JP2014204276A - Pipelined AD converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば、スマートフォン、タブレット端末、電子黒板、カーナビゲーション装置等に搭載されているタッチパネルコントローラ、及び、その他の信号処理システムに使用されるAD変換器に関し、特に、パイプライン型AD変換器に関する。 The present invention relates to a touch panel controller mounted on, for example, a smartphone, a tablet terminal, an electronic blackboard, a car navigation device, and the like, and an AD converter used in other signal processing systems, and in particular, a pipeline type AD converter. About.
現在、スマートフォン等の携帯情報機器、自動券売機等の自動販売機を始めとする様々な電子機器に、タッチパネルシステムの搭載が急速に進んでいる。スマートフォン、タブレット端末等のモバイル端末は、バッテリー駆動を行う必要性から構成部品の低消費電力化が必須である。 Currently, touch panel systems are rapidly being installed in various electronic devices such as portable information devices such as smartphones and vending machines such as vending machines. For mobile terminals such as smartphones and tablet terminals, it is essential to reduce the power consumption of components because of the necessity of battery driving.
タッチパネルシステムでは、パネルへのタッチ情報を認識してデジタル信号に変換するAD変換器を使用している。AD変換器はできるだけ元のアナログ信号の情報を損なわずにデジタル信号に変換することが求められることから、高いSN比を持つAD変換器を必要とする。 The touch panel system uses an AD converter that recognizes touch information on the panel and converts it into a digital signal. Since the AD converter is required to convert it to a digital signal without damaging the information of the original analog signal as much as possible, an AD converter having a high S / N ratio is required.
より高いSN比を実現するには、分解能(ビット数)をより高くする、回路の雑音をより小さくする、という2つの要求を満足する必要がある。また、AD変換器には高い変換速度も要求される。これは単位時間に扱う情報量がシステムの高度化に合わせて多くなってきているためである。 In order to achieve a higher signal-to-noise ratio, it is necessary to satisfy the two requirements of higher resolution (number of bits) and lower circuit noise. Further, a high conversion speed is required for the AD converter. This is because the amount of information handled per unit time is increasing with the advancement of the system.
斯かる条件に適合するAD変換器の方式として、パイプライン型AD変換器がある。一般的なパイプライン型AD変換器10は、図1のブロック図に示すように、複数段カスケード接続された残差演算ステージ11、最終段のサブAD変換器12、及び、デジタル合成回路13を備えて構成される。
There is a pipeline type AD converter as a method of the AD converter suitable for such a condition. As shown in the block diagram of FIG. 1, the general
各残差演算ステージ11における残差演算動作は、スイッチドキャパシタ回路を用いて実現するのが一般的である。残差演算ステージ11の基本回路構成を図2に、スイッチドキャパシタ回路を用いた回路構成の一例を図3に、夫々示す。
The residual calculation operation in each
図2に示すように、残差演算ステージ11は、サブAD変換回路部14、サブDA変換回路部15、減算器16、及び、残差アンプ17を備えて構成される。また、サブDA変換回路部15、減算器16、及び、残差アンプ17は、具体的には、図3に示すように、サブDA変換回路部15と減算器16が、マルチプレクサ18、容量素子Cf,複数の入力容量素子Cs、複数のスイッチS0、複数のスイッチS1、スイッチS2、及び、スイッチS3を用いて構成され、残差アンプ17がオペアンプ19を用いて構成される。また、マルチプレクサ18は、参照電圧として、高レベル参照電圧VHrefと低レベル参照電圧VLrefが外部から供給され、各入力容量素子Csに対して、サブAD変換回路部14のAD変換値Dsubに応じて、高レベル参照電圧VHrefと低レベル参照電圧VLrefの何れか一方を選択して供給するように構成されている。
As shown in FIG. 2, the
高レベル参照電圧VHrefと低レベル参照電圧VLrefは、通常、図3に示すように、電圧安定化のため、ボルテージフォロワ型のオペアンプ20,21を使用して供給される。
As shown in FIG. 3, the high level reference voltage VHref and the low level reference voltage VLref are normally supplied using voltage follower type
尚、図3では、説明の容易のため、サブAD変換回路部14のデジタル出力Dsubが2ビットの場合について図示しており、入力容量素子Cs及びスイッチS1の個数は夫々3個となっている。尚、デジタル出力がMビットの場合は、入力容量素子Cs及びスイッチS1の個数は、各入力容量素子Csの電気容量が同じ場合には、(2M−1)個となる。
In FIG. 3, for ease of explanation, the case where the digital output Dsub of the sub A / D
各スイッチS0〜S3は図示しないクロック信号に同期して、オンオフが制御される。残差演算ステージ11は、当該同期信号に従った各スイッチS0〜S3のオンオフの切り替えによって、サンプリングとホールドを繰り返す。残差演算ステージ11の残差演算の例を、図3を用いて説明する。
Each of the switches S0 to S3 is controlled to be turned on / off in synchronization with a clock signal (not shown). The
先ず、サンプリング期間において、スイッチS0,S2をオン(短絡状態)にし、スイッチS1,S3をオフ(開放状態)にして、アナログ入力電圧VINを、容量素子Cf及び複数の入力容量素子Csに充電する。当該充電と並行して、サブAD変換回路部14が、アナログ入力電圧VINをデジタル値に変換する。サンプリング期間中の回路状態を、図4に簡略的に示す。
First, in the sampling period, the switches S0 and S2 are turned on (short-circuited), the switches S1 and S3 are turned off (opened), and the analog input voltage VIN is charged to the capacitive element Cf and the plurality of input capacitive elements Cs. . In parallel with the charging, the sub AD
サブAD変換回路部14によるアナログ入力電圧VINからデジタル値への変換は、主に高レベル参照電圧VHrefと低レベル参照電圧VLrefの分圧値との比較を3つの比較器22により行うことで実現される。
The conversion from the analog input voltage VIN to the digital value by the sub A / D
オペアンプ19の非反転入力端子が接地されているので、サンプリング期間において、反転入力端子はイマジナリショートとなり実質的に接地状態と考えられる。従って、容量素子Cf及び複数の入力容量素子Csに充電される電荷量Qsは、以下の数1で与えられる。尚、各容量素子Cf,Csの電気容量を夫々Cf,Csとする。
Since the non-inverting input terminal of the
(数1)
Qs=VIN×(3×Cs+Cf)
(Equation 1)
Qs = VIN × (3 × Cs + Cf)
次に、ホールド期間において、スイッチS0,S2をオフにし、スイッチS1,S3をオンにすると、容量素子Cfの電荷量が、以下の数2で与えられ、オペアンプ19の出力電圧VOUTが、以下の数3で与えられ、残差量が演算され、次段の残差演算ステージ11または最終段のサブAD変換器12のアナログ入力電圧として出力される。但し、数2中のVref1〜3は、サブAD変換回路部14の出力デジタル値(2ビット)のデコード値(0〜3)に応じて選択される高レベル参照電圧VHrefと低レベル参照電圧VLrefの何れか一方を表しており、数3では、Cf=Csと仮定している。ホールド期間中の回路状態を、図5に簡略的に示す。
Next, in the hold period, when the switches S0 and S2 are turned off and the switches S1 and S3 are turned on, the charge amount of the capacitive element Cf is given by the following
(数2)
Cf×VOUT=Cf×VIN−{Cs×(Vref1−VIN)
+Cs×(Vref2−VIN)+Cs×(Vref3−VIN)}
(Equation 2)
Cf * VOUT = Cf * VIN- {Cs * (Vref1-VIN)
+ Cs × (Vref2−VIN) + Cs × (Vref3−VIN)}
(数3)
VOUT=4VIN−(Vref1+Vref2+Vref3)
(Equation 3)
VOUT = 4VIN− (Vref1 + Vref2 + Vref3)
一例として、図6に示すように、高レベル参照電圧VHrefが1V、低レベル参照電圧VLrefが−1V、アナログ入力電圧VINが0.6Vの場合、サブAD変換回路部14の出力デジタル値(2ビット)は“11”(デコード値は3)となり、数3に基づいて演算される残差値VOUTは0.4Vとなる。この場合、デコード値が3となり、Vref1〜3は全てVHref(1V)となる。
As an example, as shown in FIG. 6, when the high level reference voltage VHref is 1V, the low level reference voltage VLref is −1V, and the analog input voltage VIN is 0.6V, the output digital value (2 Bit) is “11” (decode value is 3), and the residual value VOUT calculated based on
ホールド期間中に3つの入力容量素子Csを充電する高レベル参照電圧VHrefと低レベル参照電圧VLrefは、オペアンプ20,21を使用して供給される。
The high level reference voltage VHref and the low level reference voltage VLref for charging the three input capacitance elements Cs during the hold period are supplied using the
パイプライン型AD変換器は、上述の残差演算ステージを複数段カスケード接続し、その後段に、最終段のサブAD変換器を接続して、アナログ入力に対して所望のビット数のデジタル信号を生成する。 A pipelined AD converter is a cascade connection of the above-described residual calculation stages, and a sub-AD converter at the final stage is connected to the subsequent stage so that a digital signal having a desired number of bits can be output to an analog input. Generate.
一般的な構成のパイプライン型AD変換器では電力とSN比の間にトレードオフが存在する。また、パイプラインAD変換器以外の一般のAD変換器においても同様の関係がある。 In a pipelined AD converter having a general configuration, there is a trade-off between power and S / N ratio. The same relationship applies to general AD converters other than pipeline AD converters.
このような問題を解決するために、下記の特許文献1では、必要とされるSN比に対応して、残差演算ステージに、アナログ入力信号をデジタル信号にAD変換する分解能が可変な分解能可変AD変換器と、当該分解能可変AD変換器の出力デジタル信号をアナログ信号に変換する分解能可変DA変換器と、アナログ入力信号と上記分解能可変DA変換器から出力されるアナログ信号の差分演算結果を所定のゲインをもって増幅するゲインが可変な演算増幅器を備えることにより、必要なSN比に応じて電力を最適な値に設定することができ、時間平均で見た時の電力を削減することが提案されている。
In order to solve such a problem, in
パイプライン型AD変換器は、上述のように、カスケード接続された残差演算ステージがAD変換器に入力される同期信号に同期してサンプリングとホールドを繰り返しながらアナログ入力信号を高解像度デジタル信号に変換するシステムであり、各残差演算ステージのホールド時には、高レベル参照電圧VHrefと低レベル参照電圧VLrefを使用して、入力容量素子が充電される。図5に示すように、一般的に、参照電圧VHref,VLrefは電圧の安定化のために、ボルテージフォロワ型のオペアンプを使用して供給される。 As described above, the pipelined AD converter converts the analog input signal into a high-resolution digital signal while the cascaded residual calculation stages repeat sampling and holding in synchronization with the synchronization signal input to the AD converter. In the conversion system, when each residual calculation stage is held, the input capacitance element is charged using the high level reference voltage VHref and the low level reference voltage VLref. As shown in FIG. 5, the reference voltages VHref and VLref are generally supplied using voltage follower type operational amplifiers for voltage stabilization.
ホールド時の入力容量素子の充電は、高レベル参照電圧VHrefと低レベル参照電圧VLrefの何れかが使用される。そして、各参照電圧のオペアンプは、毎ホールド時に、全ての入力容量素子の全てを充電できることを想定して設計されるため、平均的にバイアス電流が余剰になり、無駄な電力消費が発生する。 Either the high-level reference voltage VHref or the low-level reference voltage VLref is used for charging the input capacitance element at the time of holding. The operational amplifier of each reference voltage is designed on the assumption that all of the input capacitance elements can be charged at each hold, so that the bias current becomes excessive on average and wasteful power consumption occurs.
例えば、図3に示す残差演算ステージの場合、最大で3つの入力容量素子Csを充電できるようにバイアス電流が設定されている。 For example, in the case of the residual calculation stage shown in FIG. 3, the bias current is set so that a maximum of three input capacitance elements Cs can be charged.
上述のモバイル端末に用いられるAD変換器は低消費電力化が求められることから、オペアンプのバイアス電流の最適化による低消費電力化が必要となる。 Since the AD converter used in the above-described mobile terminal is required to reduce power consumption, it is necessary to reduce power consumption by optimizing the bias current of the operational amplifier.
しかしながら、上記特許文献1では、オペアンプが充電する容量負荷が動作中に変化することは考慮されておらず、上述のような入力容量素子Csを充電するためのオペアンプのバイアス電流の余剰分については一切考慮されていない。
However, in
本発明は、上記の問題点に鑑みなされたもので、その目的は、高SN比を維持しつつ低消費電力化が可能なパイプライン型AD変換器を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a pipeline AD converter capable of reducing power consumption while maintaining a high SN ratio.
上記目的を達成するため、本発明は、カスケード接続された複数の残差演算ステージ、前記複数の残差演算ステージの後段に接続するサブAD変換器、前記複数の残差演算ステージ内に各別に設けられたサブAD変換回路部と前記サブAD変換器の夫々から出力されるAD変換信号を合成するデジタル合成回路、及び、前記複数の残差演算ステージ内に各別に設けられたスイッチドキャパシタ回路を用いて構成される残差演算回路部に、高レベル参照電圧を供給する第1オペアンプと低レベル参照電圧を供給する第2オペアンプ、を備え、
前記複数の残差演算ステージの夫々において、前記残差演算回路部が、前記残差演算ステージに入力するアナログ入力電圧と、前記サブAD変換回路部から出力される前記AD変換信号と、前記第1及び第2オペアンプから夫々供給される前記高レベル参照電圧及び前記低レベル参照電圧に基づいて、前記スイッチドキャパシタ回路の複数の入力容量素子を夫々充放電することにより、AD変換後の残差値を導出して、次段の前記残差演算ステージまたは前記サブAD変換器のアナログ入力端子に出力するように構成され、
前記第1オペアンプが、前記高レベル参照電圧を供給する前記入力容量素子の総容量値に基づいて、出力電流の駆動能力を可変に構成され、前記第2オペアンプが、前記低レベル参照電圧を供給する前記入力容量素子の総容量値に基づいて、出力電流の駆動能力を可変に構成されていることを特徴とするパイプライン型AD変換器を提供する。
In order to achieve the above object, the present invention provides a plurality of cascaded residual calculation stages, a sub A / D converter connected to a subsequent stage of the plurality of residual calculation stages, and a plurality of residual calculation stages. Digital synthesizing circuit for synthesizing AD conversion signals output from each of the provided sub A / D conversion circuit unit and the sub A / D converter, and a switched capacitor circuit provided separately in each of the plurality of residual calculation stages A first operational amplifier that supplies a high-level reference voltage and a second operational amplifier that supplies a low-level reference voltage to a residual calculation circuit unit configured using
In each of the plurality of residual calculation stages, the residual calculation circuit unit inputs an analog input voltage input to the residual calculation stage, the AD conversion signal output from the sub AD conversion circuit unit, and the first Based on the high level reference voltage and the low level reference voltage supplied from the first and second operational amplifiers, respectively, a plurality of input capacitance elements of the switched capacitor circuit are charged and discharged, thereby obtaining a residual after AD conversion. A value is derived and configured to be output to an analog input terminal of the next stage of the residual calculation stage or the sub AD converter;
The first operational amplifier is configured to vary output current drive capability based on the total capacitance value of the input capacitive element that supplies the high-level reference voltage, and the second operational amplifier supplies the low-level reference voltage. A pipeline type AD converter is provided, wherein the output current drive capability is variable based on the total capacitance value of the input capacitance elements.
更に、上記特徴のパイプライン型AD変換器は、前記第1及び第2オペアンプが、夫々、バイアス電流を調整することにより、前記駆動能力を変更可能に構成されていることが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the pipeline type AD converter having the above-described characteristics is configured such that the first and second operational amplifiers can change the driving capability by adjusting a bias current.
更に、上記特徴のパイプライン型AD変換器は、前記第1及び第2オペアンプが、夫々、バイアス回路の並列度の切り替えにより、前記バイアス電流の調整が可能に構成されていることが好ましい。 Furthermore, in the pipeline type AD converter having the above characteristics, it is preferable that the first and second operational amplifiers are configured such that the bias current can be adjusted by switching the parallelism of the bias circuits.
更に、上記特徴のパイプライン型AD変換器は、前記バイアス電流の調整が、残差演算処理に用いられる同期信号の半周期及びその倍数のタイミングにおいて実行されることが好ましい。 Further, in the pipeline type AD converter having the above characteristics, it is preferable that the adjustment of the bias current is executed at a timing of a half cycle of the synchronization signal used for the residual calculation process and a multiple thereof.
更に、上記特徴のパイプライン型AD変換器は、前記第1及び第2オペアンプが、前記複数の残差演算ステージの全てに対して1対、或いは、前記複数の残差演算ステージの夫々またはグループ毎に対して1対ずつ設けられていることが好ましい。 Further, in the pipeline type AD converter having the above characteristics, the first and second operational amplifiers are paired with respect to all of the plurality of residual calculation stages, or each of the plurality of residual calculation stages or a group. It is preferable that one pair is provided for each.
上記特徴のパイプライン型AD変換器によれば、各残差演算ステージの残差演算回路部を構成するスイッチドキャパシタ回路の複数の入力容量素子に、夫々、高レベル参照電圧または低レベル参照電圧を供給する第1及び第2オペアンプが、夫々が対応する参照電圧を供給する先の入力容量素子の総容量値に基づいて、出力電流の駆動能力を可変に構成されているため、当該駆動能力を決めるバイアス電流を過剰な固定値に設定されないため、第1及び第2オペアンプの低消費電力化が図られ、結果として、高SN比を維持しつつ、パイプライン型AD変換器の低消費電力化を図ることができる。 According to the pipeline type AD converter having the above characteristics, a high-level reference voltage or a low-level reference voltage is applied to each of the plurality of input capacitance elements of the switched capacitor circuit constituting the residual arithmetic circuit unit of each residual arithmetic stage. The first and second operational amplifiers for supplying the output current are configured so that the drive capability of the output current is variable based on the total capacitance value of the input capacitive element to which the corresponding reference voltage is supplied. Since the bias current for determining the first and second operational amplifiers is not set to an excessively fixed value, the power consumption of the first and second operational amplifiers can be reduced. Can be achieved.
以下、本発明に係るパイプライン型AD変換器(以下、適宜「本発明装置」と称す。)の実施形態につき、図面を参照して説明する。尚、説明の理解の容易のため、図1〜図3に示した一般的なパイプライン型AD変換器と同じ構成要素については、同じ符号を付して説明する。 Hereinafter, embodiments of a pipelined AD converter according to the present invention (hereinafter, appropriately referred to as “the device of the present invention”) will be described with reference to the drawings. In order to facilitate understanding of the description, the same components as those in the general pipeline AD converter shown in FIGS. 1 to 3 will be described with the same reference numerals.
〈第1実施形態〉
図7に、本発明装置の第1実施形態におけるブロック構成を示す。基本的な回路構成は、図1に示す一般的なパイプライン型AD変換器の回路構成と同様に、本発明装置30は、複数段カスケード接続された残差演算ステージ31、最終段のサブAD変換器12、及び、デジタル合成回路13を備えて構成される。各残差演算ステージ31及びサブAD変換器12で夫々AD変換されたAD変換信号Dsubがデジタル合成回路13で合成され、初段の残差演算ステージ31に入力したアナログ入力電圧VINに対応する本発明装置30のAD変換信号Doutが出力される。各段の残差演算ステージ31で演算された残差値は、次段のアナログ入力電圧VINとなる。
<First Embodiment>
FIG. 7 shows a block configuration in the first embodiment of the apparatus of the present invention. The basic circuit configuration is similar to the circuit configuration of the general pipelined AD converter shown in FIG. 1, and the
図8に、本実施形態で使用されるスイッチドキャパシタ回路を用いた残差演算ステージ31の一回路構成例を示す。残差演算ステージ31は、図3に示した従来の残差演算ステージ11と同様に、サブAD変換回路部14、マルチプレクサ18、オペアンプ19、容量素子Cf、3つの入力容量素子Cs、4つのスイッチS0、3つのスイッチS1、スイッチS2、及び、スイッチS3を備え、更に、高レベル参照電圧VHrefを各入力容量素子Csに供給するための第1オペアンプ32と低レベル参照電圧VLrefを複数の入力容量素子Csに供給するための第2オペアンプ33を備えて構成される。マルチプレクサ18、オペアンプ19、容量素子Cf、3つの入力容量素子Cs、4つのスイッチS0、3つのスイッチS1、スイッチS2、及び、スイッチS3により、残差演算回路部が構成される。
FIG. 8 shows a circuit configuration example of the
残差演算ステージ31は、図3に示す残差演算ステージ11と同様に、クロック信号に同期して、各スイッチS0〜S3のオンオフを切り替えて、サンプリングとホールドを繰り返すことにより、残差演算ステージ31に入力するアナログ入力電圧VINと、サブAD変換回路部14から出力されるAD変換信号Dsubと、第1及び第2オペアンプ32,33から夫々供給される高レベル参照電圧VHref1及び低レベル参照電圧VLref1(夫々、高レベル参照電圧VHref及び低レベル参照電圧VLrefと同電圧)に基づいて、容量素子Cf及び複数の入力容量素子Csの充放電を行うことで、残差演算処理が実行される。
Similar to the
残差演算ステージ31は、図3に示す残差演算ステージ11と、第1及び第2オペアンプ32,33を除いて、回路構成及び残差演算処理の方法も同じであるので、重複する説明は省略する。
Since the
図9に、第1及び第2オペアンプ32,33の一回路構成例を示す。第1及び第2オペアンプ32,33の回路構成は、基本的に同じ回路構成である。以下、第1オペアンプ32を例に説明する。第1オペアンプ32は、バイアス電流可変部34、バイアス電流制御部35、差動増幅部36、及び、出力バッファ部37で構成される。図示していないが、差動増幅部36の非反転入力に、高レベル参照電圧VHrefが入力し、差動増幅部36の反転入力に、出力バッファ部37から出力される高レベル参照電圧VHref1が入力する。差動増幅部36と出力バッファ部37は周知の回路構成を用いて実現でき、図9に示す回路構成に限定されるものではなく、他の回路構成を採用しても良い。尚、差動増幅部36を構成するMOSトランジスタのゲート電圧Vg1〜Vg5は、夫々図示しないバイアス発生回路から供給される。
FIG. 9 shows a circuit configuration example of the first and second
バイアス電流可変部34は、4つのゲート幅の異なるP型MOSトランジスタQB0〜QB3とスイッチSB0〜SB3と、N型MOSトランジスタQ0を備えて構成される。P型MOSトランジスタQB0〜QB3のソースは夫々、高電位の電源電圧に接続し、ドレインは夫々、対応するスイッチSB0〜SB3の一端と接続し、ゲートは共通のバイアス電圧Vbiasに接続している。スイッチSB0〜SB0の各他端は、共通にN型MOSトランジスタQ0のドレイン及びゲートと接続し、N型MOSトランジスタQ0のソースが低電位の電源電圧に接続している。
The bias current varying
N型MOSトランジスタQ0のゲートは、差動増幅部36の差動入力対を構成する2つのN型MOSトランジスタQ1,Q2の電流源となるN型MOSトランジスタQ3のゲートに接続して、N型MOSトランジスタQ0とN型MOSトランジスタQ3でカレントミラー回路が構成され、バイアス電流可変部34で調整されたバイアス電流が、差動増幅部36のN型MOSトランジスタQ3を流れる。図9に示す回路構成では、当該バイアス電流の大きくなるに従い、出力バッファ部37のP型MOSトランジスタQpとN型MOSトランジスタQnの各ゲート電圧が調整されて、負荷に対する出力電流の駆動能力が増加する。
The gate of the N-type MOS transistor Q0 is connected to the gate of the N-type MOS transistor Q3, which is the current source of the two N-type MOS transistors Q1 and Q2 constituting the differential input pair of the
P型MOSトランジスタQB0〜QB3のゲート幅は、QB0〜QB3の順に大きくなり、P型MOSトランジスタを流れる電流は、QB0〜QB3に順に大きくなるように設定されている。スイッチSB0〜SB3のオンオフは、バイアス電流制御部35によって制御される。
The gate widths of the P-type MOS transistors QB0 to QB3 are set to increase in the order of QB0 to QB3, and the current flowing through the P-type MOS transistor is set to increase in the order of QB0 to QB3. On / off of the switches SB0 to SB3 is controlled by the bias
バイアス電流制御部35には、サブAD変換回路部14から出力される2ビットのAD変換信号Dsubが入力し、そのデコード値(0〜3)に応じて、スイッチSB0〜SB3の何れか1つをオン状態にし、残りの3つをオフ状態に制御するように構成されている。具体的には、デコード値がi(i=0〜3)の時、スイッチSBiをオン状態にする。
The bias
上述した従来の残差演算ステージ11の残差演算と同様に、ホールド時に3つの入力容量素子Csの夫々に対して、AD変換信号Dsubのデコード値(0〜3)に応じて、第1及び第2オペアンプ32,33から夫々出力される高レベル参照電圧VHref1及び低レベル参照電圧VLref1の何れか一方が供給される。デコード値がi(i=0〜3)の時、i個の入力容量素子Csに高レベル参照電圧VHref1が供給され、(3−i)個の入力容量素子Csに低レベル参照電圧VLref1が供給され、3つの入力容量素子Csの充電が行われる。
Similar to the residual calculation of the conventional
ここで、デコード値iが大きい程、高レベル参照電圧VHref1を供給する入力容量素子Csの個数が増えて第1オペアンプ32の負荷が大きくなり、低レベル参照電圧VLref1を供給する入力容量素子Csの個数が減って第2オペアンプ33の負荷が小さくなる。上記構成により、第1オペアンプ32は、デコード値iが大きい程、当該負荷の大きさに応じてバイアス電流が増加して、高レベル参照電圧VHref1の供給における負荷の駆動能力が増大する。逆に、第2オペアンプ33は、バイアス電流可変部34におけるスイッチSBiのオンオフ制御が、第1オペアンプ32とは逆になり、デコード値がi(i=0〜3)の時、スイッチSBj(j=3−i)をオン状態にする。つまり、第2オペアンプ33は、デコード値iが小さい程、当該負荷の大きさに応じてバイアス電流が増加して、低レベル参照電圧VLref1の供給における負荷の駆動能力が増大する。
Here, as the decode value i increases, the number of input capacitive elements Cs that supply the high-level reference voltage VHref1 increases and the load of the first
各オペアンプ32,33のP型MOSトランジスタQB0〜QB3のゲート幅は、当該ゲート幅によって決まるバイアス電流によって、出力バッファ部37の駆動能力が、夫々の負荷の大きさに比例して変化するように、予め設定される。
The gate widths of the P-type MOS transistors QB0 to QB3 of the
高レベル参照電圧VHrefを1V、低レベル参照電圧VLrefを−1V、アナログ入力電圧VINが、−1V〜1Vの範囲で変化すると想定した場合、−1V≦VIN<−0.5Vで、AD変換信号Dsubのデコード値iは0となり、−0.5V≦VIN<0Vで、デコード値iは1となり、0V≦VIN<0.5Vで、デコード値iは2となり、0.5V≦VIN≦1Vで、デコード値iは3となる。図10に、当該想定下における、各デコード値iでのホールド時のマルチプレクサ18の動作により、3つの入力容量素子Cs(便宜的に、Cs1〜Cs3と符号を付す)に供給される参照電圧(高レベル参照電圧VHref1または低レベル参照電圧VLref1)と、第1及び第2オペアンプ32,33の夫々の負荷の合計を一覧表示する。
Assuming that the high level reference voltage VHref is 1V, the low level reference voltage VLref is -1V, and the analog input voltage VIN is changed in the range of -1V to 1V, -1V ≦ VIN <−0.5V, AD conversion signal The decode value i of Dsub is 0, −0.5V ≦ VIN <0V, the decode value i is 1, 0V ≦ VIN <0.5V, the decode value i is 2, and 0.5V ≦ VIN ≦ 1V. The decode value i is 3. FIG. 10 shows reference voltages (referred to as Cs1 to Cs3 for convenience) supplied to the three input capacitance elements Cs by the operation of the
尚、第2オペアンプ33の回路構成は、スイッチSBi(i=0〜3)のオンオフの制御、及び、出力バッファ部37から出力される参照電圧の電圧が、第1オペアンプ32と異なるだけで、基本的な回路構成は同じであるので、重複する説明は省略する。また、第1オペアンプ32のバイアス電流制御部35と第2オペアンプ33のバイアス電流制御部35は、1つのバイアス電流制御部35を共用する構成にしても良い。この場合、第1オペアンプ32のスイッチSBi(i=0〜3)のオンオフを制御する信号は、第2オペアンプ33のスイッチSBj(j=3−i)のオンオフを同時に制御する。
Note that the circuit configuration of the second
上記の第1及び第2オペアンプ32,33を備えた残差演算ステージ31を使用することで、ホールド時の入力容量素子Csへの高レベル参照電圧VHref1と低レベル参照電圧VLref1の供給に伴う、各オペアンプ32,33のバイアス電流の適正化が行われる。しかも、負荷の大きさに応じて各オペアンプ32,33の駆動能力が調整されるために、入力容量素子Csに対する各参照電圧の充電は、バイアス電流の調整を行わない従来と残差演算ステージ11と同じ速度で実行可能であり、残差演算処理に影響を及ぼすことなく、各オペアンプ32,33の低消費電力化が実現できる。
By using the
〈第2実施形態〉
上記第1実施形態では、第1及び第2オペアンプ32,33を残差演算ステージ31毎に備える回路構成について説明したが、第2実施形態では、第1及び第2オペアンプ32,33を複数の残差演算ステージ31で共通に使用する。
Second Embodiment
In the first embodiment, the circuit configuration including the first and second
図11に、本発明装置の第2実施形態におけるブロック構成の一例を示す。図11に示す本発明装置40では、1対の第1及び第2オペアンプ42,43を全ての残差演算ステージ41で共通に使用する場合を想定しているが、全ての残差演算ステージ41を2以上のグループに区分けして、第1及び第2オペアンプ42,43を各グループに1対ずつ設けるようにしても構わない。
FIG. 11 shows an example of a block configuration in the second embodiment of the device of the present invention. In the device 40 of the present invention shown in FIG. 11, it is assumed that a pair of first and second
第2実施形態で使用する残差演算ステージ41は、第1実施形態で使用する残差演算ステージ31とは、第1及び第2オペアンプ32,33を個別に備えていない点で相違するが、それ以外は同じ回路構成であり、図8に示す回路構成と同様に、サブAD変換回路部14、マルチプレクサ18、オペアンプ19、容量素子Cf、3つの入力容量素子Cs、4つのスイッチS0、3つのスイッチS1、スイッチS2、及び、スイッチS3を備えて構成される。残差演算ステージ41の上記回路要素及びその回路動作は、残差演算ステージ31と同じであり、重複する説明は省略する。
The
図11に示すように、第2実施形態では、第1及び第2オペアンプ42,43から夫々出力される高レベル参照電圧VHref1と低レベル参照電圧VLref1は、スイッチSW1を介して、奇数段の各残差演算ステージ41に入力され、スイッチSW2を介して、偶数段の各残差演算ステージ41に入力される。
As shown in FIG. 11, in the second embodiment, the high-level reference voltage VHref1 and the low-level reference voltage VLref1 output from the first and second
奇数段の各残差演算ステージ41のサンプリング期間には、偶数段の各残差演算ステージ41ではホールド期間となり、逆に、偶数段の各残差演算ステージ41のサンプリング期間には、奇数段の各残差演算ステージ41ではホールド期間となる。従って、スイッチSW1は、奇数段の各残差演算ステージ41のホールド期間中にオン状態となり、サンプリング期間中はオフ状態となるように制御される。一方、スイッチSW2は、偶数段の各残差演算ステージ41のホールド期間中にオン状態となり、サンプリング期間中はオフ状態となるように制御される。尚、スイッチSW1,SW2のオンオフの制御は、本発明装置に入力するクロック周期の半周期またはその倍数毎に、オンオフの状態が切り替わるように制御される。
During the sampling period of each odd-numbered
第2実施形態で使用する第1及び第2オペアンプ42,43は、夫々ホールド時に充電対象となる奇数段または偶数段の残差演算ステージ41の入力容量素子Csの電気容量の総合計が、駆動すべき容量負荷の最大値となる。尚、最終段(最終段のサブAD変換器12)を除く、奇数段と偶数段の段数が異なる場合は、段数の多い方の入力容量素子Csの電気容量の総合計が、駆動すべき容量負荷の最大値となる。
The first and second
第2実施形態では、第1及び第2オペアンプ42,43は、第1実施形態と比較して、1つのオペアンプ42,43が駆動する負荷の最大値が大きくなるため、また、負荷の変化幅も大きくなるため、図9に示す第1実施形態で使用する第1及び第2オペアンプ32,33の回路構成より、少なくとも出力バッファ部47の各トランジスタのサイズを大きくし、バイアス電流の調整範囲も大きくする必要がある。このため、図12に示すように、バイアス電流可変部44を構成するP型MOSトランジスタQB0〜QBm−1とスイッチSB0〜SBm−1の並列数mは、第1実施形態の4から、奇数段及び偶数段の段数分に応じて増加させる。例えば、各段数が3の場合は、1回のホールド時に充電する入力容量素子Csの最大数が9となるので、上記並列数は10とし、バイアス電流を1〜10段階で調整可能とするのが好ましい。従って、第1実施形態では、同じ段数構成の場合には、3つの奇数段の残差演算ステージ31で、3対の第1及び第2オペアンプ32,33の上記並列数は3〜12段階で調整されるのと比較すると、平均的には更なる低消費電力化が図られる。
In the second embodiment, the first and second
また、第2実施形態の第1及び第2オペアンプ42,43では、バイアス電流制御部45は、第1実施形態のバイアス電流制御部35と同様に、ホールド対象の奇数段または偶数段の残差演算ステージ41の各サブAD変換回路部14から出力されるAD変換信号Dsubを、上記スイッチSW1,SW2と同様に制御されるスイッチを介して各別に入力する構成としても良いし、図12に示すように、デジタル合成回路13を介して、ホールド対象の奇数段または偶数段の残差演算ステージ41の各サブAD変換回路部14から出力されるAD変換信号Dsubを合成したAD変換信号DOsub,DEsubを入力する構成としても良い。
In the first and second
〈別実施形態〉
以下に、本発明回路の別実施形態につき説明する。
<Another embodiment>
Hereinafter, another embodiment of the circuit of the present invention will be described.
上記各実施形態では、本発明回路の好適な実施形態の一例を詳細に説明した。本発明回路の回路構成は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形実施が可能である。 In each of the above embodiments, an example of a preferred embodiment of the circuit of the present invention has been described in detail. The circuit configuration of the circuit of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
例えば、残差演算ステージ31,41を構成するスイッチドキャパシタ回路の回路構成は、上記図8に例示した回路構成に限定されるものではない。また、サブAD変換回路部14から出力されるAD変換信号Dsubのビット数も2に限定されるものではない。他のスイッチドキャパシタ回路の回路構成としては、例えば、上記特許文献1に開示の回路構成及びその変形構成が利用可能である。更に、スイッチドキャパシタ回路に使用する容量素子Cf、入力容量素子Cs、スイッチS0〜S3の個数は、採用する回路構成に応じて適宜変更可能である。また、複数の入力容量素子Csの各電気容量は、互いに同じ値でなく、2のべき乗の重み付けを行った入力容量素子Csを使用して、その使用個数を抑制するようにしても構わない。
For example, the circuit configuration of the switched capacitor circuit constituting the residual calculation stages 31 and 41 is not limited to the circuit configuration illustrated in FIG. Further, the number of bits of the AD conversion signal Dsub output from the sub AD
更に、第1オペアンプ32,42及び第2オペアンプ33,43の回路構成も、図9に示す回路構成に限定されるものではない。但し、差動増幅部36,46と出力バッファ部37,47の構成は、バイアス電流の変更によって、負荷の駆動能力を調整可能な回路構成である必要がある。
Furthermore, the circuit configurations of the first
また、上記第1及び第2実施形態では、第1オペアンプ32,42及び第2オペアンプ33,43のバイアス電流可変部34,44のP型MOSトランジスタQB0〜QB3,QB0〜QBm−1は、ゲート幅が夫々異なり、参照電圧を供給する負荷の大きさに応じた駆動能力となるように、複数の並列するP型MOSトランジスタの内の1つが選択される構成であったが、これに代えて、複数の並列するP型MOSトランジスタの内の同時に選択する個数(並列度)と選択されるゲート幅の組み合わせを変更することで、同様のバイアス電流の調整を行うようにしても構わない。
In the first and second embodiments, the P-type MOS transistors QB0 to QB3 and QB0 to QBm-1 of the bias current
更に、第1オペアンプ32,42及び第2オペアンプ33,43のバイアス電流を、バイアス電流可変部34,44のP型MOSトランジスタQB0〜QB3,QB0〜QBm−1の選択によって調整するのではなく、当該P型MOSトランジスタを1つで構成し、N型MOSトランジスタQ0,Q3で構成されるカレントミラー回路のカレントミラー比を可変にすることで、N型MOSトランジスタQ3を流れるバイアス電流を調整可能とするようにしても良い。この場合、N型MOSトランジスタQ3を、P型MOSトランジスタQB0〜QB3,QB0〜QBm−1のように、スイッチSB0〜SB3,SB0〜SBm−1との直列回路を並列にして、当該スイッチのオンオフにより、カレントミラー比を調整するようにしても良い。
Further, the bias currents of the first
本発明に係るパイプライン型AD変換器は、スマートフォン、タブレット端末、電子黒板、カーナビゲーション装置等に搭載されているタッチパネルコントローラ、及び、その他の信号処理システムに使用されるAD変換器に使用することができる。 The pipeline type AD converter according to the present invention is used for a touch panel controller mounted on a smart phone, a tablet terminal, an electronic blackboard, a car navigation device, etc., and an AD converter used for other signal processing systems. Can do.
10: 従来のパイプライン型AD変換器
11,31,41: 残差演算ステージ
12: 最終段のサブAD変換器
13: デジタル合成回路
14: サブAD変換回路部
15: サブDA変換回路部
16: 減算器
17: 残差アンプ
18: マルチプレクサ
19〜21: オペアンプ
22: 比較器
30,40: 本発明に係るパイプライン型AD変換器
32,42: 第1オペアンプ
33,43: 第2オペアンプ
34,44: バイアス電流可変部
35,45: バイアス電流制御部
36,46: 差動増幅部
37,47: 出力バッファ部
Cf: 容量素子
Cs: 入力容量素子
DEsub: 偶数番目の残差演算ステージのAD変換信号(合成後)
DOsub: 奇数番目の残差演算ステージのAD変換信号(合成後)
Dout: AD変換信号(合成後)
Dsub: AD変換信号
QB0〜QB3,QBm−1: バイアス電流調整用のP型MOSトランジスタ
Qp: P型MOSトランジスタ
Q0〜Q3,Qn: N型MOSトランジスタ
S0〜S3: スイッチ
SB0〜SB3,SBm−1: バイアス電流調整用のスイッチ
SW1,SW2: スイッチ
Vbias: バイアス電圧
Vg1〜Vg5: ゲート電圧
VHref: 高レベル参照電圧
VHref1: 高レベル参照電圧(バッファ後)
VIN: アナログ入力電圧
VLref: 低レベル参照電圧
VLref1: 低レベル参照電圧(バッファ後)
VOUT: 出力電圧(残差量)
10: Conventional pipelined
DOsub: AD conversion signal of odd-numbered residual calculation stage (after synthesis)
Dout: AD conversion signal (after synthesis)
Dsub: AD conversion signal QB0-QB3, QBm-1: P-type MOS transistor for bias current adjustment Qp: P-type MOS transistor Q0-Q3, Qn: N-type MOS transistor S0-S3: Switch SB0-SB3, SBm-1 : Bias current adjustment switch SW1, SW2: Switch Vbias: Bias voltage Vg1-Vg5: Gate voltage VHref: High level reference voltage VHref1: High level reference voltage (after buffering)
VIN: Analog input voltage VLref: Low level reference voltage VLref1: Low level reference voltage (after buffering)
VOUT: Output voltage (residual amount)
Claims (5)
前記複数の残差演算ステージの後段に接続するサブAD変換器、
前記複数の残差演算ステージ内に各別に設けられたサブAD変換回路部と前記サブAD変換器の夫々から出力されるAD変換信号を合成するデジタル合成回路、及び、
前記複数の残差演算ステージ内に各別に設けられたスイッチドキャパシタ回路を用いて構成される残差演算回路部に、高レベル参照電圧を供給する第1オペアンプと低レベル参照電圧を供給する第2オペアンプ、を備え、
前記複数の残差演算ステージの夫々において、前記残差演算回路部が、前記残差演算ステージに入力するアナログ入力電圧と、前記サブAD変換回路部から出力される前記AD変換信号と、前記第1及び第2オペアンプから夫々供給される前記高レベル参照電圧及び前記低レベル参照電圧に基づいて、前記スイッチドキャパシタ回路の複数の入力容量素子を夫々充放電することにより、AD変換後の残差値を導出して、次段の前記残差演算ステージまたは前記サブAD変換器のアナログ入力端子に出力するように構成され、
前記第1オペアンプが、前記高レベル参照電圧を供給する前記入力容量素子の総容量値に基づいて、出力電流の駆動能力を可変に構成され、
前記第2オペアンプが、前記低レベル参照電圧を供給する前記入力容量素子の総容量値に基づいて、出力電流の駆動能力を可変に構成されていることを特徴とするパイプライン型AD変換器。 Cascaded multiple residual computation stages,
A sub A / D converter connected to a subsequent stage of the plurality of residual calculation stages;
A digital synthesizing circuit that synthesizes AD conversion signals output from each of the sub AD conversion circuit unit and the sub AD converter provided separately in each of the plurality of residual calculation stages; and
A first operational amplifier that supplies a high-level reference voltage and a first operational amplifier that supplies a low-level reference voltage to a residual calculation circuit unit that is configured using a switched capacitor circuit provided separately in each of the plurality of residual calculation stages. 2 operational amplifiers,
In each of the plurality of residual calculation stages, the residual calculation circuit unit inputs an analog input voltage input to the residual calculation stage, the AD conversion signal output from the sub AD conversion circuit unit, and the first Based on the high level reference voltage and the low level reference voltage supplied from the first and second operational amplifiers, respectively, a plurality of input capacitance elements of the switched capacitor circuit are charged and discharged, thereby obtaining a residual after AD conversion. A value is derived and configured to be output to an analog input terminal of the next stage of the residual calculation stage or the sub AD converter;
The first operational amplifier is configured to be variable in output current drive capability based on a total capacitance value of the input capacitive element that supplies the high-level reference voltage.
The pipeline type AD converter, wherein the second operational amplifier is configured so that a drive capability of an output current is variable based on a total capacitance value of the input capacitance element that supplies the low-level reference voltage.
The first and second operational amplifiers are provided in one pair for all of the plurality of residual calculation stages, or one pair for each of the plurality of residual calculation stages or for each group. The pipeline type AD converter according to any one of claims 1 to 4, wherein
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