JP2015097333A - Sample and hold circuit and a/d converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、サンプルホールド回路およびA/D変換器に関し、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、すなわち、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DA変換器(デジタルアナログコンバータ))などに関する。 The present invention relates to a sample-and-hold circuit and an A / D converter, and more specifically, a circuit for converting an input signal to output using amplification by an operational amplifier, that is, for example, a pipeline type A / D converter, Further, the present invention relates to a ΔΣ A / D converter and the like, and a sample hold circuit and a multiple DAC (MDAC: multiplication type DA converter (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18に示す回路が知られている(例えば特許文献1参照)。
図18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18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 this pipeline type A /
FIG. 18 is a schematic configuration diagram illustrating an example of the pipeline type A /
As shown in FIG. 18, 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18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. 18, 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(乗算型DA変換器(デジタルアナログコンバータ)、以下、MDACもいう。)105と呼ぶ。
図19は、MDAC105の一例を示す概略構成図である。
Incidentally, the
FIG. 19 is a schematic configuration diagram illustrating an example of the
図19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19(a)の回路を実現し、ホールドフェーズには図19(b)の回路を実現する。なお、図19(a)中のCsIの変数Iは、StageIに含まれるCsであることを意味する。 In FIG. 19, (a) shows the circuit configuration in the sample phase (SamplingPhase), and (b) shows the circuit configuration in the hold phase (HoldingPhase). The MDAC 105 implements the circuit of FIG. 19A in the sample phase and the circuit of FIG. 19B 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. 19A means Cs included in StageI.
図19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とを備える。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19(a))およびホールドフェーズ(図19(b))を交互に実現するように動作する。 As shown in FIG. 19, the MDAC 105 includes a sampling capacitor CsI in which unit capacitors of the same size are combined in parallel, and an MDAC-AMP11 formed of an operational amplifier and a parasitic capacitance Cp present at the input terminal of the MDAC-AMP11. . The MDAC 105 operates so as to alternately realize the sample phase (FIG. 19A) and the hold phase (FIG. 19B) in accordance with the input conversion clock signal CLK.
サンプルフェーズ(図19(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. 19A), the analog output signal ResidueI-1 of the previous unit block StageI-1 is charged in the sampling capacitor CsI. 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19(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18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に含まれ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に含まれる複数の単位容量のうちの一部を含んで構成される。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に含まれ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に含まれ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に含まれ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. 19B), 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 included in 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に含まれる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)
例えば、容量Crに含まれ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)
At this time, when the DC (direct current) gain of the MDAC-
Va = − (1 / a0) × Vout (1)
For example, when the voltages connected to the unit capacitors included in 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MDAC−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 MDAC-
図20は、図18の乗算型DA変換器の具体的回路の一例である。
図20(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。
この回路は、図20(b)のMDAC−AMP11のサミングポイント(Summing Point:加算点)Psum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。
FIG. 20 is an example of a specific circuit of the multiplication type DA converter of FIG.
FIGS. 20A and 20B are examples of specific circuits for realizing the SPM. FIG. 20A shows a circuit configuration in the sample phase, and FIG. 20B shows a circuit configuration in the hold phase.
This circuit corrects an error occurring in the MDAC-
図20(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「Gain+ADC部」に転送し、低速のAD変換器12でサミングポイントの出力電圧の平均値をAD変換した後に、メインパスのAD変換器11の結果を補正する離散型SC(switched capacitor)回路である。
FIG. 20C is another example of a specific circuit for realizing SPM (for example, see Non-Patent Document 1).
In this circuit, after sampling by the capacitor Ce1, it is transferred to the “Gain + ADC unit” by the capacitor Ce2, and the average value of the output voltage at the summing point is AD-converted by the low-
しかしながら、このように、平均値を補正した場合、メインパスの線形的な歪成分は補正することが可能であるが、高次の歪については補正できないため高精度な変換を行うことができない。
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高次の歪を発生するような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およびA/D変換器を提供することにある。
However, when the average value is corrected in this way, the linear distortion component of the main path can be corrected. However, since high-order distortion cannot be corrected, high-accuracy conversion cannot be performed.
The present invention has been made in view of such problems, and in a sample-and-hold circuit in which a gain characteristic of a DA conversion amplifier generates high-order distortion, a sample capable of realizing higher gain characteristics. An object of the present invention is to provide a hold circuit and an A / D converter.
本発明の一態様は、サンプリングキャパシタ(例えば図5に示す、サンプリングキャパシタCsI)および当該サンプリングキャパシタが入力端に接続されるアンプ(例えば図5に示す、MDAC−AMPI)を有するとともに、前記アンプに接続される演算部(例えば図5に示す、SPM部12)を備え、前記アンプの出力を次段のサンプルホールド回路に供給するサンプルホールド回路であって、前記次段のサンプルホールド回路の後段に、一段または複数段の他のサンプルホールド回路が接続されており、前記演算部は、ホールドフェーズに、前記アンプの入力端における前記サンプリングキャパシタの接続点であるサミングポイントの電圧をモニタし、前記サミングポイントの電圧のモニタ結果を、前記他のサンプルホールド回路のうちサンプルフェーズにある一のサンプルホールド回路に含まれるサンプリングキャパシタ(例えば図5に示す、サンプリングキャパシタCsI+2)に供給することを特徴とするサンプルホールド回路、である。
One embodiment of the present invention includes a sampling capacitor (for example, the sampling capacitor CsI illustrated in FIG. 5) and an amplifier (for example, the MDAC-AMPI illustrated in FIG. 5) to which the sampling capacitor is connected to the input terminal. A sample-and-hold circuit that includes a computing unit (for example,
前記一のサンプルホールド回路がサンプルフェーズのときにホールドフェーズとなり、前記一のサンプルホールド回路がホールドフェーズのときにサンプルフェーズとなるものであってよい。
前記一のサンプルホールド回路は、前記次段のサンプルホールド回路の次の段のサンプルホールド回路であってよい。
It may be a hold phase when the one sample and hold circuit is in the sample phase, and a sample phase when the one sample and hold circuit is in the hold phase.
The one sample-and-hold circuit may be a sample-and-hold circuit in the next stage of the next-stage sample-and-hold circuit.
前記演算部は、AD変換器(例えば図3に示す、ADC12a)と当該AD変換器の出力端に接続されるDA変換器(例えば図3に示す、DAC12b)とを有していてよい。
前記AD変換器は、入力端が前記サミングポイントに接続され、前記DA変換器は、出力端が前記一のサンプルホールド回路に含まれるサンプリングキャパシタに接続されていてよい。
The arithmetic unit may include an AD converter (for example,
The AD converter may have an input terminal connected to the summing point, and the DA converter may have an output terminal connected to a sampling capacitor included in the one sample hold circuit.
前記演算部はゲインを変化させることが可能に構成されていてよい。
本発明の他の態様は、上記いずれかの態様に記載のサンプルホールド回路を用いてなることを特徴とするA/D変換器、である。
The calculation unit may be configured to change a gain.
Another aspect of the present invention is an A / D converter characterized by using the sample and hold circuit according to any one of the above aspects.
本発明の一態様によれば、DA変換用アンプが高次の歪を発生するような場合であっても、より精度よくアナログデジタル変換を行うことができる。また、比較的簡易な構成で実現することができるため、消費電力を低減することができるとともに、DA変換用アンプのゲイン特性を低く抑えることができ、すなわちDA変換用アンプも簡単な構成とすることができるため、電源電圧を小さくすることができ、その分消費電力を抑制することができる。 According to one embodiment of the present invention, analog-to-digital conversion can be performed with higher accuracy even when the DA conversion amplifier generates high-order distortion. Further, since it can be realized with a relatively simple configuration, power consumption can be reduced, and the gain characteristic of the DA conversion amplifier can be kept low, that is, the DA conversion amplifier has a simple configuration. Therefore, the power supply voltage can be reduced, and power consumption can be suppressed accordingly.
また、サミングポイントを取り出す回路を、単純な構成で実現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。 Even when the circuit for extracting the summing point is realized with a simple configuration, a gain with high accuracy can be realized regardless of variations in the operating environment and the manufacturing process.
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。
<パイプライン型A/D変換器の構成>
図1は、本発明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.
<Configuration of pipeline type A / D converter>
FIG. 1 is a conceptual diagram showing an example of a pipeline type A /
図1に示すパイプライン型A/D変換器1は、図18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1に示すパイプライン型A/D変換器1において、図18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をモニタして所望のゲインに調整するためのSPM部12を使用する。
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 is an SPM for monitoring the voltage Va at the input end of the MDAC-
SPM部12の入力端はサンプルフェーズにおいてはグランドレベルにショートされ、ホールドフェーズではサミングポイントPsumに接続され、SPM部12の出力端は、サンプルフェーズにおいてはグランドレベルにショートされ、ホールドフェーズでは次段の単位ブロックStageI+1に含まれるMDAC110のサンプリングキャパシタCsI+1に接続される点に特徴がある。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SPM部12で検出し増幅した信号、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。なお、「1/f′」は、SPM部12のゲインである。
The input end of the
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、SPM部12をもたない図19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)
一方で、SPM部12の出力Vout(SPM)は、このSPM部12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)
The output Vout (MDAC) of the MDAC-
Vout (MDAC)
= (CsI / Cf) × {1 / (1 + 1 / (a0 × f))} × Vin
...... (6)
On the other hand, the output Vout (SPM) of the
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SPM部12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。
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」が高次の歪成分を持つような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。
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)
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” has a high-order distortion component.
<SPM部12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)に含まれるSPM部12の一例を示す概念図である。本発明におけるSPM部12は、AD変換を行なうADC12aとADC12aの出力をDA変換するDAC12bとを備える。
図4は図3のSPM部12に含まれるADC12aおよびDAC12bのより具体的な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SPM部12として、図3に示すADC12aとDAC12bとを用いている。Stage2(100(2))〜StageN(100(N))については、図19に示す、SPM部12を持たないMDAC105を搭載している。
<Conceptual diagram of the
FIG. 3 is a conceptual diagram showing an example of the
FIG. 4 is a conceptual diagram showing a more specific example of the
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SPM部12として図3に示すADCとDACとを用いている。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SPM部12として図3に示すADCおよびDACを用いることも可能である。
That is, in the pipeline type A /
本発明におけるSPM部12に含まれるADC12aおよびDAC12bは、図4に示すように、サミングポイントPsumに接続され、そのサミングポイントPsumの電圧Vaをそれぞれ異なる電圧と比較するための複数のコンパレータ(Comp.1〜Comp.n)を有するとともに、それぞれのコンパレータ(Comp.1〜Comp.n)の比較結果に応じて、+Vr/0/−Vrのいずれかに一端が接続されそれぞれの電圧にチャージされる容量C1〜Cnとを有する。コンパレータ(Comp.1〜Comp.n)がADC12aに対応し、容量C1〜CnがDAC12bに対応している。
As shown in FIG. 4, the
これらの容量C1〜Cnは、図2(b)における次のステージのサンプリングキャパシタCsI+1と同様、ホールドフェーズにおいてサミングポイントPsumに現れるエラーを蓄え、次のステージに転送する。
この際、容量C1〜CnとサンプリングキャパシタCsI+1との比を調整することにより、式(7)で示される1/f′のゲインを形成する。1/f′のゲインは式(4)で表される1/fと等しい時に式(9)のようにMDAC−AMP11のDCGain「a0」に依らないゲイン特性を示すことができるが、式(4)からわかるように、1/fは容量の比で算出されるため、容量C1〜Cnをメインパスと相似な比で形成することで容易に形成することが可能である。
These capacitors C1 to Cn store an error appearing at the summing point Psum in the hold phase, and transfer it to the next stage, like the sampling capacitor CsI + 1 of the next stage in FIG.
At this time, by adjusting the ratio of the capacitors C1 to Cn and the sampling
なお、ここでは1/f′のゲインを容量の比で形成するものとしたが、これに限らず、例えば、蓄える電圧+Vr/0/−Vrを調整しても良い。また、容量C1〜Cnは固定せずに後に述べるキャリブレーションによって可変できるようにしていても良い。 Here, the gain of 1 / f ′ is formed by the capacitance ratio. However, the present invention is not limited to this. For example, the stored voltage + Vr / 0 / −Vr may be adjusted. Further, the capacitors C1 to Cn may be variable by calibration described later without being fixed.
<SPM部12の改良説明>
本発明者は、上述のSPM部12を用いて、MDAC−AMP11で発生する誤差(エラー)を補正する方法についてさらに改良の検討を行った。
ここで、前述の図2に示すSPM部12を用いた乗算型DA変換器はSPM部12の出力を次段のサンプリングキャパシタCsI+1に接続しており、次段のサンプリング時においてエラーが補正されるように構成している。
<Improvement of
The present inventor further studied improvement on a method of correcting an error (error) generated in the MDAC-
Here, the multiplying DA converter using the
ところで、このように構成するとSPM部12は図2(b)のホールドフェーズにおいてサミングポイントPsumの電圧VaをサンプルしAD変換した後、直ちにDA変換を行うことになるので、SPM部12は、例えば図4に示すような、高速でAD変換および、DA変換できるADC12aおよびDAC12bを備える必要がある。
By the way, with this configuration, the
この点に鑑み、本発明者は高速でAD変換およびDA変換しなくても良い構成を考案した。
図5は、従属接続されたサンプルホールド回路(SH回路)を有する図1に示すパイプライン型A/D変換器1に含まれる、本発明を適用したMDAC(乗算型DA変換器)の一例を示したものであり、SPM部12を用いたMDAC110を含むStageIとその次段である、SPM部12をもたないMDAC105を含むStageI+1の一例を示す概略構成図である。図5に示すMDACは、SPM部12の高速性を緩和することを目的としている。
In view of this point, the present inventor has devised a configuration that does not require high-speed AD conversion and DA conversion.
5 shows an example of an MDAC (multiplying DA converter) to which the present invention is applied, which is included in the pipeline type A /
図5(a)において、識別子「I」が付加されたCrI、CpI、CfI、MDAC−AMPIを含む部分がStageIであり、StageIのMDAC110がResidueIを出力し次段に転送するホールドフェーズの状態にあることを示している。識別子「I+1」が付加されたCsI+1、CpI+1、MDAC−AMPI+1を含む部分がStageI+1であり、StageI+1のMDAC105がサンプルフェーズの状態にあることを示している。
In FIG. 5A, the portion including CrI, CpI, CfI, and MDAC-AMPI to which the identifier “I” is added is StageI, and the stage I MDAC 110 outputs ResidueI and transfers to the next stage. It shows that there is. The portion including CsI + 1, CpI + 1, and MDAC-AMPI + 1 with the identifier “I + 1” added is StageI + 1, which indicates that the
また、図5(b)において、識別子「I」が付加されたCsI、CpI、MDAC−AMPIを含む部分がStageIであり、MDAC110が前段のStageの出力ResidueI−1を入力信号とするサンプルフェーズの状態にあることを示している。識別子「I+1」が付加されたCrI+1、CfI+1、CpI+1、MDACAMPI+1を含む部分がStageI+1であり、MDAC105がホールドフェーズの状態にあることを示している。
Further, in FIG. 5B, the part including CsI, CpI, and MDAC-AMPI to which the identifier “I” is added is StageI, and the
これらの各容量およびアンプは図19で説明したSPM部12を持たないMDAC105の対応する部分と同じ動作を行い、StageIおよびStageI+1が、図5(a)の状態と図5(b)の状態とを交互に繰り返すように動作することで次々段であるStageI+2のサンプリングキャパシタ(CsI+2)に電荷を転送する。
また、図5におけるMDAC110において、SPMは、図5(a)に示すように、通常のDACに対してサミングポイントPsumと呼ばれるMDAC−AMP11の入力端の電圧Vaをモニタして所望のゲインに調整するためのSPM部12を使用する。
Each of these capacitors and amplifiers performs the same operation as the corresponding part of the
In the
SPM部12の入力端は図5(a)に示すように、StageIのホールドフェーズにおいてはStageIのサミングポイントPsumに接続され、図5(b)に示すように、StageIのサンプルフェーズではグランドレベルにショートされる。また、SPM部12の出力端は、図5(a)に示すように、StageI+1のサンプルフェーズにおいてはグランドレベルにショートされ、図5(b)に示すように、StageI+1のホールドフェーズでは次々段の単位ブロックStageI+2に含まれるMDAC110のサンプリングキャパシタCsI+2に接続される点に特徴がある。
As shown in FIG. 5A, the input terminal of the
つまり、図5(a)の状態および図5(b)の状態を交互に繰り返すことにより、StageIのサミングポイントPsumの電圧VaIをSPM部12で検出し増幅した信号、すなわち(1/f′)×(StageI+1のGain)×Vaを次々段のサンプリングキャパシタCsI+2で蓄積する。
ここで、図2に示す構成を有するMDAC110では、SPM部12の出力端は、次段のStageI+1のサンプリングキャパシタCsI+1に接続されているため、SPM部12では、図2(b)に示すStageIがホールドフェーズ状態にあるときにAD変換およびDA変換を同時に行なう必要がある。
That is, by alternately repeating the state of FIG. 5A and the state of FIG. 5B, the voltage VaI of the summing point Psum of Stage I is detected and amplified by the
Here, in the
これに対し、図5の構成をとると、SPM部12の出力端は、次々段のStageI+2のサンプリングキャパシタCsI+2に接続されているため、StageIでは、図5(a)のホールドフェーズで信号をサンプリングしておき、図5(b)のサンプリングフェーズの間にサンプリングした信号を転送すれば良いため、SPM部12では、AD変換およびDA変換を行う期間を、図2の構成を有する場合に比較してより長く取ることが可能となる。その結果、SPM部12では、AD変換およびDA変換において高速性を必要としない。その結果、AD変換およびDA変換を行なう、ADC12a、DAC12bの構成を簡易化することができ、また、消費電力を抑えることが可能となる。
On the other hand, when the configuration of FIG. 5 is adopted, the output terminal of the
なお、図5ではSPM部12の出力端を次々段(StageI+2)のサンプリングキャパシタCsI+2に接続することでエラーを補正したが、その限りではなく、StageI+3など、さらに後段のStageに返すことも可能である。
図6は、SPM部12の出力端を、3Stage後段のサンプリングキャパシタCsI+3に接続した例を示したものである。図6(a)において、StageIはResidueIを出力し次段に転送するホールドフェーズの状態を示しており、同様に、StageI+2はResidueI+2を出力し次段に転送するホールドフェーズの状態を示している。StageI+1はサンプルフェーズの状態を示す。また、図6(b)において、StageIおよびStageI+2はサンプルフェーズの状態を示し、StageI+1は、ホールドフェーズの状態を示している。このように、StageIにおけるエラーを、より後段のStageに返すことで、SPM部12においてAD変換およびDA変換を行なう期間をさらに長くすることが可能となる。そのため、例えば低速で高分解能なΔΣADCなどを、SPM部12のADC12aとして利用することもできる。
In FIG. 5, the error is corrected by connecting the output terminal of the
FIG. 6 shows an example in which the output terminal of the
また、この考えを突き詰めると、StageIにおけるエラーを最終的なデジタル出力値に足し込むことで補正することも可能である。このような構成とすることによって、図3に示すSPM12に含まれるDAC12bを省略することができ、消費電力や回路面積をさらに抑えることが可能となる。
なお、SPM部12の出力は、このSPM部の出力が供給される後段のサンプルホールド回路(例えば、図5ではStageI+2、図6ではStageI+3)が、サンプルフェーズであるときに、この後段のサンプルホールド回路に供給されればよく、後段のサンプルホールド回路がサンプルフェーズであるときに、SPM部12を有するStageIは、サンプルフェーズであってもホールドフェーズであってもかまわない。
Moreover, if this idea is scrutinized, it is also possible to correct the error by adding the error in Stage I to the final digital output value. With such a configuration, the
Note that the output of the
したがって、後段のどのサンプルホールド回路にSPM部12の出力を供給するかは、SPM部12における、ある時点における入力信号Vinに対する処理結果の出力タイミングと、同一時点における入力信号Vinに対する、SPM部12の出力供給先のサンプルホールド回路の処理タイミングと、等に基づき、決定すればよい。つまり、後段のサンプルホールド回路が、ある時点における入力信号Vinに対する処理を実行するタイミングで、同一時点における入力信号Vinに対するSPM部12での処理結果がこの後段のサンプルホールド回路に供給されればよい。例えば、SPM部12側で出力タイミングを調整するようにしてもよく、逆に、サンプルホールド回路側で、SPM部12からの信号の入力を待って入力信号Vinに対する処理を実行するようにしてもよい。
Therefore, to which sample hold circuit of the subsequent stage the output of the
<キャリブレーション装置>
<ランダム信号加算方式のキャリブレーション装置の一例>
図7は、図3に示すSPM部12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、SPM部12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の一例を示す概略構成図である。図7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。
<Calibration device>
<An example of a random signal addition type calibration device>
7 shows a circuit for adjusting the
図7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に含まれるMDAC110においてStage1では、MDAC110として図5に示すMDACを搭載し、そのSPM部12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. 7, the pipeline type A /
なお、ここでは、StageIにおけるエラー信号を次々段のStageI+2のサンプリングキャパシタCsI+2に足し込む場合について説明するが、図7に示すキャリブレーション装置は、図2に示す次段のStageI+1のサンプリングキャパシタCsI+1に足し込む場合、また、図6に示す、3段後のStageI+3のサンプリングキャパシタCsI+3に足し込む場合であっても適用することができる。 Here, a case where an error signal in Stage I is added to the sampling capacitor CsI + 2 of the next stage I + 2 will be described. However, the calibration device shown in FIG. 7 adds the sampling capacitor CsI + 1 of the next stage I + 1 shown in FIG. In addition, the present invention can be applied even when adding to the sampling capacitor CsI + 3 of Stage I + 3 after the third stage shown in FIG.
図3に示すSPM部12のゲイン(1/f′)がMDAC−AMP11のフィードバックファクタf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(10)に示すように仮定することができる。
Vout(ADC)=(1−α)×Vin(ADC) ……(10)
(10)式中のαはSPM部12のゲイン(1/f′)とMDAC−AMP11のフィードバックファクタf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′) ……(11)
The gain (1 / f ′) of the
Vout (ADC) = (1−α) × Vin (ADC) (10)
Α in the equation (10) can be expressed as follows using the gain (1 / f ′) of the
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。
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。
Here, a random variable PN composed of “1” or “−1” is added to a signal (PN × Vcal) obtained by multiplying a certain voltage Vcal by the input signal Vin, and the added analog signal Vin (ADC) is a pipeline type. Input to the A /
Here, the random variable PN is set to “1” or “−1”, but is not limited to this, and is a value that is changed by a value in the positive direction and the negative direction with respect to 0. Any value can be used as long as the average value of the random variables becomes zero.
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(12)で表すことができる。
Vout=Vin−α×(Vin+PN×Vcal) ……(12)
After analog-to-digital conversion through the pipeline type A /
Vout = Vin−α × (Vin + PN × Vcal) (12)
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、(12)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(13)で表すことができる。
PN×Vout
=PN×Vin(1−α)−αVcal ……(13)
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 expressed by the equation (12), as described above, the random variable PN becomes “ Since “1” or “−1” and PN × PN = 1, it can be expressed by the following equation (13).
PN x Vout
= PN × Vin (1-α) −αVcal (13)
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、(13)式は、(14)式と表すことができる。
PN×Vout=−αVcal ……(14)
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に含まれる各MDAC110のSPM部12のゲインを調整する。
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 (13) can be expressed as the following equation (14).
PN × Vout = −αVcal (14)
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(11)から1/f′が1/fより大きいとみなすことができるのでSPM部12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(11)から1/f′が1/fより小さいとみなすことができるのでSPM部12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。
以上のようにSPM部12のゲインを調整すると、α=0となる。
That is, the
As described above, when the gain of the
したがって、α=0を、(12)式に代入すると、(12)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7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。
Therefore, if α = 0 is substituted into the equation (12), the equation (12) 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. 7,
また、図7のキャリブレーション装置においては、SPM部12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、SPM部12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。
In the calibration device of FIG. 7, the gain of the
以上説明したように、パイプライン型A/D変換器1のMDAC110を図5に示す構成とし、SPM部12に図3および図4に示すADC12aとADC12bとを設け、図7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てキャリブレーションを行なうことによって、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る。また、Stage毎にゲイン調整を行なうようにしているため、MDAC−AMP11のDCgain「a0」が高次の歪成分を持つような場合であっても、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。
As described above, the
また、例えば、図20に示す従来の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SPM部12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SPM部12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, like the circuit of the multiplication DA converter that realizes the conventional SPM shown in FIG. 20, the gain is adjusted by feeding back the output of the MDAC-
また、MDAC−AMP11のDCgain「a0」が高次の歪み成分を持つような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」を高いゲイン特性を保つことができる。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 has a high-order distortion component, the analog-digital conversion can be performed accurately. Therefore, the DCgain “a0” of the MDAC-AMP11 has a high gain characteristic. Can keep. Therefore, the configuration of the MDAC-
なお、図7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SPM部12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、SPM部12を有するMDAC110を含む場合には、各Stageにおいて各SPM部12のゲインを調整するようにしてもよく、また、SPM部12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. 7, the case where the
<閾値変動方式のキャリブレーション装置の一例>
図8は、図3に示すSPM部12を備えたパイプライン型A/D変換器1における、SPM部12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8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。
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8に示すように、図7に示すランダム信号加算方式の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。
<One example of calibration apparatus of threshold fluctuation method>
FIG. 8 is a schematic configuration diagram illustrating another example of a calibration apparatus that adjusts the
The calibration apparatus shown in FIG. 8 performs calibration by changing the threshold value of the
As shown in FIG. 8, the calibration device using the threshold fluctuation method does not require the
図7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8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。
In the case of the calibration apparatus using the random signal addition method shown in FIG. 7, since the AD conversion is performed after adding the irrelevant random signal to the input signal, it is necessary to subtract the signal corresponding to the added random signal from the output signal. On the other hand, in the case of the calibration apparatus using the threshold value variation method shown in FIG. 8, 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8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に含まれる各MDAC110のSPM部12のゲインを調整する。
In other words, as shown in FIG. 8, the threshold value variation calibration apparatus multiplies the output Vout output from the pipeline A /
図3においてSPM部12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(15)に示すように仮定することができる。
Vout=(1−α)×Vin ……(15)
(15)式中のαはSPM部12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(16)の通り表すことができる。
α=Cf/Cs×(1/a0)×(1/f−1/f′) ……(16)
In FIG. 3, the gain “1 / f ′” of the
Vout = (1−α) × Vin (15)
Α in the equation (15) can be expressed as the following equation (16) using the gain “1 / f ′” of the
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(17)で表すことができる。
Vout=Vin−α×(Vin+PN×Vcal)
=(1−α)Vin−α(PN×Vcal) ……(17)
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) (17)
ここで、ランダム変数PNを、(17)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(18)で表すことができる。
PN×Vout
=PN×Vin(1−α)−αVcal ……(18)
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、(18)式は、(19)式と表すことができる。
PN×Vout=−αVcal ……(19)
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SPM部12のゲインを調整する。
Here, when the random variable PN is multiplied by the output Vout represented by the equation (17), as described above, the random variable PN is “1” or “−1” and PN × PN = 1. And can be represented by the following formula (18).
PN x Vout
= PN × Vin (1-α) −αVcal (18)
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 (18) can be expressed as the equation (19) after all.
PN × Vout = −αVcal (19)
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SPM部12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SPM部12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。
以上のようにSPM部12のゲインを調整すると、α=0となる。
That is, the
As described above, when the gain of the
したがって、α=0を、(17)式に代入すると、(17)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8においては、SPM部12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。
Therefore, if α = 0 is substituted into the equation (17), the equation (17) becomes Vout = Vin. That is, this is equivalent to ideal analog-digital conversion of the input signal Vin.
In FIG. 8, the gain of the
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、SPM部12を有するMDAC110を含む場合には、各Stageにおいて各SPM部12のゲインを調整するようにしてもよく、また、SPM部12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 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>
図9は、図8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より詳細な構成の一例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概念図である。
図9に示すように、パイプライン型A/D変換器1は、StageI(例えばStage1(単位ブロック100(1)))を含むステージ部41と、StageI+1からStageN(例えば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。
ステージ部41は、MDAC110と、SADC回路102と、を含んで構成される。
<Detailed configuration diagram showing an example of a calibration apparatus using a threshold variation method>
FIG. 9 shows an example of a more 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. 9, the pipeline type A /
The
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。
そして、図9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。
The
The calibration apparatus shown in FIG. 9 performs calibration by changing the threshold value of the
なお、StageIのMDAC110は、前述の図5に示すMDAC110と同一構成を有し、SPM部12の出力端は、Backend ADC42に含まれる次々段のStageI+2に含まれるサンプリングキャパシタCsI+2に接続される。
また、入力信号Vinがステージ部41およびBackend ADC42を経てデジタル変換された出力信号Voutとランダム変数PNとを乗算器35で乗算し、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SPM部12の電流源I1〜I3の電流値を調整する。
Note that the
In addition, the output signal Vout obtained by digitally converting the input signal Vin through 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9においては、SPM部12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. 9, the gain of the
<従来技術との比較>
次に、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閾値変動方式により、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、従来技術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 technology>
Next, as in the present embodiment, the gain of the pipeline A /
図10は、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。
従来のSADCは、図10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. 10 is a diagram schematically illustrating a part of the
The conventional SADC includes
The
図11は、ランダム信号を加算しない従来のSADCの伝達関数(入出力特性)を示す図である。図11において、横軸は入力、縦軸は出力である。また、図11中の「△」で指し示す値は、ランダム信号を加算しないSADCの閾値を表す。
図11に示すように、ランダム信号を加算しないSADC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. 11 is a diagram showing a transfer function (input / output characteristics) of a conventional SADC that does not add a random signal. In FIG. 11, the horizontal axis is input, and the vertical axis is output. Further, the value indicated by “Δ” in FIG. 11 represents the threshold value of the SADC to which the random signal is not added.
As shown in FIG. 11, in the case of a SADC that does not add random signals, 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12は、MDAC110が2.5BitのMDACである場合の、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. 12 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13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13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13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13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. 13 is a diagram illustrating a transfer function (input / output characteristics) of the
In FIG. 13, 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13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。
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
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。
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。
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.
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。
キャリブレーション時間を短縮化するには、アキュームレータ21の積算時間を効率化すればよい。そのため、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
In order to shorten the calibration time, the accumulation time of the
すなわち、例えば図9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。
That is, for example, by using the back-
The
図14(a)は、図12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14(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。
FIG. 14A is a diagram showing transfer functions (input / output characteristics) of
Stage2の伝達関数を示す図(図14(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14(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)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 the diagram showing the transfer function of Stage 2 (the diagram on the right side of FIG. 14A), the horizontal axis represents the output of the
In FIG. 14A, a region not affected by the random variable PN corresponds to (−1/4) · Vr to (1/4) · Vr of Stage2 input (= Output of Stage1). A determination circuit (not shown) determines a region (time) in which this region is error-integrated, and distinguishes a region (time) that has not been error-integrated (time), thereby distinguishing the region in which error is integrated. Only the
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14(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14(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14(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、Stage2の伝達関数を示す図(図14(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. 14B is a diagram illustrating transfer functions (input / output characteristics) of
図14(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. 14B, when there is an offset 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>
図15は、図7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より詳細な構成の一例を示す概念図である。
図15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9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9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>
FIG. 15 is a conceptual diagram showing an example of a more detailed configuration of a calibration apparatus using a random signal addition method that adds a random signal to the input signal described in FIG.
The calibration apparatus using the random signal addition method shown in FIG. 15 is different from the calibration apparatus using the threshold fluctuation method shown in FIG. 9 in that the
図15に示すように、パイプライン型A/D変換器1は、StageI(例えばStage1(単位ブロック100(1)))を含むステージ部51と、StageI+1からStageN(例えば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. 15, the pipeline type 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15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. 15 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5に示すMDAC110と同一構成を有し、SPM部12の出力端は、Backend ADC42に含まれる次々段のStage3に含まれるサンプリングキャパシタCs3に接続される。
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、入力信号Vinがステージ部51およびBackend ADC52を経てデジタル変換された出力Vout(ADC)を加算器34により加算し、入力信号Vinをデジタル変換した出力信号Voutを得る。また、加算器34の加算結果、すなわち、入力信号VinのA/D変換値である出力信号Vout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SPM部12の電流源I1〜I3の電流値を調整する。
The
Further, an
なお、図15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サンプリングキャパシタ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15中の電圧Vcalを(1/4)・Vrにする代わりに、VcalをVrにし、キャパシタの容量比を1:4にして実現してもよい。
In FIG. 15, the addition in the analog unit is realized by charging the capacitor as the
Alternatively, the reference voltage Vr used in the ADC comparator included in the
なお、図15において、SPM部12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16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16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. 15, the gain of the
FIG. 16 is a diagram illustrating an input signal and a transfer function (input / output characteristics) of the
図16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16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. 16, 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. 16 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15に示すランダム変数加算方式のキャリブレーション装置においても、図9に示す閾値変動方式の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。
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SPM部12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。
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 random variable addition type calibration apparatus shown in FIG. 15, similarly to the threshold value fluctuation type calibration apparatus shown in FIG. 9, an area (time) in which error signals are integrated by using the back-
As described above, according to the present invention, even when a circuit for extracting the voltage at the summing point Psum is realized by the
<キャリブレーション装置の他の適用例を示す構成図>
図17は、ランダム変数加算方式の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の一例を示す概念図である。
図17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、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17では、図15で説明した入力信号Vinにランダム信号を加算する、ランダム変数加算方式によりキャリブレーションを行なうものである。
すなわち、図17に示すキャリブレーション装置は、図15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、後段の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15に示すキャリブレーション装置と同じ方法で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>
FIG. 17 is a conceptual diagram showing an example of a detailed configuration showing another application example of the calibration apparatus of the random variable addition method.
The calibration apparatus using the random signal addition method shown in FIG. 17 performs gain adjustment in the sample hold circuit of the A / D converter, not in the pipeline type A / D converter. Calibration is performed by a random variable addition method in which a random signal is added to the input signal Vin described in FIG.
That is, the calibration apparatus shown in FIG. 17 uses a post-stage ADC in place of the pipeline type A /
なお、図17において、図15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17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17に示すように、サンプルホールド回路211は、AMP221とSPM部12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SPM部12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の出力端に、サンプルホールド回路211とADC212とを接続するためのサンプリング容量213が接続される。
In FIG. 17, components having the same functions as those of the calibration apparatus shown in FIG. 15 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
FIG. 17 is a block diagram illustrating an example of a calibration device for performing background calibration on the
As shown in FIG. 17, the
図17に示すようにADC212が、複数のサンプリング容量213が縦続接続されてなる場合、その方式によってサンプリング容量213に転送されたアナログ入力信号Vinをデジタル信号に変換するが、このサンプリング容量213のうちのいずれか1つとSPM部12の出力端とを接続することにより、サンプルホールド回路において発生するエラー信号をADC212に転送することが可能となる。
As shown in FIG. 17, when the
また、SPM部12の出力端と接続するサンプリング容量213がサンプリングフェーズに来るときにSPM部12が出力されれば良いので、SPM部12の処理が高速である必要がなくなる。
なお、図17ではSPM部12の出力端をADC212のサンプリング容量213に接続することでエラー信号の転送を行っているが、その限りではなく、ADC212の方式によっては抵抗やGain−AMPなどに接続することで適切なゲインをかけて転送してもよい。
In addition, since the
In FIG. 17, the error signal is transferred by connecting the output terminal of the
図17に示すキャリブレーション装置は、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、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。
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SPM部12の電流源I1〜I3の電流値を調整する。
The calibration apparatus illustrated in FIG. 17 includes a
Then, the output Vout (ADC) output from the
なお、図17においては、SPM部12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。
このように、図17に示す構成も図15に示す構成と同様に、エラーを検出したいブロック(図17の場合はサンプルホールド回路211)のエラー信号を直ちに転送する必要がなくなるため、SPM部12においてAD変換およびDA変換を行なう期間をさらに長くすることが可能となり、例えば低速で高分解能なΔΣADCなどを、SPM部12のADC12aとして利用することもできる。
In FIG. 17, the gain of the
As described above, the configuration shown in FIG. 17 does not need to immediately transfer the error signal of the block (
したがって、この場合も、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、逐次比較A/D変換器やΔΣA/D変換器などであっても適用することができる。これらの場合、A/D変換器のエラー分を考慮すれば、SPM部の出力端を後段に含まれるしかるべきキャパシタに接続することで、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。
Accordingly, also in this case, it is possible to realize a high-accuracy gain regardless of the operating environment and variations during the manufacturing process.
In the above embodiment, the case where the sample-and-hold circuit calibration method according to the present invention is applied to a pipelined A / D converter has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, a successive approximation A / D Even a converter or a ΔΣ A / D converter can be applied. In these cases, if the error of the A / D converter is taken into account, the output terminal of the SPM unit is connected to an appropriate capacitor included in the subsequent stage, so that the accuracy is high regardless of variations in the operating environment and the manufacturing process. Gain can be realized.
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。 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 SPM部
12a ADC
12b DAC
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
105、110 MDAC(乗算型デジタルアナログコンバータ)
211 サンプルホールド回路
212 A/D変換器
Mx1、Mx2、My1、My2 MOSトランジスタ
I1、I2、I3 電流源
1 Pipeline A /
12
12b DAC
21 accumulator
22 Up / Down Counter (up / dn counter)
23 DAC (DA converter)
31, 33, 35
211 Sample hold circuit 212 A / D converter Mx1, Mx2, My1, My2 MOS transistors I1, I2, I3 Current source
Claims (7)
前記次段のサンプルホールド回路の後段に、一段または複数段の他のサンプルホールド回路が接続されており、
前記演算部は、
ホールドフェーズに、前記アンプの入力端における前記サンプリングキャパシタの接続点であるサミングポイントの電圧をモニタし、
前記サミングポイントの電圧のモニタ結果を、前記他のサンプルホールド回路のうちサンプルフェーズにある一のサンプルホールド回路に含まれるサンプリングキャパシタに供給することを特徴とするサンプルホールド回路。 A sampling and holding circuit having a sampling capacitor and an amplifier connected to an input terminal of the sampling capacitor, and having an arithmetic unit connected to the amplifier, and supplying an output of the amplifier to a sample and hold circuit in the next stage,
After the sample and hold circuit of the next stage, another sample and hold circuit of one or more stages is connected,
The computing unit is
In the hold phase, the voltage at the summing point that is the connection point of the sampling capacitor at the input terminal of the amplifier is monitored,
A sample and hold circuit, wherein the summing point voltage monitoring result is supplied to a sampling capacitor included in one sample and hold circuit in a sample phase among the other sample and hold circuits.
AD変換器と当該AD変換器の出力端に接続されるDA変換器とを有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。 The computing unit is
The sample-and-hold circuit according to any one of claims 1 to 3, further comprising an AD converter and a DA converter connected to an output terminal of the AD converter.
前記DA変換器は、出力端が前記一のサンプルホールド回路に含まれるサンプリングキャパシタに接続され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。 The AD converter has an input connected to the summing point,
The sample-and-hold circuit according to claim 4, wherein an output terminal of the DA converter is connected to a sampling capacitor included in the one sample-and-hold circuit.
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2013
- 2013-11-15 JP JP2013236813A patent/JP2015097333A/en active Pending
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WO2021086774A1 (en) * | 2019-10-29 | 2021-05-06 | Texas Instruments Incorporated | Circuits and methods for reducing charge losses in switched capacitor analog to digital converters |
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