專利名稱：基于從逆雙曲正切到雙曲正切變換的雙極型運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于運(yùn)算跨導(dǎo)放大器，和更具體而言是關(guān)于具有完全線性跨導(dǎo)和適用于基于逆雙曲正切一雙曲正切變換的半導(dǎo)體集成電路(IC)的雙極型運(yùn)算跨導(dǎo)放大器。
在相當(dāng)寬的輸入電壓范圍內(nèi)具有極好跨導(dǎo)線性的差分放大器線路被公知為“運(yùn)算跨導(dǎo)放大器(OTA)”。因此OTA可以稱為“跨導(dǎo)線性”電路。
在

圖1中示出了通常雙極型跨導(dǎo)線性乘法器，它是由1996年4月公布的日本專利號(hào)為2,512,385公開(kāi)的，該日本專利對(duì)應(yīng)著1994年7月發(fā)布的美國(guó)專利號(hào)5,331,289，該乘法器和OTA具有實(shí)質(zhì)相同的配置。
如圖1所示，發(fā)射極耦合的npn型雙極型晶體管Q109和Q110的差分對(duì)受恒定電流源C101(電流IOA)的驅(qū)動(dòng)，并構(gòu)成了電壓-電流(Ⅴ-Ⅰ)轉(zhuǎn)換器11。晶體管Q109和Q110分別具有發(fā)射極電阻R101和R102。晶體管Q109和Q110的基極構(gòu)成了Ⅴ-Ⅰ轉(zhuǎn)換器11輸入端對(duì)，和它們被施加差分輸入電壓Vi。晶體管Q109和Q110的集電極構(gòu)成了Ⅴ-Ⅰ轉(zhuǎn)換器11的一對(duì)輸出端。
串聯(lián)連接二極管D101和D104的二極管對(duì)15的一端連接到晶體管Q109的集電極。二極管對(duì)15的另一端連接到施加有參考電壓VREF的參考電壓線。串聯(lián)連接二極管D103和D106的二極管對(duì)16的一端連接到晶體管Q110的集電極，二極管對(duì)16的另一端連接到施加參考電壓VBEF的參考電壓線。
進(jìn)而，附加提供了串聯(lián)連接二極管D102和D105的二極管對(duì)17。二極管對(duì)17的一端連接到恒定電流源C102(電流IOB)。二極管對(duì)17的另一端連接到施加參考電壓VREF的參考電壓線。
發(fā)射極耦合的nPn型雙極型晶體管Q101和Q102的差分對(duì)12受電流鏡象電路13產(chǎn)生的電流IBO的驅(qū)動(dòng)。構(gòu)成差分對(duì)12的一對(duì)輸入端的晶體管Q101和Q102的基極分別連接到晶體管Q110的集電極和二極管對(duì)17。晶體管Q101和Q102的基極施加差分輸入電壓ΔV1。構(gòu)成差分對(duì)12的一對(duì)輸出端的晶體管Q101和Q102的集電極分別連接到nPn型雙極型晶體管Q105和Q106的發(fā)射極。
發(fā)射極耦合的nPn型雙極型晶體管Q103和Q104的差分對(duì)14受到電流鏡電路13產(chǎn)生的電流IBO的驅(qū)動(dòng)。構(gòu)成差分對(duì)14的一對(duì)輸入端的晶體管Q103和Q104的基極分別連接到二極管對(duì)17和晶體管Q109的集電極。晶體管Q103和Q104的基極施加差分輸入電壓ΔV2。構(gòu)成差分對(duì)14的一對(duì)輸出端的晶體管Q103和Q104的集電極分別連接到nPn型雙極型晶體管Q107和Q108的發(fā)射極。
晶體管Q105，Q106,Q107和Q108的基極共同連接到施加的電壓VCB，晶體管Q105和Q107的集電極一塊構(gòu)成到跨導(dǎo)線性乘法器的第一輸出端晶體管Q106和Q108的集電極連接在一塊構(gòu)成了跨導(dǎo)線性乘法器的第二輸出端。
電流鏡電路13是由nPn型雙極型晶體管Q111,Q112和Q113組成，它們的發(fā)射極共同連接到施加電流電壓VEE的電壓線，和電流源C103提供輸入電流IBO。晶體管Q111,Q112和Q113的基極耦連在一塊。晶體管Q111和Q112的集電極分別連接到晶體管Q101和Q102的耦連的發(fā)射極和晶體管Q103和Q104的連在一起的發(fā)射極。晶體管Q113的基極和集電極連在一塊并連接到電流源C103。
隨后，在下面解釋圖1所示通?？鐚?dǎo)線性乘法器的操作原理。
假設(shè)基極寬度調(diào)制(即最初電壓)被忽略和雙極型晶體管的dc共基極電流增益因子等于一個(gè)單位，雙極型晶體管的集電極電流由下述表達(dá)式(1)給出。IC=IS{exp(VBEVT)-1}---(1)]]>在表達(dá)式(1)中，VBE是雙極型晶體管基極-發(fā)射極電壓，IS是其中的飽合電流。同樣，VT被定義為VT=KT/q，的熱電壓，這里K是波爾茲曼常數(shù)，T是開(kāi)爾芬度數(shù)的絕對(duì)溫度，和q是電子電荷。
當(dāng)雙極型晶體管進(jìn)行正常操作時(shí)和基極-發(fā)射極電壓VBE近似等于600mV，表達(dá)式(1)的指數(shù)部分exp(VBE/VT)具有的值近似為e10。因此常數(shù)部分“-1”能忽略。
這樣，上述的表達(dá)式(1)能被近似為如下IC=ISexp(VBEVT)---(1′)]]>該等式(1′)能被重寫(xiě)為如下的等式(2)VBE=VTIn(ICIS)---(2)]]>Ⅴ-Ⅰ轉(zhuǎn)換器11依照差分輸入電壓Vi分別晶體管Q109和Q110的集電極輸出一對(duì)差分輸出電流IA1和IA2。
假設(shè)Ⅴ-Ⅰ轉(zhuǎn)換器11具有線性的傳輸特性，差分輸出電流IA1和IA2的每一個(gè)能表示為流過(guò)相應(yīng)轉(zhuǎn)換器11的輸出端的恒定電流(IOA/2)的和(即晶體管Q109和Q110)和變化電流(GmVi/2)和施加的差分輸入電壓Vi成比例，這里(Gm/2)是轉(zhuǎn)換器11的跨導(dǎo)。
因此，轉(zhuǎn)換器11的差分輸出電流IA1和IA2分別由下述等式(3)和(4)給出。IA1=12(IOA+GmVi)---(3)]]>IA2=12(IOA-GmVi)---(4)]]>通常，二極管的正向電壓降等于雙極型晶體管的基極-發(fā)射極電壓。因此，在上述等式(2)中的基極-發(fā)射極電壓VBE可以重寫(xiě)為每個(gè)二極管D1、D2、D3、D4、D5和D6的電壓降。另一方面，差分輸入電流IA1和IA2分別流經(jīng)通過(guò)二極管對(duì)15和16，恒定電流IOB流經(jīng)二極管對(duì)17。
依此，二極管對(duì)15、16和17的電壓降V1、V2和V3被分別表示為如下的等式(5),(6)和(7)。V1=2VTIn(IA1IS)=2VTIn(IOA+GmVi2IS)---(5)]]>V2=2VTIn(IA2IS)-2VTIn(IOA-GmVi2IS)---(6)]]>V3=2VTIn(IOBIS)---(7)]]>依此，使用上述等式(5),(6)和(7)，差分對(duì)12和14的差分輸入電壓ΔV1和ΔV2分別由如下等式(8)和(9)給出。ΔV1=V2-V3=2VTIn(IOA-GmVi2IOB)---(8)]]>ΔV2=V3-V1=2VTIn(2IOBIOA+GmVi)≠ΔV1--(9)]]>正如從等式(8)和(9)可以清楚看到，差分輸入電壓ΔV1和ΔV2是不相等的。這意指，電壓V3不等于電壓V1和V2的和的中間點(diǎn)電壓(或一半)；即，V3≠(1/2)(V1+V2),由恒定電流IBO驅(qū)動(dòng)的，和分別由差分輸入電壓ΔV1和ΔV2施加的交叉耦連差分對(duì)12和14的差分輸出電流ΔV=(IO1-IO2)被表示為如下的表達(dá)式(10a)ΔI=IO1-IO2=IBO{tanh(ΔV12VT)+tanh(ΔV22VT)---(10a)]]>把上述等式(8)和(9)代入到等式(10a)給出如下的等式(10b)。ΔI=IBO[tanh{In(IOA-GmVi2IOB)}+tanh{In(2IOBIOA+GmVi)}]---(10b)]]>=IBO[sinh{In(IOA-GmVi2IOB)}cosh{In(IOA-GmVi2IOB)}+sinh{In(2IOBIOA+GmVi)}cosh{In(2IOBIOA+GmVi)]]]>如果在等式(10b)中的雙曲正弦(sinh)和雙曲余弦(cosh)函數(shù)被公知的標(biāo)識(shí)取消，等式(10b)可以重寫(xiě)為如下等式(11)ΔI=IBO[(IOA-GmVi)2-4IOB2(IOA-GmVt)2+4IOB2+4IOB2-(IOA+GmVi)2(IOA+GmVi)2+4IOB2]]]>=IBO{IOA2-(GmVi)2-4IOB2-2IOAGmViIOA2-(GmVi)2+4IOB2-2IOAGmVi---(11)]]>+4IOB2-IOA2-(GmVi)2-2IOAGmViIOA2+(GmVi)2+4IOB2+2IOAGmVi}]]>=-32IOAIBO3[GmVi(IOA2+Gm2Vi2+4IOB2)2-4IOA2Gm2Vi2]]]>下面的事實(shí)從等式(11)中導(dǎo)出。
首先，除了差分輸入電壓Vi之外，當(dāng)電流源C103的電流IBO被使用時(shí)，圖1所示電路配置可以做為模擬乘法器使用。然而，這很明顯，差分輸出電流ΔI并不是精確地和差分輸入電壓Vi和輸入電流IBO的乘積(V1*IBO)成比例。
第二，當(dāng)電流源C103的電流IBO被設(shè)置為恒定值時(shí)，圖1示出的電路配置可以做為OTA。然而，這很明顯，差分輸出電流ΔI并不是精確和差分輸入電壓Vi成比例。
OTA和模擬乘法器是模擬信號(hào)應(yīng)用的基礎(chǔ)的，基本函數(shù)塊。OTA被要求具有完全線性的跨導(dǎo)。要求乘法器具有完全的乘法器特性。
然而，圖1所示的通常乘法器并不具有完全的乘法器特性。如果該乘法器被用來(lái)作為OTA，它并不具有完全的線性跨導(dǎo)。
依此，本發(fā)明的目標(biāo)是提供具有完全線性跨導(dǎo)的OTA。
本發(fā)明的另一個(gè)目標(biāo)是提供能用來(lái)作為跨導(dǎo)線性的乘法器的OTA。
通過(guò)下述的描述，并沒(méi)有特定描述的上述的目標(biāo)對(duì)于所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員而言是很清楚的。
依照本發(fā)明第一方面的OTA包括V-I轉(zhuǎn)換器，第一電流-電壓(Ⅰ-Ⅴ)轉(zhuǎn)換器，第二Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器，第三Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器，由第一恒定電流驅(qū)動(dòng)的第一和第二發(fā)射極耦合雙極型晶體管的第一差分對(duì)，和由第二恒定電流驅(qū)動(dòng)的第三和第四發(fā)射極耦合雙極型晶體管的第二差分對(duì)。
該Ⅴ-Ⅰ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換差分輸入電壓為與差分輸入電壓線性相關(guān)的第一和第二輸出電流和產(chǎn)生第三輸出電流。
第一Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換第一輸出電流為施加到第四晶體管基極的第一輸出電壓。
第二Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換第二輸出電流為施加到第一晶體管基極的第二輸出電壓。
第三Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換第三輸出電流為施加到第二和第三晶體管基極的第三輸出電壓，第三輸出電壓等于第一和第二輸出電壓的和的中點(diǎn)電壓(即為一半)。
第一差分對(duì)的第一和第三晶體管的集電極連在一塊構(gòu)成了OTA的第一輸出端，第二差分對(duì)的第二和第四晶體管的集電極連在一塊構(gòu)成了OTA的第二輸出端。
OTA的輸出是從第一和第二輸出端差分地引導(dǎo)出來(lái)的。
使用依本發(fā)明的第一方面的OTA,Ⅴ-Ⅰ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換差分輸入電壓為與差分輸入電壓線性相關(guān)的第一和第二輸出電流和產(chǎn)生第三輸出電流。
第一Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換第一輸出電流為施加到第四晶體管的基極的第一輸出電壓。第二Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換第二輸出電流為施加到第一晶體基極的第二輸出電壓。第三Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換第三輸出電流為施加到第二和第三晶體管基極的第三輸出電壓。第三輸出電壓等于第一和第二輸出電壓的和的中點(diǎn)電壓，(即一半)。
因此，施加到第一差分對(duì)的第二和第三輸出電壓之間的差總是等于施加到第二差分對(duì)的第一和第三輸出電壓之間的差。這意指，OTA的輸出等于第一和第二差分對(duì)的一個(gè)的輸出的兩倍。
第一和第二差分對(duì)的輸出的每一個(gè)與第二和第三輸出電壓或第一和第三輸出電壓之間施加的差的雙曲正切成比例。
依此，OTA的輸出與差分輸入線性相關(guān)、換言之，依本發(fā)明的OTA具有完全的線性跨導(dǎo)。
依此，如果驅(qū)動(dòng)第一和第二差分對(duì)的第一和第二恒定電流被設(shè)置為相等和被使用作為輸入電流，依照本發(fā)明的第一方面的OTA能被用來(lái)作為跨導(dǎo)線性乘法器，用于差分輸入電壓和輸入電流相乘。
在依本發(fā)明第一方面的OTA的優(yōu)選的實(shí)施例中，第三Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器的第三輸出電流與Ⅴ-Ⅰ轉(zhuǎn)換器的第一和第二輸出電流的積的平方根成比例。
在這種情況下，值得優(yōu)選的是，第一，第二和第三Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器的每一個(gè)由兩個(gè)串接二極管形成的。每個(gè)二極管可由p-n結(jié)二極管或由其基極和集電極連在一起的連接成二極管的雙極型晶體管構(gòu)成。
依照本發(fā)明第二方面的OTA的組成包括Ⅴ-Ⅰ轉(zhuǎn)換器，第一Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器，第二Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器，第三Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器，受第一恒定電流驅(qū)動(dòng)的第一和第二發(fā)射極耦合的雙極型晶體管構(gòu)成的第一差分對(duì)，第二恒定電流驅(qū)動(dòng)的第三和第四發(fā)射極耦合的雙極型晶體管構(gòu)成的第二差分對(duì)。
該V-I轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換差分輸入電壓為差分輸入電壓線性相關(guān)的第一和第二輸出電流。
該第一Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換第一輸出電流為施加到第四晶體管基極的第一輸出電壓。
該第二Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換第二輸出電流為施加到第一晶體管基極的第二輸出電壓。
該第三Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換第一和第二輸出電流為施加到第二和第三晶體管基極的第三輸出電壓。該第三輸出電壓等于第一和第二輸出電壓的和的中點(diǎn)電壓(即一半)。
第一差分對(duì)的第一和第三晶體管的集電極連在一起構(gòu)成了OTA的第一輸出端。第二差分對(duì)的第二和第四晶體管的集電極連在一起構(gòu)成了OTA的第二輸出端。
由第一和第二輸出端導(dǎo)出OTA的差分輸出。
使用依本發(fā)明第二方面的OTA，僅第三Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器的配置與依本發(fā)明第一方面的OTA不同，但這里仍然為在著依第一方面的OTA的優(yōu)點(diǎn)。
在依本發(fā)明的第二方面的OTA的優(yōu)選的實(shí)施例中，第一Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器是由第一和第二串聯(lián)連接的二極管構(gòu)成的，第二Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器是由第三和第四串聯(lián)連接的二極管構(gòu)成的，和第三Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器是由第五二極管和第五雙極型晶體管構(gòu)成的。
第一輸出電流流過(guò)第五二極管。第二輸出電流流過(guò)第五晶體管。第三輸出電壓由第五二極管的正向電壓降和第五晶體管的基極-發(fā)射極電壓的和給出。
依照本發(fā)明第三方面的OTA包括Ⅴ-Ⅰ轉(zhuǎn)換器，第一Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器；第二Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器，第三Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器，由公共恒流源驅(qū)動(dòng)的第一，第二，和第四發(fā)射極耦連的雙極型晶體管的四端單元。
第二和第三晶體管的發(fā)射極面積比第一和第四晶體管的發(fā)射極面積大K1倍，這里K1是長(zhǎng)大于1的常數(shù)。
該Ⅴ-Ⅰ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換差分輸入電壓為與差分輸入電壓線性相關(guān)的第一，第二，第三和第四輸出電流。第三輸出電流等于第一輸出電流乘a，這里a是一常數(shù)。第四輸出電流等于第二輸出電流乘b，這里b是常數(shù)。
第一Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換第一輸出電流為施加到第四晶體管的基極的第一輸出電壓，第一Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器是由具有二極管連接的相互串聯(lián)連接的第五和第六雙極型晶體管構(gòu)成的。第六晶體管的發(fā)射極區(qū)域K2倍于第五晶體管的發(fā)射極區(qū)域，這里K2是大于1的常數(shù)。
第二Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換第二輸出電流為施加第一晶體管基極的第二輸出電壓。第二Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器是由具有二極管連接的串聯(lián)連接的第七和第八雙極型晶體管構(gòu)成的。第八晶體管的發(fā)射極面積K2大于第七晶體管的發(fā)射極面積。
第三Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換第四輸出電流為施加到第二和第三晶體管基極的第三輸出電壓。第三Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器由第九和第十雙極型晶體管構(gòu)成。第九晶體管具有二極管連接。第三輸出電流流過(guò)第九晶體管。第四輸出電流流經(jīng)第十晶體管。第九晶體管的發(fā)射極面積K3倍于第五和第七晶體管的發(fā)射極面積，這里K3是大于單位1的常數(shù)。第十晶體管的發(fā)射極面積K4倍于第五和第七晶體管的發(fā)射極面積，這里K4是大于單位1的常數(shù)。
該第三輸出電壓由第五二極管的正向電壓降和第五晶體管的基極-發(fā)射極電壓的和給出。
常數(shù)a,b,K1,K2,K3，和K4滿足下面關(guān)系。abK2K1K3K4=1]]>四端單元的第一和第三晶體管的集電極連在一起構(gòu)成了OTA的第一輸出端。四端單元的第二和第四晶體管的集電極連在一起構(gòu)成了OTA的第二輸出端。
OTA的輸出差分地從第一和第二輸出端導(dǎo)出。
使用依本發(fā)明的第三方面的OTA，因?yàn)樵揙TA的配置和依第一方面的OTA的配置相同，這里也具有和依第一方面的OTA的那些優(yōu)點(diǎn)。
依照參考附圖描述發(fā)明，本發(fā)明確實(shí)具有各種效果。
圖1的電路圖示出了通常的雙極型跨導(dǎo)線性乘法器。
圖2的電路圖示出了依本發(fā)明第一實(shí)施例的雙極型OTA。
圖3的電路圖示出了依本發(fā)明第二實(shí)施例的雙極型OTA。
圖4的電路圖示出了依本發(fā)明第二實(shí)施例的雙極型OTA，其中Ⅴ-Ⅰ轉(zhuǎn)換器的具體電路配置和恒定電流源被示出。
圖5的電路圖示出了依本發(fā)明第三實(shí)施例的雙極型OTA。
圖6的電路圖示出了依本發(fā)明第三實(shí)施例的OTA內(nèi)使用的Ⅴ-Ⅰ轉(zhuǎn)換器。
圖7的電路圖示出了依本發(fā)明第一實(shí)施例的OTA內(nèi)使用的Ⅴ-Ⅰ轉(zhuǎn)換器。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例將參照正面的附圖加以描述。
如圖2所示，依本發(fā)明第一實(shí)施例的OTA包括Ⅴ-Ⅰ轉(zhuǎn)換器1a，串聯(lián)連接二極管D1和D4的第一二極管對(duì)5a，串聯(lián)連接二極管D2和D5的第二二極管對(duì)6a，串聯(lián)連接二極管D3和D6的第三二極管對(duì)7a，由發(fā)射極耦連的npn型雙極晶體管Q1和Q2的第一差分對(duì)2，由發(fā)射極耦連npn型雙極型晶體管Q3和Q4的第二差分對(duì)4。
用差分輸入電壓V1施加到Ⅴ-Ⅰ轉(zhuǎn)換器1a和分別輸出第一，第二和第三輸出電流IA1,IA2，和(IA1+IA2)1/2。
第一二極管對(duì)5a的一端連接到Ⅴ-Ⅰ轉(zhuǎn)換器1a的第一輸出端。第一二極管對(duì)5a的另一端連接到施加參考電壓VREF的參考電壓線。
第二二極管對(duì)6a的一端連接到Ⅴ-Ⅰ轉(zhuǎn)換器1a的第一輸出端。第二二極管對(duì)6a的另一端連接到施加參考電壓VREF的參考電壓線。
第三二極管對(duì)7a的一端連接到Ⅴ-Ⅰ轉(zhuǎn)換器1a的第三輸出端。第三二極管對(duì)7a的另一端連接到施加參考電壓VREF的參考電壓線上。
電源電壓可以用來(lái)作為參考電壓VREF。
第一二極管對(duì)5a作為第一Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器，用于轉(zhuǎn)換流經(jīng)對(duì)5a的電流為第一輸出電壓V1(即正向電壓降)。第二二極管對(duì)6a作為第二Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器，用于轉(zhuǎn)換流經(jīng)對(duì)6a的電流為第二輸出電壓V2(即正向電壓降)。第三二極管對(duì)7a作為第三Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器，用于轉(zhuǎn)換通過(guò)對(duì)7a的電流為第三輸出電壓V2(即正向電壓降)。
第一差分對(duì)2的晶體管Q1和Q2的發(fā)射極連接到提供恒定電流IBO的恒流源(未示出)。第一差分對(duì)2受恒定電流IBO的驅(qū)動(dòng)。
構(gòu)成差分對(duì)2一對(duì)輸入端的晶體管Q1和Q2的基極分別連接到第二和第三二極管對(duì)6a和7a的端點(diǎn)。差分輸入電壓ΔV1施加到晶體管Q1和Q2的基極，這里ΔV1=V2-V3。
第二差分對(duì)4的晶體管Q3和Q4的發(fā)射極連接到提供恒定電流IBO的恒流源(未示出)。恒定電流IBO驅(qū)動(dòng)第二差分對(duì)4。
構(gòu)成差分對(duì)4的一對(duì)輸入端的晶體管Q3和Q4的基極分別連接到第三和第一二極管對(duì)7a和5a的端點(diǎn)。施加差分輸入電壓ΔV2到晶體管Q3和Q4的基極，這里ΔV2=V3-V1。
晶體管Q1和Q2的集電極在一塊構(gòu)成OTA的第一輸出端。晶體管Q2和Q4的集電極連在一塊構(gòu)成了OTA的第二輸出端。
依照第一實(shí)施例的OTA的差分輸出電流ΔI從晶體管Q1和Q3的耦連集電極和晶體管Q2和Q4的耦連集電極即從第一和第二輸出端導(dǎo)出。
其次，依照?qǐng)D2所示的第一實(shí)施例的OTA的工作原理將在下面描述。
假定Ⅴ-Ⅰ轉(zhuǎn)換器1具有線性傳送特性，每一個(gè)差分輸出電流IA1和IA2可以表示為流經(jīng)轉(zhuǎn)換器1的相應(yīng)輸出端的恒定電流(IOA/2)的和和變化電流(GmV1/2)和施加的差分輸入電壓V1成比例，這里(Gm/2)是轉(zhuǎn)換器11的跨導(dǎo)。
因此，轉(zhuǎn)換器1的差分輸出電流IA1和IA2分別由上述等式(3)和(4)給出。
因?yàn)橛蟹謩e流經(jīng)二極管對(duì)15和16的差分輸出電流IA1和IA2，二極管對(duì)5和6的電壓降V1和V2分別由上述等式(5)和(6)表示。
流經(jīng)二極管對(duì)17的輸出電流為(IA1IA2)1/2，因此，二極管對(duì)17的電壓降V3可用下面等式(12)加以表示。V3=2VTIn(IA1IA2IS)=2VTIn((IOA+GmVi)(IOA-GmVi)2IS)]]>=2VTIn((IOA+GmVi)(IOA-GmVi)2IS)]]>=VTIn((IOA+GmVi)(IOA-GmVi)2IS)---(12)]]>=12[2VTIn(IOA+GmVi2IS)+2VTIn(IOA-GmVi2IS)]]]>=12(V1+V2).]]>等式(12)意指二極管對(duì)17的電壓降V3等于第一和第二電壓降V1和V2的和的一半。換言之，電壓降V3等于電壓降V1和V2的和的中點(diǎn)電壓。
使用上面等式(5),(6)和(12)，差分對(duì)12和14的差分輸入電壓ΔV1和ΔV2分別由下面等式(13)和(14)給出。ΔV1=V2-V3=V2-V1+V32=V2-V12]]>=VTIn(IOA-GmVi2IOB)-VTIn(IOA+GmVi2IOB)---(13)]]>=VTIn(IOA-GmViIOA+GmVi)]]>ΔV2=V3-V1=V1+V22-V1=V2-V12]]>=VTIn(IOA-GmVi2IOB)-VTIn(IOA+GmVi2IOB)---(14)]]>=VTIn(IOA-GmViIOA+GmVi)=ΔV1]]>從等式(13)和(14)中可以看出，差分輸入電壓ΔV1和ΔV2是相等的。
代入等式(13)和(14)到上述等式(10a)給出下面等式(15)。ΔI=IBO[tanh{In(IOA-GmViIOA+GmVi)}+tanh{In(IOA-GmViIOA+GmVi)}]]]>=2IBOtanh{In(IOA-GmViIOA+GmVi)}---(15)]]>作為結(jié)果，差分輸出電流ΔI表示如下ΔI=2IBOtanh{12In(IOA-GmViIOA+GmVi)}]]>=2IBOsinh{In(IOA-GmViIOA+GmVi)}cosh{In(IOA-GmViIOA+GmVi)}+1]]>=2IBO[(IOA-GmVi)2-(IOA+GmVi)2(IOA+GmVi)+(IOA-GmVi)2]]]>=2IBO{(IOA-GmVi)+(IOA+GmVi)(IOA-GmVi)-(IOA+GmVi)}{(IOA+GmVi)+(IOA-GmVi)}2]]>=2IBO[(IOA-GmVi)-(IOA+GmVi)(IOA+GmVi)+(IOA-GmVi)]---(16)]]>=2IBO2GmVi2IOA]]>=2IBO[GmViIOA]]]>從等式(16)可以看出，圖2示出的OTA差分輸出電流與差分輸入電壓V1線性相關(guān)。
在上述等式(16)中，下述等式(17)被利用。tanh(x2)=sinh(x)cosh(x)+1---(17)]]>在依第一實(shí)施例中的OTA內(nèi)使用的上述計(jì)算方法和公知的tanh-1tanh(逆雙曲正切-雙曲正切)變換有類似性，這里線性Ⅴ-Ⅰ轉(zhuǎn)換器的一對(duì)輸出電流被(tanh-1)轉(zhuǎn)換，以產(chǎn)生第一和第二輸出電壓，第一第二輸出電壓之間的差施加于差分電路，用于在公知的Gilbert增益單元的tanh轉(zhuǎn)換。
然而，在這個(gè)(tanh-1)-tanh轉(zhuǎn)換方法中，下述等式(18)被利用。x=tanh{12In(1+x1-x)}---(18)]]>從等式(17)和(18)中可以看出，在等式(17)內(nèi)的X等于在等式(18)內(nèi)X的一半。此外，兩個(gè)二極管在每一個(gè)第一，第二和第三轉(zhuǎn)換器5a,6a和7a中串聯(lián)連接。
在依第一實(shí)施例的OTA中，必要的電源電壓通過(guò)雙極型晶體管的基極-發(fā)射極電壓VBE變得高于(tanh-1)-tanh轉(zhuǎn)換方法的電壓。然而，基極-發(fā)射極電壓VBE的偏置，由于晶體管特性的波動(dòng)能夠減少為(1/2)1/2(=0.707)。這是因?yàn)閮蓚€(gè)串聯(lián)連接的二極管的基極-發(fā)射極電壓的偏置VBE被限制為單個(gè)二極管電壓的(2)1/2倍。
圖3示出了依本發(fā)明的第二實(shí)施例的OTA依第二實(shí)施例的OTA具有和圖2示出的第一實(shí)施例相同的結(jié)構(gòu)。除了Ⅴ-Ⅰ轉(zhuǎn)換器16產(chǎn)生四個(gè)輸出電流，和二極管D3和npn型雙極型晶體管Q5形成了第三Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器7b。
因此，通過(guò)對(duì)圖3相同的或相應(yīng)的部分或元素附加了相同的標(biāo)號(hào)以外，相同配置的解釋被省略，以達(dá)到簡(jiǎn)化描述的目的。
Ⅴ-Ⅰ轉(zhuǎn)換器16轉(zhuǎn)換施加的差分輸入電壓V1為第一，第二，第三和第四差分輸出電流IA1和IA2和IA1和IA2。第三和第四差分輸出電流IA1和IA2分別流經(jīng)二極管D3和晶體管Q5。
第三電壓降V3等于晶體管Q5的基極-發(fā)射極電壓和二極管D3的正向電壓降之和，第三Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器7b的電壓降通過(guò)使用上述等式(2)由下面等式(19)給出。V3=VTIn(IA1IS)+VTIn(IA2IS)]]>=VTIn(IOA+GmVi2IS)+VTIn(IOA-GmVi2IS)]]>=VTIn((IOA+GmVi)(IOA-GmVi)4IS2)---(19)]]>=12[2VTIn(IOA+GmVi2IS)+2VTIn(IOA-GmVi2IS)]]]>=12(V1+V2)]]>第三Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器7b的電壓降V3等于第一和第二電壓降V1和V2的和的一半。作為結(jié)果，這里具有一實(shí)施例的相同的優(yōu)點(diǎn)。
線性Ⅴ-Ⅰ轉(zhuǎn)換器1b例如由圖4示出電路配置實(shí)現(xiàn)的。驅(qū)動(dòng)第一和第二差分對(duì)2和4的恒定電流IBO是通過(guò)圖4示出的電流鏡電路簡(jiǎn)單地加以實(shí)現(xiàn)。
在圖4中，npn型雙極型晶體管Q6和Q7構(gòu)成了差分對(duì)，和npn型雙極型晶體管Q8和Q9構(gòu)成了另一個(gè)差分對(duì)。晶體管Q6,Q7,Q8和Q9分別具有發(fā)射極電阻R1,R2,R3和R4。晶體管Q6和Q7的發(fā)射極通過(guò)發(fā)射極電阻R1和R2耦聯(lián)在一起，晶體管Q8和Q9的發(fā)射極通過(guò)發(fā)射極電阻R3和R4耦連在一塊。
電阻R1和R2的連接點(diǎn)連接到提供恒定電流IOR的恒流源C1的一端。恒流源C1的另一端連接到地。
電阻R3和R4的連接點(diǎn)連接到提供恒定電流IOA的恒流源C2的一端。恒流源C2的另一端連接到地。
差分輸入電壓V1施加到晶體管Q6和Q7的基極和晶體管Q8和Q9的基極。
晶體管Q6,Q7,Q8和Q9的集電極連接到二極管對(duì)5a，二極管對(duì)6a，二極管D3和晶體管Q5。
二極管D7的正極連接到二極管D1,D2和D3的負(fù)極，和晶體管Q5的集電極。二極管D7的負(fù)極連接到施加電源電壓VCC的電源線。二極管D7作為定義參考電壓VREF。
帶有圖4配置的Ⅴ-Ⅰ轉(zhuǎn)換器1b并不具有完全的線性。然而，它用簡(jiǎn)單的配置實(shí)現(xiàn)了實(shí)際線性Ⅴ-Ⅰ轉(zhuǎn)換器特性。
電流鏡電路3由npn型雙極型晶體管Q10,Q11，和Q12組成，它們的發(fā)射極共同連接到地，和電流源C3提供恒定電流IBO。晶體管Q10,Q11，和Q12的基極連接在一塊。晶體管Q11和Q12的集電極分別連接到晶體管Q1和Q2的發(fā)射極和晶體管Q3和Q4的發(fā)射極。晶體管Q10的基極和集電極連到一塊并且連接到電流源C3。
負(fù)載電阻R5連接在晶體管Q1和Q3的集電極和電源電壓VCC之間。另一個(gè)負(fù)載電阻R6連接在晶體管Q2和Q4的耦聯(lián)的集電極和電源電壓VCC之間。
OTA的差分輸出電壓ΔV0是從負(fù)載電阻R6中引出。
圖5示出了依本發(fā)明第三實(shí)施例的OTA。
依第三實(shí)施例的OTA是由Ⅴ-Ⅰ轉(zhuǎn)換器1C，第一Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器5b，第二Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器6b，第三Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器7c，和四端單元8組成。
Ⅴ-Ⅰ轉(zhuǎn)換器被施加差分輸入電壓V1和分別輸出第一，第二，第三，和第四輸出電流IA1,IA2,aIA1和bIA2，這里a和b是常數(shù)。
第一I-V轉(zhuǎn)換器5b轉(zhuǎn)換第一輸出電流IA1為施加到晶體管Q4的基極的第一輸出電壓。第一Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器5b是由具有二極管連接的串聯(lián)連接的npn型雙極型晶體管Q13和Q14構(gòu)成的。晶體管Q14的發(fā)射極面積K2倍晶體管Q13的面積，這里K2是大于單位1的常數(shù)。
第二Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器6b轉(zhuǎn)換第二輸出電流IA2為施加到晶體管Q1基極的第二輸出電壓。第二Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器6b是由具有二極管連接的串聯(lián)連接的npn型雙極型晶體管Q15和Q16構(gòu)成的。晶體管Q16的發(fā)射極面積K2倍于晶體管Q15的發(fā)射極面積。
第三Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器7C轉(zhuǎn)換輸出電流aIA1為施加到晶體管Q2和Q3基極的第三輸出電壓。第三Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器7C是由npn型雙極型晶體管Q17和Q18構(gòu)成。晶體管Q17具有二極管連接。第三輸出電流aIA1流經(jīng)晶體管Q17。第四輸出電流bI2流過(guò)晶體管Q16。晶體管Q17的發(fā)射極面積K3倍于晶體管Q13和Q15的發(fā)射極面積，這里K3是大于單位1的常數(shù)。晶體管Q18的發(fā)射極面積K4倍于晶體管Q13和Q15的發(fā)射極面積，這里K4是大于單位1的常數(shù)。
第三輸出電壓V3由二極管Q17正向電壓降下晶體管Q18的基極-發(fā)射極電壓的和給出。
四端網(wǎng)絡(luò)8的晶體管Q1和Q3的集電極連在一塊構(gòu)成OTA的第一輸出端。四端網(wǎng)絡(luò)的晶體管Q2和Q4的集電極連在一塊構(gòu)成OTA的第二輸出端。
OTA的輸出差分地從第一和第二輸出端中導(dǎo)出。
其次，依圖5示出的第三實(shí)施例的OTA的工作原理解釋如下。
在圖5中，四端網(wǎng)絡(luò)8的晶體管Q1,Q2,Q3和Q4的集電極電流被分別定義為IC1,IC2,IC3，和IC4。通過(guò)使用上述等式(1)，它們分別被表示為如下的等式(20),(21),(22)和(23)。IC1=ISexp(VB1-VEVT)---(20)]]>IC3=K1ISexp(VB2-VEVT)---(21)]]>IC3=K1ISexp(VB3-VEVT)=IC2---(22)]]>IC4=ISexp(VB4-VEVT)---(23)]]>這里VE是晶體管Q1,Q2,Q3和Q4的共發(fā)射極電壓，和VB1,VB2,VB3和VB4是它們各自的基極電壓。
同樣，四端網(wǎng)絡(luò)8受單個(gè)電流IBO，的驅(qū)動(dòng)，下述的等式(24)建立，IC1+IC2+IC3+IC4=IBO(24)這里IC2=IC3解等式(20)到(24)給出如下的等式(25)。ISexp(VEVT)=IBOexp(VB1VT)+2K1exp(VB2VT)+exp(VB4VT)---(25)]]>依此，圖5所示OTA的差分輸出電流ΔI表示如下。
ΔI=I01-I02=IBO{exp(VB1VT)-exp(VB4VT)}exp(VB1VT)+2K1exp(VB2VT)+exp(VB4VT)---(26)]]>如果V-I轉(zhuǎn)換器1C與差分輸入電壓Vi線性相關(guān)，那么輸出電流IA1和IA2可由上述等式(3)和(4)表示。
依此，四端網(wǎng)絡(luò)8的晶體管Q1,Q2,Q3和Q4的基極電壓VB1,VB2,VB3和VB4分別由下述等式(27)、(28)和(29)加以表示。VB1=VCC-VTIn(IOA-GmViIS)-VTIn(IOA-GmViK2IS)]]>=VCC-VTIn{(IOA-GmVi)(IOA-GmVi)K2IS2}---(27)]]>VB2=VB3=VCC-VTIn{a(IOA+GmV1)K3IS}-VTIn{b(IOA-GmV1)K4IS}---(28)]]>=VCC-VTIn{ab(IOA+GmVi)(IOA-GmVi)K3K4IS2}]]>VB4=VCC-VTIn(IOA+GmViIS)-VTIn(IOA+GmViK2IS)]]>=VCC-VTIn{(IOA+GmVi)(IOA+GmVi)K2IS2}---(29)]]>代等式(27、(28)和(29)到(26)得到如下等式(30a)。ΔI=IBO×(IOA+GmVi)(IOA+GmVi)-(IOA-GmVi)(IOA-GmVi)(IOA+GmVi)(IOA+GmVi)-(IOA-GmVi)(IOA-GmVi)+2K1K3K4abK2(IOA+GmVi)(IOA-GmVi)---(30a)]]>為了使等式(30a)為上述等式(1b)的形式，下述關(guān)系(30b)需要滿足。ΔI=IBO{(IOA+GmVi)+(IOA+GmVi)}{(IOA-GmVi)-(IOA-GmVi)}{(IOA+GmVi)(IOA+GmVi)+(IOA-GmVi)(IOA-GmVi)}2---(30b)]]>=IBO(IOA+GmVi)-(IOA+GmVi)(IOA+GmVi)+(IOA-GmVi)]]>依此，下述的關(guān)系(30c)需要滿足。2K1K3K4abK2=2---(30c)]]>作為結(jié)果，下面的關(guān)系(31)需要滿足。abK2K1K3K4=1---(31)]]>當(dāng)關(guān)系(31)被滿足時(shí)，差分輸出電流ΔI被表示為如下。ΔI=IBOGmViIOA---(32)]]>從表示式(32)可以看出，依第三實(shí)施例的OTA的輸出電流差分輸入電壓Vi線性相關(guān)。
第三實(shí)施例中使用的Ⅴ-Ⅰ轉(zhuǎn)換器1C例如可由圖6示出的電流配置加以實(shí)現(xiàn)。該電流配置實(shí)質(zhì)上和發(fā)明人，Kimura，開(kāi)發(fā)的公知的OTA相同并且在inthe Japanese Non-Examined Patent Publication No.9-23802 Published in september1997,and in IEEE Transaction On Circuit and System,PartI,Vol,45,No.1,pp 108-113,January 1998中公開(kāi)了。
如圖6所示，該Ⅴ-Ⅰ轉(zhuǎn)換器1C包括其發(fā)射極面積彼此相等的npn雙極型晶體管Q31和Q32的平衡的差分對(duì)。
晶體管Q31和Q32的發(fā)射極通過(guò)電阻為R的發(fā)射極電阻R31連接到一塊。晶體管Q31的發(fā)射極進(jìn)一步通過(guò)發(fā)射極跟隨器增大電流鏡電路31連接到地。晶體管Q32的發(fā)射極進(jìn)一步通過(guò)發(fā)射極跟隨器增大電流鏡電路32連接到地。
電流鏡電路31和32分別作為晶體管Q31和Q32的有源負(fù)載，Ⅴ-Ⅰ轉(zhuǎn)換器1C的輸出電流IA1和aIA1,IA2和bIa2分別從電流鏡31和32中引出。
電源電壓VCC通過(guò)提供恒流IOA的恒流源施加到晶體管Q31的集電極。晶體管Q31由恒流IOA驅(qū)動(dòng)。
相同的電源電壓VCC通過(guò)提供相同恒定電流IOA的恒流源施加到晶體管Q32的集電極。該晶體管Q32受恒定電流IOA的驅(qū)動(dòng)。
差分輸入電壓Vi施加到晶體管Q31和Q32的基極。電流i依照施加的差分輸入電壓Vi的值將流過(guò)發(fā)射極電阻R31。
使用圖6示出的Ⅴ-Ⅰ轉(zhuǎn)換1C，由于晶體管Q31和Q32受相同恒定電流IOA的驅(qū)動(dòng)，基極-發(fā)射極電壓VBE31和VBE32彼此相等。因此，下述等式(33)建立。
Vi=Ri(33)依此電流I表示為i=ViR---(34)]]>這樣，從電流鏡電路31和32輸出的輸出電流IA1和IA2分別由下述等式(35a)和(35)中給出。IA1=IOA+1=IOA+ViR--(35a)]]>IA2=IOA-1=IOA-ViR---(35)]]>電流鏡電路31由其基極連接在一塊的npn雙極型晶體管Q33,Q34和Q46組成，npn雙極型晶體管Q35作為發(fā)射極跟隨器晶體管，和恒定電壓源V31提供恒定電壓VLS。晶體管Q46具有的發(fā)射極面積6倍于晶體管Q33和Q34的面積。
晶體管Q33的集電極連接到晶體管Q31的發(fā)射極。晶體管Q33的發(fā)射極連接到地。晶體管Q33,Q34和Q46的耦聯(lián)的基極連接到電壓源V33的負(fù)電極。晶體管Q34的發(fā)射極連接到地。晶體管Q35的基極連接到晶體管Q31的集電極。晶體管Q35的集電極施加有電源電壓VCC。晶體管Q35的發(fā)射極連接到電壓源V31的負(fù)極。
輸出電流IA2=IOA-(Vi/R)從晶體管Q34的集電極引出。輸出電流bIA2從晶體管Q46的集電極引出。
恒壓源V31作為移動(dòng)晶體管Q33,Q34和Q46的耦聯(lián)基極的電壓電平。
類似地，電流鏡32由基極連在一塊的三個(gè)npn雙極型晶體管Q36,Q37和Q47組成，npn雙極型晶體管Q38作為發(fā)射極跟隨器晶體管，恒壓源V32提供相同的恒定電壓VLS和電壓源V31提供的一樣。晶體管Q47具有的發(fā)射極面積a倍于晶體管Q36和Q37的發(fā)射極面積。
晶體管Q36的集電極連接到晶體管Q32的發(fā)射極。晶體管Q36的發(fā)射極連接到地。晶體管Q36,Q37耦連的基極連接到電壓源V32的負(fù)極。晶體管Q37的發(fā)射極連接到地。晶體管Q38的基極連接到晶體管Q32的集電極。晶體管Q38的集電極加有電源電壓VCC。晶體管Q38的發(fā)射極連接電壓源V32的正極。
輸出電流IA1=I0+(Vi/R)從晶體管Q34的集電極引出。輸出電流aIA1從晶體管Q47的集電極中引出。
恒定電壓源V32伺服作為移動(dòng)晶體管Q36,Q37和Q47的耦連基極的電壓電平。
從等式(35a)和(35b)中可以清楚看出，圖6示出的Ⅴ-Ⅰ轉(zhuǎn)換器1C具有完全或極好的線性操作。
圖7示出了在依圖2所示第一實(shí)施例的OTA中使用的Ⅴ-Ⅰ轉(zhuǎn)換器1a的實(shí)例。
該電路配置對(duì)應(yīng)著通過(guò)加npn型雙極型晶體管Q39和Q40和npn型雙極型晶體管Q41,Q42,Q43,Q44,Q45到圖6所示的上述Ⅴ-Ⅰ轉(zhuǎn)換器1C獲得的配置，除了雙極型晶體管Q46和Q47被省略以外。
如圖7所示，晶體管Q39和Q40構(gòu)成了電流鏡電路。晶體管Q39和Q40的基極連在一塊，晶體管Q39和Q40的發(fā)射極被施加電源電壓VCC。晶體Q39的基極和集電極連到一塊。晶體管Q39的集電極連接到晶體管Q37的集電極。從晶體管Q37來(lái)的參考電流施加到晶體管Q39的集電極，鏡象電流IA1從晶體管Q40的集電極輸出。
晶體管Q41和Q43構(gòu)成了電流鏡電路。晶體管Q41和Q43的發(fā)射極連接到地。晶體管Q41和Q43的基極共同連接到晶體管Q34的集電極。晶體管Q41的集電極連接到晶體管Q40的集電極。從晶體管Q40來(lái)的參考電流IA1施加到晶體管Q41的集電極，鏡象電流IA1從晶體管Q43的集電極輸出。
晶體管Q42和Q44的基極共同連接到晶體管Q40的集電極。晶體管Q42的發(fā)射極連接到晶體管Q41和Q43的基極和晶體管Q34的集電極。晶體管Q44的發(fā)射極連接到晶體管Q45的基極和集電極。晶體管Q45的基極和集電極連在一塊。晶體管Q45的發(fā)射極連接到地。
從晶體管Q34的集電極來(lái)的電流IA2從晶體管Q42的集電極輸出。電流(IA1IA2)1/2從晶體管Q44的集電極輸出。其理由如下如果晶體管Q41,Q42,Q44和Q45的基極-發(fā)射極電壓被定義為VBE41,VBE42,VBE44，和VBE45，使用上述等式(2)，基板-發(fā)射極電壓VBE41,VBE42,VBE44被表示為如下等式(36),(37)，和(38)。VBE41=VTIn(IA1IS)---(36)]]>VBE42=VTIn(IA2IS)---(37)]]>VBE44=VBE45=VTIn(IOUTIS)---(38)]]>另一方面，由于晶體管Q42和Q44的基極連在一塊和晶體管Q41和Q45的發(fā)射極連接到地，從基極-發(fā)射極電壓VBE41,VBE42,VBE44和VBE45中可以建立如下等式(39)。
VBE41+VBE42=VBE44+VBE45(39)代入(36),(37)，和(38)到等式(39)，得出如下等式(40)IOUT2=IA1*IA2(40)作為結(jié)果，可以獲得如下等式(41)IOUT=IA1·IA2---(41)]]>這樣，輸出電流IOUT和電流IA1和IA2的乘的平方根成比例。
現(xiàn)已描述了本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例，應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明精神的情況下可以做各種修改。發(fā)明的范圍因此僅有下面的權(quán)利要求定義。
權(quán)利要求
1．雙極型運(yùn)算跨導(dǎo)放大器包括(a)Ⅴ-Ⅰ轉(zhuǎn)換器，用于轉(zhuǎn)換差分輸入電壓為與差分輸入電壓線性相關(guān)的第一和第二輸出電流和產(chǎn)生第三輸出電流；(b)第一Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器，用于轉(zhuǎn)換所說(shuō)第一輸出電流為第一輸出電壓；(c)第二Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器，用于轉(zhuǎn)換所說(shuō)第二輸出電流為第二輸出電壓；(d)第三Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器，用于轉(zhuǎn)換所說(shuō)第三輸出電流為第三輸出電壓；所說(shuō)第三輸出電壓等于所說(shuō)第一和第二輸出電壓的和的中點(diǎn)電壓；(e)由第一恒定電流驅(qū)動(dòng)的第一和第二發(fā)射極耦合雙極型晶體管的第一差分對(duì)；和(f)由第二恒定電流驅(qū)動(dòng)的第三和第四發(fā)射極耦合雙極型晶體管的第二差分對(duì)；其中，所說(shuō)第一輸出電壓施加到所說(shuō)第四晶體管的基極，所說(shuō)第二輸出電壓施加到所說(shuō)第一晶體管的基極，和所說(shuō)第三輸出電壓共同施加到所說(shuō)第二和第三晶體管的基極；其中所說(shuō)第一差分對(duì)的第一和第三晶體管的集電極連在一起以構(gòu)成所說(shuō)OTA的第一輸出端；和其中所說(shuō)第二差分對(duì)的第二和第四晶體管的集電極連在一塊以構(gòu)成所說(shuō)OTA的第二輸出端；和其中所說(shuō)OTA的輸出從所說(shuō)第一和第二輸出端差分地導(dǎo)出。
2．權(quán)利要求1的放大器，其中，所說(shuō)第三Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器的所說(shuō)第三輸出電流和所說(shuō)Ⅴ-Ⅰ轉(zhuǎn)換器的所說(shuō)第一和第二輸出電流的積的平方根成比例。
3．權(quán)利要求1的放大器，其中，每一個(gè)所說(shuō)第一，第二和第三Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器是由兩個(gè)串聯(lián)連接的二極管構(gòu)成的。
4．權(quán)利要求1的放大器，其中，每一個(gè)所說(shuō)二極管是由其基極和集電極耦連在一起的雙極型晶體管構(gòu)成的。
5．運(yùn)算跨導(dǎo)放大器包括(a)Ⅴ-Ⅰ轉(zhuǎn)換器，用于轉(zhuǎn)換差分輸入電壓為與差分輸入電壓線性相關(guān)的第一，第二，第三和第四輸出電流；(b)第一Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器，用于轉(zhuǎn)換所說(shuō)第一輸出電流為第一輸出電壓；(c)第二Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器，用于轉(zhuǎn)換所說(shuō)第二輸出電流為第二輸出電壓；(d)第三Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器，用于轉(zhuǎn)換所說(shuō)第三輸出電流為第三輸出電壓；所說(shuō)第三輸出電壓等于所說(shuō)第一和第二輸出電壓的和的中點(diǎn)電壓；(e)由第一恒定電流驅(qū)動(dòng)的第一和第二發(fā)射極耦合的雙極型晶體管的第一差分對(duì)；和(f)由第二恒定電流驅(qū)動(dòng)的第三和第四發(fā)射極耦合的雙極型晶體管的第二差分對(duì)；其中，所說(shuō)第一輸出電壓施加到所說(shuō)第四晶體管的基極，所說(shuō)第二輸出電壓施加到所說(shuō)第一晶體管的基極，和所說(shuō)第三輸出電壓施加到所說(shuō)第二和第三晶體管的基極；和其中所說(shuō)第一差分對(duì)的所說(shuō)第一和第三晶體管的集電極連在一塊以構(gòu)成所說(shuō)OTA的第一輸出端；和其中的所說(shuō)第二差分對(duì)的所說(shuō)第二和第四晶體管的集電極連在一塊以構(gòu)成所說(shuō)OTA的第二輸出端；和其中所說(shuō)OTA的輸出是從所說(shuō)第一和第二輸出端差分引出的。
6．權(quán)利要求5的放大器，其中，所說(shuō)第一Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器是由第一和第二串聯(lián)連接的二極管構(gòu)成的，所說(shuō)第二Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器是由第三和第四串聯(lián)連接的二極管構(gòu)成的，和所說(shuō)第三Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器是由第五二極管和第五雙極型晶體管構(gòu)成的；和其中所說(shuō)第一輸出電流流過(guò)所說(shuō)第五二極管，所說(shuō)第二輸出電流流經(jīng)所說(shuō)第五晶體管，和所說(shuō)第三輸出電壓由所說(shuō)第五二極管的正向電壓降和所說(shuō)第五晶體管的基極-發(fā)射極電壓之和給出。
7．運(yùn)算跨導(dǎo)放大器包括(a)V-I轉(zhuǎn)換器，用于轉(zhuǎn)換差分輸入電壓為與所說(shuō)差分輸入電壓線性相關(guān)的第一，第二，第三和第四輸出電流；所說(shuō)第三輸出電流等于所說(shuō)第一輸出電流乘以a，這里a是常數(shù)；所說(shuō)第四輸出電流等于所說(shuō)第一輸出電流乘以b，這里b是常數(shù)；(b)第一Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器，用于轉(zhuǎn)換所說(shuō)第一輸出電流為第一輸出電壓；所說(shuō)第一Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器由具有二極管連接的串聯(lián)連接的第五和第六雙極型晶體管構(gòu)成；所說(shuō)第六晶體管的發(fā)射極面積K2倍于所說(shuō)第五晶體管的發(fā)射極面積，這里K是大于單位1的常數(shù)；(c)第二Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器所說(shuō)第二輸出電流為第二電壓；所說(shuō)第二Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器是由具有二極管連接的串聯(lián)連接的第七和第八雙極型晶體管構(gòu)成；所說(shuō)第八晶體管的發(fā)射極面積K2倍于所說(shuō)第七晶體管的發(fā)射極面積；(d)第三Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器，用于轉(zhuǎn)換所說(shuō)第三輸出電流為第三輸出電壓；所說(shuō)第三Ⅰ-Ⅴ轉(zhuǎn)換器是由第九和第十雙極型晶體管構(gòu)成；所說(shuō)第九晶體管具有二極管連接；所說(shuō)第三輸出電流流經(jīng)所說(shuō)第九晶體管；所說(shuō)第四輸出電流流經(jīng)所說(shuō)第十晶體管；所說(shuō)第九晶體管的發(fā)射極面積K3倍于所說(shuō)第五和第七晶體管的發(fā)射極面積，這里K3是大于單位一的常數(shù)；所說(shuō)第十晶體管的發(fā)射極面積K4倍于所說(shuō)第五和第七晶體管的發(fā)射極面積，這里K4是大于單位1的常數(shù)；所說(shuō)第三輸出電壓是由第五二極管的正向壓降和所說(shuō)第五晶體管的基極-發(fā)射極電壓之和給出的。(e)由共同恒定電流驅(qū)動(dòng)第一，第二，第三和第四發(fā)射極耦連雙極型晶體管的四端單元；所說(shuō)第二和第三晶體管發(fā)射極面積K1倍于所說(shuō)第一和第四晶體管的發(fā)射極面積，這里K1是大于單位1的常數(shù)；其中所說(shuō)第一輸出電壓施加于所說(shuō)第四晶體管的基極，所說(shuō)第二輸出電壓施加于所說(shuō)第一晶體管的基極；所說(shuō)第三輸出電壓共同地施加于所說(shuō)第二和第三晶體管的基極；和其中所說(shuō)四端單元的所說(shuō)第一和第三晶體管的集電極連在一起以構(gòu)成所說(shuō)OTA第一輸出端，所說(shuō)四端單元的第二和第四晶體管的集電極連在一塊以構(gòu)成所說(shuō)OTA的第二輸出端；和這里所說(shuō)常數(shù)a,b,K1,K2,K3和K4滿足下面關(guān)系abK2K1K3K4=1]]>和這里所說(shuō)OTA的輸出差分地從所說(shuō)第一和第二輸出端引出。
全文摘要
一種具有完全線性跨導(dǎo)的OTA包括Ⅴ－Ⅰ轉(zhuǎn)換器,第一、第二和第三Ⅰ－Ⅴ轉(zhuǎn)換器,由第一恒定電流驅(qū)動(dòng)的第一和第二發(fā)射極耦合的雙極型晶體管的第一差分對(duì),和由第二恒定電流驅(qū)動(dòng)的第三和第四發(fā)射極耦合的雙極型晶體管的第二差分對(duì)。該Ⅴ－Ⅰ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換差分輸入電壓為與差分輸入電壓線性相關(guān)的第一和第二輸出電流和產(chǎn)生第三輸出電流。第一Ⅰ－Ⅴ轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生第一輸出電壓。第二Ⅰ－Ⅴ轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生第二輸出電壓。第三Ⅰ－Ⅴ轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生第三輸出電壓。
文檔編號(hào)H03F1/32GK1213215SQ9810946
公開(kāi)日1999年4月7日 申請(qǐng)日期1998年3月28日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月28日
發(fā)明者木村克治 申請(qǐng)人:日本電氣株式會(huì)社