JP2008060978A - Switched capacitor circuit, correlation double sampling circuit, and electronic device using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、スイッチドキャパシタ回路、相関2重サンプリング回路及びそれを用いた電子機器に関し、より詳しくは、オートゼロを行うスイッチドキャパシタ増幅回路、相関2重サンプリング回路及びそれを用いた電子機器に関するものである。 The present invention relates to a switched capacitor circuit, a correlated double sampling circuit, and an electronic device using the same, and more particularly to a switched capacitor amplifier circuit that performs auto-zero, a correlated double sampling circuit, and an electronic device using the same. It is.
オートゼロを行うスイッチドキャパシタ増幅回路(以下「SCA回路」と呼ぶ)は、イメージセンサモジュールや音声信号処理システムのアナログフロントエンド等で用いられる。 A switched capacitor amplifier circuit (hereinafter referred to as “SCA circuit”) that performs auto-zero is used in an image sensor module, an analog front end of an audio signal processing system, and the like.
ここで、オートゼロとはSCA回路を構成する演算増幅回路から発生する低周波ノイズ又はイメージセンサ信号に含まれる低周波ノイズを除去することをいう。このオートゼロを行うSCA回路技術は非特許文献1に詳細に記載されている。
Here, the auto-zero refers to removing low-frequency noise generated from an operational amplifier circuit constituting the SCA circuit or low-frequency noise included in the image sensor signal. The SCA circuit technique for performing this auto-zero is described in detail in Non-Patent
また、このSCA回路技術をイメージセンサ用CDS回路に適用した例が非特許文献4に記載されている。 Non-Patent Document 4 describes an example in which this SCA circuit technology is applied to an image sensor CDS circuit.
ここで、図11及び12に基づいて従来の一般的なSCA回路の例について説明する。 Here, an example of a conventional general SCA circuit will be described with reference to FIGS.
図11、及び12は従来の一般的なSCA回路の例であるSCA回路100、及びSCA回路110の構成を示す回路図である。
11 and 12 are circuit diagrams showing configurations of the
まず図11に基づき上記SCA回路100の構成について説明する。上記SCA回路100は、図11に示すように、演算増幅回路AMP1と、複数の端子、複数のスイッチ、及び複数のキャパシタから構成されている。
First, the configuration of the
上記SCA回路100は、スイッチとしては、3個のスイッチSW101、SW102、及びSW103が設けられている。また、上記SCA回路100はキャパシタとしては、2個のキャパシタCS104、及びCF105が設けられている。
The
また、図11のVIN107、VOUT108、及びVREF109はそれぞれ上記SCA回路100の入力端子、出力端子、及び基準電圧端子(以下、VIN107、VOUT108、及びVREF109は、それぞれ、入力電圧、出力電圧、及び基準電圧を表す場合もある。)を表す。
In addition, V IN 107,
つぎに、図11に基づき上記SCA回路100の動作について説明する。
Next, the operation of the
上記SCA回路100には2つの動作フェーズであるサンプリングフェーズ(以下「PHASE-S」と呼ぶ)とホールドフェーズ(以下「PHASE-H」と呼ぶ)とがある。
なお、図11では、PHASE-Sにおける上記SCA回路100のスイッチの接続を示している。
The
FIG. 11 shows the connection of the switches of the
まず、PHASE-Sでは、入力端子VIN107から入力された、入力信号に応じた電荷がキャパシタCS104にサンプリングされる。また、同時に基準電圧端子VREF109の基準電圧信号に応じた電荷がCF105に蓄えられる。
First, in PHASE-S, the electric charge corresponding to the input signal input from the input terminal V IN 107 is sampled in the capacitor C S 104. At the same time, charges corresponding to the reference voltage signal at the reference voltage terminal V REF 109 are stored in
次に、PHASE-Hでは該CS104にサンプリングされた上記入力信号に応じた電荷がキャパシタCF105に移送されると同時に該移送された電荷に応じた出力信号が出力端子VOUT108から出力される。
Next, in PHASE-H, the electric charge according to the input signal sampled in the C S 104 is transferred to the
また、上記SCA回路100におけるAMP1回路の入力オフセット電圧及び1/fノイズを電圧源VOSとして図11に示している。ここで、上記AMP1回路が理想的であるとする。
Also it shows in Fig. 11 the input offset voltage and 1 / f noise of AMP1 circuit in the
そうすると、PHASE-SとPHASE-Hとの間で電荷保存の法則を適用すれば、次式が成り立つ。なお、各パラメータに付されている番号は省略した(以下、同様の説明は省略する)。
(VIN−VOS)・CS+(VREF−VOS)・CF=(−VOS)・CS+(VOUT−VOS)・CF
ここで、電圧VINはPHASE-Sにおいて上記SCA回路100のキャパシタCS105によりサンプリングされる電荷に応じた入力信号の電圧であり、電圧VOUTはPHASE-Hにおける上記SCA回路100の出力電圧を示す。上式を整理すると次式となる。
VOUT=(CS/CF)・VIN+VREF
これにより、上記SCA回路100の出力電圧VOUTには電圧源VOSが影響しないことがわかる。したがって、上記SCA回路100におけるAMP1回路の入力オフセット電圧及び1/fノイズを低減することが可能であることがわかる。
Then, if the law of charge conservation is applied between PHASE-S and PHASE-H, the following equation is established. In addition, the number attached | subjected to each parameter was abbreviate | omitted (hereinafter, the same description is abbreviate | omitted).
(V IN −V OS ) · C S + (V REF −V OS ) · C F = (− V OS ) · C S + (V OUT −V OS ) · C F
Here, the voltage V IN is a voltage of an input signal corresponding to the charge sampled by the
V OUT = (C S / C F ) · V IN + V REF
Thus, it can be seen that the voltage source V OS does not affect the output voltage V OUT of the
次に上記SCA回路100の熱ノイズについて考える。上記SCA回路100におけるAMP1回路のトランスコンダクタンスをgmとし、該AMP1回路の入力換算ノイズを
Next, thermal noise of the
とする。 And
ここで、kはボルツマン定数、Tは絶対温度、及びγは上記AMP1回路を構成するトランジスタによって決まる定数である。 Here, k is a Boltzmann constant, T is an absolute temperature, and γ is a constant determined by the transistors constituting the AMP1 circuit.
上記SCA回路100におけるAMP1回路では、3種類のノイズが発生する。まず、1つ目はスイッチSW101、SW102及びSW103のオン抵抗に起因するkTCノイズである。
In the AMP1 circuit in the
つぎに、2つ目はPHASE-Sのオートゼロ動作の際にサンプリングされる該AMP1回路のノイズ(以下「オートゼロノイズ」と呼ぶ)である。 Next, the second is noise (hereinafter referred to as “auto-zero noise”) of the AMP1 circuit sampled during the auto-zero operation of PHASE-S.
最後に、3つ目はPHASE-Hの際に出力端子に出力される該AMP1回路のノイズ(以下「ホールドノイズ」と呼ぶ)である。 Finally, the third is noise (hereinafter referred to as “hold noise”) of the AMP1 circuit that is output to the output terminal during PHASE-H.
これらの3つのノイズの入力端子VIN107への入力換算値を表1に示す。表1では上記SCA回路100のノイズの理論値とその近似値とを示す。上記SCA回路100の増幅率が大きいときは、入力される入力信号は小さくても良いということであり、この小さい入力信号を入力する場合には、上記SCA回路100において低入力換算ノイズが要求される。
Table 1 shows input conversion values of these three noises to the input terminal V IN 107. Table 1 shows the theoretical value of noise of the
そこで、表1において上記SCA回路100の入出力間の増幅率GをG=CS/CF>>1とし、AMP1回路を構成するトランジスタによって決まる定数γをγ=1と仮定して近似値を導いた。
Therefore, in Table 1, it is assumed that the amplification factor G between the input and output of the
また、Fはフィードバックファクタであり、F=CF/(CS+CF)で表される。 F is a feedback factor and is expressed as F = C F / (C S + C F ).
表1より、上記SCA回路100の増幅率が十分大きく(Gは6程度)かつ容量負荷CL106が大きいとき、kTCノイズはオートゼロノイズとほぼ同等になる。また、上記SCA回路100のホールドノイズはkTCノイズ及びオートゼロノイズに比べて十分小さくなる。
From Table 1, when the amplification factor of the
従って、上記SCA回路100では、ノイズ性能はkTCノイズとオートゼロノイズとによって決まる。
Therefore, in the
つぎに、もう1つの従来のSCA回路の例を示す。図12はこの従来のSCA回路110の構成を示す回路図である。上記SCA回路110は、1つのキャパシタCS113と、2つのスイッチSW111、及びSW112と、1つの増幅回路AMP2とから構成される。
Next, another example of a conventional SCA circuit is shown. FIG. 12 is a circuit diagram showing a configuration of this
なお、上記SCA回路100におけるAMP1回路の増幅率は理想的には無限大であったのに対し、上記SCA回路110におけるAMP2回路の増幅率は1より大きく20より小さい。
The amplification factor of the AMP1 circuit in the
つぎに、図12に基づいて上記SCA回路110の動作について説明する。
Next, the operation of the
上記SCA回路110では、動作フェーズとして、リセットフェーズと増幅フェーズとの2つのフェーズがある。
In the
リセットフェーズでは上記SCA回路110におけるAMP2回路の入力端子VIN114が遮断されるとともに、出力端子VOUT115がグランドレベルに接続される。一方、増幅フェーズでは、上記AMP2回路の非反転入力端子を入力端子VIN114に接続すると同時に、出力端子VOUT115がグランドレベルから遮断される。
In the reset phase, the input terminal V IN 114 of the AMP2 circuit in the
リセットフェーズにおいて、上記AMP2回路の出力電圧は
VOUT−AMP2−RESET=−A2・VOSとなる。
ここで、上記AMP2回路の増幅率をA2とした。
In the reset phase, the output voltage of the AMP2 circuit is V OUT−AMP2−RESET = −A 2 · V OS .
Here, the amplification factor of the AMP2 circuit and A 2.
また、増幅フェーズでの上記AMP2回路の出力電圧は
VOUT−AMP2−AMP=(VIN−VOS)・A2
となる。よって、これら2つの式より、出力端子VOUT115での出力電圧は次式となる。
VOUT=VIN・A2
この式から、上記SCA回路110の出力電圧には電圧源VOSは影響しないことがわかる。
The output voltage of the AMP2 circuit in the amplification phase is V OUT−AMP2−AMP = (V IN −V OS ) · A 2
It becomes. Therefore, from these two equations, the output voltage at the
V OUT = V IN · A 2
From this equation, the output voltage of the
従って、上記SCA回路110では、上記AMP2回路の入力オフセット電圧及び低周波ノイズを低減することができる。
Therefore, the
また、上記SCA回路110は、フィードバック回路ではないため、高速動作が可能となる。なお、上記SCA回路110では出力端子VOUT115に接続される次段の入力インピーダンスがハイインピーダンスである必要がある(非特許文献1のFig.22(a)を参照)。このため、上記SCA回路110は、イメージセンサ用CDS回路等にはあまり用いられない。これに対し、上記SCA回路110はイメージセンサ用CDS回路等に一般的によく用いられる(非特許文献4参照)。
しかしながら、上記従来のSCA回路100では、ノイズの小さいスイッチドキャパシタ回路を実現する場合、キャパシタCS104及びCF105の容量が大きくなる必要があるため、以下に示すような問題点を有している。
However, in the
まず、サンプリングフェーズPHASE-Sにおいては、キャパシタCS104の一方の端子は入力端子VIN107に接続される。また、上記キャパシタCS104の他方の端子は、上記AMP1回路の反転入力端子と出力端子VOUT108とに接続される。
First, in the sampling phase PHASE-S, one terminal of the capacitor C S 104 is connected to the input terminal V IN 107. Further, the other terminal of the capacitor C S 104 is connected to the inverting input terminal and the
上記SCA回路100を駆動するための上記SCA回路100の前段に接続された回路(端子VIN107に接続される回路)の出力インピーダンスが無視できるほど十分小さいと仮定すると、キャパシタCS104にかかる電圧に対する帯域BWPH-Sは次式となる。
Assuming that the output impedance of the circuit connected to the previous stage of the
ただし、ここではスイッチSW102及びSW103のオン抵抗は無視した。なぜなら、該オン抵抗よりも上記AMP1回路のトランスコンダクタンスgmの値の方が上記SCA回路100の帯域制限に与える影響が大きいからである。
However, the on-resistance of the switches SW102 and SW103 is ignored here. This is because the transconductance gm of the AMP1 circuit has a greater influence on the band limitation of the
ここで図13に基づいて、演算増幅回路AMP1(以下「AMP1回路」と呼ぶ)の典型的な構成について説明する。 A typical configuration of the operational amplifier circuit AMP1 (hereinafter referred to as “AMP1 circuit”) will be described with reference to FIG.
図13は図11の上記SCA回路100におけるAMP1回路の構成を示す回路図である。
FIG. 13 is a circuit diagram showing the configuration of the AMP1 circuit in the
AMP1回路の典型的な構成の例としては、図13に示すように、シングルステージの演算増幅回路が用いられる。また、上記AMP1回路は5つのトランジスタから構成されている。 As an example of a typical configuration of the AMP1 circuit, a single-stage operational amplifier circuit is used as shown in FIG. The AMP1 circuit is composed of five transistors.
つぎに、それぞれのトランジスタの機能について説明する。トランジスタM121P及びM121Mは入力される差動信号VINP, VINMを差動の電流に変換するトランジスタのペアである。 Next, the function of each transistor will be described. The transistors M121P and M121M are a pair of transistors that convert the input differential signals VINP and VINM into differential currents.
また、接地されたトランジスタM1Cは一定電流を流す定電流源(テール電流源とも呼ばれる)として機能するトランジスタである。また、トランジスタM122P及びM122Mはいわゆるカレントミラー回路で構成された能動負荷用のトランジスタであり、トランジスタM121P及びM121Mにより変換された差動の電流をシングルエンドの電流に変換して出力するためのものである。 The grounded transistor M1C is a transistor that functions as a constant current source (also referred to as a tail current source) for supplying a constant current. The transistors M122P and M122M are active load transistors configured by so-called current mirror circuits, and are used to convert the differential current converted by the transistors M121P and M121M into a single-ended current for output. is there.
ここで、上記数2のgmは図13の上記トランジスタのペアであるM121P又はM121Mのトランスコンダクタンスである。 Here, gm in the above equation 2 is the transconductance of M121P or M121M that is the pair of transistors in FIG.
上記SCA回路100が入力信号をサンプリングする場合に、上記AMP1回路のトランスコンダクタンスgmを大きくする必要がある。このため、上記SCA回路100の高速サンプリングを実現するためには消費電力が増大してしまうという問題点がある。
When the
一方、ホールドフェーズPHASE-Hでは、出力端子VOUT108の電圧に対する帯域BWPH-Hは次式となる。
On the other hand, in the hold phase PHASE-H, the band BW PH-H with respect to the voltage of the
ここで、CLはホールドフェーズにおいて出力端子VOUT108に接続される次段のサンプリング容量等である。 Here, C L is the next stage of the sampling capacitor or the like connected to the output terminal V OUT 108 in the hold phase.
そうすると、上記SCA回路100の構成では、もし、容量負荷CL106が十分に小さければ、BWPH-S<BWPH-Hとなる。よって、帯域BWPH-Sが上記SCA回路100の帯域を制限してしまうことになるという問題点が生じる。
Then, in the configuration of the
一方、上記SCA回路110はフィードバック回路ではないため、高速動作が可能となり、結果として、広帯域のサンプリングを行うことはできる。しかし、上述のように、上記SCA回路110では出力端子VOUT115に接続される次段の入力インピーダンスはハイインピーダンスである必要があるが、実際にはインピーダンスの高くない回路が配置される。このとき、SCA回路110の出力部でゲインの劣化が起こるという問題点がある。
On the other hand, since the
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、増幅回路、複数のスイッチ、及びキャパシタから構成されるオートゼロを行うスイッチドキャパシタ回路において、広帯域のサンプリング及び動作を行うことができるスイッチドキャパシタ回路及びそれを用いた電子機器を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to perform wideband sampling and operation in a switched capacitor circuit that performs auto zero including an amplifier circuit, a plurality of switches, and a capacitor. It is an object of the present invention to provide a switched capacitor circuit that can be performed and an electronic device using the same.
本発明のスイッチドキャパシタ回路は、上記課題を解決するために、信号入力端子と信号出力端子との間に、差動入力端子を有するM個(Mは1以上)の増幅回路プリアンプと、差動入力端子を有するN個(Nは1以上)の増幅回路オペアンプとを直列に接続してなる構成を備え、上記複数の増幅回路のうち、初段の増幅回路として増幅回路プリアンプが配置され、最終段の増幅回路として増幅回路オペアンプが配置されると共に、さらに、互いに直列に接続された上記M+N個の増幅回路の入出力端子間を接続するためのM+N−1個の入出力間キャパシタと、上記増幅回路プリアンプの差動入力端子と上記信号入力端子との間に配置された、入力信号をサンプリングするためのサンプリングキャパシタと、上記初段の増幅回路プリアンプの差動入力端子と上記信号出力端子との間に配置された移送電荷キャパシタと、上記各増幅回路プリアンプの2つの差動入力端子を短絡するためのM個の差動入力短絡スイッチと、上記各増幅回路オペアンプの反転入力端子と該増幅回路オペアンプの出力端子とを短絡するためのN個の入出力短絡スイッチとを有する構成である。 In order to solve the above problems, a switched capacitor circuit according to the present invention is provided with M (M is 1 or more) amplifier circuit preamplifiers having a differential input terminal between a signal input terminal and a signal output terminal; N amplifiers (N is 1 or more) having operational input terminals are connected in series. Among the plurality of amplifier circuits, an amplifier circuit preamplifier is arranged as the first stage amplifier circuit. An amplification circuit operational amplifier is arranged as a stage amplification circuit, and M + N−1 input / output capacitors for connecting the input / output terminals of the M + N amplification circuits connected in series with each other; A sampling capacitor for sampling an input signal, disposed between the differential input terminal of the amplifier circuit preamplifier and the signal input terminal, and the amplifier circuit preamplifier of the first stage A transfer charge capacitor disposed between the differential input terminal and the signal output terminal; M differential input short-circuit switches for short-circuiting the two differential input terminals of each of the amplifier circuit preamplifiers; This is a configuration having N input / output short-circuit switches for short-circuiting the inverting input terminal of the amplifier circuit operational amplifier and the output terminal of the amplifier circuit operational amplifier.
上記構成によれば、本発明のスイッチドキャパシタ回路では、入力信号に応じた電荷のサンプリングを行うサンプリングフェーズにおいて、M個の差動入力短絡スイッチ及びN個の入出力短絡スイッチは短絡される。これにより、M個(Mは1以上)の増幅回路プリアンプとN個(Nは1以上)の増幅回路オペアンプとM+N−1個の入出力間キャパシタとから構成される部分は、サンプリングフェーズにおける入力信号のサンプリングに無関係となる。また、入出力間キャパシタは、増幅回路プリアンプおよび増幅回路オペアンプの低周波数ノイズをサンプリングする。 According to the above configuration, in the switched capacitor circuit of the present invention, the M differential input short-circuit switches and the N input / output short-circuit switches are short-circuited in the sampling phase in which charge sampling is performed according to the input signal. As a result, a portion constituted by M (M is 1 or more) amplifier circuit preamplifiers, N (N is 1 or more) amplifier circuit operational amplifiers, and M + N−1 input / output capacitors is the input in the sampling phase. It becomes irrelevant to signal sampling. The capacitor between the input and output samples low frequency noise of the amplifier circuit preamplifier and the amplifier circuit operational amplifier.
したがって、本発明のスイッチドキャパシタ回路は、入力信号に応じた電荷をサンプリングする回路をパッシブ素子である初段増幅回路プリアンプの差動入力短絡スイッチ、サンプリングキャパシタのみで構成することが可能である。 Therefore, in the switched capacitor circuit of the present invention, the circuit for sampling the electric charge according to the input signal can be constituted by only the differential input short circuit switch and the sampling capacitor of the first stage amplifier preamplifier which is a passive element.
それゆえ、広帯域のサンプリングとオートゼロを行うスイッチトキャパシタ増幅回路を実現することができる。 Therefore, it is possible to realize a switched capacitor amplifier circuit that performs wide-band sampling and auto-zero.
なお、スイッチトキャパシタ増幅回路における各種スイッチはMOSトランジスタなどのスイッチング素子を好適に用いることができる(以下、同様の説明は省略する)。 Note that switching elements such as MOS transistors can be suitably used for the various switches in the switched capacitor amplifier circuit (the same description is omitted hereinafter).
また、本発明のスイッチドキャパシタ回路は、上記構成にくわえて、N個の前記入出力短絡スイッチうちのいずれか1個以上の前記入出力短絡スイッチに、それぞれある電圧にバイアスされたキャパシタがさらに直列に接続されていることが好ましい。 In addition to the above configuration, the switched capacitor circuit according to the present invention further includes a capacitor biased to a certain voltage in any one or more of the N input / output short-circuit switches. It is preferable that they are connected in series.
上記構成によれば、各増幅回路オペアンプの入出力端子間のバイアス電圧を独立に所望の値に設定することができる。 According to the above configuration, the bias voltage between the input and output terminals of each amplifier operational amplifier can be independently set to a desired value.
また、本発明のスイッチドキャパシタ回路は、信号入力端子と信号出力端子との間に、差動入力端子を有する増幅回路プリアンプと、差動入力端子を有する増幅回路オペアンプとを直列に接続してなる構成を備え、上記増幅回路プリアンプの出力端子と上記増幅回路オペアンプの入力端子とを接続する入出力間キャパシタと、上記増幅回路プリアンプの2つの差動入力端子を短絡するための差動入力短絡スイッチと、上記増幅回路オペアンプの反転入力端子と該増幅回路オペアンプの出力端子とを短絡するための入出力短絡スイッチとを有する構成である。 Further, the switched capacitor circuit of the present invention includes an amplifier circuit preamplifier having a differential input terminal and an amplifier circuit operational amplifier having a differential input terminal connected in series between a signal input terminal and a signal output terminal. And a differential input short circuit for short-circuiting the two differential input terminals of the amplifier circuit preamplifier, and an input / output capacitor connecting the output terminal of the amplifier circuit preamplifier and the input terminal of the amplifier circuit operational amplifier. The switch includes a switch and an input / output short-circuit switch for short-circuiting the inverting input terminal of the amplifier circuit operational amplifier and the output terminal of the amplifier circuit operational amplifier.
上記構成によれば、上記スイッチドキャパシタ回路は、増幅回路プリアンプと増幅回路オペアンプとを入出力間キャパシタを介して直列に接続している。したがって、初段の増幅回路プリアンプの増幅率を小さくしつつ、上記スイッチドキャパシタ回路全体の増幅率を大きくすることができる。また、上記スイッチドキャパシタ回路は、増幅回路プリアンプの2つの差動入力端子を短絡するための差動入力短絡スイッチ及び増幅回路オペアンプの反転入力端子と該増幅回路オペアンプの出力端子とを短絡するための入出力短絡スイッチとを有している。したがって、差動入力短絡スイッチと入出力短絡スイッチとを操作することにより、オートゼロ動作を行うことができる。 According to the above configuration, the switched capacitor circuit has the amplifier circuit preamplifier and the amplifier circuit operational amplifier connected in series via the input / output capacitor. Therefore, the amplification factor of the entire switched capacitor circuit can be increased while reducing the amplification factor of the first stage amplifier circuit preamplifier. The switched capacitor circuit short-circuits the differential input short-circuit switch for short-circuiting the two differential input terminals of the amplifier circuit preamplifier and the inverting input terminal of the amplifier circuit operational amplifier and the output terminal of the amplifier circuit operational amplifier. And an input / output short-circuit switch. Therefore, the auto zero operation can be performed by operating the differential input short-circuit switch and the input / output short-circuit switch.
それゆえ、前述のNまたはMが2以上となる構成に比べ、回路構成が簡単であり、設計が容易である。また、このように、オートゼロ動作を行うスイッチドキャパシタ回路を、フィードバック回路を形成する必要のないコンパレータ等で用いることも可能である。このとき、高速なリセット、信号追従が可能となる。このため、広帯域での動作が可能である。 Therefore, the circuit configuration is simpler and the design is easier than the configuration in which N or M is 2 or more. In addition, in this way, the switched capacitor circuit that performs the auto-zero operation can be used in a comparator or the like that does not need to form a feedback circuit. At this time, high-speed reset and signal tracking are possible. Therefore, it is possible to operate in a wide band.
また、本発明のスイッチドキャパシタ回路は、上記構成にくわえて、前記入出力短絡スイッチに、ある電圧にバイアスされたキャパシタがさらに直列に接続されていることが好ましい。 In the switched capacitor circuit of the present invention, in addition to the above configuration, it is preferable that a capacitor biased to a certain voltage is further connected in series to the input / output short-circuit switch.
上記構成によれば、各増幅回路オペアンプの入出力端子間のバイアス電圧を独立に所望の値に設定することができる。 According to the above configuration, the bias voltage between the input and output terminals of each amplifier operational amplifier can be independently set to a desired value.
また、本発明のスイッチドキャパシタ回路は、上記構成にくわえて、前記プリアンプは入力差動対を有し、入出力間の増幅率が1より大きく20より小さい増幅回路であることが好ましい。 In addition to the above configuration, the switched capacitor circuit of the present invention is preferably an amplifier circuit in which the preamplifier has an input differential pair and an amplification factor between input and output is larger than 1 and smaller than 20.
上記構成によれば、上記プリアンプは入力差動対を有し、入出力間の増幅率が1より大きく20より小さい増幅回路である。 According to the above configuration, the preamplifier is an amplifier circuit having an input differential pair, and an amplification factor between input and output is larger than 1 and smaller than 20.
したがって、上記プリアンプの入出力間の増幅率が小さいので初段のプリアンプ回路における2つの差動入力端子を短絡しても、出力端子における電圧を飽和させないことが可能である。 Therefore, since the amplification factor between the input and output of the preamplifier is small, it is possible not to saturate the voltage at the output terminal even if the two differential input terminals in the first stage preamplifier circuit are short-circuited.
また、本発明のスイッチドキャパシタ回路は、上記構成にくわえて、前記増幅回路オペアンプは、入力信号が電圧であり、出力信号が電流であることが好ましい。 In the switched capacitor circuit of the present invention, in addition to the above configuration, the amplifier circuit operational amplifier preferably has a voltage input signal and a current output signal.
上記構成によれば、電圧信号から、電流信号を得る回路にも本発明のスイッチドキャパシタ回路を適用することができる。 According to the above configuration, the switched capacitor circuit of the present invention can be applied to a circuit that obtains a current signal from a voltage signal.
また、本発明のスイッチドキャパシタ回路は、上記構成にくわえて、動作フェーズとして、オートゼロ動作を行う第1フェーズと、スイッチドキャパシタ回路の入力信号の増幅を行う第2フェーズとを有し、上記サンプリングキャパシタは、第1フェーズにおいて、上記入力信号のサンプリングを行い、上記電荷移送キャパシタは、第2フェーズにおいて、上記第サンプリングキャパシタにサンプリングされた電荷が移送されることが好ましい。 In addition to the above configuration, the switched capacitor circuit of the present invention includes, as operation phases, a first phase that performs an auto-zero operation and a second phase that amplifies an input signal of the switched capacitor circuit. The sampling capacitor samples the input signal in the first phase, and the charge transfer capacitor preferably transfers the sampled charge to the first sampling capacitor in the second phase.
上記構成によれば、複数のスイッチ操作に基づく2つの動作フェーズを有するスイッチドキャパシタ回路において、特定の動作フェーズにおいて、入力信号のサンプリング回路をパッシブ素子のみで構成することが可能である。 According to the above configuration, in a switched capacitor circuit having two operation phases based on a plurality of switch operations, it is possible to configure an input signal sampling circuit with only passive elements in a specific operation phase.
それゆえ、特定のフェーズにおいて、広帯域のサンプリングを行うことができる。 Therefore, broadband sampling can be performed in a specific phase.
また、本発明のスイッチドキャパシタ回路は、上記構成にくわえて、動作フェーズとして、オートゼロ動作を行う第1フェーズと、スイッチドキャパシタ回路の入力信号の増幅を行う第2フェーズとを有し、第1フェーズにおいて、前記増幅回路プリアンプの入力端子と前記信号入力端子との間に配置されると共に、上記入力信号のサンプリングを行う第1のキャパシタと、第2フェーズにおいて、前記増幅回路プリアンプの入力端子と、前記直列接続の最後に配置される増幅回路オペアンプの出力端子との間に配置されると共に、上記第1のキャパシタにサンプリングされた電荷が移送される電荷移送キャパシタを有することを特徴とする請求項3または4に記載のスイッチドキャパシタ回路。
ことが好ましい。
In addition to the above configuration, the switched capacitor circuit of the present invention includes, as operation phases, a first phase for performing an auto zero operation and a second phase for amplifying an input signal of the switched capacitor circuit. In the first phase, the first capacitor is disposed between the input terminal of the amplifier circuit preamplifier and the signal input terminal, and samples the input signal. In the second phase, the input terminal of the amplifier circuit preamplifier. And an output terminal of an amplifier circuit operational amplifier arranged at the end of the series connection, and a charge transfer capacitor for transferring the sampled charge to the first capacitor. The switched capacitor circuit according to claim 3 or 4.
It is preferable.
上記構成によれば、電荷をサンプリングする第1のキャパシタを有し、かつ、複数の動作フェーズを有するスイッチドキャパシタ回路において、特定の動作フェーズにおいて、入力信号のサンプリング回路をパッシブ素子のみで構成することが可能である。 According to the above configuration, in the switched capacitor circuit having the first capacitor for sampling the charge and having a plurality of operation phases, the input signal sampling circuit is configured by only the passive element in the specific operation phase. It is possible.
それゆえ、特定の動作フェーズにおいて、広帯域のサンプリングを行うことができるスイッチドキャパシタ回路を提供できる。 Therefore, it is possible to provide a switched capacitor circuit capable of performing broadband sampling in a specific operation phase.
また、本発明のスイッチドキャパシタ回路は、上記構成にくわえて、信号入力端子と信号出力端子との間に、M個(Mは1以上)の第1の増幅回路と、N個(Nは1以上)の第2の増幅回路とを直列に接続してなる構成を備え、互いに直列に接続された上記M+N個の増幅回路の入出力端子間を接続するためのM+N−1個の入出力間キャパシタと、上記M+N個の増幅回路のうち初段の増幅回路の入力端子と上記信号入力端子との間に配置された、入力信号をサンプリングするためのサンプリングキャパシタと、上記初段の増幅回路の入力端子と上記信号出力端子との間に配置された移送電荷キャパシタと、上記各増幅回路の入力端子と該増幅回路の出力端子とを短絡するためのN個の入出力短絡スイッチとを有する構成である。 In addition to the above configuration, the switched capacitor circuit of the present invention includes M (M is 1 or more) first amplifier circuits and N (N is N) between the signal input terminal and the signal output terminal. M + N−1 inputs / outputs for connecting the input / output terminals of the M + N amplifier circuits connected in series to each other. A sampling capacitor for sampling an input signal, and an input of the first-stage amplifier circuit, disposed between the input terminal of the first-stage amplifier circuit and the signal input terminal among the M + N amplifier circuits A transfer charge capacitor disposed between the terminal and the signal output terminal, and N input / output short-circuit switches for short-circuiting the input terminal of each amplifier circuit and the output terminal of the amplifier circuit. is there.
上記構成によれば、本発明のスイッチドキャパシタ回路を様々な種類の増幅回路に適用することができる。 According to the above configuration, the switched capacitor circuit of the present invention can be applied to various types of amplifier circuits.
また、本発明の相関2重サンプリング回路は、差動入力端子を有する増幅回路プリアンプと、差動入力端子を有する増幅回路オペアンプとを直列に接続してなる構成を備えた相関2重サンプリング回路において、上記増幅回路プリアンプの出力端子と上記増幅回路オペアンプの入力端子との間に配置される入出力間キャパシタと、上記増幅回路プリアンプの2つの差動入力端子を短絡するための差動入力短絡スイッチと、上記増幅回路オペアンプの反転入力端子と該増幅回路オペアンプの出力端子とを短絡するための入出力短絡スイッチと、上記増幅回路プリアンプの入力端子と上記信号入力端子との間にスイッチを介さず直接接続されるサンプリングキャパシタとを有することを特徴としている。 The correlated double sampling circuit of the present invention is a correlated double sampling circuit having a configuration in which an amplifier circuit preamplifier having a differential input terminal and an amplifier circuit operational amplifier having a differential input terminal are connected in series. An input / output capacitor disposed between the output terminal of the amplifier circuit preamplifier and the input terminal of the amplifier circuit operational amplifier, and a differential input short-circuit switch for short-circuiting the two differential input terminals of the amplifier circuit preamplifier And an input / output short-circuit switch for short-circuiting the inverting input terminal of the amplifier circuit operational amplifier and the output terminal of the amplifier circuit operational amplifier, and without a switch between the input terminal and the signal input terminal of the amplifier circuit preamplifier. And a sampling capacitor directly connected.
上記構成によれば、上記プリアンプの出力端子と上記オペアンプの入力端子との間に配置される入出力間キャパシタと、上記プリアンプの2つの差動入力端子を短絡するための差動入力短絡スイッチと、上記オペアンプの反転入力端子と該オペアンプの出力端子とを短絡するための入出力短絡スイッチとを有している。それゆえこれらのスイッチを操作することにより、オートゼロ動作を実現することができる。 According to the above configuration, the input / output capacitor disposed between the output terminal of the preamplifier and the input terminal of the operational amplifier, and the differential input short-circuit switch for short-circuiting the two differential input terminals of the preamplifier And an input / output short-circuit switch for short-circuiting the inverting input terminal of the operational amplifier and the output terminal of the operational amplifier. Therefore, by operating these switches, auto-zero operation can be realized.
また、増幅回路プリアンプと増幅回路オペアンプとの2段構成にすることにより、相関2重サンプリング回路の増幅率を大きくした場合でも、消費電力の若干の増加だけでホールドフェーズ(サンプリングした電荷を保持するフェーズ)における帯域を大幅に改善することができる
それゆえ、オートゼロ動作、相関2重サンプリングを実現しつつ、さらに、イメージセンサの急峻な変化に高速に追従可能なサンプリング動作を行うことができる相関2重サンプリング回路を提供できる。
Further, by adopting a two-stage configuration of the amplifier circuit preamplifier and the amplifier circuit operational amplifier, even when the amplification factor of the correlated double sampling circuit is increased, the hold phase (holds the sampled charge) with only a slight increase in power consumption. Therefore, it is possible to perform a sampling operation capable of following an abrupt change of the image sensor at a high speed while realizing auto-zero operation and correlated double sampling. A double sampling circuit can be provided.
また、本発明の相関2重サンプリング回路は、上記構成にくわえて、前記入出力短絡スイッチに、ある電圧にバイアスされたキャパシタがさらに直列に接続されていることが好ましい。 In the correlated double sampling circuit of the present invention, in addition to the above configuration, it is preferable that a capacitor biased to a certain voltage is further connected in series to the input / output short-circuit switch.
上記構成によれば、各増幅回路オペアンプの入出力端子間のバイアス電圧を独立に所望の値に設定することができる。 According to the above configuration, the bias voltage between the input and output terminals of each amplifier operational amplifier can be independently set to a desired value.
また、本発明の相関2重サンプリング回路は、上記構成にくわえて、前記オペアンプの出力端子と相関2重サンプリング回路の出力端子との間に出力端子間スイッチが配置され、オートゼロ動作時に遮断されることを特徴とすることが好ましい。 In addition to the above configuration, the correlated double sampling circuit of the present invention is provided with an inter-output-terminal switch between the output terminal of the operational amplifier and the output terminal of the correlated double sampling circuit, and is shut off during auto-zero operation. It is preferable to be characterized by this.
上記構成によれば、前記オペアンプの出力端子と相関2重サンプリング回路の出力端子との間に出力端子間スイッチが配置され、オートゼロ動作時に遮断される。 According to the above configuration, the switch between the output terminals is arranged between the output terminal of the operational amplifier and the output terminal of the correlated double sampling circuit, and is shut off during the auto zero operation.
したがって、相関2重サンプリング回路を部品として含む該相関2重サンプリング回路以外の回路と相関2重サンプリング回路との動作タイミングのずれのために入出力信号に依存してオートゼロ動作が妨害されるという現象を回避することができる。 Therefore, a phenomenon in which the auto-zero operation is disturbed depending on the input / output signal due to a shift in operation timing between a circuit other than the correlated double sampling circuit including the correlated double sampling circuit as a component and the correlated double sampling circuit. Can be avoided.
本発明は上記構成の回路に限られず、広く一般の電子機器にたいして適用することが
可能である。
The present invention is not limited to the circuit having the above structure, and can be widely applied to general electronic devices.
本発明のオートゼロを行うスイッチドキャパシタ回路は、以上のように、入力信号のサンプリング回路をパッシブ素子のみで構成することが可能である。それゆえ、広帯域のサンプリングを行うことができるという効果を奏する。 As described above, the switched capacitor circuit that performs auto-zero according to the present invention can include a sampling circuit for an input signal only with passive elements. Therefore, there is an effect that broadband sampling can be performed.
また、本発明のスイッチドキャパシタ回路はフィードバック回路を構成しないスイッチドキャパシタ回路において、増幅率を大きくすることができる。また、広帯域での動作を可能としつつ、回路全体の増幅率を大きくすることができるという効果を奏する。 The switched capacitor circuit of the present invention can increase the amplification factor in the switched capacitor circuit that does not constitute a feedback circuit. In addition, there is an effect that the amplification factor of the entire circuit can be increased while enabling operation in a wide band.
[実施の形態1]
本発明の一実施形態について図1〜3に基づいて説明すれば、以下の通りである。
[Embodiment 1]
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
まず図1に基づいて、本実施の形態におけるSCA回路10の構成について説明する。
First, based on FIG. 1, the structure of the
図1は上記SCA回路10の構成を示す回路図である。上記SCA回路10は、図1に示すように、増幅回路PRE−AMP1、演算増幅回路OPAMP1、複数のスイッチ、及び複数のキャパシタとから構成される。
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of the
上記SCA回路10は、増幅回路として、低周波数およびゼロ周波数における増幅率(DCゲイン)が1より大きく20より小さい増幅回路PRE−AMP1と、十分に大きなDCゲインを有する演算増幅回路OPAMP1との2つの増幅回路を備えている。
The
また、上記SCA回路10は、5つのスイッチSW1A、SW2、SW1B、SW3、及びSW5を備えている。上記SW1Aは、増幅回路PRE−AMP1の非反転入力端子とグランドレベルとを短絡・遮断するためのスイッチである。上記SW2は、キャパシタCSの一方の端子をグランドレベル又は入力端子VINに接続するためのスイッチである。上記SW1Bは、OPAMP1回路の反転入力端子と出力端子とを短絡・遮断するためのスイッチである。上記SW3は、キャパシタCFの一方の端子を基準電圧信号が与えられた端子VREF又はOPAMP1回路の出力端子に接続するためのスイッチである。上記SW5は、外部の容量負荷CLと上記SCA回路10の出力端子とを短絡・遮断するためのスイッチである。
The
また、上記SCA回路10は、3つのキャパシタCS、CC、及びCFを備えている。上記キャパシタCSは入力信号に応じた電荷をサンプリングするためのキャパシタである。上記キャパシタCCは上記PRE−AMP1回路の出力端子と上記OPAMP1回路の反転入力端子とを接続するためのキャパシタである。上記キャパシタCFは基準電圧信号に応じた電荷をサンプリングするとともに、上記キャパシタCSから電荷の移送を受けるキャパシタである。
The
つぎに、図1に基づいて上記SCA回路10の動作について説明する。上記SCA回路10には、動作フェーズとして、サンプリングフェーズPHASE−SとホールドフェーズPHASE−Hとがある。
Next, the operation of the
まず、各フェーズにおけるスイッチの短絡・遮断状態について説明し、つぎに、サンプリング動作について説明する。図1のスイッチの接続状態はサンプリングフェーズPHASE-Sにおける上記SCA回路10の状態を示す。上記SCA回路10のホールドフェーズPHASE-Hでは、スイッチSW1A及びSW1Bは遮断され、スイッチSW2及びSW3はもう一方の端子に接続を切り換えられ、スイッチSW5は短絡される。
First, the switch short-circuit / shut-off state in each phase will be described, and then the sampling operation will be described. The switch connection state in FIG. 1 indicates the state of the
ここで、上記SCA回路10のキャパシタCS及びCFが入力信号VINに応じた電荷、及び基準電圧信号VREFに応じた電荷をサンプリングするが、そのサンプリング動作にアクティブ素子であるPRE−AMP1回路及びOPAMP1回路は関与しない。 Here, the capacitors C S and C F of the SCA circuit 10 sample the charge according to the input signal V IN and the charge according to the reference voltage signal V REF , and PRE-AMP1 which is an active element for the sampling operation. The circuit and the OPAMP1 circuit are not involved.
すなわち、上記SCA回路10はサンプリングフェーズPHASE-Sにおいて構成される入力信号のサンプリング回路がスイッチとキャパシタとからなるパッシブ素子(キャパシタCS、CF、スイッチSW1A、SW2、及びSW3)のみで構成される。
That is, the
そうすると、上記SCA回路10のこの場合のサンプリングフェーズ時の帯域は
Then, the bandwidth at the sampling phase in this case of the
のようになる。この式には、トランスコンダクタンスgmが含まれていないことがわかる。ここで、上記SCA回路10のキャパシタCS、CFにかかる電圧は上記BWPH−S1で表される時定数で所望の電圧値に漸近的に近づく(セトリングする)。さらに、図1に示すように、上記SCA回路10のスイッチSW2及びSW3は理想的なものであるとし、スイッチSW1Aの抵抗値をRSWとした。
become that way. It can be seen that this equation does not include the transconductance gm. Here, the voltages applied to the capacitors C S and C F of the
従って、上記SCA回路10の帯域BWPH−S1のトランスコンダクタンスgm依存性がなくなるため、サンプリングフェーズPHASE-Sにおいて上記従来のSCA回路100のような帯域の制限はなくなる。また、上記SCA回路10はパッシブ素子のみから構成されるため、低消費電力でかつ広帯域なサンプリング動作を実現することができ、スルーレートによる制限等もない。なお、パッシブ素子とはキャパシタ、インダクタ、抵抗等の直流電流を必要としない回路のことである。
Accordingly, since the transconductance gm dependency of the band BW PH-S1 of the
次に、図1に基づき、PRE−AMP1回路およびOPAMP1回路の低周波ノイズに対するオートゼロ効果について考える。PHASE−Sにおいて、NET1が0Vとなるため、PRE−AMP1回路の出力電圧は−VOS1×A1となる。ここで、A1はPRE−AMP1のDCゲインであり、通常1より大きく20より小さい。 Next, based on FIG. 1, the auto-zero effect on low frequency noise of the PRE-AMP1 circuit and the OPAMP1 circuit will be considered. In PHASE-S, since NET1 is 0V, the output voltage of the PRE-AMP1 circuit is −V OS1 × A1. Here, A1 is the DC gain of PRE-AMP1, which is usually larger than 1 and smaller than 20.
また、SW1BがNET3と出力端子VOUTを短絡することにより、NET3の電圧はVOS2となる。従って、キャパシタCc間の電圧は
−A1・VOS1−VOS2
となる。
Further, SW1B short-circuits NET3 and output terminal VOUT, so that the voltage at NET3 becomes VOS2. Therefore, the voltage across the capacitor Cc is −A1 · V OS1 −V OS2
It becomes.
また、キャパシタCSおよびCFに蓄積される電荷はそれぞれCS×VINとCF×VREFとなる。PHASE_Hにおいて、OPAMP1が理想演算増幅回路であるとすると、出力電圧は次式で与えられる。
VOUT−H=(CS/CF)・VIN+VREF
従って、PRE−AMP1とOPAMP1のDCに近い低周波ノイズは出力電圧に影響を与えない。ここで、図1に示す電圧源VOS1とVOS2は、それぞれPRE−AMP1とOPAMP1とを構成するトランジスタのミスマッチや、1/fノイズをモデル化したものであり、実際に電圧源を配置しているのではない。
The charges accumulated in the capacitors C S and C F are C S × VIN and C F × VREF, respectively. In PHASE_H, if OPAMP1 is an ideal operational amplifier circuit, the output voltage is given by the following equation.
V OUT−H = (C S / C F ) · V IN + V REF
Therefore, low frequency noise close to DC of PRE-AMP1 and OPAMP1 does not affect the output voltage. Here, the voltage sources VOS1 and VOS2 shown in FIG. 1 are modeled on mismatches between the transistors constituting PRE-AMP1 and OPAMP1 and 1 / f noise, respectively, and the voltage sources are actually arranged. Not.
また、上記SCA回路10では、PRE−AMP1回路を一段とOPAMP1回路を一段の構成としたが、それぞれ多段にしてもよい。図2はこのように多段に構成した一例として、増幅回路をPRE−AMP2段とOPAMP2段とで合計4段設けた場合のSCA回路20を示す回路図である。
In the
つぎに、図2に基づいて上記SCA回路20の構成について説明する。
Next, the configuration of the
なお、本実施の形態において説明すること以外の構成は、上記SCA回路10と同じである。また、説明の便宜上、上記SCA回路10の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
The configuration other than that described in the present embodiment is the same as that of the
上記SCA回路20は、図2に示すように、増幅回路PRE−AMP1、増幅回路PRE−AMP2、演算増幅回路OPAMP1、演算増幅回路OPAMP2、複数のスイッチ、及びキャパシタとから構成される。
As shown in FIG. 2, the
上記SCA回路20は、増幅回路として、DCゲインが1〜20程度の増幅回路PRE−AMP1及び増幅回路PRE−AMP2と、十分に大きなDCゲインを有する演算増幅回路OPAMP1及び演算増幅回路OPAMP2との2つの増幅回路を備えている。
The
また、上記SCA回路20は、7つのスイッチSW1A1、SW1A2、SW2、SW1B1、SW1B2、SW3、及びSW5を備えている。
The
上記SW1A1及びSW1A2は、上記PRE−AMP1回路及び上記PRE−AMP2回路の非反転入力端子とグランドレベルとを短絡・遮断するためのスイッチである。 The SW1A1 and SW1A2 are switches for short-circuiting / cutting off the non-inverting input terminal of the PRE-AMP1 circuit and the PRE-AMP2 circuit and the ground level.
上記SW1B及びSW1B2は、上記OPAMP1回路及び上記OPAMP2回路の反転入力端子と出力端子とを短絡・遮断するためのスイッチである。 The SW1B and SW1B2 are switches for short-circuiting / cutting off the inverting input terminal and the output terminal of the OPAMP1 circuit and the OPAMP2 circuit.
そのほかのスイッチは上記SCA回路10の場合と同様である。
Other switches are the same as those of the
また、上記SCA回路10は、6つのキャパシタCS、CCC1、CCC2、CCC3、CF及びCCOMPを備えている。
The
上記キャパシタCCC1、CCC2、及びCCC3は上記2つのPRE−AMP回路の出力端子と上記2つのOPAMP回路の反転入力端子とをそれぞれ接続するためのキャパシタである。 The capacitors C CC1 , C CC2 , and C CC3 are capacitors for connecting the output terminals of the two PRE-AMP circuits and the inverting input terminals of the two OPAMP circuits, respectively.
上記CCOMPは以下で説明する位相補償キャパシタである。 The C COMP is a phase compensation capacitor described below.
その他のキャパシタは上記SCA回路10の場合と同様である。
Other capacitors are the same as in the case of the
つぎに、図2に基づいて上記SCA回路20の動作について説明する。
Next, the operation of the
まず、各フェーズにおけるスイッチの短絡・遮断状態について説明し、つぎに、サンプリング動作について説明する。 First, the switch short-circuit / shut-off state in each phase will be described, and then the sampling operation will be described.
図2のスイッチの接続状態はサンプリングフェーズPHASE-Sにおける上記SCA回路20の状態を示す。上記SCA回路20のホールドフェーズPHASE-Hでは、スイッチSW1A1、SW1A2、SW1B1、及びSW1B2は遮断され、スイッチSW2及びSW3はもう一方の端子に接続を切り換えられ、スイッチSW5は短絡される。
The switch connection state in FIG. 2 shows the state of the
ここで、上記SCA回路20のキャパシタCS及びCFが入力信号VINに応じた電荷、及び基準電圧信号VREFに応じた電荷をサンプリングするが、そのサンプリング動作にアクティブ素子であるPRE−AMP1回路、PRE−AMP2回路及びOPAMP1回路、OPAMP2回路は関与しない。 Here, the capacitors C S and C F of the SCA circuit 20 sample the charge according to the input signal VIN and the charge according to the reference voltage signal V REF , and PRE-AMP1 which is an active element for the sampling operation. The circuit, PRE-AMP2 circuit, OPAMP1 circuit, and OPAMP2 circuit are not involved.
すなわち、上記SCA回路20はサンプリングフェーズPHASE-Sで構成される入力信号のサンプリング回路がスイッチとキャパシタとからなるパッシブ素子(キャパシタCS、CF、スイッチSW1A、SW2、及びSW3)のみで構成される。
That is, the
そうすると、上記SCA回路20のこの場合のサンプリングフェーズ時の帯域BWPH−S2は上記SCA回路10の場合の数4と同じになる。
Then, the band BW PH-S2 in the sampling phase in this case of the
従って、上記SCA回路20の帯域BWPH−S2のトランスコンダクタンスgm依存性がなくなるため、サンプリングフェーズPHASE-Sにおいて上記従来のSCA回路100のような帯域の制限はなくなる。また、上記SCA回路20はパッシブ素子のみから構成されるため、低消費電力でかつ広帯域なサンプリング動作を実現することができ、スルーレートによる制限等もない。
Accordingly, since the transconductance gm dependency of the band BW PH-S2 of the
しかし、上記SCA回路20では、ホールドフェーズPHASE-Hで、多段のアンプが直列に接続されるため、安定性が悪くなるという問題点がある。
However, the
そこで、図2のように位相補償する構成を上記SCA回路20に追加する必要がある。上記SCA回路20では、増幅率が低いPRE−AMP1回路とPRE−AMP2回路とがキャパシタCC1を介して直列に接続されている。
Therefore, it is necessary to add a configuration for phase compensation as shown in FIG. In the
一方、上記SCA回路20では、増幅率が高い(アプリケーションによるが一般的には60dB等の増幅率を有する)演算増幅回路OPAMP1とOPAMP2とがキャパシタCC3を通して直列に接続される。また、PRE−AMP2回路とOPAMP1回路との間にキャパシタCC2が配置されている。
On the other hand, in the
ここで、図2に示すように、上記SCA回路20では、ホールドフェーズPHASE−Hでのフィードバック経路を安定化するために、位相補償キャパシタCcompと位相補償抵抗Rcompとが配置されている。
Here, as shown in FIG. 2, in the
上記SCA回路20では、多くの増幅回路及び/又は演算増幅回路を直列に接続することができるため、PRE−AMP1回路からOPAMP2回路の出力端子を見たときのDCゲインを大幅に増大することができ、高精度なSCA回路を実現することができる。
In the
また、複数のPRE−AMP回路と複数のOPAMP回路とで構成する場合、初段はPRE−AMP回路、最終段がOPAMP回路であれば、その他の順番は変更した構成としてもよい。 In the case of a plurality of PRE-AMP circuits and a plurality of OPAMP circuits, if the first stage is a PRE-AMP circuit and the last stage is an OPAMP circuit, the other orders may be changed.
図3はそのような1例であるSCA回路30を示す回路図である。
FIG. 3 is a circuit diagram showing an
なお、上記SCA回路30では4つの増幅回路の配列が変わるのみで、その他は上記SCA回路10及び上記SCA回路20と同様であるので説明は省略する。
The
なお、本発明は、次の実施の形態2に示すように、ホールドフェーズにおいてフィードバック回路を形成するSCA回路に限定されるものではなく、フィードバック回路を形成する必要のないコンパレータ等で用いることが可能である。 The present invention is not limited to the SCA circuit that forms the feedback circuit in the hold phase, as shown in the second embodiment, and can be used in a comparator that does not need to form a feedback circuit. It is.
また、本実施の形態1では、説明を簡単にするためにシングルエンド回路を用いて説明したが、本発明はシングルエンド回路に限定されるものではない。高精度な回路を構成する場合には通常全差動回路が用いられる。全差動回路を用いたSCA回路の例を実施の形態3に示す。 Further, although the first embodiment has been described using a single-ended circuit for the sake of simplicity, the present invention is not limited to a single-ended circuit. When a highly accurate circuit is configured, a fully differential circuit is usually used. Embodiment 3 shows an example of an SCA circuit using a fully differential circuit.
なお、シングルエンド回路とは、差動増幅回路の出力端子が1つである回路であり、一方、全差動回路とは、出力端子が2つであり対称性を有する回路である。 Note that a single-ended circuit is a circuit having one output terminal of a differential amplifier circuit, while a fully differential circuit is a circuit having two output terminals and symmetry.
[実施の形態2]
つぎに、本発明の他の実施の形態について図4に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態1と同じである。また、説明の便宜上、前記実施の形態1の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
[Embodiment 2]
Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Configurations other than those described in the present embodiment are the same as those in the first embodiment. For convenience of explanation, members having the same functions as those shown in the drawings of the first embodiment are given the same reference numerals, and explanation thereof is omitted.
まず、図4に基づいて本発明の第2の実施の形態のスイッチドキャパシタコンパレータ(以下「SCC回路40」と呼ぶ)の構成について説明する。
First, the configuration of a switched capacitor comparator (hereinafter referred to as “
上記SCC回路40は2つの演算増幅回路と、2つのスイッチと、1つのキャパシタと、後段に接続されたコンパレータ(比較回路)から構成される。
The
上記SCC回路40は、増幅回路としては、増幅回路PRE−AMP1と演算増幅回路PRE−AMP2とを備えている。
The
上記SCC回路40は、スイッチとしては、上記回路PRE−AMP1の差動入力端子間を短絡・遮断するスイッチSW1A、及び上記PRE−AMP2回路の反転入力端子と非反転入力端子とを短絡・遮断するSW1Bとを備えている。
The
また、上記SCC回路40は、キャパシタとしては、上記PRE−AMP1回路の出力端子と上記PRE−AMP2回路の反転入力端子とを接続するためのキャパシタCCが設けられている。
Also, the
また、上記SCC回路40の上記PRE−AMP2回路の出力端子側にはコンパレータCOMP1の非反転入力端子が接続されている。
The non-inverting input terminal of the comparator COMP1 is connected to the output terminal side of the PRE-AMP2 circuit of the
つぎに、図4に基づいて、上記SCC回路40の動作について説明する。
Next, the operation of the
上記SCC回路40には2つの動作フェーズであるリセットフェーズ(以下「PHASE−R」と呼ぶ)と増幅フェーズ(以下「PHASE−A」と呼ぶ)とがある。
The
まず、各フェーズにおけるスイッチの短絡・遮断状態について説明し、つぎに、増幅動作について説明する。 First, the switch short-circuit / shut-off state in each phase will be described, and then the amplification operation will be described.
図4に示す上記SCC回路40のスイッチの接続状態はPHASE−Rにおける状態を示す。上記SCC回路40のPHASE−Aでは、スイッチSW1A及びSW1Bは遮断される。
The connection state of the switches of the
上記SCC回路40におけるPHASE−Aでは入力信号VINが2段の演算増幅器PRE−AMP1及びPRE−AMP2によって増幅される。
In PHASE-A in the
つぎに、増幅された信号は上記PRE−AMP2回路の出力端子から出力される。この上記PRE−AMP2回路から出力された信号はコンパレータCOMP1の非反転入力端子入力され、その信号が該コンパレータCOMP1の反転入力端子が接続された基準電圧レベル(ここではグランドレベルである)と比較される。そしてその結果がデジタル値として出力端子DOUTから出力される。 Next, the amplified signal is output from the output terminal of the PRE-AMP2 circuit. The signal output from the PRE-AMP2 circuit is input to the non-inverting input terminal of the comparator COMP1, and the signal is compared with a reference voltage level (here, the ground level) to which the inverting input terminal of the comparator COMP1 is connected. The The result is output as a digital value from the output terminal DOUT .
PHASE−Rにおいて、上記PRE−AMP1回路およびPRE−AMP2回路の出力電圧は
VOUT1−R=A1・VOS1およびVOUT2−R=A2/(1+A2)VOS2〜VOS2となる。
ここで、上記PRE−AMP1回路の増幅率をA1、PRE−AMP2回路の増幅率をA2とした。また、PHASE−Rにおいて、キャパシタCc間にはVOUT1−R−VOUT2−Rの電圧に相当する電荷が保持される。
In PHASE-R, the output voltages of the PRE-AMP1 circuit and the PRE-AMP2 circuit are V OUT1-R = A 1 · V OS1 and V OUT2-R = A 2 / (1 + A 2 ) V OS2 to V OS2 .
Here, the amplification factor of the PRE-AMP1 circuit the amplification factor of A 1, PRE-AMP2 circuit and A 2. In PHASE-R, a charge corresponding to the voltage V OUT1-R −V OUT2-R is held between the capacitors Cc.
また、PHASE−Aでの上記PRE−AMP1回路の出力電圧は
VOUT1−A=(VIN+VOS1)・A1
となる。
The output voltage of the PRE-AMP1 circuit in PHASE-A is V OUT1-A = (V IN + V OS1 ) · A1
It becomes.
よって、これら2つの式より、PHASE−Aにおける上記PRE−AMP2回路の出力電圧は次式で表すことができる
VOUT2−A=A1・A2・VIN
この式から、上記SCC回路40の出力電圧は電流源VOS1及び電流源VOS2の影響をうけていないことがわかる。
Therefore, from these two equations, the output voltage of the PRE-AMP2 circuit in PHASE-A can be expressed by the following equation: V OUT2−A = A1 · A2 · V IN
From this equation, it can be seen that the output voltage of the
したがって、上記SCC回路40の出力電圧は上記PRE−AMP1回路及び上記PRE−AMP2回路のオフセット電圧や低周波ノイズの影響を受けにくい。
Therefore, the output voltage of the
上記SCC回路40は、このような構成を採用することにより、PHASE-R時に入力端子VIN側にフィードバック回路が構成されず、高速なリセット、信号追従が可能となる。したがって、上記SCC回路40は広帯域での動作が可能である。
By adopting such a configuration, the
なお、上記SCC回路40の構成は、基本的に従来の上記SCA回路110の構成に類似している。従って、上記SCA回路110でも入力端子VIN側にフィードバック回路が構成されないため、高速なリセット、信号追従が可能である。
The configuration of the
しかし、上記SCC回路40ように増幅回路を多段で構成した場合には前段の上記PRE−AMP1回路の増幅率A1を小さくしつつ、上記PRE−AMP2回路の増幅率A2を大きくできる。したがって、上記SCC回路40の回路全体の増幅率を上記従来のSCA回路110よりも大きくできる。
However, when the amplifier circuit is configured in multiple stages like the
また、上記SCC回路40の上記PRE−AMP2回路は入出力端子間が短絡されているため、リセットフェーズPHASE−Rにおいて、出力端子の電圧が飽和することはないという利点がある。
Further, since the PRE-AMP2 circuit of the
[実施の形態3]
本発明のさらに他の実施の形態について、図5〜9に基づいて説明する。なお、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態1及び2と同じである。また、説明の便宜上、前記実施の形態1及び2の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
[Embodiment 3]
Still another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Configurations other than those described in the present embodiment are the same as those in the first and second embodiments. For convenience of explanation, members having the same functions as those shown in the drawings of
図5は本発明のさらに他の実施の形態であるCDS回路50を示す回路図である。ここで、CDS回路とは相関2重サンプリングを可能とする回路のことである。
FIG. 5 is a circuit diagram showing a
上記CDS回路50は、本発明をCCD(電荷結合素子、以下同じ。)イメージセンサ用CDS回路に適用した例である。
The
まず、図5に基づき上記CDS回路50の構成について説明する。
First, the configuration of the
上記CDS回路50は、増幅回路PRE−AMP1と演算増幅回路OPAMP1と複数のスイッチ及び複数のキャパシタとから構成される。
The
また、図5に示すように、上記CDS回路50は全差動回路で構成されており、上下に対称な回路構成となる。
Further, as shown in FIG. 5, the
従って、ここでは対称となる上記CDS回路50の上側のみについて説明し、下側についての説明は省略する。また対称ではない部分については以下で説明する。
Accordingly, only the upper side of the
具体的には、上記CDS回路50の増幅回路はDCゲインが1より大きく20より小さいの全差動型増幅回路PRE−AMP1と、十分に大きなDCゲインを有する全差動型演算増幅回路OPAMP1とから構成されている。
Specifically, the amplifier circuit of the
通常、CCDイメージセンサ出力はシングルエンドであるため、その出力はCDS回路の一方の入力端子に接続され、他方はグランドレベル等に接続される。従って、上記CDS回路50はシングルエンドのCDSイメージセンサ出力を全差動出力に変換する。
Since the CCD image sensor output is usually single-ended, the output is connected to one input terminal of the CDS circuit, and the other is connected to the ground level or the like. Therefore, the
また、上記CDS回路50は、5つのキャパシタCS、CF、CC、CR、及びCLを備えている。
The
上記キャパシタCSは、CCDイメージセンサの出力信号をサンプリングするためのキャパシタである。 The capacitor CS is a capacitor for sampling the output signal of the CCD image sensor.
上記キャパシタCFは、キャパシタCSがサンプリングした電荷が移送されるキャパシタである。 The capacitor C F is the capacitor charges the capacitor C S is sampled is transported.
上記キャパシタCCは、上記PRE−AMP1回路の反転出力端子とOPAMP1回路の反転入力端子とを接続するためのキャパシタである。 The capacitor C C is a capacitor for connecting the inverted input terminal of the inverting output terminal and OPAMP1 circuit of the PRE-AMP1 circuit.
上記キャパシタCRは、上記OPAMP1回路の反転入力端子と非反転出力端子との間に、下記で説明するスイッチSW1B1及びSW1B2を介して接続されるOPAMP1回路のリセット用キャパシタである。 The capacitor C R is provided between the inverting input terminal and the non-inverting output terminal of the OPAMP1 circuit, a reset capacitor of OPAMP1 circuit connected through the switch SW1B1 and SW1B2, described below.
上記キャパシタCLは、上記CDS回路50の次段に配置されるサンプリング容量であるCDS回路の負荷キャパシタである。
The capacitor C L is a load capacitor of the CDS circuit is a sampling capacitor which is arranged in the next stage of the
なお、上記CDS回路50の増幅率を可変にする場合には、例えばCFを複数のキャパシタとスイッチとの組で構成した可変キャパシタを用いればよい。
In order to make the amplification factor of the
また、上記CDS回路50は、対称及び非対称のものを含めると、合計13個のスイッチSW1A、SW1B1、SW1B2、SW2、SW3、SW4、及びSW5を備えている。
The
上記SW1A及びSW2は、PHASE-Sにおいて導通するスイッチである。 SW1A and SW2 are switches that conduct in PHASE-S.
上記SW3は、PHASE-S及びPHASE-HにおいてキャパシタCFの一方の端子をそれぞれ端子VREFP及びVOUTPに接続するスイッチである。 The SW3, respectively one terminal of the capacitor C F in PHASE-S and PHASE-H is a switch that connects the terminals V REFP and V OUTP.
上記スイッチSW1B1及びSW1B2は、PHASE-S及びPHASE-HにおいてキャパシタCRの両側の端子をそれぞれ端子VCMI、VCMO、キャパシタCCの一方の端子、及びOPAMP1回路の出力端子に接続するスイッチである。 The switch SW1B1 and SW1B2 is, PHASE-S and PHASE-H in the capacitor C R, respectively terminals V CMI both sides of the terminal, V CMO, a switch connected to the output terminal of one terminal, and OPAMP1 circuit of the capacitor C C is there.
上記スイッチSW4は、PHASE-HにおいてOPAMP1回路の非反転出力端子を出力端子VOUTPに接続するスイッチである。 The switch SW4 is a switch for connecting the non-inverting output terminal of OPAMP1 circuits in PHASE-H to the output terminal V OUTP.
上記スイッチSW5は、あるフェーズPHASE-H2において出力端子VOUTPと次段のサンプリングキャパシタCLとを短絡するスイッチである。 The switch SW5 is a switch for short-circuiting the output terminal V OUTP and the next stage of the sampling capacitor C L in one phase PHASE-H2.
つぎに、上記CDS回路50におけるPRE−AMP1回路及びOPAMP1回路の一例をそれぞれ図6及び図8に示す。
Next, examples of the PRE-AMP1 circuit and the OPAMP1 circuit in the
図6は上記CDS回路におけるPRE−AMP1回路の構成を示す回路図である。また、図8は一般的なスイッチドキャパシタ回路におけるOPAMP1回路の構成を示す回路図である。 FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration of the PRE-AMP1 circuit in the CDS circuit. FIG. 8 is a circuit diagram showing the configuration of the OPAMP1 circuit in a general switched capacitor circuit.
図6に示すように、上記CDS回路50のPRE−AMP1回路では、PMOS差動対(トランジスタM1P及びM1M)と、差動対に一定の電流を供給するテール電流源であるPMOS(トランジスタM1C)と、差動対の能動負荷となるNMOSトランジスタ(トランジスタM2M、M2P、M2CP、及びM2CM)とから構成される。
As shown in FIG. 6, in the PRE-AMP1 circuit of the
ここで、上記CDS回路50の増幅率G=CS/CFに応じて図6に示すPRE−AMP1の能動負荷NMOSのサイズを可変にすることでPHASE−H時のフィードバックループの安定性と帯域とのトレードオフを改善することができる(非特許文献2参照)。
Here, by changing the size of the active load NMOS of PRE-AMP1 shown in FIG. 6 according to the amplification factor G = C S / C F of the
なお、可変サイズの能動負荷NMOSは非特許文献2のスライド「ピー・ジー・エー・アンプリファイア・デザイン(PGA Amplifier Design)」と同様に簡単に構成することができる。 The variable-size active load NMOS can be easily configured in the same manner as the slide “PGA Amplifier Design” of Non-Patent Document 2.
また、図8に示すように、上記CDS回路50のOPAMP1回路では、NMOS差動対(トランジスタM3P及びM3M)と、差動対に一定の電流を供給するテール電流源であるNMOS(トランジスタM3C)と、差動対の能動負荷となるPMOSトランジスタ(トランジスタM4M、M4P)とから構成される。
As shown in FIG. 8, in the OPAMP1 circuit of the
つぎに、図5に基づいて、上記CDS回路50の動作について説明する。
Next, the operation of the
上記CDS回路50には、動作フェーズとして、サンプリングフェーズPHASE−SとホールドフェーズPHASE−Hとがある。
The
図5のスイッチの接続状態はサンプリングフェーズPHASE−Sにおける状態を示す。 The switch connection state in FIG. 5 indicates the state in the sampling phase PHASE-S.
上記CDS回路50は、サンプリングフェーズPHASE−Sのとき、PRE−AMP1回路及びOPAMP1回路のオートゼロ動作を行うと同時にCCDイメージセンサのリセット信号レベルに応じた電荷をサンプリングキャパシタCSがサンプリングする。
The
一方、上記CDS回路50は、ホールドフェーズPHASE−Hでは、CCDイメージセンサの画素データ信号レベルと該リセット信号レベルとの差が増幅されて出力端子VOUTP及びVOUTMから出力される。また、上記CDS回路50の次段の容量負荷キャパシタCLが出力信号VOUTP及びVOUTMに応じた電荷をサンプリングする。
Meanwhile, the
上記CDS回路50は、PRE−AMP1回路とOPAMP1回路との2段構成にすることにより、CDS回路の増幅率=CS/CFを大きくした場合でも、消費電力の若干の増加だけでPHASE-Hにおける帯域を大幅に改善することができる(非特許文献3を参照)。
The
一方、前記実施の形態1で示したことと同様の理由により、上記CDS回路50では、PRE−AMP1回路及びOPAMP1回路の入力換算オフセット電圧(DCオフセット)は増幅回路を構成する能動素子が理想的であると仮定すると完全に除去される。
On the other hand, for the same reason as described in the first embodiment, in the
また、上記CDS回路50のCCDイメージセンサ出力信号に応じた電荷をサンプリングするサンプリング回路はパッシブ素子(キャパシタCS及びスイッチSW1A)のみで構成される。
The sampling circuit for sampling the charge corresponding to the CCD image sensor output signal of the
このため、上記CDS回路50は、スイッチSW1Aを構成するMOSFETのチャネル幅を大きくすることにより、消費電力を増加することなく、サンプリング回路の時定数を低減することができる。また、上記CDS回路50は、急激に変化する該出力信号を精度よくサンプリングすることも可能となる。
Therefore, the
また、上記CDS回路50のPRE−AMP1回路の入力端子のコモンモード電圧(図5のPRE−AMP1回路の入力端子側の領域NET1P、NET1Mにおける電圧)を低くすることができるため、スイッチSW1Aにおいて小さいトランジスタサイズで低抵抗のスイッチを実現することができる。
Further, since the common mode voltage (voltage in the regions NET1P and NET1M on the input terminal side of the PRE-AMP1 circuit in FIG. 5) of the input terminal of the PRE-AMP1 circuit of the
また、kTC及び熱ノイズに関しても、上記CDS回路50は、図11の上記従来のSCA回路100に基づいてCDS回路を構築した場合に比べ、同程度の低ノイズ化を達成することができる。
Further, regarding the kTC and thermal noise, the
さらに、上記CDS回路50では、OPAMP1回路の出力端子と信号出力端子VOUTP及びVOUTMとの間にスイッチSW4を設けている。
Further, in the
以下では、このスイッチSW4を設けた理由について説明する。 Hereinafter, the reason why the switch SW4 is provided will be described.
まず、イメージセンサ用アナログフロントエンドでは、上記CDS回路50はCCDイメージセンサの出力信号に応じた電荷を効率的にサンプリングするため該出力信号に合わせたタイミングで動作するが、上記CDS回路50以降の回路は、別のタイミングで動作する。
First, in the analog front end for an image sensor, the
従って、上記CDS回路50では、PHASE−SにおいてPRE−AMP1回路及びOPAMP1回路がオートゼロを終了する直前に、容量負荷CLがOPAMP1回路の出力端子に接続される可能性がある。
Therefore, in the
以下では、図9に基づいて上記CDS回路50と上記CDS回路50以降の回路との動作タイミングのずれについて説明する。
In the following, a shift in operation timing between the
図9は上記CDS回路50におけるCCD出力信号、PHASE-S、PHASE-H、及びPHASE-H2の動作タイミングを示すタイミング図である。
FIG. 9 is a timing chart showing the operation timing of the CCD output signal, PHASE-S, PHASE-H, and PHASE-H2 in the
図9に示すように、PHASE-H2が低電圧となるときにはキャパシタCLに直前のPHASE-Hにおいて上記CDS回路50が増幅した電圧に依存した電荷が蓄積される。通常、CDS回路の動作タイミングとその後段に配置されるスイッチトキャパシタ回路の動作タイミングは異なるため、PHASE−SとPHASE−H2が同時に高電圧となる。このとき、もしスイッチSW4を設けない場合、上記CDS回路50の後段のサンプリング容量であるCLがCDS回路50のオートゼロ動作を妨害する。
As shown in FIG. 9, the charge that depends on the voltage the
つまり、上記CDS回路50の出力信号に大きな歪みが生じてしまう。これを回避するため、上記CDS回路50ではスイッチSW4を設けている。
That is, a large distortion occurs in the output signal of the
また、スイッチSW4はPHASE-HにおいてPRE−AMP1回路、キャパシタCC、OPAMP1回路及びキャパシタCFからなるフィードバックパスにあり、出力端子VOUTP及びVOUTMの直前に配置される。このためスイッチSW4のオン抵抗歪みのセトリング特性に与える影響は小さい。 The switch SW4 is in the feedback path comprising the PHASE-H PRE-AMP1 circuit, the capacitor C C, OPAMP1 circuit and the capacitor C F, is arranged immediately before the output terminal V OUTP and V OUTM. For this reason, the influence of the on-resistance distortion of the switch SW4 on the settling characteristics is small.
さらに、上記CDS回路50では、OPAMP1回路の反転入力端子と非反転出力端子をある電位差(VCMO−VCMI)にバイアスされたキャパシタCRを通して短絡している。これは、上記CDS回路50のOPAMP1回路の入力端子と出力端子のコモンモード電圧が異なるためである。なお、上記CDS回路50のOPAMP1回路の入力端子と出力端子のコモンモード電圧が同じ場合には、単にスイッチで短絡するだけでよい。
Further, in the
また、上記CDS回路50では、PHASE-SとPHASE-Hとの間においてキャパシタCCから移送される電荷はほとんどない。このため、上記CDS回路50では、PHASE−SにおいてキャパシタCRをOPAMP1回路側に接続してもOPAMP1回路の反転・非反転出力は出力端子VCMOの電圧値に近い値となる。
Further, in the
つぎに、上記CDS回路50の帯域特性について説明する。スイッチSW1A及びSW2を通した領域NET1PとNET1Mとの間の抵抗値を2・RSWとし、スイッチSW3の抵抗値をゼロ、CCDセンサ出力ドライバの出力インピーダンスをゼロとする。そうすると、結局上記実施の形態1で導出した数4と同じ結果となる。
すなわち、帯域BWPH−S3=BWPH−S1となる。
Next, the band characteristics of the
That is, the band BW PH-S3 = BW PH-S1 .
従って、上記実施の形態1の場合と同様に、上記CDS回路50のPHASE−Sにおける入力信号サンプリング回路の帯域BWPH−S3はPRE−AMP1およびOPAMP1のトランスコンダクタンスgmへの依存性がなくなるため、サンプリングフェーズPHASE-Sにおいて上述のような帯域の制限はなくなる。
Accordingly, as in the case of the first embodiment, the band BW PH-S3 of the input signal sampling circuit in the PHASE-S of the
〔実施例〕
さて、ここで上記実施の形態1及び3の実施例であるSCA回路60における熱ノイズについて考える。
〔Example〕
Now, let us consider thermal noise in the
図10は上記SCA回路60の構成を示す回路図である。
FIG. 10 is a circuit diagram showing a configuration of the
上記SCA回路60は図1の上記SCA回路10の構成を図5のように全差動回路で構成し図1の上記SCA回路10のPRE−AMP1回路を図7の差動増幅回路で構成し、OPAMP1回路を図8の演算増幅回路で構成した場合に相当する。
The
したがって、上記SCA回路60の構成等は基本的に上記SCA回路10と同様であるので詳細は省略する。
Therefore, the configuration of the
上述した、従来のSCA回路100の場合と同様に、上記SCA回路60では、3種類の熱ノイズが発生する。すなわち、kTCノイズ、オートゼロノイズ、及びホールドノイズである。
As in the case of the
上記SCA回路60におけるこれらのノイズの入力端子VIN(VINP−VINM)への入力換算値を表2に示す(実際の値は表2の値を2倍したものであるが、表1のと比較を簡単にするためここでは実際の値の1/2を示す)。表2では上記SCA回路60におけるノイズの理論値とその近似値を示す。上記SCA回路60の増幅率が大きいときは、希望する入力信号が小さくても良いということであり、もし、入力信号が小さい場合には、上記SCA回路60の低入力換算ノイズが要求される。
The input conversion values of these noises to the input terminal V IN (V INP −V INM ) in the
そこで、表2において上記SCA回路60の入出力間の増幅率G=Cs/CF>>1、定数γ=1と仮定して近似値を導いた。
Therefore, in Table 2, an approximate value was derived on the assumption that the gain G = Cs / C F >> 1 between the input and output of the
ここで、gm1は図7のトランジスタM1P及びM1Mのトランスコンダクタンス、gm2は図7のトランジスタM2P、M2Mのトランスコンダクタンス、gm2cは図7のトランジスタM2CP、M2CMのトランスコンダクタンス、gm3は図8のトランジスタM3P、M3Mのトランスコンダクタンス、及びgm4は図8のトランジスタM4P、M4Mのトランスコンダクタンスを表す。 Where gm1 is the transconductance of transistors M1P and M1M in FIG. 7, gm2 is the transconductance of transistors M2P and M2M in FIG. 7, gm2c is the transconductance of transistors M2CP and M2CM in FIG. 7, and gm3 is the transistor M3P in FIG. M3M transconductance and gm4 represent the transconductances of the transistors M4P and M4M in FIG.
上記SCA回路60では、ホールドノイズにおいて、増幅率Gを大きく設定する場合、それに応じてトランスコンダクタンスの比gm3/gm2の値も大きくするため、定数γOPAMPは5〜10と大きな値となってしまう(Gが6程度のとき)。ホールドノイズは表1の値に比べて大きくなる。
In the
しかしながら、上記SCA回路60では、オートゼロノイズの式に(gm2/gm1)2の項が入っているため、表1の値に比べてオートゼロノイズが小さくなる。従って、上記SCA回路60におけるオートゼロノイズ、ホールドノイズ及びkTCノイズの合計値は上記従来のSCA回路100と同程度のノイズ量にすることができる。
However, in the
なお、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope shown in the claims, and the present invention can be obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. Such embodiments are also included in the technical scope of the present invention.
本発明は、オートゼロを行うスイッチドキャパシタ回路及びそれを用いた電子機器に広く適用できる。具体的にはイメージセンサモジュールや音声信号処理システムのアナログフロントエンド等に用いられる相関2重サンプリング回路及びそれを用いた電子機器にも適用できる。また、広帯域のサンプリングを行う必要がある回路なら何でも良く、これらの回路を含む電子機器などにも広く適用できる。 The present invention can be widely applied to a switched capacitor circuit that performs auto-zero and electronic devices using the same. Specifically, the present invention can also be applied to a correlated double sampling circuit used for an image sensor module, an analog front end of an audio signal processing system, and an electronic device using the same. In addition, any circuit that needs to perform broadband sampling may be used, and it can be widely applied to electronic devices including these circuits.
10 SCA回路(スイッチドキャパシタ回路)
20 SCA回路(スイッチドキャパシタ回路)
30 SCA回路(スイッチドキャパシタ回路)
40 SCC回路(スイッチドキャパシタ回路)
50 CDS回路(相関2重サンプリング回路)
60 SCA回路(スイッチドキャパシタ回路)
CC キャパシタ(入出力間キャパシタ)
CC1 キャパシタ(入出力間キャパシタ)
CC2 キャパシタ(入出力間キャパシタ)
CC3 キャパシタ(入出力間キャパシタ)
CF キャパシタ(移送電荷キャパシタ)
CL キャパシタ
CR キャパシタ(バイアスキャパシタ)
CS キャパシタ(サンプリングキャパシタ)
CCOMP 位相補償キャパシタ(位相補償キャパシタ)
M1C トランジスタ
M1M トランジスタ
M1P トランジスタ
M2CM トランジスタ
M2CP トランジスタ
M2P トランジスタ
M2M トランジスタ
M3M トランジスタ
M3P トランジスタ
M4M トランジスタ
M4P トランジスタ
OPAMP1 演算増幅器(増幅回路オペアンプ)
OPAMP2 演算増幅器(増幅回路オペアンプ)
PRE−AMP1 差動増幅器(増幅回路プリアンプ)
PRE−AMP2 差動増幅器(増幅回路プリアンプ)
RCOMP 位相補償抵抗
SW1A スイッチ(差動入力短絡スイッチ)
SW1A1 スイッチ(差動入力短絡スイッチ)
SW1A2 スイッチ(差動入力短絡スイッチ)
SW1B スイッチ(入出力短絡スイッチ)
SW1B1 スイッチ(入出力短絡スイッチ)
SW1B2 スイッチ(入出力短絡スイッチ)
SW2 スイッチ(信号入力スイッチ)
SW3 スイッチ(出力側スイッチ)
SW4 スイッチ(出力端子間スイッチ)
SW5 スイッチ
VCMI 端子
VIN 入力端子又は入力電圧(信号入力端子)
VOS1 電圧源
VOS2 電圧源
VOUT 出力端子又は出力電圧(信号出力端子)
VOUTM 出力端子又は出力電圧(信号出力端子)
VOUTP 出力端子又は出力電圧(信号出力端子)
VREF 基準電圧端子又は基準電圧
VREFM 基準電圧端子又は基準電圧
VREFP 基準電圧端子又は基準電圧
10 SCA circuit (switched capacitor circuit)
20 SCA circuit (switched capacitor circuit)
30 SCA circuit (switched capacitor circuit)
40 SCC circuit (switched capacitor circuit)
50 CDS circuit (correlated double sampling circuit)
60 SCA circuit (switched capacitor circuit)
C C capacitor (between input and output capacitor)
C C1 capacitor (capacitor between input and output)
C C2 capacitor (capacitor between input and output)
C C3 capacitor (capacitor between input and output)
CF capacitor (transfer charge capacitor)
CL capacitor CR capacitor (bias capacitor)
CS capacitor (sampling capacitor)
C COMP phase compensation capacitor (phase compensation capacitor)
M1C transistor M1M transistor M1P transistor M2CM transistor M2CP transistor M2P transistor M2M transistor M3M transistor M3P transistor M4M transistor M4P transistor OPAMP1 operational amplifier (amplifier operational amplifier)
OPAMP2 operational amplifier (amplifier operational amplifier)
PRE-AMP1 differential amplifier (amplifier preamplifier)
PRE-AMP2 differential amplifier (amplifier preamplifier)
R COMP phase compensation resistor SW1A switch (differential input short-circuit switch)
SW1A1 switch (differential input short-circuit switch)
SW1A2 switch (differential input short-circuit switch)
SW1B switch (I / O short-circuit switch)
SW1B1 switch (I / O short-circuit switch)
SW1B2 switch (I / O short-circuit switch)
SW2 switch (signal input switch)
SW3 switch (output side switch)
SW4 switch (switch between output terminals)
SW5 switch V CMI terminal V IN input terminal or input voltage (signal input terminal)
V OS1 voltage source V OS2 voltage source V OUT output terminal or output voltage (signal output terminal)
V OUTM output terminal or output voltage (signal output terminal)
V OUTP output terminal or output voltage (signal output terminal)
V REF reference voltage terminal or reference voltage V REFM reference voltage terminal or reference voltage V REFP reference voltage terminal or reference voltage
Claims (14)
上記複数の増幅回路のうち、初段の増幅回路として増幅回路プリアンプが配置され、最終段の増幅回路として増幅回路オペアンプが配置されると共に、
さらに、互いに直列に接続された上記M+N個の増幅回路の入出力端子間を接続するためのM+N−1個の入出力間キャパシタと、
上記増幅回路プリアンプの差動入力端子と上記信号入力端子との間に配置された、入力信号をサンプリングするためのサンプリングキャパシタと、
上記初段の増幅回路プリアンプの差動入力端子と上記信号出力端子との間に配置された移送電荷キャパシタと、
上記各増幅回路プリアンプの2つの差動入力端子を短絡するためのM個の差動入力短絡スイッチと、
上記各増幅回路オペアンプの反転入力端子と該増幅回路オペアンプの出力端子とを短絡するためのN個の入出力短絡スイッチとを有するスイッチドキャパシタ回路。 M (M is 1 or more) amplifier circuit preamplifiers having differential input terminals and N (N is 1 or more) amplifier circuit operational amplifiers having differential input terminals between a signal input terminal and a signal output terminal Are connected in series,
Among the plurality of amplifier circuits, an amplifier circuit preamplifier is disposed as the first stage amplifier circuit, and an amplifier circuit operational amplifier is disposed as the last stage amplifier circuit.
And M + N−1 input / output capacitors for connecting the input / output terminals of the M + N amplifier circuits connected in series to each other;
A sampling capacitor disposed between the differential input terminal of the amplifier circuit preamplifier and the signal input terminal for sampling an input signal;
A transfer charge capacitor disposed between the differential input terminal of the first stage amplifier circuit preamplifier and the signal output terminal;
M differential input short-circuit switches for short-circuiting the two differential input terminals of each amplifier circuit preamplifier;
A switched capacitor circuit having N input / output short-circuit switches for short-circuiting the inverting input terminal of each amplifier circuit operational amplifier and the output terminal of the amplifier circuit operational amplifier.
上記増幅回路プリアンプの出力端子と上記増幅回路オペアンプの入力端子とを接続する入出力間キャパシタと、
上記増幅回路プリアンプの2つの差動入力端子を短絡するための差動入力短絡スイッチと、
上記増幅回路オペアンプの反転入力端子と該増幅回路オペアンプの出力端子とを短絡するための入出力短絡スイッチとを有するスイッチドキャパシタ回路。 An amplifier circuit preamplifier having a differential input terminal and an amplifier circuit operational amplifier having a differential input terminal are connected in series between the signal input terminal and the signal output terminal,
An input-output capacitor connecting the output terminal of the amplifier circuit preamplifier and the input terminal of the amplifier circuit operational amplifier;
A differential input short-circuit switch for short-circuiting the two differential input terminals of the amplifier circuit preamplifier;
A switched capacitor circuit having an input / output short-circuit switch for short-circuiting an inverting input terminal of the amplifier circuit operational amplifier and an output terminal of the amplifier circuit operational amplifier.
上記サンプリングキャパシタは、第1フェーズにおいて、上記入力信号のサンプリングを行い、
上記電荷移送キャパシタは、第2フェーズにおいて、上記第サンプリングキャパシタにサンプリングされた電荷が移送されることを特徴とする請求項1または2に記載のスイッチドキャパシタ回路。 As operation phases, there are a first phase for performing auto-zero operation, and a second phase for amplifying the input signal of the switched capacitor circuit,
The sampling capacitor performs sampling of the input signal in the first phase,
3. The switched capacitor circuit according to claim 1, wherein the charge transfer capacitor transfers the sampled charge to the first sampling capacitor in the second phase.
第1フェーズにおいて、前記増幅回路プリアンプの入力端子と前記信号入力端子との間に配置されると共に、上記入力信号のサンプリングを行う第1のキャパシタと、
第2フェーズにおいて、前記増幅回路プリアンプの入力端子と、前記直列接続の最後に配置される増幅回路オペアンプの出力端子との間に配置されると共に、上記第1のキャパシタにサンプリングされた電荷が移送される電荷移送キャパシタを有することを特徴とする請求項3または4に記載のスイッチドキャパシタ回路。 As operation phases, there are a first phase for performing auto-zero operation, and a second phase for amplifying the input signal of the switched capacitor circuit,
In the first phase, the first capacitor is disposed between the input terminal of the amplifier circuit preamplifier and the signal input terminal and performs sampling of the input signal;
In the second phase, the charge that is sampled is transferred to the first capacitor while being arranged between the input terminal of the amplifier circuit preamplifier and the output terminal of the amplifier circuit operational amplifier arranged at the end of the series connection. 5. The switched capacitor circuit according to claim 3 or 4, further comprising a charge transfer capacitor.
互いに直列に接続された上記M+N個の増幅回路の入出力端子間を接続するためのM+N−1個の入出力間キャパシタと、
上記M+N個の増幅回路のうち初段の増幅回路の入力端子と上記信号入力端子との間に配置された、入力信号をサンプリングするためのサンプリングキャパシタと、
上記初段の増幅回路の入力端子と上記信号出力端子との間に配置された移送電荷キャパシタと、
上記各増幅回路の入力端子と該増幅回路の出力端子とを短絡するためのN個の入出力短絡スイッチとを有するスイッチドキャパシタ回路。 M (M is 1 or more) first amplifier circuits and N (N is 1 or more) second amplifier circuits are connected in series between the signal input terminal and the signal output terminal. With configuration,
M + N−1 input / output capacitors for connecting the input / output terminals of the M + N amplifier circuits connected in series to each other;
A sampling capacitor for sampling an input signal, disposed between the input terminal of the first stage amplifier circuit among the M + N amplifier circuits and the signal input terminal;
A transfer charge capacitor disposed between an input terminal of the first stage amplifier circuit and the signal output terminal;
A switched capacitor circuit having N input / output short-circuit switches for short-circuiting the input terminal of each amplifier circuit and the output terminal of the amplifier circuit.
上記増幅回路プリアンプの出力端子と上記増幅回路オペアンプの入力端子との間に配置される入出力間キャパシタと、
上記増幅回路プリアンプの2つの差動入力端子を短絡するための差動入力短絡スイッチと、
上記増幅回路オペアンプの反転入力端子と該増幅回路オペアンプの出力端子とを短絡するための入出力短絡スイッチと、
上記増幅回路プリアンプの入力端子と上記信号入力端子との間にスイッチを介さず直接接続されるサンプリングキャパシタとを有することを特徴とする相関2重サンプリング回路。 In a correlated double sampling circuit having a configuration in which an amplifier preamplifier having a differential input terminal and an amplifier operational amplifier having a differential input terminal are connected in series,
An input-output capacitor disposed between the output terminal of the amplifier circuit preamplifier and the input terminal of the amplifier circuit operational amplifier;
A differential input short-circuit switch for short-circuiting the two differential input terminals of the amplifier circuit preamplifier;
An input / output short-circuit switch for short-circuiting the inverting input terminal of the amplifier circuit operational amplifier and the output terminal of the amplifier circuit operational amplifier;
A correlated double sampling circuit comprising: a sampling capacitor directly connected between the input terminal of the amplifier circuit preamplifier and the signal input terminal without a switch.
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