JP2008312022A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に関し、特に、差動増幅動作を実行する半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device that performs a differential amplification operation.
近年、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)プロセスのデジタル集積回路においてアナログ回路も集積するアナログ/デジタル混載集積回路が一般的に用いられている。そして、アナログ回路およびデジタル回路間を接続するインターフェイス部としてのアナログ/デジタルコンバータ(ADC)回路の重要性が増している。 In recent years, analog / digital mixed integrated circuits that also integrate analog circuits are generally used in digital integrated circuits of CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) processes. The importance of an analog / digital converter (ADC) circuit as an interface unit for connecting between an analog circuit and a digital circuit is increasing.
ADC回路には、逐次比較型、パイプライン型、フラッシュ型、ΣΔ型および2重積分型等様々な方式があるが、いずれの方式であっても電圧比較を行なうコンパレータ回路が必要である。 There are various types of ADC circuits such as a successive approximation type, a pipeline type, a flash type, a ΣΔ type, and a double integration type. Any of these types requires a comparator circuit for performing voltage comparison.
また、モバイル対応および発熱低減等、様々な理由によりCMOSアナログ/デジタル混載集積回路の低消費電流動作が求められており、このような要求はアナログ部のキーパーツであるコンパレータ回路についても例外ではない。 In addition, a low consumption current operation of a CMOS analog / digital mixed integrated circuit is required for various reasons such as mobile compatibility and heat generation reduction. Such a requirement is no exception for the comparator circuit which is a key part of the analog part. .
たとえば、特許文献1には、低消費電流動作を実現するコンパレータ回路が開示されている。すなわち、動作状態として、リセット動作期間ならびに比較動作期間を有するコンパレータ回路であって、所定の差動入力電圧と差動入力基準電圧とを受けて、これらの入力電圧の電圧レベルを比較照合する全差動チョッパ型比較手段と、全差動チョッパ型比較手段より出力される差動出力を容量結合経由で受けるとともに、比較動作期間においてはオフセット補償されたストローブラッチ手段として動作して所定の差動デジタル電圧を生成して出力する全差動型増幅手段とを備える。 For example, Patent Document 1 discloses a comparator circuit that realizes a low current consumption operation. That is, a comparator circuit having a reset operation period and a comparison operation period as an operation state, receiving a predetermined differential input voltage and a differential input reference voltage, and comparing and collating voltage levels of these input voltages. The differential output output from the differential chopper type comparison means and the fully differential chopper type comparison means is received via capacitive coupling and operates as an offset compensated strobe latch means during the comparison operation period to operate a predetermined differential. And a fully differential amplification means for generating and outputting a digital voltage.
また、特許文献2にも、低消費電流動作を実現するコンパレータ回路が開示されている。すなわち、入力信号と基準信号とを比較するチョッパ型コンパレータであって、電源電位と基準電位との間に直列接続されている第1のPチャネルトランジスタおよび第1のNチャネルトランジスタと、第1のPチャネルトランジスタのゲートと入力ノードとの間に接続されている第1のキャパシタと、第1のNチャネルトランジスタのゲートと入力ノードとの間に接続されている第2のキャパシタと、基準信号を受ける第1の入力端子と入力ノードとの間に接続されている第1のスイッチと、入力信号を受ける第2の入力端子と入力ノードとの間に接続されている第2のスイッチと、第1のPチャネルトランジスタのゲートに供給する第1のゲートバイアス電圧および第1のNチャネルトランジスタのゲートに供給する第2のゲートバイアス電圧を生成するゲートバイアス電圧生成回路とを備える。そして、チョッパ型コンパレータは、第1のスイッチをオンさせることにより、第1および第2のゲートバイアス電圧をそれぞれ第1のPチャネルトランジスタのゲートおよび第1のNチャネルトランジスタのゲートに供給する制御回路を備える。そして、制御回路は、第1および第2のキャパシタをプリチャージした後、第1および第2のゲートバイアス電圧の供給を停止させ、第1のスイッチをオフさせ、第2のスイッチをオンさせることにより、第1および第2のキャパシタの容量結合によって、入力信号と基準信号との差分に応じた信号を第1のPチャネルトランジスタおよび第1のNチャネルトランジスタのゲートに供給する。
さらに、センサ等のCMOSアナログ/デジタル混載集積回路に内蔵されるADC回路の近年の高精度化により、ADC回路に搭載されるコンパレータ回路の電圧比較精度の向上が要求されている。ここで、コンパレータ回路の電圧比較精度を低下させる要因の一つとして、コンパレータ回路にオフセット電圧が生じることがあげられる。すなわち、コンパレータ回路内のアンプ回路に含まれるMOSトランジスタ等の製造ばらつきによってオフセット電圧が生じる。特に、アンプ回路の入力段におけるMOSトランジスタで生じるオフセット電圧が問題となる。このようなオフセット電圧を除去するために、コンパレータ回路ではオフセット電圧外部蓄積(OOS(Output Offset Storage)型)構造が採用されることが多い。 Furthermore, due to the recent high accuracy of ADC circuits built in CMOS analog / digital mixed integrated circuits such as sensors, it is required to improve the voltage comparison accuracy of the comparator circuit mounted in the ADC circuit. Here, as one of the factors that lower the voltage comparison accuracy of the comparator circuit, an offset voltage is generated in the comparator circuit. That is, an offset voltage is generated due to manufacturing variations of MOS transistors and the like included in the amplifier circuit in the comparator circuit. In particular, the offset voltage generated in the MOS transistor in the input stage of the amplifier circuit becomes a problem. In order to remove such an offset voltage, the comparator circuit often employs an offset voltage external storage (OOS (Output Offset Storage) type) structure.
たとえば、特許文献3には、以下のようなOOS型コンパレータ回路が開示されている。すなわち、OOS型コンパレータ回路は、アンプ回路と、ラッチ回路と、キャパシタとを備える。このOOS型コンパレータ回路では、電圧比較動作の前に、アンプ回路のオフセット電圧の補正動作が行われる。すなわち、アンプ回路の差動出力にそれぞれ接続される2個のキャパシタにアンプ回路のオフセット電圧の利得倍に対応する電荷が蓄積される。そして、電圧比較動作では、アンプ回路に比較対象である2つの入力電圧を供給する。アンプ回路は、2つの入力電圧を増幅してそれぞれ出力する。このとき、2個のキャパシタによってアンプ回路の出力電圧からオフセット電圧がキャンセルされ、オフセット電圧が含まれない電圧を得ることができる。アンプ回路の出力電圧はラッチ回路に送られてHレベルまたはLレベルのロジックレベルに変換され、比較結果として出力される。このような構成により、電圧比較精度の低下を防ぐことができる。
しかしながら、特許文献3記載のコンパレータ回路は、定常的に電流を消費する複数段のアンプ回路を備えることから、消費電流を低減することが困難である。 However, since the comparator circuit described in Patent Document 3 includes a plurality of stages of amplifier circuits that constantly consume current, it is difficult to reduce current consumption.
それゆえに、本発明の目的は、電圧比較精度の向上を図るとともに消費電流を低減することが可能な半導体装置を提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of improving voltage comparison accuracy and reducing current consumption.
上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる半導体装置は、定電流源と、定電流源に結合される第1導通電極と、第2導通電極と、第1の入力電圧が供給される第1の入力ノードに結合される制御電極とを有する第1のトランジスタと、定電流源に結合される第1導通電極と、第2導通電極と、第2の入力電圧が供給される第2の入力ノードに結合される制御電極とを有する第2のトランジスタと、第1のトランジスタの第2導通電極と第1の出力ノードとの間に接続される第1のスイッチと、第2のトランジスタの第2導通電極と第2の出力ノードとの間に接続される第2のスイッチと、第1のトランジスタの第2導通電極と第2の出力ノードとの間に接続される第3のスイッチと、第2のトランジスタの第2導通電極と第1の出力ノードとの間に接続される第4のスイッチと、第1の出力ノードに結合され、第1のスイッチのオン状態時に第1のトランジスタを通して流れる電流に応じた電荷が充電され、かつ第4のスイッチのオン状態時に第2のトランジスタを通して流れる電流に応じた電荷が充電される第1のキャパシタと、第2の出力ノードに結合され、第2のスイッチのオン状態時に第2のトランジスタを通して流れる電流に応じた電荷が充電され、かつ第3のスイッチのオン状態時に第1のトランジスタを通して流れる電流に応じた電荷が充電される第2のキャパシタとを備える。 In order to solve the above problems, a semiconductor device according to an aspect of the present invention is supplied with a constant current source, a first conduction electrode coupled to the constant current source, a second conduction electrode, and a first input voltage. Supplied with a first transistor having a control electrode coupled to the first input node, a first conduction electrode coupled to the constant current source, a second conduction electrode, and a second input voltage. A second transistor having a control electrode coupled to the second input node; a first switch connected between the second conduction electrode of the first transistor and the first output node; A second switch connected between the second conduction electrode of the first transistor and the second output node; and a third switch connected between the second conduction electrode of the first transistor and the second output node. Switch, the second conductive electrode of the second transistor and the first A fourth switch connected to the output node; coupled to the first output node; charged according to a current flowing through the first transistor when the first switch is on; and a fourth switch The first capacitor is charged with a charge corresponding to the current flowing through the second transistor when the switch is on, and is coupled to the second output node, and flows through the second transistor when the second switch is on. And a second capacitor charged with a charge according to the current and charged with a charge according to the current flowing through the first transistor when the third switch is on.
本発明によれば、電圧比較精度の向上を図るとともに消費電流を低減することができる。 According to the present invention, it is possible to improve voltage comparison accuracy and reduce current consumption.
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
<第1の実施の形態>
[構成および基本動作]
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る差動増幅回路の構成を示す図である。
<First Embodiment>
[Configuration and basic operation]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a differential amplifier circuit according to the first embodiment of the present invention.
図1を参照して、差動増幅回路101は、たとえば、非反転入力端子が入力ノードN1に結合され、反転入力端子が入力ノードN2に結合され、非反転出力端子が出力ノードN3に結合され、反転出力端子が出力ノードN4に結合される。
Referring to FIG. 1,
以下、差動増幅回路101の入力トランジスタすなわち後述するPチャネルMOSトランジスタMP1およびMP2の製造ばらつきに起因するオフセット電圧をVosとし、オフセット電圧Vosが差動増幅回路101の非反転入力端子に供給されているものとする。また、差動増幅回路101の利得をAとする。
Hereinafter, an offset voltage resulting from manufacturing variations of input transistors of the
入力ノードN1およびN2にそれぞれ比較対象である入力電圧VipおよびVinが供給される。差動増幅回路101は、入力電圧VipおよびVinの電圧差を増幅し、増幅結果を表わす出力電圧VopおよびVonをそれぞれ出力ノードN3およびN4へ出力する。
Input voltages Vip and Vin to be compared are supplied to input nodes N1 and N2, respectively.
図2は、本発明の第1の実施の形態に係る差動増幅回路の構成を示す回路図である。
図2を参照して、差動増幅回路101は、定電流源IBSと、PチャネルMOSトランジスタMP1,MP2,MP3,MP4,MP5,MP6と、NチャネルMOSトランジスタMN1,MN2と、キャパシタCL1,CL2とを備える。なお、PチャネルMOSトランジスタMP3,MP4,MP5,MP6、およびNチャネルMOSトランジスタMN1,MN2の各々は、たとえばNチャネルMOSトランジスタおよびPチャネルMOSトランジスタを組み合わせた相補スイッチであってもよい。
FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of the differential amplifier circuit according to the first embodiment of the present invention.
Referring to FIG. 2,
定電流源IBSの第1端子が電源電圧VDDの供給される電源ノードに接続される。PチャネルMOSトランジスタMP1は、ソースが定電流源IBSの第2端子に接続され、ドレインがPチャネルMOSトランジスタMP3のソースと、PチャネルMOSトランジスタMP5のソースとに接続され、ゲートが入力ノードN1に接続される。PチャネルMOSトランジスタMP2は、ソースが定電流源IBSの第2端子に接続され、ドレインがPチャネルMOSトランジスタMP4のソースと、PチャネルMOSトランジスタMP6のソースとに接続され、ゲートが入力ノードN2に接続される。PチャネルMOSトランジスタMP3のゲートに制御電圧Vp2が供給され、ドレインが出力ノードN3に接続される。PチャネルMOSトランジスタMP4のゲートに制御電圧Vp2が供給され、ドレインが出力ノードN4に接続される。PチャネルMOSトランジスタMP5のゲートに制御電圧Vp1が供給され、ドレインが出力ノードN4に接続される。PチャネルMOSトランジスタMP6のゲートに制御電圧Vp1が供給され、ドレインが出力ノードN3に接続される。キャパシタCL1は、第1端子が出力ノードN3に接続され、第2端子が接地電圧VSSの供給される接地ノードに接続される。NチャネルMOSトランジスタMN1は、キャパシタCL1と並列に接続される。すなわち、NチャネルMOSトランジスタMN1は、ドレインがキャパシタCL1の第1端子に接続され、ソースがキャパシタCL1の第2端子に接続される。NチャネルMOSトランジスタMN1は、ゲートに制御電圧Vp0が供給される。キャパシタCL2は、第1端子が出力ノードN4に接続され、第2端子が接地電圧VSSの供給される接地ノードに接続される。NチャネルMOSトランジスタMN2は、キャパシタCL2と並列に接続される。すなわち、NチャネルMOSトランジスタMN2は、ドレインがキャパシタCL2の第1端子に接続され、ソースがキャパシタCL2の第2端子に接続される。NチャネルMOSトランジスタMN2は、ゲートに制御電圧Vp0が供給される。 A first terminal of constant current source IBS is connected to a power supply node to which power supply voltage VDD is supplied. P channel MOS transistor MP1 has a source connected to the second terminal of constant current source IBS, a drain connected to the source of P channel MOS transistor MP3 and the source of P channel MOS transistor MP5, and a gate connected to input node N1. Connected. P channel MOS transistor MP2 has its source connected to the second terminal of constant current source IBS, its drain connected to the source of P channel MOS transistor MP4 and the source of P channel MOS transistor MP6, and its gate connected to input node N2. Connected. Control voltage Vp2 is supplied to the gate of P-channel MOS transistor MP3, and the drain is connected to output node N3. Control voltage Vp2 is supplied to the gate of P-channel MOS transistor MP4, and the drain is connected to output node N4. Control voltage Vp1 is supplied to the gate of P-channel MOS transistor MP5, and the drain is connected to output node N4. Control voltage Vp1 is supplied to the gate of P-channel MOS transistor MP6, and the drain is connected to output node N3. Capacitor CL1 has a first terminal connected to output node N3 and a second terminal connected to a ground node to which ground voltage VSS is supplied. N-channel MOS transistor MN1 is connected in parallel with capacitor CL1. That is, the N-channel MOS transistor MN1 has a drain connected to the first terminal of the capacitor CL1, and a source connected to the second terminal of the capacitor CL1. The N-channel MOS transistor MN1 is supplied with a control voltage Vp0 at its gate. Capacitor CL2 has a first terminal connected to output node N4 and a second terminal connected to a ground node supplied with ground voltage VSS. N-channel MOS transistor MN2 is connected in parallel with capacitor CL2. That is, the N-channel MOS transistor MN2 has a drain connected to the first terminal of the capacitor CL2 and a source connected to the second terminal of the capacitor CL2. The N-channel MOS transistor MN2 is supplied with a control voltage Vp0 at its gate.
[動作]
次に、本発明の第1の実施の形態に係る差動増幅回路の動作について説明する。
[Operation]
Next, the operation of the differential amplifier circuit according to the first embodiment of the present invention will be described.
図3(a)は、本発明の第1の実施の形態に係る差動増幅回路における制御電圧の波形図である。(b)は、本発明の第1の実施の形態に係る差動増幅回路の出力電圧の波形図である。(c)は、本発明の第1の実施の形態に係る差動増幅回路の消費電流の波形図である。 FIG. 3A is a waveform diagram of a control voltage in the differential amplifier circuit according to the first embodiment of the present invention. (B) is a waveform diagram of the output voltage of the differential amplifier circuit according to the first embodiment of the present invention. (C) is a waveform diagram of current consumption of the differential amplifier circuit according to the first embodiment of the present invention.
図3(a)〜(c)を参照して、時刻t1において、キャパシタCL1およびCL2の放電動作が行なわれる。すなわち、制御電圧Vp0がHレベル、制御電圧Vp1がHレベル、制御電圧Vp2がHレベルに設定される(状態ST1)。このとき、PチャネルMOSトランジスタMP3,MP4,MP5,MP6はオフ状態であり、かつNチャネルMOSトランジスタMN1およびMN2はオン状態である。これにより、キャパシタCL1およびCL2に蓄えられている電荷が放電される。 Referring to FIGS. 3A to 3C, capacitors CL1 and CL2 are discharged at time t1. That is, control voltage Vp0 is set to H level, control voltage Vp1 is set to H level, and control voltage Vp2 is set to H level (state ST1). At this time, P-channel MOS transistors MP3, MP4, MP5, and MP6 are in an off state, and N-channel MOS transistors MN1 and MN2 are in an on state. Thereby, the electric charge stored in capacitors CL1 and CL2 is discharged.
状態ST1においては、PチャネルMOSトランジスタMP3,MP4,MP5,MP6がオフ状態であるため、定電流源IBSからキャパシタCL1およびCL2へ電流が流れないことから、差動増幅回路101において電流が消費されない。
In state ST1, since P-channel MOS transistors MP3, MP4, MP5, and MP6 are in an off state, no current flows from constant current source IBS to capacitors CL1 and CL2, so that no current is consumed in
次に、時刻t2において、基準電圧VREFによるキャパシタCL1およびCL2の充電動作が行なわれる。すなわち、制御電圧Vp0がLレベル、制御電圧Vp1がLレベル、制御電圧Vp2がHレベルに設定される(状態ST2)。このとき、PチャネルMOSトランジスタMP3,MP4はオフ状態であり、PチャネルMOSトランジスタMP5,MP6はオン状態であり、かつNチャネルMOSトランジスタMN1,MN2はオフ状態である。 Next, at time t2, capacitors CL1 and CL2 are charged with reference voltage VREF. That is, control voltage Vp0 is set to L level, control voltage Vp1 is set to L level, and control voltage Vp2 is set to H level (state ST2). At this time, P channel MOS transistors MP3 and MP4 are in an off state, P channel MOS transistors MP5 and MP6 are in an on state, and N channel MOS transistors MN1 and MN2 are in an off state.
また、状態ST2においては、PチャネルMOSトランジスタMP1,MP2のゲートにそれぞれ基準電圧VREFが供給される。そうすると、PチャネルMOSトランジスタMP1がオン状態となることにより、基準電圧VREFに基づく電流が定電流源IBSからPチャネルMOSトランジスタMP1およびMP5を介してキャパシタCL2へ流れる。また、PチャネルMOSトランジスタMP2がオン状態となることにより、基準電圧VREFに基づく電流が定電流源IBSからPチャネルMOSトランジスタMP2およびMP6を介してキャパシタCL1へ流れる。これにより、キャパシタCL1およびCL2が充電され、出力電圧Vopおよび出力電圧Vonは、以下の式を満たす。 In state ST2, reference voltage VREF is supplied to the gates of P-channel MOS transistors MP1 and MP2. Then, P channel MOS transistor MP1 is turned on, and a current based on reference voltage VREF flows from constant current source IBS to capacitor CL2 via P channel MOS transistors MP1 and MP5. When P channel MOS transistor MP2 is turned on, a current based on reference voltage VREF flows from constant current source IBS to capacitor CL1 through P channel MOS transistors MP2 and MP6. Thereby, the capacitors CL1 and CL2 are charged, and the output voltage Vop and the output voltage Von satisfy the following expressions.
Vop−Von=−A×Vos・・・(1)
ここで、基準電圧VREFは、差動増幅回路101の前段のアナログ回路における接地電圧であることが好ましい。たとえば、差動増幅回路101を含む回路が単電源すなわち電源電圧VDDのみで動作する場合、基準電圧VREFは、電源電圧VDDの1/2の電圧である。たとえば、電源電圧VDDが5Vである場合には、基準電圧VREFは2.5Vである。
Vop−Von = −A × Vos (1)
Here, the reference voltage VREF is preferably a ground voltage in the analog circuit in the previous stage of the
次に、時刻t3において、入力電圧VipおよびVinによるキャパシタCL1およびCL2の充電動作が行なわれる。すなわち、制御電圧Vp0がLレベル、制御電圧Vp1がHレベル、制御電圧Vp2がLレベルに設定される(状態ST3)。このとき、PチャネルMOSトランジスタMP3,MP4はオン状態であり、PチャネルMOSトランジスタMP5,MP6はオフ状態であり、かつNチャネルMOSトランジスタMN1,MN2はオフ状態である。 Next, at time t3, charging operation of capacitors CL1 and CL2 by input voltages Vip and Vin is performed. That is, control voltage Vp0 is set to L level, control voltage Vp1 is set to H level, and control voltage Vp2 is set to L level (state ST3). At this time, P-channel MOS transistors MP3 and MP4 are on, P-channel MOS transistors MP5 and MP6 are off, and N-channel MOS transistors MN1 and MN2 are off.
また、状態ST3においては、PチャネルMOSトランジスタMP1,MP2のゲートにそれぞれ入力電圧VipおよびVinが供給される。そうすると、PチャネルMOSトランジスタMP1がオン状態となることにより、入力電圧Vipに基づく電流が定電流源IBSからPチャネルMOSトランジスタMP1およびMP3を介してキャパシタCL1へ流れる。また、PチャネルMOSトランジスタMP2がオン状態となることにより、入力電圧Vinに基づく電流が定電流源IBSからPチャネルMOSトランジスタMP2およびMP4を介してキャパシタCL2へ流れる。これにより、キャパシタCL1およびCL2が充電される。 In state ST3, input voltages Vip and Vin are supplied to the gates of P-channel MOS transistors MP1 and MP2, respectively. Then, P channel MOS transistor MP1 is turned on, and a current based on input voltage Vip flows from constant current source IBS to capacitor CL1 via P channel MOS transistors MP1 and MP3. When P channel MOS transistor MP2 is turned on, a current based on input voltage Vin flows from constant current source IBS to capacitor CL2 via P channel MOS transistors MP2 and MP4. Thereby, capacitors CL1 and CL2 are charged.
この結果、出力ノードN3およびN4には、それぞれキャパシタCL1およびCL2に充電される電荷量とキャパシタCL1およびCL2の容量値とに基づく電圧が生じる。これらの電圧値の各々は、入力電圧Vip,Vinの電圧値およびオフセット電圧Vosの電圧値に対応した値となる。そして、出力電圧Vopおよび出力電圧Vonは、状態ST2においてキャパシタCL1およびCL2に充電された電荷を考慮しない場合、以下の式を満たす。 As a result, voltages based on the amount of charge charged in capacitors CL1 and CL2 and the capacitance values of capacitors CL1 and CL2 are generated at output nodes N3 and N4, respectively. Each of these voltage values is a value corresponding to the voltage values of the input voltages Vip and Vin and the voltage value of the offset voltage Vos. Then, the output voltage Vop and the output voltage Von satisfy the following expression when the charges charged in the capacitors CL1 and CL2 in the state ST2 are not considered.
Vop−Von=A×(Vip−Vin+Vos)・・・(2)
ここで、状態ST2においてキャパシタCL1およびCL2に充電された電荷は、状態ST3においてキャパシタCL1およびCL2に充電された電荷と極性が逆である。したがって、出力電圧Vopおよび出力電圧Vonは、実際には以下の式を満たす。
Vop−Von = A × (Vip−Vin + Vos) (2)
Here, the charges charged in capacitors CL1 and CL2 in state ST2 are opposite in polarity to the charges charged in capacitors CL1 and CL2 in state ST3. Therefore, the output voltage Vop and the output voltage Von actually satisfy the following expression.
Vop−Von=A×(Vip−Vin+Vos)−A×Vos=A×(Vip−Vin)・・・(3)
次に、時刻t4において、制御電圧Vp0がLレベル、制御電圧Vp1がHレベル、制御電圧Vp2がHレベルに設定される(状態ST4)。このとき、PチャネルMOSトランジスタMP3,MP4,MP5,MP6およびNチャネルMOSトランジスタMN1,MN2はオフ状態である。これにより、出力電圧VopおよびVonは、式(3)の関係を維持する。
Vop−Von = A × (Vip−Vin + Vos) −A × Vos = A × (Vip−Vin) (3)
Next, at time t4, control voltage Vp0 is set to L level, control voltage Vp1 is set to H level, and control voltage Vp2 is set to H level (state ST4). At this time, P-channel MOS transistors MP3, MP4, MP5 and MP6 and N-channel MOS transistors MN1 and MN2 are off. Thereby, the output voltages Vop and Von maintain the relationship of Formula (3).
状態ST4においては、PチャネルMOSトランジスタMP3,MP4,MP5,MP6がオフ状態であるため、定電流源IBSからキャパシタCL1およびCL2へ電流が流れないことから、差動増幅回路101において電流が消費されない。
In state ST4, since P-channel MOS transistors MP3, MP4, MP5, and MP6 are in an off state, no current flows from constant current source IBS to capacitors CL1 and CL2, so that no current is consumed in
したがって、本発明の第1の実施の形態に係る差動増幅回路では、出力電圧VopおよびVonからオフセット電圧Vosをキャンセルすることができる。また、状態ST2およびST3においてのみ電流が消費されるため、低消費電流にて差動増幅動作を行なう差動増幅回路を実現することができる。すなわち、本発明の第1の実施の形態に係る差動増幅回路では、電圧比較精度の向上を図るとともに消費電流を低減することができる。 Therefore, in the differential amplifier circuit according to the first embodiment of the present invention, the offset voltage Vos can be canceled from the output voltages Vop and Von. In addition, since current is consumed only in states ST2 and ST3, a differential amplifier circuit that performs differential amplification operation with low current consumption can be realized. That is, in the differential amplifier circuit according to the first embodiment of the present invention, it is possible to improve voltage comparison accuracy and reduce current consumption.
次に、本発明の他の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
<第2の実施の形態>
本実施の形態は、第1の実施の形態に係る差動増幅回路と比べて異なる範囲の入力電圧に対応する差動増幅回路に関する。以下で説明する内容以外は第1の実施の形態に係る差動増幅回路と同様である。
<Second Embodiment>
The present embodiment relates to a differential amplifier circuit corresponding to an input voltage in a range different from that of the differential amplifier circuit according to the first embodiment. The contents other than those described below are the same as those of the differential amplifier circuit according to the first embodiment.
[構成および基本動作]
図4は、本発明の第2の実施の形態に係る差動増幅回路の構成を示す図である。
[Configuration and basic operation]
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a differential amplifier circuit according to the second embodiment of the present invention.
図4を参照して、差動増幅回路102は、定電流源IBSと、NチャネルMOSトランジスタMN21,MN22,MN23,MN24,MN25,MN26と、PチャネルMOSトランジスタMP21,MP22と、キャパシタCL21と、キャパシタCL22とを備える。なお、NチャネルMOSトランジスタMN23,MN24,MN25,MN26、およびPチャネルMOSトランジスタMP21,MP22の各々は、たとえばNチャネルMOSトランジスタおよびPチャネルMOSトランジスタを組み合わせた相補スイッチであってもよい。
Referring to FIG. 4,
定電流源IBSの第1端子が接地電圧VSSの供給される接地ノードに接続される。NチャネルMOSトランジスタMN21は、ソースが定電流源IBSの第2端子に接続され、ドレインがNチャネルMOSトランジスタMN23のソースと、NチャネルMOSトランジスタMN25のソースとに接続され、ゲートが入力ノードN1に接続される。NチャネルMOSトランジスタMN22は、ソースが定電流源IBSの第2端子に接続され、ドレインがNチャネルMOSトランジスタMN24のソースと、NチャネルMOSトランジスタMN26のソースとに接続され、ゲートが入力ノードN2に接続される。NチャネルMOSトランジスタMN23のゲートに制御電圧Vp2が供給され、ドレインが出力ノードN3に接続される。NチャネルMOSトランジスタMN24のゲートに制御電圧Vp2が供給され、ドレインが出力ノードN4に接続される。NチャネルMOSトランジスタMN25のゲートに制御電圧Vp1が供給され、ドレインが出力ノードN4に接続される。NチャネルMOSトランジスタMN26のゲートに制御電圧Vp1が供給され、ドレインが出力ノードN3に接続される。キャパシタCL21は、第1端子が出力ノードN3に接続され、第2端子が電源電圧VDDの供給される電源ノードに接続される。PチャネルMOSトランジスタMP21は、キャパシタCL21と並列に接続される。すなわち、PチャネルMOSトランジスタMP21は、ドレインがキャパシタCL21の第1端子に接続され、ソースがキャパシタCL21の第2端子に接続される。PチャネルMOSトランジスタMP21は、ゲートに制御電圧Vp0が供給される。キャパシタCL22は、第1端子が出力ノードN4に接続され、第2端子が電源電圧VDDの供給される電源ノードに接続される。PチャネルMOSトランジスタMP22は、キャパシタCL22と並列に接続される。すなわち、PチャネルMOSトランジスタMP22は、ドレインがキャパシタCL22の第1端子に接続され、ソースがキャパシタCL22の第2端子に接続される。PチャネルMOSトランジスタMP22は、ゲートに制御電圧Vp0が供給される。 A first terminal of constant current source IBS is connected to a ground node to which ground voltage VSS is supplied. N channel MOS transistor MN21 has a source connected to the second terminal of constant current source IBS, a drain connected to the source of N channel MOS transistor MN23 and the source of N channel MOS transistor MN25, and a gate connected to input node N1. Connected. N channel MOS transistor MN22 has a source connected to the second terminal of constant current source IBS, a drain connected to the source of N channel MOS transistor MN24 and the source of N channel MOS transistor MN26, and a gate connected to input node N2. Connected. Control voltage Vp2 is supplied to the gate of N-channel MOS transistor MN23, and the drain is connected to output node N3. Control voltage Vp2 is supplied to the gate of N-channel MOS transistor MN24, and the drain is connected to output node N4. Control voltage Vp1 is supplied to the gate of N-channel MOS transistor MN25, and the drain is connected to output node N4. Control voltage Vp1 is supplied to the gate of N-channel MOS transistor MN26, and the drain is connected to output node N3. Capacitor CL21 has a first terminal connected to output node N3 and a second terminal connected to a power supply node to which power supply voltage VDD is supplied. P-channel MOS transistor MP21 is connected in parallel with capacitor CL21. That is, P channel MOS transistor MP21 has a drain connected to the first terminal of capacitor CL21 and a source connected to the second terminal of capacitor CL21. The control voltage Vp0 is supplied to the gate of the P-channel MOS transistor MP21. Capacitor CL22 has a first terminal connected to output node N4 and a second terminal connected to a power supply node supplied with power supply voltage VDD. P-channel MOS transistor MP22 is connected in parallel with capacitor CL22. That is, P channel MOS transistor MP22 has a drain connected to the first terminal of capacitor CL22 and a source connected to the second terminal of capacitor CL22. The control voltage Vp0 is supplied to the gate of the P-channel MOS transistor MP22.
[動作]
次に、本発明の第2の実施の形態に係る差動増幅回路の動作について説明する。
[Operation]
Next, the operation of the differential amplifier circuit according to the second embodiment of the present invention will be described.
図5(a)は、本発明の第2の実施の形態に係る差動増幅回路における制御電圧の波形図である。(b)は、本発明の第2の実施の形態に係る差動増幅回路の消費電流の波形図である。 FIG. 5A is a waveform diagram of the control voltage in the differential amplifier circuit according to the second embodiment of the present invention. FIG. 6B is a waveform diagram of current consumption of the differential amplifier circuit according to the second embodiment of the present invention.
図5(a)および(b)を参照して、時刻t1において、キャパシタCL21およびCL22の放電動作が行なわれる。すなわち、制御電圧Vp0がLレベル、制御電圧Vp1がLレベル、制御電圧Vp2がLレベルに設定される(状態ST1)。このとき、NチャネルMOSトランジスタMN23,MN24,MN25,MN26はオフ状態であり、かつPチャネルMOSトランジスタMP21およびMP22はオン状態である。これにより、キャパシタCL21およびCL22に蓄えられている電荷が放電される。 Referring to FIGS. 5A and 5B, capacitors CL21 and CL22 are discharged at time t1. That is, control voltage Vp0 is set to L level, control voltage Vp1 is set to L level, and control voltage Vp2 is set to L level (state ST1). At this time, N-channel MOS transistors MN23, MN24, MN25, and MN26 are off, and P-channel MOS transistors MP21 and MP22 are on. Thereby, the electric charge stored in capacitors CL21 and CL22 is discharged.
状態ST1においては、NチャネルMOSトランジスタMN23,MN24,MN25,MN26がオフ状態であるため、電源ノードからキャパシタCL21およびCL22を介して定電流源IBSへ電流が流れないことから、差動増幅回路102において電流が消費されない。 In state ST1, since N-channel MOS transistors MN23, MN24, MN25, and MN26 are off, no current flows from the power supply node to constant current source IBS via capacitors CL21 and CL22. In this case, no current is consumed.
次に、時刻t2において、基準電圧VREFによるキャパシタCL21およびCL22の充電動作が行なわれる。すなわち、制御電圧Vp0がHレベル、制御電圧Vp1がHレベル、制御電圧Vp2がLレベルに設定される(状態ST2)。このとき、NチャネルMOSトランジスタMN23,MN24はオフ状態であり、NチャネルMOSトランジスタMN25,MN26はオン状態であり、かつPチャネルMOSトランジスタMP21,MP22はオフ状態である。 Next, at time t2, charging operation of capacitors CL21 and CL22 with reference voltage VREF is performed. That is, control voltage Vp0 is set to H level, control voltage Vp1 is set to H level, and control voltage Vp2 is set to L level (state ST2). At this time, N channel MOS transistors MN23 and MN24 are in an off state, N channel MOS transistors MN25 and MN26 are in an on state, and P channel MOS transistors MP21 and MP22 are in an off state.
また、状態ST2においては、NチャネルMOSトランジスタMN21,MN22のゲートにそれぞれ基準電圧VREFが供給される。そうすると、NチャネルMOSトランジスタMN21がオン状態となることにより、基準電圧VREFに基づく電流が電源ノードからキャパシタCL22、NチャネルMOSトランジスタMN25およびNチャネルMOSトランジスタMN21を介して定電流源IBSへ流れる。また、NチャネルMOSトランジスタMN22がオン状態となることにより、基準電圧VREFに基づく電流が電源ノードからキャパシタCL21、NチャネルMOSトランジスタMN26およびNチャネルMOSトランジスタMN22を介して定電流源IBSへ流れる。これにより、キャパシタCL21およびCL22が充電され、出力電圧Vopおよび出力電圧Vonは、以下の式を満たす。 In state ST2, reference voltage VREF is supplied to the gates of N-channel MOS transistors MN21 and MN22, respectively. Then, N channel MOS transistor MN21 is turned on, and a current based on reference voltage VREF flows from power supply node to constant current source IBS via capacitor CL22, N channel MOS transistor MN25 and N channel MOS transistor MN21. Further, when N channel MOS transistor MN22 is turned on, a current based on reference voltage VREF flows from the power supply node to constant current source IBS via capacitor CL21, N channel MOS transistor MN26 and N channel MOS transistor MN22. Thereby, capacitors CL21 and CL22 are charged, and output voltage Vop and output voltage Von satisfy the following expressions.
Vop−Von=−A×Vos・・・(4)
ここで、基準電圧VREFは、差動増幅回路102の前段のアナログ回路における接地電圧であることが好ましい。たとえば、差動増幅回路102を含む回路が単電源すなわち電源電圧VDDのみで動作する場合、基準電圧VREFは、電源電圧VDDの1/2の電圧である。たとえば、電源電圧VDDが5Vである場合には、基準電圧VREFは2.5Vである。
Vop−Von = −A × Vos (4)
Here, the reference voltage VREF is preferably a ground voltage in the analog circuit in the previous stage of the
次に、時刻t3において、入力電圧VipおよびVinによるキャパシタCL21およびCL22の充電動作が行なわれる。すなわち、制御電圧Vp0がHレベル、制御電圧Vp1がLレベル、制御電圧Vp2がHレベルに設定される(状態ST3)。このとき、NチャネルMOSトランジスタMN23,MN24はオン状態であり、NチャネルMOSトランジスタMN25,MN26はオフ状態であり、かつPチャネルMOSトランジスタMP21,MP22はオフ状態である。 Next, at time t3, capacitors CL21 and CL22 are charged by input voltages Vip and Vin. That is, control voltage Vp0 is set to H level, control voltage Vp1 is set to L level, and control voltage Vp2 is set to H level (state ST3). At this time, N channel MOS transistors MN23 and MN24 are in an on state, N channel MOS transistors MN25 and MN26 are in an off state, and P channel MOS transistors MP21 and MP22 are in an off state.
また、状態ST3においては、NチャネルMOSトランジスタMN21,MN22のゲートにそれぞれ入力電圧VipおよびVinが供給される。そうすると、NチャネルMOSトランジスタMN21がオン状態となることにより、入力電圧Vipに基づく電流が電源ノードからキャパシタCL21、NチャネルMOSトランジスタMN23およびNチャネルMOSトランジスタMN21を介して定電流源IBSへ流れる。また、NチャネルMOSトランジスタMN22がオン状態となることにより、入力電圧Vinに基づく電流が電源ノードからキャパシタCL22、NチャネルMOSトランジスタMN24およびNチャネルMOSトランジスタMN22を介して定電流源IBSへ流れる。これにより、キャパシタCL21およびCL22が充電される。 In state ST3, input voltages Vip and Vin are supplied to the gates of N-channel MOS transistors MN21 and MN22, respectively. Then, N channel MOS transistor MN21 is turned on, so that a current based on input voltage Vip flows from power supply node to constant current source IBS via capacitor CL21, N channel MOS transistor MN23 and N channel MOS transistor MN21. Further, when N channel MOS transistor MN22 is turned on, a current based on input voltage Vin flows from power supply node to constant current source IBS via capacitor CL22, N channel MOS transistor MN24 and N channel MOS transistor MN22. Thereby, capacitors CL21 and CL22 are charged.
この結果、出力ノードN3およびN4には、それぞれキャパシタCL21およびCL22に充電される電荷量とキャパシタCL21およびCL22の容量値とに基づく電圧が生じる。これらの電圧値の各々は、入力電圧Vip,Vinの電圧値およびオフセット電圧Vosの電圧値に対応した値となる。そして、出力電圧Vopおよび出力電圧Vonは、状態ST2においてキャパシタCL21およびCL22に充電された電荷を考慮しない場合、以下の式を満たす。 As a result, voltages based on the amount of charge charged in capacitors CL21 and CL22 and the capacitance values of capacitors CL21 and CL22 are generated at output nodes N3 and N4, respectively. Each of these voltage values is a value corresponding to the voltage values of the input voltages Vip and Vin and the voltage value of the offset voltage Vos. Then, the output voltage Vop and the output voltage Von satisfy the following expression when the charges charged in the capacitors CL21 and CL22 in the state ST2 are not considered.
Vop−Von=A×(Vip−Vin+Vos)・・・(5)
ここで、状態ST2においてキャパシタCL21およびCL22に充電された電荷は、状態ST3においてキャパシタCL21およびCL22に充電された電荷と極性が逆である。したがって、出力電圧Vopおよび出力電圧Vonは、実際には以下の式を満たす。
Vop−Von = A × (Vip−Vin + Vos) (5)
Here, the charges charged in capacitors CL21 and CL22 in state ST2 are opposite in polarity to the charges charged in capacitors CL21 and CL22 in state ST3. Therefore, the output voltage Vop and the output voltage Von actually satisfy the following expression.
Vop−Von=A×(Vip−Vin+Vos)−A×Vos=A×(Vip−Vin)・・・(6)
次に、時刻t4において、制御電圧Vp0がHレベル、制御電圧Vp1がLレベル、制御電圧Vp2がLレベルに設定される(状態ST4)。このとき、NチャネルMOSトランジスタMN23,MN24,MN25,MN26およびPチャネルMOSトランジスタMP21,MP22はオフ状態である。これにより、出力電圧VopおよびVonは、式(6)の関係を維持する。
Vop−Von = A × (Vip−Vin + Vos) −A × Vos = A × (Vip−Vin) (6)
Next, at time t4, control voltage Vp0 is set to H level, control voltage Vp1 is set to L level, and control voltage Vp2 is set to L level (state ST4). At this time, the N channel MOS transistors MN23, MN24, MN25, MN26 and the P channel MOS transistors MP21, MP22 are in the off state. Thereby, the output voltages Vop and Von maintain the relationship of Formula (6).
状態ST4においては、NチャネルMOSトランジスタMN23,MN24,MN25,MN26がオフ状態であるため、電源ノードからキャパシタCL21およびCL22を介して定電流源IBSへ電流が流れないことから、差動増幅回路102において電流が消費されない。 In state ST4, since N-channel MOS transistors MN23, MN24, MN25, and MN26 are in an off state, no current flows from the power supply node to constant current source IBS via capacitors CL21 and CL22. In this case, no current is consumed.
したがって、本発明の第2の実施の形態に係る差動増幅回路では、出力電圧VopおよびVonからオフセット電圧Vosをキャンセルすることができる。また、状態ST2およびST3においてのみ電流が消費されるため、低消費電流にて差動増幅動作を行なう差動増幅回路を実現することができる。すなわち、本発明の第2の実施の形態に係る差動増幅回路では、電圧比較精度の向上を図るとともに消費電流を低減することができる。 Therefore, in the differential amplifier circuit according to the second embodiment of the present invention, the offset voltage Vos can be canceled from the output voltages Vop and Von. In addition, since current is consumed only in states ST2 and ST3, a differential amplifier circuit that performs differential amplification operation with low current consumption can be realized. That is, in the differential amplifier circuit according to the second embodiment of the present invention, the voltage comparison accuracy can be improved and the current consumption can be reduced.
ここで、本発明の第1の実施の形態に係る差動増幅回路101の入力電圧範囲は、0V側である。すなわち、0Vから電圧Vinr1である。ここで、電圧Vinr1は、定電流源IBSのオーバードライブ電圧と、PチャネルMOSトランジスタMP1およびMP2が飽和領域で動作するために必要な電圧(閾値電圧+オーバードライブ電圧)とを加えた電圧を電源電圧VDDから引いた電圧である。
Here, the input voltage range of the
一方、本発明の第2の実施の形態に係る差動増幅回路102の入力電圧範囲は、電源電圧VDD側である。すなわち、電圧Vinr2から電源電圧VDDである。ここで、電圧Vinr2は、定電流源IBSのオーバードライブ電圧と、NチャネルMOSトランジスタMN21およびMN22が飽和領域で動作するために必要な電圧(閾値電圧+オーバードライブ電圧)とを加えた電圧である。
On the other hand, the input voltage range of the
次に、本発明の他の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
<第3の実施の形態>
本実施の形態は、第1の実施の形態に係る差動増幅回路に入力電圧リセット機能を実現するための具体的構成を追加した差動増幅回路に関する。以下で説明する内容以外は第1の実施の形態に係る差動増幅回路と同様である。
<Third Embodiment>
The present embodiment relates to a differential amplifier circuit in which a specific configuration for realizing an input voltage reset function is added to the differential amplifier circuit according to the first embodiment. The contents other than those described below are the same as those of the differential amplifier circuit according to the first embodiment.
[構成および基本動作]
図6は、本発明の第3の実施の形態に係る差動増幅回路の構成を示す図である。
[Configuration and basic operation]
FIG. 6 is a diagram showing the configuration of the differential amplifier circuit according to the third embodiment of the present invention.
図6を参照して、差動増幅回路201は、差動増幅回路101と、スイッチS0P,S0N,S1P,S1Nとを備える。
Referring to FIG. 6,
スイッチS0Pは、入力ノードN1と差動増幅回路101の非反転入力端子すなわちPチャネルMOSトランジスタMP1のゲートとの間に接続される。スイッチS0Nは、入力ノードN2と差動増幅回路101の反転入力端子すなわちPチャネルMOSトランジスタMP2のゲートとの間に接続される。スイッチS1Pは、基準電圧VREFが供給される基準電圧ノードN5と差動増幅回路101の非反転入力端子すなわちPチャネルMOSトランジスタMP1のゲートとの間に接続される。スイッチS1Nは、基準電圧VREFが供給される基準電圧ノードN6と差動増幅回路101の反転入力端子すなわちPチャネルMOSトランジスタMP2のゲートとの間に接続される。
Switch S0P is connected between input node N1 and the non-inverting input terminal of
[動作]
次に、本発明の第3の実施の形態に係る差動増幅回路の動作について説明する。
[Operation]
Next, the operation of the differential amplifier circuit according to the third embodiment of the present invention will be described.
再び図3(a)〜(c)を参照して、時刻t1において、制御電圧Vp0がHレベル、制御電圧Vp1がHレベル、制御電圧Vp2がHレベルに設定される(状態ST1)。このとき、スイッチS0P,S0Nはオフ状態であり、かつスイッチS1P,S1Nはオフ状態である。また、PチャネルMOSトランジスタMP3,MP4,MP5,MP6はオフ状態であり、かつNチャネルMOSトランジスタMN1およびMN2はオン状態である。これにより、キャパシタCL1およびCL2に蓄えられている電荷が放電される。すなわち、時刻t1より前の入力電圧VipおよびVinによるキャパシタCL1およびCL2の電荷蓄積状態がリセットされる。 Referring again to FIGS. 3A to 3C, at time t1, control voltage Vp0 is set to H level, control voltage Vp1 is set to H level, and control voltage Vp2 is set to H level (state ST1). At this time, the switches S0P and S0N are in an off state, and the switches S1P and S1N are in an off state. P channel MOS transistors MP3, MP4, MP5 and MP6 are in an off state, and N channel MOS transistors MN1 and MN2 are in an on state. Thereby, the electric charge stored in capacitors CL1 and CL2 is discharged. That is, the charge accumulation state of capacitors CL1 and CL2 by input voltages Vip and Vin before time t1 is reset.
次に、時刻t2において、制御電圧Vp0がLレベル、制御電圧Vp1がLレベル、制御電圧Vp2がHレベルに設定される(状態ST2)。このとき、スイッチS0P,S0Nはオフ状態であり、かつスイッチS1P,S1Nはオン状態である。これにより、差動増幅回路101のPチャネルMOSトランジスタMP1のゲートおよびPチャネルMOSトランジスタMP2のゲートにそれぞれ基準電圧VREFが供給される。そして、差動増幅回路101においては、基準電圧VREFによるキャパシタCL1およびCL2の充電動作が行なわれる。この動作については本発明の第1の実施の形態に係る差動増幅回路と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。
Next, at time t2, control voltage Vp0 is set to L level, control voltage Vp1 is set to L level, and control voltage Vp2 is set to H level (state ST2). At this time, the switches S0P and S0N are in an off state, and the switches S1P and S1N are in an on state. As a result, the reference voltage VREF is supplied to the gate of the P-channel MOS transistor MP1 and the gate of the P-channel MOS transistor MP2 of the
次に、時刻t3において、制御電圧Vp0がLレベル、制御電圧Vp1がHレベル、制御電圧Vp2がLレベルに設定される(状態ST3)。このとき、スイッチS0P,S0Nはオン状態であり、かつスイッチS1P,S1Nはオフ状態である。これにより、差動増幅回路101のPチャネルMOSトランジスタMP1のゲートおよびPチャネルMOSトランジスタMP2のゲートにそれぞれ入力電圧VipおよびVinが供給される。そして、差動増幅回路101においては、入力電圧VipおよびVinによるキャパシタCL1およびCL2の充電動作が行なわれる。この動作については本発明の第1の実施の形態に係る差動増幅回路と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。
Next, at time t3, control voltage Vp0 is set to L level, control voltage Vp1 is set to H level, and control voltage Vp2 is set to L level (state ST3). At this time, the switches S0P and S0N are on, and the switches S1P and S1N are off. Thereby, input voltages Vip and Vin are supplied to the gate of P channel MOS transistor MP1 and the gate of P channel MOS transistor MP2 of
次に、時刻t4において、制御電圧Vp0がLレベル、制御電圧Vp1がHレベル、制御電圧Vp2がHレベルに設定される(状態ST4)。このとき、スイッチS0P,S0Nはオフ状態であり、かつスイッチS1P,S1Nはオフ状態である。そして、差動増幅回路101においては、出力電圧Vopおよび出力電圧Vonが維持される。
Next, at time t4, control voltage Vp0 is set to L level, control voltage Vp1 is set to H level, and control voltage Vp2 is set to H level (state ST4). At this time, the switches S0P and S0N are in an off state, and the switches S1P and S1N are in an off state. In the
ここで、状態ST1およびST4においては、差動増幅回路101におけるPチャネルMOSトランジスタMP3,MP4,MP5,MP6がオフ状態であるため、スイッチS0P,S0N,S1P,S1Nの切り替え動作による差動増幅回路101の差動増幅動作に影響はない。
Here, in the states ST1 and ST4, since the P-channel MOS transistors MP3, MP4, MP5, and MP6 in the
その他の構成および動作は第1の実施の形態に係る差動増幅回路と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。 Since other configurations and operations are the same as those of the differential amplifier circuit according to the first embodiment, detailed description thereof will not be repeated here.
したがって、本発明の第3の実施の形態に係る差動増幅回路では、出力電圧からオフセット電圧Vosをキャンセルすることができる。また、状態ST2およびST3においてのみ電流が消費されるため、低消費電流にて差動増幅動作を行なう差動増幅回路を実現することができる。すなわち、本発明の第3の実施の形態に係る差動増幅回路では、電圧比較精度の向上を図るとともに消費電流を低減することができる。 Therefore, in the differential amplifier circuit according to the third embodiment of the present invention, the offset voltage Vos can be canceled from the output voltage. In addition, since current is consumed only in states ST2 and ST3, a differential amplifier circuit that performs differential amplification operation with low current consumption can be realized. That is, in the differential amplifier circuit according to the third embodiment of the present invention, the voltage comparison accuracy can be improved and the current consumption can be reduced.
なお、スイッチS0P,S0N,S1P,S1Nの各々は、NチャネルMOSトランジスタであってもよいし、PチャネルMOSトランジスタであってもよいし、また、NチャネルMOSトランジスタおよびPチャネルMOSトランジスタを組み合わせた相補スイッチであってもよい。この場合、各々のスイッチに供給される制御電圧のレベルは、上記状態ST1〜ST4を実現できるように適宜設定すればよい。 Each of switches S0P, S0N, S1P, and S1N may be an N-channel MOS transistor, a P-channel MOS transistor, or a combination of an N-channel MOS transistor and a P-channel MOS transistor. It may be a complementary switch. In this case, the level of the control voltage supplied to each switch may be set as appropriate so that the states ST1 to ST4 can be realized.
次に、本発明の他の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
<第4の実施の形態>
本実施の形態は、第3の実施の形態に係る差動増幅回路にラッチ回路を加えたコンパレータ回路に関する。以下で説明する内容以外は第3の実施の形態に係る差動増幅回路と同様である。
<Fourth embodiment>
The present embodiment relates to a comparator circuit in which a latch circuit is added to the differential amplifier circuit according to the third embodiment. The contents other than those described below are the same as those of the differential amplifier circuit according to the third embodiment.
[構成および基本動作]
図7は、本発明の第4の実施の形態に係るコンパレータ回路の構成を示す図である。
[Configuration and basic operation]
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a comparator circuit according to the fourth embodiment of the present invention.
図7を参照して、コンパレータ回路301は、差動増幅回路101と、スイッチS0P,S0N,S1P,S1Nと、ラッチ回路51とを備える。
Referring to FIG. 7, the
ラッチ回路51は、差動増幅回路101から受けた出力電圧Vopおよび出力電圧Vonを比較し、比較結果を表わすHレベルまたはLレベルのデジタル信号を保持するとともに出力電圧VOUTPおよびVOUTNとして出力する。
図8は、本発明の第4の実施の形態に係るコンパレータ回路におけるラッチ回路51の構成を示す回路図である。
FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration of the
図8を参照して、ラッチ回路51は、ラッチ回路本体21と、バッファ回路22と、リセットセットフリップフロップ回路(RSフリップフロップ回路)23とを含む。ラッチ回路本体21は、PチャネルMOSトランジスタMP11,MP12,MP13,MP14と、NチャネルMOSトランジスタMN11,MN12,MN13,MN14,MN15,MN16,MN17,MN18とを含む。バッファ回路22は、インバータ回路G1,G2,G3,G4を含む。リセットセットフリップフロップ回路23は、NAND回路G5およびG6を含む。
Referring to FIG. 8,
NチャネルMOSトランジスタMN11のゲートがラッチ回路51の非反転入力端子に該当する。NチャネルMOSトランジスタMN12のゲートがラッチ回路51の反転入力端子に該当する。すなわち、NチャネルMOSトランジスタMN11およびMN12のゲートには、それぞれ出力電圧VopおよびVonが供給される。
The gate of the N-channel MOS transistor MN11 corresponds to the non-inverting input terminal of the
PチャネルMOSトランジスタMP11およびMP12ならびにNチャネルMOSトランジスタMN15およびMN16は、制御電圧VLATCHに基づいてラッチ動作を開始する。 P-channel MOS transistors MP11 and MP12 and N-channel MOS transistors MN15 and MN16 start a latch operation based on control voltage VLATCH.
PチャネルMOSトランジスタMP13およびMP14ならびにNチャネルMOSトランジスタMN13およびMN14は、ラッチ回路本体21の出力電圧を急速に決定するための正帰還回路を構成する。
P-channel MOS transistors MP13 and MP14 and N-channel MOS transistors MN13 and MN14 constitute a positive feedback circuit for rapidly determining the output voltage of
NチャネルMOSトランジスタMN17およびMN18は、ラッチ回路51がラッチ動作を行なっていないときにラッチ回路本体21の出力電圧を一定に保つ。
N-channel MOS transistors MN17 and MN18 keep the output voltage of
リセットセットフリップフロップ回路23は、バッファ回路22を介して受けたラッチ回路本体21の出力電圧を保持するとともに出力電圧VOUTPおよびVOUTNとして外部へ出力する。
The reset set flip-
ラッチ回路51では、出力電圧Vopが出力電圧Vonより大きい場合は出力電圧VOUTPがHレベルかつ出力電圧VOUTNがLレベルとなり、出力電圧Vopが出力電圧Vonより小さい場合は出力電圧VOUTPがLレベルかつ出力電圧VOUTNがHレベルとなる。また、ラッチ回路51では、ラッチ動作を行なっていないときには電流が消費されない。
In the
[動作]
次に、本発明の第4の実施の形態に係るコンパレータ回路の動作について説明する。
[Operation]
Next, the operation of the comparator circuit according to the fourth embodiment of the present invention will be described.
図9(a)は、本発明の第4の実施の形態に係るコンパレータ回路における差動増幅回路の制御電圧の波形図である。(b)は、本発明の第4の実施の形態に係るコンパレータ回路における差動増幅回路の消費電流の波形図である。 FIG. 9A is a waveform diagram of the control voltage of the differential amplifier circuit in the comparator circuit according to the fourth embodiment of the present invention. (B) is a wave form chart of current consumption of a differential amplifier circuit in a comparator circuit concerning a 4th embodiment of the present invention.
図9(a)および(b)を参照して、時刻t4において、制御電圧Vp0がLレベル、制御電圧Vp1がHレベル、制御電圧Vp2がHレベルに設定される。そして、時刻t4から所定時間経過後、制御電圧VLATCHがLレベルからHレベルに設定される(状態ST4)。ラッチ回路51に供給される制御電圧VLATCHがLレベルからHレベルになると、ラッチ回路51は、差動増幅回路101から受けた出力電圧Vopおよび出力電圧Vonを比較し、比較結果を表わすHレベルまたはLレベルのデジタル信号を保持するとともに出力電圧VOUTPおよびVOUTNとして出力する。
9A and 9B, at time t4, control voltage Vp0 is set to L level, control voltage Vp1 is set to H level, and control voltage Vp2 is set to H level. Then, after a predetermined time has elapsed from time t4, control voltage VLATCH is set from L level to H level (state ST4). When the control voltage VLATCH supplied to the
その他の構成および動作は第3の実施の形態に係る差動増幅回路と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。 Since other configurations and operations are the same as those of the differential amplifier circuit according to the third embodiment, detailed description thereof will not be repeated here.
したがって、本発明の第4の実施の形態に係るコンパレータ回路では、差動増幅回路の出力電圧からオフセット電圧Vosをキャンセルすることができる。また、差動増幅回路においては状態ST2およびST3においてのみ電流が消費され、かつラッチ回路においては、状態ST4のうちのラッチ動作を行なっている期間のみ電流が消費されるため、低消費電流にて電圧比較動作を行なうコンパレータ回路を実現することができる。すなわち、本発明の第4の実施の形態に係るコンパレータ回路では、電圧比較精度の向上を図るとともに消費電流を低減することができる。 Therefore, in the comparator circuit according to the fourth embodiment of the present invention, the offset voltage Vos can be canceled from the output voltage of the differential amplifier circuit. In the differential amplifier circuit, current is consumed only in the states ST2 and ST3, and in the latch circuit, current is consumed only during the latch operation in the state ST4. A comparator circuit that performs a voltage comparison operation can be realized. That is, in the comparator circuit according to the fourth embodiment of the present invention, the voltage comparison accuracy can be improved and the current consumption can be reduced.
次に、本発明の他の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
<第5の実施の形態>
本実施の形態は、第4の実施の形態に係るコンパレータ回路における差動増幅回路を複数段にしたコンパレータ回路に関する。以下で説明する内容以外は第4の実施の形態に係るコンパレータ回路と同様である。
<Fifth embodiment>
The present embodiment relates to a comparator circuit in which the differential amplifier circuit in the comparator circuit according to the fourth embodiment has a plurality of stages. The contents other than those described below are the same as those of the comparator circuit according to the fourth embodiment.
[構成および基本動作]
図10は、本発明の第5の実施の形態に係るコンパレータ回路の構成を示す図である。
[Configuration and basic operation]
FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a comparator circuit according to the fifth embodiment of the present invention.
図10を参照して、コンパレータ回路401は、差動増幅回路101Aおよび101Bと、スイッチS0P,S0N,S1P,S1N,S2P,S2N,S3P,S3Nと、ラッチ回路51とを備える。差動増幅回路101Aおよび101Bの構成は前述の差動増幅回路101と同様である。
Referring to FIG. 10,
スイッチS0Pは、入力ノードN1Aと差動増幅回路101Aの非反転入力端子すなわちPチャネルMOSトランジスタMP1のゲートとの間に接続される。スイッチS0Nは、入力ノードN2Aと差動増幅回路101Aの反転入力端子すなわちPチャネルMOSトランジスタMP2のゲートとの間に接続される。スイッチS1Pは、基準電圧VREFが供給される基準電圧ノードN5Aと差動増幅回路101Aの非反転入力端子すなわちPチャネルMOSトランジスタMP1のゲートとの間に接続される。スイッチS1Nは、基準電圧VREFが供給される基準電圧ノードN6Aと差動増幅回路101Aの反転入力端子すなわちPチャネルMOSトランジスタMP2のゲートとの間に接続される。
Switch S0P is connected between input node N1A and the non-inverting input terminal of
スイッチS2Pは、出力ノードN3Aすなわち入力ノードN1Bと差動増幅回路101Bの非反転入力端子との間に接続される。スイッチS2Nは、出力ノードN4Aすなわち入力ノードN2Bと差動増幅回路101Bの反転入力端子との間に接続される。スイッチS3Pは、基準電圧VREFが供給される基準電圧ノードN5Bと差動増幅回路101Bの非反転入力端子との間に接続される。スイッチS3Nは、基準電圧VREFが供給される基準電圧ノードN6Bと差動増幅回路101Bの反転入力端子との間に接続される。
The switch S2P is connected between the output node N3A, that is, the input node N1B, and the non-inverting input terminal of the
ラッチ回路51の非反転入力端子と出力ノードN3Bとが接続される。ラッチ回路51の反転入力端子と出力ノードN4Bとが接続される。
Non-inverting input terminal of
差動増幅回路101Aは、入力電圧VipおよびVinの電圧差を増幅し、増幅結果を表わす出力電圧VopおよびVonをそれぞれ出力ノードN3AおよびN4Aへ出力する。
差動増幅回路101Bは、差動増幅回路101Aすなわち出力ノードN3Aおよび出力ノードN3Bからそれぞれ受けた電圧の差を増幅し、増幅結果を表わす出力電圧VopおよびVonをそれぞれ出力ノードN3BおよびN4Bへ出力する。
[動作]
次に、本発明の第5の実施の形態に係るコンパレータ回路の動作について説明する。
[Operation]
Next, the operation of the comparator circuit according to the fifth embodiment of the present invention will be described.
図11(a)は、本発明の第5の実施の形態に係るコンパレータ回路における差動増幅回路101Aおよび101Bの制御電圧の波形図である。(b)は、本発明の第5の実施の形態に係るコンパレータ回路における差動増幅回路101Aおよび101Bの消費電流の波形図である。
FIG. 11A is a waveform diagram of control voltages of the
図11(a)および(b)を参照して、時刻t1において、制御電圧Vp0がHレベル、制御電圧Vp1がHレベル、制御電圧Vp2がHレベルに設定される(状態ST1)。このとき、スイッチS0P,S0N,S2P,S2Nはオフ状態であり、かつスイッチS1P,S1N,S3P,S3Nはオフ状態である。また、差動増幅回路101Aおよび101Bの各々において、キャパシタCL1およびCL2の放電動作が行なわれる。この動作については本発明の第1の実施の形態に係る差動増幅回路と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。
Referring to FIGS. 11A and 11B, at time t1, control voltage Vp0 is set to H level, control voltage Vp1 is set to H level, and control voltage Vp2 is set to H level (state ST1). At this time, the switches S0P, S0N, S2P, and S2N are in an off state, and the switches S1P, S1N, S3P, and S3N are in an off state. In each of
次に、時刻t2において、制御電圧Vp0がLレベル、制御電圧Vp1がLレベル、制御電圧Vp2がHレベルに設定される(状態ST2)。このとき、スイッチS0P,S0N,S2P,S2Nはオフ状態であり、かつスイッチS1P,S1N,S3P,S3Nはオン状態である。これにより、差動増幅回路101Aおよび101Bの各々のPチャネルMOSトランジスタMP1のゲートおよびPチャネルMOSトランジスタMP2のゲートにそれぞれ基準電圧VREFが供給される。そして、差動増幅回路101Aおよび101Bの各々において、基準電圧VREFによるキャパシタCL1およびCL2の充電動作が行なわれる。この動作については本発明の第1の実施の形態に係る差動増幅回路と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。
Next, at time t2, control voltage Vp0 is set to L level, control voltage Vp1 is set to L level, and control voltage Vp2 is set to H level (state ST2). At this time, the switches S0P, S0N, S2P, and S2N are in an off state, and the switches S1P, S1N, S3P, and S3N are in an on state. Thus, reference voltage VREF is supplied to the gate of P channel MOS transistor MP1 and the gate of P channel MOS transistor MP2 of each of
次に、時刻t3において、制御電圧Vp0がLレベル、制御電圧Vp1がHレベル、制御電圧Vp2がLレベルに設定される(状態ST3)。このとき、スイッチS0P,S0N,S2P,S2Nはオン状態であり、かつスイッチS1P,S1N,S3P,S3Nはオフ状態である。これにより、差動増幅回路101AのPチャネルMOSトランジスタMP1のゲートおよびPチャネルMOSトランジスタMP2のゲートにそれぞれ入力電圧VipおよびVinが供給される。また、差動増幅回路101BのPチャネルMOSトランジスタMP1のゲートおよびPチャネルMOSトランジスタMP2のゲートにそれぞれ差動増幅回路101Aの出力電圧VopおよびVonが供給される。そして、差動増幅回路101Aおよび101Bの各々において、入力電圧VipおよびVinによるキャパシタCL1およびCL2の充電動作が行なわれる。この動作については本発明の第1の実施の形態に係る差動増幅回路と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。
Next, at time t3, control voltage Vp0 is set to L level, control voltage Vp1 is set to H level, and control voltage Vp2 is set to L level (state ST3). At this time, the switches S0P, S0N, S2P, and S2N are on, and the switches S1P, S1N, S3P, and S3N are off. Thereby, input voltages Vip and Vin are supplied to the gate of P channel MOS transistor MP1 and the gate of P channel MOS transistor MP2 of
次に、時刻t4において、制御電圧Vp0がLレベル、制御電圧Vp1がHレベル、制御電圧Vp2がHレベルに設定される。そして、時刻t4から所定時間経過後、制御電圧VLATCHがLレベルからHレベルに設定される(状態ST4)。このとき、スイッチS0P,S0N,S2P,S2Nはオフ状態であり、かつスイッチS1P,S1N,S3P,S3Nはオフ状態である。そして、差動増幅回路101Aおよび101Bの各々において、出力電圧Vopおよび出力電圧Vonが維持される。
Next, at time t4, the control voltage Vp0 is set to the L level, the control voltage Vp1 is set to the H level, and the control voltage Vp2 is set to the H level. Then, after a predetermined time has elapsed from time t4, control voltage VLATCH is set from L level to H level (state ST4). At this time, the switches S0P, S0N, S2P, and S2N are in an off state, and the switches S1P, S1N, S3P, and S3N are in an off state. In each of
また、ラッチ回路51に供給される制御電圧VLATCHがLレベルからHレベルになると、ラッチ回路51は、差動増幅回路101Bすなわち出力ノードN3Bおよび出力ノードN4Bから受けた出力電圧Vopおよび出力電圧Vonを比較し、比較結果を表わすHレベルまたはLレベルのデジタル信号を保持するとともに出力電圧VOUTPおよびVOUTNとして出力する。
Further, when the control voltage VLATCH supplied to the
ここで、状態ST1およびST4においては、差動増幅回路101Aおよび101Bの各々におけるPチャネルMOSトランジスタMP3,MP4,MP5,MP6がオフ状態であるため、スイッチS0P,S0N,S2P,S2N,S1P,S1N,S3P,S3Nの切り替え動作による差動増幅回路101Aおよび101Bの差動増幅動作に影響はない。
Here, in the states ST1 and ST4, the P-channel MOS transistors MP3, MP4, MP5, and MP6 in each of the
その他の構成および動作は第4の実施の形態に係るコンパレータ回路と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。 Since other configurations and operations are the same as those of the comparator circuit according to the fourth embodiment, detailed description thereof will not be repeated here.
したがって、本発明の第5の実施の形態に係るコンパレータ回路では、差動増幅回路の出力電圧からオフセット電圧Vosをキャンセルすることができる。また、差動増幅回路においては状態ST2およびST3においてのみ電流が消費され、かつラッチ回路においては、状態ST4のうちのラッチ動作を行なっている期間のみ電流が消費されるため、低消費電流にて電圧比較動作を行なうコンパレータ回路を実現することができる。すなわち、本発明の第5の実施の形態に係るコンパレータ回路では、電圧比較精度の向上を図るとともに消費電流を低減することができる。 Therefore, in the comparator circuit according to the fifth embodiment of the present invention, the offset voltage Vos can be canceled from the output voltage of the differential amplifier circuit. In the differential amplifier circuit, current is consumed only in the states ST2 and ST3, and in the latch circuit, current is consumed only during the latch operation in the state ST4. A comparator circuit that performs a voltage comparison operation can be realized. In other words, the comparator circuit according to the fifth embodiment of the present invention can improve the voltage comparison accuracy and reduce the current consumption.
また、本発明の第5の実施の形態に係るコンパレータ回路では、差動増幅回路101Aおよび101Bを備える構成により、増幅能力が高くなるため、指数関数的に電圧比較結果を得る時間を早くすることができる。また、増幅能力が高くなることにより、入力電圧VipおよびVinのより微小な差をラッチ回路51が判定できる電圧にまで増幅できるため、電圧比較精度をさらに向上することができる。
Further, in the comparator circuit according to the fifth embodiment of the present invention, the amplification capability is increased by the configuration including the
なお、本発明の第5の実施の形態に係るコンパレータ回路では、差動増幅回路の段数が2段であるとしたが、これに限定するものではない。段数をさらに増やすことで、より高速でかつ電圧比較精度の高いコンパレータ回路を実現することができる。 In the comparator circuit according to the fifth embodiment of the present invention, the number of stages of the differential amplifier circuit is two, but the present invention is not limited to this. By further increasing the number of stages, a comparator circuit with higher speed and higher voltage comparison accuracy can be realized.
また、スイッチS0P,S0N,S2P,S2N,S1P,S1N,S3P,S3Nの各々は、NチャネルMOSトランジスタであってもよいし、PチャネルMOSトランジスタであってもよいし、また、NチャネルMOSトランジスタおよびPチャネルMOSトランジスタを組み合わせた相補スイッチであってもよい。この場合、各々のスイッチに供給される制御電圧のレベルは、上記状態ST1〜ST4を実現できるように適宜設定すればよい。 Each of switches S0P, S0N, S2P, S2N, S1P, S1N, S3P, and S3N may be an N-channel MOS transistor, a P-channel MOS transistor, or an N-channel MOS transistor. Also, it may be a complementary switch combining a P-channel MOS transistor. In this case, the level of the control voltage supplied to each switch may be set as appropriate so that the states ST1 to ST4 can be realized.
次に、本発明の他の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
<第6の実施の形態>
本実施の形態は、本発明の第4の実施の形態に係るコンパレータ回路を備えたADC回路に関する。以下で説明する内容以外は第4の実施の形態に係るコンパレータ回路と同様である。
<Sixth Embodiment>
The present embodiment relates to an ADC circuit including the comparator circuit according to the fourth embodiment of the present invention. The contents other than those described below are the same as those of the comparator circuit according to the fourth embodiment.
[構成および基本動作]
図12は、本発明の第6の実施の形態に係るADC回路の構成を示す図である。
[Configuration and basic operation]
FIG. 12 is a diagram showing a configuration of an ADC circuit according to the sixth embodiment of the present invention.
図12を参照して、ADC回路501は、逐次比較ADC回路であり、コンパレータ回路301と、DAC(デジタル/アナログコンバータ)回路31と、逐次比較レジスタ回路32とを備える。DAC回路31は、電荷再分配型であり、キャパシタC0〜C11,Cc,CAと、スイッチS0〜S11,S21,S22,SAとを含む。VAINはADC回路501のアナログ入力電圧であり、VREFはコンパレータ回路301およびDAC回路31の基準電圧であり、VDAC_OUTはDAC回路31の出力電圧である。ADC回路501は、たとえば1個の半導体集積回路として実現される。
Referring to FIG. 12, the
DAC回路31は、逐次比較レジスタ回路32から受けた13ビットのデータに基づいて、キャパシタC0〜C11,Cc,CAを用いて基準電圧VREFを分圧することにより、電圧VDAC_OUTを生成する。キャパシタC11からキャパシタC6は、添え字の大きい方から小さい方へ容量が半分になっていくように設定される。同様に、キャパシタC5からキャパシタC0は、添え字の大きい方から小さい方へ容量が半分になっていくように設定される。また、キャパシタCAはキャパシタC0と同じ容量に設定される。キャパシタCcを配置することにより、キャパシタC5はキャパシタC11と同じ容量値に設定することができる。たとえば、キャパシタC11の容量を64×Cとすると、キャパシタC6の容量は2×Cであり、キャパシタC5の容量は64×Cであり、キャパシタC0,CAの容量は2×Cである。また、キャパシタCcの容量は約2×Cに設定される。
The
図13は、ADC回路501におけるDAC回路31の出力電圧の波形図である。
ADC回路501の動作は、初期化動作(タイミングa)、アナログ入力電圧のサンプル動作(タイミングb)および電圧比較動作(タイミングc以降)の3つに分けられる。
FIG. 13 is a waveform diagram of the output voltage of the
The operation of the
図13を参照して、タイミングaにおいて、逐次比較レジスタ回路32がリセットされ、逐次比較レジスタ回路32から出力される13bitのデータがすべて0となる。このとき、キャパシタC0〜C11,CAは基準電圧VREFの供給されるノードに接続されるため、DAC回路31は出力電圧VDAC_OUTとして基準電圧VREFを出力する。
Referring to FIG. 13, at timing a, the successive
タイミングbにおいて、外部からDAC回路31へアナログ入力電圧VAINが供給される。また、キャパシタC0〜C11,CAはアナログ入力電圧VAINの供給されるノードに接続される。このため、DAC回路31の出力電圧VDAC_OUTはVREF−VAINとなる。
At timing b, the analog input voltage VAIN is supplied to the
タイミングcにおいて、第1回目の比較動作としてDAC回路31の最上位ビットB11を初期値1に設定し、ビットB10〜B0を0に設定する。このとき、キャパシタC0〜C10,CAは接地電圧VSSの供給されるノードに接続される。
At timing c, as the first comparison operation, the most significant bit B11 of the
ここで、DAC回路31が逐次比較レジスタ回路32から受ける12bitのデータをb0〜b11とすると、DAC回路31の出力電圧VDAC_OUTは以下の式で表わされる。
Here, if the 12-bit data received from the successive
タイミングcにおいては、最上位ビットB11が1であり、ビットB10〜B0が0であるから、DAC回路31の出力電圧VDAC_OUTは以下の式で表わされる。
At timing c, since the most significant bit B11 is 1 and the bits B10 to B0 are 0, the output voltage VDAC_OUT of the
VDAC_OUT=VREF−VAIN+VREF/2
コンパレータ回路301は、出力電圧VDAC_OUTと基準電圧VREFとを比較し、比較結果を逐次比較レジスタ回路32へ出力する。
VDAC_OUT = VREF−VAIN + VREF / 2
The
逐次比較レジスタ回路32は、出力電圧VDAC_OUTが基準電圧VREFより小さい場合には、出力データの最上位ビットB11を1に決定して次の比較動作に移る。一方、逐次比較レジスタ回路32は、出力電圧VDAC_OUTが基準電圧VREFより大きい場合には、出力データの最上位ビットB11を0に決定して次の比較動作に移る。ここでは、図13に示すように出力電圧VDAC_OUTが基準電圧VREFより大きいことから、逐次比較レジスタ回路32は、出力データの最上位ビットB11を0に決定する。
When the output voltage VDAC_OUT is smaller than the reference voltage VREF, the successive
逐次比較レジスタ回路32は、タイミングd以降も同様に比較動作を行ない、出力データの最下位ビットB0まで値を決定する。すなわち、タイミングdにおいて出力データのビットB10は1に決定され、タイミングeにおいて出力データのビットB9は0に決定される。したがって、出力電圧VDAC_OUTが基準電圧VREFをぎりぎり超えない状態で逐次比較動作が終了する。最下位ビットB0まで決定したときの逐次比較レジスタ回路32から出力されるビットB11〜B0の12bitのデータがアナログ入力電圧VAINをデジタル値に変換した値となる。
The successive
図14(a)は、本発明の第6の実施の形態に係るADC回路における差動増幅回路の制御電圧の波形図である。(b)は、本発明の第6の実施の形態に係るADC回路における差動増幅回路の消費電流の波形図である。図14(a)および(b)は、図13のタイミングcにおける差動増幅回路の制御電圧および消費電流をそれぞれ示している。 FIG. 14A is a waveform diagram of the control voltage of the differential amplifier circuit in the ADC circuit according to the sixth embodiment of the present invention. (B) is a wave form chart of current consumption of a differential amplifier circuit in an ADC circuit concerning a 6th embodiment of the present invention. FIGS. 14A and 14B show the control voltage and current consumption of the differential amplifier circuit at timing c in FIG. 13, respectively.
時刻t1〜t4における動作については、本発明の第4の実施の形態に係るコンパレータ回路と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。 Since the operation at times t1 to t4 is the same as that of the comparator circuit according to the fourth embodiment of the present invention, detailed description will not be repeated here.
したがって、本発明の第6の実施の形態に係るコンパレータ回路では、差動増幅回路の出力電圧からオフセット電圧Vosをキャンセルすることができる。また、差動増幅回路においては状態ST2およびST3においてのみ電流が消費され、かつラッチ回路においては、状態ST4のうちのラッチ動作を行なっている期間のみ電流が消費されるため、低消費電流にて電圧比較動作を行なうコンパレータ回路を実現することができる。すなわち、本発明の第6の実施の形態に係るコンパレータ回路では、電圧比較精度の向上を図るとともに消費電流を低減することができる。 Therefore, in the comparator circuit according to the sixth embodiment of the present invention, the offset voltage Vos can be canceled from the output voltage of the differential amplifier circuit. In the differential amplifier circuit, the current is consumed only in the states ST2 and ST3. In the latch circuit, the current is consumed only during the latch operation in the state ST4. A comparator circuit that performs a voltage comparison operation can be realized. That is, the comparator circuit according to the sixth embodiment of the present invention can improve the voltage comparison accuracy and reduce the current consumption.
ここで、逐次比較ADC回路の消費電流は、一般に電荷再分配型DAC回路を用いることにより低減される。一方、コンパレータ回路では、定常的に電流を消費する増幅回路を複数段用いる構成が採用される場合が多い。このため、コンパレータ回路の消費電流が逐次比較ADC回路全体の消費電流に占める割合は高い。ここで、電荷蓄積型である本発明の実施の形態に係る差動増幅回路をコンパレータ回路に適用することにより、コンパレータ回路の消費電流を従来の数分の1に削減することができる。また、コンパレータ回路のオフセット電圧がキャンセルされるため、電圧比較精度を保ちつつ、消費電流を大幅に削減することが可能な逐次比較ADC回路を実現することができる。 Here, the current consumption of the successive approximation ADC circuit is generally reduced by using a charge redistribution DAC circuit. On the other hand, the comparator circuit often employs a configuration using a plurality of stages of amplifier circuits that constantly consume current. For this reason, the ratio of the consumption current of the comparator circuit to the consumption current of the entire successive approximation ADC circuit is high. Here, by applying the differential amplifier circuit according to the embodiment of the present invention, which is a charge storage type, to the comparator circuit, the consumption current of the comparator circuit can be reduced to a fraction of the conventional one. Further, since the offset voltage of the comparator circuit is canceled, it is possible to realize a successive approximation ADC circuit capable of significantly reducing current consumption while maintaining voltage comparison accuracy.
また、本発明の第5の実施の形態に係るコンパレータ回路をADC回路501に適用することも可能である。これにより、コンパレータ回路の増幅能力を高めることができるため、逐次比較ADC回路全体として非直線性誤差等を低減することができ、変換精度を向上させることができる。
Further, the comparator circuit according to the fifth embodiment of the present invention can be applied to the
今回開示された実施の形態はすべ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る。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
21 ラッチ回路本体、22 バッファ回路、23 リセットセットフリップフロップ回路(RSフリップフロップ回路)、31 DAC(デジタル/アナログコンバータ)回路、32 逐次比較レジスタ回路、51 ラッチ回路、101,101A,101B,201 差動増幅回路、301,402 コンパレータ回路、501 ADC回路、N1,N2 入力ノード、N3,N4 出力ノード、IBS 定電流源、MP1,MP2,MP3,MP4,MP5,MP6,MP11,MP12,MP13,MP14,MP21,MP22 PチャネルMOSトランジスタ、MN1,MN11,MN12,MN13,MN14,MN15,MN16,MN17,MN18,MN2,MN21,MN22,MN23,MN24,MN25,MN26 NチャネルMOSトランジスタ、C0〜C11,Cc,CL1,CL2,CL21,CL22 キャパシタ、S0〜S11,S21,S22,S0P,S0N,S1P,S1N,S2P,S2N,S3P,S3N スイッチ、G1,G2,G3,G4 インバータ回路、G5,G6 NAND回路。 21 latch circuit body, 22 buffer circuit, 23 reset set flip-flop circuit (RS flip-flop circuit), 31 DAC (digital / analog converter) circuit, 32 successive approximation register circuit, 51 latch circuit, 101, 101A, 101B, 201 difference Dynamic amplifier circuit, 301, 402 comparator circuit, 501 ADC circuit, N1, N2 input node, N3, N4 output node, IBS constant current source, MP1, MP2, MP3, MP4, MP5, MP6, MP11, MP12, MP13, MP14 , MP21, MP22 P channel MOS transistors, MN1, MN11, MN12, MN13, MN14, MN15, MN16, MN17, MN18, MN2, MN21, MN22, MN23, MN24, MN25, MN26 N Channel MOS transistors, C0 to C11, Cc, CL1, CL2, CL21, CL22 capacitors, S0 to S11, S21, S22, S0P, S0N, S1P, S1N, S2P, S2N, S3P, S3N switches, G1, G2, G3 G4 inverter circuit, G5, G6 NAND circuit.
Claims (13)
前記定電流源に結合される第1導通電極と、第2導通電極と、第1の入力電圧が供給される第1の入力ノードに結合される制御電極とを有する第1のトランジスタと、
前記定電流源に結合される第1導通電極と、第2導通電極と、第2の入力電圧が供給される第2の入力ノードに結合される制御電極とを有する第2のトランジスタと、
前記第1のトランジスタの第2導通電極と第1の出力ノードとの間に接続される第1のスイッチと、
前記第2のトランジスタの第2導通電極と第2の出力ノードとの間に接続される第2のスイッチと、
前記第1のトランジスタの第2導通電極と第2の出力ノードとの間に接続される第3のスイッチと、
前記第2のトランジスタの第2導通電極と第1の出力ノードとの間に接続される第4のスイッチと、
前記第1の出力ノードに結合され、前記第1のスイッチのオン状態時に前記第1のトランジスタを通して流れる電流に応じた電荷が充電され、かつ前記第4のスイッチのオン状態時に前記第2のトランジスタを通して流れる電流に応じた電荷が充電される第1のキャパシタと、
前記第2の出力ノードに結合され、前記第2のスイッチのオン状態時に前記第2のトランジスタを通して流れる電流に応じた電荷が充電され、かつ前記第3のスイッチのオン状態時に前記第1のトランジスタを通して流れる電流に応じた電荷が充電される第2のキャパシタとを備える半導体装置。 A constant current source;
A first transistor having a first conduction electrode coupled to the constant current source, a second conduction electrode, and a control electrode coupled to a first input node to which a first input voltage is supplied;
A second transistor having a first conduction electrode coupled to the constant current source, a second conduction electrode, and a control electrode coupled to a second input node supplied with a second input voltage;
A first switch connected between a second conduction electrode of the first transistor and a first output node;
A second switch connected between a second conduction electrode of the second transistor and a second output node;
A third switch connected between a second conduction electrode of the first transistor and a second output node;
A fourth switch connected between a second conduction electrode of the second transistor and a first output node;
The second transistor coupled to the first output node is charged according to a current flowing through the first transistor when the first switch is turned on, and the second transistor is turned on when the fourth switch is turned on. A first capacitor that is charged with a charge in accordance with the current flowing through;
The first transistor coupled to the second output node is charged according to a current flowing through the second transistor when the second switch is turned on, and the first transistor is turned on when the third switch is turned on. And a second capacitor that is charged with a charge corresponding to the current flowing through the semiconductor device.
前記第1の状態の後の第2の状態において、前記第1のスイッチおよび前記第2のスイッチはオン状態であり、かつ前記第3のスイッチおよび前記第4のスイッチはオフ状態であり、
前記第2の状態の後の第3の状態において、前記第1のスイッチないし前記第4のスイッチはオフ状態である請求項1記載の半導体装置。 In the first state, the first switch and the second switch are in an off state, and the third switch and the fourth switch are in an on state;
In a second state after the first state, the first switch and the second switch are in an on state, and the third switch and the fourth switch are in an off state;
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein in the third state after the second state, the first switch to the fourth switch are in an off state.
前記第1のキャパシタと並列に接続され、前記第1のキャパシタを放電するための第5のスイッチと、
前記第2のキャパシタと並列に接続され、前記第2のキャパシタを放電するための第6のスイッチとを備える請求項1記載の半導体装置。 The semiconductor device further includes:
A fifth switch connected in parallel with the first capacitor and for discharging the first capacitor;
The semiconductor device according to claim 1, further comprising: a sixth switch connected in parallel with the second capacitor and discharging the second capacitor.
前記第1の状態の後の第2の状態において、前記第1のスイッチおよび前記第2のスイッチはオフ状態であり、前記第3のスイッチおよび前記第4のスイッチはオン状態であり、かつ前記第5のスイッチおよび前記第6のスイッチはオフ状態であり、
前記第2の状態の後の第3の状態において、前記第1のスイッチおよび前記第2のスイッチはオン状態であり、前記第3のスイッチおよび前記第4のスイッチはオフ状態であり、かつ前記第5のスイッチおよび前記第6のスイッチはオフ状態であり、
前記第3の状態の後の第4の状態において、前記第1のスイッチないし前記第6のスイッチはオフ状態である請求項4記載の半導体装置。 In the first state, the first switch to the fourth switch are in an off state, and the fifth switch and the sixth switch are in an on state;
In a second state after the first state, the first switch and the second switch are in an off state, the third switch and the fourth switch are in an on state, and The fifth switch and the sixth switch are in an off state;
In a third state after the second state, the first switch and the second switch are on, the third switch and the fourth switch are off, and The fifth switch and the sixth switch are in an off state;
5. The semiconductor device according to claim 4, wherein in the fourth state after the third state, the first switch to the sixth switch are in an off state.
前記第1の入力ノードと前記第1のトランジスタの制御電極との間に接続される第7のスイッチと、
前記第2の入力ノードと前記第2のトランジスタの制御電極との間に接続される第8のスイッチと、
基準電圧が供給される基準電圧ノードと前記第1のトランジスタの制御電極との間に接続される第9のスイッチと、
前記基準電圧ノードと前記第2のトランジスタの制御電極との間に接続される第10のスイッチとを備える請求項1記載の半導体装置。 The semiconductor device further includes:
A seventh switch connected between the first input node and a control electrode of the first transistor;
An eighth switch connected between the second input node and a control electrode of the second transistor;
A ninth switch connected between a reference voltage node to which a reference voltage is supplied and a control electrode of the first transistor;
The semiconductor device according to claim 1, further comprising a tenth switch connected between the reference voltage node and a control electrode of the second transistor.
前記第1の状態の後の第2の状態において、前記第1のスイッチおよび前記第2のスイッチはオン状態であり、前記第3のスイッチおよび前記第4のスイッチはオフ状態であり、前記第7のスイッチおよび前記第8のスイッチはオン状態であり、かつ前記第9のスイッチおよび前記第10のスイッチはオフ状態であり、
前記第2の状態の後の第3の状態において、前記第1のスイッチないし前記第4のスイッチはオフ状態であり、前記第7のスイッチないし前記第10のスイッチはオフ状態である請求項7記載の半導体装置。 In the first state, the first switch and the second switch are in an off state, the third switch and the fourth switch are in an on state, the seventh switch and the eighth switch The switch is in an off state, and the ninth switch and the tenth switch are in an on state;
In a second state after the first state, the first switch and the second switch are in an on state, the third switch and the fourth switch are in an off state, and the first switch 7 switch and the eighth switch are on, and the ninth switch and the tenth switch are off.
8. In a third state after the second state, the first switch to the fourth switch are in an off state, and the seventh switch to the tenth switch are in an off state. The semiconductor device described.
前記第1のキャパシタと並列に接続され、前記第1のキャパシタを放電するための第5のスイッチと、
前記第2のキャパシタと並列に接続され、前記第2のキャパシタを放電するための第6のスイッチと、
前記第1の入力ノードと前記第1のトランジスタの制御電極との間に接続される第7のスイッチと、
前記第2の入力ノードと前記第2のトランジスタの制御電極との間に接続される第8のスイッチと、
基準電圧が供給される基準電圧ノードと前記第1のトランジスタの制御電極との間に接続される第9のスイッチと、
前記基準電圧ノードと前記第2のトランジスタの制御電極との間に接続される第10のスイッチとを備える請求項1記載の半導体装置。 The semiconductor device further includes:
A fifth switch connected in parallel with the first capacitor and for discharging the first capacitor;
A sixth switch connected in parallel with the second capacitor for discharging the second capacitor;
A seventh switch connected between the first input node and a control electrode of the first transistor;
An eighth switch connected between the second input node and a control electrode of the second transistor;
A ninth switch connected between a reference voltage node to which a reference voltage is supplied and a control electrode of the first transistor;
The semiconductor device according to claim 1, further comprising a tenth switch connected between the reference voltage node and a control electrode of the second transistor.
前記第1の状態の後の第2の状態において、前記第1のスイッチおよび前記第2のスイッチはオフ状態であり、前記第3のスイッチおよび前記第4のスイッチはオン状態であり、かつ前記第5のスイッチおよび前記第6のスイッチはオフ状態であり、前記第7のスイッチおよび前記第8のスイッチはオフ状態であり、かつ前記第9のスイッチおよび前記第10のスイッチはオン状態であり、
前記第2の状態の後の第3の状態において、前記第1のスイッチおよび前記第2のスイッチはオン状態であり、前記第3のスイッチおよび前記第4のスイッチはオフ状態であり、かつ前記第5のスイッチおよび前記第6のスイッチはオフ状態であり、前記第7のスイッチおよび前記第8のスイッチはオン状態であり、かつ前記第9のスイッチおよび前記第10のスイッチはオフ状態であり、
前記第3の状態の後の第4の状態において、前記第1のスイッチないし前記第10のスイッチはオフ状態である請求項9記載の半導体装置。 In the first state, the first switch to the fourth switch are in an off state, and the fifth switch and the sixth switch are in an on state;
In a second state after the first state, the first switch and the second switch are in an off state, the third switch and the fourth switch are in an on state, and The fifth switch and the sixth switch are in an off state, the seventh switch and the eighth switch are in an off state, and the ninth switch and the tenth switch are in an on state. ,
In a third state after the second state, the first switch and the second switch are on, the third switch and the fourth switch are off, and The fifth switch and the sixth switch are in an off state, the seventh switch and the eighth switch are in an on state, and the ninth switch and the tenth switch are in an off state. ,
The semiconductor device according to claim 9, wherein in the fourth state after the third state, the first switch to the tenth switch are in an off state.
定電流源と、
前記定電流源に結合される第1導通電極と、第2導通電極と、前記第1の出力ノードに結合される制御電極とを有する第3のトランジスタと、
前記定電流源に結合される第1導通電極と、第2導通電極と、前記第2の出力ノードに結合される制御電極とを有する第4のトランジスタと、
前記第3のトランジスタの第2導通電極と第3の出力ノードとの間に接続される第11のスイッチと、
前記第4のトランジスタの第2導通電極と第4の出力ノードとの間に接続される第12のスイッチと、
前記第3のトランジスタの第2導通電極と第4の出力ノードとの間に接続される第13のスイッチと、
前記第4のトランジスタの第2導通電極と第3の出力ノードとの間に接続される第14のスイッチと、
前記第3の出力ノードに結合され、前記第11のスイッチのオン状態時に前記第3のトランジスタを通して流れる電流に応じた電荷が充電され、かつ前記第14のスイッチのオン状態時に前記第4のトランジスタを通して流れる電流に応じた電荷が充電される第3のキャパシタと、
前記第4の出力ノードに結合され、前記第12のスイッチのオン状態時に前記第4のトランジスタを通して流れる電流に応じた電荷が充電され、かつ前記第13のスイッチのオン状態時に前記第3のトランジスタを通して流れる電流に応じた電荷が充電される第4のキャパシタとを備える請求項1記載の半導体装置。 The semiconductor device further includes:
A constant current source;
A third transistor having a first conduction electrode coupled to the constant current source, a second conduction electrode, and a control electrode coupled to the first output node;
A fourth transistor having a first conduction electrode coupled to the constant current source, a second conduction electrode, and a control electrode coupled to the second output node;
An eleventh switch connected between a second conduction electrode of the third transistor and a third output node;
A twelfth switch connected between a second conduction electrode of the fourth transistor and a fourth output node;
A thirteenth switch connected between a second conduction electrode of the third transistor and a fourth output node;
A fourteenth switch connected between a second conduction electrode of the fourth transistor and a third output node;
The fourth transistor coupled to the third output node is charged according to a current flowing through the third transistor when the eleventh switch is turned on, and the fourth transistor is turned on when the fourteenth switch is turned on. A third capacitor that is charged with a charge according to the current flowing through;
The third transistor coupled to the fourth output node is charged according to a current flowing through the fourth transistor when the twelfth switch is turned on, and the third transistor is turned on when the thirteenth switch is turned on. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a fourth capacitor charged with electric charge according to a current flowing through the capacitor.
前記第1の出力ノードの電圧および前記第2の出力ノードの電圧に基づいて前記第1の入力電圧および前記第2の入力電圧の比較結果を表わす信号を出力するラッチ回路を備える請求項1記載の半導体装置。 The semiconductor device further includes:
The latch circuit which outputs the signal showing the comparison result of the said 1st input voltage and the said 2nd input voltage based on the voltage of the said 1st output node, and the voltage of the said 2nd output node. Semiconductor device.
1ビットまたは複数ビットのデータを出力する逐次比較レジスタ回路と、
アナログ入力電圧および前記逐次比較レジスタ回路の出力データに基づいて比較対象電圧を生成するDAC回路とを備え、
前記第1の入力ノードに前記比較対象電圧が供給され、前記第2の入力ノードに基準電圧が供給され、
前記逐次比較レジスタ回路は、前記ラッチ回路から受けた信号に基づいて前記データを生成し、前記アナログ入力電圧のデジタル変換結果として出力する請求項12記載の半導体装置。 The semiconductor device further includes:
A successive approximation register circuit that outputs 1-bit or multiple-bit data;
A DAC circuit that generates a comparison target voltage based on an analog input voltage and output data of the successive approximation register circuit;
The comparison target voltage is supplied to the first input node, a reference voltage is supplied to the second input node,
13. The semiconductor device according to claim 12, wherein the successive approximation register circuit generates the data based on a signal received from the latch circuit and outputs the data as a digital conversion result of the analog input voltage.
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