サンプル‐ホールド回路の入出力電圧範囲を拡大：Design Ideas

　A-Dコンバータの入力部には、サンプル‐ホールド回路を用いることが多い。図1は、そうしたサンプル‐ホールド回路の基本構成を示したものである。この回路は2個のオペアンプA₁とA₂、スイッチS₁、コンデンサC₁で構成されている。ここで、オペアンプとして低消費電力タイプのものを使用したいとする。その場合、電源電圧が標準的な±15Vであったとすると、入出力電圧範囲は±10V〜±14V程度に制限されることが多い。こうした場合に、より広い電圧範囲を取り扱えるようにすることができれば、A-Dコンバータの分解能を有効に活用することが可能になる。

　図1のオペアンプA₁、A₂が処理できる電圧範囲を拡大する方法としては、電圧可変の電源を使用するというものがある^＊1)、^＊2)。しかし、その方法では、スイッチS₁として、より許容電圧の高いものが必要になる。

図1　サンプル‐ホールド回路の基本構成　2個のオペアンプ、スイッチ、コンデンサで構成される。

図2　入出力電圧範囲を拡大する方法（概念図）　図1の構成をベースに、許容電圧の高いスイッチを使用することなく、入出力電圧範囲を拡大することができる。スイッチ2個とコントロール回路2系統を追加している。

　図2は、図1の基本構成をベースとして、許容電圧の高いスイッチを使用せずに済ませる方法の概念図である。2つのスイッチを追加し、合計3個のスイッチS₁、S₂、S₃をコントロール回路CL₁とCL₂で駆動する。具体的には、S₁とS₃が閉じてS₂が開く動作と、その逆の動作が繰り返される。回路の前段部（S₁、S₂側）と後段部にはそれぞれ独立な電源を使用してもよい。前段部と後段部に異なる電源電圧を使用する場合には、コントロール回路CL₁とCL₂にもそれぞれと同じ電圧を使用する。

　図3は図2の回路の詳細を表したものである。コントロール回路CL₁はMOSトランジスタQ₁₁、Q₁₂、Q₁₅、Q₁₆を用いて構成される。一方、コントロール回路CL₂は、MOSトランジスタQ₁₃、Q₁₄、Q₁₇、Q₁₈を用いて構成される。また、スイッチS₁はMOSトランジスタQ₅とQ₈から、スイッチS₂はMOSトランジスタQ₆とQ₉から、スイッチS₃はMOSトランジスタQ₇とQ₁₀から成る。

図3　入出力電圧範囲を拡大する方法（詳細回路）　R₅とR₆、R₇とR₈、R₉とR₁₀、R₁₁とR₁₂の各抵抗ペアにより、電源電圧を分圧した電圧V₁、V₂、V₃、V₄を生成する。それにより、入出力電圧範囲を拡大する。

　この回路では、各MOSトランジスタのゲートとバックゲート（基板）に±30V以下の電圧が印加される。電圧V₁とV₂はオペアンプA₁とコントロール回路CL₁の電源端子、およびスイッチS₁とS₂を構成する各トランジスタのバックゲートに接続されている。同様に、電圧V₃とV₄はオペアンプA₂とコントロールロジックCL₂の電源端子、およびスイッチS₃を構成するトランジスタのバックゲートに接続される。

　電圧V₁とV₂の値を変えるには、30V/−30Vの電源端子とA₁の出力端子との間にある抵抗R₅とR₆、R₇とR₈の値、すなわち分圧比を調整すればよい。トランジスタQ₁とQ₂はA₁の電源電圧を制御する役割を担う。コントロール回路CL₁は、スイッチS₁を構成するQ₅とQ₈のゲートをコントロールする信号と、スイッチS₂を構成するQ₆とQ₉のゲートをコントロールする逆極性の信号を生成する。

　同様に、分圧抵抗R₉とR₁₀、R₁₁とR₁₂は30V/−30Vの電源端子とオペアンプA₂の出力端子の間に接続され、電圧V₃とV₄の値を決める。トランジスタQ₃とQ₄はオペアンプA₂の電源電圧を調整するように働く。コントロール回路CL₂は、スイッチS₃を構成するQ₇とQ₁₀のゲートにコントロール信号を供給する。