(57)【要約】【課題】積分増幅器によって測定され得る電荷量を増加させ、外部コンデンサの数を１に制限し、電荷の入力範囲を増加させ、入力範囲を調整可能にする積分器および調整可能な積分器を作成する方法を提供する。【解決手段】調整可能な積分器は、入力および出力を有し、増幅器の前記入力に供給される信号は、前記出力において増幅された信号を供給する増幅器２１ａと、出力と入力との間に結合され、コンデンサ２２ａを備え、前記コンデンサ上に電荷を与えるために第１の電流を供給する第１のフィードバックループ２１ａ、２２ａ、２２ｂ、２２ｃと、前記コンデンサはそれにより、前記第１の電流の積分を与え、前記出力と前記入力との間に結合され、前記第１の電流のミラー電流を供給し、前記入力にフィードバックして前記電荷の入力範囲を増加させる、第２のフィードバックループ２１ａ、２７、２１ｂとを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力および出力を有し、増幅器の前記入力に供給される信号は、前記出力において増幅された信号を供給する増幅器と、
前記出力と前記入力との間に結合され、コンデンサを含み、前記コンデンサ上に電荷を与えるために第１の電流を供給する第１のフィードバックループと、前記コンデンサはそれにより、前記第１の電流の積分を与え、
前記出力と前記入力との間に結合され、前記第１の電流のミラー電流を供給し、前記入力にフィードバックして前記電荷の入力範囲を増加させる、第２のフィードバックループと、
を備える、調整可能な積分器。
【請求項２】
前記第１の電流は、第１の電流源から得られる、請求項１に記載の調整可能な積分器。
【請求項３】
前記ミラー電流は、複製率１：ｍで前記第１の電流をミラー化する請求項２に記載の調整可能な積分器。
【請求項４】
前記複製率１：ｍは調整可能である、請求項３に記載の調整可能な積分器。
【請求項５】
バイアス電流を生成する負荷デバイスは、前記第１の電流源の出力に結合され、前記第１のフィードバックループについてアクティブ負荷を供給する、請求項１に記載の調整可能な積分器。
【請求項６】
前記負荷デバイスは、積分フェーズ中、スイッチオフされる、請求項５に記載の調整可能な積分器。
【請求項７】
前記負荷デバイスは、リセットフェーズ中、スイッチオンされる、請求項５に記載の調整可能な積分器。
【請求項８】
前記コンデンサは、離散コンデンサまたは集積コンデンサである、請求項１に記載の調整可能な積分器。
【請求項９】
入力および出力を有し、増幅器の前記入力に供給される信号は、前記出力において増幅された信号を供給する増幅器と、
入力ならびに第１および第２の出力を有し、前記入力は前記増幅器の前記出力に結合され、前記増幅器の前記入力に前記増幅器の出力電流の複製をフィードバックする電流ミラーと、
前記第１の電流源に結合されて、前記出力段の前記第１の出力においてバイアス電流を生成して、前記第１のフィードバックループのためのアクティブ負荷を供給する負荷デバイスと、を備え、
前記出力段はさらに、
前記電流ミラーの第１の電流源およびコンデンサを直列に備えた第１のフィードバックループと、
前記第１の電流源を複製率１：ｍでミラー化する前記電流ミラーの第２の電流源を備える第２のフィードバックと、を備え、
前記第１の電流源は、前記出力段の前記第１の出力において、前記コンデンサ上に電荷を与えるために第１の電流を供給し、前記コンデンサはそれにより、前記第１の電流の積分を与え、
前記第２の電流源は、前記出力段の前記第２の出力において、前記増幅器の前記入力にフィードバックされる第２の電流を供給し、それにより前記電荷の入力範囲を増加させる、
調整可能な積分器。
【請求項１０】
前記第２の電流源の前記複製率１：ｍは調整可能である、請求項９に記載の調整可能な積分器。
【請求項１１】
スイッチは、前記出力段の前記第１の出力の前記第１の電流源および前記負荷デバイスに直列に結合される、請求項９に記載の調整可能な積分器。
【請求項１２】
前記スイッチは、トランジスタまたはトランジスタ回路または、リレーまたは機械式スイッチであってよい、請求項１１に記載の調整可能な積分器。
【請求項１３】
前記トランジスタは、離散形態または集積回路であってよい、請求項１２に記載の調整可能な積分器。
【請求項１４】
前記トランジスタ回路は、離散形態または集積回路であってよい、請求項１２に記載の調整可能な積分器。
【請求項１５】
前記負荷デバイスは、積分フェーズ中スイッチオフされて、前記第１および第２の電流源のＤＣオフセットを防止する、請求項９に記載の調整可能な積分器。
【請求項１６】
前記負荷デバイスは、リセットフェーズ中スイッチオンされる請求項９に記載の調整可能な積分器。
【請求項１７】
前記コンデンサは、離散コンデンサまたは集積コンデンサである、請求項９に記載の調整可能な積分器。
【請求項１８】
ａ）増幅器を電流ミラーに直列に結合させるステップと、前記電流ミラーは前記増幅器の入力にフィードバックする、
ｂ）電流パルスを前記増幅器の前記入力に供給するステップと、
ｃ）前記増幅器を取り巻く第１のフィードバックループとして、前記電流ミラーの第１の電流源を積分コンデンサに直列に結合するステップと、
ｄ）積分フェーズ中に、前記電流パルスの集積によって前記積分コンデンサ上に電荷を蓄積するステップと、
ｅ）前記増幅器を取り巻く第２のフィードバックループとして、前記電流ミラーの第２の電流源を結合させるステップと、
ｆ）前記第２の電流源において、ある複製率で前記第１の電流源の電流を複製し、それにより前記増幅器によって測定され得る電荷量を増加させるステップと、
ｇ）前記第２の電流源の前記複製率を調整することによって、範囲切換えを達成するステップと、前記積分コンデンサ滞留の容量は変更されない、
を含む単一コンデンサを使用して調整可能な積分器を作成する方法。
【請求項１９】
負荷デバイスは、前記第１の電流源の出力に結合されて、前記第１の電流源のためのアクティブ負荷を供給する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１および第２の電流源の電流のＤＣオフセットは、前記積分フェーズ中に前記アクティブ負荷をスイッチオフすることによって回避される、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定され得る電荷の入力範囲を増加させる積分増幅器のための回路および方法に関し、より詳細には、内部フィードバックループが付加され、それにより、別の外部コンデンサおよびパッドについての必要をなくすＩＣ上の積分増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電荷を、したがって容量を測定するために、積分器として配線された増幅器が使用され得る。測定される電荷は、増幅器の入力に注入され、入力から、積分容量を介して増幅器の出力に供給される。測定は、積分器の入力にかける電流パルスによって始動される。増幅器の負入力と出力との間に接続された積分容量は、入力パルスによって伝達される電荷を収集する。増幅器の出力振幅が制限されるため、測定され得る電荷量が制限される。現在の設計では、測定される電荷の範囲は、積分容量を変更することによって変更される。積分コンデンサとして外部デバイスが使用される積分式回路では、この方法は、さらなるコンデンサだけでなく別のパッドも必要とする。これは、小さなパッケージ内に配置される必要があり、また、パッドが非常に貴重であるかまたは全く利用可能でない設計にとって不利である。
【０００３】
ここで図１を参照すると、第２の外部積分コンデンサ用のさらなるパッドを必要とする現在の慣行の回路１０が述べられる。回路１０は、マイナス（−）およびプラス（＋）入力ならびに出力ＯＵＴを有する増幅器１１ａを備える。マイナス入力は、パッド１１ｂを介して、電流パルス発生器１５から電流パルスＱ＝ＩＩＮｔを供給する入力ＩＮに結合される。パルス入力は、参照電圧ＶＲＥＦ、たとえばＧＲＯＵＮＤに結合される。電流ＩＯＵＴおよび電圧ＶＯＵＴを供給する出力ＯＵＴは、パッド１２ｂを介して外部積分コンデンサ１２ａ（ＣＩＮＴ）に、そして、パッド１２ｃを介して増幅器１１ａのマイナス入力に結合される。出力ＯＵＴはまた、スイッチ１４（Ｓ１）を介してさらなるパッド１３ｂ、第２の外部積分コンデンサ１３ａ（ＣＩＮＴ＊）に、そして、パッド１２ｃを介して増幅器１１ａのマイナス入力に結合される。
【０００４】
通常の積分器では、積分電流を流れさせる電圧パルスによって測定される電荷が、コンデンサに伝達される。増幅器は、その出力電圧を調整することによってこの電流を送出する。コンデンサＣＩＮＴ上の電荷は、入力ＩＮにおける電流パルスによって導入される電荷に等しく、すなわち、
Ｑ＝ＩＩＮＴｔ
であり、
ＶＯＵＴ＝ＩＩＮＴｔ／ＣＩＮＴ
の出力をもたらす。
【０００５】
現在の設計において所与の出力電圧範囲内でより大きな電荷を測定するために、積分コンデンサが調整される必要がある、すなわち、別の外部コンデンサが、付加される必要がある。この回路の欠点は、この回路がさらなるパッドおよび他の外部コンデンサを必要とすることであり、より高いモジュールコストおよびより大きなダイ面積をもたらす。この問題を回避するための方法は現在のところ全く知られていない。以下で述べる発明は、新規な解決策を提供する回路配置を対象とする。
【０００６】
本発明に関連する米国特許は、以下の通りである。
米国特許６，６０８，５１６（Ｌｅｎｎｏｕｓ）は、積分器の時定数を調整するシステムおよび方法を開示する。一実施形態では、可変時定数積分器は、増幅器、コンデンサ、および可変利得要素を含む。別の実施形態では、可変利得要素は、ＭＤＡＣ（乗算型デジタル−アナログ変換器）を含んでもよい。特許は、信号調節を参照し、電圧フィードバックを使用して、範囲を制限する。
【０００７】
米国特許出願２００７／０２２９１６１（Ｋｉｌｌａｔ）は、小さな積分抵抗器だけを必要とする、低ノイズでかつ高直線性の電圧−電流変換器のための方法および回路を教示する。回路は、電流を測定するためにシャントを使用し、フィードバックとして使用される電流ＩＤＣは固定であり、バイアス電圧から得られる電流ＩＤＣが使用されて、ＤＣ動作点が設定される。
【０００８】
米国特許４，０５９，８１２（Ｐｒｏｃｔｏｒ）は、位相ロックループを述べており、位相ロックループは、積分増幅器および積分増幅器の１つの入力に印加される調整可能な電圧源をさらに備える調整可能な積分器を備える。積分増幅器の出力は、調整可能な積分器に、したがって積分増幅器にフィードバックする１つまたは複数のワンショットコントロールの設定時間を変更する。
【０００９】
関連技術の先に囲繞した例はいずれも、以下に述べる本発明の特徴および利点を持たないことが留意されるべきである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許６，６０８，５１６
【特許文献２】米国特許出願２００７／０２２９１６１
【特許文献３】米国特許４，０５９，８１２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
積分増幅器によって測定され得る電荷量を増加させる方法および装置を提供することが、本発明の少なくとも１つの実施形態の目的である。
外部コンデンサの数を１に制限することが本発明の別の目的である。
【００１２】
さらなるコンデンサを使用することなく、電荷の入力範囲を増加させることが本発明のなお別の目的である。
入力範囲を調整可能にすることが本発明のなお別の目的である。
【００１３】
電荷量を測定するのに必要とされるパッド数を２に制限することが本発明のさらなる目的である。
電流ミラーのＤＣオフセットを防止することが本発明のなおさらなる目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
これらのまた多くの他の目的は、電流ミラーを備える出力段を、積分増幅器に結合することによって達成された。電流ミラーの第１の電流源の出力は、外部積分コンデンサを介して積分増幅器の入力に結合される。第１の電流源の電流を、したがって積分増幅器の出力電流をミラー化する、電流ミラーの第２の電流源の出力は、積分増幅器の入力にフィードバックされる。第１の電流源の出力はまた、第１の電流源についてバイアス電流を生成する負荷デバイス、アクティブ負荷に結合される。第２の電流源は、第１の電流源の出力電流を、率「ｍ」で複製する。ここで、係数「ｍ」は、可変であり、必要とされる範囲切換えによって確定される。電流ミラーの電流のＤＣオフセットを回避するため、スイッチが、第１の電流源と負荷デバイスとの間に結合されて、積分フェーズ中に、出力段についてアクティブ負荷をスイッチオフする。
【００１５】
本発明の、これらのまた多くの他の目的および利点は、特許請求の範囲、添付図面、および好ましい実施形態の以下の詳細な説明を熟読することによって本発明が関連する当業者に容易に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来技術の回路図である。
【図２】本発明の好ましい実施形態の回路図である。
【図３】図２の回路の一部分の詳細図である。
【図４】本発明の方法のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
異なる図における同じ参照数字の使用は、類似のまたは同じ要素を指示する。
調整可能な積分器の本発明の好ましい実施形態では、電流ミラーが、増幅器の出力段で使用され、増幅器の出力電流の複製をその入力ノードにフィードバックする。これは、余分のパッドを必要とすることなく、ダイ（チップ）上で行われる。この方法は、
ＶＯＵＴ＝ＩＩＮｔ／（Ｉ＋ｍ）ＣＩＮＴ
の積分器出力電圧をもたらす。ここで、図２を参照すると、
ＶＯＵＴは、出力ＯＵＴにおける電圧であり、
ＩＩＮは、増幅器の入力に流れる電流であり、
ＣＩＮＴは、積分コンデンサであり、
ｍは、電流フィードバック複製についての率である。
【００１８】
電流フィードバックを使用すると、本発明の範囲は、増幅器の電圧出力範囲に制限されない。本発明は、１つのコンデンサだけを利用し、したがって範囲切換えを操作するのに２つのパッドだけを必要とする。余分の電流ＩＥＸＴＲＡが、増幅器の出力段において電流ＩＯＵＴをミラー化することによって生成される。ミラー化された電流のＤＣオフセットを回避するために、出力段についてのアクティブ負荷が、積分フェーズ中、スイッチオフされる。本発明では、範囲切換えは、同じフィードバックコンデンサ（ＣＩＮＴ）で異なる電荷を測定するのに使用される。これは、第１および第２の電流源を備える出力段の電流ミラーによる増幅器の出力電流ＩＯＵＴの複製によって達成される。電流ＩＯＵＴを有する第１の電流源は、増幅器の出力と出力ＯＵＴとの間に挿入され、（第１の電流源に対する）複製率ｍおよび電流ＩＥＸＴＲＡを有する第２の電流源は、増幅器の出力とその入力ノードとの間に結合される。範囲を切換えること、すなわち、電流ＩＥＸＴＲＡを変更することは、複製率ｍを変更することによって達成される。
【００１９】
図２を参照すると、ここで、本発明の調整可能な積分器回路２０が述べられる。回路２０は、入力２１ｂおよび出力２１ｃを有する増幅器手段２１ａ（増幅器）を備える。増幅器手段２１ａの入力２１ｂは、電流パルス発生器１５から電流パルスＱ＝ＩＩＮｔを供給する入力ＩＮに結合し、次に、参照電位ＶＲＥＦ（通常、ＧＲＯＵＮＤ）に結合する。出力２１ｃは、出力段２５、電流源２６および２７を有する電流ミラーに結合し、出力２１ｃは、電流源２６および２７のコントロールゲートに結合する。電流源２６の出力は、電流ＩＯＵＴを供給する出力ＯＵＴである。出力ＯＵＴは、パッド２２ｂを介して外部積分コンデンサ手段２２ａ（ＣＩＮＴ）に、そして、パッド２２ｃを介して増幅器手段２１ａの入力２１ｂに結合する。出力ＯＵＴには、切換手段２４（Ｓ）も結合し、切換手段２４（Ｓ）は、次に、負荷デバイス（電流源２８、アクティブ負荷）を介して参照電位ＶＲＥＦ（通常、ＧＲＯＵＮＤ）に結合する。図２では、切換手段２４は、積分フェーズを示す「ＯＰＥＮ」として示される。切換手段２４の目的は、電流源２６および２７の電流のＤＣオフセットを回避するために、積分フェーズ中、出力段についてアクティブ負荷をスイッチオフすることである。電流ＩＥＸＴＲＡを供給する電流源２７の出力は、増幅器手段２１ａの入力２１ｂに直接戻るように結合される。電流ＩＯＵＴは、１：ｍとして電流ＩＥＸＴＲＡに関連し、複製率「ｍ」の選択は用途に応じる。
【００２０】
ここで図３を参照すると、電流源２６および２７の出力段の好ましい実施形態が示される。先に説明した要素は、同じ数字で示され、さらに述べられる必要はない。増幅器３６および３７はそれぞれ、電流源２６および２７のコンポーネントを表し、例として、ＰＭＯＳトランジスタとして示される。増幅器３６および３７は、（トランジスタのソースとして示される）電圧電位＋Ｖに結合される。増幅器３６および３７の入力は、共に結合され、（トランジスタのゲートとして示される）出力２１ｃを介してその入力を受取る。増幅器３６および３７の出力はそれぞれ、（トランジスタのドレインとして示される）出力ＩＯＵＴおよびＩＥＸＴＲＡを表す。増幅器３６の出力は、出力ＯＵＴであり、増幅器３７の出力は、出力ＥＸＴＲＡである。図２の場合と同様に、出力ＯＵＴ、切換手段２４（Ｓ）、および電流源２８は、図２の場合と同様に配列される。
【００２１】
さらに図３を参照すると、増幅器３６の出力デバイス（トランジスタのドレインとして示される）は、電流源２８をロードされ、したがって増幅器３６の出力を形成する。電流源２８は、増幅器３６のためのバイアス電流を生成する。切換手段２４（Ｓ）が無い状態では、増幅器３６の出力デバイスの電流は、出力電流ＩＯＵＴと電流源２８を通って流れる電流を足したものである。本発明の一態様は、電流ＩＥＸＴＲＡが、出力電流ＩＯＵＴの正確な倍数であることによる。積分器のリセットフェーズ中、切換手段２４が閉じ、増幅器がそのＤＣ動作点にあるとき、増幅器３７の出力デバイス（トランジスタのドレインとして示される）を通って流れる電流と電流源２８を通って流れる電流は等しい。積分フェーズ中、切換手段２４が開き、電流ＩＥＸＴＲＡが、出力電流ＩＯＵＴの正確な複製となる。
【００２２】
増幅器手段は、信号を増幅するデバイスを意味し、いずれかが離散形態かまたは集積回路（ＩＣ）であるトランジスタまたはトランジスタ回路か、離散増幅器か、あるいは、リレーであってよい。これらのデバイスは、増幅器手段に適用されるとき、制限としてではなく例示として引用される。
【００２３】
コンデンサ手段は、電荷を保持するデバイスを意味し、いずれかが離散形態かまたは集積回路（ＩＣ）であるトランジスタまたはトランジスタ回路であってよく、コンデンサ、集積回路（ＩＣ）のコンデンサ、または離散コンデンサとして機能するように配線されてもよい。
【００２４】
切換手段は、いずれかが離散形態かまたは集積回路（ＩＣ）であるトランジスタまたはトランジスタ回路、またはリレー、または機械式スイッチなどのデバイスを意味してもよい。これらのデバイスは、切換手段に適用されるとき、制限としてではなく例示として引用される。
【００２５】
ここで、単一コンデンサを使用して調整可能な積分器を実現する本発明の好ましい実施形態の方法が述べられる、すなわち、
ａ）ブロック１は、増幅器を電流ミラーに直列に結合させ、電流ミラーは増幅器の入力にフィードバックし、
ｂ）ブロック２は、電流パルスを増幅器の入力に供給し、
ｃ）ブロック３は、増幅器を取り巻く第１のフィードバックループとして、電流ミラーの第１の電流源を積分コンデンサに直列に結合させ、
ｄ）ブロック４は、積分フェーズ中に、電流パルスの積分によって積分コンデンサ上に電荷を蓄積させ、
ｅ）ブロック５は、増幅器を取り巻く第２のフィードバックループとして、電流ミラーの第２の電流源を結合させ、
ｆ）ブロック６は、第２の電流源において、ある複製率で第１の電流源の電流を複製し、それにより、増幅器によって測定され得る電荷量を増加させ、
ｇ）ブロック７は、第２の電流源の複製率を調整することによって、範囲切換えを達成し、積分コンデンサの容量は変更されない。
効果
本発明の効果は、以下の通りである。
１．１つの外部コンデンサだけが必要とされる。
２．１つの外部コンデンサを接続するために２つのパッドだけが必要とされる。
３．増幅器の入力にフィードバックされるさらなる電流が使用されて、測定され得る電荷の入力範囲が増加され得る。
【００２６】
本発明は、特に、本発明の好ましい実施形態を参照して示され述べられたが、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、形態および詳細において種々の変更が行われてもよいことが当業者によって理解されるであろう。
【符号の説明】
【００２７】
１５  電流パルス発生器
２０  積分器回路
２１ａ  増幅器手段
２１ｂ  入力
２１ｃ  出力
２５  出力段
２６、２７、２８  電流源
２２ａ  外部積分コンデンサ手段
２２ｂ、２２ｃ  パッド
２４  切換手段
３６、３７  増幅器
【図１】
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【図２】
2010148111.tif 000004
【図３】
2010148111.tif 000005
【図４】
2010148111.tif 000006
【外国語明細書】
2010148111000001.pdf