(57)【要約】【課題】出力信号に含まれるチョッピング信号の残存リプル成分を効果的に抑制できるようにしたチョッパー増幅器を提供する。【解決手段】前段チョッパー回路１と前段増幅器２と後段チョッパー回路３と後段増幅器５とを備えたチョッパー増幅器において、後段チョッパー回路３と後段増幅器５との間に後段チョッパー回路３の出力信号に含まれるチョッピング信号の成分を除去するノッチフィルタ回路４を接続し、前段チョッパー回路１の入力側と後段増幅器５の出力側との間にッチフィルタ回路４による位相回りを補償する補助増幅器６を接続した。【選択図】図１
2018061143.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号をチョッピング信号により変調する前段チョッパー回路と、該前段チョッパー回路の出力信号を増幅する前段増幅器と、該前段増幅器の出力信号を前記チョッピング信号により復調する後段チョッパー回路と、該後段チョッパー回路の出力信号を増幅する後段増幅器とを備えたチョッパー増幅器において、
前記後段チョッパー回路と前記後段増幅器との間に、前記後段チョッパー回路の出力信号に含まれる前記チョッピング信号の成分を除去するノッチフィルタ回路を接続し、
前記前段チョッパー回路の入力側と前記後段増幅器の出力側との間に、前記ノッチフィルタ回路による位相回りを補償する補助増幅器を接続した、
ことを特徴とするチョッパー増幅器。
【請求項２】
請求項１に記載のチョッパー増幅器において、
前記前段増幅器、前記後段増幅器及び前記補助増幅器をそれぞれ相互コンダクタンス増幅器で構成するとともに、前記前段増幅器の相互コンダクタンス増幅器と前記補助増幅器の相互コンダクタンス増幅器の相互コンダクタンスの値を同程度に設定したことを特徴とするチョッパー増幅器。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のチョッパー増幅器において、
前記補助増幅器のゲインを前記前段増幅器のゲインより小さいゲインに設定したことを特徴とするチョッパー増幅器。
【請求項４】
請求項１、２又は３に記載のチョッパー増幅器において、
前記ノッチフィルタ回路の非反転入力端子と前記後段増幅器の出力端子との間に位相補償用の第１のキャパシタを接続し、前記ノッチフィルタ回路の反転入力端子と接地との間に位相補償用の第２のキャパシタを接続したことを特徴とするチョッパー増幅器。
【請求項５】
請求項１、２又は３に記載のチョッパー増幅器において、
前記ノッチフィルタ回路の非反転出力端子と前記後段増幅器の出力端子との間に位相補償用の第１のキャパシタを接続し、前記ノッチフィルタ回路の反転出力端子と接地との間に位相補償用の第２のキャパシタを接続したことを特徴とするチョッパー増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はチョッピングによる残存リップル成分を抑制したチョッパー増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
センサ信号等のように直流近傍の低周波の微弱信号を高精度に高ゲインで増幅するためには、増幅器の入力オフセット電圧や１／ｆのフリッカノイズを無視することができない。そこで従来の高精度で高ゲインの増幅器では、例えば、オートゼロ、チョッピング、ＣＤＳ（Correlated Double Samplinｇ）などの手法が採用されている。
【０００３】
しかし、オートゼロとＣＤＳの手法はオフセット電圧や１／ｆのフリッカノイズを抑圧する効果はあるものの、折返し雑音により信号帯域内の雑音が増加するという問題がある。これに対して、チョッピングの手法は、チョッピング信号によってオフセット電圧や１／ｆのフリッカノイズをチョッピング信号の周波数の奇数倍周波数の高周波領域に変換するだけであるので、雑音はオートゼロやＣＤＳほど増加することはない。
【０００４】
図４に従来のチョッパー増幅器の構成を示す（例えば非特許文献１参照）。１１は前段チョッパー回路であり、差動の入力信号Ｖinをその入力信号Ｖinの周波数よりも少なくとも２倍以上の周波数の矩形波のチョッピング信号φ2、＊φ2（＊φ2はφ2に対して１８０度位相差をもつ信号）でチョッピングすることで高周波信号に変調する。
【０００５】
１２は前段チョッパー回路１１の出力信号を必要なレベルまで増幅する高ゲインの前段増幅器であり、相互コンダクタンス増幅器１２１と差動の出力抵抗ｒ04と差動の出力キャパシタＣ04を備えている。抵抗ｒ04とキャパシタＣ04は電流電圧変換も行う。
【０００６】
１３は後段チョッパー回路であり、前段増幅器１２から出力する変調出力信号を、前記したチョッピング信号φ2、＊φ2でチョッピングすることで、入力信号Ｖinと同じ周波数の信号に復調する。
【０００７】
１４は後段増幅器であり、相互コンダクタンス増幅器１４１と出力抵抗ｒ05と出力キャパシタＣ05を備えている。抵抗ｒ05とキャパシタＣ05は電流電圧変換も行う。Ｃ3，Ｃ4は後段増幅器１４の位相補償用のキャパシタである。
【０００８】
以上のように構成される従来のチョッパー増幅器は、通常の使用時には、そのチョッパー増幅器の入力側と出力側との間に図示しないフィードバック回路が接続される。
【０００９】
前段チョッパー回路１１は、図５に示すように、入力端子１１ａと出力端子１１ｃを接続するスイッチＳＷ1、入力端子１１ｂと出力端子１１ｄを接続するＳＷ2、入力端子１１ｂと出力端子１１ｃを接続するスイッチＳＷ3、入力端子１１ａと出力端子１１ｄを接続するＳＷ4によって構成されている。そして、チョッピング信号φ2が“Ｈ”で＊φ2が“Ｌ”のとき、スイッチＳＷ1，ＳＷ2がＯＮでスイッチングＳＷ3，ＳＷ4がＯＦＦに制御され、チョッピング信号φ2が“Ｌ”で＊φ2が“Ｈ”のとき、スイッチＳＷ1，ＳＷ2がＯＦＦでスイッチングＳＷ3，ＳＷ4がＯＮに制御される。後段チョッパー回路１３も同様の構成で同様に動作する。
【００１０】
入力信号Ｖinは、直流に近い低周波帯域の電圧であるが、前段チョッパー回路１１においてチョッピング信号φ2、＊φ2でチョッピングされることにより高周波に変調される。このとき、チョッピング信号φ2、＊φ2にはデューティ５０％の矩形波が使用されるので、入力信号Ｖinはそのチョッピング信号φ2の周波数の奇数倍（１倍、３倍、５倍、・・・）の周波数に変調されて出力する。
【００１１】
そして、それら奇数倍の周波数信号は前段増幅器１２で増幅される。このとき、この前段増幅器１２の相互コンダクタンス増幅器１２１に存在するオフセット電圧や１／ｆのフリッカノイズも、変調信号とともに増幅される。
【００１２】
前段増幅器１２の出力信号は、後段チョッパー回路１３においてチョッピング信号φ2、＊φ2でチョッピングされることにより、入力信号Ｖinに対応する変調成分は元の低周波信号に復調されるが、前段増幅器１２のオフセット電圧や１／ｆのフリッカノイズは、チョッピング信号φ2、＊φ2によるチョッピングによってそのチョッピング信号φ2の周波数の奇数倍の周波数に変調されて、高周波領域に移動する。
【００１３】
そこで、後段チョッパー回路１３の出力信号を後段増幅器１４で増幅した出力信号Ｖoutを図示しないローパスフィルタに入力させることで、その出力信号Ｖoutに含まれている前段増幅器１２のオフセット電圧や１／ｆのフリッカノイズを除去することができる。なお、入力信号Ｖinは前段増幅器１２ですでに十分なレベルに増幅されているので、後段増幅器１４のオフセット電圧や１／ｆのフリッカノイズは、出力信号ＶoutのＳ／Ｎ比に大きな影響を与えない。
【００１４】
このようにして、入力信号Ｖinが微弱であっても、前段増幅器１２のオフセット電圧及び１／ｆのフリッカノイズの影響を抑制した高ゲインで高精度の出力信号を得ることができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】A.Bakker,J.Huijsinｇ,“A CMOS chopper opamp with inteｇrated low-pass filter”,Proc,ESSCIRC,09-1997.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ところが、図４で説明した従来のチョッパー増幅器は、チョッピング信号の成分を後段増幅器１４の後段に接続したローパスフィルタで完全に除去することが困難で、そのチョッピング信号の成分が、出力信号Ｖoutに矩形波の残存リップル成分として現れるという問題があった。
【００１７】
本発明の目的は、出力信号に含まれるチョッピング信号の残存リプル成分を効果的に抑制できるようにしたチョッパー増幅器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明は、入力信号をチョッピング信号により変調する前段チョッパー回路と、該前段チョッパー回路の出力信号を増幅する前段増幅器と、該前段増幅器の出力信号を前記チョッピング信号により復調する後段チョッパー回路と、該後段チョッパー回路の出力信号を増幅する後段増幅器とを備えたチョッパー増幅器において、前記後段チョッパー回路と前記後段増幅器との間に、前記後段チョッパー回路の出力信号に含まれる前記チョッピング信号の成分を除去するノッチフィルタ回路を接続し、前記前段チョッパー回路の入力側と前記後段増幅器の出力側との間に、前記ノッチフィルタ回路による位相回りを補償する補助増幅器を接続した、ことを特徴とする。
【００１９】
請求項２にかかる発明は、請求項１に記載のチョッパー増幅器において、前記前段増幅器、前記後段増幅器及び前記補助増幅器をそれぞれ相互コンダクタンス増幅器で構成するとともに、前記前段増幅器の相互コンダクタンス増幅器と前記補助増幅器の相互コンダクタンス増幅器の相互コンダクタンスの値を同程度に設定したことを特徴とする。
【００２０】
請求項３にかかる発明は、請求項１又は２に記載のチョッパー増幅器において、前記補助増幅器のゲインを前記前段増幅器のゲインより小さいゲインに設定したことを特徴とする。
【００２１】
請求項４にかかる発明は、請求項１、２又は３に記載のチョッパー増幅器において、前記ノッチフィルタ回路の非反転入力端子と前記後段増幅器の出力端子との間に位相補償用の第１のキャパシタを接続し、前記ノッチフィルタ回路の反転入力端子と接地との間に位相補償用の第２のキャパシタを接続したことを特徴とする。
【００２２】
請求項５にかかる発明は、請求項１、２又は３に記載のチョッパー増幅器において、前記ノッチフィルタ回路の非反転出力端子と前記後段増幅器の出力端子との間に位相補償用の第１のキャパシタを接続し、前記ノッチフィルタ回路の反転出力端子と接地との間に位相補償用の第２のキャパシタを接続したことを特徴とするチョッパー増幅器。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、ノッチフィルタ回路によって、後段増幅器から出力する出力信号に含まれていたチョッピング信号の残存リプル成分を抑制することができる。また、ノッチフィルタ回路の挿入による位相周りを、補助増幅器によって抑制して増幅動作の安定化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施例のチョッパー増幅器の回路図である。
【図２】本発明の第２の実施例のチョッパー増幅器の回路図である。
【図３】ノッチフィルタ回路の一例の回路図である。
【図４】従来のチョッパー増幅器の回路図である。
【図５】チョッパー回路の回路図である。
【図６】図４の従来のチョッパー増幅器の周波数特性図とナイキスト線図である。
【図７】図１のチョッパー増幅器から補助増幅器を除去したときの周波数特性図とナイキスト線図である。
【図８】図１のチョッパー増幅器の周波数特性図とナイキスト線図である。
【図９】ノッチフィルタ回路の周波数特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
＜第１の実施例＞
図１に本発明の１つの実施例のチョッパー増幅器を示す。１は前段チョッパー回路であり、差動の入力信号Ｖinをその入力信号Ｖｉｎの周波数よりも少なくとも２倍以上の周波数の矩形波のチョッピング信号φ1、＊φ1（＊φ1はφ1に対して１８０度位相差をもつ信号）でチョッピングすることで高周波信号に変調する。
【００２６】
２は前段チョッパー回路１の出力信号を必要なレベルまで増幅する高ゲインの前段増幅器であり、相互コンダクタンス増幅器２１と差動の出力抵抗ｒ01、差動の出力キャパシタＣ01を備えている。抵抗ｒ01、キャパシタＣ01は電流電圧変換も行う。
【００２７】
３は後段チョッパー回路であり、前段増幅器２から出力する変調出力信号を前記したチョッピング信号φ1、＊φ1でチョッピングすることで、入力信号Ｖinと同じ周波数の信号に復調する。
【００２８】
４はノッチフィルタ回路であり、後段チョッパー回路３の出力信号に含まれるチョッピング信号φ1、＊φ1の周波数成分を除去する。
【００２９】
５は後段増幅器であり、相互コンダクタンス増幅器５１と出力抵抗ｒ02と出力キャパシタＣ02を備えている。抵抗ｒ02とキャパシタＣ02は電流電圧変換も行う。相互コンダクタンス増幅器５１の出力端子とノッチフィルタ回路４の非反転入力端子との間に接続したキャパシタＣ1とノッチフィルタ回路４の反転入力端子と接地との間に接続したキャパシタＣ2は位相補償用である。
【００３０】
６は補助増幅器であり、前記した差動の入力信号Ｖinを入力して増幅する相互コンダクタンス増幅器６１と出力抵抗ｒ03と出力キャパシタＣ03を備えている。出力抵抗ｒ03とキャパシタＣ03は電流電圧変換も行う。相互コンダクタンス増幅器６１の出力端子は後段増幅器５の出力端子に共通接続される。
【００３１】
このように構成される本実施例のチョッパー増幅器は、通常の使用時には、そのチョッパ増幅器の入力側と出力側との間に、図示しないフィードバック回路が接続される。
【００３２】
さて、入力信号Ｖinは、直流に近い低周波帯域の電圧であるが、前段チョッパー回路１においてチョッピング信号φ1、＊φ1でチョッピングされることにより、そのチョッピング信号φ1の周波数に変調される。このとき、チョッピング信号φ1、＊φ1にはデューティ５０％の矩形波が使用されるので、入力信号Ｖinはそのチョッピング信号φ1の周波数の奇数倍（１倍、３倍、５倍、・・・）の周波数に変調される。
【００３３】
そして、それら奇数倍の周波数信号は前段増幅器２で増幅される。このとき、この前段増幅器２の相互コンダクタンス増幅器２１に存在するオフセット電圧や１／ｆのフリッカノイズも、変調信号とともに増幅される。
【００３４】
前段増幅器２の出力信号は、後段チョッパー回路３においてチョッピング信号φ1、＊φ1でチョッピングされることにより、入力信号Ｖinに対応する変調成分は元の低周波信号に復調されるが、前段増幅器２のオフセット電圧や１／ｆのフリッカノイズは、チョッピング信号φ1、＊φ1によるチョッピングによってそのチョッピング信号φ1の周波数の奇数倍の周波数に変調されて、高周波領域に移動する。
【００３５】
後段チョッパー回路３の出力信号には、前述したようにチョッピング信号φ1の成分が含まれているが、ノッチフィルタ回路４によってその成分が除去される。そして、後段チョッパー回路３の出力信号を後段増幅器４で増幅した出力信号Ｖoutを図示しないローパスフィルタに入力することで、その出力信号Ｖoutから前段増幅器２のオフセット電圧や１／ｆのフリッカノイズを除去することができる。
【００３６】
ノッチフィルタ回路４としては、図３に示すように、抵抗Ｒ41〜Ｒ45とキャパシタＣ41〜Ｃ45を使用したツインＴ型構成のものを使用することができる。その利得と位相の周波数特性は、例えば図９に示す特性となる。ｆｏはノッチ周波数であり、チョッピング信号φ1の周波数に設定されている。
【００３７】
ところで、上記したように、ノッチフィルタ回路４によってチョッピング信号φ1の成分を除去することができるが、このノッチフィルタ回路４を追加すると、チョッパー増幅器の入出力間の周波数伝達関数が大きく変化し、位相が大きく回転して、動作が不安定になる。
【００３８】
そこで、本実施例では、チョッパー増幅器の入力側と出力側との間に補助経路を設けて、その補助経路に補助増幅器６を挿入して位相補償を行うことで、動作の安定性を確保している。
【００３９】
まず、本実施例のチョッパー増幅器の入出力間の周波数伝達関数を次の式（１）に示す。
2018061143.tif 000003
ここで、ｇm1，ｇm2，ｇm3はそれぞれ相互コンダクタンス増幅器２１，５１，６１の相互コンダクタンス、Ｈnotchはノッチフィルタ回路４の周波数伝達関数である。また、
2018061143.tif 000004
である。ωoはノッチ角周波数、Ｑは実数を表す。
【００４０】
一方、図４で説明した従来のチョッパー増幅器の入出力間の周波数伝達関数は、次の式で示すように、
2018061143.tif 000005
となる。ここで、ｇｍ4，ｇｍ5はそれぞれ相互コンダクタンス増幅器１２１，１４１の相互コンダクタンスである。また、
2018061143.tif 000006
である。
【００４１】
さて、図１の本実施例のチョッパー増幅器の回路は、図４の従来のチョッパー増幅器の回路に対して、ノッチフィルタ回路４と補助増幅器６を追加し接続したものに等しい。ここで、ノッチ角周波数ωo以外の周波数特性を変えないためには、ＣL1＝Ｃo4、ＣL2＝Ｃo5、ＣC1＝ＣC2、ｇm1＝ｇm4、ｇm2＝ｇm5、ＲL1＝ｒo4、ＲL2＝ｒo5と設定すればよい。
【００４２】
このようにすることで、式（１）の伝達関数の第１の極の位置と第２の極の位置が、式（３）の伝達関数の第１の極の位置と第２の極の位置とほぼ同じになる。これにより、式（１）の伝達関数の周波数特性と式（２）の伝達関数の周波数特性の違いは、各伝達関数の分子の項によって決まることになる。
【００４３】
ノッチフィルタ回路４のみを追加しただけの伝達関数は、式（１）において、Ｃ03＝０、ｇｍ3＝０、ｒ03＝∞とすることで得られる。この場合の周波数特性の例を図７（ａ）に示す。ノッチ周波数ｆｏ周辺で急激な位相変化があり、その辺り（点線で囲まれた部分）のナイキスト線図は図７（ｂ）に示す通りである。この図７（ｂ）では、軌跡が（−１，ｊ０）を回ってしまっているので、ノッチフィルタ回路４のみの場合は、動作不安定であることが分かる。
【００４４】
図４に示した従来のチョッパー増幅器の周波数特性は、図６（ａ）に示す通り、式（３）の分母の位相回り９０度が最初に発生することがわかるが、ノッチフィルタ回路４の追加によって、ノッチフィルタ回路４の周波数特性である図９からもわかるように、さらに９０度回ってしまう。さらに、式（１）の分子の第二項の周波数特性により、ここでも９０度まわってしまう。
【００４５】
以上より、従来のチョッパー増幅器にノッチフィルタ回路４のみを追加しただけでは、最低でも２７０度は位相が回ってしまうことになる。これが、ノッチフィルタ回路４を追加しただけではナイキスト線図の軌跡が（−１，ｊ０）を回ってしまい不安定となる理由である。
【００４６】
これに対して、本実施例のように、ノッチフィルタ回路４と共に補助増幅器６を追加した場合は、ノッチフィルタ回路４による位相回りを補償することできる。ｇm1＝ｇｍ3と設定することで、式（１）の分子の第２項と第４項がほぼ等しくなるので、虚数成分が非常に小さくなる。虚数成分が小さくなるということは周波数特性が無くなることを意味するので、位相回りも発生しなくなる。また、式（１）の分子の第１項にノッチフィルタ回路４の項があるので、最大で９０度の位相回りが発生するが、式（１）の分子の第３項が実数なので、９０度の位相回りを抑える方向に働く。
【００４７】
図８（ａ）に本実施例のチョッパー増幅器の周波数特性を、図８（ｂ）にそのナイキスト線図を示す。図８（ｂ）では、軌跡が（−１、ｊ０）をまわっていないため、補助増幅器６の追加によってノッチフィルタ回路４の位相回りを補償できていることが分かる。
【００４８】
なお、補助増幅器６のゲインは前段増幅器２のゲインに比べて小さく設定する。これにより、補助増幅器６の相互コンダクタンス増幅器６１のオフセット電圧や１／ｆノイズの影響を避けることができる。
【００４９】
＜第２の実施例＞
以上説明した図１のチョッパー増幅器では、位相補償用のキャパシタＣ1をノッチフィルタ回路４の非反転入力端子と後段増幅器５の出力端子との間に接続し、位相補償用のキャパシタＣ2をノッチフィルタ回路４の反転入力端子と接地との間に接続したが、図２に示すように、位相補償用のキャパシタＣ1をノッチフィルタ回路４の非反転出力端子と後段増幅器５の出力端子との間に接続し、位相補償用のキャパシタＣ2をノッチフィルタ回路４の反転出力端子と接地との間に接続しても、全く同様に動作する。
【符号の説明】
【００５０】
１：前段チョッパー回路、２：前段増幅器、２１：相互コンダクタンス増幅器、３：後段チョッパー回路、４：ノッチフィルタ回路、５：後段増幅器、５１：相互コンダクタンス増幅器、６：補助増幅器、６１：相互コンダクタンス増幅器
１１：前段チョッパー回路、１２：前段増幅器、１２１：相互コンダクタンス増幅器、１３：後段チョッパー回路、１４：後段増幅器、１４１：相互コンダクタンス増幅器
【図１】
2018061143.tif 000007
【図２】
2018061143.tif 000008
【図３】
2018061143.tif 000009
【図４】
2018061143.tif 000010
【図５】
2018061143.tif 000011
【図６】
2018061143.tif 000012
【図７】
2018061143.tif 000013
【図８】
2018061143.tif 000014
【図９】
2018061143.tif 000015