JP2007059982A - Miller capacitance circuit - Google Patents

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Nobuo Fujii
信生 藤井
Masahiro Yoshioka
正浩 吉岡
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve a Miller capacitance circuit that has a wide input range, can increase the capacity in a small area, and is suitable for realizing integrated circuit. <P>SOLUTION: The Miller capacity circuit has a comparator 3, and a voltage recovery circuit 2. The comparator 3 compares the output voltage of an inverting amplifier for constituting a Miller capacitance 1 with the maximum and minimum values in the voltage range of the output voltage. The voltage recovery circuit 2 discharges the charge of capacity, provided in between the input and output of the Miller capacitance 1 for setting the output voltage of the inversion amplifier to a prescribed voltage value between the minimum and maximum values, when the minimum and maximum values are reached from the output of the comparator 3; sustains the input voltage of the inverting amplifier at this point of time; and supplies the sustained voltage to the input of the inverting amplifier for stopping a function as the Miller capacitance 1 of the circuit. After the setting of the output voltage is finished, the supply of the holding voltage to the input of the inverting amplifier is stopped for restarting the function as the Miller capacitance to repeat the series of operation. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、ミラー容量回路に関し、特に、広い入力電圧範囲を有する広入力範囲のミラー容量回路に関する。   The present invention relates to a mirror capacitance circuit, and more particularly to a wide input range Miller capacitance circuit having a wide input voltage range.

大容量を有する容量素子は、低周波フィルタ、PLL、バイアス回路などの低周波信号処理回路に必須のものである。この容量素子の容量は素子の面積に比例する。従って、集積回路(IC)に搭載される容量は、その面積が限られることで、非常に小さい値に制限されることになる。これを解決してICに用いることのできる大容量の容量素子を実現する方法として、小さな値の容量素子と増幅器だけで実現されるミラー容量回路が注目されている。   A capacitive element having a large capacity is essential for a low-frequency signal processing circuit such as a low-frequency filter, a PLL, or a bias circuit. The capacitance of this capacitive element is proportional to the area of the element. Therefore, the capacity mounted on the integrated circuit (IC) is limited to a very small value due to the limited area. As a method for solving this problem and realizing a large-capacity capacitive element that can be used in an IC, a mirror capacitive circuit realized by only a small-capacitance element and an amplifier attracts attention.

図11に、−Aの利得を有する反転増幅器OPを用いたミラー容量の回路を示す。この回路で、入力電流iinと入力電圧vinとの関係は、出力電圧をvoutとすると、次の式(1)で与えられる。 FIG. 11 shows a mirror capacitance circuit using an inverting amplifier OP having a gain of -A. In this circuit, the relationship between the input current i in the input voltage v in, when the output voltage is v out, is given by the following equation (1).

Figure 2007059982
また、反転増幅器の利得から出力電圧voutは下記式(2)で表される。
Figure 2007059982
Further, the output voltage v out is expressed by the following equation (2) from the gain of the inverting amplifier.

Figure 2007059982
式(2)を式(1)に代入すると、
Figure 2007059982
Substituting equation (2) into equation (1),

Figure 2007059982
これにより、図12に示すような接地された(1+A)Cの容量(ミラー容量)を得ることができたことになる。したがって、ミラー容量回路は、増幅器の利得に応じて大容量の容量素子を実現することができる。
Figure 2007059982
As a result, a grounded (1 + A) C capacitance (mirror capacitance) as shown in FIG. 12 can be obtained. Therefore, the mirror capacitance circuit can realize a large-capacity capacitive element according to the gain of the amplifier.

ところで、いま、増幅器の出力電圧の許容範囲がvomaxから−vominの範囲に限られているとする。もし、出力電圧がこの範囲を超えると、増幅器は正常に動作しなくなり、利得は0になってしまう。この結果、入力端子から見た容量はCに減少してしまう。したがって、ミラー容量の入力信号範囲を、出力電圧が限られた範囲内に収まるように制限しなくてはならない。ミラー容量の出力電圧範囲は、 Now, let us assume that the allowable range of the output voltage of the amplifier is limited to the range of v omax to −vomin . If the output voltage exceeds this range, the amplifier will not operate normally and the gain will be zero. As a result, the capacitance viewed from the input terminal is reduced to C. Therefore, the input signal range of the mirror capacitance must be limited so that the output voltage is within a limited range. The output voltage range of the mirror capacitance is

Figure 2007059982
であり、入力電圧は次式(5)で与えられる。
Figure 2007059982
The input voltage is given by the following equation (5).

Figure 2007059982
これらから、入力信号電圧の許される範囲は
Figure 2007059982
From these, the allowable range of input signal voltage is

Figure 2007059982
大きな容量のミラー容量を実現するためには、大きな電圧利得を有し、結果的に信号入力範囲が極端に制限されたミラー容量となってしまう。一方、受動容量は信号振幅に対してなんらの制限を有してはいない。これがミラー容量と受動容量との間の絶対的な相違である。
Figure 2007059982
In order to realize a large-capacity mirror capacitor, the mirror capacitor has a large voltage gain and, as a result, the signal input range is extremely limited. On the other hand, passive capacitors do not have any restrictions on signal amplitude. This is the absolute difference between mirror capacitance and passive capacitance.

ミラー容量をIC化回路に用いる技術は、特許文献1,2、非特許文献1,2等に提案されている。しかし、これらの文献には、前記の信号入力範囲の問題を完全に解決する技術は記載されていない。
特開平11−251873号公報 特開平8−288793号公報 J. F.Paker,D. Ray:IEEEJ.Solid-State Circuits.vol33,pp.337-343,Mar,1998 Z.Shu, K.L.Lee and B.H.Leung: IEEEJ.Solid-State Circuits.vol39,pp.452-462,Mar,2004
Techniques using a mirror capacitor in an IC circuit have been proposed in Patent Documents 1 and 2, Non-Patent Documents 1 and 2, and the like. However, these documents do not describe a technique for completely solving the problem of the signal input range.
Japanese Patent Laid-Open No. 11-251873 JP-A-8-288793 J.F. Paker, D. Ray: IEEE J. Solid-State Circuits. Vol33, pp.337-343, Mar, 1998 Z.Shu, KLLee and BHLeung: IEEE J. Solid-State Circuits.vol39, pp.452-462, Mar, 2004

上述のように、ミラー容量回路は、大容量の容量素子を実現することができる。しかし、ミラー容量回路は、受動容量素子の動作と比較して信号入力範囲が制限されるという動作特性上の問題を有している。すなわち、ミラー容量回路の機能は容量を増加させるために用いる増幅器に依存する。ところで、増幅器は、一般にその電源電圧によって決まる有限の信号動作範囲を有している。言い換えると、許される信号入力範囲は、増幅器の最大出力範囲を増幅器の利得で割った値で決まってしまう。そのため、最大の信号入力範囲は、大きなミラー容量を実現できるように増幅器の利得を大きく取った場合、きわめて小さな電圧範囲になり、ミラー容量回路は、小さな入力信号範囲でしか用いることができないことになる。   As described above, the mirror capacitance circuit can realize a large-capacity capacitive element. However, the Miller capacitance circuit has a problem in operation characteristics that the signal input range is limited as compared with the operation of the passive capacitance element. In other words, the function of the mirror capacitance circuit depends on the amplifier used to increase the capacitance. By the way, an amplifier generally has a finite signal operating range determined by its power supply voltage. In other words, the allowable signal input range is determined by a value obtained by dividing the maximum output range of the amplifier by the gain of the amplifier. Therefore, the maximum signal input range becomes an extremely small voltage range when the gain of the amplifier is set large so that a large mirror capacitance can be realized, and the Miller capacitance circuit can be used only in a small input signal range. Become.

本発明は、このような問題を解決して、比較的簡単な構成で、広い入力範囲を有し、小面積で大容量を実現できるため集積回路化に適したミラー容量回路を実現することを課題とする。   The present invention solves such a problem and realizes a mirror capacitance circuit suitable for integration because it has a relatively simple configuration, a wide input range, and a large area with a small area. Let it be an issue.

上記課題を解決するため、本発明の請求項1に記載の発明は、所定の負の電圧利得を有する反転増幅器と、この反転増幅器の入出力間に設けられた容量とを有し等価的に大容量を実現するミラー容量を含むミラー容量回路において、前記反転増幅器の出力電圧が、電源電圧から決まる、取りうる出力電圧範囲の最小値、または、最大値に達した時点で、前記容量の電荷を放電し、前記反転増幅器の出力電圧を前記最小値と前記最大値の間の所定の電圧値に設定する出力電圧設定手段と、前記出力電圧が最小値または最大値に達した時点での前記反転増幅器の入力電圧を保持する入力電圧保持手段と、前記入力電圧保持手段の保持電圧を前記反転増幅器の入力に供給し、前記ミラー容量としての動作を停止させる保持入力電圧供給手段とを有し、前記保持入力電圧供給手段は、前記出力電圧設定手段による出力電圧の設定が終了した後に、前記保持電圧の前記反転増幅器の入力への供給を止めて前記ミラー容量としての動作を再開させ、これら一連の動作が繰り返されることを特徴とする。   In order to solve the above problems, the invention according to claim 1 of the present invention is equivalent to an inverting amplifier having a predetermined negative voltage gain and a capacitor provided between the input and output of the inverting amplifier. In a mirror capacitor circuit including a mirror capacitor that realizes a large capacity, the charge of the capacitor is reached when the output voltage of the inverting amplifier reaches the minimum value or the maximum value of the possible output voltage range determined from the power supply voltage. Output voltage setting means for setting the output voltage of the inverting amplifier to a predetermined voltage value between the minimum value and the maximum value, and the output voltage when the output voltage reaches the minimum value or the maximum value Input voltage holding means for holding the input voltage of the inverting amplifier; and holding input voltage supply means for supplying the holding voltage of the input voltage holding means to the input of the inverting amplifier and stopping the operation as the mirror capacitor. , The holding input voltage supply unit stops the supply of the holding voltage to the input of the inverting amplifier after the setting of the output voltage by the output voltage setting unit is completed, and restarts the operation as the mirror capacitor. These operations are repeated.

前記課題を解決するため、本発明の請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のミラー容量回路において、前記反転増幅器の出力電圧を前記反転増幅器の出力電圧が取りうる電圧範囲の前記最小値および前記最大値と比較する電圧比較手段を有し、この電圧比較手段は前記出力電圧が前記最小値または前記最大値に達したことを検出したとき動作信号を出力し、前記入力電圧保持手段は、前記動作信号に応じて前記出力電圧が最小値または最大値に達した時点での入力電圧を保持し、前記保持入力電圧供給手段は前記入力電圧保持手段の保持電圧の入力への供給を開始し、前記出力電圧設定手段は出力電圧の設定を開始することを特徴とする。   In order to solve the above-mentioned problem, according to a second aspect of the present invention, in the Miller capacitance circuit according to the first aspect, the output voltage of the inverting amplifier is within the voltage range that the output voltage of the inverting amplifier can take. Voltage comparison means for comparing with the minimum value and the maximum value, and the voltage comparison means outputs an operation signal when the output voltage reaches the minimum value or the maximum value, and holds the input voltage. The means holds the input voltage when the output voltage reaches the minimum value or the maximum value according to the operation signal, and the holding input voltage supply means supplies the holding voltage of the input voltage holding means to the input The output voltage setting means starts setting the output voltage.

前記課題を解決するため、本発明の請求項3に記載の発明は、請求項1または請求項2に記載のミラー容量回路において、前記所定の電圧値は前記反転増幅器の出力電圧が取りうる電圧範囲の前記最小値と前記最大値との相加平均値であることを特徴とする。   In order to solve the above-mentioned problem, according to a third aspect of the present invention, in the Miller capacitance circuit according to the first or second aspect, the predetermined voltage value is a voltage that can be taken by an output voltage of the inverting amplifier. It is an arithmetic mean value of the minimum value and the maximum value of the range.

前記課題を解決するため、本発明の請求項4に記載の発明は、請求項1に記載のミラー容量回路において、所定の周波数のクロックを発生するクロック発振手段を有し、このクロックに応じて、前記入力電圧保持手段はクロック発生時点での入力電圧を保持し、前記保持入力電圧供給手段は前記入力電圧保持手段の保持電圧の入力への供給を開始し、前記出力電圧設定手段は出力電圧の設定を開始することを特徴とする。   In order to solve the above-mentioned problem, according to a fourth aspect of the present invention, in the Miller capacitance circuit according to the first aspect, there is provided a clock oscillating means for generating a clock having a predetermined frequency. The input voltage holding means holds the input voltage at the time of clock generation, the holding input voltage supply means starts supplying the holding voltage of the input voltage holding means to the input, and the output voltage setting means outputs the output voltage It is characterized by starting the setting of.

本発明のミラー容量回路は、ミラー容量を構成する増幅器がその出力電圧の許容範囲を超えて飽和することがないようにでき、広い信号入力範囲に対応するミラー容量回路が得られる。このミラー容量回路を用いることで、狭い面積に広い信号入力範囲に対応する大きな容量を作ることができるので、外部容量を用いることなく、集積回路上に低周波のフィルタ回路などを実現することが可能になるなど重要な効果が得られる。   The mirror capacitance circuit of the present invention can prevent the amplifier constituting the mirror capacitance from being saturated beyond the allowable range of the output voltage, and a mirror capacitance circuit corresponding to a wide signal input range can be obtained. By using this mirror capacitance circuit, a large capacitance corresponding to a wide signal input range can be made in a small area, so that a low frequency filter circuit or the like can be realized on an integrated circuit without using an external capacitance. An important effect such as being possible is obtained.

以下、図面を参照して、本発明について詳細に説明する。
図1は、本発明の広い信号入力範囲を有するミラー容量回路の第1の実施形態のブロック図である。図1に示すミラー容量回路は、図11に示したようなミラー容量1と、電圧リカバリ回路2と、コンパレータ3とを備え、iinは入力信号電流、vinは入力電圧、voutはミラー容量の増幅器の出力電圧、Vcは制御信号である。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram of a first embodiment of a Miller capacitance circuit having a wide signal input range according to the present invention. The Miller capacitance circuit shown in FIG. 1 includes a mirror capacitance 1 as shown in FIG. 11, a voltage recovery circuit 2, and a comparator 3. i in is an input signal current, v in is an input voltage, and v out is a mirror. An output voltage Vc of the capacity amplifier is a control signal.

図1に示すミラー容量回路において、コンパレータ3は、出力電圧voutを監視して、もし出力電圧voutが式(4)で表される出力範囲を超えそうな場合には、電圧リカバリ回路2に制御信号Vcを送る。電圧リカバリ回路2は、この制御信号Vcに反応して、ミラー容量1の電荷を放電して増幅器Opの出力電圧voutを式(4)で表される範囲内の特定の値、通常はvomaxと−vominとの相加平均値にリセットする。増幅器Opの出力電圧voutをリセットする間、電圧リカバリ回路2は、ミラー容量1の入力電圧を一定に保持し、回路のミラー容量としての動作を停止させる。 In Miller capacitance circuit shown in FIG. 1, the comparator 3 monitors the output voltage v out, if when the output voltage v out is likely to exceed the output range of the formula (4), the voltage recovery circuit 2 Control signal Vc. In response to the control signal Vc, the voltage recovery circuit 2 discharges the electric charge of the mirror capacitor 1 and sets the output voltage v out of the amplifier Op to a specific value within the range represented by the equation (4), usually v to reset to the arithmetic mean value of the omax and -v omin. While resetting the output voltage v out of the amplifier Op, the voltage recovery circuit 2 keeps the input voltage of the mirror capacitor 1 constant and stops the operation of the circuit as the mirror capacitor.

図2は、図1に示すミラー容量回路の入力に一定の直流電流を加えた場合の入力電圧vin(図2(a))および出力電圧vout(図2(b))の変化を示す波形図である。
図2に示すように、入力電流iinが順次充電され、出力電圧voutが時刻t=t1で最小の制限値−vominに達したとすると、容量Cの電荷は短い時間Tsの間に放電され、出力電圧voutは(vomax−vomin)/2に、vomax=vominの場合は0に、リセットされる。そして、時刻t=t2で、ミラー容量1は入力電流iinを再び充電し始める。これにより、入力電圧vinはミラー容量1の入力段の構造で決まるその最大入力電圧に向けて増加してゆくことができる。図2(a)からわかるように、充電時の入力電圧vinはiin/{(1+A)C}の傾きで直線的に増加し、出力電圧voutは−Aiin/{(1+A)C}の傾きで直線的に減少している。
FIG. 2 shows changes in the input voltage v in (FIG. 2 (a)) and the output voltage v out (FIG. 2 (b)) when a constant direct current is applied to the input of the Miller capacitance circuit shown in FIG. It is a waveform diagram.
As shown in FIG. 2, assuming that the input current i in is sequentially charged and the output voltage v out reaches the minimum limit value −vomin at time t = t1, the charge of the capacitor C is reduced during a short time Ts. As a result of the discharge, the output voltage v out is reset to ( vomax− vomin ) / 2, or 0 when vomax = vomin . At time t = t2, the mirror capacitor 1 starts charging the input current i in again. Thus, the input voltage v in can be the slide into increased towards its maximum input voltage determined by the structure of the input stage of the Miller capacitance 1. As can be seen from FIG. 2 (a), the input voltage v in during charging i in / increases linearly with the slope of {(1 + A) C} , the output voltage v out is -Ai in / {(1 + A ) C } Is decreasing linearly.

図2に示したように、本実施形態のミラー容量回路の動作は、Tの周期で繰り返される。リセット時間、Tr=t2−t1の間は、入力電圧は一定値に保持され、回路はミラー容量として働かず、入力電流の充電は行なわれない。これにより、ミラー容量1はT−Trの時間だけ利用できることになる。したがって、リセット時間Trはミラー容量1の電圧にエラーを引き起こす原因になる。リセット時間Trの最短値は回路に用いられる増幅器Opのスルーレートによって決まる。   As shown in FIG. 2, the operation of the mirror capacitance circuit of this embodiment is repeated at a period of T. During the reset time, Tr = t2-t1, the input voltage is held at a constant value, the circuit does not work as a mirror capacitor, and the input current is not charged. As a result, the mirror capacitor 1 can be used for the time of T-Tr. Accordingly, the reset time Tr causes an error in the voltage of the mirror capacitor 1. The shortest value of the reset time Tr is determined by the slew rate of the amplifier Op used in the circuit.

図3に、コンパレータ回路3を除いた本実施形態の具体的な回路図を示す。図3において、OP1、OP2及びOP3はオペアンプ、C、C1及びC2は容量、R1及びR2はそれぞれ抵抗値が等しい抵抗、Sw1、Sw2及びSw3はスイッチである。   FIG. 3 shows a specific circuit diagram of the present embodiment excluding the comparator circuit 3. In FIG. 3, OP1, OP2 and OP3 are operational amplifiers, C, C1 and C2 are capacitors, R1 and R2 are resistors having the same resistance value, and Sw1, Sw2 and Sw3 are switches.

この回路は、オペアンプOP1からなるボルテージフォロワとオペアンプOP2などからなる反転増幅器と、この反転増幅器の入出力間を結ぶ容量Cと、スイッチSw1、Sw3、容量C1及びオペアンプOP3からなる入力電圧保持手段及び保持入力電圧供給手段と、オペアンプOP3の出力と抵抗R1、R2、スイッチSw2及び容量C2からなる出力電圧設定手段と、図3には図示しないコンパレータ回路3(電圧比較手段)で構成されている。   This circuit includes an inverting amplifier composed of a voltage follower composed of an operational amplifier OP1 and an operational amplifier OP2, a capacitor C connecting the input and output of the inverting amplifier, input voltage holding means composed of switches Sw1, Sw3, a capacitor C1, and an operational amplifier OP3. The holding input voltage supply means, the output of the operational amplifier OP3, the output voltage setting means comprising resistors R1, R2, the switch Sw2 and the capacitor C2, and the comparator circuit 3 (voltage comparison means) not shown in FIG.

オペアンプOP2の出力電圧voutが式(4)で表される許容範囲内にある状態では、スイッチSW1は閉じ、SW2とSW3は開いていて、回路はミラー容量として働き、この間、入力電流iinは充電され、入力電圧vinは図2(a)に示すように直線的に増加する。 In a state where the output voltage v out of the operational amplifier OP2 is within the allowable range represented by the equation (4), the switch SW1 is closed, SW2 and SW3 are open, and the circuit functions as a mirror capacitor, during which the input current i in is charged, the input voltage v in increases linearly as shown in FIG. 2 (a).

オペアンプOP1とOP2は、ボルテージフォロワと増幅回路を構成し、両者で入力電圧vinに対して利得が−R2/R1の反転増幅器を構成している。したがって、この回路の入力容量Cinは、次の式(7)で表される。 Operational amplifiers OP1 and OP2 constitute a voltage follower with the amplification circuit, the gain for the input voltage v in at both constitute an inverting amplifier of -R2 / R1. Therefore, the input capacitance Cin of this circuit is expressed by the following equation (7).

Figure 2007059982
オペアンプOP2の出力に接続されているコンパレータ3が、オペアンプOP2の出力電圧voutが式(4)で表される範囲を越えたことを検出したとき、コンパレータ3の出力はスイッチSW1を開き、スイッチSW2およびSW3を閉じる制御信号Vcを送る。この状態で容量C1はその時点での入力電圧vinに等しい電圧vbufを保持する。また、容量C2の電圧vresetは次式(8)で与えられる。
Figure 2007059982
When the comparator 3 connected to the output of the operational amplifier OP2 detects that the output voltage v out of the operational amplifier OP2 exceeds the range represented by the equation (4), the output of the comparator 3 opens the switch SW1. A control signal Vc for closing SW2 and SW3 is sent. Capacity in this condition C1 holds a voltage equal v buf to the input voltage v in at that time. The voltage v reset of the capacitor C2 is given by the following equation (8).

Figure 2007059982
したがって、オペアンプOP2の出力電圧voutは、次式(9)の通りになる。
Figure 2007059982
Therefore, the output voltage v out of the operational amplifier OP2 is expressed by the following equation (9).

Figure 2007059982
ここで、式(8)を式(9)に代入すると、下記式(10)が得られる。
Figure 2007059982
Here, when Expression (8) is substituted into Expression (9), the following Expression (10) is obtained.

Figure 2007059982
式(10)は、出力電圧が、常に入力電圧に無関係に2つの供給電圧vDDと−vEEの中央値(相加平均値)にリセットされることを示している。
Figure 2007059982
Equation (10) shows that the output voltage is always reset to the median value (arithmetic mean value) of the two supply voltages v DD and −v EE regardless of the input voltage.

リセット期間の間、入力電圧vinはオペアンプOP3のバッファ容量C1によって電圧vbufとして保持され、この電圧はオペアンプOP3を介して入力に戻される。容量Cは、オペアンプOP2、OP3を介して出力電圧が式(10)の値となるように放電される。この間、回路はミラー容量として動作せず、入力電流の充電は停止され、入力電圧は図2(a)に示すように電圧vbufに保持される。 During the reset period, the input voltage v in is held as a voltage v buf by the buffer capacity C1 of the operational amplifier OP3, the voltage is returned to the input via an operational amplifier OP3. The capacitor C is discharged through the operational amplifiers OP2 and OP3 so that the output voltage becomes the value of Expression (10). During this time, the circuit does not operate as a mirror capacitor, charging of the input current is stopped, and the input voltage is held at the voltage v buf as shown in FIG.

そして、リセット終了後、スイッチSW1、SW2、SW3は、それぞれ、閉、開、開の状態に戻り、回路は再びミラー容量として動作する。
ミラー容量としての動作の間、容量C2の電圧は式(8)で示される値を保持し、容量C1の電圧は入力電圧vinに追従する。
この一連の動作が繰り返されることで、反転増幅器の出力が飽和することなく、入力フルレンジ使用可能(rail−to−rail入力範囲)のミラー容量回路を実現することができる。
After the reset, the switches SW1, SW2, and SW3 return to the closed, open, and open states, respectively, and the circuit operates as a mirror capacitor again.
During operation of the Miller capacitance, the voltage of the capacitor C2 holds the value represented by the formula (8), the voltage of the capacitor C1 follows the input voltage v in.
By repeating this series of operations, it is possible to realize a Miller capacitance circuit that can use the input full range (rail-to-rail input range) without saturating the output of the inverting amplifier.

図4は、本発明の広い信号入力範囲を有するミラー容量回路の第2の実施形態のブロック図である。図4において、図3と同じ部分には同一の符号を付した。4はクロック発振回路を示す。
この第2の実施形態では、図1に示した第1の実施形態とは異なって、増幅器の出力電圧voutを最大値または最小値と比較するコンパレータを用いず、出力電圧とは無関係に、クロック発振回路4が発振する一定周波数のクロックCKを用いてミラー容量1の放電と出力電圧のリセットを行なっている。
FIG. 4 is a block diagram of a second embodiment of the Miller capacitance circuit having a wide signal input range according to the present invention. In FIG. 4, the same parts as those in FIG. Reference numeral 4 denotes a clock oscillation circuit.
Unlike the first embodiment shown in FIG. 1, the second embodiment does not use a comparator that compares the output voltage v out of the amplifier with the maximum value or the minimum value, regardless of the output voltage. The mirror capacitor 1 is discharged and the output voltage is reset using a clock CK having a constant frequency oscillated by the clock oscillation circuit 4.

図5は、この回路の入力に一定の直流電流を加えた場合のクロックCK(図5(b))と入力電圧vin(図5(a))および出力電圧vout(図5(c))の変化を示す波形図である。 FIG. 5 shows a clock CK (FIG. 5 (b)), an input voltage v in (FIG. 5 (a)) and an output voltage v out (FIG. 5 (c)) when a constant direct current is applied to the input of this circuit. It is a wave form diagram which shows the change of ().

図5に示す回路において、クロック発振回路4は、一定周波数のクロックCKを電圧リカバリ回路2に送る。電圧リカバリ回路2は、このクロックCKの立下りに反応して、ミラー容量1の入力電圧を一定に保持し、ミラー容量1の電荷を放電して増幅器Opの出力電圧voutを特定の値(ここでは0V)にリセットする。 In the circuit shown in FIG. 5, the clock oscillation circuit 4 sends a clock CK having a constant frequency to the voltage recovery circuit 2. In response to the fall of the clock CK, the voltage recovery circuit 2 keeps the input voltage of the mirror capacitor 1 constant, discharges the charge of the mirror capacitor 1, and sets the output voltage v out of the amplifier Op to a specific value ( Here, it is reset to 0V).

この第2の実施形態では、クロックCKが0V(low)である間は、増幅器Opの出力電圧voutのリセット期間とし、このリセット期間中、電圧リカバリ回路2は、ミラー容量1の入力電圧をクロックCKの立下り時の入力電圧に保持したままで、出力電圧voutを出力電圧が取りうる電圧範囲の最大値vomaxと最小値−vominとの相加平均値vmid(ここでは0V)にリセットする。また、クロックCKがvDD(high)である期間は充電期間で、ミラー容量1に入力電流が充電される。 In the second embodiment, while the clock CK is 0 V (low), the reset period of the output voltage v out of the amplifier Op is set. During this reset period, the voltage recovery circuit 2 changes the input voltage of the mirror capacitor 1. while maintaining the input voltage at the falling edge of the clock CK, the output voltage v arithmetic mean value between the maximum value v omax and the minimum value -v Omin voltage range of the output voltage can take out v mid (0V in this case Reset to). Further, the period during which the clock CK is v DD (high) is a charging period, and the mirror capacitor 1 is charged with the input current.

ところで、この第2の実施形態のように、一定の直流電流が入力に印加される場合は、充電期間での出力電圧voutの変化が図5(c)のように規則的であるため、充電期間開始後に出力電圧voutがその限界値であるvomaxや−vominに達するまでの時間を推定することができ、図5に示すようにクロックCKの立下りと出力電圧voutが限界値に達する時刻とを容易に一致させることができる。 By the way, when a constant direct current is applied to the input as in the second embodiment, the change in the output voltage v out during the charging period is regular as shown in FIG. It is possible to estimate the time until the output voltage v out reaches the limit value v omax or −vomin after the start of the charging period, and the fall of the clock CK and the output voltage v out are limited as shown in FIG. The time when the value is reached can be easily matched.

一般の入力電流に対しては、このように、クロックCKと出力電圧voutの変化とを一致させることはできない。しかし、クロックCKが出力電圧voutが限界値に達する時刻よりも早く立ち下がる限り、反転増幅器の出力電圧voutの飽和はない。したがってクロックCKの周波数を高めに設定すれば、回路が入力から切り離されている時間が増え、誤差が増えて収束時間が長くなるなどの問題はあるものの、ミラー容量としての機能は保持される。 Thus, for a general input current, the change in the clock CK and the output voltage vout cannot be matched. However, as long as the clock CK falls earlier than the time when the output voltage v out reaches the limit value, there is no saturation of the output voltage v out of the inverting amplifier. Accordingly, if the frequency of the clock CK is set high, the function as a mirror capacitor is maintained, although there are problems such as an increase in the time that the circuit is disconnected from the input, an increase in error, and a longer convergence time.

図6に第2の実施形態の具体的な回路を示す。
図6において、図11と同じ機能を示す部分には同一の符号を付した。符号IVはインバータである。
図6に示す回路で、オペアンプOP1とOP2などが反転増幅器を、スイッチSw1、Sw3、容量C1及びオペアンプOP3が入力電圧保持手段及び保持入力電圧供給手段を、オペアンプOP3の出力と抵抗R1、R2及びスイッチSw2が出力電圧設定手段を構成することは図3に示す場合と同じである。
FIG. 6 shows a specific circuit of the second embodiment.
In FIG. 6, parts having the same functions as those in FIG. Symbol IV is an inverter.
In the circuit shown in FIG. 6, the operational amplifiers OP1 and OP2 and the like are inverting amplifiers, the switches Sw1 and Sw3, the capacitor C1 and the operational amplifier OP3 are the input voltage holding means and the holding input voltage supply means, the output of the operational amplifier OP3 and the resistors R1 and R2 The switch Sw2 constitutes the output voltage setting means as in the case shown in FIG.

図6に示す回路においては、クロック発振回路4が図5(b)に示すようなデューティ比50のクロックCKを出力する。本実施形態では、所定の直流電流が入力電流iinとして与えられており、このクロックCKの立下り時刻が出力電圧voutが出力電圧の下限の−vominに達する時刻と一致するように設定されている。 In the circuit shown in FIG. 6, the clock oscillation circuit 4 outputs a clock CK having a duty ratio of 50 as shown in FIG. In the present embodiment, a predetermined DC current is given as the input current i in , and the falling time of the clock CK is set to coincide with the time when the output voltage v out reaches the lower limit −vomin of the output voltage. Has been.

スイッチSW1、SW2、SW3は、与えられるクロックがvDD(high)である間は閉じ、0V(low)の間は開くものとする。したがって、クロックCKがvDD(high)のとき、スイッチSW1は閉じ、クロックCKの反転信号が与えられるSW2とSW3は開いている。これにより、回路はミラー容量として動作し、入力電流iinは充電され、入力電圧vinは図5(a)に示されるように直線的に増加する。 The switches SW1, SW2, and SW3 are closed while the applied clock is v DD (high), and are opened while 0 V (low). Therefore, when the clock CK is v DD (high), the switch SW1 is closed, and SW2 and SW3 to which an inverted signal of the clock CK is given are open. Thus, the circuit operates as a Miller capacitance, the input current i in is charged, the input voltage v in increases linearly as shown in Figure 5 (a).

クロックCKの半周期の時間が経過して、クロックCKが0V(low)となると、スイッチSW1は開き、クロックCKの反転信号が与えられるSW2とSW3は閉じる。すると、回路はミラー容量としての動作を停止する。容量C1にはクロックは反転した時点での入力電圧vinに等しいvbufが保持され、この電圧が入力電圧vinに与えられると共に、出力電圧voutは0Vにリセットされる。 When the half cycle time of the clock CK elapses and the clock CK becomes 0 V (low), the switch SW1 is opened, and SW2 and SW3 to which an inverted signal of the clock CK is applied are closed. Then, the circuit stops operating as a mirror capacitor. Clock equals v buf to the input voltage v in at the time of the reversal is retained in the capacitor C1, together with the voltage is applied to the input voltage v in, the output voltage v out is reset to 0V.

さらに、クロックCKがvDD(high)となると、スイッチSW1は閉じ、スイッチSW2とSW3は開いて最初の状態に戻り、回路はミラー容量として動作を再開する。
この一連の動作が繰り返されることで、反転増幅器の出力が飽和することなく、入力フルレンジ使用可能(rail−to−rail入力範囲)のミラー容量回路を実現することができる。
Further, when the clock CK becomes v DD (high), the switch SW1 is closed, the switches SW2 and SW3 are opened to return to the initial state, and the circuit resumes operation as a mirror capacitor.
By repeating this series of operations, it is possible to realize a Miller capacitance circuit that can use the input full range (rail-to-rail input range) without saturating the output of the inverting amplifier.

以下、本発明のミラー容量回路の応用の一例として、位相同期ループ(PLL)回路に使用されるループフィルタについて説明する。   Hereinafter, a loop filter used in a phase-locked loop (PLL) circuit will be described as an example of application of the mirror capacitance circuit of the present invention.

PLL回路のループフィルタは、入力がチャージポンプの電流源であるため、入力電流は一定値である。したがって、上述の第1の実施形態だけではなく第2の実施形態のミラー容量回路も大きな支障なく用いることができる。   Since the input of the loop filter of the PLL circuit is a current source of the charge pump, the input current is a constant value. Therefore, not only the first embodiment described above but also the mirror capacitance circuit of the second embodiment can be used without any significant trouble.

PLL回路のブロック図を図7に示す。図7に示す回路における930pfの容量C4を本発明のミラー容量回路で置換えることとする。この930pfのミラー容量は、30pfの受動容量と利得A=30の増幅器を使って、図1及び図3に示す第1の実施形態によって実現する。なお、図7において、5は位相検出器(PFD)、6は1/2分周器、7は電圧制御発振器(VCO)、8及び9が電流源、C3は容量、R3は抵抗である。   A block diagram of the PLL circuit is shown in FIG. The 930 pf capacitor C4 in the circuit shown in FIG. 7 is replaced with the mirror capacitor circuit of the present invention. The mirror capacitance of 930 pf is realized by the first embodiment shown in FIGS. 1 and 3 using a 30 pf passive capacitor and an amplifier with a gain A = 30. In FIG. 7, 5 is a phase detector (PFD), 6 is a 1/2 frequency divider, 7 is a voltage controlled oscillator (VCO), 8 and 9 are current sources, C3 is a capacitor, and R3 is a resistor.

図8に、ミラー容量回路に用いられるオペアンプの回路の一例を示す。ミラー容量の入力フルレンジ使用(rail−to−rail入力範囲)を可能にするために、オペアンプの入力範囲も入力フルレンジ使用可能である必要があり、入力段が工夫されている。   FIG. 8 shows an example of an operational amplifier circuit used in the mirror capacitance circuit. In order to make it possible to use the input full range of the mirror capacitance (rail-to-rail input range), the input range of the operational amplifier needs to be usable as well, and the input stage is devised.

また、図9にミラー容量回路に用いられるコンパレータの回路を示した。
図9のコンパレータ回路中のvmaxとvminは、増幅器の出力範囲で決定され、式(4)に示されるvomaxと−vominにそれぞれ対応する。
FIG. 9 shows a comparator circuit used in the mirror capacitance circuit.
V max and v min in the comparator circuit of Figure 9 is determined by the output range of the amplifier, corresponding respectively to v omax and -v Omin represented by formula (4).

図9のコンパレータ回路において、増幅器の出力電圧voutが端子voutに与えられる。最大値比較部10はこの増幅器の出力電圧voutがvmaxよりも大きいとき、highを出力する。同様に、最小値比較部11は増幅器の出力電圧voutがvminよりも小さいとき、highを出力する。したがって、NORゲート部12の出力Vnorは、vmin<vout<vmaxの時、highになり、vout<vminまたはvmax<voutの時、lowになる。 In the comparator circuit of FIG. 9, the output voltage v out of the amplifier is applied to the terminal v out . The maximum value comparison unit 10 outputs high when the output voltage v out of the amplifier is larger than v max . Similarly, the minimum value comparison section 11 when the output voltage v out of the amplifier is smaller than v min, outputs a high. Therefore, the output Vnor of the NOR gate section 12 becomes high when v min <v out <v max , and becomes low when v out <v min or v max <v out .

単安定マルチバイブレータ部13は、入力Vnorがhighのとき、lowを出力する。また、highからlowに立ち下がる瞬間にhighを出力し、ある一定時間だけhighを出力し続けて、その後、lowを出力する。この一定時間は、ミラー容量の反転増幅器の出力電圧voutの設定に要する時間により決定され、CpとMrの時定数によって決定される。
これによって、増幅器の出力電圧は、電圧リカバリ回路によって式(10)で示すvDDと−vEEの中央値vmidにリセットされ、増幅器の出力電圧は常にvmaxとvminの間の値に保持される。
The monostable multivibrator unit 13 outputs low when the input Vnor is high. Also, high is output at the moment of falling from high to low, high is continuously output for a certain period of time, and then low is output. This fixed time is determined by the time required for setting the output voltage v out of the inverting amplifier of the mirror capacitance, and is determined by the time constants of Cp and Mr.
As a result, the output voltage of the amplifier is reset to the median value v mid of v DD and −v EE shown in Equation (10) by the voltage recovery circuit, and the output voltage of the amplifier is always set to a value between v max and v min. Retained.

高精度回路シミュレータ(HSPICE、日本シノプシス株式会社)により、表1で与えられる0.18μmCMOSプロセスのパラメータを用いて、図7にブロック図を示したPLL回路のシミュレーションを行なった。VCOは、コンバージョン利得Kvco=2.65MHz/Vの無誘導型のリング発振器を用いて構成される。なお、電源は+2.5Vの単一電源である。   A high-precision circuit simulator (HSPICE, Nippon Synopsys, Inc.) was used to simulate the PLL circuit whose block diagram is shown in FIG. 7 using the 0.18 μm CMOS process parameters given in Table 1. The VCO is configured using a non-inductive ring oscillator having a conversion gain Kvco = 2.65 MHz / V. The power source is a single power source of + 2.5V.

Figure 2007059982
Figure 2007059982

このシミュレーション結果を、図10(a)〜図10(d)に示す。
図10(a)は本発明のミラー容量回路を用いたPLL回路用のVCOの入力制御電圧のシミュレーション結果を、図10(b)は930pFの受動容量を用いたPLL回路用のVCOの入力制御電圧のシミュレーション結果を示す。また、図10(c)はミラー容量回路の出力電圧である。
図10(c)から、出力電圧voutはその最小値vm(=0.5V)、またはその最大値vmax(=2.0V)に到達するたびに、式(10)で与えられる中央値vmid、すなわち1.25Vに戻ることが分かる。
The simulation results are shown in FIGS. 10 (a) to 10 (d).
10A shows the simulation result of the input control voltage of the VCO for the PLL circuit using the mirror capacitor circuit of the present invention, and FIG. 10B shows the input control of the VCO for the PLL circuit using the passive capacitor of 930 pF. The simulation result of a voltage is shown. FIG. 10C shows the output voltage of the Miller capacitance circuit.
From FIG. 10 (c), every time the output voltage v out reaches its minimum value v m (= 0.5V) or its maximum value v max (= 2.0V), the center given by equation (10) is obtained. It can be seen that the value v mid returns to 1.25V.

以上のシミュレーション結果から、2つのPLL回路の間の応答の相違を見ることができる。
930pFの受動容量を用いたPLLは、図10(b)でみるように、ミラー容量回路を用いた図10(a)に示したPLL回路の場合よりも、早く定常状態に達する。これは、出力電圧をリセットするに要する時間が影響している、と考えられる。
From the above simulation results, the difference in response between the two PLL circuits can be seen.
As shown in FIG. 10B, the PLL using the 930 pF passive capacitor reaches the steady state earlier than the PLL circuit shown in FIG. 10A using the mirror capacitor circuit. This is considered to be affected by the time required to reset the output voltage.

第1の実施形態のミラー容量回路を用いた場合、同じ入力電圧に到達するのに、受動容量を用いた場合のT/(T−Tr)倍の時間がかかる。いま、シミュレーションを行なうにあたり、Tr=T/2と設定した。したがって、本発明のミラー容量回路は受動容量の倍の時間を要している。これは、応答に関しては、ミラー容量回路の等価容量Ceqが次式(11)で与えられる値に増えていることと同じになる。ただし、容量Cinは当初の容量である。したがって、図10(a)の応答は、1860pFの受動容量を用いたPLL回路の図10(d)に示す応答と一致する。 When the Miller capacitance circuit of the first embodiment is used, it takes T / (T-Tr) times as long as the passive capacitance is used to reach the same input voltage. Now, in performing the simulation, Tr = T / 2 was set. Therefore, the Miller capacitance circuit of the present invention requires twice as much time as the passive capacitance. This is the same as the response in that the equivalent capacitance C eq of the Miller capacitance circuit is increased to the value given by the following equation (11). However, the capacity C in is the initial capacity. Therefore, the response shown in FIG. 10A matches the response shown in FIG. 10D of the PLL circuit using the 1860 pF passive capacitance.

Figure 2007059982
Figure 2007059982

本発明は、上述のように、小容量の容量素子を用いて等価的に大容量を示すミラー容量回路において、その入力許容範囲を改善することができた。これにより、入力範囲が広い大容量を小さな面積で実現することができ、集積回路上に実現することが可能になる。したがって、このミラー容量回路は、大きな容量と広いダイナミックレンジが要求されるバイパス容量や低周波フィルタなどが用いられる産業上の広い分野に利用することができる。   As described above, according to the present invention, the input allowable range can be improved in the mirror capacitance circuit that shows a large capacitance equivalently by using a small capacitance element. Thus, a large capacity with a wide input range can be realized with a small area, and can be realized on an integrated circuit. Therefore, this Miller capacitance circuit can be used in a wide range of industrial fields where a bypass capacitor, a low frequency filter, and the like that require a large capacitance and a wide dynamic range are used.

本発明の第1の実施形態に係るミラー容量回路のブロック図である。1 is a block diagram of a mirror capacitance circuit according to a first embodiment of the present invention. 図1の第1の実施形態に係るミラー容量回路の入力に一定の直流電流を加えた場合の入力電圧および出力電圧の変化を示す波形図である。FIG. 2 is a waveform diagram showing changes in input voltage and output voltage when a constant direct current is applied to the input of the mirror capacitance circuit according to the first embodiment of FIG. 1. 図1の第1の実施形態に係るミラー容量回路の具体的な回路図である。FIG. 2 is a specific circuit diagram of the mirror capacitance circuit according to the first embodiment of FIG. 1. 本発明の第2の実施形態に係るミラー容量回路のブロック図である。It is a block diagram of the mirror capacity circuit concerning a 2nd embodiment of the present invention. 図4の第2の実施形態に係るミラー容量回路の入力に一定の直流電流を加えた場合のクロックと入力電圧および出力電圧の変化を示す波形図である。FIG. 5 is a waveform diagram illustrating changes in a clock, an input voltage, and an output voltage when a constant direct current is applied to the input of the Miller capacitance circuit according to the second embodiment of FIG. 4. 図4の第2の実施形態に係るミラー容量回路の具体的な回路図である。FIG. 5 is a specific circuit diagram of a mirror capacitance circuit according to the second embodiment of FIG. 4. 本発明のミラー容量回路を用いたPLL回路のブロック図である。It is a block diagram of a PLL circuit using a mirror capacitance circuit of the present invention. 本発明のミラー容量回路に用いられるオペアンプの回路図である。It is a circuit diagram of the operational amplifier used for the mirror capacity circuit of the present invention. 本発明のミラー容量回路に用いられるコンパレータオペアンプの回路図である。It is a circuit diagram of the comparator operational amplifier used for the Miller capacity circuit of the present invention. 図7にブロック図を示すPLL回路のシミュレーション結果である。FIG. 7 is a simulation result of the PLL circuit whose block diagram is shown in FIG. ミラー容量の回路図である。It is a circuit diagram of a mirror capacity. 図1に示すミラー容量の等価容量である。This is an equivalent capacity of the mirror capacity shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 ミラー容量
2 電圧リカバリ回路
3 コンパレータ
4 クロック発振回路
5 位相検出器(PFD)
6 1/2分周器
7 電圧制御発振器(VCO)
8,9 電流源
C、C1〜C4 容量
IV インバータ
Op 増幅器、オペアンプ
R1〜R3 抵抗
Sw1〜Sw5 スイッチ
1 Miller capacitance 2 Voltage recovery circuit 3 Comparator 4 Clock oscillation circuit 5 Phase detector (PFD)
6 1/2 divider 7 Voltage controlled oscillator (VCO)
8,9 Current source C, C1-C4 Capacitance IV Inverter Op Amplifier, operational amplifier R1-R3 Resistor Sw1-Sw5 Switch

Claims (4)

所定の負の電圧利得を有する反転増幅器と、この反転増幅器の入出力間に設けられた容量とを有し等価的に大容量を実現するミラー容量を含むミラー容量回路において、
前記反転増幅器の出力電圧が、電源電圧から決まる、取りうる出力電圧範囲の最小値、または、最大値に達した時点で、前記容量の電荷を放電し、前記反転増幅器の出力電圧を前記最小値と前記最大値の間の所定の電圧値に設定する出力電圧設定手段と、
前記出力電圧が最小値または最大値に達した時点での前記反転増幅器の入力電圧を保持する入力電圧保持手段と、
前記入力電圧保持手段の保持電圧を前記反転増幅器の入力に供給し、前記ミラー容量としての動作を停止させる保持入力電圧供給手段とを有し、
前記保持入力電圧供給手段は、前記出力電圧設定手段による出力電圧の設定が終了した後に、前記保持電圧の前記反転増幅器の入力への供給を止めて前記ミラー容量としての動作を再開させ、これら一連の動作が繰り返されることを特徴とするミラー容量回路。
In a mirror capacitance circuit including an inverting amplifier having a predetermined negative voltage gain and a capacitance provided between the input and output of the inverting amplifier and including a mirror capacitance equivalently realizing a large capacitance,
When the output voltage of the inverting amplifier reaches the minimum value or the maximum value of the possible output voltage range determined from the power supply voltage, the charge of the capacitor is discharged, and the output voltage of the inverting amplifier is set to the minimum value. And an output voltage setting means for setting to a predetermined voltage value between the maximum value and
Input voltage holding means for holding the input voltage of the inverting amplifier when the output voltage reaches a minimum value or a maximum value;
Holding input voltage holding means for supplying the holding voltage to the input of the inverting amplifier, and holding input voltage supply means for stopping the operation as the mirror capacitor;
The holding input voltage supply unit stops the supply of the holding voltage to the input of the inverting amplifier after the setting of the output voltage by the output voltage setting unit is completed, and restarts the operation as the mirror capacitor. The Miller capacitance circuit is characterized in that the above operation is repeated.
前記反転増幅器の出力電圧を前記反転増幅器の出力電圧が取りうる電圧範囲の前記最小値および前記最大値と比較する電圧比較手段を有し、この電圧比較手段は前記出力電圧が前記最小値または前記最大値に達したことを検出したとき動作信号を出力し、前記入力電圧保持手段は、前記動作信号に応じて前記出力電圧が最小値または最大値に達した時点での入力電圧を保持し、前記保持入力電圧供給手段は前記入力電圧保持手段の保持電圧の入力への供給を開始し、前記出力電圧設定手段は出力電圧の設定を開始することを特徴とする請求項1に記載のミラー容量回路。   Voltage comparison means for comparing the output voltage of the inverting amplifier with the minimum value and the maximum value of a voltage range that can be taken by the output voltage of the inverting amplifier, and the voltage comparison means is configured such that the output voltage is the minimum value or the When it is detected that the maximum value has been reached, an operation signal is output, and the input voltage holding means holds the input voltage when the output voltage reaches the minimum value or the maximum value according to the operation signal, 2. The mirror capacitor according to claim 1, wherein the holding input voltage supply unit starts supplying a holding voltage of the input voltage holding unit to an input, and the output voltage setting unit starts setting an output voltage. circuit. 前記所定の電圧値は前記反転増幅器の出力電圧が取りうる電圧範囲の前記最小値と前記最大値との相加平均値であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のミラー容量回路。   3. The mirror capacitance according to claim 1, wherein the predetermined voltage value is an arithmetic average value of the minimum value and the maximum value in a voltage range that the output voltage of the inverting amplifier can take. circuit. 所定の周波数のクロックを発生するクロック発振手段を有し、このクロックに応じて、前記入力電圧保持手段はクロック時点での入力電圧を保持し、前記保持入力電圧供給手段は前記入力電圧保持手段の保持電圧の入力への供給を開始し、前記出力電圧設定手段は出力電圧の設定を開始することを特徴とする請求項1に記載のミラー容量回路。   Clock oscillation means for generating a clock having a predetermined frequency is provided. In response to the clock, the input voltage holding means holds the input voltage at the time of the clock, and the held input voltage supply means is the input voltage holding means. 2. The Miller capacitance circuit according to claim 1, wherein supply of a holding voltage to an input is started, and the output voltage setting unit starts setting an output voltage.
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