JP2007151100A - サンプルアンドホールド回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】複数のサンプリング容量と共通のオペアンプで時分割にサンプルアンドホールドする場合にて、回路規模のさらなる縮小が求められている。
【解決手段】複数のサンプリング容量Ca〜Cdは、複数チャネルの入力アナログ信号をチャネルごとにサンプリングする。スイッチSWa6〜SWd6は、サンプリング容量数に対応して設けられ、各サンプリング容量Ca〜Cdの一端でサンプリングした電圧を、その他端からオペアンプ10に選択的に出力する。帰還用容量C10は、オペアンプ10の入力端子と出力端子とを接続する帰還経路に設けられる。S&H回路100は、スイッチSWa6〜SWd6が選択的にオンされることにより、時分割にサンプルアンドホールドする。
【選択図】図7
【解決手段】複数のサンプリング容量Ca〜Cdは、複数チャネルの入力アナログ信号をチャネルごとにサンプリングする。スイッチSWa6〜SWd6は、サンプリング容量数に対応して設けられ、各サンプリング容量Ca〜Cdの一端でサンプリングした電圧を、その他端からオペアンプ10に選択的に出力する。帰還用容量C10は、オペアンプ10の入力端子と出力端子とを接続する帰還経路に設けられる。S&H回路100は、スイッチSWa6〜SWd6が選択的にオンされることにより、時分割にサンプルアンドホールドする。
【選択図】図7
Description
本発明は、複数チャネルの入力アナログ信号を共通のオペアンプで時分割にサンプルアンドホールドするサンプルアンドホールド回路に関する。
サンプルアンドホールド回路(以下適宜、S&H回路と表記する。)とは、任意の時刻におけるアナログ信号の電圧をサンプルして、その電圧を保持する回路である。S&H回路は、時間と共に変化している信号をアナログデジタル変換(以下適宜、AD変換と表記する。)するとき、AD変換器への入力電圧を得るために利用されることも多い。
S&H回路を小型化するため、複数のサンプリング部と共通のホールド部を備え、時分割に入力信号をサンプルしホールドする手法が開示されている(例えば、特許文献1の図1参照)。また、S&H回路の一態様として、入力端子にサンプリング容量を直列に挿入したスイッチトキャパシタ型オペアンプが知られている(例えば、特許文献1の図17参照)。
特開2004−158138号公報
特開平8−125495号公報
上記特許文献1の図1に示すように、複数のサンプリング部と共通のホールド部を備えたS&H回路は、複数チャネルの入力信号をサンプルしてホールドすることができ、また、ホールド部を共通化しない構成と比較して回路面積を縮小することができる。本発明者は、このようなS&H回路にて、回路面積をさらに縮小する手法を見出した。
本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、回路規模が小さく、複数チャネルの入力に対応したサンプルアンドホールド回路を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある態様のサンプルアンドホールド回路は、一つのオペアンプと、オペアンプの入力端子と出力端子とを接続する帰還経路に設けられる一つの帰還容量と、複数チャネルの入力アナログ信号をチャネルごとにサンプリングするための複数のサンプリング容量と、複数のサンプリング容量の一端でサンプリングした電圧を、その他端から前記オペアンプに選択的に入力するための前記容量の数に対応したスイッチと、を備え、スイッチが選択的にオンされることにより、時分割にサンプルアンドホールドする。
この態様によると、帰還容量を複数チャネルで共通化することにより、複数チャネルの入力に対応したサンプルアンドホールド回路にて、回路規模を小さくすることができる。
本発明の別の態様もサンプルアンドホールド回路である。このサンプルアンドホールド回路は、一つのオペアンプと、複数チャネルの入力アナログ信号をチャネルごとにサンプリングするための複数のサンプリング容量と、複数のサンプリング容量の一端でサンプリングした電圧を、その他端からオペアンプに選択的に入力するための容量数に対応した第1のスイッチと、サンプリング期間中のサンプリング容量の他端に、オペアンプのオートゼロ状態の入力ノード電圧に対応した電圧を印加するためのオートゼロ電圧生成回路と、を備える。第1のスイッチが選択的にオンされることにより、時分割にサンプルアンドホールドする。
この態様によると、複数チャネルの入力に対応したサンプルアンドホールド回路にて、回路規模を小さくすることができる。また、サンプリング容量とオペアンプが非接続状態でも、サンプリング期間中のサンプリング容量の他端がオートゼロ状態のオペアンプに接続された状態を仮想的に作り出すことができ、複数チャネルのアナログ信号をサンプリングする場合におけるサンプリング電圧の精度低下を抑制することができる。
サンプリング容量の他端とオートゼロ電圧生成回路との間に、サンプリング容量数に対応した第2のスイッチをさらに備えてもよい。第1のスイッチのサイズと第2のスイッチのサイズとをチャネルごとに対応させてもよい。この態様によると、第2のスイッチをオフするときに発生するフィードスルーノイズを第1のスイッチをオンするときにキャンセルすることができ、ノイズの影響を抑制することができる。
オートゼロ電圧生成回路は、前記第1のスイッチのすべてがオフしてから次にオンするまでの期間の範囲内にて、適宜、スタンバイ状態に制御されてもよいし、第2のスイッチがすべてオフしている期間の少なくとも一部の期間、スタンバイ状態または省電力状態に制御されてもよい。この態様によると、オートゼロ電圧生成回路の消費電力を低減することができる。
オートゼロ電圧生成回路は、オートゼロ電圧を生成するための専用回路、または前記オペアンプ内のもしくはその他のオペアンプ内の自己バイアス電圧生成回路であってもよい。自己または他のオペアンプ内の自己バイアス電圧生成回路を利用すると、回路規模増大を抑制することができる。
本発明の別の態様は、アナログデジタル変換器である。このアナログデジタル変換器は、上述した態様のサンプルアンドホールド回路を搭載した。当該サンプルアンドホールド回路を、AD変換器への入力アナログ信号をサンプリングする回路に適用してもよい。また、アナログ信号を複数回に分けてデジタル信号に変換する方式の場合、サンプルアンドホールドしたアナログ値から、変換出力されたデジタル値をアナログ値に変換した値を減算増幅する回路に適用してもよい。また、前段ステージから入力アナログ信号と自己のステージからフィードバックしてくる入力アナログ信号を選択的にサンプリングする回路に適用してもよい。
この態様によると、アナログデジタル変換全体の回路規模増大を抑制することもできる。
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、複数チャネルの入力に対応したサンプルアンドホールド回路にて、回路規模を小さくすることができる。
図1は、本発明の実施形態1におけるS&H回路100の構成を示す。当該S&H回路100は、4チャネルの入力を備えるシングルエンドのスイッチトキャパシタ型の構成である。4チャネルの入力アナログ電圧Vina、Vinb、VincおよびVindは、それぞれAch第1スイッチSWa2、Bch第1スイッチSWb2、Cch第1スイッチSWc2およびDch第1スイッチSWd2を介して、Achサンプリング用容量Ca、Bchサンプリング用容量Cb、Cchサンプリング用容量CcおよびDchサンプリング用容量Cdの一方の電極に印加される。リファレンス電圧Refa、Refb、RefcおよびRefdも、Ach第2スイッチSWa4、Bch第2スイッチSWb4、Cch第2スイッチSWc4、Dch第2スイッチSWd4を介して、Achサンプリング用容量Ca、Bchサンプリング用容量Cb、Cchサンプリング用容量CcおよびDchサンプリング用容量Cdの上記電極に印加される。
Achサンプリング用容量Ca、Bchサンプリング用容量Cb、Cchサンプリング用容量CcおよびDchサンプリング用容量Cdの他方の電極は、それぞれAch第3スイッチSWa6、Bch第3スイッチSWb6、Cch第3スイッチSWc6およびDch第3スイッチSWd6を介して、オペアンプ10の反転入力端子に接続される。また、Achサンプリング用容量Ca、Bchサンプリング用容量Cb、Cchサンプリング用容量CcおよびDchサンプリング用容量Cdの当該電極は、Ach第4スイッチSWa8、Bch第4スイッチSWb8、Cch第4スイッチSWc8およびDch第4スイッチSWd8を介して、外部オートゼロ電圧生成回路20にも接続される。Ach第3スイッチSWa6、Bch第3スイッチSWb6、Cch第3スイッチSWc6およびDch第3スイッチSWd6のサイズは、それぞれAch第4スイッチSWa8、Bch第4スイッチSWb8、Cch第4スイッチSWc8およびDch第4スイッチSWd8のサイズと実質的に等しく設計される。
オペアンプ10の非反転入力端子は、接地させる。オペアンプ10の出力端子と反転入力端子とは、帰還用容量C10を介して接続される。外部オートゼロ電圧生成回路20は、オペアンプ10のオートゼロ電圧と実質的に等しい電圧を生成し、オペアンプ10のレプリカ回路として機能する。なお、図1では全チャネルで一つの外部オートゼロ電圧生成回路20を共通に利用する例を示したが、チャネルごとに一つ外部オートゼロ電圧生成回路20を設けてもよいし、2チャネルなど複数チャネルごとに一つ外部オートゼロ電圧生成回路20を設けてもよい。
次に、本実施形態1におけるS&H回路100の基本動作を説明する。以下、Aチャネルの動作を例に説明する。Aチャネルの入力アナログ電圧Vinaをサンプルする場合、Ach第1スイッチSWa2をオンし、Ach第2スイッチSWa4をオフする。そして、Aチャネルが選択されている場合、Ach第3スイッチSWa6がオンであるため、オペアンプ10の内部からオートゼロ電圧がAchサンプリング用容量Caのオペアンプ10側の電極に印加される。よって、外部からオートゼロ電圧を印加する必要なく、Ach第4スイッチSWa8はオフである。
これに対し、Aチャネルが選択されていない場合、Ach第3スイッチSWa6がオフであるため、オペアンプ10の内部からオートゼロ電圧がAchサンプリング用容量Caの当該電極に印加されていない。よって、外部からオートゼロ電圧を印加する必要があり、Ach第4スイッチSWa8はオンである。
次に、S&H回路100がサンプルした電圧値をホールドまたは増幅する場合、Ach第1スイッチSWa2をオフし、Ach第2スイッチSWa4をオンする。そして、Ach第3スイッチSWa6をオンし、Ach第4スイッチSWa8をオフする。これにより、オペアンプ10はサンプルされた電圧値を増幅することができる。
以下、S&H回路100がホールドまたは増幅するための原理について説明する。オペアンプ10の入力側ノードN1の電荷QAは、オートゼロ期間中、次式(A1)のようになる。
QA=Ca(Vina−Vag)…(A1)
Caは容量Caの容量値、Vagはオペアンプ10のオートゼロ電圧を表す。
Caは容量Caの容量値、Vagはオペアンプ10のオートゼロ電圧を表す。
次に、入力側ノードN1の電荷QBは、増幅期間中、次式(A2)のようになる。この期間中、入力側ノードN1は仮想接地する。
QB=Ca(Refa−Vag)+C10(Vout−Vag)…(A2)
RefaはAチャネルのリファレンス電圧、C10は帰還用容量C10の容量値を表す。
RefaはAチャネルのリファレンス電圧、C10は帰還用容量C10の容量値を表す。
入力側ノードN1には電荷の抜け出る経路がないため、電荷保存則よりQA=QBとなり、次式(A3)が成立する。
Vout=Ca/C10(Vina−Refa)+Vag…(A3)
したがって、Achサンプリング用容量Caおよび帰還用容量C10の容量値を同じにし、リファレンス電圧Refaとオートゼロ電圧Vagを同じにすれば、入力アナログ電圧Vinaをホールドすることができる。その他、各パラメータを調整することにより、増幅することもできる。
図2は、実施例1におけるオペアンプ10の内部構成を示す。図1では、説明を簡単にするため、シングルエンド方式の例を挙げたが、図2では完全差動方式の内部構成例を説明する。完全差動方式は、シングルエンド方式と比較し、ノイズ耐性があり、出力振幅も大きくとれる。図2では、オペアンプ10をCMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)プロセスで構成している。以下、Pチャネル型MOS(Metal-Oxide Semiconductor)電界効果トランジスタをPMOSトランジスタと表記し、Nチャネル型MOS電界効果トランジスタを、NMOSトランジスタと表記する。
1対の第1PMOSトランジスタM2および第2PMOSトランジスタM4のソース電極には電源電圧Vddが与えられ、それらのゲート電極には所定のバイアス電圧が与えられる。1対の第3PMOSトランジスタM6および第4PMOSトランジスタM8のゲート電極には所定のバイアス電圧が与えられ、それぞれのソース電極は第1PMOSトランジスタM2および第2PMOSトランジスタM4のドレイン電極に接続される。1対の第1NMOSトランジスタM10および第2NMOSトランジスタM12のゲート電極には所定のバイアス電圧が与えられ、それぞれのドレイン電極は第3PMOSトランジスタM6および第4PMOSトランジスタM8のドレイン電極に接続される。
1対の第3NMOSトランジスタM14および第4NMOSトランジスタM16のゲート電極は、それぞれオペアンプ10の+側および−側入力端子に接続され、それぞれのドレイン電極は第1NMOSトランジスタM10および第2NMOSトランジスタM12のソース電極に接続される。1対の第3NMOSトランジスタM14および第4NMOSトランジスタM16は、差動対を構成している。このような回路構成は一般的にカスコードアンプまたはカスコードオペアンプと呼ばれる。1対の第5NMOSトランジスタM18および第6NMOSトランジスタM20のゲート電極には所定のバイアス電圧が与えられ、それらのソース電極はグラウンドに接続され、それぞれのドレイン電極は第3NMOSトランジスタM14および第4NMOSトランジスタM16のソース電極に接続される。1対の第5NMOSトランジスタM18および第6NMOSトランジスタM20は、定電流源として機能する。
第3PMOSトランジスタM6と第1NMOSトランジスタM10との接続点電圧は、第7NMOSトランジスタM22のゲート電極に印加され、第4PMOSトランジスタM8と第2NMOSトランジスタM12との接続点電圧は、第8NMOSトランジスタM24のゲート電極に印加される。第7NMOSトランジスタM22および第9NMOSトランジスタM26はソースフォロワを構成し、その出力電圧を+側の出力電圧VOUT(+)とする。第8NMOSトランジスタM24および第10NMOSトランジスタM28もソースフォロワを構成し、その出力電圧を−側の出力電圧VOUT(−)とする。
内部オートゼロ電圧生成回路12は、A〜Dchサンプリング用容量Ca〜Cdおよび帰還用容量C10の一方の電極に印加するオートゼロ電圧を生成する。図2では、第5PMOSトランジスタM30および第7PMOSトランジスタM34を直列に接続した第1分圧回路、第6PMOSトランジスタM32および第8PMOSトランジスタM36を直列に接続した第2分圧回路により、+側および−側のオートゼロ電圧を生成する。もちろん、分圧回路は抵抗その他の素子で構成されてもよい。+側のオートゼロ電圧は、第1オートゼロ用スイッチSW12(+)を介してオペアンプ10の+側入力端子に印加され、−側のオートゼロ電圧は、第1オートゼロ用スイッチSW12(−)を介してオペアンプ10の−側入力端子に印加される。
なお、外部オートゼロ電圧生成回路20の代わりに、内部オートゼロ電圧生成回路12の出力を別経路でAch第4スイッチSWa8、Bch第4スイッチSWb8、Cch第4スイッチSWc8およびDch第4スイッチSWd8に接続してもよい。この場合、外部オートゼロ電圧生成回路20を別途に設ける必要がない。
図3は、実施例2におけるオペアンプ10の内部構成を示す。このオペアンプ10は、自己バイアス電圧により、オートゼロ電圧値を調整することができる。
1対の第9PMOSトランジスタM40、第10PMOSトランジスタM42のソース電極には電源電圧Vddが与えられ、それらのゲート電極には所定のバイアス電圧が与えられる。1対の第11NMOSトランジスタM44および第12NMOSトランジスタM46のゲート電極は、それぞれオペアンプ10の+側および−側入力端子に接続され、それぞれのドレイン電極は第9PMOSトランジスタM40、第10PMOSトランジスタM42のドレイン電極に接続される。1対の第11NMOSトランジスタM44および第12NMOSトランジスタM46のソース電極は、第13NMOSトランジスタM48のドレイン電極に共通接続する。第13NMOSトランジスタM48のゲート電極には所定のバイアス電圧が与えられ、そのソース電極はグラウンドに接続される。第13NMOSトランジスタM48は、定電流源として機能する。
第9PMOSトランジスタM40と第11NMOSトランジスタM44との接続点は、第2オートゼロ用スイッチSW14(+)を介してオペアンプ10の+側の入力端子に接続される。同様に、第10PMOSトランジスタM42と第12NMOSトランジスタM46との接続点は、第2オートゼロ用スイッチSW14(−)を介してオペアンプ10の−側の入力端子に接続される。オートゼロ期間に第2オートゼロ用スイッチSW14をオンすることにより、オートゼロ電圧を生成することができる。第9PMOSトランジスタM40および第10PMOSトランジスタM42のゲート電極に印加するバイアス電圧により、オートゼロ電圧を調整することができる。これらの構成は、上述した内部オートゼロ電圧生成回路12と同様に機能する。
また、第9PMOSトランジスタM40と第11NMOSトランジスタM44との接続点電圧は、第11PMOSトランジスタM50のソース電極に印加され、第10PMOSトランジスタM42と第12NMOSトランジスタM46との接続点電圧は、第12PMOSトランジスタM52のソース電極に印加される。
1対の第11PMOSトランジスタM50および第12PMOSトランジスタM52のゲート電極は、所定のバイアス電圧が印加される。1対の第14NMOSトランジスタM54および第15NMOSトランジスタM56のゲート電極には所定のバイアス電圧が印加され、それらのドレイン電極は第11PMOSトランジスタM50および第12PMOSトランジスタM52のドレイン電極に接続される。1対の第16NMOSトランジスタM58および第17NMOSトランジスタM60のゲート電極には所定のバイアス電圧が印加され、それらのドレイン電極は第14NMOSトランジスタM54および第15NMOSトランジスタM56のソース電極に接続され、それらのソース電極はグラウンドに接続される。第16NMOSトランジスタM58および第17NMOSトランジスタM60は、定電流源として機能する。
第11PMOSトランジスタM50と第14NMOSトランジスタM54との接続点電圧を+側の出力電圧VOUT(+)とし、第12PMOSトランジスタM52と第15NMOSトランジスタM56との接続点電圧を−側の出力電圧VOUT(−)とする。外部オートゼロ電圧生成回路20は、実施例2におけるオペアンプ10のレプリカ回路を用いることができる。このレプリカ回路は、当該オペアンプ10とサイズが同じものか、1/2倍など等倍のものを用いることができる。
次に、外部オートゼロ電圧生成回路20の一例として他のオペアンプを用いる例を説明する。図4は、外部オートゼロ電圧生成回路20として外部オートゼロ電圧供給用オペアンプ22を用いた例を示す図である。外部オートゼロ電圧生成回路20は、複数チャネルの入力に対して、そのチャネル数より少ない複数のオペアンプでサンプルアンドホールドする場合、オートゼロ状態のオペアンプが該当し得る。また、同一半導体基板上に他のオペアンプがある場合などが該当し得る。これらのオペアンプは、図2、図3で説明したような構成により、オートゼロ電圧を生成することができるものである必要がある。
図5は、実施形態1におけるS&H回路100の詳細な動作例を説明するための図である。以下、図1に示した構成のS&H回路100の動作例を図5を参照しながら説明する。まず、S&H回路100は、入力アナログ電圧Vina〜Vindをサンプルする。同時にサンプルしてもよい。入力アナログ電圧のサンプル中の状態(以下、ステータス1という。)では、Ach第2スイッチSWa4、Bch第2スイッチSWb4、Cch第2スイッチSWc4およびDch第2スイッチSWd4がオフで、Ach第1スイッチSWa2、Bch第1スイッチSWb2、Cch第1スイッチSWc2およびDch第1スイッチSWd2がオンとなる。また、Ach第3スイッチSWa6、Bch第3スイッチSWb6、Cch第3スイッチSWc6およびDch第3スイッチSWd6がオフで、Ach第4スイッチSWa8、Bch第4スイッチSWb8、Cch第4スイッチSWc8およびDch第4スイッチSWd8がオンとなる。オペアンプ10はオートゼロ状態である。
次に、S&H回路100は、入力アナログ電圧Vina〜Vindのサンプルを終了する。サンプルを終了するとき(以下、ステータス2という。)、Ach第1スイッチSWa2、Bch第1スイッチSWb2、Cch第1スイッチSWc2およびDch第1スイッチSWd2がオフし、Ach第4スイッチSWa8、Bch第4スイッチSWb8、Cch第4スイッチSWc8およびDch第4スイッチSWd8がオフする。オペアンプ10はオートゼロ状態である。
次に、S&H回路100は、選択したチャネル(ここではAチャネルとする。)の入力アナログ電圧Vinaのホールドまたは増幅を開始する。それらを開始するとき(以下、ステータス3という。)、Ach第2スイッチSWa4をオンし、Ach第3スイッチSWa6をオンする。オペアンプ10は増幅状態になる。選択していないチャネル(ここではB〜Dチャネル。)は、ステータス2の回路状態を維持する。
次に、S&H回路100は、そのチャネルの入力アナログ電圧Vinaのホールドまたは増幅を終了する。それらを終了するとき(以下、ステータス4という。)、Ach第2スイッチSWa4をオフし、Ach第3スイッチSWa6もオフする。オペアンプ10はオートゼロ状態になり、次の増幅動作に備える。
ステータス1およびステータス2は4チャネル同時に行われ、ステータス3およびステータス4はチャネルごとに時分割処理される。当該S&H回路100は4チャネルであるため、一回のサンプルあたり、ステータス1→ステータス2→ステータス3→ステータス4→ステータス3→ステータス4→ステータス3→ステータス4→ステータス3→ステータス4と回路状態が遷移していく。
図5は、この回路状態の遷移をタイミングチャートで示す。図5に示すように、Ach第4スイッチSWa8、Bch第4スイッチSWb8、Cch第4スイッチSWc8およびDch第4スイッチSWd8がオンしている期間はステータス1のときである。ステータス2、ステータス3およびステータス4の期間はオフであり、チャネル数が多いほどすなわちステータス3とステータス4の繰り返しが多いほど、Ach第4スイッチSWa8、Bch第4スイッチSWb8、Cch第4スイッチSWc8およびDch第4スイッチSWd8のオフの期間が長くなる。このオフの期間に、外部オートゼロ電圧生成回路20をスタンバイさせる。すなわち、一サイクル中の最初のステータス3から最後のステータス3の間、外部オートゼロ電圧生成回路20をスタンバイさせる。これにより、外部オートゼロ電圧生成回路20の消費電力を低減することができる。消費電力低減の効果は、チャネル数が多いほど大きくなる。なお、外部オートゼロ電圧生成回路20をスタンバイさせる代わりに、省電力モードに移行させてもよい。
以上説明したように本実施形態によれば、複数のサンプリング容量と共通のオペアンプで時分割にサンプルアンドホールドするS&H回路にて、オペアンプ10に加えて、その帰還用容量C10も共有することにより、回路規模を小さくすることができる。また、各チャネルの帰還用容量の値を同じにすることができ、チャネル間における信号のズレを抑制することができる。すなわち、チャネルごとに帰還用容量が設けられる場合、サンプリング用容量の特性バラツキに加えて、帰還用容量の特性バラツキによってもチャネル間に相対的な信号のズレが発生するが、本実施形態では、帰還用容量の特性バラツキの影響をなくすことができる。また、オペアンプと別にオートゼロ電圧発生回路を設けたことにより、あるチャネルの入力信号をオペアンプが増幅している期間も、他のチャネルのサンプリング用容量にオートゼロ電圧を印加することができるため、そのチャネルの入力信号をサンプリングすることができる。すなわち、各チャネルのサンプリングタイミングを任意に設定することができる。また、オペアンプと非接続状態で、サンプリング期間中のチャネルのサンプリング容量のオペアンプ側電極を、オペアンプが接続されている状態と同様の状態に仮想的に保つことができる。よって、単入力で時分割処理しない通常のS&H回路と比較して発生し得るサンプリング電圧の精度低下を抑制することができる。
また、本実施形態1の構成はフィードスルーノイズが発生する。Aチャネルで説明すると、Ach第4スイッチSWa8をオフした際に、ノードNaにフィードスルーノイズが加わる。この点、Ach第3スイッチSWa6およびAch第4スイッチSWa8のサイズを実質的に等しくすることにより、その後にAch第3スイッチSWa6をオンした際、当該フィードスルーノイズに相当する電荷をノードNaから引き抜くことができる。すなわちAch第3スイッチSWa6が当該フィードスルーノイズを吸収することになる。他のチャネルも同様である。よって、複数のサンプリング容量と共通のオペアンプで時分割にサンプルアンドホールドするときのフィードスルーノイズの影響を低減することができ、サンプリング電圧の精度低下を抑制することができる。
次に、上述実施形態におけるS&H回路100を搭載したAD変換器200について説明する。図6は、S&H回路100を搭載したAD変換器200の構成例を示す。当該AD変換器200は、一回のサンプルあたり、非サイクリック型の前段ステージで4ビットを変換し、サイクリック型の後段ステージで2ビットずつ3回変換し、合計10ビットを出力する。
このAD変換器200において、まず、前段ステージについて説明する。入力アナログ信号Vinは、第1増幅回路30および第1AD変換回路32に入力される。第1AD変換回路32は、フラッシュ型のものであり、その分解能、即ち変換ビット数は4ビットである。第1AD変換回路32は、入力されるアナログ信号をデジタル値に変換し、上位4ビットを取り出し、図示しないエンコーダおよび第1DA変換回路34に出力する。第1DA変換回路34は、第1AD変換回路32により変換されたデジタル値をアナログ値に変換する。第1増幅回路30は、入力されたアナログ信号をサンプルし、所定の期間ホールドして第1減算回路36に出力する。第1減算回路36は、第1増幅回路30の出力から、第1DA変換回路34の出力を減算する。
第2増幅回路38は、第1減算回路36の出力を4倍に増幅する。なお、第1減算回路36および第2増幅回路38は、一体型の第1減算増幅回路40であってもよい。これによれば、回路を簡素化することができる。
次に、後段ステージについて説明する。AD変換器用第1スイッチSW20、AD変換器用第2スイッチSW22は、交互にオンオフするスイッチである。AD変換器用第1スイッチSW20がオン、AD変換器用第2スイッチSW22がオフの状態において、前段ステージからAD変換器用第1スイッチSW20を介して入力されるアナログ信号は、第3増幅回路42および第2AD変換回路44に入力される。第2AD変換回路44も、フラッシュ型のものであり、その分解能、即ち冗長1ビットを含んだビット数は3ビットである。第2AD変換回路44は、入力されるアナログ信号をデジタル値に変換し、図示しないエンコーダおよび第2DA変換回路46に出力する。第2DA変換回路46は、第2AD変換回路44により変換されたデジタル値をアナログ値に変換する。
第3増幅回路42は、入力されたアナログ信号を2倍に増幅して、第2減算回路48に出力する。第2減算回路48は、第3増幅回路42の出力から第2DA変換回路46の出力を減算して、第4増幅回路50に出力する。第2DA変換回路46の出力は、実質2倍に増幅されている。
第4増幅回路50は、第2減算回路48の出力を2倍に増幅する。なお、第2減算回路48および第4増幅回路50は、一体型の第2減算増幅回路52であってもよい。この段階において、AD変換器用第1スイッチSW20がオフ、AD変換器用第2スイッチSW22がオンの状態に遷移している。第4増幅回路50において増幅されたアナログ信号は、AD変換器用第2スイッチSW22を介して第3増幅回路42および第2AD変換回路44へフィードバックされる。以下、上記の処理が繰り返さる。ここで、第2AD変換回路44から冗長ビットを除いて2ビット分のデジタル値を3回出力した場合、後段ステージで6ビット出力することになる。したがって、前段ステージおよび後段ステージ合計で10ビットのデジタル値を出力することになる。
以上説明したAD変換器200の入力の前段に上述した実施形態におけるS&H回路100を付加することができる。これによれば、複数チャネルの入力アナログ信号を一つのAD変換器でデジタル信号に容易に変換することができる。また、当該AD変換器200にて、少なくとも第1減算増幅回路40、第3増幅回路42、第2減算増幅回路52は、複数入力でサンプルアンドホールド動作を必要とするため、上述した実施形態におけるS&H回路100を用いることができる。さらに、第1増幅回路30や、第1AD変換回路32、第2AD変換回路44内のコンパレータにも当該S&H回路100を用いることができる。
以上説明したように本実施形態におけるAD変換器200によれば、複数のサンプリング容量と共通のオペアンプで時分割にサンプルアンドホールドするS&H回路を用いることにより、回路面積を縮小しながら、信号精度の低下を抑制することができる。
図7は、本発明の実施形態2におけるS&H回路100の構成を示す図である。実施形態2におけるS&H回路100は、実施形態1におけるS&H回路100の構成を簡素化したものである。図7にて、実施形態1におけるS&H回路100の構成要素と共通するものについては同一符号が付されており、その説明を省略する。
実施形態2におけるS&H回路100は、実施形態1におけるS&H回路100が備える外部オートゼロ電圧生成回路20を持たない。よって、外部オートゼロ電圧生成回路20と各チャネルのサンプリング用容量Ca〜Cdとの経路を導通または非導通するためのAch第4スイッチSWa8、Bch第4スイッチSWb8、Cch第4スイッチSWc8およびDch第4スイッチSWd8も持たない。実施形態2におけるS&H回路100は、外部オートゼロ電圧生成回路20を持たないため、サンプリング期間中、オペアンプ10からオートゼロ電圧をサンプリング用容量Ca〜Cdに印加する必要がある。
実施形態2におけるS&H回路100の動作は、図5を参照して説明した実施形態1におけるS&H回路100の動作例と基本的に同様である。以下、相違点について説明する。まず、実施形態2におけるS&H回路100は、入力アナログ電圧Vina〜Vindを同時にサンプルする。このサンプリング期間中、実施形態1ではAch第4スイッチSWa8、Bch第4スイッチSWb8、Cch第4スイッチSWc8およびDch第4スイッチSWd8をオンして、外部オートゼロ電圧生成回路20からオートゼロ電圧をサンプリング用容量Ca〜Cdに供給していたため、Ach第3スイッチSWa6、Bch第3スイッチSWb6、Cch第3スイッチSWc6およびDch第3スイッチSWd6はオフであった。この点、実施形態2ではオペアンプ10からオートゼロ電圧を供給するため、Ach第3スイッチSWa6、Bch第3スイッチSWb6、Cch第3スイッチSWc6およびDch第3スイッチSWd6がオンする。その後の動作は、実施形態1の動作と同様である。
以上説明したように本実施形態によれば、複数のサンプリング容量と共通のオペアンプで時分割にサンプルアンドホールドするS&H回路にて、オペアンプ10に加えて、その帰還用容量C10も共有することにより、回路規模を小さくすることができる。実施形態1と比較し、外部オートゼロ電圧生成回路20が必要なく、スイッチの数を減らすことができるため、回路規模をさらに小さくすることができる。Ach第3スイッチSWa6をオフした際に、ノードNaにフィードスルーノイズが加わが、その後にAch第3スイッチSWa6をオンした際、当該フィードスルーノイズに相当する電荷をノードNaから引き抜くことができる。他のチャネルも同様である。よって、複数のサンプリング容量と共通のオペアンプで時分割にサンプルアンドホールドするときのフィードスルーノイズの影響を低減することができ、サンプリング電圧の精度低下を抑制することができる。
図8は、本発明の実施形態3におけるS&H回路100の構成を示す図である。実施形態3におけるS&H回路100は、実施形態1におけるS&H回路100から外部オートゼロ電圧生成回路20をなくし、共通スイッチSW9を設けたものである。図8にて、実施形態1におけるS&H回路100の構成要素と共通するものについては同一符号が付されており、その説明を省略する。
実施形態3におけるS&H回路100では、Ach第4スイッチSWa8、Bch第4スイッチSWb8、Cch第4スイッチSWc8およびDch第4スイッチSWd8の接続先が外部オートゼロ電圧生成回路20ではなく、共通スイッチSW9となる。共通スイッチSW9の一端は、オペアンプ10の反転入力端子に接続される。他端は、Ach第4スイッチSWa8、Bch第4スイッチSWb8、Cch第4スイッチSWc8およびDch第4スイッチSWd8を介して、Achサンプリング用容量Ca、Bchサンプリング用容量Cb、Cchサンプリング用容量CcおよびDchサンプリング用容量Cdに並列に接続される。
実施形態3におけるS&H回路100の動作は、図5を参照して説明した実施形態1におけるS&H回路100の動作例と基本的に同様である。以下、相違点について説明する。まず、実施形態3におけるS&H回路100は、入力アナログ電圧Vina〜Vindを同時にサンプルする。このサンプリング期間中、実施形態1ではAch第4スイッチSWa8、Bch第4スイッチSWb8、Cch第4スイッチSWc8およびDch第4スイッチSWd8をオンして、外部オートゼロ電圧生成回路20からオートゼロ電圧をサンプリング用容量Ca〜Cdに供給していた。この点、実施形態3ではオペアンプ10からオートゼロ電圧を供給するため、それらのスイッチに加え、共通スイッチSW9をオンする。その後、サンプリング期間が終了し、Aチャネルの入力アナログ電圧Vinaの増幅期間が開始する際、Ach第4スイッチSWa8、Bch第4スイッチSWb8、Cch第4スイッチSWc8、Dch第4スイッチSWd8および共通スイッチSW9をオフする。その後の動作は、実施形態1の動作と同様である。
以上説明したように本実施形態によれば、複数のサンプリング容量と共通のオペアンプで時分割にサンプルアンドホールドするS&H回路にて、オペアンプ10に加えて、その帰還用容量C10も共有することにより、回路規模を小さくすることができる。実施形態1と比較し、外部オートゼロ電圧生成回路20を設ける必要がないため、回路規模をさらに小さくすることができる。Ach第4スイッチSWa8をオフした際に、ノードNaにフィードスルーノイズが加わる。この点、Ach第3スイッチSWa6およびAch第4スイッチSWa8のサイズを実質的に等しくすることにより、その後にAch第3スイッチSWa6をオンした際、当該フィードスルーノイズに相当する電荷をノードNaから引き抜くことができる。すなわちAch第3スイッチSWa6が当該フィードスルーノイズを吸収することになる。他のチャネルも同様である。よって、複数のサンプリング容量と共通のオペアンプで時分割にサンプルアンドホールドするときのフィードスルーノイズの影響を低減することができ、サンプリング電圧の精度低下を抑制することができる。
以上、本発明を実施形態をもとに説明した。この実施形態は例示であり、その各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能である。また、そうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
例えば、図5のタイミングチャートでは、Ach第4スイッチSWa8、Bch第4スイッチSWb8、Cch第4スイッチSWc8およびDch第4スイッチSWd8を4チャネル同時にオフする例を説明した。この点、必要に応じてチャネルごとにオフするタイミングを調整する場合、そのタイミングに合わせて外部オートゼロ電圧生成回路20をスタンバイさせる必要がある。これによれば、きめ細やかな調整が可能である。
また、上述した実施形態では、外部オートゼロ電圧生成回路20をスタンバイさせる期間を、Ach第1スイッチSWa2、Bch第1スイッチSWb2、Cch第1スイッチSWc2およびDch第1スイッチSWd2がオフしてから次にオンするまでの期間とする例を説明した。この点、これに限ることなく、適用される回路にて最適なタイミングでスタンバイさせることができる。
例えば、チャネルごとにスタンバイ状態に遷移させるタイミングを変えてもよい。オペアンプ10に接続されるタイミングがチャネルごとに異なることから、外部オートゼロ電圧生成回路20を同時にスタンバイさせると、短時間であるが、Achサンプリング用容量Ca、Bchサンプリング用容量Cb、Cchサンプリング用容量CcおよびDchサンプリング用容量Cdの一端が、外部オートゼロ電圧生成回路20のスタンバイ状態からオペアンプ10に接続されるまでの時間が異なることになる。これにより、サンプルアンドホールド動作に悪影響を及ぼす場合、外部オートゼロ電圧生成回路20のスタンバイ状態からオペアンプ10に接続されるまでの時間を一致させるよう、外部オートゼロ電圧生成回路20をスタンバイ状態に遷移させるタイミングをチャネルごとに調整する。なお、この制御を行うには、複数の外部オートゼロ電圧生成回路20を設ける必要がある。
また、スタンバイ状態から復帰するタイミングを、Ach第1スイッチSWa2、Bch第1スイッチSWb2、Cch第1スイッチSWc2およびDch第1スイッチSWd2がオンするより先にしてもよい。Ach第1スイッチSWa2、Bch第1スイッチSWb2、Cch第1スイッチSWc2およびDch第1スイッチSWd2をオンする直前に外部オートゼロ電圧生成回路20をスタンバイ状態から動作状態に変更すると、すぐに所望の電圧値を得られない場合がある。この点、外部オートゼロ電圧生成回路20を事前に動作状態にすることにより、所望の電圧値をAch第1スイッチSWa2、Bch第1スイッチSWb2、Cch第1スイッチSWc2およびDch第1スイッチSWd2をオンした直後から得ることができる。
また、本実施形態におけるS&H回路100は、AD変換器200への適用に制限されることなく、コンパレータやローパスフィルタおよびピーク値検出回路など、各種回路に適用が可能である。
SWa2 Ach第1スイッチ、 Ca Achサンプリング用容量、 SWa4 Ach第2スイッチ、 SWa6 Ach第3スイッチ、 SWa8 Ach第4スイッチ、 10 オペアンプ、 C10 帰還用容量、 20 外部オートゼロ電圧生成回路、 100 S&H回路、 200 AD変換器。
Claims (6)
- 一つのオペアンプと、
前記オペアンプの入力端子と出力端子とを接続する帰還経路に設けられる一つの帰還容量と、
複数チャネルの入力アナログ信号をチャネルごとにサンプリングするための複数のサンプリング容量と、
前記複数のサンプリング容量の一端でサンプリングした電圧を、その他端から前記オペアンプに選択的に入力するための前記容量の数に対応したスイッチと、を備え、
前記スイッチが選択的にオンされることにより、時分割にサンプルアンドホールドすることを特徴とするサンプルアンドホールド回路。 - 一つのオペアンプと、
複数チャネルの入力アナログ信号をチャネルごとにサンプリングするための複数のサンプリング容量と、
前記複数のサンプリング容量の一端でサンプリングした電圧を、その他端から前記オペアンプに選択的に入力するための前記容量の数に対応した第1のスイッチと、
サンプリング期間中の前記サンプリング容量の他端に、前記オペアンプのオートゼロ状態の入力ノード電圧に対応した電圧を印加するためのオートゼロ電圧生成回路と、を備え、
前記第1のスイッチが選択的にオンされることにより、時分割にサンプルアンドホールドすることを特徴とするサンプルアンドホールド回路。 - 前記サンプリング容量の他端と前記オートゼロ電圧生成回路との間に、前記サンプリング容量の数に対応した第2のスイッチをさらに備え、
前記第1のスイッチのサイズと前記第2のスイッチのサイズとをチャネルごとに対応させたことを特徴とする請求項2に記載のサンプルアンドホールド回路。 - 前記オートゼロ電圧生成回路は、前記第1のスイッチのすべてがオフしてから次にオンするまでの期間の範囲内にて、適宜、スタンバイ状態に制御されることを特徴とする請求項3に記載のサンプルアンドホールド回路。
- 前記オートゼロ電圧生成回路は、前記第2のスイッチがすべてオフしている期間の少なくとも一部の期間、スタンバイ状態または省電力状態に制御されることを特徴とする請求項3に記載のサンプルアンドホールド回路。
- 前記オートゼロ電圧生成回路は、オートゼロ電圧を生成するための専用回路、または前記オペアンプ内のもしくはその他のオペアンプ内の自己バイアス電圧生成回路であることを特徴とする請求項2から5のいずれかに記載のサンプルアンドホールド回路。
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A761 | Written withdrawal of application |
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