JPS5883423A - スイツチド・キヤパシタ回路 - Google Patents

スイツチド・キヤパシタ回路

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JPS5883423A
JPS5883423A JP2466781A JP2466781A JPS5883423A JP S5883423 A JPS5883423 A JP S5883423A JP 2466781 A JP2466781 A JP 2466781A JP 2466781 A JP2466781 A JP 2466781A JP S5883423 A JPS5883423 A JP S5883423A
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衞 田中
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政宏 山本
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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H19/00—Networks using time-varying elements, e.g. N-path filters
    • H03H19/004—Switched capacitor networks

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Filters That Use Time-Delay Elements (AREA)

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】 本発明は、スイ、チ、キヤ/ダシタおよび演算増幅器か
ら構成されるスイッチド・キャノヤシタ(SC)回路の
構成に関し、%に、キャノ母シタの充放電をスイッチを
用いて高速に切換えて、尋価的に大きな抵抗および大き
な時定数を作るスイッチド・キャパシタ回路の構成に関
する@ acWA路は、スイッチ、キヤ/4シタおよび演算増幅
器から構成されるアナログ・フィルタであ〕、MO8集
積回路技術を用いて大規模集積化も可能である。801
回路は、抵抗を含まず、フィルタ041性を容量の比で
決められるので素子感度が小さく、外部から加えられる
クロツタの周波数を変化させることによって、フィルタ
0@性をプログラマブルに変えることができ、経済性と
信頼性に優れている・8C回路の動作原理は、キarl
々シタの充放電管スイッチで高速に切換えれば、エネル
ギーを消費して、抵抗になるという発想に基づいていゐ
。
従って、8074ルタは、能動RCフィルタ、の抵抗素
子を単にスイッチとキャノ々シタKIl換して構成され
ることが多いO特に、SCフィルタは、状態変数法を用
いて設計される能動RCフイルタ内部において、館1図
(−)に示されるアナログ8C積分器OR素子をスイッ
チとキャノ譬シタに置換して構成されるo岬記アナログ
RC,積分器OR素子をスイッチとキャノ童シタに置換
してできる回路は、5cys分器と呼ばれる。
従来、と011の8C積分器は、第1図(III)K示
されるように、第1図(a)のアナロダRC積分器OR
素子を正逆2相のクロックパルスで制御される2つのス
イッチ10111と単一のキヤ/譬シタC5に置換して
構成されていた〇 第1図伽)を参照すれば、スイッチlOがONしている
時間区域!。ではスイッチ11はOFFであるから、キ
ヤ・臂シタC1に貯えられる電荷は、入力電圧をu (
t)とすれば、c、u(kt)である。ことで、Tはク
ロック周期で、kは任意の整数である・続いて、スイッ
チlOがOFF t、ている時間区$I、でスイッチ1
1がONすれば、節点101は、演算増幅器12の入力
端子、すなわちb−一音ou−■に接続されるので、零
電位になシ、キヤ/ヤシタC1において貯えられていえ
前記電荷C1u(kT)Fi、すべて帰還キャノ4シタ
C,に移される・従りて、マ2をキャパシタC2の電圧
とすれば、電荷保存則は、−Ctu(kT)+ClX0
”CfV2(kT+2 t) −ctv!(kt)とな
る@そして、繕刻(kT+T) において再びキャパシ
タC,に電荷C、u (kT + T )が入力される
◎すなわち、微小な時間間隔Tにおいて流れ九電流Δ1
は js =f(wz(kT+’?)−w(kT))と16
.入力側の等価抵抗R8は、近似的にR−ユ I  C。
と1にろ0 第19伽)の8C積分IIO伝達四数it (1)け、
第1図(1)のアナ”ダRC積分器の伝達関数が1勇1
”・(8は複素周波数)であるから、R*R□として、
■(−)中51上 C11! となる・ 従りて、従来OSC積分器の尋測的愈時定数を大きくす
るためには、帰R中ヤノシメC,が固定していると自は
、等価入力抵抗町”(t/C,)を大きくする必要があ
るため、帰還キャパシタCI K比べて、非常に小さな
値をもクキャー々シタC1を製造すゐか、・スイッチの
クロツタ局波数1(−〒)を小さくする°女′要うゞあ
→た。
とζろが、#I1図へ)のsc、積分器が第111←)
OアナログRC積分器とはぼ等価に動作すゐためには、
クロック周波数fが入力周波数よ〕%910倍から数1
00倍に高くする必要があるため、クロ、り周波数fl
・1st<して等価入力抵抗R□を大きくすることには
限界があった。又、帰還キャパシタC,に比べて非常に
小さなキャノ臂シタC9を製造することは、IC内部で
は非常にむつかしい。
結局、第1図(b)K示される従来のsc積分器の時定
数の大きな積分器をモノシリ、りICで製造することは
できなかり九。
本発明は、上記欠点を除去し、キャパシタc0に格納さ
れた電圧は、前記キャ/lシタc0と電荷零の他のキャ
ノ中シタC1を並列接続すれば前記電圧内では等測的に
大きな抵抗を作ること1に特徴とすルスイッチr・キャ
パシタ回路を提供するものである・ 本発明は複数のスイッチと複数のキャノ苛シタとから成
るスイ、チド・中ヤパシタ回路網であり、て、前記II
#のスイーチ管制御するりElyりの(P+1)個の時
間区域(■。、!7.・−II、“ )kおいて、前記
(P+1)個の時間区域の少なくともl″:)の時間区
域I。において、少なくとも1つのキャーシタC0K入
力電圧を格納させる入力スイッチンダ手段と、時間区域
l、の直前において、キャーシタC4の格納電圧を零に
し、時間区域I、において、前記2つの中ヤ/帯シタC
oとC1をお互いに並列接続させて、前記ギヤ/中シタ
C1に前記入力電圧を減じた電圧を格納させる第1スイ
、チンダ手段を少なくとも含み、ある時間区域I、0直
前において、キャノ々シyc、o格納電圧を零にし、時
間区域!量において、特定のキク/4シタCiと前記キ
ヤ・臂シタC,の少なくとも2つのキャノ童シタt−お
互いに並列接続させて、前記キャノ臂シタC,に前記入
力電圧を減じた・電圧を格納させる第iスイッチング手
段管有し、前記(P+1 )個の時間区域(16s 1
1 e・・・。
■、)において、前記第1スイッチング手段【連続的に
実行することKよって、前記時間区域!。で前記キャノ
4シタC0に取込んだ入力電圧と減じた電圧を出力スイ
、νチを通して出力することt特徴とするスイッチド・
キヤ/臂シタ回路を提供するもOである。
次に1本発明の実施例について、図面を参照して説明す
る。
第2図は、本発明の第1の実施例を示す80回路であシ
、節点(21,22)にそれぞれ接続された2個のギヤ
/中シタ(Co、C,)と4個のスイ。
、チ(8xe s w s e s。。ア)から成る。
本実施例の8C回路では、まず、4個のスイッチのON
とOFFの制@を行うクロ、りの連続する(P+1)個
の時間区域(!。a 11バーs I、 )の時間区域
■。
において、スイッチ8.けON状llKなり、キャノ9
シタC6K節点2oから入力された入力信号u (t 
o )を格納する。この第1の実施例においては、!。
以外の他の時間区域(rl、 !、 、・・・# I、
 )、においては、前記入力電圧u (t o )以後
の入力電圧u (t)はし中断される。時間区域■、の
直前、すなわち、時間区域I。の最終では、キヤ・ヤシ
タC4をスイッチSで短絡して格納電圧を零にさせ、時
間区域!。
において、前記2つのギヤ/中シタC8とC1をスイッ
チSのONとスイッチ8のOFF Kよって並列接続さ
せて前記キャパシタC0(シよびC,)K前記入力信号
u(to) K対して、CC,/(C,+C:、))u
(to)に減じた電圧を格納させる第1スイッチング手
段(8,8)を含んでいる。今、C,W C,として、
とする。時間区域!、の直前、すなわち時間区域!。
において、スイッチ8tiONでスイF f 8 Fi
OFFとなるので、キャパシタC1は短絡されて格納電
圧を零とし、時間区域I、において、前記キャパシタc
oと前記キヤ・ぐシタC1は再び並列接続される・この
制御を行う第3スイツチンダ手段は中はシ、スイッチ(
S、S)である。前記第3スイッチング手段によって、
キャノ母シタC6の両端すなわち節点21の電圧は、c
o−CIK対して、2 (T ) u(to) となる@ 一般に1本発明は、ある時間区域I 1 (l −2に
+l )の直前、すなわち時間区域I、、 において、
キク/4シタC1の格納電圧を零にし、時間区域1.に
おいて、特定のギヤ/中シタC0と前記キャノ母シタC
1會お互いに並列接続させて、前記キヤ/臂シタC,K
前記入力電圧を減じ九電圧、すなわち、C,=C。
K対して、 1   k+1 (7)  ”(t6)  *に=Osl a2m”・a
−「を格納させる第量スイ、チンダ手段11.T)を有
している。そして、本発明は、前記(P+1)個の時間
区域(!。、■1.・・・e r、’)において、前記
篤iスイッチング手段をS ” i −2m・・・、P
に対して連続的に実行することによって、前記時間区域
!。で前記キク/lシタC0に取込んだ入力゛電圧u(
to)を(lA)!fL倍に減じた電圧を時間区域1.
においてのみONとなる出力スイッチS、。、を通して
出haに出力している。このように、本発明のスイ、チ
ド・キャIlシタ回路は、キャノ臂シタの並列接続化を
時間的に〈シ返して、時間区域!。K入力し九入力電圧
u(to) !減じ電、時間区域!、でとシ出すことK
よりて、電圧を分割し、後述する8C積分器内では尋価
的に大1!表抵抗を笑現することを特徴としている。
本発明の第2の爽施例社、第3WAに示されている。第
3図のスイ、チド9キャΔシタ回路は、第2図のスイッ
チド・キャパシタ回路に1節点23に接続されるキヤ・
々シタC2とスイッチ8を付加した構成したものである
O第2図に示したスイッチド・キャパシタ回路では、前
述したように、偶数時間区域(I2 * I4 m・・
・、 I、、−1において、キャノ臂シタC1がスイッ
チTooxKよりて短絡されるが、この間、キャノ譬シ
タC0は、時間区域I□−1において格納された電圧を
保持することにな夛、電圧を減少させる動作を行なわず
時間区域!zkでは待ち状態になるO従りて、第2図に
示されるスイ、チド・キャパシタ回路は構成要素が少な
く簡単であるが、入力電圧tx(t6) t 6る・定
められた値まで減じるまでの時間がかかシ、速度が遅い
O第3図に示されるスイッチド・キャパシタ回路は、前
記待ち状態管なくすために、キャノ々シタC1とそれに
並列接続されるスイッチ1v付加されている。時間区域
!  においてこのスイッチ8によ2に−1 って短絡されていたキャノ譬シタC2Fi 、キャノ臂
シタC1がスイッチSによって短絡されている時間区域
I、kにおいて一ヤノ4シタC0と並列接続されるので
、キヤ・争シタC0は、時間区域12kにおいても待ち
状態とならず、格納電圧を減少させる動作を行うととK
なる。従って、第3図に示されるスイッチド・キャパシ
タ回路では、時間区域X。において入力端子u(to)
 t−キャパシタC0K取り込むと、時間区域I、にお
いては、キャj母シタC6の電圧は、C=C=Cに対し
て、 1 (T) u(to) となる、又、出力スイッチ5outがON状態になる最
終の時間区域!、においては、キャノヤシタC0の格納
F 電圧は、C0IC,==C,に対して、   (7) 
ti(to)までか弁瞥4司N出令減じられ、出力端子
Gに出力される。従って、第3図のスイッチド・キャパ
シタ回路は、第2図に示されるスイ、チド・キャパシタ
回路よシも高速に入力電圧U(tO)をある定められ九
mまで減じることができる。
本発明の第3の実施例は第4図に示される。第4図のス
イッチド・キャパシタ回路は、第2図および第3図に示
されるスイッチド・キャパシタ回路よシ、構成要素が多
いが、ノ母イグライン方式で、よシ高速に入力電圧u(
so) を減じることができるものである。スイッチ8
.がONになる時間区域■oにおいて、キャパシタC0
にλ力電圧m(to)’を取り込むが、この間、b。以
外のスイッチ(b、* b2・・・・、b−をONさせ
て、キャノ譬シタ(c、、C2゜・・・、C−を短絡さ
せておく0時間区域f、において、S、をON 、 b
、 t OFFすることKよって、前記入力電圧w(t
o) を減じてキヤ/譬シタC,K格納する0時間区域
1. において、スイッチb0をONさせてキャI母シ
タC0を短絡するとともにスイッチb、も短絡させてお
き、時間区域I、ICおいて、゛スイッチ82t−ON
させて、前、記入力電圧W(tO)を、さらに滅じて、
キヤ/譬シタC,Kその減じられた電圧を格納する。仁
のとき、時間区域1.において、キヤ/譬シタC8が待
ち状態にならないように、入力スイッチ8□をONさせ
ておくととによりて、前記入力電圧W(tO)と異なシ
、時間区域!、における入力電圧5r(t、)を入力さ
せてしまうことにする。トうすることによって、出力G
において観察すれば、時間区域!。において入力された
入力電圧U(tO)は、Coz C4wz・・・m C
,に対して、時間区域■。において、(÷)”u(to
) となって出力され、時間区域■、において、入力された
入力電圧u(is)は、時間区域■1.において(8,
)nu(t、) となって出力される。従って、第4図のスイッチド・キ
ャパシタ回路L1人力に対する待ち状態が少なく、より
高速鞄に電圧の減少化動作を行うことができる。
本発明の第4の実施例を第5図に示す、第5図の回路は
、帰還スイッチSfがないときSC積分器であシ、帰還
スイッチ8.があるときはSC倍数器又Fisc加算器
として動作するものである。演算項lIi器12のマイ
ナス入力に#′i、、前記第3図に示もれる本発明のス
イッチド・キャパシタ回路’30が付加されている。帰
還スイッチ8fがないSC積分器においては、前記スイ
ッチド・キャパシタ回路30は等測的には大きな抵抗の
代りとして使用される。前述したように、入力信号w(
to)が時間区域■。において節点20に入力されると
、連続する時間区域(Ioe 11 *・・・、夏、)
の最終の時間区域I、においては出力スイッチ5OUT
がOWして、前記入力電圧u(to)は、co=−IC
1=C2に対して、(ゼu(io) となる電圧が出力Gに印加される。しかし、SC積分器
では、このG点が演算増幅器12のImagl鶴qGr
oundになりているので、時間区域I、 においては
、キャパシタC0は零がルトに短絡されてしまう、そこ
で、時間区域■、において、格納され九電荷(c0+ 
c、) x Q−)’ u(to)は、すべて帰還キャ
パシタC2の時間区域I0の直前の電荷に加えられるよ
うKC,に移動して、積分されるととKなる。従って、
このSC積分器では、出力y(t)は、近似的に時間区
域■。からT、までの周期tTとすると、 となり、時定数か に大きくなっている。すなわち第1図伽)の従来の80
積分器では時定数用の等価抵抗が(T/C1)であるが
、本発明の第5図の80積分器では、時定数用の等価抵
抗が、co+l11C4で、同じ周期Tに対して、2 
 倍されていることになる。
このように、本発明のスイッチド・キャパシタ回路をS
C積分器の入力側に使用すれば、2つのキャノ4シタを
連続的に並列化することに、よって入力電圧を減じてか
ら演算増幅器に入力されるので、等測的に時定数の大き
なSC積分器を構成できることになる。
又、第5図に示される回路において、帰還スイ。
チSfの存在を考慮すれば、この回路はSC倍数器ある
いはSC加算器として働く、すなわち、時間区域I。に
おいてキヤt4シタC0K取込まれ九入力電圧u(to
)は、時間区域11 a Il m”a Ipと移る間
に←γ−−噌2− ’倍されて演算増幅器12のiイナ
ス入力に加えられるが、8C積分器と異な)、1帰還キ
ヤ/量シタCfは時間区域■、の直前では峰遺スイッチ
S、のONKよって格納電荷が零となるように制御され
る。電荷保存則よ〕、 0−’(C0+C,)X2″″’w(t、)Mc、y(
t、)−。
となシ、出力電圧y(t)は、近似的には、となる。
このように、本発明のスイッチド・キャパシタ回路をS
C倍数器あるいは8C加算器の入力側に使用すれば、2
つのキヤ/臂シタ・を連続的に並列化するととKよって
、入力電圧を減じてから演算増幅器に入力されるので、
等測的に倍数係数が小さいSC倍数器あるいはSC加算
器が構成できることKなる。
なお、第5図に示される回路には、第3図に示される実
施例のスイ、チド・キャパシタ回路が使用されているが
、第2図あるいは第4図に示される本発明の実施例のス
イ、チド・キャー4シタ回路が使用されてもよく、ある
いは本発明の特許請求の範囲に示される内容が使用され
る他のスイッチド・キヤ・母シタ回路が使用されてもよ
い。
本発明は、このように、キャノ4シタの並列化動作を連
続的にくり返して入力電圧を分割的に減じることf:%
黴とするスイッチド・キク/4シタ回路であって、他の
能動80回路と組合せることによって1いろいろな動作
を行う80回路が構成され、しかも、そのSC回路をM
O8素子の組合せのみで構成できるので、モノシリツク
ICおよびL8Iとして実現できるという効果がある。
時定数の大きな80回路網をモノシリツクなMO8集積
回路で構成する場合、第1図6)K示される従来のSC
積分器では、2つの容量比(Cf/C1)の大きいもの
が必要であ°ることから、1つのキヤ・譬シタCf會大
きくするか、あるbはもうlっのキャノfシタC1を小
さくしなくて線ならなかり九、しかし、従来で社、浮遊
容量の影響のために、キ4 p+シタの容量社小さくで
きないので、結果的には大容、量のキャパシタCfが必
要となる0例えば、前記容量比が1000の場合を考え
ると面積が1000倍のキヤ/々シタが必要となシ、従
来では実現がむつかしくなるという欠点があった。
本発明のスイッチド・キャノやシタ回路(第5図参照)
Fi、キャノ譬シタの空間的な広がりを時間的な広が9
に変換するという着想に基づいているもので、任意の大
きさの時定数を実現するのく、キャパシタの空間的な領
域は、2〜3倍の増加のみで済むので、回路の集積化、
大規模集積化にとって、本発l!IFi不可欠のもので
ある。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)Fi、従来のRCアナログ積分器、第1図
(b)は、従来の8a積分器のそれぞれの回路図、第2
図は、本発明のスイッチP・キャーl々シタ回路の第1
の実施例の回路図、第3図は、本発明のスイッチド・キ
ャパシタ回路の第2の実施例の回路図、第4図は、本発
明のパイグライン方弐によるスイッチド・キャパシタ回
路の第30実施例の回路図、萬5図は、本発明のスイ、
チビ・キャノやシタwASを8o積分器又は80倍数器
(加算器)K応用した場合の第4の実施例の回路図であ
る。 12・・・演算増幅器、2o・・・大刀端子、21゜2
2 、23−・・節点、C0a C1r C2e ・”
 e Cn=・キヤ・中シタ、8□・・・入カスイ、チ
、s−8・・・内部スイッチ、81滲S2.・・・、8
.・・・内部スイッチ、bo。 b、e・・・、i、・・・内部スイッチ、’ostt”
”出方スイッチ、G・・・イマジナリイブ2ンPKなる
出力端子、C2・・・帰還キヤ/臂シタ、8!・・・帰
還スイッチ。 ) 4−           鍼 1、!I−o−o  −

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、 複数のスイッチと複数のキャパシタとから成るス
    イッチド・キャΔシタ回路網でありて、前記Il数のス
    イッチを制御するクロ、り0(P+1)個の時間区域(
    !。・■、・・・・、 I、−)、)において、前1に
    ! (1’+1 )個の時間区域Oe&くとも1つO時
    間区域!。において、少なくとも1 ′)0−IFヤΔ
    シタC,に入力電圧を格納させる入カスイ、チyr手段
    と、 時間区域I、0直前にお−て、キ、AνりC,0格納電
    圧を零にし、時間区域ff、において、前記2る第1ス
    イッチング手段を少なくとも含み、あゐ時間区域!1の
    直前にお−て、キャI4VりCIの格納電圧を零にし、
    時間区域1.にシーて、特定のキャパシタC,と前記キ
    q /#$/ / C10少′なくとも2つのキヤ・臂
    シタをお互いに並列接続させて、前記キャt4シタC,
    に前記入力電圧管減じた電圧管格納させる第1スイッチ
    ング手段を有し、前記(p+1)個の時間区域(■。、
    Il、・・・、I、)Kシーで、前記第iスイ、チンダ
    手段を連続的に実行する仁とKよりて、前記時間区域1
    0で前記キャパシタCaに取込んだ入力電圧と減じた電
    圧を出力スイッチを通して出−力すること、を特徴とす
    るスイッチド・キャパシタ回路。 2、演算増幅器を含んでなる特許請求の範囲第1項記載
    のスイッチド・キャパシタ回路。
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