JP5441765B2 - スイッチトキャパシタアンプ - Google Patents

Description

本発明は、スイッチトキャパシタアンプに関する。

従来のスイッチトキャパシタアンプについて説明する。図３は、従来のスイッチトキャパシタアンプを示す回路図である。図４は、従来のスイッチトキャパシタアンプの動作を示すタイムチャートである。

ここで、サンプル時、制御回路６０はクロック信号Φ１をローレベルに制御する。よって、スイッチ４３及びスイッチ４５〜４６はオフする。制御回路６０はクロック信号Φ２をハイレベルに制御する。よって、スイッチ４２とスイッチ４４とスイッチ４７とはオンする。すると、入力電圧ＶＩＮが入力され、入力電圧ＶＩＮは容量４８にサンプルされる。ここでサンプルされた入力電圧ＶＩＮは、容量４８と容量４８の容量値よりも小さい容量値の容量４９との容量比によって増幅され、内部アンプ４１は出力電圧ＶＯＵＴを出力する。この出力電圧ＶＯＵＴに基づいた電荷は、容量５０に充電される。

また、ホールド時、制御回路６０はクロック信号Φ１をハイレベルに制御する。よって、スイッチ４３及びスイッチ４５〜４６はオンする。制御回路６０はクロック信号Φ２をローレベルに制御する。よって、スイッチ４２とスイッチ４４とスイッチ４７とはオフする。すると、容量４９を介した内部アンプ４１の負帰還経路は存在せず、容量５０を介した内部アンプ４１の負帰還経路が形成される。よって、サンプル時に容量５０に充電された電荷に基づき、サンプル時の出力電圧ＶＯＵＴに基づいた電圧が保持される。

スイッチトキャパシタアンプはサンプル状態とホールド状態とを交互に繰り返して動作していて、サンプル状態とホールド状態とで内部アンプ４１のオフセット電圧に基づいた電荷の移動は無いので、内部アンプ４１のオフセット電圧が出力電圧ＶＯＵＴに影響しにくい（例えば、特許文献１参照）。

米国特許第４５４３５３４号明細書

ホールド状態からサンプル状態への移行時において、入力電圧ＶＩＮは基準電圧ＶＲＥＦよりも低く、出力電圧ＶＯＵＴは基準電圧ＶＲＥＦよりも高いとする。上記のサンプル時のようにクロック信号Φ２がハイレベルになり、スイッチ４２がオンすると、電圧Ｖ１は基準電圧ＶＲＥＦから入力電圧ＶＩＮに低くなるので、容量４８は放電する。また、クロック信号Φ２がハイレベルになり、スイッチ４４がオンすると、電圧Ｖ２は基準電圧ＶＲＥＦから出力電圧ＶＯＵＴに急激に高くなるので、容量４９は急激に充電される。

この時、容量４８の容量値は容量４９の容量値よりも大きいにも関らず、内部アンプ４１へのノイズの影響を少なくするため、容量４８の容量値の大きさに対応するように入力スイッチ４２のサイズが大きくなるよう回路設計されることができないので、容量４８の放電スピードの方が容量４９の充電スピードよりも遅くなり、容量４８と容量４９との充放電時間差がある。よって、ホールド状態からサンプル状態への移行時、電圧Ｖ２が出力電圧ＶＯＵＴに急激に高くなると、容量４９の容量カップリングにより、電圧Ｖｓも急激に高くなる。すると、内部アンプ４１の反転入力端子の電圧Ｖｓが急激に高くなるので、図４に示すように、出力電圧ＶＯＵＴが急激に低くなる。よって、出力電圧ＶＯＵＴが安定しない。

なお、入力電圧ＶＩＮが基準電圧ＶＲＥＦよりも高く、出力電圧ＶＯＵＴが基準電圧ＶＲＥＦよりも低い場合も同様に、出力電圧ＶＯＵＴは安定しない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされ、安定した出力電圧を出力できるスイッチトキャパシタアンプを提供する。

本発明は、上記課題を解決するため、スイッチトキャパシタアンプにおいて、入力容量と、スイッチトキャパシタアンプの入力端子と前記入力容量との間に設けられる入力スイッチと、前記入力容量の容量値よりも小さい容量値の出力容量と、前記出力容量とスイッチトキャパシタアンプの出力端子との間に設けられる出力スイッチと、入力電圧を前記入力容量と前記出力容量との容量比によって増幅し、出力電圧を出力する内部アンプと、前記出力電圧に基づいた電荷を充電される保持容量と、サンプル時に前記入力スイッチがオンしてから、所定時間が経過すると、前記出力スイッチがオンするように、前記入力スイッチ及び前記出力スイッチを制御する制御回路と、を備えることを特徴とするスイッチトキャパシタアンプを提供する。

本発明では、スイッチトキャパシタアンプは入力容量と出力容量との充放電時間差が無くなるよう動作できるので、ホールド状態からサンプル状態への移行時、例えば、出力容量の一端の電圧がスイッチトキャパシタアンプの出力電圧に急激に高くなっても、出力容量の他端の電圧は急激に高くならない。つまり、内部アンプへの入力電圧は急激に高くならない。よって、内部アンプの出力電圧が安定するので、スイッチトキャパシタアンプの出力電圧も安定する。

本発明のスイッチトキャパシタアンプを示す回路図である。 本発明のスイッチトキャパシタアンプの動作を示すタイミングチャートである。 従来のスイッチトキャパシタアンプを示す回路図である。 従来のスイッチトキャパシタアンプの動作を示すタイミングチャートである。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
まず、スイッチトキャパシタアンプの構成について説明する。図１は、スイッチトキャパシタアンプを示す回路図である。

スイッチトキャパシタアンプは、内部アンプ１１、入力スイッチ１２、スイッチ１３、出力スイッチ１４、スイッチ１５〜１７、入力容量１８、出力容量１９、保持容量２０、及び、制御回路３０を備える。

入力スイッチ１２及び入力容量１８は、スイッチトキャパシタアンプの入力端子と内部アンプ１１の反転入力端子と間に、順番に設けられる。スイッチ１３は、入力スイッチ１２と入力容量１８との接続点と、スイッチトキャパシタアンプの基準電圧入力端子との間に、設けられる。スイッチ１６及び保持容量２０は、内部アンプ１１の反転入力端子と内部アンプ１１の出力端子と間に、順番に設けられる。スイッチ１７は、スイッチ１６と保持容量２０との接続点と、スイッチトキャパシタアンプの基準電圧入力端子との間に、設けられる。出力容量１９及び出力スイッチ１４は、内部アンプ１１の反転入力端子と内部アンプ１１の出力端子と間に、順番に設けられる。スイッチ１５は、出力容量１９と出力スイッチ１４との接続点と、スイッチトキャパシタアンプの基準電圧入力端子との間に、設けられる。内部アンプ１１の非反転入力端子は、スイッチトキャパシタアンプの基準電圧入力端子に接続され、出力端子は、スイッチトキャパシタアンプの出力端子に接続される。

また、制御回路３０の第一出力端子のクロック信号Φ１は、スイッチ１３及びスイッチ１５〜１６を制御し、第二出力端子のクロック信号Φ２は、入力スイッチ１２を制御し、第三出力端子のクロック信号Φ３は、出力スイッチ１４及びスイッチ１７を制御する。

次に、スイッチトキャパシタアンプの動作について説明する。図２は、各クロック信号及び出力電圧を示すタイムチャートである。

ここで、スイッチトキャパシタアンプの入力端子の電圧をＶＩＮとし、入力スイッチ１２と入力容量１８との接続点の電圧をＶ１とし、内部アンプ１１の反転入力端子の電圧をＶｓとし、出力容量１９と出力スイッチ１４との接続点をＶ２とし、スイッチ１６と保持容量２０との接続点をＶ３とし、スイッチトキャパシタアンプの出力端子の電圧をＶＯＵＴとし、スイッチトキャパシタアンプの基準電圧入力端子の電圧をＶＲＥＦとする。また、入力容量１８の容量値をＣ１８とし、出力容量１９の容量値をＣ１９とし、保持容量２０の容量値をＣ２０とする。

第一期間（サンプル時）において、制御回路３０はクロック信号Φ１をローレベルに制御している。よって、スイッチ１３及びスイッチ１５〜１６はオフしている。制御回路３０はクロック信号Φ２をハイレベルに制御している。よって、入力スイッチ１２はオンしている。制御回路３０はクロック信号Φ３をハイレベルに制御している。よって、出力スイッチ１４及びスイッチ１７はオンしている。すると、入力電圧ＶＩＮが入力され、入力電圧ＶＩＮは入力容量１８にサンプルされる。ここでサンプルされた入力電圧ＶＩＮは、入力容量１８と入力容量１８の容量値よりも小さい容量値の出力容量１９との容量比によって増幅され、内部アンプ１１は出力電圧ＶＯＵＴを出力する。この出力電圧ＶＯＵＴに基づいた電荷は、保持容量２０に充電される。

第二期間（ホールド時）において、制御回路３０はクロック信号Φ１をハイレベルに制御する。よって、スイッチ１３及びスイッチ１５〜１６はオンする。制御回路３０はクロック信号Φ２をローレベルに制御する。よって、入力スイッチ１２はオフする。制御回路３０はクロック信号Φ３をローレベルに制御する。よって、出力スイッチ１４とスイッチ１７とはオフする。すると、出力容量１９を介した内部アンプ１１の負帰還経路は存在せず、保持容量２０を介した内部アンプ１１の負帰還経路が形成される。よって、サンプル時に保持容量２０に充電された電荷に基づき、サンプル時の出力電圧ＶＯＵＴに基づいた電圧が保持される。

第三期間（サンプル時）において、ホールド状態からサンプル状態への移行時において、入力電圧ＶＩＮは基準電圧ＶＲＥＦより低く、出力電圧ＶＯＵＴは基準電圧ＶＲＥＦより高いとする。制御回路３０はクロック信号Φ１をローレベルに制御する。よって、スイッチ１３及びスイッチ１５〜１６はオフする。制御回路３０はクロック信号Φ２をハイレベルに制御する。よって、入力スイッチ１２はオンする。すると、電圧Ｖ１は基準電圧ＶＲＥＦから入力電圧ＶＩＮに低くなるので、入力容量１８は放電する。サンプル時に入力スイッチ１２がオンしてから所定時間が経過すると、制御回路３０はクロック信号Φ３をハイレベルに制御する。よって、出力スイッチ１４及びスイッチ１７はオンする。すると、電圧Ｖ２は基準電圧ＶＲＥＦから出力電圧ＶＯＵＴに急激に高くなるので、出力容量１９は急激に充電される。この時、容量１８の容量値は容量１９の容量値よりも大きいにも関らず、内部アンプ１１へのノイズの影響を少なくするため、容量１８の容量値の大きさに対応するように入力スイッチ１２のサイズが大きくなるよう回路設計されることができないので、入力容量１８の放電スピードの方が出力容量１９の充電スピードよりも遅い。しかし、入力スイッチ１２がオンしてから所定時間が経過するとスイッチ１４はオンし、入力容量１８の放電開始時の方が出力容量１９の充電開始時よりも所定時間速いことにより、スイッチトキャパシタアンプは入力容量１８と出力容量１９との充放電時間差が無くなるよう動作できる。

なお、入力電圧ＶＩＮが基準電圧ＶＲＥＦよりも高く、出力電圧ＶＯＵＴが基準電圧ＶＲＥＦよりも低い場合も同様に、スイッチトキャパシタアンプは入力容量１８と出力容量１９との充放電時間差が無くなるよう動作できる。

このようにすると、スイッチトキャパシタアンプは入力容量１８と出力容量１９との充放電時間差が無くなるよう動作できるので、ホールド状態からサンプル状態への移行時、例えば、出力容量１９の一端の電圧Ｖ２が出力電圧ＶＯＵＴに急激に高くなっても、出力容量１９の他端の電圧Ｖｓは急激に高くならない。つまり、内部アンプ１１への入力電圧は急激に高くならない。よって、内部アンプ１１の出力電圧が安定するので、出力電圧ＶＯＵＴも安定する。

また、容量１８の容量値は容量１９の容量値よりも大きいにも関らず、容量１８の容量値の大きさに対応するように入力スイッチ１２のサイズが大きく無くなくても良いので、入力スイッチ１２による内部アンプ１１へのノイズの影響は少ない。

１１ 内部アンプ
１２ 入力スイッチ
１３、１５〜１７ スイッチ
１４ 出力スイッチ
１８ 入力容量
１９ 出力容量
２０ 保持容量
３０ 制御回路

Claims (3)

1. スイッチトキャパシタアンプにおいて、
   入力容量と、
   スイッチトキャパシタアンプの入力端子と前記入力容量との間に設けられる入力スイッチと、
   前記入力容量と前記入力スイッチの接続点とスイッチトキャパシタアンプの基準電圧入力端子の間に設けられる第一の基準電圧スイッチと、
   前記入力容量の容量値よりも小さい容量値の出力容量と、
   前記出力容量とスイッチトキャパシタアンプの出力端子との間に設けられる出力スイッチと、
   入力電圧を前記入力容量と前記出力容量との容量比によって増幅し、出力電圧を出力する内部アンプと、
   前記出力電圧に基づいた電荷を充電される保持容量と、
   前記第一の基準電圧スイッチを制御する第一のクロック信号と、前記入力スイッチを制御する第二のクロック信号と、前記出力スイッチを制御する第三のクロック信号とを出力し、サンプル時に、前記第一の基準電圧スイッチをオフ、前記入力スイッチがオンしてから、所定時間が経過すると、前記出力スイッチをオンするように制御する制御回路と、
   を備えることを特徴とするスイッチトキャパシタアンプ。
2. 第二の基準電圧スイッチと、第三の基準電圧スイッチと、第四の基準電圧スイッチとをさらに備え、
   前記入力スイッチ及び前記入力容量は、前記スイッチトキャパシタアンプの入力端子と前記内部アンプの反転入力端子と間に、順番に設けられ、
   前記第一の基準電圧スイッチは、前記入力スイッチと前記入力容量との接続点と、前記基準電圧入力端子との間に、設けられ、
   前記第三の基準電圧スイッチ及び前記保持容量は、前記内部アンプの反転入力端子と前記内部アンプの出力端子と間に、順番に設けられ、
   前記第四の基準電圧スイッチは、前記第三の基準電圧スイッチと前記保持容量との接続点と、前記基準電圧入力端子との間に、設けられ、
   前記出力容量及び前記出力スイッチは、前記内部アンプの反転入力端子と前記内部アンプの出力端子と間に、順番に設けられ、
   前記第二の基準電圧スイッチは、前記出力容量と前記出力スイッチとの接続点と、前記基準電圧入力端子との間に、設けられ、
   前記内部アンプの非反転入力端子は、前記基準電圧入力端子に接続され、出力端子は、前記スイッチトキャパシタアンプの出力端子に接続される、
   ことを特徴とする請求項１記載のスイッチトキャパシタアンプ。
3. 前記入力容量と前記出力容量の充放電時間が略等しい、
   ことを特徴とする請求項１または２記載のスイッチトキャパシタアンプ。

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