JP6950130B2 - Sequential comparison type AD converter, semiconductor device and electronic device - Google Patents

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本発明は、例えばセンサーシステムのためのセキュアな逐次比較型AD変換装置と、前記逐次比較型AD変換器を備えた半導体装置と、前記半導体装置を備えた電子機器とに関する。以下、「アナログデジタル変換」を「AD変換」という。 The present invention relates to, for example, a secure sequential comparison type AD converter for a sensor system, a semiconductor device including the sequential comparison type AD converter, and an electronic device including the semiconductor device. Hereinafter, "analog-digital conversion" is referred to as "AD conversion".

図1Aは従来例に係る逐次比較型AD変換器の構成を示すブロック図であり(例えば、特許文献1参照)、図1Bは図1Aの逐次比較型AD変換器の制御回路10のステート信号を示すタイミングチャートである。 FIG. 1A is a block diagram showing a configuration of a sequential comparison type AD converter according to a conventional example (see, for example, Patent Document 1), and FIG. 1B shows a state signal of the control circuit 10 of the sequential comparison type AD converter of FIG. 1A. It is a timing chart shown.

図1Aにおいて、従来例に係る逐次比較型AD変換器は、制御回路10と、逐次比較制御部20と、スイッチ1と、容量型DA変換器2と、比較器3と、シリアルパラレル変換(以下、「シリアルパラレル変換」を「SP変換」という。)器(SPC)4とを備えて構成される。 In FIG. 1A, the sequential comparison type AD converter according to the conventional example includes a control circuit 10, a sequential comparison control unit 20, a switch 1, a capacitive DA converter 2, a comparator 3, and a serial-parallel conversion (hereinafter referred to as. , "Serial-parallel conversion" is referred to as "SP conversion".) It is configured to include a device (SPC) 4.

制御回路10は、サンプルホールド制御信号φSHと、タイミング制御信号φ〜φN−1とを発生してそれぞれ、スイッチ1及び逐次比較制御部20に出力する。逐次比較制御部20は、比較器3からの比較結果のデジタル信号SCOMPと、タイミング制御信号φ〜φN−1とに基づいて、容量型DA変換器2のためのDA変換制御信号SC1〜SCMを発生して容量型DA変換器2に出力する。スイッチ1は、端子T1に入力される入力電圧VINを、制御回路10からのサンプルホールド制御信号φSHに従ってサンプリング(標本化)して容量型DA変換器2に出力する。容量型DA変換器2は、バイナリで重み付けされた容量値1C,2C,4C,…,2N−1Cをそれぞれ有する複数のキャパシタC1〜CMからなる容量アレイと、端子T2の参照電圧VREFと接地電位とのうちの一方を選択する複数のスイッチS1〜SMとを含み、サンプリングされた入力電圧VINを保持しつつ、DA変換制御信号SC1〜SCMに従ってDA変換して比較器3に出力する。比較器3は、DA変換された入力電圧VINを、端子T3の比較しきい値電圧VCMと比較して、比較結果のデジタル信号SCOMPをSP変換器4に出力する。SP変換器4は、比較結果のデジタル信号SCOMPをSP変換することで復号化して、AD変換値の出力データDOUTを端子T4に出力する。 The control circuit 10 generates a sample hold control signal φ SH and a timing control signal φ 0 to φ N-1, and outputs them to the switch 1 and the sequential comparison control unit 20, respectively. The sequential comparison control unit 20 is based on the digital signal SCOMP of the comparison result from the comparator 3 and the timing control signals φ 0 to φ N-1, and the DA conversion control signal SC1 for the capacitive DA converter 2. ~ SCM is generated and output to the capacitive DA converter 2. The switch 1 samples (samples) the input voltage V IN input to the terminal T1 according to the sample hold control signal φ SH from the control circuit 10 and outputs it to the capacitive DA converter 2. The capacitive DA converter 2 includes a capacitive array composed of a plurality of capacitors C1 to CM having capacitance values 1C, 2C, 4C, ..., 2N- 1C weighted with binaries, and a reference voltage V REF of the terminal T2. A plurality of switches S1 to SM for selecting one of the above and the ground potential are included, and while holding the sampled input voltage VIN , DA conversion is performed according to the DA conversion control signals SC1 to SCM and output to the comparator 3. do. The comparator 3 compares the DA-converted input voltage V IN with the comparison threshold voltage V CM of the terminal T3, and outputs the digital signal SCOMP of the comparison result to the SP converter 4. The SP converter 4 decodes the digital signal SCOMP of the comparison result by SP conversion, and outputs the output data D OUT of the AD conversion value to the terminal T4.

以上のように構成された逐次比較型AD変換器において、逐次比較制御部20は、図1Bの制御回路ステート信号に従って、サンプルホールド(標本化保持((SH))期間の後、逐次比較期間(DN−1〜D)において、比較器3に入力される1対の電圧を逐次的に比較しながら、最上位ビットから最下位ビットに向かって公知の二分探索法により、入力電圧VINがDA変換電圧VDACに実質的に一致するようにスイッチS1〜SMを順次選択的に切り替えて入力電圧VINをAD変換してAD変換値の出力データDOUTを出力するように制御する。 In the sequential comparison type AD converter configured as described above, the sequential comparison control unit 20 performs the sequential comparison period ((SH)) after the sample hold (sampling hold ((SH)) period according to the control circuit state signal of FIG. 1B. In DN-1 to D 0 ), the input voltage VIN is determined by a known dichotomy method from the most significant bit to the least significant bit while sequentially comparing the pair of voltages input to the comparator 3. The switches S1 to SM are sequentially selectively switched so that the voltage V DAC substantially matches the DA conversion voltage V DAC, and the input voltage V IN is AD-converted to output the output data D OUT of the AD conversion value.

ところで、例えばセンサーシステムに搭載されるAD変換器の多くは参照電圧端子が外部ピンの出力端子で構成されている。当該参照電圧端子にはAD変換データに依存する電圧波形が現れる。 By the way, for example, in many AD converters mounted on a sensor system, the reference voltage terminal is composed of an output terminal of an external pin. A voltage waveform that depends on AD conversion data appears at the reference voltage terminal.

国際公開第2014/038198号パンフレットInternational Publication No. 2014/038198 Pamphlet

Ingrid Verbauwhede, et al., “Circuit Challenges from Cryptography,” ISSCC 2015 (IEEE International Solid−State Circuits Conference 2015), Digest Technical Papers, pp. 428−429, February 2015.Ingrid Verbauhede, et al. , “Circuit Challenges from Cryptography,” ISSCC 2015 (IEEE International Solid-State Circuits Conference 2015), Digist Technical Papers, p. 428-249, February 2015. Minseo Kim, et al., “A 82nW Chaotic−Map True Random Number Generator Based on Sub−Ranging SAR ADC,” ESSCIRC 2016 (European Solid−State Circuits Conference 2016), pp. 157−160, September 2016.Minseo Kim, et al. , "A 82nW Chaotic-Map True Random Number Generator Based on Sub-Ranging SAR ADC," ESSCIRC 2016 (European Solid-State Circuits 2016) 157-160, September 2016. Suresh Chari, et al., “Template Attacks,” CHES 2003 (Cryptographic Hardware and Embedded Systems 2003), pp. 13−28, February 2003.Suresh Chari, et al. , “Template Attacks,” CHES 2003 (Cryptographic Hardware and Embedded Systems 2003), pp. 13-28, February 2003. 本間尚史,青木孝文,「知っておきたいキーワード,サイドチャネル攻撃」,映像情報メディア学会誌,Vol.64,No.11,pp.1576−1579,2010年11月Naofumi Homma, Takafumi Aoki, "Keywords you should know, side-channel attacks", Journal of the Institute of Image Information and Television Engineers, Vol. 64, No. 11, pp. 1576-1579, November 2010

従って、当該参照電圧波形が解析されると、暗号化前のセンサーデータが漏洩する可能性がある。また、参照電圧端子を介して電圧等が強制的に印加されると、センサーデータが改ざんされるおそれがあるという問題点があった。 Therefore, when the reference voltage waveform is analyzed, the sensor data before encryption may be leaked. Further, if a voltage or the like is forcibly applied through the reference voltage terminal, there is a problem that the sensor data may be falsified.

本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来例に比較してセキュアな逐次比較型AD変換装置を提供することにある。 An object of the present invention is to solve the above problems and to provide a sequential comparison type AD conversion device that is more secure than conventional examples.

本発明の別の目的は、従来例に比較してセキュアな逐次比較型AD変換装置を備えた半導体装置と、前記半導体装置を備えた電子機器とを提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a semiconductor device provided with a sequential comparison type AD conversion device that is more secure than a conventional example, and an electronic device provided with the semiconductor device.

第1の発明に係る逐次比較型AD変換装置は、
入力されるアナログ信号を標本化保持して、標本化保持後のデジタルデータをアナログ信号にDA変換するDA変換器と、
前記DA変換器からのアナログ信号を所定のしきい値と比較して、比較結果信号を出力する比較器と、
最上位ビットから最下位ビットに向かって二分探索法により逐次的に、前記入力されるアナログ信号をデジタルデータにAD変換するように前記DA変換器を制御する逐次比較制御部とを備え、
前記入力されるアナログ信号をデジタルデータにAD変換する逐次比較型AD変換装置であって、
ランダムビットを生成するランダムビット生成回路と、
前記ランダムビットに基づいて、最上位ビットよりも下の少なくとも1ビットに関する前記比較結果信号を反転して反転ビットを生成する反転ビット反転回路と、
前記ランダムビットと前記反転ビットに基づいて、前記反転の有無に拘わらず同一の比較結果信号が得られるように、前記反転ビットが示す期間において所定の比較しきい値から所定のディザ電圧だけ変化させて前記比較器のためのしきい値である追従電圧を生成して前記比較器に出力する追従電圧発生回路とを備えたことを特徴とする。
The sequential comparison type AD converter according to the first invention is
A DA converter that samples and holds the input analog signal and DA-converts the digital data after sampling and holding into an analog signal.
A comparator that compares the analog signal from the DA converter with a predetermined threshold value and outputs a comparison result signal,
It is provided with a sequential comparison control unit that controls the DA converter so as to AD-convert the input analog signal into digital data sequentially from the most significant bit to the least significant bit by a dichotomy method.
A successive approximation type AD conversion device that AD-converts the input analog signal into digital data.
A random bit generation circuit that generates random bits, and
An inverting bit inverting circuit that inverts the comparison result signal for at least one bit below the most significant bit based on the random bit to generate an inverting bit.
Based on the random bit and the inverting bit, a predetermined dither voltage is changed from a predetermined comparison threshold value in the period indicated by the inverting bit so that the same comparison result signal can be obtained regardless of the presence or absence of the inverting. It is characterized by including a follow-up voltage generating circuit that generates a follow-up voltage, which is a threshold value for the comparator, and outputs the follow-up voltage to the comparator.

前記逐次比較型AD変換装置において、前記ランダムビット生成回路は、前記比較結果信号に基づいて、最下位ビットの逐次比較後にランダムビットを生成することを特徴とする。 In the sequential comparison type AD converter, the random bit generation circuit is characterized in that a random bit is generated after sequential comparison of the least significant bits based on the comparison result signal.

第2の発明に係る半導体装置は、前記逐次比較型AD変換装置を備えたことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to the second invention is a semiconductor device including the sequential comparison type AD conversion device.

第3の発明に係る電子機器は、前記半導体装置を備えたことを特徴とする。 The electronic device according to the third invention is characterized by including the semiconductor device.

従って、本発明に係る逐次比較型AD変換装置によれば、従来例に比較してセキュアな逐次比較型AD変換装置を提供することができる。 Therefore, according to the sequential comparison type AD conversion device according to the present invention, it is possible to provide a sequential comparison type AD conversion device that is more secure than the conventional example.

従来例に係る逐次比較型AD変換器の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the sequential comparison type AD converter which concerns on a prior art example. 図1Aの逐次比較型AD変換器の制御回路10のステート信号を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the state signal of the control circuit 10 of the sequential comparison type AD converter of FIG. 1A. 本発明の問題点を説明するための図であって、公知の逐次比較型AD変換器36を含むIoTセンサノード回路30の構成例を示すブロック図である。It is a figure for demonstrating the problem of this invention, and is the block diagram which shows the structural example of the IoT sensor node circuit 30 including the known sequential comparison type AD converter 36. 図2Aの逐次比較型AD変換器36の構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structural example of the sequential comparison type AD converter 36 of FIG. 2A. 図2AのIoTセンサノード回路30の動作例を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the operation example of the IoT sensor node circuit 30 of FIG. 2A. 実施形態に係る逐次比較型AD変換器の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the sequential comparison type AD converter which concerns on embodiment. 図3Aの逐次比較型AD変換器の制御回路10Aのステート信号を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the state signal of the control circuit 10A of the sequential comparison type AD converter of FIG. 3A. 図3Aのランダムビット生成回路11とその周辺回路の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the random bit generation circuit 11 of FIG. 3A and its peripheral circuit. 図3Aの逐次比較型AD変換器の基本動作を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the basic operation of the sequential comparison type AD converter of FIG. 3A. 図3Aのビット反転回路12とその周辺回路の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the bit inversion circuit 12 and the peripheral circuit of FIG. 3A. 図3Aの逐次比較型AD変換器のビット反転動作を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the bit inversion operation of the sequential comparison type AD converter of FIG. 3A. 図3Aの追従電圧発生回路13の構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structural example of the follow-up voltage generation circuit 13 of FIG. 3A. 図3Aの逐次比較型AD変換器の電圧追従動作を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the voltage follow-up operation of the sequential comparison type AD converter of FIG. 3A. 図3AのAD変換装置における追従電圧発生回路とその周辺回路の構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structural example of the follow-up voltage generation circuit and its peripheral circuit in the AD conversion apparatus of FIG. 3A. 図7Aの追従電圧発生回路13の動作例を示す真理値表である。It is a truth table which shows the operation example of the follow-up voltage generation circuit 13 of FIG. 7A. 図7Aの追従電圧発生回路13を含む逐次比較型AD変換装置の動作例を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the operation example of the sequential comparison type AD conversion apparatus which includes the follow-up voltage generation circuit 13 of FIG. 7A. 従来例の較正なしのAD変換装置と、実施例に係る7%のオーバーヘッドの較正有りのAD変換装置とのチップ面積の比較を示すグラフである。It is a graph which shows the comparison of the chip area between the AD conversion device without calibration of the conventional example, and the AD conversion device with calibration of 7% overhead according to the embodiment. 実施例に係るAD変換装置のための参照電圧の充電側におけるサイドチャネル攻撃(SCA)を評価するための実験システムの構成を示すブロック図である。FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of an experimental system for evaluating a side channel attack (SCA) on the charging side of a reference voltage for an AD converter according to an embodiment. テンプレートマッチング法を用いて、図8の実験システムにより得られた、参照電圧の充電側におけるサイドチャネル攻撃(SCA)により測定された漏洩データであって、非保護時における出力コードの時間波形を示す図である。Leakage data measured by a side-channel attack (SCA) on the charging side of the reference voltage obtained by the experimental system of FIG. 8 using the template matching method, showing the time waveform of the output code when unprotected. It is a figure. 図9Aの非保護時における測定された漏洩データの電力スペクトラムを示すスペクトル図である。9A is a spectrum diagram showing a power spectrum of measured leakage data in the non-protected state of FIG. 9A. テンプレートマッチング法を用いて、図8の実験システムにより得られた、参照電圧の充電側におけるサイドチャネル攻撃(SCA)により測定された漏洩データであって、保護時における出力コードの時間波形を示す図である。Leakage data measured by a side-channel attack (SCA) on the charging side of the reference voltage obtained by the experimental system of FIG. 8 using the template matching method, showing the time waveform of the output code during protection. Is. 図10Aの保護時における測定された漏洩データの電力スペクトラムを示すスペクトル図である。It is a spectrum diagram which shows the power spectrum of the measured leakage data at the time of protection of FIG. 10A. 図8の実験システムにおいて較正なしのときの電力スペクトラムを示すスペクトル図である。It is a spectrum diagram which shows the power spectrum without calibration in the experimental system of FIG. 図8の実験システムにおいて較正ありのときの電力スペクトラムを示すスペクトル図である。It is a spectrum diagram which shows the power spectrum with calibration in the experimental system of FIG. 図8の実験システムにおいて電力スペクトラムの較正効果を示すグラフである。It is a graph which shows the calibration effect of the power spectrum in the experimental system of FIG. 図8の実験システムにより得られた実験結果であって、保護時と非保護時の各性能値を示す表である。It is the experimental result obtained by the experimental system of FIG. 8, and is the table which shows each performance value at the time of protection and the time of not protection.

以下、本発明に係る各実施形態について説明する。図面において、同一又は同様の構成要素については同一の符号を付して詳細説明を省略する。 Hereinafter, each embodiment of the present invention will be described. In the drawings, the same or similar components are designated by the same reference numerals and detailed description thereof will be omitted.

上述のように、AD変換器は、動作時の参照電圧波形を解析することで、AD変換器が処理しているデータが漏洩するという問題があった。従来技術に係るディザリング処理を施すことで、AD変換器の内部動作と変換データの相関を減らすことができるが、ディザリング処理は入力信号に雑音を重畳するため、入力レンジの削減が課題となる。従って、AD変換器の性能を犠牲にすることなく、参照電圧波形と変換データの相関をなくし、データ漏洩を防止する手法が求められている。以下、前記の問題点について、図2A〜図2Cを参照して具体的に説明する。 As described above, the AD converter has a problem that the data processed by the AD converter is leaked by analyzing the reference voltage waveform during operation. By performing the dithering process according to the conventional technology, it is possible to reduce the correlation between the internal operation of the AD converter and the converted data, but since the dithering process superimposes noise on the input signal, reducing the input range is an issue. Become. Therefore, there is a demand for a method of eliminating the correlation between the reference voltage waveform and the converted data and preventing data leakage without sacrificing the performance of the AD converter. Hereinafter, the above-mentioned problems will be specifically described with reference to FIGS. 2A to 2C.

図2Aは、本発明の問題点を説明するための図であって、公知の逐次比較型AD変換器36を含むIoT(Internet of Things)センサノード回路30の構成例を示すブロック図である。なお、逐次比較型AD変換器36は、IoTセンサノード回路30に限らず、IoT、パーソナルコンピュータ、スマートホン、携帯電話機などの電子機器に内蔵してもよい。 FIG. 2A is a diagram for explaining the problems of the present invention, and is a block diagram showing a configuration example of an IoT (Internet of Things) sensor node circuit 30 including a known successive approximation type AD converter 36. The sequential comparison type AD converter 36 is not limited to the IoT sensor node circuit 30, and may be built into an electronic device such as an IoT, a personal computer, a smart phone, or a mobile phone.

図2Aにおいて、IoTセンサノード回路30は、端子T11〜T13と、センサ信号処理IC32と、RF信号処理IC33とを備えて構成される。ここで、センサ信号処理IC32は、信号増幅器35と、逐次比較型AD変換器(SARADC)36と、暗号化回路38を内蔵したマイクロコンピュータユニット(MCU)37とを備える。センサ31により検出されたセンサ信号は端子T11を介してセンサ信号処理IC32内の信号増幅器35を介して逐次比較型AD変換器36に入力される。逐次比較型AD変換器36はセンサ信号をAD変換した後、マイクロコンピュータユニット37に出力し、マイクロコンピュータユニット37は入力されるセンサ信号に対して暗号化回路38を用いて暗号化した後、処理後のデジタル信号をRF信号処理IC33に出力する。次いで、RF信号処理IC33は所定のデジタル変調方式でデジタル変調した後、無線周波数に高域周波数変換してデジタル変調無線信号を生成してアンテナ34から送信する。 In FIG. 2A, the IoT sensor node circuit 30 includes terminals T11 to T13, a sensor signal processing IC 32, and an RF signal processing IC 33. Here, the sensor signal processing IC 32 includes a signal amplifier 35, a successive approximation type AD converter (SARADC) 36, and a microcomputer unit (MCU) 37 incorporating an encryption circuit 38. The sensor signal detected by the sensor 31 is input to the sequential comparison type AD converter 36 via the signal amplifier 35 in the sensor signal processing IC 32 via the terminal T11. The sequential comparison type AD converter 36 AD-converts the sensor signal and then outputs the sensor signal to the microcomputer unit 37. The microcomputer unit 37 encrypts the input sensor signal using the encryption circuit 38 and then processes the sensor signal. The latter digital signal is output to the RF signal processing IC 33. Next, the RF signal processing IC 33 is digitally modulated by a predetermined digital modulation method, and then converted to a radio frequency in a high frequency range to generate a digitally modulated radio signal, which is transmitted from the antenna 34.

図2Bは図2Aの公知の逐次比較型AD変換器36の構成例を示す回路図であり、図2Cは図2AのIoTセンサノード回路30の動作例を示すタイミングチャートである。 FIG. 2B is a circuit diagram showing a configuration example of the known successive approximation type AD converter 36 of FIG. 2A, and FIG. 2C is a timing chart showing an operation example of the IoT sensor node circuit 30 of FIG. 2A.

図2Aに示すIoTセンサノード回路30に対するハードウェア領域における物理的攻撃は、深刻な脅威の1つである。MCUの出力デジタル情報と無線ネットワーク上信号は暗号化によって解読が困難であるが、デジタルハードウェアブロック上の電源端子を介したサイドチャネル攻撃(SCA)により暗号鍵が抜き取られる恐れがある。しかし、このデジタルSCAは広く議論されており、多くの対策が報告されている(例えば、非特許文献1参照)。 A physical attack in the hardware domain against the IoT sensor node circuit 30 shown in FIG. 2A is one of the serious threats. The output digital information of the MCU and the signal on the wireless network are difficult to decrypt by encryption, but the encryption key may be extracted by a side channel attack (SCA) via the power supply terminal on the digital hardware block. However, this digital SCA has been widely discussed, and many countermeasures have been reported (see, for example, Non-Patent Document 1).

しかしながら、センサ31のフロントエンド回路でのアナログハードウェアブロックに対する物理的攻撃についてはあまり議論されていない。後段のデジタルブロックのセキュリティはすべて、アナログフロントエンド回路のセキュリティに依存しているため、実際にはさらに重要である。本実施形態では、主に一般的なセンサアナログフロントエンド回路ブロックである逐次比較型AD変換器に対するSCAの対策回路について以下に説明する。ここで、センサ31からとりこまれたアナログ情報は、非常に微弱な信号であるため、直接プロービングすることは不可能であるが、逐次比較型AD変換器の入力電圧VINと参照電圧端子を流れる電荷との相関(図2B)を利用することにより、逐次比較型AD変換器に対するSCAが可能になる。つまり、図2(C)に示す通り、逐次比較型AD変換器の内部の容量型DA変換器の動作に従って、異なるスパイク波形が参照電圧端子に現れるため、参照電圧波形を解析することにより入力電圧VINを復元することができる。 However, there is not much discussion about physical attacks on analog hardware blocks in the front-end circuitry of the sensor 31. In practice, the security of the subsequent digital blocks is even more important because it all depends on the security of the analog front-end circuitry. In this embodiment, the countermeasure circuit of SCA for the successive approximation type AD converter, which is mainly a general sensor analog front-end circuit block, will be described below. Here, since the analog information taken in from the sensor 31 is a very weak signal, it is impossible to directly probe it, but it flows through the input voltage VIN and the reference voltage terminal of the successive approximation type AD converter. By utilizing the correlation with the electric charge (FIG. 2B), SCA for the successive approximation type AD converter becomes possible. That is, as shown in FIG. 2C, different spike waveforms appear at the reference voltage terminal according to the operation of the capacitive DA converter inside the successive approximation type AD converter. Therefore, the input voltage is analyzed by analyzing the reference voltage waveform. V IN can be restored.

逐次比較型AD変換器のサイドチャネルの漏洩を抑制するために、いくつかの潜在的な回路技術が存在する。差動構造は保護に一定の効果を有するが、電荷再配分時の電流フローが相殺されないので、アナログ入力電圧VINと参照電圧VREFの波形との間の相関を完全に排除することはできない。もう一つの解決法はディザリングである。ディザリングは、AD変換器のアナログ入力電圧VINに意図的に雑音を注入し、後段のデジタル領域において当該雑音を減算することによって、非線形誤差に対する性能を向上させる手法の1つである。この技術は、デジタルサイドチャンネル攻撃(SCA)に対する論理マスキングのように入力と内部動作の間の相関を隠す可能性がある。 There are several potential circuit techniques to control side-channel leaks in successive approximation AD converters. Although the differential structure has a certain effect on protection, the correlation between the waveform of the analog input voltage V IN and the waveform of the reference voltage V REF cannot be completely eliminated because the current flow during charge redistribution is not offset. .. Another solution is dithering. Dithering is one of the methods for improving the performance against non-linear error by intentionally injecting noise into the analog input voltage VIN of the AD converter and subtracting the noise in the digital region of the subsequent stage. This technique can hide the correlation between input and internal operation, such as logical masking against digital side channel attacks (SCA).

以下、以上の問題点を解決するための本発明に係る実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments according to the present invention for solving the above problems will be described.

実施形態.
図3Aは実施形態に係る逐次比較型AD変換器の構成例を示すブロック図であり、図3Bは図3Aの逐次比較型AD変換器の制御回路10Aのステート信号を示すタイミングチャートである。
Embodiment.
FIG. 3A is a block diagram showing a configuration example of the sequential comparison type AD converter according to the embodiment, and FIG. 3B is a timing chart showing a state signal of the control circuit 10A of the sequential comparison type AD converter of FIG. 3A.

図3Aにおいて、実施形態に係る逐次比較型AD変換器は、制御回路10Aと、逐次比較制御部20Aと、スイッチ1と、容量型DA変換器2と、比較器3と、SP変換器(SPC)4と、ランダムビット生成回路11と、ビット反転回路12と、追従電圧発生回路13とを備えて構成される。従って、実施形態に係る逐次比較型AD変換器は、図1Aの逐次比較型AD変換器に比較して以下の点が異なる。
(1)制御回路10に代えて、制御回路10Aを備える。
(2)逐次比較制御部20に代えて、逐次比較制御部20Aを備える。
(3)容量型DA変換器2に代えて、容量型DA変換器2Aを備える。ここで、容量型DA変換器2Aは容量型DA変換器2に比較して、単位容量値Cの半分の容量値0.5Cを有するキャパシタC0と、それに対応し制御信号SC0により制御されるスイッチS0とをさらに備える。
(4)ランダムビット生成回路11と、ビット反転回路12と、追従電圧発生回路13とをさらに備える。
以下、相違点について詳述する。
In FIG. 3A, the sequential comparison type AD converter according to the embodiment includes a control circuit 10A, a sequential comparison control unit 20A, a switch 1, a capacitive DA converter 2, a comparator 3, and an SP converter (SPC). ) 4, a random bit generation circuit 11, a bit inversion circuit 12, and a follow-up voltage generation circuit 13. Therefore, the successive approximation type AD converter according to the embodiment differs from the sequential comparison type AD converter of FIG. 1A in the following points.
(1) A control circuit 10A is provided instead of the control circuit 10.
(2) Instead of the sequential comparison control unit 20, a sequential comparison control unit 20A is provided.
(3) A capacitive DA converter 2A is provided instead of the capacitive DA converter 2. Here, the capacitive DA converter 2A is a switch controlled by a capacitor C0 having a capacitance value 0.5C, which is half of the unit capacitance value C, and a corresponding control signal SC0, as compared with the capacitive DA converter 2. Further provided with S0.
(4) A random bit generation circuit 11, a bit inversion circuit 12, and a follow-up voltage generation circuit 13 are further provided.
The differences will be described in detail below.

制御回路10Aは、サンプルホールド制御信号φSHと、タイミング制御信号φ〜φN−1と、冗長タイミング制御信号φとを発生してそれぞれ、スイッチ1、逐次比較制御部20A及びランダムビット生成回路11に出力する。逐次比較制御部20Aは、比較器3からの比較結果のデジタル信号SCOMPと、タイミング制御信号φ,…,φN−3,φN−1と、冗長タイミング制御信号φとに基づいて、容量型DA変換器2のためのDA変換制御信号SC0〜SCMを発生して容量型DA変換器2に出力する。スイッチ1は、端子T1に入力される入力電圧VINを、制御回路10Aからのサンプルホールド制御信号φSHに従ってサンプリングして容量型DA変換器2Aに出力する。容量型DA変換器2Aは、バイナリで重み付けされた容量値0.5C,1C,2C,4C,…,2N−1Cをそれぞれ有する複数のキャパシタC0〜CMからなる容量アレイと、端子T2の参照電圧VREFと接地電位とのうちの一方を選択する複数のスイッチS0〜SMとを含み、サンプリングされた入力電圧VINを、DA変換制御信号SC0〜SCMに従ってDA変換して比較器3に出力する。比較器3は、DA変換された入力電圧VINを、追従電圧発生回路13からの追従電圧Vと比較して、比較結果のデジタル信号SCOMPをSP変換器4に出力する。 The control circuit 10A generates a sample hold control signal φ SH , a timing control signal φ 0 to φ N-1, and a redundant timing control signal φ R , respectively, and generates a switch 1, a sequential comparison control unit 20A, and a random bit, respectively. Output to circuit 11. The sequential comparison control unit 20A is based on the digital signal SCOMP of the comparison result from the comparator 3, the timing control signals φ 0 , ..., φ N-3 , φ N-1, and the redundant timing control signal φ R. , DA conversion control signals SC0 to SCM for the capacitive DA converter 2 are generated and output to the capacitive DA converter 2. The switch 1 samples the input voltage V IN input to the terminal T1 according to the sample hold control signal φ SH from the control circuit 10A and outputs it to the capacitive DA converter 2A. The capacitive DA converter 2A includes a capacitive array composed of a plurality of capacitors C0 to CM each having a binary-weighted capacitance value of 0.5C, 1C, 2C, 4C, ..., 2N-1C, and terminal T2. A plurality of switches S0 to SM for selecting one of the reference voltage V REF and the ground potential are included, and the sampled input voltage V IN is DA-converted according to the DA conversion control signals SC0 to SCM to the comparator 3. Output. Comparator 3, an input voltage V IN is DA converted, compared to the track-voltage V T from the track-voltage generating circuit 13, and outputs the digital signal S COMP the comparison result to the SP converter 4.

図3Bに示すように、制御回路10Aは、タイミング制御信号φにより示される最下位ビット(LSB)比較期間φ後に、ランダムビット生成期間φを示す冗長タイミング制御信号φを発生する。なお、本明細書において、対応する時間期間を分かりやすくするために、タイミング制御信号φ〜φN−1,φと、それらの信号により示される時間期間φ〜φN−1,φとを互いに同一の符号を用いて示す。 As shown in FIG. 3B, the control circuit 10A generates a redundant timing control signal φ R indicating a random bit generation period φ R after the least significant bit (LSB) comparison period φ 0 indicated by the timing control signal φ 0 . In this specification, in order to make the corresponding time period easy to understand, the timing control signals φ 0 to φ N-1 , φ R and the time period φ 0 to φ N-1 , φ indicated by those signals are used. R is indicated by using the same reference numerals as each other.

ランダムビット生成回路11は、冗長タイミング制御信号φと、比較結果のデジタル信号SCOMPとに基づいて、詳細後述するランダムビットDを生成してビット反転回路12及び追従電圧発生回路13に出力する。ビット反転回路12は、ランダムビットDに従って、タイミング制御信号φN−2のタイミングで比較器出力信号を反転または非反転して逐次比較制御部20Aに出力する。SP変換器4は、比較結果のデジタル信号SCOMPをSP変換することで復号化して、AD変換値の出力データDOUTを端子T4に出力する。 Random bit generation circuit 11, a redundant timing control signal phi R, based on the comparison result and a digital signal S COMP, the bit inversion circuit 12 and the track-voltage generating circuit 13 generates a random bit D R to be detailed later output do. Bit inverting circuit 12, according to a random bit D R, and outputs the successive approximation control unit 20A inverts or non-inverts the comparator output signal at a timing of the timing control signal φ N-2. The SP converter 4 decodes the digital signal SCOMP of the comparison result by SP conversion, and outputs the output data D OUT of the AD conversion value to the terminal T4.

図4Aは図3Aのランダムビット生成回路11とその周辺回路の構成例を示すブロック図であり、図4Bは図3Aの逐次比較型AD変換器の基本動作を示すタイミングチャートである。 FIG. 4A is a block diagram showing a configuration example of the random bit generation circuit 11 of FIG. 3A and its peripheral circuits, and FIG. 4B is a timing chart showing the basic operation of the sequential comparison type AD converter of FIG. 3A.

図4Aにおいて、ランダムビット生成回路11は遅延型フリップフロップ11mを含み、比較結果のデジタル信号SCOMPを、冗長タイミング制御信号φのタイミングでラッチしてランダムビットDとして追従電圧発生回路13に出力する。これにより、最下位ビット(LSB)のビット判定後、DA変換器2Aに追加した容量値0.5CのキャパシタC0を制御することで、DA変換器2Aの出力電圧VDACを、比較しきい値電圧VCMに近づける。その後、比較器3は、ランダムビット生成期間φにおいてDA変換電圧VDACを、比較しきい値電圧VCMと比較し、比較結果のデジタル信号SCOMPを遅延型フリップフロップ11mで一時的に記憶する。このとき、DA変換電圧VDACと比較しきい値電圧VCMの値が互いに極めて接近しているため、図4Bに示すように、比較器3の熱雑音により1又は0が確率的に出力される。つまり、比較器3の熱雑音の確率分布を持ったランダムビットDが生成されてビット反転回路12及び追従電圧発生回路13に出力される。 In Figure 4A, the random bit generation circuit 11 includes a delay-type flip-flop 11m, the comparison result of the digital signal S COMP, a latch on the timing of the redundant timing control signal phi R to the track-voltage generating circuit 13 as a random bit D R Output. Thus, after the bit determination of the least significant bit (LSB), by controlling the capacitor C0 of the capacitance value 0.5C added to the DA converter 2A, the output voltage V DAC DA converter 2A, comparison threshold Bring it closer to the voltage V CM. Thereafter, comparator 3, a DA converter voltage V DAC in the random bit generation period phi R, compared compared to the threshold voltage V CM, the comparison result of the digital signal S COMP in the delay-type flip-flop 11m temporarily storing do. At this time, since the values of the DA conversion voltage V DAC and the comparison threshold voltage V CM are extremely close to each other, 1 or 0 is probabilistically output due to the thermal noise of the comparator 3 as shown in FIG. 4B. NS. That is outputted random bit D R is generated in the bit inversion circuit 12 and the track-voltage generating circuit 13 having the probability distribution of the thermal noise of the comparator 3.

なお、容量値0.5CのキャパシタC0の追加は、従来例に比較してよりDA変換電圧VDACを比較しきい値電圧VCMに接近させ、比較器3の熱雑音の確率分布(図4B)内に収めるためであり、既に最下位ビット(LSB)の比較段階で比較器3の熱雑音の確率分布内に必ず入るようなAD変換装置(σ≫0.3LSB)であれば、キャパシタC0の追加は必要ない。また、熱雑音が十分に少ないAD変換装置(σ≪0.3LSB)では、より高精度の追加容量値0.25C,0.125C,0.0625,…を有する追加キャパシタが必要になる。 Incidentally, the additional capacitors C0 of the capacitance value 0.5C, the prior art compared to the by closer DA conversion voltage V DAC to compare the threshold voltage V CM, the probability distribution of the thermal noise of the comparator 3 (Fig. 4B ), And if the AD converter (σ >> 0.3LSB) is already within the probability distribution of the thermal noise of the comparator 3 at the comparison stage of the least significant bit (LSB), the capacitor C0 No need to add. Further, in the AD converter (σ << 0.3LSB) having sufficiently small thermal noise, additional capacitors having more accurate additional capacitance values 0.25C, 0.125C, 0.0625, ... Are required.

図5Aは図3Aのビット反転回路12とその周辺回路の構成例を示すブロック図であり、図5Bは図3Aの逐次比較型AD変換器のビット反転動作を示すタイミングチャートである。 FIG. 5A is a block diagram showing a configuration example of the bit inverting circuit 12 of FIG. 3A and its peripheral circuits, and FIG. 5B is a timing chart showing a bit inverting operation of the successive approximation type AD converter of FIG. 3A.

図5Aにおいて、ビット反転回路12は、排他的論理和ゲート12eと、遅延型フリップフロップ12mとを備えて構成される。ビット反転回路12においては、排他的論理和ゲート12eが、最上位ビット(MSB)よりも低い次ビット(N−2)の比較結果のデジタル信号SCOMPと、ランダムビットDとの排他的論理和演算を行って出力信号を遅延型フリップフロップ12mに出力する。遅延型フリップフロップ12mは、タイミング制御信号φN−2のタイミングで排他的論理和ゲート12eからの出力信号をラッチしてラッチした信号を反転ビットDN−2として追従電圧発生回路13及び逐次比較制御部20Aに出力する。図5Bに示すように、ランダムビットDの値が0のときは、次ビットの比較のためのDA変換電圧VDACの値は従来通り比較しきい値電圧VCMに接近するように制御される一方、ランダムビットDの値が1のときは、DA変換電圧VDACは比較しきい値電圧VCMと逆方向になるように制御される。この制御動作により、反転による電圧差であるディザ電圧Vが入力電圧VINに印加されることになる。 In FIG. 5A, the bit inversion circuit 12 includes an exclusive OR gate 12e and a delay type flip-flop 12m. In the bit inversion circuit 12, exclusive OR gate 12e is a digital signal S COMP the comparison result of lower than the most significant bit (MSB) bit next (N-2), exclusive of a random bit D R The sum operation is performed and the output signal is output to the delayed flip-flop 12m. The delay type flip-flop 12m latches and latches the output signal from the exclusive OR gate 12e at the timing of the timing control signal φ N-2 , and uses the latched signal as the inverting bit DN-2 for sequential comparison with the follow-up voltage generation circuit 13. Output to the control unit 20A. As shown in Figure 5B, when the value of the random bit D R is 0, the value of the DA converted voltage V DAC for comparison the next bit is controlled so as to approach the conventional comparison threshold voltage V CM that one, when the value of the random bit D R is 1, DA converted voltage V DAC is controlled to be compared threshold voltage V CM opposite direction. By this control operation, the dither voltage V D, which is the voltage difference due to inversion, is applied to the input voltage V IN.

なお、反転ビットは最上位ビット(MSB)よりも低い次ビット(N−2)に限定しない。反転ビットは最上位ビット(MSB)よりも低い次ビット(N−2)又はそれよりも下位ビットであれば、1ビット又は複数ビットの反転ビットが存在することができ、その場合は、ランダムビットを多ビット化することにより実現することができる。図5Aのビット反転回路12は排他的論理和ゲート12eを用いて構成したが、本発明はこれに限らず、例えば複数の所定電圧を選択的に選択して出力するセレクタ回路で構成してもよい。 The inverting bit is not limited to the next bit (N-2) lower than the most significant bit (MSB). If the inverting bit is the next bit (N-2) lower than the most significant bit (MSB) or a bit lower than that, there can be one or more inverting bits, in which case a random bit. Can be realized by increasing the number of bits. The bit inverting circuit 12 of FIG. 5A is configured by using the exclusive OR gate 12e, but the present invention is not limited to this, and may be configured by, for example, a selector circuit that selectively selects and outputs a plurality of predetermined voltages. good.

図6Aは図3Aの追従電圧発生回路13の構成例を示す回路図であり、図6Bは図3Aの逐次比較型AD変換器の電圧追従動作を示すタイミングチャートである。 FIG. 6A is a circuit diagram showing a configuration example of the follow-up voltage generation circuit 13 of FIG. 3A, and FIG. 6B is a timing chart showing the voltage follow-up operation of the successive approximation type AD converter of FIG. 3A.

図6Aにおいて、追従電圧発生回路13は、キャパシタC11〜C32からなる容量アレイと、容量アレイを制御するスイッチS12,S32と、サンプリングスイッチS21〜S23と、セレクタ13sとを備えて構成される。追従電圧発生回路13は、図6Bに示すように、ビット反転回路12でDA変換器2Aを逆方向の制御動作した際に、比較器しきい値電圧VCMを、印加した差電圧であるディザ電圧V分だけ前記逆方向の制御動作と同一の方向へ追従させる。すなわち、追従電圧発生回路13は追従電圧V(=VCM+V)を発生する。これにより、印加したディザ電圧Vを比較しきい値電圧VCMから差し引くことができ、反転動作をしない場合と同じ出力コードが得られることになる。 In FIG. 6A, the follow-up voltage generation circuit 13 includes a capacitance array composed of capacitors C11 to C32, switches S12 and S32 for controlling the capacitance array, sampling switches S21 to S23, and a selector 13s. The track-voltage generating circuit 13, as shown in FIG. 6B, when the control operation reverse the DA converter 2A by bit inversion circuit 12, the comparator threshold voltage V CM, is applied to the differential voltage dither by the voltage V D min to follow the same direction as the control operation of the reverse. That is, the track-voltage generating circuit 13 generates a tracking voltage V T (= V CM + V D). As a result, the applied dither voltage V D can be subtracted from the comparison threshold voltage V CM , and the same output code as in the case where the inversion operation is not performed can be obtained.

図6Aでは、サンプルホールド(標本化保持)期間φSHで比較しきい値電圧VCMをスイッチS21〜S23によりサンプルホールドした後、その微小時間Δφ後において、キャパシタC12,C32のボトムプレート電圧を制御し、電荷再配分することで、比較しきい値電圧VCMに加えて、電圧VCM+V,電圧VCM−Vを生成する。すなわち、3個の電圧VCM+V,電圧V,電圧VCM−Vが発生される。セレクタ13sは、ランダムビットDと、最上位ビット(MSB)よりも低い次ビットDN−2とに基づいて、以下のように、前記3個の電圧VCM+V,電圧V,電圧VCM−Vから1個の電圧を選択して追従電圧Vとして出力する。 In Figure 6A, after the comparison threshold voltage V CM by the sample-and-hold (sampling hold) period phi SH was sampled and held by the switch S21 to S23, after the short time [Delta] [phi, controls the bottom plate voltage of the capacitor C12, C32 Then, by redistributing the charges, in addition to the comparative threshold voltage V CM , the voltage V CM + V D and the voltage V CM −V D are generated. That is, the three voltage V CM + V D, the voltage V M, the voltage V CM -V D is generated. The selector 13s includes a random bit D R, on the basis of the following bit D N-2 lower than the most significant bit (MSB), as follows, the three voltage V CM + V D, the voltage V M, the voltage from V CM -V D by selecting one voltage outputs as follows voltage V T.

(1)DN−2=0のとき、比較しきい値電圧VCMを出力する。
(2)DN−2=1でかつD=1のとき、電圧VCM+Vを出力する。
(3)DN−2=1でかつD=0のとき、電圧VCM−Vを出力する。
(1) when D N-2 = 0, and outputs the comparison threshold voltage V CM.
(2) and a D N-2 = 1 when D R = 1, and outputs a voltage V CM + V D.
(3) when D N-2 = 1 a and D R = 0, and outputs a voltage V CM -V D.

なお、図6Aの追従電圧発生回路13は容量アレイとセレクタ13sとを用いて構成したが、本発明はこれに限らず、所定の電源電圧を複数の分圧抵抗により3個の電圧VCM+V,電圧V,電圧VCM−Vを発生させてセレクタ13sにより前記3個の電圧VCM+V,電圧V,電圧VCM−Vから1個の電圧を選択するように構成してもよい。 Incidentally, the track-voltage generating circuit 13 of FIG. 6A is constructed by using the capacitor array and the selector 13s, the present invention is not limited to this, three voltage V CM + V by a plurality of dividing resistors a predetermined power supply voltage D, configuration voltage V M, the voltage V CM -V D to generate by the by the selector 13s 3 pieces of voltage V CM + V D, the voltage V M, from the voltage V CM -V D to select one voltage You may.

図7Aは図3AのAD変換装置における追従電圧発生回路13とその周辺回路の構成例を示す回路図である。また、図7Bは図7Aの追従電圧発生回路13の動作例を示す真理値表であり、図7Cは図7Aの追従電圧発生回路13を含む逐次比較型AD変換装置の動作例を示すタイミングチャートである。 FIG. 7A is a circuit diagram showing a configuration example of the follow-up voltage generation circuit 13 and its peripheral circuits in the AD conversion device of FIG. 3A. Further, FIG. 7B is a truth table showing an operation example of the follow-up voltage generation circuit 13 of FIG. 7A, and FIG. 7C is a timing chart showing an operation example of the sequential comparison type AD conversion device including the follow-up voltage generation circuit 13 of FIG. 7A. Is.

すなわち、図7Aにおいて、ディザ追従DA変換器を用いた追従電圧発生回路13と較正回路56の構成例を示す。ここで、追従電圧発生回路13は、図6Aと同様に構成される。比較しきい値電圧VCMから、ディザリング処理の両方の方向を追従するために、電荷再配分のキャパシタC12,C32により、2つの電圧(VCM±V)が生成される。参照電圧VREFを用いたスイッチング動作の外部回路への露出を防止するために、これらの電圧はサンプルホールド位相(SH)で動作し、あらかじめ作成され、追従動作中に、これらのうちの1つの電圧がセレクタ13sにより選択される。 That is, FIG. 7A shows a configuration example of the tracking voltage generation circuit 13 and the calibration circuit 56 using the dither tracking DA converter. Here, the follow-up voltage generation circuit 13 is configured in the same manner as in FIG. 6A. From the comparative threshold voltage V CM , two voltages (V CM ± V D ) are generated by the charge redistribution capacitors C12 and C32 in order to follow both directions of the dithering process. To prevent exposure of switching operations using the reference voltage V REF to external circuits, these voltages operate in sample hold phase (SH), are pre-made, and are one of these during follow-up operation. The voltage is selected by the selector 13s.

図7Bの表に示すように、追従電圧発生回路13は、ランダムビットDと、期間指定ビットDとに基づいて、当該表に示す追従電圧Vを発生する。ここで、追従電圧発生回路13のディザ追従DA変換器はメインの容量型DA変換器36Aとは異なり、ディザ追従DA変換器の出力電圧(VCM±V)の誤差をデジタル領域で較正することができるから、高精度である必要はない。ここで、理想的なディザ追従DA変換器の出力電圧と、実際のディザ追従DA変換器の出力電圧との誤差εは、付加的な容量型DA変換器の容量値4CのキャパシタCMの冗長性を用いて推定されて出力電圧のデータに追加される。 As shown in the table of FIG. 7B, the track-voltage generating circuit 13 includes a random bit D R, based on the period designating bit D 8, it generates a tracking voltage V T shown in the table. Here, the dither tracking DA converter track-voltage generating circuit 13 is different from the main volume type DA converter 36A, to calibrate the error of the output voltage of the dither follower DA converter (V CM ± V D) in the digital domain It does not have to be highly accurate because it can be done. Here, the error ε P between the output voltage of the ideal dither-following DA converter and the output voltage of the actual dither-following DA converter is the redundancy of the capacitor CM with the capacitance value of 4C of the additional capacitive DA converter. It is estimated using the property and added to the output voltage data.

図7Dは従来例の較正なしのAD変換装置と、実施例に係る較正有りのAD変換装置とのチップ面積の比較を示すグラフである。較正無しの場合、ディザ追従DA変換器13の容量素子は、メインの容量型DA変換器36Aと同等の精度が必要になる。しかし、この較正により、ディザ追従DA変換器の容量精度が緩和され、サンプリング時の熱ノイズを満たす容量値まで削減することができる。その結果、本実施例に係る面積のオーバーヘッドを7%に抑えることができ、較正なしで高精度の容量値を使用する場合と比較して、AD変換器の面積がおよそ半分のサイズに軽減される。 FIG. 7D is a graph showing a comparison of chip areas between the conventional non-calibrated AD converter and the calibrated AD converter according to the embodiment. Without calibration, the capacitive element of the dither tracking DA converter 13 needs to have the same accuracy as the main capacitive DA converter 36A. However, this calibration relaxes the capacitance accuracy of the dither tracking DA converter and can reduce it to a capacitance value that satisfies the thermal noise during sampling. As a result, the area overhead according to this embodiment can be suppressed to 7%, and the area of the AD converter is reduced to about half the size as compared with the case where a high-precision capacitance value is used without calibration. NS.

以上のように構成された逐次比較型AD変換器において、逐次比較制御部20Aは、図3Bの制御回路ステート信号に従って、サンプルホールド期間(SH)の後、逐次比較期間(DN−1〜D)において、比較器3に入力される1対の電圧を逐次的に比較しながら、最上位ビットから最下位ビットに向かって公知の二分探索法により、入力電圧VINがDA変換電圧VDACに実質的に一致するようにスイッチS1〜SMを順次選択的に切り替えて入力電圧VINをAD変換してAD変換値の出力データDOUTを出力するように制御する。ここで、最上位ビット(MSB)よりも低い次ビットDN−2の期間φN−2においては、ランダムビットDに基づいて、比較結果のデジタル信号SCOMPに対するビット反転動作と、比較器3の比較対象電圧値である追従電圧Vの変更を行うことで、同じデータに対して複数の内部動作の挙動が存在するようになり、外部参照電圧端子T2を介した内部データの漏洩を防止することができる。 In the sequential comparison type AD converter configured as described above, the sequential comparison control unit 20A follows the sample hold period (SH) and then the sequential comparison period ( DN-1 to D) according to the control circuit state signal of FIG. 3B. In 0 ), the input voltage V IN is the DA conversion voltage V DAC by a known dichotomy method from the most significant bit to the least significant bit while sequentially comparing the pair of voltages input to the comparator 3. The switches S1 to SM are sequentially and selectively switched so as to substantially match the above, and the input voltage VIN is AD-converted and the output data D OUT of the AD conversion value is controlled to be output. Here, in the next bit D N-2 periods phi N-2 lower than the most significant bit (MSB), based on the random bit D R, a bit inversion operation for the digital signal S COMP the comparison result, the comparator by making changes of 3 to be compared voltage value of the track-voltage V T, now the behavior of the plurality of internal operation exist for the same data, the leakage of internal data via the external reference voltage terminal T2 Can be prevented.

なお、本実施形態では、最上位ビット(MSB)よりも低い次ビットDN−2の期間φN−2において、ランダムビットDに基づいて、ビット反転動作及び追従電圧Vの変更を行っているが、本発明はこれに限らず、最上位ビット(MSB)よりも低い次ビットDN−2の以下の1つ又は複数のビットにおいて、ビット反転動作及び追従電圧Vの変更を行ってもよい。 In the present embodiment, carried out in the next bit D N-2 periods phi N-2 lower than the most significant bit (MSB), based on the random bit D R, a change of the bit inversion operation and the track-voltage V T However, the present invention is not limited to this, and the bit inversion operation and the follow-up voltage VT are changed in the following one or more bits of the next bit DN-2 lower than the most significant bit (MSB). You may.

以上説明したように、本実施形態に係るAD変換器を備えた集積回路チップ(以下、「集積回路」を「IC」という。)などの半導体装置によれば、マイクロコンピュータICチップ、もしくはディスクリートICチップなどのICチップに搭載されるAD変換器により処理されるデータが、外部参照電圧端子T2を介して外部回路へ漏洩することを防止することができる。従来技術では、データと内部動作の相関を減少させるために入力レンジの削減が避けられなかったが、本実施形態では、一切入力レンジは削減されないため、AD変換器の性能を犠牲にすることなく、データのセキュリティを確保することができる。従って、従来例に比較してセキュアなAD変換装置を提供することができる。 As described above, according to a semiconductor device such as an integrated circuit chip (hereinafter, "integrated circuit" is referred to as "IC") provided with an AD converter according to the present embodiment, a microcomputer IC chip or a discrete IC It is possible to prevent data processed by an AD converter mounted on an IC chip such as a chip from leaking to an external circuit via the external reference voltage terminal T2. In the prior art, the reduction of the input range was unavoidable in order to reduce the correlation between the data and the internal operation, but in the present embodiment, the input range is not reduced at all, so that the performance of the AD converter is not sacrificed. , Data security can be ensured. Therefore, it is possible to provide a secure AD conversion device as compared with the conventional example.

図8は実施例に係るAD変換装置に対する参照電圧端子を介したサイドチャネル攻撃(SCA)を評価するための実験システムの構成を示すブロック図である。本実施形態に係るセキュアな逐次比較型AD変換器62は、1MHzのサンプリング周波数、10ビットの分解能で試作され、図8に示すように、任意波形信号発生器(AWG)61から信号が入力される。参照電圧VREFは、1オームのシャント抵抗64を介して外部電源から供給され、差動プローブ回路65を使用して参照電圧波形をオシロスコープ66によりモニタされる。 FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of an experimental system for evaluating a side channel attack (SCA) via a reference voltage terminal on an AD converter according to an embodiment. The secure successive approximation AD converter 62 according to the present embodiment is prototyped with a sampling frequency of 1 MHz and a resolution of 10 bits, and as shown in FIG. 8, a signal is input from an arbitrary waveform signal generator (AWG) 61. NS. The reference voltage V REF is supplied from an external power supply via a 1 ohm shunt resistor 64 and the reference voltage waveform is monitored by the oscilloscope 66 using the differential probe circuit 65.

図8において、入力データと参照電圧VREF波形との相関を求めるために、テンプレート攻撃が採用されている(例えば、非特許文献3参照)。まず、線形ステップVY0〜VY63を有する64個の入力電圧が任意波形信号発生器61から逐次比較型AD変換器62に印加され、各参照電圧ΔVREFの電圧波形はテンプレートY〜Y63として所定の記憶装置に記憶される。次に、オンライン信号Vが入力され、参照電圧ΔVREFの電圧波形Xと、64個のすべてのテンプレート信号Yとの間の相関係数ρ(X,Y)が次式を用いて算出される。 In FIG. 8, a template attack is adopted to obtain the correlation between the input data and the reference voltage V REF waveform (see, for example, Non-Patent Document 3). First, 64 input voltages having linear steps V Y0 to V Y63 are applied from the arbitrary waveform signal generator 61 to the successive approximation type AD converter 62, and the voltage waveform of each reference voltage ΔV REF is a template Y 0 to Y 63. Is stored in a predetermined storage device. Next, the online signal V X is input, and the correlation coefficient ρ (X, Y N ) between the voltage waveform X of the reference voltage ΔV REF and all 64 template signals Y N is calculated using the following equation. Calculated.

Figure 0006950130
Figure 0006950130

ここで、電圧波形Xとテンプレート信号Yの共分散をσX,YNとし、各標準偏差をσ、σYNとする。計算された相関係数ρ(X,Y)の結果に基づいて、最も相関の高いテンプレート信号Yのインデックス番号は漏洩データとみなされる。 Here, the covariance of the voltage waveform X and the template signal Y N is σ X and YN , and the standard deviations are σ X and σ YN . Based on the calculated result of the correlation coefficient ρ (X, Y N ), the index number of the template signal Y N with the highest correlation is regarded as leaked data.

図9Aは従来の逐次比較型AD変換器に対してテンプレートマッチング法を用いて、図8の実験システムにより得られた、漏洩データであって、非保護時における出力コードの時間波形を示す図である。また、図9Bは図9Aの非保護時における漏洩データの電力スペクトラムを示すスペクトル図である。すなわち、図9A及び図9Bは、テンプレートマッチング法を用いた参照電圧サイドチャネル攻撃(SCA)の実験結果を示す。 FIG. 9A is a diagram showing the time waveform of the output code in the non-protected state, which is the leaked data obtained by the experimental system of FIG. 8 by using the template matching method for the conventional successive approximation type AD converter. be. Further, FIG. 9B is a spectrum diagram showing a power spectrum of leaked data in the non-protected state of FIG. 9A. That is, FIGS. 9A and 9B show the experimental results of a reference voltage side channel attack (SCA) using the template matching method.

図9Aにおいて、27kHzの入力正弦波に対して復元された漏洩データDLEAK及びAD変換器出力データDOUTの出力波形がグラフ上にプロットされている。図9Bは、漏洩データDLEAK及びAD変換器出力データDOUTの出力波形のFFTスペクトルを示す。ここで、本実施形態で提案されたディザリング処理が適用されない従来例の逐次比較型AD変換器の場合、4.6ビットの有効ビット数(Effective Number of Bits;以下、「ENOB」という。)が抽出され、このことはほとんどのアナログ情報が漏洩していることを示している。 In FIG. 9A, the output waveforms of the leaked data D LEAK and the AD converter output data D OUT restored with respect to the input sine wave of 27 kHz are plotted on the graph. FIG. 9B shows the FFT spectra of the output waveforms of the leaked data D LEAK and the AD converter output data D OUT. Here, in the case of the sequential comparison type AD converter of the conventional example to which the dithering process proposed in the present embodiment is not applied, the effective number of bits of 4.6 bits (hereinafter referred to as "ENOB"). Is extracted, which indicates that most of the analog information is leaked.

図10Aはテンプレートマッチング法を用いて、図80の実験システムにより得られた、漏洩データであって、保護時における出力コードの時間波形を示す図であり、図10Bは図10Aの保護時における測定された漏洩データの電力スペクトラムを示すスペクトル図である。保護された実施形態に係る逐次比較型AD変換器からのデータ漏洩は、0.8ビットのENOBに抑えられる。その理由は、提案された実施形態に係るディザリング処理は、テンプレートの不正なコードでピーク相関を得ることを誘導するからである。評価結果より実施形態に係る逐次比較型AD変換器は、90%以上のアナログ情報を保護することができる。 FIG. 10A is a diagram showing the time waveform of the output code at the time of protection, which is the leaked data obtained by the experimental system of FIG. 80 using the template matching method, and FIG. 10B is the measurement at the time of protection of FIG. 10A. It is a spectrum diagram which shows the power spectrum of the leaked data. Data leakage from the successive approximation AD converter according to the protected embodiment is suppressed to 0.8-bit ENOB. The reason is that the dithering process according to the proposed embodiment induces a peak correlation to be obtained with an invalid code of the template. From the evaluation result, the successive approximation type AD converter according to the embodiment can protect 90% or more of analog information.

図11Aは図8の実験システムにおいて較正なしのときの電力スペクトラムを示すスペクトル図であり、図11Bは図8の実験システムにおいて較正ありのときの電力スペクトラムを示すスペクトル図である。図12は図8の実験システムにおいて電力スペクトラムの較正効果を示すグラフである。さらに、図13は図8の実験システムにより得られた実験結果であって、保護時と非保護時の各性能値を示す表である。 11A is a spectrum diagram showing the power spectrum of the experimental system of FIG. 8 without calibration, and FIG. 11B is a spectrum diagram showing the power spectrum of the experimental system of FIG. 8 with calibration. FIG. 12 is a graph showing the calibration effect of the power spectrum in the experimental system of FIG. Further, FIG. 13 is an experimental result obtained by the experimental system of FIG. 8 and is a table showing each performance value at the time of protection and at the time of non-protection.

図11Aから明らかなように、較正なしでは、信号対雑音及び歪み比(Signal−to−noise and distortion ratio;以下、「SNDR」という。)は、小面積で低精度のディザ追従DA変換器(追従電圧発生回路13)のキャパシタのミスマッチのために、43.8dBに低下する。しかしながら、図11Bから明らかなように、較正有りでは、10dB以上に改善され、30kHzの入力信号に対して、SNDRは54.4dBに達する。図12から明らかなように、提案された実施形態では、1.4μWの電力オーバーヘッドを含めて、総電力消費量は65μWである。図13から明らかなように、提案された実施形態に係るセキュリティ強化技術は、10%未満の速度、電力、及び領域オーバーヘッドで、4.6ビットから0.8ビットへの漏れ抑制を達成する。 As is clear from FIG. 11A, without calibration, the signal-to-noise ratio (Signal-to-noise and distortion ratio; hereinafter referred to as “SNDR”) is a small area, low precision dither tracking DA converter ("SNDR"). It drops to 43.8 dB due to the mismatch of the capacitors in the follow-up voltage generation circuit 13). However, as is clear from FIG. 11B, with calibration, it is improved to 10 dB or more, and the SNDR reaches 54.4 dB for an input signal of 30 kHz. As is clear from FIG. 12, in the proposed embodiment, the total power consumption is 65 μW, including the power overhead of 1.4 μW. As is clear from FIG. 13, the security enhancement technique according to the proposed embodiment achieves leakage suppression from 4.6 bits to 0.8 bits with speed, power, and area overhead of less than 10%.

以上説明したように、本実施形態の実験結果によれば、速度1MS/sの逐次比較型AD変換器の測定において、分解能10ビット、わずか8%の速度低下、2%の電力増加、及び7%の面積増加のオーバーヘッドで、4.6ビットから0.8ビットへの情報漏洩の抑制を実証している。 As described above, according to the experimental results of the present embodiment, in the measurement of the successive approximation type AD converter having a speed of 1 MS / s, the resolution is 10 bits, the speed is reduced by only 8%, the power is increased by 2%, and 7 It demonstrates the suppression of information leakage from 4.6 bits to 0.8 bits with the overhead of increasing the area by%.

以上詳述したように、本実施形態によれば、マイクロコンピュータICチップ、又はディスクリートICチップに搭載される逐次比較型AD変換器が処理するデータが、参照電圧端子を介して外部へ漏洩することを防止することができる。従来技術では、データと内部動作の相関を減少させるために入力レンジの削減が避けられなかったが、本実施形態では一切入力レンジは削減されないため、逐次比較型AD変換器の性能を犠牲にすることなく、データのセキュリティを確保することができる。 As described in detail above, according to the present embodiment, the data processed by the sequential comparison type AD converter mounted on the microcomputer IC chip or the discrete IC chip leaks to the outside via the reference voltage terminal. Can be prevented. In the prior art, reduction of the input range was unavoidable in order to reduce the correlation between the data and the internal operation, but in the present embodiment, the input range is not reduced at all, so that the performance of the sequential comparison type AD converter is sacrificed. Data security can be ensured without any need.

以上の実施形態においては、入力されるアナログ電圧VINをデジタルデータにAD変換しているが、本発明はこれに限らず、アナログ信号をデジタルデータにAD変換してもよい。 In the above embodiment, the input analog voltage VIN is AD-converted to digital data, but the present invention is not limited to this, and the analog signal may be AD-converted to digital data.

以上の実施形態においては、図5Aのランダムビット生成回路11は、冗長タイミング制御信号φと、比較結果のデジタル信号SCOMPとに基づいてランダムビットDを生成しているが、本発明はこれに限らず、比較結果のデジタル信号SCOMPを用いず、公知の擬似ランダム信号発生器を用いて、冗長タイミング制御信号φのタイミングで所定のランダムビットを生成してもよい。 In the above embodiments, the random bit generation circuit 11 in FIG. 5A, the redundant timing control signal phi R, but to generate a random bit D R on the basis of the digital signal S COMP the comparison result, the present invention is is not limited to this, compared without using the digital signal S COMP results, using a known pseudo-random signal generator, may generate a predetermined random bit when the redundant timing control signal phi R.

以上詳述したように、本発明に係る逐次比較型AD変換装置によれば、従来例に比較してセキュアな逐次比較型AD変換装置を提供することができる。当該セキュアなAD変換装置は、例えばセンサーシステム等のAD変換器を用いるシステムにおけるデータ保護に有効であることから、電子商取引安全技術研究組合(ECSEC)及び関連企業によるセキュア・ハードウェア構築事業に活用できる。 As described in detail above, according to the sequential comparison type AD conversion device according to the present invention, it is possible to provide a sequential comparison type AD conversion device that is more secure than the conventional example. Since the secure AD converter is effective for data protection in a system using an AD converter such as a sensor system, it is utilized for a secure hardware construction business by the Electronic Commerce Safety Technology Research Association (ECSEC) and related companies. can.

1 スイッチ
2,2A 容量型DA変換器
3 比較器
4 シリアルパラレル変換器(SP変換器)
10,10A 制御回路
11 ランダムビット生成回路
11m 遅延型フリップフロップ
12 ビット反転回路
12e 排他的論理和ゲート
12m 遅延型フリップフロップ
13 追従電圧発生回路
13s セレクタ
20,20A 逐次比較制御部
30 IoTセンサノード回路
31 センサ
32 センサ信号処理IC
33 RF信号処理IC
34 アンテナ
35 信号増幅器
36,36A 逐次比較型AD変換器
37 マイクロコンピュータユニット(MCU)
38 暗号化回路
56 較正回路
61 任意波形信号発生器
62 逐次比較型AD変換器
63 直流電源
64 抵抗
65 差動プローブ回路
66 オシロスコープ
C0〜CM,C11〜C32 キャパシタ
S0〜S32 スイッチ
T1〜T14 端子
1 Switch 2, 2A Capacitive DA converter 3 Comparator 4 Serial parallel converter (SP converter)
10,10A Control circuit 11 Random bit generation circuit 11m Delay type flip-flop 12-bit inversion circuit 12e Exclusive logical sum gate 12m Delay type flip-flop 13 Follow-up voltage generation circuit 13s Selector 20, 20A Sequential comparison control unit 30 IoT sensor node circuit 31 Sensor 32 Sensor signal processing IC
33 RF signal processing IC
34 Antenna 35 Signal amplifier 36, 36A Sequential comparison type AD converter 37 Microcomputer unit (MCU)
38 Encryption circuit 56 Calibration circuit 61 Arbitrary waveform signal generator 62 Sequential comparison AD converter 63 DC power supply 64 Resistance 65 Differential probe circuit 66 Oscilloscope C0 to CM, C11 to C32 Capacitor S0 to S32 Switch T1 to T14 terminal

Claims (4)

入力されるアナログ信号を標本化保持して、標本化保持後のデジタルデータをアナログ信号にDA変換するDA変換器と、
前記DA変換器からのアナログ信号を所定のしきい値と比較して、比較結果信号を出力する比較器と、
最上位ビットから最下位ビットに向かって二分探索法により逐次的に、前記入力されるアナログ信号をデジタルデータにAD変換するように前記DA変換器を制御する逐次比較制御部とを備え、
前記入力されるアナログ信号をデジタルデータにAD変換する逐次比較型AD変換装置であって、
ランダムビットを生成するランダムビット生成回路と、
前記ランダムビットに基づいて、最上位ビットよりも下の少なくとも1ビットに関する前記比較結果信号を反転して反転ビットを生成する反転ビット反転回路と、
前記ランダムビットと前記反転ビットに基づいて、前記反転の有無に拘わらず同一の比較結果信号が得られるように、前記反転ビットが示す期間において所定の比較しきい値から所定のディザ電圧だけ変化させて前記比較器のためのしきい値である追従電圧を生成して前記比較器に出力する追従電圧発生回路とを備えたことを特徴とする逐次比較型AD変換装置。
A DA converter that samples and holds the input analog signal and DA-converts the digital data after sampling and holding into an analog signal.
A comparator that compares the analog signal from the DA converter with a predetermined threshold value and outputs a comparison result signal,
It is provided with a sequential comparison control unit that controls the DA converter so as to AD-convert the input analog signal into digital data sequentially from the most significant bit to the least significant bit by a dichotomy method.
A successive approximation type AD conversion device that AD-converts the input analog signal into digital data.
A random bit generation circuit that generates random bits, and
An inverting bit inverting circuit that inverts the comparison result signal for at least one bit below the most significant bit based on the random bit to generate an inverting bit.
Based on the random bit and the inverting bit, a predetermined dither voltage is changed from a predetermined comparison threshold value in the period indicated by the inverting bit so that the same comparison result signal can be obtained regardless of the presence or absence of the inverting. A sequential comparison type AD converter including a follow-up voltage generating circuit that generates a follow-up voltage, which is a threshold value for the comparator, and outputs the follow-up voltage to the comparator.
前記ランダムビット生成回路は、前記比較結果信号に基づいて、最下位ビットの逐次比較後にランダムビットを生成することを特徴とする請求項1記載の逐次比較型AD変換装置。 The sequential comparison type AD conversion device according to claim 1, wherein the random bit generation circuit generates random bits after sequential comparison of the least significant bits based on the comparison result signal. 請求項1又は2に記載の逐次比較型AD変換装置を備えたことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device including the sequential comparison type AD conversion device according to claim 1 or 2. 請求項記載の半導体装置を備えたことを特徴とする電子機器。 An electronic device including the semiconductor device according to claim 3.
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