JP4520177B2 - Signal processing circuit - Google Patents
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Description
本発明は、離散時間の信号処理を高速に行う信号処理回路に関し、特に、スイッチトキャパシタ回路を含み、その信号処理精度の改善を図るようにした信号処理回路に関するものである。 The present invention relates to a signal processing circuit that performs discrete-time signal processing at high speed, and more particularly to a signal processing circuit that includes a switched capacitor circuit to improve the signal processing accuracy.
この種の信号処理回路において、離散時間の信号処理を行う上で、MOSトランジスタなどのスイッチング素子に起因する非線形性を低減することが望まれる。この低減を図るようにした従来の信号処理回路としては、図8に示すような従来回路(非特許文献1参照)、または図9に示すような従来回路(非特許文献2参照)などが知られている。
図8に示す従来回路は、スイッチトキャパシタ回路1と、このスイッチトキャパシタ回路1の入出力側にそれぞれ接続されるソースフォロワ回路2、3とを備えている。
In this type of signal processing circuit, it is desired to reduce non-linearity caused by switching elements such as MOS transistors when performing discrete-time signal processing. As a conventional signal processing circuit designed to reduce this, a conventional circuit as shown in FIG. 8 (see Non-Patent Document 1) or a conventional circuit as shown in FIG. 9 (see Non-Patent Document 2) is known. It has been.
The conventional circuit shown in FIG. 8 includes a switched capacitor circuit 1 and
スイッチトキャパシタ回路1は、N型のMOSトランジスタM1およびP型のMOSトランジスタM2からなる相補スイッチと、キャパシタC1とからなる。そして、その両MOSトランジスタM1,M2の各ゲートには、クロック信号CLKが供給されるようになっている。また、ソースフォロワ回路2は、MOSトランジスタM3と定電流源I1とからなる。さらに、ソースフォロワ回路3は、MOSトランジスタM4と定電流源I2とからなる。
The switched capacitor circuit 1 includes a complementary switch including an N-type MOS transistor M1 and a P-type MOS transistor M2, and a capacitor C1. A clock signal CLK is supplied to the gates of the MOS transistors M1 and M2. The
このような構成からなる図8の従来回路では、クロックCLKがHレベルのときにはMOSトランジスタM1がオンすると同時にMOSトランジスタM2がオフし、クロックCLKがLレベルのときにはMOSトランジスタM1がオフすると同時にMOSトランジスタM2がオンする。
ここで、ソースフォロワ回路2の出力インピーダンスをZout、ソースフォロワ3の入力インピーダンスをZin、MOSトランジスタM1からみたソースフォロワ回路2側のインピーダンスをZ1、MOSトランジスタM1からみたソースフォロワ回路3側のインピーダンスをZ2、クロックCLKの周波数をf1と定義する。
In the conventional circuit of FIG. 8 having such a configuration, when the clock CLK is at the H level, the MOS transistor M1 is turned on and at the same time the MOS transistor M2 is turned off. When the clock CLK is at the L level, the MOS transistor M1 is turned off and at the same time M2 turns on.
Here, the output impedance of the
そうすると、理想的なソースフォロワ回路の条件Zout=0,Zin=∞であることから、インピーダンスZ1,Z2は次式のようになる。
Z1=Zout≒0・・・(1)
Z2=(1/(2×π×f1×C1))//Zin≒1/(2×π×f1×C1)・・・(2)
Then, since conditions Zout = 0 and Zin = ∞ of an ideal source follower circuit, impedances Z1 and Z2 are expressed by the following equations.
Z1 = Zout≈0 (1)
Z2 = (1 / (2 × π × f1 × C1)) // Zin≈1 / (2 × π × f1 × C1) (2)
この条件の下で、MOSトランジスタM1がオフとなり、MOSトランジスタM1に溜まっていた電荷Qのうち、Q/2がソースフォロワ回路2側に吐き出され、残りのQ/2がソースフォロワ回路3側に吐き出されたものとする。この場合、インピーダンスZ1がゼロであるソースフォロワ回路2側の電位V1は変化しないが、インピーダンスZ2が高いソースフォロワ回路3側の電位V2は、次式のようになる。
V2=(Q/2)/C1=Q/(2×1)・・・(3)
Under this condition, the MOS transistor M1 is turned off, and of the charge Q accumulated in the MOS transistor M1, Q / 2 is discharged to the
V2 = (Q / 2) / C1 = Q / (2 × 1) (3)
この電位の変化が非直線性の原因である。そこで、図8の従来回路では、MOSトランジスタM1のゲートと相補の関係にあるMOSトランジスタM2のゲートとを短絡し、その端子に同相のクロックを印加することで、MOSトランジスタM2がMOSトランジスタM1から放出されたQ/2の電荷を吸収、またはMOSトランジスタM1が吸収する電荷をMOSトランジスタM2に放出させ、上記の影響を相殺している。 This change in potential is the cause of nonlinearity. Therefore, in the conventional circuit of FIG. 8, the gate of the MOS transistor M2 that is complementary to the gate of the MOS transistor M1 is short-circuited, and a common-phase clock is applied to the terminal thereof, so that the MOS transistor M2 The discharged Q / 2 charge is absorbed, or the charge absorbed by the MOS transistor M1 is discharged to the MOS transistor M2, thereby canceling the above effect.
図9に示す従来回路は、スイッチトキャパシタ回路11と、スイッチトキャパシタ回路11を挟んで形成されるカレントミラー回路12とを備えている。
スイッチトキャパシタ回路11は、N型のMOSトランジスタM11、M12と、キャパシタC1とからなる。そして、その両MOSトランジスタM11,M12の各ゲートには、図10に示すような相補の関係にあるクロック信号CLK、/CLKが供給されるようになっている。
The conventional circuit shown in FIG. 9 includes a switched
The switched
カレントミラー回路12は、N型のMOSトランジスタM13とN型のMOSトランジスタM14とから構成される。MOSトランジスタM13、M14には、適当なバイアス電流を供給する定電流源I11,I12がそれぞれ直列に接続されている。
このような構成からなる図9の従来回路では、クロックCLK,/CLKがHレベルのときにはMOSトランジスタM11,M12がオンし、クロックCLK,/CLKがLレベルのときにはMOSトランジスタM11,M12がオフする。
The
9, the MOS transistors M11 and M12 are turned on when the clocks CLK and / CLK are at the H level, and the MOS transistors M11 and M12 are turned off when the clocks CLK and / CLK are at the L level. .
ここで、MOSトランジスタM11から見たMOSトランジスタM13側のインピーダンスをZ1、MOSトランジスタM11から見たMOSトランジスタM14側のインピーダンスをZ2、そしてクロックCLK,/CLKの周波数をf2と定義する。
この場合に、MOSトランジスタM13,M14を理想的なMOSトランジスタであると仮定すれば、MOSトランジスタM13のゲートから見たインピーダンスは、ダイオード接続のため1/gm、MOSトランジスタM14のそれは∞となる。ここで、gmはMOSトランジスタM13の相互コンダクタンスである。
Here, the impedance on the MOS transistor M13 side viewed from the MOS transistor M11 is defined as Z1, the impedance on the MOS transistor M14 side viewed from the MOS transistor M11 is defined as Z2, and the frequencies of the clocks CLK and / CLK are defined as f2.
In this case, assuming that the MOS transistors M13 and M14 are ideal MOS transistors, the impedance viewed from the gate of the MOS transistor M13 is 1 / gm due to diode connection, and that of the MOS transistor M14 is ∞. Here, gm is the mutual conductance of the MOS transistor M13.
この結果、インピーダンスZ1,Z2は次式のようになる。
Z1=1/gm・・・(4)
Z2=1/(2×π×f2×C1)・・・(5)
この条件の下で、MOSトランジスタM11がオフとなり、MOSトランジスタM11に溜まっていた電荷Qのうち、Q/2がMOSトランジスタM13側に放出され、残りのQ/2がMOSトランジスタM14側に吐き出されたものとすると、端子13、14の電圧変動は式(4)(5)に示すインピーダンスZ1,Z2のみに依存する。
As a result, the impedances Z1 and Z2 are as follows.
Z1 = 1 / gm (4)
Z2 = 1 / (2 × π × f2 × C1) (5)
Under this condition, the MOS transistor M11 is turned off, and of the charge Q accumulated in the MOS transistor M11, Q / 2 is discharged to the MOS transistor M13 side, and the remaining Q / 2 is discharged to the MOS transistor M14 side. As a result, the voltage fluctuations at the
MOSトランジスタM13,M14を飽和領域で使用するものと仮定すれば、相互コンダクタンスgmは10-3〜10-5程度、周波数f2は103 〜106 程度、キャパシタC1の容量値C1はC1<10-12 程度である。
これによって、MOSトランジスタM13の電圧変動は、MOSトランジスタM11の電圧変動に比べて無視しうることがわかる。このため、MOSトランジスタM11から供給されるQ/2の電荷を、MOSトランジスタM11の半分の大きさのMOSトランジスタM12を相補クロックでオン/オフさせることで相殺することができる。
Assuming that the MOS transistors M13 and M14 are used in the saturation region, the mutual conductance gm is about 10 −3 to 10 −5 , the frequency f2 is about 10 3 to 10 6 , and the capacitance value C1 of the capacitor C1 is C1 <10. About -12 .
Accordingly, it can be understood that the voltage fluctuation of the MOS transistor M13 can be ignored as compared with the voltage fluctuation of the MOS transistor M11. For this reason, the charge of Q / 2 supplied from the MOS transistor M11 can be canceled by turning on / off the MOS transistor M12 having half the size of the MOS transistor M11 with a complementary clock.
以上の説明からわかるように、図8および図9の従来回路では、シグナルパスに直列に挿入されているスイッチからみた左右のインピーダンスが大きく異なる場合に有効であることがわかる。
なお、図9の従来回路にクロックCLK,/CLKを供給する回路として、図11に示すようなノンオーバラップクロック発生回路が知られている(非特許文献3参照)。
As can be seen from the above description, the conventional circuits of FIGS. 8 and 9 are effective when the left and right impedances seen from the switches inserted in series in the signal path are greatly different.
As a circuit for supplying clocks CLK and / CLK to the conventional circuit of FIG. 9, a non-overlapping clock generation circuit as shown in FIG. 11 is known (see Non-Patent Document 3).
図11に示すクロック発生回路は、ノア回路21,22と、インバータ31〜39とからなる。ノア回路21とインバータ31に、デューティが50%のクロック信号Aがそれぞれ入力されるようになっている。また、ノア回路21の出力は、インバータ32〜35を介して出力CLKBとして取り出すとともに、ノア回路22に入力されるようになっている。さらに、ノア回路22の出力は、インバータ36〜39を介して出力CLKAとして取り出すとともに、ノア回路21に入力されるようになっている。
The clock generation circuit shown in FIG. 11 includes
このような構成により、ノア回路22の出力は、クロック信号Aのノア回路21およびインバータ32〜35による伝搬遅延と、クロック信号Aのインバータ31の伝搬遅延との遅延差だけ、Hレベルの期間が短くなる。従って、クロックCLKAは、Hレベルの期間がLレベルの期間よりも短くなる。
これと同様のことが、ノア回路22およびインバータ36〜39の系においても起こり、クロックCLKBは、Hレベルの期間がLレベルの期間よりも短くなる。
With such a configuration, the output of the
The same thing occurs in the system of the
従って、図11のクロック発生回路では、クロックCLKAとクロックCLKBとは互いに帰還系の中にあり、両者の位相関係は一意に決まり、そのHレベルの期間は重なることはない。
ところが、図8および図9の従来回路では、高速(特にGHz帯)での離散時間信号の処理を行う場合には、上記のようにスイッチング素子に起因する非線形性の影響を十分に低減できず、高精度のアナログ信号処理を行うことができないという不具合がある。
そこで、本発明の目的は、上記の点に鑑み、高速での離散時間信号の処理を行う場合に、スイッチング素子に起因する非線形性の影響を低減し、高精度のアナログ信号処理を行うことができるようにした信号処理回路を提供することにある。
However, the conventional circuits of FIGS. 8 and 9 cannot sufficiently reduce the influence of non-linearity caused by the switching element as described above when processing discrete time signals at high speed (especially in the GHz band). There is a problem that high-accuracy analog signal processing cannot be performed.
Therefore, in view of the above points, an object of the present invention is to reduce the influence of nonlinearity caused by a switching element and perform high-precision analog signal processing when processing discrete-time signals at high speed. An object of the present invention is to provide a signal processing circuit which can be used.
上記課題を解決して本発明の目的を達成するために、本発明者は、従来考慮されていなかった、スイッチング素子のインピーダンス、およびそのスイッチング素子の前後に位置する増幅器の入出力インピーダンスのバランスに着目し、スイッチング素子から発せられる電荷の影響が低周波でいう低インピーダンス側にも寄与するということを見出した。
そして、この知見に基づき、請求項1〜請求項5に係る各発明を完成させ、その各発明の構成は以下の通りである。
In order to solve the above-described problems and achieve the object of the present invention, the present inventor has made a balance between the impedance of a switching element and the input / output impedance of an amplifier located before and after the switching element, which has not been considered in the past. Focusing attention, the inventors have found that the influence of electric charges emitted from the switching element contributes to the low impedance side at low frequencies.
And based on this knowledge, each invention which concerns on Claims 1-5 is completed, and the structure of each invention is as follows.
すなわち、請求項1に係る発明は、入力端子と共通接続部との間に直列に接続されるスイッチング用の第1トランジスタおよびキャパシタと、前記第1トランジスタの両端にそれぞれ配置される第2トランジスタおよび第3トランジスタと、前記入力端子に接続される第4トランジスタを含み、前記入力端子に信号を供給する第1ソースフォロワ回路と、前記第1トランジスタと前記キャパシタとの共通接続部の電圧を入力電圧として所定の動作を行う第5トランジスタを含む第2ソースフォロワ回路と、を備え、前記第2および第3トランジスタは、そのドレインとソースとをそれぞれ共通接続させ、その各共通接続部を前記第1トランジスタのソースとドレインにそれぞれ接続させ、かつ、前記第1トランジスタのゲートと、前記第2および第3トランジスタの両ゲートとには、逆相の2値信号をそれぞれ供給するようになっている。 That is, the invention according to claim 1 is the first transistor and the capacitor for switching connected in series between the input terminal and the common connection portion, the second transistor disposed at both ends of the first transistor, and A voltage at a common connection between the first transistor and the capacitor, and a first source follower circuit that includes a third transistor and a fourth transistor connected to the input terminal and supplies a signal to the input terminal. A second source follower circuit including a fifth transistor that performs a predetermined operation as the second and third transistors, the drain and source of the second and third transistors are connected in common, and the common connection portion is connected to the first transistor. Connected to the source and drain of the transistor, respectively, and the gate of the first transistor and the second Beauty third to the gates of both transistors are made a binary signal of opposite phase to supply respectively.
請求項2に係る発明は、入力端子と共通接続部との間に直列に接続されるスイッチング用の第1トランジスタおよびキャパシタと、前記第1トランジスタの両端にそれぞれ配置される第2トランジスタおよび第3トランジスタと、前記入力端子に接続される第4トランジスタと、前記第1トランジスタと前記キャパシタとの共通接続部を出力端子とし、この出力端子に接続される第5トランジスタと、を備え、前記第2および第3トランジスタは、そのドレインとソースとをそれぞれ共通接続させ、その各共通接続部を前記第1トランジスタのソースとドレインにそれぞれ接続させ、前記第1トランジスタのゲートと、前記第2および第3トランジスの両ゲートとには、逆相の2値信号をそれぞれ供給するようにし、かつ、前記第4トランジスタと前記第5トランジスタとはカレントミラー回路を形成するようにした。
請求項3に係る発明は、請求項1または請求項2に記載の信号処理回路において、前記第2トランジスタおよび前記第3トランジスタは、前記第1トランジスタのオフ時に、その第1トランジスタから放出される電荷をそれぞれ吸収するようになっている。
According to a second aspect of the present invention, there are provided a first transistor and a capacitor for switching connected in series between the input terminal and the common connection portion, a second transistor and a third transistor respectively disposed at both ends of the first transistor. A second transistor connected to the input terminal; a fifth transistor connected to the output terminal; and a second transistor connected to the output terminal. And the third transistor has a drain and a source connected in common, and each common connection is connected to the source and the drain of the first transistor, respectively, the gate of the first transistor, and the second and third transistors Two-phase binary signals are supplied to both gates of the transistors, and the fourth transistor is supplied. Data and said fifth transistor so as to form a current mirror circuit.
According to a third aspect of the present invention, in the signal processing circuit according to the first or second aspect, the second transistor and the third transistor are emitted from the first transistor when the first transistor is off. Each charge is absorbed.
請求項4に係る発明は、請求項1乃至請求項3のうちのいずれかに記載の信号処理回路において、前記2値信号を生成するクロック生成回路をさらに備え、このクロック生成回路は、電源ラインと共通接続ラインとの間に直列に接続される第6トランジスタおよび第7トランジスタと、前記電源ラインと前記共通接続ラインとの間に直列に接続される第8トランジスタおよび第9トランジスタと、を備え、前記第6トランジスタのゲートにはクロック信号を入力させ、前記第8トランジスタのゲートには前記クロック信号の反転信号を入力させ、前記第6トランジスタと前記第7トランジスタとの共通接続部から第1出力信号を取り出すとともに、その第1出力信号を前記第9トランジスタのゲートに供給し、かつ、第8トランジスタと前記第9トランジスタとの共通接続部から第2出力信号を取り出すとともに、その第2出力信号を前記第7トランジスタのゲートに供給するようにした。
請求項5に係る発明は、請求項1乃至請求項4のうちのいずれかに記載の信号処理回路において、前記2値信号の周波数が、100〔MHz〕以上10〔GHz〕の範囲である。
According to a fourth aspect of the present invention, the signal processing circuit according to any one of the first to third aspects further includes a clock generation circuit that generates the binary signal, and the clock generation circuit includes a power supply line. A sixth transistor and a seventh transistor connected in series between the power supply line and the common connection line, and an eighth transistor and a ninth transistor connected in series between the power supply line and the common connection line. The clock signal is input to the gate of the sixth transistor, the inverted signal of the clock signal is input to the gate of the eighth transistor, and the first connection is made from the common connection between the sixth transistor and the seventh transistor. It takes out an output signal, and supplies the first output signal to a gate of said ninth transistor and said eighth transistor From the common connection of the ninth transistor is taken out of the second output signal and the second output signal is supplied to the gate of the seventh transistor.
According to a fifth aspect of the present invention, in the signal processing circuit according to any one of the first to fourth aspects, the frequency of the binary signal is in the range of 100 [MHz] to 10 [GHz].
このような構成からなる本発明によれば、高速での離散時間信号の処理を行う場合には、スイッチング素子に起因する非線形性の影響を低減し、高精度のアナログ信号処理を行うことができる。 According to the present invention having such a configuration, when high-speed discrete-time signal processing is performed, it is possible to reduce the influence of non-linearity due to the switching element and perform high-precision analog signal processing. .
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態の信号処理回路の構成を図1に示す。
この第1実施形態に係る信号処理回路は、図1に示すように、スイッチトキャパシタ回路41と、このスイッチトキャパシタ回路41の入力側と出力側にそれぞれ接続されるソースフォロワ回路42、43とを備えている。
スイッチトキャパシタ回路41は、スイッチング素子であるN型のMOSトランジスタM41と、キャパシタ(容量素子)C1と、N型のMOSトランジスタM42、M43とを備えている。そして、MOSトランジスタM41とキャパシタC1とは、ソースフォロワ回路42の出力端子44と共通接続ライン(共通接続部)45との間に、直列に接続されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 shows the configuration of the signal processing circuit according to the first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the signal processing circuit according to the first embodiment includes a switched
The switched
また、MOSトランジスタM41の両端に、補助用のMOSトランジスタM42,M43が、MOSトランジスタM41を挟んで左右対称に配置されている。この両MOSトランジスタM42,M43は、MOSトランジスタM41のオフ時に、そのMOSトランジスタM41のソース側およびドレイン側から放出される各電荷をそれぞれ吸収するようになっている。 In addition, auxiliary MOS transistors M42 and M43 are arranged at both ends of the MOS transistor M41 symmetrically with the MOS transistor M41 interposed therebetween. Both the MOS transistors M42 and M43 absorb the electric charges discharged from the source side and the drain side of the MOS transistor M41 when the MOS transistor M41 is turned off, respectively.
さらに具体的に説明すると、MOSトランジスタM41は、そのソースがソースフォロワ回路42の出力端子44に接続され、そのドレインがキャパシタC1の一端に接続されるとともにソースフォロワ回路43を構成するMOSトランジスタM45のゲートに接続されている。また、MOSトランジスタM42は、そのソースとそのドレインとが共通接続され、その共通接続部がMOSトランジスタM41のソースに接続されている。さらに、MOSトランジスタM43は、そのソースとそのドレインとが共通接続され、その共通接続部がMOSトランジスタM41のドレインに接続されている。キャパシタC1の他端は、共通接続ライン45に接続されている。
More specifically, the source of the MOS transistor M41 is connected to the
MOSトランジスタM41は、そのゲートにクロックCLKが供給され、オンオフ制御されるようになっている。また、MOSトランジスタM42,M43の各ゲートは共通接続され、その各ゲートには同一のクロック/CLKが供給されるようになっている。すなわち、MOSトランジスタM41のゲートと、MOSトランジスタM42,M43のゲートとには、例えば図10に示すような位相が逆相の2値信号、すなわち、それぞれ極性が反対である2値相補信号であるクロックCLKとクロック/CLKとを、それぞれ供給するようにしている。 The MOS transistor M41 is supplied with a clock CLK at its gate and is controlled to be turned on / off. The gates of the MOS transistors M42 and M43 are connected in common, and the same clock / CLK is supplied to each gate. That is, the gate of the MOS transistor M41 and the gates of the MOS transistors M42 and M43 are, for example, binary signals having opposite phases as shown in FIG. 10, that is, binary complementary signals having opposite polarities, respectively. The clock CLK and the clock / CLK are supplied.
ソースフォロワ回路42は、図1に示すように、N型のMOSトランジスタM44と、このMOSトランジスタM44の負荷となる定電流源I41とからなる。すなわち、MOSトランジスタM44と定電流源I41とが、電源ライン46と共通接続ライン45との間に直列に接続されている。そして、MOSトランジスタM44のゲートに入力信号が供給され、そのソースから出力信号を取り出すようになっている。
As shown in FIG. 1, the
ソースフォロワ回路43は、図1に示すように、P型のMOSトランジスタM45と、このMOSトランジスタM45の負荷となる定電流源I42とからなる。すなわち、定電流源I41とMOSトランジスタM44とが、電源ライン46と共通接続ライン45との間に直列に接続されている。そして、MOSトランジスタM45のゲートにキャパシタC1の両端電圧が入力され、そのソースから出力信号を取り出すようになっている。
As shown in FIG. 1, the
次に、このような構成からなる第1実施形態のMOSトランジスタM42,M43の有用性について、高周波領域における数値例を用いて具体的に説明する。
ここで、高周波領域における、入出力用のソースフォロワ回路42、43のインピーダンスは、低周波領域に比べて、
(1)ソースフォロワ回路42の出力インピーダンスZoutが高くなる。
(2)ソースフォロワ回路43の入力インピーダンスZinが低くなる。
(3)セトリング時間を早くするため、MOSトランジスタM41のオン抵抗Ronと、MOSトランジスタM45の入力容量と寄生容量の総和の容量Csとを小さくする。
また、セトリング時間tsとオン抵抗Ronなどは、次式で関係づけられる。
ts∝(Ron×Cs)・・・(6)
Next, the usefulness of the MOS transistors M42 and M43 of the first embodiment having such a configuration will be specifically described using numerical examples in the high frequency region.
Here, the impedance of the input / output
(1) The output impedance Zout of the
(2) The input impedance Zin of the
(3) In order to shorten the settling time, the ON resistance Ron of the MOS transistor M41 and the total capacitance Cs of the input capacitance and the parasitic capacitance of the MOS transistor M45 are reduced.
The settling time ts and the on-resistance Ron are related by the following equation.
ts∝ (Ron × Cs) (6)
(4)MOSトランジスタM41から非線形効果を軽減したので、MOSトランジスタM41は小さくしたい。これは、オン抵抗Ronを大きくすることと等価である。
(5)容量Csは、ソースフォロワ回路43の入力容量がその主たる部分を占める。これは、キャパシタCsの最小値に制限が加わることになる。
(4) Since the nonlinear effect is reduced from the MOS transistor M41, it is desired to make the MOS transistor M41 small. This is equivalent to increasing the on-resistance Ron.
(5) The capacitance Cs occupies the main part of the input capacitance of the
これらの5つの条件を考慮したときのインピーダンスZin,Zout,Ronの高周波領域での数値例を見積もると以下のようになる。
(高周波領域での数値例)
いま、サンプリングクロックの周波数をf=1〔GHz〕、MOSトランジスタM41のオン抵抗をRon=100〔Ω〕としたときに許される容量値Csの最大値は、次式のようになる。
Cs=(1/(2×π×Ron×f))×(1/2)×(1/3)=2.652×10-13 ・・・(7)
(1/2):セトリングに使えるのはクロックがHレベルの期間、つまりクロックの半周期である。
(1/3):時定数の3倍の時間があれば、信号は99%以上のセトリングができる。
A numerical example of the impedances Zin, Zout, and Ron in the high frequency region when these five conditions are taken into consideration is as follows.
(Numerical example in the high frequency range)
Now, the maximum value of the capacitance value Cs allowed when the sampling clock frequency is f = 1 [GHz] and the on-resistance of the MOS transistor M41 is Ron = 100 [Ω] is expressed by the following equation.
Cs = (1 / (2 × π × Ron × f)) × (1/2) × (1/3) = 2.652 × 10 −13 (7)
(1/2): What can be used for settling is a period when the clock is at the H level, that is, a half cycle of the clock.
(1/3): If the time is three times as long as the time constant, the signal can be settled by 99% or more.
(7)式を参照してソースフォロワ回路43の入力インピーダンスZinを求めると、次式のようになる。
Zin=(1/(2×π×109 ×2.652×10-13 ))=600・・・(8)
また、ソースフォロワ回路42の出力インピーダンスZoutは、概ね数10〜数100〔Ω〕程度になる。MOSトランジスタM41のオン抵抗Ronは、上記のように仮定により100〔Ω〕であり、MOSトランジスタM41の大きさに逆比例する。
When the input impedance Zin of the
Zin = (1 / (2 × π × 10 9 × 2.652 × 10 −13 )) = 600 (8)
Further, the output impedance Zout of the
以上からわるように、インピーダンスZin,Zout,Ronの高周波領域での値は、それぞれ100〔Ω〕近傍の値を示している。
図8に示す従来回路では、スイッチング素子のスイッチング動作(オンオフ動作)に伴う電荷の放出・吸収と、スイッチング素子に接続される回路素子のインピーダンスの高低との相互作用が、非直線性の主たる原因である。
As can be seen from the above, the values of the impedances Zin, Zout, and Ron in the high-frequency region are each in the vicinity of 100 [Ω].
In the conventional circuit shown in FIG. 8, the main cause of nonlinearity is the interaction between the discharge / absorption of charges associated with the switching operation (on / off operation) of the switching element and the impedance level of the circuit element connected to the switching element. It is.
しかし、この第1実施形態では、図1に示すように、MOSトランジスタM41の左右にMOSトランジスタM42,M43を対称に配置させ、スイッチング動作による電荷の再分配、インピーダンスの変動を最小にするようにしたので、高い非線形除去の効果を得ることができる。
ここで、ソースフォロワ回路43の入力インピーダンスZinとソースフォロワ回路42の出力インピーダンスZoutとの関係がZin=Zoutであれば、MOSトランジスタM42とMOSトランジスタM43のトランジスタサイズは同じで良い。
However, in the first embodiment, as shown in FIG. 1, the MOS transistors M42 and M43 are symmetrically arranged on the left and right sides of the MOS transistor M41 so as to minimize charge redistribution and impedance variation due to the switching operation. Therefore, a high nonlinear removal effect can be obtained.
Here, if the relationship between the input impedance Zin of the
なお、実際の回路では、その入力インピーダンスZinと出力インピーダンスZoutの僅かな違いに対してMOSトランジスタM42,M43の大きさを調整することで、性能の最適化を実現できる。この最適化による効果をSpice(電子回路シミュレータ)で検証したところ、10dBの3次歪低減効果が認められた。 In an actual circuit, the performance can be optimized by adjusting the sizes of the MOS transistors M42 and M43 with respect to a slight difference between the input impedance Zin and the output impedance Zout. When the effect of this optimization was verified with Spice (electronic circuit simulator), a third-order distortion reduction effect of 10 dB was recognized.
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態の信号処理回路について、図2を参照して説明する。
第1実施形態の信号処理回路は、図1に示すように、スイッチトキャパシタ回路41の入出力側にソースフォロワ回路42、43をそれぞれ設けたものである。
しかし、第2実施形態の信号処理回路は、スイッチトキャパシタ回路41の入力側に設ける入力回路をソースフォロワ回路に限定することなく、各種の増幅回路を含む一般的な回路とし、この回路から出力される信号をスイッチトキャパシタ回路41が入力信号INとして受け取るようにしたものである。
(Second Embodiment)
Next, a signal processing circuit according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 1, the signal processing circuit of the first embodiment is provided with
However, in the signal processing circuit of the second embodiment, the input circuit provided on the input side of the switched
従って、この第2実施形態は、図2に示すように、図示しない入力回路と、スイッチトキャパシタ回路41と、このスイッチトキャパシタ回路41の出力側に接続されるソースフォロワ回路43とを備え、これらの構成は入力回路を除けば、図1に示す第1実施形態の対応する構成と同じである。このため、同一の構成要素には同一符号を付して、その構成の説明は省略する。
Therefore, as shown in FIG. 2, the second embodiment includes an input circuit (not shown), a switched
このような構成からなる第2実施形態によれば、スイッチトキャパシタ回路41の入力側に設ける入力回路の出力インピーダンスZoutと、ソースフォロワ回路43の入力インピーダンスZinに対して、MOSトランジスタM41のスイッチングによる非線形性の影響を最小にするように、MOSトランジスタM42,M43の大きさを最適化すれば、高精度の信号処理が実現できる。
図2では、スイッチキャパシタ回路41の出力側にソースフォロワ回路43を接続するようにしたが、これに代えてその出力側に各種の増幅回路を含む一般的な回路を接続するようにしても良い。この場合にも、上記と同様に高精度の信号処理が実現できる。
According to the second embodiment having such a configuration, the output impedance Zout of the input circuit provided on the input side of the switched
In FIG. 2, the
次に、第2実施形態の変形例について、図3を参照して説明する。
この変形例は、図3に示すように、図2のスイッチトキャパシタ回路41のN型のMOSトランジスタM41〜M43を、P型のMOSトランジスタM51〜M53に置き換えたものである。さらに、図3に示すように、図2のソースフォロワ回路43のP型のMOSトランジスタM45をN型のMOSトランジスタM55に置き換えるとともに、図2の定電流源I42を定電流源I52に置き換えたものである。
このような構成からなる変形例によれば、図2に示す第2実施形態と同様に、非線形性の低減効果が得られ、高精度の信号処理が実現できる。
Next, a modification of the second embodiment will be described with reference to FIG.
In this modification, as shown in FIG. 3, the N-type MOS transistors M41 to M43 of the switched
According to the modified example having such a configuration, as in the second embodiment shown in FIG. 2, an effect of reducing non-linearity can be obtained, and highly accurate signal processing can be realized.
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態の信号処理回路の構成について、図4を参照しながら説明する。
この第3実施形態に係る信号処理回路は、図4に示すように、スイッチトキャパシタ回路61と、スイッチトキャパシタ回路61を挟んだ形態または含む形態で形成されるカレントミラー回路62と、を備えている。
スイッチトキャパシタ回路61は、スイッチング素子であるN型のMOSトランジスタM61と、キャパシタC1と、N型のMOSトランジスタM62、M63とを備えている。そして、MOSトランジスタM61とキャパシタC1とは、カレントミラー回路62を構成するN型のMOSトランジスタM64のゲートと共通接続ライン65との間に、直列に接続されている。
(Third embodiment)
Next, the configuration of the signal processing circuit according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 4, the signal processing circuit according to the third embodiment includes a switched
The switched
また、MOSトランジスタM61の両端に、補助用のMOSトランジスタM62,M63が、MOSトランジスタM61を挟んで左右対称に配置されている。この両MOSトランジスタM62,M63は、MOSトランジスタM61のオフ時に、そのMOSトランジスタM61のソース側およびドレイン側から放出される各電荷をそれぞれ吸収するようになっている。 In addition, auxiliary MOS transistors M62 and M63 are symmetrically disposed on both ends of the MOS transistor M61 with the MOS transistor M61 interposed therebetween. Both the MOS transistors M62 and M63 absorb respective charges discharged from the source side and the drain side of the MOS transistor M61 when the MOS transistor M61 is turned off.
さらに具体的に説明すると、MOSトランジスタM61は、そのソースがMOSトランジスタM64のゲートに接続され、そのドレインがキャパシタC1の一端に接続されるとともにカレントミラー回路62を構成するMOSトランジスタM65のゲートに接続されている。また、MOSトランジスタM62は、そのソースとそのドレインとが共通接続され、その共通接続部がMOSトランジスタM61のソースに接続されている。さらに、MOSトランジスタM63は、そのソースとそのドレインとが共通接続され、その共通接続部がMOSトランジスタM61のドレインに接続されている。
More specifically, the MOS transistor M61 has its source connected to the gate of the MOS transistor M64, its drain connected to one end of the capacitor C1, and to the gate of the MOS transistor M65 constituting the
MOSトランジスタM61は、そのゲートにクロックCLKが供給され、オンオフ制御されるようになっている。また、MOSトランジスタM62,M63の各ゲートは共通接続され、その各ゲートには同一のクロック/CLKが供給されるようになっている。
すなわち、MOSトランジスタM61のゲートと、MOSトランジスタM62,M63のゲートとには、例えば図10に示すような位相が逆相の2値信号である、クロックCLKとクロック/CLKとがそれぞれ供給されるようになっている。
The MOS transistor M61 is supplied with a clock CLK at its gate and is controlled to be turned on / off. The gates of the MOS transistors M62 and M63 are connected in common, and the same clock / CLK is supplied to each gate.
That is, the clock CLK and the clock / CLK, which are binary signals having opposite phases as shown in FIG. 10, for example, are supplied to the gate of the MOS transistor M61 and the gates of the MOS transistors M62 and M63, respectively. It is like that.
カレントミラー回路62は、図4に示すように、N型のMOSトランジスタM64とN型のMOSトランジスタM65とからなり、MOSトランジスタM64には定電流源I61が直列に接続され、MOSトランジスタM66には定電流源I62が直列に接続されている。
すなわち、MOSトランジスタ64のドレインは、定電流源I61を介して電源ライン66に接続されている。また、MOSトランジスタM64のドレインとゲートが共通接続され、その共通接続部がスイッチトキャパシタ回路61のMOSトランジスタM61のソースに接続されている。さらに、MOSトランジスタM64のソースは、共通接続ライン65を介してMOSトランジスタM65のドレインに接続されている。
As shown in FIG. 4, the
That is, the drain of the MOS transistor 64 is connected to the
MOSトランジスタM65のゲートは、スイッチトキャパシタ回路61のMOSトランジスタM61のドレインに接続されている。また、MOSトランジスタM65のドレインは、定電流源I62を介して電源ライン66に接続され、かつ、そのドレインから出力を取り出すようになっている。
このような構成からなる第3実施形態では、MOSトランジスタM61から見たMOSトランジスタM64側のインピーダンスをZ1、MOSトランジスタM61から見たMOSトランジスタM65側のインピーダンスをZ2、MOSトランジスタM61のオン抵抗Ronとすると、これらのオーダが第1実施形態と同様に同等になる。
そこで、この第3実施形態において、第1実施形態と同様の効果をSpice(電子回路シミュレータ)で検証したところ、3dBの3次歪低減効果が認められた。
The gate of the MOS transistor M65 is connected to the drain of the MOS transistor M61 of the switched
In the third embodiment having such a configuration, the impedance on the MOS transistor M64 side viewed from the MOS transistor M61 is Z1, the impedance on the MOS transistor M65 side viewed from the MOS transistor M61 is Z2, the on-resistance Ron of the MOS transistor M61 and Then, these orders are equivalent as in the first embodiment.
Therefore, in the third embodiment, when the same effect as that of the first embodiment was verified by Spice (electronic circuit simulator), a 3 dB third-order distortion reduction effect was recognized.
次に、第3実施形態の変形例について、図5を参照して説明する。
この変形例は、図5に示すように、図4のスイッチトキャパシタ回路61のN型のMOSトランジスタM61〜M63を、P型のMOSトランジスタM71〜M73に置き換えたものである。さらに、図5に示すように、図4のカレントミラー回路62のN型のMOSトランジスタM64,65をP型のMOSトランジスタM74,M75に置き換えるとともに、図4の定電流源I61,I62を定電流源I71,I72に置き換えたものである。
このような構成からなる変形例によれば、図4に示す第3実施形態と同様に、非線形性の低減効果が得られ、高精度の信号処理が実現できる。
Next, a modification of the third embodiment will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 5, this modification is obtained by replacing the N-type MOS transistors M61 to M63 of the switched
According to the modified example having such a configuration, as in the third embodiment shown in FIG. 4, an effect of reducing nonlinearity can be obtained, and highly accurate signal processing can be realized.
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態について、図6を参照して説明する。
この第4実施形態は、上記の第1〜第3の各実施形態のスイッチトキャパシタ回路に供給される位相が逆相のクロックCLK,CKL2を生成するクロック生成回路であり、図6のように構成される。
すなわち、このクロック生成回路81は、インバータ81と、N型のMOSトランジスタM81と、P型のMOSトランジスタM82と、N型のMOSトランジスタM83と、P型のMOSトランジスタM84とを備え、図7(A)に示すようなクロックAを入力すると、同図(E)(F)に示すような相補のクロックCLKA,/CLKAを生成して出力するようになっている。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The fourth embodiment is a clock generation circuit that generates clocks CLK and CKL2 whose phases are opposite to each other supplied to the switched capacitor circuits of the first to third embodiments, and is configured as shown in FIG. Is done.
That is, the
ここで、このクロック生成回路81の各部の波形例を示すと、図7の(A)〜(F)に示すようになる。
さらに具体的に説明すると、MOSトランジスタM81とMOSトランジスタM82とが直列に接続され、この両端が電源ライン83と共通接続ライン84にそれぞれ接続されている。また、MOSトランジスタM81のゲートにはクロックAが入力されるようになっている。MOSトランジスタM81とMOSトランジスタ82の共通接続部からクロック/CLKを取り出すとともに、その共通接続部が後段のMOSトランジスタM84のゲートに接続されるようになっている。
Here, examples of waveforms of the respective parts of the
More specifically, a MOS transistor M81 and a MOS transistor M82 are connected in series, and both ends thereof are connected to a
MOSトランジスタM83とMOSトランジスタM84とが直列に接続され、この両端が電源ライン83と共通接続ライン84にそれぞれ接続されている。また、MOSトランジスタM83のゲートには、インバータ82で反転されたクロック/Aが入力されるようになっている。MOSトランジスタM83とMOSトランジスタ84の共通接続部からクロックCLKを取り出すとともに、その共通接続部が前段のMOSトランジスタM82のゲートに接続されるようになっている。
The MOS transistor M83 and the MOS transistor M84 are connected in series, and both ends thereof are connected to the
次に、このような構成からなるクロック生成回路の動作について説明する。
ソース接地の増幅器を構成するMOSトランジスタM81から出力される反転クロック/CLKAを、MOSトランジスタM84のゲートに接続するようになっている。このため、インバータ82から出力されるクロック/Aとその反転クロック/CLKとの極性が揃ったときに、MOSトランジスタM83とMOSトランジスタM84からなる相補型増幅器は、インバータとして動作する。また、インバータ82の遅延と、MOSトランジスタM81の遅延とは、トランジスタ1段による反転増幅器同士であるので、その両遅延量はほぼ同じとなる。
Next, the operation of the clock generation circuit having such a configuration will be described.
The inverted clock / CLKA output from the MOS transistor M81 constituting the common source amplifier is connected to the gate of the MOS transistor M84. For this reason, when the polarities of the clock / A output from the
従って、MOSトランジスタM83とMOSトランジスタM84からなる相補型増幅器は、単なるインバータとして動作することになる。
他方、MOSトランジスタM81とMOSトランジスタM82とからなる相補型増幅器は、インバータ82とMOSトランジスタM83との遅延が重なり、Hレベルの期間が少し短くなる。しかし、出力されるクロックCLKA,/CLKAは、図11に示すノンオーバラップクロック発生回路に比べてデューティ比が50%に近いものなる。
Therefore, the complementary amplifier composed of the MOS transistor M83 and the MOS transistor M84 operates as a simple inverter.
On the other hand, in the complementary amplifier composed of the MOS transistor M81 and the MOS transistor M82, the delay between the
さらに、上記の両者は図6に示すように正帰還ループ86で結合されているので、定常状態では、出力されるクロックCLKA,/CLKAのデューティ比は、ほぼ50%の値が得られることになる。
ところで、高速のクロック発生回路では、上記のインバータ82に起因する僅かな遅延時間の減少も回路動作に大きく影響する。
Further, since both of the above are coupled by a
By the way, in the high-speed clock generation circuit, a slight decrease in delay time caused by the
他方、図9に示すような従来の信号処理回路では、ノンオーバラップクロックが必要なため、逆に遅延を大きくする必要があり、これが回路規模を大きくし、ひいては素子数の増加に伴う遅延のばらつきの増大を招いていた。
しかし、本発明に係る第1〜第3の各実施形態では、ノンオーバラップ区間が必要ないために、図6に示すような構成が簡単で遅延のばらつきの少ないクロック信号生成回路の使用ができ、これにより高精度の信号処理が実現できる。
On the other hand, since the conventional signal processing circuit as shown in FIG. 9 requires a non-overlap clock, it is necessary to increase the delay conversely, which increases the circuit scale and, consequently, the delay due to the increase in the number of elements. Increased variation.
However, in each of the first to third embodiments according to the present invention, since a non-overlap interval is not required, a clock signal generation circuit with a simple configuration and a small delay variation can be used as shown in FIG. Thus, highly accurate signal processing can be realized.
本発明は、スイッチング素子を用いた、離散時間系アナログ信号処理の分野において好適に利用できる。 The present invention can be suitably used in the field of discrete-time analog signal processing using switching elements.
41 スイッチトキャパシタ回路
42、43 ソースフォロワ回路
46、66、83 電源ライン
45、65、84 共通接続ライン(接地ライン)
62 カラントミラー回路
81 クロック生成回路
82 インバータ
C1 キャパシタ
M41〜M44 N型のMOSトランジスタ
M45 P型のMOSトランジスタ
M61〜M65 N型のMOSトランジスタ
41 Switched
62
Claims (5)
前記第1トランジスタの両端にそれぞれ配置される第2トランジスタおよび第3トランジスタと、 A second transistor and a third transistor respectively disposed at both ends of the first transistor;
前記入力端子に接続される第4トランジスタを含み、前記入力端子に信号を供給する第1ソースフォロワ回路と、 A first source follower circuit including a fourth transistor connected to the input terminal and supplying a signal to the input terminal;
前記第1トランジスタと前記キャパシタとの共通接続部の電圧を入力電圧として所定の動作を行う第5トランジスタを含む第2ソースフォロワ回路と、を備え、 A second source follower circuit including a fifth transistor that performs a predetermined operation using a voltage at a common connection between the first transistor and the capacitor as an input voltage;
前記第2および第3トランジスタは、そのドレインとソースとをそれぞれ共通接続させ、その各共通接続部を前記第1トランジスタのソースとドレインにそれぞれ接続させ、 The second and third transistors have their drains and sources connected in common, and their common connections are connected to the sources and drains of the first transistors, respectively.
かつ、前記第1トランジスタのゲートと、前記第2および第3トランジスタの両ゲートとには、逆相の2値信号をそれぞれ供給するようになっていることを特徴とする信号処理回路。 The signal processing circuit is characterized in that a binary signal having opposite phases is supplied to the gate of the first transistor and the gates of the second and third transistors.
前記第1トランジスタの両端にそれぞれ配置される第2トランジスタおよび第3トランジスタと、 A second transistor and a third transistor respectively disposed at both ends of the first transistor;
前記入力端子に接続される第4トランジスタと、 A fourth transistor connected to the input terminal;
前記第1トランジスタと前記キャパシタとの共通接続部を出力端子とし、この出力端子に接続される第5トランジスタと、を備え、 A common connection between the first transistor and the capacitor as an output terminal, and a fifth transistor connected to the output terminal,
前記第2および第3トランジスタは、そのドレインとソースとをそれぞれ共通接続させ、その各共通接続部を前記第1トランジスタのソースとドレインにそれぞれ接続させ、 The second and third transistors have their drains and sources connected in common, and their common connections are connected to the sources and drains of the first transistors, respectively.
前記第1トランジスタのゲートと、前記第2および第3トランジスの両ゲートとには、逆相の2値信号をそれぞれ供給するようにし、 A binary signal of opposite phase is supplied to the gate of the first transistor and the gates of the second and third transistors, respectively.
かつ、前記第4トランジスタと前記第5トランジスタとはカレントミラー回路を形成するようにしたことを特徴とする信号処理回路。 The signal processing circuit is characterized in that the fourth transistor and the fifth transistor form a current mirror circuit.
このクロック生成回路は、 This clock generation circuit
電源ラインと共通接続ラインとの間に直列に接続される第6トランジスタおよび第7トランジスタと、 A sixth transistor and a seventh transistor connected in series between the power supply line and the common connection line;
前記電源ラインと前記共通接続ラインとの間に直列に接続される第8トランジスタおよび第9トランジスタと、を備え、 An eighth transistor and a ninth transistor connected in series between the power supply line and the common connection line;
前記第6トランジスタのゲートにはクロック信号を入力させ、前記第8トランジスタのゲートには前記クロック信号の反転信号を入力させ、 A clock signal is input to the gate of the sixth transistor, an inverted signal of the clock signal is input to the gate of the eighth transistor,
前記第6トランジスタと前記第7トランジスタとの共通接続部から第1出力信号を取り出すとともに、その第1出力信号を前記第9トランジスタのゲートに供給し、 Taking out the first output signal from the common connection of the sixth transistor and the seventh transistor, and supplying the first output signal to the gate of the ninth transistor;
かつ、第8トランジスタと前記第9トランジスタとの共通接続部から第2出力信号を取り出すとともに、その第2出力信号を前記第7トランジスタのゲートに供給するようにしたことを特徴とする請求項1乃至請求項3のうちのいずれか1項に記載の信号処理回路。 The second output signal is taken out from a common connection portion between the eighth transistor and the ninth transistor, and the second output signal is supplied to the gate of the seventh transistor. The signal processing circuit according to claim 1.
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