JPH10214306A - 積分回路 - Google Patents
積分回路Info
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- JPH10214306A JPH10214306A JP9016783A JP1678397A JPH10214306A JP H10214306 A JPH10214306 A JP H10214306A JP 9016783 A JP9016783 A JP 9016783A JP 1678397 A JP1678397 A JP 1678397A JP H10214306 A JPH10214306 A JP H10214306A
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- output
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- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
- G01R19/25—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof using digital measurement techniques
- G01R19/255—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof using digital measurement techniques using analogue/digital converters of the type with counting of pulses during a period of time proportional to voltage or current, delivered by a pulse generator with fixed frequency
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Abstract
制御するトランジスタの飽和電圧のばらつき、温度変動
を抑えた積分回路を提供する。 【解決手段】被測定信号入力端子INと、一定電圧を生
成する定電圧回路部VREFと、VREFの出力電圧を
電流に変換する電圧電流変換回路部IREFと、このI
REFの出力電流I0 を外部接続される容量素子に供給
するための容量素子接続端子CPTと、容量素子に充電
された積分電位を検出するために入力の一方が端子CP
Tに接続され、他方が被測定信号入力端子INに接続さ
れるとともに、これらの入力電位を比較し一致した時点
で反転出力電圧を出力端OUTに出力する電圧比較器C
Pと、入力端がVREFの出力端に接続され、かつ出力
端が端子CPTに接続されるとともに制御端子CTLを
介して外部から供給される電圧に応答して導通状態また
は非導通状態になるスイッチング手段とを有する。
Description
路に係わり、特に積分時間の精度を改善した積分回路に
関する。
路は、例えばマイクロコンピュータのタイマ回路の一つ
として用いられている。その一例の積分回路の構成図を
示した図4を参照すると、この積分回路は、被測定信号
入力端子INと、積分用の容量素子(図示せず)を外部
接続するための接続端子CPTと、予め定める所定の一
定電圧を生成する定電圧回路部VREF41と、この定
電圧回路部VREF41の出力電圧を電流に変換する電
圧電流変換回路部IREF42と、この電圧電流変換回
路部IREF42の出力電流I0 を外部接続される容量
素子に供給するための容量素子接続端子CPTと、容量
素子に充電された積分電位を検出するために入力の一方
が容量素子接続端子に接続され、他方が被測定信号入力
端子INに接続されるとともに、これらの入力電位を比
較し一致した時点で反転出力電圧を出力端子OUTに出
力する電圧比較器CP43と、容量素子接続端子にコレ
クタ電極が接続されエミッタ電極が接地され、ベース電
極に供給される電圧に応答して飽和状態または遮断状態
に遷移するNPNトランジスタNSWと、このトランジ
スタのベース電極に制御電圧を供給する制御回路部CT
L44とを有して構成される。
ミングチャートを参照すると、この積分回路は、外部か
ら制御端子CTLを介して制御回路CTL44が制御さ
れると、この制御回路CTL44の出力する制御信号V
CTLが時刻t=t0で論理レベルのロウレベルからハ
イレベルに変化するのに応答してトランジスタNSWが
飽和状態から遮断状態に切り替わる。この遮断状態に切
り替わることによって、電圧電流変換回路部IREF4
2から出力された定電流の出力電流I0 が容量素子接続
端子CPTを介して容量素子に供給され、充電を始め
る。
象となる被測定信号VINの電位に達する時刻t=t1
になると、電圧比較器CP43の出力が反転してハイレ
ベルをその出力端OUTに出力する。充電電位VCはそ
のまま上昇を続け、電圧電流変換回路部IREF42の
出力電圧電位に達するとその電位を維持する。
からハイレベルに変化した時刻から充電電位VCが電圧
比較器CP43の出力がロウレベルからハイレベルに変
化する時刻までの時間をTとし、容量素子の容量値を
C、トランジスタNSWが飽和したときの飽和電圧をV
CEsat とすると、 T=C×(VIN−VCEsat )/I0 ………………(1) と表すことが出来る。つまり、被測定信号の電位の大き
さを時間Tの長さとして捉えることが出来る。
路は、式(1)に示したように、積分時間の精度にトラ
ンジスタNSWの飽和電圧が係わっている。そのため
に、積分回路の精度を向上させるためには、トランジス
タNSWの飽和電圧が製造工程における拡散上のばらつ
きに左右され、さらに温度依存性も向上させなければな
らない。そのため、トランジスタNSWのトランジスタ
サイズを増大させなければならない、という欠点を有す
る。
ランジスタのサイズを大きくしなければならないという
ことは、半導体製造プロセスの微細化技術の進展にとも
ない半導体素子がさらに小型化され集積度も向上してい
くことと相反することになる。
たものであり、一定電流により充電される既知の容量の
充電電圧を計測して積分時間を算出するときに、容量素
子の充電を制御するトランジスタの飽和電圧のばらつ
き、温度変動を抑えるためのトランジスタサイズの増大
を伴わない積分回路を提供することにある。
は、被測定信号入力端子と、出力端子と、予め定める所
定の一定電圧を生成する定電圧回路部と、この定電圧回
路部の出力電圧を電流に変換する電圧電流変換回路部
と、この電圧電流変換回路部の出力電流を外部接続され
る積分用の容量素子に供給するための容量素子接続端子
と、前記容量素子に充電された電位および前記被測定信
号入力端子に入力される被測定電位を比較し一致した時
点で反転出力電圧を前記出力端子に出力する電圧比較器
とを有する積分回路において、 制御端子を介して外部
から供給される制御信号に応答して前記定電圧回路部の
出力電圧を前記容量素子接続端子に供給するかまたは遮
断するスイッチング手段と、このスイッチング手段が活
性化されたときに前記容量素子を予め定める所定の電位
に充電する充電手段とを有することにある。
答して活性化された前記スイッチング手段により前記定
電圧回路部の出力する前記一定電圧の電位に前記容量素
子の電位を維持し、前記制御信号に応答して前記スイッ
チング手段が非活性化されたときは、前記電圧電流変換
回路部から出力される出力電流により前記容量素子が充
電されるように構成される。
ッチング手段が非活性化された時点から前記電圧比較器
の出力が反転するまでの時間を積分時間とすることがで
きる。
ース電極が互いに接続された第1および第2のPNPト
ランジスタ対の前記第1のPNPトランジスタのベース
電極およびコレクタ電極が、一端が接地電位に接続され
る抵抗素子の他端との間に挿入された第1のNPNトラ
ンジスタのコレクタ電極に接続されるカレントミラー
と、前記第1のPNPトランジスタに並列に接続されベ
ース電極が前記制御端子に接続される第3のPNPトラ
ンジスタと、前記第2のPNPトランジスタのコレクタ
電極と接地電位との間に挿入され、かつ非反転入力端に
前記定電圧回路部の出力電圧を予め定める電圧に分圧し
た電圧が与えられるとともに、反転入力端に出力端が接
続され、さらに前記出力端が前記電圧電流変換回路部の
電流出力端と前記容量素子を接続する前記容量素子接続
端子と前記電圧比較器の非反転入力端とにそれぞれ共通
接続される帰還演算増幅器とから構成される。
を前記帰還演算増幅器の出力する定電圧電位とすること
もできる。
面を参照しながら説明する。図1は本発明の積分回路の
一実施の形態を示す構成図であり、図2はその具体的な
回路図である。図1を参照すると、この積分回路は、被
測定信号入力端子INと、予め定める所定の一定電圧を
生成する定電圧回路部VREF11と、この定電圧回路
部VREF11の出力電圧を電流に変換する電圧電流変
換回路部IREF12と、この電圧電流変換回路部IR
EF12の出力電流I0 を外部接続される容量素子(図
示せず)に供給するための容量素子接続端子CPTと、
容量素子に充電された積分電位を検出するために入力の
一方が容量素子接続端子に接続され、他方が被測定信号
入力端子INに接続されるとともに、これらの入力電位
を比較し一致した時点で反転出力電圧を出力端子OUT
に出力する電圧比較器CP14と、入力端が定電圧回路
部VREF11の出力端子に接続され、かつ出力端が容
量素子接続端子CPTに接続されるとともに制御端子C
TLを介して外部から供給される電圧に応答して導通状
態または非導通状態になるスイッチング手段SW13と
を有して構成される。すなわち、図4に示した従来の積
分回路とはスイッチング手段SW13が相違する。
流変換回路部IREF12は、ベース電極が互いに接続
されたPNPトランジスタQP1およびQP2からなる
トランジスタ対のPNPトランジスタQP1のベース電
極およびコレクタ電極が、一端が接地電位に接続される
抵抗素子R0の他端にエミッタ電極が接続されたNPN
トランジスタQN1のコレクタ電極に接続されるととも
に、PNPトランジスタQP2のコレクタ電極が容量素
子接続端子CPTに接続されるカレントミラーと、NP
NトランジスタQN1のベース電極に出力端が接続さ
れ、反転入力端(−)がNPNトランジスタQN1のエ
ミッタ電極に接続されるとともに非反転入力端(+)が
定電圧回路部VREFの出力端に接続される帰還演算増
幅器OP0とから構成される。
と接地電位との間に分割抵抗素子R2およびR3が直列
接続状態で挿入され、この直列接続点から分圧電圧を出
力する抵抗分割回路部を有する。
が互いに接続されたPNPトランジスタQP3およびQ
P4からなるトランジスタ対のPNPトランジスタQP
3のベース電極およびコレクタ電極が、一端が接地電位
に接続される抵抗素子R1の他端にエッタ電極が接続さ
れたNPNトランジスタQN2のコレクタ電極に接続さ
れるカレントミラーと、PNPトランジスタQP3に並
列に接続され、かつベース電極が制御端子CTLに接続
されるPNPトランジスタNSWと、PNPトランジス
タQP4のコレクタと接地電位との間に電源供給端子が
接続され、かつ非反転入力端(+)が定電圧回路部VR
EF11の抵抗分割回路部の分圧出力端に接続されると
ともに、反転入力端(−)が出力端に接続され、この出
力端が電圧電流変換回路部IREF12の電流出力端と
容量素子接続端子CPTと電圧比較器CP14の非反転
入力端(+)とにそれぞれ共通接続される帰還演算増幅
器OP1とから構成される。
用タイミングチャートを示した図3に図1および図2を
併せて参照すると、この積分回路は、通常動作状態にお
いては、定電圧回路部VREF11の出力電位が帰還演
算増幅器OP0の非反転入力端(+)に供給されている
ので、この帰還演算増幅器OP0の出力電圧はこの電圧
で駆動されるNPNトランジスタQN1のエミッタ電極
を介して反転入力端(−)に帰還されている。
ミッタ電極の電位は、このトランジスタのエミッタ電極
と接地電位間に接続された抵抗素子R0により電流変換
される。その電流値はI0 =VREF/R0となってP
NPトランジスタQP1のコレクタ電極からNPNトラ
ンジスタQN1に供給されている。
は、このトランジスタと対になってカレントミラーを構
成するPNPトランジスタQP2のコレクタ電極から吐
き出し電流I0 となって容量素子接続端子CPTに供給
され、外付けされた容量素子の充電電流として作用す
る。
による抵抗分割回路部で分圧された分圧電圧V0として
帰還演算増幅器OP1の非反転入力端(+)に供給され
ている。
て左側がスイッチング手段の導通状態(ON)の領域、
右側が非導通状態の領域を表している。
端子CTLに外部から供給される制御電圧VCTLがハ
イレベルであるから、PNPトランジスタPSWは非導
通状態にあり、カレントミラーを構成するPNPトラン
ジスタ対QP3およびQP4は活性化状態にある。
QP3のコレクタ電極と抵抗素子R1との間に挿入され
たNPNトランジスタQN2も、定電圧回路部VREF
11の帰還演算増幅器OP0の出力電圧で駆動されてい
るので、NPNトランジスタQN2のエミッタ電極の電
位は、抵抗素子R1により電流変換される。その電流値
はI1 =VREF/R1となってPNPトランジスタQ
P3のコレクタ電極からNPNトランジスタQN2に供
給されている。
は、このトランジスタと対になってカレントミラーを構
成するPNPトランジスタQP4のコレクタ電極から吐
き出し電流I1 となって帰還演算増幅器OP1の駆動電
流として作用する。
レクタ電極と接地電位との間に挿入された帰還演算増幅
器OP1には、PNPトランジスタQP4のコレクタ電
極からの吐き出し電流が電源入力端に駆動電流として供
給されるので活性化状態になる。
出力電位V0が供給される容量素子の電位は、V0を維
持する。
CTLに外部から供給される制御電圧VCTLがロウレ
ベルに変化するので、PNPトランジスタPSWは導通
状態にあり、カレントミラーを構成するPNPトランジ
スタ対QP3およびQP4は非活性化状態になる。その
ため、帰還多演算増幅器OP1には、PNPトランジス
タQP4のコレクタ電極からの吐き出し電流I1 が電源
入力端に供給されなくなるので非活性化状態になり、そ
の出力はハイインピーダンス状態になる。
2のカレントミラートランジスタQP2のコレクタ電極
からの吐き出し電流I0 が容量素子に供給され、充電が
開始される。この充電開始時の容量素子の電位は、時刻
t<t0において帰還演算増幅器OP1から供給される
出力電位V0を維持しているので、この電位V0を充電
開始電位として充電電位が上昇し始める。
端子CTLに外部から供給される制御電圧VCTLがロ
ウレベルを維持しているので、PNPトランジスタPS
Wも導通状態を維持しており、カレントミラーを構成す
るPNPトランジスタ対QP3およびQP4は非活性化
状態を維持し、かつ帰還演算増幅器OP1には、PNP
トランジスタQP4のコレクタ電極からの吐き出し電流
が供給されず、その出力はハイインピーダンス状態を維
持している。従って、容量素子には電圧電流変換回路I
REF12のカレントミラートランジスタQP2のコレ
クタ電極からの吐き出し電流I0 が供給され続け充電状
態が継続し、充電電位は被測定信号入力端子INに供給
されている被測定信号の電位VINと同電位になるまで
上昇を続ける。
変換回路IREF12のカレントミラートランジスタQ
P2のドレイン電極からの吐き出し電流I0 が供給され
続け充電状態が継続していた容量素子の電位が、被測定
信号の電位VINと同電位に到達する。これらの電位が
同電位になることによって電圧比較器CP14はその一
致を検出し、出力電位がロウレベルからハイレベルへ反
転する。
Nに到達する時刻は、電圧比較器CPの出力電位として
捉えることができる。
位V1は V1=V0+(I0 ×t1)/C………………………(2) と表わせる。
比較器CP14の出力が反転する時刻までの時間t1〜
t0は、被測定信号電位をVINとすると、 t1〜t0=C×(VIN−V0)/I0 ……………(3) と表わせる。すなわち、被測定信号の電位VINの大き
さを時間の長さとして捉えることができる。
ジスタQP2のコレクタ電極の電位に到達するまで上昇
し、制御電圧VCTLがハイレベルに反転するまではP
NPトランジスタQP2のコレクタ電極の電位を維持す
る。
積分回路との差を算出すると以下のようになる。
度、すなわち検出時間精度に換算したときに及ぼす影響
は、容量素子の初期電位の標準値をV0、拡散上のばら
つきの上限値との差をa、ばらつきの下限値との差をb
とし、最大値をV0+a、最小値をV0−bおよび積分
容量をC、被測定信号電位をVINとし、積分容量素子
の充電開始時刻から充電電位が被測定信号電位に達する
時刻までの標準値をT(TYP)、最小値をT(MI
N)、最大値をT(MAX)としたときのばらつき幅
は、 T(MAX)/T(TYP)=1+(b/(VIN−V0))………(4) T(MIN)/T(TYP)=1−(a/(VIN−V0))………(5) と表現できる。
を、温度特性も含めて具体的に従来例と比較する。
は、定電圧回路部VREF、電圧電流変換回路部IRE
F、電圧比較器CP、帰還演算増幅器OP0、帰還演算
増幅器OP1を含むスイッチング手段であり、一方、従
来例の機能ブロックは、定電圧回路部VREF、電圧電
流変換回路部IREF、電圧比較器CP、帰還演算増幅
器OP0およびスイッチトランジスタNSWである。
るスイッチング手段は最小寸法のトランジスタで十分構
成できるから、素子数に換算すると25素子となる。す
ると、従来例を同一チップ面積で実現するためにスイッ
チトランジスタNSWに割り当てることの出来る面積
は、最小寸法トランジスタ25素子分である。このとき
の従来例におけるスイッチングトランジスタの飽和電圧
のばらつきおよび温度特性と、本発明の積分回路のスイ
ッチング手段のばらつきおよび温度特性とを基に積分時
間精度を比較する。
スタドライバ比5、従来例のスイッチングトランジスタ
の飽和電圧のばらつきV0=0.5V±0.02Vを適
用したときの積分時間精度は、 T(MAX)/T(TYP)=1.01………(+1%)………(6) T(MIN)/T(TYP)=0.99………(−1%)………(7) となる。
グ手段は、VREF=1V、I0 =1mA、スイッチン
グ手段のばらつきV0=0.05V±0.002Vを適
用したときの積分時間精度は、 T(MAX)/T(TYP)=1.002…(+0.2%)………(8) T(MIN)/T(TYP)=0.998…(−0.2%)………(9) (ロ)温度特性の比較 VREF=1V、I0 =1mA、スイッチングトランジ
スタドライバ比5、従来例のスイッチングトランジスタ
の飽和電圧の温度特性は5000ppm/℃を適用した
とき、Ta=85℃(+60℃、−55℃)において、
V0=0.05(+0.015、−0.014)とな
り、積分時間精度は、 T(MAX)/T(TYP)=1.016…(+0.1.6%)……(10) T(MIN)/T(TYP)=0.985…(−1.5%)…………(11) となる。
グ手段は、VREF=1V、I0 =1mA、スイッチン
グ手段の温度特性は0.1mV/℃を適用したとき、T
a=85℃(+60℃、−55℃)において、V0=
0.0945V(+0.006V、−0.0055V)
となり、積分時間精度は、 T(MAX)/T(TYP)=1.007…(+0.7%)……(12) T(MIN)/T(TYP)=0.994…(−0.6%)……(13) となる。
は、制御端子を介して外部から供給される制御信号に応
答して定電圧回路部の出力電圧を積分用の容量素子接続
端子に供給するかまたは遮断するスイッチング手段と、
このスイッチング手段が活性化されたときに容量素子を
予め定める所定の電位に充電する充電手段とを有し、こ
の充電手段は、制御信号に応答して活性化されたスイッ
チング手段により定電圧回路部の出力する一定電圧の電
位に容量素子の電位を維持し、制御信号に応答してスイ
ッチング手段が非活性化されたときは、電圧電流変換回
路部から出力される出力電流により容量素子が充電され
るように構成されるので、積分開始時の電位が定電圧回
路部の出力する一定電圧の電位に設定され、この電位か
ら充電を開始することにより、積分用容量の初期電位の
ばらつきを抑えることができ、積分用容量素子の充電開
始時刻から充電電位に達するまでの時間の精度を向上さ
せることができる。
に設定したことにより、従来のようにスイッチ用トラン
ジスタのサイズを大きくする必要が無く、チップ面積の
増大がない。
である。
トである。
ランジスタ QN1,QN2,QN3,QN4,NSW NPNト
ランジスタ R0,R1 抵抗素子 R2,R3 分割抵抗素子 SW スイッチング手段 VREF 定電圧回路部
Claims (5)
- 【請求項1】 被測定信号入力端子と、出力端子と、予
め定める所定の一定電圧を生成する定電圧回路部と、こ
の定電圧回路部の出力電圧を電流に変換する電圧電流変
換回路部と、この電圧電流変換回路部の出力電流を外部
接続される積分用の容量素子に供給するための容量素子
接続端子と、前記容量素子に充電された電位および前記
被測定信号入力端子に入力される被測定電位を比較し一
致した時点で反転出力電圧を前記出力端子に出力する電
圧比較器とを有する積分回路において、 制御端子を介
して外部から供給される制御信号に応答して前記定電圧
回路部の出力電圧を前記容量素子接続端子に供給するか
または遮断するスイッチング手段と、このスイッチング
手段が活性化されたときに前記容量素子を予め定める所
定の電位に充電する充電手段とを有することを特徴とす
る積分回路。 - 【請求項2】 前記充電手段は、前記制御信号に応答し
て活性化された前記スイッチング手段により前記定電圧
回路部の出力する前記一定電圧の電位に前記容量素子の
電位を維持し、前記制御信号に応答して前記スイッチン
グ手段が非活性化されたときは、前記電圧電流変換回路
部から出力される出力電流により前記容量素子が充電さ
れるように構成される請求項1記載の積分回路。 - 【請求項3】 前記制御信号に応答して前記スイッチン
グ手段が非活性化された時点から前記電圧比較器の出力
が反転するまでの時間を積分時間とする請求項1または
2記載の積分回路。 - 【請求項4】 前記スイッチング手段は、ベース電極が
互いに接続された第1および第2のPNPトランジスタ
対の前記第1のPNPトランジスタのベース電極および
コレクタ電極が、一端が接地電位に接続される抵抗素子
の他端との間に挿入された第1のNPNトランジスタの
コレクタ電極に接続されるカレントミラーと、前記第1
のPNPトランジスタに並列に接続されベース電極が前
記制御端子に接続される第3のPNPトランジスタと、
前記第2のPNPトランジスタのコレクタ電極と接地電
位との間に挿入され、かつ非反転入力端に前記定電圧回
路部の出力電圧を予め定める電圧に分圧した電圧が与え
られるとともに、反転入力端に出力端が接続され、さら
に前記出力端が前記電圧電流変換回路部の電流出力端と
前記容量素子を接続する前記容量素子接続端子と前記電
圧比較器の非反転入力端とにそれぞれ共通接続される帰
還演算増幅器とから構成される請求項1、2または3記
載の積分回路。 - 【請求項5】 前記容量素子に充電される初期電位を前
記帰還演算増幅器の出力する定電圧電位とする請求項4
記載の積分回路。
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