JP2008066848A - D/a変換器 - Google Patents

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Abstract

【課題】MOSFETの特性にばらつきがあっても問題がないうえに、微細な工程で製造する集積回路内に構成するのに適したD/A変換器を提供する。
【解決手段】i個(iは自然数)のPMOSが並列に接続されたMOSFET群(以下、PMOS群)と、j個(jは自然数)のNMOSが並列に接続されたMOSFET群(以下、NMOS群)があり、PMOS群のソース電極は電源ラインVDDに接続されており、NMOS群のソース電極は接地されており、PMOS群およびNMOS群のドレイン電極はお互いに接続し、そのノードをアナログ出力端子としており、各MOSFETの基板電極にはそれぞれ独立して電圧を印加することが可能であり、各MOSFETのゲート電極には入力のデジタル信号を印加し、ON状態にするMOSFETの組み合わせを変えることでアナログ出力電圧を変化させる。
【選択図】図1

Description

本発明は、デジタル信号をアナログ信号に変換するD/A変換器に関し、特に微細な工程で製造する集積回路内に構成する場合に適したD/A変換器に関する。
集積回路内に構成するD/A変換器の種類で一般的に利用されているものとして、電圧型D/A変換器、電荷型D/A変換器、電流型D/A変換器等がある。
電圧型D/A変換器には、2つの基準電圧間に分圧用の多数の抵抗を直列に接続したものを用意し、入力のデジタル信号に対応したノードを選択し、そのノードでの分圧電圧を出力するものなどがある。
電荷型D/A変換器には、分解能に応じた数だけのコンデンサを用意し、入力のデジタル信号に対応した数のコンデンサを選択し、それらを加算した容量値で基準電圧を分圧して出力するものなどがある。
電流型D/A変換器には、分解能に応じた数だけの定電流源を用意し、入力のデジタル信号に対応した数の定電流源を選択し、それらを加算して出力するか、もしくはその加算電流を負荷抵抗に流して電圧に変換して出力するものなどがある。
特許文献1を参照して説明する。
特許文献1は電流型のD/A変換器の一例である。例えば分解能が10ビットの電流型D/A変換器を構成する場合には、210(=1024)段階の電流値を表現せねばならないので、通常、1024個の定電流源を必要とする。
一方で特許文献1では、重み4の定電流源を63個を上位定電流源として備え、さらに、重み2、重み1、重み1/2、重み1/4の定電流源をそれぞれ1個ずつ、下位定電流源として備え、合計67個の定電流源を備えていることになる。重み4の定電流源については、マトリクス状に配置されている。その他の重みの定電流源についてはそれぞれ1個ずつしかないので、マトリクス状に配置されていない(特許文献1の図1参照)。
ここで、各定電流源はMOSFET(金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ)で構成されている(特許文献1の図2参照)。各定電流源は電源ラインVCCに接続されており、デコーダによって選択された定電流源は、電源ラインVCCから供給された電流を出力する。重み1の定電流源の出力電流値をIo とすると、重み4の定電流源の出力電流値は4Ioであり 、重み2の定電流源の出力電流値は2Ioであり 、重み1/2の定電流源の出力電流値はIo /2であり、重み1/4の定電流源の出力電流値はIo /4である。
63個の上位定電流源は、10ビットのデジタル入力信号のうち、上位6ビットのデータ値に対応した数だけ選択される。4個の下位定電流源は、10ビットのデジタル入力信号のうち、下位4ビットの各々に1個ずつ対応しており、対応ビットの理論値(“0”or“1”)に応じて個別に選択される。例えば、入力デジタル信号が“1101001010”であるとすれば、上位定電流源を52個と、下位定電流源のうち重み2のものと重み1/2のものを選択することとなる。このように重みが異なる定電流源を併用することにより、少ない数の定電流源で、D/A変換器の分解能を高める工夫をしている(例えば、特許文献1参照)。
特開平11−17545号公報
ところで、特許文献1のような構成のD/A変換器では、各々の定電流源が決められた電流を精度良く出力することが大前提であるが、実際にはこれを妨げるさまざまな要因が存在する。
例えば電源ラインの配線抵抗による電圧降下や、環境温度の差などの影響を受け、各定電流源が出力する電流にばらつきが生じてしまう。このばらつきを防ぐためには、回路のレイアウトの際に細心の注意を払うなど、多大な労力を要する。
また、一般的に、集積回路の製造技術の進歩により微細化が進めば、MOSFETの高集積化や低消費電力化が図れる反面、個々のMOSFETの特性のばらつきが顕著になる。このばらつきを防ぐためには、個々のMOSFETのサイズを大きくしてやらねばならず、すると消費電流も増加してしまい、これでは微細化の恩恵を受けているとは言えない。
そこで本発明の目的は、MOSFETの特性にばらつきがあっても問題がないうえに、微細な工程で製造する集積回路内に構成するのに適したD/A変換器を提供することにある。
上記課題を解決するために、請求項1記載の発明は、複数のMOSFETを直並列接続したMOSFET群のうちのいずれのドレイン電極にも接続されていないソース電極と、いずれのソース電極にも接続されていないドレイン電極との間に電源電圧を印加し、各ゲート電極にデジタル信号を印加し、全MOSFETのうちON状態にするMOSFETの組み合わせによってソース電極とドレイン電極とが接続されたアナログ出力端子からの出力電圧を変化させることを特徴とする。
請求項1記載の発明によれば、複数のMOSFETを直並列接続したMOSFET群のうちのいずれのドレイン電極にも接続されていないソース電極と、いずれのソース電極にも接続されていないドレイン電極との間に電源電圧を印加し、各ゲート電極にデジタル信号を印加し、全MOSFETのうちON状態にするMOSFETの組み合わせによってソース電極とドレイン電極とが接続されたアナログ出力端子からの出力電圧を変化させることにより、非常に少ないMOSFET数、非常に簡単な構成でD/A変換器を実現することが出来る。また、簡単な構成であるため、高集積化に際しては非常に有利である。
請求項2記載の発明は、1つのMOSFET、あるいは2つ以上が並列に接続されたMOSFET群を2つ以上有し、ある1つのMOSFET群のソース電極またはドレイン電極のうち、一方の電極は電源ラインあるいはグラウンドラインあるいは別の1つ以上のMOSFET群のソース電極またはドレイン電極のうちのどれかに接続され、且つ他方の電極は別の1つ以上のMOSFET群のソース電極またはドレイン電極に接続されており、MOSFET群同士が接続されたノードのうち1つ以上をアナログ出力端子とし、前記MOSFET群を構成する全MOSFETのそれぞれの基板電極には独立して電圧を印加することが可能であり、前記MOSFET群を構成する全MOSFETのそれぞれのゲート電極には独立して電圧を印加することが可能であり、前記それぞれのゲート電極にデジタル信号を印加し、全MOSFETのうちON状態にするMOSFETの組み合わせによってアナログ出力端子からの出力電圧を変化させることを特徴とする。
請求項2記載の発明によれば、1つのMOSFET、あるいは2つ以上が並列に接続されたMOSFET群を2つ以上有し、ある1つのMOSFET群のソース電極またはドレイン電極のうち、一方の電極は電源ラインあるいはグラウンドラインあるいは別の1つ以上のMOSFET群のソース電極またはドレイン電極のうちのどれかに接続され、且つ他方の電極は別の1つ以上のMOSFET群のソース電極またはドレイン電極に接続されており、MOSFET群同士が接続されたノードのうち1つ以上をアナログ出力端子とし、MOSFET群を構成する全MOSFETのそれぞれの基板電極には独立して電圧を印加することが可能であり、MOSFET群を構成する全MOSFETのそれぞれのゲート電極には独立して電圧を印加することが可能であり、それぞれのゲート電極にデジタル信号を印加し、全MOSFETのうちON状態にするMOSFETの組み合わせによってアナログ出力端子からの出力電圧を変化させることを特徴としたことにより、非常に少ないMOSFET数、非常に簡単な構成でD/A変換器を実現することが出来る。また、簡単な構成であるため、高集積化に際しては非常に有利である。
請求項3記載の発明は、請求項1または2に記載のD/A変換器であって、前記ON状態にするMOSFETの組み合わせの中から、所望の出力電圧が得られる組み合わせのみ選択して利用することを特徴とする。
請求項3記載の発明によれば、ON状態にするMOSFETの組み合わせの中から、所望の出力電圧が得られる組み合わせのみ選択して利用することにより、請求項1、2記載のD/A変換器と同様の優れた効果を持つうえに、D/A変換器を使用するシステムからの要求に合わせて、D/A出力特性を柔軟に対応させることが出来る。また、デバイス製造時のばらつきや、使用時の電源電圧や環境温度の影響などによってMOSFETの特性がばらついたとしても、その状況下において望ましい出力が得られるものを選択して使用するので、優れた性能のD/A変換を行うことが出来る。さらには、一般的に、集積回路の製造技術の進歩により微細化が進めば、MOSFETの高集積化や低消費電力化が図れる反面、個々の特性のばらつきが顕著になるが、請求項3記載のD/A変換器は元よりばらつくことを見込んでいるため何ら問題なく、微細化の恩恵を大いに享受することが出来る。
請求項4記載の発明は、請求項1から3のいずれか1項に記載のD/A変換器であって、MOSFETのサイズが異なっていることを特徴とする。
請求項4記載の発明によれば、MOSFETのサイズが異なっていることにより、請求項1から3の何れか1項記載のD/A変換器と同様の優れた効果を持つうえに、D/A変換器を構成するMOSFETのサイズを違えるだけで、出力電圧の種類を多くすることが出来る。
請求項5記載の発明は、請求項1から4のいずれか1項に記載の発明であって、前記ON状態にするMOSFETの組み合わせのうち、任意の組み合わせAのときに得られる出力電圧をVaとし、該組み合わせAとは別の組み合わせBのときに得られる出力電圧をVbとし、前記出力電圧Vaと前記出力電圧Vbとの差をΔV(=Vb−Va)とし、ただし組み合わせBはΔVがゼロ以上の最小の値となるように選ぶものとし、全ての組み合わせAにおけるΔVの中で最大のものをΔVmaxとし、該ΔVmaxの目標値をΔVtargetとした場合、前記MOSFETの数がΔVmax≦ΔVtargetを満足する数であることを特徴とする。
請求項5記載の発明によれば、ON状態にするMOSFETの組み合わせのうち、任意の組み合わせAのときに得られる出力電圧をVaとし、組み合わせAとは別の組み合わせBのときに得られる出力電圧をVbとし、出力電圧Vaと出力電圧Vbとの差をΔV(=Vb−Va)とし、ただし組み合わせBはΔVがゼロ以上の最小の値となるように選ぶものとし、全ての組み合わせAにおけるΔVの中で最大のものをΔVmaxとし、ΔVmaxの目標値をΔVtargetとした場合、MOSFETの数がΔVmax≦ΔVtargetを満足する数であることにより、請求項1から4のいずれか1項記載のD/A変換器と同様の優れた効果を持つうえに、D/A変換器を構成するMOSFETの数を増やすだけで、出力電圧の刻み幅を細かくして精度を向上させることが出来る。
請求項6記載の発明は、請求項1から5のいずれか1項に記載のD/A変換器であって、全MOSFETのそれぞれの基板電極には電源電位およびグラウンド電位とは異なる電圧が印加されていることを特徴とする。
請求項6記載の発明によれば、全MOSFETのそれぞれの基板電極には電源電位およびグラウンド電位とは異なる電圧が印加されていることにより、請求項1から5のいずれか1項のD/A変換器と同様の優れた効果を持つうえに、印加する基板電圧により、D/A出力特性を任意に調整することが出来る。
請求項7記載の発明は、請求項6に記載のD/A変換器であって、環境温度の変動を補償するために前記基板電極に印加する電圧を調整するようにしたことを特徴とする。
請求項7記載の発明によれば、環境温度の変動を補償するために前記基板電極に印加する電圧を調整するようにしたことにより、請求項6記載のD/A変換器と同様の優れた効果を持つうえに、D/A変換器使用中に環境温度が変動しD/A出力特性が変わってしまっても、印加する基板電圧を調整することにより、それを補償することが出来る。
請求項8記載の発明は、請求項6に記載のD/A変換器であって、電源電圧の変動を補償するために前記基板電極に印加する電圧を調整するようにしたことを特徴とする。
請求項8記載の発明によれば、電源電圧の変動を補償するために基板電極に印加する電圧を調整するようにしたことにより、請求項6記載のD/A変換器と同様の優れた効果を持つうえに、D/A変換器使用中に電源電圧が変動しD/A出力特性が変わってしまっても、印加する基板電圧を調整することにより、それを補償することが出来る。
請求項9記載の発明は、請求項6に記載のD/A変換器であって、前記ON状態にするMOSFETの組み合わせのうち、任意の組み合わせAのときに得られる出力電圧をVaとし、前記組み合わせAとは別の組み合わせBのときに得られる出力電圧をVbとし、VaとVbとの差をΔV(=Vb−Va)とし、ただし組み合わせBはΔVがゼロ以上の最小の値となるように選ぶものとし、全ての組み合わせAにおけるΔVの中で最大のものをΔVmaxとした場合、ΔVmaxを小さくするように、前記基板電極に印加する電圧を調整するようにしたことを特徴とする。
請求項9記載の発明によれば、ON状態にするMOSFETの組み合わせのうち、任意の組み合わせAのときに得られる出力電圧をVaとし、組み合わせAとは別の組み合わせBのときに得られる出力電圧をVbとし、VaとVbとの差をΔV(=Vb−Va)とし、ただし組み合わせBはΔVがゼロ以上の最小の値となるように選ぶものとし、全ての組み合わせAにおけるΔVの中で最大のものをΔVmaxとした場合、ΔVmaxを小さくするように、基板電極に印加する電圧を調整するようにしたことにより、請求項6記載のD/A変換器と同様の優れた効果を持つうえに、印加する基板電圧を調整することにより、出力電圧の刻み幅を細かくして精度を向上させることが出来る。
請求項10記載の発明は、請求項9に記載のD/A変換器であって、請求項8に記載のΔVmaxの目標値をΔVtargetとした場合、前記MOSFETの数がΔVmax≦ΔVtargetを満足する数であることを特徴とする。
請求項10記載の発明によれば、請求項6記載のD/A変換器と同様の優れた効果を持つうえに、請求項5記載のD/A変換器の効果を、請求項5記載のD/A変換器に比べて少ないMOSFET数で達成することが出来る。
本発明によれば、非常に少ないMOSFET数、非常に簡単な構成でD/A変換器を実現することが出来る。また、簡単な構成であるため、高集積化に際しては非常に有利である。すなわち、MOSFETの特性にばらつきがあっても問題がないうえに、微細な工程で製造する集積回路内に構成するのに適したD/A変換器を提供することができる。
以下、この発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
まず、図1(a)、(b)、(c)、図2を用いて請求項2に係るA/D変換器の構成と動作について説明する。
図1(a)に、本発明に係るD/A変換器の構成の一実施の形態を示し(請求項2)、図1(b)、(c)に他の実施の形態を示す。
i個(iは自然数)のPMOSが並列に接続されたMOSFET群101(以下、PMOS群)と、j個(jは自然数)のNMOSが並列に接続されたMOSFET群102(以下、NMOS群)がある。なお、各MOSFETのサイズは問わない。
図1(a)に示すPMOS群のソース電極は電源ラインVDD103に接続され、NMOS群のソース電極は接地されている。PMOS群およびNMOS群のドレイン電極はお互いに接続し、そのノードをアナログ出力端子104としている。また各MOSFETのゲート電極105P−1〜105P−i、105N−1〜105N−jおよび基板電極106P−1〜106P−i、106N−1〜106N−jは独立しており、それぞれ別々の電圧を印加可能となっている。以上が請求項1のD/A変換器の構成の一例である。
またその他の実施形態として、図1(b)、(c)を始め多くの構成が考えられることは明らかである。
すなわち、図1(b)に示すD/A変換器は、3個の並列PMOS(P1〜P3)と、3個の並列NMOS(N1〜N3)とを直列接続したD/A変換器であり、図1(c)に示すD/A変換器は、3個の並列PMOS(P1〜P3)と、3個の並列NMOS(N1〜N3)と、3個の並列NMOS(N4〜N6)とを直列接続したD/A変換器である。
以下では、上述の図1(a)の構成のD/A変換器の動作について述べるが、その他の構成のものでも同様に説明出来ることは明らかである。
図1(a)のD/A変換器の各MOSFETのゲート電極105P−1〜105P−i、105N−1〜105N−jに対して個別にデジタル信号を入力することにより、各MOSFETを個別にON/OFFさせることが可能である。PMOS群中およびNMOS群中のMOSFETすべてがOFFのとき、出力は不定となるのでこれは禁止する。
PMOS群中のMOSFETのうち1つ以上がONであり、且つNMOS群中のMOSFETすべてがOFFであれば、出力は電源電圧と等しくなる。PMOS群中のMOSFETすべてがOFFであり、且つNMOS群中のMOSFETのうち1つ以上がONであれば、出力はゼロとなる。PMOS群中のMOSFETのうち1つ以上がONであり、且つNMOS群中のMOSFETのうち1つ以上がONのときの出力については図2で説明する。
図2は、本発明に係るD/A変換器の等価回路の一例である。すなわち、PMOS群のMOSFETは飽和領域で動作しており、NMOS群のMOSFETは線形領域で動作している場合の等価回路である。
図2に示す回路は例えば、PMOS群中のMOSFETのうち1つだけがONになり、NMOS群中のMOSFETがすべてONとなった場合などに起こりうる状態である。電流I205は飽和領域のMOSFETが流すドレイン電流を示す。この飽和時の出力電圧は、以下の数式(1)
Vout=RN/(RP+RN)×VDD+RP×RN/(RP+RN)×I
…(1)
で表される。
図2の抵抗や電流の値は、ON状態にするMOSFETの数によって変化させることが可能である。すなわち、デジタル信号によりON状態にするMOSFETの組み合わせを変えることで、アナログ出力電圧を変化させることが可能ということになる。
以上が請求項2記載のD/A変換器の説明である。
次に、図3および図4を用いて請求項3について説明する。
図3は、図1(a)に示したD/A変換器を3個のPMOS(P1,P2,P3)と、3個のNMOS(N1,N2,N3)との計6個のMOSFETで構成したものである。ここではPMOSの基板電極302P−1〜302P−3はすべて電源VDD303に接続し、NMOSの基板電極302N−1〜302N−3はすべて接地してあるものとする。
6個のMOSFETのゲート電極301P−1〜301P−3、301N−1〜301N−3にはそれぞれ別々のデジタル信号が入力され、個別にON/OFFすることが出来る。この構成の場合でのD/A変換器の設定の数(ON状態にするMOSFETの組み合わせの数)は、出力電圧が電源電圧、ゼロ、もしくは不定になってしまう組み合わせを除いて、49通り存在する。
図4(a)、(b)は本発明に係るD/A変換器の一実施の形態における設定と出力電圧との関係を示す図である。
図4(a)のグラフは、図3の構成のD/A変換器における、49通りすべての設定とそのときの出力電圧の関係を示している。横軸はON状態になっているMOSFETを、縦軸は出力電圧をそれぞれ示しており、出力電圧が昇順となるように並べてある。本D/A変換器を使用するシステムが要求するD/A変換特性が得られるよう、これら49通りの設定の中からいくつかの設定のみを選択して利用することとする。
図4(b)のグラフは、図4(a)のグラフから「出力電圧のダイナミックレンジを最も広くする」・「8段階の設定」という要求に合わせて選択した例を示している。
以上が請求項3のD/A変換器の説明である。
次に、図3および図5を用いて請求項4記載のA/D変換器の一例を説明する。
MOSFETの電気的特性は、そのサイズによって調整することが出来る。ここでサイズとは、MOSFETのゲート電極のチャネル長Lおよびチャネル幅Wのことを指す。
図3の6個のMOSFETのゲート電極のチャネル長は、PMOSもNMOSも全てLで等しいとする。図3の6個のMOSFETのゲート電極のチャネル幅を、それぞれWP1,WP2,WP3,WN1,WN2,WN3とする。
図5(a)、(b)は、本発明に係るD/A変換器の他の実施の形態における設定と出力電圧との関係を示す図である。
図5(a)のグラフは、図3の構成のD/A変換器で、WP1=WP2=WP3かつWN1=WN2=WN3の場合における、D/A変換器の設定とそのときの出力電圧の関係を示している。
図5(b)のグラフは、図3の構成のD/A変換器で、WP1<WP2<WP3かつWN1<WN2<WN3の場合における、D/A変換器の設定とそのときの出力電圧の関係を示している。
これらのグラフを比較すると、MOSFETのサイズを揃えておけば、同じ出力電圧が得られる設定を多くすることが出来、一方でMOSFETのサイズを違えておけば、出力電圧の種類を多くすることが出来ると分かる。
以上が請求項4のD/A変換器の説明である。
次に、図6(a)、(b)、(c)を用いて請求項5の例を説明する。
図6(a)、(b)、(c)は、本発明に係るD/A変換器の他の実施の形態における設定と出力電圧との関係を示す図である。
図6(a)のグラフは、図1(a)記載のD/A変換器を3個のPMOSと3個のNMOSの計6個のMOSFETとで構成した場合の、D/A変換器の設定とそのときの出力電圧の関係を示している。この場合49通りの設定が存在する。
図6(b)のグラフは、図1(a)のD/A変換器を4個のPMOSと4個のNMOSとの計8個のMOSFETで構成した場合の、D/A変換器の設定とそのときの出力電圧の関係を示している。この場合225通りの設定が存在する。
図6(c)のグラフは、図1(a)のD/A変換器を5個のPMOSと5個のNMOSの計10個のMOSFETで構成した場合の、D/A変換器の設定とそのときの出力電圧の関係を示している。この場合961通りの設定が存在する。これらのグラフを比較すると、MOSFETの数を多くすれば出力電圧の種類が多くなり、より細かい刻み幅でD/A変換を出来るようになると分かる。
ここで、本D/A変換器をある設定Aにした場合の出力電圧をVa、Aとは別のある設定Bにした場合の出力電圧をVbとし、VaとVbの差をΔV(=Vb−Va)とする。ただし設定Bは、ΔVがゼロ以上の最小の値となるように選ぶものとする。このΔVを、本D/A変換器のすべての設定において求める。例えば49通りの設定が存在する本D/A変換器では、48個のΔVを求める。さらにこれらΔVのなかから最も大きいものをΔVmaxとする。このΔVmaxは、本D/A変換器における出力電圧の最も粗い刻み幅を示すことになる。
図6(a)のグラフには、ΔVmaxなども併記してある。前述したように本D/A変換器においては、構成するMOSFETの数が多いほどに出力電圧の刻み幅を細かく出来る。
そこで出力電圧の刻み幅の目標値をΔVtargetとしたとき、ΔVmax≦ΔVtargetを満たすことが出来るだけの数のMOSFETで、D/A変換器を構成することにする。
以上が請求項5のD/A変換器の説明である。
次に、図7(a)、(b),8,9を用いて請求項6について説明をする。
図7(a)、(b)は、本発明に係るD/A変換器に用いられるNMOSのゲート−ソース間電圧とドレイン電流との関係を示す図である。
図7(a)のグラフは、NMOSの電圧−電流特性を示している。横軸はゲート−ソース間電圧VGS、縦軸はドレイン電流IDである。
VGSをゼロから次第に大きくしていくと、VGSがしきい値電圧Vthを超えるまではID漸増し、Vthを超えるとほぼ直線的に増加するという特性を示している。
ここで、このVthを決定する要因のひとつに、基板−ソース間電圧VBSがある。例えばNMOSの場合では、VBS>0とすればVBS=0のときに比べてVthは小さくなり、同じVGSを印加しても流れるIDが増加する。逆にVBS<0とすればVBS=0のときに比べてVthは大きくなり、同じVGSを印加しても流れるIDは減少する。この様子を図7(b)に示している。
この効果は「基板バイアス効果」や「バックゲート効果」などと呼ばれている。請求項6ではこの効果を利用する。
図8は、本発明に係るD/A変換器の他の実施の形態を示す回路図である(請求項6)。
図8では図1(a)に示した各MOSFETの基板電極106P−1〜106P−i、106N−1〜106N−jに、基板バイアス用電圧源806P−1〜806−i、806N−1〜806N−jを接続している。各基板バイアス用電圧源(VP1,VP2,…,VPjおよびVN1,VN2,…,VNi)はそれぞれ独立しており、各MOSFETの基板に別々の電圧を印加可能となっている。
図8のD/A変換器のゲート電極805に対してデジタル信号を入力することにより、各MOSFETを個別にON/OFFさせるのだが、前述したようにMOSFETのゲート電極805P−1〜805P−i、805N−1〜805N−jに印加される電圧が同じでも、ON状態における各MOSFETのドレイン電流は各基板バイアス用電圧源806P−1〜806−i、806N−1〜806N−jにより変化させることが出来る。これはまた、ON状態にした各MOSFETのソース‐ドレイン間抵抗値を各基板バイアス用電圧源により変化させることが出来るということでもある。
図9は、本発明に係るD/A変換器の他の実施形態を示す等価回路である。すなわち、図8のD/A変換器のPMOS群のMOSFETは飽和領域で動作しており、NMOS群のMOSFETは線形領域で動作している場合の等価回路である。
RP(VP)901はPMOS群中のON状態のMOSFETのソース‐ドレイン間抵抗を示し、RN(VN)902はNMOS群中のON状態のMOSFETのソース‐ドレイン間抵抗を示し、I(VP)905は飽和領域のMOSFETが流すドレイン電流をそれぞれ示す。
ここでVP,Vnは基板電圧であり、抵抗や電流の値はそれら基板電圧の関数となっている。このときの出力電圧は、以下の数式(2)
Vout=RN(VN)/{RP(VP)+RN(VN)}×VDD+RP(VP)×RN(VN)/{RP(VP)+RN(VN)}×I(VP) …(2)
で表される。
つまり図8のD/A変換器であれば、デジタル信号によりON状態にするMOSFETの組み合わせを変えるだけでなく、基板電圧によってもアナログ出力電圧を変化させることが可能ということになる。
以上が請求項6のD/A変換器の説明である。
次に、図10を用いて請求項7に記載のA/D変換器の一例の説明をする。
図10は、本発明に係るD/A変換器の他の実施の形態におけるD/A変換器設定と出力電圧との関係を示す図である。すなわち、図10は、図8に示したD/A変換器を3個のPMOSと3個のNMOSとの計6個のMOSFETで構成した場合の、D/A変換器の設定とそのときの出力電圧の関係を示している。
本実施形態では、3個のPMOSの基板電極には同じ基板電圧VPが与えられ、3個のNMOSの基板電極には同じ基板電圧VNが与えられているとする。
図10のグラフ中の条件A(◆印)は、ある温度Tempでの出力電圧特性である。条件B(×印)は、温度が上昇してしまったときの出力電圧特性である。条件Aに比べて、出力電圧が全体的に上昇してしまっていることが分かる。
そこで、PMOS群に与えている基板電圧VPを小さくしてPMOS群のソース‐ドレイン間抵抗値を大きくすることにより、出力電圧の上昇分を補償する。これが条件C(○印)である。
以上が請求項7記載のD/A変換器の説明である。
次に、図11を用いて請求項8の例を説明をする。
図11は、本発明に係るD/A変換器の他の実施の形態におけるD/A変換器設定と出力電圧との関係を示す図である。すなわち、図11は、図8のD/A変換器を3個のPMOSと3個のNMOSとの計6個のMOSFETで構成した場合の、D/A変換器の設定とそのときの出力電圧の関係を示している。
本実施形態では、3個のPMOSの基板電極には同じ基板電圧VPが与えられ、3個のNMOSの基板電極には同じ基板電圧VNが与えられているとする。
図11のグラフ中の条件A(◆印)は、ある電源電圧VDDでの出力電圧特性である。条件B(×印)は、電源電圧が降下してしまったときの出力電圧特性である。条件Aに比べて、出力電圧が全体的に下降してしまっていることが分かる。
そこで、NMOS群に与えている基板電圧VNを小さくしてNMOS群のソース‐ドレイン間抵抗値を大きくし、さらにPMOS群に与えている基板電圧VPを大きくしてPMOS群のソース‐ドレイン間抵抗値を小さくすることにより、出力電圧の下降分を補償する。これが条件C(○印)である。
以上が請求項8記載のD/A変換器の説明である。
次に、図12(a)、(b)を用いて請求項9記載のD/A変換器の一例を説明する。
図12(a)、(b)は、本発明に係るD/A変換器の他の実施の形態におけるD/A変換器設定と出力電圧との関係を示す図である。すなわち、図12(a)、(b)は、図8のD/A変換器を3個のPMOS(P1,P2,P3)と3個のNMOS(N1,N2,N3)との計6個のMOSFETで構成し、それぞれの基板電極にある基板電圧を別々に印加している場合の、D/A変換器の設定とそのときの出力電圧の関係を示している。横軸はON状態になっているMOSFETを、縦軸は出力電圧をそれぞれ示しており、出力電圧が昇順となるように並べてある。
ここで、本D/A変換器をある設定Aにした場合の出力電圧をVa、Aとは別のある設定Bにした場合の出力電圧をVbとし、VaとVbの差をΔV(=Vb−Va)とする。
ただし設定Bは、ΔVがゼロ以上の最小の値となるように選ぶものとする。このΔVを、本D/A変換器のすべての設定において求める。本D/A変換器では49通りの設定が存在するので、48個のΔVを求めることになる。さらにこれらΔVのなかから最も大きいものをΔVmaxとする。このΔVmaxは、本D/A変換器における出力電圧の最も粗い刻み幅を示すことになる。請求項9では、このΔVmaxを狭めることを考える。
図12(a)のグラフでは、D/A変換器の設定が「N3,P3がON状態」から「N1,N2,P2,P3がON状態」に切り替わるところがΔVmaxにあたる(グラフ中に点線で囲った箇所)。このΔVmaxを狭めるためには、「N1,N2,P2,P3がON状態」での出力電圧を低くすることが手段の一つとして考えられる。そこで今回は、N1に与える基板電圧を大きくしてN1のソース‐ドレイン間抵抗値を下げ、且つP2に与える基板電圧を小さくしてP2のソース‐ドレイン間抵抗値を上げるという調整を行うことにする。
図12(b)のグラフは、この調整を行った後のD/A変換器の設定と出力電圧の関係を示している。ΔVmaxが改善されていることが見て取れる。以上が請求項9のD/A変換器の説明である。
次に、請求項10の説明をする。
請求項10は請求項9のD/A変換器であるという前提のもと、請求項5と同様のことを行う。前述したように、請求項5のD/A変換器ではMOSFETの数を増やすことでΔVmaxを小さくし、ΔVmax≦ΔVtargetを達成することを目指すが、その際に請求項9のD/A変換器であれば、MOSFETの基板電極に印加する基板電圧を調整することでもΔVmaxを小さくすることが出来るので、さらにΔVmaxを小さくすることが出来る。これはつまり、請求項10のD/A変換器では、請求項4に比べて少ないMOSFET数であっても、Δmax≦ΔVtargetを達成することが可能ということになる。
以上が請求項10のD/A変換器の説明である。
ここで、請求項1は、請求項2〜10の上位概念を示す請求項であるので、説明を省略する。
なお、上述した実施の形態は、本発明の好適な実施の形態の一例を示すものであり、本発明はそれに限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲内において、種々変形実施が可能である。
〔発明の効果〕
請求項1、2記載のD/A変換器であれば、非常に少ないMOSFET数、非常に簡単な構成でD/A変換器を実現することが出来る。また、簡単な構成であるため、高集積化に際しては非常に有利である。
請求項3記載のD/A変換器であれば、請求項1または2記載のD/A変換器と同様の優れた効果を持つうえに、D/A変換器を使用するシステムからの要求に合わせて、D/A出力特性を柔軟に対応させることが出来る。また、デバイス製造時のばらつきや、使用時の電源電圧や環境温度の影響などによってMOSFETの特性がばらついたとしても、その状況下において望ましい出力が得られるものを選択して使用するので、優れた性能のD/A変換を行うことが出来る。
さらには、一般的に、集積回路の製造技術の進歩により微細化が進めば、MOSFETの高集積化や低消費電力化が図れる反面、個々の特性のばらつきが顕著になるが、請求項2記載のD/A変換器は元よりばらつくことを見込んでいるため何ら問題なく、微細化の恩恵を大いに享受することが出来る。
請求項4記載のD/A変換器であれば、請求項1から3のいずれか1項記載のD/A変換器と同様の優れた効果を持つうえに、D/A変換器を構成するMOSFETのサイズを違えるだけで、出力電圧の種類を多くすることが出来る。
請求項5記載のD/A変換器であれば、請求項1から4のいずれか1項記載のD/A変換器と同様の優れた効果を持つうえに、D/A変換器を構成するMOSFETの数を増やすだけで、出力電圧の刻み幅を細かくして精度を向上させることが出来る。
請求項6記載のD/A変換器であれば、請求項1から5のいずれか1項記載のD/A変換器と同様の優れた効果を持つうえに、印加する基板電圧により、D/A出力特性を任意に調整することが出来る。
請求項7記載のD/A変換器であれば、請求項6記載のD/A変換器と同様の優れた効果を持つうえに、D/A変換器使用中に環境温度が変動しD/A出力特性が変わってしまっても、印加する基板電圧を調整することにより、それを補償することが出来る。
請求項8記載のD/A変換器であれば、請求項6記載のD/A変換器と同様の優れた効果を持つうえに、D/A変換器使用中に電源電圧が変動しD/A出力特性が変わってしまっても、印加する基板電圧を調整することにより、それを補償することが出来る。
請求項9記載のD/A変換器であれば、請求項6記載のD/A変換器と同様の優れた効果を持つうえに、印加する基板電圧を調整することにより、出力電圧の刻み幅を細かくして精度を向上させることが出来る。
請求項10記載のD/A変換器であれば、請求項6記載のD/A変換器と同様の優れた効果を持つうえに、請求項5記載のD/A変換器の効果を、請求項5記載のD/A変換器に比べて少ないMOSFET数で達成することが出来る。
本発明は、D/A変換器を有する全ての集積回路に利用することができる。
(a)は、本発明に係るD/A変換器の構成の一実施の形態を示す回路図であり、(b)は、他の実施の形態を示す回路図であり、(c)は他の実施の形態を示す回路図である。 本発明に係るD/A変換器の等価回路の一例である。 図1(a)に示したD/A変換器を3個のPMOS(P1,P2,P3)と、3個のNMOS(N1,N2,N3)との計6個のMOSFETで構成したものである。 (a)、(b)は本発明に係るD/A変換器の一実施の形態における設定と出力電圧との関係を示す図である。 (a)、(b)は、本発明に係るD/A変換器の他の実施の形態における設定と出力電圧との関係を示す図である。 (a)、(b)、(c)は、本発明に係るD/A変換器の他の実施の形態における設定と出力電圧との関係を示す図である。 (a)、(b)は、本発明に係るD/A変換器に用いられるNMOSのゲート−ソース間電圧とドレイン電流との関係を示す図である。 本発明に係るD/A変換器の他の実施の形態を示す回路図である。 本発明に係るD/A変換器の他の実施形態を示す等価回路である。 本発明に係るD/A変換器の他の実施の形態におけるD/A変換器設定と出力電圧との関係を示す図である。 本発明に係るD/A変換器の他の実施の形態におけるD/A変換器設定と出力電圧との関係を示す図である。 (a)、(b)は、本発明に係るD/A変換器の他の実施の形態におけるD/A変換器設定と出力電圧との関係を示す図である。
符号の説明
101 MOSFET群(PMOS群)
102 MOSFET群(NMOS群)
103 VDD
104 アナログ出力端子
105P−1〜105P−i、105N−1〜105N−j ゲート電極
106P−1〜106P−i、106N−1〜106N−j 基板電極

Claims (10)

  1. 複数のMOSFETを直並列接続したMOSFET群のうちのいずれのドレイン電極にも接続されていないソース電極と、いずれのソース電極にも接続されていないドレイン電極との間に電源電圧を印加し、各ゲート電極にデジタル信号を印加し、全MOSFETのうちON状態にするMOSFETの組み合わせによってソース電極とドレイン電極とが接続されたアナログ出力端子からの出力電圧を変化させることを特徴とするD/A変換器。
  2. 1つのMOSFET、あるいは2つ以上が並列に接続されたMOSFET群を2つ以上有し、ある1つのMOSFET群のソース電極またはドレイン電極のうち、一方の電極は電源ラインあるいはグラウンドラインあるいは別の1つ以上のMOSFET群のソース電極またはドレイン電極のうちのどれかに接続され、且つ他方の電極は別の1つ以上のMOSFET群のソース電極またはドレイン電極に接続されており、MOSFET群同士が接続されたノードのうち1つ以上をアナログ出力端子とし、前記MOSFET群を構成する全MOSFETのそれぞれの基板電極には独立して電圧を印加することが可能であり、前記MOSFET群を構成する全MOSFETのそれぞれのゲート電極には独立して電圧を印加することが可能であり、前記それぞれのゲート電極にデジタル信号を印加し、全MOSFETのうちON状態にするMOSFETの組み合わせによってアナログ出力端子からの出力電圧を変化させることを特徴とするD/A変換器。
  3. 請求項1または2に記載のD/A変換器であって、前記ON状態にするMOSFETの組み合わせの中から、所望の出力電圧が得られる組み合わせのみ選択して利用することを特徴とするD/A変換器。
  4. 請求項1から3のいずれか1項に記載のD/A変換器であって、MOSFETのサイズが異なっていることを特徴とするD/A変換器。
  5. 請求項1から4のいずれか1項に記載のD/A変換器であって、前記ON状態にするMOSFETの組み合わせのうち、任意の組み合わせAのときに得られる出力電圧をVaとし、該組み合せAとは別の組み合わせBのときに得られる出力電圧をVbとし、前記出力電圧Vaと前記出力電圧Vbとの差をΔV(=Vb−Va)とし、ただし組み合わせBはΔVがゼロ以上の最小の値となるように選ぶものとし、全ての組み合わせAにおけるΔVの中で最大のものをΔVmaxとし、該ΔVmaxの目標値をΔVtargetとした場合、前記MOSFETの数がΔVmax≦ΔVtargetを満足する数であることを特徴とするD/A変換器。
  6. 請求項1から5のいずれか1項に記載のD/A変換器であって、全MOSFETのそれぞれの基板電極には電源電位およびグラウンド電位とは異なる電圧が印加されていることを特徴とするD/A変換器。
  7. 請求項6に記載のD/A変換器であって、環境温度の変動を補償するために前記基板電極に印加する電圧を調整するようにしたことを特徴とするD/A変換器。
  8. 請求項6に記載のD/A変換器であって、電源電圧の変動を補償するために前記基板電極に印加する電圧を調整するようにしたことを特徴とするD/A変換器。
  9. 請求項6に記載のD/A変換器であって、前記ON状態にするMOSFETの組み合わせのうち、任意の組み合わせAのときに得られる出力電圧をVaとし、前記組合せAとは別の組み合わせBのときに得られる出力電圧をVbとし、VaとVbとの差をΔV(=Vb−Va)とし、ただし組み合わせBはΔVがゼロ以上の最小の値となるように選ぶものとし、全ての組み合わせAにおけるΔVの中で最大のものをΔVmaxとした場合、ΔVmaxを小さくするように、前記基板電極に印加する電圧を調整するようにしたことを特徴とするD/A変換器。
  10. 請求項9に記載のD/A変換器であって、請求項8に記載のΔVmaxの目標値をΔVtargetとした場合、前記MOSFETの数がΔVmax≦ΔVtargetを満足する数であることを特徴とするD/A変換器。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011259407A (ja) * 2010-05-13 2011-12-22 Sony Corp 信号処理回路、固体撮像素子およびカメラシステム
JP2012023616A (ja) * 2010-07-15 2012-02-02 Rohm Co Ltd スイッチドキャパシタ型d/aコンバータ

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1155122A (ja) * 1997-06-02 1999-02-26 Seiko Epson Corp デジタル−アナログ変換器、回路基板、電子機器及び液晶表示装置
JP2001036408A (ja) * 1999-05-17 2001-02-09 Semiconductor Energy Lab Co Ltd D/a変換回路および半導体装置
JP2003273739A (ja) * 2002-03-13 2003-09-26 Mitsubishi Electric Corp スイッチ型d/aコンバータおよび電子ボリューム

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1155122A (ja) * 1997-06-02 1999-02-26 Seiko Epson Corp デジタル−アナログ変換器、回路基板、電子機器及び液晶表示装置
JP2001036408A (ja) * 1999-05-17 2001-02-09 Semiconductor Energy Lab Co Ltd D/a変換回路および半導体装置
JP2003273739A (ja) * 2002-03-13 2003-09-26 Mitsubishi Electric Corp スイッチ型d/aコンバータおよび電子ボリューム

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011259407A (ja) * 2010-05-13 2011-12-22 Sony Corp 信号処理回路、固体撮像素子およびカメラシステム
JP2012023616A (ja) * 2010-07-15 2012-02-02 Rohm Co Ltd スイッチドキャパシタ型d/aコンバータ

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