JP2011211365A - Ad変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高精度にビット変換するとともに、ビット切換に応じて、最小分解能を同じに保ちつつ、消費電力を低減することができるAD変換装置を提供する。
【解決手段】複数の参照電圧のそれぞれと入力アナログ信号Vinの電圧との大小関係を判定する複数のコンパレータ20と、複数のコンパレータ20の判定結果に基づいて、入力電圧に応じたデジタル信号を生成するエンコード部13と、デジタル信号のビット数の設定指示を受け付け、設定指示が行われたビット数に応じて複数のコンパレータ20のうちデジタル信号の生成に必要なコンパレータ20以外のコンパレータを停止させ、デジタル信号の生成に必要なコンパレータ20からの出力に基づいて設定指示が行われたビット数のデジタル信号をエンコード部13により生成させる制御部14と、を有する。
【選択図】図5
【解決手段】複数の参照電圧のそれぞれと入力アナログ信号Vinの電圧との大小関係を判定する複数のコンパレータ20と、複数のコンパレータ20の判定結果に基づいて、入力電圧に応じたデジタル信号を生成するエンコード部13と、デジタル信号のビット数の設定指示を受け付け、設定指示が行われたビット数に応じて複数のコンパレータ20のうちデジタル信号の生成に必要なコンパレータ20以外のコンパレータを停止させ、デジタル信号の生成に必要なコンパレータ20からの出力に基づいて設定指示が行われたビット数のデジタル信号をエンコード部13により生成させる制御部14と、を有する。
【選択図】図5
Description
本発明は、AD(アナログ−デジタル)変換装置に関し、特にフラッシュ型AD変換装置に関する。
従来より、並列型AD変換装置の一つであるフラッシュ型AD変換装置が広く用いられている。
このフラッシュ型AD変換器は、ラダー抵抗と、複数のコンパレータと、エンコーダ部とを有している。ラダー抵抗は、直列に接続された複数の分圧用抵抗を有しており、これら分圧用抵抗により所定の電圧を分圧して複数の参照電圧を生成する。そして、複数のコンパレータにより、それぞれの参照電圧とアナログ入力信号の電圧とを比較し、エンコーダ部は、その比較の結果に基づいてアナログ入力信号に対応するデジタル信号を所定のビット数で出力する(例えば、特許文献1参照)。
しかし、従来のフラッシュ型AD変換装置は、顧客の仕様に応じて製造されており、デジタル信号のビット数が固定されていたため、汎用性に乏しかった。
AD変換装置として、動作周波数やサンプリング周波数を変更したり、繰り返し回数を変更したりすることで変換ビット数を変更する技術が提案されている(例えば、特開2006−20282号公報参照)が、フラッシュ型AD変換装置に適用することができない。
そこで、本発明は、変換ビットを変更可能として、汎用性を高め、しかも、消費電力を低減することも可能なフラッシュ型のAD変換装置を提供することを目的とする。
そこで、上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、複数の参照電圧のそれぞれとアナログ入力信号の電圧との大小関係を判定する複数のコンパレータと、前記複数のコンパレータの判定結果に基づいて、前記入力電圧に応じたデジタル信号を生成するエンコード部と、前記デジタル信号のビット数の設定指示を受け付け、前記設定指示されたビット数に応じて前記複数のコンパレータのうち前記デジタル信号の生成に必要なコンパレータ以外のコンパレータを停止させ、前記デジタル信号の生成に必要なコンパレータからの出力に基づいて前記設定指示が行われたビット数のデジタル信号を前記エンコード部により生成させる制御部と、を有するAD変換装置とした。
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のAD変換装置において、前記アナログ入力信号を増幅する増幅部を備え、前記制御部は、前記増幅部を制御して、前記設定指示が行われたビット数に応じて前記入力アナログ信号の振幅を変更することとした。
また、請求項3に記載の発明は、請求項2に記載のAD変換装置において、前記エンコード部は、nビットまでのデジタル信号を生成可能としており、前記複数のコンパレータは、比較する参照電圧の低いものから順に1番目のコンパレータから2n−1番目(nは自然数)のコンパレータまでの2n−1個のコンパレータからなり、前記増幅部は、前記複数の参照電圧のうち電圧値が中間の参照電圧を基準として、前記アナログ入力信号の振幅を変更し、前記制御部は、前記設定指示が行われたビット数がm(m<n)であるとき、1番目〜2m−1番目まで、及び(2n−2m−1)番目から2n−1番目までのコンパレータを停止させることとした。
また、請求項4に記載の発明は、請求項1〜3のいずれか1項に記載のAD変換装置において、前記コンパレータは、前記アナログ入力信号と前記参照電圧を入力する差動増幅部と、前記差動増幅部の出力をラッチするラッチ部とを有しており、前記制御部は、前記差動増幅部と前記ラッチ部とを停止させることによって、前記コンパレータを停止することとした。
本発明によれば、制御部設定指示が行われたビット数に応じて複数のコンパレータのうちデジタル信号の生成に必要なコンパレータ以外のコンパレータを停止させ、これらのコンパレータからの出力に基づいて設定指示が行われたビット数のデジタル信号をエンコード部により生成する。そのため、変換ビットが変更可能となり、汎用性が高く、しかも、消費電力を低減することができる。
本実施形態に係るAD変換装置は、閾値を分解能(2n−1)の内部に持ち、複数の参照電圧とアナログ入力信号の大小を複数のコンパレータにて判別し、エンコード部によりエンコーディングしてデジタル信号を出力するものであり、以下の特徴を有する。
本実施形態に係るAD変換装置は、nビットからm(n<m)ビットへ切り替え可能としたフラッシュ型AD変換装置である。このAD変換装置は、設定指示により指定された変換ビットに応じて複数のコンパレータのうちデジタル信号の生成に必要なコンパレータ以外のコンパレータを停止させるようにしている。これにより、(2n−1)個のコンパレータからなるコンパレータ部の消費電力を1/2mに低減することできる。
また、本実施形態に係るAD変換装置のエンコード部は、複数のエンコーダを有しており、ビットの切り替えに応じてエンコーダを切り替える。これにより、変換ビット数の変更、すなわちビットの切り替えを容易に行うことができる。
しかも、アナログ入力信号Vinを増幅する増幅部を有しており、アナログ入力信号Vinの振幅を設定指示により指定された変換ビットに応じて調整する。そして、その調整をVin/2(n-m)とすることで、AD変換における1LSB(Least Significant Bit;最小分解能)が同じになり、変換精度および変換速度を落とすことなく、切り替えることができる。
また、本実施形態に係るAD変換装置は、nビットからmビットへ切り替えるときに、増幅部のアナログ入力信号Vinの振幅を小さくするので、増幅部の消費電力も低減することができる。
また、本実施形態に係るAD変換装置は、コンパレータの停止を、フルスケールの両端から動作させる。これにより、アナログ入力信号Vinの基準電圧を変化させることがなく、内部基準回路を変更することがない。
また、本実施形態に係るAD変換装置は、小数点ビットを取り扱えるビット切り替え機能を有するため、汎用性をさらに高めることができる。
本実施形態のAD変換装置は、上述した特徴を有するため、トータル的に効率良く、ビット切り替えを行うことができる。
次に、本発明の実施形態に係るAD変換装置の具体例について、図面を参照して説明する。各図において、同一の構成要素には同一の符号を付してある。
まず、図1〜図8を参照して本実施形態に係るAD変換装置1の構成を説明する。
図1に示すように、AD変換装置1は、増幅部2及びAD変換部3により構成されている。なお、ここでは、一例として、AD変換装置1の最大分解能nをn=4として説明する。
増幅部2は、図2に示すように、オペアンプAMP1、入力抵抗R1及び帰還抵抗R2とからなり、入力されたアナログ入力信号Vinの振幅を増幅し、このように振幅を増幅したアナログ入力信号VinをAD変換部3に出力する。なお、増幅部2の増幅率は、R2/R1であり、抵抗R2の抵抗値を変更することで、増幅率が変更される。
AD変換部3は、増幅部2により増幅されたアナログ入力信号Vinが入力されると、このアナログ入力信号Vinを指定されたビット数のデジタル信号Doutに変換して出力する。このAD変換部3は、基準電圧源11、コンパレータ群12、エンコード部13、制御部14を有している。
基準電圧源11は、下位参照電圧VRBと上位参照電圧VRTとを生成し、図3に示すように、下位参照電圧VRBと上位参照電圧VRTとの間の電圧をラダー抵抗19により15等分に分割して参照電圧VR1〜VR13を生成する。このように、基準電圧源11は、15個の参照電圧VRB,VR1〜VR13,VRTを生成する。なお、以下において、参照電圧VRB,VR1〜VR13,VRTのうち任意の一つ以上又は全てを示すときには、参照電圧VRとする場合がある。
コンパレータ群12は、図3に示すように、比較する参照電圧VRB,VR1〜VR13,VRTのうち低い参照電圧VRBから順に1番目のコンパレータ200から15番目のコンパレータ2014までの15個のコンパレータ200〜2014を有している。各コンパレータ200〜2014は、対応する参照電圧とアナログ入力信号Vinとの大小関係を判定し、その判定結果を出力する。なお、以下において、コンパレータ200〜2014のうち任意の一つ以上又は全てを示すときには、コンパレータ20とする場合がある。
エンコード部13は、コンパレータ200〜2014の出力に基づき、アナログ入力信号Vinをコード化して、4ビットのデジタル信号D0〜D3として出力する。このエンコード部13は、複数のエンコーダ(エンコーダA〜C)を有しており、制御部14からのビットモード制御信号に応じて、変換ビット数を変更可能に構成されている。例えば、ビットモード制御信号により、変換ビット数が3と指定されたときには、エンコーダBを選択して、アナログ入力信号Vinを3ビットのデジタル信号D0〜D2にコード化して出力する。また、ビットモード制御信号により、変換ビット数が2と指定されたときには、エンコーダCを選択して、アナログ入力信号Vinを2ビットのデジタル信号D0〜D1にコード化して出力する。
制御部14は、外部からデジタル信号のビット数の設定指示を受け付け、設定指示されたビット数に応じてコンパレータ群12及びエンコード部13を制御する。制御部14は、デジタル信号の変換ビット数毎の変換テーブル(図4参照)を記憶しており、この変換テーブルに基づき、コンパレータ群12に対して設定指示に応じたコンパレータ停止信号を出力し、エンコード部13に対して設定指示に応じたビットモード制御信号を出力する。
コンパレータ群12は、コンパレータ停止信号に基づき、一部のコンパレータ20の動作を停止する。例えば、4ビットから3ビットへ切り替えるとき、図5に示すように、1番目〜4番目までのコンパレータ200〜203及び12番目から15番目までのコンパレータ2011〜2015を停止させる。また、3ビットから2ビットへ切り替えるとき、図6に示すように、5番目及び6番目のコンパレータ204,205及び10番目と11番目のコンパレータ209,2010を停止させる。
このように、本実施形態に係るAD変換装置では、設定指示が行われたビット数がm(m<n)であるとき、1番目〜2m−1番目までのコンパレータ20、及び(2n−2m−1)番目から2n−1番目までのコンパレータ20を停止させるようにしている。このようにすることで、(2n−1)個のコンパレータ20からなるコンパレータ部の消費電力を1/2mに低減することできる。
また、増幅部2は、複数の参照電圧VRB,VR0〜VR13,VRTのうち電圧値が中間の参照電圧VR7を基準として、アナログ入力信号の振幅を変更するようにしており、増幅器2の基準電圧を変更する必要がなく、回路構成が複雑にならない。
例えば、変換ビット数に応じて増幅器2の基準電圧を変更する場合には、図7に示すように、変換ビット数に応じて増幅器2の基準電圧を変更するための基準電圧変更回路が必要となるが、本実施形態に係るAD変換装置では、このような回路は不要である。
また、増幅部2においては、変換ビット数をnビット(4ビット)からmビットにするとき、抵抗R2の抵抗値を、1/2(n-m)倍とすることにより、以下に説明するように、1LSBの大きさを同じにすることができ、コンパレータ20の精度を保つことができる。
ここで、1LSBの定義は、Vin/2n=1LSBであり、この範囲内にコンパレータ20の精度を設計する必要があるとする。4ビットの1LSBは、Vin/24=Vin/16である。
例えば、変換ビット数を4ビットから3ビットに切り替えるとき、増幅部2では、Vin/2(n-m)=Vin/2(4-3)=Vin/2として、アナログ入力信号Vinの振幅を半分にする。そして、AD変換部3において3ビットに切り替えたときの1LSBは、(Vin/2)/23=Vin/16となる。これは、4ビットにおける1LSBと同じである。
このように、本実施形態に係るAD変換装置1では、変換ビット数に応じてアナログ入力信号Vinの入力振幅を調整することで、1LSBの大きさを同じにし、コンパレータの精度を保つようにしている。このようにすることで、基準電圧源11において生成する参照電圧を変換ビットの変更に応じて調整する必要がなく、回路構成を簡易なものとすることができる。
ところで、増幅部2においては、変換ビットを変更したときには、その消費電流を特性に支障なく、小さくすることが可能である。
ここで、増幅部2の小振幅特性において、増幅部2の1次応答を
Vo=A×Vin×{1−exp(−t/τ)}
とする。tはAD変換時間である。
上記1次応答を1LSB以内にセットリングするためには、
Vo=A×Vin×{1−exp(−t/τn)}≧(A×Vin−A×Vin/2n)
となる必要がある。
よって、増幅部2が必要とする時定数τnは
τn=t/{n×In(2)}
となる。
mビットに切り替えた場合は、
τm=t/{m×In(2)}={n/m}xτn
となり、時定数をn/m倍大きくしてもよく、その分の電流を小さくできる。
Vo=A×Vin×{1−exp(−t/τ)}
とする。tはAD変換時間である。
上記1次応答を1LSB以内にセットリングするためには、
Vo=A×Vin×{1−exp(−t/τn)}≧(A×Vin−A×Vin/2n)
となる必要がある。
よって、増幅部2が必要とする時定数τnは
τn=t/{n×In(2)}
となる。
mビットに切り替えた場合は、
τm=t/{m×In(2)}={n/m}xτn
となり、時定数をn/m倍大きくしてもよく、その分の電流を小さくできる。
さらに増幅部2の大振幅特性において、そのスルーレートは、アナログ入力信号Vinの入力振幅がVin/2mとなると、
nビットのとき:SRn=In/Cin=(A×Vin)/T
mビットのとき:SRm=Im/Cin={A×Vin/2m}/T=(1/2m)×IN/Cin
となり、大振幅特性時でも振幅を小さすれば、消費電流を小さくできる。なおTはある任意の時間である。
nビットのとき:SRn=In/Cin=(A×Vin)/T
mビットのとき:SRm=Im/Cin={A×Vin/2m}/T=(1/2m)×IN/Cin
となり、大振幅特性時でも振幅を小さすれば、消費電流を小さくできる。なおTはある任意の時間である。
このように、変換ビット数を変更した場合であっても、増幅部2の消費電流は、その特性に支障を与えることなく、小さくすることができる。
ここで、コンパレータ200〜2015は、それぞれ図8に示すように、差動増幅部21(210〜2115)と、ラッチ部22(220〜2215)とを有している。
差動増幅部21は、各コンパレータ200〜2015に共通の電流供給回路30と、各コンパレータ200〜2015毎に設けられる差動増幅回路31とから構成される。
電流供給回路30は、電流源I1とNMOSトランジスタN1から構成され、差動増幅回路31に電流を供給する。具体的には、電源電位Vcの電源と接地電位GNDのグランドとの間に、電流源I1とNMOSトランジスタN1のドレイン−ソースとが直列に接続され、NMOSトランジスタN1のドレイン−ゲート間が差動増幅回路31に接続されている。そして、電流源I1からNMOSトランジスタに供給される電流に応じた電流がスイッチSW1を介して差動増幅回路31に供給される。
差動増幅回路31は、抵抗R1,R2、NMOSトランジスタN2〜N4からなる差動増幅回路であり、NMOSトランジスタN2のゲートにアナログ入力信号Vinを入力し、NMOSトランジスタN3のゲートに参照電圧VRを入力する。NMOSトランジスタN2,N3のソースには、NMOSトランジスタN4のドレインが接続されており、電流供給回路30から供給される電流に基づき、差動増幅回路31が動作する。NMOSトランジスタN3のゲート−ソース間には、スイッチSW2が接続されている。このスイッチSW2は、スイッチSW1と共に、差動増幅回路31を動作状態にしたり停止状態にしたりするために用いられる。すなわち、スイッチSW1が短絡状態となり、スイッチSW2が開放状態となったときに差動増幅回路31が動作状態となり、スイッチSW1が開放状態となり、スイッチSW2が短絡状態となったときに差動増幅回路31が停止状態となる。
コンパレータ200〜203,2011〜2014の差動増幅部210〜213,2111〜2114には、それぞれ制御信号CK−3Bが入力されており、この制御信号CK−3Bに基づき、一括して、差動増幅部210〜213,2111〜2114の動作及び停止が制御される。また、コンパレータ204,205,209,2010の差動増幅部214,215,219,2110には、それぞれ制御信号CK−2Bが入力されており、この制御信号CK−2Bに基づき、一括して、差動増幅部214,215,219,2110の動作及び停止が制御される。制御部14は、変換ビット数が、3ビットの場合には、制御信号CK−3Bをイネーブルにして、差動増幅部210〜213,2111〜2114を停止する。また、制御部14は、変換ビット数が、2ビットの場合には、制御信号CK−3B, CK−2Bをイネーブルにして、差動増幅部210〜215,219〜2114を停止する。
また、コンパレータ200〜2015のラッチ部220〜2215はそれぞれ、スイッチSW3、AND回路41、ラッチ回路42から構成される。各ラッチ部220〜2215は、ラッチクロックCK−Latchにより、差動増幅部210〜2115の出力をラッチする。AND回路41の出力は、スイッチSW3とラッチ回路42に接続され、ラッチ回路42を動作状態にしたり停止状態にしたりする。
コンパレータ200〜203,2011〜2014までのラッチ部220〜223,2211〜2214には、それぞれ制御信号CK−3Bが入力されており、この制御信号CK−3Bに基づき、一括して、ラッチ部220〜223,2211〜2214の動作及び停止が制御される。また、コンパレータ204,205,209,2010のラッチ部224,225,229,2210には、それぞれ制御信号CK−2Bが入力されており、この制御信号CK−2Bに基づき、一括して、差ラッチ部224,225,229,2210の動作及び停止が制御される。制御部14は、変換ビット数が、3ビットの場合には、制御信号CK−3Bをイネーブルにして、ラッチ部220〜223,2211〜2214を停止する。また、制御部14は、変換ビット数が、2ビットの場合には、制御信号CK−3B, CK−2Bをイネーブルにして、ラッチ部220〜225,229〜2214を停止する。
このように、各コンパレータ20は、アナログ入力信号Vinと参照電圧VRを入力する差動増幅部21と、差動増幅部21の出力をラッチするラッチ部22とからなり、制御部14は、差動増幅部21とラッチ部22とを停止させて、コンパレータ20を停止する。このように、差動増幅部21とラッチ部22とを停止させるため、コンパレータ20の消費電力の低減を効果的に行うことができる。
以上のように、本実施形態に係るAD変換装置1では、変換ビット数を変更することが可能であり、変換ビット数に応じた再設計を省くことができる。しかも、変換ビット数を小さくした場合には、消費電力も低減することができる。また、増幅部2の基準電圧を変更することなく、アナログ入力信号Vinの入力振幅を変更しており、基準電圧を変更する回路が不要である。また、変換ビット数に応じてアナログ入力信号Vinの入力振幅を調整することで、1LSBの大きさを同じにしており、コンパレータ20の精度を保つようにしている。
以上、本実施形態といくつかの変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではない。
例えば、変換テーブルを図9に示すように構成することにより、変換ビット数を、整数のみならず、小数点までもカバーすることができる。例えば、図9に示すように、変換ビット数を3.81ビットにする場合には、図10に示すようにコンパレータ20を1つ停止する。この場合、増幅部2の基準電圧を変更することで、消費電力を効果的に低減することができる。
また、電流供給回路を差動増幅部で共通に設けるようにしたが、各差動増幅部にそれぞれ設けるようにしてもよい。なお、電流供給回路を差動増幅部で共通に設けることにより消費電力を低減することができる。
1 AD変換装置
2 増幅部
3 AD変換部
11 基準電圧源
12 コンパレータ群
13 エンコード部
14 制御部
19 ラダー抵抗
20 コンパレータ
21 差動増幅部
22 ラッチ部
30 電流供給回路
31 差動増幅回路
41 AND回路
42 ラッチ回路
2 増幅部
3 AD変換部
11 基準電圧源
12 コンパレータ群
13 エンコード部
14 制御部
19 ラダー抵抗
20 コンパレータ
21 差動増幅部
22 ラッチ部
30 電流供給回路
31 差動増幅回路
41 AND回路
42 ラッチ回路
Claims (4)
- 複数の参照電圧のそれぞれとアナログ入力信号の電圧との大小関係を判定する複数のコンパレータと、
前記複数のコンパレータの判定結果に基づいて、前記入力電圧に応じたデジタル信号を生成するエンコード部と、
前記デジタル信号のビット数の設定指示を受け付け、前記設定指示されたビット数に応じて前記複数のコンパレータのうち前記デジタル信号の生成に必要なコンパレータ以外のコンパレータを停止させ、前記デジタル信号の生成に必要なコンパレータからの出力に基づいて前記設定指示が行われたビット数のデジタル信号を前記エンコード部により生成させる制御部と、を有するAD変換装置。 - 前記アナログ入力信号を増幅する増幅部を備え、
前記制御部は、前記増幅部を制御して、前記設定指示が行われたビット数に応じて前記入力アナログ信号の振幅を変更する
請求項1に記載のAD変換装置。 - 前記エンコード部は、nビットまでのデジタル信号を生成可能としており、
前記複数のコンパレータは、比較する参照電圧の低いものから順に1番目のコンパレータから2n−1番目(nは自然数)のコンパレータまでの2n−1個のコンパレータからなり、
前記増幅部は、前記複数の参照電圧のうち電圧値が中間の参照電圧を基準として、前記アナログ入力信号の振幅を変更し、
前記制御部は、前記設定指示が行われたビット数がm(m<n)であるとき、1番目〜2m−1番目まで、及び(2n−2m−1)番目から2n−1番目までのコンパレータを停止させる
請求項2に記載のAD変換装置。 - 前記コンパレータは、前記アナログ入力信号と前記参照電圧を入力する差動増幅部と、前記差動増幅部の出力をラッチするラッチ部とを有しており、
前記制御部は、前記差動増幅部と前記ラッチ部とを停止させることによって、前記コンパレータを停止する
請求項1〜3のいずれか1項に記載のAD変換装置。
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