JP2024053862A - 変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】積分容量の両端でチョッピングを行う構成において、チャージインジェクションによる残留電荷分の誤差を低減できる変調器を提供する。【解決手段】差動アンプ１の入力端子と出力端子との間に第１スイッチφ１ｅを接続し、差動アンプ１の入力端子と出力端子との間に、第２スイッチφ２ｅ、容量チョッピング用入力スイッチＣＨＬ１、積分容量Ｃint及び容量チョッピング用出力スイッチＣＨＬ２の直列回路を接続して変調器４を構成する。制御回路は、スイッチＣＨＬ１及びＣＨＬ２のＯＮ／ＯＦＦを切り替える移行期間に第１スイッチφ１ｅ及び第２スイッチφ２ｅをＯＮすることでノードＡを初期電位にする。コンデンサＣｉｎ１の前段に入力チョッピング用スイッチ１４、量子化器１２の出力端子に出力チョッピング用スイッチ１５を接続し、これらのスイッチ１４及び１５をスイッチＣＨＬ１及びＣＨＬ２と同じ周波数の制御信号でチョッピングする。【選択図】図１６

Description

本発明は、差動アンプ、積分容量及びチョッピング用スイッチを備えた変調器に関する。

例えば非特許文献１には、図１８及び図１９に示すように、上記のような積分器にフィーバック系を加えた変調器を用いて構成した電流センサが開示されている。この構成では、差動アンプのオフセット電圧を低減するため、差動アンプの入力部のスイッチΦ２ｅ、入出力間のスイッチΦ１ｅ及び積分容量Ｃint1の両端のスイッチＣＨＬでチョッピングを行っている。

Z. Tang, R. Zamparette, Y. Furuta, T. Nezuka and K. A. A. Makinwa, "A ±25A Versatile Shunt-Based Current Sensor with 10kHz Bandwidth and ±0.25% Gain Error from -40°C to 85°C Using 2-Current Calibration," 2022 IEEE International Solid- State Circuits Conference (ISSCC), 2022, pp. 66-68, doi: 10.1109/ISSCC42614.2022.9731777.

非特許文献１の構成では、チョッピング用スイッチＣＨＬが切り替わる際に、スイッチΦ２ｅのタイミングのパターンを変化させることなくチョッピングさせている。チョッピング用のスイッチには、一般にＭＯＳＦＥＴ等が使用されることが多い。図２０に示すように、ＭＯＳＦＥＴをＯＮ状態にすると、ゲート端子の直下には、充電された電荷が帯電する。そして、ＭＯＳＦＥＴをＯＦＦ状態にすると、ゲートに帯電していた電荷が、ソース端子、ドレイン端子側に注入される。この注入された電荷分が、誤差Δｑｉとして現れる。この現象をチャージインジェクションと称する。以下、チャージインジェクションを単にインジェクションと称する場合がある。

スイッチΦ２ｅ及びスイッチＣＨＬの共通接続点をノードＡとすると、スイッチΦ２ｅがスイッチＣＨＬよりも早くＯＦＦする場合や、逆にスイッチＣＨＬがスイッチΦ２ｅよりも早くＯＦＦする場合の何れのケースでも、ノードＡにインジェクションによる電荷が残ってしまうと、スイッチＣＨＬの切り替わりの前後で残留した電荷分が誤差となってしまうという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、積分容量の両端でチョッピングを行う構成において、チャージインジェクションによる残留電荷分の誤差を低減できる変調器を提供することにある。

請求項１記載の変調器によれば、差動アンプの入力端子と出力端子との間に第１スイッチを接続し、差動アンプの入力端子と出力端子との間に、第２スイッチ、容量チョッピング用入力スイッチ、積分容量及び容量チョッピング用出力スイッチの直列回路を接続して積分器を構成する。制御回路は、容量チョッピング用入力スイッチと、容量チョッピング用出力スイッチとのＯＮ／ＯＦＦを切り替える移行期間に第１スイッチ及び第２スイッチをＯＮすることで、第２スイッチと容量チョッピング用入力スイッチとの共通接続点を初期電位にする。

容量チョッピング用入力及び出力スイッチの移行期間には、第１スイッチ及び第２スイッチがＯＮになることで、前記の共通接続点の電位は、差動アンプの入力端子及び出力端子の電位に等しい初期電位となる。これにより、前記共通接続点において、チャージインジェクションによる残留電荷量が低減するので、誤差を低減できる。

そして、積分器の入力側、出力側にそれぞれ入力、出力チョッピング用スイッチを配置し、制御回路は、入力チョッピング用スイッチ及び出力チョッピング用スイッチを、容量チョッピング用入力スイッチ及び容量チョッピング用出力スイッチと同じ周波数でチョッピングする。加えて、容量チョッピング用入力スイッチと容量チョッピング用出力スイッチとをそれぞれチョッピングする周波数を、第１スイッチをスイッチングする周波数よりも低く設定する。これにより、差動アンプのオフセット電圧や、フリッカノイズ等の影響を低減できる。

参考実施形態において、図３に示す積分器の構成を簡略化して示す図（その１） 図３に示す積分器の構成を簡略化して示す図（その２） 差動アンプを差動入出力として、積分器の構成を示す図 システムＣＨＯＰスイッチのシンボルと、複数のスイッチの組合せとの対応を示す図 従来構成で想定している各スイッチのＯＮ／ＯＦＦシーケンスを示すタイミングチャート 図５に示すのＯＮ／ＯＦＦシーケンスに対応して、導通している配線を太線で示す図（その１） 同導通している配線を太線で示す図（その２） 同導通している配線を太線で示す図（その３） 参考実施形態の各スイッチのＯＮ／ＯＦＦシーケンスを示すタイミングチャート 図９に示すのＯＮ／ＯＦＦシーケンスに対応して、導通している配線を太線で示す図（その１） 同導通している配線を太線で示す図（その２） 同導通している配線を太線で示す図（その３） 同導通している配線を太線で示す図（その４） 同導通している配線を太線で示す図（その５） 同導通している配線を太線で示す図（その６） 第１実施形態において、変調器の構成を示す図 第２実施形態において、変調器の構成を示す図 非特許文献１に開示されている変調器の構成を示す図 同変調器の動作を示すタイミングチャート チャージインジェクションを説明する図

（参考実施形態）
以降の各実施形態で扱うアンプは、図３に示すように差動アンプであるが、説明を容易にするため、図１に示すように、シングルエンドタイプで正側、負側のスイッチ等を一纏めにしたり、図２に示すように、同スイッチ等を片側に纏めて省略的に示したりする場合がある。図３に示すように、差動アンプ１の反転側、非反転側の構成は対称である。反転側、負側の構成の符号には「ｍ」、非反転側、正側の構成の符号には「ｐ」を付しているが、両者を特に区別する必要がない場合には、符号に「ｍ」、「ｐ」を付さない場合もある。

図３に示すように、差動アンプ１の各入力端子には、入力電圧が、カップリングコンデンサＣｉｎを介して与えられる。入力端子と出力端子との間には、第１スイッチΦ１ｅが接続されていると共に、第２スイッチΦ２ｅ、システムＣＨＯＰスイッチ２、積分容量Ｃｉｎｔ、システムＣＨＯＰスイッチ３の直列回路が接続されている。

図３ではシンボル的に示しているシステムＣＨＯＰスイッチ２，３は、図４に示すように、反転側、非反転側にそれぞれ直列に接続される２つのスイッチＣＨＬ１ｐと、反転側、非反転側間にたすき掛け状態に接続される２つのスイッチＣＨＬ１ｍからなる。スイッチＣＨＬ１は容量チョッピング用入力スイッチに相当し、スイッチＣＨＬ２は容量チョッピング用出力スイッチに相当する。尚、各スイッチは、例えばＮチャネルＭＯＳＦＥＴ等で構成される。

図１では、システムＣＨＯＰスイッチ２をスイッチＣＨＬ１ｐ／ｍ，システムＣＨＯＰスイッチ３をスイッチＣＨＬ２ｐ／ｍとして、一纏めで示している。図２では、システムＣＨＯＰスイッチ２をスイッチＣＨＬ１ｐ、ＣＨＬ１ｍに、システムＣＨＯＰスイッチ３をスイッチＣＨＬ２ｐ、ＣＨＬ２ｍとして、２つに分けて示している。以上の構成において、差動アンプ１、その入出力端子間に接続されている積分容量Ｃint、システムＣＨＯＰスイッチ２及び３等を加えたものが積分器４を構成している。積分器４は、相関２重サンプリング型である。

次に、参考実施形態の作用について説明する。図１８に示す非特許文献１の構成に対応する発明は、特願２０２１－１７３９２２号として出願されており、当該出願図面の図１５に示されている。上記の構成を「従来構成」と称する。従来構成において、システムＣＨＯＰスイッチ２、３を切り替えるタイミングは、スイッチφ１ｅ，φ２ｅの切り替えとの連携は考慮されていないため、例えば図５に示すように、スイッチφ２ｅのターンオフタイミングとほぼ同時に切り替えられる場合があった。

図６～図８は、図５に示す各スイッチのＯＮ／ＯＦＦシーケンスに対応して、導通している配線を太線で示している。これらの中の図７に示すように、スイッチφ２ｅとスイッチＣＨＬ１ｐとが同時にＯＦＦすると、両者の共通接続点であるノードＡに、両者のインジェクションによる誤差Δｑｉが残留する。

これに対して、参考実施形態では、図９に示すように各スイッチのＯＮ／ＯＦＦシーケンスを変更した。尚、システムＣＨＯＰスイッチ２及び３のＯＮ／ＯＦＦの切り替えを行う期間を移行期間と称する。すると、従来構成と同様の図６に示す初期状態から、移行期間を開始する前に、第２スイッチφ２ｅをＯＮにする。移行期間を開始すると、（１）最初にスイッチＣＨＬ１ｐをＯＦＦにし（図１０）、次にスイッチＣＨＬ２ｐをＯＦＦにする（図１１）。

（２）次にスイッチＣＨＬ２ｍをＯＮにすると（図１２）、（３）スイッチφ１ｅをＯＮにする（図１３）。これにより、差動アンプ１の入出力端子間が短絡されて両者の電位は初期電位となる。この時点で、ノードＡには、スイッチＣＨＬ１ｐのインジェクションによる誤差Δｑｉが残留しなくなる。その後、スイッチφ１ｅをＯＦＦにし（図１４）、（４）スイッチＣＨＬ１ｍをＯＮにすると（図１５）、一連のＯＮ／ＯＦＦシーケンスが終了する。
図５より明らかなように、スイッチＣＨＬ１及びＣＨＬ２をチョッピングする周波数は、第１スイッチφ１ｅをチョッピングする周波数よりも低く設定されている。

以上のように本実施形態によれば、差動アンプ１の入力端子と出力端子との間に第１スイッチφ１ｅを接続し、差動アンプ１の入力端子と出力端子との間に、第２スイッチφ２ｅ、容量チョッピング用入力スイッチＣＨＬ１、積分容量Ｃint及び容量チョッピング用出力スイッチＣＨＬ２の直列回路を接続して積分器４を構成する。制御回路は、スイッチＣＨＬ１及びＣＨＬ２のＯＮ／ＯＦＦを切り替える移行期間に第１スイッチφ１ｅ及び第２スイッチφ２ｅをＯＮすることで、ノードＡを初期電位にする。具体的には、移行期間における各スイッチのＯＮ／ＯＦＦシーケンスを、（１）～（４）の手順で行う。

移行期間において、第１スイッチφ１ｅ及び第２スイッチφ２ｅがＯＮになることで、ノードＡの電位は、差動アンプ１の入力端子及び出力端子の電位に等しい初期電位となる。これにより、ノードＡにおいて、チャージインジェクションによる残留電荷量が低減するので、誤差を低減できる。

（第１実施形態）
以下、参考実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。図１６に示すように、第１実施形態の変調器１１は、参考実施形態と同様の相関２重サンプリング型の積分器に、フィードバック系を加えて構成されている。差動アンプ１の出力端子には、量子化器１２が接続されており、量子化器１２の出力端子には、Ｄ／Ａ変換器１３が接続されている。Ｄ／Ａ変換器１３の出力端子は、図示しないスイッチやコンデンサＣｉｎ２を介して、差動アンプ１の非反転入力端子に接続されている。尚、第１実施形態のコンデンサＣｉｎは、「Ｃｉｎ１」としている。コンデンサＣｉｎ１の前段には、入力チョッピング用スイッチ１４が接続され、量子化器１２の出力端子には、出力チョッピング用スイッチ１５が接続されている。これらのチョッピング用スイッチ１４及び１５は、スイッチＣＨＬ１及びＣＨＬ２と同じ周波数の制御信号によりチョッピングされる。

尚、相関２重サンプリング型の積分器は、例えば特開２０１８‐１０９６４７号公報の図３０や、特願２０２１－１７３９２２号の図１等にも示されている。変調器１１をこのように構成することで、差動アンプ１のオフセット電圧や、フリッカノイズ等の影響を低減できる。

（第２実施形態）
図１７に示すように、第２実施形態の変調器２１は、第１実施形態の変調器１１において、入力チョッピング用スイッチ１４とコンデンサＣｉｎ１との間に入力信号を増幅するためのアンプ２２を接続し、差動アンプ１の出力端子と量子化器１２との間に２次積分器２３を接続したものである。アンプ２２の入力端子と、２次積分器２３の図示しないコンデンサには、Ｄ／Ａ変換器１３と同様に、量子化器１２の出力信号をＤ／Ａ変換するＤ／Ａ変換器２４，２５を介してアナログ信号が与えられている。変調器１１を第１積分器とすると、２次積分器２３は第２積分器に相当する。変調器２１をこのように構成することで量子化雑音をより高い周波数領域にシフトさせて、その影響を除去することができる。

（その他の実施形態）
各スイッチは、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴに限ることなく、その他の半導体素子で構成しても良い。
第２実施形態で、アンプ２２を削除しても良い。
また第２実施形態で、２次積分器２３を削除しても良い。
本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

図面中、１は差動アンプ、２及び３はシステムＣＨＯＰスイッチ、４は積分器、ＣＨＬ１及びＣＨＬ２はチョッピング用スイッチを示す。

Claims (5)

1. 差動アンプ（１）の入力端子と出力端子との間に接続される第１スイッチ（φ１ｅ）と、
   前記差動アンプの入力端子と出力端子との間に接続される、第２スイッチ（φ２ｅ）、容量チョッピング用入力スイッチ（ＣＨＬ１）、積分容量（Ｃｉｎｔ）及び容量チョッピング用出力スイッチ（ＣＨＬ２）の直列回路とを有する積分器（４）と、
   前記積分器の入力側に配置された入力チョッピング用スイッチ（１４）と、
   前記積分器の出力側に配置された出力チョッピング用スイッチ（１５）と、
   前記入力チョッピング用スイッチ及び出力チョッピング用スイッチを、前記容量チョッピング用入力スイッチ及び前記容量チョッピング用出力スイッチと同じ周波数でチョッピングする制御回路とを備え、
   前記容量チョッピング用入力スイッチ及び前記容量チョッピング用出力スイッチをそれぞれチョッピングする周波数は、前記第１スイッチをスイッチングする周波数よりも低く設定されており、
   前記制御回路は、前記容量チョッピング用入力スイッチと、前記容量チョッピング用出力スイッチとのＯＮ／ＯＦＦを切り替える移行期間に前記第１スイッチ及び前記第２スイッチをＯＮすることで、前記第２スイッチと前記容量チョッピング用入力スイッチとの共通接続点を初期電位にする変調器。
2. 前記制御回路は、正側の容量チョッピング用入力スイッチ（ＣＨＬ１ｐ）及び正側の容量チョッピング用出力スイッチ（ＣＨＬ２ｐ）をＯＮにし、負側の容量チョッピング用入力スイッチ（ＣＨＬ１ｍ）及び負側の容量チョッピング用出力スイッチ（ＣＨＬ２ｍ）をＯＦＦにしている初期状態から、
   前記移行期間において前記第２スイッチのＯＮ状態を継続すると共に、
   （１）前記正側の容量チョッピング用入力スイッチ及び前記正側の容量チョッピング用出力スイッチをＯＦＦに切り替え、
   （２）次に、負側の容量チョッピング用出力スイッチをＯＮに切り替え、
   （３）次に、前記第１スイッチをＯＦＦからＯＮに、更にＯＦＦに切り替え、
   （４）次に、負側の容量チョッピング用入力スイッチをＯＮに切り替える請求項１記載の変調器。
3. 前記積分器は、相関２重サンプリング型である請求項１又は２記載の変調器。
4. 前記差動アンプを中心に構成される積分器を第１積分器とすると、
   前記第１積分器の後段に、第２積分器（２３）を配置する請求項３記載の変調器。
5. 前記第１積分器の前段に、入力信号を増幅するための増幅器（２２）を備える請求項４記載の変調器。
   

Images