JP2014179895A - Pipelined a/d converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、パイプライン型A/Dコンバータに関し、より詳細には、パイプライン型A/Dコンバータを構成するスイッチトキャパシタ回路の単位コンデンサの容量値が相対誤差をもつことにより生ずる線形エラーを抑えるようにしたパイプライン型A/Dコンバータに関する。 The present invention relates to a pipeline type A / D converter, and more particularly, to suppress a linear error caused by a relative error in the capacitance value of a unit capacitor of a switched capacitor circuit constituting the pipeline type A / D converter. The present invention relates to a pipelined A / D converter.
一般に、パイプライン型A/Dコンバータでは、サンプル・ホールド及び信号増幅、基準電圧を加減算するD/Aの機能を、演算増幅器を用いたスイッチトキャパシタ回路を使用して実現している。このスイッチトキャパシタ回路では、同一容量値に設計された単位コンデンサを複数個有し、一部の単位コンデンサを演算増幅器の帰還用に使用するとともに、基準電圧に接続される単位コンデンサの比を適宜、切り替えることにより、期待する伝達特性を実現している。 In general, pipelined A / D converters implement sample / hold, signal amplification, and D / A functions for adding / subtracting a reference voltage using a switched capacitor circuit using an operational amplifier. In this switched capacitor circuit, there are a plurality of unit capacitors designed to have the same capacitance value, and some unit capacitors are used for feedback of the operational amplifier, and the ratio of the unit capacitors connected to the reference voltage is appropriately set. By switching, the expected transfer characteristics are realized.
図4乃至図8に基づき従来のパイプライン型A/Dコンバータのスイッチトキャパシタ回路の動作について説明する。
図4は、従来のNステージから構成されるパイプライン型A/Dコンバータを示す図である。パイプライン型A/DコンバータA1は、いずれも2.5ビット型のA/Dコンバータを内蔵するSTAGE1〜STAGENまでのN段のステージが縦列に接続され、各ステージからのA/D変換されたデジタル出力信号DO_1〜DO_Nは、エンコーダE11に入力され、エンコーダE11はそれらを演算した出力値ADOを出力する。各ステージの動作は、前段からのアナログ出力信号をサンプルするサンプル期間と、演算増幅器で増幅して次段に出力するホールド期間と、から成り、隣り合うステージ間では、この期間は反転の位相関係にある。
The operation of the switched capacitor circuit of the conventional pipeline type A / D converter will be described with reference to FIGS.
FIG. 4 is a diagram showing a conventional pipeline type A / D converter composed of N stages. In the pipeline type A / D converter A1, N stages from
図5は、図4のパイプライン型A/Dコンバータ内のあるSTAGEの構成図である。図5は、容量値が等しい単位コンデンサC1〜C4と、スイッチsw1s〜sw4s、sw1h〜sw4h、sw9と、演算増幅器O1と、2.5ビットのサブA/Dコンバータと、サブA/Dコンバータの出力DO_iによって単位コンデンサへの接続を基準電圧+Vr、0(アナロググランド)、−Vrから選択する選択回路S1とを含んでいる。ここで、基準電圧Vrは、このA/Dコンバータの入力レンジをAとしたとき、Vr=A/2となる電圧である。 FIG. 5 is a configuration diagram of a certain stage in the pipeline type A / D converter of FIG. FIG. 5 shows unit capacitors C1 to C4 having the same capacitance value, switches sw1s to sw4s, sw1h to sw4h, sw9, an operational amplifier O1, a 2.5-bit sub A / D converter, and a sub A / D converter. A selection circuit S1 that selects a reference voltage + Vr, 0 (analog ground), and −Vr for connection to a unit capacitor by an output DO_i is included. Here, the reference voltage Vr is a voltage satisfying Vr = A / 2 where A is the input range of the A / D converter.
続いて、STAGEiの動作について説明する。
今、サブA/Dコンバータは、図6に示す2位相のクロックで動作しているとし、φ1がハイレベルの時に、STAGEiはサンプル期間で、φ2がハイレベルの時にホールド期間となるとする。φ1がハイレベルの時、STAGEiのスイッチsw1s〜sw4s、sw9が短絡し、sw1h〜sw4hが開放となり、前ステージSTAGEi−1からの出力信号Vo_i−1を全ての単位コンデンサC1〜C4によってサンプルする。
Next, the operation of STAGEi will be described.
Now, assume that the sub-A / D converter operates with the two-phase clock shown in FIG. 6, and that STAGEi is a sample period when φ1 is high level, and a hold period when φ2 is high level. When φ1 is at high level, the switches SW1s to sw4s and sw9 of STAGEi are short-circuited, and sw1h to sw4h are opened, and the output signal Vo_i-1 from the previous stage STAGEi-1 is sampled by all the unit capacitors C1 to C4.
また、サブA/Dコンバータは、前ステージSTAGEi−1からの出力信号Vo_i−1を0〜6の7値にA/D変換を行う。φ2がハイレベルとなると、スイッチsw1s〜sw4s、sw9が開放となり、sw1h〜sw4hが短絡となり、単位コンデンサC1は演算増幅器O1の出力Vo_iに接続され負帰還を形成し、単位コンデンサC2〜C4は、サブA/Dコンバータの出力値に応じて、基準電圧+Vr、0、−Vrのうちいずれかがそれぞれ選択され、接続される。 Further, the sub A / D converter performs A / D conversion on the output signal Vo_i−1 from the previous stage STAGEi−1 to 7 values of 0 to 6. When φ2 becomes high level, the switches sw1s to sw4s and sw9 are opened, and sw1h to sw4h are short-circuited. The unit capacitor C1 is connected to the output Vo_i of the operational amplifier O1 to form a negative feedback. The unit capacitors C2 to C4 One of the reference voltages + Vr, 0, and −Vr is selected and connected according to the output value of the sub A / D converter.
図7は、サブA/Dコンバータの出力値と、ホールド期間時に単位コンデンサに接続される接続先を示した図である。図5からも明らかなように、単位コンデンサC1は、サブA/Dコンバータの出力値に依らず、常に演算増幅器O1の出力Vo_iに接続される。
図8は、STAGEの入出力特性を示す図で、STAGEiの入出力特性を示している。横軸がSTAGEiへの入力電圧を示し、縦軸がSTAGEiからの出力電圧(=STAGEi+1への入力電圧)を示す。また、サブA/Dコンバータの出力値との対応も示している。サブA/Dコンバータの出力値の切替わり前後で、基準電圧Vrに相当する電圧が加減算され、次ステージの入力レンジを越えないようにしている。また、ここで加減算されたアナログ電圧は、図4のエンコーダE11で基準電圧相当のデジタル値を加減算することで辻褄があうようになっている。
FIG. 7 is a diagram showing the output value of the sub A / D converter and the connection destination connected to the unit capacitor during the hold period. As is apparent from FIG. 5, the unit capacitor C1 is always connected to the output Vo_i of the operational amplifier O1 regardless of the output value of the sub A / D converter.
FIG. 8 is a diagram showing the input / output characteristics of STAGE, and shows the input / output characteristics of STAGEi. The horizontal axis represents the input voltage to STAGEi, and the vertical axis represents the output voltage from STAGEi (= input voltage to STAGEi + 1). The correspondence with the output value of the sub A / D converter is also shown. Before and after the output value of the sub A / D converter is switched, a voltage corresponding to the reference voltage Vr is added or subtracted so as not to exceed the input range of the next stage. Further, the analog voltage added and subtracted here is wrinkled by adding and subtracting a digital value corresponding to the reference voltage by the encoder E11 of FIG.
ところで、パイプラインA/DコンバータA1の出力ビット数を拡大したり、基準電圧をグランドや電源と共通にするなどの目的で、特許文献1のような構成も提案されている。この特許文献1によると、スイッチからの熱雑音や演算増幅器の直流利得の要求を厳しくすることなく、パイプラインA/DコンバータA1の出力ビット数を拡大でき、また、基準電圧を電源やグランドと共通にすることで、基準電圧生成のためのバッファが不要になるというメリットがある。
By the way, for the purpose of increasing the number of output bits of the pipeline A / D converter A1 and sharing the reference voltage with the ground and the power source, a configuration as in
次に、図9乃至図11に基づき特許文献1に示されたパイプライン型A/DコンバータA1のスイッチトキャパシタ回路の動作について説明する。
図9は、特許文献1に記載されたNステージから構成されるパイプライン型A/Dコンバータを示す図である。図4と回路と同様、いずれも2.5ビット型のA/Dコンバータを内蔵するSTAGE1〜STAGENまでのN段のステージが縦列に接続され、各ステージからのA/D変換されたデジタル出力信号DO_1〜DO_Nは、エンコーダE21に入力され、エンコーダE21はそれらを演算した出力値ADOを出力する。
Next, the operation of the switched capacitor circuit of the pipeline type A / D converter A1 disclosed in
FIG. 9 is a diagram showing a pipeline type A / D converter composed of N stages described in
図10は、図9のパイプライン型A/Dコンバータ内のあるSTAGEの構成図である。図10は、容量値が等しい単位コンデンサC1’〜C8’と、スイッチsw1s〜sw8s、sw1h〜sw8h、sw9と、演算増幅器O1と、2.5ビットのサブA/Dコンバータと、サブA/Dコンバータの出力DO_iによって単位コンデンサへの接続を基準電圧+2Vr、0(アナロググランド)、−2Vrから選択する選択回路S1とを含んでいる。ここで、単位コンデンサC1’〜C8’の容量値は図5の単位コンデンサC1〜C4の容量値の半分であり(つまり、C1’=C2’=・・・=C8’=0.5C1)、基準電圧Vrは、図5のVrと等しい電圧である(つまり、Vr=A/2)。 FIG. 10 is a configuration diagram of a certain stage in the pipeline type A / D converter of FIG. FIG. 10 shows unit capacitors C1 ′ to C8 ′ having the same capacitance value, switches sw1s to sw8s, sw1h to sw8h, sw9, an operational amplifier O1, a 2.5-bit sub A / D converter, and a sub A / D. A selection circuit S1 for selecting connection to the unit capacitor from the reference voltage +2 Vr, 0 (analog ground), and −2 Vr according to the output DO_i of the converter is included. Here, the capacitance values of the unit capacitors C1 ′ to C8 ′ are half of the capacitance values of the unit capacitors C1 to C4 in FIG. 5 (that is, C1 ′ = C2 ′ =... = C8 ′ = 0.5C1). The reference voltage Vr is equal to Vr in FIG. 5 (that is, Vr = A / 2).
続いて、STAGEiの動作について説明する。
今、サブA/Dコンバータは、図6に示す2位相のクロックで動作しているとし、φ1がハイレベルの時に、STAGEiはサンプル期間で、φ2がハイレベルの時にホールド期間となるとする。φ1がハイレベルの時、STAGEiのスイッチsw1s〜sw8s、sw9が短絡し、sw1h〜sw8hが開放となり、前ステージSTAGEi−1からの出力信号Vo_i−1を全ての単位コンデンサC1’〜C8’によってサンプルする。
Next, the operation of STAGEi will be described.
Now, assume that the sub-A / D converter operates with the two-phase clock shown in FIG. 6, and that STAGEi is a sample period when φ1 is high level, and a hold period when φ2 is high level. When φ1 is high, the switches SW1s to sw8s and sw9 of STAGEi are short-circuited, and sw1h to sw8h are opened, and the output signal Vo_i-1 from the previous stage STAGEi-1 is sampled by all unit capacitors C1 'to C8'. To do.
また、サブA/Dコンバータは、前ステージSTAGEi−1からの出力信号Vo_i−1を0〜6の7値にA/D変換を行う。φ2がハイレベルとなると、スイッチsw1s〜sw8s、sw9が開放となり、sw1h〜sw8hが短絡となり、単位コンデンサC1’、C2’は演算増幅器O1の出力Vo_iに接続され負帰還を形成し、単位コンデンサC6’〜C8’はアナロググランドに接続され、単位コンデンサC3〜C5は、サブA/Dコンバータの出力値に応じて、基準電圧+2Vr、0、−2Vrのうちいずれかがそれぞれ選択され、接続される。 Further, the sub A / D converter performs A / D conversion on the output signal Vo_i−1 from the previous stage STAGEi−1 to 7 values of 0 to 6. When φ2 becomes high level, the switches sw1s to sw8s and sw9 are opened, and sw1h to sw8h are short-circuited. 'To C8' are connected to the analog ground, and the unit capacitors C3 to C5 are selected and connected to any one of the reference voltages + 2Vr, 0, and -2Vr according to the output value of the sub A / D converter. .
図11は、サブA/Dコンバータの出力値と、ホールド期間時に、単位コンデンサに接続される接続先を示す図である。図10からも明らかなように、単位コンデンサC1’、C2’はサブA/Dコンバータの出力値に依らず、常に演算増幅器O1の出力Vo_iに接続され、単位コンデンサC6’〜C8’は常に、アナロググランドに接続される。
この時のSTAGEiの入出力特性は、図4の従来技術と同じく図8となる。しかし、特許文献1の構成では、ホールド期間時に常にアナロググランドに接続している単位コンデンサがあり、これらを利用してサブA/Dコンバータの出力値に応じて基準電圧0、±2Vrを接続するようにすれば、より広い変換ビット数を得ることが可能となる。また、基準電圧が2倍に広がっているため、基準電圧を電源やグランドと共通にすることが可能となる。
FIG. 11 is a diagram showing the output value of the sub A / D converter and the connection destination connected to the unit capacitor during the hold period. As is clear from FIG. 10, the unit capacitors C1 ′ and C2 ′ are always connected to the output Vo_i of the operational amplifier O1 regardless of the output value of the sub A / D converter, and the unit capacitors C6 ′ to C8 ′ are always Connected to analog ground.
The input / output characteristics of STAGEi at this time are shown in FIG. 8 as in the prior art of FIG. However, in the configuration of
しかしながら、現実のスイッチトキャパシタ回路に用いられる単位コンデンサには、製造ばらつきにより相対誤差が含まれており、この相対誤差により出力信号の電圧に誤差電圧が発生し、A/D変換における線形性エラーを生じている。特に、特許文献1の回路構成では、サブA/Dコンバータ出力値の切替わり時に、基準電圧2Vrを加減算するのに関わる単位コンデンサの容量値は図4の構成の半分であるため、より影響が大きい。
However, a unit capacitor used in an actual switched capacitor circuit includes a relative error due to manufacturing variations, and this relative error generates an error voltage in the voltage of the output signal, resulting in a linearity error in A / D conversion. Has occurred. In particular, in the circuit configuration of
これらの単位コンデンサの容量値の相対誤差が、線形性エラーに与える影響を、数式を用いて説明する。今、簡単のため、STAGEiの単位コンデンサのみ相対誤差があり、演算増幅器や他のステージの単位コンデンサの容量値は理想であるとすると、STAGEiの単位コンデンサの相対誤差が、STAGEi−1のサブA/Dコンバータの出力の切替わり前後に生じさせるエラー量は以下のように導出できる。
まず、図4に示す従来の回路構成の場合、STAGEi−1のサブA/Dコンバータの判定値の切替わり前後では、STAGEi−1の出力はそれぞれ−0.5Vr、+0.5Vrとなる。これらがSTAGEiに入力された時のSTAGEiの出力値Vo1、Vo2を式で表すと以下の通りとなる。
The influence of the relative error of the capacitance values of these unit capacitors on the linearity error will be described using mathematical expressions. For the sake of simplicity, assuming that the unit capacitor of STAGEi has a relative error, and the capacitance values of the unit capacitors of the operational amplifier and other stages are ideal, the relative error of the unit capacitor of STAGEi is sub-A of STAGEi-1. The amount of error generated before and after switching of the output of the / D converter can be derived as follows.
First, in the case of the conventional circuit configuration shown in FIG. 4, the output of STAGE i-1 is −0.5 Vr and +0.5 Vr, respectively, before and after the decision value switching of the sub-A / D converter of STAGE i−1. The output values Vo1 and Vo2 of STAGEi when these are input to STAGEi are expressed as follows.
よって、STAGEi−1のサブA/Dコンバータの判定値の切替わり前後において、STAGEiの出力の差ΔVoは、以下の式で表される。 Therefore, the difference ΔVo of the output of STAGE i before and after the switching of the determination value of the sub A / D converter of STAGE i−1 is expressed by the following equation.
理想であれば、ΔVoは0となるが、単位コンデンサに相対誤差があると0とはならず、これが線形エラーとなる。このエラーε_totalは、それぞれの単位コンデンサのエラーは無相関であることを利用して、それぞれの単位コンデンサにエラーεを仮定して出力差ΔVoに現れるエラー量を計算し、各エラーの2乗和の平方根を取ればよく、以下の式で表される。 In an ideal case, ΔVo is 0, but if the unit capacitor has a relative error, ΔVo does not become 0, and this is a linear error. The error ε_total is calculated by calculating the amount of error appearing in the output difference ΔVo assuming that the error ε of each unit capacitor is uncorrelated, using the fact that the error of each unit capacitor is uncorrelated. Is obtained by the following formula.
次に、図9に示す特許文献1の回路構成の場合、STAGEi−1のサブA/Dコンバータの判定値の切替わり前後では、STAGEi−1の出力はそれぞれ−0.5Vr、+0.5Vrとなる。これらがSTAGEiに入力された時のSTAGE iの出力値Vo1、Vo2を式で表すと以下の通りとなる。
Next, in the case of the circuit configuration of
よって、STAGEi−1のサブA/Dコンバータの判定値の切替わり前後において、STAGEiの出力の差ΔVoは、以下の式で表される。 Therefore, the difference ΔVo of the output of STAGE i before and after the switching of the determination value of the sub A / D converter of STAGE i−1 is expressed by the following equation.
理想であれば、ΔVoは0となるが、単位コンデンサに相対誤差があると0とはならず、これが線形エラーとなる。このエラーε_total’は、それぞれの単位コンデンサのエラーは無相関であることを利用して、それぞれの単位コンデンサにエラーε’を仮定して出力差ΔVoに現れるエラー量を計算し、各エラーの2乗和の平方根を取ればよく、以下の式で表される。 In an ideal case, ΔVo is 0, but if the unit capacitor has a relative error, ΔVo does not become 0, and this is a linear error. The error ε_total ′ is calculated by calculating the amount of error appearing in the output difference ΔVo assuming that the error ε ′ is assumed for each unit capacitor by using the fact that the error of each unit capacitor is uncorrelated. What is necessary is just to take the square root of multiplication, and it is represented by the following formula.
ただし、特許文献1の構成の単位コンデンサの容量値は、従来技術である図4の単位コンデンサの容量値の半分である。一般に、エラーは容量値の平方根に反比例するため、特許文献1の単位コンデンサのエラーε’と、従来技術である図4の単位コンデンサのエラーεとの関係は以下の式で表される。
However, the capacitance value of the unit capacitor having the configuration of
よって、特許文献1のエラーε_total’を、従来技術である図4の単位コンデンサのエラーεで表すと、以下のように表される。
Therefore, when the error ε_total ′ of
式4と式10を比較すれば明らかなように、特許文献1の構成では、単位コンデンサの容量値の相対誤差に対して、従来技術である図4の構成に比べ、√3倍だけ線形性エラーへの影響が大きい。これを単位コンデンサの容量値増だけで賄おうとすると、単位コンデンサのサイズを3倍にする必要があり、エリアの大幅増だけでなく、それを駆動する演算増幅器の消費電力の大幅増を生じてしまう。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、パイプライン型A/Dコンバータを構成するスイッチトキャパシタ回路の単位コンデンサの容量値が相対誤差をもつことにより生ずる線形エラーを抑えるようにしたパイプライン型A/Dコンバータを提供することにある。
As is clear from the comparison between
The present invention has been made in view of such problems, and its object is that the capacitance value of the unit capacitor of the switched capacitor circuit constituting the pipeline A / D converter has a relative error. It is an object of the present invention to provide a pipeline type A / D converter that suppresses linear errors.
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項1に記載の発明は、各ステージにスイッチトキャパシタ回路を備えた複数段のステージが縦列接続されてなるパイプライン型A/Dコンバータ(A1)において、同一容量値の複数の単位コンデンサ群(C1’〜C8’)と、該単位コンデンサ群(C1’〜C8’)の一端が入力端に接続された演算増幅器(O1)と、前記単位コンデンサ群(C1’〜C8’)の他端に接続する電圧を正極基準電圧又は負極基準電圧もしくはアナログコモン電圧のいずれかから選択する選択回路(S1)とを備え、前記各ステージが、サブA/Dコンバータを内蔵しており、前記ステージのうちのあるステージの前記サブA/Dコンバータの出力値が切り替わる前後において、正極基準電圧又は負極基準電圧が接続される当該ステージの次ステージの単位コンデンサ群(C1’〜C8’)のうちのある単位コンデンサを、異なる単位コンデンサから選択することを特徴とする。
The present invention has been made to achieve such an object, and the invention according to
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記各ステージからのA/D変換されたデジタル出力信号を入力するエンコーダ(E1)を備えていることを特徴とする。
また、請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の発明において、前記単位コンデンサ群(C1’〜C8’)が、前記演算増幅器(O1)の反転入力端子(−)と接続され、前記単位コンデンサ群(C1’〜C8’)のうちの一部が、前記演算増幅器(O1)の出力端子と直接、もしくはスイッチを介して接続されていることを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, there is provided the encoder according to the first aspect, further comprising an encoder (E1) for inputting an A / D converted digital output signal from each of the stages. .
The invention according to
本発明によれば、上述した特許文献1に記載の回路構成においても、キャパシタの容量値の相対誤差の影響を抑えたコンバータと、それを有するパイプライン型A/Dコンバータを実現することができる。
According to the present invention, even in the circuit configuration described in
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図1は、Nステージから構成されるパイプライン型A/Dコンバータを示す図である。図2は、図1のパイプライン型A/Dコンバータ内のあるSTAGEの構成を示す図である。図3は、サブA/Dコンバータの出力値と、ホールド期間時に、単位コンデンサに接続される接続先を示す図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a pipeline type A / D converter composed of N stages. FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a certain stage in the pipeline type A / D converter of FIG. FIG. 3 is a diagram illustrating an output value of the sub A / D converter and a connection destination connected to the unit capacitor during the hold period.
本発明のパイプライン型A/Dコンバータは、各ステージにスイッチトキャパシタ回路を備えた複数段のステージが縦列接続されてなるパイプライン型A/DコンバータA1である。
また、本発明のパイプライン型A/Dコンバータは、同一容量値の複数の単位コンデンサ群C1’〜C8’と、単位コンデンサ群C1’〜C8’の一端が入力端に接続された演算増幅器O1と、単位コンデンサ群C1’〜C8’の他端に接続する電圧を正極基準電圧又は負極基準電圧もしくはアナログコモン電圧のいずれかから選択する選択回路S1とを備えている。
The pipeline type A / D converter of the present invention is a pipeline type A / D converter A1 in which a plurality of stages each having a switched capacitor circuit in each stage are connected in cascade.
Further, the pipeline type A / D converter of the present invention includes a plurality of unit capacitor groups C1 ′ to C8 ′ having the same capacitance value, and an operational amplifier O1 in which one end of each of the unit capacitor groups C1 ′ to C8 ′ is connected to an input end. And a selection circuit S1 for selecting a voltage connected to the other end of the unit capacitor groups C1 ′ to C8 ′ from either a positive reference voltage, a negative reference voltage, or an analog common voltage.
また、各ステージは、サブA/Dコンバータを内蔵しており、あるステージのサブA/Dコンバータの出力値が切り替わる前後において、正極基準電圧又は負極基準電圧が接続される当該ステージの次ステージの単位コンデンサ群C1’〜C8’のうちのある単位コンデンサを、異なる単位コンデンサから選択する。
また、各ステージからのA/D変換されたデジタル出力信号を入力するエンコーダE1を備えている。また、単位コンデンサ群C1’〜C8’は、演算増幅器O1の反転入力端子(−)に接続され、単位コンデンサ群C1’〜C8’のうちC1’、C2’は、スイッチを介して演算増幅器O1の出力端子と接続されている。
Each stage incorporates a sub A / D converter, and before and after the output value of the sub A / D converter of a certain stage is switched, the next stage of the stage to which the positive reference voltage or the negative reference voltage is connected. A certain unit capacitor in the unit capacitor groups C1 ′ to C8 ′ is selected from different unit capacitors.
In addition, an encoder E1 for inputting the A / D converted digital output signal from each stage is provided. The unit capacitor groups C1 ′ to C8 ′ are connected to the inverting input terminal (−) of the operational amplifier O1, and among the unit capacitor groups C1 ′ to C8 ′, C1 ′ and C2 ′ are connected to the operational amplifier O1 via a switch. Is connected to the output terminal.
以下に図1乃至図3を用いて、本発明を適用したパイプライン型A/Dコンバータのスイッチトキャパシタ回路の動作について説明する。
図1において、パイプライン型A/DコンバータA1は、いずれも2.5ビット型のサブA/Dコンバータを内蔵するSTAGE1〜STAGENまでのN段のステージが縦列に接続され、各ステージからのA/D変換されたデジタル出力信号DO_1〜DO_Nは、エンコーダE1に入力され、エンコーダE1はそれらを演算した出力値ADOを出力する。各ステージの動作は、前段からのアナログ出力信号をサンプルするサンプル期間と、サンプルした信号を演算増幅器で増幅して次段に出力するホールド期間とから成り、隣り合うステージ間では、この期間は反転の位相関係にある。
The operation of the switched capacitor circuit of the pipeline type A / D converter to which the present invention is applied will be described below with reference to FIGS.
In FIG. 1, a pipeline type A / D converter A1 includes N stages from
図2において、容量値の等しい単位コンデンサC1’〜C8’と、スイッチsw1s〜sw8s、sw1h〜sw8h、sw9と、演算増幅器O1と、2.5ビットのサブA/Dコンバータと、サブA/Dコンバータの出力DO_iによって単位コンデンサへの接続を基準電圧+2Vr、0(アナロググランド)、−2Vrから選択する選択回路S1とを含んでいる。ここで、単位コンデンサC1’〜C8’は、上述した特許文献1の回路構成図である図10の単位コンデンサの容量値と等しく、基準電圧2Vrについても同じである。
In FIG. 2, unit capacitors C1 ′ to C8 ′ having equal capacitance values, switches sw1s to sw8s, sw1h to sw8h, sw9, an operational amplifier O1, a 2.5-bit sub A / D converter, and a sub A / D A selection circuit S1 for selecting connection to the unit capacitor from the reference voltage +2 Vr, 0 (analog ground), and −2 Vr according to the output DO_i of the converter is included. Here, the unit capacitors C1 'to C8' are equal to the capacitance value of the unit capacitor of FIG. 10 which is the circuit configuration diagram of
続いて、STAGEiの動作について説明する。
今、サブA/Dコンバータは、図6に示す2位相のクロックで動作しているとし、φ1がハイレベルの時に、STAGEiはサンプル期間で、φ2がハイレベルの時にホールド期間となるとする。φ1がハイレベルの時、STAGEiのスイッチsw1s〜sw8s、sw9が短絡し、sw1h〜sw8hが開放となり、前ステージSTAGEi−1からの出力信号Vo_i−1を全ての単位コンデンサC1’〜C8’によってサンプルする。また、サブA/Dコンバータは、前ステージSTAGEi−1からの出力信号Vo_i−1を0〜6の7値にA/D変換を行う。φ2がハイレベルとなると、スイッチsw1s〜sw8s、sw9が開放となり、sw1h〜sw8hが短絡となり、単位コンデンサC1’、C2’は演算増幅器O1の出力Vo_iに接続され負帰還を形成し、単位コンデンサC3’〜C8’は、サブA/Dコンバータの出力値に応じて、基準電圧+2Vr、0、−2Vrのうちいずれかがそれぞれ選択され、接続される。
Next, the operation of STAGEi will be described.
Now, assume that the sub-A / D converter operates with the two-phase clock shown in FIG. 6, and that STAGEi is a sample period when φ1 is high level, and a hold period when φ2 is high level. When φ1 is high, the switches SW1s to sw8s and sw9 of STAGEi are short-circuited, and sw1h to sw8h are opened, and the output signal Vo_i-1 from the previous stage STAGEi-1 is sampled by all unit capacitors C1 'to C8'. To do. Further, the sub A / D converter performs A / D conversion on the output signal Vo_i−1 from the previous stage STAGEi−1 to 7 values of 0 to 6. When φ2 becomes high level, the switches sw1s to sw8s and sw9 are opened, the sw1h to sw8h are short-circuited, and the unit capacitors C1 ′ and C2 ′ are connected to the output Vo_i of the operational amplifier O1 to form a negative feedback, and the unit capacitor C3 “˜C8” is selected and connected to one of the reference voltages +2 Vr, 0, and −2 Vr according to the output value of the sub A / D converter.
図3において、図2からも明らかなように、単位コンデンサC1’、C2’はサブA/Dコンバータの出力値に依らず、常に演算増幅器O1の出力Vo_iに接続される。上述した特許文献1の接続先である図11との違いは、サブA/Dコンバータの出力が1、5の時に、+2Vrが接続される単位コンデンサと、−2Vrが接続される単位コンデンサを異なる単位コンデンサにした点である。
この時のSTAGEiの入出力特性は、従来技術の図4の構成や、特許文献1の図9の構成と同じく図8となる。
In FIG. 3, as is clear from FIG. 2, the unit capacitors C1 ′ and C2 ′ are always connected to the output Vo_i of the operational amplifier O1, regardless of the output value of the sub A / D converter. The difference from FIG. 11, which is the connection destination of
The input / output characteristics of STAGEi at this time are as shown in FIG. 8, similar to the configuration of FIG.
続いて、本発明を用いた構成における単位コンデンサの容量値の相対誤差が、線形性エラーに与える影響を、数式を用いて説明する。今、簡単のため、STAGE iの単位コンデンサのみ相対誤差があり、演算増幅器や他のステージの単位コンデンサの容量値は理想であるとすると、STAGEiの単位コンデンサの相対誤差が、STAGEi−1のサブA/Dコンバータの出力の切替わり前後に生じさせるエラー量は以下のように導出できる。
図1に示した本発明を用いた回路構成の場合、STAGEi−1のサブA/Dコンバータの判定値の切替わり前後では、STAGEi−1の出力はそれぞれ−0.5Vr、+0.5Vrとなる。これらがSTAGEiに入力された時のSTAGE iの出力値Vo1、Vo2を式で表すと以下の通りとなる。
Next, the influence of the relative error of the capacitance value of the unit capacitor in the configuration using the present invention on the linearity error will be described using mathematical expressions. For the sake of simplicity, if only the unit capacitor of STAGE i has a relative error, and the capacitance values of the unit capacitors of the operational amplifier and other stages are ideal, the relative error of the unit capacitor of STAGEi is the sub-stage of STAGEi-1. The amount of error generated before and after switching of the output of the A / D converter can be derived as follows.
In the case of the circuit configuration using the present invention shown in FIG. 1, the output of STAGEi-1 becomes −0.5 Vr and +0.5 Vr, respectively, before and after the decision value switching of the sub-A / D converter of STAGEi−1. . The output values Vo1 and Vo2 of STAGE i when these are input to STAGEi are expressed as follows.
よって、STAGEi−1のサブA/Dコンバータの判定値の切替わり前後において、STAGE iの出力の差ΔVoは、以下の式で表される。 Therefore, the difference ΔVo of the output of STAGE i before and after switching of the determination value of the sub A / D converter of STAGE i−1 is expressed by the following equation.
理想であれば、ΔVoは0となるが、単位コンデンサに相対誤差があると0とはならず、これが線形エラーとなる。このエラーε_total’’は、それぞれの単位コンデンサのエラーは無相関であることを利用して、それぞれの単位コンデンサにエラーε’’を仮定して出力差ΔVoに現れるエラー量を計算し、各エラーの2乗和の平方根を取ればよく、以下の式で表される。 In an ideal case, ΔVo is 0, but if the unit capacitor has a relative error, ΔVo does not become 0, and this is a linear error. This error ε_total ″ is calculated by calculating the amount of error appearing in the output difference ΔVo assuming that the error ε ″ is assumed for each unit capacitor by utilizing the fact that the error of each unit capacitor is uncorrelated. It is sufficient to take the square root of the sum of squares of and is expressed by the following equation.
ただし、本発明を用いた構成の単位コンデンサの容量値は、従来技術である図4の単位コンデンサの容量値の半分である。一般に、エラーは容量値の平方根に反比例するため、本発明を用いた構成の単位コンデンサのエラーε’’と、従来技術である図4の単位コンデンサのエラーεとの関係は以下の式で表される。 However, the capacitance value of the unit capacitor having the configuration using the present invention is half of the capacitance value of the unit capacitor of FIG. Generally, since the error is inversely proportional to the square root of the capacitance value, the relationship between the error ε ″ of the unit capacitor having the configuration using the present invention and the error ε of the unit capacitor of FIG. Is done.
よって、本発明を用いた構成のエラーε_total’’を、従来技術である図4の単位コンデンサのエラーεで表すと、以下のように表される。 Therefore, when the error ε_total ″ of the configuration using the present invention is expressed by the error ε of the unit capacitor of FIG.
式4と式16を比較すれば明らかなように、単位コンデンサの相対誤差による線形性エラーへの影響は、図4の従来技術によるものとまったく変わらない。であるにも関わらず、本発明の構成では、特許文献1と同様、ホールド期間時に常にアナロググランドに接続している単位コンデンサがあり、これらを利用してサブA/Dコンバータの出力値に応じて基準電圧0、±2Vrを接続するようにすれば、より広い変換ビット数を得ることが可能であり、基準電圧が2倍に広がっているため、基準電圧を電源やグランドと共通にすることが可能となる。
このように、本発明によれば、パイプライン型A/DコンバータA1を構成するスイッチトキャパシタ回路の単位コンデンサの容量値が相対誤差をもつことにより生ずる線形エラーを抑えるようにしたパイプライン型A/Dコンバータを実現することができる。
As is clear from the comparison between
As described above, according to the present invention, the pipeline type A / D that suppresses the linear error caused by the relative error in the capacitance value of the unit capacitor of the switched capacitor circuit constituting the pipeline type A / D converter A1. A D converter can be realized.
A1 パイプライン型A/Dコンバータ
E1,E11,E21 エンコーダ
O1 演算増幅器
S1 選択回路
A1 Pipeline A / D converter E1, E11, E21 Encoder O1 Operational amplifier S1 selection circuit
Claims (3)
同一容量値の複数の単位コンデンサ群と、
該単位コンデンサ群の一端が入力端に接続された演算増幅器と、
前記単位コンデンサ群の他端に接続する電圧を正極基準電圧又は負極基準電圧もしくはアナログコモン電圧のいずれかから選択する選択回路とを備え、
前記各ステージが、サブA/Dコンバータを内蔵しており、
前記ステージのうちのあるステージの前記サブA/Dコンバータの出力値が切り替わる前後において、前記正極基準電圧又は前記負極基準電圧が接続される前記あるステージの次ステージの前記単位コンデンサ群のうちのある単位コンデンサを、異なる単位コンデンサから選択することを特徴とするパイプライン型A/Dコンバータ。 In a pipeline type A / D converter in which a plurality of stages each having a switched capacitor circuit in each stage are connected in cascade,
A plurality of unit capacitor groups having the same capacitance value;
An operational amplifier in which one end of the unit capacitor group is connected to an input end;
A selection circuit for selecting a voltage connected to the other end of the unit capacitor group from either a positive reference voltage, a negative reference voltage or an analog common voltage;
Each of the stages has a built-in sub A / D converter,
The unit capacitor group of the next stage of the certain stage to which the positive reference voltage or the negative reference voltage is connected before and after the output value of the sub A / D converter of a certain stage of the stage is switched. A pipeline type A / D converter, wherein a unit capacitor is selected from different unit capacitors.
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