JP2017130743A - Programmable gain amplifier circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、入力信号に含まれるオフセット成分をキャンセルしたプログラマブルゲインアンプ回路(以下、PGA回路と称する。)に関する。 The present invention relates to a programmable gain amplifier circuit (hereinafter referred to as a PGA circuit) in which an offset component included in an input signal is canceled.
図5はブリッジ型のセンサ回路10の差動出力電圧Vinn,Vinp を入力して増幅し出力電圧Voutp_2,Voutn_2 として出力する従来の完全差動のPGA回路20Aを示すものである。このPGA回路20Aは、計装アンプ21,22、と完全差動アンプ23で構成されている(非特許文献1参照)。R1、R2,R3,R4,R5,R6,R7は抵抗である。
FIG. 5 shows a conventional fully differential PGA circuit 20A that receives and amplifies differential output voltages Vinn and Vinp of a bridge
電圧Vinn を増幅する計装アンプ21の出力電圧をVon,電圧Vinp を増幅する計装アンプ22の出力電圧をVop とし、完全差動アンプ23のDCゲインAが非常に大きいと仮定すると、PGA回路20Aの出力電圧(Voutp_2−Voutn_2 )は次の式(1)となる。ただし、各抵抗の抵抗値は、R1=Ra,R2=R3=Rb,R4=R5=Rc,R6=R7=Rdである。
Assuming that the output voltage of the
このPGA回路10Aのゲインは、抵抗R2,R3の抵抗値Rbと、抵抗R4,R5の抵抗値Rdを固定値とし、抵抗R1の抵抗値Raや抵抗R4,R5の抵抗値Rcをプログラムによって可変することで、設定することができる。例えば、Ra=2Rb,Rc=Rdに設定すれば、ゲインは2倍となる。また、Ra=(2/3)Rb,Rc=Rdに設定すれば、ゲインは4倍となる。 The gain of the PGA circuit 10A is such that the resistance value Rb of the resistors R2 and R3 and the resistance value Rd of the resistors R4 and R5 are fixed values, and the resistance value Ra of the resistor R1 and the resistance value Rc of the resistors R4 and R5 are variable by a program. This can be set. For example, if Ra = 2Rb and Rc = Rd are set, the gain is doubled. If Ra = (2/3) Rb and Rc = Rd are set, the gain becomes four times.
式(1)では、入力源のセンサ回路10にオフセットが発生すると、このとき同一電圧値であるべき電圧VinpとVinn に差分が生じる。このため、PGA回路20Aのゲインが高い場合に、出力電圧(Voutp_2−Voutn_2 )が電源電圧の一方に張り付き、あるいはセンサ回路10のオフセット成分が出力電圧(Voutp_2−Voutn_2 )のダイナミックレンジの大半を占めてしまい、「入力電圧+オフセット成分」の信号を正確に処理できないという問題点がある。
In the equation (1), when an offset occurs in the
そこで図6に示すように、センサ回路10に発生したオフセット成分をキャンセルする構成を含めたPGA回路20Bが提案されている(特許文献1、2参照)。このPGA回路20Bでは、完全差動アンプ23の反転入力端子に抵抗R8を介してバイアス電圧VCMを印加し、完全差動アンプ23の非反転入力端子に抵抗R9を介して電圧VDACをDA変換器24から印加する構成を採用している。
Therefore, as shown in FIG. 6, a
このPGA回路10Bにおいて得られる出力電圧(Voutp_3−Voutn_3 )は、次の式(2)となる。抵抗値はR8=R9=Reである。図7にこの内容を図示した。図7のVoffset =Vinp−Vinn である。
The output voltage (Voutp_3−Voutn_3) obtained in the PGA circuit 10B is expressed by the following equation (2). The resistance value is R8 = R9 = Re. This is illustrated in FIG. In FIG. 7, Voffset = Vinp−Vinn.
式(1)と比較して式(2)では、DA変換器24の出力電圧VDACを調整して右項の第1項と第2項を逆極性で一致させることで、センサ回路10のオフセット成分をキャンセルし、出力電圧(Voutp_3−Voutn_3 )のダイナミックレンジを確保できる。しかし、抵抗R6,R7の抵抗値Rdと、抵抗R8,R9の抵抗値Reのマッチングによってその割合が決まるという問題点がある。つまり、Rd=Reにマッチングしなければならない。Rd>Reのときは、Rd/Reの値が1を超えるため、精度よくオフセット成分をキャンセルするために、電圧VDACの分解能を高くしなければならない。また、Rd<Reのときは、Rd/Reの値が1を下回るため、電圧VDACの可変範囲を広くする必要がある。
Compared with Equation (1), in Equation (2), the output voltage VDAC of the
以上のように、図5の従来回路では、センサ回路10のオフセット成分をキャンセルすることができず、PGA回路20Aのゲインが高い場合に、出力電圧が電源電圧の一方に張り付いたり、そのオフセット成分が出力電圧のダイナミックレンジの大半を占めるという問題点があった。
As described above, in the conventional circuit of FIG. 5, when the offset component of the
また、図6の従来回路では、センサ回路10のオフセット成分をキャンセルすることはできるが、抵抗R6,R7の抵抗値Rdと、抵抗R8,R9の抵抗値Reとのマッチング如何により、キャンセルの割合が決まるという問題点があった。精度良くオフセット成分をキャンセルするためには、DA変換器24の分解能を高くするか、あるいは出力電圧のダイナミックレンジを広げる必要がある。
Further, in the conventional circuit of FIG. 6, the offset component of the
本発明の目的は、キャンセル用のオフセット成分を出力するDA変換器の分解能を高くしたり、出力電圧のダイナミックレンジを広げることなく、入力電圧に含まれるオフセット成分を効果的にキャンセルすることができるようにしたPGA回路を提供することである。 An object of the present invention is to effectively cancel an offset component included in an input voltage without increasing the resolution of a DA converter that outputs an offset component for cancellation or expanding the dynamic range of the output voltage. An object of the present invention is to provide a PGA circuit.
上記目的を達成するため、請求項1の発明は、2個の入力信号を同一ゲインでそれぞれ増幅する第1及び第2の計装アンプと、該第1及び第2の計装アンプの出力信号の差分を増幅して2相の出力信号を出力する完全差動アンプとを備え、前記完全差動アンプの2個の入力端子の一方の入力端子に固定のバイアス電圧を第1の可変抵抗を介して印加し、他方の入力端子に前記2個の入力信号の差分に含まれるオフセット成分をキャンセルするためにDA変換器から出力する調整電圧を前記第1の可変抵抗と同一抵抗値の第2の可変抵抗を介して印加するプログラマブルゲインアンプ回路であって、前記第1及び第2の可変抵抗の抵抗値は、外部入力の補正データによって可変されることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the invention of
請求項2にかかる発明は、請求項1に記載のプログラマブルゲインアンプ回路において、前記第1及び第2の可変抵抗は、抵抗値Reの20 倍、21 倍、22 倍、・・・、2N-1 倍の抵抗値を有するN(Nは1以上の整数)個の抵抗の内から前記補正データに応じて選ばれた1又は2以上を並列接続することで構成され、前記補正データがNビットのD1のとき、前記第1及び第2の可変抵抗の抵抗値Re_var は
に設定されることを特徴とする。
Such invention in
It is characterized by being set to.
本発明によれば、補正データで抵抗値を調整できる可変抵抗を追加するのみで、抵抗比のマッチングを行うことができるので、DA変換器の分解能を高くしたり、出力電圧のダイナミックレンジを広げることなく、入力電圧に含まれるオフセット成分をキャンセルすることができる。このため、回路規模や消費電流の増加を少なくできるという利点がある。 According to the present invention, resistance ratio matching can be performed only by adding a variable resistor whose resistance value can be adjusted by correction data. Therefore, the resolution of the DA converter can be increased and the dynamic range of the output voltage can be expanded. Without offsetting, the offset component included in the input voltage can be canceled. For this reason, there is an advantage that an increase in circuit scale and current consumption can be reduced.
以下、本発明の1つの実施例のPGA回路20について詳細に説明する。PGA回路20はセンサ回路10の差動出力電圧Vinp,Vinn を入力して、差動の出力電圧Voutp_1、Voutn_1 を出力する。
Hereinafter, the
PGA回路20は、入力電圧Vinn を増幅する計装アンプ21、入力電圧Vinp を増幅する計装アンプ22、計装アンプ21の出力電圧Von と計装アンプ22の出力電圧Vop を差動増幅する完全差動アンプ23、外部入力するデータ(図示せず)によってオフセット調整電圧VDACを生成するDA変換器24を備える。計装アンプ21,22の反転入力端子間には抵抗R1が接続されている。また、計装アンプ21の出力端子と反転入力端子との間には抵抗R2が接続され、計装アンプ22の出力端子と反転入力端子の間には抵抗R3が接続されている。そして、計装アンプ21の出力端子と完全差動アンプ23の反転入力端子の間には抵抗R4が接続され、計装アンプ22の出力端子と完全差動アンプ23の非反転入力端子との間には抵抗R5が接続されている。また、完全差動アンプの非反転出力端子と反転入力端子の間には抵抗R6が接続され、反転出力端子と非反転入力端子の間には抵抗R7が接続されている。さらに、完全差動アンプ23の反転入力端子には可変抵抗24を介してバイアス電圧VCMが印加し、非反転入力端子には可変抵抗26を介してDA変換器24の出力電圧VDACが印加している。ここで、各抵抗R1〜R7の抵抗値は、R1=Ra,R2=R3=Rb,R4=R5=Rc,R6=R7=Rdである。可変抵抗25,26の抵抗値は、外部入力する補正データD1で設定されるRe_varで共通ある。
The
図2に、可変抵抗25の構成を示す。ここでは、N個(Nは1以上の整数)の抵抗Re(0),Re(1),Re(2),・・・,Re(N-1) が、個々にN個のスイッチSW(0),SW(1),SW(2),・・・,SW(N-1)と直列接続され、そのN個の直列回路が並列接続されることで、可変抵抗25が構成されている。可変抵抗26も同様である。抵抗Re(0)〜Re(N-1) の抵抗値は、抵抗Re(0) =20×Re、抵抗Re(1) =21×Re、抵抗Re(2) =22×Re、・・・、抵抗Re(N-1) =2N-1×Reである。スイッチSW(0) 〜SW(N-1) は、デジタルの補正データD1をデコーダ27によりデコードした値に応じて、全部がオフ又は1以上がオンされる。これにより、抵抗Re(0) 〜Re(N-1) の内の1又は2以上が選択されて、抵抗Re_ver が決まる。
FIG. 2 shows the configuration of the
そして、補正データD1がNビットの場合、可変抵抗25,26の抵抗値Re_var は、
で表すことができる。Reは固定の抵抗値である。
When the correction data D1 is N bits, the resistance value Re_var of the
Can be expressed as Re is a fixed resistance value.
PGA回路20において、出力電圧(Voutp_1−Voutn_1 )は、式(2)において、Re=Re_var に置き換えた次の式(4)のように表すことができる。
In the
この式(4)に式(3)を代入すると、PGA回路20の出力電圧(Voutp_1−Voutn_1 )は、式(5)のように表すことができる。図3にこの内容を図示した。図3のVoffset =Vinp−Vinn である。
By substituting Equation (3) into Equation (4), the output voltage (Voutp_1−Voutn_1) of the
式(2)と式(5)を比較すると、式(2)の抵抗値Reについて、係数分「(1/2N-1)×D1」だけ、補正データD1の分解能で精度高く調整することができることが分かる。このため、DA変換器24の分解能を高くしたり、出力電圧(Voutp_1−Voutn_1 )のダイナミックレンジを広げることなく、入力電圧(Vinn−Vinp )に含まれるオフセット成分をキャンセルすることができ、回路規模や消費電流の増加を少なくできるという利点がある。
Comparing Expression (2) and Expression (5), the resistance value Re of Expression (2) is adjusted with high accuracy by the resolution of the correction data D1 by the coefficient “(1/2 N−1 ) × D1”. You can see that For this reason, the offset component included in the input voltage (Vinn−Vinp) can be canceled without increasing the resolution of the
図4に補正データD1が3ビット(N=3)の場合の抵抗値を示した。D1のデコード値は0〜7である。この場合、3個のスイッチSW(0)〜SW(2)のうちのオンするスイッチの組み合わせによって、可変抵抗25,26の抵抗値Re_var を8通り実現することができる。
FIG. 4 shows the resistance value when the correction data D1 is 3 bits (N = 3). The decode value of D1 is 0-7. In this case, eight resistance values Re_var of the
このときのビットの重み付けとして、ここでは、最上位ビット(MSB)をSW(0) に、最下位ビット(LSB)をSW(N-1) に割り当てている。これにより、可変抵抗25,26の式(3)における抵抗値Re_var の逆数1/Re_var を可変でき、その値を(1/4)×(1/Re)の分解能で調整することができる。
In this case, as the bit weighting, the most significant bit (MSB) is assigned to SW (0) and the least significant bit (LSB) is assigned to SW (N-1). Thereby, the reciprocal 1 / Re_var of the resistance value Re_var in the equation (3) of the
10:ブリッジ型のセンサ回路
20,20A,20B:PGA回路、21,22:計装アンプ、23:完全差動アンプ、24:DA変換器、25,26:可変抵抗、27:デコーダ
Vinp,Vinn:入力電圧
Vop,Von:計装アンプの出力電圧
Voutp_1,Voutn_1,Voutp_2,Voutn_2,Voutp_3,Voutn_3:PGA回路の出力電圧
VDAC:DA変換器の出力電圧
VCM:バイアス電圧
10: Bridge
Claims (2)
前記第1及び第2の可変抵抗の抵抗値は、外部入力の補正データによって可変されることを特徴とするプログラマブルゲインアンプ回路。 First and second instrumentation amplifiers that amplify two input signals with the same gain, respectively, and amplify the difference between the output signals of the first and second instrumentation amplifiers to output a two-phase output signal A fully differential amplifier, a fixed bias voltage is applied to one input terminal of the two input terminals of the fully differential amplifier via a first variable resistor, and the two input terminals are applied to the other input terminal. A programmable gain amplifier circuit that applies an adjustment voltage output from a DA converter to cancel an offset component included in a difference between input signals via a second variable resistor having the same resistance value as that of the first variable resistor. And
The programmable gain amplifier circuit characterized in that the resistance values of the first and second variable resistors are varied by correction data of an external input.
前記第1及び第2の可変抵抗は、抵抗値Reの20 倍、21 倍、22 倍、・・・、2N-1 倍の抵抗値を有するN(Nは1以上の整数)個の抵抗の内から前記補正データに応じて選ばれた1又は2以上を並列接続することで構成され、前記補正データがNビットのD1のとき、前記第1及び第2の可変抵抗の抵抗値Re_var は
に設定されることを特徴とするプログラマブルゲインアンプ回路。 The programmable gain amplifier circuit according to claim 1,
Said first and second variable resistors, 2 0 times the resistance Re, 2 1-fold, 2 doubles, · · ·, N with 2 N-1 times the resistance (N is an integer of 1 or more) One or two or more selected from the resistors in accordance with the correction data are connected in parallel, and when the correction data is N bits D1, the resistances of the first and second variable resistors The value Re_var is
Programmable gain amplifier circuit characterized by being set to.
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