JP2007243656A - A/d converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、A/D変換器(アナログ・デジタル変換器)に関し、特にインバーターチョッパ電圧比較器を用いた高速A/D変換器に関する。 The present invention relates to an A / D converter (analog / digital converter), and more particularly to a high-speed A / D converter using an inverter chopper voltage comparator.
高速度で動作可能な電圧比較器が高速A/D変換器に用いられている。この種の比較器として、CMOSトランジスタで構成されているインバーターチョッパ電圧比較器があり、CMOSトランジスタの超LSIプロセスで実現されているモノシリックA/D変換器等に頻繁に利用されている。 A voltage comparator capable of operating at a high speed is used in a high-speed A / D converter. As this type of comparator, there is an inverter chopper voltage comparator composed of a CMOS transistor, which is frequently used for a monolithic A / D converter realized by a VLSI LSI of a CMOS transistor.
図9にCMOSトランジスタで構成されているインバーターチョッパ電圧比較器の構成例を示す。図9において、10がインバーターチョッパ電圧比較器の基本構成である。ここで、第1のスイッチSW1の一方の端子にはアナログ入力信号4が印加され、他方の端子は結合容量Cに接続されている。第2のスイッチSW2の一方の端子は基準電圧2,3を分圧して参照電圧を生成する基準抵抗列1に接続され、他方の端子は結合容量Cの第1のスイッチSW1が接続されている端子に接続されている。第1、第2のスイッチSW1,SW2が接続されていない方の結合容量Cの端子は、インバーター5の入力に接続されている。キャリブレーションスイッチSWCの一方の端子はインバーター5の入力端子に接続され、他方の端子は該インバーターの出力端子に接続されている。インバーター5とキャリブレーションスイッチSWCとで反転増幅器を形成している。
FIG. 9 shows a configuration example of an inverter chopper voltage comparator composed of CMOS transistors. In FIG. 9, 10 is a basic configuration of an inverter chopper voltage comparator. Here, the analog input signal 4 is applied to one terminal of the first switch SW1, and the other terminal is connected to the coupling capacitor C. One terminal of the second switch SW2 is connected to the
次に、動作について説明する。図10は3つのスイッチSW1、SW2、SWCのタイミングチャートとその状態を示している。サンプルホールド期間ではSW1とSWCがONつまり導通状態となる。このとき、アナログ入力信号4が結合容量Cに印加され、この結合容量Cの一方の端子はアナログ電圧Vinとなる。結合容量Cの他方の端子は、インバーター5の入力端子の電圧値となるが、インバーター5の入出力特性が図11で示す特性のとき、キャリブレーションスイッチSWCがONしていることからインバーター5の入力端子と出力端子の電圧値は該インバーターの入出力特性と入力電圧と出力電圧が等しくなる直線との交点Aの電圧値Va(以後キャリブレーション電圧と呼ぶ)となる。これにより、アナログ電圧値Vinと前記キャリブレーション電圧Vaの電圧差(Vin−Va)が結合容量Cに保持される。該結合容量Cに保持された電荷Qは平行平板コンデンサの蓄積電荷と端子電圧差との関係Q=CVを用いると、
Q=C(Vin−Va) (1)
となる。
Next, the operation will be described. FIG. 10 shows timing charts and states of the three switches SW1, SW2, and SWC. In the sample hold period, SW1 and SWC are turned on, that is, in a conductive state. At this time, the analog input signal 4 is applied to the coupling capacitor C, and one terminal of the coupling capacitor C becomes the analog voltage Vin. The other terminal of the coupling capacitor C becomes the voltage value of the input terminal of the inverter 5, but when the input / output characteristic of the inverter 5 is the characteristic shown in FIG. 11, the calibration switch SWC is ON, so that the inverter 5 The voltage value of the input terminal and the output terminal is a voltage value Va (hereinafter referred to as a calibration voltage) at an intersection A between the input / output characteristics of the inverter and a straight line where the input voltage and the output voltage are equal. As a result, the voltage difference (Vin−Va) between the analog voltage value Vin and the calibration voltage Va is held in the coupling capacitor C. The charge Q held in the coupling capacitor C is obtained by using the relation Q = CV between the accumulated charge of the parallel plate capacitor and the terminal voltage difference.
Q = C (Vin-Va) (1)
It becomes.
次の比較期間で、第1のスイッチSW1とキャリブレーションスイッチSWCがOFFし、第2のスイッチSW2がONすると、インバーター5の入力端子の電圧Vbと基準抵抗列1の参照電圧Vrefとの電位差(Vref−Vb)が結合容量Cの両端子間にかかる。インバーター5の入力端子はMOSトランジスタのゲートであるため入力インピーダンスは非常に高く電流の流入は無視することができるとすると、該インバーター5の入力端子の電荷はサンプルホールド期間から保持されるので、
Q=C(Vref−Vb) (2)
が成り立つ。式(1)と(2)から
Vb=Vref−Vin+Va (3)
のようになる。従って、インバーター5の入力端子は図12に示すように、キャリブレーション電圧Vaから(Vref−Vin)だけ変動する。インバーター5の電圧利得をG(G>1)とすると、該インバーター5の出力電圧の変化量ΔVoは
ΔVo=−G(Vref−Vin) (4)
となる。
In the next comparison period, when the first switch SW1 and the calibration switch SWC are turned OFF and the second switch SW2 is turned ON, the potential difference between the voltage Vb of the input terminal of the inverter 5 and the reference voltage Vref of the reference resistor string 1 ( Vref−Vb) is applied between both terminals of the coupling capacitor C. Since the input terminal of the inverter 5 is the gate of a MOS transistor, the input impedance is very high and the inflow of current can be ignored. Since the charge at the input terminal of the inverter 5 is held from the sample hold period,
Q = C (Vref−Vb) (2)
Holds. From the formulas (1) and (2), Vb = Vref−Vin + Va (3)
become that way. Therefore, the input terminal of the inverter 5 varies from the calibration voltage Va by (Vref−Vin) as shown in FIG. When the voltage gain of the inverter 5 is G (G> 1), the change amount ΔVo of the output voltage of the inverter 5 is ΔVo = −G (Vref−Vin) (4)
It becomes.
以上に示した原理で、インバーターチョッパ電圧比較器10はアナログ入力信号と参照電圧を比較する。
Based on the principle described above, the inverter
次に、上述したインバーターチョッパ電圧比較器を用いたA/D変換器について説明する。図13に2ビット並列型A/D変換器の構成例を示す。図13において、参照電圧V1,V2,V3は第1の基準電圧2と第2の基準電圧3との間に接続された抵抗列1によって分圧され生成される。生成された参照電圧V1,V2,V3はそれぞれ3個の電圧比較器101,102,103の一方の入力端子に印加されている。電圧比較器101,102,103のもう一方の入力端子にはアナログ入力信号4が印加されている。さらに、電圧比較器101,102,103の出力は論理回路(エンコーダ)6に入力され、論理回路6からの出力がA/D変換器出力7となる。
Next, an A / D converter using the above-described inverter chopper voltage comparator will be described. FIG. 13 shows a configuration example of a 2-bit parallel A / D converter. In FIG. 13, the reference voltages V1, V2, and V3 are divided and generated by the
次に動作について説明する。比較器101,102,103は、入力アナログ信号の電圧値Vinが参照電圧より小のちき“1”を、大のとき“0”を出力するとする。図14に入力アナログ信号に対する比較器101,102,103と論理回路6の真理値表を示す。サンプリングされたアナログ入力信号4の電圧値Vinは各々の電圧比較器101,102,103によって参照電圧V1,V2,V2とそれぞれ比較される。例として、アナログ入力信号4の電圧値VinがV2より大きくV3より小さい電圧であるとする。このときV3が参照電圧として入力される電圧比較器103では、参照電圧V3よりもアナログ入力信号の方が小さいと判断して“1”レベルを出力する。一方、V2、V1が参照電圧として入力される電圧比較器102,101では参照電圧よりもアナログ入力信号が大きいと判断して、“0”レベルを出力する。従って、電圧比較器列103,102,101からは“100”が出力される。この出力値を論理回路6に入力して変換すると、“10”のA/D変換出力が得られる。
Next, the operation will be described. The
なお、インバーターチョッパ電圧比較器を用いたA/D変換器については、例えば特許文献1に記載されている。この特許文献1では、特にノイズ耐性が向上するA/D変換機の構成例について開示している。
An A / D converter using an inverter chopper voltage comparator is described in
図9に示したインバーターチョッパ電圧比較器10中のスイッチはNMOSスイッチ、PMOSスイッチ、CMOSスイッチ等のいずれかで構成される。これらのスイッチはトランジスタのゲートにクロック信号を印加することでトランジスタの導通と非導通を実現する。導通、非導通を制御する信号であるクロック信号がONからOFFのように遷移すると、MOSトランジスタのゲート・ドレインまたはゲート・ソース間容量を通してドレインまたはソースに電荷が注入される。これをフィードスルーと呼ぶ。このフィードスルーにより、インバーターチョッパ電圧比較器10は原理的にサンプルホールド電圧に誤差が発生する。このフィードスルーに起因した注入電荷量はMOSトランジスタのドレインまたはソースの電圧値や、トランジスタのデバイスパラメーターに依存する。また、このようなインバーターチョッパ電圧比較器が複数存在するA/D変換器では、各電圧比較器内のインバーターのデバイスパラメーターのばらつきによるトランジスタの相互コンダクタンスばらつきによって結合容量への充放電の次定数がばらつき、その結果、結合容量に保持される電圧に誤差が発生してしまう。
The switch in the inverter
図9において、キャリブレーションスイッチSWCがOFFになると、フィードスルーによる電荷Qcが容量Cに注入される。この電荷Qcは大きさ、正負は前記デバイスパラメーターによって決まり、各電圧比較器間で差がでない。 In FIG. 9, when the calibration switch SWC is turned off, the charge Qc due to feedthrough is injected into the capacitor C. This charge Qc is determined by the magnitude and the sign is determined by the device parameters, and there is no difference between the voltage comparators.
入力電圧Vinよりもインバーターの入力端子電圧Vaの方が大きいとき、
(Va−Vin)+Qc=Vref−Vb (5)
Vb=Vref−Vin+Va+Qc/C (6)
逆に、入力端子電圧Vaよりもインバーターの入力電圧Vinの方が大きいとき、
(Vin−Va)+Qc=Vb−Vref (7)
Vb=Vref−Vin+Va−Qc/C (8)
以上から、VinとVaの大小関係によって、インバーターの入力端子電圧Vbに加わるオフセット電圧に正負の差がでる。つまり、参照電圧がVaよりも小さい電圧比較器のオフセットと参照電圧がVaよりも大きい電圧比較器のオフセットは大きさが同じで反対極性となる(図15参照)。従って、フィードスルーによって発生するオフセット電圧はVa付近で不連続になることがわかる。これを図16のA/D変換器の入出力特性に示す。図16は3ビット並列型A/D変換器の入出力特性示したもので、図16中、点線は理想的なA/D変換器の入出力特性を示し、実線はフィードスルーによって非線形誤差が発生したA/D変換器の入出力特性を示す。フィードスルーによって非線形誤差が発生したA/D変換器ではVaを境界にして入出力特性が不連続になる。フィードスルーによるオフセット電圧の絶対値は各電圧比較器間で不変なので、Vaより小さい参照電圧が入力される電圧比較器群(又はVaよりも大きい参照電圧が入力される電圧比較器群)ではオフセット電圧が一定となり、微分非直線性誤差には影響はない。従ってVaを横切るときにだけ微分非直線性誤差が大きくなる。
When the input terminal voltage Va of the inverter is larger than the input voltage Vin,
(Va-Vin) + Qc = Vref-Vb (5)
Vb = Vref−Vin + Va + Qc / C (6)
Conversely, when the input voltage Vin of the inverter is larger than the input terminal voltage Va,
(Vin−Va) + Qc = Vb−Vref (7)
Vb = Vref−Vin + Va−Qc / C (8)
From the above, depending on the magnitude relationship between Vin and Va, there is a positive / negative difference in the offset voltage applied to the input terminal voltage Vb of the inverter. That is, the offset of the voltage comparator whose reference voltage is smaller than Va and the offset of the voltage comparator whose reference voltage is larger than Va have the same magnitude and opposite polarities (see FIG. 15). Therefore, it can be seen that the offset voltage generated by the feedthrough is discontinuous near Va. This is shown in the input / output characteristics of the A / D converter of FIG. FIG. 16 shows the input / output characteristics of the 3-bit parallel A / D converter. In FIG. 16, the dotted line shows the ideal input / output characteristics of the A / D converter, and the solid line shows the nonlinear error due to feedthrough. The input / output characteristics of the generated A / D converter are shown. In an A / D converter in which a nonlinear error has occurred due to feedthrough, the input / output characteristics become discontinuous with Va as a boundary. Since the absolute value of the offset voltage due to feedthrough does not change between the voltage comparators, it is offset in a voltage comparator group to which a reference voltage smaller than Va is inputted (or a voltage comparator group to which a reference voltage larger than Va is inputted). The voltage is constant and there is no effect on the differential nonlinearity error. Therefore, the differential nonlinearity error increases only when crossing Va.
上記のように、複数のインバーターチョッパ型電圧比較器列を用いたA/D変換器では、入力アナログ信号のダイナミックレンジ内にVaが存在するとVaを横切る電圧比較器に異なるオフセット電圧が加わり原理的に微分非直線性誤差が劣化することがわかる。 As described above, in an A / D converter using a plurality of inverter chopper type voltage comparator arrays, when Va exists in the dynamic range of the input analog signal, a different offset voltage is added to the voltage comparator across Va, and the principle is obtained. It can be seen that the differential nonlinearity error deteriorates.
本発明の目的は、複数のインバーターチョッパ型電圧比較器を用いたA/D変換器において、キャリブレーションスイッチのフィールドスルーによるオフセット電圧の発生を抑えて微分非直線性誤差のばらつきを抑制し、高精度なA/D変換器を提供することにある。 An object of the present invention is to suppress the variation of differential nonlinearity errors in an A / D converter using a plurality of inverter chopper type voltage comparators by suppressing the occurrence of an offset voltage due to field through of a calibration switch. An object is to provide an accurate A / D converter.
本発明では、複数のインバーターチョッパ型電圧比較器を用いたA/D変換器において、電圧比較器で原理的に発生するオフセットな電圧を抑制するために、意図的にキャリブレーション電圧Vaと入力アナログ信号電圧のダイナミックレンジをずらすようにする。 In the present invention, in the A / D converter using a plurality of inverter chopper type voltage comparators, the calibration voltage Va and the input analog are intentionally controlled in order to suppress the offset voltage generated in principle in the voltage comparator. Try to shift the dynamic range of the signal voltage.
請求項1では、複数の参照電圧を発生させる参照電圧発生手段と、前記複数の参照電圧の各々と入力アナログ信号の電圧とを比較する複数の電圧比較器とを備え、前記複数の電圧比較器の各々は、入力スイッチと、インバーターと、前記入力スイッチと前記インバーターの間に接続された結合容量と、前記インバーターの入力端子と出力端子の間に接続されたキャリブレーションスイッチとを有し、前記入力スイッチが、前記入力アナログ信号と前記参照電圧とを順次切り換えて前記結合容量に与え、前記キャリブレーションスイッチは、前記入力アナログ信号が前記結合容量に与えられる期間でオンとし、前記参照電圧が前記結合容量に与えられる期間でオフとするインバーターチョッパ電圧比較器で構成されたA/D変換器において、前記インバーターはNチャネルトランジスタとPチャネルトランジスタで構成され、前記キャリブレーションスイッチがオン状態のときの該インバーターの入力端子と出力端子の電圧が前記アナログ入力信号電圧の範囲および前記参照電圧発生手段から発生される参照電圧の範囲に含まれないことを特徴とするA/D変換器を提案する。 According to another aspect of the present invention, the voltage comparator includes a reference voltage generation unit that generates a plurality of reference voltages, and a plurality of voltage comparators that compare each of the plurality of reference voltages with a voltage of an input analog signal. Each of which has an input switch, an inverter, a coupling capacitor connected between the input switch and the inverter, and a calibration switch connected between an input terminal and an output terminal of the inverter, An input switch sequentially switches the input analog signal and the reference voltage to be applied to the coupling capacitor, the calibration switch is turned on during a period in which the input analog signal is applied to the coupling capacitor, and the reference voltage is In an A / D converter composed of an inverter chopper voltage comparator that is turned off during the period given to the coupling capacitance, The inverter is composed of an N-channel transistor and a P-channel transistor, and when the calibration switch is on, the voltage at the input terminal and the output terminal of the inverter is generated from the range of the analog input signal voltage and the reference voltage generating means. The present invention proposes an A / D converter that is not included in the reference voltage range.
請求項2では、請求項1記載のA/D変換器において、前記キャリブレーションスイッチがオン状態のときの前記インバーターの入力端子と出力端子の電圧が前記アナログ入力信号電圧の範囲および前記参照電圧発生手段から発生される参照電圧の範囲に含まれないようにする手段として、前記インバーターを構成するNチャネルトランジスタとPチャネルトランジスタにおいて、Nチャネルトランジスタのチャネル幅がPMOSトランジスタのチャネル幅よりも大きいインバーターを少なくとも一つ有することを特徴とするA/D変換器を提案する。
2. The A / D converter according to
請求項3では、請求項1記載のA/D変換器において、前記キャリブレーションスイッチがオン状態のときの前記インバーターの入力端子と出力端子の電圧が前記アナログ入力信号電圧の範囲および前記参照電圧発生手段から発生される参照電圧の範囲に含まれないようにする手段として、前記インバーターを構成するNチャネルトランジスタとPチャネルトランジスタの各々のトランジスタの基板端子に直流電圧を与えることを特徴とするA/D変換器を提案する。
3. The A / D converter according to
請求項4では、請求項3記載のA/D変換器において、前記複数の電圧比較器内のインバーターを構成するNチャネルトランジスタとPチャネルトランジスタの各々のトランジスタの基板端子に直流電圧を与える手段として、前記キャリブレーションスイッチがオン状態のときの前記インバーターの入力端子と出力端子の電圧が複数の電圧比較器間で常に等しくなるように前記インバーターを構成するNチャネルトランジスタとPチャネルトランジスタの各々のトランジスタの基板端子に各々直流電圧を与えることを特徴とするA/D変換器を提案する。 According to a fourth aspect of the present invention, in the A / D converter according to the third aspect, as means for applying a DC voltage to a substrate terminal of each of the N-channel transistor and the P-channel transistor constituting the inverter in the plurality of voltage comparators. Each of the N-channel transistor and the P-channel transistor constituting the inverter so that the voltage of the input terminal and the output terminal of the inverter is always equal among the plurality of voltage comparators when the calibration switch is on. An A / D converter is proposed in which a DC voltage is applied to each substrate terminal.
請求項5では、請求項3記載のA/D変換器において、前記複数の電圧比較器内のインバーターを構成するNチャネルトランジスタとPチャネルトランジスタの各々のトランジスタの基板端子に直流電圧を与える手段として、前記キャリブレーションスイッチが閉状態のときの前記インバーターの入力端子と出力端子の電圧と、前記電圧比較器に入力される参照電圧の差が複数の電圧比較器間で一定になるように前記インバーターを構成するNチャネルトランジスタとPチャネルトランジスタの各々のトランジスタの基板端子に各々直流電圧を与えることを特徴としたA/D変換器を提案する。 According to a fifth aspect of the present invention, in the A / D converter according to the third aspect, as means for applying a DC voltage to a substrate terminal of each of the N-channel transistor and the P-channel transistor constituting the inverter in the plurality of voltage comparators. The inverter is configured such that a difference between a voltage of the input terminal and the output terminal of the inverter when the calibration switch is in a closed state and a reference voltage input to the voltage comparator is constant among a plurality of voltage comparators. The A / D converter is characterized in that a DC voltage is applied to the substrate terminal of each of the N-channel transistor and the P-channel transistor that constitute the transistor.
本発明によれば、CMOSトランジスタ等で構成されるインバーターチョッパ電圧比較器を使用するA/D変換器において、インバーターの入力端子と出力端子の間に介在するキャリブレーションスイッチのフィールドスルーによるオフセット電圧の発生を避け、微分非直線性誤差のばらつきを抑制した高精度の高速A/D変換器を実現できる。 According to the present invention, in an A / D converter using an inverter chopper voltage comparator composed of a CMOS transistor or the like, an offset voltage due to a field-through of a calibration switch interposed between an input terminal and an output terminal of the inverter. It is possible to realize a high-precision high-speed A / D converter that avoids occurrence and suppresses variation in differential nonlinearity errors.
以下に、本発明にかかるA/D変換器の具体的実施例について詳述する。
[実施例1]
図1は本発明の第1の実施例に係る3ビットA/D変換器の構成図である。図1において、基準抵抗列1の両端には第1,第2の基準電圧2,3が印加される。基準抵抗列1は7個の端子から参照電圧V1〜V7が取り出され、各々の端子間の電圧差は等しくなっている。7個のインバーターチョッパ電圧比較器からなる電圧比較器101〜107の出力は論理回路(エンコーダ)6に入力される。この論理回路6の出力がA/D変換出力7となる。このA/D変換器の全体的動作は、先の図12の場合と基本的に同じであるので説明は省略する。図2に入力アナログ信号に対する電圧比較器101〜107と論理回路6の真理値表を示す。
Specific examples of the A / D converter according to the present invention will be described in detail below.
[Example 1]
FIG. 1 is a block diagram of a 3-bit A / D converter according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, first and
図1中、各電圧比較器の構成は次のとおりである。第1のスイッチSW1の一方にアナログ入力信号が印加され、他方の端子は結合容量Cに接続されている。第2のスイッチSW2の一方の端子は基準抵抗列1に接続され、他方の端子は結合容量Cの第1のSW1が接続されている端子に接続されている。結合容量Cの端子の第1および第2のスイッチが接続されていない端子はインバーター5の入力端子に接続されている。キャリブレーションスイッチSWCの一方の端子はインバーター5の入力端子に、他方の端子は該インバーター5の出力端子に接続されている。
In FIG. 1, the configuration of each voltage comparator is as follows. An analog input signal is applied to one of the first switches SW1, and the other terminal is connected to the coupling capacitor C. One terminal of the second switch SW2 is connected to the
本実施例のインバーターの構成と電気的特性を図3に示す。図3(a)はPチャネルMOSFET(PMOS)とNチャネルMOSFET(NMOS)からなるCMOSインバーターの構成例を示している。CMOSインバーターはPMOSのソース、基板3を電源電圧Vddに、NMOSのソース、基板をVssに接続し、両方のMOSFET(NMOS)のゲート端子が入力、ドレイン端子が出力となる。一般的なCMOSインバーターの閾値電圧(出力が反転する入力電圧)はVdd*0.5になるように、PMOSのチャネル幅がNMOSのチャネル幅の3倍程度になっている。これはPMOSのキャリアであるホールの移動度がNMOSのキャリアである電子の移動度より小さいためである。
The configuration and electrical characteristics of the inverter of this example are shown in FIG. FIG. 3A shows a configuration example of a CMOS inverter composed of a P-channel MOSFET (PMOS) and an N-channel MOSFET (NMOS). The CMOS inverter connects the PMOS source, the
図3(b)の電気的特性の(イ)が一般的なCMOSインバーターの入出力特性となる。本実施例で用いるCMOSインバーターの入出力特性を、図3(b)の電気的特性の(ロ)に示す。この(ロ)に示した入出力特性を得るために、本実施例ではNMOSのチャネル幅をPMOSのチャネル幅の2〜3倍程度に増大させている。この結果、キャリブレーションスイッチSWCが閉状態での電圧Vaを所望の電圧に制御することができる。さらにこの状態で入力アナログ信号のダイナミックレンジを図4のように設定することで、入力アナログ信号のダイナミックレンジにキャリブレーション電圧Vaが含まれることを避けることができる。ダイナミックレンジ中にキャリブレーション電圧Vaが含まれないので、キャリブレーションスイッチSWCによるフィードスルー電荷の注入によるオフセットが電圧比較器間で異ならず、一定で等しい符号をもつようになる。この結果、この電圧比較器を用いた図1のA/D変換器は微分非直線性のばらつきを抑えることができる。 The electrical characteristic (A) in FIG. 3B is the input / output characteristic of a general CMOS inverter. The input / output characteristics of the CMOS inverter used in this example are shown in (b) of the electrical characteristics in FIG. In order to obtain the input / output characteristics shown in (b), in this embodiment, the channel width of the NMOS is increased to about 2 to 3 times the channel width of the PMOS. As a result, the voltage Va when the calibration switch SWC is closed can be controlled to a desired voltage. Furthermore, by setting the dynamic range of the input analog signal as shown in FIG. 4 in this state, it is possible to avoid the calibration voltage Va being included in the dynamic range of the input analog signal. Since the calibration voltage Va is not included in the dynamic range, the offset due to the injection of the feedthrough charge by the calibration switch SWC does not differ between the voltage comparators, and has a constant and equal sign. As a result, the A / D converter of FIG. 1 using this voltage comparator can suppress variation in differential nonlinearity.
図17に第1の実施例の微分非直線性誤差のシミュレーション結果を示す。縦軸は微分非直線性誤差、横軸は入力電圧をダイナミックレンジの中心電圧で規格化した値を示す。図中、1は入力アナログ信号のダイナミックレンジ内にキャリブレーション電圧Vaが含まれている場合、2は第1の実施例を用いて入力アナログ信号のダイナミックレンジの下限よりキャリブレーション電圧を下げた場合である。本実施例を用いることで微分非直線性誤差が抑制されていることが確認できる。 FIG. 17 shows the simulation result of the differential nonlinearity error of the first example. The vertical axis represents the differential nonlinearity error, and the horizontal axis represents the value obtained by normalizing the input voltage with the center voltage of the dynamic range. In the figure, 1 is the case where the calibration voltage Va is included in the dynamic range of the input analog signal, 2 is the case where the calibration voltage is lowered below the lower limit of the dynamic range of the input analog signal using the first embodiment. It is. It can be confirmed that the differential nonlinearity error is suppressed by using this embodiment.
[実施例2]
図5は第2の実施例に係る3ビットA/D変換器の構成図である。図5において、基準抵抗列1の両端には第1,第2の基準電圧2,3が印加される。基準抵抗列は7個の端子から参照電圧V1〜V7が取り出され、各々の端子間の電圧差は等しくなっている。7個のインバーターチョッパ電圧比較器からなる電圧比較器101〜107の出力は論理回路(エンコーダ)6に入力される。この論理回路6の出力がA/D変換出力7となる。このA/D変換器の全体的な動作は、先の図12の場合と基本的に同じであり、入力アナログ信号4に対する電圧比較器101〜107と論理回路6の真理値表は図2の通りである。
[Example 2]
FIG. 5 is a block diagram of a 3-bit A / D converter according to the second embodiment. In FIG. 5, first and
図5中、各電圧比較器101〜107の構成は次のとおりである。第1のスイッチSW1の一方にアナログ入力信号4が印加され、他方の端子は結合容量Cに接続されている。第2のスイッチSW2の一方の端子は基準抵抗列1に接続され、他方の端子は結合容量Cの第1のSW1が接続されている端子に接続されている。結合容量Cの端子の第1および第2のスイッチが接続されていない端子はインバーターの入力端子に接続されている。キャリブレーションスイッチSWCの一方の端子はインバーター5の入力端子に、他方の端子は該インバーター5の出力端子に接続されている。本実施例では、インバーター5にインバーターのキャリブレーション電圧Vaを制御するための基板端子電圧制御用直流電圧8が入力されている。
In FIG. 5, the configuration of each of the
本実施例のインバーター5の構成と電気的特性を図6に示す。図6(a)はPチャネルMOSFET(PMOS)とNチャネルMOSFET(NMOS)からなるCMOSインバーターの構成例を示している。CMOSインバーターはPMOSのソース、基板を電源電圧Vddに、NMOSのソースをVssに接続し、さらに基板にVsubの基板端子電圧制御用直流電圧8を印加している。両方のMOSFET(NMOS)のゲート端子が入力、ドレイン端子が出力となる。基板に直流電圧を印加することにより、NMOSの閾値電圧を制御することができる。このいわゆる基板バイアス効果を利用して、NMOSとPMOSの電流駆動力に差を発生させ、先の図3(b)の(ロ)のような電気的特性をもつCMOSインバーターを実現できる。 The configuration and electrical characteristics of the inverter 5 of this embodiment are shown in FIG. FIG. 6A shows a configuration example of a CMOS inverter composed of a P-channel MOSFET (PMOS) and an N-channel MOSFET (NMOS). In the CMOS inverter, a PMOS source, a substrate are connected to a power supply voltage Vdd, an NMOS source is connected to Vss, and a substrate terminal voltage control DC voltage 8 of Vsub is applied to the substrate. The gate terminals of both MOSFETs (NMOS) are input and the drain terminal is output. The NMOS threshold voltage can be controlled by applying a DC voltage to the substrate. By utilizing this so-called substrate bias effect, a difference is generated in the current driving force between NMOS and PMOS, and a CMOS inverter having electrical characteristics as shown in (b) of FIG.
図6(b)の電気的特性の(イ)が一般的なCMOSインバーターの入出力特性となる。本実施例で用いるCMOSインバーターの入出力特性は図6(b)の電気的特性の(ロ)となる。この結果、キャリブレーションスイッチSWCが閉状態でのキャリブレーション電圧Vaを所望の電圧に制御することができる。さらにこの状態で入力アナログ信号のダイナミックレンジを第1の実施例と同様に図4のように設定することで、入力アナログ信号のダイナミックレンジにキャリブレーション電圧Vaが含まれることを避けることができる。ダイナミックレンジ中にキャリブレーション電圧Vaが含まれないので、キャリブレーションスイッチSWCのフィードスルー電荷の注入によるオフセットが電圧比較器間で異ならず、一定で等しい符号をもつようになる。従って、この電圧比較器を用いた図5のA/D変換器は微分非直線性のばらつきを抑えることができる。 The electrical characteristics (A) in FIG. 6B are the input / output characteristics of a general CMOS inverter. The input / output characteristics of the CMOS inverter used in this embodiment are (b) of the electrical characteristics shown in FIG. As a result, the calibration voltage Va when the calibration switch SWC is closed can be controlled to a desired voltage. Further, in this state, the dynamic range of the input analog signal is set as shown in FIG. 4 as in the first embodiment, so that the calibration voltage Va can be avoided from being included in the dynamic range of the input analog signal. Since the calibration voltage Va is not included in the dynamic range, the offset due to the injection of the feedthrough charge of the calibration switch SWC does not differ between the voltage comparators, and has a constant and equal sign. Therefore, the A / D converter of FIG. 5 using this voltage comparator can suppress variation in differential nonlinearity.
[実施例3]
図7は第3の実施例に係る3ビットA/D変換器の構成図である。図7において、基準抵抗列1の両端には第1,第2の基準電圧2,3が印加される。基準抵抗列1は7個の端子から参照電圧V1〜V7が取り出され、各々の端子間の電圧差は等しくなっている。7個のインバーターチョッパ電圧比較器からなる電圧比較器101〜107の出力は論理回路(エンコーダ)6に入力される。この論理回路6が出力はA/D変換出力7となる。このA/D変換器の全体的な動作は、先の図12の場合と基本的に同じであり、入力アナログ信号4に対する電圧比較器101〜107と論理回路6の真理値表は図2の通りである。
[Example 3]
FIG. 7 is a block diagram of a 3-bit A / D converter according to the third embodiment. In FIG. 7, first and
図7中、各電圧比較器101〜107の構成は次のとおりである。第1のスイッチSW1の一方にアナログ入力信号4が印加され、他方の端子は結合容量Cに接続されている。第2のスイッチSW2の一方の端子は基準抵抗列1に接続され、他方の端子は結合容量Cの第1のSW1が接続されている端子に接続されている。結合容量の端子の第1および第2のスイッチSW1、SW2が接続されていない端子はインバーター5の入力端子に接続されている。キャリブレーションスイッチSWCの一方の端子はインバーター5の入力端子に、他方の端子は該インバーター5の出力端子に接続されている。本実施例では、基板端子電圧制御用として電圧制御部9を有する。該電圧制御部9は、各電圧比較器101〜107の出力と論理回路6からの出力のデータを入力して、各電圧比較器内のインバーターが所望の電気的特性となるように、各インバーターのPMOSおよびNMOSの基板端子電圧制御用直流電圧8をダイナミックに出力する。
In FIG. 7, the configuration of each of the
本実施例のインバーター5の構成と電気的特性を図8に示す。図8(a)はPチャネルMOSFET(PMOS)とNチャネルMOSFET(NMOS)からなるCMOSインバーターの構成例を示している。CMOSインバーターはPMOSのソースを電源電圧Vddに、NCOSのソースをVssに接続され、両方のMOSFET(NMOS)のゲート端子が入力、ドレイン端子が出力となる。PMOSおよびNMOSの基板端子は基板端子電圧制御部9から入力される基板端子電圧制御用直流電圧8が入力されている。これにより、第2の実施例と同様の電気的特性をもつCMOSインバーターが実現する。
The configuration and electrical characteristics of the inverter 5 of this embodiment are shown in FIG. FIG. 8A shows a configuration example of a CMOS inverter composed of a P-channel MOSFET (PMOS) and an N-channel MOSFET (NMOS). In the CMOS inverter, the source of PMOS is connected to the power supply voltage Vdd, and the source of NCOS is connected to Vss. The gate terminals of both MOSFETs (NMOS) are input and the drain terminal is output. Substrate terminals for controlling the substrate terminal voltage 8 input from the substrate terminal
図8(b)の電気的特性の(イ)が一般的なCMOSインバーターの入出力特性となる。本実施例で用いるCMOSインバーターの入出力特性は図8の電気的特性の(ロ)となる。この結果、キャリブレーションスイッチSWCが閉状態でのキャリブレーション電圧Vaを所望の電圧に制御することができる。さらにこの状態で入力アナログ信号のダイナミックレンジを第1の実施例と同様に図4のように設定することで、入力アナログ信号のダイナミックレンジにキャリブレーション電圧Vaが含まれることを避けることができる。ダイナミックレンジ中にキャリブレーション電圧Vaが含まれないので、キャリブレーションスイッチSWCによるフィードスルー電荷の注入によるオフセットが電圧比較器間で異ならず、一定で等しい符号をもつようになる。従って、この電圧比較器を用いたA/D変換器は微分非直線性誤差のばらつきを抑えることができる。 The electrical characteristics (A) in FIG. 8B are the input / output characteristics of a general CMOS inverter. The input / output characteristics of the CMOS inverter used in this embodiment are (b) of the electrical characteristics shown in FIG. As a result, the calibration voltage Va when the calibration switch SWC is closed can be controlled to a desired voltage. Further, in this state, the dynamic range of the input analog signal is set as shown in FIG. 4 as in the first embodiment, so that the calibration voltage Va can be avoided from being included in the dynamic range of the input analog signal. Since the calibration voltage Va is not included in the dynamic range, the offset due to the injection of the feedthrough charge by the calibration switch SWC does not differ between the voltage comparators, and has a constant and equal sign. Therefore, the A / D converter using this voltage comparator can suppress the variation of the differential nonlinearity error.
1 基準抵抗列
2 第1の基準電圧
3 第2の基準電圧
4 アナログ入力信号
5 インバーター
6 論理回路
7 A/D変換器出力
8 基板端子制御用直流電圧
9 基板端子電圧制御部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記インバーターはNチャネルトランジスタとPチャネルトランジスタで構成され、前記キャリブレーションスイッチがオン状態のときの該インバーターの入力端子と出力端子の電圧が前記アナログ入力信号電圧の範囲および前記参照電圧発生手段から発生される参照電圧の範囲に含まれないことを特徴とするA/D変換器。 Reference voltage generating means for generating a plurality of reference voltages, and a plurality of voltage comparators for comparing each of the plurality of reference voltages with the voltage of an input analog signal, each of the plurality of voltage comparators being an input A switch, an inverter, a coupling capacitor connected between the input switch and the inverter, and a calibration switch connected between an input terminal and an output terminal of the inverter, An input analog signal and the reference voltage are sequentially switched to be applied to the coupling capacitor, the calibration switch is turned on during a period in which the input analog signal is applied to the coupling capacitor, and the reference voltage is applied to the coupling capacitor. In an A / D converter composed of an inverter chopper voltage comparator that is turned off in a period,
The inverter is composed of an N-channel transistor and a P-channel transistor, and when the calibration switch is on, the voltage at the input terminal and the output terminal of the inverter is generated from the range of the analog input signal voltage and the reference voltage generating means The A / D converter is not included in the range of the reference voltage to be used.
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2006
- 2006-03-09 JP JP2006064053A patent/JP2007243656A/en active Pending
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