JPH0215708A - スイッチトキャパシタ増幅器回路 - Google Patents

スイッチトキャパシタ増幅器回路

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JPH0215708A
JPH0215708A JP1078709A JP7870989A JPH0215708A JP H0215708 A JPH0215708 A JP H0215708A JP 1078709 A JP1078709 A JP 1078709A JP 7870989 A JP7870989 A JP 7870989A JP H0215708 A JPH0215708 A JP H0215708A
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Japan
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capacitor
plate
output
feedback
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Application number
JP1078709A
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English (en)
Inventor
Jean-Yves Michel
ジャンーイブ ミッシェル
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National Semiconductor Corp
Original Assignee
National Semiconductor Corp
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/005Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements using switched capacitors, e.g. dynamic amplifiers; using switched capacitors as resistors in differential amplifiers

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 技栃分J 本発明は、電子増幅器回路に関するものであって、更に
詳細には、オペアンプを基礎にしており且つ抵抗要素を
置換させる為にスイッチトキャパシタ回路を使用する増
幅器回路に関するものである。
従】Uえ販 多くの従来の増幅器回路デザインは、集積回路として製
造するのに適していなかった。何故ならば、これらのデ
ザインにおいて必要とされるインダクタ、大型コンデン
サ値、又は精密な抵抗値等の成る部品は、標準的な金属
・酸化物・半導体(MO,5)11造プロセスで容易に
得ることが可能ではないからである。従って、これらの
困難な部品に対する必要性を取り除く為に新たなデザイ
ンが開発されている。本発明は、臨界値抵抗を、容易に
集積化させることの可能なスイッチトキャパシタ回路で
置換させることにより、この傾向を更に前進させるもの
である。
従来公知の増幅器回路を第1図に示しである。
この回路は、反転入力端子14、非反転入力端子16、
及び単一の出力端子18を具備するオペアンプ(演算増
幅器)12を使用している。入力信号■1は入力抵抗R
1を介して反転入力端子14へ通過する。非反転入力端
子は接地接続されている。出力端子18における出力信
号は、出カッド■2において増幅器回路出力信号を与え
る。該出力信号は、また、フィードバック抵抗R2を介
して反転入力端子14へ帰還される。
この回路のv1ノードからv2ノードへの利得及びその
他の応答特性は、出力端子18から反転入力端子14へ
のフィードバック経路内の要素によって決定される。特
に、図示した形態において、該回路の電圧利得V2/V
lは、入力抵抗R1に対するフィードバック抵抗R2の
比によって設定される。該回路の周波数応答を制御する
為に該フィードバック経路内において屡々コンデンサ(
キャパシタ)が使用される。
この増幅器回路をMO8集積回路として直接実現させる
場合の問題は、製造プロセス完了後の抵抗の正確な値を
予測することができないということである。従って、R
1に対するR2の正確な比を達成することを確保するこ
とは内壁である。従って、該回路の電圧利得を正確に予
測することはできない。本発明は、該抵抗要素を置換さ
せる為にスイッチトキャパシタ回路を提供している。該
スイッチトキャパシタ回路は小さなコンデンサ及びスイ
ッチングトランジスタから構成されている。
小さなコンデンサは、絶縁物質として使用する酸化物層
に高度の−様な厚さを与え且つ微細マスキング方法を使
用することによりコンデンサ面精の精密な制御を与える
ことによって、極めて精密に製造することが可能である
。スイッチングトランジスタを精密に製造することが可
能であり、且つ一対のクロック信号によって制御するこ
とが可能である。従って、スイッチトキャパシタ回路の
特性を予測し且つ制御することが可能である。このこと
は、特定的で、安定性があり且つ予測可能な利得を持っ
た最終的な増幅器回路を製造することを可能とする。
スイッチトキャパシタ回路は、1組のコンデンサへの信
号の印加を制御する為にスイッチングトランジスタを使
用する。スイッチング動作周波数及びスイッチ及びトラ
ンジスタの配列を制御することによって、電荷転送速度
、周波数選択性特性。
又はデジタルサンプル及びホールド動作を達成すること
が可能である。
スイッチトキャパシタ回路は、バンドパスフィルタの製
造において使用されている。それらは、また、以前に、
オペアンプのフィードバックループにおいて使用されて
いるが、特定の形態においてではなくまた本発明の有効
な特性を与えるものでもない。
例えば、第2図は、第1図のオペアンプ回路の抵抗R1
及びR2が標準的なスイッチトキャバシタ回路−1換さ
れた従来公知の増幅器回路を示している。
第1図の入力抵抗R1は、第2図において、スイッチ2
0及び21、入力コンデンサC1、及びスイッチ22及
び23で置換されている。第1図のフィードバック抵抗
R2は、第2図において、スイッチ40及び41、フィ
ードバックコンデンサC2、及びスイッチ42及び43
と置換されている。
該スイッチは、MOSスイッチングトランジスタの幾つ
かの公知の形態のいずれかによって実現されている。第
2図に示した如き最も簡単な実施例は、パストランジス
タとして単一のMOSトランジスタを使用している。該
スイッチは、関連するコンデンサを交互に接続させるか
又は接地させる為に、第3図において示した如く非重畳
型クロック信号P1及びR2によって制御される。該コ
ンデンサが単一経路において接続されていない場合、そ
れは接地ヘスイッチされて電荷の蓄積を防止し、そのこ
とは入力信号を正確に追従することを阻止する。例えば
、クロック信号P1の期間中、スイッチ20及び22は
、入力経路として入力コンデンサC1を接続し、且つス
イッチ40及び42は、フィードバック経路としてフィ
ードバックコンデンサC2を接続する。クロック信号R
2期間中、入力コンデンサ”C1はスイッチ21及び2
3によって接地され且つフィードバックコンデンサC2
はスイッチ41及び43によって接地される。
各コンデンサは、それが該単一経路内にスイッチされた
場合の期間中にのみ信号を通過させるので、全信号転送
は、それが該単一経路からスイッチオフされた時間に比
例して減少される。この様に、スイッチトキャパシタ回
路は、従前の抵抗要素の使用を置換させるものである。
抵抗要素を置換させる為にスイッチトキャパシタを使用
するその他の例は米国特許筒4,404゜525号に開
示されており、この場合スイッチトキャパシタが入力及
びフィードバック経路内に設けられており、一方米国特
許第4,441,080号にも開示されており、この場
合スイッチトキャパシタはフィードバック経路内に設け
られている。
幾つかの問題がこれらの従来技術の場合に発生する。第
1に、入力及びフィードバック信号は、該コンデンサが
スイッチンインされた場合の期間中にのみサンプルされ
る。このことは、より一層線形の信号が所望される場合
に、「ステアステップ(階段)」乃至はエリアシング型
の波形歪が発生される。
別の問題は、フィードバックコンデンサがスイッチアウ
トされた場合のフィードバック経路の特性を劇的に変化
させることである。該フィードバック経路は、期間の一
部に対しては単に開回路である。このことは、回路動作
において劇的な変化を発生させることがある。例えば、
フィードバック経路が開放されると、増幅器機能を維持
する為にホールド用即ち保持用コンデンサが必要とされ
る場合がある。スイッチングトランジスタにおける寄生
容量は、デフォルトによりこの機能を達成することが可
能である。然し乍ら、この容量は、周波数敏感性特性を
導入し且つ増幅器特性に対して寄生極(ポール)を付加
し、基本的に該回路にローパスフィルタ動作を課すこと
となる。
1−孜 本発明は、以上の点に鑑みなされたものであって、上述
した如き従来技術の欠点を解消し、特に上述した両方の
問題を解消するものであり、ステアステップ歪を回避し
、且つ安定なフィードバック経路特性を維持することが
可能なスイッチトラキャパシタ増幅器回路を提供するこ
とを目的とする。
遭−」父 本発明は、精密な抵抗及び抵抗比を置換させる為の製造
容易なトランジスタ及びコンデンサを特徴とする特の回
路を提供するものである。本発明において使用するスイ
ッチトキャパシタ回路は゛、精密に製造することが可能
であり、且つ本回路利得は極めて精密に予測することが
可能なものである。本発明は、交互に信号のサンプルを
取るスイッチトキャパシタ回路を使用する。この様に、
ステアステップ歪が減少され、且つフィードバック経路
特性は、スイッチングサイクルを介して安定状態にとど
まる。
第4図は本発明に基づく増幅器回路を示している。第1
図の通常の増幅器回路の抵抗要素は、各々、一対のスイ
ッチトキャパシタ回路で置換されている。各スイッチは
、第3図に示した如く、−対の非重畳型クロック信号P
1又はP2の1つによって活性化される。
第4図に示した如く、本発明においては、入力信号v1
は、一対のスィッチ1〜キヤパシタ回路へ分割される。
クロック信号P1の期間中、入力信号はスイッチ20及
び22によって入力コンデンサC1を介して反転入力端
子14へ接続される。
クロック信号P2の期間中、該信号は、スイッチ24及
び26によって、入力コンデンサC3を介して、反転入
力端子14へ接続される。この一対の入力回路の使用に
より且つその活性化期間中に各回路によるサンプリング
によって、該入力信号は該スイッチングサイクルを介し
てサンプルされ、ステアステップ歪をスイッチングサイ
クルの半分の期間中サンプリングを行うことのない従来
技術回路と比較して減少させる。
P2クロック信号の期間中、入力コンデンサC1はスイ
ッチ21及び23によって接地される。
P1クロック信号の期間中、入力コンデンサC3はスイ
ッチ25及び27によって接地される。この接地により
、該コンデンサ上に電荷が蓄積することはできず、且つ
該信号は一層正確に追従され得る。
同様に、出力端子18からのフィードバック信号は、2
個のスイッチトキャパシタ回路間のスイッチングによっ
て制御される。クロック信号P1の期間中、フィードバ
ック信号は、フィードバックコンデンサC2を介してス
イッチ40及び42によって反転入力端子14へ接続さ
れる。クロック信号P2期間中、フィードバック信号は
、スイッチ44及び46によって、フィードバックコン
デンサC4を介して反転入力端子14へ接続される。
P2クロック信号期間中、フィードバックコンデンサC
2は、スイッチ41及び43によって接地される。P1
クロック信号期間中、フィードバックコンデンサC4は
スイッチ45及び47によって接地される。この接地に
より、電荷は該コンデンサ上に蓄積することができず、
且つ該信号はより正確に追従され得る。
このスイッチトキャパシタ増幅器回路の利得は、フィー
ドバック容量に対する入力容量の比、即ちC2に対する
C1の比又はC4に対するC3の比によって設定される
。例えば、C1はC3と等しくある必要がないが、スイ
ッチングサイクルの各半分の期間中に等しい利得を確保
するために、C1/C2の比はC3/C4の比と等しく
あるべきである。
入力及びフィードバック回路におけるマツチ即ち整合し
たコンデンサ及びマツチしたスイッチの使用は、また、
クロックフィードスルー、即ち出力信号にクロック信号
成分が表われること、を減少させる。このことは、反対
のクロック位相で動作する2つのマツチ即ち整合したコ
ンデンサによる該クロック信号の自己相殺によって達成
される。
フィードバック及び入力コンデンサの値を精密に製造す
ることが可能であるので、これらのコンデンサの間の比
、及び該増幅器の利得を精密に予測することが可能であ
る。また、該利得は、付加的なコンデンサ内でスイッチ
ングすることにより変化させることが可能である。
該フィードバック経路は、スイッチングサイクル両方の
半分の期間中に与えられるので、スイッチングサイクル
期間中は安定である。
入力又はフィードバック経路において何等サンプルされ
ない期間が発生しないので、エリアシングが発生するこ
とはなくまた波形歪も殆ど発生しないし、また−層線形
性の出力が与えられる。
失許桝 第5図は1本発明の好適な実施例を示している。
この実施例は、第4図に示した前の実施例よりも使用す
るスイッチングトランジスタの数は少ない。
第5図に示した好適実施例においては、反転入力端子1
4と非反転入力端子16と出力端子18とを具備するオ
ペアンプ12を使用している。非反転入力端子16は、
接地又は基準電圧へ接続されている。出力端子18は出
カノードv2へ接続されている。
一対の第1及び第2入力コンデンサC1及びC3、及び
一対の第1及び第2フィードバックコンデンサC2及び
C4を使用している。
出力端子18は交互に2つのフィードバック経路を介し
て反転入力端子14ヘフイードバツクされている。第1
フイードバツク経路は、スイッチ40及び41、フィー
ドバックコンデンサc2、及びスイッチ22及び23か
ら構成されている。
第2フイードバツク経路は、スイッチ44及び45、フ
ィードバックコンデンサC4、及びスイッチ26及び2
7から構成されている。
入カノードv1からの入力信号は、交互に2つの入力経
路を介して反転入力端子へ接続される。
第1入力経路は、スイッチ20及び21、入力コンデン
サC1,及びスイッチ22及び23から構成されている
。第2入力経路は、スイッチ24及び25、入力コンデ
ンサC3,及びスイッチ26及び27から構成されてい
る。
スイッチ22及び23、及びスイッチ26及び27が入
力及びフィードバック経路の両方によって使用されてい
ることが理解される。本実施例が第4図に示した実施例
におけるよりも使用するスイッチングトランジスタの数
が少なくてすむのは、この結合した使用の為である。
該スイッチは、第3図に示した如く、2個の非重畳型ク
ロック信号P1又はP2の一方によって制御される。多
少遅延されているか又は前進されているタロツク信号は
、成るスイッチングのオーバーラツプ即ち重畳又は排他
性が所望される場合に、トランジスタのスイッチングを
精密にシーケンス動作させるために使用することが可能
である。
入力経路において、例えば入力コンデンサC1を例にと
る。P1クロック信号期間中、入カノード■1上の入力
信号は、スイッチ20を介して、入力コンデンサC1の
第1プレートへ導通される。
該信号は、入力コンデンサC1の第2プレートからスイ
ッチ22を介して反転入力端子14へ続行する。P2ク
ロック信号期間中、スイッチ20及び22は開放し、入
力コンデンサC1を入力信号から分離させる。スイッチ
21及び23は導通状態となり且つコンデンサC1を接
地させる。該コンデンサを接地させることにより、該入
力信号の正確な追従を阻止することのある蓄積電荷を除
去させる。入力コンデンサC3上において同様の動作が
発生するが、交互のクロック信号においてである。
フィードバック経路中において、フィードバックコンデ
ンサC2を例に取る。P1クロック信号期間中、出力端
子18は、スイッチ40によって第1フイードバツクト
ランジスタC2の第1プレートへ接続される。第1フィ
ードバックコンデンサC2の第2プレートは、スイッチ
22によって、反転入力端子14へ接続される。P2ク
ロック信号期間中、スイッチ40及び22は開放し、フ
ィードバックコンデンサC2をフィードバック信号から
分離させる。スイッチ41及び23は導通し、且つフィ
ードバックコンデンサC2を接地させる。
該コンデンサを接地させることにより、該フィードバッ
ク信号の正確な追従を阻止することのある蓄積電荷が除
去される。同様の動作がフィードバックコンデンサC4
上で発生するが、交互のクロック信号上においてである
従って、交互のクロック信号P1及びP2の期間中、交
互の対の入力及びフィードバックコンデンサが動作する
入力又はフィードバック経路においてサンプルされるこ
とのない期間は発生しないので、エリアシングが発生す
ることはなく且つ波形歪は殆ど発生することがない、更
に、より一層線形的な出力が与えられる。
第6図は、精密抵抗回路網を必要とすることなしに精密
な比で複数個の入力信号を結合するための加算用増幅器
における本発明の別の有用な適用を示している。第1入
力ノードv1からの第1入力信号は、一対の入力コンデ
ンサC1及びC3上へ交互にいれられる。第2入力ノー
ドv3からの第2入力信号が一対の入力コンデンサC5
及びC7上へ交互にいれられる。1組のフィードバック
コンデンサC2及びC4のみが必要とされるにすぎない
。該対の入力コンデンサからの信号が反転入力端子14
において加算される。各入力信号は、その入力コンデン
サの値に比例して加算される。
該フィードバックコンデンサの値は、該ステージ即ち段
の全体的な利得を決定する為に設定される。
2入力回路の場合、出力電圧は以下の如くである。
V2=−(CI/C2)傘V1− (C5/C2)拳V
3この加算用増幅器回路の利点は、鎖車さな入力コンデ
ンサ間において精密な比を得ることが可能であるという
ことである。従って、各入力から結合された信号の量は
精密に設定させることが可能である。また、該比は付加
的なコンデンサにおいてスイッチングすることにより変
化させることが可能である。
この加算用増幅器は、各付加的な入力に対して一対の入
力コンデンサ及びスイッチを付加することにより付加的
な入力信号を包含すべく拡張させることが可能である。
付加的なフィードバックコンデンサは必要ではない。
本発明において使用されるスイッチは、MOSスイッチ
ングトランジスタの幾つかの公知の形態のいずれかによ
って実現させることが可能である。
最も簡単な実施形態は、パストランジスタとして単一の
MOSトランジスタを使用することである。
然し乍ら、いずれかのスイッチ端子へ外部的に印加され
る高又は低の電圧による場合であってもスイッチング作
用を確保する為に、各スイッチに対して伝達ゲートとし
て知られる一対のトランジスタが好適である。第7図は
、伝達ゲートを使用する好適なスイッチ実施例でスイッ
チ2o及び21を置換した場合を示している。各スイッ
チは、nチャンネル及びpチャンネルMOSトランジス
タを包含している。スイッチ20は、クロック信号P1
及びその反転信号P1によって制御される。
クロック信号P1が高である場合、従ってその反転信号
P1が低である場合、両方のトランジスタは導通状態で
ある。従って、スイッチ20は閉成されており且つクロ
ック信号P1期間中導通しているものとして見ることが
可能である。P1クロック信号の周波数及びパルス幅は
、スイッチ20を介して転送される信号の量を制御すべ
く設定させることが可能である。
従って、本発明においては、最終的な利得を精密に予測
することが可能であり、且つ増幅器が歪を減少させてお
り且つ信号の線形性出力を改善しているスイッチトキャ
パシタ増幅器を提供している。本発明は、また、精密な
比で入力信号を結合乃至は合体させることの可能な加算
用増幅器の構成へ拡張させることが可能である。
以上、本発明の具体的実施の態様に付いて詳細に説明し
たが、本発明はこれら具体例にのみ限定されるべきもの
では無く、本発明の技術的範囲を逸脱すること無しに種
々の変形が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
第1図は入力抵抗R1及びフィードバック抵抗R2を使
用するオペアンプ用の従来の回路を示した説明図、第2
図は標準的なスイッチトキャパシタ回路を具備する第1
図の抵抗を置換する従来の回路を示した説明図、第3図
は本発明において使用することの可能な非重畳型クロッ
ク信号P1及びP2を示した説明図、第4図は本発明に
基づくスイッチトキャパシタ増幅器を示した説明図、第
5図は必要とされるスイッチングトランジスタの数を減
少させる本発明の好適実施例を示した説明図、第6図は
精密な抵抗回路網を必要とすることのない精密な比で複
数個の入力信号を結合させる為の加算用増幅器における
本発明の有用な適用例を示した説明図、第7図は本発明
において使用するトランジスタスイッチの好適実施例を
示した説明図、である。 (符号の説明) 12:オペアンプ 14:反転入力端子 16:非反転入力端子 18:出力端子 20−27,40,41 :スイッチ V1:入カノード v2:出カノード C1,C3:入力コンデンサ C2,C4:フィードバックコンデンサ図面の浄書(内
容に変更なし) FIG、  1 FIG、 2

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、入力端子と出力端子とを持ったオペアンプを使用す
    るスイッチトキャパシタ増幅器回路において、前記入力
    端子へ交互に入力信号を送る為の少なくとも一対のスイ
    ッチトキャパシタ、前記出力端子から前記入力端子へ交
    互にフィードバック信号を送る為の少なくとも一対のス
    イッチトキャパシタを有することを特徴とするスイッチ
    トキャパシタ増幅器回路。 2、入力ノードと出力ノードとを具備するスイッチトキ
    ャパシタ増幅器回路において、入力端子と前記出力ノー
    ドへ接続されている出力端子とを具備するオペアンプ、
    少なくとも第1及び第2の入力コンデンサ、少なくとも
    第1及び第2のフィードバックキャパシタ、第1クロッ
    ク信号を受け取り且つ前記第1クロック信号期間中に前
    記出力端子を前記第1フィードバックコンデンサを介し
    て前記入力端子へ接続させ且つ前記入力ノードを前記第
    1入力コンデンサを介して前記入力端子へ接続させるべ
    く適合されているスイッチ手段、第2クロック信号を受
    け取り且つ前記第2クロック信号期間中に前記出力端子
    を前記第2フィードバックコンデンサを介して前記入力
    端子へ接続させ且つ前記入力ノードを前記第2入力コン
    デンサを介して前記入力端子へ接続させるべく適合され
    ているスイッチ手段、を有することを特徴とするスイッ
    チトキャパシタ増幅器回路。 3、入力ノードと出力ノードとを具備する増幅器回路に
    おいて、反転入力端子と基準電圧へ接続されている非反
    転入力端子と前記出力ノードへ接続されている出力端子
    とを具備するオペアンプ、各々が入力プレートと出力プ
    レートとを具備する第1及び第2入力コンデンサ、第1
    期間中に前記第1入力コンデンサの前記入力プレートを
    前記入カノードへ接続させ且つ第2期間中に前記第1入
    力コンデンサの前記入力プレートを基準電圧へ接続させ
    る第1スイッチ手段、第1期間中に前記第1入力コンデ
    ンサの前記出力プレートを前記オペアンプの前記反転入
    力端子へ接続させ且つ第2期間中に前記第2入力コンデ
    ンサの前記出力プレートを基準電圧へ接続させる第2ス
    イッチ手段、第1期間中に前記第2入力コンデンサの前
    記入力プレートを基準電圧へ接続させ且つ第2期間中に
    前記第2入力コンデンサの前記入力プレートを前記入力
    ノードへ接続させる第3スイッチ手段、第1期間中に前
    記第2入力コンデンサの前記出力プレートを基準電圧へ
    接続させ且つ第2期間中に前記第2入力コンデンサの前
    記出力プレートを前記オペアンプの前記反転入力端子へ
    接続する第4スイッチ手段、前記第1入力コンデンサの
    前記出力プレートへ接続されている入力プレートと出力
    プレートとを具備する第1フィードバックコンデンサ、
    入力プレートと出力プレートとを具備する第2フィード
    バックコンデンサ、第1期間中に前記第1フィードバッ
    クコンデンサの前記出力プレートを前記オペアンプの前
    記出力端子へ接続させ且つ第2期間中に前記第1フィー
    ドバックコンデンサの前記出力プレートを基準電圧へ接
    続させる第5スイッチ手段、第1期間中に前記第2フィ
    ードバックコンデンサの前記出力プレートを基準電圧へ
    接続し且つ第2期間中に前記第2フィードバックコンデ
    ンサの前記出力プレートを前記オペアンプの前記出力端
    子へ接続させる第6スイッチ手段、を有しており、前記
    第2フィードバックコンデンサの前記入力プレートは前
    記第2入力コンデンサの前記出力プレートへ接続されて
    おり、前記オペアンプに対する入力及びフィードバック
    経路は第1期間中においては第1入力及び第1フィード
    バックコンデンサを介してであり且つ第2期間中におい
    ては第2入力及び第2フィードバックコンデンサを介し
    てであることを特徴とする増幅器回路。 4、特許請求の範囲第3項において、更に、第2入力ノ
    ード、各々が入力プレートと出力プレートとを具備する
    第3及び第4入力コンデンサ、第1期間中においては前
    記第3入力コンデンサの前記入力プレートを前記第2入
    力ノードへ接続させ且つ第2期間中は前記第3入力コン
    デンサの前記入力プレートを基準電圧へ接続させる第7
    スイッチ手段、第2期間中においては前記第4入力コン
    デンサの前記入力プレートを前記第2入力ノードへ接続
    させ且つ第1期間中においては前記第4入力コンデンサ
    の前記入力プレートを基準電圧へ接続させる第8スイッ
    チ手段、を有しており、前記第3入力コンデンサの前記
    出力プレートは前記第1入力コンデンサの前記出力プレ
    ートへ接続されており、前記第4入力コンデンサの前記
    出力プレートは前記第2入力コンデンサの前記出力プレ
    ートへ接続されていることを特徴とする増幅器回路。
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