路の主要部分は、第一の極性タイプとは正反対の第
二の極性タイプの、類似構成の入力増幅器A₃とA₄とから
構成される。電圧V_I1とV_I2は、増幅器A₃とA₄の制御電極
により与えられる。増幅器A₃とA₄は、増幅器A₁とA₂に対
し補足的であるため、差動部22は差動部20からV_PSの反
対側の端で信号を増幅する。

A₃とA₄の第一の電極は、シフトされた差動信号が供給
される接続点N₁とN₂に結合される。電圧レベルシフト
は、増幅器A₃、A₄各々の制御電極と第一の電極との間で
起こる。もしレベルシフトが、必要とする全レベルシフ
ト以下の場合、レベルシフトエレメント26は接続点N₁と
A₃の第一の電極との間に結合される。

レベルシフト電流源16と18は、供給電流I_H1を与えら
れるために、接続点N₁とN₂でV_HH供給へ結合される。電
流I_H1とI_H2は実質上等しい。増幅器A₃とA₄が、レベルシ
フト回路24が導電状態となるようにターンオンとなる
と、電流I_H1とI_H2はレベルシフト26と28及び増幅器A₃と
A₄を各々V_LL供給へと流れる。

増幅器A₃とA₄がレベルシフト回路24を非導電状態とな
るようターンオンするV_HHへV_CMが十分近づくと、電流動
作回路はI_H1とI_H2がV_LL供給へ流れるよう代わりの通路
を与える。電流動作回路の作動は、増幅器A₃とA₄がター
ンオンとなると、飽和又はターンオフのような好ましく
ない状態になるのを防ぐ。従って電流源16と18は、V_CM
がV_PSの範囲を十分に通過する迄（非飽和な）完全な導
電状態を維持する。

電流動作の作動は、接続点N₁とN₂での電圧が、V_CMがV
_HHに近づくと電流源16と18を好ましくない状態となる値
に上昇するのを防いだりもする。特に電流動作回路は、
接続点N₁での電圧と固定している関連電圧との差V_C1が
特定の値V_CM _AXを越えるのを防ぐ。この動作回路は又、
接続点N₂での電圧と電圧V_PCとの差V_C2がV_CM _AXを越える
のを防ぐ。

N₁の電圧とV_HHとの差が、最低値V_MI _NH又はそれ以下
になった場合、電流源16は好ましくない状態（つまり飽
和）に陥ることがある。同様に、N₂での電圧とV_HHがV_MI
_NHと等しいかそれ以下になると、電流源18は好ましく
ない状態になることがある。この結果、V_CM _AXはV_HH−V
_MI _NH−V_RCより若干低い。V_MI _NHは一般的に0.1〜0.3ボ
ルトである。

差動増幅器がレベルシフト26と28を含む通常の場合に
対しては、電流動作回路はなるべくなら第３図に示すよ
うなクランプ30と32を用いるようにした方が良い。クラ
ンプ30は、レベルシフト26とA₃の第一の電極との間の通
路にある接続点N₃とV_LL供給との間に結合される。同様
にクランプ32は、レベルシフト28とA₄の第一の電極との
間の通路にある接続点N₄とV_LL供給との間に結合され
る。

前記状態において、クランプ30と32は接続点N₃とN₄で
の電圧にのみ直接作用する。即ちクランプ30は、V_RCとN
₃での電圧が与えられた値以上になるのを防ぎ、一方ク
ランプ32はV_RCとN₄での電圧が与えられた値以上になる
のを防ぐ。接続点N₁とN₂でのクランピングは、レベルシ
フト26と28を通して行われ、これらのレベルシフトはク
ランプ30と32のクランピング電圧に加えられる。これに
よりレベルシフト26と28は、ここで電流動作回路の部分
を形成する。この構成の利点は又、V_CMがV_HHに極めて接
近するとき、クランピング30と32はエレメント26と28が
ターンオフとなるのを防ぐという点である。

或いはクランプ30と32は、第３図で点線で示されるよ
うに接続点N₁とN₂に直接結合される。代替的に、レベル
シフト26と28の存在の有無に関わらず使用できる。もし
エレメント26と28がある場合は、無論上記利点はなくな
る。

クランプ30と32は、第３図に示すように構成される。
主たる構成部分は、第二の極性タイプの同様に形成され
たクランピング増幅器A_C1とA_C2である。増幅器A_C1とA_C2
の第一の電極は、接続点N₃とN₄に接続される。関連電圧
V_RCは、増幅器A_C1とA_C2の制御電極に与えられる。それ
らの第二の電極は、V_LL供給に結合される。

クランプ30は、接続点N₃とA_C1の第一の電極との間に
接続されるR_C1を含めても良い。その場合クランプ32に
は、接続点N₄とA_C2の第二の電極との間に接続されるマ
ッチング抵抗器R_C2を含める。

前述の説明で示す如く、増幅器A_C1とA_C2は増幅器A₃と
A₄として同一の極性から成る。増幅器A_C1とA_C2は接続点
N₃を介して共に結合されるので、増幅器A_C1は増幅器A₃
がターンオフとなるにつれてターンオンとなる。逆も又
同様である。同様に、接続点N₄を介しての結合であるの
で、増幅器A_C2は増幅器A₄がターンオフとなるにつれタ
ーンオフとなり、逆も又同様である。

同様に形成された増幅器A₅とA₆で形成される増幅回路
34は、実際の信号を差動部22で増幅する接続点N₁とN₂で
シフトされた差動信号は、増幅器A₅とA₆の制御電極へ与
えられる。それらの第一の電極は、動作電流I_P2を受け
入れるために供給点P₂で共に結合される。A₅とA₆の第二
の極性は、差動部22の出力信号として補足的中間電流I_C
を与える。V_CMがV_LLからV_AHの範囲にある場合、増幅器A
₅とA₆は電流I_P2の殆どを電流I_CとI_Dとに振り分けるが、
その二つの電流の先は接続点N₁とN₂間の電圧差を表すも
のであり、従って差動入力信号を表すものである。

A₁とA₅の第二の電極は、I_A＋I_Cに等しい値で出力電流
I₀₁を出力端子T₀₁に与えるためにそれへ結合される。A₂
とA₆の第二の電極は、I_B＋I_Dに等しい値で補足的出力電
流I₀₂を出力端子T₀₂へ与えるために、それへ結合され
る。V_HH供給に接続している抵抗負荷36は、なるべくな
ら電流I₀₁とI₀₂を補足的出力電圧V₀₁とV₀₂に変換するの
が良い。或いは、加算回路38はI₀₁とI₀₂の差の代表値で
ある合成出力電流I₀を与えるため、電流I₀₁とI₀₂の一方
を他方から減ずることも可能である。

第一の極性タイプの制御増幅器ANは、電流I_P1とI_P2が
差動部20と22に与えられる値を制御する。制御増幅器AN
は、点P₁とP₂にそれぞれ接続する第一と第二の電極を有
する。制御電圧V_RNは、差動部20と22が共に中間のV_ALか
らV_AHのサブレンジで動作上導電状態とするに足る十分
の値をANの制御電極に与える。V_RNは一般的にV_ALからV
_AH迄のサブレンジのほぼ中間である。増幅器ANが与える
制御電流は、回路の相互インダクタンスを望ましい方法
で調整するようにする。

本発明の差動増幅器は、V_CMがV_HHに近づいても電流源
16と18が望ましくない状態に陥らないという点を除け
ば、前述の先行技術の回路と同様の方法で作動する。つ
まり、V_CMが低レールV_LLから高レールV_HHに上昇する
と、以下のように作動が進行する。

V_CMがV_LLからV_ALに増大するにつれ、増幅器ANは十分
な導電状態となり、電流I_Lの全てを差動部22へ向けて進
める。I_P2はI_Lと等しい。増幅器A₃〜A₆は、十分にター
ンオンとなる。差動部22は、十分動作的導電状態にな
る。I_P1は零である。増幅器A₁とA₂は、差動部20が導電
状態でないようにするため、ターンオフとなる。クラン
プ30と32から成る動作回路は、作動しない。第３図に示
す特別な実施態様では、増幅器A_C1とA_C2はターンオフと
なる。

V_CMがV_ALから（V_RNを経て）V_AHに達すると、増幅器AN
は差動部22から差動部20に向けて次第により近くの主供
給電流を振り向けるために、増幅器ANは次第にターンオ
ンとなる。I_P1はI_Lへと増大する。増幅器A₁とA₂は、差
動部20がその非導電状態から十分な動作的導電状態にな
るにつれ、次第にターンオンとなる。逆にI_P2は、次第
に零に低下する。増幅器A₅とA₆は次第にターンオフとな
り、差動部22を十分な導電状態から非導電状態にする。

V_CMがV_AHからV_HHへと増大するにつれ、増幅器ANは十
分なターンオフの状態になる。全ての主供給電流は、差
動部20に向けて流れる。I_P1はI_Lと等しい。増幅器A₁とA
₂は、完全にターンオフとなる。差動部20は、十分な導
電状態になる。I_P2は零となる。増幅器A₅とA₆は、差動
部22が非導電状態になるように共にターンオフとなる。

V_CMがV_HHに十分近づくと、増幅器A₃とA₄はターンオフ
となる。これが起こるにつれて、本発明による電流動作
回路は、電流源16と18が十分に導電（非飽和）状態を確
実に維持するために作動的になる。電流I_H1とI_H2は、動
作回路を通じてV_LKへ振り向けられる。

第３図に示すクランプ30と32の点線態様に対し、増幅
器A₁とA₂は、増幅器A₃とA₄がターンオフするにつれ、タ
ーンオンする。これはV_CMがV_RCの近傍の、一般的には大
きいときに起こる。これにより、V_LL供給に流すため
に、抵抗器R_C1とR_C2（もしあるとすれば）及び供給電流
I_H1とI_H2のための増幅器A_C1とA_C2を通して、代わりの通
路が開となる。

I_Hが電流I_H1とI_H2の各々の安定状態での値を表し、一
方R_CがR_C1とR_C2各々の値を表すものとする。抵抗器R_C1
とR_C2を横切る電圧は、増幅器A_C1とA_C2が十分導電状態
になると、I_HR_Cと等しくなる。V_LS _Eを、レベルシフト
エレメント26と28により与えられる特別なレベルシフト
電圧とする。増幅器A_C1とA_C2の制御電極から、それらの
各々の第一の電極迄の電圧は、ほぼその値と同じになる
が、これをここではV_LS _Cと表す。この結果、N₁とN₂の
電圧は、V_RC＋V_CM _AXと同じ値にクランプされる。ここ
でV_MA _Xは、V_LS _E＋I_H R_C＋V_LS _Cに等しい。

仮にクランプ30と32が、増幅器ANが電流I_P2を零に減
ずる前に、N₁とN₂の電圧を前述の値に固定すると、回路
34中の増幅器A₅とA₆による増幅は、早めにカットオフさ
れる。これは、相互コレダクタンスのロスを招くことに
なる。この問題は、電圧V_RCの値及び増幅器A_C1とA_C2、A
₃、A₄と抵抗器R_C1とR_C2の特性を選択することにより、I
_PCが実質的に全く零に低下する迄は増幅器A_C1とA_C2がタ
ーンオンを開始しているという方法で避けることができ
る。特にV_RCは、V_RNより大きいか又は等しくなるように
選ばれる。

増幅器A_C1とA_C2が導電状態になり始める値V_CMは、V_AH
より大きくなってはならない。増幅器ANが差動的に増幅
器A₁とA₂に結合する方法は、抵抗器R_C1とR_C2があるとい
うことを除けば、増幅器A_C1とA_C2が差動的に増幅器A₃と
A₄に結合する方法と似ている。仮に増幅器ANが、V_AH−V
_ALにほぼ等しい電圧幅の中で完全な導電状態から非導電
状態に切り換わる場合、又仮に、V_RCがV_RNと同じくらい
低い場合、パラメータI_H R_CはV_AH−V_ALとほぼ等しくな
くてはならない。これは、増幅器A₅とA₆が早めにカット
オフとなるのを避けるため、V_AHより十分高い値V_CMで、
増幅器A_C1とA_C2が非導電状態から十分な導電状態に切り
換わることを確実にするものである。しかしながら、仮
にV_RCがV_RNより大きいと、I_HR _Cは低くなることがあ
る。例えば、もしV_RC−V_RNがV_AH−V_ALに等しい場合に
は、I_H R_Cは零になることがある。

接続点N₁とN₂がクランプされている場合、電流源16と
18の各々を横切る電圧は、V_HH−V_LS _E−I_H R_C−V_LS _C−
V_RCと等しい。

さて、レベルシフトの必要とするものを見るならば、
V_LS _Iが増幅器A₃とA₄がそれらの制御電極からその各々
の第一の電極迄を与えるレベルシフトを表すものとしよ
う。接続点N₁とN₂でレベルシフト回路により合与えられ
る全体のレベルシフトV_LS _TO _Tは、V_LS _I＋V_LS _Eと等し
い。

増幅器A₅とA₆は、V_CMがV_LLのときにターンオンする。
増幅器ANも又ターンオンとなるので、V_LS _TO _Tは、T_MI
_NL＋V_MI _NN＋V_LS _Oより大きいか等しくなければならな
い。ここで、V_MI _NLは電流源６（つまり点P₁とV_LLの点
の間）を横切る最小許容電圧であり、V_MI _NLは増幅器AN
（つまり点P₁とP₂の間）を横切る最小許容電圧であり、
V_LS _Oは増幅器A₅とA₆がそれらの制御電極から各々の第
一の電極迄を与える電圧である。V_MI _NLとV_MI _NNは、一
般的に0.1〜0.3ボルトである。もしV_LS _OがV_LS _Iとほぼ
等しいならば、それはエレメント26と28により与えられ
るレベルシフトV_LS _Eが、V_MI _NL＋V_MI _NNより大きいと
いうことだけしか必要としないことがわかる。

電圧V_RNに目を転ずると、これはV_LL＋V_MI NL＋V_LS _N
を越えてはならない。ここでV_LS _Nは、増幅器ANが十分
に導電状態である場合、その制御電極と第一の電極との
間の電圧である。V_RNも又、V_HH−V_MI _NH−V_LS _E−V_LS _I
以下である。差動部22を経ての伝送遅れは、差動部20を
通るそれよりも幾らか大きい。従って差動部20がV_PSの
範囲を横切る信号を、できるだけ大きく増幅することが
望ましい。このため、V_RNは通常下限に近い値に設定さ
れる。

第４図は、増幅器A₁〜A₆とANが第１図に示されるよう
なトランジスタQ₁〜Q₆とQ_Nを構成している前記装置の、
よりこのましいバイポーラの実施態様を示したものであ
る。V_LS _NとV_LS _Iは共に1V_BEに等しいので、V_RNはV_LL＋
V_MI _NL＋V_BEからV_HH−V_MI _NH−V_BE−V_LS _E迄の範囲にあ
る。これは通常、第１図の先行技術の回路として、先に
示した範囲と等しい。従って第４図の作動増幅器の相互
インダクタンスは、本質的には一定である。

第４図において、電流源６は基準電圧V_RLに応答する
抵抗器R_Lと、NPNのトランジスタQ_Lを有する従来の方法
とで構成される。電流源16は、従来の方法で配置される
PNPのトランジスタQ_H1と抵抗器R_H1とで構成される。同
様に電流源18は、従来の方法で配置されるPNPのトラン
ジスタQ_H2と抵抗器R_H2とで構成される。トランジスタQ
_H1とQ_H2は共に、同様の基準電圧V_RHに応答する。

レベルシフト26は、シリーズに結合されるPNのダイオ
ードD1XとD1Yとから成る。同様にレベルシフト28は、シ
リーズに結合されるPNのダイオードD2XとD2Yとから成
る。この結果、、V_LS _Eは2V_BEに等しい。それぞれのダ
イオードD1X、D1Y、D2X、D2Yは、図に示すように構成さ
れており、ベース・レジスタンスとベース負荷蓄積効果
がもたらす伝送遅れを最小にするために、そのベースの
後部に結合されるコレクタを有したNPNトランジスタで
ある。

第４図における本発明の動作回路には、接続点N₃とN₄
に直接結合されるクランプ30と32が用いられる。更にこ
の配置によって、トランジスタQ₃とQ₃がターンオンする
ときに、ダイオードD1X、D1Y、D2X、D2Yがターンオフし
ないようにすべく、回路内の望ましくない温度要因を除
去している。

第３図において、クランプ30と32内の増幅器A_C1とA_C2
は、第４図のPNPトランジスタQ_C1とQ_C2により作動す
る。クランプ30と32は又、このバイポーラの実施態様に
おける抵抗器R_C1とR_C2を含む。調査の結果、V_CM _AXは3V
_BE＋I_H R_Lに等しい。接続点N₁とN₂がクランプされてい
る場合、各々の抵抗器R_C1とR_C2を横切るときの電圧降下
I_R R_Cは、少なくとも120ミリボルトであり、一般的には
200ミリボルトである。これは別な方法でトランジスタQ
₅とQ₆の早期のターンオフの結果から生ずる。前述の増
幅ノッチを十分防ぐものである。

第４図での実施態様は、補足的出力電圧V₀₁とV₀₂を加
えるために、負荷36を用いている。負荷36は、図示の如
く配置される抵抗器R₁〜R₃とコンデンサC₁から成る。コ
ンデンサC₁は、疑似のコモンモード信号がV_HH供給ライ
ン上に現れるのを防ぐ。或いは、エレメントC₁とR₃を省
くことも可能である。

この好ましい実施例では、V_HHとV_LLはそれぞれ5.0ボ
ルトと0.0ボルトである。V_RN/V_RC、V_RL、V_RHはぞれぞれ
1.25、0.9、4.1ボルトである。I_L、I_H/V_RC、V_RL、V_RHは
それぞれ、380及び200マイクロアンペアであり、R_H1/R
_H2、R_C1/R_C2、R₁/R₂、R₃はそれぞれ500、1.250、750、1
00オームである。C₁は150コファラッドである。差動増
幅器は、半導体ウェアにおける活性部位を分離するため
に、酸化物アイソレーションを用いてモノリシック集積
回路の一部として形成されている。

以上、本発明の詳細な実施例に関して述べたことは、
単に説明のためのものであり、前記特許請求の範囲を限
定するものと解釈すべきではない。例えば、上述のもの
とは逆の極性の半導体エレメントを、同じ結果を得るた
めに使用しても良いし、又、FETSをバイポーラ・トラン
ジスタの幾つか或いは全てと置き換えることも可能であ
る。1989年２月10日出願の米国特許出願番号第309,469
号に述べてあるタイプの入力レベルシフト回路を差動増
幅器が１ボルト又はわずかに低い電力供給電圧で動作で
きるよう、差動部20と22の前に挿入することも可能であ
る。従って、当業者は前記特許請求の範囲に記載した本
発明の真の範囲や意図から逸脱することなく、種々の改
良や応用を成し得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来技術の増幅器の回路図を示す。第２図は、第１図と第４図の差動増幅器の特性を表した
グラフを示す。第３図は、本発明による一般的差動増幅器の回路図を示
す。第４図は、第３図の差動増幅器のバイポーラの実施態様
の回路図を示す。図中、同一記号は同一又は類似の部分を表す。６、16、18……電流源、８、10、20、22……差動部、 12、24、26、28……レベルシフト回路、 30、32……クランプ、36……負荷。

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H03F 3/45

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】第１及び第２入力端子間に差動的に加えら
れる入力信号を増幅するために、第１供給電圧源と第２
供給電圧源であって、それらの電圧源の供給電圧の差が
供給電圧の範囲を限定する電力供給電圧である上記２つ
の電圧源の間に連結された電子回路において、コモンモード電圧V_CMが第２供給電圧に及ぶ供給範囲の
一部にある場合に入力信号を増幅するための第１差動手
段であって、第１極性型の同様に形成された第１及び第
２入力増幅器を備えており、該第１及び第２入力増幅器
は、それぞれ第１及び第２入力端子に連結された各制御
電極と、第１供給点に連結された各第１フロー電極と、
それぞれ第１及び第２出力端子に連結された各第２フロ
ー電極とを有している、上記第１差動手段と、コモンモード電圧V_CMが第１供給電圧に及ぶ供給範囲の
一部にある場合に入力信号を増幅するための第２差動手
段であって、上記供給範囲の二つの部分は一部重複して
おり、（ａ）第１極性型とは逆の第２極性型の同様に形
成された第３及び第４入力増幅器であって、それぞれ第
１及び第２入力端子に連結された各制御電極、それぞれ
第１及び第２結合点に連結された各第１フロー電極及び
第１供給電圧源に連結された各第２フロー電極を有して
いる上記第３及び第４入力増幅器と、（ｂ）第１結合点
と第２供給電圧源の間に連結された第１電流供給源と、
（ｃ）第２結合点と第２供給電圧源との間に連結された
第２電流供給源と、（ｄ）第１極性型の同様に形成され
た第５及び第６増幅器であって、それぞれ第１及び第２
結合点に連結された各制御電極、第２供給点に連結され
た各第１フロー電極及びそれぞれ第１及び第２出力端子
に連結された各第２フロー電極を有している上記第５及
び第６増幅器とを備えている、上記第２差動手段と、第１供給点と第１供給電圧源との間に連結された主電流
源と、第１極性型の制御増幅器であって、制御電圧を受容する
ための制御電極と、第１供給点に連結された第１フロー
電極と、第２供給点に連結された第２フロー電極とを有
している上記制御増幅器と、（ａ）第１結合点と第１供給電圧源との間に連結された
第１電圧クランプと、（ｂ）第２結合点と第１供給電圧
源との間に連結された第２電圧クランプとを有する電流
動作手段と、を備え、それにより、V_CMが実質的に全供給範囲を移動
するとき、第１及び第２電流供給源が作動上伝導性を維
持し得るようにしたことを特徴とする電子回路。
【請求項２】上記第１及び第２電圧クランプはそれぞれ
第２極性型の第１及び第２クランピング増幅器より成
り、該第１及び第２電圧クランピング増幅器は、クラン
ピング基準電圧を受容するための各制御電圧と、それぞ
れ第１及び第２結合点に連結された各第１フロー電極
と、第１供給電圧源に連結された各第２フロー電極とを
有していることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の回路。
【請求項３】各々の増幅器のフロー電極間を移動する電
荷キャリヤが、制御電極による制御による制御のもと
に、第１フロー電極から動き始め第２フロー電極で終わ
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の回路。
【請求項４】上記第２差動手段が、（ａ）第１結合点と
第３入力増幅器の第１フロー電極との間の通路で連結さ
れた第１電圧レベルシフト素子と、（ｂ）第２結合点と
第４入力増幅器の第１フロー電極との間の通路で連結さ
れた第２電圧レベルシフト素子とを備えていることを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の回路。
【請求項５】上記電流動作手段が、（ａ）第１供給電圧
源と、第１電圧レベルシフト素子と第３入力増幅器の第
１フロー電極との間の通路に位置する第３結合点との間
で連結される第１電圧クランプと、（ｂ）第１供給電圧
源と、第２電圧レベルシフト素子と第４入力増幅器の第
１フロー電極との間の通路に位置する第４結合点との間
で連結される第２電圧クランプとを備えていることを特
許請求の範囲第４項記載の回路。
【請求項６】上記第１及び第２電圧クランプはそれぞれ
第２極性型の第１及び第２クランピング増幅器より成
り、該該第１及び第２電圧クランピング増幅器は、クラ
ンピング基準電圧を受容するための各制御電極と、それ
ぞれ第３及び第４結合点に連結された各第１フロー電極
と、第１供給電圧源に連結された各第２フロー電極とを
有していることを特徴とする特許請求の範囲第５項記載
の回路。
【請求項７】各々の増幅器が、その増幅器の制御電極、
第１フロー電極、第２フロー電極にそれぞれ連結された
ベース、エミッタ、コレクタを有するバイポーラトラン
ジスタから成ることを特徴とする特許請求の範囲第６項
記載の回路。
【請求項８】上記第１電圧クランプが更に、第３結合点
と、第１クランピング増幅器内のトランジスタのエミッ
タとの間に連結された第１クランピング抵抗器を有する
ことと、上記第２電圧クランプが更に、第４結合点と第
２クランピング増幅器内のトランジスタのエミッタとの間に連結された第２クランピング抵
抗器を有することを特徴とする特許請求の範囲第７項記
載の回路。
【請求項９】各々の電圧レベルシフト素子が少なくとも
一つのダイオードより成ることを特徴とする特許請求の
範囲第８項記載の回路。
【請求項１０】上記第１及び第２クランピング増幅器と
第３及び第４入力増幅器内のトランジスタが、PNPトラ
ンジスタであり、残りのトランジスタが全てNPNトラン
ジスタであることを特徴とする特許請求の範囲第８項記
載の回路。
【請求項１１】上記クランピング基準電圧が制御電圧と
実質的に等しいことを特徴とする特許請求の範囲第８項
記載の回路。