JP5612501B2 - チョッパ式増幅回路 - Google Patents

Description

本発明は、微弱な電圧（増幅前電圧）を増幅する回路に関する。

チョッパ式増幅回路が知られている。チョッパ式増幅回路は、一般的に、回路の１／ｆノイズを除去するために用いられる。図１に示すように、チョッパ式増幅回路は、＋側入力端子２、−側入力端子４、入力側スイッチ回路６、増幅回路１６、出力側スイッチ回路１８、＋側出力端子２４、並びに−側出力端子２６を備えている。
＋側入力端子２に、（ａ）に例示する増幅前の第１電圧が入力する。−側入力端子４に、（ｂ）に例示する増幅前の第２電圧が入力する。第２電圧は第１電圧を反転したものであってもよいが、反転したものには限定されない。以下では、＋側入力端子２に入力する電圧を＋増幅前電圧といい、−側入力端子４に入力する電圧を−増幅前電圧という。
増幅回路１６は、＋側入力８、−側入力１０、＋側出力１２、並びに−側出力１４を備えている。本明細書では、増幅回路１６の＋側入力端子８を、＋側入力端子２と区別するために、＋側入力８と呼ぶ。同様の理由で、増幅回路１６の−側入力端子１０を−側入力１０と呼び、＋側出力端子１２を＋側出力１２と呼び、−側出力端子１４を−側出力１４と呼ぶ。
入力側スイッチ回路６は、時間の経過に伴って反転するチョッパクロック（ｃに示す）に同期して、＋側入力端子２を＋側入力８に接続するとともに−側入力端子４を−側入力１０に接続する第１状態（Ａに示す）と、＋側入力端子２を−側入力１０に接続するとともに−側入力端子４を＋側入力８に接続する第２状態（Ｂに示す）の間で交互に切り換える。図1では、図示の明瞭化のために、チョッパクロック（ｃ）の周期が引き伸ばされて表示されている。実際のチョッパクロック（ｃ）は、（ａ）に例示する＋増幅前電圧あるいは（ｂ）に例示する−増幅前電圧の変化周期に比して、図示されているよりも短周期で反転する。
出力側スイッチ回路１８は、チョッパクロック（ｃ）に同期して、＋側出力１２を＋側出力端子２４に接続するとともに−側出力１４を−側出力端子２６に接続する第１状態（Ａに示す）と、＋側出力１２を−側出力端子２６に接続するとともに−側出力１４を＋側出力端子２４に接続する第２状態（Ｂに示す）の間で交互に切り換える。

図１に示すチョッパ式増幅装置の場合、チョッパクロック（ｃ）に同期して入力側スイッチ回路６がチョッピング動作するために、＋増幅前電圧（ａ）と−増幅前電圧（ｂ）が変調され、＋側入力８に（ｄ）に例示する電圧が入力され、−側入力１０に（ｅ）に例示する電圧が入力される。また、＋側出力１２に（ｆ）に例示する電圧が出力され、−側出力１４に（ｇ）に例示する電圧が出力される。（ｆ）と（ｇ）の電圧は、出力側スイッチ回路１８がチョッピング動作するために、復調される。＋側出力端子２４には、＋増幅前電圧（ａ）を増幅した電圧（ｈ）が出力され、−側出力端子２６には、−増幅前電圧（ｂ）を増幅した電圧（ｉ）が出力される。

図１に示すチョッパ式増幅装置の場合、＋側出力端子２４に出力される電圧（ｈ）にはノイズ２８が重畳しており、−側出力端子２６に出力される電圧（ｉ）にはノイズ３０が重畳している。これらのノイズはスパイクノイズと呼ばれることがある。これらのノイズは、チョッパクロック（ｃ）の反転に同期して生じることから、本明細書では、チョッパノイズという。
出力電圧（ｈ），（ｉ）にチョッパノイズ２８，３０が重畳してしまうと、重畳したチョッパノイズ２８，３０を除去するのに面倒な処理が必要とされる。低次のＬＰＦではノイズを除去しきれず、カットオフ周波数がチョッパノイズの周波数よりも十分に低周波に設定されている高次のＬＰＦを用いる必要が生じる。カットオフ周波数を低周波化した高次のＬＰＦで処理すると、出力電圧（ｈ），（ｉ）の位相が遅れるといった問題が発生する。また、チョッパノイズが重畳した増幅後電圧をＬＰＦ処理すると、チョッパ式増幅回路の容量比（または抵抗比）で決まるはずの増幅度を安定的に得ることができなくなってしまうという問題も発生する。
出力電圧（ｈ），（ｉ）にチョッパノイズ２８，３０が重畳しないようにする技術が必要とされている。

特許文献１に、図２のチョッパ式増幅装置が開示されている。図２のチョッパ式増幅装置は、出力電圧にチョッパノイズが重畳しないように改良されている。このチョッパ式増幅装置は、＋側入力端子２、−側入力端子４、入力側スイッチ回路６、増幅回路１６、出力側スイッチ回路３２，３８，４０，４６、第１サンプルホールド回路３４、第２サンプルホールド回路３６、第３サンプルホールド回路４２、第４サンプルホールド回路４４、＋側出力端子２４、並びに−側出力端子２６を備えている。
図１の場合と同様に、＋側出力１２に、図１（ｆ）に例示する電圧が出力され、−側出力１４に、図１（ｇ）に例示する電圧が出力される。重複説明は省略する。

図２の（Ａ）に示す第１状態では、出力側スイッチ回路３２によって、＋側出力１２の出力電圧（ｆ）が第１サンプルホールド回路３４に入力され、−側出力１４の出力電圧（ｇ）が第２サンプルホールド回路３６に入力され、出力側スイッチ回路４６によって、第３サンプルホールド回路４２が保持している電圧が＋側出力端子２４に出力され、第４サンプルホールド回路４４が保持している電圧が−側出力端子２６に出力される。
図２の（Ｂ）に示す第２状態では、出力側スイッチ回路４０によって、＋側出力１２の出力電圧（ｆ）が第３サンプルホールド回路４２に入力され、−側出力１４の出力電圧（ｇ）が第４サンプルホールド回路４４に入力され、出力側スイッチ回路３８によって、第１サンプルホールド回路３４が保持している電圧が＋側出力端子２４に出力され、第２サンプルホールド回路３６が保持している電圧が−側出力端子２６に出力される。
第１サンプルホールド回路３４と第２サンプルホールド回路３６は、（Ｂ）に示す第２状態の間、（Ａ）に示す第１状態から（Ｂ）に示す第２状態に切り換わる直前の値を保持している。このタイミングでは、チョッパノイズは消失している。また、第３サンプルホールド回路４２と第４サンプルホールド回路４４は、（Ａ）に示す第１状態の間、（Ｂ）に示す第２状態から（Ａ）に示す第１状態に切り換わる直前の値を保持している。このタイミングでは、チョッパノイズは消失している。
図２のチョッパ式増幅装置によると、＋側出力端子２４と−側出力端子２６から、チョッパノイズの影響を受けない増幅後電圧が出力される。

特開２００７−２１４６１３号公報

図２のチョッパ式増幅装置では、（Ａ）に示す第１状態における増幅後電圧を保持しておいて（Ｂ）に示す第２状態となったときに出力する。すなわち、チョッパクロックの１／２周期分だけ保持しておいてから出力する。また、（Ｂ）に示す第２状態における増幅後電圧を保持しておいて（Ａ）に示す第１状態となったときに出力する。この場合も、チョッパクロックの１／２周期分だけ保持しておいてから出力する。この結果、出力電圧（増幅後電圧）が入力電圧（増幅前電圧）よりも、チョッパクロックの１／２周期分だけ遅れてしまう。また、増幅後電圧はチョッパクロックの１／２周期幅の階段状となり、同一階段幅内にある間は増幅前電圧の変化に追従できない。このことも、増幅後電圧の位相を増幅前電圧の位相から遅らせる。
高速で変化する物理現象をセンサ等で検出する場面が増えており、増幅後電圧が増幅前電圧よりも遅れてしまうことが許されないケースが増加している。本発明では、チョッパノイズが重畳しておらず、しかも増幅前電圧から遅れない増幅後電圧を出力するチョッパ式増幅装置を提供する。

本明細書で開示するチョッパ式増幅装置は、図３に模式的に例示するように、＋側入力端子２、−側入力端子４、入力側スイッチ回路６、増幅回路１６、出力側スイッチ回路１８、＋側サンプルホ−ルド回路２０、−側サンプルホ−ルド回路２２、＋側出力端子２４、並びに−側出力端子２６を備えている。
＋側入力端子２には、＋増幅前電圧（ａ）が入力する。−側入力端子４には、−増幅前電圧（ｂ）が入力する。−増幅前電圧（ｂ）は＋増幅前電圧（ａ）を反転したであってもよいが、反転したものに限られない。
増幅回路１６は、＋側入力８、−側入力１０、＋側出力１２、並びに−側出力１４を備えている。図3では、＋側入力８と＋側出力１２が上側に配置され、−側入力１０と−側出力１４が下側に配置されているが、空間的位置関係は重要でなく、いずれの位置関係であってもよい。
入力側スイッチ回路６は、時間の経過に伴って反転するチョッパクロック（ｃ）に同期して、＋側入力端子２を＋側入力８に接続するとともに−側入力端子４を−側入力１０に接続する第１状態（Ａ）と、＋側入力端子２を−側入力１０に接続するとともに−側入力端子４を＋側入力８に接続する第２状態（Ｂ）の間で交互に切換える。
出力側スイッチ回路１８は、チョッパクロック（ｃ）に同期して、＋側出力１２を＋側サンプルホ−ルド回路２０に接続するとともに−側出力１４を−側サンプルホ−ルド回路２２に接続する第１状態（Ａ）と、＋側出力１２を−側サンプルホ−ルド回路２２に接続するとともに−側出力１４を＋側サンプルホ−ルド回路２０に接続する第２状態（Ｂ）の間で交互に切換える。
＋側サンプルホ−ルド回路２０と−側サンプルホ−ルド回路２２は、チョッパクロック（ｃ）の反転前の電圧をチョッパクロックの反転後まで保持する。例えば、図３の第２状態（Ｂ）に切り換わった直後における＋側出力端子２４の電圧は、直前の第１状態（Ａ）における＋側出力１2の電圧を維持し、その後に、−側出力１４の電圧に等しくなる。同様に、第２状態（Ｂ）に切り換わった直後における−側出力端子２６の電圧は、直前の第１状態（Ａ）における−側出力１４の電圧を維持し、その後に、＋側出力１２の電圧に等しくなる。また、第１状態（Ａ）に切り換わった直後における＋側出力端子２４の電圧は、直前の第２状態（Ｂ）における−側出力１４の電圧を維持し、その後に、＋側出力１２の電圧に等しくなる。同様に、第１状態（Ａ）に切り換わった直後における−側出力端子２６の電圧は、直前の第２状態（Ｂ）における＋側出力１２の電圧を維持し、その後に、−側出力１４の電圧に等しくなる。

増幅回路１６等が内蔵しているＣ，Ｒ成分によって、増幅回路１６には応答遅れが発生する。応答遅れが含まれている増幅後電圧を出力側スイッチ回路１８で復調するために、チョッパクロック（ｃ）の反転タイミングでは増幅回路１６の応答遅れの影響が顕在化してしまう。出力側スイッチ回路１８等が内蔵しているＣ，Ｒ成分によって、復調過程でも応答遅れが発生する。これらの応答遅れが生じるために、チョッパクロック（ｃ）の反転タイミングに同期してチョッパノイズが現れる。
＋側サンプルホ−ルド回路２０と−側サンプルホ−ルド回路２２が、チョッパクロック（ｃ）の反転前の電圧をチョッパクロックの反転後まで保持するものであれば、チョッパクロック（ｃ）の反転タイミングに同期して生じるチョッパノイズは、＋側サンプルホ−ルド回路２０と−側サンプルホ−ルド回路２２によって除去される。チョッパノイズが、＋側出力端子２４と−側出力端子２６に伝播することはない。
＋側サンプルホ−ルド回路２０と−側サンプルホ−ルド回路２２は、チョッパクロックの反転後まで保持するとともに、保持時間の終了に伴って保持状態を停止する。保持時間の終了後は、＋側出力１２と−側出力１４の電圧を遅れなく、＋側出力端子２４と−側出力端子２６に伝達する。チョッパノイズが減衰した後は、＋側出力１２と−側出力１４の電圧を遅れなく＋側出力端子２４と−側出力端子２６に伝達する。
以上から、第２状態（Ｂ）に切り換わった直後における＋側出力端子２４の電圧は、直前の第１状態（Ａ）における＋側出力１2の電圧を維持するのでチョッパノイズが影響しないものとなり、チョッパノイズが減衰した後は−側出力１４の電圧に等しくなる。同様に、第１状態（Ａ）に切り換わった直後における＋側出力端子２４の電圧は、直前の第２状態（Ｂ）における−側出力１４の電圧を維持するのでチョッパノイズが影響しないものとなり、チョッパノイズが減衰した後は＋側出力１２の電圧に等しくなる。この結果、＋側出力端子２４の電圧は、復調された＋出力電圧となり、チョッパノイズが影響しておらず、＋増幅前電圧を遅れなく増幅した＋増幅後電圧となる。図３のチョッパ式増幅装置は、チョッパノイズが重畳しておらず、しかも＋増幅前電圧から遅れない＋増幅後電圧を出力する。
同様に、第２状態（Ｂ）に切り換わった直後における−側出力端子２６の電圧は、直前の第１状態（Ａ）における−側出力１４の電圧を維持するのでチョッパノイズが影響しないものとなり、チョッパノイズが減衰した後は＋側出力１２の電圧に等しくなる。同様に、第１状態（Ａ）に切り換わった直後における−側出力端子２６の電圧は、直前の第２状態（Ｂ）における＋側出力１２の電圧を維持するのでチョッパノイズが影響しないものとなり、チョッパノイズが減衰した後は−側出力１４の電圧に等しくなる。この結果、−側出力端子２６の電圧は、復調された−出力電圧となり、チョッパノイズが影響しておらず、−増幅前電圧を遅れなく増幅した−増幅後電圧となる。図３のチョッパ式増幅装置は、チョッパノイズが重畳しておらず、しかも−増幅前電圧から遅れない−増幅後電圧を出力する。

チャージアンプの出力電圧は、入力電圧が時間の経過にともなって変化しなくても、チョッパクロックの１／２周期の間に変化する性質を持っている。出力電圧の変動率は、帰還容量値と帰還抵抗値によって決まる時定数によって変化し、帰還容量値が一定であれば帰還抵抗値が大きいほど出力電圧の変動率は小さくなる。
チャージアンプの出力電圧が、チョッパクロックの１／２周期の間に５％を超えて変化すると、チョッパノイズをサンプルホールド方式で除去するローパスフィルタ後のゲインの誤差が大きい。さらに、スムースな復調後電圧（増幅後電圧）を得ることができない。それに対して、チョッパクロックの１／２周期の間における変化率が５％以下であれば、チョッパノイズをサンプルホールド方式で除去するローパスフィルタ後のゲインの誤差が十分に小さい。さらに、一次のローパスフィルタで処理可能な程度にスムースな復調後電圧（増幅後電圧）を得ることができる。
そこで、増幅回路をチャージアンプで構成する場合には、チョッパクロックの１／２周期におけるチャージアンプの出力電圧の変動率が５％となる抵抗値よりも大きな抵抗値を持つ帰還抵抗を用いることが好ましい。
増幅回路を前段チャージアンプと後段チャージアンプで構成する場合、チョッパクロックの１／２周期における前段チャージアンプの出力電圧の変動率が５％となる抵抗値よりも大きな抵抗を前段チャージアンプの帰還抵抗に用い、チョッパクロックの１／２周期における後段チャージアンプの出力電圧の変動率が５％となる抵抗値よりも大きな抵抗を後段チャージアンプの帰還抵抗に用いることが好ましい。

増幅回路を一段のチャージアンプで構成してもよいが、多段のチャージアンプで構成してもよい。例えば、前段チャージアンプと後段チャージアンプで構成してもよい。
増幅回路を、前段チャージアンプと後段チャージアンプ等によって多段階で構成すると、増幅回路の応答時間が高速化され、チョッパクロックの１／４周期よりも短い時間内にチョッパノイズが減衰する現象を得ることができる。＋側サンプルホ−ルド回路と−側サンプルホ−ルド回路の保持時間を、チョッパクロックの１／４周期よりも短くすることができる。
また増幅回路に、チャージアンプを用いると、オペアンプのオフセット電圧が増幅されないことから、復調した後の電圧において、チョッパクロックがハイであった間の電圧とチョッパクロックがローであった間の電圧の差が小さい。すなわち、スムースな復調後電圧が得られる。一次のローパスフィルタでも処理可能な復調電圧（増幅後電圧）を得ることができる。また、抵抗比増幅と比較したときに、回路のホワイトノイズを低減できるメリットも得られる。

＋側出力端子２４と−側出力端子２６に接続されており、両者の電圧差を出力する差分回路と、差分回路の出力端子に接続されているローパスフィルタ回路が付加されていてもよい。差分回路とローパスフィルタ回路を兼用する一つの回路を利用してもよい。差分回路とローパスフィルタ回路が用意されていると、サンプルホールド後に残るスイッチングノイズやホワイトノイズが低減された増幅後電圧を得ることができる。

本明細書に開示されている技術によると、チョッパノイズが重畳しておらず、しかも増幅前電圧から遅れのない増幅後電圧を出力するチョッパ式増幅装置を提供することができる。高速で変化する物理現象をセンサ等で検出する場面が増えており、増幅前電圧が高周波数化している。増幅前電圧と増幅後電圧の時間差を１０マイクロ秒以下にしたいといった要請が増えている。本明細書に開示されている技術によると、この種の要請に応えることが可能となる。

従来のチョッパ式増幅装置の回路構成を示す。 特許文献１のチョッパ式増幅装置の回路構成を示す。 本明細書で開示するチョッパ式増幅装置の回路構成を示す。 実施例のチョッパ式増幅装置の回路構成を示す。 実施例のサンプルホールド回路の回路構成を示す。 実施例の差分／ローパスフィルタ回路の回路構成を示す。 増幅後電圧と、復調電圧と、サンプルホールドされた電圧の関係を示す。 帰還抵抗と、復調電圧と、ローパスフィルタ回路で処理した後の電圧の関係を示す。 ローパスフィルタ回路で処理した後の電圧と時間の関係を示す。

下記で説明する実施例の主要な特長を以下に例示する。
（特長１）差分回路と一次のローパスフィルタ回路が一体化されている。
（特徴２）チャージアンプの帰還抵抗がMOSで形成されている。

図４は実施例の回路構成を示している。入力側スイッチ回路６は、（ｃ）に示すチョッパクロックがローの間は接続状態になるとともにハイの間は非接続状態になる一対のスイッチＳ１と、ローの間は非接続状態になるとともにハイの間は接続状態となる一対のスイッチＳ２で構成されている。チョッパクロックがローの間は、一対のスイッチＳ１が接続状態となり、一対のスイッチＳ２が非接続状態となり、＋側入力端子２が増幅回路１６の＋側入力８に接続され、−側入力端子４が増幅回路１６の−側入力１０に接続される（第１状態）。チョッパクロックがハイの間は、一対のスイッチＳ１が非接続状態となり、一対のスイッチＳ２が接続状態となり、＋側入力端子２が増幅回路１６の−側入力１０に接続され、−側入力端子４が増幅回路１６の＋側入力８に接続される（第２状態）。（ｃ）に示すように、チョッパクロックは経過時間に伴って、ハイからローに反転してローからハイに反転する現象を繰り返す。この結果、入力側スイッチ回路６は、時間の経過に伴って、第１状態と第２状態の間で交互に切換える。

増幅回路１６は、前段のチャージアンプ５０と後段のチャージアンプ５２で構成されている。前段のチャージアンプ５０で増幅された電圧を後段のチャージアンプ５２でさらに増幅する２段階増幅回路である。
前段のチャージアンプ５０は、オペアンプ７２と、容量６０，６２と、帰還容量６４，６６と、帰還抵抗６８，７０で構成されている。前段のチャージアンプ５０は、＋側入力８の電圧を容量６０／容量６４の比で決まる増幅率で増幅した電圧を出力して容量８０を充電し、−側入力１０の電圧を容量６２／容量６６で決まる増幅率で増幅した電圧を出力して容量８２を充電する。
本実施例では、オペアンプ７２の＋出力を−入力へフィードバックしており、オペアンプ７２の−出力を＋入力へフィードバックしている。これによって、全差動増幅する。
オペアンプ７２は電荷を増幅するものであり、チャージアンプとして機能する。オペアンプ７２の出力電圧に、オペアンプ７２のオフセット電圧を増幅した電圧は含まれない。オペアンプ７２の出力電圧に含まれるものは、オペアンプ７２のオフセット電圧自体であり、それを増幅した電圧ではない。
オペアンプ７２の出力電圧に、オペアンプ７２のオフセット電圧を増幅した電圧が含まれていると、出力側スイッチ回路１８によって復調した後の電圧に、オフセット電圧を増幅した電圧が影響してしまう。たとえば、出力側スイッチ回路１８のスイッチＳ１が接続状態である間の電圧が、スイッチＳ１が非続状態である間の電圧に比して、オフセット電圧を増幅した電圧だけ高くなってしまう現象が生じる。オペアンプ７２がチャージアンプとして機能する場合、オペアンプ７２の出力電圧に含まれるものはオペアンプ７２のオフセット電圧自体であり、増幅されたものでない。このために、スイッチＳ１が接続状態である間の電圧と非接続状態である間の電圧の差は、オフセット電圧自体であり、増幅されたものでない。
オペアンプ７２がチャージアンプとして機能する場合、復調後の電圧がスムースなものとなり、一次のローパスフィルタで処理できるほどにスムースな復調後電圧が得られる。

オペアンプ７２がチャージアンプとして機能する場合、復調後電圧は図８の（ｈ）−１に示すように変化する。ここで、参照符号１０８に示す変化はチョッピングに伴う変化であり、後記するようにして除去する。参照符号１１０に示す変化は、チャージアンプが微分特性を備えていることに起因する変化であり、オペアンプ７２に入力する電圧が一定値に維持されていても変化する。
参照符号１１０に示す変化の速度は、帰還容量６４と帰還抵抗６８の大きさで決まる時定数によって決定される。帰還容量６４が一定であれば帰還抵抗６８が大きいほど、変化速度は緩やかである。本実施例では、帰還抵抗６８の大きさを１２０Ｍオームという高抵抗に設定している。この結果、チャージアンプ７２の動作信号帯域が低周波側に延び、参照符号１１０に示す変化の速度が低速化されている。本実施例では、１２０Ｍオームという高抵抗に設定することで、（ｈ）−３に例示するように、チョッピングノイズ１０８さえ除去すれば、除去後の電圧は非常に安定したものとなるように調整されている。チョッピングノイズ１０８の除去後の電圧は、一次のローパスフィルタで処理できるほどにスムースなものとなる。
本実施例では、１２０Ｍオームという高抵抗を得るためにＭＯＳトランジスタ構造を利用している。ゲート電圧を調整することによって、１２０Ｍオームという高抵抗を得ることができる。ＭＯＳトランジスタ構造は小型化することができる。小型の回路素子で１２０Ｍオームという高抵抗を得ている。
オペアンプ７２の−出力７６に出力される電圧についても同様である。

後段のチャージアンプ５２は、基本的に前段のチャージアンプ５０と同様である。その出力電圧に含まれるオフセット電圧は、オペアンプ９２のオフセット電圧自体であり、それを増幅したものでない。また帰還抵抗８８の抵抗値が大きく、図８の（ｈ）−１に例示した変化１１０の速度は非常に緩やかであり、（ｈ）−３に例示するように、チョッピングノイズ１０８さえ除去すれば、除去後の電圧は非常に安定したものとなるように調整されている。除去後の電圧は、一次のローパスフィルタで処理できるほどにスムースなものとなる。オペアンプ９２の−出力１４に出力される電圧についても同様である。

増幅回路１６が、前段のチャージアンプ５０と後段のチャージアンプ５２からなる２段階増幅回路で構成されていると、増幅回路１６の応答速度が高速化され、増幅時の応答遅れが起因となって生じるチョッパノイズ（図８の参照番号１０８参照）は、短時間で減衰する。本実施例では、図４の（ｃ）に示すチョッパクロックの１／４周期よりも短い期間内で、チョッパノイズが減衰する。
図４の（ｍ）は、チョッパクロック（ｃ）の反転タイミングの直前に立ち上がり、チョッパクロックの１／４周期だけハイを維持してからローに立ち下がるクロックを示す。後記するサンプルホールド回路２０，２２には、図４の（ｍ）のクロックが伝えられる。サンプルホールド回路２０，２２は、図４の（ｍ）のクロックがハイの間は、ハイに立ち上がった時の値を保持する。サンプルホールド回路２０，２２は、図４の（ｍ）のクロックがローの間は、入力電圧をそのまま出力する。
チョッパノイズがチョッパクロックの１／４周期よりも短い期間内で減衰すれば、図４の（ｍ）のクロックと、サンプルホールド回路２０，２２によって、チョッパノイズを除去することができる。

図８の参照符号１１０，１１２で示す変化の速度が遅ければ、一次のローパスフィルタで処理することができる。実際には、チョッパクロックの１／２周期内における増幅後電圧の変化率が５％以下であれば、二次のローパスフィルタを使用する必要がなく、一次のローパスフィルタで処理することができる。次の式、すなわち、「帰還抵抗６８の抵抗Ｒ＞−１／(２×帰還容量６４の容量×チョッパクロックの周波数×log e ０．９５)」の条件を満たす抵抗Ｒを選択すれば、増幅後電圧のチョッパクロックの１／２周期内における変化率が５％以下となる。チョッパクロックの周波数が４００ｋHzであり、ゲインが１０倍であるとすると、増幅回路１６の応答遅れを許容値以内に抑えるためにはコンデンサ６０の容量を１００ｐＦ以下に抑えなければならないことから、帰還抵抗６８の抵抗値Ｒは、２．４３７Ｍオーム以上であることが求められる。実際には、コンデンサ６０の容量が２０ｐＦであることが好ましく、この場合、帰還抵抗６８の抵抗Ｒは、１２Ｍオーム以上となる。本実施例では、１２０Ｍオームとしている。

帰還抵抗６８の抵抗Ｒが大きすぎる場合、帰還抵抗を介したフィードバックがかからなくなってしまう。次式、すなわち、「帰還抵抗６８の抵抗Ｒ＜−ｔ／(帰還容量６４の容量×log e ０．００１)の条件を満たす抵抗Ｒを選択すれば、時間ｔの間に０．１％以下の電圧差となるようフィードバックがかかる。ゲインが１０倍であるとすると、増幅回路１６の応答遅れを許容値以内に抑えるためにはコンデンサ６０の容量を１００ｐＦ以下に抑えなければならないことから、抵抗Ｒが１４．５Ｇオーム以下であれば、１秒以内に０．１％以下の電圧差となるようなフィードバックがかかる。実際には、コンデンサ６０の容量は２０ｐＦであることが好ましく、この場合、帰還抵抗６８の抵抗Ｒは、７４Ｇオーム以下となる。帰還抵抗７０、８８、帰還抵抗９０についても同様である。

出力側スイッチ回路１８は、（ｃ）に示すチョッパクロックがローの間は接続状態になるとともにハイの間は非接続状態になる一対のスイッチＳ１と、ローの間は非接続状態になるとともにハイの間は接続状態となる一対のスイッチＳ２で構成されている。チョッパクロックがローの間は、一対のスイッチＳ１が接続状態となり、一対のスイッチＳ２が非接続状態となり、＋側出力１２が＋側サンプルホールド回路２０に接続され、−側出力１４が−側サンプルホールド回路２２に接続される（第１状態）。チョッパクロックがハイの間は、＋側出力１２が−側サンプルホールド回路２２に接続され、−側出力１４が＋側サンプルホールド回路２０に接続される（第２状態）。（ｃ）に示すように、チョッパクロックは、時間の経過に伴って、ハイからローに反転してローからハイに反転する現象を繰り返す。この結果、出力側スイッチ回路１８は、経過時間とともに第１状態と第２状態の間で交互に切換える。

入力側スイッチ回路６と出力側スイッチ回路１８は、同時に同期して、第１状態と第２状態の間で交互に切換わる。
このことは、増幅回路１６の＋入力８に＋増幅前電圧と−増幅前電圧を交互に所定時間毎に入力して増幅し、増幅回路１６の−入力１０に−増幅前電圧と＋増幅前電圧を交互に所定時間毎に入力して増幅し、＋入力８の電圧を増幅した電圧と−入力１０の電圧を増幅した電圧を交互に所定時間毎に＋側サンプルホールド回路２０に入力し、−入力１０の電圧を増幅した電圧と＋入力８の電圧を増幅した電圧を交互に所定時間毎に−側サンプルホールド回路２２に入力することになる。結局、入力側スイッチ回路６で、＋増幅前電圧と−増幅前電圧をチョッパし、出力側スイッチ回路１８で、チョッパした電圧を復調することになる。＋側サンプルホールド回路２０には＋増幅前電圧を増幅した電圧が入力し、−側サンプルホールド回路２２には−増幅前電圧を増幅した電圧が入力する。ただし、＋側サンプルホールド回路２０に入力する電圧にも、−側サンプルホールド回路２２入力する電圧にも、チョッパノイズが含まれている。

図５は、＋側サンプルホールド回路２０と−側サンプルホールド回路２２の回路構成を示している。サンプルホールド回路２０，２２の入力端子９４は、出力側スイッチング回路１８に接続されている。＋側サンプルホールド回路２０には、復調された＋増幅後電圧が入力され、−側サンプルホールド回路２２には、復調された−増幅後電圧が入力される。
トランジスタ９６のゲートGには、図４の（ｍ）に示したクロックが入力される。トランジスタ９６は、（ｍ）に示したクロックがハイの間はオフとなり、（ｍ）に示したクロックがローの間はオンする。（ｍ）に示したクロックがローの間はトランジスタ９６がオンし、コンデンサ９８の非接地側電極の電位は復調された増幅後電圧に等しくなる。オペアンプ１０２は高入力インピーダンスの電圧フォロワーとして作動し、出力端子２４，２６の電圧を、オペアンプ１０２の非接地側電極１００の電圧に等しくする。（ｍ）に示したクロックがローの間は、復調された増幅後電圧が出力端子２４，２６に伝達される。
（ｍ）に示したクロックが立ち上がると、トランジスタ９６がオフし、コンデンサ９８の非接地側電極の電圧は、（ｍ）に示したクロックが立ち上がる直前における復調された増幅後電圧に維持される。

図7の（ｆ）は、増幅回路１６の＋出力１２から出力される電圧を例示しており、（ｇ）は、増幅回路１６の−出力１４から出力される電圧を例示しており、（ｃ）は、出力側スイッチ回路１８に印加されるクロックを示している。（ｈ）は、出力側スイッチ回路１８で復調された＋増幅後電圧を示し、（ｉ）は、出力側スイッチ回路１８で復調された−増幅後電圧を示している。図示１０８は、チョッパノイズである。

図８の（ｈ）−３は、出力側スイッチング回路１８で復調された＋増幅後電圧を例示している。参照番号１０８はチョッパノイズを示している。図８の（ｍ）には、サンプルホールド回路２０に加えられるクロックも示されている。（ｈ）−３と（ｍ）では、時間軸が揃えて示されている。
（ｈ）−３と（ｍ）が図示の関係にある場合、サンプルホールド回路２０が電圧を保持している間に、チョッパノイズ１０８が発生して減衰する。すなわち、サンプルホールド回路２０がタイミングｔ１において電圧を保持し始めた後に、チョッパノイズ１０８が発生し始める（タイミングｔ２）。また、チョッパノイズ１０８が減衰するタイミングｔ３以降も（タイミングｔ４まで）、サンプルホールド回路２０は電圧を保持し続ける。以上によって、サンプルホールド回路２０が出力端子２４に出力する電圧には、チョッパノイズ１０８の影響が除去されることがわかる。図８の（ｊ）−３は、サンプルホールド回路２０が出力端子２４に出力する電圧を例示しており、チョッパノイズ１０８が除去されることが確認される。
図８の（ｈ）−１と（ｊ）−１は、帰還抵抗６８，７０，８８，９０の抵抗値が小さい場合を示している。図８の（ｈ）−３と（ｊ）−３は、帰還抵抗６８，７０，８８，９０の抵抗値が大きい場合を示している。帰還抵抗６８，７０，８８，９０の抵抗値が大きいと、サンプルホールド回路２０で、チョッパノイズ１０８が除去された後の電圧は、非常にスムースである。入力電圧が変化しなければ、出力端子２４の電圧も変化しない。
復調された−増幅後電圧を出力する出力端子２６の電圧も同様であり、−増幅前電圧を純粋に増幅したものに近く、−増幅前電圧が変化しなければ、出力端子２６の電圧も変化しない。

図４の５４は、＋出力端子２４に出力される＋増幅後電圧と−出力端子２６に出力される−増幅後電圧の差、若しくはその差を増幅した値を出力する差分機能と、ローパスフィルタ機能を合わせ持つ回路である。＋出力端子２４に出力される＋増幅後電圧も、−出力端子２６に出力される−増幅後電圧もスムースであることから、両者の差を示す電圧波形もスムースであり、一次のローパスフィルタ回路でもノイズを除去することができる。図６は、差分機能とローパスフィルタ機能をあわせもつ回路５４の実施例である。回路５４から出力端子５８に出力される電圧は、＋増幅前電圧Ｖin+と−増幅前電圧Ｖin-の差を増幅した波形となる。

図９は、ローパスフィルタ回路で処理した後の出力信号の電圧と時間の関係を示している。カーブＱは、サンプルホールド回路２０，２２でチョッパノイズを除去しなかった増幅後電圧を、カットオフ周波数７０ＫＨｚのローパスフィルタで処理した後の信号を示しており、電圧強度が低下し、ノイズが残っている。これに対して、カーブＰは、サンプルホールド回路２０，２２でチョッパノイズを除去した増幅後電圧を、カットオフ周波数７０ＫＨｚのローパスフィルタで処理した後の信号を示しており、電圧強度は低下せず、ノイズが除去されている。破線Ｒは、理想的なローパスフィルタによる場合を示している。
サンプルホールド回路２０，２２でチョッパノイズを除去すると、増幅後電圧から一次のローパスフィルタでノイズを除去することができ、電圧強度は低下しない。すなわち、二次以上のローパスフィルタを利用する必要がなく、一次のローパスフィルタが利用可能となる。応答時間が長い二次以上のローパスフィルタでなく、応答時間が短い一次のローパスフィルタで済むことから、カーブＰに示すように、８０％応答時間を１０μsec以下に抑えることができる。フィルタ処理の結果、出力波形は入力波形よりも遅れる。その遅れの程度はフィルタの次数に依存する。一次のローパスフィルタで処理できれば、出力波形の入力波形からの遅れを最小とすることができる。本実施例によると、入力波形からの遅れが小さな出力波形が利用できることから、検出タイミングが遅れるといった問題が最小に抑制される。また、一次のローパスフィルタで処理することができれば、簡単な回路でローパスフィルタ回路を実現でき、ローパスフィルタ回路を小型化できる。

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、出願時の請求項に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。
また下記に記載する特許請求の範囲の技術的範囲は、実施例に限定されない。実施例はあくまで実施例を例示するものである。

２：＋側入力端子
４：−側入力端子
６：入力側スイッチ回路
１６：増幅回路
１８：出力側スイッチ回路
２０：＋側サンプルホ−ルド回路
２２：−側サンプルホ−ルド回路
２４：＋側出力端子２４
２６：−側出力端子２６
５０：前段チャージアンプ
５２：後段チャージアンプ
５４：差分機能とローパスフィルタ機能を併せもつ回路

Claims (2)

1. ＋側入力端子、−側入力端子、入力側スイッチ回路、増幅回路、出力側スイッチ回路、＋側サンプルホ−ルド回路、−側サンプルホ−ルド回路、＋側出力端子、並びに−側出力端子を備えており、
   ＋側入力端子に、＋増幅前電圧が入力し、
   −側入力端子に、−増幅前電圧が入力し、
   増幅回路は、＋側入力、−側入力、＋側出力、並びに−側出力を備えており、
   入力側スイッチ回路は、時間の経過に伴って反転するチョッパクロックに同期して、＋側入力端子を＋側入力に接続するとともに−側入力端子を−側入力に接続する第１状態と、＋側入力端子を−側入力に接続するとともに−側入力端子を＋側入力に接続する第２状態の間で交互に切換え、
   出力側スイッチ回路は、チョッパクロックに同期して、＋側出力を＋側サンプルホ−ルド回路に接続するとともに−側出力を−側サンプルホ−ルド回路に接続する第１状態と、＋側出力を−側サンプルホ−ルド回路に接続するとともに−側出力を＋側サンプルホ−ルド回路に接続する第２状態の間で交互に切換え、
   ＋側サンプルホ−ルド回路と−側サンプルホ−ルド回路は、チョッパクロックの反転前の電圧をチョッパクロックの反転後まで保持し、
   増幅回路が、チャージアンプで構成されており、
   そのチャージアンプの帰還抵抗が、チョッパクロックの１／２周期におけるチャージアンプの出力電圧の変動率が５％となる抵抗値以上であることを特徴とするチョッパ式増幅装置。
2. 増幅回路が、多段のチャージアンプで構成されており、
   ＋側サンプルホ−ルド回路の保持時間と−側サンプルホ−ルド回路の保持時間が、チョッパクロックの１／４周期よりも短いことを特徴とする請求項１に記載のチョッパ式増幅装置。

Images