(57)【要約】【課題】差動入出力アンプの負荷とならず、その出力電圧の誤差が生じないようにしたコモンモードフィードバック回路を提供する。【解決手段】差動入出力アンプ１１の正出力１２及び負出力１３を電流に変換する第１及び第２のトランジスタＭ１，Ｍ２と、基準電圧１６を電流に変換する第３のトランジスタＭ３と、第１，第２及び第３のトランジスタで変換された電流を電圧に変換するダイオード接続された第４，第５及び第６のトランジスタＭ４，Ｍ５，Ｍ６と、第４及び第５のトランジスタで変換された電圧の同相電圧成分を検出する２つの同一値の抵抗からなる同相電圧成分検出回路１４と、該同相電圧成分検出回路で検出された同相電圧と第６のトランジスタで変換された電圧とを比較して差動入出力アンプに帰還する比較回路１５とを備え、第１乃至第６のトランジスタの特性及びサイズを同一にしてコモンモードフィードバック回路１０を構成する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
差動入出力アンプに用いるコモンモードフィードバック回路において、差動入出力アンプの正出力を電流に変換するソース接地された第１のトランジスタと、前記差動入出力アンプの負出力を電流に変換するソース接地された第２のトランジスタと、基準電圧を電流に変換するソース接地された第３のトランジスタと、前記第１のトランジスタで変換された電流を電圧に変換するダイオード接続された第４のトランジスタと、前記第２のトランジスタで変換された電流を電圧に変換するダイオード接続された第５のトランジスタと、前記第３のトランジスタで変換された電流を電圧に変換するダイオード接続された第６のトランジスタと、前記第４，第５のトランジスタで変換された電圧の同相電圧成分を検出する２つの同一値の抵抗からなる同相電圧成分検出回路と、該同相電圧成分検出回路で検出された同相電圧と前記第６のトランジスタで変換された電圧とを比較して差動入出力アンプに帰還する比較回路とを備え、前記第１乃至第６のトランジスタの特性及びサイズを同一としたことを特徴とするコモンモードフィードバック回路。
【請求項２】
差動入出力アンプに用いるコモンモードフィードバック回路において、差動入出力アンプの正出力を電流に変換するソース接地された第１のトランジスタと、前記差動入出力アンプの負出力を電流に変換するソース接地された第２のトランジスタと、基準電圧を電流に変換するソース接地された第３のトランジスタと、前記第１のトランジスタで変換された電流を電圧に変換するダイオード接続された第４のトランジスタと、前記第２のトランジスタで変換された電流を電圧に変換するダイオード接続された第５のトランジスタと、前記第３のトランジスタで変換された電流を電圧に変換するダイオード接続された第６のトランジスタと、前記第４，第５のトランジスタで変換された電圧の同相電圧成分を検出する２つの同一値の抵抗からなる同相電圧成分検出回路と、該同相電圧成分検出回路で検出された同相電圧と前記第６のトランジスタで変換された電圧とを比較して差動入出力アンプに帰還する比較回路とを備え、前記第１，第２，第３のトランジスタの特性及びサイズを同一にし、前記第４，第５，第６のトランジスタの特性及びサイズを同一にし、それぞれ対になる前記第１，第４のトランジスタ、前記第２，第５のトランジスタ、前記第３，第６のトランジスタのトランジスタサイズの比率を同一の所定比率にしたことを特徴とするコモンモードフィードバック回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、差動入力・差動出力のオペアンプ回路等に使用されるコモンモードフィードバック回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開平７−２７３５６７号公報
【０００３】
従来より、差動入出力のオペアンプは、コモンモードフィードバック回路を使用して差動出力の同相電圧成分を検出し、この同相電圧成分と所定の基準電圧とを比較した結果をオペアンプに帰還することにより、出力電圧の同相電圧を安定化させている。先に開示されている特開平７−２７３５６７号公報（特許文献１）には、コモンモードフィードバック回路として、図２に示すような構成のものが提案されている。
【０００４】
なお、図２は特開平７−２７３５６７号公報開示の回路を簡略化して示した回路構成図である。図２に示すように、コモンモードフィードバック回路２０は、値の等しい２つの抵抗Ｒｓ  で構成される同相電圧成分検出回路２４と、比較回路２５とで構成されていて、差動入出力アンプ２１の正負の出力２２，２３は、それぞれ前記同相電圧成分検出回路２４に入力されるように接続されている。そして、前記同相電圧成分検出回路２４において、前記差動入出力アンプ２１の２つの出力２２、２３の同相電圧成分を検出し、該同相電圧成分を前記比較回路２５の一方の入力端子に入力するように接続されている。また、基準電圧２６は前記比較回路２５の他方の入力端子に入力されていて、前記比較回路２５の出力は差動入出力アンプ２１に帰還されるように構成されている。
【０００５】
次に、このように構成されている従来提案のコモンモードフィードバック回路の動作について説明する。差動入出力アンプ２１の２つの出力２２，２３の電圧を、それぞれＶＯＰ，ＶＯＭとすると、同相電圧成分検出回路２４により、（ＶＯＰ＋ＶＯＭ）／２という同相電圧成分が比較回路２５に入力され、比較回路２５で基準電圧（２６）ＶＣＭと比較される。そして、比較回路２５の出力は差動入出力アンプ２１のＶＯＣＭ端子に帰還され、差動入出力アンプ２１の２つの出力電圧の同相電圧が、基準電圧ＶＣＭとなるように制御される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図２で示した従来例においては、差動入出力アンプ２１の２つの出力２２，２３間を、同相電圧成分検出回路２４を構成する２つの抵抗Ｒｓ  で直接接続しているので、抵抗Ｒｓ  を流れる電流は、そのまま差動入出力アンプ２１の負荷電流となってしまい、出力電圧の誤差の原因となってしまう。更に、抵抗を流れる電流を減らすために抵抗値を大きくしようとすると、ＩＣ化には向かなくなるなどの問題がある。
【０００７】
本発明は、従来提案されているコモンモードフィードバック回路における上記問題点を解消するためになされたもので、差動入出力アンプの負荷とならず、その出力電圧に誤差が生じないようにしたコモンモードフィードバック回路を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するため、請求項１に係る発明は、差動入出力アンプに用いるコモンモードフィードバック回路において、差動入出力アンプの正出力を電流に変換するソース接地された第１のトランジスタと、前記差動入出力アンプの負出力を電流に変換するソース接地された第２のトランジスタと、基準電圧を電流に変換するソース接地された第３のトランジスタと、前記第１のトランジスタで変換された電流を電圧に変換するダイオード接続された第４のトランジスタと、前記第２のトランジスタで変換された電流を電圧に変換するダイオード接続された第５のトランジスタと、前記第３のトランジスタで変換された電流を電圧に変換するダイオード接続された第６のトランジスタと、前記第４，第５のトランジスタで変換された電圧の同相電圧成分を検出する２つの同一値の抵抗からなる同相電圧成分検出回路と、該同相電圧成分検出回路で検出された同相電圧と前記第６のトランジスタで変換された電圧とを比較して差動入出力アンプに帰還する比較回路とを備え、前記第１乃至第６のトランジスタの特性及びサイズを同一としたことを特徴とするものである。
【０００９】
このように構成したコモンモードフィードバック回路においては、差動入出力アンプの出力と同相電圧成分検出回路の抵抗は直接接続されず、電流・電圧変換用の第１及び第４のトランジスタ並びに第２及び第５のトランジスタを介して接続されるため、差動入出力アンプに余計な電流負荷が掛かり、出力誤差が生じることを防止することができる。
【００１０】
請求項２に係る発明は、差動入出力アンプに用いるコモンモードフィードバック回路において、差動入出力アンプの正出力を電流に変換するソース接地された第１のトランジスタと、前記差動入出力アンプの負出力を電流に変換するソース接地された第２のトランジスタと、基準電圧を電流に変換するソース接地された第３のトランジスタと、前記第１のトランジスタで変換された電流を電圧に変換するダイオード接続された第４のトランジスタと、前記第２のトランジスタで変換された電流を電圧に変換するダイオード接続された第５のトランジスタと、前記第３のトランジスタで変換された電流を電圧に変換するダイオード接続された第６のトランジスタと、前記第４，第５のトランジスタで変換された電圧の同相電圧成分を検出する２つの同一値の抵抗からなる同相電圧成分検出回路と、該同相電圧成分検出回路で検出された同相電圧と前記第６のトランジスタで変換された電圧とを比較して差動入出力アンプに帰還する比較回路とを備え、前記第１，第２，第３のトランジスタの特性及びサイズを同一にし、前記第４，第５，第６のトランジスタの特性及びサイズを同一にし、それぞれ対になる前記第１，第４のトランジスタ、前記第２，第５のトランジスタ、前記第３，第６のトランジスタのトランジスタサイズの比率を同一の所定比率にしたことを特徴とするものである。
【００１１】
このように構成したコモンモードフィードバック回路においては、請求項１に係る発明のもつ効果に加えて、対になるトランジスタのサイズを所定比率にすることで、差動入出力アンプの出力を電流に変換し、電圧に戻したときの動作点を自由に変えることができ、同相電圧成分検出回路への入力電圧を自由に調整することができるので、差動入出力アンプの出力電圧範囲は、上限がＶＤＤ（電源電圧）−ＶＤＳ（トランジスタのドレイン・ソース間電圧）、下限がＶＧＳ（トランジスタのゲート・ソース間電圧）となり、コモンモードフィードバック回路が差動入出力アンプの出力電圧範囲を制限するのを最小限に抑えることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、実施の形態について説明する。図１は、本発明に係るコモンモードフィードバック回路の第１の実施の形態の構成を示す回路構成図である。図１において、コモンモードフィードバック回路１０は、差動入出力アンプ１１の正出力（１２）ＶＯＰを電流変換する第１のトランジスタＭ１と、差動入出力アンプ１１の負出力（１３）ＶＯＭを電流変換する第２のトランジスタＭ２と、基準電圧（１６）ＶＣＭを電流変換する第３のトランジスタＭ３と、前記第１のトランジスタＭ１で変換された電流を電圧に戻す、ダイオード接続された第４のトランジスタＭ４と、前記第２のトランジスタＭ２で変換された電流を電圧に戻す、ダイオード接続された第５のトランジスタＭ５と、前記第３のトランジスタＭ３で変換された電流を電圧に戻す、ダイオード接続された第６のトランジスタＭ６と、値の等しい２つの抵抗Ｒｓ  で構成された、前記第４のトランジスタＭ４で変換された電圧と前記第５のトランジスタＭ５で変換された電圧の同相電圧成分を検出する同相電圧成分検出回路１４と、該同相電圧成分検出回路１４で検出された同相電圧成分と前記第６のトランジスタＭ６で変換された電圧とを比較し、その出力を前記差動入出力アンプ１１のＶＯＣＭ端子に帰還する比較回路１５とで構成されている。
【００１３】
なお、上記第１〜第６のトランジスタＭ１〜Ｍ６は、特性及びサイズの等しいＮｃｈＭＯＳトランジスタで構成されており、第１〜第３のトランジスタのソースは接地され、ダイオード接続された第４〜第６のトランジスタのゲート及びドレインは電源電圧ＶＤＤに接続されている。
【００１４】
次に、図１に示したコモンモードフィードバック回路１０の動作について説明する。まず、上記のように構成されたコモンモードフィードバック回路１０においては、差動入出力アンプ１１の正出力ＶＯＰが第１のトランジスタＭ１で、差動入出力アンプ１１の負出力ＶＯＭが第２のトランジスタＭ２で、基準電圧ＶＣＭが第３のトランジスタＭ３で、それぞれ電流Ｉ１  ，Ｉ２  ，Ｉ３  に変換される。このとき電流Ｉ１  ，Ｉ２  ，Ｉ３  の値は、次式（１），（２），（３）で表される。
【００１５】
【数１】
2004363978.tif 000003
【００１６】
【数２】
2004363978.tif 000004
【００１７】
【数３】
2004363978.tif 000005
【００１８】
ここで、ＶＴＨ（ＶＴＨ１  ，ＶＴＨ２  ，ＶＴＨ３  ）は各トランジスタの閾値電圧、β（β１  ，β２  ，β３  ）＝μｎ  ・ＣＯＸ・Ｗ／Ｌであり、μｎ  は電子の移動度、ＣＯＸはゲート酸化膜容量、Ｗはゲート幅、Ｌはゲート長である。
【００１９】
そして、電流Ｉ１  ，Ｉ２  ，Ｉ３  は、それぞれ第４，第５，第６のトランジスタＭ４，Ｍ５，Ｍ６で、電圧Ｖ４  ，Ｖ５  ，Ｖ６  に戻される。このときのＶ４  の値は、次式（４）で表される。
【００２０】
【数４】
2004363978.tif 000006
【００２１】
同様に電圧Ｖ５  ，Ｖ６  は、次式（５），（６）で表される。
【００２２】
【数５】
2004363978.tif 000007
【００２３】
【数６】
2004363978.tif 000008
【００２４】
ここで、ＶＧＳ４  ，ＶＧＳ５  ，ＶＧＳ６  は、第４，第５，第６のトランジスタのゲート・ソース間電圧であり、また６  つのトランジスタＭ１〜Ｍ６は、特性及びサイズが同じであるので、
β１  ＝β２  ＝β３  ＝β４  ＝β５  ＝β６  
ＶＴＨ１  ＝ＶＴＨ２  ＝ＶＴＨ３  ＝ＶＴＨ４  ＝ＶＴＨ５  ＝ＶＴＨ６  
となる。よって、式（４），（５），（６）は、次式（７），（８），（９）のように表される。
【００２５】
【数７】
2004363978.tif 000009
【００２６】
【数８】
2004363978.tif 000010
【００２７】
【数９】
2004363978.tif 000011
【００２８】
また、同相電圧成分検出回路１４では、電圧Ｖ４  ，Ｖ５  の同相電圧成分ＶＣ  が検出される。ＶＣ  は、次式（１０）のように表される。
【００２９】
【数１０】
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【００３０】
そして、比較回路１５では、式（９）の電圧Ｖ６  と式（１０）の同相電圧成分ＶＣ  とを比較し、差動入出力アンプ１１に帰還を掛けることになる。この比較回路１５における動作は、（ＶＯＰ＋ＶＯＭ）／２とＶＣＭとの比較と等価であり、従来例と同じ結果を得ることができる。更に、同相電圧成分検出回路１４の抵抗Ｒｓ  は、直接、差動入出力アンプ１１の出力１２，１３に接続されていないので、余計な負荷電流が流れることがなく、差動入出力アンプ１１の出力電圧ＶＯＰ，ＶＯＭの誤差が生じることがなくなるという利点が得られる。
【００３１】
次に、本発明に係るコモンモードフィードバック回路の第２の実施の形態の構成について説明する。本実施の形態の基本構成は、図１に示した第１の実施の形態と同一であるので、その図示を省略する。この実施の形態の特徴は、第１の実施の形態のコモンモードフィードバック回路１０において、前記第１，第２，第３のトランジスタＭ１，Ｍ２，Ｍ３の特性及びサイズを同一にし、前記第４，第５，第６のトランジスタＭ４，Ｍ５，Ｍ６の特性及びサイズを同一にし、それぞれ対になる前記第１，第４のトランジスタＭ１，Ｍ４、前記第２，第５のトランジスタＭ２，Ｍ５、前記第３，第６のトランジスタＭ３，Ｍ６のトランジスタサイズの比率を、所定の任意の比率に設定した点である。
【００３２】
次に、この実施の形態の動作について説明する。先に記述した第１の実施の形態と同様に、電圧Ｖ４  ，Ｖ５  ，Ｖ６  は、式（４），（５），（６）で表される。ここで、β＝μｎ  ・ＣＯＸ・Ｗ／Ｌを代入して整理すると、μｎ  とＣＯＸは全て共通で、トランジスタサイズの比率が違うので、次式（１１），  （１２），（１３）のように表される。
【００３３】
【数１１】
2004363978.tif 000013
【００３４】
【数１２】
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【００３５】
【数１３】
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【００３６】
ここで、Ｗ２  ＝Ｗ３  ＝Ｗ１  ，Ｌ２  ＝Ｌ３  ＝Ｌ１  ，Ｗ５  ＝Ｗ６  ＝Ｗ４  ，Ｌ５  ＝Ｌ６  ＝Ｌ４  ，ＶＴＨ１  ＝ＶＴＨ２  ＝ＶＴＨ３  ，ＶＴＨ４  ＝ＶＴＨ５  ＝ＶＴＨ６  であるので、式（１１），  （１２），（１３）は、次式（１４），（１５），（１６）のように表される。
【００３７】
【数１４】
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【００３８】
【数１５】
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【００３９】
【数１６】
2004363978.tif 000018
【００４０】
式（１４），（１５），（１６）より、動作点となる電圧Ｖ４  ，Ｖ５  ，Ｖ６  の電圧値をトランジスタサイズを変えることで、自由に設定することができることがわかる。また、同相電圧成分検出回路１４では、電圧Ｖ４  ，Ｖ５  の同相電圧成分ＶＣ  が検出される。同相電圧成分ＶＣ  は、次式（１７）のように表される。
【００４１】
【数１７】
2004363978.tif 000019
【００４２】
そして、比較回路１５では、式（１６）の基準電圧ＶＣＭに基づく電圧Ｖ６  と式（１７）の同相電圧成分ＶＣ  とを比較し、差動入出力アンプ１１に帰還を掛けることになる。この比較回路１５の動作は、（ＶＯＰ＋ＶＯＭ）／２とＶＣＭとの比較と等価である。したがって、この実施の形態では、第１の実施の形態の効果に加えて、動作点となる電圧Ｖ４  ，Ｖ５  ，Ｖ６  の電圧値を自由に設定できるので、同相電圧成分検出回路１４への入力電圧を自由に調整することができ、差動入出力アンプの出力電圧範囲は、上限がＶＤＤ−ＶＤＳ（第１又は第２のトランジスタＭ１又はＭ２のドレイン・ソース間電圧）、下限がＶＧＳ（第４又は第５のトランジスタＭ４又はＭ５のゲート・ソース間電圧）となり、コモンモードフィードバック回路１０が差動入出力アンプ１１の出力電圧範囲を制限するのを、最小限に抑えることができる。
【００４３】
なお、上記各実施の形態では、トランジスタとしてＮｃｈＭＯＳトランジスタを使用したコモンモードフィードバック回路を示しているが、ＰｃｈＭＯＳトランジスタを使用しても同じ効果をもったコモンモードフィードバック回路を実現できることは言うまでもない。
【００４４】
【発明の効果】
以上実施の形態に基づいて説明したように、請求項１に係る発明によれば、差動入出力アンプの出力と同相電圧成分検出回路を構成する抵抗は直接接続されず、電流・電圧変換用の第１及び第４のトランジスタ並びに第２及び第５のトランジスタを介して接続されるようにしているので、差動入出力アンプの出力に余計な電流負荷を掛けることがなく、出力誤差を生じさせないコモンモードフィードバック回路を実現できる。また請求項２に係る発明によれば、第１，第２，第３のトランジスタの特性とサイズを同一にし、第４，第５，第６のトランジスタの特性とサイズを同一にし、それぞれ対になる前記第１，第４のトランジスタ、前記第２，第５のトランジスタ、前記第３，第６のトランジスタのトランジスタサイズの比率を同一の所定比率にしているので、請求項１に係る発明の効果に加えて、前記第４，第５，第６のトランジスタで電流を電圧に変換したときの動作点を自由に設定することができ、差動入出力アンプの出力電圧範囲の制限を最小限に抑えたコモンモードフィードバック回路を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるコモンモードフィードバック回路の第１の実施の形態の構成を示す回路構成図である。
【図２】従来のコモンモードフィードバック回路の構成例を示す回路構成図である。
【符号の説明】
１０  コモンモードフィードバック回路
１１  差動入出力アンプ
１２  差動入出力アンプの正出力
１３  差動入出力アンプの負出力
１４  同相電圧成分検出回路
１５  比較回路
１６  基準電圧
２０  コモンモードフィードバック回路
２１  差動入出力アンプ
２２  差動入出力アンプの正出力
２３  差動入出力アンプの負出力
２４  同相電圧成分検出回路
２５  比較回路
２６  基準電圧
【図１】
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【図２】
2004363978.tif 000021