JP3542654B2 - 過渡電流低減法およびその回路 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は電気回路における過渡電流の大きさおよび時間長の低減に関するものであって、更に詳細には回路中のスイッチを閉じた時に発生する過渡電流の低減に関する。
【0002】
【従来の技術】
過渡電流は、例えば電流源で以て電荷蓄積装置へ電荷パルスを供給するための回路において重大な問題である。そのような回路の例は、電流源をスイッチを介してコンデンサにつなぐような回路である。スイッチを閉じた時にもし過渡電流が発生すれば、スイッチを、与えられた時間長、例えばTだけ閉じておくとして、電流源からコンデンサへ供給される電荷量を正確に予測することができなくなる。このような過渡電流は、スイッチが開いている時の電流源出力とコンデンサ入力間の電位差が、スイッチが閉じた時の定常状態における、すなわちそのような過渡電流が減衰してしまった後のその電位差と異なる場合に生ずる。
【0003】
コンデンサへ供給される電荷量は過渡電流を無視して見積もることはできる。定常状態において電流源が一定の電流Iを供給すると仮定して、パルス長Tの中でコンデンサへ供給される電荷量QはITで与えられる。このように、コンデンサに蓄えられる電荷量はスイッチの閉じている時間間隔とともに直線的に増大する。過渡電流の影響は、コンデンサに蓄えられる電荷がその時間間隔の初期において非線形に増大し、その時間間隔中に供給される電荷の総量がITよりも多くなるということである。更に、過渡電流の大きさは、時間の関数として見た場合、正確には知られないため、Qの真の値は予測できない。
【0004】
明らかなように、”エラー”、すなわち過渡電流の結果として電荷の1パルスの中でコンデンサに蓄えられる過剰な電荷は、与えられた過渡電流に対してパルス電荷が転送される時間間隔が短くなるほど重大なものになる。
【0005】
本発明は、2つの端子を有するスイッチを通して電流を供給するための手段を含む電気回路を提供し、前記回路はスイッチが開いている時のスイッチ両端間の電位差を低減または除去するための手段を含み、前記回路がそのようになっているため、前記スイッチが開いた時、スイッチの2つの端子間に電荷の転送は起こらないようになる。
【0006】
電流を発生するための手段が電流源であり、前記回路が電荷蓄積手段を含み、その電荷蓄積手段に対して、閉じた状態にあるスイッチを通して前記電流源が電荷を供給するようになっていることが有利である。
【0007】
前記スイッチ両端間の電位差を低減または除去するための前記手段は、スイッチ両端間につながれた電圧フォロワー(follower)でよい。電圧フォロワーの入力電圧が電荷蓄積手段上の電位に依存することが有利である。好ましくは、電圧フォロワーは単位利得の増幅器として動作するように接続された演算増幅器である。
【0008】
電圧フォロワーが最初に述べたスイッチの一方の端子へ第2のスイッチを介して接続され、前記第2のスイッチが前記第1のスイッチが閉じている時は必ず開くようになっていることが有利である。
【0009】
本発明は、更に、上述のような回路を含む位相ロックループを提供する。
【0010】
本発明は、更に、回路を通し、スイッチを通して電源から電流を供給する方法を提供し、その方法は、前記スイッチが開いている間のスイッチ両端間の電位差を低減または除去し、それによってスイッチが開いたときにスイッチの2つの端子間に電荷の転送が起こらないようにすることを含んでいる。
【0011】
好ましくは、スイッチが閉じた時に、電流源がスイッチを通して電荷蓄積手段へつながれ、その電荷蓄積手段へ電荷を供給する。
【0012】
好ましくは、スイッチ両端間の電位差が、スイッチ両端間に電圧フォロワーを接続することによって低減または除去される。
【0013】
好ましくは、前記第1のスイッチが周期的に開閉されて、それによって電流供給がパルス状に行われる。
【0014】
好ましくは、本方法は電荷蓄積手段の電位によって制御されるようになった電圧制御発振器を有する位相ロックループに使用される。
【0015】
本発明に従う第1および第2の回路について、以下に図面を参照しながら説明するが、これらは単に1つの例として示すものである。
【0016】
【実施例】
図1および図2を参照すると、第1の回路は電流源1を含み、それはコンデンサ2の形の電荷蓄積装置へ電荷を供給するように配置されている。電流源1はPMOSトランジスタ3の形の第1のスイッチを通してコンデンサ2へつながれ、電荷は前記第1のスイッチが閉じているときだけコンデンサ2へ供給される。この電流源とコンデンサは、それぞれ第1と第2の基準電位に保持される。
【0017】
本回路はまた演算増幅器4を含み、その中では増幅器の反転入力が出力へつながれて、この増幅器が単位利得の増幅器(すなわち、電圧フォロワーとして動作する演算増幅器)として動作するようにされている。この演算増幅器の出力は第2のPMOSトランジスタ5の形の第2のスイッチへつながれ、この演算増幅器と前記第2のスイッチとが直列になって前記第1のトランジスタ3の両端間につながれ、これによって電流源が第2のスイッチを介して演算増幅器の出力へつながれるようになっている。このようにして、演算増幅器4の出力は前記第1のスイッチの一方の端子と同じ電位となり、従って、前記第2のスイッチが閉じる時は、前記第1のスイッチの2つの端子は互いに同じ電位にあることになる。
【0018】
これら2個のトランジスタ3および5のドレインは一緒に1つのノードへつながれ、それによってこれら2個のトランジスタは単極双投スイッチを構成している。これを一般に参照符号6で示してある。
【0019】
トランジスタ3および5の状態、すなわちこれらのスイッチの状態は、それらのトランジスタのゲートへ与えられる入力電圧信号によって制御される。これらトランジスタはPMOSの、ノーマリーオフのトランジスタである。トランジスタ3および5の各々に対して、入力電圧が十分負である時(すなわち、電圧が”high”である時)は、そのトランジスタは導通し、従って付随するスイッチは閉じることになる。入力電圧がそのトランジスタに関するしきい値よりも低い時(すなわち、電圧が”low”の時)は、トランジスタ3または5はターンオフし、従って付随するスイッチは開く。
【0020】
この回路で、電流源によって供給される電流の経路は2個のスイッチの設定によって決まる。第1のスイッチが閉じて第2のスイッチが開いている時は、電流は第1のスイッチを通ってコンデンサへ流れる。第1のスイッチが開いて、第2のスイッチが閉じている時は、電流は第2のスイッチを通って演算増幅器の出力へ流れる。もし両方のスイッチが閉じていれば、一部の電流がコンデンサへ流れて、残りの電流が演算増幅器へ供給されることになろう。もし両方のスイッチが開いていれば、電流源の電圧は浮遊状態となろう。
【0021】
使用時には、2値的な周期的矩形波電圧の入力信号が第1のトランジスタ3のゲートへ供給される。第2のトランジスタ5のゲートへ供給される第2の入力信号は前記第1のトランジスタ3のゲートへ供給される前記信号を反転したものである。こうして、第2のスイッチが閉じている時は、第1のスイッチは常に開くことになる(逆の場合はその逆になる)。従って、第1のスイッチが開いている限り、第2のスイッチは閉じて、これによって第1のスイッチの2つの端子が同じ電位に保たれることになる。
【0022】
前記入力信号に応答して、第1のスイッチは周期的に、入力信号の半周期に対応する時間間隔の間、閉じることになる。このようにして、パルス状の電荷がコンデンサへ供給される。
【0023】
第1のスイッチの内部抵抗が無視できると仮定して、第1のスイッチが閉じた時は、第1のスイッチの2つの端子は互いに同じ電位にあることになる。また、電圧フォロワーのおかげによっても、第1のスイッチの2つの端子は互いに同じ電位にあることになる。このように、第1と第2のスイッチの動作の仕方のために、第1のスイッチを閉じることが電流源1とコンデンサ2の入力との間の電位差に変化を与えず、従って過渡電流は発生しない。
【0024】
上述の回路に変更を加えて、1つのスイッチが開くのと他方のスイッチが閉じるのとの間に遅延を持たせることも可能である。実際には、そのことは第2のスイッチが開いた後に、第1のスイッチの両端に小さい電位差が生じてくることを意味する。しかし、遅延時間が数ピコ秒のオーダーになるように回路を設計することが可能である。
【0025】
図3を参照すると、第2の回路は、互いに直列につながれたコンデンサ9と抵抗体10の形の電荷蓄積装置8へ電荷を供給するように配置された第1の電流源7を含んでいる。電流源7は第1のスイッチ11を介して抵抗体10へつながれ、電荷は第1のスイッチ11が閉じている時だけコンデンサ9へ供給される。
【0026】
第1の電流源7は第1の基準電位に保たれ、コンデンサは第2の基準電位にある地点へつながれている。
【0027】
本回路は、電荷蓄積装置8から電荷を取り除くように配置された第2の電流源12を含んでいる。この第2の電流源12は第2のスイッチ13を介して抵抗体10へつながれ、電荷は第2のスイッチ13が閉じている時だけコンデンサ9から取り除かれる。第2の電流源12もまた第2の基準電位にある地点へつながれている。
【0028】
本回路はまた、単位利得の増幅器として動作するように接続された演算増幅器14を含んでいる。この増幅器14の出力は第3のスイッチ15へつながれ、この増幅器14と第3のスイッチ15とが直列になって第1のスイッチ11の両端間につながれ、それによって第3のスイッチ15が電流源7へつながれることになる。このようにして、第3のスイッチ15が閉じた時は、第1のスイッチ11の2つの端子は同じ電位になる。
【0029】
同様に、演算増幅器14の出力は第4のスイッチ16へつながれている。増幅器14と第4のスイッチ16とは第2のスイッチ13の両端間につながれて、それによって第4のスイッチが第2の電流源12へつながれることになる。そのようにして、第4のスイッチが閉じている時は、第2のスイッチ13の2つの端子は同じ電位に保たれる。
【0030】
ここでも、この回路を通る電流源からの電流経路は第4のスイッチの設定によって決まる。
【0031】
第1の電流源11と、この第1の電流源へつながれた第1および第3のスイッチ11および15を参照すると、第1のスイッチが開いて、第3のスイッチが閉じている時は、電流源からの電流は演算増幅器14の出力へ供給される。第1のスイッチ11が閉じて第3のスイッチ15が開いている時は、電流はコンデンサ9へ供給される。両方のスイッチ11、15が開くときは、電流源上の電圧は浮遊状態になろう。もし、両方のスイッチ11、15が閉じる時は、電流源からの電流の一部だけがコンデンサ9へ送られる。
【0032】
同様に、第2の電流源12と、この第2の電流源へつながれた第2および第4のスイッチ13、16を参照すると、第2のスイッチ13が開いて第4のスイッチ16が閉じている時は、演算増幅器14の出力から電流源へ電流が供給される。第2のスイッチ13が閉じて第4のスイッチ16が開いている時は、電荷がコンデンサから取り去られて第2の電流源12へ電流が供給される。第2のスイッチ13と第4のスイッチ16の両方が開く時は、電流源上の電圧は浮遊状態になろう。もし第2および第4のスイッチ13、16が両方ともに閉じている時は、電流源へ供給される電流の一部がコンデンサ9から取り出される。
【0033】
本回路はコンデンサとの間でパルス状に電荷の供給と除去とを行うために用いられる。
【0034】
電荷パルスをコンデンサへ供給するために、まず、コンデンサ9を第2の電流源12へつないでいる第2のスイッチ13が開かれ、それによってコンデンサから電荷の除去が行われないようにされる。第3のスイッチ15が閉じられ、第1のスイッチ11の両端子が同じ電位になることが保証される。次に、ある時間間隔に亘って、第1のスイッチ11が閉じられ、第3のスイッチ15が開かれて、第1の電流源7がコンデンサへつながれて、ある量の電荷が供給される。第1のスイッチが閉じられた時、そのスイッチの2つの端子は同じ電位にあるので、そうでなければ発生するであろう過渡電流は抑制される。
【0035】
同様に、ある時間間隔に亘って第2のスイッチ13を閉じることによって、電荷パルスがコンデンサから取り除かれる。まず、第1のスイッチを開いて第1の電流源7からコンデンサ9へ電荷の供給が行われないことが保証される。次に、第4のスイッチ16を閉じて第2のスイッチ13の2つの端子が同じ電位にあることが保証される。最後に、ある時間間隔に亘って第2のスイッチ13を閉じ、第4のスイッチ16を開いて、コンデンサから電荷パルスの除去が行われる。
【0036】
上述の各回路は数多くの応用途を有する。これらの回路は例えば位相ロックループやその他のアナログ式の帰還回路に対して電圧の周期的な調節を行うことによって適用される。この場合、電荷蓄積装置によって、変化する電圧が提供される。
【0037】
以上の説明に関して更に以下の項を開示する。
(1)2つの端子を有するスイッチを通して電流を供給するための手段を含む電気回路であって、前記スイッチが開いている時のスイッチ両端間の電位差を低減または除去するための手段を含み、そのため、スイッチが開いた時にスイッチの前記2つの端子間に電荷の転送が行われないようになった回路。
【0038】
(2)第1項記載の回路であって、電流を提供する前記手段が電流源であって、更に、前記スイッチが閉じた時に前記電源が電荷を供給する電荷蓄積手段を含む回路。
【0039】
(3)第1項または第2項記載の回路であって、前記スイッチの両端間の電位差を低減または除去するための前記手段が、前記スイッチの両端間につながれた電圧フォロワーを含んでいる回路。
【0040】
(4)第2項に依存する第3項記載の回路であって、前記電圧フォロワーの入力電圧が電荷蓄積手段上の電位に依存する回路。
【0041】
(5)第3項または第4項記載の回路であって、前記電圧フォロワーが、単位利得の増幅器として動作するように接続された演算増幅器である回路。
【0042】
(6)第3項ないし第5項のうちの任意の項記載の回路であって、前記電圧フォロワーが第2のスイッチを介して前記最初に述べたスイッチの1つの端子へつながれており、前記最初に述べたスイッチが閉じている限り前記第2のスイッチが開くようになっている回路。
【0043】
(7)第1項ないし第6項のうちの任意の項記載の回路を含む位相ロックループ。
【0044】
(8)添付図面の図1および図2に示し、本質的にそれらに関連してここに説明してきた電気回路、あるいは添付図面の図3に示し、本質的にそれに関連してここに説明してきた電気回路。
【0045】
(9)回路を通り、スイッチを通って電源からの電流を供給する方法であって、前記スイッチが開いている時に前記スイッチ両端間のあらゆる電位差を除去または低減して、前記スイッチが開いた時に前記スイッチの2つの端子間に電荷の転送が発生しないようにすることを含む方法。
【0046】
(10)第9項記載の方法であって、前記電流源が、前記スイッチが閉じた時に前記スイッチを通して電荷蓄積手段へつながれ、それに対して電流を供給するようになった方法。
【0047】
(11)第9項または第10項記載の、回路を通して電流を供給する方法であって、前記スイッチ両端間の電位差が前記スイッチの両端間に電圧フォロワーを接続することによって低減または除去されるようになった方法。
【0048】
(12)第9項ないし第11項のうちの任意の項記載の、電流を供給する方法であって、前記第1のスイッチを間隔を置いて周期的に開閉することによって電流をパルス状に供給することを含む方法。
【0049】
(13)第10項または、第10項に依存する第11項または第12項記載の方法であって、電圧制御発振器を有する位相ロックループ中に使用される時に、電荷蓄積手段の電位が前記電圧制御発振器を制御するようになった方法。
【0050】
(14)本質的に、添付図面の図1および図2に関連してここに説明してきた方法、あるいは添付図面の図3に関連してここに説明してきた方法。
【0051】
(15)開状態スイッチの端子間の電位差を低減するための回路。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の回路の模式図。
【図2】第1の回路の回路図。
【図3】第2の回路の回路図。
【符号の説明】
1 電流源
2 コンデンサ
3 第1のスイッチ(PMOSトランジスタ)
4 演算増幅器
5 第2のスイッチ(PMOSトランジスタ)
6 単極双投スイッチ
7 電流源
8 電荷蓄積装置
9 コンデンサ
10 抵抗体
11 第1のスイッチ
12 第2の電流源
13 第2のスイッチ
14 増幅器
15 第3のスイッチ
16 第4のスイッチ
Claims (5)
- 2つの端子を有し、該両端子が電気的に接続された閉状態と該両端子が電気的に相互に絶縁された開状態との間で作動可能なスイッチと、
該スイッチを通して電流を供給する手段と、
該スイッチに接続され、該スイッチが開状態にある時に該スイッチの両端間の電位差を除去しまたは減少するように配置された電圧フォロワーと、
を備え、
前記スイッチが開状態である時に前記2つの端子間で実質的に電荷が転送されないようにした、電気回路。 - 請求項1に記載の電気回路において、前記電流を供給する手段は電流源を有し、更に該電気回路は電荷蓄積手段を備え、前記スイッチが閉状態にされた時に前記電流源が前記電荷蓄積手段へ電荷を供給するようにした、前記回路。
- 請求項2に記載の電気回路において、前記電圧フォロワーの入力電圧は前記電荷蓄積手段の電位に依存するようにした、前記電気回路。
- 請求項1から3の内のいずれか1項に記載の電気回路において、前記電圧フォロワーは増幅器として単位利得で動作する演算増幅器である、前記電気回路。
- 請求項1から4の内のいずれか1項に記載の電気回路において、前記電圧フォロワーは前記スイッチの一方の端子に第2のスイッチを介して接続され、前記スイッチが閉状態の時に該第2のスイッチが開状態になるように構成された、前記電気回路。
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