特許 6131102 逐次比較型Ａ／Ｄ変換器及びその駆動方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6131102

(24)【登録日】2017年4月21日

(45)【発行日】2017年5月17日

(54)【発明の名称】逐次比較型Ａ／Ｄ変換器及びその駆動方法

(51)【国際特許分類】

   H03M 1/10 20060101AFI20170508BHJP

   H03M 1/46 20060101ALI20170508BHJP

【ＦＩ】

   H03M1/10 A

   H03M1/46

【請求項の数】9

【全頁数】25

(21)【出願番号】特願2013-106770(P2013-106770)

(22)【出願日】2013年5月21日

(65)【公開番号】特開2014-230012(P2014-230012A)

(43)【公開日】2014年12月8日

【審査請求日】2016年4月11日

(73)【特許権者】

【識別番号】507364997

【氏名又は名称】サイプレス セミコンダクター コーポレーション

(74)【代理人】

【識別番号】100079108

【弁理士】

【氏名又は名称】稲葉 良幸

(74)【代理人】

【識別番号】100109346

【弁理士】

【氏名又は名称】大貫 敏史

(74)【代理人】

【識別番号】100117189

【弁理士】

【氏名又は名称】江口 昭彦

(74)【代理人】

【識別番号】100134120

【弁理士】

【氏名又は名称】内藤 和彦

(72)【発明者】

【氏名】大倉 鉄郎

【審査官】 緒方 寿彦

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−０３２０８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１０／０７３５０５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００５−２９５１４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１２７６３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１４２８６３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０３Ｍ １／００ − １／８８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

抵抗ラダーを含み、アナログ入力信号及び制御コードに応じた電圧を第１の出力端子から出力するＤ／Ａ変換部と、
前記Ｄ／Ａ変換部の前記第１の出力端子に接続された比較部と、
前記抵抗ラダーから前記比較部のオフセット電圧をキャンセルする電圧に対応する前記制御コードを記憶すると共に、前記比較部の出力に応じて前記制御コードを出力する制御部とを有し、
前記比較部には、前記抵抗ラダーから前記オフセット電圧をキャンセルする前記電圧が供給されることを特徴とする逐次比較型Ａ／Ｄ変換器。

【請求項2】

前記比較部は、
前記Ｄ／Ａ変換部の前記第１の出力端子からの出力が入力される前置増幅器と、
比較回路と、
前記前置増幅器の出力端子と前記比較回路の入力端子との間に配置された第１の容量と、
前記抵抗ラダーの第２の出力端子と前記比較回路の前記入力端子との間に配置されて前記制御部によりオン−オフする第１のスイッチとを有することを特徴とする請求項１に記載の逐次比較型Ａ／Ｄ変換器。

【請求項3】

更に、前記比較回路の前記入力端子と前記第１のスイッチとの間に配置された第２の容量と、
前記制御部により制御されて前記比較回路の前記入力端子をコモン電圧に保持する第２のスイッチと、
前記第２の容量と接地との間に配置された第３のスイッチとを有することを特徴とする請求項２に記載の逐次比較型Ａ／Ｄ変換器。

【請求項4】

前記Ｄ／Ａ変換部は、
前記アナログ入力信号に対応するデジタル信号の上位Ｎビット（Ｎは任意の整数）を決定する第１のＤ／Ａ変換器と、
前記アナログ入力信号に対応するデジタル信号の下位Ｍビット（Ｍは任意の整数）を決定する、前記抵抗ラダーを含む第２のＤ／Ａ変換器と、
前記第１のＤ／Ａ変換器と前記第２のＤ／Ａ変換器との間に接続されて前記制御部からの信号によりオン−オフする第４のスイッチとを有することを特徴とする請求項２又は３に記載の逐次比較型Ａ／Ｄ変換器。

【請求項5】

前記第１のＤ／Ａ変換器が容量Ｄ／Ａ変換器であることを特徴とする請求項４に記載の逐次比較型Ａ／Ｄ変換器。

【請求項6】

更に、前記制御部から出力される前記制御コードに応じて前記第２のＤ／Ａ変換器を駆動する駆動回路を有することを特徴とする請求項４に記載の逐次比較型Ａ／Ｄ変換器。

【請求項7】

前記比較回路が、ダイナミックラッチ回路であることを特徴とする請求項２乃至６のいずれか１項に記載の逐次比較型Ａ／Ｄ変換器。

【請求項8】

抵抗ラダーを含むＤ／Ａ変換部と、比較部と、制御部とを備え、サンプルフェーズとコンバージョンフェーズとを交互に実行してアナログ入力信号に対応するデジタルコードを決定する逐次比較型Ａ／Ｄ変換器の駆動方法において、
前記サンプルフェーズの間に前記Ｄ／Ａ変換部から前記比較部に当該比較部内の比較回路のオフセット電圧に対応する電圧を前記抵抗ラダーにて生成して容量に保持し、
前記コンバージョンフェーズでは前記容量に保持した電荷により前記比較回路のオフセット電圧をキャンセルし、
前記制御部が、前記Ｄ／Ａ変換部に制御コードを出力して前記Ｄ／Ａ変換部から出力される信号電圧を順次変更し、前記比較回路から出力される信号の極性の変化の有無を検出するとそのときの制御コードを記憶部に記憶し、
前記サンプルフェーズの間に前記制御コードを前記Ｄ／Ａ変換部に出力して、前記Ｄ／Ａ変換部で前記比較回路のオフセット電圧に対応する電圧を生成する
ことを特徴とする逐次比較型Ａ／Ｄ変換器の駆動方法。

【請求項9】

前記Ｄ／Ａ変換部は、
前記アナログ入力信号に対応するデジタル信号の上位Ｎビット（Ｎは任意の整数）を決定する第１のＤ／Ａ変換器と、
前記アナログ入力信号に対応するデジタル信号の下位Ｍビット（Ｍは任意の整数）を決定する、前記抵抗ラダーを含む第２のＤ／Ａ変換器と、
前記第１のＤ／Ａ変換器と前記第２のＤ／Ａ変換器との間に接続されて前記制御部からの信号によりオン−オフするスイッチ素子とを有し、
前記制御部は前記サンプルフェーズの間に前記アナログ入力信号を前記第１のＤ／Ａ変換器にサンプリングするとともに、前記第２のＤ／Ａ変換器を制御して前記比較回路のオフセット電圧に対応する電圧を生成することを特徴とすることを特徴とする
請求項８に記載の逐次比較型Ａ／Ｄ変換器の駆動方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、逐次比較型Ａ／Ｄ変換器及びその駆動方法に関する。

【背景技術】

【0002】

逐次比較型Ａ／Ｄ変換器（SAR-ADC:Successive Approximation Resistor Analog-to-Digital Converter）は、比較的安価に製造できるとともに比較的高速な変換が可能であるという利点を有している。また、逐次比較型Ａ／Ｄ変換器は、例えばマイクロコントローラ（ＭＣＵ）等の半導体デバイスに内蔵され、種々の用途に広く利用されている。

【0003】

代表的な逐次比較型Ａ／Ｄ変換器は、サンプリング回路と、Ｄ／Ａ変換器（Digital-to-Analog Converter）と、比較部と、逐次比較レジスタ等のロジック回路とを備える。ロジック回路は、サンプリング回路でサンプリングしたアナログ信号の電圧とＤ／Ａ変換器の出力電圧との差が最も小さくなるように、Ｄ／Ａ変換器の入力コード（デジタルコード）を順次変更する。そして、ロジック回路は、アナログ信号の電圧とＤ／Ａ変換器の出力電圧との差が最も小さくなったときのＤ／Ａ変換器の入力コードを解として出力する。

【0004】

逐次比較型Ａ／Ｄ変換器では、解を求める際に、解を含む区間の中間点を求める操作を繰り返す。この手法は、二分探索と呼ばれている。この二分探索を行う際に、比較部のオフセット電圧が逐次比較型Ａ／Ｄ変換器の性能を制限する要因となっている。

【0005】

また、逐次比較型Ａ／Ｄ変換器では、例えば１４ビット以上の高分解能を実現するために、自己補正機能を有するＤ／Ａ変換器が用いられる。しかし、比較部のオフセット電圧はＤ／Ａ変換器の自己補正にも影響を及ぼし、Ｄ／Ａ変換器の自己補正の精度を劣化させてしまう。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１１−７７９０２号公報

【特許文献2】特開２０１１−２０５２３０号公報

【特許文献3】特開２０１２−７４９７９号公報

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】H. Xiaozong, Z. Jing, G. Weiqi, S. Jiangang and W. Hui, "A 16-bit, 250ksps successive approximation register ADC based on the charge-redistribution technique," Electron Devices and Solid-State Circuits (EDSSC), 2011 International Conference of, pp.1-4

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

比較部のオフセット電圧の影響を低減できる逐次比較型Ａ／Ｄ変換器及びその駆動方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

開示の技術の一観点によれば、抵抗ラダーを含み、アナログ入力信号及び制御コードに応じた電圧を第１の出力端子から出力するＤ／Ａ変換部と、前記Ｄ／Ａ変換部の前記第１の出力端子に接続された比較部と、前記比較部の出力に応じて前記制御コードを出力する制御部とを有し、前記比較部には、前記抵抗ラダーから前記比較部のオフセット電圧をキャンセルする電圧が供給される逐次比較型Ａ／Ｄ変換器が提供される。

【0010】

開示の技術の他の一観点によれば、抵抗ラダーを含むＤ／Ａ変換部と、比較部と、制御部とを備え、サンプルフェーズとコンバージョンフェーズとを交互に実行してアナログ入力信号に対応するデジタルコードを決定する逐次比較型Ａ／Ｄ変換器の駆動方法において、前記サンプルフェーズの間に前記Ｄ／Ａ変換部から前記比較部に当該比較部内の比較回路のオフセット電圧に対応する電圧を前記抵抗ラダーにて生成して容量に保持し、前記コンバージョンフェーズでは前記容量に保持した電荷により前記比較回路のオフセット電圧をキャンセルする逐次比較型Ａ／Ｄ変換器の駆動方法が提供される。

【発明の効果】

【0011】

上記一観点に係る逐次比較型Ａ／Ｄ変換器及び駆動方法によれば、Ｄ／Ａ変換部を使用して比較部のオフセット電圧をキャンセルする電圧を生成する。これにより、逐次比較型Ａ／Ｄ変換器の構成を簡単にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、逐次比較型Ａ／Ｄ変換器の一例を示す回路図（その１）である。

【図2】図２は、逐次比較型Ａ／Ｄ変換器の一例を示す回路図（その２）である。

【図3】図３（ａ），（ｂ）は、図１，図２中の容量Ｄ／Ａ変換器を拡大して示す図である。

【図4】図４は、図１，図２中の抵抗Ｄ／Ａ変換器を拡大して示す図である。

【図5】図５は、図１，図２中のコンパレータを拡大して示す図である。

【図6】図６（ａ），（ｂ）は、コンバージョンフェーズにおける容量Ｄ／Ａ変換器内のスイッチの状態を示す図である。

【図7】図７は、コンバージョンフェーズにおけるコンパレータ内のスイッチの状態を示す図である。

【図8】図８は、逐次比較型Ａ／Ｄ変換器の他の例を示す回路図である。

【図9】図９は、図８中のコンパレータを拡大して示す図である。

【図10】図１０は、第１の実施形態に係る逐次比較型Ａ／Ｄ変換器を示す回路図（その１）である。

【図11】図１１は、第１の実施形態に係る逐次比較型Ａ／Ｄ変換器を示す回路図（その２）である。

【図12】図１２は、図１０，図１１中のコンパレータを拡大して示す図である。

【図13】図１３（ａ），（ｂ）は、前置増幅器の回路構成例を示す図である。

【図14】図１４は、ダイナミックラッチ回路の回路構成例を示す図である。

【図15】図１５は、通常動作時における第１のクロック信号、第２のクロック信号及び第３のクロック信号のタイミングチャートである。

【図16】図１６は、制御コードの決定方法を示すフローチャートである。

【図17】図１７は、第１の実施形態に係る逐次比較型Ａ／Ｄ変換器の動作を示すフローチャートである。

【図18】図１８は、第２の実施形態に係る逐次比較型Ａ／Ｄ変換器を示す回路図（その１）である。

【図19】図１９は、第２の実施形態に係る逐次比較型Ａ／Ｄ変換器を示す回路図（その２）である。

【図20】図２０は、図１８，図１９中のコンパレータを拡大して示す図である。

【図21】図２１は、制御コードの決定方法を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、実施形態について説明する前に、実施形態の理解を容易にするための予備的事項について説明する。

【0014】

前述したように、比較部のオフセット電圧は、逐次比較型Ａ／Ｄ変換器の性能に影響する。

【0015】

オートゼロ（Auto-zero）機能を有する前置増幅器とダイナミックラッチ回路とで構成された比較部を使用することで、比較部のオフセット電圧による影響を低減することができる。

【0016】

図１，図２は、この種の比較部を使用した逐次比較型Ａ／Ｄ変換器の一例を示す回路図である。図１はサンプルフェーズの状態を示し、図２はコンバージョンフェーズの状態を示している。

【0017】

図１，図２に例示する逐次比較型Ａ／Ｄ変換器１０は、容量Ｄ／Ａ変換器１１ａ，１１ｂと、複数の抵抗素子が直列に接続された抵抗ラダーを有する抵抗Ｄ／Ａ変換器１２と、コンパレータ１３と、ロジック回路１４と、デコーダ１５ａ，１５ｂと、スイッチＳＷ１，ＳＷ２とを有する。コンパレータ１３は比較部の一例である。

【0018】

容量Ｄ／Ａ変換器１１ａ，１１ｂは解となるデジタルコードの上位Ｎビット（Ｎは任意の整数）を決定し、抵抗Ｄ／Ａ変換器１２は解となるデジタルコードの下位Ｍビット（Ｍは任意の整数）を決定する。

【0019】

図３（ａ）は図１，図２中の容量Ｄ／Ａ変換器１１ａを拡大して示す図、図３（ｂ）は図１，図２中の容量Ｄ／Ａ変換器１１ｂを拡大して示す図である。

【0020】

容量Ｄ／Ａ変換器１１ａは、図３（ａ）に示すように、複数の容量Ｃ_1,0'，Ｃ_1,0〜Ｃ_1,N-1と、スイッチＳ_1,0'，Ｓ_1,0〜Ｓ_1,N-1と、スイッチＳ_2,0，〜Ｓ_2,N-1と、スイッチＳＡ_1,0〜ＳＡ_1,N-1とを有する。

【0021】

容量Ｃ_1,0'，Ｃ_1,0の容量値をＣとしたときに、容量Ｃ_1,1の容量値は２Ｃ、…、容量Ｃ_1,N-2の容量値は２^N-2Ｃ、容量Ｃ_1,N-1の容量値は２^N-1Ｃというように設定されている。

【0022】

スイッチＳ_1,0'，Ｓ_1,0〜Ｓ_1,N-1は第１のクロック信号によりオン−オフ動作し、スイッチＳ_2,0〜Ｓ_2,N-1は第２のクロック信号によりオン−オフ動作する。また、スイッチＳＡ_1,0〜ＳＡ_1,N-1は、ロジック回路１４から出力される信号により切替動作する。

【0023】

端子２３ａには正負一対のアナログ入力信号のうちのプラス側の信号Ｖ_inpが供給される。この端子２３ａは、スイッチＳ_1,0'，Ｓ_1,0〜Ｓ_1,N-1の各接点ａに接続されている。また、スイッチＳ_1,0'，Ｓ_1,0〜Ｓ_1,N-1の接点ｂは、それぞれ対応する容量Ｃ_1,0'，Ｃ_1,0〜Ｃ_1,N-1のボトムプレートに接続されている。更に、容量Ｃ_1,0'，Ｃ_1,0〜Ｃ_1,N-1のトッププレートは、いずれもノードＮ₁₁に接続されている。

【0024】

スイッチＳ_2,0〜Ｓ_2,N-1の接点ａはそれぞれ対応するスイッチＳＡ_1,0〜ＳＡ_1,N-1の共通接点ｃに接続され、接点ｂはそれぞれ対応する容量Ｃ_1,0〜Ｃ_1,N-1のボトムプレートに接続されている。

【0025】

また、スイッチＳＡ_1,0〜ＳＡ_1,N-1の接点ａはいずれも端子２２ａに接続されており、接点ｂはいずれも端子２１ａに接続されている。端子２１ａにはプラス側参照電圧Ｖ_refpが供給され、端子２２ａにはマイナス側参照電圧Ｖ_refmが供給される。

【0026】

容量Ｃ_1,0'のボトムプレートは、更に容量Ｄ／Ａ変換器１１ａと抵抗Ｄ／Ａ変換器１２との間に配置されたスイッチＳＷ１の接点ｂに接続されている。

【0027】

図３（ｂ）に示すように、容量Ｄ／Ａ変換器１１ｂも、複数の容量Ｃ_2,0'，Ｃ_2,0〜Ｃ_2,N-1と、スイッチＳ_3,0'，Ｓ_3,0〜Ｓ_3,N-1と、スイッチＳ_4,0〜Ｓ_4,N-1と、スイッチＳＢ_1,0〜ＳＢ_1,N-1とを有する。

【0028】

容量Ｃ_2,0'，Ｃ_2,0の容量値をＣとしたときに、容量Ｃ_2,1の容量値は２Ｃ、…、容量Ｃ_2,N-2の容量値は２^N-2Ｃ、容量Ｃ_2,N-1の容量値は２^N-1Ｃというように設定されている。

【0029】

スイッチＳ_3,0'，Ｓ_3,0〜Ｓ_3,N-1は第１のクロック信号によりオン−オフ動作し、スイッチＳ_4,0〜Ｓ_4,N-1は第２のクロック信号によりオン−オフ動作する。また、スイッチＳＢ_1,0〜ＳＢ_1,N-1は、ロジック回路１４から出力される信号により切替動作する。

【0030】

端子２３ｂには正負一対のアナログ入力信号のうちのマイナス側の信号Ｖ_inmが供給される。この端子２３ｂは、スイッチＳ_3,0'，Ｓ_3,0，〜Ｓ_3,N-1の各接点ａに接続されている。また、スイッチＳ_3,0'，Ｓ_3,0，〜Ｓ_3,N-1の各接点ｂは、それぞれ対応する容量Ｃ_2,0'，Ｃ_2,0〜Ｃ_2,N-1のボトムプレートに接続されている。更に、容量Ｃ_2,0'，Ｃ_2,0〜Ｃ_2,N-1のトッププレートは、いずれもノードＮ₁₂に接続されている。

【0031】

スイッチＳ_4,0〜Ｓ_4,N-1の接点ａはそれぞれ対応するスイッチＳＢ_1,0〜ＳＢ_1,N-1の共通接点ｃに接続され、接点ｂはそれぞれ対応する容量Ｃ_2,0〜Ｃ_2,N-1のボトムプレートに接続されている。

【0032】

スイッチＳＢ_1,0〜ＳＢ_1,N-1の接点ａはいずれも端子２２ｂに接続されており、接点ｂはいずれも端子２１ｂに接続されている。端子２１ｂにはプラス側参照電圧Ｖ_refpが供給され、端子２２ｂにはマイナス側参照電圧Ｖ_refmが供給される。

【0033】

容量Ｃ_2,0'のボトムプレートは、更に容量Ｄ／Ａ変換器１１ｂと抵抗Ｄ／Ａ変換器１２との間に配置されたスイッチＳＷ２の接点ｂに接続されている。

【0034】

図４は、図１，図２中の抵抗Ｄ／Ａ変換器１２を拡大して示す図である。この図４に示すように、抵抗Ｄ／Ａ変換器１２は、２^M個の抵抗Ｒ₁〜Ｒ_2Mと、スイッチＳＣ₁〜ＳＣ_2M-1と、スイッチＳＤ〜ＳＤ_2M-1とを有する。

【0035】

抵抗Ｒ₁〜Ｒ_2Mは、プラス側参照電圧Ｖ_refpが供給される端子２４ａとマイナス側参照電圧Ｖ_refmが供給される端子２４ｂとの間に直列接続されている。これらの抵抗Ｒ₁〜Ｒ_2Mの抵抗値は同一に設定されている。

【0036】

スイッチＳＣ₁〜ＳＣ_2M-1は、各抵抗Ｒ₁〜Ｒ_2M間のノードＮＲ₁〜ＮＲ_2M-1とノードＮ₃₁との間にそれぞれ接続されている。ノードＮ₃₁は、容量Ｄ／Ａ変換器１１ａと抵抗Ｄ／Ａ変換器１２との間に配置されたスイッチＳＷ１の接点ａに接続されている。

【0037】

また、スイッチＳＤ₁〜ＳＤ_2M-1は、各抵抗Ｒ₁〜Ｒ_2M間のノードＮＲ₁〜ＮＲ_2M-1とノードＮ₃₂との間にそれぞれ接続されている。ノードＮ₃₂は、容量Ｄ／Ａ変換器１１ｂと抵抗Ｄ／Ａ変換器１２との間に配置されたスイッチＳＷ２の接点ａに接続されている。

【0038】

スイッチＳＣ₁〜ＳＣ_2M-1はデコーダ１５ａから出力される信号に応じてオン−オフ動作し、スイッチＳＤ₁〜ＳＤ_2M-1はデコーダ１５ｂから出力される信号に応じてオン−オフ動作する。

【0039】

図５は、図１，図２中のコンパレータ１３を拡大して示す図である。この図５に示すように、コンパレータ１３は、複数（この例では３個）の前置増幅器Ａ１，Ａ２，Ａ３と、ダイナミックラッチ回路１６と、複数のスイッチＳＷ₁₁〜ＳＷ₁₈とを有する。

【0040】

前置増幅器Ａ１の反転出力端子(−)と前置増幅器Ａ２の非反転入力端子(＋)との間には容量Ｃ₃₁が接続され、前置増幅器Ａ１の非反転出力端子(＋)と前置増幅器Ａ２の反転入力端子(−)との間には容量Ｃ₃₂が接続されている。

【0041】

また、前置増幅器Ａ２の反転出力端子(−)と前置増幅器Ａ３の非反転入力端子(＋)との間には容量Ｃ₃₃が接続され、前置増幅器Ａ２の非反転出力端子(＋)と前置増幅器Ａ３の反転入力端子(−)との間には容量Ｃ₃₄が接続されている。

【0042】

更に、前置増幅器Ａ３の反転出力端子(−)とダイナミックラッチ回路１６の非反転入力端子(＋)との間には容量Ｃ₃₅が接続され、前置増幅器Ａ２の非反転出力端子(＋)とダイナミックラッチ回路１６の反転入力端子(−)との間には容量Ｃ₃₆が接続されている。

【0043】

前置増幅器Ａ１の非反転入力端子(＋)は、スイッチＳＷ₁₁の接点ｂとノードＮ₁₁とに接続されている。また、前置増幅器Ａ１の反転入力端子(−)は、スイッチＳＷ₁₂の接点ｂとノードＮ₁₂とに接続されている。スイッチＳＷ₁₁，ＳＷ₁₂の接点ａは、いずれも端子２５に接続されている。端子２５は、コモン電圧（Ｖ_cm）に保持される。

【0044】

前置増幅器Ａ２の非反転入力端子(＋)と端子２５との間にはスイッチＳＷ₁₃が接続されており、反転入力端子(−)と端子２５との間にはスイッチＳＷ₁₄が接続されている。また、前置増幅器Ａ３の非反転入力端子(＋)と端子２５との間にはスイッチＳＷ₁₅が接続されており、反転入力端子(−)と端子２５との間にはスイッチＳＷ₁₆が接続されている。

【0045】

更に、ダイナミックラッチ回路１６の非反転入力端子(＋)と端子２５との間にはスイッチＳＷ₁₇が接続されており、反転入力端子(−)と端子２５との間にはスイッチＳＷ₁₈が接続されている。このダイナミックラッチ回路１６の出力は、ロジック回路１４に入力される。

【0046】

ロジック回路１４は、サンプルフェーズ及びコンバージョンフェーズの各フェーズにおいて、所定のタイミングでスイッチＳＷ１，ＳＷ２、並びに容量Ｄ／Ａ変換器１１ａ，１１ｂ、抵抗Ｄ／Ａ変換器１２及びコンパレータ１５内の各スイッチを制御する。

【0047】

以下、上述の逐次比較型Ａ／Ｄ変換器１０の動作について説明する。

【0048】

サンプルフェーズでは、第１のクロック信号が“Ｈ”となり、第２のクロック信号が“Ｌ”となる。そして、図１のように、スイッチＳＷ１，ＳＷ２がオフとなり、容量Ｄ／Ａ変換器１１ａ，１１ｂと抵抗Ｄ／Ａ変換器１２との間が電気的に分離される。

【0049】

また、図３（ａ），（ｂ）に示すように、容量Ｄ／Ａ変換器１１ａ内のスイッチＳ_1,0’，Ｓ_1,0〜Ｓ_1,N-1がオンとなり、スイッチＳ_2,0〜Ｓ_2,N-1がオフとなり、入力端子２３ａに供給されたプラス側差動入力信号Ｖ_inpが容量Ｃ_1,0'，Ｃ_1,0〜Ｃ_1,N-1に保持される。

【0050】

これと同様に、容量Ｄ／Ａ変換器１１ｂ内のスイッチＳ_3,0'，Ｓ_3,0〜Ｓ_3,N-1がオンとなり、スイッチＳ_4,0〜Ｓ_4,N-1がオフとなり、入力端子２３ｂに供給されたマイナス側差動入力信号Ｖ_inmが容量Ｃ_2,0'，Ｃ_2,0〜Ｃ_2,Nに保持される。

【0051】

このとき、図５に示すように、コンパレータ１３のスイッチＳＷ₁₁〜ＳＷ₁₈はいずれもオンとなり、前置増幅器Ａ１，Ａ２，Ａ３及びダイナミックラッチ回路１６の非反転入力端子(＋)及び反転入力端子(−)はいずれもコモン電圧に保持される。

【0052】

そして、容量Ｃ₃₁，Ｃ₃₂には前置増幅器Ａ１のオフセット電圧に対応する電荷が蓄積され、容量Ｃ₃₃，Ｃ₃₄には前置増幅器Ａ２のオフセット電圧に対応する電荷が蓄積され、容量Ｃ₃₅，Ｃ₃₆には前置増幅器Ａ３のオフセット電圧に対応する電荷が蓄積される。

【0053】

次に、サンプルフェーズからコンバージョンフェーズに移行する。コンバージョンフェーズでは、第１のクロック信号が“Ｌ”となり、第２のクロック信号が“Ｈ”となる。そして、図２のように、スイッチＳＷ１，ＳＷ２がオンとなる。

【0054】

また、図６（ａ），（ｂ）に示すように、容量Ｄ／Ａ変換器１１ａ，１１ｂ内のスイッチＳ_1,0’，Ｓ_1,0〜Ｓ_1,N-1，Ｓ_3,0’，Ｓ_3,0〜Ｓ_2,N-1がオフとなり、スイッチＳ_2,0〜Ｓ_2,N-1，Ｓ_4,0〜Ｓ₄、_N-1がオンとなる。更に、図７に示すように、コンパレータ１３内の各スイッチＳＷ₁₁〜ＳＷ₁₈がいずれもオフとなる。

【0055】

そして、ロジック回路１４は、容量Ｄ／Ａ変換器１１ａ，１１ｂのスイッチＳＡ_1,0〜ＳＡ_1,N-1及びスイッチＳＢ_1,0〜ＳＢ_1,N-1を所定の順番でオン−オフ動作させ、二分探索法により上位ビットから順に解を探索していく。

【0056】

上位Ｎビットが確定すると、ロジック回路１４は更にデコーダ１５ａ，１５ｂを介して抵抗Ｄ／Ａ変換器１２内のスイッチＳＣ₁〜ＳＣ_2M-1，ＳＤ₁〜ＳＤ_2M-1を所定の順番でオン−オフ動作させ、下位Ｍビットを探索していく。

【0057】

このようにして上位Ｎビット及び下位Ｍビットが確定すると、ロジック回路１４から、端子２３ａ，２３ｂに入力されたアナログ信号に対応するデジタルコードＤ_outが出力される。

【0058】

ところで、コンバージョンフェーズでは、サンプルフェーズの間に容量Ｃ₃₁〜Ｃ₃₆に蓄積された電荷により、前置増幅器Ａ１，Ａ２，Ａ３のオフセット電圧の影響がキャンセルされる。すなわち、図７に示すコンパレータ１３では、前置増幅器Ａ１，Ａ２，Ａ３の出力側に配置された容量Ｃ₃₁〜Ｃ₃₆により、前置増幅器Ａ１，Ａ２，Ａ３のオートゼロ機能が実現される。これにより、高精度のＤ／Ａ変換が可能になる。

【0059】

上述した逐次比較型Ａ／Ｄ変換器１０では、前置増幅器Ａ１，Ａ２，Ａ３のオフセット電圧はオートゼロ機能により低減され、ダイナミックラッチ回路１６の入力換算オフセット電圧は、前置増幅器Ａ１，Ａ２，Ａ３の利得の逆数倍されることで低減される。従って、前置増幅器の数が多いほど、ダイナミックラッチ回路１６の入力換算オフセット電圧の影響が低減される。

【0060】

しかし、上述の逐次比較型Ａ／Ｄ変換器１０では、高分解能が要求されるほど、オフセット電圧による影響を低減するために多数の前置増幅器が必要になる。そのため、半導体デバイスの小型化が阻害されるとともに、消費電力が多くなるという欠点がある。

【0061】

図８は逐次比較型Ａ／Ｄ変換器の他の例を示す回路図、図９は図８中のコンパレータ１３ａを拡大して示す図である。なお、図８において、図１と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

【0062】

図８に例示する逐次比較型Ａ／Ｄ変換器１０ａでは、コンパレータ１３ａが、ダイナミックラッチ回路１６ａと、デコーダ２６ａ，２６ｂと、Ｄ／Ａ変換器２７ａ，２７ｂと、スイッチＳＷ₂₁，ＳＷ₂₂とにより構成されている。

【0063】

図９のようにダイナミックラッチ回路１６ａの非反転入力端子(＋)はノードＮ₁₁に接続され、反転入力端子(−)はノードＮ₁₂に接続されている。また、ダイナミックラッチ回路１６ａの非反転入力端子(＋)と端子２５との間にはスイッチＳＷ₂₁が接続されており、反転入力端子(−)と端子２５との間にはスイッチＳＷ₂₂が接続されている。

【0064】

ロジック回路１４ａは、デコーダ２６ａ，２６ｂ及びＤ／Ａ変換器２７ａ，２７ｂを使用して、オフセット電圧が最も小さくなるようにダイナミックラッチ回路１６ａを補正する。

【0065】

しかし、図８に例示する逐次比較型Ａ／Ｄ変換器１０ａでは、高分解能が要求される場合に、分解能が高いＤ／Ａ変換器が必要となる。しかし、高分解能のＤ／Ａ変換器は小型化が困難であり、消費電力も大きい。

【0066】

また、図８に例示する逐次比較型Ａ／Ｄ変換器１０ａでは、ダイナミックラッチ回路１６ａのオフセット電圧が温度や電源電圧に応じて変化するため、温度又は電源電圧の変動により補正エラーが発生するという問題もある。

【0067】

以下の実施形態では、比較的簡単な構成でコンパレータのオフセット電圧の影響を低減できる逐次比較型Ａ／Ｄ変換器及びその駆動方法について説明する。

【0068】

（第１の実施例）
図１０，図１１は、第１の実施形態に係る逐次比較型Ａ／Ｄ変換器を示す回路図である。図１０はサンプルフェーズの状態を示し、図１１はコンバージョンフェーズの状態を示している。図１０，図１１において、図１，図２と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

【0069】

図１０，図１１に示すように、本実施形態に係る逐次比較型Ａ／Ｄ変換器３０は、容量Ｄ／Ａ変換器１１ａ，１１ｂと、抵抗Ｄ／Ａ変換器１２と、コンパレータ３３と、ロジック回路３４と、デコーダ３５ａ，３５ｂと、スイッチＳＷ１，ＳＷ２とを有する。

【0070】

Ｄ／Ａ変換部は、容量Ｄ／Ａ変換器１１ａ，１１ｂと、抵抗Ｄ／Ａ変換器１２と、スイッチＳＷ１，ＳＷ２とを含んで構成される。容量Ｄ／Ａ変換器１１ａ，１１ｂは第１のＤ／Ａ変換器の一例であり、抵抗Ｄ／Ａ変換器１２は第２のＤ／Ａ変換器の一例である。また、スイッチＳＷ１，ＳＷ２はスイッチ素子の一例である。

【0071】

容量Ｄ／Ａ変換器１１ａ，１１ｂ及び抵抗Ｄ／Ａ変換器１２の構成は図３（ａ），（ｂ）及び図５を参照して既に説明しているので、ここではその説明は省略する。但し、本実施形態では、抵抗Ｄ／Ａ変換器１２内のノードＮ₃₁，Ｎ₃₂が、コンパレータ３３内のスイッチＳＷ₅₃，ＳＷ₅₄に接続されている。

【0072】

ノードＮ₁₁，Ｎ₁₂はＤ／Ａ変換部の第１の出力端子の一例であり、ノードＮ₃₁，Ｎ₃₂はＤ／Ａ変換部の第２の出力端子の一例である。

【0073】

図１２は、図１０，図１１中のコンパレータ３３を拡大して示す図である。この図１２に示すように、コンパレータ３３は、前置増幅器Ａ１１と、ダイナミックラッチ回路３９と、容量Ｃ₆₁，Ｃ₆₂と、スイッチＳＷ₅₁〜ＳＷ₅₄とを有する。

【0074】

コンパレータ３３は比較部の一例であり、ダイナミックラッチ回路３９は比較回路の一例である。また、容量Ｃ₆₁，Ｃ₆₂は第１の容量の一例である。更に、スイッチＳＷ₅₃，Ｗ₅₄は第１のスイッチの一例である。

【0075】

本実施形態では、容量Ｄ／Ａ変換器１１ａ，１１ｂのビット数をＮとしたときに、前置増幅器Ａ１１の利得Ａは２^N以上（Ａ≧２^N）であるものとする。

【0076】

前置増幅器Ａ１１の非反転入力端子(＋)はノードＮ₁₁及びスイッチＳＷ₅₁の接点ｂに接続されており、反転入力端子(−)はノードＮ₁₂及びスイッチＳＷ₅₂の接点ｂに接続されている。また、スイッチＳＷ₅₁の接点ａ及びスイッチＳＷ₅₂の接点ａは、いずれも端子２５に接続されている。端子２５は、コモン電圧（Ｖ_cm）に保持される。

【0077】

前置増幅器Ａ１１の反転出力端子(−)は容量Ｃ₆₁のボトムプレートに接続されており、容量Ｃ₆₁のトッププレートはダイナミックラッチ回路３９の非反転入力端子(＋)に接続されている。また、前置増幅器Ａ１１の非反転出力端子(＋)は容量Ｃ₆₂のボトムプレートに接続されており、容量Ｃ₆₂のトッププレートはダイナミックラッチ回路３９の反転入力端子(−)に接続されている。

【0078】

スイッチＳＷ₅₃の接点ａは抵抗Ｄ／Ａ変換器１２内のノードＮ₃₁に接続されており、接点ｂはダイナミックラッチ回路３９の非反転入力端子(＋)に接続されている。また、スイッチＳＷ₅₄の接点ａは抵抗Ｄ／Ａ変換器１２内のノードＮ₃₂に接続されており、接点ｂはダイナミックラッチ回路３９の反転入力端子(−)に接続されている。

【0079】

スイッチＳＷ₅₁〜ＳＷ₅₄は、いずれも第１のクロック信号によりオン−オフ動作する。

【0080】

図１３（ａ），（ｂ）は前置増幅器Ａ１１の回路構成例を示す図である。図１３（ａ）は能動負荷の前置増幅器であり、電流源Ｉ₁と４個のトランジスタＱ₁₁〜Ｑ₁₄とにより構成されている。図１３（ｂ）は受動負荷の前置増幅器であり、電流源Ｉ₂と２個のトランジスタＱ₂₁，Ｑ₂₂と２個の抵抗Ｒ₁，Ｒ₂とにより構成されている。

【0081】

図１４はダイナミックラッチ回路３９の回路構成例を示す図である。この図１４に示すダイナミックラッチ回路は、９個のトランジスタＱ₃₁〜Ｑ₃₉により構成されている。

【0082】

ロジック回路３４は、図１０，図１１に示すように、レジスタ３４ａ及びクロックジェネレータ３４ｂを備えている。レジスタ３４ａには、後述するように、ダイナミックラッチ回路３９のオフセット電圧に対応する制御コードが記憶される。ロジック回路３４は制御部の一例であり、レジスタ３４ａは記憶部の一例である。

【0083】

クロックジェネレータ３４ｂは、第１のクロック信号、第２のクロック信号及び第３のクロック信号を生成する。

【0084】

図１５は、通常動作時における第１のクロック信号Clk1、第２のクロック信号Clk2及び第３のクロック信号Clk3のタイミングチャートである。

【0085】

図１５からわかるように、第１のクロック信号Clk1が“Ｈ”のときには第２のクロック信号Clk2が“Ｌ”になり、第１のクロック信号Clk1が“Ｌ”のときには第２のクロック信号Clk2が“Ｈ”になる。

【0086】

通常動作時には、第１のクロック信号Clk1が“Ｈ”になるとサンプルフェーズとなり、第２のクロック信号Clk2が“Ｈ”になるとコンバージョンフェーズとなる。そして、コンバージョンフェーズでは、所定の周波数の第３のクロック信号Clk3が出力される。

【0087】

容量Ｄ／Ａ変換器１１ａ，１１ｂ内のスイッチＳ_1,0'，Ｓ_1,0〜Ｓ_1,N-1，Ｓ_3,0'，Ｓ_3,0〜Ｓ_3,N-1及びコンパレータ３３内のスイッチＳＷ₅₁〜ＳＷ₅₄は、第１のクロック信号Clk1が“Ｈ”のときにオンになり、“Ｌ”のときにオフになる。

【0088】

また、スイッチＳＷ１，ＳＷ２及び容量Ｄ／Ａ変換器１１ａ，１１ｂ内のスイッチＳ_2,0〜Ｓ_2,N-1、Ｓ_4,0〜Ｓ_4,N-1は、第２のクロック信号Clk2が“Ｈ”のときにオンになり、“Ｌ”のときにオフとなる。

【0089】

容量Ｄ／Ａ変換器１１ａ，１１ｂ内のスイッチＳＡ₁〜ＳＡ_N-1，ＳＢ_1,0〜ＳＢ_1,N-1、及び抵抗Ｄ／Ａ変換器１２内のスイッチＳＣ₁〜ＳＣ_2M-1，ＳＤ₁〜ＳＣ_2M-1は、第３のクロック信号Clk3に同期したタイミングでオン−オフ動作する。また、ダイナミックラッチ回路３９も、第３のクロック信号Clk3に同期したタイミングで、前置増幅器Ａ１１から出力される信号をラッチする。

【0090】

本実施形態では、ダイナミックラッチ回路３９のオフセット電圧に相当する電圧を抵抗Ｄ／Ａ変換器１２（抵抗ラダー）で生成し、その電圧を容量Ｃ₆₁，Ｃ₆₂に印加する。そして、容量Ｃ₆₁，Ｃ₆₂に蓄積された電荷により、ダイナミックラッチ回路３９のオフセット電圧の影響をキャンセルする。

【0091】

図１６は、ダイナミックラッチ回路３９のオフセット電圧に相当する電圧を抵抗Ｄ／Ａ変換器１２で生成するための制御コードの決定方法を示すフローチャートである。

【0092】

まず、ステップＳ１１において、ロジック回路３４は、第１のクロック信号Clk1を“Ｌ”、第２のクロック信号Clk2を“Ｈ”とする。

【0093】

これにより、スイッチＳＷ１，ＳＷ２がオフとなり、容量Ｄ／Ａ変換器１１ａ，１１ｂと抵抗Ｄ／Ａ変換器１２との間が電気的に分離される。また、図１２に示すように、コンパレータ３３内のスイッチＳＷ₅₁〜ＳＷ₅₄がいずれもオンとなり、容量Ｃ₆₁，Ｃ₆₂に前置増幅器Ａ１１のオフセット電圧に相当する電荷が蓄積される。

【0094】

次に、ステップＳ１２に移行し、ロジック回路３４は、デコーダ３５ａ，３５ｂ及ダイナミックラッチ回路３９に第３のクロック信号Clk3を供給するとともに、デコーダ３５ａ，３５ｂに制御信号（デジタル信号）を出力する。このとき、ロジック回路３４は、抵抗Ｄ／Ａ変換器１２のノードＮ₃₁，Ｎ₃₂の電圧がプラス側参照電圧Ｖrefpとマイナス側参照電圧Ｖrefmとの中間となるように制御信号を出力する。

【0095】

次に、ステップＳ１３に移行し、ロジック回路３４は現在のダイナミックラッチ回路３９の出力に応じて、デコーダ３５ａ，３５ｂに供給する制御信号を変更する。

【0096】

例えば、ダイナミックラッチ回路３９の出力が“Ｈ”の場合、ロジック回路３４は、デコーダ３５ａ，３５ｂに供給する制御信号を変更して、抵抗Ｄ／Ａ変換器１２の差動出力電圧を１ビット分（ＬＳＢ）だけ負側に変化させる。

【0097】

また、ダイナミックラッチ回路３９の出力が“Ｌ”の場合、ロジック回路３４は、デコーダ３５ａ，３５ｂに供給する制御信号を変更して、抵抗Ｄ／Ａ変換器１２の差動出力電圧を１ビット分（ＬＳＢ）分だけ正側に変化させる。

【0098】

次に、ステップＳ１４に移行し、ロジック回路３４は、ダイナミックラッチ回路３９の出力電圧の極性が変化したか否かを判定する。極性が変化していない場合（ＮＯの場合）はステップＳ１３に戻り、更に制御信号を変更する。

【0099】

ステップＳ１３，Ｓ１４を繰り返すことにより、ダイナミックラッチ回路３９の出力電圧の極性が変化する。ダイナミックラッチ回路３９の出力電圧の極性が変化したときの抵抗Ｄ／Ａ変換器１２の出力電圧が、ダイナミックラッチ回路３９のオフセット電圧に相当する。

【0100】

ステップＳ１４においてダイナミックラッチ回路３９の出力電圧の極性の変化を検出すると、ステップＳ１５に移行する。そして、ロジック回路３４は、このときの制御信号を、ダイナミックラッチ回路３９のオフセット電圧に対応する制御コードとして、レジスタ３４ａに記憶する。

【0101】

このようにして、ダイナミックラッチ回路３９のオフセット電圧に相当する電圧を抵抗Ｄ／Ａ変換器１２で生成するための制御コードが決定される。以下、図１６に示す一連のフローを、制御コード決定フローと呼ぶ。

【0102】

なお、本実施形態では、デコーダ３５ａ，３５ｂに供給する制御信号を順次変更して制御コードを決定しているが、制御コードの決定方法はこれに限定されない。例えば、サンプルフェーズにおいてＣ_1,N-1を参照電圧Ｖrefp、残りの容量を参照電圧Ｖrefm、容量Ｃ₆₁、Ｃ₆₂を参照電圧Ｖrefpと参照電圧Ｖrefmとの中点に接続し、コンバージョンフェーズでは通常のＡ／Ｄ変換動作と同様の動作を行うと、ダイナミックラッチ回路３９のオフセット電圧に相当するデジタルコードがＤoutとして出力される。このデジタルコードの上位Ｍビットを制御コードとして用いてもよい。

【0103】

図１７は、本実施形態に係る逐次比較型Ａ／Ｄ変換器３０の動作を示すフローチャートである。

【0104】

まず、電源が投入されると、ステップＳ２１において、図１６に例示した制御コード決定フローを実施して、制御コードを決定する。

【0105】

ステップＳ２１において制御コード決定フローが終了すると、次にステップＳ２２に移行する。ステップＳ２２において、ロジック回路３４は、第１のクロック信号Clk1を“Ｈ”とし、第２のクロック信号Clk2を“Ｌ”として、サンプルフェーズを実行する。

【0106】

サンプルフェーズでは、容量Ｄ／Ａ変換器１１ａ，１１ｂの容量Ｃ_1,0'，Ｃ_1,0〜Ｃ_1,N-1，Ｃ_2,0’，Ｃ_2,0〜Ｃ_2,N-1に、差動入力信号Ｖinp，Ｖinmが保持される。

【0107】

また、コンパレータ３３内の前置増幅器Ａ１１の非反転入力端子(＋)及び反転入力端子(−)はいずれもコモン電圧Ｖ_cmに保持され、前置増幅器Ａ１１のオフセット電圧に対応する電荷が容量Ｃ₆₁，Ｃ₆₂に蓄積される。

【0108】

更に、レジスタ３４ａに記憶した制御コードがデコーダ３５ａ，３５ｂに出力され、コンパレータ３３内の容量Ｃ₆₁，Ｃ₆₂にはダイナミックラッチ回路３９のオフセット電圧に対応する電荷も蓄積される。

【0109】

次に、ステップＳ２３に移行し、ロジック回路３４は、第１のクロック信号Clk1を“Ｌ”とし、第２のクロック信号Clk2を“Ｈ”として、コンバージョンフェーズを実行する。

【0110】

コンバージョンフェーズでは、ロジック回路３４、容量Ｄ／Ａ変換器１１ａ，１１ｂ、抵抗Ｄ／Ａ変換器１２及びコンパレータ３３により、端子２３ａ，２３ｂに入力された差動アナログ信号Ｖ_inp，Ｖ_inmに対応するデジタル信号が、上位ビットから順に決定される。

【0111】

端子２３ａ，２３ｂに入力されたアナログ信号Ｖ_inp，Ｖ_inmに対応するデジタル信号の全てのビットが決定すると、ロジック回路３４から当該デジタル信号がデジタルコードＤ_outとして出力される。

【0112】

コンバージョンフェーズでは、容量Ｃ₆₁，Ｃ₆₂に蓄積された電荷により、前置増幅器Ａ１１のオフセット電圧及びダイナミックラッチ回路３９のオフセット電圧がキャンセルされる。これにより、精度のよいＡ／Ｄ変換が可能になる。

【0113】

次いで、ステップＳ２４に移行し、Ａ／Ｄ変換を終了するか否かを判定する。Ａ／Ｄ変換を継続する場合は、ステップＳ２２に戻る。

【0114】

本実施形態に係る逐次比較型Ａ／Ｄ変換器３０は、抵抗Ｄ／Ａ変換器１２を使用してダイナミックラッチ回路３９のオフセット電圧を補正するので、コンパレータ３３の部品数が少なくてすむ。これにより、半導体デバイスのより一層の小型化及び省電力化が可能となる。

【0115】

本実施形態に係る逐次比較型Ａ／Ｄ変換器３０は、前置増幅器Ａ１１の利得Ａが２^N以上のときに、ダイナミックラッチ回路３９のオフセット電圧を、当該逐次比較型Ａ／Ｄ変換器３０の分解能（Ｎ＋Ｍビット）よりも細かく補正することができる。

【0116】

なお、本実施形態では、電源投入時に制御コード決定フローを行うものとしている。しかし、制御コード決定フローは、最初の電源投入時のみに行うようにしてもよく、外部装置から所定の信号を受信したときに行うようにしてもよい。

【0117】

ところで、ダイナミックラッチ回路３９のオフセット電圧は、ダイナミックラッチ回路３９を構成する差動増幅器の差動間ミスマッチによって発生する。差動間ミスマッチにより発生するオフセット電圧をＶ_ofstとすると、ダイナミックラッチ回路３９の入力差動信号Ｖ_in,latchは、電荷保存則により下記（１）式で表わされる。

【0118】

【数1】

【0119】

ここで、Ｖ_calDACは補正電圧、すなわち抵抗Ｄ／Ａ変換器１２の出力電圧である。この（１）式からも明らかなように、抵抗Ｄ／Ａ変換器１２の出力電圧Ｖ_calDACをオフセット電圧Ｖ_ofstと一致させる（Ｖ_ofst＝−Ｖ_calDAC）ことで、ダイナミックラッチ回路３９のオフセット電圧の影響を排除することができる。

【0120】

また、本実施形態によれば、前置増幅器Ａ１１の利得をＡとしたときに、補正残差電圧（Ｖ_calDAC＋Ｖ_ofst)の温度及び電源電圧依存による影響は、１／Ａ倍に低減される。

【0121】

（第２の実施形態）
図１８，図１９は、第２の実施形態に係る逐次比較型Ａ／Ｄ変換器を示す回路図である。図１８はサンプルフェーズの状態を示し、図１９はコンバージョンフェーズの状態を示している。図１８，図１９において、図１０，図１１と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

【0122】

なお、第１の実施形態はコンパレータ内の前置増幅器の利得が大きい（Ａ≧２^N）ときに適用し、第２の実施形態はコンパレータ内の前置増幅器の利得が小さい（Ａ＜２^N）ときに適用する。

【0123】

図１８，図１９に示すように、本実施形態に係る逐次比較型Ａ／Ｄ変換器４０は、容量Ｄ／Ａ変換器１１ａ，１１ｂと、抵抗Ｄ／Ａ変換器１２と、コンパレータ４３と、ロジック回路４４と、デコーダ３５ａ，３５ｂと、スイッチＳＷ１，ＳＷ２とを有する。

【0124】

図２０は、図１８，図１９中のコンパレータ４３を拡大して示す図である。この図２０に示すように、コンパレータ４３は、前置増幅器Ａ１２と、ダイナミックラッチ回路３９と、容量Ｃ₆₁〜Ｃ₆₄と、スイッチＳＷ₅₁〜ＳＷ₅₈とを有する。

【0125】

容量Ｃ₆₃，Ｃ₆₄は第２の容量の一例である。また、スイッチＳＷ₅₇，ＳＷ₅₈は第２のスイッチの一例である。更に、スイッチＳＷ₅₅，ＳＷ₅₆は第３のスイッチの一例である。

【0126】

本実施形態では、容量Ｄ／Ａ変換器１１ａ，１１ｂのビット数をＮとしたときに、前置増幅器Ａ１２の利得Ａは２^Nよりも小さい（Ａ＜２^N）ものとする。

【0127】

前置増幅器Ａ１２の非反転入力端子(＋)はノードＮ₁₁及びスイッチＳＷ₅₁の接点ｂに接続されており、反転入力端子(−)はノードＮ₁₂及びスイッチＳＷ₅₂の接点ｂに接続されている。スイッチＳＷ₅₁，ＳＷ₅₂の接点ｂはいずれも端子２５に接続されている。端子２５は、コモン電圧（Ｖ_cm）に保持される。

【0128】

前置増幅器Ａ１２の反転出力端子(−)は容量Ｃ₆₁のボトムプレートに接続されており、容量Ｃ₆₁のトッププレートはダイナミックラッチ回路３９の非反転入力端子(＋)に接続されている。また、前置増幅器Ａ１２の非反転出力端子(＋)は容量Ｃ₆₂のボトムプレートに接続されており、容量Ｃ₆₂のトッププレートはダイナミックラッチ回路３９の反転入力端子(−)に接続されている。

【0129】

スイッチＳＷ₅₃の接点ａは抵抗Ｄ／Ａ変換器１２内のノードＮ₃₁に接続されており、接点ｂはスイッチＳＷ₅₅の接点ｂ及び容量Ｃ₆₃のボトムプレートに接続されている。スイッチＳＷ₅₅の接点ａは接地されており、容量Ｃ₆₃のトッププレートはダイナミックラッチ回路３９の非反転入力端子(＋)に接続されている。

【0130】

スイッチＳＷ₅₄の接点ａは抵抗Ｄ／Ａ変換器１２内のノードＮ₃₂に接続されており、接点ｂはスイッチＳＷ₅₆の接点ｂ及び容量Ｃ₆₄のボトムプレートに接続されている。スイッチＳＷ₅₆の接点ａは接地されており、容量Ｃ₆₄のトッププレートはダイナミックラッチ回路３９の反転入力端子(−)に接続されている。

【0131】

スイッチＳＷ₅₇の接点ｂはダイナミックラッチ回路３９の非反転入力端子(＋)に接続されており、接点ａは端子２５に接続されている。また、スイッチＳＷ₅₈の接点ｂはダイナミックラッチ回路₃₉の反転入力端子(−)に接続されており、接点ａは端子２５に接続されている。

【0132】

ロジック回路４４は、図１８，図１９に示すように、レジスタ４４ａ及びクロックジェネレータ４４ｂを備えている。レジスタ４４ａにはダイナミックラッチ回路３９のオフセット電圧に対応する制御コードが記憶される。

【0133】

クロックジェネレータ４４ｂは、第１の実施形態と同様に、第１のクロック信号Clk1、第２のクロック信号Clk2、及び第３のクロック信号Clk3を出力する。また、クロックジェネレータ４４ｂは、後述するように制御コード決定フローにおいて、第１のクロック信号Clk1とは別のクロック信号Clk1'と、第２のクロック信号Clk2とは別のクロック信号Clk2'とを出力する。

【0134】

通常動作時（サンプルフェーズ及びコンバージョンフェーズ）には、スイッチＳＷ₅₁，ＳＷ₅₂，ＳＷ₅₃，ＳＷ₅₄，ＳＷ₅₇，ＳＷ₅₈は第１のクロック信号によりオン−オフ動作し、スイッチＳＷ₅₅，ＳＷ₅₆は第２のクロック信号によりオン−オフ動作する。

【0135】

但し、制御コード決定フロー実行時には、スイッチＳＷ₅₃，ＳＷ₅₄，ＳＷ₅₇，ＳＷ₅₈はクロック信号Clk1'によりオン−オフ動作し、スイッチＳＷ₅₅，ＳＷ₅₆はクロック信号Clk2'によりオン−オフ動作する。なお、スイッチＳＷ₅₁，ＳＷ₅₂は、制御コード決定フローにおいても、第１のクロック信号Clk1によりオンーオフする。

【0136】

図２１は、ダイナミックラッチ回路３９のオフセット電圧に相当する電圧を抵抗Ｄ／Ａ変換器１２で生成するための制御コードの決定方法（制御コード決定フロー）を示すフローチャートである。

【0137】

まず、ステップＳ３１において、ロジック回路４４は、第１のクロック信号Clk1を“Ｈ”、第２のクロック信号Clk2を“Ｌ”とする。これにより、スイッチＳＷ１，ＳＷ２がオフとなり、容量Ｄ／Ａ変換器１１ａ，１１ｂと抵抗Ｄ／Ａ変換器１２とが電気的に分離される。また、コンパレータ４３内のスイッチＳＷ₅₁，ＳＷ₅₂がいずれもオンとなる。

【0138】

次に、ステップＳ３２に移行し、ロジック回路４４は、抵抗Ｄ／Ａ変換器１２のノードＮ₃₁，Ｎ₃₂の電圧がプラス側参照電圧Ｖrefpとマイナス側参照電圧Ｖrefmとの中間となるように、デコーダ３５ａ，３５ｂに制御信号を出力する。

【0139】

次に、ステップＳ３３において、ロジック回路４４は、クロック信号Clk1'を“Ｈ”、クロック信号Clk2'を“Ｌ”とする。これにより、容量Ｃ₆₃，Ｃ₆₄に、それぞれプラス側参照電圧Ｖrefpとマイナス側参照電圧Ｖrefmとの中間の電圧が印加される。

【0140】

次に、ステップＳ３４に移行し、ロジック回路４４は、クロック信号Clk1'を“Ｌ”、クロック信号Clk2'を“Ｈ”とする。これにより、ダイナミックラッチ回路３９の非反転入力端子(＋)及び反転入力端子(−)に、容量Ｃ₆₃，Ｃ₆₄に保持された電圧が入力される。

【0141】

次に、ステップＳ３５に移行し、ロジック回路４４から出力される第３のクロック信号Clk3が“Ｈ”になると、ダイナミックラッチ回路３９は非反転入力端子(＋)及び反転入力端子(−)に入力された信号をラッチする。このとき、ダイナミックラッチ回路３９の非反転入力端子(＋)及び反転入力端子(−)には同じ電圧が入力されるが、ダイナミックラッチ回路３９のオフセット電圧の影響により、ダイナミックラッチ回路３９の出力電圧は“Ｈ”又は“Ｌ”のいずれかとなる。ロジック回路４４は、ダイナミックラッチ回路３９の出力が“Ｈ”であるのか“Ｌ”であるのかを判定する。

【0142】

次に、ステップＳ３６に移行し、ロジック回路４４は、ダイナミックラッチ回路３９の出力電圧の極性が変化したか否かを判定する。１回目のループで比較対象がない場合や極性が変化していない場合（ＮＯの場合）は、ステップＳ３７に移行する。

【0143】

ステップＳ３７において、ロジック回路４４は制御信号を変更する。例えばステップＳ３５でダイナミックラッチ回路３９の出力が“Ｈ”であると判定した場合、ロジック回路４９は、デコーダ３５ａ，３５ｂに供給する制御信号を変更して、抵抗Ｄ／Ａ変換器１２の差動出力電圧を１ビット分（ＬＳＢ）だけ負側に変化させる。

【0144】

また、ステップＳ３５でダイナミックラッチ回路３９の出力が“Ｌ”であると判定した場合、ロジック回路４４は、デコーダ３５ａ，３５ｂに供給する制御信号を変更して、抵抗Ｄ／Ａ変換器１２の差動出力電圧を１ビット分（ＬＳＢ）だけ正側に変化させる。

【0145】

ステップＳ３３〜Ｓ３７を繰り返すことにより、ダイナミックラッチ回路３９の出力電圧の極性が変化する。ダイナミックラッチ回路３９の出力電圧の極性が変化したときの抵抗Ｄ／Ａ変換器１２の出力電圧が、ダイナミックラッチ回路３９のオフセット電圧に相当する。

【0146】

ステップＳ３６においてダイナミックラッチ回路３９の出力電圧の極性の変化を検出すると、ステップＳ３８に移行する。そして、ロジック回路４４は、このときの制御信号を、ダイナミックラッチ回路３９のオフセット電圧に対応する制御コードとして、レジスタ４４ａに記憶する。

【0147】

その後のサンプルフェーズ及びコンバージョンフェーズの動作は第１の実施形態と同様であるので、ここではその説明を省略する。

【0148】

本実施形態においても、抵抗Ｄ／Ａ変換器１２を使用してダイナミックラッチ回路３９のオフセット電圧を補正するので、コンパレータ３３の部品数が少なくてすむ。これにより、半導体デバイスのより一層の小型化及び省電力化が可能となる。

【0149】

本実施形態に係る逐次比較型Ａ／Ｄ変換器４０は、前置増幅器Ａ１１の利得Ａが２^Nよりも小さいときに、ダイナミックラッチ回路のオフセット電圧を当該逐次比較型Ａ／Ｄ変換器４０の分解能（Ｎ＋Ｍビット）よりも細かく補正することができる。

【0150】

ところで、容量Ｃ₆₁，Ｃ₆₂の容量値をＣ₁、容量Ｃ₆₃，Ｃ₆₄の容量値をＣ₂とし、ダイナミックラッチ回路３９の差動間ミスマッチにより発生するオフセット電圧をＶ_ofstとすると、ダイナミックラッチ回路３９の入力差動信号Ｖ_in,latchは下記（２）式で表わされる。

【0151】

【数2】

【0152】

この（２）式からも明らかなように、Ｖ_ofst＝−（Ｃ₂／Ｃ₁）Ｖ_calDACとすることで、ダイナミックラッチ回路３９のオフセット電圧の影響を排除することができる。

【0153】

なお、上述した第１の実施形態及び第２の実施形態では、いずれもＤ／Ａ変換部が容量Ｄ／Ａ変換器と抵抗Ｄ／Ａ変換器とにより構成されている場合について説明している。しかし、Ｄ／Ａ変換部は、抵抗Ｄ／Ａ変換器のみで構成されていてもよい。

【0154】

また、例えば図１０等では正負一対のアナログ信号を受けてデジタル出力に変換するＡ／Ｄ変換器を例に説明したが、本発明は単相のアナログ入力を受けてデジタル出力に変換するＡ／Ｄ変換器に適用することもできる。その場合の比較部は、Ｄ／Ａ変換部の出力を所定の基準値と比較する。

【0155】

以上の諸実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。

【0156】

（付記１）抵抗ラダーを含み、アナログ入力信号及び制御コードに応じた電圧を第１の出力端子から出力するＤ／Ａ変換部と、
前記Ｄ／Ａ変換部の前記第１の出力端子に接続された比較部と、
前記比較部の出力に応じて前記制御コードを出力する制御部とを有し、
前記比較部には、前記抵抗ラダーから前記比較部のオフセット電圧をキャンセルする電圧が供給されることを特徴とする逐次比較型Ａ／Ｄ変換器。

【0157】

（付記２）前記比較部は、
前記Ｄ／Ａ変換部の前記第１の出力端子からの出力が入力される前置増幅器と、
比較回路と、
前記前置増幅器の出力端子と前記比較回路の入力端子との間に配置された第１の容量と、
前記抵抗ラダーの第２の出力端子と前記比較回路の前記入力端子との間に配置されて前記制御部によりオン−オフする第１のスイッチとを有することを特徴とする付記１に記載の逐次比較型Ａ／Ｄ変換器。

【0158】

（付記３）更に、前記比較回路の前記入力端子と前記第１のスイッチとの間に配置された第２の容量と、
前記制御部により制御されて前記比較回路の前記入力端子をコモン電圧に保持する第２のスイッチと、
前記第２の容量と接地との間に配置された第３のスイッチとを有することを特徴とする付記２に記載の逐次比較型Ａ／Ｄ変換器。

【0159】

（付記４）前記Ｄ／Ａ変換部は、
前記アナログ入力信号に対応するデジタル信号の上位Ｎビット（Ｎは任意の整数）を決定する第１のＤ／Ａ変換器と、
前記アナログ入力信号に対応するデジタル信号の下位Ｍビット（Ｍは任意の整数）を決定する、前記抵抗ラダーを含む第２のＤ／Ａ変換器と、
前記第１のＤ／Ａ変換器と前記第２のＤ／Ａ変換器との間に接続されて前記制御部からの信号によりオン−オフする第４のスイッチとを有することを特徴とする付記２又は３に記載の逐次比較型Ａ／Ｄ変換器。

【0160】

（付記５）前記第１のＤ／Ａ変換器が容量Ｄ／Ａ変換器であることを特徴とする付記４に記載の逐次比較型Ａ／Ｄ変換器。

【0161】

（付記６）前記アナログ入力信号は、第１アナログ入力信号と、前記第１アナログ入力信号と逆位相である第２アナログ入力信号を含み、前記容量Ｄ／Ａ変換器は、前記第１アナログ入力信号が入力されて正の信号を出力する正側容量Ｄ／Ａ変換器と、前記第２アナログ入力信号が入力されて負の信号を出力する負側容量Ｄ／Ａ変換器とを有することを特徴とする付記５に記載の逐次比較型Ａ／Ｄ変換器。

【0162】

（付記７）更に、前記制御部から出力される前記制御コードに応じて前記第２のＤ／Ａ変換器を駆動する駆動回路を有することを特徴とする付記４に記載の逐次比較型Ａ／Ｄ変換器。

【0163】

（付記８）前記制御部には、前記オフセット電圧をキャンセルする電圧に対応する制御コードが記憶されていることを特徴とする付記１乃至７のいずれか１項に記載の逐次比較型Ａ／Ｄ変換器。

【0164】

（付記９）前記比較回路が、ダイナミックラッチ回路であることを特徴とする付記２乃至８のいずれか１項に記載の逐次比較型Ａ／Ｄ変換器。

【0165】

（付記１０）前記制御部は、前記第１のＤ／Ａ変換器に前記アナログ入力信号をサンプリングするサンプルフェーズと、前記サンプルフェーズの間にサンプリングしたアナログ信号に対応するデジタルコードを探索するコンバージョンフェーズとを交互に実行し、前記サンプルフェーズの間に前記第２のＤ／Ａ変換器を制御して前記オフセット電圧をキャンセルする電圧を生成し、前記第１の容量及び前記第２の容量に伝達することを特徴とする付記４に記載の逐次比較型Ａ／Ｄ変換器。

【0166】

（付記１１）抵抗ラダーを含むＤ／Ａ変換部と、比較部と、制御部とを備え、サンプルフェーズとコンバージョンフェーズとを交互に実行してアナログ入力信号に対応するデジタルコードを決定する逐次比較型Ａ／Ｄ変換器の駆動方法において、
前記サンプルフェーズの間に前記Ｄ／Ａ変換部から前記比較部に当該比較部内の比較回路のオフセット電圧に対応する電圧を前記抵抗ラダーにて生成して容量に保持し、
前記コンバージョンフェーズでは前記容量に保持した電荷により前記比較回路のオフセット電圧をキャンセルする
ことを特徴とする逐次比較型Ａ／Ｄ変換器の駆動方法。

【0167】

（付記１２）前記制御部は、前記Ｄ／Ａ変換部に制御コードを出力して前記Ｄ／Ａ変換部から出力される信号電圧を順次変更し、前記比較回路から出力される信号の極性の変化の有無を検出するとそのときの制御コードを記憶部に記憶し、
前記サンプルフェーズの間に前記記憶部に記憶した制御コードを前記Ｄ／Ａ変換部に出力して、前記Ｄ／Ａ変換部で前記比較回路のオフセット電圧に対応する電圧を生成することを特徴とする付記１１に記載の逐次比較型Ａ／Ｄ変換器の駆動方法。

【0168】

（付記１３）前記Ｄ／Ａ変換部は、
前記アナログ入力信号に対応するデジタル信号の上位Ｎビット（Ｎは任意の整数）を決定する第１のＤ／Ａ変換器と、
前記アナログ入力信号に対応するデジタル信号の下位Ｍビット（Ｍは任意の整数）を決定する、前記抵抗ラダーを含む第２のＤ／Ａ変換器と、
前記第１のＤ／Ａ変換器と前記第２のＤ／Ａ変換器との間に接続されて前記制御部からの信号によりオン−オフするスイッチ素子とを有し、
前記制御部は前記サンプルフェーズの間に前記アナログ入力信号を前記第１のＤ／Ａ変換器にサンプリングするとともに、前記第２のＤ／Ａ変換器を制御して前記比較回路のオフセット電圧に対応する電圧を生成することを特徴とすることを特徴とする付記１１又は１２に記載の逐次比較型Ａ／Ｄ変換器の駆動方法。

【0169】

（付記１４）前記第１のＤ／Ａ変換器が容量Ｄ／Ａ変換器であり、前記第２のＤ／Ａ変換器が抵抗Ｄ／Ａ変換器であることを特徴とする付記１３に記載の逐次比較型Ａ／Ｄ変換器の駆動方法。

【0170】

（付記１５）前記制御部に、前記オフセット電圧をキャンセルする電圧に対応する制御コードを記憶しておくことを特徴とする付記１１乃至１４のいずれか１項に記載の逐次比較型Ａ／Ｄ変換器の駆動方法。

【符号の説明】

【0171】

１０，１０ａ，３０，４０…逐次比較型Ａ／Ｄ変換器、１１ａ，１１ｂ…容量Ｄ／Ａ変換器、１２…抵抗Ｄ／Ａ変換器、１３，１３ａ，３３，４３…コンパレータ、１４，１４ａ，３４，４４…ロジック回路、１５ａ，１５ｂ，２６ａ，２６ｂ，３５ａ，３５ｂ…デコーダ、１６，１６ａ，３９…ダイナミックラッチ回路、２７ａ，２７ｂ…Ｄ／Ａ変換器、３４ａ，４４ａ…レジスタ、３４ｂ，４４ｂ…クロックジェネレータ、Ａ１〜Ａ３，Ａ１１，Ａ１２…前置増幅器。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】