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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024138139
(43)【公開日】2024-10-07
(54)【発明の名称】増幅装置
(51)【国際特許分類】
H03F 3/38 20060101AFI20240927BHJP
H03K 19/0175 20060101ALI20240927BHJP
【ＦＩ】
H03F3/38
H03K19/0175 210
【審査請求】有
【請求項の数】16
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2024122274
(22)【出願日】2024-07-29
(62)【分割の表示】P 2020170126の分割
【原出願日】2020-10-07
(71)【出願人】
【識別番号】000191238
【氏名又は名称】日清紡マイクロデバイス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002000
【氏名又は名称】弁理士法人栄光事務所
(72)【発明者】
【氏名】遠藤 大司
(57)【要約】
【課題】回路面積を小型化でき、かつ高速動作に対応可能なレベルシフト回路を用いた増幅装置を提供する。
【解決手段】レベルシフト回路は、一対の信号経路において信号入力端２１０と信号出力端２２０との間に結合容量を有する二つの容量結合回路２０１、２０２を備え、容量結合回路２０１、２０２は、結合容量によって信号経路の電圧をレベルシフトする結合モードと、同相入力端に入力される入力同相電圧値に応じたレベルシフト電圧を結合容量に充電する充電モードと、を有し、二つの容量結合回路のうち、第１の容量結合回路２０１が結合モードであるとき、第２の容量結合回路２０２が充電モードとなるように動作し、第２の容量結合回路２０２が結合モードであるとき、第１の容量結合回路２０１が充電モードとなるように動作する。
【選択図】図３
【解決手段】レベルシフト回路は、一対の信号経路において信号入力端２１０と信号出力端２２０との間に結合容量を有する二つの容量結合回路２０１、２０２を備え、容量結合回路２０１、２０２は、結合容量によって信号経路の電圧をレベルシフトする結合モードと、同相入力端に入力される入力同相電圧値に応じたレベルシフト電圧を結合容量に充電する充電モードと、を有し、二つの容量結合回路のうち、第１の容量結合回路２０１が結合モードであるとき、第２の容量結合回路２０２が充電モードとなるように動作し、第２の容量結合回路２０２が結合モードであるとき、第１の容量結合回路２０１が充電モードとなるように動作する。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
入力信号を高周波帯域に変調する第１のチョッパ変調器と、
前記第１のチョッパ変調器の出力の同相電圧成分をレベルシフトするレベルシフト回路と、
前記レベルシフト回路の出力を増幅する第１の増幅器と、
前記第１の増幅器の出力の信号成分を復調し、オフセット成分及び低周波雑音成分を高周波帯域に変調する出力チョッパ回路と、を備え、
前記レベルシフト回路は、
一対の信号経路において信号入力端と信号出力端との間に結合容量を有する二つの容量結合回路を備え、
前記容量結合回路は、
前記結合容量によって信号経路の電圧をレベルシフトする結合モードと、同相入力端に入力される入力同相電圧値に応じたレベルシフト電圧を前記結合容量に充電する充電モードと、を有し、
前記二つの容量結合回路のうち、第１の容量結合回路が前記結合モードであるとき、第２の容量結合回路が前記充電モードとなるように動作し、前記第２の容量結合回路が前記結合モードであるとき、前記第１の容量結合回路が前記充電モードとなるように動作する、
増幅装置。
前記第１のチョッパ変調器の出力の同相電圧成分をレベルシフトするレベルシフト回路と、
前記レベルシフト回路の出力を増幅する第１の増幅器と、
前記第１の増幅器の出力の信号成分を復調し、オフセット成分及び低周波雑音成分を高周波帯域に変調する出力チョッパ回路と、を備え、
前記レベルシフト回路は、
一対の信号経路において信号入力端と信号出力端との間に結合容量を有する二つの容量結合回路を備え、
前記容量結合回路は、
前記結合容量によって信号経路の電圧をレベルシフトする結合モードと、同相入力端に入力される入力同相電圧値に応じたレベルシフト電圧を前記結合容量に充電する充電モードと、を有し、
前記二つの容量結合回路のうち、第１の容量結合回路が前記結合モードであるとき、第２の容量結合回路が前記充電モードとなるように動作し、前記第２の容量結合回路が前記結合モードであるとき、前記第１の容量結合回路が前記充電モードとなるように動作する、
増幅装置。
【請求項2】
前記レベルシフト回路は、
信号入力端と、信号出力端と、同相入力端とを有し、
前記第１の容量結合回路と前記第２の容量結合回路とは、前記信号入力端と前記信号出力端との間に互いに並列に接続され、
前記第１及び第２の容量結合回路は、ぞれぞれ、前記結合容量と前記信号入力端及び前記信号出力端との間、前記結合容量と前記同相入力端との間の接続を切り替えるスイッチを有し、
前記結合モードであるときに前記結合容量を前記信号入力端及び前記信号出力端に接続し、前記充電モードであるときに前記結合容量を前記同相入力端に接続する、
請求項１に記載の増幅装置。
信号入力端と、信号出力端と、同相入力端とを有し、
前記第１の容量結合回路と前記第２の容量結合回路とは、前記信号入力端と前記信号出力端との間に互いに並列に接続され、
前記第１及び第２の容量結合回路は、ぞれぞれ、前記結合容量と前記信号入力端及び前記信号出力端との間、前記結合容量と前記同相入力端との間の接続を切り替えるスイッチを有し、
前記結合モードであるときに前記結合容量を前記信号入力端及び前記信号出力端に接続し、前記充電モードであるときに前記結合容量を前記同相入力端に接続する、
請求項１に記載の増幅装置。
【請求項3】
前記レベルシフト回路は、
前記第１及び第２の容量結合回路を所定の動作クロックによって駆動して前記結合モードと前記充電モードとを交互に動作させるものであり、
前記所定の動作クロックは、前記第１のチョッパ変調器を駆動する動作クロックの周波数より高い周波数の動作クロックとする、
請求項１に記載の増幅装置。
前記第１及び第２の容量結合回路を所定の動作クロックによって駆動して前記結合モードと前記充電モードとを交互に動作させるものであり、
前記所定の動作クロックは、前記第１のチョッパ変調器を駆動する動作クロックの周波数より高い周波数の動作クロックとする、
請求項１に記載の増幅装置。
【請求項4】
前記第１のチョッパ変調器の入力の同相電圧を検出し、検出電圧を前記レベルシフト回路の同相入力端に前記入力同相電圧値として出力する同相検出増幅器を備える、
請求項１に記載の増幅装置。
請求項１に記載の増幅装置。
【請求項5】
前記第１のチョッパ変調器の正の入力端又は負の入力端のいずれかの電圧を検出し、検出電圧を前記レベルシフト回路の同相入力端に前記入力同相電圧値として出力するバッファ増幅器を備える、
請求項１に記載の増幅装置。
請求項１に記載の増幅装置。
【請求項6】
前記出力チョッパ回路の出力を増幅する出力段の増幅器を備える、
請求項１に記載の増幅装置。
請求項１に記載の増幅装置。
【請求項7】
前記出力段の増幅器は、
入力信号を増幅する第２の増幅器と、
前記第２の増幅器の出力を増幅する第３の増幅器と、
位相補償回路と、を含む、
請求項６に記載の増幅装置。
入力信号を増幅する第２の増幅器と、
前記第２の増幅器の出力を増幅する第３の増幅器と、
位相補償回路と、を含む、
請求項６に記載の増幅装置。
【請求項8】
前記第２の増幅器は、
入力信号を増幅する初段増幅器と、
前記初段増幅器の出力を増幅する１つ以上の増幅器と、を含む、
請求項７に記載の増幅装置。
入力信号を増幅する初段増幅器と、
前記初段増幅器の出力を増幅する１つ以上の増幅器と、を含む、
請求項７に記載の増幅装置。
【請求項9】
前記レベルシフト回路の出力に接続された第２のチョッパ変調器と、
前記第２のチョッパ変調器の出力と前記第３の増幅器の入力との間にフィードフォワード構成となるよう接続された第４の増幅器と、を備える、
請求項７に記載の増幅装置。
前記第２のチョッパ変調器の出力と前記第３の増幅器の入力との間にフィードフォワード構成となるよう接続された第４の増幅器と、を備える、
請求項７に記載の増幅装置。
【請求項10】
前記第１のチョッパ変調器の入力と前記第３の増幅器の入力との間にフィードフォワード構成となるよう接続された第５の増幅器を備える、
請求項７又は９に記載の増幅装置。
請求項７又は９に記載の増幅装置。
【請求項11】
前記第５の増幅器の出力を電流増幅する電流増幅回路を備える、
請求項１０に記載の増幅装置。
請求項１０に記載の増幅装置。
【請求項12】
前記出力チョッパ回路は、
前記第１の増幅器の出力の信号成分を復調し、オフセット成分及び低周波雑音成分を高周波帯域に変調して出力端より出力する第３のチョッパ変調器と、
前記第１の増幅器の出力と前記第３のチョッパ変調器の入力との間に入出力が接続され、前記第１の増幅器の出力を負帰還して前記第１の増幅器において発生するオフセット成分及び低周波雑音成分を低減するノイズリダクションループ回路と、を備え、
前記ノイズリダクションループ回路は、
入出力が負帰還構成となるように接続され、
前記ノイズリダクションループ回路の差動入力信号を増幅する第６の増幅器と、
前記第６の増幅器の出力の高周波信号成分を低減するフィルタ回路と、
前記フィルタ回路の出力を増幅する第７の増幅器と、を有する、
請求項１に記載の増幅装置。
前記第１の増幅器の出力の信号成分を復調し、オフセット成分及び低周波雑音成分を高周波帯域に変調して出力端より出力する第３のチョッパ変調器と、
前記第１の増幅器の出力と前記第３のチョッパ変調器の入力との間に入出力が接続され、前記第１の増幅器の出力を負帰還して前記第１の増幅器において発生するオフセット成分及び低周波雑音成分を低減するノイズリダクションループ回路と、を備え、
前記ノイズリダクションループ回路は、
入出力が負帰還構成となるように接続され、
前記ノイズリダクションループ回路の差動入力信号を増幅する第６の増幅器と、
前記第６の増幅器の出力の高周波信号成分を低減するフィルタ回路と、
前記フィルタ回路の出力を増幅する第７の増幅器と、を有する、
請求項１に記載の増幅装置。
【請求項13】
前記出力チョッパ回路は、
前記第１の増幅器の出力の信号成分を復調し、オフセット成分及び低周波雑音成分を高周波帯域に変調して出力端より出力する第３のチョッパ変調器と、
前記第３のチョッパ変調器の出力に入力が接続され、前記第３のチョッパ変調器の入力に出力が接続され、前記第３のチョッパ変調器の出力の高周波雑音成分を負帰還して低減させるリップル校正回路と、を備え、
前記リップル校正回路は、
前記リップル校正回路に入力される高周波雑音成分を検出するハイパスフィルタ回路と、
前記ハイパスフィルタ回路の出力を増幅する増幅回路を有し、前記高周波雑音成分を低周波成分に復調する機能と前記増幅回路のオフセット成分及び低周波雑音成分を低減する機能とを有する位相反転オートゼロ増幅器と、
前記位相反転オートゼロ増幅器の出力の高周波成分を低減するフィルタ回路と、
前記フィルタ回路の出力を増幅し、前記リップル校正回路の出力とする第８の増幅器と、を有する、
請求項１に記載の増幅装置。
前記第１の増幅器の出力の信号成分を復調し、オフセット成分及び低周波雑音成分を高周波帯域に変調して出力端より出力する第３のチョッパ変調器と、
前記第３のチョッパ変調器の出力に入力が接続され、前記第３のチョッパ変調器の入力に出力が接続され、前記第３のチョッパ変調器の出力の高周波雑音成分を負帰還して低減させるリップル校正回路と、を備え、
前記リップル校正回路は、
前記リップル校正回路に入力される高周波雑音成分を検出するハイパスフィルタ回路と、
前記ハイパスフィルタ回路の出力を増幅する増幅回路を有し、前記高周波雑音成分を低周波成分に復調する機能と前記増幅回路のオフセット成分及び低周波雑音成分を低減する機能とを有する位相反転オートゼロ増幅器と、
前記位相反転オートゼロ増幅器の出力の高周波成分を低減するフィルタ回路と、
前記フィルタ回路の出力を増幅し、前記リップル校正回路の出力とする第８の増幅器と、を有する、
請求項１に記載の増幅装置。
【請求項14】
前記位相反転オートゼロ増幅器は、
前記位相反転オートゼロ増幅器の入力を反転増幅する第１のオートゼロ増幅回路と、前記位相反転オートゼロ増幅器の入力を非反転増幅する第２のオートゼロ増幅回路と、を備え、
前記第１のオートゼロ増幅回路及び前記第２のオートゼロ増幅回路は、
自回路における増幅器のオフセット成分及び低周波雑音成分を低減する校正信号をサンプリングする校正モードと、前記校正信号によりオフセット成分及び低周波雑音成分が低減された前記増幅器によって入力信号を増幅する増幅モードと、を有し、
前記校正モードと前記増幅モードとを切り替えるスイッチを備え、
前記第１のオートゼロ増幅回路が前記増幅モードとして反転増幅動作するとき、前記第２のオートゼロ増幅回路が前記校正モードとして動作する第１の状態と、前記第２のオートゼロ増幅回路が前記増幅モードとして非反転増幅動作するとき、前記第１のオートゼロ増幅回路が前記校正モードとして動作する第２の状態と、を有し、
前記第３のチョッパ変調器の動作に連動して、前記スイッチを所定の動作クロックによって駆動して前記校正モードと前記増幅モードとを交互に動作させ、前記リップル校正回路が負帰還構成となるように前記第１の状態と前記第２の状態とを切り替える、
請求項１３に記載の増幅装置。
前記位相反転オートゼロ増幅器の入力を反転増幅する第１のオートゼロ増幅回路と、前記位相反転オートゼロ増幅器の入力を非反転増幅する第２のオートゼロ増幅回路と、を備え、
前記第１のオートゼロ増幅回路及び前記第２のオートゼロ増幅回路は、
自回路における増幅器のオフセット成分及び低周波雑音成分を低減する校正信号をサンプリングする校正モードと、前記校正信号によりオフセット成分及び低周波雑音成分が低減された前記増幅器によって入力信号を増幅する増幅モードと、を有し、
前記校正モードと前記増幅モードとを切り替えるスイッチを備え、
前記第１のオートゼロ増幅回路が前記増幅モードとして反転増幅動作するとき、前記第２のオートゼロ増幅回路が前記校正モードとして動作する第１の状態と、前記第２のオートゼロ増幅回路が前記増幅モードとして非反転増幅動作するとき、前記第１のオートゼロ増幅回路が前記校正モードとして動作する第２の状態と、を有し、
前記第３のチョッパ変調器の動作に連動して、前記スイッチを所定の動作クロックによって駆動して前記校正モードと前記増幅モードとを交互に動作させ、前記リップル校正回路が負帰還構成となるように前記第１の状態と前記第２の状態とを切り替える、
請求項１３に記載の増幅装置。
【請求項15】
前記第２の増幅器の初段増幅器、又は前記ノイズリダクションループ回路の第６の増幅器は、
自回路における増幅器のオフセット成分及び低周波雑音成分を低減する校正信号をサンプリングする校正モードと、前記校正信号によりオフセット成分及び低周波雑音成分が低減された前記増幅器によって入力信号を増幅する増幅モードと、を有するオートゼロ増幅器を含む、
請求項８又は１２に記載の増幅装置。
自回路における増幅器のオフセット成分及び低周波雑音成分を低減する校正信号をサンプリングする校正モードと、前記校正信号によりオフセット成分及び低周波雑音成分が低減された前記増幅器によって入力信号を増幅する増幅モードと、を有するオートゼロ増幅器を含む、
請求項８又は１２に記載の増幅装置。
【請求項16】
前記第２の増幅器の初段増幅器、又は前記ノイズリダクションループ回路の第６の増幅器は、
自回路における増幅器のオフセット成分及び低周波雑音成分を低減する校正信号をサンプリングする校正モードと、前記校正信号によりオフセット成分及び低周波雑音成分が低減された前記増幅器によって入力信号を増幅する増幅モードと、を有し、前記校正モードと前記増幅モードとを切り替えるスイッチを備える複数のオートゼロ増幅回路を含み、
前記複数のオートゼロ増幅回路のうち、一つのオートゼロ増幅回路が前記増幅モードとして動作するとき、他の一つのオートゼロ増幅回路が前記校正モードとして動作するように、前記スイッチを所定の動作クロックによって駆動して前記校正モードと前記増幅モードとを交互に動作させる、オートゼロ増幅器を備える、
請求項８又は１２に記載の増幅装置。
自回路における増幅器のオフセット成分及び低周波雑音成分を低減する校正信号をサンプリングする校正モードと、前記校正信号によりオフセット成分及び低周波雑音成分が低減された前記増幅器によって入力信号を増幅する増幅モードと、を有し、前記校正モードと前記増幅モードとを切り替えるスイッチを備える複数のオートゼロ増幅回路を含み、
前記複数のオートゼロ増幅回路のうち、一つのオートゼロ増幅回路が前記増幅モードとして動作するとき、他の一つのオートゼロ増幅回路が前記校正モードとして動作するように、前記スイッチを所定の動作クロックによって駆動して前記校正モードと前記増幅モードとを交互に動作させる、オートゼロ増幅器を備える、
請求項８又は１２に記載の増幅装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、レベルシフト回路を用いた増幅装置に関する。
【背景技術】
【0002】
増幅器は、センサ信号等の増幅に広く用いられているが、いくつかの応用例では、増幅器内部のオフセット成分及び低周波雑音成分が非常に小さいことを要求される。従来の増幅器では、オフセット成分及び低周波雑音成分がその要求を満たすことができないため、オフセット成分及び低周波雑音成分を低減する手法が多く存在している。
【0003】
オフセット成分及び低周波雑音成分を低減する手法の一例として、チョッパ安定化増幅器が存在している。チョッパ安定化増幅器は、チョッパ変調器を用いて入力段の増幅器のオフセット成分及び低周波雑音成分のみが高周波帯域に変調するように構成することで、オフセット成分及び低周波雑音成分を低減する手法である。
【0004】
オフセット成分及び低周波雑音成分を低減する手法の他の例として、オートゼロ増幅器が存在している。オートゼロ増幅器は、内蔵している校正回路によって増幅器のオフセット成分及び低周波雑音成分を低減する手法である。一般にオートゼロ増幅器は、スイッチによって入出力を切り替え、校正モードと増幅モードとを交互に動作させる。そのため、一つのオートゼロ増幅器だけでは、校正モードの時に信号を増幅することができない。そこで、例えば非特許文献１に開示されているように、二つのオートゼロ増幅器を用意し、一方のオートゼロ増幅器が校正モードの時、もう片方が増幅モードとなり信号を増幅するように構成されたＰｉｎｇ－Ｐｏｎｇオートゼロ増幅器が採用されている。
【0005】
以上のように、オフセット成分及び低周波雑音成分を低減する手法の例として、チョッパ安定化増幅器とオートゼロ増幅器とが存在する。しかし、チョッパ安定化増幅器は、オフセット成分及び低周波雑音成分が高周波帯域に変調され、それがリップルノイズとなり、リップルノイズによる高周波雑音成分が生じる課題がある。また、オートゼロ増幅器は、オフセット成分及び低周波雑音成分を低減するような信号を校正回路がサンプリングする必要があるため、サンプリングの際に生じるエイリアシング雑音が発生し、エイリアシング雑音による低周波雑音成分が生じる課題がある。このため、これらの課題を改善するための手法がいくつか存在している。
【0006】
一例として、特許文献１に開示されているように、チョッパ安定化増幅器とＰｉｎｇ－Ｐｏｎｇオートゼロ増幅器の動作を組み合わせた手法が存在する。この手法を用いた場合、Ｐｉｎｇ－Ｐｏｎｇオートゼロ増幅器によって発生したエイリアシング雑音は、チョッパ変調器によって高周波帯域に変調されるため、低周波雑音成分を大きく低減できる。また、チョッパ変調器によって高周波帯域に変調されたオフセット成分及び低周波雑音成分は、Ｐｉｎｇ－Ｐｏｎｇオートゼロ増幅器によって大きく低減される。このため、オフセット成分及び低周波雑音成分が高周波帯域に変調されることによって発生するリップルノイズによる高周波雑音成分も大きく低減することができる。
【0007】
他の例として、特許文献２に開示されているように、チョッパ安定化増幅器の後段にスイッチドキャパシタ型のノッチフィルタを使用する手法が存在する。この手法を用いることによって、チョッパ安定化増幅器によって発生したリップルノイズはノッチフィルタによって低減され、結果としてオフセット成分及び低周波雑音成分だけではなく、高周波雑音も低減することができる。
【0008】
さらに他の例として、特許文献３、特許文献４に開示されているように、フィードバック手法を用いることで、チョッパ安定化増幅器のリップルノイズを低減する手法が存在する。この手法は、リップルノイズをフィードバック回路の入力の増幅器やカップリング容量によって検出した後に、フィードバック回路内部のチョッパ変調器によってリップルノイズをオフセット成分及び低周波雑音成分に復調し、入力段の増幅器の出力に負帰還させるものである。このフィードバックにより、入力段の増幅器によって発生するオフセット成分及び低周波雑音成分を低減する。この手法により、チョッパ変調器によって変調されるオフセット成分及び低周波雑音成分が低減され、結果としてリップルノイズ、つまり高周波雑音成分を低減できる。
【0009】
また、チョッパ安定化増幅器を高耐圧化する際にチップ面積と消費電流を低減する手法として、例えば、特許文献５のような容量結合手法が存在している。チョッパ安定化増幅器を４０Ｖや６０Ｖといった高電圧で動作できるように構成する際、入力段のトランジスタには通常は高耐圧トランジスタが用いられる。しかし、高耐圧トランジスタは、５Ｖ耐圧等の通常のトランジスタよりも、目的の相互コンダクタンス値を実現するために必要なサイズと電流値が大きいため、チョッパ安定化増幅器の消費電流や回路面積を増加させてしまうという欠点をもつ。これに対し、特許文献５のような容量結合手法を用いれば、入力の同相電圧値をレベルシフトした上で、入力段のトランジスタに信号を入力できる。このため、入力段のトランジスタに５Ｖ耐圧等の通常のトランジスタを用いることが可能となり、回路のチップ面積と消費電流を低減できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【特許文献1】米国特許第６４７６６７１号明細書
【特許文献2】米国特許第７２９２０９５号明細書
【特許文献3】米国特許第７７６４１１８号明細書
【特許文献4】米国特許第８１２０４２２号明細書
【特許文献5】米国特許第９２９４０４９号明細書
【非特許文献】
【0011】
【非特許文献1】Ion E. Opris and Gregory T.A. Kovacs, “A Rail-to-Rail Ping-Pong Op-Amp”, IEEE J0. Solid-State Circuits, vol. 31, no 9, pp. 1320-1324, Sep. 1996.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
上記のような従来例の手法では、入力の同相電圧値をレベルシフトするために容量と抵抗によって容量結合構成を実現した場合、カットオフ周波数をチョッピング周波数以下に設定する必要がある。このため、容量と抵抗のサイズが大きくなってしまう他、入力の同相電圧値が急変した時、容量にかかる電圧値が安定するまでに時間がかかり、スルーレートやセトリング時間が長くなってしまう課題がある。
【0013】
本発明は、回路面積を小型化でき、かつ高速動作に対応可能なレベルシフト回路を用いた増幅装置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】
【0014】
本発明は、入力信号を高周波帯域に変調する第１のチョッパ変調器と、前記第１のチョッパ変調器の出力の同相電圧成分をレベルシフトするレベルシフト回路と、前記レベルシフト回路の出力を増幅する第１の増幅器と、前記第１の増幅器の出力の信号成分を復調し、オフセット成分及び低周波雑音成分を高周波帯域に変調する出力チョッパ回路と、を備え、前記レベルシフト回路は、一対の信号経路において信号入力端と信号出力端との間に結合容量を有する二つの容量結合回路を備え、前記容量結合回路は、前記結合容量によって信号経路の電圧をレベルシフトする結合モードと、同相入力端に入力される入力同相電圧値に応じたレベルシフト電圧を前記結合容量に充電する充電モードと、を有し、前記二つの容量結合回路のうち、第１の容量結合回路が前記結合モードであるとき、第２の容量結合回路が前記充電モードとなるように動作し、前記第２の容量結合回路が前記結合モードであるとき、前記第１の容量結合回路が前記充電モードとなるように動作する、増幅装置を提供する。
【0015】
また、本発明は、上記の増幅装置であって、前記レベルシフト回路は、信号入力端と、信号出力端と、同相入力端とを有し、前記第１の容量結合回路と前記第２の容量結合回路とは、前記信号入力端と前記信号出力端との間に互いに並列に接続され、前記第１及び第２の容量結合回路は、ぞれぞれ、前記結合容量と前記信号入力端及び前記信号出力端との間、前記結合容量と前記同相入力端との間の接続を切り替えるスイッチを有し、前記結合モードであるときに前記結合容量を前記信号入力端及び前記信号出力端に接続し、前記充電モードであるときに前記結合容量を前記同相入力端に接続する、増幅装置を提供する。
【0016】
また、本発明は、上記の増幅装置であって、前記レベルシフト回路は、前記第１及び第２の容量結合回路を所定の動作クロックによって駆動して前記結合モードと前記充電モードとを交互に動作させるものであり、前記所定の動作クロックは、前記第１のチョッパ変調器を駆動する動作クロックの周波数より高い周波数の動作クロックとする、増幅装置を提供する。
【0017】
また、本発明は、上記の増幅装置であって、前記第１のチョッパ変調器の入力の同相電圧を検出し、検出電圧を前記レベルシフト回路の同相入力端に前記入力同相電圧値として出力する同相検出増幅器を備える、増幅装置を提供する。
【0018】
また、本発明は、上記の増幅装置であって、前記第１のチョッパ変調器の正の入力端又は負の入力端のいずれかの電圧を検出し、検出電圧を前記レベルシフト回路の同相入力端に前記入力同相電圧値として出力するバッファ増幅器を備える、増幅装置を提供する。
【0019】
また、本発明は、上記の増幅装置であって、前記出力チョッパ回路の出力を増幅する出力段の増幅器を備える、増幅装置を提供する。
【0020】
また、本発明は、上記の増幅装置であって、前記出力段の増幅器は、入力信号を増幅する第２の増幅器と、前記第２の増幅器の出力を増幅する第３の増幅器と、位相補償回路と、を含む、増幅装置を提供する。
【0021】
また、本発明は、上記の増幅装置であって、前記第２の増幅器は、入力信号を増幅する初段増幅器と、前記初段増幅器の出力を増幅する１つ以上の増幅器と、を含む、増幅装置を提供する。
【0022】
また、本発明は、上記の増幅装置であって、前記レベルシフト回路の出力に接続された第２のチョッパ変調器と、前記第２のチョッパ変調器の出力と前記第３の増幅器の入力との間にフィードフォワード構成となるよう接続された第４の増幅器と、を備える、増幅装置を提供する。
【0023】
また、本発明は、上記の増幅装置であって、前記第１のチョッパ変調器の入力と前記第３の増幅器の入力との間にフィードフォワード構成となるよう接続された第５の増幅器を備える、増幅装置を提供する。
【0024】
また、本発明は、上記の増幅装置であって、前記第５の増幅器の出力を電流増幅する電流増幅回路を備える、増幅装置を提供する。
【0025】
また、本発明は、上記の増幅装置であって、前記出力チョッパ回路は、前記第１の増幅器の出力の信号成分を復調し、オフセット成分及び低周波雑音成分を高周波帯域に変調して出力端より出力する第３のチョッパ変調器と、前記第１の増幅器の出力と前記第３のチョッパ変調器の入力との間に入出力が接続され、前記第１の増幅器の出力を負帰還して前記第１の増幅器において発生するオフセット成分及び低周波雑音成分を低減するノイズリダクションループ回路と、を備え、前記ノイズリダクションループ回路は、入出力が負帰還構成となるように接続され、前記ノイズリダクションループ回路の差動入力信号を増幅する第６の増幅器と、前記第６の増幅器の出力の高周波信号成分を低減するフィルタ回路と、前記フィルタ回路の出力を増幅する第７の増幅器と、を有する、増幅装置を提供する。
【0026】
また、本発明は、上記の増幅装置であって、前記出力チョッパ回路は、前記第１の増幅器の出力の信号成分を復調し、オフセット成分及び低周波雑音成分を高周波帯域に変調して出力端より出力する第３のチョッパ変調器と、前記第３のチョッパ変調器の出力に入力が接続され、前記第３のチョッパ変調器の入力に出力が接続され、前記第３のチョッパ変調器の出力の高周波雑音成分を負帰還して低減させるリップル校正回路と、を備え、前記リップル校正回路は、前記リップル校正回路に入力される高周波雑音成分を検出するハイパスフィルタ回路と、前記ハイパスフィルタ回路の出力を増幅する増幅回路を有し、前記高周波雑音成分を低周波成分に復調する機能と前記増幅回路のオフセット成分及び低周波雑音成分を低減する機能とを有する位相反転オートゼロ増幅器と、前記位相反転オートゼロ増幅器の出力の高周波成分を低減するフィルタ回路と、前記フィルタ回路の出力を増幅し、前記リップル校正回路の出力とする第８の増幅器と、を有する、増幅装置を提供する。
【0027】
また、本発明は、上記の増幅装置であって、前記位相反転オートゼロ増幅器は、前記位相反転オートゼロ増幅器の入力を反転増幅する第１のオートゼロ増幅回路と、前記位相反転オートゼロ増幅器の入力を非反転増幅する第２のオートゼロ増幅回路と、を備え、前記第１のオートゼロ増幅回路及び前記第２のオートゼロ増幅回路は、自回路における増幅器のオフセット成分及び低周波雑音成分を低減する校正信号をサンプリングする校正モードと、前記校正信号によりオフセット成分及び低周波雑音成分が低減された前記増幅器によって入力信号を増幅する増幅モードと、を有し、前記校正モードと前記増幅モードとを切り替えるスイッチを備え、前記第１のオートゼロ増幅回路が前記増幅モードとして反転増幅動作するとき、前記第２のオートゼロ増幅回路が前記校正モードとして動作する第１の状態と、前記第２のオートゼロ増幅回路が前記増幅モードとして非反転増幅動作するとき、前記第１のオートゼロ増幅回路が前記校正モードとして動作する第２の状態と、を有し、前記第３のチョッパ変調器の動作に連動して、前記スイッチを所定の動作クロックによって駆動して前記校正モードと前記増幅モードとを交互に動作させ、前記リップル校正回路が負帰還構成となるように前記第１の状態と前記第２の状態とを切り替える、増幅装置を提供する。
【0028】
また、本発明は、上記の増幅装置であって、前記第２の増幅器の初段増幅器、又は前記ノイズリダクションループ回路の第６の増幅器は、自回路における増幅器のオフセット成分及び低周波雑音成分を低減する校正信号をサンプリングする校正モードと、前記校正信号によりオフセット成分及び低周波雑音成分が低減された前記増幅器によって入力信号を増幅する増幅モードと、を有するオートゼロ増幅器を含む、増幅装置を提供する。
【0029】
また、本発明は、上記の増幅装置であって、前記第２の増幅器の初段増幅器、又は前記ノイズリダクションループ回路の第６の増幅器は、自回路における増幅器のオフセット成分及び低周波雑音成分を低減する校正信号をサンプリングする校正モードと、前記校正信号によりオフセット成分及び低周波雑音成分が低減された前記増幅器によって入力信号を増幅する増幅モードと、を有し、前記校正モードと前記増幅モードとを切り替えるスイッチを備える複数のオートゼロ増幅回路を含み、前記複数のオートゼロ増幅回路のうち、一つのオートゼロ増幅回路が前記増幅モードとして動作するとき、他の一つのオートゼロ増幅回路が前記校正モードとして動作するように、前記スイッチを所定の動作クロックによって駆動して前記校正モードと前記増幅モードとを交互に動作させる、オートゼロ増幅器を備える、増幅装置を提供する。
【発明の効果】
【0030】
本発明によれば、回路面積を小型化でき、かつ高速動作に対応可能なレベルシフト回路を用いた増幅装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】第１の実施形態の増幅装置の構成を示す図である。
【図5】本実施形態の増幅装置におけるクロック信号の動作波形の一例を示す図である。
【図7】第２の実施形態の増幅装置の構成を示す図である。
【図8】第３の実施形態の増幅装置の構成を示す図である。
【図10】第４の実施形態の増幅装置の構成を示す図である。
【図11】第５の実施形態の増幅装置の構成を示す図である。
【図12】リップルノイズ低減回路としてノイズリダクションループ回路を用いた出力チョッパ回路の第１例の構成を示す図である。
【図13】オートゼロ増幅回路の構成例を示す図である。
【図14】リップルノイズ低減回路としてリップル校正回路を用いた出力チョッパ回路の第２例の構成を示す図である。
【図15】本実施形態の増幅装置による信号成分、雑音成分及びオフセット成分の時間波形と周波数特性の一例を示す特性図である。
【図16】出力段の相互コンダクタンス増幅器を２段構成にした変形例を示す図である。
【図17】出力段の相互コンダクタンス増幅器をＰｉｎｇ－Ｐｏｎｇオートゼロ増幅器にした変形例を示す図である。
【図18】増幅装置において用いられるチョッパ変調器の構成例を示す図である。
【図19】チョッパ安定化増幅器を用いた増幅回路の構成例を示す図である。
【図21】チョッパ安定化増幅器を用いた増幅回路の比較例の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0032】
以下、本発明に係るレベルシフト回路を用いた増幅装置を具体的に開示した実施形態（以下、「本実施形態」という）について、図面を参照して詳細に説明する。
【0033】
（本実施形態に至る背景）
図１８は、増幅装置において用いられるチョッパ変調器の構成例を示す図である。チョッパ変調器１００は、二つの入出力間の経路に接続されるスイッチΦａと、二つの入出力を反転させた経路に接続されるスイッチΦｂとを備える。チョッパ変調器１００は、スイッチΦａとスイッチΦｂの一方をオン、他方をオフとして交互にオンとオフを繰り返し、入力端Ｃｈｏｐｉｎと出力端Ｃｈｏｐｏｕｔの間の経路の接続を交互に切り替える。これにより、チョッパ変調器１００は、入力信号の低周波成分を高周波成分に変調し、入力信号の高周波成分を低周波成分に復調する。例えば、チョッパ変調器１００を駆動するチョッピング周波数を１００ｋＨｚとする。この場合、入力信号の低周波成分は１００ｋＨｚ近辺の高周波成分に変調され、入力信号の１００ｋＨｚ近辺の高周波成分は低周波成分に復調される。
図１８は、増幅装置において用いられるチョッパ変調器の構成例を示す図である。チョッパ変調器１００は、二つの入出力間の経路に接続されるスイッチΦａと、二つの入出力を反転させた経路に接続されるスイッチΦｂとを備える。チョッパ変調器１００は、スイッチΦａとスイッチΦｂの一方をオン、他方をオフとして交互にオンとオフを繰り返し、入力端Ｃｈｏｐｉｎと出力端Ｃｈｏｐｏｕｔの間の経路の接続を交互に切り替える。これにより、チョッパ変調器１００は、入力信号の低周波成分を高周波成分に変調し、入力信号の高周波成分を低周波成分に復調する。例えば、チョッパ変調器１００を駆動するチョッピング周波数を１００ｋＨｚとする。この場合、入力信号の低周波成分は１００ｋＨｚ近辺の高周波成分に変調され、入力信号の１００ｋＨｚ近辺の高周波成分は低周波成分に復調される。
【0034】
図１９は、チョッパ安定化増幅器を用いた増幅回路の構成例を示す図である。図１９では基本的なチョッパ安定化増幅器の構成を示している。チョッパ安定化増幅器は、チョッパ変調器１００１、増幅器１００２、チョッパ変調器１００３を備える。図１９の構成において、増幅器１００２にはオフセット成分（Ｖoffset）及び低周波雑音成分（１／ｆ noise）が発生する。そこで、チョッパ変調器１００１によって低周波帯域の信号成分を増幅器１００２のオフセット成分及び低周波雑音成分が少ない高周波帯域に変調し、増幅器１００２にて増幅した後、チョッパ変調器１００３によって高周波帯域の信号成分を低周波帯域に復調する。これにより、チョッパ安定化増幅器の全体のオフセット成分及び低周波雑音成分を低減する。しかし、チョッパ変調器１００３によって高周波帯域に変調されたオフセット成分及び低周波雑音成分はリップルノイズとなり、高周波雑音成分が発生する課題が生じる。
【0035】
図２０は、図１９の増幅回路による信号成分、雑音成分及びオフセット成分の時間波形と周波数特性の一例を示す特性図である。図２０では、信号成分、雑音成分、オフセット成分のそれぞれについて、時間波形と周波数分布の変化過程のイメージを示している。図２０において、上段は時間波形、下段は周波数特性をそれぞれ示している。チョッパ変調器１００１及びチョッパ変調器１００３のチョッピング周波数をｆｃｈとする。信号成分は、一度チョッパ変調器１００１によって高周波帯域に変調された後に、増幅器１００２にて増幅され、増幅器１００２のオフセット成分及び低周波雑音成分が加算される。その後、チョッパ変調器１００３を通すことにより信号成分は復調され、オフセット成分及び低周波雑音成分は高周波帯域に変調される。このように、チョッパ安定化増幅器は、オフセット成分及び低周波雑音成分を高周波帯域に変調することによってリップルノイズが発生してしまうため、低雑音化を図るためには、リップルノイズの原因となるオフセット成分及び低周波雑音成分を低減する必要がある。
【0036】
また、図１９の増幅回路において、４０Ｖや６０Ｖといった高耐圧で動作可能にする場合、入力段のトランジスタを高耐圧トランジスタとする必要がある。しかし、高耐圧トランジスタは、５Ｖ耐圧等の通常のトランジスタよりも、目的の相互コンダクタンス値を実現するために必要なサイズと電流値が大きいため、チョッパ安定化増幅器の消費電流や回路面積を増加させてしまうという欠点をもつ。
【0037】
図２１は、チョッパ安定化増幅器を用いた増幅回路の比較例として、容量と抵抗による容量結合構成を用いた増幅回路の構成例を示す図である。図２１では、図１９のチョッパ安定化増幅器に容量結合構成を用いた構成を示している。
【0038】
比較例の増幅回路は、チョッパ安定化増幅器において、結合容量Ｃａ及びＣｂと、抵抗Ｒａ及びＲｂと、を備える。結合容量Ｃａ，Ｃｂは、チョッパ変調器１００１と増幅器１００２との間の一対の信号経路にそれぞれ挿入されて接続されている。抵抗Ｒａ，Ｒｂは、それぞれ結合容量Ｃａ，Ｃｂと増幅器１００２との間に一方の端子が接続され、他方の端子がバイアス電圧Ｖｂｉａｓに接続されている。
【0039】
差動入力の増幅装置において、入力差動信号の低周波成分は、チョッパ変調器１００１によって高周波成分に変調されるため、結合容量Ｃａ及びＣｂを通過する。これに対し、入力同相電圧の低周波成分は、チョッパ変調器１００１によって高周波成分に変調されないため、結合容量Ｃａ及びＣｂを通過しない。このため、増幅器１００２の入力同相電圧は、定常状態となり値が安定した時に、抵抗Ｒａ及びＲｂによって接続されたバイアス電圧Ｖｂｉａｓの値となる。
【0040】
この比較例では、容量結合構成を用いることにより、増幅器１００２の入力同相電圧値をレベルシフトしたものにできるため、増幅器１００２の入力段に用いるトランジスタに５Ｖ耐圧等の通常のトランジスタを用いることが可能となる。このため、図１９の構成と比べて、チョッパ安定化増幅器の消費電流や回路面積を低減することができる。しかし、容量と抵抗によって容量結合構成を実現した場合、カットオフ周波数をチョッピング周波数以下に設定する必要がある。このため、容量と抵抗のサイズが大きくなってしまう他、入力の同相電圧値が急変した時、容量にかかる電圧値が安定するまでに時間がかかり、スルーレートやセトリング時間が長くなってしまう課題がある。
【0041】
本実施形態では、上記事情に鑑み、レベルシフトにより高耐圧化を図ることで消費電流や回路面積を低減することが可能であり、かつ、高速動作に対応可能であり、低雑音、高精度の増幅回路を実現できる増幅装置の構成例を示す。
【0042】
以下の実施形態では、チョッパ変調器及びオートゼロ増幅器を用いたチョッパ安定化増幅器を含む増幅装置の構成例を例示する。
【0043】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の増幅装置の構成を示す図である。本実施形態の増幅装置は、同相電圧成分をレベルシフトするレベルシフト回路を備える。レベルシフト回路として設けられる本実地形態の同相レベルシフト回路２００については、後で詳述する。
図１は、第１の実施形態の増幅装置の構成を示す図である。本実施形態の増幅装置は、同相電圧成分をレベルシフトするレベルシフト回路を備える。レベルシフト回路として設けられる本実地形態の同相レベルシフト回路２００については、後で詳述する。
【0044】
第１の実施形態の増幅装置は、チョッパ変調器１０１、同相レベルシフト回路２００、同相検出増幅器２４０ａ、相互コンダクタンス増幅器３１０、及び出力チョッパ回路４００を備える。増幅装置は、入力端より入力される差動信号の入力信号Ｖｉｎを増幅し、出力端より増幅後の出力信号Ｖｏｕｔを出力する。
【0045】
チョッパ変調器１０１は、二つの入出力間の経路に接続されるスイッチと、二つの入出力を反転させた経路に接続されるスイッチとを備え、これらのスイッチの一方をオン、他方をオフとして交互にオンとオフを繰り返し、入力端と出力端の間の経路の接続を交互に切り替える。これにより、入力端より入力される入力信号を高周波帯域に変調する。同相レベルシフト回路２００は、チョッパ変調器１０１の出力の同相電圧成分をレベルシフトする。同相レベルシフト回路２００は、入力同相電圧値を入力する同相入力端２３０と、チョッパ変調器１０１の出力に接続された信号入力端２１０と、相互コンダクタンス増幅器３１０の入力に接続された信号出力端２２０と、を備える。同相検出増幅器２４０ａは、チョッパ変調器１０１の入力信号における同相電圧を検出し、検出電圧を入力同相電圧値として同相入力端２３０に出力する。相互コンダクタンス増幅器３１０は、同相レベルシフト回路２００の出力を増幅する。出力チョッパ回路４００は、相互コンダクタンス増幅器３１０の出力の信号成分を復調し、オフセット成分及び低周波雑音成分を高周波帯域に変調する。
【0046】
第１の実施形態の増幅装置は、出力チョッパ回路４００の出力を増幅し、増幅装置の出力端に出力する出力段の増幅器を備えてよい。出力段の増幅器は、入力を増幅する第２の増幅器としての相互コンダクタンス増幅器３２０と、相互コンダクタンス増幅器３２０の出力を増幅する第３の増幅器としての増幅器３３０と、を備えてよい。この場合、３段の増幅回路が構成され、増幅器３３０の出力が増幅装置の出力端となり、出力信号Ｖｏｕｔが出力される。
【0047】
また、出力段の増幅器は、入れ子型ミラー補償構成となるように接続された容量Ｃｃ１、Ｃｃ２、Ｃｃ３を有してよい。また、チョッパ変調器１０１の入力と増幅器３３０の入力との間に接続されフィードフォワードアンプとして機能する相互コンダクタンス増幅器３５０を有してよい。この場合、増幅装置の安定性の更なる向上を図るために、フィードフォワード構成となるように相互コンダクタンス増幅器３５０の出力は増幅器３３０の入力に接続される。これらの容量Ｃｃ１、Ｃｃ２、Ｃｃ３と相互コンダクタンス増幅器３５０のフィードフォワードアンプとによって位相補償回路が構成される。
【0048】
第１の実施形態では、増幅装置を３段構成の増幅回路とすることで、増幅装置の直流利得をより大きくすることができる。また、入れ子型ミラー補償構成の容量とフィードフォワードアンプによる位相補償回路を用いることで、増幅装置の安定性を向上させることができる。
【0049】
【0050】
同相レベルシフト回路２００は、入力差動信号が通過する一対の信号経路において、並列に接続された二つの容量結合回路２０１及び２０２を備える。容量結合回路２０１、２０２は、スイッチによって交互に切り替えられる動作モードとして、内蔵された結合容量によって信号経路の電圧をレベルシフトする結合モードと、入力同相電圧値に基づくレベルシフト電圧を結合容量に充電する充電モードと、を有する。容量結合回路２０１、２０２は、結合モードにおいて、内蔵された結合容量によって同相レベルシフト回路２００の信号入力端２１０における同相電圧成分をレベルシフトし、同相レベルシフト回路２００の信号出力端２２０に出力する。容量結合回路２０１、２０２は、充電モードにおいて、同相入力端２３０に入力される入力同相電圧値を結合容量の入力側に印加し、バイアス電圧源Ｖｂｉａｓより入力されるバイアス電圧値を結合容量の出力側に印加し、これらの電圧値の差分によるレベルシフト電圧を充電する。
【0051】
第１の容量結合回路２０１は、入力の接続を信号入力端２１０に切り替えるスイッチΦ１，１と、入力の接続を同相入力端２３０に切り替えるスイッチΦ１，３と、出力の接続を信号出力端２２０に切り替えるスイッチΦ１，２と、出力の接続をバイアス電圧源Ｖｂｉａｓに切り替えるスイッチΦ１，４と、を備える。また、容量結合回路２０１は、一対の信号経路において、スイッチΦ１，１及びΦ１，３によって接続が切り替えられる入力側と、スイッチΦ１，２及びΦ１，４によって接続が切り替えられる出力側と、の間に挿入されて接続される結合容量Ｃ１，１及びＣ１，２を備える。
【0052】
第２の容量結合回路２０２は、入力の接続を信号入力端２１０に切り替えるスイッチΦ２，１と、入力の接続を同相入力端２３０に切り替えるスイッチΦ２，３と、出力の接続を信号出力端２２０に切り替えるスイッチΦ２，２と、出力の接続をバイアス電圧源Ｖｂｉａｓに切り替えるスイッチΦ２，４と、を備える。また、容量結合回路２０２は、一対の信号経路において、スイッチΦ２，１及びΦ２，３によって接続が切り替えられる入力側と、スイッチΦ２，２及びΦ２，４によって接続が切り替えられる出力側と、の間に挿入されて接続される結合容量Ｃ２，１及びＣ２，２を備える。
【0053】
【0054】
第１の状態は、同相レベルシフト回路２００における一方の容量結合回路２０１が結合モードであり、他方の容量結合回路２０２が充電モードである状態の場合を示す。第１の状態では、容量結合回路２０１はスイッチΦ１，１及びΦ１，２がオン、スイッチΦ１，３及びΦ１，４がオフとなり、容量結合回路２０２はスイッチΦ２，１及びΦ２，２がオフ、スイッチΦ２，３及びΦ２，４がオンとなる。
【0055】
【0056】
第２の状態は、同相レベルシフト回路２００における一方の容量結合回路２０１が充電モードであり、他方の容量結合回路２０２が結合モードである状態の場合を示す。第２の状態では、容量結合回路２０１はスイッチΦ１，１及びΦ１，２がオフ、スイッチΦ１，３及びΦ１，４がオンとなり、容量結合回路２０２はスイッチΦ２，１及びΦ２，２がオン、スイッチΦ２，３及びΦ２，４がオフとなる。
【0057】
本実施形態の同相レベルシフト回路２００は、図３のように第１の容量結合回路２０１が結合モードであるとき、第２の容量結合回路２０２が充電モードとなるように動作し、図４のように第１の容量結合回路２０１が充電モードであるとき、第２の容量結合回路２０２が結合モードとなるように動作する。このように、同相レベルシフト回路２００は、二つの容量結合回路２０１及び２０２の動作モードが交互に切り替わる機能を備える。同相レベルシフト回路２００は、スイッチΦ１，１～Φ１，４及びスイッチΦ２，１～Φ２，４によって第１の状態と第２の状態とを高速に切り替え可能である。
【0058】
同相レベルシフト回路２００において、例えば、任意のタイミングで同相入力端２３０に入力される入力同相電圧値ＶＩＣＭ＝３０Ｖ、バイアス電圧源のバイアス電圧Ｖｂｉａｓ＝１Ｖである場合の動作例を説明する。この場合、充電モード時には、容量結合回路２０１、２０２の結合容量には、入力側に入力同相電圧値ＶＩＣＭが、出力側にバイアス電圧Ｖｂｉａｓがそれぞれ印加される。これにより、入力同相電圧値ＶＩＣＭとバイアス電圧Ｖｂｉａｓとの差分である２９Ｖがレベルシフト電圧値ＶＬＳとして結合容量Ｃ１，１及びＣ１，２、Ｃ２，１及びＣ２，２にチャージされる。また、結合モード時には、容量結合回路２０１、２０２の結合容量が信号経路に接続され、結合容量Ｃ１，１及びＣ１，２、Ｃ２，１及びＣ２，２により充電されたレベルシフト電圧値ＶＬＳの２９Ｖ分だけ信号入力端２１０の入力信号が降圧される。これにより、入力信号の同相電圧成分が３０Ｖの高電圧から１Ｖの低電圧にレベルシフトされて信号出力端２２０から出力される。
【0059】
図５は、本実施形態の増幅装置におけるクロック信号の動作波形の一例を示す図である。図５のクロック信号は、同相レベルシフト回路２００のスイッチΦ１，１、Φ１，２、Φ１，３、Φ１，４、及びスイッチΦ２，１、Φ２，２、Φ２，３、Φ２，４、チョッパ変調器１０１のスイッチをそれぞれ駆動する動作クロックの波形を示している。また、図６は、図５のクロック信号とスイッチとの対応を示す図である。図５のクロック信号を図６のように同相レベルシフト回路２００のスイッチに対応させることによって、図３に示す第１の状態と図４に示す第２の状態とを交互に切り替えて実現できる。
【0060】
ＣＣ＿ＣＬＫ１及びＣＣ＿ＣＬＫ２は、同相レベルシフト回路２００の動作に用いられ、ＣＨＯＰ＿ＣＬＫ１及びＣＨＯＰ＿ＣＬＫ２は、チョッパ変調器１０１、及び後述するチョッパ変調器１０２、１０３の動作に用いられる。ここで、ＣＣ＿ＣＬＫ１及びＣＣ＿ＣＬＫ２のクロック周波数、すなわち同相レベルシフト回路２００の動作切り替え周波数は、ＣＨＯＰ＿ＣＬＫ１及びＣＨＯＰ＿ＣＬＫ２のクロック周波数、すなわちチョッピング周波数より高くなっている。例えば、図５に示したように、ＣＣ＿ＣＬＫ１及びＣＣ＿ＣＬＫ２のクロック周波数は、ＣＨＯＰ＿ＣＬＫ１及びＣＨＯＰ＿ＣＬＫ２のクロック周波数の４倍の周波数となるように設定してよい。例えば、チョッパ変調器１０１、１０２、１０３を２００ｋＨｚで動作させ、同相レベルシフト回路２００を８００ｋＨｚで動作させるなど、同相レベルシフト回路２００を高速に動作させることが可能である。
【0061】
本実施形態では、同相レベルシフト回路２００において、スイッチを高速に切り替えて結合モードと充電モードを交互に動作させる構成となっている。これにより、レベルシフト用の同相電圧を充電する時間が短くなるので、入力同相電圧値が変動した場合に短時間で適応してレベルシフト電圧値を調整可能である。したがって、短い期間で細かくレベルシフト量を校正でき、高精度かつ高速なレベルシフト回路を実現可能になる。また、結合モードと充電モードを高速に切り替えることにより、ノイズ成分を高い周波数に持っていくことができ、リップルノイズを低減できる。また、結合容量の容量値を小さくでき、回路面積を小さくできる。
【0062】
前述した図２１に示す比較例の増幅回路は、容量と抵抗によって容量結合構成を実現しているため、カットオフ周波数をチョッピング周波数以下に設定する必要がある。この比較例では、容量と抵抗のサイズが大きくなってしまうとともに、入力の同相電圧値が変動した場合に容量にかかる電圧値が安定するまでに時間がかかり、スルーレートやセトリング時間が長くなる課題がある。
【0063】
これに対し、本実施形態では、同相レベルシフト回路２００によって入力同相電圧をレベルシフトしているため、入力段のトランジスタに５Ｖ耐圧等の通常のトランジスタを用いることが可能であり、消費電流とチップ面積の削減が可能である。また、本実施形態の同相レベルシフト回路２００を用いる場合、容量や抵抗による回路面積の増大を抑制でき、かつ、内部の結合容量を充電するスピードを決定するＣＣ＿ＣＬＫ１及びＣＣ＿ＣＬＫ２のクロック周波数をチョッピング周波数より高い周波数に設定することが可能である。これにより、スルーレートやセトリング時間をチョッピング周波数に制限されず高速化することが可能であり、高速動作に対応可能な増幅装置を実現できる。したがって、本実施形態によれば、小型で高耐圧、高速、高精度、低雑音の増幅装置を実現できる。
【0064】
（第２の実施形態）
図７は、第２の実施形態の増幅装置の構成を示す図である。
図７は、第２の実施形態の増幅装置の構成を示す図である。
【0065】
第２の実施形態の増幅装置は、図１に示した第１の実施形態の増幅装置における同相検出増幅器２４０ａを変更した第１変形例である。第２の実施形態では、入力信号の同相電圧成分をレベルシフトするための入力同相電圧値を検出する回路として、同相検出増幅器２４０ａの代わりにバッファ増幅器２４０ｂを備える。その他の構成は図１に示した第１の実施形態と同様である。
【0066】
バッファ増幅器２４０ｂは、例えば、チョッパ変調器１０１の入力に正の信号を入力する正の入力端、又は負の信号を入力する負の入力端のいずれか一方の電圧を検出し、検出電圧をレベルシフト電圧値の元となる入力同相電圧値として同相レベルシフト回路２００の同相入力端２３０に出力する。
【0067】
すなわち、図７において、バッファ増幅器２４０ｂによって正の入力端の電圧を検出する場合は入力信号Ｖｉｎの上側が正の入力端となり、バッファ増幅器２４０ｂによって負の入力端の電圧を検出する場合は入力信号Ｖｉｎの上側が負の入力端となる。なお、入力端の正負を固定して上下の入力端のいずれかにバッファ増幅器２４０ｂの入力を接続してもよい。
【0068】
第２の実施形態の増幅装置は、同相レベルシフト回路の同相入力端２３０に入力される電圧値を、チョッパ変調器１０１の入力の同相電圧ではなく、正の入力端または負の入力端の電圧を基準に設定したい場合に有効な構成である。
【0069】
（第３の実施形態）
図８は、第３の実施形態の増幅装置の構成を示す図である。
図８は、第３の実施形態の増幅装置の構成を示す図である。
【0070】
第３の実施形態の増幅装置は、図１に示した第１の実施形態の増幅装置における相互コンダクタンス増幅器３５０の接続構成を変更した第２変形例である。第３の実施形態では、相互コンダクタンス増幅器３５０の出力と増幅器３３０の入力との間に電流増幅回路３５１が挿入されて接続された構成となっている。電流増幅回路３５１は、相互コンダクタンス増幅器３５０の出力を電流増幅し、増幅器３３０の入力に出力する。その他の構成は図１に示した第１の実施形態と同様である。
【0071】
【0072】
第１の実施形態では、フィードフォワードアンプとして用いられる相互コンダクタンス増幅器３５０の入力同相電圧は、同相レベルシフト回路２００の出力のようにレベルシフトされていないため、高耐圧トランジスタを用いる必要がある。しかし、前述した通り、高耐圧トランジスタは、目的の相互コンダクタンス値を実現するために必要なサイズと電流値が大きくなる。
【0073】
これに対し、第３の実施形態では、相互コンダクタンス増幅器３５０の出力を電流増幅回路３５１で電流増幅する構成となっている。これにより、相互コンダクタンス増幅器３５０の相互コンダクタンス値を小さく設計しつつ、相互コンダクタンス増幅器３５０の入力から電流増幅回路３５１の出力にかけての合計の相互コンダクタンス値を目的の相互コンダクタンス値に設計することが可能である。例えば、カレントミラー構成の電流増幅回路３５１ａにおいて相互コンダクタンス値を４倍にした場合、相互コンダクタンス増幅器３５０の相互コンダクタンス値を１／４にして合計の相互コンダクタンス値を同じ値にできる。したがって、第３の実施形態によれば、相互コンダクタンス増幅器３５０に用いる入力段のトランジスタのサイズと消費電流を低減することが可能となる。
【0074】
（第４の実施形態）
図１０は、第４の実施形態の増幅装置の構成を示す図である。
図１０は、第４の実施形態の増幅装置の構成を示す図である。
【0075】
第４の実施形態の増幅装置は、図１に示した第１の実施形態の増幅装置における相互コンダクタンス増幅器３５０とその接続構成を変更した第３変形例である。第４の実施形態では、相互コンダクタンス増幅器３５０の代わりに、同相レベルシフト回路２００の出力部において、チョッパ変調器１０２と相互コンダクタンス増幅器３４０とを備える。チョッパ変調器１０２は、チョッパ変調器１０１によって変調され同相レベルシフト回路２００の出力に現れる高周波帯域の信号成分を復調する。チョッパ変調器１０２は、チョッパ変調器１０１と同様にクロック信号ＣＨＯＰ＿ＣＬＫ１及びＣＨＯＰ＿ＣＬＫ２によって動作する。相互コンダクタンス増幅器３４０は、入力がチョッパ変調器１０２の出力に接続され、出力が増幅器３３０の入力に接続される。その他の構成は図１に示した第１の実施形態と同様である。
【0076】
第４の実施形態では、相互コンダクタンス増幅器３４０の入力同相電圧は同相レベルシフト回路２００によってレベルシフトされる構成となっている。これにより、高耐圧トランジスタではなく、５Ｖ耐圧等の通常のトランジスタを用いることが可能であるため、相互コンダクタンス増幅器３４０に用いる入力段のトランジスタのサイズと消費電流を低減することが可能となる。
【0077】
（第５の実施形態）
図１１は、第５の実施形態の増幅装置の構成を示す図である。
図１１は、第５の実施形態の増幅装置の構成を示す図である。
【0078】
第５の実施形態の増幅装置は、図１に示した第１の実施形態の増幅装置においてチョッパ変調器１０２及び相互コンダクタンス増幅器３４０を追加した第４変形例である。第５の実施形態では、相互コンダクタンス増幅器３５０とともに、同相レベルシフト回路２００の出力部において、チョッパ変調器１０２と相互コンダクタンス増幅器３４０とを備える。チョッパ変調器１０２は、チョッパ変調器１０１によって変調され同相レベルシフト回路２００の出力に現れる高周波帯域の信号成分を復調する。相互コンダクタンス増幅器３４０は、入力がチョッパ変調器１０２の出力に接続され、出力が増幅器３３０の入力に接続される。その他の構成は図１に示した第１の実施形態と同様である。
【0079】
第５の実施形態では、フィードフォワードアンプの相互コンダクタンス値は、相互コンダクタンス増幅器３４０と相互コンダクタンス増幅器３５０のそれぞれの相互コンダクタンス値の合計となる。相互コンダクタンス増幅器３４０の入力同相電圧は同相レベルシフト回路２００によってレベルシフトされるため、５Ｖ耐圧等の通常のトランジスタを用いることが可能であり、相互コンダクタンス増幅器３４０に用いる入力段のトランジスタのサイズと消費電流を低減することが可能となる。しかし、フィードフォワードアンプを同相レベルシフト回路２００の出力端以降に入力を接続した相互コンダクタンス増幅器３４０のみで構成すると、例えば、入力同相電圧が連続的かつ急激に変化し、同相レベルシフト回路２００の動作が不安定になった場合に、増幅回路の安定性が損なわれる可能性がある。
【0080】
そこで、第５の実施形態では、フィードフォワードアンプを、同相レベルシフト回路２００の出力端以降に入力を接続した相互コンダクタンス増幅器３４０とチョッパ変調器１０１の入力端に入力を接続した相互コンダクタンス増幅器３５０との組み合わせによって構成する。これにより、同相レベルシフト回路２００の動作が不安定な場合であっても安定性を維持しつつ、フィードフォワードアンプのサイズと消費電流を低減することが可能となる。
【0081】
（リップルノイズの低減手法）
前述した第１乃至第５の実施形態の増幅装置は、リップルノイズを低減する手法として、出力チョッパ回路４００にリップルノイズ低減回路を備えてよい。リップルノイズ低減回路としては、例えば、後述するように、ノイズリダクションループ回路４３０ａを用いる構成と、リップル校正回路４３０ｂを用いる構成がある。
前述した第１乃至第５の実施形態の増幅装置は、リップルノイズを低減する手法として、出力チョッパ回路４００にリップルノイズ低減回路を備えてよい。リップルノイズ低減回路としては、例えば、後述するように、ノイズリダクションループ回路４３０ａを用いる構成と、リップル校正回路４３０ｂを用いる構成がある。
【0082】
（出力チョッパ回路の第１例）
図１２は、リップルノイズ低減回路としてノイズリダクションループ回路４３０ａを用いた出力チョッパ回路の第１例の構成を示す図である。
図１２は、リップルノイズ低減回路としてノイズリダクションループ回路４３０ａを用いた出力チョッパ回路の第１例の構成を示す図である。
【0083】
第１例の出力チョッパ回路４００ａは、チョッパ変調器１０３と、ノイズリダクションループ回路４３０ａと、を有する。チョッパ変調器１０３は、相互コンダクタンス増幅器３１０より出力され出力チョッパ回路４００ａの入力端４１０に入力される信号成分を復調し、オフセット成分及び低周波雑音成分を高周波帯域に変調し、出力チョッパ回路４００ａの出力端４２０に出力する。チョッパ変調器１０３は、チョッパ変調器１０１と同様にクロック信号ＣＨＯＰ＿ＣＬＫ１及びＣＨＯＰ＿ＣＬＫ２によって動作する。ノイズリダクションループ回路４３０ａは、相互コンダクタンス増幅器３１０の出力とチョッパ変調器１０３の入力との間に入出力が接続され、相互コンダクタンス増幅器３１０の出力を負帰還して相互コンダクタンス増幅器３１０において発生するオフセット成分及び低周波雑音成分を低減する。ノイズリダクションループ回路４３０ａは、高周波帯域に変調された信号成分を増幅する相互コンダクタンス増幅器３１０のオフセット成分及び低周波雑音成分を、チョッパ変調器１０３が高周波帯域に変調する前にフィードバックして低減する回路である。本明細書では、このような雑音低減機能を有する負帰還ループのフィードバック回路をノイズリダクションループ（Noise Reduction Loop）回路と呼ぶことにする。
【0084】
ノイズリダクションループ回路４３０ａは、入出力が負帰還構成となるように接続され、ノイズリダクションループ回路４３０ａの差動入力信号を増幅するＰｉｎｇ－Ｐｏｎｇオートゼロ増幅器４３１ａと、Ｐｉｎｇ－Ｐｏｎｇオートゼロ増幅器４３１ａの出力の高周波信号成分を低減するフィルタ回路４４２と、フィルタ回路４４２の出力を増幅し、ノイズリダクションループ回路４３０ａの出力として信号を出力する相互コンダクタンス増幅器４３３と、を備える。Ｐｉｎｇ－Ｐｏｎｇオートゼロ増幅器４３１ａは、並列に接続されたオートゼロ増幅回路５１０とオートゼロ増幅回路５２０を有して構成される。
【0085】
図１３は、オートゼロ増幅回路の構成例を示す図である。Ｐｉｎｇ－Ｐｏｎｇオートゼロ増幅器４３１ａにおけるオートゼロ増幅回路５１０、５２０は、例えば、図１３に示すオートゼロ増幅回路５００によって構成される。オートゼロ増幅回路５００は、二系統のスイッチΦａｚ１及びΦａｚ２と、二つの相互コンダクタンス増幅器５０１及び５０２と、サンプリング容量Ｃａｚ１，Ｃａｚ２とを有して構成される。オートゼロ増幅回路５００は、自身の入力を増幅する増幅モードと、自身のオフセット成分及び低周波雑音成分を内蔵する校正回路により低減する校正モードとを備える。オートゼロ増幅回路５００は、校正モードにおいて、相互コンダクタンス増幅器５０２によって相互コンダクタンス増幅器５０１のオフセット成分及び低周波雑音成分を低減できるような信号（校正電圧等の校正信号）を、サンプリング容量Ｃａｚ１，Ｃａｚ２によりサンプリングする。また、オートゼロ増幅回路５００は、増幅モードにおいて、校正モードでサンプリングされた校正信号を印加した相互コンダクタンス増幅器５０２により、相互コンダクタンス増幅器５０１のオフセット成分及び低周波雑音成分が低減された状態となる。そして、オートゼロ増幅回路５００は、増幅モードにおいて、オフセット成分及び低周波雑音成分が低減された相互コンダクタンス増幅器５０１により、入力信号Ｖａｚｉｎを増幅し、出力信号Ｖａｚｏｕｔとして出力する。
【0086】
Ｐｉｎｇ－Ｐｏｎｇオートゼロ増幅器４３１ａは、オートゼロ増幅回路５１０が校正モードとして動作する時、オートゼロ増幅回路５２０が増幅モードとして動作し、オートゼロ増幅回路５２０が校正モードとして動作する時、オートゼロ増幅回路５１０が増幅モードとして動作するように、所定の動作クロックによって制御される。Ｐｉｎｇ－Ｐｏｎｇオートゼロ増幅器４３１ａは、例えば、チョッパ変調器１０３の動作クロック信号ＣＨＯＰ＿ＣＬＫ１及びＣＨＯＰ＿ＣＬＫ２の周期の２分の１の周期の動作クロックによって二つのオートゼロ増幅回路５１０、５２０のスイッチが切り替え制御され、オートゼロ増幅回路５１０、５２０が交互に増幅モードと校正モードとに切り替わるＰｉｎｇ－Ｐｏｎｇ動作を行う。
【0087】
このようなノイズリダクションループ回路４３０ａによって、相互コンダクタンス増幅器３１０のオフセット成分及び低周波雑音成分が低減される。
【0088】
（出力チョッパ回路の第２例）
図１４は、リップルノイズ低減回路としてリップル校正回路４３０ｂを用いた出力チョッパ回路の第２例の構成を示す図である。
図１４は、リップルノイズ低減回路としてリップル校正回路４３０ｂを用いた出力チョッパ回路の第２例の構成を示す図である。
【0089】
第２例の出力チョッパ回路４００ｂは、チョッパ変調器１０３と、リップル校正回路４３０ｂと、を有する。チョッパ変調器１０３は、相互コンダクタンス増幅器３１０より出力され出力チョッパ回路４００ｂの入力端４１０に入力される信号成分を復調し、オフセット成分及び低周波雑音成分を高周波帯域に変調し、出力チョッパ回路４００ｂの出力端４２０に出力する。チョッパ変調器１０３は、チョッパ変調器１０１と同様にクロック信号ＣＨＯＰ＿ＣＬＫ１及びＣＨＯＰ＿ＣＬＫ２によって動作する。リップル校正回路４３０ｂは、チョッパ変調器１０３の出力に入力が接続され、チョッパ変調器１０３の入力に出力が接続され、チョッパ変調器１０３の出力の高周波雑音成分を負帰還して低減させる。本明細書では、このような高周波雑音成分を負帰還してリップルノイズ成分を低減する回路をリップル校正（Ripple Calibration）回路と呼ぶことにする。
【0090】
リップル校正回路４３０ｂは、リップル校正回路４３０ｂに入力される低周波信号成分を低減し、高周波雑音成分を検出するハイパスフィルタ回路４４１と、ハイパスフィルタ回路４４１の出力の高周波雑音成分を低周波成分に復調する位相反転オートゼロ増幅器４３１ｂと、位相反転オートゼロ増幅器４３１ｂの出力の高周波成分を低減するフィルタ回路４４２と、フィルタ回路４４２の出力を増幅し、リップル校正回路４３０ｂの出力として信号を出力する相互コンダクタンス増幅器４３３と、を備える。ハイパスフィルタ回路４４１は、例えば、結合容量Ｃ１、抵抗Ｒ１、結合容量Ｃ２、抵抗Ｒ２によって構成される容量結合回路を含んでよい。フィルタ回路４４２は、例えば、相互コンダクタンス増幅器４３２、容量Ｃ３、容量Ｃ４によって構成される積分回路を含んでよい。
【0091】
位相反転オートゼロ増幅器４３１ｂは、位相反転オートゼロ増幅器４３１ｂの入力を反転増幅するよう接続されたオートゼロ増幅回路５３０と、位相反転オートゼロ増幅器４３１ｂの入力を非反転増幅するよう接続されたオートゼロ増幅回路５４０と、を備える。位相反転オートゼロ増幅器４３１ｂは、Ｐｉｎｇ－Ｐｏｎｇオートゼロ増幅器と同様の動作によって自身のオフセット成分及び低周波雑音成分を低減する機能を有する。本明細書では、二つのオートゼロ増幅回路が互いに信号経路を反転して接続された構成のオートゼロ増幅器を位相反転オートゼロ増幅器と呼ぶことにする。
【0092】
オートゼロ増幅回路５３０及びオートゼロ増幅回路５４０は、自身の入力を増幅する増幅モードと、自身のオフセット成分及び低周波雑音成分を内蔵する校正回路により低減する校正モードとを備える。位相反転オートゼロ増幅器４３１ｂは、オートゼロ増幅回路５３０が増幅モードとなって位相反転オートゼロ増幅器４３１ｂの入力を反転増幅し、オートゼロ増幅回路５４０が校正モードとなる第１の状態と、オートゼロ増幅回路５４０が増幅モードとなって位相反転オートゼロ増幅器４３１ｂの入力を非反転増幅し、オートゼロ増幅回路５３０が校正モードとなる第２の状態と、を有する。
【0093】
位相反転オートゼロ増幅器４３１ｂは、オートゼロ増幅回路５４０が校正モードとして動作する時、オートゼロ増幅回路５３０が反転増幅の増幅モードとして動作し、オートゼロ増幅回路５３０が校正モードとして動作する時、オートゼロ増幅回路５４０が非反転増幅の増幅モードとして動作するように、所定の動作クロックによって制御される。位相反転オートゼロ増幅器４３１ｂは、チョッパ変調器１０３の動作に連動して、クロック信号ＣＨＯＰ＿ＣＬＫ１及びＣＨＯＰ＿ＣＬＫ２によって二つのオートゼロ増幅回路５３０、５４０のスイッチが切り替え制御され、オートゼロ増幅回路５３０、５４０が交互に増幅モードと校正モードとに切り替わるＰｉｎｇ－Ｐｏｎｇ動作を行う。これにより、位相反転オートゼロ増幅器４３１ｂは、チョッパ変調器１０３の動作に連動して、リップル校正回路４３０ｂが常に負帰還構成となるように第１の状態と第２の状態とが切り替わる。
【0094】
このようなリップル校正回路４３０ｂによって、相互コンダクタンス増幅器３１０のオフセット成分及び低周波雑音成分が低減される。
【0095】
（本実施形態の周波数特性）
次に、出力チョッパ回路４００にリップルノイズ低減回路を備えた本実施形態の増幅装置の周波数特性について説明する。
次に、出力チョッパ回路４００にリップルノイズ低減回路を備えた本実施形態の増幅装置の周波数特性について説明する。
【0096】
図１５は、本実施形態の増幅装置による信号成分、雑音成分及びオフセット成分の時間波形と周波数特性の一例を示す特性図である。本実施形態の増幅装置は、出力チョッパ回路４００において、ノイズリダクションループ回路４３０ａ又はリップル校正回路４３０ｂを用いた構成となっている。図１５では、信号成分、雑音成分、オフセット成分のそれぞれについて、時間波形と周波数分布の変化過程のイメージを示している。図１５において、上段は時間波形、下段は周波数特性をそれぞれ示している。チョッパ変調器１０１及びチョッパ変調器１０３のチョッピング周波数をｆｃｈとする。
【0097】
信号成分は、チョッパ変調器１０１によって高周波帯域に変調された後に、相互コンダクタンス増幅器３１０にて増幅される。その後、出力チョッパ回路４００においてチョッパ変調器１０３を通すことにより信号成分は復調され、後段の増幅器にて増幅されて出力される。本実施形態では、ノイズリダクションループ回路４３０ａ又はリップル校正回路４３０ｂを用いることによって、図中の破線→実線で示すように、増幅装置の入力段の相互コンダクタンス増幅器３１０のオフセット成分及び低周波雑音成分が低減される。このため、出力チョッパ回路４００の出力端に出力されるリップルノイズが低減され、増幅装置の出力として最終的に出力されるリップルノイズが低減される。
【0098】
（出力段の増幅器の変形例）
第１乃至第５の実施形態の増幅装置において、出力段の増幅器における相互コンダクタンス増幅器３２０を、位相補償回路を備えた２段構成とすることで、増幅装置全体として４段構成の増幅回路とすることも可能である。
第１乃至第５の実施形態の増幅装置において、出力段の増幅器における相互コンダクタンス増幅器３２０を、位相補償回路を備えた２段構成とすることで、増幅装置全体として４段構成の増幅回路とすることも可能である。
【0099】
【0100】
相互コンダクタンス増幅器３２０ａは、２段の増幅器により構成され、初段増幅器としての相互コンダクタンス増幅器３２１ａと、相互コンダクタンス増幅器３２２とを備える。相互コンダクタンス増幅器３２０ａにおいて、相互コンダクタンス増幅器３２１ａは相互コンダクタンス増幅器３２０ａの入力を増幅し、相互コンダクタンス増幅器３２２は相互コンダクタンス増幅器３２１ａの出力を増幅する。相互コンダクタンス増幅器３２２の出力が相互コンダクタンス増幅器３２０ａの出力となる。また、相互コンダクタンス増幅器３２０ａは、入れ子型ミラー補償構成となるように接続された容量Ｃｃ４、Ｃｃ５によって構成される位相補償回路を備えてよい。なお、２段目の相互コンダクタンス増幅器３２２を１つ以上の増幅器により構成し、出力段の増幅器を３段以上の増幅器で構成してもよい。
【0101】
この変形例によれば、増幅装置を４段構成の増幅回路とすることで、直流利得の更なる向上を図ることができる。
【0102】
また、図１６の相互コンダクタンス増幅器３２１ａをＰｉｎｇ－Ｐｏｎｇオートゼロ増幅器に変更することも可能である。
【0103】
図１７は、出力段の相互コンダクタンス増幅器を２段構成にして初段増幅器としての相互コンダクタンス増幅器をＰｉｎｇ－Ｐｏｎｇオートゼロ増幅器にした変形例を示す図である。
【0104】
Ｐｉｎｇ－Ｐｏｎｇオートゼロ増幅器３２１ｂは、並列に接続された二つのオートゼロ増幅回路５５０とオートゼロ増幅回路５６０を有して構成される。オートゼロ増幅回路５５０及びオートゼロ増幅回路５６０は、自身の入力を増幅する増幅モードと、自身のオフセット成分及び低周波雑音成分を内蔵する校正回路により低減する校正モードとを備える。Ｐｉｎｇ－Ｐｏｎｇオートゼロ増幅器３２１ｂは、オートゼロ増幅回路５５０が校正モードとして動作する時、オートゼロ増幅回路５６０が増幅モードとして動作し、オートゼロ増幅回路５６０が校正モードとして動作する時、オートゼロ増幅回路５５０が増幅モードとして動作するように、所定の動作クロックによって制御される。なお、Ｐｉｎｇ－Ｐｏｎｇオートゼロ増幅器３２１ｂ内の二つのオートゼロ増幅回路５５０、５６０の動作クロックについては、チョッパ変調器１０１、１０２、１０３の動作に連動しなくてもよい。
【0105】
この変形例によれば、増幅装置において、更に増幅回路のオフセット成分及び低周波雑音成分を低減することが可能である。
【0106】
上述したように、本実施形態の構成によれば、結合モードと充電モードを交互に切り替え可能な２系統の容量結合回路を有するレベルシフト回路を設けることによって、高速なレベルシフト動作が可能となる。このレベルシフト回路を用いて増幅装置を構成することによって、レベルシフトにより高耐圧化を図ることで消費電流や回路面積を低減することが可能であり、かつ、高速動作に対応可能となる。これにより、スルーレートの低下やセトリング時間の延長を抑制でき、小型で高耐圧、高速、高精度、低雑音の増幅装置を実現できる。
【0107】
本実施形態では、レベルシフト回路において、一対の信号経路において信号入力端２１０と信号出力端２２０との間に結合容量Ｃ１，１、Ｃ１，２、Ｃ２，１、Ｃ２，２を有する二つの容量結合回路２０１、２０２を備える。容量結合回路２０１、２０２は、結合容量Ｃ１，１、Ｃ１，２、Ｃ２，１、Ｃ２，２によって信号経路の電圧をレベルシフトする結合モードと、同相入力端に入力される入力同相電圧値に応じたレベルシフト電圧を結合容量Ｃ１，１、Ｃ１，２、Ｃ２，１、Ｃ２，２に充電する充電モードと、を有する。レベルシフト回路は、二つの容量結合回路２０１、２０２のうち、第１の容量結合回路２０１が結合モードであるとき、第２の容量結合回路２０２が充電モードとなるように動作し、第２の容量結合回路２０２が結合モードであるとき、第１の容量結合回路２０１が充電モードとなるように動作する。上記構成により、二つの容量結合回路によって結合モードと充電モードを交互に切り替えることによって、高速動作に対応したレベルシフトが可能となる。
【0108】
また、レベルシフト回路は、信号入力端２１０と、信号出力端２２０と、同相入力端２３０とを有し、第１の容量結合回路２０１と第２の容量結合回路２０２とは、信号入力端２１０と信号出力端２２０との間に互いに並列に接続される。第１及び第２の容量結合回路２０１、２０２は、ぞれぞれ、結合容量Ｃ１，１、Ｃ１，２、Ｃ２，１、Ｃ２，２と信号入力端２１０及び信号出力端２２０との間、結合容量Ｃ１，１、Ｃ１，２、Ｃ２，１、Ｃ２，２と同相入力端２３０との間の接続を切り替えるスイッチΦ１，１、Φ１，２、Φ１，３、Φ１，４、Φ２，１、Φ２，２、Φ２，３、Φ２，４を有する。第１及び第２の容量結合回路２０１、２０２は、結合モードであるときに結合容量Ｃ１，１、Ｃ１，２、Ｃ２，１、Ｃ２，２を信号入力端２１０及び信号出力端２２０に接続し、充電モードであるときに結合容量Ｃ１，１、Ｃ１，２、Ｃ２，１、Ｃ２，２を同相入力端２３０に接続する。上記構成により、二つの容量結合回路によって結合モードと充電モードを交互に切り替えることによって、高速動作に対応したレベルシフトが可能となる。
【0109】
また、本実施形態では、増幅装置において、入力信号を高周波帯域に変調する第１のチョッパ変調器１０１と、第１のチョッパ変調器１０１の出力の同相電圧成分をレベルシフトするレベルシフト回路としての同相レベルシフト回路２００と、同相レベルシフト回路２００の出力を増幅する第１の増幅器としての相互コンダクタンス増幅器３１０と、第１の増幅器の出力の信号成分を復調し、オフセット成分及び低周波雑音成分を高周波帯域に変調する出力チョッパ回路４００と、を備える。上記構成により、同相レベルシフト回路２００によって入力同相電圧をレベルシフトしているため、入力段のトランジスタを大型化することなく高耐圧化を図ることができ、消費電流とチップ面積の削減が可能である。また、容量や抵抗による回路面積の増大を抑制でき、かつ、充電モードと結合モードを切り替えるスイッチのクロック周波数を高い周波数に設定できるため、スルーレートやセトリング時間の高速化を図ることができ、高速動作に対応可能な増幅装置を実現できる。
【0110】
また、同相レベルシフト回路２００は、第１及び第２の容量結合回路２０１、２０２を所定の動作クロックによって駆動して結合モードと充電モードとを交互に動作させるものであり、所定の動作クロックは、第１のチョッパ変調器１０１を駆動する動作クロックの周波数より高い周波数の動作クロックとしてよい。これにより、スルーレートやセトリング時間をチョッピング周波数に制限されず高速化することが可能であり、高速動作に対応可能な増幅装置を実現できる。
【0111】
また、増幅装置において、第１のチョッパ変調器１０１の入力の同相電圧を検出し、検出電圧を同相レベルシフト回路２００の同相入力端２３０に入力同相電圧値として出力する同相検出増幅器２４０ａを備えてよい。これにより、第１のチョッパ変調器１０１の入力の同相電圧に相当する入力同相電圧値に基づいてレベルシフトを行い、高耐圧化を図ることができる。
【0112】
また、増幅装置において、第１のチョッパ変調器１０１の正の入力端又は負の入力端のいずれかの電圧を検出し、検出電圧を同相レベルシフト回路２００の同相入力端２３０に入力同相電圧値として出力するバッファ増幅器２４０ｂを備えてよい。これにより、第１のチョッパ変調器１０１の正の入力端又は負の入力端の電圧に相当する入力同相電圧値に基づいてレベルシフトを行い、高耐圧化を図ることができる。
【0113】
また、増幅装置において、同相レベルシフト回路２００の出力に接続された第２のチョッパ変調器１０２と、第２のチョッパ変調器１０２の出力と第３の増幅器３３０の入力との間にフィードフォワード構成となるよう接続された第４の増幅器としての相互コンダクタンス増幅器３４０を備えてよい。これにより、相互コンダクタンス増幅器３４０の入力同相電圧は同相レベルシフト回路２００によってレベルシフトされるため、相互コンダクタンス増幅器３４０に用いる入力段のトランジスタのサイズと消費電流を低減することが可能となる。
【0114】
また、増幅装置において、第１のチョッパ変調器１０１の入力と第３の増幅器３３０の入力との間にフィードフォワード構成となるよう接続された第５の増幅器としての相互コンダクタンス増幅器３５０を備えてよい。また、相互コンダクタンス増幅器３５０の出力を電流増幅する電流増幅回路３５１を備えてよい。このように、フィードフォワード構成を備えることにより、増幅装置の安定性を向上させることができる。また、電流増幅回路３５１を設けることにより、相互コンダクタンス増幅器３５０の相互コンダクタンス値を小さく設計しつつ、フィードフォワード構成における合計の相互コンダクタンス値を目的の値に設計できる。このため、相互コンダクタンス増幅器３５０に用いる入力段のトランジスタのサイズと消費電流を低減可能となる。
【0115】
また、出力チョッパ回路４００は、相互コンダクタンス増幅器３１０の出力の信号成分を復調し、オフセット成分及び低周波雑音成分を高周波帯域に変調して出力端より出力する第３のチョッパ変調器１０３と、相互コンダクタンス増幅器３１０の出力と第３のチョッパ変調器１０３の入力との間に入出力が接続され、相互コンダクタンス増幅器３１０の出力を負帰還して相互コンダクタンス増幅器３１０において発生するオフセット成分及び低周波雑音成分を低減するノイズリダクションループ回路４３０ａと、を備えてよい。ノイズリダクションループ回路４３０ａは、入出力が負帰還構成となるように接続され、ノイズリダクションループ回路４３０ａの差動入力信号を増幅する第６の増幅器と、第６の増幅器の出力の高周波信号成分を低減するフィルタ回路４４２と、フィルタ回路４４２の出力を増幅する第７の増幅器としての相互コンダクタンス増幅器４３３、とを有してよい。上記構成により、ノイズリダクションループ回路４３０ａによって相互コンダクタンス増幅器３１０のオフセット成分及び低周波雑音成分を低減できるため、出力チョッパ回路４００の出力端に出力されるリップルノイズが低減され、増幅装置の出力として最終的に出力されるリップルノイズを低減可能となる。
【0116】
また、出力チョッパ回路４００は、相互コンダクタンス増幅器３１０の出力の信号成分を復調し、オフセット成分及び低周波雑音成分を高周波帯域に変調して出力端より出力する第３のチョッパ変調器１０３と、第３のチョッパ変調器１０３の出力に入力が接続され、第３のチョッパ変調器１０３の入力に出力が接続され、第３のチョッパ変調器１０３の出力の高周波雑音成分を負帰還して低減させるリップル校正回路４３０ｂと、を備えてよい。リップル校正回路４３０ｂは、リップル校正回路４３０ｂに入力される高周波雑音成分を検出するハイパスフィルタ回路４４１と、ハイパスフィルタ回路４４１の出力を増幅する増幅回路を有し、高周波雑音成分を低周波成分に復調する機能と増幅回路のオフセット成分及び低周波雑音成分を低減する機能とを有する位相反転オートゼロ増幅器４３１ｂと、位相反転オートゼロ増幅器４３１ｂの出力の高周波成分を低減するフィルタ回路４４２と、フィルタ回路４４２の出力を増幅し、リップル校正回路４３０ｂの出力とする第８の増幅器としての相互コンダクタンス増幅器４３３と、を有してよい。上記構成により、リップル校正回路４３０ｂによって相互コンダクタンス増幅器３１０のオフセット成分及び低周波雑音成分を低減できるため、出力チョッパ回路４００の出力端に出力されるリップルノイズが低減され、増幅装置の出力として最終的に出力されるリップルノイズを低減可能となる。
【0117】
また、位相反転オートゼロ増幅器４３１ｂは、位相反転オートゼロ増幅器４３１ｂの入力を反転増幅する第１のオートゼロ増幅回路５３０と、位相反転オートゼロ増幅器４３１ｂの入力を非反転増幅する第２のオートゼロ増幅回路５４０と、を備える。第１のオートゼロ増幅回路５３０及び第２のオートゼロ増幅回路５４０は、自回路における増幅器のオフセット成分及び低周波雑音成分を低減する校正信号をサンプリングする校正モードと、校正信号によりオフセット成分及び低周波雑音成分が低減された前記増幅器によって入力信号を増幅する増幅モードと、を有し、校正モードと増幅モードとを切り替えるスイッチを備える。位相反転オートゼロ増幅器４３１ｂは、第１のオートゼロ増幅回路５３０が増幅モードとして反転増幅動作するとき、第２のオートゼロ増幅回路５４０が校正モードとして動作する第１の状態と、第２のオートゼロ増幅回路５４０が増幅モードとして非反転増幅動作するとき、第１のオートゼロ増幅回路５３０が校正モードとして動作する第２の状態と、を有する。位相反転オートゼロ増幅器４３１ｂは、第３のチョッパ変調器１０３の動作に連動して、スイッチを所定の動作クロックによって駆動して校正モードと増幅モードとを交互に動作させ、リップル校正回路４３０ｂが負帰還構成となるように第１の状態と第２の状態とを切り替える。このように第１の状態と第２の状態とを切り替えることにより、オートゼロ増幅器とチョッパ変調器の機能を実現でき、スイッチ及びクロックの配線の数を削減した簡潔な回路構成によってオフセット成分及び低周波雑音成分を低減可能な負帰還ループを構成できる。
【0118】
また、出力チョッパ回路の出力を増幅する出力段の増幅器において、オートゼロ増幅器又はＰｉｎｇ－Ｐｏｎｇオートゼロ増幅器３２１ｂを含んでよい。また、ノイズリダクションループ回路４３０ａの第６の増幅器において、オートゼロ増幅器又はＰｉｎｇ－Ｐｏｎｇオートゼロ増幅器４３１ａを含んでよい。Ｐｉｎｇ－Ｐｏｎｇオートゼロ増幅器は、自回路における増幅器のオフセット成分及び低周波雑音成分を低減する校正信号をサンプリングする校正モードと、校正信号によりオフセット成分及び低周波雑音成分が低減された増幅器によって入力信号を増幅する増幅モードと、を有し、校正モードと増幅モードとを切り替えるスイッチを備える複数のオートゼロ増幅回路を含む。Ｐｉｎｇ－Ｐｏｎｇオートゼロ増幅器は、複数のオートゼロ増幅回路のうち、一つのオートゼロ増幅回路が増幅モードとして動作するとき、他の一つのオートゼロ増幅回路が校正モードとして動作するように、スイッチを所定の動作クロックによって駆動して校正モードと増幅モードとを交互に動作させる。このようなオートゼロ増幅器又はＰｉｎｇ－Ｐｏｎｇオートゼロ増幅器によって、増幅回路のオフセット成分及び低周波雑音成分を低減でき、リップルノイズを低減することが可能である。
【0119】
上記のようなノイズリダクションループ回路４３０ａ又はリップル校正回路４３０ｂによって、増幅装置におけるリップルノイズを低減でき、小型で高耐圧、高速、高精度、低雑音の増幅装置を実現できる。
【0120】
以上、図面を参照しながら各種の実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。また、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
【産業上の利用可能性】
【0121】
本発明は、回路面積を小型化でき、かつ高速動作に対応可能となる効果を有し、例えば増幅装置における入力の同相電圧値をレベルシフトするレベルシフト回路、及びそれを用いた増幅装置等として有用である。
【符号の説明】
【0122】
１００、１０１、１０２、１０３：チョッパ変調器
２００：同相レベルシフト回路
２０１、２０２：容量結合回路
２１０：同相レベルシフト回路の信号入力端
２２０：同相レベルシフト回路の信号出力端
２３０：同相レベルシフト回路の同相入力端
２４０ａ：同相検出増幅器
２４０ｂ：バッファ増幅器
３１０、３２０、３２１ａ、３２２、３４０、３５０、４３２、４３３、５０１、５０２：相互コンダクタンス増幅器
３２１ｂ、４３１ａ：Ｐｉｎｇ－Ｐｏｎｇオートゼロ増幅器
３３０：増幅器
３５１、３５１ａ：電流増幅回路
４００、４００ａ、４００ｂ：出力チョッパ回路
４１０：出力チョッパ回路の入力端
４２０：出力チョッパ回路の出力端
４３０ａ：ノイズリダクションループ回路
４３０ｂ：リップル校正回路
４３１ｂ：位相反転オートゼロ増幅器
４４１：ハイパスフィルタ回路
４４２：フィルタ回路
５１０、５２０、５３０、５４０、５５０、５６０：オートゼロ増幅回路
Ｃ１，１、Ｃ１，２、Ｃ２，１、Ｃ２，２、Ｃ１、Ｃ２：結合容量
Ｃ３、Ｃ４、Ｃｃ１、Ｃｃ２、Ｃｃ３、Ｃｃ４、Ｃｃ５、Ｃａｚ１、Ｃａｚ２：容量
Ｒ１、Ｒ２：抵抗
Φ１，１、Φ１，２、Φ１，３、Φ１，４、Φ２，１、Φ２，２、Φ２，３、Φ２，４、Φａｚ１、Φａｚ２、Φａ、Φｂ：スイッチ
２００：同相レベルシフト回路
２０１、２０２：容量結合回路
２１０：同相レベルシフト回路の信号入力端
２２０：同相レベルシフト回路の信号出力端
２３０：同相レベルシフト回路の同相入力端
２４０ａ：同相検出増幅器
２４０ｂ：バッファ増幅器
３１０、３２０、３２１ａ、３２２、３４０、３５０、４３２、４３３、５０１、５０２：相互コンダクタンス増幅器
３２１ｂ、４３１ａ：Ｐｉｎｇ－Ｐｏｎｇオートゼロ増幅器
３３０：増幅器
３５１、３５１ａ：電流増幅回路
４００、４００ａ、４００ｂ：出力チョッパ回路
４１０：出力チョッパ回路の入力端
４２０：出力チョッパ回路の出力端
４３０ａ：ノイズリダクションループ回路
４３０ｂ：リップル校正回路
４３１ｂ：位相反転オートゼロ増幅器
４４１：ハイパスフィルタ回路
４４２：フィルタ回路
５１０、５２０、５３０、５４０、５５０、５６０：オートゼロ増幅回路
Ｃ１，１、Ｃ１，２、Ｃ２，１、Ｃ２，２、Ｃ１、Ｃ２：結合容量
Ｃ３、Ｃ４、Ｃｃ１、Ｃｃ２、Ｃｃ３、Ｃｃ４、Ｃｃ５、Ｃａｚ１、Ｃａｚ２：容量
Ｒ１、Ｒ２：抵抗
Φ１，１、Φ１，２、Φ１，３、Φ１，４、Φ２，１、Φ２，２、Φ２，３、Φ２，４、Φａｚ１、Φａｚ２、Φａ、Φｂ：スイッチ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】