JP3971663B2 - AD converter - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般にアナログ信号をデジタル信号に変換するAD変換器に関し、詳しくは逐次比較動作によりアナログ信号をデジタル信号に変換する逐次比較型AD変換器に関する。
【従来の技術】
逐次比較型AD変換器は、比較的簡単な回路構成で実現され、CMOSプロセスとの整合性が高く比較的安価に製造可能であり、且つ比較的高速な変換時間を達成することが出来る。逐次比較型AD変換器のうちでダブルステージ型のものは、高分解能のAD変換器を小さな実装面積で実現することが出来る。
【0002】
ダブルステージ型の逐次比較型AD変換器は、最大ビット(MSB)側を決定するための主DAC(DA変換器)と、最小ビット(LSB)側を決定するための副DAC(DA変換器)との2段構成となっている。まず主DAC(DA変換器)により設定したアナログ電位と入力アナログ電位とを比較することで、上位ビットを決定する。この決定された上位ビットに対応する主DACのアナログ電位と副DACにより設定したアナログ電位とを加算し、この和と入力アナログ電位とを比較することで下位ビットを決定する。
【0003】
主DAC或いは副DACを構成するDACは、抵抗ストリング或いは容量アレイで実現することが出来る。主DACと副DACとに何れの型を用いるかによって、
(1)容量アレイ+容量アレイ型(以下C−C型)、
(2)抵抗ストリング+容量アレイ型(以下R−C型)、
(3)容量アレイ+抵抗ストリング型(以下C−R型)、
(4)抵抗ストリング+抵抗ストリング型(以下R−R型)、
の4つのタイプがある。
【0004】
図1は、従来のC−R型ダブルステージDACを用いた逐次比較型AD変換器の回路図である。
【0005】
図1の逐次比較型AD変換器は、入力電位Vinを印加する入力端子10、ノード20乃至23、ノード40乃至44、スイッチ回路100、スイッチ回路200、スイッチ回路201、スイッチ回路202、コンパレータ300、逐次比較制御回路301、抵抗R1乃至R16、及びコンデンサC1乃至C5を含む。逐次比較制御回路301により、各スイッチ回路100、200、201、202等の動作が制御される。
【0006】
R1乃至R16とスイッチ回路100とで4ビット副DACを構成し、C1乃至C5とスイッチ回路200(及び201、202)で4ビット主DACを構成している。主DACを構成するC1乃至C5は、C1とC2の容量値を各々Cxとすると、C3が2Cx、C4が4Cx、C5が8Cxと重み付けされている。サンプリング時には、C1乃至C5の全てが、スイッチ回路200、ノード21、スイッチ回路201を介してアナログ入力端子10(Vin)に接続され、入力電位Vinに充電される。この時スイッチ202は、ノード20がGNDとなるように制御される。サンプリング容量C3からC5は相対精度を確保するために、ある単位容量Cxを例えば2個、4個、或いは8個並列に接続することで実現するのが一般的である。
【0007】
サンプリング終了後、比較動作を開始し、MSBから順番に入力電位Vinに対応するデジタルデータを決定していく。具体的には、スイッチ202を開放してノード20を浮遊状態とし、例えばノード40乃至43をスイッチ200及び201を介してGNDに接続すると共に、ノード44をリファレンス電位Vref(端子1)に接続する。この接続により、サンプリング時に入力電位Vinによって蓄えられた電荷がサンプリング容量C1乃至C5間で再分配され、ノード20の電位はVref/2−Vinとなる。ノード20はコンパレータ300の入力に接続されており、アナログ入力電位Vinがリファレンス電位Vrefの1/2より大きいか小さいかを、コンパレータ300の出力であるノード22の電位により判定することが出来る。
【0008】
上記接続では、ノード44をリファレンス電位Vrefに接続し、それ以外のノード40乃至43をGNDに接続した。即ち、C5の8Cxをリファレンス電位Vrefに接続し、残りのC1乃至C4の合計8CxをGNDに接続した。一般に、リファレンス電位Vrefに接続する単位容量Cxの個数をmとし、GNDに接続する残りの単位容量Cxの個数を16−mとすると、ノード20の電位Vは、
V = (m/16)Vref − Vin
となる。例えば、ノード41をVrefに接続し、残りのノード40、42、43、及び44をGNDに接続すると、mが1であるのでノード20の電位はVref/16−Vinとなる。
【0009】
従ってmを逐次的に変化させていくことで、ノード20の電位をVref/16刻みで変化させることが可能であり、デジタルデータのMSB側(上位4ビット)を決定することができる。
【0010】
次に、上記のようにして決定されたmをm’として、C2乃至C5のうちでm’個の単位容量Cxをリファレンス電位Vrefに接続し、C2乃至C5のうちで残りの15−m’個の単位容量CxをGNDに接続し、更にC1の1つの単位容量Cxのノード40を副DAC(R1乃至R16とスイッチ回路100)に接続する。副DACによりノード40の電位をVref/16刻みで変化させることで、コンパレータ入力20の電位をVref/256刻みで変化させることができる。これによりのデジタルデータのLSB側(下位4ビット)を決定し、合計8ビットのデジタルデータを得ることができる。
【0011】
図1の回路では、単位容量Cxを16個と単位抵抗を16個用意することで、8ビット精度のAD変換が実現される。容量だけ或いは抵抗だけでシングルステージの8ビット精度のDACを作ろうとすると、単位容量が256個或いは単位抵抗が256個必要になってしまう。図1の回路のようにダブルステージ型DACを使うことにより、大幅に部品数を削減することが出来る。また図1の回路では、4ビット副DACの抵抗の精度は4ビット精度程度でよく、小面積で抵抗副DACを実現することが出来る。
【発明が解決しようとする課題】
近年、AD変換器の高速化への要求はますます強くなっており、小面積で回路を構成できる逐次比較型AD変換器の高速化が強く望まれている。
【0012】
本発明の第1の目的は、逐次比較型AD変換器のAD変換の処理時間を短縮した回路を提供することにある。
【0013】
また図1に示される従来回路においては、副DAC(R1乃至R16とスイッチ回路100)の出力であるノード23の電位を、例えばVref/2に設定する場合にはスイッチングが遅くなるという問題がある。これは、スイッチ回路が一般にCMOSトランスファゲートで実現されるので、電源電圧(Vref)が低い場合には、Vref/2のソース・ドレイン電圧に対してPMOS及びNMOS共にON抵抗が高くなり、スイッチ回路100での遅延時間が大きくなるためである。
【0014】
従って、本発明の第2の目的は、電源電圧が低い場合でも、抵抗DACでの遅延時間が増加しない回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
本発明による逐次比較型AD変換器は、入力電位をサンプリングして電荷を蓄える複数の容量からなる容量配列を含み、第1の基準電位と第2の基準電位とが該容量配列に選択的に印加されるLビット容量型DA変換器と、電位分割により所望の電位を生成する第1のMビット抵抗型DA変換器と、電位分割により所望の電位を生成する第2のNビット抵抗型DA変換器と、該第1のMビット抵抗型DA変換器の出力を該Lビット容量型DA変換器の出力に容量結合により加算する第1の信号経路と、該第2のNビット抵抗型DA変換器の出力を該Lビット容量型DA変換器の出力に容量結合により加算する第2の信号経路と、比較器と、を含む分解能が(L+M+N)ビットの逐次比較型AD変換器において、該Lビット容量型DA変換器はAD変換の対象である全ビットのうち最上位ビットからLビットに対応し、該第1のMビット抵抗型DA変換器は該Lビットに続くMビットに対応し、該第2のNビット抵抗型DA変換器は該Mビットに続くNビットに対応し、該第1のMビット抵抗型DA変換器と該第2のNビット抵抗型DA変換器とは、電位分割のために抵抗列を共有し、該第1のMビット抵抗型DA変換器と該第2のNビット抵抗型DA変換器とは、合計で2の(M+N)乗の数の抵抗素子を含み、該第1のMビット抵抗型DA変換器及び該第2のNビット抵抗型DA変換器は、前記第1の基準電位と前記第2の基準電位を抵抗列により電位分割し、該第1の基準電位から該第2の基準電位までの範囲のうちで、該範囲の上半分あるいは下半分の何れか一方にのみ、該第1のMビット抵抗型DA変換器の出力及び該第2のNビット抵抗型DA変換器の出力が存在することを特徴とする。
【0015】
上記構成においては、例えば8ビットAD変換の場合に、従来回路の副DACのスイッチ回路が下位4ビットを決定する16:1セレクタであるのと比較して、第1の抵抗型DA変換器及び第2の抵抗型DA変換器のスイッチ回路はそれぞれ2ビットを決定する4:1セレクタであればよく、スイッチ回路の規模を大幅に小さくすることが出来る。スイッチ回路においては、スイッチを構成するMOSトランスファゲートの接合容量が寄生容量として働き、信号変化の遅延をもたらすので、AD変換の比較処理に要する時間が増大してしまう。本発明の構成では、第1の抵抗型DA変換器及び第2の抵抗型DA変換器のスイッチ回路を小規模にすることが出来るので、寄生容量を大幅に小さくして、比較処理に要する時間を短くすることが出来る。
【0016】
またサンプリング時間を減少させるために、容量DACのビット数を減らして抵抗DACのビット数を増やした場合であっても、抵抗DACでの遅延時間の増加を抑えることができる。従ってAD変換器の変換時間のうち、比較時間を殆ど増加させることなくサンプリング時間を減少させることが可能となり、変換時間を高速化することが出来る。
【0018】
この構成において、例えばVrefを16分割する抵抗列の場合、第1の抵抗型DA変換器の出力を12Vref/16から15Vref/16のように可能な限り高い電圧範囲に設定することで、抵抗型DA変換器のスイッチ回路をON抵抗の小さい領域で使うことができる。PMOSとNMOSのトランスファゲートにおいては電源電圧(Vref)の1/2付近の電圧ではON抵抗が大きくなり高速動作が困難になるが、電源電圧(Vref)に近い電圧を用いることで遅延時間を少なくすることが可能であり、これにより変換処理の高速化を達成することが出来る。
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施例を添付の図面を用いて詳細に説明する。
【0019】
図2は、本発明による逐次比較型AD変換器の第1の実施例を示す回路図である。図2において、図1と同一の要素は同一の番号で参照する。
【0020】
図2の逐次比較型AD変換器は、入力電位Vinを印加する入力端子10、ノード20乃至23、ノード40乃至45、スイッチ回路101、スイッチ回路102、スイッチ回路200、スイッチ回路201、スイッチ回路202、コンパレータ300、逐次比較制御回路302、抵抗R1乃至R16、及びコンデンサC1乃至C6を含む。逐次比較制御回路302により、各スイッチ回路101、102、200、201、202等の動作が制御される。
【0021】
抵抗R1乃至R16、スイッチ回路101及び102、及びコンデンサC6で副DACを構成し、C1乃至C5とスイッチ回路200(及び201、202)で4ビット主DACを構成している。主DACを構成するC1乃至C5は、C1とC2の容量値を各々Cxとすると、C3が2Cx、C4が4Cx、C5が8Cxと重み付けされている。サンプリング時には、C1乃至C5の全てが、スイッチ回路200、ノード21、スイッチ回路201を介してアナログ入力端子10(Vin)に接続され、入力電位Vinに充電される。この時スイッチ202は、ノード20がGNDとなるように制御される。サンプリング容量C3からC5は相対精度を確保するために、ある単位容量Cxを例えば2個、4個、或いは8個並列に接続することで実現するのが一般的である。
【0022】
サンプリング終了後、比較動作を開始し、MSBから順番に入力電位Vinに対応するデジタルデータを決定していく。具体的には、スイッチ202を開放してノード20を浮遊状態とし、例えばノード40乃至43をスイッチ200及び201を介してGNDに接続すると共に、ノード44をリファレンス電位Vref(端子1)に接続する。またノード45は、スイッチ回路102によりGNDに接続する。この接続により、サンプリング時に入力電位Vinによって蓄えられた電荷がサンプリング容量C1乃至C5間で再分配され、ノード20の電位はVref/2−Vinに比例した電位となる。ノード20はコンパレータ300の入力に接続されており、アナログ入力電位Vinがリファレンス電位Vrefの1/2より大きいか小さいかを、コンパレータ300の出力であるノード22の電位により判定することが出来る。
【0023】
上記接続では、サンプリング容量C1乃至C5について、ノード44をリファレンス電位Vrefに接続し、それ以外のノード40乃至43をGNDに接続した。即ち、C5の8Cxをリファレンス電位Vrefに接続し、残りのC1乃至C4の合計8CxをGNDに接続した。一般に、リファレンス電位Vrefに接続する単位容量Cxの個数をmとし、GNDに接続する残りの単位容量Cxの個数を16−mとすると、ノード20の電位Vは、
V = (16/17)[(m/16)Vref − Vin] (1)
となる。例えば、ノード41をVrefに接続し、残りのノード40、42、43、及び44をGNDに接続すると、mが1であるのでノード20の電位は(16/17)[Vref/16−Vin]となる。なお上式における係数(16/17)は、サンプリング容量として使用されないコンデンサC6の影響を考慮したものである。
【0024】
mを逐次的に変化させていくことで、ノード20の電位をVref/16刻みで変化させることが可能である。従って、デジタルデータのMSB側(上位4ビット)を決定することができる。
【0025】
図3は、図2の回路の構成・動作を概念的に示した図である。
【0026】
図3の逐次比較型AD変換器は、逐次比較制御回路302、局部DA変換器303、及び比較器300Aを含む。局部DA変換器303は、図2の主DACと副DACとを合わせて纏めたものであり、8ビットのDA変換動作によってVref/256刻みの電圧を生成する。逐次比較制御回路302は、スイッチ回路の開閉などを制御することで局部DA変換器303の動作を制御する。比較器300Aは、局部DA変換器303が生成する電圧と入力電圧Vinとを比較して、大小関係を判定する。図2の構成では、Vinをサンプルした後に、(m/16)VrefからVinを減算した結果をコンパレータ300に入力として供給しているが、図3は概念的な構成を示すものとして、比較器300Aにより(m/16)VrefからVinを減算して比較するとして示している。
【0027】
図3の逐次比較型AD変換回路においては、逐次比較制御回路302がデジタルデータを設定し、局部DA変換器303がそのデジタルデータをDA変換して局部アナログ電圧を生成する。入力アナログ電圧Vinと局部DA変換器303の局部アナログ電圧との大小関係を比較器300Aにより比較判定し、この比較判定出力22に基づいて、逐次比較制御回路302が局部DA変換器303を制御する。これにより、局部DA変換器303の局部アナログ電圧出力が入力アナログ電圧Vinと略等しくなるときのデジタルデータを求め、このデジタルデータをAD変換出力とする。比較動作では、MSBから順番にLSB側に向けてデジタルデータの各ビットを決定していく。
【0028】
以下に、副DACによってLSB側にある下位ビットを決定する処理について説明する。
【0029】
C1乃至C5の合計のサンプリング容量16Cxに対して1/16の大きさの容量値Cxを持つC1のノード40において、2ビット抵抗DAC(R1乃至R16とスイッチ回路101)を用いて、Vref/4刻みで電位を変化させる。これにより、コンパレータ入力であるノード20の電位を、Vref/64刻みで変化させることができる。
【0030】
例えば、スイッチ回路200によりVrefに接続される容量の容量値をmCxとし(mは0〜15)、スイッチ回路200によりGNDに接続される容量の容量値を(15−m)Cxとする。更に、上記2ビット抵抗DACにより設定されるC1のノード40の電位を、nVref/4(nは0〜3)とする。このとき電荷再分配により決まるノード20の電位Vは、
V=(16/17)[(m/16+n/64)Vref−Vin] (2)
となる。なお上式においてノード45の電位はGNDに設定されているとする。
【0031】
従って、上位4ビットのデジタルデータに対応するmの値を決定した後、リファレンス電位Vrefを64分割した電圧刻みでVの値を変化させ、コンパレータ300により、nの値を決定することができる。つまり上位4ビットのデジタルデータに続いて、nに対応する2ビットのデータを決定することができる。
【0032】
以上により、MSB側から6ビットのデジタルデータを得ることが出来る。
【0033】
更に、C1乃至C5の合計のサンプリング容量16Cxに対して1/16の大きさの容量値Cxを持つC6のノード45において、2ビット抵抗DAC(R1乃至R16とスイッチ回路102)を用いて、Vref/16刻みで電位を変化させる。これにより、コンパレータ入力であるノード20の電位を、Vref/256刻みで変化させることができる。
【0034】
例えば、スイッチ回路200によりVrefに接続される容量の容量値をmCxとし(mは0〜15)、スイッチ回路200によりGNDに接続される容量の容量値を(15−m)Cxとする。更に、C1のノード40の電位をnVref/4(nは0〜3)とし、上記2ビット抵抗DACにより設定されるC6のノード45の電位をpVref/16(pは0〜3)とする。このとき電荷再分配により決まるノード20の電位Vは、
V=(16/17)[(m/16+n/64+p/256)Vref−Vin](3)
となる。
【0035】
従って、上位6ビットのデジタルデータに対応するm及びnの値を決定した後、リファレンス電位Vrefを256分割した電圧刻みでVの値を変化させ、コンパレータ300により、pの値を決定することができる。つまり上位6ビットのデジタルデータに続いて、pに対応する2ビットのデータを決定することができる。
【0036】
以上により、8ビット全てのデジタルデータを得ることが出来る。
【0037】
図4は、図2の回路の動作を概念的に説明するために、図3の局部DA変換器303の構成を示す図である。
【0038】
図3の局部DA変換器303は、容量アレイ型DA変換器304、抵抗型DA変換器305、及び抵抗型DA変換器306を含む。
【0039】
mはデジタルデータの上位4ビット、nはデジタルデータの中位2ビット、pはデジタルデータの下位2ビットである。容量アレイ型DA変換器304は、局部DA変換器303のうちで上位ビットを変換する容量アレイDACを示し、図2のC1乃至C5とスイッチ回路200(及び201、202)に対応する。抵抗型DA変換器305は、局部DA変換器303のうちで中位2ビットを変換する抵抗DACを示し、図2のR1乃至R16とスイッチ回路101に対応する。また抵抗型DA変換器306は、局部DA変換器303のうち下位2ビットを変換する抵抗DACを示し、図2のR1乃至R16とスイッチ回路102に対応する。図2においてはC1は容量アレイDACの一部として示されるが、図4においては容量アレイDACとは別個に示してある。
【0040】
容量アレイ型DA変換器304の出力に対して、抵抗型DA変換器305の出力がC1を介して容量結合され、更に抵抗型DA変換器306の出力がC6を介して容量結合される。抵抗型DA変換器305の出力を容量結合することで、nが表す中位ビットに対応する電圧をスケールダウンして加算することが出来る。また抵抗型DA変換器306の出力を容量結合することで、pが表す下位ビットに対応する電圧をスケールダウンして加算することが出来る。
【0041】
なお図2及び図4の例では、容量DACの出力電位に2つの抵抗DACの出力電位を容量加算する構成を示したが、抵抗DACの数は2に限られず、2以上の抵抗DACを容量結合手段と共に設ける構成としてもよい。またC6のノード45に印加する抵抗DACの出力電位は、サンプリング時からの相対的変化としてVref/16の電圧刻みで変化できればよく、絶対値がR1からR4に対応する電位である必要はない。
【0042】
また容量DACを4ビット、抵抗DACを4ビットに対応させたが、これに限定されず、例えば容量DACを3ビット、抵抗DACを5ビットに対応させてもよい。
【0043】
また図1の従来回路のスイッチ回路100が16:1セレクタであるのに比較して、図2の本発明の回路ではスイッチ回路101及び102ともに4:1セレクタであるので、スイッチ回路の規模を大幅に小さくすることが出来る。
【0044】
スイッチ回路は具体的にはMOSトランスファゲートで実現され、図1のように抵抗DACが4ビットの場合には、16タップ分のMOSトランスファゲートの接合容量がノード23の寄生容量となる。この寄生容量の影響で、ノード23の信号変化が遅れ、ノード20のセトリング時間が長くなり、比較処理に要する時間が増大してしまう。
【0045】
図2のスイッチ回路101及び102は回路規模が小さいので、図1のノード23の寄生容量に比較して図2のノード23及び45の寄生容量は大幅に小さく、比較処理に要する時間を短くすることが出来る。
【0046】
逐次比較型AD変換器においては、アナログ信号をデジタル信号に変換するAD変換処理の処理時間は、アナログ信号をサンプリング容量に蓄えるサンプリング時間と、サンプリング終了後にデジタル値を決定していく比較時間とからなる。変換処理時間を短縮するためには、サンプリング時間及び比較時間を短縮しなければならない。サンプリング時間を短縮するためには、アナログ入力信号を供給する外部回路の信号源インピーダンスが一定であるとすると、サンプリング容量の容量値を小さくすることが必要になる。しかしながら相対精度を保つためには、単位容量の値をそれ程小さくすることが出来ず、容量の数を削減することでサンプリング容量を小さくするしかない。
【0047】
サンプリング容量の容量値を小さくするためには、容量主DACを例えば3ビット構成とし、抵抗副DACを5ビット構成とすればよい。この場合、サンプリング容量が単位容量8個となるので、元の総サンプリング容量に対して容量値を半分にすることが出来る。しかしながら抵抗DACのビット数が5ビット必要になるので、32タップ分のMOSトランスファゲートの接合容量がノード23の寄生容量となり、ノード20のセトリング時間を増大させ、比較時間を増加させることになる。
【0048】
本発明による構成では、従来技術の構成と同一の抵抗DACビット数で比べれば、抵抗DAC出力の遅延時間を短縮することにより、比較時間を短縮することが出来る。またサンプリング時間を減少させるために、容量DACのビット数を減らして抵抗DACのビット数を増やした場合であっても、抵抗DACでの遅延時間の増加を抑えることができる。従ってAD変換器の変換時間のうち、比較時間を殆ど増加させることなくサンプリング時間を減少させることが可能となり、変換時間を高速化することが出来る。
【0049】
図5は、本発明による逐次比較型AD変換器の変形例を示す図である。
【0050】
図5には、図2に示す本発明による逐次比較型AD変換器に、スイッチ回路103を設け、抵抗列R1乃至R16により生成される分圧電位を外部に供給可能な構成となっている。
【0051】
図2の回路では、2つのスイッチ回路101及び102により、それぞれ2ビット相当のDA出力を抵抗列から取り出することで、4ビット相当のDAC動作を実現している。この構成では、4ビット相当の抵抗DAC出力(16段階の出力)を直接取り出すことはできなくなっている。
【0052】
テスト時或いは実使用時には、4ビット相当の分圧電位を装置外部に供給することが必要な場合がある。そこで図5の構成においては、スイッチ回路103を設けることにより、4ビットDAC出力を取り出せるように構成してある。このスイッチ回路103を追加しても、ノード23及び45の寄生容量は増加しないので、AD変換性能の低下を招くことはない。
【0053】
図6は、本発明による逐次比較型AD変換器の第2の実施例を示す回路図である。図6において、図2と同一の要素は同一の番号で参照する。
【0054】
図6の逐次比較型AD変換器は、入力電位Vinを印加する入力端子10、ノード20乃至23、ノード40−44及び47、スイッチ回路101、スイッチ回路104、スイッチ回路200、スイッチ回路201、スイッチ回路202、コンパレータ300、逐次比較制御回路302A、抵抗R1乃至R16、及びコンデンサC1−C5及びC7を含む。逐次比較制御回路302Aにより、各スイッチ回路102、104、200、201、202等の動作が制御される。
【0055】
抵抗R1乃至R16、スイッチ回路102及び104、及びコンデンサC7で副DACを構成し、C1乃至C5とスイッチ回路200(及び201、202)で4ビット主DACを構成している。主DACを構成するC1乃至C5は、C1とC2の容量値を各々Cxとすると、C3が2Cx、C4が4Cx、C5が8Cxと重み付けされている。サンプリング時には、C1乃至C5の全てが、スイッチ回路200、ノード21、スイッチ回路201を介してアナログ入力端子10(Vin)に接続され、入力電位Vinに充電される。この時スイッチ202は、ノード20がGNDとなるように制御される。またノード60の電位がスイッチ回路104を介してノード47に供給される。このサンプリング時にC1−C5及びC7に蓄えられる電荷は、16CxVin+4CxV60となる(V60はノード60の電位)。なおC7の容量は4Cxである。
【0056】
サンプリング終了後、比較動作を開始し、MSBから順番に入力電位Vinに対応するデジタルデータを決定していく。リファレンス電位Vrefに接続する単位容量Cxの個数をmとし、GNDに接続する残りの単位容量Cxの個数を16−mとすると、ノード20の電位Vは、
V = (16/20)[(m/16)Vref − Vin] (4)
となる。ここでノード47はノード60に接続され、電位V60に設定されている。
【0057】
mを逐次的に変化させていくことで、ノード20の電位をVref/16刻みで変化させることが可能である。従って、デジタルデータのMSB側(上位4ビット)を決定することができる。
【0058】
次に、副DACによってLSB側にある下位ビットを決定する処理について説明する。
【0059】
C1乃至C5の合計のサンプリング容量16Cxに対して1/4の大きさの容量値4Cxを持つC7のノード47において、2ビット抵抗DAC(R1乃至R16とスイッチ回路104)を用いて、Vref/16刻みで電位を変化させる。これにより、コンパレータ入力であるノード20の電位を、Vref/64刻みで変化させることができる。
【0060】
例えば、スイッチ回路200によりVrefに接続される容量の容量値をmCxとし(mは0〜15)、スイッチ回路200によりGNDに接続される容量の容量値を(15−m)Cxとする。更に、上記2ビット抵抗DACにより設定されるC7のノード47の電位を、nVref/16(nは0〜3)+V60とする。このとき電荷再分配により決まるノード20の電位Vは、
V=(16/20)[(m/16+n/64)Vref−Vin] (5)
となる。なおこの時、ノード40はGNDに接続されている。
【0061】
従って、上位4ビットのデジタルデータに対応するmの値を決定した後、リファレンス電位Vrefを64分割した電圧刻みでVの値を変化させ、コンパレータ300により、nの値を決定することができる。つまり上位4ビットのデジタルデータに続いて、nに対応する2ビットのデータを決定することができる。
【0062】
以上により、MSB側から6ビットのデジタルデータを得ることが出来る。
【0063】
更に、C1乃至C5の合計のサンプリング容量16Cxに対して1/16の大きさの容量値Cxを持つC1のノード40において、2ビット抵抗DAC(R1乃至R16とスイッチ回路102)を用いて、Vref/16刻みで電位を変化させる。これにより、コンパレータ入力であるノード20の電位を、Vref/256刻みで変化させることができる。
【0064】
例えば、スイッチ回路200によりVrefに接続される容量の容量値をmCxとし(mは0〜15)、スイッチ回路200によりGNDに接続される容量の容量値を(15−m)Cxとする。更に、C7のノード47の電位をnVref/16+V60(nは0〜3)とし、上記2ビット抵抗DACにより設定されるC1のノード40の電位をpVref/16(pは0〜3)とする。このとき電荷再分配により決まるノード20の電位Vは、
V=(16/20)[(m/16+n/64+p/256)Vref−Vin](6)
となる。
【0065】
従って、上位6ビットのデジタルデータに対応するm及びnの値を決定した後、リファレンス電位Vrefを256分割した電圧刻みでVの値を変化させ、コンパレータ300により、pの値を決定することができる。つまり上位6ビットのデジタルデータに続いて、pに対応する2ビットのデータを決定することができる。
【0066】
以上により、8ビット全てのデジタルデータを得ることが出来る。
【0067】
以上のようにして図6の構成により、8ビットの逐次比較型AD変換器を実現することが出来る。図2の回路においては、中位ビットの変換に用いる抵抗DACの出力電位の刻みを、Vref/4としていた。これに対して図6の構成では、中位ビット変換に用いる抵抗DACの出力電位の刻みをVref/16とし、合計のサンプリング容量16Cxに対して1/4の大きさの容量値4Cxを持つC7を介して、ノード20に電位加算する。
【0068】
この構成において、バイアス電位V60を加えて抵抗DACの出力電位をnVref/16+V60(nは0〜3)とすることで、12Vref/16から15Vref/16の可能な限り高い電圧範囲を用いている。これにより、スイッチ回路104をON抵抗の小さい領域で使うことができる。PMOSとNMOSのトランスファゲートにおいては電源電圧(Vref)の1/2付近の電圧ではON抵抗が大きくなり高速動作が困難になるが、図6のスイッチ回路104のように電源電圧(Vref)に近い電圧を用いることで遅延時間を少なくすることが可能であり、これにより変換処理の高速化を達成することが出来る。
【0069】
以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で様々な変形が可能である。
【発明の効果】
本発明によるAD変換器においては、副DACを第1の抵抗型DA変換器及び第2の抵抗型DA変換器に分割することで、スイッチ回路の規模を大幅に小さくすることが出来る。これにより、スイッチ回路における寄生容量を大幅に小さくして、比較処理に要する時間を短くすることが出来る。
【0070】
また、MOSトランスファゲートのON抵抗が高くなる電圧領域を避けて抵抗DACを動作させることで、比較処理の高速化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来のC−R型ダブルステージDACを用いた逐次比較型AD変換器の回路図である。
【図2】本発明による逐次比較型AD変換器の第1の実施例を示す回路図である。
【図3】図2の回路の構成・動作を概念的に示した図である。
【図4】図2の回路の動作を概念的に説明するために、図3の局部DA変換器の構成を示す図である。
【図5】本発明による逐次比較型AD変換器の変形例を示す図である。
【図6】本発明による逐次比較型AD変換器の第2の実施例を示す回路図である。
【符号の説明】
10 入力端子
101 スイッチ回路
102 スイッチ回路
200 スイッチ回路
201 スイッチ回路
202 スイッチ回路
300 コンパレータ
302 逐次比較制御回路
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention generally relates to an AD converter that converts an analog signal into a digital signal, and more particularly relates to a successive approximation AD converter that converts an analog signal into a digital signal by a successive approximation operation.
[Prior art]
The successive approximation AD converter is realized with a relatively simple circuit configuration, has high compatibility with a CMOS process, can be manufactured at a relatively low cost, and can achieve a relatively fast conversion time. Of the successive approximation AD converters, the double stage type can realize a high-resolution AD converter with a small mounting area.
[0002]
The double-stage successive approximation AD converter includes a main DAC (DA converter) for determining the maximum bit (MSB) side and a sub DAC (DA converter) for determining the minimum bit (LSB) side. And a two-stage configuration. First, the upper bit is determined by comparing the analog potential set by the main DAC (DA converter) with the input analog potential. The analog potential of the main DAC corresponding to the determined upper bit and the analog potential set by the sub DAC are added, and the lower bit is determined by comparing this sum with the input analog potential.
[0003]
The DAC constituting the main DAC or the sub DAC can be realized by a resistor string or a capacitor array. Depending on which type is used for the main DAC and the sub DAC,
(1) Capacity array + capacitance array type (hereinafter referred to as C-C type),
(2) Resistor string + capacitance array type (hereinafter R-C type),
(3) Capacitance array + resistance string type (hereinafter referred to as C-R type),
(4) Resistor string + resistor string type (hereinafter referred to as RR type),
There are four types.
[0004]
FIG. 1 is a circuit diagram of a successive approximation AD converter using a conventional CR double stage DAC.
[0005]
1 includes an input terminal 10 to which an input potential Vin is applied, nodes 20 to 23, nodes 40 to 44, a switch circuit 100, a switch circuit 200, a switch circuit 201, a switch circuit 202, a comparator 300, A successive approximation control circuit 301, resistors R1 to R16, and capacitors C1 to C5 are included. The successive approximation control circuit 301 controls operations of the switch circuits 100, 200, 201, 202, and the like.
[0006]
R1 to R16 and the switch circuit 100 constitute a 4-bit sub DAC, and C1 to C5 and the switch circuit 200 (and 201 and 202) constitute a 4-bit main DAC. C1 to C5 constituting the main DAC are weighted with C3 being 2Cx, C4 being 4Cx, and C5 being 8Cx, where C1 and C2 have capacitance values of Cx, respectively. At the time of sampling, all of C1 to C5 are connected to the analog input terminal 10 (Vin) via the switch circuit 200, the node 21, and the switch circuit 201, and charged to the input potential Vin. At this time, the switch 202 is controlled so that the node 20 becomes GND. In order to ensure relative accuracy, the sampling capacitors C3 to C5 are generally realized by connecting, for example, two, four, or eight unit capacitors Cx in parallel.
[0007]
After completion of sampling, a comparison operation is started, and digital data corresponding to the input potential Vin is determined in order from the MSB. Specifically, the switch 202 is opened to bring the node 20 into a floating state. For example, the nodes 40 to 43 are connected to GND via the switches 200 and 201, and the node 44 is connected to the reference potential Vref (terminal 1). . With this connection, the charge stored by the input potential Vin during sampling is redistributed between the sampling capacitors C1 to C5, and the potential of the node 20 becomes Vref / 2−Vin. The node 20 is connected to the input of the comparator 300, and it can be determined from the potential of the node 22 that is the output of the comparator 300 whether the analog input potential Vin is larger or smaller than ½ of the reference potential Vref.
[0008]
In the above connection, the node 44 is connected to the reference potential Vref, and the other nodes 40 to 43 are connected to GND. That is, 8Cx of C5 was connected to the reference potential Vref, and a total of 8Cx of the remaining C1 to C4 was connected to GND. Generally, if the number of unit capacitors Cx connected to the reference potential Vref is m and the number of remaining unit capacitors Cx connected to GND is 16-m, the potential V of the node 20 is
V = (m / 16) Vref−Vin
It becomes. For example, when the node 41 is connected to Vref and the remaining nodes 40, 42, 43, and 44 are connected to GND, since m is 1, the potential of the node 20 becomes Vref / 16−Vin.
[0009]
Accordingly, by sequentially changing m, the potential of the node 20 can be changed in increments of Vref / 16, and the MSB side (upper 4 bits) of the digital data can be determined.
[0010]
Next, m determined as described above is m ′, m ′ unit capacitors Cx among C2 to C5 are connected to the reference potential Vref, and the remaining 15-m ′ among C2 to C5 is connected. The unit capacitors Cx are connected to GND, and the node 40 of one unit capacitor Cx of C1 is connected to the sub DAC (R1 to R16 and the switch circuit 100). By changing the potential of the node 40 in increments of Vref / 16 by the sub DAC, the potential of the comparator input 20 can be changed in increments of Vref / 256. As a result, the LSB side (lower 4 bits) of the digital data can be determined, and a total of 8 bits of digital data can be obtained.
[0011]
In the circuit of FIG. 1, AD conversion with 8-bit accuracy is realized by preparing 16 unit capacitors Cx and 16 unit resistors. If a single-stage 8-bit precision DAC is to be made with only a capacitor or a resistor, 256 unit capacitors or 256 unit resistors are required. By using a double stage DAC as in the circuit of FIG. 1, the number of components can be greatly reduced. In the circuit of FIG. 1, the accuracy of the resistance of the 4-bit sub DAC may be about 4 bits, and the resistance sub DAC can be realized with a small area.
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, there has been an increasing demand for higher speed AD converters, and it is strongly desired to increase the speed of successive approximation AD converters that can form circuits with a small area.
[0012]
A first object of the present invention is to provide a circuit that shortens the AD conversion processing time of a successive approximation AD converter.
[0013]
Further, in the conventional circuit shown in FIG. 1, when the potential of the node 23 that is the output of the sub DAC (R1 to R16 and the switch circuit 100) is set to, for example, Vref / 2, there is a problem that switching is slow. . This is because the switch circuit is generally realized by a CMOS transfer gate. Therefore, when the power supply voltage (Vref) is low, the ON resistance of both PMOS and NMOS becomes higher than the source / drain voltage of Vref / 2. This is because the delay time at 100 increases.
[0014]
Therefore, a second object of the present invention is to provide a circuit in which the delay time in the resistor DAC does not increase even when the power supply voltage is low.
[Means for Solving the Problems]
The successive approximation AD converter according to the present invention includes a capacitor array including a plurality of capacitors that sample the input potential and store charges. Thus, the first reference potential and the second reference potential are selectively applied to the capacitor array. An L-bit capacitive DA converter, a first M-bit resistive DA converter that generates a desired potential by potential division, and a second N-bit resistive DA converter that generates a desired potential by potential division; A first signal path for adding the output of the first M-bit resistive DA converter to the output of the L-bit capacitive DA converter by capacitive coupling, and the second N-bit resistive DA converter In the successive approximation AD converter having a resolution of (L + M + N) bits, including a second signal path for adding the output to the output of the L-bit capacitive DA converter by capacitive coupling and a comparator, the L-bit capacitance The type DA converter corresponds to the L bit from the most significant bit among all the bits to be AD converted, and the first M-bit resistance type DA converter corresponds to the M bit following the L bit. 2 N-bit resistor type DA converter Corresponding to the N bits following the M bit, the first M-bit resistive DA converter and the second N-bit resistive DA converter share a resistor string for potential division, and the first The M-bit resistive DA converter and the second N-bit resistive DA converter include a total of 2 (M + N) power resistive elements. Thus, the first M-bit resistive DA converter and the second N-bit resistive DA converter divide the first reference potential and the second reference potential by a resistor string, and Of the range from one reference potential to the second reference potential, the output of the first M-bit resistive DA converter and the second only in either the upper half or the lower half of the range There is an output of N-bit resistive DA converter It is characterized by that.
[0015]
In the above configuration, for example, in the case of 8-bit AD conversion, the first resistive DA converter and the switch circuit of the sub DAC of the conventional circuit are compared with the 16: 1 selector that determines the lower 4 bits. The switch circuit of the second resistance type DA converter may be a 4: 1 selector that determines 2 bits, and the scale of the switch circuit can be greatly reduced. In the switch circuit, the junction capacitance of the MOS transfer gate that constitutes the switch acts as a parasitic capacitance and causes a delay in signal change, so that the time required for the AD conversion comparison process increases. In the configuration of the present invention, since the switch circuit of the first resistance type DA converter and the second resistance type DA converter can be made small, the parasitic capacitance is greatly reduced, and the time required for the comparison processing is reduced. Can be shortened.
[0016]
Further, in order to reduce the sampling time, even when the number of bits of the capacitor DAC is reduced and the number of bits of the resistor DAC is increased, an increase in delay time in the resistor DAC can be suppressed. Therefore, the sampling time can be reduced without substantially increasing the comparison time in the conversion time of the AD converter, and the conversion time can be increased.
[0018]
In this configuration, for example, in the case of a resistor string that divides Vref into 16, by setting the output of the first resistor type DA converter to the highest possible voltage range such as 12 Vref / 16 to 15 Vref / 16, the resistance type The switch circuit of the DA converter can be used in a region where the ON resistance is small. In the PMOS and NMOS transfer gates, the ON resistance becomes large at a voltage near ½ of the power supply voltage (Vref) and high speed operation becomes difficult. However, the delay time is reduced by using a voltage close to the power supply voltage (Vref). Thus, the conversion process can be speeded up.
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0019]
FIG. 2 is a circuit diagram showing a first embodiment of a successive approximation AD converter according to the present invention. In FIG. 2, the same elements as those of FIG. 1 are referred to by the same numerals.
[0020]
2 includes an input terminal 10 to which an input potential Vin is applied, nodes 20 to 23, nodes 40 to 45, a switch circuit 101, a switch circuit 102, a switch circuit 200, a switch circuit 201, and a switch circuit 202. , A comparator 300, a successive approximation control circuit 302, resistors R1 to R16, and capacitors C1 to C6. The successive approximation control circuit 302 controls the operations of the switch circuits 101, 102, 200, 201, 202, and the like.
[0021]
Resistors R1 to R16, switch circuits 101 and 102, and capacitor C6 constitute a sub DAC, and C1 to C5 and switch circuits 200 (and 201, 202) constitute a 4-bit main DAC. C1 to C5 constituting the main DAC are weighted with C3 being 2Cx, C4 being 4Cx, and C5 being 8Cx, where C1 and C2 have capacitance values of Cx, respectively. At the time of sampling, all of C1 to C5 are connected to the analog input terminal 10 (Vin) via the switch circuit 200, the node 21, and the switch circuit 201, and charged to the input potential Vin. At this time, the switch 202 is controlled so that the node 20 becomes GND. In order to ensure relative accuracy, the sampling capacitors C3 to C5 are generally realized by connecting, for example, two, four, or eight unit capacitors Cx in parallel.
[0022]
After completion of sampling, a comparison operation is started, and digital data corresponding to the input potential Vin is determined in order from the MSB. Specifically, the switch 202 is opened to bring the node 20 into a floating state. For example, the nodes 40 to 43 are connected to GND via the switches 200 and 201, and the node 44 is connected to the reference potential Vref (terminal 1). . The node 45 is connected to GND by the switch circuit 102. With this connection, the charge stored by the input potential Vin at the time of sampling is redistributed among the sampling capacitors C1 to C5, and the potential of the node 20 becomes a potential proportional to Vref / 2−Vin. The node 20 is connected to the input of the comparator 300, and it can be determined from the potential of the node 22 that is the output of the comparator 300 whether the analog input potential Vin is larger or smaller than ½ of the reference potential Vref.
[0023]
In the above connection, for the sampling capacitors C1 to C5, the node 44 is connected to the reference potential Vref, and the other nodes 40 to 43 are connected to GND. That is, 8Cx of C5 was connected to the reference potential Vref, and a total of 8Cx of the remaining C1 to C4 was connected to GND. Generally, if the number of unit capacitors Cx connected to the reference potential Vref is m and the number of remaining unit capacitors Cx connected to GND is 16-m, the potential V of the node 20 is
V = (16/17) [(m / 16) Vref−Vin] (1)
It becomes. For example, when the node 41 is connected to Vref and the remaining nodes 40, 42, 43, and 44 are connected to GND, the potential of the node 20 is (16/17) [Vref / 16-Vin] because m is 1. It becomes. Note that the coefficient (16/17) in the above equation takes into account the influence of the capacitor C6 that is not used as a sampling capacitor.
[0024]
By sequentially changing m, the potential of the node 20 can be changed in increments of Vref / 16. Therefore, the MSB side (upper 4 bits) of the digital data can be determined.
[0025]
FIG. 3 is a diagram conceptually showing the configuration and operation of the circuit of FIG.
[0026]
The successive approximation AD converter of FIG. 3 includes a successive approximation control circuit 302, a local DA converter 303, and a comparator 300A. The local DA converter 303 is a combination of the main DAC and the sub DAC of FIG. 2, and generates a voltage in increments of Vref / 256 by an 8-bit DA conversion operation. The successive approximation control circuit 302 controls the operation of the local DA converter 303 by controlling opening and closing of the switch circuit. The comparator 300A compares the voltage generated by the local DA converter 303 with the input voltage Vin to determine the magnitude relationship. In the configuration of FIG. 2, after sampling Vin, the result of subtracting Vin from (m / 16) Vref is supplied to the comparator 300 as an input, but FIG. 3 shows a conceptual configuration as a comparator. The comparison is made by subtracting Vin from (m / 16) Vref by 300A.
[0027]
In the successive approximation AD converter circuit of FIG. 3, the successive approximation control circuit 302 sets digital data, and the local DA converter 303 DA converts the digital data to generate a local analog voltage. The comparator 300A compares and determines the magnitude relationship between the input analog voltage Vin and the local analog voltage of the local DA converter 303, and the successive approximation control circuit 302 controls the local DA converter 303 based on the comparison determination output 22. . As a result, digital data is obtained when the local analog voltage output of the local DA converter 303 is substantially equal to the input analog voltage Vin, and this digital data is used as an AD conversion output. In the comparison operation, each bit of the digital data is determined sequentially from the MSB toward the LSB side.
[0028]
In the following, processing for determining lower bits on the LSB side by the sub DAC will be described.
[0029]
Using the 2-bit resistor DAC (R1 to R16 and the switch circuit 101) at the node 40 of C1 having a capacitance value Cx that is 1/16 of the total sampling capacitance 16Cx of C1 to C5, Vref / 4 Change the potential in increments. Thereby, the potential of the node 20 as the comparator input can be changed in increments of Vref / 64.
[0030]
For example, the capacitance value of the capacitor connected to Vref by the switch circuit 200 is mCx (m is 0 to 15), and the capacitance value of the capacitor connected to GND by the switch circuit 200 is (15−m) Cx. Further, the potential of the node 40 of C1 set by the 2-bit resistor DAC is nVref / 4 (n is 0 to 3). At this time, the potential V of the node 20 determined by charge redistribution is
V = (16/17) [(m / 16 + n / 64) Vref−Vin] (2)
It becomes. In the above equation, it is assumed that the potential of the node 45 is set to GND.
[0031]
Therefore, after determining the value of m corresponding to the upper 4 bits of digital data, the value of V can be changed in increments of 64 by dividing the reference potential Vref, and the value of n can be determined by the comparator 300. That is, 2 bits of data corresponding to n can be determined following the upper 4 bits of digital data.
[0032]
As described above, 6-bit digital data can be obtained from the MSB side.
[0033]
Further, at the node 45 of C6 having a capacitance value Cx that is 1/16 of the total sampling capacitance 16Cx of C1 to C5, Vref is used by using a 2-bit resistor DAC (R1 to R16 and the switch circuit 102). The potential is changed in increments of / 16. Thereby, the potential of the node 20 as the comparator input can be changed in increments of Vref / 256.
[0034]
For example, the capacitance value of the capacitor connected to Vref by the switch circuit 200 is mCx (m is 0 to 15), and the capacitance value of the capacitor connected to GND by the switch circuit 200 is (15−m) Cx. Furthermore, the potential of the node 40 of C1 is nVref / 4 (n is 0 to 3), and the potential of the node 45 of C6 set by the 2-bit resistor DAC is pVref / 16 (p is 0 to 3). At this time, the potential V of the node 20 determined by charge redistribution is
V = (16/17) [(m / 16 + n / 64 + p / 256) Vref−Vin] (3)
It becomes.
[0035]
Therefore, after determining the values of m and n corresponding to the upper 6 bits of digital data, the value of V is changed in increments of 256 by dividing the reference potential Vref, and the value of p can be determined by the comparator 300. it can. That is, 2-bit data corresponding to p can be determined following the upper 6-bit digital data.
[0036]
As described above, all 8-bit digital data can be obtained.
[0037]
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of local DA converter 303 in FIG. 3 in order to conceptually explain the operation of the circuit in FIG.
[0038]
The local DA converter 303 in FIG. 3 includes a capacitance array type DA converter 304, a resistance type DA converter 305, and a resistance type DA converter 306.
[0039]
m is the upper 4 bits of the digital data, n is the middle 2 bits of the digital data, and p is the lower 2 bits of the digital data. The capacitor array type DA converter 304 is a capacitor array DAC that converts upper bits in the local DA converter 303, and corresponds to C1 to C5 and the switch circuit 200 (and 201, 202) in FIG. The resistive DA converter 305 is a resistor DAC that converts the middle 2 bits of the local DA converter 303 and corresponds to R1 to R16 and the switch circuit 101 in FIG. The resistance DA converter 306 indicates a resistor DAC that converts the lower 2 bits of the local DA converter 303, and corresponds to R1 to R16 and the switch circuit 102 in FIG. In FIG. 2, C1 is shown as a part of the capacitor array DAC, but in FIG. 4, it is shown separately from the capacitor array DAC.
[0040]
The output of the resistive DA converter 305 is capacitively coupled via C1 to the output of the capacitive array DA converter 304, and the output of the resistive DA converter 306 is capacitively coupled via C6. By capacitively coupling the output of the resistive DA converter 305, the voltage corresponding to the middle bit represented by n can be scaled down and added. Also, by capacitively coupling the output of the resistance DA converter 306, the voltage corresponding to the lower bit represented by p can be scaled down and added.
[0041]
2 and FIG. 4, the configuration in which the output potentials of the two resistors DAC are added to the output potential of the capacitor DAC is shown. However, the number of resistors DAC is not limited to two, and two or more resistors DAC are connected. It is good also as a structure provided with a coupling means. The output potential of the resistor DAC applied to the node 45 of C6 only needs to be changed in increments of Vref / 16 as a relative change from the time of sampling, and the absolute value does not need to be a potential corresponding to R1 to R4.
[0042]
Further, although the capacitor DAC is associated with 4 bits and the resistor DAC is associated with 4 bits, the present invention is not limited to this. For example, the capacitor DAC may be associated with 3 bits and the resistor DAC may be associated with 5 bits.
[0043]
Further, since the switch circuit 100 of the conventional circuit of FIG. 1 is a 16: 1 selector, the switch circuit 101 and 102 in the circuit of the present invention of FIG. It can be greatly reduced.
[0044]
Specifically, the switch circuit is realized by a MOS transfer gate. When the resistor DAC is 4 bits as shown in FIG. 1, the junction capacitance of the MOS transfer gate for 16 taps becomes the parasitic capacitance of the node 23. Due to the influence of this parasitic capacitance, the signal change of the node 23 is delayed, the settling time of the node 20 becomes long, and the time required for the comparison process increases.
[0045]
Since the switch circuits 101 and 102 in FIG. 2 have a small circuit scale, the parasitic capacitances in the nodes 23 and 45 in FIG. 2 are significantly smaller than the parasitic capacitance in the node 23 in FIG. 1, and the time required for the comparison processing is shortened. I can do it.
[0046]
In the successive approximation AD converter, the AD conversion processing time for converting an analog signal into a digital signal is based on the sampling time for storing the analog signal in the sampling capacity and the comparison time for determining the digital value after the sampling is completed. Become. In order to shorten the conversion processing time, the sampling time and the comparison time must be shortened. In order to shorten the sampling time, if the signal source impedance of the external circuit that supplies the analog input signal is constant, it is necessary to reduce the sampling capacitance. However, in order to maintain relative accuracy, the value of the unit capacity cannot be reduced so much, and the sampling capacity can only be reduced by reducing the number of capacitors.
[0047]
In order to reduce the capacitance value of the sampling capacitor, for example, the capacitive main DAC may have a 3-bit configuration and the resistive sub DAC may have a 5-bit configuration. In this case, since the sampling capacity is 8 unit capacity, the capacity value can be halved with respect to the original total sampling capacity. However, since the number of bits of the resistor DAC is 5 bits, the junction capacitance of the MOS transfer gate for 32 taps becomes the parasitic capacitance of the node 23, and the settling time of the node 20 is increased and the comparison time is increased.
[0048]
In the configuration according to the present invention, the comparison time can be shortened by shortening the delay time of the resistor DAC output as compared with the configuration of the prior art with the same number of resistance DAC bits. Further, in order to reduce the sampling time, even when the number of bits of the capacitor DAC is reduced and the number of bits of the resistor DAC is increased, an increase in delay time in the resistor DAC can be suppressed. Therefore, the sampling time can be reduced without substantially increasing the comparison time in the conversion time of the AD converter, and the conversion time can be increased.
[0049]
FIG. 5 is a diagram showing a modification of the successive approximation AD converter according to the present invention.
[0050]
5, the switch circuit 103 is provided in the successive approximation A / D converter according to the present invention shown in FIG. 2, and the divided potential generated by the resistor strings R1 to R16 can be supplied to the outside.
[0051]
In the circuit of FIG. 2, a DAC operation corresponding to 4 bits is realized by taking out a DA output corresponding to 2 bits from the resistor string by the two switch circuits 101 and 102, respectively. With this configuration, it is impossible to directly extract a 4-bit resistance DAC output (16-stage output).
[0052]
During testing or actual use, it may be necessary to supply a divided potential equivalent to 4 bits to the outside of the apparatus. Therefore, in the configuration of FIG. 5, the switch circuit 103 is provided so that a 4-bit DAC output can be extracted. Even if the switch circuit 103 is added, the parasitic capacitances of the nodes 23 and 45 do not increase, so that the AD conversion performance is not deteriorated.
[0053]
FIG. 6 is a circuit diagram showing a second embodiment of the successive approximation AD converter according to the present invention. In FIG. 6, the same elements as those in FIG. 2 are referred to by the same numerals.
[0054]
6 includes an input terminal 10 to which an input potential Vin is applied, nodes 20 to 23, nodes 40 to 44 and 47, a switch circuit 101, a switch circuit 104, a switch circuit 200, a switch circuit 201, and a switch. A circuit 202, a comparator 300, a successive approximation control circuit 302A, resistors R1 to R16, and capacitors C1-C5 and C7 are included. The operation of each switch circuit 102, 104, 200, 201, 202, etc. is controlled by the successive approximation control circuit 302A.
[0055]
Resistors R1 to R16, switch circuits 102 and 104, and capacitor C7 constitute a sub DAC, and C1 to C5 and switch circuits 200 (and 201, 202) constitute a 4-bit main DAC. C1 to C5 constituting the main DAC are weighted with C3 being 2Cx, C4 being 4Cx, and C5 being 8Cx, where C1 and C2 have capacitance values of Cx, respectively. At the time of sampling, all of C1 to C5 are connected to the analog input terminal 10 (Vin) via the switch circuit 200, the node 21, and the switch circuit 201, and charged to the input potential Vin. At this time, the switch 202 is controlled so that the node 20 becomes GND. Further, the potential of the node 60 is supplied to the node 47 through the switch circuit 104. The charge stored in C1-C5 and C7 during this sampling is 16CxVin + 4CxV 60 (V 60 Is the potential of the node 60). The capacity of C7 is 4Cx.
[0056]
After completion of sampling, a comparison operation is started, and digital data corresponding to the input potential Vin is determined in order from the MSB. When the number of unit capacitors Cx connected to the reference potential Vref is m and the number of remaining unit capacitors Cx connected to GND is 16-m, the potential V of the node 20 is
V = (16/20) [(m / 16) Vref−Vin] (4)
It becomes. Here, the node 47 is connected to the node 60, and the potential V 60 Is set to
[0057]
By sequentially changing m, the potential of the node 20 can be changed in increments of Vref / 16. Therefore, the MSB side (upper 4 bits) of the digital data can be determined.
[0058]
Next, processing for determining lower bits on the LSB side by the sub DAC will be described.
[0059]
At the node 47 of C7 having a capacitance value 4Cx that is 1/4 of the total sampling capacitance 16Cx of C1 to C5, Vref / 16 is used by using a 2-bit resistor DAC (R1 to R16 and the switch circuit 104). Change the potential in increments. Thereby, the potential of the node 20 as the comparator input can be changed in increments of Vref / 64.
[0060]
For example, the capacitance value of the capacitor connected to Vref by the switch circuit 200 is mCx (m is 0 to 15), and the capacitance value of the capacitor connected to GND by the switch circuit 200 is (15−m) Cx. Further, the potential of the node 47 of C7 set by the 2-bit resistor DAC is set to nVref / 16 (n is 0 to 3) + V 60 And At this time, the potential V of the node 20 determined by charge redistribution is
V = (16/20) [(m / 16 + n / 64) Vref−Vin] (5)
It becomes. At this time, the node 40 is connected to the GND.
[0061]
Therefore, after determining the value of m corresponding to the upper 4 bits of digital data, the value of V can be changed in increments of 64 by dividing the reference potential Vref, and the value of n can be determined by the comparator 300. That is, 2 bits of data corresponding to n can be determined following the upper 4 bits of digital data.
[0062]
As described above, 6-bit digital data can be obtained from the MSB side.
[0063]
Furthermore, at the node 40 of C1 having a capacitance value Cx that is 1/16 of the total sampling capacitance 16Cx of C1 to C5, using a 2-bit resistor DAC (R1 to R16 and the switch circuit 102), Vref The potential is changed in increments of / 16. Thereby, the potential of the node 20 as the comparator input can be changed in increments of Vref / 256.
[0064]
For example, the capacitance value of the capacitor connected to Vref by the switch circuit 200 is mCx (m is 0 to 15), and the capacitance value of the capacitor connected to GND by the switch circuit 200 is (15−m) Cx. Further, the potential of the node 47 of C7 is set to nVref / 16 + V. 60 (N is 0 to 3), and the potential of the node 40 of C1 set by the 2-bit resistor DAC is pVref / 16 (p is 0 to 3). At this time, the potential V of the node 20 determined by charge redistribution is
V = (16/20) [(m / 16 + n / 64 + p / 256) Vref−Vin] (6)
It becomes.
[0065]
Therefore, after determining the values of m and n corresponding to the upper 6 bits of digital data, the value of V is changed in increments of 256 by dividing the reference potential Vref, and the value of p can be determined by the comparator 300. it can. That is, 2-bit data corresponding to p can be determined following the upper 6-bit digital data.
[0066]
As described above, all 8-bit digital data can be obtained.
[0067]
As described above, an 8-bit successive approximation AD converter can be realized by the configuration shown in FIG. In the circuit of FIG. 2, the increment of the output potential of the resistor DAC used for the conversion of the middle bit is Vref / 4. On the other hand, in the configuration of FIG. 6, the increment of the output potential of the resistor DAC used for the intermediate bit conversion is Vref / 16, and C7 having a capacitance value 4Cx that is 1/4 of the total sampling capacitance 16Cx. The potential is added to the node 20 via.
[0068]
In this configuration, the bias potential V 60 And the output potential of the resistor DAC is changed to nVref / 16 + V 60 By setting (n is 0 to 3), the highest possible voltage range of 12Vref / 16 to 15Vref / 16 is used. Accordingly, the switch circuit 104 can be used in a region where the ON resistance is small. In a PMOS and NMOS transfer gate, the ON resistance becomes large at a voltage in the vicinity of ½ of the power supply voltage (Vref), and high-speed operation becomes difficult, but it is close to the power supply voltage (Vref) as in the switch circuit 104 of FIG. By using the voltage, it is possible to reduce the delay time, thereby achieving high-speed conversion processing.
[0069]
As mentioned above, although this invention was demonstrated based on the Example, this invention is not limited to the said Example, A various deformation | transformation is possible within the range as described in a claim.
【The invention's effect】
In the AD converter according to the present invention, the scale of the switch circuit can be significantly reduced by dividing the sub DAC into the first resistance type DA converter and the second resistance type DA converter. Thereby, the parasitic capacitance in the switch circuit can be significantly reduced, and the time required for the comparison process can be shortened.
[0070]
Further, by operating the resistor DAC while avoiding the voltage region where the ON resistance of the MOS transfer gate becomes high, it is possible to achieve high speed comparison processing.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram of a successive approximation AD converter using a conventional CR double stage DAC.
FIG. 2 is a circuit diagram showing a first embodiment of a successive approximation AD converter according to the present invention.
3 is a diagram conceptually showing the configuration and operation of the circuit of FIG. 2. FIG.
4 is a diagram showing a configuration of a local DA converter of FIG. 3 for conceptually explaining the operation of the circuit of FIG. 2;
FIG. 5 is a diagram showing a modification of the successive approximation AD converter according to the present invention.
FIG. 6 is a circuit diagram showing a second embodiment of the successive approximation AD converter according to the present invention.
[Explanation of symbols]
10 Input terminal
101 Switch circuit
102 Switch circuit
200 switch circuit
201 Switch circuit
202 Switch circuit
300 comparator
302 Successive approximation control circuit

Claims (2)

入力電位をサンプリングして電荷を蓄える複数の容量からなる容量配列を含み、第1の基準電位と第2の基準電位とが該容量配列に選択的に印加されるLビット容量型DA変換器と、
電位分割により所望の電位を生成する第1のMビット抵抗型DA変換器と、
電位分割により所望の電位を生成する第2のNビット抵抗型DA変換器と、
該第1のMビット抵抗型DA変換器の出力を該Lビット容量型DA変換器の出力に容量結合により加算する第1の信号経路と、
該第2のNビット抵抗型DA変換器の出力を該Lビット容量型DA変換器の出力に容量結合により加算する第2の信号経路と、
比較器と、
を含む分解能が(L+M+N)ビットの逐次比較型AD変換器において、
該Lビット容量型DA変換器はAD変換の対象である全ビットのうち最上位ビットからLビットに対応し、
該第1のMビット抵抗型DA変換器は該Lビットに続くMビットに対応し、
該第2のNビット抵抗型DA変換器は該Mビットに続くNビットに対応し、
該第1のMビット抵抗型DA変換器と該第2のNビット抵抗型DA変換器とは、電位分割のために抵抗列を共有し、該第1のMビット抵抗型DA変換器と該第2のNビット抵抗型DA変換器とは、合計で2の(M+N)乗の数の抵抗素子を含み、
該第1のMビット抵抗型DA変換器及び該第2のNビット抵抗型DA変換器は、前記第1の基準電位と前記第2の基準電位を抵抗列により電位分割し、該第1の基準電位から該第2の基準電位までの範囲のうちで、該範囲の上半分あるいは下半分の何れか一方にのみ、該第1のMビット抵抗型DA変換器の出力及び該第2のNビット抵抗型DA変換器の出力が存在することを特徴とする逐次比較型AD変換器。
Look including the capacity array of a plurality of capacity for storing sampling the input potential charge, L bit capacity type DA converter in which the first reference potential and second reference potential is selectively applied to the capacitive array When,
A first M-bit resistive DA converter that generates a desired potential by potential division;
A second N-bit resistive DA converter that generates a desired potential by potential division;
A first signal path for adding the output of the first M-bit resistive DA converter to the output of the L-bit capacitive DA converter by capacitive coupling;
A second signal path for adding the output of the second N-bit resistive DA converter to the output of the L-bit capacitive DA converter by capacitive coupling;
A comparator;
In a successive approximation AD converter with a resolution including (L + M + N) bits,
The L-bit capacity DA converter corresponds to L bits from the most significant bit among all the bits subject to AD conversion,
The first M-bit resistive DA converter corresponds to the M bit following the L bit,
The second N-bit resistive DA converter corresponds to the N bits following the M bits,
The first M-bit resistive DA converter and the second N-bit resistive DA converter share a resistor string for potential division, and the first M-bit resistive DA converter and the first M-bit resistive DA converter the second N-bit resistive type DA converter, seen free 2 (M + N) square of the number of resistive elements in total,
The first M-bit resistive DA converter and the second N-bit resistive DA converter divide the first reference potential and the second reference potential by a resistor string, and Of the range from the reference potential to the second reference potential, the output of the first M-bit resistive DA converter and the second N only in either the upper half or the lower half of the range A successive approximation type AD converter characterized in that an output of a bit resistance type DA converter exists .
(M+N)ビットの分解能をもつ分圧された電位を外部に選択的に出力するスイッチ回路を更に含むことを特徴とする請求項1記載の逐次比較型AD変換器。  2. The successive approximation AD converter according to claim 1, further comprising a switch circuit that selectively outputs a divided potential having a resolution of (M + N) bits to the outside.
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JP5210289B2 (en) * 2009-11-26 2013-06-12 旭化成エレクトロニクス株式会社 Successive comparison type A / D converter
JP5427663B2 (en) * 2010-03-24 2014-02-26 スパンション エルエルシー A / D converter
JP5554675B2 (en) 2010-09-29 2014-07-23 富士通株式会社 Successive comparison A / D converter
JP5708275B2 (en) * 2011-06-06 2015-04-30 富士通株式会社 AD converter and electronic device
US9048851B2 (en) * 2013-03-15 2015-06-02 Intel Corporation Spread-spectrum apparatus for voltage regulator
JP6131102B2 (en) * 2013-05-21 2017-05-17 サイプレス セミコンダクター コーポレーション Successive comparison type A / D converter and driving method thereof
JP5623618B2 (en) * 2013-12-02 2014-11-12 スパンションエルエルシー A / D converter
JP6668677B2 (en) 2015-10-22 2020-03-18 株式会社ソシオネクスト A / D converter, A / D conversion method, and semiconductor integrated circuit
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