JP6810931B2 - A / D converter - Google Patents
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Description
本発明は、A/D変換器に関する。 The present invention relates to an A / D converter.
アナログ信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換器(以下、A/D変換器と呼ぶ)が広く用いられている。 An analog-to-digital converter (hereinafter referred to as an A / D converter) that converts an analog signal into a digital signal is widely used.
また、製造ばらつきによる誤動作が少ない高精度のA/D変換器として、非2進(=β進、1<β<2)で符号化を行うβ変換を用いたサイクリック型A/D変換器や、複数のβ変換サイクリック型A/D変換器を縦続接続したβ変換パイプラインA/D変換器等が知られている(例えば、特許文献1参照)。 In addition, as a high-precision A / D converter with less malfunction due to manufacturing variations, a cyclic A / D converter that uses β conversion that encodes in non-binary (= β-ary, 1 <β <2). Alternatively, a β-conversion pipeline A / D converter in which a plurality of β-conversion cyclic A / D converters are connected in cascade is known (see, for example, Patent Document 1).
図39は、β変換パイプラインA/D変換器の構成の一例を示している。図39の例では、β変換パイプラインADC(Analog to Digital Converter)1は、縦続に接続された複数のβ変換サイクリックADC10−1〜10−n(nは2以上の自然数)と、デジタル合成+β値推定部20とを有する。
FIG. 39 shows an example of the configuration of the β conversion pipeline A / D converter. In the example of FIG. 39, the β-conversion pipeline ADC (Analog to Digital Converter) 1 is digitally synthesized with a plurality of β-conversion cyclic ADCs 10-1 to 10-n (n is a natural number of 2 or more) connected in cascade. It has a + β
複数のβ変換サイクリックADC10−1〜10−nは、入力電圧Vinをサンプリングし、上位ビットから順に、β変換サイクリックADC10−1、β変換サイクリックADC10−2、・・・、β変換サイクリックADC10−nを用いてA/D変換を行う。 The plurality of β-converted cyclic ADCs 10-1 to 10-n sample the input voltage Vin, and in order from the most significant bit, β-converted cyclic ADC10-1, β-converted cyclic ADC10-2, ..., β-converted cyclic ADC10-2. A / D conversion is performed using the click ADC 10-n.
デジタル合成+β値推定部20は、複数のβ変換サイクリックADC10−1〜10−nの各々に含まれる演算増幅器の増幅率を示すβ(1<β<2)の値を推定する。また、デジタル合成+β値推定部20は、推定したβの値を用いて、複数のβ変換サイクリックADC10−1〜10−nから出力されるA/D変換結果を合成し、β変換パイプラインADC1のA/D変換結果であるデジタル出力Doutを出力する。
The digital synthesis + β
このようなβ変換パイプラインADC1において、複数のβ変換サイクリックADC10−1〜10−nの各々には、演算増幅器が含まれている。一般的に演算増幅器の消費電流は大きく、信号を増幅(演算)している間は電流を流し続ける必要があるため、β変換パイプラインADC1の低消費電力化の妨げとなる。 In such a β-conversion pipeline ADC1, each of the plurality of β-conversion cyclic ADCs 10-1 to 10-n includes an operational amplifier. Generally, the current consumption of the operational amplifier is large, and it is necessary to keep the current flowing while the signal is amplified (calculated), which hinders the reduction of the power consumption of the β conversion pipeline ADC1.
本発明の実施の形態は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、β変換サイクリック型A/D変換回路を含む複数のA/D変換回路を組合せて、製造ばらつきによる誤動作が少なく、消費電力が少ないA/D変換器を提供することを目的とする。 The embodiment of the present invention has been made in view of the above problems, and a plurality of A / D conversion circuits including a β conversion cyclic type A / D conversion circuit are combined to cause a malfunction due to manufacturing variation. An object of the present invention is to provide an A / D converter having low power consumption.
本発明の一実施態様によるA/D変換器(100)は、複数のA/D変換方式を組合せたA/D変換器(100)であって、非2進のβ変換サイクリック型A/D変換回路(110)と2進以下の逐次比較型A/D変換回路(120)とを共に含んで構成され、所定のビット範囲のA/D変換を担当するA/D変換回路に前記β変換サイクリック型A/D変換回路(110)を適用し、前記所定のビット範囲より下位のビット範囲のA/D変換を担当するA/D変換回路に前記逐次比較型A/D変換回路(120)を適用し、前記逐次比較型A/D変換回路(120)は、複数の容量素子(C 0 〜C N−1 )を含む容量アレイ(1300)を用いて前記下位のビット範囲のA/D変換を実行し、前記β変換サイクリック型A/D変換回路(110)は、前記容量アレイを積分容量として使用して前記所定のビット範囲のA/D変換を実行し、前記β変換サイクリック型A/D変換回路(110)による前記所定のビット範囲のA/D変換結果と、前記所定のビット範囲のA/D変換後の残差信号を前記逐次比較型A/D変換回路(120)でA/D変換して得られた前記下位のビット範囲のA/D変換結果と、をデジタル合成部(230)で合成して、前記A/D変換器(100)が出力するA/D変換結果を得ることを特徴とする。 The A / D converter (100) according to one embodiment of the present invention is an A / D converter (100) in which a plurality of A / D conversion methods are combined, and is a non-binary β-conversion cyclic type A /. The β is added to the A / D conversion circuit which is configured to include both the D conversion circuit (110) and the binary or lower sequential comparison type A / D conversion circuit (120) and is in charge of the A / D conversion in a predetermined bit range. The sequential comparison type A / D conversion circuit (110) is applied to the conversion cyclic type A / D conversion circuit (110), and the A / D conversion circuit is in charge of A / D conversion in a bit range lower than the predetermined bit range. 120) is applied, and the successive approximation type A / D conversion circuit (120) uses a capacitance array (1300) including a plurality of capacitance elements (C 0 to CN -1 ) to obtain A in the lower bit range. The / D conversion is executed, and the β conversion cyclic type A / D conversion circuit (110) uses the capacitance array as an integrated capacitance to perform the A / D conversion in the predetermined bit range, and the β conversion. The sequential comparison type A / D conversion circuit converts the A / D conversion result of the predetermined bit range by the cyclic A / D conversion circuit (110) and the residual signal after the A / D conversion of the predetermined bit range. The A / D conversion result of the lower bit range obtained by A / D conversion in (120) is synthesized by the digital synthesizer (230), and the A / D converter (100) outputs the result. It is characterized by obtaining an A / D conversion result.
好ましくは、前記A/D変換器(100)は、複数の前記容量アレイ(1300)を有し、第1の容量アレイ(1300−1)を用いて、前記β変換サイクリック型A/D変換回路(110)が前記所定のビット範囲のA/D変換を実行した後、前記逐次比較型A/D変換回路(120)が前記下位のビット範囲のA/D変換を実行し、前記第1の容量アレイ(1300−1)を用いた前記下位のビット範囲のA/D変換が終了する前に、前記第1の容量アレイ(1300−1)とは異なる第2の容量アレイ(1300−2)を用いて、前記β変換サイクリック型A/D変換回路(110)が前記所定のビット範囲のA/D変換を開始するインタリーブ動作を行う。 Preferably, the A / D converter (100) has a plurality of the capacitive arrays (1300), and the first capacitive array (1300-1) is used to perform the β-conversion cyclic A / D conversion. After the circuit (110) executes the A / D conversion of the predetermined bit range, the successive approximation type A / D conversion circuit (120) executes the A / D conversion of the lower bit range, and the first A second capacitive array (1300-2) different from the first capacitive array (1300-1) before the A / D conversion of the lower bit range using the capacitive array (1300-1) is completed. ) Is used to perform an interleave operation in which the β-conversion cyclic A / D conversion circuit (110) starts A / D conversion in the predetermined bit range.
好ましくは、前記A/D変換器(100)は、複数のA/D変換方式を組合せたA/D変換器(100)であって、非2進のβ変換サイクリック型A/D変換回路(110)と2進以下の逐次比較型A/D変換回路(120)とを共に含んで構成され、所定のビット範囲のA/D変換を担当するA/D変換回路に前記β変換サイクリック型A/D変換回路(110)を適用し、前記所定のビット範囲より下位のビット範囲のA/D変換を担当するA/D変換回路に前記逐次比較型A/D変換回路(120)を適用し、前記逐次比較型A/D変換回路(120)は、複数の容量素子を含む容量アレイ(1300)を複数有し、第1の容量アレイ(1300−1)を用いて、前記β変換サイクリック型A/D変換回路(110)が前記所定のビット範囲のA/D変換を実行した後、前記逐次比較型A/D変換回路(120)が前記下位のビット範囲のA/D変換を実行し、前記第1の容量アレイ(1300−1)を用いた前記下位のビット範囲のA/D変換が終了する前に、前記第1の容量アレイ(1300−1)とは異なる第2の容量アレイ(1300−2)を用いて、前記β変換サイクリック型A/D変換回路(110)が前記所定のビット範囲のA/D変換を開始するインタリーブ動作を行い、前記β変換サイクリック型A/D変換回路(110)による前記所定のビット範囲のA/D変換結果と、前記所定のビット範囲のA/D変換後の残差信号を前記逐次比較型A/D変換回路(120)でA/D変換して得られた前記下位のビット範囲のA/D変換結果と、をデジタル合成部(230)で合成して、前記A/D変換器(100)が出力するA/D変換結果を得ることを特徴とする。 Preferably, the A / D converter (100) is an A / D converter (100) that combines a plurality of A / D conversion methods, and is a non-binary β-conversion cyclic A / D conversion circuit. The β conversion cyclic to the A / D conversion circuit which is configured to include both (110) and a binary or lower sequential comparison type A / D conversion circuit (120) and is in charge of A / D conversion in a predetermined bit range. A type A / D conversion circuit (110) is applied, and the sequential comparison type A / D conversion circuit (120) is applied to the A / D conversion circuit in charge of A / D conversion in a bit range lower than the predetermined bit range. applied, the successive approximation a / D converter circuit (120) includes a plurality of capacitor array (1300) including a plurality of capacitive elements, with the first capacitor array (1300-1), the β transformation After the cyclic A / D conversion circuit (110) executes the A / D conversion of the predetermined bit range, the successive approximation type A / D conversion circuit (120) performs the A / D conversion of the lower bit range. Is executed, and before the A / D conversion of the lower bit range using the first capacitance array (1300-1) is completed, a second different from the first capacitance array (1300-1) is completed. using the capacitor array (1300-2), said had row interleaving operation β converting cyclic a / D converter circuit (110) starts the a / D conversion of the predetermined bit range, the β transformation Sai The sequential comparison type A / D conversion circuit (110) converts the A / D conversion result of the predetermined bit range and the residual signal after the A / D conversion of the predetermined bit range by the click type A / D conversion circuit (110). The A / D conversion result of the lower bit range obtained by A / D conversion in 120) is synthesized by the digital synthesizer (230), and the A output by the A / D converter (100) is output. It is characterized by obtaining a / D conversion result.
好ましくは、前記A/D変換器(100)に含まれる1つ以上の前記β変換サイクリック型A/D変換回路(110)は、前記β変換サイクリック型A/D変換回路(110)の入力ノードに予め定められた電圧を入力する入力回路(SW7)を有する。 Preferably, one or more of the β-conversion cyclic A / D conversion circuits (110) included in the A / D converter (100) is the β-conversion cyclic A / D conversion circuit (110). It has an input circuit (SW7) that inputs a predetermined voltage to the input node.
好ましくは、前記A/D変換器(100)は、前記β変換サイクリック型A/D変換回路(110)で使用される基準電圧Vref1と、前記逐次比較型A/D変換回路(120)で使用される基準電圧Vref2と、前記β変換サイクリック型A/D変換回路(110)と前記逐次比較型A/D変換回路(120)との間のオフセット電圧Voffと、の間にVref2≧Vref1+Voffの関係が成り立つように、Vref1及びVref2が設定されていることを特徴とする。
Preferably, the A / D converter (100) includes a reference voltage Vref1 used in the β transformation cyclic A / D converter circuit (110), the successive approximation A / D converter circuit (120) the reference voltage Vref2 to be used, Vref2 ≧ Vref1 + Voff between the offset voltage Voff, between the β transformation cyclic a / D converter circuit (110) and the successive approximation a / D converter (120) It is a feature that Vref1 and Vref2 are set so that the relationship of is established.
好ましくは、前記A/D変換器は、前記逐次比較型A/D変換回路(120)の基準電圧との大小比較を行う比較器(240)への入力となる信号比較ノードVxに接続されるD/A変換回路(3301)を有し、前記D/A変換回路(3301)の出力信号を用いて前記逐次比較型A/D変換回路(120)のオフセット電圧をキャンセルすることを特徴とする。 Preferably, the A / D converter is connected to a signal comparison node Vx that is an input to the comparator (240) that compares the magnitude of the sequential comparison type A / D converter (120) with the reference voltage. It has a D / A conversion circuit (3301), and uses the output signal of the D / A conversion circuit (3301) to cancel the offset voltage of the sequential comparison type A / D conversion circuit (120). ..
好ましくは、前記A/D変換器(100)は、前記逐次比較型A/D変換回路(120)の信号比較ノードVxにディザー信号を入力する信号発生部(3501)を有する。 Preferably, the A / D converter (100) has a signal generator (3501) for inputting a dither signal to the signal comparison node Vx of the sequential comparison type A / D converter (120).
好ましくは、前記A/D変換器(100)は、前記逐次比較型A/D変換回路(120)による複数のA/D変換結果を平均化して、前記逐次比較型A/D変換回路(120)の実効分解能を向上させる平均処理部(3503)を有する。 Preferably, the A / D converter (100) averages a plurality of A / D conversion results by the successive approximation type A / D conversion circuit (120), and the sequential comparison type A / D conversion circuit (120). ) Has an average processing unit (3503) that improves the effective resolution.
好ましくは、前記A/D変換器(100)は、前記逐次比較型A/D変換回路(120)で実行するA/D変換のビット長を変更するビット長制御部(3402)を有する。 Preferably, the A / D converter (100) has a bit length control unit (3402) that changes the bit length of the A / D conversion executed by the successive approximation type A / D conversion circuit (120).
好ましくは、前記β変換サイクリック型A/D変換回路(110)は、比較対象となる比較電圧としきい値とを比較し、比較結果を示すデジタル値を出力する比較器(11)と、β(1<β<2)倍の増幅率を有し、前記比較器の比較結果に応じた所定の演算を実行して、前記残差信号を生成する演算増幅部(111)と、入力信号をサンプリングするとき、前記入力信号を前記比較電圧として出力し、前記サンプリングが終了した後、前記残差信号を前記比較電圧として出力する切替部(SW3)と、所定の電圧を前記A/D変換器(100)でA/D変換した結果を用いて、前記βの値を推定するβ値推定制御部(222)と、を有し、前記デジタル合成部(230)は、前記β変換サイクリック型A/D変換回路(110)による前記所定のビット範囲のβ進A/D変換結果を、前記β値推定制御部(222)が推定した前記βの値の推定結果を用いて、2進に変換した結果と、前記逐次比較型A/D変換回路(120)による前記下位のビット範囲のA/D変換結果とを合成し、2進のA/D変換結果を出力することを特徴とする。 Preferably, the β-conversion cyclic A / D conversion circuit (110) compares the comparison voltage to be compared with the threshold value, and outputs a digital value indicating the comparison result, and β. An arithmetic amplification unit (111) having an amplification factor of (1 <β <2) times and performing a predetermined calculation according to the comparison result of the comparator to generate the residual signal, and an input signal At the time of sampling, the switching unit (SW3) that outputs the input signal as the comparison voltage and outputs the residual signal as the comparison voltage after the sampling is completed, and the A / D converter that outputs a predetermined voltage. It has a β value estimation control unit (222) that estimates the β value using the result of A / D conversion in (100), and the digital synthesis unit (230) is the β conversion cyclic type. The β-ary A / D conversion result of the predetermined bit range by the A / D conversion circuit (110) is converted into binary by using the estimation result of the β value estimated by the β value estimation control unit (222). It is characterized in that the converted result and the A / D conversion result of the lower bit range by the sequential comparison type A / D conversion circuit (120) are combined and the binary A / D conversion result is output. ..
本発明によれば、β変換サイクリック型A/D変換回路を含む複数のA/D変換回路を組合せて、製造ばらつきによる誤動作が少なく、消費電力が少ないA/D変換器を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an A / D converter with less malfunction due to manufacturing variation and low power consumption by combining a plurality of A / D conversion circuits including a β conversion cyclic type A / D conversion circuit. it can.
以下に、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
<A/D変換器の構成>
図1は、一実施形態に係るA/D変換器の構成例を示す図である。A/D変換器(アナログ−デジタル変換器)100は、アナログ信号をデジタル信号に変換する装置(又は回路)であり、アナログの入力信号Vinを所定のビット数のデジタル信号Doutに変換して出力する。
<A / D converter configuration>
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of an A / D converter according to an embodiment. The A / D converter (analog-digital converter) 100 is a device (or circuit) that converts an analog signal into a digital signal, and converts an analog input signal Vin into a digital signal Dout having a predetermined number of bits and outputs the signal. To do.
図1(a)は、一実施形態に係るA/D変換器100の一例を示している。A/D変換器100は、β変換サイクリックADC(Analog to Digital Converter)110、逐次比較ADC120、及びデジタル合成+β値推定部130を有する。A/D変換器100は、回路の精度が要求される上位ビットのA/D変換を担当するA/D変換回路として、β(1<β<2)進のβ変換サイクリックADC110(β変換サイクリック型A/D変換回路)を適用する。また、回路の精度の要求が緩和される下位ビットのA/D変換を担当するA/D変換回路として、例えば、2進の逐次比較ADC120(逐次比較型A/D変換回路)を適用する。なお、逐次比較ADC120は、2進の逐次比較ADCに限られず、2進以下の逐次比較ADCを用いるものであれば良い。
FIG. 1A shows an example of the A /
この2つのA/D変換方式を組合せたA/D変換器100には、β変換サイクリックADC110から出力されるデジタルビットと、逐次比較ADC120から出力されるデジタルビットとを合成するデジタル合成部が必要になる。また、A/D変換器100には、実際にチップ上で実現されたβの値を推定するβ値推定動作、及びβ値推定アルゴリズムを実行するβ推定制御部が必要になる。図1の例では、デジタル合成+β値推定部130に、このデジタル合成部とβ推定制御部とが含まれている。
The A /
図1(b)は、一実施形態に係るA/D変換器100の別の一例を示している。図1(b)に示すように、上位ビットのA/D変換を実現するβ変換サイクリックADCは、複数段のβ変換サイクリックADC110−1、110−2、・・・で構成されるものであっても良い。また、下位ビットのA/D変換を実現する逐次比較ADC120は、1段以上の逐次比較ADC120であって良い。
FIG. 1B shows another example of the A /
つまり、A/D変換器100は、所定のビット範囲のA/D変換を担当するA/D変換回路にβ変換サイクリックADC110を適用し、所定のビット範囲より下位のビット範囲のA/D変換回路に逐次比較ADC120を適用するものであれば良い。この場合、A/D変換器100は、β変換サイクリックADC110による所定のビット範囲のA/D変換結果と、所定のビット範囲のA/D変換後の残差信号を逐次比較ADC120でA/D変換した下位のビット範囲のA/D変換結果とを合成し、A/D変換器100が出力するA/D変換結果を得る。
That is, the A /
続いて、複数の実施形態を例示して、A/D変換器100の具体的な構成について説明する。
Subsequently, a specific configuration of the A /
[第1の実施形態]
<A/D変換器の構成>
図2は、第1の実施形態に係るA/D変換器の回路構成の例を示す図である。図2において、A/D変換器100は、図1(a)に示すA/D変換器100に対応しており、β変換サイクリックADC110、逐次比較ADC120、基準電圧発生回路210、全体制御部220、及びデジタル合成部230等を含む。
[First Embodiment]
<A / D converter configuration>
FIG. 2 is a diagram showing an example of a circuit configuration of the A / D converter according to the first embodiment. In FIG. 2, the A /
(β変換サイクリックADCの構成)
β変換サイクリックADC110(以下、第1のADCと呼ぶ)は、β進(非2進)のA/D変換回路であり、例えば、図2に示すように、比較器11、DAC部12、演算増幅器13、容量素子14a、14b、及び複数のスイッチSW1〜SW7等を含む。
(Structure of β-conversion cyclic ADC)
The β-conversion cyclic ADC 110 (hereinafter referred to as the first ADC) is a β-ary (non-binary) A / D conversion circuit. For example, as shown in FIG. 2, the
第1のADC110は、2進符号化によりデジタル信号を符号化するものではなく、例えば、特許文献1に示されるように、1よりも大きく2よりも小さい数であるβの値を使用するβ進符号化によりデジタル信号を符号化する。
The
比較器(Sub−ADC)11は、予め定められたしきい値電圧(図2の例ではVCM)と、スイッチSW3(切替部)から出力されるサンプリング電圧Vsとを比較して、比較結果を示す1ビットのデジタル信号を出力する。比較器11は、例えば、コンパレータ等によって実現される。
The comparator (Sub-ADC) 11 compares a predetermined threshold voltage (VCM in the example of FIG. 2) with a sampling voltage Vs output from the switch SW3 (switching unit), and compares the comparison result. The indicated 1-bit digital signal is output. The
比較器11は、例えば、比較対象となるサンプリング電圧VsがVCMより高い場合、「1」を出力し、サンプリング電圧VsがVCM以下の場合、「0」を出力する。なお、VCMは、例えば、第1のADC110におけるフルスケール電圧Vfs(基準電圧+Vref〜−Vref)の中央値(例えば0V)である。
For example, the
DAC部12は、比較器11の比較結果に応じて、基準電圧+Vref、又は−Vrefを選択的に出力する回路であり、例えば、マルチプレクサ等によって実現される。DAC部12は、比較器11により、サンプリング電圧VsがVCMより高いと判定された場合+Vrefを出力し、サンプリング電圧VsがVCMより低いと判定された場合−Vrefを出力する。
The
演算増幅部111は、β(1<β<2)倍の増幅率(利得)を有し、比較器11の比較結果に応じた所定の演算を実行して、残差信号Vresを生成する回路であり、例えば、オペアンプ等によって実現される。なお、演算増幅部111の増幅率を表すβの値は、容量素子14aの容量値Caと、容量素子14bの容量値Cbとの比により、1<β<2となるように予め設定されているものとする。
The
容量素子14aは容量値Caの容量素子であり、容量素子14bは容量値Cbの容量素子である。容量素子14a、14bは、例えば、コンデンサ等によって実現される。
The
スイッチSW1〜SW7は、全体制御部220の制御により、信号の接続と切断を切替えるスイッチ素子である。β変換サイクリックADCには3つの動作状態があり、全体制御部220は、各動作状態に応じた接続状態となるようにスイッチSW1〜SW7を切替える。
The switches SW1 to SW7 are switch elements that switch between connecting and disconnecting signals under the control of the
(β変換サイクリックADCの動作)
ここで、図3〜5を用いて、第1のADC110の動作について説明する。図3は、β変換サイクリックADCの動作の例について説明するための図である。また、図4、5は、第1のADC110の各スイッチの設定例を示す図である。
(Operation of β-conversion cyclic ADC)
Here, the operation of the
図3(a)は、第1のADC110のA/D変換処理の流れを示すフローチャートである。
FIG. 3A is a flowchart showing the flow of the A / D conversion process of the
ステップS301において、全体制御部220は、第1のADC110のスイッチSW1〜SW6を、例えば、図4(a)に示すように切替えることにより、第1のADC110の入力信号Vinを容量素子14a(Ca)、及び容量素子14b(Cb)にサンプリングする。以下の説明の中で、この状態を動作状態(A)と呼ぶ。
In step S301, the
動作状態(A)において、全体制御部220は、図4(a)に示すように、容量素子14bがVinに接続されるようにスイッチSW1を制御し、容量素子14aがVinに接続されるようにスイッチSW2を制御する。また、全体制御部220は、比較器11にサンプル電圧Vs(比較電圧)として、Vinが入力されるようにスイッチSW3を制御する。さらに、全体制御部220は、スイッチSW4を切断し、スイッチSW5、SW6を接続するように制御する。
In the operating state (A), the
なお、全体制御部220は、βの値を推定するβ値推定動作を行うときのみ、第1のADC110にVCMを入力するようにスイッチSW7を制御するものとし、ここでは、第1のADC110にVinが入力されるように、固定的にSW7が設定されているものとする。
The
図3(b)は、第1のADC110のA/D変換処理のタイミングを示す図である。図3(b)に示すように、最初の動作状態(A)の終了時、比較器11の比較結果が更新され、1番目の出力ビット(最上位ビット)b0が出力される。
FIG. 3B is a diagram showing the timing of the A / D conversion process of the
その後、ステップS302において、全体制御部220は、第1のADC110のスイッチSW1〜SW6を、例えば、図4(b)に示すように切替えることにより、比較器11の比較結果に応じて信号を増幅する信号増幅動作を実行する。以下の説明の中で、この状態を動作状態(B)と呼ぶ。
After that, in step S302, the
動作状態(B)において、全体制御部220は、図4(b)に示すように、容量素子14bが演算増幅部111から出力される残差信号Vresに接続されるようにスイッチSW1を制御する。また、全体制御部220は、容量素子14aが、DAC部12の出力に接続されるようにスイッチSW2を制御する。さらに、全体制御部220は、比較器11にサンプル電圧Vsとして、Vresを入力するようにスイッチSW3を制御する。さらにまた、全体制御部220は、スイッチSW4、SW5を切断し、スイッチSW6を接続するように制御する。
In the operating state (B), the
この動作状態(B)において、比較器11でサンプル電圧Vsが、VCMより高いと判定された場合、演算増幅部111は、容量素子14aにサンプリングされた電圧をVres'とすると、出力電圧Vres=Vres'×β+(1−β)Vrefを出力する。一方、比較器11でサンプル電圧Vsが、VCMより低いと判定された場合、演算増幅部111は、出力電圧Vres=Vres'×β+(β−1)Vrefを出力する。
In this operating state (B), when the
ステップS303において、全体制御部220は、第1のADC110のスイッチSW1〜SW6を、例えば、図5に示すように切替えることにより、サイクリックサンプリング動作を実行する。以下の説明の中で、この状態を動作状態(C)と呼ぶ。
In step S303, the
動作状態(C)において、全体制御部220は、図5に示すように、容量素子14bが残差信号Vresに接続されるようにスイッチSW1を制御し、容量素子14aが残差信号Vresに接続されるようにスイッチSW2を制御する。また、全体制御部220は、比較器11にサンプル電圧Vsとして、残差信号Vresを出力するようにスイッチSW3を制御する。さらに、全体制御部220は、スイッチSW4を接続し、スイッチSW5、SW6を切断するように制御する。
In the operating state (C), the
この動作状態(C)において、第1のADC110は、ステップS302の信号増幅動作で作り出した容量素子14bに蓄えられている残差信号Vresを、入力側の容量素子14aにサンプリングする。
In this operating state (C), the
このとき、図3(b)に示すように、最初の動作状態(C)の終了時、比較器11の比較結果が更新され、2番目の出力ビットb1が出力される。
At this time, as shown in FIG. 3 (b), at the end of the first operating state (C), the comparison result of the
ステップS304において、全体制御部220は、所定のビット数X(例えば5ビット)が得られたかを判断する。
In step S304, the
所定のビット数の出力ビットBx(=b0、b1、...、bx-1)が得られた場合、全体制御部220は、1回分のA/D変換処理を終了させる。一方、所定のビット数が得られていない場合、全体制御部220は、処理をステップS302に戻して、同様の処理を再び実行する。
When a predetermined number of output bits B x (= b 0 , b 1 , ..., b x-1 ) are obtained, the
(逐次比較ADC)
逐次比較ADC120(以下、第2のADCと呼ぶ)は、2進(バイナリ)の重み付値を持つN個(Nは2以上の整数)の容量素子C0〜CN−1と1つのダミー容量素子Cdを含む容量アレイ、比較器240、SAR250、スイッチSW10、スイッチアレイSW_SAR、SW_Vres等を有する。
(Sequential comparison ADC)
Sequential comparison ADC 120 (hereinafter referred to as the second ADC) consists of N capacitive elements C 0 to C N-1 with binary (binary) weighted values (N is an integer of 2 or more) and one dummy. It has a capacitance array including a capacitance element C d , a
なお、説明を容易にするため2進の重み付値を持つ容量素子を用いた構成で説明したが、容量素子C0〜CN−1、Cdは、単位容量の容量素子の組合せで構成しても良い。 For the sake of simplicity, the configuration using a capacitive element having a binary weighted value has been described, but the capacitive elements C 0 to CN -1 and C d are composed of a combination of capacitive elements having a unit capacitance. You may.
第2のADC120は、SAR(逐次比較レジスタ)250の出力論理に従って、+Vref、−Vrefに接続されるスイッチの出力が同じ論理(DN−1,・・・,D0,Dd)になるようにスイッチを切替える。SAR250は、上位ビット(DN−1)側から順次、スイッチを切替えることにより、出力電圧Vxを変更し、2分法でA/D変換値を特定する逐次比較A/D変換を行う。
In the
比較器240は、予め定められたしきい値電圧(例としてVCM)と、出力電圧Vx(以後、この電圧Vxが入力される端子を電圧比較ノードと呼ぶ)を比較して、比較結果を示す1ビットのデジタル値dYを出力する。比較器240は、SAR(逐次比較レジスタ)250の出力に従って所定のビット数Yの出力ビットDy(=d0、d1、...、dY-1)を得る。
The
また、全体制御部220は、スイッチアレイSW_Vresに含まれる各スイッチを接続することにより、第1のADC110で上位ビットのA/D変換を実行した後の残差信号Vresを、第2のADC120の入力信号として入力する。これにより、第2のADC120は、入力された残差信号VresのA/D変換を実行し、下位ビットを特定する。
Further, the
(基準電圧発生回路)
基準電圧発生回路210は、基準電圧+Vref、−Vref、及び+Vref〜−Vrefの中央値VCM(例えば0V)を生成する。
(Reference voltage generation circuit)
The reference
(全体制御部)
全体制御部220は、スイッチ制御部221、β値推定制御部222、AD変換制御部223を有する。
(Overall control unit)
The
スイッチ制御部221は、β値推定制御部222、又はAD変換制御部223の制御に従って、スイッチSW1〜SW7、SW10、及びスイッチアレイSW_Vres等の接続/切断を制御する制御信号を出力する。
The
β値推定制御部222は、実際にチップ上で実現された演算増幅部111の増幅率βの値を推定する。例えば、β値推定制御部222は、スイッチSW7を制御して、A/D変換器100の入力に基準電圧+Vref、−Vrefの中央値VCMを入力させて、A/D変換を実行する。また、β値推定制御部222は、A/D変換を実行した結果得られた、最初のビットがゼロから始まるA/D変換結果と、最初のビットが1から始まるA/D変換結果とが等しいことに着目して、βの値を推定する。
The β value
AD変換制御部223は、スイッチ制御部221を用いて、スイッチSW1〜SW7、SW10、及びスイッチアレイSW_Vresの接続、切断を制御し、A/D変換器100におけるA/D変換を制御する。
The AD
(デジタル合成部)
デジタル合成部230は、Radix変換部231、加算器232を有する。
(Digital compositing department)
The
Radix変換部231は、β変換サイクリックADC110から出力されるβ進デジタルビットBxを、β値推定制御部222によるβ値の推定結果を用いて、β進から2進へRadixを変換した2進デジタルビットDBxを生成する。
加算器232は、Radix変換部231が生成した2進デジタルビットDBxと、逐次比較ADC120から出力されるデジタルビットDyとを加算して、2進のデジタル出力信号Doutを生成する。
The
<処理の流れ>
続いて、A/D変換器100によるA/D変換の処理の流れについて説明する。
<Processing flow>
Subsequently, the flow of processing for A / D conversion by the A /
図6は、第1の実施形態に係るA/D変換器の処理の例を示すフローチャートである。図6において、ステップS601〜S605の処理610は、第1のADC110による処理を示しており、ステップS606、S607に示す処理620は、第2のADC120による処理を示している。なお、図6のステップS601〜S604の処理は、図3(a)のステップS301〜S304の処理に対応しているので、ここでは詳細な説明は省略する。
FIG. 6 is a flowchart showing an example of processing of the A / D converter according to the first embodiment. In FIG. 6, the
ステップS601において、全体制御部220のAD変換制御部223は、入力信号Vinを容量素子14a(Ca)、及び容量素子14b(Cb)にサンプリングするサンプリング動作を実行する。例えば、AD変換制御部223は、スイッチ制御部221を用いて、A/D変換器100のスイッチSW1〜SW6、SW10、及びスイッチアレイSW_Vresを、図8に示すように切替える。以下の説明の中で、この状態を動作状態(A)と呼ぶ。
In step S601, the AD
動作状態(A)において、全体制御部220のAD変換制御部223は、第1のADC110のスイッチSW1〜SW6を、図4(a)で前述したように設定する。また、AD変換制御部223は、SW10、及びスイッチアレイSW_Vresを切断状態に制御する。これにより、第1のADC110の容量素子14a、14bに、入力信号Vinがサンプリングされる。
In the operating state (A), the AD
なお、AD変換制御部223は、A/D変換動作の間、スイッチSW7を、第1のADC110にVinを入力させるように制御し、切替えを行わないものとする。
The AD
図7は、A/D変換器100の処理タイミングの例を示す図である。図7に示すように、時間t1に動作状態(A)で入力信号Vin1のサンプリングが終了すると、比較器11の比較結果が更新され、最上位ビットであるbitn−1が出力される。
FIG. 7 is a diagram showing an example of processing timing of the A /
ステップS602において、全体制御部220のAD変換制御部223は、比較器11の比較結果に応じて信号を増幅する信号増幅動作を実行する。例えば、AD変換制御部223は、スイッチ制御部221を用いて、A/D変換器100のスイッチSW1〜SW6、SW10、及びスイッチアレイSW_Vresを、図9に示すように切替える。以下の説明の中で、この状態を動作状態(B)と呼ぶ。
In step S602, the AD
動作状態(B)において、全体制御部220のAD変換制御部223は、第1のADC110のスイッチSW1〜SW6を、図4(b)で前述したように設定する。また、AD変換制御部223は、SW10、及びスイッチアレイSW_Vresの切断状態を維持する。これにより、第1のADC110は、比較器11の比較結果に応じて信号を増幅し、残差信号Vresを、容量素子14bに蓄える。
In the operating state (B), the AD
ステップS603において、全体制御部220のAD変換制御部223は、サイクリックサンプリング動作を実行する。例えば、AD変換制御部223は、スイッチ制御部221を用いて、A/D変換器100のスイッチSW1〜SW6、SW10、及びスイッチアレイSW_Vresを、図10に示すように切替える。以下の説明の中で、この状態を動作状態(C)と呼ぶ。
In step S603, the AD
動作状態(C)において、全体制御部220のAD変換制御部223は、第1のADC110のスイッチSW1〜SW6を、図5で前述したように設定する。また、AD変換制御部223は、SW10、及びスイッチアレイSW_Vresの切断状態を維持する。これにより、ステップS602で容量素子14bに蓄えられた残差信号Vresが、入力側の容量素子14aにサンプリングされる。
In the operating state (C), the AD
図7に示すように、初回の動作状態(C)の終了時、比較器11の比較結果が更新され、bitn−2が出力される。
As shown in FIG. 7, at the end of the first operating state (C), the comparison result of the
ステップS604において、全体制御部220のAD変換制御部223は、所定のビット数(図7の例ではn−kビット)が得られたかを判断する。
In step S604, the AD
所定のビット数が得られていない場合、AD変換制御部223は、所定のビット数が得られるまで、ステップS602〜S604の処理を繰り返し実行する。一方、所定のビット数が得られた場合、AD変換制御部223は、処理をステップS605に移行させる。
When the predetermined number of bits has not been obtained, the AD
ステップS605に移行すると、全体制御部220のAD変換制御部223は、第1のADC110に、残差信号Vresを所定の期間保持させる。例えば、AD変換制御部223は、第1のADC110のスイッチSW1〜SW6を、図11に示すように制御する。これにより、第1のADC110において、残差信号Vresが保持される。以下の説明の中で、この状態を動作状態(D)と呼ぶ。
When the process proceeds to step S605, the AD
このとき、第2のADC120は、残差信号Vresをサンプリングする(ステップS606)。例えば、第2のADC120の容量アレイに含まれる各容量素子C0〜CN−1、Cdに、残差信号Vresがサンプリングされる。以下の説明の中で、この状態を動作状態(E)と呼ぶ。
At this time, the
図7に示すように、時間t2において、第1のADC110がbit kを出力した後、第1のADC110が状態(D)に設定されると共に、第2のADC120が状態(E)に設定される。また、時間t3において、第2のADC120による残差信号Vresのサンプリングが終了すると、第1のADC110は、次の入力信号Vin2のサンプリングを行うことができるようになる。
As shown in FIG. 7, at time t2, after the
図6のステップS607において、第2のADC120のSAR250は、スイッチアレイSW_SARを制御して、逐次比較A/D変換を実行して下位ビットを求める。以下の説明の中で、この状態を動作状態(F)と呼ぶ。
In step S607 of FIG. 6, the
動作状態(F)において、AD変換制御部223は、第1のADC110のスイッチSW1〜SW6を、例えば、図11に示すように制御することにより、例えば、図7に示すように、次の入力信号Vin2のサンプリングを開始させることができる。
In the operating state (F), the AD
ステップS608において、デジタル合成部230は、ステップS601〜S604で第1のADC110から出力された上位のデジタルビットと、ステップS607で第2のADC120から出力された下位のデジタルビットとを合成して、変換結果を出力する。
In step S608, the
上記の処理により、A/D変換器100は、回路の精度が要求される上位ビットのA/D変換をβ変換サイクリックADC110で実行し、回路の精度の要求が緩和される下位ビットのA/D変換を逐次比較ADC120で実現することができるようになる。これにより、下位ビットのA/D変換に演算増幅器が不要になるので、β変換サイクリック型A/D変換回路を含む複数のA/D変換回路を組合せて、製造ばらつきによる誤動作が少なく、消費電力が少ないA/D変換器を提供することができるようになる。
By the above processing, the A /
[第2の実施形態]
第2の実施形態では、別の好適な一例として、第2のADC120の容量アレイ(C0〜CN−1、Cd)を、第1のADC(β変換サイクリックADC110)の積分容量Cbとして用いる構成の例について説明する。
[Second Embodiment]
In the second embodiment, as another suitable example, the capacitance array (C 0 to CN -1, C d) of the
第2の実施形態に係るA/D変換器100は、第1のADC110で上位ビットのA/D変換を行った後の残差信号Vresを、第2のADC120でそのままA/D変換することができるようになる。これにより、例えば、図6のステップS605、S606の処理を省略することができる。また本実施形態に係るA/D変換器100では、逐次比較ADC120でのサンプリングによる誤差をなくすことで、A/D変換器100でのサンプリング誤差を低減させることができる。
The A /
<A/D変換器の構成>
図13は、第2の実施形態に係るA/D変換器の回路構成の例を示す図である。図13に示すA/D変換器100は、図2に示す第1の実施形態に係るA/D変換器100の容量素子14b、及びスイッチSW1に代えて、容量アレイ1300を有している。
<A / D converter configuration>
FIG. 13 is a diagram showing an example of a circuit configuration of the A / D converter according to the second embodiment. The A /
図14は、第2の実施形態に係る容量アレイの回路構成の例を示す図である。容量アレイ1300は、第1の実施形態に係る第2のADC120に含まれていた、2進の重み付値を持つN個の容量素子C0〜CN−1と1つのダミー容量素子Cdとを含む。また、容量アレイ1300は、第1の実施形態に係る第2のADC120に含まれていた、スイッチアレイSW_SAR、SW_Vresに加え、スイッチアレイSW_Vinを有している。なお、図13、14において、図2に示す第1の実施形態に係るA/D変換器100で説明した構成要素には同じ参照番号を付与し、ここでは詳細な説明を省略する。
FIG. 14 is a diagram showing an example of the circuit configuration of the capacitance array according to the second embodiment. The
A/D変換器100の全体制御部220は、スイッチアレイSW_Vinを制御して、Vinを容量素子C0〜CN−1、Cdに接続することにより、容量素子C0〜CN−1、Cdの合成容量を第1のADC110の積分容量Cbとして用いることができる。
The
<処理の流れ>
続いて、第2の実施形態に係るA/D変換器100によるA/D変換の処理の流れについて説明する。
<Processing flow>
Subsequently, the flow of the A / D conversion process by the A /
図15は、第2の実施形態に係るA/D変換器の処理の例を示すフローチャートである。 FIG. 15 is a flowchart showing an example of processing of the A / D converter according to the second embodiment.
ステップS1501において、全体制御部220のAD変換制御部223は、入力信号Vinを容量素子14a(Ca)、及び容量アレイ1300(Cb)にサンプリングするサンプリング動作を実行する。例えば、AD変換制御部223は、スイッチ制御部221を用いて、A/D変換器100のスイッチSW2〜SW7、及び容量アレイ1300のスイッチアレイSW_Vres、SW_Vinを、図17(a)、(b)に示すように設定する。以下の説明の中で、この状態を動作状態(A)と呼ぶ。
In step S1501, the AD
動作状態(A)において、図17(a)、(b)に示すように、スイッチSW2〜SW7、及び容量アレイ1300のスイッチアレイSW_Vresの設定は、図8に示す第1の実施形態に係る動作状態(A)の設定と同様である。また、AD変換制御部223は、図17(b)に示すように、容量アレイ1300のスイッチアレイSW_Vinに含まれる各スイッチを接続状態とする。これにより、A/D変換器100はβ変換サイクリックADCとして機能し、容量アレイ1300(Cb)に、入力信号Vinがサンプリングされる。
In the operating state (A), as shown in FIGS. 17A and 17B, the settings of the switches SW2 to SW7 and the switch array SW_Vres of the
図16は、第2の実施形態に係るA/D変換器の処理タイミングの例を示す図である。図16に示すように、時間t1に動作状態(A)で入力信号Vin1のサンプリングが終了すると、比較器11の比較結果が更新され、最上位ビットであるbitn−1が出力される。
FIG. 16 is a diagram showing an example of processing timing of the A / D converter according to the second embodiment. As shown in FIG. 16, when the sampling of the input signal Vin1 is completed in the operating state (A) at the time t1, the comparison result of the
ステップS1502において、全体制御部220のAD変換制御部223は、比較器11の比較結果に応じて信号を増幅する信号増幅動作を実行する。例えば、AD変換制御部223は、スイッチ制御部221を用いて、A/D変換器100のスイッチSW2〜SW7、及び容量アレイ1300のスイッチアレイSW_Vres、SW_Vinを、図18(a)、(b)に示すように設定する。以下の説明の中で、この状態を動作状態(B)と呼ぶ。
In step S1502, the AD
動作状態(B)において、図18(a)、(b)に示すように、スイッチSW2〜SW7の設定は図9に示す第1の実施形態に係る動作状態(B)の設定と同様である。また、AD変換制御部223は、図18(b)に示すように、スイッチアレイSW_Vinに含まれる各スイッチを切断状態とし、スイッチアレイSW_Vresに含まれる各スイッチを接続状態とする。これにより、A/D変換器100は、比較器11の比較結果に応じて信号を増幅し、残差信号Vresを、容量アレイ1300(Cb)に蓄える。
In the operating state (B), as shown in FIGS. 18A and 18B, the settings of the switches SW2 to SW7 are the same as the settings of the operating state (B) according to the first embodiment shown in FIG. .. Further, as shown in FIG. 18B, the AD
ステップS1503において、全体制御部220のAD変換制御部223は、サイクリックサンプリング動作を実行する。例えば、AD変換制御部223は、スイッチ制御部221を用いて、A/D変換器100のスイッチSW2〜SW7、及び容量アレイ1300のスイッチアレイSW_Vres、SW_Vinを、図19(a)、(b)に示すように設定する。以下の説明の中で、この状態を動作状態(C)と呼ぶ。
In step S1503, the AD
動作状態(C)において、図19(a)、(b)に示すように、スイッチSW2〜SW7の設定は図10に示す第1の実施形態に係る動作状態(C)の設定と同様である。また、AD変換制御部223は、図19(b)に示すように、スイッチアレイSW_Vinに含まれる各スイッチを切断状態、スイッチアレイSW_Vresに含まれる各スイッチを接続状態に維持する。これにより、ステップS1502で容量アレイ1300(Cb)に蓄えられた残差信号Vresが、入力側の容量素子14aにサンプリングされる。
In the operating state (C), as shown in FIGS. 19A and 19B, the settings of the switches SW2 to SW7 are the same as the settings of the operating state (C) according to the first embodiment shown in FIG. .. Further, as shown in FIG. 19B, the AD
図16に示すように、初回の動作状態(C)の終了時、比較器11の比較結果が更新され、bitn−2が出力される。
As shown in FIG. 16, at the end of the first operating state (C), the comparison result of the
ステップS1504において、全体制御部220のAD変換制御部223は、所定のビット数(例えば5ビット)が得られたかを判断する。
In step S1504, the AD
所定のビット数が得られていない場合、AD変換制御部223は、所定のビット数が得られるまで、ステップS1502〜S1504の処理を繰り返し実行する。一方、所定のビット数が得られた場合、AD変換制御部223は、処理をステップS1505に移行させる。
If the predetermined number of bits has not been obtained, the AD
図16において、第2の実施形態に係るA/D変換器100は、時間t2にβ変換サイクリックADC110がbit kを出力したとき、既に容量アレイ1300に残差信号Vresが蓄えられている。したがって、本実施形態に係るA/D変換器100は、図7に示す第1の実施形態の動作状態(D)、(E)の処理を省略し、時間t2において直ちに逐次比較A/D変換を開始することができる。
In FIG. 16, in the A /
ステップS1505に移行すると、全体制御部220のAD変換制御部223は、スイッチ制御部221を用いて、A/D変換器100のスイッチSW2〜SW7、及び容量アレイ1300のスイッチアレイSW_Vres、SW_Vinを、図20(a)、(b)に示すように設定する。以下の説明の中で、この状態を動作状態(F)と呼ぶ。
When the process proceeds to step S1505, the AD
動作状態(F)において、スイッチSW2〜SW7の設定は、動作状態(C)の状態を維持する。また、AD変換制御部223は、図20(b)に示すように、スイッチアレイSW_Vres、SW_Vinに含まれる各スイッチを切断状態とする。これにより、A/D変換器100は、逐次比較ADCとして機能し、容量アレイ1300を用いて、逐次比較A/D変換を行うことができるようになる。
In the operating state (F), the settings of the switches SW2 to SW7 maintain the state of the operating state (C). Further, as shown in FIG. 20B, the AD
この状態で、A/D変換器100は、ステップS1501〜S1504で、上位ビットのA/D変換後の残差信号Vresを、逐次比較ADCとしてA/D変換し、下位ビットを求める。例えば、A/D変換器100は、SAR250の出力に従って、+Vref、−Vrefに接続されるスイッチを上位ビット(DN−1)側から順次に切替えることにより出力電圧Vxを変更し、2分法でA/D変換値を特定する逐次比較A/D変換を行う。
In this state, in steps S1501 to S1504, the A / D converter 100 A / D-converts the residual signal Vres after A / D conversion of the high-order bit as a sequential comparison ADC to obtain the low-order bit. For example, the A /
ステップS1506において、デジタル合成部230は、ステップS1501〜S1504で出力された上位のデジタルビットと、ステップS1505で出力された下位のデジタルビットとを合成して出力信号Doutを生成し、出力する。
In step S1506, the
上記の処理により、A/D変換器100は、回路の精度が要求される上位ビットのA/D変換をβ変換サイクリックA/D変換すると共に、回路の精度の要求が緩和される下位ビットのA/D変換を、逐次比較A/D変換することができる。これにより、1つの演算増幅器で回路を構成することができるので、β変換サイクリック型A/D変換回路を含む複数のA/D変換回路を組合せて、製造ばらつきによる誤動作が少なく、消費電力が少ないA/D変換器を提供することができるようになる。
By the above processing, the A /
また、本実施形態に係るA/D変換器100では、上位ビットのβ変換サイクリックA/D変換を行った後の残差信号Vresを、逐次比較A/D変換でサンプリングする処理を省略することができる。また本実施形態に係るA/D変換器100では、逐次比較ADC120でのサンプリングによる誤差をなくすことで、A/D変換器100でのサンプリング誤差を低減させることができる。
Further, in the A /
[第3の実施形態]
第2の実施形態では、逐次比較A/D変換で使用する容量アレイ1300を、β変換サイクリックA/D変換の積分容量Cbとして使用するA/D変換器100の例について説明を行った。この場合、A/D変換器100が、逐次比較A/D変換を終えるまで、次の入力信号Vinのサンプリングを開始することができない。
[Third Embodiment]
In the second embodiment, an example of the A /
第3の実施形態では、複数の容量アレイ1300を用いて、第1の容量アレイを用いた逐次比較A/D変換を終了する前に、第2の容量アレイを用いて、次の入力信号Vinのサンプリングを開始するインタリーブ動作を行う構成例について説明する。
In a third embodiment, a plurality of
<A/D変換器の構成>
図21は、第3の実施形態に係るA/D変換器の回路構成の例を示す図である。図13に示すA/D変換器100は、図13に示す第2の実施形態に係るA/D変換器100の容量アレイ1300に代えて、第1の容量アレイ1300−1、第2の容量アレイ1300−2、及びスイッチSW21、SW22を有する。なお、第1の容量アレイ1300−1、及び第2の容量アレイ1300−2の構成は、図14に示す第1の実施形態に係る容量アレイ1300と同様である。
<A / D converter configuration>
FIG. 21 is a diagram showing an example of a circuit configuration of the A / D converter according to the third embodiment. The A /
本実施形態に係るA/D変換器100は、第1の容量アレイ1300−1を用いて逐次比較A/D変換を行っているとき、第2の容量アレイ1300−2を用いて、β変換サイクリックA/D変換を並行して実行できるように構成されている。
The A /
スイッチSW21は、全体制御部220の制御に従って、第1の容量アレイ1300−1のVoutを、演算増幅器13の入力端子、又は比較器240の入力端子に接続する。スイッチSW22は、全体制御部220の制御に従って、第2の容量アレイ1300−2のVoutを、演算増幅器13の入力端子、又は比較器240の入力端子に接続する。
The switch SW21 connects the Vout of the first capacitance array 1300-1 to the input terminal of the
第1の容量アレイ1300−1は、図14に示すスイッチアレイSW_Vinに含まれる各スイッチを接続状態とし、スイッチSW21によりVoutを演算増幅器13の入力端子に接続することにより、β変換サイクリックADCの積分容量Cbとして機能する。
The first capacitive array 1300-1 is a β-conversion cyclic ADC by connecting each switch included in the switch array SW_Vin shown in FIG. 14 to a connected state and connecting Vout to the input terminal of the
また、第1の容量アレイ1300−1は、スイッチアレイSW_Vin、SW_Vresに含まれる各スイッチを切断状態とし、スイッチSW21でVoutを比較器240の入力端子に接続することにより、逐次変換ADCの容量アレイとして機能する。第2の容量アレイ1300−2についても同様である。
Further, in the first capacitance array 1300-1, each switch included in the switch arrays SW_Vin and SW_Vres is disconnected, and Vout is connected to the input terminal of the
<処理の流れ>
続いて、第3の実施形態に係るA/D変換器100によるA/D変換の処理の流れについて説明する。
<Processing flow>
Subsequently, the flow of the A / D conversion process by the A /
図22は、第3の実施形態に係るA/D変換器の処理の例を示すフローチャートである。 FIG. 22 is a flowchart showing an example of processing of the A / D converter according to the third embodiment.
ステップS2211において、全体制御部220のAD変換制御部223は、入力信号Vin1を容量素子14a(Ca)、及び第1の容量アレイ1300−1(Cb1)にサンプリングする。例えば、AD変換制御部223は、スイッチ制御部221を用いて、A/D変換器100のスイッチSW2〜SW7、SW21、SW22を、図24に示すように設定する。また、AD変換制御部223は、第1の容量アレイ1300−1のスイッチアレイSW_Vres、SW_Vinを、図17(b)に示すように設定する。さらに、AD変換制御部223は、第2の容量アレイ1300−2のスイッチアレイSW_Vres、SW_Vinを、図20(b)に示すように設定する。以下の説明の中で、この状態を動作状態(A)と呼ぶ。
In step S2211, the AD
これにより、A/D変換器100はβ変換サイクリックADCとして、第1の容量アレイ1300−1(Cb1)に、入力信号Vin1をサンプリングすることができる。なお、このとき、A/D変換器100は逐次比較ADCとして、第2の容量アレイ1300−2を用いて逐次比較A/D変換を実行することができる。
As a result, the A /
図23は、第3の実施形態に係るA/D変換器の処理タイミングの例を示す図である。図23に示すように、時間t1に動作状態(A)で入力信号Vin1のサンプリングが終了すると、比較器11の比較結果が更新され、最上位ビットであるbitn−1が出力される。また、図23において、時間t1〜t2の期間は、まだ上位ビットのA/D変換が終了していないので、下位ビットのA/D変換(逐次比較A/D変換)は実行されていない。
FIG. 23 is a diagram showing an example of processing timing of the A / D converter according to the third embodiment. As shown in FIG. 23, when the sampling of the input signal Vin1 is completed in the operating state (A) at the time t1, the comparison result of the
ステップS2212において、全体制御部220のAD変換制御部223は、第1の容量アレイ1300−1(Cb1)を用いて、比較器11の比較結果に応じて信号を増幅する信号増幅動作を実行する。例えば、AD変換制御部223は、スイッチ制御部221を用いて、A/D変換器100のスイッチSW2〜SW7、SW21、SW22を、図25に示すように設定する。また、AD変換制御部223は、第1の容量アレイ1300−1のスイッチアレイSW_Vres、SW_Vinを、図18(b)に示すように設定する。さらに、AD変換制御部223は、第2の容量アレイ1300−2のスイッチアレイSW_Vres、SW_Vinの状態を、図20(b)に示す状態に維持する。以下の説明の中で、この状態を動作状態(B)と呼ぶ。
In step S2212, the AD
これにより、A/D変換器100はβ変換サイクリックADCとして、比較器11の比較結果に応じて信号を増幅し、残差信号Vresを、第1の容量アレイ1300−1(Cb1)に蓄える。このとき、A/D変換器100は逐次比較ADCとして、第2の容量アレイ1300−2を用いて逐次比較A/D変換を継続して実行することができる。
As a result, the A /
ステップS2213において、全体制御部220のAD変換制御部223は、第1の容量アレイ1300−1(Cb1)を用いて、サイクリックサンプリング動作を実行する。例えば、AD変換制御部223は、スイッチ制御部221を用いて、A/D変換器100のスイッチSW2〜SW7、SW21、22を、図26に示すように設定する。また、AD変換制御部223は、第1の容量アレイ1300−1のスイッチアレイSW_Vres、SW_Vinを、図18(b)に示す状態に維持する。さらに、AD変換制御部223は、第2の容量アレイ1300−2のスイッチアレイSW_Vres、SW_Vinの状態を、図20(b)に示す状態に維持する。以下の説明の中で、この状態を動作状態(C)と呼ぶ。
In step S2213, the AD
これにより、A/D変換器100はβ変換サイクリックADCとして、ステップS2212で第1の容量アレイ1300−1(Cb1)に蓄えられた残差信号Vresを、入力側の容量素子14aにサンプリングする。このとき、A/D変換器100は逐次比較ADCとして、第2の容量アレイ1300−2を用いて逐次比較A/D変換を継続して実行することができる。
As a result, the A /
図23に示すように、初回の動作状態(C)の終了時、比較器11の比較結果が更新され、bitn−2が出力される。
As shown in FIG. 23, at the end of the first operating state (C), the comparison result of the
ステップS2214において、全体制御部220のAD変換制御部223は、第1の容量アレイ1300−1(Cb1)を用いたβ変換サイクリックA/D変換により、所定のビット数(例えば5ビット)が得られたかを判断する。
In step S2214, the AD
所定のビット数が得られていない場合、AD変換制御部223は、所定のビット数が得られるまで、ステップS2212〜S2214の処理を繰り返し実行する。一方、所定のビット数が得られた場合、AD変換制御部223は、処理をステップS2215、S2221に移行させる。
If the predetermined number of bits has not been obtained, the AD
ここで、A/D変換器100は、ステップS2215、S2216に示す処理と、ステップS2221〜S2224に示す処理を並行して実行する。
Here, the A /
ステップS2215に移行すると、全体制御部220のAD変換制御部223は、スイッチ制御部221を用いて、A/D変換器100のスイッチSW2〜SW7、SW21、SW22を、例えば、図27に示すように設定する。また、AD変換制御部223は、第1の容量アレイ1300−1のスイッチアレイSW_Vres、SW_Vinを、図20(b)に示すように設定する。さらに、AD変換制御部223は、第2の容量アレイ1300−2のスイッチアレイSW_Vres、SW_Vinを、図17(b)に示すように設定する。以下の説明の中で、この状態を動作状態(F)と呼ぶ。
When the process shifts to step S2215, the AD
これにより、A/D変換器100は逐次比較ADCとして、第1の容量アレイ1300−1(Cb1)を用いてステップS2211〜S2214で上位ビットのA/D変換が行われた後の残差信号Vresを、逐次比較A/D変換することができるようになる。
As a result, the A /
ステップS2216において、デジタル合成部230は、ステップS2211〜S2214で出力された上位のデジタルビットと、ステップS2215で出力された下位のデジタルビットとを合成して出力信号Doutを生成し、出力する。
In step S2216, the
なお、A/D変換器100は、ステップS2215において、第1の容量アレイ1300−1(Cb1)を用いて逐次比較A/D変換を行っているとき、ステップS2221〜ステップS2224の処理を並行して実行する。
In step S2215, the A /
例えば、図23に示すように、A/D変換器100は、時間t2において、第1の容量アレイ1300−1(Cb1)を用いた上位ビットのA/D変換が終了すると、第1の容量アレイ1300−1(Cb1)を用いて下位ビットのA/D変換を開始する。また、A/D変換器100は、時間t2の後、第1の容量アレイ1300−1(Cb1)を用いた下位ビットのA/D変換が終了する前に、第2の容量アレイ1300−2(Cb2)を用いて、次の入力信号Vin2のサンプリングを開始することができる。
For example, as shown in FIG. 23, the A /
図22において、ステップS2221に移行すると、全体制御部220のAD変換制御部223は、入力信号Vin2を容量素子14a(Ca)、及び第2の容量アレイ1300−2(Cb2)にサンプリングする。以下の説明の中で、この状態を動作状態(A')と呼ぶ。なお、動作状態(A')と、前述した動作状態(F)において、A/D変換器100のスイッチSW2〜SW7、SW21、SW22、及び第1、2の容量アレイのスイッチアレイSW_Vres、SW_Vinの設定は、同様である。
In FIG. 22, when the process proceeds to step S2221, the AD
これにより、A/D変換器100はβ変換サイクリックADCとして、第2の容量アレイ1300−2(Cb2)に、入力信号Vin2をサンプリングすることができる。なお、このとき、A/D変換器100は逐次比較ADCとして、第1の容量アレイ1300−1を用いて逐次比較A/D変換を実行することができる。
As a result, the A /
ステップS2222において、全体制御部220のAD変換制御部223は、第2の容量アレイ1300−2(Cb2)を用いて、比較器11の比較結果に応じて信号を増幅する信号増幅動作を実行する。例えば、AD変換制御部223は、スイッチ制御部221を用いて、A/D変換器100のスイッチSW2〜SW7、SW21、SW22を、図28に示すように設定する。また、AD変換制御部223は、第2の容量アレイ1300−2のスイッチアレイSW_Vres、SW_Vinの状態を、図18(b)に示す状態に設定する。さらに、AD変換制御部223は、第1の容量アレイ1300−1のスイッチアレイSW_Vres、SW_Vinを、図20(b)に示す状態に維持する。以下の説明の中で、この状態を動作状態(B')と呼ぶ。
In step S2222, the AD
動作状態(B')において、A/D変換器100はβ変換サイクリックADCとして、比較器11の比較結果に応じて信号を増幅し、残差信号Vresを、第2の容量アレイ1300−2(Cb2)に蓄える。このとき、A/D変換器100は逐次比較ADCとして、第1の容量アレイ1300−1を用いて逐次比較A/D変換を継続して実行することができる。
In the operating state (B'), the A /
ステップS2223において、全体制御部220のAD変換制御部223は、第2の容量アレイ1300−2(Cb2)を用いて、サイクリックサンプリング動作を実行する。例えば、AD変換制御部223は、スイッチ制御部221を用いて、A/D変換器100のスイッチSW2〜SW7、SW21、22を、図29に示すように設定する。また、AD変換制御部223は、第2の容量アレイ1300−2のスイッチアレイSW_Vres、SW_Vinの状態を、図18(b)に示す状態に維持する。さらに、AD変換制御部223は、第1の容量アレイ1300−1のスイッチアレイSW_Vres、SW_Vinを、図20(b)に示す状態に維持する。以下の説明の中で、この状態を動作状態(C')と呼ぶ。
In step S2223, the AD
動作状態(C')において、A/D変換器100はβ変換サイクリックADCとして、ステップS2222で第2の容量アレイ1300−2(Cb2)に蓄えられた残差信号Vresを、入力側の容量素子14aにサンプリングする。このとき、A/D変換器100は逐次比較ADCとして、第1の容量アレイ1300−1を用いて逐次比較A/D変換を継続して実行することができる。
In the operating state (C'), the A /
ステップS2224において、全体制御部220のAD変換制御部223は、第2の容量アレイ1300−2(Cb2)を用いたβ変換サイクリックA/D変換により、所定のビット数(例えば5ビット)が得られたかを判断する。
In step S2224, the AD
所定のビット数が得られていない場合、AD変換制御部223は、所定のビット数が得られるまで、ステップS2222〜S2224の処理を繰り返し実行する。一方、所定のビット数が得られた場合、AD変換制御部223は、処理をステップS2225、S2227に移行させる。
If the predetermined number of bits has not been obtained, the AD
ステップS2225に移行すると、全体制御部220のAD変換制御部223は、スイッチ制御部221を用いて、A/D変換器100のスイッチSW2〜SW7、SW21、SW22を、再び、図24に示すように設定する。また、AD変換制御部223は、第1の容量アレイ1300−1のスイッチアレイSW_Vres、SW_Vinを、図17(b)に示すように設定する。さらに、AD変換制御部223は、第2の容量アレイ1300−2のスイッチアレイSW_Vres、SW_Vinを、図20(b)に示すように設定する。以下の説明の中で、この状態を動作状態(F')と呼ぶ。
When the process proceeds to step S2225, the AD
これにより、A/D変換器100は逐次比較ADCとして、第2の容量アレイ1300−2(Cb2)を用いてステップS2221〜S2224で上位ビットのA/D変換が行われた後の残差信号Vresを、逐次比較A/D変換することができるようになる。例えば、A/D変換器100は、SAR250の出力に従って、+Vref、−Vrefに接続されるスイッチを上位ビット(DN−1)側から順次に切替えることにより出力電圧Vxを変更し、2分法でA/D変換値を特定する逐次比較A/D変換を行う。
As a result, the A /
ステップS2226において、デジタル合成部230は、ステップS2221〜S2224で出力された上位のデジタルビットと、ステップS2225で出力された下位のデジタルビットとを合成して出力信号Doutを生成し、出力する。
In step S2226, the
ステップS2227において、全体制御部220のAD変換制御部223は、例えば、処理を終了させるか否かを判断し、処理を終了させない場合、処理をステップS2211に移行させる。或いは、AD変換制御部223は、処理を終了させるか否かの判断を行わずに、処理をステップS2211に移行させるものであっても良い。
In step S2227, the AD
上記の処理により、A/D変換器100は、2つの容量アレイ1300−1、1300−2を交互に用いて、例えば、図23に示すように、インタリーブ動作を行うことができるようになる。
By the above processing, the A /
これにより、例えば、第1の容量アレイ1300−1を用いて下位ビットの逐次比較A/D変換を行っている間に、次の入力信号Vinを、第2の容量アレイ1300−2を用いて上位ビットのβ変換サイクリックA/D変換を実行することができるようになる。 Thereby, for example, while performing the sequential comparison A / D conversion of the lower bits using the first capacitance array 1300-1, the next input signal Vin is used by using the second capacitance array 1300-2. Beta conversion of high-order bits Cyclic A / D conversion can be executed.
また、本実施形態に係るA/D変換器100では、第2の実施形態と同様に、上位ビットのβ変換サイクリックA/D変換を行った後の残差信号Vresを、逐次比較A/D変換でサンプリングする処理を省略することができる。したがって、第3の実施形態によれば、β変換サイクリックADCと逐次比較ADCとを組合せたA/D変換器100において、A/D変換の処理速度を高速化することができる。
Further, in the A /
[第4の実施形態]
第4の実施形態以降の実施形態では、β変換サイクリックADCと逐次比較ADCとを組合せたA/D変換器100のより好適な構成例について説明する。
[Fourth Embodiment]
In the fourth and subsequent embodiments, a more preferable configuration example of the A /
図30は、第4の実施形態に係るA/D変換器の回路構成の例を示す図である。図30において、基準電圧発生回路210は、第1のADC110(β変換サイクリックADC)用の基準電圧+Vref1、−Vref1と、第2のADC120(逐次変換ADC)用の基準電圧+Vref2、−Vref2とを別々に生成するように構成されている。なお、図30に示すA/D変換器100の他の構成は、図2に示す第1の実施形態に係るA/D変換器100と同様である。
FIG. 30 is a diagram showing an example of a circuit configuration of the A / D converter according to the fourth embodiment. In FIG. 30, the reference
全体制御部220のβ値推定制御部222は、実際にチップ上で実現された演算増幅部111の増幅率β(1<β<2)を推定する際に、第1のADC110の入力に、VCMを入力させて、A/D変換を実行する。VCMは、第1のADC110のフルスケール電圧FS1(+Vref1〜−Vref1)の中央値(例えば0V)である。
The β value
したがって、A/D変換器100は、β値の推定を行うことができるように、第1のADC110の入力ノードにVCM(予め定められた電圧の一例)を入力するためのスイッチSW7(入力回路)を有している。
Therefore, the A /
また、図31に示すように、A/D変換器100が複数の第1のADC110−1、110−2、・・・を含む場合、各第1のADC110の入力ノードにVCMを入力するための入力回路が設けられている。
Further, as shown in FIG. 31, when the A /
これにより、全体制御部220のβ値推定制御部222は、各第1のADC110の入力ノードにVCMを入力し、βの値を推定することができるようになる。
As a result, the β value
図32は、第4の実施形態に係る基準電圧について説明するための図である。図32(a)は、第1のADC110(β変換サイクリックADC)の演算増幅部111による入出力特性を示している。
FIG. 32 is a diagram for explaining the reference voltage according to the fourth embodiment. FIG. 32 (a) shows the input / output characteristics of the first ADC 110 (β-converted cyclic ADC) by the
図32(a)において、入力電圧VIN(Input)が、−Vref≦VIN<0である場合、演算増幅部111は、出力電圧Vres=VIN×β+(β−1)Vrefを出力する。また、入力電圧VINが、0≦VIN≦+Vrefである場合、演算増幅部111は、出力電圧Vres=VIN×β+(1−β)Vrefを出力する。なお、入出力の傾き(増幅率、又は利得)を表すβの値は、1<β<2である。
In FIG. 32 (a), when the input voltage VIN (Input) is −Vref ≦ VIN <0, the
図32(b)は、第4の実施形態に係る第1のADC110(β変換サイクリックADC)の演算増幅部111による入出力特性と、第2のADC120(逐次変換ADC)の入力範囲(−Vref2〜+Vref2)を示している。
FIG. 32 (b) shows the input / output characteristics of the first ADC 110 (β-conversion cyclic ADC) according to the fourth embodiment by the
図32(b)において、Vref1=Vref2である場合、第1のADC110と第2のADC120との間の段間オフセット電圧Voffが発生すると、A/D変換器100の線形性に問題が出る。例えば、第1のADC110の出力電圧が、第2のADC120の入力範囲を超えてしまい、A/D変換結果に信号クリップが発生して、線形性に問題が現れる。
In FIG. 32 (b), when Vref1 = Vref2, when an interstage offset voltage Voff between the
そこで、第4の実施形態に係るA/D変換器では、Vref2≧Vref1+Voffの関係が成り立つように、Vref2、及びVref1の値が設定されている。なお、段間オフセット電圧Voffは、例えば、計算や実験等により予め求められた、段間オフセット電圧のワースト値等を適用することができる。 Therefore, in the A / D converter according to the fourth embodiment, the values of Vref2 and Vref1 are set so that the relationship of Vref2 ≧ Vref1 + Voff is established. For the interstage offset voltage Voff, for example, the worst value of the interstage offset voltage obtained in advance by calculation, experiment, or the like can be applied.
上記の構成により、第1のADC110と第2のADC120とを組合せたA/D変換器100において、段間オフセット電圧によるA/D変換の精度の劣化を低減させることができる。
With the above configuration, in the A /
なお、このとき、A/D変換器100のデジタル合成部230は、例えば、次の式(1)を用いて、第1のADC110による上位ビットのA/D変換結果と、第2のADC120による下位ビットのA/D変換結果とを合成することができる。
At this time, the
なお、式(1)において、βaは、β値推定制御部222によって推定されたβの値を示す。b1〜b5は、第1のADC110から出力される第1ビット〜第5ビットの値を示す。FS1は、第1のADC110のフルスケール電圧であり、例えば、第1のADC110の基準電圧Vref1の2倍の電圧である。FS2は、第2のADC120のフルスケール電圧であり、例えば、第2のADC120の基準電圧Vref2の2倍の電圧である。Eqは、量子化雑音(量子化誤差)を示す。
In the equation (1), β a represents the value of β estimated by the β value
また、A/D変換器100のβ値推定制御部222は、第1のADC110の入力にFS1(−Vref1〜+Vref1)の中央値(VCM)を入力して、A/D変換器100でA/D変換を行った変換結果を用いてβの値を推定する。例えば、図32(b)において、第1のADC110の入力に中央値0Vを入力すると、最初のビットがゼロから始まるP0に対応するA/D変換結果と、最初のビットが1から始まるP1に対応するA/D変換結果とが求められる。β値推定制御部222は、この中央値0Vを入力したときに得られる2つのA/D変換結果が等しい電圧を示していることに着目して、βの値を推定することができる。
Further, the β value
[第5の実施形態]
第4の実施形態では、第1のADC110と第2のADC120とを組合せたA/D変換器100において、Vref2の値を大きくすることにより、段間オフセット電圧によるA/D変換の精度の劣化を低減させる手法について説明した。しかし、Vref2の値が大きくなると、第2のADC120の量子化雑音が大きくなり、SNDR(Signal to Noise and Distortion Ratio)が悪化するという問題がある。
[Fifth Embodiment]
In the fourth embodiment, in the A /
第5の実施形態では、第2のADC120の信号比較ノードVxにデジタル−アナログ変換器(以下、D/A変換器、又はDACと呼ぶ)を設けて、段間のオフセット電圧を積極的にキャンセルする構成の例について説明する。
In the fifth embodiment, a digital-analog converter (hereinafter referred to as a D / A converter or DAC) is provided in the signal comparison node Vx of the
図33は、第5の実施形態に係るA/D変換器の回路構成の例を示す図である。図33に示すA/D変換器100は、図2に示す第1の実施形態に係るA/D変換器100の構成に加えて、DAC(Digital to Analog Converter)3301、スイッチ3302、容量素子3303等を有する。なお、スイッチ3302、及び容量素子3303は、DAC3301の出力電圧を、第2のADC120の信号比較ノードVxに印加するための回路の一例である。例えば、DAC3301の出力端子は、比較器240の入力端子(信号比較ノードVx)に直接接続されているもの等であっても良い。
FIG. 33 is a diagram showing an example of the circuit configuration of the A / D converter according to the fifth embodiment. The A /
DAC3301は、第1のADC110と第2のADC120との間の段間オフセット電圧をキャンセルするための電圧を出力するように、予め設定、又は調整されているものとする。
It is assumed that the
上記の構成により、第1のADC110と第2のADC120とを組合せたA/D変換器100において、段間オフセット電圧によるA/D変換の精度の劣化を低減させることができる。また、本実施形態では、Vref2の値を大きくする必要がないので、第2のADC120の量子化雑音が大きくなり、SNDRが悪化するという問題を低減させることができる。
With the above configuration, in the A /
[第6の実施形態]
上記の各実施形態に係るA/D変換器100において、β値推定制御部222がβの値を正確に推定するためには、βの値を推定するときに、第2のADC120(逐次変換ADC)の分解能を1〜2ビット増加させることが望ましい。一方、A/D変換器100において、通常のA/D変換を行う際には、変換速度を向上させるために、1〜2ビットの分解能の増加を行わないことが望ましい。
[Sixth Embodiment]
In the A /
第6の実施形態では、βの値を推定するときに、第2のADC120の分解能を向上させることが可能なA/D変換器100の例について説明する。
In the sixth embodiment, an example of the A /
図34は、第6の実施形態に係るA/D変換器の回路構成の例を示す図である。図34に示すA/D変換器100は、図2に示す第1の実施形態に係るA/D変換器100の構成に加えて、ビット長制御部3402を有している。
FIG. 34 is a diagram showing an example of the circuit configuration of the A / D converter according to the sixth embodiment. The A /
ビット長制御部3402は、例えば、β値推定制御部222がβの値を推定する場合、第2のADC120のSAR250に、逐次変換A/D変換のビット数の増加を指示する信号(BIT_CNT)を出力する。
For example, when the β value
また、第2のADC120のSAR250は、逐次変換A/D変換のビット数の増加を指示する信号を受付けると、通常のA/D変換のときより、所定のビット数(例えば2ビット)多く、A/D変換を実行する。
Further, when the
例えば、第2のADC120において、複数の容量素子CN−1〜C0、及びスイッチアレイSW_SAR、SW_Vresには、予め冗長ビットに対応する素子が設けられているものとする。通常のA/D変換を行う場合、第2のADC120のSAR250は、冗長ビットに対応する素子を用いないで逐次比較A/D変換を実行する。一方、βの値を推定する場合、第2のADC120のSAR250は、冗長ビットに対応する素子を用いて逐次比較A/D変換を実行する。
For example, in the
上記の構成により、第1のADC110と第2のADC120とを組合せたA/D変換器100において、通常のA/D変換の変換速度に影響を与えずに、βの値の推定精度を向上させることができるようになる。
With the above configuration, in the A /
なお、ビット長制御部3402は、β値推定制御部222がβの値を推定する場合に限られず、A/D変換の精度を向上させる場合に、逐次変換A/D変換のビット数の増加を指示するものであっても良い。
The bit
[第7の実施形態]
第6の実施形態では、βの値を推定する際に、第2のADC120(逐次比較ADC)のビット長を変更する場合の例について説明を行った。
[7th Embodiment]
In the sixth embodiment, an example in which the bit length of the second ADC 120 (sequential comparison ADC) is changed when estimating the value of β has been described.
第5の実施形態では、第2のADC120の信号比較ノードVxに、例えば、擬似ランダム系列等のディザー信号を加算し、複数回のA/D変換結果を平均化することにより、A/D変換の実質的な分解能(実効分解能)を向上させる場合の例について説明する。
In the fifth embodiment, A / D conversion is performed by adding a dither signal such as a pseudo-random sequence to the signal comparison node Vx of the
図35は、第7の実施形態に係るA/D変換器の回路構成の例を示す図である。図35に示すA/D変換器100は、図2に示す第1の実施形態に係るA/D変換器100の構成に加えて、ディザー信号発生部3501、信号制御部3502、平均処理部3503を有する。
FIG. 35 is a diagram showing an example of the circuit configuration of the A / D converter according to the seventh embodiment. The A /
ディザー信号発生部3501は、信号制御部3502の制御に従って、例えば、擬似ランダム系列等のディザー信号を発生し、第2のADC120(逐次比較ADC)の信号比較ノードVxに発生したディザー信号を入力する。
The dither
信号制御部3502は、例えば、β値推定制御部222がβの値を推定するとき、ディザー信号発生部3501に、ディザー信号の発生を指示する。
For example, when the β value
平均処理部3503は、第1のADC110が、上位ビットのA/D変換を行った後の残差信号Vresを、第2のADC120が複数回のA/D変換を行った結果を平均化する。第2のADC120は、残差信号Vresを1回サンプリングすると、電荷保存則により残差信号Vresを保持し続けるので、複数回のA/D変換を実行することができる。複数回のA/D変換結果を平均化することにより、A/D変換の実質的な分解能を向上させることができる。
The averaging unit 3503 averages the residual signal Vres after the
ここで、ディザー信号の効果について説明する。 Here, the effect of the dither signal will be described.
図36は、回路が低ノイズの場合のA/D変換のイメージを示す図である。例えば、図36において、入力電圧Vinの値が10.25であり、nの値が10であるものとする。図36の例では、回路のノイズが少ないので、Vinの値が、A/D変換結果が9から10の間で変化するコード遷移ノイズ範囲3601、及びA/D変換結果が10から11の間で変化するコード遷移ノイズ範囲3602に含まれない状態を示している。この場合、Vinを何回A/D変換して平均化を行ってもA/D変換結果は10となり、A/D変換の実質的な分解能を向上させる効果が得られないことを示している。
FIG. 36 is a diagram showing an image of A / D conversion when the circuit has low noise. For example, in FIG. 36, it is assumed that the value of the input voltage Vin is 10.25 and the value of n is 10. In the example of FIG. 36, since the circuit noise is small, the Vin value has a code
図37は、回路が高ノイズの場合のA/D変換のイメージを示す図である。図37の例では、回路のノイズが多く、Vinの値が、A/D変換結果が9から10の間で変化するコード遷移ノイズ範囲3701、及びA/D変換結果が10〜11の間で変化するコード遷移ノイズ範囲3702に含まれている状態を示している。この場合、Vinの変換結果は9、10、又は11の間で変化するので、複数回のA/D変換を実行して平均化することにより、A/D変換結果が10.25に近づくことが期待できる。
FIG. 37 is a diagram showing an image of A / D conversion when the circuit has high noise. In the example of FIG. 37, the circuit is noisy, the Vin value is in the code
図38は、回路が低ノイズでディザー信号を印加した場合のA/D変換のイメージを示す図である。図36において、ディザー信号発生部3501は、例えば、±0.5LSBの一様なノイズを発生しているものとする。
FIG. 38 is a diagram showing an image of A / D conversion when the circuit applies a dither signal with low noise. In FIG. 36, it is assumed that the dither
この場合、Vinは、9.75〜10.75で変化するので、A/D変換結果は10又は11となり、3:1の割合で11が出現する。したがって、複数回のA/D変換を実行して平均化することにより、A/D変換結果が10.25に近づく、すなわち、平均化の効果が得られるようになる。 In this case, Vin changes from 9.75 to 10.75, so the A / D conversion result is 10 or 11, and 11 appears at a ratio of 3: 1. Therefore, by executing the A / D conversion a plurality of times and averaging, the A / D conversion result approaches 10.25, that is, the effect of averaging can be obtained.
上記の構成により、第1のADC110と第2のADC120とを組合せたA/D変換器100において、第2のADC120(逐次比較ADC)のビット長を増加させなくても、βの値の推定精度を向上させることができるようになる。
With the above configuration, in the A /
11 比較器
13 演算増幅器
100 A/D変換器
110 β変換サイクリックADC(β変換サイクリック型A/D変換回路)
111 演算増幅部
120 逐次比較ADC(逐次比較型A/D変換回路)
222 β値推定制御部
1300 容量アレイ
1300−1 第1の容量アレイ
1300−2 第2の容量アレイ
3301 DAC(D/A変換回路)
3402 ビット長制御部
3501 ディザー信号発生部(信号発生部)
3503 平均処理部
C0〜CN−1、Cd 複数の容量素子
Cb 積分容量
SW3 スイッチ(切替部)
SW7 スイッチ(入力回路)
11
111
222 β value
3402 Bit
3503 Average processing unit C 0 to C N-1 , C d Multiple capacitance elements Cb Integral capacitance SW3 switch (switching unit)
SW7 switch (input circuit)
Claims (10)
非2進のβ変換サイクリック型A/D変換回路と2進以下の逐次比較型A/D変換回路とを共に含んで構成され、
所定のビット範囲のA/D変換を担当するA/D変換回路に前記β変換サイクリック型A/D変換回路を適用し、
前記所定のビット範囲より下位のビット範囲のA/D変換を担当するA/D変換回路に前記逐次比較型A/D変換回路を適用し、
前記逐次比較型A/D変換回路は、複数の容量素子を含む容量アレイを用いて前記下位のビット範囲のA/D変換を実行し、
前記β変換サイクリック型A/D変換回路は、前記容量アレイを積分容量として使用して前記所定のビット範囲のA/D変換を実行し、
前記β変換サイクリック型A/D変換回路による前記所定のビット範囲のA/D変換結果と、
前記所定のビット範囲のA/D変換後の残差信号を前記逐次比較型A/D変換回路でA/D変換して得られた前記下位のビット範囲のA/D変換結果と、をデジタル合成部で合成して、前記A/D変換器が出力するA/D変換結果を得ることを特徴とするA/D変換器。 An A / D converter that combines multiple A / D conversion methods.
It is configured to include both a non-binary β-conversion cyclic A / D conversion circuit and a binary or lower sequential comparison type A / D conversion circuit.
The β conversion cyclic type A / D conversion circuit is applied to the A / D conversion circuit in charge of A / D conversion in a predetermined bit range.
The sequential comparison type A / D conversion circuit is applied to the A / D conversion circuit in charge of A / D conversion in a bit range lower than the predetermined bit range.
The successive approximation type A / D conversion circuit performs A / D conversion in the lower bit range using a capacitance array including a plurality of capacitance elements.
The β-conversion cyclic A / D conversion circuit uses the capacitance array as an integral capacitance to perform A / D conversion in the predetermined bit range.
The A / D conversion result of the predetermined bit range by the β conversion cyclic A / D conversion circuit and
Digitally, and the A / D conversion result of the lower bit range obtained by A / D conversion by the successive approximation A / D converter circuit a residual signal after A / D conversion of the predetermined bit range An A / D converter characterized by synthesizing in a synthesizing unit and obtaining an A / D conversion result output by the A / D converter.
第1の容量アレイを用いて、前記β変換サイクリック型A/D変換回路が前記所定のビット範囲のA/D変換を実行した後、前記逐次比較型A/D変換回路が前記下位のビット範囲のA/D変換を実行し、After the β-conversion cyclic A / D conversion circuit performs A / D conversion in the predetermined bit range using the first capacitive array, the successive approximation type A / D conversion circuit performs the lower bits. Perform A / D conversion of the range and
前記第1の容量アレイを用いた前記下位のビット範囲のA/D変換が終了する前に、前記第1の容量アレイとは異なる第2の容量アレイを用いて、前記β変換サイクリック型A/D変換回路が前記所定のビット範囲のA/D変換を開始するインタリーブ動作を行う請求項1に記載のA/D変換器。Before the A / D conversion of the lower bit range using the first capacitance array is completed, the β conversion cyclic type A is used by using a second capacitance array different from the first capacitance array. The A / D converter according to claim 1, wherein the / D conversion circuit performs an interleave operation to start A / D conversion in the predetermined bit range.
非2進のβ変換サイクリック型A/D変換回路と2進以下の逐次比較型A/D変換回路とを共に含んで構成され、
所定のビット範囲のA/D変換を担当するA/D変換回路に前記β変換サイクリック型A/D変換回路を適用し、
前記所定のビット範囲より下位のビット範囲のA/D変換を担当するA/D変換回路に前記逐次比較型A/D変換回路を適用し、
前記逐次比較型A/D変換回路は、複数の容量素子を含む容量アレイを複数有し、
第1の容量アレイを用いて、前記β変換サイクリック型A/D変換回路が前記所定のビット範囲のA/D変換を実行した後、前記逐次比較型A/D変換回路が前記下位のビット範囲のA/D変換を実行し、
前記第1の容量アレイを用いた前記下位のビット範囲のA/D変換が終了する前に、前記第1の容量アレイとは異なる第2の容量アレイを用いて、前記β変換サイクリック型A/D変換回路が前記所定のビット範囲のA/D変換を開始するインタリーブ動作を行い、
前記β変換サイクリック型A/D変換回路による前記所定のビット範囲のA/D変換結果と、
前記所定のビット範囲のA/D変換後の残差信号を前記逐次比較型A/D変換回路でA/D変換して得られた前記下位のビット範囲のA/D変換結果と、をデジタル合成部で合成して、前記A/D変換器が出力するA/D変換結果を得ることを特徴とするA/D変換器。 An A / D converter that combines multiple A / D conversion methods.
It is configured to include both a non-binary β-conversion cyclic A / D conversion circuit and a binary or lower sequential comparison type A / D conversion circuit.
The β conversion cyclic type A / D conversion circuit is applied to the A / D conversion circuit in charge of A / D conversion in a predetermined bit range.
The sequential comparison type A / D conversion circuit is applied to the A / D conversion circuit in charge of A / D conversion in a bit range lower than the predetermined bit range.
The sequential comparison type A / D conversion circuit has a plurality of capacitive arrays including a plurality of capacitive elements, and has a plurality of capacitive arrays.
After the β-conversion cyclic A / D conversion circuit performs A / D conversion in the predetermined bit range using the first capacitive array, the successive approximation type A / D conversion circuit performs the lower bits. Perform A / D conversion of the range and
Before the A / D conversion of the lower bit range using the first capacitance array is completed, the β conversion cyclic type A is used using a second capacitance array different from the first capacitance array. / D converting circuit have rows interleave operation to start the a / D conversion of the predetermined bit range,
The A / D conversion result of the predetermined bit range by the β conversion cyclic A / D conversion circuit and
The A / D conversion result of the lower bit range obtained by A / D converting the residual signal after the A / D conversion of the predetermined bit range with the successive approximation type A / D conversion circuit is digitally obtained. An A / D converter characterized by synthesizing in a synthesizing unit and obtaining an A / D conversion result output by the A / D converter .
前記逐次比較型A/D変換回路で使用される基準電圧Vref2と、
前記β変換サイクリック型A/D変換回路と前記逐次比較型A/D変換回路との間のオフセット電圧Voffと、
の間にVref2≧Vref1+Voffの関係が成り立つように、Vref1及びVref2が設定されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載のA/D変換器。 A reference voltage Vref1 used in the β transformation cyclic A / D converter circuit,
The reference voltage Vref2 used in the successive approximation type A / D conversion circuit and
And the offset voltage Voff between the the β transformation cyclic A / D converter circuit and the successive approximation A / D converter circuit,
The A / D converter according to any one of claims 1 to 4, wherein Vref1 and Vref2 are set so that the relationship of Vref2 ≧ Vref1 + Voff is established between the two.
前記D/A変換回路の出力信号を用いて前記逐次比較型A/D変換回路のオフセット電圧をキャンセルすることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載のA/D変換器。 It has a D / A conversion circuit connected to the signal comparison node of the sequential comparison type A / D conversion circuit.
The A / D converter according to any one of claims 1 to 5, wherein the output signal of the D / A conversion circuit is used to cancel the offset voltage of the sequential comparison type A / D conversion circuit. ..
比較対象となる比較電圧としきい値とを比較し、比較結果を示すデジタル値を出力する比較器と、
β(1<β<2)倍の増幅率を有し、前記比較器の比較結果に応じた所定の演算を実行して、前記残差信号を生成する演算増幅部と、
入力信号をサンプリングするとき、前記入力信号を前記比較電圧として出力し、前記サンプリングが終了した後、前記残差信号を前記比較電圧として出力する切替部と、
所定の入力電圧を前記A/D変換器でA/D変換した結果を用いて、前記βの値を推定するβ値推定制御部と、
を有し、
前記デジタル合成部は、
前記β変換サイクリック型A/D変換回路による前記所定のビット範囲のβ進A/D変換結果を、前記β値推定制御部が推定した前記βの値の推定結果を用いて、2進に変換した結果と、前記逐次比較型A/D変換回路による前記下位のビット範囲のA/D変換結果とを合成し、2進のA/D変換結果を出力することを特徴とする請求項1乃至9のいずれか一項に記載のA/D変換器。 The β-conversion cyclic A / D conversion circuit is
A comparator that compares the comparison voltage to be compared with the threshold value and outputs a digital value indicating the comparison result,
An arithmetic amplification unit having an amplification factor of β (1 <β <2) times and executing a predetermined operation according to the comparison result of the comparator to generate the residual signal.
When sampling the input signal, a switching unit that outputs the input signal as the comparison voltage and outputs the residual signal as the comparison voltage after the sampling is completed.
A β value estimation control unit that estimates the β value using the result of A / D conversion of a predetermined input voltage by the A / D converter.
Have,
The digital compositing unit
The β-ary A / D conversion result of the predetermined bit range by the β-conversion cyclic A / D conversion circuit is converted into binary using the estimation result of the β value estimated by the β value estimation control unit. Claim 1 is characterized in that the converted result is combined with the A / D conversion result of the lower bit range by the successive approximation type A / D conversion circuit, and the binary A / D conversion result is output. The A / D converter according to any one of 9 to 9.
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