JP2015130587A - A/d converter and a/d conversion method - Google Patents

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吉岡 正人
Masato Yoshioka
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an A/D converter and an A/D conversion method, which can obtain output data derived from compensation of data even when an erroneous decision occurs in the data due to redundancy while suppressing an increase in a circuit size and an increase in power consumption.SOLUTION: An A/D converter which receives an analog input voltage Vi and repeats A/D conversion by at least 2 bits a plurality of times to perform a plurality of times of A/D conversion with successively increasing density to output digital data comprises: a plurality of comparators CMP1, CMP2, CMP3 for determining the analog input voltage; and redundancy control parts 4, 5 for detecting determination completion of the analog input voltage by the plurality of comparators in first determination of performing A/D conversion of the analog input voltage on a high-order bit side and performing redundancy control by specifying the first comparator CMP1 which provides redundancy in second determination subsequent to the first determination.

Description

この出願で言及する実施例は、A/D変換器(アナログ/デジタル変換器:Analog-to-Digital Converter)およびA/D変換方法に関する。   The embodiment referred to in this application relates to an A / D converter (Analog-to-Digital Converter) and an A / D conversion method.

近年、様々な分野でA/D変換器が幅広く利用されているが、A/D変換方式としては、例えば、フラッシュ型(並列比較型)のように1回でA/D変換を完了させる方式の他に、小ビットのA/D変換を繰り返して徐々に範囲を特定する方式がある。   In recent years, A / D converters are widely used in various fields. As an A / D conversion method, for example, a method of completing A / D conversion at a time, such as a flash type (parallel comparison type). In addition, there is a method of gradually specifying a range by repeating small bit A / D conversion.

このような少ビットのA/D変換を繰り返して徐々に範囲を特定するA/D変換器として、サブレンジング(sub-ranging)型A/D変換器が知られている。このサブレンジング型A/D変換器は、例えば、4ビットのA/D変換を、まず、上位2ビットを粗判定として行い、その後、下位2ビットを密判定として段階的に行うものである。   A sub-ranging type A / D converter is known as an A / D converter that repeats such a small bit A / D conversion and gradually specifies a range. This sub-ranging A / D converter performs, for example, 4-bit A / D conversion in a stepwise manner, firstly using the upper 2 bits as a rough decision and then using the lower 2 bits as a fine decision.

また、1ビット或いは小ビットのA/D変換を、最上位ビット側から最下位ビット側に向けて繰り返し行い、徐々に範囲を特定する逐次比較(SAR:Successive Approximation Register)型A/D変換器も提案されている。   A successive approximation register (SAR) type A / D converter that repeatedly performs A / D conversion of 1 bit or small bit from the most significant bit side to the least significant bit side, and gradually specifies the range. Has also been proposed.

このSAR型A/D変換器は、比較的簡単な回路構成で実現することができ、また、CMOSプロセスとの整合性が高く、比較的安価に製造可能である。   This SAR type A / D converter can be realized with a relatively simple circuit configuration, has high compatibility with the CMOS process, and can be manufactured at a relatively low cost.

ところで、従来、A/D変換器としては、様々なものが提案されている。   By the way, conventionally, various A / D converters have been proposed.

特開平10−209870号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-209870 特開2009−302716号公報JP 2009-302716 A 特開平06−085677号公報Japanese Patent Laid-Open No. 06-085677 特開2010−045579号公報JP 2010-045579 A 特開2005−136540号公報JP 2005-136540 A

Hyeok-Ki Hong et al., "A 7b 1GS/s 7.2mW Nonbinary 2b/cycle SAR ADC with Register-to-DAC Direct Control," 978-1-4673-1556-2/12, IEEE, September 2012 (Custom Integrated Circuits Conference (CICC), 2012 IEEE)Hyeok-Ki Hong et al., "A 7b 1GS / s 7.2mW Nonbinary 2b / cycle SAR ADC with Register-to-DAC Direct Control," 978-1-4673-1556-2 / 12, IEEE, September 2012 (Custom Integrated Circuits Conference (CICC), 2012 IEEE) Kentaro Yoshioka et al., "An 8bit 0.35-0.8V 0.5-30MS/s 2bit/step SAR ADC with Wide Range Threshold Configuring Comparator," ESSCIRC, pp.381-384, IEEE, September 2012Kentaro Yoshioka et al., "An 8bit 0.35-0.8V 0.5-30MS / s 2bit / step SAR ADC with Wide Range Threshold Configuring Comparator," ESSCIRC, pp.381-384, IEEE, September 2012 Joshua J. Kang et al., "A 12b 11MS/s Successive Approximation ADC with two comparators in 0.13μm CMOS," Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers, pp.240-241, June 2009Joshua J. Kang et al., "A 12b 11MS / s Successive Approximation ADC with two comparators in 0.13μm CMOS," Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers, pp.240-241, June 2009

前述したように、サブレンジング型A/D変換器では、例えば、上位2ビットの粗判定において、アナログ入力電圧と参照電圧を比較する比較器に判定誤差(オフセット)が存在すると、誤った判定を行う虞がある。   As described above, in the sub-ranging A / D converter, for example, in the coarse determination of the upper 2 bits, if there is a determination error (offset) in the comparator that compares the analog input voltage and the reference voltage, an erroneous determination is made. There is a risk of doing it.

具体的に、例えば、入力電圧をA/D変換した粗判定による上位2ビットのデジタルデータが、正しくは『01』なのが、比較器のオフセット等により『00』と判定されてしまうと、密判定における下位2ビットのデジタルデータでは修正することが困難になる。すなわち、密判定による下位2ビットのデジタルデータが『11』となっても、粗判定による上位2ビットのデジタルデータを『01』に修正することにはならない。   Specifically, for example, if it is determined that the upper 2 bits of the digital data by the coarse determination obtained by performing A / D conversion of the input voltage is correctly “01” as “00” due to the offset of the comparator, etc. It is difficult to correct the digital data of the lower 2 bits in the determination. That is, even if the low-order 2-bit digital data by the fine determination becomes “11”, the high-order 2-bit digital data by the rough determination is not corrected to “01”.

そのため、比較器のオフセット等を考慮して冗長範囲を設定することも考えられるが、その冗長範囲に対する比較器を追加して設けることになるため、A/D変換器の回路規模や消費電力が増加するため、好ましくない。   For this reason, it is conceivable to set the redundancy range in consideration of the offset of the comparator. However, since a comparator for the redundancy range is additionally provided, the circuit scale and power consumption of the A / D converter are reduced. Since it increases, it is not preferable.

一実施形態によれば、アナログ入力電圧を受け取って、少なくとも2ビットのA/D変換を複数回繰り返し、徐々に細かくA/D変換を行ってデジタルデータを出力するA/D変換器であって、複数の比較器と、冗長制御部と、を有するA/D変換器が提供される。   According to one embodiment, an A / D converter that receives an analog input voltage, repeats A / D conversion of at least 2 bits a plurality of times, gradually performs A / D conversion, and outputs digital data. An A / D converter having a plurality of comparators and a redundancy control unit is provided.

前記複数の比較器は、前記アナログ入力電圧を判定する。前記冗長制御部は、前記アナログ入力電圧の上位ビット側のA/D変換を行う第1判定において、前記複数の比較器による前記アナログ入力電圧の判定完了を検出する。さらに、前記冗長制御部は、前記第1判定の次に行う第2判定において、冗長性を持たせる第1比較器を特定して冗長制御を行う。   The plurality of comparators determine the analog input voltage. In the first determination for performing A / D conversion on the higher-order bit side of the analog input voltage, the redundancy control unit detects completion of determination of the analog input voltage by the plurality of comparators. Further, in the second determination performed after the first determination, the redundancy control unit performs redundancy control by specifying a first comparator having redundancy.

開示のA/D変換器およびA/D変換方法は、回路規模や消費電力の増加を抑えつつ、冗長性を持たせて誤判定があってもそのデータを補償した出力データを得ることができるという効果を奏する。   The disclosed A / D converter and A / D conversion method can suppress the increase in circuit scale and power consumption, and can provide output data that compensates for the data even if there is an erroneous determination by providing redundancy. There is an effect.

図1は、A/D変換器の例を説明するための図である。FIG. 1 is a diagram for explaining an example of an A / D converter. 図2は、A/D変換器の第1実施例を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing a first embodiment of the A / D converter. 図3は、図2に示すA/D変換器の動作を説明するための図である。FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of the A / D converter shown in FIG. 図4は、図2に示すA/D変換器における比較器の一例を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a comparator in the A / D converter illustrated in FIG. 図5は、図4に示す比較器の判定動作を説明するための図である。FIG. 5 is a diagram for explaining the determination operation of the comparator shown in FIG. 図6は、比較器がオフセットを持つ場合のA/D変換器の動作を説明するための図(その1)である。FIG. 6 is a diagram (part 1) for explaining the operation of the A / D converter when the comparator has an offset. 図7は、比較器がオフセットを持つ場合のA/D変換器の動作を説明するための図(その2)である。FIG. 7 is a diagram (part 2) for explaining the operation of the A / D converter when the comparator has an offset. 図8は、A/D変換器の第2実施例を示すブロック図である。FIG. 8 is a block diagram showing a second embodiment of the A / D converter. 図9は、図8に示すA/D変換器における比較器の一例を示す図である。FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a comparator in the A / D converter illustrated in FIG. 図10は、図8に示すA/D変換器におけるCDACの動作を説明するための図(その1)である。FIG. 10 is a diagram (No. 1) for explaining the operation of the CDAC in the A / D converter shown in FIG. 図11は、図8に示すA/D変換器におけるCDACの動作を説明するための図(その2)である。FIG. 11 is a diagram (No. 2) for explaining the operation of the CDAC in the A / D converter shown in FIG.

まず、A/D変換器およびA/D変換方法の実施例を詳述する前に、A/D変換器の例、並びに、A/D変換器における課題を、図1を参照して説明する。   First, before describing embodiments of the A / D converter and the A / D conversion method in detail, an example of the A / D converter and a problem in the A / D converter will be described with reference to FIG. .

図1は、A/D変換器の例を説明するための図である。ここで、図1(a)は、一般的なサブレンジング(sub-ranging)型A/D変換器の動作を説明するためのものであり、アナログ入力電圧Viを4ビットのデジタルデータに変換する場合を示す。また、図1(b)は、冗長範囲を設けた(冗長性を持たせた)A/D変換器の動作を説明するためのものである。   FIG. 1 is a diagram for explaining an example of an A / D converter. Here, FIG. 1A is for explaining the operation of a general sub-ranging type A / D converter, and converts the analog input voltage Vi into 4-bit digital data. Show the case. FIG. 1B is for explaining the operation of the A / D converter provided with a redundancy range (having redundancy).

図1(a)に示されるように、アナログ入力電圧Viを4ビットデジタルデータに変換する場合、まず、入力電圧Viをサンプリングする。さらに、異なる参照電圧(例えば、フルスケールVREF0からVREF4を四等分した電圧)VREF1,VREF2,VREF3を受け取る3つの比較器CMP1,CMP2,CMP3を使用して粗判定を行う。   As shown in FIG. 1A, when the analog input voltage Vi is converted into 4-bit digital data, the input voltage Vi is first sampled. Further, rough judgment is performed using three comparators CMP1, CMP2, and CMP3 which receive different reference voltages (for example, voltages obtained by dividing the full scale VREF0 to VREF4 into four equal parts) VREF1, VREF2, and VREF3.

この粗判定により、アナログ入力電圧ViをA/D変換した上位2ビットのデジタルデータが求められ、図1(a)の例において、上位2ビットのデジタルデータは、『01』として求められる。   By this rough determination, the upper 2 bits of digital data obtained by A / D converting the analog input voltage Vi are obtained. In the example of FIG. 1A, the upper 2 bits of digital data are obtained as “01”.

すなわち、図1(a)では、入力電圧Viが参照電圧VREF1とVREF2の間にあるため、比較器CMP2およびCMP3は『0』(入力電圧Viが参照電圧VREF2,VREF3よりも低い)を出力し、比較器CMP1は『1』(入力電圧Viが参照電圧VREF1よりも高い)を出力する。   That is, in FIG. 1A, since the input voltage Vi is between the reference voltages VREF1 and VREF2, the comparators CMP2 and CMP3 output “0” (the input voltage Vi is lower than the reference voltages VREF2 and VREF3). The comparator CMP1 outputs “1” (the input voltage Vi is higher than the reference voltage VREF1).

次に、参照電圧の選択を行って、より細かい(解像度の高い)密判定を行う。例えば、参照電圧VREF1からVREF2までの電圧範囲を四等分した参照電圧VREF11,VREF12,VREF13を選択し、その参照電圧VREF11,VREF12,VREF13を受け取る3つの比較器CMP1,CMP2,CMP3を使用して、より細かいA/D変換(密判定)を行う。   Next, a reference voltage is selected, and finer (higher resolution) dense determination is performed. For example, the reference voltages VREF11, VREF12, and VREF13 obtained by dividing the voltage range from the reference voltages VREF1 to VREF2 into four equal parts are selected, and three comparators CMP1, CMP2, and CMP3 that receive the reference voltages VREF11, VREF12, and VREF13 are used. Finer A / D conversion (fine determination) is performed.

図1(a)では、入力電圧Viが参照電圧VREF12とVREF13の間にあるため、密判定において、比較器CMP3は『0』を出力し、比較器CMP2,CMP1は『1』を出力する。従って、下位2ビットは『10』になり、アナログ入力電圧Viは、4ビットのデジタルデータ『0110』に変換されることにある。なお、密判定を行った後は、次のサンプリングが行われる。   In FIG. 1A, since the input voltage Vi is between the reference voltages VREF12 and VREF13, the comparator CMP3 outputs “0” and the comparators CMP2 and CMP1 output “1” in the fine determination. Therefore, the lower 2 bits are “10”, and the analog input voltage Vi is converted to 4-bit digital data “0110”. Note that after the dense determination is performed, the next sampling is performed.

このように、サブレンジング型A/D変換器では、例えば、上位判定(粗判定)により判定結果が0/1で入れ替わる範囲(Viを含む2つの比較器の参照電圧の範囲)を絞り込み、その絞り込んだ範囲内で下位判定(密判定)を行ってより細かいデジタルデータを得る。すなわち、上位2ビットのA/D変換を粗判定として第1ステップで行い、その後、下位2ビットのA/D変換を密判定として第2ステップで行う。   In this way, in the sub-ranging A / D converter, for example, the range (the reference voltage range of two comparators including Vi) in which the determination result is switched by 0/1 due to the upper determination (coarse determination) is narrowed down. Within the narrowed down range, a lower level determination (fine determination) is performed to obtain finer digital data. That is, A / D conversion of upper 2 bits is performed as a rough determination in the first step, and then A / D conversion of lower 2 bits is performed as a fine determination in the second step.

しかしながら、図1(a)を参照して説明したA/D変換器では、例えば、入力電圧Viと比較器の判定電圧の電位差が小さい場合、その比較器にオフセットが存在すると、誤判定を招くことになる。   However, in the A / D converter described with reference to FIG. 1A, for example, when the potential difference between the input voltage Vi and the determination voltage of the comparator is small, if the comparator has an offset, an erroneous determination is caused. It will be.

具体的に、入力電圧Viが粗判定における比較器CMP1の参照電圧VREF1よりも高い場合(判定『1』のとき)、例えば、比較器CMP1のオフセットにより誤って参照電圧VREF1よりも低いと判定(判定『0』)すると、密判定による判定では正すことが困難になる。特に、比較器のオフセット等により上位ビットの判定を誤り、下位のA/D変換範囲を間違えてしまうと、その入力電圧Vi付近のA/D変換結果の直線性が劣化することになる。   Specifically, when the input voltage Vi is higher than the reference voltage VREF1 of the comparator CMP1 in the rough determination (when the determination is “1”), for example, it is determined that it is erroneously lower than the reference voltage VREF1 due to the offset of the comparator CMP1 ( If the determination is “0”), it is difficult to correct by the determination based on the dense determination. In particular, if the upper bit is erroneously determined due to a comparator offset or the like and the lower A / D conversion range is wrong, the linearity of the A / D conversion result near the input voltage Vi is deteriorated.

図1(b)は、このような問題に対して、冗長範囲を設けるようにしたものである。すなわち、図1(b)では、密判定において、例えば、参照電圧VREF1(低電位側)およびVREF2(高電位側)に対して、それぞれ冗長範囲を設ける(冗長性を持たせる)ために、比較器CMP0,CMP4が追加されている。   FIG. 1B shows a redundant range for such a problem. That is, in FIG. 1B, in the dense determination, for example, a comparison is made to provide a redundant range (to provide redundancy) for each of the reference voltages VREF1 (low potential side) and VREF2 (high potential side). The devices CMP0 and CMP4 have been added.

すなわち、例えば、下位ビットの判定(密判定)において、2つの比較器CMP0,CMP4の参照電圧を外側にオーバラップするような電圧レベルVREF1,VREF2として判定を行うことにより、オフセットを冗長範囲の大きさだけ許容することが可能になる。   That is, for example, in the determination of the low-order bits (fine determination), the offset is set to the size of the redundancy range by determining the voltage levels VREF1 and VREF2 so that the reference voltages of the two comparators CMP0 and CMP4 overlap outward. It is possible to allow it.

しかしながら、図1(b)に示すA/D変換器では、例えば、常に、2つの比較器CMP1,CMP3の外側にオーバラップする冗長範囲を設定し、入力電圧Viが、その冗長範囲にあるかどうかの判定を行うための比較器CMP0,CMP4を追加することになる。これは、回路および消費電力の増加を招くことになる。   However, in the A / D converter shown in FIG. 1B, for example, a redundant range that always overlaps the outside of the two comparators CMP1 and CMP3 is set, and the input voltage Vi is within the redundant range. Comparators CMP0 and CMP4 for determining whether or not are added. This leads to an increase in circuit and power consumption.

さらに、例えば、入力電圧Viと参照電圧VREF1が、Vi≒VREF1のとき、参照電圧VREF1側の冗長性は、比較器CMP1のオフセットの影響を緩和するために非常に意味がある。しかしながら、参照電圧VREF2側の冗長性に関しては、十分にVi<VREF2であり、比較器CMP2のオフセットの影響はないため無駄になってしまう。   Further, for example, when the input voltage Vi and the reference voltage VREF1 are Vi≈VREF1, the redundancy on the reference voltage VREF1 side is very significant in order to reduce the influence of the offset of the comparator CMP1. However, regarding the redundancy on the reference voltage VREF2 side, Vi <VREF2 is sufficiently satisfied, and there is no influence of the offset of the comparator CMP2, which is wasted.

以下、A/D変換器およびA/D変換方法の実施例を、添付図面を参照して詳述する。なお、本明細書では、説明を簡略化するために、2ビット/ステップ・逐次比較(SAR)型のA/D変換器を例として説明するが、本実施例は、3ビット/ステップ以上のSAR型A/D変換器に対しても適用することができる。   Hereinafter, embodiments of an A / D converter and an A / D conversion method will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In this specification, in order to simplify the description, a 2-bit / step-successive comparison (SAR) type A / D converter will be described as an example. The present invention can also be applied to a SAR type A / D converter.

図2は、A/D変換器の第1実施例を示すブロック図であり、2ビット/ステップ・SAR型A/D変換器を示すものである。図2において、参照符号1はスイッチ、2は容量D/A変換器(CDAC)、3はSAR制御ロジック、4は判定時間検出回路、そして、5は参照電圧制御回路を示す。ここで、判定時間検出回路4および参照電圧制御回路5は、冗長制御部を形成する。   FIG. 2 is a block diagram showing a first embodiment of the A / D converter, and shows a 2-bit / step SAR type A / D converter. In FIG. 2, reference numeral 1 is a switch, 2 is a capacitive D / A converter (CDAC), 3 is a SAR control logic, 4 is a determination time detection circuit, and 5 is a reference voltage control circuit. Here, the determination time detection circuit 4 and the reference voltage control circuit 5 form a redundancy control unit.

スイッチ1は、アナログ入力電圧ViをCDAC2に入力させるかどうかを制御し、CDAC2は、複数のキャパシタおよびスイッチにより入力電圧Viに対するサンプル・アンド・ホールド機能を有し、電荷を再分配して電圧Vaを出力する。   The switch 1 controls whether or not the analog input voltage Vi is input to the CDAC 2, and the CDAC 2 has a sample and hold function for the input voltage Vi by a plurality of capacitors and switches, and redistributes the charge to voltage Va. Is output.

すなわち、SAR制御ロジック3は、比較器CMP1,CMP2,CMP3の出力を受け取り、その判定結果(デジタルデータ)に基づいた制御信号をCDAC2に出力する。CDAC2は、SAR制御ロジック3からの制御信号に基づいて、次のステップ(A/D変換処理)に適した電圧Vaを出力するようになっている。   That is, the SAR control logic 3 receives the outputs of the comparators CMP1, CMP2, and CMP3, and outputs a control signal based on the determination result (digital data) to the CDAC2. Based on the control signal from the SAR control logic 3, the CDAC 2 outputs a voltage Va suitable for the next step (A / D conversion process).

ここで、CDAC2およびSAR制御ロジック3は、知られている様々な構成のものを適用することができ、後に、図10および図11を参照して詳述するように、シングルエンド構成であってもよいが、差動構成のものも適用することができる。   Here, the CDAC 2 and the SAR control logic 3 can be applied in various known configurations, and have a single-ended configuration, as will be described in detail later with reference to FIGS. However, a differential configuration can also be applied.

また、図2に示すA/D変換器は、1回のA/D変換処理(1ステップ)で同時に2ビットのA/D変換を行うため、CDAC2およびSAR制御ロジック3は、2ビット/ステップのA/D変換に適した電圧Vaを出力するようになっている。   Further, since the A / D converter shown in FIG. 2 performs 2-bit A / D conversion simultaneously in one A / D conversion process (1 step), the CDAC 2 and the SAR control logic 3 are 2 bits / step. A voltage Va suitable for A / D conversion is output.

ここで、前述したように、第1実施例のA/D変換器は、2ビット/ステップのものに限定されず、3ビット/ステップ以上のA/D変換器に適用することができる。なお、例えば、3ビット/ステップのA/D変換器に適用する場合、図2に示す3つの比較器CMP1〜CMP3はさらに多く(例えば、7個)設けられることになる。   Here, as described above, the A / D converter of the first embodiment is not limited to the one of 2 bits / step and can be applied to an A / D converter of 3 bits / step or more. For example, when applied to a 3-bit / step A / D converter, the three comparators CMP1 to CMP3 shown in FIG. 2 are further provided (for example, seven).

CDAC2の出力電圧Va(Vi)は、3つの比較器CMP1〜CMP3の一方の入力に与えられ、各比較器CMP1〜CMP3の他方の入力には、それぞれ参照電圧制御回路5からの参照電圧が与えられる。   The output voltage Va (Vi) of CDAC2 is given to one input of three comparators CMP1 to CMP3, and the reference voltage from the reference voltage control circuit 5 is given to the other input of each comparator CMP1 to CMP3. It is done.

ここで、参照電圧制御回路5は、判定時間検出回路4により判定された各比較器CMP1,〜CMP3の判定時間に基づいた参照電圧を生成し、それぞれの比較器CMP1〜CMP3の他方の入力に与える。   Here, the reference voltage control circuit 5 generates a reference voltage based on the determination times of the comparators CMP1 to CMP3 determined by the determination time detection circuit 4, and supplies the reference voltages to the other inputs of the comparators CMP1 to CMP3. give.

図3は、図2に示すA/D変換器の動作を説明するための図であり、第1実施例の2ビット/ステップ・SAR型A/D変換器の動作を、アナログ入力電圧Viと参照電圧VREF1,VREF2の関係に基づいて説明するためのものである。   FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of the A / D converter shown in FIG. 2. The operation of the 2-bit / step SAR type A / D converter of the first embodiment is expressed as analog input voltage Vi. This is for explanation based on the relationship between the reference voltages VREF1 and VREF2.

ここで、図3(a)〜図3(c)は、1回目の判定動作(1回目判定:図1(a)および図1(b)における粗判定に相当)における入力電圧Viと参照電圧VREF1,VREF2の関係に基づいて、2回目の判定動作(2回目判定:密判定に相当)を説明するものである。すなわち、図3(a)は、Vi≒VREF1の場合を示し、図3(b)は、ViがVREF1とVREF2の中間付近の場合を示し、そして、図3(c)は、Vi≒VREF2の場合を示す。   Here, FIGS. 3A to 3C show the input voltage Vi and the reference voltage in the first determination operation (first determination: equivalent to the rough determination in FIGS. 1A and 1B). Based on the relationship between VREF1 and VREF2, the second determination operation (second determination: equivalent to fine determination) will be described. That is, FIG. 3A shows the case of Vi≈VREF1, FIG. 3B shows the case where Vi is in the middle of VREF1 and VREF2, and FIG. 3C shows that Vi≈VREF2. Show the case.

まず、アナログ入力電圧ViをA/D変換して上位2ビットのデジタルデータを求める1回目判定(第1判定)において、ViがVREF1とVREF2の中間付近の場合は、図3(b)に示されるように、図1(a)と同様の参照電圧VREF11〜VREF13を使用する。   First, in the first determination (first determination) in which the analog input voltage Vi is A / D converted to obtain upper 2 bits of digital data, when Vi is in the middle of VREF1 and VREF2, it is shown in FIG. As shown, reference voltages VREF11 to VREF13 similar to those in FIG.

すなわち、1回目判定(第2判定)により、ViがVREF1とVREF2の中間付近であることが検出(認識)された場合は、例えば、比較器CMP1,CMP2の判定誤差(オフセット)により誤判定を招く虞がなく、冗長性を持たせなくてもよいと判断する。   That is, if it is detected (recognized) that Vi is near the middle of VREF1 and VREF2 by the first determination (second determination), for example, an erroneous determination is made by the determination error (offset) of the comparators CMP1 and CMP2. It is determined that there is no risk of incurring and it is not necessary to provide redundancy.

ここで、入力電圧Vi(CDAC2の出力電圧Va)と参照電圧VREF1,VREF2の電圧レベルの関係は、例えば、判定時間検出回路4により検出される比較器CMP1,CMP2の判定時間から認識することができる。なお、Vi(Va)とVREF1,VREF2の電圧レベルの関係は、後に、図4および図5を参照して詳述する。   Here, the relationship between the input voltage Vi (the output voltage Va of CDAC2) and the voltage levels of the reference voltages VREF1 and VREF2 can be recognized from the determination times of the comparators CMP1 and CMP2 detected by the determination time detection circuit 4, for example. it can. The relationship between Vi (Va) and the voltage levels of VREF1 and VREF2 will be described in detail later with reference to FIGS.

そのため、図3(b)に示されるように、2回目判定では、例えば、参照電圧VREF1からVREF2までの電圧範囲を四等分した参照電圧VREF11,VREF12,VREF13を生成し、それぞれ比較器CMP1,CMP2,CMP3の他方の入力に与えて比較(判定)処理を行う。   Therefore, as shown in FIG. 3B, in the second determination, for example, reference voltages VREF11, VREF12, and VREF13 obtained by dividing the voltage range from the reference voltages VREF1 to VREF2 into four equal parts are generated, and the comparators CMP1, Comparison (determination) processing is performed by giving the other input of CMP2 and CMP3.

次に、図3(a)に示されるように、判定時間検出回路4が、1回目判定により、Vi≒VREF1であると認識した場合は、参照電圧VREF1により判定を行う比較器CMP1に対して冗長範囲を設定する。   Next, as shown in FIG. 3A, when the determination time detection circuit 4 recognizes that Vi≈VREF1 by the first determination, the comparator CMP1 that makes the determination based on the reference voltage VREF1 is used. Set the redundancy range.

すなわち、1回目判定により、Vi≒VREF1とされた場合は、図3(b)における参照電圧VREF11,VREF12,VREF13を低電位側へVr/kだけシフトさせ、参照電圧VREF11a,VREF12a,VREF13aを比較器CMP1,CMP2,CMP3の他方の入力に与えて判定処理を行う。ここで、Vrは、VREF1とVREF2の差分の絶対値を表している。なお、Vi≒VREF1のとき、参照電圧VREF2により判定を行う比較器CMP2に対しては、冗長範囲を設定しなくてもよい。   That is, when Vi≈VREF1 is determined by the first determination, the reference voltages VREF11, VREF12, and VREF13 in FIG. 3B are shifted to the low potential side by Vr / k, and the reference voltages VREF11a, VREF12a, and VREF13a are compared. Judgment processing is given to the other inputs of the devices CMP1, CMP2, and CMP3. Here, Vr represents the absolute value of the difference between VREF1 and VREF2. When Vi≈VREF1, it is not necessary to set a redundancy range for the comparator CMP2 that performs determination based on the reference voltage VREF2.

従って、図3(a)のように、Vi≒VREF1のときに比較器CMP1〜CMP3の他方の入力に与える参照電圧VREF11a〜VREF13aは、次のように表すことができる。ここで、kは、判定動作の回数に従って、すなわち、A/D変換の細かさ(解像度)に従って、例えば、2ビット/ステップの場合は、4,16,64,…と変化する。
VREF11a=VREF11−Vr/k
VREF12a=VREF12−Vr/k
VREF13a=VREF13−Vr/k
Therefore, as shown in FIG. 3A, the reference voltages VREF11a to VREF13a given to the other inputs of the comparators CMP1 to CMP3 when Vi≈VREF1 can be expressed as follows. Here, k changes according to the number of determination operations, that is, according to the fineness (resolution) of A / D conversion, for example, 4, 16, 64,... In the case of 2 bits / step.
VREF11a = VREF11-Vr / k
VREF12a = VREF12-Vr / k
VREF13a = VREF13-Vr / k

このように、Vi≒VREF1の場合は、通常の2回目判定で使用する参照電圧VREF11,VREF12,VREF13を低電位側へVr/kだけシフトさせることにより、比較器CMP1によるVREF1付近の冗長性を持たせることが可能になる。   Thus, in the case of Vi≈VREF1, the reference voltage VREF11, VREF12, VREF13 used in the normal second determination is shifted to the low potential side by Vr / k, so that the redundancy in the vicinity of VREF1 by the comparator CMP1 is obtained. It becomes possible to have.

逆に、図3(c)に示されるように、判定時間検出回路4が、1回目判定により、Vi≒VREF2であると認識した場合は、参照電圧VREF2により判定を行う比較器CMP2に対して冗長範囲を設定する。なお、Vi≒VREF2のとき、参照電圧VREF1により判定を行う比較器CMP1に対しては、冗長範囲を設定しなくてもよい。   On the contrary, as shown in FIG. 3C, when the determination time detection circuit 4 recognizes that Vi≈VREF2 by the first determination, the comparator CMP2 that performs the determination based on the reference voltage VREF2 Set the redundancy range. When Vi≈VREF2, it is not necessary to set a redundancy range for the comparator CMP1 that makes a determination based on the reference voltage VREF1.

すなわち、1回目判定により、Vi≒VREF2とされた場合は、図3(b)における参照電圧VREF11,VREF12,VREF13を高電位側へVr/kだけシフトさせ、参照電圧VREF11c,VREF12c,VREF13cを比較器CMP1,CMP2,CMP3の他方の入力に与えて判定処理を行う。   That is, when Vi≈VREF2 is determined by the first determination, the reference voltages VREF11, VREF12, and VREF13 in FIG. 3B are shifted to the high potential side by Vr / k, and the reference voltages VREF11c, VREF12c, and VREF13c are compared. Judgment processing is given to the other inputs of the devices CMP1, CMP2, and CMP3.

従って、図3(c)のように、Vi≒VREF2のときに比較器CMP1〜CMP3の他方の入力に与える参照電圧VREF11c〜VREF13cは、次のように表すことができる。
VREF11c=VREF11+Vr/k
VREF12c=VREF12+Vr/k
VREF13c=VREF13+Vr/k
Therefore, as shown in FIG. 3C, the reference voltages VREF11c to VREF13c given to the other inputs of the comparators CMP1 to CMP3 when Vi≈VREF2 can be expressed as follows.
VREF11c = VREF11 + Vr / k
VREF12c = VREF12 + Vr / k
VREF13c = VREF13 + Vr / k

このように、Vi≒VREF2の場合は、通常の2回目判定で使用する参照電圧VREF11,VREF12,VREF13を高電位側へVr/kだけシフトさせることにより、比較器CMP2によるVREF2付近の冗長性を持たせることが可能になる。   As described above, when Vi≈VREF2, the reference voltage VREF11, VREF12, VREF13 used in the normal second determination is shifted to the high potential side by Vr / k, so that the redundancy in the vicinity of VREF2 by the comparator CMP2 is obtained. It becomes possible to have.

以上において、アナログ入力電圧Viが、図3(a)のVi≒VREF1の場合、或いは、図3(c)のVi≒VREF2の場合に、図3(b)の参照電圧VREF11〜VREF13をシフトさせる電圧レベル(幅)は、Vr/kに限定されない。   In the above, when the analog input voltage Vi is Vi≈VREF1 in FIG. 3A or Vi≈VREF2 in FIG. 3C, the reference voltages VREF11 to VREF13 in FIG. 3B are shifted. The voltage level (width) is not limited to Vr / k.

すなわち、参照電圧VREF11〜VREF13をシフトさせる電圧レベルは、その判定処理(各A/D変換ステップ)でA/D変換を行う最下位ビット(LSB)の1ビット分の幅(Vr/k)に限定されず、最適な大きさに設定することができる。   That is, the voltage level for shifting the reference voltages VREF11 to VREF13 is set to the width (Vr / k) of one bit of the least significant bit (LSB) for A / D conversion in the determination process (each A / D conversion step). It is not limited and can be set to an optimum size.

このように、第1実施例のA/D変換器によれば、例えば、図1(b)を参照して説明したような冗長性を持たせるための比較器を追加することなく、例えば、比較器のオフセットにより誤判定が生じる虞がある比較器に対して冗長性を持たせることができる。   Thus, according to the A / D converter of the first embodiment, for example, without adding a comparator for providing redundancy as described with reference to FIG. Redundancy can be provided to a comparator that may cause an erroneous determination due to the offset of the comparator.

すなわち、第1実施例のA/D変換器によれば、追加の比較器を設けることなく、回路規模や消費電力の増加を抑えつつ、冗長性を持たせて誤判定があってもそのデータを補償した出力データを得ることが可能になる。   In other words, according to the A / D converter of the first embodiment, even if there is a misjudgment with redundancy while suppressing an increase in circuit scale and power consumption without providing an additional comparator, the data Can be obtained.

図4は、図2に示すA/D変換器における比較器の一例を示す図である。図4に示されるように、図2のA/D変換器における比較器CMP1,CMP2,CMP3は、同様の回路構成を有し、それぞれpMOSトランジスタTP1,TP2,nMOSトランジスタTN1〜TN4およびスイッチSW1〜SW3を含む。ここで、参照符号Vddは、高電位電源線を示し、Vssは、低電位電源線(接地)を示す。   FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a comparator in the A / D converter illustrated in FIG. As shown in FIG. 4, the comparators CMP1, CMP2, and CMP3 in the A / D converter of FIG. 2 have the same circuit configuration, pMOS transistors TP1, TP2, nMOS transistors TN1 to TN4, and switches SW1 to SW1, respectively. SW3 is included. Here, the reference symbol Vdd indicates a high potential power supply line, and Vss indicates a low potential power supply line (ground).

ここで、トランジスタTP1,TN1およびTP2,TN2は、2つのインバータの入出力を交差接続したラッチとされ、ゲートに入力電圧Viと参照電圧VREFxが入力された差動対トランジスタTN3,TN4と共に、ラッチ機能を有する差動増幅器を形成する。   Here, the transistors TP1, TN1 and TP2, TN2 are latches in which the input and output of the two inverters are cross-connected, and are latched together with the differential pair transistors TN3, TN4 whose input voltage Vi and reference voltage VREFx are input to the gate A differential amplifier having a function is formed.

スイッチSW1,SW2は、それぞれトランジスタTP1,TP2のソース−ドレイン間に並列接続され、入力電圧Viと参照電圧VREFxの判定(比較)時にオフする。一方、スイッチSW3は、差動対トランジスタTN3,TN4の共通接続されたソースと低電位電源線Vssの間に設けられ、入力電圧Viと参照電圧VREFxの判定時にオンする。   The switches SW1 and SW2 are connected in parallel between the source and drain of the transistors TP1 and TP2, respectively, and are turned off when determining (comparing) the input voltage Vi and the reference voltage VREFx. On the other hand, the switch SW3 is provided between the commonly connected source of the differential pair transistors TN3 and TN4 and the low-potential power line Vss, and is turned on when determining the input voltage Vi and the reference voltage VREFx.

なお、参照符号VREFxは、例えば、比較器CMP1において、1回目判定時には参照電圧VREF1を示し、2回目判定時には参照電圧VREF11(VREF11a,VREF11c)を示し、さらに、第3判定時以降における参照電圧も示している。   For example, in the comparator CMP1, the reference sign VREFx indicates the reference voltage VREF1 at the first determination, indicates the reference voltage VREF11 (VREF11a, VREF11c) at the second determination, and also the reference voltage after the third determination. Show.

SW1,SW2がオフしてSW3がオンする判定動作時において、ViがVREFxよりも電圧レベルが高いと、TN3を流れる電流がTN4を流れる電流よりも大きくなり、その結果、VQMが『0』になりVQPが『1』になって、その状態を保持する。   In the determination operation in which SW1 and SW2 are turned off and SW3 is turned on, if Vi has a voltage level higher than VREFx, the current flowing through TN3 becomes larger than the current flowing through TN4, and as a result, VQM becomes “0”. VQP becomes “1” and the state is maintained.

また、判定動作時において、VREFxがViよりも電圧レベルが高いと、TN4を流れる電流がTN3を流れる電流よりも大きくなり、その結果、VQPが『0』になりVQMが『1』になって、その状態を保持する。   Further, in the determination operation, if VREFx is higher than Vi, the current flowing through TN4 becomes larger than the current flowing through TN3. As a result, VQP becomes “0” and VQM becomes “1”. , Hold that state.

図5は、図4に示す比較器の判定動作を説明するための図であり、図5(a)は、判定時間検出回路4(判定完了タイミング検出回路40)の一例を示す。また、図5(b)は、図5(a)の回路による|Vi−VREFx|>0の場合の動作を示し、図5(c)は、図5(a)の回路による|Vi−VREFx|≒0の場合の動作を示す。   FIG. 5 is a diagram for explaining the determination operation of the comparator shown in FIG. 4, and FIG. 5 (a) shows an example of the determination time detection circuit 4 (determination completion timing detection circuit 40). FIG. 5B shows the operation when | Vi−VREFx |> 0 by the circuit of FIG. 5A, and FIG. 5C shows | Vi−VREFx by the circuit of FIG. The operation when | ≈0 is shown.

図5(a)に示されるように、判定時間検出回路4は、例えば、排他的論理和(EXOR)回路400を有し、比較器CMP1,CMP2,CMP3の各差動出力VQP,VQMが異なるレベル(『1』,『0』)の時に判定完了信号Scを出力する。   As shown in FIG. 5A, the determination time detection circuit 4 includes, for example, an exclusive OR (EXOR) circuit 400, and the differential outputs VQP and VQM of the comparators CMP1, CMP2, and CMP3 are different. At the level (“1”, “0”), the determination completion signal Sc is output.

なお、図5(a)に示す回路は、比較器CMP1,CMP2,CMP3において判定が完了したタイミングに高レベル『1』の判定完了信号Scを出力するものである。そのため、例えば、図2における判定時間検出回路4として判定時間そのものを出力するには、例えば、スイッチSW3をオンするタイミングから判定完了信号Scが出力されるタイミングまでカウントを継続するタイマ(カウンタ)も設けることになる。   Note that the circuit shown in FIG. 5 (a) outputs a high level “1” determination completion signal Sc at the timing when the determinations are completed in the comparators CMP1, CMP2, and CMP3. Therefore, for example, in order to output the determination time itself as the determination time detection circuit 4 in FIG. 2, for example, a timer (counter) that continues counting from the timing when the switch SW3 is turned on until the timing when the determination completion signal Sc is output is also included. Will be provided.

ここで、図5(b)と図5(c)の比較から明らかなように、|Vi−VREFx|>0の場合の判定時間Δt1は、|Vi−VREFx|≒0の場合の判定時間Δt2よりも短くなるのが分かる。 Here, as is clear from the comparison between FIG. 5B and FIG. 5C, the determination time Δt 1 when | Vi−VREFx |> 0 is the determination time when | Vi−VREFx | ≈0. It can be seen that it is shorter than Δt 2 .

すなわち、|Vi−VREFx|≒0のとき、例えば、図3(a)に示すVi≒VREF1、並びに、図3(c)に示すVi≒VREF2のとき、差動対トランジスタTN3,TN4を流れる電流の差は、|Vi−VREFx|>0のときよりも小さくなる。なお、|Vi−VREFx|>0のときは、例えば、図3(b)に示すViがVREF1とVREF2の中間付近のときに対応する。   That is, when | Vi−VREFx | ≈0, for example, when Vi≈VREF1 shown in FIG. 3 (a) and Vi≈VREF2 shown in FIG. 3 (c), currents flowing through the differential pair transistors TN3 and TN4 Is smaller than when | Vi−VREFx |> 0. Note that | Vi−VREFx |> 0 corresponds to, for example, when Vi shown in FIG. 3B is in the vicinity of the middle between VREF1 and VREF2.

そのため、比較器の差動出力VQP,VQM(VQM,VQP)が異なるレベル(『1』,『0』)に確定するまでの時間(判定時間)に関して、|Vi−VREFx|≒0のときの判定時間Δt2は、|Vi−VREFx|>0の判定時間Δt1よりも長くなる。すなわち、|Vi−VREFx|>0の場合の判定時間Δt1は、|Vi−VREFx|≒0の場合の判定時間Δt2よりも短くなる。 Therefore, regarding the time (judgment time) until the differential outputs VQP and VQM (VQM and VQP) of the comparators are determined at different levels (“1” and “0”), when | Vi−VREFx | ≈0 The determination time Δt 2 is longer than the determination time Δt 1 of | Vi−VREFx |> 0. That is, the determination time Δt 1 when | Vi−VREFx |> 0 is shorter than the determination time Δt 2 when | Vi−VREFx | ≈0.

このように、図2に示す第1実施例のA/D変換器では、1回目判定において判定時間検出回路4により求めた判定時間(Δt1,Δt2)から各比較器のアナログ入力電圧Viと参照電圧VREFxの電圧レベル差(|Vi−VREFx|)を認識する。 Thus, in the A / D converter of the first embodiment shown in FIG. 2, the analog input voltage Vi of each comparator is determined from the determination time (Δt 1 , Δt 2 ) obtained by the determination time detection circuit 4 in the first determination. And the voltage level difference (| Vi−VREFx |) between the reference voltage VREFx and the reference voltage VREFx.

そして、参照電圧制御回路5は、判定時間検出回路4の出力に基づいて、2回目判定における参照電圧の制御、すなわち、図3(a)〜図3(c)を参照して説明した2回目判定における参照電圧の生成(シフト)を行う。   The reference voltage control circuit 5 controls the reference voltage in the second determination based on the output of the determination time detection circuit 4, that is, the second time described with reference to FIGS. 3 (a) to 3 (c). A reference voltage is generated (shifted) in the determination.

上述した第1実施例のA/D変換器では、各比較器に与える参照電圧を参照電圧制御回路5により生成していたが、この参照電圧は、入力電圧との相対的な電圧レベルをシフトさせて生成することもできる。   In the A / D converter of the first embodiment described above, the reference voltage supplied to each comparator is generated by the reference voltage control circuit 5, but this reference voltage shifts the voltage level relative to the input voltage. Can also be generated.

図6および図7は、比較器がオフセットを持つ場合のA/D変換器の動作を説明するための図であり、分解能を6ビットとしてA/D変換した場合の例を示す。ここで、図6は、図2に示すA/D変換器において、判定時間検出回路4および参照電圧制御回路5を停止させたときの動作を示し、図6における1回目判定および2回目判定は、図1(a)を参照して説明した粗判定および密判定の動作に対応する。   FIGS. 6 and 7 are diagrams for explaining the operation of the A / D converter when the comparator has an offset, and shows an example in which A / D conversion is performed with a resolution of 6 bits. Here, FIG. 6 shows an operation when the determination time detection circuit 4 and the reference voltage control circuit 5 are stopped in the A / D converter shown in FIG. 2, and the first determination and the second determination in FIG. This corresponds to the rough judgment and fine judgment operations described with reference to FIG.

また、図7は、図2に示すA/D変換器(判定時間検出回路4および参照電圧制御回路5を機能させたとき)の動作を示し、図7における1回目判定および2回目判定は、図1(b)を参照して説明した粗判定および密判定の動作に対応する。   7 shows the operation of the A / D converter shown in FIG. 2 (when the determination time detection circuit 4 and the reference voltage control circuit 5 are functioned). The first determination and the second determination in FIG. This corresponds to the rough judgment and fine judgment operations described with reference to FIG.

なお、図6(a)および図7(a)は、1〜3回目判定(A/D変換処理)における各比較器CMP1〜CMP3の出力とバイナリ結果を示し、図6(b)および図7(b)は、1〜3回目判定における各比較器CMP1〜CMP3の参照電圧を示す。   6 (a) and 7 (a) show the outputs and binary results of the comparators CMP1 to CMP3 in the first to third determinations (A / D conversion processing), and FIG. 6 (b) and FIG. (b) shows the reference voltages of the comparators CMP1 to CMP3 in the first to third determinations.

図6(a)および図6(b)に示されるように、例えば、1回目判定において、アナログ入力電圧Viが比較器CMP1の参照電圧-Vr/2(VREF1)と近く、比較器CMP1のオフセット等により誤判定すると、2回目判定以降では正すことが困難になる。   As shown in FIG. 6A and FIG. 6B, for example, in the first determination, the analog input voltage Vi is close to the reference voltage −Vr / 2 (VREF1) of the comparator CMP1, and the offset of the comparator CMP1. If it is erroneously determined by, for example, it is difficult to correct after the second determination.

すなわち、上位2ビットのA/D変換を行う1回目判定において、正しくは『01』と判定されるデジタルデータ(バイナリ結果)を『00』と判定した場合、2回目判定および3回目判定でそれぞれ『11』と判定し、『001111』のデータを出力する。   That is, when the digital data (binary result) that is correctly determined as “01” is determined as “00” in the first determination in which A / D conversion of the upper 2 bits is performed, the second determination and the third determination respectively. It determines with "11" and outputs the data of "001111".

これは、図1(a)を参照して説明したのと同様に、2回目判定(密判定)において、比較器CMP1,CMP2,CMP3の参照電圧は、-Vrと1回目判定の比較器CMP1の参照電圧-Vr/2を四等分した電圧-7Vr/8,-6Vr/8,-5Vr/8となり、『11』と判定してしまう。   As described with reference to FIG. 1A, in the second determination (fine determination), the reference voltages of the comparators CMP1, CMP2, and CMP3 are -Vr and the comparator CMP1 of the first determination. The reference voltage -Vr / 2 is divided into four equal voltages -7Vr / 8, -6Vr / 8, and -5Vr / 8, and is determined to be "11".

さらに、3回目判定においても、比較器CMP1,CMP2,CMP3の参照電圧は、1回目判定の比較器CMP1の参照電圧-Vr/2と2回目判定の比較器CMP3の参照電圧-5Vr/8を四等分した電圧-19Vr/32,-18Vr/32,-17Vr/32となり、『11』と判定してしまう。すなわち、正しくA/D変換したときのデジタルデータが『0100001』であっても、1回目判定で『00』と誤判定すると、『001111』のデータを出力することになる。   Further, in the third determination, the reference voltages of the comparators CMP1, CMP2, and CMP3 are the reference voltage -Vr / 2 of the comparator CMP1 for the first determination and the reference voltage -5Vr / 8 of the comparator CMP3 for the second determination. The divided voltages are -19Vr / 32, -18Vr / 32, and -17Vr / 32, and are judged as "11". That is, even if the digital data when correctly A / D converted is “0100001”, if it is erroneously determined as “00” in the first determination, data “001111” is output.

これに対して、第1実施例のA/D変換器によれば、図7(a)および図7(b)に示されるように、例えば、1回目判定において、比較器CMP1のオフセット等により、正しくは『01』を『00』と判定しても、冗長性を持たせた2回目判定により正すことができる。   On the other hand, according to the A / D converter of the first embodiment, as shown in FIGS. 7A and 7B, for example, in the first determination, the offset of the comparator CMP1 is used. Even if “01” is correctly determined to be “00”, it can be corrected by the second determination with redundancy.

すなわち、2回目判定では、比較器CMP1,CMP2,CMP3の参照電圧は、-Vrと1回目判定の比較器CMP1の参照電圧-Vr/2を四等分した電圧-7Vr/8,-6Vr/8,-5Vr/8に対して冗長性を持たせるために、Vr/8だけシフトさせる。   That is, in the second determination, the reference voltages of the comparators CMP1, CMP2, and CMP3 are equal to −Vr and the reference voltage −Vr / 2 of the comparator CMP1 of the first determination, divided into four equal voltages −7Vr / 8, −6Vr / To provide redundancy for 8 and -5Vr / 8, shift by Vr / 8.

すなわち、1回目判定において、比較器CMP1で入力電圧Viと参照電圧-Vr/2のレベルが近く(Vi≒-Vr/2)、例えば、比較器CMP1の判定時間が他の比較器CMP2,CMP3の判定時間よりも長い場合には、1回目判定の比較器CMP1の参照電圧側に冗長範囲を設ける。   That is, in the first determination, the level of the input voltage Vi and the reference voltage −Vr / 2 is close (Vi≈−Vr / 2) in the comparator CMP1, for example, the determination time of the comparator CMP1 is the other comparators CMP2 and CMP3. If it is longer than this determination time, a redundant range is provided on the reference voltage side of the comparator CMP1 for the first determination.

具体的に、例えば、2回目判定のLSBに相当する電圧レベルVr/8だけシフトさせ、比較器CMP1,CMP2,CMP3の参照電圧を、-6Vr/8,-5Vr/8,-4Vr/8として2回目判定を行う。この2回目判定により、『100』という出力(バイナリ結果)が得られた場合、下位ビット側の判定(この場合は、2回目判定)の結果に従って、1回目判定の『00』を『01』と訂正して3回目判定を行う。   Specifically, for example, the voltage level Vr / 8 corresponding to the second determination LSB is shifted, and the reference voltages of the comparators CMP1, CMP2, CMP3 are set to -6Vr / 8, -5Vr / 8, -4Vr / 8. Perform the second determination. If an output of “100” (binary result) is obtained by this second determination, “00” of the first determination is changed to “01” according to the result of the lower bit determination (in this case, the second determination). And make a third determination.

すなわち、2回目判定により『0100』というデジタル出力が得られることになる。なお、3回目判定における比較器CMP1〜CMP3の参照電圧に関して、例えば、2回目判定において、各比較器の判定時間が短時間の場合、すなわち、入力電圧Viが2回目判定における各比較器の参照電圧の間の電圧レベルの場合、参照電圧のシフトは行わない。   That is, a digital output “0100” is obtained by the second determination. Regarding the reference voltages of the comparators CMP1 to CMP3 in the third determination, for example, when the determination time of each comparator is short in the second determination, that is, the input voltage Vi is referred to each comparator in the second determination. In the case of a voltage level between voltages, the reference voltage is not shifted.

従って、3回目判定における比較器CMP1,CMP2,CMP3の参照電圧は、シフトせずに、-15Vr/32,-14Vr/32,-13Vr/32をそのまま使用して3回目判定を行うことになる。   Therefore, the reference voltages of the comparators CMP1, CMP2, and CMP3 in the third determination are not shifted, and the third determination is performed using -15Vr / 32, -14Vr / 32, and -13Vr / 32 as they are. .

このように、第1実施例のA/D変換器によれば、たとえ1回目判定で『01』を『00』と誤判定した場合でも、冗長性を持たせた2回目判定により訂正することができ、『0100001』と正しくA/D変換を行うことが可能になる。なお、この第1実施例のA/D変換器による効果は、以下に述べる第2実施例のA/D変換器においても、同様に発揮される。   As described above, according to the A / D converter of the first embodiment, even when “01” is erroneously determined as “00” in the first determination, correction is performed by the second determination with redundancy. Therefore, it becomes possible to perform A / D conversion correctly as “0100001”. The effects of the A / D converter of the first embodiment are also exhibited in the A / D converter of the second embodiment described below.

図8は、A/D変換器の第2実施例を示すブロック図であり、前述した第1実施例のA/D変換器における参照電圧の制御をCDAC2におけるアナログ入力電圧Viの処理として行うものを示している。なお、第2実施例のA/D変換器において、比較器CMP1,CMP2,CMP3の参照電圧は、低電位電源線Vssの電位(接地電位:0V)に固定されている。   FIG. 8 is a block diagram showing a second embodiment of the A / D converter, in which the control of the reference voltage in the A / D converter of the first embodiment described above is performed as processing of the analog input voltage Vi in CDAC2. Is shown. In the A / D converter of the second embodiment, the reference voltages of the comparators CMP1, CMP2, and CMP3 are fixed to the potential of the low potential power supply line Vss (ground potential: 0V).

図8に示されるように、第2実施例のA/D変換器は、スイッチ1,CDAC2,SAR制御ロジック3,判定完了タイミング検出回路40および冗長範囲制御回路6を含む。ここで、判定完了タイミング検出回路40,冗長範囲制御回路6,およびCDAC2は、冗長制御部を形成する。   As shown in FIG. 8, the A / D converter of the second embodiment includes a switch 1, a CDAC 2, a SAR control logic 3, a determination completion timing detection circuit 40 and a redundant range control circuit 6. Here, the determination completion timing detection circuit 40, the redundancy range control circuit 6, and the CDAC2 form a redundancy control unit.

判定完了タイミング検出回路40は、各比較器CMP1,CMP2,CMP3の出力から判定完了タイミングを検出して判定完了信号Scを冗長範囲制御回路6に出力する。例えば、冗長範囲制御回路6は、比較器CMP1,CMP2の判定完了信号Scのどちらが先に『0』から『1』に変化するかによりVi≒VREF1(図3(a)),Vi≒VREF2(図3(c))或いはViがVREF1とVREF2の中間付近(図3(b))を認識して、冗長範囲を選択する。   The determination completion timing detection circuit 40 detects the determination completion timing from the outputs of the comparators CMP1, CMP2, and CMP3, and outputs a determination completion signal Sc to the redundancy range control circuit 6. For example, the redundancy range control circuit 6 determines Vi≈VREF1 (FIG. 3 (a)) and Vi≈VREF2 (depending on which of the determination completion signals Sc of the comparators CMP1 and CMP2 first changes from “0” to “1”. 3 (c)) or Vi near the middle of VREF1 and VREF2 (FIG. 3 (b)), and the redundant range is selected.

すなわち、Vi≒VREF1ならば、入力電圧Vi(参照電圧VREFxを考慮した入力電圧Va)をVr/kだけシフトさせ、Vi≒VREF2ならば、入力電圧Viを−Vr/kだけシフトさせる。なお、前述した第1実施例と同様に、第2実施例のA/D変換器においても、CDAC2およびSAR制御ロジック3は、様々な構成のものを適用することが可能である。   That is, if Vi≈VREF1, the input voltage Vi (input voltage Va considering the reference voltage VREFx) is shifted by Vr / k, and if Vi≈VREF2, the input voltage Vi is shifted by −Vr / k. As in the first embodiment described above, the CDAC 2 and the SAR control logic 3 can be applied to various configurations in the A / D converter of the second embodiment.

このように、第2実施例のA/D変換器によれば、前述した第1実施例のA/D変換器と同様に、追加の比較器を設けることなく、回路規模や消費電力の増加を抑えつつ、冗長性を持たせて誤判定を補償した出力データを得ることができる。   As described above, according to the A / D converter of the second embodiment, similarly to the A / D converter of the first embodiment, an increase in circuit scale and power consumption can be achieved without providing an additional comparator. It is possible to obtain output data that compensates for misjudgment while providing redundancy.

図9は、図8に示すA/D変換器における比較器の一例を示す図である。図9と前述した図4の比較から明らかなように、図8に示すA/D変換器における比較器CMP1,CMP3(CMP2)は、図4に示す比較器に対して、SAR制御ロジック3から出力される制御コードCC1,CC3を受け取るA/D変換器(ADC)10が追加されている。   FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a comparator in the A / D converter illustrated in FIG. As is clear from the comparison between FIG. 9 and FIG. 4 described above, the comparators CMP1 and CMP3 (CMP2) in the A / D converter shown in FIG. 8 are compared with the comparator shown in FIG. An A / D converter (ADC) 10 that receives the output control codes CC1 and CC3 is added.

ここで、3つの比較器CMP1,CMP2,CMP3において、例えば、基準となる参照電圧(0V)をそのまま使用する比較器CMP2として図4の回路を適用し、参照電圧として所定の電圧レベル(幅)を持たせる比較器CMP1,CMP3として図9の回路を適用することができる。もちろん、3つ全ての比較器CMP1,CMP2,CMP3に対して、図9の回路を適用してもよい。   Here, in the three comparators CMP1, CMP2, and CMP3, for example, the circuit of FIG. 4 is applied as the comparator CMP2 that uses the reference voltage (0 V) as a reference as it is, and a predetermined voltage level (width) is used as the reference voltage. 9 can be applied as the comparators CMP1 and CMP3. Of course, the circuit of FIG. 9 may be applied to all three comparators CMP1, CMP2, and CMP3.

図9に示す比較器は、制御コードCC1,CC3を受け取るDAC10により、差動対トランジスタTN3,TN4のバックゲートの電圧を調整して、これらのトランジスタTN3,TN4の閾値電圧を制御するようになっている。   The comparator shown in FIG. 9 adjusts the back gate voltages of the differential pair transistors TN3 and TN4 by the DAC 10 that receives the control codes CC1 and CC3, and controls the threshold voltages of these transistors TN3 and TN4. ing.

すなわち、図3を参照して説明したように、例えば、2回目判定において、比較器CMP1に与える参照電圧VREF11(VREF11a,VREF11b)は、比較器CMP2に与える参照電圧VREF12(VREF12a,VREF12b)よりもVr/kだけ低い電圧とされている。   That is, as described with reference to FIG. 3, for example, in the second determination, the reference voltage VREF11 (VREF11a, VREF11b) applied to the comparator CMP1 is higher than the reference voltage VREF12 (VREF12a, VREF12b) applied to the comparator CMP2. The voltage is lowered by Vr / k.

そこで、比較器CMP1では、SAR制御ロジック3からの制御コードCC1に基づいてDAC10から出力されるトランジスタTN3のバックゲート電圧VBPを高電位側へ調整することで、トランジスタTN3の閾値電圧を低く設定することができる。また、トランジスタTN4のバックゲート電圧VBMに関しては、低電位側へ調整することで、トランジスTN4の閾値電圧を高く設定することができる。   Therefore, in the comparator CMP1, the threshold voltage of the transistor TN3 is set low by adjusting the back gate voltage VBP of the transistor TN3 output from the DAC 10 to the high potential side based on the control code CC1 from the SAR control logic 3. be able to. Further, the threshold voltage of the transistor TN4 can be set high by adjusting the back gate voltage VBM of the transistor TN4 to the low potential side.

これにより、比較器CMP1は、トランジスタTN3のゲートに比較器CMP2と同じ電圧レベルの入力電圧Va(Vi)が印加されている状態で、比較器CMP2よりも低い電圧レベルの参照電圧が印加されているのと同様の判定(比較)動作を行うことになる。   As a result, the comparator CMP1 receives a reference voltage having a voltage level lower than that of the comparator CMP2 in a state where the input voltage Va (Vi) having the same voltage level as that of the comparator CMP2 is applied to the gate of the transistor TN3. The same judgment (comparison) operation is performed.

さらに、比較器CMP3では、SAR制御ロジック3からの制御コードCC3に基づいてDAC10から出力されるトランジスタTN3のバックゲート電圧VBPを低電位側へ調整することで、トランジスタTN3の閾値電圧を高く設定することができる。また、トランジスタTN4のバックゲート電圧VBMに関しては、高電位側へ調整することで、トランジスTN4の閾値電圧を低く設定することができる。   Further, in the comparator CMP3, the threshold voltage of the transistor TN3 is set high by adjusting the back gate voltage VBP of the transistor TN3 output from the DAC 10 to the low potential side based on the control code CC3 from the SAR control logic 3. be able to. Further, the threshold voltage of the transistor TN4 can be set low by adjusting the back gate voltage VBM of the transistor TN4 to the high potential side.

これにより、比較器CMP1は、トランジスタTN3のゲートに比較器CMP2と同じ電圧レベルの入力電圧Va(Vi)が印加されている状態で、比較器CMP2よりも高い電圧レベルの参照電圧が印加されているのと同様の判定(比較)動作を行うことになる。   As a result, the comparator CMP1 receives a reference voltage having a voltage level higher than that of the comparator CMP2 in a state where the input voltage Va (Vi) having the same voltage level as that of the comparator CMP2 is applied to the gate of the transistor TN3. The same judgment (comparison) operation is performed.

なお、比較器CMP1〜CMP3におけるトランジスタTN4のゲートには、接地電位(Vss)に固定された参照電圧VREFxが印加されている。また、例えば、図3(a)および図3(c)を参照して説明した参照電圧VREF11a〜VREF13aおよびVREF11c〜VREF13cのシフト(Vr/k,−Vr/k)に関しては、CDAC2の出力電圧Va(Vi)を逆向きにシフトさせることで実現する。以下、図10および図11を参照して、CDAC2の動作を詳述する。   Note that a reference voltage VREFx fixed to the ground potential (Vss) is applied to the gates of the transistors TN4 in the comparators CMP1 to CMP3. For example, regarding the shift (Vr / k, −Vr / k) of the reference voltages VREF11a to VREF13a and VREF11c to VREF13c described with reference to FIGS. This is realized by shifting (Vi) in the reverse direction. Hereinafter, the operation of the CDAC 2 will be described in detail with reference to FIGS. 10 and 11.

図10および図11は、図8に示すA/D変換器におけるCDACの動作を説明するための図である。ここで、図10(a)は、図8に示すA/D変換器において、スイッチ1をオンしてアナログ入力電圧Viをサンプリングしている状態を示し、図10(b)は、1回目判定(第1判定)を行っている状態を示す。また、図11(a)は、図8に示すA/D変換器において、2回目判定(第2判定)を行っている状態を示し、図11(b)は、3回目判定を行っている状態を示す。   10 and 11 are diagrams for explaining the operation of the CDAC in the A / D converter shown in FIG. Here, FIG. 10A shows a state where the analog input voltage Vi is sampled by turning on the switch 1 in the A / D converter shown in FIG. 8, and FIG. 10B shows the first determination. The state which is performing (1st determination) is shown. FIG. 11 (a) shows a state in which the second determination (second determination) is performed in the A / D converter shown in FIG. 8, and FIG. 11 (b) performs the third determination. Indicates the state.

まず、図10(a)および図10(b)、並びに、図11(a)および図11(b)に示されるように、図8に示すA/D変換器におけるCDAC2は、例えば、容量の重みが1C,1C,2C,4C,8C,16Cおよび32Cとなるキャパシタ群およびスイッチ群を含む。すなわち、キャパシタ群は、キャパシタ20〜30により64C(32C×2)の容量を有する。   First, as shown in FIGS. 10 (a) and 10 (b) and FIGS. 11 (a) and 11 (b), the CDAC 2 in the A / D converter shown in FIG. It includes a capacitor group and a switch group whose weights are 1C, 1C, 2C, 4C, 8C, 16C, and 32C. That is, the capacitor group has a capacity of 64C (32C × 2) due to the capacitors 20-30.

ここで、各キャパシタの容量の重み、並びに、複数のスイッチによる各キャパシタと入力電圧Viおよびフルスケールレンジをカバーするための固定電圧+Vr,−Vrの接続制御は、一般的なものであり、他の様々な構成のCDACも適用可能である。   Here, the capacitance weight of each capacitor and the connection control of the fixed voltage + Vr, −Vr for covering each capacitor and the input voltage Vi and the full scale range by a plurality of switches are general. The CDACs having various configurations are also applicable.

ただし、第2実施例のA/D変換器に適用するCDAC2では、後段の比較器CMP1〜CMP3の参照電圧が接地電位(0V)に固定されていて、比較器CMP1〜CMP3の入力電圧Va(Vi)側で前述した参照電圧のシフトを行うことになる。   However, in CDAC2 applied to the A / D converter of the second embodiment, the reference voltages of the subsequent comparators CMP1 to CMP3 are fixed to the ground potential (0V), and the input voltage Va ( The reference voltage shift described above is performed on the Vi) side.

そのため、例えば、重み1Cのキャパシタ22および23により重み2Cのキャパシタを形成し、重み1Cのキャパシタ24および重み3Cのキャパシタ25により重み4Cのキャパシタを形成している。   Therefore, for example, a capacitor of weight 2C is formed by the capacitors 22 and 23 of weight 1C, and a capacitor of weight 4C is formed by the capacitor 24 of weight 1C and the capacitor 25 of weight 3C.

さらに、例えば、重み4Cのキャパシタ26および27により重み8Cのキャパシタを形成し、重み4Cのキャパシタ28および重み12Cのキャパシタ29により重み16Cのキャパシタを形成している。   Further, for example, a capacitor of weight 8C is formed by capacitors 26 and 27 of weight 4C, and a capacitor of weight 16C is formed by capacitor 28 of weight 4C and capacitor 29 of weight 12C.

これにより、例えば、2ビット/ステップのA/D変換を行う場合、比較器CMP1,CMP2,CMP3に与える参照電圧VREFxを各ステップに応じて+Vr/k,−Vr/kだけシフトさせたのと同様の機能を持たせることができる。   Thus, for example, when performing A / D conversion of 2 bits / step, the reference voltage VREFx applied to the comparators CMP1, CMP2, and CMP3 is shifted by + Vr / k and −Vr / k according to each step. Similar functions can be provided.

すなわち、2ビット/ステップのA/D変換の場合、kは、2,8,32,128,…と変化するが、それに対応したシフト電圧を生成して入力電圧Va(Vi)をシフトできるように、複数のキャパシタに分けて制御を行うようになっている。   That is, in the case of A / D conversion of 2 bits / step, k changes as 2, 8, 32, 128,..., So that a shift voltage corresponding to the k can be generated to shift the input voltage Va (Vi). In addition, the control is performed separately for a plurality of capacitors.

なお、シフト電圧は、+Vr/k,−Vr/kに限定されるものではなく、そのため、各キャパシタの構成は、様々な変更が可能である。さらに、CDAC2は、シングルエンド構成であってもよいが、差動構成とすることもできるのは、前述した通りである。   Note that the shift voltage is not limited to + Vr / k and −Vr / k, and therefore the configuration of each capacitor can be variously changed. Further, the CDAC 2 may have a single-ended configuration, but may also have a differential configuration as described above.

まず、アナログ入力電圧Viをサンプリングするサンプルモードでは、例えば、図8のスイッチ1をオンする。さらに、図10(a)に示されるように、CDAC2の出力ノードN0を接地(Vss)し、全てのスイッチSW20〜SW30を入力電圧Vi側に接続し、これによりキャパシタ20〜30には、入力電圧Viによる電荷が格納される。   First, in the sample mode for sampling the analog input voltage Vi, for example, the switch 1 in FIG. 8 is turned on. Further, as shown in FIG. 10 (a), the output node N0 of CDAC2 is grounded (Vss), and all the switches SW20 to SW30 are connected to the input voltage Vi side, whereby the capacitors 20 to 30 are connected to the input. Charges due to the voltage Vi are stored.

そして、最上位ビット(MSB)を含む上位2ビットの1回目判定では、図10(b)に示されるように、出力ノードN0を接地から外し、スイッチSW20〜SW29を正の固定電圧+Vr側に接続し、スイッチSW30を負の固定電圧−Vr側に接続する。これにより、出力ノードN0から各比較器CMP1〜CMP3に入力されるCDAC2の出力電圧Vaは、Va=−Viとなる。   In the first determination of the upper 2 bits including the most significant bit (MSB), as shown in FIG. 10B, the output node N0 is removed from the ground, and the switches SW20 to SW29 are set to the positive fixed voltage + Vr side. Connect the switch SW30 to the negative fixed voltage -Vr side. As a result, the output voltage Va of CDAC2 input to the comparators CMP1 to CMP3 from the output node N0 is Va = −Vi.

すなわち、1回目判定において、例えば、比較器CMP2(CMP1,CMP3)の反転入力(例えば、図9のトランジスタTN3のゲート入力)には、−Viが入力される。このとき、比較器CMP2(CMP1,CMP3)の非反転入力(例えば、図9のトランジスタTN4のゲート入力)は、接地(Vss:0V)に固定されている。   That is, in the first determination, for example, −Vi is input to the inverting input of the comparator CMP2 (CMP1, CMP3) (for example, the gate input of the transistor TN3 in FIG. 9). At this time, the non-inverting input of the comparator CMP2 (CMP1, CMP3) (for example, the gate input of the transistor TN4 in FIG. 9) is fixed to the ground (Vss: 0 V).

ただし、比較器CMP1では、例えば、図9を参照して説明した制御コードCC1によるDAC10の出力電圧VBP,VBM(トランジスタTN3,TN4のバックゲート電圧)により、例えば、参照電圧が−Vr/2のときと同等の判定(比較)動作が行われる。また、比較器CMP3では、例えば、制御コードCC3によるDAC10の出力電圧VBP,VBMにより、例えば、参照電圧が+Vr/2のときと同等の判定動作が行われる。   However, in the comparator CMP1, for example, the reference voltage is −Vr / 2 by the output voltages VBP and VBM (back gate voltages of the transistors TN3 and TN4) of the DAC 10 according to the control code CC1 described with reference to FIG. A determination (comparison) operation equivalent to the time is performed. Further, in the comparator CMP3, for example, a determination operation equivalent to that when the reference voltage is + Vr / 2 is performed by the output voltages VBP and VBM of the DAC 10 based on the control code CC3.

ここで、1回目判定は、一般的に行われるのと同様のものであり、この1回目判定において、例えば、比較器のオフセット等により、前述したのと同様に、正しくは『01』と判定されるデジタルデータを『00』と判定した場合を説明する。   Here, the first determination is the same as that generally performed. In this first determination, for example, it is correctly determined as “01” by the offset of the comparator or the like as described above. A case where the digital data to be processed is determined to be “00” will be described.

これは、入力電圧Viが比較器CMP1の参照電圧VREF1に近い(|Vi−VREF1|≒0の)場合、すなわち、比較器CMP1の参照電圧側の入力が接地されている本実施例では、Vi≒−Vr/2の場合に対応する。   This is because when the input voltage Vi is close to the reference voltage VREF1 of the comparator CMP1 (| Vi−VREF1 | ≈0), that is, in this embodiment in which the input on the reference voltage side of the comparator CMP1 is grounded. This corresponds to the case of ≈−Vr / 2.

このとき、図8に示すA/D変換器において、例えば、冗長範囲制御回路6は、判定完了タイミング検出回路40からの判定完了信号Scにより冗長範囲を設定する比較器がCMP1であることを認識し、CDAC2に対してシフト電圧の制御を行わせる。   At this time, in the A / D converter shown in FIG. 8, for example, the redundancy range control circuit 6 recognizes that the comparator that sets the redundancy range by the determination completion signal Sc from the determination completion timing detection circuit 40 is CMP1. Then, the shift voltage is controlled for CDAC2.

すなわち、図11(a)に示されるように、2回目判定では、最上位ビットを含む上位2ビット分の判定結果を反映したスイッチSW20〜SW30の制御を行う。このとき、誤判定を行った可能性がある比較器CMP1に対して冗長性を持たせるための処理も行う。   That is, as shown in FIG. 11A, in the second determination, the switches SW20 to SW30 reflecting the determination results for the upper 2 bits including the most significant bit are controlled. At this time, a process for providing redundancy to the comparator CMP1 that may have made an erroneous determination is also performed.

具体的に、上位2ビットをA/D変換した結果が『00』の場合には、重み32Cのキャパシタ30のスイッチSW30を−Vr側から+Vr側に切り替え、重み8Cのキャパシタ26,27のスイッチSW26,SW27を+Vr側から−Vr側に切り替える。これにより、ノードN0のCDACの出力電圧Vaは、Va=−(Vi−6Vr/8)となる。   Specifically, when the result of A / D conversion of the upper 2 bits is “00”, the switch SW30 of the capacitor 30 with the weight 32C is switched from the −Vr side to the + Vr side, and the switches of the capacitors 26 and 27 with the weight 8C are switched. SW26 and SW27 are switched from the + Vr side to the -Vr side. As a result, the output voltage Va of the CDAC at the node N0 becomes Va = − (Vi−6Vr / 8).

さらに、比較器CMP1に対して冗長性を持たせるために、重み16Cにおける重み4Cのキャパシタ28のスイッチSW28を+Vr側から−Vr側に切り替える。これにより、出力電圧Vaは、+Vr/8だけシフトされ、Va=−(Vi−5Vr/8)となり、この電圧が、2回目判定における比較器CMP2に与えられ、接地電位(0V)との比較が行われる。   Further, in order to provide redundancy to the comparator CMP1, the switch SW28 of the capacitor 28 having the weight 4C at the weight 16C is switched from the + Vr side to the −Vr side. As a result, the output voltage Va is shifted by + Vr / 8, and Va = − (Vi−5Vr / 8). This voltage is given to the comparator CMP2 in the second determination, and compared with the ground potential (0V). Is done.

なお、2回目判定において、比較器CMP1では、制御コードCC1によるDAC10の出力電圧VBP,VBMにより、例えば、参照電圧が−6Vr/8のときと同等の判定動作が行われる。また、比較器CMP3では、例えば、制御コードCC3によるDAC10の出力電圧VBP,VBMにより、例えば、参照電圧が−4Vr/8のときと同等の判定動作が行われる。   In the second determination, the comparator CMP1 performs a determination operation equivalent to that when the reference voltage is −6 Vr / 8, for example, based on the output voltages VBP and VBM of the DAC 10 based on the control code CC1. Further, in the comparator CMP3, for example, a determination operation equivalent to that when the reference voltage is −4 Vr / 8 is performed by the output voltages VBP and VBM of the DAC 10 based on the control code CC3, for example.

そして、2回目判定により、例えば、『100』のデジタルデータ(バイナリ結果)が得られると、1回目判定による『00』を『01』と訂正し、2回目判定までのデジタルデータとして、『0100』が得られることになる。   Then, for example, when “100” digital data (binary result) is obtained by the second determination, “00” by the first determination is corrected to “01”, and “0100” is obtained as the digital data until the second determination. ] Will be obtained.

なお、図11(b)に示す3回目判定は、例えば、2回目判定において、比較器CMP1〜CMP3の判定完了信号Scにより、判定時間がほぼ等しく短時間の場合、すなわち、誤判定をした比較器がない場合を示す。   In the third determination shown in FIG. 11B, for example, in the second determination, the determination completion signal Sc of the comparators CMP1 to CMP3 is used and the determination time is approximately equal and short, that is, the comparison is erroneous. The case where there is no vessel is shown.

すなわち、重み4Cにおけるキャパシタ24,25のスイッチSW24,SW25、並びに、重み2Cにおけるキャパシタ22,23のスイッチSW22,SW23を、+Vr側から−Vr側に切り替える。これにより、ノードN0のCDACの出力電圧Vaは、Va=−(Vi−14Vr/32)となる。   That is, the switches SW24 and SW25 of the capacitors 24 and 25 at the weight 4C and the switches SW22 and SW23 of the capacitors 22 and 23 at the weight 2C are switched from the + Vr side to the −Vr side. As a result, the output voltage Va of the CDAC at the node N0 becomes Va = − (Vi−14Vr / 32).

なお、2回目判定において、−Vr側に接続した重み16Cにおけるキャパシタ28のスイッチSW28の接続は、そのまま−Vr側を保持する。また、3回目判定において、比較器CMP1,CMP3では、前述した制御コードCC1,CC3およびDAC10によるバックゲート電圧の制御を行って所定の電圧幅異なる参照電圧との判定と同等の判定を行う。   In the second determination, the connection of the switch SW28 of the capacitor 28 at the weight 16C connected to the −Vr side is maintained at the −Vr side. Further, in the third determination, the comparators CMP1 and CMP3 control the back gate voltage by the control codes CC1, CC3 and DAC 10 described above, and perform the determination equivalent to the determination with the reference voltage having a predetermined voltage width.

以上の説明において、各実施例のA/D変換器は、様々な変更が可能であり、例えば、CDACは、シングルエンド構成でも差動構成でも適用することができ、また、冗長性の持たせ方も様々に変更することができる。   In the above description, the A / D converter of each embodiment can be modified in various ways. For example, the CDAC can be applied in a single-ended configuration or a differential configuration, and also has redundancy. The direction can be changed in various ways.

以上、実施形態を説明したが、ここに記載したすべての例や条件は、発明および技術に適用する発明の概念の理解を助ける目的で記載されたものであり、特に記載された例や条件は発明の範囲を制限することを意図するものではない。また、明細書のそのような記載は、発明の利点および欠点を示すものでもない。発明の実施形態を詳細に記載したが、各種の変更、置き換え、変形が発明の精神および範囲を逸脱することなく行えることが理解されるべきである。   Although the embodiment has been described above, all examples and conditions described herein are described for the purpose of helping understanding of the concept of the invention applied to the invention and the technology. It is not intended to limit the scope of the invention. Nor does such a description of the specification indicate an advantage or disadvantage of the invention. Although embodiments of the invention have been described in detail, it should be understood that various changes, substitutions and modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention.

以上の実施例を含む実施形態に関し、さらに、以下の付記を開示する。
(付記1)
アナログ入力電圧を受け取って、少なくとも2ビットのA/D変換を複数回繰り返し、徐々に細かくA/D変換を行ってデジタルデータを出力するA/D変換器であって、
前記アナログ入力電圧を判定する複数の比較器と、
前記アナログ入力電圧の上位ビット側のA/D変換を行う第1判定において、前記複数の比較器による前記アナログ入力電圧の判定完了を検出し、前記第1判定の次に行う第2判定において、冗長性を持たせる第1比較器を特定して冗長制御を行う冗長制御部と、を有する、
ことを特徴とするA/D変換器。
Regarding the embodiment including the above examples, the following supplementary notes are further disclosed.
(Appendix 1)
An A / D converter that receives an analog input voltage, repeats at least 2-bit A / D conversion a plurality of times, gradually performs fine A / D conversion, and outputs digital data,
A plurality of comparators for determining the analog input voltage;
In the first determination for performing A / D conversion on the higher bit side of the analog input voltage, the completion of determination of the analog input voltage by the plurality of comparators is detected, and in the second determination performed after the first determination, A redundancy control unit that performs redundancy control by specifying the first comparator that has redundancy, and
An A / D converter characterized by the above.

(付記2)
前記第2判定は、前記第1判定により規定されたA/D変換範囲に対する下位ビット側のA/D変換を行う判定である、
ことを特徴とする付記1に記載のA/D変換器。
(Appendix 2)
The second determination is a determination to perform A / D conversion on the lower bit side with respect to the A / D conversion range defined by the first determination.
2. The A / D converter according to appendix 1, wherein

(付記3)
前記第1判定は、最上位ビットを含む上位ビット側のA/D変換を行う1回目判定であり、
前記第2判定は、前記1回目判定の次に行う2回目判定である、
ことを特徴とする付記1または付記2に記載のA/D変換器。
(Appendix 3)
The first determination is a first determination for performing A / D conversion on the upper bit side including the most significant bit,
The second determination is a second determination performed after the first determination.
The A / D converter according to Supplementary Note 1 or Supplementary Note 2, wherein

(付記4)
前記第1判定および前記第2判定は、前記アナログ入力電圧を2ビット同時にA/D変換する2ビット/ステップの判定である、
ことを特徴とする付記1乃至付記3のいずれか1項に記載のA/D変換器。
(Appendix 4)
The first determination and the second determination are 2-bit / step determinations in which the analog input voltage is A / D converted simultaneously by 2 bits.
The A / D converter according to any one of Supplementary Note 1 to Supplementary Note 3, wherein:

(付記5)
さらに、前記アナログ入力電圧を受け取って電荷再分配を行う、複数のキャパシタおよび複数のスイッチを有する容量DACと、
前記複数の比較器の出力に基づいて、前記容量DACにおける電荷再分配を制御するSAR制御ロジックと、を有する、
ことを特徴とする付記1乃至付記4のいずれか1項に記載のA/D変換器。
(Appendix 5)
A capacitive DAC having a plurality of capacitors and a plurality of switches for receiving the analog input voltage and performing charge redistribution;
SAR control logic for controlling charge redistribution in the capacitive DAC based on outputs of the plurality of comparators.
The A / D converter according to any one of Supplementary Note 1 to Supplementary Note 4, wherein:

(付記6)
前記冗長制御部による冗長制御は、
第1比較器の冗長範囲を設定するために、前記アナログ入力電圧と、前記複数の比較器に与える参照電圧とを相対的にシフトさせて行う、
ことを特徴とする付記1乃至付記5のいずれか1項に記載のA/D変換器。
(Appendix 6)
The redundancy control by the redundancy control unit is
In order to set the redundancy range of the first comparator, the analog input voltage and the reference voltage applied to the plurality of comparators are relatively shifted,
The A / D converter according to any one of Supplementary Note 1 to Supplementary Note 5, wherein:

(付記7)
前記冗長制御部は、
前記複数の比較器による前記アナログ入力電圧の判定時間を検出する判定時間検出回路と、
前記判定時間検出回路の出力に基づいて、前記複数の比較器に与える参照電圧を制御する参照電圧制御回路と、を含み、
前記参照電圧制御回路は、
前記複数の比較器のうち、前記第1判定における判定時間が最も長い前記第1比較器に対して冗長性を持たせるように、前記複数の比較器に与える参照電圧を制御する、
ことを特徴とする付記6に記載のA/D変換器。
(Appendix 7)
The redundancy control unit
A determination time detection circuit for detecting a determination time of the analog input voltage by the plurality of comparators;
A reference voltage control circuit for controlling a reference voltage applied to the plurality of comparators based on an output of the determination time detection circuit;
The reference voltage control circuit includes:
Controlling a reference voltage applied to the plurality of comparators so as to provide redundancy to the first comparator having the longest determination time in the first determination among the plurality of comparators;
The A / D converter according to supplementary note 6, wherein:

(付記8)
前記参照電圧制御回路は、
前記複数の比較器に与える参照電圧を、所定の電圧レベルだけシフトする、
ことを特徴とする付記7に記載のA/D変換器。
(Appendix 8)
The reference voltage control circuit includes:
A reference voltage applied to the plurality of comparators is shifted by a predetermined voltage level;
The A / D converter according to appendix 7, characterized by:

(付記9)
前記複数の比較器に与える参照電圧をシフトする前記所定の電圧レベルは、前記第2判定における最下位ビットの1ビット分の電圧レベルである、
ことを特徴とする付記8に記載のA/D変換器。
(Appendix 9)
The predetermined voltage level for shifting the reference voltage applied to the plurality of comparators is a voltage level for one bit of the least significant bit in the second determination.
9. The A / D converter according to appendix 8, wherein

(付記10)
前記冗長制御部は、
前記複数の比較器による前記アナログ入力電圧の判定完了タイミングを検出する判定完了タイミング検出回路と、
前記判定完了タイミング検出回路の出力に基づいて、前記容量DACを介して冗長範囲を制御する冗長範囲制御回路と、を含み、
前記冗長範囲制御回路は、
前記複数の比較器のうち、前記第1判定における判定完了タイミングが最も早い前記第1比較器に対して冗長性を持たせるように、前記容量DACの出力電圧を制御する、
ことを特徴とする付記6に記載のA/D変換器。
(Appendix 10)
The redundancy control unit
A determination completion timing detection circuit for detecting a determination completion timing of the analog input voltage by the plurality of comparators;
A redundant range control circuit that controls a redundant range via the capacitor DAC based on the output of the determination completion timing detection circuit,
The redundant range control circuit includes:
Controlling the output voltage of the capacitor DAC so as to provide redundancy to the first comparator having the earliest determination completion timing in the first determination among the plurality of comparators;
The A / D converter according to supplementary note 6, wherein:

(付記11)
前記冗長範囲制御回路は、
前記容量DACの出力電圧を、所定の電圧レベルだけシフトする、
ことを特徴とする付記10に記載のA/D変換器。
(Appendix 11)
The redundant range control circuit includes:
Shifting the output voltage of the capacitor DAC by a predetermined voltage level;
The A / D converter according to appendix 10, which is characterized in that.

(付記12)
前記容量DACの出力電圧をシフトする前記所定の電圧レベルは、前記第2判定における最下位ビットの1ビット分の電圧レベルである、
ことを特徴とする付記11に記載のA/D変換器。
(Appendix 12)
The predetermined voltage level for shifting the output voltage of the capacitor DAC is a voltage level for one bit of the least significant bit in the second determination.
The A / D converter according to appendix 11, characterized by that.

(付記13)
アナログ入力電圧を受け取って、少なくとも2ビットのA/D変換を複数回繰り返し、徐々に細かくA/D変換を行ってデジタルデータを出力するA/D変換方法であって、
複数の比較器により、前記アナログ入力電圧の上位ビット側のA/D変換を行う第1判定において、前記複数の比較器による前記アナログ入力電圧の判定完了を検出し、
前記第1判定の次に行う第2判定において、冗長性を持たせる第1比較器を特定し、
前記第1比較器の冗長範囲を設定するために、前記アナログ入力電圧と、前記複数の比較器に与える参照電圧とを相対的にシフトさせる、
ことを特徴とするA/D変換方法。
(Appendix 13)
An A / D conversion method for receiving an analog input voltage, repeating A / D conversion of at least 2 bits a plurality of times, gradually performing A / D conversion and outputting digital data,
In the first determination for performing A / D conversion on the higher bit side of the analog input voltage by a plurality of comparators, the completion of determination of the analog input voltage by the plurality of comparators is detected,
In the second determination performed after the first determination, a first comparator that provides redundancy is specified,
In order to set a redundancy range of the first comparator, the analog input voltage and a reference voltage applied to the plurality of comparators are relatively shifted.
A / D conversion method characterized by the above.

(付記14)
前記第2判定において冗長性を持たせる前記第1比較器を、
前記複数の比較器のうち、前記第1判定における判定時間が最も長い比較器により特定する、
ことを特徴とする付記13に記載のA/D変換方法。
(Appendix 14)
The first comparator for providing redundancy in the second determination;
Among the plurality of comparators, specify by the comparator having the longest determination time in the first determination,
14. The A / D conversion method according to appendix 13, wherein

(付記15)
前記第2判定において冗長性を持たせる前記第1比較器を、
前記複数の比較器のうち、前記第1判定における判定完了タイミングが最も早い比較器により特定する、
ことを特徴とする付記13に記載のA/D変換方法。
(Appendix 15)
The first comparator for providing redundancy in the second determination;
Among the plurality of comparators, the comparator is identified by the comparator having the earliest determination completion timing in the first determination.
14. The A / D conversion method according to appendix 13, wherein

1 スイッチ
2 容量DAC(CDAC)
3 SAR制御ロジック
4 判定時間検出回路
5 参照電圧制御回路
6 冗長範囲制御回路
10 DAC
40 判定完了タイミング検出回路
CMP1,CMP2,CMP3 比較器
1 Switch 2 Capacitance DAC (CDAC)
3 SAR control logic 4 Judgment time detection circuit 5 Reference voltage control circuit 6 Redundant range control circuit 10 DAC
40 Judgment completion timing detection circuit
CMP1, CMP2, CMP3 comparator

Claims (11)

アナログ入力電圧を受け取って、少なくとも2ビットのA/D変換を複数回繰り返し、徐々に細かくA/D変換を行ってデジタルデータを出力するA/D変換器であって、
前記アナログ入力電圧を判定する複数の比較器と、
前記アナログ入力電圧の上位ビット側のA/D変換を行う第1判定において、前記複数の比較器による前記アナログ入力電圧の判定完了を検出し、前記第1判定の次に行う第2判定において、冗長性を持たせる第1比較器を特定して冗長制御を行う冗長制御部と、を有する、
ことを特徴とするA/D変換器。
An A / D converter that receives an analog input voltage, repeats at least 2-bit A / D conversion a plurality of times, gradually performs fine A / D conversion, and outputs digital data,
A plurality of comparators for determining the analog input voltage;
In the first determination for performing A / D conversion on the higher bit side of the analog input voltage, the completion of determination of the analog input voltage by the plurality of comparators is detected, and in the second determination performed after the first determination, A redundancy control unit that performs redundancy control by specifying the first comparator that has redundancy, and
An A / D converter characterized by the above.
前記第1判定は、最上位ビットを含む上位ビット側のA/D変換を行う1回目判定であり、
前記第2判定は、前記1回目判定の次に行う2回目判定である、
ことを特徴とする請求項1に記載のA/D変換器。
The first determination is a first determination for performing A / D conversion on the upper bit side including the most significant bit,
The second determination is a second determination performed after the first determination.
The A / D converter according to claim 1.
さらに、前記アナログ入力電圧を受け取って電荷再分配を行う、複数のキャパシタおよび複数のスイッチを有する容量DACと、
前記複数の比較器の出力に基づいて、前記容量DACにおける電荷再分配を制御するSAR制御ロジックと、を有する、
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のA/D変換器。
A capacitive DAC having a plurality of capacitors and a plurality of switches for receiving the analog input voltage and performing charge redistribution;
SAR control logic for controlling charge redistribution in the capacitive DAC based on outputs of the plurality of comparators.
The A / D converter according to claim 1 or 2, characterized by the above.
前記冗長制御部による冗長制御は、
第1比較器の冗長範囲を設定するために、前記アナログ入力電圧と、前記複数の比較器に与える参照電圧とを相対的にシフトさせて行う、
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載のA/D変換器。
The redundancy control by the redundancy control unit is
In order to set the redundancy range of the first comparator, the analog input voltage and the reference voltage applied to the plurality of comparators are relatively shifted,
The A / D converter according to any one of claims 1 to 3, wherein the A / D converter is provided.
前記冗長制御部は、
前記複数の比較器による前記アナログ入力電圧の判定時間を検出する判定時間検出回路と、
前記判定時間検出回路の出力に基づいて、前記複数の比較器に与える参照電圧を制御する参照電圧制御回路と、を含み、
前記参照電圧制御回路は、
前記複数の比較器のうち、前記第1判定における判定時間が最も長い前記第1比較器に対して冗長性を持たせるように、前記複数の比較器に与える参照電圧を制御する、
ことを特徴とする請求項4に記載のA/D変換器。
The redundancy control unit
A determination time detection circuit for detecting a determination time of the analog input voltage by the plurality of comparators;
A reference voltage control circuit for controlling a reference voltage applied to the plurality of comparators based on an output of the determination time detection circuit;
The reference voltage control circuit includes:
Controlling a reference voltage applied to the plurality of comparators so as to provide redundancy to the first comparator having the longest determination time in the first determination among the plurality of comparators;
The A / D converter according to claim 4.
前記参照電圧制御回路は、
前記複数の比較器に与える参照電圧を、所定の電圧レベルだけシフトする、
ことを特徴とする請求項5に記載のA/D変換器。
The reference voltage control circuit includes:
A reference voltage applied to the plurality of comparators is shifted by a predetermined voltage level;
The A / D converter according to claim 5.
前記複数の比較器に与える参照電圧をシフトする前記所定の電圧レベルは、前記第2判定における最下位ビットの1ビット分の電圧レベルである、
ことを特徴とする請求項6に記載のA/D変換器。
The predetermined voltage level for shifting the reference voltage applied to the plurality of comparators is a voltage level for one bit of the least significant bit in the second determination.
The A / D converter according to claim 6.
前記冗長制御部は、
前記複数の比較器による前記アナログ入力電圧の判定完了タイミングを検出する判定完了タイミング検出回路と、
前記判定完了タイミング検出回路の出力に基づいて、前記容量DACを介して冗長範囲を制御する冗長範囲制御回路と、を含み、
前記冗長範囲制御回路は、
前記複数の比較器のうち、前記第1判定における判定完了タイミングが最も早い前記第1比較器に対して冗長性を持たせるように、前記容量DACの出力電圧を制御する、
ことを特徴とする請求項4に記載のA/D変換器。
The redundancy control unit
A determination completion timing detection circuit for detecting a determination completion timing of the analog input voltage by the plurality of comparators;
A redundant range control circuit that controls a redundant range via the capacitor DAC based on the output of the determination completion timing detection circuit,
The redundant range control circuit includes:
Controlling the output voltage of the capacitor DAC so as to provide redundancy to the first comparator having the earliest determination completion timing in the first determination among the plurality of comparators;
The A / D converter according to claim 4.
前記冗長範囲制御回路は、
前記容量DACの出力電圧を、所定の電圧レベルだけシフトする、
ことを特徴とする請求項8に記載のA/D変換器。
The redundant range control circuit includes:
Shifting the output voltage of the capacitor DAC by a predetermined voltage level;
The A / D converter according to claim 8.
前記容量DACの出力電圧をシフトする前記所定の電圧レベルは、前記第2判定における最下位ビットの1ビット分の電圧レベルである、
ことを特徴とする請求項9に記載のA/D変換器。
The predetermined voltage level for shifting the output voltage of the capacitor DAC is a voltage level for one bit of the least significant bit in the second determination.
The A / D converter according to claim 9.
アナログ入力電圧を受け取って、少なくとも2ビットのA/D変換を複数回繰り返し、徐々に細かくA/D変換を行ってデジタルデータを出力するA/D変換方法であって、
複数の比較器により、前記アナログ入力電圧の上位ビット側のA/D変換を行う第1判定において、前記複数の比較器による前記アナログ入力電圧の判定完了を検出し、
前記第1判定の次に行う第2判定において、冗長性を持たせる第1比較器を特定し、
前記第1比較器の冗長範囲を設定するために、前記アナログ入力電圧と、前記複数の比較器に与える参照電圧とを相対的にシフトさせる、
ことを特徴とするA/D変換方法。
An A / D conversion method for receiving an analog input voltage, repeating A / D conversion of at least 2 bits a plurality of times, gradually performing A / D conversion and outputting digital data,
In the first determination for performing A / D conversion on the higher bit side of the analog input voltage by a plurality of comparators, the completion of determination of the analog input voltage by the plurality of comparators is detected,
In the second determination performed after the first determination, a first comparator that provides redundancy is specified,
In order to set a redundancy range of the first comparator, the analog input voltage and a reference voltage applied to the plurality of comparators are relatively shifted.
A / D conversion method characterized by the above.
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