JPH03181212A - オフセット補償回路 - 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、演算増幅器（以下オペアンプと記載ン０ｐｅ
ｒａｔｉｏｎａｌ　　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を用いた回
路−のオフセット補償回路に係り、特にスイッチトキャ
パシタ（以下ＳＣと記載）フィルタ回路に好適なオフセ
ット補償回路に関するものである。

［従来の払術］ トランジスタ等の能動素子の多くは、その特ｔ′が温度
に敏感であるため、素子温度の変動にょ一出力の直流レ
ベルが変動する。無人力時に増幅ω路の出力端子に現わ
れる直流成分をオフセットという。

例えば、オペアンプに関して、理想的なオペアンプでは
、入力電圧をゼロにすると、出力も当たゼロとなる。し
かし、実際のオペアンプでは、３カをゼロとしても出力
は完今にゼロにはならず、直流電圧が出力端子に生じる
ことがある。このよつな場合、出力を直流的にゼロにす
るためには、入力端ｆに、予め、直流電圧を加えておが
なけわばならない。この入力に加えるべき直流電圧をス
カオフセット電圧という。

オペアンプは、当初アナログコンピュータの演算用高利
得増幅器の呼称であったが、モノシリツク集積回路オペ
アンプが開発されるにおよび、極めて融通性のある有力
な回路素子として急速にその応用範囲が拡大し、代表的
リニア集積回路となるにいたっている。

第５図は、オペアンプのオフセット調整方法を示す回路
図である。

抵抗Ｒ，，Ｒ，と、可変抵抗Ｒ０そしてキャパシタＣ１
をオフセットヌル端子に接続して構成され、実用的で簡
易な調整方法である。

出力端子（○ｔＪＴ）にオフセットがあれば、可変抵抗
Ｒ，の抵抗値を変化させ、適宜な入力オフセット電圧を
かけることにより、出力オフセット電圧を抑える。

このようなオペアンプに関しては、藤井信生著「演算増
幅回路の設計ノ（度盛出版（株）発行）のＰ、６０、お
よびＰＰ、６６〜７２に記載されている。

現在、このオペアンプを利用した回路には様々のものが
ある。例えば、アクティブフィルタや、ＳＣフィルタ回
路である。

フィルタは、希望する周波数帯のみの電力だけを通過さ
せ、他の周波数帯の電力を通過させないような周波数選
択性を持った伝送回路網である。

フィルタは、その要求する特性により、広域フィルタ、
低域フィルタ、帯域フィルタ、帯域消去フィルタ等に分
けられる。

フィルタは、通常、コイル（Ｌ）、コンデンサ（Ｃ）、
および、抵抗（Ｒ）で構成されるが、コイルは形状が大
きく、特に低周波においては、鉄心等を利用するため、
特性の良いコイルの実現が困難である。また、コイルは
集積回路（Ｉ　Ｃ）化が困難であることもＬＣＲフィル
タの大きな欠点であるコイルを使用せずに、抵抗および
コンデンサだけで、フィルタを構成することが出来るが
、ＬＣＲフィルタに比較して特性が悪く、特別な場合を
除いては、あまり使用されていない。

このＲＣフィルタに能動素子（トランジスタ、オペアン
プ等）を加えた、いわゆるアクティブフィルタは、ＬＣ
Ｒフィルタの特性と同一の特性が得られ乙ばかりでなく
、ＬＣＲフィルタでは実現が困難な特性をも、アクティ
ブフィルタで構成できる。

一方、キャパシタ（容量）、オペアンプを用いて所望の
フィルタ特性を実現するＳＣフィルタがある。ＳＣフィ
ルタ回路に関しては、電子情報通信学会編「電子情報通
信ハンドブック」のＰＰ。

２７１〜２７４に記載されている。

ＳＣ回路は、キャパシタと、周期的に開閉するスイッチ
、および、電圧制御電圧源とがら構成される。

電圧制御電圧源は、通常、オペアンプで実現される。実
際のＳＣ回路の応答は過渡応答であるが、スイッチの開
閉は、回路応答が定常状態に達した後で行なうという条
件を課すことにより、定常状態だけに着目した解析が可
能である。これは、抵抗がＯで、電荷が瞬時に移動する
ことと等価である。

第６図は、ＳＣ集積回路におけるＣ　Ｍ　ＯＳ形アナロ
グスイッチの構成を示す回路図である。

制御クロックの位相に伴い、半周期ごとに、ｎＭＯＳと
ｐＭＯｓにより端子Ａ、Ｂがつながる。

スイッチの開閉により、次の状態に伝達される情報は、
スイッチが開く直前にキャパシタに蓄積されていた電荷
、または、等価的な電圧である。

スイッチの開閉を制御する信号をクロックと呼ぶ。クロ
ックの高レベル（１）、低レベル（０）でスイッチが開
閉する。クロックの状態が（φ、、φ、）（１，Ｏ）、
（ｏ、＋）の２通りある場合は２相クロツク、あるいは
、２相ＳＣ回路と呼ばれる。クロック波形には、スイッ
チの応答時間を考慮して（φ１．φ、）＝（０，０）の
区間が設けられている。

また、ＳＣフィルタを集積回路化したＳＣ集積回路は、
アナログフィルタ回路を、理想スイッチ、キャパシタ（
容量）、および、オペアンプを用いて実現する方法であ
り、フィルタ定数がキャパシタの相対比、および、スイ
ッチ駆動のパルスの周期だけによって決定され、数百ｎ
ｓから数ｍｓまでの広い範囲にわたる時定数を実現でき
るため、フィルタ機能の集積化に適した回路方式である
。

このような、一般的なＳＣ回路においては、入力端子に
入力が無い場合でも、出力端子に直流オフセットが発生
する。

このような、オフセットを補償するものとしては、特開
昭６１−１９−６６１２珍公報に記載の「スイッチキャ
パシタフィルりのオフセット自動補償回路Ｊがある。こ
れは、遮断周波数が信号成分より充分に低いローパスフ
ィルタ（オフセット電圧検出回路）、および、加算回路
を設けることにより、抽出したオフセット電圧とフィル
タの出力とを前向き、または、後向きに合成することに
より、素子の初期値偏差、および、変動に対しての影響
を受けに＜＜シて、オフセット電圧を低減するものであ
る。

また、　　ｒＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎ　　Ｊ　、、
　１３．　＋　９８２　ＪのＰＰ３７〜４０に記載のＧ
　ｒｅｇｏｒｉａｎ　　Ｒ、著ｒＡｎ　　０ｆＴｓｅｔ
−ｆｒｅｅ　　５ｗ１ｔｃｅｄ　　Ｃａｐａｃｉｔｏｒ
ＢｉｑｕａｄＪでは、オペアンプの入力オフセットに起
因する、ＳＣフィルタの出力オフセットを低減する方法
が記載されている。。

また、藤井信生著「演算増幅回路の設計」　（度盛出版
（株）発行）のＰ、６０、およびＰ、Ｐ、６６〜７２に
おいては、第５図に示したオペアンプ単体のオフセット
調整方法が記載されている。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、ＳＣフィルタ回路においては、入力端子に直流
オフセットが無い場合でも、出力端子に直流オフセット
が発生する。これは、主に、オペアンプの入力オフセッ
ト電圧、および、ＳＣ回路に用いられるスイッチを介し
たクロックフィールドスルー成分が、オペアンプの入力
側に乗ることに起因する。この時の出力端子に発生する
直流オフセット電圧の大きさは、スイッチの大きさ、お
よび、ＳＣの大きさにより、大きく異なる。

従来の技術におけるＳＣフィルタのオフセット補償回路
として、例えば、特開昭６１−１９６６１２号公報に記
載のものがある。これは、出力信号を時定数の非常に大
きなローパスフィルタに通して直流オフセット成分を抽
出し、これをフィードバックして合成することにより、
出力の直流オフセット電圧を低減するものである。しか
し、このように、時定数が非常に大きなローパスフィル
タを作るためには、大きな面積が必要であり、集積化が
困難である。

また、ｒ　Ｍ　１ｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｊや藤井信
生著「演算増幅回路の設計」で示された回路構成は、オ
ペアンプの入力オフセットに起因する出力オフセット電
圧の低減には有効であるが、スイッチトキャパシタ回路
の出力オフセットの、もう一つの主な発生原因であるク
ロックのフィールドスルーを含む、他の原因により発生
する出力オフセット電圧は低減出来ない。

本発明の目的は、これら従来技術の課題を解決し、経済
的に実現可能な面積で、原因の種類に係らず、出力の直
流オフセット電圧を調整することを可能とするオフセッ
ト補償回路を提供することである。

〔課題を解決するための手段１ 上記目的を達成するため、本発明のオフセット補償回路
は、（１）オペアンプの入力端子にオフセット調整用の
直流電圧を供給する直流基準電源を設けたことを特徴と
する。

また、（２）上記＜１）に記載のオフセット補償回路に
おいて、直流基準電源はトリミング調整可能な抵抗によ
る分圧回路で構成され、この分圧回路の調整によりオフ
セット調整用の直流電圧を供給することを特徴とする。

また、（３）上記（１）に記載のオフセット補償回路に
おいて、回路網はスイッチトキャバシタフィルタ回路で
あり、直流基？ＦＩｆｆｌ源に入力用スイッチトキャパ
シタを付与し、この入力用スイッチトキャパシタを介し
てオフセット調整用の直流電圧を供給することを特徴と
する。

また、（４）上記（３）に記載のオフセット補償回路に
おいて、スイッチトキャパシタフィルタ回路は半導体集
積回路により構成され、かつ、直流基準電源はトリミン
グ調整可能な抵抗による分圧回路により構成され、この
直流基準電源は、半導体集積回路内、もしくは、半導体
集積回路外に設けられることを特徴とする。

そして、（５）上記（３）に記載のオフセット補償回路
において、人力用スイッチトキャバシタを計算機のプロ
グラムに基づき構成、もしくは、容量素子のトリミング
により構成することを特徴とする。

〔作用〕

本発明においては、オペアンプからなる回路で、オフセ
ットがある場合には、オフセット出力値に合わせて、直
流基準電源からオペアンプへの入力型１ｒ、値を調整す
る。この場合、直流基準電源をトリミング調整可能な抵
抗等による分圧回路で構成し、直流基準電源の出力をオ
フセットに合わせて変化させ、オフセットを調整する。

また、スイッチトキャパシタフイルタ回路におけるオフ
セットに対しては、直流基準電源に入力用スイッチトキ
ャパシタを付与して、この人力用スイッチトキャパシタ
を介し、オフセット調整用の直流電圧を供給する。この
場合、直流基＊を源の出力値の調整することにより、あ
るいは、直流基＊［源の出力値は一定として、入力用ス
イッチトキャバシタを、計算機のプログラムに基づき構
成、もしくは、容量素子のトリミングにより構成し、こ
の入力用スイッチトキャパシタの容量を変化させて、オ
ペアンプへの入力値を変えて、オフセット調整する。

［実施例１ 以下本発明の実施例を、図面により詳細に説明する。

第１図は、本発明を施したオフセット補償回路の一実施
例を示す回路図である。

一般的なＳＣ回路による１次ローパスフィルタ０に、本
発明である基中電圧源ｌ（以下Ｖ（ｒｅｒ）１と記載）
を入力ＳＣ５を介して入力した構成となっている。すな
わち、１次ローパスフィルタ９は、オペアンプ８にＳＣ
４，６、そして、キャパシタＣ，を付与して、入力端子
１１と出力端子１２を介して外部回路と接続される構成
となっている。

そして、出力端子１２の直流オフセット電圧補償用のＶ
　（ｒｅｆ）　ｌは、スイッチＳ、と、このスイッチＳ
　と逆相のスイッチＳ８、および、入力ＳＣ５を介して
、オペアンプ８に入力される。また、ＳＣ・１とＳＣ６
には、人力ＳＣ５と同様に、それぞれ、スイッチＳ　と
Ｓ、が設けられている。

１次ローパスフィルタ９の入力端子１１には、アナログ
信号が入力される。このアナログ信号は、スイッチトキ
ャパシタ４を介して、２相（φ、。

φ、）のクロックにより制御されるスイッチＳ１とＳｌ
の「１」、「Ｏ」のタイミングでオペアンプ８に入力さ
れ、そして、オペアンプ８により増幅されて、出力端子
１２に出力される。

ＳＣ６とキャパシタＣ０は、オペアンプ８の負帰還回路
をなすものであり、オペアンプ８の増幅率を低減し、動
作を安定させるものである。

この１次ローパスフィルタ９は、キャパシタの相対比、
および、スイッチ駆動のパルスの周期だけによって決定
されたフィルタ定数を持つ。このフィルタ定数に基づき
、ある周波数以下の周波数のみを増幅して出力する。

しかし、この１次ローパスフィルタ９において、入力端
子１１に入力が無い場合でも、出力端子１２には、通常
、直流オフセットが発生する。

それは、主に、オペアンプ８の人力オフセット電圧、お
よび、スイッチＳ１とＳ、を介したクロツクツイールド
スルー成分がオペアンプ８の反転入力側に乗ることに起
因する。また、出力端子１２に発生する直流オフセット
電圧の大きさは、スイッチＳ、とＳｌの大きさ、および
、ＳＣ４，６と、キャパシタＣ０の大きさにより、大き
く異なる。

Ｖ（ｒｅｆ）ｌは、その出力を変化させることが出来る
。そして、１次ローフィルタ９の出力端子Ｉ２の直流オ
フセット電圧の大きさに応じて、Ｖ［ｒｅｆ）ｌの基？
Ｆ’ｆｉ圧値を調整することにより、ゲイン−周波数特
性を変えずに出力端子１２の直流オフセット電圧値を調
整する。

この時、出力オフセット電圧を必要とする場合にも、直
流オフセット電圧の大きさに応じて、Ｖ（ｒｅｆ）Ｉの
基準電圧値を調整するため、任意の値を得ることが可能
である。

第２図は、第１図における１次ローパスフィルタのゲイ
ン−周波数特性を示す説明図である。

第１図のオペアンプ８は、演算精度を高くするために、
高利得で、さらに、帰還回路を付加している。そのため
に、非常に発振を起こしやすい。

第１図のオペアンプ８は、このような発振を起こさない
周波数特性を持つことが要求される。

第３図は、第１図におけるＶ（ｒｅｆ）の抵抗による構
成を示す回路図である。

第３図（ａ）は、抵抗Ｒ，とＲ４を用いてＶ（ｒｅｆ）
１を実現するものである。この抵抗Ｒ３は、第３図（ｂ
）に示されるＲ、、、　Ｒ，、〜Ｒｎの抵抗から得られ
る。すなわち、単位抵抗ＲＩｌｌ　Ｒａｍ〜Ｒｎを並列
に用意しておき、希望するオフセット値に合うように、
Ｒ１からＲｎまでの抵抗を適宜にカットして得られる。

この時、希望するオフセット値とカットする場所の対応
をさせる計算をプログラミングしたソフトで、オフセッ
ト測定器とレーザーカッターをつなぐことにより、オフ
セット値の測定と抵抗のカットを自動的に行なうことが
出来る。

第１図におけるＳＣ回路を集積回路として実現した場合
には、Ｖ（ｒｅｆ）Ｉの回路を、このような抵抗分圧回
路として集積回路内、または、集積回路外のどちらでも
合わせ込むことが可能である。

第４図は、第１図におけるＶ（ｒｅｆ）のトランジスタ
による構成を示す回路図である。

第４図（ａ）は、しきい値電圧の異なるトランジスタＴ
ｒｉとＴｒ２とにより構成するものであり、第１図にお
けるオペアンプ８への入力を変化させるために、第４図
（ｂ）に示される容量のトリミングを行なう、すなわち
、単位キャパシタＣ，，，Ｃ，っ〜Ｃｎを並列に用意し
ておき、希望するオフセット（直にあうように、Ｃ４□
からＣｎまでのキャパシタを適宜にカットして得られる
。

この時、第３図で説明したものと同様に、希望するオフ
セット値とカットする場所の対応をさせる計算をプログ
ラミングしたソフトで、オフセット測定器とレーザーカ
ッターをつなぐことにより、オフセット値の測定と調整
を自動的に行なうことが出来る。そして、第１図におけ
るＳＣ回路を集積回路として実現した場合には、このよ
うに、トノミング可能なキャパシタとして、集積回路内
、または、集積回路外のどちらにでも合わせ込むことが
可能である。

また、Ｖ（ｒｅｆ）ｌの値を調整せずに、ＳＣ５を変化
させて直流オフセット電圧値を低減する場合、容量素子
としてのＳＣ５を用いずに計算機等を用いて、集積回路
外部からプログラム可能な構成とすることにより、フィ
ルタ９の出力５（ｏｕｔ）の直流オフセット電圧値に応
じて容量（ＳＣ５）の値を調整しても良い。

尚、第１図におけるＶ　（ｒｅｆ）の構成は、第３図、
および、第４図に記載した構成に限られるものでなく、
同様な結果を得られるものであれば良い。

以上、本実施例によれば、直流基準電源を入力すること
で、回路のオフセット電圧を調整しているので、小規模
な回路で大きなレンジのオフセット電圧に対応するＳＣ
フィルタを実現することが出来る。そして、回路の周波
数応答を変えずに、オフセット電圧を調整することが出
来る。

また、直流基準電源を、抵抗による分圧回路で構成する
と、温度変化の影響を受けにくい直流基準電源を任意の
値で作ることが出来る。

更に、ＳＣフィルタ回路が半導体集積回路によリＵｌ成
される場合には、同一チップ上に、オフセット補償回路
を作ることが出来るため、システム全体の小型化が図れ
る。

そして、直流基（ＩＴ：電源の値を固定しても、入力用
のＳＣフィルタをトリミング可能な構成とするか、また
は、集＋／Ｉ　［ｉＤ路郊外部らプログラム可能な構成
とすることにより、出力オフセット電圧値に応じて、容
ｆｆ１（ＳＣ）のイ１αを調整し、オフセット電圧を調
整することが出来る。

また、半専体集積回路外に、オフセット補償回路を備λ
た集会には、トリミング可能な抵抗による分）Ｅｌす１
路を外部に持つため、半１体集積回路をパッケージング
した後にも、抵抗のトリミングによりオフセット電圧を
調整することが出来る。

［発明の効果］ 本発明によれば、経済的に実現可能な面積で、原因の種
頴に係らず、出力の直流オフセット電圧を調整すること
が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を施したオフセット補償回路の一実施例
を示す回路図、第２図は第１図における１次ローパスフ
ィルタのゲイン−周波数特性を示す説明図、第３図は第
１図におけるＶ（ｒｅｆ）の抵抗による構成を示す回路
図、第４図は第１図におけるＶ（ｒｅｆ）のトランジス
タによる構成を示す回路図、第５図はオペアンプのオフ
セット調整方法を示す回路図、第６図はＳＣ集積回路に
おけるＣＭＯ８形アナログスイッチの構成を示す回路図
である。 ］　：　Ｖ（ｒｃｆ）、４　：　ＳＣ，５人力ＳＣ，６
，：ＳＧ、８：オペアンプ、９・１次ローパスフィルタ
、１１・入力端子、１２・出力端子、Ｃ０，Ｃキャパシ
タ、Ｃ４，、Ｃ，、〜Ｃｎ：単位キャパシタ。 Ｒｏ：可変抵抗、Ｒ１〜Ｒ９：抵抗、　Ｒ，、、Ｒ，、
〜Ｒｎ：　１４１位抵抗、Ｓ、、Ｓ、ニア−）−０グス
イツチ。 Ｔｒｌ、　　Ｔｒ２：　トランジスタ。 」 第 図 周波数 第 ３ 図 （ａ） 第 図 （ａ）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）演算増幅器に、能動素子と受動素子とを接続した
   構成からなる回路網に発生するオフセットを調整するオ
   フセット補償回路において、上記演算増幅器の入力端子
   に上記オフセットに対応した直流電圧を供給する直流基
   準電源を設けたことを特徴とするオフセット補償回路。
2. （２）請求項１に記載のオフセット補償回路において、
   上記直流基準電源は抵抗による分圧回路で構成され、該
   抵抗のトリミングにより上記オフセットに対応した直流
   電圧を供給することを特徴とするオフセット補償回路。
3. （３）請求項１に記載のオフセット補償回路において、
   上記回路網はスイッチトキャパシタフィルタ回路であり
   、上記直流基準電源に入力用スイッチトキャパシタを付
   与し、該入力用スイッチトキャパシタを介して上記オフ
   セットに対応した直流電圧を供給することを特徴とする
   オフセット補償回路。
4. （４）請求項３に記載のオフセット補償回路において、
   上記スイッチトキヤパシタフィルタ回路は半導体集積回
   路により構成され、かつ、請求項２に記載の直流基準電
   源を、該半導体集積回路の内部、もしくは、外部に設け
   ることを特徴とするオフセット補償回路。
5. （５）請求項３に記載のオフセット補償回路において、
   上記入力用スイッチトキャパシタを計算機のプログラム
   に基づき構成、もしくは、容量素子のトリミングにより
   構成することを特徴とするオフセット補償回路。