JP4442703B2 - Sample hold circuit, multiplying D / A converter and A / D converter - Google Patents

Sample hold circuit, multiplying D / A converter and A / D converter Download PDF

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Description

本発明は、入力電圧をホールドして差動出力するものであって特にA/Dコンバータまたはその前置回路に好適なサンプルホールド回路およびそれを用いたマルチプライングD/AコンバータおよびA/Dコンバータに関する。   The present invention is a sample hold circuit suitable for an A / D converter or its pre-circuit, and a multiple D / A converter and A / D using the same, which hold an input voltage and perform differential output. Concerning the converter.

パイプライン型A/Dコンバータの各ステージや巡回型A/Dコンバータには、マルチプライングD/Aコンバータが用いられている。このマルチプライングD/Aコンバータは、入力電圧Vinから基準電圧Vrefを減算した電圧を2倍に増幅し、入力電圧VinのA/D変換値(デジタル値)に応じて定められる電圧を上記増幅電圧から減算した残余電圧をホールドするようになっている。特許文献1には、このマルチプライングD/Aコンバータとそれに用いられる差動出力形式のサンプルホールド回路が開示されている。   For each stage of the pipeline A / D converter and the cyclic A / D converter, a multiplying D / A converter is used. This multiplying D / A converter amplifies the voltage obtained by subtracting the reference voltage Vref from the input voltage Vin, and amplifies the voltage determined according to the A / D conversion value (digital value) of the input voltage Vin. The residual voltage subtracted from the voltage is held. Patent Document 1 discloses this multiplying D / A converter and a differential output type sample-and-hold circuit used therefor.

特許文献1のサンプルホールド回路は、オペアンプの反転入力端子と非反転入力端子に対をなして反転側キャパシタと非反転側キャパシタが複数接続されている。サンプリング動作時において、各キャパシタに所定の電荷が設定され、少なくとも1つのキャパシタに入力電圧が印加される。また、ホールド動作時においては、少なくとも一対の反転側キャパシタと非反転側キャパシタがオペアンプの入出力端子間に接続されるとともに、少なくとも1つのキャパシタに入力電圧が印加される。   In the sample and hold circuit of Patent Document 1, a plurality of inversion-side capacitors and non-inversion-side capacitors are connected in pairs to an inverting input terminal and a non-inverting input terminal of an operational amplifier. In the sampling operation, a predetermined charge is set for each capacitor, and an input voltage is applied to at least one capacitor. In the hold operation, at least a pair of inverting and non-inverting capacitors are connected between the input / output terminals of the operational amplifier, and an input voltage is applied to at least one capacitor.

特許文献1に開示されたシングルエンド入力のサンプルホールド回路は、所定の第1条件ないし第3条件を満たすことにより、ホールド動作時におけるオペアンプの入力電圧(同相入力電圧)がサンプリング動作時の入力電圧に依存せず、且つ、ホールド動作時に入力電圧が変化してもサンプリングした電圧を正確に保持し続ける。オペアンプに最適な同相入力電圧を与えて動作させるので、ゲインやスルーレートを大きく設定でき、安定した動作状態を確保することができる。ただし、この特許文献1には、0Vから電源電圧までの入力電圧範囲(入力ダイナミックレンジ)を有するサンプルホールド回路およびそれを用いたマルチプライングD/Aコンバータが明示されている。従って、例えばパイプライン型A/Dコンバータの第1ステージに用いると、上記入力電圧範囲内の電圧しか入力することができない。   The single-end input sample and hold circuit disclosed in Patent Document 1 satisfies the predetermined first to third conditions so that the input voltage (common-mode input voltage) of the operational amplifier during the hold operation is the input voltage during the sampling operation. The sampled voltage is kept accurately even if the input voltage changes during the hold operation. Since the op-amp is operated with an optimal common-mode input voltage, the gain and slew rate can be set large, and a stable operating state can be ensured. However, this Patent Document 1 clearly discloses a sample-and-hold circuit having an input voltage range (input dynamic range) from 0 V to a power supply voltage and a multiplying D / A converter using the sample-hold circuit. Therefore, for example, when used in the first stage of a pipeline type A / D converter, only a voltage within the above input voltage range can be input.

これに対し、特許文献2、3には、入力電圧範囲を超える電圧を変換可能なA/Dコンバータが開示されている。特許文献2に記載のものは、入力電圧を分圧する分圧手段を備えており、分圧信号をA/D変換器に入力する構成となっている。特許文献3に記載のものは、A/D変換値がA/D変換ビット数で表現できる上限値または下限値と一致したことを検出すると、バイアス制御回路により増幅回路のバイアス電圧を切り替えて増幅回路の出力電圧をシフト制御する構成となっている。出力されたデジタル変換値は、バイアス電圧に応じて設定された補正データにより補正される。
特開2007−159087号公報 特開2006−024975号公報 特開2006−115027号公報
On the other hand, Patent Documents 2 and 3 disclose A / D converters capable of converting a voltage exceeding the input voltage range. The device described in Patent Document 2 includes a voltage dividing unit that divides an input voltage, and is configured to input a divided voltage signal to an A / D converter. According to the method described in Patent Document 3, when it is detected that the A / D conversion value matches the upper limit value or the lower limit value that can be expressed by the number of A / D conversion bits, the bias control circuit switches the bias voltage of the amplifier circuit to amplify The output voltage of the circuit is shift controlled. The output digital conversion value is corrected by correction data set according to the bias voltage.
Japanese Patent Laid-Open No. 2007-159087 JP 2006-024975 A JP 2006-115027 A

入力電圧範囲を拡大するために、抵抗ラダーによる分圧回路、バイアス制御回路などを設けると、分圧回路の誤差による変換精度の低下、レイアウト面積の増加、外付け部品の増加などの問題が生じる。   If a voltage divider circuit or bias control circuit using a resistor ladder is provided to expand the input voltage range, problems such as a decrease in conversion accuracy due to errors in the voltage divider circuit, an increase in layout area, and an increase in external components occur. .

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、拡大した入力電圧範囲を持つサンプルホールド回路およびそれを用いたマルチプライングD/AコンバータおよびA/Dコンバータを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a sample-and-hold circuit having an expanded input voltage range, and a multiplying D / A converter and an A / D converter using the sample-and-hold circuit. .

本発明は、特許文献1に開示された発明(以下、特許発明という)を基にして、入力電圧範囲を拡大する観点から新たな解析を行って得られた改良発明である。上記特許発明が具備する作用、効果、そのために必要な条件はそのまま保持している。なお、上記特許発明における第1条件〜第3条件、第4条件、第5条件は、それぞれ本願発明における第1条件〜第3条件、第5条件(第5A、5B条件)、第6条件に相当する。   The present invention is an improved invention obtained by conducting a new analysis from the viewpoint of expanding the input voltage range based on the invention disclosed in Patent Document 1 (hereinafter referred to as a patented invention). The actions and effects provided by the above-mentioned patented invention, and the conditions necessary for that, are maintained as they are. The first condition to the third condition, the fourth condition, and the fifth condition in the above-mentioned patented invention are the first condition to the third condition, the fifth condition (the fifth A and 5B conditions), and the sixth condition in the present invention, respectively. Equivalent to.

請求項1に記載した手段によれば、サンプリング動作時に入力電圧が印加される反転側キャパシタの総容量値と非反転側キャパシタの総容量値とが実質的に異なるので(第3条件)、ホールド電圧にサンプリングした電圧が現れる。   According to the means described in claim 1, since the total capacitance value of the inverting capacitor to which the input voltage is applied during the sampling operation and the total capacitance value of the non-inverting capacitor are substantially different (third condition), the hold The sampled voltage appears in the voltage.

Nを正の値とした場合、ホールド動作時においてオペアンプの非反転出力端子と反転出力端子にそれぞれ接続される少なくとも一対の反転側キャパシタと非反転側キャパシタの容量値が、(サンプリング動作時に入力電圧が印加される反転側キャパシタの総容量値−サンプリング動作時に入力電圧が印加される非反転側キャパシタの総容量値−ホールド動作時に入力電圧が印加される反転側キャパシタの総容量値+ホールド動作時に入力電圧が印加される非反転側キャパシタの総容量値)×(N/2)に実質的に等しくなるように設定されているので(第4条件)、入力電圧が1/N倍された上でサンプルホールドされる。   When N is a positive value, the capacitance values of at least a pair of the inverting side capacitor and the non-inverting side capacitor connected to the non-inverting output terminal and the inverting output terminal of the operational amplifier at the time of the hold operation are (the input voltage during the sampling operation). -The total capacitance value of the inverting side capacitor to which the input voltage is applied-The total capacitance value of the non-inverting side capacitor to which the input voltage is applied during the sampling operation-The total capacitance value of the inverting side capacitor to which the input voltage is applied during the holding operation + Since it is set to be substantially equal to the total capacitance value of the non-inversion side capacitors to which the input voltage is applied) × (N / 2) (fourth condition), the input voltage is multiplied by 1 / N. Is sampled and held.

本手段によれば、入力電圧を1/N倍(N>1)に分圧し或いは1/N倍(0<N<1)に増幅することができるので、入力電圧範囲(入力ダイナミックレンジ)を拡大或いは縮小でき、例えば電源電圧を超える入力電圧を直接サンプルホールドしてA/D変換等に適用することが可能となる。増幅、分圧のための回路が不要となるため、変換精度の低下、レイアウト面積の増加、外付け部品の増加などの問題が生じない。   According to this means, the input voltage can be divided by 1 / N times (N> 1) or amplified to 1 / N times (0 <N <1), so that the input voltage range (input dynamic range) can be increased. For example, an input voltage exceeding the power supply voltage can be directly sampled and held and applied to A / D conversion or the like. Since circuits for amplification and voltage division are not required, problems such as a decrease in conversion accuracy, an increase in layout area, and an increase in external parts do not occur.

請求項2に記載した手段によれば、ホールド動作時に入力電圧が印加される反転側キャパシタの総容量値と非反転側キャパシタの総容量値とが実質的に等しいので(第2条件)、ホールド動作時に入力電圧が変化しても、サンプリングした電圧を正確に保持し続ける。   According to the means described in claim 2, since the total capacitance value of the inverting side capacitor to which the input voltage is applied during the hold operation is substantially equal to the total capacitance value of the non-inverting side capacitor (second condition), Even if the input voltage changes during operation, the sampled voltage is maintained accurately.

請求項3に記載した手段によれば、サンプリング動作時に入力電圧が印加されるキャパシタの総容量値とホールド動作時に入力電圧が印加されるキャパシタの総容量値とが実質的に等しいので(第1条件)、ホールド動作時におけるオペアンプの入力電圧はサンプリング動作時の入力電圧に依存しない。従って、サンプリング動作時の入力電圧の大小によらず、ホールド動作時におけるオペアンプの入力電圧を所定の同相入力電圧に保つことができ、オペアンプを望ましいゲインおよびスルーレートで動作させることができる。   According to the third aspect, the total capacitance value of the capacitor to which the input voltage is applied during the sampling operation is substantially equal to the total capacitance value of the capacitor to which the input voltage is applied during the hold operation (first Condition), the input voltage of the operational amplifier during the hold operation does not depend on the input voltage during the sampling operation. Therefore, regardless of the magnitude of the input voltage during the sampling operation, the input voltage of the operational amplifier during the hold operation can be maintained at a predetermined common-mode input voltage, and the operational amplifier can be operated at a desired gain and slew rate.

請求項4に記載した手段によれば、請求項1に記載した手段と同様の回路構成を備え、上記第1条件を満たすので、ホールド動作時におけるオペアンプの入力電圧はサンプリング動作時の入力電圧に依存しない。従って、ホールド動作時におけるオペアンプの入力電圧を所定の同相入力電圧に保つことができ、オペアンプを望ましいゲインおよびスルーレートで動作させることができる。   According to the fourth aspect of the present invention, since the circuit configuration is the same as that of the first aspect of the invention and the first condition is satisfied, the input voltage of the operational amplifier during the hold operation is equal to the input voltage during the sampling operation. Do not depend. Therefore, the input voltage of the operational amplifier during the hold operation can be maintained at a predetermined common-mode input voltage, and the operational amplifier can be operated at a desired gain and slew rate.

また、サンプリング動作時に入力電圧が印加される反転側キャパシタの総容量値とホールド動作時に入力電圧が印加される非反転側キャパシタの総容量値との加算値と、サンプリング動作時に入力電圧が印加される非反転側キャパシタの総容量値とホールド動作時に入力電圧が印加される反転側キャパシタの総容量値との加算値とが実質的に異なるので(第5条件)、ホールド電圧にサンプリングした電圧が現れる。本手段では、ホールド電圧はホールド期間における入力電圧の変化分ΔVにより影響を受けるが、入力電圧の帯域が制限されており、さらに変化分ΔVの係数は小さく設定することが可能であるため、実用上問題のないホールド特性を実現可能となる。   Also, the input voltage is applied during the sampling operation and the sum of the total capacitance value of the inverting capacitor to which the input voltage is applied during the sampling operation and the total capacitance value of the non-inverting capacitor to which the input voltage is applied during the hold operation. Since the sum of the total capacitance value of the non-inverting capacitor and the total capacitance value of the inverting capacitor to which the input voltage is applied during the hold operation is substantially different (fifth condition), the voltage sampled as the hold voltage is appear. In this means, the hold voltage is affected by the change ΔV of the input voltage during the hold period, but the bandwidth of the input voltage is limited and the coefficient of the change ΔV can be set to be small. It is possible to realize a hold characteristic without any problem.

さらに、上記第4条件を満たすので、入力電圧が1/N倍された上でサンプルホールドされる。本手段によれば、入力電圧範囲(入力ダイナミックレンジ)を拡大或いは縮小でき、電源電圧を超える入力電圧を直接サンプルホールドしてA/D変換等に適用することが可能となる。   Furthermore, since the fourth condition is satisfied, the input voltage is sampled and held after being multiplied by 1 / N. According to this means, the input voltage range (input dynamic range) can be expanded or reduced, and the input voltage exceeding the power supply voltage can be directly sampled and held and applied to A / D conversion or the like.

請求項5に記載した手段によれば、上記第1条件および第4条件が成立する。さらに、サンプリング動作時に入力電圧が印加される反転側キャパシタの総容量値とホールド動作時に入力電圧が印加される反転側キャパシタの総容量値とが実質的に異なるように設定され(第5A条件)、サンプリング動作時に入力電圧が印加される非反転側キャパシタの総容量値とホールド動作時に入力電圧が印加される非反転側キャパシタの総容量値とが実質的に異なるように設定され(第5B条件)ている。これら第5A条件と第5B条件を合わせると、上記第5条件と等価な条件となる。従って、請求項4に記載した手段と実質的に同様の作用および効果が得られる。   According to the means described in claim 5, the first condition and the fourth condition are satisfied. Further, the total capacitance value of the inverting side capacitor to which the input voltage is applied during the sampling operation and the total capacitance value of the inverting side capacitor to which the input voltage is applied during the holding operation are set to be substantially different (Condition 5A). The total capacitance value of the non-inverting side capacitor to which the input voltage is applied during the sampling operation is set to be substantially different from the total capacitance value of the non-inverting side capacitor to which the input voltage is applied during the holding operation (Condition 5B) )ing. When these 5A and 5B conditions are combined, a condition equivalent to the fifth condition is obtained. Therefore, substantially the same operation and effect as the means described in claim 4 can be obtained.

請求項6、7に記載した手段によれば、反転入力電圧と非反転入力電圧のそれぞれについて上記第3条件が成立する。また、サンプリング動作時に非反転入力電圧が印加される反転側キャパシタの総容量値から非反転入力電圧が印加される非反転側キャパシタの総容量値を減算した値と、反転入力電圧が印加される非反転側キャパシタの総容量値から反転入力電圧が印加される反転側キャパシタの総容量値を減算した値とが実質的に等しいので(第6条件)、ホールド電圧にサンプリングした差動入力電圧が現れる。   According to the means described in claims 6 and 7, the third condition is established for each of the inverting input voltage and the non-inverting input voltage. In addition, the inverting input voltage is applied by subtracting the total capacitance value of the non-inverting capacitor to which the non-inverting input voltage is applied from the total capacitance value of the inverting capacitor to which the non-inverting input voltage is applied during the sampling operation. Since the value obtained by subtracting the total capacitance value of the inverting side capacitor to which the inverting input voltage is applied from the total capacitance value of the non-inverting side capacitor is substantially equal (sixth condition), the differential input voltage sampled to the hold voltage is appear.

さらに、第4条件を差動入力電圧にまで拡張した第7条件が成立するので、差動入力電圧が1/N倍された上でサンプルホールドされる。本手段によれば、入力電圧を1/N倍(N>1)に分圧し或いは1/N倍(N<1)に増幅することができるので、入力電圧範囲(入力ダイナミックレンジ)を拡大或いは縮小でき、電源電圧を超える差動入力電圧を直接サンプルホールドしてA/D変換等に適用することが可能となる。なお、第6条件が満たされている限り、請求項6、7にそれぞれ記載した第7条件は等価となる。   Further, since the seventh condition, which extends the fourth condition to the differential input voltage, is satisfied, the differential input voltage is sampled and held after being multiplied by 1 / N. According to this means, the input voltage can be divided by 1 / N times (N> 1) or amplified to 1 / N times (N <1), so that the input voltage range (input dynamic range) is expanded or The differential input voltage exceeding the power supply voltage can be directly sampled and held and applied to A / D conversion or the like. As long as the sixth condition is satisfied, the seventh condition described in claims 6 and 7 is equivalent.

請求項8に記載した手段によれば、反転入力電圧と非反転入力電圧のそれぞれについて上記第2条件が成立するので、ホールド動作時に入力電圧が変化しても、サンプリングした電圧を正確に保持し続ける。   According to the eighth aspect of the invention, since the second condition is satisfied for each of the inverting input voltage and the non-inverting input voltage, the sampled voltage is accurately held even if the input voltage changes during the hold operation. to continue.

請求項9に記載した手段によれば、反転入力電圧と非反転入力電圧のそれぞれについて上記第1条件が成立するので、ホールド動作時におけるオペアンプの入力電圧は、サンプリング動作時の入力電圧に依存しない。   According to the means described in claim 9, since the first condition is established for each of the inverting input voltage and the non-inverting input voltage, the input voltage of the operational amplifier during the hold operation does not depend on the input voltage during the sampling operation. .

請求項10に記載した手段によれば、入力電圧のサンプリング動作時において、オペアンプをボルテージフォロアとして動作させることによりオペアンプの反転入力端子と非反転入力端子を所定電圧にバイアスするので、これら反転入力端子と非反転入力端子へのバイアス電圧供給回路が不要となる。また、適当な条件を設定することにより、オペアンプのオフセット電圧の影響を排除することもできる。   According to the means described in claim 10, since the operational amplifier is operated as a voltage follower during the sampling operation of the input voltage, the inverting input terminal and the non-inverting input terminal of the operational amplifier are biased to a predetermined voltage. Thus, a bias voltage supply circuit to the non-inverting input terminal is not necessary. Moreover, the influence of the offset voltage of the operational amplifier can be eliminated by setting appropriate conditions.

請求項11に記載した手段によれば、ホールド動作時においてオペアンプの非反転出力端子と反転出力端子にそれぞれ接続される前記少なくとも一対の反転側キャパシタと非反転側キャパシタは、容量値を互いに等しく保ちながら当該容量値を変更可能となっている。従って、例えばパイプライン型A/Dコンバータに適用する場合、外部からの電圧が入力される第1ステージでは入力電圧を1/N倍し、電源電圧範囲内の電圧が入力される第2ステージ以降では入力電圧をそのままサンプルホールドするように構成できる。また、巡回型A/Dコンバータに適用する場合、1巡目では入力電圧を1/N倍し、2巡目以降では入力電圧をそのままサンプルホールドするように構成できる。   According to the means described in claim 11, during the hold operation, the at least one pair of inverting and non-inverting capacitors respectively connected to the non-inverting output terminal and the inverting output terminal of the operational amplifier keep the capacitance values equal to each other. However, the capacitance value can be changed. Therefore, for example, when applied to a pipeline type A / D converter, the input voltage is multiplied by 1 / N in the first stage to which an external voltage is input, and the second stage and thereafter after the voltage within the power supply voltage range is input. Then, it can be configured to sample and hold the input voltage as it is. When applied to a cyclic A / D converter, the input voltage can be multiplied by 1 / N in the first round, and the input voltage can be sampled and held as it is in the second and subsequent rounds.

請求項12に記載した手段によれば、サンプリング動作時において、反転側キャパシタと非反転側キャパシタのうち少なくとも1つのキャパシタに入力電圧が印加され、他の少なくとも1つのキャパシタに入力デジタル値に応じて設定されるDAC電圧が印加される。このように、従来構成ではホールド動作時にのみDAC電圧を印加していたのに対し、本手段ではサンプリング動作時にDAC電圧を印加する構成に特徴がある。また、電源電圧を超える入力電圧を直接入力することができるので、分割回路やバイアス制御回路などが不要となる。このため、変換精度の低下、レイアウト面積の増加、外付け部品の増加などの問題が生じない。   According to the means described in claim 12, during the sampling operation, the input voltage is applied to at least one of the inverting side capacitor and the non-inverting side capacitor, and the other at least one capacitor according to the input digital value. A set DAC voltage is applied. As described above, the DAC voltage is applied only during the hold operation in the conventional configuration, but this means is characterized in that the DAC voltage is applied during the sampling operation. In addition, since an input voltage exceeding the power supply voltage can be directly input, a dividing circuit, a bias control circuit, and the like are not required. For this reason, problems such as a decrease in conversion accuracy, an increase in layout area, and an increase in external parts do not occur.

請求項13に記載した手段によれば、A/Dコンバータは、サブA/DコンバータとマルチプライングD/Aコンバータとからなる単位変換回路から出力される残余電圧を再び単位変換回路に入力する動作を必要回数だけ実行することにより、当該A/Dコンバータに入力されたA/D変換対象電圧のA/D変換コードを生成する。この場合、少なくともA/D変換対象電圧を単位変換回路に入力して最初の残余電圧を得る際に、入力電圧を1/N倍した上で残余電圧を出力するので、入力電圧範囲(入力ダイナミックレンジ)を拡大或いは縮小でき、例えば電源電圧やリファレンス電圧範囲を超える入力電圧を直接サンプルホールドしてA/D変換することができる。   According to the means described in claim 13, the A / D converter inputs again the residual voltage output from the unit conversion circuit composed of the sub A / D converter and the multiplying D / A converter to the unit conversion circuit. By executing the operation as many times as necessary, an A / D conversion code of the A / D conversion target voltage input to the A / D converter is generated. In this case, when at least the A / D conversion target voltage is input to the unit conversion circuit to obtain the first residual voltage, the input voltage is multiplied by 1 / N and the residual voltage is output. For example, an input voltage exceeding the power supply voltage or the reference voltage range can be directly sampled and held for A / D conversion.

請求項14に記載した手段によれば、複数の単位変換回路を直列に接続してパイプライン型のA/Dコンバータを構成できる。   According to the means described in claim 14, a pipeline type A / D converter can be configured by connecting a plurality of unit conversion circuits in series.

請求項15に記載した手段によれば、1以上の単位変換回路を備え、残余電圧を当該単位変換回路に順次巡回させることにより巡回型のA/Dコンバータを構成できる。   According to the means described in the fifteenth aspect, a cyclic A / D converter can be configured by including one or more unit conversion circuits and sequentially circulating the residual voltage in the unit conversion circuits.

請求項16に記載した手段によれば、A/D変換対象電圧を単位変換回路に入力して最初の残余電圧を得る際にのみ、入力電圧を1/N倍した上で残余電圧を出力する。パイプライン型A/Dコンバータでは1段目であり、巡回型A/Dコンバータでは1巡目(複数段からなる場合には1段目)である。   According to the means described in claim 16, only when the A / D conversion target voltage is input to the unit conversion circuit to obtain the first residual voltage, the residual voltage is output after multiplying the input voltage by 1 / N. . The pipeline type A / D converter has the first stage, and the cyclic type A / D converter has the first stage (the first stage in the case of a plurality of stages).

(第1の実施形態)
以下、シングルエンド入力のサンプルホールド回路をマルチプライングD/Aコンバータ(以下、MDACと称す)に適用した第1の実施形態について、図1ないし図6を参照しながら説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment in which a sample-and-hold circuit with a single end input is applied to a multiplying D / A converter (hereinafter referred to as MDAC) will be described with reference to FIGS.

図1は、反転側と非反転側にそれぞれ3個のキャパシタを備え、そのうち1個のキャパシタをフィードバックキャパシタとして用いたサンプルホールド回路の構成図である。オペアンプOPは、ホールド電圧を差動出力する構成を備えている。このオペアンプOPの反転入力端子には3個のキャパシタCs1、Cs2、Cf1(反転側キャパシタに相当)の各一端が接続されており、非反転入力端子にも同数(3個)のキャパシタCs3、Cs4、Cf2(非反転側キャパシタに相当)の各一端が接続されている。キャパシタCs1とCs3、キャパシタCs2とCs4、キャパシタCf1とCf2はそれぞれ対をなしており、相等しい容量値すなわちxC、yC、zC(x、y、zはそれぞれ正の値、Cは単位容量値)を有している。また、オペアンプOPは、十分に大きいオープンループゲインを有しているものとする。制御回路2は、サンプリング動作時およびホールド動作時におけるキャパシタCs1、Cs2、Cf1、Cs3、Cs4、Cf2の接続状態および電圧Va、Vb、Vc、Vd、Ve、Vf、Vg、Vh、Vi、Vjの印加状態を制御する。   FIG. 1 is a configuration diagram of a sample and hold circuit including three capacitors on each of the inverting side and the non-inverting side, and using one capacitor as a feedback capacitor. The operational amplifier OP has a configuration for differentially outputting the hold voltage. One end of each of three capacitors Cs1, Cs2, and Cf1 (corresponding to the inverting side capacitor) is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier OP, and the same number (three) of capacitors Cs3 and Cs4 are also connected to the non-inverting input terminal. , Cf2 (corresponding to a non-inversion side capacitor) are connected to one end. Capacitors Cs1 and Cs3, capacitors Cs2 and Cs4, and capacitors Cf1 and Cf2 are paired, and have the same capacitance value, that is, xC, yC, zC (x, y, z are positive values, and C is a unit capacitance value). have. The operational amplifier OP is assumed to have a sufficiently large open loop gain. The control circuit 2 determines the connection state of the capacitors Cs1, Cs2, Cf1, Cs3, Cs4, and Cf2 and the voltages Va, Vb, Vc, Vd, Ve, Vf, Vg, Vh, Vi, and Vj during the sampling operation and the holding operation. Control the application state.

図2は、パイプライン型A/DコンバータのA/D変換ステージや巡回型A/Dコンバータなどに用いられる基本回路である。この単位変換回路3は、サンプルホールド回路1(図中、MDACと記載)、サブA/Dコンバータ4(図中、サブADCと記載)およびマルチプレクサ5(図中、MPXと記載)から構成されている。このうちサブA/Dコンバータ4は、入力電圧Vinに対し所謂1.5ビットのA/D変換を行い、3値(+1、0、−1)のA/D変換値(入力デジタル値に相当)を出力する。   FIG. 2 is a basic circuit used for an A / D conversion stage of a pipelined A / D converter, a cyclic A / D converter, and the like. The unit conversion circuit 3 includes a sample hold circuit 1 (denoted as MDAC in the figure), a sub A / D converter 4 (denoted as sub ADC in the figure), and a multiplexer 5 (denoted as MPX in the figure). Yes. Among them, the sub A / D converter 4 performs a so-called 1.5-bit A / D conversion on the input voltage Vin, and a ternary (+1, 0, −1) A / D conversion value (corresponding to an input digital value). ) Is output.

マルチプレクサ5は、サブA/Dコンバータ4によるA/D変換値に応じて1または複数のアナログ電圧をサンプルホールド回路1に出力する。サンプルホールド回路1は、入力電圧Vinとマルチプレクサ5からのアナログ電圧とを入力し、それらの電圧を後述する(1)式〜(4)式および第1条件〜第4条件を満たすように電圧Va、Vb、Vc、Vd、Ve、Vf、Vg、Vh、Vi、Vjの何れかとする。なお、マルチプレクサ5とサンプルホールド回路1との全体をマルチプライングD/Aコンバータと称してもよい。   The multiplexer 5 outputs one or a plurality of analog voltages to the sample and hold circuit 1 according to the A / D conversion value by the sub A / D converter 4. The sample hold circuit 1 receives the input voltage Vin and the analog voltage from the multiplexer 5 and supplies the voltage Va so that these voltages satisfy the following expressions (1) to (4) and the first condition to the fourth condition. , Vb, Vc, Vd, Ve, Vf, Vg, Vh, Vi, Vj. The entire multiplexer 5 and sample hold circuit 1 may be referred to as a multiplying D / A converter.

サンプルホールド回路1は、理想的には(1)式に示すように、入力電圧Vinを1/N倍(N>0)した値から基準電圧Vrefを減算して2倍に増幅し(第1項)、A/D変換値に応じた値を減算し(第2項)、差動出力電圧Vop1−Vom1を得てホールドする。具体的には、A/D変換値+1、0、−1に応じてそれぞれ(2)式、(3)式、(4)式のようになる。これらの式は、入力電圧Vinを1/N倍した値とA/D変換値に応じた値(D/A変換値)との差電圧を2倍して残余電圧を出力することと等価である。   Ideally, the sample hold circuit 1 subtracts the reference voltage Vref from the value obtained by multiplying the input voltage Vin by 1 / N (N> 0) as shown in the equation (1), and amplifies it twice (first). Term), a value corresponding to the A / D conversion value is subtracted (second term), and the differential output voltage Vop1-Vom1 is obtained and held. Specifically, equations (2), (3), and (4) are obtained according to the A / D conversion values +1, 0, and −1, respectively. These equations are equivalent to outputting the residual voltage by doubling the difference voltage between the value obtained by multiplying the input voltage Vin by 1 / N and the value corresponding to the A / D conversion value (D / A conversion value). is there.

Figure 0004442703
Figure 0004442703

図3は、電源電圧=5V、N=4とした場合の単位変換回路3の入出力特性図である。(1)式によれば入力電圧Vinを1/N倍して入力することになるので、0Vから20V(=5×N[V])までの入力電圧範囲(入力ダイナミックレンジ)内の電圧Vinを直接入力することが可能となる。この場合、0≦Vin<7.5VのときにA/D変換値が+1、7.5V≦Vin<12.5VのときにA/D変換値が0、12.5V≦Vin<20VのときにA/D変換値が−1である。   FIG. 3 is an input / output characteristic diagram of the unit conversion circuit 3 when the power supply voltage = 5 V and N = 4. Since the input voltage Vin is input by multiplying the input voltage Vin by 1 / N according to the equation (1), the voltage Vin within the input voltage range (input dynamic range) from 0 V to 20 V (= 5 × N [V]). Can be directly input. In this case, when 0 ≦ Vin <7.5V, the A / D conversion value is +1, when 7.5V ≦ Vin <12.5V, the A / D conversion value is 0, and when 12.5V ≦ Vin <20V The A / D conversion value is -1.

サンプリング動作時の入力電圧をVinとし、ホールド動作時の入力電圧をVin+ΔVとすると、本実施形態のサンプルホールド回路1で実現したい特性は以下の通りである。電圧ΔVは、サンプリング動作からホールド動作に移行した時の入力電圧Vinに対するその後の変化分を表している。ただし、特性(1C)の後段(第2文)および特性(1D)は、必要に応じて実現すればよい。
(1A)シングルエンド入力、差動出力である。
(1B)サンプリング動作時に少なくとも1つのキャパシタに入力電圧Vinが印加され、ホールド動作時に少なくとも1つのキャパシタに入力電圧Vin+ΔVが印加されている。
(1C)1/N倍してサンプリングした入力電圧Vinを2倍に増幅してホールドする。ホールド電圧(差動出力電圧Vop1−Vom1)は、ホールド動作時における入力電圧Vin+ΔVに依存しない。
(1D)ホールド動作時におけるオペアンプOPの入力電圧Vx1(同相入力電圧)は、サンプリング動作時の入力電圧Vinに依存しない。
Assuming that the input voltage during the sampling operation is Vin and the input voltage during the hold operation is Vin + ΔV, the characteristics desired to be realized by the sample hold circuit 1 of the present embodiment are as follows. The voltage ΔV represents a subsequent change with respect to the input voltage Vin when the sampling operation is shifted to the hold operation. However, the latter stage (second sentence) and characteristic (1D) of characteristic (1C) may be realized as necessary.
(1A) Single-ended input and differential output.
(1B) The input voltage Vin is applied to at least one capacitor during the sampling operation, and the input voltage Vin + ΔV is applied to at least one capacitor during the hold operation.
(1C) The sampled input voltage Vin multiplied by 1 / N is amplified twice and held. The hold voltage (differential output voltage Vop1-Vom1) does not depend on the input voltage Vin + ΔV during the hold operation.
(1D) The input voltage Vx1 (in-phase input voltage) of the operational amplifier OP during the hold operation does not depend on the input voltage Vin during the sampling operation.

図1(a)は、サンプリング動作時の接続形態を示している。オペアンプOPはボルテージフォロアとしての接続形態とされ、オペアンプOPの非反転出力端子、反転出力端子から出力される電圧Vop、Vomはともにコモン電圧Vcm0となる。また、一般式を導くため、キャパシタCs1、Cs2、Cf1、Cs3、Cs4、Cf2には、それぞれ電荷設定のための電圧Va、Vb、Vc、Vd、Ve、Vfが入力されるものとする。電圧Va、Vb、Vc、Vd、Ve、Vfのうち少なくとも1つは入力電圧Vinであり、それ以外は一定の電圧である。   FIG. 1A shows a connection form during the sampling operation. The operational amplifier OP is connected as a voltage follower, and the voltages Vop and Vom output from the non-inverting output terminal and the inverting output terminal of the operational amplifier OP are both the common voltage Vcm0. In order to derive the general formula, it is assumed that voltages Va, Vb, Vc, Vd, Ve, and Vf for charge setting are input to the capacitors Cs1, Cs2, Cf1, Cs3, Cs4, and Cf2, respectively. At least one of the voltages Va, Vb, Vc, Vd, Ve, and Vf is the input voltage Vin, and the others are constant voltages.

図1(b)はホールド動作時における接続形態を示している。この場合、少なくとも一対のキャパシタここではキャパシタCf1とCf2の他端がそれぞれオペアンプOPの非反転出力端子と反転出力端子に接続される。ただし、全てのキャパシタCs1、Cs2、Cf1、Cs3、Cs4、Cf2をフィードバックキャパシタとすることはできない。一般式を導くため、オペアンプOPの非反転出力端子、反転出力端子から出力される電圧Vop、VomをそれぞれVop1、Vom1とし、キャパシタCs1、Cs2、Cs3、Cs4には、それぞれ電圧Vg、Vh、Vi、Vjが入力されるものとする。電圧Vg、Vh、Vi、Vjのうち少なくとも1つは入力電圧Vin+ΔVであり、それ以外は一定の電圧である。   FIG. 1B shows a connection form during the hold operation. In this case, at least the pair of capacitors, here the other ends of the capacitors Cf1 and Cf2, are connected to the non-inverting output terminal and the inverting output terminal of the operational amplifier OP, respectively. However, not all capacitors Cs1, Cs2, Cf1, Cs3, Cs4, and Cf2 can be feedback capacitors. In order to derive the general formula, the voltages Vop and Vom output from the non-inverting output terminal and the inverting output terminal of the operational amplifier OP are Vop1 and Vom1, respectively, and the capacitors Cs1, Cs2, Cs3, and Cs4 have voltages Vg, Vh, and Vi, respectively. , Vj are input. At least one of the voltages Vg, Vh, Vi, and Vj is the input voltage Vin + ΔV, and the others are constant voltages.

上述した特性を持つ本実施形態のサンプルホールド回路1を得るための要件は、以下の4つである。ただし、特性(1C)の後段に対応する第2要件と特性(1D)に対応する第1要件は、必要に応じて満たせばよい。
[第1要件]
ホールド動作時におけるオペアンプOPの入力電圧Vx1の式に、入力電圧Vinの項が存在しないこと(ΔVが残ることは構わない)。
[第2要件]
ホールド動作時における差動出力電圧Vop1−Vom1の式にΔVの項が存在しないこと。
[第3要件]
ホールド動作時における差動出力電圧Vop1−Vom1の式にVinの項が残ること。
[第4要件]
ホールド動作時における差動出力電圧Vop1−Vom1の式において入力電圧Vinの項の係数が2/Nであること。
The requirements for obtaining the sample and hold circuit 1 of the present embodiment having the above-described characteristics are the following four. However, the second requirement corresponding to the subsequent stage of the characteristic (1C) and the first requirement corresponding to the characteristic (1D) may be satisfied as necessary.
[First requirement]
The term of the input voltage Vin does not exist in the expression of the input voltage Vx1 of the operational amplifier OP during the hold operation (ΔV may remain).
[Second requirement]
The term ΔV does not exist in the differential output voltage Vop1−Vom1 expression during the hold operation.
[Third requirement]
The Vin term remains in the differential output voltage Vop1-Vom1 equation during the hold operation.
[Fourth requirement]
The coefficient of the term of the input voltage Vin is 2 / N in the differential output voltage Vop1-Vom1 expression during the hold operation.

特許文献1に示されているように、ホールド動作時の差動出力電圧Vop1−Vom1は(5)式となり、オペアンプOPの入力電圧Vx1は(6)式となる。ここで、Vcm0は、サンプリング動作時の出力電圧Vop、Vomのコモン電圧であり、Vcm1は、ホールド動作時の出力電圧Vop1、Vom1のコモン電圧である。   As shown in Patent Document 1, the differential output voltage Vop1−Vom1 at the time of the hold operation is expressed by equation (5), and the input voltage Vx1 of the operational amplifier OP is expressed by equation (6). Here, Vcm0 is the common voltage of the output voltages Vop and Vom during the sampling operation, and Vcm1 is the common voltage of the output voltages Vop1 and Vom1 during the hold operation.

Figure 0004442703
Figure 0004442703

サンプリング動作時に入力電圧Vinを印加する反転側キャパシタの総容量値=αC
サンプリング動作時に入力電圧Vinを印加する非反転側キャパシタの総容量値=βC
ホールド動作時に入力電圧Vin+ΔVを印加する反転側キャパシタの総容量値=γC
ホールド動作時に入力電圧Vin+ΔVを印加する非反転側キャパシタの総容量値=ηC
とすれば、上記第1要件ないし第3要件を満たすためには、それぞれ以下に示す第1条件ないし第3条件が必要となる。
Total capacitance value of inversion side capacitor to which input voltage Vin is applied during sampling operation = αC
Total capacitance value of non-inversion side capacitor to which input voltage Vin is applied during sampling operation = βC
Total capacitance value of the inverting-side capacitor that applies the input voltage Vin + ΔV during the hold operation = γC
Total capacitance value of the non-inversion side capacitor to which the input voltage Vin + ΔV is applied during the hold operation = ηC
Then, in order to satisfy the first to third requirements, the following first to third conditions are required, respectively.

[第1条件]
α+β=γ+η …(7)
[第2条件]
γ=η …(8)
[第3条件]
α≠β …(9)
[First condition]
α + β = γ + η (7)
[Second condition]
γ = η (8)
[Third condition]
α ≠ β (9)

次に、第4要件を満たすための第4条件を導出する。(5)式において、サンプリング動作時に反転側に入力される電圧Va、Vb、Vcとホールド動作時に非反転側に入力される電圧Vi、Vjは加算されており、サンプリング動作時に非反転側に入力される電圧Vd、Ve、Vfとホールド動作時に反転側に入力される電圧Vg、Vhは減算されている。このことから、(5)式に示す差動出力電圧Vop1−Vom1におけるVinの係数は、上記α、β、γ、ηを用いて(10)式のようになる。
Vinの係数=(α−β−γ+η)/z …(10)
Next, a fourth condition for satisfying the fourth requirement is derived. In equation (5), the voltages Va, Vb, Vc input to the inverting side during the sampling operation and the voltages Vi, Vj input to the non-inverting side during the holding operation are added, and input to the non-inverting side during the sampling operation. The subtracted voltages Vd, Ve, Vf and the voltages Vg, Vh input to the inversion side during the hold operation are subtracted. From this, the coefficient of Vin in the differential output voltage Vop1−Vom1 shown in the equation (5) is expressed by the equation (10) using the α, β, γ, and η.
Vin coefficient = (α−β−γ + η) / z (10)

一方、(1)〜(4)式に示す差動出力電圧Vop1−Vom1においてVinの係数は2/Nである。従って、第4要件を満たすための第4条件は次の(11)式となる。
[第4条件]
(α−β−γ+η)/z=2/N
z=(α−β−γ+η)×(N/2) …(11)
On the other hand, the coefficient of Vin is 2 / N in the differential output voltage Vop1−Vom1 expressed by the equations (1) to (4). Accordingly, the fourth condition for satisfying the fourth requirement is the following expression (11).
[Fourth condition]
(Α−β−γ + η) / z = 2 / N
z = (α−β−γ + η) × (N / 2) (11)

なお、フィードバックキャパシタが2対以上ある場合には、各対の容量値をz1C、z2C、…(z1、z2、…はそれぞれ正の値、Cは単位容量値)とすると、(11)式の左辺のzは、各対の加算であるz1+z2+…となる。また、第1条件〜第4条件は解析的に導出した原理的な条件式であって、実際の製品で不可避的に生じる製造上のばらつきによるずれが当該条件から除外されるものではない。この製造上のばらつきによる誤差については、第6の実施形態で検討する。   If there are two or more pairs of feedback capacitors, the capacitance values of each pair are z1C, z2C,... (Where z1, z2,... Are positive values, and C is a unit capacitance value). Z on the left side is z1 + z2 +... That is the addition of each pair. Further, the first condition to the fourth condition are theoretical conditional expressions derived analytically, and deviations due to manufacturing variations inevitably occurring in actual products are not excluded from the conditions. The error due to the manufacturing variation will be examined in the sixth embodiment.

図4、図5、図6は、特許文献1に示されているケース1からケース9について第1条件〜第4条件が満たされているか否かを検証した結果である。図4は、図1に示すサンプルホールド回路1について、サンプリング動作時およびホールド動作時における入力電圧Vinの印加箇所を黒丸印で示している。図5は、各ケースについてα、β、γ、η、α+β、γ+ηを示している。図6は、各ケースについて、第1条件ないし第3条件が満たされているか否か、および第4条件についてのα−β−γ+η、(10)式に示すVinの係数、入力電圧Vinを1/Nに分圧するために必要な容量比x:y:zを示している。ここで、「OK」とは条件を満たすことを意味しており、「NG」とは条件を満たさないことを意味している。   4, 5, and 6 are results of verifying whether or not the first condition to the fourth condition are satisfied for case 1 to case 9 shown in Patent Document 1. FIG. FIG. 4 shows, in the sample hold circuit 1 shown in FIG. 1, black dot marks that indicate the places where the input voltage Vin is applied during the sampling operation and the hold operation. FIG. 5 shows α, β, γ, η, α + β, and γ + η for each case. FIG. 6 shows, for each case, whether or not the first condition to the third condition are satisfied, α−β−γ + η for the fourth condition, the coefficient of Vin shown in the equation (10), and the input voltage Vin. The capacity ratio x: y: z necessary for dividing the voltage to / N is shown. Here, “OK” means that the condition is satisfied, and “NG” means that the condition is not satisfied.

(ケース1)
電圧Vcが入力電圧Vin、電圧Vg、Viが入力電圧Vin+ΔV、z=2x
(ケース2)
電圧Vcが入力電圧Vin、電圧Vg、Vi、Vh、Vjが入力電圧Vin+ΔV、z=2x+2y
(ケース3)
電圧Vaが入力電圧Vin、電圧Vh、Vjが入力電圧Vin+ΔV、x=2y
(ケース4)
電圧Va、Vbが入力電圧Vin、電圧Vg、Vjが入力電圧Vin+ΔV、x=y
(ケース5)
電圧Va、Vdが入力電圧Vin、電圧Vg、Viが入力電圧Vin+ΔV
(ケース6)
電圧Va、Vcが入力電圧Vin、電圧Vh、Vjが入力電圧Vin+ΔV、x+z=2y
(ケース7)
電圧Vc、Vdが入力電圧Vin、電圧Vh、Vjが入力電圧Vin+ΔV、x+z=2y
(ケース8)
電圧Va、Vc、Vdが入力電圧Vin、電圧Vh、Vjが入力電圧Vin+ΔV、2x+z=2y
(ケース9)
電圧Va、Vc、Vdが入力電圧Vin、電圧Vg、Vi、Vh、Vjが入力電圧Vin+ΔV、z=2y
(Case 1)
The voltage Vc is the input voltage Vin, the voltages Vg and Vi are the input voltage Vin + ΔV, z = 2x
(Case 2)
The voltage Vc is the input voltage Vin, the voltages Vg, Vi, Vh, and Vj are the input voltage Vin + ΔV, z = 2x + 2y
(Case 3)
Voltage Va is input voltage Vin, voltages Vh, Vj are input voltage Vin + ΔV, x = 2y
(Case 4)
The voltages Va and Vb are the input voltage Vin, the voltages Vg and Vj are the input voltage Vin + ΔV, and x = y
(Case 5)
The voltages Va and Vd are the input voltage Vin, and the voltages Vg and Vi are the input voltage Vin + ΔV.
(Case 6)
The voltages Va and Vc are the input voltage Vin, the voltages Vh and Vj are the input voltage Vin + ΔV, and x + z = 2y.
(Case 7)
The voltages Vc and Vd are the input voltage Vin, the voltages Vh and Vj are the input voltage Vin + ΔV, and x + z = 2y.
(Case 8)
The voltages Va, Vc, Vd are the input voltage Vin, and the voltages Vh, Vj are the input voltages Vin + ΔV, 2x + z = 2y.
(Case 9)
The voltages Va, Vc, and Vd are the input voltage Vin, and the voltages Vg, Vi, Vh, and Vj are the input voltage Vin + ΔV, z = 2y.

差動出力電圧Vop1−Vom1におけるVinの係数=(α−β−γ+η)/zが0になるケース5は、第4条件を満たしていない。また、(α−β−γ+η)/zが1になるケース1、2、8、9は、入力電圧Vinを1/2に分圧して入力することはできるが(N=2)、それ以外の分圧比を得ることはできない。任意の分圧比を得られるのは、ケース3、4、6、7であり、そのために必要な容量比は以下のようになる。   Case 5 in which the coefficient of Vin in the differential output voltage Vop1−Vom1 = (α−β−γ + η) / z is 0 does not satisfy the fourth condition. In cases 1, 2, 8, and 9 in which (α−β−γ + η) / z is 1, the input voltage Vin can be divided and input (1/2), but otherwise Cannot be obtained. Arbitrary voltage division ratios can be obtained in cases 3, 4, 6, and 7. The capacity ratio necessary for this is as follows.

(ケース3) x:y:z=2:1:N
(ケース4) x:y:z=1:1:N
(ケース6) x:y:z=2−N:1:N
(ケース7) x:y:z=N−2:N−1:N
(Case 3) x: y: z = 2: 1: N
(Case 4) x: y: z = 1: 1: N
(Case 6) x: y: z = 2−N: 1: N
(Case 7) x: y: z = N-2: N-1: N

以上説明したように、本実施形態のサンプルホールド回路1は、オペアンプOPの反転入力端子と非反転入力端子に対をなして反転側キャパシタCs1、Cs2、Cf1と非反転側キャパシタCs3、Cs4、Cf2が接続されている。そして、サンプリング動作時において、電荷設定するためにオペアンプOPがボルテージフォロアとして動作し、少なくとも1つのキャパシタに入力電圧Vinが印加される。また、ホールド動作時において、少なくとも一対の反転側キャパシタと非反転側キャパシタがフィードバックキャパシタとしてオペアンプOPの入出力間に接続され、少なくとも1つのキャパシタに入力電圧Vin+ΔVが印加される。   As described above, the sample-and-hold circuit 1 according to the present embodiment has the inverting side capacitors Cs1, Cs2, and Cf1 and the non-inverting side capacitors Cs3, Cs4, and Cf2 paired with the inverting input terminal and the non-inverting input terminal of the operational amplifier OP. Is connected. In the sampling operation, the operational amplifier OP operates as a voltage follower to set the charge, and the input voltage Vin is applied to at least one capacitor. Further, at the time of the hold operation, at least a pair of inverting and non-inverting capacitors are connected as feedback capacitors between the input and output of the operational amplifier OP, and the input voltage Vin + ΔV is applied to at least one capacitor.

この構成において第4条件を満たすことにより、サンプルホールド回路1は、入力電圧Vinを1/Nに分圧してサンプルホールド動作を行うことができるので、入力電圧範囲(入力ダイナミックレンジ)を広げることができる。例えば、車載機器、モータ制御機器などで用いれば、電源電圧を超えるバッテリ電圧やモータ電圧を直接入力することができる。入力電圧Vinを分圧するための分圧回路を別に設ける必要がないので、ICとして構成する場合のレイアウト面積を低減でき或いは外付け部品が不要となる。また、一般的に抵抗比よりキャパシタの容量比の方が精度が高いため、サンプルホールド回路1は高精度の分圧が可能となる。   By satisfying the fourth condition in this configuration, the sample-and-hold circuit 1 can perform the sample-and-hold operation by dividing the input voltage Vin by 1 / N, so that the input voltage range (input dynamic range) can be expanded. it can. For example, when used in an in-vehicle device or a motor control device, a battery voltage or a motor voltage exceeding the power supply voltage can be directly input. Since there is no need to provide a separate voltage dividing circuit for dividing the input voltage Vin, the layout area in the case of being configured as an IC can be reduced, or external parts are not required. Further, since the capacitance ratio of the capacitor is generally more accurate than the resistance ratio, the sample and hold circuit 1 can perform voltage division with high accuracy.

また、第1条件を満たすことにより、オペアンプOPの入力電圧Vx1を所定の同相入力電圧(バイアス電圧)に保つことができ、オペアンプOPを望ましいゲインおよびスルーレートで動作させることができる。さらに、第2条件と第3条件を満たすことにより、ホールド動作時に入力電圧が変化しても(つまりΔVが0でなくても)、サンプリングしたシングルエンド電圧Vinを差動出力電圧Vop1−Vom1に変換して正確に保持できる。これら第1条件と第2条件については、それぞれ必要に応じて満たせばよい。少なくとも第3条件と第4条件を満たせば、入力電圧Vinを1/Nに分圧してサンプルホールド動作を行うことができるからである。   Further, by satisfying the first condition, the input voltage Vx1 of the operational amplifier OP can be maintained at a predetermined common-mode input voltage (bias voltage), and the operational amplifier OP can be operated at a desirable gain and slew rate. Further, by satisfying the second condition and the third condition, the sampled single-ended voltage Vin is changed to the differential output voltage Vop1−Vom1 even if the input voltage changes during the hold operation (that is, ΔV is not 0). Can be converted and kept accurate. The first condition and the second condition may be satisfied as necessary. This is because the sample-and-hold operation can be performed by dividing the input voltage Vin by 1 / N if at least the third condition and the fourth condition are satisfied.

(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態について図7ないし図9を参照しながら説明する。本実施形態のサンプルホールド回路は、第1の実施形態のサンプルホールド回路1と同様の回路形態を備えている。ただし、入力電圧Vin、Vin+ΔVの与え方およびキャパシタの容量値の設定が異なる。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The sample and hold circuit of the present embodiment has a circuit configuration similar to that of the sample and hold circuit 1 of the first embodiment. However, the method of applying the input voltages Vin and Vin + ΔV and the setting of the capacitance value of the capacitor are different.

本実施形態のサンプルホールド回路1で実現したい特性は以下の通りである。第1の実施形態のサンプルホールド回路1が備える特性(1C)に替わる特性が(2C)である。
(2A)シングルエンド入力、差動出力である。
(2B)サンプリング動作時に少なくとも1つのキャパシタに入力電圧Vinが印加され、ホールド動作時に少なくとも1つのキャパシタに入力電圧Vin+ΔVが印加されている。
(2C)1/N倍してサンプリングした入力電圧Vinを2倍に増幅してホールドする。ただし、ホールド電圧(差動出力電圧Vop1−Vom1)は、ホールド動作時における入力電圧Vinの変化分ΔVに依存する。
(2D)ホールド動作時におけるオペアンプOPの入力電圧Vx1は、サンプリング動作時の入力電圧Vinに依存しない。
The characteristics desired to be realized by the sample and hold circuit 1 of the present embodiment are as follows. A characteristic that replaces the characteristic (1C) included in the sample and hold circuit 1 of the first embodiment is (2C).
(2A) Single-ended input and differential output.
(2B) The input voltage Vin is applied to at least one capacitor during the sampling operation, and the input voltage Vin + ΔV is applied to at least one capacitor during the hold operation.
(2C) The sampled input voltage Vin multiplied by 1 / N is doubled and held. However, the hold voltage (differential output voltage Vop1-Vom1) depends on the change ΔV of the input voltage Vin during the hold operation.
(2D) The input voltage Vx1 of the operational amplifier OP during the hold operation does not depend on the input voltage Vin during the sampling operation.

特性(2C)は、ホールド動作時に差動出力電圧Vop1−Vom1に入力電圧Vinの変化分ΔVの影響が現れる点において完全なホールド動作とはならない。しかし、入力電圧Vinの帯域が制限されている場合には、差動出力電圧Vop1−Vom1に残るΔVの項の係数をなるべく小さく設定することにより、サンプルホールド回路として十分に用いることができる。   The characteristic (2C) is not a complete hold operation in that the influence of the change ΔV of the input voltage Vin appears on the differential output voltage Vop1−Vom1 during the hold operation. However, when the band of the input voltage Vin is limited, the coefficient of the term of ΔV remaining in the differential output voltage Vop1−Vom1 can be set as small as possible so that it can be sufficiently used as a sample hold circuit.

本実施形態のサンプルホールド回路1を得るための要件は、第1の実施形態で説明した第1要件、第4要件と新たな第5要件の3つである。
[第1要件]
ホールド動作時におけるオペアンプOPの入力電圧Vx1の式に、入力電圧Vinの項が存在しないこと(ΔVが残ることは構わない)。
[第4要件]
ホールド動作時における差動出力電圧Vop1−Vom1の式において入力電圧Vinの項の係数が2/Nであること。
[第5要件]
ホールド動作時における差動出力電圧Vop1−Vom1の式にVinの項とΔVの項が残ること。
There are three requirements for obtaining the sample and hold circuit 1 of the present embodiment: the first requirement, the fourth requirement, and the new fifth requirement described in the first embodiment.
[First requirement]
The term of the input voltage Vin does not exist in the expression of the input voltage Vx1 of the operational amplifier OP during the hold operation (ΔV may remain).
[Fourth requirement]
The coefficient of the term of the input voltage Vin is 2 / N in the differential output voltage Vop1-Vom1 expression during the hold operation.
[Fifth requirement]
The terms Vin and ΔV remain in the differential output voltage Vop1−Vom1 equation during the hold operation.

第1要件、第4要件を満たすためには、既に述べたように第1条件、第4条件を満たせばよい。一方、第5要件を満たすためには、以下に示す第5条件が必要となる。
[第5条件]
α+η≠β+γ …(12)
In order to satisfy the first requirement and the fourth requirement, the first condition and the fourth condition may be satisfied as described above. On the other hand, in order to satisfy the fifth requirement, the following fifth condition is required.
[Fifth condition]
α + η ≠ β + γ (12)

ところで、この(12)式と(7)式の加算と減算を行うと、それぞれ次の(13)式と(14)式が得られる。
[第5A条件、第5B条件]
α≠γ …(13)
β≠η …(14)
従って、第5条件は、上記(12)式に替えて第5A条件である(13)式と第5B条件である(14)式によっても表せる。なお、これらの条件は解析的に導出したもので、製造上のばらつきによるずれが当該条件から除外されるものではない。
By the way, when the addition and subtraction of the equations (12) and (7) are performed, the following equations (13) and (14) are obtained, respectively.
[Condition 5A, Condition 5B]
α ≠ γ (13)
β ≠ η (14)
Therefore, the fifth condition can be expressed by the expression (13) as the fifth A condition and the expression (14) as the fifth B condition instead of the above expression (12). Note that these conditions are derived analytically, and deviations due to manufacturing variations are not excluded from the conditions.

図7、図8、図9は、特許文献1に示されているケース10からケース17について第1条件、第4条件、第5条件が満たされているか否かを検証した結果である。図7は、図4相当図である。図8は、各ケースについてα、β、γ、η、α+η、β+γを示している。図9は、各ケースについて、第1条件、第5条件が満たされているか否か、および第4条件についてのα−β−γ+η、(10)式に示すVinの係数、入力電圧Vinを1/Nに分圧するために必要な容量比x:y:zを示している。   7, 8, and 9 are results of verifying whether or not the first condition, the fourth condition, and the fifth condition are satisfied for case 10 to case 17 shown in Patent Document 1. FIG. FIG. 7 corresponds to FIG. FIG. 8 shows α, β, γ, η, α + η, and β + γ for each case. FIG. 9 shows whether or not the first condition and the fifth condition are satisfied for each case, and α−β−γ + η for the fourth condition, the coefficient of Vin shown in the equation (10), and the input voltage Vin. The capacity ratio x: y: z necessary for dividing the voltage to / N is shown.

(ケース10)
電圧Vcが入力電圧Vin、電圧Vi、Vjが入力電圧Vin+ΔV、z=x+y
(ケース11)
電圧Vcが入力電圧Vin、電圧Viが入力電圧Vin+ΔV、z=x
(ケース12)
電圧Vaが入力電圧Vin、電圧Viが入力電圧Vin+ΔV
(ケース13)
電圧Va、Vbが入力電圧Vin、電圧Vi、Vjが入力電圧Vin+ΔV
(ケース14)
電圧Va、Vbが入力電圧Vin、電圧Vi、Vhが入力電圧Vin+ΔV
(ケース15)
電圧Va、Vdが入力電圧Vin、電圧Vjが入力電圧Vin+ΔV、2x=y
(ケース16)
電圧Va、Vcが入力電圧Vin、電圧Vjが入力電圧Vin+ΔV、x+z=y
(ケース17)
電圧Vc、Vdが入力電圧Vin、電圧Vjが入力電圧Vin+ΔV、x+z=y
(Case 10)
The voltage Vc is the input voltage Vin, the voltages Vi and Vj are the input voltage Vin + ΔV, z = x + y
(Case 11)
The voltage Vc is the input voltage Vin, the voltage Vi is the input voltage Vin + ΔV, and z = x
(Case 12)
The voltage Va is the input voltage Vin, and the voltage Vi is the input voltage Vin + ΔV.
(Case 13)
The voltages Va and Vb are the input voltage Vin, and the voltages Vi and Vj are the input voltage Vin + ΔV.
(Case 14)
The voltages Va and Vb are the input voltage Vin, and the voltages Vi and Vh are the input voltage Vin + ΔV.
(Case 15)
The voltages Va and Vd are the input voltage Vin, the voltage Vj is the input voltage Vin + ΔV, and 2x = y
(Case 16)
The voltages Va and Vc are the input voltage Vin, the voltage Vj is the input voltage Vin + ΔV, and x + z = y.
(Case 17)
The voltages Vc and Vd are the input voltage Vin, the voltage Vj is the input voltage Vin + ΔV, and x + z = y.

差動出力電圧Vop1−Vom1におけるVinの係数=(α−β−γ+η)/zが2になるケース10、11、17は、入力電圧Vinをそのまま入力するので(N=1)、分圧することはできない。任意の分圧比を得られるのはケース12〜16であり、そのために必要な容量比は以下のようになる。   In the cases 10, 11, and 17 where the coefficient of Vin in the differential output voltage Vop1−Vom1 = (α−β−γ + η) / z is 2, the input voltage Vin is inputted as it is (N = 1), so that the voltage is divided. I can't. Arbitrary voltage division ratios can be obtained in cases 12 to 16, and the capacity ratio necessary for this is as follows.

(ケース12) x:y:z=1:1:N
(ケース13) x:y:z=1:1:2N
(ケース14) x:y:z=1:1:N
(ケース15) x:y:z=1:2:N
(ケース16) x:y:z=1−N:1:N
(Case 12) x: y: z = 1: 1: N
(Case 13) x: y: z = 1: 1: 2N
(Case 14) x: y: z = 1: 1: N
(Case 15) x: y: z = 1: 2: N
(Case 16) x: y: z = 1-N: 1: N

以上説明したように、本実施形態のサンプルホールド回路1は、第1の実施形態と同様に入力電圧Vinを1/Nに分圧してサンプルホールド動作を行うことができる。また、第1条件を満たすことにより、第1の実施形態と同様にオペアンプOPを望ましいゲインおよびスルーレートで動作させることができる。さらに、第5条件を満たすことにより、入力電圧Vinの帯域が制限され且つ差動出力電圧Vop1−Vom1に対するΔVの影響が小さく設定された条件の下で、サンプリングした電圧をほぼ正確に保持することができる。   As described above, the sample and hold circuit 1 of the present embodiment can perform the sample and hold operation by dividing the input voltage Vin by 1 / N, as in the first embodiment. Further, by satisfying the first condition, the operational amplifier OP can be operated at a desirable gain and slew rate as in the first embodiment. Furthermore, by satisfying the fifth condition, the sampled voltage can be held almost accurately under the condition that the band of the input voltage Vin is limited and the influence of ΔV on the differential output voltage Vop1−Vom1 is set to be small. Can do.

(第3の実施形態)
次に、差動入力のサンプルホールド回路をマルチプライングD/Aコンバータ(MDAC)に適用した第3の実施形態について、図10ないし図14を参照しながら説明する。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment in which a differential input sample hold circuit is applied to a multiplying D / A converter (MDAC) will be described with reference to FIGS.

サンプルホールド回路10の構成は図1と同じであり、差動入力電圧が印加される。以下の説明において、同相分電圧をVref、サンプリング時の非反転入力電圧をVinp、反転入力電圧をVinmとし、ホールド動作時の非反転入力電圧をVinp'、反転入力電圧をVinm'、差動分電圧をVin+ΔV、同相分電圧をVref+ΔVrefとする。   The configuration of the sample and hold circuit 10 is the same as that in FIG. 1, and a differential input voltage is applied. In the following description, the common-mode voltage is Vref, the non-inverting input voltage during sampling is Vinp, the inverting input voltage is Vinm, the non-inverting input voltage during the hold operation is Vinp ', the inverting input voltage is Vinm', and the differential component The voltage is Vin + ΔV, and the in-phase voltage is Vref + ΔVref.

図10は、パイプライン型A/DコンバータのA/D変換ステージや巡回型A/Dコンバータなどに用いられる基本回路である。この単位変換回路7は、サンプルホールド回路10(MDAC)、サブA/Dコンバータ8(サブADC)およびマルチプレクサ9(MPX)から構成されている。このうちサブA/Dコンバータ8は、差動入力電圧Vinp、Vinmに対し所謂1.5ビットのA/D変換を行い、3値(+1、0、−1)のA/D変換値を出力する。なお、マルチプレクサ9とサンプルホールド回路10との全体をマルチプライングD/Aコンバータと称してもよい。   FIG. 10 shows a basic circuit used for an A / D conversion stage of a pipelined A / D converter, a cyclic A / D converter, and the like. The unit conversion circuit 7 includes a sample hold circuit 10 (MDAC), a sub A / D converter 8 (sub ADC), and a multiplexer 9 (MPX). Of these, the sub A / D converter 8 performs a so-called 1.5-bit A / D conversion on the differential input voltages Vinp and Vinm, and outputs a ternary (+1, 0, -1) A / D conversion value. To do. The entire multiplexer 9 and sample hold circuit 10 may be referred to as a multiplying D / A converter.

マルチプレクサ9は、サブA/Dコンバータ8によるA/D変換値に応じて1または複数のアナログ電圧をサンプルホールド回路10に出力する。サンプルホールド回路10は、差動入力電圧Vinp、Vinmとマルチプレクサ9からのアナログ電圧とを入力し、それらの電圧を後述する各条件を満たすように電圧Va、Vb、Vc、Vd、Ve、Vf、Vg、Vh、Vi、Vjの何れかとする。   The multiplexer 9 outputs one or a plurality of analog voltages to the sample and hold circuit 10 according to the A / D conversion value by the sub A / D converter 8. The sample and hold circuit 10 receives the differential input voltages Vinp and Vinm and the analog voltage from the multiplexer 9, and the voltages Va, Vb, Vc, Vd, Ve, Vf, Any of Vg, Vh, Vi, and Vj.

サンプルホールド回路10は、理想的には(15)式に示すように、差動入力電圧Vinp−Vinmを2/N倍(N>0)に増幅し(第1項)、A/D変換値に応じた値を減算し(第2項)、差動出力電圧Vop1−Vom1を得てホールドする。具体的には、A/D変換値+1、0、−1に応じてそれぞれ(16)式、(17)式、(18)式のようになる。これらの式は、差動入力電圧Vinp−Vinmを1/N倍した値とA/D変換値に応じた値(D/A変換値)との差電圧を2倍して残余電圧を出力することと等価である。   The sample hold circuit 10 ideally amplifies the differential input voltage Vinp−Vinm to 2 / N times (N> 0) (first term) as shown in the equation (15), and the A / D conversion value Is subtracted (second term) to obtain and hold the differential output voltage Vop1-Vom1. Specifically, equations (16), (17), and (18) are obtained according to the A / D conversion values +1, 0, and −1, respectively. These equations output the residual voltage by doubling the difference voltage between the value obtained by multiplying the differential input voltage Vinp−Vinm by 1 / N and the value corresponding to the A / D conversion value (D / A conversion value). Is equivalent to

Figure 0004442703
Figure 0004442703

本実施形態のサンプルホールド回路10で実現したい特性は以下の通りとなる。ただし、特性(3C)の後段(第2文)および特性(3D)は、必要に応じて実現すればよい。
(3A)差動入力、差動出力である。
(3B)サンプリング動作時にそれぞれ少なくとも1つのキャパシタに反転入力電圧Vinmと非反転入力電圧Vinpが印加され、ホールド動作時にそれぞれ少なくとも1つのキャパシタに反転入力電圧Vinm'と非反転入力電圧Vinp'が印加されている。
(3C)1/N倍してサンプリングした差動入力電圧Vinp−Vinmを2倍に増幅してホールドする。ホールド電圧(差動出力電圧Vop1−Vom1)は、ホールド動作時における反転入力電圧Vinm'と非反転入力電圧Vinp'(差動分電圧Vin+ΔVと同相分電圧Vref+ΔVref)に依存しない。
(3D)ホールド動作時におけるオペアンプOPの入力電圧Vx1は、サンプリング動作時の反転入力電圧Vinmと非反転入力電圧Vinp(差動分電圧Vinと同相分電圧Vref)に依存しない。
The characteristics desired to be realized by the sample and hold circuit 10 of the present embodiment are as follows. However, the latter stage (second sentence) and the characteristic (3D) of the characteristic (3C) may be realized as necessary.
(3A) Differential input and differential output.
(3B) The inverting input voltage Vinm and the non-inverting input voltage Vinp are respectively applied to at least one capacitor during the sampling operation, and the inverting input voltage Vinm ′ and the non-inverting input voltage Vinp ′ are respectively applied to at least one capacitor during the holding operation. ing.
(3C) The differential input voltage Vinp−Vinm sampled by 1 / N times is amplified twice and held. The hold voltage (differential output voltage Vop1−Vom1) does not depend on the inverting input voltage Vinm ′ and the non-inverting input voltage Vinp ′ (the differential voltage Vin + ΔV and the common-mode voltage Vref + ΔVref) during the holding operation.
(3D) The input voltage Vx1 of the operational amplifier OP during the hold operation does not depend on the inverting input voltage Vinm and the non-inverting input voltage Vinp (the differential voltage Vin and the common-mode voltage Vref) during the sampling operation.

差動入力であっても、反転入力電圧Vinmと非反転入力電圧Vinpとを別々に考えれば、シングルエンド入力に関する第1の実施形態と同様の要件(条件)が必要となる。すなわち、第1の実施形態に基づく場合には、反転入力電圧Vinmと非反転入力電圧Vinpのそれぞれについて第1条件ないし第3条件が必要となり、第2の実施形態に基づく場合には、反転入力電圧Vinmと非反転入力電圧Vinpのそれぞれについて第1条件および第5条件(第5A、5B条件)が必要となる。ただし、第1の実施形態に基づく場合には、第1条件と第2条件はそれぞれ必要に応じて満たせばよい。   Even in the case of a differential input, if the inverting input voltage Vinm and the non-inverting input voltage Vinp are considered separately, the same requirements (conditions) as those in the first embodiment relating to the single-ended input are necessary. That is, when based on the first embodiment, the first condition to the third condition are necessary for each of the inverting input voltage Vinm and the non-inverting input voltage Vinp, and when based on the second embodiment, the inverting input The first condition and the fifth condition (fifth A and fifth B conditions) are required for each of the voltage Vinm and the non-inverting input voltage Vinp. However, when based on 1st Embodiment, what is necessary is just to satisfy | fill 1st condition and 2nd condition as needed.

さらに、差動入力の場合には、ホールド動作時における差動出力電圧Vop1−Vom1の式に差動入力電圧Vinp−Vinmの項が残ることが必要である。このためには、(5)式において、反転入力電圧Vinmの係数と非反転入力電圧Vinpの係数の大きさが等しく且つ符号が逆になる必要がある。この要件を満たすためには次の第6条件が必要である。
[第6条件]
αp−βp=βm−αm …(19)
Further, in the case of differential input, it is necessary that the term of the differential input voltage Vinp-Vinm remains in the differential output voltage Vop1-Vom1 expression during the hold operation. For this purpose, in the equation (5), it is necessary that the coefficient of the inverting input voltage Vinm and the coefficient of the non-inverting input voltage Vinp are equal and the signs are reversed. In order to satisfy this requirement, the following sixth condition is necessary.
[Sixth condition]
αp−βp = βm−αm (19)

ここで、以下のように定義している。
サンプリング動作時に非反転入力電圧Vinpを印加する反転側キャパシタの総容量値=αpC
サンプリング動作時に非反転入力電圧Vinpを印加する非反転側キャパシタの総容量値=βpC
ホールド動作時に非反転入力電圧Vinp'を印加する反転側キャパシタの総容量値=γpC
ホールド動作時に非反転入力電圧Vinp'を印加する非反転側キャパシタの総容量値=ηpC
サンプリング動作時に反転入力電圧Vinmを印加する反転側キャパシタの総容量値=αmC
サンプリング動作時に反転入力電圧Vinmを印加する非反転側キャパシタの総容量値=βmC
ホールド動作時に反転入力電圧Vinm'を印加する反転側キャパシタの総容量値=γmC
ホールド動作時に反転入力電圧Vinm'を印加する非反転側キャパシタの総容量値=ηmC
Here, it is defined as follows.
Total capacitance value of the inverting capacitor that applies the non-inverting input voltage Vinp during the sampling operation = αpC
Total capacitance value of the non-inverting side capacitor to which the non-inverting input voltage Vinp is applied during the sampling operation = βpC
Total capacitance value of the inverting-side capacitor to which the non-inverting input voltage Vinp ′ is applied during the holding operation = γpC
Total capacitance value of the non-inversion side capacitor to which the non-inversion input voltage Vinp ′ is applied during the hold operation = ηpC
Total capacitance value of inverting-side capacitor that applies inverting input voltage Vinm during sampling operation = αmC
Total capacitance value of non-inversion side capacitor to which inverting input voltage Vinm is applied during sampling operation = βmC
The total capacitance value of the inverting side capacitor that applies the inverting input voltage Vinm ′ during the hold operation = γmC
Total capacitance value of the non-inversion side capacitor to which the inverting input voltage Vinm ′ is applied during the holding operation = ηmC

さらに、本実施形態における第4要件は、ホールド動作時における差動出力電圧Vop1−Vom1の式において差動入力電圧Vinp−Vinmの項の係数が2/Nとなることである。(5)式に示す差動出力電圧Vop1−Vom1において、Vinp、Vinmの係数はそれぞれ上記α、β、γ、ηを用いて(20)式、(21)式のようになる。
Vinpの係数=(αp−βp−γp+ηp)/z …(20)
Vinmの係数=(αm−βm−γm+ηm)/z …(21)
Further, the fourth requirement in the present embodiment is that the coefficient of the term of the differential input voltage Vinp−Vinm is 2 / N in the differential output voltage Vop1−Vom1 expression during the hold operation. In the differential output voltage Vop1−Vom1 shown in the equation (5), the coefficients of Vinp and Vinm are expressed by the equations (20) and (21) using α, β, γ, and η, respectively.
The coefficient of Vinp = (αp−βp−γp + ηp) / z (20)
Vinm coefficient = (αm−βm−γm + ηm) / z (21)

上記第6条件が満たされれば、差動出力電圧Vop1−Vom1において差動入力電圧Vinp−Vinmの項は(22)式のようになる。
Vinp−Vinmの項=(αp−βp−γp+ηp)/z
=−(αm−βm−γm+ηm)/z …(22)
If the sixth condition is satisfied, the term of the differential input voltage Vinp−Vinm in the differential output voltage Vop1−Vom1 becomes as shown in equation (22).
Vinp−Vinm term = (αp−βp−γp + ηp) / z
=-(Αm-βm-γm + ηm) / z (22)

一方、(15)〜(18)式に示す差動出力電圧Vop1−Vom1において差動入力電圧Vinp−Vinmの係数は2/Nである。従って、第4要件を満たすための第7条件は次の(23)式となる。なお、これらの条件は解析的に導出したもので、製造上のばらつきによるずれが当該条件から除外されるものではない。
[第7条件]

Figure 0004442703
On the other hand, in the differential output voltage Vop1−Vom1 shown in the equations (15) to (18), the coefficient of the differential input voltage Vinp−Vinm is 2 / N. Accordingly, the seventh condition for satisfying the fourth requirement is the following equation (23). Note that these conditions are derived analytically, and deviations due to manufacturing variations are not excluded from the conditions.
[Seventh condition]
Figure 0004442703

図11〜図14は、特許文献1に示されているケース18からケース20について第1条件〜第3条件、第5条件〜第7条件が満たされているか否かを検証した結果である。図11は、サンプルホールド回路10について、サンプリング動作時およびホールド動作時における非反転入力電圧Vinpの印加箇所を黒丸印で示し、反転入力電圧Vinmの印加箇所を白丸印で示している。図12は、非反転入力電圧Vinpについて第1条件〜第3条件、第5条件、第6条件を検証した結果である。図13は、反転入力電圧Vinmについて第1条件〜第3条件、第5条件を検証した結果である。   FIG. 11 to FIG. 14 show the results of verifying whether the first condition to the third condition and the fifth condition to the seventh condition are satisfied for the case 18 to the case 20 shown in Patent Document 1. FIG. 11 shows the application location of the non-inverted input voltage Vinp in the sampling hold circuit 10 during the sampling operation and the hold operation with black circles, and the application location of the inverted input voltage Vinm with white circles. FIG. 12 shows the result of verifying the first condition to the third condition, the fifth condition, and the sixth condition for the non-inverting input voltage Vinp. FIG. 13 shows the results of verifying the first condition to the third condition and the fifth condition for the inverting input voltage Vinm.

図14は、第7条件を検証した結果である。この図14において、非反転入力電圧Vinpについては、αp−βp−γp+ηp、(20)式に示すVinpの係数、Vinp−Vinmの係数、Vinp−Vinmを1/Nに分圧するために必要な容量比x:y:zを示している。反転入力電圧Vinmについては、αm−βm−γm+ηm、(21)式に示すVinmの係数を示している。   FIG. 14 shows the result of verifying the seventh condition. In FIG. 14, for the non-inverted input voltage Vinp, αp−βp−γp + ηp, the Vinp coefficient shown in the equation (20), the Vinp−Vinm coefficient, and the capacity required to divide Vinp−Vinm into 1 / N. The ratio x: y: z is shown. For the inverting input voltage Vinm, αm−βm−γm + ηm, the coefficient of Vinm shown in the equation (21) is shown.

(ケース18)
電圧Vfが反転入力電圧Vinm、電圧Vcが非反転入力電圧Vinp、電圧Vgが反転入力電圧Vinm'、電圧Viが非反転入力電圧Vinp'、x=z
(ケース19)
電圧Vfが反転入力電圧Vinm、電圧Vcが非反転入力電圧Vinp、電圧Vg、Viが反転入力電圧Vinm'、電圧Vh、Vjが非反転入力電圧Vinp'、2x=2y=z
(ケース20)
電圧Vdが反転入力電圧Vinm、電圧Vaが非反転入力電圧Vinp、電圧Vhが反転入力電圧Vinm'、電圧Vjが非反転入力電圧Vinp'、x=y
(Case 18)
The voltage Vf is the inverting input voltage Vinm, the voltage Vc is the non-inverting input voltage Vinp, the voltage Vg is the inverting input voltage Vinm ′, the voltage Vi is the non-inverting input voltage Vinp ′, and x = z.
(Case 19)
The voltage Vf is the inverting input voltage Vinm, the voltage Vc is the non-inverting input voltage Vinp, the voltages Vg and Vi are the inverting input voltage Vinm ', and the voltages Vh and Vj are the non-inverting input voltage Vinp', 2x = 2y = z.
(Case 20)
The voltage Vd is the inverting input voltage Vinm, the voltage Va is the non-inverting input voltage Vinp, the voltage Vh is the inverting input voltage Vinm ′, the voltage Vj is the non-inverting input voltage Vinp ′, and x = y.

ケース18は、第1条件を満たすためのx=zの条件下で差動入力電圧Vinp−Vinmの係数が2となるため、N=1となり分圧することはできない。ケース19は、第1条件を満たすための2y=zの条件下で差動入力電圧Vinp−Vinmの係数が1となるため、N=2となり1/2に分圧して入力することはできるが、それ以外の分圧比を得ることはできない。ケース20は、第1条件を満たすためのx=yの条件下で差動入力電圧Vinp−Vinmの係数が2x/zとなるため、差動入力電圧Vinp−Vinmを1/Nに分圧するために必要な容量比はx:y:z=1:1:Nとなる。   In case 18, since the coefficient of the differential input voltage Vinp−Vinm is 2 under the condition of x = z for satisfying the first condition, N = 1 and cannot be divided. In case 19, since the coefficient of the differential input voltage Vinp−Vinm is 1 under the condition of 2y = z for satisfying the first condition, N = 2 and the voltage can be divided and input by 1/2. Any other partial pressure ratio cannot be obtained. In the case 20, since the coefficient of the differential input voltage Vinp−Vinm is 2x / z under the condition of x = y that satisfies the first condition, the differential input voltage Vinp−Vinm is divided by 1 / N. The required capacity ratio is x: y: z = 1: 1: N.

以上説明したように、本実施形態によれば反転入力電圧Vinmと非反転入力電圧Vinpのそれぞれについて第1条件〜第3条件が満たされ、さらに第6条件と第7条件が満たされていることにより、差動入力電圧Vinp−Vinmを1/Nに分圧して入力するサンプルホールド回路が得られる。ただし、第1条件と第2条件については、それぞれ必要に応じて満たせばよい。また、第2、第3条件に替えて第5(5A、5B)条件を満たす場合でも、差動入力電圧Vinp−Vinmの帯域が制限され且つ差動出力電圧Vop1−Vom1に対するΔVの影響が小さく設定された条件の下で、サンプリングした電圧をほぼ正確に保持することができる。その結果、第1、第2の実施形態と同様の作用、効果が得られる。   As described above, according to the present embodiment, the first condition to the third condition are satisfied for each of the inverting input voltage Vinm and the non-inverting input voltage Vinp, and the sixth condition and the seventh condition are further satisfied. Thus, a sample and hold circuit that divides and inputs the differential input voltage Vinp−Vinm to 1 / N is obtained. However, the first condition and the second condition may be satisfied as necessary. Even when the fifth (5A, 5B) condition is satisfied instead of the second and third conditions, the band of the differential input voltage Vinp−Vinm is limited and the influence of ΔV on the differential output voltage Vop1−Vom1 is small. Under the set conditions, the sampled voltage can be held almost accurately. As a result, operations and effects similar to those of the first and second embodiments can be obtained.

(第4の実施形態)
次に、上述したシングルエンド入力のケース4について図15を参照しながら具体的に説明する。
図15(a)はサンプリング動作時の接続形態を示しており、図15(b)はホールド動作時における接続形態を示している。キャパシタCs1、Cs2、Cs3、Cs4の容量値はCである。キャパシタCf1は、容量値2CのキャパシタCf1aとCf1bとの並列により構成されており、スイッチS1a、S1bによりキャパシタCf1bを電気的に切り離すことが可能となっている。キャパシタCf2も、キャパシタCf1と同様にスイッチS2a、S2bを介してキャパシタCf2aとCf2bとが並列接続されている。スイッチS1a、S1b、S2a、S2bの切り替えおよび各入力端子に印加する電圧の切り替えは、制御回路2により行われる。
(Fourth embodiment)
Next, the single-end input case 4 described above will be specifically described with reference to FIG.
FIG. 15A shows a connection form during the sampling operation, and FIG. 15B shows a connection form during the hold operation. The capacitance values of the capacitors Cs1, Cs2, Cs3, and Cs4 are C. The capacitor Cf1 is configured by paralleling capacitors Cf1a and Cf1b having a capacitance value of 2C, and the capacitor Cf1b can be electrically disconnected by the switches S1a and S1b. Similarly to the capacitor Cf1, the capacitor Cf2 is also connected in parallel with the capacitors Cf2a and Cf2b via the switches S2a and S2b. The control circuit 2 switches the switches S1a, S1b, S2a, S2b and the voltage applied to each input terminal.

Va=Vb=Vg=Vj=Vin、x:y:z=1:1:Nとすると、ホールド動作時の差動出力電圧Vop1−Vom1は(24)式となり、オペアンプOPの入力電圧Vx1は(25)式となる。スイッチS1a、S1b、S2a、S2bをオンしたN=4の場合、(24)式、(25)式はそれぞれ(26)式、(27)式となる。   When Va = Vb = Vg = Vj = Vin and x: y: z = 1: 1: N, the differential output voltage Vop1−Vom1 during the hold operation is expressed by equation (24), and the input voltage Vx1 of the operational amplifier OP is ( 25). When N = 4 when the switches S1a, S1b, S2a, and S2b are turned on, the expressions (24) and (25) become the expressions (26) and (27), respectively.

Figure 0004442703
Figure 0004442703

このサンプルホールド回路1を図2に示す単位変換回路3に適用する場合、N=4において(26)式を(2)式〜(4)式に適合させるために、電圧Vc〜Vf、Vh、Viを以下のように設定する。ここで、Vrefp=5V(電源電圧)、Vref=2.5V(電源電圧の中央値)、Vrefm=0Vである。また、Vcm0=Vcm1=Vref=2.5Vである。   When this sample-and-hold circuit 1 is applied to the unit conversion circuit 3 shown in FIG. 2, in order to adapt the expression (26) to the expressions (2) to (4) at N = 4, the voltages Vc to Vf, Vh, Set Vi as follows. Here, Vrefp = 5V (power supply voltage), Vref = 2.5V (median value of power supply voltage), and Vrefm = 0V. Further, Vcm0 = Vcm1 = Vref = 2.5V.

<A/D変換値が+1の場合>
(2)式が成立するためには以下のように設定する。
Vd=Ve=Vrefp、Vc=Vf=Vh=Vi=Vrefm
このとき、オペアンプOPの入力電圧Vx1は(28)式となる。

Figure 0004442703
<When A / D conversion value is +1>
In order to establish the formula (2), the following is set.
Vd = Ve = Vrefp, Vc = Vf = Vh = Vi = Vrefm
At this time, the input voltage Vx1 of the operational amplifier OP is expressed by equation (28).
Figure 0004442703

<A/D変換値が0の場合>
(3)式が成立するためには以下のように設定する。
Vf=Vrefp、Vc=Vd=Ve=Vh=Vi=Vrefm
このとき、オペアンプOPの入力電圧Vx1は(29)式となる。

Figure 0004442703
<When A / D conversion value is 0>
In order to satisfy the equation (3), the following is set.
Vf = Vrefp, Vc = Vd = Ve = Vh = Vi = Vrefm
At this time, the input voltage Vx1 of the operational amplifier OP is expressed by equation (29).
Figure 0004442703

<A/D変換値が−1の場合>
(4)式が成立するためには以下のように設定する。
Vd=Ve=Vf=Vrefp、Vc=Vh=Vi=Vrefm
このとき、オペアンプOPの入力電圧Vx1は(30)式となる。

Figure 0004442703
<When A / D conversion value is -1>
In order to establish the equation (4), the following is set.
Vd = Ve = Vf = Vrefp, Vc = Vh = Vi = Vrefm
At this time, the input voltage Vx1 of the operational amplifier OP is expressed by equation (30).
Figure 0004442703

本実施形態は、x:y:z=1:1:4に設定したシングルエンド入力のケース4であり、図6に示すように第1条件から第4条件が全て満たされる。このため、入力電圧Vinを1/4に分圧してサンプルホールド動作(MDAC動作)を行うことができる。また、キャパシタCf1、Cf2の容量値を変更可能に構成されているので、例えばパイプライン型A/DコンバータのA/D変換ステージに用いる場合、第1ステージへの適用の際にはスイッチS1a〜S2bをオンにして分圧入力とし、第2ステージ以降への適用の際にはスイッチS1a〜S2bをオフにして等倍入力とすることができる。   This embodiment is a case 4 of single-ended input set to x: y: z = 1: 1: 4, and all the first to fourth conditions are satisfied as shown in FIG. Therefore, the sample hold operation (MDAC operation) can be performed by dividing the input voltage Vin by ¼. Further, since the capacitance values of the capacitors Cf1 and Cf2 can be changed, for example, when used in an A / D conversion stage of a pipeline type A / D converter, the switch S1a to S1a is applied when applied to the first stage. When S2b is turned on, the divided voltage input is used, and when applied to the second stage and thereafter, the switches S1a to S2b are turned off to make the same magnification input.

(第5の実施形態)
次に、上述した差動入力のケース20について図16を参照しながら具体的に説明する。
図16(a)はサンプリング動作時の接続形態を示しており、図16(b)はホールド動作時における接続形態を示している。このサンプルホールド回路10のキャパシタCs1、Cs2、Cf1、Cs3、Cs4、Cf2およびオペアンプOPに係る回路構成は図15に示したサンプルホールド回路1と同じである。
(Fifth embodiment)
Next, the differential input case 20 will be described in detail with reference to FIG.
FIG. 16A shows a connection form during the sampling operation, and FIG. 16B shows a connection form during the hold operation. The circuit configuration relating to the capacitors Cs1, Cs2, Cf1, Cs3, Cs4, Cf2 and the operational amplifier OP of the sample hold circuit 10 is the same as that of the sample hold circuit 1 shown in FIG.

Va=Vinp、Vd=Vinm、Vj=Vinp+ΔVinp、Vh=Vinm+ΔVinm、x:y:z=1:1:Nとすると、ホールド動作時の差動出力電圧Vop1−Vom1は(31)式となり、オペアンプOPの入力電圧Vx1は(32)式となる。スイッチS1a、S1b、S2a、S2bをオンしたN=4の場合、(31)式、(32)式はそれぞれ(33)式、(34)式となる。   When Va = Vinp, Vd = Vinm, Vj = Vinp + ΔVinp, Vh = Vinm + ΔVinm, x: y: z = 1: 1: N, the differential output voltage Vop1−Vom1 during the hold operation becomes the equation (31) and the operational amplifier OP The input voltage Vx1 is given by equation (32). When N = 4 when the switches S1a, S1b, S2a, and S2b are turned on, the expressions (31) and (32) become the expressions (33) and (34), respectively.

Figure 0004442703
Figure 0004442703

このサンプルホールド回路10を図10に示す単位変換回路7に適用する場合、N=4において(33)式を(16)式〜(18)式に適合させるために、電圧Vb、Vc、Ve〜Vg、Viを以下のように設定する。ここで、Vrefp=5V(電源電圧)、Vref=2.5V(電源電圧の中央値)、Vrefm=0Vである。また、Vcm0=Vcm1=Vref=2.5Vである。   When this sample and hold circuit 10 is applied to the unit conversion circuit 7 shown in FIG. 10, in order to adapt the equation (33) to the equations (16) to (18) at N = 4, the voltages Vb, Vc, Ve˜ Vg and Vi are set as follows. Here, Vrefp = 5V (power supply voltage), Vref = 2.5V (median value of power supply voltage), and Vrefm = 0V. Further, Vcm0 = Vcm1 = Vref = 2.5V.

<A/D変換値が+1の場合>
(16)式が成立するためには以下のように設定する。
Vg=Ve=Vrefp、Vb=Vc=Vf=Vi=Vrefm
このとき、オペアンプOPの入力電圧Vx1は(35)式となる。

Figure 0004442703
<When A / D conversion value is +1>
In order to hold the equation (16), set as follows.
Vg = Ve = Vrefp, Vb = Vc = Vf = Vi = Vrefm
At this time, the input voltage Vx1 of the operational amplifier OP is expressed by equation (35).
Figure 0004442703

<A/D変換値が0の場合>
(17)式が成立するためには以下のように設定する。
Vb=Vc=Ve=Vf=Vg=Vi=Vrefm
このとき、オペアンプOPの入力電圧Vx1は(36)式となる。

Figure 0004442703
<When A / D conversion value is 0>
In order to establish equation (17), the following is set.
Vb = Vc = Ve = Vf = Vg = Vi = Vrefm
At this time, the input voltage Vx1 of the operational amplifier OP is expressed by equation (36).
Figure 0004442703

<A/D変換値が−1の場合>
(18)式が成立するためには以下のように設定する。
Vb=Vi=Vrefp、Vc=Ve=Vf=Vg=Vrefm
このとき、オペアンプOPの入力電圧Vx1は(37)式となる。

Figure 0004442703
<When A / D conversion value is -1>
In order to establish equation (18), the following is set.
Vb = Vi = Vrefp, Vc = Ve = Vf = Vg = Vrefm
At this time, the input voltage Vx1 of the operational amplifier OP is expressed by equation (37).
Figure 0004442703

本実施形態は、x:y:z=1:1:4に設定した差動入力のケース20であり、図12〜図14に示すように第1条件、第5条件、第6条件、第7条件が満たされる。このため、差動入力電圧Vinp−Vinmを1/4に分圧してサンプルホールド動作(MDAC動作)を行うことができる。また、キャパシタCf1、Cf2の容量値を変更可能に構成されているので、第4の実施形態と同様の作用、効果が得られる。   This embodiment is a differential input case 20 in which x: y: z = 1: 1: 4 is set. As shown in FIGS. 12 to 14, the first condition, the fifth condition, the sixth condition, Seven conditions are met. Therefore, the sample and hold operation (MDAC operation) can be performed by dividing the differential input voltage Vinp−Vinm by ¼. In addition, since the capacitance values of the capacitors Cf1 and Cf2 can be changed, the same operation and effect as those of the fourth embodiment can be obtained.

(第6の実施形態)
次に、第1の実施形態に示した構成を対象として、製造ばらつきによるキャパシタの容量のばらつきなどが存在する場合における条件のミスマッチの影響について検討する。第1の実施形態では、サンプルホールド回路1が特性(1A)から(1D)を実現するため、第1条件から第4条件が必要とされている。
(Sixth embodiment)
Next, considering the configuration shown in the first embodiment, the effect of mismatch of conditions in the case where there is variation in the capacitance of the capacitor due to manufacturing variation will be examined. In the first embodiment, since the sample hold circuit 1 realizes the characteristics (1A) to (1D), the first condition to the fourth condition are required.

(a)第1条件について
オペアンプOPの入力電圧Vx1を示す(6)式を上記α、β、γ、ηを用いて表すと(38)式となる。

Figure 0004442703
(A) First Condition When Expression (6) indicating the input voltage Vx1 of the operational amplifier OP is expressed using the above α, β, γ, and η, Expression (38) is obtained.
Figure 0004442703

この(38)式からVinの項を消すためには、上述した(7)式で示す第1条件が必要となる。(7)式の条件が成立しないと、ホールド動作時におけるオペアンプOPの入力電圧Vx1は入力電圧Vinの影響を受けて変動する。入力電圧VinによるVx1の許容変動範囲を±Vk[V]とすると、容量比のばらつきの許容範囲は(39)式、(40)式となる。   In order to eliminate the term Vin from the equation (38), the first condition shown by the equation (7) described above is required. If the condition of equation (7) is not satisfied, the input voltage Vx1 of the operational amplifier OP during the hold operation varies under the influence of the input voltage Vin. When the allowable variation range of Vx1 due to the input voltage Vin is ± Vk [V], the allowable range of variation in the capacitance ratio is expressed by equations (39) and (40).

Figure 0004442703
Figure 0004442703

(b)第2条件、第3条件について
サンプリング動作時の入力電圧をVin、ホールド動作時の入力電圧をVin+ΔVとし、ホールド動作時の差動出力電圧Vop1−Vom1を示す(5)式を上記α、β、γ、ηを用いて表すと(41)式となる。

Figure 0004442703
(B) Second condition and third condition The input voltage during the sampling operation is Vin, the input voltage during the hold operation is Vin + ΔV, and the differential output voltage Vop1-Vom1 during the hold operation is expressed by the above equation (5) as α , Β, γ, and η, the equation (41) is obtained.
Figure 0004442703

この(41)式からΔVの項を消すためには、上述した(8)式で示す第2条件が必要となり、Vinの項を残すためには、上述した(9)式で示す第3条件が必要となる。(8)式の条件が成立しないと、ホールド動作時の差動出力電圧Vop1−Vom1は、ホールド動作に移行した後の入力電圧Vinの変動ΔVの影響を受けて変動する。差動出力電圧Vop1−Vom1の許容変動範囲を±Vk[V]とすると、容量比のばらつきの許容範囲は(42)式、(43)式となる。   In order to eliminate the ΔV term from the equation (41), the second condition shown in the above equation (8) is necessary, and in order to leave the Vin term, the third condition shown in the above equation (9). Is required. If the condition of the equation (8) is not satisfied, the differential output voltage Vop1−Vom1 at the time of the hold operation varies under the influence of the variation ΔV of the input voltage Vin after the shift to the hold operation. Assuming that the allowable variation range of the differential output voltage Vop1−Vom1 is ± Vk [V], the allowable range of variation in the capacitance ratio is expressed by equations (42) and (43).

Figure 0004442703
Figure 0004442703

また、(8)式で示す第2条件がほぼ満たされている場合、αとβとが僅かに異なるだけではホールドされて出力される差動出力電圧Vop1−Vom1が非常に小さくなり、ホールド回路として機能し得ない。   Further, when the second condition expressed by the equation (8) is substantially satisfied, the differential output voltage Vop1−Vom1 held and output becomes very small if α and β are slightly different, and the hold circuit Cannot function as.

(c)第4条件について
(41)式の入力電圧Vinの項を2/N倍(1/Nに分圧し2倍)にするためには、上述した(11)式で示す第4条件が必要となる。分圧比の狙い値(設計中心値)を2/Nとし、分圧比の許容誤差を±k[%]とすると、容量比のばらつきの許容範囲は(44)式となる。

Figure 0004442703
(C) Regarding the fourth condition In order to increase the term of the input voltage Vin in the equation (41) by 2 / N times (divided by 1 / N and doubled), the above-mentioned fourth condition expressed by the equation (11) is Necessary. When the target value (design center value) of the voltage division ratio is 2 / N and the allowable error of the voltage division ratio is ± k [%], the allowable range of variation in the capacitance ratio is expressed by equation (44).
Figure 0004442703

以上の考察により、第1条件、第2条件、第4条件は、それぞれ上述した許容誤差を考慮しながら(40)式、(43)式、(44)式に示す許容範囲内で実質的に満たしていればよい。つまり、(7)式、(8)式、(11)式で示す等号関係は、完全に一致せずとも許容誤差以下となる範囲内で実質的に等しければよい。また、第3条件は、ホールド動作時における差動出力電圧Vop1−Vom1の式にVinの項が実質的に残ることが必要であり、(9)式で示す不等号関係は、実用的な大きさのホールド電圧が出力されるように実質的に異なることが必要である。   Based on the above consideration, the first condition, the second condition, and the fourth condition are substantially within the allowable ranges shown in the expressions (40), (43), and (44), taking into account the above-described allowable errors. It only has to satisfy. In other words, the equality relationships shown in the equations (7), (8), and (11) may be substantially equal within a range that does not completely coincide with each other but is within an allowable error. The third condition is that the Vin term should remain substantially in the differential output voltage Vop1−Vom1 equation during the hold operation. The inequality relationship shown in equation (9) is practically large. It is necessary to be substantially different so that the hold voltage is output.

続いて、条件のずれによる誤差の発生について、第1および第4の実施形態で述べたケース4を例に図17を参照しながら説明する。図17(a)はサンプリング動作時の接続形態を示しており、図17(b)はホールド動作時の接続形態を示している。   Next, the occurrence of an error due to a deviation in conditions will be described with reference to FIG. 17 taking the case 4 described in the first and fourth embodiments as an example. FIG. 17A shows a connection form during the sampling operation, and FIG. 17B shows a connection form during the hold operation.

(5)式にVa=Vb=Vg=Vj=Vin、Vf=Vrefp、Vc=Vd=Ve=Vh=Vi=Vrefm、x=1、y=1、z=4を代入すると、N=4であってA/D変換値が0の場合の(3)式に対応した(45)式が得られる。ここで、製造上のばらつきにより容量比であるxが+1[%]ずれて、x=1.01、y=1、z=4となった場合、(46)式となり、理想分圧比1/4に対し+0.5[%]ずれることになる。   Substituting Va = Vb = Vg = Vj = Vin, Vf = Vrefp, Vc = Vd = Ve = Vh = Vi = Vrefm, x = 1, y = 1, z = 4 into the equation (5), N = 4 Thus, Expression (45) corresponding to Expression (3) when the A / D conversion value is 0 is obtained. Here, when x, which is the capacity ratio, is shifted by +1 [%] due to manufacturing variations and becomes x = 1.01, y = 1, z = 4, the equation (46) is obtained, and the ideal voltage dividing ratio 1 / +0.5 [%] with respect to 4.

Figure 0004442703
Figure 0004442703

(第7の実施形態)
次に、本発明の第7の実施形態について図18を参照しながら説明する。
図18は、上述した単位変換回路3、7を用いたパイプライン型A/Dコンバータの構成を示している。このA/Dコンバータ11は、N個(N≧2)の単位変換回路を直列に接続して構成されている。初段(第1ステージ)は図2に示す単位変換回路3により構成され、2段目からN段目(第2ステージから第Nステージ)までは図10に示す単位変換回路7により構成されている。単位変換回路3は、入力電圧Vin(A/D変換対象電圧Vs)を1/N倍(N>0)した上で残余電圧である差動出力電圧Vop1−Vom1を出力する。単位変換回路7は、入力電圧Vin(前ステージの差動出力電圧Vop1−Vom1)から残余電圧である差動出力電圧Vop1−Vom1を出力する。
(Seventh embodiment)
Next, a seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 18 shows a configuration of a pipeline type A / D converter using the unit conversion circuits 3 and 7 described above. The A / D converter 11 is configured by connecting N (N ≧ 2) unit conversion circuits in series. The first stage (first stage) is constituted by the unit conversion circuit 3 shown in FIG. 2, and the second to Nth stages (second stage to Nth stage) are constituted by the unit conversion circuit 7 shown in FIG. . The unit conversion circuit 3 outputs the differential output voltage Vop1−Vom1 which is a residual voltage after the input voltage Vin (A / D conversion target voltage Vs) is multiplied by 1 / N (N> 0). The unit conversion circuit 7 outputs a differential output voltage Vop1-Vom1 that is a residual voltage from the input voltage Vin (differential output voltage Vop1-Vom1 of the previous stage).

本実施形態のA/Dコンバータ11によれば、前処理回路(分圧回路、バイアス制御回路)を追加することなく、A/D変換可能な入力ダイナミックレンジを拡大でき、従来のA/Dコンバータでは変換できなかったリファレンス電圧範囲(例えば0V〜5V)を超えるA/D変換対象電圧VsをA/D変換可能となる。   According to the A / D converter 11 of the present embodiment, the input dynamic range capable of A / D conversion can be expanded without adding a preprocessing circuit (voltage dividing circuit, bias control circuit), and a conventional A / D converter Thus, A / D conversion target voltage Vs exceeding a reference voltage range (for example, 0 V to 5 V) that could not be converted can be A / D converted.

(第8の実施形態)
次に、本発明の第8の実施形態について図19を参照しながら説明する。
図19は、上述した単位変換回路7を用いた巡回型A/Dコンバータの構成を示している。このA/Dコンバータ12は、1個の単位変換回路7と、この単位変換回路7にA/D変換対象電圧Vsまたは単位変換回路7の差動出力電圧Vop−Vomの何れかを選択して入力するための切り換え用のスイッチ13とから構成されている。
(Eighth embodiment)
Next, an eighth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 19 shows a configuration of a cyclic A / D converter using the unit conversion circuit 7 described above. The A / D converter 12 selects one unit conversion circuit 7 and selects either the A / D conversion target voltage Vs or the differential output voltage Vop−Vom of the unit conversion circuit 7 in the unit conversion circuit 7. And a switch 13 for switching for input.

A/Dコンバータ12は、最初にスイッチ13をA/D変換対象電圧Vs側に切り替え、外部からA/D変換対象電圧Vsを入力して残余電圧を出力する。この1巡目において、単位変換回路7は、差動入力電圧Vinp−Vinm(A/D変換対象電圧Vs)を1/N倍(N>0)した上で残余電圧である差動出力電圧Vop1−Vom1を出力する。   The A / D converter 12 first switches the switch 13 to the A / D conversion target voltage Vs side, inputs the A / D conversion target voltage Vs from the outside, and outputs a residual voltage. In this first round, the unit conversion circuit 7 increases the differential input voltage Vinp−Vinm (A / D conversion target voltage Vs) by 1 / N times (N> 0) and then the differential output voltage Vop1 which is a residual voltage. -Vom1 is output.

続いて、A/Dコンバータ12は、スイッチ13を出力電圧側に切り替え、単位変換回路7の差動出力電圧Vop1−Vom1(1巡目の残余電圧)を入力して1/N倍することなく2巡目の残余電圧を出力する。3巡目以降も上述した2巡目と同じ動作となる。このように残余電圧を繰り返し単位変換回路7に巡回させて得られるコードをMSBから所定ビットずつシフトさせながら加算することによりデジタル出力コードを生成する。   Subsequently, the A / D converter 12 switches the switch 13 to the output voltage side and inputs the differential output voltage Vop1−Vom1 (the first remaining voltage) of the unit conversion circuit 7 without multiplying by 1 / N. The remaining voltage of the second round is output. The operation after the third round is the same as the second round described above. Thus, the digital output code is generated by adding the code obtained by circulating the residual voltage to the unit conversion circuit 7 while shifting the code by a predetermined bit from the MSB.

本実施形態のA/Dコンバータ12によれば、前処理回路(分圧回路、バイアス制御回路)を追加することなく、A/D変換可能な入力ダイナミックレンジを拡大でき、従来のA/Dコンバータでは変換できなかったリファレンス電圧範囲(例えば0V〜5V)を超えるA/D変換対象電圧VsをA/D変換可能となる。また、巡回型とすることにより、パイプライン型のA/Dコンバータに比べて回路規模およびIC内でのレイアウト面積を縮小することができる。   According to the A / D converter 12 of this embodiment, the input dynamic range capable of A / D conversion can be expanded without adding a preprocessing circuit (voltage dividing circuit, bias control circuit), and a conventional A / D converter can be expanded. Thus, A / D conversion target voltage Vs exceeding a reference voltage range (for example, 0 V to 5 V) that could not be converted can be A / D converted. Further, the circuit type and the layout area in the IC can be reduced by employing the cyclic type as compared with the pipeline type A / D converter.

(その他の実施形態)
なお、本発明は上記し且つ図面に示す各実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように変形または拡張が可能である。
入力電圧Vin、差動入力電圧Vinp−Vinmを1/Nに分圧する第4条件、第7条件について説明したが、N>1であれば分圧作用が得られ、N<1であれば増幅作用が得られる。例えば、外部からの入力される電圧が微小である場合には、N<1に設定して高精度に増幅することができる。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the embodiments described above and shown in the drawings, and can be modified or expanded as follows, for example.
Although the fourth condition and the seventh condition for dividing the input voltage Vin and the differential input voltage Vinp−Vinm to 1 / N have been described, a voltage dividing action is obtained when N> 1, and amplification is performed when N <1. The effect is obtained. For example, when the voltage input from the outside is very small, it can be amplified with high accuracy by setting N <1.

各実施形態および各ケースに示すように、第1条件ないし第7条件のうち必要な条件を満たす限りにおいて、入力電圧Vinの入力数と入力位置、全キャパシタの数、フィードバックキャパシタの数、キャパシタの静電容量値等を適宜設定可能である。また、ホールド動作時においてオペアンプOPの非反転出力端子と反転出力端子にそれぞれ接続される一対の反転側キャパシタと非反転側キャパシタ(フィードバックキャパシタ)は、容量値が一定となるように(つまり図15、図16とは異なりキャパシタCf1、Cf2をそれぞれ1つのキャパシタのみから)構成してもよい。ホールド動作時のフィードバックキャパシタは一対に限られない。
上述したサンプルホールド回路は、A/Dコンバータへの適用に限定されない。
As shown in each embodiment and each case, as long as the necessary conditions among the first condition to the seventh condition are satisfied, the number and position of the input voltage Vin, the number of all capacitors, the number of feedback capacitors, The capacitance value and the like can be set as appropriate. Further, during the hold operation, the pair of inversion-side capacitors and non-inversion-side capacitors (feedback capacitors) connected to the non-inversion output terminal and the inversion output terminal of the operational amplifier OP have constant capacitance values (that is, FIG. 15). Unlike FIG. 16, the capacitors Cf1 and Cf2 may each be composed of only one capacitor). The feedback capacitor during the hold operation is not limited to a pair.
The sample hold circuit described above is not limited to application to an A / D converter.

本発明の第1の実施形態に係るサンプルホールド回路の(a)サンプリング動作時と(b)ホールド動作時の構成図FIG. 2 is a configuration diagram of (a) sampling operation and (b) hold operation of the sample and hold circuit according to the first embodiment of the present invention. A/Dコンバータで用いられる基本回路を示す図The figure which shows the basic circuit used with the A / D converter 基本回路の入出力特性図Basic circuit input / output characteristics ケース1〜9について入力電圧の印加箇所を示す図The figure which shows the application location of input voltage about cases 1-9 ケース1〜9についてα、β、γ、η、α+β、γ+ηを示す図Diagram showing α, β, γ, η, α + β, γ + η for cases 1-9 ケース1〜9について第1条件ないし第4条件の検証結果を示す図The figure which shows the verification result of 1st thru | or 4th condition about cases 1-9 本発明の第2の実施形態に係るケース10〜17についての図4相当図FIG. 4 equivalent view of the cases 10 to 17 according to the second embodiment of the present invention. ケース10〜17についてα、β、γ、η、α+η、β+γを示す図Diagram showing α, β, γ, η, α + η, β + γ for cases 10 to 17 ケース10〜17について第1条件、第4条件、第5条件の検証結果を示す図The figure which shows the verification result of 1st condition, 4th condition, and 5th condition about cases 10-17 本発明の第3の実施形態を示す図2相当図FIG. 2 equivalent view showing the third embodiment of the present invention ケース18〜20についての図4相当図FIG. 4 equivalent view of the cases 18 to 20 ケース18〜20のVinpについて第1条件〜第3条件、第5条件、第6条件の検証結果を示す図The figure which shows the verification result of 1st condition-3rd condition, 5th condition, and 6th condition about Vinp of cases 18-20 ケース18〜20のVinmについて第1条件〜第3条件、第5条件の検証結果を示す図The figure which shows the verification result of 1st condition-3rd condition, and 5th condition about Vinm of cases 18-20 ケース18〜20について第7条件の検証結果を示す図The figure which shows the verification result of 7th conditions about cases 18-20 本発明の第4の実施形態を示す図1相当図FIG. 1 equivalent view showing a fourth embodiment of the present invention 本発明の第5の実施形態を示す図1相当図FIG. 1 equivalent view showing a fifth embodiment of the present invention 本発明の第6の実施形態を示す図1相当図FIG. 1 equivalent view showing a sixth embodiment of the present invention 本発明の第7の実施形態を示すパイプライン型A/Dコンバータの構成図The block diagram of the pipeline type A / D converter which shows the 7th Embodiment of this invention 本発明の第8の実施形態を示す巡回型A/Dコンバータの構成図The block diagram of the cyclic | annular A / D converter which shows the 8th Embodiment of this invention

符号の説明Explanation of symbols

図面中、1、10はサンプルホールド回路(マルチプライングD/Aコンバータ)、2は制御回路、3、7は単位変換回路、11、12はA/Dコンバータ、OPはオペアンプである。   In the drawing, 1 and 10 are sample hold circuits (multiple D / A converters), 2 is a control circuit, 3 and 7 are unit conversion circuits, 11 and 12 are A / D converters, and OP is an operational amplifier.

Claims (16)

ホールドした電圧を差動出力するオペアンプと、
このオペアンプの反転入力端子に接続された複数の反転側キャパシタと、
前記オペアンプの非反転入力端子に接続され、それぞれ対をなす前記各反転側キャパシタと同じ容量値を持つ複数の非反転側キャパシタと、
入力電圧のサンプリング動作時において、前記反転側キャパシタと非反転側キャパシタのうち少なくとも1つのキャパシタに入力電圧を印加するとともに残るキャパシタに所定の電荷を設定し、ホールド動作時において、少なくとも一対の反転側キャパシタと非反転側キャパシタをそれぞれ前記オペアンプの非反転出力端子と反転出力端子に接続するとともに残る前記反転側キャパシタと非反転側キャパシタのうち少なくとも1つのキャパシタに入力電圧を印加するように制御する制御回路とを備え、
サンプリング動作時に入力電圧が印加される反転側キャパシタの総容量値と非反転側キャパシタの総容量値とが実質的に異なるように設定され(第3条件)、
Nを正の値とした場合、ホールド動作時において前記オペアンプの非反転出力端子と反転出力端子にそれぞれ接続される前記少なくとも一対の反転側キャパシタと非反転側キャパシタの容量値が、(サンプリング動作時に入力電圧が印加される反転側キャパシタの総容量値−サンプリング動作時に入力電圧が印加される非反転側キャパシタの総容量値−ホールド動作時に入力電圧が印加される反転側キャパシタの総容量値+ホールド動作時に入力電圧が印加される非反転側キャパシタの総容量値)×(N/2)に実質的に等しくなるように設定されている(第4条件)ことを特徴とするサンプルホールド回路。
An operational amplifier that differentially outputs the held voltage;
A plurality of inverting capacitors connected to the inverting input terminal of the operational amplifier;
A plurality of non-inverting capacitors connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier and having the same capacitance value as each of the inverting capacitors that form a pair;
At the time of an input voltage sampling operation, an input voltage is applied to at least one of the inverting side capacitor and the non-inverting side capacitor, a predetermined charge is set in the remaining capacitor, and at least a pair of inverting sides is set during a holding operation. Control for connecting the capacitor and the non-inverting capacitor to the non-inverting output terminal and the inverting output terminal of the operational amplifier, respectively, and controlling the input voltage to be applied to at least one of the remaining inverting and non-inverting capacitors. With circuit,
The total capacitance value of the inverting capacitor to which the input voltage is applied during the sampling operation is set to be substantially different from the total capacitance value of the non-inverting capacitor (third condition),
When N is a positive value, the capacitance values of the at least one pair of inverting and non-inverting capacitors respectively connected to the non-inverting output terminal and the inverting output terminal of the operational amplifier during the hold operation are (at the time of the sampling operation) Total capacitance value of inversion side capacitor to which input voltage is applied-Total capacitance value of non-inversion side capacitor to which input voltage is applied during sampling operation-Total capacitance value of inversion side capacitor to which input voltage is applied during hold operation + Hold A sample-and-hold circuit characterized by being set to be substantially equal to (the total capacitance value of the non-inversion side capacitor to which an input voltage is applied during operation) × (N / 2) (fourth condition).
ホールド動作時に入力電圧が印加される反転側キャパシタの総容量値と非反転側キャパシタの総容量値とが実質的に等しく設定されていること(第2条件)を特徴とする請求項1記載のサンプルホールド回路。   The total capacitance value of the inverting capacitor to which the input voltage is applied during the hold operation and the total capacitance value of the non-inverting capacitor are set to be substantially equal (second condition). Sample hold circuit. サンプリング動作時に入力電圧が印加されるキャパシタの総容量値とホールド動作時に入力電圧が印加されるキャパシタの総容量値とが実質的に等しく設定されていること(第1条件)を特徴とする請求項2記載のサンプルホールド回路。   The total capacitance value of the capacitor to which the input voltage is applied during the sampling operation and the total capacitance value of the capacitor to which the input voltage is applied during the hold operation are set to be substantially equal (first condition). Item 3. The sample hold circuit according to Item 2. 帯域が制限された入力電圧のサンプルホールド回路であって、
ホールドした電圧を差動出力するオペアンプと、
このオペアンプの反転入力端子に接続された複数の反転側キャパシタと、
前記オペアンプの非反転入力端子に接続され、それぞれ対をなす前記各反転側キャパシタと同じ容量値を持つ複数の非反転側キャパシタと、
入力電圧のサンプリング動作時において、前記反転側キャパシタと非反転側キャパシタのうち少なくとも1つのキャパシタに入力電圧を印加するとともに残るキャパシタに所定の電荷を設定し、ホールド動作時において、少なくとも一対の反転側キャパシタと非反転側キャパシタをそれぞれ前記オペアンプの非反転出力端子と反転出力端子に接続するとともに残る前記反転側キャパシタと非反転側キャパシタのうち少なくとも1つのキャパシタに入力電圧を印加するように制御する制御回路とを備え、
サンプリング動作時に入力電圧が印加されるキャパシタの総容量値とホールド動作時に入力電圧が印加されるキャパシタの総容量値とが実質的に等しく設定され(第1条件)、
サンプリング動作時に入力電圧が印加される反転側キャパシタの総容量値とホールド動作時に入力電圧が印加される非反転側キャパシタの総容量値との加算値と、サンプリング動作時に入力電圧が印加される非反転側キャパシタの総容量値とホールド動作時に入力電圧が印加される反転側キャパシタの総容量値との加算値とが実質的に異なるように設定され(第5条件)、
Nを正の値とした場合、ホールド動作時において前記オペアンプの非反転出力端子と反転出力端子にそれぞれ接続される前記少なくとも一対の反転側キャパシタと非反転側キャパシタの容量値が、(サンプリング動作時に入力電圧が印加される反転側キャパシタの総容量値−サンプリング動作時に入力電圧が印加される非反転側キャパシタの総容量値−ホールド動作時に入力電圧が印加される反転側キャパシタの総容量値+ホールド動作時に入力電圧が印加される非反転側キャパシタの総容量値)×(N/2)に実質的に等しくなるように設定されている(第4条件)ことを特徴とするサンプルホールド回路。
A band-limited input voltage sample and hold circuit,
An operational amplifier that differentially outputs the held voltage;
A plurality of inverting capacitors connected to the inverting input terminal of the operational amplifier;
A plurality of non-inverting capacitors connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier and having the same capacitance value as each of the inverting capacitors that form a pair;
At the time of an input voltage sampling operation, an input voltage is applied to at least one of the inverting side capacitor and the non-inverting side capacitor, a predetermined charge is set in the remaining capacitor, and at least a pair of inverting sides is set during a holding operation. Control for connecting the capacitor and the non-inverting capacitor to the non-inverting output terminal and the inverting output terminal of the operational amplifier, respectively, and controlling the input voltage to be applied to at least one of the remaining inverting and non-inverting capacitors. With circuit,
The total capacitance value of the capacitor to which the input voltage is applied during the sampling operation is set to be substantially equal to the total capacitance value of the capacitor to which the input voltage is applied during the hold operation (first condition),
The sum of the total capacitance value of the inverting capacitor to which the input voltage is applied during the sampling operation and the total capacitance value of the non-inverting capacitor to which the input voltage is applied during the hold operation, and the non-input to which the input voltage is applied during the sampling operation The sum value of the total capacitance value of the inverting side capacitor and the total capacitance value of the inverting side capacitor to which the input voltage is applied during the hold operation is set to be substantially different (fifth condition),
When N is a positive value, the capacitance values of the at least one pair of inverting and non-inverting capacitors respectively connected to the non-inverting output terminal and the inverting output terminal of the operational amplifier during the hold operation are (at the time of the sampling operation) Total capacitance value of inversion side capacitor to which input voltage is applied-Total capacitance value of non-inversion side capacitor to which input voltage is applied during sampling operation-Total capacitance value of inversion side capacitor to which input voltage is applied during hold operation + Hold A sample-and-hold circuit characterized by being set to be substantially equal to (the total capacitance value of the non-inversion side capacitor to which an input voltage is applied during operation) × (N / 2) (fourth condition).
帯域が制限された入力電圧のサンプルホールド回路であって、
ホールドした電圧を差動出力するオペアンプと、
このオペアンプの反転入力端子に接続された複数の反転側キャパシタと、
前記オペアンプの非反転入力端子に接続され、それぞれ対をなす前記各反転側キャパシタと同じ容量値を持つ複数の非反転側キャパシタと、
入力電圧のサンプリング動作時において、前記反転側キャパシタと非反転側キャパシタのうち少なくとも1つのキャパシタに入力電圧を印加するとともに残るキャパシタに所定の電荷を設定し、ホールド動作時において、少なくとも一対の反転側キャパシタと非反転側キャパシタをそれぞれ前記オペアンプの非反転出力端子と反転出力端子に接続するとともに残る前記反転側キャパシタと非反転側キャパシタのうち少なくとも1つのキャパシタに入力電圧を印加するように制御する制御回路とを備え、
サンプリング動作時に入力電圧が印加されるキャパシタの総容量値とホールド動作時に入力電圧が印加されるキャパシタの総容量値とが実質的に等しく設定され(第1条件)、
サンプリング動作時に入力電圧が印加される反転側キャパシタの総容量値とホールド動作時に入力電圧が印加される反転側キャパシタの総容量値とが実質的に異なるように設定され(第5A条件)、
サンプリング動作時に入力電圧が印加される非反転側キャパシタの総容量値とホールド動作時に入力電圧が印加される非反転側キャパシタの総容量値とが実質的に異なるように設定され(第5B条件)、
Nを正の値とした場合、ホールド動作時において前記オペアンプの非反転出力端子と反転出力端子にそれぞれ接続される前記少なくとも一対の反転側キャパシタと非反転側キャパシタの容量値が、(サンプリング動作時に入力電圧が印加される反転側キャパシタの総容量値−サンプリング動作時に入力電圧が印加される非反転側キャパシタの総容量値−ホールド動作時に入力電圧が印加される反転側キャパシタの総容量値+ホールド動作時に入力電圧が印加される非反転側キャパシタの総容量値)×(N/2)に実質的に等しくなるように設定されている(第4条件)ことを特徴とするサンプルホールド回路。
A band-limited input voltage sample and hold circuit,
An operational amplifier that differentially outputs the held voltage;
A plurality of inverting capacitors connected to the inverting input terminal of the operational amplifier;
A plurality of non-inverting capacitors connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier and having the same capacitance value as each of the inverting capacitors that form a pair;
At the time of an input voltage sampling operation, an input voltage is applied to at least one of the inverting side capacitor and the non-inverting side capacitor, a predetermined charge is set in the remaining capacitor, and at least a pair of inverting sides is set during a holding operation. Control for connecting the capacitor and the non-inverting capacitor to the non-inverting output terminal and the inverting output terminal of the operational amplifier, respectively, and controlling the input voltage to be applied to at least one of the remaining inverting and non-inverting capacitors. With circuit,
The total capacitance value of the capacitor to which the input voltage is applied during the sampling operation is set to be substantially equal to the total capacitance value of the capacitor to which the input voltage is applied during the hold operation (first condition),
The total capacitance value of the inverting side capacitor to which the input voltage is applied during the sampling operation and the total capacitance value of the inverting side capacitor to which the input voltage is applied during the holding operation are set to be substantially different (fifth A condition)
The total capacitance value of the non-inversion side capacitor to which the input voltage is applied during the sampling operation is set to be substantially different from the total capacitance value of the non-inversion side capacitor to which the input voltage is applied during the hold operation (Condition 5B) ,
When N is a positive value, the capacitance values of the at least one pair of inverting and non-inverting capacitors respectively connected to the non-inverting output terminal and the inverting output terminal of the operational amplifier during the hold operation are (at the time of the sampling operation) Total capacitance value of inversion side capacitor to which input voltage is applied-Total capacitance value of non-inversion side capacitor to which input voltage is applied during sampling operation-Total capacitance value of inversion side capacitor to which input voltage is applied during hold operation + Hold A sample-and-hold circuit characterized by being set to be substantially equal to (the total capacitance value of the non-inversion side capacitor to which an input voltage is applied during operation) × (N / 2) (fourth condition).
前記入力電圧が反転入力電圧と非反転入力電圧とからなる差動入力電圧の場合、
当該反転入力電圧と非反転入力電圧のそれぞれについて前記第3条件が満たされるとともに、
サンプリング動作時に非反転入力電圧が印加される反転側キャパシタの総容量値から非反転入力電圧が印加される非反転側キャパシタの総容量値を減算した値と、反転入力電圧が印加される非反転側キャパシタの総容量値から反転入力電圧が印加される反転側キャパシタの総容量値を減算した値とが実質的に等しく設定され(第6条件)、
ホールド動作時において前記オペアンプの非反転出力端子と反転出力端子にそれぞれ接続される前記少なくとも一対の反転側キャパシタと非反転側キャパシタの容量値が、(サンプリング動作時に非反転入力電圧が印加される反転側キャパシタの総容量値−サンプリング動作時に非反転入力電圧が印加される非反転側キャパシタの総容量値−ホールド動作時に非反転入力電圧が印加される反転側キャパシタの総容量値+ホールド動作時に非反転入力電圧が印加される非反転側キャパシタの総容量値)×(N/2)に実質的に等しくなるように設定されている(第7条件)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。
When the input voltage is a differential input voltage composed of an inverting input voltage and a non-inverting input voltage,
The third condition is satisfied for each of the inverting input voltage and the non-inverting input voltage,
The value obtained by subtracting the total capacitance value of the non-inverting side capacitor to which the non-inverting input voltage is applied from the total capacitance value of the inverting side capacitor to which the non-inverting input voltage is applied during the sampling operation, and the non-inverting mode to which the inverting input voltage is applied. A value obtained by subtracting the total capacitance value of the inverting side capacitor to which the inverting input voltage is applied from the total capacitance value of the side capacitor is set to be substantially equal (sixth condition),
The capacitance values of the at least one pair of inverting and non-inverting capacitors connected to the non-inverting output terminal and the inverting output terminal of the operational amplifier at the time of the hold operation are (the inversion to which the non-inverting input voltage is applied during the sampling operation). The total capacitance value of the non-inverting input voltage to which the non-inverting input voltage is applied during the sampling operation-The total capacitance value of the inverting capacitor to which the non-inverting input voltage is applied during the holding operation + 2. The sample according to claim 1, wherein the sample is set so as to be substantially equal to (total capacitance value of non-inversion side capacitor to which inverting input voltage is applied) × (N / 2) (seventh condition). Hold circuit.
前記入力電圧が反転入力電圧と非反転入力電圧とからなる差動入力電圧の場合、
当該反転入力電圧と非反転入力電圧のそれぞれについて前記第3条件が満たされるとともに、
サンプリング動作時に非反転入力電圧が印加される反転側キャパシタの総容量値から非反転入力電圧が印加される非反転側キャパシタの総容量値を減算した値と、反転入力電圧が印加される非反転側キャパシタの総容量値から反転入力電圧が印加される反転側キャパシタの総容量値を減算した値とが実質的に等しく設定され(第6条件)、
ホールド動作時において前記オペアンプの非反転出力端子と反転出力端子にそれぞれ接続される前記少なくとも一対の反転側キャパシタと非反転側キャパシタの容量値が、−(サンプリング動作時に反転入力電圧が印加される反転側キャパシタの総容量値−サンプリング動作時に反転入力電圧が印加される非反転側キャパシタの総容量値−ホールド動作時に反転入力電圧が印加される反転側キャパシタの総容量値+ホールド動作時に反転入力電圧が印加される非反転側キャパシタの総容量値)×(N/2)に実質的に等しくなるように設定されている(第7条件)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。
When the input voltage is a differential input voltage composed of an inverting input voltage and a non-inverting input voltage,
The third condition is satisfied for each of the inverting input voltage and the non-inverting input voltage,
The value obtained by subtracting the total capacitance value of the non-inverting side capacitor to which the non-inverting input voltage is applied from the total capacitance value of the inverting side capacitor to which the non-inverting input voltage is applied during the sampling operation, and the non-inverting mode to which the inverting input voltage is applied. A value obtained by subtracting the total capacitance value of the inverting side capacitor to which the inverting input voltage is applied from the total capacitance value of the side capacitor is set to be substantially equal (sixth condition),
The capacitance value of the at least one pair of inverting and non-inverting capacitors connected to the non-inverting output terminal and the inverting output terminal of the operational amplifier at the time of the hold operation is − (inversion to which the inverting input voltage is applied during the sampling operation). -Capacitor side capacitance-total capacitance value of non-inversion side capacitor to which inverted input voltage is applied during sampling operation-total capacitance value of inverted side capacitor to which inverted input voltage is applied during hold operation + inverted input voltage during hold operation 2. The sample-and-hold circuit according to claim 1, wherein the sample-and-hold circuit is set so as to be substantially equal to (total capacitance value of non-inversion side capacitors to which N is applied) × (N / 2) (seventh condition).
反転入力電圧と非反転入力電圧のそれぞれについて、ホールド動作時に入力電圧が印加される反転側キャパシタの総容量値と非反転側キャパシタの総容量値とが実質的に等しく設定されていること(第2条件)を特徴とする請求項6または7記載のサンプルホールド回路。   For each of the inverting input voltage and the non-inverting input voltage, the total capacitance value of the inverting side capacitor to which the input voltage is applied during the hold operation and the total capacitance value of the non-inverting side capacitor are set to be substantially equal (first 8. The sample-and-hold circuit according to claim 6 or 7, characterized by two conditions). 反転入力電圧と非反転入力電圧のそれぞれについて、サンプリング動作時に入力電圧が印加されるキャパシタの総容量値とホールド動作時に入力電圧が印加されるキャパシタの総容量値とが実質的に等しく設定されていること(第1条件)を特徴とする請求項8記載のサンプルホールド回路。   For each of the inverting input voltage and the non-inverting input voltage, the total capacitance value of the capacitor to which the input voltage is applied during the sampling operation is set to be substantially equal to the total capacitance value of the capacitor to which the input voltage is applied during the hold operation. 9. The sample hold circuit according to claim 8, wherein the sample hold circuit is a first condition. 入力電圧のサンプリング動作時において、前記オペアンプをボルテージフォロアとして動作させることにより、前記オペアンプの反転入力端子と非反転入力端子を所定電圧にバイアスすることを特徴とする請求項1ないし9の何れかに記載のサンプルホールド回路。   10. The inverting input terminal and non-inverting input terminal of the operational amplifier are biased to a predetermined voltage by operating the operational amplifier as a voltage follower during an input voltage sampling operation. The sample-and-hold circuit described. ホールド動作時において前記オペアンプの非反転出力端子と反転出力端子にそれぞれ接続される前記少なくとも一対の反転側キャパシタと非反転側キャパシタは、容量値を変更可能に構成されていることを特徴とする請求項1ないし10の何れかに記載のサンプルホールド回路。   The capacitance value of the at least one pair of inversion-side capacitors and non-inversion-side capacitors respectively connected to the non-inversion output terminal and the inversion output terminal of the operational amplifier during a hold operation can be changed. Item 11. The sample and hold circuit according to any one of Items 1 to 10. 請求項1ないし11の何れかに記載のサンプルホールド回路を備え、当該サンプルホールド回路が有する制御回路は、サンプリング動作時において、反転側キャパシタと非反転側キャパシタのうち少なくとも1つのキャパシタに入力電圧を印加するとともに、他の少なくとも1つのキャパシタに入力デジタル値に応じて設定されるDAC電圧を印加するように制御することを特徴とするマルチプライングD/Aコンバータ。   12. The sample-and-hold circuit according to claim 1, wherein the sample-and-hold circuit has an input voltage applied to at least one of the inverting side capacitor and the non-inverting side capacitor during the sampling operation. A multiplying D / A converter characterized by applying and controlling a DAC voltage set in accordance with an input digital value to at least one other capacitor. 入力電圧をその大きさに応じた入力デジタル値にA/D変換するサブA/Dコンバータと、請求項12記載のマルチプライングD/Aコンバータとを有し、前記入力電圧を1/N倍した値と前記入力デジタル値のD/A変換値との差電圧を2倍して残余電圧を出力する単位変換回路を備え、
前記単位変換回路から出力される残余電圧を前記単位変換回路に入力して新たな残余電圧を得る動作を必要回数だけ実行することによりA/D変換対象電圧のA/D変換コードを生成することを特徴とするA/Dコンバータ。
13. A sub A / D converter for A / D converting an input voltage into an input digital value corresponding to the magnitude thereof, and a multiplying D / A converter according to claim 12, wherein the input voltage is multiplied by 1 / N. A unit conversion circuit that outputs a residual voltage by doubling a difference voltage between the obtained value and the D / A conversion value of the input digital value;
An A / D conversion code for an A / D conversion target voltage is generated by performing an operation of inputting a residual voltage output from the unit conversion circuit to the unit conversion circuit and obtaining a new residual voltage as many times as necessary. A / D converter characterized by the above.
前記単位変換回路を複数備え、それらが直列に接続されていることを特徴とする請求項13記載のA/Dコンバータ。   14. The A / D converter according to claim 13, wherein a plurality of the unit conversion circuits are provided and connected in series. 前記単位変換回路から出力される残余電圧を当該単位変換回路の入力電圧として順次巡回させる構成を備えていることを特徴とする請求項13記載のA/Dコンバータ。   14. The A / D converter according to claim 13, further comprising a configuration in which a residual voltage output from the unit conversion circuit is sequentially circulated as an input voltage of the unit conversion circuit. 前記A/D変換対象電圧を前記単位変換回路に入力して最初の残余電圧を得る際にのみ、前記単位変換回路は、前記入力電圧を1/N倍した値と前記入力デジタル値のD/A変換値との差電圧を2倍して残余電圧を出力し、前記残余電圧を前記単位変換回路に入力して新たな残余電圧を得る際には、前記単位変換回路は、前記入力電圧と前記入力デジタル値のD/A変換値との差電圧を2倍して残余電圧を出力することを特徴とする請求項13ないし15の何れかに記載のA/Dコンバータ。   Only when the A / D conversion target voltage is input to the unit conversion circuit to obtain the first residual voltage, the unit conversion circuit can calculate the value obtained by multiplying the input voltage by 1 / N and the D / D of the input digital value. When the difference voltage from the A conversion value is doubled to output a residual voltage and the residual voltage is input to the unit conversion circuit to obtain a new residual voltage, the unit conversion circuit 16. The A / D converter according to claim 13, wherein a difference voltage between the input digital value and a D / A conversion value is doubled to output a residual voltage.
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