JPS5920197B2 - Sample/hold circuit - Google Patents

Sample/hold circuit

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JPS5920197B2
JPS5920197B2 JP51137694A JP13769476A JPS5920197B2 JP S5920197 B2 JPS5920197 B2 JP S5920197B2 JP 51137694 A JP51137694 A JP 51137694A JP 13769476 A JP13769476 A JP 13769476A JP S5920197 B2 JPS5920197 B2 JP S5920197B2
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JP
Japan
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hold
output
current
circuit
voltage
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JP51137694A
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Japanese (ja)
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JPS5361959A (en
Inventor
俊樹 森
淳 柴田
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Processing Of Color Television Signals (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はサンプル・ホールド回路に関し、その目的は集
積回路化が容易でかつ精度の良いサンプル・ホールド回
路を提供することにある。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a sample and hold circuit, and an object thereof is to provide a sample and hold circuit that can be easily integrated into an integrated circuit and has high accuracy.

第1図は従来のサンプル・ホールド回路を示すブロック
図であり、同図を用いて動作説明をすると、入力信号端
子101へ入力される入力信号は入力バッファアンプ1
02によつてインピーダンス変換され、スイッチング回
路103に供給される。
FIG. 1 is a block diagram showing a conventional sample-and-hold circuit. To explain the operation using this diagram, an input signal input to an input signal terminal 101 is input to an input buffer amplifier 1.
02, the impedance is converted and the signal is supplied to the switching circuit 103.

一方サンプリングパルス印加端子104に印加されるサ
ンプリングパルスは駆動回路105に供給されスイッチ
ング回路103を駆動し、入力信号のサンプリングを行
う。サンプリングされた入力信号はコンデンサ106で
ホールドされ、ホールドアンプ107を経て出力端子1
08に出力される。以上が従来のサンプル・ホールド回
路の動作説明である。
On the other hand, the sampling pulse applied to the sampling pulse application terminal 104 is supplied to the drive circuit 105, drives the switching circuit 103, and samples the input signal. The sampled input signal is held by a capacitor 106, passes through a hold amplifier 107, and is output to an output terminal 1.
It is output on 08. The above is an explanation of the operation of the conventional sample-and-hold circuit.

一般に、精度の要求されるサンプル・ホールド回路は、
スイッチング回路103およびホールドアンプIOTの
入力部に、入力バイアス電流を必要としないMOSトラ
ンジスタを用いている。
In general, sample-and-hold circuits that require precision are
MOS transistors that do not require an input bias current are used at the input parts of the switching circuit 103 and the hold amplifier IOT.

その理由は、サンプリング期間におけるホールドコンデ
ンサ106への電荷の供給は、入力信号の伝送系より行
われるため、スイッチング回路はアナログスイッチとし
ての高精度なスイッチング特性が要求され、スイッチン
グ素子のバイアス電流は、そのままホールドコンデンサ
106の蓄積電荷量の誤差として生じる。また、一方、
ホールド期間におけるホールドアンプIOTの入力バイ
アス電流もまた、ホールドコンデンサ106の蓄積電荷
量の変化となり誤差を生じる。斯る理由により、入力バ
イアス電流を必要としないMOSトランジスタが用いら
れる。よつて従来のサンプル・ホールド回路の集積回路
化はハイブリッド構成にしたものがほとんどであつた。
しかしながら、上記サンプル・ホールド回路の1チップ
モノリシック集積回路化は、MOSトランジスタの必要
性があるにも拘ず、該回路の主流デバイスである高周波
npnトランジスタの製造プロセスでもつて作らねばな
らない。
The reason is that charge is supplied to the hold capacitor 106 during the sampling period from the input signal transmission system, so the switching circuit is required to have highly accurate switching characteristics as an analog switch, and the bias current of the switching element is This directly occurs as an error in the amount of charge stored in the hold capacitor 106. Also, on the other hand,
The input bias current of the hold amplifier IOT during the hold period also changes the amount of charge stored in the hold capacitor 106, causing an error. For this reason, MOS transistors that do not require input bias current are used. Therefore, most conventional sample-and-hold circuits integrated into circuits have a hybrid configuration.
However, the monolithic integration of the sample-and-hold circuit into a one-chip circuit requires a manufacturing process for high-frequency npn transistors, which are the main devices of the circuit, even though MOS transistors are necessary.

従つて、MOSトランジスタの基板はPチャンネルMO
Sではエピタキシャル層に、NチャンネルMOSではベ
ース層になり、濃度分布の不均一性により、−ウーいず
れの場合でも、しきいち電圧VTのバラツキが大きくな
る。
Therefore, the substrate of the MOS transistor is a P-channel MO
In S, it becomes an epitaxial layer, and in N-channel MOS, it becomes a base layer, and due to the non-uniformity of the concentration distribution, the variation in threshold voltage VT becomes large in both cases.

このTのバラツキは、ホールドアンプ107をMOS入
力のオペアンプで構成した場合オフセツト電圧として出
力に生じ、その値は数10mV程度にもなる。又、ホー
ルドアンプ107にMOSトランジスタのソースフオロ
アを用いることもできるが、この場合、Tそのものがオ
フセツトとして出力に現われ、高精度を要求するAD変
換器のサンプル・ホールド回路として用いる場合、前記
オフセツト電圧は、AD変換器としてのダイナミツクレ
ンジを狭めることになり、高精度なる要求を満足しえな
い結果となる。一方、バイポーラトランジスタの製造プ
ロセス条件てもつて、MOSトランジスタを作ることは
、従来のバイポーラプロセスに比べ1工程増えることに
なる。即ち、エミツタ拡散終了後に斯るMOSトランジ
スタのゲート部分の厚い酸化膜を除去し、その後、新た
に酸化膜を形成させる熱処理を必要とする。このために
、既に作られているNpnトランジスタにとつて接合形
成距離のズレが生じ、所望の特性が得られなくなる可能
性を有する。かかる理由により、Npnトランジスタの
特性とMOSトランジスタの特性とにおいて妥協点が必
要になり、更に前述のホールドアンプ107の入力部の
MOSトランジスタのVTの問題は、該サンプル・ホー
ルド回路の1チツプモノリシツク集積回路化に関し、難
かしい問題であつた。本発明は上記問題点を解消し、M
OSトランジスタのVTに厳しい条件を課す必要をなく
し、バイポーラトランジスタとMOSトランジスタとの
1チツプモノリシツク集積回路化を可能にしたものであ
る。以下、本発明を第2図に示す実施例に基いて説明す
る。
This variation in T occurs in the output as an offset voltage when the hold amplifier 107 is constituted by a MOS input operational amplifier, and its value is about several tens of mV. Further, a source follower of a MOS transistor can be used for the hold amplifier 107, but in this case, T itself appears in the output as an offset, and when used as a sample-and-hold circuit of an AD converter that requires high accuracy, the offset voltage is , the dynamic range of the AD converter is narrowed, resulting in the inability to satisfy the requirement for high accuracy. On the other hand, regarding the manufacturing process conditions for bipolar transistors, manufacturing a MOS transistor requires one additional step compared to the conventional bipolar process. That is, after the emitter diffusion is completed, it is necessary to remove the thick oxide film on the gate portion of the MOS transistor, and then perform heat treatment to form a new oxide film. For this reason, there is a possibility that the junction formation distance will be different for the Npn transistor that has already been manufactured, and desired characteristics will not be obtained. For these reasons, a compromise has to be made between the characteristics of the Npn transistor and the characteristics of the MOS transistor, and furthermore, the above-mentioned problem of the VT of the MOS transistor at the input section of the hold amplifier 107 can be solved by the single-chip monolithic sample-and-hold circuit. This was a difficult problem regarding integrated circuits. The present invention solves the above problems and
This eliminates the need to impose strict conditions on the VT of the OS transistor, and makes it possible to integrate bipolar transistors and MOS transistors into a single-chip monolithic circuit. The present invention will be explained below based on the embodiment shown in FIG.

図面を用いて動作を説明すると、入力端子201の入力
信号と出力端子223の出力信号との差電圧を減算器等
で構成される誤差検出器202によつて発生され、この
差電圧を演算増幅器203、トランジスタ204,20
5及び抵抗206で構成された電圧一電流変換回路で電
流に変換し、トランジスタ207及び208に流す。
To explain the operation using the drawings, the difference voltage between the input signal at the input terminal 201 and the output signal at the output terminal 223 is generated by the error detector 202 composed of a subtracter, etc., and this difference voltage is generated by the operational amplifier. 203, transistor 204, 20
5 and a resistor 206, the voltage is converted into a current, and the current is passed through transistors 207 and 208.

この電流は、トランジスタ207および208とカレン
トミラーを構成しているトランジスタ216及び217
に流れる。トランジスタ213と215及び212と2
14はECLエミツタ カツプルド ロジツク(Emi
tterCOupledLOgic)スイツチ回路を構
成しており、抵抗209〜211で決まる直流バイアス
と、サンプリングパルス入力端子224からのサンプリ
ングパルスをレベルシフト回路218,219でレベル
シフトした信号とでスイツチングを行ない、サンプリン
グ期間に於ては、トランジスタ213および同214を
オンに、トランジスタ212および215をカツトオフ
にしてホールドコンデンサ220の充放電を行なわせ、
ホールド期間に於ては、トランジスタ213および同2
14をカツトオフに、トランジスタ212および215
をオンにし、ホールドコンデンサ220の充放電は行な
われないようにする。MOSトランジスタ221と定電
流源222はソースフオロアを構成しており、ホールド
コンデンサ220両端の電圧をインピーダンス変換して
出力端子223に出力するものである。今、サンプリン
グ期間に於て、入力信号の方が出力信号よりも大きいと
すると、誤差検出器202の出力にはプラスの差電圧が
生じ、ホールドコンデンサ220への電荷の供給量を制
御する制御手段となる電圧一電流変換器のトランジスタ
205はカツトオフになり、トランジスタ204に、差
電圧に比例した電流が流れる。
This current flows through transistors 216 and 217, which form a current mirror with transistors 207 and 208.
flows to Transistors 213 and 215 and 212 and 2
14 is ECL Emitsuta Cutup Logic (Emi
tterCOupledLOgic) constitutes a switch circuit, which performs switching using the DC bias determined by resistors 209 to 211 and a signal level-shifted from the sampling pulse from the sampling pulse input terminal 224 by the level shift circuits 218 and 219, and performs switching during the sampling period. In this case, transistors 213 and 214 are turned on, transistors 212 and 215 are cut off, and the hold capacitor 220 is charged and discharged.
During the hold period, transistors 213 and 2
14 cut off, transistors 212 and 215
is turned on so that the hold capacitor 220 is not charged or discharged. The MOS transistor 221 and the constant current source 222 constitute a source follower, which converts the voltage across the hold capacitor 220 into impedance and outputs it to the output terminal 223. Now, if the input signal is larger than the output signal during the sampling period, a positive differential voltage is generated at the output of the error detector 202, and the control means for controlling the amount of charge supplied to the hold capacitor 220 The transistor 205 of the voltage-to-current converter is cut off, and a current proportional to the differential voltage flows through the transistor 204.

よつてトランジスタ217はカツトオフとなり、トラン
ジスタ216に差電圧に比例した、即ち差電圧に応じて
直線的に変化した電流が流れ、この電流はトランジスタ
214を通してホールドコンデンサ220を充電する。
よつてホールドコンデンサ220両端の電圧は大きくな
り、出力端子223の出力信号も大きくなる。よつて、
誤差検出器202の出力は小さくなる。つまり、この回
路は負帰還がかかつた回路であり、前記動作は出力信号
が入力信号に一致するまで繰り返される。ところで、サ
ンプリング期間に於て、入力信号が出力信号よりも小さ
い場合は誤差検出器202の出力にはマイナスの差電圧
が生じ、電圧一電流変換器のトランジスタ204はカツ
トオフになり、トランジスタ205には差電圧に比例し
た、即ち差動圧に応じて直線的に変化した電流が流れる
。よつてトランジスタ216はカツトオフとなり、トラ
ンジスタ217に差電圧に比例した電流が流れ、この電
流はトランジスタ213を通してホールドコンデンサ2
20を放電する。よつてホールドコンデンサ220両端
の電圧は小さくなり、出力端子223の出力信号も小さ
くなる。よつて誤差検出器202の出力は小さくなる。
この場合も出力信号が入力信号に一致するまで前記動作
を繰り返す。すなわち、演算増幅器203から出力され
る差電圧はそのまま抵抗206に印加され、同抵抗20
6の値で決まる電流としてトランジスタ204または2
05を通して流れ、この電流がホールドコンデンサ22
0の充放電に帰依するため、同ホールドコンデンサ22
0に流れる電流は、入力信号と出力信号との差に応じて
常に直線的に変化するものとなる。
Transistor 217 is thus cut off, and a current proportional to the differential voltage, ie, varying linearly with the differential voltage, flows through transistor 216, and this current charges hold capacitor 220 through transistor 214.
Therefore, the voltage across hold capacitor 220 increases, and the output signal at output terminal 223 also increases. Then,
The output of error detector 202 becomes smaller. In other words, this circuit is a circuit with negative feedback, and the above operation is repeated until the output signal matches the input signal. By the way, during the sampling period, if the input signal is smaller than the output signal, a negative differential voltage is generated at the output of the error detector 202, the transistor 204 of the voltage-to-current converter is cut off, and the transistor 205 is A current flows that is proportional to the differential voltage, that is, varies linearly in accordance with the differential pressure. Therefore, the transistor 216 is cut off, and a current proportional to the differential voltage flows through the transistor 217, and this current flows through the transistor 213 to the hold capacitor 2.
Discharge 20. Therefore, the voltage across hold capacitor 220 becomes small, and the output signal at output terminal 223 also becomes small. Therefore, the output of error detector 202 becomes small.
In this case as well, the above operation is repeated until the output signal matches the input signal. That is, the differential voltage output from the operational amplifier 203 is directly applied to the resistor 206;
Transistor 204 or 2 as a current determined by the value of
05, and this current flows through the hold capacitor 22.
Because it relies on charging and discharging at zero, the same hold capacitor 22
The current flowing through zero always changes linearly depending on the difference between the input signal and the output signal.

従つて、出力端子223からは入力信号に完全に一致し
た出力信号が出力されることになる。出力信号が入力信
号に一致すると、誤差検出器202の出力は零ボルトと
なり、電圧一電流変換器のトランジスタ204,205
は共にカツトオフとなる。
Therefore, the output terminal 223 outputs an output signal that completely matches the input signal. When the output signal matches the input signal, the output of the error detector 202 is zero volts, and the voltage-to-current converter transistors 204 and 205
Both are cut off.

よつて、トランジスタ216,217も共にカツトオフ
となり、ホールドコンデンサへの充放電は行われなくな
る。ホールド期間に於ては、サンプリングパルス入力端
子224からのサンプリングパルスによつて、ECLス
イツチ回路のトランジスタ213,214をカツトオフ
にし、トランジスタ212,215をオンにしてホール
ドコンデンサ220に充放電を行なわせないようにする
ことによつて、サンプリング期間の電圧を保持する。
Therefore, both transistors 216 and 217 are cut off, and the hold capacitor is no longer charged or discharged. During the hold period, the sampling pulse from the sampling pulse input terminal 224 cuts off the transistors 213 and 214 of the ECL switch circuit, turns on the transistors 212 and 215, and prevents the hold capacitor 220 from being charged or discharged. By doing this, the voltage during the sampling period is held.

ここで、サンプリング期間に於て、出力信号が入力信号
にどのように追随するかを解析すると以下の数式の如く
になる。
Here, when analyzing how the output signal follows the input signal during the sampling period, the following equation is obtained.

入力信号をi、出力信号を。Input signal is i, output signal is i.

、抵抗206の値をR1ホールドコンデンサ220の容
量をClMOSトランジスタのゲート・ソース間の電圧
をGSとすると、ホールドコンデンサ220に流れる電
流1は、となる。
, the value of the resistor 206 is R1, the capacitance of the hold capacitor 220 is the voltage between the gate and source of the ClMOS transistor is GS, then the current 1 flowing through the hold capacitor 220 is as follows.

(1)式と(2)式を連立させて解くと、となり、サン
プリング期間に於ては出力信号はCRの時定数でもつて
入力信号に追随して行き、MOSトランジスタのGSに
依存しないことが分かる。以上説明したように本発明の
サンプルホールド回路では、スイツチング回路はECL
スイツチ回路の様なデイジタル的なスイツチでよくバイ
ポーラトランジスタで構成できる。又、ホールドアンプ
の入力部に用いるべきMOSトランジスタのTに厳しい
条件を課さなくともよいため、他のバイポーラ素子との
同一チツプ上での集積回路化が容易である。又、制御手
段は比較器の出力の大小に応じて直線的に変化してホー
ルドコンデンサへの電荷の供給量を制御しているため、
出力信号は入力信号に線形に完全に追随するので、非常
に精度の良いサンプル・ホールド回路を得ることが出来
る。
When equations (1) and (2) are solved simultaneously, we get that, during the sampling period, the output signal follows the input signal even with the time constant of CR, and does not depend on the GS of the MOS transistor. I understand. As explained above, in the sample hold circuit of the present invention, the switching circuit is an ECL
Digital switches such as switch circuits can often be constructed from bipolar transistors. Furthermore, since there is no need to impose strict conditions on the T of the MOS transistor used in the input section of the hold amplifier, it is easy to integrate the MOS transistor with other bipolar elements on the same chip. In addition, since the control means controls the amount of charge supplied to the hold capacitor by changing linearly according to the magnitude of the output of the comparator,
Since the output signal completely follows the input signal linearly, a highly accurate sample-and-hold circuit can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は従来のサンプル・ホールド回路の説明図、第2
図は本発明の一実施例を示す回路構成図である。 201・・・・・・入力端子、202・・・・・・誤差
検出器、203・・・・・・演算増幅器、204,20
5,207,208,212〜217・・・・・・トラ
ンジスタ、206,209〜211・・・・・・抵抗、
218,219・・・・・・レベルシフト回路、220
・・・・・・ホールドコンデンサ、221・・・・・・
−MOSトランジスタ、222・・・・・・定電流源、
223・・・・・・出力端子、224・・・・・・サン
プリングパルス印加端子。
Figure 1 is an explanatory diagram of a conventional sample-and-hold circuit;
The figure is a circuit configuration diagram showing an embodiment of the present invention. 201... Input terminal, 202... Error detector, 203... Operational amplifier, 204, 20
5,207,208,212-217...Transistor, 206,209-211...Resistor,
218, 219...Level shift circuit, 220
...Hold capacitor, 221...
-MOS transistor, 222...constant current source,
223...Output terminal, 224...Sampling pulse application terminal.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 入力信号に対応する電荷を蓄積するホールドコンデ
ンサと供給電圧源との間に接続されたスイッチと、入力
信号と前記ホールドコンデンサの蓄積電荷に基づく出力
信号との電位差を検出する誤差検出器と、該誤差検出器
の電圧出力を電流出力に変換する電圧電流変換回路と、
該電圧電流変換回路の電流出力に応じて、前記スイッチ
を介して前記供給電圧源より前記ホールドコンデンサに
供給する電流を制御する手段を備えたことを特徴とする
サンプル・ホールド回路。
1 a switch connected between a hold capacitor that accumulates charge corresponding to an input signal and a supply voltage source; an error detector that detects a potential difference between the input signal and an output signal based on the charge accumulated in the hold capacitor; a voltage-current conversion circuit that converts the voltage output of the error detector into a current output;
A sample-and-hold circuit comprising means for controlling the current supplied from the supply voltage source to the hold capacitor via the switch in accordance with the current output of the voltage-current conversion circuit.
JP51137694A 1976-11-15 1976-11-15 Sample/hold circuit Expired JPS5920197B2 (en)

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JPS5361959A JPS5361959A (en) 1978-06-02
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