容量DACの寄生容量がSAR ADCの精度に与える

容量DACの寄生容量がSAR ADCの
精度に与える影響の検討
◎ヴミンコア, 宮原正也, 岡田健一, 松澤昭
東京工業大学大学院
理工学研究科電子物理工学専攻
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& of
Okada
Lab.
Tokyo Institute
Technology
発表内容
•
•
•
•
2
研究背景
SAR ADCの概要
SAR ADCの課題
まとめ
2008/09/17
K. Vu, Tokyo Tech.
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
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of Technology
研究背景
3
近年アナログデジタル混載システムの発達と
共に、アナログ・デジタル変換器(ADC)の更な
る高性能化が望まれている。
逐次比較型ADC(SAR ADC)は容量DAC
及び簡単なロジックで構成でき、低消費電力動
作が可能なADCとして注目を浴びている。
2008/09/17
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SAR ADCの概要
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SAR=Successive Approximation Register
Analog
Input
DAC+S/H
VDAC
 デメリット
 メリット
SAR Logic
Comp. Out
低消費電力
低速
入力範囲大
大面積
高分解能
Digital
Output
VDAC
b0=0
Using Binary Search
b2=0
OUTPUT CODE = 010010
b3=0
VIN
b5=0
b4=1
b1=1
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時間
Matsuzawa
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SAR ADCの課題
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(2  2 )Cu
トータル容量値 2 N Cu
m
⇒ 1024Cu
N=10ビット
n
64Cu
n
N
m
Cs
N
(2 -1)C
N
(2 -2)C
4C
2C
C
C
C
2C
n
(2 -1)C
C
2C
Comparator
m
(2 -1)C
Comparator
• Cuは最小の容量値
Vref Vin
• N = m+n
Vref Vin
2-Stage Weighted
Capacitor DAC
⇒小面積化
 2-Stage WCDACは小面積だが、容量アレイの寄生容
量により精度を劣化する恐れがある。
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寄生容量とDNL特性
 DNL＝微分非線形性
Width ACTUAL, j  Width IDEAL
DNL j 
Width IDEAL
6
βC
αC
Cs
C
2C
n
(2 -1)C
C
2C
m
(2 -1)C
Comparator
 DNL小さい方がADC
の性能はよい
Vref Vin
2m n
n
DNLmax[LSB] 
(k

1

2
)  1　m
n
k(2  1)  2  1
1
k  2  β(1  n )
2
n
 DNLはβ、m、nの関数で表され、αに依存しない
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寄生容量とDNL特性
600
β=1.0
1
面積
β大
0.8
400
β=0.5
0.6
βC
500
300
0.4
Cs
C
2C
n
(2 -1)C
C
2C
C tot/C
[LSB]
DNLmax
D N Lm ax [LSB
]
1.2
7
m
(2 -1)C
Comparator
200
β=0.1
0.2
100
0
面積最小点
Vref Vin
0
0
1
2
3
4
5
m
m
6
7
8
9
10
 βが増加する⇒DNL特性が劣化する
 mを大きくすることでDNLの劣化を抑制可能
 トータルの容量値の最小点は (m+n)/2
⇒ 精度と面積のトレードオフとなる
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寄生容量とゲインエラー特性
8
ゲインエラー＝理想的な場合からずれた伝達関数の傾き
Error
Gain
G ai
n Error[%]
[%]
40
α=1.0
35
30
25
α大
α=0.5
20
αC
Cs
C
2C
n
(2 -1)C
C
2C
m
(2 -1)C
Comparator
15
10
α=0.1
5
Vref Vin
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
mm
αはADCの精度に影響を与えない
10
αが増加する⇒DACの出力範囲小さくなる⇒コンパレータの感度に対する
要求が厳しくなる
 mを増加することでゲインエラーの劣化を抑制可能
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まとめ
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寄生容量が2-Stage WCDACの線形特性及
びゲインエラー特性に与える影響について検
討した
 LSBアレイに単位容量の0.5倍の寄生容量が付くと、
DACのDNLは約0.5LSB劣化する。
 MSBアレイにおける寄生容量はADCの精度に直接影響
を与えないが、DACの出力を小さくさせるためコンパレー
タの感度に対する要求を厳しくする。単位容量の0.5倍の
寄生容量が付くと、約1.7%のゲインエラーが発生する。
 mを大きくすることによりDNLとゲインエラー特性を改善
させることが可能であるが、容量面積を増えさせるため
精度と面積のトレードオフとなる。
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END
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