JP2009010510A - スイッチドキャパシタ回路及びその応用回路 - Google Patents

スイッチドキャパシタ回路及びその応用回路 Download PDF

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Abstract

【課題】動作期間を短縮せずに、サンプリングキャパシタを次段の動作に使って、キャパシタによる熱雑音を削減することができるスイッチドキャパシタ回路及びその応用回路を提供すること。
【解決手段】2つのキャパシタCF11、CF12を用意して、これらのキャパシタによってサンプリングと次段増幅とを交互に行い、各キャパシタに関してみれば、サンプリング→増幅→次段増幅→休止を繰り返すものである。このとき、2つのキャパシタCF11、CF12がサンプリングと次段増幅とを交互に同時に併行して行うことによりサンプリングキャパシタを次段の増幅に使うにもかかわらず、動作期間を短縮する必要がなく雑音の削減が可能となる。
【選択図】図1

Description

本発明は、スイッチドキャパシタ回路及びその応用回路に関し、特に、キャパシタによる熱雑音を削減することができるスイッチドキャパシタ回路及びその応用回路に関する。
図10(a)は、従来のフリップアラウンド型と言われるスイッチドキャパシタ回路の基本単位構成を示す図である(特許文献1参照)。このスイッチドキャパシタ回路は、オペアンプ11、帰還キャパシタCF、及びサンプリングキャパシタCSを備え、帰還キャパシタCFは、一端が入力Vin又はオペアンプ11の出力に選択的に接続され、他端はオペアンプ11の入力又は固定電位(例えばアース)に選択的に接続される。サンプリングキャパシタCSは、一端が入力Vin又は固定電位に選択に選択的に接続され、他端はオペアンプ11の入力又は固定電位に選択的に接続される。
図10(b)は、図10(a)に示される回路のサンプリング期間における接続状態を説明する図である。このサンプリング期間において、帰還キャパシタCFは、一端が入力Vinに接続され、他端は固定電位に接続される。サンプリングキャパシタCSは、一端が入力Vinに接続され、他端は固定電位に接続される。これにより、サンプリングキャパシタCS、帰還キャパシタCFの両端電圧が入力電圧Vinになるまで電荷を充電し、サンプリングキャパシタCS、帰還キャパシタCFに蓄えられる電荷はそれぞれCSVin、CFVinとなる。なお、矢印は、図10(b)では正の電荷の流れを表し、図10(c)、図10(d)では負の電荷の流れを表し、図中の+、−はそれぞれある一定量の正電荷、負電荷を模式的に表したものである。
図10(c)は、図10(a)に示される回路の増幅期間における接続状態を説明する図である。この増幅期間において、帰還キャパシタCFは、一端がオペアンプ11の出力に接続され、他端はオペアンプ11の入力に接続される。サンプリングキャパシタCSは、一端が固定電位に接続され、他端はオペアンプ11の入力に接続される。これにより、端子Xは仮想接地(電位がグランドと同じ)であるため、サンプリングキャパシタCSの両端電圧は0になり、サンプリングキャパシタCSに蓄えられた電荷CSVinがすべて帰還キャパシタCFに移動する。帰還キャパシタCFにはもともとCFVinの電荷が蓄えられていたので、帰還キャパシタCFには合計CSVin+CFVinの電荷が充電される。帰還キャパシタCFの両端電圧は、
(CSVin+CFVin)/CF=(CF+CS)/CF×Vin
となる。端子Xは仮想接地であるため、Voutは帰還キャパシタCFの両端電圧に等しく
Vout=(CF+CS)/CF×Vin
となりVinが増幅される。
図10(d)は、図10(c)に示される回路のCSの片側端子を接地する代わりに電圧VDACに接続した回路の構成を示す図である。これにより、VDACを引き算することができる。
Vout=(CF+CS)/CF×Vin−CS/CF×VDAC
パイプライン型A/D変換器では、CS=CFであり、VDACは±VREF又は0であるので、
Vout=(2×Vin)、(2×Vin+VREF)又は(2×Vin−VREF)
のように3通りの出力を出すことができる。
図11(a)は、直列接続された従来のスイッチドキャパシタ回路の構成を示す図である。直列に接続されたk段及びk+1段の各スイッチドキャパシタ回路はいずれも図10に示したものと同じである。図11(b)は、k段がサンプリングモードであり、k+1段が増幅モードの状態を示す。図11(c)は、k段が増幅モードであり、k+1段がサンプリングモードの状態を示す。このk段増幅、k+1段サンプリングモード時のキャパシタによる熱雑音を考察する。CF1=CS2(CF2)としたとき、k段の帰還係数をbとするとCF1の熱雑音電圧はCS2(CF2)の熱雑音電圧の1−b倍であり、b>0であるから、CF1に加わる雑音はCS2(CF2)に加わる雑音よりも少ない。したがって、k段目の帰還キャパシタCF1を転用してk+1段目のサンプリング容量CS2としても用いるという趣旨で、k+1段増幅のために帰還キャパシタCF1に充電されている電荷を使うことが考えられる。
特開2006−086981号公報
しかし、この場合には、帰還キャパシタCF1はk+1段増幅のためにも使われるため、図12に示すように、帰還キャパシタCF1を、k段サンプリング、k段増幅(k+1段サンプリング)、k+1段増幅という3つのモードに分けて動作させることが必要となり、全体の動作速度を変えないようにするためには、(k段)サンプリング期間と次段(k+1段)増幅期間を短縮しなければならない。そして、その期間を短縮するためにはオペアンプの消費電流を大きくしなければならず、期間を短縮してもオペアンプの消費電流自体は流れ続けるため、サンプリング期間と前段のオペアンプの消費電力の関係及び次段増幅期間と次段のオペアンプの消費電力の関係は、近似的に反比例の関係にあり、これらサンプリング期間と次段増幅期間を短縮すると、複数段からなるスイッチドキャパシタ回路の電力消費が増加してしまう。
本発明は、上記問題点に鑑み、動作期間を短縮せずに、サンプリングキャパシタを次段の動作に使って、キャパシタによる熱雑音を削減することができるスイッチドキャパシタ回路及びその応用回路を提供することを目的とする。
本発明のスイッチドキャパシタ回路は、増幅器と、
第1端子が、(1).入力、(2).参照電圧、若しくは(3).前記増幅器出力に選択的に接続するか、又は(4).開放され、第2端子が、(1).固定電位、(2).次段増幅器入力、若しくは(3).前記増幅器入力に選択的に接続するか、又は(4).開放される、第1及び第2キャパシタと
を備え、
第1サンプリング期間において、第1キャパシタ第1端子は(1).入力に接続され、第1キャパシタ第2端子は(1).固定電位に接続され、第2キャパシタ第1端子は(2).前記参照電圧に接続され、第2キャパシタ第2端子は(2).前記次段増幅器入力に接続され、
第1増幅期間において、第1キャパシタ第1端子は(3).前記増幅器出力に接続され、第1キャパシタ第2端子は(3).前記増幅器入力に接続され、第2キャパシタ第1端子は両端とも(4).開放され、
第2サンプリング期間において、第1キャパシタ第1端子は(2).前記参照電圧に接続され、第1キャパシタ第2端子は(2).前記次段増幅器入力に接続され、第2キャパシタ第1端子は(1).入力に接続され、第2キャパシタ第2端子は(1).固定電位に接続され、
第2増幅期間において、第1キャパシタは両端とも(4).開放され、第2キャパシタ第1端子は(3).前記増幅器出力に接続され、第2キャパシタ第2端子は(3).前記増幅器入力に接続され、
これら、第1サンプリング期間、第1増幅期間、第2サンプリング期間、及び第2増幅期間が順に繰り返されることを特徴とする。
また、本発明のスイッチドキャパシタ回路は、増幅器と、
第1端子が、(1).入力、(2).参照電圧、若しくは(3).前記増幅器出力に選択的に接続するか、又は(4).開放され、第2端子が、(1).固定電位、(2).次段増幅器入力、若しくは(3).前記増幅器入力に選択的に接続するか、又は(4).開放される、第1及び第2キャパシタと、
第1端子が、(1).入力、又は(2).前記増幅器出力に選択的に接続し、第2端子が、(1).固定電位、又は(2).前記増幅器入力に選択的に接続する、第3キャパシタと
を備え、
第1サンプリング期間において、第1キャパシタ第1端子は(1).入力に接続され、第1キャパシタ第2端子は(1).固定電位に接続され、第2キャパシタ第1端子は(2).前記参照電圧に接続され、第2キャパシタ第2端子は(2).前記次段増幅器入力に接続され、第3キャパシタ第1端子は(1).入力に接続され、第3キャパシタ第2端子は(1).固定電位に接続され、
第1増幅期間において、第1キャパシタ第1端子は(3).前記増幅器出力に接続され、第1キャパシタ第2端子は(3).前記増幅器入力に接続され、第2キャパシタ第1端子は両端とも(4).開放され、第3キャパシタ第1端子は(2).前記増幅器出力に接続され、第3キャパシタ第2端子は(2).前記増幅器入力に接続され、
第2サンプリング期間において、第1キャパシタ第1端子は(2).前記参照電圧に接続され、第1キャパシタ第2端子は(2).前記次段増幅器入力に接続され、第2キャパシタ第1端子は(1).入力に接続され、第2キャパシタ第2端子は(1).固定電位に接続され、第3キャパシタ第1端子は(1).入力に接続され、第3キャパシタ第2端子は(1).固定電位に接続され、
第2増幅期間において、第1キャパシタは両端とも(4).開放され、第2キャパシタ第1端子は(3).前記増幅器出力に接続され、第2キャパシタ第2端子は(3).前記増幅器入力に接続され、第3キャパシタ第1端子は(2).前記増幅器出力に接続され、第3キャパシタ第2端子は(2).前記増幅器入力に接続され、
これら、第1サンプリング期間、第1増幅期間、第2サンプリング期間、及び第2増幅期間が順に繰り返されることを特徴とする。
また、本発明の増幅回路は、上記スイッチドキャパシタ回路を備えることを特徴とする。
また、本発明のアナログ/ディジタル変換器は、上記スイッチドキャパシタ回路を備えることを特徴とする。
本発明によれば動作期間を短縮せずに、サンプリングキャパシタを次段の動作に使って、キャパシタによる熱雑音を削減することができる。
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
図1(a)は、本発明の実施例1によるスイッチドキャパシタ回路の構成を示す図である。本実施例1のスイッチドキャパシタ回路は、オペアンプ11、帰還キャパシタCF11、CF12を備えるk段目の回路及び同様のk+1段目の回路からなる。帰還キャパシタCF11、CF12は、いずれも一端が、(1).入力Vin、(2).参照電圧VDAC、若しくは(3).オペアンプ11出力に選択的に接続するか、又は(4).開放され、他端が、(1).固定電位(例えばアース)、(2).次段オペアンプ12入力、若しくは(3).オペアンプ11入力に選択的に接続するか、又は(4).開放される。
図1(b)は、本発明の実施例1のスイッチドキャパシタ回路の動作を示す図であり、図2は各動作における回路接続状態を示す図である。まず、図2(a)において、k段は帰還キャパシタCF11によってVinをサンプリングする。つぎに、図2(b)において、k段は帰還キャパシタCF11によって増幅し、k+1段はCF22によってサンプリングする。図2(c)において、k段は帰還キャパシタCF12によってVinをサンプリングし、k+1段はCF11、CF22によって増幅する。そして図2(d)において、k段はCF12によって増幅し、k+1段はCF21によってサンプリングする。結局各段は、サンプリング及び次段増幅を併行して行う期間と、増幅する期間とが存在するだけであり、従来技術において検討した期間の短縮をする必要がなく雑音の削減が可能となる。
図3(a)は、本発明の実施例2によるスイッチドキャパシタ回路の構成を示す図である。本実施例2のスイッチドキャパシタ回路は、オペアンプ11、帰還キャパシタCF11、CF12、CF1を備えるk段目の回路及びオペアンプ12、帰還キャパシタCF21、CF22、CF2を備えるk+1段目の回路からなる。帰還キャパシタCF11、CF12は、いずれも一端が、(1).入力Vin、(2).参照電圧VDAC、若しくは(3).オペアンプ11出力に選択的に接続するか、又は(4).開放され、他端が、(1).固定電位(例えばアース)、(2).次段オペアンプ12入力、若しくは(3).オペアンプ11入力に選択的に接続するか、又は(4).開放される。帰還キャパシタCF1は、一端が、(1).入力Vin、又は(2).オペアンプ11出力に選択的に接続し、他端が、(1).固定電位、又は(2).オペアンプ11入力に選択的に接続する。
図3(b)は、本発明の実施例2のスイッチドキャパシタ回路の動作を示す図であり、図4は各動作における回路接続状態を示す図である。まず、図4(a)において、k段は帰還キャパシタCF11、CF1によってVinをサンプリングする。つぎに、図4(b)において、k段は帰還キャパシタCF11、CF1によって増幅し、k+1段はCF22、CF2によってサンプリングする。図4(c)において、k段は帰還キャパシタCF12、CF1によってVinをサンプリングし、k+1段はCF11、CF22、CF2によって増幅する。そして図4(d)において、k段はCF12、CF1によって増幅し、k+1段はCF21、CF2によってサンプリングする。結局各段は、サンプリング及び次段増幅を併行して行う期間と、増幅する期間とが存在するだけであり、従来技術において検討した期間の短縮をする必要がなく雑音の削減が可能となる。本実施例2においては更に、帰還容量の一部を交互に使用することで段間の容量のスケーリングを行うことができる。例えば、CF1=CF11=CF12、CF2=CF21=CF22、CF2=γCF1、γ=1/2として、段間のスケーリング率を1/2とすることでパイプライン型A/D変換器を実現することができる。
図5(a)は、本発明の実施例3によるスイッチドキャパシタ回路の構成を示す図である。本実施例3の回路は、オペアンプ11、帰還キャパシタCF11、CF12を備えるサンプリングホールド回路及びオペアンプ12、帰還キャパシタCF21、CF22、CF2を備える1段目のスイッチドキャパシタ回路からなる。帰還キャパシタCF11、CF12は、いずれも一端が、(1).入力Vin、(2).参照電圧VDAC、若しくは(3).オペアンプ11出力に選択的に接続するか、又は(4).開放され、他端が、(1).固定電位(例えばアース)、(2).次段オペアンプ12入力、若しくは(3).オペアンプ11入力に選択的に接続するか、又は(4).開放される。
帰還キャパシタCF21、CF22は、いずれも一端が、(1).オペアンプ11出力、(2).参照電圧VDAC、若しくは(3).オペアンプ12出力に選択的に接続するか、又は(4).開放され、他端が、(1).固定電位、(2).次段オペアンプ入力、若しくは(3).オペアンプ12入力に選択的に接続するか、又は(4).開放される。帰還キャパシタCF2は、一端が、(1).オペアンプ11出力、又は(2).オペアンプ12出力に選択的に接続し、他端が、(1).固定電位、又は(2).オペアンプ12入力に選択的に接続する。
図5(b)は、本発明の実施例3の回路の動作を示す図であり、図6は各動作における回路接続状態を示す図である。まず、図6(a)において、サンプリングホールド回路は帰還キャパシタCF11によってVinをサンプリングする。つぎに、図6(b)において、サンプリングホールド回路は帰還キャパシタCF11によって信号を保持し、スイッチドキャパシタ回路はCF22、CF2によってサンプリングする。図6(c)において、サンプリングホールド回路は帰還キャパシタCF12によってVinをサンプリングし、スイッチドキャパシタ回路はCF11、CF22、CF2によって増幅する。そして図6(d)において、サンプリングホールド回路はCF12によって信号を保持し、スイッチドキャパシタ回路はCF21、CF2によってサンプリングする。結局それぞれの段は、サンプリング及び次段増幅を併行して行う期間と、増幅する期間とが存在するだけであり、従来技術において検討した期間の短縮をする必要がなく雑音の削減が可能となる。
図7(a)は、本発明の実施例4によるサンプリングホールド回路及び比較器の構成を示す図である。本実施例4の回路は、オペアンプ11、帰還キャパシタCF1、CF2を備えるサンプリングホールド回路及びオペアンプ13を備える比較器からなる。帰還キャパシタCF1、CF2は、いずれも一端が、(1).入力Vin、(2).参照電圧VDAC、若しくは(3).オペアンプ11出力に選択的に接続するか、又は(4).開放され、他端が、(1).固定電位(例えばアース)、(2).次段オペアンプ13入力、若しくは(3).オペアンプ11入力に選択的に接続するか、又は(4).開放される。
図7(b)は、本発明の実施例4の回路の動作を示す図であり、図8は各動作における回路接続状態を示す図である。まず、図8(a)において、サンプリングホールド回路は帰還キャパシタCF1によってVinをサンプリングする。つぎに、図8(b)において、サンプリングホールド回路は帰還キャパシタCF1によって増幅する。図8(c)において、サンプリングホールド回路は帰還キャパシタCF2によってVinをサンプリングし、比較器はCF1を使って比較する。そして図8(d)において、サンプリングホールド回路はCF2によって増幅する。結局、回路は、サンプリング及び次段比較を併行して行う期間と、増幅及び次段サンプリングを併行して行う期間とが存在するだけであり、従来技術において検討した期間の短縮をする必要がなく雑音の削減が可能となる。
図9は、本発明を適用することができる回路の例を示す図である。ここでは、パイプライン型AD(アナログ/ディジタル)変換器の例を示す。AD変換器は、アナログ入力信号21をサンプルホールドして(S/H)、比較器(CMP)25、26の出力として順次ディジタルディジットに変換する。その各ディジットはDA変換器(DAC)27、28によってアナログ信号に変換されて次段のスイッチドキャパシタ回路に利用される。ここで、サンプリングホールド回路S/Hと比較器25との組合せに本発明を適用することができる。また、サンプリングホールド回路S/Hと1段目スイッチドキャパシタ回路との組合せにも適用できる。また、スイッチドキャパシタ回路とその出力に接続される比較器26との組合せにも適用できる。さらに、各段スイッチドキャパシタ回路と次段スイッチドキャパシタ回路との組合せにも適用することができる。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。
説明の簡単化のためにシングルエンドの例を示したが、差動型でも構成することができる。要は、少なくとも2つのキャパシタを用意して、これらのキャパシタによってサンプリングと次段動作とを交互に行い、各キャパシタに関してみれば、サンプリング→増幅→次段動作→休止を繰り返すものである。このとき、2つのキャパシタがサンプリングと次段動作とを交互に行うことは別の見方をすれば同時に併行して行うことでもあり、これによりサンプリングキャパシタを次段の動作に使うにもかかわらず、動作期間を短縮する必要がなく雑音の削減が可能となる。
本発明の実施例1によるスイッチドキャパシタ回路の構成を示す図である。 本発明の実施例1によるスイッチドキャパシタ回路の各接続状態を示す図ある。 本発明の実施例2によるスイッチドキャパシタ回路の構成を示す図である。 本発明の実施例2によるスイッチドキャパシタ回路の各接続状態を示す図ある。 本発明の実施例3によるスイッチドキャパシタ回路の構成を示す図である。 本発明の実施例3によるスイッチドキャパシタ回路の各接続状態を示す図ある。 本発明の実施例4によるサンプリングホールド回路及び比較器の構成を示す図である。 本発明の実施例4によるサンプリングホールド回路及び比較器の各接続状態を示す図ある。 本発明を適用することができる回路の例を示す図である。 従来のフリップアラウンド型のスイッチドキャパシタ回路の基本単位構成を示す図である。 直列接続された従来のスイッチドキャパシタ回路の構成を示す図である。 従来のスイッチドキャパシタ回路の動作を説明する図である。
符号の説明
CF、CF1、CF2、CF11、CF12、CF21、CF22、Cf1、Cf2、CS、Cs1、Cs2、 キャパシタ
11、12、13、22、23、24 オペアンプ
25、26 比較器
27、28 ディジタル/アナログ変換器

Claims (4)

  1. 増幅器と、
    第1端子が、(1).入力、(2).参照電圧、若しくは(3).前記増幅器出力に選択的に接続するか、又は(4).開放され、第2端子が、(1).固定電位、(2).次段増幅器入力、若しくは(3).前記増幅器入力に選択的に接続するか、又は(4).開放される、第1及び第2キャパシタと
    を備え、
    第1サンプリング期間において、第1キャパシタ第1端子は(1).入力に接続され、第1キャパシタ第2端子は(1).固定電位に接続され、第2キャパシタ第1端子は(2).前記参照電圧に接続され、第2キャパシタ第2端子は(2).前記次段増幅器入力に接続され、
    第1増幅期間において、第1キャパシタ第1端子は(3).前記増幅器出力に接続され、第1キャパシタ第2端子は(3).前記増幅器入力に接続され、第2キャパシタ第1端子は両端とも(4).開放され、
    第2サンプリング期間において、第1キャパシタ第1端子は(2).前記参照電圧に接続され、第1キャパシタ第2端子は(2).前記次段増幅器入力に接続され、第2キャパシタ第1端子は(1).入力に接続され、第2キャパシタ第2端子は(1).固定電位に接続され、
    第2増幅期間において、第1キャパシタは両端とも(4).開放され、第2キャパシタ第1端子は(3).前記増幅器出力に接続され、第2キャパシタ第2端子は(3).前記増幅器入力に接続され、
    これら、第1サンプリング期間、第1増幅期間、第2サンプリング期間、及び第2増幅期間が順に繰り返されることを特徴とするスイッチドキャパシタ回路。
  2. 増幅器と、
    第1端子が、(1).入力、(2).参照電圧、若しくは(3).前記増幅器出力に選択的に接続するか、又は(4).開放され、第2端子が、(1).固定電位、(2).次段増幅器入力、若しくは(3).前記増幅器入力に選択的に接続するか、又は(4).開放される、第1及び第2キャパシタと、
    第1端子が、(1).入力、又は(2).前記増幅器出力に選択的に接続し、第2端子が、(1).固定電位、又は(2).前記増幅器入力に選択的に接続する、第3キャパシタと
    を備え、
    第1サンプリング期間において、第1キャパシタ第1端子は(1).入力に接続され、第1キャパシタ第2端子は(1).固定電位に接続され、第2キャパシタ第1端子は(2).前記参照電圧に接続され、第2キャパシタ第2端子は(2).前記次段増幅器入力に接続され、第3キャパシタ第1端子は(1).入力に接続され、第3キャパシタ第2端子は(1).固定電位に接続され、
    第1増幅期間において、第1キャパシタ第1端子は(3).前記増幅器出力に接続され、第1キャパシタ第2端子は(3).前記増幅器入力に接続され、第2キャパシタ第1端子は両端とも(4).開放され、第3キャパシタ第1端子は(2).前記増幅器出力に接続され、第3キャパシタ第2端子は(2).前記増幅器入力に接続され、
    第2サンプリング期間において、第1キャパシタ第1端子は(2).前記参照電圧に接続され、第1キャパシタ第2端子は(2).前記次段増幅器入力に接続され、第2キャパシタ第1端子は(1).入力に接続され、第2キャパシタ第2端子は(1).固定電位に接続され、第3キャパシタ第1端子は(1).入力に接続され、第3キャパシタ第2端子は(1).固定電位に接続され、
    第2増幅期間において、第1キャパシタは両端とも(4).開放され、第2キャパシタ第1端子は(3).前記増幅器出力に接続され、第2キャパシタ第2端子は(3).前記増幅器入力に接続され、第3キャパシタ第1端子は(2).前記増幅器出力に接続され、第3キャパシタ第2端子は(2).前記増幅器入力に接続され、
    これら、第1サンプリング期間、第1増幅期間、第2サンプリング期間、及び第2増幅期間が順に繰り返されることを特徴とするスイッチドキャパシタ回路。
  3. 請求項1又は2記載のスイッチドキャパシタ回路を備えることを特徴とする増幅回路。
  4. 請求項1又は2記載のスイッチドキャパシタ回路を備えることを特徴とするアナログ/ディジタル変換器。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP2702590A4 (en) * 2011-04-28 2015-02-25 Analog Devices Inc NOISE REDUCTION SYSTEM AND METHOD FOR AMPLIFIERS

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