JP4280196B2 - サンプルホールド回路 - Google Patents

Description

本発明は、アナログ入力電圧をサンプリングし、これをアナログ出力電圧として保持するサンプルホールド回路に関するものである。

AD変換器等においてはアナログ信号をデイジタル信号に変換する必要があり、その前段においてアナログ信号のサンプリングを行っている。サンプリングされた信号を一定時間保持する必要があり、そのためにサンプルホールド回路が用いられている。ＡＤ変換中に入力波形が変動するとＡＤ変換誤差が生じる。サンプルホールド回路の動作は、入力アナログ電圧の瞬間値をサンプル（標本化）し、これをホールド（記憶）することである。このサンプルホールド回路は、オペアンプとアナログスイッチ、電圧保持用のコンデンサで構成されている。サンプル／ホールド信号によってスイッチがＯＮの状態のときにサンプルモードとなり、スイッチがOFFのときにホールドモードとなる。

図３はサンプルホールド回路の動作を示す等価回路図である。（Ａ）のサンプル時はオペアンプはゲインが１のボルテージフォロアとなり、（Ｂ）のホールド時にはオペアンプのゲインは開放（オープンループ）となる。このように動作モードが切り替わる回路に用いるアンプ（増幅器）の動作は不安定になり易いので、安定化を図る手段が必要となる。特に、センサ回路の出力のような微小な信号を処理する場合には重大な問題となる。

動作が不安定となる状態を生じさせないために、アンプに十分な位相補正をかけておき、１倍のゲイン（クローズド・ループ）になったときにも安定な動作を得られるようにする。しかし、このようなアンプにおいては周波数特性が悪くなり、高速のサンプリング回路に使用することができない。図４と図５はそれぞれサンプル時とホールド時のゲイン（利得）と位相の周波数特性を示すもので、（Ａ）がサンプル時、（Ｂ）がホールド時のものである。

本発明の解決する課題は以下のとおりである。サンプル時の１倍アンプ（フルフィードバック）においては十分な帰還を掛け、オフセット電圧を小さくし、しかも十分な位相補正を施す。これによって、発振などの不安定な動作をなくす。またホールド（比較）時（無帰還時）には十分な高速性能を発揮できるようにするもので、これらを動作状態において適宜切り換えられるアンプを提供するものである。

本発明は、電流の切換によって帯域幅を調整するとともに、帰還回路のON−OFFを連動させることによって、上記の課題を解決するものである。すなわち、アナログ入力信号をサンプリングするサンプル用スイッチ、アナログ入力電圧を保持するホールド用コンデンサ、保持されたアナログ入力電圧をアナログ出力電圧として出力するオペアンプを具えたサンプルホールド回路において、オペアンプの電源電流を可変とするとともに、上記オペアンプの帰還回路にスイッチ手段を接続したことに特徴を有するものである。

本発明においては、差動アンプをゲインが１倍のボルテージフォロアとして使う場合と、オープンループとする高速コンパレータとして使う場合の２つのモードを単一の回路に持たせることができる。差動アンプの初段の電流源を動作モードによって切り換えることによって、位相補正量とスルーレートの双方において最適化が可能となり、発振の心配のないボルテージフォロアと高速なコンパレータを実現できる。

本発明によるサンプルホールド回路の動作の要点を列記すると以下のようになる。
（１）アンプの位相補正量を動作モードによって切り換える機能を有する。
（２）位相補正用のコンデンサの容量を可変する機能を有する、あるいはアンプのオープンループゲインを制御する機能を有する。
（３）差動アンプの電流源を動作モードによって可変し、相互コンダクタンスGmを変えて位相補正コンデンサとの組み合わせでアンプのカットオフ周波数を変え、十分な位相補正を得る。
（４）動作モードがコンパレータモードになった場合は差動アンプの電流源を増加させ、十分なスルーレートを確保して高速のコンパレータを実現する。

以下、図面を参照して、本発明の実施例を説明する。図１は本発明の実施例を示す回路図である。アナログ入力信号VinをオペアンプOPで増幅して出力電圧VoutとしてＡＤ変換器等へ出力するものであり、出力側からスイッチS₂を介してオペアンプOPの反転入力端子（−）にフィードバックするとともに、オペアンプOPの電流源Vddを可変電流源とする構成を備えている。この回路では、スイッチS ₂ がONとなるとコンデンサCに電荷が蓄積されるサンプルモードとなり、スイッチS ₂ がOFFとなるとホールドモードとなる。

本発明によるサンプルホールド回路は、サンプルモードにおいてはスイッチS₂がONとなっており、オペアンプOPは出力側からフィードバックが掛かってボルテージフォロワの状態となる。すなわち、図３〜図５の（A）の状態となっている。図３のホールドコンデンサにはVin_１−Vrefのサンプルされた電圧が保持されている。図１の回路においても、スイッチS ₁ を介して供給される入力電圧VinをVin _１ 、オペアンプOPの反転入力端子に供給される電圧をVrefとすると、コンデンサCにはVin _１ −Vrefの電圧が保持される。その後、図１のスイッチS ₂ がOFFとなってホールドモードとなると、今度は図３〜図５の（B）の状態となる。このとき、図３のホールドコンデンサに保持されたVin_１−Vrefの電圧と、入力されたVin_２とVrefからVin_２−Vin_１がコンパレータの比較電圧となる。図１の回路も、この時にスイッチS ₁ を介して供給される入力電圧VinをVin _２ とすると、オペアンプOPの出力電圧VoutはVin _２ −Vin _１ となる。このホールドモードにおいては、図１のスイッチS₂がOFFとされるとともに、スイッチS_３によって入力差動アンプ部の電流源の電流量を増加させる。

図２は本発明によるサンプルホールド回路を集積回路化する際に適用されるオペアンプOPの構成の例を示す回路図である。図のM6とM7のMOS-FETの部分がオペアンプの入力差動アンプ部に相当する部分である。オペアンプの出力は位相補正用コンデンサC1を介して得られるが、帯域幅はこの容量と相互コンダクタンスGmとで決定される。この相互コンダクタンスGmは電流によって決まるので、電流を可変とすることで帯域幅を調整することができる。

図２において、電源V4によってMOS-FET M25を動作させてMOS-FET M16をONさせるとオペアンプの電流源の電流がMOS-FET M2とM16の電流の和となる。このように電流源からの電流が大きくなると帯域幅が広がる。この電流源の切換とフィードバックのスイッチS_２とのON-OFFを連動させることによって、それぞれのモードに最適な動作状態を得ることができる。

本発明は、センサ回路とＡＤ変換器間に使用されるサンプルホールド回路として、安定したサンプリング動作、高速のコンパレータ動作が実現できるだけでなく、サンプルホールド回路全般に広く利用できる。

本発明の実施例のブロック図。 オペアンプの構成例を示す回路図。 サンプルホールド回路の動作を示すブロック図。 その特性（周波数−ゲイン）の説明図。 その特性（周波数−位相）の説明図。

符号の説明

OP：オペアンプ
S₁、S₂、S₃：スイッチ
C：ホールドコンデンサ

Claims (1)

1. サンプル用スイッチと、スイッチ手段と、ホールド用コンデンサと、オペアンプとを具備し、該サンプル用スイッチと該オペアンプの反転入力端子の間に該ホールド用コンデンサを接続し、該オペアンプの該反転入力端子と出力端子の間に該スイッチ手段を接続したサンプルホールド回路において、
   該オペアンプ内に構成された入力差動アンプ部の電流源を可変として該オペアンプの帯域幅を可変とし、
   サンプル時には、該オペアンプの帯域幅を狭くすると共に該スイッチ手段を閉じ、該サンプル用スイッチに供給された第１のアナログ入力信号に応じた電圧を該ホールド用コンデンサに保持するよう動作し、
   ホールド時には、該オペアンプの帯域幅を広くすると共に該スイッチ手段を開き、該ホールド用コンデンサに保持された電圧に応じた電圧を該オペアンプから得られるように動作する
   ことを特徴とするサンプルホールド回路。

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