JPH1188172A - アナログ−デジタル変換回路 - Google Patents
アナログ−デジタル変換回路Info
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- JPH1188172A JPH1188172A JP23981097A JP23981097A JPH1188172A JP H1188172 A JPH1188172 A JP H1188172A JP 23981097 A JP23981097 A JP 23981097A JP 23981097 A JP23981097 A JP 23981097A JP H1188172 A JPH1188172 A JP H1188172A
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Abstract
れたアナログ−デジタル変換回路を提供することであ
る。 【解決手段】 多段パイプライン構成を有するアナログ
−デジタル変換回路1において、各段の回路3〜5に複
数段の演算増幅器11a,13または11,13が設け
られる。各段の回路3〜5において、前段の回路から出
力されるアナログ入力信号は、前段側の演算増幅器11
a,11に与えられるとともに、サブA/Dコンバータ
9に与えられる。サブA/Dコンバータ9のA/D変換
結果は、D/Aコンバータ10に与えられる。減算回路
12は、前段側の演算増幅器11a,11の出力とD/
Aコンバータ10のD/A変換結果とを減算する。後段
側の演算増幅器13は、減算回路12の出力を増幅し、
次段の回路に与える。
Description
(ステップフラッシュ)構成を有するアナログ−デジタ
ル変換回路に関する。
進歩に伴い、ビデオ信号処理用のアナログ−デジタル変
換回路(A/Dコンバータ)の需要が大きくなってい
る。ビデオ信号処理用のアナログ−デジタル変換回路に
は高速変換動作が要求されるため、従来、2ステップフ
ラッシュ(2ステップパラレル)方式が広く用いられて
いた。
テップフラッシュ方式では十分な変換精度が得られなく
なってきたため、多段パイプライン(ステップフラッシ
ュ)構成を有するアナログ−デジタル変換回路が開発さ
れた。
るアナログ−デジタル変換回路の構成を示すブロック図
である。図7のアナログ−デジタル変換回路は、10ビ
ット4段パイプライン構成を有する。
路101は、サンプルホールド回路102、1段目の回
路103、2段目の回路104、3段目の回路105、
4段目の回路106、複数のラッチ回路107および出
力回路108から構成されている。
05は、サブA/Dコンバータ109、D/Aコンバー
タ110、および差分増幅器111を備える。4段目
(最終段)の回路106はサブA/Dコンバータ109
のみを備える。
4段目の回路104〜106はそれぞれ2ビット構成で
ある。1〜3段目の回路103〜105において、サブ
A/Dコンバータ109およびD/Aコンバータ110
のビット数(ビット構成)は同じに設定されている。
の動作を説明する。サンプルホールド回路102は、ア
ナログ入力信号Vinをサンプリングして一定時間保持す
る。サンプルホールド回路102から出力されたアナロ
グ入力信号Vinは、1段目の回路103へ転送される。
バータ109はアナログ入力信号Vinに対してA/D変
換を行う。サブA/Dコンバータ109のA/D変換結
果である上位4ビットのデジタル出力(29 ,28 ,2
7 ,26 )は、D/Aコンバータ110へ転送されると
ともに、4つのラッチ回路107を介して出力回路10
8へ転送される。差分増幅器111は、D/Aコンバー
タ110のD/A変換結果とアナログ入力信号Vinとの
差分を増幅する。その差分増幅器111の出力は2段目
の回路104へ転送される。
回路103の差分増幅器111の出力に対して、1段目
の回路103と同様の動作が行われる。また、3段目の
回路105においては、2段目の回路104の差分増幅
器111の出力に対して、1段目の回路103と同様の
動作が行われる。そして、2段目の回路104から中上
位2ビットのデジタル出力(25 ,24 )が得られ、3
段目の回路105から中下位2ビットのデジタル出力
(23 ,22 )が得られる。
回路105の差分増幅器111の出力に対して、サブA
/Dコンバータ109がA/D変換を行い、下位2ビッ
トのデジタル出力(21 ,20 )が得られる。
ル出力は各ラッチ回路107を経て同時に出力回路10
8に到達する。すなわち、各ラッチ回路107は各回路
103〜106のデジタル出力の同期をとるために設け
られている。
10ビットのデジタル出力Dout を必要な場合はデジタ
ル補正処理後パラレル出力する。
101においては、各段の回路103〜105におい
て、アナログ入力信号Vinまたは前段の回路103,1
04の差分増幅器111の出力と、その段の回路103
〜105のデジタル出力のD/A変換結果との差分が差
分増幅器111によって増幅される。
が小さくなっても、サブA/Dコンバータ109を構成
する各コンパレータの分解能を実質的に向上させること
が可能になり、十分な変換精度が得られる。
化に伴ってアナログ−デジタル変換器にも変換速度のさ
らなる高速化が要求されている。上記の従来のアナログ
−デジタル変換回路において、変換速度をさらに高速化
するためには、差分増幅器111を構成する演算増幅器
のGB積(利得帯域幅積)を大きくする必要がある。し
かしながら、演算増幅器のGB積の改良には限界があ
る。したがって、アナログ−デジタル変換回路の変換速
度をさらに高速化することは困難となる。
変換速度が高速化されたアナログ−デジタル変換回路を
提供することである。
段の回路からなる構成を有し、各段の回路がアナログ−
デジタル変換器、デジタル−アナログ変換器、減算回路
および複数段に設けられた演算増幅器を含むものであ
る。
においては、各段の回路の演算増幅器が複数段に設けら
れているので、1段当たりの演算増幅器のループ定数を
低減することができ、かつ1段当たりの演算増幅器の負
荷容量が低減する。それにより、各演算増幅器の限界動
作周波数が高くなる。その結果、各演算増幅器の性能を
向上させることなく、高い変換精度を保ちつつ、変換速
度を高速化することが可能となる。
段の回路からなる多段パイプライン構成を有し、各段の
回路がアナログ−デジタル変換器、デジタル−アナログ
変換器、減算回路および複数段に設けられた演算増幅器
を含むものである。
においては、各段の回路の演算増幅器が複数段に設けら
れているので、1段当たりの演算増幅器のループ定数を
低減することができ、かつ1段当たりの演算増幅器の負
荷容量が低減する。それにより、各演算増幅器の限界動
作周波数が高くなる。その結果、各演算増幅器の性能を
向上させることなく、高い変換精度を保ちつつ、変換速
度を高速化することが可能となる。
または第2の発明に係るアナログ−デジタル変換回路の
構成において、少なくとも2段目以降の回路内の複数段
に設けられた演算増幅器の各段の利得がそれぞれ1を越
えるように設定されたものである。
得を保ちつつ、1段当たりの演算増幅器の利得を小さく
することが可能となる。
1、第2または第3の発明に係るアナログ−デジタル変
換回路の構成において、各段の回路内の複数段の演算増
幅器のうち前段側の演算増幅器の出力が同じ段の回路内
の減算回路に与えられ、後段側の演算増幅器の出力が次
段の回路内のアナログ−デジタル変換器および演算増幅
器に与えられるものである。
算増幅器による増幅動作およびアナログ−デジタル変換
器によるアナログ−デジタル変換動作とを並行して行う
ことが可能となる。それにより、各段の回路におけるア
ナログ−デジタル変換動作、デジタル−アナログ変換動
作および増幅動作を1クロック内で実現することが可能
となる。その結果、各段の回路内におけるアナログ−デ
ジタル変換器によるアナログ−デジタル変換動作および
デジタル−アナログ変換器によるデジタル−アナログ変
換動作のタイミングが緩和される。
段の回路からなる多段パイプライン構成を有し、最終段
を除く各段の回路が、前段の回路から与えられるアナロ
グ信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変
換器と、前段の回路から与えられるアナログ信号を増幅
する少なくとも1つの第1の演算増幅器と、アナログ−
デジタル変換器から出力されるデジタル信号をアナログ
信号に変換するデジタル−アナログ変換器と、第1の演
算増幅器から出力されるアナログ信号とデジタル−アナ
ログ変換器から出力されるアナログ信号との減算を行う
減算回路と、減算回路から出力されるアナログ信号を増
幅する少なくとも1つの第2の演算増幅器とを含むもの
である。
においては、各段の回路が少なくとも1つの第1の演算
増幅器および少なくとも1つの第2の演算増幅器を含む
ので、1段当たりの演算増幅器のループ定数を低減する
ことができ、かつ1段当たりの演算増幅器の負荷容量が
低減する。それにより、各演算増幅器の限界動作周波数
が高くなる。その結果、各演算増幅器そのものの性能を
向上させることなく、高い変換精度を保ちつつ、変換動
作を高速化することが可能となる。
幅器による増幅動作とアナログ−デジタル変換器による
アナログ−デジタル変換動作とを並行して行うことが可
能となる。それにより、各段の回路におけるアナログ−
デジタル変換動作、デジタル−アナログ変換動作および
増幅動作を1クロック内で実現することが可能となる。
その結果、各段の回路内におけるアナログ−デジタル変
換器によるアナログ−デジタル変換動作およびデジタル
−アナログ変換器におけるデジタル−アナログ変換動作
のタイミングが緩和される。
発明に係るアナログ−デジタル変換器の構成において、
初段の回路内の第1の演算増幅器の利得が1以上である
ことを特徴とする。
得が1の場合には、第1の演算増幅器はサンプルホール
ド動作を行う。また、初段の回路における第1の演算増
幅器の利得が1よりも大きい場合には、第1の演算増幅
器は増幅動作を行う。
または第6の発明に係るアナログ−デジタル変換回路の
構成において、最終段の回路が、前段の回路から与えら
れるアナログ信号をデジタル信号に変換するアナログ−
デジタル変換器を含むものである。
タル変換器によりデジタル出力の下位ビットが得られ
る。
5、第6または第7の発明に係るアナログ−デジタル変
換回路の構成において、初段の回路におけるビット構成
が2段以降の回路におけるビット構成よりも2ビット以
上大きく設定され、2段から最終段の回路におけるビッ
ト構成が均等分割されたものである。
つ、変換動作を高速化することが可能となる。
アナログ−デジタル変換回路の構成を示すブロック図で
ある。図1のアナログ−デジタル変換回路1は、10ビ
ット4段パイプライン構成を有する。
路1は、サンプルホールド回路、1段目〜4段目の回路
3〜6、複数のラッチ回路7および出力回路8から構成
されている。
ンバータ9、D/Aコンバータ10、演算増幅器11
a、減算回路12および演算増幅器13を備える。2段
目および3段目の回路4,5は、サブA/Dコンバータ
9、D/Aコンバータ10、演算増幅器11、減算回路
12および演算増幅器13を備える。
内の演算増幅器11aは、利得1を有し、サンプルホー
ルド回路として働く。1段目の回路3内の演算増幅器1
3および2段目および3段目の回路4,5内の演算増幅
器11,13の利得は2である。4段目(最終段)の回
路6は、サブA/Dコンバータ9のみを備える。
目の回路4〜6はそれぞれ2ビット構成である。1〜3
段目の回路3〜5において、サブA/Dコンバータ9お
よびD/Aコンバータ10のビット数(ビット構成)は
同じに設定されている。
1の動作を説明する。サンプルホールド回路2は、アナ
ログ入力信号Vinをサンプリングして一定時間保持す
る。サンプルホールド回路2から出力されたアナログ入
力信号Vinは、1段目の回路3へ転送される。
バータ9は、アナログ入力信号Vinに対してA/D変換
を行う。サブA/Dコンバータ9のA/D変換結果であ
る上位4ビットのデジタル出力(29 ,28 ,27 ,2
6 )は、D/Aコンバータ10へ転送されるとともに、
4つのラッチ回路7を介して出力回路8へ転送される。
D/Aコンバータ10は、サブA/Dコンバータ9のA
/D変換結果である上位4ビットのデジタル出力をアナ
ログ信号に変換する。
信号Vinをサンプリングして一定時間保持する。減算回
路12は、演算増幅器11aから出力されたアナログ入
力信号VinとD/Aコンバータ10のD/A変換結果と
を減算する。演算増幅器13は、減算回路12の出力を
増幅する。演算増幅器13の出力は、2段目の回路4へ
転送される。
バータ9が、1段目の回路3の演算増幅器13の出力に
対してA/D変換を行う。サブA/Dコンバータ9のA
/D変換結果は、D/Aコンバータ10へ転送されると
ともに、3つのラッチ回路7を介して出力回路8へ転送
される。これにより、2段目の回路4から中上位2ビッ
トのデジタル出力(25 ,24 )が得られる。
の演算増幅器13の出力を増幅する。減算回路12は、
演算増幅器11の出力とD/Aコンバータ10のD/A
変換結果とを減算する。演算増幅器13は、減算回路1
2の出力を増幅する。演算増幅器13の出力は、3段目
の回路5へ転送される。
3の演算増幅器13の出力に対して2段目の回路4と同
様の動作が行われる。それにより、3段目の回路5から
中下位2ビットのデジタル出力(23 ,22 )が得られ
る。
5の演算増幅器13の出力に対してサブA/Dコンバー
タ9がA/D変換を行い、下位2ビットのデジタル出力
(2 1 ,20 )が得られる。
力は、各ラッチ回路7を経て同時に出力回路8に到達す
る。すなわち、各ラッチ回路7は各回路3〜6のデジタ
ル出力の同期をとるために設けられている。
0ビットのデジタル出力Dout を必要な場合はデジタル
補正処理後パラレル出力する。
路における変換速度を比較例のアナログ−デジタル変換
回路の変換速度と比較して説明する。実施例のアナログ
−デジタル変換回路は図1の構成を有し、比較例のアナ
ログ−デジタル変換回路は図7の構成を有する。
路の主要部の構成を示すブロック図、図3は図2のアナ
ログ−デジタル変換回路における動作タイミングを示す
波形図である。また、図4は比較例のアナログ−デジタ
ル変換回路の主要部の構成を示すブロック図、図5は図
4のアナログ−デジタル変換回路における動作タイミン
グを示す波形図である。
換回路において、1段目の回路3内の演算増幅器11a
ループ定数は1に設定され、演算増幅器13のループ定
数は2に設定され、2段目および3段目の回路4,5内
の演算増幅器11,13のループ定数は2に設定されて
いる。
バータ9のビット数(ビット構成)は4ビットであり、
2段目〜4段目の回路4〜6内のサブA/Dコンバータ
9のビット数(ビット構成)は2ビットである。
換回路において、1段目〜3段目の回路103〜105
内の減算回路112および演算増幅器113が図7の差
分増幅器111を構成する。1段目〜3段目の回路10
3〜105内の演算増幅器113のループ定数はそれぞ
れ4に設定されている。
コンバータ109のビット数(ビット構成)は4ビット
であり、2段目〜4段目の回路104〜106内のサブ
A/Dコンバータ109のビット数(ビット構成)は2
ビットである。
ル変換回路の限界動作周波数fSYSは各演算増幅器のル
ープ周波数fLOOPを用いて次式のように決定される。
周波数であり、Aiは各演算増幅器のループ定数であ
り、1/2は動作マージンである。
回路の限界動作周波数fSYS を高くするためには、ルー
プ定数Aiを小さくする必要がある。
いては、ループ定数Ai=4としている。この場合、限
界動作周波数fSYS を20MHzにするためには、演算
増幅器のGB積周波数fOPが160MHz以上必要とな
る。
は、各段の回路3〜5に複数段の演算増幅器11a,1
3または11,13が設けられているので、回路1段当
たりの利得を変えずに演算増幅器11a,11,13の
ループ定数Aiを下げることができる。
内の演算増幅器11aのループ定数Aiを1とし、演算
増幅器13のループ定数Aiを2とし、2段目および3
段目の回路4,5内の演算増幅器11,13のループ定
数Aiを2としている。
は、演算増幅器の限界速度(GB積)は、次式のように
なる。
ンスである。上式から、相互コンダクタンスgmが一定
であるとすると、演算増幅器の限界速度(GB積)は負
荷容量CLに依存する。
ジタル変換回路に用いられる演算増幅器の主要部の構成
を示す。図6に示すように、演算増幅器200の反転入
力端子にコンデンサ201が接続され、かつ出力端子が
コンデンサ202を介して反転入力端子に接続されてい
る。
ンデンサ202の容量値をCとする。コンデンサ201
の入力端に入力電圧変化Vi が与えられた場合、出力電
圧変化ΔVO は次式のようになる。
容量が大きくなる。すなわち、各段の演算増幅器の利得
Kを小さくすると、次段の演算増幅器の入力容量が小さ
くなり、各段の演算増幅器の負荷容量が低減される。
いては、各演算増幅器11,13のループ定数Aiが比
較例のアナログ−デジタル変換回路における演算増幅器
113の半分となっているので、各演算増幅器11a,
11,13の負荷容量は2分の1となる。
器を用いた場合、演算増幅器11a,11,13の限界
GB積周波数fOPMAX は320MHzとなる。したがっ
て、ループ周波数fLOOPは160MHzとなり、限界動
作周波数fSYS は80MHzとなる。
ジタル変換回路における速度性能を示す。
界動作周波数fSYS が80MHzとなり、比較例の20
MHzの4倍となっている。したがって、実施例のアナ
ログ−デジタル変換回路では、比較例のアナログ−デジ
タル変換回路の4倍の変換速度が得られる。
は、図3に示すように、80MHzのクロック信号CL
Kに同期して各動作が行われる。これに対して、比較例
のアナログ−デジタル変換回路では、図5に示すよう
に、20MHzのクロック信号CLKに同期して各動作
が行われる。
は、図5に破線で示すように、例えば2段目の回路10
4内において、サブA/Dコンバータ109によるA/
D変換動作、D/Aコンバータ110によるD/A変換
動作および演算増幅器113による増幅および保持動作
が1/2クロック内で実行される。
路においては、図3に破線で示すように、例えば2段目
の回路4内において、サブA/Dコンバータ9によるA
/D変換動作および演算増幅器11による増幅および保
持動作が同じタイミングで行われ、D/Aコンバータ1
0によるD/A変換動作および演算増幅器13による増
幅および保持動作が同じタイミングで行われる。
D変換動作、D/Aコンバータ10によるD/A変換動
作および演算増幅器11,13による増幅および保持動
作が1クロック内で実行される。したがって、サブA/
Dコンバータ9およびD/Aコンバータ10のタイミン
グが緩和される。
ル変換回路においては、各段の回路3〜5内に2段の演
算増幅器11a,13または11,13が設けられてい
るので、各演算増幅器11a,11,13のループ定数
を低減することができ、かつ各演算増幅器11a,1
1,13の負荷容量が低減される。その結果、各演算増
幅器11a,11,13の性能を向上させることなく、
変換速度を高速化することが可能となる。
4ビットに構成され、2段から最終段の回路4〜6のビ
ット構成が2ビットずつに均等分割され、4−2−2−
2構成が採用されているので、高い変換精度が得られる
(例えば特開平9−69776号公報参照)。
算増幅器11aの利得が1となっているが、演算増幅器
11aの利得を他の演算増幅器11と同様に2としても
よい。
において、2段の演算増幅器11a,13または11,
13が設けられているが、各段の回路に3段以上の演算
増幅器を設けてもよい。
変換回路の構成を示すブロック図である。
の構成を示すブロック図である。
作タイミングを示す波形図である。
の構成を示すブロック図である。
作タイミングを示す波形図である。
回路における演算増幅器の主要部の構成を示す回路図で
ある。
すブロック図である。
Claims (8)
- 【請求項1】 複数段の回路からなる構成を有し、各段
の回路はアナログ−デジタル変換器、デジタル−アナロ
グ変換器、減算回路および複数段に設けられた演算増幅
器を含むことを特徴とするアナログ−デジタル変換回
路。 - 【請求項2】 複数段の回路からなる多段パイプライン
構成を有し、各段の回路はアナログ−デジタル変換器、
デジタル−アナログ変換器、減算回路および複数段に設
けられた演算増幅器を含むことを特徴とするアナログ−
デジタル変換回路。 - 【請求項3】 少なくとも2段目以降の回路内の前記複
数段に設けられた演算増幅器の各段の利得がそれぞれ1
を越えるように設定されたことを特徴とする請求項1ま
たは2記載のアナログ−デジタル変換回路。 - 【請求項4】 各段の回路内の複数段の演算増幅器のう
ち前段側の演算増幅器の出力が同じ段の回路内の減算回
路に与えられ、後段側の演算増幅器の出力が次段の回路
内のアナログ−デジタル変換器および演算増幅器に与え
られることを特徴とする請求項1、2または3記載のア
ナログ−デジタル変換器。 - 【請求項5】 複数段の回路からなる多段パイプライン
構成を有し、 最終段の回路を除く各段の回路は、 前段の回路から与えられるアナログ信号をデジタル信号
に変換するアナログ−デジタル変換器と、 前段の回路から与えられる前記アナログ信号を増幅する
少なくとも1段の第1の演算増幅器と、 前記アナログ−デジタル変換器から出力されるデジタル
信号をアナログ信号に変換するデジタル−アナログ変換
器と、 前記第1の演算増幅器から出力されるアナログ信号と前
記デジタル−アナログ変換器から出力されるアナログ信
号との減算を行う減算回路と、 前記減算回路から出力されるアナログ信号を増幅する少
なくとも1段の第2の演算増幅器とを含むことを特徴と
するアナログ−デジタル変換回路。 - 【請求項6】 初段の回路内の前記第1の演算増幅器の
利得は1以上であることを特徴とする請求項5記載のア
ナログ−デジタル変換回路。 - 【請求項7】 前記最終段の回路は、前段の回路から与
えられるアナログ信号をデジタル信号に変換するアナロ
グ−デジタル変換器を含むことを特徴とする請求項5ま
たは6記載のアナログ−デジタル変換回路。 - 【請求項8】 初段の回路におけるビット構成が2段以
降の回路におけるビット構成よりも2ビット以上大きく
設定され、2段の回路から最終段の回路までのビット構
成が均等分割されたことを特徴とする請求項3、4また
は5記載のアナログ−デジタル変換回路。
Priority Applications (3)
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---|---|---|---|
JP23981097A JP3384717B2 (ja) | 1997-09-04 | 1997-09-04 | アナログ−デジタル変換回路 |
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EP98307056A EP0901232A3 (en) | 1997-09-04 | 1998-09-02 | Voltage comparator, operational amplifier and analog-to-digital conversion circuit employing the same |
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JP23981097A JP3384717B2 (ja) | 1997-09-04 | 1997-09-04 | アナログ−デジタル変換回路 |
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