JP4097614B2 - Analog to digital converter - Google Patents

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本発明は、アナログデジタル変換器に関する。本発明は特に、複数ステージを有し、アナログ信号を複数回に分けてデジタル信号に変換するアナログデジタル変換器に関する。   The present invention relates to an analog-digital converter. The present invention particularly relates to an analog-to-digital converter that has a plurality of stages and converts an analog signal into a digital signal by dividing it into a plurality of times.

近年、携帯電話等の携帯機器に画像撮影機能、画像再生機能、動画撮影機能、および動画再生機能等、様々な付加機能が搭載されるようになってきている。これに伴い、アナログデジタル変換器(以下、「AD変換器」という。)の小型化や省電力化の要求が高まっている。そうしたAD変換器の形態として、循環型に構成されたサイクリックAD変換器が知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1には、サイクリック型の変換部分を含む2ステージからなるAD変換器が開示されている。
特開平4−26229号公報
In recent years, various additional functions such as an image photographing function, an image reproducing function, a moving image photographing function, and a moving image reproducing function have been installed in portable devices such as mobile phones. Accordingly, there is an increasing demand for miniaturization and power saving of analog-digital converters (hereinafter referred to as “AD converters”). As a form of such an AD converter, a cyclic AD converter configured in a circulation type is known (see, for example, Patent Document 1). Patent Document 1 discloses an AD converter having two stages including a cyclic conversion portion.
JP-A-4-26229

上記特許文献1の第1図に示されたAD変換器の第1ステージには、並列型A/D変換器AD1およびD/A変換器DA1からなる系と並列にサンプルホールド回路S/H1が設けられている。この回路の入力アナログ信号は、このサンプルホールド回路S/H1で所定の期間保持される。   In the first stage of the AD converter shown in FIG. 1 of Patent Document 1, a sample and hold circuit S / H1 is provided in parallel with a system comprising a parallel A / D converter AD1 and a D / A converter DA1. Is provided. The input analog signal of this circuit is held for a predetermined period by this sample and hold circuit S / H1.

しかしながら、サンプルホールド回路の構成要素にオペアンプが含まれるため、低電圧時にはサンプルホールド回路の出力電圧範囲が狭まる傾向にある。低電圧時にサンプルホールド回路の出力電圧範囲が狭まることに起因する歪等の特性劣化が大きくなり、AD変換器全体の特性が悪化するという問題がある。これに対し、サンプルホールド回路を除去してしまうと、タイミングがずれてしまい、減算後の増幅回路にオートゼロも増幅もしていない無断な期間が発生してしまうという問題がある。ここで、オートゼロとは、入力をサンプル中で信号を出力していない期間である。   However, since an operational amplifier is included in the constituent elements of the sample-and-hold circuit, the output voltage range of the sample-and-hold circuit tends to narrow when the voltage is low. There is a problem that characteristic degradation such as distortion due to narrowing of the output voltage range of the sample-and-hold circuit becomes large at low voltage, and the characteristics of the entire AD converter deteriorate. On the other hand, if the sample-and-hold circuit is removed, the timing is shifted, and there is a problem that an unauthorized period in which neither autozero nor amplification is generated occurs in the amplifier circuit after subtraction. Here, the auto-zero is a period in which the input is sampled and no signal is output.

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、アナログデジタル変換器において、オートゼロや増幅をしていない無駄な期間を減らす点にある。   The present invention has been made in view of such a situation, and an object thereof is to reduce a useless period during which auto-zero or amplification is not performed in an analog-digital converter.

本発明のある態様は、アナログデジタル変換器である。このアナログデジタル変換器は、入力アナログ信号を複数ステージにより、複数回に分けてデジタル信号に変換するアナログデジタル変換器であって、各ステージは、自己に入力されるアナログ信号と所定のリファレンス電圧とを比較して、所定ビット数のデジタル値に変換するAD変換回路を有し、AD変換回路に対する前記アナログ信号の入力タイミングと所定のリファレンス電圧の入力タイミングとが、いずれかのタイミングが先になるようステージごとに設定されている。   One embodiment of the present invention is an analog-digital converter. This analog-to-digital converter is an analog-to-digital converter that converts an input analog signal into a digital signal divided into a plurality of times by a plurality of stages, and each stage has an analog signal input to itself and a predetermined reference voltage. And an analog-to-digital conversion circuit for converting the digital signal into a digital value having a predetermined number of bits, and the timing of input of the analog signal to the analog-to-digital conversion circuit and the input timing of the predetermined reference voltage are first. It is set for each stage.

本態様によれば、AD変換回路の動作タイミングをステージごとに設定することにより、AD変換回路に入力されるアナログ信号を増幅等する増幅回路等の素子のサンプルタイミングの設定に自由度を与えることができる。即ち、当該AD変換回路および当該増幅回路は、オートゼロ期間の終わりの入力をサンプルする。両回路で入力信号のサンプル点の同期をとるために、両回路が実質的に同じタイミングで入力信号をサンプルすると、両回路のオートゼロ期間と動作期間の設定に制約ができて、無駄な期間が発生する場合がある。当該AD変換回路がリファレンス電圧をサンプルし、比較動作期間中に入力信号が入ってきても、その逆の場合と同じ出力デジタル値が得られることから、当該増幅回路が、当該AD変換回路と実質的に同じタイミングで入力信号をサンプルするという制約から解放される。したがって、当該素子に無駄な期間の発生しない動作タイミングを設定することが可能となる。また、それらを簡単な制御信号で制御することも可能となる。   According to this aspect, by setting the operation timing of the AD conversion circuit for each stage, it is possible to give a degree of freedom to the setting of the sample timing of an element such as an amplification circuit that amplifies an analog signal input to the AD conversion circuit. Can do. That is, the AD converter circuit and the amplifier circuit sample the input at the end of the auto-zero period. In order to synchronize the sampling point of the input signal in both circuits, if both circuits sample the input signal at substantially the same timing, the setting of the auto-zero period and the operation period of both circuits can be restricted, and there is a wasteful period. May occur. Even if the AD converter circuit samples the reference voltage and an input signal is input during the comparison operation period, the same output digital value as in the opposite case is obtained. Therefore, the amplifier circuit is substantially the same as the AD converter circuit. Thus, the restriction that the input signal is sampled at the same timing is released. Accordingly, it is possible to set an operation timing at which no unnecessary period occurs in the element. It is also possible to control them with a simple control signal.

AD変換回路は、非動作期間の終わりに前記アナログ信号をサンプルして、比較動作期間中に所定のリファレンス電圧が入力されるか、非動作期間の終わりに所定のリファレンス電圧をサンプルして、比較動作期間中に前記アナログ信号が入力されるか、各ステージの構成に応じて異なるとよい。各ステージの増幅回路の設置状況に応じて、AD変換回路の動作タイミングを設置することにより、当該増幅素子に無駄な期間の発生しない動作タイミングを設定することができる。なお、「非動作期間」には、オートゼロ期間を含む。   The AD converter circuit samples the analog signal at the end of the non-operation period and inputs a predetermined reference voltage during the comparison operation period or compares the sample by sampling the predetermined reference voltage at the end of the non-operation period. The analog signal may be input during the operation period or may be different depending on the configuration of each stage. By setting the operation timing of the AD conversion circuit according to the installation status of the amplification circuit of each stage, it is possible to set an operation timing that does not cause a useless period for the amplification element. The “non-operation period” includes an auto-zero period.

本発明の別の態様もまた、アナログデジタル変換器である。このアナログデジタル変換器は、入力アナログ信号を複数ステージにより、複数回に分けてデジタル信号に変換するアナログデジタル変換器であって、1つの増幅素子で増幅する第1型のステージと、2つの増幅素子で増幅する第2型のステージと、をそれぞれ1つ以上有し、第1型のステージのAD変換回路は、所定のリファレンス電圧をサンプルし、比較動作期間中に自己のステージへのアナログ信号が入力され、第2型のステージのAD変換回路は、自己のステージに入力されるアナログ信号をサンプルし、比較動作期間中に所定のリファレンス電圧が入力される。   Another aspect of the present invention is also an analog-digital converter. This analog-to-digital converter is an analog-to-digital converter that converts an input analog signal into a digital signal in a plurality of stages by a plurality of stages, and a first type stage that amplifies by one amplification element and two amplifications Each having at least one second type stage to be amplified by the element, and the AD converter circuit of the first type stage samples a predetermined reference voltage and outputs an analog signal to its own stage during the comparison operation period Is input, the AD converter circuit of the second type stage samples the analog signal input to its own stage, and a predetermined reference voltage is input during the comparison operation period.

本発明のさらに別の態様もまた、アナログデジタル変換器である。このアナログデジタル変換器は、入力アナログ信号を複数ステージにより、複数回に分けてデジタル信号に変換するアナログデジタル変換器であって、自己のステージに入力されるアナログ信号と所定のリファレンス電圧とを比較して、所定ビット数のデジタル値に変換するAD変換回路と、前記アナログ信号をサンプルし、前記AD変換回路の変換デジタル値に相当するアナログ信号を減算して、所定の増幅率で増幅する減算増幅回路と、を含む第1型のステージと、自己のステージに入力されるアナログ信号と所定のリファレンス電圧とを比較して、所定ビット数のデジタル値に変換するAD変換回路と、前記アナログ信号をサンプルし、所定の増幅率で増幅またはホールドする第1増幅回路と、この出力アナログ信号から、前記AD変換回路の変換デジタル値に相当するアナログ信号を減算する減算回路と、この出力アナログ信号を所定の増幅率で増幅する第2増幅回路と、を含む第2型のステージと、をそれぞれ1つ以上有し、第1型のステージのAD変換回路は、所定のリファレンス電圧をサンプルし、比較動作期間中に自己のステージへのアナログ信号が入力され、第2型のステージのAD変換回路は、自己のステージに入力されるアナログ信号をサンプルし、比較動作期間中に所定のリファレンス電圧が入力されるとよい。   Yet another embodiment of the present invention is also an analog-digital converter. This analog-to-digital converter is an analog-to-digital converter that converts an input analog signal into a digital signal in multiple stages by multiple stages, and compares the analog signal input to its own stage with a predetermined reference voltage An AD conversion circuit that converts the digital signal to a digital value having a predetermined number of bits, and a subtraction that samples the analog signal, subtracts the analog signal corresponding to the converted digital value of the AD conversion circuit, and amplifies the analog signal at a predetermined amplification factor A first type stage including an amplifier circuit; an analog-to-digital conversion circuit that compares an analog signal input to its own stage with a predetermined reference voltage and converts the analog signal to a digital value of a predetermined number of bits; and the analog signal And a first amplifier circuit that amplifies or holds the signal at a predetermined amplification factor and the output analog signal. Each has at least one second type stage including a subtracting circuit that subtracts an analog signal corresponding to the converted digital value of the circuit and a second amplifier circuit that amplifies the output analog signal at a predetermined amplification factor. The AD converter circuit of the first type stage samples a predetermined reference voltage, and an analog signal is input to the own stage during the comparison operation period. The AD converter circuit of the second type stage It is preferable that the analog signal input to the stage is sampled and a predetermined reference voltage is input during the comparison operation period.

従来、1つの増幅素子のステージにおいては、AD変換回路と当該増幅素子とが実質的に同タイミングで入力されるアナログ信号をサンプルしていたため、当該増幅素子のサンプルタイミングが早まってしまい、すぐに増幅することができなく、無駄な期間が発生していた。この点、第1型のステージのAD変換回路の動作タイミングを調整することにより、第1型のステージの構成素子に、オートゼロや増幅をしていない無駄な期間の発生を防止することができる。   Conventionally, in the stage of one amplifying element, the analog conversion signal and the amplifying element sampled an analog signal input at substantially the same timing, so the sampling timing of the amplifying element is accelerated, and immediately It was impossible to amplify, and a wasteful period occurred. In this regard, by adjusting the operation timing of the AD converter circuit of the first type stage, it is possible to prevent occurrence of useless periods during which auto zero or amplification is not performed in the constituent elements of the first type stage.

複数ステージの内、初段のステージのAD変換回路は、所定のリファレンス電圧をサンプルし、比較動作期間中に自己のステージへのアナログ信号が入力されるとよい。これによれば、初段のステージを第1型のステージで構成することができる。よって、AD変換回路と並列に設けられる増幅回路を除去することができ、この増幅回路の出力電圧範囲に起因する特性劣化を防止することができる。初段のステージは、最も大きな信号が入力されるためこの特性劣化が最も起きやすいが、第1型のステージにすれば、それを防止することができる。   Of the plurality of stages, the AD converter circuit of the first stage preferably samples a predetermined reference voltage and inputs an analog signal to its own stage during the comparison operation period. According to this, the first stage can be constituted by the first type stage. Therefore, the amplifier circuit provided in parallel with the AD converter circuit can be removed, and characteristic deterioration due to the output voltage range of the amplifier circuit can be prevented. In the first stage, since the largest signal is inputted, this characteristic deterioration is most likely to occur. However, if the first stage is used, it can be prevented.

複数ステージの内、自己のステージの出力アナログ信号が、自己のステージの入力にフィードバックするステージを含むとよい。これによれば、1つのステージを複数回使用することができ、回路面積を縮小することができる。   Of the plurality of stages, an output analog signal of the own stage may include a stage that feeds back to an input of the own stage. According to this, one stage can be used a plurality of times, and the circuit area can be reduced.

なお、以上の構成要素の任意の組合せや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。   Note that any combination of the above-described constituent elements, and those in which the constituent elements and expressions of the present invention are mutually replaced between methods, apparatuses, systems, and the like are also effective as an aspect of the present invention.

本発明によれば、アナログデジタル変換器において、オートゼロや増幅をしていない無駄な期間を減らすことができる。   According to the present invention, in the analog-digital converter, it is possible to reduce a useless period during which auto-zero or amplification is not performed.

入力アナログ信号を複数回に分けてデジタル信号に変換するパイプライン型やサイクリック型のAD変換器において、それを構成する各ステージは、1ステップ増幅、または2ステップ増幅を行う。以下の各実施形態においては、1ステップ増幅と、2ステップ増幅とを混在させたAD変換器の例を説明する。まずその前提として、本発明の1ステップ増幅、および2ステップ増幅の基本構成と、基本動作について説明する。   In a pipeline type or cyclic type AD converter that divides an input analog signal into a plurality of times and converts it into a digital signal, each stage constituting it performs one-step amplification or two-step amplification. In the following embodiments, an example of an AD converter in which one-step amplification and two-step amplification are mixed will be described. First, the basic configuration and basic operation of the 1-step amplification and 2-step amplification of the present invention will be described as the premise.

図1は、1ステップ増幅の基本構成を示す。図1は、AD変換器を構成する1つのステージを示している。このステージに入力されるアナログ信号Vinは、減算増幅回路16でサンプルされる。AD変換回路12は、アナログ信号Vinを所定の分解能でデジタル値に変換する。AD変換回路12は、複数のコンパレータを備えるフラッシュ型である。この複数のコンパレータには、LSB(Least Significant Bit)に相当する電圧毎のリファレンス電圧が供給される。各コンパレータは、当該リファレンス電圧と、上記サンプルしたアナログ信号とを比較し、Hi/Loの信号を出力する。   FIG. 1 shows a basic configuration of one-step amplification. FIG. 1 shows one stage constituting the AD converter. The analog signal Vin input to this stage is sampled by the subtraction amplification circuit 16. The AD conversion circuit 12 converts the analog signal Vin into a digital value with a predetermined resolution. The AD conversion circuit 12 is a flash type including a plurality of comparators. A reference voltage for each voltage corresponding to LSB (Least Significant Bit) is supplied to the plurality of comparators. Each comparator compares the reference voltage with the sampled analog signal and outputs a Hi / Lo signal.

DA変換回路13は、AD変換回路12のコンパレータの出力をアナログ信号に変換する。減算増幅回路16は、サンプルしたアナログ信号Vinから、DA変換回路13の出力アナログ信号を減算し、所定の増幅率で増幅する。減算増幅回路16をスイッチトキャパシタオペアンプで構成した場合、当該オペアンプの入力端子に接続される容量で、上記アナログ信号Vinをサンプルする。減算増幅回路16の出力アナログ信号は、本ステージの出力アナログ信号Voutとなる。   The DA conversion circuit 13 converts the output of the comparator of the AD conversion circuit 12 into an analog signal. The subtraction amplification circuit 16 subtracts the output analog signal of the DA conversion circuit 13 from the sampled analog signal Vin, and amplifies it with a predetermined amplification factor. When the subtracting amplifier circuit 16 is composed of a switched capacitor operational amplifier, the analog signal Vin is sampled by a capacitor connected to the input terminal of the operational amplifier. The output analog signal of the subtraction amplification circuit 16 becomes the output analog signal Vout of this stage.

次に、このステージの動作タイミングを説明する。図2は、図1に示した回路の本発明の動作例を示すタイムチャートである。図2において、減算増幅回路16およびAD変換回路12は、オートゼロ期間からアンプ期間に切り替わるタイミングで、入力されている信号をサンプルする。減算増幅回路16は、クロック信号CLKのHi期間にオートゼロ動作をし、Lo期間に減算増幅を行う。Hi期間にアナログ信号Vinが入力され、HiからLoへの立ち下がりエッジで、アナログ信号Vinをサンプルする。Lo期間にはDA変換回路13の変換確定データが入力される。   Next, the operation timing of this stage will be described. FIG. 2 is a time chart showing an operation example of the circuit shown in FIG. 1 according to the present invention. In FIG. 2, the subtraction amplification circuit 16 and the AD conversion circuit 12 sample an input signal at a timing when the auto zero period is switched to the amplifier period. The subtraction amplification circuit 16 performs an auto-zero operation during the Hi period of the clock signal CLK, and performs subtraction amplification during the Lo period. The analog signal Vin is input during the Hi period, and the analog signal Vin is sampled at the falling edge from Hi to Lo. In the Lo period, the conversion confirmation data of the DA conversion circuit 13 is input.

AD変換回路12は、クロック信号CLKのHi期間に比較動作をして比較結果を出力し、Lo期間にオートゼロ動作をする。AD変換回路12内の各コンパレータには、Lo期間にリファレンス電圧が入力され、LoからHiへの立ち上がりエッジで、リファレンス電圧をサンプルする。Hi期間にはアナログ信号Vinが入力される。   The AD conversion circuit 12 performs a comparison operation during the Hi period of the clock signal CLK and outputs a comparison result, and performs an auto-zero operation during the Lo period. A reference voltage is input to each comparator in the AD conversion circuit 12 during the Lo period, and the reference voltage is sampled at the rising edge from Lo to Hi. The analog signal Vin is input during the Hi period.

DA変換回路13は、クロック信号CLKのHi期間は不定であり、Lo期間に変換確定データを保持する。HiからLoへの立ち下がりエッジのAD変換回路12の出力を、Lo期間に保持する。   The DA conversion circuit 13 is indefinite during the Hi period of the clock signal CLK, and holds the conversion confirmation data during the Lo period. The output of the AD conversion circuit 12 at the falling edge from Hi to Lo is held during the Lo period.

次に、このステージの他の動作タイミングを説明する。図3は、図1に示した回路の比較動作例を示すタイムチャートである。図3において、この比較動作例は、2つのクロック信号CLKが必要となる。第2クロック信号CLK2は、第1クロック信号CLK1の2倍の周波数である。   Next, another operation timing of this stage will be described. FIG. 3 is a time chart showing an example of comparison operation of the circuit shown in FIG. In FIG. 3, this comparison operation example requires two clock signals CLK. The second clock signal CLK2 has a frequency twice that of the first clock signal CLK1.

減算増幅回路16は、第1クロック信号CLK1のLo期間に減算増幅を行い、その期間に続く第2クロック信号CLK2のHi期間にオートゼロ動作をする。減算増幅回路16は、第1クロック信号CLK1のHi期間における第2クロック信号CLK2のHiからLoへの立ち下がりエッジで、アナログ信号Vinをサンプルする。上記減算増幅期間に、DA変換回路13の変換確定データが入力され、上記オートゼロ期間にアナログ信号Vinが入力される。第1クロック信号CLK1のHi期間における第2クロック信号CLK2のLo期間は、オートゼロ動作も減算増幅もしない無駄な期間tとなる。   The subtraction amplifier circuit 16 performs subtraction amplification during the Lo period of the first clock signal CLK1, and performs auto-zero operation during the Hi period of the second clock signal CLK2 following that period. The subtracting amplifier circuit 16 samples the analog signal Vin at the falling edge of the second clock signal CLK2 from Hi to Lo during the Hi period of the first clock signal CLK1. Conversion confirmation data of the DA conversion circuit 13 is input during the subtraction amplification period, and an analog signal Vin is input during the auto-zero period. The Lo period of the second clock signal CLK2 in the Hi period of the first clock signal CLK1 is a useless period t in which neither auto-zero operation nor subtraction amplification is performed.

AD変換回路12は、第1クロック信号CLK1のLo期間と、その期間に続く第2クロック信号CLK2のHi期間にオートゼロ動作をし、その期間に続く第2クロック信号CLK2のLo期間に比較動作をして比較結果を出力する。AD変換回路12は、減算増幅回路16がアナログ信号Vinをサンプルするタイミングと同じタイミングで、アナログ信号Vinをサンプルする。当該オートゼロ期間に、AD変換回路12内の各コンパレータにはアナログ信号Vinが入力される。上記比較動作期間に、所定のリファレンス電圧が入力される。   The AD conversion circuit 12 performs an auto-zero operation during the Lo period of the first clock signal CLK1 and the Hi period of the second clock signal CLK2 following that period, and performs the comparison operation during the Lo period of the second clock signal CLK2 following that period. And output the comparison result. The AD conversion circuit 12 samples the analog signal Vin at the same timing as the subtraction amplifier circuit 16 samples the analog signal Vin. During the auto-zero period, the analog signal Vin is input to each comparator in the AD conversion circuit 12. A predetermined reference voltage is input during the comparison operation period.

DA変換回路13は、第1クロック信号CLK1のHi期間は不定であり、Lo期間に変換確定データを保持する。AD変換回路12の比較結果の出力を、第1クロック信号CLK1のHiからLoへの立ち下がりエッジで確定し、その確定したデータをLo期間に保持する。   The DA conversion circuit 13 is indefinite during the Hi period of the first clock signal CLK1, and holds the conversion confirmation data during the Lo period. The output of the comparison result of the AD conversion circuit 12 is determined at the falling edge of the first clock signal CLK1 from Hi to Lo, and the determined data is held in the Lo period.

このように、比較動作例は、オートゼロ動作も減算増幅もしていない無駄な期間tが減算増幅回路16に発生する。この原因は、AD変換回路12と減算増幅回路16とが同じタイミングで、アナログ信号Vinをサンプルしているためである。即ち、同時にアナログ信号Vinをサンプルした後、AD変換回路12は、すぐにリファレンス電圧との比較動作を開始することができるのに対し、減算増幅回路16は、DA変換回路13による変換データの確定が終わるまで、減算増幅を行うことができない。そのため、比較動作例は、図2の動作タイミングで使用したクロック信号CLKより、早い第2クロック信号CLK2で、AD変換回路12と減算増幅回路16を制御しなければならない。   Thus, in the comparison operation example, a useless period t in which neither the auto-zero operation nor the subtraction amplification is performed occurs in the subtraction amplification circuit 16. This is because the AD conversion circuit 12 and the subtraction amplification circuit 16 sample the analog signal Vin at the same timing. That is, after sampling the analog signal Vin at the same time, the AD conversion circuit 12 can immediately start the comparison operation with the reference voltage, whereas the subtraction amplification circuit 16 determines the conversion data by the DA conversion circuit 13. The subtraction amplification cannot be performed until the process is completed. Therefore, in the comparative operation example, the AD conversion circuit 12 and the subtraction amplification circuit 16 must be controlled by the second clock signal CLK2 that is earlier than the clock signal CLK used at the operation timing of FIG.

これに対し、本発明の動作例は、AD変換回路12のコンパレータが、リファレンス電圧をサンプルし、比較動作期間にアナログ信号Vinを入力する。これにより、減算増幅回路16は、アナログ信号Vinのサンプルタイミングを急ぐ必要がなくなり、オートゼロ期間を比較動作例より長くとることができる。同時に、AD変換回路12の比較期間も比較動作例より長くとることができる。よって、比較動作例の第2クロック信号CLK2のような早いタイミングの信号も必要ない。   On the other hand, in the operation example of the present invention, the comparator of the AD conversion circuit 12 samples the reference voltage and inputs the analog signal Vin during the comparison operation period. As a result, the subtracting amplifier circuit 16 does not need to rush the sample timing of the analog signal Vin, and can take a longer auto-zero period than the comparative operation example. At the same time, the comparison period of the AD conversion circuit 12 can be longer than that of the comparison operation example. Therefore, an early timing signal such as the second clock signal CLK2 in the comparative operation example is not necessary.

図4は、2ステップ増幅の基本構成を示す。図4は、AD変換器を構成する1つのステージを示している。このステージに入力されるアナログ信号Vinは、第1増幅回路11およびAD変換回路12にサンプルされる。第1増幅回路11は、サンプルしたアナログ信号Vinを所定の増幅率で増幅し、減算回路14または減算増幅回路16に出力する。または、サンプルしたアナログ信号Vinを所定の期間ホールドして、減算回路14または減算増幅回路16に出力する。   FIG. 4 shows a basic configuration of two-step amplification. FIG. 4 shows one stage constituting the AD converter. The analog signal Vin input to this stage is sampled by the first amplifier circuit 11 and the AD conversion circuit 12. The first amplifier circuit 11 amplifies the sampled analog signal Vin with a predetermined amplification factor and outputs the amplified signal to the subtraction circuit 14 or the subtraction amplifier circuit 16. Alternatively, the sampled analog signal Vin is held for a predetermined period and output to the subtraction circuit 14 or the subtraction amplification circuit 16.

AD変換回路12は、サンプルしたアナログ信号Vinを所定の分解能でデジタル値に変換する。DA変換回路13は、AD変換回路12の出力をアナログ信号に変換する。その際、第1増幅回路11の増幅率に応じて、AD変換回路12の出力を増幅しながら、アナログ信号に変換する。この増幅は、AD変換回路12に供給される基準電圧レンジと、DA変換回路13に供給される基準電圧レンジとの比を調整することにより行うことができる。また、DA変換回路13を容量アレイ型で構成した場合、容量の数を調整することによっても行うことができる。   The AD conversion circuit 12 converts the sampled analog signal Vin into a digital value with a predetermined resolution. The DA conversion circuit 13 converts the output of the AD conversion circuit 12 into an analog signal. At that time, the output of the AD conversion circuit 12 is amplified and converted into an analog signal according to the amplification factor of the first amplifier circuit 11. This amplification can be performed by adjusting the ratio between the reference voltage range supplied to the AD conversion circuit 12 and the reference voltage range supplied to the DA conversion circuit 13. Further, when the DA conversion circuit 13 is configured as a capacitor array type, it can also be performed by adjusting the number of capacitors.

減算回路14は、第1増幅回路11の出力アナログ信号から、DA変換回路13の出力アナログ信号を減算する。第2増幅回路15は、減算回路14の出力アナログ信号をサンプルし、所定の増幅率で増幅する。第2増幅回路15の出力アナログ信号は、本ステージの出力アナログ信号Voutとなる。なお、減算回路14および第2増幅回路15の代わりに減算増幅回路16を用いる場合、減算増幅回路16は、第1増幅回路11の出力アナログ信号をサンプルして、所定の増幅率で減算増幅する。   The subtraction circuit 14 subtracts the output analog signal of the DA conversion circuit 13 from the output analog signal of the first amplifier circuit 11. The second amplifier circuit 15 samples the output analog signal of the subtractor circuit 14 and amplifies it with a predetermined amplification factor. The output analog signal of the second amplifier circuit 15 becomes the output analog signal Vout of this stage. When the subtraction amplification circuit 16 is used in place of the subtraction circuit 14 and the second amplification circuit 15, the subtraction amplification circuit 16 samples the output analog signal of the first amplification circuit 11 and subtracts and amplifies it with a predetermined amplification factor. .

次に、このステージの動作タイミングを説明する。図5は、図4に示した回路の動作例を示すタイムチャートである。図5において、第1増幅回路11は、クロック信号CLKのHi期間にサンプルしたアナログ信号Vinを増幅し、Lo期間にオートゼロ動作をする。Lo期間にアナログ信号Vinが入力され、LoからHiへの立ち下がりエッジで、アナログ信号Vinをサンプルする。Hi期間には所定のリファレンス電圧が入力される。   Next, the operation timing of this stage will be described. FIG. 5 is a time chart showing an operation example of the circuit shown in FIG. In FIG. 5, the first amplifier circuit 11 amplifies the analog signal Vin sampled during the Hi period of the clock signal CLK, and performs an auto-zero operation during the Lo period. The analog signal Vin is input during the Lo period, and the analog signal Vin is sampled at the falling edge from Lo to Hi. A predetermined reference voltage is input during the Hi period.

AD変換回路12は、クロック信号CLKのHi期間に比較動作をして比較結果を出力し、Lo期間にオートゼロ動作をする。AD変換回路12内の各コンパレータには、Lo期間にアナログ信号Vinが入力され、LoからHiへの立ち下がりエッジで、アナログ信号Vinをサンプルする。Hi期間には所定のリファレンス電圧が入力される。   The AD conversion circuit 12 performs a comparison operation during the Hi period of the clock signal CLK and outputs a comparison result, and performs an auto-zero operation during the Lo period. The analog signal Vin is input to each comparator in the AD conversion circuit 12 during the Lo period, and the analog signal Vin is sampled at the falling edge from Lo to Hi. A predetermined reference voltage is input during the Hi period.

DA変換回路13は、クロック信号CLKのHi期間は不定であり、Lo期間に変換確定データを保持する。HiからLoへの立ち下がりエッジのAD変換回路12の出力を、Lo期間に保持する。   The DA conversion circuit 13 is indefinite during the Hi period of the clock signal CLK, and holds the conversion confirmation data during the Lo period. The output of the AD conversion circuit 12 at the falling edge from Hi to Lo is held during the Lo period.

第2増幅回路15は、クロック信号CLKのHi期間にオートゼロ動作をし、Lo期間に増幅を行う。クロック信号CLKのHiからLoへの立ち下がりエッジで、第1増幅回路11とDA変換回路13との差分信号をサンプルし、Lo期間には所定のリファレンス電圧が入力される。また、減算増幅回路16を用いる場合、減算増幅回路16は、クロック信号CLKのHi期間にオートゼロ動作をし、Lo期間に減算増幅を行う。Hi期間に第1増幅回路11の出力アナログ信号が入力され、HiからLoへの立ち下がりエッジで、当該出力アナログ信号をサンプルする。Lo期間にはDA変換回路13の変換確定データが入力される。   The second amplifier circuit 15 performs an auto-zero operation during the Hi period of the clock signal CLK and performs amplification during the Lo period. At the falling edge of the clock signal CLK from Hi to Lo, the difference signal between the first amplifier circuit 11 and the DA converter circuit 13 is sampled, and a predetermined reference voltage is input during the Lo period. When the subtraction amplifier circuit 16 is used, the subtraction amplifier circuit 16 performs an auto-zero operation during the Hi period of the clock signal CLK and performs subtraction amplification during the Lo period. The output analog signal of the first amplifier circuit 11 is input during the Hi period, and the output analog signal is sampled at the falling edge from Hi to Lo. In the Lo period, the conversion confirmation data of the DA conversion circuit 13 is input.

このように、2ステップ増幅は、第1増幅回路11とAD変換回路12とが同時にアナログ信号Vinをサンプルし、AD変換回路12がアナログ信号Vinと比較して変換動作をしている期間に、第1増幅回路11がアナログ信号Vinをホールドまたは増幅している。したがって、第2増幅回路15は、DA変換回路13の変換データが確定した後、第1増幅回路11とDA変換回路13との差分信号をサンプルすればよく、無駄な期間tが発生しない。また、AD変換回路12の変換動作期間に、第1増幅回路11がアナログ信号Vinを増幅することにより、第2増幅回路15の増幅率を下げることができ、第2増幅回路15を高速化することができる。   As described above, in the two-step amplification, the first amplifier circuit 11 and the AD conversion circuit 12 simultaneously sample the analog signal Vin, and the AD conversion circuit 12 performs a conversion operation in comparison with the analog signal Vin. The first amplifier circuit 11 holds or amplifies the analog signal Vin. Therefore, the second amplifier circuit 15 may sample the difference signal between the first amplifier circuit 11 and the DA converter circuit 13 after the conversion data of the DA converter circuit 13 is determined, and the useless period t does not occur. Further, during the conversion operation period of the AD conversion circuit 12, the first amplification circuit 11 amplifies the analog signal Vin, whereby the amplification factor of the second amplification circuit 15 can be lowered, and the second amplification circuit 15 is speeded up. be able to.

(第1実施形態)
次に、第1実施形態について説明する。本実施形態は、第1ステージのAD変換回路で4ビットを変換し、第2〜4ステージのAD変換回路で2ビットずつを変換する4ステージからなるパイプライン型のAD変換器の例である。第1ステージが1ステップ増幅、第2,3ステージが2ステップ増幅の構成である。
(First embodiment)
Next, the first embodiment will be described. The present embodiment is an example of a pipelined AD converter having four stages in which 4 bits are converted by the AD converter circuit of the first stage and 2 bits are converted by the AD converter circuits of the second to fourth stages. . The first stage has a one-step amplification, and the second and third stages have a two-step amplification.

図6は、第1実施形態におけるAD変換器の構成を示す。このAD変換器において、入力アナログ信号Vinは、第1減算増幅回路26および第1AD変換回路22に入力される。第1AD変換回路22は、フラッシュ型のものであり、その分解能、即ち変換ビット数は4ビットである。第1AD変換回路22は、入力アナログ信号Vinをデジタル値に変換し、上位4ビット(D9〜D6)を取り出す。第1DA変換回路23は、第1AD変換回路22により変換されたデジタル値をアナログ値に変換する。第1減算増幅回路26は、サンプルした入力アナログ信号Vinから、第1DA変換回路23の出力アナログ信号を減算し、2倍に増幅する。   FIG. 6 shows the configuration of the AD converter in the first embodiment. In this AD converter, the input analog signal Vin is input to the first subtraction amplification circuit 26 and the first AD conversion circuit 22. The first AD conversion circuit 22 is of a flash type, and its resolution, that is, the number of conversion bits is 4 bits. The first AD conversion circuit 22 converts the input analog signal Vin into a digital value and takes out the upper 4 bits (D9 to D6). The first DA conversion circuit 23 converts the digital value converted by the first AD conversion circuit 22 into an analog value. The first subtraction amplification circuit 26 subtracts the output analog signal of the first DA conversion circuit 23 from the sampled input analog signal Vin, and amplifies it by a factor of two.

第1減算増幅回路26の出力アナログ信号は、第3増幅回路27および第2AD変換回路28に入力される。第3増幅回路27と第2AD変換回路28とは、同じタイミングでサンプルする。第3増幅回路27は、入力されるアナログ信号をサンプルし、2倍に増幅して、第2減算回路30に出力する。第2AD変換回路28は、入力されるアナログ信号をサンプルし、デジタル値に変換し、上位から5,6ビット(D5,D4)を取り出す。   The output analog signal of the first subtraction amplification circuit 26 is input to the third amplification circuit 27 and the second AD conversion circuit 28. The third amplifier circuit 27 and the second AD converter circuit 28 sample at the same timing. The third amplifier circuit 27 samples the input analog signal, amplifies it twice, and outputs it to the second subtraction circuit 30. The second AD conversion circuit 28 samples the input analog signal, converts it to a digital value, and takes out 5 and 6 bits (D5 and D4) from the higher order.

第2ステージの変換ビット数は2ビットであるため、本来、第1ステージの出力が実質4(2の2乗)倍に増幅されていなければならない。第1ステージにおいては第1減算増幅回路26により、2倍に増幅している。それに加えて、第2AD変換回路28内のコンパレータのリファレンス電圧を、第1AD変換回路22の1/2に設定すれば、上記実質4倍を実現することができる。   Since the number of conversion bits in the second stage is 2 bits, the output of the first stage must be amplified by a factor of 4 (square of 2). In the first stage, the first subtraction amplification circuit 26 amplifies the signal twice. In addition, if the reference voltage of the comparator in the second AD converter circuit 28 is set to ½ that of the first AD converter circuit 22, the above four times can be realized.

第2DA変換回路29は、第2AD変換回路28により変換されたデジタル値をアナログ値に変換する。この際、第2AD変換回路28の出力を2倍に増幅しながら、アナログ信号に変換する。第2減算回路30は、第3増幅回路27の出力アナログ信号から第2DA変換回路29の出力アナログ信号を減算する。第4増幅回路31は、第2減算回路30の出力アナログ信号を2倍に増幅する。なお、第2減算回路30および第4増幅回路31の代わりに、一体型の第2減算増幅回路32を用いてもよい。これによれば、回路面積を縮小化することができる。   The second DA conversion circuit 29 converts the digital value converted by the second AD conversion circuit 28 into an analog value. At this time, the output of the second AD conversion circuit 28 is converted to an analog signal while being doubled. The second subtraction circuit 30 subtracts the output analog signal of the second DA conversion circuit 29 from the output analog signal of the third amplification circuit 27. The fourth amplification circuit 31 amplifies the output analog signal of the second subtraction circuit 30 by a factor of two. Instead of the second subtraction circuit 30 and the fourth amplification circuit 31, an integrated second subtraction amplification circuit 32 may be used. According to this, the circuit area can be reduced.

第4増幅回路31の出力アナログ信号は、第5増幅回路33および第3AD変換回路34に入力される。第5増幅回路33と第3AD変換回路34とは、同じタイミングでサンプルする。第5増幅回路33は、入力されるアナログ信号をサンプルし、2倍に増幅して、第3減算回路36に出力する。第3AD変換回路34は、入力されるアナログ信号をサンプルし、デジタル値に変換し、上位から7,8ビット(D3,D2)を取り出す。   The output analog signal of the fourth amplifier circuit 31 is input to the fifth amplifier circuit 33 and the third AD conversion circuit 34. The fifth amplifier circuit 33 and the third AD converter circuit 34 sample at the same timing. The fifth amplifier circuit 33 samples the input analog signal, amplifies it twice, and outputs it to the third subtractor circuit 36. The third AD conversion circuit 34 samples the input analog signal, converts it to a digital value, and takes out 7 to 8 bits (D3 and D2) from the higher order.

第3DA変換回路35は、第3AD変換回路34により変換されたデジタル値をアナログ値に変換する。この際、第3AD変換回路34の出力を2倍に増幅しながら、アナログ信号に変換する。第3減算回路36は、第5増幅回路33の出力アナログ信号から第3DA変換回路35の出力アナログ信号を減算する。第6増幅回路37は、第3減算回路36の出力アナログ信号を2倍に増幅する。なお、第3減算回路36および第6増幅回路37の代わりに、一体型の第3減算増幅回路38を用いてもよい。   The third DA conversion circuit 35 converts the digital value converted by the third AD conversion circuit 34 into an analog value. At this time, the output of the third AD conversion circuit 34 is converted to an analog signal while being amplified twice. The third subtraction circuit 36 subtracts the output analog signal of the third DA conversion circuit 35 from the output analog signal of the fifth amplification circuit 33. The sixth amplification circuit 37 amplifies the output analog signal of the third subtraction circuit 36 by a factor of two. Instead of the third subtraction circuit 36 and the sixth amplification circuit 37, an integrated third subtraction amplification circuit 38 may be used.

第6増幅回路37の出力アナログ信号は、第4AD変換回路39に入力される。第4AD変換回路39は、入力されるアナログ信号をサンプルし、デジタル値に変換し、上位から9,10ビット(D1〜D0)を取り出す。このように、4つのステージで10ビットのデジタル値を得ている。   The output analog signal of the sixth amplifier circuit 37 is input to the fourth AD conversion circuit 39. The fourth AD conversion circuit 39 samples the input analog signal, converts it to a digital value, and takes out 9,10 bits (D1 to D0) from the higher order. In this way, a 10-bit digital value is obtained in four stages.

次に、第1実施形態におけるAD変換器の動作タイミングについて説明する。図7は、第1実施形態におけるAD変換器の動作過程を示すタイムチャートである。まず、第1ステージの動作タイミングを説明する。第1減算増幅回路26は、クロック信号CLKのHiからLoへの立ち下がりエッジで、入力アナログ信号Vinをサンプルする。第1減算増幅回路26は、クロック信号CLKのHi期間にオートゼロ動作をし、Lo期間にサンプルした入力アナログ信号Vinから第1DA変換回路23の出力アナログ信号を減算して、増幅する。第2AD変換回路28は、クロック信号CLKのLoからHiへの立ち上がりエッジで、所定のリファレンス電圧をサンプルする。第2AD変換回路28は、クロック信号CLKのHi期間に比較動作をし、Lo期間にオートゼロ動作をする。クロック信号CLKのHiからLoへの立ち下がりエッジに、入力アナログ信号Vinが入力される。第1DA変換回路23は、クロック信号CLKのLo期間に変換確定データを保持し、Hi期間に不定状態となる。   Next, the operation timing of the AD converter in the first embodiment will be described. FIG. 7 is a time chart illustrating an operation process of the AD converter according to the first embodiment. First, the operation timing of the first stage will be described. The first subtracting amplifier circuit 26 samples the input analog signal Vin at the falling edge of the clock signal CLK from Hi to Lo. The first subtraction amplification circuit 26 performs an auto-zero operation during the Hi period of the clock signal CLK, and subtracts the output analog signal of the first DA conversion circuit 23 from the input analog signal Vin sampled during the Lo period to amplify it. The second AD conversion circuit 28 samples a predetermined reference voltage at the rising edge of the clock signal CLK from Lo to Hi. The second AD conversion circuit 28 performs a comparison operation during the Hi period of the clock signal CLK, and performs an auto-zero operation during the Lo period. The input analog signal Vin is input to the falling edge of the clock signal CLK from Hi to Lo. The first DA conversion circuit 23 holds the conversion confirmation data during the Lo period of the clock signal CLK, and becomes indefinite during the Hi period.

次に、第2ステージの動作タイミングを説明する。第3増幅回路27および第2AD変換回路28は、クロック信号CLKのLoからHiへの立ち上がりエッジで、第1減算増幅回路26の出力アナログ信号をサンプルする。第3増幅回路27は、クロック信号CLKのHi期間にサンプルしたアナログ信号を増幅し、Lo期間にオートゼロ動作をする。第2AD変換回路28は、クロック信号CLKのHi期間に比較動作をし、Lo期間にオートゼロ動作をする。第2DA変換回路29は、クロック信号CLKのLo期間に変換確定データを保持し、Hi期間に不定状態となる。   Next, the operation timing of the second stage will be described. The third amplifier circuit 27 and the second AD converter circuit 28 sample the output analog signal of the first subtracting amplifier circuit 26 at the rising edge of the clock signal CLK from Lo to Hi. The third amplifier circuit 27 amplifies the analog signal sampled during the Hi period of the clock signal CLK, and performs an auto-zero operation during the Lo period. The second AD conversion circuit 28 performs a comparison operation during the Hi period of the clock signal CLK, and performs an auto-zero operation during the Lo period. The second DA conversion circuit 29 holds the conversion confirmation data during the Lo period of the clock signal CLK, and becomes indefinite during the Hi period.

第4増幅回路31は、クロック信号CLKのHiからLoへの立ち下がりエッジで、第3増幅回路27の出力アナログ信号と第2DA変換回路29の出力アナログ信号との差分信号をサンプルする。第4増幅回路31は、クロック信号CLKのLo期間にサンプルしたアナログ信号を増幅し、Hi期間にオートゼロ動作をする。なお、第2減算増幅回路32を用いた場合、第2減算増幅回路32は、クロック信号CLKのHiからLoへの立ち下がりエッジで、第3増幅回路27の出力アナログ信号をサンプルする。第2減算増幅回路32は、クロック信号CLKのLo期間にサンプルしたアナログ信号から第2DA変換回路29の出力アナログ信号を減算して増幅し、Hi期間にオートゼロ動作をする。   The fourth amplifier circuit 31 samples a difference signal between the output analog signal of the third amplifier circuit 27 and the output analog signal of the second DA converter circuit 29 at the falling edge of the clock signal CLK from Hi to Lo. The fourth amplifier circuit 31 amplifies the analog signal sampled during the Lo period of the clock signal CLK, and performs an auto-zero operation during the Hi period. When the second subtracting amplifier circuit 32 is used, the second subtracting amplifier circuit 32 samples the output analog signal of the third amplifier circuit 27 at the falling edge of the clock signal CLK from Hi to Lo. The second subtracting amplifier circuit 32 subtracts and amplifies the output analog signal of the second DA converter circuit 29 from the analog signal sampled during the Lo period of the clock signal CLK, and performs an auto-zero operation during the Hi period.

次に、第3ステージの動作タイミングを説明する。第5増幅回路33および第3AD変換回路34は、クロック信号CLKのLoからHiへの立ち上がりエッジで、第4増幅回路31の出力アナログ信号をサンプルする。第5増幅回路33は、クロック信号CLKのHi期間にサンプルしたアナログ信号を増幅し、Lo期間にオートゼロ動作をする。第3AD変換回路34は、クロック信号CLKのHi期間に比較動作をし、Lo期間にオートゼロ動作をする。第3DA変換回路35は、クロック信号CLKのLo期間に変換確定データを保持し、Hi期間に不定状態となる。   Next, the operation timing of the third stage will be described. The fifth amplifier circuit 33 and the third AD converter circuit 34 sample the output analog signal of the fourth amplifier circuit 31 at the rising edge of the clock signal CLK from Lo to Hi. The fifth amplifier circuit 33 amplifies the analog signal sampled during the Hi period of the clock signal CLK, and performs an auto-zero operation during the Lo period. The third AD conversion circuit 34 performs a comparison operation during the Hi period of the clock signal CLK, and performs an auto-zero operation during the Lo period. The third DA conversion circuit 35 holds the conversion confirmation data during the Lo period of the clock signal CLK, and becomes indefinite during the Hi period.

第6増幅回路37は、クロック信号CLKのHiからLoへの立ち下がりエッジで、第5増幅回路33の出力アナログ信号と第3DA変換回路35の出力アナログ信号との差分信号をサンプルする。第6増幅回路37は、クロック信号CLKのLo期間にサンプルしたアナログ信号を増幅し、Hi期間にオートゼロ動作をする。なお、第3減算増幅回路38を用いた場合、第3減算増幅回路38は、クロック信号CLKのHiからLoへの立ち下がりエッジで、第5増幅回路33の出力アナログ信号をサンプルする。第3減算増幅回路38は、クロック信号CLKのLo期間に、サンプルしたアナログ信号から第3DA変換回路35の出力アナログ信号を減算して増幅し、Hi期間にオートゼロ動作をする。   The sixth amplifier circuit 37 samples the difference signal between the output analog signal of the fifth amplifier circuit 33 and the output analog signal of the third DA converter circuit 35 at the falling edge of the clock signal CLK from Hi to Lo. The sixth amplifier circuit 37 amplifies the analog signal sampled during the Lo period of the clock signal CLK, and performs auto-zero operation during the Hi period. When the third subtracting amplifier circuit 38 is used, the third subtracting amplifier circuit 38 samples the output analog signal of the fifth amplifier circuit 33 at the falling edge of the clock signal CLK from Hi to Lo. The third subtraction amplification circuit 38 subtracts and amplifies the output analog signal of the third DA conversion circuit 35 from the sampled analog signal during the Lo period of the clock signal CLK, and performs auto-zero operation during the Hi period.

そして、第4ステージの第4AD変換回路39は、クロック信号CLKのLoからHiへの立ち上がりエッジで、第6増幅回路37の出力アナログ信号をサンプルする。第4AD変換回路39は、クロック信号CLKのHi期間に比較動作をし、Lo期間にオートゼロ動作をする。このように、4つのAD変換回路22,28,34,39が、同一クロックで、それぞれ異なる入力アナログ信号Vinの変換動作をすることにより、パイプライン処理を実現している。   The fourth AD converter circuit 39 of the fourth stage samples the output analog signal of the sixth amplifier circuit 37 at the rising edge of the clock signal CLK from Lo to Hi. The fourth AD conversion circuit 39 performs a comparison operation during the Hi period of the clock signal CLK, and performs an auto-zero operation during the Lo period. As described above, the four AD conversion circuits 22, 28, 34, and 39 perform the conversion operation of the different input analog signals Vin with the same clock, thereby realizing the pipeline processing.

次に、第1実施形態におけるAD変換器の他の動作タイミングについて説明する。図8は、第1実施形態におけるAD変換器の比較例における動作過程を示すタイムチャートである。第2ステージ以降のタイミングは、図7のタイミングと同様であるため、第1ステージのみを説明する。比較例は、2つのクロック信号CLKが必要となる。第2クロック信号CLK2の周波数は、第1クロック信号CLK1の周波数の2倍である。   Next, another operation timing of the AD converter according to the first embodiment will be described. FIG. 8 is a time chart illustrating an operation process in a comparative example of the AD converter according to the first embodiment. Since the timing after the second stage is the same as the timing of FIG. 7, only the first stage will be described. In the comparative example, two clock signals CLK are required. The frequency of the second clock signal CLK2 is twice the frequency of the first clock signal CLK1.

第1減算増幅回路26は、第2クロック信号CLK2の1周期おきのHiからLoへの立ち下がりエッジで、入力アナログ信号Vinをサンプルする。第1減算増幅回路26は、第1クロック信号CLK1のLo期間に、サンプルした入力アナログ信号Vinから第1DA変換回路23の出力アナログ信号を減算して、増幅する。第1クロック信号CLK1のHi期間における第2クロック信号CLK2のHi期間にオートゼロ動作をする。第1クロック信号CLK1のHi期間における第2クロック信号CLK2のLo期間は、オートゼロも増幅もしない無駄な期間tとなる。   The first subtraction amplifier circuit 26 samples the input analog signal Vin at the falling edge from Hi to Lo every other cycle of the second clock signal CLK2. The first subtraction amplification circuit 26 subtracts the output analog signal of the first DA conversion circuit 23 from the sampled input analog signal Vin and amplifies it during the Lo period of the first clock signal CLK1. The auto-zero operation is performed during the Hi period of the second clock signal CLK2 in the Hi period of the first clock signal CLK1. The Lo period of the second clock signal CLK2 in the Hi period of the first clock signal CLK1 is a useless period t in which neither autozero nor amplification is performed.

第1AD変換回路22は、第1減算増幅回路26が入力アナログ信号Vinをサンプルするタイミングと同じタイミングで、入力アナログ信号Vinをサンプルする。第1AD変換回路22は、第1クロック信号CLK1のLo期間と、その期間に続く第2クロック信号CLK2のHi期間にオートゼロ動作をし、その期間に続く第2クロック信号CLK2のLo期間に比較動作をして比較結果を出力する。第1DA変換回路23は、第1クロック信号CLK1のLo期間に変換確定データを保持し、Hi期間に不定状態となる。   The first AD conversion circuit 22 samples the input analog signal Vin at the same timing as the timing at which the first subtraction amplification circuit 26 samples the input analog signal Vin. The first AD converter circuit 22 performs an auto-zero operation during the Lo period of the first clock signal CLK1 and the Hi period of the second clock signal CLK2 following that period, and performs the comparison operation during the Lo period of the second clock signal CLK2 following that period. And output the comparison result. The first DA conversion circuit 23 holds the conversion confirmation data during the Lo period of the first clock signal CLK1, and becomes indefinite during the Hi period.

このように、比較例は、オートゼロも減算増幅もしていない無駄な期間tが第1減算増幅回路26に発生する。この原因は、第1AD変換回路22と第1減算増幅回路26とが同じタイミングで、アナログ信号Vinをサンプルしているためである。即ち、同時にアナログ信号Vinをサンプルした後、第1AD変換回路22は、すぐにリファレンス電圧との比較動作を開始することができるのに対し、第1減算増幅回路26は、第1DA変換回路23による変換データの確定が終わるまで、減算増幅を行うことができない。そのため、比較例は、図7の動作タイミングで使用したクロック信号CLKより、早い第2クロック信号CLK2で、第1AD変換回路22と第1減算増幅回路26を制御しなければならない。   As described above, in the comparative example, a useless period t in which neither auto-zero nor subtraction amplification is performed occurs in the first subtraction amplification circuit 26. This is because the first AD conversion circuit 22 and the first subtraction amplification circuit 26 sample the analog signal Vin at the same timing. That is, after sampling the analog signal Vin at the same time, the first AD converter circuit 22 can immediately start the comparison operation with the reference voltage, whereas the first subtracting amplifier circuit 26 is controlled by the first DA converter circuit 23. Subtraction amplification cannot be performed until conversion data is determined. Therefore, in the comparative example, the first AD converter circuit 22 and the first subtraction amplifier circuit 26 must be controlled by the second clock signal CLK2 earlier than the clock signal CLK used at the operation timing of FIG.

これに対し、図7に示した本発明の動作例は、第1AD変換回路22がリファレンス電圧をサンプルし、その比較動作期間にアナログ信号Vinを入力する。これにより、第1減算増幅回路26は、アナログ信号Vinのサンプルタイミングを急ぐ必要がなくなり、オートゼロ期間を比較例より長くとることができる。よって、比較動作例の第2クロック信号CLK2のような早いタイミングの信号も必要ない。   On the other hand, in the operation example of the present invention shown in FIG. 7, the first AD converter circuit 22 samples the reference voltage and inputs the analog signal Vin during the comparison operation period. As a result, the first subtracting amplifier circuit 26 does not need to rush the sample timing of the analog signal Vin, and can take a longer auto-zero period than the comparative example. Therefore, an early timing signal such as the second clock signal CLK2 in the comparative operation example is not necessary.

このように、本実施形態によれば、1ステップ増幅ステージと2ステップ増幅ステージとを混在させたパイプライン型のAD変換器を、無駄な期間tを発生させずに動作させることができる。また、1ステップ増幅ステージ制御用の特別な第2クロック信号CLKを生成する必要もなく、共通のクロック信号CLKで、全ステージを制御することができる。さらに、初段のステージを1ステップ増幅で構成することにより、AD変換器全体の特性を向上させることができる。即ち、初段のステージに入力される信号は、減算回路を通る前の信号なので一番大きな信号である。2ステップ増幅のようにAD変換回路と並列に増幅回路を設けると、その増幅回路の出力電圧範囲により特性が劣化する可能性がある。特に、増幅回路の電源電圧が低下してくると、当該出力電圧範囲が狭くなって、その傾向が強まる。   As described above, according to this embodiment, it is possible to operate the pipeline AD converter in which the one-step amplification stage and the two-step amplification stage are mixed without generating a useless period t. Further, it is not necessary to generate a special second clock signal CLK for controlling the one-step amplification stage, and all stages can be controlled with the common clock signal CLK. Further, by configuring the first stage with one-step amplification, the characteristics of the entire AD converter can be improved. That is, the signal input to the first stage is the largest signal because it is the signal before passing through the subtracting circuit. When an amplifier circuit is provided in parallel with the AD converter circuit as in the case of two-step amplification, there is a possibility that the characteristics are deteriorated depending on the output voltage range of the amplifier circuit. In particular, when the power supply voltage of the amplifier circuit decreases, the output voltage range becomes narrower and the tendency becomes stronger.

また、上述したように2ステップ増幅は、そのステージのAD変換と平行して、入力信号を増幅することができる。そのため、2ステップ目の増幅回路の増幅率を下げることができ、この増幅回路を高速化することができる。したがって、クロック信号CLK自体の周波数を上げることができる。このように、本実施形態によれば、無駄な期間tを発生させずに、特性向上と高速化を両立することができる。   Further, as described above, the two-step amplification can amplify the input signal in parallel with the AD conversion of the stage. Therefore, the amplification factor of the amplification circuit at the second step can be reduced, and the speed of the amplification circuit can be increased. Therefore, the frequency of the clock signal CLK itself can be increased. As described above, according to the present embodiment, it is possible to achieve both improvement in characteristics and high speed without generating a useless period t.

(第2実施形態)
第2実施形態は、1ステップ増幅で非サイクリック型の前段ステージで4ビットを変換し、2ステップ増幅でサイクリック型の後段ステージで2ビットずつ変換し、後段ステージが3周回することにより合計10ビットを出力するAD変換器の例である。
(Second Embodiment)
In the second embodiment, 4 bits are converted in a non-cyclic-type preceding stage by 1-step amplification, 2 bits are converted in 2-stage amplification by a cyclic-type subsequent stage, and the subsequent stage makes three rounds to make a total. It is an example of an AD converter that outputs 10 bits.

図9は、第2実施形態におけるAD変換器の構成を示す。このAD変換器において、まず、前段ステージについて説明する。入力アナログ信号Vinは、第1AD変換回路42および第1減算増幅回路46に入力される。第1AD変換回路42は、フラッシュ型のものであり、その分解能、即ち変換ビット数は4ビットである。第1AD変換回路42は、入力アナログ信号Vinをサンプルして、それをデジタル値に変換し、上位4ビット(D9〜D6)を取り出し、図示しないエンコーダおよび第1DA変換回路43に出力する。第1DA変換回路43は、第1AD変換回路42により変換されたデジタル値をアナログ値に変換する。第1減算増幅回路46は、入力アナログ信号Vinをサンプルし、該入力アナログ信号Vinから第1DA変換回路43の出力アナログ信号を減算して、2倍に増幅する。   FIG. 9 shows the configuration of the AD converter in the second embodiment. In this AD converter, first, the preceding stage will be described. The input analog signal Vin is input to the first AD conversion circuit 42 and the first subtraction amplification circuit 46. The first AD conversion circuit 42 is of a flash type, and its resolution, that is, the number of conversion bits is 4 bits. The first AD conversion circuit 42 samples the input analog signal Vin, converts it into a digital value, takes out the upper 4 bits (D9 to D6), and outputs them to an encoder (not shown) and the first DA conversion circuit 43. The first DA conversion circuit 43 converts the digital value converted by the first AD conversion circuit 42 into an analog value. The first subtraction amplification circuit 46 samples the input analog signal Vin, subtracts the output analog signal of the first DA conversion circuit 43 from the input analog signal Vin, and amplifies the input signal twice.

次に、後段ステージについて説明する。第1スイッチSW1および第2スイッチSW2は、交互にオンオフするスイッチである。第1スイッチSW1がオン、第2スイッチSW2がオフの状態において、前段ステージの第1減算増幅回路46から第1スイッチSW1を介して入力されるアナログ信号は、第3増幅回路47および第2AD変換回路48に入力される。第2AD変換回路48も、フラッシュ型のものであり、その分解能、即ち冗長1ビットを含んだビット数は3ビットである。第2AD変換回路48内のコンパレータのリファレンス電圧は、第1AD変換回路42の1/2に設定されている。第2AD変換回路48、第1減算増幅回路46の出力アナログ信号をサンプルして、それをデジタル値に変換し、上位から5,6ビット(D5,D4)を取り出し、図示しないエンコーダおよび第2DA変換回路49に出力する。   Next, the latter stage will be described. The first switch SW1 and the second switch SW2 are switches that are alternately turned on and off. When the first switch SW1 is on and the second switch SW2 is off, an analog signal input from the first subtracting amplifier circuit 46 of the previous stage through the first switch SW1 is the third amplifier circuit 47 and the second AD converter. It is input to the circuit 48. The second AD conversion circuit 48 is also of a flash type, and its resolution, that is, the number of bits including one redundant bit is 3 bits. The reference voltage of the comparator in the second AD conversion circuit 48 is set to ½ of the first AD conversion circuit 42. The output analog signal of the second AD conversion circuit 48 and the first subtraction amplification circuit 46 is sampled and converted into a digital value, and the 5 and 6 bits (D5 and D4) are taken out from the higher order. Output to the circuit 49.

第2DA変換回路49は、第2AD変換回路48により変換されたデジタル値をアナログ値に変換する。その際、当該デジタル値を2倍に増幅して、アナログ値に変換する。第3増幅回路47は、第1減算増幅回路46の出力アナログ信号をサンプルして、それを2倍に増幅して第2減算回路50に出力する。第2減算回路50は、第3増幅回路47の出力アナログ信号から、第2DA変換回路49の出力アナログ信号を減算して、第4増幅回路51に出力する。   The second DA conversion circuit 49 converts the digital value converted by the second AD conversion circuit 48 into an analog value. At that time, the digital value is amplified by a factor of 2 and converted to an analog value. The third amplifying circuit 47 samples the output analog signal of the first subtracting amplifying circuit 46, amplifies it twice, and outputs it to the second subtracting circuit 50. The second subtraction circuit 50 subtracts the output analog signal of the second DA conversion circuit 49 from the output analog signal of the third amplification circuit 47 and outputs the result to the fourth amplification circuit 51.

第4増幅回路51は、第2減算回路50の出力アナログ信号を2倍に増幅する。この段階において、第1スイッチSW1がオフ、第2スイッチSW2がオンの状態に遷移している。第4増幅回路51の出力アナログ信号は、第2スイッチSW2を介して第3増幅回路47および第2AD変換回路48へフィードバックされる。なお、第2減算回路50および第4増幅回路51は、一体型の第2減算増幅回路52を用いてもよい。以下、上記の処理が繰り返され、第2DA変換回路49は、上位から7,8ビット(D3,D2)および上位から9,10ビット(D1,D0)を取り出す。このようにして、10ビットのデジタル値を得ている。上位から5〜10ビットをサイクリック型の後段ステージにより得ている。   The fourth amplification circuit 51 amplifies the output analog signal of the second subtraction circuit 50 by a factor of two. At this stage, the first switch SW1 is turned off and the second switch SW2 is turned on. The output analog signal of the fourth amplifier circuit 51 is fed back to the third amplifier circuit 47 and the second AD converter circuit 48 via the second switch SW2. The second subtracting circuit 50 and the fourth amplifying circuit 51 may use an integrated second subtracting amplifying circuit 52. Thereafter, the above-described processing is repeated, and the second DA converter circuit 49 extracts 7, 8 bits (D3, D2) from the higher order and 9,10 bits (D1, D0) from the upper order. In this way, a 10-bit digital value is obtained. The upper 5 to 10 bits are obtained by a cyclic subsequent stage.

次に、第2実施形態におけるAD変換器の動作タイミングについて説明する。図10は、第2実施形態におけるAD変換器の本発明の動作過程を示すタイムチャートである。以下、図の上位から順に説明する。3つの信号波形は、第1クロック信号CLK1、第2クロック信号CLK2およびスイッチ信号CLKSWを示す。第1クロック信号CLK1は、第1減算増幅回路46、第1AD変換回路42および第1DA変換回路43の動作を制御する。第2クロック信号CLK2は、第3増幅回路47、第4増幅回路51、第2AD変換回路48および第2DA変換回路49の動作を制御する。スイッチ信号CLKSWは、第1スイッチSW1および第2スイッチSW2のオンオフ制御を行う。   Next, the operation timing of the AD converter in the second embodiment will be described. FIG. 10 is a time chart illustrating an operation process of the AD converter according to the second embodiment of the present invention. Hereinafter, description will be made in order from the top of the figure. The three signal waveforms indicate the first clock signal CLK1, the second clock signal CLK2, and the switch signal CLKSW. The first clock signal CLK1 controls the operations of the first subtraction amplification circuit 46, the first AD conversion circuit 42, and the first DA conversion circuit 43. The second clock signal CLK2 controls the operations of the third amplifier circuit 47, the fourth amplifier circuit 51, the second AD converter circuit 48, and the second DA converter circuit 49. The switch signal CLKSW performs on / off control of the first switch SW1 and the second switch SW2.

第2クロック信号CLK2の周波数は、第1クロック信号CLK1の周波数の3倍である。第2クロック信号CLK2は、第1クロック信号CLK1を基本にPLL等を用いて逓倍して生成してもよい。第2クロック信号CLK2は、その立ち上がりが第1クロック信号CLK1の立ち上がりと同期した後、次の2回目の立ち下がりが第1クロック信号CLK1の次の立ち下がりと同期し、さらに次の2回目の立ち上がりが第1クロック信号CLK1の次の立ち上がりと同期する。第2クロック信号CLK2の周波数は第1クロック信号CLK1の周波数の3倍であるため、後段ステージによる変換処理速度も前段ステージによる変換処理速度の3倍である。より上位ビットでの変換処理における減算や増幅等のアナログ処理の精度は全体の変換精度に大きく影響するため、これを担当する前段ステージほど高い精度が要求される。したがって、本実施形態の構成において、前段ステージほどには処理精度が要求されない後段ステージは、前段ステージの処理速度より、その変換処理速度を速めることが可能である。   The frequency of the second clock signal CLK2 is three times the frequency of the first clock signal CLK1. The second clock signal CLK2 may be generated by multiplying the first clock signal CLK1 using a PLL or the like based on the first clock signal CLK1. After the rise of the second clock signal CLK2 is synchronized with the rise of the first clock signal CLK1, the second fall of the second clock signal CLK2 is synchronized with the next fall of the first clock signal CLK1, and the next second time. The rising edge is synchronized with the next rising edge of the first clock signal CLK1. Since the frequency of the second clock signal CLK2 is three times the frequency of the first clock signal CLK1, the conversion processing speed by the subsequent stage is also three times the conversion processing speed by the previous stage. Since the accuracy of analog processing such as subtraction and amplification in conversion processing with higher bits greatly affects the overall conversion accuracy, higher accuracy is required for the previous stage responsible for this. Therefore, in the configuration of the present embodiment, the conversion processing speed of the subsequent stage, which does not require processing accuracy as much as the previous stage, can be increased from the processing speed of the previous stage.

第1減算増幅回路46は、第1クロック信号CLK1の立ち下がりエッジで、入力アナログ信号Vinをサンプルする。第1減算増幅回路46は、第1クロック信号CLK1のLo期間に、サンプルした入力アナログ信号Vinから第1DA変換回路43の出力アナログ信号を減算して増幅する。第1クロック信号CLK1のHi期間にオートゼロ動作をする。第1AD変換回路42は、第1クロック信号CLK1の立ち上がりエッジで、所定のリファレンス電圧をサンプルする。第1AD変換回路42は、第1クロック信号CLK1のHi期間に、変換動作をしてデジタル値D9〜D6を出力し、Lo期間にオートゼロ動作をする。第1DA変換回路13は、第1クロック信号CLK1のLo期間に変換確定データを保持し、Hi期間に不定状態となる。   The first subtraction amplifier circuit 46 samples the input analog signal Vin at the falling edge of the first clock signal CLK1. The first subtraction amplification circuit 46 subtracts the output analog signal of the first DA conversion circuit 43 from the sampled input analog signal Vin and amplifies it during the Lo period of the first clock signal CLK1. Auto zero operation is performed during the Hi period of the first clock signal CLK1. The first AD conversion circuit 42 samples a predetermined reference voltage at the rising edge of the first clock signal CLK1. The first AD conversion circuit 42 performs a conversion operation during the Hi period of the first clock signal CLK1 and outputs digital values D9 to D6, and performs an auto-zero operation during the Lo period. The first DA conversion circuit 13 holds the conversion confirmation data during the Lo period of the first clock signal CLK1, and becomes indefinite during the Hi period.

第1スイッチSW1は、スイッチ信号CLKSWがHiのときにオンされ、スイッチ信号CLKSWがLoのときにオフされる。第2スイッチSW2は、スイッチ信号CLKSWがLoのときにオンされ、スイッチ信号CLKSWがHiのときにオフされる。   The first switch SW1 is turned on when the switch signal CLKSW is Hi, and is turned off when the switch signal CLKSW is Lo. The second switch SW2 is turned on when the switch signal CLKSW is Lo, and is turned off when the switch signal CLKSW is Hi.

第3増幅回路47および第2AD変換回路48は、第2クロック信号CLK2の立ち上がりエッジで、入力されるアナログ信号をサンプルする。第3増幅回路47は、第2クロック信号CLK2のHi期間にサンプルしたアナログ信号を増幅し、Lo期間にオートゼロ動作をする。第2AD変換回路48が最下位ビットD1,0を変換する期間は、増幅しない。第4増幅回路51は、第2クロック信号CLK2の立ち下がりエッジで、第3増幅回路47の出力アナログ信号と第2DA変換回路49の出力アナログ信号との差分信号をサンプルする。第4増幅回路51は、第2クロック信号CLK2のLo期間にサンプルしたアナログ信号を増幅し、Hi期間にオートゼロ動作をする。第4増幅回路51の代わりに第2減算増幅回路52を用いた場合、第2減算増幅回路52は、第2クロック信号CLK2の立ち下がりエッジで、第3増幅回路47の出力アナログ信号をサンプルする。第2減算増幅回路52は、第2クロック信号CLK2のLo期間に、サンプルしたアナログ信号から第2DA変換回路49の出力アナログ信号を減算して増幅する。Hi期間にオートゼロ動作をする。第2AD変換回路48がD1,D0を変換後の次の半クロック期間は、増幅を行わない。   The third amplifier circuit 47 and the second AD converter circuit 48 sample the input analog signal at the rising edge of the second clock signal CLK2. The third amplifier circuit 47 amplifies the analog signal sampled during the Hi period of the second clock signal CLK2, and performs an auto-zero operation during the Lo period. During the period in which the second AD conversion circuit 48 converts the least significant bit D1, 0, it is not amplified. The fourth amplifier circuit 51 samples the difference signal between the output analog signal of the third amplifier circuit 47 and the output analog signal of the second DA converter circuit 49 at the falling edge of the second clock signal CLK2. The fourth amplifier circuit 51 amplifies the analog signal sampled during the Lo period of the second clock signal CLK2, and performs an auto-zero operation during the Hi period. When the second subtracting amplifier circuit 52 is used instead of the fourth amplifier circuit 51, the second subtracting amplifier circuit 52 samples the output analog signal of the third amplifier circuit 47 at the falling edge of the second clock signal CLK2. . The second subtraction amplification circuit 52 subtracts and amplifies the output analog signal of the second DA conversion circuit 49 from the sampled analog signal during the Lo period of the second clock signal CLK2. Auto zero operation is performed during the Hi period. No amplification is performed in the next half clock period after the second AD conversion circuit 48 converts D1 and D0.

第2AD変換回路48は、第2クロック信号CLK2の立ち上がりエッジで、入力されるアナログ信号をサンプルする。第2AD変換回路48は、第2クロック信号CLK2のHi期間に変換動作をして冗長ビット分を含んで3ビットを出力し、Lo期間にオートゼロ動作をする。第2DA変換回路49は、第2クロック信号CLK2のLo期間に変換確定データを保持し、Hi期間に不定状態となる。第2AD変換回路48の出力がD1,D0のときは変換動作を行わない。   The second AD conversion circuit 48 samples the input analog signal at the rising edge of the second clock signal CLK2. The second AD conversion circuit 48 performs a conversion operation during the Hi period of the second clock signal CLK2, outputs 3 bits including redundant bits, and performs an auto-zero operation during the Lo period. The second DA conversion circuit 49 holds the conversion confirmation data during the Lo period of the second clock signal CLK2, and becomes indefinite during the Hi period. When the output of the second AD conversion circuit 48 is D1, D0, the conversion operation is not performed.

第1減算増幅回路46、第3増幅回路47、第4増幅回路51、第1AD変換回路42および第2AD変換回路48のオートゼロ期間は、入力される信号をサンプル中の状態である。図のように、第2AD変換回路48がD5,D4およびD3,D2を変換処理する間、第1AD変換回路42は次に入力された入力アナログ信号Vinを同時に変換処理する。こうしたパイプライン処理により、AD変換器全体としては第1クロック信号CLK1を基準として1周期に1回、10ビットのデジタル値を出力することができる。   The auto-zero period of the first subtracting amplifier circuit 46, the third amplifier circuit 47, the fourth amplifier circuit 51, the first AD converter circuit 42, and the second AD converter circuit 48 is a state in which an input signal is being sampled. As shown in the figure, while the second AD conversion circuit 48 converts D5, D4 and D3, D2, the first AD conversion circuit 42 simultaneously converts the next input analog signal Vin. By such pipeline processing, the AD converter as a whole can output a 10-bit digital value once per cycle with reference to the first clock signal CLK1.

次に、第2実施形態におけるAD変換器の他の動作タイミングについて説明する。図11は、第2実施形態におけるAD変換器の比較例における動作過程を示すタイムチャートである。後段ステージのタイミングは、図10のタイミングと同様であるため、前段ステージのみを説明する。比較例は、さらに第3クロック信号CLK3が必要となる。第3クロック信号CLK3の周波数は、第1クロック信号CLK1の周波数の2倍である。   Next, another operation timing of the AD converter according to the second embodiment will be described. FIG. 11 is a time chart illustrating an operation process in a comparative example of the AD converter according to the second embodiment. Since the timing of the subsequent stage is the same as the timing of FIG. 10, only the preceding stage will be described. In the comparative example, the third clock signal CLK3 is further required. The frequency of the third clock signal CLK3 is twice the frequency of the first clock signal CLK1.

第1減算増幅回路46は、第3クロック信号CLK3の1周期おきの立ち下がりエッジで、入力アナログ信号Vinをサンプルする。第1減算増幅回路46は、第1クロック信号CLK1のLo期間に、サンプルした入力アナログ信号Vinから第1DA変換回路43の出力アナログ信号を減算して、増幅する。第1クロック信号CLK1のHi期間における第3クロック信号CLK3のHi期間にオートゼロ動作をする。第1クロック信号CLK1のHi期間における第3クロック信号CLK3のLo期間は、オートゼロも増幅もしない無駄な期間tとなる。   The first subtracting amplifier circuit 46 samples the input analog signal Vin at every other falling edge of the third clock signal CLK3. The first subtraction amplification circuit 46 subtracts the output analog signal of the first DA conversion circuit 43 from the sampled input analog signal Vin during the Lo period of the first clock signal CLK1, and amplifies it. The auto-zero operation is performed during the Hi period of the third clock signal CLK3 in the Hi period of the first clock signal CLK1. The Lo period of the third clock signal CLK3 in the Hi period of the first clock signal CLK1 is a useless period t in which neither autozero nor amplification is performed.

第1AD変換回路42は、第1減算増幅回路46が入力アナログ信号Vinをサンプルするタイミングと同じタイミングで、入力アナログ信号Vinをサンプルする。第1AD変換回路42は、第1クロック信号CLK1のLo期間と、その期間に続く第3クロック信号CLK3のHi期間にオートゼロ動作をし、その期間に続く第3クロック信号CLK3のLo期間に比較動作をして比較結果を出力する。第1DA変換回路43は、第1クロック信号CLK1のLo期間に変換確定データを保持し、Hi期間に不定状態となる。   The first AD conversion circuit 42 samples the input analog signal Vin at the same timing as the timing at which the first subtraction amplification circuit 46 samples the input analog signal Vin. The first AD conversion circuit 42 performs an auto-zero operation during the Lo period of the first clock signal CLK1 and the Hi period of the third clock signal CLK3 following that period, and performs the comparison operation during the Lo period of the third clock signal CLK3 following that period. And output the comparison result. The first DA conversion circuit 43 holds the conversion confirmation data during the Lo period of the first clock signal CLK1, and becomes indefinite during the Hi period.

このように、比較動作例は、オートゼロも減算増幅もしていない無駄な期間tが第1減算増幅回路46に発生する。この原因は、第1AD変換回路42と第1減算増幅回路46とが同じタイミングで、アナログ信号Vinをサンプルしているためである。即ち、同時にアナログ信号Vinをサンプルした後、第1AD変換回路42は、すぐにリファレンス電圧との比較動作を開始することができるのに対し、第1減算増幅回路46は、第1DA変換回路43による変換データの確定が終わるまで、減算増幅を行うことができない。そのため、比較例は、図10の動作タイミングで使用した第1クロック信号CLKより、早い第3クロック信号CLK3で、第1AD変換回路42と第1減算増幅回路46を制御しなければならない。   As described above, in the comparison operation example, a useless period t in which neither autozero nor subtraction amplification is performed occurs in the first subtraction amplification circuit 46. This is because the first AD conversion circuit 42 and the first subtraction amplification circuit 46 sample the analog signal Vin at the same timing. That is, after sampling the analog signal Vin at the same time, the first AD converter circuit 42 can immediately start the comparison operation with the reference voltage, whereas the first subtracting amplifier circuit 46 is controlled by the first DA converter circuit 43. Subtraction amplification cannot be performed until conversion data is determined. Therefore, in the comparative example, the first AD conversion circuit 42 and the first subtraction amplification circuit 46 must be controlled by the third clock signal CLK3 that is earlier than the first clock signal CLK used at the operation timing of FIG.

これに対し、図10に示した本発明の動作例は、第1AD変換回路42がリファレンス電圧をサンプルし、その比較動作期間にアナログ信号Vinを入力する。これにより、第1減算増幅回路46は、アナログ信号Vinのサンプルタイミングを急ぐ必要がなくなり、オートゼロ期間を比較例より長くとることができる。よって、比較動作例の第3クロック信号CLK3のような早いタイミングの信号も必要ない。   On the other hand, in the operation example of the present invention shown in FIG. 10, the first AD conversion circuit 42 samples the reference voltage and inputs the analog signal Vin during the comparison operation period. As a result, the first subtracting amplifier circuit 46 does not need to rush the sample timing of the analog signal Vin, and can take a longer auto-zero period than the comparative example. Therefore, an early timing signal such as the third clock signal CLK3 in the comparative operation example is not necessary.

このように、本実施形態によれば、非サイクリック型の1ステップ増幅ステージと、サイクリック型の2ステップ増幅ステージとを混在させたAD変換器を、無駄な期間tを発生させずに動作させることができる。また、1ステップ増幅で非サイクリック型のステージを1つの第1クロック信号CLKで制御することができる。さらに、初段のステージを1ステップ増幅で構成することにより、AD変換器全体の特性を向上させることができる。即ち、初段のステージに入力される信号は、減算回路を通る前の信号なので一番大きな信号である。2ステップ増幅のようにAD変換回路と並列に増幅回路を設けると、その増幅回路の出力電圧範囲により特性が劣化する可能性がある。特に、増幅回路の電源電圧が低下してくると、当該出力電圧範囲が狭くなって、その傾向が強まる。   As described above, according to the present embodiment, the AD converter in which the acyclic type one-step amplification stage and the cyclic type two-step amplification stage are mixed is operated without generating a useless period t. Can be made. In addition, the acyclic stage can be controlled by one first clock signal CLK in one step amplification. Further, by configuring the first stage with one-step amplification, the characteristics of the entire AD converter can be improved. That is, the signal input to the first stage is the largest signal because it is the signal before passing through the subtracting circuit. When an amplifier circuit is provided in parallel with the AD converter circuit as in the case of two-step amplification, there is a possibility that the characteristics are deteriorated depending on the output voltage range of the amplifier circuit. In particular, when the power supply voltage of the amplifier circuit decreases, the output voltage range becomes narrower and the tendency becomes stronger.

また、上述したように2ステップ増幅は、そのステージのAD変換と平行して、入力信号を増幅することができる。そのため、2ステップ目の増幅回路の増幅率を下げることができ、この増幅回路を高速化することができる。したがって、第1クロック信号CLK1および第2クロック信号CLK2自体の周波数を上げることができる。このように、本実施形態によれば、無駄な期間tを発生させずに、特性向上と高速化を両立することができる。   Further, as described above, the two-step amplification can amplify the input signal in parallel with the AD conversion of the stage. Therefore, the amplification factor of the amplification circuit at the second step can be reduced, and the speed of the amplification circuit can be increased. Therefore, the frequency of the first clock signal CLK1 and the second clock signal CLK2 can be increased. As described above, according to the present embodiment, it is possible to achieve both improvement in characteristics and high speed without generating a useless period t.

(第3実施形態)
第3実施形態は、第2実施形態のAD変換器に、1ステップ増幅のステージをさらに付け加えたものであり、1ステップ増幅の第1ステージで4ビットを変換し、1ステップ増幅の第2ステージで2ビットを変換し、2ステップ増幅でサイクリック型の第3ステージで2ビットずつ3回変換することにより合計12ビットを出力するAD変換器の例である。
(Third embodiment)
In the third embodiment, a one-step amplification stage is further added to the AD converter of the second embodiment. Four bits are converted in the first stage of the one-step amplification, and the second stage of the one-step amplification. This is an example of an AD converter that outputs 2 bits in total and outputs 12 bits in total by converting 2 bits 3 times in a cyclic third stage by 2-step amplification.

図12は、第3実施形態におけるAD変換器の構成を示す。第2ステージ以降の説明は、基本的に第2実施形態の説明がそのまま該当する。ただ、第2ステージの変換ビット数は、第2実施形態の前段ステージの4ビットから2ビットになった点が異なる。また、第2ステージのAD変換回路のリファレンス電圧と、第3ステージのAD変換回路のリファレンス電圧を同じに設定すると、図12のように、第2ステージの増幅率が4倍になる。そして、付け加えられた第1ステージは、第2実施形態の前段ステージの説明がそのまま妥当する。また、動作タイミングも、図10に示したタイムチャートと基本的に同様である。第1ステージのAD変換回路62、DA変換回路63、および減算増幅回路66は、第1クロック信号CLK1で制御される。第2ステージの各構成素子は、第1クロック信号CLK1で制御されても、第2クロック信号CLK2で制御されてもよい。   FIG. 12 shows the configuration of the AD converter in the third embodiment. The description after the second stage basically corresponds to the description of the second embodiment. However, the number of conversion bits in the second stage is different from that in the previous stage in the second embodiment from 4 bits to 2 bits. If the reference voltage of the second stage AD converter circuit and the reference voltage of the third stage AD converter circuit are set to be the same, the amplification factor of the second stage is quadrupled as shown in FIG. For the added first stage, the description of the preceding stage of the second embodiment is valid as it is. The operation timing is basically the same as that of the time chart shown in FIG. The first stage AD conversion circuit 62, DA conversion circuit 63, and subtraction amplification circuit 66 are controlled by the first clock signal CLK1. Each component of the second stage may be controlled by the first clock signal CLK1 or the second clock signal CLK2.

このように、本実施形態によれば、1ステップ増幅の2つのステージと、2ステップ増幅でサイクリック型のステージとを混在させたAD変換器を、無駄な期間tを発生させずに動作させることができる。また、初段のステージを1ステップ増幅で構成することにより、AD変換器全体の特性を向上させることができる。また、上述したように2ステップ増幅は、AD変換器全体を高速化することができる。このように、本実施形態によれば、無駄な期間tを発生させずに、特性向上と高速化を両立することができる。   As described above, according to the present embodiment, an AD converter in which two stages of one-step amplification and a cyclic stage are mixed in two-step amplification is operated without generating a useless period t. be able to. Further, by configuring the first stage with one-step amplification, it is possible to improve the characteristics of the entire AD converter. Further, as described above, the two-step amplification can speed up the entire AD converter. As described above, according to the present embodiment, it is possible to achieve both improvement in characteristics and high speed without generating a useless period t.

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、その各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能である。また、そうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。   The present invention has been described based on the embodiments. This embodiment is an exemplification, and various modifications can be made to combinations of each component and each processing process. Those skilled in the art will appreciate that such modifications are also within the scope of the present invention.

上記実施形態に記載したAD変換回路の変換ビット数とその配分、増幅回路の増幅率等のパラメータは一例に過ぎず、変形例においてはこれらのパラメータに他の数値を採用してもよい。また、AD変換器全体のステージ数、1ステップ増幅のステージ数、2ステップ増幅のステージ数、サイクリック型のステージ数、および非サイクリック型のステージ数は、任意に設定可能である。   The parameters such as the number of conversion bits of the AD conversion circuit and the distribution thereof, the amplification factor of the amplification circuit, and the like described in the above embodiment are merely examples, and other numerical values may be adopted for these parameters in the modification. Further, the number of stages of the entire AD converter, the number of stages of one-step amplification, the number of stages of two-step amplification, the number of cyclic stages, and the number of acyclic stages can be arbitrarily set.

1ステップ増幅の基本構成を示す図である。It is a figure which shows the basic composition of 1 step amplification. 図1に示した回路の本発明の動作例を示すタイムチャートである。2 is a time chart showing an operation example of the circuit of the present invention according to the present invention. 図1に示した回路の比較動作例を示すタイムチャートである。2 is a time chart showing an example of comparison operation of the circuit shown in FIG. 2ステップ増幅の基本構成を示す図である。It is a figure which shows the basic composition of 2 step amplification. 図4に示した回路の動作例を示すタイムチャートである。5 is a time chart illustrating an operation example of the circuit illustrated in FIG. 4. 第1実施形態におけるAD変換器の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the AD converter in 1st Embodiment. 第1実施形態におけるAD変換器の本発明における動作過程を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the operation | movement process in this invention of the AD converter in 1st Embodiment. 第1実施形態におけるAD変換器の比較例における動作過程を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the operation | movement process in the comparative example of the AD converter in 1st Embodiment. 第2実施形態におけるAD変換器の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the AD converter in 2nd Embodiment. 第2実施形態におけるAD変換器の本発明における動作過程を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the operation | movement process in this invention of the AD converter in 2nd Embodiment. 第2実施形態におけるAD変換器の比較例における動作過程を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the operation | movement process in the comparative example of the AD converter in 2nd Embodiment. 第3実施形態におけるAD変換器の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the AD converter in 3rd Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

22 第1AD変換回路、 23 第1DA変換回路、 26 第1減算増幅回路、 27 第3増幅回路、 28 第2AD変換回路、 29 第2DA変換回路、 30 第2減算回路、 31 第4増幅回路、 32 第2減算増幅回路、 33 第5増幅回路、 34 第3AD変換回路、 35 第3DA変換回路、 36 第3減算回路、 37 第6増幅回路、 38 第3減算増幅回路、 39 第4AD変換回路。   22 1st AD conversion circuit, 23 1st DA conversion circuit, 26 1st subtraction amplification circuit, 27 3rd amplification circuit, 28 2nd AD conversion circuit, 29 2nd DA conversion circuit, 30 2nd subtraction circuit, 31 4th amplification circuit, 32 2nd subtraction amplifier circuit, 33 5th amplifier circuit, 34 3rd AD converter circuit, 35 3rd DA converter circuit, 36 3rd subtractor circuit, 37 6th amplifier circuit, 38 3rd subtractor amplifier circuit, 39 4th AD converter circuit.

Claims (5)

入力アナログ信号を複数ステージにより、複数回に分けてデジタル信号に変換するアナログデジタル変換器であって、
前記複数ステージのうち、少なくとも一つのステージは、
所定のリファレンス電圧をサンプルし、自己のステージに入力される第1アナログ信号と前記リファレンス電圧とを比較して所定ビット数のデジタル値に変換する第1AD変換回路と、
前記第1AD変換回路より出力されるデジタル信号を第1出力アナログ信号に変換する第1DA変換回路と、
前記第1アナログ信号をサンプルし、前記第1アナログ信号から前記第1出力アナログ信号を減算し、減算結果を所定の増幅率で増幅する第1減算増幅回路と、を有し、
前記第1AD変換回路でのサンプル動作と前記第1減算増幅回路でのサンプル動作は異なるタイミングで行なわれ、前記第1AD変換回路での比較動作期間に前記第1アナログ信号が前記第1AD変換回路に入力され、
前記複数ステージのうち、少なくとも一つの他のステージは、
自己のステージに入力される第2アナログ信号をサンプルし、所定の増幅率で増幅もしくはホールドする第1増幅回路と、
前記第2アナログ信号をサンプルし、前記第2アナログ信号と所定のリファレンス電圧とを比較して所定ビット数のデジタル値に変換する第2AD変換回路と、
前記第2AD変換回路より出力されるデジタル信号を第2出力アナログ信号に変換する第2DA変換回路と、
前記第1増幅回路から出力される第3アナログ信号をサンプルし、前記第3アナログ信号から前記第2出力アナログ信号を減算し、減算結果を所定の増幅率で増幅する第2減算増幅回路、もしくは、前記第3アナログ信号から前記第2出力アナログ信号を減算する減算回路と、前記減算回路より出力されるアナログ信号をサンプルし、所定の増幅率で増幅する第2増幅回路と、を有し、
前記第1増幅回路でのサンプル動作と前記第2AD変換回路でのサンプル動作は同じタイミングで行なわれることを特徴とするアナログデジタル変換器。
An analog-to-digital converter that converts an input analog signal into a digital signal divided into a plurality of times by a plurality of stages,
At least one of the plurality of stages is
A first AD conversion circuit that samples a predetermined reference voltage, compares the first analog signal input to its own stage with the reference voltage, and converts the reference voltage into a digital value having a predetermined number of bits;
A first DA conversion circuit for converting a digital signal output from the first AD conversion circuit into a first output analog signal;
A first subtraction amplification circuit that samples the first analog signal, subtracts the first output analog signal from the first analog signal, and amplifies the subtraction result at a predetermined amplification rate;
The sample operation in the first AD converter circuit and the sample operation in the first subtraction amplifier circuit are performed at different timings, and the first analog signal is supplied to the first AD converter circuit during the comparison operation period in the first AD converter circuit. Entered,
At least one other stage among the plurality of stages is
A first amplifying circuit that samples a second analog signal input to its own stage and amplifies or holds it at a predetermined gain;
A second AD conversion circuit that samples the second analog signal, compares the second analog signal with a predetermined reference voltage, and converts the second analog signal into a digital value having a predetermined number of bits;
A second DA conversion circuit for converting a digital signal output from the second AD conversion circuit into a second output analog signal;
A second subtracting amplifier circuit that samples a third analog signal output from the first amplifier circuit, subtracts the second output analog signal from the third analog signal, and amplifies the subtraction result at a predetermined amplification rate; or A subtracting circuit that subtracts the second output analog signal from the third analog signal; and a second amplifying circuit that samples the analog signal output from the subtracting circuit and amplifies the analog signal at a predetermined amplification rate.
The analog-digital converter, wherein the sampling operation in the first amplifier circuit and the sampling operation in the second AD converter circuit are performed at the same timing .
前記第2AD変換回路は、非動作期間の終わりに前記第2アナログ信号をサンプルして、比較動作期間中に所定のリファレンス電圧が入力され、前記第1AD変換回路は、非動作期間の終わりに所定のリファレンス電圧をサンプルすることを特徴とする請求項1に記載のアナログデジタル変換器。 The second AD converter circuit samples the second analog signal at the end of the non-operation period, and a predetermined reference voltage is input during the comparison operation period, and the first AD conversion circuit receives the end of the non-operation period. analog-to-digital converter according to claim 1, wherein the sample child a predetermined reference voltage to. 前記第1AD変換回路は、所定のリファレンス電圧をサンプルし、比較動作期間中に前記第1アナログ信号が入力され、前記第2AD変換回路は、前記第2アナログ信号をサンプルし、比較動作期間中に所定のリファレンス電圧が入力されることを特徴とする請求項1または2に記載のアナログデジタル変換器。 The first AD converter circuit samples a predetermined reference voltage, and the first analog signal is input during a comparison operation period. The second AD conversion circuit samples the second analog signal, and performs a comparison operation period. The analog-digital converter according to claim 1 , wherein a predetermined reference voltage is input therein. 前記複数ステージの内、初段のステージのAD変換回路は、所定のリファレンス電圧をサンプルし、比較動作期間中に前記第1アナログ信号が入力されることを特徴とする請求項1からのいずれかに記載のアナログデジタル変換器。 Among the plurality of stages, AD conversion circuit of the first stage stage samples the predetermined reference voltage, one of claims 1 to 3, characterized in that said first analog signal during the comparison operation period is input An analog-digital converter described in 1. 前記複数ステージの内、自己のステージの出力アナログ信号が、自己のステージの入力にフィードバックするステージを含むことを特徴とする請求項1からのいずれかに記載のアナログデジタル変換器。 Wherein among the plurality of stages, the output analog signal of its own stage, analog-to-digital converter according to claim 1, characterized in that it comprises a stage which is fed back to the input of its own stage 4.
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