(57)【要約】【課題】  低電力医療機器で使用されるタイプのような低電力Ａ級バイポーラ演算増幅器に適している、入力オフセット性能を改善した演算増幅器を提供する。【解決手段】  低電力演算増幅器は、差動入力段と出力段とを備える。差動入力段は、それぞれがベース、エミッタ、およびコレクタを有する第１および第２差動結合入力トランジスタと、第１および第２入力トランジスタに接続された第１電流ミラー回路であって、第１入力トランジスタを流れる電流を摂動する第１電流を生成する第１電流ミラー回路とを備える。出力段は差動入力段および前記電流ミラー回路に接続される。出力段は、第１電流より大きい第２電流を生成し、第２電流は第２入力トランジスタを流れる電流を摂動し、第１および第２入力トランジスタのエミッタ面積の比は、第１電流と、より大きい前記第２電流との差によって生じるオフセット電圧を実質的に消去するように選択される。
2005516450.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれがベース、エミッタ、およびコレクタを有する第１および第２差動結合入力トランジスタ、及び
前記第１および第２入力トランジスタに接続された第１電流ミラー回路であって、前記第１入力トランジスタを流れる電流を摂動する第１電流を生成する前記第１電流ミラー回路、
を備える差動入力段と、
前記差動入力段および前記電流ミラー回路に接続された出力段であって、該出力段は前記第１電流より大きい第２電流を生成し、該第２電流は前記第２入力トランジスタを流れる電流を摂動し、前記第１および第２入力トランジスタのエミッタ面積の比は、前記第１電流と、より大きい前記第２電流との差によって生じるオフセット電圧を実質的に消去するように選択される、前記出力段と、
を備えることを特徴とする低電力演算増幅器。
【請求項２】
前記第１電流が前記第１トランジスタを流れる電流を摂動する割合は、前記第２電流が前記第２トランジスタを流れる電流を摂動する割合と同じであることを特徴とする請求項１に記載の低電力演算増幅器。
【請求項３】
前記第１電流ミラー回路は、
前記第１トランジスタのコレクタに接続されたコレクタと、第１供給電圧端子に接続されたエミッタと、ベースとを有するダイオードとして構成された第３トランジスタと、
前記第３トランジスタのベースに接続されたベースと、前記第２トランジスタのコレクタに接続されたコレクタと、前記第１供給電圧端子に接続されたエミッタとを有する第４トランジスタであって、該第４トランジスタのエミッタ面積に対する前記第３トランジスタのエミッタ面積の比が前記第２トランジスタのエミッタ面積に対する前記第１トランジスタのエミッタ面積の比に実質的に等しい、前記第４トランジスタと、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の低電力演算増幅器。
【請求項４】
前記出力段は、前記第２および第４トランジスタのコレクタに接続されたベースと、前記第１供給電圧端子に接続されたエミッタと、該演算増幅器の出力端子に接続されたコレクタとを有する第５トランジスタを備えることを特徴とする請求項３に記載の低電力演算増幅器。
【請求項５】
前記第１および第２入力トランジスタのエミッタと第２供給電圧端子との間に接続された第１電流源と、
前記第５トランジスタのコレクタと前記第２供給電圧端子の間に接続された第２電流源であって、前記第２トランジスタのエミッタ面積に対する前記第１トランジスタのエミッタ面積の比が該第２電流源に対する前記第１電流源の比に実質的に等しい、前記第２電流源と、
をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の低電力演算増幅器。
【請求項６】
前記第１および第２入力トランジスタのエミッタと第２供給電圧端子との間に接続された第１電流源と、
前記第２および第４トランジスタのコレクタに接続されたベースと、前記第１供給電圧端子に接続されたエミッタと、コレクタとを有する第６トランジスタと、
前記第６トランジスタのコレクタと前記第２供給電圧端子の間に接続された第２電流源と、
前記第６トランジスタのコレクタに接続された第２電流ミラー回路と、
前記第２電流ミラー回路と前記第５トランジスタのコレクタとの間に接続された第３電流ミラー回路と、
をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の低電力演算増幅器。
【請求項７】
前記第２トランジスタのエミッタ面積に対する前記第１トランジスタのエミッタ面積の比が、前記第５および第６トランジスタのコレクタを流れる電流の和に対する前記第１電流源の比に実質的に等しいことを特徴とする請求項６に記載の低電力演算増幅器。
【請求項８】
前記第１および第２トランジスタはＮＰＮトランジスタであり、前記第３、第４、および第５トランジスタはＰＮＰトランジスタであることを特徴とする請求項４に記載の低電力演算増幅器。
【請求項９】
前記第１供給電圧端子は、１．５ボルトに実質的に等しい第１電位に結合するためのものであり、前記第２供給電圧端子は、グラウンドに実質的に等しい第２電位に結合するためのものであることを特徴とする請求項８に記載の低電力演算増幅器。
【請求項１０】
それぞれがベース、エミッタ、およびコレクタを有する第１および第２差動結合入力トランジスタ、及び
前記第１および第２トランジスタのエミッタ−コレクタ経路に直列に接続された第１電流源と、
を備える差動入力段と、
前記入力段に接続された出力段と、
を備え、
前記出力段は、
ベース、エミッタ、およびコレクタを有する第１出力トランジスタと、
前記第１電流より大きい第２電流を生成し、前記第１出力トランジスタのエミッタ−コレクタ経路に直列に接続された第２電流源であって、前記第２入力トランジスタのエミッタ面積に対する前記第１入力トランジスタのエミッタ面積の比が前記第１電流と前記第２電流の差によって生じるオフセットを実質的に消去するように選択される、前記第２電流源と、
を備えることを特徴とする低電力演算増幅器。
【請求項１１】
前記出力段は、前記第２トランジスタを流れる電流を摂動する第１電流を生成すること、
前記第１および第２入力トランジスタに接続された第１電流ミラー回路であって、前記第１入力トランジスタを流れる電流を摂動する前記第１電流より小さい第２電流を生成する前記第１電流ミラー回路をさらに備えること、
を特徴とする請求項１０に記載の低電力演算増幅器。
【請求項１２】
前記第２トランジスタのエミッタ面積に対する前記第１トランジスタのエミッタ面積の比が、前記第１電流源に対する前記第２電流源の比に実質的に等しいことを特徴とする請求項１１に記載の低電力演算増幅器。
【請求項１３】
前記第２電流が前記第１トランジスタを流れる電流を摂動する割合は、前記第１電流が前記第２トランジスタを流れる電流を摂動する割合と同じであることを特徴とする請求項１１に記載の低電力演算増幅器。
【請求項１４】
前記第１電流ミラー回路は、
前記第１トランジスタのコレクタに接続されたコレクタと、第１供給電圧端子に接続されたエミッタと、ベースとを有するダイオードとして構成された第３トランジスタと、
前記第３トランジスタのベースに接続されたベースと、前記第２トランジスタのコレクタに接続されたコレクタと、前記第１供給電圧端子に接続されたエミッタとを有する第４トランジスタであって、該第４トランジスタのエミッタ面積に対する前記第３トランジスタのエミッタ面積の比が前記第２入力トランジスタのエミッタ面積に対する前記第１入力トランジスタのエミッタ面積の比に実質的に等しい、前記第４トランジスタと、
を備えることを特徴とする請求項１２に記載の低電力演算増幅器。
【請求項１５】
前記第１および第２トランジスタはＮＰＮトランジスタであり、前記第３、第４、および第５トランジスタはＰＮＰトランジスタであることを特徴とする請求項１３に記載の低電力演算増幅器。
【請求項１６】
前記第１供給電圧端子は、１．５ボルトに実質的に等しい第１電位に結合するためのものであり、前記第２供給電圧端子は、グラウンドに実質的に等しい第２電位に結合するためのものであることを特徴とする請求項１５に記載の低電力演算増幅器。
【請求項１７】
第１電源端子に接続され第１電流を生成する第１電流源と、
前記第１電流源と第２電源端子の間に接続された差動入力段であって、第１出力と、それぞれがベース、エミッタ、およびコレクタを有する第１および第２入力トランジスタとを備え、該第１入力トランジスタのエミッタは第１面積を有し、該第２入力トランジスタのエミッタは第２面積を有する、前記差動入力段と、
前記第２電源端子に接続された出力段であって、第２出力と、前記第１出力に接続された入力と、前記第２出力と前記第１電源端子の間に接続された第２電流源とを備え、該第２電流源は前記第１電流より大きい第２電流を生成し、前記第２面積に対する前記第１面積の比が前記第２電流に対する前記第１電流の比に実質的に等しい、前記出力段と、
を備えることを特徴とする低電力演算増幅器。
【請求項１８】
前記出力段は、前記第２入力トランジスタを流れる電流を摂動する第１電流を生成すること、
前記第１入力トランジスタを流れる電流を摂動する第２電流を生成する電流ミラー回路をさらに備えること、
を特徴とする請求項１７に記載の低電力演算増幅器。
【請求項１９】
前記第１電流が前記第２トランジスタを流れる電流を摂動する割合は、前記第２電流が前記第１トランジスタを流れる電流を摂動する割合と同じであることを特徴とする請求項１８に記載の低電力演算増幅器。
【請求項２０】
前記第１電流ミラー回路は、
前記第１トランジスタのコレクタに接続されたコレクタと、第２供給電圧端子に接続されたエミッタと、ベースとを有するダイオードとして接続された第３トランジスタと、
前記第３トランジスタのベースに接続されたベースと、前記第２トランジスタのコレクタに接続されたコレクタと、前記第２供給電圧端子に接続されたエミッタとを有する第４トランジスタであって、該第４トランジスタのエミッタ面積に対する前記第３トランジスタのエミッタ面積の比が前記第２トランジスタのエミッタ面積に対する前記第１トランジスタのエミッタ面積の比に実質的に等しい、前記第４トランジスタと、
を備えることを特徴とする請求項１９に記載の低電力演算増幅器。
【請求項２１】
前記第１および第２トランジスタはＮＰＮトランジスタであり、前記第３および第４トランジスタはＰＮＰトランジスタであることを特徴とする請求項２０に記載の低電力演算増幅器。
【請求項２２】
前記第１供給電圧端子は、グラウンドに実質的に等しい第１電位に結合するためのものであり、前記第２供給電圧端子は、１．５ボルトに実質的に等しい第２電位に結合するためのものであることを特徴とする請求項２１に記載の低電力演算増幅器。
【請求項２３】
第１電源端子に接続され第１電流を生成する第１電流源と、
前記第１電流源と第２電源端子の間に接続された差動入力段であって、第１出力と、それぞれがベース、エミッタ、およびコレクタを有する第１および第２入力トランジスタとを含み、該第１入力トランジスタのエミッタは第１面積を有し、該第２入力トランジスタのエミッタは第２面積を有する、前記差動入力段と、
中間段であって、
前記第１出力に接続されたベースと、前記第２供給電圧端子に接続されたエミッタと、コレクタとを有し、第１コレクタ電流を生成する第１駆動トランジスタと、
前記第１駆動トランジスタのコレクタと前記第１供給電圧端子の間に接続され、第２電流を生成する第２電流源と、
前記第１駆動トランジスタのコレクタに接続された入力を有し、前記第２電流と前記第１駆動トランジスタのコレクタ電流との差に等しい電流を受け取る第１電流ミラー回路と、
を備える前記中間段と、
第２出力を有する出力段であって、前記第１出力に接続されたベースと、前記第２供給電圧端子に接続されたエミッタと、前記第２出力に接続されたコレクタとを有し、前記第２出力に第２コレクタ電流を提供する第２駆動トランジスタ、を含む前記出力段と、
前記第１電流ミラー回路に接続された入力と、前記第２出力に接続された出力を有する第２電流ミラー回路であって、前記第２面積に対する前記第１面積の比が前記第１コレクタ電流および前記第２コレクタ電流の和に対する前記第１電流の比に実質的に等しい、前記第２電流ミラー回路と、
を備えることを特徴とする低電力演算増幅器。
【請求項２４】
前記第１および第２入力トランジスタに接続された第３電流ミラー回路であって、該第３電流ミラー回路は第１入力トランジスタを流れる電流を摂動する第１電流を生成し、前記第１コレクタ電流および前記第２コレクタ電流の和が前記第２入力トランジスタを流れる電流を摂動する、前記第３電流ミラー回路をさらに備えることを特徴とする請求項２３に記載の低電力演算増幅器。
【請求項２５】
前記第１電流が前記第１入力トランジスタを流れる電流を摂動する割合は、前記第１コレクタ電流および前記第２コレクタ電流の和が前記第２入力トランジスタを流れる電流を摂動する割合と同じであることを特徴とする請求項２４に記載の低電力演算増幅器。
【請求項２６】
第１電源端子に接続され第１電流を生成する第１電流源と、
それぞれがベース、エミッタ、およびコレクタを有する第１および第２入力トランジスタを備える差動入力段であって、該第１入力トランジスタのエミッタは第１面積を有し、該第２入力トランジスタのエミッタは第２面積を有し、該第１および第２入力トランジスタのベースはそれぞれ第１および第２入力端子に接続された、前記差動入力段と、
それぞれがベース、エミッタ、およびコレクタを有する第１および第２負荷トランジスタであって、該第１および第２負荷トランジスタのエミッタは第２供給電圧端子に接続され、該第１および第２負荷トランジスタのコレクタはそれぞれ前記第１および第２入力トランジスタのコレクタに接続され、該第１および第２負荷トランジスタのベースは相互に、ならびに該第１負荷トランジスタおよび前記第１入力トランジスタのコレクタに接続され、前記第１および第２負荷トランジスタのベース電流は、前記第１入力トランジスタのコレクタ電流に対して第１効果を有する、前記第１および第２負荷トランジスタと、
前記第１および第２供給電圧端子間に、ならびに前記第２入力トランジスタおよび前記第２負荷トランジスタのコレクタに接続された出力段であって、該出力段は、前記第２入力トランジスタのコレクタ電流に対して前記第１効果より大きい第２効果を有する摂動電流を生成し、前記第１および第２面積は入力オフセット電圧を実質的に消去するように選択される、前記出力段と、
を備えることを特徴とする低電力演算増幅器。
【請求項２７】
前記第１および第２面積は、前記第１効果および前記第２効果がそれぞれ前記第１および第２入力トランジスタのコレクタ電流に対して実質的に同じ割合の影響を有するように選択されることを特徴とする請求項２６に記載の低電力演算増幅器。
【請求項２８】
マイクロフォンと、
スピーカと、
前記マイクロフォンに接続され該マイクロフォンからオーディオ信号を受け取るとともに前記スピーカに接続された集積回路と、
を備えた、補聴器装置であって、
前記集積回路は、
前記マイクロフォンに接続された入力と、出力とを有する前置増幅器と、
前記前置増幅器の出力に接続された入力と、出力とを有する利得制御回路と、
前記利得制御回路の出力に接続された入力と、前記スピーカに接続された出力とを有し、前記スピーカを駆動するスピーカドライバ回路と、
を備えること、
前記利得制御回路は低電流低電圧演算増幅器を備えること、
前記低電流低電圧演算増幅器は、
差動入力段であって、
それぞれがベース、エミッタ、およびコレクタを有する第１および第２差動結合入力トランジスタと、
前記第１および第２入力トランジスタに接続された第１電流ミラー回路であって、前記第１入力トランジスタを流れる電流を摂動する第１電流を生成する第１電流ミラー回路と、
を備える前記差動入力段と、
前記差動入力段および前記電流ミラー回路に接続された出力段であって、該出力段は前記第１電流より大きい第２電流を生成し、該第２電流は前記第２入力トランジスタを流れる電流を摂動し、前記第１および第２入力トランジスタのエミッタ面積の比は、前記第１電流と、より大きい前記第２電流との差によって生じるオフセット電圧を実質的に消去するように選択される、前記出力段と、
を備えること、
を特徴とする補聴器装置。
【請求項２９】
前記第１電流が前記第１トランジスタを流れる電流を摂動する割合は、前記第２電流が前記第２トランジスタを流れる電流を摂動する割合と同じであることを特徴とする請求項２８に記載の補聴器装置。
【請求項３０】
前記第１電流ミラー回路は、
前記第１トランジスタのコレクタに接続されたコレクタと、第１供給電圧端子に接続されたエミッタと、ベースとを有するダイオードとして構成された第３トランジスタと、
前記第３トランジスタのベースに接続されたベースと、前記第２トランジスタのコレクタに接続されたコレクタと、前記第１供給電圧端子に接続されたエミッタとを有する第４トランジスタであって、該第４トランジスタのエミッタ面積に対する前記第３トランジスタのエミッタ面積の比が前記第２トランジスタのエミッタ面積に対する前記第１トランジスタのエミッタ面積の比に実質的に等しい、前記第４トランジスタと、
を備えることを特徴とする請求項２８に記載の補聴器装置。
【請求項３１】
前記出力段は、前記第２および第４トランジスタのコレクタに接続されたベースと、前記第１供給電圧端子に接続されたエミッタと、該演算増幅器の出力端子に接続されたコレクタとを有する第５トランジスタを備えることを特徴とする請求項３０に記載の補聴器装置。
【請求項３２】
前記第１および第２入力トランジスタのエミッタと第２供給電圧端子との間に接続された第１電流源と、
前記第５トランジスタのコレクタと前記第２供給電圧端子の間に接続された第２電流源であって、前記第２トランジスタのエミッタ面積に対する前記第１トランジスタのエミッタ面積の比が該第２電流源に対する前記第１電流源の比に実質的に等しい、前記第２電流源と、
をさらに備えることを特徴とする請求項３１に記載の補聴器装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的には演算増幅器に関し、特に、不平衡デバイスサイズを利用して入力段オフセット電圧を補償した、補聴器等の低電力医療機器用に好適な低電力Ａ級バイポーラ演算増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、Ａ級演算増幅器は、それぞれのベース電極で反転および非反転入力を受け取る第１および第２の差動入力トランジスタからなる平衡入力回路を含む。入力段は、第２入力トランジスタのコレクタにおいて出力信号を供給する。第１および第２の入力トランジスタに関連して第１および第２の負荷トランジスタがあり、それらのベース電極は第１入力トランジスタのコレクタに接続される。入力トランジスタのエミッタ電極は、第１電流源（Ｉｂ１）経由で供給電圧源（例えば、グラウンド）に接続される。
【０００３】
入力段の出力は出力段に印加される。出力段は、負荷に結合するための出力端子を有する。出力段は、負荷に関連する比較的大きい電流をシンクすることができなければならないため、一般的に比較的大電流の電流源（Ｉｂ２）を含む。
【０００４】
補聴器、腕時計型脈拍モニタ、埋め込み可能医療機器等のある特定の医療機器用に好適であるためには、演算増幅器は、低い供給電圧（例えば、１．５ボルト）により低電力で動作することができなければならない。したがって、Ｉｂ１が比較的小さいこと、特にＩｂ２より小さいことが望ましく、一方で、Ｉｂ２は負荷をドライブするのに十分なほど大きくなければならない。残念ながら、この差は、ランダムでないベース電流不平衡を生じ、それにより、第１および第２入力トランジスタのコレクタにおける電流が受ける摂動の程度が異なるため、望ましくない入力オフセット電圧が生じる。
【０００５】
従来、バイポーラ演算増幅器における入力オフセット電圧の問題への取り組みにはいくつかのものがある。例えば、エミッタフォロアを入力段と出力段の間のバッファとして用いることができる。別法として、より高い電流をフロントエンド差動対で利用するものがある。さらにもう１つの既知の手法は、ベース電流キャンセル技法の使用を含む。残念ながら、これらの解決法は、低電力設計と完全には両立しない。
【０００６】
以上を考慮すれば、低電力医療機器用の実質的に低い入力オフセット電圧を示す低電力バイポーラ演算増幅器を提供することが望ましいと理解されるはずである。その他の望ましい特徴は、上記の発明の背景、下記の好ましい例示的実施形態の詳細な説明および添付の特許請求の範囲から当業者には明らかとなるであろう。
［発明の概要］
本発明の一態様によれば、差動入力段および出力段を備える低電力演算増幅器が提供される。差動入力段は、それぞれがベース、エミッタ、およびコレクタ端子を有する第１および第２の差動結合入力トランジスタを含む。第１電流ミラー回路が第１および第２入力トランジスタに接続され、第１電流を生成し、これが第１入力トランジスタを流れる電流を摂動する。出力段は、差動入力段および電流ミラー回路に接続され、より大きい第２電流を生成し、これが第２入力トランジスタを流れる電流を摂動する。第１および第２の入力トランジスタのエミッタ面積の比は、第１と第２の摂動電流間の差によって生じるオフセット電圧を実質的に消去するように選択される。
【０００７】
添付図面は特定の実施形態の例示であり、したがって本発明の範囲を限定するものではなく、本発明を正しく理解するのに役立つように提示されている。図面は（特に断らない限り）一定縮尺でなく、下記の詳細な説明における説明とともに使用するためのものであることを意図する。以下、添付図面を参照して本発明について説明する。図中、同一参照番号は同一要素を表す。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、入力段１０および出力段１２を備えた基本的演算増幅器の概略図である。入力段１０は、第１および第２の差動結合ＮＰＮトランジスタＱ１およびＱ２、第１および第２のＰＮＰ負荷トランジスタＱ３およびＱ４、ならびに電流源ＩＢ１を含む。既知のようにして、トランジスタＱ１のベースは反転入力ＩＮ−に接続され、トランジスタＱ２のベースは非反転入力端子ＩＮ＋に接続される。電流源ＩＢ１は、トランジスタＱ１およびＱ２のエミッタおよび第１供給電圧端子１４に接続される。第１供給電圧端子１４は、供給電圧源Ｖｅｅ（例えば、グラウンド）に接続されてもよい。負荷トランジスタＱ３およびＱ４は、入力トランジスタＱ１およびＱ２のコレクタと第２供給電圧端子１６の間に電流ミラー構成で接続される。第２供給電圧端子１６は、第２供給電圧Ｖｃｃ（例えば、１ボルト〜１．５ボルト）に接続されてもよい。
【０００９】
出力段１２は、ＰＮＰトランジスタＱ５、補償コンデンサＣ、および第２電流源ＩＢ２を備える。出力トランジスタＱ５は、ベースがトランジスタＱ２およびＱ４のコレクタに接続され、エミッタが供給電圧端子１６に接続され、コレクタが出力端子（ＯＵＴＰＵＴ）１８に接続される。補償コンデンサＣは、トランジスタＱ５のコレクタと、トランジスタＱ２およびＱ４のコレクタとの間に接続される。最後に、電流源ＩＢ２は、トランジスタＱ５のコレクタと供給電圧端子１４の間に接続される。
【００１０】
図１に示されている演算増幅器は既知のように動作する。すなわち、入力信号ＩＮ＋が入力信号ＩＮ−より大きい場合、トランジスタＱ２のコレクタを流れる電流がトランジスタＱ１のコレクタを流れる電流より大きい。Ｑ１のコレクタ電流はトランジスタＱ４のコレクタにミラーされるので、トランジスタＱ５のベースの電圧が降下してトランジスタＱ５がオンになることにより、出力端子１８の電圧が上昇する。他方、入力電圧ＩＮ＋が入力電圧ＩＮ−より小さい場合、トランジスタＱ１のコレクタを流れる電流がトランジスタＱ２のコレクタを流れる電流より大きくなる。トランジスタＱ１のコレクタを流れる電流はトランジスタＱ４のコレクタにミラーされるので、トランジスタＱ５のベースの電圧が上昇してトランジスタＱ５がオフになる。この場合、電流源ＩＢ２が出力端子１８から電流をシンクすることにより、出力端子１８の電圧が降下する。
【００１１】
図１に示されている演算増幅器は、反転入力ＩＮ−および非反転入力ＩＮ＋における信号間の差を増幅する。増幅された信号はトランジスタＱ４のコレクタに生成され、既知のようにして、これが出力トランジスタＱ５をドライブすることにより、電流が出力端子１８に供給され、または出力端子１８からソースされる。入力ＩＮ−が入力ＩＮ＋と実質的に等しい場合、トランジスタＱ１を流れる電流（すなわち、ＩＱ１）はトランジスタＱ２を流れる電流（すなわち、ＩＱ２）と実質的に等しく、わずかな入力オフセット電圧しか生じない。すなわち、ＩＱ１＝ＩＱ２＝ＩＢ１／２ である。ＩＮ−がＩＮ＋に等しい時にトランジスタＱ１およびＱ２を流れる電流が異なる場合、望ましくない入力電圧が生じる。
【００１２】
矢印２０および２２でそれぞれ示される負荷トランジスタＱ３のベース電流（すなわち、ＩＱ３ｂ／２β、ここでβは電流利得である）および負荷トランジスタＱ４のベース電流（すなわちＩＱ４ｂ／２β）が合流して、矢印２４で示される電流 ＩＢ１／β となり、これがトランジスタＱ１のコレクタ電流（すなわち、ＩＱ１ｃ）に影響すなわち摂動を及ぼす。矢印２６で示される出力トランジスタＱ５のベース電流（すなわち、ＩＢ２／β）が、トランジスタＱ２のコレクタ電流（すなわち、ＩＱ２ｃ）に影響すなわち摂動を及ぼす。これらの摂動電流が実質的に等しい（すなわち、ＩＢ１／β＝ＩＢ２／β）場合、大きなオフセット電圧は生じない。すなわち、不要な入力オフセット電圧の発生を避けるには、ＩＢ１はＩＢ２と実質的に等しくなければならない。
【００１３】
電流源ＩＢ２は、出力端子１８に接続された低抵抗負荷により生じる高電流に対応するために十分な容量を有していなければならない。これに対して、補聴器等の医療機器用に好適な低電力／低電圧演算増幅器設計（すなわち、ＶｅｅとＶｃｃの電圧差が約１ボルト〜１．５ボルトの場合の演算増幅器）では、ＩＢ１が比較的小さい（すなわち、ＩＢ２より実質的に小さい）ことが要求される。この場合、トランジスタＱ３およびＱ４のベース電流（すなわち、それぞれＩＱ３ｂおよびＩＱ４ｂ）の和がトランジスタＱ５のベース電流（すなわち、ＩＱ５ｂ）より実質的に小さくなる。そこで、より多くの電流がトランジスタＱ２を流れ、電流ＩＢ１がトランジスタＱ１とＱ２の間でもはや等しく分割されないため、オフセット電圧が生じる。
【００１４】
したがって、ＩＱ１がＩＱ２より小さい時にオフセットをどのようにして実質的に低減するかという問題が生じる。その答えは、次のことの認識にある。トランジスタＱ５の摂動ベース電流（ＩＱ５ｂ）がトランジスタＱ３およびＱ４の摂動ベース電流（ＩＱ３ｂおよびＩＱ４ｂ）の和より実質的に大きい間に、これらの電流が、それぞれ入力トランジスタＱ２およびＱ１のコレクタ電流に対して実質的に同じ割合だけ影響を及ぼすようにすることができる。すなわち、ＩＱ５ｂがトランジスタＱ２のコレクタ電流（すなわち、ＩＱ２ｃ）に及ぼす影響と、ＩＱ３ｂおよびＩＱ４ｂの和がトランジスタＱ１のコレクタ電流（すなわち、ＩＱ１ｃ）に及ぼす影響を、実質的に同じ割合にすることができる。したがって、下記の式（１）に示すように、ＩＱ３ｂおよびＩＱ４ｂの和に対するＩＱ１ｃの比を、ＩＱ５ｂに対するＩＱ２ｃの比と実質的に等しくすることができる。
【００１５】
【数１】
2005516450.tif 000003
これは、Ｑ１およびＱ２のエミッタ面積を調節することによって達成することができる。トランジスタＱ１のエミッタ面積をＡ１とし、トランジスタＱ２のエミッタ面積をＡ２とし、全エミッタ面積を Ａ＝Ａ１＋Ａ２  とすると、次のようになる。
ＩＱ１ｃ＝ＩＢ１（Ａ１／Ａ）
および
ＩＱ２ｃ＝ＩＢ１（Ａ２／Ａ）
一方、上記で、次のことが分かった。
ＩＱ３ｂ＋ＩＱ４ｂ＝ＩＢ１／β
および
ＩＱ５ｂ＝ＩＢ２／β
各項を代入すると次式が得られる。
【００１６】
【数２】
2005516450.tif 000004
すなわち、
Ａ１／Ａ２＝ＩＢ１／ＩＢ２
注意すべきであるが、トランジスタＱ３のエミッタ面積をＡ３とし、トランジスタＱ４のエミッタ面積をＡ４とすると、Ａ３およびＡ４の値は、Ａ１およびＡ２の値から次のように導かれる。
【００１７】
【数３】
2005516450.tif 000005
こうして、式（２）に従ってトランジスタＱ１、Ｑ２、Ｑ３、およびＱ４のエミッタ面積を調節することにより、低電力・低電圧・低オフセットのバイポーラ演算増幅器が実現可能となる。
【００１８】
図２は、本発明の第２実施形態の概略図であり、同一の参照符号は同一の要素を表す。回路は実質的に同様である。ただし、定電流源ＩＢ２が、ＰＮＰトランジスタＱ６および電流源ＩＢ３からなる可変電流源と、ＰＮＰトランジスタＱ７およびＱ８からなる第２電流ミラー２８と、ＮＰＮトランジスタＱ９およびＱ１０からなる第３電流ミラー３０とで置き換えられている点は除く。理解されるように、電流源ＩＢ３はトランジスタＱ６のコレクタ−エミッタ経路に直列に接続されている。この直列結合は、供給電圧端子１４と１６の間に接続される。トランジスタＱ６のベースは、トランジスタＱ５のベースとともに、トランジスタＱ２およびＱ４のコレクタに接続される。電流ミラー２８の入力（すなわち、トランジスタＱ７のベース／コレクタ）はトランジスタＱ６のコレクタに接続され、電流ミラー２８の出力（すなわち、トランジスタＱ８のコレクタ）は電流ミラー３０の入力（すなわち、トランジスタＱ９のベース／コレクタ）に接続される。電流ミラー３０の出力（すなわち、トランジスタＱ１０のコレクタ）はトランジスタＱ５のコレクタおよび出力端子（ＯＵＴＰＵＴ）１８に接続される。
【００１９】
図１に関連して示し説明した演算増幅器は、出力プルダウン電流のいかなる制御も提供しない。すなわち、電流ＩＢ２は、出力端子１８から電流をシンクする必要の有無にかかわらず散逸する。しかし、図２に示されている回路は、出力プルダウン電流の動的制御を提供する。すなわち、トランジスタＱ１０を流れる電流はＩＮ−とＩＮ＋の差に応答する。電流ＩＢ３とトランジスタＱ６のコレクタ電流（すなわち，ＩＱ６ｃ）の差が電流ミラー２８を流れ、出力端子１８における動的プルダウン電流となるように電流ミラー３０でミラーされる。
【００２０】
上記の相違点は別にして、オフセット電圧低減に関連する上記の解析は図２に示されている回路にも当てはまる。ただし、図１の電流ＩＢ２は、トランジスタＱ５およびＱ６のコレクタ電流の和（すなわち、ＩＱ５ｃ＋ＩＱ６ｃ）で置き換えられることを除く。
【００２１】
図３は、本発明の低電力演算増幅器を組み込むことによって恩恵を受けることが可能な単純な補聴器のブロック図である。これは、マイクロフォン３２、集積回路３４、スピーカ３６、コンデンサ３８、および電池４０（通常、１．５ボルト）を備える。電池４０が低電圧であるため、補聴器が引き出す電流はできるだけ少なくしなければならない。したがって、集積回路３４上のコンポーネントおよび回路は、低電流および低電圧で動作することができなければならない。マイクロフォン３２からの入力信号は低振幅であるため、高ノイズＣＭＯＳトランジスタよりもバイポーラトランジスタを使用するほうが好ましい。したがって、図１および図２に関連して図示および説明したタイプの、オフセット電圧の低い低電圧低電流バイポーラ演算増幅器が補聴器での使用に特に好適である。
【００２２】
集積回路３４は、マイクロフォンの出力を受け取るように接続された入力およびコンデンサ３８の第１端子に接続された出力を有する前置増幅器４２と、コンデンサ３８の第２端子に接続された入力を有する利得制御回路４４とを備える。スピーカドライバ回路４６は、利得制御回路４４の出力に接続された入力と、スピーカ３６を駆動するように接続された出力とを有する。
【００２３】
前置増幅器４２は、ある利得（通常は、約１０）を有し、その出力がコンデンサ３８を通じて利得制御回路４４に接続されることにより、前置増幅器４２におけるＤＣオフセット電圧の効果を除去する。しかし、利得制御回路４４は、２０程度まで高くなり得る可変利得を有し、利得制御演算増幅器４８におけるオフセットはこの利得倍になる。このため、オーディオ信号が途中でクリッピングされてしまう可能性がある。したがって、演算増幅器４８が前述のタイプのものであることは極めて重要である。
【００２４】
スピーカ３６は、ワイヤのコイルを含む。これは、オーディオ周波数では高インピーダンスとなるが、ＤＣではほとんど短絡である。スピーカドライバ演算増幅器５０にオフセットがあると、電池４０からの過大な電流流出を引き起こすことがある。したがって、図１および図２に関連して上記で説明したタイプの演算増幅器は、スピーカドライバ４６での使用に特に好適となる。
【００２５】
このようにして、補聴器等の低電力医療機器での使用に、デバイスのエミッタ面積の適切な選択を通じて、実質的に低い入力オフセット電圧を示す低電力バイポーラ演算増幅器が提供される。
【００２６】
以上の詳細な説明では好ましい例示的実施形態を提示したが、実施形態における多数の変形が存在することが理解されるべきである。また、好ましい実施形態は単なる例であり、いかなる点でも本発明の範囲、適用可能性、あるいは構成を限定することを意図していないことが理解されるべきである。むしろ、上記の詳細な説明は、本発明の好ましい例示的実施形態を実施するための都合のよいロードマップを当業者に提供するものである。添付の特許請求項に記載される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、好ましい例示的実施形態に関連して記載した作用および構成において種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１実施形態による演算増幅器の概略図である。
【図２】本発明の第２実施形態による演算増幅器の概略図である。
【図３】図１および図２に示されている演算増幅器を利用することが可能な単純な補聴器のブロック図である。
【図１】
2005516450.tif 000006
【図２】
2005516450.tif 000007
【図３】
2005516450.tif 000008
【国際調査報告】
2005516450.tif 000009
2005516450.tif 000010