特開 2024-176794 変調器

(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】P2024176794

(43)【公開日】2024-12-19

(54)【発明の名称】変調器

(51)【国際特許分類】

   H03M 3/02 20060101AFI20241212BHJP

   H03F 3/70 20060101ALI20241212BHJP

   H03F 3/38 20060101ALI20241212BHJP

【ＦＩ】

H03M3/02

H03F3/70

H03F3/38

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023095600

(22)【出願日】2023-06-09

(71)【出願人】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】520124752

【氏名又は名称】株式会社ミライズテクノロジーズ

(74)【代理人】

【識別番号】110000567

【氏名又は名称】弁理士法人サトー

(72)【発明者】

【氏名】和田 祥太郎

(72)【発明者】

【氏名】根塚 智裕

(72)【発明者】

【氏名】古田 善一

【テーマコード（参考）】

5J064

5J500

【Ｆターム（参考）】

5J064BA03

5J064BB14

5J064BC06

5J064BC07

5J064BC10

5J064BC15

5J064BC16

5J500AA01

5J500AA26

5J500AA48

5J500AC13

5J500AC14

5J500AF18

5J500AH25

5J500AH29

5J500AH39

5J500AK02

5J500AK31

5J500AK34

5J500AK56

5J500AT01

5J500AT06

5J500MU04

5J500MV14

(57)【要約】

【課題】積分容量の両端でチョッピングを行う構成において、スイッチのばらつきによるオフセットの影響を低減できる変調器を提供する。
【解決手段】差動アンプ１の入力端子と出力端子との間に第１スイッチφ１ｅを接続し、差動アンプ１の入力端子と出力端子との間に、第２スイッチφ２ｅ、システムＣＨＯＰスイッチ２、積分容量Ｃint及びシステムＣＨＯＰスイッチ３の直列回路を接続して積分器４を構成する。スイッチ２、３は、それぞれｍ個、ｎ個の単位スイッチＣＨＬ１、ＣＨＬ２を備える。制御回路は、入力チョッピング用スイッチ１４及び出力チョッピング用スイッチ１５を周波数ｆｃｈｏｐでチョッピングし、スイッチ２の単位スイッチＣＨＬ１のそれぞれを周波数ｆｃｈｏｐ／ｍでチョッピングし、スイッチ３のｎ個の単位スイッチＣＨＬ２のそれぞれを周波数ｆｃｈｏｐ／ｎでチョッピングする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

差動アンプ（１）の入力端子と出力端子との間に接続される第１スイッチ（φ１ｅ）と、
前記差動アンプの入力端子と出力端子との間に接続される、第２スイッチ（φ２ｅ）、容量チョッピング用入力スイッチ（ＣＨＬ１）、積分容量（Ｃｉｎｔ）及び容量チョッピング用出力スイッチ（ＣＨＬ２）の直列回路とを有する積分器（４）と、
前記積分器の入力側に配置された入力チョッピング用スイッチ（１４）と、
前記積分器の出力側に配置された出力チョッピング用スイッチ（１５）と、
前記各スイッチによるチョッピングを制御する制御回路と、を備え、
前記容量チョッピング用入力スイッチは、ｍ個の単位スイッチを有し
前記容量チョッピング用出力スイッチは、ｎ（ｍ，ｎは、少なくとも何れか一方が２以上の自然数）個の単位スイッチを有し、
前記制御回路は、前記入力チョッピング用スイッチ及び出力チョッピング用スイッチを周波数ｆｃｈｏｐでチョッピングし、
前記容量チョッピング用入力スイッチのｍ個の単位スイッチのそれぞれを、周波数ｆｃｈｏｐ／ｍでチョッピングし、
前記容量チョッピング用出力スイッチのｎ個の単位スイッチのそれぞれを、周波数ｆｃｈｏｐ／ｎでチョッピングする変調器。

【請求項2】

（ｍ≠ｎ）に設定されている請求項１記載の変調器。

【請求項3】

ｍ，ｎが、互いに素である請求項２記載の変調器。

【請求項4】

（ｍ＞ｎ）に設定されている請求項２記載の変調器。

【請求項5】

前記積分器は、相関２重サンプリング型である請求項１から４の何れか一項に記載の変調器。

【請求項6】

前記差動アンプを中心に構成される積分器を第１積分器とすると、
前記第１積分器の後段に、第２積分器（２３）を配置する請求項１から４の何れか一項に記載の変調器。

【請求項7】

前記第１積分器の前段に、入力信号を増幅するための増幅器（２２）を備える請求項６記載の変調器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、差動アンプ、積分容量及びチョッピング用スイッチを備えた変調器に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば非特許文献１には、図６及び図７に示すように、上記のような積分器にフィーバック系を加えた変調器を用いて構成した電流センサが開示されている。この構成では、差動アンプのオフセット電圧を低減するため、差動アンプの入力部のスイッチΦ２ｅ、入出力間のスイッチΦ１ｅ及び積分容量Ｃint1の両端のスイッチＣＨＬでチョッピングを行っている。また、特許文献１，２にも同様の構成が開示されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【非特許文献1】Z. Tang, R. Zamparette, Y. Furuta, T. Nezuka and K. A. A. Makinwa, "A ±25A Versatile Shunt-Based Current Sensor with 10kHz Bandwidth and ±0.25% Gain Error from -40°C to 85°C Using 2-Current Calibration," 2022 IEEE International Solid- State Circuits Conference (ISSCC), 2022, pp. 66-68, doi: 10.1109/ISSCC42614.2022.9731777.

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】米国特許公開第２０２２／０２６３５２０号公報

【特許文献2】米国特許第８６６５１３０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、積分容量の入力側と出力側とでそれぞれチョッピングを行うスイッチの特性、例えばオン抵抗等にばらつきがあると、それがオフセットを発生させる要因となってしまう。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、積分容量の両端でチョッピングを行う構成において、スイッチのばらつきによるオフセットの影響を低減できる変調器を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

請求項１記載の変調器によれば、差動アンプの入力端子と出力端子との間に第１スイッチを接続し、差動アンプの入力端子と出力端子との間に、第２スイッチ、容量チョッピング用入力スイッチ、積分容量及び容量チョッピング用出力スイッチの直列回路を接続して積分器を構成する。容量チョッピング用入力スイッチ、容量チョッピング用出力スイッチは、それぞれｍ個、ｎ個の単位スイッチを備える。

【0007】

制御回路は、入力チョッピング用スイッチ及び出力チョッピング用スイッチを周波数ｆｃｈｏｐでチョッピングし、容量チョッピング用入力スイッチのｍ個の単位スイッチのそれぞれを周波数ｆｃｈｏｐ／ｍでチョッピングし、容量チョッピング用出力スイッチのｎ個の単位スイッチのそれぞれを周波数ｆｃｈｏｐ／ｎでチョッピングする。このように、容量チョッピング用入力及び出力スイッチの少なくとも何れか一方の単位スイッチを複数にすることで、単位スイッチの特性のばらつきを平準化させることができる。したがって、入力側、出力側の単位スイッチ間に生じている、特性のばらつきに起因して発生するオフセットを低減できる。

【0008】

請求項２記載の変調器によれば、（ｍ≠ｎ）に設定することで、チョッピングを行う毎に、容量チョッピング用入力及び出力スイッチの単位スイッチの組合せが変化するので、特性のばらつきを、より平準化させることができる。

【0009】

請求項４記載の変調器によれば、（ｍ＞ｎ）に設定する。第２スイッチがオンすると、積分容量には、容量チョッピング用入力スイッチを介して電荷が流入する。このため、容量チョッピング用入力スイッチの単位スイッチ数を多くした方が、オフセットを低減する効果がより高くなる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】第１実施形態において、図２に示す積分器の構成を簡略化して示す変調器の構成を示す図

【図2】差動アンプを差動入出力として、積分器の構成を示す図

【図3】システムＣＨＯＰスイッチのシンボルと、複数のスイッチの組合せとの対応を示す図

【図4】周波数ｆｃｈｏｐに基づいて、システムＣＨＯＰスイッチ３の各単位スイッチＣＨＬがチョッピングされるタイミングを示す図

【図5】第２実施形態において、変調器の構成を示す図

【図6】非特許文献１に開示されている変調器の構成を示す図

【図7】同変調器の動作を示すタイミングチャート

【発明を実施するための形態】

【0011】

（第１実施形態）
以降の各実施形態で扱うアンプは、図２に示すように差動アンプであるが、説明を容易にするため、図１に示すように、シングルエンドタイプで正側、負側のスイッチ等を一纏めにして示す。図２に示すように、差動アンプ１の反転側、非反転側の構成は対称である。反転側、負側の構成の符号には（－）、非反転側、正側の構成の符号には（＋）を付しているが、両者を特に区別する必要がない場合には、符号に（－）、（＋）を付さない場合もある。

【0012】

図２に示すように、差動アンプ１の各入力端子には、入力電圧が、カップリングコンデンサＣｉｎを介して与えられる。入力端子と出力端子との間には、第１スイッチΦ１ｅが接続されていると共に、第２スイッチΦ２ｅ、システムＣＨＯＰスイッチ２、積分容量Ｃｉｎｔ、システムＣＨＯＰスイッチ３の直列回路が接続されている。

【0013】

図２ではシンボル的に示しているシステムＣＨＯＰスイッチ２，３は、４つの単位スイッチを備えている。図３に示すように、反転側、非反転側にそれぞれ直列に接続される２つのスイッチＣＨＬ（＋）、ＣＨＬ１（－）と、反転側、非反転側間にたすき掛け状態で接続される２つのスイッチＣＨＬ（＋）、ＣＨＬ１（－）とからなる。システムＣＨＯＰスイッチ２は容量チョッピング用入力スイッチに相当し、システムＣＨＯＰスイッチ３は容量チョッピング用出力スイッチに相当する。尚、各スイッチは、例えばＮチャネルＭＯＳＦＥＴ等で構成される。

【0014】

図１では、システムＣＨＯＰスイッチ２の単位スイッチをＣＨＬ１，システムＣＨＯＰスイッチ３の単位スイッチをＣＨＬ２として、一纏めで示している。システムＣＨＯＰスイッチ２は、ｍ個の単位スイッチＣＨＬ１（１）～ＣＨＬ１（ｍ）を並列に接続した構成であり、システムＣＨＯＰスイッチ３は、ｎ個の単位スイッチＣＨＬ２（１）～ＣＨＬ１（ｎ）を並列に接続した構成である。以上の構成において、差動アンプ１、その入出力端子間に接続されている積分容量Ｃint、システムＣＨＯＰスイッチ２及び３等を加えたものが積分器４を構成している。積分器４は、相関２重サンプリング型である。

【0015】

尚、相関２重サンプリング型の積分器は、例えば特開２０１８‐１０９６４７号公報の図３０や、特願２０２１－２０９４７５号の図１等にも示されている。変調器１１をこのように構成することで、差動アンプ１のオフセット電圧や、フリッカノイズ等の影響を低減できる。

【0016】

本実施形態の変調器１１は、積分器４にフィードバック系を加えて構成されている。差動アンプ１の出力端子には、量子化器１２が接続されており、量子化器１２の出力端子には、Ｄ／Ａ変換器１３が接続されている。Ｄ／Ａ変換器１３の出力端子は、図示しないスイッチやコンデンサＣｉｎ２を介して、差動アンプ１の非反転入力端子に接続されている。コンデンサＣｉｎ１の前段には、入力チョッピング用スイッチ１４が接続され、量子化器１２の出力端子には、出力チョッピング用スイッチ１５が接続されている。

【0017】

次に、本実施形態の作用について説明する。変調器１１の図示しない制御回路は、スイッチΦ１ｅ及びΦ２ｅを動作周波数ｆｓで動作させる。また、図１に示すように、入力チョッピング用スイッチ１４、及び出力チョッピング用スイッチ１５は、周波数ｆｃｈｏｐでチョッピングする。そして、システムＣＨＯＰスイッチ２については、ｍ個の単位スイッチＣＨＬ１（１）～ＣＨＬ１（ｍ）のそれぞれを、周波数ｆｃｈｏｐ／ｍで順次切り替えてチョッピングする。また、システムＣＨＯＰスイッチ３については、ｎ個の単位スイッチＣＨＬ２（１）～ＣＨＬ１（ｎ）のそれぞれを、周波数ｆｃｈｏｐ／ｎで順次切り替えてチョッピングする。周波数ｆｃｈｏｐは、周波数ｆｓに対して十分低い周波数であり、例えば、ｆｃｈｏｐ＝ｆｓ／２５６程度に設定する。

【0018】

図４は、周波数ｆｃｈｏｐに従い、システムＣＨＯＰスイッチ３におけるｎ個の単位スイッチＣＨＬ２（１）～ＣＨＬ１（ｎ）が順次チョッピングされるタイミングを示している。例えば（ｎ≧５）であり、（ｍ＝ｎ＋１）であるとする。この場合、システムＣＨＯＰスイッチ２、３を、上述したようにそれぞれ周波数ｆｃｈｏｐ／ｍ、周波数ｆｃｈｏｐ／ｎで順次切り替えてチョッピングすると、最初はシステムＣＨＯＰスイッチ２の単位スイッチＣＨＬ１（１）と、システムＣＨＯＰスイッチ３の単位スイッチはＣＨＬ２（１）とが同時にチョッピングされる。

【0019】

その後、周波数ｆｃｈｏｐ毎にそれぞれの単位スイッチＣＨＬ１、ＣＨＬ２が切り替わり、システムＣＨＯＰスイッチ２の単位スイッチＣＨＬ１（ｍ）をチョッピングする際に、同時にチョッピングされるシステムＣＨＯＰスイッチ３の単位スイッチはＣＨＬ２（１）となる。その次に、システムＣＨＯＰスイッチ２の単位スイッチＣＨＬ１（１）と、同時にチョッピングされるシステムＣＨＯＰスイッチ３の単位スイッチはＣＨＬ２（２）となる。

【0020】

このように、システムＣＨＯＰスイッチ２の単位スイッチＣＨＬ１（１）～ＣＨＬ１（ｍ）が全てチョッピングされる入力側チョッピング周期と、システムＣＨＯＰスイッチ３の単位スイッチＣＨＬ２（１）～ＣＨＬ２（ｎ）が全てチョッピングされる出力側チョッピング周期とには、周波数ｆｃｈｏｐの１周期分のずれがある。これにより、入力側チョッピング周期が繰り返される毎に、システムＣＨＯＰスイッチ２の単位スイッチＣＨＬ１とシステムＣＨＯＰスイッチ３の単位スイッチＣＨＬ２との組み合わせが変化する。

【0021】

すなわち、システムＣＨＯＰスイッチ２の単位スイッチＣＨＬ１がｍ並列、システムＣＨＯＰスイッチ３の単位スイッチＣＨＬ２がｎ並列になることで、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴにおけるオン抵抗等の特性のばらつきは、統計的に１／（√ｍ）又は１／（√ｎ）に低減される。加えて、ｍ，ｎが互いに素である場合、上述のように、入力側チョッピング周期が繰り返される毎に、システムＣＨＯＰスイッチ２、３における単位スイッチＣＨＬ１、ＣＨＬ２の組合せが変化することで、特性のばらつきは更に低減される。したがって、そのばらつきに起因して発生するオフセットの影響も低減される。

【0022】

以上のように本実施形態によれば、差動アンプ１の入力端子と出力端子との間に第１スイッチφ１ｅを接続し、差動アンプ１の入力端子と出力端子との間に、第２スイッチφ２ｅ、システムＣＨＯＰスイッチ２、積分容量Ｃint及びシステムＣＨＯＰスイッチ３の直列回路を接続して積分器４を構成する。システムＣＨＯＰスイッチ２、３は、それぞれｍ個、ｎ個の単位スイッチＣＨＬ１、ＣＨＬ２を備える。

【0023】

制御回路は、入力チョッピング用スイッチ１４及び出力チョッピング用スイッチ１５を周波数ｆｃｈｏｐでチョッピングし、システムＣＨＯＰスイッチ２の単位スイッチＣＨＬ１のそれぞれを周波数ｆｃｈｏｐ／ｍでチョッピングし、システムＣＨＯＰスイッチ３のｎ個の単位スイッチＣＨＬ２のそれぞれを周波数ｆｃｈｏｐ／ｎでチョッピングする。

【0024】

このように、システムＣＨＯＰスイッチ２、３の単位スイッチＣＨＬ１、ＣＨＬ２をそれぞれ複数にすることで、単位スイッチＣＨＬ１、ＣＨＬ２の特性のばらつきを平準化させることができる。したがって、特性のばらつきに起因して発生するオフセットを低減できる。また、第２スイッチφ２ｅがオンした際に、積分容量ＣintにはシステムＣＨＯＰスイッチ２を介して電荷が流入するので、（ｍ＞ｎ）に設定し、システムＣＨＯＰスイッチ２の単位スイッチ数ＣＨＬ１の数を多くすることで、オフセットの低減効果をより高めることができる。

【0025】

（第２実施形態）
図５に示すように、第２実施形態の変調器２１は、第１実施形態の変調器１１において、入力チョッピング用スイッチ１４とコンデンサＣｉｎ１との間に入力信号を増幅するためのアンプ２２を接続し、差動アンプ１の出力端子と量子化器１２との間に２次積分器２３を接続したものである。アンプ２２の入力端子と、２次積分器２３の図示しないコンデンサには、Ｄ／Ａ変換器１３と同様に、量子化器１２の出力信号をＤ／Ａ変換するＤ／Ａ変換器２４，２５を介してアナログ信号が与えられている。変調器１１を第１積分器とすると、２次積分器２３は第２積分器に相当する。変調器２１をこのように構成することで量子化雑音をより高い周波数領域にシフトさせて、その影響を除去することができる。

【0026】

（その他の実施形態）
必ずしも（ｍ＞ｎ）に設定する必要はない。少なくとも何れか一方は「１」でも良く、例えば（ｍ＝２，ｎ＝１）に設定しても良い。
（ｍ＝ｎ）に設定しても良いが、この場合ｍ，ｎは共に「２」以上である。（ｍ＝ｎ）に設定した場合も、単位スイッチのばらつきを平準化する効果は生じる。

【0027】

各スイッチは、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴに限ることなく、その他の半導体素子で構成しても良い。
第２実施形態で、アンプ２２を削除しても良い。
また第２実施形態で、２次積分器２３を削除しても良い。
本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

【符号の説明】

【0028】

図面中、１は差動アンプ、２及び３はシステムＣＨＯＰスイッチ、４は積分器、ＣＨＬ１及びＣＨＬ２はチョッピング用スイッチ、φ１ｅは第１スイッチ、φ２ｅは第２スイッチ、Ｃintは積分容量、ＣＨＬ１，ＣＨＬ２は単位スイッチを示す。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】