JP2013066027A - Pipeline type a/d converter - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a pipeline type A/D converter capable of suppressing generation of linearity errors and amplifying only a signal generated by the pipeline type A/D converter independently of a gain of a digital PGA, even in the case that the pipeline type A/D converter includes the digital PGA.SOLUTION: An A/D converter 102-1' processing an MSB side of a digital output signal Dout has output value fixing switching elements 151 and 152 whose conduction states are controlled by comparator output control signals CP1 and CP1' outputted from a controller 105'. By controlling the conduction states of those switching elements depending on a predetermined gain by a digital PGA 202, comparator output values of A/D converters 102-1' and 102-2' are fixed so as not to switch a reference voltage to be added to or subtracted from a signal in the middle of processing, like in a normal operation state.

Description

本発明は、パイプライン型A/Dコンバータに関し、特に複数のA/Dコンバータが互いに縦列に多段で接続されて、1クロックの間に複数のA/D変換処理を行うパイプライン型A/Dコンバータに関する。   The present invention relates to a pipeline type A / D converter, and in particular, a pipeline type A / D in which a plurality of A / D converters are connected to each other in multiple stages to perform a plurality of A / D conversion processes in one clock. Concerning the converter.

アナログ信号をディジタル信号に変換することが必要な各種画像センサや画像処理装置等の電子機器は、多くのデータを高速に処理することが求められる。このような処理を行うことができるように、複数のA/Dコンバータを互いに縦列に多段で接続して構成することで、1クロックの間に複数のA/D変換処理を行うことのできるパイプライン型A/Dコンバータが知られている。   Electronic devices such as various image sensors and image processing devices that need to convert analog signals into digital signals are required to process a large amount of data at high speed. A pipe capable of performing a plurality of A / D conversion processes in one clock by configuring a plurality of A / D converters connected in cascade in multiple stages so that such a process can be performed. A line type A / D converter is known.

従来のパイプライン型A/Dコンバータとしては、例えば、非特許文献1のパイプライン型A/Dコンバータがある。
まず、図5を参照して、従来の一般的なパイプライン型A/Dコンバータ100の構成を説明する。図5は、従来の一般的なパイプライン型A/Dコンバータ100の構成を示すブロック図である。
As a conventional pipeline type A / D converter, for example, there is a pipeline type A / D converter of Non-Patent Document 1.
First, the configuration of a conventional general pipeline type A / D converter 100 will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a conventional general pipeline type A / D converter 100.

図5に示すパイプライン型A/Dコンバータ100は、サンプルホールド回路101と、縦列接続されたk個のA/Dコンバータ102−1〜102−kと、メモリ103と、演算回路104と、制御部105とを備えて構成される。
サンプルホールド回路101は、アナログ入力信号Ainをサンプルホールドし、ホールドしたアナログ入力信号Ainを最初のA/Dコンバータ102−1に送出するための回路である。
The pipeline type A / D converter 100 shown in FIG. 5 includes a sample and hold circuit 101, k A / D converters 102-1 to 102-k connected in cascade, a memory 103, an arithmetic circuit 104, and a control. Unit 105.
The sample hold circuit 101 is a circuit for sampling and holding the analog input signal Ain and sending the held analog input signal Ain to the first A / D converter 102-1.

A/Dコンバータ102−1〜102−kは縦列接続され、各段に入力されるアナログ入力信号Vinに基づいて、各A/Dコンバータ102−1〜102−kが担当する分解能分のA/D変換処理を実施し、それぞれs桁のディジタル出力信号d(j=1,2,……,k)をメモリ103に送出する。また、A/Dコンバータ102−1〜102−kは、各段においてアナログ入力信号Vinと、ディジタル出力信号dのD/A変換結果とから得られるアナログ出力信号Voutを次段のA/Dコンバータに送出する。 The A / D converters 102-1 to 102-k are connected in cascade, and based on the analog input signal Vin input to each stage, the A / D converters 102-1 to 102-k have the resolution corresponding to the A / D converters 102-1 to 102-k. D conversion processing is performed, and s digit digital output signals d j (j = 1, 2,..., K) are sent to the memory 103. Further, A / D converters 102-1 to 102-k includes an analog input signal Vin in each stage, the digital output signal d j of the D / A conversion result and the next stage analog output signal Vout obtained from the A / D Send to converter.

メモリ103は、k個のA/Dコンバータ102−1〜102−kで決定された、それぞれs桁のディジタル出力信号dを受け取り格納する。すなわち、メモリ103には、少なくとも、k個のアドレスを有し、1つのアドレス当たりsビットのデータを記憶することができる半導体メモリ等を用いれば良い。
演算回路104は、メモリ103に格納されたディジタル出力信号dを合成して、Sビットのディジタル出力信号Doutを演算する。この演算回路104における演算方法は、以下の通りである。まず、dの最上位桁とdk−1の最下位桁とを2進法で加算する。次に、この結果に基づいて、dk−1の最上位桁とdk−2の最下位桁とを、同じく2進法で加算する。以下、これを繰り返して、最後にdの最下位ビットと、dの最上位ビットとを足し合わせる。このように、すべてのdについて足し合わされた結果がディジタル出力信号Doutになる。
The memory 103 receives and stores s-digit digital output signals d j determined by the k A / D converters 102-1 to 102-k. That is, the memory 103 may be a semiconductor memory that has at least k addresses and can store s bits of data per address.
Computing circuit 104 combines the digital output signal d j stored in the memory 103, calculates a digital output signal Dout of the S bit. The calculation method in the calculation circuit 104 is as follows. First, it adds the least significant digit of the most significant digit and d k-1 of d k in binary. Next, based on this result, the most significant digit of d k−1 and the least significant digit of d k−2 are similarly added in the binary system. Hereinafter, by repeating this, matched finally added and the least significant bits of d 1, the most significant bit of d 2. Thus, we summed the result is a digital output signal Dout for all d j.

制御部105は、内部で生成されるマスタクロック信号φに合わせて、アナログ入力信号Vinをサンプルホールドする動作を行うために、A/Dコンバータ102−1〜102−kの内部の各スイッチング素子を電気的に接続状態または切断状態のいずれか一方に切り替えるためのスイッチング素子制御信号φ1,φ2を生成するためのものである。
なお、A/Dコンバータ102−1〜102−kは同一の素子を有して構成される同じ回路であるため、図6を参照して、A/Dコンバータ102−1の回路構成を説明する。
The control unit 105 sets each switching element in the A / D converters 102-1 to 102-k in order to perform an operation of sampling and holding the analog input signal Vin in accordance with an internally generated master clock signal φ. This is for generating switching element control signals φ1 and φ2 for electrically switching to either the connected state or the disconnected state.
Since the A / D converters 102-1 to 102-k are the same circuit having the same elements, the circuit configuration of the A / D converter 102-1 will be described with reference to FIG. .

図6は、担当する分解能が1.5ビットの場合のA/Dコンバータ102−1の回路構成を示す回路図である。分解能が1.5ビットとは、A/Dコンバータ102−1から出力されるディジタル出力信号が3値であることを示す。
図6に示すA/Dコンバータ102−1は、サンプルホールド用スイッチング素子121〜125と、サンプルホールド用コンデンサ126,127と、演算増幅器128と、A/Dサブコンバータ129と、多値出力回路130とを備えて構成される。
FIG. 6 is a circuit diagram showing a circuit configuration of the A / D converter 102-1 when the resolution in charge is 1.5 bits. The resolution of 1.5 bits indicates that the digital output signal output from the A / D converter 102-1 is ternary.
An A / D converter 102-1 shown in FIG. 6 includes sample-and-hold switching elements 121 to 125, sample-and-hold capacitors 126 and 127, an operational amplifier 128, an A / D sub-converter 129, and a multi-value output circuit 130. And is configured.

サンプルホールド用スイッチング素子121〜125は、制御部105から出力されるスイッチング素子制御信号φ1,φ2に基づいて、サンプルホールド動作を行うために電気的接続状態を接続状態または切断状態のいずれか一方に切り替えるためのものである。サンプルホールド用スイッチング素子121,122は、アナログ入力信号Vinを入力する入力端子と、サンプルホールド用コンデンサ126,127の入力端子との間に接続される。サンプルホールド用スイッチング素子123は、サンプルホールド用コンデンサ126,127の出力端子と、アナロググランドとの間に接続される。サンプルホールド用スイッチング素子124は、演算増幅器128の出力端子と、サンプルホールド用コンデンサ126の入力端子との間に接続される。サンプルホールド用スイッチング素子125は、多値出力回路130の出力端子と、サンプルホールド用コンデンサ127の入力端子との間に接続される。上記の各スイッチング素子は、スイッチング素子制御信号φ1,φ2がHレベルである時に接続状態になり、スイッチング素子制御信号φ1,φ2がLレベルである時に切断状態になる。   Based on switching element control signals φ1 and φ2 output from the control unit 105, the sample hold switching elements 121 to 125 change the electrical connection state to either the connected state or the disconnected state in order to perform the sample hold operation. It is for switching. The sample and hold switching elements 121 and 122 are connected between an input terminal for inputting the analog input signal Vin and input terminals of the sample and hold capacitors 126 and 127. The sample and hold switching element 123 is connected between the output terminals of the sample and hold capacitors 126 and 127 and the analog ground. The sample and hold switching element 124 is connected between the output terminal of the operational amplifier 128 and the input terminal of the sample and hold capacitor 126. The sample and hold switching element 125 is connected between the output terminal of the multi-value output circuit 130 and the input terminal of the sample and hold capacitor 127. Each of the switching elements is connected when the switching element control signals φ1 and φ2 are at the H level, and is disconnected when the switching element control signals φ1 and φ2 are at the L level.

サンプルホールド用コンデンサ126,127は、多値出力回路130から出力される基準電圧を基準にして、サンプルされたアナログ入力信号Vinに対応する電荷を充放電するためのものである。
演算増幅器128は、非反転(+)入力端子にアナロググランドが接続され、反転(−)入力端子にサンプルホールド用コンデンサ126,127が接続され、2個の入力端子に入力される信号の電位差を増幅するものである。
The sample and hold capacitors 126 and 127 are for charging and discharging charges corresponding to the sampled analog input signal Vin with reference to the reference voltage output from the multilevel output circuit 130.
In the operational amplifier 128, analog ground is connected to the non-inverting (+) input terminal, sample hold capacitors 126 and 127 are connected to the inverting (−) input terminal, and the potential difference between the signals input to the two input terminals is calculated. Amplify.

A/Dサブコンバータ129は、図示しない2個のコンパレータから構成され、アナログ入力信号Vinをディジタル出力信号dに変換するためのものである。
多値出力回路130は、多値出力用スイッチング素子131〜133を備えて構成される。スイッチング素子131〜133は、所定の電圧である−Vref(V),0(V),+Vref(V)を出力する電圧源と、多値出力回路130の出力端子との間に接続され、A/Dサブコンバータ129の出力結果に基づいて、電気的接続状態を接続状態または切断状態のいずれか一方に切り替えるものである。そして、多値出力回路130は、ディジタル出力信号dに基づいて、スイッチング素子131〜133の電気的接続状態が切り替わることによって、−Vref(V),0(V),+Vref(V)のいずれか1つの基準電圧を出力する。Vref(V)はA/D変換処理の入力レンジによって決定される所定の電圧であり、0(V)はアナロググランドの電圧である。
A / D sub-converter 129 is composed of two comparators, not shown, it is used to convert the analog input signal Vin into a digital output signal d j.
The multilevel output circuit 130 includes multilevel output switching elements 131 to 133. The switching elements 131 to 133 are connected between a voltage source that outputs −Vref (V), 0 (V), and + Vref (V), which are predetermined voltages, and an output terminal of the multilevel output circuit 130. Based on the output result of the / D sub-converter 129, the electrical connection state is switched to either the connected state or the disconnected state. The multi-value output circuit 130, on the basis of the digital output signal d j, by the switched electrical connection of the switching elements 131 to 133, any -Vref of (V), 0 (V) , + Vref (V) One reference voltage is output. Vref (V) is a predetermined voltage determined by the input range of the A / D conversion process, and 0 (V) is an analog ground voltage.

このA/Dコンバータ102−2の動作は、サンプル動作フェーズとホールド動作フェーズとに分かれており、サンプル動作とホールド動作とを交互に繰り返す。
まず、サンプル動作時に、サンプルホールド用スイッチング素子121〜123が接続状態となり、サンプルホールド用スイッチング素子124,125が切断状態となる。そして、前段のA/Dコンバータ102−1から入力されたアナログ入力信号Vinが、サンプルホールド用コンデンサ126,127にサンプルされる。また、A/Dサブコンバータ129は、前段のA/Dコンバータ102−1から入力されたアナログ入力信号VinをA/D変換処理することで、−1,0,1のいずれか1つの値を出力する。正確には、Vinが−0.25Vref(V)よりも小さい時に−1、Vinが−0.25Vref(V)よりも大きく、+0.25Vref(V)よりも小さい時に0、Vinが+0.25Vref(V)よりも大きい時に1を出力する。
多値出力回路130は、A/Dサブコンバータ129の出力結果が−1である時に−Vref(V),0である時に0(V),1である時に+Vref(V)の基準電圧を出力する。
The operation of the A / D converter 102-2 is divided into a sample operation phase and a hold operation phase, and the sample operation and the hold operation are alternately repeated.
First, during the sample operation, the sample-and-hold switching elements 121 to 123 are connected, and the sample-and-hold switching elements 124 and 125 are disconnected. Then, the analog input signal Vin input from the A / D converter 102-1 at the previous stage is sampled by the sample and hold capacitors 126 and 127. In addition, the A / D sub-converter 129 performs an A / D conversion process on the analog input signal Vin input from the A / D converter 102-1 in the previous stage, so that any one value of −1, 0, 1 is obtained. Output. Precisely, −1 when Vin is smaller than −0.25 Vref (V), 0 when Vin is larger than −0.25 Vref (V) and smaller than +0.25 Vref (V), and Vin is +0.25 Vref. When 1 is larger than (V), 1 is output.
The multi-value output circuit 130 outputs a reference voltage of −Vref (V) when the output result of the A / D sub-converter 129 is −1, 0 (V) when it is 0, and + Vref (V) when it is 1. To do.

また、ホールド動作時には、サンプルホールド用スイッチング素子121〜123が切断状態となり、サンプルホールド用スイッチング素子124,125が接続状態となる。そして、コンデンサ126を演算増幅器128の出力端子と反転入力端子との間に接続し、帰還素子として用いる。これにより、アナログ入力信号Vinの電圧を2倍に増幅する。さらに、A/Dサブコンバータ129の出力結果に応じてスイッチング素子131〜133のいずれか1つの電気的接続状態が接続状態になり、コンデンサ127に、−Vref(V),0V,+Vref(V)のいずれか1つの電圧が出力される。これにより、2倍に増幅されたアナログ入力信号Vinの範囲内で取りうるアナログ出力信号Voutが、自段のA/Dコンバータの出力レンジ、つまり次段のA/Dコンバータの入力レンジの範囲内に収まるようにする。このアナログ出力信号Voutが、A/Dコンバータ102−1の後段に接続されるA/Dコンバータ102−2のアナログ入力信号Vinとなる。   In the hold operation, the sample-hold switching elements 121 to 123 are disconnected, and the sample-hold switching elements 124 and 125 are connected. A capacitor 126 is connected between the output terminal and the inverting input terminal of the operational amplifier 128 and used as a feedback element. This amplifies the voltage of the analog input signal Vin twice. Further, according to the output result of the A / D sub-converter 129, the electrical connection state of any one of the switching elements 131 to 133 becomes a connection state, and −Vref (V), 0V, + Vref (V) is connected to the capacitor 127. Any one of the voltages is output. As a result, the analog output signal Vout that can be taken within the range of the analog input signal Vin amplified twice is within the output range of the A / D converter of its own stage, that is, the input range of the A / D converter of the next stage. To fit in. This analog output signal Vout becomes the analog input signal Vin of the A / D converter 102-2 connected to the subsequent stage of the A / D converter 102-1.

続いて、図7を参照して、A/Dコンバータ102−1のアナログ入力信号Vinの入力レンジと、アナログ出力信号Voutの出力レンジとの関係を説明する。図7は、A/Dコンバータ102−1のアナログ入力信号Vinの入力レンジと、アナログ出力信号Voutの出力レンジとの関係を示すグラフである。
図7に示すグラフの横軸は、A/Dコンバータ102−1に入力されるアナログ入力信号Vinの電圧を示している。また、縦軸は、A/Dコンバータ102−1から出力されるアナログ出力信号Voutの電圧を示している。入力されたアナログ入力信号Vinは、2倍に増幅されるとともに、−0.25Vref(V)よりも小さい範囲ではVref(V)が加算され、+0.25Vref(V)よりも大きい範囲ではVref(V)が減算される。これにより、自段のA/Dコンバータのアナログ出力信号Voutが、自段のA/Dコンバータの出力レンジ、つまり次段のA/Dコンバータの入力レンジを超えないようにしている。
Next, the relationship between the input range of the analog input signal Vin of the A / D converter 102-1 and the output range of the analog output signal Vout will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a graph showing the relationship between the input range of the analog input signal Vin of the A / D converter 102-1 and the output range of the analog output signal Vout.
The horizontal axis of the graph shown in FIG. 7 indicates the voltage of the analog input signal Vin input to the A / D converter 102-1. The vertical axis indicates the voltage of the analog output signal Vout output from the A / D converter 102-1. The input analog input signal Vin is amplified by a factor of 2, and Vref (V) is added in a range smaller than −0.25Vref (V), and Vref (V) in a range larger than + 0.25Vref (V). V) is subtracted. Thus, the analog output signal Vout of the own stage A / D converter does not exceed the output range of the own stage A / D converter, that is, the input range of the next stage A / D converter.

また、上記で説明したようなパイプライン型A/Dコンバータ100の後段に、パイプライン型A/Dコンバータ100により処理された信号の利得を制御するためのディジタルプログラマブルゲインアンプ(以下、「ディジタルPGA」と記す。)を設けることがある。近年、製造コストを抑える観点から、パイプライン型A/Dコンバータの先頭側にアナログプログラマブルゲインアンプを設けるのではなく、パイプライン型A/Dコンバータの後段側にディジタルPGAを設けて、A/D変換処理後のディジタルデータをディジタルPGAによって増幅することが多くなってきている。   In addition, a digital programmable gain amplifier (hereinafter referred to as “digital PGA”) for controlling the gain of the signal processed by the pipeline type A / D converter 100 at the subsequent stage of the pipeline type A / D converter 100 as described above. May be provided.). In recent years, from the viewpoint of reducing the manufacturing cost, an analog programmable gain amplifier is not provided on the front side of the pipeline type A / D converter, but a digital PGA is provided on the rear side of the pipeline type A / D converter. In many cases, digital data after conversion processing is amplified by a digital PGA.

図8は、パイプライン型A/Dコンバータ本体部201の後段側に、ディジタルPGA202が接続されたパイプライン型A/Dコンバータ200の回路構成を示すブロック図である。図8に示すパイプライン型A/Dコンバータ200は、パイプライン型A/Dコンバータ本体部201と、ディジタルPGA202と、リミッタ203とを備えて構成される。   FIG. 8 is a block diagram showing a circuit configuration of a pipeline type A / D converter 200 in which a digital PGA 202 is connected to the rear side of the pipeline type A / D converter main body 201. A pipeline type A / D converter 200 shown in FIG. 8 includes a pipeline type A / D converter main body 201, a digital PGA 202, and a limiter 203.

パイプライン型A/Dコンバータ本体部201は、図5において説明したパイプライン型A/Dコンバータ100と全く同じ回路構成である。ここで、パイプライン型A/Dコンバータ100は、出力値として0〜(2−1)を出力するものとする。そして、パイプライン型A/Dコンバータ100から出力されたディジタル出力信号Doutは、ディジタルPGA202に入力されるようになっている。 The pipeline type A / D converter main body 201 has the same circuit configuration as the pipeline type A / D converter 100 described in FIG. Here, the pipeline type A / D converter 100 outputs 0 to (2 k −1) as an output value. The digital output signal Dout output from the pipeline type A / D converter 100 is input to the digital PGA 202.

ディジタルPGA202は、予め設定された利得(設定利得)に応じてディジタル出力信号Doutを増幅して、その信号をディジタル出力信号Dout2として出力する。さらに、ディジタルPGA202から出力されたディジタル出力信号Dout2は、リミッタ203に入力される。
リミッタ203は、ディジタル出力信号Dout2が、パイプライン型A/Dコンバータ100の最大出力値を超えていない場合には、ディジタル出力信号Dout2をディジタル出力信号Dout3として出力する。また、リミッタ203は、ディジタル出力信号Dout2が、パイプライン型A/Dコンバータの最大出力値を超える場合には、ディジタル出力信号Dout2を最大出力値に丸め込んだ信号を、ディジタル出力信号Dout3として出力する。
The digital PGA 202 amplifies the digital output signal Dout according to a preset gain (set gain) and outputs the signal as the digital output signal Dout2. Further, the digital output signal Dout2 output from the digital PGA 202 is input to the limiter 203.
The limiter 203 outputs the digital output signal Dout2 as the digital output signal Dout3 when the digital output signal Dout2 does not exceed the maximum output value of the pipeline type A / D converter 100. Further, when the digital output signal Dout2 exceeds the maximum output value of the pipeline type A / D converter, the limiter 203 outputs a signal obtained by rounding the digital output signal Dout2 to the maximum output value as the digital output signal Dout3. .

具体的に説明すると、パイプライン型A/Dコンバータ本体部201が10ビット型のパイプライン型A/Dコンバータであるとすると、パイプライン型A/Dコンバータ本体部201の最大出力値は1023である。しかしながら、上記で説明したように、ディジタルPGA202によりディジタル出力信号Doutを増幅すると、出力値が1023を越える場合がある。このため、出力値が1024以上の値になった場合には、リミッタ203が出力値を最大出力値である1023に丸め込むための処理を行う。上記で説明したパイプライン型A/Dコンバータ200においては、このようにして、ディジタルPGA202から出力された出力値が、パイプライン型A/Dコンバータ100の最大出力値を超えるような場合には、リミッタ203が、パイプライン型A/Dコンバータ100の出力値を最大出力値内に収まるようにしている。   More specifically, assuming that the pipeline A / D converter body 201 is a 10-bit pipeline A / D converter, the maximum output value of the pipeline A / D converter body 201 is 1023. is there. However, as described above, when the digital output signal Dout is amplified by the digital PGA 202, the output value may exceed 1023. Therefore, when the output value becomes 1024 or more, the limiter 203 performs processing for rounding the output value to 1023 which is the maximum output value. In the pipeline A / D converter 200 described above, when the output value output from the digital PGA 202 exceeds the maximum output value of the pipeline A / D converter 100 in this way, The limiter 203 makes the output value of the pipeline type A / D converter 100 fall within the maximum output value.

一方で、このことは、ディジタルPGA202の利得、つまり増幅率が大きくなるにつれて、パイプライン型A/Dコンバータ100の入力レンジが狭まることを意味する。
図9は、ディジタルPGA202が接続されたパイプライン型A/Dコンバータ本体部201のA/Dコンバータ102−1の入出力特性を示すグラフである。図10は、ディジタルPGA202が接続されたパイプライン型A/Dコンバータ本体部201のA/Dコンバータ102−2の入出力特性を示すグラフである。
On the other hand, this means that the input range of the pipelined A / D converter 100 is narrowed as the gain of the digital PGA 202, that is, the amplification factor increases.
FIG. 9 is a graph showing input / output characteristics of the A / D converter 102-1 of the pipeline type A / D converter main body 201 to which the digital PGA 202 is connected. FIG. 10 is a graph showing input / output characteristics of the A / D converter 102-2 of the pipeline type A / D converter main body 201 to which the digital PGA 202 is connected.

図9に示すグラフ中には、ディジタルPGA202の利得が1倍である時の各A/Dコンバータ102−1の入力レンジR11、ディジタルPGA202の利得が2倍である時の各A/Dコンバータ102−1の入力レンジR12、ディジタルPGA202の利得が4倍である時の各A/Dコンバータ102−1の入力レンジR14をそれぞれ示している。図9に示すように、A/Dコンバータ102−1においては、ディジタルPGA202の利得が1倍から2倍になると、A/Dコンバータ102−1の入力レンジは1/2に狭くなる。さらに、ディジタルPGA202の利得が2倍から4倍になると、A/Dコンバータ102−1の入力レンジは1/2に狭くなる。 In the graph shown in FIG. 9, the input range R 11 of each A / D converter 102-1 when the gain of the digital PGA 202 is 1 time, and each A / D converter when the gain of the digital PGA 202 is 2 times. An input range R 12 of 102-1 and an input range R 14 of each A / D converter 102-1 when the gain of the digital PGA 202 is four times are shown. As shown in FIG. 9, in the A / D converter 102-1, when the gain of the digital PGA 202 is doubled from 1 to 2, the input range of the A / D converter 102-1 is narrowed to 1/2. Further, when the gain of the digital PGA 202 is doubled to four times, the input range of the A / D converter 102-1 is narrowed to ½.

また、図10に示すグラフ中には、ディジタルPGA202の利得が1倍である時の各A/Dコンバータ102−1の入力レンジR21、ディジタルPGA202の利得が4倍である時の各A/Dコンバータ102−1の入力レンジR34を示している。図10に示すように、A/Dコンバータ102−1の後段側に接続されているA/Dコンバータ102−2においても、ディジタルPGA202の利得が1倍から4倍になると、A/Dコンバータ102−1の入力レンジは1/2に狭くなる。 Further, in the graph shown in FIG. 10, the input range R 21 of each A / D converter 102-1 when the gain of the digital PGA 202 is 1 time, and each A / D when the gain of the digital PGA 202 is 4 times. It indicates the input range R 34 in D converter 102-1. As shown in FIG. 10, also in the A / D converter 102-2 connected to the rear stage side of the A / D converter 102-1, when the gain of the digital PGA 202 increases from 1 to 4, the A / D converter 102 The input range of -1 is reduced to 1/2.

IEEE Journal of Solid State Circuits.Vol.32.No3.March 1997.P312〜P320IEEE Journal of Solid State Circuits. Vol. 32. No3. March 1997. P312 to P320

上記で説明したようなパイプライン型A/Dコンバータにおいては、その各ステージにおいて処理途中の信号に加減算される基準電圧を切り替えることによって、例えば、演算増幅器の有限利得に影響を与えたり、スイッチトキャパシタ回路のキャパシタのミスマッチが生じたりする。これらの原因により、パイプライン型A/Dコンバータの信号処理において、エラー(誤差)を生じるようになり、このエラーが最終的に不連続な線形性エラー、特に微分非直線性(Differential Nonlinearity;DNL)エラーとなる。このような線形性エラーが、パイプライン型A/Dコンバータの特性に影響を与えることがあった。   In the pipeline type A / D converter as described above, for example, the finite gain of the operational amplifier is affected by switching the reference voltage added to or subtracted from the signal being processed at each stage, or the switched capacitor is switched. Circuit mismatch may occur. Due to these causes, an error (error) is generated in the signal processing of the pipeline type A / D converter, and this error is finally a discontinuous linearity error, in particular, differential non-linearity (DNL). ) An error occurs. Such a linearity error may affect the characteristics of the pipeline type A / D converter.

従って、パイプライン型A/Dコンバータの後段側にディジタルPGAが接続されている場合においては、ディジタルPGAが、パイプライン型A/Dコンバータで生成された信号だけではなく、この不連続な線形性エラーも合わせてそのまま増幅してしまう。このため、ディジタルPGAの利得が高くなるほど、パイプライン型A/Dコンバータ自身に高い線形性を要求することになる。そして、高い線形性をそのまま要求しようとすると、集積エリアや消費電力が増大することにつながることがあった。   Therefore, in the case where the digital PGA is connected to the rear stage side of the pipeline type A / D converter, the digital PGA is not only the signal generated by the pipeline type A / D converter but also this discontinuous linearity. The error is amplified as it is. For this reason, the higher the gain of the digital PGA, the higher the linearity required for the pipeline type A / D converter itself. Further, if high linearity is required as it is, the integration area and power consumption may increase.

また、上記のような線形性エラーは、ディジタル出力信号の最上位ビット(Most Significant Bit;MSB)側を処理するステージ、つまり先頭側のステージほど顕著に生じることが多い。さらには、このような不連続な線形性エラーは、特に画像センサ向けのLSI(Large Scale Integration)においてA/D変換処理を行う場合に、画像センサの特性に影響を与えることが多い。   In addition, the linearity error as described above often occurs more significantly in the stage that processes the most significant bit (MSB) side of the digital output signal, that is, in the leading stage. Further, such a discontinuous linearity error often affects the characteristics of the image sensor particularly when A / D conversion processing is performed in an LSI (Large Scale Integration) for the image sensor.

そこで、本発明は、上記の課題に鑑み、ディジタルPGAを含むパイプライン型A/Dコンバータであっても、ディジタルPGAの利得に関係なく、線形性エラーが発生することを抑えて、パイプライン型A/Dコンバータで生成された信号だけを増幅することができるパイプライン型A/Dコンバータを提供することを目的とする。   Therefore, in view of the above problems, the present invention suppresses occurrence of a linearity error regardless of the gain of the digital PGA, even in a pipeline A / D converter including a digital PGA. An object of the present invention is to provide a pipeline type A / D converter capable of amplifying only a signal generated by the A / D converter.

本発明によるパイプライン型A/Dコンバータは、上記の目的を達成するために、次のように構成される。
本発明のある態様による第1のパイプライン型A/Dコンバータは、互いに縦列に多段で接続された複数のA/Dコンバータから出力されたディジタル出力信号を合成する演算回路と、前記演算回路により合成されたディジタル出力信号を所定の設定利得で増幅するディジタルプログラマブルゲインアンプと、前記複数のA/Dコンバータの回路動作を制御する制御部と、を備え、さらに、前記複数のA/Dコンバータのうちの、少なくとも1つのA/Dコンバータは、その内部のA/Dサブコンバータから出力されるコンバータ出力値を固定させるように動作する出力値固定部を備え、前記制御部は、前記ディジタルプログラマブルゲインアンプの設定利得に応じて、前記コンバータ出力値が固定されるように、前記出力値固定部の動作状態を制御することを特徴とする。
In order to achieve the above object, a pipeline type A / D converter according to the present invention is configured as follows.
A first pipeline type A / D converter according to an aspect of the present invention includes an arithmetic circuit that synthesizes digital output signals output from a plurality of A / D converters connected in cascade to each other in multiple stages, and the arithmetic circuit A digital programmable gain amplifier that amplifies the combined digital output signal with a predetermined setting gain; and a control unit that controls circuit operations of the plurality of A / D converters. At least one of the A / D converters includes an output value fixing unit that operates to fix a converter output value output from an internal A / D sub-converter, and the control unit includes the digital programmable gain. The operation state of the output value fixing unit is fixed so that the converter output value is fixed according to the set gain of the amplifier. And controlling the.

上記の第1のパイプライン型A/Dコンバータによれば、複数のA/Dコンバータのうちの少なくとも1つのA/Dコンバータが、その内部のA/Dサブコンバータから出力されるコンバータ出力値を固定させるように動作する出力値固定部を備える。そして、制御部が、ディジタルプログラマブルゲインアンプの利得に応じて、出力値固定部を備えるA/Dコンバータから出力されるコンバータ出力値が固定されるように、出力値固定部の動作状態を制御する。   According to the first pipeline type A / D converter, at least one A / D converter among the plurality of A / D converters converts the converter output value output from the internal A / D sub-converter. An output value fixing unit that operates so as to be fixed is provided. Then, the control unit controls the operation state of the output value fixing unit so that the converter output value output from the A / D converter including the output value fixing unit is fixed according to the gain of the digital programmable gain amplifier. .

つまり、ディジタルプログラマブルゲインアンプによって信号を、例えば、2倍、さらに4倍のように増幅した時に、パイプライン型A/DコンバータのA/Dコンバータのうちの少なくとも1つのA/Dコンバータ内部のA/Dサブコンバータのコンバータ出力値を固定しておく。これにより、通常動作状態のように処理途中の信号に加減算される基準電圧が切り替わらないようにする。これにより、各A/Dコンバータで、基準電圧を切り替えることにより生じる不連続な線形性エラーが発生することを抑えることが可能となる。   In other words, when the signal is amplified by a digital programmable gain amplifier, for example, twice or further four times, the A in the A / D converter of at least one of the pipeline type A / D converters. The converter output value of the / D sub-converter is fixed. As a result, the reference voltage added to or subtracted from the signal being processed is not switched as in the normal operation state. Thereby, it becomes possible to suppress the occurrence of discontinuous linearity errors caused by switching the reference voltage in each A / D converter.

つまり、パイプライン型A/Dコンバータの後段側にディジタルプログラマブルゲインアンプが接続されている場合においても、ディジタルPGAが、パイプライン型A/Dコンバータで生成された信号だけではなく、この不連続な線形性エラーも合わせてそのまま増幅することがない。
本発明のある態様による第2のパイプライン型A/Dコンバータは、前記パイプライン型A/Dコンバータのうちの先頭からi段目(iは、任意の1以上の整数とする。)のA/Dコンバータの変換ビット数が、n(i)+0.5ビット(nは、任意の1以上の整数とする。)である時、前記制御部は、先頭からm段目(mは、任意の1以上の整数とする。)のA/Dコンバータの前記コンバータ出力値を固定する際、前記ディジタルディジタルプログラマブルゲインアンプの設定利得が2n(1)+n(2)+……+n(m)倍以上である場合に、m段目のA/Dコンバータから出力されたアナログ出力信号が出力レンジを超えない範囲で、前記コンバータ出力値が固定されるように、前記出力値固定部の動作状態を制御することを特徴とする。
That is, even when a digital programmable gain amplifier is connected to the downstream side of the pipeline type A / D converter, the digital PGA is not only a signal generated by the pipeline type A / D converter but also this discontinuous. The linearity error is not amplified as it is.
A second pipeline type A / D converter according to an aspect of the present invention is an i-th stage (i is an arbitrary integer of 1 or more) from the top of the pipeline type A / D converter. When the number of conversion bits of the / D converter is n (i) +0.5 bits (n is an arbitrary integer of 1 or more), the control unit is in the m-th stage from the beginning (m is an arbitrary number) When the converter output value of the A / D converter is fixed, the set gain of the digital digital programmable gain amplifier is 2 n (1) + n (2) +... + N (m) The operation state of the output value fixing unit is fixed so that the converter output value is fixed within a range in which the analog output signal output from the m-th stage A / D converter does not exceed the output range when the value is equal to or greater than twice. Characterized by controlling To do.

上記の第2のパイプライン型A/Dコンバータによれば、ディジタルプログラマブルゲインアンプの利得が所定倍されると、A/Dコンバータの入力レンジは狭くなる。
そこで、i段目のA/Dコンバータの変換ビットをn(i)+0.5ビットとする時に、ディジタルディジタルプログラマブルゲインアンプの設定利得が2n(1)+n(2)+……+n(m)倍以上である場合に、制御部が、自段のA/Dコンバータのアナログ出力信号が出力レンジ、つまり、次段のA/Dコンバータの入力レンジを超えない範囲で、A/Dコンバータのコンバータ出力値を適切な値に固定するように出力値固定用スイッチング素子の動作状態を制御する。
According to the second pipeline A / D converter, when the gain of the digital programmable gain amplifier is multiplied by a predetermined value, the input range of the A / D converter becomes narrow.
Therefore, when the conversion bit of the i-th A / D converter is n (i) +0.5 bits, the set gain of the digital digital programmable gain amplifier is 2 n (1) + n (2) +... + N (m ) If the A / D converter's analog output signal does not exceed the output range, that is, the input range of the A / D converter in the next stage, The operation state of the output value fixing switching element is controlled so as to fix the converter output value to an appropriate value.

つまり、多数ビット型のA/Dコンバータから構成されたパイプライン型A/Dコンバータや、異なるビット数のA/Dコンバータを組み合わせて構成されたパイプライン型A/Dコンバータ等のどのようなパイプライン型A/Dコンバータであっても、コンバータ出力値を固定する際には、自段のA/Dコンバータのアナログ出力信号が出力レンジ、つまり、次段のA/Dコンバータの入力レンジを超えない範囲で、コンバータ出力値を適切な値に固定すれば良い。これにより、通常動作状態のように各ステージにおいて処理途中の信号に加減算される基準電圧を切り替えることにより生じる各A/Dコンバータでの不連続な線形性エラーを抑えることが可能となる。   In other words, any pipe such as a pipelined A / D converter composed of a multi-bit A / D converter or a pipelined A / D converter composed of a combination of A / D converters having different numbers of bits. Even in the case of a line type A / D converter, when the converter output value is fixed, the analog output signal of its own A / D converter exceeds the output range, that is, the input range of the next stage A / D converter. In such a range, the converter output value may be fixed to an appropriate value. As a result, it is possible to suppress discontinuous linearity errors in each A / D converter caused by switching the reference voltage added to or subtracted from the signal being processed in each stage as in the normal operation state.

本発明のある態様による第3のパイプライン型A/Dコンバータは、前記パイプライン型A/Dコンバータのうちの先頭から1段目および2段目のA/Dコンバータの変換ビット数が、1.5ビットである時、前記制御部は、前記ディジタルプログラマブルゲインアンプの設定利得が2倍以上4倍未満である時、先頭から1段目のA/Dコンバータの前記コンバータ出力値が固定され、前記ディジタルプログラマブルゲインアンプの設定利得が4倍以上8倍未満である時、さらに、先頭から2段目のA/Dコンバータの前記コンバータ出力値が固定されるように、前記出力値固定部の動作状態を制御することを特徴とする。   In a third pipeline A / D converter according to an aspect of the present invention, the number of conversion bits of the first and second A / D converters from the top of the pipeline A / D converter is 1. When the setting gain of the digital programmable gain amplifier is 2 times or more and less than 4 times, the control unit fixes the converter output value of the first stage A / D converter from the top, When the set gain of the digital programmable gain amplifier is not less than 4 times and less than 8 times, the operation of the output value fixing unit is further fixed so that the converter output value of the A / D converter in the second stage from the top is fixed. It is characterized by controlling the state.

上記の第3のパイプライン型A/Dコンバータによれば、具体的に、先頭から1段目および2段目のA/Dコンバータの変換ビット数が、1.5ビットであれば、制御部は、ディジタルプログラマブルゲインアンプの設定利得が2倍以上4倍未満である時、先頭から1段目のA/Dコンバータのコンバータ出力値が固定されるように、出力値固定部の動作状態を制御すれば良い。また、制御部は、設定利得が4倍以上8倍未満である時、さらに、先頭から2段目のA/Dコンバータのコンバータ出力値も固定されるように、出力値固定部の動作状態を制御すれば良い。   Specifically, according to the third pipeline A / D converter, if the number of conversion bits of the first and second A / D converters from the top is 1.5 bits, the control unit Controls the operating state of the output value fixing unit so that the converter output value of the first A / D converter from the beginning is fixed when the set gain of the digital programmable gain amplifier is 2 times or more and less than 4 times Just do it. In addition, the control unit sets the operation state of the output value fixing unit so that when the set gain is 4 times or more and less than 8 times, the converter output value of the A / D converter in the second stage from the top is also fixed. Just control.

本発明のある態様による第4のパイプライン型A/Dコンバータは、前記出力値固定部は、アナログ入力信号および定電圧のうちのいずれかの電圧が入力されるように切り替える出力値固定用スイッチング素子であって、前記制御部は、前記ディジタルプログラマブルゲインアンプの設定利得に応じて前記コンバータ出力値が固定されるように、前記出力値固定用スイッチング素子の導通状態を制御することを特徴とする。   In a fourth pipelined A / D converter according to an aspect of the present invention, the output value fixing unit switches the output value to be switched so that any one of an analog input signal and a constant voltage is input. The control unit controls a conduction state of the output value fixing switching element so that the converter output value is fixed in accordance with a set gain of the digital programmable gain amplifier. .

上記の第4のパイプライン型A/Dコンバータによれば、複数のA/Dコンバータのうちの少なくとも1つのA/Dコンバータが、自回路に入力される信号をアナログ入力信号および定電圧のうちのいずれかの電圧に切り替えるための出力値固定用スイッチング素子を備える。そして、制御部が、ディジタルプログラマブルゲインアンプの設定利得に応じて、出力値固定用スイッチング素子の導通状態を制御することで、出力値固定用スイッチング素子を備えるA/Dコンバータの内部のA/Dサブコンバータから出力されるコンバータ出力値を固定させることが可能となる。   According to the fourth pipeline A / D converter described above, at least one A / D converter among a plurality of A / D converters converts a signal input to its own circuit from an analog input signal and a constant voltage. An output value fixing switching element for switching to any one of the voltages is provided. Then, the control unit controls the conduction state of the output value fixing switching element according to the set gain of the digital programmable gain amplifier, so that the A / D inside the A / D converter including the output value fixing switching element is controlled. The converter output value output from the sub-converter can be fixed.

本発明のある態様による第5のパイプライン型A/Dコンバータは、前記出力値固定用スイッチング素子は、前記定電圧が入力される端子と、A/Dサブコンバータの入力端子との間に接続された第1のスイッチング素子と、前記アナログ入力信号が入力される端子と、A/Dサブコンバータの入力端子との間に接続された第2のスイッチング素子とであって、前記制御部は、前記コンバータ出力値を固定しない時、前記第1のスイッチング素子の導通状態がオフ状態になり、前記第2のスイッチング素子の導通状態がオン状態になるように、前記第1のスイッチング素子および前記第2のスイッチング素子の導通状態を制御し、前記コンバータ出力値を固定する時、前記第1のスイッチング素子の導通状態がオン状態になり、前記第2のスイッチング素子の導通状態がオフ状態になるように、前記第1のスイッチング素子および前記第2のスイッチング素子の導通状態を制御することを特徴とする。   In a fifth pipelined A / D converter according to an aspect of the present invention, the output value fixing switching element is connected between a terminal to which the constant voltage is input and an input terminal of the A / D sub-converter. A first switching element, a terminal to which the analog input signal is input, and a second switching element connected between an input terminal of the A / D sub-converter, and the control unit includes: When the converter output value is not fixed, the conduction state of the first switching element is turned off and the conduction state of the second switching element is turned on. When the conduction state of the switching element 2 is controlled and the converter output value is fixed, the conduction state of the first switching element is turned on and the second switching element is turned on. As the conductive state of the switching element is turned off, and controls the conduction state of the first switching element and the second switching element.

上記の第5のパイプライン型A/Dコンバータによれば、出力値固定用スイッチング素子は、上記のような第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子との2つのスイッチング素子である。
よって、制御部が、第1のスイッチング素子の導通状態がオン状態になり、第2のスイッチング素子の導通状態がオフ状態になるように制御する。すると、自段のA/Dコンバータのアナログ出力信号が出力レンジ、つまり、次段のA/Dコンバータの入力レンジを超えない範囲で、コンバータ出力値を固定することが可能となる。また、コンバータ出力値を固定しない時には、制御部が、第1のスイッチング素子の導通状態がオフ状態になり、第2のスイッチング素子の導通状態がオン状態になるように制御すれば良い。
According to the fifth pipeline type A / D converter, the output value fixing switching elements are two switching elements of the first switching element and the second switching element as described above.
Therefore, the control unit performs control so that the conduction state of the first switching element is turned on and the conduction state of the second switching element is turned off. Then, it is possible to fix the converter output value within a range where the analog output signal of the A / D converter of the own stage does not exceed the output range, that is, the input range of the A / D converter of the next stage. Further, when the converter output value is not fixed, the control unit may perform control so that the conduction state of the first switching element is turned off and the conduction state of the second switching element is turned on.

本発明によれば、ディジタルPGAの利得に応じてA/Dコンバータのコンバータ出力値を適切な値に固定することにより、パイプライン型A/Dコンバータから出力された信号を増幅した際に生じる不連続な線形性エラーが発生することを抑える。そして、ディジタルPGAは、不連続な線形性エラーの少ないA/D変換された信号を増幅することができる。   According to the present invention, by fixing the converter output value of the A / D converter to an appropriate value in accordance with the gain of the digital PGA, a problem that occurs when the signal output from the pipeline type A / D converter is amplified. Suppresses the occurrence of continuous linearity errors. The digital PGA can amplify the A / D converted signal with few discontinuous linearity errors.

本実施形態に係るパイプライン型A/Dコンバータ10の回路構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the circuit structure of the pipeline type A / D converter 10 which concerns on this embodiment. パイプライン型A/Dコンバータ10を構成するA/Dコンバータ102−1´の回路構成を示す回路図である。2 is a circuit diagram showing a circuit configuration of an A / D converter 102-1 ′ constituting a pipeline type A / D converter 10. FIG. コンパレータ出力値を制御することが可能であるA/Dコンバータ102−1´の入出力特性を示すグラフである。It is a graph which shows the input-output characteristic of A / D converter 102-1 'which can control a comparator output value. コンパレータ出力値を制御することが可能であるA/Dコンバータ102−2´の入出力特性を示すグラフである。It is a graph which shows the input-output characteristic of A / D converter 102-2 'which can control a comparator output value. 従来の一般的なパイプライン型A/Dコンバータ100の構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a configuration of a conventional general pipeline type A / D converter 100. FIG. 担当する分解能が1.5ビットの場合のA/Dコンバータ102−1の回路構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the circuit structure of the A / D converter 102-1 when the resolution in charge is 1.5 bits. A/Dコンバータ102−1のアナログ入力信号Vinの入力レンジと、アナログ出力信号Voutの出力レンジとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the input range of the analog input signal Vin of the A / D converter 102-1, and the output range of the analog output signal Vout. パイプライン型A/Dコンバータ本体部201の後段側に、ディジタルPGA202が接続されたパイプライン型A/Dコンバータ200の回路構成を示すブロック図である。2 is a block diagram showing a circuit configuration of a pipeline type A / D converter 200 in which a digital PGA 202 is connected to the rear stage side of the pipeline type A / D converter main body 201. FIG. ディジタルPGA202が接続されたパイプライン型A/Dコンバータ本体部201のA/Dコンバータ102−1の入出力特性を示すグラフである。4 is a graph showing input / output characteristics of an A / D converter 102-1 of a pipeline type A / D converter main body 201 to which a digital PGA 202 is connected. ディジタルPGA202が接続されたパイプライン型A/Dコンバータ本体部201のA/Dコンバータ102−2の入出力特性を示すグラフである。6 is a graph showing input / output characteristics of an A / D converter 102-2 of a pipeline type A / D converter main body 201 to which a digital PGA 202 is connected.

ここからは、添付した図面を参照しながら、本発明のパイプライン型A/Dコンバータの好適な実施形態を詳細に説明する。
(パイプライン型A/Dコンバータ10の回路構成)
最初に、図1を参照して、本発明の一実施形態であるパイプライン型A/Dコンバータ10の回路構成を説明する。
Hereinafter, a preferred embodiment of a pipeline type A / D converter of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
(Circuit configuration of pipeline type A / D converter 10)
First, a circuit configuration of a pipeline type A / D converter 10 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

図1は、本実施形態に係るパイプライン型A/Dコンバータ10の回路構成を示すブロック図である。図1に示すパイプライン型A/Dコンバータ10は、パイプライン型A/Dコンバータ本体部201´と、ディジタルPGA202と、リミッタ203とを備えて構成される。
図1に示すパイプライン型A/Dコンバータ10と、図8に示したパイプライン型A/Dコンバータ200とでは、ディジタルPGA202と、リミッタ203とを備えている点で同じである。但し、パイプライン型A/Dコンバータ10が有するパイプライン型A/Dコンバータ本体部201´は、パイプライン型A/Dコンバータ200が有するパイプライン型A/Dコンバータ本体部201と回路構成が異なっている。
FIG. 1 is a block diagram showing a circuit configuration of a pipeline type A / D converter 10 according to the present embodiment. A pipeline type A / D converter 10 shown in FIG. 1 includes a pipeline type A / D converter main body 201 ′, a digital PGA 202, and a limiter 203.
The pipeline A / D converter 10 shown in FIG. 1 and the pipeline A / D converter 200 shown in FIG. 8 are the same in that a digital PGA 202 and a limiter 203 are provided. However, the pipeline type A / D converter main body 201 ′ included in the pipeline type A / D converter 10 is different in circuit configuration from the pipeline type A / D converter main body 201 included in the pipeline type A / D converter 200. ing.

パイプライン型A/Dコンバータ本体部201´は、図5に示したパイプライン型A/Dコンバータ100と同様に、サンプルホールド回路101と、縦列接続されたk個のA/Dコンバータ102−1´,102−2´,102−3〜102−kと、メモリ103と、演算回路104と、制御部105´とを備えて構成される。
制御部105´は、図5に示したパイプライン型A/Dコンバータ100の制御部105に対応する回路部であり、制御部105がもつ機能を有する。但し、制御部105´は、それらの機能に加えて、コンパレータ出力制御信号CP1,CP1´,CP2,CP2´を生成して、A/Dコンバータ102−1´,102−2´に出力する機能を有する。
Similar to the pipeline type A / D converter 100 shown in FIG. 5, the pipeline type A / D converter body 201 ′ includes a sample hold circuit 101 and k A / D converters 102-1 connected in cascade. ', 102-2', 102-3 to 102-k, a memory 103, an arithmetic circuit 104, and a control unit 105 '.
The control unit 105 ′ is a circuit unit corresponding to the control unit 105 of the pipeline type A / D converter 100 illustrated in FIG. 5 and has a function of the control unit 105. However, in addition to these functions, the control unit 105 ′ generates comparator output control signals CP1, CP1 ′, CP2, CP2 ′ and outputs them to the A / D converters 102-1 ′, 102-2 ′. Have

具体的に、制御部105´は、コンパレータ出力制御信号CP1を所定の電圧レベルであるHレベル、またはHレベルよりも低い電圧レベルであるLレベルでA/Dコンバータ102−1´に出力する。同様に、制御部105´は、コンパレータ出力制御信号CP1´をHレベルまたはLレベルでA/Dコンバータ102−1´に出力する。但し、コンパレータ出力制御信号CP1´は、コンパレータ出力制御信号CP1の反転信号となるようにA/Dコンバータ102−1´に出力する。つまり、コンパレータ出力制御信号CP1の電圧レベルがHレベルである時には、コンパレータ出力制御信号CP1´の電圧レベルはLレベルである。一方、コンパレータ出力制御信号CP1の電圧レベルがLレベルである時には、コンパレータ出力制御信号CP1´の電圧レベルはHレベルである。   Specifically, the control unit 105 ′ outputs the comparator output control signal CP1 to the A / D converter 102-1 ′ at an H level that is a predetermined voltage level or an L level that is a voltage level lower than the H level. Similarly, the control unit 105 ′ outputs the comparator output control signal CP1 ′ to the A / D converter 102-1 ′ at the H level or the L level. However, the comparator output control signal CP1 ′ is output to the A / D converter 102-1 ′ so as to be an inverted signal of the comparator output control signal CP1. That is, when the voltage level of the comparator output control signal CP1 is H level, the voltage level of the comparator output control signal CP1 ′ is L level. On the other hand, when the voltage level of the comparator output control signal CP1 is L level, the voltage level of the comparator output control signal CP1 ′ is H level.

また、制御部105´は、コンパレータ出力制御信号CP2,CP2´をA/Dコンバータ102−2´に出力するが、コンパレータ出力制御信号CP2,CP2´の電圧レベルについても、上記のコンパレータ出力制御信号CP1,CP1´と同じである。
また、A/Dコンバータ102−1´,102−2´は、図5に示したパイプライン型A/Dコンバータ100のA/Dコンバータ102−1,102−2に対応する回路部であり、A/Dコンバータ102−1,102−2がもつ機能を有する。但し、A/Dコンバータ102−1´,102−2´は、それらの機能に加えて、その内部のA/Dサブコンバータから出力されるコンパレータ出力値が、制御部105´から出力されたコンパレータ出力制御信号CP1,CP1´,CP2,CP2´に基づいて固定されるように制御する機能をもつ。
Further, the control unit 105 ′ outputs the comparator output control signals CP2 and CP2 ′ to the A / D converter 102-2 ′. The comparator output control signals CP2 and CP2 ′ are also used for the voltage levels of the comparator output control signals CP2 and CP2 ′. It is the same as CP1 and CP1 ′.
The A / D converters 102-1 'and 102-2' are circuit units corresponding to the A / D converters 102-1 and 102-2 of the pipeline type A / D converter 100 shown in FIG. The A / D converters 102-1 and 102-2 have functions. However, in addition to these functions, the A / D converters 102-1 'and 102-2' have a comparator output value output from the internal A / D sub-converter output from the control unit 105 '. It has a function of controlling to be fixed based on the output control signals CP1, CP1 ′, CP2, CP2 ′.

つまり、パイプライン型A/Dコンバータ10は、制御部105´がコンパレータ出力制御信号CP1,CP1´,CP2,CP2´を生成するとともに、コンパレータ出力制御信号CP1,CP1´,CP2,CP2´に基づいて、A/Dコンバータ102−1´,102−2´のA/Dサブコンバータのコンパレータ出力値を固定させるように制御するコンパレータ出力値制御機能をもっている。
(A/Dコンバータ102−1´の回路構成)
続いて、図2を参照して、A/Dコンバータ102−1´の回路構成を説明する。
That is, in the pipeline type A / D converter 10, the control unit 105 ′ generates the comparator output control signals CP1, CP1 ′, CP2, CP2 ′, and based on the comparator output control signals CP1, CP1 ′, CP2, CP2 ′. Thus, it has a comparator output value control function for controlling the comparator output values of the A / D sub-converters of the A / D converters 102-1 'and 102-2' to be fixed.
(Circuit configuration of A / D converter 102-1 ')
Next, the circuit configuration of the A / D converter 102-1 ′ will be described with reference to FIG.

図2は、パイプライン型A/Dコンバータ10を構成するA/Dコンバータ102−1´の回路構成を示す回路図である。図2に示すA/Dコンバータ102−1´は、図6に示したA/Dコンバータ102−1と同様の回路部や素子を有して構成される。但し、A/Dコンバータ102−1´は、さらに、出力値固定用スイッチング素子151,152を有している点で、A/Dコンバータ102−1と異なる。   FIG. 2 is a circuit diagram showing a circuit configuration of the A / D converter 102-1 ′ constituting the pipeline type A / D converter 10. The A / D converter 102-1 ′ illustrated in FIG. 2 includes a circuit portion and elements similar to the A / D converter 102-1 illustrated in FIG. However, the A / D converter 102-1 ′ is different from the A / D converter 102-1 in that it further includes output value fixing switching elements 151 and 152.

なお、A/Dコンバータ102−2´においても、A/Dコンバータ102−2と同様の回路部や素子に加えて、出力値固定用スイッチング素子151,152と同じ機能を有するスイッチング素子を備えて構成される。また、A/Dコンバータ102−2´においても、制御部105´から出力されたコンパレータ出力制御信号CP2,CP2´が入力される。但し、A/Dコンバータ102−2´の回路構成および回路動作については、A/Dコンバータ102−1´と実質同じであるため、回路構成については、A/Dコンバータ102−1´の回路構成のみを説明する。   Note that the A / D converter 102-2 ′ also includes switching elements having the same functions as the output value fixing switching elements 151 and 152 in addition to the circuit units and elements similar to the A / D converter 102-2. Composed. Also in the A / D converter 102-2 ′, the comparator output control signals CP2 and CP2 ′ output from the control unit 105 ′ are input. However, since the circuit configuration and circuit operation of the A / D converter 102-2 'are substantially the same as those of the A / D converter 102-1', the circuit configuration of the A / D converter 102-1 'is the same. I will explain only.

出力値固定用スイッチング素子151,152は、コンパレータ出力制御信号CP1,CP1´の電圧レベルによって、その導通状態がオン状態またはオフ状態に切り替わる。
具体的に、出力値固定用スイッチング素子151は、コンパレータ出力制御信号CP1の電圧レベルがHレベルである時に、その導通状態がオン状態になる。一方で、コンパレータ出力制御信号CP1の電圧レベルがLレベルである時に、その導通状態がオフ状態になる。
The conduction state of the output value fixing switching elements 151 and 152 is switched between the on state and the off state depending on the voltage levels of the comparator output control signals CP1 and CP1 ′.
Specifically, the conduction state of the output value fixing switching element 151 is turned on when the voltage level of the comparator output control signal CP1 is H level. On the other hand, when the voltage level of the comparator output control signal CP1 is L level, the conduction state is turned off.

また、出力値固定用スイッチング素子152は、コンパレータ出力制御信号CP1´の電圧レベルがHレベルである時に、その導通状態がオン状態になる。一方で、コンパレータ出力制御信号CP1´の電圧レベルがLレベルである時に、その導通状態がオフ状態になる。
上記で既に説明したように、コンパレータ出力制御信号CP1´は、コンパレータ出力制御信号CP1の反転信号である。よって、出力値固定用スイッチング素子151の導通状態がオン状態である時には、出力値固定用スイッチング素子152の導通状態はオフ状態になる。また、出力値固定用スイッチング素子151の導通状態がオフ状態である時には、出力値固定用スイッチング素子152の導通状態はオン状態になる。
(A/Dコンバータ102−1´,102−2´の回路動作)
Further, the output value fixing switching element 152 is turned on when the voltage level of the comparator output control signal CP1 ′ is H level. On the other hand, when the voltage level of the comparator output control signal CP1 ′ is L level, the conduction state is turned off.
As already described above, the comparator output control signal CP1 ′ is an inverted signal of the comparator output control signal CP1. Therefore, when the conduction state of the output value fixing switching element 151 is on, the conduction state of the output value fixing switching element 152 is off. Further, when the conduction state of the output value fixing switching element 151 is OFF, the conduction state of the output value fixing switching element 152 is ON.
(Circuit operation of A / D converters 102-1 'and 102-2')

続いて、図3および図4を参照して、A/Dコンバータ102−1´,102−2´の回路動作を説明する。
図3は、コンパレータ出力値を制御することが可能であるA/Dコンバータ102−1´の入出力特性を示すグラフである。また、図4は、コンパレータ出力値を制御することが可能であるA/Dコンバータ102−2´の入出力特性を示すグラフである。
図3に示すグラフ中には、ディジタルPGA202の利得が2倍である時の各A/Dコンバータ102−1´の入力レンジR12´、ディジタルPGA202の利得が4倍である時の各A/Dコンバータ102−1´の入力レンジR14´をそれぞれ示している。また、図4に示すグラフ中には、ディジタルPGA202の利得が4倍である時の各A/Dコンバータ102−1´の入力レンジR24´を示している。
Next, circuit operations of the A / D converters 102-1 'and 102-2' will be described with reference to FIGS.
FIG. 3 is a graph showing the input / output characteristics of the A / D converter 102-1 'capable of controlling the comparator output value. FIG. 4 is a graph showing the input / output characteristics of the A / D converter 102-2 'that can control the comparator output value.
In the graph shown in FIG. 3, the input range R 12 ′ of each A / D converter 102-1 ′ when the gain of the digital PGA 202 is doubled, and each A / D when the gain of the digital PGA 202 is four times. The input range R 14 ′ of the D converter 102-1 ′ is shown respectively. Also, the graph shown in FIG. 4 shows the input range R 24 ′ of each A / D converter 102-1 ′ when the gain of the digital PGA 202 is four times.

パイプライン型A/Dコンバータ10において、基本的な回路構成や回路動作については、背景技術で説明した図8に示したパイプライン型A/Dコンバータ200と同じである。但し、パイプライン型A/Dコンバータ10においては、制御部105´から出力されたコンパレータ出力制御信号CP1,CP1´,CP2,CP2´によって導通状態が制御される出力値固定用スイッチング素子を有している。そして、パイプライン型A/Dコンバータ10は、ディジタルPGA202の利得に応じて、それらのスイッチング素子の導通状態を制御することによって、ディジタルPGA202によって所定の利得に応じて信号を増幅した時に、A/Dコンバータ102−1´,102−2´のA/Dサブコンバータのコンパレータ出力値を固定させることができるようになっている。   In the pipeline type A / D converter 10, the basic circuit configuration and circuit operation are the same as those of the pipeline type A / D converter 200 shown in FIG. 8 described in the background art. However, the pipeline A / D converter 10 has an output value fixing switching element whose conduction state is controlled by the comparator output control signals CP1, CP1 ′, CP2, CP2 ′ output from the control unit 105 ′. ing. Then, the pipeline A / D converter 10 controls the conduction state of these switching elements according to the gain of the digital PGA 202, thereby amplifying the signal according to the predetermined gain by the digital PGA 202. The comparator output values of the A / D sub-converters of the D converters 102-1 'and 102-2' can be fixed.

なお、コンパレータ出力値を固定させるためには、制御信号CP1,CP1´,CP2,CP2´の電圧レベルを変化させて、A/Dコンバータ102−1´,102−2´の入力、つまりA/Dコンバータ102−1´,102−2´の入力信号を、アナログ入力信号Vinから、グランド電圧や電源電圧等の定電圧に切り替えれば良い。また、この回路動作の説明においては、パイプライン型A/Dコンバータ10は、0〜(2−1)の出力値を出力するものとして説明する。 In order to fix the comparator output value, the voltage levels of the control signals CP1, CP1 ′, CP2, CP2 ′ are changed, and the inputs of the A / D converters 102-1 ′, 102-2 ′, that is, A / D The input signals of the D converters 102-1 ′ and 102-2 ′ may be switched from the analog input signal Vin to a constant voltage such as a ground voltage or a power supply voltage. In the description of the circuit operation, the pipeline type A / D converter 10 is described as outputting an output value of 0 to (2 k −1).

まず、ディジタルPGA202の利得が2倍未満である時には、A/Dコンバータ102−1´の回路動作は、背景技術で説明したA/Dコンバータ102−1の回路動作と同じである。よって、制御部105´は、電圧レベルがLレベルであるコンパレータ出力制御信号CP1を出力する。すると、出力値固定用スイッチング素子151の導通状態は、オフ状態になる。一方で、制御部105´は、電圧レベルがHレベルであるコンパレータ出力制御信号CP1´を出力する。すると、出力値固定用スイッチング素子152の導通状態は、オン状態になる。よって、A/Dコンバータ102−1´には、アナログ入力信号Vinが入力される。なお、A/Dコンバータ102−2´の回路動作についても、A/Dコンバータ102−1と同じである。   First, when the gain of the digital PGA 202 is less than twice, the circuit operation of the A / D converter 102-1 'is the same as the circuit operation of the A / D converter 102-1 described in the background art. Therefore, the control unit 105 ′ outputs the comparator output control signal CP1 whose voltage level is L level. Then, the conduction state of the output value fixing switching element 151 is turned off. On the other hand, the control unit 105 ′ outputs a comparator output control signal CP1 ′ whose voltage level is H level. Then, the conduction state of the output value fixing switching element 152 is turned on. Therefore, the analog input signal Vin is input to the A / D converter 102-1 ′. The circuit operation of the A / D converter 102-2 ′ is the same as that of the A / D converter 102-1.

また、ディジタルPGA202の利得が2倍以上4倍未満になると、制御部105´は、A/Dコンバータ102−1´に対して、電圧レベルがHレベルであるコンパレータ出力制御信号CP1を出力する。すると、出力値固定用スイッチング素子151の導通状態は、オン状態になる。一方で、制御部105´は、A/Dコンバータ102−1´に対して、電圧レベルがLレベルであるコンパレータ出力制御信号CP1´を出力する。すると、出力値固定用スイッチング素子152の導通状態は、オフ状態になる。よって、A/Dコンバータ102−1´には、グランド電圧が入力される。   Further, when the gain of the digital PGA 202 becomes 2 times or more and less than 4 times, the control unit 105 ′ outputs a comparator output control signal CP 1 whose voltage level is H level to the A / D converter 102-1 ′. Then, the conduction state of the output value fixing switching element 151 is turned on. On the other hand, the control unit 105 ′ outputs a comparator output control signal CP1 ′ having a voltage level of L level to the A / D converter 102-1 ′. Then, the conduction state of the output value fixing switching element 152 is turned off. Therefore, the ground voltage is input to the A / D converter 102-1 ′.

これにより、自段のA/Dコンバータから出力されたアナログ出力信号Voutが、自段のA/Dコンバータの出力レンジ、つまり、次段のA/Dコンバータの入力レンジの範囲内で、A/Dコンバータ102−1´のA/Dサブコンバータ129のコンパレータ出力値を変えないで、最小値の−1に固定したままにしておく。この時のA/Dコンバータ102−1´の入出力特性であるが、図3に示すようになる。まず、コンパレータ出力値が固定されているため、A/Dコンバータ102−1´の入力レンジ内において、通常動作状態のように、アナログ入力信号Vinの電圧に応じて基準電圧が切り替えられて、処理途中の信号に加減算される基準電圧が切り替えられることがない。このため、アナログ出力Voutが、図3中に示す矢印Aの箇所で、図9に示したように折り返されていない。従って、背景技術で説明したように、各ステージにおいて処理途中の信号に加減算される基準電圧を切り替えることによって生じる不連続な線形性エラーが発生することがない。   As a result, the analog output signal Vout output from the A / D converter of the own stage is converted into the A / D converter within the output range of the A / D converter of the own stage, that is, within the input range of the A / D converter of the next stage. The comparator output value of the A / D sub-converter 129 of the D converter 102-1 ′ is not changed and is kept fixed at the minimum value of −1. The input / output characteristics of the A / D converter 102-1 'at this time are as shown in FIG. First, since the comparator output value is fixed, the reference voltage is switched according to the voltage of the analog input signal Vin in the input range of the A / D converter 102-1 'as in the normal operation state, and the processing is performed. The reference voltage added to or subtracted from the intermediate signal is not switched. For this reason, the analog output Vout is not folded back as shown in FIG. 9 at the position of the arrow A shown in FIG. Therefore, as described in the background art, a discontinuous linearity error caused by switching the reference voltage added to or subtracted from the signal being processed in each stage does not occur.

パイプライン型A/Dコンバータ本体部201´の後段にはディジタルPGA202が接続されているため、A/Dコンバータ102−1´の入力レンジはディジタルPGA202の利得に応じて図3に示したように狭くなる。そして、その入力レンジを超えた分の信号値は、当然無視されてしまう。そこで、入力レンジの有効な信号値を処理する際には、あえて処理途中の信号に加減算される基準電圧を切り替えないようにすることで、できる限り不連続な線形性エラーが生じないようにしている。   Since the digital PGA 202 is connected to the subsequent stage of the pipeline type A / D converter main body 201 ′, the input range of the A / D converter 102-1 ′ is as shown in FIG. 3 according to the gain of the digital PGA 202. Narrow. And the signal value beyond the input range is naturally ignored. Therefore, when processing valid signal values in the input range, the reference voltage to be added to or subtracted from the signal being processed is not switched, so that a discontinuous linearity error does not occur as much as possible. Yes.

また、基準電圧を切り替えることがないが、当然、A/Dコンバータ102−1´の出力がそのまま次段の入力レンジとなっていることに変わりはないため、各A/Dコンバータにおいて変換ミスが生じることもない。
さらに、ディジタルPGA202の利得が4倍以上8倍未満になると、A/Dコンバータ102−1´だけではなく、さらにA/Dコンバータ102−2´のA/Dサブコンバータのコンパレータ出力値も最小値の−1に固定する。制御部105´は、A/Dコンバータ102−2´に対して、電圧レベルがHレベルであるコンパレータ出力制御信号CP2を出力する。また、制御部105´は、A/Dコンバータ102−2´に対して、電圧レベルがLレベルであるコンパレータ出力制御信号CP2´を出力する。すると、A/Dコンバータ102−2´には、A/Dコンバータ102−1´と同様に、グランド電圧が入力される。
Further, although the reference voltage is not switched, naturally, the output of the A / D converter 102-1 'remains the same as the input range of the next stage, so that there is a conversion error in each A / D converter. It does not occur.
Further, when the gain of the digital PGA 202 is 4 times or more and less than 8 times, not only the A / D converter 102-1 'but also the comparator output value of the A / D sub-converter of the A / D converter 102-2' is the minimum value. It is fixed to -1. The control unit 105 ′ outputs a comparator output control signal CP2 whose voltage level is H level to the A / D converter 102-2 ′. Further, the control unit 105 ′ outputs a comparator output control signal CP2 ′ having a voltage level of L level to the A / D converter 102-2 ′. Then, the ground voltage is input to the A / D converter 102-2 ′, similarly to the A / D converter 102-1 ′.

これにより、さらにA/Dコンバータ102−2´のA/Dサブコンバータのコンパレータ出力値も、最小値の−1に固定される。この時のA/Dコンバータ102−2´の入出力特性であるが、図4に示すように、A/Dコンバータ102−2´の入力レンジ内において、通常動作状態のように処理途中の信号に加減算される基準電圧が切り替えられていない。このため、アナログ出力Voutが、図4中に示す矢印Bの箇所で、図10に示したように折り返されていない。従って、A/Dコンバータ102−2´においても、背景技術で説明したように、各ステージにおいて処理途中の信号に加減算される基準電圧が切り替えられて、処理途中の信号が折り返されることによって生じる不連続な線形性エラーが発生することがない。同様に、基準電圧を切り替えなくても、A/Dコンバータ102−2´の出力がそのまま次段の入力レンジとなっいることに変わりはないため、各A/Dコンバータにおいて変換ミスが生じることもない。   As a result, the comparator output value of the A / D sub-converter of the A / D converter 102-2 'is also fixed to the minimum value -1. The input / output characteristics of the A / D converter 102-2 ′ at this time are as shown in FIG. 4, but signals in the middle of processing as in the normal operation state within the input range of the A / D converter 102-2 ′. The reference voltage to be added to or subtracted from is not switched. For this reason, the analog output Vout is not folded back as shown in FIG. 10 at the position of the arrow B shown in FIG. Therefore, also in the A / D converter 102-2 ', as described in the background art, the reference voltage added to or subtracted from the signal being processed in each stage is switched and the signal generated during the processing is folded back. There is no continuous linearity error. Similarly, even if the reference voltage is not switched, the output of the A / D converter 102-2 'remains the same as the input range of the next stage, so that a conversion error may occur in each A / D converter. Absent.

このように、ディジタルPGA202の利得を2倍、さらに4倍のように高くしていった時にも、各A/Dコンバータにおいて、自段のA/Dコンバータのアナログ出力信号Voutが自段のA/Dコンバータの出力レンジ、つまり、次段のA/Dコンバータの入力レンジを超えない範囲で、コンパレータ出力値を最小値に固定しておく。これにより、通常動作状態のように処理途中の信号に加減算される基準電圧が切り替わらないようにして、処理途中の信号が折り返されないようになっている。このため、処理途中の信号を折り返すことによって生じる各A/Dコンバータでの不連続な線形性エラーをなくすことができる。上記で説明した一連の効果については、パイプライン型A/Dコンバータ10を構成するA/Dコンバータのうち、特に、不連続な線形性エラーの影響を大きく受けやすいディジタル出力信号DoutのMSB側を処理するA/Dコンバータほど高くなる。本実施形態の説明では、A/Dコンバータ102−1´,102−2´のみのコンパレータ出力値を固定することができるようにしたが、ディジタルPGA202の利得がさらに高い場合には、勿論、それ以降のA/Dコンバータ102−3〜102−nの各コンパレータ出力値を固定することができるようにしても良い。   As described above, even when the gain of the digital PGA 202 is increased to 2 times or even 4 times, the analog output signal Vout of the A / D converter of the own stage is not changed in the A / D converter of each A / D converter. The comparator output value is fixed to the minimum value within the range not exceeding the output range of the / D converter, that is, the input range of the next stage A / D converter. As a result, the reference voltage added to or subtracted from the signal being processed is not switched as in the normal operation state, and the signal being processed is not folded. For this reason, it is possible to eliminate a discontinuous linearity error in each A / D converter caused by turning back a signal being processed. Regarding the series of effects described above, among the A / D converters constituting the pipeline type A / D converter 10, particularly, the MSB side of the digital output signal Dout that is highly susceptible to discontinuous linearity errors is used. The higher the A / D converter to process, the higher. In the description of the present embodiment, the comparator output values of only the A / D converters 102-1 'and 102-2' can be fixed. Of course, when the gain of the digital PGA 202 is higher, it The comparator output values of the subsequent A / D converters 102-3 to 102-n may be fixed.

また、本実施形態の説明では、パイプライン型A/Dコンバータ10の出力値が0〜(2−1)であるものとして説明したが、パイプライン型A/Dコンバータの出力値はこれに限定されない。例えば、パイプライン型A/Dコンバータの出力値の範囲に負の値も含めて、パイプライン型A/Dコンバータの出力値を(−2k−1)〜(2k−1−1)としても良い。この場合には、ディジタルPGA202は、パイプライン型A/Dコンバータの出力値の0を中心に信号を増幅する。このため、コンパレータ出力値を固定する時には、最小出力値の−1に固定するのではなく、最大出力値と最小出力値との中間値の0に固定すれば良い。つまり、コンパレータ出力値を固定する場合には、パイプライン型A/Dコンバータの出力レンジがどのようなレンジであっても、ディジタルPGA202の利得を増幅して入力レンジが狭くなった時に、自段のA/Dコンバータのアナログ出力信号Voutが自段のA/Dコンバータの出力レンジ、つまり、次段のA/Dコンバータの入力レンジを超えない範囲で、コンパレータ出力値を適切な値に固定すれば良い。 In the description of the present embodiment, the output value of the pipeline type A / D converter 10 has been described as being 0 to (2 k −1). However, the output value of the pipeline type A / D converter is not limited to this. It is not limited. For example, the output value of the pipeline A / D converter including the negative value in the range of the output value of the pipeline A / D converter is set to (−2 k−1 ) to (2 k−1 −1). Also good. In this case, the digital PGA 202 amplifies the signal around the output value 0 of the pipeline type A / D converter. For this reason, when the comparator output value is fixed, the comparator output value is not fixed to −1 which is the minimum output value, but may be fixed to 0 which is an intermediate value between the maximum output value and the minimum output value. In other words, when the output value of the comparator is fixed, whatever the output range of the pipeline type A / D converter is, when the gain of the digital PGA 202 is amplified and the input range becomes narrower, The A / D converter analog output signal Vout should be fixed to an appropriate value within the range that does not exceed the output range of its own A / D converter, that is, the input range of the next-stage A / D converter. It ’s fine.

また、本実施形態の説明では、1.5ビット型のA/Dコンバータに限定して説明を行ったが、勿論これに限定されるものではない。1.5ビット型以外の多数ビット型のA/Dコンバータから構成されたパイプライン型A/Dコンバータや、異なるビット数のA/Dコンバータを組み合わせて構成されたパイプライン型A/Dコンバータにおいても、同様に実施することが可能である。具体的に、先頭側からi段目(iは、任意の1以上の整数とする。)のA/Dコンバータのビット数がn(i)+0.5ビット(nは、任意の1以上の整数とする。)である時、先頭側から数えてm段目(mは、任意の1以上の整数とする。)のA/Dコンバータにおいては、ディジタルPGA202の利得が2n(1)+n(2)+……+n(m)倍以上である時に、自段のA/Dコンバータのアナログ出力信号Voutが自段のA/Dコンバータの出力レンジ、つまり、次段のA/Dコンバータの入力レンジを超えない範囲で、コンパレータ出力値を固定させれば良い。 In the description of the present embodiment, the description is limited to the 1.5-bit A / D converter. However, the present invention is not limited to this. In a pipeline type A / D converter constituted by a multi-bit type A / D converter other than a 1.5 bit type, or a pipeline type A / D converter constituted by combining A / D converters having different numbers of bits Can also be implemented in the same manner. Specifically, the number of bits of the A / D converter at the i-th stage (i is an arbitrary integer greater than or equal to 1) from the head is n (i) +0.5 bits (n is an arbitrary 1 or greater) In the A / D converter at the m-th stage (m is an arbitrary integer of 1 or more) counting from the head side, the gain of the digital PGA 202 is 2 n (1) + n (2) +... + N (m) times or more, the analog output signal Vout of the own stage A / D converter is the output range of the own stage A / D converter, that is, the A / D converter of the next stage. What is necessary is just to fix a comparator output value in the range which does not exceed an input range.

さらに、本実施形態の説明では、制御部105´が、A/Dコンバータ102−1´,102−2´に入力される電圧が切り替わるように、A/Dコンバータ102−1´,102−2´が有する出力値固定用スイッチング素子の導通状態を制御することで、A/Dサブコンバータのコンパレータ出力値(コンバータ出力値)を固定させていた。但し、A/Dサブコンバータのコンバータ出力値を固定させる方法は、これに限定されない。例えば、A/Dサブコンバータの内部に出力値固定部として、出力値固定用スイッチング素子の代わりになる回路を設けておき、制御部105´がその回路の動作状態を制御することで、ディジタルPGA202の設定利得に応じて、A/Dコンバータ102−1´,102−2´のコンバータ出力値を固定させることもできる。   Furthermore, in the description of the present embodiment, the control unit 105 ′ causes the A / D converters 102-1 ′ and 102-2 to be switched so that the voltages input to the A / D converters 102-1 ′ and 102-2 ′ are switched. The comparator output value (converter output value) of the A / D sub-converter is fixed by controlling the conduction state of the output value fixing switching element included in '. However, the method of fixing the converter output value of the A / D sub-converter is not limited to this. For example, a circuit instead of an output value fixing switching element is provided as an output value fixing unit inside the A / D sub-converter, and the control unit 105 ′ controls the operation state of the circuit, whereby the digital PGA 202. The converter output values of the A / D converters 102-1 'and 102-2' can be fixed according to the set gain.

(各実施形態の説明のまとめ)
上記で説明したように、パイプライン型A/Dコンバータ10は、基本的な回路構成や回路動作については、背景技術で説明した図8に示したパイプライン型A/Dコンバータ200と同じである。但し、パイプライン型A/Dコンバータ10においては、ディジタルPGA202の利得に応じて、A/Dコンバータ102−1´,102−2´のA/Dサブコンバータのコンパレータ出力値を固定させたままにしておくことができるようにした。
(Summary of description of each embodiment)
As described above, the pipeline type A / D converter 10 has the same basic circuit configuration and circuit operation as the pipeline type A / D converter 200 shown in FIG. 8 described in the background art. . However, in the pipeline type A / D converter 10, the comparator output values of the A / D sub-converters of the A / D converters 102-1 'and 102-2' are fixed according to the gain of the digital PGA 202. I was able to keep it.

このため、ディジタルPGAによって所定の利得に応じて信号を増幅した時に、パイプライン型A/DコンバータのA/Dコンバータのうち、ディジタル出力信号DoutのMSB側を処理するA/DコンバータのA/Dサブコンバータのコンパレータ出力値を固定したままにしておく。これにより、A/Dコンバータで、通常動作状態のように処理途中の信号に加減される基準電圧が切り替わらないようにしている。   Therefore, when a signal is amplified according to a predetermined gain by the digital PGA, the A / D converter A / D converter that processes the MSB side of the digital output signal Dout among the A / D converters of the pipeline type A / D converter. The comparator output value of the D sub-converter is kept fixed. This prevents the A / D converter from switching the reference voltage that is added to or subtracted from the signal being processed as in the normal operation state.

これにより、パイプライン型A/Dコンバータ10においては、その各ステージにおいて、処理途中の信号に加減算される基準電圧が切り替えられて、処理途中の信号が折り返されることによって生じるパイプライン型A/Dコンバータにおけるエラーを生じにくくし、不連続な線形性エラーが発生することを抑えている。よって、線形性エラーが、パイプライン型A/Dコンバータの特性に影響を与えることを抑えることができる。そして、ディジタルPGAは、不連続な線形性エラーの少ないA/D変換された信号を増幅することができる。   Thereby, in the pipeline type A / D converter 10, at each stage, the reference voltage added to or subtracted from the signal being processed is switched, and the pipeline type A / D generated when the signal being processed is turned back. It is less likely to cause errors in the converter, and the occurrence of discontinuous linearity errors is suppressed. Therefore, it is possible to suppress the linearity error from affecting the characteristics of the pipeline type A / D converter. The digital PGA can amplify the A / D converted signal with few discontinuous linearity errors.

本発明のパイプライン型A/Dコンバータは、ディジタルPGAを含むパイプライン型A/Dコンバータであっても、線形性エラーを抑えて、パイプライン型A/Dコンバータで生成された信号だけを増幅することができるパイプライン型A/Dコンバータとして、画像センサ等のLSIに集積されて利用される。   The pipeline type A / D converter of the present invention amplifies only the signal generated by the pipeline type A / D converter while suppressing the linearity error even in the pipeline type A / D converter including the digital PGA. As a pipeline type A / D converter that can be used, it is integrated in an LSI such as an image sensor.

10……パイプライン型A/Dコンバータ
201´……パイプライン型A/Dコンバータ本体部
202……ディジタルPGA
203……リミッタ
101……サンプルホールド回路
102−1´,102−2´,102−3〜102−k……A/Dコンバータ
103……メモリ
104……演算回路
105´……制御部
151,152……出力値固定用スイッチング素子
10 …… Pipeline type A / D converter 201 ′ …… Pipeline type A / D converter main body 202 …… Digital PGA
203 …… Limiter 101 …… Sample hold circuit 102-1 ′, 102-2 ′, 102-3 to 102-k …… A / D converter 103 …… Memory 104 …… Operation circuit 105 ′ …… Control unit 151 152 …… Switching element for fixing output value

Claims (5)

互いに縦列に多段で接続された複数のA/Dコンバータから出力されたディジタル出力信号を合成する演算回路と、
前記演算回路により合成されたディジタル出力信号を所定の設定利得で増幅するディジタルプログラマブルゲインアンプと、
前記複数のA/Dコンバータの回路動作を制御する制御部と、
を備え、
さらに、前記複数のA/Dコンバータのうちの、少なくとも1つのA/Dコンバータは、その内部のA/Dサブコンバータから出力されるコンバータ出力値を固定させるように動作する出力値固定部を備え、
前記制御部は、前記ディジタルプログラマブルゲインアンプの設定利得に応じて前記コンバータ出力値が固定されるように、前記出力値固定部の動作状態を制御することを特徴とするパイプライン型A/Dコンバータ。
An arithmetic circuit for synthesizing digital output signals output from a plurality of A / D converters connected in cascade to each other in multiple stages;
A digital programmable gain amplifier that amplifies the digital output signal synthesized by the arithmetic circuit with a predetermined set gain;
A control unit for controlling circuit operations of the plurality of A / D converters;
With
Further, at least one A / D converter of the plurality of A / D converters includes an output value fixing unit that operates to fix a converter output value output from an A / D sub-converter inside the A / D converter. ,
The pipeline type A / D converter, wherein the control unit controls an operation state of the output value fixing unit so that the converter output value is fixed in accordance with a set gain of the digital programmable gain amplifier. .
前記パイプライン型A/Dコンバータのうちの先頭からi段目(iは、任意の1以上の整数とする。)のA/Dコンバータの変換ビット数が、n(i)+0.5ビット(nは、任意の1以上の整数とする。)である時、
前記制御部は、
先頭からm段目(mは、任意の1以上の整数とする。)のA/Dコンバータの前記コンバータ出力値を固定する際、前記ディジタルディジタルプログラマブルゲインアンプの設定利得が2n(1)+n(2)+……+n(m)倍以上である場合に、m段目のA/Dコンバータから出力されたアナログ出力信号が出力レンジを超えない範囲で、前記コンバータ出力値が固定されるように、前記出力値固定部の動作状態を制御することを特徴とする請求項1に記載のパイプライン型A/Dコンバータ。
The number of conversion bits of the A / D converter at the i-th stage (i is an arbitrary integer of 1 or more) from the top of the pipeline type A / D converter is n (i) +0.5 bits ( n is an arbitrary integer of 1 or more)
The controller is
When the converter output value of the A / D converter at the m-th stage from the beginning (m is an arbitrary integer of 1 or more) is fixed, the set gain of the digital digital programmable gain amplifier is 2 n (1) + n (2) + ... + n (m) times or more, so that the converter output value is fixed in a range where the analog output signal output from the m-th stage A / D converter does not exceed the output range. The pipeline type A / D converter according to claim 1, wherein an operation state of the output value fixing unit is controlled.
前記パイプライン型A/Dコンバータのうちの先頭から1段目および2段目のA/Dコンバータの変換ビット数が、1.5ビットである時、
前記制御部は、
前記ディジタルプログラマブルゲインアンプの設定利得が2倍以上4倍未満である時、先頭から1段目のA/Dコンバータの前記コンバータ出力値が固定され、
前記ディジタルプログラマブルゲインアンプの設定利得が4倍以上8倍未満である時、さらに、先頭から2段目のA/Dコンバータの前記コンバータ出力値が固定されるように、前記出力値固定部の動作状態を制御することを特徴とする請求項2に記載のパイプライン型A/Dコンバータ。
When the number of conversion bits of the first-stage and second-stage A / D converters from the top of the pipeline type A / D converter is 1.5 bits,
The controller is
When the set gain of the digital programmable gain amplifier is not less than 2 times and less than 4 times, the converter output value of the first stage A / D converter from the top is fixed,
When the set gain of the digital programmable gain amplifier is not less than 4 times and less than 8 times, the operation of the output value fixing unit is further fixed so that the converter output value of the A / D converter in the second stage from the top is fixed. The pipeline A / D converter according to claim 2, wherein the state is controlled.
前記出力値固定部は、
アナログ入力信号および定電圧のうちのいずれかの電圧が入力されるように切り替える出力値固定用スイッチング素子であって、
前記制御部は、前記ディジタルプログラマブルゲインアンプの設定利得に応じて前記コンバータ出力値が固定されるように、前記出力値固定用スイッチング素子の導通状態を制御することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のパイプライン型A/Dコンバータ。
The output value fixing unit is:
An output value fixing switching element that switches so that any one of an analog input signal and a constant voltage is input,
The said control part controls the conduction | electrical_connection state of the said output value fixing switching element so that the said converter output value may be fixed according to the setting gain of the said digital programmable gain amplifier. The pipeline type A / D converter according to any one of the above.
前記出力値固定用スイッチング素子は、
前記定電圧が入力される端子と、A/Dサブコンバータの入力端子との間に接続された第1のスイッチング素子と、
前記アナログ入力信号が入力される端子と、A/Dサブコンバータの入力端子との間に接続された第2のスイッチング素子とであって、
前記制御部は、
前記コンバータ出力値を固定しない時、前記第1のスイッチング素子の導通状態がオフ状態になり、前記第2のスイッチング素子の導通状態がオン状態になるように、前記第1のスイッチング素子および前記第2のスイッチング素子の導通状態を制御し、
前記コンバータ出力値を固定する時、前記第1のスイッチング素子の導通状態がオン状態になり、前記第2のスイッチング素子の導通状態がオフ状態になるように、前記第1のスイッチング素子および前記第2のスイッチング素子の導通状態を制御することを特徴とする請求項4に記載のパイプライン型A/Dコンバータ。
The output value fixing switching element is:
A first switching element connected between a terminal to which the constant voltage is input and an input terminal of the A / D sub-converter;
A second switching element connected between a terminal to which the analog input signal is input and an input terminal of the A / D sub-converter;
The controller is
When the converter output value is not fixed, the conduction state of the first switching element is turned off and the conduction state of the second switching element is turned on. Control the conduction state of the two switching elements,
When the converter output value is fixed, the conduction state of the first switching element is turned on, and the conduction state of the second switching element is turned off. The pipeline type A / D converter according to claim 4, wherein the conduction state of the two switching elements is controlled.
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