JP2004032089A - Ad変換器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】AD変換器は、入力電位をサンプリングして電荷を蓄える複数の容量からなる容量配列を含む容量型DA変換器と、電位分割により所望の電位を生成する第1の抵抗型DA変換器と、電位分割により所望の電位を生成する第2の抵抗型DA変換器と、第1の抵抗型DA変換器の出力を容量型DA変換器の出力に容量結合により加算する第1の信号経路と、第2の抵抗型DA変換器の出力を容量型DA変換器の出力に容量結合により加算する第2の信号経路と、容量型DA変換器の出力の電位と入力電位との大小を判定する比較器を含むことを特徴とする。
【選択図】 図2
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般にアナログ信号をデジタル信号に変換するAD変換器に関し、詳しくは逐次比較動作によりアナログ信号をデジタル信号に変換する逐次比較型AD変換器に関する。
【従来の技術】
逐次比較型AD変換器は、比較的簡単な回路構成で実現され、CMOSプロセスとの整合性が高く比較的安価に製造可能であり、且つ比較的高速な変換時間を達成することが出来る。逐次比較型AD変換器のうちでダブルステージ型のものは、高分解能のAD変換器を小さな実装面積で実現することが出来る。
【0002】
ダブルステージ型の逐次比較型AD変換器は、最大ビット(MSB)側を決定するための主DAC(DA変換器)と、最小ビット(LSB)側を決定するための副DAC(DA変換器)との2段構成となっている。まず主DAC(DA変換器)により設定したアナログ電位と入力アナログ電位とを比較することで、上位ビットを決定する。この決定された上位ビットに対応する主DACのアナログ電位と副DACにより設定したアナログ電位とを加算し、この和と入力アナログ電位とを比較することで下位ビットを決定する。
【0003】
主DAC或いは副DACを構成するDACは、抵抗ストリング或いは容量アレイで実現することが出来る。主DACと副DACとに何れの型を用いるかによって、
(1)容量アレイ+容量アレイ型(以下C−C型)、
(2)抵抗ストリング+容量アレイ型(以下R−C型)、
(3)容量アレイ+抵抗ストリング型(以下C−R型)、
(4)抵抗ストリング+抵抗ストリング型(以下R−R型)、
の4つのタイプがある。
【0004】
図1は、従来のC−R型ダブルステージDACを用いた逐次比較型AD変換器の回路図である。
【0005】
図1の逐次比較型AD変換器は、入力電位Vinを印加する入力端子10、ノード20乃至23、ノード40乃至44、スイッチ回路100、スイッチ回路200、スイッチ回路201、スイッチ回路202、コンパレータ300、逐次比較制御回路301、抵抗R1乃至R16、及びコンデンサC1乃至C5を含む。逐次比較制御回路301により、各スイッチ回路100、200、201、202等の動作が制御される。
【0006】
R1乃至R16とスイッチ回路100とで4ビット副DACを構成し、C1乃至C5とスイッチ回路200(及び201、202)で4ビット主DACを構成している。主DACを構成するC1乃至C5は、C1とC2の容量値を各々Cxとすると、C3が2Cx、C4が4Cx、C5が8Cxと重み付けされている。サンプリング時には、C1乃至C5の全てが、スイッチ回路200、ノード21、スイッチ回路201を介してアナログ入力端子10(Vin)に接続され、入力電位Vinに充電される。この時スイッチ202は、ノード20がGNDとなるように制御される。サンプリング容量C3からC5は相対精度を確保するために、ある単位容量Cxを例えば2個、4個、或いは8個並列に接続することで実現するのが一般的である。
【0007】
サンプリング終了後、比較動作を開始し、MSBから順番に入力電位Vinに対応するデジタルデータを決定していく。具体的には、スイッチ202を開放してノード20を浮遊状態とし、例えばノード40乃至43をスイッチ200及び201を介してGNDに接続すると共に、ノード44をリファレンス電位Vref(端子1)に接続する。この接続により、サンプリング時に入力電位Vinによって蓄えられた電荷がサンプリング容量C1乃至C5間で再分配され、ノード20の電位はVref/2−Vinとなる。ノード20はコンパレータ300の入力に接続されており、アナログ入力電位Vinがリファレンス電位Vrefの1/2より大きいか小さいかを、コンパレータ300の出力であるノード22の電位により判定することが出来る。
【0008】
上記接続では、ノード44をリファレンス電位Vrefに接続し、それ以外のノード40乃至43をGNDに接続した。即ち、C5の8Cxをリファレンス電位Vrefに接続し、残りのC1乃至C4の合計8CxをGNDに接続した。一般に、リファレンス電位Vrefに接続する単位容量Cxの個数をmとし、GNDに接続する残りの単位容量Cxの個数を16−mとすると、ノード20の電位Vは、
V = (m/16)Vref − Vin
となる。例えば、ノード41をVrefに接続し、残りのノード40、42、43、及び44をGNDに接続すると、mが1であるのでノード20の電位はVref/16−Vinとなる。
【0009】
従ってmを逐次的に変化させていくことで、ノード20の電位をVref/16刻みで変化させることが可能であり、デジタルデータのMSB側(上位4ビット)を決定することができる。
【0010】
次に、上記のようにして決定されたmをm’として、C2乃至C5のうちでm’個の単位容量Cxをリファレンス電位Vrefに接続し、C2乃至C5のうちで残りの15−m’個の単位容量CxをGNDに接続し、更にC1の1つの単位容量Cxのノード40を副DAC(R1乃至R16とスイッチ回路100)に接続する。副DACによりノード40の電位をVref/16刻みで変化させることで、コンパレータ入力20の電位をVref/256刻みで変化させることができる。これによりのデジタルデータのLSB側(下位4ビット)を決定し、合計8ビットのデジタルデータを得ることができる。
【0011】
図1の回路では、単位容量Cxを16個と単位抵抗を16個用意することで、8ビット精度のAD変換が実現される。容量だけ或いは抵抗だけでシングルステージの8ビット精度のDACを作ろうとすると、単位容量が256個或いは単位抵抗が256個必要になってしまう。図1の回路のようにダブルステージ型DACを使うことにより、大幅に部品数を削減することが出来る。また図1の回路では、4ビット副DACの抵抗の精度は4ビット精度程度でよく、小面積で抵抗副DACを実現することが出来る。
【発明が解決しようとする課題】
近年、AD変換器の高速化への要求はますます強くなっており、小面積で回路を構成できる逐次比較型AD変換器の高速化が強く望まれている。
【0012】
本発明の第1の目的は、逐次比較型AD変換器のAD変換の処理時間を短縮した回路を提供することにある。
【0013】
また図1に示される従来回路においては、副DAC(R1乃至R16とスイッチ回路100)の出力であるノード23の電位を、例えばVref/2に設定する場合にはスイッチングが遅くなるという問題がある。これは、スイッチ回路が一般にCMOSトランスファゲートで実現されるので、電源電圧(Vref)が低い場合には、Vref/2のソース・ドレイン電圧に対してPMOS及びNMOS共にON抵抗が高くなり、スイッチ回路100での遅延時間が大きくなるためである。
【0014】
従って、本発明の第2の目的は、電源電圧が低い場合でも、抵抗DACでの遅延時間が増加しない回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
本発明によるAD変換器は、入力電位をサンプリングして電荷を蓄える複数の容量からなる容量配列を含む容量型DA変換器と、電位分割により所望の電位を生成する第1の抵抗型DA変換器と、電位分割により所望の電位を生成する第2の抵抗型DA変換器と、該第1の抵抗型DA変換器の出力を該容量型DA変換器の出力に容量結合により加算する第1の信号経路と、該第2の抵抗型DA変換器の出力を該容量型DA変換器の出力に容量結合により加算する第2の信号経路と、 該容量型DA変換器の出力の電位と該入力電位との大小を判定する比較器を含むことを特徴とする。
【0015】
上記構成においては、例えば8ビットAD変換の場合に、従来回路の副DACのスイッチ回路が下位4ビットを決定する16:1セレクタであるのと比較して、第1の抵抗型DA変換器及び第2の抵抗型DA変換器のスイッチ回路はそれぞれ2ビットを決定する4:1セレクタであればよく、スイッチ回路の規模を大幅に小さくすることが出来る。スイッチ回路においては、スイッチを構成するMOSトランスファゲートの接合容量が寄生容量として働き、信号変化の遅延をもたらすので、AD変換の比較処理に要する時間が増大してしまう。本発明の構成では、第1の抵抗型DA変換器及び第2の抵抗型DA変換器のスイッチ回路を小規模にすることが出来るので、寄生容量を大幅に小さくして、比較処理に要する時間を短くすることが出来る。
【0016】
またサンプリング時間を減少させるために、容量DACのビット数を減らして抵抗DACのビット数を増やした場合であっても、抵抗DACでの遅延時間の増加を抑えることができる。従ってAD変換器の変換時間のうち、比較時間を殆ど増加させることなくサンプリング時間を減少させることが可能となり、変換時間を高速化することが出来る。
【0017】
また本発明の更なる側面によれば、上記AD変換器において、該第1の抵抗型DA変換器は、該複数の容量の最小単位となる容量の所定倍の容量を介して該容量型DA変換器の出力に接続され、第1の電位と第2の電位の間を抵抗列により電位分割して生成される該第1の電位から該第2の電位までの範囲のうちで、該範囲の上半分或いは下半分の何れか一方にのみ該第1の抵抗型DA変換器の出力の範囲が存在することを特徴とする。
【0018】
この構成において、例えばVrefを16分割する抵抗列の場合、第1の抵抗型DA変換器の出力を12Vref/16から15Vref/16のように可能な限り高い電圧範囲に設定することで、抵抗型DA変換器のスイッチ回路をON抵抗の小さい領域で使うことができる。PMOSとNMOSのトランスファゲートにおいては電源電圧(Vref)の1/2付近の電圧ではON抵抗が大きくなり高速動作が困難になるが、電源電圧(Vref)に近い電圧を用いることで遅延時間を少なくすることが可能であり、これにより変換処理の高速化を達成することが出来る。
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施例を添付の図面を用いて詳細に説明する。
【0019】
図2は、本発明による逐次比較型AD変換器の第1の実施例を示す回路図である。図2において、図1と同一の要素は同一の番号で参照する。
【0020】
図2の逐次比較型AD変換器は、入力電位Vinを印加する入力端子10、ノード20乃至23、ノード40乃至45、スイッチ回路101、スイッチ回路102、スイッチ回路200、スイッチ回路201、スイッチ回路202、コンパレータ300、逐次比較制御回路302、抵抗R1乃至R16、及びコンデンサC1乃至C6を含む。逐次比較制御回路302により、各スイッチ回路101、102、200、201、202等の動作が制御される。
【0021】
抵抗R1乃至R16、スイッチ回路101及び102、及びコンデンサC6で副DACを構成し、C1乃至C5とスイッチ回路200(及び201、202)で4ビット主DACを構成している。主DACを構成するC1乃至C5は、C1とC2の容量値を各々Cxとすると、C3が2Cx、C4が4Cx、C5が8Cxと重み付けされている。サンプリング時には、C1乃至C5の全てが、スイッチ回路200、ノード21、スイッチ回路201を介してアナログ入力端子10(Vin)に接続され、入力電位Vinに充電される。この時スイッチ202は、ノード20がGNDとなるように制御される。サンプリング容量C3からC5は相対精度を確保するために、ある単位容量Cxを例えば2個、4個、或いは8個並列に接続することで実現するのが一般的である。
【0022】
サンプリング終了後、比較動作を開始し、MSBから順番に入力電位Vinに対応するデジタルデータを決定していく。具体的には、スイッチ202を開放してノード20を浮遊状態とし、例えばノード40乃至43をスイッチ200及び201を介してGNDに接続すると共に、ノード44をリファレンス電位Vref(端子1)に接続する。またノード45は、スイッチ回路102によりGNDに接続する。この接続により、サンプリング時に入力電位Vinによって蓄えられた電荷がサンプリング容量C1乃至C5間で再分配され、ノード20の電位はVref/2−Vinに比例した電位となる。ノード20はコンパレータ300の入力に接続されており、アナログ入力電位Vinがリファレンス電位Vrefの1/2より大きいか小さいかを、コンパレータ300の出力であるノード22の電位により判定することが出来る。
【0023】
上記接続では、サンプリング容量C1乃至C5について、ノード44をリファレンス電位Vrefに接続し、それ以外のノード40乃至43をGNDに接続した。即ち、C5の8Cxをリファレンス電位Vrefに接続し、残りのC1乃至C4の合計8CxをGNDに接続した。一般に、リファレンス電位Vrefに接続する単位容量Cxの個数をmとし、GNDに接続する残りの単位容量Cxの個数を16−mとすると、ノード20の電位Vは、
V = (16/17)[(m/16)Vref − Vin] (1)
となる。例えば、ノード41をVrefに接続し、残りのノード40、42、43、及び44をGNDに接続すると、mが1であるのでノード20の電位は(16/17)[Vref/16−Vin]となる。なお上式における係数(16/17)は、サンプリング容量として使用されないコンデンサC6の影響を考慮したものである。
【0024】
mを逐次的に変化させていくことで、ノード20の電位をVref/16刻みで変化させることが可能である。従って、デジタルデータのMSB側(上位4ビット)を決定することができる。
【0025】
図3は、図2の回路の構成・動作を概念的に示した図である。
【0026】
図3の逐次比較型AD変換器は、逐次比較制御回路302、局部DA変換器303、及び比較器300Aを含む。局部DA変換器303は、図2の主DACと副DACとを合わせて纏めたものであり、8ビットのDA変換動作によってVref/256刻みの電圧を生成する。逐次比較制御回路302は、スイッチ回路の開閉などを制御することで局部DA変換器303の動作を制御する。比較器300Aは、局部DA変換器303が生成する電圧と入力電圧Vinとを比較して、大小関係を判定する。図2の構成では、Vinをサンプルした後に、(m/16)VrefからVinを減算した結果をコンパレータ300に入力として供給しているが、図3は概念的な構成を示すものとして、比較器300Aにより(m/16)VrefからVinを減算して比較するとして示している。
【0027】
図3の逐次比較型AD変換回路においては、逐次比較制御回路302がデジタルデータを設定し、局部DA変換器303がそのデジタルデータをDA変換して局部アナログ電圧を生成する。入力アナログ電圧Vinと局部DA変換器303の局部アナログ電圧との大小関係を比較器300Aにより比較判定し、この比較判定出力22に基づいて、逐次比較制御回路302が局部DA変換器303を制御する。これにより、局部DA変換器303の局部アナログ電圧出力が入力アナログ電圧Vinと略等しくなるときのデジタルデータを求め、このデジタルデータをAD変換出力とする。比較動作では、MSBから順番にLSB側に向けてデジタルデータの各ビットを決定していく。
【0028】
以下に、副DACによってLSB側にある下位ビットを決定する処理について説明する。
【0029】
C1乃至C5の合計のサンプリング容量16Cxに対して1/16の大きさの容量値Cxを持つC1のノード40において、2ビット抵抗DAC(R1乃至R16とスイッチ回路101)を用いて、Vref/4刻みで電位を変化させる。これにより、コンパレータ入力であるノード20の電位を、Vref/64刻みで変化させることができる。
【0030】
例えば、スイッチ回路200によりVrefに接続される容量の容量値をmCxとし(mは0〜15)、スイッチ回路200によりGNDに接続される容量の容量値を(15−m)Cxとする。更に、上記2ビット抵抗DACにより設定されるC1のノード40の電位を、nVref/4(nは0〜3)とする。このとき電荷再分配により決まるノード20の電位Vは、
V=(16/17)[(m/16+n/64)Vref−Vin] (2)
となる。なお上式においてノード45の電位はGNDに設定されているとする。
【0031】
従って、上位4ビットのデジタルデータに対応するmの値を決定した後、リファレンス電位Vrefを64分割した電圧刻みでVの値を変化させ、コンパレータ300により、nの値を決定することができる。つまり上位4ビットのデジタルデータに続いて、nに対応する2ビットのデータを決定することができる。
【0032】
以上により、MSB側から6ビットのデジタルデータを得ることが出来る。
【0033】
更に、C1乃至C5の合計のサンプリング容量16Cxに対して1/16の大きさの容量値Cxを持つC6のノード45において、2ビット抵抗DAC(R1乃至R16とスイッチ回路102)を用いて、Vref/16刻みで電位を変化させる。これにより、コンパレータ入力であるノード20の電位を、Vref/256刻みで変化させることができる。
【0034】
例えば、スイッチ回路200によりVrefに接続される容量の容量値をmCxとし(mは0〜15)、スイッチ回路200によりGNDに接続される容量の容量値を(15−m)Cxとする。更に、C1のノード40の電位をnVref/4(nは0〜3)とし、上記2ビット抵抗DACにより設定されるC6のノード45の電位をpVref/16(pは0〜3)とする。このとき電荷再分配により決まるノード20の電位Vは、
V=(16/17)[(m/16+n/64+p/256)Vref−Vin](3)
となる。
【0035】
従って、上位6ビットのデジタルデータに対応するm及びnの値を決定した後、リファレンス電位Vrefを256分割した電圧刻みでVの値を変化させ、コンパレータ300により、pの値を決定することができる。つまり上位6ビットのデジタルデータに続いて、pに対応する2ビットのデータを決定することができる。
【0036】
以上により、8ビット全てのデジタルデータを得ることが出来る。
【0037】
図4は、図2の回路の動作を概念的に説明するために、図3の局部DA変換器303の構成を示す図である。
【0038】
図3の局部DA変換器303は、容量アレイ型DA変換器304、抵抗型DA変換器305、及び抵抗型DA変換器306を含む。
【0039】
mはデジタルデータの上位4ビット、nはデジタルデータの中位2ビット、pはデジタルデータの下位2ビットである。容量アレイ型DA変換器304は、局部DA変換器303のうちで上位ビットを変換する容量アレイDACを示し、図2のC1乃至C5とスイッチ回路200(及び201、202)に対応する。抵抗型DA変換器305は、局部DA変換器303のうちで中位2ビットを変換する抵抗DACを示し、図2のR1乃至R16とスイッチ回路101に対応する。また抵抗型DA変換器306は、局部DA変換器303のうち下位2ビットを変換する抵抗DACを示し、図2のR1乃至R16とスイッチ回路102に対応する。図2においてはC1は容量アレイDACの一部として示されるが、図4においては容量アレイDACとは別個に示してある。
【0040】
容量アレイ型DA変換器304の出力に対して、抵抗型DA変換器305の出力がC1を介して容量結合され、更に抵抗型DA変換器306の出力がC6を介して容量結合される。抵抗型DA変換器305の出力を容量結合することで、nが表す中位ビットに対応する電圧をスケールダウンして加算することが出来る。また抵抗型DA変換器306の出力を容量結合することで、pが表す下位ビットに対応する電圧をスケールダウンして加算することが出来る。
【0041】
なお図2及び図4の例では、容量DACの出力電位に2つの抵抗DACの出力電位を容量加算する構成を示したが、抵抗DACの数は2に限られず、2以上の抵抗DACを容量結合手段と共に設ける構成としてもよい。またC6のノード45に印加する抵抗DACの出力電位は、サンプリング時からの相対的変化としてVref/16の電圧刻みで変化できればよく、絶対値がR1からR4に対応する電位である必要はない。
【0042】
また容量DACを4ビット、抵抗DACを4ビットに対応させたが、これに限定されず、例えば容量DACを3ビット、抵抗DACを5ビットに対応させてもよい。
【0043】
また図1の従来回路のスイッチ回路100が16:1セレクタであるのに比較して、図2の本発明の回路ではスイッチ回路101及び102ともに4:1セレクタであるので、スイッチ回路の規模を大幅に小さくすることが出来る。
【0044】
スイッチ回路は具体的にはMOSトランスファゲートで実現され、図1のように抵抗DACが4ビットの場合には、16タップ分のMOSトランスファゲートの接合容量がノード23の寄生容量となる。この寄生容量の影響で、ノード23の信号変化が遅れ、ノード20のセトリング時間が長くなり、比較処理に要する時間が増大してしまう。
【0045】
図2のスイッチ回路101及び102は回路規模が小さいので、図1のノード23の寄生容量に比較して図2のノード23及び45の寄生容量は大幅に小さく、比較処理に要する時間を短くすることが出来る。
【0046】
逐次比較型AD変換器においては、アナログ信号をデジタル信号に変換するAD変換処理の処理時間は、アナログ信号をサンプリング容量に蓄えるサンプリング時間と、サンプリング終了後にデジタル値を決定していく比較時間とからなる。変換処理時間を短縮するためには、サンプリング時間及び比較時間を短縮しなければならない。サンプリング時間を短縮するためには、アナログ入力信号を供給する外部回路の信号源インピーダンスが一定であるとすると、サンプリング容量の容量値を小さくすることが必要になる。しかしながら相対精度を保つためには、単位容量の値をそれ程小さくすることが出来ず、容量の数を削減することでサンプリング容量を小さくするしかない。
【0047】
サンプリング容量の容量値を小さくするためには、容量主DACを例えば3ビット構成とし、抵抗副DACを5ビット構成とすればよい。この場合、サンプリング容量が単位容量8個となるので、元の総サンプリング容量に対して容量値を半分にすることが出来る。しかしながら抵抗DACのビット数が5ビット必要になるので、32タップ分のMOSトランスファゲートの接合容量がノード23の寄生容量となり、ノード20のセトリング時間を増大させ、比較時間を増加させることになる。
【0048】
本発明による構成では、従来技術の構成と同一の抵抗DACビット数で比べれば、抵抗DAC出力の遅延時間を短縮することにより、比較時間を短縮することが出来る。またサンプリング時間を減少させるために、容量DACのビット数を減らして抵抗DACのビット数を増やした場合であっても、抵抗DACでの遅延時間の増加を抑えることができる。従ってAD変換器の変換時間のうち、比較時間を殆ど増加させることなくサンプリング時間を減少させることが可能となり、変換時間を高速化することが出来る。
【0049】
図5は、本発明による逐次比較型AD変換器の変形例を示す図である。
【0050】
図5には、図2に示す本発明による逐次比較型AD変換器に、スイッチ回路103を設け、抵抗列R1乃至R16により生成される分圧電位を外部に供給可能な構成となっている。
【0051】
図2の回路では、2つのスイッチ回路101及び102により、それぞれ2ビット相当のDA出力を抵抗列から取り出することで、4ビット相当のDAC動作を実現している。この構成では、4ビット相当の抵抗DAC出力(16段階の出力)を直接取り出すことはできなくなっている。
【0052】
テスト時或いは実使用時には、4ビット相当の分圧電位を装置外部に供給することが必要な場合がある。そこで図5の構成においては、スイッチ回路103を設けることにより、4ビットDAC出力を取り出せるように構成してある。このスイッチ回路103を追加しても、ノード23及び45の寄生容量は増加しないので、AD変換性能の低下を招くことはない。
【0053】
図6は、本発明による逐次比較型AD変換器の第2の実施例を示す回路図である。図6において、図2と同一の要素は同一の番号で参照する。
【0054】
図6の逐次比較型AD変換器は、入力電位Vinを印加する入力端子10、ノード20乃至23、ノード40−44及び47、スイッチ回路101、スイッチ回路104、スイッチ回路200、スイッチ回路201、スイッチ回路202、コンパレータ300、逐次比較制御回路302A、抵抗R1乃至R16、及びコンデンサC1−C5及びC7を含む。逐次比較制御回路302Aにより、各スイッチ回路102、104、200、201、202等の動作が制御される。
【0055】
抵抗R1乃至R16、スイッチ回路102及び104、及びコンデンサC7で副DACを構成し、C1乃至C5とスイッチ回路200(及び201、202)で4ビット主DACを構成している。主DACを構成するC1乃至C5は、C1とC2の容量値を各々Cxとすると、C3が2Cx、C4が4Cx、C5が8Cxと重み付けされている。サンプリング時には、C1乃至C5の全てが、スイッチ回路200、ノード21、スイッチ回路201を介してアナログ入力端子10(Vin)に接続され、入力電位Vinに充電される。この時スイッチ202は、ノード20がGNDとなるように制御される。またノード60の電位がスイッチ回路104を介してノード47に供給される。このサンプリング時にC1−C5及びC7に蓄えられる電荷は、16CxVin+4CxV60となる(V60はノード60の電位)。なおC7の容量は4Cxである。
【0056】
サンプリング終了後、比較動作を開始し、MSBから順番に入力電位Vinに対応するデジタルデータを決定していく。リファレンス電位Vrefに接続する単位容量Cxの個数をmとし、GNDに接続する残りの単位容量Cxの個数を16−mとすると、ノード20の電位Vは、
V = (16/20)[(m/16)Vref − Vin] (4)
となる。ここでノード47はノード60に接続され、電位V60に設定されている。
【0057】
mを逐次的に変化させていくことで、ノード20の電位をVref/16刻みで変化させることが可能である。従って、デジタルデータのMSB側(上位4ビット)を決定することができる。
【0058】
次に、副DACによってLSB側にある下位ビットを決定する処理について説明する。
【0059】
C1乃至C5の合計のサンプリング容量16Cxに対して1/4の大きさの容量値4Cxを持つC7のノード47において、2ビット抵抗DAC(R1乃至R16とスイッチ回路104)を用いて、Vref/16刻みで電位を変化させる。これにより、コンパレータ入力であるノード20の電位を、Vref/64刻みで変化させることができる。
【0060】
例えば、スイッチ回路200によりVrefに接続される容量の容量値をmCxとし(mは0〜15)、スイッチ回路200によりGNDに接続される容量の容量値を(15−m)Cxとする。更に、上記2ビット抵抗DACにより設定されるC7のノード47の電位を、nVref/16(nは0〜3)+V60とする。このとき電荷再分配により決まるノード20の電位Vは、
V=(16/20)[(m/16+n/64)Vref−Vin] (5)
となる。なおこの時、ノード40はGNDに接続されている。
【0061】
従って、上位4ビットのデジタルデータに対応するmの値を決定した後、リファレンス電位Vrefを64分割した電圧刻みでVの値を変化させ、コンパレータ300により、nの値を決定することができる。つまり上位4ビットのデジタルデータに続いて、nに対応する2ビットのデータを決定することができる。
【0062】
以上により、MSB側から6ビットのデジタルデータを得ることが出来る。
【0063】
更に、C1乃至C5の合計のサンプリング容量16Cxに対して1/16の大きさの容量値Cxを持つC1のノード40において、2ビット抵抗DAC(R1乃至R16とスイッチ回路102)を用いて、Vref/16刻みで電位を変化させる。これにより、コンパレータ入力であるノード20の電位を、Vref/256刻みで変化させることができる。
【0064】
例えば、スイッチ回路200によりVrefに接続される容量の容量値をmCxとし(mは0〜15)、スイッチ回路200によりGNDに接続される容量の容量値を(15−m)Cxとする。更に、C7のノード47の電位をnVref/16+V60(nは0〜3)とし、上記2ビット抵抗DACにより設定されるC1のノード40の電位をpVref/16(pは0〜3)とする。このとき電荷再分配により決まるノード20の電位Vは、
V=(16/20)[(m/16+n/64+p/256)Vref−Vin](6)
となる。
【0065】
従って、上位6ビットのデジタルデータに対応するm及びnの値を決定した後、リファレンス電位Vrefを256分割した電圧刻みでVの値を変化させ、コンパレータ300により、pの値を決定することができる。つまり上位6ビットのデジタルデータに続いて、pに対応する2ビットのデータを決定することができる。
【0066】
以上により、8ビット全てのデジタルデータを得ることが出来る。
【0067】
以上のようにして図6の構成により、8ビットの逐次比較型AD変換器を実現することが出来る。図2の回路においては、中位ビットの変換に用いる抵抗DACの出力電位の刻みを、Vref/4としていた。これに対して図6の構成では、中位ビット変換に用いる抵抗DACの出力電位の刻みをVref/16とし、合計のサンプリング容量16Cxに対して1/4の大きさの容量値4Cxを持つC7を介して、ノード20に電位加算する。
【0068】
この構成において、バイアス電位V60を加えて抵抗DACの出力電位をnVref/16+V60(nは0〜3)とすることで、12Vref/16から15Vref/16の可能な限り高い電圧範囲を用いている。これにより、スイッチ回路104をON抵抗の小さい領域で使うことができる。PMOSとNMOSのトランスファゲートにおいては電源電圧(Vref)の1/2付近の電圧ではON抵抗が大きくなり高速動作が困難になるが、図6のスイッチ回路104のように電源電圧(Vref)に近い電圧を用いることで遅延時間を少なくすることが可能であり、これにより変換処理の高速化を達成することが出来る。
【0069】
以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で様々な変形が可能である。
【発明の効果】
本発明によるAD変換器においては、副DACを第1の抵抗型DA変換器及び第2の抵抗型DA変換器に分割することで、スイッチ回路の規模を大幅に小さくすることが出来る。これにより、スイッチ回路における寄生容量を大幅に小さくして、比較処理に要する時間を短くすることが出来る。
【0070】
また、MOSトランスファゲートのON抵抗が高くなる電圧領域を避けて抵抗DACを動作させることで、比較処理の高速化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来のC−R型ダブルステージDACを用いた逐次比較型AD変換器の回路図である。
【図2】本発明による逐次比較型AD変換器の第1の実施例を示す回路図である。
【図3】図2の回路の構成・動作を概念的に示した図である。
【図4】図2の回路の動作を概念的に説明するために、図3の局部DA変換器の構成を示す図である。
【図5】本発明による逐次比較型AD変換器の変形例を示す図である。
【図6】本発明による逐次比較型AD変換器の第2の実施例を示す回路図である。
【符号の説明】
10 入力端子
101 スイッチ回路
102 スイッチ回路
200 スイッチ回路
201 スイッチ回路
202 スイッチ回路
300 コンパレータ
302 逐次比較制御回路
Claims (8)
- 入力電位をサンプリングして電荷を蓄える複数の容量からなる容量配列を含む容量型DA変換器と、
電位分割により所望の電位を生成する第1の抵抗型DA変換器と、
電位分割により所望の電位を生成する第2の抵抗型DA変換器と、
該第1の抵抗型DA変換器の出力を該容量型DA変換器の出力に容量結合により加算する第1の信号経路と、
該第2の抵抗型DA変換器の出力を該容量型DA変換器の出力に容量結合により加算する第2の信号経路と、
該容量型DA変換器の出力の電位と該入力電位との大小を判定する比較器
を含むことを特徴とするAD変換器。 - AD変換の対象である全ビットのうち、該容量型DA変換器は最上位ビットから所定個のビットに対応し、該第1の抵抗型DA変換器は該所定個のビットに続く予め決められた数のビットに対応し、該第2の抵抗型DA変換器は該予め決められた数のビットに続く所定個のビット数に対応することを特徴とする請求項1記載のAD変換器。
- 該第1の抵抗型DA変換器は、該複数の容量の最小単位となる容量の所定倍の容量を介して該容量型DA変換器の出力に接続され、第1の電位と第2の電位の間を抵抗列により電位分割して生成される該第1の電位から該第2の電位までの範囲のうちで、該範囲の上半分或いは下半分の何れか一方にのみ該第1の抵抗型DA変換器の出力の範囲が存在することを特徴とする請求項1記載のAD変換器。
- 該第1の抵抗型DA変換器と該第2の抵抗型DA変換器とが電位分割のために共有する抵抗列と、
該抵抗列により分圧された電位を外部に選択的に出力するためのスイッチ回路を更に含むことを特徴とする請求項1記載のAD変換器。 - 該容量型DA変換器は、
該複数の容量の一端を該入力電位、グランド電位、及び参照電位の何れか1つに選択的に接続する第1のスイッチ回路と、
該複数の容量の他端のグランドへの接続或いは非接続を切り替える第2のスイッチ回路
を含み、該複数の容量の該他端は該比較器の入力に接続されていることを特徴とする請求項1記載のAD変換器。 - 該比較器の出力に応じて該容量型DA変換器と、該第1の抵抗型DA変換器と、該第2の抵抗型DA変換器を制御する制御回路を更に含むことを特徴とする請求項1記載のAD変換器。
- 該制御回路は、該容量型DA変換器、該第1の抵抗型DA変換器、及び該第2の抵抗型DA変換器を順番に制御することで、AD変換の出力であるデジタルデータを最上位ビットから順番に決定していくことを特徴とする請求項6記載のAD変換器。
- 該第1の抵抗型DA変換器と該第2の抵抗型DA変換器とは抵抗列を共有し、該第1の抵抗型DA変換器は該共有される抵抗列により生成される複数の電位のうち第1のグループの電位のうちの1つを選択する第1のスイッチを含み、該第2の抵抗型DA変換器は該共有される抵抗列により生成される該複数の電位のうち第2のグループの電位のうちの1つを選択する第2のスイッチを含むことを特徴とする請求項1記載のAD変換器。
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