JP2005286552A - D/aコンバータ - Google Patents

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Abstract

【課題】 機能追加によるタイミング設計を必要とせず、簡単な回路で、電流セルの高速停止、及び電流セルの停止からの高速復帰を行うことができ、低消費電力化を図ることができるD/Aコンバータを得る。
【解決手段】 電流セルCEk(k=1〜n)内において、差動対をなすPMOSトランジスタPAk,PBkと、該差動対に電流を供給する定電流源をなすPMOSトランジスタPDkとの間にPMOSトランジスタPCkを挿入し、PMOSトランジスタPCkのドレインとゲートとの接続制御を対応して行うスイッチSWAkと、PMOSトランジスタPCkのゲートとソースとの接続制御を行うスイッチSWBkを設け、動作時にはスイッチSWAkをオンさせると共にスイッチSWBkをオフさせ、動作停止時にはスイッチSWAkをオフさせると共にスイッチSWBkをオンさせるようにした。
【選択図】 図1

Description

本発明は、D/Aコンバータに関し、特に高速化及び低消費電力化が要求される高速差動信号ドライバ等の半導体集積回路に使用されるD/Aコンバータに関する。
半導体集積回路において、近年、高速化、低消費電力化が求められ、半導体集積回路に使用されるD/Aコンバータに関しても高速化及び低消費電力化が求められている。
高速動作を行うD/Aコンバータとしては、電流加算型出力方式のものが一般的に使用されている。電流加算型出力方式のD/Aコンバータは、論理信号である入力データ信号を論理回路にてデコード処理するデジタル部と、電流セル及び電流セル内電流源の基準電流源となる基準電流生成回路からなるアナログ部とで構成される。差動入力対トランジスタと電流源トランジスタで構成される複数の電流セルの出力同士が接続され、入力データに応じた電流が加算されて出力される。また、電流セルは、D/Aコンバータの分解能や重み付けによって必要な数が決まり、各電流セルの電流源は基準電流生成回路に流れる基準電流を基準に設計されており、基準電流生成回路の基準電流を基にして安定した電流を出力する。
図6は、従来の電流加算出力型D/Aコンバータの回路例を示した図である。
図6のD/Aコンバータ100は、アナログ部をなす基準電流生成回路101、電流セルCA1〜CAn及び電流‐電圧変換回路102、並びにデジタル部をなすデコーダ103を備えている。
基準電流生成回路101は、所定の基準電圧Vrefを生成して出力する基準電圧発生回路105と、差動増幅器OPaと、PMOSトランジスタ106,107と、抵抗Raとで構成され、抵抗Raに所定の定電流が流れている。
電流セルCA1〜CAnは同じ回路構成をなしており、電流セルCA1〜CAnにおいて、電源電圧VCCに電流源をなすPMOSトランジスタPaのソースが接続され、PMOSトランジスタPaのドレインに、入力用差動対をなすPMOSトランジスタPb及びPcの各ソースがそれぞれ接続されている。
各PMOSトランジスタPaのゲートには差動増幅器OPaの出力信号がそれぞれ入力されている。デコーダ103にはD/A変換を行うデジタル信号Sinが入力されており、デコーダ103は、該入力されたデジタル信号Sinを所定の方法でデコードして出力する。電流セルCA1〜CAnの各PMOSトランジスタPb及びPcのゲートには、デコーダ103からの対応するデジタル信号がそれぞれ入力されている。
電流セルCA1〜CAnの各PMOSトランジスタPbから出力された電流は、電流‐電圧変換回路102をなす抵抗Rbにそれぞれ出力され、抵抗Rbで電圧に変換されて出力される。同様に、電流セルCA1〜CAnの各PMOSトランジスタPcから出力された電流は、電流‐電圧変換回路102をなす抵抗Rcにそれぞれ出力され、抵抗Rcで電圧に変換されて出力される。抵抗Rb及びRcで変換された電圧は、差動出力をなしてD/Aコンバータ100の出力信号として出力される。なお、D/Aコンバータの出力方式によっては、シングル出力となる。
PMOSトランジスタPaに流れる電流は、抵抗Raに流れる電流を基準にした定電流が流れる。電流セルCA1〜CAnの各PMOSトランジスタPaは、それぞれ定電流源として作動するために5極間領域で動作している。更に、電源電圧VCCと差動増幅器OP1の出力端との間には、各PMOSトランジスタPaのゲート電圧がそれぞれ変動しないように安定化させるための安定化容量Caが接続されている。
D/Aコンバータ100の分解能、重み付けによって電流セルの数nや電流セルCA1〜CAn内の各電流値が決まり、デコーダ103から入力されたデジタル信号に応じて電流セル内の差動対をなす入力用トランジスタPb及びPcがオン又はオフし、抵抗Rb及びRcに電流が出力される。
また従来において、電流源と差動入力対トランジスタの間に制御トランジスタを設け、該制御トランジスタのゲートに設けたスイッチをオン又はオフさせて電流源用トランジスタの電流の流れを調整するもの(例えば、特許文献1参照。)や、定電流用発生回路にスイッチを設け、停止機能を持たしているものがあった(例えば、特許文献2参照。)。更に、従来において、定電流用トランジスタのゲート部のオン及びオフを高速化させたもの(例えば、特許文献3参照。)や、電流セルにおける電流停止用に、差動入力用トランジスタオフ用トランジスタを追加し、差動入力用トランジスタと定電流用トランジスタの間にトランジスタを設け、いずれも論理信号にて電流制御を行うようにしたものがあった(例えば、特許文献4参照。)。
特開2000−305643号公報 特許第3296361号公報 特開2001−285069号公報 特許第2789078号公報
複数のD/AコンバータがLSIに内蔵されると、LSIの消費電力が大きくなるため、D/Aコンバータが停止しているときは、該D/Aコンバータに不要な電流が流れないようにすることで低消費電力化を図ることができる。特に、D/Aコンバータのアナログ部に流れる電流量は、D/Aコンバータ全体の消費電流の大半を占め、高速化を図ると該消費電流が増加する傾向にある。したがって、D/Aコンバータが動作しないときにアナログ部の動作を停止させることにより、低消費電力化を実現することができる。
従来より電流セルを停止させる方法としては、電流セルの電流源をなす電流源用トランジスタのゲートを制御する方法と、入力用差動対をなす差動入力対トランジスタのゲートを制御する方法があった。電流源用トランジスタは、チャネル長変調を考慮すると共に定電流性の向上を図る目的で、トランジスタのチャネル長及びチャネル幅が大きくなるように形成されている。このようなサイズが大きいことによりトランジスタ自身のゲート容量及び寄生容量が大きくなるため、電流源用トランジスタのゲートを制御して、動作を停止させるために要する時間、及び動作停止状態から作動状態に回復させるために要する時間がそれぞれ長くなるという問題があった。
更に、安定化用容量Caが付加されるため、電流源用トランジスタの動作を停止させるまでの時間や、動作停止状態から作動状態に回復させるまでの時間が長くなるという問題があった。このように、電流源用トランジスタの動作を停止させる時間や、電流源用トランジスタの動作を停止させてから復帰させるまでの時間が長いと、LSI又はLSIを組み込んだシステムの処理時間が長くなるという問題があった。
また、差動入力対トランジスタのゲートを制御するには、該ゲートに入力される信号を固定に制御する論理回路やスイッチが必要であり、このような回路を差動入力対トランジスタのゲートに接続する必要がある。このため、差動入力対トランジスタのゲートに入力される信号に容量が付加され、差動入力対トランジスタを動作させるタイミングが変化してしまうという問題があった。各電流セル内の電流源の重み付けによって、電流セルに流れる電流や差動入力対のトランジスタサイズが異なる場合は、更に、このようなタイミング設計が複雑になる。
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、機能追加によるタイミング設計を必要とせず、簡単な回路で、電流セルの高速停止、及び電流セルの停止からの高速復帰を行うことができ、低消費電力化を図ることができるD/Aコンバータを得ることを目的とする。
この発明に係るD/Aコンバータは、D/A変換を行う信号を所定の方法でデコードして出力するデコーダと、該デコーダからのデジタル信号に応じて電流を出力する複数の電流セルと、該各電流セルのそれぞれの電流源に対して所定の定電流を出力させる基準電流生成回路と、各電流セルから出力された総電流を電圧に変換する電流‐電圧変換回路とを備えたD/Aコンバータにおいて、
前記各電流セルは、
前記デコーダからの対応するデジタル信号が制御電極にそれぞれ入力され、該入力されたデジタル信号に応じてそれぞれ前記電流‐電圧変換回路へ電流を出力する、同導電型の差動対をなす第1及び第2の各トランジスタと、
前記電流源をなす第3のトランジスタと、
該第3のトランジスタから出力される定電流の前記第1及び第2の各トランジスタへの出力制御を行う第4のトランジスタと、
外部から入力された制御信号に応じて該第4のトランジスタの動作制御を行うスイッチ回路部と、
をそれぞれ備え、
前記スイッチ回路部は、外部から所定の信号が入力されると、前記第4のトランジスタをオフさせて遮断状態にするものである。
また、前記スイッチ回路部は、外部からの制御信号に応じて、前記第4のトランジスタの制御電極を、該第4のトランジスタの入力端又は出力端のいずれかに接続するようにした。
この場合、前記第4のトランジスタは、MOSトランジスタであり、前記スイッチ回路部は、外部からの制御信号に応じて、該第4のトランジスタのゲートを、第4のトランジスタのドレイン又はソースのいずれかに接続するようにした。
また、前記第4のトランジスタは、MOSトランジスタであり、前記スイッチ回路部は、外部からの制御信号に応じて、該第4のトランジスタのゲートを、第4のトランジスタをオフさせる電圧又は第4のトランジスタのドレインのいずれかに接続するようにしてもよい。
また、前記第4のトランジスタは、MOSトランジスタであり、前記スイッチ回路部は、外部からの制御信号に応じて、前記第4のトランジスタのゲートを、第4のトランジスタを5極間領域で動作させる電圧又は第4のトランジスタのソースのいずれかに接続するようにしてもよい。
また、この発明に係るD/Aコンバータは、D/A変換を行う信号を所定の方法でデコードして出力するデコーダと、該デコーダからのデジタル信号に応じて電流を出力する複数の電流セルと、該各電流セルのそれぞれの電流源に対して所定の定電流を出力させる基準電流生成回路と、各電流セルから出力された総電流を電圧に変換する電流‐電圧変換回路とを備えたD/Aコンバータにおいて、
外部から入力された制御信号に応じて前記各電流セルの動作制御を行う制御回路を備え、
前記各電流セルは、
前記デコーダからの対応するデジタル信号が制御電極にそれぞれ入力され、該入力されたデジタル信号に応じてそれぞれ前記電流‐電圧変換回路へ電流を出力する、同導電型の差動対をなす第1及び第2の各トランジスタと、
前記電流源をなす第3のトランジスタと、
該第3のトランジスタから出力される定電流の前記第1及び第2の各トランジスタへの出力制御を行う第4のトランジスタと、
をそれぞれ備え、
前記制御回路は、外部から入力された制御信号に応じて前記各第4のトランジスタの動作制御を行うものである。
具体的には、前記制御回路は、外部から所定の信号が入力されると、前記第4のトランジスタをオフさせて遮断状態にするようにした。
また、前記第4のトランジスタは、MOSトランジスタであり、前記制御回路は、外部からの制御信号に応じて、前記第4のトランジスタのゲートに、第4のトランジスタを5極間領域で動作させる電圧又は第4のトランジスタをオフさせて遮断状態にする電圧のいずれかを出力するようにしてもよい。
この場合、前記制御回路は、
外部からの制御信号に応じて、前記第4のトランジスタのゲートを、該第4のトランジスタを5極間領域で動作させる電圧に接続する第5のトランジスタと、
外部からの制御信号に応じて、前記第4のトランジスタのゲートを、該第4のトランジスタをオフさせて遮断状態にする電圧に接続する第6のトランジスタと、
を備えるようにした。
一方、前記制御回路は、外部からの制御信号に応じて、前記第4のトランジスタのゲートに、第4のトランジスタを5極間領域で動作させる電圧又は第4のトランジスタをオフさせて遮断状態にする電圧のいずれかを出力する論理回路を備えるようにしてもよい。
また、前記デコーダ、各電流セル、基準電流生成回路及び制御回路は、外部から低消費電力動作の実行を指令する信号が入力されると、それぞれ電流消費を停止して動作を停止するようにしてもよい。
本発明のD/Aコンバータによれば、各電流セルにおいて、導電型の差動対をなす第1及び第2の各トランジスタと、該差動対に電流を供給する定電流源をなす第3のトランジスタとの間に第4のトランジスタを挿入し、スイッチ回路部は、外部から所定の信号が入力されると、前記第4のトランジスタをオフさせて遮断状態にするようにした。このことから、機能追加によるタイミング設計を必要とせず簡単な回路で、各電流セルの高速停止、及び各電流セルの停止からの高速復帰を行うことができ、低消費電力化を図ることができる。
また、各電流セルにおいて、導電型の差動対をなす第1及び第2の各トランジスタと、該差動対に電流を供給する定電流源をなす第3のトランジスタとの間に第4のトランジスタを挿入し、各電流セルの動作制御を行う制御回路は、外部から入力された制御信号に応じて各電流セルのそれぞれの第4のトランジスタの動作制御を行うようにした。このことから、機能追加によるタイミング設計を必要とせず、簡単な回路で、各電流セルの高速停止、及び各電流セルの停止からの高速復帰を行うことができ、低消費電力化を図ることができると共に、回路規模やレイアウト面積を小さくすることができる。
一方、前記制御回路は、外部からの制御信号に応じて、前記第4のトランジスタのゲートに、第4のトランジスタを5極間領域で動作させる電圧又は第4のトランジスタをオフさせて遮断状態にする電圧のいずれかを出力するようにした。このことから、各第4のトランジスタのゲート電圧は、第4のトランジスタを5極間領域で動作させる電圧から、第4のトランジスタをオフさせて遮断状態にする電圧までの切り替わりとなることから、電源電圧間での動作よりも動作速度を速くすることができる。
また、前記デコーダ、各電流セル、基準電流生成回路及び制御回路は、外部から低消費電力動作の実行を指令する信号が入力されると、それぞれ電流消費を停止して動作を停止するようにしたことから、高速停止を必要としないリークテスト等を行うときにD/Aコンバータの動作を完全に停止させる場合においても、複雑な回路を必要とせずに対応することができる。
次に、図面に示す実施の形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
第1の実施の形態.
図1は、本発明の第1の実施の形態におけるD/Aコンバータの構成例を示した図である。
図1において、D/Aコンバータ1は、アナログ部をなす基準電流生成回路2、電流セルCE1〜CEn(nは、n>1の整数)、電流‐電圧変換回路3及び安定化用容量C1、並びにデジタル部をなすデコーダ4を備えている。
基準電流生成回路2は、所定の基準電圧Vrを生成して出力する基準電圧発生回路11と、差動増幅器OP1と、PMOSトランジスタ12,13と、抵抗R1とで構成されている。
基準電流生成回路2において、電源電圧VCCと接地電圧GNDとの間にはPMOSトランジスタ12,13及び抵抗R1が直列に接続されており、PMOSトランジスタ13と抵抗R1との接続部は、差動増幅器OP1の非反転入力端に接続されている。差動増幅器OP1の反転入力端は、基準電圧Vrが入力されると共にPMOSトランジスタ13のゲートが接続され、差動増幅器OP1の出力端は、PMOSトランジスタ12のゲートに接続されている。また、差動増幅器OP1の出力端は、基準電流生成回路2の出力端をなし各電流セルCE1〜CEnにそれぞれ接続され、電源電圧VCCと差動増幅器OP1の出力端との間には安定化用容量C1が接続されている。
電流セルCE1〜CEnは同じ回路構成をなしていることから、以下、任意の電流セルCEk(k=1〜n)を例にして説明する。
電流セルCEkは、PMOSトランジスタPAk,PBk,PCk,PDkとスイッチSWAk,SWBkとで構成されている。なお、PMOSトランジスタPAkは第1のトランジスタを、PMOSトランジスタPBkは第2のトランジスタを、PMOSトランジスタPDkは第3のトランジスタを、PMOSトランジスタPCkは第4のトランジスタをそれぞれなし、スイッチSWAk及びSWBkはスイッチ回路部をなす。
PMOSトランジスタPDkのソースは電源電圧VCCに接続され、PMOSトランジスタPDkのドレインと第1出力端OUTAkとの間にはスイッチSWBk、SWAk及びPMOSトランジスタPAkが直列に接続され、PMOSトランジスタPDkのドレインと第2出力端OUTBkとの間にはPMOSトランジスタPCk及びPBkが直列に接続されている。
スイッチSWAkとSWBkとの接続部にはPMOSトランジスタPCkのゲートが接続され、スイッチSWAkとPMOSトランジスタPAkのソースとの接続部は、PMOSトランジスタPBkのソースとPMOSトランジスタPCkのドレインとの接続部に接続されている。PMOSトランジスタPAkのゲートは第1入力端子INAkに、PMOSトランジスタPBkのゲートは第2入力端子INBkにそれぞれ接続されている。スイッチSWAk及びSWBkは外部からの制御信号(図示せず)によってそれぞれスイッチング制御される。
ここで、電流‐電圧変換回路3は、抵抗R2及びR3で構成されており、抵抗R2は、第1出力端子OUTAkと接地電圧GNDとの間に接続され、抵抗R3は、第2出力端子OUTBkと接地電圧GNDとの間に接続されている。
一方、デコーダ4にはD/A変換を行うデジタル信号Sinが入力されており、デコーダ4は、該入力されたデジタル信号Sinを所定の方法でデコードしてデジタル信号SA1〜SAn及びSB1〜SBnをそれぞれ生成し、電流セルCEkの第1入力端子INAkにはデジタル信号SAkが対応して入力され、電流セルCEkの第2入力端子INBkにはデジタル信号SBkが対応して入力される。
このような構成において、通常の動作時には、スイッチSWAkがオンして導通状態になりスイッチSWBkがオフして遮断状態になる。また、D/Aコンバータ1の動作停止時には、スイッチSWAkがオフして遮断状態になりスイッチSWBkがオンして導通状態になる。スイッチSWAkがオンしてスイッチSWBkがオフした場合、PMOSトランジスタPCkのゲートとドレインが接続されるため、PMOSトランジスタPCkのソース‐ドレイン間電圧は、ゲート‐ソース間電圧に等しくなり、PMOSトランジスタPCkは5極間領域で動作する。
また、PMOSトランジスタPDkに流れる電流は、抵抗R1に流れる電流を基準にした定電流が流れる。PMOSトランジスタPDkは、定電流源として作動するために5極間領域で動作している。更に、電源電圧VCCと差動増幅器OP1の出力端との間には、PMOSトランジスタPDkのゲート電圧が変動しないように安定化させるための安定化容量C1が接続されている。
動作時の電流セルCEkは、第1入力端子INAk及び第2入力端子INBkの両方、又は第1入力端子INAk若しくは第2入力端子INBkのいずれか一方にデコーダ4からの論理信号が入力される。このため、PMOSトランジスタPAk,PBkの両方又は片方の動作に伴うスイッチングノイズや、PMOSトランジスタPAk,PBkの両方が動作したときの入力信号のタイミングのずれ等により、PMOSトランジスタPAk,PBkのソース電圧が変動する。
しかし、PMOSトランジスタPCkが5極間領域で動作するため、3極間領域で動作するときと比較して、PMOSトランジスタPCkのドレイン‐ソース間のオン抵抗が大きいことから、周囲の寄生容量によってPMOSトランジスタPDkのドレイン電圧の変動を抑えることができる。通常、PMOSトランジスタPDkは5極間領域で動作しているため、PMOSトランジスタPDkのドレイン電圧の変動で、PMOSトランジスタPDkのドレイン‐ソース間電圧が小さくなると、PMOSトランジスタPDkは3極間領域に入り、PMOSトランジスタPDkからの電流が減少して定電流源としての動作が不安定になる要因になる。
次に、スイッチSWAkがオフしてスイッチSWBkがオンした場合、PMOSトランジスタPCkにおいて、ゲートとソースが接続されるためドレイン‐ソース間の電流が遮断され、PMOSトランジスタPAk,PBkの両方又は片方のゲートに論理信号が入力されても出力端子OUTAk,OUTBkから電流が出力されることはない。
このように、スイッチSWAkがオンしたときはスイッチSWBkはオフして、出力端子OUTAk,OUTBkから電流が出力され、スイッチSWAkがオフしたときはスイッチSWBkはオンして、出力端子OUTAk,OUTBkからの電流出力が停止する。
また、スイッチSWAk,SWBkが同時にオンすることはなく、スイッチSWAk,SWBkのスイッチングの動作範囲は、PMOSトランジスタPAk,PBkの各ソース電圧とPMOSトランジスタPDkのドレイン電圧との間であることから、電源電圧VCCと接地電圧GNDとの間である場合よりもスイッチSWAk,SWBkは高速にオン又はオフすることができる。スイッチSWA1〜SWAnは、制御信号CTR(図示せず)によって一斉に制御されて同じ動作を行うと共に、スイッチSWB1〜SWBnは、制御信号/CTR(図示せず)によって一斉に制御されて同じ動作を行う。スイッチSWA1〜SWAn及びSWB1〜SWBnは、トランジスタや論理回路で簡単に構成することができ、論理信号によってスイッチング制御することができる。
なお、一般に電流セルCE1〜CEnに接続される基準電流生成回路2に流れる電流は、電流セルCE1〜CEnに流れる総電流よりも小さい。また、基準電流生成回路2は、複数のD/Aコンバータを有するシステムにおいては、各D/Aコンバータで共通して使用することができる。これらのことから、基準電流生成回路2の動作を停止させることは、電流セルCE1〜CEnの動作を停止させる場合と比較して、低消費電流化への利点にはならず、反対に基準電流生成回路2は、安定した基準電流を発生していることから構成も複雑であり、電流セルと比較して、停止までの時間、停止から復帰までの時間が多く必要である。
更に、基準電流生成回路2が安定しないうちに各電流セルが動作してしまうとD/Aコンバータの特性劣化になる。このことは、電流セルCEk内の電流源においても同様で、各電流セル内の電流源をなすPMOSトランジスタPDkは、基準電流生成回路2に接続されているため、高速動作、停止を目的にPMOSトランジスタPDkのゲート電圧を制御させると基準電流生成回路2に影響を与えてしまう。このため、PMOSトランジスタPDkのゲート電圧が常に安定した状態になるようにしている。
なお、図1では、スイッチSWBkをPMOSトランジスタPCkのゲート‐ソース間に設けたが、図2で示すようにスイッチSWBkをPMOSトランジスタPCkのゲートと電源電圧VCCとの間に設けるようにしてもよい。このようにした場合も、図1と同様の動作及び効果を得ることができる。
このように、本第1の実施の形態のD/Aコンバータは、各電流セルCE1〜CEn内において、差動対をなすPMOSトランジスタPAk,PBkと、該差動対に電流を供給する定電流源をなすPMOSトランジスタPDkとの間にPMOSトランジスタPCkを挿入し、PMOSトランジスタPCkのドレインとゲートとの接続制御を行うスイッチSWAkと、PMOSトランジスタPCkのゲートとソースとの接続制御又はPMOSトランジスタPCkのゲートと電源電圧VCCとの接続制御を行うスイッチSWBkを設け、動作時にはスイッチSWAkをオンさせると共にスイッチSWBkをオフさせ、動作停止時にはスイッチSWAkをオフさせると共にスイッチSWBkをオンさせるようにした。このことから、機能追加によるタイミング設計を必要とせず簡単な回路で、各電流セルの高速停止、及び各電流セルの停止からの高速復帰を行うことができ、低消費電力化を図ることができる。
第2の実施の形態.
前記第1の実施の形態において、PMOSトランジスタPCkのゲートに、スイッチSWAkを介して基準電圧発生回路11の基準電圧Vrを入力するようにしてもよく、このようにしたものを本発明の第2の実施の形態とする。
図3は、本発明の第2の実施の形態におけるD/Aコンバータの構成例を示した図である。なお、図3では、図1と同じもの又は同様のものは同じ符号で示し、ここではその説明を省略すると共に図1との相違点のみ説明する。
図3における図1との相違点は、ボルテージフォロワを形成する差動増幅器OP2を追加すると共に、スイッチSWA1〜SWAnの接続位置を変えたことにあり、これに伴って図1の電流セルCE1〜CEnを電流セルCEA1〜CEAnとし、図1のD/Aコンバータ1をD/Aコンバータ1aにした。
図3において、D/Aコンバータ1aは、基準電流生成回路2、電流セルCEA1〜CEAn(nは、n>1の整数)、電流‐電圧変換回路3及び安定化用容量C1、デコーダ4及びボルテージフォロワを形成する差動増幅器OP2を備えている。
差動増幅器OP2において、非反転入力端には基準電圧Vrが入力されており、反転入力端と出力端が接続されている。また、差動増幅器OP2の出力端とPMOSトランジスタPC1〜PCnの各ゲートとの間にはスイッチSWA1〜SWAnが対応して接続されている。
このような構成において、電流セルCEA1〜CEAnの回路構成は同じであることから、任意の電流セルCEAkを例にして説明する。
電流セルCEAkのスイッチSWAkがオンしたときに、PMOSトランジスタPCkのゲートに差動増幅器OP2の出力信号が入力される。スイッチSWBkがオンしたときは、PMOSトランジスタPCkのゲートとソースが接続されるため、PMOSトランジスタPAk及びPBkへの電流がPMOSトランジスタPCkによって遮断される。
差動増幅器OP2がオフセット電圧がゼロである理想的な演算増幅回器であるとすれば、差動増幅器OP2の出力信号は、基準電圧Vrと同じ電圧になる。
差動増幅器OP1の出力信号が、PMOSトランジスタPDkが5極間領域で動作するような電圧に設定されているのと同じように、差動増幅器OP2の出力信号も、PMOSトランジスタPCkが5極間領域で動作するような電圧に設定されている。なお、差動増幅器OP2の出力電圧が基準電圧Vrと異なるようにしたい場合は、差動増幅器OP2をボルテージフォロワにする必要はない。
通常、基準電圧Vrは、電源電圧や、温度変化等によって電圧値が変化しにくい。したがって、差動増幅器OP2の出力電圧に関しては、新規に基準電圧を発生させる回路を必要とせず、安定した電圧にすることができる。場合によっては、安定した容量を付加してもよい。また、差動増幅器OP2は、スイッチSWAk及びSWBkのスイッチング動作による影響を基準電圧Vrに与えない役割を持っている。
スイッチSWAkがオンしているときは、PMOSトランジスタPCkはPMOSトランジスタPDkに対してカスコード接続となり、PMOSトランジスタPDkの定電流性を向上させることができる。PMOSトランジスタPCkのドレインはインピーダンスが高いため、PMOSトランジスタPCkのドレインに接続される差動対トランジスタPAk,PBkのソース電圧が変動しても、PMOSトランジスタPDkのドレインはその影響を受けにくくなる。
また、電流セルCEAkに対して、PMOSトランジスタPCkのトランジスタサイズや基準電圧Vrの電圧値を最適化することで、低電源電圧化が可能となる。なお、PMOSトランジスタPCkのゲート電圧は、基準電圧VrからPMOSトランジスタPDkのドレイン電圧までの切り替わりとなるため、電源電圧VCCと接地電圧GNDとの間の動作よりも動作速度が速くなる。
このように、本第2の実施の形態におけるD/Aコンバータは、各電流セルCEA1〜CEAn内において、差動対をなすPMOSトランジスタPAk,PBkと、該差動対に電流を供給する定電流源をなすPMOSトランジスタPDkとの間にPMOSトランジスタPCkを挿入し、PMOSトランジスタPCkのゲートと差動増幅器OP2の出力端との接続制御を行うスイッチSWAkと、PMOSトランジスタPCkのゲートとソースとの接続制御又はPMOSトランジスタPCkのゲートと電源電圧VCCとの接続制御を行うスイッチSWBkを設け、動作時にはスイッチSWAkをオンさせると共にスイッチSWBkをオフさせ、動作停止時にはスイッチSWAkをオフさせると共にスイッチSWBkをオンさせるようにした。このことから前記第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
第3の実施の形態.
前記第1及び第2の各実施の形態では、各電流セルにそれぞれスイッチを設けてPMOSトランジスタPC1〜PCnのスイッチング制御を行うようにしたが、各電流セルのPMOSトランジスタPC1〜PCnの動作制御を行う制御回路を別途設けるようにしてもよく、このようにしたものを本発明の第3の実施の形態とする。
図4は、本発明の第3の実施の形態におけるD/Aコンバータの構成例を示した図である。なお、図4では、図3と同じもの又は同様のものは同じ符号で示し、ここではその説明を省略すると共に図3との相違点のみ説明する。
図4における図3との相違点は、図3の各電流セルCEA1〜CEAnからスイッチSWA1〜SWAn及びSWB1〜SWBnをなくし、外部からの制御信号CTR及び制御信号CTRの信号レベルを反転させた制御信号/CTRに応じてPMOSトランジスタPC1〜PCnの動作制御を行う制御回路21を設けたことにある。これに伴って、図3の電流セルCEA1〜CEAnを電流セルCEB1〜CEBnにし、図3のD/Aコンバータ1aをD/Aコンバータ1bにした。
図4において、D/Aコンバータ1bは、基準電流生成回路2、電流セルCEB1〜CEBn(nは、n>1の整数)、電流‐電圧変換回路3、安定化用容量C1、デコーダ4及び制御回路21を備えている。
また、制御回路21は、差動増幅器OP2及びPMOSトランジスタ22,23で構成されている。なお、制御回路21は制御回路部をなし、PMOSトランジスタ22は第5のトランジスタを、PMOSトランジスタ23は第6のトランジスタをそれぞれなす。
電源電圧VCCとボルテージフォロワをなす差動増幅器OP2の出力端との間には、PMOSトランジスタ23及び22が直列に接続され、PMOSトランジスタ23と22との接続部がPMOSトランジスタPC1〜PCnの各ゲートにそれぞれ接続されている。PMOSトランジスタ22のゲートには外部からの制御信号CTRが入力され、PMOSトランジスタ23のゲートには外部からの制御信号/CTRが入力されている。
このような構成において、電流セルCEB1〜CEBnは同じ回路構成をなしている。制御信号CTR及び/CTRによって、PMOSトランジスタ22及び23のいずれか一方を排他的にオンさせてPMOSトランジスタPC1〜PCnの動作をそれぞれ制御する。PMOSトランジスタ22がオンするとPMOSトランジスタ23はオフし、PMOSトランジスタPC1〜PCnの各ゲートには、差動増幅器OP2の出力信号がそれぞれ入力され、PMOSトランジスタPC1〜PCnはそれぞれ5極間領域で動作する。
これに対して、PMOSトランジスタ22がオフするとPMOSトランジスタ23はオンし、PMOSトランジスタPC1〜PCnの各ゲートには、電源電圧VCCがそれぞれ入力され、PMOSトランジスタPC1〜PCnはそれぞれオフして遮断状態になる。なお、PMOSトランジスタ22,23に同じ極性のトランジスタを使用したが、これは1例であり、PMOSトランジスタ22,23を異なる極性のトランジスタで構成してもよく、このようにすると1つの論理信号で、PMOSトランジスタ22及び23をそれぞれ制御することができる。
このように、本第3の実施の形態のD/Aコンバータは、PMOSトランジスタ22及び23の動作を切り替えることにより、前記第1の実施の形態と同様の効果が得られると共に、電流セルCEB1〜CEBnの停止又は復帰を行うことができ、回路規模やレイアウト面積を小さくすることができる。また、PMOSトランジスタPC1〜PCnの各ゲートの電圧は、基準電圧Vrから電源電圧VCCまでの切り替わりとなるため、電源電圧VCCと接地電圧GNDとの間の動作よりも動作速度を速くすることができる。
第4の実施の形態.
前記第3の実施の形態では、制御回路21は、外部からの制御信号CTR,/CTRに応じてPMOSトランジスタPC1〜PCnの動作制御を行うようにしたが、D/Aコンバータのリークテスト等では、完全にD/Aコンバータを停止させる必要があるため、D/Aコンバータを完全に停止させる信号として制御信号PDが外部から入力され、外部から入力された制御信号CTR及びPDに応じてPMOSトランジスタPC1〜PCnの動作制御を行う制御回路を別途設けるようにしてもよく、このようにしたものを本発明の第4の実施の形態とする。
図5は、本発明の第4の実施の形態におけるD/Aコンバータの構成例を示した図である。なお、図5では、図3と同じもの又は同様のものは同じ符号で示し、ここではその説明を省略すると共に図3との相違点のみ説明する。
図5における図3との相違点は、図3の各電流セルCEA1〜CEAnからスイッチSWA1〜SWAn及びSWB1〜SWBnをなくし、外部からの制御信号CTR及びPDに応じてPMOSトランジスタPC1〜PCnの動作制御を行う制御回路25を設けたことにある。これに伴って、図3のD/Aコンバータ1aをD/Aコンバータ1cにした。
図5において、D/Aコンバータ1cは、基準電流生成回路2、電流セルCEB1〜CEBn、電流‐電圧変換回路3、安定化用容量C1、デコーダ4及び制御回路25を備えている。また、制御回路25は、差動増幅器OP2及びOR回路26で構成されている。なお、制御回路25は制御回路部を、OR回路26は論理回路をそれぞれなす。
OR回路26は、電源電圧VCCを正側電源電圧とし差動増幅器OP2の出力電圧を負側電源電圧として作動するように、正側電源入力端は電源電圧VCCに接続され負側電源入力端は差動増幅器OP2の出力端に接続されている。OR回路26において、出力端はPMOSトランジスタPC1〜PCnの各ゲートにそれぞれ接続され、一方の入力端には制御信号CTRが、他方の入力端には制御信号PDがそれぞれ入力されている。基準電流生成回路2及び差動増幅器OP2には、制御信号PDがそれぞれ入力されており、制御信号PDがハイレベルになると、基準電流生成回路2及び差動増幅器OP2、すなわち基準電圧発生回路11及び差動増幅器OP1,OP2がそれぞれ動作を停止する。
このような構成において、D/Aコンバータ1cは、基準電流生成回路2、デコーダ4及び電流セルCEB1〜CEBnがそれぞれ動作を停止するパワーダウン機能を備えている。これは、D/Aコンバータ1c全体の動作を停止させる機能であり、前述した高速停止、停止からの復帰機能とは異なる。D/Aコンバータのリークテスト等では、D/Aコンバータの動作を完全に停止させる必要があり、制御信号PDが、D/Aコンバータ1c全体を停止させるための制御信号である。なお、制御信号PDを用いたD/Aコンバータの動作停止及び停止からの復帰には時間がかかるため、高速化することができない。このため、本第4の実施の形態のD/Aコンバータでは、このような制御信号PD及びCTRを使い分けて停止及び停止からの復帰動作を行う。
制御信号CTR及びPDにおいて、ハイレベルのときにD/Aコンバータ1cは動作を停止し、ローレベルのときにD/Aコンバータ1cは動作停止状態から復帰する。OR回路26は、各PMOSトランジスタPC1〜PCnの各ゲートに電源電圧VCC又は差動増幅器OP2の出力電圧のいずれか一方を出力し、制御信号CTR及びPDのどちらか、又は両方がハイレベルになれば、各電流セルCEB1〜CEBnがそれぞれ動作を停止する。すなわち、D/Aコンバータ1c全体の動作を停止させる場合は制御信号PDを使用し、D/Aコンバータ1cを高速停止させる場合や高速に動作停止から復帰させる場合は制御信号CTRを使用する。なお、図5では、論理回路としてOR回路26を使用した場合を例にして示したが、これは1例でありこれに限定するものではない。
このように、本第4の実施の形態のD/Aコンバータは、D/Aコンバータの動作を完全に停止させるための制御信号PD、又はD/Aコンバータの動作停止及び動作停止からの復帰を高速に行わせるための制御信号CTRのいずれか又は両方がハイレベルになると、PMOSトランジスタPC1〜PCnがそれぞれオフして各電流セルCEB1〜CEBnの動作がそれぞれ停止する。このことから、前記第3の実施の形態と同様の効果を得ることができると共に、D/Aコンバータの動作を完全に停止させる場合においても、複雑な回路を必要とせずに対応することができる。
なお、本発明は、D/Aコンバータを高速停止及び動作停止から高速復帰させることで、低消費電力化を図ることを目的としており、D/Aコンバータ動作時の低消費電力化を目的とするものではない。したがって、電源電圧範囲は、動作時において、PMOSトランジスタPC1〜PCn,PD1〜PDnが5極間領域で動作可能な範囲を満たしており、出力電流と抵抗負荷にて電圧を発生させる場合、PMOSトランジスタPC1〜PCn,PD1〜PDnが5極間領域で動作可能な、出力コンプライアンス電圧を満たすことを前提としている。
本発明の第1の実施の形態におけるD/Aコンバータの構成例を示した図である。 本発明の第1の実施の形態におけるD/Aコンバータの他の構成例を示した図である。 本発明の第2の実施の形態におけるD/Aコンバータの構成例を示した図である。 本発明の第3の実施の形態におけるD/Aコンバータの構成例を示した図である。 本発明の第4の実施の形態におけるD/Aコンバータの構成例を示した図である。 従来の電流加算出力型D/Aコンバータの回路例を示した図である。
符号の説明
1,1a,1b,1c D/Aコンバータ
2 基準電流生成回路
3 電流‐電圧変換回路
4 デコーダ
11 基準電圧発生回路
21,25 制御回路
26 OR回路
CE1〜CEn,CEA1〜CEAn,CEB1〜CEBn 電流セル
12,13,22,23,PA1〜PAn,PB1〜PBn,PC1〜PCn,PD1〜PDn PMOSトランジスタ
SWA1〜SWAn,SWB1〜SWBn スイッチ
OP1,OP2 差動増幅器
R1〜R3 抵抗

Claims (11)

  1. D/A変換を行う信号を所定の方法でデコードして出力するデコーダと、該デコーダからのデジタル信号に応じて電流を出力する複数の電流セルと、該各電流セルのそれぞれの電流源に対して所定の定電流を出力させる基準電流生成回路と、各電流セルから出力された総電流を電圧に変換する電流‐電圧変換回路とを備えたD/Aコンバータにおいて、
    前記各電流セルは、
    前記デコーダからの対応するデジタル信号が制御電極にそれぞれ入力され、該入力されたデジタル信号に応じてそれぞれ前記電流‐電圧変換回路へ電流を出力する、同導電型の差動対をなす第1及び第2の各トランジスタと、
    前記電流源をなす第3のトランジスタと、
    該第3のトランジスタから出力される定電流の前記第1及び第2の各トランジスタへの出力制御を行う第4のトランジスタと、
    外部から入力された制御信号に応じて該第4のトランジスタの動作制御を行うスイッチ回路部と、
    をそれぞれ備え、
    前記スイッチ回路部は、外部から所定の信号が入力されると、前記第4のトランジスタをオフさせて遮断状態にすることを特徴とするD/Aコンバータ。
  2. 前記スイッチ回路部は、外部からの制御信号に応じて、前記第4のトランジスタの制御電極を、該第4のトランジスタの入力端又は出力端のいずれかに接続することを特徴とする請求項1記載のD/Aコンバータ。
  3. 前記第4のトランジスタは、MOSトランジスタであり、前記スイッチ回路部は、外部からの制御信号に応じて、該第4のトランジスタのゲートを、第4のトランジスタのドレイン又はソースのいずれかに接続することを特徴とする請求項2記載のD/Aコンバータ。
  4. 前記第4のトランジスタは、MOSトランジスタであり、前記スイッチ回路部は、外部からの制御信号に応じて、該第4のトランジスタのゲートを、第4のトランジスタをオフさせる電圧又は第4のトランジスタのドレインのいずれかに接続することを特徴とする請求項1記載のD/Aコンバータ。
  5. 前記第4のトランジスタは、MOSトランジスタであり、前記スイッチ回路部は、外部からの制御信号に応じて、前記第4のトランジスタのゲートを、第4のトランジスタを5極間領域で動作させる電圧又は第4のトランジスタのソースのいずれかに接続することを特徴とする請求項1記載のD/Aコンバータ。
  6. D/A変換を行う信号を所定の方法でデコードして出力するデコーダと、該デコーダからのデジタル信号に応じて電流を出力する複数の電流セルと、該各電流セルのそれぞれの電流源に対して所定の定電流を出力させる基準電流生成回路と、各電流セルから出力された総電流を電圧に変換する電流‐電圧変換回路とを備えたD/Aコンバータにおいて、
    外部から入力された制御信号に応じて前記各電流セルの動作制御を行う制御回路を備え、
    前記各電流セルは、
    前記デコーダからの対応するデジタル信号が制御電極にそれぞれ入力され、該入力されたデジタル信号に応じてそれぞれ前記電流‐電圧変換回路へ電流を出力する、同導電型の差動対をなす第1及び第2の各トランジスタと、
    前記電流源をなす第3のトランジスタと、
    該第3のトランジスタから出力される定電流の前記第1及び第2の各トランジスタへの出力制御を行う第4のトランジスタと、
    をそれぞれ備え、
    前記制御回路は、外部から入力された制御信号に応じて前記各第4のトランジスタの動作制御を行うことを特徴とするD/Aコンバータ。
  7. 前記制御回路は、外部から所定の信号が入力されると、前記第4のトランジスタをオフさせて遮断状態にすることを特徴とする請求項6記載のD/Aコンバータ。
  8. 前記第4のトランジスタは、MOSトランジスタであり、前記制御回路は、外部からの制御信号に応じて、前記第4のトランジスタのゲートに、第4のトランジスタを5極間領域で動作させる電圧又は第4のトランジスタをオフさせて遮断状態にする電圧のいずれかを出力することを特徴とする請求項6又は7記載のD/Aコンバータ。
  9. 前記制御回路は、
    外部からの制御信号に応じて、前記第4のトランジスタのゲートを、該第4のトランジスタを5極間領域で動作させる電圧に接続する第5のトランジスタと、
    外部からの制御信号に応じて、前記第4のトランジスタのゲートを、該第4のトランジスタをオフさせて遮断状態にする電圧に接続する第6のトランジスタと、
    を備えることを特徴とする請求項8記載のD/Aコンバータ。
  10. 前記制御回路は、外部からの制御信号に応じて、前記第4のトランジスタのゲートに、第4のトランジスタを5極間領域で動作させる電圧又は第4のトランジスタをオフさせて遮断状態にする電圧のいずれかを出力する論理回路を備えることを特徴とする請求項8記載のD/Aコンバータ。
  11. 前記デコーダ、各電流セル、基準電流生成回路及び制御回路は、外部から低消費電力動作の実行を指令する信号が入力されると、それぞれ電流消費を停止して動作を停止することを特徴とする請求項6、7、8、9又は10記載のD/Aコンバータ。
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