(57)【要約】【課題】高周波信号のリークを低減し、ホールド出力の変動を抑制することができるサンプルホールド回路および高周波受信装置を提供する。【解決手段】接地スイッチＴ４が、高周波信号の入力端子Ｖｉｎｐに直列に接続されたサンプリング用スイッチ素子Ｔ１の入力側に一端が接続され、他端が接地されている。接地スイッチＴ４は、サンプリング用スイッチ素子Ｔ１をスイッチング動作させるための制御信号の反転信号によりスイッチング動作を行うよう構成されている。整合回路Ｍが、サンプリング用スイッチ素子Ｔ１の入力側の回路とのインピーダンスを整合させるよう、接地スイッチＴ４よりも入力側に設けられていてもよい。また、インダクタＩが、接地スイッチＴ４がオフのとき、接地スイッチＴ４との間で並列共振回路を形成するよう、接地スイッチＴ４に対して並列に設けられていてもよい。【選択図】図１
2015170935.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波（ＲＦ）信号を受信するために使用されるサンプルホールド回路であって、
前記高周波信号の入力端子に直列に接続されたサンプリング用スイッチ素子と、
一端が前記サンプリング用スイッチ素子の入力側に接続され、他端が接地された接地スイッチとを有し、
前記接地スイッチは、前記サンプリング用スイッチ素子をスイッチング動作させるための制御信号の反転信号によりスイッチング動作を行うよう構成されていることを
特徴とするサンプルホールド回路。
【請求項２】
前記接地スイッチは、前記制御信号に基づいてトランジスタを用いた反転回路により作成された前記反転信号により、スイッチング動作を行うよう構成されていることを特徴とする請求項１記載のサンプルホールド回路。
【請求項３】
前記接地スイッチは、前記サンプリング用スイッチ素子のスイッチング動作に対して遅れてスイッチング動作を行うよう構成されていることを特徴とする請求項１または２記載のサンプルホールド回路。
【請求項４】
前記サンプリング用スイッチ素子の入力側の回路とのインピーダンスを整合させるよう、前記接地スイッチよりも入力側に設けられた整合回路を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のサンプルホールド回路。
【請求項５】
前記接地スイッチがオフのとき、前記接地スイッチとの間で並列共振回路を形成するよう、前記接地スイッチに対して並列に設けられたインダクタを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のサンプルホールド回路。
【請求項６】
前記サンプリング用スイッチ素子はトランジスタから成り、前記接地スイッチはトランジスタを有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のサンプルホールド回路。
【請求項７】
前記入力端子から入力された前記高周波信号をアンダーサンプリングする、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のサンプルホールド回路と、
前記サンプルホールド回路からの出力をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換回路とを、
有することを特徴とする高周波受信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サンプルホールド回路および高周波受信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高周波（ＲＦ；Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号を利用する無線通信等では、サンプリング周波数を小さくすることにより消費電力を低減すると共に、帯域通過フィルタの設計を容易にするために、アンダーサンプリングを用いた受信装置が用いられている（例えば、特許文献１または非特許文献１参照）。ここで、アンダーサンプリングとは、高周波の信号を低いサンプリング周波数ｆｓでサンプリングする方法であり、エリアシングにより、ｆｓ／２より高い周波数の信号がｆｓ／２以下に折り返されて混信となることを利用したものである。
【０００３】
このような高周波受信装置では、まず、アンテナで受信した信号に帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）をかけたり、その信号を低雑音増幅器（ＬＮＡ）で増幅したりした後、その信号に対してサンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路により、所定のサンプリング周波数ｆｓでアンダーサンプリングを行う。次に、サンプリングした信号をアナログ／デジタル変換し、そのデジタル信号に対して、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）でフィルタ処理を行い、受信処理信号を得るようになっている。
【０００４】
ここで、図５に示すように、従来の高周波信号用のサンプルホールド回路は、高周波信号の入力端子Ｖｉｎｐに直列に接続されたサンプリング用スイッチ素子のトランジスタＴ１と、サンプリングキャパシタＣＨと、トランジスタＴ２およびＴ３とを有している。このサンプルホールド回路では、サンプリング用スイッチ素子のトランジスタＴ１をクロック信号Ｃｌｋに合わせて開閉（オン／オフ）させ、Ｔ１がオフになった瞬間の入力信号の値を保持（ホールド）して出力端子Ｖｏｕｔｐから出力するようになっている。こうして、Ｖｉｎｐから入力された高周波信号を、クロック信号Ｃｌｋに合わせてアンダーサンプリングし、出力端子Ｖｏｕｔｐから出力することができる（例えば、非特許文献１参照）。なお、図５に示すサンプルホールド回路は左右対称に形成されており、右側の回路では、９０℃位相変化させた高周波信号がＶｉｎｎから入力され、その高周波信号をクロック信号Ｃｌｋに合わせてアンダーサンプリングした後、出力端子Ｖｏｕｔｎからホールド出力信号として出力するようになっている。左右の回路の出力端子Ｖｏｕｔｐ、Ｖｏｕｔｎからそれぞれ出力されたホールド出力信号は、量子化され、デジタル信号に変換された後、ＤＳＰなどで信号処理され、復調される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１１３７５号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】D.Jakonis, K.Folkesson, J.Dabrowski, P.Eriksson, and C.Svensson, “A 2.4-GHz RF Sampling Receiver Front-End in 0.18-μm CMOS”, IEEE Journal of solid-state circuit, June 2005, Vol.40, No.6, p.1265-1277
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、図５に示す従来のサンプルホールド回路では、トランジスタＴ１がサンプリングのためにオフになったとき、トランジスタＴ１のオフ時の静電容量により高周波信号のリークが発生し、ホールド出力が変動してしまうため、量子化されるタイミングにより、異なる値が出力され、復調した受信信号に誤差が発生してしまうという課題があった。
【０００８】
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、高周波信号のリークを低減し、ホールド出力の変動を抑制することができ、高精度の受信信号を得ることができるサンプルホールド回路および高周波受信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】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明に係るサンプルホールド回路は、高周波（ＲＦ）信号を受信するために使用されるサンプルホールド回路であって、前記高周波信号の入力端子に直列に接続されたサンプリング用スイッチ素子と、一端が前記サンプリング用スイッチ素子の入力側に接続され、他端が接地された接地スイッチとを有し、前記接地スイッチは、前記サンプリング用スイッチ素子をスイッチング動作させるための制御信号の反転信号によりスイッチング動作を行うよう構成されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係るサンプルホールド回路は、入力端子から高周波信号が入力されたとき、サンプリング用スイッチ素子をオン／オフさせて、サンプリング用スイッチ素子がオフになった瞬間の入力信号の値を保持（ホールド）して出力し、その出力値を後段のアナログ／デジタル変換回路等に渡すようになっている。本発明に係るサンプルホールド回路では、制御信号によりサンプリング用スイッチ素子がサンプリングのためにオフになったとき、反転信号により接地スイッチがオンになるため、高周波信号が接地された接地スイッチに流れる。これにより、サンプリング用スイッチ素子のオフ時の静電容量による高周波信号のリークを低減することができ、ホールド出力の変動を抑制することができる。さらに、高周波信号を高精度でサンプリングして高精度の受信信号を得ることができる。
【００１１】
本発明に係るサンプルホールド回路で、サンプリング用スイッチ素子はトランジスタから成ることが好ましい。また、高周波信号のリークの低減効果を高めるために、接地スイッチには、なるべくＯＮ抵抗が低いトランジスタを用いることが好ましい。
【００１２】
本発明に係るサンプルホールド回路で、前記接地スイッチは、前記制御信号に基づいてトランジスタを用いた反転回路により作成された前記反転信号により、スイッチング動作を行うよう構成されていることが好ましい。この場合、サンプリング用スイッチ素子のスイッチング動作に合わせて正確に、接地スイッチをスイッチング動作させることができる。
【００１３】
本発明に係るサンプルホールド回路では、サンプリング用スイッチ素子のスイッチング動作と同時に接地スイッチをスイッチング動作させると、サンプリング用スイッチ素子をオフした瞬間に接地スイッチがオンになり、高周波信号が接地した接地スイッチに流れるため、ホールド出力がゼロになってしまう恐れがある。このホールド出力がゼロになる状態を防ぎ、正確なホールド出力を得るため、前記接地スイッチは、前記サンプリング用スイッチ素子のスイッチング動作に対して遅れてスイッチング動作を行うよう構成されていることが好ましい。
【００１４】
本発明に係るサンプルホールド回路は、前記サンプリング用スイッチ素子の入力側の回路とのインピーダンスを整合させるよう、前記接地スイッチよりも入力側に設けられた整合回路を有していてもよい。この場合、インピーダンス整合により、入力される高周波信号が反射してノイズが発生したり、ホールド出力が低下したりするのを防ぐことができる。整合回路は、例えばＬＣ回路から成る。
【００１５】
本発明に係るサンプルホールド回路は、前記接地スイッチがオフのとき、前記接地スイッチとの間で並列共振回路を形成するよう、前記接地スイッチに対して並列に設けられたインダクタを有していてもよい。この場合、サンプリング用スイッチ素子がオンのとき、接地スイッチがオフになるため、並列共振回路により、接地スイッチのオフ時の静電容量による影響を抑制することができる。特に、高周波信号のリークを低減するために流れる電流が多い接地スイッチを使用したとき、接地スイッチのオフ時の静電容量が大きくなるため、その静電容量による影響を並列共振回路により効果的に抑制することができる。
【００１６】
本発明に係る高周波受信装置は、前記入力端子から入力された前記高周波信号をアンダーサンプリングする本発明に係るサンプルホールド回路と、前記サンプルホールド回路からの出力をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換回路とを、有することを特徴とする。
【００１７】
本発明に係る高周波受信装置は、本発明に係るサンプルホールド回路を有するため、サンプリング用スイッチ素子のオフ時の静電容量による高周波信号のリークを低減することができ、ホールド出力の変動を抑制することができる。これにより、高周波信号を高精度でサンプリングしてデジタルの受信信号を得ることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、高周波信号のリークを低減し、ホールド出力の変動を抑制することができ、高精度の受信信号を得ることができるサンプルホールド回路および高周波受信装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１の本発明の実施の形態のサンプルホールド回路を示す回路図である。
【図２】（ａ）従来のサンプルホールド回路、（ｂ）図１に示すサンプルホールド回路によるサンプリング後の出力電圧変動のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図３】第２の本発明の実施の形態のサンプルホールド回路を示す回路図である。
【図４】本発明の実施の形態の高周波受信装置を示すブロック図である。
【図５】従来のサンプルホールド回路を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、第１の本発明の実施の形態のサンプルホールド回路を示している。
図１に示すように、サンプルホールド回路１０は、高周波（ＲＦ）信号を受信するために使用されるサンプルホールド回路１０であって、サンプリング用スイッチ素子Ｔ１とサンプリングキャパシタＣＨとトランジスタＴ２とトランジスタＴ３と接地スイッチＴ４とＮＯＴ回路Ｎ１とを有している。なお、サンプルホールド回路１０は左右対称に形成されており、以下では、左側の回路について説明する。右側の回路では、対応する各素子について、符号に全て「’」を付けて示している。
【００２１】
サンプリング用スイッチ素子Ｔ１は、ＭＯＳ型のトランジスタから成り、高周波信号の入力端子Ｖｉｎｐに、ソースまたはドレインで直列に接続されている。サンプリング用スイッチ素子Ｔ１は、ベース端子にクロック信号（制御信号）Ｃｌｋが入力され、クロック信号Ｃｌｋに合わせて開閉（オン／オフ）するようになっている。サンプリングキャパシタＣＨは、一端がサンプリング用スイッチ素子Ｔ１の出力側のソースまたはドレインに接続され、他端が接地されている。トランジスタＴ２およびトランジスタＴ３は、ソースおよびドレインで直列に接続され、トランジスタＴ２のベースがサンプリング用スイッチ素子Ｔ１の出力側に接続されている。また、トランジスタＴ２とトランジスタＴ３との間に、出力端子Ｖｏｕｔｐが設けられている。
【００２２】
接地スイッチＴ４は、ＭＯＳ型のトランジスタから成り、ソースがサンプリング用スイッチ素子Ｔ１の入力側に接続され、ドレインが接地されている。ＮＯＴ回路Ｎ１は、接地スイッチＴ４のベースとサンプリング用スイッチ素子Ｔ１のベースとの間に取り付けられている。ＮＯＴ回路Ｎ１は、サンプリング用スイッチ素子Ｔ１のベースに入力されるクロック信号Ｃｌｋに対して、若干遅れて反転した信号を接地スイッチＴ４のベースに入力するようになっている。これにより、接地スイッチＴ４は、クロック信号Ｃｌｋに基づいて、サンプリング用スイッチ素子Ｔ１のスイッチング動作に対して若干遅れて反転したスイッチング動作を行うようになっている。なお、ＮＯＴ回路Ｎ１は、トランジスタを用いて形成されており、反転回路を成している。
【００２３】
次に、作用について説明する。
サンプルホールド回路１０は、入力端子Ｖｉｎｐから高周波信号が入力されたとき、サンプリング用スイッチ素子Ｔ１をオン／オフさせて、サンプリング用スイッチ素子Ｔ１がオフになった瞬間の入力信号の値を保持（ホールド）して出力端子Ｖｏｕｔｐから出力し、その出力値を後段のアナログ／デジタル変換回路等に渡すようになっている。サンプルホールド回路１０では、サンプリング用スイッチ素子Ｔ１がサンプリングのためにオフになったとき、接地スイッチＴ４がオンになるため、高周波信号が接地された接地スイッチＴ４に流れる。これにより、サンプリング用スイッチ素子Ｔ１のオフ時の静電容量による高周波信号のリークを低減することができ、ホールド出力の変動を抑制することができる。さらに、高周波信号を高精度でサンプリングして高精度の受信信号を得ることができる。
【００２４】
また、サンプリング用スイッチ素子Ｔ１のスイッチング動作と同時に接地スイッチＴ４をスイッチング動作させると、ホールド出力がゼロになってしまう恐れがあるが、サンプルホールド回路１０は、接地スイッチＴ４が、サンプリング用スイッチ素子Ｔ１のスイッチング動作に対して若干遅れてスイッチング動作を行うため、このホールド出力がゼロになる状態を防ぎ、正確なホールド出力を得ることができる。
【００２５】
なお、右側の回路では、９０℃位相変化させた高周波信号がＶｉｎｎから入力され、左側の回路と同様に、その高周波信号をクロック信号Ｃｌｋに合わせてアンダーサンプリングした後、出力端子Ｖｏｕｔｎから出力するようになっている。左右の回路の出力端子Ｖｏｕｔｐ、Ｖｏｕｔｎからそれぞれ出力された信号は、アナログ／デジタル変換回路でデジタル信号に変換された後、合成されてＤＳＰ等に送られるようになっている。
【００２６】
図１に示すサンプルホールド回路１０および図５に示す従来のサンプルホールド回路を用いて、サンプリング後の出力電圧（出力端子Ｖｏｕｔｐの出力−Ｖｏｕｔｎの出力）の変動を、シミュレーションにより求めた。シミュレーションでは、入力した高周波信号の周波数を８８１．５ＭＨｚ、サンプリング周波数を５５．６ＭＨｚとした。また、接地スイッチＴ４およびＮＯＴ回路Ｎ１以外の素子は、図５に示すものに統一し、その他の計算条件も全て同じものとした。図５に示す従来のサンプルホールド回路でのシミュレーション結果を図２（ａ）に、図１に示すサンプルホールド回路１０でのシミュレーション結果を図２（ｂ）に示す。
【００２７】
図２（ａ）に示すように、従来のサンプルホールド回路では、サンプリング後の出力が、振幅０．８１ｍＶで、高周波信号と同じ周波数で振動していることが確認された。これは、サンプリング用スイッチ素子Ｔ１のオフ時の静電容量により、高周波信号のリークが発生したためである。これに対し、図２（ｂ）に示すように、サンプルホールド回路１０では、サンプリング後の出力の振幅が０．０２６ｍＶであり、約１／３０程度にまで抑制されていることが確認された。このように、サンプルホールド回路１０では、接地スイッチＴ４のスイッチング動作により、サンプリング用スイッチ素子Ｔ１のオフ時の静電容量による高周波信号のリークを低減することができる。
【００２８】
図３は、第２の本発明の実施の形態のサンプルホールド回路２０を示している。
図３に示すように、サンプルホールド回路２０は、高周波（ＲＦ）信号を受信するために使用されるサンプルホールド回路２０であって、サンプリング用スイッチ素子Ｔ１とサンプリングキャパシタＣＨとトランジスタＴ２とトランジスタＴ３と接地スイッチＴ４と整合回路Ｍと並列共振用インダクタＩとを有している。なお、サンプルホールド回路１０は左右対称に形成されており、以下では、左側の回路について説明する。右側の回路では、対応する各素子について、符号に全て「’」を付けて示している。また、以下の説明では、第１の本発明の実施の形態のサンプルホールド回路１０と同一の構成には同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００２９】
図３に示すように、整合回路Ｍは、サンプリング用スイッチ素子Ｔ１の入力側の回路、すなわち入力端子Ｖｉｎｐに接続された回路とのインピーダンスを整合させるよう、接地スイッチＴ４よりも入力側に設けられている。整合回路Ｍは、ＬＣ回路から成り、入力端子Ｖｉｎｐとサンプリング用スイッチ素子Ｔ１の入力側のソースまたはドレインとの間に、直列に接続されたキャパシタＣ１と、キャパシタＣと入力端子Ｖｉｎｐとの間に一端が接続され、他端が接地されたインダクタＬ１とを有している。
【００３０】
並列共振用インダクタＩは、２つのインダクタＬ２，Ｌ３から成り、接地スイッチＴ４がオフのとき、接地スイッチＴ４との間で並列共振回路を形成するよう、接地スイッチＴ４に対してそれぞれ並列に設けられている。
【００３１】
次に、作用について説明する。
サンプルホールド回路２０は、整合回路Ｍによるインピーダンス整合により、入力される高周波信号が反射してノイズが発生したり、ホールド出力が低下したりするのを防ぐことができる。また、並列共振用インダクタＩにより接地スイッチＴ４との間で並列共振回路が形成されるため、サンプリング用スイッチ素子Ｔ１がオン、接地スイッチＴ４がオフのときの、接地スイッチＴ４の静電容量による影響を抑制することができる。
【００３２】
特に、高周波信号のリークを低減するために、流れる電流が多い接地スイッチＴ４を使用したとき、トランジスタＴ２と比べて接地スイッチＴ４のオフ時の静電容量がかなり大きくなってしまうため、並列共振用インダクタＩがなければ、接地スイッチＴ４で電力を大きくロスしてしまい、出力信号が減衰してしまう。これに対し、並列共振用インダクタＩにより並列共振回路を形成することにより、接地スイッチＴ４での電力のロス、および出力信号の減衰を効果的に抑制することができる。なお、ここでは、並列共振用インダクタＩで説明したが、高インピーダンス線路を用いてもよく、その場合にも同様の効果を奏する。
【００３３】
図４は、本発明の実施の形態の高周波受信装置を示している。
図４に示すように、高周波受信装置３０は、アンテナ３１と第１帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）３２と低雑音増幅器（ＬＮＡ）３３と第２帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）３４とサンプルホールド回路１０とアナログ／デジタル変換器３５とを有している。
【００３４】
第１帯域通過フィルタ３２は、受信する高周波信号の周波数を中心とする通過帯域を有している。第１帯域通過フィルタ３２は、アンテナ３１で受信した高周波信号に対して、その通過帯域により帯域制限を行うよう構成されている。低雑音増幅器３３は、第１帯域通過フィルタ３２から出力された高周波信号を増幅し、増幅後の高周波信号を第２帯域通過フィルタ３４に送るよう構成されている。第２帯域通過フィルタ３４は、受信する高周波信号の周波数を中心とする通過帯域を有している。第２帯域通過フィルタ３４は、低雑音増幅器３３からの高周波信号に対して、その通過帯域により再度、帯域制限を行うよう構成されている。
【００３５】
図４では、サンプルホールド回路１０は、図１に示す本発明の実施の形態のサンプルホールド回路１０から成るが、図３に示す本発明の実施の形態のサンプルホールド回路２０から成っていてもよい。サンプルホールド回路１０は、第２帯域通過フィルタ３４から出力された高周波信号を、クロック信号ＣＬＫに合わせてサンプリング周波数ｆｓでアンダーサンプリングするよう構成されている。
【００３６】
アナログ／デジタル変換回路３５は、サンプルホールド回路１０からの出力を、デジタル中間周波数（ＩＦ）信号またはデジタルベースバンド信号に変換し、その信号を出力するよう構成されている。さらに、アナログ／デジタル変換回路３５からの出力された信号は、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）により、信号の部分を抽出するためのフィルタ処理を行うよう構成されている。
【００３７】
高周波受信装置３０は、サンプルホールド回路１０を有するため、サンプリング用スイッチ素子Ｔ１のオフ時の静電容量による高周波信号のリークを低減することができ、ホールド出力の変動を抑制することができる。これにより、高周波信号を高精度でアンダーサンプリングしてデジタルの受信信号を得ることができる。
【符号の説明】
【００３８】
１０，２０  サンプルホールド回路
Ｔ１  サンプリング用スイッチ素子
ＣＨ  サンプリングキャパシタ
Ｔ２  トランジスタ
Ｔ３  トランジスタ
Ｔ４  接地スイッチ
Ｎ１  ＮＯＴ回路
Ｖｉｎｐ    入力端子
Ｖｏｕｔｐ  出力端子
Ｃｌｋ      クロック信号
Ｍ  整合回路
Ｃ１  キャパシタ
Ｌ１  インダクタ
Ｉ  並列共振用インダクタ
Ｌ２，Ｌ３  インダクタ
３０  高周波受信装置
３１  アンテナ
３２  第１帯域通過フィルタ
３３  低雑音増幅器
３４  第２帯域通過フィルタ
３５  アナログ／デジタル変換器
ＣＬＫ  クロック信号
【図１】
2015170935.tif 000003
【図２】
2015170935.tif 000004
【図３】
2015170935.tif 000005
【図４】
2015170935.tif 000006
【図５】
2015170935.tif 000007