(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイアス電流Ｉ0に対し、線形に変化するトランスコンダクタンスｇmを有する、マルチプル差分ペア回路において、
前記回路は、並列に接続された複数の差分トランジスタペア回路を有し、
前記差分トランジスタペア回路は、指数関数的でない電圧−電流（Ｖ−Ｉ）領域内で動作するトランジスタから構成されることを特徴とするマルチプル差分ペア回路。
【請求項２】
前記トランジスタは、ＭＯＳトランジスタであることを特徴とする請求項１記載のマルチプル差分ペア回路。
【請求項３】
前記差分トランジスタペア回路の各制御端末は、互いに結合されていることを特徴とする請求項１記載のマルチプル差分ペア回路。
【請求項４】
前記差分トランジスタペア回路の各出力端末は、互いに結合されていることを特徴とする請求項１記載のマルチプル差分ペア回路。
【請求項５】
前記トランスコンダクタンスｇmは、印加電圧Ｖinが変化しても一定であることを特徴とする請求項１記載のマルチプル差分ペア回路。
【請求項６】
前記トランスコンダクタンスｇmは、バイアス電流Ｉ0が変化すると、線形に変化することを特徴とする請求項１記載のマルチプル差分ペア回路。
【請求項７】
バイアス電流Ｉ0に対し、マルチプル差分ペア回路のトランスコンダクタンスｇmを線形に変化させる方法において、
（Ａ）複数の差分トランジスタペア回路を並列に接続するステップと、
前記差分トランジスタペア回路は、指数関数的でない電圧−電流（Ｖ−Ｉ）領域内で動作するトランジスタから構成され、
（Ｂ）バイアス電流Ｉ0を、各差分対に流すことにより、前記マルチプル差分ペア回路のトランスコンダクタンスｇmを変化させるステップ
を有することを特徴とするマルチプル差分ペア回路のトランスコンダクタンスｇmを線形に変化させる方法。
【請求項８】
前記トランジスタは、ＭＯＳトランジスタであることを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項９】
（Ｃ）前記差分トランジスタペア回路の制御端末を互いに接続するステップをさらに有することを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項１０】
（Ｃ）前記差分トランジスタペア回路の出力端末を互いに接続するステップことを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項１１】
バイアス電流Ｉ0に対し、線形に変化するトランスコンダクタンスｇmを有する、マルチプル差分ペア回路において、
並列に接続された複数の差分トランジスタペア回路と、
前記差分トランジスタペア回路は、指数関数的でない電圧−電流（Ｖ−Ｉ）領域内で動作するトランジスタから構成され、
オフセット電圧Δを、前記差分トランジスタペア回路のそれぞれに加える、電圧ソースと、
バイアス電圧Ｉ0を、前記差分トランジスタペア回路のそれぞれに加える、電流ソースとを有することを特徴とするマルチプル差分ペア回路。
【請求項１２】
ゲイン制御回路において、
バイアス電流Ｉ0に対し、線形に変化するトランスコンダクタンスｇmを有する、マルチプル差分ペア回路を有し、
前記マルチプル差分ペア回路は、並列に接続された、複数の差分トランジスタペア回路からなり、
前記差分トランジスタペア回路は、指数関数的でない電圧−電流（Ｖ−Ｉ）領域内で動作するトランジスタから構成されることを特徴とするゲイン制御回路。
【請求項１３】
アナログマルチプライヤにおいて、
バイアス電流Ｉ0に対し、線形に変化するトランスコンダクタンスｇmを有する、マルチプル差分ペア回路を有し、
前記マルチプル差分ペア回路は、並列に接続された、複数の差分トランジスタペア回路からなり、
前記差分トランジスタペア回路は、指数関数的でない電圧−電流（Ｖ−Ｉ）領域内で動作するトランジスタから構成されることを特徴とするアナログマルチプライヤ。
【請求項１４】
フィルタ回路において、
バイアス電流Ｉ0に対し、線形に変化するトランスコンダクタンスｇmを有する、マルチプル差分ペア回路を有し、
前記マルチプル差分ペア回路は、並列に接続された、複数の差分トランジスタペア回路からなり、
前記差分トランジスタペア回路は、指数関数的でない電圧−電流（Ｖ−Ｉ）領域内で動作するトランジスタから構成されることを特徴とするフィルタ回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マルチプル線形差分トランジスタペア回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マルチプル差分ペア回路は、それぞれが適宜の入力オフセット電圧を有する、並列に動作するトランジスタからなるＮ個の差分ペアからなる。このマルチプル差分ペア回路は、公知であり、多くのアプリケーション、たとえば、増幅器、ミキサ、フィルタ、あるいは他の活性素子に使用されている。バイポーラテクノロジーを用いて、実現した従来の複数の差分ペア回路の詳細な議論は、B. Gilbert, 著の“The Multi-Tanh Principle:A Tutorial Overview,”IEEE J. of Solid-State Circuits, Vol. 33, 2-17 （Jan. 1998）を参照のこと。
【０００３】
図１には、並列に接続された、差分トランジスタペア回路２０１−１〜２００−５からなる、５個の差分対からなるマルチプル差分ペア回路１００が示されている。代表的な差分トランジスタペア回路２００を、図２を参照して次に説明する。５個の差分トランジスタペア回路のうち、４個の差分トランジスタペア回路２００−１、２００−２、２００−４、２００−５について、それぞれ図１に示すように、オフセット電圧Δ−１、Δ−２、Δ−３、Δ−４を有する。マルチプル差分ペア回路の中央部にある、差分トランジスタペア回路２００−３は、オフセット電圧を有さないが、他の差分トランジスタペア回路２００−１、２００−２、２００−４、２００−５は、それぞれ対応するオフセット電圧Δを有する。差分トランジスタペア回路２００−Ｎは、中央部の差分トランジスタペア回路２００−３から離れるにつれて、オフセット電圧Δは、累進的に増加し、すなわち±Δ、±２Δ等の値をとる。このように構成した回路は、等距離オフセットマルチプル差分ペア回路と称する。
【０００４】
図２は、代表的な差分トランジスタペア回路２００のブロック図である。差分トランジスタペア回路２００を含む、２個のトランジスタデバイス２１０−１、２１０−２は同一（すなわち完全にマッチングしている）である。ある電圧ＶINがあると、所望の出力電流Ｉ1、Ｉ2が、バイアス電流ＩOを変えることにより、差分トランジスタペア回路２００から得られる。
【０００５】
バイポーラトランジスタと、このバイポーラトランジスタにより構成されたバイポーラ差分トランジスタペア回路２００は、明確に規定された電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を有する。差分トランジスタペア回路２００は、バイポーラトランジスタ（あるいは、バイポーラトランジスタのように動作する、サブしきい値範囲で動作するＣＭＯＳトランジスタ）を用いて、実現できるが、電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性は、指数関数的である。図３は、差分トランジスタペア回路２００の電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性３００を示す。指数関数的な電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を有するトランジスタは、バイアス電流に線形に比例するトランスコンダクタンスｇmを有するマルチプル差分ペア回路１００を得るために必要であると考えられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来のマルチプル差分ペア回路の上記の欠点を改善するために、指数関数的でない電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を有する、トランジスタの対からなるマルチプル差分ペア回路が必要とされている。さらにまた、トランジスタの技術とは別に、線形機能と線形同調機能の両方を提供するマルチプル差分ペア回路が必要とされている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のマルチプル差分ペア回路は、バイアス電流Ｉ0に比例した、トランスコンダクタンスｇmを有する。本発明の一態様によれば、差分トランジスタペア回路を構成するために、指数関数的でない電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を有するトランジスタが用いられる。本発明の一実施例においては、トランジスタは、ＭＯＳトランジスタで具体化される。かくして、本発明によれば、どのようなトランジスタ技術でも構成でき、バイアス電流に比例するトランスコンダクタンスｇmを有する、マルチプル差分ペア回路を得ることができる。
【０００８】
マルチプル差分ペア回路が線形化されると、有効トランスコンダクタンスｇmは、（ｉ）バイアス電流に線形に依存し、（ｉｉ）使用されるデバイスの電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性に無関係となる。かくして本発明によれば、、バイアス電流に線形に依存するトランスコンダクタンスｇmを有することになるマルチプル差分ペア回路は、どのようなトランジスタ技術を用いても形成することができる。かくして、指数関数的な電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を有するトランジスタは必要とされない。かくして、本発明によれば、マルチプル差分ペア回路の動作に大きな影響を与えることなく、ある技術から別の技術にマルチプル差分ペア回路が移行できる。
【０００９】
本発明の方法と装置によれば、各トランジスタは指数関数的でない電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を有するトランジスタの差分ペアを用いて、バイアス電流Ｉ0に対し線形なトランスコンダクタンスｇmを与えることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明のマルチプル差分ペア回路は、図１に示した従来のマルチプル差分ペア回路１００と同様に構成されるが、本発明の特徴と機能を与えるよう、部分的に変更されている。本発明の特徴によれば、差分トランジスタペア回路２００−Ｎのそれぞれのトランジスタデバイス２１０−１、２１０−２は、ＭＯＳトランジスタのような指数関数的でない電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を有する。かくして、本発明のマルチプル差分ペア回路１００は、使用するトランジスタの種類を考慮することなく、構成することができる。
【００１１】
マルチプル差分ペア回路１００は、バイアス電流に比例するトランスコンダクタンスｇｍを有する。このような線形性の同調性は、バイポーラ、あるいは疑似（すなわち、指数関数的な電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を有する）バイポーラのトランジスタ技術からのみ形成できると考えられていた。差分トランジスタペア回路２００のトランスコンダクタンスｇmの特性４００を図４に示す。一般的に、トランスコンダクタンスｇmは、差分トランジスタペア回路２００の出力電流Ｉ1、Ｉ2の、バイアス電流Ｉ0が一定に維持したときに、入力電圧ＶINの増分変化に対する変化の比率である。
【００１２】
差分トランジスタペア回路２００内の２個のトランジスタデバイス２１０−１、２１０−２がある時に、差分トランジスタペア回路２００の増分トランスコンダクタンスｇmは次式で表される。
【数１】
0003664946.tif 000002
【００１３】
図４に示すように、トランスコンダクタンスｇm特性４００は、Ｖinの左右対称関数である。トランスコンダクタンスｇm特性４００の形状は、差分トランジスタペア回路２００内のトランジスタデバイス２１０−１、２１０−２内の電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性に大きく依存する。しかし、本発明は、トランスコンダクタンスｇm特性４００の領域は、デバイスの特性とは完全に独立していることを見いだした。トランスコンダクタンスｇm特性４００の領域では、出力電流Ｉ1、Ｉ2の絶対変化に等しい。
【００１４】
図３に示すように、出力電流Ｉ1、Ｉ2の絶対変化は、バイアス電流Ｉ0に等しい。かくして以下の式が得られる。
【数２】
0003664946.tif 000003
トランスコンダクタンスｇm特性４００の対称性と、トランスコンダクタンスｇm特性４００の領域の一定性は、本発明により見いだされた２つの特性である。
【００１５】
まず、無限の差分トランジスタペア回路２００からなる、仮説的なマルチプル差分ペア回路１００を考えてみる。図５は、マルチプル差分ペア回路１００のトランスコンダクタンスｇｍmdpを同一のΔ−離間したｇm関数の和として表している。図５に示すように、この回路のトランスコンダクタンスｇmは、無限の同一のΔ離間したｇｍdpの関数の和である。言い換えると、次式で表すことができる。
【数３】
0003664946.tif 000004
【００１６】
トランスコンダクタンスｇmは、Ｖinの周期的偶関数（周期はΔ）である。かくして、トランスコンダクタンスｇmは、次式で表すことができる。
【数４】
0003664946.tif 000005
ここで、すべての係数ａkは、Ａ／Ｖの次元と
【数５】
0003664946.tif 000006
を有する。かくして、ａ0はｇｍmdpの平均値を決定し、すべての高次の係数（ａk、ｋ≧１）は、そのリップルを決定する。
【００１７】
この周期性により、ｇｍmdpの動きは、領域±Δ／２内にのみあることになる。図６は、Δ領域内のマルチプル差分ペア回路１００のトランスコンダクタンスｇｍmdpを「スライスし、重ね合わせた」ｇｍdpの関数として示す。言い換えると、図６に示すように、領域±Δ／２内のｇｍmdpは、１つのｇｍdp関数を、Δのピースにスライスし、それらを互いにその上に重ね合わせた結果と見ることができる。かくして、領域±Δ／２内のｇｍmdpの領域は、１個のｇｍdpのカーブの領域と、全領域と等しくなる、すなわち、次式で表される。
【数６】
0003664946.tif 000007
数６を用いると、ａ0は、次式で表すことができる。
【数７】
0003664946.tif 000008
【００１８】
かくして、ａ0は、用いられたトランジスタのバイアス（Ｉ0とΔ）にのみ依存し、電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性には依存しない。高い線形性（小さなＲ（Ｖin））は、オフセット電圧Δを適宜選択することにより達成できる。
【００１９】
オフセット電圧Δが、
【数８】
0003664946.tif 000009
が１よりはるかに小さくなるよう選択されると、次式となる。
【数９】
0003664946.tif 000010
【００２０】
数９は、マルチプル差分ペア回路１００が線形化されると、有効トランスコンダクタンスｇmは、（ｉ）バイアス電流に線形に依存し、（ｉｉ）使用されるデバイストランジスタデバイス２１０の電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性には無関係となることを示している。さらにまた、数９は、トランスコンダクタンスｇmが、Ｉ0とΔを温度と電源とプロセスに無関係にすることにより、トランスコンダクタンスｇｍは、温度と電圧とプロセスに無関係にすることができることを示している。これは、公知のバンドギャップベースのバイアス技術を用いた技術で達成できる。
【００２１】
無数の差分トランジスタペア回路２００を用いた、マルチプル差分ペア回路１００のトランスコンダクタンスｇmは、３つの異なる領域を有する。すなわち、中央領域と２つの端領域である。この中央領域は、次式が得られる、入力電圧Ｖinの範囲である。
【数１０】
0003664946.tif 000011
そのために、中央領域においては、有限のペア回路、マルチプル差分ペア回路１００の動作と特性は、上記したように、無限のペア回路、マルチプル差分ペア回路１００のそれと同一となる。（ｉ）マルチプル差分ペア回路１００内で使用されるペアの数と、（ｉｉ）選択された技術と、（ｉｉｉ）オフセット電圧Δに依存して中央領域が存在することもあり、あるいは存在しないこともある。
【００２２】
マルチプル差分ペア回路１００内の、無数の差分トランジスタペア回路２００を有する効果は、端部の領域で観測できる。端領域においては、次式が当てはまる。
【数１１】
0003664946.tif 000012
ｇｍmdpは、公称（そして好ましい）Ｉ0／Δよりも小さな値を有する。バイポーラ回路の端部領域は、Ｉ0では変化しないが、ＭＯＳ回路の端部領域は、Ｉ0で大きくなる。この差は、バイポーラ差分トランジスタペア回路２００のｇｍdpの拡散は、Ｉ0では変化しないが、ＭＯＳ差分トランジスタペア回路２００のｇｍdpの拡散は、Ｉ02で増加するという事実から、直接導き出された結論である。
【００２３】
図７は、ＭＯＳ技術で実現された、等距離オフセットのマルチプル差分ペア回路のトランスコンダクタンスｇmの特性７００を示す。図７に示すように、ＭＯＳマルチプル差分ペア回路１００の端部領域７１０、７３０の増加は、利用可能な中央領域７２０の現象を引き起こす。しかし、ＭＯＳ技術で実現された、マルチプル差分ペア回路１００は、合理的な入力線形範囲を提供し、電流チューニングによる線形の１０倍（decade）を示す。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のマルチプル差分ペア回路を表す図。
【図２】図１の差分トランジスタペア回路のブロック図。
【図３】図２の差分トランジスタペア回路の電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を表す図。
【図４】図２の差分トランジスタペア回路のトランスコンダクタンスｇmを表す図。
【図５】同一のΔだけ離間したｇｍdpの関数の和として、マルチプル差分ペア回路のトランスコンダクタンスｇｍmdpを表す図。
【図６】「スライスして重ね合わせた」ｇｍdp関数として、Δ領域内のマルチプル差分ペア回路のトランスコンダクタンスｇｍmdpを表す図。
【図７】本発明によりＭＯＳ技術で実現された、等距離オフセットのマルチプル差分ペア回路のトランスコンダクタンスｇmを表す図。
【符号の説明】
１００  マルチプル差分ペア回路
２００  差分トランジスタペア回路
２１０  トランジスタデバイス
３００  電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性
４００  トランスコンダクタンスｇm特性
７００  トランスコンダクタンスｇm特性
７１０、７３０  端部領域
７２０  中央領域
【図１】
0003664946.tif 000013
【図２】
0003664946.tif 000014
【図３】
0003664946.tif 000015
【図４】
0003664946.tif 000016
【図５】
0003664946.tif 000017
【図６】
0003664946.tif 000018
【図７】
0003664946.tif 000019