JP5054064B2 - Hold circuit - Google Patents
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Description
本発明は、ホールド回路に関する。特に、ホールド動作時に出力電圧の経時的ドリフトを抑制するホールド回路に関する。 The present invention relates to a hold circuit. In particular, the present invention relates to a hold circuit that suppresses a temporal drift of an output voltage during a hold operation.
特定のタイミングで入力信号の電圧を保持して出力するホールド回路が知られている。代表的なホールド回路として、入力信号のピーク電圧を保持するピークホールド回路、入力信号のボトム電圧を保持するボトムホールド回路、サンプル/ホールド信号に基づいて入力信号を保持するサンプルホールド回路がある。以下では、ホールド回路に入力される入力信号を入力電圧と称し、ホールド回路が出力する出力信号を出力電圧と称する場合がある。また、ホールド回路が特定のタイミングの入力電圧を保持して出力することをホールド動作と称する。 A hold circuit that holds and outputs a voltage of an input signal at a specific timing is known. Typical hold circuits include a peak hold circuit that holds the peak voltage of the input signal, a bottom hold circuit that holds the bottom voltage of the input signal, and a sample hold circuit that holds the input signal based on the sample / hold signal. Hereinafter, an input signal input to the hold circuit may be referred to as an input voltage, and an output signal output from the hold circuit may be referred to as an output voltage. In addition, the hold circuit holding and outputting an input voltage at a specific timing is referred to as a hold operation.
ホールド回路は、ホールドコンデンサと、入力端子とホールドコンデンサの間の導通と遮断を切り替えるスイッチング用MOSトランジスタと、ホールドコンデンサと出力端子の間に設けられているバッファアンプを有する。MOSトランジスタが2点間を導通することを「MOSトランジスタがONする」と称し、2点間を遮断することを「MOSトランジスタがOFFする」と称する。バッファアンプは、ホールドコンデンサの電圧を低インピーダンスで出力する。バッファアンプは、インピーダンス変換回路或いはボルテージフォロワと呼ばれることがある。 The hold circuit includes a hold capacitor, a switching MOS transistor that switches between conduction and cutoff between the input terminal and the hold capacitor, and a buffer amplifier provided between the hold capacitor and the output terminal. Conduction between two points of the MOS transistor is referred to as “the MOS transistor is turned on”, and disconnection between the two points is referred to as “the MOS transistor is turned off”. The buffer amplifier outputs the voltage of the hold capacitor with low impedance. The buffer amplifier is sometimes called an impedance conversion circuit or a voltage follower.
MOSトランジスタは、OFF時でも主電極(ソースとドレイン)を通じてわずかに電流が流れることが知られている。OFF時に流れる電流はリーク電流と呼ばれている。スイッチング用MOSトランジスタに生じるリーク電流によってホールドコンデンサにチャージされている電荷量が変動するので、ホールド動作時の出力電圧がドリフトしてしまう。 It is known that a slight current flows through the main electrode (source and drain) even when the MOS transistor is OFF. The current that flows when OFF is called a leakage current. Since the amount of charge charged in the hold capacitor is fluctuated by a leak current generated in the switching MOS transistor, the output voltage during the hold operation drifts.
リーク電流に起因するホールド動作時の出力電圧のドリフトを低減する技術が例えば特許文献1に開示されている。図7に、特許文献1の図3に開示されたサンプルホールド回路の等価回路を示す。ホールド回路700は、ホールドコンデンサ712とスイッチング用MOSトランジスタ708とバッファアンプ709を備える。ホールドコンデンサ712は、入力端子706に供給される入力信号に応じて電荷を蓄える。スイッチング用MOSトランジスタ708は、S/H端子(サンプル/ホールド端子)704に入力されるサンプル/ホールド信号に応じて、入力端子706とホールドコンデンサ712の間の導通(ON)と遮断(OFF)を切り替える。ホールドコンデンサ712の電圧は、バッファアンプ709を介して出力端子714から出力される。バッファアンプ709は、反転入力端710aと出力端710cを結線したオペアンプ710で構成されている。オペアンプ710の非反転入力端710bがバッファアンプ709の入力端に相当し、オペアンプ710の出力端710cがバッファアンプ709の出力端に相当する。
For example, Patent Literature 1 discloses a technique for reducing output voltage drift during a hold operation caused by a leak current. FIG. 7 shows an equivalent circuit of the sample and hold circuit disclosed in FIG. The
図7の符号720は、スイッチング用MOSトランジスタ708の寄生ダイオードを示している。寄生ダイオードは、意図的に挿入されているものではなく、MOSトランジスタの構造から不可避的に発生してしまう。この寄生ダイオードによってリーク電流が流れてしまう。図7では、バックゲートBGからドレインDへ流れるリーク電流を符号ILで示している。
特許文献1の技術は、スイッチング用MOSトランジスタ708のバックゲートBGをオペアンプ710(バッファアンプ709)の出力端710cに結線する。また、スイッチング用MOSトランジスタ708がOFFの時にスイッチング用MOSトランジスタ708のソースSとオペアンプ710(バッファアンプ709)の出力端710cを導通させるスイッチ素子724を備えている。スイッチ素子724は、スイッチング用MOSトランジスタ708がONの時にはソースSと出力端710cの間を遮断する。スイッチ素子724がONのとき、スイッチング用MOSトランジスタ708のソースS、ドレインD、及びバックゲートBGがほぼ同じ電位となる。そのように構成することによって、スイッチング用MOSトランジスタ708の2つの主電極電極間(ソース/ドレイン間)、及び、バックゲート/ドレイン間の電位差を小さくし、ドレインを通じて流れるリーク電流を抑制する。
In the technique of Patent Document 1, the back gate BG of the switching
ホールドコンデンサの電圧を出力するためのバッファアンプは、その特性上、その入力端と出力端の間に電位差を生じることがある。バッファアンプの入力端と出力端の間に生じる電位差をオフセット電圧と称する。図7において、符号Vosがバッファアンプ709のオフセット電圧(即ちオペアンプ710のオフセット電圧)を示している。図7に示すホールド回路700では、オフセット電圧Vosがスイッチング用MOSトランジスタ708のバックゲートBGに印加される。すなわち、スイッチング用MOSトランジスタのドレインDとバックゲートBGの間にVosの電位差が生じる。オフセット電圧Vosによってホールドコンデンサ712に電荷がチャージされるとともにバッファアンプ709の入力端710bの電圧が上昇する。そうするとバッファアンプ709の出力端710cの電圧も上昇し、ホールドコンデンサ712にチャージされる電荷量がさらに増加する。こうしてホールド動作時であってもバッファアンプ709の出力端710cの電圧、即ちホールド回路700の出力電圧がドリフトしていく。別言すれば、バッファアンプ709に、オフセット電圧Vosの正帰還ループが構成されてしまい、ホールド回路の出力電圧が経時的にドリフトする。
A buffer amplifier for outputting the voltage of the hold capacitor may cause a potential difference between its input end and output end due to its characteristics. A potential difference generated between the input terminal and the output terminal of the buffer amplifier is referred to as an offset voltage. In FIG. 7, the symbol Vos indicates the offset voltage of the buffer amplifier 709 (that is, the offset voltage of the operational amplifier 710). In the
ホールド回路700における信号のタイミングチャートを図8に示す。図8(A)は、サンプル/ホールド信号のタイミングチャートを示し、図8(B)は、出力電圧のタイミングチャートを示す。図8に示すとおり、サンプル/ホールド信号が「ホールド」を示す期間において、出力電圧Voutは一定値を維持せずに徐々にドリフトする。
A timing chart of signals in the
本発明は、上記の課題を解決する。すなわち本発明は、ホールド動作時に出力電圧の経時的ドリフトを抑制することができるホールド回路を提供することを目的とする。 The present invention solves the above problems. That is, an object of the present invention is to provide a hold circuit that can suppress a time-dependent drift of an output voltage during a hold operation.
本発明は入力端子と出力端子を備えるホールド回路に具現化される。そのホールド回路は、ホールドコンデンサ、スイッチング用MOSトランジスタ、及び、バッファアンプを備える。ホールドコンデンサの一端は定電圧端子に接続されている。定電圧は、サンプルホールド回路又はピークホールド回路の場合にはグランド電圧でよく、ボトムホールド回路の場合は電源電圧でよい。入力端子とホールドコンデンサ他端の間にスイッチング用MOSトランジスタが介在している。スイッチング用MOSトランジスタは、入力端子とホールドコンデンサ他端の間の導通(ON)と遮断(OFF)を切り替える。ピークホールド回路あるいはボトムホールド回路の場合、スイッチング用MOSトランジスタは、入力端子の電圧と出力端子の電圧の大小関係に応じてONとOFFを切り替える。具体的には、ピークホールド回路或いはボトムホールド回路の場合、スイッチング用MOSトランジスタの2つの主電極(ソースとドレイン)がそれぞれ入力端子とホールドコンデンサ他端に接続しており、入力端子と出力端子の間の電圧を比較するコンパレータの出力がゲートに接続している。サンプルホールド回路の場合、スイッチング用MOSトランジスタは、外部から与えられるサンプルホールド信号に基づいてONとOFFを切り替える。具体的には、サンプルホールド回路の場合、スイッチング用MOSトランジスタの2つの主電極(ソースとドレイン)がそれぞれ入力端子とホールドコンデンサ他端に接続しており、サンプルホールド信号端子がゲートに接続している。バッファアンプは、ホールドコンデンサと出力端子の間に介在しており、ホールドコンデンサ他端の電圧と同じ電圧を低インピーダンスで出力する。 The present invention is embodied in a hold circuit having an input terminal and an output terminal. The hold circuit includes a hold capacitor, a switching MOS transistor, and a buffer amplifier. One end of the hold capacitor is connected to a constant voltage terminal. The constant voltage may be a ground voltage in the case of a sample hold circuit or a peak hold circuit, and may be a power supply voltage in the case of a bottom hold circuit. A switching MOS transistor is interposed between the input terminal and the other end of the hold capacitor. The switching MOS transistor switches between conduction (ON) and cutoff (OFF) between the input terminal and the other end of the hold capacitor. In the case of the peak hold circuit or the bottom hold circuit, the switching MOS transistor switches between ON and OFF according to the magnitude relationship between the voltage at the input terminal and the voltage at the output terminal. Specifically, in the case of the peak hold circuit or the bottom hold circuit, the two main electrodes (source and drain) of the switching MOS transistor are connected to the input terminal and the other end of the hold capacitor, respectively. The output of the comparator that compares the voltage between them is connected to the gate. In the case of a sample and hold circuit, the switching MOS transistor switches between ON and OFF based on a sample and hold signal given from the outside. Specifically, in the case of a sample hold circuit, the two main electrodes (source and drain) of the switching MOS transistor are connected to the input terminal and the other end of the hold capacitor, respectively, and the sample hold signal terminal is connected to the gate. Yes. The buffer amplifier is interposed between the hold capacitor and the output terminal, and outputs the same voltage as the voltage at the other end of the hold capacitor with low impedance.
本発明のホールド回路では、バッファアンプがチョッパアンプで構成されている。ここで、チョッパアンプの非反転入力端がホールドコンデンサに接続しているとともに反転入力端がチョッパアンプの出力端に接続している。さらに、チョッパアンプの出力端がスイッチング用MOSトランジスタのバックゲートに接続している。このホールド回路では、チョッパアンプの非反転入力端がバッファアップの入力端に相当し、チョッパアンプの出力端がバッファアンプの出力端(即ちホールド回路の出力端子)に相当する。 In the hold circuit of the present invention, the buffer amplifier is constituted by a chopper amplifier. Here, the non-inverting input terminal of the chopper amplifier is connected to the hold capacitor, and the inverting input terminal is connected to the output terminal of the chopper amplifier. Further, the output terminal of the chopper amplifier is connected to the back gate of the switching MOS transistor. In this hold circuit, the non-inverting input terminal of the chopper amplifier corresponds to the buffer-up input terminal, and the output terminal of the chopper amplifier corresponds to the output terminal of the buffer amplifier (that is, the output terminal of the hold circuit).
本発明のホールド回路の効果を説明する。MOSトランジスタの寄生ダイオードは、高温時には逆方向にも電流が流れ得る。即ち、寄生ダイオードは、高温時には非線形な特性の抵抗として振る舞う。本発明のホールド回路は、スイッチング用MOSトランジスタの寄生ダイオードが高温時に抵抗として振る舞うことを利用する。チョッパアンプでは、非反転入力端と出力端の間に生じるオフセット電圧の向き(正負)がチョッパ制御クロック信号に応じて反転する。本発明のホールド回路では、オフセット電圧が正のときにはスイッチング用MOSトランジスタのバックゲートBGの電位がドレインDの電位よりも高くなり、オフセット電圧が負のときにはその逆となる。即ち、オフセット電圧が正のときにはスイッチング用MOSトランジスタのバックゲートBGからドレインDへリーク電流が流れ、オフセット電圧が負のときにはその逆にリーク電流が流れる。その結果、ホールド動作時にホールドコンデンサにチャージされる電荷量はほぼ一定に維持され、経時的なドリフトが抑制される。 The effect of the hold circuit of the present invention will be described. In the parasitic diode of the MOS transistor, current can flow in the reverse direction at a high temperature. That is, the parasitic diode behaves as a non-linear characteristic resistance at high temperatures. The hold circuit of the present invention utilizes the fact that the parasitic diode of the switching MOS transistor behaves as a resistor at a high temperature. In the chopper amplifier, the direction (positive / negative) of the offset voltage generated between the non-inverting input terminal and the output terminal is inverted according to the chopper control clock signal. In the hold circuit of the present invention, the potential of the back gate BG of the switching MOS transistor is higher than the potential of the drain D when the offset voltage is positive, and vice versa when the offset voltage is negative. That is, when the offset voltage is positive, a leak current flows from the back gate BG of the switching MOS transistor to the drain D, and when the offset voltage is negative, the leak current flows in reverse. As a result, the amount of charge charged in the hold capacitor during the hold operation is maintained substantially constant, and the drift over time is suppressed.
代表的なチョッパアンプは、クロススイッチとオペアンプで構成されている。オペアンプでは、2つの入力端(非反転入力端と反転入力端)の夫々にオペアンプ入力側MOSトランジスタが接続されている。クロススイッチは、チョッパアンプの2つの入力端(非反転入力端と反転入力端)と、2つのオペアンプ入力側MOSトランジスタのゲートとの間の結線を周期的に交互に切り替える。この場合、さらに下記の技術特徴を有するチョッパアンプが本発明のホールド回路に好適である。即ち、クロススイッチは複数のクロススイッチ用MOSトランジスタで構成されている。そして、各々のクロススイッチ用MOSトランジスタのバックゲートがオペアンプの出力端に接続している。 A typical chopper amplifier includes a cross switch and an operational amplifier. In the operational amplifier, an operational amplifier input side MOS transistor is connected to each of two input terminals (a non-inverting input terminal and an inverting input terminal). The cross switch periodically and alternately switches the connection between the two input terminals (non-inverting input terminal and inverting input terminal) of the chopper amplifier and the gates of the two operational amplifier input-side MOS transistors. In this case, a chopper amplifier having the following technical features is suitable for the hold circuit of the present invention. That is, the cross switch is composed of a plurality of cross switch MOS transistors. The back gate of each cross switch MOS transistor is connected to the output terminal of the operational amplifier.
上記の技術的特徴を有するチョッパアンプは、クロススイッチ用MOSトランジスタのバックゲートとドレイン間でも、チョッパ制御クロック信号に応じてリーク電流が双方向に流れる。従ってそのような構成のホールド回路は、チョッパアンプ内部におけるリーク電流による出力電圧のドリフトを抑制することができる。 In the chopper amplifier having the above technical features, a leakage current flows in both directions according to the chopper control clock signal even between the back gate and the drain of the cross switch MOS transistor. Therefore, the hold circuit having such a configuration can suppress the drift of the output voltage due to the leakage current inside the chopper amplifier.
ホールド回路のスイッチング用MOSトランジスタ、あるいは、クロススイッチ用MOSトランジスタにおいて、バックゲートからドレインへ流れるリーク電流とドレインからバックゲートへ流れるリーク電流の大きさが異なる場合がある。そのような場合に対応できるように、本発明のホールド回路は、チョッパ制御クロック信号のデューティ比を調整するデューティ比調整回路を備えていることが好ましい。デューティ比を調整することによって、流れる向きに依存したリーク電流の偏りを相殺することができ、ホールド動作時の出力電圧のドリフトを一層効果的に抑制することができる。 In a switching MOS transistor or a cross-switch MOS transistor of the hold circuit, the magnitude of the leak current flowing from the back gate to the drain may be different from the magnitude of the leak current flowing from the drain to the back gate. In order to cope with such a case, the hold circuit of the present invention preferably includes a duty ratio adjustment circuit for adjusting the duty ratio of the chopper control clock signal. By adjusting the duty ratio, it is possible to cancel out the bias of the leakage current depending on the flowing direction, and it is possible to more effectively suppress the drift of the output voltage during the hold operation.
本発明のホールド回路によれば、ホールド動作時に出力電圧の経時的ドリフトを抑制することができる。 According to the hold circuit of the present invention, it is possible to suppress the time drift of the output voltage during the hold operation.
以下に説明する実施例の主要な特徴のいくつかを列挙する。
(特徴1)入力端子とホールドコンデンサとの間の導通と遮断を切り替えるスイッチング用MOSトランジスタは、nMOSトランジスタである。nMOSトランジスタは、ゲートに印加される電圧がHIGHのときに2つの主電極間を導通し、LOWのときに2つの主電極間を遮断する。そのnMOSトランジスタの主電極の一方(ソース又はドレイン)がホールド回路の入力端子に接続しており、他方がホールドコンデンサの他端に接続している。ホールド回路がサンプルホールドの場合、nMOSトランジスタのゲートには、サンプル/ホールド信号が入力される。ピークホールド回路あるいはボトムホールド回路の場合、nMOSトランジスタのゲートには、入力電圧と出力電圧を比較するコンパレータの出力端が接続する。
Some of the main features of the embodiments described below are listed.
(Feature 1) A switching MOS transistor that switches between conduction and interruption between an input terminal and a hold capacitor is an nMOS transistor. The nMOS transistor conducts between the two main electrodes when the voltage applied to the gate is HIGH, and blocks between the two main electrodes when the voltage is LOW. One of the main electrodes (source or drain) of the nMOS transistor is connected to the input terminal of the hold circuit, and the other is connected to the other end of the hold capacitor. When the hold circuit is a sample hold, a sample / hold signal is input to the gate of the nMOS transistor. In the case of the peak hold circuit or the bottom hold circuit, the output terminal of the comparator that compares the input voltage and the output voltage is connected to the gate of the nMOS transistor.
図1に、本実施例のホールド回路の回路図を示す。本実施例のホールド回路は、サンプルホールド信号に応じて入力電圧を保持するサンプルホールド回路100である。図1において、「S」、「D」、「G」、及び「BG」の文字は夫々、MOSトランジスタのソース、ドレイン、ゲート、及びバックゲートを示す。なお、MOSトランジスタでは、ソースとドレインに相違はない。従って、「ソース」という言葉と「ドレイン」という言葉を入れ替えても、以下の説明は成立する。「SC」はチョッパアンプ110に供給されるチョッパ制御クロック信号を示す。「S/H」は、サンプルホールド回路100に供給されるサンプル/ホールド信号を示す。「Vin」と「Vout」は夫々、入力電圧と出力電圧を示す。「Vos」は、バッファアンプ109の入力端と出力端の間で発生するオフセット電圧を示す。オフセット電圧Vosは、チョッパアンプ110の非反転入力端110bと出力端110cの間で発生するオフセット電圧に相当する。図1の「GND」はグランド端子を示す。
FIG. 1 shows a circuit diagram of the hold circuit of this embodiment. The hold circuit of this embodiment is a
サンプルホールド回路100は、スイッチング用MOSトランジスタ108、ホールドコンデンサ112、及び、バッファアンプ109を備えている。
The sample and hold
スイッチング用MOSトランジスタ108は、ゲート電圧がHIGHのときにソース/ドレイン間を導通し、ゲート電圧がLOWのときにソース/ドレイン間を遮断するnMOSトランジスタである。以下では、ソース/ドレイン間を導通するときを「MOSトランジスタがONである」と称し、ソース/ドレイン間を遮断するときを「MOSトランジスタがOFFである」と称する場合がある。以下では、スイッチング用MOSトランジスタ108を簡単に「MOS108」と記す。
The switching
MOS108のソースSはサンプルホールド回路100の入力端子106に接続している。MOS108のドレインDはホールドコンデンサ112の一端Pに接続している。ホールドコンデンサ112の他端はグランド端子(GND)に接続している。ホールドコンデンサ112の他端は定電圧端子に接続していればよい。MOS108のゲートGは、サンプル/ホールド信号が入力されるS/H端子104に接続している。MOS108のバックゲートBGは、後述するチョッパアンプ110の出力端110cに接続している。
The source S of the
符号120はMOS108のソースSとバックゲートBGの間の寄生ダイオードを示しており、符号122はMOS108のドレインDとバックゲートBGの間の寄生ダイオードを示している。寄生ダイオード120、122は、設計上意図的に挿入される素子ではなく、MOSトランジスタの構造に由来して形成されてしまう素子である。寄生ダイオード120、122は、概ね100℃以下では逆方向に電流を通すことはないが、100℃を超え、特に150℃以上になると、非線形特性を有する抵抗として振る舞い、双方向に電流が流れることが知られている。
MOS108のドレインDはホールドコンデンサ112の一端Pに接続している。ホールドコンデンサ112の一端Pはまた、チョッパアンプ110の非反転入力端110bに接続している。チョッパアンプ110の出力端110cは、反転入力端110aに接続している。出力端110cと反転入力端110aが接続しているチョッパアンプ110は、非反転入力端110bと出力端110cの間で利得が「1」のバッファアンプ109を構成する。バッファアンプ109は、ホールドコンデンサ112の一端Pにおける電圧と同じ大きさの電圧を低インピーダンスで出力する。なお、バッファアンプ109はインピーダンス変換回路、或いはボルテージフォロワと呼ばれることがある。
The drain D of the
チョッパアンプ110の出力端110cは、バッファアンプ109の出力端に相当するとともに、サンプルホールド回路100の出力端子114に相当する。
The
サンプルホールド回路100の動作を概説する。サンプル/ホールド信号がHIGHのとき、サンプルホールド回路100の出力電圧は、入力電圧の変化に追従する。サンプルホールド回路100は、サンプル/ホールド信号がLOWのとき、サンプル/ホールド信号のHIGH/LOW切り換わりタイミングにおける入力電圧を維持して出力する。
The operation of the sample and hold
チョッパアンプ110の動作を概説する。チョッパアンプ自体は良く知られているので、その動作についての詳細な説明は割愛する。なお、後に、チョッパアンプの具体的構成の一例を説明する。チョッパアンプ110には、S/H端子102を介してチョッパ制御クロック信号が入力される。チョッパアンプ110の非反転入力端110bに電圧V0が印加されると、出力端110cからV0±Vosの電圧が出力される。ここで、電圧Vosは、チョッパアンプ110の非反転入力端110bと出力端110cの間に生じるオフセット電圧である。オフセット電圧Vosは、チョッパアンプ110の内部構造に由来して非反転入力端と出力端の間に生ずる電位差である。オフセット電圧は、個々の製品によってばらつく。なお、オフセット電圧は、チョッパアンプに限らず、ほぼ全てのアンプで発生する。
The operation of the
チョッパアンプの特徴は、チョッパ制御クロックのHIGH/LOW切替に応答してオフセット電圧Vosの正負が反転することにある。図2に、各信号のタイミングチャートの一例を示す。図2(A)は、サンプル/ホールド信号のタイミングチャートを示し、図2(B)は、チョッパ制御クロック信号SCのタイミングチャートを示す。図2(C)は、オフセット電圧Vosの経時変化を示す。図2(D)は、出力電圧Voutの経時変化を示す。 A feature of the chopper amplifier is that the positive / negative of the offset voltage Vos is inverted in response to HIGH / LOW switching of the chopper control clock. FIG. 2 shows an example of a timing chart of each signal. 2A shows a timing chart of the sample / hold signal, and FIG. 2B shows a timing chart of the chopper control clock signal SC. FIG. 2C shows a change with time of the offset voltage Vos. FIG. 2D shows the change over time of the output voltage Vout.
図2(B)、(C)に示されているように、オフセット電圧Vosは、チョッパクロック信号に応答して正負が反転する。オフセット電圧Vosが正のとき、チョッパアンプ110の出力端110cの電位(即ちMOS108のバックゲート電位)は、非反転入力端110bの電位(即ちMOS108のドレイン電位)よりも高くなる。その結果、寄生ダイオード122を通ってバックゲートBGからドレインDへ電流が流れる。この場合、ホールドコンデンサ112にリーク電流が流れ込むので出力電圧Voutが増加する。
As shown in FIGS. 2B and 2C, the offset voltage Vos is inverted between positive and negative in response to the chopper clock signal. When the offset voltage Vos is positive, the potential of the
他方、オフセット電圧Vosが負に反転すると、チョッパアンプ110の出力端110cの電位(即ちMOS108のバックゲート電位)が、非反転入力端110bの電位(即ちMOS108のドレイン電位)よりも低くなる。ここで、前述したように、MOS108の寄生ダイオード120、122は、高温になると抵抗として振る舞う。従って高温時は寄生ダイオード122の経路を通ってドレインDからバックゲートBGへ電流が流れる。その結果、ホールドコンデンサ112の電荷がバックゲートBGへと放出されて出力電圧Voutが減少する。ホールド期間中、チョッパ制御クロック信号に応答してホールドコンデンサ112の電荷は増減を繰り返すので、出力電圧も増減を繰り返し、一方向に増加(或いは減少)するドリフトが抑制される(図2(D))。
On the other hand, when the offset voltage Vos is inverted negatively, the potential of the
上記の通り、サンプルホールド回路100は、高温(概ね100℃以上)で動作することを前提として、ホールド動作時の出力電圧の経時的ドリフトを抑制することができる。即ちサンプルホールド回路100は、高温環境下で出力電圧の経時的ドリフトを抑制するホールド回路である。
As described above, the sample-and-
次に、チョッパアンプ110の構成について説明する。図3に、チョッパアンプ110の回路図を示す。チョッパアンプ110は、クロススイッチ322、及びオペアンプ324を備える。オペアンプ324は、一対のオペアンプ入力側MOSトランジスタ316、318と、増幅回路320から構成されている。以下では、簡単のため、オペアンプ入力側MOSトランジスタ316、318を単に入力側MOSと称する。入力側MOS316、318は、ゲート電圧がHIGHのときにソース/ドレイン間が導通するnMOSトランジスタである。なお、図示を省略しているが、入力側MOS316、318のバックゲートは、接地している。増幅回路320の回路は、後に図4を参照して説明する。符号324aは、オペアンプ324の反転入力端を示しており、符号324bはオペアンプ324の非反転入力端を示している。オペアンプ324の2つの入力端は、それぞれ入力側MOS316と318のゲートに接続している。符号110cは、チョッパアンプ110の出力端を示している。チョッパアンプ110の出力端110cは、オペアンプ324の出力端にも相当する。
Next, the configuration of the
クロススイッチ322は、4個のクロススイッチ用nMOSトランジスタ308、310、312、及び314で構成されている。クロススイッチ322は、チョッパアンプの2つの入力端(反転入力端110aと非反転入力端110b)の夫々を、オペアンプ324の2つの入力端324a、324b(即ち一対の入力側MOS316、318の各ゲート)に接続している。クロススイッチ322は、チョッパ制御クロック信号SCのHIGH/LOW反転に応答して、チョッパアンプの2つの入力端と入力側MOS316、318の間の接続関係を交互に切り替える。なお、以下では、「クロススイッチ用nMOSトランジスタ308」を単に「nMOSトランジスタ308」と称する。他のクロススイッチ用nMOSトランジスタ310、312、及び314についても、「クロススイッチ用」との表現を省略して単にnMOSトランジスタ310、312、及び、314と称する。
The
クロススイッチ322の回路を具体的に説明する。反転入力端110aに、2つのnMOSトランジスタ308、310が並列に接続している。反転入力端110aは、2つのnMOSトランジスタ308、310のソースに接続している。nMOSトランジスタ308のドレインは、一方の入力側MOS318のゲート(オペアンプ324の一方の入力端324b)に接続している。nMOSトランジスタ310のドレインは、他方の入力側MOS316のゲート(オペアンプ324の他方の入力端324a)に接続している。nMOSトランジスタ308、310のバックゲートは、増幅回路320の出力端、即ち、チョッパアンプ110の出力端110cに接続している。nMOSトランジスタ308のゲートには、チョッパ制御クロック信号が入力される。nMOSトランジスタ310のゲートには、インバータ306を介してチョッパ制御クロック信号が入力される。なお、図3の符号304は、チョッパ制御クロック信号のデューティ比を変更するデューティ比調整回路を示している。デューティ比調整回路304については後述する。
The circuit of the
非反転入力端110bには、2つのnMOSトランジスタ312、314が並列に接続している。非反転入力端110bは、2つのnMOSトランジスタ312、314のソースに接続している。nMOSトランジスタ312のドレインは、一方の入力側MOS316のゲート(オペアンプ324の一方の入力端324a)に接続している。nMOSトランジスタ314のドレインは、他方の入力側MOS318のゲート(オペアンプ324の他方の入力端324b)に接続している。nMOSトランジスタ312、314のバックゲートは増幅回路320の出力端、即ち、チョッパアンプ110の出力端110cに接続している。nMOSトランジスタ312のゲートには、チョッパ制御クロック信号が入力される。nMOSトランジスタ314のゲートには、インバータ306を介してチョッパ制御クロック信号が入力される。
Two
クロススイッチ322は次のとおり動作する。クロススイッチ322は、反転入力端110aをオペアンプ324の一対の入力用MOSトランジスタ316、318の一方に接続するとともに、非反転入力端110bを一対の入力用MOSトランジスタ316、318の他方に接続する。クロススイッチ322は、チョッパ制御クロック信号のHIGH/LOW反転とともに、反転入力端110aの接続を他方の入力用MOSトランジスタに切り替え、非反転入力端110bの接続を一方の入力用MOSトランジスタに切り替える。
The
クロススイッチ322において、非反転入力端110bに並列に接続しているnMOSトランジスタ312、314は、そのバックゲートがチョッパアンプ110の出力端110cに接続している。前述したように、チョッパアンプ110の非反転入力端110bに電圧V0が印加されるとき、チョッパアンプ110の出力電圧はV0±Vosとなる。従って、nMOSトランジスタ312と314のバックゲート電圧は、ドレイン電圧に対して±Vosで変動する。オフセット電圧Vosの変動に応答してnMOSトランジスタ312と314のバックゲート/ドレイン間をリーク電流が往復する。その結果、チョッパアンプ110内の電圧ドリフトが抑制される。
In the
図4を参照して増幅回路320を説明する。なお、図4内の英字「A」、「B」、「C」、「D」、「E」は、図3内の英字「A」、「B」、「C」、「D」、「E」に対応する。英字「A」が示す信号を「チョッパ制御クロック信号」と称し、英字「B」が示す信号を「チョッパ制御クロック反転信号」と称する。英字「C」が示す信号を「オペアンプ第1入力信号」と称し、英字「D」が示す信号を「オペアンプ第2入力信号」と称する。英字「E」が示す信号を「オペアンプ基準信号」と称する。また、図4において「VDD」は電源電圧を意味し、「GND」はグランド電圧を意味する。
The
pMOSトランジスタ402、404、414のソースは、電源電圧VDDに維持されている定電圧端子に接続している。図示を省略しているが、図4において、nMOSトランジスタ406、408、410、412、422、424、426のバックゲートは接地している。また、pMOSトランジスタ402、404、414のバックゲートは、電源電圧VDDに維持されている定電圧端子に接続している。
The sources of the
信号電流源420、一対のnMOSトランジスタ424、426、及びnMOSトランジスタ422によって、一定のオペアンプ基準信号(E)が作られる。
A constant operational amplifier reference signal (E) is generated by the signal
4つのnMOS406、408、410、及び412によって、クロススイッチ430が形成されている。クロススイッチ430は、チョッパ制御クロック信号(A)とチョッパ制御クロック反転信号(B)によって2入力と2出力の間の結線を交互に切り替える。このクロススイッチ430によって、オペアンプ第1入力信号(C)とオペアンプ第2入力信号(D)が、チョッパ制御クロック信号に同期して交互に切り替えられる。図4に示されているとおり、クロススイッチ430、一対のpMOSトランジスタ402、404、及び、pMOSトランジスタ414、抵抗416によって、オペアンプ第1入力信号(C)とオペアンプ第2入力信号(D)の電位差に対応した電圧が出力端110cから出力される。なお、抵抗416とコンデンサ418は、位相補償用の素子であり、それらの値は、増幅回路320に要求される特性に応じて設定される。
A
図5を参照して、デューティ比調整回路304の機能を説明する。図5(A)は、ディーティ比調整回路304によって調整されたチョッパ制御クロック信号SCのタイミングチャートを示している。図5(A)において、符号T0は、クロック周期を示しており、符号T1は、クロック信号のパルス幅を示している。デューティ比調整回路304は、パルス幅T1を調整する。デューティ比Dは、T1/T0で表される。図5(A)は、50%より大きいデューティ比に調整されたチョッパ制御クロック信号を表している。
The function of the duty
図5(B)は、調整後のチョッパ制御クロック信号によって反転を繰り返すオフセット電圧Vosの経時変化を示す。図5(C)は、出力電圧Voutの経時変化を示す。デューティ比Dが増加すると、オフセット電圧Vosが正である期間が、負である期間よりも長くなる。出力電圧Voutは、オフセット電圧の時間積分に相当するから、デューティ比が増加すると出力電圧Voutは時間の経過とともに増加する(図5(C))。デューティ比の調整機能は、寄生ダイオードの順方向と逆方向の特性の非対称性が大きい場合や、正のオフセット電圧の絶対値と負のオフセット電圧の絶対値が異なる場合に有用である。即ち、寄生ダイオードの順方向電流が逆方向電流よりも大きい場合や、正のオフセット電圧が負のオフセット電圧よりも大きい場合は、デューティ比を50%よりも小さくすることによってホールド動作時の出力電圧のドリフトを抑制することができる。逆に、順方向電圧電流が逆方向電流よりも小さい場合や、正のオフセット電圧が負のオフセット電圧よりも小さい場合は、デューティ比を50%よりも大きくすることによってホールド動作時の出力電圧のドリフトを抑制することができる。 FIG. 5B shows a change with time of the offset voltage Vos that repeats inversion by the adjusted chopper control clock signal. FIG. 5C shows a change with time of the output voltage Vout. When the duty ratio D increases, the period in which the offset voltage Vos is positive becomes longer than the period in which it is negative. Since the output voltage Vout corresponds to time integration of the offset voltage, the output voltage Vout increases with time as the duty ratio increases (FIG. 5C). The duty ratio adjustment function is useful when the asymmetry of the forward and reverse characteristics of the parasitic diode is large, or when the absolute value of the positive offset voltage is different from the absolute value of the negative offset voltage. That is, when the forward current of the parasitic diode is larger than the reverse current, or when the positive offset voltage is larger than the negative offset voltage, the output voltage during the hold operation can be reduced by making the duty ratio smaller than 50%. Can be suppressed. On the contrary, when the forward voltage current is smaller than the reverse current or when the positive offset voltage is smaller than the negative offset voltage, the duty ratio is set larger than 50% to increase the output voltage during the hold operation. Drift can be suppressed.
第2実施例は、本発明をピークホールド回路に適用した事例である。図6に、ピークホールド回路600の回路図を示す。なお、ピークホールド回路600において、第1実施例のサンプルホールド回路100と同じ機能の部品には図1と同じ符号を付している。
The second embodiment is an example in which the present invention is applied to a peak hold circuit. FIG. 6 shows a circuit diagram of the
ピークホールド回路600は、入力端子106とスイッチング用MOSトランジスタ208(MOS208)の間にオペアンプ630が接続されている。MOS208は、pMOSトランジスタである。MOS208のゲートGがドレインDに接続している。そのように接続されたMOS208は、ソース電圧がドレイン電圧よりも高いときにソースからドレインへ電流が流れ、ソース電圧がドレイン電圧よりも低い場合にはドレインからソースへ電流が流れることを阻止する整流素子として機能する。なお、pMOSの寄生ダイオード220、222は、ソースSとドレインDからバックゲートBGへ向けてリーク電流が流れる向きに生じる。但し、第1実施例と同様に、高温時(概ね100℃以上)では、寄生ダイオード220、222は、抵抗として作用する。
In the
オペアンプ630について説明する。オペアンプ630の非反転入力端630bが入力端子106に接続している。オペアンプ630の反転入力端630aがチョッパアンプ110の出力端110cに接続している。オペアンプ630の出力端630cは、MOS208のソースSに接続している。ピークホールド回路600のその他の構成は第1実施例のサンプルホールド回路100の構成と同じである。
The
ピークホールド回路600では、入力電圧が増加している間は、オペアンプ630の出力が高電圧となり、ソース電圧がドレイン電圧よりも高くなる。このとき、ソースSからドレインDへ電流が流れる。その結果、出力電圧は入力電圧の変化に追従する。入力電圧が減少すると、オペアンプ630の出力が低電圧となり、ソース電圧がドレイン電圧よりも低くなる。MOS208は、ドレインDからソースSへ電流が流れることを阻止するので、ドレイン電圧が保持される。その結果、ホールドコンデンサ112の他端Pの電圧が維持され、出力電圧は入力電圧のピーク値を維持する。このピークホールド回路600のバッファアンプ109は、第1実施例と同様にチョッパアンプ110で構成されている。従ってこのピークホールド回路600は、第1実施例のサンプルホールド回路100と同様に、ホールド時の出力電圧のドリフトを抑制する。なお、MOS208をnMOSトランジスタに置き換えるとともに、ホールドコンデンサ102の一端をグランド端子や電源端子などの安定した定電位端子に接続すれば、回路600はボトムホールド回路となる。
In the
上記説明した実施例の好適な変形例をいくつか説明する。第1実施例では、4つのnMOSトランジスタ308、310、312、及び314でクロススイッチ322を構成した。nMOSトランジスタに代えてpMOSトランジスタでクロススイッチ322を構成してもよい。その場合、反転入力端110aに並列に接続される2つのpMOSトランジスタのバックゲートは電源電圧にプルアップする。非反転入力端110bに並列に接続される2つのpMOSトランジスタのバックゲートは、第1実施例と同様にチョッパアンプの出力端に接続する。
Several preferred modifications of the embodiment described above will be described. In the first embodiment, the
クロススイッチ322を構成する4つのnMOSトランジスタの夫々を、nMOSトランジスタとpMOSトランジスタを並列に接続した相補的な構成で置き換えることも好適である。
It is also preferable to replace each of the four nMOS transistors constituting the
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described in detail, these are only illustrations and do not limit a claim. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. The technology illustrated in this specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.
100:サンプルホールド回路
106:入力端子
108、208:スイッチング用MOSトランジスタ
109:バッファアンプ
110:チョッパアンプ
110a:反転入力端
110b:非反転入力端
110c:出力端
112:ホールドコンデンサ
114:出力端子
120:寄生ダイオード
304:デューティ比調整回路
306:インバータ
320:増幅回路
322:クロススイッチ
324:オペアンプ
430:クロススイッチ
600:ピークホールド回路
630:オペアンプ
700:サンプルホールド回路
706:入力端子
708:スイッチング用MOSトランジスタ
708:ホールドコンデンサ
709:バッファアンプ
710:オペアンプ
710a:反転入力端
710b:非反転入力端
710c:出力端
712:ホールドコンデンサ
100: sample hold circuit 106: input terminal 108, 208: switching MOS transistor 109: buffer amplifier 110:
Claims (3)
一端が定電圧端子に接続されているホールドコンデンサと、
入力端子とホールドコンデンサの他端との間の導通と遮断を切り替えるスイッチング用MOSトランジスタと、
ホールドコンデンサの他端と出力端子の間に設けられており、ホールドコンデンサ他端の電圧を低インピーダンスで出力するバッファアンプと、を備えており、
バッファアンプが、非反転入力端がホールドコンデンサの他端に接続されているとともに反転入力端が出力端に接続されているチョッパアンプで構成されており、そのチョッパアンプの出力端がホールド回路の出力端子に接続されているとともに、スイッチング用MOSトランジスタのバックゲートに接続されていることを特徴とするホールド回路。 A hold circuit having an input terminal and an output terminal,
A hold capacitor with one end connected to the constant voltage terminal;
A switching MOS transistor that switches between conduction and cutoff between the input terminal and the other end of the hold capacitor;
A buffer amplifier that is provided between the other end of the hold capacitor and the output terminal, and that outputs the voltage at the other end of the hold capacitor with a low impedance;
The buffer amplifier is composed of a chopper amplifier whose non-inverting input terminal is connected to the other end of the hold capacitor and whose inverting input terminal is connected to the output terminal. The output terminal of the chopper amplifier is the output of the hold circuit. A hold circuit which is connected to a terminal and connected to a back gate of a switching MOS transistor.
2つの入力端の夫々に入力側MOSトランジスタが接続されているオペアンプと、
チョッパアンプの2つの入力端と、2つの前記入力側MOSトランジスタのゲートとの間の結線を周期的に交互に切り替えるクロススイッチと、を備えており、
クロススイッチは複数のクロススイッチ用MOSトランジスタで構成されているとともに、前記複数のクロススイッチ用MOSトランジスタのバックゲートがオペアンプの出力端と接続されていることを特徴とする請求項1に記載のホールド回路。 Chopper amplifier
An operational amplifier in which an input side MOS transistor is connected to each of the two input ends;
A cross switch that periodically and alternately switches the connection between the two input terminals of the chopper amplifier and the gates of the two input side MOS transistors,
The hold switch according to claim 1, wherein the cross switch includes a plurality of cross switch MOS transistors, and back gates of the plurality of cross switch MOS transistors are connected to an output terminal of an operational amplifier. circuit.
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