JP3498765B2 - サンプルホールド回路 - Google Patents

サンプルホールド回路

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JP3498765B2
JP3498765B2 JP13305095A JP13305095A JP3498765B2 JP 3498765 B2 JP3498765 B2 JP 3498765B2 JP 13305095 A JP13305095 A JP 13305095A JP 13305095 A JP13305095 A JP 13305095A JP 3498765 B2 JP3498765 B2 JP 3498765B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明はサンプルホールド回路
に関し、特に小さな消費電力で高速動作させるに好適な
改良されたサンプルホールド回路に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、この種のサンプルホールド回路
は、図5に示すブロック図のように、演算増幅器Aの正
相入力端子+には接地ラインとの間に入力電圧をサンプ
リングして保持するコンデンサC1が接続され、出力端
子OUTは逆相入力端子−と接続されている。そして入
力端子INはコントロール端子TSに与えられた信号に
より駆動するスイッチS1を介して正相入力端子+に接
続されている。また出力端子OUTには負荷が接続され
それを等価的に負荷容量Cで図示している。
【0003】ところで演算増幅器Aは例えば図6に示す
回路の様なものである。PチャンネルMOSトランジス
タQ1,Q2 ,NチャンネルMOSトランジスタQ3 ,
Q4,Q5により差動アンプを構成し、トランジスタQ
3,Q4のそれぞれのゲートを逆相入力端子−,正相入力
端子+とする。電源ラインVccと接地ラインGndの
間にPチャンネルMOSトランジスタQ6とNチャンネ
ルMOSトランジスタQ7をドレインどうしで直列接続
して配置し、そのドレインを演算増幅器A1の出力端子
OUTとする。NチャンネルMOSトランジスタQ5,
Q7 のゲートは共通接続されて、一定の電圧Vr1が与え
られ、トランジスタQ5,Q7 にはそれぞれのドレイン
所定値以上の電圧が印加されるとき一定の電流I1,
I2が流れている。そして、差動アンプの正相出力でP
チャンネルMOSトランジスタQ6を駆動し両入力端子
+,−の電圧に応じた電圧を出力端子OUTに出力す
る。
【0004】サンプルホールド回路の動作について説明
する。入力端子INに入力され、時間と共に変動する電
圧はコントロール端子TSに入力されるコントロール信
号により制御されるスイッチS1により瞬時導通されて
コンデンサC1をその時の瞬時値電圧に充電する。コン
デンサC1はその電圧を保持する。演算増幅器Aはその
電圧と同じ電圧を出力する。そして所定の周期でこの動
作を繰り返す。
【0005】ところで負荷容量Cが例えば100PF程
度と比較的大きい場合はその充放電(すなわち出力電圧
VOUTの波形の立ち上がり、立ち下がり)に時間を要
し、その周期を速くしにくいところがある。演算増幅器
Aが上記の回路A1の場合の出力電圧VOUTの波形の立ち
上がり時および立ち下がり時の動作について説明する。
【0006】図6の回路においてまず演算増幅器入力端
子+の電圧VC1が低い時、トランジスタQ4の抵抗は大
きく、したがってそのドレイン電圧は高く、したがって
トランジスタQ6の抵抗が大きくなっている。一方トラ
ンジスタQ7のゲートには一定の電圧が与えられて、一
定の抵抗に保持されて、トランジスタQ6−Q7の接続
点、すなわち出力端子OUTの出力電圧VOUTは低くな
っている。この状態で演算増幅器の入力端子+の電圧
(すなわちコンデンサC1の電圧)VC1が高く変わった
際には、トランジスタQ4の抵抗は小さくなり、そのド
レイン電圧が低くなり、トランジスタQ6の抵抗が低く
なり、トランジスタQ7に流れる電流I2に加え負荷容量
C(図5参照)を充電する電流が流れ出力電圧VOUTを
比較的急速に高める。この状態で演算増幅器A1の入力
端子+の電圧VC1が低くなると、前記の通りトランジス
タQ6の抵抗が高くなり電流は少なくなり、負荷容量C
に貯えられた電荷はトランジスタQ7の電流I2 により
放電し、出力電圧VOUTは低くなる。しかしながらトラ
ンジスタQ7はゲート電圧が一定に保たれているので抵
抗が低く成り得ず、出力電圧VOUTの波形の立ち下がり
は時間がかかる。そこで出力電圧VOUTの波形的な傾き
立ち下がりを急速にしようとするとトランジスタQ7
の電流I2を大きく(ゲート電圧Vr1を大きく)する必
要がある。しかしながらこの電流I2は常時流れている
ので回路の消費電流が大きくなる。
【0007】また出力電圧VOUT の波形的な傾きの立ち
下がりを速くする方法として図7に示す回路による演算
増幅器A2がある。この回路は前記の図6に示す演算増
幅器A1におけるPチャンネルMOSトランジスタQ1,
Q2 ,Q6にかえてNチャンネルMOSトランジスタQ
1,Q12,Q16とし、NチャンネルMOSトランジスタ
Q3,Q4,Q5 ,Q7にかえてPチャンネルMOSトラ
ンジスタQ13,Q14,Q15,Q17として同様な回路を構
成したものである。この回路によれば前記の演算増幅器
A1において説明したと同様な理由により出力電圧VOUT
波形的な傾きの立ち下がりは速くなるが立ち上がりは
遅い。以下演算増幅器A1のように出力電圧VOUTの波形
的な傾きの立ち上がりが速くて立ち下がりの遅い動作特
性を有する演算増幅器を第1演算増幅器、また演算増幅
器A2のようにその立ち上がりが遅くて立ち下がりの速
い動作特性を有する演算増幅器を第2演算増幅器と称す
る。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】上記のように従来のサ
ンプルホールド回路は演算増幅器を1つで構成している
ので出力電圧の波形的な傾きの立ち上がりも立ち下がり
も速いものを消費電流を大きくすることなく得ることは
容易でなかった。そこで、本発明者は消費電流が少なく
出力電圧の波形的な傾きの立ち上がりも立ち下がりも速
いサンプルホールド回路を含む半導体集積回路を実願平
2−112568号で出願している。
【0009】このサンプルホールド回路は、図8に示す
ように、入力端子INにコントロール端子TS2に与え
られる信号により駆動するスイッチS11の一端が接続さ
れ、第1演算増幅器A1の正相入力端子+にスイッチS1
1の他端が接続されると共に接地ラインとの間にコンデ
ンサC11が接続され、演算増幅器A1の出力がコントロ
ール端子TS1に与えられる信号により駆動するスイッ
チS3の一端と逆相端子−に接続され、出力端子OUT
にスイッチS3の他端が接続されている。更に、入力端
子INと出力端子OUTとの間に上記の接続と並列に、
コントロール端子TS1に与えらる信号により駆動する
スイッチS12,コンデンサC12,第2演算増幅器A2,
コントロール端子TS2に与えられる信号により駆動す
るスイッチS4が同様に接続されている。
【0010】つぎに図9に示すタイミングチャートも併
用して動作を説明する。入力端子INには入力電圧VIN
が時間により変化する電圧として与えられる。コントロ
ール端子TS1にはスイッチS12,S3をコントロールす
る電圧VTS1が所定の周期信号として与えられ、ハイの
時スイッチS12,S3をONさせる。また、コントロー
ル端子TS2にはスイッチS11,S4をコントロールする
電圧VTS2 が電圧VTS1と反対の周期信号として与えら
れ、ハイの時スイッチS11,S4をONさせる。時刻T4
1前においてスイッチS11はON状態,スイッチS12は
OFF状態で、コンデンサC11はその電圧VC11として
入力電圧VIN(=V1)を保持している。この時スイッ
チS3はOFF状態である。時刻T41においてスイッチ
S11はOFF状態,スイッチS12はON状態,スイッチ
S3はON状態,スイッチS4はOFF状態となり、コン
デンサC11の電圧VC11(=V1 )を演算増幅器A1 か
ら出力電圧VOUTとして出力する。
【0011】次に時刻T42前においてスイッチS11はO
FF状態,スイッチS12はON状態で、コンデンサC12
はその電圧VC12としてV1より低い入力電圧VIN(=V
2)を保持している。この時スイッチS4はOFF状態で
ある。時刻T42においてスイッチS11はON状態,スイ
ッチS12はOFF状態,スイッチS3はOFF状態,ス
イッチS4はON状態となり、コンデンサC12の電圧VC
12(=V2 )を演算増幅器A2 から出力電圧VOUTとして
出力する。
【0012】同様に時刻T43前においてコンデンサC11
はその電圧VC11としてV2より高い入力電圧VIN(=V
3)を保持しており、時刻T43においてサンプルホール
ドコンデンサC11の電圧VC11(=V3 )を第1演算増
幅器A1から出力電圧として出力し、時刻T44前におい
てコンデンサC12はその電圧VC12としてV3 より低い
入力電圧VIN(=V4)を保持しており、時刻T44にお
いてコンデンサC12の電圧VC12(=V4)を第2演算増
幅器A2 から出力電圧として出力する。
【0013】このようにV1 ↓V2 ↑V3 ↓V4と交互
に上昇,降下を繰り返す入力電圧VINを、上昇する際に
は第1演算増幅器A1が担当し、降下する際には第2演
算増幅器A2が担当して交互に出力電圧として出力す
る。ところが、上昇,降下が交互ではなく、上昇,上昇
または降下,降下が連続する場合、図8に示す回路では
第1演算増幅器A1及び第2演算増幅器A2が交互にしか
担当しないため、上昇する際には第1演算増幅器A1,
降下する際には第2演算増幅器A2と区分けして使用で
きないという問題があった。そこで、この発明は上昇,
上昇または降下,降下が連続する入力電圧にでも対応で
き、しかも消費電流が少なく出力電圧の波形的な傾きの
立ち上がり,立ち下がりも速いサンプルホールド回路を
提供する。
【0014】
【課題を解決するための手段】本発明のサンプルホール
ド回路は、入力端子に接続された第1スイッチを介して
入力電圧を保持する第1コンデンサと、出力端子に接続
された第2スイッチを介して出力電圧を保持する第2コ
ンデンサと、第1コンデンサの出力側と前記出力端子と
の間に並列接続された第3スイッチを含む第1演算増幅
器及び第4スイッチを含む第2演算増幅器と、第1コン
デンサの保持電圧を第2コンデンサの保持電圧と比較す
る比較器と、この比較出力に基づいて第3スイッチ及び
第4スイッチのいずれか一方を選択動作させる論理回路
とを具備し、第1演算増幅器を出力電圧の波形的な傾き
の立ち上がりが速く立ち下がりの遅い動作特性に且つ第
2演算増幅器をその立ち上がりが遅く立ち下がりの速い
動作特性にしている。また、上記サンプルホールド回路
において、第1スイッチを制御する信号の立ち下がりエ
ッジに同期して比較出力を保持するシフトレジスタを付
加してもよい。
【0015】
【作用】上記の手段によれば出力電圧が上昇,降下を交
互に繰り返さないで、上昇,上昇または降下,降下が連
続する波形の場合でも、上昇する際は第1演算増幅器が
担当し、出力電圧が降下する際は第2演算増幅器が担当
するので出力電圧の波形的な傾きの立ち上がりも立ち下
がりも高速なサンプルホールド回路となる。さらに個々
の演算増幅器はどちらかのみ高速であればよいので簡単
な回路で消費電流の少ない回路とすることが出来、双方
の消費電流を合わせても、1つの演算増幅器で双方向速
い演算増幅器に比較し消費電流を小さくできる。
【0016】
【実施例】以下本発明について、図面を参照して説明す
る。図1は本発明の第1実施例の回路図である。図にお
いて、図5,図8に示す従来のサンプルホールド回路と
同じ部分は同じ符号を付して説明を略す。図5とは第1
コンデンサC1 ,第1スイッチS1の構成が同一であ
り、図8とは並置した相異なる動作特性を有する第1演
算増幅器A1、第2演算増幅器A2,第3スイッチS3,
第4スイッチS4の構成が同一であり、図5,図8と異
なる点は出力電圧VOUTをサンプリングし保持する第2
スイッチS2と第2コンデンサC2とを設けた点と、入力
側ホールド電圧VC1と出力側ホールド電圧VC2とを比較
する比較器A3とその出力信号により第3スイッチS3,
第4スイッチS4 の選択を行なう論理回路G1,G2 ,
G3を設けた点である。ここで、両演算増幅回路として
は、第1演算増幅器A1として前記した図6の回路にお
いてトランジスタQ7に流れる電流I2を小さく設定した
ものが使用でき、同様に第2演算増幅器A2として図7
の回路が使用できる。また、比較器A3の負荷は軽いの
で消費電流の小さいもので充分高速となる。論理回路G
1,G2 ,G3はCMOS構成とすればほとんど電流を消
費しない。
【0017】つぎに図2に示すタイミングチャートも併
用して動作を説明する。入力端子INには入力電圧VIN
が時間により変化する電圧として与えられる。コントロ
ール端子TSには第1スイッチS1をコントロールする
電圧VTSが所定の周期信号として与えられ、ハイの時ス
イッチS1をONさせる。したがってこの時(時刻T1に
おいて)第1コンデンサC1 はその保持電圧VC1として
入力電圧VINの瞬時値を保持する。コントロール端子T
Oには第3スイッチS3または第4スイッチS4を選択的
に導通させるタイミング信号が与えられ、その電圧VTO
がハイの時、前の出力電圧の状態により第3スイッチS
3か第4スイッチS4が選択されて導通(後述)して時刻
T2において出力電圧VOUT が第1コンデンサC1の保持
電圧VC1と同じ電圧となる。コントロール端子TCには
第2スイッチS2をコントロールする電圧VTCが与えら
れ、それがハイの時第2スイッチS2を導通させ、出力
電圧VOUT を第2コンデンサC2の保持電圧VC2として
保持させる。したがって時刻T3において第2コンデン
サC2 の保持電圧VC2は時刻T1の第1コンデンサC1
の保持電圧VC1に等しい。
【0018】同様に時刻T4 において第1コンデンサC
1にその時点の入力電圧VINが取り込まれるが、この時
は入力電圧VINが前回より高くなっているので第1コン
デンサC1の保持電圧VC1の方が第2コンデンサC2の保
持電圧VC2より高い。そこで比較器A3の出力電圧(図
示せず)はハイとなる。したがって時刻T5においてコ
ントロール電圧VTOがハイになれば論理回路G1,G2
,G3 により選択されて第3スイッチS3が導通されて
第1演算増幅器A1が選択される。そこで負荷容量Cは
急速に充電されて出力電圧VOUTは第1コンデンサC1
の保持電圧VC1と同じ電圧となる。次にコントロール電
圧VTCがハイになる時刻T6において出力電圧VOUTが前
と同様に第2コンデンサC2に取り込まれる。
【0019】次に時刻T7 において入力電圧VINを第1
コンデンサC1に取り込むと今回も入力電圧VINが前回
より高くなっているので、第1コンデンサC1の保持電
圧VC1のほうが高く、比較器A3の出力電圧(図示せ
ず)はハイとなっている。したがって時刻T8において
コントロール電圧VTOがハイとなった時、今回も第3ス
イッチS3が導通して第1演算増幅器A1が選択されて出
力電圧VOUTは急速に第1コンデンサC1 の保持電圧VC
1となる。次にコントロール電圧VTCがハイになる時刻
T9において出力電圧VOUTが前と同様に第2コンデンサ
C2に取り込まれる。
【0020】次に時刻T10において入力電圧VINを第1
コンデンサC1に取り込むと今回は入力電圧VINが前回
より低くなっているので、第2コンデンサC2の保持電
圧VC2のほうが高く、比較器A3の出力電圧(図示せ
ず)はロウとなっている。したがって時刻T11において
コントロール電圧VTOがハイとなった時、第4スイッチ
S4が導通して第2演算増幅器A2が選択されて出力電圧
VOUTは急速に第1コンデンサC1 の保持電圧VC1とな
る。
【0021】この実施例によれば出力電圧が上昇,降下
を交互に繰り返さないで、上昇,上昇または降下,降下
が連続する波形の場合でも、上昇する際は第1演算増幅
A1が担当し、出力電圧が降下する際は第2演算増幅
A2が担当するのでそれぞれの消費電流が少なく簡単
な回路とすることができ、全体として出力電圧の波形的
な傾きの立ち上がりも立ち下がりも速く、消費電流も少
ないサンプルホールド回路とすることができる。
【0022】図3はこの発明の第2実施例の回路図で、
前記第1実施例のコントロール端子TCを削除し、シフ
トレジスタSRを追加した点を除いて図1に示す第1の
実施例と同様であるため、同一部分には同一参照符号を
付してその説明を省略する。この回路では第1スイッチ
S1のコントロール信号VTSの立ち下がりエッジに同期
してシフトレジスタSRに比較器A3の出力電圧を保持
することにより第1演算増幅器A1か第2演算増幅器A2
のどちらを選択するかの信号を保持する。
【0023】つぎに図4のタイミングチャートも併用し
て動作を説明する。時刻T21において第1コンデンサC
1はその保持電圧VC1として入力電圧VINの瞬時値を保
持する。時刻T22においてコントロール電圧VTOがハイ
の時、前の出力電圧の状態により第3スイッチS3か第
4スイッチS4 が選択されて導通(後述)して出力電圧
VOUTが第1コンデンサC1 の保持電圧VC1と同じ電圧
となる。このとき同時に、出力電圧VOUTを第2コンデ
ンサC2 の保持電圧VC2として保持させる。したがって
時刻T22において第2コンデンサC2の保持電圧VC2は
時刻T21の第1コンデンサC1の保持電圧VC1に等し
い。
【0024】同様に時刻T23において第1コンデンサC
1にその時点の入力電圧VINが取り込まれるが、この時
は入力電圧VINが前回より高くなっているので第1コン
デンサC1の電圧VC1の方が第2コンデンサC2の保持電
圧VC2より高く、比較器A3の出力電圧(図示せず)は
ハイとなる。そこで時刻T24において比較器A3の出力
電圧をシフトレジスタSRで保持してシフトレジスタS
Rの出力電圧VSRがハイとなる。したがって時刻T25に
おいてコントロール電圧VTOがハイとなった時、第3ス
イッチS3が導通して第1演算増幅器A1が選択され、負
荷容量Cは急速に充電されて出力電圧VOUTは第1コン
デンサC1 の保持電圧VC1と同じ電圧となる。このとき
同時に出力電圧VOUTが前と同様に第2コンデンサC2に
取り込まれる。
【0025】次に時刻T26において入力電圧VINを第1
コンデンサC1に取り込むと今回も入力電圧VINが前回
より高くなっているので、第1コンデンサC1の保持電
圧VC1のほうが第2コンデンサC2の保持電圧VC2より
高く、比較器A3の出力電圧(図示せず)はハイとなっ
ている。そこで時刻T27において比較器A3の出力電圧
をシフトレジスタSRで保持してシフトレジスタSRの
出力電圧VSRがハイのままとなる。したがって時刻T28
において第1演算増幅器A1が選択され、負荷容量Cは
急速に充電されて出力電圧VOUTは第1コンデンサC1
の保持電圧VC1と同じ電圧となる。このとき同時に出力
電圧VOUTが前と同様に第2コンデンサC2に取り込まれ
る。
【0026】次に時刻T29において入力電圧VINを第1
コンデンサC1に取り込むと今回は入力電圧VINが前回
より低くなっているので、第2コンデンサC2の保持電
圧VC2のほうが高く、比較器A3の出力電圧(図示せ
ず)はロウとなっている。そこで時刻T30において比較
器A3の出力電圧をシフトレジスタSRで保持してシフ
トレジスタSRの出力電圧VSRが変化しロウとなる。し
たがって時刻T31において第2演算増幅器A2が選択さ
れ、負荷容量Cは急速に充電されて出力電圧VOUTは第
1コンデンサC1 の保持電圧VC1と同じ電圧となる。
【0027】この実施例によれば第1実施例と同様に出
力電圧が上昇,降下を交互に繰り返さないで、上昇,上
昇または降下,降下が連続する波形の場合でも、上昇す
る際は第1演算増幅器が担当し、出力電圧が降下する際
は第2演算増幅器が担当するのでそれぞれの消費電流が
少なく簡単な回路とすることができ、全体として出力電
圧の波形的な傾きの立ち上がりも立ち下がりも速く、消
費電流も少ないサンプルホールド回路とすることができ
る。また、この実施例ではコントロール端子1個とその
ための信号が不要となる利点がある。
【0028】尚、ここで第3スイッチS3 ,第4スイッ
チS4により択一的に演算増幅器を接続するのは例えば
第1演算増幅器A1が図6の回路であり、第2演算増幅
器A2が図7の回路であるとき、双方共に出力端子OU
Tに接続すると出力電圧の波形の立ち上がり時に図6の
トランジスタQ6は抵抗が小さくなるが、この時図7の
トランジスタQ16が大きな抵抗となるのがおくれると電
源ラインVccと接地ラインGndとの間にトランジス
タQ6,Q16を介して過大な電流が流れるおそれがある
ためである。
【0029】
【発明の効果】以上説明したように、この発明は、出力
電圧が上昇,降下を交互に繰り返さないで、上昇,上昇
または降下,降下が連続する波形の場合でも、出力電圧
の波形的な傾きの立ち上がりが速くて立ち下がりの遅い
動作特性を有する第1演算増幅器とその立ち上がりが遅
くて立ち下がりの速い動作特性を有する第2演算増幅器
とを用いることができるので、消費電流を大きくするこ
となく出力電圧の波形的な傾きの立ち上がりも立ち下が
りも速いサンプルホールド回路とすることができる。ま
た、簡単な回路で構成できるので安価な回路を提供でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施例を示すサンプルホール
ド回路
【図2】 図1の回路のタイミングチャート
【図3】 本発明の第2の実施例を示すサンプルホール
ド回路
【図4】 図3の回路のタイミングチャート
【図5】 従来のサンプルホールド回路
【図6】 第1演算増幅器の回路図
【図7】 第2演算増幅器の回路図
【図8】 従来の他のサンプルホールド回路
【図9】 図8の回路のタイミングチャート
【符号の説明】
A1 第1演算増幅器 A2 第2演算増幅器 A3 比較器 C1 第1コンデンサ C2 第2コンデンサ G1 ,G2 ,G3 論理回路 SR シフトレジスタ S1 第1スイッチ S2 第2スイッチ S3 第3スイッチ S4 第4スイッチ IN 入力端子 OUT 出力端子 TC,TO,TS コントロール端子 VC1 第1コンデンサ保持電圧 VC2 第2コンデンサ保持電圧 VIN 入力電圧 VOUT 出力電圧 VTC,VTO,VTS コントロール端子電圧
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03F 3/45 G11C 27/02 601 H03M 1/12

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】入力端子に接続された第1スイッチを介し
    て入力電圧を保持する第1コンデンサと、出力端子に接
    続された第2スイッチを介して出力電圧を保持する第2
    コンデンサと、前記第1コンデンサの出力側と前記出力
    端子との間に並列接続された第3スイッチを含む第1演
    算増幅器及び第4スイッチを含む第2演算増幅器と、前
    記第1コンデンサの保持電圧を前記第2コンデンサの保
    持電圧と比較する比較器と、この比較出力に基づいて前
    記第3スイッチ及び第4スイッチのいずれか一方を選択
    動作させる論理回路とを具備し、前記第1演算増幅器を
    出力電圧の波形的な傾きの立ち上がりが速く立ち下がり
    の遅い動作特性に且つ前記第2演算増幅器をその立ち上
    がりが遅く立ち下がりの速い動作特性にしたサンプルホ
    ールド回路。
  2. 【請求項2】前記第1スイッチを制御する信号の立ち下
    がりエッジに同期して前記比較出力を保持するシフトレ
    ジスタを付加したことを特徴とする請求項2記載のサン
    プルホールド回路。
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