JPH04501779A - サンプル・ホールド増幅回路 - 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】 サンプル・ホールド増幅回路 発明の分野 本発明は、データ収集システム、詳細には、サンプル・ホールド（あるいはサン プル・アンド・ホールド）増幅装置（ＳＨＡｓ）に関する。本発明は、内部的な 増幅装置のエラーを本質的に補正する、自動ゼロ化サンプル・ホールド増幅装置 （ａｕｔｏ−ｚｅｒｏｉｎｇ　ｓａｍｐｌｅ−ｈｏｌｄ　ａｍｐｌｉｆｉ　−ｅ ｒ）を提供する。

発明の背景 サンプル・ホールド増幅装置は、エレクトロニクス産業においては公知である。

その名称が示すように、サンプル・ホールド増幅装置は２つの安定状態作動モー ドを有する。サンプル−あるいはトラック−モードにおいては、５）（Ａの出力 は、ホールドモードが開始するまで、できるだけ正確にその人力を追跡する。

ホールドモードにおいては、ＳＨＡの出力は、ホールドモードが開始した時にお ける入力信号の値を保持する。

基本的なサンプル・ホールド増幅装置には、いくつかの回路構成要素を必要とす るけれども、採取された入力電圧を正確に保持するためには、更に洗練された構 成が必要である。図１．２．３及び４はサンプル・ホールド増幅装置の実施例で あるい（つかの従来技術を描いている。その他にも多（の例が存在する。このよ うな従来技術によるサンプル・ホールド回路の事例は、入力のオフセットによる 出力のエラーを減少させるために、自動ゼロ化技術を採用している。サンプル・ ホールドを行う場合、自動ゼロ化は回路内の増幅装置の電圧オフセットにより生 ずるエラーを補正する方法である。通常は、相互コンダクタンス増幅装置のオフ セットエラーが、動作のサンプルモードにおいて採取される。次に類似のオフセ ットの値が、そのオフセットのエラーを打ち消すために保持モードにおいて出力 電圧に追加される。上述の従来技術の回路においては、自動ゼロ化は、回路の出 力電圧を採取された入力電圧と強制的に等しくするために使用される。しかしな がら、これらの回路の構造及び機能は、それらの使用範囲を制限するような望ま しくない欠点を有する。

図１は、簡略化された自動ゼロ化サンプル・ホールド増幅装置の図式図である。

このサンプル・ホールド増幅装置には、高利得／低オフセツト相互コンダクタン ス増幅装置を必要とし、回路の出力において、リターンからゼロ要求まで。

低い整定作用を示す。

図２は、アナログ信号の収集と、前にサンプルされた信号の記憶とが同時に可能 な、自動ゼロ化サンプル・ホールド増幅装置の回路図である。このサンプル・ホ ールド増幅装置は低い動的作用を示し、高利１／低オフセツト出力の増幅装置を 必要とし、かつ一体装備するには複雑過ぎる。更にその上、サンプル・ホールド 増幅装置の出力は電圧入力を追跡しない。

図３は、増幅装置オフセット電圧相殺を含む、差動スイッチキャパシタ増幅装置 の回路図である６図２のＳＨＡにあるように、この増幅装置は低い動的作用を示 し、高利得増幅装置を必要とし、かつ増幅装置の出力は電圧入力を追跡しない。

図４は、良好な回路効率を示すが、図２のＳＨＡに関してはかなり複雑である、 自動ゼロ化サンプル・ホールド増幅装置の回路図である。

以上により、本発明の目的は、アナログ信号のサンプリングに使用するためのサ ンプル・ホールド増幅装置であって、ゼロに戻すための増幅装置の出力を必要と することなく、内部増幅装置のオフセット及び利得エラーを補正するサンプル・ ホールド増幅装置を提供することである。

本発明のその他の目的は、回路の出力が電圧入力を追跡するサンプル・ホールド 増幅装置を提供することである。

本発明の更にその他の目的は、高利得、あるいは低オフセットを必要としない簡 単な低精度増幅装置を使用するサンプル・ホールド増幅装置を提供することであ る。

本発明のその他の目的は、収集時間の速いサンプル・ホールド増幅装置を提供す ることである。

本発明の更にその他の目的は、電力消費が少なく、積算領域が少ないサンプル・ ホールド増幅装置を提供することである。

その他の本発明の目的は一部はすでに明白であり、一部は後述される。

発明の要約 前述及びその他の本発明の目的は、回路出力が電圧入力を追跡し、命令信号に応 答して、サンプルし増幅装置の出力においてサンプルされた入力電圧を正確に保 持する、改良されたサンプル・ホールド増幅装置により達成される０本発明のＳ ＨＡにおいては、入力及び出力の両方がバッファされ、バッファオフセットのせ いで回路の出力において電圧がずれるのを減少させるように、入力電圧は一次「 ホールド」コンデンサのみならず、増幅装置の出力にある二次「ホールド」コン デンサを経てサンプルされる。入力及び出力バッファは、出力増幅装置のコンデ ンサの充電を制御するために独特のフィードバック回路と共に、オフセットエラ ーの自動ゼロ化を可能とする等しい強さのオフセット電圧を相補的に導く。

本発明の実施例によれば、改良されたサンプル・ホールド増幅装置は、入力スイ ッチ、フィードバックスイッチ、−次及び二次サンプリングスイッチ、入力及び 出力バッファ、−次及び二次ホールドコンデンサ、補正コンデンサ、及び相互コ ンダクタンス増幅装置を含む。

本発明のサンプル・ホールド増幅装置は２モード、すなわちサンプルモード及び ホールドモードで作動する。

サンプルモードの間においては、入力スイッチ、及び−次及び二次サンプルスイ ッチは閉じている。フィードバックスイッチは開いている。相互コンダクタンス 増幅装置は、仮の接地を有する一次及び二次ホールドコンデンサを提供し、回路 の出力が、大力バッファ、二次サンプリングスイッチ、及び出力バッファによ゛ 　り形成された信号の経路を経て電圧入力を追跡することを可能としている。ホ ールドコマンドが発生すると、サンプルモードからホールドモードへの移行が開 始する。まず、−次サンプリングスイッチが開き、−次ホールドコンデンサを経 てサンプルされるべき入力電圧が生じる０次に、二次サンプリングスイッチが開 き、二次ホールドコンデンサを経てサンプルされるべき入力電圧を生じる。最後 に、入力スイッチが開き、回路全体を入力電圧から遮断し、フィードバックスイ ッチが閉じ、相互コンダクタンス増幅装置の周囲のフィードバックループが完成 する。ここで回路はホールドモードになる。

ホールドモードにおいては、相互コンダクタンス増幅装置は、直列で二次ホール ドコンデンサ、出力バッファ、フィードバックスイッチ、入力バッファ、及び− 次ホールドコンデンサを含む負のフィードバックループにより所定の電圧利得を 提供する。入力及び出力バッファ、及び相互コンダクタンス増幅装置がオフセッ ト電圧を有しないことが理想であると仮定すると、正確な入力電圧が一次及び二 次ホールドコンデンサに保持される。ホールドモードに入ると、回路の出力電圧 は自動的に相互コンダクタンス増幅器に要求されるエラー補償なしに、−次及び 二次ホールドコンデンサに記憶されサンプルされた入力電圧と等しくなる。

実際には、入力バッファ及び相互コンダクタンス増幅装置からの電圧オフセット は入力端子と共に一次ホールドコンデンサにサンプルされる。一旦ホールドモー ドになると、相互コンダクタンス増幅装置は、オフセットエラーを補正すること により、出力電圧をサンプルされた入力電圧と強制的に等しくする。

本発明は、添付の図面を参照して、以下の詳細な説明からより詳細に理解される ０本発明は、事例の形式により提供された詳細な説明の末尾にある申請の請求に おいて定義されている。

図面の簡単な説明 図１は、自動ゼロ化サンプル・ホールド増幅装置の従来技術の装置の回路図、図 ２は、アナログ信号を収集すると同時に前に収集された信号を保存することが可 能な、従来技術に対する自動ゼロ化サンプル・ホールド増幅装置用の回路図、 図３は、従来技術による差動スイッチコンデンサ増幅装置の回路図、図４は、更 にその他の従来技術によるサンプル・ホールド増幅装置の回路図。

図５は、本発明のサンプル・ホールド増幅装置の基本的実施例の図式的回路図、 図６は、サンプルモード作動状態にある図５のサンプル・ホールド増幅装置の機 器構成を描いた回路図、 図７は、ホールドモードにある図５のサンプル・ホールド増幅装置の概念的機器 構成を描いた回路図、 図８は、インジェクションチャージ相殺用の追加の回路を含む、図５のサンプル ・ホールド増幅装置の更に完全な構造の回路図、図９は、本発明のサンプル・ホ ールド増幅装置のモードを制御するために使用される様々な制御信号の信号レベ ルを描いたタイミングダイヤグラム。

発明の詳細な説明 図面、特に図５を参照すると、改良されたサンプル・ホールド増幅装置１０の基 本的実施例が示されている。５ＨＡＩＯは、入力端子１５、出力端子１３、制御 端子４４、入力スイッチ１２、大力バッファ２２、出力バッファ２４、−次サン プルスイッチ１４、二次サンプルスイッチ１６、−次ホールドコンデンサ１８、 二次ホールドコンデンサ２０、フィードバックスイッチ２８．補正コンデンサ（ すなわち、補償コンデンサ）４２、及び増幅装置２６を備えてなる。

入力スイッチ１２は入力端子１５と入力バッファ２２の人力との間で連結されて いる。入力バッファ２２の出力は一次ホールドコンデンサ１８の第１電極に連結 され、コンデンサの第２電極は増幅装置２６の逆転入力端子に連結されている。

増幅装置２６の出力端子は二次ホールドコンデンサ２０の第１リードに連結され 、次にコンデンサ２０の第２リードは出力バッファ２４の入力に連結されている 。出力バッファ２４の出力は端子１３において、サンプル・ホールド増幅装置の 回路ｌＯの出力を提供している。

増幅装置２６の非逆転端子は接地されている。増幅装置２６の出力端子は又、補 正コンデンサ４２の第１電極にも連結され、補正コンデンサ４２の第２電極は接 地されている。サンプル・ホールドコマンド信号は制御端子４４に供給され、適 当な制御信号に応答して（図９を見よ）、示されていないが電気技会巾には明白 な制御回路によりスイッチなどへ供給される。スイッチ１４．１６．１２及び２ ８の状態を示している図５に点線で示されている制御信号は、それぞれＡ、Ｂ。

Ｃ及びＤにより示されている。

スイッチ１４．１６及び２８は、サンプル・ホールド増幅装置１０を再構成する ために更に含まれている。−次サンプルスイッチ１４は、相互コンダクタンス増 幅装置の逆転入力端子及び出力端子の間に連結されている。二次サンプリングス イッチ１６は大力バッファ２２の出力及び出力バッファ２４の人力に連結されて いる。Ｊｌｌ後に、フィードバックスイッチ２８は大力バッファ２２の入力と、 出力バッファ２４の出力との間で連結されている。

サンプル・ホールド増幅器１０は２つの安定状態の作動モード、サンプルモード 及びホールドモードを有している。各作動モードは以下に説明される０回路の作 動の説明を容易にするために、回路内の数個の結節点に番号が付される。

図６は、サンプルモード作動状態にある図５のサンプル・ホールド増幅装置の回 路構成を描いている。サンプルモードにおいては、制御端子４４に供給されたサ ンプル／ホールド信号は高い、フィードバックスイッチ２８は開いた位置にある 。入力スイッチ１２、−次サンプルスイッチ１４、及び二次サンプリングスイッ チ１６は閉じている。入力スイッチ１２はサンプル・ホールド増幅装置１０を入 力電圧に連結する。

サンプルモード構成においては、サンプル・ホールド増幅装置１０の電圧出力は 、入力端子１５、入力スイッチ１２、人力バッファ２２、二次サンプリングスイ ッチ１６、出力バッファ２４、及び出力端子１３からなる信号経路を経て電圧入 力を追跡する。サンプルモードにおいては増幅装置２６は、相互コンダクタンス 増幅装置として作用するが、これは接地されたそれの非逆転端子により理想的に は仮の接地として、−次ホールドコンデンサ１８及び二次ホールドコンデンサ２ ０の「底部」電極に現れる。実際には、相互コンダクタンス増幅装置２６は一部 サンプリングスイッチ１４を経てフィードバック形状にあるため、オフセット電 圧は相互コンダクタンス増幅装置の逆転端子に現れ、それにより、結節点３２及 び３６における電圧を強制的に相互コンダクタンス増幅装置のオフセット電圧に 等しくする。結節点３０及び３４は入力バッファ２２により、バッファ２２及び ２４のために、入力電圧マイナスオフセット値に等しい電圧になるように駆動さ れる。

制御端子４４の信号を高い値から低い値への移行はサンプル・ホールド増幅装置 １０のサンプルモードからホールドモードへの移行を生じる。図９は回路を再構 成するために使用される制御信号を描いたタイミングチャートである。制御信号 Ａの高−低移行に一致する時間ｔ、において、−次サンプリングスイッチ１４が 開いている。−次サンプリングスイッチ１４が開いている間に、−次ホールドコ ンデンサ１８にチャージが捕捉され、結節点３０における電圧がコンデンサを経 てサンプルされる。制ｆｉｌｌ（１号Ｂの高−低移行に一致する時間ｔ、におい て、二次サンプリングスイッチ１６は開かれる。二次サンプリングスイッチ１６ が開いている間に、二次ホールドコンデンサ２０においてチャージが捕捉され、 結節点３４にある電圧が二次ホールドコンデンサを経てサンプルされる。−次及 び二次ホールドコンデンサを経てサンプルされる電圧は入力電圧プラスいくつか のオフセットエラーに等しい。

増幅装置のオフセット電圧は、残差電圧として定義され、これは増幅装置の入力 端子の間の潜在的差異が負のフィードバックにより駆動され、■。、で示される 。５ＨＡＩＯに対する入力電圧はＶ　ｕ＋で示される。入力バッファ２２、出力 バッファ２４、及び増幅装置２６に対するオフセット電圧がそれぞれ、■ｏ、ｌ 、Ｖａｓｔ　、Ｖｏｗｓで示される場合、−次ホールドコンデンサ１８（■ｃＨ ）を経てサンプルされた入力は以下に等しい。

Ｖｅ＋＋＝Ｖ＋ｎ＋Ｖｏｓ＋　ＶＯＩｍ　（１）入力端子が一旦一部ホールドコ ンデンサ１８及び二次ホールドコンデンサ２０を経てサンプルされると、サンプ ル・ホールド増幅装置は入力電圧から遮断され、オフセットエラーを補正（すな わち、補償）するために再構成される。従って、制御信号Ｃの高−低移行に一致 する時間ｔ、において、入力スイッチ１２が開き、それによりサンプル・ホール ド増幅装置１０を入力端子１５にある入力電圧から遮断する。制御信号りの高− 低移行に一致する時間ｔ４において、フィードバックスイッチ２８が閉じ、サン プル・ホールド増幅装置１０のサンプルモードからホールドモードへの移行が完 成する。

図７は、図５のホールドモード作動にあるサンプル・ホールド増幅装置の構成を 描いている。ホールドモードにおいては、相互コンダクタンス増幅装置２６のフ ィードバックループは、二次ホールドコンデンサ２０、出力バッファ２４、フィ ードバックスイッチ２８、入力バッファ２２、及び−次ホールドコンデンサ１８ を含む、ホールドモードにおいては、増幅装置２６はそれの機能を相互コンダク タンス増幅装置から電圧増幅装置へと変化させ、オフセット電圧をそれ自体及び 入力及び出力バッファから補正する。

増幅装置２６、人力バッファ２２及び出力バッファ２４が理想的にはゼロオフセ ット電圧を有すると仮定すると、−次ホールドコンデンサ１８及び二次ホールド コンデンサ２０を経てサンプルされた電圧はサンプリングの時において入力電圧 と正確に等しいであろう。入力スイッチが開き、フィードバックスイッチが閉じ ると、出力電圧は、電圧増幅装置２６に要求されるレベルシフトあるいは補正な しに入力電圧と等しくなる。

実際は、オフセット電圧は、方程式ｌにより示されているように、−次及び二次 ホールドコンデンサを経てサンプルされた電圧へと導かれる。入力電圧と共にサ ンプルされた電圧エラーはホールドモートループ内で減算される。ホールドモー ドにおいては、出力電圧は大力バッファ２２及び出力バッファ２４のオフセット 電圧の総計と等しい量だけ変化することが要求される。

ＡＶが電圧増幅装置２６の利得と等しいところでは、電圧増幅装置２６の逆転入 力は、以下の方程式に従い電圧エラーの量（Ｖりへと移動させることが要求され る。

Ｖｔ　”　（Ｖｏｓ＋　＋　Ｖａｓｔ　）　／　Ａｖ　（２）入力バッファ２２ 及び出力バッファ２４を相等しい相補的なオフセット電圧を有する様に設計する ことにより、電圧エラー■。は無視できる程度に小さくすることができる。Ｖｌ が無視できる場合は、サンプル・ホールド増幅装置１０の出力電圧をサンプルさ れた入力電圧と等しくするように強制する電圧増幅装置２６に小さな動きが要求 されない。

充電注入エラーが入力スイッチ１２により一部ホールドコンデンサ１８に導かれ ないと仮定すると、上述のように構成されたサンプル・ホールド増幅装置１０は 最初に正確な入力電圧をサンプルし保持することができる。実際には、充電注入 エラーのような第２順位の効果が本発明の効能を修正する。

ここで図８を参照すると、サンプル・ホールド増幅装置１０を装備するために有 用な、より完全な構造が描かれている。キャンセルスイッチ４０及びキャンセル コンデンサ３８は相互コンダクタンス増幅装置２６の非逆転入力端子と、接地と の間で並列に連結されている。制御信号Ａにより、同時にキャンセルスイッチ４ ０と一部サンプリングスイッチ１４とを制御することにより、−次ホールドコン デンサ１８へと送られるスイッチチャージにより生ずる電圧エラーは、差動的に キャンセルされ得る。主な電極補正コンデンサ４２が更に図８に含まれている。

−次及び二次サンプリングスイッチを開くと、結節点３６は補正コンデンサ４２ により急速に移動することが防がれ、二次ホールドコンデンサ上のサンプルは、 そのサンプルの間の間隔が短いと、−次ホールドコンデンサ上のサンプルと近似 してくる。

補償コンデンサ４２は更に、相互コンダクタンス増幅装置２６を発振から防ぐ。

サンプル・ホールド増幅装置ｌＯのスイッチは図８においてＭＯ３Ｉ−ランジス タを装備し、これに対して、それらは図５．６及び７においては装備の詳細を示 すことなく、単に機能スイッチの符号によってのみ示されている。

好ましい実施例においては、サンプル・ホールド増幅装置１０がＢｉＣＭＯ３製 造工程を使用して、一体装備されている。好ましい実施例においては、スイッチ はすべてＰＭＯ３−ＮＭＯＳペアを装備しており、例外は一部サンプリングスイ ッチ１４とキャンセルスイッチ４０であり、これらはチャージフィードスルー（ ｃｈａｒｇｅ　ｆｅｅｄ−ｔｈｒｏｕｇｈ）を減少させるため小型寸法のＮＭＯ ８装置である。一旦装備された場合、４つの独立に制御されるサンプル・ホール ド増幅装置がチップ上に製造され、これは２３００平方ミルより小さい面積を占 めるサンプル・ホールド増幅装置である。

自動ゼロ化サンプル・ホールド増幅装置ｌＯは、上述のように構成されているが 、入力電圧を追跡する能力があり、支持された場合、大した利得あるいはオフセ ットエラーなしに入力電圧をサンプリングし、正確に保持する。更にその上、本 発明は５００ナノ秒の収集時間、電力消費７５ミリワツト、及び２３００平方ミ ルより大きくない空間消費を達成するために一体装備される。

このように特定の実施例を説明して、様々な変更、修正及び改良が容易に可能で あることは当業者には明白である。

この開示により行い得ることが明白なそのような変更、修正及び改良は、この開 示の一部として意図されており、ここには明示的に表現されていないが、本発明 の範囲及び精神に合致するものである。従って、前述の説明は事例的であり、こ れに限定されるものではない。本発明は以下の請求及びこれと同等のものに定義 されたものとしてのみ限定される。

ＦＩＧ、ｌ　快打技術） Ｒ ＦＩＧ　４　快打技術） 補正書の翻訳文提出書 （特許法第１８４条の８） 平成　３年　３月１１日

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．入力電圧をサンプリングし、サンプルされた前記入力電圧を回路の出力に保 持するサンプル・ホールド増幅回路装置であって、前記入力電圧を前記サンプル ・ホールド増幅回路装置に連結する入力スイッチと、 その入力端子が、前記入力電圧を前記回路の残りへと駆動されるように、前記入 力スイッチに連結された入力バッファと、前記サンプルされた入力電圧を記憶す るために、前記入力バッファの前記出力へ連結された第１電極を有する、一次ホ ールドコンデンサと、前記一次ホールドコンデンサの第２電極に連結された逆転 入力端子及び、接地された非逆転入力端子を有する増幅装置と、前記増幅装置の 出力端子に取りつけられた第１電極を有する二次ホールドコンデンサと、 前記二次ホールドコンデンサの第２電極に連結された入力端子と前記回路用に出 力を提供する出力端子とを有する出力バッファと、前記増幅装置の逆転入力端子 と前記増幅装置の前記出力端子との間に連結された一次サンプリングスイッチと 、 前記出力バッファの入力端子と前記入力バッファの出力端子との間に接続された 第２のサンプリングスイッチと、 前記出力バッファの出力端子と前記入力スイッチとの間に接続されたフィードバ ックスイッチと、 を備えてなるサンプル・ホールド増幅回路装置。