JP4247181B2 - サンプルホールド回路 - Google Patents

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Description

本発明は、例えばアナログデジタル変換器やワイヤレス通信受信回路などに利用されるサンプルホールド回路に係り、さらに詳しくはトランジスタのリーク電流によるホールド電圧の変化としてのドループ、およびホールド期間中の入力アナログ電圧の漏れ込み、すなわちホールド電圧への影響としてのフィードスルーの低減が可能な電流切替ソースフォロア型サンプルホールド回路に関する。
図8は、サンプルホールド回路の第1の従来例の回路図である。同図は、電流切替ソースフォロア型サンプルホールド回路の回路図であり、このサンプルホールド回路は最も左側のプリアンプ、すなわちゲートに電位V1が与えられるトランジスタ23の前段の部分としてのプリアンプ、トランジスタ21から24、およびキャパシタ25によって構成されるサンプルホールド回路のコア部、トランジスタ26、27で構成される出力部とに機能的に区分される。
プリアンプは、それぞれゲートにサンプル信号(入力アナログ信号)RFの反転信号

と、サンプル信号RFとが入力されるトランジスタ11、12、電流源I1を構成するトランジスタ13、トランジスタ11、12のドレイン端子と電位VDD(GND)とを接続する2つの抵抗15、16、トランジスタ11、12のソース端子とトランジスタ13のドレイン端子とを接続する抵抗17、18によって構成され、サンプル信号を増幅してトランジスタ11のドレイン端子としての出力端子から、その増幅結果をコア部に対して出力する。
コア部は、ゲート端子にサンプルクロック信号CLKと、その反転信号

が与えられるトランジスタ21、22、プリアンプの出力V1がゲート端子に与えられ、VDD(GND)とトランジスタ21との間に接続されるトランジスタ23、トランジスタ21、22のソース端子に接続され、電流源I2として動作するトランジスタ24、トランジスタ23のドレインソース間に並列に挿入されるキャパシタ25によって構成される。
コア部においては、クロック信号CLKの値に応じて電流源電流I2がトランジスタ21と、22との間で切り換えられて流れることと、トランジスタ21と23によってソースフォロア回路が構成されるために、サンプルホールド回路全体が電流切替ソースフォロア型と呼ばれる。
サンプルクロックCLKが“H”であるサンプル期間においては、電流源電流I2はこのソースフォロア回路を流れ、その結果サンプル信号(入力アナログ信号)の値に応じてキャパシタ25の両端の電圧は変化する。
これに対してサンプルクロックCLKが“L”となるホールド期間では、電流源電流I2はトランジスタ22側に切り替えられ、この電流はプリアンプを構成する差動対のトランジスタ11、12の負荷抵抗15、16のうち、抵抗15を介して流れる。この抵抗15の値をR1と、するとホールド期間における電位V1は、抵抗R1に流れる電流がI2だけ増加することによって、ホールド期間直前より“R1×I2”だけ低下する。これによってそれまでオンとなっていたトランジスタ23がオフとなり、その結果キャパシタ25に蓄えられた電荷が保持され、その両端の電圧はホールドされる。そしてそのホールドされた電圧はトランジスタ26を介してホールド出力として外部に与えられる。
しかしながらこの第1の従来例では、ホールド期間中にサンプル信号、すなわち入力アナログ信号の電位が変化すると、その変化がトランジスタ11を介してトランジスタ23のゲート電位V1に影響を与え、この電位V1が上昇するとサブスレッショルド電流の増大や、最悪の場合、オフからオンへの変化の原因となる。このような電位V1の上昇によってキャパシタ25に余計な電流が流れ込むことによって、トランジスタ23のリーク電流のホールド電圧への影響、すなわちドループの増大が起こる。またトランジスタ23が完全にオフの状態に保たれたとしても、サンプル電圧がトランジスタ23のゲート容量を介してキャパシタ25のホールド電圧に影響を与えるフィードスルーが生じる可能性がある。
図9は、図8の第1の従来例におけるドループやフィードスルーを説明するためのシミュレーション結果の説明図である。同図において一番上の信号RFはサンプル信号、すなわち入力アナログ信号を示し、その下の矩形信号CLKはサンプルクロックを示す。上から三番目の波形はホールド出力を示し、その値はサンプルクロックCLKが“H”の期間ではサンプル信号RFに対応する値となり、ホールド期間、すなわちCLKが“L”の区間では、理想的にはホールド電圧で一定に保たれるが、ドループのために時間とともに低下する傾向がある。一番下の波形は図8のプリアンプの出力、すなわちトランジスタ23のゲートに与えられる電位V1を示し、ホールド期間においてもサンプル信号RFの影響がかなり大きいことが示されている。
図9においてドループはホールド期間における電位の低下によって示されるが、クロック信号CLKの立下り時点におけるホールド電圧の値が低い時にはホールド出力の変化は小さく、ドループの値が小さいが、ホールド電圧の高い時のドループの最大値は61mVであることが示されている。またフィードスルーについてはクロック信号CLKが“L”の期間、すなわちホールド期間における電圧の微小な変化、すなわちサンプル信号RFと周波数の等しい微小な振動として示されている。
なお図9ではサンプル信号、すなわち入力アナログ信号は26.5GHzの一定振幅の正弦波信号として、またサンプルクロック信号は1.5GHzの矩形波信号として示されており、両者の周波数の関係は一般的なアナログデジタル変換器などにおけるサンプル信号とクロック信号との周波数関係とは異なっているが、これはUltra Wide Band通信を応用分野とする特殊なものである。実際にはサンプル信号は図9で示したような連続正弦波ではなく、同一周波数であっても間欠的に反射波を受信するような場合を対象としており、間欠的に受信された反射波に対してクロック信号の立上り、あるいは立下りを用いて電圧のホールドが行われる。
図10は、サンプルホールド回路の第2の従来例の回路図である。この第2の従来例は、次の特許文献に開示されている。
特開平9−130168号公報 「トラック/ホールドアンプ」
この第2の従来例では、図8の第1の従来例と比較して、特許文献1におけるプルアップ回路に相当するトランジスタ29が追加されている。このトランジスタ29は、ホールド期間中にトランジスタ11と12とをオフするためのものであり、そのゲートにはホールド期間中にトランジスタ29をオンとさせる電位VBHckが与えられる。これによってホールド期間中にはトランジスタ11がオフとされることによって、サンプル信号の変化がトランジスタ23のゲート電位V1に与える影響は抑制され、フィードスルーの低減が実現される。
しかしながら第2の従来例ではフィードスルーの抑制はできるものの、ホールド期間においては電流源電流I1は抵抗15を流れなくなり、第1の従来例に比べてホールド期間中における電位V1は、R1×I1の分だけ上昇し、ドループが悪化するという問題点があった。それをさけるために電流源電流I2を大きくすることも有効であるが、I2を増加させると電流切替が行われる差動対を構成するトランジスタ21、22のスイッチング特性が悪化し、また消費電力が増大する。したがって設計パラメータの選択に制約が生ずるという問題点がある。さらにドループの原因としては、トランジスタ23のリーク電流の影響だけでなく、キャパシタ25に接続されたトランジスタ21のリーク電流の影響も考えられるが、第2の従来例でもその対策は何ら施されていないという問題点がある。
本発明の課題は、上述の問題点に鑑み、従来回路より広い設計自由度を保ちつつ、トランジスタのリーク電流に起因するホールド電圧の変化としてのドループと、ホールド期間中の入力アナログ電圧の漏れ込みとしてのフィードスルーを低減させ、高速動作に適するサンプルホールド回路を提供することである。
図1は、本発明のサンプルホールド回路の原理構成ブロック図である。同図は入力アナログ信号が与えられるプリアンプ1を備えるサンプルホールド回路の原理構成を示し、後述する本発明のサンプルホールド回路の第1の実施例に対応するものである。
図1においてコア部2は、入力アナログ信号に対するホールド期間を除くサンプル期間において、プリアンプ1による入力アナログ信号の増幅出力が入力として与えられて入力アナログ信号の変化に対応する電圧を出力し、ホールド期間中にはサンプルクロック信号の変化時点におけるその増幅出力に対応する電圧値をホールドして出力するものである。
電流切替回路3は、ホールド期間中においてプリアンプの出力端に接続され、プリアンプ1内に備えられる第1のトランジスタにサンプル期間中に流れていた電流を他の第2のトランジスタに流し、コア部2への入力として一定電位を与えるものである。
図1においては、第1のトランジスタは、例えばそのゲートに入力アナログ信号の反転信号が与えられ、ドレイン端子からプリアンプ1としての出力をコア部2に与えるものであり、ホールド期間中において第1のトランジスタを流れていた電流が他の第2のトランジスタに流れるように切り替えられることによって、第1のトランジスタはオフし、その結果入力アナログ信号が変化しても、ホールド期間中にコア部側で保持されているホールド電圧に対する影響、すなわちドループを低減させることができる。またホールド電圧に対する入力アナログ信号の漏れ込み、すなわちフィードスルーも低減させることができる。
本発明の実施の形態においては、図1の電流切替回路3が、前述の第1のトランジスタに接続され、サンプルクロック信号がゲート端子に与えられる第3のトランジスタと、前述の第2のトランジスタに接続され、ゲート端子にそのトランジスタを直流的に常にオンとする電位が与えられる第4のトランジスタとを備え、かつ第2のトランジスタのゲート端子にサンプルクロック信号の反転信号が与えられることもできる。
また実施の形態においては、電流切替回路3が、前述の第4のトランジスタと差動的に動作するトランジスタであって、ゲート端子にそのトランジスタを直流的に常にオフとする電位が与えられる第5のトランジスタをさらに備え、またプリアンプ1が、前述の第1のトランジスタと差動的に動作するトランジスタであって、ゲート端子に入力アナログ信号が与えられる第6のトランジスタをさらに備え、かつ第1のトランジスタのゲート端子に入力アナログ信号の反転信号が与えられることもできる。
後述するサンプルホールド回路の第2の実施例に部分的に対応するサンプルホールド回路は、入力アナログ信号が与えられるプリアンプと、プリアンプの出力が与えられるコア部とを図1におけると同様に備えるサンプルホールド回路である。そしてコア部が、直列に接続され、各ゲートにサンプルクロック信号が入力される第1、第2のトランジスタと、その第1、第2のトランジスタの内の1つのトランジスタに接続され、サンプルクロック信号の変化時点におけるプリアンプの出力に対応する電圧値をホールドする静電容量とを備える。
同様に後述の第2の実施例に部分的に対応する、別のサンプルホールド回路もプリアンプとコア部とを備えるものであり、コア部がサンプルクロック信号の変化時点におけるプリアンプの出力に対応する電圧値をホールドする静電容量と、その静電容量に並列に接続され、ホールドされる電圧の極性と逆方向の極性を持つダイオードと、静電容量とダイオードとの接続点に接続され、ゲートにサンプルクロック信号が与えられるトランジスタとを備える。
発明の実施の形態においては、このサンプルホールド回路のコア部が、前述のトランジスタとしての第1のトランジスタと差動的に動作するトランジスタであって、ゲート端子にサンプルクロック信号の反転信号が与えられ、前述のプリアンプの出力に接続される第2のトランジスタと、第1のトランジスタとダイオードとの接続点に接続され、ゲート端子にプリアンプの出力が与えられる第3のトランジスタとをさらに備えることもできる。
第2の実施例に全体的に対応するサンプルホールド回路は、前述のプリアンプとコア部とを備え、コア部が、直列に接続され、各ゲートにサンプルクロック信号が与えられる第1、第2のトランジスタと、第1、第2のトランジスタの内の1つのトランジスタに接続され、サンプルクロック信号の変化時点におけるプリアンプの出力に対応する電圧値をホールドする静電容量と、その静電容量に並列に接続され、ホールドされる電圧の極性と逆方向の極性を持つダイオードとを備える。
実施の形態においては、このサンプルホールド回路が、第1、第2のトランジスタと差動的に動作し、直列に接続され、各ゲートにサンプルクロック信号が与えられる第3、第4のトランジスタと、前述の静電容量と第1、第2のトランジスタのうちの1つのトランジスタとの接続点に接続され、ゲート端子にプリアンプの出力が与えられる第5のトランジスタとをさらに備え、かつ第3、第4のトランジスタのうちの1つのトランジスタが第5のトランジスタのゲート端子に接続されることもできる。
このように第2の実施例では、電圧をホールドする静電容量に対して並列にホールド電圧の極性と逆方向の極性を持つダイオードを接続し、またコア部内の電流切替回路を構成する差動対としてのトランジスタをそれぞれ直列に2段構成とすることによって、この電流切替回路を構成するトランジスタにおけるリーク電流によるドループを低減させることが可能となる。
さらに本発明のサンプルホールド回路の第3の実施例は、第1の実施例と第2の実施例とを組み合わせたものであり、第1の実施例と同様に入力アナログ信号が与えられるプリアンプ1と、コア部2と、電流切替回路3とを備え、さらにコア部2が、直列に接続され、各ゲートにサンプルクロック信号が与えられる第1、第2のトランジスタと、第1、第2のトランジスタのうちの1つのトランジスタに接続され、サンプルクロック信号の変化時点におけるプリアンプ1の出力に対応する電圧値をホールドする静電容量と、その静電容量に並列に接続され、ホールドされる電圧の極性と逆方向の極性を持つダイオードとを備える。
本発明のサンプルホールド回路は、ホールド期間中においてプリアンプ内でプリアンプの出力を与えるトランジスタをオフとさせる電流切替回路を備えることによって、ドループ、およびフィードスルーを低減させることができる。またコア部内で電圧をホールドする静電容量に対してホールド電圧と逆方向の極性を持つダイオードを接続することによって、トランジスタのリーク電流によるドループを低減させることができ、さらにコア部内の電流切替回路を構成する差動対のトランジスタを直列に2段構成とすることによって、リーク電流によるドループをさらに低減させることが可能となり、広い設計自由度を維持しつつ、高速動作可能であり、高精度、低雑音特性をもつサンプルホールド回路が実現される。
図2は、本発明のサンプルホールド回路の第1の実施例の回路図である。この第1の実施例を図8で説明した第1の従来例と比較すると、4つのトランジスタ31から34が追加されている点が基本的に異なっている。
図2は、本発明の特許請求の範囲の請求項1からに対応するものであり、電流切替回路はトランジスタ31、32、33、および34に相当する。また第1のトランジスタはトランジスタ11に、第2のトランジスタはトランジスタ32に、第3のトランジスタはトランジスタ31に、第4のトランジスタはトランジスタ33に、第5のトランジスタはトランジスタ34に、そして第6のトランジスタはトランジスタ12に相当する。また、第1及び第2の抵抗はそれぞれ、抵抗15、16に相当する。
トランジスタ31と32は、サンプルホールド回路のコア部における2つのトランジスタ21、22のコピーとしての動作を行うものであり、トランジスタ31のゲートには、サンプルクロック信号CLKが与えられ、CLKが“H”である期間、すなわちサンプル期間において電流源電流I1をプリアンプを構成する2つのトランジスタ11、または12のいずれかに流すものである。
これに対してトランジスタ32のゲートには、サンプルクロックの反転信号
が与えられ、クロックCLKが“L”の期間(ホールド期間)において電流源電流I1は抵抗15、トランジスタ33を介して流れることになる。トランジスタ33のゲートは直流的に“H”に固定されており、トランジスタ33は常にオン状態にある。これに対してトランジスタ34のゲートは直流的に“L”に固定されており、基本的には常にオフである。しかしながらトランジスタ34も交流的には必ずしもオフには限定されず、トランジスタ34はトランジスタ33との間での交流的なバランスをとるために必要なものである。
すなわちトランジスタ31と32は、電流源電流I1に対するセレクタ動作を行うものであり、サンプル期間中にはプリアンプを構成する2つのトランジスタ11、12を介する形式で、これに対してホールド期間中にはこの2つのトランジスタ11、12を介することなく、抵抗15、トランジスタ33を経由する形式でI1を流すためのものである。
第1の実施例を図8の第1の従来例と比較すると、サンプル期間中にはプリアンプは第1の従来例におけると同様にサンプル信号(入力アナログ信号)の増幅回路として動作するが、ホールド期間中はトランジスタ11と12が完全にオフとなることによって、コア部のトランジスタ23のゲート電圧V1として、VDD(GND)よりも“R1×(I1+I2)”だけ低い一定電位を与えることになる。
このため第1の実施例では、ホールド期間中において、トランジスタ11、12はオフとなるため、第1の従来例における問題点としての入力アナログ信号の電位変化を原因とするキャパシタ25の両端のホールド電圧の変化、すなわちドループの増加を防止することが可能となる。また、ゲートに与えられる入力アナログ信号のホールド出力への漏れ込み、すなわちフィードスルーも十分に低減させることが可能となる。
図3は、サンプルホールド回路の第2の実施例の回路図である。同図を図8と比較すると、キャパシタ25の両端にダイオード36が接続され、またトランジスタ21、22とそれぞれ直列にトランジスタ37、38が挿入されている点が異なっている。
前述のようにドループの原因としてはトランジスタ23におけるリーク電流、すなわち入力アナログ信号の電位変化に伴うリーク電流の他に、トランジスタ21におけるリーク電流もその原因となる。トランジスタ23におけるリーク電流による問題点は、第1の実施例において入力アナログ信号の電位変化のトランジスタ23のゲート電位への影響を遮断することによって、基本的に解決される。これに対して第2の実施例では、サンプルホールド回路のコア部の電流切替回路を構成するトランジスタ21におけるリーク電流の影響を低減させるものである。
トランジスタ21のリーク電流のホールド電圧、すなわちキャパシタ25の両端の電圧への影響は、このキャパシタ25から電流切替回路側を見た時のインピーダンスを、トランジスタ37、38を挿入することによって高くすることにより低減される。すなわち、ドレインソース間のリーク電流に対しては、このインピーダンス増加によって、その影響を低減させることが可能となる。
しかしながらトランジスタ21におけるリーク電流としては、ドレインゲート間のリーク電流も考慮する必要がある。図3の回路では、トランジスタ37のドレインゲート間のリーク電流が問題となる。
キャパシタ25に並列に接続されるダイオード36は、このようなトランジスタ37のドレインゲート間のリーク電流を補償するためのものであり、その特性としてトランジスタ37のドレインゲート間のダイオード特性と同一の特性を持つことが望ましい。このような特性をもつことによって、トランジスタ37のドレインからゲートに流れるリーク電流を、そのままダイオード36の逆方向電流によって補償することが可能となり、トランジスタ21におけるドレインゲート間のリーク電流に相当するリーク電流のホールド電圧への影響を低減させることが可能となる。なお、このようなダイオード36を使用することにより、トランジスタ21、22に対して直列にトランジスタ37、38を挿入しない場合でもドループの改善を期待することができる。
図4は、サンプルホールド回路の第3の実施例の回路図である。この第3の実施例は、図2の第1の実施例と図3の第2の実施例とを組み合わせたものである。第1の実施例におけるドループ、およびフィードスルーの低減効果と、第2の実施例におけるドループの低減効果との両方が同時に期待できるものである。
図4は、本発明の請求項3,4に対応するものであり、請求項3における第7、第8のトランジスタはそれぞれトランジスタ21と37に相当し、静電容量はキャパシタ25に相当し、ダイオードはダイオード36に相当する。また請求項4における第9、第10、第11のトランジスタはそれぞれ、トランジスタ22と38と23に相当する。
図5から図7は、これら3つの実施例の効果のシミュレーションによる説明図である。図5は、図2の第1の実施例に対するシミュレーション結果であり、ホールド期間中の電圧変化、すなわちドループの最大値は図9の61mVに比べて42mVと20mV改善されている。またホールド期間中の電圧の微小な変化、すなわち入力アナログ信号RFと同一周波数を持つ成分は、図9と比較して図5ではほとんど見られず、フィードスルーが大幅に改善されていることがわかる。
図6は、図3の第2の実施例に対するシミュレーション結果である。前述のように第2の実施例では、図3のトランジスタ37のリーク電流によるドループの改善が行われるが、その結果ドループの最大値は図9に比べて10mVだけ改善されている。なお第2の実施例では、フィードスルーの改善は行われないため、ホールド電圧にはRFと同一周波数の微小な振動成分が重畳していることがわかる。
図7は、図4の第3の実施例に対するシミュレーション結果である。ドループの最大値は33mVとなっており、図9に比べてドループの45%改善が行われたことがわかる。またフィードスルーの改善効果も明らかである。
本発明のサンプルホールド回路の原理構成ブロック図である。 サンプルホールド回路の第1の実施例の回路図である。 サンプルホールド回路の第2の実施例の回路図である。 サンプルホールド回路の第3の実施例の回路図である。 第1の実施例に対するシミュレーション結果を説明する図である。 第2の実施例に対するシミュレーション結果を説明する図である。 第3の実施例に対するシミュレーション結果を説明する図である。 サンプルホールド回路の第1の従来例の回路図である。 第1の従来例に対するシミュレーション結果を説明する図である。 サンプルホールド回路の第2の従来例の回路図である。
符号の説明
1 プリアンプ
2 コア部
3 電流切替回路
11、12、13、21、22、23、24、26、27、31、32、33、34、37、38 トランジスタ
15、16、17、18 抵抗
25 キャパシタ
36 ダイオード

Claims (4)

  1. 入力アナログ信号が与えられるプリアンプを備えるサンプルホールド回路であって、
    入力アナログ信号に対するホールド期間を除くサンプル期間には、前記プリアンプによる該入力アナログ信号の増幅出力が入力として与えられて、該入力アナログ信号の変化に対応する電圧を出力し、該ホールド期間中にはサンプルクロック信号の変化時点における該増幅出力に対応する電圧値をホールドして出力するコア部と、
    第1のトランジスタと、前記第1のトランジスタと差動対を構成するトランジスタであってゲート端子に前記入力アナログ信号が与えられる第6のトランジスタと、該第1のトランジスタのドレイン端子と接続された第1の抵抗と、該第6のトランジスタのドレイン端子と接続された第2の抵抗とを有するプリアンプと、
    該ホールド期間中において、該プリアンプの出力端に接続され、該プリアンプ内に備えられる前記第1のトランジスタにサンプル期間中に流れていた電流を他の第2のトランジスタに流し、コア部への入力として一定電位を与える電流切替回路と
    を備え、
    前記電流切替回路が、
    前記第1のトランジスタに接続され、前記サンプルクロック信号がゲート端子に与えられる第3のトランジスタと、
    前記第2のトランジスタのドレイン端子とソース端子により接続され、前記第1の抵抗と前記第1のトランジスタとの間にドレイン端子により接続されるトランジスタであって、ゲート端子に該トランジスタを直流的に常にオンとする電位が与えられる第4のトランジスタと、
    前記第4のトランジスタと差動対を構成する第5のトランジスタであって、ゲート端子に該第5のトランジスタを直流的に常にオフとする電位が与えられ、前記第2の抵抗と前記第6のトランジスタとの間にドレイン端子により接続される第5のトランジスタと、
    を備えるとともに、
    前記第2のトランジスタのゲート端子に該サンプルクロック信号の反転信号が与えられることを特徴とするサンプルホールド回路。
  2. 前記第1のトランジスタのゲート端子に入力アナログ信号の反転信号が与えられることを特徴とする請求項1記載のサンプルホールド回路。
  3. 前記コア部が、直列に接続され、各ゲートにサンプルクロック信号が与えられる第、第のトランジスタと、
    該第、第のトランジスタの内の1つのトランジスタに接続され、該サンプルクロック信号の変化時点における前記プリアンプの出力に対応する電圧値をホールドする静電容量と、
    該静電容量に並列に接続され、該ホールドされる電圧の極性と逆方向の極性を持つダイオードとを備えることを特徴とする請求項1記載のサンプルホールド回路。
  4. 前記コア部が、
    前記第7、第8のトランジスタと差動対を構成し、直列に接続され、各ゲートに前記サンプルクロック信号の反転信号が与えられる第9、第10のトランジスタと、
    前記静電容量と、前記第7、第8のトランジスタのうちの1つのトランジスタとの接続点に接続され、ゲート端子に前記プリアンプの出力が与えられる第11のトランジスタとをさらに備えるとともに、
    該第9、第10のトランジスタのうちの1つのトランジスタが前記第11のトランジスタのゲート端子に接続されることを特徴とする請求項3記載のサンプルホールド回路。
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