JP2011120001A - Analog/digital converter - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve precision of a successive approximation-type ADC operable speedily. <P>SOLUTION: An analog/digital converter includes: an input signal capacitor Cs that includes an input terminal to which an analog input signal is applied in sampling and a reference terminal connected to reference potential, and holds an amount of charge corresponding to the voltage of the analog input signal in sampling; not less than one reference capacitor 23-1, 23-10 that hold the amount of charge corresponding to the voltage of a reference voltage in sampling, wherein two terminals of each reference capacitor can be connected to the input terminal and the reference terminal in a forward or backward connection state; a comparator 12 determining whether the voltage of the input terminal is higher or lower than the reference potential; and a control circuit for successively connecting not less than one reference capacitor by selecting the connection state, such that the voltage of the input terminal approaches the reference potential, based on the determination result, and calculating digital values from a result obtained by adding a determination result of the comparator. In the analog/digital converter, the values of capacitance in the input signal capacitor and not less than one reference capacitor are set in non-binary. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、逐次比較型アナログ−デジタル変換器(SAR ADC)に関し、特に電荷共有(Charge-Sharing)SAR ADCに関する。   The present invention relates to a successive approximation analog-to-digital converter (SAR ADC), and more particularly to a charge-sharing SAR ADC.

マイクロコンピュータやシステムLSIに搭載するアナログ−デジタル変換器(ADC)は、小型化および高精度化の観点から逐次比較(SAR)型が多く用いられている。一般的なSAR ADCは、DA変換器を利用し、アナログ入力信号の電圧とDA変換器の出力電圧をコンパレータで比較し、比較結果に基づいてDA変換器に与えるデジタル信号を高位ビットから順に決定する。言い換えれば、DA変換器を利用するSAR ADCでは、近似するデジタル値を算出する信号処理が電圧で行われる。一般的なSAR ADCでは、動作速度がDA変換器の出力の整定時間により制限されるため高速化が難しく、高速化するために駆動能力の大きな素子を使用すると、消費電力が増大するという問題があった。   As an analog-digital converter (ADC) mounted on a microcomputer or system LSI, a successive approximation (SAR) type is often used from the viewpoint of miniaturization and high accuracy. A general SAR ADC uses a DA converter, compares the voltage of the analog input signal and the output voltage of the DA converter with a comparator, and determines the digital signal to be given to the DA converter in order from the high-order bit based on the comparison result. To do. In other words, in the SAR ADC using a DA converter, signal processing for calculating an approximate digital value is performed with a voltage. In a general SAR ADC, the operation speed is limited by the settling time of the output of the DA converter, so it is difficult to increase the speed. If an element having a large driving capability is used to increase the speed, there is a problem that power consumption increases. there were.

このような問題を解決するため、近年、非特許文献1および2に、高速動作および低消費電力を実現できるSAR ADCとして、電荷共有SAR ADCが提案されている。電荷共有SAR ADCでは、近似するデジタル値を算出する信号処理が電荷で行われる。電荷共有SAR ADCの構成および動作について図を参照して説明する。   In order to solve such problems, Non-Patent Documents 1 and 2 have proposed charge sharing SAR ADCs as SAR ADCs that can realize high-speed operation and low power consumption. In the charge sharing SAR ADC, signal processing for calculating an approximate digital value is performed with charges. The configuration and operation of the charge sharing SAR ADC will be described with reference to the drawings.

図1は、アナログ入力信号Vinの電圧をnビットのAD変換デジタル信号に変換して出力する電荷共有SAR ADCの構成を示す図である。図1に示すように、電荷共有SAR ADCは、入力信号容量Csと、複数の参照容量回路11−1…11−n−1と、コンパレータ12と、制御回路13と、を備える。   FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a charge sharing SAR ADC that converts the voltage of the analog input signal Vin into an n-bit AD converted digital signal and outputs the converted signal. As illustrated in FIG. 1, the charge sharing SAR ADC includes an input signal capacitor Cs, a plurality of reference capacitor circuits 11-1 to 11-n-1, a comparator 12, and a control circuit 13.

入力信号容量Csは、一方の端子(入力端子)がスイッチSW1を介してアナログ入力信号Vinの入力端子に接続され、他方の端子(基準端子)が基準電位(ここではGND)の電源に接続される。   The input signal capacitor Cs has one terminal (input terminal) connected to the input terminal of the analog input signal Vin via the switch SW1, and the other terminal (reference terminal) connected to the power source of the reference potential (here, GND). The

参照容量回路11−1は、参照容量C1と、参照容量C1の一方の端子を参照電圧Vrefの電源に接続するスイッチSW11と、参照容量C1の他方の端子を基準電位GNDの電源に接続するスイッチSW12と、参照容量C1の一方の端子を入力信号容量Csの入力端子に接続するスイッチSW13と、参照容量C1の他方の端子を入力信号容量Csの基準端子(ここではGND)に接続するスイッチSW14と、参照容量C1の他方の端子を入力信号容量Csの入力端子に接続するスイッチSW15と、参照容量C1の一方の端子を入力信号容量Csの基準端子(ここではGND)に接続するスイッチSW16と、を備える。このような構成により、SW13〜SW16を開状態にし、SW11およびSW12を閉状態にすることにより、参照容量C1は、参照電圧Vrefに充電される。さらに、参照容量C1は、SW11、SW12、SW15およびSW16を開状態にし、SW13およびSW14を閉状態にすることにより、一方の端子が入力信号容量Csの入力端子に、他方の端子が入力信号容量Csの基準端子に接続される順接続状態になり、SW11〜SW14を開状態にし、SW15およびSW16を閉状態にすることにより、一方の端子が入力信号容量Csの基準端子に、他方の端子が入力信号容量Csの入力端子に接続される逆接続状態になる。   The reference capacitor circuit 11-1 includes a reference capacitor C1, a switch SW11 that connects one terminal of the reference capacitor C1 to the power source of the reference voltage Vref, and a switch that connects the other terminal of the reference capacitor C1 to the power source of the reference potential GND. SW12, a switch SW13 that connects one terminal of the reference capacitor C1 to the input terminal of the input signal capacitor Cs, and a switch SW14 that connects the other terminal of the reference capacitor C1 to the reference terminal (here, GND) of the input signal capacitor Cs. A switch SW15 that connects the other terminal of the reference capacitor C1 to the input terminal of the input signal capacitor Cs, and a switch SW16 that connects one terminal of the reference capacitor C1 to the reference terminal (here, GND) of the input signal capacitor Cs. . With such a configuration, the reference capacitor C1 is charged to the reference voltage Vref by opening SW13 to SW16 and closing SW11 and SW12. Further, the reference capacitor C1 has SW11, SW12, SW15 and SW16 open and SW13 and SW14 closed so that one terminal is the input terminal of the input signal capacitor Cs and the other terminal is the input signal capacitor. The forward connection state connected to the reference terminal of Cs is established, SW11 to SW14 are opened, and SW15 and SW16 are closed, so that one terminal is the reference terminal of the input signal capacitor Cs and the other terminal is A reverse connection state is established, which is connected to the input terminal of the input signal capacitor Cs.

他の参照容量回路11−2〜11−n−1は、参照容量回路11−1と同じ構成を備えるが、参照容量C1〜Cn−1の容量値が異なる。参照容量Cn−1〜C1および入力信号容量Csの容量値は、1:2:4…2n−2:2n−1、すなわち2の累乗の比率に設定される。 The other reference capacitance circuits 11-2 to 11-n-1 have the same configuration as the reference capacitance circuit 11-1, but the capacitance values of the reference capacitances C1 to Cn-1 are different. The capacitance values of the reference capacitors Cn-1 to C1 and the input signal capacitor Cs are set to 1: 2: 4... 2 n-2 : 2 n−1 , that is, a ratio of powers of 2.

コンパレータ12は、入力信号容量Csの入力端子の電圧が、基準電位(GND)より高いか低いかを判定する。   The comparator 12 determines whether the voltage at the input terminal of the input signal capacitor Cs is higher or lower than the reference potential (GND).

制御回路13は、コンパレータ12の判定結果に基づいて、入力信号容量Csの入力端子の電圧が基準電位GNDに近づくように、参照容量回路11−1〜11−n−1を、接続状態を選択しながら順次入力信号容量Cs接続し、すべての参照容量回路11−1〜11−n−1の入力信号容量Csへの接続がすべて終了した時の参照容量回路11−1〜11−n−1の接続状態および最後の判定結果から、アナログ入力信号の電圧に対応するデジタル値を算出する。   Based on the determination result of the comparator 12, the control circuit 13 selects the connection state of the reference capacitor circuits 11-1 to 11-n-1 so that the voltage at the input terminal of the input signal capacitor Cs approaches the reference potential GND. The reference capacitor circuits 11-1 to 11-n-1 when the input signal capacitors Cs are sequentially connected and all the reference capacitor circuits 11-1 to 11-n-1 are completely connected to the input signal capacitors Cs. A digital value corresponding to the voltage of the analog input signal is calculated from the connection state and the final determination result.

図2から図4は、図1の電荷共有SAR ADCの動作を説明する図である。ここでは、説明を簡単にするために、n=3の場合、すなわち3ビットの場合を例として説明する。したがって、2個の参照容量回路11−1および11−2が設けられ、参照容量C2、C1および入力信号容量Csの容量値は、1:2:4であり、C、2C、4Cで表す。また、この電荷共有SAR ADCがデジタル変換できるアナログ入力信号Vinは、+Vrefから−Vrefの範囲であり、この範囲外のVinは“111”または“000”になる。   2 to 4 are diagrams for explaining the operation of the charge sharing SAR ADC of FIG. Here, in order to simplify the description, a case where n = 3, that is, a case of 3 bits will be described as an example. Accordingly, two reference capacitance circuits 11-1 and 11-2 are provided, and the capacitance values of the reference capacitances C2, C1 and the input signal capacitance Cs are 1: 2: 4, and are represented by C, 2C, 4C. The analog input signal Vin that can be digitally converted by the charge sharing SAR ADC is in the range of + Vref to −Vref, and Vin outside this range is “111” or “000”.

電荷共有SAR ADCの動作を、図2から図4を参照して説明する。   The operation of the charge sharing SAR ADC will be described with reference to FIGS.

まず、サンプリングステップを行う。サンプリングステップでは、図2の(A)に示すように、SW1を閉状態にして入力信号容量Csにアナログ入力信号Vinを印加すると共に、参照容量回路11−1、11−2において、SW11およびSW12を閉状態に、SW13〜SW16を開状態にして、参照容量C1、C2に参照電圧Vrefを印加する。この後、SW1を開状態に、SW11およびSW12を開状態にする。これにより、入力信号容量Csには、Qin=4C×Vinの電荷が蓄積され、参照容量C1およびC2に、2C×VrefおよびC×Vrefが蓄積される。   First, a sampling step is performed. In the sampling step, as shown in FIG. 2A, the analog input signal Vin is applied to the input signal capacitor Cs with the SW1 closed, and the reference capacitor circuits 11-1 and 11-2 have SW11 and SW12. Is closed, SW13 to SW16 are opened, and the reference voltage Vref is applied to the reference capacitors C1 and C2. Thereafter, SW1 is opened and SW11 and SW12 are opened. As a result, Qin = 4C × Vin is accumulated in the input signal capacitor Cs, and 2C × Vref and C × Vref are accumulated in the reference capacitors C1 and C2.

第1比較ステップでは、図2の(B)に示すように、コンパレータ12が、入力信号容量Csの入力端子の電圧が、GNDより高いか低いかを判定する。   In the first comparison step, as shown in FIG. 2B, the comparator 12 determines whether the voltage at the input terminal of the input signal capacitor Cs is higher or lower than GND.

第2比較ステップでは、第1比較ステップの判定結果が“1”の場合、図3の(A)に示すように、参照容量回路11−1のSW15およびSW16を閉状態にし、参照容量C1の一方の端子が入力信号容量Csの基準端子に、参照容量C1の他方の端子が入力信号容量Csの入力端子に接続される逆接続状態で接続される。これにより、入力信号容量Csおよび参照容量C1に蓄積された電荷の合計Qx=4C×Vin−2C×Vrefとなり、基準端子の電圧Vx=Qx/(4C+2C)=(4×Vin−2×Vref)/6となる。この状態で、コンパレータ12が比較を行う。   In the second comparison step, when the determination result of the first comparison step is “1”, as shown in FIG. 3A, the SW15 and SW16 of the reference capacitance circuit 11-1 are closed, and the reference capacitance C1 is set. One terminal is connected to the reference terminal of the input signal capacitor Cs, and the other terminal of the reference capacitor C1 is connected in a reverse connection state where it is connected to the input terminal of the input signal capacitor Cs. Thus, the total charge Qx = 4C × Vin−2C × Vref accumulated in the input signal capacitor Cs and the reference capacitor C1, and the voltage Vx = Qx / (4C + 2C) = (4 × Vin−2 × Vref) at the reference terminal / 6. In this state, the comparator 12 performs comparison.

また、第1比較ステップの判定結果が“0”の場合、図3の(B)に示すように、参照容量回路11−1のSW13およびSW14を閉状態にし、参照容量C1の一方の端子が入力信号容量Csの入力端子に、参照容量C1の他方の端子が入力信号容量Csの基準端子に接続される順接続状態で接続される。これにより、入力信号容量Csおよび参照容量C1に蓄積された電荷の合計Qx=4C×Vin+2C×Vrefとなり、基準端子の電圧Vx=Qx/(4C+2C)=(4×Vin+2×Vref)/6となる。この状態で、コンパレータ12が比較を行う。   When the determination result of the first comparison step is “0”, as shown in FIG. 3B, the SW13 and SW14 of the reference capacitor circuit 11-1 are closed, and one terminal of the reference capacitor C1 is connected. The other terminal of the reference capacitor C1 is connected to the input terminal of the input signal capacitor Cs in a forward connection state in which the other terminal of the reference capacitor C1 is connected to the reference terminal of the input signal capacitor Cs. As a result, the total charge Qx = 4C × Vin + 2C × Vref accumulated in the input signal capacitor Cs and the reference capacitor C1, and the reference terminal voltage Vx = Qx / (4C + 2C) = (4 × Vin + 2 × Vref) / 6. . In this state, the comparator 12 performs comparison.

第3比較ステップでは、第2比較ステップの判定結果が“1”の場合、図4の(A)に示すように、参照容量回路11−2のSW15およびSW16を閉状態にし、参照容量C2の一方の端子が入力信号容量Csの基準端子に、参照容量C2の他方の端子が入力信号容量Csの入力端子に接続される逆接続状態で接続される。第2比較ステップを行った時の入力信号容量Csおよび参照容量C1に蓄積された電荷の合計をQx2とすると、この参照容量C2により、Qx=Qx2−C×Vrefとなり、基準端子の電圧Vx=Qx/(4C+2C+C)=(Qx2−C×Vref)/7となる。この状態で、コンパレータ12が比較を行う。   In the third comparison step, when the determination result of the second comparison step is “1”, as shown in FIG. 4A, the SW15 and SW16 of the reference capacitance circuit 11-2 are closed, and the reference capacitance C2 One terminal is connected to the reference terminal of the input signal capacitor Cs, and the other terminal of the reference capacitor C2 is connected in a reverse connection state where it is connected to the input terminal of the input signal capacitor Cs. Assuming that the total charge accumulated in the input signal capacitor Cs and the reference capacitor C1 when the second comparison step is performed is Qx2, the reference capacitor C2 results in Qx = Qx2-C × Vref, and the reference terminal voltage Vx = Qx / (4C + 2C + C) = (Qx2-C × Vref) / 7. In this state, the comparator 12 performs comparison.

また、第2比較ステップの判定結果が“0”の場合、図4の(B)に示すように、参照容量回路11−2のSW13およびSW14を閉状態にし、参照容量C2の一方の端子が入力信号容量Csの入力端子に、参照容量C2の他方の端子が入力信号容量Csの基準端子に接続される順接続状態で接続される。これにより、Qx=Qx2+C×Vrefとなり、基準端子の電圧Vx=Qx/(4C+2C+C)=(Qx2+C×Vref)/7となる。この状態で、コンパレータ12が比較を行う。   When the determination result of the second comparison step is “0”, as shown in FIG. 4B, the SW13 and SW14 of the reference capacitor circuit 11-2 are closed, and one terminal of the reference capacitor C2 is connected. The other terminal of the reference capacitor C2 is connected to the input terminal of the input signal capacitor Cs in a forward connection state in which the other terminal of the reference capacitor C2 is connected to the reference terminal of the input signal capacitor Cs. As a result, Qx = Qx2 + C × Vref and the voltage Vx = Qx / (4C + 2C + C) = (Qx2 + C × Vref) / 7 at the reference terminal. In this state, the comparator 12 performs comparison.

ここで、Vinの具体的な電圧値を例として説明を行う。図5は、0(GND)<Vin<+Vref/4である場合の入力端子の電圧Vxの変化例を説明する図であり、この場合のデジタル変換値は“100”であることが正しい変換結果である。   Here, a specific voltage value of Vin will be described as an example. FIG. 5 is a diagram for explaining an example of change in the voltage Vx at the input terminal when 0 (GND) <Vin <+ Vref / 4. In this case, the correct conversion result is that the digital conversion value is “100”. It is.

第1比較ステップの時には、図5の(A)に示すように、入力信号容量Csに蓄積された電荷Qx=4C×Vinであり、基準端子の電圧Vx=Qx/4C=Vinとなり、0(GND)<Vin<+Vref/4であるから、判定結果は“1”となる。   In the first comparison step, as shown in FIG. 5A, the charge Qx = 4C × Vin accumulated in the input signal capacitor Cs, the reference terminal voltage Vx = Qx / 4C = Vin, and 0 ( Since (GND) <Vin <+ Vref / 4, the determination result is “1”.

第2比較ステップの時には、図5の(B)に示すように、Qx=4C×Vin−2C×Vref、Vx=(4×Vin−2×Vref)/6であり、0(GND)<Vin<+Vref/4であるから、判定結果は“0”となる。   At the time of the second comparison step, as shown in FIG. 5B, Qx = 4C × Vin−2C × Vref, Vx = (4 × Vin−2 × Vref) / 6, and 0 (GND) <Vin Since <+ Vref / 4, the determination result is “0”.

第3比較ステップの時には、図5の(C)に示すように、Qx=4C×Vin−2C×Vref−C×Vref=(4×Vin−3×Vref)C、Vx=(4×Vin−3×Vref)/7であり、0(GND)<Vin<+Vref/4であるから、判定結果は“0”となる。   In the third comparison step, as shown in FIG. 5C, Qx = 4C × Vin−2C × Vref−C × Vref = (4 × Vin−3 × Vref) C, Vx = (4 × Vin− Since 3 × Vref) / 7 and 0 (GND) <Vin <+ Vref / 4, the determination result is “0”.

以上のようにして、変換デジタル値は“100”になる。   As described above, the converted digital value becomes “100”.

上記の電荷共有SAR ADCでは、参照容量Cn−1〜C1および入力信号容量Csの容量値は、1:2:4…2n−2:2n−1、すなわち2の累乗の比率に設定される。このような比率を2の累乗に設定する方法は、2進アルゴリズムと呼ばれ、デジタル値に変換する場合にもっとも効率のよい方法であり、一般に使用されている。 In the charge sharing SAR ADC, the capacitance values of the reference capacitors Cn-1 to C1 and the input signal capacitor Cs are set to 1: 2: 4... 2 n-2 : 2 n−1 , that is, a ratio of a power of 2. The A method of setting such a ratio to a power of 2 is called a binary algorithm, and is the most efficient method for converting to a digital value, and is generally used.

非特許文献2は、電荷共有SAR ADCにおいて、容量値が2進アルゴリズムで変化する複数の容量に加えて、最小重みの容量を1個余計に設け、前半で低消費電力および高ノイズのコンパレータを使用し、後半で高消費電力および低ノイズのコンパレータを使用し、最後に最小重みの容量を付加して判定するステップを余計に設け、一層の低消費電力化を図ると共に、前半で使用する高ノイズのコンパレータの誤判定を補正することを提案している。   Non-Patent Document 2 discloses that in charge sharing SAR ADC, in addition to a plurality of capacitances whose capacitance values are changed by a binary algorithm, an additional minimum weight capacitance is provided, and a low power consumption and high noise comparator is provided in the first half. Use a high power consumption and low noise comparator in the second half, and add an extra step to determine the minimum weight capacity at the end to further reduce power consumption and increase the high power used in the first half. It has been proposed to correct misjudgment of noise comparators.

また、非特許文献3および4は、DA変換器を使用したSAR ADCにおけるDA変換器の不完全整定誤差を補正するため、非2進(冗長)アルゴリズムを使用することを提案している。   Non-Patent Documents 3 and 4 propose using a non-binary (redundant) algorithm to correct an incomplete settling error of the DA converter in the SAR ADC using the DA converter.

また、非特許文献5は、DA変換器を使用したSAR ADCにおける非2進(冗長)アルゴリズムについて記載している。   Non-Patent Document 5 describes a non-binary (redundant) algorithm in a SAR ADC using a DA converter.

非特許文献3から5のいずれも、電荷共有SAR ADCについては記載していない。   None of Non-Patent Documents 3 to 5 describes the charge sharing SAR ADC.

J.Craninckx and G.Van der Plas, “A 65fJ/Conversion-Step 0-to-50MS/s 0-to-0.7mW 9b Charge-Sharing SAR ADC in 90nm Digital CMOS”, ISSCC Dig. Tech. Papers, pp. 246-247, Feb. 2007J. Craninckx and G. Van der Plas, “A 65fJ / Conversion-Step 0-to-50MS / s 0-to-0.7mW 9b Charge-Sharing SAR ADC in 90nm Digital CMOS”, ISSCC Dig. Tech. Papers, pp . 246-247, Feb. 2007 V.Giannini, P.Nuzzo, V.Chironi, A.Baschirotto, G.V.Plas, J.Craninckx, “An 820uW 9b 40MS/s Noise-Tolerant Dynamic-SARADC in 90nm Digital CMOS”, ISSCC (Feb. 2007)V.Giannini, P.Nuzzo, V.Chironi, A.Baschirotto, G.V.Plas, J.Craninckx, “An 820uW 9b 40MS / s Noise-Tolerant Dynamic-SARADC in 90nm Digital CMOS”, ISSCC (Feb. 2007) F.Kuttner “A 1.2V 10b 20MS/S Non-Binary Successive Approximation ADC in 0.13um CMOS”Tech. Digest of ISSCC (Feb. 2002)F.Kuttner “A 1.2V 10b 20MS / S Non-Binary Successive Approximation ADC in 0.13um CMOS” Tech. Digest of ISSCC (Feb. 2002) M.Hesener, T.Eichler, A.Hanneberg, D.Herbison, F.Kuttner, H.Wenske“A 14b 40MS/s Redundant SAR ADC with 480MHz Clock in 0.13um CMOS”Tech. Digest of ISSCC (Feb. 2007)M. Hesener, T. Eichler, A. Hanneberg, D. Herbison, F. Kuttner, H. Wenske “A 14b 40MS / s Redundant SAR ADC with 480MHz Clock in 0.13um CMOS” Tech. Digest of ISSCC (Feb. 2007) T.Ogawa, H.Kobayashi, M.Hotta, Y.Takahashi, H.San, N.Takai “SAR ADC Algorithm with Redundancy”, IEEE Asia Pacific Conference on Circuits and Systems, Macao, pp.268-271, Dec. 2008T.Ogawa, H.Kobayashi, M.Hotta, Y.Takahashi, H.San, N.Takai “SAR ADC Algorithm with Redundancy”, IEEE Asia Pacific Conference on Circuits and Systems, Macao, pp.268-271, Dec. 2008

コンパレータは製造バラツキの関係からオフセットを有する。DA変換器を使用する一般的なSAR ADCでは、コンパレータのオフセットは、ADC全体のオフセットとなり、レベルがシフトするだけで、ADCの線形性に問題は生じない。これに対して、電荷共有SAR ADCでの電荷による信号処理では、コンパレータのオフセットが、入力換算オフセットの形で影響するため、ADCの線形性が劣化する。この問題は、コンパレータの入力換算オフセットは電圧であり、比較ステップが進むに従って参照容量が追加されるため、電荷換算オフセットが増加するのが原因である。   The comparator has an offset due to manufacturing variations. In a general SAR ADC using a DA converter, the offset of the comparator becomes an offset of the entire ADC, and only a level shift occurs, and there is no problem in the linearity of the ADC. On the other hand, in the signal processing by charges in the charge sharing SAR ADC, the offset of the comparator affects the input offset, so that the linearity of the ADC deteriorates. This problem is caused by an increase in the charge conversion offset because the input conversion offset of the comparator is a voltage, and a reference capacitor is added as the comparison step proceeds.

図6は、図2から図5で説明した3ビット電荷共有SAR ADCにおける電荷換算オフセットの変化を示す図である。コンパレータのオフセットをVoffとすると、第1比較ステップでは電荷換算オフセットは4C×Voffであるが、第2比較ステップでは6C×Voff、第2比較ステップでは7C×Voffという具合に電荷換算オフセットが変化する。   FIG. 6 is a diagram illustrating a change in charge conversion offset in the 3-bit charge sharing SAR ADC described with reference to FIGS. 2 to 5. If the offset of the comparator is Voff, the charge conversion offset is 4C × Voff in the first comparison step, but the charge conversion offset changes to 6C × Voff in the second comparison step, 7C × Voff in the second comparison step, and so on. .

この問題を解決するため、非特許文献1および2は、コンパレータ内部に可変容量を設け、オフセットが1/2LSB以内になるように調整することを記載している。   In order to solve this problem, Non-Patent Documents 1 and 2 describe that a variable capacitor is provided inside the comparator and the offset is adjusted to be within 1/2 LSB.

しかし、非特許文献1および2に記載されたようにオフセット調整して小さくするにはその分回路が複雑になり、製造工程にオフセット調整工程を設ける必要があり、その分コストが増加するという問題がある。   However, as described in Non-Patent Documents 1 and 2, in order to make the offset adjustment small, the circuit becomes complicated accordingly, and it is necessary to provide an offset adjustment process in the manufacturing process, and the cost increases accordingly. There is.

本発明は、簡単な構成で高精度と高速性の両方を満たす電荷共有SAR ADCを実現することを目的とする。   An object of the present invention is to realize a charge sharing SAR ADC satisfying both high accuracy and high speed with a simple configuration.

上記問題を解決するため、本発明の電荷共有SAR(Successive Approximation Register)アナログ−デジタル変換器(ADC)は、非2進アルゴリズムを適用し、入力信号容量および1個以上の参照容量の容量値が非2進であるように設定する。   In order to solve the above problem, the charge sharing SAR (Successive Approximation Register) analog-digital converter (ADC) of the present invention applies a non-binary algorithm, and the capacitance value of the input signal capacitance and one or more reference capacitances is Set to be non-binary.

すなわち、本願発明の電荷共有SARアナログ−デジタル変換器は、サンプリング時にアナログ入力信号が印加される入力端子と、基準電位に接続される基準端子と、を有し、サンプリング時に印加されるアナログ入力信号の電圧に対応した電荷量を保持する入力信号容量と、サンプリング時に印加される参照電圧の電圧に対応した電荷量を保持する1個以上の参照容量であって、各参照容量の2つの端子は、入力信号容量の入力端子と基準端子に、順接続状態と逆接続状態のいずれかの接続状態で接続可能に構成された1個以上の参照容量と、入力信号容量の入力端子の電圧が、基準電位より高いか低いかを判定するコンパレータと、コンパレータの判定結果に基づいて、入力信号容量の入力端子の電圧が基準電位に近づくように、1個以上の参照容量の入力信号容量との接続状態を選択しながら順次接続し、コンパレータの判定結果を合わせた結果からアナログ入力信号の電圧に対応するデジタル値を算出する制御回路と、を備えるアナログ−デジタル変換器であって、入力信号容量および1個以上の参照容量の容量値は、非2進で設定されていることを特徴とする。   That is, the charge sharing SAR analog-digital converter of the present invention has an input terminal to which an analog input signal is applied at the time of sampling and a reference terminal connected to a reference potential, and the analog input signal to be applied at the time of sampling. An input signal capacitor that holds a charge amount corresponding to the voltage of the reference voltage, and one or more reference capacitors that hold a charge amount corresponding to the voltage of the reference voltage applied during sampling, and two terminals of each reference capacitor are , One or more reference capacitors configured to be connectable to the input terminal and the reference terminal of the input signal capacity in either the forward connection state or the reverse connection state, and the voltage of the input terminal of the input signal capacity are: A comparator that determines whether it is higher or lower than the reference potential, and one or more comparators so that the voltage at the input terminal of the input signal capacitor approaches the reference potential based on the determination result of the comparator. A control circuit that sequentially connects while selecting the connection state of the reference capacitor to the input signal capacitor and calculates a digital value corresponding to the voltage of the analog input signal from the result of combining the determination results of the comparators. The converter is characterized in that the input signal capacity and the capacity values of one or more reference capacitors are set in non-binary.

入力信号容量および1個以上の参照容量の容量値は、すべて異なることが望ましい。   It is desirable that the input signal capacity and the capacity values of one or more reference capacitors are all different.

本発明によれば、冗長な非2進アルゴリズムを適用するため、参照容量の個数および比較処理(ステップ)の回数は若干増加するが、コンパレータのオフセットばらつきの許容範囲を広くできる。   According to the present invention, since the redundant non-binary algorithm is applied, the number of reference capacitors and the number of comparison processes (steps) are slightly increased, but the allowable range of the offset variation of the comparator can be widened.

本発明によれば、高速動作可能な電荷共有SAR ADCの精度が向上し、製造時の歩留まりを改善できる。   According to the present invention, the accuracy of the charge-sharing SAR ADC capable of high-speed operation is improved, and the manufacturing yield can be improved.

図1は、一般的な電荷共有SAR ADCの構成例を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of a general charge sharing SAR ADC. 図2は、電荷共有SAR ADCにおける変換動作を説明する図である。FIG. 2 is a diagram for explaining the conversion operation in the charge sharing SAR ADC. 図3は、電荷共有SAR ADCにおける変換動作を説明する図である。FIG. 3 is a diagram for explaining the conversion operation in the charge sharing SAR ADC. 図4は、電荷共有SAR ADCにおける変換動作を説明する図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a conversion operation in the charge sharing SAR ADC. 図5は、電荷共有SAR ADCにおける、あるアナログ入力信号値に対する比較ステップと判定結果を説明する図である。FIG. 5 is a diagram for explaining a comparison step and a determination result for a certain analog input signal value in the charge sharing SAR ADC. 図6は、3ビット電荷共有SAR ADCにおける電荷換算オフセットの変化を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a change in charge conversion offset in the 3-bit charge sharing SAR ADC. 図7は、本発明の実施形態の電荷共有SAR ADCの構成を示す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of the charge sharing SAR ADC according to the embodiment of the present invention. 図8は、実施形態の電荷共有SAR ADCにおける入力信号容量、複数個の参照容量およびコンパレータの部分の構成を示す図である。FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration of an input signal capacitor, a plurality of reference capacitors, and a comparator in the charge sharing SAR ADC of the embodiment. 図9は、実施形態の電荷共有SAR ADCにおける参照容量の容量値および許容誤差を示す図である。FIG. 9 is a diagram illustrating the capacitance value of the reference capacitor and the allowable error in the charge sharing SAR ADC of the embodiment.

図7は、本発明の実施形態の10ビット電荷共有SAR ADCの構成を示す図であり、図8は、実施形態の電荷共有SAR ADCにおける入力信号容量、複数個の参照容量およびコンパレータの部分の構成を示す図である。   FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of the 10-bit charge sharing SAR ADC according to the embodiment of the present invention. FIG. 8 illustrates an input signal capacity, a plurality of reference capacitors, and a comparator portion in the charge sharing SAR ADC according to the embodiment. It is a figure which shows a structure.

図7に示すように、実施形態の電荷共有SAR ADCは、C_array22およびコンパレータ12を有する比較処理部21と、タイミング発生回路25と、Cレジスタ26と、シフトレジスタ27と、メモリー28と、加算器29と、減算器30と、マルチプレクサ31と、Aレジスタ32と、AD_outレジスタ33と、を備える。比較処理部21を除く部分が、図1の制御回路13に相当する部分を形成する。   As shown in FIG. 7, the charge sharing SAR ADC of the embodiment includes a comparison processing unit 21 having a C_array 22 and a comparator 12, a timing generation circuit 25, a C register 26, a shift register 27, a memory 28, and an adder. 29, a subtracter 30, a multiplexer 31, an A register 32, and an AD_out register 33. A portion excluding the comparison processing unit 21 forms a portion corresponding to the control circuit 13 of FIG.

図8に示すように、C_array22は、スイッチSW1と、入力信号容量Csと、10個の参照容量回路23−1…23−10と、を備える。図8に示すように、各参照容量回路の構成は、図1に示した従来の電荷共有SAR ADCと同じ構成を有する。しかし、従来のnビット電荷共有SAR ADCは、n−1個、すなわち10ビットの場合は9個の参照容量回路を備えるのに対して、本実施形態の10ビット電荷共有SAR ADCは、10個の参照容量回路を備え、10個の参照容量回路に設けられる参照容量C1〜C10および入力信号容量の容量値が、非2進アルゴリズムに従って設定されていることが図1に示した従来の電荷共有SAR ADCと異なる。参照容量回路は、10個設けられているため、比較ステップは11ステップ行われることになる。参照容量回路23−1…23−10のスイッチSW11およびSW12は、信号sample_CLKにより制御され、スイッチSW13〜SW16は、シフトレジスタ27の出力する信号SR_outで制御される。   As illustrated in FIG. 8, the C_array 22 includes a switch SW1, an input signal capacitor Cs, and ten reference capacitor circuits 23-1,. As shown in FIG. 8, the configuration of each reference capacitance circuit is the same as that of the conventional charge sharing SAR ADC shown in FIG. However, the conventional n-bit charge sharing SAR ADC includes n−1, ie, 9 reference capacitance circuits in the case of 10 bits, whereas the 10-bit charge sharing SAR ADC of the present embodiment includes 10 pieces. FIG. 1 shows that the reference capacitances C1 to C10 and the input signal capacitances provided in the ten reference capacitance circuits are set according to a non-binary algorithm. Different from SAR ADC. Since ten reference capacitance circuits are provided, 11 comparison steps are performed. The switches SW11 and SW12 of the reference capacitance circuits 23-1 to 23-10 are controlled by a signal sample_CLK, and the switches SW13 to SW16 are controlled by a signal SR_out output from the shift register 27.

図9は、参照容量C1〜C10(C(k)(k=1〜9))の容量値Cu(k)、許容される1LSB換算のオフセット誤差er(k)、およびLSBで表した誤差許容値を示す。容量値Cu(k)は、C10の容量値を1として相対値で示す。なお、入力信号容量Csの容量値は、C10の容量値の512倍で、C10の容量値をCとすると、512Cである。図9に示した参照容量の容量値Cu(k)の設定については後述する。   FIG. 9 shows capacitance values Cu (k) of reference capacitors C1 to C10 (C (k) (k = 1 to 9)), allowable 1LSB equivalent offset error er (k), and error tolerance expressed in LSB. Indicates the value. The capacitance value Cu (k) is expressed as a relative value with the capacitance value of C10 being 1. The capacitance value of the input signal capacitor Cs is 512 times the capacitance value of C10, and when the capacitance value of C10 is C, it is 512C. The setting of the capacitance value Cu (k) of the reference capacitance shown in FIG. 9 will be described later.

図7に戻り、タイミング発生回路25は、リセット信号ResetおよびクロックCLKを受けて、各部を制御するタイミング信号sample_CLK, SR_Reset, SR_CLK, Comp, CR_CLK, address1-11, AR_Reset, AR_CLK, AD_out_CLKを発生して出力する。   Returning to FIG. 7, the timing generation circuit 25 receives the reset signal Reset and the clock CLK, and generates timing signals sample_CLK, SR_Reset, SR_CLK, Comp, CR_CLK, address 1-11, AR_Reset, AR_CLK, and AD_out_CLK for controlling each unit. Output.

sample_CLKは、サンプリング期間オンになる信号で、図8のSW1および各参照容量回路のスイッチSW11、SW12は、sample_CLKがオンの期間閉状態になり、それ以外の期間は開状態になる。   Sample_CLK is a signal that is turned on during the sampling period. SW1 in FIG. 8 and switches SW11 and SW12 of each reference capacitance circuit are closed while sample_CLK is on, and are open during other periods.

コンパレータ12は、信号compに応じて比較動作結果を出力する。   The comparator 12 outputs a comparison operation result according to the signal comp.

Cレジスタ26は、信号CR_CLKに応じてコンパレータ12の出力をラッチしてComp_outとして出力する。   The C register 26 latches the output of the comparator 12 according to the signal CR_CLK and outputs it as Comp_out.

シフトレジスタ27は、信号SR_Resetに応じて保持している値をリセットした後、信号SR_CLKに応じてCレジスタ26の出力を順に取り込んでレジスタに格納し、信号SR_outとして出力する。   The shift register 27 resets the value held in accordance with the signal SR_Reset, then sequentially takes the output of the C register 26 in accordance with the signal SR_CLK, stores it in the register, and outputs it as the signal SR_out.

メモリー28は、ROMで構成され、入力信号容量Csおよび参照容量C1〜C10の容量値に対応する値を信号address1-10に対応させて記憶しており、入力された信号address1-10に応じて記憶された値を出力する。また、メモリー28は、信号address11に対応させて、加算器29には“0”を、減算器30には“1”を出力するように値を記憶している。   The memory 28 is composed of a ROM and stores values corresponding to the capacitance values of the input signal capacitance Cs and the reference capacitances C1 to C10 in correspondence with the signal address1-10, and according to the input signal address1-10. Output the stored value. Further, the memory 28 stores values so as to output “0” to the adder 29 and “1” to the subtracter 30 in correspondence with the signal address11.

加算器29は、Aレジスタ32の出力値にメモリー28の出力値を加算してマルチプレクサ31に出力し、減算器30は、Aレジスタ32の出力値からメモリー28の出力値を減算してマルチプレクサ31に出力する。   The adder 29 adds the output value of the memory 28 to the output value of the A register 32 and outputs it to the multiplexer 31. The subtracter 30 subtracts the output value of the memory 28 from the output value of the A register 32. Output to.

マルチプレクサ31は、Cレジスタ26の出力する判定結果に基づいて加算器29または減算器30の出力の一方を選択して出力する。   The multiplexer 31 selects and outputs one of the outputs from the adder 29 or the subtracter 30 based on the determination result output from the C register 26.

Aレジスタ32は、信号AR_Resetに応じてあらかじめ設定されている初期値を出力し、それ以降信号 AR_CLKに応じてマルチプレクサ31の出力をラッチし、加算器29および減算器30に出力する。   The A register 32 outputs an initial value set in advance according to the signal AR_Reset, and thereafter latches the output of the multiplexer 31 according to the signal AR_CLK and outputs it to the adder 29 and the subtracter 30.

AD_outレジスタ33は、AD_out_CLKに応じてマルチプレクサ31の出力をラッチし、デジタル変換値として出力する。   The AD_out register 33 latches the output of the multiplexer 31 according to AD_out_CLK and outputs it as a digital conversion value.

次に、実施形態の10ビット電荷共有SAR ADCの動作を説明する。実施形態の電荷共有SAR ADCは、1回のサンプリングステップと11回の比較ステップを行い、各ステップは1クロックで行われる。前述のように、従来の10ビット電荷共有SAR ADCは、9個の参照容量回路を備えており、1回のサンプリングステップと10回の比較ステップを行うのに対して、実施形態の10ビット電荷共有SAR ADCは、10個の参照容量回路23−1…23−10を備えており、11回の比較ステップを行う。10個の参照容量回路23−1…23−10は、10個の参照容量C1〜C10を備えており、参照容量C1〜C10および入力信号容量Csの容量値は、図9に示すように、非2進アルゴリズムに従って重み付けされている。   Next, the operation of the 10-bit charge sharing SAR ADC of the embodiment will be described. The charge sharing SAR ADC of the embodiment performs one sampling step and eleven comparison steps, and each step is performed in one clock. As described above, the conventional 10-bit charge sharing SAR ADC includes nine reference capacitance circuits, and performs one sampling step and ten comparison steps. The shared SAR ADC includes ten reference capacitance circuits 23-1 to 23-10 and performs 11 comparison steps. The ten reference capacitor circuits 23-1 to 23-10 include ten reference capacitors C 1 to C 10, and the capacitance values of the reference capacitors C 1 to C 10 and the input signal capacitor Cs are as shown in FIG. Weighted according to non-binary algorithm.

まず、信号Resetに応じて、サンプリングステップを行う。サンプリングステップでは、従来例と同様に、SW1を閉状態にして入力信号容量Csにアナログ入力信号Vinを印加すると共に、参照容量回路23−1…23−10において、SW11およびSW12を閉状態に、SW13〜SW16を開状態にして、参照容量C1〜C10に参照電圧Vrefを印加する。この後、SW1を開状態に、SW11およびSW12を開状態にする。これにより、入力信号容量Csには、Qin=512C×Vinの電荷が蓄積され、参照容量C1〜C10に、Cu(k)×Vref(k=1〜10)が蓄積される。さらに、Aレジスタ32は、初期値512、すなわち10ビットのデジタル値の中間値を出力するように設定される。   First, a sampling step is performed according to the signal Reset. In the sampling step, similarly to the conventional example, SW1 is closed and the analog input signal Vin is applied to the input signal capacitor Cs, and in the reference capacitor circuits 23-1 to 23-10, SW11 and SW12 are closed. SW13 to SW16 are opened, and the reference voltage Vref is applied to the reference capacitors C1 to C10. Thereafter, SW1 is opened and SW11 and SW12 are opened. Thereby, charges of Qin = 512C × Vin are accumulated in the input signal capacitor Cs, and Cu (k) × Vref (k = 1-10) is accumulated in the reference capacitors C1 to C10. Further, the A register 32 is set to output an initial value 512, that is, an intermediate value of a 10-bit digital value.

第1比較ステップでは、コンパレータ12が、入力信号容量Csの入力端子の電圧が、GNDより高いか低いかを判定する。この時、メモリー28は、1番目のアドレスに記憶されたC1のCu(1)=237を出力し、加算器29はAレジスタ32の出力する初期値512に237を加算した値749を、減算器30はAレジスタ32の出力する初期値512から237を減算した値275を、それぞれ出力する。マルチプレクサ31は、判定結果が“高(1)”の場合は加算器29の出力する値749を、判定結果が“低(0)”の場合は減算器30の出力する値275を選択し、Aレジスタ32は、マルチプレクサ31の出力する値をラッチして出力する。   In the first comparison step, the comparator 12 determines whether the voltage at the input terminal of the input signal capacitor Cs is higher or lower than GND. At this time, the memory 28 outputs Cu (1) = 237 of C1 stored at the first address, and the adder 29 subtracts the value 749 obtained by adding 237 to the initial value 512 output from the A register 32. The unit 30 outputs a value 275 obtained by subtracting 237 from the initial value 512 output from the A register 32. The multiplexer 31 selects the value 749 output from the adder 29 when the determination result is “high (1)”, and selects the value 275 output from the subtractor 30 when the determination result is “low (0)”. The A register 32 latches and outputs the value output from the multiplexer 31.

第2比較ステップでは、第1比較ステップの判定結果が“1”の場合、参照容量回路23−1のSW15およびSW16を閉状態にし、参照容量C1の一方の端子が入力信号容量Csの基準端子に、参照容量C1の他方の端子が入力信号容量Csの入力端子に接続される逆接続状態で接続される。これにより、入力信号容量Csおよび参照容量C1に蓄積された電荷の合計Qx=512C×Vin−237C×Vrefとなり、基準端子の電圧Vx=Qx/(512C+237C)=(512×Vin−237×Vref)/749となる。この状態で、コンパレータ12が比較を行う。   In the second comparison step, when the determination result of the first comparison step is “1”, SW15 and SW16 of the reference capacitor circuit 23-1 are closed, and one terminal of the reference capacitor C1 is a reference terminal of the input signal capacitor Cs. Are connected in a reverse connection state in which the other terminal of the reference capacitor C1 is connected to the input terminal of the input signal capacitor Cs. As a result, the total charge accumulated in the input signal capacitor Cs and the reference capacitor C1 becomes Qx = 512C × Vin−237C × Vref, and the voltage Vx = Qx / (512C + 237C) = (512 × Vin−237 × Vref) at the reference terminal. / 749. In this state, the comparator 12 performs comparison.

また、第1比較ステップの判定結果が“0”の場合、参照容量回路23−1のSW13およびSW14を閉状態にし、参照容量C1の一方の端子が入力信号容量Csの入力端子に、参照容量C1の他方の端子が入力信号容量Csの基準端子に接続される順接続状態で接続される。これにより、入力信号容量Csおよび参照容量C1に蓄積された電荷の合計Qx=512C×Vin+237C×Vrefとなり、基準端子の電圧Vx=Qx/(512C+237C)=(512×Vin+237×Vref)/749となる。この状態で、コンパレータ12が比較を行う。   When the determination result of the first comparison step is “0”, SW13 and SW14 of the reference capacitor circuit 23-1 are closed, and one terminal of the reference capacitor C1 is connected to the input terminal of the input signal capacitor Cs. The other terminal of C1 is connected in a forward connection state where it is connected to the reference terminal of the input signal capacitor Cs. As a result, the total charge accumulated in the input signal capacitor Cs and the reference capacitor C1 becomes Qx = 512C × Vin + 237C × Vref, and the reference terminal voltage Vx = Qx / (512C + 237C) = (512 × Vin + 237 × Vref) / 749. . In this state, the comparator 12 performs comparison.

この時、メモリー28は、2番目のアドレスに記憶されたC2のCu(2)=127を出力し、加算器29はAレジスタ32の出力する値(749または275)に127を加算した値(876または402)を、減算器30はAレジスタ32の出力する値(749または275)から127を減算した値(622または148)を、それぞれ出力する。マルチプレクサ31は、判定結果が“高(1)”の場合は加算器29の出力する値(876または402)を、判定結果が“低(0)”の場合は減算器30の出力する値(622または148)を選択し、Aレジスタ32は、マルチプレクサ31の出力する値をラッチして出力する。   At this time, the memory 28 outputs Cu (2) = 127 of C2 stored at the second address, and the adder 29 adds 127 to the value (749 or 275) output from the A register 32 ( 876 or 402), the subtractor 30 outputs a value (622 or 148) obtained by subtracting 127 from the value (749 or 275) output from the A register 32, respectively. The multiplexer 31 outputs the value (876 or 402) output from the adder 29 when the determination result is “high (1)”, and outputs the value (output from the subtractor 30 when the determination result is “low (0)”). 622 or 148) is selected, and the A register 32 latches and outputs the value output from the multiplexer 31.

以下、第3比較ステップから第11比較ステップで、参照容量C2〜C10が前のステップの判定結果に応じて入力容量Csに接続され、ステップに応じてメモリー28の出力するCu(3)〜Cu(10)を、前の比較ステップでAレジスタ32に保持された値に対して加算または減算を繰り返し、デジタル変換値が生成される。   Hereinafter, in the third comparison step to the eleventh comparison step, the reference capacitors C2 to C10 are connected to the input capacitor Cs according to the determination result of the previous step, and Cu (3) to Cu output from the memory 28 according to the step. (10) is repeatedly added or subtracted to the value held in the A register 32 in the previous comparison step, and a digital conversion value is generated.

最終の第11比較ステップでは、メモリー28は、加算器29に“0”を、減算器30に “1”を出力しており、加算器29は、Aレジスタ32の出力する第11比較ステップの比較レベルをそのまま出力し、減算器30は、第11比較ステップの比較レベルから1を減じた値を出力する。マルチプレクサ31は、第11比較ステップの比較結果に応じて加算器29または減算器30を選択して出力し、AD_outレジスタ33は、AD_out_CLKに応じてマルチプレクサ31の出力をラッチし、AD変換値として出力する。   In the final eleventh comparison step, the memory 28 outputs “0” to the adder 29 and “1” to the subtractor 30, and the adder 29 outputs the first comparison step output from the A register 32. The comparison level is output as it is, and the subtracter 30 outputs a value obtained by subtracting 1 from the comparison level of the eleventh comparison step. The multiplexer 31 selects and outputs the adder 29 or the subtracter 30 according to the comparison result of the eleventh comparison step, and the AD_out register 33 latches the output of the multiplexer 31 according to AD_out_CLK and outputs it as an AD conversion value To do.

以上でAD変換処理が終了する。   This completes the AD conversion process.

次に、参照容量C1〜C10の容量値を設定する方法について一般化して説明する。   Next, a method for setting the capacitance values of the reference capacitors C1 to C10 will be generalized and described.

まず、Nビット電荷共有SAR ADCで生じる誤差を見積もる。NビットMステップのSAR ADCを考える。kステップ目での容量の合計値をCsum(k)とすると、以下のように表せる。 First, an error occurring in the N-bit charge sharing SAR ADC is estimated. Consider an N-bit M-step SAR ADC. When the total value of the capacities at the k-th step is C sum (k), it can be expressed as follows.

Figure 2011120001
Figure 2011120001

コンパレータの入力換算オフセットをVosとすると、kステップ目の電荷換算オフセットOosは、次のように表せる。 If the input conversion offset of the comparator is V os , the charge conversion offset O os at the k-th step can be expressed as follows.

Figure 2011120001
Figure 2011120001

非2進冗長アルゴリズムでは最終ステップを基準に誤差を考える。したがって、kステップ目のオフセットによる電荷誤差Qer(k)は、以下のようになる。   In the non-binary redundancy algorithm, an error is considered based on the final step. Therefore, the charge error Qer (k) due to the k-th offset is as follows.

Figure 2011120001
Figure 2011120001

入力電荷のフルスケールをQFSとすると、1LSB換算のオフセット誤差er(k)は、以下のようになる。 If the full scale of the input charge and Q FS, the offset error er of 1LSB terms (k) is as follows.

Figure 2011120001
Figure 2011120001

これを許容するアルゴリズムを設計する。   Design an algorithm that allows this.

そして、最終比較値のオフセットQos(M)がADC全体のオフセットとなる。1LSB換算したADCオフセットDosは以下のようになる。 Then, the offset Q os (M) of the final comparison value becomes the offset of the entire ADC. The ADC offset Dos converted to 1 LSB is as follows.

Figure 2011120001
Figure 2011120001

ADC全体にオフセットがある場合、端の入力に対して出力の飽和が起きる。この出力の飽和は冗長アルゴリズムにオーバーレンジを持たせ、出力の階調が2+2*Dosになるように設計することで、無くすことができる。 If there is an offset across the ADC, output saturation occurs with respect to the end input. This output saturation can be eliminated by providing an overrange to the redundancy algorithm and designing the output gradation to be 2 N + 2 * D os .

図9は、10ビット11ステップで、Vin=−1V〜+1V、Vref=1V、Cs=512C、Vos=55mVの場合の例である。 FIG. 9 shows an example in the case of Vin = −1V to + 1V, Vref = 1V, Cs = 512C, and V os = 55 mV in 10 bits and 11 steps.

以上、実施形態を説明したが、記載した実施形態は発明を説明するためのもので、当業者には、特許請求の範囲において各種の変形例があり得ることが容易に理解可能である。   Although the embodiments have been described above, the described embodiments are for explaining the invention, and those skilled in the art can easily understand that there can be various modifications within the scope of the claims.

本発明は、電荷共有逐次比較型AD変換回路に適用可能である。   The present invention is applicable to a charge sharing successive approximation type AD converter circuit.

12 比較器
21 比較処理部
22 C_array
23−1〜23−10 参照容量回路
25 タイミング発生回路
26 Cレジスタ
27 シフトレジスタ
28 メモリー
29 加算器29
30 減算器
31 マルチプレクサ31
32 Aレジスタ
33 AD_outレジスタ33
12 Comparator 21 Comparison Processing Unit 22 C_array
23-1 to 23-10 Reference capacity circuit 25 Timing generation circuit 26 C register 27 Shift register 28 Memory 29 Adder 29
30 Subtractor 31 Multiplexer 31
32 A register 33 AD_out register 33

Claims (2)

サンプリング時にアナログ入力信号が印加される入力端子と、基準電位に接続される基準端子と、を有し、サンプリング時に印加されるアナログ入力信号の電圧に対応した電荷量を保持する入力信号容量と、
サンプリング時に印加される参照電圧の電圧に対応した電荷量を保持する1個以上の参照容量であって、各参照容量の2つの端子は、前記入力信号容量の前記入力端子と前記基準端子に、順接続状態と逆接続状態のいずれかの接続状態で接続可能に構成された1個以上の参照容量と、
前記入力信号容量の前記入力端子の電圧が、前記基準電位より高いか低いかを判定するコンパレータと、
前記コンパレータの判定結果に基づいて、前記入力信号容量の前記入力端子の電圧が前記基準電位に近づくように、前記1個以上の参照容量の前記入力信号容量との接続状態を選択しながら順次接続し、前記コンパレータの判定結果を合わせた結果から前記アナログ入力信号の電圧に対応するデジタル値を算出する制御回路と、を備えるアナログ−デジタル変換器であって、
前記入力信号容量および前記1個以上の参照容量の容量値は、非2進で設定されていることを特徴とするアナログ−デジタル変換器。
An input signal capacitor having an input terminal to which an analog input signal is applied at the time of sampling and a reference terminal connected to a reference potential, and holding a charge amount corresponding to the voltage of the analog input signal applied at the time of sampling;
One or more reference capacitors holding a charge amount corresponding to the voltage of the reference voltage applied at the time of sampling, and two terminals of each reference capacitor are connected to the input terminal and the reference terminal of the input signal capacitor, One or more reference capacitors configured to be connectable in either a forward connection state or a reverse connection state;
A comparator for determining whether the voltage at the input terminal of the input signal capacity is higher or lower than the reference potential;
Based on the determination result of the comparator, sequentially connect while selecting the connection state of the one or more reference capacitors with the input signal capacitor so that the voltage of the input terminal of the input signal capacitor approaches the reference potential And a control circuit that calculates a digital value corresponding to the voltage of the analog input signal from the result of combining the determination results of the comparator, and an analog-digital converter comprising:
The analog-digital converter characterized in that the input signal capacity and the capacity value of the one or more reference capacitors are set in non-binary.
前記入力信号容量および前記1個以上の参照容量の容量値は、すべて異なる請求項1に記載のアナログ−デジタル変換器。   The analog-to-digital converter according to claim 1, wherein the input signal capacitance and the capacitance value of the one or more reference capacitors are all different.
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