JP2005252498A - Analog/digital converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アナログデジタル変換器に関する。本発明は特に、アナログ信号を複数回に分けて変換するパイプライン型やサイクリック型のアナログデジタル変換器に関する。 The present invention relates to an analog-digital converter. In particular, the present invention relates to a pipeline-type or cyclic-type analog-digital converter that converts an analog signal divided into a plurality of times.
近年、携帯電話等の携帯機器に画像撮影機能、画像再生機能、動画撮影機能、および動画再生機能等、様々な付加機能が搭載されるようになってきている。これに伴い、アナログデジタル変換器(以下、「AD変換器」という。)の小型化、高精度化、高速化、省電力化の要求が高まっている。そうしたAD変換器の形態として、アナログ信号を複数回に分けて変換し、サイクリックステージを設けることにより小型化しているAD変換器が知られている(例えば、特許文献1参照)。
上記特許文献1の第1図において、前段ステージにはサンプル・ホールド回路S/H1および増幅機能を備えた減算回路SUB1が設けられており、後段ステージにはサンプル・ホールド回路S/H3、サンプル・ホールド回路S/H4および増幅機能を備えた減算回路SUB2が設けられている。これらの回路は、オペアンプを用いて構成されていると想定される。これらの回路を集積回路で構成した場合、その基板にはノイズ成分がのる場合がある。そのような場合、オペアンプに影響を与え、その特性が劣化する。このように、オペアンプの特性がノイズにより劣化すると、AD変換器全体の精度が低下してしまう。
In FIG. 1 of
本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、AD変換器の精度を向上させる点にある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to improve the accuracy of the AD converter.
本発明のある態様は、アナログデジタル変換器である。このアナログデジタル変換器は、入力アナログ信号を複数回に分けて複数ビットのデジタル信号に変換するものであり、複数の増幅回路を有し、該複数の増幅回路の内、精度が要求される増幅回路をノイズ源となる回路から離して配置した。 One embodiment of the present invention is an analog-digital converter. This analog-to-digital converter divides an input analog signal into a plurality of times and converts it into a multi-bit digital signal. The analog-digital converter has a plurality of amplifier circuits. The circuit was placed away from the circuit that was the source of noise.
複数回に分けて複数ビットのデジタル信号に変換するパイプライン型やサイクリック型やそれらの混合型のアナログデジタル変換器の複数の増幅回路は、均一に精度が要求される訳ではない。上位ビットに近い部分の増幅を行う増幅回路ほど高い精度が要求され、下位ビットに近づくほど精度の要求が緩くなっていく。本態様によれば、精度が要求される増幅回路ほどノイズ源となる回路から離して配置したことにより、ノイズ源となる回路からの距離をかせぎ、基板の抵抗成分や容量成分を利用したローパス効果によりノイズを減少させることができる。よって、その増幅回路の精度が高くなり、AD変換器全体の精度が向上する。なお、「増幅回路」には、1倍の増幅率、即ちサンプルホールド回路を含む。 A plurality of amplifier circuits of a pipeline type, a cyclic type, or a mixed type analog-digital converter that converts a plurality of times into a digital signal of multiple bits are not necessarily required to have uniform accuracy. An amplifier circuit that amplifies a portion close to the upper bits is required to have higher accuracy, and the closer to the lower bits, the lower the accuracy requirement. According to this aspect, the amplifier circuit that requires higher accuracy is arranged away from the circuit that becomes the noise source, thereby increasing the distance from the circuit that becomes the noise source, and the low-pass effect using the resistance component and the capacitance component of the substrate. Therefore, noise can be reduced. Therefore, the accuracy of the amplifier circuit is increased, and the accuracy of the entire AD converter is improved. The “amplifier circuit” includes a one-time amplification factor, that is, a sample hold circuit.
入力アナログ信号が最初に入力される増幅回路を、他の増幅回路よりノイズ源となる回路から離して配置するとよい。これによれば、最も大きな信号を扱う増幅回路の精度を向上させることができる。また、入力アナログ信号が伝達する順に、複数の増幅回路をノイズ源となる回路から離して配置するとよい。上位ビットの変換から下位ビットの変換に遷移するにつれて、構成素子の精度要求が低くなるが、増幅回路もそれに合わせた精度とすることができる。ここで、ノイズ源となる回路には、クロック信号を生成するクロック生成回路またはデジタル信号処理を行うデジタル回路が含まれる。特に、アナログ回路とデジタル回路を集積回路に混在させる場合、ノイズが発生するとアナログ回路は影響を受けやすい。クロック生成回路には大電流が流れるため、大きなノイズ源となる。よって、クロック生成回路から離れた増幅回路ほどノイズ特性がよくなる。 The amplifier circuit to which the input analog signal is first input may be arranged farther from the circuit that becomes a noise source than the other amplifier circuits. According to this, the accuracy of the amplifier circuit that handles the largest signal can be improved. In addition, a plurality of amplifier circuits may be arranged away from a circuit serving as a noise source in the order in which the input analog signals are transmitted. As the transition from the upper bit conversion to the lower bit conversion is made, the accuracy requirement of the constituent element is reduced, but the amplifier circuit can also be adjusted to the accuracy corresponding thereto. Here, the noise source circuit includes a clock generation circuit that generates a clock signal or a digital circuit that performs digital signal processing. In particular, when an analog circuit and a digital circuit are mixed in an integrated circuit, the analog circuit is easily affected when noise occurs. Since a large current flows through the clock generation circuit, it becomes a large noise source. Therefore, the noise characteristic is improved as the amplifier circuit is further away from the clock generation circuit.
入力されるアナログ信号を所定ビット数のデジタル値に変換するステージを複数有し、複数のステージの内の1以上のステージは、複数の増幅回路の内の1つの増幅回路を含み、この増幅回路は、入力されるアナログ信号と、自己のステージの変換デジタル値をアナログ値に変換した信号との差分を増幅し、自己のステージの入力にフィードバックするとよい。このように、1ステップ増幅のサイクリックステージを備える複数ステージからなるパイプライン型のAD変換器の増幅回路の配置を、上述した態様の配置にすることにより、このAD変換器全体の精度を向上させることができる。 A plurality of stages for converting an input analog signal into a digital value of a predetermined number of bits, and at least one of the plurality of stages includes an amplifier circuit of the plurality of amplifier circuits, and the amplifier circuit In this case, the difference between the input analog signal and the signal obtained by converting the converted digital value of its own stage into an analog value may be amplified and fed back to the input of its own stage. Thus, the accuracy of the entire AD converter is improved by arranging the arrangement of the amplifier circuit of the pipeline type AD converter composed of a plurality of stages including the cyclic stage of one-step amplification in the above-described manner. Can be made.
入力されるアナログ信号を所定ビット数のデジタル値に変換するステージを複数有し、複数のステージの内の1以上のステージは、複数の増幅回路の内の2つの増幅回路を含み、2つの増幅回路の内の第1増幅回路は、入力されるアナログ信号を所定の増幅率で増幅し、2つの増幅回路の内の第2増幅回路は、第1増幅回路の出力アナログ信号と、前記所定の増幅率と実質的に同一の増幅率で増幅された、自己のステージの変換デジタル値をアナログ値に変換した信号と、の差分を所定の増幅率で増幅し、自己のステージの入力にフィードバックするとよい。このように、2ステップ増幅のサイクリックステージを備える複数ステージからなるパイプライン型のAD変換器の増幅回路の配置を、上述した態様の配置にすることにより、このAD変換器全体の精度を向上させることができる。なお、「第1増幅回路」には、1倍の増幅率、即ちサンプルホールド回路を含む。 There are a plurality of stages for converting an input analog signal into a digital value of a predetermined number of bits, and at least one of the plurality of stages includes two amplification circuits of the plurality of amplification circuits, and two amplifications A first amplifier circuit in the circuit amplifies an input analog signal with a predetermined amplification factor, and a second amplifier circuit in the two amplifier circuits includes an output analog signal of the first amplifier circuit and the predetermined amplifier signal. When the difference between the converted digital value of the own stage and the analog value converted to the analog value is amplified at the same amplification factor as the amplification factor, and is fed back to the input of the own stage Good. As described above, the arrangement of the amplifier circuit of the pipeline type AD converter composed of a plurality of stages including the cyclic stage of the two-step amplification is arranged in the above-described manner, thereby improving the accuracy of the entire AD converter. Can be made. The “first amplifier circuit” includes a one-time amplification factor, that is, a sample hold circuit.
入力されるアナログ信号を所定ビット数のデジタル値に変換するAD変換回路と、AD変換回路の出力をアナログ信号に変換するDA変換回路と、複数の増幅回路の内の第1増幅回路は、入力されるアナログ信号を所定の増幅率で増幅し、複数の増幅回路の内の第2増幅回路は、第1増幅回路の出力アナログ信号と、所定の増幅率と実質的に同一の増幅率で増幅されたDA変換回路の出力アナログ信号との差分を所定の増幅率で増幅し、AD変換回路および第1増幅回路に出力するとよい。このように、サイクリック型のAD変換器の増幅回路の配置を、上述した態様の配置にすることにより、このAD変換器全体の精度を向上させることができる。なお、「第1増幅回路」には、1倍の増幅率、即ちサンプルホールド回路を含む。 An AD converter circuit that converts an input analog signal into a digital value having a predetermined number of bits, a DA converter circuit that converts an output of the AD converter circuit into an analog signal, and a first amplifier circuit among the plurality of amplifier circuits The analog signal to be amplified is amplified at a predetermined amplification factor, and the second amplification circuit among the plurality of amplification circuits amplifies the output analog signal of the first amplification circuit at an amplification factor substantially the same as the predetermined amplification factor. The difference between the output analog signal of the DA conversion circuit and the output analog signal may be amplified with a predetermined amplification factor and output to the AD conversion circuit and the first amplification circuit. As described above, by arranging the amplification circuit of the cyclic AD converter in the above-described manner, the accuracy of the entire AD converter can be improved. The “first amplifier circuit” includes a one-time amplification factor, that is, a sample hold circuit.
なお、以上の構成要素の任意の組合せや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。 Note that any combination of the above-described constituent elements, and those in which the constituent elements and expressions of the present invention are mutually replaced between methods, apparatuses, systems, and the like are also effective as an aspect of the present invention.
本発明によれば、複数の増幅回路を含むAD変換器の精度を向上させることができる。 According to the present invention, it is possible to improve the accuracy of an AD converter including a plurality of amplifier circuits.
(第1実施形態)
第1実施形態は、非サイクリック型の前段で4ビットを変換し、サイクリック型の後段で2ビットずつ変換し、後段が3周回することにより合計10ビットを出力するAD変換器の例である。
(First embodiment)
The first embodiment is an example of an AD converter that converts 4 bits at the preceding stage of the acyclic type, converts 2 bits at the subsequent stage of the cyclic type, and outputs a total of 10 bits by the third round of the subsequent stage. is there.
図1は、第1実施形態におけるAD変換器の構成を示す。このAD変換器において、まず、前段ステージについて説明する。入力アナログ信号Vinは、第1増幅回路11および第1AD変換回路12に入力される。第1AD変換回路12は、フラッシュ型のものであり、その分解能、即ち変換ビット数は4ビットである。第1AD変換回路12は、入力されるアナログ信号をデジタル値に変換し、上位4ビット(D9〜D6)を取り出し、図示しないエンコーダおよび第1DA変換回路13に出力する。第1DA変換回路13は、第1AD変換回路12により変換されたデジタル値をアナログ値に変換する。第1増幅回路11は、入力されたアナログ信号をサンプルホールドして所定のタイミングで第1減算回路14に出力する。第1増幅回路11は、アナログ信号を増幅せず、サンプルホールド回路として機能している。第1減算回路14は、第1増幅回路11の出力から、第1DA変換回路13の出力を減算する。第2増幅回路15は、第1減算回路14の出力を2倍に増幅する。なお、第1減算回路14および第2増幅回路15は、一体型の第1減算増幅回路16であってもよい。これによれば、回路を簡素化することができる。
FIG. 1 shows a configuration of an AD converter according to the first embodiment. In this AD converter, first, the preceding stage will be described. The input analog signal Vin is input to the
次に、後段ステージについて説明する。第1スイッチSW1および第2スイッチSW2は、交互にオンオフするスイッチである。第1スイッチSW1がオン、第2スイッチSW2がオフの状態において、前段ステージから第1スイッチSW1を介して入力されるアナログ信号は、第3増幅回路19および第2AD変換回路17に入力される。第2AD変換回路17も、フラッシュ型のものであり、その分解能、即ち冗長1ビットを含んだビット数は3ビットである。また、第2AD変換回路17を構成している電圧比較素子に供給されるリファレンス電圧は、第1AD変換回路12を構成している電圧比較素子に供給されるリファレンス電圧の1/2に設定される。第2AD変換回路17は、2ビット変換のため、第1AD変換回路12での変換後のアナログ信号を実質4(2の2乗)倍に増幅しなければならない。しかしながら、第2増幅回路15が2倍の増幅率であるため、リファレンス電圧を1/2にすることにより、調整している。第2AD変換回路17は、入力されるアナログ信号をデジタル値に変換し、上位から5,6ビット(D5〜D4)を取り出し、図示しないエンコーダおよび第2DA変換回路18に出力する。第2DA変換回路18は、第2AD変換回路17により変換されたデジタル値をアナログ値に変換する。
Next, the latter stage will be described. The first switch SW1 and the second switch SW2 are switches that are alternately turned on and off. When the first switch SW1 is on and the second switch SW2 is off, an analog signal input from the previous stage via the first switch SW1 is input to the
第3増幅回路19は、入力されたアナログ信号を2倍に増幅して、第2減算回路20に出力する。第2減算回路20は、第3増幅回路19の出力から、第2DA変換回路18の出力を減算して、第4増幅回路21に出力する。ここで、第2DA変換回路18の出力は、実質2倍に増幅されている。これは、第2AD変換回路17の基準電圧レンジと、第2DA変換回路18の基準電圧レンジとの比を1:2に設定すれば実現することができる。例えば、第2AD変換回路17の入力をシングルで行い、第2DA変換回路18の出力を差動で構成すれば、1:2に設定することができる。
The
第4増幅回路21は、第2減算回路20の出力を2倍に増幅する。この段階において、第1スイッチSW1がオフ、第2スイッチSW2がオンの状態に遷移している。第4増幅回路21において増幅されたアナログ信号は、第2スイッチSW2を介して第3増幅回路19および第2AD変換回路17へフィードバックされる。なお、第2減算回路20および第4増幅回路21は、一体型の第2減算増幅回路22を用いてもよい。以下、上記の処理が繰り返され、第2AD変換回路17は、上位から7,8ビット(D3〜D2)および上位から9,10ビット(D1〜D0)を取り出す。このようにして、10ビットのデジタル値を得ている。上位から5〜10ビットをサイクリック型の後段ステージにより得ている。
The
図2は、第1実施形態におけるAD変換器の動作過程を示すタイムチャートである。以下、図の上位から順に説明する。3つの信号波形は、第1クロック信号CLK1、第2クロック信号CLK2およびスイッチ信号CLKSWを示す。第1クロック信号CLK1は、第1増幅回路11、第2増幅回路15、第1AD変換回路12および第1DA変換回路13の動作を制御する。第2クロック信号CLK2は、第3増幅回路19、第4増幅回路21、第2AD変換回路17および第2DA変換回路18の動作を制御する。スイッチ信号CLKSWは、第1スイッチSW1および第2スイッチSW2のオンオフ制御を行う。
FIG. 2 is a time chart showing an operation process of the AD converter according to the first embodiment. Hereinafter, description will be made in order from the top of the figure. The three signal waveforms indicate the first clock signal CLK1, the second clock signal CLK2, and the switch signal CLKSW. The first clock signal CLK1 controls the operations of the
第2クロック信号CLK2の周波数は、第1クロック信号CLK1の周波数の3倍である。第2クロック信号CLK2は、第1クロック信号CLK1を基本にPLL等を用いて逓倍して生成してもよい。第2クロック信号CLK2は、その立ち上がりが第1クロック信号CLK1の立ち上がりと同期した後、次の2回目の立ち下がりが第1クロック信号CLK1の次の立ち下がりと同期し、さらに次の2回目の立ち上がりが第1クロック信号CLK1の次の立ち上がりと同期する。第2クロック信号CLK2の周波数は第1クロック信号CLK1の周波数の3倍であるため、後段ステージによる変換処理速度も前段ステージによる変換処理速度の3倍である。より上位ビットでの変換処理における減算や増幅等のアナログ処理の精度は全体の変換精度に大きく影響するため、これを担当する前段ステージほど高い精度が要求される。したがって、本実施形態の構成において、前段ステージほどには処理精度が要求されない後段ステージは、前段ステージの処理速度より、その変換処理速度を速めることが可能である。 The frequency of the second clock signal CLK2 is three times the frequency of the first clock signal CLK1. The second clock signal CLK2 may be generated by multiplying the first clock signal CLK1 using a PLL or the like based on the first clock signal CLK1. After the rise of the second clock signal CLK2 is synchronized with the rise of the first clock signal CLK1, the second fall of the second clock signal CLK2 is synchronized with the next fall of the first clock signal CLK1, and the next second time. The rising edge is synchronized with the next rising edge of the first clock signal CLK1. Since the frequency of the second clock signal CLK2 is three times the frequency of the first clock signal CLK1, the conversion processing speed by the subsequent stage is also three times the conversion processing speed by the previous stage. Since the accuracy of analog processing such as subtraction and amplification in conversion processing with higher bits greatly affects the overall conversion accuracy, higher accuracy is required for the previous stage responsible for this. Therefore, in the configuration of the present embodiment, the conversion processing speed of the subsequent stage, which does not require processing accuracy as much as the previous stage, can be increased from the processing speed of the previous stage.
第1増幅回路11および第1AD変換回路12は、第1クロック信号CLK1の立ち上がりエッジで、入力アナログ信号Vinをサンプルする。第1増幅回路11は、第1クロック信号CLK1がHiのときにサンプルしたアナログ信号をホールドし、第1クロック信号CLK1がLoのときにオートゼロ動作をする。第2増幅回路15は、第1クロック信号CLK1の立ち下がりエッジで、入力されるアナログ信号をサンプルする。第1クロック信号CLK1がLoのときにサンプルしたアナログ信号を増幅して、第3増幅回路19および第2AD変換回路17に出力し、第1クロック信号CLK1がHiのときにオートゼロ動作をする。第1AD変換回路12は、第1クロック信号CLK1がHiのときに変換動作をしてデジタル値D9〜D6を出力し、第1クロック信号CLK1がLoのときにオートゼロ動作をする。第1DA変換回路13は、第1クロック信号CLK1がLoのときに変換確定データを保持し、第1クロック信号CLK1がHiのときは不定状態となる。
The
第1スイッチSW1は、スイッチ信号CLKSWがHiのときにオンされ、スイッチ信号CLKSWがLoのときにオフされる。第2スイッチSW2は、スイッチ信号CLKSWがLoのときにオンされ、スイッチ信号CLKSWがHiのときにオフされる。 The first switch SW1 is turned on when the switch signal CLKSW is Hi, and is turned off when the switch signal CLKSW is Lo. The second switch SW2 is turned on when the switch signal CLKSW is Lo, and is turned off when the switch signal CLKSW is Hi.
第3増幅回路19および第2AD変換回路17は、第2クロック信号CLK2の立ち上がりエッジで、入力されるアナログ信号をサンプルする。第3増幅回路19は、第2クロック信号CLK2がHiのときにサンプルしたアナログ信号を増幅し、第2クロック信号CLK2がLoのときにオートゼロ動作をする。第2AD変換回路17が最下位ビットD1〜0を変換する期間は、増幅しない。第4増幅回路21は、第2クロック信号CLK2の立ち下がりエッジで、入力されるアナログ信号をサンプルする。第2クロック信号CLK2がLoのときにサンプルしたアナログ信号を増幅し、第2クロック信号CLK2がHiのときにオートゼロ動作をする。第2AD変換回路17がD1〜D0を変換後の次の半クロック期間は、増幅を行わない。
The
第2AD変換回路17は、第2クロック信号CLK2がHiのときに変換動作をして冗長ビット分を除いて2ビットを出力し、第2クロック信号CLK2がLoのときにオートゼロ動作をする。第2DA変換回路18は、第2クロック信号CLK2がLoのときに変換確定データを保持し、第2クロック信号CLK2がHiのときは不定状態となる。第2AD変換回路17の出力がD1〜D0のときは変換動作を行わない。
The second
第1増幅回路11、第2増幅回路15、第3増幅回路19、第4増幅回路21、第1AD変換回路12および第2AD変換回路17のオートゼロ期間は、入力される信号をサンプル中の状態である。図のように、第2AD変換回路17がD5〜D4およびD3〜D2を変換処理する間、第1AD変換回路12は次に入力された入力アナログ信号Vinを同時に変換処理する。こうしたパイプライン処理により、AD変換器全体としては第1クロック信号CLK1を基準として1周期に1回、10ビットのデジタル値を出力することができる。
In the auto-zero period of the
次に、第1増幅回路11、第2増幅回路15、第3増幅回路19および第4増幅回路21の詳細な構成について説明する。図3は、これらの増幅回路をシングルエンドのスイッチトキャパシタオペアンプで構成した場合を示す図である。図4は、スイッチトキャパシタオペアンプの動作を説明するためのタイムチャートである。図3において、オペアンプ100の反転入力端子には、入力用コンデンサC1が接続されており、Vin1用スイッチSW12を介して入力電圧Vin1が入力され、Vin2用スイッチSW13を介して入力電圧Vin2が入力される。なお、入力電圧Vin1は、入力アナログ信号Vinや前段から入力されるアナログ信号が該当し、入力電圧Vin2は、第1DA変換回路13および第2DA変換回路18の出力アナログ信号やリファレンス電圧が該当する。オペアンプ100の非反転入力端子は、オートゼロ電位に接続されている。オペアンプ100の出力端子と反転入力端子とは、帰還用コンデンサC2を介して接続されている。また、その外側にオートゼロ用スイッチSW11が接続され、オペアンプ100の出力端子と反転入力端子とが短絡可能な構成となっている。
Next, detailed configurations of the
次に、図4を参照しながら図3に示したシングルエンドのスイッチトキャパシタオペアンプの動作を説明する。まず、オートゼロ電位Vagにするため、オートゼロ用スイッチSW11をオンにする。この状態において、入力側ノードN1および出力側ノードN2は、共にオートゼロ電位Vagである。入力電圧Vin1をサンプルするため、Vin1用スイッチSW12をオンにし、Vin2用スイッチSW13をオフする。このとき、入力側ノードN1の電荷QAは次式(A1)のようになる。 Next, the operation of the single-ended switched capacitor operational amplifier shown in FIG. 3 will be described with reference to FIG. First, the auto-zero switch SW11 is turned on in order to set the auto-zero potential Vag. In this state, both the input side node N1 and the output side node N2 are at the auto-zero potential Vag. In order to sample the input voltage Vin1, the switch SW12 for Vin1 is turned on and the switch SW13 for Vin2 is turned off. At this time, the charge QA of the input side node N1 is expressed by the following equation (A1).
QA=C2(Vin1−Vag)…(A1) QA = C2 (Vin1-Vag) (A1)
次に、仮想接地して増幅するために、オートゼロ用スイッチSW11をオフにする。その後、入力電圧Vin2を減算するために、Vin1用スイッチSW12をオフにし、Vin2用スイッチSW13をオンにする。このとき、入力側ノードN1の電荷QBは次式(A2)のようになる。 Next, the auto-zero switch SW11 is turned off for virtual grounding and amplification. Thereafter, in order to subtract the input voltage Vin2, the Vin1 switch SW12 is turned off and the Vin2 switch SW13 is turned on. At this time, the charge QB of the input side node N1 is represented by the following equation (A2).
QB=C2(Vin2−Vag)+C1(Vout−Vag)…(A2) QB = C2 (Vin2-Vag) + C1 (Vout-Vag) (A2)
入力側ノードN1には電荷の抜け出る経路がないため、電荷保存則よりQA=QBとなり、次式(A3)が成立する。 Since the input node N1 does not have a path through which charges escape, QA = QB is obtained from the law of conservation of charge, and the following expression (A3) is established.
Vout=C2/C1(Vin1−Vin2)+(C1Vag)…(A3) Vout = C2 / C1 (Vin1-Vin2) + (C1Vag) (A3)
したがって、当該シングルエンドのスイッチトキャパシタオペアンプは、オートゼロ電位Vagが理想的に接地電位であれば、入力電圧Vin1と入力電圧Vin2との差分を、入力用コンデンサC1と帰還用コンデンサC2との容量比によって、増幅することができる。もちろん、オートゼロ電位Vagが接地電位でなくでも、その近似値を得ることができる。 Therefore, in the single-ended switched capacitor operational amplifier, if the auto-zero potential Vag is ideally the ground potential, the difference between the input voltage Vin1 and the input voltage Vin2 is determined by the capacitance ratio between the input capacitor C1 and the feedback capacitor C2. Can be amplified. Of course, even if the auto-zero potential Vag is not the ground potential, an approximate value can be obtained.
次に、オペアンプ100をCMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)プロセスで構成した例について説明する。図5は、シングルエンドにおけるオペアンプ100の差動増幅部分の等価回路を示す図である。オペアンプ100は、Pチャネル型MOS(Metal-Oxide Semiconductor)電界効果トランジスタ(以下、PMOSトランジスタと呼ぶ)M3,M4、Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ(以下、NMOSトランジスタと呼ぶ)M1,M2、および定電流源101を備える。
Next, an example in which the operational amplifier 100 is configured by a CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) process will be described. FIG. 5 is a diagram illustrating an equivalent circuit of a differential amplification portion of the operational amplifier 100 in a single end. The operational amplifier 100 includes P-channel MOS (Metal-Oxide Semiconductor) field effect transistors (hereinafter referred to as PMOS transistors) M3 and M4, N-channel MOS field effect transistors (hereinafter referred to as NMOS transistors) M1 and M2, A
1対のPMOSトランジスタM3,M4は、ドレインに電源電圧Vddが与えられ、ゲートにバイアス電圧が与えられる。1対のPMOSトランジスタM3,M4は、カレントミラー回路を構成しており、両方のソースに等しいドレイン電流が流れる。1対のNMOSトランジスタM1,M2は、ドレインがそれぞれ1対のPMOSトランジスタM3,M4に接続され、ソースが定電流源101に接続される。ゲートには差動入力IN1,IN2が与えられる。そして、PMOSトランジスタM4とNMOSトランジスタM2との接続点から出力OUTを得ている。NMOSトランジスタM1,M2およびPMOSトランジスタM3,M4の相互コンダクタンスおよび出力抵抗によりゲインが決まる。定電流源101には、NMOSトランジスタを使用することができる。当該NMOSトランジスタのゲートにはバイアス電圧が与えられ、飽和領域で動作する。
In the pair of PMOS transistors M3 and M4, the power supply voltage Vdd is applied to the drain and the bias voltage is applied to the gate. The pair of PMOS transistors M3 and M4 form a current mirror circuit, and an equal drain current flows through both sources. The pair of NMOS transistors M1 and M2 has drains connected to the pair of PMOS transistors M3 and M4, respectively, and sources connected to the constant
図6は、完全差動方式のスイッチトキャパシタオペアンプで構成した場合を示す図である。完全差動方式は、シングルエンド方式と比較し、ノイズ耐性があり、出力振幅も大きくとれる。図6において、オペアンプ110の非反転入力端子には、入力用コンデンサC1aが接続されており、Vin1用スイッチSW12aを介して入力電圧Vin1(+)が入力され、Vin2用スイッチSW13aを介して入力電圧Vin2(+)が入力される。オペアンプ110の反転入力端子には、入力用コンデンサC1bが接続されており、Vin1用スイッチSW12bを介して入力電圧Vin1(−)が入力され、Vin2用スイッチSW13bを介して入力電圧Vin2(−)が入力される。オペアンプ110の反転出力端子と非反転入力端子とは、帰還用コンデンサC2aを介して接続されている。オペアンプ110の非反転出力端子と反転入力端子とは、帰還用コンデンサC2bを介して接続されている。また、入力側ノードN1a,N1bおよび出力側ノードN2a,N2bには、オートゼロ用スイッチSW11a〜dが接続される。オートゼロ用スイッチSW11a〜dは同じタイミングで動作し、オン時には入力側ノードN1a,N1bおよび出力側ノードN2a,N2bの電位は、オートゼロ電位Vagとなる。
FIG. 6 is a diagram showing a case where a fully-differential switched capacitor operational amplifier is used. The fully differential method is more resistant to noise and has a larger output amplitude than the single-ended method. In FIG. 6, an input capacitor C1a is connected to the non-inverting input terminal of the
次に、図6の当該完全差動方式のスイッチトキャパシタオペアンプの動作を説明する。動作タイミングは、図4に示したタイミングと同様である。まず、オートゼロ電位Vagにするため、オートゼロ用スイッチSW11a〜dをオンにする。この状態において、入力側ノードN1a,bおよび出力側ノードN2a,bは、共にオートゼロ電位Vagである。入力電圧Vin1をサンプルするため、Vin1用スイッチSW12a,bをオンにし、Vin2用スイッチSW13a,bをオフする。このとき、入力側ノードN1aの電荷QAAは次式(A4)のようになり、入力側ノードN1bの電荷QABは次式(A5)のようになる。 Next, the operation of the fully differential switched capacitor operational amplifier of FIG. 6 will be described. The operation timing is the same as the timing shown in FIG. First, the auto zero switches SW11a to SW11d are turned on in order to set the auto zero potential Vag. In this state, the input side nodes N1a, b and the output side nodes N2a, b are both at auto-zero potential Vag. In order to sample the input voltage Vin1, the Vin1 switches SW12a and SW12b are turned on, and the Vin2 switches SW13a and SWb are turned off. At this time, the charge QAA of the input side node N1a is represented by the following equation (A4), and the charge QAB of the input side node N1b is represented by the following equation (A5).
QAA=C2{Vin1(+)−Vag}…(A4)
QAB=C2{Vin1(−)−Vag}…(A5)
QAA = C2 {Vin1 (+)-Vag} (A4)
QAB = C2 {Vin1 (−) − Vag} (A5)
次に、仮想接地状態にして増幅するために、オートゼロ用スイッチSW11a〜dをオフにする。その後、入力電圧Vin2を減算するために、Vin1用スイッチSW12a,bをオフにし、Vin2用スイッチSW13a,bをオンにする。このとき、入力側ノードN1aの電荷QBAは次式(A6)のようになり、入力側ノードN1bの電荷QBBは次式(A7)のようになる。 Next, the auto-zero switches SW11a to SW11d are turned off to amplify the virtual ground state. Thereafter, in order to subtract the input voltage Vin2, the Vin1 switches SW12a, b are turned off and the Vin2 switches SW13a, b are turned on. At this time, the charge QBA of the input side node N1a is represented by the following equation (A6), and the charge QBB of the input side node N1b is represented by the following equation (A7).
QBA=C2{Vin2(+)−Vag}+C1{Vout(+)−Vag}…(A6)
QBB=C2{Vin2(−)−Vag}+C1{Vout(−)−Vag}…(A7)
QBA = C2 {Vin2 (+) − Vag} + C1 {Vout (+) − Vag} (A6)
QBB = C2 {Vin2 (−) − Vag} + C1 {Vout (−) − Vag} (A7)
入力側ノードN1には電荷の抜け出る経路がないため、電荷保存則よりQAA=QBAおよびQAB=QBBとなり、次式(A8),(A9)が成立する。 Since the input side node N1 does not have a path through which charges escape, QAA = QBA and QAB = QBB are obtained from the charge conservation law, and the following expressions (A8) and (A9) are satisfied.
Vout(+)=C2/C1{Vin1(+)−Vin2(+)}+(C1Vag)…(A8)
Vout(−)=C2/C1{Vin1(−)−Vin2(−)}+(C1Vag)…(A9)
Vout (+) = C2 / C1 {Vin1 (+) − Vin2 (+)} + (C1Vag) (A8)
Vout (−) = C2 / C1 {Vin1 (−) − Vin2 (−)} + (C1Vag) (A9)
2つの出力側ノードN2a,N2bの差分電圧Voutは次式(A10)で表される。 The differential voltage Vout between the two output nodes N2a and N2b is expressed by the following equation (A10).
Vout=Vout(+)−Vout(−)=C2/C1[{Vin1(+)−Vin1(−)}−{Vin2(+)−Vin2(−)}]…(A10) Vout = Vout (+) − Vout (−) = C2 / C1 [{Vin1 (+) − Vin1 (−)} − {Vin2 (+) − Vin2 (−)}] (A10)
したがって、完全差動方式のスイッチトキャパシタオペアンプは、入力電圧Vin1と入力電圧Vin2との差分を、入力用コンデンサC1と帰還用コンデンサC2との容量比によって、増幅することができる。 Therefore, the fully differential switched capacitor operational amplifier can amplify the difference between the input voltage Vin1 and the input voltage Vin2 by the capacitance ratio of the input capacitor C1 and the feedback capacitor C2.
図7は、完全差動方式におけるオペアンプ110の差動増幅部分の等価回路を示す図である。基本的に図5の説明と同様である。PMOSトランジスタM3とNMOSトランジスタM1との接続点、およびPMOSトランジスタM4とNMOSトランジスタM2との接続点から、差動出力OUT1,2を得ている。また、電源側から接地側に貫通電流が流れる。
FIG. 7 is a diagram showing an equivalent circuit of a differential amplification portion of the
次に、第1増幅回路11、第2増幅回路15、第3増幅回路19および第4増幅回路21の配置パターンについて説明する。図1に示したAD変換器において、第1増幅回路11、第2増幅回路15、第3増幅回路19および第4増幅回路21に要求される精度は、一般的にアナログ信号が伝達される経路の順である。即ち、第1増幅回路11→第2増幅回路15→第3増幅回路19→第4増幅回路21である。より上位ビットに近いビットを変換する際に、より高い精度が要求されるためである。
Next, the arrangement pattern of the
図8は、第1実施形態における複数の増幅回路の第1配置パターンを概念的に示す図である。クロック生成回路2およびデジタル回路3は、ノイズ源となる。クロック生成回路2は、クロック信号を生成し、少なくとも第1増幅回路11、第2増幅回路15、第3増幅回路19および第4増幅回路21に動作タイミングを供給する。図4に示したようにオートゼロ動作や増幅動作のタイミングを供給している。クロック生成回路2は、クロック配線やゲート容量による負荷を駆動するため、大きなサイズのトランジスタを使用したインバータ等のロジック素子が多く含まれる。当該インバータを、トランジスタを2つ直列接続したプッシュプル回路で構成した場合、LoレベルからHiレベル、HiレベルからLoローレベルへの遷移時に大きな貫通電流が発生する場合がある。この貫通電流が基板に注入されると大きなノイズ成分となる。基板内にトラップが設けられていても、そのトラップを超えてノイズ成分が広がってしまう場合がある。これらのノイズ成分は、図5や図7に示したオペアンプ100,110を構成しているMOSトランジスタM1〜4等の素子の基板電位を変動させてしまうため、第1増幅回路11、第2増幅回路15、第3増幅回路19および第4増幅回路21の精度や速度の低下の原因となる。
FIG. 8 is a diagram conceptually showing a first arrangement pattern of a plurality of amplifier circuits in the first embodiment. The
デジタル回路3は、各種のデジタル信号処理を行う回路であり、第1AD変換回路12や第2AD変換回路17で変換されたデジタル値をバイナリコードに変換するエンコーダや、各ステージの出力タイミングを合わせるためのラッチ回路等である。デジタル回路3からもノイズ成分が発生する。ただ、クロック生成回路2ほど大電流で駆動していないため、ノイズ成分の程度は、クロック生成回路2ほど大きくない。
The
図8において、クロック生成回路2に対して近い順に第4増幅回路21→第3増幅回路19→第2増幅回路15→第1増幅回路11と配置している。第1増幅回路11は、最も高い精度を必要とするため、クロック生成回路2に対して最も遠い場所に配置する。基板を介して伝達されるノイズ成分は、基板の抵抗成分Rと、寄生容量や線間容量等の容量成分Cとにより形成されるローパスフィルタの効果により、ノイズ源から離れるにしたがって、減少していく。したがって、第1増幅回路11が最もノイズ成分の影響を受けないことになる。また、上述した配置順は、アナログ信号が伝達される経路と逆順であり、第1増幅回路11→第2増幅回路15→第3増幅回路19→第4増幅回路21の順でノイズ成分の影響を受けにくくなる。
In FIG. 8, the
図9は、比較例における複数の増幅回路の配置パターンを概念的に示す図である。図9において、第1増幅回路11、第2増幅回路15、第3増幅回路19および第4増幅回路21は、クロック生成回路2から略等しいクロック配線長でクロック制御を受ける場所に配置されている。この配置は、第1増幅回路11、第2増幅回路15、第3増幅回路19および第4増幅回路21に供給されるクロックの位相差を低減する。また、第1増幅回路11、第2増幅回路15、第3増幅回路19および第4増幅回路21は、クロック生成回路2から等しくノイズ成分の影響を受ける。このノイズ成分の影響により、図5や図7に示したバイアス電流が小さくなってしまうと、オペアンプ100,110の動作速度が低下してしまう。また、当該バイアス電流を生成しているバイアス部と、差動増幅部とで電源電圧や接地電圧が異なってくると、DCゲインや出力電圧範囲が劣化する恐れがある。比較例においては、このような現象が第1増幅回路11、第2増幅回路15、第3増幅回路19および第4増幅回路21で略均等に起こる。
FIG. 9 is a diagram conceptually showing an arrangement pattern of a plurality of amplifier circuits in the comparative example. In FIG. 9, the
これに対して図8に示した配置パターンにおいては、第1増幅回路11ではこのような現象がほとんど起こらず、第4増幅回路21に近くなるにしたがって、このような現象の度合いが大きくなる。しかしながら図1に示したAD変換器においては、第1増幅回路11→第2増幅回路15→第3増幅回路19→第4増幅回路21の順で精度が要求されるため、第1増幅回路11の精度の高い図8に示した第1配置パターンのほうが、比較例における配置パターンより、AD変換器全体の精度および速度を向上させることができる。
On the other hand, in the arrangement pattern shown in FIG. 8, such a phenomenon hardly occurs in the
図10は、第1実施形態における複数の増幅回路の第2配置パターンを概念的に示す図である。第1増幅回路11、第2増幅回路15、第3増幅回路19および第4増幅回路21に要求される精度は、アナログ信号が伝達される経路の順に限るものではない。例えば、変換ビット数の変更等により第3増幅回路19の増幅率を高くし、第2増幅回路15の増幅率を低下させた場合、AD変換器全体を高速化させるためには、第2増幅回路15よりも第3増幅回路19に精度の高い電源電圧を供給したほうがよい。このような場合、図10に示すように、クロック生成回路2に対して近い順に第4増幅回路21→第2増幅回路15→第3増幅回路19→第1増幅回路11と配置している。このように、アナログ信号の伝達経路順に限らず、クロック生成回路2に対して、精度が要求される順と逆順にそれらを配置することができる。
FIG. 10 is a diagram conceptually showing a second arrangement pattern of a plurality of amplifier circuits in the first embodiment. The accuracy required for the
図11は、第1実施形態における複数の増幅回路の第3配置パターンを概念的に示す図である。図11において、最も高い精度が要求される第1増幅回路11は、クロック生成回路2およびデジタル回路3から最も離れた場所に配置されている。第2増幅回路15は、デジタル回路3から離れた場所に配置されており、クロック生成回路2から最も近い場所に配置されている。第3増幅回路19は、クロック生成回路2およびデジタル回路3に対して中くらいの場所に配置されている。最も低い精度でよい第4増幅回路21は、クロック生成回路2およびデジタル回路3に最も近い場所に配置されている。このような第3配置パターンにより、第1増幅回路11の精度が最もよくなり、AD変換器全体の精度および速度を向上させることができる。
FIG. 11 is a diagram conceptually showing a third arrangement pattern of a plurality of amplifier circuits in the first embodiment. In FIG. 11, the
図12は、第1実施形態における複数の増幅回路の第4配置パターンを概念的に示す図である。図12において、最も高い精度が要求される第1増幅回路11は、クロック生成回路2およびデジタル回路3から最も離れた場所に配置されている。第2増幅回路15は、クロック生成回路2から最も離れた場所に配置されており、デジタル回路3から最も近い場所に配置されている。第3増幅回路19は、デジタル回路3から最も離れた場所に配置されており、クロック生成回路2から最も近い場所に配置されている。最も低い精度でよい第4増幅回路21は、クロック生成回路2およびデジタル回路3から最も近い場所に配置されている。このような第4配置パターンにより、第1増幅回路11の精度が最もよくなり、AD変換器全体の精度および速度を向上させることができる。また、第3配置パターンや第4配置パターンのように、第1増幅回路11、第2増幅回路15、第3増幅回路19および第4増幅回路21の配置パターンは、各々に要求される精度によって、クロック生成回路2およびデジタル回路3に対して、柔軟に設定することができる。
FIG. 12 is a diagram conceptually showing a fourth arrangement pattern of a plurality of amplifier circuits in the first embodiment. In FIG. 12, the
図13は、第1実施形態における複数の増幅回路の第5配置パターンを概念的に示す図である。AD変換器を集積回路で構成する場合、電源入力端子1に外部電源を接続する。集積回路内において、各構成素子は電源入力端子1から電源配線を介して電源供給を受ける。電源配線には抵抗成分があり、それが長くなるほど電源電圧が降下してしまう。
FIG. 13 is a diagram conceptually showing a fifth arrangement pattern of a plurality of amplifier circuits in the first embodiment. When the AD converter is configured by an integrated circuit, an external power source is connected to the
図13において、クロック生成回路2に対して近い順に第4増幅回路21→第3増幅回路19→第2増幅回路15→第1増幅回路11と配置している。反対に、電源入力端子1に対して近い順に第1増幅回路11→第2増幅回路15→第3増幅回路19→第4増幅回路21と配置している。第1増幅回路11は、最も高い精度を必要とするため、クロック生成回路2に対して最も離れた場所に配置されている。同時に、第1増幅回路11は、電源入力端子1に対して最も近い場所に配置されているため、電源配線抵抗成分が最も小さくなり、即ち電圧降下が最も小さい電源電圧の供給を受けることができる。また、第4増幅回路21→第3増幅回路19→第2増幅回路15→第1増幅回路11の配置順番は、アナログ信号伝達経路の逆の順番に限るものではなく、精度が要求されない順であれば、他の順番でもよい。
In FIG. 13, the
図14は、第1実施形態における複数の増幅回路の第6配置パターンを概念的に示す図である。図14において、最も高い精度が要求される第1増幅回路11は、クロック生成回路2およびデジタル回路3から最も離れた場所に配置されており、電源入力端子1から最も近い場所に配置されている。第2増幅回路15は、電源入力端子1およびデジタル回路3から離れた場所に配置され、クロック生成回路2から最も近い場所に配置されている。第3増幅回路19は、電源入力端子1、クロック生成回路2およびデジタル回路3に対して、中くらいの場所に配置されている。最も低い精度でよい第4増幅回路21は、クロック生成回路2およびデジタル回路3に最も近い場所に配置されており、電源入力端子1から最も離れた場所に配置されている。このような第6配置パターンにより、第1増幅回路11の精度が最もよくなり、AD変換器全体の精度および速度を向上させることができる。
FIG. 14 is a diagram conceptually showing a sixth arrangement pattern of a plurality of amplifier circuits in the first embodiment. In FIG. 14, the
図15は、第1実施形態における複数の増幅回路の第7配置パターンを概念的に示す図である。図15において、最も高い精度が要求される第1増幅回路11は、クロック生成回路2およびデジタル回路3から最も離れた場所に配置されており、電源入力端子1から最も近い場所に配置されている。第2増幅回路15は、クロック生成回路2から最も離れた場所に配置されており、電源入力端子1およびデジタル回路3から最も近い場所に配置されている。第3増幅回路19は、デジタル回路3および電源入力端子1から最も離れた場所に配置されており、クロック生成回路2から最も近い場所に配置されている。最も低い精度でよい第4増幅回路21は、クロック生成回路2およびデジタル回路3から最も近い場所に配置されており、電源入力端子1から最も離れた場所に配置されている。このような第7配置パターンにより、第1増幅回路11の精度が最もよくなり、AD変換器全体の精度および速度を向上させることができる。また、第6配置パターンや第7配置パターンのように、第1増幅回路11、第2増幅回路15、第3増幅回路19および第4増幅回路21の配置パターンは、各々に要求される精度によって、電源入力端子1、クロック生成回路2およびデジタル回路3に対して、柔軟に設定することができる。
FIG. 15 is a diagram conceptually showing a seventh arrangement pattern of a plurality of amplifier circuits in the first embodiment. In FIG. 15, the
(第2実施形態)
第2実施形態は、サイクリック型のAD変換器であり、最初に4ビットを変換し、それ以降3周回して2ビットずつ変換し、合計10ビットを出力する例である。
(Second Embodiment)
The second embodiment is a cyclic AD converter, which is an example in which 4 bits are converted first, then 3 rounds are converted and converted every 2 bits, and a total of 10 bits are output.
図16は、第2実施形態におけるAD変換器の構成を示す。第1スイッチSW3および第2スイッチSW4は、交互にオンオフするスイッチである。初期状態において、第1スイッチSW3がオン、第2スイッチSW4がオフの状態である。入力アナログ信号Vinは、第1スイッチSW3を介して、第1増幅回路31およびAD変換回路32に入力される。AD変換回路32は、フラッシュ型のものであり、その最大分解能、即ち変換ビット数は4ビットである。AD変換回路32は、第1スイッチSW3を介して入力されるアナログ信号をデジタル値に変換し、上位4ビット(D9〜D6)を取り出し、図示しないエンコーダおよびDA変換回路33に出力する。DA変換回路33は、AD変換回路32により変換されたデジタル値をアナログ値に変換する。第1増幅回路31は、入力されたアナログ信号を2倍に増幅して、減算回路34に出力する。減算回路34は、第1増幅回路31の出力から、DA変換回路33の出力を減算する。ここで、DA変換回路33の出力は、実質2倍に増幅されている。これは、AD変換回路32の基準電圧レンジと、DA変換回路33の基準電圧レンジとの比を1:2に設定すれば実現することができる。第2増幅回路35は、減算回路34の出力を2倍に増幅する。なお、減算回路34および第2増幅回路35は、一体型の減算増幅回路36であってもよい。これによれば、回路を簡素化することができる。
FIG. 16 shows a configuration of an AD converter according to the second embodiment. The first switch SW3 and the second switch SW4 are switches that are alternately turned on and off. In the initial state, the first switch SW3 is on and the second switch SW4 is off. The input analog signal Vin is input to the
この段階において、第1スイッチSW3がオフ、第2スイッチSW4がオンの状態に遷移している。第2増幅回路35の出力アナログ信号は、第2スイッチSW4を介して、第1増幅回路31およびAD変換回路32にフィードバックされる。AD変換回路32は、第2スイッチSW4を介して入力されるアナログ信号を、冗長1ビットを除いて2ビット変換し、上位から5,6ビット(D5〜D4)を取り出し、図示しないエンコーダおよびDA変換回路33に出力する。DA変換回路33、第1増幅回路31、減算回路34および第2増幅回路35の動作は、1回目の変換のときと同様である。AD変換回路32が2回目以降2ビット変換になるため、第1増幅回路31および第2増幅回路35は、合計で実質4(2の2乗)倍に増幅する。以下、上記の処理が繰り返され、AD変換回路32は、上位から7,8ビット(D3〜D2)および上位から9,10ビット(D1〜D0)を取り出す。このようにして、10ビットのデジタル値を得ている。
At this stage, the first switch SW3 is turned off and the second switch SW4 is turned on. The output analog signal of the second amplifier circuit 35 is fed back to the
第1増幅回路31および第2増幅回路35の詳細な構成については、第1実施形態の説明と同様である。次に、第1増幅回路31および第2増幅回路35の配置パターンについて説明する。図16に示したAD変換器において、第1増幅回路31および第2増幅回路35に要求される精度は、一般的にアナログ信号が伝達される経路の順である。即ち、第1増幅回路31→第2増幅回路35の順である。第1増幅回路31のほうが第2増幅回路35より広い電圧範囲を扱うため、より高い精度が要求されるためである。
The detailed configuration of the
図17は、第2実施形態における2つの増幅回路の第1配置パターンを概念的に示す図である。図16において、クロック生成回路2に対して近い順に第2増幅回路35→第1増幅回路31と配置している。第1増幅回路31は、第2増幅回路35より高い精度を必要とするため、クロック生成回路2に対して第2増幅回路35より離れた場所に配置されている。よって、第1増幅回路31は、基板を介して伝達されるノイズ成分の影響を、第2増幅回路35より受けにくくなり、AD変換器全体の精度および速度を向上させることができる。
FIG. 17 is a diagram conceptually showing a first arrangement pattern of two amplifier circuits in the second embodiment. In FIG. 16, the second amplifier circuit 35 → the
図18は、第2実施形態における2つの増幅回路の第2配置パターンを概念的に示す図である。図18において、第2増幅回路35より高い精度を必要とされる第1増幅回路31は、電源入力端子1から近い場所に配置されており、クロック生成回路2から離れた場所に配置されている。第2増幅回路35は、クロック生成回路2から近い場所に配置されており、電源入力端子1から離れた場所に配置されている。基板を介して伝達されるノイズ成分は、基板の抵抗成分と、寄生容量や線間容量等の容量成分とにより形成されるローパスフィルタの効果により、ノイズ源から離れるにしたがって減少していく。また、電源電圧は、電源入力端子1から離れるにしたがって降下していく。よって、このように配置されている第1増幅回路31は、ノイズ成分の影響を第2増幅回路35より受けないことになり、電源電圧の精度が第2増幅回路35より高い。したがって、第1増幅回路31および第2増幅回路35を、電源入力端子1およびクロック生成回路2に対して略等距離に配置したパターンと比較し、AD変換器全体の精度および速度を向上させることができる。
FIG. 18 is a diagram conceptually showing a second arrangement pattern of two amplifier circuits in the second embodiment. In FIG. 18, the
また図18において、第1増幅回路31および第2増幅回路35は、デジタル回路3に対して略等距離に配置されているが、デジタル回路3に対して第1増幅回路31のほうを第2増幅回路35より離れた場所に配置すれば、さらに第1増幅回路31の精度を向上させることができる。
In FIG. 18, the
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、その各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能である。また、そうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。 The present invention has been described based on the embodiments. This embodiment is an exemplification, and various modifications can be made to combinations of each component and each processing process. Those skilled in the art will appreciate that such modifications are also within the scope of the present invention.
各実施形態に記載したAD変換回路の変換ビット数とその配分、増幅回路の増幅率のパラメータは一例に過ぎず、変形例においてはこれらのパラメータに他の数値を採用してもよい。また、ステージ数は、1段や2段に限るものではなく、3段以上にも適用可能である。そして、それらのステージの1段以上がサイクリック型の構成であってもよい。 The number of conversion bits of the AD conversion circuit and its distribution, and the amplification factor parameters of the amplifier circuit described in each embodiment are merely examples, and other numerical values may be adopted for these parameters in the modification. Further, the number of stages is not limited to one or two stages, and can be applied to three or more stages. One or more of these stages may have a cyclic configuration.
第1実施形態において、第1増幅回路11は除去されてもよい。第2増幅回路15または第1減算増幅回路16の入力アナログ信号Vinのサンプルタイミングを調整するか、第1AD変換回路12を構成している電圧比較素子への入力アナログ信号Vinとリファレンス電圧との入力タイミングを切り替えれば、第1増幅回路11を除去してもAD変換器全体の動作が保証される。これによれば、回路面積を縮小することができる。この場合、一般的に精度が要求される順は、第2増幅回路15→第3増幅回路19→第4増幅回路21となる。また同様に、第3増幅回路19を除去してもよい。この場合、一般的に精度が要求される順は、第1増幅回路11→第2増幅回路15→第4増幅回路21となる。
In the first embodiment, the
また、各実施形態においては入力される信号のサンプルのタイミングを向上させるために、各増幅回路をスイッチトキャパシタオペアンプで構成する例を説明した。この点、増幅回路はこれに限るものではなく、主に抵抗を用いた一般的な増幅回路でもよい。 In each embodiment, the example in which each amplifier circuit is configured with a switched capacitor operational amplifier has been described in order to improve the timing of the sample of the input signal. In this respect, the amplifier circuit is not limited to this, and a general amplifier circuit mainly using resistors may be used.
さらに、各実施形態においては増幅回路をCMOSプロセスで構成する例を説明した。この点、TTL(Transistor Transistor Logic)プロセスで構成してもよい。 Furthermore, in each embodiment, the example which comprises an amplifier circuit by a CMOS process was demonstrated. In this respect, a TTL (Transistor Transistor Logic) process may be used.
1 電源入力端子1、 2 クロック生成回路、 3 デジタル回路、 11,31 第1増幅回路、 12 第1AD変換回路、 13 第1DA変換回路、 14 第1減算回路、 15,35 第2増幅回路、 16 第1減算増幅回路、 17 第2AD変換回路、 18 第2DA変換回路、 19 第3増幅回路、 20 第2減算回路、 21 第4増幅回路、 22 第2減算増幅回路、 32 AD変換回路、 33 DA変換回路、 34 減算回路、 100,110 オペアンプ、 101 定電流源、 SW1〜SW4,SW11〜13 スイッチ、 C 容量成分、 C1,C2 コンデンサ、 M1,M2 NMOSトランジスタ、 M3,M4 PMOSトランジスタ、 R 抵抗成分。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
複数の増幅回路を有し、該複数の増幅回路の内、精度が要求される増幅回路をノイズ源となる回路から離して配置したことを特徴とするアナログデジタル変換器。 An analog-to-digital converter that divides an input analog signal into multiple times and converts it into a multi-bit digital signal,
An analog-to-digital converter, comprising a plurality of amplifier circuits, wherein among the plurality of amplifier circuits, an amplifier circuit requiring accuracy is arranged away from a circuit that becomes a noise source.
前記複数のステージの内の1以上のステージは、前記複数の増幅回路の内の1つの増幅回路を含み、
前記1つの増幅回路は、前記入力されるアナログ信号と、自己のステージの変換デジタル値をアナログ値に変換した信号との差分を増幅し、自己のステージの入力にフィードバックすることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のアナログデジタル変換器。 Having a plurality of stages for converting an input analog signal into a digital value of a predetermined number of bits;
One or more of the plurality of stages includes one amplifier circuit of the plurality of amplifier circuits;
The one amplifier circuit amplifies a difference between the inputted analog signal and a signal obtained by converting a converted digital value of its own stage into an analog value, and feeds back to the input of its own stage. Item 5. The analog-digital converter according to any one of Items 1 to 4.
前記複数ステージの内の1以上のステージは、前記複数の増幅回路の内の2つの増幅回路を含み、
前記2つの増幅回路の内の第1増幅回路は、前記入力されるアナログ信号を所定の増幅率で増幅し、
前記2つの増幅回路の内の第2増幅回路は、前記第1増幅回路の出力アナログ信号と、前記所定の増幅率と実質的に同一の増幅率で増幅された、自己のステージの変換デジタル値をアナログ値に変換した信号と、の差分を所定の増幅率で増幅し、自己のステージの入力にフィードバックすることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のアナログデジタル変換器。 Having a plurality of stages for converting an input analog signal into a digital value of a predetermined number of bits;
One or more stages of the plurality of stages includes two amplifier circuits of the plurality of amplifier circuits;
A first amplifier circuit of the two amplifier circuits amplifies the input analog signal with a predetermined amplification factor,
The second amplifier circuit of the two amplifier circuits is an output analog signal of the first amplifier circuit and a converted digital value of its own stage amplified at an amplification factor substantially the same as the predetermined amplification factor. 5. The analog-digital converter according to claim 1, wherein a difference between the signal and the signal converted into an analog value is amplified at a predetermined amplification factor and fed back to an input of its own stage.
前記AD変換回路の出力をアナログ信号に変換するDA変換回路と、
前記複数の増幅回路の内の第1増幅回路は、前記入力されるアナログ信号を所定の増幅率で増幅し、
前記複数の増幅回路の内の第2増幅回路は、前記第1増幅回路の出力アナログ信号と、前記所定の増幅率と実質的に同一の増幅率で増幅された前記DA変換回路の出力アナログ信号との差分を所定の増幅率で増幅し、前記AD変換回路および前記第1増幅回路に出力することを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のアナログデジタル変換器。 An AD conversion circuit for converting an input analog signal into a digital value having a predetermined number of bits;
A DA conversion circuit for converting the output of the AD conversion circuit into an analog signal;
A first amplifier circuit of the plurality of amplifier circuits amplifies the input analog signal with a predetermined amplification factor,
The second amplifier circuit of the plurality of amplifier circuits includes an output analog signal of the first amplifier circuit and an output analog signal of the DA converter circuit that is amplified at an amplification factor substantially the same as the predetermined amplification factor. 5. The analog-digital converter according to claim 1, wherein the difference is amplified at a predetermined amplification factor and output to the AD converter circuit and the first amplifier circuit.
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