JP2011239023A - スイッチドキャパシタ利得段 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】スイッチドキャパシタ利得段は、第1フェーズではサンプル/ホールド回路(キャパシタCf及びCs、並びに、スイッチSWa〜SWc)を用いて入力電圧Vinのサンプリングを行い、第2フェーズでは増幅器(AMP1及びAMP2)を用いてサンプリング済み入力電圧の増幅出力を行うスイッチドキャパシタ利得段において、入力電圧Vinのサンプリング動作時にのみ、前記増幅器のミラー補償を行うミラー補償部(Cm、SWg)を有する構成とする。
【選択図】図18A
Description
図1は、本発明に係るスイッチドキャパシタ利得段を用いたパイプライン型A/D変換器の一構成例を示すブロック図である。本構成例のパイプライン型A/D変換器1は、互いに縦列接続された9ステージの低分解能ADC10−1〜10−9と、バイアス回路20と、クロック生成回路30と、シフトレジスタ+デジタルエラー訂正回路40と、バッファ50と、を有する。低分解能ADC10−1〜10−9は、それぞれ、1.5ビット/ステージの分解能を有しており、その構成要素として、乗算型DAC11(以下、MDAC11と呼ぶ)と、サブADC12と、を有する。MDAC11は、機能ブロック的に見ると、サンプル/ホールド回路111と、3レベルDAC112と、加算器113と、増幅器114と、を有する。なお、本発明に係るスイッチドキャパシタ利得段は、上記したMDAC11として好適に用いられるものであり、その詳細については後述する。
図2は、パイプライン型A/D変換器1で取り扱われる入出力信号の一覧表であり、左から順に、信号名、入力/出力の区分、デジタル/アナログの区分、及び、機能が示されている。INPは、アナログ差動入力信号(正側)である。INMは、アナログ差動入力信号(負側)である。BIASは、OTA[Operational Transconductance Amplifier]用基準電流入力信号である。BIAS_SELは、OTA用基準電流生成切替信号(内/外)であり、その論理レベルが「1(ハイレベル)」であるときに基準電流が外部入力される状態となる。VREFPは、基準電圧(正側)である。VREFMは、基準電圧(負側)である。VCOMは、基準電圧(コモン)である。PSAVEは、パワーセーブ設定信号であり、その論理レベルが「1(ハイレベル)」であるときにパワーセーブ状態となる。MCLKは、マスタークロック信号である。D[9:0]は、10ビットのデジタル出力信号である。なお、アナログ差動入力信号INP、INMについては、GNDでシールドを行い、できるだけ隣接させて配線することが望ましい。また、アナログ差動入力信号INP、INMは、クロック系統やデジタル出力信号D[9:0]と交差させず、デジタル回路や発振回路などのノイズ源となる回路付近に配線しないことが望ましい。
図3は、パイプライン型A/D変換器1で取り扱われる電源・GNDの一覧表である。AVDDは、アナログ回路用電源である。DVDDは、デジタル回路用電源である。VSSは、アナログ回路/デジタル回路の共用GNDである。なお、AVDD、DVDD、及び、VSSのI/Oはできるだけ分離し、その間は異電源間I/Oで保護することが望ましい。また、各I/OからAVDD、DVDD、及び、VSSの各端子までは、できるだけ太い幅で短く配線することが望ましい。
図4は、パイプライン型A/D変換器1入出力に関するタイミング特性を説明するためのタイミングチャートであり、上から順に、アナログ差動入力電圧VIND(=VINP−VINM)、マスタークロック信号MCLK、パワーセーブ信号PSAVE、及び、デジタル出力信号D[9:0]が描写されている。本図に示すように、パイプライン型A/D変換器1は、パワーセーブ信号PSAVEがローレベルに立ち下がった後、マスタークロック信号MCLKの立上がりエッジをトリガとして、アナログ差動入力電圧VINDのサンプリングを開始する。なお、TACTはパワーセーブ解除後起動時間、TLATEはパイプライン遅延時間、及び、TDLYは出力遅延時間に相当する。
パイプライン型A/D変換器1は、マスタークロックMCLKの立ち上がりエッジで取り込まれたアナログ差動入力電圧VINDを9ステージの低分解能ADC10−1〜10−9でパイプライン的に変換し、各ステージのデジタル出力をシフトレジスタ+デジタルエラー訂正回路40で補正することにより、10ビットのデジタル出力信号D[9:0]を生成する。
パイプライン型A/D変換器1は、各ステージからのデジタル出力に冗長性を持たせた1.5ビット/ステージ方式を採用している。この方式を採用することにより、各ステージ毎のサブADC12を形成するコンパレータの閾値誤差が±0.25VREF(±VREF/4)以内に収まっているならば、この閾値誤差に起因するデジタル出力のエラーを訂正することが可能である。
図6は、クロック生成回路30の一構成例を示すブロック図である。また、図7は、クロック生成回路30の動作を説明するためのタイミングチャートであり、上から順に、マスタークロック信号MCLK、クロックPH1、クロックPH1AB、クロックPH2、及び、クロックPH2ABが描写されている。
図8は、サブADC12の一構成例を示す回路図である。本構成例のサブADC12はコンパレータ121及び122と、エンコーダ123と、Dフリップフロップ124と、を有し、差動アナログ入力電圧VIN(=VINP−VINM)と基準電圧±VREF/4(ただし、VREF=VREFP−VREFM)を比較し、その比較結果に応じた2ビット3値のデジタル値[B1:B0](00、01、10)を出力する(図9を参照)。また、サブADC12は、MDAC11内に設けられている3レベルDAC112の出力切替信号を生成する。
図10は、コンパレータ121の一構成例を示す回路図である。本構成例のコンパレータ121は、トランジスタM1〜M11と、インバータINV1及びINV2と、を有する。なお、トランジスタM1、M3、M5〜M8、及び、M11は、いずれも、Nチャネル型MOS[Metal Oxide Semiconductor]電界効果トランジスタであり、トランジスタM2、M4、M9、及び、M10は、いずれも、Pチャネル型MOS電界効果トランジスタである。
図11A及び図11Bは、9ステージの低分解能ADC10−1〜10−9のうち、奇数段のステージに含まれるMDAC11の一構成例を示す回路図であり、図11Aはサンプリング期間におけるスイッチ状態、図11Bは増幅期間におけるスイッチ状態を各々示している。なお、偶数段のステージに含まれるMDAC11の構成についても、基本的には奇数段のステージに含まれるMDAC11と同様の構成であり、クロックPH1とクロックPH2の入力先を互いに入れ替えると共に、クロックPH1ABに代えてクロックPH2ABを入力すればよい。
図13は、OTA部114aの一構成例を示す回路図である。本構成例のOTA部114aは、プリアンプ段Xと、カスコード出力段Yと、ミラー補償部Zと、を有する完全差動型とされている。プリアンプ段Xは、Nチャネル型MOS電界効果トランジスタN11〜N15を有する。カスコード出力段Yは、Pチャネル型MOS電界効果トランジスタP11〜P14と、Nチャネル型MOS電界効果トランジスタN18及びN19と、を有する。ミラー補償部Zは、キャパシタCm1及びCm2と、スイッチSW1及びSW2と、を有する。
図16は、バイアス回路20の一構成例を示す回路図である。本構成例のバイアス回路20は、MDAC11のサンプリング期間におけるコモン電圧IN_CMと、OTA部114aの各種バイアス電圧(PCS、PCG、NCM、NCG、NCS)を生成する回路ブロックであり、基準電流生成部21と、低電圧カスコードカレントミラー部22と、パワーセーブ部23と、を有する。
図17は、シフトレジスタ+デジタルエラー訂正回路40の構成例を示すブロック図である。本構成例のシフトレジスタ+デジタルエラー訂正回路40は、シフトレジスタ41とデジタルエラー訂正回路42を有する。
10−1〜10−9 低分解能ADC
11 乗算型DAC(MDAC)
111 サンプル/ホールド回路
112 3レベルDAC(オフセット決定部)
113 加算器
114 増幅器
114a OTA部
114b CMFB部
12 サブADC
121、122 コンパレータ
123 エンコーダ
124 Dフリップフロップ
20 バイアス回路
21 基準電流生成部
22 カスコードカレントミラー部
23 パワーセーブ部
30 クロック生成回路
40 シフトレジスタ+デジタルエラー訂正回路
41 シフトレジスタ
42 デジタルエラー訂正回路
50 バッファ
M1〜M11 トランジスタ
INV1、INV2 インバータ
Cs1、Cs2、Cs キャパシタ(サンプリング用)
Cf1、Cf2、Cf キャパシタ(フィードバック用)
SW11〜SW15、SW21〜SW25 スイッチ
X プリアンプ段
Y カスコード出力段
N11〜N19 Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ
P11〜P14 Pチャネル型MOS電界効果トランジスタ
Cm1、Cm2、Cm キャパシタ(ミラー補償用)
SW1〜SW5 スイッチ
C1、C2 キャパシタ
SWa〜SWg スイッチ
AMP1、AMP2 アンプ
Claims (6)
- 第1フェーズではサンプル/ホールド回路を用いて入力電圧のサンプリングを行い、第2フェーズでは増幅器を用いてサンプリング済み入力電圧の増幅出力を行うスイッチドキャパシタ利得段において、
前記入力電圧のサンプリング動作時にのみ、前記増幅器のミラー補償を行うミラー補償部を有することを特徴とするスイッチドキャパシタ利得段。 - 前記ミラー補償部は、前記増幅器の利得段間に接続されたキャパシタと、前記キャパシタに直列接続されて前記入力電圧のサンプリング動作時にのみオンされるスイッチと、を有することを特徴とする請求項1に記載のスイッチドキャパシタ利得段。
- アナログ入力電圧を複数ステージの低分解能ADCでパイプライン的に変換し、各ステージのデジタル出力に基づいて複数ビットのデジタル出力信号を生成するパイプライン型アナログ/デジタル変換器であって、
前記複数ステージの低分解能ADCは、それぞれ、
前記アナログ入力電圧と基準電圧とを比較するサブADCと、
前記サブADCの比較結果に基づいてオフセットを決定するオフセット決定部と、
前記アナログ入力電圧を所定の利得倍に増幅した上で前記オフセットを与えて出力する請求項1または請求項2に記載のスイッチドキャパシタ利得段と、
を有することを特徴とするパイプライン型A/D変換器。 - 前記複数ステージの低分解能ADCで各々得られる1.5ビットないし2ビットのデジタル出力を同一のタイミングでパラレルに出力するシフトレジスタと、
前記シフトレジスタから出力されるNステージ目の最下位ビットと(N+1)ステージ目の最上位ビットをオーバーラップして足し合わせることにより、最終的なデジタル出力信号を生成するデジタルエラー訂正回路と、
を有することを特徴とする請求項3に記載のパイプライン型A/D変換器。 - 前記複数ステージの低分解能ADCは、各々の入出力形式が全差動型であることを特徴とする請求項3または請求項4に記載のパイプライン型A/D変換器。
- 前記複数ステージの低分解能ADCは、各々の入出力形式がシングルエンド型であることを特徴とする請求項3または請求項4に記載のパイプライン型A/D変換器。
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