JP2019097121A - Latched comparator - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書中に開示されている発明は、ラッチドコンパレータに関する。 The invention disclosed herein relates to a latched comparator.
従来より、逐次比較型ADC[analog-to-digital converter]には、クロック信号に同期して動作するラッチドコンパレータが用いられている。 Conventionally, a latched comparator that operates in synchronization with a clock signal is used in a successive approximation ADC [analog-to-digital converter].
なお、上記に関連する従来技術の一例としては、特許文献1を挙げることができる。
In addition,
しかしながら、従来のラッチドコンパレータは、その差動入力がハイインピーダンスである場合、キックバックノイズによる入力誤差を生じる、という課題があった。 However, in the conventional latched comparator, there is a problem that an input error due to kickback noise occurs when the differential input is high impedance.
本明細書中に開示されている発明は、本願の発明者らにより見出された上記の課題に鑑み、キックバックノイズによる入力誤差を低減することのできるラッチドコンパレータを提供することを目的とする。 In view of the above problems found by the inventors of the present application, the invention disclosed in the present specification aims to provide a latched comparator capable of reducing an input error due to kickback noise. Do.
本明細書中に開示されているラッチドコンパレータは、DAC出力電圧と基準電圧との差分値を逐次増幅することにより正側プリ出力信号及び負側プリ出力信号を生成するラッチ型プリアンプ部と、前記正側プリ出力信号と前記負側プリ出力信号とを逐次比較することにより正側ラッチ出力信号及び負側ラッチ出力信号を生成するラッチ部と、前記正側ラッチ出力信号と前記負側ラッチ出力信号に応じて比較出力信号のラッチ出力を行うSRラッチ部と、を有し、逐次比較型ADCに用いられるものであって、前記ラッチ型プリアンプ部は、前記DAC出力電圧と前記基準電圧の入力を受けて前記正側プリ出力信号及び前記負側プリ出力信号を出力するメイン差動段と、前記DAC出力電圧と前記基準電圧の入力を受けて前記メイン差動段とは逆相で動作するダミー差動段と、を含む構成(第1の構成)とされている。 The latched comparator disclosed in the specification generates a positive side pre-output signal and a negative side pre-output signal by sequentially amplifying the difference value between the DAC output voltage and the reference voltage; A latch unit that generates a positive latch output signal and a negative latch output signal by sequentially comparing the positive pre-output signal and the negative pre-output signal, the positive latch output signal, and the negative latch output An SR latch unit that latches and outputs a comparison output signal according to a signal, and is used for a successive approximation ADC, wherein the latch-type preamplifier unit receives the DAC output voltage and the reference voltage A main differential stage for outputting the positive side pre-output signal and the negative side pre-output signal, and the main differential stage receiving the DAC output voltage and the reference voltage. A dummy differential stage operating in reverse phase, and is configured to include (first configuration).
なお、上記第1の構成から成るラッチドコンパレータにおいて、前記ラッチ型プリアンプ部は、前記逐次比較型ADCのサンプリング期間において、前記メイン差動段及び前記ダミー差動段それぞれのハイインピーダンスノードを固定電位にする機能を備えている構成(第2の構成)にするとよい。 In the latched comparator having the first configuration, the latch type preamplifier unit fixes the high impedance node of each of the main differential stage and the dummy differential stage to a fixed potential in the sampling period of the successive approximation type ADC. It is preferable to have a configuration (second configuration) having the function of
また、上記第1または第2の構成から成るラッチドコンパレータにおいて、前記メイン差動段は、ドレインが前記負側プリ出力信号の出力端に接続されてゲートが前記DAC出力電圧の入力端に接続された第1NMOSFETと、ドレインが前記正側プリ出力信号の出力端に接続されてゲートが前記基準電圧の入力端に接続された第2NMOSFETと、ドレインが前記第1NMOSFET及び前記第2NMOSFETそれぞれのソースに接続されてソースが接地端に接続されて第1フェイズにオフして第2フェイズにオンする第3NMSOFETと、ソースが電源端に接続されてドレインが前記第1NMOSFETのドレインに接続されて前記第1フェイズにオンして前記第2フェイズにオフする第1PMOSFETと、ソースが前記電源端に接続されてドレインが前記第2NMOSFETのドレインに接続されて前記第1フェイズにオンして前記第2フェイズにオフする第2PMOSFETと、を含み、前記ダミー差動段は、ゲートが前記DAC出力電圧の入力端に接続された第4NMOSFETと、ゲートが前記基準電圧の入力端に接続された第5NMOSFETと、ドレインが前記第4NMOSFET及び前記第5NMOSFETそれぞれのソースに接続されてソースが前記接地端に接続されて前記第1フェイズにオンして前記第2フェイズにオフする第6NMSOFETと、ソースが前記電源端に接続されてドレインが前記第4NMOSFETのドレインに接続されて前記第1フェイズにオフして前記第2フェイズにオンする第3PMOSFETと、ソースが前記電源端に接続されてドレインが前記第5NMOSFETのドレインに接続されて前記第1フェイズにオフして前記第2フェイズにオンする第4PMOSFETと、を含む構成(第3の構成)にするとよい。 In the latched comparator having the first or second configuration, the drain of the main differential stage is connected to the output end of the negative side pre-output signal and the gate is connected to the input end of the DAC output voltage. First NMOSFET, a second NMOSFET having a drain connected to the output end of the positive side pre-output signal and a gate connected to the input end of the reference voltage, and a drain at the source of each of the first NMOSFET and the second NMOSFET A third NMSOFET connected with the source connected to the ground terminal and turned off in the first phase and turned on in the second phase, the source connected to the power supply terminal, and the drain connected to the drain of the first NMOSFET The first PMOSFET which is turned on in the phase and turned off in the second phase, the source is the power supply A second PMOSFET connected to the drain and connected to the drain of the second NMOSFET and turned on in the first phase and turned off in the second phase, and the dummy differential stage has a gate connected to the DAC output voltage A fourth NMOSFET connected to the input terminal of the second NMOSFET, a fifth NMOSFET having a gate connected to the input terminal of the reference voltage, and a drain connected to respective sources of the fourth NMOSFET and the fifth NMOSFET and a source connected to the ground terminal A sixth NMSOFET which is turned on in the first phase and turned off in the second phase, a source is connected to the power supply end, a drain is connected to a drain of the fourth NMOSFET, and is turned off in the first phase The third PMOSFET turned on in the second phase, and the source is the power supply terminal A first 4PMOSFET which is turned to the second phase connected to the drain is connected to the drain of the second 5NMOSFET off the first phase, it may be a configuration including (third configuration).
また、上記した第3の構成から成るラッチドコンパレータにおいて、前記ラッチ型プリアンプ部は、ドレインが前記第3NMOSFETのドレインに接続されてソースが前記接地端に接続されて前記逐次比較型ADCのサンプリング期間にオンする第7NMOSFETと、ソースが前記電源端に接続されてドレインが前記第4NMOSFETのドレインに接続されて前記逐次比較型ADCのサンプリング期間にオンする第5PMOSFETと、ソースが前記電源端に接続されてドレインが前記第5NMOSFETのドレインに接続されて前記逐次比較型ADCのサンプリング期間にオンする第6PMOSFETと、を含む構成(第4の構成)にするとよい。 In the latched comparator having the third configuration, the latch-type preamplifier unit has a drain connected to the drain of the third NMOSFET and a source connected to the ground terminal, and the sampling period of the successive approximation ADC And a fifth PMOSFET having a source connected to the power supply terminal and a drain connected to the drain of the fourth NMOSFET to turn on during the sampling period of the successive approximation ADC; a source connected to the power supply terminal And a sixth PMOSFET which is connected to the drain of the fifth NMOSFET and turned on in the sampling period of the successive approximation type ADC (fourth configuration).
また、上記第1〜第4いずれかの構成から成るラッチドコンパレータは、前記正側プリ出力信号及び前記負側プリ出力信号をそれぞれ較正するキャリブレーション部をさらに有する構成(第5の構成)にするとよい。 The latched comparator having any one of the first to fourth configurations further has a configuration (fifth configuration) further including a calibration unit that calibrates the positive side pre-output signal and the negative side pre-output signal. It is good to do.
また、上記第5の構成から成るラッチドコンパレータにおいて、前記キャリブレーション部は、前記ラッチ型プリアンプ部の正側出力端及び負側出力端にそれぞれ接続されるキャパシタの容量値を調節する構成(第6の構成)にするとよい。 Further, in the latched comparator having the fifth configuration, the calibration unit adjusts a capacitance value of a capacitor connected to each of a positive output terminal and a negative output terminal of the latch-type preamplifier unit. Configuration 6).
また、本明細書中に開示されている逐次比較型ADCは、複数のキャパシタを用いてアナログ入力信号をサンプリングすることによりビット判定用のDAC出力電圧を生成するキャパシタアレイ型DACと、所定の基準電圧を生成する基準電圧生成部と、上記第1〜第6いずれかの構成から成り前記DAC出力電圧と前記基準電圧とを逐次比較して比較出力信号を生成するラッチドコンパレータと、前記比較出力信号を格納するレジスタと、前記レジスタに格納された複数ビット分の比較出力信号をデジタル出力信号として全ビット同時にパラレル出力するラッチ出力部と、前記レジスタに格納された比較出力信号の帰還入力を受け付けて前記キャパシタアレイ型DACを制御するコントローラと、を有する構成(第7の構成)とされている。 The successive approximation ADC disclosed in the present specification is a capacitor array DAC that generates a DAC output voltage for bit determination by sampling an analog input signal using a plurality of capacitors, and a predetermined reference. A reference voltage generation unit for generating a voltage, a latched comparator having the first to sixth configurations and sequentially comparing the DAC output voltage with the reference voltage to generate a comparison output signal, and the comparison output A register for storing signals, a latch output unit for parallel output of all bits simultaneously as a digital output signal, and a feedback input of the comparison output signal stored in the register A controller for controlling the capacitor array type DAC (seventh configuration)
なお、上記第7の構成から成る逐次比較型ADCにおいて、前記キャパシタアレイ型DACは、正側結合キャパシタ及び負側結合キャパシタと;第1端が前記正側結合キャパシタの第1端に接続された第1正側キャパシタ群と;第1端が前記負側結合キャパシタの第1端に接続された第1負側キャパシタ群と;第1端が前記正側結合キャパシタの第2端に接続された第2正側キャパシタ群と;第1端が前記負側結合キャパシタの第2端に接続された第2負側キャパシタ群と;前記第1正側キャパシタ群及び前記第1負側キャパシタ群それぞれの第2端を前記アナログ入力信号の入力端、電源端、及び、接地端のいずれかに接続する第1セレクタ群と;前記第2正側キャパシタ群及び前記第2負側キャパシタ群それぞれの第2端を前記アナログ入力信号の入力端、電源端、及び、接地端のいずれかに接続する第2セレクタ群と;前記正側結合キャパシタの第2端と前記電源端との間に接続されたPMOSFETと;前記負側結合キャパシタの第2端と前記接地端との間に接続されたNMOSFETと;前記正側結合キャパシタの第2端と前記DAC出力電圧の出力端との間に接続された正側スイッチと;前記負側結合キャパシタの第2端と前記DAC出力電圧の出力端との間に接続された負側スイッチ;を含む構成(第8の構成)にするとよい。 In the successive approximation ADC having the seventh configuration, the capacitor array DAC includes a positive coupling capacitor and a negative coupling capacitor; and a first end connected to the first end of the positive coupling capacitor. A first positive side capacitor group; a first negative side capacitor group having a first end connected to a first end of the negative side coupling capacitor; and a first end connected to a second end of the positive side coupling capacitor A second positive capacitor group; a second negative capacitor group having a first end connected to a second end of the negative coupling capacitor; and the first positive capacitor group and the first negative capacitor group respectively A first selector group having a second end connected to any one of the input end of the analog input signal, the power supply end, and the ground end; the second of each of the second positive side capacitor group and the second negative side capacitor group End to the analog A second selector group connected to any one of a power signal input end, a power supply end, and a ground end; a PMOSFET connected between the second end of the positive side coupling capacitor and the power supply end; An NMOSFET connected between the second end of the side coupling capacitor and the ground end; a positive side switch connected between the second end of the positive side coupling capacitor and the output end of the DAC output voltage; The negative side switch connected between the second end of the negative side coupling capacitor and the output end of the DAC output voltage may have a configuration (eighth configuration).
また、上記した第8の構成から成る逐次比較型ADCにおいて、前記第1正側キャパシタ群、前記第1負側キャパシタ群、前記第2正側キャパシタ群、及び、前記第2負側キャパシタ群は、それぞれ、所定の比率で重み付けされた容量値を持つ構成(第9の構成)にするとよい。 In the successive approximation type ADC having the eighth configuration described above, the first positive capacitor group, the first negative capacitor group, the second positive capacitor group, and the second negative capacitor group It is preferable that the configuration (ninth configuration) have capacitance values weighted by a predetermined ratio.
また、上記第8または第9の構成から成る逐次比較型ADCにおいて、前記基準電圧生成部は、ソースが前記電源端に接続されたPMOSFETと、ソースが前記接地端に接続されたNMOSFETと、第1端が前記PMOSFETのドレインに接続されて第2端が前記基準電圧の出力端に接続された第1スイッチと、第1端が前記NMOSFETのドレインに接続されて第2端が前記基準電圧の出力端に接続された第2スイッチと、第1端が前記PMOSFETのドレインに接続されて第2端が前記接地端に接続された第1キャパシタと、第1端が前記NMOSFETのドレインに接続されて第2端が前記接地端に接続された第2キャパシタと、を含む構成(第10の構成)にするとよい。 In the successive approximation type ADC having the eighth or ninth configuration, the reference voltage generation unit may include a PMOSFET whose source is connected to the power supply terminal, an NMOSFET whose source is connected to the ground terminal, The first switch has one end connected to the drain of the PMOSFET and the second end connected to the output end of the reference voltage, and the first end connected to the drain of the NMOSFET and the second end connected to the drain of the NMOSFET. A second switch connected to the output end, a first capacitor having a first end connected to the drain of the PMOSFET and a second end connected to the ground end, and a first end connected to the drain of the NMOSFET The second capacitor may have a configuration (tenth configuration) including a second capacitor whose second end is connected to the ground terminal.
本明細書中に開示されている発明によれば、キックバックノイズによる入力誤差を低減することのできるラッチドコンパレータを提供することが可能となる。 According to the invention disclosed in the present specification, it is possible to provide a latched comparator capable of reducing an input error due to a kickback noise.
<逐次比較型ADC>
図1は、逐次比較型ADCの全体構成を示す図である。本構成例の逐次比較型ADC1は、キャパシタアレイ型DAC[digital-to-analog converter]100(以下、CDAC100と呼ぶ)と、基準電圧生成部200と、ラッチドコンパレータ300と、レジスタ400と、ラッチ出力部500と、コントローラ600と、を有し、アナログ入力信号AINをデジタル出力信号DOUTに変換する。
<Successive comparison type ADC>
FIG. 1 is a diagram showing an entire configuration of a successive approximation ADC. The successive
CDAC100は、複数のキャパシタを用いてアナログ入力信号AINをサンプリングし、コントローラ600の指示に応じて各キャパシタの電荷を再分配することにより、ビット判定用のDAC出力電圧DACOUTを生成する。
The
基準電圧生成部200は、所定の基準電圧VCMOUTを生成する。
The reference
ラッチドコンパレータ300は、DAC出力電圧DACOUTと基準電圧VCMOUTとを逐次比較して比較出力信号COMPOUTを生成する。
The
レジスタ400は、ラッチドコンパレータ300から逐次出力される比較出力信号COMPOUT(=デジタル出力信号DOUTの各ビット値に相当)を格納する。
The
ラッチ出力部500は、レジスタ400に格納された複数ビット分の比較出力信号COMPOUTをデジタル出力信号DOUTとして全ビット同時にパラレル出力する。
The
コントローラ600は、前記レジスタ400に格納された比較出力信号COMPOUTの帰還入力を受け付けてCDAC100を制御する。
The
<CDAC>
図2はCDAC100の内部構成例を示す図である。本構成例のCDAC100は、キャパシタ101P及び101Mと、キャパシタ111P〜115Pと、キャパシタ111M〜115Mと、キャパシタ121P〜127Pと、キャパシタ121M〜127Mと、キャパシタ131P及び131Mと、セレクタ141〜145と、セレクタ151〜157と、PMOSFET171Pと、NMOSFET171Mと、スイッチ181P及び181Mと、を含む。
<CDAC>
FIG. 2 shows an example of the internal configuration of
キャパシタ101P及び101Mは、それぞれ、正側結合キャパシタ及び負側結合キャパシタに相当する。なお、キャパシタ101P及び101Mそれぞれの容量値は、いずれも[1C](ただし、Cは単位容量値であり、以下も同様)である。
キャパシタ111P〜115Pは、それぞれの第1端がキャパシタ101Pの第1端に共通接続された第1正側キャパシタ群(下位5ビット分)に相当する。なお、キャパシタ111P〜115Pそれぞれの容量値は、[1C]、[2C]、[4C]、[8C]、及び、[16C]である。すなわち、キャパシタ111P〜115Pは、それぞれ、所定の比率で重み付けされた容量値(=2xC(ただしx=0〜4の整数))を持つ。
キャパシタ111M〜115Mは、それぞれの第1端がキャパシタ101Mの第1端に共通接続された第1負側キャパシタ群(下位5ビット分)に相当する。なお、キャパシタ111M〜115Mそれぞれの容量値は、[1C]、[2C]、[4C]、[8C]、及び、[16C]である。すなわち、キャパシタ111M〜115Mは、それぞれ、所定の比率で重み付けされた容量値(=2xC(ただしx=0〜4の整数))を持つ。
The
キャパシタ121P〜127Pは、それぞれの第1端がキャパシタ101Pの第2端に共通接続された第2正側キャパシタ群(上位7ビット分)に相当する。なお、キャパシタ121P〜127Pそれぞれの容量値は、[1C]、[2C]、…、[32C]、及び、[64C]である。すなわち、キャパシタ121P〜127Pは、それぞれ、所定の比率で重み付けされた容量値(=2yC(ただしy=0〜6の整数))を持つ。
キャパシタ121M〜127Mは、それぞれの第1端がキャパシタ101Mの第2端に共通接続された第2負側キャパシタ群(上位7ビット分)に相当する。なお、キャパシタ121M〜127Mそれぞれの容量値は、[1C]、[2C]、…、[32C]、及び、[64C]である。すなわち、キャパシタ121M〜127Mは、それぞれ、所定の比率で重み付けされた容量値(=2yC(ただしy=0〜6の整数))を持つ。
The
キャパシタ131P及び131Mは、それぞれ、キャパシタ101P及び101Mそれぞれの第2端と接地端との間に接続されており、アッテネータとして機能する。
The
セレクタ141〜145は、第1セレクタ群(下位5ビット分)に相当する。セレクタ141は、コントローラ600からの指示に応じて、キャパシタ111P及び111M双方の第2端を、アナログ入力端(=アナログ入力信号AINの入力端)、電源端(=電源電圧AVDDの印加端)、及び、接地端(=接地電圧GNDの印加端)のいずれかに接続する。また、セレクタ142〜145も、上記と同じく、コントローラ600からの指示に応じて、キャパシタ112P〜115P及び112M〜115Mそれぞれの第2端を、アナログ入力端、電源端、及び、接地端のいずれかに接続する。
The
セレクタ151〜157は、第2セレクタ群(上位7ビット分)に相当する。セレクタ151は、コントローラ600からの指示に応じて、キャパシタ121P及び121M双方の第2端を、アナログ入力端、電源端、及び、接地端のいずれかに接続する。また、セレクタ152〜157も、上記と同様、コントローラ600からの指示に応じて、キャパシタ122P〜127P及び122M〜127Mそれぞれの第2端を、アナログ入力端、電源端、及び、接地端のいずれかに接続する。
The
PMOSFET171Pのソースは、電源端に接続されている。PMOSFET171Pのドレインは、キャパシタ101Pの第2端に接続されている。PMOSFET171Pのゲートは、反転クロック信号CLK1B(=クロック信号CLK1の論理反転信号)の入力端に接続されている。従って、PMOSFET171Pは、CLK1B=Lであるときにオンし、CLK1B=Hであるときにオフする。
The source of the
NMOSFET171Mのソースは、接地端に接続されている。NMOSFET171Mのドレインは、キャパシタ101Mの第2端に接続されている。NMOSFET171Mのゲートは、クロック信号CLK1の入力端に接続されている。従って、NMOSFET171Mは、CLK1=Hであるときにオンし、CLK1=Lであるときにオフする。
The source of the
スイッチ181Pは、キャパシタ101Pの第2端(=正側DAC出力電圧DAOUTPの印加端に相当)とDAC出力電圧DACOUTの出力端との間に接続された正側スイッチに相当し、クロック信号CLK2と反転クロック信号CLK2B(=クロック信号CLK2の論理反転信号)に応じてオン/オフされる。より具体的に述べると、スイッチ181Pは、CLK2=H(CLK2B=L)であるときにオンし、CLK2=L(CLK2B=H)であるときにオフする。
The
スイッチ181Mは、キャパシタ101Mの第2端(=負側DAC出力電圧DAOUTMの印加端に相当)とDAC出力電圧DACOUTの出力端との間に接続された負側スイッチに相当し、クロック信号CLK2と反転クロック信号CLK2Bに応じてオン/オフされる。より具体的に述べると、スイッチ181Mは、CLK2=H(CLK2B=L)であるときにオンし、CLK2=L(CLK2B=H)であるときにオフする。
The
コントローラ600は、レジスタ400に格納された比較出力信号COMPOUTの帰還入力を受け付けてセレクタ141〜145及び151〜157を制御する。
The
例えば、アナログ入力信号AINのサンプリング期間(CLK1=H)には、キャパシタ111P〜115P及び111M〜115M、並びに、キャパシタ121P〜127P及び121M〜127Mそれぞれの第2端をいずれもアナログ入力端に接続するように、セレクタ141〜145及び151〜157を制御する。
For example, in the sampling period (CLK1 = H) of the analog input signal AIN, the
また、例えば、最上位ビット(MSB[most significant bit])の判定時には、キャパシタ127P及び127Mの第2端を電源端に接続し、他のキャパシタの第2端をいずれも接地端に接続するように、セレクタ141〜145及び151〜157を制御する。
Also, for example, when determining the most significant bit (MSB [most significant bit]), the second ends of the
ただし、本構成例のCDAC100は、あくまで一例であり、これ以外の内部構成を採用しても構わない。
However, the
<基準電圧生成部>
図3は、基準電圧生成部200の内部構成例を示す図である。本構成例の基準電圧生成部200は、PMOSFET211と、NMOSFET212と、スイッチ213及び214と、キャパシタ215及び216と、を含む。
<Reference voltage generator>
FIG. 3 is a diagram showing an example of the internal configuration of the reference
PMOSFET211のソースは、電源端(=電源電圧AVDDの印加端)に接続されている。PMOSFET211のゲートは、反転クロック信号CLK1Bの入力端に接続されている。従って、PMOSFET211は、CLK1B=Lであるときにオンし、CLK1B=Hであるときにオフする。
The source of the
NMOSFET212のソースは、接地端(=接地電圧GNDの印加端)に接続されている。NMOSFET212のゲートは、クロック信号CLK1の入力端に接続されている。従って、NMOSFET212は、CLK1=Hであるときにオンし、CLK1=Lであるときにオフする。
The source of the
スイッチ213は、PMOSFET211のドレイン(=正側基準電圧VCMPの印加端に相当)と基準電圧VCMOUTの出力端との間に接続された第1スイッチに相当し、クロック信号CLK2と反転クロック信号CLK2Bに応じてオン/オフされる。より具体的に述べると、スイッチ213は、CLK2=H(CLK2B=L)であるときにオンし、CLK2=L(CLK2B=H)であるときにオフする。
The
スイッチ214は、NMOSFET212のドレイン(=負側基準電圧VCMMの印加端に相当)と基準電圧VCMOUTの出力端との間に接続された第2スイッチに相当し、クロック信号CLK2と反転クロック信号CLK2Bに応じてオン/オフされる。より具体的に述べると、スイッチ214は、CLK2=H(CLK2B=L)であるときにオンし、CLK2=L(CLK2B=H)であるときにオフする。
The
キャパシタ215の第1端は、PMOSFET211のドレインに接続されている。キャパシタ215の第2端は、接地端に接続されている。なお、キャパシタ215の容量値は、[XC](Xは任意)である。
The first end of the
キャパシタ216の第1端は、NMOSFET212のドレインに接続されている。キャパシタ216の第2端は、接地端に接続されている。なお、キャパシタ216の容量値は、[XC]である。
The first end of the
本構成例の基準電圧生成部200において、CLK1=H(CLK1B=L)、かつ、CLK2=L(CLK2B=H)であるときには、キャパシタ215が充電されて、キャパシタ216が放電される。一方、CLK1=L(CLK1B=H)、かつ、CLK2=H(CLK2B=L)であるときには、キャパシタ215及び216相互間で電荷の再分配が行われ、基準電圧VCMOUTが出力される。このとき、基準電圧VCMOUTは、電源電圧AVDDを1/2に容量分圧した電圧値(=AVDD/2)となる。
In the reference
ただし、本構成例の基準電圧生成部200は、あくまで一例であり、これ以外の内部構成を採用しても構わない。
However, the reference
<ラッチドコンパレータ>
図4は、ラッチドコンパレータ300の内部構成例を示す図である。本構成例のラッチドコンパレータ300は、ラッチ型プリアンプ部310と、キャリブレーション部320と、ラッチ部330と、SRラッチ部340と、を含む。
<Latched Comparator>
FIG. 4 is a diagram showing an example of the internal configuration of the latched
ラッチ型プリアンプ部310は、負側入力端(−)に入力されるDAC出力電圧DACOUTと、正側入力端(+)に入力される基準電圧VCMOUTとの差分値(=VCMOUT−DACOUT)を、クロック信号CLK3に同期して逐次増幅することにより、正側プリ出力信号PREOUTP及び負側プリ出力信号PREOUTMを生成する。
The latch-
キャリブレーション部320は、ラッチ型プリアンプ部310の正側出力端(+)及び負側出力端(−)と電源端との間にそれぞれ接続されるキャパシタ321及び322の容量値を調節することにより、正側プリ出力信号PREOUTP及び負側プリ出力信号PREOUTMの立上り波形をそれぞれ較正する。このようなキャリブレーション部320を設けることにより、DAC出力電圧DACOUTと基準電圧VCMOUTとの入力オフセット、及び、ラッチ型プリアンプ部310とラッチ部330とのオフセット誤差をそれぞれキャンセルすることが可能となる。ただし、回路規模の縮小や消費電流の低減を優先する場合には、キャリブレーション部320を割愛することも可能である。
The
ラッチ部330は、正側入力端(+)に入力される正側プリ出力信号PREOUTPと負側入力端(−)に入力される負側プリ出力信号PREOUTMとを、クロック信号CLK3に同期して逐次比較することにより、正側ラッチ出力信号LATOUTP及び負側ラッチ出力信号LATOUTMを生成するコンパレータである。なお、PREOUTP>PREOUTMであるときには、LATOUTP=H、LATOUTM=Lとなる。逆に、PREOUTP<PREOUTMであるときには、LATOUTP=Lとなり、LATOUTM=Hとなる。
The
SRラッチ部340は、セット端(S)に入力される正側ラッチ出力信号LATOUTPと、リセット端(R)に入力される負側ラッチ出力信号LATOUTMに応じて、出力端(Q)から比較出力信号COMPOUTのラッチ出力を行う順序回路であり、インバータ341及び342と、NAND343及び344と、を含む。
The
インバータ341は、その入力端がSRラッチ部340のリセット端(R)に相当しており、負側ラッチ出力信号LATOUTMの論理反転信号を生成する。
The input terminal of the
インバータ342は、その入力端がSRラッチ部340のセット端(S)に相当しており、正側ラッチ出力信号LATOUTPの論理反転信号を生成する。
The input end of the
NAND343は、インバータ341の出力信号と、NAND344の出力信号(=デジタル出力信号DOUT)との否定論理積信号を生成する。
NAND344は、インバータ342及びNAND343それぞれの出力信号の否定論理積信号を生成し、これを比較出力信号COMPOUTとして出力する。すなわち、NAND344の出力端は、SRラッチ部340の出力端(Q)に相当している。
なお、SRラッチ部340は、正側ラッチ出力信号LATOUTPの立上りタイミングで比較出力信号COMPOUTをハイレベルにセットし、負側ラッチ出力信号LATOUTMの立上りタイミングで比較出力信号COMPOUTをローレベルにリセットする。
The
本構成例のラッチドコンパレータ300であれば、その消費電流を小さく抑えることができるので、低消費電力化が可能となる。また、オペアンプが不要となるので、低電圧化にも好適である。
In the case of the latched
<タイミングチャート>
図5は、逐次比較型ADC1の動作例を示すタイミングチャートであり、上から順に、クロック信号CLK3、正側基準電圧VCMP(実線)及び負側基準電圧VCMM(一点鎖線)、正側DAC出力電圧DAOUTP(実線)及び負側DAC出力電圧DAOUTM(一点鎖線)、基準電圧VCMOUT、DAC出力電圧DACOUT、正側プリ出力信号PREOUTP(実線)及び負側プリ出力信号PREOUTM(一点鎖線)、正側ラッチ出力信号LATOUTP、負側ラッチ出力信号LATOUTM、並びに、比較出力信号COMPOUTが描写されている。
<Timing chart>
FIG. 5 is a timing chart showing an operation example of the successive
まず、アナログ入力信号AINのサンプリング期間TSについて説明する。このサンプリング期間TSには、CLK3=H固定により、ラッチドコンパレータ300の逐次比較動作が停止される。このとき、PREOUTP=PREOUTM=AVDD、LATOUTP=LATOUTM=GNDとなる。また、比較出力信号COMPOUTは、前回のデータを保持する。
First, the sampling period TS of the analog input signal AIN will be described. During this sampling period TS, the successive comparison operation of the latched
また、基準電圧生成部200では、CLK1=H、CLK2=Lにより、PMOSFET211及びNMOSFET212がオンし、スイッチ213及び214がオフする。従って、VCMP=AVDD、VCMM=GND、VCMOUT=GNDとなる。
Further, in the reference
一方、CDAC300では、CLK1=H、CLK2=Lにより、PMOSFET171P及びNMOSFET171Mがオンし、スイッチ181P及び181Mがオフする。従って、DAOUTP=AVDD、DAOUTM=GNDとなる。また、このとき、キャパシタ111P〜115P及び111M〜115M、並びに、キャパシタ121P〜127P及び121M〜127Mそれぞれの第2端は、いずれもアナログ入力端に接続されている。従って、これらのキャパシタには、アナログ入力信号AINに応じた電荷が充電される。この充電動作は、アナログ入力信号AINのサンプリング動作に相当する。
On the other hand, in the
次に、DAC出力電圧DACOUTと基準電圧VCMOUTとの逐次比較期間TCについて説明する。 Next, the successive approximation period TC between the DAC output voltage DACOUT and the reference voltage VCMOUT will be described.
この逐次比較期間TCには、CLK1=L、CLK2=Hにより、基準電圧生成部200において、PMOSFET211及びNMOSFET212がオフし、スイッチ213及び214がオンする。従って、キャパシタ215及び216相互間での電荷再分配により、VCMP=VCMM=VCMOUT=AVDD/2となる。
During the successive approximation period TC, the
一方、CDAC100では、CLK1=L、CLK2=Hにより、PMOSFET171P及びNMOSFET171Mがオフし、スイッチ181P及び181Mがオンする。従って、キャパシタ111P〜115P及び111M〜115M、並びに、キャパシタ121P〜127P及び121M〜127M相互間の電荷再分配により、DAOUTP=DAOUTM=DACOUTとなる。このとき、DAC出力電圧DACOUTの電圧値は、アナログ入力信号AINのサンプリング値(=キャパシタアレイに充電された総電荷量)と、セレクタ141〜145及び151〜157それぞれの選択状態に応じて決まる。
On the other hand, in the
例えば、MSBの判定時には、キャパシタ127P及び127Mの第2端が電源端に接続され、他のキャパシタの第2端が全て接地端に接続される。従って、DAC出力電圧DACOUTの電圧値は、アナログ入力信号AINのサンプリング値と、デジタル出力信号DOUTの中間値「1000 0000 0000b」に相当するアナログ変換値に応じて決定される。
For example, at the time of MSB determination, the second ends of the
ここで、DACOUT>VCMOUTであるときには、後述するラッチドコンパレータ300の逐次比較動作により、COMPOUT=Lという比較結果が得られる。これにより、デジタル出力信号DOUTのMSBを「0」と判定することができる。一方、DACOUT<VCMOUTであるときには、ラッチドコンパレータ300の逐次比較動作により、COMPOUT=Hという比較結果が得られる。これにより、デジタル出力信号DOUTのMSBを「1」と判定することができる。
Here, when DACOUT> VCMOUT, the comparison result of COMPOUT = L is obtained by the successive comparison operation of the latched
なお、MSB=「0」と判定された場合には、次ビットの判定時において、「0100 0000 0000b」に相当するアナログ変換値を選択するように、セレクタ141〜145及び151〜157それぞれの選択状態が切り替えられる。
When it is determined that MSB = “0”,
一方、MSB=「1」と判定された場合には、次ビットの判定時において、「1100 0000 0000b」に相当するアナログ変換値を選択するように、セレクタ141〜145及び151〜157それぞれの選択状態が切り替えられる。
On the other hand, if it is determined that MSB = “1”,
以降も上記と同様にして、MSBからLSB[least significant bit]まで、デジタル出力信号DOUT全てのビットを判定するために、DAC出力電圧DACOUTの電圧値が逐次切り替えられていく。 Thereafter, the voltage value of the DAC output voltage DACOUT is sequentially switched in order to determine all bits of the digital output signal DOUT from MSB to LSB [least significant bit] in the same manner as described above.
また、ラッチドコンパレータ300では、クロック信号CLK3のパルス駆動により、DAC出力電圧DACOUTと基準電圧VCMOUTとの逐次比較動作が行われる。
Further, in the latched
まず、ラッチ型プリアンプ部310において、クロック信号CLK3がハイレベルからローレベルに立ち下げられると、正側プリ出力信号PREOUTP及び負側プリ出力信号PREOUTMがいずれも電源電圧AVDDから低下し始める。
First, in the latch-
ただし、DAC出力電圧DACOUTと基準電圧VCMOUTとの差(=VCMOUT−DACOUT)に応じて、正側プリ出力信号PREOUTPの立下り波形と負側プリ出力信号PREOUTMの立下り波形との間にずれが生じる。 However, depending on the difference between the DAC output voltage DACOUT and the reference voltage VCMOUT (= VCMOUT-DACOUT), there is a gap between the falling waveform of the positive side pre-output signal PREOUTP and the falling waveform of the negative side pre-output signal PREOUTM. It occurs.
具体的に述べると、DAC出力電圧DACOUTが基準電圧VCMOUTよりも高い場合、その差が大きいほど負側プリ出力信号PREOUTMの立下りが急峻となり、正側プリ出力信号PREOUTPの立下りが緩慢となる。逆に、DAC出力電圧DACOUTが基準電圧VCMOUTよりも低い場合、その差が大きいほど正側プリ出力信号PREOUTPの立下りが急峻となり、負側プリ出力信号PREOUTMの立下りが緩慢となる。 Specifically, when the DAC output voltage DACOUT is higher than the reference voltage VCMOUT, the larger the difference, the steeper the falling of the negative side pre-output signal PREOUTM and the slower the falling of the positive side pre-output signal PREOUTP. . Conversely, when the DAC output voltage DACOUT is lower than the reference voltage VCMOUT, the larger the difference, the steeper the falling of the positive side pre-output signal PREOUTP and the slower the falling of the negative side pre-output signal PREOUTM.
続いて、ラッチ部330では、正側プリ出力信号PREOUTPと負側プリ出力信号PREOUTMとの逐次比較により、正側ラッチ出力信号LATOUTP及び負側ラッチ出力信号LATOUTMが生成される。なお、PREOUTP>PREOUTMであれば、正側ラッチ出力信号LATOUTPがハイレベルに立ち上がり、PREOUTP<PREOUTMであれば、負側ラッチ出力信号LATOUTMがハイレベルに立ち上がる。
Subsequently, in the
次に、SRラッチ部340では、正側ラッチ出力信号LATOUTP及び負側ラッチ出力信号LATOUTMに応じて、比較出力信号COMPOUTのラッチ出力が行われる。なお、比較出力信号COMPOUTは、正側ラッチ出力信号LATOUTPの立上りタイミングでハイレベルにセットされ、負側ラッチ出力信号LATOUTMの立上りタイミングでローレベルにリセットされる。
Next, in the
最後の1サイクルは、ラッチ出力期間TLに相当する。ラッチ出力期間TLでは、レジスタ400に格納された比較出力信号COMPOUTがデジタル出力信号DOUTとして全ビット同時にパラレル出力される。このラッチ出力期間TLを経て一連の逐次比較型AD変換処理が完了する。
The last one cycle corresponds to the latch output period TL. In the latch output period TL, the comparison output signal COMPOUT stored in the
<ラッチ型プリアンプ部(比較例)>
次に、ラッチ型プリアンプ部310の新規な実施形態を説明するに先立ち、まず、これと対比される比較例について簡単に説明する。図6は、ラッチ型プリアンプ部310の比較例を示す図である。本比較例のラッチ型プリアンプ部310は、NMOSFET311〜313と、PMOSFET314及び315と、を含む。
<Latch Type Preamplifier Part (Comparative Example)>
Next, prior to describing the novel embodiment of the latch-
NMOSFET311のドレインは、負側プリ出力信号PREOUTMの出力端に接続されている。NMOSFET311のゲートは、DAC出力電圧DACOUTの入力端に接続されている。
The drain of the
NMOSFET312のドレインは、正側プリ出力信号PREOUTPの出力端に接続されている。NMOSFET312のゲートは、基準電圧VCMOUTの入力端に接続されている。
The drain of the
NMOSFET313のドレインは、NMOSFET311及び312それぞれのソースに接続されている。NMOSFET313のソースは、接地端に接続されている。NMOSFET313のゲートは、反転クロック信号CLK3B(=クロック信号CLK3の論理反転信号)の入力端に接続されている。
The drain of the
PMOSFET314のソースは、電源端に接続されている。PMOSFET314のドレインは、NMOSFET311のドレインに接続されている。PMOSFET314のゲートは、反転クロック信号CLK3Bの入力端に接続されている。
The source of the
PMOSFET315のソースは、電源端に接続されている。PMOSFET315のドレインは、NMOSFET312のドレインに接続されている。PMOSFET315のゲートは、反転クロック信号CLK3Bの入力端に接続されている。
The source of the
次に、ラッチ型プリアンプ部310の基本動作について説明する。第1フェイズ(CLK3=H、CLK3B=L)では、NMOSFET313がオフして、PMOSFET314及び315がオンする。従って、正側プリ出力信号PREOUTPと負側プリ出力信号PREOUTMは、いずれも電源電圧AVDDに引き上げられる。
Next, the basic operation of the latch-
一方、第2フェイズ(CLK3=L、CLK3B=H)では、NMOSFET313がオンして、PMOSFET314及び315がオフする。従って、正側プリ出力信号PREOUTPと負側プリ出力信号PREOUTMは、いずれも電源電圧AVDDから低下し始める。ただし、DAC出力電圧DACOUTが基準電圧VCMOUTよりも高い場合、その差が大きいほど負側プリ出力信号PREOUTMの立下りが急峻となり、正側プリ出力信号PREOUTPの立下りが緩慢となる。逆に、DAC出力電圧DACOUTが基準電圧VCMOUTよりも低い場合、その差が大きいほど正側プリ出力信号PREOUTPの立下りが急峻となり、負側プリ出力信号PREOUTMの立下りが緩慢となる。この点については、先にも述べた通りである。
On the other hand, in the second phase (CLK3 = L, CLK3B = H), the
図7は、キックバックノイズによる入力誤差が発生した様子を示す図であり、上から順番に、反転クロック信号CLK3B、DAC出力電圧DACOUT、基準電圧VCMOUT、並びに、正側プリ出力信号PREOUTP及び負側プリ出力信号PREOUTMが描写されている。 FIG. 7 is a diagram showing that an input error occurs due to kickback noise, and from the top, the inverted clock signal CLK3B, the DAC output voltage DACOUT, the reference voltage VCMOUT, and the positive side pre-output signal PREOUTP and the negative side. The pre-output signal PREOUTM is depicted.
本比較例のラッチ型プリアンプ部310において、その差動入力端がハイインピーダンスである場合(=DAC出力電圧DACOUTや基準電圧VCMOUTに重畳したノイズ成分が前段のCDAC100や基準電圧生成部200に抜けにくい場合)には、キックバックノイズにより、DAC出力電圧DACOUTの変化量Δ1と基準電圧VCMOUTの変化量Δ2が不一致(Δ1≠Δ2)となる。これは、DAC出力電圧DACOUTと基準電圧VCMOUTそれぞれの回路定数が異なるためである。このような入力誤差が生じると、逐次型ADC1の変換精度が低下してしまうので、何らかの対策が必要となる。
In the latch-
なお、一般的な対策として、ラッチ型プリアンプ部310の前段にバッファを設け、ラッチ型プリアンプ部310の差動入力端をハイインピーダンスからローインピーダンスに変換することが考えられる。しかしながら、このような対策では、追加されたバッファの分だけ消費電力が大きくなってしまう。以下では、このような課題を解決することのできる新規な実施形態について詳述する。
As a general countermeasure, it is conceivable to provide a buffer in the front stage of the latch-
<ラッチ型プリアンプ部(第1実施形態)>
図8は、ラッチ型プリアンプ部310の第1実施形態を示す図である。本実施形態のラッチ型プリアンプ部310は、先の比較例(図6)をベースとしつつ、さらに、NMOSFET311D〜313DとPMOSFET314D及び315Dを含む。そこで、先の比較例と同様の構成要素については、図6と同一の符号を付すことで重複した説明を割愛し、以下では、本実施形態の特徴部分について重点的な説明を行う。
<Latch Type Preamplifier Part (First Embodiment)>
FIG. 8 is a diagram showing a first embodiment of the latch-
NMOSFET311Dのゲートは、DAC出力電圧DACOUTの入力端に接続されている。NMOSFET312Dのゲートは、基準電圧VCMOUTの入力端に接続されている。NMOSFET313Dのドレインは、NMOSFET311D及び312Dそれぞれのソースに接続されている。NMOSFET313Dのソースは、接地端に接続されている。NMOSFET313Dのゲートは、クロック信号CLK3の入力端に接続されている。
The gate of the
PMOSFET314Dのソースは、電源端に接続されている。PMOSFET314Dのドレインは、NMOSFET311Dのドレインに接続されている。PMOSFET314Dのゲートは、クロック信号CLK3の入力端に接続されている。
The source of the
PMOSFET315Dのソースは、電源端に接続されている。PMOSFET315Dのドレインは、NMOSFET312Dのドレインに接続されている。PMOSFET315Dのゲートは、クロック信号CLK3の入力端に接続されている。
The source of the
このように、本実施形態のラッチ型プリアンプ部310は、反転クロック信号CLK3Bに同期して動作するメイン差動段MS(NMOSFET311〜313、並びに、PMOSFET314及び315)と、クロック信号CLK3に同期してメイン差動段MSとは逆相で動作するダミー差動段DS(NMOSFET311D〜313D、並びに、PMOSFET314D及び315D)と、を含む。
As described above, the latch-
図9は、キックバックノイズによる入力誤差が解消した様子を示す図であり、上から順番に、反転クロック信号CLK3B、DAC出力電圧DACOUT、基準電圧VCMOUT、並びに、正側プリ出力信号PREOUTP及び負側プリ出力信号PREOUTMが描写されている。 FIG. 9 is a diagram showing that the input error due to the kickback noise is eliminated, sequentially from the top, the inverted clock signal CLK3B, the DAC output voltage DACOUT, the reference voltage VCMOUT, and the positive side pre-output signal PREOUTP and the negative side. The pre-output signal PREOUTM is depicted.
本図で示したように、本実施形態のラッチ型プリアンプ部310であれば、その前段にバッファを設けることなく、DAC出力電圧DACOUT及び基準電圧VCMOUTそれぞれのキックバックノイズをキャンセルすることができる。従って、消費電力を不必要に増大することなく、逐次比較型ADC1の変換精度を向上することが可能となる。
As shown in the figure, with the latch-
ただし、本実施形態のラッチ型プリアンプ部310では、クロック信号CLK3のハイレベル固定時(=逐次比較型ADC1のサンプリング期間TS)において、NMOSFET313、311D、及び、312Dそれぞれのドレインがハイインピーダンスノードとなる。そのため、それぞれのノード電位VA〜VCが不定値となる。
However, in the latch-
図10は、ノード電位VA〜VCがそれぞれ不定値となる様子を示す図であり、上から順に、クロック信号CLK3、反転クロック信号CLK3B、DAC出力電圧DACOUT、基準電圧VCMOUT、ノード電位VA〜VC、並びに、正側プリ出力信号PREOUTP及び負側プリ出力信号PREOUTMが描写されている。 FIG. 10 is a diagram showing how node potentials VA to VC have undefined values, and from top to bottom, clock signal CLK3, inverted clock signal CLK3B, DAC output voltage DACOUT, reference voltage VCMOUT, node potentials VA to VC, And the positive side pre-output signal PREOUTP and the negative side pre-output signal PREOUTM are depicted.
本図中の破線枠α、β、γで示すように、クロック信号CLK3のハイレベル固定時には、ノード電位VA〜VCが不定値になるので、ラッチ型プリアンプ部310の動作が不安定となってしまう。以下では、このような課題を解決することのできる第2実施形態について詳述する。
As shown by the broken line frames α, β and γ in the figure, when the clock signal CLK3 is fixed at high level, the node potentials VA to VC become indeterminate values, so the operation of the latch
<ラッチ型プリアンプ部(第2実施形態)>
図11は、ラッチ型プリアンプ部310の第2実施形態を示す図である。本実施形態のラッチ型プリアンプ部310は、先の第1実施形態(図8)をベースとしつつ、さらに、NMOSFET316と、PMOSFET317及び318と、を含む。
<Latch Type Preamplifier Part (Second Embodiment)>
FIG. 11 is a view showing a second embodiment of the latch-
NMOSFET316のドレインは、NMOSFET313のドレインに接続されている。NMOSFET316のソースは、接地端に接続されている。NMOSFET316のゲートは、クロック信号CLK1の入力端に接続されている。従って、NMOSFET316は、CLK1=Hであるときにオンして、CLK1=Lであるときにオフする。すなわち、NMOSFET316は、逐次比較型ADC1のサンプリング期間(CLK1=H)において、NMOSFET313のドレインを固定電位(=GND)にするためのプルダウン素子として機能する。
The drain of the
PMOSFET317のソースは、電源端に接続されている。PMOSFET317のドレインは、NMOSFET311Dのドレインに接続されている。PMOSFET317のゲートは、反転クロック信号CLK1Bの入力端に接続されている。従って、PMOSFET317は、CLK1B=Lであるときにオンして、CLK1B=Hであるときにオフする。すなわち、PMOSFET317は、逐次比較型ADC1のサンプリング期間(CLK1B=L)において、NMOSFET311Dのドレインを固定電位(=AVDD)にするためのプルアップ素子として機能する。
The source of the
PMOSFET318のソースは、電源端に接続されている。PMOSFET318のドレインは、NMOSFET312Dのドレインに接続されている。PMOSFET318のゲートは、反転クロック信号CLK1Bの入力端に接続されている。従って、PMOSFET318は、CLK1B=Lであるときにオンして、CLK1B=Hであるときにオフする。すなわち、PMOSFET318は、逐次比較型ADC1のサンプリング期間(CLK1B=L)において、NMOSFET312Dのドレインを固定電位(=AVDD)にするためのプルアップ素子として機能する。
The source of the
図12は、ノード電位VA〜VCがそれぞれ固定値となる様子を示す図であり、上から順に、クロック信号CLK1、クロック信号CLK3、DAC出力電圧DACOUT、基準電圧VCMOUT、ノード電位VA〜VC、並びに、正側プリ出力信号PREOUTP及び負側プリ出力信号PREOUTMが描写されている。 FIG. 12 is a diagram showing how node potentials VA to VC become fixed values, and from the top, clock signal CLK1, clock signal CLK3, DAC output voltage DACOUT, reference voltage VCMOUT, node potentials VA to VC, and The positive side pre-output signal PREOUTP and the negative side pre-output signal PREOUTM are depicted.
本図中の破線枠α、β、γで示すように、逐次比較型ADC1のサンプリング期間(CLK1=H)には、クロック信号CLK3がハイレベルに固定されていても、ノード電位VA〜VCが固定値になる。従って、ラッチ型プリアンプ部310の動作を安定化することが可能となる。
In the sampling period (CLK1 = H) of
<その他の変形例>
なお、本明細書中に開示されている種々の技術的特徴は、上記実施形態のほか、その技術的創作の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。例えば、バイポーラトランジスタとMOS電界効果トランジスタとの相互置換や、各種信号の論理レベル反転は任意である。すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。
<Other Modifications>
In addition to the embodiments described above, various technical features disclosed in the present specification can be modified in various ways without departing from the scope of the technical creation. For example, mutual replacement of a bipolar transistor and a MOS field effect transistor or logic level inversion of various signals is optional. That is, the above embodiment should be considered as illustrative in all points and not restrictive, and the technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and the claims It should be understood that the scope and the meaning and meaning of the scope and all the modifications that fall within the scope are included.
本明細書中に開示されている発明は、例えば、逐次比較型ADCの一構成要素として用いられるラッチドコンパレータに利用することが可能である。 The invention disclosed herein can be used, for example, for a latched comparator used as one component of a successive approximation ADC.
1 逐次比較型ADC
100 CDAC
101P、101M キャパシタ
111P〜115P キャパシタ
111M〜115M キャパシタ
121P〜127M キャパシタ
121P〜127M キャパシタ
131P、131M キャパシタ
141〜145 セレクタ
151〜157 セレクタ
171P PMOSFET
171M NMOSFET
181P、181M スイッチ
200 基準電圧生成部
211 PMOSFET
212 NMOSFET
213、214 スイッチ
215、216 キャパシタ
300 ラッチドコンパレータ
310 ラッチ型プリアンプ部
311、312、313 NMOSFET
314、315 PMOSFET
316 NMOSFET(プルダウンMOSFET)
317、318 PMOSFET(プルアップMOSFET)
311D、312D、313D NMOSFET
314D、315D PMOSFET
320 キャリブレーション部
321、322 キャパシタ
330 ラッチ部
340 SRラッチ部
341、342 インバータ
343、344 NAND
400 レジスタ
500 ラッチ出力部
600 コントローラ
MS メイン差動段
DS ダミー差動段
1 Successive approximation ADC
100 CDAC
101P,
171M NMOSFET
181P,
212 NMOSFET
213, 214
314, 315 PMOSFET
316 NMOSFET (pull-down MOSFET)
317, 318 PMOSFET (pull-up MOSFET)
311D, 312D, 313D NMOSFET
314D, 315D PMOSFET
320
400
Claims (10)
前記正側プリ出力信号と前記負側プリ出力信号とを逐次比較することにより正側ラッチ出力信号及び負側ラッチ出力信号を生成するラッチ部と、
前記正側ラッチ出力信号と前記負側ラッチ出力信号に応じて比較出力信号のラッチ出力を行うSRラッチ部と、
を有し、
逐次比較型ADCに用いられるラッチドコンパレータであって、
前記ラッチ型プリアンプ部は、
前記DAC出力電圧と前記基準電圧の入力を受けて前記正側プリ出力信号及び前記負側プリ出力信号を出力するメイン差動段と、
前記DAC出力電圧と前記基準電圧の入力を受けて前記メイン差動段とは逆相で動作するダミー差動段と、
を含むことを特徴とするラッチドコンパレータ。 A latch-type preamplifier unit that generates a positive side pre-output signal and a negative side pre-output signal by sequentially amplifying the difference value between the DAC output voltage and the reference voltage;
A latch unit that generates a positive latch output signal and a negative latch output signal by sequentially comparing the positive pre-output signal and the negative pre-output signal;
An SR latch unit that latches and outputs a comparison output signal according to the positive latch output signal and the negative latch output signal;
Have
A latched comparator used in a successive approximation ADC,
The latch type preamplifier unit
A main differential stage that receives the DAC output voltage and the reference voltage and outputs the positive side pre-output signal and the negative side pre-output signal;
A dummy differential stage that receives the DAC output voltage and the reference voltage and operates in reverse phase to the main differential stage;
And a latched comparator.
ドレインが前記負側プリ出力信号の出力端に接続されてゲートが前記DAC出力電圧の入力端に接続された第1NMOSFETと、
ドレインが前記正側プリ出力信号の出力端に接続されてゲートが前記基準電圧の入力端に接続された第2NMOSFETと、
ドレインが前記第1NMOSFET及び前記第2NMOSFETそれぞれのソースに接続されてソースが接地端に接続されて第1フェイズにオフして第2フェイズにオンする第3NMSOFETと、
ソースが電源端に接続されてドレインが前記第1NMOSFETのドレインに接続されて前記第1フェイズにオンして前記第2フェイズにオフする第1PMOSFETと、
ソースが前記電源端に接続されてドレインが前記第2NMOSFETのドレインに接続されて前記第1フェイズにオンして前記第2フェイズにオフする第2PMOSFETと、
を含み、
前記ダミー差動段は、
ゲートが前記DAC出力電圧の入力端に接続された第4NMOSFETと、
ゲートが前記基準電圧の入力端に接続された第5NMOSFETと、
ドレインが前記第4NMOSFET及び前記第5NMOSFETそれぞれのソースに接続されてソースが前記接地端に接続されて前記第1フェイズにオンして前記第2フェイズにオフする第6NMSOFETと、
ソースが前記電源端に接続されてドレインが前記第4NMOSFETのドレインに接続されて前記第1フェイズにオフして前記第2フェイズにオンする第3PMOSFETと、
ソースが前記電源端に接続されてドレインが前記第5NMOSFETのドレインに接続されて前記第1フェイズにオフして前記第2フェイズにオンする第4PMOSFETと、
を含むことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のラッチドコンパレータ。 The main differential stage is
A first NMOSFET having a drain connected to the output of the negative side pre-output signal and a gate connected to the input of the DAC output voltage;
A second NMOSFET having a drain connected to the output end of the positive side pre-output signal and a gate connected to the input end of the reference voltage;
A third NMSOFET having a drain connected to a source of each of the first NMOSFET and the second NMOSFET, a source connected to a ground terminal, and turned off in a first phase and turned on in a second phase;
A first PMOSFET having a source connected to the power supply end and a drain connected to the drain of the first NMOSFET to be turned on in the first phase and turned off in the second phase;
A second PMOSFET having a source connected to the power supply terminal and a drain connected to the drain of the second NMOSFET to be turned on in the first phase and turned off in the second phase;
Including
The dummy differential stage is
A fourth NMOSFET having a gate connected to the input end of the DAC output voltage;
A fifth NMOSFET having a gate connected to the input end of the reference voltage;
A sixth NMSOFET having a drain connected to a source of each of the fourth NMOSFET and the fifth NMOSFET, a source connected to the ground terminal, and turned on in the first phase and turned off in the second phase;
A third PMOSFET having a source connected to the power supply terminal and a drain connected to the drain of the fourth NMOSFET to be turned off in the first phase and turned on in the second phase;
A fourth PMOSFET having a source connected to the power supply terminal and a drain connected to the drain of the fifth NMOSFET to be turned off in the first phase and turned on in the second phase;
The latched comparator according to claim 1 or claim 2, comprising
ドレインが前記第3NMOSFETのドレインに接続されてソースが前記接地端に接続されて前記逐次比較型ADCのサンプリング期間にオンする第7NMOSFETと、
ソースが前記電源端に接続されてドレインが前記第4NMOSFETのドレインに接続されて前記逐次比較型ADCのサンプリング期間にオンする第5PMOSFETと、
ソースが前記電源端に接続されてドレインが前記第5NMOSFETのドレインに接続されて前記逐次比較型ADCのサンプリング期間にオンする第6PMOSFETと、
を含むことを特徴とする請求項3に記載のラッチドコンパレータ。 The latch type preamplifier unit
A seventh NMOSFET having a drain connected to the drain of the third NMOSFET and a source connected to the ground terminal to turn on during a sampling period of the successive approximation ADC;
A fifth PMOSFET whose source is connected to the power supply terminal and whose drain is connected to the drain of the fourth NMOSFET to be turned on during the sampling period of the successive approximation ADC;
A sixth PMOSFET whose source is connected to the power supply terminal and whose drain is connected to the drain of the fifth NMOSFET and turned on during the sampling period of the successive approximation ADC;
The latched comparator according to claim 3, comprising:
所定の基準電圧を生成する基準電圧生成部と、
前記DAC出力電圧と前記基準電圧とを逐次比較して比較出力信号を生成する請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載のラッチドコンパレータと、
前記比較出力信号を格納するレジスタと、
前記レジスタに格納された複数ビット分の比較出力信号をデジタル出力信号として全ビット同時にパラレル出力するラッチ出力部と、
前記レジスタに格納された比較出力信号の帰還入力を受け付けて前記キャパシタアレイ型DACを制御するコントローラと、
を有することを特徴とする逐次比較型ADC。 A capacitor array DAC that generates a DAC output voltage for bit determination by sampling an analog input signal using a plurality of capacitors;
A reference voltage generation unit that generates a predetermined reference voltage;
The latched comparator according to any one of claims 1 to 6, wherein a comparison output signal is generated by sequentially comparing the DAC output voltage and the reference voltage.
A register for storing the comparison output signal;
A latch output unit for parallelly outputting all bits simultaneously as a digital output signal of comparison output signals for a plurality of bits stored in the register;
A controller that receives the feedback input of the comparison output signal stored in the register and controls the capacitor array DAC;
Successive approximation ADC characterized by having.
正側結合キャパシタ及び負側結合キャパシタと;
第1端が前記正側結合キャパシタの第1端に接続された第1正側キャパシタ群と;
第1端が前記負側結合キャパシタの第1端に接続された第1負側キャパシタ群と;
第1端が前記正側結合キャパシタの第2端に接続された第2正側キャパシタ群と;
第1端が前記負側結合キャパシタの第2端に接続された第2負側キャパシタ群と;
前記第1正側キャパシタ群及び前記第1負側キャパシタ群それぞれの第2端を前記アナログ入力信号の入力端、電源端、及び、接地端のいずれかに接続する第1セレクタ群と;
前記第2正側キャパシタ群及び前記第2負側キャパシタ群それぞれの第2端を前記アナログ入力信号の入力端、電源端、及び、接地端のいずれかに接続する第2セレクタ群と;
前記正側結合キャパシタの第2端と前記電源端との間に接続されたPMOSFETと;
前記負側結合キャパシタの第2端と前記接地端との間に接続されたNMOSFETと;
前記正側結合キャパシタの第2端と前記DAC出力電圧の出力端との間に接続された正側スイッチと;
前記負側結合キャパシタの第2端と前記DAC出力電圧の出力端との間に接続された負側スイッチと;
を含むことを特徴とする請求項7に記載の逐次比較型ADC。 The capacitor array DAC is
Positive coupling capacitor and negative coupling capacitor;
A first positive capacitor group whose first end is connected to the first end of the positive coupling capacitor;
A first negative capacitor group whose first end is connected to the first end of the negative coupling capacitor;
A second positive capacitor group whose first end is connected to the second end of the positive coupling capacitor;
A second negative capacitor group whose first end is connected to the second end of the negative coupling capacitor;
A first selector group connecting a second end of each of the first positive side capacitor group and the first negative side capacitor group to any one of the input end of the analog input signal, the power supply end, and the ground end;
A second selector group in which the second end of each of the second positive capacitor group and the second negative capacitor group is connected to any one of the input end of the analog input signal, the power supply end, and the ground end;
A PMOSFET connected between the second end of the positive coupling capacitor and the power supply end;
An NMOSFET connected between the second end of the negative coupling capacitor and the ground end;
A positive switch connected between the second end of the positive coupling capacitor and the output of the DAC output voltage;
A negative switch connected between the second end of the negative coupling capacitor and the output of the DAC output voltage;
The successive approximation ADC according to claim 7, characterized in that
ソースが前記電源端に接続されたPMOSFETと、
ソースが前記接地端に接続されたNMOSFETと、
第1端が前記PMOSFETのドレインに接続されて第2端が前記基準電圧の出力端に接続された第1スイッチと、
第1端が前記NMOSFETのドレインに接続されて第2端が前記基準電圧の出力端に接続された第2スイッチと、
第1端が前記PMOSFETのドレインに接続されて第2端が前記接地端に接続された第1キャパシタと、
第1端が前記NMOSFETのドレインに接続されて第2端が前記接地端に接続された第2キャパシタと、
を含むことを特徴とする請求項8または請求項9に記載の逐次比較型ADC。 The reference voltage generation unit
A PMOSFET whose source is connected to the power supply terminal,
An NMOSFET whose source is connected to the ground terminal,
A first switch having a first end connected to the drain of the PMOSFET and a second end connected to the output end of the reference voltage;
A second switch having a first end connected to the drain of the NMOSFET and a second end connected to the output end of the reference voltage;
A first capacitor having a first end connected to the drain of the PMOSFET and a second end connected to the ground end;
A second capacitor having a first end connected to the drain of the NMOSFET and a second end connected to the ground end;
The successive approximation ADC according to claim 8 or 9, characterized in that
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