JP2014204276A - Pipelined AD converter - Google Patents

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理史 橋本
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a pipelined AD converter that implements a low power consumption while maintaining a high SN ratio.SOLUTION: The pipelined AD converter includes: a plurality of residual operation stages 31 connected in a cascade; a final stage sub AD converter 12; a digital synthesis circuit 13 for synthesizing AD conversion signals Dsub output from sub AD conversion circuit sections 14 disposed individually in the plurality of residual operation stages and the sub AD converter, respectively; and first operational amplifiers 32 for supplying a high level reference voltage to and second operational amplifiers 33 for supplying a low level reference voltage to residual operation circuit sections comprising switched capacitor circuits disposed individually in the plurality of residual operation stages. The first operational amplifiers 32 are configured to vary the capability of driving an output current on the basis of a total capacitance value of input capacitive elements Cs supplied with the high level reference voltage, and the second operational amplifiers 33 are configured to vary the capability of driving an output current on the basis of a total capacitance value of input capacitive elements Cs supplied with the low level reference voltage.

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 pipelined AD converter 10 includes a plurality of cascaded residual calculation stages 11, a final stage sub AD converter 12, and a digital synthesis circuit 13. It is prepared for.

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 residual calculation stage 11 is generally realized using a switched capacitor circuit. FIG. 2 shows a basic circuit configuration of the residual calculation stage 11, and FIG. 3 shows an example of a circuit configuration using a switched capacitor circuit.

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 residual calculation stage 11 includes a sub AD conversion circuit unit 14, a sub DA conversion circuit unit 15, a subtracter 16, and a residual amplifier 17. Further, the sub DA conversion circuit unit 15, the subtractor 16, and the residual amplifier 17, specifically, as shown in FIG. 3, the sub DA conversion circuit unit 15 and the subtracter 16, are a multiplexer 18, a capacitive element. Cf, a plurality of input capacitance elements Cs, a plurality of switches S0, a plurality of switches S1, a switch S2, and a switch S3 are used, and the residual amplifier 17 is formed using an operational amplifier 19. Further, the multiplexer 18 is supplied with a high level reference voltage VHref and a low level reference voltage VLref as reference voltages from the outside, and according to the AD conversion value Dsub of the sub AD conversion circuit unit 14 for each input capacitance element Cs. The high level reference voltage VHref and the low level reference voltage VLref are selected and supplied.

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 operational amplifiers 20 and 21 for voltage stabilization.

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、(2−1)個となる。 In FIG. 3, for ease of explanation, the case where the digital output Dsub of the sub A / D conversion circuit unit 14 is 2 bits is illustrated, and the number of the input capacitance element Cs and the switch S1 is three. . When the digital output is M bits, the number of input capacitance elements Cs and switches S1 is (2 M −1) when the capacitances of the input capacitance elements Cs are the same.

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 residual calculation stage 11 repeats sampling and holding by switching on and off each of the switches S0 to S3 according to the synchronization signal. An example of the residual calculation of the residual calculation stage 11 will be described with reference to FIG.

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 conversion circuit unit 14 converts the analog input voltage VIN into a digital value. The circuit state during the sampling period is simply shown in FIG.

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 conversion circuit unit 14 is mainly realized by comparing the divided values of the high level reference voltage VHref and the low level reference voltage VLref by the three comparators 22. Is done.

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 operational amplifier 19 is grounded, the inverting input terminal becomes an imaginary short in the sampling period, and is considered to be substantially in the ground state. Accordingly, the amount of charge Qs charged in the capacitive element Cf and the plurality of input capacitive elements Cs is given by the following equation (1). The capacitances of the capacitive elements Cf and Cs are Cf and Cs, respectively.

(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 formula 2, and the output voltage VOUT of the operational amplifier 19 is The residual amount is calculated by Equation 3 and output as an analog input voltage of the next stage residual calculation stage 11 or the final stage sub-AD converter 12. However, Vref1 to Vref3 in Equation 2 are the high-level reference voltage VHref and the low-level reference voltage VLref that are selected according to the decoded value (0 to 3) of the output digital value (2 bits) of the sub AD conversion circuit unit 14. Any one of these is expressed, and in Formula 3, it is assumed that Cf = Cs. The circuit state during the hold period is simply shown in FIG.

(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 Equation 3 is 0.4V. In this case, the decode value is 3, and Vref1 to Vref3 are all VHref (1 V).

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 operational amplifiers 20 and 21.

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 Patent Document 1 below, in accordance with a required signal-to-noise ratio, a resolution variable with a variable resolution for analog-to-digital conversion of an analog input signal to a digital signal is applied to the residual calculation stage. An AD converter, a resolution variable DA converter that converts an output digital signal of the variable resolution AD converter into an analog signal, and a difference calculation result of the analog input signal and the analog signal output from the resolution variable DA converter is predetermined. Providing an operational amplifier with a variable gain that can be amplified with a large gain allows the power to be set to an optimum value according to the required S / N ratio, and it is proposed to reduce the power when viewed on a time average basis. ing.

特開2010−166447号公報JP 2010-166447 A

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 Patent Document 1, it is not considered that the capacitive load charged by the operational amplifier changes during operation. Regarding the surplus of the bias current of the operational amplifier for charging the input capacitive element Cs as described above, It is not considered at all.

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.

一般的なパイプライン型AD変換器の回路構成例を示すブロック図Block diagram showing a circuit configuration example of a general pipeline AD converter パイプライン型AD変換器の残差演算ステージの基本回路構成を示す回路図Circuit diagram showing basic circuit configuration of residual calculation stage of pipelined AD converter パイプライン型AD変換器の残差演算ステージのスイッチドキャパシタ回路を用いた回路構成の一例を示す回路図Circuit diagram showing an example of a circuit configuration using a switched capacitor circuit of a residual calculation stage of a pipelined AD converter 図3に示す残差演算ステージのサンプリング期間中の回路状態を簡略的に示す図The figure which shows simply the circuit state during the sampling period of the residual calculation stage shown in FIG. 図3に示す残差演算ステージのホールド期間中の回路状態を簡略的に示す図The figure which shows simply the circuit state during the holding period of the residual calculation stage shown in FIG. 図3に示す残差演算ステージの残差演算の一例を説明する説明図Explanatory drawing explaining an example of the residual calculation of the residual calculation stage shown in FIG. 本発明に係るパイプライン型AD変換器の第1実施形態における回路構成例を示すブロック図The block diagram which shows the circuit structural example in 1st Embodiment of the pipeline type AD converter which concerns on this invention. 図7に示すパイプライン型AD変換器で使用される残差演算ステージの一回路構成例を示す回路図FIG. 7 is a circuit diagram showing a circuit configuration example of a residual calculation stage used in the pipeline type AD converter shown in FIG. 図8に示す残差演算ステージで使用される第1及び第2オペアンプの一回路構成例を示す回路図FIG. 8 is a circuit diagram showing a circuit configuration example of the first and second operational amplifiers used in the residual calculation stage shown in FIG. 図8に示す残差演算ステージの残差演算処理において各入力容量素子に供給される参照電圧と第1及び第2オペアンプの夫々の負荷合計をデコード値別に一覧表示する図FIG. 8 is a diagram showing a list of reference voltages supplied to each input capacitive element and total loads of the first and second operational amplifiers according to decode values in the residual calculation process of the residual calculation stage shown in FIG. 本発明に係るパイプライン型AD変換器の第2実施形態における回路構成例を示すブロック図The block diagram which shows the circuit structural example in 2nd Embodiment of the pipeline type AD converter which concerns on this invention. 図11に示すパイプライン型AD変換器で使用される第1及び第2オペアンプの一回路構成例を示す回路図FIG. 11 is a circuit diagram showing a circuit configuration example of first and second operational amplifiers used in the pipeline type AD converter shown in FIG.

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 device 30 of the present invention includes a residual calculation stage 31 and a final stage sub-AD connected in cascade. A converter 12 and a digital synthesis circuit 13 are provided. The AD conversion signal Dsub AD-converted by each residual calculation stage 31 and the sub AD converter 12 is combined by the digital combining circuit 13 and corresponds to the analog input voltage VIN input to the first residual calculation stage 31. The AD conversion signal Dout of the device 30 is output. The residual value calculated by the residual calculation stage 31 of each stage becomes the analog input voltage VIN of the next stage.

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 residual calculation stage 31 using the switched capacitor circuit used in the present embodiment. Similar to the conventional residual calculation stage 11 shown in FIG. 3, the residual calculation stage 31 includes a sub A / D conversion circuit unit 14, a multiplexer 18, an operational amplifier 19, a capacitive element Cf, three input capacitive elements Cs, and four switches. S0, three switches S1, switch S2, and switch S3, and further includes a first operational amplifier 32 for supplying a high-level reference voltage VHref to each input capacitance element Cs and a plurality of low-level reference voltages VLref. A second operational amplifier 33 for supplying to the element Cs is provided. The multiplexer 18, the operational amplifier 19, the capacitive element Cf, the three input capacitive elements Cs, the four switches S0, the three switches S1, the switch S2, and the switch S3 constitute a residual calculation circuit unit.

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 residual calculation stage 11 shown in FIG. 3, the residual calculation stage 31 switches on / off of the switches S0 to S3 in synchronization with the clock signal, and repeats sampling and holding, thereby performing the residual calculation stage. 31, an analog input voltage VIN input to the sub AD converter circuit section 14, an AD conversion signal Dsub output from the sub AD converter circuit 14, and a high level reference voltage VHref 1 and a low level reference voltage supplied from the first and second operational amplifiers 32 and 33, respectively. Based on VLref1 (the same voltage as the high-level reference voltage VHref and the low-level reference voltage VLref, respectively), the residual element calculation process is executed by charging and discharging the capacitive element Cf and the plurality of input capacitive elements Cs.

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 residual calculation stage 31 is the same in circuit configuration and residual calculation processing method except for the residual calculation stage 11 shown in FIG. 3 and the first and second operational amplifiers 32 and 33, overlapping description will be omitted. Omitted.

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 operational amplifiers 32 and 33. The circuit configurations of the first and second operational amplifiers 32 and 33 are basically the same circuit configuration. Hereinafter, the first operational amplifier 32 will be described as an example. The first operational amplifier 32 includes a bias current variable unit 34, a bias current control unit 35, a differential amplification unit 36, and an output buffer unit 37. Although not shown, the high level reference voltage VHref is input to the non-inverting input of the differential amplifier 36, and the high level reference voltage VHref1 output from the output buffer unit 37 is input to the inverting input of the differential amplifier 36. input. The differential amplifying unit 36 and the output buffer unit 37 can be realized by using a well-known circuit configuration, and are not limited to the circuit configuration shown in FIG. 9, and other circuit configurations may be adopted. Note that the gate voltages Vg1 to Vg5 of the MOS transistors constituting the differential amplifier 36 are respectively supplied from a bias generation circuit (not shown).

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 unit 34 includes four P-type MOS transistors QB0 to QB3, switches SB0 to SB3 having different gate widths, and an N-type MOS transistor Q0. The sources of the P-type MOS transistors QB0 to QB3 are connected to the high-potential power supply voltage, the drains are connected to one ends of the corresponding switches SB0 to SB3, and the gates are connected to the common bias voltage Vbias. The other ends of the switches SB0 to SB0 are commonly connected to the drain and gate of the N-type MOS transistor Q0, and the source of the N-type MOS transistor Q0 is connected to a low-potential power supply voltage.

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 differential amplifier 36, and the N-type MOS transistor Q0 is connected. The MOS transistor Q0 and the N-type MOS transistor Q3 form a current mirror circuit, and the bias current adjusted by the bias current variable unit 34 flows through the N-type MOS transistor Q3 of the differential amplifier 36. In the circuit configuration shown in FIG. 9, as the bias current increases, the gate voltages of the P-type MOS transistor Qp and the N-type MOS transistor Qn of the output buffer unit 37 are adjusted to increase the drive capability of the output current with respect to the load. To do.

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 current control unit 35.

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 current control unit 35 receives the 2-bit AD conversion signal Dsub output from the sub A / D conversion circuit unit 14, and one of the switches SB0 to SB3 according to the decoded value (0 to 3). Is turned on, and the remaining three are controlled to be turned off. Specifically, when the decode value is i (i = 0 to 3), the switch SBi is turned on.

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 residual calculation stage 11 described above, the first and second input capacitance elements Cs are held in the first and second input capacitance elements Cs at the time of holding according to the decode value (0 to 3) of the AD conversion signal Dsub. Either the high level reference voltage VHref1 or the low level reference voltage VLref1 output from the second operational amplifiers 32 and 33 is supplied. When the decode value is i (i = 0 to 3), the high level reference voltage VHref1 is supplied to the i input capacitance elements Cs, and the low level reference voltage VLref1 is supplied to the (3-i) input capacitance elements Cs. The three input capacitance elements Cs are charged.

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 operational amplifier 32 increases, and the input capacitive element Cs that supplies the low-level reference voltage VLref1 increases. As the number decreases, the load on the second operational amplifier 33 decreases. With the above configuration, the first operational amplifier 32 increases the bias current according to the size of the load as the decode value i increases, and the drive capability of the load in supplying the high-level reference voltage VHref1 increases. On the other hand, the second operational amplifier 33 has the on / off control of the switch SBi in the bias current variable unit 34 opposite to that of the first operational amplifier 32, and when the decode value is i (i = 0 to 3), the switch SBj (j = 3-i) is turned on. That is, in the second operational amplifier 33, as the decode value i is smaller, the bias current increases according to the magnitude of the load, and the drive capability of the load in supplying the low level reference voltage VLref1 increases.

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 operational amplifiers 32 and 33 are set so that the drive capability of the output buffer unit 37 changes in proportion to the size of each load by a bias current determined by the gate width. Are preset.

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 multiplexer 18 at the time of holding at each decode value i under the assumption. The high level reference voltage VHref1 or the low level reference voltage VLref1) and the total load of each of the first and second operational amplifiers 32 and 33 are displayed as a list.

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 operational amplifier 33 is different from the first operational amplifier 32 only in the on / off control of the switch SBi (i = 0 to 3) and the voltage of the reference voltage output from the output buffer unit 37. Since the basic circuit configuration is the same, redundant description is omitted. In addition, the bias current control unit 35 of the first operational amplifier 32 and the bias current control unit 35 of the second operational amplifier 33 may share one bias current control unit 35. In this case, the signal for controlling on / off of the switch SBi (i = 0 to 3) of the first operational amplifier 32 simultaneously controls on / off of the switch SBj (j = 3-i) of the second operational amplifier 33.

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 residual calculation stage 31 including the first and second operational amplifiers 32 and 33, the high level reference voltage VHref1 and the low level reference voltage VLref1 are supplied to the input capacitance element Cs at the time of holding. The bias current of each operational amplifier 32, 33 is optimized. In addition, since the drive capability of the operational amplifiers 32 and 33 is adjusted according to the size of the load, charging of each reference voltage to the input capacitance element Cs is not performed by adjusting the bias current and the residual calculation stage 11. The operational amplifiers 32 and 33 can be reduced in power consumption without affecting the residual calculation process.

〈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 operational amplifiers 32 and 33 for each residual calculation stage 31 has been described. However, in the second embodiment, a plurality of first and second operational amplifiers 32 and 33 are provided. Used in common in the residual calculation stage 31.

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 operational amplifiers 42 and 43 are used in common in all residual calculation stages 41, but all residual calculation stages 41 are used. May be divided into two or more groups, and one pair of first and second operational amplifiers 42 and 43 may be provided in each group.

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 residual calculation stage 41 used in the second embodiment is different from the residual calculation stage 31 used in the first embodiment in that the first and second operational amplifiers 32 and 33 are not individually provided. Other than that, the circuit configuration is the same as in the circuit configuration shown in FIG. 8, and the sub AD conversion circuit unit 14, the multiplexer 18, the operational amplifier 19, the capacitive element Cf, the three input capacitive elements Cs, the four switches S0, A switch S1, a switch S2, and a switch S3 are provided. The circuit elements and the circuit operation of the residual calculation stage 41 are the same as those of the residual calculation stage 31, and a duplicate description is omitted.

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 operational amplifiers 42 and 43 are respectively connected to the odd-numbered stages via the switch SW1. It is input to the residual calculation stage 41 and input to each of the even number of residual calculation stages 41 via the switch SW2.

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 residual calculation stage 41, the even-numbered residual calculation stage 41 becomes a hold period, and conversely, during the sampling period of each of the even-numbered residual calculation stages 41, Each residual calculation stage 41 is a hold period. Accordingly, the switch SW1 is controlled so as to be in the on state during the hold period of each of the odd-numbered residual calculation stages 41 and to be in the off state during the sampling period. On the other hand, the switch SW2 is controlled so as to be turned on during the hold period of each of the even-numbered residual calculation stages 41 and to be turned off during the sampling period. The on / off control of the switches SW1 and SW2 is controlled so that the on / off state is switched every half cycle of the clock cycle input to the device of the present invention or every multiple thereof.

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 operational amplifiers 42 and 43 used in the second embodiment are driven by the total sum of the capacitances of the input capacitance elements Cs of the odd-numbered or even-numbered residual calculation stages 41 to be charged at the time of holding, respectively. This is the maximum capacity load to be performed. When the number of odd-numbered stages and even-numbered stages excluding the final stage (final stage sub-AD converter 12) is different, the total of the capacitances of the input capacitive element Cs having the larger number of stages is the capacity to be driven. The maximum load value.

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 operational amplifiers 42 and 43 have a larger load maximum value driven by one operational amplifier 42 and 43 than the first embodiment. Therefore, at least the size of each transistor of the output buffer unit 47 is made larger than the circuit configuration of the first and second operational amplifiers 32 and 33 used in the first embodiment shown in FIG. It needs to be bigger. For this reason, as shown in FIG. 12, the parallel number m of the P-type MOS transistors QB0 to QBm-1 and the switches SB0 to SBm-1 constituting the bias current variable unit 44 is an odd number from 4 in the first embodiment. And it is increased according to the number of stages of even stages. For example, when the number of stages is 3, the maximum number of input capacitive elements Cs that are charged at one hold is 9, so that the parallel number is 10 and the bias current can be adjusted in 1 to 10 stages. Is preferred. Therefore, in the first embodiment, in the case of the same number of stages, the odd number of residual calculation stages 31 are used, and the parallel number of the three pairs of the first and second operational amplifiers 32 and 33 is 3 to 12 stages. Compared with the adjustment, the power consumption can be further reduced on average.

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 operational amplifiers 42 and 43 of the second embodiment, the bias current control unit 45 is similar to the bias current control unit 35 of the first embodiment, and the residual of the odd-numbered stage or even-numbered stage to be held. The AD conversion signal Dsub output from each sub AD conversion circuit unit 14 of the operation stage 41 may be input separately via a switch controlled in the same manner as the switches SW1 and SW2, as shown in FIG. As described above, the AD conversion signals DOsub and DEsub obtained by synthesizing the AD conversion signals Dsub output from the sub AD conversion circuit units 14 of the odd-numbered or even-numbered residual calculation stages 41 to be held through the digital combining circuit 13. It is good also as a structure which inputs.

〈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 conversion circuit unit 14 is not limited to two. As another circuit configuration of the switched capacitor circuit, for example, the circuit configuration disclosed in Patent Document 1 and a modified configuration thereof can be used. Furthermore, the number of the capacitive element Cf, the input capacitive element Cs, and the switches S0 to S3 used in the switched capacitor circuit can be appropriately changed according to the circuit configuration to be employed. Further, the capacitances of the plurality of input capacitance elements Cs are not the same as each other, and the input capacitance elements Cs weighted by a power of 2 may be used to suppress the number of use.

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 operational amplifiers 32 and 42 and the second operational amplifiers 33 and 43 are not limited to the circuit configuration shown in FIG. However, the configurations of the differential amplifiers 36 and 46 and the output buffer units 37 and 47 need to be circuit configurations capable of adjusting the drive capability of the load by changing the bias current.

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 variable units 34 and 44 of the first operational amplifiers 32 and 42 and the second operational amplifiers 33 and 43 are gates. The width is different, and one of a plurality of parallel P-type MOS transistors is selected so as to have a driving capability according to the size of the load that supplies the reference voltage. The same bias current may be adjusted by changing the combination of the number of parallel P-type MOS transistors selected in parallel (the degree of parallelism) and the selected gate width.

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 operational amplifiers 32 and 42 and the second operational amplifiers 33 and 43 are not adjusted by selection of the P-type MOS transistors QB0 to QB3 and QB0 to QBm-1 of the bias current variable units 34 and 44, The bias current flowing through the N-type MOS transistor Q3 can be adjusted by configuring the P-type MOS transistor as one and changing the current mirror ratio of the current mirror circuit formed by the N-type MOS transistors Q0 and Q3. You may make it do. In this case, the N-type MOS transistor Q3 is turned on / off by connecting a series circuit of the switches SB0-SB3, SB0-SBm-1 in parallel like the P-type MOS transistors QB0-QB3, QB0-QBm-1. Thus, the current mirror ratio may be adjusted.

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 AD converter 11, 31, 41: Residual calculation stage 12: Sub AD converter in the final stage 13: Digital synthesis circuit 14: Sub AD conversion circuit unit 15: Sub DA conversion circuit unit 16: Subtractor 17: Residual amplifier 18: Multiplexer 19-21: Operational amplifier 22: Comparator 30, 40: Pipeline type AD converter 32, 42 according to the present invention: First operational amplifier 33, 43: Second operational amplifier 34, 44 : Bias current variable section 35, 45: Bias current control section 36, 46: Differential amplification section 37, 47: Output buffer section Cf: Capacitance element Cs: Input capacitance element DEsub: AD conversion signal of even-numbered residual calculation stage (After synthesis)
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)

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。
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.
前記第1及び第2オペアンプは、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を特徴とする請求項1に記載のパイプライン型AD変換器。   2. The pipelined AD converter according to claim 1, wherein each of the first operational amplifier and the second operational amplifier is configured to be able to change the driving capability by adjusting a bias current. 3. 前記第1及び第2オペアンプは、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を特徴とする請求項2に記載のパイプライン型AD変換器。   3. The pipelined AD converter according to claim 2, wherein each of the first and second operational amplifiers is configured to be capable of adjusting the bias current by switching a parallel degree of a bias circuit. 4. 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を特徴とする請求項2または3に記載のパイプライン型AD変換器。   4. The pipeline type AD converter according to claim 2, wherein the adjustment of the bias current is executed at a timing of a half cycle of a synchronization signal used for residual calculation processing and a multiple thereof. 前記第1及び第2オペアンプは、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を特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載のパイプライン型AD変換器。
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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