JP2012151727A - Analog/digital converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アナログデジタル変換器に関する。 The present invention relates to an analog-digital converter.
アナログデジタル変換器用の2次シグマデルタ変調器が知られている(例えば、特許文献1参照)。 A second-order sigma-delta modulator for an analog-digital converter is known (for example, see Patent Document 1).
また、増幅回路により増幅された信号に対するアナログデジタル変換を行うアナログデジタル変換器と、増幅回路のオフセット調整を行うためのデジタルアナログ変換器と、オフセット調整の設定と増幅回路のゲイン調整の設定を行う制御回路とを含む集積回路装置が知られている(例えば、特許文献2参照)。 Also, an analog-to-digital converter that performs analog-to-digital conversion on the signal amplified by the amplifier circuit, a digital-to-analog converter to perform offset adjustment of the amplifier circuit, and setting of offset adjustment and gain adjustment of the amplifier circuit are performed. An integrated circuit device including a control circuit is known (for example, see Patent Document 2).
また、入力信号の増幅にスイッチング動作を伴うスイッチング増幅器と、スイッチング増幅器の出力電圧を複数のサンプリング時刻にてサンプリングし、各サンプリング時刻の出力電圧についての平均電圧を生成し出力する平均化回路とを有する増幅回路が知られている(例えば、特許文献3参照)。 A switching amplifier that involves a switching operation to amplify the input signal; and an averaging circuit that samples the output voltage of the switching amplifier at a plurality of sampling times, generates an average voltage for the output voltage at each sampling time, and outputs the average voltage. An amplifying circuit is known (see, for example, Patent Document 3).
本発明の目的は、短時間で誤差を補正することができるアナログデジタル変換器を提供することである。 An object of the present invention is to provide an analog-digital converter capable of correcting an error in a short time.
アナログデジタル変換器は、アナログ入力電圧をサンプリングするスイッチトキャパシタ回路と、前記スイッチトキャパシタ回路の電圧の正負符号を変換する符号変換回路と、前記符号変換回路の出力電圧を増幅するアンプと、前記アンプの出力電圧から前記アンプのオフセット電圧を除去するオフセット電圧除去回路と、前記オフセット電圧除去回路の出力電圧をラッチするラッチ回路と、補正モードでは、前記ラッチ回路の出力電圧に応じて前記スイッチトキャパシタ回路の誤差を補正する制御部とを有し、前記スイッチトキャパシタ回路は、アナログデジタル変換モードでは、前記ラッチ回路の出力電圧に応じてアナログ電圧を出力する。 The analog-to-digital converter includes a switched capacitor circuit that samples an analog input voltage, a sign conversion circuit that converts the sign of the voltage of the switched capacitor circuit, an amplifier that amplifies the output voltage of the sign conversion circuit, and the amplifier An offset voltage removing circuit that removes the offset voltage of the amplifier from the output voltage, a latch circuit that latches the output voltage of the offset voltage removing circuit, and, in the correction mode, the switched capacitor circuit according to the output voltage of the latch circuit. And a controller for correcting an error, and the switched capacitor circuit outputs an analog voltage in accordance with an output voltage of the latch circuit in the analog-digital conversion mode.
誤差を短時間で補正することができる。また、アンプのオフセット電圧を除去することにより、アナログデジタル変換精度を向上させることができる。 The error can be corrected in a short time. Further, the analog-digital conversion accuracy can be improved by removing the offset voltage of the amplifier.
図1(A)及び(B)は、実施形態による逐次比較アナログデジタル変換器の構成例を示す図である。以下、逐次比較アナログデジタル変換器を単にアナログデジタル変換器という。アナログデジタル変換器は、容量部101、比較回路102及び制御部103を有する。容量部101は、6個のアナログデジタル変換用容量16C,8C,4C,2C,C,C、補正用可変容量Cv、容量用スイッチ111〜117及び第1のスイッチ110を有する。6個のアナログデジタル変換用容量16C,8C,4C,2C,C,Cは、各々の一端が比較回路102の入力端子(共通ノード)に接続され、各々の他端がスイッチ111〜116を介してアナログ入力電圧Vinのノード、ハイレベルVddのノード又はローレベル(0V)のノードに接続される。容量16Cは容量Cに対して16倍の容量値を有し、容量8Cは容量Cに対して8倍の容量値を有し、容量4Cは容量Cに対して4倍の容量値を有し、容量2Cは容量Cに対して2倍の容量値を有する。補正用可変容量Cvは、一端が比較回路102の入力端子(共通ノード)に接続され、他端がスイッチ117を介してアナログ入力電圧Vinのノード、ハイレベルVddのノード又はローレベル(0V)のノードに接続される。第1のスイッチ110は、比較回路102の入力端子(共通ノード)を第1の電圧Vcのノードに接続するためのスイッチである。第1の電圧Vcは、例えば0Vである。補正用可変容量Cvは、6個のアナログデジタル変換用容量16C,8C,4C,2C,C,Cの誤差を補正するための容量である。例えば、6個のアナログデジタル変換用容量16C,8C,4C,2C,C,Cの誤差が0であるときには、補正用可変容量Cvの容量値は0になる。制御部103は、容量部101内のスイッチ110〜117を制御する。比較回路102は、入力端子の電圧と0Vとを比較し、比較結果を出力する。制御部103は、比較回路102の比較結果に応じて、スイッチ111〜117を制御する。
1A and 1B are diagrams illustrating a configuration example of a successive approximation analog-digital converter according to an embodiment. Hereinafter, the successive approximation analog-digital converter is simply referred to as an analog-digital converter. The analog-digital converter includes a
次に、アナログデジタル変換モードにおいて、アナログデジタル変換器がアナログデジタル変換を行う方法を説明する。まず、図1(A)に示すように、制御部103の制御により、第1のスイッチ110は比較回路102の入力端子を第1の電圧Vcのノードに接続し、スイッチ111〜116は6個のアナログデジタル変換用容量16C,8C,4C,2C,C,Cの他端をアナログ入力電圧Vinのノードに接続し、スイッチ117は補正用可変容量Cvの他端をアナログ入力電圧Vinのノードに接続する。6個のアナログデジタル変換用容量16C,8C,4C,2C,C,C及び補正用可変容量Cvは、アナログ入力電圧Vinにより充電される。
Next, a method in which the analog-digital converter performs analog-digital conversion in the analog-digital conversion mode will be described. First, as shown in FIG. 1A, under the control of the
次に、図1(B)に示すように、制御部103の制御により、第1のスイッチ110は比較回路102の入力端子を第1の電圧Vcのノードから切断し、スイッチ111はアナログデジタル変換用容量16Cの他端をハイレベルVddのノードに接続し、スイッチ112〜116は5個のアナログデジタル変換用容量8C,4C,2C,C,Cの他端をローレベル(0V)のノードに接続し、スイッチ117は補正用可変容量Cvの他端をローレベル(0V)のノードに接続する。ここで、比較回路102の入力電圧をVeとする。比較回路102は、電圧Veと0Vとを比較する。電圧Veが負電圧又は0Vであるときにはスイッチ111をハイレベルVddのノードに接続したままにし、電圧Veが正電圧であるときにはスイッチ111をローレベル(0V)のノードに接続を切り替える。これにより、容量16Cに対応するデジタルビットが決まる。
Next, as shown in FIG. 1B, under the control of the
次に、制御部103の制御により、スイッチ112はアナログデジタル変換用容量8Cの他端をハイレベルVddのノードに接続し、スイッチ113〜116は4個のアナログデジタル変換用容量4C,2C,C,Cの他端をローレベル(0V)のノードに接続し、スイッチ117は補正用可変容量Cvの他端をローレベル(0V)のノードに接続する。比較回路102は、電圧Veと0Vとを比較する。電圧Veが負電圧又は0Vであるときにはスイッチ112をハイレベルVddのノードに接続したままにし、電圧Veが正電圧であるときにはスイッチ112をローレベル(0V)のノードに接続を切り替える。これにより、容量8Cに対応するデジタルビットが決まる。
Next, under the control of the
同様に、スイッチ113〜116を制御することにより、アナログデジタル変換用容量4C,2C,Cに対応するデジタルビットが決まる。ここで、補正用可変容量Cvのスイッチ117は、スイッチ116と同じ動作をする。
Similarly, by controlling the
その後、5個のアナログデジタル変換用容量16C,8C,4C,2C,Cの他端のスイッチ111〜116の接続の状態は、アナログ入力電圧Vinがデジタル値に変換されたデジタル値として出力される。例えば、スイッチ111〜116のうちのハイレベルVddのノードに接続されているスイッチは「0」のデジタルビットに対応し、ローレベル(0V)のノードに接続されているスイッチは「1」のデジタルビットに対応する。
Thereafter, the connection state of the
図2(A)〜(D)は、アナログデジタル変換器の容量部101の容量値の補正処理を説明するための図である。アナログデジタル変換器では、面積及び電力の増加を抑えるためにアナログデジタル変換用容量16C,8C,4C,2C,C,Cの大きさを小さくしようとする。すると、その反面、アナログデジタル変換用容量16C,8C,4C,2C,C,Cのミスマッチや寄生容量による誤差が増大するため、補正用容量Cvの補正を行う。例えば、アナログデジタル変換用容量16Cの誤差を補正する。
2A to 2D are diagrams for explaining the correction processing of the capacitance value of the
補正モードでは、アナログデジタル変換器は、以下の補正処理を行う。まず、アナログデジタル変換器は、図2(A)の接続状態に制御する。制御部103の制御により、第1のスイッチ110は比較回路102の入力端子を第1の電圧Vcのノードに接続し、スイッチ111は容量16Cの他端をローレベル(0V)のノードに接続し、スイッチ112〜116は容量8C,4C,2C,C,Cの他端をハイレベルVddのノードに接続し、スイッチ117は補正用容量Cvの他端をハイレベルVddのノードに接続する。
In the correction mode, the analog-digital converter performs the following correction process. First, the analog-digital converter controls to the connection state of FIG. Under the control of the
次に、アナログデジタル変換器は、図2(B)の接続状態に制御する。制御部103の制御により、第1のスイッチ110は比較回路102の入力端子を第1の電圧Vcのノードから切断し、スイッチ111は容量16Cの他端をハイレベルVddのノードに接続し、スイッチ112〜116は容量8C,4C,2C,C,Cの他端をローレベル(0V)のノードに接続し、スイッチ117は補正用容量Cvの他端をローレベル(0V)のノードに接続する。すなわち、図2(A)のスイッチ111〜117の接続状態と図2(B)のスイッチ111〜117の接続状態とは、ローレベル(0V)及びハイレベルVddのノードに関して、逆の接続関係になる。
Next, the analog-digital converter controls the connection state shown in FIG. Under the control of the
容量16Cと容量8C,4C,2C,C,Cの総和とが同じ容量値であるときには、誤差がないので、図2(B)の比較回路102の入力電圧Veは図2(A)の比較回路102の入力電圧Vc(0V)と同じになり、0Vになる。これに対し、容量16Cが容量8C,4C,2C,C,Cの総和より大きいときには、容量16Cが正の誤差を含むので、比較回路102の入力電圧Veは正の電圧になる。逆に、容量16Cが容量8C,4C,2C,C,Cの総和より小さいときには、容量16Cが負の誤差を含むので、比較回路102の入力電圧Veは負の電圧になる。
When the
比較回路102は、入力電圧Veと0Vとを比較する。制御部103は、入力電圧Veが正の電圧であれば補正用容量Cvの容量値を所定量増加させ、入力電圧Veが負の電圧であれば補正用容量Cvの容量値を所定量減少させる。これに対し、制御部103は、入力電圧Veが略0Vであれば補正用容量Cvの容量値を維持し、補正処理を終了する。
The
その後、上記と同様に、図2(A)の制御と図2(B)の制御を交互に繰り返し、図2(B)の入力電圧Veが略0Vになったら、補正処理を終了する。この補正処理により、補正用容量Cvの容量値が制御され、容量16Cの誤差が補正される。
Thereafter, in the same manner as described above, the control in FIG. 2A and the control in FIG. 2B are alternately repeated, and when the input voltage Ve in FIG. By this correction processing, the capacitance value of the correction capacitor Cv is controlled, and the error of the
図2(C)及び(D)は、上記の補正処理のイメージを表す図である。比較回路102の天秤は、誤差を含む容量16Cが乗った皿202と、容量8C,4C,2C,C,C及び補正用容量Cvが乗った皿201とを容量値に関して大小比較する。図2(C)に示すように、容量16Cの皿202の容量値の方が大きければ、補正用容量Cvの容量値を増加させる。上記のように、図2(A)の処理と図2(B)の処理を繰り返すことにより補正用容量Cvの容量値を制御し、図2(D)に示すように皿201と皿202の容量値の大きさが同じになると、補正処理が終了し、補正用容量Cvの容量値が決定する。
2C and 2D are diagrams illustrating an image of the above correction processing. The balance of the
ここで、天秤の役割となる比較回路102は、補正の重要な鍵を握る。もし比較回路102に判別誤差(オフセット)があると、容量の誤差を見誤り、補正が不十分となる。よって、比較回路102のオフセットは十分に小さい必要がある。
Here, the
図3(A)は比較例によるアナログデジタル変換器の構成例を示す図であり、図3(B)はその動作例を示すタイムチャートである。比較回路102は、プリアンプ301及びラッチ回路302を有する。容量部101は、電圧Vepの他に、電圧Vemを出力する。電圧Vep及びVemは、相互に位相が反転した差動信号である。差動電圧VeはVep−Vemで表される。図3(B)の電圧Veiは、電圧Veの初期の電圧である。プリアンプ301は、差動信号の電圧Vep及びVemを増幅し、差動信号の電圧V0p及びV0mを出力する。ラッチ回路302は、クロック信号Φcに同期して差動信号の電圧V0p及びV0mの差を増幅してラッチし、2値判定値Qoを出力する。電圧V0pが電圧V0mより高いときには2値判定値Qoがハイレベルになり、電圧V0pが電圧V0mより低いときには2値判定値Qoがローレベルになる。制御部103は、2値判定値Qoがハイレベルであるときには、補正用容量Cvの容量値を増加させる。図2(A)及び(B)の処理を交互に繰り返すことにより、やがて2値判定値Qoがローレベルになり、補正が終了する。2値判定値Qoがハイレベルである期間Tcが補正時間である。
FIG. 3A is a diagram illustrating a configuration example of an analog-digital converter according to a comparative example, and FIG. 3B is a time chart illustrating an operation example thereof. The
ラッチ回路302は、高速に信号を増幅する役割を持つが、小さいサイズの素子で構成するためにオフセット電圧Vof2が大きい。そのオフセット電圧Vof2を低減するためにプリアンプ301を設け、プリアンプ301のゲインAによりラッチ回路302のオフセット電圧Vof2を1/Aに低減することができる。
The
しかし、ラッチ回路302のオフセット電圧Vof2はプリアンプ301のゲインAにより低減するものの、プリアンプ301自身のオフセット電圧Vof1は低減できないため、図3(B)のように補正後の残差誤差電圧311が存在し、補正誤差が生じる。残留誤差電圧311は、Vof1+Vof2/Aであり、オフセット電圧Vof2はプリアンプ301のゲインAにより低減されるが、オフセット電圧Vof1は低減されない。そのため、残留誤差電圧311が高くなり、補正誤差が大きくなる。
However, although the offset voltage Vof2 of the
また、図3(B)に示すように、電圧Veは、単調減少するため補正時間Tcが長くなる。特に、電圧Veが正の電圧であり、比較回路102のオフセット電圧Vof1及びVof2が負の電圧である場合は、補正時間Tcが長くなる。すなわち、電圧Ve及びオフセット電圧Vof1,Vof2の正負符号が異なる場合には、補正時間Tcが特に長くなる。
Further, as shown in FIG. 3B, the voltage Ve monotonously decreases, so that the correction time Tc becomes longer. In particular, when the voltage Ve is a positive voltage and the offset voltages Vof1 and Vof2 of the
以下、残留誤差電圧311を低くすることにより補正誤差を小さくすると共に、補正時間Tcを短縮することができるアナログデジタル変換器の実施形態を説明する。
Hereinafter, an embodiment of an analog-digital converter capable of reducing the correction error by reducing the
図4は実施形態によるアナログデジタル変換器の具体的な構成例を示す図であり、図6はその動作例を示すタイムチャートである。図6は、上から順に、信号Φss,Φsc,Φr、電圧Ve,V1,V2,V3、信号Φc及び2値判定値Qoを示す。アナログデジタル変換器は、期間T1ではオフセット電圧Vof1の記憶処理を行い、期間T2では補正処理を行う。 FIG. 4 is a diagram illustrating a specific configuration example of the analog-digital converter according to the embodiment, and FIG. 6 is a time chart illustrating an operation example thereof. FIG. 6 shows, in order from the top, signals Φss, Φsc, Φr, voltages Ve, V1, V2, V3, signal Φc, and binary determination value Qo. The analog-digital converter performs storage processing of the offset voltage Vof1 in the period T1, and performs correction processing in the period T2.
比較回路102は、符号変換回路401、プリアンプ301、オフセット電圧除去回路402及びラッチ回路302を有する。図4の比較回路102は、図3(A)の比較回路102に対して、符号変換回路401及びオフセット電圧除去回路402を追加したものである。容量部101は、電圧Vep及び電圧Vemを出力する。電圧Vep及びVemは、相互に位相が反転した差動信号である。図6の電圧Veiは、電圧Veの初期の電圧である。
The
符号変換回路401は、スイッチ421〜424を有し、クロック信号Φss及びΦscに応じて、電圧Vep及びVemの正負符号を変換する。クロック信号Φss及びΦscは、相互に論理反転した信号である。クロック信号Φssがハイレベルのときには、スイッチ421及び424がオンし、スイッチ422及び423がオフし、電圧Vepが電圧V1pとして出力され、電圧Vemが電圧V1mとして出力される。すなわち、差動信号の電圧Vep及びVemは、そのまま差動信号の電圧V1p及びV1mとして出力される。この場合、差動電圧V1は、V1p−V1mで表され、電圧Veと同じ電圧である。図6では、電圧V1及びVeは、共に正の電圧である。
The
これに対して、クロック信号Φscがハイレベルのときには、スイッチ421及び424がオフし、スイッチ422及び423がオンし、電圧Vepが電圧V1mとして出力され、電圧Vemが電圧V1pとして出力される。すなわち、差動信号の電圧Vep及びVemは、負符号に変換され、差動信号の電圧V1p及びV1mとして出力される。この場合、電圧V1は、−1×Veである。図6では、電圧Veは正の電圧であり、電圧V1は負の電圧である。
On the other hand, when the clock signal Φsc is at a high level, the
符号変換回路401のクロック信号Φss及びΦscの周波数は、ラッチ回路302のクロック信号Φcの1/2の周波数であり、クロック信号Φss及びΦscは、相互に位相が反転した信号である。これにより、電圧V1は、交互に+Veと−Veが現れる。符号変換回路401は、正符号への変換及び負符号への変換を交互に行う。
The frequency of the clock signals Φss and Φsc of the
プリアンプ301は、差動信号の電圧V1p及びV1mをゲインAで増幅し、差動信号の電圧V2p及びV2mを出力する。電圧V2p及びV2mは、プリアンプ301のオフセット電圧Vof1を含む。図6では、差動電圧V2は、V2p−V2mで表され、A×V1−Vof1である。
The
オフセット電圧除去回路402は、平均値回路403、平均値用容量411,412、及びスイッチ413〜416を有し、差動信号の電圧V2p及びV2mからプリアンプ301のオフセット電圧Vof1を除去し、差動信号の電圧V3p及びV3mを出力する。図6では、差動電圧V3は、V3p−V3mで表され、V2+Vof1=A×V1である。平均値用容量411は、一端がスイッチ413を介してプリアンプ301の出力端子又は平均値回路403の出力端子に接続され、他端がラッチ回路302の入力端子に接続される。第2のスイッチ415は、平均値用容量411の他端を第2の電圧Vcmのノードに接続するためのスイッチである。平均値用容量412は、一端がスイッチ414を介してプリアンプ301の出力端子又は平均値回路403の出力端子に接続され、他端がラッチ回路302の入力端子に接続される。第2のスイッチ416は、平均値用容量412の他端を第2の電圧Vcmのノードに接続するためのスイッチである。電圧Vcmは、例えば0Vである。
The offset
次に、オフセット電圧除去回路402の動作を説明する。信号Φrは、オフセット電圧記憶期間T1ではハイレベルになり、その後にローレベルになる。まず、オフセット電圧記憶期間T1の処理を説明する。信号Φrはハイレベルであるので、スイッチ413及び414は平均値回路403の差動出力端子をそれぞれ平均値用容量411及び412の第1の端子に接続し、第2のスイッチ415及び416は、電圧Vcmのノードを平均値用容量411及び412の第2の端子に接続する。平均値用容量411の他端の電圧は電圧V3pであり、平均値用容量412の他端の電圧は電圧V3mである。図6では、電圧V3は0Vになる。
Next, the operation of the offset
平均値回路403は、例えばローパスフィルタであり、期間T1において差動信号の電圧V2p及びV2mを平均化し、差動出力端子から差動信号の平均値電圧を平均値用容量411及び412に出力する。すなわち、平均値回路403は、符号変換回路401が正符号に変換したときのプリアンプ301の出力電圧V2p,V2mと符号変換回路401が負符号に変換したときのプリアンプ301の出力電圧V2p,V2mとの平均値を出力する。平均値電圧は、{(A×Vei−Vof1)+(−A×Vei−Vof1)}/2=−Vof1となる。平均値用容量411及び412には、−Vof1のオフセット電圧が記憶される。
The
以上のように、オフセット電圧記憶期間T1で信号Φrがハイレベルになると、プリアンプ301の出力電圧V2p及びV2mの平均値をそれぞれ平均値用容量411及び412に蓄積している。直流成分である電圧Veは、符号変換回路401により周波数変換され、クロック信号Φss及びΦscの周波数成分となっており、プリアンプ301の出力電圧V2の直流成分はプリアンプ301のオフセット電圧Vof1だけが含まれる。電圧V2を平均値回路(ローパスフィルタ)403に通すことにより、オフセット電圧Vof1を平均値用容量411,412に蓄積することができる。
As described above, when the signal Φr becomes high level in the offset voltage storage period T1, the average values of the output voltages V2p and V2m of the
次に、補正期間T2の処理を説明する。信号Φrはローレベルであるので、スイッチ413及び414は電圧V2p及びV2mのノードをそれぞれ平均値用容量411及び412の第1の端子に接続し、第2のスイッチ415及び416はオフする。電圧V3はV2−Vof1=A×V1になる。つまり、電圧V3は、電圧V2からオフセット電圧Vof1を除去した電圧になる。
Next, processing in the correction period T2 will be described. Since the signal Φr is at a low level, the
上記のように、補正期間T2で信号Φrがローレベルになると、プリアンプ301及びラッチ回路302は平均値用容量411及び412により結合される。平均値用容量411及び412は、オフセット電圧−Vof1を蓄積しているため、ラッチ回路302の入力電圧V3p及びV3mではプリアンプ301のオフセット電圧Vof1が除去されて伝達される。
As described above, when the signal Φr becomes low level in the correction period T2, the
ラッチ回路302は、クロック信号Φcの立ち上がりエッジに同期して差動信号の電圧V3p及びV3mを増幅してラッチし、2値判定値Qoを出力する。電圧V3pが電圧V3mより高いときには2値判定値Qoがハイレベルになり、電圧V3pが電圧V3mより低いときには2値判定値Qoがローレベルになる。ラッチ回路302は、オフセット電圧Vof2を有する。例えば、図6ではオフセット電圧が−Vof2である。
The
クロック信号Φcの1回目の立ち上がりエッジでは、電圧V3が−Vof2のオフセット電圧より高いので、2値判定値Qoはハイレベルになる。すると、制御部103は、補正用容量Cvの容量値を増加させる。その後、図2(A)及び図2(B)の処理を行う。
At the first rising edge of the clock signal Φc, since the voltage V3 is higher than the offset voltage of −Vof2, the binary determination value Qo becomes high level. Then, the
次に、クロック信号Φcの2回目の立ち上がりエッジでは、電圧V3が−Vof2のオフセット電圧より小さいので、2値判定値Qoはローレベルになる。すると、制御部103は、補正用容量Cvの容量値を増加させる。その後、図2(A)及び図2(B)の処理を行う。
Next, at the second rising edge of the clock signal Φc, since the voltage V3 is smaller than the offset voltage of −Vof2, the binary determination value Qo becomes low level. Then, the
次に、クロック信号Φcの3回目の立ち上がりエッジでは、電圧V3が−Vof2のオフセット電圧より高いので、2値判定値Qoはハイレベルになる。すると、制御部103は、補正用容量Cvの容量値を増加させる。その後、図2(A)及び図2(B)の処理を行う。
Next, at the third rising edge of the clock signal Φc, since the voltage V3 is higher than the offset voltage of −Vof2, the binary determination value Qo becomes high level. Then, the
次に、クロック信号Φcの4回目の立ち上がりエッジのタイミングt1では、電圧V3が−Vof2のオフセット電圧より高いので、2値判定値Qoはハイレベルになる。3回目及び4回目の立ち上がりエッジで連続して2値判定値Qoが同じレベル(値)になったので、制御部103は、補正用容量Cvの容量値を増加させ、その後、図2(A)及び図2(B)の処理を行い、補正処理を終了する。以上のように、2値判定値Qoが2回連続同じレベルになったら、補正処理を終了する。これにより、補正期間T2が終了する。
Next, at the timing t1 of the fourth rising edge of the clock signal Φc, since the voltage V3 is higher than the offset voltage of −Vof2, the binary determination value Qo becomes high level. Since the binary determination value Qo is continuously at the same level (value) at the third and fourth rising edges, the
アナログデジタル変換器は、動作開始が指示されると、まず、補正モードで上記の図6の補正処理を行い、その後に、アナログデジタル変換モードで上記の図1(A)及び(B)のアナログデジタル変換処理を行う。 When the start of operation is instructed, the analog-digital converter first performs the correction process of FIG. 6 in the correction mode, and then performs the analog processing of FIGS. 1A and 1B in the analog-digital conversion mode. Perform digital conversion processing.
上記では、ラッチ回路302のオフセット電圧Vof2を補正していないが、プリアンプ301により容量部101の誤差電圧VeはA倍されているため、結局、補正完了後の残差誤差電圧は容量部101の出力(=プリアンプ301の入力)で見ると、Vof2/Aまで低減される。
In the above description, the offset voltage Vof2 of the
なお、オフセット記憶期間T1は、クロック信号Φssの1周期の長さの例を示したが、クロック信号Φssの周期の1以上の整数倍の長さであればよい。 Note that the offset storage period T1 is an example of the length of one cycle of the clock signal Φss, but may be a length that is an integer multiple of 1 or more of the cycle of the clock signal Φss.
図5(A)は、図4のプリアンプ301の構成例を示す回路図である。プリアンプ301は、電界効果トランジスタ501〜505を有し、入力差動信号の電圧V1p及びV1mを増幅し、出力差動信号の電圧V2p及びV2mを出力する。pチャネル電界効果トランジスタ501は、ソースが電源電位ノードに接続され、ゲート及びドレインが出力電圧V2mのノードに接続される。pチャネル電界効果トランジスタ502は、ソースが電源電位ノードに接続され、ゲート及びドレインが出力電圧V2pのノードに接続される。nチャネル電界効果トランジスタ503は、ドレインが出力電圧V2mのノードに接続され、ゲートが入力電圧V1pのノードに接続される。nチャネル電界効果トランジスタ504は、ドレインが出力電圧V2pのノードに接続され、ゲートが入力電圧V1mのノードに接続される。nチャネル電界効果トランジスタ505は、ドレインがnチャネル電界効果トランジスタ503及び504のソースに接続され、ゲートがバイアス電位ノードに接続され、ソースが基準電位(グランド電位)ノードに接続される。
FIG. 5A is a circuit diagram illustrating a configuration example of the
図5(B)は、図4のラッチ回路302の構成例を示す回路図である。ラッチ回路302は、電界効果トランジスタ511〜516を有し、クロック信号Φcの立ち上がりエッジに同期して入力差動信号の電圧V3p及びV3mをラッチし、ラッチした2値判定値Qop及びQomを出力する。2値判定値Qo及びQomは、相互に論理反転した差動信号である。電圧V3pが電圧V3mより高いときには2値判定値Qoがハイレベルになり、電圧V3pが電圧V3mより低いときには2値判定値Qoがローレベルになる。pチャネル電界効果トランジスタ511は、ソースが電源電位ノードに接続され、ゲートがクロック信号Φcのノードに接続され、ドレインが2値判定値Qomのノードに接続される。pチャネル電界効果トランジスタ512は、ソースが電源電位ノードに接続され、ゲートが2値判定値Qoのノードに接続され、ドレインが2値判定値Qomのノードに接続される。nチャネル電界効果トランジスタ515は、ドレインが2値判定値Qomのノードに接続され、ゲートが入力電圧V3pのノードに接続され、ソースが基準電位ノードに接続される。pチャネル電界効果トランジスタ513は、ソースが電源電位ノードに接続され、ゲートがクロック信号Φcのノードに接続され、ドレインが2値判定値Qoのノードに接続される。pチャネル電界効果トランジスタ514は、ソースが電源電位ノードに接続され、ゲートが2値判定値Qomのノードに接続され、ドレインが2値判定値Qoのノードに接続される。nチャネル電界効果トランジスタ516は、ドレインが2値判定値Qoのノードに接続され、ゲートが入力電圧V3mのノードに接続され、ソースが基準電位ノードに接続される。
FIG. 5B is a circuit diagram illustrating a configuration example of the
次に、本実施形態の補正時間が短縮される理由を説明する。補正開始からnクロック後に、容量部101の出力電圧Veが残留オフセット電圧Vofにほぼ等しくなったところで補正が完了するので、その関係は次式(1)となる。
Vei−n×ΔV≒Vof ・・・(1)
Next, the reason why the correction time of this embodiment is shortened will be described. Since the correction is completed when the output voltage Ve of the
Vei−n × ΔV≈Vof (1)
ここで、Veiは容量部101の出力電圧Veの初期値、ΔVは補正による1クロック毎の容量部101の出力電圧Veの変化分、Vofは比較回路102のオフセット電圧である。
Here, Vei is an initial value of the output voltage Ve of the
本実施形態では、オフセット電圧Vofを絶対値化したことと等価になるので、上式(1)より補正クロック数nを求めると次式(2)になる。なお、オペアンプ301のオフセット電圧Vof1は、オフセット電圧除去回路402により除去されている。
n={Vei−|Vof2|}/ΔV ・・・(2)
In the present embodiment, this is equivalent to the absolute value of the offset voltage Vof. Therefore, when the correction clock number n is obtained from the above equation (1), the following equation (2) is obtained. The offset voltage Vof1 of the
n = {Vei− | Vof2 |} / ΔV (2)
つまり、補正クロック数nは、オフセット電圧Vof2の正負符号に無関係であることが分かる。 That is, it can be seen that the correction clock number n is independent of the sign of the offset voltage Vof2.
これに対し、図3(A)及び(B)のアナログデジタル変換器では、オフセット電圧Vof2の正負符号によって、補正クロック数nの最小値n(min)と最大値m(max)は次式となる。ただし、比較の簡単のため、プリアンプ301のオフセット電圧Vof1は0と仮定する。また、Vei及びVof2は正値とする。
最小値:n(min)={Vei−Vof2}/ΔV
最大値:n(max)={Vei+Vof2}/ΔV
On the other hand, in the analog-digital converters of FIGS. 3A and 3B, the minimum value n (min) and the maximum value m (max) of the correction clock number n are expressed by Become. However, for simplicity of comparison, it is assumed that the offset voltage Vof1 of the
Minimum value: n (min) = {Vei−Vof2} / ΔV
Maximum value: n (max) = {Vei + Vof2} / ΔV
よって、補正クロック数nの平均値n(avg)は、次式(3)となる。
n(avg)={n(min)+n(max)}/2
=Vei/ΔV ・・・(3)
Therefore, the average value n (avg) of the correction clock number n is expressed by the following equation (3).
n (avg) = {n (min) + n (max)} / 2
= Vei / ΔV (3)
本実施形態の式(2)の補正クロック数nは、図3(A)及び(B)のアナログデジタル変換器の補正平均クロック数n(avg)に比べて、小さい。すなわち、本実施形態の補正時間の平均値は、図3(A)及び(B)のアナログデジタル変換器の補正時間の平均値よりも短い。 The number of correction clocks n in the expression (2) of this embodiment is smaller than the correction average clock number n (avg) of the analog-digital converters of FIGS. 3 (A) and 3 (B). That is, the average value of the correction time of this embodiment is shorter than the average value of the correction time of the analog-digital converters of FIGS.
図7(A)及び(B)は、オフセット電圧Vof2と容量部101の初期誤差電圧Veiの正負符号が異なる場合の補正時間の比較を示す図である。図7(A)は本実施形態のアナログデジタル変換器の補正時間Tc1を示し、図7(B)は図3(A)及び(B)のアナログデジタル変換器の補正時間Tc2を示す。図7(A)の本実施形態では、オフセット電圧Vof1はオフセット電圧除去回路402により除去されている。図7(B)では、比較の簡単のため、オフセット電圧Vof1が0であると仮定する。この場合、図7(A)の本実施形態の補正後の残留誤差電圧701は、容量部101の出力で見た残留誤差電圧として略Vof2/Aである。これに対して、図7(B)の補正後の残留誤差電圧702も、略Vof2/2である。図7(A)の残留誤差電圧701及び図7(B)の残留誤差電圧702は、略同じである。ただし、実際には、本実施形態は、プリアンプ301のオフセット電圧Vof1を除去しているため、残留誤差は本実施形態の方が小さくなる。上記のように、残留誤差電圧701及び702が略同じ状態で、補正時間の比較を行う。図7(A)の補正時間Tc1は、図7(B)の補正時間Tc2よりも短くなる。特に、補正における容量部101の出力誤差電圧Veの変化量ΔVが小さいほど、補正時間の差が顕著となる。
7A and 7B are diagrams showing a comparison of correction times when the sign of the offset voltage Vof2 and the initial error voltage Vei of the
図8(A)及び(B)は、オフセット電圧Vof2と容量部101の初期誤差電圧Veiの正負符号が同じ場合の補正時間の比較を示す図である。図8(A)は本実施形態のアナログデジタル変換器の補正時間Tc1を示し、図8(B)は図3(A)及び(B)のアナログデジタル変換器の補正時間Tc2を示す。図8(A)の残留誤差電圧801及び図8(B)の残留誤差電圧802は、図7(A)の残留誤差電圧701及び図7(B)の残留誤差電圧702と同様である。図7(A)の補正時間Tc1は、図7(B)の補正時間Tc2に対して、差が比較的小さい。ただし、本実施形態では、プリアンプ301のオフセット電圧Vof1が除去されることを考慮すると、図8(A)の補正時間Tc1は、図8(B)の補正時間Tc2より短くなる。
8A and 8B are diagrams showing a comparison of correction times when the offset voltage Vof2 and the initial error voltage Vei of the
オフセット電圧Vof2の正負符号はランダム性を有し、同じアーキテクチャのアナログデジタル変換器であっても個体によって正の場合と負の場合が混在する。したがって、1個の半導体チップ内に複数のアナログデジタル変換器が搭載されている場合には、図7(A)、(B)の状態と図8(A)、(B)の状態が混在する。したがって、本実施形態のアナログデジタル変換器の補正時間Tc1の平均値が図3(A)及び(B)のアナログデジタル変換器の補正時間Tc2の平均値よりも短くなるメリットは大きい。 The sign of the offset voltage Vof2 has randomness, and even if it is an analog-to-digital converter of the same architecture, there are cases where it is positive and negative depending on the individual. Therefore, when a plurality of analog-digital converters are mounted in one semiconductor chip, the states of FIGS. 7A and 7B and the states of FIGS. 8A and 8B are mixed. . Therefore, there is a great merit that the average value of the correction time Tc1 of the analog-digital converter of the present embodiment is shorter than the average value of the correction time Tc2 of the analog-digital converter of FIGS.
本実施形態によれば、補正におけるオフセット電圧Vof2の正負符号の影響を低減し、補正用可変容量Cvの容量値の平均補正時間を短縮できる。また、プリアンプ301の素子サイズを大きくすることなく、プリアンプ301のオフセット電圧Vof1を除去することができる。これは動作速度への影響が小さいメリットを有し、アナログデジタル変換精度を向上させることができる。
する。
According to this embodiment, the influence of the sign of the offset voltage Vof2 in correction can be reduced, and the average correction time of the capacitance value of the correction variable capacitor Cv can be shortened. Further, the offset voltage Vof1 of the
To do.
なお、容量部101は、上記の構成及び補正方法に限定されず、アナログ入力電圧Vinをサンプリングするスイッチトキャパシタ回路であればよい。スイッチトキャパシタ回路は、アナログデジタル変換モードでは、ラッチ回路302の出力電圧に応じてアナログ電圧を出力する。制御部103は、補正モードでは、ラッチ回路302の出力電圧に応じてスイッチトキャパシタ回路の誤差を補正する。
The
上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。 The above-described embodiments are merely examples of implementation in carrying out the present invention, and the technical scope of the present invention should not be construed as being limited thereto. That is, the present invention can be implemented in various forms without departing from the technical idea or the main features thereof.
101 容量部
102 比較回路
103 制御部
301 プリアンプ
302 ラッチ回路
401 符号変換回路
402 オフセット電圧除去回路
403 平均値回路
Claims (6)
前記スイッチトキャパシタ回路の電圧の正負符号を変換する符号変換回路と、
前記符号変換回路の出力電圧を増幅するアンプと、
前記アンプの出力電圧から前記アンプのオフセット電圧を除去するオフセット電圧除去回路と、
前記オフセット電圧除去回路の出力電圧をラッチするラッチ回路と、
補正モードでは、前記ラッチ回路の出力電圧に応じて前記スイッチトキャパシタ回路の誤差を補正する制御部とを有し、
前記スイッチトキャパシタ回路は、アナログデジタル変換モードでは、前記ラッチ回路の出力電圧に応じてアナログ電圧を出力することを特徴とするアナログデジタル変換器。 A switched capacitor circuit for sampling the analog input voltage;
A sign conversion circuit for converting the sign of the voltage of the switched capacitor circuit;
An amplifier for amplifying the output voltage of the code conversion circuit;
An offset voltage removing circuit for removing the offset voltage of the amplifier from the output voltage of the amplifier;
A latch circuit that latches the output voltage of the offset voltage removal circuit;
In the correction mode, a controller that corrects the error of the switched capacitor circuit according to the output voltage of the latch circuit,
In the analog-digital conversion mode, the switched capacitor circuit outputs an analog voltage according to the output voltage of the latch circuit.
前記符号変換回路が正符号に変換したときの前記アンプの出力電圧と前記符号変換回路が負符号に変換したときの前記アンプの出力電圧との平均値を出力する平均値回路と、
一端が前記アンプの出力端子又は前記平均値回路の出力端子に接続可能であり、他端が前記ラッチ回路の入力端子に接続される平均値用容量と、
前記平均値用容量の他端を第2の電圧ノードに接続するための第2のスイッチと
を有することを特徴とする請求項1記載のアナログデジタル変換器。 The offset voltage removal circuit includes:
An average value circuit that outputs an average value of the output voltage of the amplifier when the sign conversion circuit converts to a positive sign and the output voltage of the amplifier when the sign conversion circuit converts to a negative sign;
One end can be connected to the output terminal of the amplifier or the output terminal of the average value circuit, the other end is connected to the input terminal of the latch circuit, the average value capacitor,
2. The analog-digital converter according to claim 1, further comprising: a second switch for connecting the other end of the average value capacitor to a second voltage node.
各々の一端が共通ノードに接続され、各々の他端がアナログ入力電圧ノード、ハイレベルノード又はローレベルノードに接続可能な複数のアナログデジタル変換用容量と、
一端が前記共通ノードに接続され、他端が前記アナログ入力電圧ノード、前記ハイレベルノード又は前記ローレベルノードに接続可能な補正用可変容量と、
前記共通ノードを第1の電圧ノードに接続するための第1のスイッチとを有し、
前記符号変換回路は、前記共通ノードの電圧の正負符号を変換し、
前記制御部は、前記補正モードでは、前記ラッチ回路の出力電圧に応じて前記補正用可変容量の容量値を制御することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のアナログデジタル変換器。 The switched capacitor circuit is:
One end of each is connected to a common node, and each other end is connected to an analog input voltage node, a high level node or a low level node, and a plurality of analog-digital conversion capacitors,
One end is connected to the common node, and the other end is connected to the analog input voltage node, the high level node, or the low level node.
A first switch for connecting the common node to a first voltage node;
The sign conversion circuit converts the sign of the voltage of the common node;
4. The analog-digital according to claim 1, wherein in the correction mode, the control unit controls a capacitance value of the variable capacitor for correction according to an output voltage of the latch circuit. 5. converter.
前記第1のスイッチは前記共通ノードを前記第1の電圧ノードに接続し、前記複数のアナログデジタル変換用容量の他端は前記ハイレベルノード又は前記ローレベルノードに接続され、
その後、前記第1のスイッチは前記共通ノードを前記第1の電圧ノードから切断し、前記複数のアナログデジタル変換用容量の他端は上記とは逆に前記ローレベルノード又は前記ハイレベルノードに接続され、
前記制御部は、前記ラッチ回路の出力電圧に応じて前記補正用可変容量の容量値を制御することを特徴とする請求項4記載のアナログデジタル変換器。 In the correction mode,
The first switch connects the common node to the first voltage node, and the other ends of the plurality of analog-digital conversion capacitors are connected to the high level node or the low level node,
Thereafter, the first switch disconnects the common node from the first voltage node, and the other ends of the plurality of analog-digital conversion capacitors are connected to the low-level node or the high-level node contrary to the above. And
5. The analog-digital converter according to claim 4, wherein the control unit controls a capacitance value of the correction variable capacitor according to an output voltage of the latch circuit.
前記第1のスイッチは前記共通ノードを前記第1の電圧ノードに接続し、前記複数のアナログデジタル変換用容量の他端は前記アナログ入力電圧ノードに接続され、
その後、前記第1のスイッチは前記共通ノードを前記第1の電圧ノードから切断し、前記制御部は、前記ラッチ回路の出力電圧に応じて前記複数のアナログデジタル変換用容量の他端をハイレベルノード又はローレベルノードに接続し、前記複数のアナログデジタル変換用容量の他端の接続の状態は前記アナログ入力電圧ノードのアナログ電圧がデジタル値に変換されたデジタル値として出力されることを特徴とする請求項4又は5記載のアナログデジタル変換器。 In the analog-digital conversion mode,
The first switch connects the common node to the first voltage node, and the other ends of the plurality of analog-digital conversion capacitors are connected to the analog input voltage node.
Thereafter, the first switch disconnects the common node from the first voltage node, and the control unit sets the other ends of the plurality of analog-digital conversion capacitors to a high level according to an output voltage of the latch circuit. Connected to a node or a low-level node, and the connection state of the other ends of the plurality of analog-digital conversion capacitors is output as a digital value obtained by converting the analog voltage of the analog input voltage node into a digital value. The analog-digital converter according to claim 4 or 5.
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