JP2017228932A - Switched capacitor circuit and AD conversion device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a switched capacitor circuit capable of improving a performance of an offset-free.SOLUTION: A capacitor 21 is connected to a place between a noninverted input terminal of an operational amplifier and a voltage V1. A switch S1 is parallely connected with the capacitor 21. A switch S2 selectively switches the voltage V1 connected to a contact point a and a voltage of the inverted input terminal connected to a contact point b by through a capacitor 22 by being connected to the noninverted input terminal. An output terminal is connected to the inverted input terminal through a switch S3 and a parallel circuit of the capacitor 12. A switch S4 selectively switches a voltage V3 connected to the contact point a and a voltage V2 connected to the contact point b through a capacitor 11, and connected to the inverted input terminal. A control circuit 20A turns on switching elements S1 and S3 in a sampling period and switches switching elements S2 and S4 to the contact point b, and thereby the voltage V2 is sampled and the switches S2 and S4 are switched to the contact point a by turning off the switches S1 and S3 in a holding period.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、スイッチドキャパシタ回路と、当該スイッチドキャパシタ回路を用いたアナログ/ディジタル変換装置に関する。以下、アナログ/ディジタル変換をAD変換といい、ディジタル/アナログ変換をDA変換という。   The present invention relates to a switched capacitor circuit and an analog / digital conversion apparatus using the switched capacitor circuit. Hereinafter, analog / digital conversion is referred to as AD conversion, and digital / analog conversion is referred to as DA conversion.

例えばフラッシュメモリなどの不揮発性メモリは以下のように多数の差動増幅器を用いている。FN(Fowler−Nordheim)トンネリングを用いた不揮発性メモリは、例えば20V、10V、7V、4V、電源電圧VDD、基準電圧Vrefなど、チップ内の多くの電圧を使用している。これらの電圧はプログラム(書き込み)、消去及び読み出し動作のために、例えばバンドギャップ基準電圧発生回路(BGR回路)およびチャージポンプ回路によって生成され、これらの電圧の制御は基本的には、差動増幅器又は演算増幅器と基準電圧源によって行われる。そのため、差動増幅器や演算増幅器の動作性能は非常に重要である。   For example, a non-volatile memory such as a flash memory uses a large number of differential amplifiers as follows. Non-volatile memories using FN (Fowler-Nordheim) tunneling use many voltages in the chip, such as 20 V, 10 V, 7 V, 4 V, power supply voltage VDD, reference voltage Vref, and the like. These voltages are generated by, for example, a bandgap reference voltage generation circuit (BGR circuit) and a charge pump circuit for program (write), erase and read operations, and control of these voltages is basically a differential amplifier. Alternatively, it is performed by an operational amplifier and a reference voltage source. Therefore, the operational performance of differential amplifiers and operational amplifiers is very important.

図1Aは従来技術に係る差動増幅器DA1の構成例を示す回路図であり、図1Bは図1Aの差動増幅器DA1の動作特性例におけるオフセットを示すグラフである。また、図1Cは従来技術に係る演算増幅器OP1を用いたボルテージフォロワのバッファ回路の構成例を示す回路図である。   FIG. 1A is a circuit diagram showing a configuration example of a differential amplifier DA1 according to the prior art, and FIG. 1B is a graph showing an offset in an operation characteristic example of the differential amplifier DA1 of FIG. 1A. FIG. 1C is a circuit diagram showing a configuration example of the buffer circuit of the voltage follower using the operational amplifier OP1 according to the related art.

図1Aの差動増幅器DA1においては、公知の通り、以下の通りオフセットが重要な問題となる。差動増幅器DA1は、非反転入力端子と反転入力端子との間でオフセット電圧を有しており、図1Bのオフセット電圧Voffsetは次式のように動作点をシフトする。   In the differential amplifier DA1 of FIG. 1A, as is well known, offset is an important problem as follows. The differential amplifier DA1 has an offset voltage between the non-inverting input terminal and the inverting input terminal, and the offset voltage Voffset in FIG. 1B shifts the operating point as shown in the following equation.

Vin=Vref+Voffset (1) Vin = Vref + Voffset (1)

ここで、Vinは入力電圧であり、Vrefは基準電圧である。   Here, Vin is an input voltage, and Vref is a reference voltage.

また、図1Cにおける、演算増幅器OP1を用いたボルテージフォロワのバッファ回路の出力電圧Vref_bufはオフセット電圧Voffsetにより次式のように変化する。   In addition, the output voltage Vref_buf of the voltage follower buffer circuit using the operational amplifier OP1 in FIG. 1C varies according to the offset voltage Voffset as follows.

Vref_buf=Vref+Voffset (2) Vref_buf = Vref + Voffset (2)

もしオフセット電圧Voffsetが36mV(分散が3σであるとき)で基準電圧Vrefが1.2Vであるとき、上記動作点電圧Vtrip又は出力電圧Vref_bufは目標電圧から3%程度シフトされ。この3%はチャージポンプ回路又はレギュレータ回路で発生される高電圧(HV)及び中間電圧(MV)に対しても適用されてこれらの電圧が大きくシフトされる。例えば、プログラム電圧Vpgmが20Vの場合は、当該プログラム電圧Vpgmが20.6Vになり、出力電圧の増大はおおよそ1Vに達する場合もある。このことは例えばフラッシュメモリのプログラムしきい値電圧Vthのシフトに対して無視できない大きな影響を与えることになる。   If the offset voltage Voffset is 36 mV (when the variance is 3σ) and the reference voltage Vref is 1.2 V, the operating point voltage Vtrip or the output voltage Vref_buf is shifted by about 3% from the target voltage. This 3% is also applied to the high voltage (HV) and intermediate voltage (MV) generated in the charge pump circuit or regulator circuit, and these voltages are greatly shifted. For example, when the program voltage Vpgm is 20V, the program voltage Vpgm becomes 20.6V, and the increase of the output voltage may reach approximately 1V. This has a great influence which cannot be ignored with respect to the shift of the program threshold voltage Vth of the flash memory, for example.

図2は従来例に係るスイッチドキャパシタ回路の構成例を示す回路図である。   FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration example of a switched capacitor circuit according to a conventional example.

スイッチドキャパシタ回路はAD変換器又はDA変換器の分野では特に非常にポピュラーな回路である。図2において、スイッチドキャパシタ回路は、演算増幅器OP1と、スイッチSa,Sbと、キャパシタ11,12と、制御回路20とを備えて構成される。ここで、演算増幅器OP1の非反転入力端子は例えば接地され、演算増幅器OP1の反転入力端子と出力端子との間には、スイッチSbと、容量値Cbのキャパシタ12の並列回路が接続される。演算増幅器OP1の反転入力端子には、容量値Caのキャパシタ11を介してスイッチSaの接点aを介して基準電圧Vrefが接続され、また、容量値Caのキャパシタ11を介してスイッチSaの接点bを介して入力電圧Vinが接続される。制御回路20は制御信号φを用いてスイッチSaの切り替え及びスイッチSbのオン/オフを制御する。   Switched capacitor circuits are very popular circuits in the field of AD converters or DA converters. In FIG. 2, the switched capacitor circuit is configured to include an operational amplifier OP1, switches Sa and Sb, capacitors 11 and 12, and a control circuit 20. Here, the non-inverting input terminal of the operational amplifier OP1 is grounded, for example, and a parallel circuit of the switch Sb and the capacitor 12 having the capacitance value Cb is connected between the inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier OP1. The reference voltage Vref is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier OP1 through the capacitor 11 having the capacitance value Ca through the contact a of the switch Sa, and the contact b of the switch Sa is connected through the capacitor 11 having the capacitance value Ca. Is connected to the input voltage Vin. The control circuit 20 uses the control signal φ to control switching of the switch Sa and on / off of the switch Sb.

図2のスイッチドキャパシタ回路において、反転入力端子の電圧Vmは演算増幅器OP1の帰還ループにより非反転入力端子の電圧Vpになるように保持される。   In the switched capacitor circuit of FIG. 2, the voltage Vm at the inverting input terminal is held to be the voltage Vp at the non-inverting input terminal by the feedback loop of the operational amplifier OP1.

以上のように構成されたスイッチドキャパシタ回路のサンプリング期間及びホールド期間における電荷及び電圧の関係は以下の通りである。なお、サンプリング期間及びホールド期間は例えばそれぞれ同一の時間で互いに交互に繰り返される。   The relationship between charge and voltage in the sampling period and hold period of the switched capacitor circuit configured as described above is as follows. Note that the sampling period and the hold period are alternately repeated at the same time, for example.

(1)サンプリング期間:
スイッチSaは接点bに切り替えられ、スイッチSbはオンされて短絡される。このとき、反転入力端子における電荷Qm_sと反転入力端子の電圧Vm_sは次式で表される。
(1) Sampling period:
The switch Sa is switched to the contact b, and the switch Sb is turned on and short-circuited. At this time, the charge Qm_s at the inverting input terminal and the voltage Vm_s at the inverting input terminal are expressed by the following equations.

Qm_s=Ca(Vm_s−Vin)+Cb(Vm_s−Vout_s) (3)
Vm_s=Vp+Voffset=Vout_s (4)
Qm_s = Ca (Vm_s−Vin) + Cb (Vm_s−Vout_s) (3)
Vm_s = Vp + Voffset = Vout_s (4)

ここで、Vpは非反転入力端子の電圧であり、Vout_sはサンプリング期間の出力電圧Voutである。   Here, Vp is the voltage at the non-inverting input terminal, and Vout_s is the output voltage Vout during the sampling period.

(2)ホールド期間:
スイッチSaは接点aに切り替えられ、スイッチSbはオフされて開放される。このとき、反転入力端子における電荷Qm_hと反転入力端子の電圧Vm_hは次式で表される。
(2) Hold period:
The switch Sa is switched to the contact a, and the switch Sb is turned off and opened. At this time, the charge Qm_h at the inverting input terminal and the voltage Vm_h at the inverting input terminal are expressed by the following equations.

Qm_h
=Ca(Vm_h−Vref)+Cb(Vm_h−Vout_h)
=Qm_s (5)
Vm_h=Vp+Voffset=Vm_s (6)
Qm_h
= Ca (Vm_h-Vref) + Cb (Vm_h-Vout_h)
= Qm_s (5)
Vm_h = Vp + Voffset = Vm_s (6)

以上の関係から、ホールド期間の出力電圧Vout_hは次式で表される。   From the above relationship, the output voltage Vout_h in the hold period is expressed by the following equation.

Vout_h=(Ca/Cb)×(Vin−Vref)+Vp+Voffset
(7)
Vout_h = (Ca / Cb) × (Vin−Vref) + Vp + Voffset
(7)

特開2001−067047号公報JP 2001-0607047 A 特開2003−078365号公報JP 2003-078365 A 特開2006−197142号公報JP 2006-197142 A 特開2007−104531号公報JP 2007-104531 A 特開2008−125046号公報JP 2008-125046 A 米国特許出願公開第2007/0132629号明細書US Patent Application Publication No. 2007/0132629

以上のように構成された差動増幅器OP1は非反転増幅器として動作するが、結局、その出力電圧Voutにはオフセット電圧Voffsetが現れるという問題点があった。   Although the differential amplifier OP1 configured as described above operates as a non-inverting amplifier, there is a problem that the offset voltage Voffset appears in the output voltage Vout after all.

この問題点を解決するために、オフセットがキャンセルされた(以下、オフセットフリーという。)の種々のスイッチドキャパシタ回路が例えば特許文献1〜6において開示されている。しかしながら、従来技術では、オフセットフリーのスイッチドキャパシタ回路の構成は複雑であって、オフセットフリーの性能も特定条件に制約されるなどの問題点があった。   In order to solve this problem, for example, Patent Documents 1 to 6 disclose various switched capacitor circuits in which the offset is canceled (hereinafter referred to as offset free). However, the prior art has a problem in that the configuration of the offset-free switched capacitor circuit is complicated, and the offset-free performance is restricted by specific conditions.

本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来技術に比較して回路構成が簡単であって、オフセットフリーの性能を改善できるスイッチドキャパシタ回路及びそれを用いたAD変換装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a switched capacitor circuit that can solve the above-described problems, has a simpler circuit configuration than the prior art, and can improve offset-free performance, and an AD converter using the switched capacitor circuit. It is in.

第1の発明に係るスイッチドキャパシタ回路は、
非反転入力端子と反転入力端子と出力端子とを有する演算増幅器と、
第1〜第4のキャパシタと、
それぞれオン又はオフすることで短絡又は開放する第1及び第3のスイッチ素子と
それぞれ共通端子を第1の接点と第2の接点とのいずれかに選択的に接続して切り替える第2及び第4のスイッチ素子と、
上記第1〜第4のスイッチ素子を制御する制御回路とを備えたスイッチドキャパシタ回路であって、
上記第1のキャパシタは上記非反転入力端子と所定の第1の電圧との間に接続され、
上記第1のスイッチ素子は上記第1のキャパシタと並列に接続され、
上記第2のスイッチ素子は、第1の接点に接続された第1の電圧と、第2の接点に接続された上記反転入力端子の電圧とを選択的に上記第2のキャパシタを介して上記非反転入力端子に接続して切り替え、
上記出力端子は上記第3のスイッチ素子と上記第4のキャパシタとの並列回路を介して上記反転入力端子に接続され、
上記第4のスイッチ素子は、第1の接点に接続された第3の電圧と、第2の接点に接続された第2の電圧とを選択的に上記第3のキャパシタを介して上記反転入力端子に接続して切り替え、
上記制御回路は、
サンプリング期間において、上記第1及び第3のスイッチ素子をオンして短絡し、上記第2及び第4のスイッチ素子を第2の接点に切り替えることで上記第1の電圧を参照して上記第2の電圧をサンプリングし、
ホールド期間において、上記第1及び第3のスイッチ素子をオフして開放し、上記第2及び第4のスイッチ素子を第1の接点に切り替えことで上記第3の電圧を参照して、上記出力端子からの出力電圧を保持することにより、
上記第2の電圧と上記第3の電圧との差電圧を増幅して上記出力電圧として出力することを特徴とする。
The switched capacitor circuit according to the first invention is:
An operational amplifier having a non-inverting input terminal, an inverting input terminal, and an output terminal;
First to fourth capacitors;
The first and third switch elements that are short-circuited or opened by being turned on or off, respectively, and the second and fourth switches that selectively switch the common terminal to either the first contact or the second contact. Switch elements of
A switched capacitor circuit comprising a control circuit for controlling the first to fourth switch elements,
The first capacitor is connected between the non-inverting input terminal and a predetermined first voltage;
The first switch element is connected in parallel with the first capacitor,
The second switch element selectively transmits the first voltage connected to the first contact and the voltage of the inverting input terminal connected to the second contact through the second capacitor. Switch to non-inverting input terminal,
The output terminal is connected to the inverting input terminal through a parallel circuit of the third switch element and the fourth capacitor,
The fourth switch element selectively inputs the third voltage connected to the first contact and the second voltage connected to the second contact through the third capacitor. Connect to the terminal and switch,
The control circuit is
In the sampling period, the first and third switch elements are turned on and short-circuited, and the second and fourth switch elements are switched to the second contact point, thereby referring to the first voltage and the second switch element. Sampling the voltage of
In the hold period, the first and third switch elements are turned off and opened, the second and fourth switch elements are switched to the first contact points, and the third voltage is referred to, and the output By holding the output voltage from the terminal,
A differential voltage between the second voltage and the third voltage is amplified and output as the output voltage.

上記スイッチドキャパシタ回路において、上記第1のキャパシタの容量値を上記第2のキャパシタの容量値で除算した除算値は、上記第3のキャパシタの容量値を上記第4のキャパシタの容量値で除算した除算値に実質的に等しくなるように設定されたことを特徴とする。   In the switched capacitor circuit, the divided value obtained by dividing the capacitance value of the first capacitor by the capacitance value of the second capacitor is obtained by dividing the capacitance value of the third capacitor by the capacitance value of the fourth capacitor. The division value is set to be substantially equal to the calculated division value.

また、上記スイッチドキャパシタ回路において、上記第1のキャパシタの容量値は上記第3のキャパシタの容量値に実質的に等しく、上記第2のキャパシタの容量値は上記第4のキャパシタの容量値に実質的に等しくなるように設定されたことを特徴とする。   In the switched capacitor circuit, the capacitance value of the first capacitor is substantially equal to the capacitance value of the third capacitor, and the capacitance value of the second capacitor is equal to the capacitance value of the fourth capacitor. It is characterized by being set to be substantially equal.

さらに、上記スイッチドキャパシタ回路において、
上記第1の電圧と上記第3の電圧とは所定の基準電圧に設定され、
上記第2の電圧は入力電圧であることを特徴とする。
Furthermore, in the switched capacitor circuit,
The first voltage and the third voltage are set to a predetermined reference voltage,
The second voltage is an input voltage.

ここで、上記スイッチドキャパシタ回路において、上記基準電圧は接地電圧に設定されることを特徴とする。   Here, in the switched capacitor circuit, the reference voltage is set to a ground voltage.

またさらに、上記スイッチドキャパシタ回路において、上記第1の電圧は接地電圧に設定されることを特徴とする。   Still further, in the switched capacitor circuit, the first voltage is set to a ground voltage.

さらに、上記スイッチドキャパシタ回路において、
上記第4のスイッチ素子と上記第3のキャパシタの直列入力回路は、
上記第4のスイッチ素子に対応する第5のスイッチ素子と、上記第3のキャパシタに対応する第5のキャパシタとの直列入力回路を複数備え、当該複数の直列入力回路を並列に接続し、
上記各直列入力回路毎の上記第2の電圧と上記第3の電圧との差電圧を増幅しかつ加算して上記出力電圧として出力することを特徴とする。
Furthermore, in the switched capacitor circuit,
A series input circuit of the fourth switch element and the third capacitor is:
A plurality of series input circuits of a fifth switch element corresponding to the fourth switch element and a fifth capacitor corresponding to the third capacitor, and connecting the plurality of series input circuits in parallel;
The differential voltage between the second voltage and the third voltage for each of the series input circuits is amplified and added, and output as the output voltage.

第2の発明に係るAD変換装置は、
上記スイッチドキャパシタ回路と、
上記演算増幅器からの出力電圧をディジタルデータに変換する変換手段と、
上記変換手段からのディジタルデータを一時的に格納する記憶手段と、
上記記憶手段からの出力電圧のディジタルデータをアナログ入力電圧にDA変換して上記各直列入力回路毎の上記第3の電圧として出力するDA変換手段とを備え、
入力電圧を上記第2の電圧として入力して上記スイッチドキャパシタ回路により逐次比較することで逐次比較型AD変換処理を行うことを特徴とする。
The AD converter according to the second invention is
The switched capacitor circuit;
Conversion means for converting the output voltage from the operational amplifier into digital data;
Storage means for temporarily storing digital data from the conversion means;
DA conversion means for converting the digital data of the output voltage from the storage means into an analog input voltage and outputting as the third voltage for each of the serial input circuits,
A successive approximation AD conversion process is performed by inputting an input voltage as the second voltage and sequentially comparing the input voltage with the switched capacitor circuit.

従って、本発明に係るスイッチドキャパシタ回路によれば、従来技術に比較して回路構成が簡単であって、オフセットフリーの性能を改善できるスイッチドキャパシタ回路及びそれを用いたAD変換装置を提供できる。   Therefore, according to the switched capacitor circuit of the present invention, it is possible to provide a switched capacitor circuit that has a simpler circuit configuration than that of the prior art and that can improve offset-free performance, and an AD converter using the switched capacitor circuit. .

従来技術に係る差動増幅器DA1の構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structural example of differential amplifier DA1 which concerns on a prior art. 図1Aの差動増幅器DA1の動作特性例におけるオフセットを示すグラフである。It is a graph which shows the offset in the example of an operation characteristic of differential amplifier DA1 of FIG. 1A. 従来技術に係る演算増幅器OP1を用いたボルテージフォロワのバッファ回路の構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structural example of the buffer circuit of a voltage follower using operational amplifier OP1 which concerns on a prior art. 従来例に係るスイッチドキャパシタ回路の構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structural example of the switched capacitor circuit which concerns on a prior art example. 本発明の実施形態1に係るスイッチドキャパシタ回路の構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structural example of the switched capacitor circuit which concerns on Embodiment 1 of this invention. 図3のスイッチドキャパシタ回路のサンプリング期間の動作を示す回路図である。FIG. 4 is a circuit diagram illustrating an operation during a sampling period of the switched capacitor circuit of FIG. 3. 図3のスイッチドキャパシタ回路のホールド期間の動作を示す回路図である。FIG. 4 is a circuit diagram illustrating an operation during a hold period of the switched capacitor circuit of FIG. 3. 本発明の実施形態2に係るスイッチドキャパシタ回路の構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structural example of the switched capacitor circuit which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施形態3に係る逐次比較型AD変換装置の構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structural example of the successive approximation type AD converter which concerns on Embodiment 3 of this invention. 図6のAD変換装置によって実行される逐次比較型AD変換処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the successive approximation type AD conversion process performed by the AD conversion apparatus of FIG.

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。   Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each following embodiment, the same code | symbol is attached | subjected about the same component.

実施形態1.
図3は本発明の実施形態1に係るスイッチドキャパシタ回路の構成例を示す回路図である。図3において、実施形態1に係るスイッチドキャパシタ回路は、演算増幅器OP11と、スイッチS1〜S4と、キャパシタ11,12,21,22と、制御回路20Aとを備えて構成される。
Embodiment 1. FIG.
FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration example of the switched capacitor circuit according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 3, the switched capacitor circuit according to the first embodiment includes an operational amplifier OP11, switches S1 to S4, capacitors 11, 12, 21, and 22 and a control circuit 20A.

ここで、スイッチS1,S3はそれぞれオン又はオフすることでその両端子を短絡又は開放する。また、スイッチS2,S4はそれぞれ共通端子を接点aと接点bのいずれかに選択的に接続して切り替える。   Here, the switches S1, S3 are turned on or off to short-circuit or open both terminals. The switches S2 and S4 are switched by selectively connecting the common terminal to either the contact point a or the contact point b.

演算増幅器OP11の非反転入力端子は、容量値Capのキャパシタ21を介して電圧V1に接続されるとともに、スイッチS1を介して電圧V1に接続される。また、演算増幅器OP11の非反転入力端子は、容量値Cbpのキャパシタ22及びスイッチS2の共通端子及び接点aを介して電圧V1に接続されるとともに、容量値Cbpのキャパシタ22及びスイッチS2の共通端子及び接点bを介して演算増幅器OP11の反転入力端子に接続される。演算増幅器OP11の反転入力端子と出力端子との間には、スイッチS3と、容量値Cbnのキャパシタ12の並列回路が接続される。演算増幅器OP11の反転入力端子には、容量値Canのキャパシタ11を介してスイッチS4の共通端子及び接点aを介して電圧V3が接続され、また、容量値Canのキャパシタ11を介してスイッチS4の共通端子及び接点bを介して電圧V2が接続される。ここで、スイッチS4とキャパシタ11は直列入力回路を構成する。   The non-inverting input terminal of the operational amplifier OP11 is connected to the voltage V1 through the capacitor 21 having the capacitance value Cap and to the voltage V1 through the switch S1. The non-inverting input terminal of the operational amplifier OP11 is connected to the voltage V1 through the capacitor 22 having the capacitance value Cbp and the common terminal of the switch S2 and the contact a, and is also connected to the common terminal of the capacitor 22 having the capacitance value Cbp and the switch S2. And an inverting input terminal of the operational amplifier OP11 through the contact b. A parallel circuit of a switch S3 and a capacitor 12 having a capacitance value Cbn is connected between the inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier OP11. The voltage V3 is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier OP11 via the capacitor 11 having the capacitance value Can via the common terminal of the switch S4 and the contact a, and the switch S4 via the capacitor 11 having the capacitance value Can. The voltage V2 is connected through the common terminal and the contact b. Here, the switch S4 and the capacitor 11 constitute a series input circuit.

制御回路20Aは制御信号φを用いてスイッチS2,S4の切り替え及びスイッチS1,S3のオン/オフを制御するとともに、所定値の電圧V1を発生して出力する。なお、制御回路20Aは、詳細後述するように、電圧V2又はV3が設定値であるときは、所定値の電圧V2又はV3を発生して出力する。これについては、実施形態2及び3においても同様である。   The control circuit 20A uses the control signal φ to control switching of the switches S2 and S4 and on / off of the switches S1 and S3, and generates and outputs a voltage V1 having a predetermined value. As will be described in detail later, the control circuit 20A generates and outputs a predetermined voltage V2 or V3 when the voltage V2 or V3 is a set value. The same applies to the second and third embodiments.

図4Aは図3のスイッチドキャパシタ回路のサンプリング期間の動作を示す回路図であり、図4Bは図3のスイッチドキャパシタ回路のホールド期間の動作を示す回路図である。以下、図3のスイッチドキャパシタ回路の動作及びオフセットフリーの条件について図4A及び図4Bを参照して説明する。なお、サンプリング期間及びホールド期間は例えばそれぞれ同一の時間で互いに交互に繰り返される。   4A is a circuit diagram illustrating an operation during a sampling period of the switched capacitor circuit of FIG. 3, and FIG. 4B is a circuit diagram illustrating an operation during a hold period of the switched capacitor circuit of FIG. Hereinafter, the operation of the switched capacitor circuit of FIG. 3 and the offset-free condition will be described with reference to FIGS. 4A and 4B. Note that the sampling period and the hold period are alternately repeated at the same time, for example.

(1)サンプリング期間:
サンプリング期間において、スイッチS1はオンされて短絡され、スイッチS2は接点bに切り替えられ、スイッチS3はオンされて短絡され、スイッチS4は接点bに切り替えられる。このとき、演算増幅器OP11の非反転入力端子の電荷Qp_sとその電圧Vp_s、反転入力端子の電荷Qm_sとその電圧Vm_sは次式で表される。
(1) Sampling period:
In the sampling period, the switch S1 is turned on and short-circuited, the switch S2 is switched to the contact b, the switch S3 is turned on and short-circuited, and the switch S4 is switched to the contact b. At this time, the charge Qp_s of the non-inverting input terminal of the operational amplifier OP11 and its voltage Vp_s, and the charge Qm_s of the inverting input terminal and its voltage Vm_s are expressed by the following equations.

Qp_s=Cap(Vp_s−V1)+Cbp(Vp_s−Vm_s) (8)
Vp_s=V1 (9)
Qm_s=Can(Vm_s−V2)+Cbn(Vm_s−Vout_s) (10)
Vm_s=Vp_s+Voffset=Vout_s (11)
Qp_s = Cap (Vp_s−V1) + Cbp (Vp_s−Vm_s) (8)
Vp_s = V1 (9)
Qm_s = Can (Vm_s−V2) + Cbn (Vm_s−Vout_s) (10)
Vm_s = Vp_s + Voffset = Vout_s (11)

従って、以上の式の関係から次式を得る。   Therefore, the following equation is obtained from the relationship of the above equations.

Qp_s=−Cbp×Voffset (12)
Qm_s=Can(V1+Voffset−V2) (13)
Vm_s=V1+Voffset (14)
Qp_s = −Cbp × Voffset (12)
Qm_s = Can (V1 + Voffset−V2) (13)
Vm_s = V1 + Voffset (14)

(2)ホールド期間:
ホールド期間において、スイッチS1はオフされて開放され、スイッチS2は接点aに切り替えられ、スイッチS3はオフされて開放され、スイッチS4は接点aに切り替えられる。このとき、演算増幅器OP11の非反転入力端子の電荷Qp_hとその電圧Vp_h、反転入力端子の電荷Qm_hとその電圧Vm_hは次式で表される。
(2) Hold period:
In the hold period, the switch S1 is turned off and opened, the switch S2 is switched to the contact a, the switch S3 is turned off and opened, and the switch S4 is switched to the contact a. At this time, the charge Qp_h of the non-inverting input terminal of the operational amplifier OP11 and its voltage Vp_h, the charge Qm_h of the inverting input terminal and its voltage Vm_h are expressed by the following equations.

Qp_h=Cap(Vp_h−V1)+Cbp(Vp_h−V1) (15)
Qm_h=Can(Vm_h−V3)+Cbn(Vm_h−Vout_h) (16)
Vm_h=Vp_h+Voffset (17)
Qp_h = Cap (Vp_h−V1) + Cbp (Vp_h−V1) (15)
Qm_h = Can (Vm_h−V3) + Cbn (Vm_h−Vout_h) (16)
Vm_h = Vp_h + Voffset (17)

なお、ホールド期間において、非反転入力端子及び反転入力端子の各電荷を流すパスがないので次式が成立する。   In the hold period, the following equation is established because there is no path through which each charge of the non-inverting input terminal and the inverting input terminal flows.

Qp_h=Qp_s (18)
Qm_h=Qm_s (19)
Qp_h = Qp_s (18)
Qm_h = Qm_s (19)

以上の式から次式を得る。   From the above formula, the following formula is obtained.

Vp_h=V1−Cbp/(Cap+Cbp)×Voffset (20)
Vm_h=V1+Cap/(Cap+Cbp)×Voffset (21)
Vp_h = V1-Cbp / (Cap + Cbp) × Voffset (20)
Vm_h = V1 + Cap / (Cap + Cbp) × Voffset (21)

Figure 2017228932
Figure 2017228932

式(22)において
Cap×Cbn=Can×Cbp (23)
すなわち、
Cap/Cbp=Can/Cbn (24)
(以上を条件Aという)とおけば、次式を得る。
In formula (22), Cap × Cbn = Can × Cbp (23)
That is,
Cap / Cbp = Can / Cbn (24)
If the above is referred to as condition A, the following equation is obtained.

Vout_h=V1+(Can/Cbn)×(V2−V3) (25) Vout_h = V1 + (Can / Cbn) × (V2−V3) (25)

また、 式(22)において
Cap=Can (26)
Cbp=Cbn (27)
(以上を条件Bという)とおけば、同様に次式を得る。
Further, in formula (22), Cap = Can (26)
Cbp = Cbn (27)
If the above is referred to as condition B, the following equation is obtained similarly.

Vout_h=V1+(Can/Cbn)×(V2−V3) (28) Vout_h = V1 + (Can / Cbn) × (V2−V3) (28)

以上の考察をまとめると、条件A又は条件Bでは、サンプリング期間では出力電圧Vout_sは次式で表される。   To summarize the above considerations, in the condition A or condition B, the output voltage Vout_s is expressed by the following equation in the sampling period.

Vout_s=V1+Voffset (29) Vout_s = V1 + Voffset (29)

また、ホールド期間では出力電圧Vout_hは次式で表される。   In the hold period, the output voltage Vout_h is expressed by the following equation.

Vout_h=V1+(Ca/Cb)×(V2−V3) (30) Vout_h = V1 + (Ca / Cb) × (V2−V3) (30)

ここで、Ca=Cap=Can、Cb=Cbp=Cbnである(条件Bの場合)。   Here, Ca = Cap = Can and Cb = Cbp = Cbn (in the case of condition B).

従って、図3のスイッチドキャパシタ回路はオフセットフリーとなり、入力電圧V2,V3の差電圧を、電圧増幅率(Ca/Cb)で増幅又は減衰して出力できる。なお、条件A又は条件Bの等式は実質的に等しい関係の等式であってもよい。   Therefore, the switched capacitor circuit of FIG. 3 is offset-free, and the differential voltage between the input voltages V2 and V3 can be amplified or attenuated by the voltage amplification factor (Ca / Cb) and output. Note that the equation of condition A or condition B may be an equation of substantially equal relation.

以上説明したように、図3のスイッチドキャパシタ回路によれば、従来例に係る図2のスイッチドキャパシタ回路に対して、差動増幅器OP11の非反転入力端子に対して2つのキャパシタ21,22及び2つのスイッチS1,S2をさらに追加することで、従来技術に比較して回路構成が簡単であって、オフセットフリーの性能を改善でき、増幅機能及びレベルシフト機能を維持するスイッチドキャパシタ回路を提供することができる。   As described above, according to the switched capacitor circuit of FIG. 3, the two capacitors 21 and 22 with respect to the non-inverting input terminal of the differential amplifier OP11 are compared with the switched capacitor circuit of FIG. And a switch capacitor circuit that has a simpler circuit configuration than that of the prior art, can improve the offset-free performance, and maintains the amplification function and the level shift function by further adding two switches S1 and S2. Can be provided.

ここで、追加されたキャパシタ21,22の容量値Cap,Cbpが誤差を持っていても(Cap≠Can、Cbp≠Cbn)、以下に示すように出力オフセット電圧は従来技術に比較して小さくなる。例えば誤差δが
|Cap−Can|/(Cap+Can)=δ (31)
であるとき、出力電圧Voutにおけるオフセットによる誤差電圧Verrorは式(22)からδ≪1という近似条件のもとで次式を得る。
Here, even if the capacitance values Cap and Cbp of the added capacitors 21 and 22 have an error (Cap ≠ Can, Cbp ≠ Cbn), the output offset voltage becomes smaller than that in the conventional technique as shown below. . For example, the error δ is | Cap−Can | / (Cap + Can) = δ (31)
The error voltage Verror due to the offset in the output voltage Vout is obtained from the equation (22) under the approximate condition of δ 2 << 1.

Verror≒2×δ×Voffset (32) Verror≈2 × δ × Voffset (32)

例えばV1=V3=0Vに設定することにより、本実施形態に係るスイッチドキャパシタ回路により、出力電圧Vout=(Ca/Cb)×V2のシンプルな増幅回路を構成することができる。ここで、V2=VDDと設定することで、DA変換器として動作させることができる。なお、V1=V3=0Vに限らず、電圧V1=V3を所定の基準電圧に設定してもよい。   For example, by setting V1 = V3 = 0V, a simple amplifier circuit of output voltage Vout = (Ca / Cb) × V2 can be configured by the switched capacitor circuit according to the present embodiment. Here, it is possible to operate as a DA converter by setting V2 = VDD. Note that the voltage V1 = V3 is not limited to V1 = V3 = 0V, and may be set to a predetermined reference voltage.

また、例えばV1=0Vに設定することにより、本実施形態に係るスイッチドキャパシタ回路により、出力電圧Vout=(Ca/Cb)×(V2−V3)の差動増幅回路を構成することができる。   For example, by setting V1 = 0V, the switched capacitor circuit according to the present embodiment can configure a differential amplifier circuit of output voltage Vout = (Ca / Cb) × (V2−V3).

実施形態2.
図5は本発明の実施形態2に係るスイッチドキャパシタ回路の構成例を示す回路図である。図5の実施形態2に係るスイッチドキャパシタ回路は、図3の実施形態1に係るスイッチドキャパシタ回路に比較して以下の点が異なる。
(1)スイッチS4及びキャパシタ11の直列入力回路に代えて、スイッチS4a及びキャパシタ11−1の直列入力回路、スイッチS4b及びキャパシタ11−2の直列入力回路、…、並びにスイッチS4N及びキャパシタ11−Nの直列入力回路の並列回路を備える。
(2)制御回路20Aに代えて、制御信号φ、φ1〜φN及び電圧V1を発生して出力する制御回路20Bを備える。
以下、上記相違点について詳述する。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration example of a switched capacitor circuit according to Embodiment 2 of the present invention. The switched capacitor circuit according to the second embodiment in FIG. 5 differs from the switched capacitor circuit according to the first embodiment in FIG. 3 in the following points.
(1) Instead of the series input circuit of the switch S4 and the capacitor 11, a series input circuit of the switch S4a and the capacitor 11-1, a series input circuit of the switch S4b and the capacitor 11-2,..., And the switch S4N and the capacitor 11-N The parallel input circuit is provided.
(2) Instead of the control circuit 20A, a control circuit 20B that generates and outputs control signals φ, φ1 to φN and a voltage V1 is provided.
Hereinafter, the difference will be described in detail.

図5において、キャパシタ11−1〜11−Nはそれぞれ容量値Ca1〜CaNを有し、キャパシタ12は容量値Cbを有する。また、キャパシタ21は容量値Cat=Ca1+Ca2+…+CaNを有し、キャパシタ22は容量値Cbを有する。   In FIG. 5, capacitors 11-1 to 11-N have capacitance values Ca1 to CaN, respectively, and capacitor 12 has a capacitance value Cb. Capacitor 21 has a capacitance value Cat = Ca1 + Ca2 +... + CaN, and capacitor 22 has a capacitance value Cb.

演算増幅器OP11の反転入力端子は、キャパシタ11−1及びスイッチS4aの接点aを介して電圧V3aに接続され、キャパシタ11−1及びスイッチS4aの接点bを介して電圧V2aに接続される。また、演算増幅器OP11の反転入力端子は、キャパシタ11−2及びスイッチS4bの接点aを介して電圧V3bに接続され、キャパシタ11−2及びスイッチS4bの接点bを介して電圧V2bに接続される。さらに、同様にして、演算増幅器OP11の反転入力端子は、キャパシタ11−N及びスイッチS4Nの接点aを介して電圧V3Nに接続され、キャパシタ11−N及びスイッチS4Nの接点bを介して電圧V2Nに接続される。   The inverting input terminal of the operational amplifier OP11 is connected to the voltage V3a via the contact point a of the capacitor 11-1 and the switch S4a, and is connected to the voltage V2a via the contact point b of the capacitor 11-1 and the switch S4a. Further, the inverting input terminal of the operational amplifier OP11 is connected to the voltage V3b via the contact point a of the capacitor 11-2 and the switch S4b, and is connected to the voltage V2b via the contact point b of the capacitor 11-2 and the switch S4b. Similarly, the inverting input terminal of the operational amplifier OP11 is connected to the voltage V3N via the contact a of the capacitor 11-N and the switch S4N, and to the voltage V2N via the contact b of the capacitor 11-N and the switch S4N. Connected.

制御回路20Bは、スイッチS1〜S3を制御する制御信号φを発生するとともに、スイッチS4a〜S4Nの切り替えをそれぞれ制御する制御信号φ1〜φNを発生する。ここで、スイッチS1〜S3は実施形態1と同様に制御され、スイッチS4a〜S4Nはサンプリング期間において接点bに切り替えられ、ホールド期間において接点aに切り替えられる。   Control circuit 20B generates control signal φ for controlling switches S1 to S3 and also generates control signals φ1 to φN for controlling switching of switches S4a to S4N, respectively. Here, the switches S1 to S3 are controlled in the same manner as in the first embodiment, and the switches S4a to S4N are switched to the contact b in the sampling period and switched to the contact a in the hold period.

以上のように構成されたスイッチドキャパシタ回路のホールド期間の出力電圧Voutは次式で表される。   The output voltage Vout in the hold period of the switched capacitor circuit configured as described above is expressed by the following equation.

Vout
=V1+Ca1/Cb×(V2a−V3a)
+Ca2/Cb×(V2b−V3b)

+CaN/Cb×(V2N−V3N) (33)
Vout
= V1 + Ca1 / Cb × (V2a−V3a)
+ Ca2 / Cb × (V2b−V3b)
...
+ CaN / Cb × (V2N−V3N) (33)

従って、実施形態2に係るスイッチドキャパシタ回路は、複数N個の入力電圧差(V2a−V3a)、(V2b−V3b)、…、(V2N−V3N)を加算して増幅する増幅回路を構成できる。   Therefore, the switched capacitor circuit according to the second embodiment can configure an amplifier circuit that adds and amplifies a plurality of N input voltage differences (V2a−V3a), (V2b−V3b),..., (V2N−V3N). .

ここで、V3a=V3b=…=V3N及びV2a=V2b=…=V2Nと設定することで、例えば0.1Vステップなど所定のステップ電圧で調整可能な電圧発生回路を構成できる。   Here, by setting V3a = V3b =... = V3N and V2a = V2b =... = V2N, a voltage generation circuit that can be adjusted with a predetermined step voltage such as 0.1 V step can be configured.

実施形態3.
図6は本発明の実施形態3に係る逐次比較型AD変換装置の構成例を示す回路図である。図6の実施形態3に係るAD変換装置は、特に、図5の実施形態3に係るスイッチドキャパシタ回路(N=4)を用いて出力4ビットの逐次比較型AD変換装置を構成したことを特徴としている。当該逐次比較型AD変換装置は、図5の実施形態3に係るスイッチドキャパシタ回路(N=4)と、インバータ30と、4ビットレジスタ31と、DA変換器32と、制御回路20Cとを備えて構成される。以下、実施形態3との相違点について詳述する。
Embodiment 3. FIG.
FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration example of a successive approximation AD converter according to Embodiment 3 of the present invention. The AD converter according to the third embodiment of FIG. 6 is particularly configured by using a switched capacitor circuit (N = 4) according to the third embodiment of FIG. It is a feature. The successive approximation AD converter includes a switched capacitor circuit (N = 4) according to Embodiment 3 of FIG. 5, an inverter 30, a 4-bit register 31, a DA converter 32, and a control circuit 20C. Configured. Hereinafter, differences from the third embodiment will be described in detail.

図6において、入力電圧Vinは電圧V2として各スイッチS4a〜S4dの接点bに入力される。演算増幅器OP11からの出力電圧Voutはインバータ30を介して、二値のディジタルデータとして4ビットレジスタ31に入力されて格納される。4ビットレジスタ31は一時的記憶手段を構成し、格納している出力電圧に関する4ビットのディジタルデータDoutを外部回路に出力するとともに、DA変換器32に出力する。DA変換器32は入力されるディジタルデータDoutを電圧V3にディジタル/アナログ変換して各スイッチS4a〜S4dの接点aに出力する。   In FIG. 6, an input voltage Vin is input as a voltage V2 to the contacts b of the switches S4a to S4d. The output voltage Vout from the operational amplifier OP11 is input to the 4-bit register 31 and stored as binary digital data via the inverter 30. The 4-bit register 31 constitutes temporary storage means, and outputs 4-bit digital data Dout relating to the stored output voltage to an external circuit and also to the DA converter 32. The DA converter 32 performs digital / analog conversion of the input digital data Dout to the voltage V3 and outputs it to the contacts a of the switches S4a to S4d.

制御回路20CはスイッチS1〜S3を実施形態2と同様に制御するとともに、所定の電圧V1(本実施形態では接地電圧)を発生して出力する。また、制御回路20Cは制御信号φ1〜φ4を発生してそれぞれスイッチS4a〜S4dに出力して、後述する図7に示すようにその切り替えを制御する。ここで、制御回路20Cは特に、各1サイクルの処理内のサンプリング期間においてスイッチS4a〜S4dをまずbに切り替えた後、ホールド期間においてスイッチS4a〜S4dを順次、接点bから接点aに切り替えるように制御する。さらに、制御回路20Cは制御信号φを同期クロックとして4ビットレジスタ31に出力する。   The control circuit 20C controls the switches S1 to S3 in the same manner as in the second embodiment, and generates and outputs a predetermined voltage V1 (a ground voltage in the present embodiment). The control circuit 20C generates control signals φ1 to φ4 and outputs them to the switches S4a to S4d, respectively, and controls the switching as shown in FIG. Here, in particular, the control circuit 20C first switches the switches S4a to S4d to b in the sampling period in each cycle of processing, and then sequentially switches the switches S4a to S4d from the contact b to the contact a in the hold period. Control. Further, the control circuit 20C outputs the control signal φ to the 4-bit register 31 as a synchronous clock.

本構成例において、キャパシタ21の容量値Catは次式で表される。   In this configuration example, the capacitance value Cat of the capacitor 21 is expressed by the following equation.

Cat=Ca1+Ca2+Ca3+Ca4 (34) Cat = Ca1 + Ca2 + Ca3 + Ca4 (34)

また、キャパシタ11−1〜11−N,12,22の各容量値の関係は例えば次式のように設定される。   Further, the relationship between the capacitance values of the capacitors 11-1 to 11-N, 12, and 22 is set, for example, as in the following equation.

Ca1/Cb=3
Ca2/Cb=3
Ca3/Cb=6
Ca4/Cb=12 (35)
Ca1 / Cb = 3
Ca2 / Cb = 3
Ca3 / Cb = 6
Ca4 / Cb = 12 (35)

図7は図6のAD変換装置によって実行される逐次比較型AD変換処理を示すフローチャートであり、図7の処理はAD変換の1サンプルサイクルの処理を示す。以下、図7を参照して逐次比較型AD変換処理について説明する。   FIG. 7 is a flowchart showing the successive approximation type AD conversion process executed by the AD conversion apparatus of FIG. 6, and the process of FIG. 7 shows the process of one sample cycle of AD conversion. Hereinafter, the successive approximation AD conversion process will be described with reference to FIG.

図7のAD変換処理では、例えば入力電圧Vin=0〜1V、電源電圧VDD=3V、インバータ30のしきい値電圧Vth=1.5Vを仮定しており、電圧V3の発生ビット数が少ないので最初の電圧V3は0.5Vではなく0Vに設定される。もし最初の電圧V3が0.5Vにセットされるならば、電圧V1として1.5Vを設定する必要があるからである。   In the AD conversion process of FIG. 7, for example, it is assumed that the input voltage Vin = 0 to 1V, the power supply voltage VDD = 3V, and the threshold voltage Vth = 1.5V of the inverter 30, and the number of generated bits of the voltage V3 is small. The initial voltage V3 is set to 0V instead of 0.5V. This is because if the initial voltage V3 is set to 0.5V, it is necessary to set 1.5V as the voltage V1.

なお、AD変換後の4ビットのディジタルデータは、第1ビット〜第4ビットから構成され、ここで、第1ビットをMSB(Most Significant Bit)とし、第4ビットをLSB(Least Significant Bit)とする。   The 4-bit digital data after AD conversion is composed of the first to fourth bits, where the first bit is MSB (Most Significant Bit) and the fourth bit is LSB (Least Significant Bit). To do.

図7のステップS1では、まず、サンプリングモードにおいて、スイッチS1及びS3をオンして短絡し、スイッチS2を接点bに切り替える。また、スイッチS4a〜S4dを接点bに切り替え、入力電圧Vinをサンプリングする。次いで、ステップS2では、ホールドモードにおいて、スイッチS1及びS3をオフして開放し、スイッチS2を接点aに切り替え、入力電圧Vinをホールドする。   In step S1 of FIG. 7, first, in the sampling mode, the switches S1 and S3 are turned on to short-circuit, and the switch S2 is switched to the contact b. Further, the switches S4a to S4d are switched to the contact point b, and the input voltage Vin is sampled. Next, in step S2, in the hold mode, the switches S1 and S3 are turned off and opened, the switch S2 is switched to the contact a, and the input voltage Vin is held.

さらに、ステップS3において、電圧V3に0V(接地電圧)を設定し、スイッチS4aを接点aに切り替えると、3×(Vin−V3)の電圧値が出力電圧Voutに出力される。次いで、ステップS4において、出力電圧Vout≧1.5Vであるか否かがインバータ30により判定され、制御回路20Cにより、YESのときはステップS5に進む一方、NOのときはステップS6に進む。ステップS5において、4ビットレジスタ31のMSBに1がセットされ、V3+0.5Vの電圧値を電圧V3に設定してステップS7に進む。一方、ステップS6では、MSBに0がセットされ、V3+0Vの電圧値を電圧V3にセットしてステップS7に進む。   Further, in step S3, when the voltage V3 is set to 0V (ground voltage) and the switch S4a is switched to the contact point a, a voltage value of 3 × (Vin−V3) is output to the output voltage Vout. Next, in step S4, it is determined by the inverter 30 whether or not the output voltage Vout ≧ 1.5V. The control circuit 20C proceeds to step S5 when YES, and proceeds to step S6 when NO. In step S5, 1 is set in the MSB of the 4-bit register 31, the voltage value of V3 + 0.5V is set to the voltage V3, and the process proceeds to step S7. On the other hand, in step S6, 0 is set in the MSB, the voltage value of V3 + 0V is set to the voltage V3, and the process proceeds to step S7.

次いで、ステップS7において、スイッチS4bを接点aに切り替え、6×(Vin−V3)の電圧値を出力電圧Voutに出力する。ステップS8において出力電圧Vout≧1.5Vであるか否かが判断され、YESのときはステップS9に進む一方、NOのときはステップS10に進む。ステップS9では、第2ビットに1がセットされ、V3+0.25Vの計算値を電圧V3に設定してステップS11に進む。一方、ステップS10では、第2ビットに0がセットされ、V3+0Vの電圧値を電圧V3に設定してステップS11に進む。   Next, in step S7, the switch S4b is switched to the contact a, and a voltage value of 6 × (Vin−V3) is output to the output voltage Vout. In step S8, it is determined whether or not the output voltage Vout ≧ 1.5V. If YES, the process proceeds to step S9. If NO, the process proceeds to step S10. In step S9, 1 is set in the second bit, the calculated value of V3 + 0.25V is set to voltage V3, and the process proceeds to step S11. On the other hand, in step S10, 0 is set in the second bit, the voltage value of V3 + 0V is set to voltage V3, and the process proceeds to step S11.

次いで、S11において、スイッチS4cを接点aに切り替え、12×(Vin−V3)の電圧値を出力電圧Voutに出力してステップS12に進む。ステップS12では、出力電圧Vout≧1.5Vであるか否かが判断され、YESのときはステップS13に進む一方、NOのときはステップS14に進む。ステップS13において、第3ビットに1がセットされ、V3+0.125Vの電圧値を電圧V3に設定してステップS15に進む。一方、ステップS14では、第3ビットに0がセットされ、V3+0Vの電圧値を電圧V3に設定してステップS15に進む。   Next, in S11, the switch S4c is switched to the contact point a, a voltage value of 12 × (Vin−V3) is output to the output voltage Vout, and the process proceeds to Step S12. In step S12, it is determined whether or not the output voltage Vout ≧ 1.5V. If YES, the process proceeds to step S13. If NO, the process proceeds to step S14. In step S13, 1 is set in the third bit, the voltage value of V3 + 0.125V is set to voltage V3, and the process proceeds to step S15. On the other hand, in step S14, 0 is set in the third bit, the voltage value of V3 + 0V is set to voltage V3, and the process proceeds to step S15.

次いで、ステップS15において、スイッチS4dを接点aに切り替え、24×(Vin−V3)の電圧値を出力電圧Voutに出力してステップS16に進む。ステップS16では、出力電圧Vout≧1.5Vであるか否かが判断され、YESのときはステップS17に進む一方、NOのときはステップS18に進む。ステップS17ではLSBに1がセットされてステップS1に戻り、次のサイクルの処理を実行する。一方、ステップS18ではLSBに0がセットされてステップS1に戻り、次のサイクルの処理を実行する。   Next, in step S15, the switch S4d is switched to the contact point a, a voltage value of 24 × (Vin−V3) is output to the output voltage Vout, and the process proceeds to step S16. In step S16, it is determined whether or not the output voltage Vout ≧ 1.5V. If YES, the process proceeds to step S17. If NO, the process proceeds to step S18. In step S17, 1 is set in LSB, and the process returns to step S1 to execute the process of the next cycle. On the other hand, in step S18, 0 is set in LSB, and the process returns to step S1 to execute the process of the next cycle.

図7のAD変換処理において、例えば入力電圧Vin=0.7Vであるときは、ステップS3において出力電圧Vout=2.1Vとなり、ステップS4でYESとなり、ステップS5でMSBに1がセットされ、電圧V3=0.5Vとなる。次いで、ステップS7において、出力電圧Vout=1.2Vとなり、ステップS8でNOとなり、ステップS10で第2ビットに0がセットされ、電圧V3=0.5Vとなる。次いで、ステップS11において出力電圧Vout=2.4Vとなり、ステップS12でYESとなり、ステップS13で第3ビットに1がセットされ、電圧V3=0.625Vとなる。次いで、ステップS12において、出力電圧Vout=1.8Vとなり、ステップS16でYESとなり、LSBに1がセットされる。すなわち、「1011」の4ビットの出力電圧ディジタルデータが得られる。   In the AD conversion process of FIG. 7, for example, when the input voltage Vin = 0.7V, the output voltage Vout = 2.1V is set in step S3, YES is set in step S4, and 1 is set in the MSB in step S5. V3 = 0.5V. Next, in step S7, the output voltage Vout = 1.2V, NO in step S8, 0 is set in the second bit in step S10, and the voltage V3 = 0.5V. Next, in step S11, the output voltage Vout = 2.4V, YES in step S12, 1 is set in the third bit in step S13, and the voltage V3 = 0.625V. Next, in step S12, the output voltage Vout becomes 1.8V, YES in step S16, and 1 is set in LSB. That is, 4-bit output voltage digital data “1011” is obtained.

以上説明したように、本実施形態によれば、多入力の演算増幅器を用いたスイッチドキャパシタ回路を用いてAD変換装置を構成することにより、従来技術に比較して簡単な回路構成でAD変換装置を構成できる。   As described above, according to the present embodiment, the AD conversion apparatus is configured by using the switched capacitor circuit using the multi-input operational amplifier, so that the AD conversion can be performed with a simple circuit configuration as compared with the prior art. The device can be configured.

以上の実施形態4においては、4ビットの逐次比較型AD変換装置を構成しているが、本発明はこれに限らず、同様に、1ビット又は複数ビットの逐次比較型AD変換装置を構成してもよい。   In the fourth embodiment, a 4-bit successive approximation AD converter is configured. However, the present invention is not limited to this, and similarly, a 1-bit or multiple-bit successive approximation AD converter is configured. May be.

以上の実施形態において、スイッチドキャパシタ回路及びそれを用いたAD変換装置を開示しているが、これらの回路及び装置は例えば半導体装置又は半導体記憶装置に用いることができる。   In the above embodiments, a switched capacitor circuit and an AD converter using the same are disclosed. However, these circuits and devices can be used for a semiconductor device or a semiconductor memory device, for example.

以上詳述したように、本発明に係るスイッチドキャパシタ回路によれば、従来技術に比較して回路構成が簡単であって、オフセットフリーの性能を改善できるスイッチドキャパシタ回路及びそれを用いたAD変換装置を提供できる。   As described above in detail, according to the switched capacitor circuit according to the present invention, the circuit configuration is simpler than that of the prior art, and the switched capacitor circuit capable of improving the offset-free performance and the AD using the same A conversion device can be provided.

11,12,21,22,11−1〜11−4,11−1〜11−N…キャパシタ、
20,20A,20B,20C…制御回路、
30…インバータ、
31…4ビットレジスタ、
32…DA変換器、
DA1…差動増幅器、
OP1,OP11…演算増幅器、
S1〜S4,S4a〜S4d,S4a〜S4N…スイッチ。
11, 12, 21, 22, 11-1 to 11-4, 11-1 to 11-N ... capacitors,
20, 20A, 20B, 20C ... control circuit,
30 ... Inverter,
31 ... 4-bit register,
32 ... DA converter,
DA1 ... differential amplifier,
OP1, OP11 ... operational amplifiers,
S1 to S4, S4a to S4d, S4a to S4N, switches.

Claims (8)

非反転入力端子と反転入力端子と出力端子とを有する演算増幅器と、
第1〜第4のキャパシタと、
それぞれオン又はオフすることで短絡又は開放する第1及び第3のスイッチ素子と
それぞれ共通端子を第1の接点と第2の接点とのいずれかに選択的に接続して切り替える第2及び第4のスイッチ素子と、
上記第1〜第4のスイッチ素子を制御する制御回路とを備えたスイッチドキャパシタ回路であって、
上記第1のキャパシタは上記非反転入力端子と所定の第1の電圧との間に接続され、
上記第1のスイッチ素子は上記第1のキャパシタと並列に接続され、
上記第2のスイッチ素子は、第1の接点に接続された第1の電圧と、第2の接点に接続された上記反転入力端子の電圧とを選択的に上記第2のキャパシタを介して上記非反転入力端子に接続して切り替え、
上記出力端子は上記第3のスイッチ素子と上記第4のキャパシタとの並列回路を介して上記反転入力端子に接続され、
上記第4のスイッチ素子は、第1の接点に接続された第3の電圧と、第2の接点に接続された第2の電圧とを選択的に上記第3のキャパシタを介して上記反転入力端子に接続して切り替え、
上記制御回路は、
サンプリング期間において、上記第1及び第3のスイッチ素子をオンして短絡し、上記第2及び第4のスイッチ素子を第2の接点に切り替えることで上記第1の電圧を参照して上記第2の電圧をサンプリングし、
ホールド期間において、上記第1及び第3のスイッチ素子をオフして開放し、上記第2及び第4のスイッチ素子を第1の接点に切り替えことで上記第3の電圧を参照して、上記出力端子からの出力電圧を保持することにより、
上記第2の電圧と上記第3の電圧との差電圧を増幅して上記出力電圧として出力することを特徴とするスイッチドキャパシタ回路。
An operational amplifier having a non-inverting input terminal, an inverting input terminal, and an output terminal;
First to fourth capacitors;
The first and third switch elements that are short-circuited or opened by being turned on or off, respectively, and the second and fourth switches that selectively switch the common terminal to either the first contact or the second contact. Switch elements of
A switched capacitor circuit comprising a control circuit for controlling the first to fourth switch elements,
The first capacitor is connected between the non-inverting input terminal and a predetermined first voltage;
The first switch element is connected in parallel with the first capacitor,
The second switch element selectively transmits the first voltage connected to the first contact and the voltage of the inverting input terminal connected to the second contact through the second capacitor. Switch to non-inverting input terminal,
The output terminal is connected to the inverting input terminal through a parallel circuit of the third switch element and the fourth capacitor,
The fourth switch element selectively inputs the third voltage connected to the first contact and the second voltage connected to the second contact through the third capacitor. Connect to the terminal and switch,
The control circuit is
In the sampling period, the first and third switch elements are turned on and short-circuited, and the second and fourth switch elements are switched to the second contact point, thereby referring to the first voltage and the second switch element. Sampling the voltage of
In the hold period, the first and third switch elements are turned off and opened, the second and fourth switch elements are switched to the first contact points, and the third voltage is referred to, and the output By holding the output voltage from the terminal,
A switched capacitor circuit, wherein a differential voltage between the second voltage and the third voltage is amplified and output as the output voltage.
上記第1のキャパシタの容量値を上記第2のキャパシタの容量値で除算した除算値は、上記第3のキャパシタの容量値を上記第4のキャパシタの容量値で除算した除算値に実質的に等しくなるように設定されたことを特徴とする請求項1記載のスイッチドキャパシタ回路。   The division value obtained by dividing the capacitance value of the first capacitor by the capacitance value of the second capacitor is substantially equal to the division value obtained by dividing the capacitance value of the third capacitor by the capacitance value of the fourth capacitor. 2. The switched capacitor circuit according to claim 1, wherein the switched capacitor circuits are set to be equal. 上記第1のキャパシタの容量値は上記第3のキャパシタの容量値に実質的に等しく、上記第2のキャパシタの容量値は上記第4のキャパシタの容量値に実質的に等しくなるように設定されたことを特徴とする請求項1記載のスイッチドキャパシタ回路。   The capacitance value of the first capacitor is set to be substantially equal to the capacitance value of the third capacitor, and the capacitance value of the second capacitor is set to be substantially equal to the capacitance value of the fourth capacitor. The switched capacitor circuit according to claim 1. 上記第1の電圧と上記第3の電圧とは所定の基準電圧に設定され、
上記第2の電圧は入力電圧であることを特徴とする請求項1〜3のうちのいずれか1つに記載のスイッチドキャパシタ回路。
The first voltage and the third voltage are set to a predetermined reference voltage,
The switched capacitor circuit according to claim 1, wherein the second voltage is an input voltage.
上記基準電圧は接地電圧に設定されることを特徴とする請求項4記載のスイッチドキャパシタ回路。   5. The switched capacitor circuit according to claim 4, wherein the reference voltage is set to a ground voltage. 上記第1の電圧は接地電圧に設定されることを特徴とする請求項1〜3のうちのいずれか1つに記載のスイッチドキャパシタ回路。   The switched capacitor circuit according to claim 1, wherein the first voltage is set to a ground voltage. 上記第4のスイッチ素子と上記第3のキャパシタの直列入力回路は、
上記第4のスイッチ素子に対応する第5のスイッチ素子と、上記第3のキャパシタに対応する第5のキャパシタとの直列入力回路を複数備え、当該複数の直列入力回路を並列に接続し、
上記各直列入力回路毎の上記第2の電圧と上記第3の電圧との差電圧を増幅しかつ加算して上記出力電圧として出力することを特徴とする請求項1〜3のうちのいずれか1つに記載のスイッチドキャパシタ回路。
A series input circuit of the fourth switch element and the third capacitor is:
A plurality of series input circuits of a fifth switch element corresponding to the fourth switch element and a fifth capacitor corresponding to the third capacitor, and connecting the plurality of series input circuits in parallel;
4. The difference voltage between the second voltage and the third voltage for each of the series input circuits is amplified and added to output as the output voltage. The switched capacitor circuit according to one.
請求項7記載のスイッチドキャパシタ回路と、
上記演算増幅器からの出力電圧をディジタルデータに変換する変換手段と、
上記変換手段からのディジタルデータを一時的に格納する記憶手段と、
上記記憶手段からの出力電圧のディジタルデータをアナログ入力電圧にDA変換して上記各直列入力回路毎の上記第3の電圧として出力するDA変換手段とを備え、
入力電圧を上記第2の電圧として入力して上記スイッチドキャパシタ回路により逐次比較することで逐次比較型AD変換処理を行うことを特徴とするAD変換装置。
A switched capacitor circuit according to claim 7,
Conversion means for converting the output voltage from the operational amplifier into digital data;
Storage means for temporarily storing digital data from the conversion means;
DA conversion means for converting the digital data of the output voltage from the storage means into an analog input voltage and outputting as the third voltage for each of the serial input circuits,
An AD converter that performs a successive approximation type AD conversion process by inputting an input voltage as the second voltage and sequentially comparing the input voltage with the switched capacitor circuit.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108365825A (en) * 2018-05-16 2018-08-03 常州同惠电子股份有限公司 Digital tunable capacitor circuit

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01272312A (en) * 1988-04-25 1989-10-31 Nec Corp Switched capacitor circuit
JPH06501589A (en) * 1991-07-05 1994-02-17 シリコン システムズ インコーポレーテッド Operational amplifier with integrated sample-and-hold and autozero
JP2003078365A (en) * 2001-09-05 2003-03-14 Sony Corp Operational amplifier circuit, capacitance detector and fingerprint collation equipment
JP2008125046A (en) * 2006-10-19 2008-05-29 Denso Corp Multi-channel sample and hold circuit and multi-channel a/d converter
JP2012044347A (en) * 2010-08-17 2012-03-01 Seiko Epson Corp Integrated circuit device and electronic apparatus

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01272312A (en) * 1988-04-25 1989-10-31 Nec Corp Switched capacitor circuit
JPH06501589A (en) * 1991-07-05 1994-02-17 シリコン システムズ インコーポレーテッド Operational amplifier with integrated sample-and-hold and autozero
JP2003078365A (en) * 2001-09-05 2003-03-14 Sony Corp Operational amplifier circuit, capacitance detector and fingerprint collation equipment
JP2008125046A (en) * 2006-10-19 2008-05-29 Denso Corp Multi-channel sample and hold circuit and multi-channel a/d converter
JP2012044347A (en) * 2010-08-17 2012-03-01 Seiko Epson Corp Integrated circuit device and electronic apparatus

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI696353B (en) * 2019-03-01 2020-06-11 力晶積成電子製造股份有限公司 Digital to analog convertor, failure bit number detector and non-volatile semiconductor storage device

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