JP2001006385A - サンプル/ホールド回路 - Google Patents

サンプル/ホールド回路

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JP2001006385A
JP2001006385A JP11174271A JP17427199A JP2001006385A JP 2001006385 A JP2001006385 A JP 2001006385A JP 11174271 A JP11174271 A JP 11174271A JP 17427199 A JP17427199 A JP 17427199A JP 2001006385 A JP2001006385 A JP 2001006385A
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JP
Japan
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voltage
input
sample
hold
vin
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JP11174271A
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English (en)
Inventor
Kenichi Kato
健一 加藤
Yasuyuki Kimura
安行 木村
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Sanyo Electric Co Ltd
Original Assignee
Sanyo Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 S/H回路におけるオペアンプを安定動作さ
せる。 【解決手段】 S/H回路のサンプリング状態におい
て、例えば2つの入力側容量Ci1,Ci2にそれぞれ
VIN−VRM,VRM−VINの各電圧を印加する回
路構成を採用することで、ホールド状態において、その
入力電圧VIN成分同士が打ち消し合い、オペアンプの
入力端子電圧INM,INPが、入力電圧VINに依存
しないようにしたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、サンプル/ホール
ド回路に関し、更に言えばアナログ信号をデジタル信号
に変換するA/Dコンバータの前段に設置されるサンプ
ル/ホールド回路の安定動作を図る技術に関する。
【0002】
【従来の技術】図4は従来のサンプル/ホールド回路
(以下、S/H回路と言う。)の基本構成を説明するた
めの回路図である。
【0003】図4において、Ci1,Ci2は一対の入
力側容量で、一方の容量Ci1には一対のスイッチSW
1,SW2のオン・オフ動作により入力電圧VIN(正
側のVINP)あるいは基準電圧VRM(正側のVRE
FP)が印加され、他方の容量Ci2には一対のスイッ
チSW3,SW4のオン・オフ動作により基準電圧VR
M(入力電圧VINの中間電圧(VINM))あるいは
基準電圧VRM(基準電圧VRMの中間電圧(VREF
m))が印加される。
【0004】サンプリング時には信号*φによりスイッ
チSW1,SW3がオン動作し、ホールド時には信号φ
によりスイッチSW2,SW4がオン動作する。図8は
入力電圧VIN(正弦波信号)に対するサンプリング
(S)/ホールド(H)状態のシミュレーション結果を
示す図であり、VRT,VRBはそれぞれ基準電圧VR
Mの上限値及び下限値である。
【0005】前記一対の入力側容量Ci1,Ci2に蓄
えられた所定電圧は出力部を構成するオペアンプ1の入
力端子INM(負側のIN),INP(正側のIN)に
送られる。
【0006】このようなシングルエンド入力で、差動出
力のS/H回路では、入力範囲の中間値VRMを基準電
圧として入力電圧VINと基準電圧VRMの電位差をオ
ペアンプ1の出力端子OUTP(正側のOUT),OU
TM(負側のOUT)からAZ(Auto Zero)の電圧を
基準に出力している。
【0007】そして、上述したように信号*φ側のスイ
ッチSW1,SW3がオン状態のとき、このS/H回路
はサンプリング状態で、信号φ側のスイッチSW2,S
W4がオン状態のとき、このS/H回路はホールド状態
であり、このφ側のスイッチSW2,SW4がオンの期
間、所定電圧を出力する。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】上記サンプリング状態
のときには、オペアンプ1の入力端子INP,INMは
バイアス(BIAS)で固定されているが、ホールド状
態に切り換わると入力端子INP,INMに供給される
電圧は入力電圧VINに比例して変動することになる。
【0009】一般的に、オペアンプ1は同相入力範囲
(使用可能範囲)に制限があるため、入力電圧VINが
大きくなると入力端子電圧の変動も大きくなるため、例
えば、ある規格のオペアンプ1を用いた場合では同相入
力の制限範囲を越えてしまうことがあった。そのため、
例えば、オペアンプ1を構成するMOSトランジスタが
動作せず、サンプル/ホールド回路が正常に動作しなく
なるといった不具合が発生することがあった。
【0010】以下、各種状態(サンプリング/ホールド
状態)における入力端子INM,INPにかかる電圧値
を説明するための等価回路図を参照しながら、各種状態
における入力端子INM,INP及び出力電圧OUT
P,OUTMを求め、上記問題点を検証してみる。尚、
以下の計算式において、Ci1=Ci2=Cf1=Cf
2とする。
【0011】先ず第1に、サンプリング状態(*φ側の
スイッチがオン状態)における入力側容量Ci1,Cf
1と比較側容量Ci2,Cf2にそれぞれ蓄えられる電
荷量を図5から求める。尚、以下、容量Ci1,Cf
1,Ci2,Cf2に蓄えられる電荷量をQ1,Q,Q
3,Q4で表している。
【0012】
【数1】
【0013】第2に、サンプリング状態からホールド状
態に移行する直前(*φ側のスイッチがオフし、φ側の
スイッチがオンするまでの期間)における入力側容量C
i1,Cf1と比較側容量Ci2,Cf2にそれぞれ蓄
えられる電荷量を図6から求める。(図6を参照して、
入力端子INM,INPを見積もる) 尚、このときスイッチSW5に入る信号*φに比してス
イッチSW6に入る信号*φは不図示の遅延回路を介し
て遅延されている。
【0014】
【数2】
【0015】(1),(2),(3),(4)より、入
力端子INM,INP電圧を求める。
【0016】
【数3】
【0017】続いて、ホールド状態における入力端子I
NM,INPに印加される電圧を図7から求める。
【0018】
【数4】
【0019】上記(7)に示すようにホールド状態にお
ける入力端子INM,INPに印加される電圧は、入力
電圧(−1/4VIN)成分に依存していることが判る
(図8に示す通り、入力電圧VINに依存して入力端子
INM,INPに印加される電圧は変化している。)。
【0020】また、このときの入力側容量Ci1,Cf
1と比較側容量Ci2,Cf2にそれぞれ蓄えられる電
荷量を求める。
【0021】
【数5】
【0022】(1),(2),(8),(9)より、出
力電圧OUTPとOUTMとの差分を求める。
【0023】
【数6】
【0024】従って、本発明では上記S/H回路におけ
るオペアンプの安定動作化を可能にするサンプル/ホー
ルド回路を提供することを目的とする。
【0025】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明のサンプ
ル/ホールド回路は上記課題に鑑みなされたもので、図
1に示すようにサンプリング状態において、例えば2つ
の入力側容量Ci11,Ci12にそれぞれVIN−V
RM,VRM−VINの各電圧を印加する回路構成を採
用することで、ホールド状態において、その入力電圧V
IN成分同士が打ち消し合い、オペアンプ1の入力端子
INM,INPに供給される電圧が、入力電圧VINに
依存しないようにしたことを特徴とする。
【0026】
【発明の実施の形態】以下、本発明のサンプル/ホール
ド回路に係る一実施形態について図面を参照しながら説
明する。
【0027】図1は本発明のサンプル/ホールド回路
(例えばシングルエンド入力で、差動出力のサンプル/
ホールド回路、以下S/H回路と言う。)の基本構成を
説明するための回路図である。尚、従来構成と同等の構
成については同符号を付して説明を簡略化する。
【0028】図1において、Ci11,Ci12は一対
の入力側容量で、一方の容量Ci11には一対のスイッ
チSW11,SW12のオン動作により入力電圧VIN
と基準電圧VRMが印加され(VIN−VRM)、他方
の容量Ci12にはスイッチSW13のオン動作により
基準電圧VRMと入力電圧VINが印加される(VRM
−VIN)。即ち、サンプリング時に信号*φにより前
記スイッチSW11,SW12,SW13がオン動作す
ることで、前記一対の入力側容量Ci11,Ci12内
にそれぞれ入力電圧VINと基準電圧VRMとが逆向き
に印加される。そして、ホールド時には信号φによりス
イッチSW18,SW19,SW20がオン動作するこ
とで、前記容量Ci11,Ci12内に蓄えられた所定
電圧が、出力部を構成するオペアンプ1の入力端子IN
M,INPに送られる。
【0029】以下、各種状態(サンプリング/ホールド
状態)における入力端子INM,INPにかかる電圧値
を説明するための等価回路図を参照しながら、各種状態
における入力端子INM,INPに供給される電圧及び
出力電圧OUTP,OUTMを求める。尚、以下の計算
式において、Ci1=Ci2=Cf1=Cf2とする。
【0030】先ず第1に、サンプリング状態(*φ側の
スイッチがオン状態)における入力側容量Ci1,Cf
1と比較側容量Ci2,Cf2にそれぞれ蓄えられる電
荷量を図2から求める。尚、以下、容量Ci1,Cf
1,Ci2,Cf2に蓄えられる電荷量をQ1,Q,Q
3,Q4で表している。
【0031】
【数7】
【0032】第2に、サンプリング状態からホールド状
態に移行する直前(*φ側のスイッチがオフし、φ側の
スイッチがオンするまでの期間)における入力側容量C
i1,Cf1と比較側容量Ci2,Cf2にそれぞれ蓄
えられる電荷量を求める。(ここで、従来の説明で用い
た図6を慣用して、入力端子INM,INPを見積も
る。) 尚、このときスイッチSW16に入る信号*φに比して
スイッチSW17に入る信号*φは不図示の遅延回路を
介して遅延されている。
【0033】
【数8】
【0034】(11),(12),(13),(14)
より、入力端子INM,INP電圧を求める。
【0035】
【数9】
【0036】上記(15),(16)に示すようにサン
プリング状態における入力端子INM,INPにはそれ
ぞれ入力電圧成分(1/2VIN)が含まれている。
【0037】続いて、ホールド状態における入力端子I
NM,INPに印加される電圧を求める。(ここでも、
従来の説明で用いた図7を慣用する。)
【0038】
【数10】
【0039】上記(17)に示すようにホールド状態に
おける入力端子INM,INPに印加される電圧は、入
力電圧(1/2VIN)成分同士が打ち消し合うため、
1/2(VRM+BIAS)の電圧に固定され、入力電
圧VINに依存していない(図3に示す通り入力端子I
NM,INPに印加される電圧は、入力電圧VINに影
響されずに、例えば1/2(VRM+BIAS)の電圧
に固定されている。)。
【0040】また、このときの入力側容量Ci1,Cf
1と比較側容量Ci2,Cf2にそれぞれ蓄えられる電
荷量を求める。
【0041】
【数11】
【0042】(11),(12),(18),(19)
より、出力電圧OUTPとOUTMとの差分を求める。
【0043】
【数12】
【0044】以上説明したように本発明では、S/H回
路のサンプリング状態において、2つの入力側容量Ci
11,Ci12にそれぞれ入力電圧VINと基準電圧V
RMとを逆向きに、例えばそれぞれにVIN−VRM,
VRM−VINの各電圧を印加するように回路構成した
ことで、ホールド状態においてオペアンプ1の入力端子
電圧INM,INPが1/2(VRM+BIAS)の電
圧に固定されて、従来回路のように入力電圧VINに依
存していないため、同相入力範囲の制限が厳しいオペア
ンプでも安定動作させることができる。
【0045】
【発明の効果】本発明によれば、ホールド状態における
オペアンプの入力端子電圧が入力電圧に依存しないた
め、従来回路のように入力電圧が大きくなるに従って入
力端子電圧の変動も大きくなり、それが同相入力の制限
範囲を越えてしまった場合にオペアンプが安定動作しな
くなるといった不具合を抑止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態のサンプル/ホールド回路
を示す回路図である。
【図2】図1のサンプル/ホールド回路の各種状態を説
明するための等価回路図である。
【図3】図1のサンプル/ホールド回路のシミュレーシ
ョン結果を示す図である。
【図4】従来のサンプル/ホールド回路を示す回路図で
ある。
【図5】図4のサンプル/ホールド回路の各種状態を説
明するための等価回路図である。
【図6】図4のサンプル/ホールド回路の各種状態を説
明するための等価回路図である。
【図7】図4のサンプル/ホールド回路の各種状態を説
明するための等価回路図である。
【図8】図4のサンプル/ホールド回路のシミュレーシ
ョン結果を示す図である。
【符号の説明】
1 オペアンプ VIN 入力電圧 VRM 基準電圧 INM 入力端子 INP 入力端子 OUTP 出力電圧 OUTM 出力電圧

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 サンプリングした入力電圧及び基準電圧
    を保持する一対の容量と、これらの容量に蓄えられた電
    圧を所定のタイミングで所定時間伝える一対のスイッチ
    と、これらのスイッチを介して送られる電圧に応じた電
    圧を出力する出力部とを有するサンプル/ホールド回路
    において、 サンプリング状態時に前記一対の容量に前記入力電圧及
    び基準電圧とを逆向きに印加することで、ホールド状態
    における前記出力部の入力端子に供給される電圧が前記
    入力電圧に依存しないようにしたことを特徴とするサン
    プル/ホールド回路。
  2. 【請求項2】 サンプリング状態時に前記容量の一方に
    入力電圧−基準電圧を印加し、他方に基準電圧−入力電
    圧を印加することで、ホールド状態における前記出力部
    の入力端子に供給される電圧が前記入力電圧に依存しな
    いようにしたことを特徴とする請求項1に記載のサンプ
    ル/ホールド回路。
  3. 【請求項3】 ホールド状態における前記出力部の入力
    端子に供給される電圧が、所定電圧に固定されているこ
    とを特徴とする請求項1に記載のサンプル/ホールド回
    路。
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Effective date: 20051227