JP2015076732A - Method of calibrating sample-hold circuit, calibration device, and sample-hold circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、サンプルホールド回路のキャリブレーションに関し、より詳細には、オペアンプによる増幅を利用して入力信号を出力変換するための回路(例えば、パイプライン型A/D変換器やΔΣA/D変換器など、また、それらに含まれるサンプルホールド回路やMultiple DAC(MDAC:乗算型デジタルアナログコンバータ)など)のキャリブレーション方法、キャリブレーション装置、およびサンプルホールド回路に関する。 The present invention relates to calibration of a sample and hold circuit, and more specifically, a circuit for converting an input signal to output using amplification by an operational amplifier (for example, a pipelined A / D converter or a ΔΣ A / D converter). Further, the present invention relates to a calibration method, a calibration apparatus, and a sample hold circuit of a sample hold circuit and a multiple DAC (MDAC: multiplication digital analog converter) included therein.
サンプルホールド回路の一例としてパイプライン型A/D変換器が挙げられる。このパイプライン型A/D変換器10として、例えば図21に示す回路が知られている(例えば特許文献1参照)。
図21は、パイプライン型A/D変換器10の一例を示す概略構成図である。
このパイプライン型A/D変換器10は、図21に示すように、Stage1からStageNまで、N段の単位ブロック100(1)〜100(N)が縦続接続されてなる。
An example of the sample and hold circuit is a pipeline A / D converter. As the pipeline type A /
FIG. 21 is a schematic configuration diagram illustrating an example of the pipeline type A /
As shown in FIG. 21, the pipeline type A /
各単位ブロック100(1)〜100(N)は同一構成を有するので、ここでは、StageI(単位ブロック100(I))の構成について説明する。
図21に示すように、StageIは、SSH(サブサンプルホールド)回路101と、SADC(サブADコンバータ)回路102と、DAC(D/Aコンバータ)回路103と、加算器104と、を含んで構成される。
Since the unit blocks 100 (1) to 100 (N) have the same configuration, the configuration of StageI (unit block 100 (I)) will be described here.
As shown in FIG. 21, Stage I includes an SSH (subsample hold)
StageIのSSH回路101は、前段の単位ブロックStageI−1から出力されるアナログ出力信号ResidueI−1を取り込む。
SADC回路102はSSH回路101で取り込んだアナログ出力信号ResidueI−1をデジタル信号DigitalIにA/D変換するものである。このデジタル信号DigitalIは、StageIの出力信号(DigitalI)として出力される。なお、このSADC回路102から出力されるデジタル信号DigitalIは、各Stage1〜StageNのSADC回路102から出力されるデジタル信号DigitalIとともに、所定の規則で足し合わされ、その結果がA/D変換の結果を表すデジタル出力信号として出力される。
The Stage I
The
DAC回路103はSADC回路102からのデジタル信号DigitalIに対応するアナログ信号を生成し、加算器104に出力する。
加算器104はSSH回路101で取り込んだアナログ信号からDAC回路103で生成されたアナログ信号を差し引き、その減算結果であるアナログ信号を、残余信号であるResidueIとして次段の単位ブロックStageI+1に出力するようになっている。この際、加算器104で差し引いて得た残余信号としてのアナログ信号(ResidueI)を、所定倍に増幅することで、次段の単位ブロックStageI+1の要求精度を上げずに、同一の単位ブロック(Stage)構成によりA/D変換することが可能となり、高精度のA/D変換を実現する。
The
The
ところで、一般的にSSH回路101、DAC回路103および加算器104は、一つのオペアンプと容量CAPとの組み合わせで構成される。このオペアンプと容量CAPとを組み合わせて構成される回路を、Multiple DAC(MDAC:乗算型デジタルアナログコンバータ)105と呼ぶ。
図22は、MDAC105の一例を示す概略構成図である。
Incidentally, the
FIG. 22 is a schematic configuration diagram illustrating an example of the
図22において、(a)は、サンプルフェーズ(SamplingPhase)における回路構成を示し、(b)は、ホールドフェーズ(HoldingPhase)における回路構成を示す。MDAC105は、変換クロック信号CLKに応じて図示しないスイッチなどを切り替えることによって、サンプルフェーズには図22(a)の回路を実現し、ホールドフェーズには図22(b)の回路を実現する。なお、図22(a)中のCsIの変数Iは、StageIを構成するCsであることを意味する。 22A shows a circuit configuration in the sample phase (SamplingPhase), and FIG. 22B shows a circuit configuration in the hold phase (HoldingPhase). The MDAC 105 realizes the circuit of FIG. 22A in the sample phase and the circuit of FIG. 22B in the hold phase by switching a switch or the like (not shown) according to the converted clock signal CLK. Note that the variable I of CsI in FIG. 22A means Cs constituting StageI.
図22に示すように、MDAC105は、同じ大きさの単位容量が並列に組み合わされてなるサンプリングキャパシタCsIと、オペアンプからなるMDAC−AMP11とMDAC−AMP11の入力端に存在する寄生容量Cpとから構成される。MDAC105は、入力される変換クロック信号CLKに応じてサンプルフェーズ(図22(a))およびホールドフェーズ(図22(b))を交互に実現するように動作する。 As shown in FIG. 22, the MDAC 105 includes a sampling capacitor CsI in which unit capacitors of the same size are combined in parallel, an MDAC-AMP11 formed of an operational amplifier, and a parasitic capacitor Cp present at the input terminal of the MDAC-AMP11. Is done. The MDAC 105 operates so as to alternately realize the sample phase (FIG. 22A) and the hold phase (FIG. 22B) in accordance with the input conversion clock signal CLK.
サンプルフェーズ(図22(a))では、前段の単位ブロックStageI−1のアナログ出力信号ResidueI−1をサンプリングキャパシタCsIに充電する。すなわち、サンプリングキャパシタCsIの一端にアナログ出力信号ResidueI−1を入力し、他端は、MDAC−AMP11の反転入力端子に接続する。このとき、MDAC−AMP11の入力端および出力端はグランドレベルにショートしておく。寄生容量Cpも同様にグランドレベルにショートされることになる。
In the sample phase (FIG. 22A), the sampling output CsI is charged with the analog output signal ResidueI-1 of the previous unit block StageI-1. That is, the analog output signal ResidueI-1 is input to one end of the sampling capacitor CsI, and the other end is connected to the inverting input terminal of the MDAC-AMP11. At this time, the input end and output end of the MDAC-
一方、ホールドフェーズ(図22(b))ではMDAC−AMP11の出力端と反転入力端とを容量Cfを介して接続する。また、容量Crは、図21のSADC回路102から出力されたデジタル信号DigitalIに応じて、容量Crを構成する複数の単位容量それぞれを、「+Vr」、「0」、「−Vr」のいずれかに接続する。すなわち、容量Crの一端は「+Vr」、「0」、「−Vr」のいずれかに接続し、他端はMDAC−AMP11の反転入力端に接続する。前記容量Cfおよび容量Crはそれぞれ前記サンプリングキャパシタCsIを構成する複数の単位容量のうちの一部で構成される。すなわちサンプリングキャパシタCsIは、ホールドフェーズでは、サンプリングキャパシタCsIを構成する単位容量の一部がMDAC−AMP11の出力端および反転入力端間を接続する容量Cfとして用いられ、残りの単位容量が容量Crとして用いられる。なお、ここでは、サンプリングキャパシタCsIを構成する複数の単位容量の一部を、容量Cfおよび容量Crとして用いる場合について説明したがこれに限定されるものではない。例えば、サンプリングキャパシタCsIを構成する複数の単位容量をそのまま容量Crとして用い、容量Cfは別途設けるように構成してもよい。
On the other hand, in the hold phase (FIG. 22B), the output terminal and the inverting input terminal of the MDAC-AMP 11 are connected via the capacitor Cf. In addition, the capacitor Cr is set to any one of “+ Vr”, “0”, and “−Vr” for each of a plurality of unit capacitors constituting the capacitor Cr according to the digital signal DigitalI output from the
MDAC−AMP11の出力は、次段の単位ブロックStageI+1を構成するMDAC105のサンプリングキャパシタCsI+1に接続され、StageIのMDAC−AMP11の出力が、アナログ出力信号ResidueIとして、次段のサンプリングキャパシタCsI+1に出力される。また、MDAC−AMP11の非反転入力端はグランドレベルに維持される。
The output of the MDAC-
このとき、MDAC−AMP11のDC(直流)ゲインを「a0」とすると、MDAC−AMP11の反転入力端の電圧Vaは、MDAC−AMP11の出力端の電圧Voutを用いて、次式(1)で表すことができる。
Va=−(1/a0)×Vout ……(1)
At this time, when the DC (direct current) gain of the MDAC-
Va = − (1 / a0) × Vout (1)
例えば、容量Crを構成する単位容量につながる電圧が全て零の場合、サンプルフェーズとホールドフェーズとにおける容量に蓄えられた電荷保存則から次式(2)が成り立つ。
CsI×Vin
=Cf(Vout−Va)+Cr(0−Va)+Cp(0−Va) ……(2)
For example, when the voltages connected to the unit capacitors constituting the capacitor Cr are all zero, the following equation (2) is established from the charge conservation law stored in the capacitors in the sample phase and the hold phase.
CsI × Vin
= Cf (Vout-Va) + Cr (0-Va) + Cp (0-Va) (2)
前記(1)および(2)式から、ホールドフェーズにおける、MDAC−AMP11の出力ResidueIすなわち、MDAC105の出力Voutは、次式(3)で表すことができる。
Vout
=(CsI/Cf)×{1/(1+1/(a0×f))}×Vin
……(3)
From the expressions (1) and (2), the output Residue I of the MDAC-
Vout
= (CsI / Cf) × {1 / (1 + 1 / (a0 × f))} × Vin
...... (3)
ここで、(3)式中の、「a0」は前述のようにMDAC−AMP11のDC(直流)ゲインを表す。また、「f」は、MDAC−AMP11のフィードバックファクタと呼ばれ、各容量Cr、Cf、Cpを用いて、次式(4)で表すことができる。
f=Cf/(Cr+Cf+Cp) ……(4)
式(3)で表される伝達関数において、入出力特性が理想的な場合には、式(3)は次式(5)と表すことができる。
Vout=(CsI/Cf)×Vin ……(5)
(3)および(5)式から、理想的な入出力特性を得るためには、MDAC−AMP11のDCGain「a0」は無限大まで大きい必要があることがわかる。
Here, “a0” in the expression (3) represents the DC (direct current) gain of the MDAC-
f = Cf / (Cr + Cf + Cp) (4)
In the transfer function represented by Expression (3), when input / output characteristics are ideal, Expression (3) can be expressed as the following Expression (5).
Vout = (CsI / Cf) × Vin (5)
From formulas (3) and (5), it can be seen that DCGain “a0” of MDAC-AMP11 needs to be large to infinity in order to obtain ideal input / output characteristics.
実際には、DCGain「a0」は必要な精度に応じて大きくすることになる。
一般的にAMPのDCGainを上げるためには多段化やカスコード化する必要がある。そのため、良好な安定性を保つことが難しくなったり出力振幅に制限を受けたりすることが問題となる。
この問題を解決するため、DCGain「a0」を大きくしなくても高いゲイン特性を有するMADC−AMP11を得る方法として、Summing Point Monitoring(以下、SPMという。)という手法が考案されている。
In practice, DCGain “a0” is increased according to the required accuracy.
In general, in order to increase the DCGain of AMP, it is necessary to make it multistage or cascode. Therefore, it becomes a problem that it is difficult to maintain good stability or the output amplitude is limited.
In order to solve this problem, a method called Summing Point Monitoring (hereinafter referred to as SPM) has been devised as a method of obtaining MADC-
図23は、図21のSPM手法を用いた乗算型DA変換器105の具体的回路の一例である。
図23(a)および(b)は、SPMを実現するための具体的な回路の一例であって、(a)はサンプルフェーズにおける回路構成、(b)はホールドフェーズにおける回路構成である。
FIG. 23 is an example of a specific circuit of the multiplying
FIGS. 23A and 23B are examples of specific circuits for realizing the SPM. FIG. 23A shows a circuit configuration in the sample phase, and FIG. 23B shows a circuit configuration in the hold phase.
この回路は、図23(b)のMDAC−AMP11のサミングポイントの電圧「−Δs」をGain−AMP12で取り出すことにより、MDAC−AMP11で発生するエラーを補正する。
図23(c)は、SPMを実現するための具体的な回路の別の一例である(例えば、非特許文献1参照)。
この回路は、容量Ce1でサンプリングした後に、容量Ce2で転送する離散型SC(switched capacitor)回路である。
This circuit corrects an error occurring in the MDAC-
FIG. 23C is another example of a specific circuit for realizing SPM (for example, see Non-Patent Document 1).
This circuit is a discrete SC (switched capacitor) circuit that samples with the capacitor Ce1 and then transfers with the capacitor Ce2.
しかしながら、このように、新たな容量を追加すると、この新たに追加した容量が起因となるノイズによりADC全体の特性が劣化するという問題がある。
また、MDAC−AMP11のDCGain「a0」が低い場合であってもMDAC−AMP11を高いゲイン特性に保つためには、例えば図23のような構成の場合には、Gain−AMP12が精度の良いゲイン特性を有する必要がある。しかしながら、実際には動作環境や製造工程時のばらつきによりそのような高い精度は実現できないという問題がある。
However, when a new capacitor is added as described above, there is a problem that the characteristics of the entire ADC deteriorate due to noise caused by the newly added capacitor.
Further, in order to keep the MDAC-
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、DA変換用アンプのゲイン特性が比較的低いサンプルホールド回路において、より高いゲイン特性を実現することの可能なサンプルホールド回路のキャリブレーション方法、キャリブレーション装置、およびサンプルホールド回路を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a problem, and a sample-and-hold circuit calibration method capable of realizing higher gain characteristics in a sample-and-hold circuit having a relatively low gain characteristic of a DA conversion amplifier. A calibration device and a sample hold circuit are provided.
本発明の一態様は、変換対象のアナログ信号のうち所定の振幅のアナログ信号についてのみその振幅をランダム変数で変動させ、変動させた前記変換対象のアナログ信号をサンプルホールド回路によりデジタル信号に変換し、変換後のデジタル信号に前記ランダム変数を乗算してその乗算信号を積算し、当該積算結果を、前記変換対象のアナログ信号をデジタル信号に変換する際のエラー信号とすることを特徴とするサンプルホールド回路のキャリブレーション方法、である。 According to one aspect of the present invention, only an analog signal having a predetermined amplitude among analog signals to be converted is varied with a random variable, and the varied analog signal to be converted is converted into a digital signal by a sample and hold circuit. The sample is characterized in that the converted digital signal is multiplied by the random variable and the multiplied signal is integrated, and the integration result is used as an error signal when the analog signal to be converted is converted into a digital signal. A calibration method for the hold circuit.
前記所定の振幅のアナログ信号は、振幅が0近傍のアナログ信号であってよい。
前記所定の振幅のアナログ信号は、定期的に入力される一定の振幅のアナログ信号であってよい。
前記変換対象のアナログ信号が予め設定したエラー積算領域内の値であるか否かを判定し、前記変換対象のアナログ信号が前記エラー積算領域内の値でないと判定した場合は前記乗算信号を積算せず、前記変換対象のアナログ信号が前記エラー積算領域内の値であると判定したときにのみ、前記乗算信号を積算するものであってよい。
The analog signal having the predetermined amplitude may be an analog signal having an amplitude close to zero.
The analog signal having a predetermined amplitude may be an analog signal having a constant amplitude that is periodically input.
It is determined whether or not the analog signal to be converted is a value within a preset error integration region. If it is determined that the analog signal to be converted is not a value within the error integration region, the multiplication signal is integrated. Instead, the multiplication signal may be integrated only when it is determined that the analog signal to be converted is a value within the error integration region.
前記変換対象のアナログ信号が前記エラー積算領域内の値であるか否かは、前記変換対象のアナログ信号または当該変換対象のアナログ信号を変換したデジタル信号に基づき判定するようにしてもよい。
前記変換対象のアナログ信号が前記エラー積算領域内の値ではないと判定された場合は、前回の積算結果を保持するようにしてもよい。
Whether or not the analog signal to be converted is a value in the error integration region may be determined based on the analog signal to be converted or a digital signal obtained by converting the analog signal to be converted.
If it is determined that the analog signal to be converted is not a value within the error integration region, the previous integration result may be held.
前記サンプルホールド回路はアンプを有し、当該アンプのゲインを、前記エラー信号に基づき調整するようになっていてよい。
前記アンプはゲインアンプであってよい。
前記サンプルホールド回路は、アンプを有する乗算型デジタルアナログコンバータを含み、前記乗算型デジタルアナログコンバータに含まれるアンプのゲインを、前記エラー信号に基づき調整するようになっていてよい。
The sample hold circuit may include an amplifier, and the gain of the amplifier may be adjusted based on the error signal.
The amplifier may be a gain amplifier.
The sample and hold circuit may include a multiplying digital-to-analog converter having an amplifier, and adjust the gain of the amplifier included in the multiplying-type digital to analog converter based on the error signal.
前記サンプルホールド回路に含まれるアンプのうちのメインアンプのゲインを、前記エラー信号に基づき調整するようになっていてよい。
本発明の他の態様は、変換対象のアナログ信号のうち所定の振幅のアナログ信号についてのみその振幅をランダム変数で変動させるランダム変動部(例えば図17に示す、SADC回路に含まれるADC)と、前記ランダム変動部により振幅が変動された前記変換対象のアナログ信号をサンプルホールド回路(例えば図7に示す、MDAC110)でデジタル信号に変換した変換結果に前記ランダム変数を乗算する乗算部(例えば図7に示す、乗算器35)と、前記乗算部での乗算結果を積算する積算部(例えば図7に示すアキュームレータ21)と、を備えることを特徴とするキャリブレーション装置、である。
The gain of the main amplifier among the amplifiers included in the sample and hold circuit may be adjusted based on the error signal.
In another aspect of the present invention, a random fluctuation unit (for example, an ADC included in the SADC circuit shown in FIG. 17) that changes the amplitude of only an analog signal having a predetermined amplitude among analog signals to be converted with a random variable; A multiplication unit (for example, FIG. 7) that multiplies the random variable by a conversion result obtained by converting the analog signal to be converted whose amplitude has been varied by the random variation unit into a digital signal by a sample and hold circuit (for example,
前記所定の振幅のアナログ信号は、振幅が0近傍のアナログ信号であってよい。
前記所定の振幅のアナログ信号は、定期的に入力される一定の振幅のアナログ信号であってよい。
前記積算部は、前記変換対象のアナログ信号が、予め設定したエラー積算領域内の値であるか否かを判定し、前記変換対象のアナログ信号が前記エラー領域内の値でないと判定された場合は前記乗算部での乗算結果を積算せず、前記変換対象のアナログ信号が前記エラー積算領域内の値であると判定された場合にのみ前記乗算部での乗算結果を積算するようになっていてよい。
The analog signal having the predetermined amplitude may be an analog signal having an amplitude close to zero.
The analog signal having a predetermined amplitude may be an analog signal having a constant amplitude that is periodically input.
The integration unit determines whether the analog signal to be converted is a value within a preset error integration region, and when it is determined that the analog signal to be converted is not a value within the error region Does not accumulate the multiplication results in the multiplication unit, and only accumulates the multiplication results in the multiplication unit when it is determined that the analog signal to be converted is a value within the error accumulation region. It's okay.
前記サンプルホールド回路はアンプを有し、前記積算部の積算結果を前記サンプルホールド回路でのエラー信号として、前記アンプのゲインを前記積算結果に基づき調整する調整部(例えば図7に示す、アップダウンカウンタ22およびDAC23)を備えていてよい。
前記アンプは、ゲインアンプ(例えば図7に示すGain−AMP12)であってよい。
The sample hold circuit includes an amplifier, and an adjustment unit (for example, an up / down adjustment shown in FIG. 7) that adjusts the gain of the amplifier based on the integration result by using the integration result of the integration unit as an error signal in the sample hold circuit. A
The amplifier may be a gain amplifier (for example, Gain-
前記サンプルホールド回路は、アンプを有する乗算型デジタルアナログコンバータ(例えば図7に示す、MDAC110)を含み、前記調整部は、前記乗算型デジタルアナログコンバータに含まれるアンプ(例えば図7に示す、MDAC−AMP11)のゲインを、前記エラー信号に基づき調整するようになっていてよい。
前記調整部は、前記サンプルホールド回路に含まれるアンプのうちのメインアンプのゲインを、前記エラー信号に基づき調整するようになっていてよい。
The sample and hold circuit includes a multiplying digital-to-analog converter (for example,
The adjustment unit may adjust a gain of a main amplifier among amplifiers included in the sample hold circuit based on the error signal.
本発明の他の態様は、上記いずれかの態様に記載のキャリブレーション装置を有することを特徴とするサンプルホールド回路、である。 Another aspect of the present invention is a sample and hold circuit including the calibration device according to any one of the above aspects.
本発明の一態様によれば、新たに容量を追加することなく、より高精度にアナログデジタル変換を行なうことができる。特に、入力信号が所定の振幅であるときにのみアナログ信号を振幅させて得た信号を積算しこれをエラー信号としてキャリブレーションを行なうようにしているため、効率よくキャリブレーションを行なうことができる。さらに、変換対象のアナログ信号が所定のエラー積算領域内であるときにのみ積算するため、効率的な積算を行なうことができ、結果的にキャリブレーション時間を短縮することができる。 According to one embodiment of the present invention, analog-digital conversion can be performed with higher accuracy without newly adding a capacitor. In particular, since the signals obtained by amplifying the analog signals are integrated only when the input signal has a predetermined amplitude and the calibration is performed using this as an error signal, the calibration can be performed efficiently. Furthermore, since integration is performed only when the analog signal to be converted is within a predetermined error integration region, efficient integration can be performed, and as a result, the calibration time can be shortened.
以下、本発明の実施形態を説明する。
なお、以下の説明では各ステージが2.5bit構成のパイプライン型A/D変換器を例に説明するが、これに限るものではなく、2.5bitでなくても良いし、パイプライン型A/D変換器でなくても良い。
図1は、本発明におけるサンプルホールド回路のキャリブレーション方法を適用したパイプライン型A/D変換器1の一例を示す概念図である。
Embodiments of the present invention will be described below.
In the following description, a pipeline type A / D converter in which each stage has a 2.5 bit configuration will be described as an example. However, the present invention is not limited to this, and may not be 2.5 bit. It does not have to be a / D converter.
FIG. 1 is a conceptual diagram showing an example of a pipelined A /
パイプライン型A/D変換器1は、図21に示したパイプライン型A/D変換器10と比較して、MDAC105の代わりに、MDAC110を備えるところが異なる。なお、図21に示したパイプライン型A/D変換器10と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
The pipeline type A /
次に、本発明におけるSPMの概念を説明する。
図2は、SPMを用いたMDAC110の一例を示す概略構成図である。
SPMは、図2に示すように、通常のDACに対してサミングポイント(Summing Point:加算点)Psumと呼ばれるMDAC−AMP11の入力端の電圧VaをモニタするためのゲインアンプであるGain−AMP12を使用する点に特徴がある。
Next, the concept of SPM in the present invention will be described.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram illustrating an example of the
As shown in FIG. 2, the SPM includes a gain amplifier AMP12 which is a gain amplifier for monitoring the voltage Va at the input terminal of the MDAC-
このGain−AMP12は、サンプルフェーズにおいては入出力端がグランドレベルにショートされ、ホールドフェーズでは入力端がサミングポイントPsumに接続され、出力端は、次段の単位ブロックStageI+1を構成するMDAC110のサンプリングキャパシタCsI+1に接続される。つまり、サンプルフェーズ(図2(a))およびホールドフェーズ(図2(b))を交互に繰り返すことにより、サミングポイントPsumの電圧VaをGain−AMP12で増幅した信号、すなわち(1/f′)×Vaを次段のサンプリングキャパシタCsI+1で蓄積する。
The gain-
この図2に示すSPMを用いたMDAC110におけるMDAC−AMP11の出力Vout(MDAC)は、Gain−AMP12をもたない図22に示すMDAC105におけるMDAC−AMP11の出力Voutと同一となるため、前記(3)式から次式(6)で表すことができる。
Vout(MDAC)
=(CsI/Cf)×{1/(1+1/(a0×f))}×Vin
……(6)
The output Vout (MDAC) of the MDAC-
Vout (MDAC)
= (CsI / Cf) × {1 / (1 + 1 / (a0 × f))} × Vin
...... (6)
一方で、Gain−AMP12の出力Vout(SPM)は、このGain−AMP12のゲインを1/f′とすると、次式(7)で表すことができる。
Vout(SPM)
=(1/f′)×Va
=−1/(a0×f′)×Vout(MDAC) ……(7)
On the other hand, the output Vout (SPM) of the Gain-
Vout (SPM)
= (1 / f ') x Va
= -1 / (a0 * f ') * Vout (MDAC) (7)
図2に示すSPMを用いたMDAC110において、MDAC−AMP11の出力Vout(MDAC)とGain−AMP12の出力Vout(SPM)との差が、この単位ブロックStageIのトータルの出力となるため、単位ブロックStageIの出力Voutは、次式(8)で表すことができる。
Vout
=Vout(MDAC)−Vout(SPM)
=Vout(MDAC)+1/(a0×f′)×Vout(MDAC)
=(CsI/Cf)×{1/(1+1/(a0×f))}
×{1+1/(a0×f′)}×Vin ……(8)
In the
Vout
= Vout (MDAC) -Vout (SPM)
= Vout (MDAC) + 1 / (a0 * f ') * Vout (MDAC)
= (CsI / Cf) × {1 / (1 + 1 / (a0 × f))}
× {1 + 1 / (a0 × f ′)} × Vin (8)
ここで、「f′」が「f」に等しいときには、(8)式は次式(9)と表すことができる。
Vout=(CsI/Cf)×Vin ……(9)
式(9)から、SPMにおける単位ブロックStageIの出力Voutは、MDAC−AMP11のDCGain「a0」によらないことがわかる。すなわち、DCGain「a0」が低い場合であっても高いゲイン特性を保つことが可能となる。
Here, when “f ′” is equal to “f”, the equation (8) can be expressed as the following equation (9).
Vout = (CsI / Cf) × Vin (9)
From Expression (9), it can be seen that the output Vout of the unit block StageI in the SPM does not depend on the DCGain “a0” of the MDAC-AMP11. That is, it is possible to maintain high gain characteristics even when DCGain “a0” is low.
<Gain−AMP12の概念図>
図3は、本発明におけるパイプライン型A/D変換器1(図1)を構成するGain−AMP12の一例を示す概念図である。
本発明におけるパイプライン型A/D変換器1は、Stage1(100(1))については、MDACとして、図2に示すMDAC110を搭載し、且つそのGain−AMP12として、図3に示すGain−AMPを用いている。Stage2(100(2))〜StageN(100(N))については、図22に示す、Gain−AMP12を持たないMDACを搭載している。
<Conceptual diagram of Gain-AMP12>
FIG. 3 is a conceptual diagram showing an example of the Gain-
The pipeline type A /
つまり、パイプライン型A/D変換器1では、Stage1(100(1))が最も高いDCGain「a0」を要求される。そのため、本実施形態では、Stage1(100(1))についてのみ、MDACとして図2に示すMDAC110を搭載し、且つそのGain−AMP12として図3に示すGain−AMPを用いている。これに限るものではなく、全てのStage1(100(1))〜StageN(100(N))またはいずれか複数のStageについて、MDACとして図2に示すMDAC110を搭載し、且つそのGain−AMP12として図3に示すGain−AMPを用いることも可能である。
That is, in the pipeline type A /
なお、前記各図では、説明を簡略化するためにシングルエンド回路で構成した場合について説明したが、図3では全差動回路で構成した場合について説明する。
本発明におけるGain−AMP12は、図3に示すように、サミングポイントPsumに接続される、Nチャネル型MOSトランジスタで構成される、差動のMOSトランジスタMx1およびMx2を有し、出力に接続するMOSトランジスタMy1およびMy2と、電流値可変の電流源I1、I2、I3と、を含んで構成される非離散型の、ゲイン調整可能なゲインアンプであり、キャップレスのゲインアンプである。ここでいう、非離散型のゲインアンプとは、スイッチング動作なく連続的に入力信号を出力に増幅するアンプのことをいう。
In each of the above drawings, the case where the circuit is configured with a single-ended circuit has been described for the sake of simplification of the description, but FIG.
As shown in FIG. 3, the Gain-
なお、MOSトランジスタMx1、Mx2、My1およびMy2は同一機能構成を有するMOSトランジスタで構成される。
すなわち、Gain−AMP12は、図3に示すように、直列に接続されたMOSトランジスタMy2およびMx2と、直列に接続されたMOSトランジスタMy1およびMx1とが電源VDDおよび接地GND間に並列に接続され、さらに、MOSトランジスタMx1およびMx2と接地GND間に、電流源I3が介挿されている。
The MOS transistors Mx1, Mx2, My1, and My2 are composed of MOS transistors having the same functional configuration.
That is, in the Gain-
また、MOSトランジスタMy1およびMx1の接続点がGain−AMP12の一方の出力端Poutとなり、さらにMOSトランジスタMy1と並列に電流源I1が接続される。同様に、MOSトランジスタMy2およびMx2の接続点がGain−AMP12の他方の出力端Noutとなり、さらにMOSトランジスタMy2と並列に電流源I2が接続される。
The connection point between the MOS transistors My1 and Mx1 is one output terminal Pout of the Gain-
そして、MOSトランジスタMx2のゲートが、Gain−AMP12の一方の入力端Pinに接続され、MOSトランジスタMx1のゲートが、Gain−AMP12の他方の入力端Ninに接続される。これら入力端Pin/Ninは、図2におけるGain−AMP12の入力端に該当しサミングポイントPsumに接続される。
また、MOSトランジスタMy1およびMy2のゲートは、それぞれMOSトランジスタが飽和領域に入るのに十分な固定電圧Vb1、Vb2に接続される。
The gate of the MOS transistor Mx2 is connected to one input terminal Pin of the Gain-AMP12, and the gate of the MOS transistor Mx1 is connected to the other input terminal Nin of the Gain-AMP12. These input terminals Pin / Nin correspond to the input terminals of the Gain-
The gates of the MOS transistors My1 and My2 are connected to fixed voltages Vb1 and Vb2 sufficient for the MOS transistors to enter the saturation region, respectively.
さらに、出力端PoutおよびNoutは、図2におけるGain−AMP12の出力端に該当し、次段のサンプリングキャパシタCsI+1に接続される。
図3に示すGain−AMP12のゲインは、MOSトランジスタMx1およびMx2の相互コンダクタンスをそれぞれgmx、MOSトランジスタMy1およびMy2の相互コンダクタンスをそれぞれgmyとすると、次式(10)で表すことができる。
1/f′=gmx/gmy ……(10)
Furthermore, the output terminals Pout and Nout correspond to the output terminal of the Gain-
The gain of the Gain-
1 / f '= gmx / gmy (10)
Gain−AMP12のMOSトランジスタMx1、Mx2、My1、My2は全て同種のMOSトランジスタで構成されており同一機能構成を有する。そのため、Gain−AMP12の特性が、プロセスのばらつきの影響を受けにくいことに特徴がある。なお、電流源I1、I2、I3はそれぞれMOSトランジスタで構成することもできる。また、電流源I3をMOSトランジスタで構成すると、電源VDDの電源電圧から接地GNDまで3つのMOSトランジスタで接続される単純な増幅器が構成されるため、入出力振幅に電源電圧やMOSトランジスタの動作点などの制限をうけにくいという効果も有する。
The Gain-AMP12 MOS transistors Mx1, Mx2, My1, and My2 are all composed of the same type of MOS transistors and have the same functional configuration. Therefore, the characteristics of Gain-
ここで、一般的にMOSトランジスタの相互コンダクタンスgmは、MOSトランジスタのサイズをW/L(WはMOSトランジスタのゲート幅、LはMOSトランジスタのゲート長)、MOSトランジスタに流れる電流をiとすると、次式(11)で表すことができる。なお、(11)式中のKは、プロセスに依存した定数である。
gm=2×{K×(W/L)×i}1/2 ……(11)
Here, generally, the mutual conductance gm of a MOS transistor is expressed as follows: the size of the MOS transistor is W / L (W is the gate width of the MOS transistor, L is the gate length of the MOS transistor), and the current flowing through the MOS transistor is i. It can represent with following Formula (11). In the equation (11), K is a constant depending on the process.
gm = 2 × {K × (W / L) × i} 1/2 (11)
すなわち、MOSトランジスタの相互コンダクタンスgmの値は、MOSトランジスタに流れる電流iの1/2乗に対して比例関係にある。このことから電流源I1、I2、I3の電流値を細かく調整することにより、相互コンダクタンスgmの値を変化させることで、Gain−AMP12のゲイン1/f′を変化させることが可能となることがわかる。
That is, the value of the mutual conductance gm of the MOS transistor is proportional to the 1/2 power of the current i flowing through the MOS transistor. From this, it is possible to change the
<Gain−AMP12のその他の例の概念図>
なお、上記実施形態では、Gain−AMP12を、Nチャネル型MOSトランジスタで構成した場合について説明したが、Pチャネル型MOSトランジスタで構成することも可能である。
図4は、本発明におけるGain−AMP12のその他の例を示す概念図である。
図4に示すGain−AMP12は、サミングポイントPsumに接続され、Pチャネル型MOSトランジスタで構成される、差動のMOSトランジスタMx1およびMx2と、出力に接続するMOSトランジスタMy1およびMy2と、電流値可変の電流源I1、I2、I3と、を含んで構成する。なお、MOSトランジスタMx1、Mx2、My1およびMy2は同一機能構成を有するPチャネル型MOSトランジスタで構成される。
<Conceptual diagram of other example of Gain-AMP12>
In the above embodiment, the case where the Gain-
FIG. 4 is a conceptual diagram showing another example of Gain-
The Gain-
すなわち、Gain−AMP12は、図4に示すように、直列に接続されたMOSトランジスタMx2およびMy2と、直列に接続されたMOSトランジスタMx1およびMy1とが電源VDDおよび接地GND間に並列に接続され、さらに、MOSトランジスタMx1およびMx2と電源VDDとの間に、電流源I3が介挿されている。
また、MOSトランジスタMx1およびMy1の接続点がGain−AMP12の一方の出力端Poutとなり、さらにMOSトランジスタMy1と並列に電流源I1が接続される。同様に、MOSトランジスタMx2およびMy2の接続点がGain−AMP12の他方の出力端Noutとなり、さらにMOSトランジスタMy2と並列に電流源I2が接続される。
That is, as shown in FIG. 4, the Gain-
The connection point between the MOS transistors Mx1 and My1 is one output terminal Pout of the Gain-
そして、MOSトランジスタMx2のゲートが、Gain−AMP12の一方の入力端Pinに接続され、MOSトランジスタMx1のゲートが、Gain−AMP12の他方の入力端Ninに接続される。
これら入力端Pin/Ninは、図2におけるGain−AMP12の入力端に該当しサミングポイントPsumに接続される。
The gate of the MOS transistor Mx2 is connected to one input terminal Pin of the Gain-AMP12, and the gate of the MOS transistor Mx1 is connected to the other input terminal Nin of the Gain-AMP12.
These input terminals Pin / Nin correspond to the input terminals of the Gain-
また、MOSトランジスタMy1およびMy2のゲートは、それぞれMOSトランジスタが飽和領域に入るのに十分な固定電圧Vb3、Vb4に接続される。
さらに、出力端PoutおよびNoutは、図2におけるGain−AMP12の出力端に該当し次段のサンプリングキャパシタCsI+1に接続される。
以上の構成とすることによって、Gain−AMP12をNチャネル型MOSトランジスタで構成した場合と同等の作用効果を得ることができる。
なお、図3、図4において、電流源I1〜I3は、それぞれMOSトランジスタで構成することも可能である。
The gates of the MOS transistors My1 and My2 are connected to fixed voltages Vb3 and Vb4 sufficient for the MOS transistors to enter the saturation region, respectively.
Further, the output terminals Pout and Nout correspond to the output terminal of the Gain-
With the above configuration, it is possible to obtain the same operational effects as when the Gain-
3 and 4, each of the current sources I1 to I3 can be configured by a MOS transistor.
<キャリブレーション装置>
次に、図3に示すGain−AMP12を有するMDAC110を備えたパイプライン型A/D変換器1における、Gain−AMP12のゲイン1/f′の調整を行う回路、すなわち、パイプライン型A/D変換器1のゲイン調整を行なう、キャリブレーション装置について説明する。
<Calibration device>
Next, a circuit for adjusting the
<ランダム信号加算方式のキャリブレーション装置>
図5は、Gain−AMP12を有するパイプライン型A/D変換器1のゲイン調整を行なう、キャリブレーション装置の一例を示す概略構成図である。図5に示すキャリブレーション装置は、ランダム信号を入力信号Vinに加算してキャリブレーションを行なうものである。このように、ランダム信号を入力信号Vinに加算してキャリブレーションを行なう方式を、ランダム信号加算方式という。
<Random signal addition type calibration device>
FIG. 5 is a schematic configuration diagram illustrating an example of a calibration apparatus that performs gain adjustment of the pipelined A /
図5に示す、ランダム信号加算方式によるキャリブレーション装置において、パイプライン型A/D変換器1は、前述のように、図1に示すパイプライン型A/D変換器1を構成するMADC110においてStage1では、MADC110として図2に示すMDACを搭載し、そのGain−AMP12として図3に示す単純な構成のGain−AMPを用いている。
In the calibration apparatus using the random signal addition method shown in FIG. 5, the pipeline type A /
図3においてGain−AMP12のゲイン「1/f′」がMDAC11のフィードバックファクタの逆数「1/f」と異なっており、そのため、パイプライン型A/D変換器1の入出力特性が非線形であるとすると、この場合の入出力特性は、次式(12)に示すように仮定することができる。
Vout(ADC)=(1−α)×Vin(ADC) ……(12)
In FIG. 3, the gain “1 / f ′” of the Gain-
Vout (ADC) = (1−α) × Vin (ADC) (12)
(12)式中のαはGain−AMP12のゲイン「1/f′」とMDAC110のフィードバックファクタの逆数「1/f」を使って以下の通り表すことができる。
α=Cf/Cs×(1/a0)×(1/f−1/f′) ……(13)
ここで、「1」か「−1」からなるランダム変数PNを、ある電圧Vcalに乗じた信号PN×Vcalを入力信号Vinに加算し、加算したアナログ信号Vin(ADC)をパイプライン型A/D変換器1に入力する。電圧Vcalは、例えば必要な入力振幅や補正にかかる時間に基づいて設定すればよい。
Α in the equation (12) can be expressed as follows using the gain “1 / f ′” of Gain-
α = Cf / Cs × (1 / a0) × (1 /
Here, a random variable PN composed of “1” or “−1” is added to a signal PN × Vcal obtained by multiplying a certain voltage Vcal to the input signal Vin, and the added analog signal Vin (ADC) is added to the pipeline type A / Input to
なお、ここでは、ランダム変数PNを「1」か「−1」としているが、これに限定されるものではなく、0を基準に、プラス方向およびマイナス方向にある値だけ変動させた値であって、ランダム変数の平均値が零となる値であればよい。
パイプライン型A/D変換器1を通してアナログデジタル変換された後、パイプライン型A/D変換器1から出力されるアナログ信号Vin(ADC)相当のデジタル信号Vout(ADC)から、入力信号Vinに加算したアナログ信号(PN×Vcal)相当のデジタル信号を差し引くと、差し引いた結果、すなわち、出力Voutは次式(14)で表すことができる。
Vout=Vin−α×(Vin+PN×Vcal) ……(14)
Here, although the random variable PN is set to “1” or “−1”, it is not limited to this, and is a value that is changed by a value in the plus direction and the minus direction with reference to 0. Thus, it is sufficient that the average value of the random variables is zero.
After analog-to-digital conversion through the pipeline type A /
Vout = Vin−α × (Vin + PN × Vcal) (14)
ここで、入力信号Vinに加算したアナログ信号(PN×Vcal)を演算する際に用いたランダム変数PNを、(14)式で表される出力Voutに乗じると、前述のように、ランダム変数PNは「1」または「−1」であってPN×PN=1であるため、次式(15)で表すことができる。
PN×Vout
=PN×Vin(1−α)−αVcal ……(15)
入力信号Vinにランダム変数PNを乗じたPN×Vinは、長期的に平均化してみると零となるため、結局、(15)式は(16)式と表すことができる。
PN×Vout=−αVcal ……(16)
Here, when the random variable PN used when calculating the analog signal (PN × Vcal) added to the input signal Vin is multiplied by the output Vout represented by the equation (14), as described above, the random variable PN Is “1” or “−1” and PN × PN = 1, and can be expressed by the following equation (15).
PN x Vout
= PN × Vin (1-α) −αVcal (15)
Since PN × Vin obtained by multiplying the input signal Vin by the random variable PN becomes zero when averaged over a long period of time, the equation (15) can be expressed as the equation (16) after all.
PN × Vout = −αVcal (16)
ここで、アキュームレータ(accumulator)21と、長期的に信号PN×Vout(=−α×Vcal=Verr)を検出するアップダウンカウンタ(up/dn counter)22と、DAC(D/Aコンバータ)23と、を使って、Verr(エラー信号)がゼロになるように、パイプライン型A/D変換器1を構成する各MDAC110のGain−AMP12のゲインを調整する。
Here, an
すなわち、アキュームレータ21では、入力したエラー信号Verrを積算し、アップダウンカウンタ22では、積算値がゼロより小さい時、式(13)から1/f′が1/fより大きいとみなすことができるのでGain−AMP12のゲインを小さくする指令信号を出力する。逆にアキュームレータ21での積算値がゼロより大きい時、式(13)から1/f′が1/fより小さいとみなすことができるのでGain−AMP12のゲインを大きくする指令信号を出力する。
That is, the
DAC23では、アップダウンカウンタ22の指令信号に応じて電流源I1〜I3の電流値を調整する。例えば、1/f′を低下させる場合には、電流源I1、I2およびI3の電流量を減少させ、MOSトランジスタMx1およびMx2の相互コンダクタンスgmxを減少させることにより1/f′を低下させる。逆に、電流源I1、I2およびI3の電流量を増加させ、MOSトランジスタMx1およびMx2の相互コンダクタンスgmxを増加させることにより1/f′を増加させる。
The
以上のようにGain−AMP12のゲインを調整すると、α=0となる。
したがって、α=0を、(14)式に代入すると、(14)式はVout=Vinとなる。すなわち、入力信号Vinを理想的にアナログデジタル変換したことと等価になる。
なお、図5に示す、ランダム信号加算方式によるキャリブレーション装置において、31は、図示しないランダム信号発生回路などで発生されるランダム変数PNと、予め設定された電圧Vcalとを乗算する演算器、32は、パイプライン型A/D変換器1への入力信号Vinと、乗算器31の演算結果PN×Vcalとを加算し加算結果Vin′をパイプライン型A/D変換器1に出力する加算器、33は、前記ランダム信号発生回路などで発生されるランダム変数PNの負値(−PN)と予め設定された電圧Vcalと乗算する乗算器、34は、乗算器33の演算結果(−PN×Vcal)とパイプライン型A/D変換器1の出力Vout(ADC)とを加算し、出力Voutとして出力する加算器、35は、前記ランダム信号発生回路などで発生されるランダム変数PNと加算器34から出力される出力Voutとを乗算する乗算器である。
When the gain of Gain-
Therefore, if α = 0 is substituted into the equation (14), the equation (14) becomes Vout = Vin. That is, this is equivalent to ideal analog-digital conversion of the input signal Vin.
In the calibration apparatus using the random signal addition method shown in FIG. 5, 31 is a computing unit that multiplies a random variable PN generated by a random signal generation circuit (not shown) and the like, and a preset voltage Vcal, 32 Is an adder that adds the input signal Vin to the pipeline type A /
また、図5のキャリブレーション装置においては、Gain−AMP12のゲインを調整したが、これに限るものではなく、例えば、図2のMDAC−AMP11のゲインを調整しても良い。この場合には、Gain−AMP12のゲイン調整を行なう場合と同様の手順でMDAC−AMP11のゲインを調整すればよい。
以上説明したように、図5に示す、ランダム信号加算方式によるキャリブレーション装置を用いることによって、パイプライン型A/D変換器1では、新たに容量を追加することなく、正確なアナログデジタル変換を行うことができ、また、MDAC−AMP11のDCgain「a0」が低くても、正確なアナログデジタル変換を行うことができる。したがって、ノイズの増加を抑制しつつ、精度のよいアナログデジタル変換を実現することができる。
In the calibration device of FIG. 5, the gain of Gain-
As described above, by using the calibration apparatus based on the random signal addition method shown in FIG. 5, the pipeline type A /
また、例えば、図23のSPMを実現する乗算型DA変換器の回路のように、MDAC−AMP11の出力をフィードバックすることによりゲインを調整してGain−AMP12のゲイン「1/f′」を作る方法に比較して、本実施形態におけるGain−AMP12は図3に示すように、回路構成が単純である。そのため、消費電力を小さく抑えることができる。
Further, for example, as in the circuit of the multiplying DA converter that realizes the SPM of FIG. 23, the gain is adjusted by feeding back the output of the MDAC-
また、MDAC−AMP11のDCgain「a0」が比較的小さい場合であっても的確にアナログデジタル変換を行うことができるため、MDAC−AMP11のDCgain「a0」を小さく抑えることができる。そのため、MDAC−AMP11の構成も単純な構成にすることができ、すなわち、電源電圧を小さくすることができるため、さらに消費電力を抑えることも可能である。
Further, even if the DCgain “a0” of the MDAC-AMP11 is relatively small, the analog-digital conversion can be performed accurately, so that the DCgain “a0” of the MDAC-AMP11 can be kept small. Therefore, the configuration of the MDAC-
なお、図5のキャリブレーション装置では、パイプライン型A/D変換器1のStage1に含まれる、MDAC110のGain−AMP12を調整する場合について説明したが、パイプライン型A/D変換器1のその他のStageも、Gain−AMP12を有するMDAC110を含む場合には、各Stageにおいて各Gain−AMP12のゲインを調整するようにしてもよく、また、Gain−AMP12を含むか含まないかに関係なく、各Stageに含まれるMDAC−AMP11のゲインを調整するようにしてもよい。
In the calibration apparatus of FIG. 5, the case of adjusting the Gain-
<閾値変動方式のキャリブレーション装置>
次に、キャリブレーション装置として、Gain−AMP12を備えたパイプライン型A/D変換器1のゲイン調整を行なう、キャリブレーション装置のその他の例を説明する。
図6は、図3に示すGain−AMP12を備えたパイプライン型A/D変換器1における、Gain−AMP12のゲイン1/f′の調整を行うキャリブレーション装置のその他の例を示す概略構成図である。
この図6に示すキャリブレーション装置は、パイプライン型A/D変換器1に含まれるSADC回路102の閾値を変動させることによりキャリブレーションを行なうものである。このように、SADC回路102の閾値を変動させてキャリブレーションを行なう方式を、閾値変動方式という。
<Threshold variation calibration device>
Next, another example of the calibration apparatus that performs gain adjustment of the pipeline type A /
FIG. 6 is a schematic configuration diagram illustrating another example of a calibration apparatus that adjusts the
The calibration apparatus shown in FIG. 6 performs calibration by changing the threshold value of the
この閾値変動方式によるキャリブレーション装置では、図6に示すように、図5に示すキャリブレーション装置で有していた乗算器31および33、加算器32および34は不要である。
図5に示す、ランダム信号加算方式によるキャリブレーション装置の場合、入力信号に無関係のランダム信号を加算してからAD変換するため、出力信号から加算したランダム信号相当の信号を減算する必要がある。これに対し、図6に示す閾値変動方式によるキャリブレーション装置の場合、SADC回路102の閾値を変動させるだけであって、ランダム信号を加算していないためこのランダム信号を減算する部分は不要となる。
As shown in FIG. 6, the calibration device using the threshold variation method does not require the
In the case of the calibration apparatus using the random signal addition method shown in FIG. 5, since a random signal irrelevant to the input signal is added and then AD conversion is performed, it is necessary to subtract a signal corresponding to the random signal added from the output signal. On the other hand, in the case of the calibration apparatus based on the threshold value variation method shown in FIG. 6, only the threshold value of the
つまり、閾値変動方式によるキャリブレーション装置は、図6に示すように、バイプライン型A/D変換器1から出力される出力Voutとランダム変数PNとを乗算する乗算器35と、乗算器35の出力を加算するアキュームレータ(accumulator)21と、長期的に信号PN×Vout(=−α×Vcal=Verr)を検出するアップダウンカウンタ(up/dn counter)22と、DAC(D/Aコンバータ)23と、を備え、DAC23の出力を使って、エラー信号Verr(エラー信号)がゼロになるように、パイプライン型A/D変換器1を構成する各MDAC110のGain−AMP12のゲインを調整する。
That is, as shown in FIG. 6, the threshold value variation calibration apparatus multiplies the output Vout output from the pipeline A /
図3においてGain−AMP12のゲイン「1/f′」がMDAC11のフィードバックファクタの逆数「1/f」と異なっており、そのため、パイプライン型A/D変換器1の入出力特性が非線形であるとすると、この場合の入出力特性は、次式(17)に示すように仮定することができる。
Vout=(1−α)×Vin ……(17)
(17)式中のαはGain−AMP12のゲイン「1/f′」とMDAC110のフィードバックファクタの逆数「1/f」とを使って次式(18)の通り表すことができる。
α=Cf/Cs×(1/a0)×(1/f−1/f′) ……(18)
In FIG. 3, the gain “1 / f ′” of the Gain-
Vout = (1−α) × Vin (17)
Α in the equation (17) can be expressed as the following equation (18) using the gain “1 / f ′” of the Gain-
α = Cf / Cs × (1 / a0) × (1 /
ここで、「1」か「−1」からなるランダム変数PNを、ある電圧Vcalに乗じた信号PN×VcalをSADC回路102内のADCの出力に加算する。電圧Vcalは、例えば必要な入力振幅や補正にかかる時間に基づいて設定すればよい。
パイプライン型A/D変換器1を通してアナログデジタル変換された後、パイプライン型A/D変換器1から出力されるアナログ信号Vin相当のデジタル信号Voutは次式(19)で表すことができる。
Vout=Vin−α×(Vin+PN×Vcal)
=(1−α)Vin−α(PN×Vcal) ……(19)
Here, a signal PN × Vcal obtained by multiplying a random voltage PN consisting of “1” or “−1” by a certain voltage Vcal is added to the output of the ADC in the
A digital signal Vout corresponding to the analog signal Vin output from the pipeline A /
Vout = Vin−α × (Vin + PN × Vcal)
= (1-α) Vin−α (PN × Vcal) (19)
ここで、ランダム変数PNを、(19)式で表される出力Voutに乗じると、前述のように、ランダム変数PNは「1」または「−1」であってPN×PN=1であるため、次式(20)で表すことができる。
PN×Vout
=PN×Vin(1−α)−αVcal ……(20)
入力信号Vinにランダム変数PNを乗じたPN×Vinは、長期的に平均化してみると、零となるため、結局、(20)式は、(21)式と表すことができる。
PN×Vout=−αVcal ……(21)
Here, when the random variable PN is multiplied by the output Vout represented by the equation (19), as described above, the random variable PN is “1” or “−1” and PN × PN = 1. Can be represented by the following formula (20).
PN x Vout
= PN × Vin (1-α) −αVcal (20)
Since PN × Vin obtained by multiplying the input signal Vin by the random variable PN becomes zero when averaged over a long period of time, the equation (20) can be expressed as the equation (21).
PN × Vout = −αVcal (21)
ここで、アキュームレータ21と、アップダウンカウンタ22と、DAC(D/Aコンバータ)23と、を使って、Verr(エラー信号)がゼロになるように、パイプライン型A/D変換器1に含まれるMDAC110のGain−AMP12のゲインを調整する。
Here, using the
すなわち、アキュームレータ21では入力したエラー信号Verrを積算し、アップダウンカウンタ22では積算値がゼロより小さい時、1/f′が1/fより大きいとみなすことができるのでGain−AMP12のゲインを小さくする指令信号を出力する。逆にアキュームレータ21での積算値がゼロより大きい時、1/f′が1/fより小さいとみなすことができるのでGain−AMP12のゲインを大きくする指令信号を出力する。DAC23では、アップダウンカウンタ22の指令信号に応じて電流源I1〜I3の電流値を調整する。例えば、1/f′を低下させる場合には、電流源I1、I2およびI3の電流量を減少させ、MOSトランジスタMx1およびMx2の相互コンダクタンスgmxを減少させることにより1/f′を低下させる。逆に、電流源I1、I2およびI3の電流量を増加させ、MOSトランジスタMx1およびMx2の相互コンダクタンスgmxを増加させることにより1/f′を増加させる。
That is, the
以上のようにGain−AMP12のゲインを調整すると、α=0となる。
したがって、α=0を、(19)式に代入すると、(19)式はVout=Vinとなる。すなわち、入力信号Vinを理想的にアナログデジタル変換したことと等価になる。
なお、図6においては、Gain−AMP12のゲインを調整したが、これに限るものではなく、例えば、図2のMDAC−AMP11のゲインを、上記と同様の手順で調整するようにしても良い。
When the gain of Gain-
Therefore, if α = 0 is substituted into the equation (19), the equation (19) becomes Vout = Vin. That is, this is equivalent to ideal analog-digital conversion of the input signal Vin.
In FIG. 6, the gain of Gain-
また、この場合も、パイプライン型A/D変換器1が、Stage1だけではなく、その他のStageも、Gain−AMP12を有するMDAC110を含む場合には、各Stageにおいて各Gain−AMP12のゲインを調整するようにしてもよく、また、Gain−AMP12を含むか含まないかに関係なく、各Stageに含まれるMDAC−AMP11のゲインを調整するようにしてもよい。
Also in this case, when the pipeline type A /
<閾値変動方式によるキャリブレーション装置の一例を示す詳細な構成図>
次に、閾値変動方式によるキャリブレーション装置の詳細な構成を説明する。
図7は、図6で説明したSADC回路102の閾値を変動させるキャリブレーション方法を用いて調整を行なう閾値変動方式によるキャリブレーション装置の詳細な構成を示したものであり、Background Calibrationを行う場合の、キャリブレーション装置の一例を示すブロック図である。
図7に示すように、パイプライン型A/D変換器1は、Stage1(単位ブロック100(1))を含むステージ部41と、Stage(Stage2からStageNまでの単位ブロック100(2)〜100(N))を含むBackend ADC42と、を備える。
<Detailed configuration diagram showing an example of a calibration apparatus using a threshold variation method>
Next, a detailed configuration of the calibration apparatus using the threshold variation method will be described.
FIG. 7 shows a detailed configuration of a calibration apparatus based on a threshold variation method that performs adjustment using the calibration method that varies the threshold of the
As shown in FIG. 7, the pipeline A /
ステージ部41は、MDAC110とSADC回路102とを含んで構成される。
SADC回路102は、入力信号Vinが入力されるADC102aとDAC102bとを含んで構成され、さらに、電圧Vcalとランダム変数PNとを乗算する乗算器102cと、ADC102aの出力と乗算器102cの出力とを加算する演算器102dと、を備える。
The
The
そして、図7に示すキャリブレーション装置は、前述のように、SADC回路102の閾値を変動させ入出力関数を変動させてキャリブレーションを行なう。
なお、MDAC110は、前述の図2に示すMDAC110と同一構成を有する。
また、Backend ADC42から出力される出力Voutとランダム変数PNとを乗算器35で乗算し、演算器43での演算結果をエラー信号Verrとして、エラー信号Verrをアキュームレータ21で積算し、アップダウンカウンタ22では、積算値がゼロより小さいか、すなわち、1/f′が1/fより大きいとみなすことができるかに応じて指令信号をDAC23に出力し、DAC23では、アップダウンカウンタ22の指令信号に応じてGain−AMP12の電流源I1〜I3の電流値を調整する。
Then, as described above, the calibration apparatus shown in FIG. 7 performs calibration by changing the threshold of the
The
Also, the output Vout output from the
ここで、SADC回路102の閾値を変動させてキャリブレーションを行なう手法は、Dither信号を挿入するための容量(CAP)を追加しないため、Feedback Gainを高く取れるというメリットがある。
また、この方式は入力信号にDither信号を重畳した信号を長周期的に積算するとゼロになることを前提としてAD変換により発生するエラーを取り出し、これをFeedbackして最適値を探索する。
Here, the method of performing calibration by changing the threshold value of the
Also, in this method, an error generated by AD conversion is extracted on the assumption that a signal obtained by superimposing a Dither signal on an input signal is accumulated for a long period, and an optimum value is searched by feeding back this error.
なお、図7においては、Gain−AMP12のゲインを調整しているが、これに限るものではなく、例えば、MDAC−AMP11のゲインを調整するものでも良いし、さらにサンプリングキャパシタCsIの容量値を調整するものでも良い。
In FIG. 7, the gain of Gain-
<従来のキャリブレーション方法との比較>
ここで、本実施形態のように、入力信号Vinにランダム信号を加算すること、或いは、SADC回路102の閾値を変動させることにより、パイプライン型A/D変換器1のゲイン調整を行なう方法と、従来のキャリブレーション方法との相違を明確にするため、従来のランダム信号を用いずに、ゲイン調整を行なう場合について説明する。
<Comparison with conventional calibration method>
Here, as in this embodiment, a method for adjusting the gain of the pipelined A /
図8は、例えば図7に示すMDAC110が2.5BitのMDACである場合のStage1のSADC回路102に含まれるADC102aの一部を模式的に示す図であって、従来のキャリブレーション方法を用いる場合の、SADC回路102に含まれるADCの一部を示したものである。
従来のキャリブレーション方法を用いる場合のSADC回路(以後、従来のSADC回路という)は、図8に示すように、コンパレータ151〜156を備えている。
コンパレータ151〜156は、入力信号Vinと基準電圧(5/8)・Vr、(3/8)・Vr、(1/8)・Vr、(−1/8)・Vr、(−3/8)・Vr、(−5/8)・Vrとをそれぞれ比較する。なお、Vrは、入力信号Vinの最大入力レンジである。
FIG. 8 is a diagram schematically showing a part of the
A SADC circuit (hereinafter referred to as a conventional SADC circuit) in the case of using a conventional calibration method includes
The
図9は、ランダム信号を加算しない従来のSADC回路の伝達関数(入出力特性)を示す図である。図9において、横軸は入力、縦軸は出力である。また、図9中の「△」で指し示す値は、ランダム信号を加算しない従来のSADC回路の閾値を表す。
図9に示すように、ランダム信号を加算しない従来のSADC回路の場合、比較する基準電圧の値が変わらないので、入力信号に対して伝達関数が適応された出力信号が出力される。
FIG. 9 is a diagram illustrating a transfer function (input / output characteristics) of a conventional SADC circuit that does not add a random signal. In FIG. 9, the horizontal axis is input, and the vertical axis is output. Further, a value indicated by “Δ” in FIG. 9 represents a threshold value of a conventional SADC circuit that does not add a random signal.
As shown in FIG. 9, in the case of a conventional SADC circuit that does not add a random signal, the value of the reference voltage to be compared does not change, so that an output signal with a transfer function adapted to the input signal is output.
次に、本実施形態のようにSADC回路102においてランダム信号を加算する場合について説明する。
図10は、MDAC110が2.5BitのMDACである場合の、図7に示すStage1のSADC回路102に含まれるADCの一部を模式的に示す図である。
SADC回路102は、コンパレータ161〜168を備えている。
Next, a case where random signals are added in the
FIG. 10 is a diagram schematically illustrating a part of the ADC included in the
The
コンパレータ161〜168は、ランダム信号によって比較する電圧を入れ替える。すなわち、ランダム変数PN=1のときは、入力信号Vinと基準電圧(15/16)・Vr、(11/16)・Vr、(7/16)・Vr、(3/16)・Vr、(−1/16)・Vr、(−5/16)・Vr、(−9/16)・Vr、(−13/16)・Vrとをそれぞれ比較する。一方、ランダム変数PN=−1のときは、入力信号Vinと基準電圧(13/16)・Vr、(9/16)・Vr、(5/16)・Vr、(1/16)・Vr、(−3/16)・Vr、(−7/16)・Vr、(−11/16)・Vr、(−15/16)・Vrとをそれぞれ比較する。なお、Vrは、入力信号Vinの最大入力レンジである。
The
図11は、ランダム変数PNを加算する、本実施形態におけるSADC回路102の伝達関数(入出力特性)を示す図である。図11において、横軸はSADC回路102への入力を表し、縦軸は出力を表す。また、図11中の「△」で指し示す値は、ランダム変数PNを加算するSADC回路102の閾値を表す。
図11では、ランダム変数PN=1を加算する時のSADC回路102の伝達関数(入出力特性)と、ランダム変数PN=−1を加算する時のSADC回路102の伝達関数(入出力特性)とを併記している。
FIG. 11 is a diagram illustrating a transfer function (input / output characteristics) of the
In FIG. 11, the transfer function (input / output characteristics) of the
入力側からみて例1のような入力信号が入ってきたところでは、ランダム変数PNの値によって出力信号が変わる。例えばPN=1の場合、ランダム変数PN=1を加算する時のSADC回路102の伝達関数が適応され、例1の入力信号は例1に応じた出力信号(PN=1)となる。PN=−1の場合、ランダム変数PN=−1を加算する時のSADC回路102の伝達関数が適応され、例1の入力信号は例1に応じた出力信号(PN=−1)となる。その結果、図11に示すように、ランダム変数PNにより出力結果が変動することになる。
この場合、ランダム変数PNによって同じ入力でも出力が変わるため、長期的に加算していくと、結果としてエラー成分が残る。
When an input signal as in Example 1 enters from the input side, the output signal changes depending on the value of the random variable PN. For example, when PN = 1, the transfer function of the
In this case, since the output changes even with the same input depending on the random variable PN, if it is added over a long period, an error component remains as a result.
一方、入力側からみて例2のような入力信号が入ってきたところでは、ランダム変数PNによって出力信号は変わらない。例えばPN=1の場合、ランダム変数PN=1を加算する時のSADC回路102の伝達関数が適応され、PN=−1の場合、ランダム変数PN=−1を加算する時のSADC回路102の伝達関数が適応されるが、両者の伝達関数は同じなので、例2の入力信号は例2に応じた出力信号(PN=1/−1)となる。
On the other hand, when an input signal such as Example 2 is input from the input side, the output signal is not changed by the random variable PN. For example, when PN = 1, the transfer function of the
この場合、ランダム変数PNが変動しても出力がいつも同じであるため、長期的に加算しても相殺されてエラーが残らない。
ところで、エラーが積算されていようがいまいが、アキュームレータ21では全ての出力信号についてこれらを積算している。
そこで、キャリブレーション時間を短縮化するためには、アキュームレータ21の積算時間を効率化すればよいことに着目し、前述のように、入力信号Vinによって、乗算器35でのエラー信号が零となる場合とならない場合とが存在することから、このエラー信号が零とならないときの入力信号Vinの取り得る領域をエラー積算領域とし、入力信号Vinがエラー積算領域内の値であるかどうかを判定し効率的な積算を行なう。
In this case, even if the random variable PN fluctuates, the output is always the same, so even if added for a long time, it is canceled out and no error remains.
By the way, whether or not errors are integrated, the
Therefore, in order to shorten the calibration time, it is necessary to make the integration time of the
<閾値変動方式によるキャリブレーション方法の説明>
次に、閾値変動方式によるキャリブレーション方法を説明する。
本実施形態では、例えば図7に示す後段のBackend ADC42を利用することで入力信号Vinを、エラー信号が積算される領域(時間)と、エラー信号が積算されない領域(時間)とに区別し、エラー信号が積算される領域の値、つまり、エラー積算領域内の値であるときにのみ、エラー信号をアキュームレータ21で積算する。
アキュームレータ21は、入力信号Vinが、エラー信号が積算されない領域(時間)の値である場合には、単に前回の積算結果を保持しても良いし、前回の積算結果に「0」を足しても良いし、または、アキュームレータ21の両端をバイパスしてもよい。
<Description of calibration method using threshold fluctuation method>
Next, a calibration method using a threshold variation method will be described.
In the present embodiment, for example, the back-
The
図12(a)は、図10に示す、ランダム変数PNを加算するSADC回路102のコンパレータ161〜168にOffsetがない理想的な場合の、Stage1およびStage2の伝達関数(入出力特性)を示す図である。Stage1の伝達関数を示す図(図12(a)の左側の図)において、横軸はSADC回路102への入力を表し、縦軸は出力を表し、横軸の「△」が指し示す値は、Stage1のSADC回路102の閾
値を表す。また、実線はPN=1の場合の伝達特性を表し、一点鎖線はPN=−1の場合の伝達特性を表す。
FIG. 12A shows the transfer functions (input / output characteristics) of
Stage2の伝達関数を示す図(図12(a)の右側の図)において、横軸は、Stage2のSADC回路102の出力を表し、縦軸は、Stage2のSADC回路102の入力を表し、縦軸の「△」が指し示す値は、Stage2のSADC回路102の閾値を表す。
図12(a)において、ランダム変数PNの影響を受けない領域はStage2入力(=Stage1出力)の(−1/4)・Vr〜(1/4)・Vrに該当する。図示しない判定回路は、この領域をエラー積算している領域(時間)と判定し、エラー積算している領域(時間)としていない領域(時間)とを区別することで、エラー積算している領域のみアキュームレータ21で積算する。
In the diagram showing the transfer function of Stage 2 (the diagram on the right side of FIG. 12A), the horizontal axis represents the output of the
In FIG. 12A, the region not affected by the random variable PN corresponds to (−1/4) · Vr to (1/4) · Vr of
このように、エラーが積算される領域のみ積算するので、エラー積算にとって不要な入力信号を極力積算しなくてすむようになり、相対的に必要なエラー信号の積算比率が高くなる。つまり、積算した信号のうち、エラー成分の比率が高まるので相対的に積算時間が短くてもエラー成分を取り出しやすくなる。
ここで、Stage2入力(=Stage1出力)が(−1/4)・Vr〜(1/4)・Vrとなるのは、図12(a)に示すように、Stage2に入力される入力信号が複数に分割されてなる各Segmentにおいて、セグメントSeg.3とセグメントSeg.2の中で出力が0以上の時、セグメントSeg.4の中で出力が0以下の時である。
As described above, since only the areas where errors are integrated are integrated, it is not necessary to integrate as much as possible the input signals unnecessary for error integration, and the integration ratio of the error signals that are relatively necessary increases. That is, since the ratio of error components in the integrated signal increases, it is easy to extract error components even if the integration time is relatively short.
Here, the
出力が0以上あるいは0以下というのは、後段のBackend ADC42のAD変換結果から判別することができ、これらに該当する場合はアキュームレータ21で積算しない。このように、判定には新たな判定回路を追加するのではなく後段のBackend ADC42におけるAD変換結果を利用することができる。
図12(b)は、SADC回路102のコンパレータにOffsetがある場合の、Stage1およびStage2の伝達関数(入出力特性)を示す図である。Stage1の伝達関数を示す図(図12(b)の左側の図)において、横軸はSADC回路102への入力を表し、縦軸は出力を表し、横軸の「△」が指し示す値は、Stage1のSADC回路102の閾値を表す。また、実線はPN=1の場合の伝達特性を表し、一点鎖線はPN=−1の場合の伝達特性を表す。また、Stage2の伝達関数を示す図(図12(b)の右側の図)において、横軸は、Stage2のSADC回路102の出力を表し、縦軸は、Stage2のSADC回路102の入力を表し、縦軸の「△」が指し示す値は、Stage2のSADC回路102の閾値を表す。
Whether the output is 0 or more or 0 or less can be determined from the AD conversion result of the back-
FIG. 12B is a diagram illustrating transfer functions (input / output characteristics) of
図12(b)に示すように、SADC回路102のコンパレータ161〜168にOffsetがある場合は、積算すべき領域は後段のBackend ADC42にとって広がる。このことからSADC回路102のコンパレータのOffsetも加味したうえで、エラー信号を積算しない領域を決めるとよい。例えば、Offsetが(1/32)・Vrであると仮定するとエラー信号を積算しない領域は後段のBackend ADC42にとって全体の1/8になりその分の時間短縮効果が見込まれる。
As shown in FIG. 12B, when the offsets are present in the
<ランダム信号加算方式によるキャリブレーション装置の一例を示す詳細な構成図>
次に、ランダム信号加算方式によるキャリブレーション装置の詳細な構成を説明する。
図13は、図5で説明した入力信号にランダム信号を加算する、ランダム信号加算方式によるキャリブレーション装置の一例を示す詳細な構成図である。
図13に示す、ランダム信号加算方式によるキャリブレーション装置は、図7に示す閾値変動方式によるキャリブレーション装置と比較して、乗算器31および33、加算器34、さらにランダム信号を加算するための加算器32としての容量を備えるところが異なる。なお、図7に示したキャリブレーション装置と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
<Detailed configuration diagram showing an example of a calibration apparatus using a random signal addition method>
Next, a detailed configuration of the calibration apparatus using the random signal addition method will be described.
FIG. 13 is a detailed configuration diagram illustrating an example of a calibration apparatus using a random signal addition method that adds a random signal to the input signal described in FIG. 5.
Compared with the calibration apparatus based on the threshold value variation system shown in FIG. 7, the calibration apparatus based on the random signal addition system shown in FIG. 13 further includes
図13に示すように、パイプライン型A/D変換器1は、Stage1(単位ブロック100(1))を含むステージ部51と、Stage2からStageNまでの単位ブロック(100(2)〜100(N))を含むBackend ADC52と、を備える。
ステージ部51は、MDAC110と、SADC回路102′と、を含んで構成される。
As shown in FIG. 13, the pipeline A /
The
SADC回路102′は、入力信号Vinが入力されるADC102aとDAC102bとを含むとともに、電圧Vcalとランダム変数PNとを乗算する乗算器31と、乗算器31の乗算結果を、入力信号Vinに加算するための加算器32としての容量と、を含んで構成される。
そして、図13に示すキャリブレーション装置は、入力信号Vinにランダム信号を加算し、入力信号Vinの振幅を変動させてキャリブレーションを行なう。
The SADC circuit 102 'includes an
The calibration apparatus shown in FIG. 13 adds a random signal to the input signal Vin, and performs calibration by changing the amplitude of the input signal Vin.
なお、MDAC110は、前述の図2に示すMDAC110と同一構成を有する。
また、電圧Vcalとランダム変数「−PN」とを乗算する乗算器33での演算結果に、Backend ADC52から出力される出力Vout(ADC)を加算器34により加算し、加算結果とランダム変数PNとを乗算器35で乗算する。この乗算器35での演算結果をエラー信号Verrとして、エラー信号Verrをアキュームレータ21で積算し、アップダウンカウンタ22では、積算値がゼロより小さいか、すなわち、1/f′が1/fより大きいとみなすことができるかに応じて指令信号をDAC23に出力し、DAC23では、アップダウンカウンタ22の指令信号に応じてGain−AMP12の電流源I1〜I3の電流値を調整する。
The
Further, the output Vout (ADC) output from the
なお、図13では、加算器32としての容量に(Vcal×PN)の電圧をチャージすることにより、アナログ部での加算を実現しているが、これに限るものではなく、容量に替えて加算器を用いても良い。
また、電圧Vcalの代わりに、SADC回路102′に含まれるADCのコンパレータで用いる基準電圧Vrを用い、入力信号Vinの入力端につながる容量(CAP)CsIとの比で実現することもできる。たとえばVcal=(1/4)・Vrのとき、図13中の電圧Vcalを(1/4)・Vrにする代わりに、VcalをVrにし、CAP比を1:4にして実現してもよい。
In FIG. 13, the addition of the analog unit is realized by charging the capacitor as the
Further, instead of the voltage Vcal, the reference voltage Vr used in the comparator of the ADC included in the
なお、図13において、Gain−AMP12のゲインを調整したが、これに限るものではなく、例えば、MDAC−AMP11のゲインを調整するものでも良い。
図14は、図13のランダム信号加算方式のキャリブレーション装置において、ランダム変数PNを入力信号Vinに加算する場合の、入力信号とSADC回路102′の伝達関数(入出力特性)とを示す図である。図14において横軸は、SADC回路102′への入力信号、縦軸は出力を表す。
In FIG. 13, the gain of Gain-
FIG. 14 is a diagram showing an input signal and a transfer function (input / output characteristics) of the
図14では、ランダム変数PN=1を加算する時の入力信号と、ランダム変数PN=−1を加算する時の入力信号とを併記している。なお、図14中の「△」の指し示す位置は、SADC回路102の閾値を表し、PN=1およびPN=−1の場合とでは伝達関数は同一であって、閾値も同一である。
伝達関数が同じでもランダム変数PNによって出力が変わる場合は、長期的に加算していくと、結果としてエラー成分が残る。
In FIG. 14, the input signal when adding the random variable PN = 1 and the input signal when adding the random variable PN = −1 are shown together. Note that the position indicated by “Δ” in FIG. 14 represents the threshold value of the
Even if the transfer function is the same, if the output varies depending on the random variable PN, an error component remains as a result if they are added over a long period of time.
一方、ランダム変数PNが変動したとしても出力が同じである場合は、長期的に加算しても相殺されてエラーが残らない。
図13に示すキャリブレーション装置においても、図7に示すキャリブレーション装置と同様に、後段のBackend ADC52を利用することでエラー信号を積算している領域(時間)とエラー信号を積算していない領域(時間)とを区別し、エラー信号を積算している領域のみアキュームレータ21で積算することで、キャリブレーション時間を短縮化することができる。
On the other hand, even if the random variable PN fluctuates, if the output is the same, even if it is added over a long period, it is canceled out and no error remains.
In the calibration apparatus shown in FIG. 13, similarly to the calibration apparatus shown in FIG. 7, an area (time) in which error signals are integrated by using the back-
以上のように、本発明によれば、サミングポイントPsumの電圧を取り出す回路を単純な構成のGain−AMP12で実現しても、動作環境や製造工程時のばらつきによらず精度の良いゲインが実現できる。
As described above, according to the present invention, even when the circuit for extracting the voltage at the summing point Psum is realized by the gain-
<ランダム信号方式によるキャリブレーション装置の他の適用例を示す構成図>
次に、キャリブレーション装置の他の適用例を説明する。
図15は、ランダム信号加算方式によるキャリブレーション装置の他の適用例を示す詳細な構成図である。
図15に示すキャリブレーション装置は、パイプライン型A/D変換器ではなく、A/D変換器のサンプルホールド回路において、ゲイン調整を行なうものであって、図15では、図13で説明した入力信号Vinにランダム信号を加算することによりキャリブレーションを行なうものである。
<Configuration diagram showing another application example of calibration apparatus using random signal system>
Next, another application example of the calibration apparatus will be described.
FIG. 15 is a detailed configuration diagram illustrating another application example of the calibration apparatus using the random signal addition method.
The calibration apparatus shown in FIG. 15 performs gain adjustment in the sample hold circuit of the A / D converter, not in the pipeline type A / D converter. In FIG. 15, the input described in FIG. Calibration is performed by adding a random signal to the signal Vin.
すなわち、図15に示すキャリブレーション装置は、図13に示したStage1を含むステージ部51とそれ以降のStageを含むBackend ADC52とを含むパイプライン型A/D変換器1の代わりに、ADC(A/D変換器)212のサンプルホールド回路211のゲイン調整を行なうものであり、このキャリブレーション装置は、図13に示すキャリブレーション装置において、さらにレベル判定回路217を備える。
That is, the calibration apparatus shown in FIG. 15 uses an ADC (A / D converter 1) instead of the pipeline A /
なお、図13に示したキャリブレーション装置と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
図15は、サンプルホールド回路211に対して、Background Calibrationを行うためのキャリブレーション装置の一例を示すブロック図である。
図15に示すように、サンプルホールド回路211は、AMP221とGain−AMP12と、AMP221の出力端と反転入力端とを接続する容量222と、一端が入力信号Vinの入力端に接続され、他端が、AMP221の反転入力端とGain−AMP12の入力端とに接続されるサンプリング容量223と、を備えるとともに、さらに、電圧Vcalとランダム変数PNとを乗算する乗算器31と加算器32としての容量と、を備える。そして、AMP221の出力端とGain−AMP12の出力端との間に、サンプルホールド回路211とADC212とを接続するための容量213が接続される。
Note that components having the same functions as those of the calibration apparatus shown in FIG. 13 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
FIG. 15 is a block diagram illustrating an example of a calibration device for performing background calibration on the
As shown in FIG. 15, the
図15に示すキャリブレーション装置は、Backend ADCとしてのADC212の後段に、電圧Vcalとランダム変数「−PN」とを乗算する乗算器33と、Backend ADCとしてのADC212の出力Vout(ADC)と乗算器33の出力とを加算する加算器34と、を備える。
The calibration apparatus shown in FIG. 15 includes a
そして、電圧Vcalとランダム変数「−PN」とを乗算する乗算器33での演算結果に、ADC212から出力される出力を加算器34により加算し、加算結果とランダム変数PNとを乗算器35で乗算する。この乗算器35での演算結果をエラー信号Verrとしてアキュームレータ21で積算し、アップダウンカウンタ22では、積算値がゼロより小さいか、すなわち、1/f′が1/fより大きいとみなすことができるかに応じて指令信号をDAC23に出力し、DAC23では、アップダウンカウンタ22の指令信号に応じてGain−AMP12の電流源I1〜I3の電流値を調整する。
Then, the output from the
なお、図15においては、Gain−AMP12のゲインを調整したが、これに限るものではなく、例えば、サンプルホールド回路211のAMP221のゲインを調整するものでも良いし、サンプルホールド回路211に含まれるキャパシタを調整するものでも良い。
また、レベル判定回路217は、例えばADCで構成され、図13の後段のBackend ADC52と同様に、エラー信号が積算される領域(時間)とエラー信号が積算されない領域(時間)とを区別する。
In FIG. 15, the gain of Gain-
Further, the
レベル判定回路217の判定結果から、入力信号Vinがエラー信号が積算されない領域(時間)に該当する場合はアキュームレータ21では積算しない。
このように、図15に示すキャリブレーション装置も、図13に示すキャリブレーション装置と同様に、レベル判定回路217を利用することでエラー信号が積算される領域(時間)と積算されない領域(時間)とを区別し、エラー信号が積算される領域のみアキュームレータ21で積算することで、キャリブレーション時間を短縮化することができる。
以上のように、サンプルホールド回路211に適用した場合であっても、動作環境や製造工程時のばらつきによらず精度の良いゲインが実現できる。
If the input signal Vin corresponds to a region (time) in which the error signal is not integrated from the determination result of the
In this way, the calibration apparatus shown in FIG. 15 also uses the
As described above, even when applied to the sample-and-
<キャリブレーション方法の改良説明>
<全入力レンジ型のエラー挿入方法の改良点の検討>
本発明者は、上述のキャリブレーション方法について、さらに改良点について検討を行なった。
すなわち、前述の図7に示す、閾値変動方式によるキャリブレーション装置によるキャリブレーション方法は、図12(a)に示すように、全入力レンジでどの電圧で信号が入力した場合においてもエラーが積算されるように構成している。
ところで、図16は一般的なエラーがある場合の閾値変動方式によるキャリブレーション装置の伝達関数(入出力特性)を示した例であり、図中特性線L1はエラーがある場合の実際の伝達関数(入出力特性)を示す。なお特性線L2はエラーがない場合の伝達関数(入出力特性)である。また、実線はPN=1のときの伝達関数を表し、破線はPN=−1のときの伝達関数を表す。
<Improvement of calibration method>
<Examination of improved error insertion method for all input ranges>
The present inventor further studied improvements on the above-described calibration method.
That is, in the calibration method by the calibration apparatus using the threshold fluctuation method shown in FIG. 7 described above, as shown in FIG. 12A, errors are integrated regardless of the voltage input at any voltage in the entire input range. It is constituted so that.
FIG. 16 shows an example of the transfer function (input / output characteristics) of the calibration device using the threshold variation method when there is a general error, and the characteristic line L1 in the figure is the actual transfer function when there is an error. (Input / output characteristics). The characteristic line L2 is a transfer function (input / output characteristics) when there is no error. The solid line represents the transfer function when PN = 1, and the broken line represents the transfer function when PN = -1.
図16において、例えば入力信号が例3の時、取り出すエラー信号は図で示されるエラー(例3)に相当する電圧になる。また、入力信号が例4の時、取り出すエラー信号は図で示されるエラー(例4)に相当する電圧になる。すなわち、出力信号が同じ電圧の場所では入力信号に依らずエラー量は一定であることが分かる。一方で、アキュームレータ21で積算する信号は以下の式で表すことができる。
(積算するエラー量)=Σ[(エラー信号)/(入力信号)]
In FIG. 16, for example, when the input signal is Example 3, the error signal to be extracted is a voltage corresponding to the error (Example 3) shown in the figure. When the input signal is Example 4, the error signal to be extracted is a voltage corresponding to the error (Example 4) shown in the figure. That is, it can be seen that the error amount is constant regardless of the input signal when the output signal has the same voltage. On the other hand, the signal accumulated by the
(Error amount to be integrated) = Σ [(Error signal) / (Input signal)]
このことから全入力レンジでエラーを積算した場合、入力信号が大きい時は、エラー信号の大きさが、入力信号が小さい時と同じであるにもかかわらず、アキュームレータ21で積算できる信号は相対的に小さくなってしまう。アキュームレータ21で積算する信号が小さくなると、その分積算時間を長くしなければならなくなる。
For this reason, when errors are accumulated over the entire input range, when the input signal is large, the signal that can be accumulated by the
<キャリブレーション時間の短縮のためのキャリブレーション装置の回路構成/伝達関数構成図>
<閾値変動方式によるキャリブレーション方法の改良>
以上を鑑みて、さらに効率的なキャリブレーション方法を以下に説明する。
図17は、図7に示すMDAC110が2.5BitのMDACである場合の、Stage1のSADC回路102に含まれるADC102aの一部を模式的に示す図である。
本発明におけるSADC回路102に含まれるADCは、図17に示すように、コンパレータ171〜177を備えている。
<Circuit configuration / transfer function configuration diagram of calibration device for shortening calibration time>
<Improvement of calibration method by threshold fluctuation method>
In view of the above, a more efficient calibration method will be described below.
FIG. 17 is a diagram schematically illustrating a part of the
The ADC included in the
コンパレータ174は、ランダム信号によって比較する電圧を入れ替える。すなわち、ランダム変数PN=1のときは、入力信号Vinと基準電圧(1/16)・Vrとを比較する。一方、ランダム変数PN=−1のときは、入力信号Vinと基準電圧(−1/16)・Vrとを比較する。なお、Vrは、入力信号Vinの最大入力レンジである。そして、他のコンパレータ171〜173、175〜177は、ランダム信号によらず、入力信号Vinと比較する電圧は一定である。すなわち、コンパレータ171は入力信号Vinと3/4・Vrとを比較する。同様に、コンパレータ172は(1/2)・Vr、コンパレータ173は(1/4)・Vr、コンパレータ175は(−1/4)・Vr、コンパレータ176は(−1/2)・Vr、コンパレータ177は(−3/4)・Vrと入力信号Vinとをそれぞれ比較する。
The
図17に示す、本発明におけるSADC回路102に含まれるADCは、図10に示すようにADCにおいて、全てのコンパレータにおいてランダム変数によって比較する電圧を入れ替えていたのに対し、中心の一つのコンパレータのみを入れ替えることに特徴がある。
図18は、図17に示す、ランダム変数PNを加算するSADC回路102に含まれるコンパレータ171〜177にOffsetがない理想的な場合の、Stage1およびStage2の伝達関数(入出力特性)を示す図である。
The ADC included in the
FIG. 18 is a diagram showing transfer functions (input / output characteristics) of
図18では、ランダム変数PN=1を加算する時のSADC回路102の伝達関数(入出力特性)と、ランダム変数PN=−1を加算する時のSADC回路102の伝達関数(入出力特性)とを併記している。
Stage1の伝達関数を示す図(図18(a)の左側の図)において、横軸はSADC回路102への入力を表し、縦軸は出力を表し、横軸の「△」が指し示す値は、Stage1のSADC回路102の閾値を表す。また、実線はPN=1のときの伝達関数を表し、破線はPN=−1のときの伝達関数を表す。また、PN=1の場合およびPN=−1の場合のそれぞれについて、SADC回路102への入力信号と各セグメントseg.0〜seg.7との対応を表す。
In FIG. 18, the transfer function (input / output characteristics) of the
In the diagram showing the transfer function of Stage 1 (the diagram on the left side of FIG. 18A), the horizontal axis represents the input to the
Stage2の伝達関数を示す図(図18(a)の右側の図)において、横軸は、Stage2のSADC回路102の出力を表し、縦軸は、Stage2のSADC回路102の入力を表し、縦軸の「△」が指し示す値は、Stage2のSADC回路102の閾値を表す。
図12(a)が全てのコンパレータにおいてランダム変数によって比較する電圧を入れ替えていたのに対し、図18(a)では中心の一つのコンパレータのみを入れ替えていることがわかる。
In the diagram showing the transfer function of Stage 2 (the diagram on the right side of FIG. 18A), the horizontal axis represents the output of the
It can be seen that FIG. 12A replaces the voltages to be compared by random variables in all the comparators, whereas FIG. 18A replaces only one central comparator.
図18(a)において、ランダム変数PNの影響を受けない領域はStage1入力の(−1/4)・Vr〜(1/4)・Vr以外に該当する箇所と(−1/4)・Vr〜(1/4)・Vrに該当する箇所の中でStage2入力(=Stage1出力)の(−1/4)・Vr〜(1/4)・Vrに該当する。図示しない判定回路は、この領域をエラー積算している領域(時間)を判定し、エラー積算している領域(時間)としていない領域(時間)とを区別することで、エラー積算している領域のみアキュームレータ21で積算する。
In FIG. 18 (a), regions not affected by the random variable PN are locations other than Stage-1 input (-1/4) · Vr to (1/4) · Vr and (-1/4) · Vr. Among the locations corresponding to .about. (1/4) .multidot.Vr, this corresponds to (-1/4) .multidot.Vr.about. (-1/4) .multidot. (1/4) .multidot.Vr of
このように、アキュームレータ21では、エラーが積算される領域のみ積算するので、エラー積算にとって不要な入力信号を極力積算しなくてすむようになり、相対的に必要なエラー信号の積算比率が高くなる。つまり、積算した信号のうち、エラー成分の比率が高まるので相対的に積算時間が短くてもエラー成分を取り出しやすくなる。
ここで、Stage1入力が(−1/4)・Vr〜(1/4)・Vr以外となるのは、図18(a)に示すように、Stage1に入力される入力信号が複数に分割されてなる各Segmentにおいて、セグメントSeg.0からセグメントSeg.2とセグメントSeg.5からセグメントSeg.7の時である。また、Stage1入力が(−1/4)・Vr〜(1/4)・Vrに該当する箇所の中でStage2入力(=Stage1出力)が(−1/4)・Vr〜(1/4)・Vrとなるのは、図12(a)に示すように、Stage2に入力される入力信号が複数に分割されてなる各Segmentにおいて、セグメントSeg.3とセグメントSeg.2の中で出力が0以上の時、セグメントSeg.4の中で出力が0以下の時である。
As described above, since the
Here, the reason that the Stage1 input is other than (−1/4) · Vr to (1/4) · Vr is that the input signal input to Stage1 is divided into a plurality of parts as shown in FIG. In each segment, segment Seg. 0 to segment Seg. 2 and segment Seg. 5 to segment Seg. It's 7th. Further, among the places where the
出力が0以上あるいは0以下というのは、図7に示す閾値変動方式のキャリブレーション装置に含まれる、後段のBackend ADC42のAD変換結果から判別することができ、これらに該当する場合はアキュームレータ21で積算しない。このように、判定には新たな判定回路を追加するのではなくStage1及び後段のBackend ADC42におけるAD変換結果を利用することができる。
Whether the output is 0 or more or 0 or less can be determined from the AD conversion result of the back-
また、以上の方法は図18(b)に示すように、SADC回路102に含まれるコンパレータ171〜177にOffsetがある、実際のコンパレータの場合でも同様の方法で行うことができる。
ここで、一般的にキャリブレーションに必要な積算回数は以下の式で表すことができる。
Further, as shown in FIG. 18B, the above method can be performed in the same way even in the case of an actual comparator in which the
Here, the number of integrations generally required for calibration can be expressed by the following equation.
n>[(積算する入力信号)/(積算するエラー量)]2
例えば、図12(a)に示すように、ランダム変数PNに応じて全てのコンパレータにおいて比較する電圧を入れ替える方式と、図18(a)に示すように、中心の一つのコンパレータのみ比較する電圧を入れ替える方式とを比較した場合、積算するエラー量に差はないが、積算する入力信号は図18(a)の方式の方が1/7まで小さくなっている。一方で、エラーを積算しない領域は図18(a)の方式の方が広がり、エラーを積算する領域の出現確率が下がる。入力信号がランダムであると仮定すると、その出現確率は1/7になる。
n> [(input signal to be integrated) / (error amount to be integrated)] 2
For example, as shown in FIG. 12A, the voltage to be compared in all the comparators is changed according to the random variable PN, and as shown in FIG. 18A, the voltage to be compared with only one central comparator is used. When comparing with the replacement method, there is no difference in the error amount to be integrated, but the input signal to be integrated is smaller to 1/7 in the method of FIG. On the other hand, the area in which errors are not integrated is wider in the method of FIG. 18A, and the appearance probability of the area in which errors are integrated decreases. Assuming that the input signal is random, its appearance probability is 1/7.
よって、必要な積算回数は
n>(出現確率比)×(積算する入力信号比)2=7×(1/7)2=1/7
となり図18(a)の方式の方が積算回数は、1/7倍少なくても良い。
以上の説明では入力信号の中心値と比較するコンパレータ174のみをランダム信号PNによって変動させたが、これに限るものではない。
Therefore, the necessary number of times of integration is n> (appearance probability ratio) × (input signal ratio to be integrated) 2 = 7 × (1/7) 2 = 1/7
Thus, the number of integrations may be 1/7 times less in the method of FIG.
In the above description, only the
例えば、図17のコンパレータ171のみをランダム信号PNによって変動させてもよい。例えばPN=−1の時は(11/16)・Vr、PN=1の時は(13/16)・Vrと変動させる。この場合、積算する入力信号は(11/16)・Vr〜(13/16)/Vrと大きい値になってしまうが、積算している入力信号が予めわかっているため、積算する際にその分を差し引いておけば、入力信号の中心値と比較するコンパレータのみをランダム信号PNによって変動させた場合と同じ積算回数になる。例えば、先の例であれば、予め積算するときに(3/4)・Vrを差し引いておけば、積算する入力信号は、(−1/16)・Vr〜(1/16)・Vrとなる。
For example, only the
これは、例えばビデオ信号のように、ある一定の信号が定期的に入力されることが分かっており、Stage1に入力される信号があるセグメントに出現する確率が高いとわかっている場合は、積算する入力信号を大きくすることなく、出現確率を上げることでより効率的な積算が可能となる。 This is because, for example, it is known that a certain signal is periodically input, such as a video signal, and if the signal input to Stage1 is known to have a high probability of appearing in a certain segment, integration is performed. More efficient integration is possible by increasing the appearance probability without increasing the input signal.
<ランダム信号加算方式のキャリブレーション方法の改良>
<ランダム信号加算方式によるキャリブレーション装置の一例を示す詳細な構成図(改良)>
図19は、図5で説明した入力信号にランダム信号を加算する、ランダム信号加算方式によるキャリブレーション装置の一例を示す詳細な構成図であって、上記と同様に、さらに効率的なキャリブレーションを実現するためのキャリブレーション装置の一例である。
<Improvement of calibration method of random signal addition method>
<Detailed configuration diagram (improved) showing an example of a calibration apparatus using a random signal addition method>
FIG. 19 is a detailed configuration diagram illustrating an example of a calibration apparatus using a random signal addition method that adds a random signal to the input signal described with reference to FIG. 5. As in the above, more efficient calibration is performed. It is an example of the calibration apparatus for implement | achieving.
図19に示す、本発明におけるランダム信号加算方式によるキャリブレーション装置は、図13に示す一般的なランダム信号加算方式によるキャリブレーション装置と比較して、SADC回路102′のADC102aの演算結果であるデジタル信号Digital1をモニタしてデジタル信号Digital1が「0」に等しいかを比較する比較器61と、この比較器61の比較結果に応じて、乗算器31および乗算器33でランダム信号に乗算する係数を「電圧Vcal」と「0」とで切り替える切替スイッチSW1およびSW2を備える点が異なる。
19, the calibration device using the random signal addition method according to the present invention is a digital device that is the calculation result of the
切替スイッチSW1、SW2は、比較器61の比較結果が等しくないときには、乗算器31および32でランダム信号(PNまたは−PN)に乗算する係数として電圧Vcalを設定し、比較器61の比較結果が等しいときすなわちデジタル信号Digital1が「0」であるときには、乗算器31または32でランダム信号(PNまたは−PN)に乗算する係数として「0」を設定する。
When the comparison results of the
なお、図19において、図13に示すキャリブレーション装置と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
図19に示すように、パイプライン型A/D変換器1は、Stage1(単位ブロック100(1))を含むステージ部51と、Stage2からStageNまでの単位ブロック(100(2)〜100(N))を含むBackend ADC52と、を備える。
In FIG. 19, components having the same functions as those of the calibration apparatus shown in FIG. 13 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
As shown in FIG. 19, the pipeline type A /
ステージ部51は、MDAC110と、SADC回路102′と、を含んで構成される。
SADC回路102′は、入力信号Vinが入力されるADC102aとDAC102bとを含むとともに、電圧Vcalとランダム変数PNとを乗算する乗算器31と、乗算器31の乗算結果を、入力信号Vinに加算するための加算器32としての容量と、を含んで構成される。
The
The SADC circuit 102 'includes an
図19に示すランダム信号入力する乗算器31および33は、ADC102aの演算結果であるデジタル信号Digital1が「0」に等しい場合において、入力信号Vinにランダム信号(PN×Vcal)を加算する。ADC102aの演算結果であるデジタル信号Digital1が「0」に等しくない場合は加算器32にはPN×0、すなわち「0」が加算されるため、入力信号Vinにランダム信号は加算されない。これにより、入力信号Vinが「0」に近いセグメントにおいてのみランダム信号を加算することが可能となる。
The
そして、図19に示すキャリブレーション装置は、ADC102aの演算結果であるデジタル信号Digital1が「0」に等しい場合においてのみ入力信号Vinにランダム信号(PN×Vcal)を加算し、入力信号Vinの振幅を変動させてキャリブレーションを行なう。ADC102aの演算結果であるデジタル信号Digital1が「0」に等しくない場合は加算器32にはPN×0、すなわち「0」が加算されるため、入力信号Vinにランダム信号は加算されず、そのまま出力される。
The calibration apparatus shown in FIG. 19 adds the random signal (PN × Vcal) to the input signal Vin only when the digital signal Digital1 that is the calculation result of the
なお、MDAC110は、前述の図2に示すMDAC110と同一構成を有する。
また、ADC102aの演算結果であるデジタル信号Digital1が「0」に等しい場合において、電圧Vcalとランダム変数「−PN」とを乗算する乗算器33での演算結果に、Backend ADC52から出力される出力Vout(ADC)を加算器34により加算し、加算結果とランダム変数PNとを乗算器35で乗算する。この乗算器35での演算結果をエラー信号Verrとして、エラー信号Verrをアキュームレータ21で積算し、アップダウンカウンタ22では、積算値がゼロより小さいか、すなわち、1/f′が1/fより大きいとみなすことができるかに応じて指令信号をDAC23に出力し、DAC23では、アップダウンカウンタ22の指令信号に応じてGain−AMP12の電流源I1〜I3の電流値を調整する。アキュームレータ21はADC102aの演算結果であるデジタル信号Digital1が「0」に等しい場合においてのみ積算することでより効率的な積算が可能となる。
The
Further, when the digital signal Digital1 that is the operation result of the
なお、図19では、加算器32としての容量にVcal×PNの電圧をチャージすることにより、アナログ部での加算を実現しているが、これに限るものではなく、容量に替えて加算器を用いても良い。
また、電圧Vcalの代わりに、SADC回路102に含まれるADCのコンパレータで用いる基準電圧Vrを用い、入力信号Vinの入力端につながる容量(CAP)CsIとの比で実現することもできる。たとえばVcal=(1/4)・Vrのとき、図19中の電圧Vcalを(1/4)・Vrにする代わりに、VcalをVrにし、CAP比を1:4にして実現してもよい。
In FIG. 19, addition in the analog unit is realized by charging the capacitor as the
Further, instead of the voltage Vcal, the reference voltage Vr used in the comparator of the ADC included in the
また、上記例においてはADC102aの演算結果であるデジタル信号Digital1が「0」に等しい場合にランダム信号を加算したが、これに限るものではなく、入力される信号があるセグメントに出現する確率が高いとわかっている場合は、入力信号Vinがそのセグメントに入った場合においてランダム信号を加算することで、出現確率を上げ、より効率的な積算が可能となる。
In the above example, the random signal is added when the digital signal Digital1 that is the calculation result of the
なお、図19において、Gain−AMP12のゲインを調整したが、これに限るものではなく、例えば、MDAC−AMP11のゲインを調整するものでも良い。
図20は、ランダム変数PNを入力信号Vinに加算する場合の、入力信号とSADC回路102′の伝達関数(入出力特性)とを示す図である。図20において横軸は、SADC回路102′への入力信号、縦軸は出力を表す。
In FIG. 19, the gain of Gain-
FIG. 20 is a diagram illustrating an input signal and a transfer function (input / output characteristics) of the
図20では、ランダム変数PN=1を加算する時の入力信号と、ランダム変数PN=−1を加算する時の入力信号とを、併記している。なお、図20中の「△」の指し示す位置は、SADC回路102′の閾値を表し、PN=1およびPN=−1の場合とでは伝達関数は同一であって、閾値も同一である。
伝達関数が同じでもランダム変数PNによって出力が変わる場合は、長期的に加算していくと、結果としてエラー成分が残る。
In FIG. 20, the input signal when adding the random variable PN = 1 and the input signal when adding the random variable PN = −1 are shown together. Note that the position indicated by “Δ” in FIG. 20 represents the threshold value of the
Even if the transfer function is the same, if the output varies depending on the random variable PN, an error component remains as a result if they are added over a long period of time.
一方、ランダム変数PNが変動したとしても出力が同じである場合は、長期的に加算しても相殺されてエラーが残らない。
図19に示すランダム信号加算方式によるキャリブレーション装置においても、図17に示す構成を有する図7に示す閾値変動方式によるキャリブレーション装置と同様に、後段のBackend ADC52を利用することでエラー信号を積算している領域(時間)とエラー信号を積算していない領域(時間)とを区別し、エラー信号を積算している領域のみアキュームレータ21で積算することで、キャリブレーション時間を短縮化することができる。
On the other hand, even if the random variable PN fluctuates, if the output is the same, even if it is added over a long period, it is canceled out and no error remains.
In the calibration apparatus using the random signal addition method shown in FIG. 19, the error signal is integrated by using the back-
以上のように、本発明によれば、サミングポイントPsumの電圧を取り出す回路を単純な構成のGain−AMP12で実現しても、動作環境や製造工程時のばらつきによらず精度の良いゲインが実現できる。
なお、上記実施形態では、本発明によるサンプルホールド回路のキャリブレーション方法を、パイプライン型A/D変換器や、A/D変換器のサンプルホールド回路に適用した場合について説明したが、これに限るものではなく、例えば、ΔΣA/D変換器などであっても適用することができる。
また、本発明の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらすすべての実施形態をも含む。さらに、本発明の範囲は、請求項により画される発明の特徴の組み合わせに限定されるものではなく、すべての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画されうる。
As described above, according to the present invention, even when the circuit for extracting the voltage at the summing point Psum is realized by the gain-
In the above embodiment, the sample hold circuit calibration method according to the present invention is applied to a pipelined A / D converter or a sample hold circuit of an A / D converter. However, the present invention is not limited to this. For example, a ΔΣ A / D converter can be applied.
In addition, the scope of the present invention is not limited to the illustrated and described exemplary embodiments, and includes all embodiments that provide the same effects as those intended by the present invention. Furthermore, the scope of the invention is not limited to the combinations of features of the invention defined by the claims, but can be defined by any desired combination of particular features among all the disclosed features.
1 パイプライン型A/D変換器
11 MDAC−AMP
12 Gain−AMP
21 アキュームレータ(accumulator)
22 アップダウンカウンタ(up/dn counter)
23 DAC(DAコンバータ)
31、33、35 乗算器
32、34 加算器
61 比較器
102、102′ SADC(サブADコンバータ)回路
102a ADC
110 MDAC(乗算型デジタルアナログコンバータ)
171〜177 コンパレータ
211 サンプルホールド回路
212 A/D変換器
SW1、SW2 切替スイッチ
Mx1、Mx2、My1、My2 MOSトランジスタ
I1、I2、I3 電流源
1 Pipeline A /
12 Gain-AMP
21 accumulator
22 Up / Down Counter (up / dn counter)
23 DAC (DA converter)
31, 33, 35
110 MDAC (Multiplication type digital analog converter)
171 to 177
Claims (19)
変換後のデジタル信号に前記ランダム変数を乗算してその乗算信号を積算し、
当該積算結果を、前記変換対象のアナログ信号をデジタル信号に変換する際のエラー信号とする
ことを特徴とするサンプルホールド回路のキャリブレーション方法。 Only the analog signal of a predetermined amplitude among the analog signals to be converted is varied with a random variable, and the converted analog signal to be converted is converted into a digital signal by a sample and hold circuit,
Multiply the converted digital signal by the random variable and integrate the multiplied signal.
The sample-and-hold circuit calibration method, wherein the integration result is used as an error signal when the analog signal to be converted is converted into a digital signal.
前記変換対象のアナログ信号が前記エラー積算領域内の値でないと判定した場合は前記乗算信号を積算せず、前記変換対象のアナログ信号が前記エラー積算領域内の値であると判定したときにのみ、前記乗算信号を積算することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のサンプルホールド回路のキャリブレーション方法。 Determine whether the analog signal to be converted is a value within a preset error integration region,
When it is determined that the analog signal to be converted is not a value within the error integration region, the multiplication signal is not integrated, and only when it is determined that the analog signal to be converted is a value within the error integration region The sample-hold circuit calibration method according to any one of claims 1 to 3, wherein the multiplication signals are integrated.
前記変換対象のアナログ信号または当該変換対象のアナログ信号を変換したデジタル信号に基づき判定することを特徴とする請求項4に記載のサンプルホールド回路のキャリブレーション方法。 Whether the analog signal to be converted is a value within the error integration region,
5. The calibration method for a sample and hold circuit according to claim 4, wherein the determination is based on the analog signal to be converted or a digital signal obtained by converting the analog signal to be converted.
当該アンプのゲインを、前記エラー信号に基づき調整することを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のサンプルホールド回路のキャリブレーション方法。 The sample and hold circuit has an amplifier,
7. The sample hold circuit calibration method according to claim 1, wherein the gain of the amplifier is adjusted based on the error signal.
前記乗算型デジタルアナログコンバータに含まれるアンプのゲインを、前記エラー信号に基づき調整することを特徴とする請求項7に記載のサンプルホールド回路のキャリブレーション方法。 The sample and hold circuit includes a multiplying digital-to-analog converter having an amplifier,
8. The method of calibrating a sample and hold circuit according to claim 7, wherein a gain of an amplifier included in the multiplying digital-analog converter is adjusted based on the error signal.
前記ランダム変動部により振幅が変動された前記変換対象のアナログ信号をサンプルホールド回路でデジタル信号に変換した変換結果に前記ランダム変数を乗算する乗算部と、
前記乗算部での乗算結果を積算する積算部と、
を備えることを特徴とするキャリブレーション装置。 Random variation unit that varies the amplitude with a random variable only for analog signals of a predetermined amplitude among the analog signals to be converted,
A multiplying unit that multiplies the random variable by a conversion result obtained by converting the analog signal to be converted whose amplitude has been changed by the random changing unit into a digital signal by a sample and hold circuit;
An integration unit for integrating the multiplication results in the multiplication unit;
A calibration apparatus comprising:
前記変換対象のアナログ信号が、予め設定したエラー積算領域内の値であるか否かを判定し、
前記変換対象のアナログ信号が前記エラー領域内の値でないと判定された場合は前記乗算部での乗算結果を積算せず、前記変換対象のアナログ信号が前記エラー積算領域内の値であると判定された場合にのみ前記乗算部での乗算結果を積算することを特徴とする請求項11から請求項13のいずれか1項に記載のキャリブレーション装置。 The integrating unit is
Determine whether the analog signal to be converted is a value within a preset error integration region,
When it is determined that the analog signal to be converted is not a value in the error region, the multiplication results in the multiplication unit are not integrated, and it is determined that the analog signal to be converted is a value in the error integration region 14. The calibration apparatus according to claim 11, wherein the multiplication results in the multiplication unit are integrated only when the multiplication is performed.
前記積算部の積算結果を前記サンプルホールド回路でのエラー信号として、前記アンプのゲインを前記積算結果に基づき調整する調整部
を備えることを特徴とする請求項11から請求項14のいずれか1項に記載のキャリブレーション装置。 The sample and hold circuit has an amplifier,
The adjustment part which adjusts the gain of the said amplifier based on the said integration result by using the integration result of the said integration part as an error signal in the said sample-and-hold circuit, The any one of Claim 11-14 characterized by the above-mentioned. The calibration device described in 1.
前記調整部は、前記乗算型デジタルアナログコンバータに含まれるアンプのゲインを、前記エラー信号に基づき調整することを特徴とする請求項15に記載のキャリブレーション装置。 The sample and hold circuit includes a multiplying digital-to-analog converter having an amplifier,
The calibration device according to claim 15, wherein the adjustment unit adjusts a gain of an amplifier included in the multiplying digital-analog converter based on the error signal.
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