(57)【要約】【課題】動作開始時に出力コモン電圧が異常な電圧に固定されることのない全差動増幅回路を提供する。【解決手段】一対の差動信号入力端子と、一対の差動信号入力端子間の電圧を増幅して出力する一対の差動信号出力端子と、一対の差動信号出力端子の出力コモン電圧が一定の電圧範囲に収まるように制御する同相帰還回路と、出力コモン電圧が一定の電圧範囲外のときに、一対の差動信号入力端子に同相入力電圧範囲内の固定電圧を与えるスタートアップ回路と、を備える。【選択図】図１
2011229063.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の差動信号入力端子と、
前記一対の差動信号入力端子間の電圧を増幅して出力する一対の差動信号出力端子と、
前記一対の差動信号出力端子の出力コモン電圧が一定の電圧範囲に収まるように制御する同相帰還回路と、
前記出力コモン電圧が前記一定の電圧範囲外のときに、前記一対の差動信号入力端子に同相入力電圧範囲内の固定電圧を与えるスタートアップ回路と、
を備えることを特徴とする差動増幅回路。
【請求項２】
前記スタートアップ回路は、基準となる電圧と前記出力コモン電圧とを比較する電圧比較回路を含むことを特徴とする差動増幅回路。
【請求項３】
前記スタートアップ回路は、前記一定の電圧範囲の上限電圧と前記出力コモン電圧とを比較する第１の電圧比較回路と、前記一定の電圧範囲の下限電圧と前記出力コモン電圧とを比較する第２の電圧比較回路と、を備えることを特徴とする請求項１または２記載の差動増幅回路。
【請求項４】
前記一対の差動信号入力端子に接続され定電流が供給される第１の差動対と、
前記一対の差動信号入力端子に接続され前記出力コモン電圧により制御される電流が供給される第２の差動対と、
前記第１の差動対の出力信号と前記第２の差動対の出力信号とに基づいて前記一対の差動信号出力端子から増幅された差動信号を出力する出力回路と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項記載の差動増幅回路。
【請求項５】
前記同相帰還回路は、
基準コモン電圧入力端子と、
基準バイアス電圧入力端子と、
第１、第２の容量と、
前記第１、第２の容量それぞれの一端に前記基準コモン電圧入力端子を接続し、他端に前記基準バイアス電圧入力端子を接続する第１の接続状態と、前記第１、第２の容量それぞれの前記一端に前記一対の差動信号出力端子を接続し、他端を共通に前記第２の差動対の電流制御端子に接続する第２の接続状態と、を選択的に切り替えるスイッチ回路と、
を含むスイッチトキャパシタ回路を備えることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項記載の差動増幅回路。
【請求項６】
前記スタートアップ回路は、前記一対の差動信号出力端子に両端が接続され、中点から前記出力コモン電圧を取り出す抵抗分圧回路をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項記載の差動増幅回路。
【請求項７】
前記一対の差動信号入力端子が反転信号入力端子と非反転信号入力端子であって、前記一対の差動信号出力端子が反転信号出力端子と非反転信号出力端子である請求項１乃至６いずれか１項記載の差動増幅回路と、
第１、第２のサンプリング信号入力端子と、
前記反転信号入力端子に一端が接続された第１容量と、
前記非反転信号入力端子に一端が接続された第２容量と、
前記第１容量の他端と前記第１のサンプリング信号入力端子とを接続し、前記第２容量の他端と前記第２のサンプリング信号入力端子とを接続し、前記反転信号入力端子と前記非反転信号出力端子とを接続し、前記非反転信号入力端子と前記反転信号出力端子とを接続する第１接続状態と、
前記第１容量の他端に前記非反転信号出力端子を接続し、前記第２容量の他端に前記反転信号出力端子を接続する第２接続状態と、を切り替えるスイッチング回路と、
を備えることを特徴とするサンプルアンドホールド回路。
【請求項８】
前記スタートアップ回路は、前記出力コモン電圧が前記一定の電圧範囲外のときに、前記前記第１、第２のサンプリング信号入力端子を固定電圧に短絡し、それによって前記一対の差動信号入力端子に固定電圧を与えることを特徴とする請求項７記載のサンプルアンドホールド回路。
【請求項９】
一対の差動信号入力端子と、
前記一対の差動信号入力端子から入力した信号を増幅して出力する一対の差動信号出力端子と、
前記一対の差動信号出力端子の出力コモン電圧が一定の電圧になるように制御する同相帰還回路と、
を備えた全差動増幅回路のスタートアップ制御方法であって、
前記差動増幅回路の動作開始時に、前記出力コモン電圧が所定の電圧範囲からはずれているか否かを判定し、
前記出力コモン電圧が前記所定の電圧範囲からはずれていた場合に、前記出力コモン電圧が前記所定の電圧範囲内に収まるまで前記一対の差動信号入力端子に同相入力電圧範囲内の固定電圧を与えることを特徴とする全差動増幅回路のスタートアップ制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、差動増幅回路に関する。特に、同相帰還回路を備えた全差動増幅回路、また、上記全差動増幅回路をホールド回路に用いたサンプルアンドホールド回路、さらには、全差動増幅回路のスタートアップ制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５に示すブロック図を用いて、一般的な全差動増幅回路の構成について説明する。全差動増幅回路である差動増幅回路６００は、差動増幅部５０１と同相帰還回路５０２を備えている。差動増幅部５０１は、反転信号入力端子１０１と非反転信号入力端子１０２からなる一対の差動信号入力端子と、反転信号出力端子１００と非反転信号出力端子１０３からなる一対の差動信号出力端子と、を備えている。また、反転信号出力端子１００と非反転信号出力端子１０３の中点の電圧である出力コモン電圧が一定の電圧範囲に収まるように制御する同相帰還回路５０２を備えている。同相帰還回路５０２には、出力コモン電圧の基準となる電圧を入力する基準コモン電圧入力端子１０４が接続され、同相帰還回路５０２は、基準コモン電圧入力端子１０４から入力した基準コモン電圧に基づいて、出力コモン電圧が一定の電圧範囲に収まるように差動増幅部５０１を制御する。
【０００３】
全差動増幅回路である差動増幅回路６００は、反転信号出力端子１００と非反転信号出力端子１０３とを備え、出力が差動であるので、出力がシングルである差動増幅回路に比べて、電源電圧が低くても出力振幅を大きく取ることができる。また、同相帰還回路５０２を備えているので、入力信号の電圧レベルによらず、出力コモン電圧は一定の電圧に保たれる。
【０００４】
次に、図６を用いて図５の差動増幅回路６００の基本的な動作について説明する。図６は、差動増幅回路６００の定常状態における出力信号を示す波形図である。図６において、差動増幅回路は、差動入力信号を増幅して非反転出力信号ＶＯＰ、反転出力信号ＶＯＮとして出力する。差動入力信号の変化に伴って、非反転出力信号ＶＯＰと反転出力信号ＶＯＮは共に振動し、非反転出力信号ＶＯＰと反転出力信号ＶＯＮの中点の電圧である出力コモン電圧を中心に振動するが、出力コモン電圧は一定の電圧を保っている。非反転出力信号ＶＯＰと反転出力信号ＶＯＮの電位は、出力コモン電圧を中心にして、非反転出力信号ＶＯＰの方が反転出力信号ＶＯＮの電位より高い場合と、反転出力信号ＶＯＮの方が非反転出力信号ＶＯＰの電位より高い場合とが存在し、出力信号として得られる信号の振幅は、非反転出力信号ＶＯＰと反転出力信号ＶＯＮとの電位差を取れば、非反転出力信号または反転出力信号のどちらかしか出力しないシングル出力の差動増幅回路に比べて２倍の振幅の出力信号を得ることができる。また、差動出力信号は、ノイズに対して強いことが知られており、ノイズに影響されない差動出力信号を生成するためにも全差動増幅回路は用いられる。
【０００５】
図７は、特許文献１に記載されている全差動増幅回路の回路ブロック図である。図７を用いて特許文献１に記載されている全差動増幅回路について説明する。図７記載の差動増幅回路は、一対の差動信号入力端子１０１、１０２から入力した信号を増幅して、一対の差動信号出力端子１００、１０３から出力する差動増幅部Ａ１と、同相帰還回路となる静電容量部Ｃ１と、差動増幅部Ａ１、静電容量部Ｃ１に対して動作の基準となる電圧信号を供給する定電圧発生部Ｂ１を含んで構成される。また、基準コモン電圧入力端子１０４が静電容量部Ｃ１に接続されている。
【０００６】
図７に記載の差動増幅回路において、差動増幅部Ａ１は、差動入力信号を受ける入力回路として、ゲートが反転信号入力端子１０１に接続されたトランジスタ１８とゲートが非反転信号入力端子１０２に接続されたトランジスタ２３とを含む第１の差動対と、ゲートが反転信号入力端子１０１に接続されたトランジスタ１９とゲートが非反転信号入力端子１０２に接続されたトランジスタ２２とを含む第２の差動対と、を備えている。第１の差動対１８、２３には、電流源となるトランジスタ２０が接続され、トランジスタ２０のゲートには、定電圧発生部Ｂ１が出力する一定のバイアス電圧が供給され、第１の差動対１８、２３に定電流を供給する。一方、第２の差動対１９、２２には、電流源としてトランジスタ２１が接続されている。このトランジスタ２１のゲートには、同相帰還回路Ｃ１が出力する同相帰還電圧ＶＣＯＭＦが印加される。
【０００７】
差動増幅部Ａ１は、上記２つの差動対を有するため、入力端子１０１、１０２に印加された差動入力信号の出力端子への信号経路は２つ存在する。一つは、トランジスタ１８，２３および２０からなる第１の差動対を経由する信号経路であり、入力端子１０１（１０２）からトランジスタ１８（２３）→１４（２７）→１２（３１）を経由して出カ端子１００（１０３）に出力される。他の１つは、トランジスタ１９，２１および２２からなる第２差動対を経由する信号経路であり、入力端子１０１（１０２）からトランジスタ３０（１１）を経由して出力端子１０３（１００）に出力される。前者の増幅段数は２段であり、後者の増幅段数は１段であり、差動信号電圧利得は両者を加えたものになる。また、差動出力端子１００、１０３からの同相帰還は、静電容量部Ｃ１を介して第２の差動対に帰還され、第１の差動対には帰還されない。
【０００８】
次に同相帰還回路である静電容量部Ｃ１は、トランジスタ２１のゲートと非反転信号出力端子１０３との間に接続された容量８２と、トランジスタ２１のゲートと反転信号出力端子１００との間に接続された容量８３と、容量８４、８５と、を備えている。さらに、容量８４の一端を基準コモン電圧入力端子１０４または非反転信号出力端子１０３のどちらかに選択的に接続するスイッチ素子９０と、容量８４の他端を基準バイアス電圧入力端子１０５またはトランジスタ２１のゲートのどちらかに選択的に接続するスイッチ素子９１と、容量８５の一端を基準コモン電圧入力端子１０４または反転信号出力端子１００のどちらかに選択的に接続するスイッチ素子９３と、容量８５の他端を基準バイアス電圧入力端子１０５またはトランジスタ２１のゲートのどちらかに選択的に接続するスイッチ素子９１と、を備えている。基準コモン電圧入力端子１０４には、差動増幅回路の出力コモン電圧（反転信号出力端子１００の出力電圧と非反転信号出力端子１０３の出力電圧との中間電圧）の基準となる電圧が差動増幅回路の外部から供給される。また、基準バイアス電圧入力端子１０５には、定電圧発生部Ｂ１からダイオード接続されたトラジスタ３に定電流を流したときに生じるドレインソース間電圧が定電圧として与えられる。
【０００９】
このスイッチ素子９０〜９３は連動して動作し、容量８４と８５の一端を基準コモン電圧入力端子１０４に、他端を基準バイアス電圧入力端子１０５に接続する第１の接続状態と、容量８４の一端を非反転信号出力端子１０３に、容量８５の一端を反転信号出力端子１００に、容量８４、８５の他端を共通にトランジスタ２１のゲートに接続する第２の接続状態とを交互に繰り返す。なお、容量８２と８３の容量値は互いに等しく、容量８４と８５の容量値も互いに等しい容量値に設定される。
【００１０】
この静電容量部Ｃ１の動作により、出力コモン電圧が低いときは、トランジスタ２１のゲート電圧は低下する。トランジスタ２１のゲート電圧が低下すると、第２の差動対１９、２２に流れる電流が減少し、トランジスタ１０（２９）のドレインから流れ出す電流は、第２の差動対２２（１９）に流れる電流が減少した分、トランジスタ１１（３０）を介して出力トランジスタ１２（３１）に流れる電流が増加し、出力コモン電圧（差動信号出力端子１００、１０３の出力電圧）を上昇させるように作用する。
【００１１】
一方、出力コモン電圧が高いときは、この逆で、トランジスタ２１のゲート電圧は上昇する。トランジスタ２１のゲート電圧が上昇すると、第２の差動対１９、２２に流れる電流が増加し、トランジスタ１０（２９）のドレインから流れ出す電流は、第２の差動対２２（１９）に流れる電流が増加した分、トランジスタ１１（３０）を介して出力トランジスタ１２（３１）に流れる電流が減少し、出力コモン電圧を下降させるように作用する。このようにして出力コモン電圧は一定電圧に保たれる。
【００１２】
図８は、特許文献２に記載の別の従来の全差動増幅回路のブロック図である。図８の差動増幅回路は、差動増幅器３０３において、正極性入力信号Ｖｉｎｐは正極性入力端子３０１に入力され、負極性入力信号Ｖｉｎｎは負極性入力端子３０２に入力される。この差動増幅器３０３は、正極性出力端子３２１と負極性出力端子３２２より正極性出力信号Ｖｏｕｔｐ１および負極性出力信号Ｖｏｕｔｎ１をそれぞれ発生する。この差動増幅器３０３の正極性出力信号Ｖｏｕｔｐ１および負極性出力信号Ｖｏｕｔｎ１は、出力コモン電圧生成回路３０４に入力される。
【００１３】
出力コモン電圧生成回路３０４では、差動増幅器（オペアンプ）３０３の正極性出力信号Ｖｏｕｔｐ１および負極性出力信号Ｖｏｕｔｎ１をもとに、差動増幅器３０３の出力コモン電圧を生成する。出力コモン電圧生成回路３０４の出力である差動増幅器３０３の出力コモン電圧３４１は、コモンモードフィードバック用比較器３０７の反転入力端子に入力される。このコモンモードフィードバック用比較器３０７の非反転入力端子には、コモン電圧（基準電圧）３０５が入力される。符号３０６はグラウンド（ＧＮＤ）を示している。
【００１４】
コモンモードフィードバック用比較器３０７は、差動増幅器３０３の出力コモン電圧３４１とコモン電圧（基準電圧）３０５とを比較し、それらの比較結果信号であるコモンモードフィードバック信号３０８を、差動増幅器３０３のコモンモードフィードバック端子３４４に帰還させ、差動増幅器３０３の出力コモン電圧３４１がコモン電圧（基準電圧）３０５となるように差動増幅器３０３を動作させる。
【００１５】
また、スタートアップ用補助電流供給回路３０９が設けられ、このスタートアップ用補助電流供給回路３０９から差動増幅器３０３とコモンモードフィードバック用比較器３０７とに補助電流と補正電流とをそれぞれ常時供給するようにしている。特許文献２には、このスタートアップ用補助電流供給回路３０９を設け、常時補助電流と補正電流を流すことにより電源立ち上げ時や、モード切り替え時などの過渡的状態に出力コモン電圧を所定の電圧に安定に収束させることができると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２０００−１５１３０５号公報
【特許文献２】特開２００８−１８２６９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
以下の分析は本発明により与えられる。特許文献１の差動増幅回路において、電源立ち上げ時や、差動増幅回路のパワーダウン状態からの復帰時に、差動信号入力端子１０１、１０２から入力する電圧や、基準コモン電圧入力端子１０４から入力する基準電圧が、異常に低い電圧のまま、差動増幅回路が動作を開始すると図９に示すように出力コモン電圧（差動信号出力端子１０１、１０３の中間電圧）が異常に低い電圧に固定された状態で安定し、その後、基準コモン電圧入力端子１０４から入力される基準電圧、差動信号入力端子１０１、１０２の電圧が正常な電圧に復帰しても、出力コモン電圧が異常な電圧のまま固定されてしまう不良モードが発生する。この不良モードについては、後で詳しく説明する。
【００１８】
また、特許文献２に記載されているように差動増幅回路に常時補助電流を流すことにより、出力コモン電圧が異常になることを防ぐ方法では、同相帰還回路のタイプや出力コモン電圧が異常になるモードによっては救済できない場合もある。また、常時補助電流等を流すので電力の消費にもなる。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の第１の側面による差動増幅回路は、一対の差動信号入力端子と、前記一対の差動信号入力端子間の電圧を増幅して出力する一対の差動信号出力端子と、前記一対の差動信号出力端子の出力コモン電圧が一定の電圧範囲に収まるように制御する同相帰還回路と、前記出力コモン電圧が前記一定の電圧範囲外のときに、前記一対の差動信号入力端子に同相入力電圧範囲内の固定電圧を与えるスタートアップ回路と、を備える。
【００２０】
本発明の第２の側面によるサンプルアンドホールド回路は、前記一対の差動信号入力端子が反転信号入力端子と非反転信号入力端子であって、前記一対の差動信号出力端子が反転信号出力端子と非反転信号出力端子である前記第１の側面による差動増幅回路と、第１、第２のサンプリング信号入力端子と、前記反転信号入力端子に一端が接続された第１容量と、前記非反転信号入力端子に一端が接続された第２容量と、前記第１容量の他端と前記第１のサンプリング信号入力端子とを接続し、前記第２容量の他端と前記第２のサンプリング信号入力端子とを接続し、前記反転信号入力端子と前記非反転信号出力端子とを接続し、前記非反転信号入力端子と前記反転信号出力端子とを接続する第１接続状態と、前記第１容量の他端に前記非反転信号出力端子を接続し、前記第２容量の他端に前記反転信号出力端子を接続する第２接続状態と、を切り替えるスイッチング回路と、を備える。
【００２１】
本発明の第３の側面による全差動増幅回路のスタートアップ制御方法は、一対の差動信号入力端子と、前記一対の差動信号入力端子から入力した信号を増幅して出力する一対の差動信号出力端子と、前記一対の差動信号出力端子の出力コモン電圧が一定の電圧になるように制御する同相帰還回路と、を備えた全差動増幅回路のスタートアップ制御方法であって、前記差動増幅回路の動作開始時に、前記出力コモン電圧が所定の電圧範囲からはずれているか否かを判定し、前記出力コモン電圧が前記所定の電圧範囲からはずれていた場合に、前記出力コモン電圧が前記所定の電圧範囲内に収まるまで前記一対の差動信号入力端子に同相入力電圧範囲内の固定電圧を与える。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、出力コモン電圧の異常を検出すると差動入力端子に入力電圧範囲内の固定電圧を与えるので、出力コモン電圧が異常な電圧のまま固定化されてしまう恐れがない。また、本発明によれば、任意の形式の同相帰還回路に適用することができ、さらに、出力コモン電圧が異常になる条件に差動入力電圧の異常が含まれる異常モードであれば、任意の異常モードに対して適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施例１による差動増幅回路全体のブロック図である。
【図２】実施例１による電位モニター回路のブロック図である。
【図３】実施例１による差動増幅回路のスタートアップ処理手順を示すフローチャートである。
【図４】実施例２によるサンプルアンドホールド回路のブロック図である。
【図５】一般的な全差動増幅回路のブロック図である。
【図６】全差動増幅回路の出力波形を示す波形図である。
【図７】特許文献１に記載の従来の全差動増幅回路の回路ブロック図である。
【図８】特許文献２に記載の従来の全差動増幅回路のブロック図である。
【図９】従来の全差動増幅回路におけるスタートアップ時の異常動作を説明するコモン出力電圧波形図である。
【図１０】実施例２のサンプルアンドホールド回路において、（ａ）サンプルモードの接続図と、（ｂ）ホールドモードの接続図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の実施形態について説明する前に、全差動増幅回路において、電源立ち上げ時や差動増幅回路のパワーダウンモードからの復帰時において、出力コモン電圧が異常な電圧で固定されてしまう現象について、特許文献１記載の従来の差動増幅回路を例にさらに補足して説明しておく。図７の差動増幅回路の、電源立ち上げ時や差動増幅回路のパワーダウンモードからの復帰時において、定電圧発生部Ｂ１、差動増幅部Ａ１、静電容量部Ｃ１は正常に動作する状態に立ち上がっているが、差動信号入力端子１０１、１０２から与えられる信号の電圧は、立ち上がっておらず、グランドレベルであるとする。また、基準コモン電圧入力端子１０４に外部から与えられる基準電圧も立ち上がっておらず、グランドレベルであるとする。この条件では、第１の差動対１８、２３、第２の差動対１９、２２には電流が流れない。トランジスタ１５、１４、１３及び２８、２７、２６には、定電圧発生部Ｂ１からバイアス電圧が与えられ、ＶＤＤ→トランジスタ１５→トランジスタ１４→トランジスタ１３→ＧＮＤ（グランド）に一定の電流が流れる。同様にＶＤＤ→トランジスタ２８→トランジスタ２７→トランジスタ２６→ＧＮＤ（グランド）に一定の電流が流れる。トランジスタ１３、２６に電流が流れることにより、トランジスタ１２、１７、２５、３１も導通する。定電圧発生部Ｂ１により出力段のトランジスタ１０、１１、２９、３０も導通するので、出力端子１００、１０３には、ＧＮＤ（グランド）レベルに近い電圧が出力される。このとき、差動入力信号が立ち上がっておらず、トランジスタ２２（１９）は非導通であるので、トランジスタ１０（２９）を流れる電流は、トランジスタ２２（１９）には、流れずに全部の電流がトランジスタ１１（３０）からトランジスタ１２（３１）へと流れている。
【００２５】
この状態では、出力コモン電圧が正常な電圧より低いので、同相帰還回路は、出力コモン電圧を上昇させるように機能する必要がある。従来技術の説明ですでに述べたとおり、図７の同相帰還回路は、出力コモン電圧が低い場合、トランジスタ２１のゲートバイアス電圧を低下させ、トランジスタ１０（２９）を流れる電流のうち、トランジスタ２２（１９）に流れる電流を減少させ、その分、トランジスタ１１（３０）からトランジスタ１２（３１）に流れる電流を増加させることにより、出力コモン電圧を一定の電圧範囲へ上昇させる回路である。
【００２６】
ところが、第２の差動対１９、２２にほとんど電流が流れていない状態で、出力コモン電圧が正常より低い電圧となった場合には、第２の差動対１９、２２に流れる電流を減少させることにより、トランジスタ１１（３０）からトランジスタ１２（３１）へ流れる電流を増加させ、それにより出力コモン電圧を上昇させることができない。すなわち、図７の差動増幅回路において、出力コモン電圧が低い場合には、第２の差動対（１９、２２）に流れる電流を減少させることによって出力トランジスタ１２（３０）に流れる電流を増加させ、出力コモン電圧を上昇させようとする回路であるが、第２の差動対１９、２２に電流が流れない状態で出力コモン電圧が通常より低い電圧に固定されてしまった場合、出力コモン電圧を上昇させることができない。
【００２７】
このような全差動増幅回路の同相帰還回路が帰還ループとして機能しなくなり、出力コモン電圧が異常な状態で安定してしまう状態は、特許文献１のような差動増幅回路に限られた問題ではなく、他のタイプの全差動増幅回路においても起こりうる現象である。
【００２８】
本発明の差動増幅回路は、出力コモン電圧が一定の電圧範囲外のときに差動信号入力端子にその差動増幅回路の同相入力電圧範囲内の固定電圧を与えることにより、同相帰還回路が効かなくなってしまう現象を防ぐことができる。本発明による差動増幅回路は、出力コモン電圧が異常になる原因の一つに差動入力電圧の異常が含まれる場合には、特有の差動増幅回路や同相帰還回路の回路構成に限らず、任意のタイプの全差動増幅回路に適用することが可能である。出力コモン電圧が異常になる原因の一つである差動入力信号を固定することにより、出力コモン電圧が異常になる原因を取り除いているからである。
【００２９】
また、差動入力信号の電圧レベルの異常を含む原因により、出力コモン電圧が異常になり、同相帰還回路が働かなくなる異常なループに陥る可能性がある場合であっても、出力コモン電圧の異常を検出し、差動入力信号の電圧レベルを正常な電圧に固定することにより、同相帰還回路が働かなくなる異常なループに陥る前に、出力コモン電圧を正常なレベルに戻すことができる。また、差動入力信号の電圧レベルを正常な電圧に固定することは比較的簡単なスイッチ回路を設けることにより実現することができる。
【００３０】
以下、本発明の実施例について、図面を用いて詳細に説明する。
【実施例１】
【００３１】
図１は、実施例１による差動増幅回路全体のブロック図である。図１の差動増幅回路５０において、差動増幅部５０１、同相帰還回路５０２は図５に示した一般的な差動増幅部５０１、同相帰還回路５０２を用いることができる。また、反転信号入力端子１０１、非反転信号入力端子１０２、非反転信号出力端子１０３、反転信号出力端子１００、基準コモン電圧入力端子１０４の機能については、従来技術として説明したとおりである。図１の差動増幅回路５０は、スタートアップ回路２００を備えている点が、図５に示す一般的な全差動増幅回路６００とは異なっている。スタートアップ回路２００は、反転信号出力端子１００と非反転信号出力端子１０３との間に接続された直列抵抗２０２、２０３を備えている。直列抵抗２０２と２０３との接続点には、反転信号出力端子１００の出力電圧と非反転信号１０３の出力電圧とを抵抗２０２、２０３で分圧した電圧ＶＣＯＭが得られる。このＶＣＯＭは差動増幅回路５０の出力コモン電圧である。
【００３２】
出力コモン電圧ＶＣＯＭは、電位モニター回路２０１に接続される。電位モニター回路２０１は、出力コモン電圧が所望の範囲内の電圧に入っているか否かをモニターする回路である。電位モニター回路２０１はインプットイネーブル信号ＩＮＥを出力する。このインプットイネーブル信号ＩＮＥは、出力コモン電圧ＶＣＯＭが正常な電圧であれば、ハイレベルとなる信号であり、出力コモン電圧が異常であれば、ロウレベルとなる信号である。スイッチ素子２０４と２０５は、それぞれ反転信号入力端子１０１と基準電圧ＶＲＥＦ２の間、非反転信号入力端子１０２と基準電圧ＶＲＥＦ２との間の導通と非導通を制御する。スイッチ素子２０４、２０５は、インプットイネーブル信号ＩＮＥにより導通、非導通が制御され、インプットイネーブル信号ＩＮＥがロウレベルのときに導通し、インプットイネーブル信号ＩＮＥがハイレベルのときに非導通となるように制御する。すなわち、インプットイネーブル信号ＩＮＥがロウレベルのときは、外部から反転信号入力端子１０１、非反転信号入力端子１０２に入力される電圧レベルにかかわらず、差動増幅部５０１の入力信号は、基準電圧ＶＲＥＦ２に固定される。一方、インプットイネーブル信号ＩＮＥがハイレベルのときは、外部から反転信号入力端子１０１、非反転信号入力端子１０２に入力される電圧が差動増幅部５０１に入力される。
【００３３】
なお、スイッチ素子２０４、２０５にはＭＯＳトランジスタやバイポーラトランジスタを用いることができる。また、スイッチ素子はＮＭＯＳトランジスタとＰＭＯＳトランジスタを抱き合わせで用いたＣＭＯＳトランスミッションゲートをスイッチとして用いてもよい。基準電圧ＶＲＥＦ２は、差動信号入力端子１０１、１０２をＶＲＥＦ２に固定したときに差動増幅回路５０が正常に動作する電圧、例えば差動増幅回路の同相入力電圧範囲内の電圧であればよい。
【００３４】
図２は、実施例１の差動増幅回路５０における電位モニター回路のブロック図である。
電位モニター回路２０１は、電源ＶＤＤとグランドＧＮＤとの間に直列接続された抵抗２１１、２１２、２１３を備えている。電位モニター回路２０１は電圧比較回路２２１と２２２とを備え、出力コモン電圧ＶＣＯＭが電圧比較回路２１１、２２２にそれぞれ基準電圧として接続され、基準電圧と比較する比較電圧として、抵抗２１１と２１２の接続点ＶＨが電圧比較回路２２１に、抵抗２１２と２１３の接続点ＶＬが電圧比較回路２２２に接続されている。さらに、電圧比較回路２２１、２２２の出力信号は、それぞれ論理ＡＮＤ回路２２３の入力信号として接続され、論理ＡＮＤ回路２２３の出力信号がインプットイネーブル信号ＩＮＥとして出力される。
【００３５】
なお、ＶＨは、正常動作しているときの出力コモン電圧ＶＣＯＭの上限電圧であり、ＶＬは正常動作していることの出力コモン電圧ＶＣＯＭの下限電圧である。電圧比較回路２２１は、出力コモン電圧ＶＣＯＭが上限電圧ＶＨを超えているときにロウレベルを出力し、出力コモン電圧ＶＣＯＭが上限電圧ＶＨ以下のときにハイレベルを出力する。また、電圧比較回路２２２は、出力コモン電圧ＶＣＯＭが下限電圧ＶＬを下回っているときにロウレベルを出力し、出力コモン電圧ＶＣＯＭが下限電圧ＶＬ以上のときにハイレベルを出力する。さらに、論理ＡＮＤ回路２２３によりこの電圧比較回路２２１、２２２の出力信号の論理ＡＮＤを取ることにより、出力コモン電圧ＶＣＯＭが上限電圧ＶＨを超えているか、下限電圧ＶＬを下回っているときにロウレベル、出力コモン電圧ＶＣＯＭが上限電圧ＶＨと下限電圧ＶＬの範囲内に入っているときは、ハイレベルをインプットイネーブル信号ＩＮＥとして出力する。
【００３６】
次に、実施例１の差動増幅回路の動作について、図３のフローチャートを用いて説明する。初期状態では、差動増幅回路は電源が投入されていないか、パワーダウンモードに設定され、差動増幅回路の内部の回路や差動信号入力端子１０１、１０２や基準コモン電圧入力端子１０４から入力される電圧は、グランドＧＮＤ固定であるか、不定であるとする。この状態から差動増幅回路５０が動作を開始したとする。まず、ステップＳ１では、コモン出力電圧が所定の電圧範囲内の電圧であるか否かをチェックする。コモン出力電圧が所定の電圧範囲内の電圧でない場合には、ステップＳ２に移り、差動信号入力端子１０１、１０２の入力電圧を固定する。差動信号入力端子１０１、１０２を固定する電圧は、差動信号入力端子１０１、１０２の正常動作で期待できる入力電圧範囲内の電圧とする。この差動信号入力端子１０１、１０２の入力電圧の固定は、コモン出力電圧が所定の電圧範囲内に入るまで続けられる。コモン出力電圧が差動増幅回路の正常動作のときの電圧範囲内に入った場合は、ステップＳ３に移り、差動信号入力端子１０１、１０２の固定電圧への固定を中止し、外部から本来入力すべき差動信号を入力する。その後、差動増幅回路５０は通常の差動増幅動作を行う。
【００３７】
なお、図９に示すように出力コモン電圧が異常（本来の出力コモン電圧とは異なる電圧）な状態で固定されてしまう場合も、出力コモン電圧が本来の電圧からはずれてから、異常な状態で固定されるまでは、一定の時間を要する。この出力コモン電圧が異常になってから、異常な状態で出力コモン電圧が固定されてしまうまでの時間であれば、差動信号入力端子の電圧を固定電圧として正常な電圧を与えてやれば、出力コモン電圧は正常な電圧に復帰することが可能である。また、外部から与えられる差動信号入力端子１０１、１０２や基準コモン電圧入力端子１０４の電圧が正常な電圧になるまで、差動増幅回路５０をパワーダウンモードのままにしておき、差動信号入力端子１０１、１０２や基準コモン電圧入力端子１０４の電圧が正常な電圧範囲に入ってから差動増幅回路５０のパワーダウンモードを解除することも考えられるが、そのように差動増幅回路５０のパワーダウンモードの解除を遅らせた場合には、電源投入後やパワーダウンモード解除後の差動増幅回路５０の動作開始が遅くなるので望ましくない。実施例１の差動増幅回路によれば、差動信号入力端子１０１、１０２から正常な信号が入力されるまでに差動増幅回路を正常動作する状態に立ち上げておくことができるので、差動信号入力端子１０１、１０２から信号が入力されれば、即座に動作を開始することができる。
【実施例２】
【００３８】
実施例２は、実施例１の差動増幅回路をサンプルアンドホールド回路に応用した実施例である。図４は、実施例２のサンプルアンドホールド回路のブロック図である。実施例２のサンプルアンドホールド回路６０は、例えば、ＡＤコンバータの入力としてサンプルしたアナログデータの電荷の保持に用いることができる。また、実施例２のサンプルアンドホールド回路６０では、電荷の保持に実施例１の差動増幅回路を用いている。図４において、差動増幅部５０１、スタートアップ回路２００の構成は、実施例１の差動増幅回路５０とほぼ同一である。図４のサンプルアンドホールド回路６０は、外部からアナログ信号を入力するためのサンプリング信号入力端子ＳＨ＿ＩＮ、ＳＨ＿ＩＰを備えている。また、サンプルアンドホールド回路６０は、差動増幅部５０１の反転信号入力端子１０１に一端が接続され、他端がスイッチ素子２５３に接続された容量２５１と、非反転信号入力端子１０２に一端が接続され、他端がスイッチ素子２５４に接続された容量２５２と、を備えている。さらに、サンプルアンドホールド回路６０は、差動増幅部５０１の反転信号入力端子１０１と非反転信号出力端子１０３との間に設けられたスイッチ素子２５５と、非反転信号入力端子１０２と反転信号出力端子１００との間に設けられたスイッチ素子２５６とを備えている。スイッチ素子２５３は、容量２５１の他端を、サンプリング信号入力端子ＳＨ＿ＩＮ、または、非反転信号出力端子１０３のいずれかに接続する。スイッチ素子２５４は、容量２５２の他端を、サンプリング信号入力端子ＳＨ＿ＩＰ、または、反転信号出力端子１００のいずれかに接続する。また、スタートアップ回路２００の構成は、実施例１では、スイッチ２０４と２０５がそれぞれＶＲＥＦ２と反転信号入力端子１０１、ＶＲＥＦ２と非反転信号入力端子１０２の間を接続していたのに代えて、実施例２のサンプルアンドホールド回路６０では、スイッチ２０４と２０５がそれぞれＶＲＥＦ２とサンプリング信号入力端子ＳＨ＿ＩＮ、ＶＲＥＦ２とサンプリング信号入力端子ＳＨ＿ＩＰの間を接続していることが異なる。その他の構成は、実施例１の差動増幅回路５０と同一である。
【００３９】
次に、実施例２のサンプルアンドホールド回路の動作について説明する。図１０（ａ）は、サンプルアンドホールド回路６０のサンプルモードの接続図であり、図１０（ｂ）は、ホールドモードの接続図である。図１０（ａ）のサンプルモードでは、スイッチ素子２５３は、容量２５１の他端をサンプリング信号入力端子ＳＨ＿ＩＮへ接続し、スイッチ素子２５４は、容量２５２の他端をサンプリング信号入力端子ＳＨ＿ＩＰへ接続する。また、スイッチ素子２５５、２５６は共に閉じ、差動増幅部５０１の非反転信号出力端子１０３を反転信号入力端子１０１に、反転信号出力端子１００を非反転信号入力端子１０２に接続する。このサンプルモードでは、サンプリング信号入力端子ＳＨ＿ＩＮとＳＨ＿ＩＰとの電位差は、容量２５１と２５２に記憶される。また、反転信号出力端子１００と非反転信号出力端子１０３との電位差はほぼゼロである。
【００４０】
次に、図１０（ｂ）のホールドモードでは、サンプリング信号入力端子ＳＨ＿ＩＮとＳＨ＿ＩＰは、サンプルアンドホールド回路６０から切り離される。また、スイッチ素子２５５、２５６は非導通状態に設定され、スイッチ素子２５３、２５４により容量２５１、２５２の他端は非反転信号出力端子１０３と反転信号出力端子１００とに接続される。このホールドモードでは、サンプルモードで容量２５１、２５２に蓄積した電荷は保持され、サンプルモードで入力したサンプリング信号入力端子ＳＨ＿ＩＮとＳＨ＿ＩＰとの電位差は、非反転信号出力端子１０３と反転信号出力端子１００との電位差となって出力される。
【００４１】
図１０では、スタートアップ回路２００の記載は省略しているが、図４で説明したように出力コモン電圧ＶＣＯＭが異常であるときは、サンプリング信号入力端子ＳＨ＿ＩＮとＳＨ＿ＩＰを固定電位に短絡する。サンプリング信号入力端子ＳＨ＿ＩＮとＳＨ＿ＩＰを固定電位に短絡することにより間接的に差動信号入力端子１０１、１０２に固定電位を与えることができ、出力コモン電圧ＶＣＯＭが異常な電圧で固定されてしまうことを防ぐことができる。
【００４２】
なお、実施例１のスタートアップ回路の説明で、電位モニター回路２０１が、出力コモン電圧の上限値と下限値の両方をモニターする例について説明した。しかし、出力コモン電圧が異常な電圧で固定されてしまう現象が、出力コモン電圧が低くなる場合、または、高くなる場合の一方でしか起こりえないような場合は、出力コモン電圧の下限値、または、上限値の一方をモニターするだけでも充分である。この場合は、スタートアップ回路２０１の構成を簡略化することができる。
【００４３】
また、上記各実施例では、出力コモン電圧が電源の投入時または、パワーダウンモードの解除時に異常になる場合について説明したが、差動増幅回路が正常な動作をしている最中に、何らかの原因により出力コモン電圧や差動入力電圧が異常になった場合においても、適用することができる。すなわち、動作中に出力コモン電圧や差動入力電圧が異常になった場合においても、出力コモン電圧が異常な状態に陥り固定化されてしまうことを防止し、出力コモン電圧を正常な状態にスタートアップ（復帰）させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明において、特許文献１に記載されている差動増幅部と同相帰還回路を用いれば、スタートアップ時の動作がスムーズで、かつ、広帯域で高利得な全差動増幅回路を得ることができる。さらに、本発明によれば、どのような構成の全差動増幅回路にも適用でき、出力コモン電圧の異常を検出し、正常な状態に戻すことのできる差動増幅回路が得られる。さらに、本発明の差動増幅回路は、サンプルアンドホールド回路にとどまらず、様々な用途に用いることができる。
【００４５】
なお、本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素の多様な組み合わせ乃至選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。
【符号の説明】
【００４６】
１〜３１：トランジスタ
５０、６００：差動増幅回路
６０：サンプルアンドホールド回路
７０：定電流源
８０〜８５、２５１、２５２：容量
１００：反転信号出力端子
１０１：反転信号入力端子
１０２：非反転信号入力端子
１０３：非反転信号出力端子
１０４：基準コモン電圧入力端子
１０５：基準バイアス電圧入力端子
２００：スタートアップ回路
２０１：電位モニター回路
２０２、２０３、２１１、２１２、２１３：抵抗
９０〜９３、２０４、２０５、２５３〜２５６：スイッチ素子
２２１、２２２：電圧比較回路
２２３：論理ＡＮＤ回路
３０１：正極性入力（非反転信号入力端子）
３０２：負極性入力（反転信号入力端子）
３０３：差動増幅器
３０４：出力コモン電圧生成回路
３０５：コモン電圧（基準電圧）
３０６：グランド
３０７：コモンモードフィードバック用比較器
３０８：コモンモードフィードバック信号
３０９：スタートアップ用補助電流供給回路
３２１：正極性電流出力
３２２：負極性電流出力
３４１：出力コモン電圧
３４４：コモンモードフィードバック端子
５０１、Ａ１：差動増幅部
５０２、Ｃ１：同相帰還回路（静電容量部、スイッチトキャパシタ回路）
Ｂ１：定電圧発生部
ＳＨ＿ＩＮ、ＳＨ＿ＩＰ：サンプリング信号入力端子
ＩＮＥ：インプットイネーブル信号（ロウレベルのときに差動入力端子に固定電圧を与えるように制御する信号）
ＶＣＯＭ：コモン電圧信号（一対の差動信号出力端子の中間電圧信号）
ＶＣＯＭＦ：同相帰還電圧
ＶＤＤ：電源
ＧＮＤ：接地
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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