JP6581885B2

JP6581885B2 - 高精度増幅器

Info

Publication number: JP6581885B2
Application number: JP2015228368A
Authority: JP
Inventors: 伴弘小金
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2015-11-24
Filing date: 2015-11-24
Publication date: 2019-09-25
Anticipated expiration: 2035-11-24
Also published as: JP2017098731A

Description

本発明は、チョッパ型の高精度増幅器に関する。

直流付近の信号成分を高精度に増幅するためには、低い入力換算オフセット電圧を有する増幅器を必要とする。従来の入力換算オフセット電圧を低減する技術には、主に、オートゼロ、チョッピング、ＣＤＳ（Correlated Double Sampling)などが挙げられる。ところが、オートゼロとＣＤＳは折返し雑音により信号帯域内の雑音が増加してしまう欠点があり、またチョッピングはチョッピングによって生じるリップル成分により入力換算オフセット電圧が増加してしまう欠点がある。

図５にチョッピングを使用した従来の高精度増幅器を示す。１０は差動の入力信号Ｖｉｎが入力する入力端子、２０は第１の信号交換スイッチ、３０は反転増幅器、５０は第２の信号交換スイッチ、６０は差動の出力信号Ｖｏｕｔを出力する出力端子である（例えば、特許文献１の図１０参照）。

信号交換スイッチ２０は、図６の（ａ）に示すように、入力端子２１，２２、出力端子２３，２４、スイッチＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ２３，ＳＷ２４で構成されている。スイッチＳＷ２１は入力端子２１と出力端子２３を接続し、スイッチＳＷ２２は入力端子２２と出力端子２４を接続し、スイッチＳＷ２３は入力端子２２と出力端子２３を接続し、スイッチＳＷ２４は入力端子２１と出力端子２４を接続するよう接続されている。

スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２４は、図６の（ｂ）に示すクロック信号φ１及びそのクロック信号φ１と同じ周波数で位相が１８０度異なるクロック信号＊φ１によって、スイッチＳＷ２１，ＳＷ２２がオンするときはスイッチＳＷ２３，ＳＷ２４がオフし、スイッチＳＷ２１，ＳＷ２２がオフするときはスイッチＳＷ２３，ＳＷ２４がオンするよう制御される。

この結果、信号交換スイッチ２０の入力端子２１に入力する信号は、出力端子２３と出力端子２４に交互に出力する。また、入力端子２２に入力する信号は、出力端子２４と出力端子２３に交互に出力する。

スイッチＳＷ２１，ＳＷ２２は、図７の（ａ）に示すクロック信号φ１で動作するＮＭＯＳトランジスタＭＮ１とクロック信号＊φ１で動作するＰＭＯＳトランジスタＭＰ１からなるアナログスイッチ、又は（ｂ）に示すクロック信号φ１で動作するＮＭＯＳトランジスタＭＮ２、又は（ｃ）に示すクロック信号＊φ１で動作するＰＭＯＳトランジスタＭＰ２で構成される。

スイッチＳＷ２３，ＳＷ２４は、図８の（ａ）に示すクロック信号＊φ１で動作するＮＭＯＳトランジスタＭＮ３とクロック信号φ１で動作するＰＭＯＳトランジスタＭＰ３からなるアナログスイッチ、又は（ｂ）に示すクロック信号＊φ１で動作するＮＭＯＳトランジスタＭＮ４、又は（ｃ）に示すクロック信号φ１で動作するＰＭＯＳトランジスタＭＰ４で構成される。

信号交換スイッチ５０は信号交換スイッチ２０と同様に構成され、同様に動作する。

図５に示した高精度増幅器では、第１の信号交換スイッチ２０の入力端子２１に入力する入力電圧Ｖｉｎの正転信号と入力端子２２に入力する入力電圧Ｖｉｎの反転信号が、第１の信号交換スイッチ２０の出力端子２３と出力端子２４に出力するとき、クロック信号φ１、＊φ１の半周期ごとに切り換わることで、クロック信号φ１の周波数に周波数変換された被変調電圧Ｖａになる。そして、この周波数変換された被変調電圧Ｖａが反転増幅器３０で増幅されて被変調電圧Ｖｂとなる。このとき、反転増幅器３０に存在する入力換算オフセット電圧Ｖｏｆｆ１もオフセット電圧Ｖｏｆｆ２に増幅される。反転増幅器３０で増幅された被変調電圧Ｖｂは、第２の信号交換スイッチ５０において、第１の信号交換スイッチ２０と同様に反転信号と正転信号がクロック信号φ１によって復調され、入力電圧Ｖｉｎの周波数成分に復元された出力電圧Ｖｏｕｔとなる。この出力電圧Ｖｏｕｔに含まれる変調された入力換算オフセット電圧Ｖｏｆｆ３は、出力端子６０に接続されるローパスフィルタ（図示せず）によって除去される。この処理の一連の電圧の変化を図９に示した。

このように図５に示した高精度増幅器では、第１の信号交換スイッチ２０におけるクロックφ１、＊φ１による変調処理と、第２の信号交換スイッチ５０におけるクロックφ１、＊φ１による復調処理とによって、入力換算オフセット電圧が高周波帯域に移され、ローパスフィルタによって除去される。

ところが、図５に示した高精度増幅器では、第１の信号交換スイッチ２０を通過することによって、そのスイッチに溜まった電荷Ｖｒ１が、図１０の被変調信号Ｖｂの拡大図に示すように、その被変調信号Ｖｂに重畳し、同様に第２の信号交換スイッチ５０を通過することによってそのスイッチに溜まった電荷（図示せず）が出力信号Ｖｏｕｔに重畳するので、その出力信号Ｖｏｕｔに残存リップルＶｒｐ１が発生する。これはチャージインジェクションと呼ばれる。この残存リップルＶｒｐ１は、すべて同じ極性で出力信号Ｖｏｕｔに現れる。第２の信号交換スイッチ５０の後段には前記したようにローパスフィルタ接続されるので、この残存リップルＶｒｐ１による直流成分が、出力信号Ｖｏｕｔにオフセット成分として残留してしまう。

このような信号交換によって生じる残存リップルによるオフセット成分の影響を低減する手法として、高精度増幅器の前段と後段に、それぞれ別の信号交換スイッチを接続することが行われている（非特許文献１）。これによれば、残存リップル成分が正負対称となり、残存リップルによる直流成分を抑制できる。

特許第５５３７３４２号公報 "A CMOS Nested-Chopper Instrumentation Amplifier with 100-nV Offset"IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS,VOL.35 NO.12,DECEMBER 2000.

しかしながら、非特許文献１による手法では、信号交換スイッチをさらに２段増加することになり、その増加分だけ折返し雑音が増大するという問題がある。

本発明の目的は、折返し雑音を発生させずに残存リップルによる直流オフセット成分を低減した高精度増幅器を提供することである。

上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明は、差動の入力信号を第１のクロック信号及び該第１のクロック信号の反転信号によって変調するＭＯＳトランジスタを使用した第１の信号交換スイッチと、該第１の信号交換スイッチから出力する差動の被変調信号を増幅する増幅器と、該増幅器で増幅された差動の被変調信号を前記第１のクロック信号及び該第１のクロック信号の反転信号によって復調するＭＯＳトランジスタを使用した第２の信号交換スイッチとを有する高精度増幅器において、前記第１の信号交換スイッチと前記増幅器との間、又は前記増幅器と前記第２の信号交換スイッチとの間にダミースイッチを接続し、前記第２の信号交換スイッチの後段にローパスフィルタを接続し、該ダミースイッチは、前記差動の被変調信号の一方の信号の入力側から出力側への伝達をオン／オフするＭＯＳトランジスタを使用した第１のスイッチと、前記差動の被変調信号の他方の信号の前記入力側から前記出力側への伝達をオン／オフするＭＯＳトランジスタを使用した第２のスイッチと、前記第１のスイッチの両端間に配線された第１の配線と、前記第２のスイッチの両端間に配線された第２の配線とを備え、前記第１のクロック信号と同じ周波数で且つ位相の異なる第２のクロック信号と該第２のクロック信号の反転信号によって、前記第１のスイッチがオンするとき前記第２のスイッチをオフさせ、前記第１のスイッチがオフするとき前記第２のスイッチをオンさせて、前記被変調信号に前記第１の信号交換スイッチの電荷によるリップルと逆極性で同じ電荷のリップルを与えることを特徴とする。

請求項２にかかる発明は、請求項１に記載の高精度増幅器において、前記第２のクロック信号は前記第１のクロック信号に対して９０度の位相差を有し、前記第２のクロック信号の反転信号は前記第１のクロック信号の反転信号に対して９０度の位相差を有することを特徴とする。

本発明によれば、信号交換によって生じる残存リップルの影響によるオフセット成分をダミースイッチによって低減することができる。

本発明の第１の実施例の高精度増幅器の構成を示す回路ブロック図である。（ａ）は図１の高精度増幅器のダミースイッチの回路図、（ｂ）はクロック信号φ１、＊φ１、φ２、＊φ２の波形図である。第１の実施例の高精度増幅器の電圧Ｖａ，Ｖｃ，Ｖｏｕｔの拡大波形図である。本発明の第２の実施例の高精度増幅器の構成を示す回路ブロック図である。従来の高精度増幅器の構成を示す回路ブロック図である。（ａ）は図５の高精度増幅器の信号交換スイッチ２０の回路図、（ｂ）はクロック信号φ１、＊φ１の波形図である。（ａ），（ｂ），（ｃ）は図５の高精度増幅器の信号交換スイッチ２０のスイッチＳＷ１，ＳＷ２の構成を示す説明図である。（ａ），（ｂ），（ｃ）は図５の高精度増幅器の信号交換スイッチ２０のスイッチＳＷ３，ＳＷ４の構成を示す説明図である。図５の高精度増幅器の電圧Ｖｉｎ，Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｏｕｔの波形図である。図５の高精度増幅器の電圧Ｖｂ，Ｖｏｕｔの拡大波形図である。

＜第１の実施例＞
図１に本発明の第１の実施例の高精度増幅器の構成を示す。図５の高精度増幅器で説明したものと同じものには同じ符号を付して重複説明は避けることとする。本実施例では、反転増幅器３０と第２の信号交換スイッチ５０との間に、ダミースイッチ４０を接続している。

このダミースイッチ４０は、図２の（ａ）に示すように、入力端子４１と出力端子４２の間に接続したスイッチＳＷ４１と、入力端子４２と出力端子４４との間に接続したスイッチＳＷ４２と、入力端子４１と出力端子４２の間に接続した配線４５と、入力端子４２と出力端子４４との間に接続した配線４６とで構成されている。スイッチＳＷ４１は図７の（ａ）〜（ｃ）に示したトランジスタで構成でき、スイッチＳＷ４２は図８の（ａ）〜（ｃ）に示したトランジスタで構成できる。

スイッチＳＷ４１はクロック信号φ１と同じ周波数で位相が９０度進んだクロック信号φ２でスイッチングされ、スイッチングＳＷ４２はクロック信号＊φ１と同じ周波数で位相が９０度進んだクロック信号＊φ２でスイッチングされる。すなわち、スイッチＳＷ４１がオンしているときはスイッチＳＷ４２がオフし、スイッチＳＷ４１がオフしているときはスイッチＳＷ４２がオンしている。図２（ｂ）にクロック信号φ１、＊φ１、φ２、＊φ２の波形を示した。

このダミースイッチ４０は反転増幅器３０で増幅された被変調電圧Ｖｂに対してスイッチングする。このスイッチングにより、ダミースイッチ４０に接続される前段の反転増幅器３０の出力インピーダンスや後段の第２の信号交換スイッチ５０の入力インピーダンスとの関係で、スイッチＳＷ４１，ＳＷ４２に溜まった電荷Ｖｒ２が、前記した電荷Ｖｒ１の発生タイミングと位相が９０度ずれたタイミングで、被変調電圧Ｖｃにその電荷Ｖｒ１と逆極性で現れる。

したがって、この被変調電圧Ｖｃを第２の信号交換スイッチ５０で復調した出力電圧Ｖｏｕｔには、図３に示すように、第１の信号交換スイッチ２０の電荷Ｖｒ１と第２の信号交換スイッチ５０の電荷によるリップルＶｒｐ１の他に、電荷Ｖｒ２による逆極性のリプルＶｒｐ２が現れる。このため、この出力電圧Ｖｏｕｔを後段の図示しないローパスフィルタに入力することにより、リプルＶｒｐ１の直流成分がリプルＶｒｐ２の直流成分によって打ち消され、結局、信号交換スイッチ２０，５０のリプルによるオフセット成分を低減することができる。

＜第２の実施例＞
図４に第２の実施例の高精度増幅器の構成を示す。本実施例では、ダミースイッチ４０を第１の信号交換スイッチ２０と反転増幅器３０との間に接続して、クロック信号φ２、＊φ２により駆動するようにしている。したがって、本実施例でも、ダミースイッチ４０の出力側に現れる被変調電圧Ｖｄには、図３に示した被変調電圧Ｖｃと同様に、スイッチＳＷ４１，ＳＷ４２に溜まった電荷が現れ、同様に信号交換スイッチ２０、５０で生じるリプルによるオフセット成分を低減することができる。

＜その他の実施例＞
なお、以上の実施例ではクロック信号φ２をクロック信号φ１に対して９０度進ませ、クロック信号＊φ２をクロック信号＊φ１に対して９０度進ませたが、その移相量Ｄは、０度＜Ｄ＜１８０度であればよい。つまり、クロック信号φ２はクロック信号φ１に対して同相でなく、クロック信号＊φ２はクロック信号＊φ１に対して同相でなければよい。ただし、クロック信号φ２、＊φ２は１８０度の位相差が必要である。また、反転増幅器３０は非反転増幅器であってもよい。また、ダミースイッチ４０によって生成するリプルＶｒ２の大きさは、リプルＶｒｐ１を打ち消すことができるよう、スイッチＳＷ４１，ＳＷ４２の面積によって調整することができる。

１０：入力端子、２０：第１の信号交換スイッチ、３０：反転増幅器、４０：ダミースイッチ、５０：第２の信号交換スイッチ、６０：出力端子

Claims

差動の入力信号を第１のクロック信号及び該第１のクロック信号の反転信号によって変調するＭＯＳトランジスタを使用した第１の信号交換スイッチと、該第１の信号交換スイッチから出力する差動の被変調信号を増幅する増幅器と、該増幅器で増幅された差動の被変調信号を前記第１のクロック信号及び該第１のクロック信号の反転信号によって復調するＭＯＳトランジスタを使用した第２の信号交換スイッチとを有する高精度増幅器において、
前記第１の信号交換スイッチと前記増幅器との間、又は前記増幅器と前記第２の信号交換スイッチとの間にダミースイッチを接続し、
前記第２の信号交換スイッチの後段にローパスフィルタを接続し、
該ダミースイッチは、前記差動の被変調信号の一方の信号の入力側から出力側への伝達をオン／オフするＭＯＳトランジスタを使用した第１のスイッチと、前記差動の被変調信号の他方の信号の前記入力側から前記出力側への伝達をオン／オフするＭＯＳトランジスタを使用した第２のスイッチと、前記第１のスイッチの両端間に配線された第１の配線と、前記第２のスイッチの両端間に配線された第２の配線とを備え、前記第１のクロック信号と同じ周波数で且つ位相の異なる第２のクロック信号と該第２のクロック信号の反転信号によって、前記第１のスイッチがオンするとき前記第２のスイッチをオフさせ、前記第１のスイッチがオフするとき前記第２のスイッチをオンさせて、前記被変調信号に前記第１の信号交換スイッチの電荷によるリップルと逆極性で同じ電荷のリップルを与えることを特徴とする高精度増幅器。
請求項１に記載の高精度増幅器において、
前記第２のクロック信号は前記第１のクロック信号に対して９０度の位相差を有し、前記第２のクロック信号の反転信号は前記第１のクロック信号の反転信号に対して９０度の位相差を有することを特徴とする高精度増幅器。