JP2019186842A - AD converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、逐次比較型のAD変換器に関するものである。 The present invention relates to a successive approximation AD converter.
AD変換器(ADC、analog-to-digital converter)は、アナログデータを入力して、その入力アナログデータに応じたデジタルデータを出力することができる。そのうちでも、逐次比較型(SAR、successive approximation register)のAD変換器は、主な構成要素として、DA変換部、比較部および制御部を備える。DA変換部は、複数の容量素子および複数のスイッチを含む。逐次比較型のAD変換器は、他のタイプのAD変換器と比較すると、アナログ回路が少なく、静的な電流が抑えられ、低消費電力でプロセス微細化に向く。それ故、逐次比較型のAD変換器は、近年盛んに研究されている。 An AD converter (ADC, analog-to-digital converter) can input analog data and output digital data corresponding to the input analog data. Among them, a successive approximation register (SAR) AD converter includes a DA converter, a comparator, and a controller as main components. The DA converter includes a plurality of capacitive elements and a plurality of switches. The successive approximation type AD converter has fewer analog circuits than other types of AD converters, suppresses static current, and is suitable for process miniaturization with low power consumption. Therefore, successive approximation type AD converters have been actively studied in recent years.
逐次比較型のAD変換器は、非特許文献1に解説されているとおり、概ね次のように初期化ステップおよび逐次比較の各ステップの動作を行う。初期化ステップでは、DA変換部は各容量素子の電荷を初期化する。この初期化ステップの後、逐次比較の各ステップが行われる。逐次比較の各ステップにおいて、DA変換部は、制御部から与えられる制御信号に基づいて各スイッチが設定されて、その設定に応じたアナログデータを比較部へ出力する。比較部は、DA変換部から出力されたアナログデータの大きさを入力アナログデータに基づいて評価して、その評価結果を制御部へ出力する。制御部は、比較部から出力された評価結果に基づいて、DA変換部から出力されたアナログデータが入力アナログデータに応じた値に近づくように、逐次比較の次のステップにおいてDA変換部の各スイッチの設定を制御する制御信号を出力する。
As described in
制御部は、出力すべきデジタルデータの最上位ビット(MSB、most significant bit)の値を最初のステップで判定し、その後の各ステップで順次に下位のビットの値を判定していき、最後のステップで最下位ビット(LSB、least significant bit)の値を判定する。例えば、出力すべきデジタルデータが4ビットデータ[d3,d2,d1,d0]であるとすると、制御部は、最初のステップ1においてMSBのd3の値を判定し、次のステップ2においてビットd2の値を判定し、更に次のステップ3においてビットd1の値を判定し、最後のステップ4においてLSBのd0の値を判定する。
The control unit determines the value of the most significant bit (MSB) of the digital data to be output in the first step, and sequentially determines the value of the lower bit in each subsequent step. In step, the value of the least significant bit (LSB) is determined. For example, if the digital data to be output is 4-bit data [d3, d2, d1, d0], the control unit determines the value of d3 of the MSB in the
このような逐次比較型のAD変換器の動作において、初期化ステップから逐次比較の最初のステップ1に移行する際、および、逐次比較の各ステップから次のステップに移行する際に、DA変換部の複数のスイッチの設定が変化して、DA変換部の各容量素子の電荷の量が変化する。DA変換部の複数の容量素子の電荷量の変化は、キックバックと呼ばれる基準電圧端子経由の電荷移動を引き起こす。このキックバックにより、DA変換部に基準電位を供給する基準電位供給線の電位が変動する。特に、逐次比較の初期のステップでは、キックバックが大きいので、基準電位供給線の電位の変動量も大きい。
In the operation of such a successive approximation type AD converter, the DA converter is used when shifting from the initialization step to the
基準電位供給線からDA変換部に供給される基準電位の変動が大きいタイミングでDA変換部から出力されているアナログデータの大きさを比較部が評価すると、その評価結果を誤り、最終的に得られるデジタルデータが誤りとなる場合がある。したがって、基準電位供給線からDA変換部に供給される基準電位の変動が整定して基準電位が安定した後のタイミングで、DA変換部から出力されているアナログデータの大きさを比較部が評価することが好ましい。この場合、逐次比較の各ステップの期間は、ステップ移行後に基準電位が安定するまでに要する時間より長く設定しなければならない。AD変換器は高速化が求められているが、ステップ移行後に基準電位が安定するまでに要する時間はAD変換器の高速化の妨げとなる。 If the comparison unit evaluates the magnitude of the analog data output from the DA conversion unit at a timing when the fluctuation of the reference potential supplied from the reference potential supply line to the DA conversion unit is large, the evaluation result is erroneous and finally obtained. The digital data that is received may be erroneous. Therefore, the comparison unit evaluates the magnitude of the analog data output from the DA conversion unit at a timing after the fluctuation of the reference potential supplied from the reference potential supply line to the DA conversion unit is stabilized and the reference potential is stabilized. It is preferable to do. In this case, the period of each step of the successive comparison must be set longer than the time required for the reference potential to stabilize after the transition to the step. The AD converter is required to increase the speed, but the time required for the reference potential to stabilize after the transition to the step hinders the speed-up of the AD converter.
非特許文献2〜4には、逐次比較の各ステップの期間の短縮化を図る技術が記載されている。非特許文献2に記載された技術は、基準電位供給線に基準電位を出力するバッファを高速化するとともに、比較部による評価の際のオフセットを調整することで、各ステップの期間の短縮化を図る。非特許文献3に記載された技術は、基準電位供給線に大容量のデカップリング容量部を設けることで、各ステップの期間の短縮化を図る。非特許文献4,5に記載された技術は、基準電位供給線に対して電荷を注入することで、各ステップの期間の短縮化を図る。
Non-patent documents 2 to 4 describe techniques for shortening the period of each step of successive comparison. The technique described in Non-Patent Document 2 speeds up the buffer that outputs the reference potential to the reference potential supply line and adjusts the offset at the time of evaluation by the comparison unit, thereby shortening the period of each step. Plan. The technique described in Non-Patent Document 3 aims at shortening the period of each step by providing a large-capacity decoupling capacitor in the reference potential supply line. In the techniques described in
非特許文献2に記載された技術は、バッファの高速化により消費電力の増加を招くので好ましくない。 The technique described in Non-Patent Document 2 is not preferable because it increases the power consumption by increasing the speed of the buffer.
非特許文献3に記載された技術は、半導体基板上に大容量のデカップリング容量部を設ける場合には、その半導体基板上のレイアウト面積の増加を招くので好ましくない。半導体基板の外にデカップリング容量部を設ける場合には、そのデカップリング容量部としてチップコンデンサを用いたとしても、自己共振周波数が数十MHz程度と小さく、AD変換器の高速化の要求に応えることは困難である。 The technique described in Non-Patent Document 3 is not preferable when a large-capacity decoupling capacitor is provided on a semiconductor substrate, because it increases the layout area on the semiconductor substrate. When a decoupling capacitor is provided outside the semiconductor substrate, even if a chip capacitor is used as the decoupling capacitor, the self-resonant frequency is as small as about several tens of MHz, which meets the demand for higher speed AD converters. It is difficult.
非特許文献4,5に記載された技術の概要は次のとおりである。逐次比較の各ステップにおけるDA変換部の電荷移動量は、直前のステップの比較部による比較結果のみでは決まらず、最初のステップから直前のステップまでの比較部による比較結果の履歴に応じて異なる。そこで、非特許文献4,5に記載された技術は、最初のステップから直前のステップまでの比較部による比較結果の履歴に基づいて、基準電位供給線に対して注入する電荷の量をステップ毎に設定する。
The outline of the technology described in
電荷注入を行うステップの数が多くなると、電荷注入量を決める為の回路は、論理が複雑になり、また、処理に要する時間が長くなる。すなわち、各ステップの期間の短縮化の意図に反する結果となる場合がある。非特許文献4に記載された技術は、電荷注入量を決める論理を簡略化しているものの、逐次比較の初めの3つのステップにおいて電荷注入をするに留まっている。非特許文献5に記載された技術は、電荷注入量の決定等を高速に行う為に専用の回路を設け、また、その他の種々の特徴的な構成を採用するものであるが、半導体基板上に実装する際のレイアウト面積の増加を招くので好ましくない。
As the number of steps for injecting charges increases, the circuit for determining the amount of charge injection becomes complicated in logic and the time required for processing becomes longer. That is, the result may be contrary to the intention of shortening the period of each step. Although the technique described in Non-Patent
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、逐次比較の各ステップの期間を短縮することができ高速動作が容易なAD変換器を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an AD converter that can shorten the period of each step of successive approximation and can easily operate at high speed.
本発明の第1態様のAD変換器は、入力アナログデータに応じたデジタルデータを出力する逐次比較型のAD変換器であって、(1) 複数の容量素子と、制御信号に基づいて設定される複数のスイッチとを含み、複数のスイッチのうちの全て又は一部のスイッチの設定により、(2) 複数の容量素子のうちの該スイッチに対応する容量素子の第1端を第1基準電位または第2基準電位として、複数のスイッチそれぞれの設定に応じたデータを、複数の容量素子それぞれの第2端が共通に接続されてなる出力端から出力するDA変換部と、(3) DA変換部から出力されるデータと入力アナログデータとを大小比較して、その比較結果を表す比較信号を出力する比較部と、(4) 比較信号に基づいて、逐次比較のステップ毎に、DA変換部から出力されるデータと入力アナログデータとの差が小さくなるように制御信号を生成して出力する制御部と、(5) 逐次比較の何れかステップにおいて、第1基準電位または第2基準電位をDA変換部へ与える基準電位供給線に対し、逐次比較のステップ毎の比較結果の履歴に依らず一定量の電荷を注入して、DA変換部の複数のスイッチの設定変更に伴う基準電位供給線の電位変動を抑制する電荷注入部と、を備える。 An AD converter according to a first aspect of the present invention is a successive approximation AD converter that outputs digital data corresponding to input analog data, and is set based on (1) a plurality of capacitive elements and a control signal. By setting all or some of the plurality of switches, (2) the first end of the capacitive element corresponding to the switch among the plurality of capacitive elements is set to the first reference potential. Alternatively, as the second reference potential, a DA converter that outputs data corresponding to the setting of each of the plurality of switches from an output terminal formed by commonly connecting the second terminals of the plurality of capacitive elements, and (3) DA conversion A comparison unit that compares the data output from the unit with the input analog data and outputs a comparison signal representing the comparison result; and (4) a DA conversion unit for each successive comparison step based on the comparison signal. Data output from A control unit that generates and outputs a control signal so that the difference between the input data and the input analog data is reduced, and (5) in any step of the successive approximation, the first reference potential or the second reference potential is supplied to the DA conversion unit. A constant amount of charge is injected into the given reference potential supply line regardless of the comparison result history for each successive comparison step, and potential fluctuations in the reference potential supply line due to setting changes of a plurality of switches of the DA converter are detected. A charge injection portion to be suppressed.
本発明の第2態様のAD変換器は、入力アナログデータに応じたデジタルデータを出力する逐次比較型のAD変換器であって、(1) 複数の容量素子と、制御信号に基づいて設定される複数のスイッチとを含み、入力アナログデータを複数の容量素子によりホールドした後、複数のスイッチのうちの全て又は一部のスイッチの設定により、複数の容量素子のうちの該スイッチに対応する容量素子の第1端を第1基準電位または第2基準電位として、複数のスイッチそれぞれの設定に応じたデータを、複数の容量素子それぞれの第2端が共通に接続されてなる出力端から出力するDA変換部と、(2) DA変換部から出力されるデータと基準レベルとを大小比較して、その比較結果を表す比較信号を出力する比較部と、(3) 比較信号に基づいて、逐次比較のステップ毎に、DA変換部から出力されるデータと基準レベルとの差が小さくなるように制御信号を生成して出力する制御部と、(4)逐次比較の何れかステップにおいて、第1基準電位または第2基準電位をDA変換部へ与える基準電位供給線に対し、逐次比較のステップ毎の比較結果の履歴に依らず一定量の電荷を注入して、DA変換部の複数のスイッチの設定変更に伴う基準電位供給線の電位変動を抑制する電荷注入部と、を備える。 The AD converter according to the second aspect of the present invention is a successive approximation AD converter that outputs digital data according to input analog data, and is set based on (1) a plurality of capacitive elements and a control signal. A plurality of switches, and after the input analog data is held by the plurality of capacitors, the capacitance corresponding to the switch among the plurality of capacitors is set by setting all or some of the plurality of switches. Using the first end of the element as the first reference potential or the second reference potential, data corresponding to the setting of each of the plurality of switches is output from the output end formed by commonly connecting the second ends of the plurality of capacitive elements. A DA conversion unit; (2) a comparison unit that compares the data output from the DA conversion unit with a reference level and outputs a comparison signal representing the comparison result; and (3) a sequential operation based on the comparison signal. ratio A control unit that generates and outputs a control signal so that the difference between the data output from the DA conversion unit and the reference level is reduced at each step, and (4) in any one of the successive comparison steps, the first reference Setting a plurality of switches of the DA converter by injecting a fixed amount of charge into the reference potential supply line for supplying the potential or the second reference potential to the DA converter regardless of the history of comparison results for each successive comparison step A charge injection unit that suppresses potential fluctuation of the reference potential supply line due to the change.
本発明の第3態様のAD変換器は、第1入力アナログデータと第2入力アナログデータとの差に応じたデジタルデータを出力する逐次比較型のAD変換器であって、(1) 複数の容量素子と、第1制御信号に基づいて設定される複数のスイッチとを含み、第1入力アナログデータを複数の容量素子によりホールドした後、複数のスイッチのうちの全て又は一部のスイッチの設定により、複数の容量素子のうちの該スイッチに対応する容量素子の第1端を第1基準電位または第2基準電位として、複数のスイッチそれぞれの設定に応じた第1データを、複数の容量素子それぞれの第2端が共通に接続されてなる出力端から出力する第1DA変換部と、(2) 複数の容量素子と、第2制御信号に基づいて設定される複数のスイッチとを含み、第2入力アナログデータを複数の容量素子によりホールドした後、複数のスイッチのうちの全て又は一部のスイッチの設定により、複数の容量素子のうちの該スイッチに対応する容量素子の第1端を第1基準電位または第2基準電位として、複数のスイッチそれぞれの設定に応じた第2データを、複数の容量素子それぞれの第2端が共通に接続されてなる出力端から出力する第2DA変換部と、(3) 第1データと第2データとを大小比較して、その比較結果を表す比較信号を出力する比較部と、(4) 比較信号に基づいて、逐次比較のステップ毎に、第1データと第2データとの差が小さくなるように第1制御信号および第2制御信号を生成して出力する制御部と、(5) 逐次比較の何れかステップにおいて、第1基準電位または第2基準電位をDA変換部へ与える基準電位供給線に対し、逐次比較のステップ毎の比較結果の履歴に依らず一定量の電荷を注入して、DA変換部の複数のスイッチの設定変更に伴う基準電位供給線の電位変動を抑制する電荷注入部と、を備える。 An AD converter according to a third aspect of the present invention is a successive approximation type AD converter that outputs digital data corresponding to a difference between first input analog data and second input analog data. A capacitance element and a plurality of switches set based on the first control signal, and after setting the first input analog data by the plurality of capacitance elements, setting of all or some of the plurality of switches By using the first end of the capacitive element corresponding to the switch among the plurality of capacitive elements as the first reference potential or the second reference potential, the first data corresponding to the setting of each of the plurality of switches is received. A first DA converter that outputs from an output terminal in which each second terminal is connected in common; (2) a plurality of capacitive elements; and a plurality of switches set based on a second control signal; 2-input After the log data is held by the plurality of capacitive elements, the first end of the capacitive element corresponding to the switch among the plurality of capacitive elements is set to the first reference by setting all or some of the plurality of switches. A second DA converter that outputs, as a potential or a second reference potential, second data corresponding to the setting of each of the plurality of switches from an output end in which the second ends of the plurality of capacitive elements are connected in common; 3) a comparison unit that compares the first data with the second data and outputs a comparison signal representing the comparison result; and (4) based on the comparison signal, for each successive comparison step, the first data and A control unit that generates and outputs a first control signal and a second control signal so as to reduce a difference from the second data; and (5) a first reference potential or a second reference potential in any step of the successive approximation. Is given to the DA converter A constant amount of charge is injected into the reference potential supply line regardless of the comparison result history for each successive comparison step, and the potential variation of the reference potential supply line due to the setting change of the plurality of switches of the DA converter is reduced. A charge injection portion to be suppressed.
本発明において、電荷注入部は、逐次比較の少なくとも最初のステップにおいて、基準電位供給線に対し電荷を注入するのが好適である。電荷注入部は、逐次比較のステップが進むに従って、基準電位供給線に対し注入する電荷の量を適正化するのが好適である。ステップが進むにつれ、適正値は概ね減少して行く傾向にある。電荷注入部は、第1基準電位をDA変換部へ与える基準電位供給線に対し一定量の電荷を注入するとともに、第2基準電位をDA変換部へ与える基準電位供給線に対し一定量の電荷を注入するのが好適である。 In the present invention, it is preferable that the charge injection unit injects charges into the reference potential supply line in at least the first step of the successive comparison. It is preferable that the charge injection unit optimizes the amount of charge injected into the reference potential supply line as the successive comparison step proceeds. As the steps progress, the appropriate value tends to decrease. The charge injection unit injects a fixed amount of charge into the reference potential supply line that supplies the first reference potential to the DA conversion unit, and also supplies a fixed amount of charge to the reference potential supply line that supplies the second reference potential to the DA conversion unit. Is preferably injected.
電荷注入部は、第1端および第2端を有する容量部と、容量部の第1端を第1電源電位供給線または基準電位供給線に接続する第1スイッチと、容量部の第2端を第2電源電位供給線または第1電源電位供給線に接続する第2スイッチと、を含み、第1スイッチにより容量部の第1端を第1電源電位供給線に接続し、第2スイッチにより容量部の第2端を第2電源電位供給線に接続することにより、容量部に電荷を蓄積し、第1スイッチにより容量部の第1端を基準電位供給線に接続し、第2スイッチにより容量部の第2端を第1電源電位供給線に接続することにより、容量部に蓄積されていた電荷を基準電位供給線に対し注入するのが好適である。 The charge injection unit includes a capacitor having a first end and a second end, a first switch connecting the first end of the capacitor to the first power supply potential supply line or the reference potential supply line, and a second end of the capacitor Is connected to the second power supply potential supply line or the first power supply potential supply line, the first switch connects the first end of the capacitor to the first power supply potential supply line, and the second switch By connecting the second end of the capacitor portion to the second power supply potential supply line, electric charge is accumulated in the capacitor portion, and the first end of the capacitor portion is connected to the reference potential supply line by the first switch, and by the second switch By connecting the second end of the capacitor portion to the first power supply potential supply line, it is preferable to inject the charge accumulated in the capacitor portion into the reference potential supply line.
電荷注入部は、(1) 第1端および第2端を有し、第1端が基準電位供給線に接続され、第2端のレベルに応じて電荷蓄積または基準電位供給線への電荷注入を行う容量部と、(2) 容量部の第2端に接続された出力端を有し、容量部における電荷蓄積および電荷注入を制御する信号が入力されるインバータ回路と、(3) 容量部において電荷注入の後に電荷蓄積を開始した際にインバータ回路の出力端と容量部の第2端との間に流れる電流の大きさを制限する電流制限回路と、を含むのも好適である。 The charge injection unit has (1) a first end and a second end, the first end is connected to the reference potential supply line, and charge accumulation or charge injection to the reference potential supply line is performed according to the level of the second end And (2) an inverter circuit having an output terminal connected to the second end of the capacitor unit and receiving a signal for controlling charge accumulation and charge injection in the capacitor unit, and (3) the capacitor unit It is also preferable to include a current limiting circuit that limits the magnitude of the current flowing between the output terminal of the inverter circuit and the second terminal of the capacitor when charge accumulation is started after the charge injection.
電荷注入部は、第1端および第2端を有する容量部と、容量部の第1端と基準電位供給線との間に設けられた第1スイッチと、容量部の第1端と電源電位供給線との間に設けられた第2スイッチと、を含み、第1スイッチをオフ状態とし第2スイッチをオン状態とすることにより、容量部に電荷を蓄積し、第1スイッチをオン状態とし第2スイッチをオフ状態とすることにより、容量部に蓄積されていた電荷を基準電位供給線に対し注入するのも好適である。 The charge injection unit includes a capacitor unit having a first end and a second end, a first switch provided between the first end of the capacitor unit and the reference potential supply line, a first end of the capacitor unit, and a power supply potential And a second switch provided between the power supply line, the first switch is turned off, and the second switch is turned on, whereby charges are accumulated in the capacitor portion and the first switch is turned on. It is also preferable to inject the charge stored in the capacitor portion into the reference potential supply line by turning off the second switch.
また、容量部の容量値は可変であるのが好適である。 Further, it is preferable that the capacitance value of the capacitor portion is variable.
本発明のAD変換器は、逐次比較の各ステップの期間を短縮することができ、高速動作が容易である。 The AD converter according to the present invention can shorten the period of each step of successive approximation and can easily operate at high speed.
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. The present invention is not limited to these exemplifications, but is defined by the scope of the claims, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of the claims.
(第1構成例)
図1は、AD変換器1Aの構成を示す図である。この図に示される第1構成例のAD変換器1Aは、DA変換部10A、比較部20、制御部30Aおよび電荷注入部50を備える。AD変換器1Aは、入力アナログデータAinに応じたデジタルデータを制御部30Aから出力する。
(First configuration example)
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of the AD converter 1A. The AD converter 1A of the first configuration example shown in this figure includes a
DA変換部10Aは、N個の容量素子C0〜CN-1、N個のスイッチSW0〜SWN-1およびスイッチSWRSTを含む。N個のスイッチSW0〜SWN-1は、制御部30Aから出力される制御信号に基づいて設定される。各容量素子Cnの第1端は、対応するスイッチSWnと接続されている。各容量素子Cnの第1端は、スイッチSWnの設定により、高電位の第1基準電位VREFHまたは低電位の第2基準電位VREFLとされる。各容量素子Cnの第2端は、共通に接続されて出力端を構成している。スイッチSWRSTは、この出力端と第2基準電位供給線との間に設けられている。DA変換部10Aは、この出力端から、N個のスイッチSW0〜SWN-1それぞれの設定に応じたデータCTOPを比較部20へ出力する。
The
なお、Nは2以上の整数であり、nは0以上(N−1)以下の整数である。また、N個の容量素子C0〜CN-1のうち何れかの容量素子の第1端は一定電位とされる場合があり、その場合には、その容量素子に対応するスイッチは不要である。 N is an integer of 2 or more, and n is an integer of 0 or more and (N-1) or less. In addition, the first end of any one of the N capacitive elements C 0 to C N-1 may be at a constant potential, and in this case, a switch corresponding to the capacitive element is not necessary. is there.
比較部20は、2つの入力端それぞれに入力されるデータを大小比較して、その比較結果を表す比較信号を制御部30Aへ出力する。第1構成例では、比較部20は、DA変換部10Aから出力されたデータCTOPを一方の入力端に入力し、入力アナログデータAinを他方の入力端に入力する。
The
制御部30Aは、比較部20から出力された比較信号に基づいて、逐次比較のステップ毎に、DA変換部10Aから出力されるデータCTOPと入力アナログデータAinとの差が小さくなるように制御信号を生成して、その制御信号をDA変換部10Aへ出力する。
Based on the comparison signal output from the
電荷注入部50は、逐次比較の何れかステップにおいて、第1基準電位VREFHまたは第2基準電位VREFLをDA変換部10Aへ与える基準電位供給線に対し、逐次比較のステップ毎の比較部20による比較結果の履歴に依らず一定量の電荷を注入して、DA変換部10AのスイッチSW0〜SWN-1の設定変更に伴う基準電位供給線の電位変動を抑制する。
The
図2は、AD変換器1Aの第1動作例を説明する表である。第1動作例では、N=4とし、容量素子C0の容量値をCとし、容量素子C1の容量値をCとし、容量素子C2の容量値を2Cとし、容量素子C3の容量値を4Cとする。各容量素子の容量値は、単位容量値Cの倍数で示されている。この表には、逐次比較の各ステップにおける制御信号Ccodeおよび各容量素子Cnの第1端の電位が示されている。「H」は、容量素子の第1端が高電位の第1基準電位VREFHに接続されることを示し、「L」は、容量素子の第1端が低電位の第2基準電位VREFLに接続されることを示す。Ccodeは、DA変換部10Aの各スイッチの設定を制御するために制御部30AからDA変換部10Aに与えられる3ビットの制御信号である。スイッチSW3の設定は、Ccode[c2,c1,c0]のMSBであるc2により制御される。スイッチSW2の設定は、Ccodeの第2ビットであるc1より制御される。スイッチSW1の設定は、CcodeのLSBであるc0により制御される。容量素子C0は常に低電位の第2基準電位VREFLに接続されるので、スイッチSW0は無くてもよい。
FIG. 2 is a table for explaining a first operation example of the AD converter 1A. In the first operation example, N = 4, the capacitance value of the capacitive element C 0 is C, the capacitance value of the capacitive element C 1 is C, the capacitance value of the capacitive element C 2 is 2C, and the capacitance of the capacitive element C 3 The value is 4C. The capacitance value of each capacitive element is indicated by a multiple of the unit capacitance value C. The table has the potential of the first end of the control signals Ccode and the capacitors C n in each step of the successive approximation is shown. “H” indicates that the first end of the capacitive element is connected to the first reference potential VREFH having a high potential, and “L” indicates that the first end of the capacitive element is connected to the second reference potential VREFL having a low potential. Indicates that Ccode is a 3-bit control signal given from the
初期化ステップでは、4個のスイッチSW0〜SW3およびスイッチSWRSTにより、4個の容量素子C0〜C3それぞれの両端は、第2基準電位VREFLとされる。これにより、4個の容量素子C0〜C3それぞれの電荷は初期化され、DA変換部10Aから比較部20へ出力されるデータCTOPが初期化される。初期化ステップが終了すると、スイッチSWRSTはオフ状態となる。
In the initialization step, both ends of each of the four capacitive elements C 0 to C 3 are set to the second reference potential VREFL by the four switches SW 0 to SW 3 and the switch SW RST . As a result, the charges of the four capacitive elements C 0 to C 3 are initialized, and the data CTOP output from the
初期化ステップの後の逐次比較の最初のステップ1では、制御部30AからDA変換部10AにCcode[1,0,0]が与えられることで、容量素子C3は第1基準電位VREFHに接続され、容量素子C2,C1,C0は第2基準電位VREFLに接続される。すなわち、第1基準電位VREFHに接続される容量素子の容量値の総和は4Cとなり、第2基準電位VREFLに接続される容量素子の容量値の総和は4Cとなる。このような各容量素子の接続状態のときにDA変換部10Aから出力されるデータCTOPは(VREFH+VREFL)/2となる。
In a
ステップ1においてDA変換部10Aから出力されるデータCTOPと入力アナログデータAinとが比較部20により大小比較され、その比較結果を表す比較信号が比較部20から制御部30Aへ出力される。そして、制御部30Aにより、ステップ1の比較結果に応じて、逐次比較の次のステップ2でDA変換部10Aに与えられるCcodeが決定される。ステップ2は、ステップ1の比較結果に応じてケース1とケース2とに分かれる。データCTOPが入力アナログデータAinより小さい場合にケース1に進み、データCTOPが入力アナログデータAinより大きい場合にケース2に進む。
In
逐次比較のステップ2のケース1では、制御部30AからDA変換部10AにCcode[1,1,0]が与えられることで、容量素子C3,C2は第1基準電位VREFHに接続され、容量素子C1,C0は第2基準電位VREFLに接続される。すなわち、第1基準電位VREFHに接続される容量素子の容量値の総和は6Cとなり、第2基準電位VREFLに接続される容量素子の容量値の総和は2Cとなる。このような各容量素子の接続状態のときにDA変換部10Aから出力されるデータCTOPは(3VREFH+VREFL)/4となる。
In
ステップ2のケース1においてDA変換部10Aから出力されるデータCTOPと入力アナログデータAinとが比較部20により大小比較され、その比較結果を表す比較信号が比較部20から制御部30Aへ出力される。そして、制御部30Aにより、ステップ2のケース1の比較結果に応じて、逐次比較の次のステップ3でDA変換部10Aに与えられるCcodeが決定される。ステップ2のケース1の後のステップ3は、ステップ2のケース1の比較結果に応じてケース1-1とケース1-2とに分かれる。データCTOPが入力アナログデータAinより小さい場合にケース1-1に進み、データCTOPが入力アナログデータAinより大きい場合にケース1-2に進む。
In
逐次比較のステップ2のケース2では、制御部30AからDA変換部10AにCcode[0,1,0]が与えられることで、容量素子C2は第1基準電位VREFHに接続され、容量素子C3,C1,C0は第2基準電位VREFLに接続される。すなわち、第1基準電位VREFHに接続される容量素子の容量値の総和は2Cとなり、第2基準電位VREFLに接続される容量素子の容量値の総和は6Cとなる。このような各容量素子の接続状態のときにDA変換部10Aから出力されるデータCTOPは(VREFH+3VREFL)/4となる。
In step 2 of the case 2 of the successive approximation, the
ステップ2のケース2においてDA変換部10Aから出力されるデータCTOPと入力アナログデータAinとが比較部20により大小比較され、その比較結果を表す比較信号が比較部20から制御部30Aへ出力される。そして、制御部30Aにより、ステップ2のケース2の比較結果に応じて、逐次比較の次のステップ3でDA変換部10Aに与えられるCcodeが決定される。ステップ2のケース2の後のステップ3は、ステップ2のケース2の比較結果に応じてケース2-1とケース2-2とに分かれる。データCTOPが入力アナログデータAinより小さい場合にケース2-1に進み、データCTOPが入力アナログデータAinより大きい場合にケース2-2に進む。
In case 2 of step 2, the data CTOP output from the
ステップ3のケース1-1では、制御部30AからDA変換部10AにCcode[1,1,1]が与えられることで、容量素子C3,C2,C1は第1基準電位VREFHに接続され、容量素子C0は第2基準電位VREFLに接続される。すなわち、第1基準電位VREFHに接続される容量素子の容量値の総和は7Cとなり、第2基準電位VREFLに接続される容量素子の容量値の総和はCとなる。したがって、DA変換部10Aから出力されるデータCTOPは(7VREFH+VREFL)/8となる。
In case 1-1 of step 3, Ccode [1,1,1] is given from the
ステップ3のケース1-2では、制御部30AからDA変換部10AにCcode[1,0,1]が与えられることで、容量素子C3,C1は第1基準電位VREFHに接続され、容量素子C2,C0は第2基準電位VREFLに接続される。すなわち、第1基準電位VREFHに接続される容量素子の容量値の総和は5Cとなり、第2基準電位VREFLに接続される容量素子の容量値の総和は3Cとなる。したがって、DA変換部10Aから出力されるデータCTOPは(5VREFH+3VREFL)/8となる。
In case 1-2 of step 3, when Ccode [1,0,1] is given from the
ステップ3のケース2-1では、制御部30AからDA変換部10AにCcode[0,1,1]が与えられることで、容量素子C2,C1は第1基準電位VREFHに接続され、容量素子C3,C0は第2基準電位VREFLに接続される。すなわち、第1基準電位VREFHに接続される容量素子の容量値の総和は3Cとなり、第2基準電位VREFLに接続される容量素子の容量値の総和は5Cとなる。したがって、DA変換部10Aから出力されるデータCTOPは(3VREFH+5VREFL)/8となる。
In case 2-1 of step 3, when Ccode [0,1,1] is given from the
ステップ3のケース2-2では、制御部30AからDA変換部10AにCcode[0,0,1]が与えられることで、容量素子C1は第1基準電位VREFHに接続され、容量素子C3,C2,C0は第2基準電位VREFLに接続される。すなわち、第1基準電位VREFHに接続される容量素子の容量値の総和はCとなり、第2基準電位VREFLに接続される容量素子の容量値の総和は7Cとなる。したがって、DA変換部10Aから出力されるデータCTOPは(VREFH+7VREFL)/8となる。
In Case 2-2 Step 3, the
このように、逐次比較の最初のステップ1では、制御部30AからDA変換部10Aに与えられるCcodeが[1,0,0]に仮設定されて、DA変換部10Aから出力されるデータCTOPと入力アナログデータAinとが大小比較され、その比較結果に基づいて、CcodeのMSBであるc2が決定される。次のステップ2では、制御部30AからDA変換部10Aに与えられるCcodeが[c2,1,0]に仮設定されて、DA変換部10Aから出力されるデータCTOPと入力アナログデータAinとが大小比較され、その比較結果に基づいて、Ccodeの第2ビットであるc1が決定される。
Thus, in the
最後のステップ3では、制御部30AからDA変換部10Aに与えられるCcodeが[c2,c1,1]に仮設定されて、DA変換部10Aから出力されるデータCTOPと入力アナログデータAinとが大小比較され、その比較結果に基づいて、CcodeのLSBであるc0が決定される。そして、ステップ3の後に最終的に得られたCcode(または、このCcodeに基づいて得られるデジタルデータ)が、入力アナログデータAinに応じたデジタルデータとして制御部30Aから出力される。
In the final step 3, the Ccode given from the
図3は、AD変換器1Aの第2動作例を説明する表である。第2動作例では、N=8とし、8個の容量素子C0〜C7それぞれの容量値をCとする。容量素子C7,C6,C5,C4の容量値の総和は4Cであり、容量素子C3,C2の容量値の総和は2Cである。したがって、互いに並列に設けられている容量素子C7,C6,C5,C4がCcodeのc2に基づいて互いに同じ電位に設定されるとともに、互いに並列に設けられている容量素子C3,C2がCcodeのc1に基づいて互いに同じ電位に設定されることで、第2動作例は第1動作例と等価なものとなる。 FIG. 3 is a table for explaining a second operation example of the AD converter 1A. In the second operation example, N = 8, and the capacitance values of the eight capacitive elements C 0 to C 7 are C. The sum of the capacitance values of the capacitive elements C 7 , C 6 , C 5 , and C 4 is 4C, and the sum of the capacitance values of the capacitive elements C 3 and C 2 is 2C. Accordingly, the capacitive elements C 7 , C 6 , C 5 , C 4 provided in parallel with each other are set to the same potential based on c2 of Ccode, and the capacitive elements C 3 , C 3 provided in parallel with each other are set. by C 2 is set to the same potential to each other based on c1 of Ccode, the second operation example will be equivalent to a first operation example.
図4は、AD変換器1Aの第3動作例を説明する表である。前述の第2動作例の場合と同様に、この第3動作例でも、N=8とし、8個の容量素子C0〜C7それぞれの容量値をCとする。ただし、前述の第2動作例では、バイナリコードで表されたCcode[c2,c1,c0]に基づいて各容量素子の接続が決められていたが、この第3動作例では、Ccode[c2,c1,c0]をデコードして得られるサーモメータコードに基づいて各容量素子の接続が決められる。 FIG. 4 is a table for explaining a third operation example of the AD converter 1A. Similarly to the case of the second operation example described above, in this third operation example, N = 8, and the capacitance values of the eight capacitive elements C 0 to C 7 are C. However, in the above-described second operation example, the connection of each capacitive element is determined based on Ccode [c2, c1, c0] expressed in binary code, but in this third operation example, Ccode [c2, Connection of each capacitive element is determined based on a thermometer code obtained by decoding c1, c0].
この第3動作例において、逐次比較の最初のステップ1では、4個の容量素子C0〜C3は第1基準電位VREFHに接続され、4個の容量素子C4〜C7は第2基準電位VREFLに接続される。したがって、DA変換部10Aから出力されるデータCTOPは(VREFH+VREFL)/2となる。
In the third operation example, in the
ステップ2のケース1では、6個の容量素子C0〜C5は第1基準電位VREFHに接続され、2個の容量素子C6,C7は第2基準電位VREFLに接続される。したがって、DA変換部10Aから出力されるデータCTOPは(3VREFH+VREFL)/4となる。
In
ステップ2のケース2では、2個の容量素子C0,C1は第1基準電位VREFHに接続され、6個の容量素子C2〜C7は第2基準電位VREFLに接続される。したがって、DA変換部10Aから出力されるデータCTOPは(VREFH+3VREFL)/4となる。
In case 2 of step 2, the two capacitive elements C 0 and C 1 are connected to the first reference potential VREFH, and the six capacitive elements C 2 to C 7 are connected to the second reference potential VREFL. Therefore, the data CTOP output from the
ステップ3のケース1-1では、7個の容量素子C0〜C6は第1基準電位VREFHに接続され、1個の容量素子C7は第2基準電位VREFLに接続される。したがって、DA変換部10Aから出力されるデータCTOPは(7VREFH+VREFL)/8となる。
In case 1-1 of Step 3, the seven capacitive elements C 0 to C 6 are connected to the first reference potential VREFH, and the one capacitive element C 7 is connected to the second reference potential VREFL. Therefore, the data CTOP output from the
ステップ3のケース1-2では、5個の容量素子C0〜C4は第1基準電位VREFHに接続され、3個の容量素子C5〜C7は第2基準電位VREFLに接続される。したがって、DA変換部10Aから出力されるデータCTOPは(5VREFH+3VREFL)/8となる。
In Step 1-2 of Step 3, the five capacitive elements C 0 to C 4 are connected to the first reference potential VREFH, and the three capacitive elements C 5 to C 7 are connected to the second reference potential VREFL. Therefore, the data CTOP output from the
ステップ3のケース2-1では、3個の容量素子C0〜C2は第1基準電位VREFHに接続され、5個の容量素子C3〜C7は第2基準電位VREFLに接続される。したがって、DA変換部10Aから出力されるデータCTOPは(3VREFH+5VREFL)/8となる。
In the case 2-1 of Step 3, the three capacitive elements C 0 to C 2 are connected to the first reference potential VREFH, and the five capacitive elements C 3 to C 7 are connected to the second reference potential VREFL. Therefore, the data CTOP output from the
ステップ3のケース2-2では、1個の容量素子C0は第1基準電位VREFHに接続され、7個の容量素子C1〜C7は第2基準電位VREFLに接続される。したがって、DA変換部10Aから出力されるデータCTOPは(VREFH+7VREFL)/8となる。
In Case 2-2 Step 3, one of the capacitor C 0 is connected to the first reference potential VREFH, 7 pieces of the capacitor C 1 -C 7 is connected to the second reference potential VREFL. Therefore, the data CTOP output from the
このように、各ステップ・各ケースにおいて第3動作例のDA変換部10Aから出力されるデータCTOPは、前述した第1および第2の各動作例の場合にDA変換部10Aから出力されるデータCTOPと同じ値となる。
As described above, the data CTOP output from the
上記の第1〜第3の動作例の何れにおいても、初期化ステップから逐次比較の最初のステップ1に移行する際、および、逐次比較の或るステップから次のステップに移行する際に、基準電位供給線経由の電荷移動が生じる。V=VREFH−VREFLとすると、初期化ステップから逐次比較のステップ1に移行する際の電荷移動量は2CVである。ステップ1から次のステップ2のケース1に移行する際の電荷移動量はCV/2である。ステップ1から次のステップ2のケース2に移行する際の電荷移動量は3CV/2である。ステップ2のケース1から次のステップ3のケース1-1に移行する際、ステップ2のケース1から次のステップ3のケース1-2に移行する際、ステップ2のケース2から次のステップ3のケース2-2に移行する際、および、ステップ2のケース2から次のステップ3のケース2-1に移行する際にも、電荷移動が生じる。
In any of the first to third operation examples described above, the reference is used when shifting from the initialization step to the
逐次比較の各ステップにおけるDA変換部10Aの電荷移動量は、直前のステップの比較部20による比較結果のみでは決まらず、最初のステップから直前のステップまでの比較部20による比較結果の履歴に応じて異なる。一方、逐次比較の各ステップにおけるDA変換部10Aの電荷移動量は、基準電位供給線に基準電位(VREFH,VREFL)を出力するバッファの特性には依存しない。
The charge transfer amount of the
そこで、前述したとおり、非特許文献4,5に記載された技術は、最初のステップから直前のステップまでの比較部による比較結果の履歴に基づいて、基準電位供給線に対して注入する電荷の量をステップ毎に設定する。しかし、電荷注入を行うステップの数が多くなると、電荷注入量を決める為の回路は、論理が複雑になり、また、処理に要する時間が長くなる。すなわち、各ステップの期間の短縮化の意図に反する結果となる場合がある。
Therefore, as described above, the techniques described in
また、基準電位供給線に対して注入する電荷の量をステップ毎に短時間で正確に設定することができたとしても、その電荷をDA変換部に正確に注入することは困難である。その理由は次のとおりである。基準電位供給線に基準電位(VREFH,VREFL)を出力するバッファの出力インピーダンスが比較的小さいことから、注入した電荷の全てがDA変換部のみに流れるとは限らない。キックバックによる電荷移動のタイミングと電荷注入のタイミングとが少しでも異なると、基準電位の変動が生じて、バッファからの電荷注入が発生してしまう。キックバックによる電荷移動は高速であるので、キックバックによる電荷移動に電荷注入のタイミングを合わせることは困難である。非特許文献4でも、電荷注入した場合の基準電位の時間波形においてリップルが残っている様子が見える。
Even if the amount of charge injected into the reference potential supply line can be accurately set for each step in a short time, it is difficult to accurately inject the charge into the DA converter. The reason is as follows. Since the output impedance of the buffer that outputs the reference potential (VREFH, VREFL) to the reference potential supply line is relatively small, not all of the injected charges flow only to the DA converter. If the timing of charge transfer due to kickback is slightly different from the timing of charge injection, the reference potential fluctuates and charge injection from the buffer occurs. Since charge transfer by kickback is fast, it is difficult to match the timing of charge injection with charge transfer by kickback. Even in
このように、非特許文献4,5に記載された技術は、比較部による比較結果の履歴に基づいて電荷注入量をステップ毎に設定するものの、その為の論理が複雑で所要時間が長くなり、しかも、意図した量の電荷をDA変換部に注入することが困難である。
As described above, although the techniques described in
本実施形態では、電荷注入部50は、逐次比較の何れかステップにおいて、第1基準電位VREFHをDA変換部10Aへ与える基準電位供給線(VREFH供給線)、または、第2基準電位VREFLをDA変換部10Aへ与える基準電位供給線(VREFL供給線)に対し、逐次比較のステップ毎の比較部20による比較結果の履歴に依らず一定量の電荷を注入して、DA変換部10AのスイッチSW0〜SWN-1の設定変更に伴う基準電位供給線の電位変動を抑制する。したがって、電荷注入部50は、論理が簡単であるので、逐次比較の多くのステップにおいて電荷注入を行うことができる。そして、本実施形態のAD変換器1Aは、キックバックを小さくして、逐次比較の各ステップの期間を短縮することができ、高速動作が容易となる。
In the present embodiment, the
キックバックは、逐次比較の最初のステップでは大きく、ステップが進むに従って小さくなっていく傾向がある。したがって、電荷注入部50は、逐次比較の少なくとも最初のステップにおいて、VREFH供給線またはVREFL供給線に対し電荷を注入するのが好適である。また、電荷注入部50は、逐次比較のステップが進むに従って、VREFH供給線またはVREFL供給線に対し注入する電荷の量を適正化するのが好適である。
Kickback tends to be large at the first step of successive approximation and decrease as the step progresses. Therefore, it is preferable that the
電荷注入部50は、VREFH供給線に対し一定量の電荷を注入するとともに、VREFL供給線に対し一定量の電荷を注入するのが好適である。電荷注入部50は、第2基準電位VREFLが接地電位と同じである場合には、VREFH供給線に対してのみ一定量の電荷を注入してもよい。なお、基準電位供給線に対して電荷を注入する場合の他、基準電位供給線から電荷を引き抜く場合もあるが、これらを総称して注入という。
The
電荷注入部50は、電荷を蓄積する容量部を含む構成を有し、その容量部に蓄積した電荷を逐次比較の所定のステップにおいてVREFH供給線またはVREFL供給線に対し注入する。電荷注入部50は、逐次比較の複数のステップにおいて電荷注入を行う場合には、それら複数のステップそれぞれに対応して容量部を含む構成を有する。この場合、容量部の容量値はステップ毎に異なる。
The
また、電荷注入部50は、VREFH供給線およびVREFL供給線の双方に対して電荷注入を行う場合には、VREFH供給線およびVREFL供給線それぞれに対応して容量部を含む構成を有する。この場合、VREFH供給線に対応する容量部の容量値と、VREFL供給線に対応する容量部の容量値とは、互いに同じであってもよい。
Further, when charge injection is performed on both the VREFH supply line and the VREFL supply line, the
電荷注入部50は、容量部に電荷を蓄積する際に、第1電源電位または第2電源電位を用いてもよい。第1電源電位および第2電源電位のうち一方は高電位の電源電位(VDD電位)であり、他方は低電位の接地電位(VSS電位)である。以下では、VDD電位をDA変換部10Aへ与える電源電位供給線をVDD供給線といい、VSS電位をDA変換部10Aへ与える電源電位供給線をVSS供給線という。
The
第1基準電位VREFHはVDD電位と同じであってもよい。第2基準電位VREFLはVSS電位と同じであってもよい。一般に、第1基準電位VREFHおよび第2基準電位VREFLは、VDD電位およびVSS電位によって駆動されるバッファにより生成されて出力される。また、一般に、VDD≦VREFL であり、VREFH≦VDD である。 The first reference potential VREFH may be the same as the VDD potential. The second reference potential VREFL may be the same as the VSS potential. In general, the first reference potential VREFH and the second reference potential VREFL are generated and output by a buffer driven by the VDD potential and the VSS potential. In general, VDD ≦ VREFL and VREFH ≦ VDD.
電荷注入部50の容量部は、電荷蓄積時と電荷注入時との間の遷移の際に、両端がオープン状態となるのが好適である。このようにすることで、意図しない電荷の移動を抑制することができる。
It is preferable that both ends of the capacitor portion of the
電荷注入部50の容量部は、電荷蓄積時に基準電位供給線から切り離されているのが好適である。このようにすることで、電荷蓄積に因る基準電位供給線の電位変動を抑制することができるので、電荷蓄積時と電荷注入時との間の遷移のタイミングの自由度が高くなる。また、電荷蓄積の期間を長くとることができるので、電荷蓄積時に容量部に流れる電流を小さくすることができる。
It is preferable that the capacitor portion of the
電荷注入部50の容量部の容量値は可変であるのが好適である。第1基準電位VREFHおよび第2基準電位VREFLを生成するバッファの応答特性、および、基準電位供給線に設けられるデカップリング容量部の容量値などに応じて、容量部の容量値が設定されるのが好適である。
The capacitance value of the capacitance portion of the
次に、電荷注入部50の回路例として、電荷注入部51〜53の各構成について説明する。以下に示す回路例は、逐次比較の1ステップ分の構成である。
Next, as a circuit example of the
図5は、電荷注入部50の第1回路例としての電荷注入部51の構成を示す図である。電荷注入部51は、容量部101,102およびスイッチ111,112,121,122を備える。容量部101,102それぞれの容量値は、互いに異なっていてもよいが、互いに等しいのが好適である。スイッチ111,112,121,122それぞれは、制御部30Aから与えられる信号NSWに基づいて設定される。
FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of a
容量部101の第1端101aは、スイッチ111により、VDD供給線に接続された状態、VREFH供給線に接続された状態、および、オープン状態、の何れかとされる。容量部101の第2端101bは、スイッチ121により、VSS供給線に接続された状態、VDD供給線に接続された状態、および、オープン状態、の何れかとされる。
The
容量部102の第1端102aは、スイッチ112により、VSS供給線に接続された状態、VREFL供給線に接続された状態、および、オープン状態、の何れかとされる。容量部102の第2端102bは、スイッチ122により、VDD供給線に接続された状態、VSS供給線に接続された状態、および、オープン状態、の何れかとされる。
The
信号NSWがローレベルである期間、容量部101の第1端101aはスイッチ111によりVDD供給線に接続され、容量部101の第2端101bはスイッチ121によりVSS供給線に接続される。これにより、容量部101に電荷が蓄積される。また、信号NSWがローレベルである期間、容量部102の第1端102aはスイッチ112によりVSS供給線に接続され、容量部102の第2端102bはスイッチ122によりVDD供給線に接続される。これにより、容量部102に電荷が蓄積される。この電荷蓄積の所要時間は長くても構わないので、電荷蓄積時の各スイッチのオン抵抗値は大きくてもよい。また、電荷蓄積時の各スイッチのオン抵抗値を大きくすることで、電源ノイズを低減することができる。
During the period when the signal NSW is at a low level, the
信号NSWがハイレベルになると、容量部101の第1端101aはスイッチ111によりVREFH供給線に接続され、容量部101の第2端101bはスイッチ121によりVDD供給線に接続される。これにより、これまでに容量部101に蓄積されていた電荷はVREFH供給線に対し注入される。また、信号NSWがハイレベルになると、容量部102の第1端102aはスイッチ112によりVREFL供給線に接続され、容量部102の第2端102bはスイッチ122によりVSS供給線に接続される。これにより、これまでに容量部102に蓄積されていた電荷はVREFL供給線に対し注入される。この電荷注入は短時間で行われるのが好ましく、したがって、電荷注入時の各スイッチのオン抵抗値は小さいのが好ましい。
When the signal NSW becomes high level, the
なお、意図しない電荷の移動を回避するために、上記の電荷蓄積期間と電荷注入期間との間の遷移時には、スイッチ111,121により容量部101の両端をオープン状態とし、スイッチ112,122により容量部102の両端をオープン状態とする。
Note that, in order to avoid unintended charge movement, both ends of the
図6は、電荷注入部50の第2回路例としての電荷注入部52の構成を示す図である。電荷注入部52は、容量部201,202、PMOSトランジスタ211,212、NMOSトランジスタ221,222、NMOSトランジスタ231、PMOSトランジスタ232、抵抗器241,242、および、インバータ回路261,262を含む。容量部201,202それぞれの容量値は、互いに異なっていてもよいが、互いに等しいのが好適である。
FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of a
容量部201の第1端201aは、VREFH供給線に接続されている。容量部201は、第2端201bのレベルに応じて電荷蓄積またはVREFH供給線への電荷注入を行う。PMOSトランジスタ211およびNMOSトランジスタ221は、インバータ回路を構成している。すなわち、PMOSトランジスタ211のソースはVDD供給線に接続されている。NMOSトランジスタ221のソースはVSS供給線に接続されている。PMOSトランジスタ211およびNMOSトランジスタ221それぞれのゲートは、互いに接続されて入力端となっている。PMOSトランジスタ211およびNMOSトランジスタ221それぞれのドレインは、互いに接続されて出力端となっている。この出力端は、容量部201の第2端201bに接続されている。
The
PMOSトランジスタ211およびNMOSトランジスタ221からなるインバータ回路において、入力端とNMOSトランジスタ221のゲートとの間に、NMOSトランジスタ231および抵抗器241が設けられている。NMOSトランジスタ231のドレインは、抵抗器241に接続され、また、NMOSトランジスタ221,231それぞれのゲートに接続されている。NMOSトランジスタ231のソースはVSS供給線に接続されている。NMOSトランジスタ221,231はカレントミラー回路を構成している。
In the inverter circuit including the
NMOSトランジスタ231および抵抗器241は、容量部201において電荷注入の後に電荷蓄積を開始した際にインバータ回路の出力端と容量部201の第2端201bとの間に流れる電流の大きさを制限する電流制限回路251を構成している。すなわち、抵抗器241の抵抗値に応じた大きさの電流がNMOSトランジスタ231に流れるとともに、これに応じた大きさの電流がNMOSトランジスタ221に流れる。
The
容量部202の第1端202aは、VREFL供給線に接続されている。容量部202は、第2端202bのレベルに応じて電荷蓄積またはVREFL供給線への電荷注入を行う。PMOSトランジスタ212およびNMOSトランジスタ222は、インバータ回路を構成している。すなわち、PMOSトランジスタ212のソースはVDD供給線に接続されている。NMOSトランジスタ222のソースはVSS供給線に接続されている。PMOSトランジスタ212およびNMOSトランジスタ222それぞれのゲートは、互いに接続されて入力端となっている。PMOSトランジスタ212およびNMOSトランジスタ222それぞれのドレインは、互いに接続されて出力端となっている。この出力端は、容量部202の第2端202bに接続されている。
The
PMOSトランジスタ212およびNMOSトランジスタ222からなるインバータ回路において、入力端とPMOSトランジスタ212のゲートとの間に、PMOSトランジスタ232および抵抗器242が設けられている。PMOSトランジスタ232のドレインは、抵抗器242に接続され、また、PMOSトランジスタ212,232それぞれのゲートに接続されている。PMOSトランジスタ232のソースはVDD供給線に接続されている。PMOSトランジスタ212,232はカレントミラー回路を構成している。
In the inverter circuit including the
PMOSトランジスタ232および抵抗器242は、容量部202において電荷注入の後に電荷蓄積を開始した際にインバータ回路の出力端と容量部202の第2端202bとの間に流れる電流の大きさを制限する電流制限回路252を構成している。すなわち、抵抗器242の抵抗値に応じた大きさの電流がPMOSトランジスタ232に流れるとともに、これに応じた大きさの電流がPMOSトランジスタ212に流れる。
The
インバータ回路261は、制御部30Aから出力された信号NSWを入力して、その入力信号に対して論理反転して信号を出力する。PMOSトランジスタ211およびNMOSトランジスタ221からなるインバータ回路は、このインバータ回路261から出力された信号を入力して、電荷蓄積または電荷注入を行う。
The
インバータ回路262は、インバータ回路261から出力された信号を入力して、その入力信号に対して論理反転した信号を出力する。PMOSトランジスタ212およびNMOSトランジスタ222からなるインバータ回路は、このインバータ回路262から出力された信号を入力して、電荷蓄積または電荷注入を行う。
The
この回路例では、信号NSWがローレベルである期間、容量部201,202に電荷が蓄積される。信号NSWがハイレベルになると、これまでに容量部201に蓄積されていた電荷はVREFH供給線に対し注入され、また、これまでに容量部202に蓄積されていた電荷はVREFL供給線に対し注入される。また、この回路例では、電流制限回路251,252が設けられていることにより、逐次比較の処理中に電荷蓄積動作に遷移しても、基準電位供給線の電位変動を抑制することができる。
In this circuit example, charges are accumulated in the
図7は、電荷注入部50の第3回路例としての電荷注入部53の構成を示す図である。電荷注入部53は、容量部301,302、PMOSトランジスタ311、NMOSトランジスタ312、PMOSトランジスタ321、NMOSトランジスタ322、インバータ回路331〜335,341,342,351,352、NANDゲート回路361,362、および、インバータ回路363を含む。容量部301,302それぞれの容量値は、互いに異なっていてもよいが、互いに等しいのが好適である。
FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of a
容量部301の第1端301aは、PMOSトランジスタ311を介してVREFH供給線に接続され、PMOSトランジスタ321を介してVDD供給線に接続されている。容量部301の第2端301bは、インバータ回路351の出力端に接続されている。PMOSトランジスタ311は、容量部301の第1端301aとVREFH供給線との間に設けられた第1スイッチであり、インバータ回路341の出力端から出力される信号をゲートに入力して、その入力信号のレベルに応じてオン/オフが制御される。PMOSトランジスタ321は、容量部301の第1端301aとVDD供給線との間に設けられた第2スイッチであり、NANDゲート回路361の出力端から出力される信号をゲートに入力して、その入力信号のレベルに応じてオン/オフが制御される。
The
容量部302の第1端302aは、NMOSトランジスタ312を介してVREFL供給線に接続され、NMOSトランジスタ322を介してVSS供給線に接続されている。容量部302の第2端302bは、インバータ回路351の出力端に接続されている。NMOSトランジスタ312は、容量部302の第1端302aとVREFL供給線との間に設けられた第1スイッチであり、インバータ回路342の出力端から出力される信号をゲートに入力して、その入力信号のレベルに応じてオン/オフが制御される。NMOSトランジスタ322は、容量部302の第1端302aとVSS供給線との間に設けられた第2スイッチであり、NANDゲート回路362の出力端から出力されインバータ回路363により論理反転された信号をゲートに入力して、その入力信号のレベルに応じてオン/オフが制御される。
The
インバータ回路331〜335は、この順に直列的に接続されており、制御部30Aから出力された信号NSWを初段のインバータ回路331に入力して、その信号に対して各段のインバータ回路において順次に論理反転するとともに所定の遅延を与える。
The
インバータ回路341は、インバータ回路332から出力された信号を入力して、その入力信号を論理反転した信号をPMOSトランジスタ311のゲートへ出力する。インバータ回路342は、インバータ回路333から出力された信号を入力して、その入力信号を論理反転した信号をNMOSトランジスタ312のゲートへ出力する。インバータ回路351は、インバータ回路333から出力された信号を入力して、その入力信号を論理反転した信号を容量部301の第2端301bへ出力する。インバータ回路352は、インバータ回路334から出力された信号を入力して、その入力信号を論理反転した信号を容量部302の第2端302bへ出力する。
The
NANDゲート回路361は、インバータ回路331,335それぞれから出力された信号を入力して、これら2つの信号の否定論理積の信号をPMOSトランジスタ321のゲートへ出力する。NANDゲート回路362およびインバータ回路363は、インバータ回路331,335それぞれから出力された信号を入力して、これら2つの信号の論理積の信号をNMOSトランジスタ322のゲートへ出力する。
The
この回路例では、信号NSWがローレベルである期間、PMOSトランジスタ311およびNMOSトランジスタ312がオフ状態となるとともに、PMOSトランジスタ321およびNMOSトランジスタ322がオン状態となって、容量部301,302に電荷が蓄積される。信号NSWがハイレベルになると、PMOSトランジスタ311およびNMOSトランジスタ312がオン状態となるとともに、PMOSトランジスタ321およびNMOSトランジスタ322がオフ状態となって、これまでに容量部301に蓄積されていた電荷はVREFH供給線に対し注入され、また、これまでに容量部302に蓄積されていた電荷はVREFL供給線に対し注入される。
In this circuit example, while the signal NSW is at a low level, the
また、この回路例では、PMOSトランジスタ311およびPMOSトランジスタ321が同時にオン状態になることはなく、VREFH供給線とVDD供給線とが互いに接続されることはない。NMOSトランジスタ312およびNMOSトランジスタ322は同時にオン状態になることはなく、VREFL供給線とVSS供給線とが互いに接続されることはない。
In this circuit example, the
(第2構成例)
図8は、AD変換器1Bの構成を示す図である。この図に示される第2構成例のAD変換器1Bは、DA変換部10B、比較部20、制御部30B、スイッチ40および電荷注入部50を備える。AD変換器1Bは、入力アナログデータAinに応じたデジタルデータを制御部30Bから出力する。
(Second configuration example)
FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration of the
DA変換部10Bは、N個の容量素子C0〜CN-1およびN個のスイッチSW0〜SWN-1を含む。N個のスイッチSW0〜SWN-1は、制御部30Bから出力される制御信号に基づいて設定される。各容量素子Cnの第1端は、対応するスイッチSWnと接続されている。各容量素子Cnの第1端は、スイッチSWnの設定により、高電位の第1基準電位VREFHまたは低電位の第2基準電位VREFLとされる。各容量素子Cnの第2端は、共通に接続されて出力端を構成している。DA変換部10Bは、入力アナログデータAinをN個の容量素子C0〜CN-1によりホールドした後、N個のスイッチSW0〜SWN-1それぞれの設定に応じたデータCTOPを比較部20へ出力する。
The
なお、Nは2以上の整数であり、nは0以上(N−1)以下の整数である。また、N個の容量素子C0〜CN-1のうち何れかの容量素子の第1端は一定電位とされる場合があり、その場合には、その容量素子に対応するスイッチは不要である。 N is an integer of 2 or more, and n is an integer of 0 or more and (N-1) or less. In addition, the first end of any one of the N capacitive elements C 0 to C N-1 may be at a constant potential, and in this case, a switch corresponding to the capacitive element is not necessary. is there.
比較部20は、2つの入力端それぞれに入力されるデータを大小比較して、その比較結果を表す比較信号を制御部30Bへ出力する。第2構成例では、比較部20は、DA変換部10Bから出力されたデータCTOPを一方の入力端に入力し、基準レベルVCMを他方の入力端に入力する。基準レベルVCMは、例えば、第1基準電位VREFHと第2基準電位VREFLとの平均値である。または、基準レベルVCMは、比較部20が最も高性能(例えば、高感度、高SN比)に動作することができる値に設定される場合もある。スイッチ40は、比較部20の2つの入力端の間に設けられている。
The
制御部30Bは、比較部20から出力された比較信号に基づいて、逐次比較のステップ毎に、DA変換部10Bから出力されるデータCTOPと入力アナログデータAinとの差が小さくなるように制御信号を生成して、その制御信号をDA変換部10Bへ出力する。
Based on the comparison signal output from the
電荷注入部50は、逐次比較の何れかステップにおいて、VREFH供給線またはVREFL供給線に対し、逐次比較のステップ毎の比較部20による比較結果の履歴に依らず一定量の電荷を注入して、DA変換部10BのスイッチSW0〜SWN-1の設定変更に伴う基準電位供給線の電位変動を抑制する。この電荷注入部50については前述したとおりである。
The
このAD変換器1Bでは、初期化ステップにおいて、スイッチ40がオン状態となってCTOPがVCMに初期化されるとともに、各スイッチSWnの設定によって各容量素子Cnに入力アナログデータAinがホールドされる。AD変換器1Bは、この初期化ステップの後の逐次比較の各ステップでは、前述したAD変換器1Aの場合と同じ動作が可能である。
In the
図9は、AD変換器1Bの各スイッチSWnの回路例を示す図である。各スイッチSWnは、スイッチSWA、スイッチSWHおよびスイッチSWLを含む。これらのスイッチは、ゲート電圧の大きさに応じてソースとドレインとの間の導通/非導通が設定されるMOSトランジスタにより構成され得る。
FIG. 9 is a diagram illustrating a circuit example of each switch SW n of the
スイッチSWHは、VREFH供給線と容量素子Cnとの間に設けられている。スイッチSWHは、ゲート回路G1から出力される信号に基づいてオン/オフの設定が制御される。スイッチSWLは、VREFL供給線と容量素子Cnとの間に設けられている。スイッチSWLは、ゲート回路G2から出力される信号に基づいてオン/オフの設定が制御される。スイッチSWAは、入力アナログデータAinが入力される線と容量素子Cnとの間に設けられている。スイッチSWAは、信号ASWに基づいてオン/オフの設定が制御される。 Switch SW H is provided between the VREFH supply line and the capacitor C n. The switch SW H is controlled to be turned on / off based on a signal output from the gate circuit G1. Switch SW L is provided between the VREFL supply line and the capacitor C n. The switch SW L is controlled to be turned on / off based on a signal output from the gate circuit G2. Switch SW A is provided between the line and the capacitor C n input analog data Ain is input. The switch SW A is controlled to be turned on / off based on the signal ASW.
ゲート回路G1は、信号Cntlおよび信号ACTを入力して、これら2つの入力信号の値の論理積の値を有する信号をスイッチSWHに与える。ゲート回路G2は、信号Cntlの論理反転信号および信号ACTを入力して、これら2つの入力信号の値の論理積の値を有する信号をスイッチSWLに与える。ゲート回路G1,G2は、DA変換部10Bに設けられるのが好適である。
The gate circuit G1 receives the signal Cntl and signal ACT, providing a signal having a value of logical product of the values of these two input signals to the switch SW H. The gate circuit G2 inputs the logic inversion signal and signal ACT signal Cntl, providing a signal having a value of logical product of the values of these two input signals to the switch SW L. The gate circuits G1 and G2 are preferably provided in the
Cntlは、バイナリコードであるCcodeの何れかのビット、または、Ccodeをデコードして得られるサーモメータコードの何れかのビットである。ASWがハイレベルであるとき、各容量素子Cnに入力アナログデータAinがホールドされる。ASW がローレベルであって、ACTがハイレベルであるとき、容量素子Cnは、Cntlの値に応じて第1基準電位VREFHまたは第2基準電位VREFLに接続される。 Cntl is any bit of Ccode that is a binary code or any bit of a thermometer code obtained by decoding Ccode. When ASW is at a high level, the input analog data Ain is held in the capacitor element C n. When ASW is at a low level and ACT is at a high level, the capacitive element C n is connected to the first reference potential VREFH or the second reference potential VREFL depending on the value of Cntl.
図10は、AD変換器1Bの各スイッチSWnの動作を説明するタイミングチャートである。この図において、RSTは、スイッチ40のオン/オフを設定する為の信号である。ACTがハイレベルからローレベルに転じた後に、ASWはローレベルからハイレベルに転じ、RSTもローレベルからハイレベルに転じる。RSTがハイレベルからローレベルに転じた後に、ASWはハイレベルからローレベルに転じ、更にその後にACTはローレベルからハイレベルに転じる。
FIG. 10 is a timing chart for explaining the operation of each switch SW n of the
ACTがハイレベルからローレベルに転じた後に、ASWはローレベルからハイレベルに転じ、RSTもローレベルからハイレベルに転じる。RSTがハイレベルからローレベルに転じた後に、ASWはハイレベルからローレベルに転じる。初期化ステップにおいて、RSTおよびASWがハイレベルである期間に、スイッチ40がオン状態となって、CTOPがVCMに初期化され、各容量素子Cnに入力アナログデータAinがホールドされる。
After ACT changes from high level to low level, ASW changes from low level to high level, and RST also changes from low level to high level. After RST goes from high to low, ASW goes from high to low. In the initialization step, the duration RST and ASW is at a high level, the
なお、このようなスイッチ動作により、入力アナログデータAinが入力される線と基準電位供給線との間に貫通電流が流れることを回避することができ、また、各容量素子Cnにホールドされた入力アナログデータAinがリークすることを回避することができる。 By such a switching operation, it is possible to avoid a through current from flowing between the line to which the input analog data Ain is input and the reference potential supply line, and the capacitance elements C n are held. It is possible to prevent the input analog data Ain from leaking.
(第3構成例)
図11は、AD変換器1Cの構成を示す図である。この図に示される第3構成例のAD変換器1Cは、第1DA変換部11、第2DA変換部12、比較部20、制御部30C、スイッチ41、スイッチ42および電荷注入部50を備える。AD変換器1Cは、差動のアナログデータ(Ain1,Ain2)を入力し、第1入力アナログデータAin1と第2入力アナログデータAin2との差に応じたデジタルデータを制御部30Cから出力する。
(Third configuration example)
FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration of the
この第3構成例における第1DA変換部11および第2DA変換部12は、前述した第2構成例におけるDA変換部10Bと同じ構成を有する。第1DA変換部11は、第1入力アナログデータAin1を入力する。第2DA変換部12は、第2入力アナログデータAin2を入力する。
The
第1DA変換部11のN個のスイッチSW0〜SWN-1は、制御部30Cから出力される第1制御信号に基づいて設定される。第1DA変換部11は、第1入力アナログデータAin1をN個の容量素子C0〜CN-1によりホールドした後、N個のスイッチSW0〜SWN-1それぞれの設定に応じた第1データCTOP1を比較部20へ出力する。
The N switches SW 0 to SW N−1 of the first
第2DA変換部12のN個のスイッチSW0〜SWN-1は、制御部30Cから出力される第2制御信号に基づいて設定される。第2DA変換部12は、第2入力アナログデータAin2をN個の容量素子C0〜CN-1によりホールドした後、N個のスイッチSW0〜SWN-1それぞれの設定に応じた第2データCTOP2を比較部20へ出力する。
The N switches SW 0 to SW N−1 of the
なお、Nは2以上の整数であり、nは0以上(N−1)以下の整数である。また、第1DA変換部11および第2DA変換部12それぞれにおいて、N個の容量素子C0〜CN-1のうち何れかの容量素子の第1端は一定電位とされる場合があり、その場合には、その容量素子に対応するスイッチは不要である。
N is an integer of 2 or more, and n is an integer of 0 or more and (N-1) or less. Further, in each of the
比較部20は、2つの入力端それぞれに入力されるデータを大小比較して、その比較結果を表す比較信号を制御部30Cへ出力する。第3構成例では、比較部20は、第1DA変換部11から出力された第1データCTOP1を一方の入力端に入力し、第2DA変換部12から出力された第2データCTOP2を他方の入力端に入力する。スイッチ41は、比較部20の一方の入力端と基準レベルVCM供給線との間に設けられている。スイッチ42は、比較部20の他方の入力端と基準レベルVCM供給線との間に設けられている。基準レベルVCMは、例えば、第1基準電位VREFHと第2基準電位VREFLとの平均値である。または、基準レベルVCMは、比較部20が最も高性能(例えば、高感度、高SN比)に動作することができる値に設定される場合もある。
The
制御部30Cは、比較部20から出力された比較信号に基づいて、逐次比較のステップ毎に、第1データCTOP1と第2データCTOP2との差が小さくなるように第1制御信号および第2制御信号を生成して、第1制御信号を第1DA変換部11へ出力し、第2制御信号を第2DA変換部12へ出力する。
Based on the comparison signal output from the
電荷注入部50は、逐次比較の何れかステップにおいて、VREFH供給線またはVREFL供給線に対し、逐次比較のステップ毎の比較部20による比較結果の履歴に依らず一定量の電荷を注入して、第1DA変換部11および第2DA変換部12のスイッチSW0〜SWN-1の設定変更に伴う基準電位供給線の電位変動を抑制する。この電荷注入部50については前述したとおりである。
The
このAD変換器1Cでは、初期化ステップにおいて、スイッチ41,42の双方がオン状態となってCTOP1,CTOP2の双方がVCMに初期化されるとともに、第1DA変換部11において各スイッチSWnの設定によって各容量素子Cnに第1入力アナログデータAin1がホールドされ、第2DA変換部12において各スイッチSWnの設定によって各容量素子Cnに第2入力アナログデータAin2がホールドされる。AD変換器1Cは、この初期化ステップの後の逐次比較の各ステップでは、例えば次のような動作をする。
In the
図12は、AD変換器1Cの動作例を説明する表である。図12(a)は、AD変換器1Cの第1DA変換部11の動作を示す。図12(b)は、AD変換器1Cの第2DA変換部12の動作を示す。この動作例では、N=8とし、8個の容量素子C0〜C7それぞれの容量値をCとする。また、この動作例では、Ccode[c2,c1,c0]をデコードして得られるサーモメータコードに基づいて各容量素子の接続が決められる。制御部30Cから第2DA変換部12に与えられるCcode2は、制御部30Cから第1DA変換部11に与えられるCcode1の各ビットの極性を反転したものである。
FIG. 12 is a table for explaining an operation example of the
この動作例では、逐次比較の各ステップにおいて、8個の容量素子C0〜C7の何れも、第1基準電位VREFHまたは第2基準電位VREFLに接続される。第1DA変換部11の動作は、前述の図4で説明したAD変換器1Aの動作例と同様である。第2DA変換部12から出力される第2データCTOP2は、第1DA変換部11から出力される第2データCTOP1に対し2の補数となる。
In this operation example, in each step of the successive approximation, any of the eight capacitive elements C 0 to C 7 is connected to the first reference potential VREFH or the second reference potential VREFL. The operation of the
図13は、AD変換器1Cの動作例を説明するタイミングチャートである。この動作例では、出力すべきデジタルデータを5ビットデータとし、逐次比較のステップ1〜5のうちステップ3とステップ4との間に冗長ステップが挿入されている。逐次比較の各ステップにおいて、電荷注入部50によりVREFH供給線およびVREFL供給線それぞれに対して所定量の電荷が注入される。
FIG. 13 is a timing chart for explaining an operation example of the
NSW1は、ステップ1において電荷注入部50により電荷を注入する為に制御部30Cから与えられる信号である。ACTがハイレベルに転じると、NSW1もハイレベルに転じる。ステップ1の期間、NSW1はハイレベルである。NSW2は、ステップ2において電荷注入部50により電荷を注入する為に制御部30Cから与えられる信号である。ステップ2の期間、NSW2はハイレベルである。ただし、NSW1,NSW2のタイミングの正確性は要求されない。何故なら、第1基準電位VREFHおよび第2基準電位VREFLを生成するバッファの応答が遅いからである。
NSW1 is a signal given from the
この図には、実施例(電荷注入部50を動作させる場合)および比較例(電荷注入部50を動作させない場合)それぞれについて、第1基準電位VREFHと第2基準電位VREFLとの差(VREFH−VREFL)の時間変化が模式的に示されている。実際には逐次比較のステップ毎の比較部20による比較結果の履歴等によって基準電位差の時間波形は異なるが、概ね、この図に示されるような基準電位差の時間波形となる。また、各ステップにおいて、比較部20による比較のタイミングが矢印で示され、また、電荷注入部50による電荷注入のタイミングも矢印で示されている。
This figure shows the difference (VREFH−) between the first reference potential VREFH and the second reference potential VREFL for each of the example (when the
各ステップにおける比較部20による比較のタイミング(例えば、各ステップの期間の中央付近)までに基準電位の変動は整定していることが要求される。しかし、電荷注入部を用いない比較例では、AD変換器の高速化・高精度化が進むに従って、比較タイミングまでに基準電位の変動を整定させることは、より困難となってきている。電荷注入部50は、このような問題に対処するために設けられる。
It is required that the fluctuation of the reference potential is settled by the timing of comparison by the
この図に示される実施例では、電荷注入部50による電荷注入を過補償気味とし、各ステップにおける比較部20による比較のタイミングにおいて基準電位の変動幅をできるかぎり小さくして、後段のステップにおける基準電位の変動幅を小さくしている。
In the embodiment shown in this figure, the charge injection by the
この図に示される実施例では、ステップ1の期間においてのみNSW1をハイレベルとして、ステップ1終了時にNSW1をローレベルに転じさせている。同様に、ステップ2の期間においてのみNSW2をハイレベルとして、ステップ2終了時にNSW2をローレベルに転じさせている。このようにすることで、電荷注入部50の電荷蓄積用の容量部は、基準電位供給線から早期に切り離されて、電荷蓄積に使える時間を長くとることができる。これにより、電荷注入部50の電荷蓄積用の容量部へ流れる電流を小さくすることができ、電源ノイズの低減に寄与することができる。もし、1つのステップで電荷注入を終わらせることが難しい場合は、NSWのパルス幅を長くしてよい。その場合、NSW1とNSW2との間にオーバーラップ期間が生じても問題ない。
In the embodiment shown in this figure, NSW1 is set to the high level only during the period of
また、この図に示される例では、逐次比較のステップ1〜5のうちステップ3とステップ4との間に冗長ステップが挿入されている。この冗長ステップまでに基準電位の変動は十分に整定していることが好ましい。このようにするには、電荷注入量だけでなく他の制約条件を含めて、AD変換器の全体を適切に設計することが重要である。
In the example shown in this figure, a redundant step is inserted between
図14は、AD変換器1Cの動作のシミュレーション結果を示す図である。このシミュレーションでは、出力すべきデジタルデータを12ビットデータとし、逐次比較のステップ1〜12に2つの冗長ステップを加え、また、入力アナログデータのサンプリング・ホールドに2ステップ分の時間を要するとして、1つの入力アナログデータに対するAD変換処理を合計16ステップ分の期間で行う。DA変換部の各容量素子の接続は、12ビットのCcodeをデコードして得られるサーモメータコードおよび冗長制御信号に基づいて設定される。DA変換部の各容量素子の第2端が比較部の入力端に接続されて、DA変換部の各容量素子の第1端に入力アナログデータAinが入力されるボトムプレートサンプリングの構成である。
FIG. 14 is a diagram illustrating a simulation result of the operation of the
逐次比較のステップ1,2,3,5,7,8それぞれにおいて、電荷注入部50によりVREFH供給線およびVREFL供給線それぞれに対して所定量の電荷が注入される。電荷注入量は、揺れ幅ができるだけセンター付近に留まるように調整される。冗長補正能力は上下対称に作られているので、各ステップの変動範囲のセンターが全て揃っていることが望ましいからである。
In each of the
この図には、実施例(電荷注入部50を動作させる場合)および比較例(電荷注入部50を動作させない場合)それぞれについて、様々な値の入力アナログデータについてAD変換処理を行ったときの第1基準電位VREFHと第2基準電位VREFLとの差(VREFH−VREFL)の時間変化が重ねて示されている。各ステップにおける比較部20による比較のタイミング(各ステップの期間の中央付近)における基準電位の変動幅は、比較例に比べて実施例では小さくなっている。電荷注入により得られる効果は、逐次比較の最初のステップ1およびステップ2で顕著である。
This figure shows the results when AD conversion processing is performed on input analog data of various values for each of the example (when the
(変形例)
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。本発明の考え方は逐次比較型AD変換器全般に適用できる。例えば、逐次比較のステップの途中または最後に冗長ステップを挿入してもよい。
(Modification)
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made. The concept of the present invention can be applied to all successive approximation AD converters. For example, a redundant step may be inserted during or at the end of the successive approximation step.
上述した第2および第3の構成例のAD変換器は、DA変換部の各容量素子の第2端が比較部の入力端に接続されて、DA変換部の各容量素子の第1端に入力アナログデータAinが入力されるボトムプレートサンプリングの構成であった。AD変換器は、比較部の入力端に接続されるDA変換部の各容量素子の第2端に入力アナログデータが入力されるトッププレートサンプリングの構成であってもよい。 In the AD converters of the second and third configuration examples described above, the second end of each capacitive element of the DA conversion unit is connected to the input end of the comparison unit, and is connected to the first end of each capacitive element of the DA conversion unit. It was a configuration of bottom plate sampling in which input analog data Ain was input. The AD converter may have a configuration of top plate sampling in which input analog data is input to the second end of each capacitive element of the DA conversion unit connected to the input end of the comparison unit.
1A〜1C…AD変換器、10A,10B…DA変換部、11…第1DA変換部、12…第2DA変換部、20…比較部、30A〜30C…制御部、40〜42…スイッチ、50〜53…電荷注入部、101,102…容量部、111,112,121,122…スイッチ、201,202…容量部、211,212…PMOSトランジスタ、221,222…NMOSトランジスタ、231…NMOSトランジスタ、232…PMOSトランジスタ、241,242…抵抗器、251,252…電流制限回路、261,262…インバータ回路、301,302…容量部、311…PMOSトランジスタ、312…NMOSトランジスタ、321…PMOSトランジスタ、322…NMOSトランジスタ、331〜335,341,342,351,352…インバータ回路、361,362…NANDゲート回路、363…インバータ回路、C0〜CN-1…容量素子、SW0〜SWN-1…スイッチ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1A-1C ... AD converter, 10A, 10B ... DA converter, 11 ... 1st DA converter, 12 ... 2nd DA converter, 20 ... Comparison part, 30A-30C ... Control part, 40-42 ... Switch, 50- 53 ... Charge injection unit, 101, 102 ... Capacitor unit, 111, 112, 121, 122 ... Switch, 201, 202 ... Capacitor unit, 211, 212 ... PMOS transistor, 221, 222 ... NMOS transistor, 231 ... NMOS transistor, 232 ... PMOS transistors, 241,242 ... resistors, 251,252 ... current limiting circuits, 261,262 ... inverter circuits, 301,302 ... capacitors, 311 ... PMOS transistors, 312 ... NMOS transistors, 321 ... PMOS transistors, 322 ... NMOS transistor, 331-335, 341, 342 351,352 ... inverter circuit, 361 and 362 ... NAND gate circuit, 363 ... inverter circuit, C 0 ~C N-1 ... capacitive element, SW 0 ~SW N-1 ... switch.
Claims (10)
複数の容量素子と、制御信号に基づいて設定される複数のスイッチとを含み、前記複数のスイッチのうちの全て又は一部のスイッチの設定により、
前記複数の容量素子のうちの該スイッチに対応する容量素子の第1端を第1基準電位または第2基準電位として、前記複数のスイッチそれぞれの設定に応じたデータを、前記複数の容量素子それぞれの第2端が共通に接続されてなる出力端から出力するDA変換部と、
前記DA変換部から出力されるデータと前記入力アナログデータとを大小比較して、その比較結果を表す比較信号を出力する比較部と、
前記比較信号に基づいて、逐次比較のステップ毎に、前記DA変換部から出力されるデータと前記入力アナログデータとの差が小さくなるように前記制御信号を生成して出力する制御部と、
逐次比較の何れかステップにおいて、前記第1基準電位または前記第2基準電位を前記DA変換部へ与える基準電位供給線に対し、逐次比較のステップ毎の前記比較結果の履歴に依らず一定量の電荷を注入して、前記DA変換部の前記複数のスイッチの設定変更に伴う前記基準電位供給線の電位変動を抑制する電荷注入部と、
を備えるAD変換器。 A successive approximation AD converter that outputs digital data corresponding to input analog data,
Including a plurality of capacitive elements and a plurality of switches set based on a control signal, by setting all or a part of the plurality of switches,
The first end of the capacitive element corresponding to the switch among the plurality of capacitive elements is used as the first reference potential or the second reference potential, and data corresponding to the setting of each of the plurality of switches is used for A DA converter that outputs from an output end that is commonly connected to the second end of
A comparison unit that compares the data output from the DA conversion unit with the input analog data and outputs a comparison signal representing the comparison result;
Based on the comparison signal, a control unit that generates and outputs the control signal so that the difference between the data output from the DA conversion unit and the input analog data is reduced at each successive comparison step;
In any step of the successive approximation, a constant amount is applied to the reference potential supply line that supplies the first reference potential or the second reference potential to the DA converter, regardless of the history of the comparison results for each successive comparison step. A charge injection unit that injects electric charge and suppresses potential fluctuations of the reference potential supply line due to setting changes of the plurality of switches of the DA conversion unit;
An AD converter comprising:
複数の容量素子と、制御信号に基づいて設定される複数のスイッチとを含み、前記入力アナログデータを前記複数の容量素子によりホールドした後、前記複数のスイッチのうちの全て又は一部のスイッチの設定により、前記複数の容量素子のうちの該スイッチに対応する容量素子の第1端を第1基準電位または第2基準電位として、前記複数のスイッチそれぞれの設定に応じたデータを、前記複数の容量素子それぞれの第2端が共通に接続されてなる出力端から出力するDA変換部と、
前記DA変換部から出力されるデータと基準レベルとを大小比較して、その比較結果を表す比較信号を出力する比較部と、
前記比較信号に基づいて、逐次比較のステップ毎に、前記DA変換部から出力されるデータと前記基準レベルとの差が小さくなるように前記制御信号を生成して出力する制御部と、
逐次比較の何れかステップにおいて、前記第1基準電位または前記第2基準電位を前記DA変換部へ与える基準電位供給線に対し、逐次比較のステップ毎の前記比較結果の履歴に依らず一定量の電荷を注入して、前記DA変換部の前記複数のスイッチの設定変更に伴う前記基準電位供給線の電位変動を抑制する電荷注入部と、
を備えるAD変換器。 A successive approximation AD converter that outputs digital data corresponding to input analog data,
Including a plurality of capacitive elements and a plurality of switches set based on a control signal, and after holding the input analog data by the plurality of capacitive elements, all or some of the plurality of switches By setting the first end of the capacitive element corresponding to the switch among the plurality of capacitive elements as a first reference potential or a second reference potential, data corresponding to the setting of each of the plurality of switches is obtained. A DA converter that outputs from an output end in which the second ends of the capacitive elements are connected in common;
A comparison unit that compares the data output from the DA conversion unit with a reference level and outputs a comparison signal representing the comparison result;
Based on the comparison signal, a control unit that generates and outputs the control signal so that a difference between the data output from the DA conversion unit and the reference level is reduced at each successive comparison step;
In any step of the successive approximation, a constant amount is applied to the reference potential supply line that supplies the first reference potential or the second reference potential to the DA converter, regardless of the history of the comparison results for each successive comparison step. A charge injection unit that injects electric charge and suppresses potential fluctuations of the reference potential supply line due to setting changes of the plurality of switches of the DA conversion unit;
An AD converter comprising:
複数の容量素子と、第1制御信号に基づいて設定される複数のスイッチとを含み、前記第1入力アナログデータを前記複数の容量素子によりホールドした後、前記複数のスイッチのうちの全て又は一部のスイッチの設定により、前記複数の容量素子のうちの該スイッチに対応する容量素子の第1端を第1基準電位または第2基準電位として、前記複数のスイッチそれぞれの設定に応じた第1データを、前記複数の容量素子それぞれの第2端が共通に接続されてなる出力端から出力する第1DA変換部と、
複数の容量素子と、第2制御信号に基づいて設定される複数のスイッチとを含み、前記第2入力アナログデータを前記複数の容量素子によりホールドした後、前記複数のスイッチのうちの全て又は一部のスイッチの設定により、前記複数の容量素子のうちの該スイッチに対応する容量素子の第1端を第1基準電位または第2基準電位として、前記複数のスイッチそれぞれの設定に応じた第2データを、前記複数の容量素子それぞれの第2端が共通に接続されてなる出力端から出力する第2DA変換部と、
前記第1データと前記第2データとを大小比較して、その比較結果を表す比較信号を出力する比較部と、
前記比較信号に基づいて、逐次比較のステップ毎に、前記第1データと前記第2データとの差が小さくなるように前記第1制御信号および前記第2制御信号を生成して出力する制御部と、
逐次比較の何れかステップにおいて、前記第1基準電位または前記第2基準電位を前記DA変換部へ与える基準電位供給線に対し、逐次比較のステップ毎の前記比較結果の履歴に依らず一定量の電荷を注入して、前記DA変換部の前記複数のスイッチの設定変更に伴う前記基準電位供給線の電位変動を抑制する電荷注入部と、
を備えるAD変換器。 A successive approximation AD converter that outputs digital data corresponding to a difference between first input analog data and second input analog data,
A plurality of capacitive elements and a plurality of switches set based on a first control signal, and after holding the first input analog data by the plurality of capacitive elements, all or one of the plurality of switches. A first terminal corresponding to the setting of each of the plurality of switches, with the first end of the capacitive element corresponding to the switch among the plurality of capacitive elements being a first reference potential or a second reference potential. A first DA converter that outputs data from an output end formed by connecting a second end of each of the plurality of capacitive elements in common;
A plurality of capacitive elements and a plurality of switches set based on a second control signal, and after holding the second input analog data by the plurality of capacitive elements, all or one of the plurality of switches. A second end corresponding to the setting of each of the plurality of switches, with the first end of the capacitor corresponding to the switch among the plurality of capacitors set as the first reference potential or the second reference potential. A second DA converter that outputs data from an output end formed by connecting a second end of each of the plurality of capacitive elements in common;
A comparison unit that compares the first data with the second data and outputs a comparison signal representing the comparison result;
A control unit that generates and outputs the first control signal and the second control signal based on the comparison signal so that the difference between the first data and the second data is reduced at each successive comparison step. When,
In any step of the successive approximation, a constant amount is applied to the reference potential supply line that supplies the first reference potential or the second reference potential to the DA converter, regardless of the history of the comparison results for each successive comparison step. A charge injection unit that injects electric charge and suppresses potential fluctuations of the reference potential supply line due to setting changes of the plurality of switches of the DA conversion unit;
An AD converter comprising:
請求項1〜3の何れか1項に記載のAD変換器。 The charge injection unit injects charges into the reference potential supply line in at least the first step of successive comparison;
The AD converter of any one of Claims 1-3.
請求項1〜4の何れか1項に記載のAD変換器。 The charge injection unit optimizes the amount of charge injected into the reference potential supply line as the successive comparison step proceeds.
The AD converter of any one of Claims 1-4.
請求項1〜5の何れか1項に記載のAD変換器。 The charge injection unit injects a fixed amount of charge into a reference potential supply line that supplies the first reference potential to the DA conversion unit, and also applies to the reference potential supply line that supplies the second reference potential to the DA conversion unit. Inject a certain amount of electric charge,
The AD converter of any one of Claims 1-5.
第1端および第2端を有する容量部と、前記容量部の第1端を第1電源電位供給線または前記基準電位供給線に接続する第1スイッチと、前記容量部の第2端を第2電源電位供給線または前記第1電源電位供給線に接続する第2スイッチと、を含み、
前記第1スイッチにより前記容量部の第1端を前記第1電源電位供給線に接続し、前記第2スイッチにより前記容量部の第2端を前記第2電源電位供給線に接続することにより、前記容量部に電荷を蓄積し、
前記第1スイッチにより前記容量部の第1端を前記基準電位供給線に接続し、前記第2スイッチにより前記容量部の第2端を前記第1電源電位供給線に接続することにより、前記容量部に蓄積されていた電荷を前記基準電位供給線に対し注入する、
請求項1〜6の何れか1項に記載のAD変換器。 The charge injection part is
A capacitor having a first end and a second end; a first switch connecting the first end of the capacitor to the first power supply potential supply line or the reference potential supply line; and a second end of the capacitor Two power supply potential supply lines or a second switch connected to the first power supply potential supply line,
The first switch connects the first end of the capacitor to the first power supply potential supply line, and the second switch connects the second end of the capacitor to the second power supply potential supply line. Accumulate charges in the capacitor part,
The first switch connects the first end of the capacitor to the reference potential supply line, and the second switch connects the second end of the capacitor to the first power supply potential supply line. Injecting the charge accumulated in the part into the reference potential supply line,
The AD converter of any one of Claims 1-6.
第1端および第2端を有し、第1端が前記基準電位供給線に接続され、第2端のレベルに応じて電荷蓄積または前記基準電位供給線への電荷注入を行う容量部と、
前記容量部の第2端に接続された出力端を有し、前記容量部における電荷蓄積および電荷注入を制御する信号が入力されるインバータ回路と、
前記容量部において電荷注入の後に電荷蓄積を開始した際に前記インバータ回路の出力端と前記容量部の第2端との間に流れる電流の大きさを制限する電流制限回路と、
を含む、
請求項1〜6の何れか1項に記載のAD変換器。 The charge injection part is
A capacitor having a first end and a second end, the first end being connected to the reference potential supply line, and performing charge accumulation or charge injection into the reference potential supply line according to the level of the second end;
An inverter circuit having an output terminal connected to the second end of the capacitor unit, to which a signal for controlling charge accumulation and charge injection in the capacitor unit is input;
A current limiting circuit for limiting a magnitude of a current flowing between an output terminal of the inverter circuit and a second terminal of the capacitor unit when charge accumulation is started after charge injection in the capacitor unit;
including,
The AD converter of any one of Claims 1-6.
第1端および第2端を有する容量部と、前記容量部の第1端と前記基準電位供給線との間に設けられた第1スイッチと、前記容量部の第1端と電源電位供給線との間に設けられた第2スイッチと、を含み、
前記第1スイッチをオフ状態とし前記第2スイッチをオン状態とすることにより、前記容量部に電荷を蓄積し、
前記第1スイッチをオン状態とし前記第2スイッチをオフ状態とすることにより、前記容量部に蓄積されていた電荷を前記基準電位供給線に対し注入する、
請求項1〜6の何れか1項に記載のAD変換器。 The charge injection part is
A capacitor having a first end and a second end, a first switch provided between the first end of the capacitor and the reference potential supply line, a first end of the capacitor and a power supply potential supply line A second switch provided between and
By storing the first switch in an off state and the second switch in an on state, electric charge is accumulated in the capacitor unit,
The first switch is turned on and the second switch is turned off to inject the charge accumulated in the capacitor portion into the reference potential supply line.
The AD converter of any one of Claims 1-6.
請求項7〜9の何れか1項に記載のAD変換器。 The capacity value of the capacity section is variable.
The AD converter of any one of Claims 7-9.
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