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公開番号2021069000
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210430
出願番号2019192502
出願日20191023
発明の名称増幅器
出願人エイブリック株式会社
代理人
主分類H03F 3/68 20060101AFI20210402BHJP(基本電子回路)
要約【課題】チップサイズを増大させることなく、スイッチのクロックフィードスルーによるスパイクノイズを低減することが可能な増幅器を提供する。
【解決手段】入力信号を変調して変調信号を出力する信号極性反転回路と、OTAで構成され、変調信号を増幅し電流を出力する増幅回路と、増幅回路が出力する電流を選択的にサンプルするサンプル用コンデンサと、サンプル用コンデンサの電圧が転送されるホールド用コンデンサとを有するサンプルホールド回路と、を備えた。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
入力信号を変調して変調信号を出力する信号極性反転回路と、
OTAで構成され、前記変調信号を増幅し電流を出力する増幅回路と、
前記増幅回路が出力する電流を選択的にサンプルするサンプル用コンデンサと、前記サンプル用コンデンサの電圧が転送されるホールド用コンデンサと、を有するサンプルホールド回路と、
を備えたことを特徴とする増幅器。
続きを表示(約 450 文字)【請求項2】
前記増幅器は、第一の期間から第八の期間を一周期として動作し、
前記信号極性反転回路は、第一、第二、第五、第六の期間に前記入力信号を反転せず、第三、第四、第七、第八の期間に前記入力信号を反転して、前記変調信号として出力し
前記サンプルホールド回路は、前記第二、第三、第五、第六の期間に前記サンプル用コンデンサに前記変調信号をサンプルし、前記第八の期間に前記サンプル用コンデンサの電圧を前記ホールド用コンデンサに転送する
ことを特徴とする請求項1に記載の増幅器。
【請求項3】
前記信号極性反転回路は、前記入力信号を第一の制御信号と第二の制御信号によって変調し、
前記サンプルホールド回路は、前記増幅回路が出力する電流を第三の制御信号と第四の制御信号によって選択的に前記サンプル用コンデンサにサンプルし、第五の制御信号によって前記サンプル用コンデンサの電圧をホールド用コンデンサに転送する、
ことを特徴とする請求項2に記載の増幅器。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本説明は、微小信号を増幅する増幅器に関する。
続きを表示(約 4,800 文字)【背景技術】
【0002】
微小信号を増幅する増幅器として、従来からチョッパ増幅器が広く使用されている。図3は、従来のチョッパ増幅器を示すブロック図である。
【0003】
従来のチョッパ増幅器は、入力信号Vinをチョッパ変調する変調器21と、1段目の増幅回路22と、増幅された信号をチョッパ復調する復調器23と、2段目の増幅回路24と、ローパスフィルタ(LPF)25を備えている。
【0004】
従来のチョッパ増幅器は、変調器21で入力信号Vinを周波数fcでチョッパ変調し、復調器23が増幅回路22で増幅した信号を周波数fcでチョッパ復調し、その信号差を増幅回路24で増幅した後にLPF25で高周波成分を取り除くことによって、低周波(1/f)雑音のない増幅信号Voutを得ることが出来る(例えば、特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
特開2014−216705号 図5
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、従来のチョッパ増幅器は、入力信号を変調する際に、変調器21を構成するスイッチ(MOSトランジスタ)のクロックフィードスルーにより入力信号Vinにノイズが相乗されて伝播し、増幅回路24の出力電圧にスパイクノイズが混在する。また、従来のチョッパ増幅器は、増幅回路22の入力誤差成分を除去するためにLPF25が必要であり、LPF25の減衰効果を高めるためには抵抗と容量を大きくする必要があり、そのためチップサイズが増大する。
【0007】
本願発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、チップサイズを増大させることなく、スイッチのクロックフィードスルーによるスパイクノイズを低減することが可能な増幅器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の増幅器は、入力信号を変調して変調信号を出力する信号極性反転回路と、OTAで構成され前記変調信号を増幅し電流を出力する増幅回路と、前記増幅回路が出力する電流を選択的にサンプルするサンプル用コンデンサと、前記サンプル用コンデンサの電圧が転送されるホールド用コンデンサと、を有するサンプルホールド回路と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【0009】
本発明の増幅器によれば、増幅回路をOTAで構成し、OTAが出力する電流をサンプルホールド回路でサンプリングして復調することで、チップサイズを増大させることなく、スイッチのクロックフィードスルーによるスパイクノイズを低減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
本実施形態の増幅器を示すブロック図である。
本実施形態の増幅器の動作を示すタイムチャートである。
従来のチョッパ増幅器を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
図1は、本発明の実施形態の増幅器を示すブロック図である。
【0012】
本実施形態の増幅器は、信号極性反転回路11と、初段の増幅回路12と、サンプルホールド回路13と、2段目の増幅回路14と、入力端子IN1及びIN2、出力端子OUT1及びOUT2を備えている。本実施形態の増幅器は、入力端子IN1及びIN2間に入力された入力信号Vinを増幅して、出力端子OUT1及びOUT2間に出力信号Voutとして出力する。
【0013】
信号極性反転回路11は、スイッチ111、112、113、114と、第一の入力端子、第二の入力端子、第一の出力端子、第二の出力端子を備えている。増幅回路12は、Operational Transconductance Amplifier(OTA)で構成されている。サンプルホールド回路13は、スイッチ131、132、133、134、136、137と、サンプル用のコンデンサ135と、ホールド用のコンデンサ138と、第一の入力端子、第二の入力端子、第一の出力端子、第二の出力端子を備えている。2段目の増幅回路14は、完全差動増幅回路で構成されている。
【0014】
信号極性反転回路11は、第一の入力端子に入力端子IN1が接続され、第二の入力端子に入力端子IN2が接続されている。第一の入力端子は、スイッチ111を介して第一の出力端子に接続され、スイッチ113を介して第二の出力端子に接続されている。第二の入力端子は、スイッチ112を介して第二の出力端子に接続され、スイッチ114を介して第一の出力端子に接続されている。信号極性反転回路11は、制御信号φ1、φ2に同期して、第一及び第二の入力端子に入力された信号を、第一及び第二の出力端子に切り替えて出力する。
【0015】
増幅回路12は、第一の入力端子に信号極性反転回路11の第一の出力端子が接続され、第二の入力端子に信号極性反転回路11の第二の出力端子が接続されている。増幅回路12は、入力オフセット電圧を有し、例として第一の入力端子にオフセット電圧Vosとして示す。
【0016】
増幅回路12は、第一の入力端子の電圧と第二の入力端子の電圧の差が正の場合、入力電圧差が大きいほどより大きい電流が第一の出力端子からソースされ、第二の出力端子からシンクされる。また、増幅回路12は、第一の入力端子の電圧と第二の入力端子の電圧の差が負の場合、入力電圧差が大きいほどより大きい電流が第一の出力端子からシンクされ、第二の出力端子からソースされる。ここで、増幅器12をOTAで構成して出力信号を電流とすることで、図2に示す各期間の出力信号をコンデンサで容易に加減算することが可能になる。即ち、従来技術の復調器をサンプルホールド回路に置き換えることが可能になる。
【0017】
サンプルホールド回路13は、第一の入力端子に増幅回路12の第一の出力端子が接続され、第二の入力端子に増幅回路12の第二の出力端子が接続されている。第一の入力端子は、スイッチ131を介してコンデンサ135の一方の端子に接続され、スイッチ133を介してコンデンサ135の他方の端子に接続されている。第二の入力端子は、スイッチ134を介してコンデンサ135の一方の端子に接続され、スイッチ132を介してコンデンサ135の他方の端子に接続されている。コンデンサ135の一方の端子は、スイッチ136を介してコンデンサ138の一方の端子とサンプルホールド回路13の第一の出力端子に接続されている。コンデンサ135の他方の端子は、スイッチ137を介してコンデンサ138の他方の端子とサンプルホールド回路13の第二の出力端子に接続されている。
【0018】
サンプルホールド回路13は、制御信号φA及びφBに同期して増幅回路12が出力する電流をコンデンサ135に充電することによりサンプリングを行い、増幅回路12の出力信号から混在する雑音成分を除去して、制御信号φHに同期して出力する機能を有する。
【0019】
増幅回路14は、第一の入力端子にサンプルホールド回路13の第一の出力端子が接続され、第二の入力端子にサンプルホールド回路13の第二の出力端子が接続されている。
【0020】
図2は、本実施形態の増幅器の動作を示すタイムチャートである。
増幅器の動作の一周期はt0からt8の期間であり、各期間の長さは同一(ΔT)である。入力信号Vinは、制御信号φ1、φ2などの周波数と比較して十分低い周波数なので、図2ではほとんど直流電圧となっている。また、Vcmは、入力信号Vinの動作点電圧である。
【0021】
制御信号φ1は、期間t0〜t2と期間t4〜t6にHレベル、期間t2〜t4と期間t6〜t8にLレベルになる。制御信号φ2は、その逆のレベルである。従って、信号極性反転回路11は、期間t0〜t2と期間t4〜t6に、第一の入力端子が第一の出力端子に接続され、第二の入力端子が第二の出力端子に接続され、期間t2〜t4と期間t6〜t8に、第一の入力端子が第二の出力端子に接続され、第二の入力端子が第一の出力端子に接続される。
【0022】
信号極性反転回路11が上述のように動作するので、その第一の出力端子と第二の出力端子の間の信号Vaは、動作点電圧Vcmを中心に、期間t0〜t2と期間t4〜t6は+Vin、期間t2〜t4と期間t6〜t8は−Vinの電圧値になる。即ち、信号極性反転回路11は変調器であって、信号Vaは変調信号である。
【0023】
増幅回路12の第一の入力端子と第二の入力端子の間の入力電圧をVbとすると、入力電圧Vbは電圧Vaに直流オフセット電圧Vosが加わった電圧になる。即ち、期間t0〜t2と期間t4〜t6は+Vos+Vin、期間t2〜t4と期間t6〜t8は+Vos−Vinの電圧値になる。
【0024】
ここで、増幅回路12のトランスコンダクタンスをgmとすると、増幅回路12の出力する電流は、期間t0〜t2と期間t4〜t6でgm×(+Vos+Vin)、期間t2〜t4と期間t6〜t8でgm×(+Vos−Vin)になる。
【0025】
サンプルホールド回路13は、期間t1〜t2において、制御信号φAがHレベルになるのでスイッチ131とスイッチ132がオンして、制御信号φBがLレベルなのでスイッチ133とスイッチ134がオフしている。即ち、第一の入力端子はスイッチ131を介してコンデンサ135の一方の端子に接続され、第二の入力端子はスイッチ132を介してコンデンサ135の他方の端子に接続される。
【0026】
また、制御信号φHがLレベルなのでスイッチ136とスイッチ137はオフしている。即ち、コンデンサ138は、コンデンサ135と切り離されている。
従って、コンデンサ135は、増幅回路12の出力する電流(gm×(+Vos+Vin))で時間ΔTの間充電される。t2の時点のコンデンサ135の電圧VCst2は、コンデンサ135の容量をCsとすると式(1)で表される。
【0027】
その後、期間t2〜t3において、サンプルホールド回路13は、増幅回路12の出力する電流(gm×(+Vos−Vin))でコンデンサ135が時間ΔTの間充電される。従って、t3の時点のコンデンサ135の電圧VCst3は、式(2)で表される。
【0028】
式(2)からわかるように、期間t1〜t3において、コンデンサ135は、極性を反転した期間の入力電圧Vinに基づく電流が加算されることにより、入力信号Vinから分離したオフセット電圧Vosに基づく電圧に充電される。
【0029】
期間t3〜t4において、制御信号φA、φBともにLレベルになるので、スイッチ131〜スイッチ134が全てオフし、コンデンサ135は、式(2)の電圧を保持する。
【0030】
t4において、制御信号φBがHレベルになるので、スイッチ133とスイッチ134がオンする。即ち、コンデンサ135は、期間t2〜t3とは逆に増幅回路12の出力端子に接続される。
(【0031】以降は省略されています)

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