JP7530007B2 - A/D Converter - Google Patents
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Description
本発明は、ADコンバータに関する。 The present invention relates to an AD converter.
ADコンバータは、既知の電圧を出力するDAコンバータ部、アナログ入力の電圧値を保持するサンプルホールド部と比較器で構成され、DAコンバータ部の出力値を順次変化させ比較器の出力が低出力電圧から高出力電圧に変化する最小のDAコンバータ部の出力値を設定した時のデジタル値をADコンバータの変換値として使用する(非特許文献1)。 The AD converter is composed of a DA converter section that outputs a known voltage, a sample-and-hold section that holds the voltage value of the analog input, and a comparator. The output value of the DA converter section is changed sequentially, and the digital value at the minimum DA converter section output value at which the comparator output changes from a low output voltage to a high output voltage is set, and used as the conversion value of the AD converter (Non-Patent Document 1).
高い線形性を得るために時間または処理回数で出力電圧を順次増加させる電流源と容量で構成される積算回路をDAコンバータ部に用いた場合では、寄生容量により線形性が劣化する課題がある。 When an integrator circuit consisting of a current source and capacitance that sequentially increases the output voltage over time or the number of processing steps is used in the DA converter section to achieve high linearity, there is an issue that linearity is degraded due to parasitic capacitance.
本発明は、この課題を鑑みてなされたものであり、寄生容量による線形性の劣化を防止して変換誤差を低減させるADコンバータを提供することを目的とする。The present invention has been made in consideration of this problem, and aims to provide an AD converter that prevents degradation of linearity due to parasitic capacitance and reduces conversion errors.
本発明の一態様に係るADコンバータは、入力電圧を初期値として該初期値に単位電圧を積算する動作を繰り返すADコンバータにおいて、前記単位電圧を生成させる電流源と、前記初期値を保持し前記単位電圧を積算する容量と、前記電流源を前記容量に接続させる第1スイッチと、前記第1スイッチが切断時に前記電流源と前記容量の間を接続させて、前記電流源と前記第1スイッチの寄生容量に蓄積された電荷の移動を抑制する誤差抑制部とを備えることを要旨とする。 The AD converter according to one embodiment of the present invention is an AD converter that repeats an operation of accumulating a unit voltage by an input voltage as an initial value, and is provided with a current source that generates the unit voltage, a capacitance that holds the initial value and accumulates the unit voltage, a first switch that connects the current source to the capacitance, and an error suppression unit that connects the current source to the capacitance when the first switch is disconnected, thereby suppressing the movement of charge accumulated in the parasitic capacitance of the current source and the first switch.
本発明によれば、寄生容量による線形性の劣化を防止して変換誤差を低減させるADコンバータを提供することができる。 The present invention provides an AD converter that prevents degradation of linearity due to parasitic capacitance and reduces conversion errors.
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。複数の図面中同一のものには同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The same reference symbols are used for the same parts in the drawings, and the description will not be repeated.
〔第1実施形態〕
図1に本発明にかかる第1実施形態のADコンバータのブロック図を示す。図1に示すADコンバータ100は、入力電圧を容量C0に保持して初期値として単位電圧で積算した積算電圧がしきい値電圧と等しくなる積算回数に基づいて入力電圧をデジタル値に変換する。
First Embodiment
A block diagram of an AD converter according to a first embodiment of the present invention is shown in Fig. 1. The
ADコンバータ100は制御部、積算変換部20とで構成され、積算変換部は、第3スイッチSW3、しきい値電圧部21、比較器22、積算部23、誤差抑制部24とで構成される。また、積算部23は電流源230、第1スイッチSW1、容量C0で構成される。
The
変換する時では、第1スイッチSW1を切断状態にして第3スイッチSW3を一旦接続状態にしたのち切断状態にして、入力端子に入力される入力電圧を容量C0に保持する。この後、第1スイッチSW1の接続・切断を繰返して単位電圧VGを積算した積算電圧V0がしきい値電圧Vthと等しくなる時の積算回数kiを計測する。この時の積算電圧V0としきい値電圧Vthが等しい時には以下の式が成立する。 During conversion, the first switch SW1 is disconnected and the third switch SW3 is once connected and then disconnected, and the input voltage input to the input terminal is held in the capacitance C0 . After this, the first switch SW1 is repeatedly connected and disconnected, and the number of integrations ki is measured when the integrated voltage V0 , which is the integration of the unit voltage VG, becomes equal to the threshold voltage Vth. When the integrated voltage V0 and the threshold voltage Vth at this time are equal, the following formula is established.
(積算部のスイッチ接続・切断による誤差発生)
図2に電流源やスイッチの寄生容量を考慮した積算部の回路モデルを示す。図中Cpは寄生容量を表す。スイッチSW1が接続状態の時、電流源230から出力される電荷はCoとCpに蓄積され、1回の積算時間をΔtとすると単位電圧VGは以下の式で表される。
(Errors occur due to switching on and off of the integration section)
2 shows a circuit model of the integrator that takes into account the parasitic capacitance of the current source and the switch. In the figure, Cp represents the parasitic capacitance. When the switch SW1 is in the connected state, the charge output from the
図3にSW1の接続状態に対する図2の回路モデルでの電流源230の出力の電圧Vioのふるまいを示す。スイッチSW1が切断状態の時では、電流源230から出力される電荷は寄生容量Cpにのみに蓄積される。通常、寄生容量Cpは容量Coと比較してけた違いに小さいため、電流源230からの電流により急激に電圧が上昇する。電流源230の出力の電圧が過剰に上昇すると電流源230から電流が流れなくなり、電流源230の出力の電圧すなわち寄生容量Cpの電圧は飽和する。容量Coに関しては電荷が保持されるため電圧も保持される。この状態で再びスイッチSW1が接続状態になると容量Coには電流源230からの電荷だけでなく寄生容量Cpに蓄積された電荷も流れるため、式(2)で表される単位電圧に誤差が生じる。また、切断状態から接続状態になった時に寄生容量Cpから流れる電荷は容量Coの電圧で変化するため積算の特性が非線形となる。この寄生容量による線形性の劣化は、ADコンバータの変換誤差の原因になる。
Figure 3 shows the behavior of the output voltage Vio of the
(誤差抑制部)
図4に第1実施形態に係る積算部23と誤差抑制部24の回路モデルを示す。第1スイッチSW1と第2スイッチSW2の接続状態の関係は、第1スイッチSW1が接続状態の時に第2スイッチSW2は切断状態となり、第1スイッチSW1が切断状態の時に第2スイッチSW2は接続状態となる。第1スイッチSW1が切断状態で第2スイッチSW2が接続状態の時では、誤差抑制部24のOPアンプの利得をA1、オフセット電圧をVofとすると電流源230の出力電圧Vioは以下の式で表される。
(Error Suppression Unit)
4 shows a circuit model of the
式(3)でVo,0は容量Coの電圧を表す。利得が十分大きければVio≒Vo,0となる。本実施形態では電流源230からの電荷が寄生容量Cpに蓄積されずに誤差抑制部24のOPアンプに流れるため電流源230の出力の電圧の上昇はなくVoと同じになる。図5にSW1aの接続状態に対する本実施形態でのVioのふるまいを示す。第1スイッチSW1が切断状態で第2スイッチSW2が接続状態であってもVioは電流源230の出力の飽和電圧にならずVoに保持されている。次に第1スイッチSW1が接続状態、第2スイッチSW2が切断状態となった時では、寄生容量Cpの電圧はVoと同じであるため電荷の移動はない。従って本実施形態では寄生容量Cpによる積算の誤差は発生しない。In equation (3), Vo,0 represents the voltage of the capacitance Co. If the gain is large enough, Vio ≈ Vo,0. In this embodiment, the charge from the
上述の説明のように、本実施形態により寄生容量Cpによる線形性の劣化を防止して変換誤差を低減させるADコンバータを提供することができる。As described above, this embodiment provides an AD converter that prevents degradation of linearity due to parasitic capacitance Cp and reduces conversion errors.
〔第2実施形態〕
図6に本発明の第2実施形態に係るADコンバータ200のブロック図を示す。第1実施形態とは誤差抑制部34の構成が異なる。第1スイッチSW1、第2スイッチSW2、誤差補正スイッチSW4の接続状態の関係は、第1スイッチSW1が接続状態の時では第2スイッチSW2が切断状態、誤差補正スイッチSW4のa1とc1が接続され、第1スイッチSW1が切断状態の時では第2スイッチSW2が接続状態となり誤差補正スイッチSW4のa1とb1が接続される。
Second Embodiment
6 shows a block diagram of an
図7に本実施形態の回路モデルを示す。第1スイッチSW1が切断状態、第2スイッチSW2が接続状態、誤差補正スイッチSW4のa1とb1が接続されている状態では、電流源230の出力の電圧Vioは以下の式で表される。
Figure 7 shows a circuit model of this embodiment. When the first switch SW1 is in the disconnected state, the second switch SW2 is in the connected state, and a1 and b1 of the error correction switch SW4 are connected, the output voltage Vio of the
式(4)でAとVofはそれぞれバッファアンプ(OPアンプ)250の利得とオフセット電圧である。また、Vo,0はこのスイッチ状態でのCoの電圧を表す。誤差抑制容量Csおよび寄生容量Cpに蓄積されている電荷Qs,0およびQp,0は以下の式で表される。In equation (4), A and Vof are the gain and offset voltage, respectively, of the buffer amplifier (op-amp) 250. Vo,0 represents the voltage of Co in this switch state. The charges Qs,0 and Qp,0 stored in the error suppression capacitance Cs and the parasitic capacitance Cp are expressed by the following equations.
回路モデルではバッファアンプ250の出力に接続されている誤差抑制容量Csの電極を+極としている。次に、第1スイッチSW1が接続状態、第2スイッチSW2が切断状態、誤差補正スイッチSW4のa1とc1が接続されている状態に変化した時の電荷の移動について考察する。このスイッチ状態での容量Coの電圧をVo,1とすると、スイッチ状態の変化の前後で電荷保存則が成立することから以下の式が成立する。In the circuit model, the electrode of the error suppression capacitance Cs connected to the output of the buffer amplifier 250 is the positive pole. Next, we consider the transfer of charge when the first switch SW1 is connected, the second switch SW2 is disconnected, and a1 and c1 of the error correction switch SW4 are connected. If the voltage of the capacitance Co in this switch state is Vo,1, the law of conservation of charge holds before and after the change in switch state, and the following equation holds.
式(7)において右辺第2項は寄生容量Cpに蓄積された電荷のVo,1に対する影響を表す。誤差抑制容量Csの大きさを予め寄生容量Cpと同程度とすることにより、式(7)右辺の第2項がゼロとなり、寄生容量Cpに蓄積された電荷の影響を無くすることができる。従って本実施形態では寄生容量Cpによる積算の誤差は発生しない。In equation (7), the second term on the right hand side represents the effect of the charge stored in the parasitic capacitance Cp on Vo,1. By setting the size of the error suppression capacitance Cs to be approximately the same as the parasitic capacitance Cp in advance, the second term on the right hand side of equation (7) becomes zero, and the effect of the charge stored in the parasitic capacitance Cp can be eliminated. Therefore, in this embodiment, no integration error occurs due to the parasitic capacitance Cp.
以上説明した本実施形態に係るADコンバータ200の誤差抑制部25は、電流源230と第1スイッチSW1の寄生容量Cpと同程度の容量値の誤差抑制容量Csと、容量Coが保持する電圧を複製した積算電圧を生成するバッファアンプ250と、第1スイッチSW1が接続時に誤差抑制容量Csを電流源230と共通電位の間に接続させ、第1スイッチSW1が切断時に誤差抑制容量Csに充電された誤差抑制電圧を積算電圧から減じる誤差補正スイッチSW4と、第1スイッチSW1が切断時に誤差抑制電圧を積算電圧から減じ電圧を電流源の出力に接続させる第2スイッチSW2とを備える。これにより、寄生容量Cpによる線形性の劣化を防止して変換誤差を低減させるADコンバータを提供することができる。The error suppression unit 25 of the
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で変形が可能である。本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。The present invention is not limited to the above-described embodiments, and modifications are possible within the scope of the gist of the invention. The present invention naturally includes various embodiments not described here. Therefore, the technical scope of the present invention is determined only by the invention-specific matters related to the scope of the claims that are appropriate from the above description.
10:制御部
20:積算変換部
21:しきい値電圧部
22:比較器
23:積算部
24:誤差抑制部
240:第1演算増幅器
241:第2演算増幅器
SW1:第1スイッチ
SW2:第2スイッチ
SW3:第3スイッチ
SW4:誤差補正スイッチ
10: Control unit 20: Integration conversion unit 21: Threshold voltage unit 22: Comparator 23: Integration unit 24: Error suppression unit 240: First operational amplifier 241: Second operational amplifier
SW1: First switch
SW2: Second switch
SW3: Third switch
SW4: Error correction switch
Claims (3)
において、
前記単位電圧を生成させる電流源と、
前記初期値を保持し前記単位電圧を積算する容量と、
前記電流源を前記容量に接続させる第1スイッチと、
前記第1スイッチが切断時に前記電流源と前記容量の間を接続させて、前記電流源と前記第1スイッチの寄生容量に蓄積された電荷の移動を抑制する誤差抑制部と
を備えるADコンバータ。 In an AD converter that repeats an operation of multiplying an input voltage by a unit voltage using the input voltage as an initial value,
A current source that generates the unit voltage;
a capacitance for holding the initial value and integrating the unit voltage;
a first switch connecting the current source to the capacitance;
an error suppression unit that connects the current source and the capacitance when the first switch is disconnected, and suppresses movement of charge accumulated in the parasitic capacitance of the current source and the first switch.
前記単位電圧が非反転入力端子に接続される第1演算増幅器と、
前記第1演算増幅器の出力端子が非反転入力端子に接続され反転入力端子が出力端子と前記第1演算増幅器の反転入力端子に接続される第2演算増幅器と、
前記第1演算増幅器の出力端子を前記電流源に接続させる第2スイッチと
を備える請求項1に記載のADコンバータ。 The error suppression unit is
a first operational amplifier having a non-inverting input terminal connected to the unit voltage;
a second operational amplifier having an output terminal connected to a non-inverting input terminal and an inverting input terminal connected to an output terminal and an inverting input terminal of the first operational amplifier;
2. The AD converter according to claim 1, further comprising: a second switch for connecting the output terminal of the first operational amplifier to the current source.
前記寄生容量と同じ容量値の誤差抑制容量と、
前記容量が保持する電圧を複製した積算電圧を生成するバッファアンプと、
前記第1スイッチが接続時に前記誤差抑制容量を前記電流源と共通電位の間に接続させ、前記第1スイッチが切断時に前記誤差抑制容量に充電された誤差抑制電圧を前記積算電圧から減じる誤差補正スイッチと、
前記第1スイッチが切断時に前記誤差抑制電圧を前記積算電圧から減じた電圧を前記電流源の出力に接続させる第2スイッチと
を備える請求項1に記載のADコンバータ。 The error suppression unit is
An error suppression capacitance having the same capacitance value as the parasitic capacitance;
a buffer amplifier that generates an integrated voltage that is a copy of the voltage held by the capacitor;
an error correction switch that connects the error suppression capacitance between the current source and a common potential when the first switch is connected, and subtracts an error suppression voltage charged in the error suppression capacitance from the integrated voltage when the first switch is disconnected;
2. The AD converter according to claim 1, further comprising: a second switch that connects a voltage obtained by subtracting the error suppression voltage from the integrated voltage to an output of the current source when the first switch is turned off.
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