JPH0462440B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はサンプリングホールド回路に関する。

〔従来の技術〕

電圧又は電流のアナログ電気信号を分析処理す
る為に、アナログ量をデイジタル化するにはアナ
ログ、デイジタル変換器が用いられることは周知
の通りである。この場合、正確なＡ−Ｄ変換の高
速、高分解能で行なうにはサンプリングホールド
回路が必要となる。

現在、一般的に採用されているサンプリングホ
ールド回路は、基本的には第７図に示すように、
入力をホールド（記憶）するためのコンデンサ２
を有し、変化する入力信号を、低出力抵抗増幅器
４により信号に比例した電圧（電位）となるよう
にする。サンプリングする場合には、スイツチ６
を閉（ON）にしてホールド用コンデンサ２を充
放電し、ホールドする場合には、スイツチ６を開
（OFF）にして高入力低出力抵抗増幅器８より、
コンデンサ２に保持された電圧に比例した出力を
得るものである。

尚、図中、１０はスイツチ６のオンオフの時の
過大渦渡電流を防ぎ振動電流を減衰するための抵
抗である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

高速、高分解能のＡ−Ｄ変換には高速サンプル
高安定ホールドが必要になるが第７図のような一
般的な回路では、抵抗１０が一定ならば、高速サ
ンプルにはコンデンサ２の容量が小さく、高安定
ホールドにはコンデンサ２の容量を大きくしなけ
ればならないという相反する条件がある。しか
も、ホールド中に増幅器４の出力が変化し、サン
プルが始まつたとき、増幅器８の入力電圧との間
に大きな電位差が生じているので、増幅器４の出
力電圧と増幅器８の入力電圧とが抵抗１０を通し
て平衡するには長い時間即ちアクイジシヨンタイ
ム（Acquisition Time）が必要で、平衡しない
うちにホールドすれば不正確な値をＡ−Ｄ変換す
ることになる。これは第８図に示すように抵抗１
０に流れる電流即ちコンデンサ２の電圧を増幅器
４の出力電圧に平衡させるために充放電するため
の電流１２が、増幅器４の出力電圧１６とコンデ
ンサ２の電圧即ち増幅器８の入力電圧１４とが平
衡に近づくに従つて減少するためである。

入力電圧１６がV1からV2に変化するときの上
記抵抗１０に流れる電流即ちコンデンサ２を充放
電する電流をＩとすると、 Ｉ＝（V2−V1）／Ｒ×ε^-(RC)t …… で求めることができる。

尚、εは自然対数の底（2.718…）、Ｒは抵抗１
０の値、Ｃはコンデンサ２の容量である。

ここでコンデンサ２を充放電するための電流の
初期値（V2−V1）／Ｒが1/1000になる時間ｔを
計算すると、 （V2−V1）／Ｒ×１／1000 ＝（V2−V1）／Ｒ×ε^-(RC)t …… となる。

式を式に代入し、時間ｔを求めると、ｔ≒
RC×（6.9…）となる。

RCを充放電時特定数τで表わすとコンデンサ
２が平衡に要する時間即ちアクイジシヨンタイム
は、ｔ≒7τとなり、以外に大きな値となる。

次に、アクイジシヨンタイム後の電圧駆動即ち
サンプリング動作について考察する。

増幅器４の出力が増幅器８の入力と平衡した後
でも、増幅器４の出力は当然変化し続ける。増幅
器４の出力と増幅器８の入力の関係を調べると、
増幅器４の出力が単位時間にX₀ボルトの割合で
変化しているとすると、抵抗１０に流れる電流
IXは次の式で表わせる。ここで増幅器８の入力
の変化も充放電により単位時間にX₀ボルトの割
合で変化するものとし、抵抗１０への入力と電圧
をＸとすると、 IX＝Ｘ×Ｃ これにより増幅器４の出力と増幅器８の入力と
の電位差Ｖは、 Ｖ＝Ｘ・Ｃ・Ｒ 仮に Ｃ＝50PF、Ｒ＝50Ω、 Ｘ＝100V／μsec（スリユーレート） とすれば、電圧降下V_Dは V_D＝５×10^-11×５×10¹×１×10²⁺⁶ ＝５×５×10^-2＝2.5×10^-1＝0.25V となり、これはフルスケール1Vの正弦波の約
30MHzにおける最大変化率（スリユーレート）と
なり、無視できない値となる。

上記の問題点を解決するには、ホールド用コン
デンサ２の充放電を、平衡に近づくと充放電電流
が減少する電圧駆動ではなく、増幅器４の出力電
圧と増幅器８の入力電圧が平衡するまで、何等か
らの方法で電流を強制的に流し、ホールド用コン
デンサ２を充放電させれば平衡に要する時間即ち
アクイジシヨンタイムが短かくて済む。しかし、
この電流駆動方式を採用した場合、スイツチ６が
オフになつている間のホールド中に充放電される
べき電荷即ち、ホールド中に失われた電荷を次に
サンプリングが始まつたときにいかに取り返すか
が問題となる。

本発明は上記問題点を解決することを目的とす
るものである。

〔問題点を解決する手段〕

上記目的を達成するため、本発明は入力電圧信
号を所定時間遅らせた微分化電流出力と、遅延さ
せない微分化電流出力の２種類に分け、前記遅延
された微分化電流出力を、ホールド中に失われた
電荷量の補償用としてホールド用コンデンサの
充、放電に使用し、前記遅延しない微分化電流出
力を実時間での信号変化に追従する為に前記ホー
ルド用コンデンサの充、放電に使用するようにし
たものである。

〔作用〕

サンプリング時、ホールド用コンデンサには、
入力を微分化した２種類の電流出力を強制的に流
れ込み、電荷が高速で蓄積される。このコンデン
サの立ち上りスピードは、従来の電圧駆動の場合
に比し、略７倍である。

遅延されていない電流出力は、実時間での入力
信号の変化に追従している。これに対して、所定
時間遅延された微分電流出力は、前のホールド時
において失われた電荷量に対応している。ホール
ド用コンデンサに前のホールド時間中に失われた
電荷が上記遅延された電流出力によつて補償され
ると、所定のタイミングで遅延電流出力のホール
ドコンデンサへの供給が遮断される。このように
ホールド用コンデンサは、電流駆動されることに
よつて高速で動作し、しかも、ホールド中に失わ
れた電荷は、遅延電流出力によつて補償されるた
め正確に動作するものである。

〔実施例〕

以下に本発明の構成を添付図面に示す実施例を
参照して詳細に説明する。

まず、本発明の理解を容易にするため、本発明
の要旨であるホールド用コンデンサの電流駆動の
原理について第４図及び第５図を参照して説明す
る。

第４図において、１２は遅延回路、１４は微分
増幅器、１６は電圧・電流変換器、１８はスイツ
チ手段、２０はホールド用コンデンサ、２２は増
幅器である。

入力電圧Viが時間ｔについて微分できるとす
ると、 Vi′＝dVi／dt Vi＝∫dVi／dt＋Ci（Ciは初期電圧値） …… と表わされる。

又、容量Ｃなるコンデンサに時間ｔにおける電
流の強さI′i（I′i＝dIi／dtで充、放電すると、充、
放 電された電荷の量Ｑは、 Ｑ＝∫dIi／dt＋Q₀（Q₀は初期値） となる。

コンデンサ電圧V₀は、V₀＝Ｑ／Ｃ、C₀＝Q₀／Ｃとお けば V₀＝１／Ｃ∫dIi／dt＋C₀（初期値） …… となる。

ここで、ｋ＝１／Ｃ、Ci＝C₀、 ∫dVi／dt＝∫dIi／dt …… とおけば、上記、、よりVi＝kV₀となる。

すなわち、入力電圧を微分し、出力を電流の型
で増幅できれば、その微分電流増幅器の能力の範
囲内であれば、抵抗、容量Ｃに関係なく、入力電
圧Viを出力電圧V₀に正確に比例して出力でき、
ホールドする場合は、電流出力を停止すればホー
ルドする。

しかし、ホールド中に停止した電流によりコン
デンサに充、放電されるべき電荷は、次のサンプ
リングのために電流を流し始めても、もともと、
微分、電流増幅器には電荷を貯めるこどができな
いので、回復できない。リアルタイムで高速信号
変化に追従するには、微分電流増幅器が適してい
る。しかるに、電圧駆動の場合には、ホールド中
に失われた電荷は電圧の差で現れ、所定の時間が
必要であるけれども、自動的に平衡するのに対し
て、電流駆動には失われた電荷をどのように回復
するかの特別の対策が必要になる。ホールド中に
失われた電荷を回復する対策として、本発明は、
微分された入力電圧に電流に変換する電圧電流変
換増幅器１６の入力信号を時間Tdだけ遅延線等
から成る遅延回路１２で遅延させている。但し、
サンプリング時間をthとすると、Td≧thである。

第５図において、明瞭に示されるように、スイ
ツチ１８オフ即ち、ホールド中の入力電圧信号vi
は、Td遅延されてvi′となり、次のスイツチオン
即ち、サンプリング時において、微分電流出力２
４としてコンデンサ２０に供給される。この電流
出力２４によつてコンデンサ２０は充、放電し、
２６のようにホールド中に現れた電圧viと同じ電
圧を出力する。

従つて、リアルタイムの信号追従用即ち遅延さ
せない微分電流出力と、Tdだけ遅延させた、ホ
ールド中に失われた電荷回復用の微分電流出力と
の２系統の信号を用意し、それらの信号を加算す
れば、電流駆動により、高速、正確に動作するサ
ンプリングホールド回路を得ることができるもの
である。

第１図は本発明の好適な実施例を示し、３０，
３０ａは入力端、３２は出力端、３４，３６は、
入力電圧の単位時間に変化する量に比例した電圧
を出力する微分増幅器である。３８，４０は入力
電圧に比例した電流を出力する増幅器から成る電
圧電流変換器、４２はホールド用コンデンサ、４
４，４６，４８は電子的に制御可能なスイツチ手
段である。５０はゲイン＋１の増幅器であり、出
力のオフセツトやドリフト補正と上記微分増幅器
３４、電圧電流変換器３８、スイツチ４４の遅延
時間の補正を行うためのものである。５２は抵抗
素子、５４は遅延時間Tdに設定されたデイレイ
ラインから成る遅延手段である。５６は増幅器で
ある。前記微分増幅器３４、電圧電流変換器３８
及びスイツチ４４の系統は実時間での入力信号変
化をコンデンサ４２に充、放電するための回路を
構成し、微分増幅器３６、電圧電流変換器４０、
及びスイツチ４６の系統はホールド中に失われた
電荷をコンデンサ４２に充、放電するための回路
を構成している。

次に本実施例の作用について説明する。

第１図において、入力端３０，３０ａに入力電
圧信号VINが供給されると、該入力電圧信号
VINは、微分増幅器３４に供給され、該増幅器
３４は第２図に示すように微分電圧信号Ｐ１を出
力し、該微分電圧信号Ｐ１は、電圧電流変換器３
８によつて電流信号Ｐ２に変換される。

一方、上記入力電圧信号VINは、遅延手段５
４によつて時間Td遅延された電圧信号Pdとな
り、該電圧信号Pdは微分増幅器３６によつて微
分され、該微分電圧信号Ｐ３は電圧電流変換器４
０によつて電流信号Ｐ４に変換される。第２図に
示すようにスイツチ４８がオフとなり、スイツチ
４４がオフとなつて、ホールド状態（No.１）とな
ると、出力端３２はホールド電圧を出力する。次
に、スイツチ４４がオンとなりサンプリング状態
Ｓ（No.１）となると、まず、時間taにおいて、電
圧電流変換器３８の電流Ｐ２′がコンデンサ４２
に供給され、コンデンサ４２が充電される。時間
範囲taにおいては、コンデンサ４２は、ホールド
中（ＨNo.１）に失われた電荷を回復していない。
スイツチ４４オフ後、時間Tdが経過したところ
で、スイツチ４６がオンとなり、時間Td遅れた
電流Ｐ４′が電圧電流変換器４０からコンデンサ
４２に、電圧電流変換器３８の出力Ｐ２′に加算
されて供給される。上記電流Ｐ２′は、コンデン
サ４２を入力電圧信号の実時間での変化に追従さ
せ、上記電流Ｐ４′は、前のホールド中に失われ
た電荷量をコンデンサ４２に回復させるものであ
る。スイツチ４６のオンの時間は直前のスイツチ
４４のオフ時間と同一に設定されている。コンデ
ンサ４２は時間tbにおいて、ホールド中に失われ
た電荷を回復し、その御は、スイツチ４４がオフ
になるまで電圧電流変換器３８の出力電流Ｐ２′
によつて充電される。

以上の要領によつて、入力電圧信号は、電流駆
動によつて高速、正確にサンプルホールドされ
る。

次に、第３図を参照して微分増幅器と電圧電流
変換器の一例を説明する。

図中、ブロツク３４は微分増幅器を構成し、ブ
ロツク３８は電圧電流変換器を構成している。

Ｄ１，Ｄ２はダイオードであり、トランジスタ
Ｑ１，Ｑ２の温度補償とベース・エミツタ間の順
方向飽和電圧の補償を行つている。

RI１，RI２はトランジスタＱ１，Ｑ２、抵抗
ｒ１，ｒ２にアイドリング電流（無効電流）を流
す為ａアンペアの定電流を流しトランジスタＱ
１，Ｑ２にバイアスを掛ける抵抗である。

CLは入力電圧を微分する為の微分量検出の為
のコンデンサー、CL１，CL２は、前記コンデン
サCLよりかなり大容量のコンデンサであり、抵
抗ｒ１，ｒ２に流れるアイドリング電流が前記コ
ンデンサCLにもれないように補償している。

今、Ｄ１，Ｄ２、RI１，RI２にａアンペアな
る定電流を流し、入力電圧（INPUT、Ｖボル
ト）が変化しない場合すなわち電流電圧の場合、 Ｑ１，Ｑ２に流れる電流（アイドリング電流）
をIidアンペアとすれば Iid＝r₁＋r₂／RI1＋RI2×ａ …… となる。

ここで入力電圧が毎秒Ｘボルトの割合で＋側に
変化する時、Ｑ１に流れる電流をIxアンペアと
すれば Ix＝Iid＋Ｘボルト／CLフアラツド …… となる。

しかし、Ｑ２に流れる電流はIidのみである。
よつて、PI点におけるCLに流れる電流は Ｘ／CLアンペア …… のみである。

又、Ｑ３に流れる電流をI₀Q３アンペアとす
れば R_L1ｘ（Ix）＝R_L1（Iid＋Ｘ／CL） ＝R_O1×I₀Q3 I₀Q3＝R_L1／R_O1（Iid＋Ｘ／CL） …… Ｑ４に流れる電流をI₀Q４とすれば R_L2×Iid＝R_O2×I₀Q4 …… したがつてI₀アンペアは I₀＝I₀Q3−I₀Q4 ……となり R_L1＝R_L2 R_O1＝R_O2 とすれば にを代入すると R_L2×Iid＝R_L1×Iid＝R_O2×I₀Q4 ＝R_O1×I₀Q4 I₀O4＝R_L1／R_O1×Iid ……′ にと′を代入すると I₀＝R_L1／R_O1（Iid＋Ｘ／CL）−R_L1／R_O1×Iid ＝R_L1／R_O1×Ｘ／CL となりR_L1／R_O1、CLは固定すると、 I₀（出力電流）は入力電圧の変化率に比例する。

又入力電圧が側に変化する場合はI₀の極柱
（電流の流れる方向）が逆になるだけである。こ
の様に出力を電流の型で取り出すと、増幅器及び
変換器を複数個並列に接続出来各々の出力を加算
出来る。

尚、第６図に示すように、本回路の使用に際
し、電圧出力増幅器５６の負荷に例えば全並列型
AD変換器等の容量CADがある場合には、破線で
囲まれた回路６０を追加し、スイツチ６２，６４
をスイツチ４４，４６に準じてオンオフすれば、
入力容量CADによる増幅器５６の出力がひずま
ないようにすることができる。

尚、６０，６８は、電圧出力増幅器５６と遅延
時間が同じの電圧出力増幅器、７０，７２は電圧
電流変換器である。

〔効果〕 本発明は上述の如く、ホールド用コンデンサを
電流駆動し、ホールド中に失われた電荷を入力微
分信号に対して所定時間遅らせた遅延電流によつ
て補償するようにしたので、高速、高精度にサン
プリングホールドさせることができる効果が存す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はブロツク電子回路図、第２図はタイム
チヤート、第３図は電子回路図、第４図はブロツ
ク電子回路図、第５図は動作説明図、第６図はブ
ロツク電子回路図、第７図は従来の技術を示すブ
ロツク電子回路図、第８図は動作説明図である。 ２……コンデンサ、４，８……増幅器、６……
スイツチ、１０……抵抗、１２……遅延回路、１
４……微分増幅器、１６……電圧電流変換器、１
８……スイツチ手段、２０……コンデンサ、２２
……増幅器、２４……電流出力、３０，３０ａ…
…入力端、３２……出力端、３４，３６……微分
増幅器、３８，４０……電流電圧変換器、４２…
…ホールド用コンデンサ、４４，４６，４８……
スイツチ手段、５０……増幅器、５２……抵抗素
子、５４……遅延手段、６２，６４……スイツ
チ、６６，６８……電圧出力増幅器、７０，７２
……電圧電流変換器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 入力電圧信号を、所定時間遅らせた微分化電
   流出力と、遅延させない微分化電流出力の２種類
   に分け、前記遅延された微分化電流出力を、ホー
   ルド中に失われた電荷量の補償用としてホールド
   用コンデンサの充、放電に使用し、前記遅延しな
   い微分化電流出力を実時間での信号変化に追従す
   る為に前記ホールド用コンデンサの充、放電に使
   用するようにしたことを特徴とするサンプリング
   ホールド回路。