JP2011019156A - Chopper amplifier - Google Patents

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PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a chopper amplifier that suppresses spurious.SOLUTION: The chopper amplifier includes a first chopper circuit which multiplies an input signal with a chopping signal, an operational amplifier which amplifies an output of the first chopper circuit, and a second chopper circuit which multiplies the output of the operational amplifier with the chopping signal and outputs an output signal. It further includes a pseudo random signal generating circuit which generates a pseudo random signal that varies its pulse width at random, and a multiplier which multiplies the pseudo random signal with a first signal which has a first frequency (f1) that is either a second frequency (f2) in which a frequency spectrum of the pseudo random signal becomes null or a sum frequency (f2+fin) of the second frequency (f2) and input signal frequency (fin), for outputting a chopping signal. Thus, noise level at low frequencies region in the output signal can be lowered.

Description

本発明は,チョッパアンプに関する。   The present invention relates to a chopper amplifier.

チョッパアンプは,直流から低周波の微弱信号増幅に用いられる演算増幅器である。オペアンプである演算増幅器は,それをMOSトランジスタを用いて構成した場合に,MOSトランジスタのゲート酸化膜内のトラップに起因するノイズとしてフリッカノイズ(1/fノイズ)を有することが知られている。また,演算増幅器は,それを構成するトランジスタ対の例えば相互コンダクタンスgmなどの特性ばらつきや,負荷抵抗の抵抗値のばらつきなどに起因する出力電圧のオフセット電圧なども知られている。   The chopper amplifier is an operational amplifier used for amplifying a weak signal from DC to low frequency. An operational amplifier which is an operational amplifier is known to have flicker noise (1 / f noise) as noise caused by traps in the gate oxide film of the MOS transistor when it is configured using a MOS transistor. In addition, an operational amplifier is also known for output voltage offset voltage caused by variations in characteristics such as mutual conductance gm of transistor pairs constituting the operational amplifier and variations in resistance values of load resistors.

チョッパアンプは,このようなフリッカノイズやオフセット電圧を除去することができる演算増幅器である。チョッパアンプは,入力信号を前段のチョッパ回路により所定の周波数にアップコンバートし,それを演算増幅器で増幅し,その後,後段のチョッパ回路により同じ所定の周波数でダウンコンバートする。これにより,演算増幅器で発生したノイズ成分は高い周波数帯域にシフトする。その出力をローパスフィルタ(LPF)に通過させることで,高周波帯域のノイズ成分は除去できる。   The chopper amplifier is an operational amplifier that can remove such flicker noise and offset voltage. The chopper amplifier up-converts an input signal to a predetermined frequency by a preceding chopper circuit, amplifies it by an operational amplifier, and then down-converts the input signal at the same predetermined frequency by a subsequent chopper circuit. Thereby, the noise component generated in the operational amplifier is shifted to a high frequency band. By passing the output through a low pass filter (LPF), noise components in the high frequency band can be removed.

このチョッパアンプについては,例えば,非特許文献1,特許文献1〜5に記載されている。   The chopper amplifier is described in, for example, Non-Patent Document 1 and Patent Documents 1 to 5.

チョッパアンプは,前述のとおりフリッカノイズや出力オフセット電圧をアップコンバートするが,後段に接続されたLPFでこれら高周波のノイズを十分に除去することは必ずしも容易ではなく,次数が高いLPFなど急峻なフィルタ特性が要求される場合がある。しかし,そのようなフィルタは,回路規模が大きく消費電力も大きいためシステムのコスト増加を招く。   The chopper amplifier up-converts flicker noise and output offset voltage as described above, but it is not always easy to sufficiently remove these high-frequency noises with the LPF connected in the subsequent stage, and a steep filter such as a high-order LPF Characteristics may be required. However, such a filter increases the cost of the system because of its large circuit scale and large power consumption.

また,チョッパ回路に供給される所定周波数のチョッピング信号は,一般的にはクロック信号が用いられる。このチョッピング信号のデューティ比が50%からずれていると,チョッピング信号のDCオフセット成分がチョッパ回路の動作をアンバランスにしてしまう。さらに,チョッピング回路を構成するトランジスタの製造ばらつきによっても,チョッピング回路の動作をアンバランスにしてしまう。かかるアンバランスな動作が出力信号にDCオフセットリークを発生させる。   A clock signal is generally used as the chopping signal having a predetermined frequency supplied to the chopper circuit. If the duty ratio of the chopping signal deviates from 50%, the DC offset component of the chopping signal unbalances the operation of the chopper circuit. Furthermore, the operation of the chopping circuit is unbalanced due to manufacturing variations of the transistors constituting the chopping circuit. Such an unbalanced operation causes a DC offset leak in the output signal.

特表2009-502057 (P2009-502057A) 公報Special Table 2009-502057 (P2009-502057A) Gazette 特表2008-527915 (P2008-527915A) 公報Special Table 2008-527915 (P2008-527915A) Gazette 特開平5−175787号公報JP-A-5-175787 特開平6−244732号公報JP-A-6-244732 特表2002-530916(P2002-530916A)公報Special Table 2002-530916 (P2002-530916A)

P. Godoy and J. L. Dawson, “Chopper Stabilization of Analog Multipliers, Variable Gain Amplifiers, and Mixers,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 43, No. 10, pp. 2311-2321, Oct. 2008.P. Godoy and J. L. Dawson, “Chopper Stabilization of Analog Multipliers, Variable Gain Amplifiers, and Mixers,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 43, No. 10, pp. 2311-2321, Oct. 2008.

チョッパアンプのスプリアスを除去する方法として,チョッピング信号にランダム信号を使用して,スプリアスの周波数を分散させることが提案されている(非特許文献1,特許文献1,2など)。しかし,ランダム信号の周波数特性を入力信号の低い周波数帯域でスペクトルヌル(電力小またはゼロ)にしなければ,周波数分散されたスプリアスの雑音が,出力信号の周波数帯域に残る。ただし,入力信号の低い周波数帯域でスペクトルヌルのランダム信号を生成することは,高いコストをかける場合を除くと,必ずしも容易でない。   As a method for removing the spurious of the chopper amplifier, it has been proposed to use a random signal as the chopping signal to disperse the spurious frequency (Non-patent Document 1, Patent Document 1, 2, etc.). However, unless the frequency characteristics of the random signal are made spectral null (low power or zero) in the low frequency band of the input signal, spurious noise that is frequency-distributed remains in the frequency band of the output signal. However, it is not always easy to generate a spectrum null random signal in the low frequency band of the input signal, except in the case of high cost.

そこで,本発明の目的は,スプリアスを抑制することができるチョッパアンプを提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a chopper amplifier capable of suppressing spurious.

チョッパアンプの第1の側面は,入力信号にチョッピング信号を乗算する第1のチョッパ回路と,前記第1のチョッパ回路の出力を増幅するオペアンプと,前記オペアンプの出力に前記チョッピング信号を乗算し出力信号を出力する第2のチョッパ回路と,パルス幅がランダムに変化する擬似ランダム信号を生成する擬似ランダム信号生成回路と,前記擬似ランダム信号の周波数スペクトラムがヌルになる第2の周波数(f2),または当該第2の周波数(f2)と前記入力信号の周波数(fin)との和周波数(f2+fin)のいずれかである第1の周波数(f1)を有する第1の信号を前記擬似ランダム信号に乗算し,前記チョッピング信号を出力する乗算器とを有する。   The first aspect of the chopper amplifier includes a first chopper circuit that multiplies an input signal by a chopping signal, an operational amplifier that amplifies the output of the first chopper circuit, and an output of the operational amplifier multiplied by the chopping signal. A second chopper circuit for outputting a signal, a pseudo random signal generating circuit for generating a pseudo random signal whose pulse width changes randomly, a second frequency (f2) at which the frequency spectrum of the pseudo random signal is null, Alternatively, a first signal having a first frequency (f1) that is one of the sum frequency (f2 + fin) of the second frequency (f2) and the frequency (fin) of the input signal is defined as the pseudo-random signal. And a multiplier for outputting the chopping signal.

第1の側面によれば,チョッパアンプの出力信号からスプリアスを抑制することができる。   According to the first aspect, spurious can be suppressed from the output signal of the chopper amplifier.

チョッパアンプの構成と動作を説明する図である。It is a figure explaining a structure and operation | movement of a chopper amplifier. チョッパアンプの等価回路と出力信号の周波数スペクトラムとを示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit of a chopper amplifier, and the frequency spectrum of an output signal. チョッパアンプのチョッピングアンバランスを示す図である。It is a figure which shows the chopping imbalance of a chopper amplifier. チョッピング信号にランダム信号を使用した場合の出力信号の周波数スペクトラムを示す図である。It is a figure which shows the frequency spectrum of an output signal at the time of using a random signal for a chopping signal. 第1の実施の形態におけるチョッパアンプの回路図である。1 is a circuit diagram of a chopper amplifier in a first embodiment. FIG. 第1の実施の形態におけるチョッパアンプの具体的な回路図である。It is a specific circuit diagram of the chopper amplifier in the first embodiment. 排他的論理和回路24の入力信号と出力信号の例を示す図である。3 is a diagram illustrating an example of an input signal and an output signal of an exclusive OR circuit 24. FIG. 第2の実施の形態におけるチョッパアンプの回路図である。It is a circuit diagram of a chopper amplifier in a second embodiment. 第2の実施の形態における別のチョッパアンプの回路図である。It is a circuit diagram of another chopper amplifier in a 2nd embodiment. ランダムチョッピング信号生成回路におけるランダム信号とチョッピング信号のDC電圧を示す図である。It is a figure which shows the DC voltage of the random signal and chopping signal in a random chopping signal generation circuit. 図8,図9のチョッパアンプにおける校正プロセスを説明する図である。It is a figure explaining the calibration process in the chopper amplifier of FIG. 8, FIG. 第3の実施の形態におけるチョッパアンプの回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram of a chopper amplifier according to a third embodiment. 一次のデルタシグマ変調器の回路図である。1 is a circuit diagram of a first order delta-sigma modulator. FIG. 擬似ランダム信号生成回路に擬似乱数ビットシーケンス発生器を用いた場合のチョッパアンプ出力の周波数スペクトラムを示す図である。It is a figure which shows the frequency spectrum of the chopper amplifier output at the time of using a pseudo random number bit sequence generator for a pseudo random signal generation circuit. 擬似ランダム信号生成回路に擬似乱数ビットシーケンス発生器を用いた場合のチョッパアンプ出力の周波数スペクトラムを示す図である。It is a figure which shows the frequency spectrum of the chopper amplifier output at the time of using a pseudo random number bit sequence generator for a pseudo random signal generation circuit. 擬似ランダム信号生成回路に一次のデルタシグマ変調器を用いた場合のチョッパアンプ出力の周波数スペクトラムを示す図である。It is a figure which shows the frequency spectrum of the chopper amplifier output at the time of using a primary delta-sigma modulator for a pseudorandom signal generation circuit. 擬似ランダム信号生成回路に一次のデルタシグマ変調器を用いた場合のチョッパアンプ出力の周波数スペクトラムを示す図である。It is a figure which shows the frequency spectrum of the chopper amplifier output at the time of using a primary delta-sigma modulator for a pseudorandom signal generation circuit.

以下,本実施の形態について図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, the present embodiment will be described with reference to the drawings.

図1は,チョッパアンプの構成と動作を説明する図である。このチョッパアンプは,差動の入力信号Vin+,Vin-をチョッピング信号fcでチョッピング(乗算)する前段のチョッパ回路CHP1と,チョッピングされた信号を増幅するオペアンプAMPと,オペアンプ出力Vamp+,Vamp-をチョッピング信号fcでチョッピング(乗算)する後段のチョッパ回路CHP2とを有する。後段のチョッパ回路CHP2の出力信号Vout+,Vout-を図示しないローパスフィルタLPFを通過させてノイズを除去した出力信号を得ることができる。   FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration and operation of a chopper amplifier. This chopper amplifier chops a differential input signal Vin +, Vin- with a chopping signal fc, a preceding chopper circuit CHP1, an operational amplifier AMP that amplifies the chopped signal, and an operational amplifier output Vamp +, Vamp-. And a subsequent chopper circuit CHP2 that performs chopping (multiplication) with the signal fc. The output signal Vout +, Vout− of the subsequent chopper circuit CHP2 can be passed through a low-pass filter LPF (not shown) to obtain an output signal from which noise has been removed.

図1中に示されるとおり,入力信号Vinは直流もしくは低周波数帯域にあるので,それを前段のチョッパ回路CHP1で周波数fcによりアップコンバートし,それをオペアンプAMPで増幅する。このオペアンプAMPの出力Vampには必ずフリッカノイズ(1/fノイズ)と出力オフセットノイズが含まれる。しかし,後段のチョッパ回路CHP2により周波数fcでチョッピングすることで,出力信号Voutは低周波数帯域に戻され,ノイズ成分は高い周波数帯域にアップコンバートされる。そこで,ローパスフィルタLPFを通過させることで,これらの高周波帯域のノイズ成分を除去することができる。   As shown in FIG. 1, since the input signal Vin is in the direct current or low frequency band, it is up-converted by the chopper circuit CHP1 at the previous stage with the frequency fc and amplified by the operational amplifier AMP. The output Vamp of the operational amplifier AMP always includes flicker noise (1 / f noise) and output offset noise. However, by chopping at the frequency fc by the subsequent chopper circuit CHP2, the output signal Vout is returned to the low frequency band, and the noise component is up-converted to the high frequency band. Therefore, these high frequency band noise components can be removed by passing the low pass filter LPF.

図2は,チョッパアンプの等価回路と出力信号の周波数スペクトラムとを示す図である。チョッパアンプは,図1で説明したとおり,前段のチョッパ回路CHP1と,オペアンプAMPと,後段のチョッパ回路CHP2とを有する。そして,前述のフリッカノイズ(1/fノイズ)と出力オフセットノイズとが図中Voffsetで示され,かかるノイズVoffsetは等価回路的に加算器10によりオペアンプAMPの出力に加算される。そして,図中には,出力信号Voutの演算式が示されている。c1,c2は,チョッピング信号に,Aはオペアンプの増幅率に対応する。   FIG. 2 is a diagram showing an equivalent circuit of the chopper amplifier and the frequency spectrum of the output signal. As described with reference to FIG. 1, the chopper amplifier includes a front-stage chopper circuit CHP1, an operational amplifier AMP, and a rear-stage chopper circuit CHP2. The flicker noise (1 / f noise) and the output offset noise are indicated by Voffset in the drawing, and the noise Voffset is added to the output of the operational amplifier AMP by the adder 10 in an equivalent circuit. In the figure, an arithmetic expression of the output signal Vout is shown. c1 and c2 correspond to chopping signals, and A corresponds to the amplification factor of the operational amplifier.

図2には,シミュレーションにより求めた出力信号Voutの周波数スペクトラムの一例が示されている。これによれば,信号成分signalは低周波数帯域finに存在するが,高い周波数帯域には,前述したスプリアスSpurが特定の周波数で多く存在している。また,図2の例のように信号signalよりも高い電力を有するスプリアスspurが生じる場合があり,このスプリアスSpurをローパスフィルタLPFで効果的に除去するためには,複雑で大規模なフィルタ回路が要求される。   FIG. 2 shows an example of the frequency spectrum of the output signal Vout obtained by simulation. According to this, the signal component signal exists in the low frequency band fin, but many spurious Spurs described above exist in a specific frequency in the high frequency band. Further, as in the example of FIG. 2, spurious spur having higher power than the signal signal may occur, and in order to effectively remove the spurious spur with the low-pass filter LPF, a complicated and large-scale filter circuit is required. Required.

図3は,チョッパアンプのチョッピングアンバランスを示す図である。前述のとおり,チョッピング信号にDCオフセットが生じていた場合や,乗算器であるチョッパ回路のトランジスタの製造ばらつきに起因するチョッピング動作のアンバランスにより,出力信号にDCオフセットリークが発生する。図3(A)は,あるチョッパアンプにおいてチョッピング動作が理想的な場合,つまりアンバランスが生じていない場合の出力信号の周波数スペクトラムである。信号成分Signalの低周波帯域には,DCオフセットリーク成分は生じていない。一方,図3(B)は,同じチョッパアンプにおいてチョッピング動作がアンバランスになっている場合の出力信号の周波数スペクトラムである。信号成分signalの低周波数帯域にDCオフセットリーク成分DC leakが発生している。このようなDCオフセットリーク成分は,信号成分signalと同じ周波数帯域のノイズとなり好ましくない。   FIG. 3 is a diagram showing the chopping imbalance of the chopper amplifier. As described above, a DC offset leak occurs in the output signal when a DC offset occurs in the chopping signal or due to an imbalance in the chopping operation caused by manufacturing variations in the transistors of the chopper circuit that is a multiplier. FIG. 3A shows the frequency spectrum of the output signal when a chopping operation is ideal in a chopper amplifier, that is, when no imbalance occurs. There is no DC offset leak component in the low frequency band of the signal component Signal. On the other hand, FIG. 3B shows the frequency spectrum of the output signal when the chopping operation is unbalanced in the same chopper amplifier. A DC offset leak component DC leak occurs in the low frequency band of the signal component signal. Such a DC offset leak component is undesirable because it becomes noise in the same frequency band as the signal component signal.

図4は,チョッピング信号にランダム信号を使用した場合の出力信号の周波数スペクトラムを示す図である。ランダム信号は,例えば,擬似乱数ビットシーケンス生成回路や,デルタシグマ変調器などによって生成される。ランダム信号は,多数の周波数成分を有するので,チョッパ回路においてチョッピング信号としてランダム信号を乗算することで,出力信号に存在するスプリアスを特定の周波数ではなく広い周波数帯域に分散させることができる。   FIG. 4 is a diagram showing the frequency spectrum of the output signal when a random signal is used as the chopping signal. The random signal is generated by, for example, a pseudo random number bit sequence generation circuit or a delta sigma modulator. Since the random signal has a large number of frequency components, by multiplying the random signal as a chopping signal in the chopper circuit, the spurious existing in the output signal can be distributed over a wide frequency band instead of a specific frequency.

図4の周波数スペクトラムによれば,ノイズ成分Noiseは広い周波数帯域に分散されているので,図2に示した特性の周波数における大電力のスプリアスSpurのピークはなくなっている。ただし,分散されたノイズ成分は,信号成分Signalの低周波数帯域では必ずしも低くなく,またはスペクトルヌルになっていない。そのため,図4の信号をローパスフィルタLPFに通してもSN比はほとんど改善ない。これは,ランダム信号の周波数スペクトルのエンベロープが,そのまま出力信号の周波数スペクトルに表れるからである。信号成分の低周波数帯域においてランダム信号のエンベロープが低いことが望ましい。しかし,そのようなランダム信号を生成する回路が複雑且つ大規模になることは好ましくない。   According to the frequency spectrum of FIG. 4, the noise component Noise is distributed over a wide frequency band, so that the peak of the high power spurious Spur at the frequency having the characteristics shown in FIG. 2 disappears. However, the dispersed noise component is not necessarily low in the low frequency band of the signal component Signal, or is not spectral null. Therefore, even if the signal of FIG. 4 is passed through the low-pass filter LPF, the SN ratio is hardly improved. This is because the envelope of the frequency spectrum of the random signal appears as it is in the frequency spectrum of the output signal. It is desirable that the envelope of the random signal is low in the low frequency band of the signal component. However, it is not preferable that the circuit for generating such a random signal becomes complicated and large-scale.

図5は,第1の実施の形態におけるチョッパアンプの回路図である。このチョッパアンプは,入力信号Vinにチョッピング信号CPを乗算する第1のチョッパ回路CHP1と,第1のチョッパ回路の出力を増幅するオペアンプAMPと,オペアンプAMPの出力Vampにチョッピング信号CPを乗算し出力信号Voutを出力する第2のチョッパ回路CHP2とを有する。さらに,チョッパアンプは,ランダムチョッピング信号生成回路20を有し,パルス幅がランダムに変化する擬似ランダム信号をチョッピング信号CPとして使用する。   FIG. 5 is a circuit diagram of the chopper amplifier according to the first embodiment. This chopper amplifier has a first chopper circuit CHP1 that multiplies the input signal Vin by the chopping signal CP, an operational amplifier AMP that amplifies the output of the first chopper circuit, and an output Vamp of the operational amplifier AMP that multiplies the chopping signal CP and outputs it. And a second chopper circuit CHP2 that outputs the signal Vout. Further, the chopper amplifier has a random chopping signal generation circuit 20 and uses a pseudo-random signal whose pulse width changes at random as the chopping signal CP.

そして,ランダムチョッピング信号生成回路20は,図5中に破線で示されるとおり,パルス幅がランダムに変化する擬似ランダム信号23を生成する擬似ランダム信号生成回路22と,その擬似ランダム信号23に第1の信号CLK1を乗算してチョッピング信号CPを出力する乗算器24とを有する。この第1の信号CLK1は,擬似ランダム信号23の周波数スペクトラムがヌルになる第2の周波数f2,または当該第2の周波数f2と前記入力信号の周波数finとの和f2+finのいずれかである第1の周波数f1を有する。   The random chopping signal generation circuit 20 includes a pseudo random signal generation circuit 22 that generates a pseudo random signal 23 whose pulse width changes at random, and a pseudo random signal 23 that includes a first random random signal generation circuit 22 as indicated by a broken line in FIG. And a multiplier 24 that multiplies the signal CLK1 and outputs a chopping signal CP. The first signal CLK1 is either the second frequency f2 at which the frequency spectrum of the pseudo-random signal 23 becomes null, or the sum f2 + fin of the second frequency f2 and the frequency fin of the input signal. It has a first frequency f1.

チョッピング信号CPの周波数スペクトラムは,図5中に示されているとおり,直流から低周波の微弱信号である入力信号Vinの周波数fin近傍で,電力がゼロまたは低下する特性を有する。その理由は,次の通りである。擬似ランダム信号生成回路は,例えば,擬似ランダムビットシーケンス生成回路やデルタシグマ変調器などで構成される。これらの擬似ランダム信号生成回路が生成する擬似ランダム信号の周波数スペクトラムは,図4のノイズ成分Noiseのエンベロープと同等であり,例えば,第2の周波数f2で電力がゼロまたは低下する周波数スペクトルがヌルになる。ただし,擬似ランダム信号生成回路がシンプルな回路構成の場合は,入力信号Vinの周波数finや低周波数(入力信号が直流なら周波数ゼロ)において,周波数スペクトラムがヌルになることはあまりない。   As shown in FIG. 5, the frequency spectrum of the chopping signal CP has a characteristic that the power becomes zero or lower in the vicinity of the frequency fin of the input signal Vin, which is a weak signal from DC to low frequency. The reason is as follows. The pseudo random signal generation circuit includes, for example, a pseudo random bit sequence generation circuit and a delta sigma modulator. The frequency spectrum of the pseudo random signal generated by these pseudo random signal generation circuits is equivalent to the envelope of the noise component Noise in FIG. 4. For example, the frequency spectrum in which the power is zero or decreased at the second frequency f2 is null. Become. However, when the pseudo-random signal generation circuit has a simple circuit configuration, the frequency spectrum is not likely to be null at the frequency fin or low frequency of the input signal Vin (the frequency is zero if the input signal is DC).

そこで,本実施の形態では,乗算器24が,上記第2の周波数f2と同じ周波数f2,または第2の周波数f2と入力信号の周波数finとの和周波数(f2+fin)のいずれかである第1の周波数f1(=f2 or f2+fin)を有する信号CLK1を,擬似ランダム信号23に乗算する。その結果,乗算後のチョッピング信号CPの周波数スペクトルは,周波数f2−f1=0,または周波数f2−f1=finで,電力がゼロまたは小さくなるヌルを有することになる。図5中の周波数スペクトラムのNullに示されるとおりである。   Therefore, in the present embodiment, the multiplier 24 is either the same frequency f2 as the second frequency f2 or the sum frequency (f2 + fin) of the second frequency f2 and the frequency fin of the input signal. The pseudo random signal 23 is multiplied by the signal CLK1 having the first frequency f1 (= f2 or f2 + fin). As a result, the frequency spectrum of the chopping signal CP after multiplication has a null at a frequency f2−f1 = 0 or a frequency f2−f1 = fin and the power becomes zero or small. This is as indicated by Null in the frequency spectrum in FIG.

すなわち,本実施の形態のランダムチョッピング信号生成回路20は,構成が簡単で消費電力も小さい擬似ランダム信号生成回路22により擬似ランダム信号23を生成し,乗算器24により第1の信号CLK1を乗算してチョッピング信号CPを生成する。その結果,チョッピング信号CPに図5中に示したように,入力信号の周波数fin近傍でスペクトラムヌルNullになる周波数スペクトラムを持たせることができる。擬似ランダム信号生成回路22の周波数スペクトラムがNullになる第2の周波数f2が分かれば,その第2の周波数f2に合わせた第1の周波数f1(=f2 or f2+fin)のクロック信号CLK1を生成すればよいだけである。   That is, the random chopping signal generation circuit 20 of the present embodiment generates a pseudo random signal 23 by a pseudo random signal generation circuit 22 that has a simple configuration and low power consumption, and multiplies the first signal CLK1 by a multiplier 24. To generate a chopping signal CP. As a result, as shown in FIG. 5, the chopping signal CP can have a frequency spectrum that becomes null in the vicinity of the frequency fin of the input signal. If the second frequency f2 at which the frequency spectrum of the pseudo random signal generation circuit 22 becomes null is known, the clock signal CLK1 having the first frequency f1 (= f2 or f2 + fin) that matches the second frequency f2 is generated. All you have to do is

図6は,第1の実施の形態におけるチョッパアンプの具体的な回路図である。このチョッパアンプは,前段のチョッパ回路CHP1と,オペアンプAMPと,後段のチョッパ回路CHP2とを有する。チョッパ回路CHP1,CHP2は,例えば,図1に示したチョッパ回路と同様に,差動の入力信号Vin+, Vin-の極性をチョッピング信号CP+, CP-に応答して切り替える第1のスイッチ対SW1と第2のスイッチ対SW2とで構成される。第1のスイッチ対SW1が導通し第2のスイッチ対SW2が非導通になれば,差動入力信号は極性が反転せずに出力され,逆に,第1のスイッチ対SW1が非導通になり第2のスイッチ対SW2が導通になれば,差動入力信号は極性が反転して出力される。これらの第1,第2のスイッチ対が,チョッピング信号CP+, CP-によりそれぞれ逆相で制御される。   FIG. 6 is a specific circuit diagram of the chopper amplifier according to the first embodiment. This chopper amplifier has a front-stage chopper circuit CHP1, an operational amplifier AMP, and a rear-stage chopper circuit CHP2. The chopper circuits CHP1 and CHP2 are, for example, the first switch pair SW1 that switches the polarities of the differential input signals Vin + and Vin− in response to the chopping signals CP + and CP−, similarly to the chopper circuit shown in FIG. It is composed of a second switch pair SW2. If the first switch pair SW1 is turned on and the second switch pair SW2 is turned off, the differential input signal is output without inverting the polarity, and conversely, the first switch pair SW1 is turned off. When the second switch pair SW2 becomes conductive, the differential input signal is output with the polarity reversed. These first and second switch pairs are controlled in opposite phases by chopping signals CP + and CP-, respectively.

オペアンプAMPは,例えば,1対のトランジスタと,それにそれぞれ接続された1対の負荷抵抗と,1対のトランジスタに電流を供給する電流源とを有し,1対のトランジスタのゲートには差動入力信号が供給され,1対のトランジスタのドレインから増幅された差動出力信号が出力される。   The operational amplifier AMP has, for example, a pair of transistors, a pair of load resistors connected thereto, and a current source that supplies current to the pair of transistors. An input signal is supplied, and an amplified differential output signal is output from the drains of the pair of transistors.

図6のランダムチョッピング信号生成回路20は,第2の周波数f2のクロック信号CLK2と制御信号CONTとに応じてHレベルとLレベルとがランダムに発生する擬似ランダム信号23を生成する擬似ランダム信号生成回路22と,擬似ランダム信号23とクロック信号CLK1との排他的論理和を演算して出力する排他的論理和回路24とを有する。図5の乗算器24が,この排他的論理和回路24で構成されている。この排他的論理和回路は,その構成が非常に単純であり低コストである。排他的論理和回路24が出力する差動のチョッピング信号CP+, CP-が,チョッパ回路CHP1,CHP2に供給される。   The random chopping signal generation circuit 20 of FIG. 6 generates a pseudo random signal 23 that generates a pseudo random signal 23 in which an H level and an L level are randomly generated according to the clock signal CLK2 having the second frequency f2 and the control signal CONT. The circuit 22 includes an exclusive OR circuit 24 that calculates and outputs an exclusive OR of the pseudo random signal 23 and the clock signal CLK1. The multiplier 24 shown in FIG. 5 includes this exclusive OR circuit 24. This exclusive OR circuit has a very simple configuration and low cost. Differential chopping signals CP + and CP− output from the exclusive OR circuit 24 are supplied to the chopper circuits CHP1 and CHP2.

擬似ランダム信号生成回路22は,前述のとおり,第2の周波数f2のクロック信号CLK2に同期して擬似ランダム信号23を生成する擬似ランダムビットシーケンス生成回路,または1次のデルタシグマ変調器である。これらの回路は,第2の周波数f2で周波数スペクトラムがヌルになる擬似ランダム信号を生成する。   As described above, the pseudo-random signal generation circuit 22 is a pseudo-random bit sequence generation circuit that generates a pseudo-random signal 23 in synchronization with the clock signal CLK2 having the second frequency f2, or a first-order delta-sigma modulator. These circuits generate a pseudo-random signal whose frequency spectrum is null at the second frequency f2.

図7は,排他的論理和回路24の入力信号と出力信号の例を示す図である。クロック信号CLK1は,周期Tで1レベルと0レベルとを交互に発生する。図7の例では,1レベルの期間が0.6T,0レベルの期間が0.4Tである。つまり,デューティ比は60%の例である。一方,擬似ランダム信号23は,1レベルと0レベルとがランダムに発生し,それによりパルス幅がランダムに変化する信号である。そして,排他的論理和回路24は,それらの信号CLK1,23のEORを演算して,チョッピング信号CPを出力する。   FIG. 7 is a diagram illustrating an example of an input signal and an output signal of the exclusive OR circuit 24. The clock signal CLK1 alternately generates 1 level and 0 level with a period T. In the example of FIG. 7, the 1-level period is 0.6T, and the 0-level period is 0.4T. That is, the duty ratio is an example of 60%. On the other hand, the pseudo random signal 23 is a signal in which the 1 level and the 0 level are randomly generated, and the pulse width is changed randomly. Then, the exclusive OR circuit 24 calculates EOR of these signals CLK1 and CLK23 and outputs a chopping signal CP.

擬似ランダム信号23とクロック信号CLK1との排他的論理和は,擬似ランダム信号23に周波数1/T=f1のクロック信号CLK1を乗算することと等価である。その結果,擬似ランダム信号23の周波数スペクトルは,クロック信号CLK1の周波数だけダウンコンバートまたはアップコンバートされる。これにより,排他的論理和回路24の出力信号では,その周波数スペクトルは,周波数f2-f1でヌルになる。   The exclusive OR of the pseudo random signal 23 and the clock signal CLK1 is equivalent to multiplying the pseudo random signal 23 by the clock signal CLK1 having the frequency 1 / T = f1. As a result, the frequency spectrum of the pseudo random signal 23 is down-converted or up-converted by the frequency of the clock signal CLK1. Thereby, in the output signal of the exclusive OR circuit 24, the frequency spectrum becomes null at the frequency f2-f1.

図6において,クロック信号CLK1の周波数f1は,第2のクロックCLK2の周波数f2の自然数倍n*f2,または第2のクロックCLK2の周波数f2の自然数倍n*f2と入力信号の周波数finとの和(n*f2+fin)であってもよい。その場合は,図4中のスペクトルヌルの周波数nf2が,排他的論理和回路24の乗算演算により周波数ゼロまたは入力信号の周波数finまでダウンコンバートされる。ただし,図4中の最も低いスペクトルヌルの周波数f2を,周波数ゼロまたは入力信号の周波数finまでダウンコンバートするのがより好ましい。   In FIG. 6, the frequency f1 of the clock signal CLK1 is a natural number multiple n * f2 of the frequency f2 of the second clock CLK2 or a natural number multiple n * f2 of the frequency f2 of the second clock CLK2 and the frequency fin of the input signal. (N * f2 + fin). In this case, the frequency nf2 of the spectrum null in FIG. 4 is down-converted to the frequency zero or the frequency fin of the input signal by the multiplication operation of the exclusive OR circuit 24. However, it is more preferable to down-convert the lowest spectral null frequency f2 in FIG. 4 to the frequency zero or the frequency fin of the input signal.

図8は,第2の実施の形態におけるチョッパアンプの回路図である。第1,第2のチョッパ回路CHP1,CHP2とオペアンプAMPとは,第1の実施の形態と同じである。また,ランダムチョッピング信号生成回路20も,第1の実施の形態と同様に,擬似ランダム信号生成回路22と,EOR回路からなる乗算器24とを有する。   FIG. 8 is a circuit diagram of the chopper amplifier according to the second embodiment. The first and second chopper circuits CHP1 and CHP2 and the operational amplifier AMP are the same as those in the first embodiment. Similarly to the first embodiment, the random chopping signal generation circuit 20 also includes a pseudo random signal generation circuit 22 and a multiplier 24 including an EOR circuit.

ただし,擬似ランダム信号生成回路22は,例えば1次のデルタシグマ変調器であり,生成される擬似ランダム信号の1レベルと0レベルの発生確率は制御信号CONTに応じて変更可能である。例えば,制御信号CONTにより1レベルの確率を高くすることで,チョッピング信号CPのDC成分を上昇させることができ,逆に0レベルの確率を高くすることで,チョッピング信号CPのDC成分を低下させることができる。発生確率が50%の場合は,DC成分は,1レベルの電圧の1/2になる。   However, the pseudo random signal generation circuit 22 is, for example, a first-order delta sigma modulator, and the probability of occurrence of 1 level and 0 level of the generated pseudo random signal can be changed according to the control signal CONT. For example, the DC component of the chopping signal CP can be increased by increasing the probability of 1 level by the control signal CONT, and conversely, the DC component of the chopping signal CP can be decreased by increasing the probability of 0 level. be able to. When the occurrence probability is 50%, the DC component is ½ of the voltage of one level.

さらに,図8のチョッパアンプは,出力信号Voutの直流成分を測定する直流測定回路30と,その測定された直流成分をゼロにするように制御信号CONTを可変制御する制御回路32とを有する。   Further, the chopper amplifier of FIG. 8 includes a DC measurement circuit 30 that measures the DC component of the output signal Vout, and a control circuit 32 that variably controls the control signal CONT so that the measured DC component becomes zero.

前述したとおり,チョッピング信号CPにはDCオフセット成分が含まれる。さらに,チョッパ回路CHP1,CH2のトランジスタスイッチの特性ばらつきによっても,チョッピングされた出力信号にはDCオフセット成分が発生する。このようなチョッピング回路のアンバランスな動作により,図3(B)に示したとおり,チョッパアンプの出力Voutには,DCオフセットリーク成分が信号の周波数近傍に発生する。   As described above, the chopping signal CP includes a DC offset component. Furthermore, a DC offset component is also generated in the chopped output signal due to variations in characteristics of the transistor switches of the chopper circuits CHP1 and CH2. Due to such an unbalanced operation of the chopping circuit, as shown in FIG. 3B, a DC offset leak component is generated in the vicinity of the signal frequency in the output Vout of the chopper amplifier.

そこで,第2の実施の形態では,直流測定回路30と制御回路32とにより,出力信号Voutの直流成分がゼロになるように,擬似ランダム信号生成回路を,制御信号CONTによりフィードバック制御する。かかるフィードバック制御によれば,単にチョッピング信号CPのデューティ比やスキューを調整するだけではなく,チョッパ回路のトランジスタのばらつきなどに起因するアンバランスをなくすようにすることができる。その意味するところは,チョッピング信号CPにわずかにDCオフセットを持たせることで,チョッパ回路のトランジスタの特性ばらつきによるアンバランスを打ち消すことができる。そのためには,上記のフィードバック制御が有効である。   Therefore, in the second embodiment, the DC measurement circuit 30 and the control circuit 32 perform feedback control of the pseudo random signal generation circuit using the control signal CONT so that the DC component of the output signal Vout becomes zero. According to such feedback control, it is possible not only to adjust the duty ratio and skew of the chopping signal CP but also to eliminate imbalance caused by variations in transistors of the chopper circuit. This means that by making the chopping signal CP have a slight DC offset, it is possible to cancel the imbalance caused by variations in the characteristics of the transistors in the chopper circuit. For this purpose, the above feedback control is effective.

図9は,第2の実施の形態における別のチョッパアンプの回路図である。図8の回路図と異なるところは,入力信号Vinの端子に,定電圧,例えばグランドGND,に接続するスイッチSW10を設けたことである。それ以外の構成は,図8と同じである。   FIG. 9 is a circuit diagram of another chopper amplifier in the second embodiment. A difference from the circuit diagram of FIG. 8 is that a switch SW10 connected to a constant voltage, for example, a ground GND, is provided at the terminal of the input signal Vin. The other configuration is the same as that of FIG.

このチョッパアンプでは,電源投入時などの校正プロセスにおいて,スイッチSW10が閉じられ,入力を一定電圧,例えばグランドGNDに固定する。したがって,出力信号Voutの適切なDCレベルを予測することができる。その上で,出力信号Voutの直流成分がゼロになる制御信号CONTを制御回路32が検出する。この検出方法は,例えばバイナリーサーチ法などが利用できる。具体例は後述する。   In this chopper amplifier, the switch SW10 is closed in a calibration process such as when the power is turned on, and the input is fixed to a constant voltage, for example, ground GND. Therefore, an appropriate DC level of the output signal Vout can be predicted. Then, the control circuit 32 detects the control signal CONT in which the DC component of the output signal Vout becomes zero. As this detection method, for example, a binary search method can be used. Specific examples will be described later.

図10は,ランダムチョッピング信号生成回路におけるランダム信号とチョッピング信号のDC電圧を示す図である。図10の横軸の制御ビットは制御信号CONTであり,縦軸のDC電圧は,信号のDC成分である。図7に示したとおり,擬似ランダム信号生成回路の制御信号CONTによりそのランダム信号23の1レベルと0レベルの比率を変更することができる。この比率の変更により,ランダム信号23のDC電圧は,図示されるとおり大きく変化する。その結果,第1のクロックCLK1により乗算されたチョッピング信号も,その傾きは小さくなるが,制御ビットに応じて微少な範囲ではあるが変化する。チョッピング信号の正相CP+は,ランダム信号23と同じ傾きであり,チョッピング信号の逆相CP-は,ランダム信号23と傾きが逆になる。   FIG. 10 is a diagram illustrating a random signal and a DC voltage of the chopping signal in the random chopping signal generation circuit. The control bit on the horizontal axis in FIG. 10 is the control signal CONT, and the DC voltage on the vertical axis is the DC component of the signal. As shown in FIG. 7, the ratio between the 1 level and 0 level of the random signal 23 can be changed by the control signal CONT of the pseudo random signal generation circuit. By changing the ratio, the DC voltage of the random signal 23 changes greatly as shown in the figure. As a result, the chopping signal multiplied by the first clock CLK1 also has a small slope but changes in a small range according to the control bit. The normal phase CP + of the chopping signal has the same slope as that of the random signal 23, and the reverse phase CP− of the chopping signal has a slope opposite to that of the random signal 23.

図10の例では,8ビットの制御ビットCONTが0の場合は,ランダム信号の0レベルが100%となりDC電圧は0Vになる。一方,制御ビットCONTが255の場合は,ランダム信号の1レベルが100%となりDC電圧は1200mVになる。そして,制御ビットCONTが127の場合は,ランダム信号の0レベルと1レベルの比率が50%になり,DC電圧は0レベルの0Vと1レベルの1200mVとの中間の600mVになる。   In the example of FIG. 10, when the 8-bit control bit CONT is 0, the 0 level of the random signal is 100% and the DC voltage is 0V. On the other hand, when the control bit CONT is 255, one level of the random signal is 100% and the DC voltage is 1200 mV. When the control bit CONT is 127, the ratio between the 0 level and 1 level of the random signal is 50%, and the DC voltage is 600 mV, which is intermediate between 0 V of 0 level and 1200 mV of 1 level.

図11は,図8,図9のチョッパアンプにおける校正プロセスを説明する図である。この例では,前述のバイナリーサーチ法により出力信号Voutの直流成分31がゼロになる制御信号CONTが探索される。図11の横軸は制御ビットCONT,縦軸は出力信号Voutの直流成分31である。この例では,8ビットの制御ビットCONTを0から255まで変化させると,直流成分はプラスの電圧からマイナスの電圧まで変化している。   FIG. 11 is a diagram for explaining a calibration process in the chopper amplifiers of FIGS. In this example, the control signal CONT in which the DC component 31 of the output signal Vout is zero is searched by the binary search method described above. In FIG. 11, the horizontal axis represents the control bit CONT, and the vertical axis represents the DC component 31 of the output signal Vout. In this example, when the 8-bit control bit CONT is changed from 0 to 255, the DC component changes from a positive voltage to a negative voltage.

そこで,入力電圧をグランド電圧に接続した状態で,制御回路32は,バイナリーサーチ法により直流成分31がゼロになる制御ビットCONTを探索する。まず,工程S1では,制御回路32が制御ビットCONT=127に設定して直流測定回路30の測定結果をチェックする。図11の例では,測定された直流電圧が基準値0より高い正であったため,工程S2では,制御回路32が制御ビットCONTを+64してCONT=191に設定して直流測定回路30の測定結果をチェックする。この測定結果は直流電圧が基準値0より低い負である。そこで,工程S3では,制御回路32が制御ビットCONTを-32してCONT=159に設定して直流測定回路30の測定結果をチェックする。この測定結果は直流電圧が基準値0より高い正である。そこで,工程S4では,制御回路32が制御ビットCONTを-16してCONT=143に設定して測定結果をチェックする。以下同様にして,制御回路32は制御ビットをCONT=151,155と変更し,CONT=155で測定結果が基準値0と一致することを検出する。   Therefore, in a state where the input voltage is connected to the ground voltage, the control circuit 32 searches for the control bit CONT in which the DC component 31 becomes zero by the binary search method. First, in step S1, the control circuit 32 sets the control bit CONT = 127 and checks the measurement result of the DC measurement circuit 30. In the example of FIG. 11, since the measured DC voltage is positive higher than the reference value 0, in step S2, the control circuit 32 sets the control bit CONT to +64 and sets CONT = 191 to set the DC measurement circuit 30. Check the measurement result. This measurement result is negative in which the DC voltage is lower than the reference value 0. Therefore, in step S3, the control circuit 32 checks the measurement result of the DC measurement circuit 30 by setting the control bit CONT to -32 and setting CONT = 159. This measurement result is positive in which the DC voltage is higher than the reference value 0. Therefore, in step S4, the control circuit 32 checks the measurement result by setting the control bit CONT to -16 and setting CONT = 143. Similarly, the control circuit 32 changes the control bit to CONT = 151,155, and detects that the measurement result matches the reference value 0 at CONT = 155.

以上で校正プロセスが終了する。その後の通常動作では,制御ビットCONT=155が維持されて,チョッパアンプの出力電圧にはDCオフセットリーク成分が含まれない。   This completes the calibration process. In normal operation thereafter, the control bit CONT = 155 is maintained, and the output voltage of the chopper amplifier does not include a DC offset leak component.

図12は,第3の実施の形態におけるチョッパアンプの回路図である。図中,各信号の周波数スペクトラム40〜47が示されている。このチョッパアンプは,第2の実施の形態と同様に,前段のチョッパ回路CHP1と,オペアンプAMPと,後段のチョッパ回路CHP2とを有する。さらに,チョッパ回路CHP1,CHP2に与えられるチョッパ信号CP+, CP-は,図5と同様に,擬似ランダム信号生成回路22と乗算器24とで構成されたランダムチョッパ信号生成回路により生成される。この擬似ランダム信号生成回路22は,たとえば,一次のデルタシグマ変調器であり,制御信号CONTに応じて擬似ランダム信号23の1レベルと0レベルの比率を制御可能な回路である。   FIG. 12 is a circuit diagram of a chopper amplifier according to the third embodiment. In the figure, frequency spectra 40 to 47 of each signal are shown. As in the second embodiment, this chopper amplifier includes a front-stage chopper circuit CHP1, an operational amplifier AMP, and a rear-stage chopper circuit CHP2. Further, the chopper signals CP + and CP− supplied to the chopper circuits CHP1 and CHP2 are generated by a random chopper signal generation circuit including a pseudo random signal generation circuit 22 and a multiplier 24, as in FIG. The pseudo random signal generation circuit 22 is, for example, a first-order delta sigma modulator, and is a circuit capable of controlling the ratio between the 1 level and the 0 level of the pseudo random signal 23 in accordance with the control signal CONT.

さらに,チョッパアンプは,チョッパアンプ出力Voutを入力するローパスフィルタLPFと,その出力をアナログデジタル変換するアナログデジタル変換回路ADCと,そのデジタル出力のうち直流成分のビット31を入力しそれに応じて制御信号CONTを設定するデコーダDECとを有する。アナログデジタル変換回路ADCは,直流成分のビットを生成するので,図8,9の直流測定回路30に対応する。また,デコーダDECは,図8,9の制御回路32に対応する。   Further, the chopper amplifier receives a low-pass filter LPF for inputting the chopper amplifier output Vout, an analog-to-digital conversion circuit ADC for converting the output into analog to digital, and a bit 31 of a DC component of the digital output, and a control signal corresponding thereto. And a decoder DEC for setting CONT. The analog-to-digital conversion circuit ADC generates a DC component bit, and therefore corresponds to the DC measurement circuit 30 in FIGS. The decoder DEC corresponds to the control circuit 32 shown in FIGS.

図13は,一次のデルタシグマ変調器の回路図である。このデルタシグマ変調器は,加減算器50と,積分回路52と,比較器からなる量子化回路54と,遅延回路56とを有する。これらの回路は,クロックCLK2に同期して動作する。量子化回路54は,入力値を基準値と比較してその大小関係に応じて1レベルまたは0レベルの擬似ランダム信号23を出力する。そして,量子化誤差が遅延回路56を経由して入力側にフィードバックされ,入力信号に加算される。そして,制御信号CONTの値に応じた比率の1レベルまたは0レベルの擬似ランダム信号23が生成される。   FIG. 13 is a circuit diagram of a primary delta-sigma modulator. This delta-sigma modulator has an adder / subtractor 50, an integrating circuit 52, a quantizing circuit 54 composed of a comparator, and a delay circuit 56. These circuits operate in synchronization with the clock CLK2. The quantization circuit 54 compares the input value with a reference value and outputs a 1-level or 0-level pseudorandom signal 23 according to the magnitude relationship. The quantization error is fed back to the input side via the delay circuit 56 and added to the input signal. Then, a 1-level or 0-level pseudo-random signal 23 having a ratio corresponding to the value of the control signal CONT is generated.

図12に戻り,クロック信号CLK1は,周波数スペクトラム40に示されるとおり,周波数f1を有する。また,擬似ランダム信号生成回路22は,クロックCLK2と制御ビットCONTに応じて擬似ランダム信号23を生成する。この擬似ランダム信号23は,ランダムな信号であるため,周波数スペクトラム41に示されるとおり,広い周波数に分散されている。また,擬似ランダム信号23は,クロック信号CLK2の周波数f2で電力が小さくなるヌルを有する周波数特性を有する。ただし,擬似ランダム信号23は,チョッパアンプの入力信号Vinの周波数である低い周波数では電力が大きい。   Returning to FIG. 12, the clock signal CLK <b> 1 has a frequency f <b> 1 as shown in the frequency spectrum 40. The pseudo random signal generation circuit 22 generates a pseudo random signal 23 according to the clock CLK2 and the control bit CONT. Since the pseudo-random signal 23 is a random signal, it is distributed over a wide frequency as shown in the frequency spectrum 41. Further, the pseudo random signal 23 has a frequency characteristic having a null in which power is reduced at the frequency f2 of the clock signal CLK2. However, the pseudo random signal 23 has high power at a low frequency which is the frequency of the input signal Vin of the chopper amplifier.

そこで,EOR回路24は,擬似ランダム信号23と,周波数f1=f2 or f2+finの第1のクロックCLK1との排他的論理和を演算し,正相のチョッピング信号CP+と逆相のチョッピング信号CP-とを出力する。その結果,チョッピング信号の周波数スペクトラム42に示されるとおり,そのエンベロープは,周波数f2-f1でヌルになる。   Therefore, the EOR circuit 24 calculates an exclusive OR of the pseudo-random signal 23 and the first clock CLK1 having the frequency f1 = f2 or f2 + fin, and the positive-phase chopping signal CP + and the negative-phase chopping signal CP. -And output. As a result, as shown in the frequency spectrum 42 of the chopping signal, the envelope becomes null at the frequency f2-f1.

チョッパアンプへの入力信号Vinは直流または低周波の周波数finを有する。周波数スペクトラム43に示されるとおりである。前段のチョッパ回路CHP1は,入力信号Vinにチョッピング信号CP+, CP-を乗算する。これにより入力信号Vinはアップコンバートされる。ただし,チョッピング信号CP+, CP-の周波数スペクトラム42は,分散された周波数成分を有するので,アップコンバートされた信号は,周波数スペクトラム44に示されるとおり,チョッピング信号に対応した周波数特性を有する。   The input signal Vin to the chopper amplifier has a direct current or low frequency frequency fin. As shown in the frequency spectrum 43. The chopper circuit CHP1 at the previous stage multiplies the input signal Vin by the chopping signals CP + and CP-. As a result, the input signal Vin is up-converted. However, since the frequency spectrum 42 of the chopping signals CP + and CP− has dispersed frequency components, the up-converted signal has a frequency characteristic corresponding to the chopping signal as indicated by the frequency spectrum 44.

オペアンプAMPは,チョッパ回路CHP1の出力を増幅して出力信号Vampを出力する。この信号Vampには,周波数スペクトラム45に示されるとおり,フリッカノイズ1/fが混在している。そして,後段のチョッパ回路CHP2は,出力信号Vampにチョッピング信号が乗算され,信号成分はダウンコンバートされ,フリッカノイズは分散された多数の周波数にアップコンバートされる。つまり,多くの周波数に分散されたランダムなチョッピング信号が乗算されたことで,乗算後の信号は,フリッカノイズなどのスプリアスが広い周波数帯域に分散される。   The operational amplifier AMP amplifies the output of the chopper circuit CHP1 and outputs an output signal Vamp. In this signal Vamp, as indicated by the frequency spectrum 45, flicker noise 1 / f is mixed. In the subsequent chopper circuit CHP2, the output signal Vamp is multiplied by the chopping signal, the signal component is down-converted, and the flicker noise is up-converted to a large number of dispersed frequencies. That is, by multiplying random chopping signals distributed over many frequencies, the multiplied signal is distributed over a wide frequency band with spurious such as flicker noise.

その結果,周波数スペクトル46に示されるとおり,出力信号Voutには,入力信号の周波数finには増幅された出力信号Voutが生成され,フリッカノイズなどのスプリアスは多くの周波数に分散され,図2のような特定の周波数で高い電力を持つスプリアスは形成されない。さらに,この雑音成分は,周波数f1-f2では電力が低いヌルになる特性を有する。そのため,出力信号Voutに対するSN比は改善される。   As a result, as shown in the frequency spectrum 46, the output signal Vout generates an amplified output signal Vout at the frequency fin of the input signal, and spurious such as flicker noise is distributed to many frequencies. Such spurious with high power at a specific frequency is not formed. Furthermore, this noise component has a characteristic that the power becomes null at the frequency f1-f2. Therefore, the SN ratio with respect to the output signal Vout is improved.

出力信号Voutは,ローパスフィルタLPFにより高い周波数帯域は除去される。周波数スペクトラム47に示すとおりである。このローパスフィルタLPFは必ずしも次数が高いものである必要はなく,構成が簡単なフィルタであっても,高い周波数の雑音を十分に低下させることができる。特定の周波数で高い電力を持つスプリアスが存在しないからである。   A high frequency band of the output signal Vout is removed by the low pass filter LPF. As shown in the frequency spectrum 47. This low-pass filter LPF does not necessarily have a high order, and even a simple filter can sufficiently reduce high frequency noise. This is because there is no spurious having high power at a specific frequency.

ローパスフィルタを通過したアナログ出力信号は,アナログデジタル変換器ADCでデジタル信号に変換される。このデジタル信号には,符号ビットと共に直流成分を示すビットも含まれる。この符号と直流成分を示す信号が,測定された直流成分31として制御回路であるデコーダDECに供給される。   The analog output signal that has passed through the low-pass filter is converted into a digital signal by the analog-digital converter ADC. This digital signal includes a bit indicating a DC component together with a sign bit. A signal indicating the code and the DC component is supplied as a measured DC component 31 to a decoder DEC which is a control circuit.

デコーダDECは,前述したとおり,直流成分31がゼロになる制御信号CONTを探索する。この探索プロセスでは,入力信号Vinは一定電圧またはグランド電圧にされる。   As described above, the decoder DEC searches for the control signal CONT in which the DC component 31 becomes zero. In this search process, the input signal Vin is set to a constant voltage or a ground voltage.

図14,図15は,擬似ランダム信号生成回路に擬似乱数ビットシーケンス発生器を用いた場合のチョッパアンプ出力の周波数スペクトラムを示す図である。シミュレーション結果である。図14の例では,第1のクロック信号CLK1の周波数f1と,擬似乱数ビットシーケンス発生器のクロック信号CLK2の周波数f2(10MHz)とを等しくしている。その結果,周波数0でスペクトラムヌルNullが形成され,出力信号signalの周波数帯域での雑音の電力は低くなっている。   FIG. 14 and FIG. 15 are diagrams showing the frequency spectrum of the chopper amplifier output when a pseudo-random bit sequence generator is used in the pseudo-random signal generation circuit. It is a simulation result. In the example of FIG. 14, the frequency f1 of the first clock signal CLK1 is made equal to the frequency f2 (10 MHz) of the clock signal CLK2 of the pseudo random number bit sequence generator. As a result, spectrum null Null is formed at frequency 0, and the noise power in the frequency band of the output signal signal is low.

図の例では,第1のクロック信号CLK1の周波数f1が,擬似乱数ビットシーケンス発生器のクロック信号CLK2の周波数f2(10MHz)と入力信号の周波数finとの和に等しくなっている。その結果,雑音成分は,周波数finでスペクトラムヌルNullが形成され,出力信号signalの周波数帯域での雑音の電力は低くなっている。   In the illustrated example, the frequency f1 of the first clock signal CLK1 is equal to the sum of the frequency f2 (10 MHz) of the clock signal CLK2 of the pseudo random number bit sequence generator and the frequency fin of the input signal. As a result, the spectrum component Null is formed at the frequency fin, and the noise power in the frequency band of the output signal signal is low.

図16,図17は,擬似ランダム信号生成回路に一次のデルタシグマ変調器を用いた場合のチョッパアンプ出力の周波数スペクトラムを示す図である。図16(A)は,第1のクロック信号CLK1の周波数f1と,デルタシグマ変調器24のクロック信号CLK2の周波数f2(10MHz)とを等しくした場合の周波数スペクトラムである。周波数0のところにスペクトラムヌルNullが存在している。   16 and 17 are diagrams showing the frequency spectrum of the chopper amplifier output when a first-order delta-sigma modulator is used in the pseudo-random signal generation circuit. FIG. 16A shows a frequency spectrum when the frequency f1 of the first clock signal CLK1 is equal to the frequency f2 (10 MHz) of the clock signal CLK2 of the delta-sigma modulator 24. There is a spectrum null Null at a frequency of zero.

図16(B),(C)も,f1=f2の場合の周波数スペクトラムであるが,それぞれ制御信号CONT1, CONT2の例である。つまり,制御信号が異なっている。また,横軸の周波数が0〜20MHzと図16(A)よりも狭くなっている。なお図16(C)の制御信号CONT2は,図16(A)の例と同じである。よって,図16(A)と(C)とは同じ周波数スペクトラムである。図16(B),(C)を比較するとわかるとおり,制御信号CONTが異なっていても,周波数0付近の雑音のエンベロープはほとんど同じである。   FIGS. 16B and 16C also show frequency spectra when f1 = f2, but are examples of control signals CONT1 and CONT2, respectively. That is, the control signals are different. Further, the frequency on the horizontal axis is 0 to 20 MHz, which is narrower than that in FIG. Note that the control signal CONT2 in FIG. 16C is the same as the example in FIG. Therefore, FIGS. 16A and 16C have the same frequency spectrum. As can be seen from a comparison between FIGS. 16B and 16C, the noise envelopes near the frequency 0 are almost the same even if the control signal CONT is different.

図17の例は,f1=f2+finの場合の周波数スペクトラムである。信号の周波数finのところにスペクトラムヌルが発生している。つまり,図16に比較すると,信号Signalの周波数付近の雑音フロアがより広い周波数帯域にわたって低くなっている。   The example of FIG. 17 is a frequency spectrum when f1 = f2 + fin. A spectrum null is generated at the frequency fin of the signal. That is, compared to FIG. 16, the noise floor near the frequency of the signal Signal is lower over a wider frequency band.

以上のシミュレーション結果から理解されるとおり,本実施の形態のチョッパアンプによれば,特定の周波数で高くなるスプリアスをなくすことができるとともに,チョッパアンプにより増幅される信号の周波数帯域において,雑音の電力を低くすることができる。さらに,フィードバックループにより,出力信号のDCオフセットリーク成分を除去することができる。   As understood from the above simulation results, according to the chopper amplifier of the present embodiment, it is possible to eliminate the spurious signal that increases at a specific frequency, and in the frequency band of the signal amplified by the chopper amplifier, Can be lowered. Further, the DC offset leak component of the output signal can be removed by the feedback loop.

以上の実施の形態をまとめると,次の付記のとおりである。   The above embodiment is summarized as follows.

(付記1)
入力信号にチョッピング信号を乗算する第1のチョッパ回路と,
前記第1のチョッパ回路の出力を増幅するオペアンプと,
前記オペアンプの出力に前記チョッピング信号を乗算し出力信号を出力する第2のチョッパ回路と,
パルス幅がランダムに変化する擬似ランダム信号を生成する擬似ランダム信号生成回路と,
前記擬似ランダム信号の周波数スペクトラムがヌルになる第2の周波数(f2),または当該第2の周波数(f2)と前記入力信号の周波数(fin)との和周波数(f2+fin)のいずれかである第1の周波数(f1)を有する第1の信号を前記擬似ランダム信号に乗算し,前記チョッピング信号を出力する乗算器とを有するチョッパアンプ。
(Appendix 1)
A first chopper circuit for multiplying an input signal by a chopping signal;
An operational amplifier for amplifying the output of the first chopper circuit;
A second chopper circuit for multiplying the output of the operational amplifier by the chopping signal and outputting an output signal;
A pseudo-random signal generation circuit that generates a pseudo-random signal whose pulse width changes randomly;
Either the second frequency (f2) at which the frequency spectrum of the pseudo-random signal is null, or the sum frequency (f2 + fin) of the second frequency (f2) and the frequency (fin) of the input signal A chopper amplifier having a multiplier that multiplies the pseudo-random signal by a first signal having a first frequency (f1) and outputs the chopping signal.

(付記2)
付記1において,
前記第1の信号は前記第1の周波数を有する第1のクロック信号(CLK1)であり,
前記乗算器は,前記擬似ランダム信号と前記第1のクロック信号とを入力しそれらの排他的論理和信号を前記チョッピング信号として出力する排他的論理和回路であるチョッパアンプ。
(Appendix 2)
In Appendix 1,
The first signal is a first clock signal (CLK1) having the first frequency;
The multiplier is a chopper amplifier that is an exclusive OR circuit that inputs the pseudo random signal and the first clock signal and outputs an exclusive OR signal thereof as the chopping signal.

(付記3)
付記2において,
前記擬似ランダム信号生成回路は,第2のクロック(CLK2)に基づいて前記擬似ランダム信号を生成する擬似乱数ビットシーケンス発生器またはデルタシグマ変調器であり,
前記第1のクロック信号の周波数(f1)は前記第2のクロック(CLK2)の周波数の自然数倍であるチョッパアンプ。
(Appendix 3)
In Appendix 2,
The pseudo-random signal generation circuit is a pseudo-random bit sequence generator or a delta-sigma modulator that generates the pseudo-random signal based on a second clock (CLK2),
A chopper amplifier in which the frequency (f1) of the first clock signal is a natural number multiple of the frequency of the second clock (CLK2).

(付記4)
付記2において,
前記擬似ランダム信号生成回路は,第2のクロック(CLK2)に基づいて前記擬似ランダム信号を生成する擬似乱数ビットシーケンス発生器またはデルタシグマ変調器であり,
前記第1のクロック信号の周波数(f1)は前記第2のクロック(CLK2)の周波数の自然数倍と前記入力信号の周波数との和であるチョッパアンプ。
(Appendix 4)
In Appendix 2,
The pseudo-random signal generation circuit is a pseudo-random bit sequence generator or a delta-sigma modulator that generates the pseudo-random signal based on a second clock (CLK2),
A chopper amplifier in which the frequency (f1) of the first clock signal is a sum of a natural number multiple of the frequency of the second clock (CLK2) and the frequency of the input signal.

(付記5)
付記1において,
さらに,前記第2のチョッパ回路が出力する前記出力信号の直流成分を測定する直流成分測定ユニットと,
前記直流成分測定ユニットが測定した前記直流成分をゼロにするように前記擬似ランダム信号生成回路に制御信号を供給する制御ユニットとを有し,
前記擬似ランダム信号生成回路は,前記制御信号に応じて前記擬似ランダム信号の直流成分を変更するチョッパアンプ。
(Appendix 5)
In Appendix 1,
A DC component measuring unit for measuring a DC component of the output signal output from the second chopper circuit;
A control unit that supplies a control signal to the pseudo-random signal generation circuit so that the DC component measured by the DC component measurement unit is zero;
The pseudo-random signal generation circuit is a chopper amplifier that changes a DC component of the pseudo-random signal in accordance with the control signal.

(付記6)
付記5において,
前記擬似ランダム信号生成回路は,クロックに同期して入力信号を量子化し量子化の誤差を前記入力信号に加算または減算して更に量子化するデルタシグマ変調器であり,前記制御信号は前記デルタシグマ変調器の入力信号として入力されるチョッパアンプ。
(Appendix 6)
In Appendix 5,
The pseudo-random signal generation circuit is a delta-sigma modulator that quantizes an input signal in synchronization with a clock and adds or subtracts a quantization error to the input signal for further quantization, and the control signal is the delta-sigma modulator. A chopper amplifier that is input as the modulator input signal.

(付記7)
入力信号にチョッピング信号を乗算する第1のチョッパ回路と,
前記第1のチョッパ回路の出力を増幅するオペアンプと,
前記オペアンプの出力に前記チョッピング信号を乗算し出力信号を出力する第2のチョッパ回路と,
パルス幅がランダムに変化する擬似ランダム信号を生成する擬似ランダム信号生成回路とを有し,
前記擬似ランダム信号が前記チョッピング信号として前記第1,第2のチョッパ回路に供給され,
さらに,前記第2のチョッパ回路が出力する前記出力信号の直流成分を測定する直流成分測定ユニットと,
前記直流成分測定ユニットが測定した前記直流成分をゼロにするように前記擬似ランダム信号生成回路に制御信号を供給する制御ユニットとを有し,
前記擬似ランダム信号生成回路は,前記制御信号に応じて前記擬似ランダム信号の直流成分を変更するチョッパアンプ。
(Appendix 7)
A first chopper circuit for multiplying an input signal by a chopping signal;
An operational amplifier for amplifying the output of the first chopper circuit;
A second chopper circuit for multiplying the output of the operational amplifier by the chopping signal and outputting an output signal;
A pseudo-random signal generation circuit for generating a pseudo-random signal whose pulse width changes randomly,
The pseudo-random signal is supplied to the first and second chopper circuits as the chopping signal;
A DC component measuring unit for measuring a DC component of the output signal output from the second chopper circuit;
A control unit that supplies a control signal to the pseudo-random signal generation circuit so that the DC component measured by the DC component measurement unit is zero;
The pseudo-random signal generation circuit is a chopper amplifier that changes a DC component of the pseudo-random signal in accordance with the control signal.

(付記8)
付記7において,
前記擬似ランダム信号生成回路は,クロックに同期して入力信号を量子化し量子化の誤差を前記入力信号に加算または減算して更に量子化するデルタシグマ変調器であり,前記制御信号は前記デルタシグマ変調器の入力信号として入力されるチョッパアンプ。
(Appendix 8)
In Appendix 7,
The pseudo-random signal generation circuit is a delta-sigma modulator that quantizes an input signal in synchronization with a clock and adds or subtracts a quantization error to the input signal for further quantization, and the control signal is the delta-sigma modulator. A chopper amplifier that is input as the modulator input signal.

CHP1:前段のチョッパ回路 CPH2:後段のチョッパ回路
AMP:オペアンプ 20:ランダムチョッピング信号生成回路
22:擬似ランダム信号生成回路 23:擬似ランダム信号
24:乗算器 CLK1:第1の信号
CLK2:擬似ランダム信号生成回路のクロック信号
f1:CLK1の周波数 f2:CLK2の周波数
Vin:入力信号 fin:入力信号の周波数
Vout:出力信号 CONT:制御信号,制御ビット
CHP1: Front stage chopper circuit CPH2: Rear stage chopper circuit
AMP: operational amplifier 20: random chopping signal generation circuit 22: pseudo random signal generation circuit 23: pseudo random signal 24: multiplier CLK1: first signal
CLK2: Pseudorandom signal generation circuit clock signal
f1: CLK1 frequency f2: CLK2 frequency
Vin: Input signal fin: Input signal frequency
Vout: Output signal CONT: Control signal, control bit

Claims (5)

入力信号にチョッピング信号を乗算する第1のチョッパ回路と,
前記第1のチョッパ回路の出力を増幅するオペアンプと,
前記オペアンプの出力に前記チョッピング信号を乗算し出力信号を出力する第2のチョッパ回路と,
パルス幅がランダムに変化する擬似ランダム信号を生成する擬似ランダム信号生成回路と,
前記擬似ランダム信号の周波数スペクトラムがヌルになる第2の周波数,または当該第2の周波数と前記入力信号の周波数との和周波数のいずれかである第1の周波数を有する第1の信号を前記擬似ランダム信号に乗算し,前記チョッピング信号を出力する乗算器とを有するチョッパアンプ。
A first chopper circuit for multiplying an input signal by a chopping signal;
An operational amplifier for amplifying the output of the first chopper circuit;
A second chopper circuit for multiplying the output of the operational amplifier by the chopping signal and outputting an output signal;
A pseudo-random signal generation circuit for generating a pseudo-random signal whose pulse width changes randomly;
A first signal having a first frequency that is either a second frequency at which the frequency spectrum of the pseudo-random signal is null or a sum frequency of the second frequency and the frequency of the input signal is represented by the pseudo-signal. A chopper amplifier having a multiplier for multiplying a random signal and outputting the chopping signal.
請求項1において,
前記第1の信号は前記第1の周波数を有する第1のクロック信号であり,
前記乗算器は,前記擬似ランダム信号と前記第1のクロック信号とを入力しそれらの排他的論理和信号を前記チョッピング信号として出力する排他的論理和回路であるチョッパアンプ。
In claim 1,
The first signal is a first clock signal having the first frequency;
The multiplier is a chopper amplifier that is an exclusive OR circuit that inputs the pseudo random signal and the first clock signal and outputs an exclusive OR signal thereof as the chopping signal.
請求項1において,
さらに,前記第2のチョッパ回路が出力する前記出力信号の直流成分を測定する直流成分測定ユニットと,
前記直流成分測定ユニットが測定した前記直流成分をゼロにするように前記擬似ランダム信号生成回路に制御信号を供給する制御ユニットとを有し,
前記擬似ランダム信号生成回路は,前記制御信号に応じて前記擬似ランダム信号の直流成分を変更するチョッパアンプ。
In claim 1,
A DC component measuring unit for measuring a DC component of the output signal output from the second chopper circuit;
A control unit that supplies a control signal to the pseudo-random signal generation circuit so that the DC component measured by the DC component measurement unit is zero;
The pseudo-random signal generation circuit is a chopper amplifier that changes a DC component of the pseudo-random signal in accordance with the control signal.
請求項3において,
前記擬似ランダム信号生成回路は,クロックに同期して入力信号を量子化し量子化の誤差を前記入力信号に加算または減算して更に量子化するデルタシグマ変調器であり,前記制御信号は前記デルタシグマ変調器の入力信号として入力されるチョッパアンプ。
In claim 3,
The pseudo-random signal generation circuit is a delta-sigma modulator that quantizes an input signal in synchronization with a clock and adds or subtracts a quantization error to the input signal for further quantization, and the control signal is the delta-sigma modulator. A chopper amplifier that is input as the modulator input signal.
入力信号にチョッピング信号を乗算する第1のチョッパ回路と,
前記第1のチョッパ回路の出力を増幅するオペアンプと,
前記オペアンプの出力に前記チョッピング信号を乗算し出力信号を出力する第2のチョッパ回路と,
パルス幅がランダムに変化する擬似ランダム信号を生成する擬似ランダム信号生成回路とを有し,
前記擬似ランダム信号が前記チョッピング信号として前記第1,第2のチョッパ回路に供給され,
さらに,前記第2のチョッパ回路が出力する前記出力信号の直流成分を測定する直流成分測定ユニットと,
前記直流成分測定ユニットが測定した前記直流成分をゼロにするように前記擬似ランダム信号生成回路に制御信号を供給する制御ユニットとを有し,
前記擬似ランダム信号生成回路は,前記制御信号に応じて前記擬似ランダム信号の直流成分を変更するチョッパアンプ。
A first chopper circuit for multiplying an input signal by a chopping signal;
An operational amplifier for amplifying the output of the first chopper circuit;
A second chopper circuit for multiplying the output of the operational amplifier by the chopping signal and outputting an output signal;
A pseudo-random signal generation circuit for generating a pseudo-random signal whose pulse width changes randomly,
The pseudo-random signal is supplied to the first and second chopper circuits as the chopping signal;
A DC component measuring unit for measuring a DC component of the output signal output from the second chopper circuit;
A control unit that supplies a control signal to the pseudo-random signal generation circuit so that the DC component measured by the DC component measurement unit is zero.
The pseudo-random signal generation circuit is a chopper amplifier that changes a DC component of the pseudo-random signal in accordance with the control signal.
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