JPS6381698A - サンプリングホ−ルド回路 - Google Patents

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】 〔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、
アナログ量をディジタル化するにはアナログ、ディジタ
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変換を高速、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Ｎ’／ｒ　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、スイッチ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、スイッ
チ６を開（ＯＦ　Ｆ）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、ＩＯはスイッチ６のオンオフの時の過大過？
ａ電流を防ぎ据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、
サンプルが始まったとき、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ｌＯを通して平衡するには
長い時間即ちアクイジションタイム（Ａｃｑｕｉｇｉｔ
、ｉｏｎ　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−り変換することになる。こ
れは第８図に示すように抵抗１０に流れる電流即ちコン
デンサ２の電圧を増＠塁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１
６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って減少するためである。

入力電圧１６がｖｌ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、 −（ＲＣ）ｔ Ｉ　　＝　（Ｖ２−Ｖｌ）／ＲＸε　　　・・・・■で
求めろことができる。

尚、εは自然対数の底（２，７１８・・・・）、Ｒは抵
抗１０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−Ｖｌ）／Ｒが１／１０００ＩＣなる時間ｔを計算
すると、 （Ｖ　２−Ｖ　１　）／ＲＸＩ／１０００＝（Ｖ　２−
Ｖ　１　）／Ｒ−（ＲＣ）ｔ ×ε　　・・・・■ となる。

■式を０式に代入し、時間ｔを求めると、ｔ″：ｉ’ｔ
ｃｘ　（６，９・・・・）となる。

ＲＣを充放電時定数７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ョンタイムは ｔ≠７７　となり、以外に大きな値となる。

次に、アクイジショ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
＠６４の出力が単位時間にＸｏ　ボルトの割合で変化し
ているとすると、抵抗ＩＯに流れる電流■Ｘは次の式で
表すせる。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Ｘｏ　ボルトの割合で変化するものとし、抵
抗ＩＯへの入力電圧をＸとすると、ＩＸ＝ＸＸに れによる増幅器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　＝　１００　Ｖ　／ｐ　ｓｅｅ　（スリューレート
）とすれば、電圧降下Ｖｏは Ｖ、＝５Ｘ１０　　Ｘ５Ｘ１０　　ＸｌＸｌ０”６＝５
Ｘ５Ｘ１０＝ ＝２．５Ｘ　１０−’ ：０，２５Ｖ となり、これはフルスケール１ｖの正弦波の約３０ＭＨ
ｚにおける最大変化率（スリューレート）となり、無視
できない値となる。

上記の問題を解決するには、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、何等からのカー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ョ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、スイッチ６がオフ
になっ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
まっ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、ホールド中に失すれ
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種類の電流出力が強制的に流れ込み、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すれた電荷
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
って補償されると、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、ｉｔ電流駆動れることによっ
て高速で動作し、しかも、ホールド中に失われた電荷は
、遅延電流出力によっ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１本発明の理解を容易にするため１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はスイッチ手段、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 ・・・・■ 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
１　ｒ　ｉ（■ｒ　ｉ＝　ＡｉＬ）ｔ で充、放電すると、充、放電された電荷の量Ｑは、 Ｑ＝＝　１　？　＋　００（Ｑ　０は初期値）となる。

コンデンサの電圧ＶＯは、 Ｑ Ｖｏ　−−＋、　Ｃｏ　＝”とおけば、Ｑ　　　　　　
　　　　Ｑ となる。

ここで−に＝上、ｃｉ＝＝ｃ０　。

（午＝（世　　　　　　・・・・■ とおけば、上記■■■より Ｖ　ｉ　＝　ｋ　Ｖｏ　　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、こ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Ｖｏ
　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
電荷を貯めることができないので１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、ｆｌ！圧駆動駆動合には、
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１本発明は、微分された入力電圧を
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、スイッチ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、次のスイッチオン即ち、サンプリ
ング時において、微分電流出力２４としてコンデンサ２
０に供給される。この電流出力２４によってコンデンサ
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。

従って、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１′！！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、４４，４６．４８は電子的に制御可能なスイ
ッチ手段である６５０はゲイン＋１の増幅器であり、出
力のオフセッ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、スイッチ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に設定されたディレィ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及びスイッチ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
スイッチ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Ｖ
ＩＮ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３８によって電流信号Ｐ２に変換される
。

一方、上記入力電圧信号ＶＩＮは、遅延手段５４によっ
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によって微分され、該微分電圧信
号Ｐ３は電圧電流変換器４０によって電流信号Ｐ４に変
換される。第２図に示すようにスイッチ４８がオフとな
り、スイッチ４４がオフとなって。

ホールド状＠　（Ｎｏ、１）となると、出力端３２はホ
ールド電圧を出力する。次に、スイッチ４４がオンとな
りサンプリング状５ｓ（ＮＯ，ｌ）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。スイッチ４４オフ
後、時間Ｔｄが経過したところで、スイッチ４６がオン
となり１時間Ｔｄ遅れた電流Ｐ４’が電圧電流変換器４
０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、荊の
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。スイッチ４６のオンの時間は直前のス
イッチ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、その後は、スイッチ４４がオフになるまで
電圧電流変換器３８の出力電流Ｐ２’によって充Ｉ電さ
れる。

以上の要領によって、入力電圧信号は、電流駆動によっ
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、ブロック３４は微分増幅器を構成し、ブロック３
８は電圧電流変換器を構成している。

ＤＩ、Ｄ２はダイオードであり、トランジスタＱｌ、Ｑ
２の温度補償とベース・エミッタ間の順方向飽和電圧の
補償を行っている。

ＲＩＩ、ＲＩ２はトランジスタＱ１．Ｑ２゜抵抗ｒｌ、
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Ｑｌ、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、ＣＬＩ、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ｒｌ、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。

■ボルト）が変化しない場合すなわち直流電圧の場合。

Ｑｌ、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 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、Ｑｌに流れる電流を■Ｉｘアンペアとすれば となる。

しかし、Ｑ２に流れる電流はＩｉｄのみである。よって
、ＰＩ点におけるＣＬに流れる電流は ｉアンペア　　　　　　　　・・・・・・■Ｌ のみである。

又、Ｑ３に流れる電流を■ＩｏＱ３アンペアとすれば ＲＬＩＸ（■Ｉ　ｘ　）　＝　ＲＬＩ　（Ｉ　ｉ　ｄ＋
石う＝ＲｏｌＸ■ＩｏＱ３ ■Ｉｏ　Ｑ３＝”−”（Ｉ　ｉｄ十工）１１（ｏＩ　　
　　　　ＣＬ ・・・・・・■ Ｑ４に流九る電流を■ＩｏＱ４とすればＲＬ２Ｘ　Ｉ　
ｉ　ｄ　：Ｒ６２Ｘ■ｌ０Ｑ４・・・・・・■ したがってＩｏ　アンペアは ＩＯ＝■Ｉｏ　　Ｑ３−■ＩＯＱ４・・・・・・■とな
り とすれば ■に■を代入すると ＲＬ２Ｘ　　Ｉ　　ｉ　　ｄ　　＝ＲＬＩＸ　　ｒ　　
ｉ　　ｄ＝Ｒｏ２ｘ■ＩｏＱ４ ＝　Ｒｏｒ　ｘ■ＩｏＱ４ ■に■と■′を代入すると Ｉｏ　　（出力電流）は入力電圧の変化率に比例する。

又入力電圧がｅ側に変化する場合はＩｏ　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４ａ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、スイッチ６２．６４をスイッチ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ｐｐＰ５６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　。

すを電流駆動し、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って補償す
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図はブロック電子回路図、第２図はタイムチャート
、第３図は電子回路図、第４図はブロック電子回路図、
第５図は動作説明図、第６図はブロック電子回路図、第
７図は従来の技術を示すブロック電子回路図、第８図は
動作説明図である。 ２・・・・コンデンサ、　４，８・・・・増幅器。 ６・・・・スイッチ、　　１０・・・・抵抗、　　１２
・・・・遅延回路、　　１４・・・・微分増幅器、　　
１Ｇ・・・・電圧電流変換器、　　１８・・・・スイッ
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・・・・スイッチ手段、５０・・・・
増幅器、　５２・・・・抵抗素子、　５４・・・・遅延
手段、　　６２．６４・・・・スイッチ。 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。