JP7239968B2 - Voltage/time converter and analog/digital converter - Google Patents

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Description

本発明は、電圧・時間変換器及びアナログ・デジタル変換器に関する。 The present invention relates to voltage/time converters and analog/digital converters.

CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)の微細化に伴い、デジタル回路の性能向上はめざましく、小面積化、高速化、低電力化が進んでいる。アナログ回路においても、微細化による遮断周波数の向上により、ミリ波やテラHz領域で動作可能なLSI(Large-Scale Integration)が登場している。しかしながら、その反面、真性利得の低下、素子ばらつきの増大、電源電圧低下に伴うSN比の劣化など、微細化の負の側面も顕在化しており、これを解決する様々な技術が検討されている。 Along with the miniaturization of CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), the performance of digital circuits has been remarkably improved, and smaller areas, higher speeds, and lower power consumption are progressing. In analog circuits as well, LSIs (Large-Scale Integration) capable of operating in the millimeter wave and terahertz regions have appeared due to improvements in cutoff frequencies due to miniaturization. However, on the other hand, the negative aspects of miniaturization, such as a decrease in intrinsic gain, an increase in element variation, and a deterioration in the SN ratio due to a decrease in power supply voltage, are becoming apparent, and various techniques are being investigated to solve these problems. .

その中で最近、信号を時間領域で表現して処理する時間領域アナログ技術が注目を集めている。時間領域で信号を表現すれば、電源電圧に制限されない信号表現が可能となり、デジタル回路中心の回路構成が可能となるため、微細化の恩恵を享受しやすい。 Among them, time-domain analog technology, which expresses and processes signals in the time domain, has recently attracted attention. If signals are expressed in the time domain, it becomes possible to express signals that are not limited by the power supply voltage, and it is possible to construct circuits centered on digital circuits, so that the benefits of miniaturization can be easily enjoyed.

こうした背景の下、時間領域アナログ技術を用いたアナログ・デジタル変換器(Analog-to-Digital Converter;ADC)の研究も盛んに行われている。例えば非特許文献1では、電圧・時間変換器(Voltage-to-Time Converter;VTC)と時間・デジタル変換器(Time-to-Digital Converter;TDC)を組み合わせたアナログ・デジタル変換器が報告されている。このアナログ・デジタル変換器では、入力した差動電圧信号が、電圧・時間変換器で時間出力に変換された後、時間・デジタル変換器において時間出力がデジタル信号へ変換される。 Against this background, research on analog-to-digital converters (ADCs) using time-domain analog technology is also actively being conducted. For example, Non-Patent Document 1 reports an analog-to-digital converter that combines a voltage-to-time converter (VTC) and a time-to-digital converter (TDC). there is In this analog/digital converter, an input differential voltage signal is converted into a time output by the voltage/time converter, and then the time output is converted into a digital signal by the time/digital converter.

時間・デジタル変換器としては高速化に適した並列型が採用されており、並列型の時間・デジタル変換器では、5GHzの高速動作が170fJ/conv.-stepという低エネルギーで実現されている。また、従来の電圧領域のアナログ・デジタル変換器と時間領域のアナログ・デジタル変換器を組み合わせる試みも報告されている(非特許文献2参照)。この組み合わせでは、逐次変換型(Successive Approximations Register;SAR)アナログ・デジタル変換器で粗い変換が行われた後に、入力した差動電圧信号と粗い変換結果との残差信号が、時間領域のアナログ・デジタル変換器でデジタル信号に変換される。これにより、動作速度は250kHzと低速ではあるが、2.02fJ/conv.-stepという極低エネルギー動作を可能とするアナログ・デジタル変換器が実現されている。 As the time-to-digital converter, a parallel type suitable for high speed operation is adopted. It is realized with a low energy of -step. An attempt to combine a conventional voltage-domain analog-to-digital converter and a time-domain analog-to-digital converter has also been reported (see Non-Patent Document 2). In this combination, after coarse conversion is performed by a successive approximation register (SAR) analog-to-digital converter, the residual signal between the input differential voltage signal and the coarse conversion result is the analog/digital signal in the time domain. It is converted into a digital signal by a digital converter. As a result, although the operating speed is as low as 250 kHz, it is 2.02 fJ/conv. An analog-to-digital converter capable of extremely low-energy operation called -step has been realized.

Yongsheng Xu, et al., “5-bit 5-GS/s Noninterleaved Time-Based ADC in 65-nm CMOS for Radio-Astronomy Applications, ”IEEE Transactions on Very Large Scale Integration(VLSI) Systems, vol.24, no.12, pp.3513-3525, Dec.2016.Yongsheng Xu, et al., “5-bit 5-GS/s Noninterleaved Time-Based ADC in 65-nm CMOS for Radio-Astronomy Applications,” IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems, vol.24, no .12, pp.3513-3525, Dec.2016. Yan-Jiun Chen, et al., “A 2.02-5.16 fJ/Conversion Step 10 Bit Hybrid Coarse-Fine SAR ADC With Time-Domain Quantizer in 90nm CMOS,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol.51, no.2, pp.357-364, Feb. 2016.Yan-Jiun Chen, et al., “A 2.02-5.16 fJ/Conversion Step 10 Bit Hybrid Coarse-Fine SAR ADC With Time-Domain Quantizer in 90nm CMOS,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol.51, no. 2, pp.357-364, Feb. 2016.

非特許文献1のアナログ・デジタル変換器は、電圧・時間変換器を用いて、入力した差動電圧信号を時間出力に変換した後に、時間・デジタル変換器を用いて、時間出力をデジタル信号へ変換する。しかしながら、この電圧・時間変換器の線形性には限界があるため、変換精度は5ビットに留まっている。また、仮に電圧・時間変換器の線形性の問題が解決できたとしても、時間・デジタル変換器が並列型であるため、変換精度を上げると回路規模と変換時間が指数関数的に増加してしまい、消費電力の増加、動作速度の低下の問題に直面する。 The analog-to-digital converter of Non-Patent Document 1 uses a voltage-time converter to convert the input differential voltage signal into a time output, and then uses the time-to-digital converter to convert the time output to a digital signal. Convert. However, due to the limited linearity of this voltage-time converter, the conversion accuracy remains at 5 bits. Also, even if the linearity problem of the voltage/time converter could be solved, since the time/digital converter is of parallel type, increasing the conversion accuracy would exponentially increase the circuit scale and conversion time. As a result, we face the problems of increased power consumption and reduced operating speed.

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、良好な線形性を得ることができる電圧・時間変換器を提供することを目的とする。また、本発明は、変換精度を上げても消費電力の増加、動作速度の低下を抑制することができるアナログ・デジタル変換器を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a voltage/time converter capable of obtaining good linearity. Another object of the present invention is to provide an analog-to-digital converter capable of suppressing an increase in power consumption and a decrease in operating speed even if conversion accuracy is increased.

本発明の第1の観点に係る電圧・時間変換器は、
差動電圧信号をゲート電圧として入力し、該差動電圧信号の大きさに応じた時間出力を示す一対のパルス電圧信号に変換する第1のMOS差動回路を備える変換回路と、
前記変換回路における前記差動電圧信号から前記一対のパルス電圧信号への変換が線形性を保つように、前記差動電圧信号に基づいて、前記一対のパルス電圧信号に対応する電流として前記第1のMOS差動回路から出力される一対の電流を補正する補正回路と、
を備える。
A voltage/time converter according to a first aspect of the present invention comprises:
a conversion circuit comprising a first MOS differential circuit for inputting a differential voltage signal as a gate voltage and converting it into a pair of pulse voltage signals indicating a time output corresponding to the magnitude of the differential voltage signal;
The first current corresponding to the pair of pulse voltage signals is based on the differential voltage signal so that the conversion from the differential voltage signal to the pair of pulse voltage signals in the conversion circuit maintains linearity. a correction circuit that corrects a pair of currents output from the MOS differential circuits of
Prepare.

この場合、前記補正回路は、
前記一対の電流にそれぞれ補正電流を加えることにより、前記一対のパルス電圧信号に含まれる前記差動電圧信号の高次成分を除去する第2のMOS差動回路を備える歪み補正回路である、
こととしてもよい。
In this case, the correction circuit
A distortion correction circuit comprising a second MOS differential circuit that removes high-order components of the differential voltage signal contained in the pair of pulse voltage signals by adding correction currents to the pair of currents, respectively.
You can do it.

また、前記第1のMOS差動回路と前記第2のMOS差動回路とで、入力する前記差動電圧信号の極性が逆であり、
前記第1のMOS差動回路において前記差動電圧信号を入力するCMOSの利得係数βと、前記第2のMOS差動回路において前記差動電圧信号を入力するCMOSの利得係数βとの関係が、
β=(3-2√2)β
を満たす、
こととしてもよい。
Further, the polarities of the input differential voltage signals are opposite between the first MOS differential circuit and the second MOS differential circuit,
Relation between a gain coefficient β of a CMOS inputting the differential voltage signal in the first MOS differential circuit and a gain coefficient βc of the CMOS inputting the differential voltage signal in the second MOS differential circuit but,
β c =(3−2√2)β
satisfy the
You can do it.

また、前記第2のMOS差動回路に入力する2つのゲート電圧を一定の電圧とし、
前記第1のMOS差動回路において前記差動電圧信号を入力するCMOSの利得係数βと、
前記第2のMOS差動回路において前記2つのゲート電圧を入力するCMOSの利得係数βとの関係が、
β=β
を満たし、
前記第1のMOS差動回路に入力される前記差動電圧信号のコモンレベルVcomと、
前記第2のMOS差動回路に入力される前記2つのゲート電圧のコモンレベルVとの関係が、
com=V
を満たす、
こととしてもよい。
Further, the two gate voltages input to the second MOS differential circuit are set to constant voltages,
a CMOS gain coefficient β for inputting the differential voltage signal in the first MOS differential circuit;
The relationship between the gain coefficient βc of the CMOS to which the two gate voltages are input in the second MOS differential circuit is
βc = β
The filling,
a common level V com of the differential voltage signal input to the first MOS differential circuit;
The relationship between the two gate voltages input to the second MOS differential circuit and the common level Vc is
Vcom = Vc
satisfy the
You can do it.

前記第2のMOS差動回路へ入力される前記2つのゲート電圧の正側電圧と負側電圧との間に、前記一対のパルス電圧信号に含まれるオフセット成分を打ち消すオフセットを与える、
こととしてもよい。
providing an offset between the positive side voltage and the negative side voltage of the two gate voltages input to the second MOS differential circuit to cancel offset components contained in the pair of pulse voltage signals;
You can do it.

前記変換回路は、
前記第1のMOS差動回路に一対の抵抗を挿入することにより、前記差動電圧信号に比例して増加する前記一対の電流を出力し、
前記補正回路は、
前記一対の電流にそれぞれ補正電流を加えることにより、前記差動電圧信号と前記一対のパルス電圧信号に対応する電流との伝達関数を、理想的な伝達関数に折れ線近似する、
こととしてもよい。
The conversion circuit is
inserting a pair of resistors into the first MOS differential circuit to output the pair of currents that increase in proportion to the differential voltage signal;
The correction circuit is
By adding a correction current to each of the pair of currents, the transfer function between the differential voltage signal and the current corresponding to the pair of pulse voltage signals is linearly approximated to an ideal transfer function.
You can do it.

前記補正回路は、
前記差動電圧信号をゲート電圧として入力し、一対の抵抗が挿入され、前記差動電圧信号に比例して増加する前記補正電流を出力する少なくとも1つの第3のMOS差動回路を備える、
こととしてもよい。
The correction circuit is
at least one third MOS differential circuit that receives the differential voltage signal as a gate voltage, has a pair of resistors inserted therein, and outputs the correction current that increases in proportion to the differential voltage signal;
You can do it.

前記補正回路は、
一定の電圧をゲート電圧として入力し、一定の電流を前記補正電流として出力する第4のMOS差動回路を備える、
こととしてもよい。
The correction circuit is
A fourth MOS differential circuit that inputs a constant voltage as a gate voltage and outputs a constant current as the correction current,
You can do it.

ゲート電圧を入力する一対のCMOSのソース端子が分離されて、各々のソース端子にクロック信号により制御される別のCMOSが接続されている、
こととしてもよい。
A pair of CMOS source terminals for inputting a gate voltage are separated, and another CMOS controlled by a clock signal is connected to each source terminal.
You can do it.

本発明の第2の観点に係るアナログ・デジタル変換器は、
入力した差動電圧信号を、n(nは自然数)ビットのデジタル信号のうちの上位m(mはnより少ない自然数)ビットの上位デジタル信号に変換する上位AD変換器と、
前記差動電圧信号と、前記上位AD変換器から出力された上位デジタル信号とに基づいて、前記差動電圧信号の残差信号を発生させる残差発生回路と、
前記残差信号を、nビットのデジタル信号のうちの下位n-mビットの下位デジタル信号に変換する下位AD変換器と、
前記上位デジタル信号と、前記下位デジタル信号とを合成して、nビットのデジタル信号として出力する合成器と、
を備え、
前記上位AD変換器及び前記下位AD変換器の少なくとも一方が、本発明の第1の観点に係る電圧・時間変換器を備えている。
The analog-to-digital converter according to the second aspect of the present invention comprises
an upper AD converter that converts an input differential voltage signal into an upper m (m is a natural number smaller than n) bit digital signal of an n (n is a natural number) bit digital signal;
a residual generating circuit for generating a residual signal of the differential voltage signal based on the differential voltage signal and the high-order digital signal output from the high-order AD converter;
a low-order AD converter that converts the residual signal into a low-order n−m-bit low-order digital signal of the n-bit digital signal;
a synthesizer that synthesizes the high-order digital signal and the low-order digital signal and outputs an n-bit digital signal;
with
At least one of the high-order AD converter and the low-order AD converter includes the voltage/time converter according to the first aspect of the present invention.

本発明によれば、差動電圧信号を時間出力に変換する場合に、その線形性を保つために一対のパルス電圧信号に対応する一対の電流を補正するので、良好な線形性を得ることができる。また、本発明によれば、一度に変換するデジタル信号のビット数を少なくすることができるので、変換精度を上げても消費電力の増加、動作速度の低下を抑制することができる。 According to the present invention, when a differential voltage signal is converted into a time output, the pair of currents corresponding to the pair of pulse voltage signals are corrected in order to maintain the linearity, so good linearity can be obtained. can. Moreover, according to the present invention, since the number of bits of a digital signal to be converted at one time can be reduced, an increase in power consumption and a decrease in operating speed can be suppressed even if the conversion accuracy is increased.

本発明の実施の形態1に係る電圧・時間変換器の回路図である。1 is a circuit diagram of a voltage/time converter according to Embodiment 1 of the present invention; FIG. 図1の電圧・時間変換器の動作を示すタイミングチャートである。2 is a timing chart showing the operation of the voltage/time converter of FIG. 1; 図1の電圧・時間変換器の等価回路図である。2 is an equivalent circuit diagram of the voltage-time converter of FIG. 1; FIG. 歪み補正回路の構成を示す回路図である。4 is a circuit diagram showing the configuration of a distortion correction circuit; FIG. 本発明の実施の形態2に係る電圧・時間変換器の回路図である。It is a circuit diagram of a voltage-time converter according to Embodiment 2 of the present invention. 本発明の実施の形態3に係る電圧・時間変換器の回路図である。FIG. 4 is a circuit diagram of a voltage/time converter according to Embodiment 3 of the present invention; 従来の電圧・時間変換器の回路図である。1 is a circuit diagram of a conventional voltage/time converter; FIG. 従来の電圧・時間変換器における差動電圧と電流との伝達関数を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a transfer function between differential voltage and current in a conventional voltage/time converter; 折れ線状の近似伝達関数を示す図である。It is a figure which shows a polygonal line-like approximate transfer function. 本発明の実施の形態4に係る電圧・時間変換器の回路図である。It is a circuit diagram of a voltage-time converter according to Embodiment 4 of the present invention. 本発明の実施の形態4に係る電圧・時間変換器における差動電圧と電流との伝達関数を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a transfer function between differential voltage and current in the voltage-time converter according to Embodiment 4 of the present invention; 本発明の実施の形態5に係る電圧・時間変換器の回路図である。FIG. 10 is a circuit diagram of a voltage/time converter according to Embodiment 5 of the present invention; 本発明の実施の形態5に係る電圧・時間変換器における差動電圧と電流との伝達関数を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a transfer function between differential voltage and current in the voltage-time converter according to Embodiment 5 of the present invention; 本発明の実施の形態6に係るアナログ・デジタル変換器の回路図である。FIG. 9 is a circuit diagram of an analog-to-digital converter according to Embodiment 6 of the present invention; 時間・デジタル変換器の回路構成の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the circuit configuration of a time-digital converter. 時間・デジタル変換器の回路構成の他の例を示す回路図である。4 is a circuit diagram showing another example of the circuit configuration of the time/digital converter; FIG. 残差発生回路の回路構成の一例を示す回路図である。2 is a circuit diagram showing an example of a circuit configuration of a residual generating circuit; FIG.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

実施の形態1.
まず、本発明の実施の形態1について説明する。
Embodiment 1.
First, Embodiment 1 of the present invention will be described.

本実施の形態に係る電圧・時間変換器1A(図1参照)は、差動電圧信号をその大きさに応じた時間出力に線形変換する。本実施の形態では、図2に示すように、入力する差動電圧信号の正側電圧信号をVinpとし、負側電圧信号をVinnとし、差動電圧信号を(Vinp,Vinn)で表す。差動電圧はVinとなる。また、電圧・時間変換器1Aから出力される一対のパルス電圧信号、すなわちタイミング信号を(START信号,STOP信号)とする。START信号とSTOP信号との立ち上がりの時間差を時間出力toutとする。 A voltage/time converter 1A (see FIG. 1) according to the present embodiment linearly converts a differential voltage signal into a time output corresponding to its magnitude. In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the positive voltage signal of the input differential voltage signal is V inp , the negative voltage signal is V inn , and the differential voltage signal is (V inp , V inn ). Represented by The differential voltage becomes Vin. A pair of pulse voltage signals output from the voltage/time converter 1A, ie, timing signals, are assumed to be (START signal, STOP signal). The time difference between the rises of the START signal and the STOP signal is assumed to be a time output to- out .

時間出力toutは、START信号がローレベルからハイレベルに移行した時点から、STOP信号がローレベルからハイレベルに移行した時点との間の時間を示す。以下では、2値信号における下側のレベル、すなわちローレベルを”L”とし、上側のレベル、すなわちハイレベルを”H”と表す。 The time output t out indicates the time between when the START signal transitions from low level to high level and when the STOP signal transitions from low level to high level. In the following description, the lower level of the binary signal, that is, the low level, is represented as "L", and the upper level, that is, the high level is represented as "H".

図1に示すように、この電圧・時間変換器1Aは、変換回路20と、補正回路としての歪み補正回路30と、を備える。変換回路20は、差動電圧信号(Vinp,Vinn)を入力し、該差動電圧信号(Vinp,Vinn)をその大きさに応じた時間出力toutを示すタイミング信号を(START信号,STOP信号)に変換する第1のMOS差動回路を備える。 As shown in FIG. 1, this voltage/time converter 1A includes a conversion circuit 20 and a distortion correction circuit 30 as a correction circuit. The conversion circuit 20 inputs the differential voltage signals (V inp , V inn ) , converts the differential voltage signals (V inp , V inn ) to a timing signal (START signal, STOP signal).

第1のMOS差動回路は、START信号を出力するためのMOSトランジスタ(CMOS)MP1,MN1と、STOP信号を出力するためのMOSトランジスタMP2,MN2と、両信号に共通のMOSトランジスタMN3と、電源電圧端子2P,2Nと、ノードDP,DNと、コンデンサ3P,3Nと、を備える。この他、変換回路20は、インバータ4P,4Nを備える。 The first MOS differential circuit includes MOS transistors (CMOS) MP1 and MN1 for outputting a START signal, MOS transistors MP2 and MN2 for outputting a STOP signal, and a MOS transistor MN3 common to both signals. It includes power supply voltage terminals 2P and 2N, nodes DP and DN, and capacitors 3P and 3N. In addition, the conversion circuit 20 includes inverters 4P and 4N.

第1のMOS差動回路は、正側電圧信号Vinpを入力するMOSトランジスタMN1と、負側電圧信号Vinnを入力するMOSトランジスタMN2と、を中心に構成される。なお、MOSトランジスタMN1,MN2の電子の移動度をμとし、単位面積当たりのゲート容量をCoxとし、MOSのゲート幅をwとし、ゲート長をLとすると、MOSトランジスタMN1、MOSトランジスタMN2の利得係数βは、以下の式で表される。
β=μ・Cox・(w/L)…(1)
The first MOS differential circuit is mainly composed of a MOS transistor MN1 for inputting a positive voltage signal Vinp and a MOS transistor MN2 for inputting a negative voltage signal Vinn . Let μ be the electron mobility of the MOS transistors MN1 and MN2, Cox be the gate capacitance per unit area, w be the gate width of the MOS, and L be the gate length. The coefficient β is represented by the following formula.
β=μ・Cox・(w/L) (1)

MOSトランジスタMN1は、電源電圧VDDを供給する電源電圧端子2Pと、グラウンドとの間に挿入されている。MOSトランジスタMN1は、正側電圧信号Vinpを、ゲート電圧(制御電圧)として入力する。MOSトランジスタMN1とグラウンドとの間には、クロック信号CKをゲート電圧として入力するMOSトランジスタ(スイッチ)MN3が挿入されている。 The MOS transistor MN1 is inserted between the power supply voltage terminal 2P that supplies the power supply voltage VDD and the ground. The MOS transistor MN1 receives the positive voltage signal Vinp as a gate voltage (control voltage). A MOS transistor (switch) MN3 for inputting the clock signal CK as a gate voltage is inserted between the MOS transistor MN1 and the ground.

また、MOSトランジスタMN1と電源電圧端子2Pとの間には、クロック信号CKの反転信号をゲート電圧として入力するMOSトランジスタ(スイッチ)MP1が挿入されている。MOSトランジスタMP1とMOSトランジスタMN1との間に、ノードDPが形成されている。ノードDPは、コンデンサ3Pを介して接地されている。また、ノードDPは、インバータ4Pと接続されている。インバータ4Pの出力がSTART信号となる。 A MOS transistor (switch) MP1 for inputting an inverted signal of the clock signal CK as a gate voltage is inserted between the MOS transistor MN1 and the power supply voltage terminal 2P. A node DP is formed between the MOS transistor MP1 and the MOS transistor MN1. Node DP is grounded via capacitor 3P. Also, the node DP is connected to the inverter 4P. The output of the inverter 4P becomes the START signal.

一方、MOSトランジスタMN2は、電源電圧VDDを供給する電源電圧端子2Nと、グラウンドとの間に挿入されている。MOSトランジスタMN2は、負側電圧信号Vinnを、ゲート電圧(制御電圧)として入力する。MOSトランジスタMN2とグラウンドとの間には、クロック信号CKをゲート電圧として入力するMOSトランジスタ(スイッチ)MN3が挿入されている。 On the other hand, the MOS transistor MN2 is inserted between the power supply voltage terminal 2N that supplies the power supply voltage VDD and the ground. The MOS transistor MN2 receives the negative voltage signal V inn as a gate voltage (control voltage). A MOS transistor (switch) MN3 for inputting the clock signal CK as a gate voltage is inserted between the MOS transistor MN2 and the ground.

MOSトランジスタMN2と電源電圧端子2Nとの間には、クロック信号CKの反転信号をゲート電圧として入力するMOSトランジスタMP2(スイッチ)が挿入されている。MOSトランジスタMP2とMOSトランジスタMN2との間に、ノードDNが形成されている。ノードDNは、コンデンサ3Nを介して接地されている。また、ノードDNは、インバータ4Nと接続されている。インバータ4Nの出力がSTOP信号となる。 A MOS transistor MP2 (switch) is inserted between the MOS transistor MN2 and the power supply voltage terminal 2N to input an inverted signal of the clock signal CK as a gate voltage. A node DN is formed between the MOS transistor MP2 and the MOS transistor MN2. Node DN is grounded via capacitor 3N. Also, the node DN is connected to the inverter 4N. The output of the inverter 4N becomes the STOP signal.

この電圧・時間変換器1Aは、クロック信号CKに従って動作する。クロック信号CKは、一定周期で”L”と”H”とを繰り返す信号である。クロック信号CKが”L”となっている期間を、プリチャージ期間とし、クロック信号CKが”H”となっている期間を、変換期間とする。 This voltage/time converter 1A operates according to the clock signal CK. The clock signal CK is a signal that repeats "L" and "H" at a constant cycle. A period during which the clock signal CK is "L" is defined as a precharge period, and a period during which the clock signal CK is "H" is defined as a conversion period.

図2に示すように、プリチャージ期間では、クロック信号CKが”L”となっているので、MOSトランジスタMN3がオフとなり、MOSトランジスタMP1,MP2がオンとなる。このため、コンデンサ3P,3Nが蓄電されて、ノードDP,DNの電圧が電源電圧VDDとなっている。 As shown in FIG. 2, since the clock signal CK is "L" during the precharge period, the MOS transistor MN3 is turned off and the MOS transistors MP1 and MP2 are turned on. Therefore, the capacitors 3P and 3N are charged, and the voltages of the nodes DP and DN become the power supply voltage VDD.

その後、プリチャージ期間から変換期間に移行すると、クロック信号CKが”H”に切り替わるので、MOSトランジスタMN3がオンとなり、MOSトランジスタMP1,MP2がオフとなる。このため、差動電圧信号(Vinp,Vinn)に依存した電流(I,I)がMOSトランジスタMN1,MN2に流れてノードDP,DNが放電される。 After that, when the precharge period shifts to the conversion period, the clock signal CK switches to "H", so that the MOS transistor MN3 is turned on and the MOS transistors MP1 and MP2 are turned off. Therefore, currents (I p , I n ) depending on the differential voltage signals (V inp , V inn ) flow through the MOS transistors MN1, MN2 to discharge the nodes DP, DN.

ノードDP,DNの電位がインバータ4P,4Nのしきい値電圧Vtinvを下回ると、その時刻にSTART信号,STOP信号が立ち上がる。START信号,STOP信号の立ち上がりの時間差が時間出力toutとなる。ノードDP,DNの放電時間は、差動電圧信号(Vinp,Vinn)に依存して変化し、差動電圧信号(Vinp,Vinn)が小さい範囲ではSTART信号,STOP信号で規定される時間出力toutは、差動電圧Vinに比例することから、この回路は電圧・時間変換回路として機能する。 When the potentials of the nodes DP and DN fall below the threshold voltage Vtinv of the inverters 4P and 4N, the START signal and STOP signal rise at that time. The time difference between the rises of the START signal and the STOP signal is the time output t- out . The discharge time of the nodes DP and DN varies depending on the differential voltage signals (V inp , V inn ), and is defined by the START signal and STOP signal in the range where the differential voltage signals (V inp , V inn ) are small. Since the time output t out is proportional to the differential voltage Vin , this circuit functions as a voltage-time conversion circuit.

図3に示すように、MOSトランジスタMN1,MN2を備える電圧・時間変換器1Aは、容量Cに蓄えられた電荷を放電する定電流(I,I)の電流源回路でモデル化される。ここで、図2に示すように、差動電圧信号(Vinp,Vinn)のコモンレベルをVcomとし、定電流(信号電流)(I,I)は以下の式(2)で表せるものと近似する。 As shown in FIG. 3, the voltage/time converter 1A comprising the MOS transistors MN1 and MN2 is modeled by a constant current (I p , I n ) current source circuit that discharges the charge stored in the capacitor C. . Here, as shown in FIG. 2, the common level of the differential voltage signals (V inp , V inn ) is V com , and the constant current (signal current) (I p , In ) is given by the following equation (2): approximate what can be expressed.

Figure 0007239968000001
ここで、VTHは、MOSトランジスタMN1,MN2のしきい値電圧である。ノードDP,DNがインバータ4P,4Nのしきい値Vtinvを下回るまでの時間t,tは、以下の式(3)で表せる。
Figure 0007239968000001
Here, V TH is the threshold voltage of the MOS transistors MN1 and MN2. The times t p and t n until the nodes DP and DN fall below the threshold Vtinv of the inverters 4P and 4N can be expressed by the following equation (3).

Figure 0007239968000002


ただし、ここで、Vtinv=VDD/2とした。式(2)、式(3)から時間出力toutを求めると、以下の式のようになる。
Figure 0007239968000002


However, here, Vtinv=VDD/2. When the time output t out is obtained from the equations (2) and (3), the following equation is obtained.

Figure 0007239968000003

ここで、Gは電圧・時間変換器の利得である。この式(4)からわかるように、変換回路20は、(Vcom-VTHに反比例する3次成分の歪(3次歪)を発生する。
Figure 0007239968000003

where G is the gain of the voltage-to-time converter. As can be seen from this equation (4), the conversion circuit 20 generates third-order component distortion (third-order distortion) that is inversely proportional to (V com -V TH ) 3 .

補正回路としての歪み補正回路30は、信号電流(I,I)に補正電流(Ipc,Inc)を加えることにより、上述の3次歪を打ち消し、時間出力toutの線形性を改善する。歪み補正回路30は、変換回路20における差動電圧信号(Vinp,Vinn)からタイミング信号(START信号,STOP信号)への線形変換が線形性を保つように、タイミング信号(START信号,STOP信号)に対応する電流として第1のMOS差動回路から出力される一対の電流(I,I)を補正する。 The distortion correction circuit 30 as a correction circuit adds correction currents (I pc , I nc ) to the signal currents (I p , I n ) to cancel out the third-order distortion described above and improve the linearity of the time output t out . Improve. The distortion correction circuit 30 converts the timing signals (START signal, STOP signal) so that the linear conversion from the differential voltage signals (V inp , V inn ) to the timing signals (START signal, STOP signal) in the conversion circuit 20 maintains linearity. A pair of currents (I P , I N ) output from the first MOS differential circuit as currents corresponding to the signal) are corrected.

図4に示すように、歪み補正回路30は一対の電流(I,I)にそれぞれ補正電流を加えることにより、タイミング信号(START信号,STOP信号)に含まれる差動電圧信号(Vinp,Vinn)の高次成分(3次成分)を除去する第2のMOS差動回路を備える。第2のMOS差動回路は、MOSトランジスタMN1c,MN2c,MN4を備える。MOSトランジスタMN1cは、ノードDPとMOSトランジスタMN4との間に挿入され、差分電圧信号(Vinp,Vinn)の負側電圧信号Vinnをゲート電圧として入力する。また、MOSトランジスタMN2cは、ノードDNとMOSトランジスタMN4との間に挿入され、差分電圧信号(Vinp,Vinn)の正側電圧信号Vinpをゲート電圧として入力する。MOSトランジスタMN4は、MOSトランジスタMN1c,MN2cとグラウンドとの間に挿入される。このように、本実施の形態では、第1のMOS差動回路と第2のMOS差動回路とで、入力する差動電圧信号(Vinp,Vinn)の極性が逆となっている。 As shown in FIG. 4, the distortion correction circuit 30 adds the correction currents to the pair of currents (I P , I N ), respectively, so that the differential voltage signal (V inp ) included in the timing signals (START signal, STOP signal) , V inn ) is provided. The second MOS differential circuit comprises MOS transistors MN1c, MN2c and MN4. The MOS transistor MN1c is inserted between the node DP and the MOS transistor MN4, and receives the negative voltage signal V inn of the differential voltage signals (V inp , V inn ) as a gate voltage. The MOS transistor MN2c is inserted between the node DN and the MOS transistor MN4, and receives the positive voltage signal V inp of the differential voltage signals (V inp , V inn ) as a gate voltage. The MOS transistor MN4 is inserted between the MOS transistors MN1c, MN2c and the ground. Thus, in this embodiment, the polarities of the input differential voltage signals (V inp , V inn ) are opposite between the first MOS differential circuit and the second MOS differential circuit.

補正電流(Ipc,Inc)は以下の式(5)で表される。歪み補正回路30では、入力信号の接続を、上述のように変換回路20と入れ替えている(極性を逆にしている)ため、式(5)と式(2)とでは差動電圧Vinの符号が反転している。 Correction currents (I pc , I nc ) are represented by the following equation (5). In the distortion correction circuit 30, the connection of the input signal is interchanged with the conversion circuit 20 as described above (the polarity is reversed). The sign is reversed.

Figure 0007239968000004

この回路の時間出力toutを求めると、以下の式(6)のようになる。βは、MOSトランジスタMN1c,MN2cの利得係数である。
Figure 0007239968000004

The time output t out of this circuit is obtained by the following equation (6). βc is the gain coefficient of the MOS transistors MN1c and MN2c.

Figure 0007239968000005

ここで、利得Gを以下の式(7)のように定義する。
Figure 0007239968000005

Here, gain G is defined as in the following equation (7).

Figure 0007239968000006

時間出力toutは、以下の式(8)のようになる。
Figure 0007239968000006

The time output t out is given by Equation (8) below.

Figure 0007239968000007

上記式(8)では、第2項が、3次歪に対応する。この式(8)からわかるように、第2項において、(Vcom-VTHに反比例する3次歪みが発生する。
Figure 0007239968000007

In the above equation (8), the second term corresponds to third-order distortion. As can be seen from this equation (8), third-order distortion that is inversely proportional to (V com -V TH ) 2 occurs in the second term.

ここで、第1のMOS差動回路において差動電圧信号(Vinp,Vinn)を入力するMOSトランジスタMN1,MN2の利得係数βと、第2のMOS差動回路において差動電圧信号(Vinp,Vinn)を入力するMOSトランジスタMN1c,MN2cの利得係数βとの関係が、β=(3-2√2)βを満たすとすると、式(8)の第2項は0となり3次歪をキャンセルすることができる。この場合の時間出力toutは、以下のようになる。 Here, the gain coefficient β of the MOS transistors MN1 and MN2 for inputting the differential voltage signals (V inp , V inn ) in the first MOS differential circuit and the differential voltage signal (V inp , V inn ) and the gain coefficient β c of the MOS transistors MN1c and MN2c to which MOS transistors MN1c and MN2c are input satisfies β c =(3−2√2)β, the second term of equation (8) becomes 0. Third order distortion can be canceled. The time output t out in this case is as follows.

Figure 0007239968000008
3次歪がキャンセルされることで、従来の電圧・時間変換器と比較した場合、線形性を大きく改善することができる。
Figure 0007239968000008
By canceling the third-order distortion, the linearity can be greatly improved when compared with the conventional voltage-time converter.

実施の形態2.
次に、本発明の実施の形態2について説明する。
Embodiment 2.
Next, Embodiment 2 of the present invention will be described.

本実施の形態に係る電圧・時間変換器1Bは、変換回路20と歪み補正回路30とを備える点では、上記実施の形態1に係る電圧・時間変換器1Aと同じである。本実施の形態に係る電圧・時間変換器1Bは、歪み補正回路30において、第2のMOS差動回路を構成するMOSトランジスタMN1c,MN2cに入力されるゲート電圧(制御電圧)が、上記実施の形態1と異なっている。 A voltage/time converter 1B according to the present embodiment is the same as the voltage/time converter 1A according to the first embodiment in that it includes a conversion circuit 20 and a distortion correction circuit 30. FIG. In the voltage-time converter 1B according to the present embodiment, in the distortion correction circuit 30, the gate voltage (control voltage) input to the MOS transistors MN1c and MN2c forming the second MOS differential circuit is Different from form 1.

図5に示すように、本実施の形態では、MOSトランジスタMN1c,MN2cに入力されるゲート電圧を一定の電圧(Vpc,Vnc)としている。補正電流(Ipc,Inc)は、制御電圧Vpc,Vncを印加した第2のMOS差動回路により生成する。この場合、補正電流Ipc,Incは、以下の式で表せる。 As shown in FIG. 5, in this embodiment, the gate voltages input to the MOS transistors MN1c and MN2c are constant voltages (V pc , V nc ). Correction currents (I pc , I nc ) are generated by a second MOS differential circuit to which control voltages V pc , V nc are applied. In this case, the correction currents I pc and I nc can be expressed by the following equations.

Figure 0007239968000009

ここから、時間出力toutを求めると、以下の式となる。ただし、Vpc=Vnc=Vとしている。
Figure 0007239968000009

From this, the time output t out is obtained by the following equation. However, V pc =V nc =V c .

Figure 0007239968000010

ここで、利得Gを以下のように定義すると、
Figure 0007239968000010

Here, if the gain G is defined as follows,

Figure 0007239968000011

時間出力toutは、以下のように表せる。
Figure 0007239968000011

The time output t out can be expressed as follows.

Figure 0007239968000012

ここで、第1のMOS差動回路において差動電圧信号(Vinp,Vinn)を入力するMOSトランジスタMN1,MN2の利得係数βと、第2のMOS差動回路において2つのゲート電圧(Vpc,Vnc)を入力するMOSトランジスタMN1c,MN2cの利得係数βとの関係が、β=βを満たすものとする。さらに、第1のMOS差動回路に入力される差動電圧信号(Vinp,Vinn)のコモンレベルVcomと、第2のMOS差動回路に入力される2つのゲート電圧のコモンレベルVとの関係が、Vcom=Vを満たすものとする。この場合、第2項は0となり、3次歪みをキャンセルすることができる。この場合、時間出力toutは、以下の式(14)のようになる。
Figure 0007239968000012

Here, the gain coefficient β of the MOS transistors MN1 and MN2 for inputting the differential voltage signals (V inp , V inn ) in the first MOS differential circuit and the two gate voltages (V pc , V nc ) and the gain coefficient β c of the MOS transistors MN1c and MN2c to which pc , V nc are input satisfies β c =β. Furthermore, the common level V com of the differential voltage signals (V inp , V inn ) input to the first MOS differential circuit and the common level V com of the two gate voltages input to the second MOS differential circuit c satisfies V com =V c . In this case, the second term becomes 0, and the third-order distortion can be canceled. In this case, the time output t out is given by Equation (14) below.

Figure 0007239968000013


上記式(14)からわかるように、上記実施の形態1よりも、5次歪の大きさを1/4に低減することができる。
Figure 0007239968000013


As can be seen from the above equation (14), the fifth-order distortion can be reduced to 1/4 of that in the first embodiment.

また、式(12)からVを変化させることで、利得Gを変えられることがわかる。したがって、製造ばらつきや温度変動により利得が変化しても、Vを適切に調整することで、利得を一定に保つことができる。また、上記の解析では、Vpc=Vnc=Vとして計算を行ったが、Vpc,Vncを独立に調整すれば(すなわちVpc≠Vncとすれば)、電圧・時間変換器1Bのオフセット成分もキャンセルすることができる。このように、第2のMOS差動回路への差動電圧信号の正側電圧Vpcと負側電圧Vncとの間に、タイミング信号(START信号,STOP信号)に含まれるオフセット成分を打ち消すオフセットを与えるようにしてもよい。 Also, it can be seen from equation (12) that the gain G can be changed by changing Vc . Therefore, even if the gain changes due to manufacturing variations or temperature fluctuations, the gain can be kept constant by appropriately adjusting Vc . In the above analysis, the calculation was performed with V pc =V nc =V c , but if V pc and V nc are adjusted independently (that is, if V pc ≠V nc ), the voltage-time converter The 1B offset component can also be canceled. Thus, the offset component included in the timing signals (START signal, STOP signal) is canceled between the positive voltage Vpc and the negative voltage Vnc of the differential voltage signal to the second MOS differential circuit. An offset may be given.

実施の形態3.
次に、本発明の実施の形態3について説明する。
Embodiment 3.
Next, Embodiment 3 of the present invention will be described.

本実施の形態に係る電圧・時間変換器1Cは、変換回路20及び歪み補正回路30の差動回路の構成が、上記実施の形態1,2に係る電圧・時間変換器1A,1Bと異なる。 A voltage/time converter 1C according to the present embodiment differs from the voltage/time converters 1A and 1B according to the first and second embodiments in the configuration of the differential circuits of the conversion circuit 20 and the distortion correction circuit 30 .

図6に示すように、本実施の形態に係る電圧・時間変換器1Cでは、一対のCMOSとしてのMOSトランジスタMN1,MN2のソース端子が分離されて、各々のソース端子にクロック信号CKにより制御される別のMOSトランジスタ(CMOSスイッチ)MN3A,MN3Bが接続されている。歪み補正回路30においても同様に、MOSトランジスタMN1c, MN2cのソース端子が分離され、各々のソース端子にクロック信号CKにより制御される別のMOSトランジスタ(スイッチ)MN4A,MN4Bが接続されている。このようにすることで、MOSトランジスタMN1,MN2及びMOSトランジスタMN1c,MN2cのソース端子を介した干渉を避けることができ、線形性をさらに改善することができる。 As shown in FIG. 6, in the voltage/time converter 1C according to the present embodiment, the source terminals of the MOS transistors MN1 and MN2 as a pair of CMOS are separated and controlled by the clock signal CK to each source terminal. Another MOS transistors (CMOS switches) MN3A and MN3B are connected. Similarly, in the distortion correction circuit 30, the source terminals of the MOS transistors MN1c and MN2c are separated, and separate MOS transistors (switches) MN4A and MN4B controlled by the clock signal CK are connected to the respective source terminals. By doing so, interference through the source terminals of the MOS transistors MN1, MN2 and MOS transistors MN1c, MN2c can be avoided, and the linearity can be further improved.

ここでは図示しないが、この実施の形態に係る回路構成は、上記実施の形態2の電圧・時間変換器1Bの構成にも同様に適用することができ、これにより、実施の形態2の電圧・時間変換器1Bの線形性をさらに改善することができる。なお、他の実施の形態においても、ゲート電圧を入力する一対のCMOSのソース端子が分離されて、各々のソース端子にクロック信号CKにより制御される別のCMOSが接続されるようにしてもよい。 Although not shown here, the circuit configuration according to this embodiment can be similarly applied to the configuration of the voltage/time converter 1B of the second embodiment. The linearity of the time converter 1B can be further improved. In other embodiments, the source terminals of a pair of CMOS to which the gate voltage is input may be separated, and another CMOS controlled by the clock signal CK may be connected to each source terminal. .

実施の形態4.
次に、本発明の実施の形態4について説明する。
Embodiment 4.
Next, Embodiment 4 of the present invention will be described.

本実施の形態に係る電圧・時間変換器1D(図10参照)の構成及び動作を理解するために、まず、理想的な電圧・時間変換器の特性について説明する。図7に示す電圧・時間変換器1A’は、従来の回路構成を有する変換器である。図7に示すように、電圧・時間変換器1A’は、容量Cを有するコンデンサ3P,3Nと、コンデンサ3P,3NをプリチャージするMOSトランジスタ(スイッチ)MP1,MP2と、入力信号(Vinp,Vinn)を、クロック信号CKに同期して電流信号(I,I)に変換するVI変換器25と、インバータ4P,4Nと、を備える。VI変換器25は、図1に示す、MOSトランジスタMN1,MN2,MN3で構成される回路をまとめたものである。 In order to understand the configuration and operation of the voltage/time converter 1D (see FIG. 10) according to this embodiment, first, characteristics of an ideal voltage/time converter will be described. A voltage/time converter 1A' shown in FIG. 7 is a converter having a conventional circuit configuration. As shown in FIG. 7, the voltage/time converter 1A' includes capacitors 3P and 3N having a capacitance C, MOS transistors (switches) MP1 and MP2 for precharging the capacitors 3P and 3N, and input signals (V inp , V inn ) into current signals (I p , I n ) in synchronization with the clock signal CK, and inverters 4P and 4N. The VI converter 25 is a collection of circuits composed of MOS transistors MN1, MN2 and MN3 shown in FIG.

ここで、電圧・時間変換器1A’の特性を理想的な線形特性に近づけるために、VI変換器25がどのような伝達特性を持てばよいかを考える。ノードDP,DNの電圧がインバータ4P,4Nのしきい値Vtinvを下回るまでの時間(t、t)は、上記式(3)に示すように電流(I,I)に反比例するため、電流(I,I)が、以下の式(15)に示すように差動電圧Vinの関数であれば、時間出力toutは、差動電圧Vinに対して線形となる。 Here, let us consider what transfer characteristics the VI converter 25 should have in order to bring the characteristics of the voltage/time converter 1A' closer to the ideal linear characteristics. The time (t p , t n ) until the voltage of the nodes DP, DN falls below the threshold Vtinv of the inverters 4P, 4N is inversely proportional to the current (I P , I N ) as shown in the above equation (3). Therefore, if the current (I P , I N ) is a function of the differential voltage V in as shown in equation (15) below, then the time output t out will be linear with respect to the differential voltage V in .

Figure 0007239968000014


ここで、aは任意の定数であり、bは、以下の式(16)を満足する定数である。
Figure 0007239968000014


Here, a is an arbitrary constant and b is a constant that satisfies the following equation (16).

Figure 0007239968000015


ここで、Gは、電圧・時間変換器1A’の利得である。
Figure 0007239968000015


Here, G is the gain of the voltage/time converter 1A'.

図8に示すように、電圧・時間変換器1A’におけるVI変換器25の伝達関数(実線)と理想的な伝達関数(点線)とを比較する。VI変換器25は、MOSトランジスタMN1,MN2,MN3で構成されるため、VI変換器25における差動電圧Vinと電流(I,I)との間の理想的な伝達関数は、差動電圧Vinの2次関数(上記式(2)参照)となる。電流(I,I)と差動電圧Vinとの間の伝達関数が、点線で示す理想的なものであれば、差動電圧Vinと時間出力toutとの関係は線形となる。しかしながら、電圧・時間変換器1A’におけるVI変換器25の伝達関数は、直線状となるため、理想的な伝達関数とはほど遠いものとなる。これが、電圧・時間変換器1A’の非線形性の原因となる。 As shown in FIG. 8, the transfer function (solid line) of the VI converter 25 in the voltage/time converter 1A' is compared with the ideal transfer function (dotted line). Since the VI converter 25 is composed of MOS transistors MN1, MN2, and MN3, the ideal transfer function between the differential voltage V in and the current (I P , I N ) in the VI converter 25 is the difference It is a quadratic function of the dynamic voltage V in (see formula (2) above). If the transfer function between the current (I P , I N ) and the differential voltage V in is ideal as indicated by the dotted line, the relationship between the differential voltage V in and the time output t out is linear. . However, since the transfer function of the VI converter 25 in the voltage/time converter 1A' is linear, it is far from the ideal transfer function. This causes the nonlinearity of the voltage/time converter 1A'.

そこで、本実施の形態に係る電圧・時間変換器1Dは、図9に示すように、2本の直線で理想の伝達関数に折れ線近似された伝達関数に従って動作する。これにより、図7に示す電圧・時間変換器1A’よりも線形性を改善することができる。 Therefore, as shown in FIG. 9, the voltage/time converter 1D according to the present embodiment operates according to a transfer function obtained by polygonal approximation of an ideal transfer function using two straight lines. Thereby, the linearity can be improved more than the voltage/time converter 1A' shown in FIG.

図10に示すように、電圧・時間変換器1Dは、変換回路21と、補正回路31と、を備える。 As shown in FIG. 10, the voltage/time converter 1D includes a conversion circuit 21 and a correction circuit 31.

変換回路21は、一対の抵抗RI1,RI2を備える点が、上記各実施の形態に係る変換回路20(例えば図1参照)と異なる。抵抗RI1は、MOSトランジスタMN1とMOSトランジスタMN3との間に挿入され、抵抗RI2は、MOSトランジスタMN2とMOSトランジスタMN3との間に挿入されている。変換回路21は、差動電圧信号(Vinp,Vinn)を一対の電流(IP1,N1)に変換し、変換された一対の電流(IP1,N1)に対応する電圧が、インバータ4P,4Nへ入力される。インバータ4P,4Nの出力電圧の変化は、時間出力toutに変換される。ここで、一対の電流(IP1,N1)を、第1の電流組とする。 The conversion circuit 21 differs from the conversion circuit 20 according to each of the above-described embodiments (for example, see FIG. 1) in that it includes a pair of resistors RI1 and RI2. The resistor RI1 is inserted between the MOS transistors MN1 and MN3, and the resistor RI2 is inserted between the MOS transistors MN2 and MN3. The conversion circuit 21 converts the differential voltage signals (V inp , V inn ) into a pair of currents ( IP1, IN1 ), and the voltage corresponding to the converted pair of currents ( IP1, IN1 ) is Input to inverters 4P and 4N. A change in the output voltages of inverters 4P and 4N is converted into a time output t out . Here, the pair of currents (I P1 , I N1 ) is defined as a first current set.

差動電圧Vinに対する第1の電流IP1の伝達関数は、図11に示すように、差動電圧Vinに比例して増加する直線となる。この増加直線の傾きは、抵抗RI1、RI2の値で調整することができる。このことは、第1の電流IN1も同様である。このように、変換回路21は、第1のMOS差動回路に一対の抵抗RI1,RI2を挿入することにより、差動電圧信号(Vinp,Vinn)に比例して増加する第1の電流組(IP1,N1)を一対の電流として出力する。 The transfer function of the first current IP1 with respect to the differential voltage Vin is a straight line that increases in proportion to the differential voltage Vin , as shown in FIG. The slope of this increasing straight line can be adjusted by the values of resistors RI1 and RI2. The same applies to the first current IN1 . In this way, the conversion circuit 21 inserts the pair of resistors RI1 and RI2 into the first MOS differential circuit to generate a first current that increases in proportion to the differential voltage signals (V inp , V inn ). Output the pair (I P1 , I N1 ) as a pair of currents.

補正回路31は、第1の電流組(IP1,IN1)に、補正電流としての第2の電流組(IP2,IN2)及び第3の電流組(IP3,IN3)を加える。 The correction circuit 31 adds a second current set ( IP2 , IN2 ) and a third current set ( IP3 , IN3 ) as correction currents to the first current set ( IP1, IN1 ). .

図10に示すように、補正回路31は、第3のMOS差動回路としてのMOS差動回路31Aと、第4のMOS差動回路としてのMOS差動回路31Bと、を備える。 As shown in FIG. 10, the correction circuit 31 includes a MOS differential circuit 31A as a third MOS differential circuit and a MOS differential circuit 31B as a fourth MOS differential circuit.

MOS差動回路31Aは、MOSトランジスタMNI4,MNI5,MNI6及び抵抗RI3、RI4を備える。MOSトランジスタMNI4とMOSトランジスタMNI6との間に抵抗RI3が挿入され、MOSトランジスタMNI5とMOSトランジスタMNI6との間に抵抗RI4が挿入されている。MOSトランジスタMNI4は、ノードDPとMOSトランジスタMNI6との間に挿入され、差分電圧信号(Vinp,Vinn)の正側電圧信号Vinpをゲート電圧として入力する。また、MOSトランジスタMNI5は、ノードDNとMOSトランジスタMNI6との間に挿入され、差分電圧信号(Vinp,Vinn)の負側電圧信号Vinnをゲート電圧として入力する。MOSトランジスタMNI6は、クロック信号CKを入力し、MOSトランジスタMNI4,MNI5と電圧Vs1が印加される端子との間に挿入される。 The MOS differential circuit 31A includes MOS transistors MNI4, MNI5, MNI6 and resistors RI3, RI4. A resistor RI3 is inserted between the MOS transistors MNI4 and MNI6, and a resistor RI4 is inserted between the MOS transistors MNI5 and MNI6. The MOS transistor MNI4 is inserted between the node DP and the MOS transistor MNI6, and receives the positive voltage signal V inp of the differential voltage signals (V inp , V inn ) as a gate voltage. The MOS transistor MNI5 is inserted between the node DN and the MOS transistor MNI6, and receives the negative voltage signal V inn of the differential voltage signals (V inp , V inn ) as the gate voltage. The MOS transistor MNI6 receives the clock signal CK and is inserted between the MOS transistors MNI4 and MNI5 and the terminal to which the voltage Vs1 is applied.

MOS差動回路31Aは、第2の電流組(IP2,IN2)を出力する。差動電圧Vinに対する第2の電流IP2の伝達関数は、図11に示すように、差動電圧Vinに比例して増加する直線となる。この増加直線の傾きは抵抗RI3,RI4の値で調整することができる。第2の電流IP2は、Vin<Vs1+VTHの範囲では流れない。Vs1は、MOSトランジスタMNI6のオフセット電圧であり、電圧VTHは、MOSトランジスタMNI4,MNI5のしきい値電圧である。第2の電流IP2が流れ出す差動電圧Vinは、電圧Vs1の値により調整できる。このことは、第2の電流IN2も同様である。このように、MOS差動回路31Aは、差動電圧信号(Vinp,Vinn)をゲート電圧として入力し、一対の抵抗RI3,RI4が挿入され、差動電圧信号(Vinp,Vinn)に比例して増加する第2の電流組(IP2,IN2)を補正電流として出力する。 The MOS differential circuit 31A outputs a second current set (I P2 , I N2 ). The transfer function of the second current IP2 with respect to the differential voltage Vin is a straight line that increases in proportion to the differential voltage Vin , as shown in FIG. The slope of this increasing straight line can be adjusted by the values of resistors RI3 and RI4. The second current I P2 does not flow in the range V in <V s1 +V TH . Vs1 is the offset voltage of MOS transistor MNI6, and voltage VTH is the threshold voltage of MOS transistors MNI4 and MNI5. The differential voltage V in from which the second current I P2 flows can be adjusted by the value of the voltage V s1 . The same applies to the second current IN2 . Thus, the MOS differential circuit 31A receives the differential voltage signals (V inp , V inn ) as gate voltages, inserts a pair of resistors RI3 and RI4, and receives the differential voltage signals (V inp , V inn ). A second current set (I P2 , I N2 ) that increases in proportion to is output as a correction current.

また、図10に示すように、MOS差動回路31Bは、MOSトランジスタMNI7,MNI8,MNI9を備える。MOSトランジスタMNI7は、ノードDPとMOSトランジスタMNI9との間に挿入され、MOSトランジスタMNI8は、ノードDNとMOSトランジスタMNI9との間に挿入される。MOSトランジスタMNI9は、クロック信号CKを入力し、MOSトランジスタMNI7,MNI8とグラウンドとの間に挿入される。MOSトランジスタMNI7,MNI8に入力されるゲート電圧は、一定の電圧(Vpc,Vnc)である。 Further, as shown in FIG. 10, the MOS differential circuit 31B includes MOS transistors MNI7, MNI8 and MNI9. MOS transistor MNI7 is inserted between node DP and MOS transistor MNI9, and MOS transistor MNI8 is inserted between node DN and MOS transistor MNI9. The MOS transistor MNI9 receives the clock signal CK and is inserted between the MOS transistors MNI7 and MNI8 and the ground. Gate voltages input to the MOS transistors MNI7 and MNI8 are constant voltages (V pc , V nc ).

MOS差動回路31Bは、第3の電流組(IP3,IN3)を出力する。MOSトランジスタMNI7,MNI8のゲート電圧として一定の電圧(Vpc,Vnc)が印加されるため、差動電圧Vinに対する第3の電流IP3の伝達関数は、図11に示すように、差動電圧Vinによらず一定となる。第3の電流IP3の大きさは、ゲート電圧(Vpc,Vnc)の値で調整することができる。このことは、第3の電流IN3も同様である。MOS差動回路31Bは、一定の電圧(Vpc,Vnc)をゲート電圧として入力し、一定の電組組(IP3,IN3)を補正電流として出力する。 The MOS differential circuit 31B outputs a third current set (I P3 , I N3 ). Since constant voltages (V pc , V nc ) are applied as gate voltages of the MOS transistors MNI7, MNI8, the transfer function of the third current I P3 with respect to the differential voltage V in is , as shown in FIG. It is constant regardless of the dynamic voltage Vin . The magnitude of the third current I P3 can be adjusted by the values of the gate voltages (V pc , V nc ). The same applies to the third current IN3 . The MOS differential circuit 31B receives constant voltages (V pc , V nc ) as gate voltages, and outputs constant electric sets (I P3 , I N3 ) as correction currents.

これら第1の電流IP1、第2の電流IP2、第3の電流IP3はノードDPで加算されて、電流Iとなる。また、第1の電流IN1、第2の電流IN2、第3の電流IN3は、加算されて電流Iとなる。したがって、インバータ4P,4Nに入力される一対の電流(I,I)の伝達関数は、図11に示すようになり、理想的な伝達関数に折れ線近似されたものとなる。この結果、差動電圧Vinに対する時間出力toutの線形性が向上する。 These first current I P1 , second current I P2 , and third current I P3 are added at node DP to become current I p . Also, the first current I N1 , the second current I N2 , and the third current I N3 are added to form a current I N . Therefore, the transfer function of the pair of currents (I P , I N ) input to the inverters 4P, 4N is as shown in FIG. 11, which is an ideal transfer function approximated by a polygonal line. As a result, the linearity of the time output t out with respect to the differential voltage V in is improved.

実施の形態5.
次に、本発明の実施の形態5について説明する。
Embodiment 5.
Next, Embodiment 5 of the present invention will be described.

図12に示すように、本実施の形態に係る電圧・時間変換器1Eは、変換回路21と、補正回路32と、を備える。すなわち、電圧・時間変換器1Eは、補正回路31の代わりに補正回路32を備える点が、電圧・時間変換器1Dと異なる。 As shown in FIG. 12, the voltage/time converter 1E according to the present embodiment includes a conversion circuit 21 and a correction circuit 32. As shown in FIG. In other words, the voltage/time converter 1E differs from the voltage/time converter 1D in that the correction circuit 32 is provided instead of the correction circuit 31 .

変換回路21は、差動電圧信号(Vinp,Vinn)を一対の電流(IP1,N1)に変換する。この(IP1,N1)を、第1の電流組とする。 The conversion circuit 21 converts the differential voltage signals (V inp , V inn ) into a pair of currents ( IP1, IN1 ). This (I P1 , I N1 ) is set as the first current set.

図12に示すように、補正回路32は、第3のMOS差動回路としてのMOS差動回路31Aと、第4のMOS差動回路としてのMOS差動回路31Bと、を備える点は補正回路31と同じである。補正回路32は、第3のMOS差動回路としてのMOS差動回路31Cをさらに備える。 As shown in FIG. 12, the correction circuit 32 includes a MOS differential circuit 31A as a third MOS differential circuit and a MOS differential circuit 31B as a fourth MOS differential circuit. Same as 31. The correction circuit 32 further includes a MOS differential circuit 31C as a third MOS differential circuit.

MOS差動回路31Cは、MOSトランジスタMNI10,MNI11,MNI12及び抵抗RI5、RI6を備える。MOSトランジスタMNI10とMOSトランジスタMNI11との間に抵抗RI5が挿入され、MOSトランジスタMNI11とMOSトランジスタMNI12との間に抵抗RI6が挿入されている。MOSトランジスタMNI10は、ノードDPとMOSトランジスタMNI12との間に挿入され、差分電圧信号(Vinp,Vinn)の正側電圧信号Vinpをゲート電圧として入力する。また、MOSトランジスタMNI11は、ノードDNとMOSトランジスタMNI12との間に挿入され、差分電圧信号(Vinp,Vinn)の負側電圧信号Vinnをゲート電圧として入力する。MOSトランジスタMNI12は、クロック信号CKを入力し、MOSトランジスタMNI10,MNI11と電圧Vs2が印加される端子との間に挿入される。 The MOS differential circuit 31C includes MOS transistors MNI10, MNI11, MNI12 and resistors RI5, RI6. A resistor RI5 is inserted between the MOS transistors MNI10 and MNI11, and a resistor RI6 is inserted between the MOS transistors MNI11 and MNI12. The MOS transistor MNI10 is inserted between the node DP and the MOS transistor MNI12, and receives the positive voltage signal V inp of the differential voltage signals (V inp , V inn ) as a gate voltage. The MOS transistor MNI11 is inserted between the node DN and the MOS transistor MNI12, and receives the negative voltage signal V inn of the differential voltage signals (V inp , V inn ) as the gate voltage. The MOS transistor MNI12 receives the clock signal CK and is inserted between the MOS transistors MNI10 and MNI11 and the terminal to which the voltage Vs2 is applied.

MOS差動回路31Cは、第4の電流組(IP4,IN4)を出力する。差動電圧Vinに対する第4の電流IP4の伝達関数は、図13に示すように、差動電圧Vinに比例して増加する直線となる。この増加直線の傾きは抵抗RI5,RI6の値で調整することができる。第4の電流IP4は、Vin<Vs2+VTHの範囲では流れない。VTHは、MOSトランジスタMNI10,MNI11のしきい値電圧である。第4の電流IP4が流れ出す電圧は、電圧Vs2の値により調整できる。このことは、第4の電流IN4も同様である。すなわち、MOS差動回路31Cは、差動電圧信号(Vinp,Vinn)をゲート電圧として入力し、一対の抵抗RI3,RI4が挿入され、差動電圧信号(Vinp,Vinn)に比例して増加する第4の電流組(IP4,IN4)を補正電流として出力する。 The MOS differential circuit 31C outputs a fourth current set (I P4 , I N4 ). The transfer function of the fourth current IP4 with respect to the differential voltage Vin is a straight line that increases in proportion to the differential voltage Vin , as shown in FIG. The slope of this increasing straight line can be adjusted by the values of resistors RI5 and RI6. The fourth current I P4 does not flow in the range V in <V s2 +V TH . V TH is the threshold voltage of the MOS transistors MNI10 and MNI11. The voltage from which the fourth current IP4 flows can be adjusted by the value of the voltage Vs2 . The same applies to the fourth current IN4 . That is, the MOS differential circuit 31C receives differential voltage signals (V inp , V inn ) as gate voltages, has a pair of resistors RI3 and RI4 inserted therein, and is proportional to the differential voltage signals (V inp , V inn ). A fourth set of currents (I P4 , I N4 ) that increases as a correction current is output.

これら第1の電流IP1、第2の電流IP2,第3の電流IP3、第4の電流IP4はノードDPで加算されて、電流Iとなる。また、第1の電流IN1、第2の電流IN2,第3の電流IN3、第4の電流IN4はノードDNで加算されて電流Iとなる。したがって、インバータ4P,4Nに入力される、差動電圧Vinに対する一対の電流(I,I)の伝達関数は、図13に示すようになり、理想的な伝達関数に折れ線近似される。この結果、差動電圧Vinに対する時間出力toutの線形性が向上する。 These first current I P1 , second current I P2 , third current I P3 , and fourth current I P4 are added at node DP to become current I p . Also, the first current I N1 , the second current I N2 , the third current I N3 , and the fourth current I N4 are added at the node DN to become the current I N . Therefore, the transfer function of the pair of currents (I P , I N ) with respect to the differential voltage Vin input to the inverters 4P, 4N is as shown in FIG. . As a result, the linearity of the time output t out with respect to the differential voltage V in is improved.

このように、本実施の形態では、図13に示すように、3本の直線で理想的な伝達関数に折れ線近似した。補正回路32の第3のMOS差動回路の数をさらに増やして、4本以上の直線で理想的な伝達関数に折れ線近似することも可能である。 As described above, in the present embodiment, as shown in FIG. 13, the ideal transfer function is approximated by a polygonal line with three straight lines. By further increasing the number of the third MOS differential circuits of the correction circuit 32, it is possible to approximate the ideal transfer function with four or more straight lines.

実施の形態6.
次に、本発明の実施の形態6について説明する。
Embodiment 6.
Next, Embodiment 6 of the present invention will be described.

上記実施の形態1、2、3、4、5では、差動電圧信号から時間出力に線形変換する電圧・時間変換器1A,1B,1C,1D,1Eについて説明した。これらの電圧・時間変換器1A,1B,1C,1D,1Eによれば、差動電圧信号(Vinp,Vinn)から時間出力toutへの線形性が向上し、変換精度を向上することができる。 In the above first, second, third, fourth and fifth embodiments, the voltage/time converters 1A, 1B, 1C, 1D and 1E that linearly convert a differential voltage signal to a time output have been described. According to these voltage-time converters 1A, 1B, 1C, 1D, and 1E, the linearity from the differential voltage signals (V inp , V inn ) to the time output t out is improved, and the conversion accuracy is improved. can be done.

電圧・時間変換器1A,1B,1C,1D,1Eを用いてアナログ・デジタル変換器を構成するためには、電圧・時間変換器1A,1B,1C,1D,1Eの後段に、時間出力をデジタルデータ信号に変換する並列型の時間・デジタル変換器を取り付ける必要がある。しかし、並列型の時間・デジタル変換器を使用すると、変換精度を上げると回路規模と変換時間が指数関数的に増加してしまい、消費電力が増加し、動作速度が低下するおそれがある。 In order to construct an analog/digital converter using the voltage/time converters 1A, 1B, 1C, 1D, and 1E, time output is provided after the voltage/time converters 1A, 1B, 1C, 1D, and 1E. A parallel time-to-digital converter must be installed to convert to a digital data signal. However, if a parallel type time-to-digital converter is used, increasing the conversion accuracy exponentially increases the circuit scale and the conversion time, increasing the power consumption and reducing the operating speed.

そこで、本実施の形態では、変換精度を上げても消費電力の増加、動作速度の低下が起こらない時間領域のアナログ・デジタル変換器について説明する。本実施の形態に係るアナログ・デジタル変換器では、サブレンジング方式が用いられる。サブレンジング方式は、アナログ・デジタル変換を、粗い変換と細かい変換の2回に分けて、必要な回路規模を縮小する。 Therefore, in the present embodiment, an analog-to-digital converter in the time domain that does not cause an increase in power consumption and a decrease in operating speed even if the conversion accuracy is increased will be described. A subranging method is used in the analog-to-digital converter according to the present embodiment. The subranging method divides the analog-to-digital conversion into coarse conversion and fine conversion to reduce the required circuit scale.

図14に示すように、本実施の形態に係るアナログ・デジタル変換器100では、電圧・時間変換器1Bと時間・デジタル変換器10とを組み合わせて上位AD変換器としてのアナログ・デジタル変換器CADC、下位AD変換器としてのアナログ・デジタル変換器FADCとを構成する。アナログ・デジタル変換器100は、このアナログ・デジタル変換器CADC、FADCの他、残差発生回路50と、合成器としてのエンコーダ60と、を備える。 As shown in FIG. 14, in the analog-to-digital converter 100 according to the present embodiment, the voltage-to-time converter 1B and the time-to-digital converter 10 are combined to form an analog-to-digital converter CADC as a high-order AD converter. , and an analog/digital converter FADC as a lower AD converter. The analog-to-digital converter 100 includes the analog-to-digital converters CADC and FADC, a residual error generating circuit 50, and an encoder 60 as a synthesizer.

アナログ・デジタル変換器CADCは、入力した差動電圧信号(Vinp,Vinn)を、n(nは自然数)ビットのデジタル信号のうちの上位m(mはnより少ない自然数)ビットの上位デジタルデータ信号DOUT<m-1:0>に変換する。 The analog-to-digital converter CADC converts the input differential voltage signals (V inp , V inn ) into high-order m (m is a natural number less than n) bits of the digital signal of n (n is a natural number) bits. Convert to data signal DOUT<m−1:0>.

残差発生回路50は、差動電圧信号(Vinp,Vinn)と、アナログ・デジタル変換器CADCから出力された上位デジタルデータ信号DOUT<m-1:0>とに基づいて、差動電圧信号(Vinp,Vinn)の残差信号を発生させる。 The residual generating circuit 50 generates a differential voltage based on the differential voltage signals (V inp , V inn ) and the high-order digital data signal DOUT<m−1:0> output from the analog-to-digital converter CADC. Generate a residual signal of the signals (V inp , V inn ).

アナログ・デジタル変換器FADCは、残差信号を入力し、残差信号をnビットのデジタル信号のうちの下位n-mビットの下位デジタルデータ信号DOUT<(n-m)-1:0>に変換する。 The analog-to-digital converter FADC receives the residual signal and converts the residual signal into the lower nm-bit lower digital data signal DOUT<(nm)-1:0> of the n-bit digital signal. Convert.

エンコーダ60は、上位デジタルデータ信号DOUT<m-1:0>と、下位デジタルデータ信号DOUT<(n-m)-1:0>とを合成して、nビットのデジタル信号DOUT<n-1:0>として出力する。 The encoder 60 synthesizes the upper digital data signal DOUT<m−1:0> and the lower digital data signal DOUT<(n−m)−1:0> to generate an n-bit digital signal DOUT<n−1. : Output as 0>.

アナログ・デジタル変換器CADC,FADCでは、電圧・時間変換器1Bを用いているので、差動電圧信号(Vinp,Vinn)から時間出力toutへの線形変換の線形性が改善されている。なお、本実施の形態では、電圧・時間変換器1Bの代わりに、同じく線形性が改善された電圧・時間変換器1A,1C,1D,1Eを用いるようにしてもよい。 Since the analog-to-digital converters CADC and FADC use the voltage/time converter 1B, the linearity of the linear conversion from the differential voltage signals (V inp , V inn ) to the time output t out is improved. . In this embodiment, instead of the voltage/time converter 1B, voltage/time converters 1A, 1C, 1D, and 1E having improved linearity may be used.

図15には、時間・デジタル変換器10の回路構成の一例が示されている。時間・デジタル変換器10は、START信号とSTOP信号の立ち上がりエッジの時間差(時間出力tout)をk(kはmまたはn-m)ビットのデジタル信号に変換する。時間・デジタル変換器10は、遅延回路D1~D2と、フリップフロップFF1~FF2と、エンコーダ11とを備える。 FIG. 15 shows an example of the circuit configuration of the time/digital converter 10. As shown in FIG. The time-to-digital converter 10 converts the time difference between the rising edges of the START signal and the STOP signal (time output t out ) into a digital signal of k (k is m or nm) bits. The time/digital converter 10 includes delay circuits D1 to D2 k , flip-flops FF1 to FF2 k , and an encoder 11 .

START信号が立ち上がると、その立ち上がり信号が、遅延回路D1~D2kで遅延しながら伝搬されていく。その後、STOP信号が立ち上がると、遅延回路D1~D2kの出力はそれぞれフリップフロップFF1~FF2kによりラッチされる。フリップフロップFF1~FF2kの出力を見ることで、STOP信号が立ち上がった時刻にSTART信号の立ち上がりが何段目の遅延回路まで伝搬したかをエンコーダ11が検出する。エンコーダ11は、入力したタイミング信号(START信号、STOP信号)を、デジタル信号DOUT<k-1:0>に変換して出力する。この際の1LSB(時間分解能)は、1つの遅延回路の遅延時間tpdに等しくなる。 When the START signal rises, the rising signal is propagated while being delayed by the delay circuits D1 to D2k . After that, when the STOP signal rises, the outputs of the delay circuits D1- D2k are latched by the flip-flops FF1- FF2k , respectively. By checking the outputs of the flip-flops FF1 to FF2 k , the encoder 11 detects to which stage of the delay circuit the rise of the START signal propagates at the time when the STOP signal rises. The encoder 11 converts the input timing signals (START signal, STOP signal) into digital signals DOUT<k-1:0> and outputs them. One LSB (time resolution) at this time is equal to the delay time tpd of one delay circuit.

図16には、時間・デジタル変換器10の回路構成の他の例が示されている。この時間・デジタル変換器10では、遅延回路D1~D2k間に補間回路IP1~IP2k-1が設けられている。補間回路IP1~IP2k-1にはtpdだけ時間がずれた2つの立ち上がり信号が入力される。補間回路IP1~IP2k-1は、2つの信号の中間の時刻で立ち上がるパルス信号を出力する。これにより、tpd/2間隔で立ち上がるパルス列が得られる。このパルス列をSTOP信号の立ち上がりエッジでラッチすることにより、tpd/2の時間分解能で時間・デジタル変換を行うことができる。 Another example of the circuit configuration of the time/digital converter 10 is shown in FIG. In this time/digital converter 10, interpolation circuits IP1 to IP2 k−1 are provided between delay circuits D1 to D2 k . Two rising signals with a time lag of t pd are input to the interpolation circuits IP1 to IP2 k−1 . The interpolators IP1 to IP2 k-1 output pulse signals that rise at times between the two signals. This results in a pulse train that rises at intervals of t pd /2. By latching this pulse train at the rising edge of the STOP signal, time-to-digital conversion can be performed with a time resolution of t pd /2.

時間・デジタル変換器10では、時間分解能が高いほど、変換時間を短縮することできる。この図16に示す構成を採用することで、アナログ・デジタル変換器100の変換速度を向上することができる。また、図16では、補間を1度行う構成を示しているが、複数回補間を行うことで、さらに時間分解能を上げるようにしてもよい。 In the time-to-digital converter 10, the higher the time resolution, the shorter the conversion time. By adopting the configuration shown in FIG. 16, the conversion speed of analog-to-digital converter 100 can be improved. In addition, although FIG. 16 shows a configuration in which interpolation is performed once, the time resolution may be further increased by performing interpolation multiple times.

差動電圧信号(Vinp、Vinn)は、上位AD変換を行うアナログ・デジタル変換器CADCの電圧・時間変換器1Bにより時間出力toutに変換され、その時間出力toutを時間・デジタル変換器10によりデジタル変換し、上位mビットの変換結果が得られる。 The differential voltage signals (V inp , V inn ) are converted into a time output t out by the voltage/time converter 1B of the analog/digital converter CADC that performs high-order AD conversion, and the time output t out is time/digital converted. Digital conversion is performed by the unit 10 to obtain a conversion result of the upper m bits.

図17には、アナログ・デジタル変換器CADCの出力が2ビット(m=2)の場合に対応する残差発生回路50の回路構成が示されている。図17に示すように、残差発生回路50は、コンデンサC0~C2と、スイッチS0~S3とを備える。コンデンサC0~C2の容量値はC0=C1=C,C2=2Cに設定されている。VTは入力される電圧信号の上限電圧であり、VBは入力される電圧信号の下限電圧であり、アナログ信号である電圧信号の入力範囲を規定する。 FIG. 17 shows the circuit configuration of the residual generating circuit 50 corresponding to the case where the output of the analog/digital converter CADC is 2 bits (m=2). As shown in FIG. 17, the residual generating circuit 50 includes capacitors C0-C2 and switches S0-S3. The capacitance values of the capacitors C0 to C2 are set to C0=C1=C and C2=2C. VT is the upper limit voltage of the input voltage signal, VB is the lower limit voltage of the input voltage signal, and defines the input range of the voltage signal which is an analog signal.

comは、出力端子OUTP、OUTNのコモンレベルを規定する電圧である。正側電圧信号Vinpを取り込むトラック期間では、スイッチS0~S2は、正側電圧信号Vinpが入力される入力端子INPに接続され、スイッチS3は、Vcomが入力される端子に接続している。 Vcom is a voltage that defines the common level of the output terminals OUTP and OUTN. During the track period in which the positive voltage signal V inp is input, the switches S0 to S2 are connected to the input terminal INP to which the positive voltage signal V inp is input, and the switch S3 is connected to the terminal to which V com is input. there is

トラック期間が終了すると、スイッチS0~S4はオフとなり、トラック期間終了時の正側電圧信号VinpがコンデンサC0~C2にサンプリングされる。 When the track period ends, the switches S0-S4 are turned off, and the positive voltage signal Vinp at the end of the track period is sampled in the capacitors C0-C2.

その後、残差発生回路50は、アナログ・デジタル変換器CADCの変換結果DOUT[1:0]に応じてスイッチS0~S2を切り替える。すなわち、残差発生回路50は、DOUT[0]が1ならば、スイッチS1をVTへ接続し、0ならばVBへ接続する。残差発生回路50は、スイッチS2も同様に、DOUT[1]が1ならばVTへ接続し、0ならばVBへ接続する。このようにすると、コンデンサC0~C2に蓄えられていた電荷が再配分され、出力端子OUTPには、残差電圧信号(Vinp,Vinn)から並列型のアナログ・デジタル変換器CADCの変換結果を差し引いた残差信号が出力端子OUTPから出力される。なお、残差発生回路50は、入力端子INN、出力端子OUTNが接続されるブロックの回路構成も、上述した回路構成と同じである。 After that, the residual generating circuit 50 switches the switches S0 to S2 according to the conversion result DOUT[1:0] of the analog-to-digital converter CADC. That is, if DOUT[0] is 1, the residual generator circuit 50 connects the switch S1 to VT, and if it is 0, connects it to VB. Residual error generating circuit 50 similarly connects switch S2 to VT if DOUT[1] is 1, and to VB if it is 0. FIG. In this way, the electric charges stored in the capacitors C0 to C2 are redistributed, and the conversion result of the parallel analog-to-digital converter CADC from the residual voltage signals (V inp , V inn ) is output to the output terminal OUTP. is output from the output terminal OUTP. The circuit configuration of the block to which the input terminal INN and the output terminal OUTN of the residual generator circuit 50 are connected is the same as the circuit configuration described above.

この容量型の残差発生回路50は、コンデンサC0~C2とスイッチS0~S4のみで構成できるため、面積、消費電力が小さいという利点がある。 Since the capacitive residual generating circuit 50 can be configured only with the capacitors C0 to C2 and the switches S0 to S4, it has advantages of small area and small power consumption.

図14に戻り、アナログ・デジタル変換器100の全体の動作について説明する。アナログ・デジタル変換器100は、残差発生回路50により、アナログ・デジタル変換器CADCで得られる粗い変換結果(上位デジタル信号)を差動電圧信号(Vinp,Vinn)から差し引き、残差信号を発生する。この残差信号は、細かい変換を行うアナログ・デジタル変換器FADCは、残差信号を入力して、電圧・時間変換器1A,1Bにより時間出力toutに変換し、その時間出力toutを時間・デジタル変換器10によりデジタル変換し、下位ビットの変換結果(下位デジタル信号)を得る。粗い変換結果と、細かい変換結果は、合成器としてのエンコーダ60で合成され、nビットのデジタルデータ信号DOUT<n-1:0>として出力される。 Returning to FIG. 14, the overall operation of the analog/digital converter 100 will be described. The analog-to-digital converter 100 subtracts the rough conversion result (upper-order digital signal) obtained by the analog-to-digital converter CADC from the differential voltage signals (V inp , V inn ) by the residual generating circuit 50 to generate a residual signal occurs. An analog-to-digital converter FADC, which performs fine conversion, receives the residual signal and converts it into a time output tout by the voltage/time converters 1A and 1B.・Digital conversion is performed by the digital converter 10 to obtain a lower bit conversion result (lower digital signal). The rough conversion result and the fine conversion result are combined by an encoder 60 as a combiner and output as an n-bit digital data signal DOUT<n-1:0>.

また、仮に8ビットのアナログ・デジタル変換を、サブレンジング方式を使用しないで構成した場合には、8ビットの並列型の時間・デジタル変換器が必要となる。この場合には、2(256)個の遅延回路と時間比較器が必要となる。一方で、本実施の形態のように、粗い変換4ビット、細かい変換4ビットのサブレンジング構成とすると、4ビットの時間・デジタル変換器10が2組必要となり、遅延回路と時間比較器は32個で済む。このため、大幅な電力削減が可能となる。また、時間・デジタル変換器10の変換時間は、この遅延回路の数に比例するため、変換時間も大幅に短縮することができる。 Also, if 8-bit analog-to-digital conversion is configured without using the subranging method, an 8-bit parallel time-to-digital converter is required. In this case, 2 8 (256) delay circuits and time comparators are required. On the other hand, if a subranging configuration of 4-bit coarse conversion and 4-bit fine conversion is used as in the present embodiment, two sets of 4-bit time-to-digital converters 10 are required, and 32 delay circuits and time comparators are required. One is enough. Therefore, it is possible to significantly reduce power consumption. Moreover, since the conversion time of the time-to-digital converter 10 is proportional to the number of delay circuits, the conversion time can be greatly shortened.

入力される差動電圧信号(Vinp,Vinn)が大きい場合には、高線形な電圧・時間変換器1A,1Bは、高精度なデジタル信号D<n-1:0>を得るために特に有用である。 When the input differential voltage signals (V inp , V inn ) are large, the highly linear voltage/time converters 1A and 1B are required to obtain a highly accurate digital signal D<n-1:0>. Especially useful.

以上詳細に説明したように、本実施の形態によれば、差動電圧信号(Vinp,Vinn)を入力し、該差動電圧信号(Vinp,Vinn)を時間出力toutに線形変換する場合に、時間出力toutに含まれる差動電圧信号(Vinp,Vinn)の3次成分を除去することができるので、良好な線形性を得ることができる。 As described in detail above, according to this embodiment, the differential voltage signals (V inp , V inn ) are input, and the differential voltage signals (V inp , V inn ) are linearly adjusted to the time output t out . When converting, the third-order component of the differential voltage signal (V inp , V inn ) included in the time output t out can be removed, so good linearity can be obtained.

また、本実施の形態によれば、差動電圧信号(Vinp,Vinn)を入力し、該差動電圧信号(Vinp,Vinn)を時間出力toutに線形変換する場合に、電圧と電流との間の伝達関数を理想の伝達関数に近づけることができるので、良好な線形性を得ることができる。すなわち、本実施の形態によれば、差動電圧信号を時間出力に変換する場合に、その線形性を保つために一対のパルス電圧信号に対応する一対の電流を補正するので、良好な線形性を得ることができる。 Further, according to the present embodiment, when the differential voltage signals (V inp , V inn ) are input and the differential voltage signals (V inp , V inn ) are linearly converted to the time output t out , the voltage Since the transfer function between and the current can be brought close to the ideal transfer function, good linearity can be obtained. That is, according to the present embodiment, when a differential voltage signal is converted into a time output, a pair of currents corresponding to a pair of pulse voltage signals are corrected in order to maintain the linearity. can be obtained.

なお、電圧・時間変換器1A~1Cの構成と、電圧・時間変換器1D~1Eの構成とを組み合わせて電圧・時間変換器を構成するようにしてもよい。 The configuration of the voltage/time converters 1A to 1C and the configuration of the voltage/time converters 1D to 1E may be combined to form a voltage/time converter.

このように、上記各実施の形態によれば、高線形な電圧・時間変換器1A,1B,1C,1D,1Eを提供することができる。また、この電圧・時間変換器1A,1B,1C,1D,1Eを用いてサブレンジング構成の時間領域のアナログ・デジタル変換器CADC,FADCを構成することで、変換精度を上げても消費電力増加、動作速度低下が起こらないアナログ・デジタル変換器100を提供することができる。 Thus, according to each of the above-described embodiments, highly linear voltage/time converters 1A, 1B, 1C, 1D and 1E can be provided. Further, by using the voltage/time converters 1A, 1B, 1C, 1D, and 1E to configure time domain analog/digital converters CADC and FADC with a subranging configuration, power consumption increases even if the conversion accuracy is increased. , it is possible to provide the analog-to-digital converter 100 in which the operation speed does not decrease.

この発明は、この発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、この発明の範囲を限定するものではない。すなわち、この発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。 The present invention is capable of various embodiments and modifications without departing from the broader spirit and scope of the invention. Moreover, the embodiment described above is for explaining the present invention, and does not limit the scope of the present invention. That is, the scope of the present invention is indicated by the claims rather than the embodiments. Various modifications made within the scope of the claims and within the meaning of equivalent inventions are considered to be within the scope of the present invention.

この発明は、アナログ・デジタル変換器等に適用することができる。 The present invention can be applied to analog/digital converters and the like.

1A,1B,1C,1D,1E,1A’ 電圧・時間変換器、2P,2N 電源電圧端子、3P,3N コンデンサ、4P,4N インバータ、10 時間・デジタル変換器、11 エンコーダ、20,21 変換回路、25 VI変換器、30 歪み補正回路、31,32 補正回路、31A,31B,31C MOS差動回路、50 残差発生回路、60 エンコーダ、100 アナログ・デジタル変換器、DP,DN ノード、D1~D2遅延回路、FF1~FF2 フリップフロップ、MP1,MP2,MN1,MN2,MN3,MN1c,MN2c,MN4,MN3A,MN3B,MN4A,MN4B,MNI4,MNI5,MNI6,MNI7,MNI8,MNI9,MNI10,MNI11,MNI12 MOSトランジスタ、RI1,RI2,RI3,RI4,RI5,RI6 抵抗、IP1~IP2k-1 補間回路 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1A' voltage/time converter, 2P, 2N power supply voltage terminal, 3P, 3N capacitor, 4P, 4N inverter, 10 time/digital converter, 11 encoder, 20, 21 conversion circuit , 25 VI converter, 30 distortion correction circuit, 31, 32 correction circuit, 31A, 31B, 31C MOS differential circuit, 50 residual generation circuit, 60 encoder, 100 analog/digital converter, DP, DN nodes, D1- D2 k delay circuits, FF1-FF2 k flip-flops, MP1, MP2, MN1, MN2, MN3, MN1c, MN2c, MN4, MN3A, MN3B, MN4A, MN4B, MNI4, MNI5, MNI6, MNI7, MNI8, MNI9, MNI10, MNI11, MNI12 MOS transistors, RI1, RI2, RI3, RI4, RI5, RI6 resistors, IP1 to IP2 k-1 interpolation circuits

Claims (10)

差動電圧信号をゲート電圧として入力し、該差動電圧信号の大きさに応じた時間出力を示す一対のパルス電圧信号に変換する第1のMOS差動回路を備える変換回路と、
前記変換回路における前記差動電圧信号から前記一対のパルス電圧信号への変換が線形性を保つように、前記差動電圧信号に基づいて、前記一対のパルス電圧信号に対応する電流として前記第1のMOS差動回路から出力される一対の電流を補正する補正回路と、
を備える電圧・時間変換器。
a conversion circuit comprising a first MOS differential circuit for inputting a differential voltage signal as a gate voltage and converting it into a pair of pulse voltage signals indicating a time output corresponding to the magnitude of the differential voltage signal;
The first current corresponding to the pair of pulse voltage signals is based on the differential voltage signal so that the conversion from the differential voltage signal to the pair of pulse voltage signals in the conversion circuit maintains linearity. a correction circuit that corrects a pair of currents output from the MOS differential circuits of
A voltage-to-time converter with
前記補正回路は、
前記一対の電流にそれぞれ補正電流を加えることにより、前記一対のパルス電圧信号に含まれる前記差動電圧信号の高次成分を除去する第2のMOS差動回路を備える歪み補正回路である、
請求項1に記載の電圧・時間変換器。
The correction circuit is
A distortion correction circuit comprising a second MOS differential circuit that removes high-order components of the differential voltage signal contained in the pair of pulse voltage signals by adding correction currents to the pair of currents, respectively.
Voltage-time converter according to claim 1.
前記第1のMOS差動回路と前記第2のMOS差動回路とで、入力する前記差動電圧信号の極性が逆であり、
前記第1のMOS差動回路において前記差動電圧信号を入力するCMOSの利得係数βと、前記第2のMOS差動回路において前記差動電圧信号を入力するCMOSの利得係数βcとの関係が、
βc=(3-2√2)β
を満たす、
請求項2に記載の電圧・時間変換器。
polarities of the input differential voltage signals are opposite between the first MOS differential circuit and the second MOS differential circuit;
The relationship between the gain coefficient β of the CMOS inputting the differential voltage signal in the first MOS differential circuit and the gain coefficient βc of the CMOS inputting the differential voltage signal in the second MOS differential circuit is ,
βc=(3−2√2)β
satisfy the
3. Voltage-time converter according to claim 2.
前記第2のMOS差動回路に入力する2つのゲート電圧を一定の電圧とし、
前記第1のMOS差動回路において前記差動電圧信号を入力するCMOSの利得係数βと、
前記第2のMOS差動回路において前記2つのゲート電圧を入力するCMOSの利得係数βcとの関係が、
βc=β
を満たし、
前記第1のMOS差動回路に入力される前記差動電圧信号のコモンレベルVcomと、
前記第2のMOS差動回路に入力される前記2つのゲート電圧のコモンレベルVcとの関係が、
Vcom=Vc
を満たす、
請求項2に記載の電圧・時間変換器。
Two gate voltages input to the second MOS differential circuit are constant voltages,
a CMOS gain coefficient β for inputting the differential voltage signal in the first MOS differential circuit;
The relationship between the gain coefficient βc of the CMOS to which the two gate voltages are input in the second MOS differential circuit is
βc = β
The filling,
a common level Vcom of the differential voltage signal input to the first MOS differential circuit;
The relationship between the two gate voltages input to the second MOS differential circuit and the common level Vc is
Vcom = Vc
satisfy the
3. Voltage-time converter according to claim 2.
前記第2のMOS差動回路へ入力される前記2つのゲート電圧の正側電圧と負側電圧との間に、前記一対のパルス電圧信号に含まれるオフセット成分を打ち消すオフセットを与える、
請求項4に記載の電圧・時間変換器。
providing an offset between the positive side voltage and the negative side voltage of the two gate voltages input to the second MOS differential circuit to cancel offset components contained in the pair of pulse voltage signals;
5. Voltage-time converter according to claim 4.
前記変換回路は、
前記第1のMOS差動回路に一対の抵抗を挿入することにより、前記差動電圧信号に比例して増加する前記一対の電流を出力し、
前記補正回路は、
前記一対の電流にそれぞれ補正電流を加えることにより、前記差動電圧信号と前記一対のパルス電圧信号に対応する電流との伝達関数を、理想的な伝達関数に折れ線近似する、
請求項1に記載の電圧・時間変換器。
The conversion circuit is
inserting a pair of resistors into the first MOS differential circuit to output the pair of currents that increase in proportion to the differential voltage signal;
The correction circuit is
By adding a correction current to each of the pair of currents, the transfer function between the differential voltage signal and the current corresponding to the pair of pulse voltage signals is linearly approximated to an ideal transfer function.
Voltage-time converter according to claim 1.
前記補正回路は、
前記差動電圧信号をゲート電圧として入力し、一対の抵抗が挿入され、前記差動電圧信号に比例して増加する前記補正電流を出力する少なくとも1つの第3のMOS差動回路を備える、
請求項6に記載の電圧・時間変換器。
The correction circuit is
at least one third MOS differential circuit that receives the differential voltage signal as a gate voltage, has a pair of resistors inserted therein, and outputs the correction current that increases in proportion to the differential voltage signal;
Voltage-time converter according to claim 6.
前記補正回路は、
一定の電圧をゲート電圧として入力し、一定の電流を前記補正電流として出力する第4のMOS差動回路を備える、
請求項6に記載の電圧・時間変換器。
The correction circuit is
A fourth MOS differential circuit that inputs a constant voltage as a gate voltage and outputs a constant current as the correction current,
Voltage-time converter according to claim 6.
ゲート電圧を入力する一対のCMOSのソース端子が分離されて、各々のソース端子にクロック信号により制御される別のCMOSが接続されている、
請求項1から8のいずれか一項に記載の電圧・時間変換器。
A pair of CMOS source terminals for inputting a gate voltage are separated, and another CMOS controlled by a clock signal is connected to each source terminal.
Voltage-time converter according to any one of claims 1 to 8.
入力した差動電圧信号を、n(nは自然数)ビットのデジタル信号のうちの上位m(mはnより少ない自然数)ビットの上位デジタル信号に変換する上位AD変換器と、
前記差動電圧信号と、前記上位AD変換器から出力された上位デジタル信号とに基づいて、前記差動電圧信号の残差信号を発生させる残差発生回路と、
前記残差信号を、nビットのデジタル信号のうちの下位n-mビットの下位デジタル信号に変換する下位AD変換器と、
前記上位デジタル信号と、前記下位デジタル信号とを合成して、nビットのデジタル信号として出力する合成器と、
を備え、
前記上位AD変換器及び前記下位AD変換器の少なくとも一方が、請求項1から9のいずれか一項に記載の電圧・時間変換器を備えている、
アナログ・デジタル変換器。
an upper AD converter that converts an input differential voltage signal into an upper m (m is a natural number smaller than n) bit digital signal of an n (n is a natural number) bit digital signal;
a residual generating circuit for generating a residual signal of the differential voltage signal based on the differential voltage signal and the high-order digital signal output from the high-order AD converter;
a low-order AD converter that converts the residual signal into a low-order n−m-bit low-order digital signal of the n-bit digital signal;
a synthesizer that synthesizes the high-order digital signal and the low-order digital signal and outputs an n-bit digital signal;
with
At least one of the high-order AD converter and the low-order AD converter comprises the voltage/time converter according to any one of claims 1 to 9,
Analog-to-digital converter.
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