JP2016092648A - A/d converter - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high-precision A/D converter, configured by applying probabilistic A/D conversion.SOLUTION: An A/D converter includes a charge transfer type DAC circuit 30 for outputting a DAC voltage indicating a difference between an input analog voltage and a reference voltage according to inputted digital data, an SF-ADC 23 for performing A/D conversion for the DAC voltage to digital data, a digital comparator 11 for comparing the digital data from the SF-ADC to a digital threshold value, and outputting a digital signal indicating the comparison result, and an SAR logic circuit 12 for A/D conversion of the input analog voltage to an output digital signal and outputting the signal. Threshold value generation means 42 corrects an A/D conversion error by generating a digital threshold value based on digital error data, outputted from parallel type probabilistic A/D conversion means when test digital data is inputted to the DAC circuit.SELECTED DRAWING: Figure 21

Description

本発明は、例えば逐次比較A/D変換器に対して確率的A/D変換を適用して構成されたA/D変換装置に関する。   The present invention relates to an A / D converter configured by applying probabilistic A / D conversion to, for example, a successive approximation A / D converter.

近年の日常健康管理の需要の高まりから、バッテリーによって長時間駆動可能な高精度ウェアラブル生体計測センサが必要とされている。これに伴い、低消費電力、高分解能のA/D変換器(Analog−to−Digital Converter;ADC)が必要となっている。一般に消費電力は電源電圧の2乗に比例するため、低消費電力化のためには集積回路の低電圧化が重要になる。しかし、低電圧化によりダイナミックレンジの確保は困難になる。また、このように。ADCでは、消費電力と分解能はトレードオフの関係にあり、低消費電力高分解能のADCを実現することは容易ではない。   Due to the increasing demand for daily health management in recent years, a highly accurate wearable biometric sensor that can be driven by a battery for a long time is required. Accordingly, a low power consumption and high resolution A / D converter (Analog-to-Digital Converter; ADC) is required. Since power consumption is generally proportional to the square of the power supply voltage, it is important to reduce the voltage of the integrated circuit in order to reduce power consumption. However, it is difficult to secure the dynamic range due to the low voltage. Also like this. In an ADC, power consumption and resolution are in a trade-off relationship, and it is not easy to realize an ADC with low power consumption and high resolution.

図1は従来技術に係る一般的なnビット逐次比較型A/D変換器の構成を示すブロック図である。低消費電力のA/D変換方式としては、図1のような逐次比較型ADC(Successive Approximation Register ADC;SAR−ADC)が代表的である。図1において、逐次比較型A/D変換器は、サンプルホールド回路1と、コンパレータ2と、逐次変換レジスタロジック回路(以下、SARロジック回路という。)3と、nビットD/A変換器4とを備えて構成される。この方式ではD/A変換器4とコンパレータ2を繰り返し使用し、バイナリサーチアルゴリズムに基づいて最上位ビットDn−1から順に判定を行う。 FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a general n-bit successive approximation A / D converter according to the prior art. A typical example of a low power consumption A / D conversion system is a successive approximation type ADC (SAR-ADC) as shown in FIG. In FIG. 1, a successive approximation A / D converter includes a sample hold circuit 1, a comparator 2, a successive approximation register logic circuit (hereinafter referred to as SAR logic circuit) 3, an n-bit D / A converter 4, and the like. It is configured with. In this method, the D / A converter 4 and the comparator 2 are repeatedly used, and the determination is performed sequentially from the most significant bit D n−1 based on the binary search algorithm.

特開2010−045622号公報JP 2010-045622 A

ハム・ヒョンジュほか,「素子特性ミスマッチを用いた並列型確率A−Dコンバータ」,電気学会論文誌C,Vol.131−C,No.11,pp.1848−1857,2011年11月Ham Hyun-ju et al., “Parallel Stochastic A-D Converter Using Device Characteristic Mismatch”, IEEJ Transactions C, Vol. 131-C, no. 11, pp. 1848-1857, November 2011 平井雄作ほか,「マルチビットΔΣ変調器における確率的量子化器によるDAC誤差補正」,電気学会電子回路研究会,2013年10月Yusaku Hirai et al., "DAC error correction by stochastic quantizer in multi-bit delta-sigma modulator", Institute of Electrical Engineers of Japan, October 2013 H. Ham et al., "Design of a 500-MS/s stochastic signal detection circuit using a non-linearity reduction technique in a 65-nm CMOS process," IEICE Electronics Express, Vol. 8, No. 6, pp.353-359, March 2011.H. Ham et al., "Design of a 500-MS / s stochastic signal detection circuit using a non-linearity reduction technique in a 65-nm CMOS process," IEICE Electronics Express, Vol. 8, No. 6, pp. 353-359, March 2011. S. Weaver et al., "Stochastic Flash Analog-to-Digital Conversion," IEEE Transaction on Circuits Systems I, Vol. 57, No. 11, pp. 2825-2833, November 2010.S. Weaver et al., "Stochastic Flash Analog-to-Digital Conversion," IEEE Transaction on Circuits Systems I, Vol. 57, No. 11, pp. 2825-2833, November 2010. J. J. Collins et al., "Stochastic resonance without tuning," NATURE, Vol. 376, No. 20, pp. 236-238, July 1995.J. J. Collins et al., "Stochastic resonance without tuning," NATURE, Vol. 376, No. 20, pp. 236-238, July 1995. H. Ham et al., "Application of Noise-Enhanced Detection of Subthreshold Signals for Communication Systems," IEICE Transaction on Fundamentals, Vol. E92-A, No. 4, pp. 1012-1018, April 2009.H. Ham et al., "Application of Noise-Enhanced Detection of Subthreshold Signals for Communication Systems," IEICE Transaction on Fundamentals, Vol. E92-A, No. 4, pp. 1012-1018, April 2009. J. Um et al., "A Digital-Domain Calibration of Split-Capacitor DAC for a Differential SAR ADC Without Additional Analog Circuits," IEEE Transaction on Circuits Systems I, Vol. 60, No. 11, pp. 2845-2856, November 2013.J. Um et al., "A Digital-Domain Calibration of Split-Capacitor DAC for a Differential SAR ADC Without Additional Analog Circuits," IEEE Transaction on Circuits Systems I, Vol. 60, No. 11, pp. 2845-2856, November 2013. David F. Hoeschele Jr., et al., "Analog-to-digital and digital-to-analog conversion techniques (2nd edition)," pp. 47-51, A Wiley-Interscience publication, 1994.David F. Hoeschele Jr., et al., "Analog-to-digital and digital-to-analog conversion techniques (2nd edition)," pp. 47-51, A Wiley-Interscience publication, 1994. Christopher M. Bishop, "Pattern Recognition and Machine Learning," pp. 1-177, Springer Science+Business Media, LLC, 2006.Christopher M. Bishop, "Pattern Recognition and Machine Learning," pp. 1-177, Springer Science + Business Media, LLC, 2006. Shigeo Abe, "Support Vector Machines for Pattern Classification," pp. 93-94, Springer Science+Business Media, LLC, 2010.Shigeo Abe, "Support Vector Machines for Pattern Classification," pp. 93-94, Springer Science + Business Media, LLC, 2010.

一般にSAR−ADCの内部D/A変換器は2のべき乗で重みづけされた容量アレイで実現される。SAR−ADCではこのDACの精度がADC全体の精度に大きく影響する。容量を用いたDACの精度を確保するには、十分な相対精度の容量の実現が必要であるが、占有面積と製造コストの増大につながる。そのため、高分解能SAR−ADCを実現するためには、これらの誤差を補正する技術が必要となる。   In general, the internal D / A converter of the SAR-ADC is realized by a capacitor array weighted by a power of two. In the SAR-ADC, the accuracy of the DAC greatly affects the accuracy of the entire ADC. In order to ensure the accuracy of the DAC using the capacity, it is necessary to realize a capacity with sufficient relative accuracy, but this leads to an increase in occupied area and manufacturing cost. Therefore, in order to realize a high resolution SAR-ADC, a technique for correcting these errors is required.

本発明の目的は以上の問題点を解決し、逐次比較A/D変換器に対して確率的A/D変換を適用して構成されたA/D変換装置であって、従来技術に比較して高い精度を有するA/D変換装置を提供することにある。   An object of the present invention is an A / D converter configured to solve the above problems and apply a probabilistic A / D conversion to a successive approximation A / D converter, which is compared with the prior art. Another object of the present invention is to provide an A / D conversion device having high accuracy.

本発明に係るA/D変換装置は、
入力アナログ電圧をサンプルしてホールドするサンプルホールド回路及び複数のDAC容量を有する電荷転送型DAC回路であって、上記入力アナログ電圧と、入力されるディジタルデータに応じた参照電圧との差を示すDAC電圧を出力する電荷転送型DAC回路と、
それぞれ異なるしきい値を有する複数のコンパレータと、当該複数のコンパレータからの各出力信号を加算する加算器とを含み、上記D/A変換手段からのDAC電圧をディジタルデータにA/D変換する並列型確率的A/D変換手段と、
所定のディジタルしきい値を発生するしきい値発生手段と、
上記並列型確率的A/D変換手段からのディジタルデータを、上記発生されるディジタルしきい値と比較して比較結果を示すディジタル信号を出力するディジタルコンパレータと、
上記ディジタルコンパレータからのディジタル信号を、上記ディジタルしきい値と、最上位ビットから最下位ビットまで繰り返して逐次比較するように制御することで、上記入力アナログ電圧を出力ディジタル信号にA/D変換して出力する逐次変換レジスタロジック回路とを備えたA/D変換装置であって、
上記しきい値発生手段は、所定のテストディジタルデータを上記DAC回路に入力したときに上記並列型確率的A/D変換手段から出力されるディジタル誤差データに基づいて上記ディジタルしきい値を発生することにより、上記A/D変換誤差を補正することを特徴とする。
The A / D converter according to the present invention is
A sample-and-hold circuit that samples and holds an input analog voltage and a charge transfer DAC circuit having a plurality of DAC capacitors, wherein the DAC indicates a difference between the input analog voltage and a reference voltage corresponding to input digital data A charge transfer DAC circuit for outputting a voltage;
A parallel circuit that includes a plurality of comparators each having a different threshold value and an adder that adds output signals from the plurality of comparators, and A / D converts the DAC voltage from the D / A conversion means into digital data. Type probabilistic A / D conversion means;
Threshold generating means for generating a predetermined digital threshold;
A digital comparator that compares the digital data from the parallel type stochastic A / D conversion means with the generated digital threshold value and outputs a digital signal indicating a comparison result;
The input analog voltage is A / D converted into an output digital signal by controlling the digital signal from the digital comparator to repeatedly compare the digital threshold value with the digital threshold value from the most significant bit to the least significant bit. An A / D conversion device comprising a successive approximation register logic circuit for outputting
The threshold generation means generates the digital threshold based on digital error data output from the parallel stochastic A / D conversion means when predetermined test digital data is input to the DAC circuit. Thus, the A / D conversion error is corrected.

上記A/D変換装置において、基準となる所定の入力コードデータを上記電荷転送型DAC回路に入力したときの上記ディジタル誤差データからの差分として、上記入力コードデータに依存した成分データを検出して記憶する記憶手段をさらに備え、
上記しきい値発生手段は、上記入力コードデータに依存した成分データに基づいて上記ディジタルしきい値を発生することを特徴とする。
In the A / D converter, component data depending on the input code data is detected as a difference from the digital error data when predetermined input code data serving as a reference is input to the charge transfer DAC circuit. And further comprising storage means for storing,
The threshold generation means generates the digital threshold based on component data depending on the input code data.

また、上記A/D変換装置において、上記並列型確率的A/D変換手段は、上記D/A変換手段からのDAC電圧に対して、時間平均化処理を実行してA/D変換することを特徴とする。   In the A / D converter, the parallel stochastic A / D converter performs A / D conversion by performing a time averaging process on the DAC voltage from the D / A converter. It is characterized by.

さらに、上記A/D変換装置において、
上記並列型確率的A/D変換手段からのディジタルデータを多数回サンプリングして平均値を演算することで上記ディジタルデータを時間平均化して出力する平均化フィルタと、
上記平均化フィルタからのディジタルデータを所定の第1のビット数から所定の第2のビット数のディジタルデータに符号化するエンコーダとをさらに備えたことを特徴とする。
Furthermore, in the A / D converter,
An averaging filter that samples the digital data from the parallel-type stochastic A / D conversion means many times and calculates an average value to time-average the digital data and output it;
And an encoder for encoding the digital data from the averaging filter from a predetermined first bit number to a predetermined second bit number digital data.

またさらに、上記A/D変換装置において、上記エンコーダは、上記平均化フィルタからのバイナリコードのディジタルデータをサーモメーターコードのディジタルデータに符号化することを特徴とする。   Furthermore, in the A / D converter, the encoder encodes binary code digital data from the averaging filter into thermometer code digital data.

また、上記A/D変換装置において、所定の上位ビットのA/D変換処理において、上記電荷転送型DAC回路、上記並列型確率的A/D変換手段、上記しきい値発生手段、上記ディジタルコンパレータ、及び上記逐次変換レジスタロジック回路を用いてA/D変換処理を実行する一方、
所定の下位ビットのA/D変換処理において、上記電荷転送型DAC回路、上記並列型確率的A/D変換手段、上記平均化フィルタ、及び上記エンコーダを用いてA/D変換処理を実行することを特徴とする。
In the A / D conversion apparatus, the charge transfer DAC circuit, the parallel stochastic A / D conversion means, the threshold value generation means, and the digital comparator in A / D conversion processing of a predetermined higher bit And performing the A / D conversion process using the successive approximation register logic circuit,
A / D conversion processing is performed using the charge transfer type DAC circuit, the parallel type stochastic A / D conversion means, the averaging filter, and the encoder in A / D conversion processing of a predetermined lower bit. It is characterized by.

さらに、上記A/D変換装置において、所定の機械学習方法を用いて、上記電荷転送型DAC回路のDAC容量の誤差を補正する第1の補正手段をさらに備えたことを特徴とする。   Further, the A / D conversion device further includes first correction means for correcting an error of the DAC capacity of the charge transfer DAC circuit using a predetermined machine learning method.

またさらに、上記A/D変換装置において、所定の機械学習方法を用いて、上記エンコーダの符号化特性を補正する第2の補正手段をさらに備えたことを特徴とする。   Furthermore, the A / D conversion apparatus further includes a second correction unit that corrects the encoding characteristic of the encoder using a predetermined machine learning method.

またさらに、上記A/D変換装置において、上記A/D変換装置は、センサとサーバ装置とに分離し、かつ有線通信回線又は無線通信回線により通信可能に接続されて構成され、
上記センサは、上記電荷転送型DAC回路、上記並列型確率的A/D変換手段、上記しきい値発生手段、上記ディジタルコンパレータ、上記逐次変換レジスタロジック回路、及び上記第1の補正手段を備え、
上記サーバ装置は、上記第2の補正手段を備えたことを特徴とする。
Still further, in the A / D conversion device, the A / D conversion device is configured to be separated into a sensor and a server device and connected to be communicable via a wired communication line or a wireless communication line,
The sensor includes the charge transfer DAC circuit, the parallel type stochastic A / D conversion means, the threshold value generation means, the digital comparator, the successive approximation register logic circuit, and the first correction means.
The server device includes the second correction unit.

従って、本発明に係るA/D変換装置によれば、逐次比較A/D変換器に対して確率的A/D変換を適用してA/D変換装置を構成することで、従来技術に比較して高い精度を有するA/D変換装置を提供することにある。   Therefore, according to the A / D conversion device according to the present invention, the A / D conversion device is configured by applying the probabilistic A / D conversion to the successive approximation A / D converter, thereby comparing with the prior art. An object of the present invention is to provide an A / D converter having high accuracy.

従来技術に係る一般的なnビット逐次比較型A/D変換器の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the general n bit successive approximation type A / D converter based on a prior art. 実施形態1に係るA/D変換装置において用いる並列型確率的A/D変換器(SF−ADC)の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the parallel type | mold stochastic A / D converter (SF-ADC) used in the A / D converter which concerns on Embodiment 1. FIG. 図2のSF−ADCの入出力特性を示すグラフである。It is a graph which shows the input-output characteristic of SF-ADC of FIG. 実施形態1において用いるディジタル制御しきい値可変コンパレータの構成を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration of a digital control threshold variable comparator used in the first embodiment. 実施形態1において用いる、サンプルホールド回路を含むnビット容量D/A変換器の構成を示す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a configuration of an n-bit capacitance D / A converter including a sample and hold circuit used in the first embodiment. 実施形態1に係る、SF−ADCを用いたDAC誤差補正回路の構成を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of a DAC error correction circuit using SF-ADC according to the first embodiment. 実施形態1に係るA/D変換装置において用いるテスト入力コードの一例を示す表である。6 is a table showing an example of a test input code used in the A / D conversion device according to the first embodiment. 実施形態1に係る、SF−ADCによる微弱信号のA/D変換回路の構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a configuration of a weak signal A / D conversion circuit using SF-ADC according to Embodiment 1. FIG. 各ノイズ成分の分類及び特徴を示す表である。It is a table | surface which shows the classification | category and characteristic of each noise component. 図8のA/D変換回路において問題となる確率共鳴現象を示すタイミングチャートである。FIG. 9 is a timing chart showing a stochastic resonance phenomenon that becomes a problem in the A / D conversion circuit of FIG. 8. FIG. 実施形態1に係るA/D変換装置のシミュレーション結果であって、アナログ入力電圧と出力コードの誤差との関係を示すグラフである。6 is a graph showing a relationship between an analog input voltage and an output code error, which is a simulation result of the A / D conversion device according to the first embodiment. 実施形態1に係る、上位12ビットSAR−ADCのシミュレーション条件を示す表である。6 is a table showing simulation conditions for upper 12-bit SAR-ADC according to the first embodiment. 実施形態1に係るA/D変換装置のシミュレーション結果であって、下位6ビットA/D変換の周波数スペクトルを示すグラフである。It is a simulation result of the A / D conversion device concerning Embodiment 1, and is a graph which shows a frequency spectrum of lower 6 bits A / D conversion. 実施形態1に係る、下位12ビットSAR−ADCのシミュレーション条件を示す表である。6 is a table showing simulation conditions for lower-order 12-bit SAR-ADC according to the first embodiment. 実施形態2に係るA/D変換装置の初期誤差を示す時間波形を示す波形図である。6 is a waveform diagram showing a time waveform indicating an initial error of the A / D conversion device according to the second embodiment. FIG. 実施形態2に係るA/D変換装置の残留誤差を示す時間波形を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the time waveform which shows the residual error of the A / D converter which concerns on Embodiment 2. FIG. 実施形態2に係るA/D変換装置において用いるベイズの追加学習処理を示すフローチャートである。10 is a flowchart showing Bayesian additional learning processing used in the A / D conversion device according to the second embodiment. 実施形態2に係るA/D変換装置のシミュレーション結果であって、初期学習を用いた予測分布の一例を示すグラフである。It is a simulation result of the A / D conversion device concerning Embodiment 2, and is a graph which shows an example of prediction distribution using initial learning. 実施形態2に係るA/D変換装置のシミュレーション結果であって、学習データD を用いた追加学習後の残留誤差を示すグラフである。Is a simulation result of the A / D conversion apparatus according to Embodiment 2 is a graph showing the residual error after additional learning using learning data D T 1. 実施形態2に係るA/D変換装置のシミュレーション結果であって、学習データD を用いた追加学習後の残留誤差を示すグラフである。Is a simulation result of the A / D conversion apparatus according to Embodiment 2 is a graph showing the residual error after additional learning using learning data D T 2. 実施形態3に係るA/D変換装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the A / D converter which concerns on Embodiment 3. 図21のA/D変換装置におけるテストモード(制御データ取得)処理を示すブロックである。It is a block which shows the test mode (control data acquisition) process in the A / D converter of FIG. 図21のA/D変換装置におけるA/D変換時のしきい値制御データの生成処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the production | generation process of the threshold value control data at the time of A / D conversion in the A / D converter of FIG. 図21のA/D変換装置におけるSAR−ADCモード(上位ビット変換)処理を示すブロックである。It is a block which shows the SAR-ADC mode (upper bit conversion) process in the A / D converter of FIG. 図21のA/D変換装置におけるSF−ADCモード(下位ビット変換)処理を示すブロックである。FIG. 22 is a block diagram showing SF-ADC mode (lower bit conversion) processing in the A / D conversion device of FIG. 21. 実施形態4に係るA/D変換システムの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the A / D conversion system which concerns on Embodiment 4. 実施形態4の具体例であって、機械学習によるエンコーダ特性を決定するためのシステムの構成を示すブロック図である。It is a specific example of Embodiment 4, Comprising: It is a block diagram which shows the structure of the system for determining the encoder characteristic by machine learning. 図27のA/D変換装置で用いるバイナリコードからサーモメーターコードに変換する関係の一例を示す表である。It is a table | surface which shows an example of the relationship converted from the binary code used with the A / D converter of FIG. 27 to a thermometer code.

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。   Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each following embodiment, the same code | symbol is attached | subjected about the same component.

実施形態1.
1−1.まえがき
本実施形態ではマイクロコンピュータ(マイコン)上またはマイコンと同一ボード上に実装される環境を前提とし、マイコンの機能(不揮発性記憶領域等)を利用し、システム的に低電圧高分解能A/D変換器を実現することを目的としている。提案方式では後述の並列型確率的A/D変換器(例えば、非特許文献3,4参照)を用いて、しきい値をディジタル的に制御可能なコンパレータを実現する。これをSAR−ADCのコンパレータとして用い、事前にテスト信号入力により取得し、マイコンの不揮発性記憶領域に記憶した制御データを用いてコンパレータのしきい値を動的に制御することで、SAR−ADCのDAC誤差を補正する。また、ノイズが支配的となる下位ビットのA/D変換にはノイズを利用した確率的A/D変換方式を適用することで、ノイズに埋もれた信号のA/D変換を可能とする。
Embodiment 1. FIG.
1-1. Preface In this embodiment, on the premise of an environment mounted on a microcomputer (microcomputer) or on the same board as the microcomputer, a low-voltage high-resolution A / D systematically using functions of the microcomputer (nonvolatile storage area, etc.) The purpose is to realize a converter. In the proposed method, a comparator capable of digitally controlling the threshold value is realized by using a parallel type stochastic A / D converter (for example, see Non-Patent Documents 3 and 4) described later. This is used as a comparator of the SAR-ADC, and is acquired by a test signal input in advance, and the threshold value of the comparator is dynamically controlled using the control data stored in the nonvolatile storage area of the microcomputer, so that the SAR-ADC The DAC error is corrected. Further, by applying a probabilistic A / D conversion method using noise to A / D conversion of lower bits where noise is dominant, A / D conversion of a signal buried in noise is enabled.

1−2.確率的A/D変換
図2は実施形態1に係るA/D変換装置において用いる並列型確率的A/D変換器(SF−ADC)の構成を示すブロック図である。従来技術に係るフラッシュADC(Flash ADC)は参照電圧生成器(抵抗ラダー等)、(2L−1)個のコンパレータ(Lはビット数)及び、サーモメーターコードからバイナリコードに符号化するエンコーダ(Thermometer to Binary Encoder)を備えて構成される。一方、SF−ADCでは、図2に示すように、N個のコンパレータ5−1〜5−Nからなるコンパレータアレイ5と、加算器6とを備えて構成される。
1-2. Probabilistic A / D Conversion FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a parallel type stochastic A / D converter (SF-ADC) used in the A / D conversion apparatus according to the first embodiment. A flash ADC according to the prior art includes a reference voltage generator (resistor ladder, etc.), (2 L −1) comparators (L is the number of bits), and an encoder that encodes a thermometer code into a binary code ( (Thermo to to Binary Encoder). On the other hand, as shown in FIG. 2, the SF-ADC includes a comparator array 5 including N comparators 5-1 to 5 -N and an adder 6.

加算器6はN個のコンパレータ5−1〜5−Nに対し、1を出力したコンパレータの合計数をバイナリコードで出力する機能を持つ。SF−ADCはノイズによって信号が増幅される確率共鳴現象(例えば、非特許文献5参照)に基づくA/D変換方式であり、コンパレータの入力換算オフセット電圧をしきい値として利用することを特徴としている。SF−ADCにおいて、各コンパレータ5−1〜5−Nに発生するオフセット電圧Δoff,iは個別には予測できないが、集団としての見た場合の統計的性質、すなわち標準偏差や平均値は予測することができる。中心極限値定理により多数のコンパレータ群のオフセット電圧分布はガウス分布に従うと仮定でき、入力電圧Vin、オフセット電圧の標準偏差σoffとすると、コンパレータが1(ハイレベル)を出力する確率P(Vin)は以下の式で与えられる(例えば、非特許文献3参照)。 The adder 6 has a function of outputting the total number of comparators that output 1 to N comparators 5-1 to 5-N in binary code. SF-ADC is an A / D conversion method based on a stochastic resonance phenomenon (see, for example, Non-Patent Document 5) in which a signal is amplified by noise, and uses an input conversion offset voltage of a comparator as a threshold value. Yes. In the SF-ADC, the offset voltage Δoff , i generated in each of the comparators 5-1 to 5-N cannot be predicted individually, but the statistical properties as a group, that is, the standard deviation and the average value are predicted. can do. According to the central limit value theorem, it can be assumed that the offset voltage distribution of a large number of comparator groups follows a Gaussian distribution. When the input voltage V in and the standard deviation σ off of the offset voltage are assumed, the probability P (V) that the comparator outputs 1 (high level). in ) is given by the following equation (see Non-Patent Document 3, for example).

Figure 2016092648
Figure 2016092648

ただし、オフセット電圧の平均値は0と仮定している。なお、erf(y)は誤差関数(Error Function)であり、次式で表される(例えば、非特許文献3,6参照)。   However, the average value of the offset voltage is assumed to be zero. In addition, erf (y) is an error function (Error Function), and is represented by the following equation (for example, see Non-Patent Documents 3 and 6).

Figure 2016092648
Figure 2016092648

また、nは1(ハイレベル)を出力するコンパレータの数であり、図2の加算器6の出力ディジタル信号に対応する。SF−ADCでは1を出力したコンパレータの数に応じて出力ディジタル信号が決定される。 N H is the number of comparators that output 1 (high level) and corresponds to the output digital signal of the adder 6 in FIG. In SF-ADC, an output digital signal is determined according to the number of comparators that output 1.

図3は図2のSF−ADC23の入出力特性を示すグラフである。オフセット分布がガウス分布に従うと仮定できるため、SF−ADC23の入出力特性は図3のようにガウス分布の累積分布と全コンパレータ数Nの積に等しくなる。   FIG. 3 is a graph showing the input / output characteristics of the SF-ADC 23 of FIG. Since it can be assumed that the offset distribution follows a Gaussian distribution, the input / output characteristics of the SF-ADC 23 are equal to the product of the cumulative distribution of the Gaussian distribution and the total number of comparators N as shown in FIG.

図4は実施形態1において用いるディジタル制御しきい値可変コンパレータ10の構成を示すブロック図である。図4に示すように、入力ディジタル信号(しきい値データDth)と加算器6からの出力を比較し、1ビットに量子化するディジタルコンパレータ10について考える。ディジタル制御しきい値可変コンパレータ10は、コンパレータアレイ5と、加算器6と、ディジタルコンパレータ11とを備えて構成される。 FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the digital control threshold variable comparator 10 used in the first embodiment. As shown in FIG. 4, consider a digital comparator 10 that compares an input digital signal (threshold data D th ) with an output from an adder 6 and quantizes it to 1 bit. The digital control threshold variable comparator 10 includes a comparator array 5, an adder 6, and a digital comparator 11.

図4に示す構成を用い、コンパレータアレイ5及び加算器6からなるSF−ADC23からの出力信号をディジタルのしきい値Dthを用いて1ビットに量子化することで、実効的なしきい値電圧Vth,effがディジタル的に制御可能なコンパレータ10を実現できる。本実施形態では、以上のようにSF−ADC23とディジタルコンパレータ11を組み合わせることで、しきい値可変のコンパレータ10として用い、これをSAR−ADC23に適用することでDAC誤差を補正する方式を提案する。 Using the configuration shown in FIG. 4, by quantizing one bit using digital threshold D th output signals from the SF-ADC 23 consisting comparator array 5 and the adder 6, the effective threshold voltage A comparator 10 in which V th and eff can be digitally controlled can be realized. In the present embodiment, a method is proposed in which the SF-ADC 23 and the digital comparator 11 are combined as described above to be used as the threshold variable comparator 10 and applied to the SAR-ADC 23 to correct the DAC error. .

1−3.SF−ADCによるDAC誤差補正.
図5は実施形態1において用いる、サンプルホールド回路を含むnビット容量D/A変換器の構成を示す回路図である。A/D変換装置の内部DAC回路30(図6)は、多くの場合図5に示すようなキャパシタの容量(DAC容量)C〜Cn−1とスイッチSW0〜SW(n−1),SW(Sample)のアレイによって実現される。なお、スイッチSW(Sample)は制御信号によりオン又はオフされる。図5のDAC回路30はサンプルホールド回路を内蔵する電荷転送型DAC回路であって、以下のように動作する(例えば、非特許文献7参照)。
1-3. DAC error correction by SF-ADC.
FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration of an n-bit capacitor D / A converter including a sample and hold circuit used in the first embodiment. In many cases, the internal DAC circuit 30 (FIG. 6) of the A / D converter includes capacitors (DAC capacitances) C 0 to C n−1 and switches SW0 to SW (n−1), as shown in FIG. This is realized by an array of SW (Sample). The switch SW (Sample) is turned on or off by a control signal. The DAC circuit 30 in FIG. 5 is a charge transfer DAC circuit including a sample-and-hold circuit, and operates as follows (for example, see Non-Patent Document 7).

初期状態では、各スイッチスイッチSW0〜SW(n−1),SW(Sample)をグランドに接続することで各DAC容量C〜Cn−1に蓄積されている電荷を放電する。次いで、スイッチSW(Sample)をオンとし、その他のスイッチSW0〜SW(n−1)をそれぞれ入力アナログ電圧Vinに接続して、各DAC容量C〜Cn−1に対して入力アナログ電圧Vinの電荷を転送する。さらに、スイッチSW(Sample)をオフとし、入力コード(ディジタル信号)D〜Dn−1の値に応じて対応する各スイッチSW0〜SW(n−1)を参照電圧Vrefに接続し、又はグランドに接続することで出力信号を得る。すなわち、DAC回路30は入力アナログ電圧Vinをサンプルしてホールドするサンプルホールド回路の機能を内蔵しており、入力アナログ電圧Vinと、入力コード(ディジタル信号)D〜Dn−1に応じた参照電圧との差を出力信号電圧(DAC電圧)Vdacとして出力する。容量値C〜Cn−1は通常2のべき乗で重み付けされており、i番目(i=0,…,n)の容量Cは次式で表される(例えば、非特許文献7参照)。 In the initial state, the switches switch SW0~SW (n-1), for discharging the charges accumulated in the respective DAC capacitor C 0 ~C n-1 by connecting SW to (Sample) to the ground. Then, the switch SW to (Sample) is turned on, and connect other switches SW0~SW the (n-1) to the input analog voltage V in each respective DAC capacitor C 0 ~C n-1 with respect to the input analog voltage to transfer the charge of V in. Further, the switch SW (Sample) is turned off, and the corresponding switches SW0 to SW (n−1) are connected to the reference voltage V ref according to the values of the input codes (digital signals) D 0 to D n−1 . Alternatively, an output signal is obtained by connecting to the ground. That, DAC circuit 30 according to the input analog voltage V in samples incorporates a function of the sample-and-hold circuit for holding in an input analog voltage V in, input code (digital signal) D 0 ~D n-1 The difference from the reference voltage is output as an output signal voltage (DAC voltage) V dac . The capacitance values C 0 to C n−1 are normally weighted by a power of 2, and the i-th (i = 0,..., N) capacitance C i is expressed by the following equation (for example, see Non-Patent Document 7). ).

Figure 2016092648
Figure 2016092648

ここで、Cは単位容量である。また、εは製造ばらつきによる容量Cの相対誤差(ミスマッチ)を表している。なお、直列に接続された容量Cは容量値をスケーリングするスプリットキャパシタであり、式(3)のmはスプリットキャパシタを挿入するビットを表している。 Here, Cu is a unit capacity. Ε i represents a relative error (mismatch) of the capacitance C i due to manufacturing variations. The capacity C c connected in series are split capacitor scaling the capacitance values, m of formula (3) represents the bits to insert the split capacitor.

本実施形態ではSAR−A/D変換器の内部D/A変換器として図5の回路を差動構成にしたものを使用する。ここでD/A変換器の誤差要因として容量ミスマッチと寄生容量を考慮する。過渡的ノイズの影響と対策については後述する。   In the present embodiment, the internal D / A converter of the SAR-A / D converter that uses the circuit shown in FIG. 5 in a differential configuration is used. Here, capacitance mismatch and parasitic capacitance are considered as error factors of the D / A converter. The effects of transient noise and countermeasures will be described later.

D/A変換器の出力電圧をVdac、理想的なD/A変換器の出力電圧をVdac,idealとすると、D/A変換器の誤差ΔVdacは次式で定義される。 When the output voltage of the D / A converter is V dac and the ideal output voltage of the D / A converter is V dac, ideal , the error ΔV dac of the D / A converter is defined by the following equation.

Figure 2016092648
Figure 2016092648

容量Cの選択状況によって誤差成分の影響が異なるため、ΔVdacは入力コード依存性を持つ。これより、ΔVdac(Din)は以下のように入力コードに依存しない成分Eoffと入力コードDに依存する成分E(i=0,…,n−1)に分けることができる。 Since the influence of the error component varies depending on the selection status of the capacitor C i , ΔV dac has an input code dependency. Than this, ΔV dac (D in) can be divided into input code-independent component E off the input code D i in dependent component E i (i = 0, ... , n-1) as follows.

Figure 2016092648
Figure 2016092648

ただし、Din=(Dn−1,…,D,Dである。 However, D in = (D n−1 ,..., D 1 , D 0 ) 2 .

図6は実施形態1に係る、SF−A/D変換器(SF−ADC)を用いたDAC誤差補正回路の構成を示すブロック図である。上記の誤差をキャンセルするための最適なしきい値制御データDthの検出は図6のような構成を用いて行うことができる。図6において、DAC誤差補正回路は、マルチプレクサ21と、サンプルホールド回路を有する電荷転送型DAC回路(以下、DAC回路という。)30と、SF−A/D変換器(SF−ADC)23と、ディジタルコンパレータ11と、SARロジック回路12とを備えて構成される。ここで、SARロジック回路12はSARロジック回路3と同様の構成を有し、入力されるクロックに同期して、ディジタルコンパレータ11に入力される入力ディジタル値をディジタルしきい値Dthと最上位ビットから最下位ビットまで繰り返して逐次比較することで出力ディジタル信号に変換して出力する。 FIG. 6 is a block diagram illustrating a configuration of a DAC error correction circuit using an SF-A / D converter (SF-ADC) according to the first embodiment. Detection of the optimum threshold control data D th for canceling the above error can be performed using a configuration as shown in FIG. In FIG. 6, the DAC error correction circuit includes a multiplexer 21, a charge transfer DAC circuit (hereinafter referred to as a DAC circuit) 30 having a sample and hold circuit, an SF-A / D converter (SF-ADC) 23, A digital comparator 11 and a SAR logic circuit 12 are provided. Here, the SAR logic circuit 12 has the same configuration as that of the SAR logic circuit 3, and the input digital value input to the digital comparator 11 is synchronized with the input clock from the digital threshold value Dth and the most significant bit. By repeating successive comparison up to the least significant bit, it is converted into an output digital signal and output.

図6において、DAC回路30への入力をマルチプレクサ21により切り替えられるようにしておき、テストの際には外部からテスト用のディジタル信号(以下、テストデータという。)Din,testを入力する。テストデータDin,testに対応する理想D/A変換器の出力電圧Vdac,idealを入力アナログ信号とすると(Vin=Vdac,ideal(Din,test))、DAC回路30の出力電圧Vdacは誤差ΔVdacのみとなる。この誤差ΔVdacに対するSF−A/D変換器23の出力データDtestをディジタルコンパレータ11のしきい値データDthとすることでDAC回路30の誤差がキャンセルされる。このようにして検出された制御データDthを用いて動的にDAC回路30の誤差をキャンセルすることで、SAR−A/D変換器の高精度化が可能となる。ただし、このような補正を行う場合、すべての場合のD/A変換器の誤差ΔVdacについて適切なしきい値を設定する必要がある。しかし、式(5)からからわかるように、誤差ΔVdacは入力コードDinによって2通りの値をとる。 In FIG. 6, the input to the DAC circuit 30 is switched by the multiplexer 21, and a test digital signal (hereinafter referred to as test data) D in, test is input from the outside during the test . When the output voltage V dac, ideal of the ideal D / A converter corresponding to the test data D in, test is an input analog signal (V in = V dac, ideal (D in, test )), the output voltage of the DAC circuit 30 V dac has only an error ΔV dac . The error of the DAC circuit 30 is canceled by setting the output data D test of the SF-A / D converter 23 for the error ΔV dac as the threshold data D th of the digital comparator 11. By dynamically canceling the error of the DAC circuit 30 using the control data Dth detected in this way, the SAR-A / D converter can be highly accurate. However, when performing such correction, it is necessary to set an appropriate threshold value for the error ΔV dac of the D / A converter in all cases. However, as can be seen from the equation (5), the error ΔV dac takes 2 n values depending on the input code D in .

本実施形態で想定する環境では前述のディジタル制御しきい値可変コンパレータ10の制御データは、製造後テスト信号入力によって取得され、マイコンの不揮発性記憶領域に格納される。そして、起動時にA/D変換装置内部のレジスタテーブル(図21の41)に読み込まれ参照される。例えばn=12の場合、212=4096通りの場合についてテストと制御データDthの記憶を行わなければならず現実的でない。そこで、現実的な数のデータから入力データに応じて、動的に最適なDthを生成する方法が必要となる。 In the environment assumed in the present embodiment, the control data of the digital control threshold variable comparator 10 described above is acquired by a test signal input after manufacture and stored in a nonvolatile storage area of the microcomputer. Then, it is read and referred to the register table (41 in FIG. 21) in the A / D converter at the time of activation. For example, in the case of n = 12, the test and control data Dth must be stored for 2 12 = 4096 cases, which is not realistic. Therefore, a method for dynamically generating an optimum Dth from a realistic number of data according to input data is required.

式(5)より、i=0,…,n−1に対してE(D)を知ることができればDAC誤差ΔVdac(Din)求められることがわかる。しかし、E(D)を直接検出することは不可能である。そこで、基準となる入力コードDin,stdを定め、その時のDAC誤差からの差分としてE(D)を検出して記憶する方式を提案する。 From equation (5), it can be seen that DAC error ΔV dac (D in ) can be obtained if E i (D i ) can be known for i = 0,..., N−1. However, it is impossible to directly detect E i (D i ). Therefore, a method is proposed in which input codes D in and std serving as a reference are determined, and E i (D i ) is detected and stored as a difference from the DAC error at that time.

基準の入力コードDin,stdは任意に選択できるが、制御回路の簡単化のため、Din,stdについてD=0,(i=0,…,n−1)、すなわちすべてのビットが0であるとする。このとき式(5)より次式を得る。 The reference input code D in, std can be arbitrarily selected, but for simplification of the control circuit, D i = 0, (i = 0,..., N−1) for D in, std , that is, all bits are Assume that it is zero. At this time, the following equation is obtained from equation (5).

Figure 2016092648
Figure 2016092648

つぎに、次式で表される入力、

Figure 2016092648
すなわちDのみ1となるような入力Din,jを入力した場合のΔVdac(Din,j)は次式となる。 Next, the input expressed by
Figure 2016092648
That is, ΔV dac (D in, j ) when an input D in, j in which only D j is 1 is given by the following equation.

Figure 2016092648
Figure 2016092648

これらの差をとることでD=1による誤差の情報として次式を得る。 By taking these differences, the following equation is obtained as error information due to D j = 1.

Figure 2016092648
Figure 2016092648

このように、j番目のビットが1のときの誤差情報をある基準Din,stdからの差分として求め、記憶させることができる。 In this manner, error information when the j-th bit is 1 can be obtained and stored as a difference from a reference D in, std .

任意の入力コードDinに対して誤差を求める場合、前述の操作と逆の操作を行えばよい。具体的にはD=1のときにはΔVdac(Din,std)にE(1)−E(0)を加算し、D=0のときには何もしないことで実現できる。これらの操作はディジタル回路によって実現可能である。以上の方式を用いることによって1個の基準ΔVdac(Din,std)とn個の差分E(1)−E(0)のデータだけで2個のパターンに対して誤差補正を行うことができ、テスト時間及び記憶領域の削減が可能となる。例としてn=12の場合のテスト入力データを図7に示す。すなわち、図7は実施形態1に係るA/D変換装置において用いるテスト入力コードの一例を示す表である。 When an error is obtained for an arbitrary input code D in , an operation opposite to that described above may be performed. Specifically, by adding the E j (1) -E j ( 0) to ΔV dac (D in, std) at the time of D j = 1, it can be realized by doing nothing when the D j = 0. These operations can be realized by a digital circuit. By using the above method, error correction is performed on 2 n patterns with only one reference ΔV dac (D in, std ) and n difference E i (1) −E i (0) data. This makes it possible to reduce the test time and storage area. As an example, FIG. 7 shows test input data in the case of n = 12. That is, FIG. 7 is a table showing an example of the test input code used in the A / D conversion device according to the first embodiment.

1−4.SF−A/D変換器による微弱信号検出
低電源電圧で高精度なA/D変換装置を実現する場合、下位ビットのA/D変換では時間的に変化するノイズ成分(熱雑音、フリッカ雑音等)が支配的であり、これらに埋もれた信号に対して分解能を持たせる必要がある。SF−A/D変換器を用いてノイズの統計性を利用することで、ノイズレベル以下の信号を検出することができる。
1-4. Weak signal detection by SF-A / D converter When realizing a highly accurate A / D converter with a low power supply voltage, noise components (thermal noise, flicker noise, etc.) that change with time in A / D conversion of the lower bits ) Is dominant, and it is necessary to give resolution to signals buried in these. A signal having a noise level or less can be detected by using the statistical property of noise using an SF-A / D converter.

図8は実施形態1に係る、SF−ADCによる微弱信号のA/D変換回路の構成を示すブロック図である。すなわち、図8にはノイズに埋もれた微弱信号に対してA/D変換を行う回路の概要を示す。この回路で発生するノイズ(DC成分含む)はDACのノイズ、コンパレータのノイズとコンパレータのオフセットである。図8において、A0〜ANはDACノイズを加算する仮想の加算器である。7は平均化フィルタであり、8はエンコーダである。   FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of a weak signal A / D conversion circuit based on SF-ADC according to the first embodiment. That is, FIG. 8 shows an outline of a circuit that performs A / D conversion on a weak signal buried in noise. Noise (including DC components) generated in this circuit is DAC noise, comparator noise, and comparator offset. In FIG. 8, A0 to AN are virtual adders for adding DAC noise. 7 is an averaging filter, and 8 is an encoder.

図9は各ノイズ成分の分類及び特徴を示す表である。コンパレータのノイズは個々のコンパレータ5−1〜5−Nで発生し、互いに無相関である。提案方式では無相関なランダムノイズが信号を増幅する、確率共鳴(Stochastic Resonance)(例えば、非特許文献5参照)という現象を利用してノイズに埋もれた信号の検出を可能にする。SF−A/D変換器はDCオフセットをノイズとして扱いこの確率共鳴を利用してA/D変換を行う方式である。   FIG. 9 is a table showing the classification and characteristics of each noise component. Comparator noise is generated by the individual comparators 5-1 to 5-N and is uncorrelated with each other. The proposed method enables detection of a signal buried in noise by utilizing a phenomenon called stochastic resonance (for example, see Non-Patent Document 5) in which uncorrelated random noise amplifies the signal. The SF-A / D converter is a system that treats a DC offset as noise and performs A / D conversion using this stochastic resonance.

図10は図8のA/D変換回路において問題となる確率共鳴現象を示すタイミングチャートである。図10では、確率共鳴現象を利用した信号検出の概要を示す。通常微弱な信号s(t)のみではコンパレータのしきい値を超えることはできない。しかし、微弱な信号にノイズが重畳することで、一定の確率でしきい値を超え、周期的なパルスとして観測することができる。ここで、ノイズn(t)はガウス分布に従うと仮定できることから、ノイズに埋もれた信号x(t)=s(t)+n(t)の確率密度関数p(x)はノイズの標準偏差をσとして、次式で表される。 FIG. 10 is a timing chart showing the stochastic resonance phenomenon which is a problem in the A / D conversion circuit of FIG. FIG. 10 shows an outline of signal detection using the stochastic resonance phenomenon. Usually, only the weak signal s (t) cannot exceed the threshold value of the comparator. However, by superimposing noise on a weak signal, it can be observed as a periodic pulse exceeding the threshold value with a certain probability. Here, since the noise n (t) can be assumed to follow a Gaussian distribution, the probability density function p (x) of the signal x (t) = s (t) + n (t) buried in the noise represents the standard deviation of the noise as σ. n is expressed by the following formula.

Figure 2016092648
Figure 2016092648

このような信号x(t)をしきい値Vth,compを持つコンパレータに入力したとき、1が出力される確率P(x>Vth,comp)は次式で表される(例えば、非特許文献6参照)。 When such a signal x (t) is input to a comparator having a threshold value V th, comp , the probability P (x> V th, comp ) that 1 is output is expressed by the following equation (for example, non- (See Patent Document 6).

Figure 2016092648
Figure 2016092648

ここで、erf(y)は式(2)で示す誤差関数である。信号にノイズが重畳されることで、一定の確率P(x>Vth,comp)でしきい値をこえ、その確率から信号のレベルを復元することが可能となる。 Here, erf (y) is an error function represented by Expression (2). By superimposing noise on the signal, it becomes possible to exceed the threshold value with a certain probability P (x> V th, comp ) and restore the signal level from that probability.

このような確率共鳴現象を利用するには出力のノイズが重畳された信号がしきい値を超える確率を観測する必要がある。そのためコンパレータを多数並列化して集合平均をとるか、多数回サンプリングを行って時間平均をとる必要がある。しかし、コンパレータを多数並列化しても実際にはノイズより大きなオフセット電圧があるため、ノイズレベル以下の信号の範囲にしきい値を持つコンパレータの数は著しく制限される。そのため、提案方式では図8のように、同一の入力信号を多数回サンプリングして平均値を演算することで入力信号を時間平均化する平均化フィルタ7を設け、同じ信号に対し多数回サンプリングし、時間平均をとることで分解能を確保する。   In order to use such a stochastic resonance phenomenon, it is necessary to observe a probability that a signal on which output noise is superimposed exceeds a threshold value. Therefore, it is necessary to parallelize a large number of comparators and take a set average, or perform sampling a number of times to obtain a time average. However, even if a large number of comparators are arranged in parallel, there is actually an offset voltage larger than noise, so the number of comparators having a threshold in the signal range below the noise level is significantly limited. Therefore, in the proposed method, as shown in FIG. 8, the same input signal is sampled a number of times and an average value is calculated by calculating an average value, thereby providing an averaging filter 7 for sampling the same signal a number of times. The resolution is ensured by taking the time average.

平均化フィルタ7の出力コードは信号の大きさに応じた確率を表しているが、絶対値としての信号レベルには対応しない。そのため、この出力コードをそのまま下位ビットのA/D変換結果として出力することはできない。これは式(11)から分かるようにしきい値をこえる確率がノイズの大きさに依存することに起因している。このため、平均化フィルタの出力を、図8のエンコーダ8によりエンコードして出力する必要がある。なお、図8のエンコーダ8による符号化(エンコード)特性を機械学習により決定する具体例については、第4の実施形態において詳細後述する。   The output code of the averaging filter 7 represents a probability corresponding to the magnitude of the signal, but does not correspond to the signal level as an absolute value. Therefore, this output code cannot be output as it is as a lower-bit A / D conversion result. This is due to the fact that the probability of exceeding the threshold depends on the magnitude of noise, as can be seen from equation (11). For this reason, it is necessary to encode and output the output of the averaging filter by the encoder 8 of FIG. A specific example in which the encoding characteristic by the encoder 8 of FIG. 8 is determined by machine learning will be described later in detail in the fourth embodiment.

以上のように提案方式では個々のコンパレータ内部で発生する互いに無相関なノイズを利用して、ノイズに埋もれた信号のA/D変換を可能にする。しかし、D/A変換器で発生するノイズはすべてのコンパレータ5−1〜5−Nに共通に入力され、分解能を制限する要因となる。このため、D/A変換器から発生するノイズは十分低く抑えるか、低域通過フィルタによって十分低減する必要がある。   As described above, the proposed method makes it possible to perform A / D conversion of a signal buried in noise by using uncorrelated noise generated in each comparator. However, noise generated by the D / A converter is input to all the comparators 5-1 to 5-N in common and becomes a factor that limits the resolution. For this reason, it is necessary to suppress the noise generated from the D / A converter sufficiently low or reduce it sufficiently by a low-pass filter.

1−5.シミュレーション検証
本実施形態で提案する方式についてMATLABを用いたシステムレベル検証を行った。ここではフルスケール電圧0.5V、18ビット分解能を実現するために、上位12ビットを提案方式を用いたSAR−A/D変換器で、下位6ビットをノイズを利用したSF−A/D変換器によりA/D変換する場合を仮定する。
1-5. Simulation Verification System level verification using MATLAB was performed for the method proposed in this embodiment. Here, in order to realize a full-scale voltage of 0.5 V and 18-bit resolution, the upper 12 bits are SAR-A / D converters using the proposed method, and the lower 6 bits are SF-A / D conversion using noise. Assume that A / D conversion is performed by a device.

図11は実施形態1に係るA/D変換装置のシミュレーション結果であって、アナログ入力電圧と出力コードの誤差との関係を示すグラフである。すなわち、上位12ビットのA/D変換、すなわちSF−ADCによるしきい値可変コンパレータを用いたSAR−ADCのDAC誤差補正に関する検証結果を図11に示す。図11は差動入力電圧と出力コードの誤差(理想的な出力コードと実際の出力コードの差)の関係を示している。   FIG. 11 is a graph showing a simulation result of the A / D conversion device according to the first embodiment and showing a relationship between an analog input voltage and an output code error. That is, FIG. 11 shows a verification result regarding DAC error correction of SAR-ADC using A / D conversion of upper 12 bits, that is, a threshold variable comparator by SF-ADC. FIG. 11 shows the relationship between the differential input voltage and the output code error (the difference between the ideal output code and the actual output code).

図12は実施形態1に係る、上位12ビットSAR−ADCのシミュレーション条件を示す表である。ここでは寄生容量の影響は含めず、ミスマッチのみを考慮している。容量のミスマッチは大きめに設定し、標準偏差値で3.0%とした。図11より提案方式によってD/A変換器の容量ミスマッチによる誤差が補正、出力コードの誤差が低減できていることが確認できる。   FIG. 12 is a table showing simulation conditions for the upper 12-bit SAR-ADC according to the first embodiment. Here, only the mismatch is considered without including the influence of the parasitic capacitance. The capacity mismatch was set larger and the standard deviation value was 3.0%. From FIG. 11, it can be confirmed that the error due to the capacity mismatch of the D / A converter is corrected and the error of the output code can be reduced by the proposed method.

図13は実施形態1に係るA/D変換装置のシミュレーション結果であって、下位6ビットA/D変換の周波数スペクトルを示すグラフである。すなわち、下位6ビットのA/D変換、すなわちノイズを利用したSF−ADCによる微弱信号のA/D変換に関するシミュレーション結果を図13に示す。また、図14は実施形態1に係る、下位12ビットSAR−ADCのシミュレーション条件を示す表である。このとき、SNDR(Signal−to−Noise and Distortion Ratio)は35.2dBとなり、有効ビット数(Effective Nubmer of Bits)ENOBは次式で計算される。   FIG. 13 is a graph showing a simulation result of the A / D conversion device according to the first embodiment and showing a frequency spectrum of the lower 6-bit A / D conversion. That is, FIG. 13 shows a simulation result related to A / D conversion of lower 6 bits, that is, A / D conversion of a weak signal by SF-ADC using noise. FIG. 14 is a table showing simulation conditions for the lower 12-bit SAR-ADC according to the first embodiment. At this time, the signal-to-noise and distribution ratio (SNDR) is 35.2 dB, and the effective number of bits (ENOB) is calculated by the following equation.

Figure 2016092648
Figure 2016092648

これより、前述のノイズを利用した確率的A/D変換方式により、ノイズに埋もれた信号に対しても所望の分解能を得られることが確認できた。   From this, it was confirmed that a desired resolution can be obtained even for a signal buried in noise by the above-described stochastic A / D conversion method using noise.

1−6.まとめ
以上の第1の実施形態においては、ウェアラブル生体計測センサのための低電圧高分解能A/D変換方式を説明した。本方式はSF−A/D変換器によるディジタル制御しきい値可変コンパレータを用いたSAR−A/D変換器のDAC誤差補正技術とノイズを利用したSF−A/D変換器による微弱信号検出技術からなる。
1-6. Summary In the first embodiment described above, the low-voltage high-resolution A / D conversion method for the wearable biological measurement sensor has been described. This system is a DAC error correction technique for a SAR-A / D converter using a digitally controlled threshold variable comparator using an SF-A / D converter, and a weak signal detection technique using an SF-A / D converter using noise. Consists of.

オフセット電圧を利用したSF−A/D変換器とディジタルコンパレータを組み合わせることで、しきい値をディジタル的に制御可能なコンパレータを実現できる。本方式ではしきい値制御ためのディジタルコードを事前にテスト信号入力によって検出し、変換の際にそれらの値を用いて動的にしきい値を制御することで、入力コード依存性を持つDAC誤差を補正する。しきい値制御のディジタルコードの検出は必要最低限の少数のパターンについてのみ行い、実際の変換の際に最適値を動的に発生させることで、テスト工程の負荷と記憶領域の削減を可能にしている。システムレベル検証により、本方式によってDAC誤差の影響が大きく低減できることを確認した。   By combining an SF-A / D converter using an offset voltage and a digital comparator, a comparator capable of digitally controlling the threshold value can be realized. In this method, a digital code for threshold control is detected in advance by test signal input, and the threshold value is dynamically controlled using these values during conversion, so that a DAC error having input code dependency can be obtained. Correct. Threshold control digital code detection is performed only for the minimum required number of patterns, and the optimum values are dynamically generated during actual conversion, reducing the load on the test process and storage space. ing. System level verification confirmed that the effect of DAC error can be greatly reduced by this method.

SAR−A/D変換器ではノイズの影響により分解能を確保できない下位ビットのA/D変換においては、ノイズの統計性を利用したSF−A/D変換器による微弱信号A/D変換方式とオーバーサンプリングによって所望の分解能を達成する。   In the A / D conversion of the lower bits where the resolution cannot be ensured due to the influence of noise in the SAR-A / D converter, the weak signal A / D conversion method by the SF-A / D converter using the statistical property of noise is exceeded. Sampling achieves the desired resolution.

以上説明したように、提案方式によって、ウェアラブル生体計測センサに要求される低電圧高分解能A/D変換器の実現が可能となる。具体的には、SF−A/D変換器23と可変レベルディジタルコンパレータ10により動的にコンパレータ10のしきい値を制御することで、容量DACでのコード選択依存の誤差要因を大幅に低減できる。   As described above, the proposed method makes it possible to realize a low-voltage, high-resolution A / D converter required for a wearable living body measurement sensor. Specifically, by dynamically controlling the threshold value of the comparator 10 using the SF-A / D converter 23 and the variable level digital comparator 10, the error factor dependent on the code selection in the capacitor DAC can be greatly reduced. .

なお、本実施形態に係る提案方式では同じ信号に対して同じ入力に対し、多数(Ns)回サンプリングして平均をとることで、(信号+ノイズ)がしきい値をこえる確率を求める操作を行っている。本実施形態の例ではこの操作を行い、500kSpsのデータを出力しており、Ns=8で平均化している。このようにして得られた500kSpsのデータに対して、図14のように500Hzで帯域制限するという形でオーバーサンプリングを行い、共通雑音の影響を低減している。本実施形態中のSNDRの値もオーバーサンプリングを行った上で算出されている。このことは実施例として所望の分解能を得るために行っているもので、補助的な操作である。前者を「時間平均化」といい、後者を「オーバーサンプリング」と区別することができる。すなわち、SF−A/D変換器23において、「時間平均化」処理は常に必要であるが、「オーバーサンプリング」処理は必ずしも実行する必要はない。   In the proposed method according to the present embodiment, an operation for obtaining the probability that (signal + noise) exceeds the threshold value by sampling the same input with respect to the same signal many times (Ns) and taking an average. Is going. In the example of this embodiment, this operation is performed, data of 500 kSps is output, and averaged with Ns = 8. Oversampling is performed on the 500 kSps data obtained in this way in the form of band limitation at 500 Hz as shown in FIG. 14 to reduce the influence of common noise. The value of SNDR in the present embodiment is also calculated after oversampling. This is an auxiliary operation that is performed to obtain a desired resolution as an embodiment. The former is called “time averaging”, and the latter can be distinguished from “oversampling”. That is, in the SF-A / D converter 23, the “time averaging” process is always necessary, but the “oversampling” process is not necessarily executed.

以上説明したように、本実施形態によれば、SF−A/D変換器23(時間平均化も含む)をSAR−A/D変換器に適用することで、容量DACでの分解能以上の高精度化を達成することができる。また、SAR−A/D変換器での残留誤差もSF−A/D変換器23において高分解能でA/D変換することで、トータルでの高精度化を可能とすることができる。なお、実施形態1に係るA/D変換装置において、実施形態2以降の機械学習を一体化して適用してもよい。   As described above, according to the present embodiment, the SF-A / D converter 23 (including time averaging) is applied to the SAR-A / D converter, so that the resolution is higher than the resolution of the capacitive DAC. Accuracy can be achieved. Further, the residual error in the SAR-A / D converter is also A / D converted with high resolution in the SF-A / D converter 23, so that the total accuracy can be improved. In the A / D conversion device according to the first embodiment, the machine learning from the second embodiment onward may be integrated and applied.

実施形態2.
2−1.まえがき
近年の計算資源の進歩により、A/D変換装置の出力の補正をソフトウェアで容易に行える環境が整ってきた。本実施形態は、高精度逐次比較型ADCの出力補正アルゴリズムに関するものである。特に本実施形態は、対象となるA/D変換装置の特性を考慮した機械学習による補正法であり、また、経年劣化によるA/D変換装置の特性の変化に伴い、適宜追加学習を行う枠組みも含む。
Embodiment 2. FIG.
2-1. Preface Due to recent advances in computing resources, an environment has been established in which the output of an A / D converter can be easily corrected by software. The present embodiment relates to an output correction algorithm of a high-precision successive approximation ADC. In particular, the present embodiment is a correction method based on machine learning that takes into account the characteristics of the target A / D converter, and a framework for performing additional learning as appropriate in accordance with changes in the characteristics of the A / D converter due to deterioration over time. Including.

2−2.SAR−A/D変換器
低消費電力のA/D変換方式としては、図1に示す逐次比較型ADC(Successive Approximation Register ADC;SAR−ADC)が代表的である(例えば、非特許文献8参照)。この方式ではD/A変換器と比較器を繰り返し使用し、バイナリサーチアルゴリズムに基づいて最上位ビットDから順に判定を行う。D/A変換器は多くの場合、図5に示すような容量とスイッチのアレイによって実現される。容量の値は通常2のべき乗で重み付けされており、i番目の容量Cは次式のようになる。
2-2. SAR-A / D Converter As a low power consumption A / D conversion method, a successive approximation ADC (SAR-ADC) shown in FIG. 1 is representative (see, for example, Non-Patent Document 8). ). In this method, a D / A converter and a comparator are repeatedly used, and determination is performed in order from the most significant bit D n based on a binary search algorithm. The D / A converter is often realized by an array of capacitors and switches as shown in FIG. The value of the capacity is usually weighted by a power of 2, and the i-th capacity C i is expressed by the following equation.

Figure 2016092648
Figure 2016092648

ここで、Cは単位容量である。また、εは製造ばらつきによる容量の2のべき乗からの誤差を表している。 Here, Cu is a unit capacity. Also, ε i represents an error from the power of 2 due to manufacturing variations.

SAR−A/D変換器ではこの2のべき乗からの誤差が分解能を制限する要因の1つとなる。また、高分解能SAR−A/D変換器を実現する場合、容量の値が膨大となるため、通常図5のCのように直列に容量を挿入することで容量値のスケーリングを行うが、この容量Cの誤差もまた分解能を制限する要因となる。これらの誤差がD/A変換器出力に与える影響はスイッチによる容量の選択状況によるため、誤差の影響は上位ビットの判定結果に依存する。 In the SAR-A / D converter, the error from the power of 2 is one of the factors that limit the resolution. Also, when realizing a high resolution SAR-A / D converter, the value of the capacitance becomes enormous, performs the scaling of the capacitance value by inserting a capacitor in series as in C c usually Figure 5, error of the capacitance C c also becomes a factor limiting the resolution. Since the influence of these errors on the D / A converter output depends on the selection of the capacitance by the switch, the influence of the errors depends on the determination result of the upper bits.

容量の相対誤差は単位容量を大きくすることで低減できるが、集積回路上の占有面積が増大し製造コストが増大するため、高分解能SAR−A/D変換器を実現するためにはこれらの誤差を補正する必要がある。そこで以降でソフトウェアレベルでの補正法について述べる。   The relative error of the capacity can be reduced by increasing the unit capacity. However, since the occupied area on the integrated circuit increases and the manufacturing cost increases, these errors are necessary to realize a high-resolution SAR-A / D converter. Need to be corrected. Therefore, the correction method at the software level is described below.

2−3.出力誤差補正モデル
以下では、補正モデルの選定及びその学習方法について検討する。nビット分解能の高精度SAR−A/D変換器の出力誤差補正には、p個の実際の出力測定値と理想的な出力値(教師信号)のペア(学習データ)を用いる。その学習データk=1,…,pを得るため、教師信号

Figure 2016092648
に対応したアナログ電圧を高精度D/A変換器を用いて生成し、その電圧に対するSAR−A/D変換器の出力
Figure 2016092648
を出力測定値とする。また、教師信号tと出力測定値mを十進数表記したものを、それぞれ
Figure 2016092648
Figure 2016092648
と表す。さらに、考えられる2通りの学習データに対応する添字集合をTと表し、添字集合Tに対応する学習データの集合を次式とする。 2-3. Output error correction model In the following, the selection of the correction model and its learning method will be examined. For the output error correction of the high-precision SAR-A / D converter with n-bit resolution, a pair (learning data) of p actual output measurement values and ideal output values (teacher signals) is used. In order to obtain the learning data k = 1,.
Figure 2016092648
An analog voltage corresponding to is generated using a high-precision D / A converter, and the output of the SAR-A / D converter for that voltage
Figure 2016092648
Is the output measurement value. Also, the decimal representation of the teacher signal t k and the output measurement value m k
Figure 2016092648
Figure 2016092648
It expresses. Furthermore, a subscript set corresponding to 2 n possible learning data is represented by T, and a set of learning data corresponding to the subscript set T is represented by the following equation.

Figure 2016092648
Figure 2016092648

2−3−1.回路モデルを考慮した誤差関数
図5で示されるSAR−ADCの特性を考慮し、任意の測定値m=(m,…,mn−1)を教師信号に近づける補正関数h(m)として、次式を用いる。
2-3-1. Error Function Considering Circuit Model Considering the characteristics of SAR-ADC shown in FIG. 5, an arbitrary measurement value m = (m 0 ,..., M n−1 ) is a correction function h (m) that approximates a teacher signal. The following equation is used.

Figure 2016092648
Figure 2016092648

ここで、

Figure 2016092648
Figure 2016092648
Figure 2016092648
は、補正関数の調整パラメータであり、便宜上w=(e,f,g,δ)と表す。式(14)の第2項は測定値の2のべき乗からの誤差を、第3項はスイッチによる容量の選択状況による誤差を補正するためのものである。また、第4項はA/D変換器の変換結果の大域的な傾向を補正する。 here,
Figure 2016092648
Figure 2016092648
Figure 2016092648
Is an adjustment parameter of the correction function and is expressed as w = (e, f, g, δ) for convenience. The second term of the equation (14) is for correcting an error from a power of 2 of the measured value, and the third term is for correcting an error due to a capacitance selection state by the switch. The fourth term corrects the global tendency of the conversion result of the A / D converter.

図15は第2の実施形態に係るA/D変換装置の初期誤差m−tを示す時間波形を示す波形図である。また、図16は第2の実施形態に係るA/D変換装置の残留誤差h(m)−tを示す時間波形を示す波形図である。 FIG. 15 is a waveform diagram showing a time waveform indicating the initial error m D −t D of the A / D conversion device according to the second embodiment. FIG. 16 is a waveform diagram showing a time waveform indicating the residual error h (m D ) −t D of the A / D converter according to the second embodiment.

2−3−2.最小二乗法による出力誤差補正
以下では、補正関数の調整パラメータを適切に求めるため、最小二乗法を適用することを考える。k番目の教師信号と出力測定値のペアに対する誤差を

Figure 2016092648
と定め、その二乗和を最小化する調整パラメータwを求めるため、次式の最小化問題を解く。 2-3-2. Output error correction by least square method In the following, it is considered to apply the least square method in order to appropriately obtain the adjustment parameter of the correction function. The error for the kth teacher signal and output measurement pair
Figure 2016092648
In order to obtain the adjustment parameter w that minimizes the sum of squares, the minimization problem of the following equation is solved.

Figure 2016092648
Figure 2016092648

ここで、c,cは正規化項の重みである。各変数に対する正規化項を加えることで、パラメータe,f,gの値が大きくなりすぎることを防ぐ。補正関数の調整パラメータw=(e,f,g,δ)は次のように解析的に求められる。 Here, c 1 and c 2 are weights of normalization terms. By adding a normalization term for each variable, the values of the parameters e, f, and g are prevented from becoming too large. The adjustment parameter w * = (e * , f * , g * , δ * ) of the correction function is obtained analytically as follows.

Figure 2016092648
Figure 2016092648

ここで、Φ,d,Iは、次のように与えられる。 Here, Φ, d, and I c are given as follows.

Figure 2016092648
Figure 2016092648

Figure 2016092648
Figure 2016092648

Figure 2016092648
Figure 2016092648

Figure 2016092648
Figure 2016092648

2−3−3.数値実験
提案した補正モデルの評価と最小二乗法による学習の有効性を確かめるため数値実験を行った。実験には15ビットSAR−A/D変換器の動作をシミュレーションして得られた全学習データDを用いた。また、c=0.1、c=0.01とした。ここで、調整パラメータwを用いて補正を行った後の出力測定値

Figure 2016092648
の平均誤差を、以下の式を用いて評価した。 2-3-3. Numerical experiments Numerical experiments were conducted to evaluate the proposed correction model and to confirm the effectiveness of learning by the least squares method. In the experiment, all learning data DT obtained by simulating the operation of the 15-bit SAR-A / D converter was used. Further, c 1 = 0.1 and c 2 = 0.01. Here, the measured output value after correction using the adjustment parameter w *
Figure 2016092648
Was evaluated using the following equation.

Figure 2016092648
Figure 2016092648

また、補正前の誤差eは調整パラメータをw=0とすることで評価した。実験の結果、補正前の出力平均誤差eが5.08LSBであるのに対し、補正後の出力平均誤差

Figure 2016092648
が0.86LSBであり、1.0LSB以下に抑えられていることが確認できた。 The error e 0 before correction was evaluated by the adjustment parameter and w = 0. The results of the experiment, with respect to the average output error e 0 before correction of a 5.08LSB, the average output error after correction
Figure 2016092648
Was 0.86LSB, and it was confirmed that it was suppressed to 1.0LSB or less.

さらに、この方法により求まる補正関数の汎化性を調べるため、全学習データDに対して10分割交差検証(10−fold Cross Validation)(例えば、非特許文献10参照)を行った。その結果、安定した出力誤差補正が行えていることを確認した。 Furthermore, in order to examine the generalization of the correction function obtained by this method, 10-fold cross validation (for example, see Non-Patent Document 10) was performed on all learning data DT . As a result, it was confirmed that stable output error correction was performed.

2−4.ベイジアンモデルを用いた追加学習
以下では、SAR−A/D変換器の実際の製造状況と使用状況を想定した学習方法を提案する。SAR−A/D変換器を組み込んだ製品を製造する際には、それぞれの製品に対して補正を行う。また、その製品を使用するにつれて生じる経時変化に対しても補正を行う必要がある。本実施形態ではこの二つのケースに対応した補正関数の学習方法を考えるが、本実施形態では製品製造時の補正に焦点を当てる。
2-4. Additional learning using a Bayesian model In the following, a learning method that assumes the actual manufacturing status and usage status of a SAR-A / D converter is proposed. When manufacturing a product incorporating a SAR-A / D converter, correction is performed on each product. It is also necessary to correct for changes over time that occur as the product is used. In the present embodiment, a correction function learning method corresponding to these two cases is considered, but in this embodiment, the focus is on correction at the time of product manufacture.

SAR−A/D変換器の学習に必要な出力測定値は対象のSAR−ADCを用いて測定する必要があるが、熱雑音などの影響を抑えるために、その測定結果を時間平均する必要がある。そのため、すべての教師信号に対する出力測定値を測定することは現実的ではなく、限定した学習データで学習を行う必要がある。従って、学習に用いる学習データを適切に選択しながら追加学習を行う方法を提案する。   The output measurement value necessary for learning of the SAR-A / D converter needs to be measured using the target SAR-ADC, but in order to suppress the influence of thermal noise or the like, it is necessary to average the measurement results over time. is there. Therefore, it is not realistic to measure output measurement values for all teacher signals, and it is necessary to perform learning with limited learning data. Therefore, a method for performing additional learning while appropriately selecting learning data used for learning is proposed.

また、補正対象のSAR−A/D変換器の高分解能化に伴い、熱雑音などの影響で高精度DACの出力の信頼性が低くなり、教師信号にも誤差が含まれると考えられる。そのため、次節で述べるベイズ線形回帰で求められる予測分布を用いて追加データの選択を行う。   In addition, as the resolution of the SAR-A / D converter to be corrected increases, the reliability of the output of the high-accuracy DAC is lowered due to the influence of thermal noise and the like, and it is considered that the teacher signal also includes an error. Therefore, additional data is selected using the predicted distribution obtained by Bayesian linear regression described in the next section.

2−5.ベイズ線形回帰
補正関数として2−3節と同様の式(15)を用いて、ベイズ推定を用いた線形回帰を行うことを考える。まず、下位ビットの信頼性が低いことから、教師信号が正規分布N(t|h(m),β−1)に従うものと仮定する。また、h(m)の調整パラメータの事前分布は次式の正規分布であると仮定する。
2-5. Bayesian linear regression Let us consider performing linear regression using Bayesian estimation using Equation (15) similar to Section 2-3 as the correction function. First, it is assumed that the teacher signal follows the normal distribution N (t | h (m), β −1 ) because the low-order bits have low reliability. Further, it is assumed that the prior distribution of the adjustment parameter of h (m) is a normal distribution of the following equation.

Figure 2016092648
Figure 2016092648

このとき、学習データの集合Dに対応するwの事後分布p(w|D)をwに関して最大化することで、次式を得る。 At this time, the following equation is obtained by maximizing the posterior distribution p (w | D T ) of w corresponding to the set D T of learning data with respect to w.

Figure 2016092648
Figure 2016092648
Figure 2016092648
Figure 2016092648
Figure 2016092648
Figure 2016092648

ここで、Φは、その行が

Figure 2016092648
からなる行列を表し、dは、その要素が
Figure 2016092648
である縦ベクトルを表す。さらに、このときのtの予測分布は次式で表される。 Where Φ T is the line
Figure 2016092648
D T is the element of which
Figure 2016092648
Represents a vertical vector. Further, the predicted distribution of t at this time is expressed by the following equation.

Figure 2016092648
Figure 2016092648
Figure 2016092648
Figure 2016092648

2−4−2.追加学習
追加学習は、2−4−1節で述べたベイズ線形回帰のアプローチを用いることでも実現可能である。本節では、それまでに学習した学習データに対する予測分布を用いて次に学習する学習データを選ぶことを考える。第l回目の追加学習に用いる学習データ集合を

Figure 2016092648
とし、l=0として、まず、n個のデータ
Figure 2016092648
を用いて初期学習を行い、その後lmax回追加学習を行う。 2-4-2. Additional learning Additional learning can also be realized by using the Bayesian linear regression approach described in section 2-4-1. In this section, we consider selecting the learning data to be learned next using the prediction distribution for the learning data learned so far. The learning data set used for the 1st additional learning
Figure 2016092648
And l = 0, first, n 0 data
Figure 2016092648
Is used for initial learning and then additional learning is performed l max times.

図17は実施形態2に係るA/D変換装置において用いるベイズの追加学習処理を示すフローチャートである。当該追加学習処理は、図17に示すように、ステップS1〜S5の処理を含む。   FIG. 17 is a flowchart showing Bayesian additional learning processing used in the A / D conversion device according to the second embodiment. The additional learning process includes steps S1 to S5 as shown in FIG.

ここで、追加データの選択方法として、予測分布を用いた方法を提案する。各追加学習での追加データ数はすべて同じ

Figure 2016092648
とし、l反復後の次式の予測分布を用いて以下のように行う。 Here, a method using a predicted distribution is proposed as a method for selecting additional data. The number of additional data in each additional learning is the same
Figure 2016092648
And using the prediction distribution of the following equation after l iterations, the following is performed.

Figure 2016092648
Figure 2016092648

Tをν個の区間

Figure 2016092648
に分割する。それぞれの区間からn個の追加学習データを選択する。その際、まず、その候補として、各区間からnのs倍のデータを一様ランダムに選択し、その中でtの分散σが大きい上位n個を追加学習データとする。また、対応する集合Tl+1と表す。この方法をベイズ選択法(Bayes)と呼ぶ。また、比較のため、未選択の学習データ中から一様ランダムに選択する方法も考え、この方法をランダム選択法(Random)と呼ぶ。 T is ν intervals
Figure 2016092648
Divide into To select a n v number of additional learning data from each section. In that case, first, as the candidate, data of s n times n v is uniformly selected from each section, and among them, the upper n v items having a large variance σ 2 of t are set as additional learning data. Also, the corresponding set T l + 1 is represented. This method is called a Bayesian selection method (Bayes). For comparison, a method of uniformly selecting randomly from unselected learning data is also considered, and this method is called a random selection method (Random).

2−4−3.数値実験
提案した追加学習法の有効性を比較するために数値実験を行った。2−3−3節と同様に、実験には15ビットのSAR−A/D変換器をシミュレーションして得られたモデルを使用し、初期学習データ集合Tは全学習データ集合Tから一様ランダムにn=200個選択する。また、n=100、ν=4、s=10、c=0.1、c=0.01、lmax=8とする。
2-4-3. Numerical experiments Numerical experiments were performed to compare the effectiveness of the proposed additional learning method. As in section 2-3-3, the model obtained by simulating a 15-bit SAR-A / D converter is used for the experiment, and the initial learning data set T 0 is uniform from the entire learning data set T. Randomly select n 0 = 200. Also, n v = 100, ν = 4, s n = 10, c 1 = 0.1, c 2 = 0.01, and l max = 8.

図18は実施形態2に係るA/D変換装置のシミュレーション結果であって、初期学習を用いた予測分布の一例を示すグラフである。すなわち、一様ランダムに選択した200点の学習データを用いて得られた予測分布での各mに対する予測分布の例を図18に示す。図中の点が学習に用いた出力測定値それぞれの十進数表現mを示し、帯が予測分布の分散を示す。 FIG. 18 is a graph showing an example of a prediction distribution using initial learning, which is a simulation result of the A / D conversion device according to the second embodiment. That is, FIG. 18 shows an example of the prediction distribution for each m in the prediction distribution obtained using the learning data of 200 points uniformly selected at random. The points in the figure indicate the decimal representation m D of each output measurement value used for learning, and the band indicates the variance of the predicted distribution.

次に、異なる15ビットのSAR−A/D変換器を想定して得られた3つの学習データ集合に対し、2つの提案法をそれぞれ10試行行った。   Next, 10 trials of each of the 2 proposed methods were performed on 3 learning data sets obtained assuming different 15-bit SAR-A / D converters.

図19は実施形態2に係るA/D変換装置のシミュレーション結果であって、学習データD を用いた追加学習後の残留誤差を示すグラフである。また、図20は実施形態2に係るA/D変換装置のシミュレーション結果であって、学習データD を用いた追加学習後の残留誤差を示すグラフである。これは、各追加学習後の全学習データ集合に対する10試行平均出力誤差及びその標準偏差を、提案法(Bayes)、(Random)それぞれについて図示したものである。 FIG. 19 is a graph showing a simulation result of the A / D conversion device according to the second embodiment and showing a residual error after additional learning using the learning data D T 1 . FIG. 20 is a graph showing a simulation result of the A / D conversion device according to the second embodiment and showing a residual error after additional learning using the learning data D T 2 . This shows the 10 trial average output error and its standard deviation for all learning data sets after each additional learning for the proposed methods (Bayes) and (Random).

その結果、追加学習の反復ごとに出力誤差が減少し、4反復程度で(Random)、(Bayes)の両手法で誤差eが1LSBを下回り、全学習データを用いたときの精度に近いレベルでの補正が行われていることが分かる。また、実験に用いた3種類の学習データ集合のいずれに対しても、(Bayes)が(Random)に比べ出力誤差の低減能力が高く、予測分布の情報を用いる優位性も確認できた。 As a result, it reduces the output error for each of the additional learning iteration 4 is about iteration (Random), the error e w in both methods of (Bayes) is below 1LSB, a level close to the accuracy when using the entire training data It can be seen that the correction at is performed. In addition, for any of the three types of learning data sets used in the experiment, (Bayes) has a higher output error reduction capability than (Random), and the superiority of using information on the predicted distribution was confirmed.

2−5.まとめ
本実施形態では、低消費電力高分解能SAR−A/D変換器の変換精度向上のために、A/D変換器の特性を考慮した補正関数を導出し、その関数のパラメータの設定方法を説明した。さらにA/D変換器の実際の使用状況の観点から、提案法をベイズ線形回帰を用いた追加学習手法も示した。その追加学習時、予測分布に基づいたデータ選択を行うことで、限られた学習データでの学習においても平均誤差を1LSB以下に抑えられる。
2-5. Summary In the present embodiment, in order to improve the conversion accuracy of a low power consumption, high resolution SAR-A / D converter, a correction function taking into account the characteristics of the A / D converter is derived, and a parameter setting method for the function is provided. explained. In addition, from the viewpoint of the actual usage situation of the A / D converter, an additional learning method using Bayesian linear regression was also shown. By performing data selection based on the predicted distribution during the additional learning, the average error can be suppressed to 1 LSB or less even in learning with limited learning data.

実施形態3.
図21は実施形態3に係るA/D変換装置の構成を示すブロック図である。実施形態3に係るA/D変換装置は、第1の実施形態に係るA/D変換装置と、第2の実施形態に係るA/D変換装置とを備えたことを特徴としている。図21において、実施形態3に係るA/D変換装置は、以下の構成要素を備えて構成される。なお、第1及び第2の実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付している。
(1)サンプルホールド回路を内蔵する電荷転送型DAC回路30;
(2)コンパレータアレイ5及び加算器6からなるSF−A/D変換器23;
(3)平均化フィルタ7;
(4)エンコーダ8;
(5)SAR−A/D変換器補正用ディジタルコンパレータ11;
(6)SARロジック回路12;
(7)出力ディジタル信号を一時的に格納して外部回路に出力する出力レジスタ13;
(8)テストイネーブル信号がテストモードを示すとき、端子Aに入力されるテスト入力データDinを入力してD/A変換器30に出力する一方、テストイネーブル信号が非テストモードを示すとき、端子Bに入力される出力データDoutを入力してD/A変換器30に出力するマルチプレクサ21;
(9)D/A変換器30のために必要な所定の参照電圧を発生してD/A変換器30に出力する参照電圧発生器31;
(10)モード制御信号に基づいて、入力されるデータを端子A,B,Cのいずれかに出力するマルチプレクサ32;ここで、テストモードのときは端子Cに出力し、SAR−ADCモードのときは端子Aに出力し、SF−ADCモードのときは端子Bに出力する;
(11)外部回路から入力されるエンコーダ8用のしきい値データを一時的に格納してエンコーダ8に出力するレジスタテーブル33;
(12)外部回路から入力されるディジタルしきい値データ(誤差データ)を一時的に格納してディジタルしきい値発生器42に出力するレジスタテーブル41;
(13)レジスタテーブル41からのデータに基づいてディジタルしきい値を発生してディジタルコンパレータ11に出力するディジタルしきい値発生器42;
(14)外部回路からの基準クロックに基づいて内部回路用のクロックCLKを発生してコンパレータアレイ5、SARロジック回路12、コントロールロジック回路52に出力するクロック発生器51;
(15)クロックCLKに基づいてモード制御信号を発生してマルチプレクサ32及びディジタルしきい値発生器42に出力するコントロールロジック回路52。
Embodiment 3. FIG.
FIG. 21 is a block diagram illustrating a configuration of an A / D conversion device according to the third embodiment. The A / D conversion device according to the third embodiment includes the A / D conversion device according to the first embodiment and the A / D conversion device according to the second embodiment. In FIG. 21, the A / D conversion device according to the third embodiment is configured to include the following components. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the component similar to 1st and 2nd embodiment.
(1) a charge transfer type DAC circuit 30 incorporating a sample hold circuit;
(2) SF-A / D converter 23 comprising comparator array 5 and adder 6;
(3) averaging filter 7;
(4) Encoder 8;
(5) SAR-A / D converter correction digital comparator 11;
(6) SAR logic circuit 12;
(7) an output register 13 for temporarily storing the output digital signal and outputting it to an external circuit;
(8) When the test enable signal indicates the test mode, the test input data D in input to the terminal A is input and output to the D / A converter 30, while the test enable signal indicates the non-test mode. A multiplexer 21 for inputting the output data Dout input to the terminal B and outputting it to the D / A converter 30;
(9) A reference voltage generator 31 that generates a predetermined reference voltage necessary for the D / A converter 30 and outputs the reference voltage to the D / A converter 30;
(10) Multiplexer 32 that outputs input data to any of terminals A, B, and C based on a mode control signal; where, in test mode, output to terminal C, and in SAR-ADC mode Is output to terminal A, and is output to terminal B in the SF-ADC mode;
(11) A register table 33 for temporarily storing threshold data for the encoder 8 input from an external circuit and outputting the data to the encoder 8;
(12) a register table 41 that temporarily stores digital threshold data (error data) input from an external circuit and outputs the digital threshold data to the digital threshold generator 42;
(13) a digital threshold value generator 42 for generating a digital threshold value based on data from the register table 41 and outputting it to the digital comparator 11;
(14) A clock generator 51 that generates a clock CLK for an internal circuit based on a reference clock from an external circuit and outputs the clock CLK to the comparator array 5, the SAR logic circuit 12, and the control logic circuit 52;
(15) A control logic circuit 52 that generates a mode control signal based on the clock CLK and outputs the mode control signal to the multiplexer 32 and the digital threshold generator 42.

本実施形態に係るA/D変換装置においては、以下の手順でA/D変換処理を行う。
(1)事前処理であるテストモード処理において、制御データを取得する(図22)。
(2)入力される入力アナログ電圧をサンプルホールドする。ここで、しきい値DthとしてDth,stdを用いる。
(3)SAR−ADCモード(上位ビット変換)処理を行う(図24)。
(4)DAC回路30からの出力データを保持し、SARロジック回路12からの出力データを保持状態にする。
(5)上位ビットのA/D変換データを出力レジスタ13に出力して保持する。
(6)SF−ADCモード(下位ビット変換)処理を行う(図25)。
(7)エンコーダ8からの出力データを保持して出力レジスタ13に出力する。
(8)出力レジスタ13から、上位ビット変換データ及び下位ビット変換データからなる出力ディジタル信号を出力する。
In the A / D conversion device according to the present embodiment, A / D conversion processing is performed according to the following procedure.
(1) In test mode processing that is pre-processing, control data is acquired (FIG. 22).
(2) Sample and hold the input analog voltage to be input. Here, D th, the std used as a threshold D th.
(3) SAR-ADC mode (upper bit conversion) processing is performed (FIG. 24).
(4) The output data from the DAC circuit 30 is held, and the output data from the SAR logic circuit 12 is held.
(5) The A / D conversion data of the upper bit is output to the output register 13 and held.
(6) Perform SF-ADC mode (lower bit conversion) processing (FIG. 25).
(7) The output data from the encoder 8 is held and output to the output register 13.
(8) The output register 13 outputs an output digital signal composed of upper bit conversion data and lower bit conversion data.

図22は図21のA/D変換装置におけるテストモード(制御データ取得)処理を示すブロックである。図22において、テストモードでは、マルチプレクサ21、DAC回路30、SF−A/D変換器23、及びマルチプレクサ32が動作する。マルチプレクサ21はテストイネーブル信号に基づいて端子Aを選択し、マルチプレクサ32はモード制御信号に基づいて端子Cを選択する。差動入力アナログ電圧VinがDAC回路30に入力される。一方、外部回路からのテスト入力データDin,testはマルチプレクサ21の端子Aを介してDAC回路30に入力されて、アナログ入力電圧Vinと、テスト入力データDin,testに応じた参照電圧との差がD/A変換された後SF−A/D変換器23に入力される。SF−A/D変換器23は入力アナログ電圧Vinをテスト入力データDin,testをしきい値データとして用いて確率的A/D変換した後、マルチプレクサ32を介してテスト出力データDtestとして出力される。 FIG. 22 is a block diagram showing a test mode (control data acquisition) process in the A / D converter of FIG. In FIG. 22, in the test mode, the multiplexer 21, the DAC circuit 30, the SF-A / D converter 23, and the multiplexer 32 operate. The multiplexer 21 selects the terminal A based on the test enable signal, and the multiplexer 32 selects the terminal C based on the mode control signal. The differential input analog voltage V in is input to the DAC circuit 30. On the other hand, the test input data D in, test from the external circuit is input to the DAC circuit 30 via the terminal A of the multiplexer 21, and the analog input voltage V in and the reference voltage corresponding to the test input data D in, test After being D / A converted, the difference is input to the SF-A / D converter 23. The SF-A / D converter 23 performs probabilistic A / D conversion using the input analog voltage V in as test input data D in, test as threshold data, and then uses the multiplexer 32 as test output data D test. Is output.

図22のテストモード処理では、テスト入力データDinに対しVin=Vdac,ideal(Din)とすると、DAC回路30の出力DAC電圧Vdacは誤差ΔVdac(Din)を有する。このときのSF−A/D変換器23の出力データDtestが誤差に対応する。ここで、Dth=DtestとするとDAC回路30内のD/A変換器の誤差がキャンセルされる。実際には、DAC誤差をキャンセルするしきい値Dthを以下に示すように動的に生成する。 In the test mode process of FIG. 22, assuming that V in = V dac, ideal (D in ) with respect to the test input data D in , the output DAC voltage V dac of the DAC circuit 30 has an error ΔV dac (D in ). The output data D test of the SF-A / D converter 23 at this time corresponds to the error. Here, if D th = D test , the error of the D / A converter in the DAC circuit 30 is canceled. Actually, the threshold value Dth for canceling the DAC error is dynamically generated as shown below.

図23は図21のA/D変換装置におけるA/D変換時のしきい値制御データの生成処理を示すフローチャートである。図23において、i=n−1,n−2,…,0であり、図23の処理では、i=jのときのしきい値を生成する処理を示す。当該処理はステップS11〜S14の処理を含む。初期状態では、次式で表される。   FIG. 23 is a flowchart showing threshold value control data generation processing during A / D conversion in the A / D conversion apparatus of FIG. 23, i = n−1, n−2,..., 0, and the processing of FIG. 23 shows processing for generating a threshold value when i = j. The process includes the processes of steps S11 to S14. In the initial state, it is expressed by the following equation.

th(n−1)=Dth,std+Dth,n−1 D th (n−1) = D th, std + D th, n−1

当該処理では、テストモードでの処理とは逆の処理を、A/D変換時において、次式について動的に実行することでしきい値制御データDth,jを生成する。次式は上述のE(1)−E(0)に対応する。 In this process, the threshold control data D th, j is generated by dynamically executing a process opposite to the process in the test mode for the following expression at the time of A / D conversion. The following equation corresponds to E j (1) −E j (0) described above.

th,j
=Dtest(ΔVdac(Din,j)−Dtest(ΔVdac(Din,std))
D th, j
= D test (ΔV dac (D in, j ) −D test (ΔV dac (D in, std ))

具体的には、各判定ステップ毎にしきい値制御データDth,jを、i=n−1(MSB)からi=0(LSB)まで繰り返して計算する。なお、図23のS11において、Dth1(j)とDth0(j)の2つを計算しているが、この計算に伴うレイテンシがSAR−ADCモードの各判定ステップ(図23のS12に相当)で用いるしきい値Dth(j)の動的生成を速やかに行うためである。 Specifically, the threshold control data D th, j is repeatedly calculated from i = n−1 (MSB) to i = 0 (LSB) for each determination step. Note that in S11 of FIG. 23, two of D th1 (j) and D th0 (j) are calculated, and the latency accompanying this calculation corresponds to each determination step in the SAR-ADC mode (corresponding to S12 of FIG. 23). This is because the dynamic generation of the threshold value Dth (j) used in (1) is quickly performed.

図24は図21のA/D変換装置におけるSAR−ADCモード(上位ビット変換)処理を示すブロックである。図24において、マルチプレクサ21はテストイネーブル信号に基づいて端子Bを選択し、マルチプレクサ32はモード制御信号に基づいて端子Aを選択する。上述のように生成されたしきい値制御データDth,jは誤差データとしてディジタルしきい値発生器42に供給され、ディジタルしきい値発生器42は誤差データに基づいてディジタルしきい値を発生してディジタルコンパレータ11に出力する。ここで、DAC回路30、SF−ADC、マルチプレクサ32、ディジタルコンパレータ11、SARロジック回路12及びマルチプレクサ21からなる、「ディジタルしきい値が制御されたSF−A/D変換装置」において、入力アナログ電圧Vinに対して上位ビットのA/D変換が実行され、SARロジック回路12からの出力ディジタル信号は出力レジスタ13を介して出力される。 FIG. 24 is a block diagram showing SAR-ADC mode (upper bit conversion) processing in the A / D conversion apparatus of FIG. In FIG. 24, the multiplexer 21 selects the terminal B based on the test enable signal, and the multiplexer 32 selects the terminal A based on the mode control signal. The threshold control data D th, j generated as described above is supplied to the digital threshold generator 42 as error data, and the digital threshold generator 42 generates a digital threshold based on the error data. And output to the digital comparator 11. Here, in the “SF-A / D converter in which the digital threshold value is controlled” composed of the DAC circuit 30, the SF-ADC, the multiplexer 32, the digital comparator 11, the SAR logic circuit 12 and the multiplexer 21, the input analog voltage a / D conversion of high-order bits with respect to V in is performed, the output digital signal from the SAR logic circuit 12 is output via the output register 13.

図25は図21のA/D変換装置におけるSF−ADCモード(下位ビット変換)処理を示すブロックである。図25において、マルチプレクサ32はモード制御信号に基づいて端子Bを選択する。入力アナログ電圧VinはDAC回路30に入力されてD/A変換された後、SF−A/D変換器23によりA/D変換され、平均化フィルタ7で平均化され、エンコーダ8により符号化されて出力レジスタ13を介して出力される。   FIG. 25 is a block diagram showing SF-ADC mode (lower bit conversion) processing in the A / D conversion apparatus of FIG. In FIG. 25, the multiplexer 32 selects the terminal B based on the mode control signal. The input analog voltage Vin is input to the DAC circuit 30 and D / A converted, then A / D converted by the SF-A / D converter 23, averaged by the averaging filter 7, and encoded by the encoder 8. And output through the output register 13.

以上説明したように、本実施形態によれば、テストモードにおいてしきい値制御データを取得した後、上位ビットに対してSAR−ADCモードでA/D変換し、下位ビットに対してSF−ADCモードでA/D変換することにより、従来技術に比較して高精度でA/D変換することができる。   As described above, according to the present embodiment, after threshold control data is acquired in the test mode, A / D conversion is performed on the upper bits in the SAR-ADC mode, and SF-ADC is performed on the lower bits. By performing A / D conversion in the mode, it is possible to perform A / D conversion with higher accuracy than in the prior art.

実施形態4.
図26は実施形態4に係るA/D変換システムの構成を示すブロック図である。図26において、実施形態4に係るA/D変換システムは、センサ70とサーバ装置80とを備えて構成され、センサ70とサーバ装置80とは互いに有線通信回線又は無線通信回線を介して接続される。実施形態4では、機械学習結果に基づき、容量DACの誤差(製造バラツキ、寄生素子などにより起因)をディジタル的に補正するときに、容量DACの誤差のA/D変換の補正をセンサ70内のA/D変換器内部のみならず、外部のサーバ装置80でも補正可能とすることにより、A/D変換器の小型化及び低電力化を図ることを目的としている。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 26 is a block diagram illustrating a configuration of an A / D conversion system according to the fourth embodiment. In FIG. 26, the A / D conversion system according to the fourth embodiment includes a sensor 70 and a server device 80, and the sensor 70 and the server device 80 are connected to each other via a wired communication line or a wireless communication line. The In the fourth embodiment, when the error of the capacitive DAC (due to manufacturing variations, parasitic elements, etc.) is digitally corrected based on the machine learning result, the A / D conversion correction of the error of the capacitive DAC is performed in the sensor 70. An object is to reduce the size and power consumption of the A / D converter by making corrections possible not only inside the A / D converter but also by the external server device 80.

図26において、センサ70は、A/D変換器71と、補正パラメータ記憶部72と、簡易補正処理部73と、送受信部74と、テストデータ生成部75とを備えて構成される。また、サーバ装置80は、送受信部81と、高度補正処理部82と、補正パラメータ推定処理部83とを備えて構成される。本実施形態に係るA/D変換システムは、センサ70で簡易補正処理を行う一方、サーバ装置80で高度補正処理を行うことを特徴としている。   26, the sensor 70 includes an A / D converter 71, a correction parameter storage unit 72, a simple correction processing unit 73, a transmission / reception unit 74, and a test data generation unit 75. The server device 80 includes a transmission / reception unit 81, an altitude correction processing unit 82, and a correction parameter estimation processing unit 83. The A / D conversion system according to this embodiment is characterized in that the sensor device 70 performs simple correction processing while the server device 80 performs altitude correction processing.

ここで、簡易補正処理とは具体的には第1の実施形態に係るSF−ADCによるDAC誤差補正であり、また、高度補正処理とは、第2の実施形態に係る最小二乗法又はベイジアンモデルによる補正処理である。ただし、これらは実証実験で想定する一例であり、消費電力を考慮したセンサ側の計算能力によっては、高度補正処理の一部(例えば簡単な加減算等)をセンサ側に実装することも可能である。   Here, the simple correction process is specifically a DAC error correction by the SF-ADC according to the first embodiment, and the altitude correction process is a least square method or a Bayesian model according to the second embodiment. Is a correction process. However, these are examples assumed in the demonstration experiment, and depending on the calculation capability on the sensor side in consideration of power consumption, a part of the altitude correction processing (for example, simple addition / subtraction) can be implemented on the sensor side. .

図26の実施形態では、機械学習時において、破線で示すように、サーバ装置80からの指示信号に基づいて、センサ70のテストデータ生成部75がテストデータを生成してA/D変換器71に入力し、その出力データをサーバ装置80の補正パラメータ推定処理部83に送信する。補正パラメータ推定処理部83はこれに基づいて補正パラメータを推定して、センサ70の補正パラメータ記憶部72に記憶させて実使用時の補正パラメータとして簡易補正処理部73で用いる。なお、補正パラメータとしては、例えば後述するエンコーダ8の特性等である。次いで、実使用時において、A/D変換器71は入力アナログ電圧VinをA/D変換し、その結果を簡易補正処理部73に出力して補正した後、サーバ装置80の高度補正処理部82に送り、高度補正処理を行った後、出力ディジタル信号として出力する。 In the embodiment of FIG. 26, during machine learning, as indicated by a broken line, the test data generation unit 75 of the sensor 70 generates test data based on an instruction signal from the server device 80 to generate an A / D converter 71. And the output data is transmitted to the correction parameter estimation processing unit 83 of the server device 80. Based on this, the correction parameter estimation processing unit 83 estimates the correction parameter, stores it in the correction parameter storage unit 72 of the sensor 70, and uses it in the simple correction processing unit 73 as a correction parameter during actual use. The correction parameter is, for example, a characteristic of the encoder 8 described later. Then, in actual use, after the A / D converter 71 converts the input analog voltage V in the A / D, and the correction and outputs the result to the simple correction processing unit 73, the altitude correction processing unit of the server 80 82, and after altitude correction processing is performed, it is output as an output digital signal.

以上説明したように、本実施形態によれば、容量DACの誤差の補正を例えばセンサ70のA/D変換器内部だけでなく、例えば外部回路であるサーバ装置80等でも可能とすることにより、例えばセンサ70などのA/D変換器本体の小型化、低消費電力化を図ることができる。   As described above, according to the present embodiment, it is possible to correct the error of the capacitive DAC, for example, not only inside the A / D converter of the sensor 70 but also, for example, the server device 80 that is an external circuit. For example, the A / D converter body such as the sensor 70 can be reduced in size and power consumption.

図27は実施形態4の具体例であって、機械学習によるエンコーダ特性を決定するためのシステムの構成を示すブロック図である。図27において、センサ70は、SF−A/D変換器23と、平均化フィルタ7と、レジスタテーブル33を有するエンコーダ8と、例えばアンテナ74aを有する送受信部74とを含んで構成される。また、サーバ装置80は、例えばアンテナ81aを有する送受信部81と、サーバ処理部84とを含んで構成される。ここで、サーバ処理部84は、例えば、図26の高度補正部82及び補正パラメータ推定補正部83を含む。   FIG. 27 is a specific example of the fourth embodiment, and is a block diagram illustrating a configuration of a system for determining encoder characteristics by machine learning. 27, the sensor 70 includes an SF-A / D converter 23, an averaging filter 7, an encoder 8 having a register table 33, and a transmission / reception unit 74 having an antenna 74a, for example. In addition, the server device 80 includes, for example, a transmission / reception unit 81 having an antenna 81a and a server processing unit 84. Here, the server processing unit 84 includes, for example, the altitude correction unit 82 and the correction parameter estimation correction unit 83 of FIG.

図27のシステムは以下のように動作する。
(1)テスト信号をセンサ70のSF−A/D変換器23に入力して、A/D変換値を平均化フィルタ7及びエンコーダ8を用いて処理を行う。
(2)A/D変換後の出力コードを送受信部74から、サーバ装置80の送受信部81を介してサーバ処理部84に送信する。
(3)サーバ処理部84は、A/D変換後の出力コードの誤差を評価してエンコーダ8における最適なしきい値を推定する。
(4)送受信部81は、上記推定された最適なしきい値をセンサ70のレジスタテーブル33に送信して格納して、エンコーダ8での符号化に適用する。
(5)当該システムでは、以上のステップ(1)〜(4)の処理を繰り返して、A/D変換の誤差を最小化する。
The system of FIG. 27 operates as follows.
(1) A test signal is input to the SF-A / D converter 23 of the sensor 70, and the A / D conversion value is processed using the averaging filter 7 and the encoder 8.
(2) The output code after A / D conversion is transmitted from the transmission / reception unit 74 to the server processing unit 84 via the transmission / reception unit 81 of the server device 80.
(3) The server processing unit 84 evaluates the error of the output code after A / D conversion, and estimates the optimum threshold value in the encoder 8.
(4) The transmission / reception unit 81 transmits the estimated optimum threshold value to the register table 33 of the sensor 70, stores it, and applies it to the encoding by the encoder 8.
(5) In the system, the process of the above steps (1) to (4) is repeated to minimize the A / D conversion error.

図28は図27のA/D変換装置で用いるバイナリコードからサーモメーターコードに変換する関係の一例を示す表である。本実施形態では、A/D変換値(理想値)Value_ideal、A/D変換値(実際値)Value_means、及び誤差Errorについて、次式のようにモデル化することができる。   FIG. 28 is a table showing an example of a relationship for converting from binary code to thermometer code used in the A / D conversion device of FIG. In the present embodiment, the A / D conversion value (ideal value) Value_ideal, the A / D conversion value (actual value) Value_means, and the error Error can be modeled as the following equation.

Figure 2016092648
Figure 2016092648

Figure 2016092648
Figure 2016092648

Figure 2016092648
Figure 2016092648

ここで、Di,idealはA/D変換器の理想出力バイナリコードであり、Di,measはA/D変換器の実際の出力バイナリコードであり、Ti,idealはDi,idealの下位kビットを温度計コードに変換したものであり、Ti,measは実際の出力下位kビットを温度計コードに変換したものである。また、Ei,iは実際の測定でのバイナリコードの重みであり、Ei,jは判定済みビット依存性を示す。さらに、ET,iは実際の温度計コードの場合の誤差(理想値からの誤差)であり、Δidealは理想出力バイナリコードの量子化誤差であり、Δnonidealは実際の出力バイナリコードの量子化誤差である。なお、pは試行番号であり、Pは総試行回数である。 Here , Di, ideal is the ideal output binary code of the A / D converter , Di, meas are the actual output binary code of the A / D converter , and Ti, ideal are the values of Di, ideal . Lower k bits are converted into thermometer codes, and Ti, meas are actual output lower k bits converted into thermometer codes. E i, i is the binary code weight in the actual measurement, and E i, j indicates the determined bit dependency. Further, E T, i is an error (error from an ideal value) in the case of an actual thermometer code, Δ ideal is a quantization error of the ideal output binary code, and Δ nonideal is a quantum of the actual output binary code. Error. Here, p is a trial number and P is the total number of trials.

ここで、式(24)の誤差を機械学習で最小化することで、A/D変換の精度を高めることができる。なお、式(24)の代わりに、実施形態2の式(15)と類似する次式

Figure 2016092648
を用いても良い。 Here, the accuracy of A / D conversion can be improved by minimizing the error of the equation (24) by machine learning. Instead of the formula (24), the following formula similar to the formula (15) of the second embodiment is used.
Figure 2016092648
May be used.

各実施形態において、上位nビットのA/D変換については(nは2以上の整数)、SAR−A/D変換器を用いてバイナリサーチによりA/D変換を行うので、2のべき乗からの誤差(式(22)の第1項、式(23)の第1項についての誤差)について考慮し、機械学習方法については実施形態2に係る方法により誤差補正を行う。また、上位kビットのA/D変換については(kは2以上の整数)、並列比較のエンコードにより行い、SF−A/D変換器の出力(下位kビット)は外部のサーバ装置80でバイナリコードからサーモメーターコードに変換して誤差を評価する。   In each embodiment, for the upper n bits of A / D conversion (n is an integer of 2 or more), A / D conversion is performed by binary search using a SAR-A / D converter. Considering the error (the error for the first term of Equation (22) and the first term of Equation (23)), the machine learning method is error-corrected by the method according to the second embodiment. Further, the upper k bits of A / D conversion (k is an integer of 2 or more) is performed by parallel comparison encoding, and the output of the SF-A / D converter (lower k bits) is binary by the external server device 80. The error is evaluated by converting the code into a thermometer code.

以上の実施形態によれば、機械学習結果に基づき、容量DACの誤差(製造バラつき,寄生素子起因)をディジタル的に補正(ADCの外部での処理でも可能)することで、従来技術に比較して、高精度でA/D変換することができる。   According to the above embodiment, the error (capacitance variation, due to parasitic elements) of the capacitance DAC is digitally corrected based on the machine learning result (possible even by processing outside the ADC). Thus, A / D conversion can be performed with high accuracy.

以上詳述したように、本発明に係るA/D変換装置によれば、逐次比較A/D変換器に対して確率的A/D変換を適用してA/D変換装置を構成することで、従来技術に比較して高い精度を有するA/D変換装置を提供できる。   As described above in detail, according to the A / D converter according to the present invention, the A / D converter is configured by applying probabilistic A / D conversion to the successive approximation A / D converter. It is possible to provide an A / D conversion device having higher accuracy than the conventional technology.

1…サンプルホールド回路、
2…コンパレータ、
3…SARロジック回路、
4…D/A変換器(DAC)、
5−1〜5−N…コンパレータ、
6…加算器、
7…平均化フィルタ、
8…エンコーダ、
10…ディジタル制御しきい値可変コンパレータ、
11…ディジタルコンパレータ
12…SARロジック回路、
13…出力レジスタ、
21…マルチプレクサ、
23…SF−A/D変換器(SF−ADC)、
30…DAC回路、
31…参照電圧発生器、
32…マルチプレクサ、
33…レジスタテーブル、
41…レジスタテーブル、
51…クロック発生器、
52…コントロールロジック回路、
70…センサ、
71…A/D変換器、
72…補正パラメータ記憶部、
73…簡易補正処理部、
74…送受信部、
74a…アンテナ、
75…補正信号生成部、
80…サーバ装置、
81…送受信部、
81a…アンテナ、
82…高度補正処理部、
83…補正パラメータ推定処理部、
84…サーバ処理部、
〜Cn−1…キャパシタの容量、
SW0〜SW(n−1)、SW(Sample)…スイッチ。
1 ... Sample and hold circuit,
2 ... Comparator,
3 ... SAR logic circuit,
4 ... D / A converter (DAC),
5-1 to 5-N: Comparator,
6 ... adder,
7 ... Averaging filter,
8 ... Encoder,
10: Digitally controlled threshold variable comparator,
11: Digital comparator 12: SAR logic circuit,
13: Output register,
21 ... Multiplexer,
23 ... SF-A / D converter (SF-ADC),
30 ... DAC circuit,
31 ... Reference voltage generator,
32. Multiplexer,
33 ... register table,
41 ... register table,
51. Clock generator,
52. Control logic circuit,
70: Sensor,
71 ... A / D converter,
72 ... correction parameter storage unit,
73 ... a simple correction processing unit,
74: Transmitter / receiver,
74a ... antenna,
75... Correction signal generator,
80 ... Server device,
81 ... transmission / reception unit,
81a ... antenna,
82 ... Altitude correction processing unit,
83 ... correction parameter estimation processing unit,
84 ... Server processing unit,
C 0 to C n-1 ... capacitance of the capacitor,
SW0 to SW (n-1), SW (Sample) ... switch.

Claims (9)

入力アナログ電圧をサンプルしてホールドするサンプルホールド回路及び複数のDAC容量を有する電荷転送型DAC回路であって、上記入力アナログ電圧と、入力されるディジタルデータに応じた参照電圧との差を示すDAC電圧を出力する電荷転送型DAC回路と、
それぞれ異なるしきい値を有する複数のコンパレータと、当該複数のコンパレータからの各出力信号を加算する加算器とを含み、上記D/A変換手段からのDAC電圧をディジタルデータにA/D変換する並列型確率的A/D変換手段と、
所定のディジタルしきい値を発生するしきい値発生手段と、
上記並列型確率的A/D変換手段からのディジタルデータを、上記発生されるディジタルしきい値と比較して比較結果を示すディジタル信号を出力するディジタルコンパレータと、
上記ディジタルコンパレータからのディジタル信号を、上記ディジタルしきい値と、最上位ビットから最下位ビットまで繰り返して逐次比較するように制御することで、上記入力アナログ電圧を出力ディジタル信号にA/D変換して出力する逐次変換レジスタロジック回路とを備えたA/D変換装置であって、
上記しきい値発生手段は、所定のテストディジタルデータを上記DAC回路に入力したときに上記並列型確率的A/D変換手段から出力されるディジタル誤差データに基づいて上記ディジタルしきい値を発生することにより、上記A/D変換誤差を補正することを特徴とするA/D変換装置。
A sample-and-hold circuit that samples and holds an input analog voltage and a charge transfer DAC circuit having a plurality of DAC capacitors, wherein the DAC indicates a difference between the input analog voltage and a reference voltage corresponding to input digital data A charge transfer DAC circuit for outputting a voltage;
A parallel circuit that includes a plurality of comparators each having a different threshold value and an adder that adds output signals from the plurality of comparators, and A / D converts the DAC voltage from the D / A conversion means into digital data. Type probabilistic A / D conversion means;
Threshold generating means for generating a predetermined digital threshold;
A digital comparator that compares the digital data from the parallel type stochastic A / D conversion means with the generated digital threshold value and outputs a digital signal indicating a comparison result;
The input analog voltage is A / D converted into an output digital signal by controlling the digital signal from the digital comparator to repeatedly compare the digital threshold value with the digital threshold value from the most significant bit to the least significant bit. An A / D conversion device comprising a successive approximation register logic circuit for outputting
The threshold generation means generates the digital threshold based on digital error data output from the parallel stochastic A / D conversion means when predetermined test digital data is input to the DAC circuit. Thus, the A / D conversion apparatus corrects the A / D conversion error.
基準となる所定の入力コードデータを上記電荷転送型DAC回路に入力したときの上記ディジタル誤差データからの差分として、上記入力コードデータに依存した成分データを検出して記憶する記憶手段をさらに備え、
上記しきい値発生手段は、上記入力コードデータに依存した成分データに基づいて上記ディジタルしきい値を発生することを特徴とする請求項1記載のA/D変換装置。
A storage means for detecting and storing component data depending on the input code data as a difference from the digital error data when a predetermined input code data serving as a reference is input to the charge transfer DAC circuit;
2. The A / D converter according to claim 1, wherein the threshold value generating means generates the digital threshold value based on component data depending on the input code data.
上記並列型確率的A/D変換手段は、上記D/A変換手段からのDAC電圧に対して、時間平均化処理を実行してA/D変換することを特徴とする請求項1又は2記載のA/D変換装置。   3. The parallel type probabilistic A / D conversion means performs A / D conversion by executing a time averaging process on the DAC voltage from the D / A conversion means. A / D converter. 上記並列型確率的A/D変換手段からのディジタルデータを多数回サンプリングして平均値を演算することで上記ディジタルデータを時間平均化して出力する平均化フィルタと、
上記平均化フィルタからのディジタルデータを所定の第1のビット数から所定の第2のビット数のディジタルデータに符号化するエンコーダとをさらに備えたことを特徴とする請求項1〜3のうちのいずれか1つに記載のA/D変換装置。
An averaging filter that samples the digital data from the parallel-type stochastic A / D conversion means many times and calculates an average value to time-average the digital data and output it;
4. The encoder according to claim 1, further comprising an encoder that encodes the digital data from the averaging filter into digital data having a predetermined second number of bits from a predetermined first number of bits. The A / D conversion device according to any one of the above.
上記エンコーダは、上記平均化フィルタからのバイナリコードのディジタルデータをサーモメーターコードのディジタルデータに符号化することを特徴とする請求項4記載のA/D変換装置。   5. The A / D converter according to claim 4, wherein the encoder encodes binary code digital data from the averaging filter into thermometer code digital data. 所定の上位ビットのA/D変換処理において、上記電荷転送型DAC回路、上記並列型確率的A/D変換手段、上記しきい値発生手段、上記ディジタルコンパレータ、及び上記逐次変換レジスタロジック回路を用いてA/D変換処理を実行する一方、
所定の下位ビットのA/D変換処理において、上記電荷転送型DAC回路、上記並列型確率的A/D変換手段、上記平均化フィルタ、及び上記エンコーダを用いてA/D変換処理を実行することを特徴とする請求項4又は5記載のA/D変換装置。
In the A / D conversion processing of a predetermined upper bit, the charge transfer type DAC circuit, the parallel type probabilistic A / D conversion unit, the threshold generation unit, the digital comparator, and the successive approximation register logic circuit are used. While performing A / D conversion processing,
A / D conversion processing is performed using the charge transfer type DAC circuit, the parallel type stochastic A / D conversion means, the averaging filter, and the encoder in A / D conversion processing of a predetermined lower bit. The A / D conversion device according to claim 4, wherein:
所定の機械学習方法を用いて、上記電荷転送型DAC回路のDAC容量の誤差を補正する第1の補正手段をさらに備えたことを特徴とする請求項1〜6のうちのいずれか1つに記載のA/D変換装置。   7. The apparatus according to claim 1, further comprising: a first correction unit that corrects an error in the DAC capacity of the charge transfer DAC circuit using a predetermined machine learning method. The A / D conversion device described. 所定の機械学習方法を用いて、上記エンコーダの符号化特性を補正する第2の補正手段をさらに備えたことを特徴とする請求項7記載のA/D変換装置。   8. The A / D conversion apparatus according to claim 7, further comprising second correction means for correcting the encoding characteristic of the encoder using a predetermined machine learning method. 上記A/D変換装置は、センサとサーバ装置とに分離し、かつ有線通信回線又は無線通信回線により通信可能に接続されて構成され、
上記センサは、上記電荷転送型DAC回路、上記並列型確率的A/D変換手段、上記しきい値発生手段、上記ディジタルコンパレータ、上記逐次変換レジスタロジック回路、及び上記第1の補正手段を備え、
上記サーバ装置は、上記第2の補正手段を備えたことを特徴とする請求項8記載のA/D変換装置。
The A / D conversion device is configured to be separated into a sensor and a server device and connected to be communicable via a wired communication line or a wireless communication line,
The sensor includes the charge transfer DAC circuit, the parallel type stochastic A / D conversion means, the threshold value generation means, the digital comparator, the successive approximation register logic circuit, and the first correction means.
9. The A / D conversion apparatus according to claim 8, wherein the server apparatus includes the second correction unit.
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