JPH06177765A - 電荷再分配a/d変換器の誘電緩和補正回路 - Google Patents
電荷再分配a/d変換器の誘電緩和補正回路Info
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Abstract
象に基づく誤差を減少させるための補正回路を提供する
事を目的とする。 【構成】 電荷再分配A/D変換器の2のべき乗の加重
重みを付けられている分圧用配列キャパシタで発生する
誘電緩和誤差と同等の誤差を発生する複製キャパシタを
用意する。この複製キャパシタはサンプルおよびホール
ド回路(S/H)を接続し、配列キャパシタと同じ入力
信号電圧を保持して入力する。比較器の反転および非反
転入力端子に配列キャパシタ電圧と複製キャパシタ電圧
とをそれぞれ入力し、前記の誘電緩和誤差を相殺する事
によって、変換誤差を減少させる。
Description
D変換器の誘電緩和補正回路に関する。
変換器を実現するために、従来型電圧駆動R−2R技法
は扱いにくい、それは標準のシングルチャンネル技術で
は適切な膜抵抗器を拡散抵抗器で造れないためである。
複雑な薄膜工程が使用されねばならない。更に、これら
の方法では広範囲の値に渡って、MOSスィッチ内の
“ON”抵抗値を注意深く制御することが要求される。
する際は、MOS素子は電荷スィッチとして使用され、
本来的にオフセット電圧は零であり、増幅器としては非
常に高い入力抵抗を有する。更に加えて、キャパシタは
メタルゲート技術を用いて容易に製造できる。従ってひ
とつの手がかりとしては精密部品として抵抗器ではなく
キャパシタを使用し、作動媒体として電流ではなく電荷
を使用することが挙げられる。電荷再分配と呼ばれるこ
の技法は、数年に渡っていくつかのディスクリートなA
/D変換器で用いられてきている。しかしながらこれら
の変換器は高性能演算増幅器を必要としており、これは
シングルチャンネルMOS技法で実現するのは困難であ
る。
変換器の電荷再分配A/D変換器技術が図1に示されて
いる。これは比較器20、二値加重キャパシタ配列2
2、これに加えて最下位ビット(LSB)に相当する重
みの付加キャパシタ24、および電極板をある電圧に接
続するスィッチ30,34とで構成されている。変換は
三つの動作の順番で実現される。第一番目に、「サンプ
ルモード」が図1に示されており、上部電極26がリセ
ット電位Vrに接続され、下部電極28は入力電圧Vi
nに接続される。この結果、上部電極26上に充電され
た電荷は入力電圧Vinとリセット電位Vrとの差に比
例する。図2に示す「ホールドモード」では、上部電極
スィッチ30は開路され、そして下部電極28はスィッ
チ群34を介して接地される。上部電極上の電荷は保存
されるので、その電位は(Vr−Vin)となる。「再
分配モード」は図3に示されており、これはひとつのキ
ャパシタの下部電極電圧を順番に接地電位からVref
にスィッチングすることで構成されており、最上位ビッ
ト(MSB)、すなわち最大のキャパシタから始める。
スィッチングでは最上位ビット(MSB)の値を検査す
る。等価回路は実際的には二つの等しいキャパシタ間の
分圧回路であり、それは配列内のキャパシタンスが2の
等比加重となっているからである。それぞれ(Vr−V
in)に等しい電圧Vxは、基準電圧の1/2づつ増加
され、この操作の結果次式となる。
x<0の場合は論理‘1’また、Vx>0の場合は
‘0’となる。これは次の解釈と同等である、すなわち
>Vref/2; 従って、MSB=1;しかし
<Vref/2; 従って、MSB=0。比較器の出力、従って二値ビット
の値が検査される。スィッチS1はMSB b4が零の
時のみ接地電位に戻される。同様の方法で、次に大きな
キャパシタの下部電極をVrefに上げ、その結果生じ
るVxの値の極性をチェックして次のMSBが決定され
る。この場合、配列の電圧分割特性の結果Vref/4
がVxに加算される:
する。最終結果が図4に示されており、ディジタル出力
01001が得られている。上部電極上の元の全電荷は
二進方式で再分配が完了している。N再分配はNビット
の変換を必要とする。
および変換モードで動作する本電荷再分配A/D変換器
用誘電緩和補正回路は:下部電極を有し配列キャパシタ
が接している電圧を同一順序で充電されるように、また
中和時にはキャパシタ配列電圧内の誤差が複製キャパシ
タンス内の同一誤差と中和されるように配置されたひと
つのキャパシタ配列、複製キャパシタンスと;サンプル
モード時には入力信号電圧のサンプリングを行い、複製
キャパシタンスの下部電極を入力電圧に保持するように
配置されたサンプルおよびホールド回路(S/H)とで
構成されている。
路内のキャパシタの誘電緩和によって引き起こされる変
換誤差の除去または低減である。
ひとつの問題は、通常のモノリシックキャパシタ内で発
生する誘電緩和現象に起因する性能の低下である。例え
ば、図5に示すようにサンプリング中、下部電極スィッ
チ34はVinに設定され、上部電極スィッチ30は、
上部電極をリセット電位Vrに接続する。変換中、上部
電極スィッチ30は開路され上部電極26はフロート状
態となる。下部電極スィッチ34は接地電位とvref
との間で選択される。上部電極電位は、ホールドモード
中または変換開始直前には、Vr−Vinである。連続
近似レジスタ(SAR)論理回路は、フロート状態にあ
る上部電極をVrとするように下部電極スィッチ34を
制御する。下部電極スィッチはフロート状態の上部電極
をVr−Vin電位からVr電位まで、配列内の二進加
重キャパシタを1ビット毎検査しながら連続して小刻み
に増加電圧を供給することによって変化させる。問題は
配列キャパシタ22内部の誘電緩和により、変換中にフ
ロート状態の上部電極26の電荷を流失させ、キャパシ
タの充電状態を前の電荷状態の電圧まで引き戻そうとす
る事である。これは理想的な電圧変化順序から電圧を変
動させ、結果として変換誤差を生じる。
和の影響」、IEEEジャーナル・オブ・ソリッドステ
ート・サーキット、第25巻、No.6、1990年1
2月発行、1550から1561ページ、の中で発明者
たちは上部電極電圧内の誤差はその前にサンプリングさ
れた入力電圧の履歴にのみ依存し下部電極スィッチング
順序には依存しなしいと結論づけている。従って、ひと
つの補正のやり方が図6に示されている。Ca35は配
列キャパシタと同等に構成されたキャパシタであって、
このキャパシタの値は回路の対称性を保つためにおそら
く合計値と同じとするであろうが、キャパシタンスの値
は補正回路の動作には重要ではない。スィッチS2はス
ィッチ30と連動して開閉する、すなわち変換器がサン
プリング状態の時は、Ca35の上部電極はVrに充電
され、また主キャパシタ配列内の全ての下部電極上にサ
ンプリングされるものと同じアナログ入力信号がサンプ
ルおよびホールド(S/H)回路36でサンプリングさ
れる。Ca35の下部電極はサンプルおよびホールド3
6回路がホールドモード動作時に記憶しているサンプル
された入力電圧に保持されている。サンプルおよびホー
ルド回路36は変換器がサンプリング中はサンプルモー
ドであり、変換器が変換中はホールドモードである。従
ってCa35は変換器の配列キャパシタ22が受けるの
と同一の電圧充電順序を受ける。
ート状態となる、従って比較器の反転入力はVrから始
まるが、変換が進行するに従って変換器上部電極26ま
たは非反転入力と同じ量だけ変動し、その理想的な手順
から変動する。この様にしてひとつの入力の変動はもう
一方の入力の変動を高価的に相殺する。従ってその動作
は理想的な上部電極順序を具備した変換器と等価とな
り、比較器の閾値電圧はVrに固定される。これは比較
器20の動作が反転および非反転入力に於いて等しく生
じるドリフトとは独立である、すなわちこれが良好なコ
モンモード特性を有するものと仮定している。
るために、(S/H)回路は非常に注意深く設計されな
ければならない。これを実現するためのひとつの方法が
図7に示されている。各々のサンプリングキャパシタ4
0は、N番目のサンプルで使用されている。別のN−1
個のサンプリング中、放電スィッチ42は閉路されてい
る。もしもNが十分大きければ、任意の指定されたキャ
パシタがアクティブとなる間隔は長くなり、その時間間
隔によって前回サンプルされた電圧のキャパシタ内での
メモリが消去される。Nを2のべき乗とするのが好適で
あって、その様にすれば二進計数器および復号器を使用
して、必要なスィッチング信号順序を生成できる。次に
この順序が繰り返される。誘電緩和があるためサンプル
の保持された値内にいくらかのドリフトが生じるが、ほ
とんどの期間中キャパシタが放電状態となるほどNが十
分大きいと仮定すると、このドリフトは常にメモリを放
電状態に引っ張るものである。図6に示すサンプルおよ
びホールド(S/H)回路の動作を示すタイミング図を
図8に示す。これは変換中に比較器の閾値内に付加的な
ドリフトを生じるであろうが、このドリフトの項は入力
電圧値に比例し、しかも変換器特性の利得に対して僅か
な誤差となるのみなので、変換器の線形性を劣化させる
ものではない。
施例を図10に示す。単一端比較器の代わりに全差動比
較器を使用する目的は、有効入力信号範囲を二倍にする
事によって得られる精度の向上である。例えば、単一端
の場合、キャパシタ配列内のキャパシタの下部電極はV
inに充電される。従って変換中、下部電極電圧は接地
電位と基準電圧Verfとの間でスィッチングされる。
もしも装置が5ボルト電源で動作しているとすると、入
力信号範囲は0から5ボルトであり、ここで0ボルトは
接地電位を表し、5ボルトは最大のVinを表す。しか
しながら、誘電緩和補正回路を具備した全差動方式の場
合、二つのキャパシタ配列が存在するので、ひとつのキ
ャパシタ配列の下部電極は−Vinをサンプルし、第二
キャパシタ配列の下部電極は+Vinをサンプルする。
従って、変換中、これらの下部電極は+Vrefおよび
−Vrefの間で切り替えられる。従って、再び装置が
5ボルト電源で動作していると仮定すると、入力信号範
囲は−5ボルトから+5ボルトとなり、これは単一レン
ジの場合の二倍となる。さらに、差動比較器では、回路
内の任意の点に於ける入力信号は個々のノードに於ける
電圧を示すのではなく、反対側の、すなわち相対する二
つのノード電圧の間の差を表している。例えば誘電緩和
補正回路は、複製キャパシタンスCa35の二つの上部
電極間の電圧差としてそれ自身で示されている二重誤差
電圧を補正する。
合、電圧差がなんらかのディジタル出力に変換される二
入力比較器で十分であろう。差動変換器に対して誘電緩
和補正回路を適用するためには特殊な比較器が必要であ
る。例えば第一段に二つの差動対を並列に具備した比較
器の実現方法が図9に示されている。
入力と、二つの反転入力を持たなければならず、ここで
一対の反転および非反転入力は入力を相殺している。二
つの比較器配列22、二組のスィッチ34、二つの入力
電圧、ひとつの正入力電圧,+Vin、および負入力電
圧,−Vin、二つの複製キャパシタンスCaおよびふ
たつのサンプルおよびホールド(S/H)回路で、図1
0に示すように差動比較器に適用された誘電緩和補正回
路に必要な要素が構成される。Ca35は単一端方式の
場合と同様、配列キャパシタ22と同じになるように構
成されたキャパシタであり、このキャパシタの値は回路
の対称性を保つために合計値が同じとなっているが、キ
ャパシタンスの値は補正回路の動作にはさほど重要では
ない。二つのスィッチS2はスィッチ30と連動して開
閉する、すなわち変換器がサンプル中、ca35の上部
電極はVrに充電され、各々の主キャパシタ配列22内
の全ての下部電極上にサンプリングされた同じアナログ
入力信号は各々のサンプルおよびホールド回路36でサ
ンプリングされる。サンプルおよびホールド回路36は
変換器がサンプリング中はサンプルモードにあり、変換
器が変換中はホールドモードとなる。従って両方の複製
キャパシタンスCa35は二組の変換器配列キャパシタ
22と同じ順序で充電電圧にさらされる。
部電極はフロート状態となり、従って比較器の相殺入力
はVrから始まるが、変換の進行につれて変換器の上部
電極26がその理想的な手順から変動するのと同じ量だ
け、作動的に変動する。この様にしてひとつの入力に於
ける変動は、もう一方の入力に於ける変動を効果的に相
殺する。さらに複製キャパシタンスCa35の下部電極
は、ホールドモード動作中にサンプルおよびホールド3
6回路でサンプリングされ、記憶されている入力電圧に
保持される。従って、その動作は理想的な上部電極順序
と作動閾値電圧が0に固定された比較器とを具備した変
換器と等価である。
子間の差電圧は、二つの入力差を補正されていない場合
はもはや零ではないが、電圧が予備の相殺入力の組、+
Vbiasおよび−Vbiasの間にプログラムされる
ように選定されている。これらの相殺入力は比較器の閾
値電圧を相殺するが、これはキャパシタ配列内のキャパ
シタ誘電緩和によって生じる変動誤差を中和する形で行
われる。
記述してきた。本発明の範囲はこれら記述されたものと
は異なっても、特許請求の範囲に入る実施例を内包する
ものと理解されたい。
述してきたが、この記述は制限を意図したものでは無
い。図示された実施例、同様に本発明のその他の実施例
の種々の修正並びに組合せは、本技術分野に精通の者に
は記述を参照することに依って明かであろう。従って、
添付の特許請求の範囲はその様な修正または実施例をも
包括するものと意図している。
る。 (1)サンプル、ホールドおよび変換モードで動作す
る、電荷再分配A/D変換器用誘電緩和補正回路であっ
て:ひとつの比較器と;ひとつのキャパシタ配列と;ひ
とつの複製キャパシタとを含み、該複製キャパシタが前
記配列キャパシタが受けるのと同じ充電電圧手順を受
け、前記比較器がキャパシタ配列電圧内の変動を、前記
複製キャパシタ電圧内に同じ変動を受けるやり方で中和
できるように配置されている、前記誘電緩和補正回路。
って、更に前記複製キャパシタンスの下部電極に接続さ
れたサンプルおよびホールド回路(S/H)を含む、前
記誘電緩和補正回路。
って、前記サンプルおよびホールド回路(S/H)が変
換器がサンプルモード中には入力信号電圧をサンプル
し、その変換モード中は前記複製キャパシタンスの下部
電極を前記入力信号電圧に保持するように動作する、前
記誘電緩和補正回路。
って、前記サンプルおよびホールド回路が前記キャパシ
タ配列と同時に入力信号電圧を受信する、前記誘電緩和
補正回路。
って、前記複製キャパシタの上部電極が前記比較器の反
転入力に接続されている、前記誘電緩和補正回路。
って、前記キャパシタ配列の上部電極が前記比較器の非
反転入力に接続されている、前記誘電緩和補正回路。
って、前記サンプルおよびホールド回路がサンプリング
用キャパシタ配列と放電スィッチ配列とを含む、前記誘
電緩和補正回路。
って、前記サンプルおよびホールド回路(S/H)内の
各々のサンプリングキャパシタが、各N番目のサンプル
で使用され、更にここでNは前記サンプリングキャパシ
タンスが別の入力電圧のサンプリングを行う前に十分に
放電するように選択されている、前記誘電緩和補正回
路。
って、前記放電スィッチが各N番目のサンプリング毎に
開路される、前記誘電緩和補正回路。
ードで動作する、全差動電荷再分配A/D変換器用誘電
緩和補正回路であって:第一非反転および反転入力に加
えて、少なくとも一対のオフセット入力を有するひとつ
の比較器と;第一および第二キャパシタ配列と;第一お
よび第二の複製キャパシタとを含み、該複製キャパシタ
が前記配列キャパシタが受けるのと同じ充電電圧手順を
受け、前記比較器がキャパシタ配列電圧内の変動を、前
記複製キャパシタ電圧内に同じ変動を受けるやり方で中
和できるように配置されている、前記誘電緩和補正回
路。
であって、更に前記複製キャパシタンスの下部電極に接
続されたサンプルおよびホールド回路(S/H)を含
む、前記誘電緩和補正回路。
であって、前記サンプルおよびホールド回路(S/H)
が、変換器がサンプルモード中には入力信号電圧をサン
プルし、その変換モード中は前記複製キャパシタンスの
下部電極を前記入力信号電圧に保持するように動作す
る、前記誘電緩和補正回路。
であって、前記サンプルおよびホールド回路が前記キャ
パシタ配列と同時に入力信号電圧を受信する、前記誘電
緩和補正回路。
であって、前記オフセット入力の対が第二反転入力と第
二非反転入力とを含む、前記誘電緩和補正回路。
であって、前記第一キャパシタ配列の上部電極が前記比
較器の非反転および反転入力の第一の組に接続されてい
る、前記誘電緩和補正回路。
であって、前記サンプルおよびホールド回路がN個のキ
ャパシタ配列と放電スィッチ配列とを含む、前記誘電緩
和補正回路。
であって、各々のサンプリングキャパシタが、各N番目
のサンプルで使用され、更にここでNは前記サンプリン
グキャパシタンスが別の入力電圧のサンプリングを行う
前に十分に放電するように選択されている、前記誘電緩
和補正回路。
であって、前記放電スィッチの配列が各N番目のサンプ
リング毎に開路され、別のN−1サンプル中は閉路され
る、前記誘電緩和補正回路。
ールドおよび変換モードで動作する、本電荷再分配A/
D変換器用誘電緩和補正回路は:ひとつのキャパシタ配
列22、下部電極を有し、配列キャパシタ22が受ける
のと同じ充電電圧手順で充電されて、キャパシタ配列2
2電圧の誤差を、複製キャパシタンス35内の同じ誤差
と中和するように配置されているひとつの複製キャパシ
タンス35と、そして;サンプリングモード中に入力信
号電圧をサンプリングするためのサンプルおよびホール
ド回路(S/H)36で、複製キャパシタンス35の下
部電極を入力信号電圧に保持するように配置されてい
る、サンプルおよびホールド36とを含む。その他の装
置、システム並びに方法が開示されている。
スツルメント社1991年。本発明書類の開示の一部は
著作権並びにマスク作業保護に関する物質を含む。著作
権並びにマスク作業の所有者は、特許書類または特許開
示内容を特許並びに商標局のファイルまたは記録に有る
とおりにいずれの者が複写再生する事に反対するもので
はないが、その他の場合は全ての著作権並びにマスク作
業の権利を留保する。
換器の概要図。
換器の概要図。
器の概要図。
図。
換器の概要図。
再分配A/D変換器の概要図。
の概要図。
の動作を記述するタイミング図。
実現可能なひとつの実施例を示す図。
補正回路を示す図。以上の図に於いて、特に示さない限
り複数の図の中で対応する部品には同一の参照番号が付
けられている。
Claims (1)
- 【請求項1】 サンプル、ホールドおよび変換モードで
動作する、電荷再分配A/D変換器用誘電緩和補正回路
であって:ひとつの比較器と;ひとつのキャパシタ配列
と;ひとつの複製キャパシタとを含み、該複製キャパシ
タが前記配列キャパシタが受けるのと同じ充電電圧手順
を受け、前記比較器がキャパシタ配列電圧内の変動を、
前記複製キャパシタ電圧内に同じ変動を受けるやり方で
中和できるように配置されている、前記誘電緩和補正回
路。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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US722731 | 1991-06-27 | ||
US07/722,731 US5248974A (en) | 1991-06-27 | 1991-06-27 | Dielectric relaxation correction circuit for charge-redistribution a/d converters |
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