JP2014207577A - 可変利得回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】小型化、低消費電力化を実現しつつ、利得を変化させても信号通過帯域を一定に保つことができる可変利得回路を提供する。【解決手段】OTA1は、少なくとも第1の入力端子、第2の入力端子、及び出力端子を有し、第1の入力端子に入力された信号を増幅して出力端子から出力する。入力容量C1は、一端が第1の基準電位に接続され、他端がOTA1の第2の入力端子に接続される。帰還容量C2は、一端がOTA1の第2の入力端子に接続され、他端がOTA1の出力端子に接続される。負荷容量C3は、一端がOTA1の出力端子に接続され、他端が第2の基準電位に接続される。共用容量C4は、入力容量C1と負荷容量C3とのいずれか一方と並列に接続される。切替スイッチSW1a,SW1b,SW1c,SW1dは、共用容量C4が入力容量C1と負荷容量C3とのいずれか一方と並列に接続するように共用容量C4の接続を制御する。【選択図】図1
Description
本発明は、入力信号を増幅すると共に、不要な周波数成分を遮断する可変利得回路に関する。
従来、小型で低消費電力化を実現する可変利得回路が知られている(例えば、非特許文献1参照)。図5は、非特許文献1に記載された可変利得回路の構成を示している。図5に示す可変利得回路100は、トランスコンダクタンス回路であるOTA101と、入力容量102と、切替スイッチ103と、帰還容量104と、帰還抵抗105と、切替スイッチ106と、負荷容量107と、を有する。
OTA101は、少なくとも正入力端子、負入力端子、出力端子を有し、正入力端子に入力される入力信号Vinを増幅して出力する。入力容量102は、一端がOTA101の負入力端子に接続される複数の容量を有する。切替スイッチ103は、一端が入力容量102の他端に接続され、他端が基準電位又は最低電位に接続される複数のスイッチを有する。帰還容量104及び帰還抵抗105の一端はOTA101の負入力端子及び入力容量102の一端に接続され、帰還容量104及び帰還抵抗105の他端はOTA101の出力端子に接続されている。切替スイッチ106は、一端がOTA101の出力端子に接続される複数のスイッチを有する。負荷容量107の一端は切替スイッチ106の他端に接続され、負荷容量107の他端は最低電位に接続されている。
図6は、OTA101の構成を示している。OTA101は、トランジスタM1,M2,M3,M4,M5,M6,M7,M8と、電流源I1と、を有する。図6では、トランジスタM1,M2,M7,M8はPMOSトランジスタで構成され、トランジスタM3,M4,M5,M6はNMOSトランジスタで構成されている。トランジスタM1のゲート端子はOTA101の正入力端子に接続されている。トランジスタM2のゲート端子はOTA101の負入力端子に接続され、トランジスタM2のソース端子はトランジスタM1のソース端子に接続されている。電流源I1の一端は最高電位に接続され、電流源I1の他端はトランジスタM1のソース端子及びトランジスタM2のソース端子に接続されている。
トランジスタM3のゲート端子及びドレイン端子はトランジスタM1のドレイン端子に接続され、トランジスタM3のソース端子は最低電位に接続されている。トランジスタM4のゲート端子及びドレイン端子はトランジスタM2のドレイン端子に接続され、トランジスタM4のソース端子は最低電位に接続されている。トランジスタM5のゲート端子はトランジスタM3のゲート端子及びドレイン端子に接続され、トランジスタM5のソース端子は最低電位に接続され、トランジスタM5のドレイン端子はOTA101の出力端子に接続されている。トランジスタM6のゲート端子はトランジスタM4のゲート端子及びドレイン端子に接続され、トランジスタM6のソース端子は最低電位に接続されている。
トランジスタM7のゲート端子及びドレイン端子はトランジスタM6のドレイン端子に接続されている。トランジスタM8のゲート端子はトランジスタM7のゲート端子及びドレイン端子に接続され、トランジスタM8のソース端子は最高電位に接続され、トランジスタM8のドレイン端子はOTA101の出力端子に接続されている。
次に、以上のように構成された可変利得回路100における特徴となる動作例について説明する。可変利得回路100は、正入力端子に印加される入力信号を所定の利得(増幅率)で増幅すると共に、入力信号に含まれる不要な周波数帯域のノイズを除去する。より具体的には、可変利得回路100は、正入力端子に印加される入力信号を、切替スイッチ103により値が制御される入力容量102と、帰還容量104との比で定義される、(1)式に示す利得(Av)で増幅する。
また、可変利得回路100は、入力信号に含まれる不要な低周波数帯域側のノイズを、帰還容量104と帰還抵抗105の積で定義される、(2)式に示す遮断周波数(fcHPF)に応じて除去する。
また、OTA1のトランスコンダクタンスをgm101とすると、可変利得回路100は、入力信号に含まれる不要な高周波数帯域のノイズを、電流源I1により制御されるトランスコンダクタンスgm101と、切替スイッチ106により制御される負荷容量107と、利得(Av)との積で定義される、(3)式に示す遮断周波数(fcLPF)に応じて除去する。
図7は、(1)式〜(3)式が示す利得(Av)と遮断周波数(fcLPF,fcHPF)の関係の一例を示している。図7の横軸は遮断周波数[Hz]を示し、図7の縦軸は利得[dB]を示している。可変利得回路100は、正入力端子に印加される入力信号をAv〔倍〕に増幅すると共に、入力信号に含まれるfcHPF〔Hz〕以下かつfcLPF〔Hz〕以上の周波数帯域のノイズを除去する。
また、可変利得回路100は、切替スイッチ103を制御することにより、入力容量102の値を変化させ、利得(Av)を変化させることができる。例えば、入力容量102をα倍に変化させた可変利得回路100における利得(Av’)は、(4)式に示す通り、入力容量102と帰還容量104の比で定義される。ただし、(4)式は、(1)式における帰還容量104の容量値を基準としてその容量値をα倍にした場合の利得を示している。
また、低周波数帯域側の遮断周波数(fcHPF)は、(5)式に示す通り、帰還容量104と帰還抵抗105の積で定義される。(5)式は、上記の(2)式と同一である。
また、高周波数帯域側の遮断周波数(fcLPF)は、(6)式に示す通り、トランスコンダクタンスgm101と負荷容量107と利得(Av’)との積で定義される。
図8は、(4)式〜(6)式が示す利得(Av’)と遮断周波数(fcLPF’,fcHPF’)の関係の一例を示している。図8の横軸は遮断周波数[Hz]を示し、図8の縦軸は利得[dB]を示している。可変利得回路100は、正入力端子に印加される入力信号をAv’〔倍〕に増幅すると共に、入力信号に含まれるfcHPF’〔Hz〕以下かつfcLPF’〔Hz〕以上の周波数帯域のノイズを除去する。
A 60uW 60nV/√Hz Readout Front-End for Portable Biopotential Acquisition Systems, IEEE JOURNAL SOLID-STATE CIRCUITS, Vol42, No5 MAY 2007 pp1100-1110
ここで、図7と図8を参照しつつ、(1)式〜(3)式と(4)式〜(6)式を比較する。高周波数帯域側の遮断周波数(fcLPF及びfcLPF’)は利得(Av及びAv’)と相反する関係にあり、利得(Av)がγ倍に増加すると、遮断周波数(fcLPF)は1/γ倍に減少するため、可変利得回路100に入力される高周波数帯域側の入力信号を正しく増幅することができない。
この課題を解決するための第1の方法として、利得(Av)をγ倍に増加させる際には、OTA101のトランスコンダクタンスgm101をγ倍に増加させ、高周波数帯域側の遮断周波数(fcLPF)の変動を相殺することが考えられる。一般的に、小型で超低消費電力なOTA101のトランスコンダクタンスgm101は、(7)式に示す通り、トランジスタのソース−ドレイン間電流(Ids)と比例する。(7)式において、qは電荷素量、kはボルツマン定数、Tは絶対温度である。(7)式が示す関係により、ソース−ドレイン間電流(Ids)をγ倍に増加させると、OTA101の消費電流が大幅に増大してしまう。
一方、この課題を解決するための第2の方法として、利得(Av)をγ倍に増加させる際には、OTA101の負荷容量107の容量値を1/γ倍に減少させ、遮断周波数(fcLPF)の変動を相殺することが考えられる。しかしながら、負荷容量107の容量値を1/γ倍に減少させた状態でも負荷容量107の容量値を帰還容量104と入力容量102の容量値よりも大きな値にする必要があるため、一般的に、小型で超低消費電力なOTA101の負荷容量107を予め大きな値に設定しておくことは、大変困難である。
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであって、小型化、低消費電力化を実現しつつ、利得を変化させても信号通過帯域を一定に保つことができる可変利得回路を提供することを目的とする。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、少なくとも第1の入力端子、第2の入力端子、及び出力端子を有し、前記第1の入力端子に入力された信号を増幅して前記出力端子から出力するトランスコンダクタンス回路と、一端が第1の基準電位に接続され、他端が前記トランスコンダクタンス回路の前記第2の入力端子に接続される第1の容量と、一端が前記トランスコンダクタンス回路の前記第2の入力端子に接続され、他端が前記トランスコンダクタンス回路の前記出力端子に接続される第2の容量と、一端が前記トランスコンダクタンス回路の前記出力端子に接続され、他端が第2の基準電位に接続される第3の容量と、前記第1の容量と前記第3の容量とのいずれか一方と並列に接続される第4の容量と、前記第4の容量が前記第1の容量と前記第3の容量とのいずれか一方と並列に接続するように前記第4の容量の接続を制御する切替スイッチと、を有することを特徴とする可変利得回路である。
また、本発明の可変利得回路において、前記第4の容量の容量値が可変であることを特徴とする。
また、本発明の可変利得回路は、前記第2の容量と並列に接続される抵抗を更に有することを特徴とする。
本発明によれば、第1の容量と第3の容量を互いに共用し合うことにより、小型化、低消費電力化を実現しつつ、利得を変化させても信号通過帯域を一定に保つことができる。
以下、図面を参照し、本発明の実施形態を説明する。
<構成概要>
図1は、本実施形態に係る可変利得回路の構成を示している。図1に示すように、可変利得回路10は、トランスコンダクタンス回路であるOTA1と、入力容量C1(第1の容量)と、帰還容量C2(第2の容量)と、帰還抵抗R1と、負荷容量C3(第3の容量)と、切替スイッチSW1a,SW1b,SW1c,SW1dと、共用容量C4(第4の容量)と、を有する。後述するように、共用容量C4は可変容量として構成することが可能である。
図1は、本実施形態に係る可変利得回路の構成を示している。図1に示すように、可変利得回路10は、トランスコンダクタンス回路であるOTA1と、入力容量C1(第1の容量)と、帰還容量C2(第2の容量)と、帰還抵抗R1と、負荷容量C3(第3の容量)と、切替スイッチSW1a,SW1b,SW1c,SW1dと、共用容量C4(第4の容量)と、を有する。後述するように、共用容量C4は可変容量として構成することが可能である。
OTA1は、少なくとも正入力端子(第1の入力端子)、負入力端子(第2の入力端子)、出力端子を有し、正入力端子に入力される入力信号Vinを増幅して出力する。入力容量C1の一端はOTA1の負入力端子に接続され、入力容量C1の他端は基準電位Vref(第1の基準電位)に接続されている。帰還容量C2及び帰還抵抗R1の一端はOTA1の負入力端子に接続され、帰還容量C2及び帰還抵抗R1の他端はOTA1の出力端子に接続されている。
負荷容量C3の一端はOTA1の出力端子に接続され、負荷容量C3の他端は最低電位(第2の基準電位)に接続されている。切替スイッチSW1aの一端はOTA1の出力端子に接続されている。共用容量C4の一端は切替スイッチSW1aの他端に接続されている。後述するように、共用容量C4は、入力容量C1と負荷容量C3とのいずれか一方と並列に接続される。切替スイッチSW1bの一端は共用容量C4の他端に接続され、切替スイッチSW1bの他端は最低電位に接続されている。切替スイッチSW1cの一端は共用容量C4の一端に接続され、切替スイッチSW1cの他端は入力容量C1の他端に接続されている。切替スイッチSW1dの一端は共用容量C4の他端に接続され、切替スイッチSW1dの他端は入力容量C1の一端に接続されている。切替スイッチSW1a,SW1b,SW1c,SW1dはONとOFFの切替が可能であり、オンである場合に一端と他端が短絡される。また、切替スイッチSW1a,SW1b,SW1c,SW1dは、共用容量C4が入力容量C1と負荷容量C3とのいずれか一方と並列に接続するように共用容量C4の接続を制御する。
OTA1は、図6に示すOTA101と同一の構成を有するため、OTA1の構成についての説明は省略する。
<動作概要>
次に、以上のように構成された可変利得回路10における特徴となる動作例について説明する。切替スイッチSW1a〜SW1dは、可変利得回路10に入力信号が印加される前、及び入力信号が印加されている途中で制御され、入力信号を所望の利得(増幅率)で増幅するよう制御される。
次に、以上のように構成された可変利得回路10における特徴となる動作例について説明する。切替スイッチSW1a〜SW1dは、可変利得回路10に入力信号が印加される前、及び入力信号が印加されている途中で制御され、入力信号を所望の利得(増幅率)で増幅するよう制御される。
すなわち、可変利得回路10に印加される入力信号が大きい場合、切替スイッチSW1a,SW1bはON、切替スイッチSW1c,SW1dはOFFに制御される。これにより、共用容量C4と負荷容量C3の一端が共通にOTA1の出力端子に接続されると共に、共用容量C4と負荷容量C3の他端が共通に最低電位に接続され、共用容量C4と負荷容量C3が並列に接続される。このとき、可変利得回路10は入力信号を相対的に低い利得で増幅する。
また、可変利得回路10に印加される入力信号が小さい場合、切替スイッチSW1a,SW1bはOFF、切替スイッチSW1c,SW1dはONに制御される。これにより、共用容量C4と入力容量C1の一端が共通に入力容量C1の一端に接続されると共に、共用容量C4と入力容量C1の他端が共通に基準電位Vrefに接続され、共用容量C4と入力容量C1が並列に接続される。このとき、可変利得回路10は入力信号を相対的に高い利得で増幅する。
これにより、可変利得回路10は、正入力端子に印加される入力信号を所定の利得で増幅すると共に、入力信号に含まれる不要な周波数帯域のノイズを除去する。
<負荷容量C3と共用容量C4が並列に接続される場合>
切替スイッチSW1a,SW1bがON、切替スイッチSW1c,SW1dがOFFとなることにより、負荷容量C3と共用容量C4が並列に接続される場合の可変利得回路10の利得と遮断周波数を説明する。可変利得回路10は、正入力端子に印加される入力信号を、入力容量C1と帰還容量C2の比に応じて、(8)式に示す利得(Av)で増幅する。
切替スイッチSW1a,SW1bがON、切替スイッチSW1c,SW1dがOFFとなることにより、負荷容量C3と共用容量C4が並列に接続される場合の可変利得回路10の利得と遮断周波数を説明する。可変利得回路10は、正入力端子に印加される入力信号を、入力容量C1と帰還容量C2の比に応じて、(8)式に示す利得(Av)で増幅する。
また、可変利得回路10は、入力信号に含まれる不要な低周波数帯域側のノイズを、帰還容量C2と帰還抵抗R1の積に応じて、(9)式に示す遮断周波数(fcHPF)で除去する。
また、OTA1のトランスコンダクタンスをgm1とすると、可変利得回路10は、入力信号に含まれる高周波数帯域側のノイズを、トランスコンダクタンスgm1、負荷容量C3、及び切替スイッチSW1a〜SW1dにより制御される共用容量C4に応じて、(10)式に示す遮断周波数(fcLPF)に応じて除去する。
図2は、(8)式〜(10)式が示す利得(Av)と遮断周波数(fcLPF,fcHPF)の関係の一例を示している。図2の横軸は遮断周波数[Hz]を示し、図2の縦軸は利得[dB]を示している。可変利得回路10は、正入力端子に印加される入力信号をAv〔倍〕に増幅すると共に、入力信号に含まれるfcHPF〔Hz〕以下かつfcLPF〔Hz〕以上の周波数帯域のノイズを除去する。
<入力容量C1と共用容量C4が並列に接続される場合>
前述した通り、従来技術の可変利得回路100では、入力容量102の容量値を増加させて利得(Av)を上げると、相反する関係にある低域側の遮断周波数(fcLPF)が減少する。このため、可変利得回路100に入力される高周波数帯域側の入力信号を正しく増幅することができなかった。
前述した通り、従来技術の可変利得回路100では、入力容量102の容量値を増加させて利得(Av)を上げると、相反する関係にある低域側の遮断周波数(fcLPF)が減少する。このため、可変利得回路100に入力される高周波数帯域側の入力信号を正しく増幅することができなかった。
本実施形態では、可変利得回路10における利得(Av)を増加させる場合、切替スイッチSW1a〜SW1dを制御することにより、入力容量C1と共用容量C4は並列接続となり、負荷容量C3と共用容量C4は並列接続ではなくなる。これにより、高域側の遮断周波数(fcLPF)を一定に保つことができる。
切替スイッチSW1a,SW1bがOFF、切替スイッチSW1c,SW1dがONとなることにより、入力容量C1と共用容量C4が並列に接続される場合の可変利得回路10の利得と遮断周波数を説明する。可変利得回路10の利得が利得(Av)に対してβ倍となるように、切替スイッチSW1a,SW1bをOFFに制御すると共に、切替スイッチSW1c,SW1dをONに制御することにより、入力容量の総和(入力容量C1と共用容量C4の和)を変化させた場合、可変利得回路10における利得(Av’)は、(11)式で示される。
また、可変利得回路10における低域側の遮断周波数(fcHPF’)は、(12)式で示される。これは上記の(9)式と同一である。
また、切替スイッチSW1a,SW1bをOFF、切替スイッチSW1c,SW1dをONに制御することにより、負荷容量の総和(負荷容量C3のみ)を変化させた場合、可変利得回路10の負荷容量は1/β倍となる。この場合、可変利得回路10における広域側の遮断周波数(fcLPF’)は、(13)式で示される。これは上記の(10)式と同一である。
図3は、(11)式〜(13)式が示す利得(Av’)と遮断周波数(fcLPF’,fcHPF’)の関係の一例を示している。図3の横軸は遮断周波数[Hz]を示し、図3の縦軸は利得[dB]を示している。可変利得回路10は、正入力端子に印加される入力信号をAv’〔倍〕に増幅すると共に、入力信号に含まれるfcHPF〔Hz〕以下かつfcLPF〔Hz〕以上の周波数帯域のノイズを除去する。すなわち、可変利得回路10が正入力端子に印加される入力信号をAv’〔倍〕に増幅させる場合でも、高周波数帯域側の遮断周波数(fcLPF’)及び低周波数帯域側の遮断周波数(fcHPF’)は変わらないため、従来技術と比較して、可変利得回路10は、入力される高周波数帯域側の入力信号を正しく増幅することができる。
なお、(8)式と(11)式から、βは(14)式となる。
また、可変利得回路10の負荷容量が負荷容量C3のみの場合には、負荷容量C3と共用容量C4が並列に接続されている場合と比べて負荷容量が1/β倍となることから、βは(15)式となる。
本実施形態では、(14)式と(15)式を満たすように、入力容量C1、帰還容量C2、負荷容量C3、及び共用容量C4のそれぞれの容量値が予め調整されている。すなわち、入力容量C1と帰還容量C2の容量値の和が負荷容量C3の容量値と同一となるように入力容量C1、帰還容量C2、及び負荷容量C3の容量値が予め調整されている。これによって、共用容量C4を容量値が可変な可変容量として構成することが可能となる。共用容量C4の容量値を任意に設定することにより、可変利得回路10の利得と遮断周波数の関係を任意に調整することができる。
上述したように、本実施形態によれば、可変利得回路10は、共用容量C4と、入力容量C1及び負荷容量C3のいずれか一方のみとが並列に接続されるように切替スイッチSW1a,SW1b,SW1c,SW1dを制御して利得を上げることにより、小型化、低消費電力化を実現しつつ、利得を変化させても信号通過帯域(fcHPF〜fcLPF〔Hz〕)を一定に保つことができる。
また、共用容量C4を可変容量として構成し、その容量値を変化させることによって、可変利得回路10の利得と遮断周波数の関係を任意に調整することができる。
また、図4に示す通り、帰還抵抗R1を、少なくとも4つのPMOSトランジスタT1,T2,T3,T4を含む擬似MOS抵抗として構成しても良い。
以上、図面を参照して本発明の実施形態について詳述してきたが、具体的な構成は上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
10,100 可変利得回路、1,101 OTA、C1,102 入力容量、C2,104 帰還容量、R1,105 帰還抵抗、C3,107 負荷容量、SW1a,SW1b,SW1c,SW1d,103,106 切替スイッチ、C4 共用容量、103,106 スイッチ
Claims (3)
- 少なくとも第1の入力端子、第2の入力端子、及び出力端子を有し、前記第1の入力端子に入力された信号を増幅して前記出力端子から出力するトランスコンダクタンス回路と、
一端が第1の基準電位に接続され、他端が前記トランスコンダクタンス回路の前記第2の入力端子に接続される第1の容量と、
一端が前記トランスコンダクタンス回路の前記第2の入力端子に接続され、他端が前記トランスコンダクタンス回路の前記出力端子に接続される第2の容量と、
一端が前記トランスコンダクタンス回路の前記出力端子に接続され、他端が第2の基準電位に接続される第3の容量と、
前記第1の容量と前記第3の容量とのいずれか一方と並列に接続される第4の容量と、
前記第4の容量が前記第1の容量と前記第3の容量とのいずれか一方と並列に接続するように前記第4の容量の接続を制御する切替スイッチと、
を有することを特徴とする可変利得回路。 - 前記第4の容量の容量値が可変であることを特徴とする請求項1に記載の可変利得回路。
- 前記第2の容量と並列に接続される抵抗を更に有することを特徴とする請求項1に記載の可変利得回路。
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