JP2012147066A - 電圧増幅装置、及び電圧増幅方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の増幅段で構成される電圧増幅装置において、回路規模を抑えつつ、出力信号が含む電源電圧のリップル成分を抑制することが可能にする。
【解決手段】 一の電源電圧（ＶＤＤ）から第一、第二基準電圧（Ｖ１、Ｖ２）を生成するバイアス回路（２００）と、第一基準電圧を用いて入力信号（Ｖｉｎ）を増幅して第一出力信号（Ｖｏｕｔ１）を出力する第一増幅器（１０１）と、第二基準電圧を用いて第一出力信号を増幅して第二出力信号（Ｖｏｕｔ２）を出力する第二増幅器（１０２）とを備える。第一、第二基準電圧は、電源電圧のリップル成分を含む。第二増幅器は、互いに同相である第一出力信号が含むリップル成分と第二基準電圧が含むリップル成分とを入力して、第二基準電圧が含むリップル成分を第一出力信号が含むリップル成分により抑制する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電圧増幅装置に関する。

非反転増幅回路及び反転増幅回路は、オフセット電圧を決定するために入力端子へ基準電圧を入力する。電圧増幅装置が複数の増幅段を備える場合、各増幅段に基準電圧を印加する必要がある。この各増幅段に印加される基準電圧を生成する電源として、異なる電源が使用されていた。一般に、電源電圧にはリップル成分（電圧の揺らぎ成分）が含まれる。異なる電源を用いた場合、各電源電圧に含まれるリップル成分が各増幅段それぞれ増幅される。増幅されたリップル成分は出力信号に重畳されて影響を及ぼす。これを抑制する対策として、バンドギャップリファレンス回路で基準電圧を生成する方法が存在する。しかし、バンドギャップリファレンス回路は、回路規模が大きくなるという課題や、生成可能な電圧範囲に制限があるという課題がある。そのため、単一の電源の電源電圧から基準電圧を生成して、出力信号に重畳されるリップル成分を抑制することが検討されている。関連する技術が以下の通り開示されている。

特許文献１は、差動入力音響増幅回路を開示している。特許文献１の差動入力音響増幅回路は、非反転入力端に加わる電源リップル信号とほぼ同相で同レベルの信号を差動入力音響増幅器の反転入力端にも加える。このことにより電源リップルによる出力信号への影響を大幅に減少させている。

図１は、特許文献１の音響増幅回路の構成を示す図である。差動増幅器１４の非反転入力端１のバイアスは、ブリーダ回路と抵抗９によって決定される。ブリーダ回路は、電源端子５と接地端子６との間に接続された抵抗７、８を備える。抵抗７と抵抗８との接続点２は、抵抗９を介して非反転入力端１と接続される。

コンデンサ１３は、一般に用いられるリップルフィルタ用コンデンサである。コンデンサ１３は、電源変動（電源リップル）が入力に対して与える影響を少なくするために設けられる。反転入力端３は、負帰還回路を形成している。負帰還回路は、出力端４から抵抗１０、１１とコンデンサ１２によって形成される。

コンデンサ１２の一端は、同相増幅器１４’の出力端１５に接続される。同相増幅器は、電源端子５’と接地端子６と接続される。同相増幅器１４’の非反転入力端は、コンデンサ１３の一端に接続される。同相増幅器１４’は、交流利得Ａ_０を１倍に設定されている。同相増幅器１４’は、入力端２に生じるリップル信号に等しい信号を出力端１５に発生する。このように構成された音響増幅回路において、抵抗１０、１１の抵抗値、コンデンサ１２のインピーダンス、同相増幅器１４’の交流利得Ａ_０を調整することで、出力信号に重畳される電源リップルを減少させることが可能となる。

特開昭５４−０５９８６１号公報

しかしながら、特許文献１の音響増幅回路は、回路の規模が大きくなるという課題がある。一般に、増幅回路は、高い利得を得るために複数段の差動増幅器を用いて構成される。特許文献１の音響増幅回路を複数段用いて増幅回路を構成する場合、各作動段の差動増幅器１４の出力において電源リップルが除去されるように回路内の調整を行わなければならない。それには各作動段の差動増幅器１４の反転入力端及び非反転入力端に入力される信号のリップル成分を整合させる必要がある。このため、回路構成が複雑になり、回路規模が大きくなるという課題がある。

以下に、（発明を実施するための形態）で使用される番号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、（特許請求の範囲）の記載と（発明を実施するための形態）との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、（特許請求の範囲）に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明の一つの観点として電圧増幅装置が提供される。本発明の電圧増幅装置は、一の電源電圧（ＶＤＤ）から第一、第二基準電圧（Ｖ１、Ｖ２）を生成するバイアス回路（２００）と、第一基準電圧（Ｖ１）を用いて入力信号（Ｖｉｎ）を増幅して第一出力信号（Ｖｏｕｔ１）を出力する第一増幅器（１０１）と、第二基準電圧（Ｖ２）を用いて第一出力信号（Ｖｏｕｔ１）を増幅して第二出力信号（Ｖｏｕｔ２）を出力する第二増幅器（１０２）とを備える。第一、第二基準電圧（Ｖ１、Ｖ２）は、電源電圧（ＶＤＤ）のリップル成分を含む。第二増幅器（１０２）は、第一出力信号（Ｖｏｕｔ１）が含むリップル成分と第二基準電圧（Ｖ２）が含むリップル成分とが互いに同相になるように入力される。これにより、第二増幅器（１０２）は、第二基準電圧（Ｖ２）が含むリップル成分を第一出力信号（Ｖｏｕｔ１）が含むリップル成分により抑制する。

本発明の他の観点として電圧増幅方法が提供される。本発明の電圧増幅方法は、電圧増幅装置における電圧増幅方法である。電圧増幅装置は、バイアス回路（２００）と、第一増幅器（１０１）と、第二増幅器（１０２）とを備える。電圧増幅方法は、一の電源電圧（ＶＤＤ）から第一、第二基準電圧（Ｖ１、Ｖ２）を生成するステップと、第一基準電圧（Ｖ１）を用いて入力信号（Ｖｉｎ）を増幅して第一出力信号（Ｖｏｕｔ１）を出力するステップと、第二基準電圧（Ｖ２）を用いて第一出力信号（Ｖｏｕｔ１）を増幅して第二出力信号（Ｖｏｕｔ２）を出力するステップとを備える。第一、第二基準電圧（Ｖ１、Ｖ２）は、電源電圧（ＶＤＤ）のリップル成分を含む。第一出力信号（Ｖｏｕｔ１）は、第一基準電圧（Ｖ１）が含むリップル成分に依存したリップル成分を含む。第二出力信号（Ｖｏｕｔ２）を出力するステップは、第一出力信号（Ｖｏｕｔ１）が含むリップル成分と第二基準電圧（Ｖ２）が含むリップル成分とが、互いに同相となるように入力される。

本発明の電圧増幅装置によれば、複数の増幅段で構成される電圧増幅装置において、回路規模を抑えつつ、出力信号に重畳される電源電圧のリップル成分を抑制することが可能な電圧増幅装置を提供することができる。回路規模が抑えられるため、回路面積を縮小することが可能であり、また設計が容易になるという効果もある。

図１は、特許文献１の音響増幅回路の構成を示す図である。 図２は、本発明の第１の実施形態における電圧増幅装置の構成を示す図である。 図３は、本発明の第１の実施形態における電圧増幅装置の動作を示すタイミングチャートである。 図４は、本発明の第２の実施形態における電圧増幅装置の構成を示す図である。 図５は、本発明の第２の実施形態におけるクランプパルス信号ＣＬＰ２と入力信号Ｖｉｎ３との関係を示す図である。 図６は、本発明の第３の実施形態における電圧増幅装置の構成を示す図である。

添付図面を参照して、本発明による電圧増幅装置を以下に説明する。

（第１の実施形態）
はじめに、本発明の第１の実施形態における電圧増幅装置の説明を行う。図２は、本実施形態における電圧増幅装置の構成を示す図である。本実施形態の電圧増幅装置は、増幅回路１００とバイアス回路２００とを備える。

バイアス回路２００は、電源電圧ＶＤＤが印加される電源端子と接地端子ＧＮＤとの間に抵抗２０１、２０２、２０３が直列に接続されて構成される。抵抗２０１、２０２、２０３により基準電圧Ｖ１、Ｖ２は分圧される。なお、バイアス回路２００は、トランジスタが直列に接続された構成でもよい。

抵抗２０１と抵抗２０２との接続点２２０は、バッファ２１０の入力端子と接続される。バッファ２１０は、ボルテージフォロアである。バッファ２１０の出力端子は、後述する増幅回路１００の反転増幅器１０２の非反転入力端子と接続される。バッファ２１０は、基準電圧Ｖ２が、例えばクロストークのような外来ノイズで揺らいだとき、その外来ノイズが接続点２２０の電位に影響を与えないようにするために設けられる。そのため、必ずしもバッファ２１０が設けられなくとも良い。

基準電圧Ｖ２は、接続点２２０から分圧される。基準電圧Ｖ２は、電源電圧ＶＤＤ、抵抗２０１、抵抗２０２、抵抗２０３の抵抗値をそれぞれＲ３、Ｒ２、Ｒ１として、次式（１）で表される
Ｖ２ ＝ ＶＤＤ×（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３） ・・・（１）

抵抗２０２と抵抗２０３の接続点２２１は、バッファ２１１の入力端子と接続される。バッファ２１１は、ボルテージフォロアである。バッファ２１１の出力端子は、増幅回路１００の反転増幅器１０１の非反転入力端子と接続される。バッファ２１１は、基準電圧Ｖ１が、例えばクロストークのような外来ノイズで揺らいだとき、その外来ノイズが接続点２２１の電位に影響を与えないようにするために設けられる。そのため、必ずしもバッファ２１１が設けられなくとも良い。

基準電圧Ｖ１は、接続点２２１から分圧される。基準電圧Ｖ１は、電源電圧ＶＤＤ、抵抗２０１、抵抗２０２、抵抗２０３の抵抗値をそれぞれＲ３、Ｒ２、Ｒ１として、次式（２）で表される。
Ｖ１ ＝ ＶＤＤ×Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３） ・・・（２）

次に、増幅回路１００は、増幅器１０１、１０２を備える。増幅器１０１、１０２は、反転増幅器である。増幅器１０１は、反転入力端子１３０と、非反転入力端子と、出力端子１３１とを備える。増幅器１０１は、出力端子１３１と反転入力端子１３０との間にキャパシタ１２１を備える。また、増幅器１０１の反転入力端子１３０は、バッファ１１０とキャパシタ１２０とを介して入力端子と接続される。増幅器１０１の非反転入力端子は、バイアス回路２００のバッファ２１１の出力端子と接続される。なお、バッファ１１０は、必ずしも設けられなくとも良い。

増幅器１０１の利得は、キャパシタ１２０とキャパシタ１２１の容量比で決定される。増幅器１０１は、反転入力端子１３０と出力端子１３１との間に初期電位設定パルス信号ＣＬＰが印加される。増幅器１０１は、初期電位設定パルス信号ＣＬＰにより初期電位が決定される。

増幅器１０１は、非反転入力端子に基準電圧Ｖ１を入力し、反転入力端子に入力信号Ｖｉｎ１を入力する。増幅器１０１は、利得に応じて入力信号Ｖｉｎ１を増幅し、基準電圧Ｖ１を加えて出力信号Ｖｏｕｔ１を出力する。出力信号Ｖｏｕｔ１は、入力信号Ｖｉｎ１、キャパシタ１２０の容量Ｃ１、キャパシタ１２１の容量Ｃ２、基準電圧Ｖ１を用いて次式（３）で表される。
Ｖｏｕｔ１ ＝ Ｖ１−Ｃ１／Ｃ２×（Ｖｉｎ１のＡＣ成分） ・・・（３）

増幅器１０２は、反転入力端子１３２と、非反転入力端子と、出力端子１３３とを備える。増幅器１０２の反転入力端子１３２は、キャパシタ１２２を介して増幅器１０１の出力端子１３１と接続される。増幅器１０２は、出力端子１３３と反転入力端子１３２との間にキャパシタ１２３を備える。増幅器１０２の非反転入力端子は、バイアス回路２００のバッファ２１０の出力端子と接続される。増幅器１０２の出力は、バッファ１１１を介して出力端子と接続される。なお、バッファ１１１は、必ずしも設けられなくとも良い。

増幅器１０２の利得は、キャパシタ１２２とキャパシタ１２３の容量比で決定される。増幅器１０２は、反転入力端子１３２と出力端子１３３との間に初期電位設定パルス信号ＣＬＰが印加される。増幅器１０２は、初期電位設定パルス信号ＣＬＰにより初期電位を決定される。

増幅器１０２は、非反転入力端子に基準電圧Ｖ２を入力し、反転入力端子１３２に入力信号Ｖｉｎ２を入力する。なお、出力信号Ｖｏｕｔ１＝入力信号Ｖｉｎ２である。増幅器１０２は、利得に応じて入力信号Ｖｉｎ２を増幅し、基準電圧Ｖ２を加えて出力信号Ｖｏｕｔ２を出力する。出力信号Ｖｏｕｔ２は、入力信号Ｖｉｎ２、キャパシタ１２２の容量Ｃ３、キャパシタ１２３の容量Ｃ４、基準電圧Ｖ２を用いて次式（４）で表される。
Ｖｏｕｔ２ ＝ Ｖ２−Ｃ３／Ｃ４×（Ｖｉｎ２のＡＣ成分） ・・・（４）

このような構成による本実施形態の電圧増幅装置の動作を説明する。図３は、本実施形態における電圧増幅装置の動作を示すタイミングチャートである。図３は、初期電力設定パルス信号ＣＬＰ、入力信号Ｖｉｎ１、電源電圧ＶＤＤ、基準電圧Ｖ１及びＶ２、増幅器１０１のＶｏｕｔ１（出力端子１３１）、Ｖｏｕｔ１のＡＣ（交流）成分及びＤＣ（直流）成分、増幅器１０２のＶｏｕｔ２（出力端子１３３）、Ｖｏｕｔ２のＡＣ成分及びＤＣ成分を示している。

増幅器１０１、１０２は、ハイレベルの初期電位設定パルス信号ＣＬＰにより初期電位が設定された後に信号期間となり動作を開始する。

電源電圧ＶＤＤは、リップル成分を含んでいる。図３に示すように、電源電圧ＶＤＤから分圧される基準電圧Ｖ１、Ｖ２にも、分圧された比率に応じたリップル成分が含まれる。基準電圧Ｖ１に含まれるリップル成分Ｖ１_{ｒｉｐｐｌｅ}は、電源電圧ＶＤＤのリップル成分をＶＤＤ_{ｒｉｐｐｌｅ}とし、数式（２）を考慮して次式（５）で表される。
Ｖ１_{ｒｉｐｐｌｅ} ＝ ＶＤＤ_{ｒｉｐｐｌｅ}×Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３） ・・・（５）

増幅器１０１は、基準電圧Ｖ１を用いて入力信号Ｖｉｎ１を増幅して出力信号Ｖｏｕｔ１を出力する。そのため、図３に示すように、基準電圧Ｖ１に含まれるＶ１_{ｒｉｐｐｌｅ}は、増幅器１０１の利得倍に増幅されて、増幅器１０１の出力信号Ｖｏｕｔ１のＤＣ成分に現れる。出力信号Ｖｏｕｔ１は、入力信号Ｖｉｎ２である。出力信号Ｖｏｕｔ１に重畳されたリップル成分Ｖｏｕｔ１_{ｒｉｐｐｌｅ}は、入力信号Ｖｉｎ２に含まれるＶｉｎ２_{ｒｉｐｐｌｅ}として増幅器１０２の反転入力端子１３２へ入力される。

一方、増幅器１０２は、非反転入力端子に、基準電圧Ｖ２を入力する。この基準電圧Ｖ２に含まれるリップル成分Ｖ２_{ｒｉｐｐｌｅ}は、電源電圧ＶＤＤのリップル成分をＶＤＤ_{ｒｉｐｐｌｅ}とし、数式（１）を考慮して次式（６）で表される。
Ｖ２_{ｒｉｐｐｌｅ} ＝ ＶＤＤ_{ｒｉｐｐｌｅ}×（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３） ・・・（６）

増幅器１０２は、基準電圧Ｖ２を用いて入力信号Ｖｉｎ２を増幅して出力信号Ｖｏｕｔ２を出力する。増幅器１０２の出力信号Ｖｏｕｔ２に含まれるリップル成分Ｖｏｕｔ２_{ｒｉｐｐｌｅ}は、数式（４）及び数式（６）を考慮して、次式（７）で表される。
Ｖｏｕｔ２_{ｒｉｐｐｌｅ}
＝（１＋Ｃ３／Ｃ４）×Ｖ２_{ｒｉｐｐｌｅ}−Ｃ３／Ｃ４×Ｖｏｕｔ１_{ｒｉｐｐｌｅ}
＝（１＋Ｃ３／Ｃ４）×ＶＤＤ_{ｒｉｐｐｌｅ}×（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）−Ｃ３／Ｃ４×Ｖｏｕｔ１_{ｒｉｐｐｌｅ} ・・・（７）

数式（７）は、増幅器１０２の出力信号に重畳されるリップル成分Ｖｏｕｒ２_{ｒｉｐｐｌｅ}は、増幅器１０２に入力される基準電圧Ｖ２のリップル成分と増幅器１０１の出力信号Ｖｏｕｔ１のリップル成分とにより抑制できることを示している。増幅器１０２に入力される出力信号Ｖｏｕｔ１のリップル成分Ｖｏｕｔ１_{ｒｉｐｐｌｅ}と基準電圧Ｖ２が含むリップル成分Ｖ２_{ｒｉｐｐｌｅ}とが同相になるように回路素子や配線のパラメータを調整すれば、増幅器１０２は、増幅器１０１の出力信号Ｖｏｕｔ１に含まれるリップル成分Ｖｏｕｔ１_{ｒｉｐｐｌｅ}により、増幅器１０２の基準電圧Ｖ２に含まれるリップル成分Ｖ２_{ｒｉｐｐｌｅ}を抑制することができる。

基準電圧Ｖ２のリップル成分及び増幅器１０１の出力信号Ｖｏｕｔ１のリップル成分は、増幅器１０１及び１０２の増幅率と基準電圧Ｖ１及びＶ２に基づいて決定される。つまり、バイアス回路２００の抵抗２０１、２０２、２０３の抵抗値Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、及び増幅回路１００のキャパシタ１２０、１２１、１２２、１２３の容量Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４を適切に設定することにより、出力信号Ｖｏｕｔ２のリップル成分を抑制することができる。図３は、リップル成分Ｖ２_{ｒｉｐｐｌｅ}によりリップル成分Ｖｏｕｔ１_{ｒｉｐｐｌｅ}が抑制されたＶｏｕｔ２のＤＣ成分を示している。

特に、増幅器１０１の出力信号Ｖｏｕｔ１のリップル成分Ｖｏｕｔ１_{ｒｉｐｐｌｅ}が、次式（８）となるように増幅器１０１を設定することにより、出力信号Ｖｏｕｔ２のリップル成分Ｖｏｕｔ２_{ｒｉｐｐｌｅ}を最小限に抑制することができる。
Ｖｏｕｔ１_{ｒｉｐｐｌｅ}＝ （１＋Ｃ４／Ｃ３）×（ＶＤＤ_{ｒｉｐｐｌｅ}×（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３） ・・・（８）

本実施形態の電圧増幅装置では、増幅器１０１及び１０２が、単一の電源電圧ＶＤＤから分圧された基準電圧を用いて入力信号を増幅する。増幅器１０１の出力信号Ｖｏｕｔ１は、リップル成分Ｖｏｕｔ１_{ｒｉｐｐｌｅ}を含んでいる。増幅器１０２の反転入力端子１３２に印加されるリップル成分Ｖｏｕｔ１_{ｒｉｐｐｌｅ}と非反転入力端子に印加される基準電圧Ｖ２が含むリップル成分Ｖ２_{ｒｉｐｐｌｅ}とが、同相になるように回路素子や配線のパラメータを調整する。増幅器１０２は、増幅器１０１の出力信号Ｖｏｕｔ１に含まれるリップル成分Ｖｏｕｔ１_{ｒｉｐｐｌｅ}により、増幅器１０２の基準電圧Ｖ２に含まれるリップル成分Ｖ２_{ｒｉｐｐｌｅ}を抑制することができる。このように、初段の増幅器１０１では出力信号Ｖｏｕｔ１にリップル成分Ｖｏｕｔ１_{ｒｉｐｐｌｅ}が重畳されており、後段の増幅器１０２にリップル成分Ｖｏｕｔ１_{ｒｉｐｐｌｅ}とリップル成分Ｖ２_{ｒｉｐｐｌｅ}とが重畳された信号を入力して増幅することにより、電圧増幅装置の出力段である増幅器１０２の出力信号Ｖｏｕｔ２においてリップル成分が抑制された出力信号Ｖｏｕｔ２を出力する。各増幅段の出力信号においてリップル成分を抑制する必要がないため、使用する素子の数が少なくなる。そのため、回路規模を抑えることが可能となり、回路面積の縮小を可能にし、また、回路設計に係るパラメータ調整の複雑さや労力を削減することが可能である。

なお、本実施形態において、増幅器１０１の基準電圧Ｖ１と増幅器１０２の基準電圧Ｖ２とは電位が異なる。また、基準電圧Ｖ１は基準電圧Ｖ２より電位が低い。これは、増幅器１０１が、基準電圧Ｖ１のリップル成分を増幅して増幅器１０２へ出力するためである。しかし、必ずしも、増幅器１０１の基準電圧Ｖ１が増幅器１０２の基準電圧Ｖ２より電位が低い必要はない。増幅回路１００のキャパシタの容量やバイアス回路２００の抵抗の抵抗値を適切に設定することにより、増幅器１０１と増幅器１０２の基準電位が逆転したとしても、増幅器１０２の出力信号Ｖｏｕｔ２のリップル成分を抑制することは可能である。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態における電圧増幅装置の説明を行う。

図４は、本実施形態における電圧増幅装置の構成を示す図である。本実施形態の電圧増幅装置は、増幅回路１００ａとバイアス回路２００ａとを備える。本実施形態の電圧増幅装置は、第１の実施形態の電圧増幅装置と同様の構成を含む。そのため、構成が異なる部分を中心に説明を行い、同様の構成については説明を省略する。

本実施形態のバイアス回路２００ａは、第１の実施形態の構成に加えて、抵抗２０４とバッファ２１２とをさらに備える。バイアス回路２００ａは、電源電圧ＶＤＤが印加される電源端子と接地端子ＧＮＤとの間に抵抗２０１、２０２、２０３、２０４が直列に接続された構成である。抵抗２０１、２０２、２０３、２０４により基準電圧Ｖ１、Ｖ２に加えてさらにＶ３が分圧される。

抵抗２０３と抵抗２０４との接続点２２２は、バッファ２１２の入力端子と接続される。バッファ２１２は、ボルテージフォロアである。バッファ２１２の出力端子は、増幅回路１００ａの非反転増幅器１０３の非反転入力端子１３６と接続される。バッファ２１２は、位相調整用に設けられる。そのため、必ずしもバッファ２１２が設けられなくとも良い。

基準電圧Ｖ３は、接続点２２２から分圧される。基準電圧Ｖ３は、電源電圧ＶＤＤ、抵抗２０１、抵抗２０２、抵抗２０３、抵抗２０４の抵抗値をそれぞれＲ３、Ｒ２、Ｒ１、Ｒ４として、次式（９）で表される。
Ｖ３ ＝ ＶＤＤ×Ｒ４／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４） ・・・（９）

本実施形態の増幅回路１００ａは、第１の実施形態の構成に加え、増幅器１０３をさらに備える。増幅器１０３は、非反転増幅器である。増幅器１０３は、反転入力端子１３４と、非反転入力端子１３６と、出力端子１３５とを備える。増幅器１０３は、出力端子１３５と反転入力端子１３４との間にキャパシタ１２５を備える。増幅器１０３の反転入力端子１３４は、キャパシタ１２６を介して接地電位と接続される。増幅器１０３の非反転入力端子１３６は、さらに、バッファ１１０とキャパシタ１２４とを介して入力端子と接続される。増幅器１０３の非反転入力端子１３６は、スイッチＳＷ４を介して、バイアス回路２００ａのバッファ２１２の出力端子と接続される。スイッチＳＷ４には、クランプパルス信号ＣＬＰ２が印加される。

増幅器１０３は、反転入力端子１３４と出力端子１３５との間に初期電位設定パルス信号ＣＬＰを印加される。増幅器１０３は、初期電位設定パルス信号ＣＬＰにより初期電位を決定される。増幅器１０３の利得は、キャパシタ１２６とキャパシタ１２５の容量比で決定される。

このような構成による本実施形態における電圧増幅装置の動作を説明する。図５は、本実施形態におけるクランプパルス信号ＣＬＰ２と入力信号Ｖｉｎ３との関係を示す図である。

基準電圧Ｖ３は、電源電圧ＶＤＤから分圧されているため、電源電圧ＶＤＤの含むリップル成分を分圧された比率に応じて含んでいる。基準電圧Ｖ３に含まれるリップル成分Ｖ３_{ｒｉｐｐｌｅ}は、電源電圧ＶＤＤのリップル成分をＶＤＤ_{ｒｉｐｐｌｅ}として次式（１０）で表される。
Ｖ３_{ｒｉｐｐｌｅ} ＝ ＶＤＤ_{ｒｉｐｐｌｅ}×Ｒ４／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４） ・・・（１０）

スイッチＳＷ４は、クランプパルス信号ＣＬＰ２により制御される。クランプパルス信号ＣＬＰ２は、入力信号の１ビットに同期している。入力信号Ｖｉｎ３は、クランプパルス信号ＣＬＰ２により、１ビット毎に基準電圧Ｖ３にクランプされて、非反転入力端子１３６へ入力される。

増幅器１０３は、基準電圧Ｖ３にクランプされた入力信号Ｖｉｎ３を利得に応じて増幅して、出力信号Ｖｏｕｔ３として出力端子１３５へ出力する。本実施形態において、出力信号Ｖｏｕｔ３＝入力信号Ｖｉｎ１である。本実施形態における増幅器１０１の反転入力端子１３０への入力信号は、増幅された基準電圧Ｖ３のリップル成分が重畳された信号となる。

増幅器１０１は、基準電圧Ｖ１を用いて入力信号Ｖｉｎ１を増幅する。本実施形態における基準電圧Ｖ１に含まれるリップル成分Ｖ１_{ｒｉｐｐｌｅ}は、電源電圧ＶＤＤのリップル成分をＶＤＤ_{ｒｉｐｐｌｅ}として次式（１１）で表される。
Ｖ１_{ｒｉｐｐｌｅ} ＝ ＶＤＤ_{ｒｉｐｐｌｅ}×（Ｒ１＋Ｒ４）／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４） ・・・（１１）
増幅器１０１の出力信号Ｖｏｕｔ１は、基準電圧Ｖ１に含まれるリップル成分Ｖ１_{ｒｉｐｐｌｅ}とＶｉｎ１（＝Ｖｏｕｔ３）に重畳された基準電圧Ｖ３のリップル成分Ｖ３_{ｒｉｐｐｌｅ}とによるリップル成分が重畳された信号となる。また、出力信号Ｖｏｕｔ１＝入力信号Ｖｉｎ２である。そのため、出力信号Ｖｏｕｔ１に重畳されたリップル成分Ｖｏｕｔ１_{ｒｉｐｐｌｅ}が、入力信号Ｖｉｎ２に含まれるＶｉｎ２_{ｒｉｐｐｌｅ}として増幅器１０２の反転入力端子１３２へ入力される。

増幅器１０２は、非反転入力端子に基準電圧Ｖ２を入力する。本実施形態において基準電圧Ｖ２に含まれるリップル成分Ｖ２_{ｒｉｐｐｌｅ}は、電源電圧ＶＤＤのリップル成分をＶＤＤ_{ｒｉｐｐｌｅ}とし、次式（１２）で表される。
Ｖ２_{ｒｉｐｐｌｅ} ＝ ＶＤＤ_{ｒｉｐｐｌｅ}×（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ４）／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４） ・・・（１２）

増幅器１０２は、基準電圧Ｖ２を用いて入力信号Ｖｉｎ２を増幅する。増幅器１０２の出力信号Ｖｏｕｔ２に含まれるリップル成分Ｖｏｕｔ２_{ｒｉｐｐｌｅ}は、次式（１３）で表される。
Ｖｏｕｔ２_{ｒｉｐｐｌｅ}
＝（１＋Ｃ３／Ｃ４）×Ｖ２_{ｒｉｐｐｌｅ}−Ｃ３／Ｃ４×Ｖｏｕｔ１_{ｒｉｐｐｌｅ}
＝（１＋Ｃ３／Ｃ４）×ＶＤＤ_{ｒｉｐｐｌｅ}×（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ４）／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４）−Ｃ３／Ｃ４×Ｖｏｕｔ１_{ｒｉｐｐｌｅ} ・・・（１３）

数式（１３）は、第１の実施形態の数式（７）と同様に、増幅器１０２の出力信号Ｖｏｕｔ２に重畳されるリップル成分Ｖｏｕｔ２_{ｒｉｐｐｌｅ}は、増幅器１０２に入力される基準電圧Ｖ２のリップル成分Ｖ２_{ｒｉｐｐｌｅ}と増幅器１０１の出力信号Ｖｏｕｔ１のリップル成分Ｖｏｕｔ１_{ｒｉｐｐｌｅ}により抑制できることを示している。つまり、バイアス回路２００ａの抵抗の抵抗値と、増幅回路１００ａのキャパシタの容量を適切に設定することにより、出力信号Ｖｏｕｔ２のリップル成分Ｖｏｕｔ２_{ｒｉｐｐｌｅ}を抑制することができる。なお、数式（１３）において、基準電圧Ｖ２のリップル成分Ｖ２_{ｒｉｐｐｌｅ}と出力信号Ｖｏｕｔ１のリップル成分Ｖｏｕｔ１_{ｒｉｐｐｌｅ}とは同相である。

特に、増幅器１０１の出力信号Ｖｏｕｔ１（＝入力信号Ｖｉｎ２）のリップル成分Ｖｏｕｔ１_{ｒｉｐｐｌｅ}が、次式（１４）となるように増幅器１０１を設定することにより、出力信号Ｖｏｕｔ２のリップル成分Ｖｏｕｔ２_{ｒｉｐｐｌｅ}をより効果的に抑制することができる。
Ｖｏｕｔ１_{ｒｉｐｐｌｅ}＝ （１＋Ｃ４／Ｃ３）×ＶＤＤ_{ｒｉｐｐｌｅ}×（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ４）／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４） ・・・（１４）

本実施形態の電圧増幅装置は、より高いゲイン設定を行いたい場合に、さらに多数の増幅段で構成した場合でも、増幅器１０２に入力される基準電圧Ｖ２のリップル成分と増幅器１０１の出力信号Ｖｏｕｔ１のリップル成分とを調整することにより、増幅器１０２の出力信号Ｖｏｕｔ２のリップル成分を抑制することができる。増幅器１０３や増幅器１０１のような各増幅段の出力信号においてリップル成分を抑制しないため使用する素子の数が少なく、回路規模を抑えることができる。そのため、回路面積の縮小が可能であり、また、回路設計に係る労力を削減することも可能である。

本実施形態では、増幅器１０３を追加した場合を説明している。しかし、さらに多段の増幅段を追加した場合についても同様である。つまり、少なくとも一つの増幅器を備えた増幅回路部が追加されたと考えることができる。その場合、各増幅段の増幅器は、増幅器１０１〜１０３と同じ電源であるバイアス回路２００の電源電圧ＶＤＤから基準電圧を分圧する。また、増幅器１０１は、電源電圧のリップル成分が重畳された信号を入力信号として入力することとなる。なお、本実施形態のように非反転増幅回路を適用する場合には、非反転入力端子のクランプパルス信号ＣＬＰ２が電源電圧ＶＤＤのリップル成分の周期と比べて十分に短い周期であることが必要である。本実施の形態においては、途中の増幅段の増幅器１０１の入力においては、入力信号のリップル成分Ｖｏｕｔ３_{ｒｉｐｐｌｅ}と基準電圧Ｖ１のリップル成分Ｖ１_{ｒｉｐｐｌｅ}とは、同相かどうかは不問である。必要なことは、最終増幅段の増幅器１０２の入力において、入力信号のリップル成分Ｖｏｕｔ１_{ｒｉｐｐｌｅ}と基準電圧Ｖ２のリップル成分Ｖ２_{ｒｉｐｐｌｅ}とが同相であることである。途中の増幅段の増幅器において、電源電圧のリップル成分に依存したリップル成分を含む出力信号が生成され、最終段の増幅器の入力において、入力信号（前段の出力信号）のリップル成分と電源電圧のリップル成分に依存した基準電圧のリップル成分とが同相となるように入力することで、最終段の増幅器から出力される出力信号に含まれるリップル成分（電源電圧のリップル成分に依存したリップル成分）を抑制することができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態における電圧増幅装置の説明を行う。

図６は、本実施形態における電圧増幅装置の構成を示す図である。本発明の電圧増幅装置は、第１の実施形態と同様に、増幅回路１００ｂとバイアス回路２００とを備え、さらに位相調整回路３００を備える。本実施形態の増幅回路１００ｂとバイアス回路２００は、第１の実施形態の電圧増幅装置とほぼ同様である。そのため、構成が異なる部分を中心に説明を行う。

本発明の電圧増幅装置では、第１の実施形態の数式（７）で説明を行ったように、増幅器１０１の出力信号Ｖｏｕｔ１のリップル成分の位相と基準電圧Ｖ２のリップル成分の位相とが同相であることが好ましい。しかし、回路の設計上の理由等により、増幅回路１００ｂを構成する増幅器１０１と増幅器１０２との位置が、離れて設けられたような場合がある。このような場合には、図６に示すように、配線の寄生容量及び寄生抵抗１５０が無視できないレベルとなる場合がある。

そのため、本実施形態では、位相調整回路３００を設けて、出力信号Ｖｏｕｔ１のリップル成分の位相と基準電圧Ｖ２のリップル成分の位相とが同相となるように構成される。位相調整回路３００は、バイアス回路２００と増幅器１０２との間に限らず、バイアス回路２００と増幅器１０１との間、あるいは第１の実施形態で示したように、入力端子と増幅器１０１との間に設けられても良い。位相調整回路３００は、バッファ３０１、３０２を備える。また、図４に示した電圧増幅装置においても、位置調整回路３００を設けた構成としてもよい。しかし、これはあくまで一例であり、両信号の位相を調整することができればこの構成に限定はしない。

以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施の形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更を行うことができる。

１ 非反転入力端子
２ 入力バイアス端
３ 反転入力端
４ 出力端
５ ５’ 電源端
６ 共通端子
７、８、９、１０、１１ 抵抗
１２、１３ コンデンサ
１４ 差動増幅器
１４’ 同相増幅器
１００、１００ａ、１００ｂ 電圧増幅回路
１０１、１０２ 反転増幅器
１０３ 非反転増幅器
１１０、１１１ バッファ
１２０、１２１、１２２、１２３、１２４、１２５、１２６ キャパシタ
１３０、１３２、１３４ 反転入力端子
１３１、１３３、１３５ 出力端子
１３６ 非反転入力端子
１５０ 寄生抵抗及び寄生容量
２００、２００ａ バイアス回路
２０１、２０２、２０３、２０４ 抵抗
２１０、２１１、２１２ バッファ
２２０、２２１、２２２ 接続点
３００ 位相調整回路
３０１、３０２ バッファ

Claims (12)

1. 一の電源電圧から第一、第二基準電圧を生成するバイアス回路と、
   前記第一、第二基準電圧は、前記電源電圧のリップル成分を含み、
   前記第一基準電圧を用いて入力信号を増幅して第一出力信号を出力する第一増幅器と、
   前記第二基準電圧を用いて前記第一出力信号を増幅して第二出力信号を出力する第二増幅器と
   を備え、
   前記第二増幅器は、互いに同相である前記第一出力信号が含むリップル成分と前記第二基準電圧が含むリップル成分とを入力して、前記第二基準電圧が含むリップル成分を前記第一出力信号が含むリップル成分により抑制する
   電圧増幅装置。
2. 請求項１に記載の電圧増幅装置であって、
   前記第一出力信号が含むリップル成分と前記第二基準電圧が含むリップル成分とは、前記第一、第二増幅器の増幅率と前記第一、第二基準電圧とに基づいて決定される
   電圧増幅装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の電圧増幅装置であって、
   前記第一基準電圧と前記第二基準電圧とは電位が異なる
   電圧増幅装置。
4. 請求項３に記載の電圧増幅装置であって、
   第一基準電圧は、第二基準電圧より電位が低い
   電圧増幅装置。
5. 請求項１から請求項４までのいずれかに記載の電圧増幅装置であって、
   前記バイアス回路は、前記電源電圧が印加される端子間に複数の分圧素子が直列に接続された構成であり、
   前記第一、第二基準電圧は、前記端子間の異なる二点から取り出される
   電圧増幅装置。
6. 請求項５に記載の電圧増幅装置であって、
   前記複数の分圧素子は、第一から第三の抵抗であり、
   前記第一基準電圧は、前記第一、第二の抵抗の接続点から取り出され、
   前記第二基準電圧は、前記第二、第三の抵抗の接続点から取り出される
   電圧増幅装置。
7. 請求項１から請求項６までのいずれかに記載の電圧増幅装置であって、
   前記第一、第二増幅器は、反転増幅器である
   電圧増幅装置。
8. 請求項１から請求項７までのいずれかに記載の電圧増幅装置であって、
   前記第一増幅器は、
   出力端子と反転入力端子との間に設けられた第一キャパシタと、
   前記入力信号の入力と前記反転入力端子との間に設けられた第二キャパシタと
   を備え、
   前記第一増幅器の増幅率は、前記第一、第二キャパシタの容量比で決定され、
   前記第二増幅器は、
   出力端子と反転入力端子との間に設けられた第三キャパシタと、
   前記第一増幅器の出力端子と前記第二増幅器の反転入力端子間に設けられた第四キャパシタと
   を備え、
   前記第二増幅器の増幅率は、前記第三、第四キャパシタの容量比で決定される
   電圧増幅装置。
9. 請求項１から請求項８までのいずれかに記載の電圧増幅装置であって、
   前記バイアス回路と前記第一増幅器との間、前記バイアス回路前記第二増幅器との間、あるいは前記入力信号の入力と前記第一増幅器との間のうち少なくともいずれかに位相を調整するバッファを設けた
   電圧増幅装置。
10. 請求項１から請求項９までのいずれかに記載の電圧増幅装置であって、
    前記第一増幅器は、前記電源電圧のリップル成分が重畳された第三出力信号を前記入力信号として入力する
    電圧増幅装置。
11. 請求項１０に記載の電圧増幅装置であって、
    前記入力信号を入力して前記第三出力信号を出力する増幅回路部をさらに備え、
    前記増幅回路部は、少なくとも一つの増幅器を備え、
    前記少なくとも一つの増幅器は、前段に設けられた増幅器の出力が入力となるように接続され、
    前記バイアス回路は、前記少なくとも一つの増幅器に対応する少なくとも一つの基準電圧を前記電源電圧からさらに分圧して、
    前記少なくとも一つの基準電圧は、前記電源電圧のリップル成分を含み
    前記少なくとも一つの増幅器は、対応する前記少なくとも一つの基準電圧を用いて前記前段の出力信号を増幅する
    電圧増幅装置。
12. 電圧増幅装置における電圧増幅方法であって、
    前記電圧増幅装置は、バイアス回路と、第一増幅器と、第二増幅器とを備え、
    前記電圧増幅方法は、
    一の電源電圧から第一、第二基準電圧を生成するステップと、
    前記第一、第二基準電圧は、前記電源電圧のリップル成分を含み、
    前記第一基準電圧を用いて入力信号を増幅して第一出力信号を出力するステップと、
    前記第二基準電圧を用いて前記第一出力信号を増幅して第二出力信号を出力するステップと
    を備え、
    前記第一出力信号は、前記第一基準電圧が含むリップル成分に依存したリップル成分を含み、
    前記第二出力信号を出力するステップは、
    前記第一出力信号が含むリップル成分と前記第二基準電圧が含むリップル成分とが、互いに同相となるように入力される
    電圧増幅方法。

Images