专利名称：Ad转换装置及控制方法
技术领域：
本发明涉及AD转换装置及控制方法。
背景技术：
逐级比较型AD转换器的S/N比取决于内部比较器的精度。比较器产生的噪声大小取决于该比较器的输入端上的公共电位。因此，将内部比较器的公共电位设定为最佳值， 可提高逐级比较型AD转换器的S/N比。专利文献1 美国专利6400302号说明书另外，已知的AD转换器有具有电荷再分配型的差动DA转换器的逐级比较型AD转换器(专利文献1)。该AD转换器在逐级比较处理中，通过比较器比较由差动DA转换器输出的差动输出电压中的正极侧电压和负极侧电压，检出差动输出电压大致为0的DAC数据。但是，差动DA转换器以公共电位为中心输出在正极侧及负极侧上变化的差动输出电压。所以，差动DA转换器通过将正极侧参考电位和负极侧参考电位的中点电位设定为公共电位，而可以使差动输出电压的动态范围成为最大。对此，在具有差动DA转换器的逐级比较型AD转换器中，比较器对差动DA转换器输出的差动输出电压中正极侧电压和负极侧电压进行比较。因此，在以降低比较器发生的噪声为目的而改变比较器的公共电位时，必须同时改变差动DA转换器的公共电位。因此， 在具有差动DA转换器的逐级比较型AD转换器中，在降低比较器产生的噪声的同时，很难扩大差动DA转换器的动态范围。
发明内容
为解决上述问题，在本发明的第1方式中提供一种AD转换装置及这种AD转换装置的控制方法，所述AD转换装置具有差动放大器，其产生对应模拟输入信号的差动输入电压；电荷再分配型差动DA转换器，其输出从对应比较数据比较数据的差动比较电压减去上述差动输入电压所得到的差动输出电压；比较器，比较上述差动输出电压中的正极侧输出电压和负极侧输出电压；控制部，其根据上述比较器的比较結果，确定上述差动输出电压大致为0的上述比较数据，将确定的上述比较数据作为输出数据输出；以及设定部，其对应上述比较器的公共电位的目标值，设定上述差动放大器的公共电位及上述差动DA转换器的公共电位的至少一方。另外，上述发明的概要并未列举本发明的全部必要特征。这些特征群的次级组合也可构成发明。
图1表示本实施方式涉及的AD转换装置10的结构。图2表示本实施方式涉及的控制部18的动作流程。图3表示本实施方式涉及的差动DA转换器14构成的一例。
图4表示本实施方式涉及的差动DA转换器14样本模式中的等效电路。图5表示本实施方式涉及的差动DA转换器14的保持模式的、保持模式中的逐级比较处理的等效电路的一例。图6表示本实施方式涉及的比较器16结构的一例。图7表示本实施方式涉及的设定部20的结构的第1例。图8表示本实施方式涉及的设定部20的结构的第2例。图9表示本实施方式涉及的设定部20的结构的第3例。图10表示本实施方式变形例涉及的AD转换装置10的结构。
具体实施例方式以下通过发明的实施方式说明本发明，但以下的实施方式并不限定权利要求范围所涉及的发明。另外，实施方式中说明的特征的组合并非全部是发明的必要手段。图1表示本实施方式的AD转换装置10的结构。本实施方式的AD转换装置10在每个规定的取样周期中，输出模拟输入信号对应的数字输出数据。AD转换装置10具有差动放大器12、差动DA转换器14、比较器16、控制部18和设定部20。差动放大器12输入模拟的输入信号，产生与输入的模拟输入信号对应的差动输入电压。更详细地，差动放大器12以正极侧输入电压(Vinp)及该差动放大器12的公共电位(VaflJ为中心，将相对于正极侧输入电压(Vinp)反转的负极侧输入电压(Vinn)作为差动输入电压输出。另外，差动放大器12既可输入差动输入信号，也可输入单端输入信号。差动DA转换器14从差动放大器12输入差动输入电压。另外，差动DA转换器14 从控制部18输入比较数据。差动DA转换器14为电荷再分配型，输出从比较数据对应的差动比较电压减去差动输入电压的差动输出电压。更详细地，差动DA转换器14交替切换样本模式和保持模式而动作。差动DA转换器14在样本模式中，分别对正极侧输入电压(Vinp)及负极侧输入电压(Vinn)取样。S卩，差动 DA转换器14在样本模式中，将正极侧输入电压(Vinp)及负极侧输入电压(Vinn)分别在内部的电容器上充电。差动DA转换器14在保持模式中，从控制部18接受比较数据。差动DA转换器14 在保持模式中，将从比较数据对应的正极侧比较电压减去在样本模式中取样的正极侧输入电压(Vinp)得到的正极侧输出电压(VDA。。utp)输出。同时，差动DA转换器14在保持模式中， 将从比较数据对应的负极侧比较电压(以该差动DA转换器14的公共电位(V_A。)为中心相对于负极侧比较电压反转后的电压)减去样本模式中取样的负极侧输入电压(Vinn)得到的负极侧输出电压(VDAC。utn)输出。比较器16对从差动DA转换器14输出的差动输出电压中的正极侧输出电压 (VDACoutp)和负极侧输出电压(VDAC。utn)进行比较。S卩，比较器16判定正极侧输出电压(VDAC。utp) 及负极侧输出电压(VDAC。utn)哪一个更大。然后，比较器16将比较結果对控制部18输出。控制部18切换差动DA转换器14的动作模式。更详细地，在取样周期内，控制部 18首先将差动DA转换器14设为样本模式，接着再将差动DA转换器14设为保持模式。另外，控制部18在将差动DA转换器14设定在保持模式的状态中，根据比较器16 的比较结果进行逐级比较处理，并确定差动输出电压大致为0的比较数据。即，控制部18确定生成与差动输入电压大致一致的差动比较电压的比较数据。另外，此处所谓的大致为0的差动输出电压可以是不完全为0的差动电压。例如， 控制部18确定差动输出电压成为小于对应于差动DA转换器14的最小比特宽度的电压的比较数据。然后，控制部18将确定的比较数据作为该取样周期中的输出数据输出。设定部20例如根据从外部接收的比较器16的公共电位的目标值来设定差动放大器12的公共电位(VaflJ及差动DA转换器14的公共电位(Vqkac)的至少一方。即，设定部 20设定差动放大器12的公共电位(Vcate)及差动DA转换器14的公共电位(Vqkac)中的至少一方，使比较器16的公共电位(V。M。。mpin)与目标值一致。此时，设定部20将差动放大器12的公共电位(V_)及差动DA转换器14的公共电位(VaffiJ分别相互独立地设定为不同电位。据此，设定部20可降低该比较器16产生的噪声，同时可以在任意范围内调整差动DA转换器14的动态。另外，关于设定部20的具体构成例将在后面详述。图2表示本实施方式的控制部18的动作流程。控制部18在每个取样周期中重复执行从步骤S12到步骤S15的处理(Sll及S16之间的循环处理)。在每个取样周期中，控制部18首先将差动DA转换器14设定为样本模式(S12)。 据此，差动DA转换器14对通过差动放大器12输出的差动输入电压进行取样。接着，控制部18将差动DA转换器14设定为保持模式(S13)。据此，差动DA转换器14成为可从由对应于控制部18输入的对应比较数据的差动比较电压减去样本模式下取样的差动输入电压的差动输出电压的状态。接着，控制部18在将差动DA转换器14设定为保持模式的状态下进行逐级比较处理。即，控制部18使比较数据依次变化，根据比较器16的比较结果，确定差动输出电压大致为0的比较数据。此时，作为一例，控制部18通过使比较数据根据对分法检索变化，可高效确定差动输出电压大致为0的比较数据。接着，控制部18在步骤S14中将确定的比较数据作为该取样周期中的输出数据输出。另外，控制部18可在该取样周期以后的定时中，进行该取样周期中的输出数据的输出处理。控制部18重复上述的从步骤S12到步骤S15的处理，直到接收到转换已结束的指令(S16)为止。据此，AD转换装置10可输出在每个取样周期取样模拟的输入信号的数据列。图3表示本实施方式的差动DA转换器14的一例。差动DA转换器14从正极侧输出端30产生正极侧输出电压(VDAC。utp)，从负极侧输出端40产生负极侧输出电压(VDAC。utn)。另外，差动DA转换器14例如从基准电源接收正极侧参考电位(Vkefp)及负极侧参考电位(Vkefn)。差动DA转换器14的公共电位(V_A。)为正极侧参考电位(Vkefp)和负极侧参考电位(Vkefn)之间的电位，优选为正极侧参考电位(Vkefp)和负极侧参考电位(Vkefn)的中点电位。另外，差动DA转换器14的公共电位(Vqkac),在图3中以▽或Δ (三角)的标记表差动DA转换器14具有正极侧电容器阵列32、正极侧切替部34、正极侧取样用开关36、负极侧电容器阵列42、负极侧切换部44、负极侧取样用开关46及开关控制器50。正极侧电容器阵列32包含多个电容器，一端连接在正极侧输出端30上。作为一例，正极侧电容器阵列32包含C、C、Z1XCJ2 X C、24 X C、28 X C、. . . 2N_2XC加权的N个(N为 2以上的整数)的电容器，这些N个电容器各自的一端并联在正极侧输出端30上。另外，C 表示对应1比特的权重的单位电容。正极侧切换部34根据控制部18的控制切换正极侧电容器阵列32的连接。作为一例，正极侧切换部34包含分别对应正极侧电容器阵列32内的N个电容器而设置的N个开关。在样本模式中，正极侧切换部34将正极侧电容器阵列32中未连接正极侧输出端 30—侧的端子连接到正极侧输入电压(Vinp)的输入端上。作为一例，正极侧切换部；34将N 个电容器中未连接正极侧输出端30—侧的端子分别连接到正极侧输入电压的输入端上。另外，在保持模式中，正极侧切换部34将正极侧电容器阵列32中包含的多个电容器根据比较数据的电容比分成两份。然后，正极侧切换部34将两份中一份的电容器群中未连接正极侧输出端30—侧的端子连接到正极侧参考电位(Vkefp)上，将两份中的另一份电容器群中未连接正极侧输出端30 —侧的端子连接到公共电位(Vqkac)上。正极侧取样用开关36对是否将正极侧输出端30连接到公共电位(Vqkac)上进行切换。具体地，正极侧取样用开关36，在样本模式中连接正极侧输出端30和公共电位(Vqkac)， 在保持模式下将断开。负极侧电容器阵列42包含多个电容器，一端连接在负极侧输出端40上。作为一例，负极侧电容器阵列42包含与正极侧电容器阵列32同样的电容及连接的N个电容器。负极侧切换部44根据控制部18的控制、切换负极侧电容器阵列42的连接。作为一例，负极侧切换部44包括与负极侧电容器阵列42内的N个电容器分别对应设置的N个开关。在样本模式中，负极侧切换部44将负极侧电容器阵列42中未连接负极侧输出端 40—侧的端子连接到负极侧输入电压(Vinn)的输入端上。作为一例，负极侧切换部44将N 个电容器中未连接负极侧输出端40—侧的端子分别连接到负极侧输入电压(Vinn)的输入端上。另外，负极侧切换部44在保持模式中，将负极侧电容器阵列42包含的多个电容器以对应比较数据的电容比分成两份。然后，负极侧切换部44将两份中一份的电容器群中未连接负极侧输出端40—侧的端子连接到负极侧参考电位(Vkefn)上，将两份中的另一份的电容器群中未连接负极侧输出端40 —侧的端子连接到公共电位(V_A。)上。负极侧取样用开关46用于切换是否将负极侧输出端40连接到公共电位(Vqkac) 上。具体地，负极侧取样用开关46，在样本模式中连接负极侧输出端40和公共电位(Vqkac)， 在保持模式下将其断开。开关控制器50从控制部18接收比较数据及模式切换指令。开关控制器50根据比较数据及模式切换指令，切换正极侧切换部34、负极侧切换部44、正极侧取样用开关36 及负极侧取样用开关46的状态。图4表示本实施方式的差动DA转换器14的样本模式下的等效电路。图5表示本实施方式的差动DA转换器14的、保持模式中的逐级比较处理下的等效电路的一例。另外， 差动DA转换器14的分辨率用(m+n)表示。另外，相对差动DA转换器14的满刻度值的比较数据值比率为m/(n+m)。另外，用C表示对应差动DA转换器14中1比特的权重的单位电容。如图4所示，差动DA转换器14在样本模式中，将正极侧输出端30连接在该差动 DA转换器14的公共电位(Vqkac)上，将差动放大器12的公共电位(VaflJ被抵消的正极侧输入电压(Vinp)在正极侧电容器阵列32上充电。据此，在差动DA转换器14将正极侧输出端30从差动DA转换器14的公共电位(Vqkac)切断的情况下，可从正极侧输出端30产生将差动放大器12的公共电位(Vcate)和正极侧输入电压(Vinp)的累加电压进行反转后的电压。同时，如图4所示，差动DA转换器14在样本模式中，将负极侧输出端40连接在该差动DA转换器14的公共电位(Vqkac)上，将差动放大器12的公共电位(VcmJ被抵消的负极侧输入电压(Vinn)在负极侧电容器阵列42上充电。据此，差动DA转换器14在将负极侧输出端40从差动DA转换器14的公共电位(Vqkac)切断时，可从负极侧输出端40产生将差动放大器12的公共电位(VaflJ和负极侧输入电压(Vinn)的累加电压进行反转后的电压。接着，如图5所示，差动DA转换器14在保持模式中，将正极侧输出端30及负极侧输出端40从公共电位(V。m。)断开。进而在保持模式中，差动DA转换器14将正极侧电容器阵列32中、正极侧输出端30及公共电位(Vqkac)间的电容和正极侧输出端30及正极侧参考电位(Vkefp)间的电容之间的比率，对应比较数据进行切换。更具体地，差动DA转换器14将正极侧电容器阵列32中mXC的电容连接在连接正极侧输出端30和公共电位(Vqkac)之间。然后，差动DA转换器14将正极侧电容器阵列 32中nXC的电容连接到正极侧输出端30和正极侧参考电位(Vkefp)之间。据此，差动DA转换器14可从正极侧输出端30，产生将正极侧参考电位(Vkefp)和公共电位(Vqkac)之间以对应比较数据的电容比进行分压的电压(正极侧比较电压)。同时，如图5所示，差动DA转换器14在保持模式中，对应比较数据进行切换负极侧电容器阵列42中的、负极侧输出端40及公共电位(Vqkac)之间的电容、和负极侧输出端 40及负极侧参考电位(Vkefn)之间的电容之间的比率。更具体地，差动DA转换器14将负极侧电容器阵列42中的mXC电容连接在负极侧输出端40和公共电位(V。_)之间。然后， 差动DA转换器14将负极侧电容器阵列42中的nXC电容连接在负极侧输出端40和负极侧参考电位(Vkefn)之间。据此，差动DA转换器14可从负极侧输出端40产生将负极侧参考电位(Vkefn)和公共电位(Vqkac)之间以与比较数据对应的电容比进行分压的电压(负极侧比较电压)。根据以上方法，在保持模式中，差动DA转换器14可输出从对应比较数据的正极侧比较电压减去在样本模式在正极侧电容器阵列32上充电的电压(差动放大器12的公共电位(VaflJ被抵消的正极侧输入电压(Vinp))得到的正极侧输出电压(VDA。。utp)。另外，在保持模式中，差动DA转换器14可输出从对应比较数据的负极侧比较电压，减去样本模式中在负极侧电容器阵列42上充电的电压(差动放大器12的公共电位(V。_)被抵消的负极侧输入电压(Vinn))得到的负极侧输出电压(VDAe。utn)。S卩，差动DA转换器14，可从正极侧输出端30及负极侧输出端40输出下式(1)中表示的正极侧输出电压(vDAC。utp)及负极侧输出电压(V
DACoutn/ °数学式权利要求
1.一种AD转换装置，其具有差动放大器，其发生对应于模拟输入信号的差动的输入电压； 电荷再分配型差动DA转换器，其输出从对应于比较数据的差动比较电压减去所述差动输入电压而所得到的差动输出电压；比较器，其将所述差动输出电压中的正极侧输出电压和负极侧输出电压进行比较； 控制部，其根据所述比较器的比较結果，确定所述差动输出电压大致为0的所述比较数据，将确定的所述比较数据作为输出数据输出；以及设定部，其对应所述比较器的公共电位的目标值，设定所述差动放大器的公共电位及所述差动DA转换器的公共电位的至少一方。
2.根据权利要求1记载的AD转换装置，其特征在于所述设定部，将让所发生的噪声降低至比与所述差动放大器的公共电位相同值时还低的所述比较器的公共电位作为目标值，来设定所述差动放大器的公共电位及所述差动DA 转换器的公共电位中的至少一方。
3.根据权利要求1所述的AD转换装置，其特征在于所述设定部将所述差动放大器的公共电位及所述差动DA转换器的公共电位设定为相互不同的电位。
4.根据权利要求2所述的AD转换装置，其特征在于所述设定部设定所述差动放大器的公共电位及所述差动DA转换器的公共电位的至少一方，以使从所述差动DA转换器的公共电位的两倍减去所述差动放大器的公共电位得到的电位，与所述比较器的公共电位的目标值一致。
5.根据权利要求4所述的AD转换装置，其特征在于， 所述设定部包括第1电压发生部，其输出对应于所述比较器的公共电位的目标值的电位； 公共发生部，作为所述差动放大器的公共电位，其发生从所述差动DA转换器的公共电位的两倍的电位减去由所述第1电压发生部发生的电位而得到的电位。
6.根据权利要求5所述的AD转换装置，其特征在于所述设定部还具有输出所述差动DA转换器的公共电位的第2电压发生部。
7.根据权利要求4所述的AD转换装置，其特征在于，所述设定部具有 第1电压发生部，其发生对应于所述比较器的公共电位的目标值的电位；公共发生部，作为所述差动DA转换器的公共电位，其发生将所述差动放大器的公共电位与由所述第1电压发生部发生的电位相加后得到的电位的1/2倍的电位。
8.根据权利要求1所述的AD转换装置，其特征在于还具有噪声测定部，用于测定相对所述比较器的公共电位的有关AD转换装置的噪声； 所述设定部将所述噪声小于预定基准值的所述比较器的公共电位作为目标值，设定所述差动放大器的公共电位及所述差动DA转换器的公共电位的至少一方。
9.根据权利要求1所述的AD转换装置，其特征在于所述差动放大器，将以正极侧输入电压及该差动放大器的公共电位为中心，相对于所述正极侧输入电压反转的负极侧输入电压作为所述差动的输入电压输出； 所述差动DA转换器，在样本模式中，对所述正极侧输入电压及所述负极侧输入电压进行取样； 在保持模式中，输出从对应所述比较数据的正极侧比较电压减去所述正极侧输入电压得到的正极侧输出电压、及从对应所述比较数据的负极侧比较电压减去所述负极侧输入电压得到的负极侧输出电压。
10.根据权利要求9所述的AD转换装置，其特征在于， 所述差动DA转换器具有正极侧电容器阵列，其连接在正极侧输出端上；正极侧切换部，其对应所述控制部的控制切换所述正极侧电容器阵列的连接； 负极侧电容器阵列，其连接在负极侧输出端上；负极侧切换部，其对应所述控制部的控制切换所述负极侧电容器阵列的连接。
11.根据权利要求10所述的AD转换装置，其特征在于所述差动DA转换器，在所述样本模式中，将所述正极侧输出端连接在公共电位上，并在所述正极侧电容器阵列上进行所述正极侧输入电压充电的同时，将所述负极侧输出端连接在公共电位上，并在所述负极侧电容器阵列，进行所述负极侧输入电压的充电；在所述保持模式中，对应所述比较数据切换所述正极侧电容器阵列中的，所述正极侧输出端及所述公共电位之间的电容和所述正极侧输出端及正极侧参考电位之间的电容的比率，同时，对应所述比较数据切换在所述负极侧电容器阵列中的，所述负极侧输出端及所述公共电位之间的电容和所述负极侧输出端及负极侧参考电位之间的电容的比率。
12.—种控制方法，是输出对应于模拟输入信号的输出数据的AD转换装置的控制方法，所述AD转换装置具有差动放大器，其输出对应于模拟输入信号的差动输入电压；电荷再分配型的差动DA转换器，其输出从对应比较数据的差动比较电压减去所述差动输入电压得到的差动输出电压；比较器，其将所述差动输出电压中的、正极侧输出电压和负极侧输出电压进行比较； 控制部，根据所述比较器的比较结果确定所述差动输出电压大致为0的所述比较数据，将已确定的所述比较数据作为输出数据输出；对应所述比较器的公共电位的目标值，设定所述差动放大器的公共电位及所述差动DA 转换器的公共电位的至少一方。
全文摘要
本发明提供一种减低噪声的AD转换装置，具有产生对应模拟输入信号的差动输入电压的差动放大器；输出从对应比较数据的差动比较电压减去差动输入电压得到的差动输出电压的电荷再分配型差动DA转换器；将差动输出电压中的正极侧输出电压和负极侧输出电压进行比较的比较器；根据比较器的比较结果，确定差动输出电压大致为0的比较数据，将确定的比较数据作为输出数据输出的控制部；以及对应比较器的公共电位的目标值，设定差动放大器的公共电位及差动DA转换器的公共电位的至少一方的设定部。
文档编号H03M1/38GK102185610SQ201010598290
公开日2011年9月14日 申请日期2010年12月21日 优先权日2010年1月14日
发明者仓持泰秀, 川端雅之, 植草弘一郎 申请人:爱德万测试株式会社