JP2010041662A - 差動増幅回路 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ゲインが比較的高いときには、スイッチSW11及びSW12をそれぞれオフさせて遮断状態にすると共に、第2差動増幅器3をパワーダウンさせて第1差動増幅器2だけが作動するようにし、ゲインが比較的低いときには、スイッチSW11及びSW12をそれぞれオンさせて導通状態にすると共に、第1差動増幅器2だけでなく第2差動増幅器3も作動させるようにした。
【選択図】図1
Description
図7の差動増幅回路100は、差動増幅器101、スイッチSW101〜108、サンプリング用コンデンサCs101,Cs102及び帰還用コンデンサCf101,Cf102からなる。
図7において、まずサンプリング動作時にはスイッチSW101、SW102、SW104、SW105及びSW108がそれぞれオン(ON)しており、スイッチSW103はオフ(OFF)している。また、スイッチSW106及びSW107は、帰還用コンデンサCf101及びCf102の各端部をそれぞれ第2基準電圧Vref2に接続している。このとき、各入力端子にはCCDからの入力信号Vip及びVimがそれぞれ対応して入力されており、サンプリング用コンデンサCs101には入力信号Vipと第1基準電圧Vref1との電圧差に応じた電荷が、サンプリング用コンデンサCs102には、入力信号Vimと第1基準電圧Vref1との電圧差に応じた電荷がそれぞれ保存される。
次に、サンプリング動作が終わって差動信号を出力する状態になると、スイッチSW101、SW102、SW104、SW105、SW108がそれぞれオフして、スイッチSW103がオンする。スイッチSW106及びSW107は、帰還用コンデンサCf101及びCf102の各端部を差動増幅器101の対応する出力端にそれぞれ接続する。
Vo=Vop−Vom=Csa/Cfa×{(Vip−Vref1)−(Vim−Vref1)}=Csa/Cfa×(Vip−Vim)………………(a)
なお、前記(a)式において、Csaはサンプリング用コンデンサCs101及びCs102の各容量値を、Cfaは帰還用コンデンサCf101及びCf102の各容量値をそれぞれ示している。
前記(a)式により、スイッチトキャパシタ回路101のゲインは容量値Csaと容量値Cfaとの比で決まるため、容量値Csa及びCfaを適当に選ぶことによってゲインを設定することができる。
また、ゲイン設定値が小さい場合には容量値Cfaが大きくなるため、差動増幅器101の負荷容量が大きくなり、該負荷容量を充電するための電流が不足することから、スイッチング周波数を低下させる必要が生じ、動作速度の低下につながるという問題があった。
各非反転入力端が接続されると共に各反転入力端が接続され、各非反転出力端が接続されると共に各反転出力端が接続された複数の差動増幅器と、
前記差動入力信号をサンプリングするサンプリング動作中、前記第1入力端子と前記各反転入力端の接続部との間に接続される第1サンプリング用コンデンサと、
前記差動入力信号をサンプリングするサンプリング動作中、前記第2入力端子と前記各非反転入力端の接続部との間に接続される第2サンプリング用コンデンサと、
前記サンプリング動作が終了して前記第1出力端子及び第2出力端子から前記差動信号を出力する際に、前記各非反転出力端の接続部と前記各反転入力端の接続部との間に接続される容量可変の第1帰還用コンデンサと、
前記サンプリング動作が終了して前記第1出力端子及び第2出力端子から前記差動信号を出力する際に、前記各反転出力端の接続部と前記各非反転入力端の接続部との間に接続される容量可変の第2帰還用コンデンサと、
を備え、
前記各差動増幅器は、前記第1帰還用コンデンサ及び前記第2帰還用コンデンサの容量値に応じて選択的に作動するものである。
前記サンプリング動作中は、前記第1サンプリング用コンデンサの他端を前記第1入力端子に接続すると共に前記第2サンプリング用コンデンサの他端を前記第2入力端子に接続し、前記サンプリング動作が終了すると、前記第1サンプリング用コンデンサ及び第2サンプリング用コンデンサにおける前記第1入力端子及び第2入力端子への接続を遮断すると共に前記第1サンプリング用コンデンサ及び第2サンプリング用コンデンサの前記各他端を接続する第1スイッチ回路と、
前記サンプリング動作が終了して前記第1出力端子及び第2出力端子から前記差動信号を出力する場合は、前記第1帰還用コンデンサを前記各非反転出力端の接続部と前記各反転入力端の接続部との間に接続すると共に、前記第2帰還用コンデンサを前記各反転出力端の接続部と前記各非反転入力端の接続部との間に接続する第2スイッチ回路と、
を備えるようにした。
前記サンプリング動作中は、前記第1サンプリング用コンデンサの他端を前記第1入力端子に接続すると共に前記第2サンプリング用コンデンサの他端を前記第2入力端子に接続し、前記サンプリング動作が終了すると、前記第1サンプリング用コンデンサ及び第2サンプリング用コンデンサにおける前記第1入力端子及び第2入力端子への接続を遮断すると共に前記第1サンプリング用コンデンサ及び第2サンプリング用コンデンサの前記各他端を接続する第1スイッチ回路と、
前記サンプリング動作中は、前記第1帰還用コンデンサ及び第2帰還用コンデンサの各両端をそれぞれ短絡し、前記サンプリング動作が終了して前記第1出力端子及び第2出力端子から前記差動信号を出力する場合は、前記第1帰還用コンデンサ及び第2帰還用コンデンサに対する前記短絡をそれぞれ解除する第2スイッチ回路と、
を備えるようにしてもよい。
複数の差動増幅器と、
前記差動入力信号をサンプリングするサンプリング動作中、前記第1入力端子と該各差動増幅器の反転入力端との間にそれぞれ接続される各第1サンプリング用コンデンサと、
前記サンプリング動作中、前記第2入力端子と前記各差動増幅器の非反転入力端との間にそれぞれ接続される各第2サンプリング用コンデンサと、
前記サンプリング動作が終了して前記第1出力端子及び第2出力端子から前記差動信号を出力する際に、前記各差動増幅器の非反転出力端と反転入力端との間にそれぞれ接続される各第1帰還用コンデンサと、
前記サンプリング動作が終了して前記第1出力端子及び第2出力端子から前記差動信号を出力する際に、前記各差動増幅器の反転出力端と非反転入力端との間にそれぞれ接続される各第2帰還用コンデンサと、
を備え、
前記第1帰還用コンデンサ及び第2帰還用コンデンサが接続された前記差動増幅器が作動すると共に、前記第1帰還用コンデンサ及び第2帰還用コンデンサが接続されなかった前記差動増幅器が動作を停止するものである。
前記サンプリング動作が終了して前記第1出力端子及び第2出力端子から前記差動信号を出力する際に、前記各第1帰還用コンデンサを、対応する前記各差動増幅器の非反転出力端と反転入力端との間にそれぞれ接続すると共に、前記各第2帰還用コンデンサを、対応する前記各差動増幅器の反転出力端と非反転入力端との間にそれぞれ接続する第2スイッチ回路と、
を備え、
前記第2スイッチ回路によって前記第1帰還用コンデンサ及び第2帰還用コンデンサが接続された前記差動増幅器が作動すると共に、前記第2スイッチ回路によって前記第1帰還用コンデンサ及び第2帰還用コンデンサが接続されなかった前記差動増幅器は動作を停止するようにした。
第1の実施の形態.
図1は、本発明の第1の実施の形態における差動増幅回路の回路例を示した図である。
図1において、差動増幅回路1は、スイッチトキャパシタ回路を使用して、入力端子INp及びINmに入力された差動入力信号Vip,Vimをサンプリングして増幅し差動信号Vop,Vomとして出力端子OUTp,OUTmから出力するものである。
差動増幅回路1は、第1差動増幅器2、第2差動増幅器3、スイッチSW1〜SW15、サンプリング用コンデンサCs1,Cs2及び帰還用コンデンサCf1〜Cf4で構成されている。
図2において、第1差動増幅器2は、PMOSトランジスタM1〜M4及びNMOSトランジスタM5〜M9で構成され、NMOSトランジスタM6及びM8は差動対をなしている。PMOSトランジスタM1及びM3の各ソースは接続され、該接続部は電源電圧Vddに接続されており、PMOSトランジスタM1及びM3の各ゲートには所定のバイアス電圧Vb1がそれぞれ入力されている。
図3における図2との相違点は、NMOSトランジスタM10及びM11を追加したことと、NMOSトランジスタM6及びM8の各ドレインの接続を変えたことにある。
ゲインが比較的高いときには、第1差動増幅器2だけが作動して第2差動増幅器3はパワーダウンしている。このような状態では、サンプリング動作時にスイッチSW1、SW2、SW4、SW5及びSW8がそれぞれオンしており、スイッチSW3、SW9、SW10、SW11、SW12及びSW15はそれぞれオフしている。また、スイッチSW6、SW7、SW13及びSW14は、帰還用コンデンサCf1,Cf2及びスイッチSW11,SW12の各端部をそれぞれ第2基準電圧Vref2に接続する。このとき、入力端子INp及びINmには、CCDからの信号Vip及びVimがそれぞれ対応して入力されており、サンプリング用コンデンサCs1には入力信号Vipと第1基準電圧Vref1との電圧差に応じた電荷が、サンプリング用コンデンサCs2には、入力信号Vimと第1基準電圧Vref1との電圧差に応じた電荷がそれぞれ保存される。
Vo=Vop−Vom=Cs/Cf×{(Vip−Vref1)−(Vim−Vref1)}=Cs/Cf×(Vip−Vim)………………(1)
なお、Csはサンプリング用コンデンサCs1及びCs2の各容量値を、Cfは帰還用コンデンサCf1及びCf2の各容量値をそれぞれ示している。
ゲインが比較的低いときには、スイッチSW11及びSW12がそれぞれオンして導通状態になり、第1差動増幅器2だけでなく第2差動増幅器3も作動する。この場合、スイッチSW1、SW2、SW4、SW5、SW8、SW9、SW10及びSW15もそれぞれオンして導通状態になり、スイッチSW3がオフして遮断状態になる。このとき、入力端子INp及びINmにはCCDからの差動信号Vip,Vimが入力されており、サンプリング用コンデンサCs1には入力信号Vipと第1基準電圧Vref1との電圧差に応じた電荷が保存され、サンプリング用コンデンサCs2には入力信号Vimと第1基準電圧Vref1との電圧差に応じた電荷が保存される。
なお、図1では、スイッチと差動増幅器との組み合わせが2つずつである場合を例にして示したが、これは一例であり、スイッチと差動増幅器との組み合わせが4つずつであったり、又はコンデンサ2組と差動増幅器4つ等のように様々な組み合わせが考えられる。また、図1のスイッチSW15をなくしてスイッチSW8がスイッチSW15を兼ねるようにしてもよく、この場合、スイッチSW4〜SW10、SW13及びSW14が第2スイッチ回路をなす。
前記第1の実施の形態では、外部から入力される基準電圧Vref1及びVref2を使用したが、基準電圧Vref1及びVref2の代わりに各差動増幅器の入力端と出力端をショートするスイッチを設けるようにしてもよく、このようにしたものを本発明の第2の実施の形態とする。
図5は、本発明の第2の実施の形態における差動増幅回路の回路例を示した図である。なお、図5では、図1と同じもの又は同様のものは同じ符号で示し、ここではその説明を省略すると共に図1との相違点のみ説明する。
図5において、差動増幅回路1aは、入力端子INp及びINmに入力された差動入力信号Vip,Vimをサンプリングして増幅し該差動信号Vop,Vomとして出力端子OUTp,OUTmから出力する。
第1差動増幅器2の非反転出力端と反転入力端との間には、帰還用コンデンサCf1とスイッチSW4が並列に接続され、第1差動増幅器2の反転出力端と非反転入力端との間には、帰還用コンデンサCf2とスイッチSW5が並列に接続されている。また、第2差動増幅器3の非反転出力端と反転入力端との間には、帰還用コンデンサCf3とスイッチSW11の直列回路が接続されると共にスイッチSW9が接続され、第2差動増幅器2の反転出力端と非反転入力端との間には、帰還用コンデンサCf4とスイッチSW12の直列回路が接続されると共にスイッチSW10が接続されている。
ゲインが比較的高いときには、第1差動増幅器2だけが作動して第2差動増幅器3はパワーダウンしている。このような状態では、サンプリング動作時にスイッチSW1、SW2、SW4、SW5及びSW8がそれぞれオンしており、スイッチSW3、SW9、SW10、SW11及びSW12はそれぞれオフしている。このとき、入力端子INp及びINmには、CCDからの信号Vip及びVimがそれぞれ対応して入力されており、スイッチSW8がオンして導通状態になることにより、第1差動増幅器2及び第2差動増幅器3において、それぞれ反転出力端と非反転出力端が短絡される。このときの各反転出力端と非反転出力端の電圧をVoとすると、サンプリング用コンデンサCs1には入力信号Vipと電圧Voとの電圧差に応じた電荷が、サンプリング用コンデンサCs2には、入力信号Vimと電圧Voとの電圧差に応じた電荷がそれぞれ保存される。
このとき、サンプリング用コンデンサCs1とCs2において、各一端はスイッチSW3を介して接続され、各他端は同電圧になるために電荷が対応する帰還用コンデンサCf1及びCf2へと移動し、第1差動増幅器2の各出力端の電圧差(Vop−Vom)は、下記(2)式のようになる。
Vo=Vop−Vom=Cs/Cf×{(Vip−Vo)−(Vim−Vo)}=Cs/Cf×(Vip−Vim)………………(2)
ゲインが比較的低いときには、スイッチSW11及びSW12がそれぞれオンして導通状態になり、第1差動増幅器2だけでなく第2差動増幅器3も作動する。この場合、スイッチSW1、SW2、SW4、SW5、SW8、SW9及びSW10もそれぞれオンして導通状態になり、スイッチSW3がオフして遮断状態になる。このとき、入力端子INp及びINmにはCCDからの差動信号Vip,Vimが入力されており、サンプリング用コンデンサCs1には入力信号Vipと電圧Voとの電圧差に応じた電荷が保存され、サンプリング用コンデンサCs2には入力信号Vimと電圧Voとの電圧差に応じた電荷が保存される。
なお、図5では、スイッチと差動増幅器との組み合わせが2つずつである場合を例にして示したが、これは一例であり、スイッチと差動増幅器との組み合わせが4つずつであったり、又はコンデンサ2組と差動増幅器4つ等のように様々な組み合わせが考えられる。
2 第1差動増幅器
3 第2差動増幅器
SW1〜SW15,SW1a,SW2a,SW3a スイッチ
Cs1,Cs2,Cs1a,Cs2a サンプリング用コンデンサ
Cf1〜Cf4 帰還用コンデンサ
Claims (10)
- 1対の第1入力端子及び第2入力端子に入力された差動入力信号をサンプリングし増幅して得られた差動信号を、対応する1対の第1出力端子及び第2出力端子から出力する、スイッチトキャパシタ回路を使用した差動増幅回路において、
各非反転入力端が接続されると共に各反転入力端が接続され、各非反転出力端が接続されると共に各反転出力端が接続された複数の差動増幅器と、
前記差動入力信号をサンプリングするサンプリング動作中、前記第1入力端子と前記各反転入力端の接続部との間に接続される第1サンプリング用コンデンサと、
前記差動入力信号をサンプリングするサンプリング動作中、前記第2入力端子と前記各非反転入力端の接続部との間に接続される第2サンプリング用コンデンサと、
前記サンプリング動作が終了して前記第1出力端子及び第2出力端子から前記差動信号を出力する際に、前記各非反転出力端の接続部と前記各反転入力端の接続部との間に接続される容量可変の第1帰還用コンデンサと、
前記サンプリング動作が終了して前記第1出力端子及び第2出力端子から前記差動信号を出力する際に、前記各反転出力端の接続部と前記各非反転入力端の接続部との間に接続される容量可変の第2帰還用コンデンサと、
を備え、
前記各差動増幅器は、前記第1帰還用コンデンサ及び前記第2帰還用コンデンサの容量値に応じて選択的に作動することを特徴とする差動増幅回路。 - 前記第1サンプリング用コンデンサの一端が前記各反転入力端の接続部に接続されると共に、前記第2サンプリング用コンデンサの一端が前記各非反転入力端の接続部に接続され、
前記サンプリング動作中は、前記第1サンプリング用コンデンサの他端を前記第1入力端子に接続すると共に前記第2サンプリング用コンデンサの他端を前記第2入力端子に接続し、前記サンプリング動作が終了すると、前記第1サンプリング用コンデンサ及び第2サンプリング用コンデンサにおける前記第1入力端子及び第2入力端子への接続を遮断すると共に前記第1サンプリング用コンデンサ及び第2サンプリング用コンデンサの前記各他端を接続する第1スイッチ回路と、
前記サンプリング動作が終了して前記第1出力端子及び第2出力端子から前記差動信号を出力する場合は、前記第1帰還用コンデンサを前記各非反転出力端の接続部と前記各反転入力端の接続部との間に接続すると共に、前記第2帰還用コンデンサを前記各反転出力端の接続部と前記各非反転入力端の接続部との間に接続する第2スイッチ回路と、
を備えることを特徴とする請求項1記載の差動増幅回路。 - 前記第1サンプリング用コンデンサの一端が前記各反転入力端の接続部に接続されると共に、前記第2サンプリング用コンデンサの一端が前記各非反転入力端の接続部に接続され、前記第1帰還用コンデンサは前記各非反転出力端の接続部と前記各反転入力端の接続部との間に、前記第2帰還用コンデンサは前記各反転出力端の接続部と前記各非反転入力端の接続部との間にそれぞれ接続され、
前記サンプリング動作中は、前記第1サンプリング用コンデンサの他端を前記第1入力端子に接続すると共に前記第2サンプリング用コンデンサの他端を前記第2入力端子に接続し、前記サンプリング動作が終了すると、前記第1サンプリング用コンデンサ及び第2サンプリング用コンデンサにおける前記第1入力端子及び第2入力端子への接続を遮断すると共に前記第1サンプリング用コンデンサ及び第2サンプリング用コンデンサの前記各他端を接続する第1スイッチ回路と、
前記サンプリング動作中は、前記第1帰還用コンデンサ及び第2帰還用コンデンサの各両端をそれぞれ短絡し、前記サンプリング動作が終了して前記第1出力端子及び第2出力端子から前記差動信号を出力する場合は、前記第1帰還用コンデンサ及び第2帰還用コンデンサに対する前記短絡をそれぞれ解除する第2スイッチ回路と、
を備えることを特徴とする請求項1記載の差動増幅回路。 - 前記第1帰還用コンデンサ及び第2帰還用コンデンサは、並列に接続された複数のコンデンサからそれぞれなり、前記第1帰還用コンデンサの該各コンデンサを選択的に前記各非反転出力端の接続部と前記各反転入力端の接続部との間に接続すると共に、前記第2帰還用コンデンサの該各コンデンサを選択的に前記各反転出力端の接続部と前記各非反転入力端の接続部との間に接続して前記第1帰還用コンデンサ及び前記第2帰還用コンデンサの各容量値を変える第3スイッチ回路を備えることを特徴とする請求項1、2又は3記載の差動増幅回路。
- 前記第1帰還用コンデンサ及び第2帰還用コンデンサの容量値に比例した数の前記差動増幅器が作動することを特徴とする請求項1、2、3又は4記載の差動増幅回路。
- 前記第1帰還用コンデンサ及び第2帰還用コンデンサは、前記差動入力信号をサンプリングして増幅する際のゲインの設定値に応じてそれぞれ容量値が変えられると共に、前記各差動増幅器は、該ゲインの設定値に応じて選択的に作動することを特徴とする請求項5記載の差動増幅回路。
- 1対の第1入力端子及び第2入力端子に入力された差動入力信号をサンプリングし増幅して得られた差動信号を、対応する1対の第1出力端子及び第2出力端子から出力する、スイッチトキャパシタ回路を使用した差動増幅回路において、
複数の差動増幅器と、
前記差動入力信号をサンプリングするサンプリング動作中、前記第1入力端子と該各差動増幅器の反転入力端との間にそれぞれ接続される各第1サンプリング用コンデンサと、
前記サンプリング動作中、前記第2入力端子と前記各差動増幅器の非反転入力端との間にそれぞれ接続される各第2サンプリング用コンデンサと、
前記サンプリング動作が終了して前記第1出力端子及び第2出力端子から前記差動信号を出力する際に、前記各差動増幅器の非反転出力端と反転入力端との間にそれぞれ接続される各第1帰還用コンデンサと、
前記サンプリング動作が終了して前記第1出力端子及び第2出力端子から前記差動信号を出力する際に、前記各差動増幅器の反転出力端と非反転入力端との間にそれぞれ接続される各第2帰還用コンデンサと、
を備え、
前記第1帰還用コンデンサ及び第2帰還用コンデンサが接続された前記差動増幅器が作動すると共に、前記第1帰還用コンデンサ及び第2帰還用コンデンサが接続されなかった前記差動増幅器が動作を停止することを特徴とする差動増幅回路。 - 前記サンプリング動作中は、前記各第1サンプリング用コンデンサを前記第1入力端子と前記各差動増幅器の反転入力端との間にそれぞれ接続すると共に前記各第2サンプリング用コンデンサを前記第2入力端子と前記各差動増幅器の非反転入力端との間にそれぞれ接続し、前記サンプリング動作が終了すると、前記各第1サンプリング用コンデンサと前記各第2サンプリングコンデンサにおける前記第1入力端子及び第2入力端子との接続をそれぞれ遮断して、対応する前記第1サンプリング用コンデンサ及び前記第2サンプリング用コンデンサの該遮断した各端部をそれぞれ接続する第1スイッチ回路と、
前記サンプリング動作が終了して前記第1出力端子及び第2出力端子から前記差動信号を出力する際に、前記各第1帰還用コンデンサを、対応する前記各差動増幅器の非反転出力端と反転入力端との間にそれぞれ接続すると共に、前記各第2帰還用コンデンサを、対応する前記各差動増幅器の反転出力端と非反転入力端との間にそれぞれ接続する第2スイッチ回路と、
を備え、
前記第2スイッチ回路によって前記第1帰還用コンデンサ及び第2帰還用コンデンサが接続された前記差動増幅器が作動すると共に、前記第2スイッチ回路によって前記第1帰還用コンデンサ及び第2帰還用コンデンサが接続されなかった前記差動増幅器は動作を停止することを特徴とする請求項7記載の差動増幅回路。 - 前記各差動増幅器は、前記差動入力信号をサンプリングして増幅する際のゲインの設定値に応じて選択的に作動し、前記第2スイッチ回路は、該作動した差動増幅器に対してのみ、対応する前記第1帰還用コンデンサ及び第2帰還用コンデンサをそれぞれ接続することを特徴とする請求項8記載の差動増幅回路。
- 前記各差動増幅器は、供給されるバイアス電流の有無に応じて作動又は動作を停止することを特徴とする請求項1、2、3、4、5、6、7、8又は9記載の差動増幅回路。
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