• 検索結果がありません。

自己校正形

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

シェア "自己校正形"

Copied!
25
0
0

読み込み中.... (全文を見る)

全文

(1)

群馬大学 コバ研

KOBA Lab.

Gunma University KOBA Lab.

自己校正形

高精度 MOSA/D 変換器の調査

群馬大学 工学研究科 電気電子工学専攻 通信処理システム工学第二 小林研究室

清水 一也

指導教官 小林 春夫 教授

High-Accuracy MOS A/D Converter with

Inherent Self-Compensation

(2)

群馬大学 コバ研

Gunma University KOBA Lab.

2

参考文献

自己校正形高精度

MOS

A/D

変換器

T. Tukada

(塚田敏郎)

,

”High-Accuracy MOS A/D Converter

with Inherent Self-Compensation”

(3)

群馬大学 コバ研

Gunma University KOBA Lab.

3

Outline

逐次比較形 A/D 変換器の精度 自己校正原理

自己校正による A/D 変換方式

高精度 A/D 変換器の回路構成

まとめ

(4)

群馬大学 コバ研

Gunma University KOBA Lab.

4

逐次比較形 A/D 変換器の精度

(5)

群馬大学 コバ研

Gunma University KOBA Lab.

5

逐次比較形 A/D 変換器

電荷再分配による

M

ビット逐次比較形

MOS

A/D

変換器

・・・・・・・ SAR

Vin V

R

SW Control

Comparator

M-bit Capacitor Array Vx

SW

o m

m C

C  2 

1

CM CM2

C1 Co Co

0 , 0 0

,

2

2

1 C C

C

C

T m

m M m

m

  

 

 

0 , 0

0

C

C  

0 0

2

1

C C C

C

C

T

M

M

   

2

進重み付け キャパシタアレイ:

理想

C T

(6)

群馬大学 コバ研

Gunma University KOBA Lab.

6

逐次比較形 A/D 変換器

充電サイクル

コンパレータ上端

SW→ON

各キャパシタの下端

→Vin

キャパシタアレイの上端

→V T

上端の電荷:

Q

in

C

T

V

T

V

in

再配分サイクル

C M-1 →V R

他のキャパシタ

→GND

・・・・・・・ SAR

Vin VR

SW Control

Comparator

M-bit Capacitor Array Vx

SW

o m

m C

C 2

1

CM CM2

C1 Co Co

・・・・・・・ SAR

Vin VR

SW Control

Comparator M-bit Capacitor Array VT

SW

o m

m C

C 2

1

CM CM2 C1

Co Co

SW→OFF

(7)

群馬大学 コバ研

Gunma University KOBA Lab.

7

逐次比較形 A/D 変換器

a M-1 ,a M-2 ,

・・・

,a 0 SAR

に格納

 

 

 

R

T M in

T x

x

V

C V C

V V

V

1

電荷保存則より整理

コンパレータ:

ΔV x

の正負を検出

R T

M

V

C C

1

 

 

即ち

V

R

2

1 →“1”

V

in

V

in

→“0” a M-1

MSB

)決定

a M-1 =1 → C M-1

の下端:

V R

a M-1 =0 → C M-1

の下端:

GND

とし、次のビットへ

・・・・・・・ SAR

Vin VR

SW Control

Comparator

M-bit Capacitor Array Vx

SW

o m

m C

C 2

1

CM CM2 C1 Co Co

上端電位変化分:

(8)

群馬大学 コバ研

Gunma University KOBA Lab.

8



 



 

 

 

 

 

 

 

R M

M M

M T

R M

M M

in

V C a C

a C

C a

V a a

a V

1

2 1 2

1 2

1

0 0 2

2 1

1

0 2

2 1

逐次比較形 A/D 変換器

in R

R T T

M M

T M M

in

x

V V V

C a C C

a C C

a C V

V   

 

   

1 1 2 2

0 0

   0

 

 



 

 

 

 

 

 

 

R

M M

M

in

a a a V

V

2 0

2

1

2

1 2

1 2

1 

アレイ上端の電圧変化分

ΔV

xは十分小さい

→ ε

とすると

A/D

変換式:

キャパシタアレイ誤差

量子化誤差

キャパシタミスマッチを考慮すると、

精度を制

理想的な重みを持つなら

(9)

群馬大学 コバ研

Gunma University KOBA Lab.

9

自己校正原理

(10)

群馬大学 コバ研

Gunma University KOBA Lab.

10

V

R

Comparator VT

SW

Cm Cm1

C1 Co Co

1

Cm

1

CM

V

R

V

o

Cp

C

m

・・・・・

・・・・

V

R

Comparator VT

SW

Cm Cm1

C1 Co Co

1

Cm

1

CM

V

R

V

o+λ VR Cp

C

m

・・・・・

・・・・

自己校正原理

キャパシタアレイ の誤差算出方法

C m

の下端

V R

GND

C m

の下端

C m

の下端

C m

の下端

V R GND

0 0

0 0

2

1

C C C , C C

C

C

m

m

m

      

R m p R

m R

mV C V C V

C  

o m

m

C

C  2 

(11)

群馬大学 コバ研

Gunma University KOBA Lab.

11

VR

Comparator VT

SW

Cm Cm1 C1 Co Co

1

Cm

1

CM

VR

Vo

Cp

Cm

・・・・・

・・・・

VR

Comparator VT

SW

Cm Cm1 C1 Co Co

1

Cm

1

CM

VR

Vo+λ VR Cp

Cm

・・・・・

・・・・

p m m

m

C C

C   

自己校正原理

の容量差

アレイ上端の電圧

V T

変動

m m C C ,

m R

p R

m m

p m

R

m

V C C V C C V C V V

C  ・ 0 

0

 ・ 0  

0

  C p

の下端電圧

Vo

の調節

→V T

の平衡点

コンパレータで検出

R m

V

V

0

 

で平衡点に達したとすると、

(12)

群馬大学 コバ研

Gunma University KOBA Lab.

12

自己校正原理

自己校正用の補正データ

p m p

M m M m

m m

m

C C

C      



 



 

 

 

 

1 2 1

2 1 8

1 4

1 2

1 

m

: の誤差を表す比例係数

C

m

キャパシタアレイの誤差を補正し、電荷再分配

高精度な

AD

変換

(13)

群馬大学 コバ研

Gunma University KOBA Lab.

13

自己校正による A/D 変換方式

(14)

群馬大学 コバ研

Gunma University KOBA Lab.

14

自己校正による A/D 変換方式

基本回路

・・・・・・・ SAR

Vin V

R

Comparator Vx

SW

o m

m

C

C  2 

1

CM CM2 C1 Co Co

M-bit Capacitor Array

Contorol Logic

Cp

V

R

Compensation Circuit

(15)

群馬大学 コバ研

Gunma University KOBA Lab.

15

自己校正による A/D 変換方式

充電サイクル

V VCV V

0

C

Q

T T

in

p T

再分配サイクル

キャパシタアレイ

C p

の下端電位 アレイ上端電位

C M-1

の下端

C

の下端

V R

V 0M-1 V R

その他のキャパシタの下端

GND

x M R

p R

M x

T V C V C V V V

C

Q   1   0   1

全電荷:

・・・・・・・ SAR

Comparator SW

o m

m C

C 2

1

CM CM2

C1 Co Co

M-bit Capacitor Array

Contorol Logic

Cp

VR

V 0 V T C T

V in V R

・・・・・・・ SAR

Comparator SW

o m

m C

C 2

1

CM CM2

C1 Co Co

M-bit Capacitor Array

Contorol Logic

Cp

VR

V 0M-1 V R V R

V x

(16)

群馬大学 コバ研

Gunma University KOBA Lab.

16

自己校正による A/D 変換方式

アレイ上端電圧の変化分

・・・・・・・ SAR

Vin VR

Comparator Vx

SW

o m

m C

C 2

1

CM CM2 C1 Co Co

M-bit Capacitor Array

Contorol Logic

Cp

VR

R R

T M R

T M

M

V V

C V C

C C v C

2

0

1

, 1 1

1

1

 

 

 

   

 

R

T M M

in p

T T

x

V

C C V C

C C

V C

1 1

 

 

 

 

 

R

T

p M

M in

p T

T

x

V

C

C V C

C C

V C

1

1

α M-1 C ΔC M-1

C M-1

の誤差) より、

コンパレータ:

ΔV

xの正負を検出

V in

v 1

の大小比較

誤差

ΔC M-1

の影響が除かれ、正しい電圧(

1/2

V R

との比較

(17)

群馬大学 コバ研

Gunma University KOBA Lab.

17

自己校正による A/D 変換方式

コンパレータ:

V in

V 1

の大小比較

V

R

v 2

1

1

 → a M-1 =“1”

V

in

V

in

→ a M-1 =“0”

a

M-1

=1 → C

M-1の下端:

V

R

a

M-1

=0 → C

M-1の下端:

GND

とし、次のビットへ

C M-1

の下端:

a M-1 V R

a 0

LSB)

を得て、再配分サイクル終了 同様に繰り返し

(18)

群馬大学 コバ研

Gunma University KOBA Lab.

18

自己校正による A/D 変換方式

アレイ上端の全電荷

M M M M

R p

x M

x

T

V a C a C a C V C V V

C

Q  

1 1

2 2

  

0 0

 

 

 

 

 

   

 

 

R

T T

M M

T M M

in p

T T

x

V

C a C C

a C C

a C C V

C

V C

1 1,0 2 2,0

0 0,0

アレイ上端電圧の変化分

1 0

2 2

1

2

1 2

1 2

1  



 



 

 

 

 

 

 

 

R

M M

M

in

a a a V

V

A/D

変換式

逐次比較動作1

V

x

1 C

p

C

T

量子化誤差

十分小さい

R

M

a V

V

1

0

0

C

pの下端電位

(19)

群馬大学 コバ研

Gunma University KOBA Lab.

19

高精度 A/D 変換器の回路構成

(20)

群馬大学 コバ研

Gunma University KOBA Lab.

20

自己校正方式を用いた高精度

M+N ビット A/D 変換器の主要構成

SAR

Control Logic +

+ -

-

V

R

VFB VFA

 

Np

R

p

2

V

R

0

Comparator SW

Vx

V

R

V  

R

  2

N

C

0

C

0

C

p

C

1

1

C

M

C

M2

・・・・・・

2 C

0

C

m

m

V

in

V

R

 

N

R 2

k k

M-bit Capacitor Array

N-bit Resistor String

(21)

群馬大学 コバ研

Gunma University KOBA Lab.

21

自己校正方式を用いた高精度 M+N ビット A/D 変換器

キャパシタアレイ誤差算出

C p

の下端:

N p

ビットの

R p

の分圧電圧供給

・誤差

ΔC m →

補正用データ

α m

上位ビット

M

の変換

・自己校正方式 上位

M

ビット;

a M-1 ,a M-2 ,

・・・

,a 0

C M-1 ,C M-2 ,

・・・

,C 0

の下端

→ a M-1 V R ,a M-2 V R ,

・・・

,a 0 V R C 0

の下端

→ V M

C’ 0

の下端

→ 0

M M

R R

M

V a a V V V

V

0

1

1

  

0

0

0

 

( )

(22)

群馬大学 コバ研

Gunma University KOBA Lab.

22

自己校正方式を用いた高精度 M+N ビット A/D 変換器

下位

N

ビットの変換

C’o

の下端電圧

逐次変化

・アレイ上端電圧

V x →

コンパレータで比較 下位

N

ビット;b

N-1 ,b N-2 ,

・・・

,b 0

  C

p

C

p

C

0

  

0

 

0

 

0

C’ 0

の誤差:

(23)

群馬大学 コバ研

Gunma University KOBA Lab.

23

SAR

Control Logic +

+ -

-

VR

VFB VFA

 

Np

Rp 2 VR

0

Comparator

SW Vx

VR

V

R

 

2N

C0

C0 Cp

C1

1

CM CM2

・・・・・・

2 C0

Cm m

Vin VR

 

N

R 2

k k

M-bit Capacitor Array

N-bit Resistor String

自己校正方式を用いた高精度 M+N ビット A/D 変換器

kV

R

C’ 0

の誤差補正

C’ p

の下端電圧:

C’ 0

の下端電圧:

V

R

k

0

下位第

1

ビットb

N-1

k=1/2

n N n

n N N

N

b b

b k

 

 

 

 

 

 

 

 

 2

1 2

1 2

1 2

1

1 1 2

2

1

(24)

群馬大学 コバ研

Gunma University KOBA Lab.

24

自己校正方式を用いた高精度 M+N ビット A/D 変換器

n N M n

n N M N

M N

M

M M

M n

N M

b b

b

a a

a v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 1 2

1 2

1 2

1

2 1 2

1 2

1

1 1 2

2 1

1

0 2

2 1

キャパシタアレイ誤差 補正

高精度の

M+N

ビット

A/D

変換

※抵抗ストリング理想

(∵誤差が単調性)

AD

変換式 上位

M

ビット

下位

N

ビット

(25)

群馬大学 コバ研

Gunma University KOBA Lab.

25

まとめ

C m

C m

の比較

新たな基準回路、補正回路不要

誤差

ΔC m

算出

誤差電荷

ΔC m V R

補正 (電荷再分配時)

C

の下端電圧変化で実現 自己校正回路

デジタル回路

Rp

の精度、

Cp

の大きさが重要!

参照

関連したドキュメント

東京大学 大学院情報理工学系研究科 数理情報学専攻. hirai@mist.i.u-tokyo.ac.jp

情報理工学研究科 情報・通信工学専攻. 2012/7/12

関東総合通信局 東京電機大学 工学部電気電子工学科 電気通信システム 昭和62年3月以降

清水 悦郎 国立大学法人東京海洋大学 学術研究院海洋電子機械工学部門 教授 鶴指 眞志 長崎県立大学 地域創造学部実践経済学科 講師 クロサカタツヤ 株式会社企 代表取締役.

物質工学課程 ⚕名 電気電子応用工学課程 ⚓名 情報工学課程 ⚕名 知能・機械工学課程

【対応者】 :David M Ingram 教授(エディンバラ大学工学部 エネルギーシステム研究所). Alistair G。L。 Borthwick

東京大学大学院 工学系研究科 建築学専攻 教授 赤司泰義 委員 早稲田大学 政治経済学術院 教授 有村俊秀 委員.. 公益財団法人

(第六回~) 一般社団法人 全国清涼飲料連合会 専務理事 小林 富雄 愛知工業大学 経営学部経営学科 教授 清水 きよみ