JP2012119963A - デジタルアナログ変換器 - Google Patents

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Abstract

【課題】従来のデジタルアナログ変換器では変換精度を向上させることができない問題があった。
【解決手段】本発明のデジタルアナログ変換器は、デジタル入力値の上位側mビットの値に対応した第1のアナログ電圧VO1と第2のアナログ電圧VO2とを出力する上位デジタルアナログ変換器DA1と、下位電圧側ノードND1の電圧VR1と、上位電圧側ノードND2の電圧VR2との電圧差を前記デジタル入力値の下位側nビットの値に応じて分割してアナログ出力電圧VOUTを出力する下位デジタルアナログ変換器DA2と、下位電圧側ノードND1に接続される第1のコンデンサC1と、上位電圧側ノードND2に接続される第2のコンデンサC2と、を有し、上位デジタルアナログ変換器DA1は、下位デジタルアナログ変換器DA2に第1、第2のアナログ電圧VO1、VO2を排他的に出力する。
【選択図】図1

Description

本発明はデジタルアナログ変換器に関し、特に上位デジタルアナログ変換器と下位デジタルアナログ変換器とを有し、デジタル入力値に対応したアナログ出力電圧を出力するデジタルアナログ変換器に関する。
信号処理用電子回路システムにおいては、デジタル値に応じたアナログ値を出力するためにデジタルアナログ変換器が多く用いられている。このデジタルアナログ変換器では、信号精度を向上させるために分解能の向上が求められている。
そこで、デジタルアナログ変換器の一例が特許文献1に開示されている。デジタルアナログ変換器は、動作原理として複数の方式が提案されているが、特許文献1では、小さな回路面積で高い分解能を実現できる2ステップ・電圧ポテンション型D/Aコンバータについて説明している。
図5に特許文献1に開示されているデジタルアナログ変換器100の回路図を示す。図5に示すように、デジタルアナログ変換器100は、上位抵抗ストリング、上位ビットスイッチ回路、下位抵抗ストリング、下位ビットスイッチ回路、バッファ回路112、113、上位ビット選択デコーダ117、下位ビット選択デコーダ118を有する。
上位抵抗ストリングは、上位基準電圧(例えば、電源電圧VDD)を生成する上位基準電圧源と、下位基準電圧(例えば、接地電圧GND)を生成する下位基準電圧源と、の間に直列に接続される複数の抵抗Ra〜Rmを有する。上位ビットスイッチ回路は、スイッチSWa1、SWa2〜SWm1、SWm2を有する。これらのスイッチは、抵抗Ra〜Rmの接続点に設けられる。そして、デジタルアナログ変換器100は、上位ビット選択デコーダ117がデジタル入力値の上位ビット側の値に応じて上位抵抗ストリングの抵抗を1つ選択し、選択した抵抗の両端の電圧を対応するスイッチを介してノード111a及びノード111bに出力する。
バッファ回路112は、ノード111aの電圧をノード114aに出力する。バッファ回路113は、ノード111bの電圧をノード114bに出力する。下位抵抗ストリングは、ノード114aとノード114bとの間に直列に接続される複数の抵抗R1〜Rnを有する。下位ビットスイッチ回路は、スイッチSW1〜SWnを有する。これらのスイッチは、抵抗R1〜Rnの接続点に設けられる。そして、デジタルアナログ変換器100は、下位ビット選択デコーダ118がデジタル入力値の下位ビット側の値に応じて下位抵抗ストリングの抵抗の接続点の1つ選択し、選択した接続点に生成される電圧を対応するスイッチを介してバッファ115を介して出力する。
つまり、デジタルアナログ変換器100では、上位抵抗ストリングにおいて、デジタル入力値の上位ビットの値に応じた電圧レベルの一組のアナログ電圧を生成する。そしてデジタルアナログ変換器100は、当該一組のアナログ電圧をさらに下位ビットの値に応じて分割するとこでデジタル入力値に応じたアナログ出力電圧を生成する。
なお、特許文献1では、バッファ回路112、113に変えて2組のサンプルホールド回路を用いることで動作速度を向上させることが開示されている。より具体的には、一組のサンプルホールド回路は、2つのサンプルホールド回路を有する。そして、特許文献1では、一方のサンプルホールド回路の出力に基づきアナログ出力電圧を出力している期間に、次のタイミングで出力すべき上位抵抗ストリングの出力電圧を他方のサンプルホールド回路でサンプリングする。これにより、特許文献1では、電圧の切り替わりに伴うバッファ回路の応答遅延を回避して、動作速度の向上を実現している。
特開2000−196455号公報
特許文献1に開示されるデジタルアナログ変換器100では、下位抵抗ストリングの両端にそれぞれ上位抵抗ストリングが出力する電圧を与える必要がある。このとき、デジタルアナログ変換器100では、上位抵抗ストリングにおいて選択された抵抗と下位抵抗ストリングとが一時的に並列になるとことで、上位抵抗ストリングにおいて選択された抵抗と非選択とされた抵抗との抵抗比がずれる。デジタルアナログ変換器100では、この抵抗比のずれに起因した変換誤差を防止するためにバッファ回路112、113を設けている。つまり、バッファ回路112、113は、上位抵抗ストリングにおいて選択された抵抗と下位抵抗ストリングとが並列になることを防止する。
しかしながら、特許文献1に開示されるデジタルアナログ変換器100では、上位抵抗ストリングが出力する2つのアナログ電圧の電圧差が下位抵抗ストリングに伝達される差異にずれる問題が生じる。これは、デジタルアナログ変換器100では、上位抵抗ストリングが出力する2つのアナログ電圧が異なるバッファ回路112、113を介して下位抵抗ストリングに伝達されるためである。バッファ回路112、113は、回路を構成するトランジスタの製造誤差に起因して入力オフセット電圧を有する。このオフセット電圧は、バッファ回路112、113において個別に発生する。そのため、バッファ回路112に入力されるアナログ電圧と出力されるアナログ電圧との間に生じる誤差と、バッファ回路113に入力されるアナログ電圧と出力されるアナログ電圧との間に生じる誤差と、はそれぞれ異なる。つまり、バッファ回路112、113に入力される2つのアナログ電圧の電圧差と、バッファ回路112、113から出力される2つのアナログ電圧の電圧差には、ずれが生じる。このずれは、デジタルアナログ変換器の変換誤差となる。つまり、特許文献1に記載のデジタルアナログ変換器100では、変換精度を高めることができない問題がある。
例えば、デジタルアナログ変換器のダイナミックレンジを5V、デジタルアナログ変換器の分解能を10ビットとした場合、1LSB=5V/1024≒5mVである。一方、バッファ回路のオフセット電圧は、一般的に5mV〜15mV程度の大きさである。つまり、バッファ回路のオフセット電圧を考慮すると、デジタルアナログ変換器において10ビットの分解能を実現することは非常に困難であることがわかる。
本発明にかかるデジタルアナログ変換器の一態様は、デジタル入力値の上位側mビット(mは整数)の値に対応した第1のアナログ電圧と、前記第1のアナログ電圧と予め設定された所定の電圧差を有する第2のアナログ電圧と、を出力する上位デジタルアナログ変換器と、下位電圧側ノードの電圧と、上位電圧側ノードの電圧との電圧差を前記デジタル入力値の下位側nビット(nは整数)の値に応じて分割してアナログ出力電圧を出力する下位デジタルアナログ変換器と、前記下位電圧側ノードに接続され、前記第1のアナログ電圧を保持する第1のコンデンサと、前記上位電圧側ノードに接続され、前記第2のアナログ電圧を保持する第2のコンデンサと、を有し、前記上位デジタルアナログ変換器は、前記下位デジタルアナログ変換器に前記第1、第2のアナログ電圧を排他的に出力する。
また、本発明にかかるデジタルアナログ変換器の別の態様は、デジタル入力値の上位側mビット(mは整数)の値に対応した第1のアナログ電圧と、前記第1のアナログ電圧と予め設定された所定の電圧差を有する第2のアナログ電圧と、を出力する上位デジタルアナログ変換器と、下位電圧側ノードの電圧と、上位電圧側ノードの電圧との電圧差を前記デジタル入力値の下位側nビット(nは整数)の値に応じて分割してアナログ出力電圧を出力する下位デジタルアナログ変換器と、前記下位電圧側ノードに接続され、前記第1のアナログ電圧を保持する第1のコンデンサと、前記上位電圧側ノードに接続され、前記第2のアナログ電圧を保持する第2のコンデンサと、を有し、前記上位デジタルアナログ変換器は、1つのノードを介して前記第1、第2のアナログ電圧を伝達すると共に、前記第1のアナログ電圧を前記下位電圧側ノードに出力し、前記第2のアナログ電圧を前記上位電圧側ノードに出力する。
本発明にかかるデジタルアナログ変換器では、上位デジタルアナログ変換器が、第1のアナログ電圧及び第2のアナログ電圧を排他的に下位デジタルアナログ変換器に伝達する。これにより、本発明にかかるデジタルアナログ変換器は、上位デジタルアナログ変換器と下位デジタルアナログ変換器とが並列関係になることを防止する。また、本発明にかかるデジタルアナログ変換器では、上位デジタルアナログ変換器と下位デジタルアナログ変換器との間にバッファ回路を設ける必要がなく、このバッファ回路に起因する変換誤差を無くすことができる。
本発明にかかるデジタルアナログ変換器は、変換精度を向上させることが可能である。
実施の形態1にかかるデジタルアナログ変換器のブロック図である。 実施の形態1にかかる上位デジタルアナログ変換器のブロック図である。 実施の形態1にかかるデジタルアナログ変換器の動作を示すタイミングチャートである。 実施の形態1にかかる上位デジタルアナログ変換器の変形例を示すブロック図である。 特許文献1に記載のデジタルアナログ変換器のブロック図である。
実施の形態1
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図1に実施の形態1にかかるデジタルアナログ変換器1のブロック図を示す。図1に示すように、デジタルアナログ変換器1は、上位デジタルアナログ変換器DA1、下位デジタルアナログ変換器DA2、第1のコンデンサC1、第2のコンデンサC2、タイミング制御回路10を有する。なお、デジタルアナログ変換器1は、デジタル入力値を上位側ビット値DIUと下位側ビット値DILとに分けて変換処理を行うサブレンジング型、若しくは、ハーフフラッシュ型と呼ばれる動作原理に基づき動作する。
上位デジタルアナログ変換器DA1は、デジタル入力値の上位側mビット(mは整数)の値DIUに対応した第1のアナログ電圧VO1と、前記第1のアナログ電圧と予め設定された所定の電圧差を有する第2のアナログ電圧VO2と、を出力する。また、上位デジタルアナログ変換器DA1は、下位デジタルアナログ変換器DA2に第1のアナログ電圧VO1と第2のアナログ電圧VO2とを排他的に出力する。
図1に示したブロック図では、上位デジタルアナログ変換器DA1の動作概念を示すブロック図を上位デジタルアナログ変換器DA1内のブロック図として示した。より具体的には、上位デジタルアナログ変換器DA1は、上位デコーダ11、スイッチ回路SA、SB、アナログ電圧生成部12を有する。上位デコーダ11は、デジタル入力値の上位側mビットの値DIUに対応した第1の選択信号DI1と、第1の選択信号DI1と所定の関係を有する第2の選択信号DI2とを出力する。図1に示す例では、上位デコーダ11には、mビットのデジタル入力値DIUが入力される。一方、上位デコーダ11は、選択信号としてi本(例えば、2+1本)の選択信号を出力する。より具体的には、デジタル入力値DIUが2ビットであった場合、上位デコーダ11は5本の選択信号を出力する。また、本実施の形態では、上位デコーダ11は、デジタル入力値DIUの値に応じて、複数の選択信号のいずれか1つを第1の選択信号としてイネーブル状態(例えばスイッチをオンさせる値)とし、かつ、デジタル入力値DIUに1を加えた数に対応する選択信号を第2の選択信号としてイネーブル状態とする。上位デジタルアナログ変換器DA1は、タイミング制御信号CONTaに応じてスイッチ回路SAの接続先を切り換える。これにより、上位デジタルアナログ変換器DA1では、第1の選択信号DI1と第2の選択信号DI2とのいずれか一方が時分割でアナログ電圧生成部12に与えられる。
アナログ電圧生成部12は、例えば、複数のアナログ電圧を生成する。アナログ電圧生成部12は、第1の選択信号DI1に応じて複数のアナログ電圧のうち1つを第1のアナログ電圧として出力する。また、アナログ電圧生成部12は、第2の選択信号DI2に応じて複数のアナログ電圧のうち1つを第2のアナログ電圧として出力する。そして、上位デジタルアナログ変換器DA1は、タイミング制御信号CONTbに応じてアナログ電圧生成部12の出力信号を下位電圧側ノードND1と上位電圧側ノードND2とのいずれかに振り分ける。より具体的には、上位デジタルアナログ変換器DA1は、第1のアナログ電圧を下位電圧側ノードND1に出力し、第2のアナログ電圧を上位電圧側ノードND2に出力する。また、別の観点では、上位デジタルアナログ変換器DA1は、1つのノードを介して第1、第2のアナログ電圧を伝達すると共に、第1のアナログ電圧を下位電圧側ノードに出力し、第2のアナログ電圧を前記上位電圧側ノードに出力する。
なお、上位デジタルアナログ変換器DA1を実現する回路は、複数ある。そこで、上位デジタルアナログ変換器DA1の具体的な回路の一例を説明する。図2に上位デジタルアナログ変換器DA1の具体的なブロック図を示す。
図2に示すように、実施の形態1にかかる上位デジタルアナログ変換器DA1は、上位デコーダ11とアナログ電圧生成部12、スイッチ回路SBを有する。図2に示す例ではアナログ電圧生成部12、下位基準電圧VI1を供給する下位基準電圧源と、上位基準電圧VI2を供給する上位基準電圧源と、の間に直列に接続される抵抗R10〜R13を有する。このアナログ電圧生成部12では、抵抗R10〜R13の両端にはそれぞれデジタル入力値の上位側mビットの値の1LSBに対応する電圧差が生じる。つまり、抵抗R10〜R13は、同一の抵抗値を有する。そして、アナログ電圧生成部12は、抵抗R10〜R13の両端からの電圧を取り出すために、スイッチS10〜S14が設けられる。スイッチS10〜S14の一端は、抵抗R10〜R13から構成される抵抗ストリングに接続され、他端は共通接続される。スイッチS10〜S14は、複数の選択信号DIのいずれか1つに対応し、対応する選択信号DIに応じて導通状態が切り換えられる。
なお、本実施の形態にかかるデジタルアナログ変換器1では選択信号DIのうち上位デコーダ11に入力されるデジタル入力値の上位側mビットの値DIUに対応してイネーブル状態となるものを第1の選択信号DI1と称し、デジタル入力値の上位側mビットの値DIUとは当該上位側mビットの1LSBずれた値に対応してイネーブル状態となるものを第2の選択信号DI2と称す。つまり、本実施の形態にかかるアナログ電圧生成部12では、第1の選択信号DI1によってデジタル入力値の上位側mビットの値に対応する抵抗の下位側電圧を第1のアナログ電圧として出力し、第2の選択信号DI2によってデジタル入力値の上位側mビットの値に対応する抵抗の上位側電圧を第2のアナログ電圧として出力する。
上位デコーダ11は、デジタル入力値の上位側mビットの値DIUに基づき第1の選択信号DI1及び第2の選択信号DI2を生成する。このとき、上位デコーダ11は、タイミング制御信号CONTaに応じて第1の選択信号DI1を出力するか、第2の選択信号DI2を出力するかを切り換える。なお、上位デコーダ11からはi本(例えば、i=2+1)の選択信号DIが出力されている。そして、上位デコーダ11にデジタル入力値DIUとして「01」が入力された場合、上位デコーダは第1の選択信号DI1として1番目の選択信号DI[1]を第1の選択信号DI1としてイネーブル状態とし、第2の選択信号DI2として2番目の選択信号DI[2]をイネーブル状態とする。
スイッチ回路SBは、タイミング制御信号CONTbに応じてアナログ電圧生成部12が出力する電圧を下位電圧側ノードND1に出力するか、上位電圧側ノードND2に出力するかを切り換える。このタイミング制御信号CONTbは、タイミング制御信号CONTaと同期して信号が切り換えられる。実施の形態1にかかる上位デジタルアナログ変換器DA1では、タイミング制御信号CONTaが第1の選択信号DI1の出力を指示している期間に、タイミング制御信号CONTbに応じてスイッチ回路SBが第1のアナログ電圧を下位電圧側ノードND1に伝達する。一方、上位デジタルアナログ変換器DA1では、タイミング制御信号CONTaが第2の選択信号DI2の出力を指示している期間に、タイミング制御信号CONTbに応じてスイッチ回路SBが第2のアナログ電圧を上位電圧側ノードND2に伝達する。
下位デジタルアナログ変換器DA2は、下位電圧側ノードND1の電圧VR1と、上位電圧側ノードND2の電圧VR2との電圧差をデジタル入力値の下位側nビットの値DILに応じて分割してアナログ出力電圧VOUTを出力する。より具体的には、下位デジタルアナログ変換器DA2は、下位電圧側ノードND1と上位電圧側ノードND2との間に直列に接続された下位抵抗R20〜R23を有する。さらに、下位デジタルアナログ変換器DA2は下位抵抗R20〜R23の接続点にスイッチS20〜S23が接続される。スイッチS20〜S23は、下位デコーダ13が出力する下位選択信号DI3に応じていずれか1つが選択され、選択されたスイッチを介してアナログ出力電圧VOUTが出力される。
下位デコーダ13は、デジタル入力値のうち下位側のnビット(nは整数)の値DILに応じて、j本(j=2)の信号線のうち下位側ビット値DILに対応する信号線をイネーブル状態とする。
第1のコンデンサC1は、下位電圧側ノードND1と接地端子との間に設けられる。第1のコンデンサC1は、上位デジタルアナログ変換器DA1が出力する第1のアナログ電圧VO1を保持する。なお、第1のコンデンサC1は、第1のアナログ電圧VO1の電圧値に応じた電荷を保持するが、第1のコンデンサC1に蓄積される電荷に応じて生成される電圧に対しては、VR1の符号を付す。
第2のコンデンサC2は、上位電圧側ノードND2と接地端子との間に設けられる。第2のコンデンサC2は、上位デジタルアナログ変換器DA1が出力する第2のアナログ電圧VO2を持する。なお、第2のコンデンサC2は、第2のアナログ電圧VO2の電圧値に応じた電荷を保持するが、第2のコンデンサC2に蓄積される電荷に応じて生成される電圧に対しては、VR2の符号を付す。
タイミング制御回路10は、上位デジタルアナログ変換器DA1が第1のアナログ電圧VO1を出力するタイミングと第2のアナログ電圧VO2を出力するタイミングとを制御する。より具体的には、タイミング制御回路10にはサンプリングクロックCLKが入力され、このサンプリングクロックCLKに基づきタイミング制御信号CONTa、CONTbを生成する。タイミング制御信号CONTaは、上位デジタルアナログ変換器DA1のアナログ電圧生成部12が第1のアナログ電圧VO1を生成するタイミングと第2のアナログ電圧VO2を生成するタイミングとを制御する。タイミング制御信号CONTbは、上位デジタルアナログ変換器DA1が第1のアナログ電圧VO1を下位電圧側ノードND1に出力するタイミングと第2のアナログ電圧VO2を上位電圧側ノードND2に出力するタイミングとを制御する。
続いて、実施の形態1にかかるデジタルアナログ変換器1の動作について説明する。ここでは、動作の一例として、デジタルアナログ変換器1がm+nビットのデジタル入力値をアナログ出力電圧VOUTに変換するものとする。また、デジタルアナログ変換器1の上位デジタルアナログ変換器DA1には、デジタル入力値の上位側mビットの値DIUが入力され、下位デジタルアナログ変換器DA2には、デジタル入力値の下位側nビットの値DILが入力されるものとする。
まず、実施の形態1にかかるデジタルアナログ変換器1の出力電圧とデジタル入力値との関係を(1)式に示す。なお、(1)式において、VR1は下位電圧側ノードの電圧を示し、VR2は上位電圧側ノードの電圧を示し、VI1は下位基準電圧を示し、VI2は上位基準電圧を示し、DI1はデジタル入力値の上位側mビットの値を示し、DI2はDI1に1を加えた値を示し、DILはデジタル入力値の下位側nビットの値を示すものとする。
Figure 2012119963
この(1)式より、デジタルアナログ変換器1は、(VI2−VI1)を基準電圧として、デジタル入力値に対応した出力電圧VOUTを出力することがわかる。
しかしながら、デジタルアナログ変換器1では、コンデンサC1、C2と下位デジタルアナログ変換器DA2の抵抗R20〜R23によって時定数回路が構成される。そして、当該時定数回路は、下位電圧側ノードND1の電圧VR1と、上位電圧側ノードND2の電圧VR2との電圧差と、上位デジタルアナログ変換器DA1が出力する第1のアナログ電圧VO1と第2のアナログ電圧VO2との電圧差と、の間の誤差を生じさせる。この誤差は、デジタルアナログ変換器1の変換誤差となる。そこで、以下では、実施の形態1にかかるデジタルアナログ変換器1の誤差について説明する。
まず、図3に実施の形態1にかかるデジタルアナログ変換器1の動作を示すタイミングチャートを示す。図3に示すように、デジタルアナログ変換器1は、上位デコーダ11が第1の選択信号DI1と第2の選択信号DI2とを交互に出力する。デジタルアナログ変換器1は、第1の選択信号DI1と第2の選択信号DI2とをそれぞれ1回出力する期間を一変換期間Tとする。また、上位デジタルアナログ変換器DA1は、上位デコーダ11が第1の選択信号DI1を出力している期間にスイッチ回路SBが下位電圧側ノードND1を選択し、第2の選択信号DI2を出力している期間にスイッチ回路SBが上位電圧側ノードND2を選択する。
これにより、スイッチ回路SBが下位電圧側ノードND1を選択している期間は、第1の選択信号DI1に対応した第1のアナログ電圧VO1がコンデンサC1へ印加され、下位電圧側ノードND1の電圧VR1は、第1のアナログ電圧VO1へ向かって収束する。なお、この電圧変化は、コンデンサC1の容量値と上位デジタルアナログ変換器DA1の出力抵抗によって決定される時定数に応じた時間が必要となる。また、スイッチ回路SBが下位電圧側ノードND1を選択している期間は、第2のアナログ電圧VO2が上位電圧側ノードND2に印加されないが、コンデンサC2から下位デジタルアナログ変換器DA2を介してコンデンサC1に至る電流経路が存在する。そのため、上位電圧側ノードND2の電圧VR2は、電圧VR1へ向かって変化する。この電圧変化には、下位デジタルアナログ変換器DA2の内部抵抗(例えば、R20〜R23の合成抵抗値)とコンデンサC1、C2の容量値によって決定される時定数に応じた時間が必要となる。
一方、スイッチ回路SBが上位電圧側ノードND2を選択している期間は、第2の選択信号DI2に対応した第2のアナログ電圧VO2がコンデンサC2へ印加され、上位電圧側ノードND2の電圧VR2は、第2のアナログ電圧VO2へ向かって収束する。なお、この変化はコンデンサC2の容量値と上位デジタルアナログ変換器DA1の出力抵抗によって決定される時定数に応じた時間が必要となる。また、スイッチ回路SBが上位電圧側ノードND2を選択している期間は、第1のアナログ電圧VO1が下位電圧側ノードND1に印加さないが、コンデンサC2から下位デジタルアナログ変換器DA2を介してコンデンサC1に至る電流経路が存在する。そのため、下位電圧側ノードND1の電圧VR1は、電圧VR2へ向かって変化する。この電圧変化には、下位デジタルアナログ変換器DA2の内部抵抗(例えば、R20〜R23の合成抵抗値)とコンデンサC1、C2の容量値によって決定される時定数に応じた時間が必要となる。
つまり、デジタルアナログ変換器1では、コンデンサC1、C2に関する時定数に基づき、電圧VR2と電圧VR1との電圧差が、第2のアナログ電圧VO2と第1のアナログ電圧VO1との電圧差を理想電圧とし、当該理想電圧からdVRの電圧変動を有する。この電圧変動について以下で詳細に説明する。
まず、下位電圧側ノードND1の電圧VR1の時間変化について考える。電圧VR1は、(2)式で示すことができる。なお、(2)式において、VO1は第1のアナログ電圧を示し、C1はコンデンサC1の容量値を示し、r1は上位デジタルアナログ変換器DA1の出力抵抗を示す。
Figure 2012119963
そして、(2)式より(3)式が導き出せる。
Figure 2012119963
(3)式の両辺を時間tで積分し、電圧VR1を求めると(4)式が導き出せる。
Figure 2012119963
なお、上記式においてD及びD'は定数である。
続いて、コンデンサC1の電圧VR1の初期電圧をVC1とすると、初期電圧VC1は、時間tが0のときの電圧VR1であるから、(4)式をt=0について解くと(5)式が得られる。
Figure 2012119963
そして、(5)式を(4)式に代入すると、電圧VR1は、(6)式で表される。
Figure 2012119963
この(6)式の右辺の第1項が、図3に示すdVRとなる。また、(6)式は、図3のタイミングチャートにおいて、第1の選択信号DI1が出力されている期間の電圧VR1の時間変化を示すものである。なお、上位電圧側ノードND2の電圧VR2についても、電圧VR1と同様に求めることができ、電圧VR2について(6)式に対応する式として(7)式を導き出すことができる。この(7)式は、第2の選択信号DI2が出力されている期間の電圧VR2の時間変化を示すものである。
Figure 2012119963
デジタルアナログ変換器1では、(6)式及び(7)式の右辺の第1項が変換誤差の成分の1つとなることがわかる。そのため、この第1項についてデジタルアナログ変換器1の変換精度(又は分解能)を下回るように、デジタルアナログ変換器1の回路定数及び動作仕様を定めなければならない。
続いて、下位デジタルアナログ変換器DA2への入力として電流が流れることによりコンデンサC1、C2から電荷が放電される場合(例えば、第2の選択信号DI2が出力されている期間の電圧VR1の時間変化)を考える。この場合において、下位電圧側ノードND1の電圧VR1及び上位電圧側ノードND2の電圧VR2について、(8)式及び(9)式で表される。なお、(8)式及び(9)式において、r2は下位デジタルアナログ変換器DA2の内部抵抗(図1の例ではr2=R20+R21+R22+R23)である。
Figure 2012119963
Figure 2012119963
そして、(8)式及び(9)式をVR1及びVR2について解くとVR1とVR2について(10)式の関係を導き出せる。
Figure 2012119963
この(10)式の両辺をtで積分すると(10)式は、(11)式で表される。
Figure 2012119963
なお、(11)式においてEは定数である。
そして、(11)式を(8)式に代入すると(12)式が得られる。
Figure 2012119963
そして、(12)式の両辺をtで積分すると、電圧VR1について(13)式を得ることができる。
Figure 2012119963
なお、(13)式において、F、F'、Gは定数である。
続いて、(13)式を(11)式に代入すると電圧VR2について(14)式を得ることができる。
Figure 2012119963
なお、(14)式においてH及びJは定数である。
そして、(13)式及び(14)式を(10)式に代入すると(15)式の関係式を得ることができる。
Figure 2012119963
ここで、電圧VR1及び電圧VR2の境界条件を考える。まず、コンデンサC1、C2から電荷の放電が始まる前(例えば、(13)式及び(14)式で表される過渡変化が始まる前)の電圧VR1及び電圧VR2は(16)式で表すことができる。
Figure 2012119963
そして、(16)式を(13)式及び(14)式に適用すると、(17)式が得られる。
Figure 2012119963
一方、上位デジタルアナログ変換器DA1と下位電圧側ノードND1及び上位電圧側ノードND2とが切り離された系(例えば、コンデンサC1、C2、下位デジタルアナログ変換器DA2により構成される系)を考えた場合、十分に時間が経過して電圧VR1、VR2の過渡変化が収束した状態では、(18)式で示す関係が得られる。
Figure 2012119963
そして、(18)式を(13)式及び(14)式に適用すると、(19)式を得ることができる。
Figure 2012119963
そして、(15)式、(17)式、及び(19)式から、定数F'、H、G、Jはそれぞれ(20)式となる。
Figure 2012119963
さらに、(20)式を(13)式及び(14)式に代入することで、電圧VR1は(21)式で表され、電圧VR2は(22)式で表される。
Figure 2012119963
Figure 2012119963
上記(21)式及び(22)式の右辺は、それぞれデジタルアナログ変換器1の動作における過渡動作に起因した電圧変動を示す項(例えば、第1項)を含む。また、変換誤差の原因となる右辺の第1項は、下位デジタルアナログ変換器DA2の内部抵抗r2、コンデンサC1、C2の容量値により構成される。つまり、デジタルアナログ変換器1では、これらの回路定数を調整することで、高い変換精度を実現することができる。
そこで、デジタルアナログ変換器1における回路定数の具体的な設定値の一例を以下で説明する。まず、デジタルアナログ変換器1が10ビットの分解能を有している場合について考える。この場合、(6)式における右辺の第1項は、(23)式の関係を満たす必要がある。
Figure 2012119963
この(23)式で示す条件において、最も制約が厳しくなる条件は(24)式で示される条件である。
Figure 2012119963
そして、(24)式を(23)式に代入すると(25)式の関係が得られる。
Figure 2012119963
なお、(7)式からも(6)式と同様に(25)式に対応する関係を導き出すことができる。
また、(21)式及び(22)式から回路定数を計算する。(21)式及び(22)式は、互いに対称関係にあるため、ここでは、(21)式について計算を行う。まず、本計算例では、デジタルアナログ変換器1の分解能が10ビットである。そのため、(21)式で示される電圧VR1の誤差を示す第1項は(26)式の条件を満たす必要がある。
Figure 2012119963
ここで、デジタルアナログ変換器1が10ビットのデジタル入力値を上位5ビットと下位5ビットとに分けて処理する場合、第1のアナログ電圧VO1と第2のアナログ電圧VO2との関係は(27)式で表される。
Figure 2012119963
この(27)式において最も制約の大きな条件は、(28)式で示す条件である。
Figure 2012119963
ここで、(21)式及び(22)式を等しい値とする条件は、C1=C2とすることである。そこで、C1=C2とした上で、(21)式に(28)式の条件を適用すると、(29)式の関係が導き出せる。
Figure 2012119963
上記(25)式と(29)式とに基づき、C1=C2とした場合、計算結果の一例として(30)式を得ることができる。
Figure 2012119963
なお、(30)式のtは、図3のt1、t2に対応する値である。
上記説明より、実施の形態1にかかるデジタルアナログ変換器1は、下位デジタルアナログ変換器DA2の下位電圧側ノードND1と上位電圧側ノードND2とにコンデンサC1、C2を接続する。そして、当該コンデンサC1、C2に上位デジタルアナログ変換器DA1が出力する第1のアナログ電圧VO1及び第2のアナログ電圧VO2を保持する。さらに、実施の形態1にかかるデジタルアナログ変換器1の上位デジタルアナログ変換器DA1は、第1のアナログ電圧VO1と第2のアナログ電圧VO2を排他的に出力する。これにより、実施の形態1にかかるデジタルアナログ変換器1は、電圧VR1、VR2の電圧を回路定数のみで決定することができる(例えば、(6)式、(7)式、(21)式及び(22)式)。
また、実施の形態1にかかるデジタルアナログ変換器1では、上位デジタルアナログ変換器DA1から下位デジタルアナログ変換器DA2に至る経路に伝達する電圧にオフセット電圧等の素子の相対精度に基づく誤差を生じさせるバッファ回路を有していない。これにより、実施の形態1にかかるデジタルアナログ変換器1では、素子の相対精度に起因した変換誤差を解消することができる。
また、実施の形態1にかかるデジタルアナログ変換器1では、上位デジタルアナログ変換器DA1が第1のアナログ電圧VO1及び第2のアナログ電圧VO2を排他的に出力する。これにより、デジタルアナログ変換器1では、上位デジタルアナログ変換器DA1を構成する複数の抵抗のうちのデジタル入力値に対応する抵抗と、下位デジタルアナログ変換器DA2の抵抗列と、が並列関係にならない。
例えば、図5において示した特許文献1のバッファ回路112、113のオフセット電圧による変換精度の低下を防止するために、バッファ回路112、113を取り除いた場合、上位デジタルアナログ変換器DA1を構成する複数の抵抗のうちのデジタル入力値に対応する抵抗と、下位デジタルアナログ変換器DA2の抵抗列と、が並列関係となる。この場合において、上記(30)式の回路定数により図5に示すデジタルアナログ変換器100を構成することを考える。この場合、上位デジタルアナログ変換器DA1の出力抵抗r1と、下位デジタルアナログ変換器DA2の内部抵抗r2と、の比は250倍である。つまり、デジタルアナログ変換器100において実現できる最小の誤差は250分の1である。これにより、デジタルアナログ変換器100の分解能の限界は8ビット程度となる。このようなことから、デジタルアナログ変換器100では、誤差を512分の1以下にする必要がある8ビット以上の変換精度を実現できない。
これに対して、実施の形態1にかかるデジタルアナログ変換器1では、上記(30)式で示した回路定数により10ビットの変換精度を達成することができる。つまり、実施の形態1にかかるデジタルアナログ変換器1は、従来のデジタルアナログ変換器よりも高い変換精度を実現できることがわかる。
なお、(21)式及び(22)式において、コンデンサC1とコンデンサC2の相対比に基づき値が決まる項があるが、いずれの項も下位デジタルアナログ変換器DA2の内部抵抗r2又は時間t2に関する関数となっている。よって、内部抵抗r2又は時間t2を適宜設定することで、これらの項におけるコンデンサC1、C2の容量比に基づく変換誤差への影響を低減することが可能である。
また、実施の形態1にかかるデジタルアナログ変換器1では、上位デジタルアナログ変換器DA1の出力抵抗r1を小さくするために、上位デジタルアナログ変換器DA1を、例えば、R−2R方式のデジタルアナログ変換器とすることが好ましい。
実施の形態2
実施の形態2では、実施の形態1の上位デジタルアナログ変換器DA1の変形例について説明する。上位デジタルアナログ変換器DA1は、少なくとも第1のアナログ電圧VO1と第2のアナログ電圧VO2とを同時に下位デジタルアナログ変換器DA2に与えない機能を有していれば、高い変換精度を実現可能である。
そこで、第1の変形例にかかる上位デジタルアナログ変換器DA1aのブロック図を図4に示す。図4に示すように上位デジタルアナログ変換器DA1aは、アナログ電圧生成部12とスイッチ回路SBとの間にバッファ回路20を有する。バッファ回路20には、第1のアナログ電圧VO1と第2のアナログ電圧VO2とが時分割で入力される。バッファ回路20は、入力されたアナログ電圧を後段のスイッチ回路SBを介して、対応する下位デジタルアナログ変換器DA2のノードに伝達する。
上位デジタルアナログ変換器DA1aでは、第1のアナログ電圧VO1と第2のアナログ電圧VO2とがいずれもバッファ回路20を介して下位デジタルアナログ変換器DA2に伝達される。そのため、上位デジタルアナログ変換器DA1aを用いたとしても、下位電圧側ノードND1の電圧VR1と、上位電圧側ノードND2の電圧VR2と、の間の相対誤差はゼロとなる。これにより、上位デジタルアナログ変換器DA1に代えて上位デジタルアナログ変換器DA1aを用いたとしても、実施の形態1と同様にバッファ回路のオフセット電圧に起因する誤差の大きさによらず変換精度を向上させることができる。
また、上位デジタルアナログ変換器DA1aの出力抵抗は、バッファ回路20がない上位デジタルアナログ変換器DA1の出力抵抗r1よりも小さい。これにより、下位電圧側ノードND1の電圧VR1を、下位電圧側ノードND1の初期電圧VC1から第1のアナログ電圧VO1とする時間を短くすることができる。また、上位電圧側ノードND2においても同様に電圧VR2を第2のアナログ電圧VO2とする時間を短くすることができる。そして、このような動作速度の向上は、電圧VR1、VR2の誤差を小さくし、デジタルアナログ変換器の変換誤差を小さくすることができる。
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、スイッチ回路SBは、2つのスイッチ回路のオン/オフを排他的に制御することでも実現できる。
1 デジタルアナログ変換器
10 タイミング制御回路
11 上位デコーダ
12 アナログ電圧生成部
13 下位デコーダ
20 バッファ回路
C1、C2 コンデンサ
CONTa タイミング制御信号
CONTb タイミング制御信号
DA1、DA1a 上位デジタルアナログ変換器
DA2 下位デジタルアナログ変換器
DI、DI1、DI2 選択信号
DI3 下位選択信号
DIL 下位側ビット値
DIU 上位側ビット値
ND1 下位電圧側ノード
ND2 上位電圧側ノード
R10〜R13、R20〜R23 抵抗
S10〜S14、S20〜S23 スイッチ
SA、SB スイッチ回路

Claims (16)

  1. デジタル入力値の上位側mビット(mは整数)の値に対応した第1のアナログ電圧と、前記第1のアナログ電圧と予め設定された所定の電圧差を有する第2のアナログ電圧と、を出力する上位デジタルアナログ変換器と、
    下位電圧側ノードの電圧と、上位電圧側ノードの電圧との電圧差を前記デジタル入力値の下位側nビット(nは整数)の値に応じて分割してアナログ出力電圧を出力する下位デジタルアナログ変換器と、
    前記下位電圧側ノードに接続され、前記第1のアナログ電圧を保持する第1のコンデンサと、
    前記上位電圧側ノードに接続され、前記第2のアナログ電圧を保持する第2のコンデンサと、を有し、
    前記上位デジタルアナログ変換器は、前記下位デジタルアナログ変換器に前記第1、第2のアナログ電圧を排他的に出力するデジタルアナログ変換器。
  2. 前記上位デジタルアナログ変換器は、前記デジタル入力値の上位側mビットの値に対応した2つの入力電圧が入力され、前記入力電圧を前記第1のアナログ電圧又は前記第2のアナログ電圧として出力するボルテージフォロワと、
    前記第1のアナログ電圧を前記下位電圧側ノートに出力し、前記第2のアナログ電圧を前記上位電圧側ノードに出力するスイッチ回路と、
    を有する請求項1に記載のデジタルアナログ変換器。
  3. 前記下位デジタルアナログ変換器は、前記上位電圧側ノードと前記下位電圧側ノードとの間に直列に接続される複数の抵抗と、前記複数の抵抗の接続点に接続され、前記デジタル入力値の下位側nビットの値に応じていずれか1つが導通状態となる複数のスイッチ回路と、を有する請求項1又は2に記載のデジタルアナログ変換器。
  4. 前記所定の電圧差は、前記デジタル入力値の上位側mビットの1LSBの電圧差に対応する電圧差として設定される請求項1乃至3のいずれか1項に記載のデジタルアナログ変換器。
  5. 前記上位デジタルアナログ変換器は、
    前記デジタル入力値に対応した前記第1のアナログ電圧が生成されるノードに接続される第1のスイッチを導通させる第1の制御値と、前記第2のアナログ電圧が生成されるノードに接続される第2のスイッチを導通させる第2の制御値と、を出力する上位デコーダと、
    前記上位デコーダが出力する第1の制御値と第2の制御値とを出力するタイミングと、前記上位デジタルアナログ変換器が出力電圧を切り換えるタイミングとを同期させるタイミング制御回路と、
    を有する請求項1乃至4のいずれか1項に記載のデジタルアナログ変換器。
  6. 前記上位デジタルアナログ変換器は、下位側基準電圧源と上位側基準電圧源との間に直列に接続される複数の抵抗を有し、前記デジタル入力値に応じて、前記複数の抵抗の一端の電圧を前記第1のアナログ電圧として出力し、前記複数の抵抗の他端の電圧を前記第2のアナログ電圧として出力する請求項1乃至5のいずれか1項に記載のデジタルアナログ変換器。
  7. 前記下位デジタルアナログ変換器は、前記下位電圧側ノードと、前記上位電圧側ノードと、の間に直列に接続される複数の下位抵抗を含み、前記複数の下位抵抗間のいずれか1つのノードに生成される電圧を前記デジタル入力値の下位側nビットの値に応じて選択してアナログ出力電圧として出力する請求項1乃至6のいずれか1項に記載のデジタルアナログ変換器。
  8. 前記第1のコンデンサは、前記下位電圧側ノードを介して直接前記下位デジタルアナログ変換器に前記第1のアナログ電圧を与え、前記第2のコンデンサは、前記下位電圧側ノードを介して直接前記下位デジタルアナログ変換器に前記第2のアナログ電圧を与える請求項1乃至7のいずれか1項に記載のデジタルアナログ変換器。
  9. デジタル入力値の上位側mビット(mは整数)の値に対応した第1のアナログ電圧と、前記第1のアナログ電圧と予め設定された所定の電圧差を有する第2のアナログ電圧と、を出力する上位デジタルアナログ変換器と、
    下位電圧側ノードの電圧と、上位電圧側ノードの電圧との電圧差を前記デジタル入力値の下位側nビット(nは整数)の値に応じて分割してアナログ出力電圧を出力する下位デジタルアナログ変換器と、
    前記下位電圧側ノードに接続され、前記第1のアナログ電圧を保持する第1のコンデンサと、
    前記上位電圧側ノードに接続され、前記第2のアナログ電圧を保持する第2のコンデンサと、を有し、
    前記上位デジタルアナログ変換器は、1つのノードを介して前記第1、第2のアナログ電圧を伝達すると共に、前記第1のアナログ電圧を前記下位電圧側ノードに出力し、前記第2のアナログ電圧を前記上位電圧側ノードに出力するデジタルアナログ変換器。
  10. 前記上位デジタルアナログ変換器は、下位側基準電圧源と上位側基準電圧源との間に直列に接続される複数の上位抵抗を含み、デジタル入力値の上位側mビットの値に応じて、前記複数の上位抵抗の1つを選択し、選択した上位抵抗の一端の電圧を前記第1のアナログ電圧として出力し、前記選択した上位抵抗の他端の電圧を前記第2のアナログ電圧として出力する請求項9に記載のデジタルアナログ変換器。
  11. 前記下位デジタルアナログ変換器は、前記下位電圧側ノードと、前記上位電圧側ノードと、の間に直列に接続される複数の下位抵抗を含み、前記複数の下位抵抗間のいずれか1つのノードに生成される電圧を前記デジタル入力値の下位側nビットの値に応じて選択してアナログ出力電圧として出力する請求項9又は10に記載のデジタルアナログ変換器。
  12. 前記第1のコンデンサは、前記下位電圧側ノードを介して直接前記下位デジタルアナログ変換器に前記第1のアナログ電圧を与え、前記第2のコンデンサは、前記下位電圧側ノードを介して直接前記下位デジタルアナログ変換器に前記第2のアナログ電圧を与える請求項9乃至11のいずれか1項に記載のデジタルアナログ変換器。
  13. 前記上位デジタルアナログ変換器は、前記デジタル入力値の上位側mビットの値に対応した2つの入力電圧が入力され、前記入力電圧を前記第1のアナログ電圧又は前記第2のアナログ電圧として出力するボルテージフォロワと、
    前記第1のアナログ電圧を前記下位電圧側ノートに出力し、前記第2のアナログ電圧を前記上位電圧側ノードに出力するスイッチ回路と、
    を有する請求項9乃至12のいずれか1項に記載のデジタルアナログ変換器。
  14. 前記下位デジタルアナログ変換器は、前記上位電圧側ノードと前記下位電圧側ノードとの間に直列に接続される複数の下位抵抗と、前記複数の下位抵抗の接続点に接続され、前記デジタル入力値の下位側nビットの値に応じていずれか1つが導通状態となる複数のスイッチ回路と、を有する請求項9乃至13のいずれか1項に記載のデジタルアナログ変換器。
  15. 前記所定の電圧差は、前記デジタル入力値の上位側mビットの1LSBの電圧差に対応する電圧差として設定される請求項9乃至14のいずれか1項に記載のデジタルアナログ変換器。
  16. 前記上位デジタルアナログ変換器は、
    前記デジタル入力値に対応した前記第1のアナログ電圧が生成されるノードに接続される第1のスイッチを導通させる第1の制御値と、前記第2のアナログ電圧が生成されるノードに接続される第2のスイッチを導通させる第2の制御値と、を出力する上位デコーダと、
    前記上位デコーダが出力する第1の制御値と第2の制御値とを出力するタイミングと、前記上位デジタルアナログ変換器が出力電圧を切り換えるタイミングとを同期させるタイミング制御回路と、
    を有する請求項9乃至15のいずれか1項に記載のデジタルアナログ変換器。
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