JP6024968B2 - Differential amplifier and signal amplifier using the same - Google Patents

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Description

本発明は、高精度で低コストな差動増幅器に関し、さらに当該差動増幅器を使用した信号増幅装置に関するものである。   The present invention relates to a high-precision and low-cost differential amplifier, and further relates to a signal amplifier using the differential amplifier.

センサや工業機械などに向けた計測システムなど(広く信号増幅装置を使用した機器)においては、オフセット電圧や雑音などが低い高精度の増幅器が必要とされる。このような計測を多点で同時に行う場合には、アレイ化したセンサが用いられるが、高精度な計測を実現するためには、同時に計測部もアレイ化する必要がある。そのために、高精度でありながら、小型かつ低コストの増幅器が求められている。ここで、オフセット電圧とは、増幅器への入力電圧が0である場合に僅かに現れる出力電圧を、増幅器の増幅率で除したものをいう。なお、理想的な差動増幅器では差動入力電圧が0であれば出力電圧も0であるが、実際には製造上の特性のばらつき等により、僅かな出力電圧を生じるものである。そして、このときの増幅器の出力に現れる電圧を、増幅器の増幅率で除したものを「入力換算オフセット電圧」といい、また、一般的には、これを単に「オフセット電圧」ということから、本書においてもこの例に従うこととする。   In a measurement system for a sensor, an industrial machine, etc. (apparatus using a wide range of signal amplifiers), a high-precision amplifier with low offset voltage and noise is required. When such measurement is performed simultaneously at multiple points, an arrayed sensor is used. However, in order to realize highly accurate measurement, it is necessary to simultaneously array the measurement unit. Therefore, there is a demand for a small and low cost amplifier with high accuracy. Here, the offset voltage is obtained by dividing the output voltage that appears slightly when the input voltage to the amplifier is 0 by the amplification factor of the amplifier. In an ideal differential amplifier, if the differential input voltage is 0, the output voltage is 0. However, in reality, a slight output voltage is generated due to variations in manufacturing characteristics. Then, the voltage that appears at the output of the amplifier at this time divided by the amplification factor of the amplifier is called an “input conversion offset voltage”. In general, this is simply called an “offset voltage”. Will follow this example.

先行技術では、たとえば、特許文献1においては、増幅器が複数の並列のパスを備えており、それぞれのパスで重み付けを行い、それぞれの出力を加減算する構成である。これらの重み付けの係数は、出力においてオフセット電圧の影響が最小になるよう調整される。調整はサンプルホールド回路とアナログ・デジタル変換器(以下、A/D変換器と表記する場合がある)で構成された調整部よって適切に行われる。   In the prior art, for example, in Patent Document 1, the amplifier includes a plurality of parallel paths, and weighting is performed in each path, and each output is added or subtracted. These weighting coefficients are adjusted so that the influence of the offset voltage is minimized in the output. The adjustment is appropriately performed by an adjustment unit including a sample and hold circuit and an analog / digital converter (hereinafter may be referred to as an A / D converter).

また、特許文献2においては、一定の調整刻み幅を有するデジタル・アナログ変換器(以下、D/A変換器と表記する場合がある)をもちいて、差動増幅器の2つのパス(正と負)それぞれに対してオフセット電圧が低減されるようにバイアス電流を調整している。   In Patent Document 2, a digital / analog converter (hereinafter, sometimes referred to as a D / A converter) having a constant adjustment step size is used, and two paths (positive and negative) of the differential amplifier are used. ) The bias current is adjusted so that the offset voltage is reduced for each.

さらに、非特許文献1においては、オフセット電圧の影響を低減するために、出力においてオフセット電圧起因の誤差を積分し、入力側に負帰還することで動的にオフセット電圧起因の誤差の影響を低減している。   Further, in Non-Patent Document 1, in order to reduce the influence of the offset voltage, the error caused by the offset voltage is integrated at the output and negatively fed back to the input side to dynamically reduce the influence of the error caused by the offset voltage. doing.

一方、非特許文献2においては、入力段と出力段にバンドパスフィルタを設け、また、2重相関サンプリング(Corellated Double Sampling:CDS)技術を適用することで、オフセット電圧に起因する高周波雑音を低減している。   On the other hand, in Non-Patent Document 2, bandpass filters are provided in the input stage and the output stage, and double-correlation sampling (Correlated Double Sampling: CDS) technology is applied to reduce high-frequency noise caused by the offset voltage. doing.

WO2006/093177WO2006 / 093177 特開2009−278231公報JP 2009-278231 A

R.Wu, et al., IEEE J. Solid−State Circuits, vol.44, no.12, pp.3232−3243R. Wu, et al. , IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 44, no. 12, pp. 3232-3243 M.Belloni, et al., IEEE J. Solid−State Circuits, vol.45, no.12, pp.2521−2529M.M. Belloni, et al. , IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 45, no. 12, pp. 2521-2529

上述のような背景技術は、オフセット電圧に起因する誤差を有効に低減することは可能であるが、いずれも誤差を低減するための検出部にA/D変換器やD/A変換器、積分器などを用いなければならず、実装面積が大きくなる。   The background art as described above can effectively reduce the error due to the offset voltage, but in any case, an A / D converter, a D / A converter, and an integration are included in the detection unit for reducing the error. And a mounting area becomes large.

また、前記先行技術文献として挙げた各文献においては以下の課題を挙げることができる。特許文献1に記載の技術では、各パスの最適な係数を決定するためのサンプルホールド回路とA/D変換器が調整部として必要であり、また、係数を調整するための抵抗素子及びスイッチを数多く実装しなければならないため、全体の面積が大きくなり高コストとなる。   Moreover, the following subjects can be raised in each of the documents cited as the prior art documents. In the technique described in Patent Document 1, a sample hold circuit and an A / D converter for determining an optimum coefficient for each path are necessary as an adjustment unit, and a resistance element and a switch for adjusting the coefficient are provided. Since many must be mounted, the entire area is increased and the cost is increased.

前記特許文献2に記載の技術では、差動増幅器の2つのパスそれぞれにおいて電流を調節するためのD/A変換器が必要となり、消費電力や回路面積が大きくなって高コストとなる。   The technique described in Patent Document 2 requires a D / A converter for adjusting the current in each of the two paths of the differential amplifier, which increases power consumption and circuit area and increases costs.

前記非特許文献1に記載の技術では、オフセット電圧起因の誤差低減に用いられるサブブロックにより、消費電力、雑音、回路面積が大きくなってしまう。   In the technique described in Non-Patent Document 1, power consumption, noise, and circuit area increase due to the sub-blocks used for error reduction due to the offset voltage.

前記非特許文献2に記載の技術では、バンドパスフィルタを構成するために、大きな容量が必要となり、これが回路面積の増大を招く。   In the technique described in Non-Patent Document 2, a large capacity is required to configure a bandpass filter, which causes an increase in circuit area.

本発明は、差動増幅器における、上記の電力やコストに関わる課題を解決するものである。   The present invention solves the above-mentioned problems related to power and cost in a differential amplifier.

そこで、本発明者らは、上記課題を解決するために研究した結果、本発明を開発するに至ったものである。   Therefore, the present inventors have developed the present invention as a result of researches to solve the above problems.

すなわち、本発明の差動増幅器は、増幅信号出力部と、検出部と、参照電圧切換スイッチと、制御部とを備えており、増幅信号出力部は、正極と負極の2つの入力信号パスに対し並列に接続された複数の増幅器によって構成される増幅器群と、該増幅器群の一部または全部に対する入力を正側もしくは負側のいずれか一方として機能させるために、選択的に接続するように切り換え、または接続もしくは切断を選択的に切り換えるスイッチ群とを備え、前記増幅器群による正極および負極の増幅信号をそれぞれ一体として出力するものであり、検出部は、前記増幅信号出力部から出力されるオフセット電圧を検出するものであり、参照電圧切換スイッチは、前記増幅信号出力部に対して入力される入力信号を参照電圧に切り換えるものであり、制御部は、前記参照電圧切換スイッチを切り換えるためのイネーブル信号、および、前記スイッチ群の切り換えを制御する制御信号を出力するとともに、前記検出部により検出されるオフセット電圧値を記憶するものであり、 該制御部は、前記増幅器群を構成する複数の増幅器のうち正側と負側を同数とする複数の組み合わせを選定するとともに、前記制御信号により各組み合わせに対応するように前記スイッチ群を順次切り換え、前記検出部により検出されるオフセット電圧が最小となるときのスイッチ群の組み合わせを判定し、これを維持させるものであることを特徴とするものである。   That is, the differential amplifier of the present invention includes an amplified signal output unit, a detection unit, a reference voltage changeover switch, and a control unit, and the amplified signal output unit is connected to two input signal paths of a positive electrode and a negative electrode. An amplifier group composed of a plurality of amplifiers connected in parallel to each other, and an input to a part or all of the amplifier group are selectively connected to function as either the positive side or the negative side. And a switch group that selectively switches between connection and disconnection, and outputs the positive and negative amplified signals by the amplifier group as a single unit, and the detection unit is output from the amplified signal output unit The offset voltage is detected, and the reference voltage switch switches the input signal input to the amplified signal output unit to the reference voltage. The control unit outputs an enable signal for switching the reference voltage switching switch and a control signal for controlling switching of the switch group, and stores an offset voltage value detected by the detection unit, The control unit selects a plurality of combinations having the same number of positive and negative sides among a plurality of amplifiers constituting the amplifier group, and sequentially switches the switch group so as to correspond to each combination by the control signal. The switch group combination when the offset voltage detected by the detection unit is minimized is determined and maintained.

上記構成により、通常の差動増幅器は正極(Vip)と負極(Vim)の2つの入力信号パスを有するものであるが、この入力信号パスに対して並列に接続される複数個の増幅器のうち、同数の増幅器を正側と負側に選択することにより、前記増幅器群を二組に区分することができ、この二組に区分された増幅器群によって、全体的なオフセット電圧を最小にすることができる。すなわち、各増幅器は、それぞれ固有のオフセット電圧を有しており、これらは一定の標準偏差(平均0)に従った製造上のばらつきを持っているが、これらを複数組み合わせることにより正側の差成分と負側の差成分とを相殺させ、全体としてのオフセット電圧の差成分を小さくするのである。そして、前記増幅器群を構成する増幅器の数を偶数個(例えばn個)とすることにより、その半分を正側に、残りを負側に選択することができ、全ての増幅器を最大で1/2ずつに区分し、その組み合わせの中から最も差成分が小さくなる組み合わせを選択することで、オフセット電圧の影響を低減することを可能としている。本手法は、差動増幅回路が有する製造上の統計的ばらつきを利用し、それ自身の影響を低減することを特徴とした発明である。   With the above configuration, a normal differential amplifier has two input signal paths of a positive electrode (Vip) and a negative electrode (Vim). Among a plurality of amplifiers connected in parallel to this input signal path By selecting the same number of amplifiers on the positive side and the negative side, the amplifier group can be divided into two sets, and the amplifier group divided into the two sets can minimize the overall offset voltage. Can do. In other words, each amplifier has its own offset voltage, and these have manufacturing variations according to a certain standard deviation (average 0). The component and the negative difference component are canceled out to reduce the offset voltage difference component as a whole. By setting the number of amplifiers constituting the amplifier group to an even number (for example, n), half of the amplifiers can be selected as the positive side, and the remaining can be selected as the negative side. It is possible to reduce the influence of the offset voltage by dividing into two and selecting a combination having the smallest difference component from the combinations. This method is an invention characterized in that it uses the manufacturing statistical variation of the differential amplifier circuit to reduce its own influence.

また、上記発明においては、前記増幅信号出力部は、前記入力信号パスを分岐して形成された偶数個のパスを備え、前記偶数個の増幅器は、前記偶数個のパスごとに個別に設けられ、前記スイッチ群は、前記偶数個の各増幅器の前後における入出力を正側または負側のいずれかに選択的に切り換えるものであり、前記制御部による前記スイッチ群の切り換えを制御する制御信号は、前記偶数個のパスを二種類の同数のパスを形成するように前記スイッチ群を切り換える信号であることを特徴とするものとすることができる。   In the above invention, the amplified signal output unit includes an even number of paths formed by branching the input signal path, and the even number of amplifiers are individually provided for the even number of paths. The switch group selectively switches the input / output before and after the even number of amplifiers to either the positive side or the negative side, and the control signal for controlling the switching of the switch group by the control unit is The even number of paths may be a signal for switching the switch group so as to form two equal numbers of paths.

上記構成においては、正極(Vip)と負極(Vim)の2つの入力信号パスを、あらかじめ偶数個(例えばn個)のパスに分割しておき、それぞれを組み合わせて2組のパスに集約することでオフセット電圧を低減するものである。n個に分割されたパスに接続される各増幅器は、前述のようにそれぞれ固有のオフセット電圧を有しており、これらを組み合わせることにより、全体としてのオフセット電圧の差成分を小さくすることができるのである。   In the above configuration, the two input signal paths of the positive electrode (Vip) and the negative electrode (Vim) are divided into an even number of paths (for example, n paths) in advance, and each is combined into two sets of paths. Thus, the offset voltage is reduced. Each amplifier connected to the path divided into n has a unique offset voltage as described above, and by combining these, the difference component of the offset voltage as a whole can be reduced. It is.

なお、上記偶数個の増幅器またはパスは、正側および負側との接続を変更しつつ、正側と負側に接続される数が同数となる組み合わせを選択する場合のほか、予め正側または負側に接続すべきものを決定しておき、その範囲内において、組み合わせを選択するように構成してもよい。   The above-mentioned even number of amplifiers or paths may be selected in advance by changing the connection between the positive side and the negative side and selecting a combination in which the numbers connected to the positive side and the negative side are the same. It may be configured to determine what should be connected to the negative side and select a combination within that range.

また、増幅信号出力部に設けられる増幅器群は、入力信号パスに対して並列に接続された複数の増幅器のみで構成されるものに限定されるものではなく、複数段に接続した構成としてもよい。例えば、第一段を複数の増幅器によって構成し、第二段を単一の増幅器によって構成することができる。このような複数段の接続により、第二段の増幅器が有するオフセット電圧を第一段の増幅器群によるオフセット電圧によって相殺させることができ、第一段の増幅器群の組合せを選択することによって増幅信号出力部全体のオフセット電圧を最小にすることができる。なお、この場合、第一段を偶数個のトランジスタにより構成し、第二段を単一(または少数)の増幅器を使用してもよい。第一段にトランジスタを使用する場合においても、上記複数の増幅器を使用する場合と同様に、トランジスタが有する製造上のばらつきを利用することができる。   Further, the amplifier group provided in the amplified signal output unit is not limited to a configuration including only a plurality of amplifiers connected in parallel to the input signal path, and may be configured to be connected in a plurality of stages. . For example, the first stage can be constituted by a plurality of amplifiers, and the second stage can be constituted by a single amplifier. With such a multi-stage connection, the offset voltage of the second stage amplifier can be canceled by the offset voltage of the first stage amplifier group, and the amplified signal can be selected by selecting the combination of the first stage amplifier group. The offset voltage of the entire output unit can be minimized. In this case, the first stage may be composed of an even number of transistors, and the second stage may be a single (or a small number) of amplifiers. Even in the case where a transistor is used in the first stage, as in the case where the plurality of amplifiers are used, manufacturing variations of the transistor can be used.

さらに、増幅器群を構成する複数の増幅器を予め正側と負側との二組に区分した場合において、二組の増幅器群による組み合わせを決定する際には、個々の増幅器に対する電源(トランジスタの場合はテール電流源)との接続または切断をスイッチにより選択するように構成してもよい。   Further, when a plurality of amplifiers constituting an amplifier group are divided into two groups of a positive side and a negative side in advance, when determining the combination of the two amplifier groups, the power supply for each amplifier (in the case of a transistor) The tail current source) may be connected or disconnected by a switch.

上記各構成の差動増幅器における制御部の構成としては、符号変更信号および最小値更新信号を出力するコントローラと、前記増幅器またはトランジスタの組み合わせパターンを生成してルックアップ信号を出力するルックアップテーブルと、前記検出器から出力されるオフセット電圧が最小となる前記組み合わせを記憶するレジスタと、前記コントローラから出力される符号変更信号に基づき、前記ルックアップ信号を反転させるか否かを選択するマルチプレクサと、前記マルチプレクサにより出力される組み合わせまたは前記レジスタに記憶されている組み合わせのいずれかを前記スイッチの切り換えを制御する制御信号に割り当てるためのスイッチとを備える構成とすることができる。このような構成により、増幅信号出力部のスイッチに対する適正な制御信号を出力することができる。   As the configuration of the control unit in the differential amplifier of each configuration described above, a controller that outputs a sign change signal and a minimum value update signal, a lookup table that generates a combination pattern of the amplifier or transistor and outputs a lookup signal; A register that stores the combination that minimizes the offset voltage output from the detector; a multiplexer that selects whether to invert the lookup signal based on a sign change signal output from the controller; A switch for allocating either a combination output from the multiplexer or a combination stored in the register to a control signal for controlling switching of the switch may be provided. With such a configuration, it is possible to output an appropriate control signal for the switch of the amplified signal output unit.

また、上記各構成の差動増幅器における検出部の構成としては、一つの比較器を備える構成とし、前記コントローラは、該比較器から出力される値により、前記符号変更信号および最小値更新信号を決定するように構成することができる。このような構成により、検出部から出力されるオフセット電圧を参照しつつ、その最小値を決定することができる。   In addition, as a configuration of the detection unit in the differential amplifier of each configuration described above, the configuration includes a single comparator, and the controller outputs the sign change signal and the minimum value update signal according to a value output from the comparator. Can be configured to determine. With such a configuration, the minimum value can be determined while referring to the offset voltage output from the detection unit.

さらに、上記各構成において、制御部は、クロックジェネレータを備え、また、前記検出部は、サンプリング容量を蓄積するサンプリングコンデンサと、このサンプリングコンデンサと直列に接続されたプリアンプと、このプリアンプと直列に接続されたラッチト比較器と、前記増幅信号出力部からの信号を前記サンプリングコンデンサに接続し、または切断するための第一の切り換えスイッチと、参照電圧を前記サンプリングコンデンサに接続し、または切断するための第二の切り換えスイッチと、前記プリアンプの入出力間の短絡し、または切断するための第三の切り換えスイッチとを備え、前記第一、第二および第三の切り換えスイッチは、前記クロックジェネレータから出力されるクロック信号により制御されるようにすることができる。上記構成により、検出器にサンプルホールド機能およびオートゼロ機能を持たせることができ、当該検出部内の各スイッチを制御部によって作動させることができる。   Further, in each of the above configurations, the control unit includes a clock generator, and the detection unit is connected in series with the sampling capacitor for accumulating the sampling capacity, the preamplifier connected in series with the sampling capacitor, and the preamplifier. A latched comparator, a first changeover switch for connecting or disconnecting the signal from the amplified signal output unit to the sampling capacitor, and a reference voltage for connecting or disconnecting the sampling voltage to the sampling capacitor. A second changeover switch and a third changeover switch for short-circuiting or disconnecting the input and output of the preamplifier, the first, second and third changeover switches being output from the clock generator Can be controlled by the clock signal That. With the above configuration, the detector can be provided with a sample hold function and an auto zero function, and each switch in the detection unit can be operated by the control unit.

上記各構成においては、制御部による前記スイッチの切り換えを制御する制御信号には、該スイッチに対する前記信号とともに、チョッピング周波数に応じて接続および切断の反転動作を繰り返すための信号を含むものとすることができる。これにより、オフセット電圧を含む低周波雑音等を高周波に変調し、所望信号の周波数と分離することができる。   In each of the above configurations, the control signal for controlling the switching of the switch by the control unit may include a signal for repeating the connection and disconnection inversion operations in accordance with the chopping frequency together with the signal for the switch. . Thereby, low frequency noise including an offset voltage can be modulated to a high frequency and separated from the frequency of the desired signal.

信号増幅装置にかかる本発明は、上述したいずれかの差動増幅器を使用するものであって、アナログ信号を前記増幅信号出力部に対して出力する単数または複数の信号出力部と、少なくとも一つの比較器を有し、前記増幅信号出力部によって増幅される信号をデジタル信号に変換するアナログ・デジタル変換器とを備え、前記検出部は、前記アナログ・デジタル変換器の比較器を使用しつつ、該アナログ・デジタル変換器から出力される信号に基づきオフセット電圧を検出し、前記制御部は、前記検出部から出力される信号に基づいてオフセット電圧を最小とする組み合わせを前記増幅信号出力部に出力するものであることを特徴とするものである。   The present invention according to the signal amplifying apparatus uses any one of the differential amplifiers described above, and includes at least one signal output unit that outputs an analog signal to the amplified signal output unit, and at least one signal output unit. An analog-to-digital converter that has a comparator and converts the signal amplified by the amplified signal output unit into a digital signal, and the detection unit uses the comparator of the analog-to-digital converter, The control unit detects an offset voltage based on the signal output from the analog / digital converter, and the control unit outputs a combination that minimizes the offset voltage based on the signal output from the detection unit to the amplified signal output unit. It is what is characterized by.

上記構成によれば、増幅信号出力部におけるオフセット電圧を最小に設定することができ、また、当該増幅信号出力部から出力されるオフセット電圧は、A/D変換器の比較器を使用して判断することができ、制御部と検出部の冗長性を排除することができる。   According to the above configuration, the offset voltage in the amplified signal output unit can be set to the minimum, and the offset voltage output from the amplified signal output unit is determined using the comparator of the A / D converter. It is possible to eliminate the redundancy between the control unit and the detection unit.

また、信号増幅装置にかかる本発明は、上述したいずれかの差動増幅器を使用し、複数のデバイスから出力される信号を個別に増幅する信号増幅装置であって、前記複数のデバイスから出力される信号を、個別に入力する複数の前記増幅信号出力部と、各増幅信号出力部の出力を個別に検出する複数の前記検出部と、複数の前記増幅信号出力部および検出部に対し、該増幅信号出力部および検出部を選択しつつ該増幅信号出力部を個別に制御する単一の制御部とを備えることを特徴とするものである。   Further, the present invention related to a signal amplifying apparatus is a signal amplifying apparatus that uses any one of the differential amplifiers described above to individually amplify signals output from a plurality of devices, and is output from the plurality of devices. A plurality of amplified signal output units that individually input signals, a plurality of detection units that individually detect outputs of the respective amplified signal output units, and a plurality of the amplified signal output units and detection units, And a single control unit that individually controls the amplified signal output unit while selecting the amplified signal output unit and the detection unit.

上記構成によれば、複数のセンサデバイスから出力される処理信号を、個別の増幅信号出力部により処理する際、共通の(単一の)制御部によって、個々のオフセット電圧を最小に設定することができることとなり、低コストにアナログフロントエンドアレイを実現することができる。なお、個々の増幅信号出力部におけるオフセット電圧が最小となる組み合わせを保持するために、個々の増幅信号出力部ごとにレジスタを備える構成としてもよい。   According to the above configuration, when processing signals output from a plurality of sensor devices are processed by individual amplified signal output units, individual offset voltages are set to a minimum by a common (single) control unit. Therefore, an analog front-end array can be realized at a low cost. Note that a register may be provided for each amplified signal output unit in order to hold a combination that minimizes the offset voltage in each amplified signal output unit.

本発明の差動増幅器によれば、オフセット電圧が最小となる組み合わせを求めるための検出部などを1つの比較器と簡単なデジタル回路で実現することができるため、背景技術と比較して小面積化が可能であり、低コスト化が見込める。また、この差動増幅器を使用した信号増幅装置についても小面積かつ低コストにより実現することが可能となる。   According to the differential amplifier of the present invention, a detection unit for obtaining a combination that minimizes the offset voltage can be realized with a single comparator and a simple digital circuit. The cost can be reduced. Also, a signal amplifying apparatus using this differential amplifier can be realized with a small area and low cost.

差動増幅器にかかる本発明の第1の実施例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the 1st Example of this invention concerning a differential amplifier. 差動増幅器にかかる本発明の第1の実施例の動作態様を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the operation | movement aspect of the 1st Example of this invention concerning a differential amplifier. 差動増幅器にかかる本発明の第2の実施例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the 2nd Example of this invention concerning a differential amplifier. 差動増幅器にかかる本発明の第3の実施例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the 3rd Example of this invention concerning a differential amplifier. 差動増幅器にかかる本発明の第3の実施例の動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of the 3rd Example of this invention concerning a differential amplifier. 差動増幅器にかかる本発明の第4の実施例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the 4th Example of this invention concerning a differential amplifier. 差動増幅器にかかる本発明の第4の実施例における検出器の動作態様を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the operation | movement aspect of the detector in the 4th Example of this invention concerning a differential amplifier. 差動増幅器にかかる本発明の第4の実施例の全体の動作例を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the example of operation | movement of the whole 4th Example of this invention concerning a differential amplifier. 差動増幅器にかかる本発明の第5の実施例における増幅信号出力部を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the amplified signal output part in the 5th Example of this invention concerning a differential amplifier. 差動増幅器にかかる本発明の第5の実施例におけるキャリブレーション中の周波数特性を示すグラフである。It is a graph which shows the frequency characteristic in the calibration in the 5th Example of this invention concerning a differential amplifier. 差動増幅器にかかる本発明の第6の実施例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the 6th Example of this invention concerning a differential amplifier. 差動増幅器にかかる本発明の第7の実施例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the 7th Example of this invention concerning a differential amplifier. 信号増幅装置にかかる本発明の実施例である無線センサノードを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the wireless sensor node which is an Example of this invention concerning a signal amplifier. 信号増幅装置にかかる本発明の実施例であるアナログフロントエンドアレイを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the analog front end array which is an Example of this invention concerning a signal amplifier.

以下、本発明の詳細について、図面を参照しつつ説明する。なお、本発明を実施するための形態として、複数の実施例を列記するが、本発明がこれら実施例に限定することを趣旨とするものではない。
〔差動増幅器にかかる発明の実施例〕
Hereinafter, the details of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, although several Example is listed as a form for implementing this invention, it does not intend that this invention is limited to these Examples.
[Embodiment of the invention concerning a differential amplifier]

図1は、本発明のオフセット電圧を低減した差動増幅器の全体構成を示す図である。同図に示す差動増幅器100は、大きく分けて、差動入力信号Vip、Vimを、利得Avを以って増幅し、出力信号Voutとして差動入力信号の利得倍、すなわち
Vout=Av(Vip−Vim)を得るための増幅信号出力部101と、オフセット電圧を検出するための検出部102と、この出力結果を受けて増幅信号出力部101を構成する個々の増幅器111a,111b,・・・,111nの組み合わせを決定するための制御部103から構成されている。
FIG. 1 is a diagram showing the overall configuration of a differential amplifier with a reduced offset voltage according to the present invention. The differential amplifier 100 shown in the figure is roughly divided to amplify the differential input signals Vip and Vim with a gain Av, and the output signal Vout is multiplied by the gain of the differential input signal, that is, Vout = Av (Vip -Vim), an amplification signal output unit 101 for obtaining an offset voltage, a detection unit 102 for detecting an offset voltage, and individual amplifiers 111a, 111b,. , 111n is configured by a control unit 103 for determining the combination.

増幅信号出力部101は、偶数であるn個のパスで構成されており、それぞれが、製造上のばらつきにより異なるオフセット電圧をもつ増幅器111a,111b,・・・,111n(パスの数と同じn個)が並列に接続されている。製造上のばらつきによる異なるオフセット電圧を有するとは、各増幅器111a〜111nが、それぞれ固有のオフセット電圧を有しており、これらは一定の標準偏差(平均0)に従った製造上のばらつきを持っていることを意味する。なお、個々の増幅器111a〜111nに固有のオフセット電圧は、図中Vos.1,Vos.2,・・・,Vos.nとして示している。このn個の増幅器111a〜111nの入力(Vip,Vim)は、それぞれ共通の入力端子104a,104bとスイッチ105a,105bを介して接続されており、このn個の増幅器111a〜111nの出力(Vop,Vom)は、それぞれ共通の出力端子106a,106bに接続されている。   The amplified signal output unit 101 is composed of an even number of n paths, and each of the amplifiers 111a, 111b,..., 111n (n equal to the number of paths) having different offset voltages due to manufacturing variations. Are connected in parallel. Having different offset voltages due to manufacturing variations means that each of the amplifiers 111a to 111n has a unique offset voltage, and these have manufacturing variations according to a certain standard deviation (average 0). Means that Note that the offset voltage unique to each of the amplifiers 111a to 111n is Vos. 1, Vos. 2, ..., Vos. Shown as n. The inputs (Vip, Vim) of the n amplifiers 111a to 111n are connected to the common input terminals 104a and 104b via the switches 105a and 105b, respectively, and outputs (Vop) of the n amplifiers 111a to 111n. , Vom) are connected to common output terminals 106a and 106b, respectively.

また、各増幅器111a〜111nは、増幅信号出力部101の内部において、入力側の正極との接続を切り換えるスイッチ112a,112b,・・・,112nと、入力側の負極との接続を切り換えるスイッチ113a,113b,・・・,113nとが介在され、出力側においても正極側として出力させるために切り換えるスイッチ114a,114b,・・・,114nと、負極側として出力させるために切り換えられるスイッチ115a,115b,・・・,115nが介在されている。これらのスイッチ112a〜112n,113a〜113n,114a〜114n,115a〜115nは、いずれも制御部103から得られる制御信号(スイッチング信号(sel))にて決定されるものである。例えば、第1番目の増幅器111aに正極側の信号を入力する場合(正側のパスに設定したい時)は、第1番目の増幅器111aに接続する正側のスイッチ112aを接続状態とし、負側のスイッチ113aを切断状態して、当該第1番目の増幅器111aを正極の入力端子104aと接続するように、また、出力側についても、同じ正側を出力させるために、正側のスイッチ114aを接続状態とし、負側のスイッチ115aを切断状態として、その出力が正側の出力端子106aに接続するように、スイッチング信号(sel)の対応ビットを設定する。このように、スイッチング信号(sel)のビット配列によって、各パスに接続される増幅器111a〜111nを正側または負側のいずれかに接続するよう制御することで、差動入力Vop−Vomを観測したときに増幅されたオフセット電圧が低減されるような組み合わせを見つけることができる。このような、オフセット電圧を最小化するような最適なスイッチング信号(sel)のビット配列は、制御部103の内部に設けられるメモリ(レジスタ)に記憶されるものである。尚、スイッチング信号(sel)のビット数は分割されたパスの数と同じ、つまり、例えば増幅器111a〜111nが12個である場合には、12パスに分割されており、それぞれに対応ビットが設定される。また、正側と負側が同数となるように区分され、全ての増幅器111a〜111nを使用する場合、スイッチング信号(sel)のnビット中、n/2ビットが0、残りのn/2ビットが1となるため、nパスである場合の組み合わせの数は、n/2通りである。例えば12パスの場合は924通りとなる。これらの組み合わせの中からオフセット電圧が最も小さい値を示す組み合わせを選択するのである。但し、上記例において、正側に5個、負側に7個となるような組み合わせは存在しない。差動入力のバランスが崩れて正常に機能しないこととなるからである。 In addition, each of the amplifiers 111a to 111n includes switches 113a, 112b,. , 113b,..., 113n are interposed, and switches 114a, 114b,. , 115n are interposed. These switches 112a to 112n, 113a to 113n, 114a to 114n, 115a to 115n are all determined by a control signal (switching signal (sel)) obtained from the control unit 103. For example, when a positive-side signal is input to the first amplifier 111a (when setting a positive-side path), the positive-side switch 112a connected to the first amplifier 111a is set in a connected state, and the negative-side signal is input. In order to connect the first amplifier 111a to the positive input terminal 104a and to output the same positive side on the output side, the switch 113a on the positive side is turned off. The corresponding bit of the switching signal (sel) is set so that the negative switch 115a is disconnected and the output is connected to the positive output terminal 106a. In this way, the differential input Vop-Vom is observed by controlling the amplifiers 111a to 111n connected to each path to be connected to either the positive side or the negative side according to the bit arrangement of the switching signal (sel). In such a case, a combination that reduces the amplified offset voltage can be found. Such an optimal bit arrangement of the switching signal (sel) that minimizes the offset voltage is stored in a memory (register) provided in the control unit 103. Note that the number of bits of the switching signal (sel) is the same as the number of divided paths. That is, for example, when there are 12 amplifiers 111a to 111n, the number of bits is divided into 12 paths, and a corresponding bit is set for each. Is done. In addition, when the positive side and the negative side are divided into the same number and all the amplifiers 111a to 111n are used, of the n bits of the switching signal (sel), n / 2 bits are 0, and the remaining n / 2 bits are Therefore, the number of combinations in the case of n paths is n C n / 2 . For example, in the case of 12 passes, there are 924 ways. A combination showing the smallest offset voltage is selected from these combinations. However, in the above example, there is no combination that has 5 on the positive side and 7 on the negative side. This is because the differential input is out of balance and does not function properly.

オフセット電圧が最小となる組み合わせを探索(以下キャリブレーションという)する方法は以下である。まず、キャリブレーションのイネーブル信号(ENBL)をオン状態(以下、この状態を「High状態」、「ハイ状態」または単に「H」と記載することがある)とすることで、入力(Vip,Vim)側に設けられるスイッチ105a,105bを増幅信号出力部101と電気的に切り離し、一方で、任意のリファレンス電圧(Vref)と増幅信号出力部101の間に介在させたスイッチ107a,107bを作動させ差動増幅器101にリファレンス電圧を入力させる。この状態において、オフセット電圧が0である場合、差信号は0であるので、出力電圧(Vout)もまた0である。よって、差動入力をともに同じリファレンス電圧(Vref)に固定することで出力電圧(Vout)においてオフセット電圧を推定可能となる。このキャリブレーションモードにおいて、n/2通りある組み合わせについて、スイッチング信号(sel)による組み合わせのパターンを順次設定し、それぞれのパターンに対する出力電圧(Vout)におけるオフセット電圧を検出部より検出し、増幅信号出力部101において、オフセット電圧が最小となる組み合わせを探索するのである。検出されたオフセット電圧値とスイッチング信号(sel)の組み合わせは増幅信号出力部101に記憶させておき、すべての組み合わせによるスイッチング信号(sel)に応じたこれらの操作を行うことで、最小値を示すオフセット電圧の組み合わせを決定するのである。 A method for searching for a combination that minimizes the offset voltage (hereinafter referred to as calibration) is as follows. First, the calibration enable signal (ENBL) is turned on (hereinafter, this state may be referred to as “High state”, “High state”, or simply “H”), thereby enabling input (Vip, Vim). ) Switches 105 a and 105 b provided on the side are electrically disconnected from the amplified signal output unit 101, while the switches 107 a and 107 b interposed between the arbitrary reference voltage (Vref) and the amplified signal output unit 101 are operated. A reference voltage is input to the differential amplifier 101. In this state, when the offset voltage is 0, the difference signal is 0, so the output voltage (Vout) is also 0. Therefore, it is possible to estimate the offset voltage at the output voltage (Vout) by fixing both differential inputs to the same reference voltage (Vref). In this calibration mode, for the n C n / 2 combinations, the combination pattern by the switching signal (sel) is sequentially set, the offset voltage in the output voltage (Vout) for each pattern is detected by the detection unit, and amplified. The signal output unit 101 searches for a combination that minimizes the offset voltage. A combination of the detected offset voltage value and the switching signal (sel) is stored in the amplified signal output unit 101, and a minimum value is shown by performing these operations according to the switching signal (sel) of all combinations. The combination of offset voltages is determined.

一方で、キャリブレーション終了(オフセット電圧の最小化)の後において、入力信号(Vip,Vim)を増幅する場合には、キャリブレーションのイネーブル信号(Enbl)をオフ状態(以下、「Low状態」、「ロウ状態」または単に「L」と記載する場合がある)とすることで、増幅信号出力部101に対する入力は、リファレンス電圧(Vref)から入力信号(Vip,Vim)に復帰する。その間(Enbl=L)においては、図2に示すように、n個のパスに接続される増幅器111a〜111nは、正側と負側に同数で分かれ、n個のパスも2組のパス(正側及び負側)に集約されることとなる。このときの制御部103の出力であるスイッチング信号(sel)は、チョッピング周波数(fch)に応じて接続と切断を交互に反転動作を繰り返すことで、オフセット電圧を含む低周波雑音等を高周波に変調し、所望信号の周波数と分離することができるため、高精度な信号増幅が可能となる。このような変調を行う技術はチョッパー安定化技術と呼ばれており、一般的な手法である。本発明のオフセット電圧低減手法は、このようなチョッパー安定化技術とも親和性が高い。なお、図2において、イネーブルのスイッチおよび制御部は省略している。   On the other hand, when the input signal (Vip, Vim) is amplified after calibration is completed (offset voltage minimization), the calibration enable signal (Enbl) is turned off (hereinafter referred to as “Low state”). In this case, the input to the amplified signal output unit 101 is restored from the reference voltage (Vref) to the input signal (Vip, Vim). In the meantime (Enbl = L), as shown in FIG. 2, the amplifiers 111a to 111n connected to the n paths are divided into the same number on the positive side and the negative side, and the n paths are also divided into two sets of paths ( (Positive side and negative side). The switching signal (sel), which is the output of the control unit 103 at this time, modulates low frequency noise including an offset voltage to a high frequency by repeatedly inverting the connection and disconnection according to the chopping frequency (fch). And since it can isolate | separate from the frequency of a desired signal, highly accurate signal amplification is attained. A technique for performing such modulation is called a chopper stabilization technique and is a general technique. The offset voltage reduction method of the present invention is highly compatible with such a chopper stabilization technique. In FIG. 2, the enable switch and the control unit are omitted.

ここで、チョッパー安定化技術の動作原理を簡単に説明する。まず、チョッパー安定化技術を適用しなかった場合、オフセット電圧及び低周波雑音は所望の入力信号(Vip−Vim)と同一周波数帯に存在することになり、これらが共に増幅されてしまうため、高精度な信号増幅が不可能である。これに対し、チョッピング周波数(fch)を以って信号増幅前に入力信号を変調すると、当該入力信号はオフセット電圧とは異なる周波数帯に変調され、これらを増幅し、その後チョッピング周波数(fch)を以って復調することで、オフセット電圧と分離した状態の出力信号(Vout)が得られる。なお、本来差動増幅器のオフセット電圧は、チョッピング周波数(fch)における高周波雑音となるが、当該オフセット電圧を本発明の手法によって低減することにより、出力電圧における高周波雑音もまた低減される。   Here, the operation principle of the chopper stabilization technique will be briefly described. First, when the chopper stabilization technique is not applied, the offset voltage and the low frequency noise exist in the same frequency band as the desired input signal (Vip-Vim), which are amplified together. Accurate signal amplification is impossible. On the other hand, when the input signal is modulated before the signal amplification by the chopping frequency (fch), the input signal is modulated to a frequency band different from the offset voltage, and these are amplified, and then the chopping frequency (fch) is changed. Thus, by demodulating, an output signal (Vout) in a state separated from the offset voltage is obtained. Note that the offset voltage of the differential amplifier originally becomes high frequency noise at the chopping frequency (fch), but by reducing the offset voltage by the method of the present invention, the high frequency noise in the output voltage is also reduced.

以上のように、実施例1に示した構成によれば、増幅信号出力部101に設けられる複数(偶数個)の増幅器111a〜111nが有する固有のオフセット電圧のばらつきを利用して、増幅信号出力部101の全体におけるオフセット電圧を解消させることができるものである。すなわち、個々の増幅器111a〜111nには、設計上の特性(電気特性)に意図的な差異を持たせるものではなく、設計上は同一である複数の増幅器111a〜111nにおける製造上必然的に生じるオフセット電圧のばらつきを利用するものであって、その複数の増幅器111a〜111nの中から正側と負側に同じ数の増幅器を二組の増幅器群として区分することによって、正側にばらついたオフセット電圧と、負側にばらついたオフセット電圧を相殺して、全体としてオフセット電圧を小さくするものである。そして、個々の増幅器111a〜111nが有する個別のオフセット電圧の大きさが異なることから、それらの組合せを変更することにより、正側と負側のばらつきの程度も変化し、両者が均衡するような組合せを見出すことによって全体のオフセット電圧を最小にすることができるのである。これが本発明の中心的な考え方である。そして、本発明の効果としては、キャリブレーションのための機構として簡単な検出部102と制御部(デジタル回路)103で実現可能であり、従来のようなキャリブレーションのために大規模な回路システムが必要なく、低電力・低コストに低オフセット電圧の差動増幅器を実現することができる点にある。   As described above, according to the configuration shown in the first embodiment, amplified signal output is performed using variations in inherent offset voltages of a plurality (even number) of amplifiers 111a to 111n provided in the amplified signal output unit 101. The offset voltage in the entire unit 101 can be eliminated. In other words, the individual amplifiers 111a to 111n do not have intentional differences in design characteristics (electrical characteristics), and are inevitably produced in the manufacture of a plurality of amplifiers 111a to 111n that are identical in design. An offset voltage that uses variation in offset voltage, and the same number of amplifiers on the positive side and the negative side among the plurality of amplifiers 111a to 111n is divided into two sets of amplifier groups, thereby causing an offset that varies on the positive side. By offsetting the voltage and the offset voltage that varies on the negative side, the offset voltage is reduced as a whole. And since the magnitude | size of the separate offset voltage which each amplifier 111a-111n has differs, the degree of the dispersion | variation on a positive side and a negative side also changes by changing those combinations, and both are balanced. By finding the combination, the overall offset voltage can be minimized. This is the central idea of the present invention. The effect of the present invention can be realized by a simple detection unit 102 and control unit (digital circuit) 103 as a calibration mechanism, and a large-scale circuit system for calibration as in the prior art can be realized. This is in that a differential amplifier with a low offset voltage can be realized at low power and low cost.

図3は、実施例2の概略を示す図である。この図に示すように、実施例2は、実施例1(図1)の増幅信号出力部101に設けられる増幅器群(複数の増幅器111a〜111n)を第一段の増幅器群211a〜211nと、第二段の増幅器216とで構成した場合の実施例である。第一段の増幅器群211a〜211nは、それぞれ単体のトランジスタで実現している。ここで、図1に対比させると、それぞれのトランジスタ211a〜211nのゲート端子が入力側、ドレイン端子が出力側に接続されており、正側と負側に振り分けるためのスイッチ群を有している。また、ソース端子はすべて共通となっており、テール電流源(IT)と接続されている。また、出力側においては、次段の増幅器216があり、ここで演算増幅して出力信号(Vout)を出力させている。なお、検出部202および制御部203は、実施例1(図1)のものと同様である。   FIG. 3 is a diagram showing an outline of the second embodiment. As shown in this figure, in the second embodiment, amplifier groups (a plurality of amplifiers 111a to 111n) provided in the amplified signal output unit 101 of the first embodiment (FIG. 1) are replaced with first-stage amplifier groups 211a to 211n. This is an embodiment in the case of being configured with the second stage amplifier 216. The first-stage amplifier groups 211a to 211n are each realized by a single transistor. Here, in contrast to FIG. 1, the gate terminals of the respective transistors 211a to 211n are connected to the input side, the drain terminals are connected to the output side, and a switch group is provided for distributing to the positive side and the negative side. . The source terminals are all common and are connected to the tail current source (IT). On the output side, there is an amplifier 216 at the next stage, which is operated and amplified to output an output signal (Vout). The detection unit 202 and the control unit 203 are the same as those in the first embodiment (FIG. 1).

本実施例においても、製造上の電気的特性のばらつきを利用するものであり、各トランジスタ211a〜211nの中から正側と負側を同数選択し、これらの組合せを変化させることによって、第二段の増幅器216を含む増幅信号出力部201の全体としてのオフセット電圧を小さくすることができるものである。そして、本構成の効果としては、一般に差動増幅器のオフセット電圧は、入力段のトランジスタの特性ばらつきに起因することが多く、分割・並列化する回路ブロックをトランジスタ単体により極力小さくすることで、全体の回路面積を小さくすることができ、低コスト化が可能となる。   Also in this embodiment, variation in electrical characteristics in manufacturing is used. The same number is selected from the transistors 211a to 211n on the positive side and the negative side, and the combination of these is changed to change the second. The offset voltage as a whole of the amplified signal output unit 201 including the stage amplifier 216 can be reduced. As an effect of this configuration, in general, the offset voltage of the differential amplifier is often caused by variations in the characteristics of the transistors in the input stage.By making the circuit block to be divided and paralleled as small as possible by a single transistor, The circuit area can be reduced, and the cost can be reduced.

尚、実施例1および2(図1、図3)における出力(Vout)は、共に単一出力(シングルエンド出力)の形をとっているが、これらは差動出力(ディファレンシャルエンド出力)であっても同意である。   The outputs (Vout) in Examples 1 and 2 (FIGS. 1 and 3) both take the form of a single output (single end output), but these are differential outputs (differential end outputs). I agree.

図4は、実施例3の概略を示す図である。この実施例3は、前述した実施例1における差動増幅器100の検出部102および制御部103を具体化した一例を示すものである。すなわち、この図に示すように、実施例3は、検出部302として1つの比較器321を用いており、制御部303には、コントローラ331、メモリ(レジスタ)332、ルックアップテーブル333、マルチプレクサ334、スイッチ335、インバータ336を備えた構成としている。ここで、ルックアップテーブル333は制御信号(スイッチング信号(SEL))が取りうるすべてのパターンを生成する機能ブロックであり、実施例1において説明したように、各スイッチ112a〜112n,113a〜113n,114a〜114n,115a〜115nの切り換え(HとL)のビット数は常に同数である組み合わせをとるようにしている。例として、分割数nに対しては、n/2通りのパターンがあることを意味する。制御部303のコントローラ331は、検出部302の比較器321による判定結果の入力を受け、その結果に応じて符号変更信号(POL_chng)をマルチプレクサ334に出力し、また、最小値更新信号(MinReg_update)をメモリ(レジスタ)332に出力するようになっている。なお、メモリ(レジスタ)332は、スイッチング信号(SEL)に出力したビットパターンとともにオフセット電圧の最小値を保持するものである。なお、図中単一の増幅器で表示する差動増幅器101の構成は、実施例1(図1)における構成と同様であるが、紙面の都合上、その構成を省略している。 FIG. 4 is a diagram showing an outline of the third embodiment. The third embodiment shows an example in which the detection unit 102 and the control unit 103 of the differential amplifier 100 in the above-described first embodiment are embodied. That is, as shown in this figure, the third embodiment uses one comparator 321 as the detection unit 302. The control unit 303 includes a controller 331, a memory (register) 332, a lookup table 333, and a multiplexer 334. The switch 335 and the inverter 336 are provided. Here, the lookup table 333 is a functional block that generates all patterns that can be taken by the control signal (switching signal (SEL)). As described in the first embodiment, the switches 112a to 112n, 113a to 113n, The number of bits for switching (H and L) between 114a to 114n and 115a to 115n is always the same number. As an example, there are n C n / 2 patterns for the division number n. The controller 331 of the control unit 303 receives an input of the determination result from the comparator 321 of the detection unit 302, outputs a sign change signal (POL_chng) to the multiplexer 334 according to the result, and a minimum value update signal (MinReg_update). Is output to the memory (register) 332. The memory (register) 332 holds the minimum value of the offset voltage together with the bit pattern output to the switching signal (SEL). The configuration of the differential amplifier 101 displayed as a single amplifier in the figure is the same as that in the first embodiment (FIG. 1), but the configuration is omitted for the sake of space.

図4の実施例におけるキャリブレーション時(ENBL=H)の動作は、図5のフローチャートに従って信号を処理するものである。まず、ルックアップテーブル333からスイッチング信号(SEL)にビット配列パターンの初期値が与えられ(S1)、この組み合わせに対するオフセット電圧を増幅信号出力部101が任意の利得を以って増幅する。このときのVout=Vop−Vomの極性を比較器302の判定を通じて確認し(S2)、これが負であれば、コントローラ331の符号変更信号の出力(POL_chng)はH状態を出力する(S3)。これを受けて、マルチプレクサ334はルックアップテーブル333の出力信号の全ビット反転の信号をSELに代入し直す(S4)。尚、もしVoutが正であれば、SELに反転信号を代入し直す必要はない。   The operation at the time of calibration (ENBL = H) in the embodiment of FIG. 4 is to process a signal according to the flowchart of FIG. First, the initial value of the bit arrangement pattern is given to the switching signal (SEL) from the lookup table 333 (S1), and the amplified signal output unit 101 amplifies the offset voltage for this combination with an arbitrary gain. The polarity of Vout = Vop−Vom at this time is confirmed through the determination of the comparator 302 (S2). If this is negative, the sign change signal output (POL_chng) of the controller 331 outputs the H state (S3). In response to this, the multiplexer 334 substitutes the signal of the all bit inversion of the output signal of the lookup table 333 into SEL (S4). If Vout is positive, it is not necessary to substitute the inverted signal for SEL.

このとき、検出器302において検出された増幅されたオフセット電圧をA電圧Vos,aとして(Vos,a>0)サンプリングしておく(S5)。メモリ(レジスタ)332は、オフセット電圧が最小となるスイッチング信号(SEL)の組み合わせパターンを記憶するために設けられており、マルチプレクサ334から出力される信号を記憶し、そこで記憶されている現状における組み合わせの値をSELに代入する(S6)。このときの組み合わせに対する増幅されたオフセット電圧をB電圧Vos,bとして(Vos,b>0)サンプリングし(S7)、先のA電圧Vos,aとB電圧Vos,bとの比較を行う(S8)。   At this time, the amplified offset voltage detected by the detector 302 is sampled as an A voltage Vos, a (Vos, a> 0) (S5). The memory (register) 332 is provided to store the combination pattern of the switching signal (SEL) that minimizes the offset voltage, stores the signal output from the multiplexer 334, and the current combination stored there. Is substituted into SEL (S6). The amplified offset voltage for the combination at this time is sampled as B voltage Vos, b (Vos, b> 0) (S7), and the previous A voltage Vos, a and B voltage Vos, b are compared (S8). ).

上記の比較において、A電圧Vos,aがB電圧Vos,bよりも小さい値(Vos,a<Vos,b)であれば、ルックアップテーブル333から出力された先の組み合わせを、オフセット電圧の最小の組み合わせパターンとしてメモリ(レジスタ)332に代入する(S9,S12)。ただし、このとき、符号変更信号(POL_chng)の状態を確認し(S10)、当該符号変更信号の状態がH状態である場合には、ルックアップテーブル333の出力信号を全ビットについて反転させたパターンを、オフセット電圧を最小とする組み合わせパターンとして、メモリ(レジスタ)332に代入する(S11)。上記操作を、ルックアップテーブル333が出力しうるすべてのパターンについて繰り返し行う(S13)ことで、真にオフセット電圧が最小となるスイッチング信号(SEL)の組み合わせパターンを探索可能である。   In the above comparison, if the A voltage Vos, a is a value smaller than the B voltage Vos, b (Vos, a <Vos, b), the previous combination output from the lookup table 333 is set to the minimum offset voltage. The combination pattern is substituted into the memory (register) 332 (S9, S12). However, at this time, the state of the sign change signal (POL_chng) is confirmed (S10), and when the state of the sign change signal is H, the pattern in which the output signal of the lookup table 333 is inverted for all bits. Is substituted into the memory (register) 332 as a combination pattern that minimizes the offset voltage (S11). By repeating the above operation for all patterns that can be output by the lookup table 333 (S13), it is possible to search for a combination pattern of the switching signal (SEL) that truly minimizes the offset voltage.

本実施例の特徴は、検出部302として、A/D変換器などの大規模回路を用いることなく、単一の比較器を用いてキャリブレーションを実現できるため、小面積化、つまり、低コスト化が可能であることである。   The feature of this embodiment is that the calibration can be realized by using a single comparator without using a large-scale circuit such as an A / D converter as the detection unit 302, so that the area can be reduced, that is, the cost can be reduced. Is possible.

図6は、実施例4の概略を示す図である。この実施例4は、前述した実施例3における検出部302および制御部303をさらに具体化した構成としている。すなわち、この図に示すように、実施例4は、検出部402が、サンプルホールド機能及びオートゼロ機能を有した構成となっており、増幅信号出力部101に連続して設けられる第一のスイッチ422a,422bと、リファレンス電圧(Vref)に連続して設けられる第二のスイッチ423a,423bと、サンプリング容量を蓄積するためのサンプリングコンデンサ424a,424bと、プリアンプ425と、プリアンプ425の入出力間に接続された第三のスイッチ426a,426bとを備えており、比較器としてラッチト比較器421が設けられている。また、制御部403には、クロックジェネレータ436が設けられている。   FIG. 6 is a diagram showing an outline of the fourth embodiment. In the fourth embodiment, the detection unit 302 and the control unit 303 in the third embodiment described above are further embodied. That is, as shown in this figure, the fourth embodiment has a configuration in which the detection unit 402 has a sample hold function and an auto zero function, and the first switch 422a provided continuously in the amplified signal output unit 101. , 422b, second switches 423a and 423b provided continuously to the reference voltage (Vref), sampling capacitors 424a and 424b for accumulating sampling capacitors, a preamplifier 425, and a connection between the input and output of the preamplifier 425 Third switches 426a and 426b, and a latched comparator 421 is provided as a comparator. The control unit 403 is provided with a clock generator 436.

第一のスイッチ422a,422bは、コンデンサ424a,424bの端子と増幅信号出力部101を接続するスイッチであり、制御部403のクロックジェネレータ436において生成されるクロック(SMPL)により制御され、第二のスイッチ423a,423bは、サンプリングコンデンサ424a,424bの同端子とリファレンス電圧(Vref)とを接続するスイッチであり、同様に、制御部403のクロックジェネレータ436において生成されるクロック(POL_chck)により制御されるものである。サンプリングコンデンサ424a,424bのもう一方の端子はプリアンプ425の入力端子は接続されている。また、プリアンプ425の入出力を接続する第三のスイッチ426a,426bは、プリアンプ425の入力と出力を短絡するためのスイッチであり、制御部403のクロックジェネレータ436において生成されるクロック(AZ)により制御されている。さらに、プリアンプ425の出力とラッチト比較器421の入力は接続されており、制御部403のクロックジェネレータ436において生成されるクロック(LATCH)によって制御されるとともに、このラッチト比較器421による出力(compo)を検出部402の出力とした構成となっている。   The first switches 422a and 422b are switches that connect the terminals of the capacitors 424a and 424b and the amplified signal output unit 101, and are controlled by a clock (SMPL) generated by the clock generator 436 of the control unit 403. The switches 423a and 423b connect the same terminals of the sampling capacitors 424a and 424b and the reference voltage (Vref), and are similarly controlled by a clock (POL_chck) generated by the clock generator 436 of the control unit 403. Is. The other terminals of the sampling capacitors 424a and 424b are connected to the input terminal of the preamplifier 425. The third switches 426a and 426b for connecting the input and output of the preamplifier 425 are switches for short-circuiting the input and output of the preamplifier 425, and are generated by a clock (AZ) generated by the clock generator 436 of the control unit 403. It is controlled. Further, the output of the preamplifier 425 and the input of the latched comparator 421 are connected to each other and controlled by the clock (LATCH) generated by the clock generator 436 of the control unit 403, and the output (compo) of the latched comparator 421. Is the output of the detection unit 402.

ここで、上記検出部402と制御部403によるオフセット電圧を最小にする組み合わせパターンの探索は、図5のフローチャートに従って行われるものであり、その動作を図7に示す。まず、図7(a)に示すように、ある組み合わせパターンによるルックアップテーブルの出力(LUTout)をスイッチング信号(SEL)に設定した場合の増幅信号出力部101の出力(Vout)についてサンプリングの状態とするのである。増幅信号出力部101に連続して設けられるスイッチ422a,422bおよびプリアンプ425の入出力間のスイッチ426a,426bは、クロック(SMPL,AZ)をHighの状態とすることにより接続されている。これにより、コンデンサ424a,424bに増幅されたオフセット電圧がサンプリングされる。次に、同図(b)に示すように、リファレンス電圧(Vref)に連続して設けられるスイッチ423a,423bをクロック(POL_chck)によりコンデンサ424a,424bの一方の端子を接続するようスイッチングし、プリアンプ425の入出力間のスイッチ426a,426bは、クロック(AZ)をLowの状態にしてプリアンプ425を開放状態して、クロック(LATCH)をHighの状態としてラッチト比較器421を比較動作させることで、この比較器421の出力結果をもとに、増幅信号出力部101の出力(Vout)が正であるか、負であるかを判定するのである。   Here, the search for the combination pattern that minimizes the offset voltage by the detection unit 402 and the control unit 403 is performed according to the flowchart of FIG. 5, and the operation is shown in FIG. First, as shown in FIG. 7A, the output (Vout) of the amplified signal output unit 101 when the output (LUTout) of the lookup table according to a certain combination pattern is set to the switching signal (SEL) To do. The switches 422a and 422b and the switches 426a and 426b provided between the input and output of the preamplifier 425 that are continuously provided in the amplified signal output unit 101 are connected by setting the clock (SMPL, AZ) to a high state. As a result, the offset voltage amplified by the capacitors 424a and 424b is sampled. Next, as shown in FIG. 5B, the switches 423a and 423b provided continuously to the reference voltage (Vref) are switched by the clock (POL_chck) so as to connect one terminal of the capacitors 424a and 424b, and the preamplifier The switches 426a and 426b between the input and output of 425 open the preamplifier 425 by setting the clock (AZ) to the low state, and perform the comparison operation of the latched comparator 421 by setting the clock (LATCH) to the high state. Based on the output result of the comparator 421, it is determined whether the output (Vout) of the amplified signal output unit 101 is positive or negative.

この結果を受けて図5のフローチャートに示すように、適宜、スイッチング信号(SEL)に代入する全ビットパターンを反転することで符号の入れ替えを行い、図7(c)に示すように、再度サンプリングを行う(接続は同図(a)と同様)。次に、図5に従って、メモリ(レジスタ)に保存されている現状のオフセット電圧が最小となる組み合わせパターンをスイッチング信号(SEL)に代入し、同図(d)に示すように、クロック(SMPL)をHigh状態とし、クロック(AZ)をLow状態にして比較を行うことで、現在のルックアップテーブルが出力する組み合わせパターンと、メモリ(レジスタ)に保存されているオフセット電圧が最小となる組み合わせパターンとを比較し、適宜、メモリ(レジスタ)を更新/非更新する。   In response to this result, as shown in the flowchart of FIG. 5, the codes are switched by inverting all bit patterns to be substituted into the switching signal (SEL) as appropriate, and sampling is performed again as shown in FIG. 7C. (The connection is the same as in FIG. 2A). Next, according to FIG. 5, the combination pattern that minimizes the current offset voltage stored in the memory (register) is substituted into the switching signal (SEL), and as shown in FIG. Is set to the high state, the clock (AZ) is set to the low state, and the comparison is performed so that the combination pattern output from the current look-up table and the combination pattern that minimizes the offset voltage stored in the memory (register) And the memory (register) is updated / non-updated as appropriate.

以上の動作を表すタイムチャート例を図8に示す。なお、図8中の上欄に表記した(a)〜(d)は、図7(a)〜(d)の状態にそれぞれ一致させており、以降繰り返しとなっている。   An example of a time chart representing the above operation is shown in FIG. In addition, (a)-(d) described in the upper column in FIG. 8 is made to correspond to the state of FIG. 7 (a)-(d), respectively, and is repeated hereafter.

図9は、実施例5を示す図である。実施例5は、キャリブレーション中における利得を任意の高利得に設定するためのものである。実施例4(図6)では、キャリブレーション中の動作手順(図7,図8)を以って最小オフセット電圧となる組み合わせを探索している間、検出器402にて、より小さなオフセット電圧を検出するために、増幅信号出力部101の利得を大きくしておく必要がある。しかし、一般に、大きな利得に設定するほど増幅可能な周波数帯域は狭くなり(利得×帯域は一定)、制御部403が作動するクロック周波数の速度に追従できなくなる。これは、図8のタイミングチャートで示すところのVoutの追従速度が低下することを意味しており、キャリブレーションに多大な時間が必要となってしまう。増幅信号出力部101における帯域は、位相補償用のコンデンサの容量(Cc)によって制限され、これはフィードバックにより1倍のバッファ回路を構成するときに安定動作させる条件より算出されるものである。   FIG. 9 is a diagram illustrating the fifth embodiment. The fifth embodiment is for setting the gain during calibration to an arbitrarily high gain. In the fourth embodiment (FIG. 6), a smaller offset voltage is detected by the detector 402 while searching for a combination that provides the minimum offset voltage using the operation procedure during calibration (FIGS. 7 and 8). In order to detect, it is necessary to increase the gain of the amplified signal output unit 101. However, in general, the higher the gain is set, the narrower the frequency band that can be amplified (gain × band is constant), and it becomes impossible to follow the speed of the clock frequency at which the control unit 403 operates. This means that the follow-up speed of Vout as shown in the timing chart of FIG. 8 is reduced, and much time is required for calibration. The band in the amplified signal output unit 101 is limited by the capacitance (Cc) of the phase compensation capacitor, which is calculated from the conditions for stable operation when a 1 × buffer circuit is configured by feedback.

そこで、図9に示すように、キャリブレーション中において、任意の高利得(たとえば1000倍すなわち60dB程度)に設定するように、抵抗R1,R2を使用したフィードバックをかけ、この状態において安定動作さえすればよく、位相補償用のコンデンサC1,C2の容量(Cc)を小さくして帯域を伸ばすことが可能となる。具体的には、同図に示すように、位相補償用のコンデンサC1,C2を並列に接続し、その一方のコンデンサC2にスイッチSwccが設けられている。このスイッチSwccは、キャリブレーション中にHigh状態となる信号(Enbl)の反転信号によって接続状態となる(つまり、キャリブレーション中は切断状態となる)ものである。このスイッチSwccが切断状態となることによって、位相補償用のコンデンサの容量Cc(=C1の容量+C2の容量)は一方のコンデンサC1に低減され、また、任意の高利得の設定は、フィードバック用のスイッチSwcをキャリブレーション中に信号(Enbl)により接続状態として、抵抗R1,R2のフィードバックを以って実現されるものである。なお、図9に示される増幅信号出力部101は、2段の増幅信号出力部101a,101bによって構成されるように図示しているが、この段数に制限はなく、また、前述の実施例2のように、第一段の増幅信号出力部101aを第一段の増幅器群で構成し、第二段の増幅信号出力部101bを第二段の増幅器で構成するようにしてもよい。   Therefore, as shown in FIG. 9, during calibration, feedback using resistors R1 and R2 is applied so as to set an arbitrary high gain (for example, about 1000 times, that is, about 60 dB), and even stable operation is performed in this state. It is only necessary to reduce the capacitance (Cc) of the phase compensation capacitors C1 and C2, thereby extending the band. Specifically, as shown in the figure, phase compensation capacitors C1 and C2 are connected in parallel, and one of the capacitors C2 is provided with a switch Swcc. The switch Swcc is connected (ie, disconnected during calibration) by an inverted signal of a signal (Enbl) that is in a high state during calibration. When the switch Swcc is disconnected, the capacitance Cc of the phase compensation capacitor (= the capacitance of C1 + the capacitance of C2) is reduced to one capacitor C1, and an arbitrary high gain setting is used for feedback. The switch Swc is realized by feedback of the resistors R1 and R2 with the signal (Enbl) being connected during calibration. Note that the amplified signal output unit 101 shown in FIG. 9 is configured to include two stages of amplified signal output units 101a and 101b, but the number of stages is not limited, and the second embodiment described above. As described above, the first-stage amplified signal output unit 101a may be configured by the first-stage amplifier group, and the second-stage amplified signal output unit 101b may be configured by the second-stage amplifier.

本実施例における周波数特性の変化を図10に示す。同図の実線は信号処理中(キャリブレーション中でないとき)の増幅信号出力部101の利得特性であり、破線がキャリブレーション中の利得特性の外形を示している。仮に、任意の利得Ac(図では60dB)を設定しただけの場合は、周波数帯域は図中のf1となってしまい、キャリブレーション時間の冗長を招いてしまう。これに対し、前記コンデンサ容量Ccを小さくすることにより(スイッチSwccによる切り換えにより)、周波数帯域を図中のf2まで広げることが可能となる。   FIG. 10 shows changes in frequency characteristics in this example. The solid line in the figure represents the gain characteristic of the amplified signal output unit 101 during signal processing (when calibration is not being performed), and the broken line represents the outline of the gain characteristic during calibration. If an arbitrary gain Ac (60 dB in the figure) is only set, the frequency band is f1 in the figure, resulting in redundant calibration time. On the other hand, by reducing the capacitor capacitance Cc (by switching with the switch Swcc), the frequency band can be expanded to f2 in the figure.

図11に実施例6を示す。この実施例6は、実施例1の変形例である。実施例1では、偶数個(N個)の増幅器111a〜111nについて、それぞれ入力端子側に正負を切り換えるスイッチを設けるものであった(図1)。実施例6は、図に示すように、増幅器自体の電源をオン/オフすることで、使用する増幅器を選択するように構成したものである。このとき、予め入力端子は正負に振り分けられており、制御部503の出力デジタル信号(Sel)により差動出力(Vout)におけるオフセット電圧の影響が最小になるようM個(<N個/2)の増幅器(正側と負側は同数)が選択される。このとき、出力端子側も同様の信号(Sel)により電気的に接続/切断が行われる。各増幅器511a〜511nは予め入力端子が正負どちらか(VipかVim)に固定されているため、実施例1(図1)の構成に比べて、組み合わせパターン数は少なく、オフセット電圧の低減効果は小さくなるが、入力端子に組み合わせ選択用のスイッチ(図1中の112a〜112n,113a〜113n)が挿入されないため、入力インピーダンスを高くすることができ、A/D変換器などの応用において、サンプリング誤差を残しにくくできるため、コンパレータ(比較器)の入力段などに使用することが可能となる。   FIG. 11 shows a sixth embodiment. The sixth embodiment is a modification of the first embodiment. In the first embodiment, an even number (N) of amplifiers 111a to 111n are each provided with a switch for switching between positive and negative on the input terminal side (FIG. 1). In the sixth embodiment, as shown in the figure, an amplifier to be used is selected by turning on / off the power supply of the amplifier itself. At this time, the input terminals are assigned to positive and negative in advance, and M (<N / 2) so that the influence of the offset voltage on the differential output (Vout) is minimized by the output digital signal (Sel) of the control unit 503. Amplifiers (the same number on the positive and negative sides) are selected. At this time, the output terminal side is electrically connected / disconnected by a similar signal (Sel). Since the amplifiers 511a to 511n have their input terminals fixed to either positive or negative (Vip or Vim) in advance, the number of combination patterns is small compared to the configuration of the first embodiment (FIG. 1), and the effect of reducing the offset voltage is However, since the switch for selecting a combination (112a to 112n and 113a to 113n in FIG. 1) is not inserted into the input terminal, the input impedance can be increased, and sampling can be performed in an application such as an A / D converter. Since it is difficult to leave an error, it can be used for an input stage of a comparator (comparator).

尚、本実施例におけるキャリブレーション時の動作アルゴリズムは、前述と同様である。   The operation algorithm at the time of calibration in this embodiment is the same as described above.

図12は、実施例7を示している。実施例7は、前記の実施例6(図11)をさらに変形したものである。すなわち、図に示すように、増幅信号出力部601の増幅器611a〜611nをMOSFETで実現するように構成したものである。この場合、電源電圧側のスイッチングは、MOSFETのソース端子側において、テール電流源ITとの接続をスイッチングすることを意味している。また、前述の実施例2において示したように、第二の増幅器616が次段に設けられ、演算増幅されるように構成している。この場合においても、検出部602および制御部603の動作やアルゴリズムについては、前述と同様である。   FIG. 12 shows a seventh embodiment. The seventh embodiment is a modification of the sixth embodiment (FIG. 11). That is, as shown in the figure, the amplifiers 611a to 611n of the amplified signal output unit 601 are configured to be realized by MOSFETs. In this case, switching on the power supply voltage side means switching the connection with the tail current source IT on the source terminal side of the MOSFET. Further, as shown in the second embodiment, the second amplifier 616 is provided in the next stage and is configured to be amplified. Also in this case, the operations and algorithms of the detection unit 602 and the control unit 603 are the same as described above.

上記の構成は、実施例6(図11)の場合と同様に、入力側(MOSFET611a〜611nのゲート端子側)に組み合わせ選択用のスイッチを設けていない。このため、実施例1(図1)または実施例2(図3)の構成と比較して入力インピーダンスを高くすることが可能となるため、A/D変換器などにおけるコンパレータ(比較器)や、その他高い入力インピーダンスを必要とする増幅回路として利用することができる。   In the above configuration, as in the case of the sixth embodiment (FIG. 11), no switch for selecting a combination is provided on the input side (the gate terminal side of the MOSFETs 611a to 611n). For this reason, since it becomes possible to make input impedance high compared with the structure of Example 1 (FIG. 1) or Example 2 (FIG. 3), a comparator (comparator) in an A / D converter, In addition, it can be used as an amplifier circuit that requires high input impedance.

尚、実施例7の構成は、図12に示されるものに限定されるものではない。すなわち、図12の構成は、ソース端子側のスイッチがテール電流源ITとの間に挿入された構成となっているが、このテール電流ITがなく電源電圧と短絡されたような構成においても同様の効果が得られる。   The configuration of the seventh embodiment is not limited to that shown in FIG. That is, the configuration of FIG. 12 is configured such that the switch on the source terminal side is inserted between the tail current source IT, but the same applies to a configuration in which this tail current IT is not present and is short-circuited to the power supply voltage. The effect is obtained.

以上のように、差動増幅器にかかる実施例を複数説明したが、これらは例示であって、これらに限定されるものではない。本発明の差動増幅器は、複数の増幅器を使用し、正側と負側に同数の二組の増幅器群を形成させることによって、個々の増幅器が有する(ばらつきのある)固有のオフセット電圧を集合させ、上記二組の増幅器群を正側と負側とに区分したうえで両者を相殺させることにより、全体としてのオフセット電圧を小さくするものであり、このような概念を使用するものであれば、増幅器の数や配置方法は任意である。   As described above, a plurality of embodiments according to the differential amplifier have been described. However, these are merely examples, and the present invention is not limited thereto. The differential amplifier of the present invention uses a plurality of amplifiers to form two sets of amplifier groups of the same number on the positive side and the negative side, thereby collecting the inherent offset voltages (variations) of individual amplifiers. The two offset amplifier groups are divided into a positive side and a negative side, and the two are canceled out to reduce the offset voltage as a whole. The number of amplifiers and the arrangement method are arbitrary.

次に、上記のような差動増幅器を使用した信号増幅装置にかかる本発明の実施例について説明する。その一例として、後述する実施例8に無線センサノードを例示し、実施例9にアナログフロントエンドアレイを例示する。
〔信号増幅装置にかかる発明の実施例〕
Next, an embodiment of the present invention relating to a signal amplifying apparatus using the above-described differential amplifier will be described. As an example, a wireless sensor node is illustrated in Example 8 described later, and an analog front-end array is illustrated in Example 9.
[Embodiment of the invention concerning a signal amplifier]

図13は、実施例8の無線センサノードを示す図である。この無線センサノードは、前述した増幅信号出力部101〜601のいずれかにより構成された低雑音増幅器(LNA)を備えており、そのためのオフセット電圧低減用の制御部および検出部が、A/D変換器(ADC)内のコンパレータ(Comp)に対するものを共有する形になっている。すなわち、図13に示されているように、低雑音増幅器(LNA)701は複数のセンサ708の出力信号を入力できるように接続され、この低雑音増幅器(LNA)701の出力は、さらにA/D変換器(ADC)709に入力できるように接続されている。そして、これらの低雑音増幅器(LNA)701とA/D変換器(ADC)709に対し、制御部703の制御信号が出力され、また、A/D変換器(ADC)709の出力値が検出部702に入力されるように構成されている。このとき、キャリブレーション時の動作としては、低雑音増幅器(LNA)701とコンパレータ(Comp)791について独立にキャリブレーションを行い、低雑音増幅器(LNA)701のオフセット電圧の検出は、A/D変換器(ADC)709の出力(Dout)の結果を用いるものである(つまり、低雑音増幅器(LNA)701に対して固有に作動する検出部702は有しない)。これにより、検出部702および制御部703の冗長性を排除することができ、小型化・低コスト化が可能となる。なお、本実施例は、送信機Tx、受信機RxおよびアンテナAntを備えており、A/D変換器(ADC)709の出力値を送信し、また、電波を受信することにより、無線通信を可能としている。   FIG. 13 is a diagram illustrating the wireless sensor node according to the eighth embodiment. This wireless sensor node includes a low noise amplifier (LNA) configured by any one of the amplification signal output units 101 to 601 described above, and a control unit and a detection unit for offset voltage reduction therefor include an A / D. It is in the form of sharing something for the comparator (Comp) in the converter (ADC). That is, as shown in FIG. 13, the low noise amplifier (LNA) 701 is connected so that the output signals of a plurality of sensors 708 can be input. A D converter (ADC) 709 is connected to be input. The control signal of the control unit 703 is output to the low noise amplifier (LNA) 701 and the A / D converter (ADC) 709, and the output value of the A / D converter (ADC) 709 is detected. The unit 702 is configured to be input. At this time, as an operation at the time of calibration, the low noise amplifier (LNA) 701 and the comparator (Comp) 791 are calibrated independently, and the offset voltage of the low noise amplifier (LNA) 701 is detected by A / D conversion. The result of the output (Dout) of the detector (ADC) 709 is used (that is, the detector 702 that operates specifically for the low noise amplifier (LNA) 701 is not provided). Thereby, the redundancy of the detection unit 702 and the control unit 703 can be eliminated, and downsizing and cost reduction are possible. Note that this embodiment includes a transmitter Tx, a receiver Rx, and an antenna Ant, and transmits an output value of an A / D converter (ADC) 709 and receives radio waves to perform wireless communication. It is possible.

図14は、実施例9のアナログフロントエンドアレイを示す図である。本実施例9は、前記いずれかの構成による差動増幅器をアレイ化して、各種アレイセンサ用のアナログフロントエンドとして実施した場合の一例を示すものである。   FIG. 14 is a diagram illustrating an analog front-end array according to the ninth embodiment. The ninth embodiment shows an example in which the differential amplifier having any one of the structures described above is arrayed and implemented as an analog front end for various array sensors.

この実施例は、複数のセンサデバイスからなるセンサアレイ808のそれぞれの出力を個別に受けるアナログフロントエンドアレイ800と、単一の制御部803から構成されている。ここで、アナログフロントエンドアレイ800は、複数のチャンネルからなるアナログフロントエンド801から構成されており、これらアナログフロントエンド801はそれぞれ、前述した増幅信号出力部101〜601のいずれかを用いて実現された低雑音増幅器(LNA)811および比較器を有するA/D変換器(ADC)809を備えており、制御部803から出力される制御信号により低雑音増幅器(LNA)811のスイッチング制御を可能にし、また、低雑音増幅器(LNA)811から出力され、または、A/D変換器(ADC)809から出力されるオフセット電圧は、個別に検出部802a,802bを経由して当該制御部803に入力されるようになっている。そこで、前記のようなオフセット電圧を補正できる信号処理回路群、及び、これら信号処理回路群それぞれに対応した検出部802a,802b(図中のDet1やDet2)は、個々のアナログフロントエンド801に内蔵され、また、最小オフセット電圧になる組み合わせを記憶するためのレジスタ832a,832b(図中のReg1やReg2)も同様に内蔵させている。従って、実施例9の構成は、これまでとは異なり、制御部803にレジスタを含んでおらず、各チャンネルにおいて個別に含まれている。   This embodiment includes an analog front-end array 800 that individually receives outputs of a sensor array 808 composed of a plurality of sensor devices, and a single control unit 803. Here, the analog front end array 800 includes an analog front end 801 composed of a plurality of channels, and each of the analog front ends 801 is realized by using any one of the above-described amplified signal output units 101 to 601. A low noise amplifier (LNA) 811 and an A / D converter (ADC) 809 having a comparator are provided, and switching control of the low noise amplifier (LNA) 811 is made possible by a control signal output from the control unit 803. The offset voltage output from the low noise amplifier (LNA) 811 or output from the A / D converter (ADC) 809 is individually input to the control unit 803 via the detection units 802a and 802b. It has come to be. Therefore, a signal processing circuit group capable of correcting the offset voltage as described above, and detection units 802a and 802b (Det1 and Det2 in the figure) corresponding to each of these signal processing circuit groups are incorporated in each analog front end 801. In addition, registers 832a and 832b (Reg1 and Reg2 in the figure) for storing the combination that provides the minimum offset voltage are also incorporated. Therefore, the configuration of the ninth embodiment is different from before, and does not include a register in the control unit 803 but is included individually in each channel.

動作としては、キャリブレーション期間中は、共有の制御部803にて生成された共通の組み合わせパターンを適用して順次キャリブレーションを行う。このとき、各チャンネルにおけるレジスタのアップデートは、各々異なる組み合わせにて発生するため、それぞれ独立に行われる(ばらつきの様子は各チャンネルによって異なるため)。このように、本発明の増幅器及びオフセット電圧低減手法を用いることで、アレイ化したときに、制御部803を構成すべき各要素の大部分を共有でき、より低コストにアナログフロントエンドアレイを実現できる。   As an operation, during the calibration period, calibration is sequentially performed by applying a common combination pattern generated by the shared control unit 803. At this time, the register update in each channel occurs in different combinations, and therefore is performed independently (because the state of variation varies depending on each channel). In this way, by using the amplifier and the offset voltage reduction method of the present invention, when the array is made, most of the elements that should constitute the control unit 803 can be shared, and an analog front-end array can be realized at a lower cost. it can.

信号増幅器にかかる本発明の実施例として上記二例を説明したが、当然のことながら、本発明がこれらの実施例に限定されるものではない。さらに、いずれの発明についての実施例の説明においても、参照する各図は説明の便宜上、一部を省略し、または簡略化して示した部分があるが、本発明の趣旨に基づいて適宜修正して構成することができる。特に、差動増幅器にかかる発明の実施例を示す図の各所に設けたスイッチは、物理的なスイッチ構造として示しているが、トランジスタによるゲート電圧の有無によって接続および切断を操作するように構成できる。   Although the above two examples have been described as embodiments of the present invention relating to signal amplifiers, it should be understood that the present invention is not limited to these embodiments. Furthermore, in the description of the embodiments of any of the inventions, some of the drawings to be referred to are omitted or simplified for convenience of explanation, but are appropriately modified based on the spirit of the present invention. Can be configured. In particular, the switches provided at various places in the drawing showing the embodiments of the invention relating to the differential amplifier are shown as physical switch structures, but can be configured to operate connection and disconnection depending on the presence or absence of a gate voltage by a transistor. .

本発明は、差信号(差動入力)を増幅及び検出・変換するどのような応用についても利用可能な基盤的技術である。例えば、一般利用目的の演算増幅器(Operational Amplifier:オペアンプ)として、センサフロントエンドや環境モニタ、アナログフィルタ、A/D変換器、D/A変換器などの様々な電子回路に利用可能であり、また、オペアンプに抵抗などを組み合わせた高精度計測用の増幅器である計装アンプや、データ変換器等に用いられる比較器などの応用における低コスト化が見込める。特に1チップ上にオペアンプ(または計装アンプ)などを多チャンネル実装した低コストICの実現に向けて有用である。   The present invention is a fundamental technology that can be used for any application that amplifies, detects, and converts a differential signal (differential input). For example, it can be used for various electronic circuits such as sensor front end, environmental monitor, analog filter, A / D converter, D / A converter, etc. Cost reduction is expected in applications such as instrumentation amplifiers, which are high-precision measurement amplifiers combining op amps with resistors, and comparators used in data converters. In particular, it is useful for realizing low-cost ICs with multiple channels of operational amplifiers (or instrumentation amplifiers) mounted on a single chip.

100,200 差動増幅器
101,201 増幅信号出力部
101a 第一段の増幅信号出力部
101b 第二段の増幅信号出力部
102,202 検出部
103,203 制御部
104a,104b 入力端子
105a,105b 入力側のスイッチ
106a,106b 出力端子
107a,107b 参照電源とのスイッチ
111a,111b,111n 増幅器
112a,112b,112n 入力側における正側のスイッチ
113a,113b,113n 入力側における負側のスイッチ
114a,114b,114n 出力側における正側のスイッチ
115a,115b,115n 出力側における負側のスイッチ
211a,211b,211n トランジスタ(第一の増幅器)
212a,212b,212n 入力側における正側のスイッチ
213a,213b,213n 入力側における負側のスイッチ
214a,214b,214n 出力側における正側のスイッチ
215a,215b,215n 出力側における負側のスイッチ
216 演算増幅器(第二の増幅器)
302,402 検出部
303,403 制御部
321,421 比較器
331,431 コントローラ
332,432 メモリ(レジスタ)
333,433 ルックアップテーブル
334,434 マルチプレクサ
335,435 スイッチ
336,436 インバータ
437 クロックジェネレータ
422a,422b 第一のスイッチ
423a,423b 第二のスイッチ
424a,424b レファレンスコンデンサ
425 プリアンプ
426a,426b 第三のスイッチ
501,601 増幅信号出力部
502,602 検出部
503,603 制御部
511a,511b,511n 増幅器
611a,611b,611n トランジスタ(第一の増幅器)
616 演算増幅器(第二の増幅器)
701,801 低雑音増幅器
702,802a,802b 検出部
703,803 制御部
708 センサ(群)
709,809 A/D変換器
791 コンパレータ
800 アナログフロントエンドアレイ
808 センサアレイ
810 信号処理部
832a,832b メモリ(レジスタ)
100, 200 Differential amplifier 101, 201 Amplified signal output unit 101a First stage amplified signal output unit 101b Second stage amplified signal output unit 102, 202 Detection unit 103, 203 Control unit 104a, 104b Input terminals 105a, 105b Input Side switches 106a, 106b Output terminals 107a, 107b Switches 111a, 111b, 111n with reference power supply Amplifiers 112a, 112b, 112n Positive side switches 113a, 113b, 113n Negative side switches 114a, 114b on the input side 114n Positive side switches 115a, 115b, 115n on the output side Negative side switches 211a, 211b, 211n on the output side Transistors (first amplifier)
212a, 212b, 212n Positive side switches 213a, 213b, 213n on the input side Negative side switches 214a, 214b, 214n on the input side Positive side switches 215a, 215b, 215n Negative side switch 216 on the output side Amplifier (second amplifier)
302, 402 Detection unit 303, 403 Control unit 321, 421 Comparator 331, 431 Controller 332, 432 Memory (register)
333, 433 Look-up table 334, 434 Multiplexer 335, 435 Switch 336, 436 Inverter 437 Clock generator 422a, 422b First switch 423a, 423b Second switch 424a, 424b Reference capacitor 425 Preamplifier 426a, 426b Third switch 501 , 601 Amplified signal output section 502, 602 Detection section 503, 603 Control section 511a, 511b, 511n Amplifier 611a, 611b, 611n Transistor (first amplifier)
616 operational amplifier (second amplifier)
701, 801 Low noise amplifiers 702, 802a, 802b detection units 703, 803 control unit 708 sensor (group)
709, 809 A / D converter 791 Comparator 800 Analog front end array 808 Sensor array 810 Signal processing unit 832a, 832b Memory (register)

Claims (12)

正極と負極の2つの入力信号パスに対し並列に接続された複数の増幅器によって構成される増幅器群と、該増幅器群の一部または全部に対する入力を正側もしくは負側のいずれか一方として機能させるために、選択的に接続するように切り換え、または接続もしくは切断を選択的に切り換えるスイッチ群とを備え、前記増幅器群による正極および負極の増幅信号をそれぞれ一体として出力する増幅信号出力部と、
前記増幅信号出力部から出力されるオフセット電圧を検出する検出部と、
前記増幅信号出力部に対して入力される入力信号を参照電圧に切り換える参照電圧切換スイッチと、
前記参照電圧切換スイッチを切り換えるためのイネーブル信号、および、前記スイッチ群の切り換えを制御する制御信号を出力するとともに、前記検出部により検出されるオフセット電圧値を記憶する制御部とを備え、
前記制御部は、前記増幅器群を構成する複数の増幅器のうち正側と負側を同数とする複数の組み合わせを選定するとともに、前記制御信号により各組み合わせに対応するように前記スイッチ群を順次切り換え、前記検出部により検出されるオフセット電圧が最小となるときのスイッチ群の組み合わせを判定し、これを維持させるものであることを特徴とする差動増幅器。
An amplifier group composed of a plurality of amplifiers connected in parallel to the two input signal paths of the positive electrode and the negative electrode, and an input to a part or all of the amplifier group functions as either the positive side or the negative side Therefore, an amplification signal output unit including a switch group that selectively switches to connect, or a switch group that selectively switches connection or disconnection, and outputs positive and negative amplification signals by the amplifier group, respectively,
A detection unit for detecting an offset voltage output from the amplified signal output unit;
A reference voltage changeover switch for switching an input signal input to the amplified signal output unit to a reference voltage;
An enable signal for switching the reference voltage changeover switch, and a control unit for controlling the switching of the switch group, and a control unit for storing an offset voltage value detected by the detection unit,
The control unit selects a plurality of combinations having the same number of positive and negative sides from among a plurality of amplifiers constituting the amplifier group, and sequentially switches the switch group so as to correspond to each combination by the control signal. A differential amplifier that determines and maintains a combination of switch groups when the offset voltage detected by the detection unit is minimized.
前記増幅信号出力部は、前記入力信号パスを分岐して形成された偶数個のパスを備え、
前記増幅器群を構成する各増幅器は、前記偶数個のパスごとに個別に設けられ、
前記スイッチ群は、前記増幅器群を構成する各増幅器の前後における入出力を正側または負側のいずれかに選択的に切り換えるものであり、
前記制御部による前記スイッチ群の切り換えを制御する制御信号は、前記偶数個のパスを二種類の同数のパスを形成するように前記スイッチ群を切り換える信号であることを特徴とする請求項1に記載の差動増幅器。
The amplified signal output unit includes an even number of paths formed by branching the input signal path,
Each amplifier constituting the amplifier group is individually provided for each of the even number of paths,
The switch group selectively switches the input / output before and after each amplifier constituting the amplifier group to either the positive side or the negative side,
The control signal for controlling switching of the switch group by the control unit is a signal for switching the switch group so that the even number of paths form two equal numbers of paths. The differential amplifier described.
前記増幅信号出力部に設けられる増幅器群は、予め同数の正側および負側に接続された二組の増幅器群に区分され、
前記スイッチ群は、前記二組の増幅器群に対する電源を供給し、または切断することを切り換えるものであり、
前記制御部による前記スイッチの切り換えを制御する制御信号は、前記二組の増幅器群から同数の増幅器を選定して電源に接続する信号であることを特徴とする請求項1に記載の差動増幅器。
The amplifier group provided in the amplified signal output unit is divided into two sets of amplifier groups connected in advance to the same number of positive and negative sides,
The switch group supplies power to the two sets of amplifier groups, or switches between disconnecting,
2. The differential amplifier according to claim 1, wherein the control signal for controlling switching of the switch by the control unit is a signal for selecting the same number of amplifiers from the two sets of amplifier groups and connecting to a power source. .
前記増幅信号出力部は、前記入力信号パスを分岐して形成された偶数個のパスを備え、前記増幅器群は、偶数個の前記パスごとに個別に設けられた第一段の増幅器群と、該第一段の増幅器群の出力側に配置される前記スイッチ群を介して該第一段の増幅器群をカスケード接続する第二段の増幅器とに区分され、
前記スイッチ群は、前記第一段の増幅器群の前後における各入出力を正側または負側のいずれかに選択的に切り換えるものであり、
前記制御部による前記スイッチ群の切り換えを制御する制御信号は、前記偶数個のパスを二種類の同数のパスを形成するように前記スイッチ群を切り換える信号であることを特徴とする請求項1に記載の差動増幅器。
The amplified signal output unit includes an even number of paths formed by branching the input signal path, and the amplifier group includes a first-stage amplifier group provided individually for each of the even number of paths; The first stage amplifier group is divided into a second stage amplifier that cascades the first stage amplifier group via the switch group disposed on the output side of the first stage amplifier group,
The switch group selectively switches each input / output before and after the first-stage amplifier group to either the positive side or the negative side,
The control signal for controlling switching of the switch group by the control unit is a signal for switching the switch group so that the even number of paths form two equal numbers of paths. The differential amplifier described.
複数の前記第一の増幅器は、それぞれトランジスタからなり、該トランジスタの各ゲート端子が入力端子に、各ドレイン端子が出力端子に、各ソース端子がテール電流源に接続され、前記ゲート側およびドレイン側に前記スイッチ群を介在させていることを特徴とする請求項4に記載の差動増幅器。   Each of the plurality of first amplifiers includes a transistor, each gate terminal of which is connected to an input terminal, each drain terminal is connected to an output terminal, each source terminal is connected to a tail current source, and the gate side and the drain side The differential amplifier according to claim 4, wherein the switch group is interposed in the differential amplifier. 前記増幅信号出力部は、前記入力信号パスを分岐して形成される偶数個のパスを備え、前記増幅器群は、偶数個の前記パスごとに個別に設けられた第一段の増幅器群と、該第一段の増幅器群の出力側に配置される前記スイッチ群を介して該第一段の増幅器群をカスケード接続する第二段の増幅器とに区分され、さらに、前記第一段の増幅器群は、予め同数の増幅器が正側および負側に接続された二組の第一段の増幅器群に区分され、
前記スイッチ群は、前記二組の第一段の増幅器群に対する電源を供給し、または切断することを切り換えるものであり、
前記制御部による前記スイッチ群の切り換えを制御する制御信号は、前記二組の第一段の増幅器群から同数の増幅器を選定して電源に接続する信号であることを特徴とする請求項1に記載の差動増幅器。
The amplified signal output unit includes an even number of paths formed by branching the input signal path, and the amplifier group includes a first-stage amplifier group provided individually for each even number of the paths; The first stage amplifier group is divided into a second stage amplifier that cascade-connects the first stage amplifier group via the switch group disposed on the output side of the first stage amplifier group, and further, the first stage amplifier group Is divided into two sets of first-stage amplifier groups in which the same number of amplifiers are connected in advance to the positive side and the negative side,
The switch group is for switching power supply to the two sets of first stage amplifier groups, or switching to disconnect,
2. The control signal for controlling switching of the switch group by the control unit is a signal for selecting the same number of amplifiers from the two sets of first-stage amplifier groups and connecting to a power source. The differential amplifier described.
前記第一段の増幅器群は、それぞれトランジスタからなり、該トランジスタの各ゲート端子が入力端子に、各ドレイン端子が出力端子に、各ソース端子がテール電流源に接続され、前記ソース側にのみ前記スイッチ群を介在させていることを特徴とする請求項6に記載の差動増幅器。   The first-stage amplifier group includes transistors, each gate terminal of which is connected to an input terminal, each drain terminal is connected to an output terminal, each source terminal is connected to a tail current source, and only on the source side. The differential amplifier according to claim 6, wherein a switch group is interposed. 前記検出部は、少なくとも一つの比較器を備え、かつ、前記制御部は、該比較器から出力される値に基づき、前記スイッチ群の組み合わせを変更し、オフセット電圧を最小とする組み合わせを判定するものであることを特徴とする請求項1ないし7のいずれかに記載の差動増幅器。   The detection unit includes at least one comparator, and the control unit changes a combination of the switch groups based on a value output from the comparator and determines a combination that minimizes the offset voltage. The differential amplifier according to claim 1, wherein the differential amplifier is one. 前記制御部は、クロックジェネレータを備え、かつ、
前記検出部は、サンプリング容量を蓄積するサンプリングコンデンサと、このサンプリングコンデンサと直列に接続されたプリアンプと、このプリアンプと直列に接続されたラッチト比較器と、前記増幅信号出力部からの信号を前記サンプリングコンデンサに接続し、または切断するための第一の切り換えスイッチと、参照電圧を前記サンプリングコンデンサに接続し、または切断するための第二の切り換えスイッチと、前記プリアンプの入出力間の短絡し、または切断するための第三の切り換えスイッチとを備え、
前記第一、第二および第三の切り換えスイッチは、前記クロックジェネレータから出力されるクロック信号により制御されることを特徴とする請求項1ないし8のいずれかに記載の差動増幅器。
The control unit includes a clock generator, and
The detection unit includes a sampling capacitor for accumulating a sampling capacity, a preamplifier connected in series with the sampling capacitor, a latched comparator connected in series with the preamplifier, and a signal from the amplified signal output unit. A first changeover switch for connecting or disconnecting a capacitor, a second changeover switch for connecting or disconnecting a reference voltage to the sampling capacitor, and a short circuit between the input and output of the preamplifier, or A third changeover switch for disconnecting,
9. The differential amplifier according to claim 1, wherein the first, second and third changeover switches are controlled by a clock signal output from the clock generator.
前記制御部による前記スイッチの切り換えを制御する制御信号は、該スイッチに対する前記信号とともに、チョッピング周波数に応じて接続および切断の反転動作を繰り返すための信号を含むことを特徴とする請求項1ないし9のいずれかに記載の差動増幅器。   10. The control signal for controlling switching of the switch by the control unit includes a signal for repeating connection and disconnection inversion operations according to a chopping frequency together with the signal for the switch. The differential amplifier according to any one of the above. 請求項1ないし10のいずれかに記載の差動増幅器を使用する信号増幅装置であって、
アナログ信号を前記増幅信号出力部に対して出力する単数または複数の信号出力部と、
少なくとも一つの比較器を有し、前記増幅信号出力部によって増幅される信号をデジタル信号に変換するアナログ・デジタル変換器とを備え、
前記検出部は、前記アナログ・デジタル変換器の比較器を使用しつつ、該アナログ・デジタル変換器から出力される信号に基づきオフセット電圧を検出し、
前記制御部は、前記検出部から出力される信号に基づいてオフセット電圧を最小とする組み合わせを前記増幅信号出力部に出力するものであることを特徴とする信号増幅装置。
A signal amplifying apparatus using the differential amplifier according to any one of claims 1 to 10,
One or more signal output units for outputting an analog signal to the amplified signal output unit;
An analog-to-digital converter that has at least one comparator and converts a signal amplified by the amplified signal output unit into a digital signal;
The detection unit detects an offset voltage based on a signal output from the analog-digital converter while using a comparator of the analog-digital converter,
The control unit outputs a combination that minimizes an offset voltage to the amplified signal output unit based on a signal output from the detection unit.
請求項1ないし10のいずれかに記載の差動増幅器を使用し、複数のデバイスから出力される信号を個別に増幅する信号増幅装置であって、
前記複数のデバイスから出力される信号を、個別に入力する複数の前記増幅信号出力部と、各増幅信号出力部の出力を個別に検出する複数の前記検出部と、複数の前記増幅信号出力部および検出部に対し、該増幅信号出力部および検出部を選択しつつ該増幅信号出力部を個別に制御する単一の制御部とを備えることを特徴とする信号増幅装置。
A signal amplifying apparatus that individually amplifies signals output from a plurality of devices using the differential amplifier according to claim 1,
A plurality of the amplified signal output units that individually input signals output from the plurality of devices, a plurality of the detection units that individually detect outputs of the respective amplified signal output units, and a plurality of the amplified signal output units And a single control unit that individually controls the amplified signal output unit while selecting the amplified signal output unit and the detection unit with respect to the detection unit.
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