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JP2006173900A - Bias generating circuit, cascode differential amplifier comprising the same, and analogue/digital converter equipped with differential amplifier - Google Patents

Bias generating circuit, cascode differential amplifier comprising the same, and analogue/digital converter equipped with differential amplifier Download PDF

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JP2006173900A JP2004361628A JP2004361628A JP2006173900A JP 2006173900 A JP2006173900 A JP 2006173900A JP 2004361628 A JP2004361628 A JP 2004361628A JP 2004361628 A JP2004361628 A JP 2004361628A JP 2006173900 A JP2006173900 A JP 2006173900A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a bias generation circuit, differential amplifier, and analogue/digital converter capable of applying optimum bias to a gate of cascode transistor. <P>SOLUTION: The bias generation circuit, differential amplifier, and analogue digital converter to apply a bias to the gate of a cascode transistor comprise a first current source connected to a power supply, a first transistor which is diode-connected between the first current source and the ground, a second transistor connected to the power supply, a second current source connected between the second transistor and the ground, a third current source connected to the power supply, and a third transistor which is diode-connected between the third current source and the second current source. A drain of the first transistor is connected to the gate of second transistor, and the gate of third transistor is connected to the gate of cascode transistor. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、バイアス発生回路及び同回路を有するカスコード型差動増幅器及び同差動増幅器を備えたアナログ/ディジタル変換器に関するものである。   The present invention relates to a bias generation circuit, a cascode differential amplifier having the circuit, and an analog / digital converter including the differential amplifier.

従来より、アナログ/ディジタル変換器(以下、「A/Dコンバータ」という。)では、入力されるアナログ信号と複数段階の参照電圧とを比較することによってアナログ信号に対応したディジタル信号を生成していた。   Conventionally, an analog / digital converter (hereinafter referred to as “A / D converter”) generates a digital signal corresponding to an analog signal by comparing an input analog signal with a plurality of stages of reference voltages. It was.

そのため、A/Dコンバータには、アナログ信号を所定のタイミングでサンプルホールドすることにより得た電圧と参照電圧とを比較するための複数個の差動増幅器を設けていた。   For this reason, the A / D converter is provided with a plurality of differential amplifiers for comparing a voltage obtained by sample-holding an analog signal at a predetermined timing with a reference voltage.

このA/Dコンバータに設ける差動増幅器は、一般に負荷回路を接続することによって出力を得るように構成していた。   The differential amplifier provided in the A / D converter is generally configured to obtain an output by connecting a load circuit.

そして、負荷回路には、電流源負荷として機能するソースをグランドに接続した接地トランジスタを設け、さらに、この接地トランジスタにカスコード接続させたカスコードトランジスタを設けることにより差動増幅器の利得を増大させて、アナログ信号をディジタル信号に変換する際の変換精度を向上させるとともに、差動増幅器の高速性及び広帯域性を向上させていた(たとえば、特許文献1参照。)。   The load circuit is provided with a ground transistor in which a source functioning as a current source load is connected to the ground, and further provided with a cascode transistor connected in cascode to the ground transistor, thereby increasing the gain of the differential amplifier, In addition to improving the conversion accuracy when converting an analog signal to a digital signal, the high speed and wide bandwidth of the differential amplifier have been improved (see, for example, Patent Document 1).

このような接地トランジスタと、この接地トランジスタにカスコード接続したカスコードトランジスタとを備える回路には、通常、バイアス発生回路を備えており、このバイアス発生回路によりカスコードトランジスタのゲートに適切なバイアスを印加することによって、接地トランジスタが飽和領域で動作できるようにしていた。   A circuit including such a ground transistor and a cascode transistor cascode-connected to the ground transistor normally includes a bias generation circuit, and an appropriate bias is applied to the gate of the cascode transistor by the bias generation circuit. Therefore, the ground transistor can operate in the saturation region.

このバイアス発生回路100は、図4に示すように、電源Vccに接続した電流源I100と、この電流源I100とグランドGNDとの間に直列にダイオード接続した第1のトランジスタT101及び第2のトランジスタT102と、電源VccとグランドGNDとの間に直列に接続した第3のトランジスタT103及び第4のトランジスタT104とを備えていた。   As shown in FIG. 4, the bias generation circuit 100 includes a current source I100 connected to the power source Vcc, a first transistor T101 and a second transistor diode-connected in series between the current source I100 and the ground GND. T102, and a third transistor T103 and a fourth transistor T104 connected in series between the power supply Vcc and the ground GND.

そして、第2のトランジスタT102のゲートと第4のトランジスタT104のゲートとを接続するとともに、第1のトランジスタT101のゲートを第3のトランジスタT103のゲートと、接地トランジスタT105のゲートとに接続し、この接地トランジスタT105にカスコード接続しているカスコードトランジスタT106のゲートと第4のトランジスタT104のソースとを接続することによってバイアス発生回路100を構成していた。   And while connecting the gate of the second transistor T102 and the gate of the fourth transistor T104, the gate of the first transistor T101 is connected to the gate of the third transistor T103 and the gate of the ground transistor T105, The bias generating circuit 100 is configured by connecting the gate of the cascode transistor T106 cascode-connected to the ground transistor T105 and the source of the fourth transistor T104.

このように構成したバイアス発生回路100では、第1のトランジスタT101、第3のトランジスタT103、第4のトランジスタT104、接地トランジスタT105、カスコードトランジスタT106の各トランジスタのゲート幅寸法をゲート長寸法で除した値の比(以下、「W/Lサイズ比」という。)を全て等しく設計するとともに、第2のトランジスタT102のW/Lサイズ比を他の全てのトランジスタT101、T103、T104、T105、T106のW/Lサイズ比の1/4となるように設計することによってカスコードトランジスタT106のゲートに最適なバイアスを印加し、接地トランジスタT105が飽和領域で動作できるようにしていた。   In the bias generation circuit 100 configured as described above, the gate width dimension of each of the first transistor T101, the third transistor T103, the fourth transistor T104, the ground transistor T105, and the cascode transistor T106 is divided by the gate length dimension. The ratio of values (hereinafter referred to as “W / L size ratio”) are all designed to be equal, and the W / L size ratio of the second transistor T102 is set to be equal to that of all the other transistors T101, T103, T104, T105, and T106. By designing it to be 1/4 of the W / L size ratio, an optimum bias is applied to the gate of the cascode transistor T106 so that the ground transistor T105 can operate in the saturation region.

すなわち、上記のように各トランジスタのW/Lサイズ比を設計したバイアス発生回路100では、第1のトランジスタT101のゲート・ソース間電圧をVgs、この第1のトランジスタT101の閾値電圧をVthすると、ノードaに3Vgs-Vthという電圧が発生することとなり、これにより、ノードbに2Vgs-Vthという電圧を発生させることができる。そして、このノードbに発生させた電圧をカスコードトランジスタT106のゲートに印加することによって、接地トランジスタT105のソース・ドレイン間電圧となるノードcにVgs-Vthという電圧を発生させて、接地トランジスタT105を飽和領域で動作させることができるようにしていた。
特開2004-7134号公報
That is, in the bias generation circuit 100 in which the W / L size ratio of each transistor is designed as described above, when the gate-source voltage of the first transistor T101 is Vgs and the threshold voltage of the first transistor T101 is Vth, A voltage of 3Vgs-Vth is generated at the node a, whereby a voltage of 2Vgs-Vth can be generated at the node b. Then, by applying the voltage generated at the node b to the gate of the cascode transistor T106, a voltage Vgs-Vth is generated at the node c which is the source-drain voltage of the ground transistor T105, and the ground transistor T105 is It was possible to operate in the saturation region.
JP 2004-7134 A

ところが、上記従来のバイアス発生回路100では、接地トランジスタT105を飽和領域で動作させるために、第1のトランジスタT101、第3のトランジスタT103、第4のトランジスタT104、接地トランジスタT105、カスコードトランジスタT106の各トランジスタのW/Lサイズ比を全て等しく設計し、さらに、第2のトランジスタT102のW/Lサイズ比を他の全てのトランジスタT101、T103、T104、T105、T106のW/Lサイズ比の1/4となるように設計しなければならず、回路設計の自由度が低く、接地トランジスタT105とカスコードトランジスタT106とのW/Lサイズ比が等しい回路にしか適用することができなかった。   However, in the conventional bias generation circuit 100, in order to operate the ground transistor T105 in the saturation region, each of the first transistor T101, the third transistor T103, the fourth transistor T104, the ground transistor T105, and the cascode transistor T106. The transistor W / L size ratios are all designed to be equal, and the second transistor T102 W / L size ratio is set to 1 / W of all other transistors T101, T103, T104, T105, T106. The circuit design must be designed to be 4, so that the degree of freedom in circuit design is low and the circuit can be applied only to circuits having the same W / L size ratio between the ground transistor T105 and the cascode transistor T106.

そのため、A/Dコンバータを構成する差動増幅器に接続する負荷回路でも接地トランジスタT105とカスコードトランジスタT106とのW/Lサイズ比を等しく設計しておかなければならず、カスコードトランジスタT106の寄生容量を低減することが困難であった。   Therefore, even in the load circuit connected to the differential amplifier that constitutes the A / D converter, the W / L size ratio between the ground transistor T105 and the cascode transistor T106 must be designed to be equal, and the parasitic capacitance of the cascode transistor T106 is reduced. It was difficult to reduce.

そこで、請求項1に係る本発明では、ソースをグランドに接続したトランジスタにカスコード接続したカスコードトランジスタのゲートに印加するバイアスを発生するバイアス発生回路において、電源に接続した第1の電流源と、この第1の電流源とグランドとの間にダイオード接続した第1のトランジスタと、電源に接続した第2のトランジスタと、この第2のトランジスタとグランドとの間に接続した第2の電流源と、電源に接続した第3の電流源と、この第3の電流源と第2の電流源との間にダイオード接続した第3のトランジスタとを設け、第1のトランジスタのドレインと第2のトランジスタのゲートとを接続し、第3のトランジスタのゲートと、カスコードトランジスタのゲートとを接続した。   Therefore, in the present invention according to claim 1, in the bias generation circuit for generating a bias to be applied to the gate of the cascode transistor cascode-connected to the transistor having the source connected to the ground, the first current source connected to the power source, A first transistor diode-connected between the first current source and ground; a second transistor connected to the power supply; a second current source connected between the second transistor and ground; A third current source connected to the power source, and a third transistor connected in diode connection between the third current source and the second current source are provided, and the drain of the first transistor and the second transistor The gate was connected, and the gate of the third transistor and the gate of the cascode transistor were connected.

また、請求項2に係る本発明では、請求項1に記載のバイアス発生回路において、第2のトランジスタとソースをグランドに接続したトランジスタとに流れる電流の各電流密度をそれぞれ等しい第1電流密度とし、第3のトランジスタとカスコードトランジスタとに流れる電流の各電流密度をそれぞれ等しい第2電流密度とし、第1のトランジスタに流れる電流の電流密度を所定電流密度にすることによって、接地トランジスタが飽和領域で動作可能な電圧を接地トランジスタのドレイン・ソース間に発生させることとした。   Further, in the present invention according to claim 2, in the bias generation circuit according to claim 1, each current density of current flowing through the second transistor and the transistor having the source connected to the ground is set to be the same first current density. By setting each current density of the current flowing through the third transistor and the cascode transistor to the same second current density, and by setting the current density of the current flowing through the first transistor to a predetermined current density, the ground transistor is saturated in the saturation region. An operable voltage is generated between the drain and source of the ground transistor.

また、請求項3に係る本発明では、請求項2に記載のバイアス発生回路において、所定電流密度は、第1電流密度の略4倍の電流密度とした。   In the present invention according to claim 3, in the bias generation circuit according to claim 2, the predetermined current density is set to a current density that is substantially four times the first current density.

また、請求項4に係る本発明では、請求項2又は3に記載のバイアス発生回路において、所定電流密度は、トランジスタのゲート幅寸法をゲート長寸法で除して得られるトランジスタサイズを第2のトランジスタと接地トランジスタとが、それぞれ等しい第1の値をとるように設定し、第3のトランジスタとカスコードトランジスタとが、それぞれ等しい第2の値をとるように設定し、第1のトランジスタが、第1の値の略1/4の値となるように設定し、しかも、第1の電流源、第3の電流源は、それぞれ同量の電流を流すように設定し、第2の電流源は、第1の電流源、第3の電流源のそれぞれが流す電流の2倍の電流を流すように設定することによって決定することとした。   Further, in the present invention according to claim 4, in the bias generation circuit according to claim 2 or 3, the predetermined current density is obtained by dividing the transistor size obtained by dividing the gate width dimension of the transistor by the gate length dimension. The transistor and the ground transistor are set to take the same first value, the third transistor and the cascode transistor are set to take the same second value, and the first transistor is set to the first value. The first current source and the third current source are set to flow the same amount of current, and the second current source is set to be approximately 1/4 of the value of 1. It is determined by setting the current to flow twice as much as the current that each of the first current source and the third current source flows.

また、請求項5に係る本発明では、電流源負荷として機能する電流源トランジスタと、この電流源トランジスタにカスコード接続させたカスコードトランジスタとを有する負荷回路と、カスコードトランジスタのゲートに印加するバイアスを発生するバイアス発生回路とを有するカスコード型差動増幅器において、バイアス発生回路は、電源に接続した第1の電流源と、この第1の電流源とグランドとの間にダイオード接続した第1のトランジスタと、電源に接続した第2のトランジスタと、この第2のトランジスタとグランドとの間に接続した第2の電流源と、電源に接続した第3の電流源と、この第3の電流源と第2の電流源との間にダイオード接続した第3のトランジスタとを設け、第1のトランジスタのドレインと第2のトランジスタのゲートとを接続し、第3のトランジスタのゲートと、カスコードトランジスタのゲートとを接続し、さらに、第2のトランジスタと接地トランジスタとに流れる電流の各電流密度をそれぞれ等しい第1電流密度とし、第3のトランジスタとカスコードトランジスタとに流れる電流の各電流密度をそれぞれ等しい第2電流密度とし、第1のトランジスタに流れる電流の電流密度を第1電流密度の略4倍の電流密度とした。   In the present invention according to claim 5, a load circuit having a current source transistor functioning as a current source load, a cascode transistor connected in cascode to the current source transistor, and a bias applied to the gate of the cascode transistor are generated. In the cascode differential amplifier having the bias generation circuit that performs the bias generation circuit, the bias generation circuit includes a first current source connected to a power supply, and a first transistor connected in a diode between the first current source and the ground. A second transistor connected to the power source, a second current source connected between the second transistor and the ground, a third current source connected to the power source, the third current source and the second current source A diode-connected third transistor is provided between the two current sources, and the drain of the first transistor and the gate of the second transistor are connected. The gate of the third transistor and the gate of the cascode transistor are connected, and each current density of the current flowing through the second transistor and the ground transistor is set to the same first current density, and the third transistor Each current density of the current flowing through the cascode transistor was set to the same second current density, and the current density of the current flowing through the first transistor was set to a current density that was approximately four times the first current density.

また、請求項6に係る本発明では、電流源負荷として機能する電流源トランジスタと、この電流源トランジスタにカスコード接続させたカスコードトランジスタとを有する負荷回路と、カスコードトランジスタのゲートに印加するバイアスを発生するバイアス発生回路とを有するカスコード型差動増幅器を備えたアナログ/ディジタル変換器において、バイアス発生回路は、電源に接続した第1の電流源と、この第1の電流源とグランドとの間にダイオード接続した第1のトランジスタと、電源に接続した第2のトランジスタと、この第2のトランジスタとグランドとの間に接続した第2の電流源と、電源に接続した第3の電流源と、この第3の電流源と第2の電流源との間にダイオード接続した第3のトランジスタとを設け、第1のトランジスタのドレインと第2のトランジスタのゲートとを接続し、第3のトランジスタのゲートと、カスコードトランジスタのゲートとを接続し、さらに、第2のトランジスタと接地トランジスタとに流れる電流の各電流密度をそれぞれ等しい第1電流密度とし、第3のトランジスタとカスコードトランジスタとに流れる電流の各電流密度をそれぞれ等しい第2電流密度とし、第1のトランジスタに流れる電流の電流密度を第1電流密度の略4倍の電流密度とした。   In the present invention according to claim 6, a load circuit having a current source transistor functioning as a current source load, a cascode transistor connected in cascode to the current source transistor, and a bias applied to the gate of the cascode transistor are generated. In an analog / digital converter including a cascode differential amplifier having a bias generation circuit that performs a bias generation circuit, the bias generation circuit includes a first current source connected to a power source, and the first current source and a ground. A diode-connected first transistor, a second transistor connected to a power source, a second current source connected between the second transistor and ground, a third current source connected to the power source, A third transistor connected in a diode is provided between the third current source and the second current source, and the drain of the first transistor The gates of the second transistors are connected, the gates of the third transistors and the gates of the cascode transistors are connected, and the current densities of the currents flowing through the second transistor and the ground transistor are equal to each other. The current density of each of the currents flowing through the third transistor and the cascode transistor is the same second current density, and the current density of the current flowing through the first transistor is approximately four times the current density of the first current density. It was.

本発明では、以下に記載するような効果を奏する。   In this invention, there exists an effect as described below.

請求項1に係る本発明では、ソースをグランドに接続したトランジスタにカスコード接続したカスコードトランジスタのゲートに印加するバイアスを発生するバイアス発生回路において、電源に接続した第1の電流源と、この第1の電流源とグランドとの間にダイオード接続した第1のトランジスタと、電源に接続した第2のトランジスタと、この第2のトランジスタとグランドとの間に接続した第2の電流源と、電源に接続した第3の電流源と、この第3の電流源と第2の電流源との間にダイオード接続した第3のトランジスタとを設け、第1のトランジスタのドレインと第2のトランジスタのゲートとを接続し、第3のトランジスタのゲートと、カスコードトランジスタのゲートとを接続したため、接地トランジスタのW/Lサイズ比とカスコードトランジスタのW/Lサイズ比とを等しく設計しなくても、接地トランジスタを飽和領域で動作させることが可能となり、回路設計の自由度を高めることができる。   In the present invention according to claim 1, in the bias generation circuit for generating a bias to be applied to the gate of the cascode transistor cascode-connected to the transistor having the source connected to the ground, the first current source connected to the power source and the first current source A first transistor connected in a diode between the current source and ground, a second transistor connected to the power source, a second current source connected between the second transistor and ground, and a power source A third current source connected and a third transistor diode-connected between the third current source and the second current source; a drain of the first transistor; a gate of the second transistor; Since the gate of the third transistor and the gate of the cascode transistor are connected, the W / L size ratio of the ground transistor and the cascode transistor Without equal designing a W / L size ratio, it is possible to operate the grounded transistor in the saturation region, it is possible to increase the freedom of the circuit design.

また、請求項2に係る本発明では、請求項1に記載のバイアス発生回路において、第2のトランジスタとソースをグランドに接続したトランジスタとに流れる電流の各電流密度をそれぞれ等しい第1電流密度とし、第3のトランジスタとカスコードトランジスタとに流れる電流の各電流密度をそれぞれ等しい第2電流密度とし、第1のトランジスタに流れる電流の電流密度を所定電流密度にすることによって、接地トランジスタが飽和領域で動作可能な電圧を接地トランジスタのドレイン・ソース間に発生させることとしたため、接地トランジスタのW/Lサイズ比に関係なく所望する任意のW/Lサイズ比のカスコードトランジスタを設けても接地トランジスタを飽和領域で動作させることができ、カスコードトランジスタを有する電気回路を設計する際に、回路設計の自由度を高めることができる。   According to a second aspect of the present invention, in the bias generation circuit according to the first aspect, the current densities of the currents flowing through the second transistor and the transistor whose source is connected to the ground are equal to each other. By setting each current density of the current flowing through the third transistor and the cascode transistor to the same second current density, and by setting the current density of the current flowing through the first transistor to a predetermined current density, the ground transistor is saturated in the saturation region. Since an operable voltage is generated between the drain and source of the ground transistor, the ground transistor is saturated even if a cascode transistor with any desired W / L size ratio is provided regardless of the W / L size ratio of the ground transistor. When designing electrical circuits with cascode transistors that can be operated in the region It is possible to increase the freedom of the circuit design.

また、請求項3に係る本発明では、請求項2に記載のバイアス発生回路において、所定電流密度は、第1電流密度の略4倍の電流密度としたため、カスコードトランジスタのゲートに、常に最適なゲート電圧を印加することができるバイアス発生回路を提供することができる。   Further, in the present invention according to claim 3, in the bias generation circuit according to claim 2, the predetermined current density is substantially four times the first current density, so that it is always optimal for the gate of the cascode transistor. A bias generation circuit capable of applying a gate voltage can be provided.

また、請求項4に係る本発明では、請求項2又は3に記載のバイアス発生回路において、所定電流密度は、トランジスタのゲート幅寸法をゲート長寸法で除して得られるトランジスタサイズを第2のトランジスタと接地トランジスタとが、それぞれ等しい第1の値をとるように設定し、第3のトランジスタとカスコードトランジスタとが、それぞれ等しい第2の値をとるように設定し、第1のトランジスタが、第1の値の略1/4の値となるように設定し、しかも、第1の電流源、第3の電流源は、それぞれ同量の電流を流すように設定し、第2の電流源は、第1の電流源、第3の電流源のそれぞれが流す電流の略2倍の電流を流すように設定することによって決定することとしたため、カスコードトランジスタに理論値として最適なゲート電圧を印加することができ、これにより、接地トランジスタを常に飽和領域で動作させることができる。   Further, in the present invention according to claim 4, in the bias generation circuit according to claim 2 or 3, the predetermined current density is obtained by dividing the transistor size obtained by dividing the gate width dimension of the transistor by the gate length dimension. The transistor and the ground transistor are set to take the same first value, the third transistor and the cascode transistor are set to take the same second value, and the first transistor is set to the first value. The first current source and the third current source are set to flow the same amount of current, and the second current source is set to be approximately 1/4 of the value of 1. Because it is decided to set the current to flow approximately twice as much as the current that each of the first current source and the third current source flows, an optimum gate voltage is applied to the cascode transistor as a theoretical value. It is possible Thus, it is possible to operate the ground transistor always saturation region.

また、請求項5に係る本発明では、電流源負荷として機能する電流源トランジスタと、この電流源トランジスタにカスコード接続させたカスコードトランジスタとを有する負荷回路と、カスコードトランジスタのゲートに印加するバイアスを発生するバイアス発生回路とを有するカスコード型差動増幅器において、バイアス発生回路は、電源に接続した第1の電流源と、この第1の電流源とグランドとの間にダイオード接続した第1のトランジスタと、電源に接続した第2のトランジスタと、この第2のトランジスタとグランドとの間に接続した第2の電流源と、電源に接続した第3の電流源と、この第3の電流源と第2の電流源との間にダイオード接続した第3のトランジスタとを設け、第1のトランジスタのドレインと第2のトランジスタのゲートとを接続し、第3のトランジスタのゲートと、カスコードトランジスタのゲートとを接続し、さらに、第2のトランジスタと接地トランジスタとに流れる電流の各電流密度をそれぞれ等しい第1電流密度とし、第3のトランジスタとカスコードトランジスタとに流れる電流の各電流密度をそれぞれ等しい第2電流密度とし、第1のトランジスタに流れる電流の電流密度を第1電流密度の略4倍の電流密度としたため、負荷回路において、カスコードトランジスタのW/Lサイズ比を電流源トランジスタのW/Lサイズ比よりも大きくし、かつカスコードトランジスタのWをより小さくしてカスコードトランジスタの寄生容量を低減することができるようになり、比較的低電力で動作可能な差増増幅器を提供することができる。   In the present invention according to claim 5, a load circuit having a current source transistor functioning as a current source load, a cascode transistor connected in cascode to the current source transistor, and a bias applied to the gate of the cascode transistor are generated. In the cascode differential amplifier having the bias generation circuit that performs the bias generation circuit, the bias generation circuit includes a first current source connected to a power supply, and a first transistor connected in a diode between the first current source and the ground. A second transistor connected to the power source, a second current source connected between the second transistor and the ground, a third current source connected to the power source, the third current source and the second current source A diode-connected third transistor is provided between the two current sources, and the drain of the first transistor and the gate of the second transistor are connected. The gate of the third transistor and the gate of the cascode transistor are connected, and each current density of the current flowing through the second transistor and the ground transistor is set to the same first current density, and the third transistor Since each current density of the current flowing to the cascode transistor is set to the same second current density, and the current density of the current flowing to the first transistor is set to a current density that is approximately four times the first current density, the cascode transistor in the load circuit The parasitic capacitance of the cascode transistor can be reduced by making the W / L size ratio of the cascode transistor larger than the W / L size ratio of the current source transistor and reducing the W of the cascode transistor. It is possible to provide a differential amplifier that can be operated at the same time.

また、請求項6に係る本発明では、電流源負荷として機能する電流源トランジスタと、この電流源トランジスタにカスコード接続させたカスコードトランジスタとを有する負荷回路と、カスコードトランジスタのゲートに印加するバイアスを発生するバイアス発生回路とを有するカスコード型差動増幅器を備えたアナログ/ディジタル変換器において、バイアス発生回路は、電源に接続した第1の電流源と、この第1の電流源とグランドとの間にダイオード接続した第1のトランジスタと、電源に接続した第2のトランジスタと、この第2のトランジスタとグランドとの間に接続した第2の電流源と、電源に接続した第3の電流源と、この第3の電流源と第2の電流源との間にダイオード接続した第3のトランジスタとを設け、第1のトランジスタのドレインと第2のトランジスタのゲートとを接続し、第3のトランジスタのゲートと、カスコードトランジスタのゲートとを接続し、さらに、第2のトランジスタと接地トランジスタとに流れる電流の各電流密度をそれぞれ等しい第1電流密度とし、第3のトランジスタとカスコードトランジスタとに流れる電流の各電流密度をそれぞれ等しい第2電流密度とし、第1のトランジスタに流れる電流の電流密度を第1電流密度の略4倍の電流密度としたため、カスコードトランジスタのW/Lサイズ比を電流源トランジスタのW/Lサイズ比よりも大きくし、かつカスコードトランジスタのWをより小さくしてカスコードトランジスタの寄生容量を低減することができるようになり、A/Dコンバータの低消費電力化を図ることができるとともに、差動増幅器が十分な利得を維持できるようになり、アナログ信号をディジタル信号に変換する際の変換精度を向上させたA/Dコンバータを提供することができる。   In the present invention according to claim 6, a load circuit having a current source transistor functioning as a current source load, a cascode transistor connected in cascode to the current source transistor, and a bias applied to the gate of the cascode transistor are generated. In an analog / digital converter including a cascode differential amplifier having a bias generation circuit that performs a bias generation circuit, the bias generation circuit includes a first current source connected to a power source, and the first current source and a ground. A diode-connected first transistor, a second transistor connected to a power source, a second current source connected between the second transistor and ground, a third current source connected to the power source, A third transistor connected in a diode is provided between the third current source and the second current source, and the drain of the first transistor The gates of the second transistors are connected, the gates of the third transistors and the gates of the cascode transistors are connected, and the current densities of the currents flowing through the second transistor and the ground transistor are equal to each other. The current density of each of the currents flowing through the third transistor and the cascode transistor is the same second current density, and the current density of the current flowing through the first transistor is approximately four times the current density of the first current density. Therefore, the parasitic capacitance of the cascode transistor can be reduced by making the W / L size ratio of the cascode transistor larger than the W / L size ratio of the current source transistor and making the W of the cascode transistor smaller. As well as reducing the power consumption of the A / D converter, the differential amplifier can maintain sufficient gain. Thus, an A / D converter with improved conversion accuracy when converting an analog signal to a digital signal can be provided.

(第1実施形態)
第1実施形態では、ソースをグランドに接続した接地トランジスタにカスコード接続したカスコードトランジスタのゲートに、最適なゲート電圧を印加して、この接地トランジスタを飽和領域で動作可能とするバイアス発生回路について説明する。
(First embodiment)
In the first embodiment, a bias generation circuit will be described in which an optimum gate voltage is applied to the gate of a cascode transistor that is cascode-connected to a ground transistor whose source is connected to the ground, so that the ground transistor can operate in a saturation region. .

図1に示すように、バイアス発生回路1は、電源Vccに接続した第1の電流源I1と、この第1の電流源I1とグランドGNDとの間にダイオード接続した第1のトランジスタT1と、電源Vccに接続した第2のトランジスタT2と、この第2のトランジスタT2とグランドGNDとの間に接続した第2の電流源I2と、電源Vccに接続した第3の電流源I3と、この第3の電流源I3と第2の電流源I2との間にダイオード接続した第3のトランジスタT3とから構成している。   As shown in FIG. 1, the bias generation circuit 1 includes a first current source I1 connected to the power supply Vcc, a first transistor T1 diode-connected between the first current source I1 and the ground GND, The second transistor T2 connected to the power supply Vcc, the second current source I2 connected between the second transistor T2 and the ground GND, the third current source I3 connected to the power supply Vcc, The third current source I3 and the second current source I2 are configured by a third transistor T3 diode-connected.

そして、第1のトランジスタT1のドレインと第2のトランジスタT2のゲートとを接続し、第3のトランジスタT3のゲートとカスコードトランジスタTaのゲートとを接続している。   The drain of the first transistor T1 and the gate of the second transistor T2 are connected, and the gate of the third transistor T3 and the gate of the cascode transistor Ta are connected.

なお、第1実施形態のバイアス発生回路1では、接地トランジスタTbに流れる基準電流量Iを明確にするために、電源Vccに、基準電流量Iを流す第4の電流源I4を接続し、この第4の電流源I4とグランドGNDとの間に第4のトランジスタT4を接続し、この第4のトランジスタT4のゲートと接地トランジスタTbのゲートとを接続している。   In the bias generation circuit 1 of the first embodiment, in order to clarify the reference current amount I flowing through the ground transistor Tb, a fourth current source I4 that flows the reference current amount I is connected to the power source Vcc. A fourth transistor T4 is connected between the fourth current source I4 and the ground GND, and the gate of the fourth transistor T4 and the gate of the ground transistor Tb are connected.

そして、このバイアス発生回路1では、第4のトランジスタT4と第2のトランジスタT2と接地トランジスタTbとに流れる電流の各電流密度をそれぞれ等しい第1電流密度となるようにし、第3のトランジスタT3とカスコードトランジスタTaとに流れる電流の各電流密度をそれぞれ等しい第2電流密度となるようにするとともに、第1のトランジスタT1に流れる電流の電流密度が理論値として第1の電流密度の4倍になる所定電流密度となるように形成している。   In the bias generating circuit 1, the current densities of the currents flowing through the fourth transistor T4, the second transistor T2, and the ground transistor Tb are set to the same first current density, and the third transistor T3 The current density of the current flowing through the cascode transistor Ta is set to be equal to the second current density, and the current density of the current flowing through the first transistor T1 is theoretically four times the first current density. It is formed to have a predetermined current density.

具体的には、トランジスタのゲート幅(W)寸法をゲート長(L)寸法で除して得られる値(以下、「トランジスタサイズ」という。)が、第4のトランジスタT4と第2のトランジスタT2と接地トランジスタTbとは、それぞれ等しい第1の値をとるように設定し、第3のトランジスタT3とカスコードトランジスタTaとは、それぞれ等しい第2の値をとるように設定し、第1のトランジスタT1は、そのトランジスタサイズが理論値として第1の値の1/4の値となるように設定する。   Specifically, the value obtained by dividing the gate width (W) dimension of the transistor by the gate length (L) dimension (hereinafter referred to as “transistor size”) is the fourth transistor T4 and the second transistor T2. And the ground transistor Tb are set to take the same first value, and the third transistor T3 and the cascode transistor Ta are set to take the same second value, respectively, and the first transistor T1 Is set so that the transistor size is a theoretical value that is 1/4 of the first value.

つまり、第4のトランジスタT4と第2のトランジスタT2と接地トランジスタTbとのトランジスタサイズの比(以下、「W/Lサイズ比」という。)をそれぞれ等しくなるようにし、第3のトランジスタT3とカスコードトランジスタTaとのW/Lサイズ比をそれぞれ等しくなるようにし、第4のトランジスタT4と第1のトランジスタT1とのW/Lサイズ比が4対1となるようにしている。   That is, the transistor size ratios of the fourth transistor T4, the second transistor T2, and the ground transistor Tb (hereinafter referred to as “W / L size ratio”) are made equal to each other, and the third transistor T3 and the cascode The W / L size ratio with the transistor Ta is made equal, and the W / L size ratio between the fourth transistor T4 and the first transistor T1 is 4 to 1.

さらに、第4の電流源I4と第1の電流源I1と第3の電流源I3とは、それぞれ等しく基準電流量Iの電流を流すように設定し、第2電流源I2は、基準電流量Iの1/2の電流を流すように設定している。   Further, the fourth current source I4, the first current source I1, and the third current source I3 are set to flow the current of the reference current amount I equally, and the second current source I2 is set to the reference current amount. The current is set to flow 1/2 of I.

このようにバイアス発生回路1を形成しているため、第4のトランジスタT4のゲート電圧をVgs1、第4のトランジスタT4の閾値電圧をVth、第3のトランジスタT3のゲート電圧をVgs2とおくと、
第2のトランジスタT2のゲート電圧であるノードdは、
ノードd=2Vgs1−Vthとなり、
第2のトランジスタT2のソース電圧であるノードaは、
ノードa=Vgs1−Vthとなり、
第3のトランジスタT3のゲート電圧であるノードbは、
ノードb=Vgs2+Vgs1−Vth、となる。
Since the bias generation circuit 1 is formed in this way, if the gate voltage of the fourth transistor T4 is Vgs1, the threshold voltage of the fourth transistor T4 is Vth, and the gate voltage of the third transistor T3 is Vgs2,
The node d, which is the gate voltage of the second transistor T2, is
Node d = 2Vgs1-Vth
The node a which is the source voltage of the second transistor T2 is
Node a = Vgs1-Vth
The node b which is the gate voltage of the third transistor T3 is
Node b = Vgs2 + Vgs1-Vth.

そのため、接地トランジスタTbのドレイン電圧であるノードcは、
ノードc=Vgs2+Vgs1−Vth−Vgs2=Vgs1−Vthと表されることになり、接地トランジスタTbのソース・ドレイン間電圧がVgs1−Vthとなる。
Therefore, the node c which is the drain voltage of the ground transistor Tb is
Node c = Vgs2 + Vgs1-Vth-Vgs2 = Vgs1-Vth, and the source-drain voltage of the ground transistor Tb is Vgs1-Vth.

つまり、上記のように、各トランジスタT1、T2、T3、T4、Ta、TbのW/Lサイズ比を設定し、各電流源I1、I2、I3、I4が流す電流量を設定したことによって、カスコードトランジスタTaと接地トランジスタTbとのW/Lサイズ比を等しく設計しなくても、接地トランジスタTbを飽和領域で動作させることができるようになり、カスコードトランジスタTbを備える回路を設計する際の設計自由度を高めることができる。   That is, as described above, by setting the W / L size ratio of each transistor T1, T2, T3, T4, Ta, Tb, and setting the amount of current that each current source I1, I2, I3, I4 flows, Even when the W / L size ratio between the cascode transistor Ta and the ground transistor Tb is not designed to be equal, the ground transistor Tb can be operated in the saturation region. The degree of freedom can be increased.

また、本実施形態では、説明を簡単に行うために、基板バイアス効果や各素子の特性にバラツキがないものとして説明を行っているので、第1のトランジスタT1のW/Lサイズ比をその理論値として上記第1の値の1/4の値となるように形成しているが、本発明は、これに限られず、基板バイアス効果や各素子の特性にバラツキがある場合には、第1のトランジスタT1のW/Lサイズ比と第1の電流源I1が流す電流量とを調整することによって、ノードcに発生させたいVgs1−Vthという電圧と等しい電圧がノードaに発生するようにノードdの電圧を調整して、接地トランジスタTbを飽和領域で動作可能とする電圧をノードcに発生させることができる。
(第2実施形態)
第2実施形態では、電流源負荷として機能する接地トランジスタ(以下、「電流源トランジスタ」という。)と、この電流源トランジスタにカスコード接続させたカスコードトランジスタとを有する負荷回路を備えたカスコード型差動増幅器を内蔵しているアナログ/ディジタル変換器に、本発明に係るバイアス発生回路を適用した場合を例に挙げて説明する。
In the present embodiment, in order to simplify the explanation, the explanation is made assuming that there is no variation in the substrate bias effect and the characteristics of each element, so the W / L size ratio of the first transistor T1 is the theoretical value. The value is formed to be 1/4 of the first value as described above, but the present invention is not limited to this, and when there is variation in the substrate bias effect and the characteristics of each element, the first value By adjusting the W / L size ratio of the transistor T1 and the amount of current flowing through the first current source I1, the node a is set so that a voltage equal to the voltage Vgs1-Vth desired to be generated at the node c is generated at the node a. By adjusting the voltage of d, a voltage that enables the ground transistor Tb to operate in the saturation region can be generated at the node c.
(Second embodiment)
In the second embodiment, a cascode differential having a load circuit having a ground transistor (hereinafter referred to as a “current source transistor”) that functions as a current source load and a cascode transistor that is cascode-connected to the current source transistor. A case where the bias generation circuit according to the present invention is applied to an analog / digital converter having a built-in amplifier will be described as an example.

なお、第2実施形態のバイアス発生回路において、第1実施形態のバイアス発生回路1と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を行う。   In the bias generation circuit of the second embodiment, the same components as those of the bias generation circuit 1 of the first embodiment will be described with the same reference numerals.

図2に示すように、アナログ/ディジタル変換器(以下「A/DコンバータA」という。)は、アナログ信号をサンプリング及びホールドするサンプルホールド回路2と、複数の異なる参照電圧を生成する参照電圧生成回路3と、アナログ信号の電圧と複数の異なる参照電圧とを比較する比較回路4と、この比較回路4の出力を論理処理することによってアナログ信号に対応するディジタル信号を出力する論理処理回路5とから構成している。   As shown in FIG. 2, an analog / digital converter (hereinafter referred to as “A / D converter A”) includes a sample hold circuit 2 that samples and holds an analog signal, and a reference voltage generator that generates a plurality of different reference voltages. A circuit 3, a comparison circuit 4 that compares the voltage of the analog signal and a plurality of different reference voltages, and a logic processing circuit 5 that outputs a digital signal corresponding to the analog signal by logically processing the output of the comparison circuit 4; Consists of.

サンプルホールド回路2は、入力端子Tinに印加されたアナログ信号の電圧を所定のタイミングで所定期間保持してホールド信号線6に出力するようにしている。 Sample-and-hold circuit 2 is to output the hold signal line 6 the voltage of the applied analog signal to the input terminal T in to a predetermined period of time maintained at a predetermined timing.

参照電圧生成回路3は、高電位側の基準電位(電源電位)となる高電位側基準電源端子Trtと低電位側の基準電位(グランド電位)となる低電位側基準電源端子Trbとの間に16個の同一抵抗値を有する抵抗R1〜R16を直列接続し、高電位側の基準電位と低電位側の基準電位との間の電圧を16個の抵抗R1〜R16で分圧することによって複数の参照電圧を生成し、所定の参照電圧を上位ビット側参照電圧信号線7,8又は下位ビット側参照電圧信号線9,10から出力するようにしている。 The reference voltage generation circuit 3 includes a high-potential-side reference power supply terminal T rt that serves as a high-potential-side reference potential (power-supply potential) and a low-potential-side reference power-supply terminal Trb that serves as a low-potential-side reference potential (ground potential). By connecting 16 resistors R1 to R16 having the same resistance value in series and dividing the voltage between the reference potential on the high potential side and the reference potential on the low potential side by 16 resistors R1 to R16 A plurality of reference voltages are generated, and a predetermined reference voltage is output from the upper bit side reference voltage signal lines 7 and 8 or the lower bit side reference voltage signal lines 9 and 10.

そして、参照電圧生成手回路3は、アナログ信号を上位ビット側のディジタル信号に変換する場合には、全てのスイッチSW1〜SW8を切断状態として、上位ビット側参照電圧信号線7,8から参照電圧を出力する一方、アナログ信号を下位ビット側のディジタル信号に変換する場合には、上位ビット側の変換結果に基づいていずれか一対のスイッチSW1〜SW8だけを接続状態として、下位ビット側参照電圧信号線9,10から参照電圧を出力するようにしている。   When the reference voltage generation circuit 3 converts the analog signal into a digital signal on the upper bit side, all the switches SW1 to SW8 are disconnected and the reference voltage signal lines 7 and 8 are connected to the reference voltage. On the other hand, when an analog signal is converted into a digital signal on the lower bit side, only one pair of switches SW1 to SW8 is connected based on the conversion result on the upper bit side, and the lower bit side reference voltage signal A reference voltage is output from the lines 9 and 10.

比較回路4は、アナログ信号の電圧と上位ビット側の参照電圧とを比較する上位ビット側比較回路11と、アナログ信号の電圧と下位ビット側の参照電圧とを比較する下位ビット側比較回路12とから構成している。ここで、上位ビット側比較回路11と下位ビット側比較回路12とは同様の構成となっているため、以下では上位ビット側比較回路11について説明する。   The comparison circuit 4 includes an upper bit side comparison circuit 11 that compares the voltage of the analog signal and the reference voltage on the upper bit side, and a lower bit side comparison circuit 12 that compares the voltage of the analog signal and the reference voltage on the lower bit side. Consists of. Here, since the upper bit side comparison circuit 11 and the lower bit side comparison circuit 12 have the same configuration, the upper bit side comparison circuit 11 will be described below.

上位ビット側比較回路11は、アナログ信号の電圧と参照電圧との差を増幅する増幅回手段13と、この増幅手段13の出力を比較・保持する比較保持回路14とから構成している。   The upper bit side comparison circuit 11 comprises an amplification circuit 13 for amplifying the difference between the voltage of the analog signal and the reference voltage, and a comparison holding circuit 14 for comparing and holding the output of the amplification means 13.

増幅手段13は、前段の差動増幅器15と後段の差動増幅器16とを直列接続した2個の2段増幅器17と、隣接する2段増幅器17,17の前段の差動増幅器15,15に接続されて両前段の差動増幅器15,15の出力を差動増幅する補完増幅器18とから構成している。なお、2段増幅器17は、前段の差動増幅器15と後段の差動増幅器16とを直列接続した場合だけに限られず、3個以上の差動増幅器を直列接続した構成とすることもできる。   The amplifying means 13 includes two two-stage amplifiers 17 in which a differential amplifier 15 at the front stage and a differential amplifier 16 at the rear stage are connected in series, and differential amplifiers 15 and 15 at the front stage of adjacent two-stage amplifiers 17 and 17. The complementary amplifier 18 is connected to differentially amplify the outputs of the differential amplifiers 15 and 15 at the preceding stage. Note that the two-stage amplifier 17 is not limited to the case where the front-stage differential amplifier 15 and the rear-stage differential amplifier 16 are connected in series, and can be configured to have three or more differential amplifiers connected in series.

各2段増幅器17は、一定利得の差動増幅器15の後段に、可変利得の差動増幅器16を直列接続している。   Each of the two-stage amplifiers 17 has a variable gain differential amplifier 16 connected in series after the constant gain differential amplifier 15.

この後段の差動増幅器16は、図3に示すように、差動増幅回路21に負荷回路22を接続しており、この負荷回路22は、負荷回路22の全体を差動増幅回路21の負荷とする全体負荷と、負荷回路22の一部分を差動増幅回路21の負荷とする部分負荷とに切換えることで差動増幅回路21の利得を増減できるようにしている。   As shown in FIG. 3, the subsequent differential amplifier 16 has a load circuit 22 connected to the differential amplifier circuit 21, and the load circuit 22 is configured to connect the entire load circuit 22 to the load of the differential amplifier circuit 21. The gain of the differential amplifier circuit 21 can be increased / decreased by switching to the whole load and the partial load that uses a part of the load circuit 22 as the load of the differential amplifier circuit 21.

そして、各2段増幅器17は、負荷切換手段を用いて後段の差動増幅器16の利得を増減させることによって前段の差動増幅器15のオフセット電圧を見かけ上で圧縮するオフセット圧縮機能を有している。   Each two-stage amplifier 17 has an offset compression function that apparently compresses the offset voltage of the front-stage differential amplifier 15 by increasing or decreasing the gain of the rear-stage differential amplifier 16 using load switching means. Yes.

以下に、後段の差動増幅器16の具体的な構造について、図3を参照して説明する。   Hereinafter, a specific structure of the differential amplifier 16 in the subsequent stage will be described with reference to FIG.

後段の差動増幅器16は、電源Vccに電流源となるNチャンネル型のトランジスタT31のドレインを接続し、このトランジスタT31のソースに差動対をなすNチャンネル型のトランジスタT32,T33を接続して差動増幅回路21を構成し、この差動増幅回路21のトランジスタT32,T33のゲートに前段の差動増幅器15の出力端子を接続する一方、トランジスタT32,T33のソースに、この後段の差動増幅器16の非反転出力端子25と正転出力端子26とを接続して出力を取り出している。   The differential amplifier 16 at the subsequent stage has a power source Vcc connected to the drain of an N-channel type transistor T31 serving as a current source, and N-channel type transistors T32 and T33 forming a differential pair are connected to the source of the transistor T31. The differential amplifier circuit 21 is configured, and the output terminal of the differential amplifier 15 of the preceding stage is connected to the gates of the transistors T32 and T33 of the differential amplifier circuit 21, while the differential of the latter stage is connected to the sources of the transistors T32 and T33. The non-inverting output terminal 25 and the normal output terminal 26 of the amplifier 16 are connected to take out the output.

なお、トランジスタT32,T33のゲートと前段の差動増幅器15との間にコンデンサを接続して容量カットを行うようにすることもできる。この場合には、トランジスタT32,T33のゲートに所定のDC動作点となる電圧を所定のタイミングで印加する必要がある。   Capacitance cutting may be performed by connecting a capacitor between the gates of the transistors T32 and T33 and the differential amplifier 15 in the previous stage. In this case, it is necessary to apply a voltage at a predetermined DC operating point to the gates of the transistors T32 and T33 at a predetermined timing.

また、後段の差動増幅器16は、差動増幅回路21のトランジスタT32,T33のソースに負荷回路22を接続している。   In the differential amplifier 16 at the subsequent stage, the load circuit 22 is connected to the sources of the transistors T32 and T33 of the differential amplifier circuit 21.

この負荷回路22は、差動増幅回路21を構成するトランジスタT32のソースとグランドGNDとの間に、電流源負荷となる第1の電流源トランジスタTb1と、この第1の電流源トランジスタTb1にカスコード接続した第1のカスコードトランジスタTa1とを直列に接続する一方、同じく差動増幅回路21を構成するトランジスタT33のソースとグランドGNDとの間に、電流源負荷となる第2の電流源トランジスタTa2と、この第2の電流源トランジスタTa2にカスコード接続した第2のカスコードトランジスタTb2とを直列に接続している。   The load circuit 22 includes a first current source transistor Tb1 serving as a current source load between the source of the transistor T32 constituting the differential amplifier circuit 21 and the ground GND, and a cascode to the first current source transistor Tb1. The connected first cascode transistor Ta1 is connected in series, while the second current source transistor Ta2 serving as a current source load is connected between the source of the transistor T33 and the ground GND, which also form the differential amplifier circuit 21, and A second cascode transistor Tb2 cascode-connected to the second current source transistor Ta2 is connected in series.

また、この負荷回路22では、第1のカスコードトランジスタTa1のドレインと第1の電流源トランジスタTb1のゲートとの間に第1のスイッチングトランジスタTc1を設けるとともに、第2のカスコードトランジスタTa2のドレインと第2の電流源トランジスタTb2のゲートとの間に第2のスイッチングトランジスタTc2を接続し、これら第1及び第2のスイッチングトランジスTc1、Tc2のゲートにクロック信号CLKを印加している。   In the load circuit 22, the first switching transistor Tc1 is provided between the drain of the first cascode transistor Ta1 and the gate of the first current source transistor Tb1, and the drain of the second cascode transistor Ta2 and the second A second switching transistor Tc2 is connected between the gates of the two current source transistors Tb2, and a clock signal CLK is applied to the gates of the first and second switching transistors Tc1 and Tc2.

さらに、負荷回路22を構成する第1の電流源トランジスタTb1のゲートと後段の差動増幅器16の入力端子となるトランジスタT32のゲートとの間に、電圧保持用の第1のコンデンサC1を接続しており、同じく、負荷回路22を構成する第2の電流源トランジスタTb2のゲートと後段の差動増幅器16の入力端子となるトランジスタT33のゲートとの間に、電圧保持用の第2のコンデンサC2を接続している。   Further, a first capacitor C1 for holding voltage is connected between the gate of the first current source transistor Tb1 constituting the load circuit 22 and the gate of the transistor T32 which is the input terminal of the differential amplifier 16 at the subsequent stage. Similarly, a second capacitor C2 for holding voltage is provided between the gate of the second current source transistor Tb2 constituting the load circuit 22 and the gate of the transistor T33 serving as the input terminal of the differential amplifier 16 at the subsequent stage. Is connected.

このように構成した負荷回路22を備えた後段の差動増幅器16では、第1及び第2のスイッチングトランジスタTc1、Tc2を切断状態とした場合に、負荷回路22の全体が負荷(全体負荷)となり、その場合には、第1及び第2の電流源トランジスタTb1、Tb2が電流源負荷となって出力インピーダンスが増大し、これにより、後段の差動増幅器16の利得が増大する。   In the subsequent differential amplifier 16 having the load circuit 22 configured as described above, when the first and second switching transistors Tc1 and Tc2 are disconnected, the entire load circuit 22 becomes a load (overall load). In this case, the first and second current source transistors Tb1 and Tb2 serve as current source loads to increase the output impedance, thereby increasing the gain of the differential amplifier 16 at the subsequent stage.

一方、第1及び第2のスイッチングトランジスタTc1、Tc2を接続状態とした場合には、負荷回路22の一部分が負荷(部分負荷)となり、その場合には、第1及び第2の電流源トランジスタTb1、Tb2がダイオード負荷となって出力インピーダンスが低減し、これにより、後段の差動増幅器16の利得は低減する。なお、このとき、第1及び第2のコンデンサC1,C2に電圧が保持されているために、直流的な電位は保持されている。   On the other hand, when the first and second switching transistors Tc1, Tc2 are connected, a part of the load circuit 22 becomes a load (partial load). In this case, the first and second current source transistors Tb1 , Tb2 serves as a diode load, and the output impedance is reduced, whereby the gain of the differential amplifier 16 at the subsequent stage is reduced. At this time, since the voltage is held in the first and second capacitors C1 and C2, a DC potential is held.

しかも、第1及び第2の電流源トランジスタTb1、Tb2のゲートにコンデンサC1,C2を介して差動増幅器16(差動増幅回路21)の入力信号が印加されているために、負荷回路22は、第1及び第2の電流源トランジスタTb1、Tb2を電流源負荷とする全体負荷時に差動増幅回路21の入力信号を第1及び第2の電流源トランジスタTb1、Tb2で増幅するようになっている。   Moreover, since the input signal of the differential amplifier 16 (differential amplifier circuit 21) is applied to the gates of the first and second current source transistors Tb1 and Tb2 via the capacitors C1 and C2, the load circuit 22 The input signal of the differential amplifier circuit 21 is amplified by the first and second current source transistors Tb1 and Tb2 during the entire load with the first and second current source transistors Tb1 and Tb2 as current source loads. Yes.

そのため、後段の差動増幅器16は、第1及び第2のスイッチングトランジスタTc1、Tc2を切断状態とした場合の全体負荷時の利得を増大させることができ、それに伴って、全体負荷時の差動増幅回路21の利得を増大させることができる。   Therefore, the differential amplifier 16 in the subsequent stage can increase the gain at the total load when the first and second switching transistors Tc1, Tc2 are in the disconnected state, and accordingly, the differential at the full load is increased. The gain of the amplifier circuit 21 can be increased.

このように、後段の差動増幅器16の利得を増減させることによって、2段増幅器17は、前段の差動増幅器15のオフセット電圧を見かけ上で圧縮するようにしている。   In this way, by increasing or decreasing the gain of the differential amplifier 16 at the subsequent stage, the two-stage amplifier 17 apparently compresses the offset voltage of the differential amplifier 15 at the previous stage.

すなわち、前段の差動増幅器15のオフセット電圧をVos、リセットモード時(ダイオード負荷時)の利得をGr、比較モード時(電流源負荷時)の利得をGc、出力電圧をVout、比較時の入力電圧をVinとすると、リセットモード時の出力電圧Voutは、
Vout=Gr・Vos
となり、一方、比較時の出力電圧Voutは、
Vout=Gc・Vin
となることから、
Gr・Vos=Gc・Vin
となり、
Vin=Vos・Gr/Gc
となる。
That is, the offset voltage of the differential amplifier 15 in the previous stage is Vos, the gain in the reset mode (diode load) is Gr, the gain in the comparison mode (current source load) is Gc, the output voltage is Vout, and the input during comparison When the voltage is Vin, the output voltage Vout in the reset mode is
Vout = Gr ・ Vos
On the other hand, the output voltage Vout at the time of comparison is
Vout = Gc ・ Vin
Because
Gr ・ Vos = Gc ・ Vin
And
Vin = Vos · Gr / Gc
It becomes.

すなわち、上記構成の差動増幅器16を用いた2段増幅器17では、オフセット電圧がGr/Gc倍に圧縮されており、入力換算オフセットがVos・Gr/Gcと表せることになる。   That is, in the two-stage amplifier 17 using the differential amplifier 16 having the above configuration, the offset voltage is compressed Gr / Gc times, and the input conversion offset can be expressed as Vos · Gr / Gc.

つまり、この差動増幅器16では、リセットモード時の利得Grをより小さくし、比較モード時の利得Gcをより大きくすることによって、等価的にオフセットがほとんどない高精度の比較器を実現することができる。   In other words, this differential amplifier 16 can realize a high-precision comparator that has almost no offset by reducing the gain Gr in the reset mode and increasing the gain Gc in the comparison mode. it can.

また、この後段の差動増幅器16に設けている負荷回路22には、比較モード時の利得Gcをより大きくするために、第1及び第2の電流源トランジスタTb1、Tb2にカスコード接続させた第1及び第2のカスコードトランジスタTa1、Ta2を設けている。   In addition, the load circuit 22 provided in the subsequent differential amplifier 16 includes a first cascode connected to the first and second current source transistors Tb1 and Tb2 in order to increase the gain Gc in the comparison mode. First and second cascode transistors Ta1 and Ta2 are provided.

さらに、この負荷回路22には、第1及び第2のカスコードトランジスタTa1、Ta2を設けた負荷回路22がより低電力で動作できるように、第1及び第2のカスコードトランジスタTa1、Ta2のゲートに適切なバイアスを印加するバイアス発生回路23を設け、第1及び第2の電流源トランジスタTb1、Tb2が最小のソース・ドレイン間電圧により飽和領域で動作可能な構成としている。   Further, in the load circuit 22, the gates of the first and second cascode transistors Ta1 and Ta2 are provided so that the load circuit 22 provided with the first and second cascode transistors Ta1 and Ta2 can operate with lower power. A bias generation circuit 23 for applying an appropriate bias is provided so that the first and second current source transistors Tb1 and Tb2 can operate in a saturation region with a minimum source-drain voltage.

このバイアス発生回路23は、図3に示すように、電源Vccに接続した第1の電流源I1と、この第1の電流源I1とグランドGNDとの間にダイオード接続した第1のトランジスタT1と、電源Vccに接続した第2のトランジスタT2と、この第2のトランジスタT2とグランドGNDとの間に接続した第2の電流源I2と、電源Vccに接続した第3の電流源I3と、この第3の電流源I3と第2の電流源I2との間にダイオード接続した第3のトランジスタT3とを備えている。   As shown in FIG. 3, the bias generation circuit 23 includes a first current source I1 connected to the power source Vcc, and a first transistor T1 diode-connected between the first current source I1 and the ground GND. A second transistor T2 connected to the power source Vcc, a second current source I2 connected between the second transistor T2 and the ground GND, a third current source I3 connected to the power source Vcc, A third transistor T3, which is diode-connected between the third current source I3 and the second current source I2, is provided.

そして、第1のトランジスタT1のドレインと第2のトランジスタT2のゲートとを接続し、第3のトランジスタT3のゲートと第1及び第2のカスコードトランジスタTa1、Ta2のゲートとを接続している。   The drain of the first transistor T1 and the gate of the second transistor T2 are connected, and the gate of the third transistor T3 and the gates of the first and second cascode transistors Ta1 and Ta2 are connected.

さらに、第2のトランジスタT2と第1及び第2の電流源トランジスタTb1、Tb2とは、そのW/Lサイズ比が全て等しい第1の値をとるように形成し、第3のトランジスタT3と第1及び第2のカスコードトランジスタTa1、Ta2とは、そのW/Lサイズ比が全て等しい第2の値をとるように形成し、第1のトランジスタT1は、そのW/Lサイズ比が理論上第1の値の1/4の値をとるように形成している。   Further, the second transistor T2 and the first and second current source transistors Tb1 and Tb2 are formed so that the W / L size ratios thereof all take the same first value, and the third transistor T3 and the second transistor T3 The first and second cascode transistors Ta1 and Ta2 are formed so that the W / L size ratios of the first and second cascode transistors are all equal to each other. It is formed to take a value that is 1/4 of the value of 1.

また、第1の電流源I1と、第3の電流源I3とは、全て同量の基準電流量Iの電流を流すように形成し、第2の電流源I2は、これら各電流源I1、I2が流す電流の2倍の量の電流を流すように形成している。   In addition, the first current source I1 and the third current source I3 are formed so as to flow the same amount of the reference current amount I, and the second current source I2 includes the current sources I1, It is configured to pass a current twice as much as the current that I2 flows.

また、ここでは、第1及び第2の電流源トランジスタTb1、Tb2に基準電流量Iの電流が流れるようにしている。   In addition, here, a current of the reference current amount I flows through the first and second current source transistors Tb1 and Tb2.

このようにバイアス発生回路23を形成しているため、第1及び第2の電流源トランジスタTb1、Tb2が飽和領域で動作可能となる電圧と等しい電圧をノードaに発生させるためのゲート電圧(ノードdの電圧)を第1のトランジスタT1のゲートに印加し、このノードdの電圧をノードbにシフトし、このノードbの電圧を第1及び第2のカスコードトランジスタTa1、Ta2のゲートに印加することによって、ノードaに発生させた電圧と等しい電圧をノードcに発生させることができる。   Since the bias generation circuit 23 is formed in this manner, a gate voltage (node) for generating a voltage at the node a that is equal to a voltage at which the first and second current source transistors Tb1 and Tb2 can operate in the saturation region. d) is applied to the gate of the first transistor T1, the voltage at the node d is shifted to the node b, and the voltage at the node b is applied to the gates of the first and second cascode transistors Ta1 and Ta2. As a result, a voltage equal to the voltage generated at the node a can be generated at the node c.

これにより、第1及び第2の電流源トランジスタTb1、Tb2と、第1及び第2のカスコードトランジスタTa1、Ta2とのW/Lサイズ比を等しくなるように設計する必要がなくなり、負荷回路22の設計自由度を高めることができる。   This eliminates the need to design the W / L size ratio between the first and second current source transistors Tb1 and Tb2 and the first and second cascode transistors Ta1 and Ta2 to be equal. Design freedom can be increased.

その結果、負荷回路22を構成する第1及び第2のカスコードトランジスタTa1、Ta2のW/Lサイズ比を第1及び第2の電流源トランジスタTb1、Tb2のW/Lサイズ比よりも大きくし、かつ第1及び第2のカスコードトランジスタTa1、Ta2のW(ゲート幅)をより小さくして、第1及び第2のカスコードトランジスタTa1、Ta2の寄生容量を小さくすることができるようになり、差動増幅器15、16をより低電力で動作させることが可能となり、消費電力を低減したA/Dコンバータを提供することができる。   As a result, the W / L size ratio of the first and second cascode transistors Ta1, Ta2 constituting the load circuit 22 is made larger than the W / L size ratio of the first and second current source transistors Tb1, Tb2, In addition, the W (gate width) of the first and second cascode transistors Ta1 and Ta2 can be further reduced, and the parasitic capacitance of the first and second cascode transistors Ta1 and Ta2 can be reduced. The amplifiers 15 and 16 can be operated with lower power, and an A / D converter with reduced power consumption can be provided.

また、このバイアス発生回路23についても、第1実施形態と同様に基板バイアス効果や各素子の特性にバラツキがないものとして説明を行っているが、基板バイアス効果や各素子の特性にバラツキがある場合は、第1及び第2の電流源トランジスタTb1、Tb2が飽和領域で動作可能となる電圧と等しい電圧をノードaに発生させるような電圧をノードdに発生させるように、第1のトランジスタT1のW/Lサイズ比と第1の電流源I1が流す電流量を調整することによって、ノードaに発生させた電圧と等しい電圧をノードcに発生させることができ、これにより、第1及び第2の電流源トランジスタTb1、Tb2を飽和領域で動作させることができる。   The bias generation circuit 23 is described as having no variation in the substrate bias effect and the characteristics of each element as in the first embodiment, but there is a variation in the substrate bias effect and the characteristics of each element. The first transistor T1 so as to generate a voltage at the node d that causes the first and second current source transistors Tb1, Tb2 to generate a voltage equal to a voltage at which the first and second current source transistors Tb1, Tb2 are operable in the saturation region. By adjusting the W / L size ratio and the amount of current flowing through the first current source I1, a voltage equal to the voltage generated at the node a can be generated at the node c. The two current source transistors Tb1 and Tb2 can be operated in the saturation region.

具体的には、ノードdの電圧である第2のトランジスタT2のゲート電圧が第2のトランジスタT2のゲート・ソース間電圧と第2のトランジスタT2のソース電圧とを加算した電圧よりも高くなるように、第1のトランジスタT1のW/Lサイズ比と第1の電流源I1が流す電流量を適宜変更して設定することによって、第1及び第2のカスコードトランジスタTa1、Ta2のゲートに最適なバイアスを印加し、第1及び第2の電流源トランジスタTb1、Tb2を能動領域で動作させるようにする。   Specifically, the gate voltage of the second transistor T2, which is the voltage at the node d, is higher than the sum of the gate-source voltage of the second transistor T2 and the source voltage of the second transistor T2. In addition, by appropriately changing and setting the W / L size ratio of the first transistor T1 and the amount of current flowing through the first current source I1, it is optimal for the gates of the first and second cascode transistors Ta1 and Ta2. A bias is applied to operate the first and second current source transistors Tb1 and Tb2 in the active region.

なお、第2実施形態では、2ビットずつ2回に分けて変換を行う4ビットのサブレンジング型A/Dコンバータを一例にとり説明しているが、これに限られず、フラッシュタイプ(並列型)A/Dコンバータでもよく、また、シングル入力型のものに限られず、差動入力型のものでもよい。また、具体的な回路についても、正電源のみのものに限られず、正負電源を用いたり、負電源だけを用いたものでもよく、また、回路を構成する具体的な素子についても適宜選択したものでよい。   In the second embodiment, a 4-bit sub-ranging A / D converter that performs conversion in two steps of 2 bits is described as an example. However, the present invention is not limited to this, and a flash type (parallel type) A A / D converter may be used, and not only a single input type but also a differential input type. Also, the specific circuit is not limited to the one with only the positive power supply, and may use a positive / negative power supply or only a negative power supply, and the specific elements constituting the circuit are appropriately selected. It's okay.

本発明に係るバイアス発生回路を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the bias generation circuit based on this invention. 本発明に係るA/Dコンバータを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the A / D converter which concerns on this invention. 本発明に係るバイアス発生回路を備えた差増増幅器示す回路図である。1 is a circuit diagram showing a differential amplifier including a bias generation circuit according to the present invention. FIG. 従来のバイアス発生回路を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the conventional bias generation circuit.

符号の説明Explanation of symbols

1 バイアス発生回路
A アナログ/ディジタル変換器
2 サンプルホールド回路
3 参照電圧生成回路
4 比較回路
5 論理処理回路
6 ホールド信号線
7,8 上位ビット側参照電圧信号線
9,10 下位ビット側参照電圧信号線
11 上位ビット側比較手段
12 下位ビット側比較手段
13 増幅手段
14 比較保持回路
15 前段の差動増幅器
16 後段の差動増幅器
17 2段増幅器
21 差動増幅回路
22 負荷回路
23 バイアス発生回路
Ta カスコードトランジスタ
Ta1 第1のカスコードトランジスタ
Ta2 第2のカスコードトランジスタ
Tb 接地トランジスタ
Tb1 第1の電流源トランジスタ
Tb2 第2の電流源トランジスタ
Tc1 第1のスイッチングトランジスタ
Tc2 第2のスイッチングトランジスタ
T1 第1のトランジスタ
T2 第2のトランジスタ
T3 第3のトランジスタ
T4 第4のトランジスタ
I1 第1の電流源
I2 第2の電流源
I3 第3の電流源
I4 第4の電流源
1 Bias generation circuit
A Analog / digital converter
2 Sample hold circuit
3 Reference voltage generator
4 Comparison circuit
5 Logic processing circuit
6 Hold signal line
7,8 Upper bit side reference voltage signal line
9,10 Lower bit reference voltage signal line
11 Upper bit side comparison means
12 Lower bit side comparison means
13 Amplification means
14 Comparison holding circuit
15 Previous stage differential amplifier
16 Subsequent differential amplifier
17 2-stage amplifier
21 Differential amplifier circuit
22 Load circuit
23 Bias generator
Ta cascode transistor
Ta1 First cascode transistor
Ta2 Second cascode transistor
Tb Grounded transistor
Tb1 first current source transistor
Tb2 Second current source transistor
Tc1 first switching transistor
Tc2 Second switching transistor
T1 first transistor
T2 second transistor
T3 Third transistor
T4 4th transistor
I1 First current source
I2 Second current source
I3 Third current source
I4 4th current source

Claims (6)

ソースをグランドに接続したトランジスタにカスコード接続したカスコードトランジスタのゲートに印加するバイアスを発生するバイアス発生回路において、
電源に接続した第1の電流源と、この第1の電流源とグランドとの間にダイオード接続した第1のトランジスタと、
前記電源に接続した第2のトランジスタと、この第2のトランジスタとグランドとの間に接続した第2の電流源と、
前記電源に接続した第3の電流源と、この第3の電流源と前記第2の電流源との間にダイオード接続した第3のトランジスタとを設け、
前記第1のトランジスタのドレインと前記第2のトランジスタのゲートとを接続し、
前記第3のトランジスタのゲートと、前記カスコードトランジスタのゲートとを接続したことを特徴とするバイアス発生回路。
In a bias generation circuit for generating a bias to be applied to the gate of a cascode transistor having a cascode connection to a transistor having a source connected to ground,
A first current source connected to a power source, a first transistor diode connected between the first current source and ground;
A second transistor connected to the power source, a second current source connected between the second transistor and ground;
A third current source connected to the power source, and a third transistor diode-connected between the third current source and the second current source,
Connecting the drain of the first transistor and the gate of the second transistor;
A bias generation circuit, wherein a gate of the third transistor and a gate of the cascode transistor are connected.
前記第2のトランジスタと前記ソースをグランドに接続したトランジスタとに流れる電流の各電流密度をそれぞれ等しい第1電流密度とし、前記第3のトランジスタと前記カスコードトランジスタとに流れる電流の各電流密度をそれぞれ等しい第2電流密度とし、前記第1のトランジスタに流れる電流の電流密度を所定電流密度にすることによって、前記接地トランジスタが飽和領域で動作可能な電圧を前記接地トランジスタのドレイン・ソース間に発生させることを特徴とする請求項1に記載のバイアス発生回路。   The current densities of the currents flowing through the second transistor and the transistor having the source connected to the ground are set to be equal first current densities, and the current densities of the currents flowing through the third transistor and the cascode transistor are respectively set. By setting the second current density to be equal and the current density of the current flowing through the first transistor to be a predetermined current density, a voltage at which the ground transistor can operate in a saturation region is generated between the drain and source of the ground transistor. 2. The bias generation circuit according to claim 1, wherein: 前記所定電流密度は、前記第1電流密度の略4倍の電流密度としたことを特徴とする請求項2に記載のバイアス発生回路。   3. The bias generation circuit according to claim 2, wherein the predetermined current density is a current density that is substantially four times the first current density. 前記所定電流密度は、トランジスタのゲート幅寸法をゲート長寸法で除して得られるトランジスタサイズを前記第2のトランジスタと前記接地トランジスタとが、それぞれ等しい第1の値をとるように設定し、
前記第3のトランジスタと前記カスコードトランジスタとが、それぞれ等しい第2の値をとるように設定し、
前記第1のトランジスタが、前記第1の値の略1/4の値となるように設定し、
しかも、前記第1の電流源、前記第3の電流源は、それぞれ同量の電流を流すように設定し、
前記第2の電流源は、前記第1の電流源、第3の電流源のそれぞれが流す電流の2倍の電流を流すように設定することによって決定することを特徴とする請求項2又は3に記載のバイアス発生回路。
The predetermined current density is set so that the transistor size obtained by dividing the gate width dimension of the transistor by the gate length dimension is such that the second transistor and the ground transistor each have the same first value,
The third transistor and the cascode transistor are each set to take an equal second value,
The first transistor is set to be approximately 1/4 of the first value,
In addition, the first current source and the third current source are set so that the same amount of current flows,
4. The second current source is determined by setting to flow a current that is twice as large as a current that each of the first current source and the third current source flows. The bias generation circuit described in 1.
電流源負荷として機能する電流源トランジスタと、この電流源トランジスタにカスコード接続させたカスコードトランジスタとを有する負荷回路と、前記カスコードトランジスタのゲートに印加するバイアスを発生するバイアス発生回路とを有するカスコード型差動増幅器において、
前記バイアス発生回路は、電源に接続した第1の電流源と、この第1の電流源とグランドとの間にダイオード接続した第1のトランジスタと、
前記電源に接続した第2のトランジスタと、この第2のトランジスタとグランドとの間に接続した第2の電流源と、
前記電源に接続した第3の電流源と、この第3の電流源と前記第2の電流源との間にダイオード接続した第3のトランジスタとを設け、
前記第1のトランジスタのドレインと前記第2のトランジスタのゲートとを接続し、
前記第3のトランジスタのゲートと、前記カスコードトランジスタのゲートとを接続し、
さらに、前記第2のトランジスタと前記接地トランジスタとに流れる電流の各電流密度をそれぞれ等しい第1電流密度とし、前記第3のトランジスタと前記カスコードトランジスタとに流れる電流の各電流密度をそれぞれ等しい第2電流密度とし、前記第1のトランジスタに流れる電流の電流密度を前記第1電流密度の略4倍の電流密度としたことを特徴とするカスコード型作動増幅器。
A cascode-type difference having a load circuit having a current source transistor functioning as a current source load, a cascode transistor cascode-connected to the current source transistor, and a bias generation circuit for generating a bias applied to the gate of the cascode transistor In the dynamic amplifier,
The bias generation circuit includes a first current source connected to a power source, a first transistor diode-connected between the first current source and the ground,
A second transistor connected to the power source, a second current source connected between the second transistor and ground;
A third current source connected to the power source, and a third transistor diode-connected between the third current source and the second current source,
Connecting the drain of the first transistor and the gate of the second transistor;
Connecting the gate of the third transistor and the gate of the cascode transistor;
Further, each current density of currents flowing through the second transistor and the ground transistor is set to be equal first current density, and each current density of currents flowing through the third transistor and the cascode transistor is set equal to each other. A cascode operational amplifier, characterized in that the current density of the current flowing through the first transistor is approximately four times the first current density.
電流源負荷として機能する電流源トランジスタと、この電流源トランジスタにカスコード接続させたカスコードトランジスタとを有する負荷回路と、前記カスコードトランジスタのゲートに印加するバイアスを発生するバイアス発生回路とを有するカスコード型差動増幅器を備えたアナログ/ディジタル変換器において、
前記バイアス発生回路は、電源に接続した第1の電流源と、この第1の電流源とグランドとの間にダイオード接続した第1のトランジスタと、
前記電源に接続した第2のトランジスタと、この第2のトランジスタとグランドとの間に接続した第2の電流源と、
前記電源に接続した第3の電流源と、この第3の電流源と前記第2の電流源との間にダイオード接続した第3のトランジスタとを設け、
前記第1のトランジスタのドレインと前記第2のトランジスタのゲートとを接続し、
前記第3のトランジスタのゲートと、前記カスコードトランジスタのゲートとを接続し、
さらに、前記第2のトランジスタと前記接地トランジスタとに流れる電流の各電流密度をそれぞれ等しい第1電流密度とし、前記第3のトランジスタと前記カスコードトランジスタとに流れる電流の各電流密度をそれぞれ等しい第2電流密度とし、前記第1のトランジスタに流れる電流の電流密度を前記第1電流密度の略4倍の電流密度としたことを特徴とするアナログ/ディジタル変換器。
A cascode-type difference having a load circuit having a current source transistor functioning as a current source load, a cascode transistor cascode-connected to the current source transistor, and a bias generation circuit for generating a bias applied to the gate of the cascode transistor In an analog / digital converter with a dynamic amplifier,
The bias generation circuit includes a first current source connected to a power source, a first transistor diode-connected between the first current source and the ground,
A second transistor connected to the power source, a second current source connected between the second transistor and ground;
A third current source connected to the power source, and a third transistor diode-connected between the third current source and the second current source,
Connecting the drain of the first transistor and the gate of the second transistor;
Connecting the gate of the third transistor and the gate of the cascode transistor;
Further, each current density of currents flowing through the second transistor and the ground transistor is set to be equal first current density, and each current density of currents flowing through the third transistor and the cascode transistor is set equal to each other. An analog / digital converter characterized in that the current density of the current flowing through the first transistor is approximately four times the first current density.
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