JP4121969B2 - Analog to digital converter - Google Patents
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Description
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、パイプライン型およびサイクリック型の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 pipeline-type and cyclic-type analog-digital converters.
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ステージからなるパイプライン型のAD変換器が開示されている。
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。この回路のアナログ入力信号は、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
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。特に、回路構成上、精度的に最も重要視するべき第1ステージにおいて、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点がある。 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. In particular, in the first stage, which is most important in terms of the circuit configuration, 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 are increased. There is a problem that it gets worse.
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、パイプライン型およびサイクリック型のAD変換器において、低電圧時における特性を向上させる点にある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to improve characteristics at the time of a low voltage in a pipeline type and a cyclic type AD 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回に分けてデジタル値に変換するアナログデジタル変換器であって、入力されるアナログ信号を所定ビット数のデジタル値に変換するステージを複数有し、複数のステージの内の1以上のステージは、自ステージに入力されるアナログ信号を1つの増幅素子により増幅するステージであり、この増幅素子は、自ステージに入力されるアナログ信号をサンプルしてホールドし、該ホールドしたアナログ信号から、自ステージで変換したデジタル値をアナログ値に変換した信号を、減算して増幅する第1減算増幅回路であり、複数のステージの内の他の1以上のステージは、自ステージに入力されるアナログ信号を複数の増幅素子により増幅するステージであり、複数の増幅素子の内の1つの増幅素子は、自ステージに入力されるアナログ信号をサンプルしてホールドするサンプルホールド回路、または自ステージに入力されるアナログ信号をサンプルして所定の増幅率で増幅する増幅回路であり、複数の増幅素子の内の他の増幅素子は、サンプルホールド回路または前記増幅回路の出力アナログ信号から、自ステージで変換したデジタル値をアナログ値に変換した信号を、減算して増幅する第2減算増幅回路である。 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 value by dividing it into a plurality of times, and has a plurality of stages that convert an input analog signal into a digital value of a predetermined number of bits, One or more of the plurality of stages is a stage that amplifies an analog signal input to the own stage by a single amplifying element, and the amplifying element samples and holds the analog signal input to the own stage. A first subtracting amplifier circuit that subtracts and amplifies a signal obtained by converting a digital value converted at its own stage into an analog value from the held analog signal, and one or more other stages among the plurality of stages Is a stage for amplifying an analog signal input to the stage by a plurality of amplifying elements, and one of the amplifying elements is 1 The amplifying element is a sample-and-hold circuit that samples and holds an analog signal input to the own stage, or an amplifier circuit that samples and amplifies the analog signal input to the own stage at a predetermined amplification rate. Another amplifying element is a second subtracting amplifying circuit that subtracts and amplifies a signal obtained by converting a digital value converted in its own stage into an analog value from a sample-and-hold circuit or an analog signal output from the amplifying circuit. It is.
本態様によれば、あるステージの減算増幅回路が入力をサンプルしてホールドし、従来AD変換回路と並列に設けられていたサンプルホールド回路が除去されたステージを混在させることにより、当該サンプルホールド回路で発生する特性劣化をなくし、AD変換器全体の特性を向上させることができる。サンプルホールド回路は出力範囲外の信号を劣化させるため、これを除去することにより低電圧時の特性が向上する。なお、「増幅素子」には、1倍の増幅率で増幅する素子、即ちサンプルホールド回路も含む。 According to this aspect, the subtracting amplifier circuit of a stage samples and holds the input, and the sample hold circuit is mixed by mixing the stage from which the sample hold circuit previously provided in parallel with the AD converter circuit is removed. It is possible to improve the characteristics of the entire AD converter. Since the sample-and-hold circuit degrades signals outside the output range, removing this improves the characteristics at low voltage. The “amplifying element” includes an element that amplifies at a gain of 1 ×, that is, a sample hold circuit.
第1減算増幅回路は、自ステージに入力されるアナログ信号をデジタル変換するためにサンプルするタイミングと同期して、該アナログ信号を直接サンプルするとよい。これによれば、従来設けられていたサンプルホールド回路を除去しても、誤差なく自ステージで変換した成分を減算することができる。 The first subtracting amplifier circuit may directly sample the analog signal in synchronization with the timing of sampling the analog signal input to the stage for digital conversion. According to this, even if the sample-and-hold circuit provided conventionally is removed, it is possible to subtract the component converted at its own stage without error.
第1減算増幅回路を含むステージは、初段のステージであるとよい。これによれば、特に大きな信号を扱う初段のステージのサンプルホールド回路で発生していた特性劣化をなくし、AD変換器全体の特性を向上させることができる。 The stage including the first subtracting amplifier circuit may be the first stage. According to this, it is possible to eliminate the characteristic deterioration that has occurred in the sample-and-hold circuit of the first stage that handles particularly large signals, and to improve the characteristics of the entire AD converter.
複数のステージの内の任意のステージは、自ステージの出力アナログ信号が、自ステージの入力にフィードバックするサイクリック型のステージであるとよい。サイクリック型のステージを混在させると、回路面積を縮小することができる。 Any stage among the plurality of stages may be a cyclic stage in which the output analog signal of the own stage is fed back to the input of the own stage. When a cyclic type stage is mixed, the circuit area can be reduced.
第1減算増幅回路は、入力されるアナログ信号をサンプルした後、少なくとも自ステージで変換したデジタル値のアナログ値への変換が確定するまで、ホールドするとよい。これによれば、この減算増幅回路が増幅期間に入った後に入力される、自ステージで変換したデジタル値をアナログ値に変換した信号と、この減算増幅回路がホールドしているサンプル値が異なることなく、同一サンプル値の減算増幅を行うことができる。 The first subtracting amplifier circuit may hold the sampled analog signal until at least the conversion of the digital value converted at its own stage into the analog value is confirmed. According to this, a signal obtained by converting the digital value converted at its own stage into an analog value, which is input after the subtraction amplifier circuit enters the amplification period, is different from the sample value held by the subtraction amplifier circuit. Without subtraction, the same sample value can be subtracted and amplified.
第1減算増幅回路は、オートゼロ期間よりも長い期間、増幅するとよい。これによると、増幅期間を長く設定することにより、セトリングタイムを確保でき、高倍率の増幅も行うことができる。 The first subtracting amplifier circuit may be amplified for a period longer than the auto-zero period. According to this, by setting the amplification period long, the settling time can be ensured, and high magnification amplification can also be performed.
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、パイプライン型またはサイクリック型のAD変換器において、低電圧時における特性を向上させる。 According to the present invention, characteristics at a low voltage are improved in a pipeline type or cyclic type AD converter.
(第1実施形態)
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ステージのサイクリック型のAD変換回路で3ビットずつ2回に分けて変換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。
(First embodiment)
In this embodiment, the AD converter circuit of the first stage converts 4 bits, and the AD converter circuit of the second stage converts 3 bits twice to convert 10 bits in total. It is an example of a converter.
図1は、第1実施形態におけるAD変換器の構成を示す。初期状態において、第1スイッチSW1がオン、第2スイッチSW2がオフである。このAD変換器において、入力アナログ信号Vinは、減算増幅回路13および第1AD変換回路11に入力される。第1AD変換回路11は、入力されるアナログ信号をデジタル値に変換し、上位4ビット(D9〜D6)を取り出す。AD変換回路11は、高速変換のためフラッシュ型を用いるとよい。第1DA変換回路12は、第1AD変換回路11により変換されたデジタル値をアナログ値に変換する。減算増幅回路13は、第1AD変換回路11のサンプルタイミングと同期して、入力アナログ信号Vinをサンプルして、所定の期間ホールドし、ホールドしているアナログ信号から第1DA変換回路12の出力アナログ信号を減算して8倍に増幅する。当該所定の期間は、少なくとも第1DA変換回路12の変換データが確定する期間以上の期間である。
FIG. 1 shows a configuration of an AD converter according to the first embodiment. In the initial state, the first switch SW1 is on and the second switch SW2 is off. In this AD converter, the input analog signal Vin is input to the
第1スイッチSW1を介して入力されるアナログ信号は、第2増幅回路17および第2AD変換回路15に入力される。第2AD変換回路15は、入力されるアナログ信号をデジタル値に変換し、上位から5〜7ビット(D8〜D6)を取り出す。第2DA変換回路16は、第2AD変換回路15により変換されたデジタル値をアナログ値に変換する。
An analog signal input via the first switch SW1 is input to the
第2増幅回路17は、入力されるアナログ信号を2倍に増幅して、第2減算回路18に出力する。第2減算回路18は、第2増幅回路17の出力から第2DA変換回路16の出力を減算する。第2DA変換回路16の出力は、2倍に増幅されている。
The
ここで、第2DA変換回路16の出力を2倍に増幅する手法について簡単に説明する。第2AD変換回路15および第2DA変換回路16には、高電位側基準電圧VRTと低電位側基準電圧VRBが供給され、基準電圧レンジが生成されている。第2AD変換回路15は、この基準電圧レンジを利用して、図示しない複数の電圧比較素子のリファレンス電圧を生成する。第2DA変換回路16は、図示しない複数設けられる各々の容量に高電位側基準電圧VRTと低電位側基準電圧VRBとを、第2AD変換回路15からの制御により選択的に供給することで、出力電圧を得ている。第2AD変換回路15の基準電圧レンジと、第2DA変換回路16の基準電圧レンジとの比を1:2に設定すればよい。
Here, a method for amplifying the output of the second
第3増幅回路19は、第2減算回路18の出力を4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がオン状態に遷移している。第3増幅回路19の出力アナログ信号は、第2スイッチSW2を介して第2増幅回路17および第2AD変換回路15へフィードバックされる。なお、第2減算回路18および第3増幅回路19の代わりに、第1ステージと同様の減算増幅回路を用いてもよい。これによれば、回路を簡素化することができる。以下、上記の処理が繰り返され、第2AD変換回路15は、上位から8〜10ビット(D2〜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(D5〜D0)をサイクリック構成により得ている。
The
上述した説明において、第2増幅回路17の増幅率を2倍、第3増幅回路19の増幅率を4倍としたが、第2増幅回路17をサンプルホールド回路として用いて1倍、第3増幅回路19の増幅率が8倍としてもよい。このように、第2AD変換回路15の次の変換までに8倍になっていればよい。
In the above description, the amplification factor of the
図2は、減算増幅回路13をシングルエンドのスイッチトキャパシタオペアンプで構成した場合を示す図である。図3は、減算増幅回路13の動作を示すタイミングチャートである。図2において、オペアンプ100の反転入力端子には、入力用コンデンサC1が接続されており、Vin用スイッチSW12を介して入力アナログ信号Vinが入力され、VDA用スイッチSW13を介して第1DA変換回路12の出力アナログ信号VDAが入力される。オペアンプ100の非反転入力端子は、オートゼロ電位に接続されている。オペアンプ100の出力端子と反転入力端子とは、帰還用コンデンサC2を介して接続されている。また、その外側にオートゼロ用スイッチSW11が接続され、オペアンプ100の出力端子と反転入力端子とが短絡可能な構成となっている。
FIG. 2 is a diagram showing a case where the subtracting
次に、図3を参照しながら図2に示した減算増幅回路13の動作を説明する。まず、オートゼロ電位Vagにするため、オートゼロ用スイッチSW11をオンにする。この状態において、入力側ノードN1および出力側ノードN2は、共にオートゼロ電位Vagである。入力アナログ信号Vinをサンプルするため、Vin用スイッチSW12をオンにし、VDA用スイッチSW13をオフする。このとき、入力側ノードN1の電荷QAは次式(A1)のようになる。
Next, the operation of the
QA=C2(Vin−Vag)…(A1) QA = C2 (Vin−Vag) (A1)
次に、オートゼロ期間の終了時点に入力用コンデンサC1の入力端に入力していた電圧、即ち入力用コンデンサC1にサンプルされた入力アナログ信号Vinをホールドするために、Vin用スイッチSW12をオフにする。次に、第1DA変換回路12の変換データが確定すると、オペアンプ100を仮想接地させて増幅するために、オートゼロ用スイッチSW11をオフにする。その後、第1DA変換回路12の出力アナログ信号VDAを減算するために、VDA用スイッチSW13をオンにする。このとき、入力側ノードN1の電荷QBは次式(A2)のようになる。
Next, in order to hold the voltage input to the input terminal of the input capacitor C1, that is, the input analog signal Vin sampled in the input capacitor C1, at the end of the auto-zero period, the Vin switch SW12 is turned off. . Next, when the conversion data of the first
QB=C2(VDA−Vag)+C1(Vout−Vag)…(A2) QB = C2 (VDA−Vag) + C1 (Vout−Vag) (A2)
入力側ノードN1には電荷の抜け出る経路がないため、電荷保存則よりQA=QBとなり、次式(A3)が成立する。 Since the input node N1 does not have a path through which charges escape, QA = QB is obtained from the law of conservation of charge, and the following expression (A3) is established.
Vout=C2/C1(Vin−VDA)+Vag…(A3) Vout = C2 / C1 (Vin−VDA) + Vag (A3)
したがって、当該シングルエンドのスイッチトキャパシタオペアンプは、オートゼロ電位Vagが理想的に接地電位であれば、入力アナログ信号Vinと第1DA変換回路12の出力アナログ信号VDAとの差分を、入力用コンデンサC1と帰還用コンデンサC2との容量比によって、増幅することができる。もちろん、オートゼロ電位Vagが接地電位でなくでも、その近似値を得ることができる。なお、シングルエンドのスイッチトキャパシタオペアンプの例を説明したが、完全差動方式のスイッチトキャパシタオペアンプで構成することも勿論可能である。
Therefore, when the auto-zero potential Vag is ideally the ground potential, the single-ended switched capacitor operational amplifier returns the difference between the input analog signal Vin and the output analog signal VDA of the first
図4は、第1実施形態におけるAD変換器の第1動作例を示すタイミングチャートである。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。 FIG. 4 is a timing chart illustrating a first operation example of the AD converter according to the first embodiment. 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 frequency of the second clock signal CLK2 is twice the frequency of the first clock signal CLK1.
減算増幅回路13および第1AD変換回路11は、第1クロック信号CLK1のローからハイへの立ち上がりエッジで入力アナログ信号Vinをサンプルする。減算増幅回路13は、第1クロック信号CLK1の立ち上がりエッジと同期した立ち上がりエッジを持つ第2クロック信号CLK2のハイのときに、サンプルした入力アナログ信号Vinをホールドする。それと同一周期のローのときに減算増幅し、次の周期のローのときにオートゼロ動作をする。第1AD変換回路11は、第1クロック信号CLK1の立ち上がりエッジと同期した立ち上がりエッジを持つ第2クロック信号CLK2のハイのときに、変換動作をしてデジタル値D9〜D6を出力し、その一つ前の周期のローのときにオートゼロ動作をする。第1DA変換回路12は、第1クロック信号CLK1の立ち上がりエッジと同期した立ち上がりエッジを持つ第2クロック信号CLK2のハイのときに不定状態となり、それと同一周期のローのときに変換確定データを保持する。
The subtracting
第1スイッチSW1は、スイッチ信号CLKSWがローのときにオンされ、スイッチ信号CLKSWがハイのときにオフされる。第2スイッチSW2は、スイッチ信号CLKSWがハイのときにオンされ、スイッチ信号CLKSWがローのときにオフされる。第2増幅回路17は、スイッチ信号CLKSWのハイ期間において、第2クロック信号CLK2のローからハイへの立ち上がりエッジで、入力されたアナログ信号をサンプルする。サンプルした直後の第2クロック信号CLK2がローのときに当該アナログ信号を増幅し、上記サンプルした直前の第2クロック信号CLK2がハイのときにオートゼロ動作をする。第3増幅回路19は、スイッチ信号CLKSWの立ち下がりエッジと同期した第2クロック信号CLK2の立ち下がりエッジで、入力されたアナログ信号をサンプルする。サンプルした直後の第2クロック信号CLK2がローのときに当該アナログ信号を増幅し、上記サンプルした直前の第2クロック信号CLK2がハイのときにオートゼロ動作をする。第2AD変換回路15は、第2クロック信号CLK2のローからハイへ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15は、第2クロック信号CLK2がハイのときに変換動作をし、第2クロック信号CLK2がローのときにオートゼロ動作をする。第2DA変換回路16は、第2クロック信号CLK2がローのときに変換確定データを保持し、第2クロック信号CLK2がハイのときは不定状態となる。
The first switch SW1 is turned on when the switch signal CLKSW is low and turned off when the switch signal CLKSW is high. The second switch SW2 is turned on when the switch signal CLKSW is high, and is turned off when the switch signal CLKSW is low. The
図のように、第1AD変換回路11がD9〜D6を変換処理する間に、第2AD変換回路15は前に入力されたD2〜D0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。
As shown in the figure, while the first AD conversion circuit 11 performs the conversion process on D9 to D6, the second
図5は、第1実施形態におけるAD変換器の第2動作例を示すタイミングチャートである。第2動作例は、減算増幅回路13の増幅期間を第1動作例より長く取る例である。以下、図の上位から順に説明する。2つの信号波形は、第1クロック信号CLK1および第2クロック信号CLK2を示す。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。
FIG. 5 is a timing chart illustrating a second operation example of the AD converter according to the first embodiment. The second operation example is an example in which the amplification period of the
減算増幅回路13および第1AD変換回路11は、第1クロック信号CLK1のローからハイへの立ち上がりエッジで、入力アナログ信号Vinをサンプルする。減算増幅回路13は、第1クロック信号CLK1の立ち上がりエッジと同期した立ち上がりエッジを持つ第2クロック信号CLK2のハイのときに、サンプルした入力アナログ信号Vinをホールドする。それと同一周期のローと次の周期のハイのときに減算増幅し、当該周期のローのときにオートゼロ動作をする。第1AD変換回路11は、第1クロック信号CLK1の立ち上がりエッジと同期した立ち上がりエッジを持つ第2クロック信号CLK2のハイのときに、変換動作をしてデジタル値D9〜D6を出力し、第1クロック信号CLK1がローのときの第2クロック信号CLK2がローのときにオートゼロ動作をする。第1DA変換回路12は、第1クロック信号CLK1の立ち上がりエッジと同期した立ち上がりエッジを持つ第2クロック信号CLK2のハイのときに不定状態となり、それと同一周期のローと次の周期のハイのときに変換確定データを保持する。
The subtracting
第1スイッチSW1は、第1クロック信号CLK1がローのときにオンされ、第1クロック信号CLK1がハイのときにオフされる。第2スイッチSW2は、第1クロック信号CLK1がハイのときにオンされ、第1クロック信号CLK1がローのときにオフされる。第2増幅回路17は、第1クロック信号CLK1のロー期間において、第2クロック信号CLK2のハイからローへの立ち下がりエッジで、入力されたアナログ信号をサンプルする。サンプルした直後の第2クロック信号CLK2がローのときに当該アナログ信号を増幅し、上記サンプルした直前の第2クロック信号CLK2がハイのときにオートゼロ動作をする。第3増幅回路19は、第1クロック信号CLK1の立ち上がりエッジと同期した第2クロック信号CLK2の立ち上がりエッジで、入力されたアナログ信号をサンプルする。サンプルした直後の第2クロック信号CLK2がハイのときに当該アナログ信号を増幅し、上記サンプルした直前の第2クロック信号CLK2がローのときにオートゼロ動作をする。第2AD変換回路15は、第2クロック信号CLK2のハイからローへの立ち下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2クロック信号CLK2がローのときに変換動作をし、第2クロック信号CLK2がハイのときにオートゼロ動作をする。第2DA変換回路16は、第2クロック信号CLK2がハイのときに変換確定データを保持し、第2クロック信号CLK2がローのときは不定状態となる。
The first switch SW1 is turned on when the first clock signal CLK1 is low, and is turned off when the first clock signal CLK1 is high. The second switch SW2 is turned on when the first clock signal CLK1 is high, and is turned off when the first clock signal CLK1 is low. The
図のように、第1AD変換回路11がD9〜D6を変換処理する周期と同一周期に、第2AD変換回路15は前に入力されたD2〜D0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。
As shown in the figure, the second
第2動作例は、第1動作例より減算増幅回路13の減算増幅時間を長く取ることができる。図1の減算増幅回路13のように、8倍といった高い増幅率が必要な場合はセトリング時間が長くなるため、第2動作例のようなタイミングで動作するとよい。また、減算増幅回路13に高い増幅率が必要ない場合はセトリング時間が短くなるため、第1動作例のようなタイミングでよい。このように、第1実施形態によれば、サイクリック型AD変換部分を含む2ステージからなるパイプライン型のAD変換器において、第1ステージのAD変換回路11と並列に従来設けられていたサンプルホールド回路を削除することができる。これにより、特性、特に線形特性が向上する。よって、低電圧入力も可能となる。また、回路の小面積化、低消費電力化を図ることができる。
In the second operation example, the subtraction amplification time of the
(第2実施形態)
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ステージのAD変換回路で3ビットを変換し、第3ステージのAD変換回路で3ビットを変換する3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。
(Second Embodiment)
This embodiment includes three stages in which 4 bits are converted by the AD converter circuit of the first stage, 3 bits are converted by the AD converter circuit of the second stage, and 3 bits are converted by the AD converter circuit of the third stage. It is an example of a pipeline type AD converter.
図6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、入力アナログ信号Vinは、減算増幅回路13および第1AD変換回路11に入力される。第1AD変換回路11は、入力されるアナログ信号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12は、第1AD変換回路11により変換されたデジタル値をアナログ値に変換する。減算増幅回路13は、第1AD変換回路11のサンプルタイミングと同期して、入力アナログ信号Vinをサンプルして、所定の期間ホールドし、ホールドしているアナログ信号から第1DA変換回路12の出力アナログ信号を減算して4倍に増幅する。当該所定の期間は、少なくとも第1DA変換回路12の変換データが確定する期間以上の期間である。
FIG. 6 shows the configuration of the AD converter in the second embodiment. In this AD converter, the input analog signal Vin is input to the
減算増幅回路13の出力アナログ信号は、第2増幅回路17および第2AD変換回路15に入力される。第2AD変換回路15は、入力されるアナログ信号をデジタル値に変換し、上位から5〜7ビット(D5〜D3)を取り出す。第2AD変換回路15内の電圧比較素子のリファレンス電圧は、第1AD変換回路11の1/2に設定されている。本来、第2AD変換回路15は3ビット変換のため、減算増幅回路13で8(2の3乗)倍に増幅されていなければならない。この点、上記のようにリファレンス電圧を1/2に設定すれば、減算増幅回路13の増幅率が4倍となる。第2DA変換回路16は、第2AD変換回路15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2増幅回路17は、入力されるアナログ信号を2倍に増幅して、第2減算回路18に出力する。第2減算回路18は、第2増幅回路17の出力から第2DA変換回路16の出力を減算する。第2DA変換回路16の出力は、2倍に増幅されている。
The output analog signal of the
第3増幅回路19は、第2減算回路18の出力を4倍に増幅する。第3増幅回路19の出力アナログ信号は、第3AD変換回路20に出力される。第3AD変換回路20は、入力されるアナログ信号をデジタル値に変換し、上位から8〜10ビット(D2〜D0)を取り出す。このように、3つのステージで10ビットのデジタル値を得ている。
The
図7は、第2実施形態におけるAD変換器の動作例を示すタイミングチャートである。以下、図の上位から順に説明する。2つの信号波形は、第1クロック信号CLK1および第2クロック信号CLK2を示す。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。 FIG. 7 is a timing chart illustrating an operation example of the AD converter according to the second embodiment. Hereinafter, description will be made in order from the top of the figure. The two signal waveforms indicate the first clock signal CLK1 and the second clock signal CLK2. The frequency of the second clock signal CLK2 is twice the frequency of the first clock signal CLK1.
減算増幅回路13および第1AD変換回路11は、第1クロック信号CLK1のローからハイへの立ち上がりエッジで入力アナログ信号Vinをサンプルする。減算増幅回路13は、第1クロック信号CLK1の立ち上がりエッジと同期した立ち上がりエッジを持つ第2クロック信号CLK2のハイのときに、サンプルした入力アナログ信号Vinをホールドする。それと同一周期のローのときに減算増幅し、次の周期のローのときにオートゼロ動作をする。第1AD変換回路11は、第1クロック信号CLK1の立ち上がりエッジと同期した立ち上がりエッジを持つ第2クロック信号CLK2のハイのときに、変換動作をしてデジタル値D9〜D6を出力し、その一つ前の周期のローのときにオートゼロ動作をする。第1DA変換回路12は、第1クロック信号CLK1の立ち上がりエッジと同期した立ち上がりエッジを持つ第2クロック信号CLK2のハイのときに不定状態となり、それと同一周期のローのときに変換確定データを保持する。
The subtracting
第2増幅回路17および第2DA変換回路16は、第1クロック信号CLK1の立ち下がりエッジと同期した第2クロック信号CLK2の立ち上がりエッジで、入力されたアナログ信号をサンプルする。第2増幅回路17は、サンプルした直後の第2クロック信号CLK2がハイのときに当該アナログ信号を増幅し、上記サンプルした直前の第2クロック信号CLK2がローのときにオートゼロ動作をする。第2AD変換回路15は、サンプルした直後の第2クロック信号CLK2がハイのときに変換動作をし、上記サンプルした直前の第2クロック信号CLK2がローのときにオートゼロ動作をする。第2DA変換回路16は、第1クロック信号CLK1がロー期間において、第2クロック信号CLK2がローのときに変換確定データを保持し、第2クロック信号CLK2がハイのときは不定状態となる。第3増幅回路19は、第1クロック信号CLK1がロー期間において、第2クロック信号CLK2のハイからローへの立ち下がりエッジで、入力されたアナログ信号をサンプルする。サンプルした直後の第2クロック信号CLK2がローのときに当該アナログ信号を増幅し、上記サンプルした直前の第2クロック信号CLK2がハイのときにオートゼロ動作をする。第3AD変換回路20は、第1クロック信号CLK1のローからハイへの立ち上がりエッジで入力アナログ信号Vinをサンプルする。サンプルした直後の第2クロック信号CLK2がハイのときに変換動作をし、上記サンプルした直前の第2クロック信号CLK2がローのときにオートゼロ動作をする。
The
図のように、第1AD変換回路11がD9〜D6を変換処理する間に、第3AD変換回路20は、前回に入力されたD2〜D0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。
As shown in the figure, while the first AD conversion circuit 11 performs conversion processing on D9 to D6, the third
このように、第2実施形態によれば、複数のステージからなるパイプライン型のAD変換器において、第1ステージの第1AD変換回路11と並列に従来設けられていたサンプルホールド回路を削除することができる。これにより、特性、特に線形特性が向上する。よって、低電圧入力も可能となる。また、回路の小面積化、低消費電力化を図ることができる。 As described above, according to the second embodiment, in the pipeline type AD converter including a plurality of stages, the sample hold circuit that is conventionally provided in parallel with the first AD conversion circuit 11 of the first stage is deleted. Can do. This improves the characteristics, particularly the linear characteristics. Therefore, low voltage input is also possible. In addition, the circuit area can be reduced and the power consumption can be reduced.
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.
各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、容量値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。 Parameters such as the number of conversion bits of the AD converter circuit and its distribution, the amplification factor of the amplifier circuit, and the capacitance value described in each embodiment are merely examples, and other numerical values may be adopted for these parameters in the modification. Good.
第1実施形態において、2ステージのサイクリック型のAD変換器について説明した。この点、本発明は1つのAD変換回路のサイクリック型にも適用可能である。即ち、最初のAD変換後にフィードバック側の経路に入力を切り替え、フィードバック回路中の増幅回路で増幅された後、再び当該AD変換回路および減算増幅回路にアナログ信号が入力される。これによっても、第1実施形態の効果と同様の効果が得られる。 In the first embodiment, the two-stage cyclic AD converter has been described. In this respect, the present invention can also be applied to a cyclic type of one AD conversion circuit. That is, after the first AD conversion, the input is switched to the feedback side path, amplified by the amplifier circuit in the feedback circuit, and then the analog signal is input again to the AD converter circuit and the subtracting amplifier circuit. This also provides the same effect as that of the first embodiment.
第2実施形態において、3ステージのパイプライン型のAD変換器を説明した。この点、ステージ数は任意であり、変換ビット数が多い場合や変換精度を向上させたい場合、さらに多ステージのパイプラインを構成することができる。また、図7に示したタイミングは一例であり、セトリング時間を確保するために減算増幅回路13の増幅期間を長く取ってもよい。
In the second embodiment, a three-stage pipelined AD converter has been described. In this respect, the number of stages is arbitrary, and when the number of conversion bits is large or when it is desired to improve the conversion accuracy, a multistage pipeline can be configured. Further, the timing shown in FIG. 7 is an example, and the subtracting
11 第1AD変換回路、 12 第1DA変換回路、 13 減算増幅回路、 15 第2AD変換回路、 16 第2DA変換回路、 17 第2増幅回路、 18 第2減算回路、 19 第3増幅回路、 100 オペアンプ、 20 第3AD変換回路、 C1,C2 コンデンサ、 SW1,SW2,SW11〜SW13 スイッチ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 1st AD converter circuit, 12 1st DA converter circuit, 13 subtraction amplifier circuit, 15 2nd AD converter circuit, 16 2nd DA converter circuit, 17 2nd amplifier circuit, 18 2nd subtraction circuit, 19 3rd amplifier circuit, 100 operational amplifier, 20 3rd AD conversion circuit, C1, C2 capacitor, SW1, SW2, SW11-SW13 switch.
Claims (4)
入力されるアナログ信号を所定ビット数のデジタル値に変換するステージを複数有し、
前記複数のステージの内の初段のステージは、自ステージに入力されるアナログ信号を1つの増幅素子により増幅するステージであり、
前記増幅素子は、自ステージに入力されるアナログ信号をサンプルしてホールドし、該ホールドしたアナログ信号から、自ステージで変換したデジタル値をアナログ値に変換した信号を、減算して増幅する第1減算増幅回路であり、
前記複数のステージの内の他の1以上のステージは、自ステージに入力されるアナログ信号を複数の増幅素子により増幅し、自ステージの出力アナログ信号が、自ステージの入力にフィードバックするサイクリック型のステージであり、
前記複数の増幅素子の内の1つの増幅素子は、自ステージに入力されるアナログ信号をサンプルしてホールドするサンプルホールド回路、または自ステージに入力されるアナログ信号をサンプルして所定の増幅率で増幅する増幅回路であり、
前記複数の増幅素子の内の他の増幅素子は、前記サンプルホールド回路または前記増幅回路の出力アナログ信号から、自ステージで変換したデジタル値をアナログ値に変換した信号を、減算して増幅する第2減算増幅回路であることを特徴とするアナログデジタル変換器。 An analog-digital converter that converts an input analog signal into a digital value by dividing it into multiple times,
A plurality of stages for converting an input analog signal into a digital value of a predetermined number of bits;
The first stage of the plurality of stages is a stage that amplifies an analog signal input to the stage by a single amplifying element,
The amplifying element samples and holds an analog signal input to the own stage, and subtracts and amplifies a signal obtained by converting a digital value converted by the own stage into an analog value from the held analog signal. A subtraction amplification circuit,
One or more of the plurality of stages is a cyclic type in which an analog signal input to the own stage is amplified by a plurality of amplification elements , and an output analog signal of the own stage is fed back to the input of the own stage. It is a stage,
One of the plurality of amplifying elements is a sample-and-hold circuit that samples and holds an analog signal input to the own stage, or an analog signal input to the own stage is sampled at a predetermined amplification factor. An amplifier circuit for amplifying,
The other amplifying elements of the plurality of amplifying elements subtract and amplify a signal obtained by converting a digital value converted at its own stage into an analog value from an analog signal output from the sample hold circuit or the amplifying circuit. An analog-digital converter characterized by being a two-subtraction amplifier circuit.
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