オペアンプの出力範囲について

質問

トランジスタレベルの増幅器（アンプ）で質問があります。

添付のようなフォールデッドカスコードの増幅器では、
ある程度のゲインがあり、発振しづらいため、よく使われていると聞きます。
ただし、カスコード接続によって出力範囲が狭くなってしまうため
出力をもっと振りたい場合はこれでは困ります。
そこで2段構成にして、2段目にソース接地を接続して位相補償する
やり方をよく見かけますが、ここで疑問があります。

なぜ1段目のフォールデッドカスコードの出力範囲が狭い（つまり
ソース接地の入力はそこまで振れない）のに、ソース接地の出力は
大きく振ることができるのでしょうか？
ソース接地自体は、飽和で動かせれる電圧があればよいので、
出力を大きく振れるのはわかるのですが。。

どなたか詳しい方、教えていただけないでしょうか。
わかりづらい点がありましたら補足いたします。

回答No.4

inara1 · ベストアンサー

ANo.3です。
間違いがありました。
＞回路その３では出力範囲は広がっていない
出力範囲が広がっていないのは「回路その２」で、「回路その３」は広がっています。「回路その３」は入力範囲が広くなっているので、回路に負帰還をかけて電圧利得１のバッファ回路を構成したとき、差動アンプ（フォールデッドカスコード回路）の出力電圧は広くなります。

「回路その２」はオペアンプ回路になっていない（出力回路がない）のですが、オペアンプで言うと、レール-to-レール入力でもなく、レール-to-レール出力でもないオペアンプです。「回路その２」はレール-to-レール入出力のオペアンプに相当すると思います（ただし出力電流があまり取れない）。

お礼

補足の追記です。

勉強不足のため、そもそもの考え方が違っていて、
「回路その２」では出力がふれないのではなくて、
入力範囲が狭いので出力が振れないように見えていた
だけだったようです。

今まで入出力範囲の確認は、ボルテージフォロアにして
V+をスイープさせて出力をDC解析していたのですが、
これだと入力に制限されているのか出力によって制限されているのか
よくわかりませんでした。
これを区別するような測定回路があれば教えていただけると助かります。

http://www.ec.ss.titech.ac.jp/opamp/2010/shinsa.html
上記などの回路構成も試しましたが入力が足りないようには
見えませんでした。

補足

追加のご回答ありがとうございました。

では、例えば「回路その３」にソース接地が無かった場合は
入力はRail-to-Railだが、フォールデッドカスコードの出力は制限
されてしまうと考えてよいのでしょうか。

回答No.3

inara1

＞回路その３では出力範囲は広がっていない
ということだと思います。

フォールデッド（折り返し）カスコード回路については、ここ（http://www.si.eei.eng.osaka-u.ac.jp/reference/osk_0208_02.pdf）の資料が良いと思います。大学の講義資料なので細かい説明がありませんが、69ページまでが差動増幅回路、70～111ページが出力回路の説明になっています。72ページにあるように、ソース接地の pmos と nmos の2段重ねが最も出力電圧範囲が広くなっています。

回答No.2

inara1

ご質問はここ（http://analogsekkei.web.fc2.com/opamp.html）の下から３番目の回路（回路例その２）のようですが、その回路にはソース接地はついてません（回路図の右半分全体がフォールデッドカスコード）。

そのサイトで「ソース接地を追加してやると・・・出力電圧範囲が広がる」と書かれているのは、その次の回路（回路例その３）です。「回路例その３」では、nmos と pmos を両方使った差動アンプになっているので差動アンプ自身の出力電圧範囲が広くなります（「回路例その２」はそれより狭い）。その後のソース接地回路はもともと出力電圧範囲が広いので、広くなった差動アンプの出力電圧範囲をカバーすることができ、なおかつ、電流駆動能力を高めているということではないでしょうか。

「回路例その３」の出力（吐き出し）電流は、右上端のトランジスタの電流（100uA）で制限されますが、「回路例その４」ではその電流を大きくしたもののようです。

補足

ご回答ありがとうございます。
質問の出所はご指摘のページです。

掲載されている回路の構成としては、次のようになっています。
回路その２　フォールデッドカスコード単体
回路その３　Rail-to-Railフォールデッドカスコード　＋　ソース接地
回路その４　回路その３　＋　ドレイン接地

回路その３では入力範囲を広げるために、NMOSとPMOS
を使った入力段にしているだけで、出力範囲はカスコード
の縦積み部分で決まってしまうため、広がっていないという
認識ですが違うでしょうか？

回答No.1

tadys

エンハンスメント型のMOS-FETの場合、リニア動作の動作範囲にソース電圧を含みません。
もともと動作範囲がずれているので入力電圧が（ソースに対して）ゼロボルトまで振れる必要がないのです。

補足

ご回答ありがとうございました。
まだ勉強を始めたばかりなので、解釈を間違っているかもしれませんが、
次のようなイメージでよろしいのでしょうか。

差動段の出力（フォールデッドカスコードの出力）電圧は
フィードバックがかかっているのでほとんど揺れない
このほとんど揺れない電圧が次段のソース接地に入力されるため、
差動段の出力範囲はほとんど関係なくなる
とイメージしています。

ただ、そうすると出力が振れないのに、なぜ差動段をカスコードにして
ゲインを稼がなければならないのでしょうか。