JP2014082664A - Digital-analog converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、デジタル入力信号をアナログ出力信号に変換するデジタル−アナログ変換器に関し、より詳細には、スイッチトキャパシタ型のデジタル−アナログ変換器に関する。 The present invention relates to a digital-analog converter that converts a digital input signal into an analog output signal, and more particularly to a switched capacitor type digital-analog converter.
従来から、デジタル−アナログ変換器が、デジタル信号をアナログ信号に変換する際の変換誤差は、出力信号に歪みを生じる原因となるため、デジタル−アナログ変換器が搭載される機器の特性の劣化を招くという問題がある。特に、オーディオ機器の分野では、他の分野よりも信号歪みが機器の特性に大きく影響することになる。このため、オーディオ機器に搭載されるデジタル−アナログ変換器には、信号歪みに対して他の分野よりも高い精度のデジタル−アナログ変換が要求される。 Conventionally, a conversion error when a digital-analog converter converts a digital signal into an analog signal causes distortion in the output signal. Therefore, the characteristics of the device in which the digital-analog converter is mounted are deteriorated. There is a problem of inviting. In particular, in the field of audio equipment, signal distortion has a greater influence on the characteristics of the equipment than in other fields. For this reason, digital-analog converters mounted on audio equipment are required to perform digital-analog conversion with higher accuracy than other fields with respect to signal distortion.
図8は、従来のデジタル−アナログ変換器を説明するための回路構成図である。従来のデジタル−アナログ変換器としては、例えば、図8に示したスイッチトキャパシタ回路のようなものがある。
図8に示したデジタル−アナログ変換器は、N個のサンプリング容量素子905_i(i=1〜N)を含むサンプリング容量素子部905と、サンプリング容量素子905_i(i=1〜N)を充電するN個のスイッチユニット901_i(i=1〜N)を含むスイッチ901、スイッチ902を備えている。
FIG. 8 is a circuit configuration diagram for explaining a conventional digital-analog converter. An example of a conventional digital-analog converter is a switched capacitor circuit shown in FIG.
The digital-analog converter illustrated in FIG. 8 includes a sampling
また、サンプリング容量素子部905は、演算増幅器906の反転入力端子906aとスイッチ903を介して接続される。演算増幅器906の出力端子906cと反転入力端子906aとは積分容量素子907を介して接続されている。また、出力端子906cはスイッチ901とサンプリング容量素子部905との間に接続されて、フィードバック経路fを形成している。このようなフィードバック経路fは、図8に示したデジタル−アナログ変換器において、出力信号の歪みを低減するために設けられた経路である。なお、図8に示した構成では、フィードバック経路fには、N個のスイッチユニット904_i(i=1〜N)を含むスイッチ904が設けられている。
The sampling
また、図8に示したデジタル−アナログ変換器のスイッチ901、902、903、904は、クロック信号φ1〜φ3、CK_P、CK_Nのいずれかにしたがってオン、オフ動作(以下、スイッチング動作とも記す)をする。クロック信号φ1〜φ3、CK_P、CK_Nは、クロック信号生成部910によって生成され、各スイッチに入力される。
図8に示したデジタル−アナログ変換器によれば、デジタルデータに応じた入力信号VDini(i=1〜N)の信号レベルに応じてサンプリング容量素子905_i(i=1〜N)が充電され、サンプリング容量素子905_i(i=1〜N)の充電電圧に応じて演算増幅器906がアナログ出力信号VAoutを出力する。このようなデジタル−アナログ変換器のスイッチとしては、一般的にMOSトランジスタが用いられる。
Further, the
According to the digital-analog converter shown in FIG. 8, the sampling capacitor 905_i (i = 1 to N) is charged according to the signal level of the input signal VDini (i = 1 to N) corresponding to the digital data, The
図9は、図8に示した帰還スイッチユニットに含まれる帰還スイッチのMOSトランジスタを説明するための図で、図10は、図9に示したMOSトランジスタを制御するクロック信号(以下、コントロールクロックと記す)を説明するための図である。
帰還スイッチ904は、P型MOSトランジスタとN型MOSトランジスタとを組み合わせて構成されている。図10に示したコントロールクロックCK_Pは、P型MOSトランジスタを制御するコントロールクロックである。コントロールクロックCK_Nは、N型MOSトランジスタを制御するコントロールクロックである。
コントロールクロックCK_PがLow(以下、Lレベルと記す)、コントロールクロックCK_NがHigh(以下、Hレベルと記す)になると、スイッチの各ユニット904_i(i=1〜N)がオンされる。
FIG. 9 is a diagram for explaining the MOS transistor of the feedback switch included in the feedback switch unit shown in FIG. 8, and FIG. 10 is a clock signal (hereinafter referred to as a control clock) for controlling the MOS transistor shown in FIG. It is a figure for demonstrating.
The
When the control clock CK_P is Low (hereinafter referred to as L level) and the control clock CK_N is High (hereinafter referred to as H level), each unit 904_i (i = 1 to N) of the switch is turned on.
図11は、従来のスイッチ駆動回路を説明するための図で、コントロールクロックCK_P、CK_Nを出力する回路の一般的な例を示した図である。入力されたクロックを反転させるNOTゲート301と、スイッチ駆動回路302と、スイッチ駆動回路303と、を含んでいる。図示していないが、スイッチ駆動回路302および303はNOTゲートを直列に2つ接続した構成となっていることが一般的である。
FIG. 11 is a diagram for explaining a conventional switch driving circuit, and is a diagram illustrating a general example of a circuit that outputs control clocks CK_P and CK_N. A
ここで、MOSトランジスタが用いられるスイッチ904_i(i=1〜N)の合成オン抵抗値をRsw4、スイッチ903のオン抵抗値をRsw3とする。図8に示した端子906cから出力されるアナログ出力信号VAoutは、サンプリング容量素子部905、積分容量素子907、スイッチ903、スイッチ部904が直列に接続されることによる、時定数τに依存した過渡特性を示す。なお、時定数τは、以下の式(1)によって表される。
Here, the combined on-resistance value of the switch 904_i (i = 1 to N) in which the MOS transistor is used is Rsw4, and the on-resistance value of the
τ=(Rsw3+Rsw4)×Ci×Cs/(Ci+Cs) ・・・式(1) τ = (Rsw3 + Rsw4) × Ci × Cs / (Ci + Cs) (1)
ただし、上記式(1)において、Ciは積分容量素子907の容量、Csはサンプリング容量素子部905の総容量である。式(1)において、スイッチ部904のオン抵抗値RSW3は出力端子906cの電位によって変化することがない。一方、スイッチ部904のオン抵抗値RSW4は、出力端子906cの電位に依存して変化することが知られている。
In the above formula (1), Ci is the capacitance of the integrating
さらに、アナログ出力信号VAoutが大きく変化する初動時において、MOSトランジスタを制御するコントロールクロックCK_PとコントロールクロックCK_Nとは、瞬時にHレベル、またはLレベルになるものではなく、一定の傾きをもってHレベル、またはLレベルに達する。コントロールクロックCK_P、コントロールクロックCK_NがHレベルからLレベル、またはLレベルからHレベルに達する間の状態を、本明細書では「過渡的な状態」と記す。コントロールクロックCK_P、コントロールクロックCK_Nの過渡的な状態において、合成抵抗値Rsw4の特性も過渡的に変化し、アナログ出力信号VAoutの過渡特性に大きく影響する。 Further, at the initial operation when the analog output signal VAout changes greatly, the control clock CK_P and the control clock CK_N for controlling the MOS transistor are not instantaneously at the H level or the L level, but are at the H level with a certain slope. Or it reaches L level. The state during which the control clock CK_P and the control clock CK_N reach the H level from the L level or the L level to the H level is referred to as a “transient state” in this specification. In the transient state of the control clock CK_P and the control clock CK_N, the characteristic of the combined resistance value Rsw4 also changes transiently and greatly affects the transient characteristic of the analog output signal VAout.
図12は、図10に示したコントロールクロックとアナログ出力信号との関係を説明するための図で、上述したコントロールクロックCK_P、CK_Nとアナログ出力信号VAoutとの関係を説明するための図である。図12の上段のグラフは、図1に示した出力端子906cから出力されるアナログ出力信号VAoutの過渡特性を示していて、横軸は時間、縦軸はアナログ出力信号VAoutを示している。また、図12の下段の図は、図9に示したスイッチ部904を構成するMOSトランジスタを制御するコントロールクロックを示している。
コントロールクロックCK_P、CK_Nは、初動時、その値が一定の傾きをもって有限の帯域で変化する。このため、コントロールクロックCK_P、コントロールクロックCK_Nには、LレベルまたはHレベルに達していない、過渡的な状態の期間が存在する。
FIG. 12 is a diagram for explaining the relationship between the control clock and the analog output signal shown in FIG. 10, and is a diagram for explaining the relationship between the above-described control clocks CK_P and CK_N and the analog output signal VAout. The upper graph in FIG. 12 shows the transient characteristics of the analog output signal VAout output from the
When the control clocks CK_P and CK_N are initially moved, their values change in a finite band with a certain slope. For this reason, the control clock CK_P and the control clock CK_N have a transient state period that does not reach the L level or the H level.
図13は、図12に示した過渡的な期間中におけるP型MOSトランジスタとN型MOSトランジスタとの合成抵抗値の変化を説明するための図で、図12に示した過渡的な期間中の時刻aにおける、スイッチ部904を構成するP型MOSトランジスタとN型MOSトランジスタとのオン抵抗値を合成した合成抵抗値Rsw4の変化を説明するための図である。
FIG. 13 is a diagram for explaining a change in the combined resistance value of the P-type MOS transistor and the N-type MOS transistor during the transient period shown in FIG. 12, and during the transient period shown in FIG. It is a figure for demonstrating the change of synthetic | combination resistance value Rsw4 which synthesize | combined the ON resistance value of the P-type MOS transistor and N type MOS transistor which comprise the
図13の下段に示した図は、アナログ出力信号VAoutの値が一定の振幅を持って振動していることを示すグラフであって、横軸にアナログ出力信号VAoutの値を、縦軸に時間を示している。また、図13の上段に示したRsw4−1のグラフは、図13の下段のグラフに示したようにアナログ出力信号VAoutが変動した場合における合成抵抗値Rsw4を示したものである。図13の横軸はアナログ出力信号VAoutを示し、縦軸は合成抵抗値Rsw4を示している。 The graph shown in the lower part of FIG. 13 is a graph showing that the value of the analog output signal VAout oscillates with a constant amplitude. The horizontal axis indicates the value of the analog output signal VAout, and the vertical axis indicates time. Is shown. The graph of Rsw4-1 shown in the upper part of FIG. 13 shows the combined resistance value Rsw4 when the analog output signal VAout varies as shown in the lower part of FIG. The horizontal axis of FIG. 13 indicates the analog output signal VAout, and the vertical axis indicates the combined resistance value Rsw4.
図14は、図8に示したアナログ出力信号と時間との関係を示した図で、アナログ出力信号VAoutと時間との関係を示した図である。縦軸はアナログ出力信号VAoutを示し、横軸は時間を示している。図14中に示した曲線La、Lbは、アナログ出力信号VAoutの過渡特性を拡大して表している。図14の曲線Laは、スイッチユニットSWu4のオン抵抗値Rsw4が図13に示した点aで示される場合のアナログ出力信号VAoutと時間との関係を示している。曲線Lbは、スイッチユニットSWu4のオン抵抗値Rsw4が図13に示した点bで示される場合のアナログ出力信号VAoutと時間との関係を示している。 FIG. 14 is a diagram showing the relationship between the analog output signal shown in FIG. 8 and time, and is a diagram showing the relationship between the analog output signal VAout and time. The vertical axis represents the analog output signal VAout, and the horizontal axis represents time. Curves La and Lb shown in FIG. 14 show the transient characteristics of the analog output signal VAout in an enlarged manner. A curve La in FIG. 14 shows the relationship between the analog output signal VAout and time when the on-resistance value Rsw4 of the switch unit SWu4 is indicated by the point a shown in FIG. A curve Lb shows the relationship between the analog output signal VAout and time when the on-resistance value Rsw4 of the switch unit SWu4 is indicated by the point b shown in FIG.
図14に示した曲線La、曲線Lbから明らかなように、デジタル−アナログ変換器に用いられるスイッチのオン抵抗値が異なると、過渡特性が異なる。過渡特性の相違の程度は、曲線La、曲線Lbとの間に生じる長さdによって表される。また、アナログ出力信号VAoutの過渡特性の相違は、デジタル−アナログ変換器の歪特性の劣化として表れる。 As is apparent from the curves La and Lb shown in FIG. 14, the transient characteristics differ when the on-resistance values of the switches used in the digital-analog converter are different. The degree of the difference between the transient characteristics is represented by a length d generated between the curve La and the curve Lb. Further, the difference in the transient characteristic of the analog output signal VAout appears as deterioration of the distortion characteristic of the digital-analog converter.
図13に示したように、合成抵抗値Rsw4−1は、アナログ出力信号VAoutの値に応じて大きく変化する。このため、アナログ出力VAoutが大きく変化する初動時においては、合成抵抗値Rsw4がアナログ出力信号VAoutの値に応じて大きく変化し、アナログ出力信号VAoutの過渡特性に大きく影響を与え、アナログ出力信号VAoutの歪特性劣化の原因となる。 As shown in FIG. 13, the combined resistance value Rsw4-1 varies greatly according to the value of the analog output signal VAout. For this reason, at the initial operation when the analog output VAout changes greatly, the combined resistance value Rsw4 changes greatly according to the value of the analog output signal VAout, greatly affecting the transient characteristics of the analog output signal VAout, and the analog output signal VAout. Cause distortion characteristics deterioration.
しかしながら、図11に示したようなスイッチ駆動回路やスイッチ904は、MOSトランジスタを用いた回路であるため、プロセス変動によってMOSトランジスタの閾値電圧Vthが変動した場合に、スイッチ部904を構成するPMOSトランジスタとNMOSトランジスタとのオンタイミングの関係が変動する。その結果、過渡的な状態における合成抵抗値Rsw4は、図13のRsw4−2に示したように、プロセスに依存して異なる特性を示す。そのため、図14中のdで示されるようなアナログ出力信号VAoutの過渡特性の相違は、プロセスに依存して変動することとなり、歪特性が変動する。
However, since the switch driving circuit and the
このように、アナログ出力信号VAoutが大きく変化する初動時において、合成抵抗値Rsw4はプロセス変動によって異なる特性を示すため、アナログ出力信号VAoutの過渡応答特性がプロセス変動によって異なり、その結果、安定した歪特性を得ることが困難である。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、プロセス変動によってスイッチに用いられるMOSトランジスタのオンタイミングが変動することに起因したアナログ出力信号の歪特性の変動を抑制するデジタル−アナログ変換器を提供することにある。
In this way, at the initial operation when the analog output signal VAout changes greatly, the combined resistance value Rsw4 exhibits different characteristics depending on the process variation. Therefore, the transient response characteristic of the analog output signal VAout varies depending on the process variation. It is difficult to obtain characteristics.
The present invention has been made in view of such problems, and the object of the present invention is to change the distortion characteristics of the analog output signal due to the change in the on-timing of the MOS transistor used for the switch due to the process change. It is an object of the present invention to provide a digital-analog converter that suppresses noise.
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項1に記載の発明は、アナログ信号出力の変化タイミングが、スイッチのオンタイミングによって決定されるデジタル−アナログ変換器において、前記スイッチを構成する第1のMOSトランジスタ(図9の201,202)のゲート端子を駆動するスイッチ駆動回路(図3の403)を備え、該スイッチ駆動回路(図3の403)は、制御電圧が入力されるゲート端子と、当該ゲート端子に入力された制御電圧に応じた基準電流を発生する第2のMOSトランジスタ(401d)と、前記第2のMOSトランジスタ(401d)のドレイン端子にかかる電圧を基準電圧として保持する電圧保持回路(401a,401c)と、前記第2のMOSトランジスタ(401d)に対して前記基準電流と同じ値の電流を供給する第1の電流源(401b)と、該第1の電流源(401b)に流れる電流に比例する比例電流を各々が発生する複数の第2の電流源として機能する複数の第3のMOSトランジスタ(402a,402b,・・・)と、前記第2のMOSトランジスタ(401d)と同じ導電型を有し、前記第3のMOSトランジスタ(402a,402b,・・・)の各々とオープンドレイン接続されて前記比例電流の供給を受ける複数の第4のMOSトランジスタ(403a,403b,・・・)とを備え、該第4のMOSトランジスタ(403a,403b,・・・)は、前段の前記第4のMOSトランジスタのソース端子と接続されるゲート端子と、後段の前記第4のMOSトランジスタのゲート端子と接続されるソース端子とを備えて多段に接続され、最前の前記第4のMOSトランジスタ(403a)のゲート端子にはクロック信号が入力され、k番目(kは2以上の偶数)の前記第4のMOSトランジスタのドレイン端子から前記クロック信号よりも所定時間遅延する遅延信号が前記第1のMOSトランジスタ(401b)のゲート端子に出力されることを特徴とする。(図1,図3)
The present invention has been made to achieve such an object. The invention according to
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記電圧保持回路(401a,401c)は、ドレイン端子が、前記第2のMOSトランジスタ(401d)のドレイン端子に接続され、ソース端子が前記第1の電流源に接続される第5のMOSトランジスタ(401c)と、一方の入力端子に基準電圧が供給され、他方の入力端子が前記第5のMOSトランジスタ(401c)のドレイン端子に接続され、出力端子が前記第5のMOSトランジスタ(401c)のゲート端子に接続される増幅器(401a)とを備えたことを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the voltage holding circuit (401a, 401c) has a drain terminal connected to the drain terminal of the second MOS transistor (401d). , A fifth MOS transistor (401c) whose source terminal is connected to the first current source, and a reference voltage is supplied to one input terminal, and the other input terminal is the fifth MOS transistor (401c). An amplifier (401a) connected to the drain terminal and having an output terminal connected to the gate terminal of the fifth MOS transistor (401c) is provided.
また、請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の発明において、前記第1の電流源が、前記第3のMOSトランジスタ(402a,402b,・・・)と同じ導電型を有する第6のMOSトランジスタ(401b)を備え、前記第6のMOSトランジスタ(401b)のゲート幅をW1とした場合、前記第3のMOSトランジスタ(402a,402b,・・・)は各々W1/mのゲート幅を有して前記基準電流の1/m倍の電流値の電流を生成し(mは2以上の整の定数)、前記第1のMOSトランジスタ(201,202)のゲート幅をW3とした場合、前記第4のMOSトランジスタ(403a,403b,・・・)は各々W1/nのゲート幅を有し(nは1以上の整の定数)、mとnとの間には、m>nの関係があることを特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the first current source has the same conductivity type as the third MOS transistor (402a, 402b,...). When the sixth MOS transistor (401b) has a gate width W1, the third MOS transistor (402a, 402b,...) Is W1 / m. A current having a
また、請求項4に記載の発明は、入力端子(108)から入力された信号をサンプリングするサンプリング容量素子部(105)と、該サンプリング容量素子部(105)によってサンプリングされた信号が入力される入力端子(106a)を有する演算増幅器(106)と、前記サンプリング容量素子部(105)と前記演算増幅器(106)の前記入力端子(106a)とを接離するサミングノードスイッチ(103)と、第1の極性、該第1の極性と相補的な第2の極性を有するMOSトランジスタとを備え、前記サンプリング容量素子部(105)と前記入力端子(106a)との間と、前記演算増幅器(106)の出力端子(106c)とを接続するフィードバック経路(f)上に設けられる帰還スイッチ部(104)と、該帰還スイッチ部(104)に第1クロック信号と第2クロック信号(CK,CKN)とを供給するクロック信号生成部(110)とを備え、該クロック信号生成部(110)は、前記第1クロック信号と第2クロック信号を生成し、前記帰還スイッチ部(104)のMOSトランジスタの少なくとも1つを駆動する請求項1乃至3のいずれかに記載のスイッチ駆動回路(403)とを備えたことを特徴とする。(図1)
According to a fourth aspect of the present invention, a sampling capacitor element (105) for sampling a signal input from the input terminal (108), and a signal sampled by the sampling capacitor element (105) are input. An operational amplifier (106) having an input terminal (106a), a summing node switch (103) for connecting and separating the sampling capacitor element portion (105) and the input terminal (106a) of the operational amplifier (106); A MOS transistor having a first polarity and a second polarity complementary to the first polarity, and between the sampling capacitor element portion (105) and the input terminal (106a), and the operational amplifier (106 ) And a feedback switch section (104) provided on a feedback path (f) connecting the output terminal (106c) of the A clock signal generation unit (110) for supplying a first clock signal and a second clock signal (CK, CKN) to the switch unit (104), wherein the clock signal generation unit (110) includes the first clock signal; And a switch drive circuit (403) according to any one of
また、請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の発明において、前記演算増幅器(106)は、第1の入力端子(606a)及び第2の入力端子(606b)と、第1の出力端子(606cA)及び第2の出力端子(606cB)とを有する差動増幅型の演算増幅器(606)であり、前記サンプリング容量素子部(105)は、前記第1の入力端子(606a)と接続する第1のサンプリング容量素子部(105A)と前記第2の入力端子(606b)と接続する第2のサンプリング容量素子部(105B)とを備え、前記サミングノードスイッチ(103)は、前記第1のサンプリング容量素子部(105A)と差動増幅型の前記演算増幅器(606)の前記第1の入力端子(606a)とを接離する第1サミングノードスイッチ(103A)と、前記第2のサンプリング容量素子部(105B)と差動増幅型の前記演算増幅器(606)の前記第2の入力端子(606b)とを接離する第2のサミングノードスイッチ(103B)とを備え、前記帰還スイッチ部(104)は、前記第1のサンプリング容量素子部(105A)と前記第1の入力端子(606a)との間と、前記第1の出力端子(606cA)とを接続するフィードバック経路上に設けられる第1の帰還スイッチ部(104A)と、前記第2のサンプリング容量素子部(105B)と前記第2の入力端子(606b)との間と、前記第2の出力端子(606cB)とを接続するフィードバック経路上に設けられる第2の帰還スイッチ部(104B)とを備えたことを特徴とする。(図7) According to a fifth aspect of the present invention, in the invention according to the fourth aspect, the operational amplifier (106) includes a first input terminal (606a) and a second input terminal (606b), It is a differential amplification type operational amplifier (606) having an output terminal (606cA) and a second output terminal (606cB), and the sampling capacitor element portion (105) is connected to the first input terminal (606a). A first sampling capacitor element portion (105A) to be connected and a second sampling capacitor element portion (105B) to be connected to the second input terminal (606b); and the summing node switch (103) A first summing node switch (1) that connects and disconnects one sampling capacitor element portion (105A) and the first input terminal (606a) of the differential amplification type operational amplifier (606); 3A) and a second summing node switch (103B) that connects and separates the second sampling capacitor element portion (105B) and the second input terminal (606b) of the differential amplification type operational amplifier (606). The feedback switch unit (104) includes a first sampling capacitor element unit (105A) and the first input terminal (606a), and the first output terminal (606cA). A first feedback switch unit (104A) provided on a feedback path connecting the second sampling capacitor element unit (105B) and the second input terminal (606b); And a second feedback switch unit (104B) provided on a feedback path connecting the output terminal (606cB). (Fig. 7)
本発明によれば、プロセス変動によってスイッチに用いられるMOSトランジスタのオンタイミングが変動することに起因したアナログ出力信号の歪特性の変動を抑制するデジタル−アナログ変換器を提供することができる。
すなわち、アナログ信号出力タイミングはMOSトランジスタのオンタイミングによって決定される。このとき、アナログ出力信号の過渡特性は、信号出力経路に備えられたMOSトランジスタ(例えば、図1に示すスイッチ104)のオン抵抗に依存した過渡特性を示し、このことが歪特性に影響を与える。特に、アナログ出力信号が変化する初動時においては、オン抵抗がMOSトランジスタのオンタイミングに大きく依存しているため、歪特性はMOSトランジスタのオンタイミングに影響される。
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the digital-analog converter which suppresses the fluctuation | variation of the distortion characteristic of an analog output signal resulting from fluctuation | variation of the ON timing of the MOS transistor used for a switch by process fluctuation | variation can be provided.
That is, the analog signal output timing is determined by the ON timing of the MOS transistor. At this time, the transient characteristic of the analog output signal shows a transient characteristic depending on the on-resistance of the MOS transistor (for example, the
しかしながら、本発明によれば、MOSトランジスタのゲート端子を駆動する回路において、MOSトランジスタのオンタイミングが、NMOSトランジスタ、あるいは、PMOSトランジスタのどちらか片方の閾値電圧と電流量のみに依存するような制御信号を出力するため、MOSトランジスタのオンタイミングがプロセス変動に対して影響される要素が少なく、安定してMOSトランジスタのオンタイミングを確保することができる。したがって、プロセス変動に対して歪特性が変動し難いデジタル−アナログ変換器を提供することが可能となる。 However, according to the present invention, in the circuit for driving the gate terminal of the MOS transistor, the ON timing of the MOS transistor is controlled so as to depend only on the threshold voltage and the current amount of either the NMOS transistor or the PMOS transistor. Since a signal is output, there are few factors that affect the on-timing of the MOS transistor with respect to process variations, and the on-timing of the MOS transistor can be secured stably. Therefore, it is possible to provide a digital-analog converter in which the distortion characteristics hardly change with respect to process variations.
以下、図面を参照して本発明の各実施例について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明に係るデジタル−アナログ変換器の実施例1を説明するための回路構成図である。本実施例1のデジタル−アナログ変換器は、サンプルホールド回路100と、サンプルホールド回路100のスイッチに入力されるコントロールクロックを生成するクロック信号生成部110とによって構成されている。
サンプルホールド回路100は、サンプリング容量素子部105と、サンプリング容量素子部105の一端に接続される反転入力端子106aを有する演算増幅器106と、サンプリング容量素子部105と反転入力端子106aとの間を接離するサミングノードスイッチ103と、演算増幅器106の出力端子106cとサンプリング容量素子部105の他端との間に設けられる帰還スイッチ部104とを有している。
FIG. 1 is a circuit configuration diagram for explaining a first embodiment of a digital-analog converter according to the present invention. The digital-analog converter according to the first embodiment includes a
The
帰還スイッチ部104は、互いに並列に接続された複数の帰還スイッチ104_i(i=1〜N)を含んでいる。本実施例1では、帰還スイッチ部104に含まれる各スイッチが、P型MOSトランジスタと、P型MOSトランジスタと相補的なN型MOSトランジスタとによって構成されている。なお、このP型MOSトランジスタとN型MOSトランジスタは、図8において示した帰還スイッチ部904におけるP型MOSトランジスタ201とN型MOSトランジスタ202と同じ構成である。
The
さらに、本実施例1のサンプルホールド回路100は、デジタルデータに応じた入力信号VDini(i=1〜N)が入力される入力端子部108を備えていて、入力端子部108は、N個の入力端子108_i(i=1〜N)を有している。入力端子108_i(i=1〜N)は、デジタル信号を構成するNビットの信号の各々に対応している。サンプリング容量素子部105に含まれるサンプリング容量素子105_i(i=1〜N)の各々は、入力端子108_i(i=1〜N)のいずれか1つと対応している。
Further, the
サンプリング容量素子105_i(i=1〜N)は、全て同一の容量Cs(Cs=Cs1=Cs2=…=Cs3)を有するものであってもよいし、異なる容量を有するものであってもよい。サンプリング容量素子105_i(i=1〜N)各々が異なる容量を有するものである場合、各サンプリング容量素子105_i(1≦i≦N)の容量Csiの比がバイナリ比(2i−1倍)となるようにしてもよい。サンプリング容量素子105_i(i=1〜N)の容量がバイナリ比を持つ場合、サンプリング容量素子105_iの容量Csiは、以下の式(2)のように表される。
The
Csi=2i−1・Cs(i−1) ・・・式(2) Csi = 2 i−1 · Cs (i−1) (2)
入力端子部108とサンプリング容量素子部105との間には、スイッチ101部が設けられている。スイッチ部101は、入力端子108_i(i=1〜N)の各々と、サンプリング容量素子105_i(i=1〜N)の各々とに接続されるスイッチ101_i(i=1〜N)を含んでいる。また、帰還スイッチ部104に含まれる帰還スイッチ104_1は、入力端子108_1とサンプリング容量素子105_1との間に接続されている。帰還スイッチ104_2は、入力端子108_2とサンプリング容量素子105_2との間に、帰還スイッチ104_Nは、入力端子108_Nサンプリング容量素子105_Nとの間に接続されている。このため、入力端子部108に含まれる入力端子、サンプリング容量素子部105に含まれるサンプリング容量素子、帰還スイッチ部104に含まれる帰還スイッチの数は、いずれもN個である。
Between the
また、演算増幅器106の反転入力端子106aと出力端子106cとの間には、積分容量素子107が接続されている。出力端子106cと帰還スイッチ部104との間の経路を、フィードバック経路fと記す。演算増幅器の非反転入力端子106bは基準電圧Vr1を供給する図示しない電源の端子に接続されている。サンプリング容量素子部105に含まれるサンプリング容量素子105_i(i=1〜N)の帰還スイッチ武104と接続されていない側の端子は、スイッチ102を介して基準電圧Vr2に接離される。基準電圧Vr1と基準電圧Vr2とは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。
Further, an
上述したように、図9は、図1に示した帰還スイッチ部104に含まれる帰還スイッチ104_i(i=1〜N)のうち、例えば、帰還スイッチ104_1に含まれるMOSトランジスタを説明するための図である。なお、帰還スイッチ104_i(i=1〜N)は、いずれも同様の構成を有しているため、帰還スイッチ104_1の説明を帰還スイッチ部104に含まれる他のスイッチの説明に代えるものとする。
図示したように、帰還スイッチ104_1は、P型MOSトランジスタ201と、N型MOSトランジスタ202とを有している。P型MOSトランジスタ201、N型MOSトランジスタ202のソース端子又はドレイン端子は、端子203に接続されていて、端子203は、図1に示した出力端子106cに接続されている。
As described above, FIG. 9 is a diagram for explaining, for example, a MOS transistor included in the feedback switch 104_1 among the feedback switches 104_i (i = 1 to N) included in the
As illustrated, the feedback switch 104_1 includes a P-
本実施例1のデジタルアナログ変換器は、以上説明したサンプルホールド回路100と、クロック信号生成部110とを有する構成である。クロック信号生成部110は、クロック信号φ5、φ6、φ7、CK_P、CK_Nを生成し、サンプルホールド回路100のスイッチに入力している。CK_PはCK_Nに対して逆の極性を有している。サンプルホールド回路100の各スイッチは、入力されたクロック信号φ5、φ6、φ7、CK_P、CK_Nのいずれかにしたがって動作する。
The digital-analog converter according to the first embodiment includes the sample-and-
本実施例1では、クロック信号φ5がスイッチ部101のスイッチ101_i(i=1〜N)に入力される。クロック信号φ6はスイッチ102に供給され、クロック信号φ7はサミングノードスイッチ103に供給される。さらに、クロック信号φ8は、帰還スイッチ部104に含まれる帰還スイッチ104_i(i=1〜N)に供給される。
図2は、図1に示したクロック信号生成部から出力されるクロック信号の波形を示す図で、クロック信号生成部110から出力されるクロック信号φ5、φ6、φ7、CK_Nの波形を示す図である。図9の縦軸は信号のHレベル、Lレベルの別を示し、横軸は時間を示している。クロック信号φ5、φ6がHレベルの期間、スイッチ部101に含まれるスイッチ101_i(i=1〜N)と、スイッチ102とがオンされる。このとき、容量素子部105に含まれるサンプリング容量素子105_i(i=1〜N)に、デジタルデータに応じた入力信号VDini(i=1〜N)のレベルに応じた容量が充電される。そして、クロック信号φ5、φ6がLに切り替わり、スイッチ部101に含まれるスイッチとスイッチ102がオフされた後、クロック信号φ7、CK_NがHになる。
In the first embodiment, the clock signal φ5 is input to the switch 101_i (i = 1 to N) of the
2 is a diagram illustrating waveforms of clock signals output from the clock signal generation unit illustrated in FIG. 1, and illustrates waveforms of clock signals φ5, φ6, φ7, and CK_N output from the clock
クロック信号φ7、CK_NがHレベルになると、帰還スイッチ部104に含まれる帰還スイッチ104_i(i=1〜N)と、サミングノードスイッチ103とがオンされる。このとき、サンプリング容量素子105_i(i=1〜N)と積分容量素子107とが直列に接続される。また、サンプリング容量素子105_i(i=1〜N)が演算増幅器106の出力端子106cと接続されて、出力端子106cの電位が変化する。
When the clock signals φ7 and CK_N become H level, the feedback switch 104_i (i = 1 to N) included in the
また、クロック信号生成部110は、P型MOSトランジスタ201、N型MOSトランジスタ202のオン、オフのタイミング(以下、スイッチタイミングとも記す)を調整し、かつ、P型MOSトランジスタ201、N型MOSトランジスタ202のオンするタイミングがプロセス変動によって所定のタイミングから変動することを抑制する機構を有したコントロールクロック出力回路400を含んでいる。
図示していないが、本実施例1のコントロールクロック出力回路400は、図11に示すスイッチ駆動回路300のスイッチ駆動回路303を図3に示すようなスイッチ駆動回路403に置き換え、スイッチ駆動回路302を図示していないスイッチ駆動回路402に置き換えた構成である。
The clock
Although not shown, the control clock output circuit 400 of the first embodiment replaces the
図3は、本発明の実施例1のスイッチ駆動回路を説明するための図である。図3に示したスイッチ駆動回路403は、一対となってインバータを構成するM個(Mは自然数)のPMOSトランジスタと、M個のNMOSトランジスタとを備えている。本実施例1ではM=2として説明する。なお、本実施例1において、NMOSトランジスタ、PMOSトランジスタによって構成されるインバータを、プルアップ接続回路と記すものとする。
FIG. 3 is a diagram for explaining the switch drive circuit according to the first embodiment of the present invention. The
また、図3において、第1番目から第2番目のPMOSトランジスタには402a〜402bの符号を付し、第1番目から第2番目のNMOSトランジスタには403a,403bの符号を付す。以上のNMOSトランジスタ及びPMOSトランジスタは、互いに同一のアルファベットが付されたトランジスタと接続され、プルアップ接続回路を構成する。本実施例1では、例えば、PMOSトランジスタ402b、NMOSトランジスタ403bによって構成されるプルアップ接続回路を、プルアップ接続回路bなどとも記すものとする。
1つのプルアップ接続回路に含まれる一対のNMOSトランジスタ、PMOSトランジスタの接続は、オープンドレイン接続と呼ばれている。なお、NMOSトランジスタ、PMOSトランジスタを、オープンドレイン接続の意味を逸脱しない範囲で他の方法により接続することも可能である。
In FIG. 3, the first to second PMOS transistors are denoted by
A connection between a pair of NMOS transistors and PMOS transistors included in one pull-up connection circuit is called an open drain connection. It is also possible to connect the NMOS transistor and the PMOS transistor by other methods without departing from the meaning of open drain connection.
また、スイッチ駆動回路403は、オペアンプ401a、PMOSトランジスタ401b、401c、NMOSトランジスタ401dを備えている。オペアンプ401aの2つの入力端子のうち、一方には一定の参照電圧VBGが入力され、他方はPMOSトランジスタ401bのドレイン端子に接続されている。NMOSトランジスタ401dは電流源電流Isを生成し、そのゲート端子は、基準電圧VDDを供給する電圧源に接続されている。
The
オペアンプ401aの出力端子は、PMOSトランジスタ401cのゲート端子に接続され、定電流源となるNMOSトランジスタ401dのドレイン電圧をリファレンス電圧VBGと等しくするフィードバックループを形成している。電流源となるPMOSトランジスタ401bにはキルヒホッフの電流則により、NMOSトランジスタ401dと同じ電流値Isの電流が流れる。
The output terminal of the
PMOSトランジスタ401bとカレントミラー接続されたPMOSトランジスタ402a,402bは、ドレイン電圧による2次効果を無視すると、各々(1/k)Isの電流を流す電流源として動作する。なお、kは、正の定数である。PMOSトランジスタ402a,402bのドレイン端子は、NMOSトランジスタ403a,403bのドレインノードにプルアップ接続されている。
The
NMOSトランジスタ403a,403bにおいて、初段のNMOSトランジスタ403aのゲートにはクロック信号φ8が入力されている。NMOSトランジスタ403aのドレインノードは、後段のNMOSトランジスタ403bのゲート端子に接続されている。さらに、NMOSトランジスタ403bのドレインノードは、帰還スイッチ部104を構成するNMOSトランジスタ202のゲート端子に接続されている。
In the
NMOSトランジスタ403aからは、クロック信号φ8に、NMOSトランジスタのしきい値と電流量に依存する遅延量が付加し、かつ、反転した遅延クロックφ8aが、また、NMOSトランジスタ403bからは、クロック信号φ8に、NMOSトランジスタのしきい値と電流量に依存する遅延量が付加された遅延クロックCK_Nが出力されている。遅延クロックφ8aおよびCK_Nを一括して遅延クロック群とも記す。
From the
図示した各トランジスタのサイズは、以下のように設計されている。
Wn:NMOSトランジスタ401dのゲート幅
Ln:NMOSトランジスタ401d、403a、403b、202のゲート長
Wp:PMOSトランジスタ401b、401cのゲート幅
Lp:PMOSトランジスタ401b、401c、402a、402bのゲート長
Wn(1/n):NMOSトランジスタ403a、403bのゲート長のゲート幅
Wp(1/m):PMOSトランジスタ402a、402bのゲート幅
なお、mは2以上の正の定数であり、nは1以上の正の定数であって、mとnとには、m>nの関係がある。また、VnthはNMOSトランジスタ401d、403a、403b、202のしきい値を意味し、VpthはPMOSトランジスタ401b、401c、402a、402bのしきい値を示す。
The size of each illustrated transistor is designed as follows.
Wn: gate width of
つまり、MOSトランジスタ401bのゲート幅をW1とした場合、MOSトランジス402a,402b,・・・は、各々W1/mのゲート幅を有して基準電流の1/m倍の電流値の電流を生成し(mは2以上の整の定数)、MOSトランジスタ201,202のゲート幅をW3とした場合、MOSトランジス403a,403b,・・・は、各々W1/nのゲート幅を有し(nは1以上の整の定数)、mとnとの間には、m>nの関係がある。
また、スイッチ駆動回路403は、図3においてPMOSトランジスタをNMOSトランジスタに、NMOSトランジスタをPMOSトランジスタに置き換え、VDDをVSS=0Vに、VSS=0VをVDDに置き換え、MOSトランジスタサイズを適切に変更したような構成となっている。
That is, when the gate width of the
Further, the
次に、上述した構成を有するデジタル−アナログ変換器の動作について以下に説明する。なお、本実施例1のサンプルホールド回路、デジタル−アナログ変換器の動作は、第1期間と第2期間とに区別される。なお、第1期間と第2期間とは、周期的に交互に繰り返される。このような本実施例1のデジタル−アナログ変換器は、積分型のデジタル−アナログ変換器である。 Next, the operation of the digital-analog converter having the above-described configuration will be described below. The operations of the sample and hold circuit and the digital-analog converter according to the first embodiment are classified into a first period and a second period. Note that the first period and the second period are alternately repeated periodically. Such a digital-analog converter of the first embodiment is an integral type digital-analog converter.
以下、第1期間、第2期間ごとにサンプルホールド回路、デジタル−アナログ変換器の動作を説明する。
(1)第1期間
第1期間では、図1に示したスイッチ部101のスイッチ101_i(i=1〜N)とスイッチ102とがオンされる。このとき、サンプリング容量素子105_i(i=1〜N)が、それぞれ対応する入力端子108_i(i=1〜N)から入力されたビット信号のレベル(電圧Vref+、または電圧Vref−)に応じて、基準電圧Vr1まで充電される。
Hereinafter, operations of the sample hold circuit and the digital-analog converter will be described for each of the first period and the second period.
(1) First Period In the first period, the switch 101_i (i = 1 to N) and the
(2)第2期間
第2期間では、スイッチ部101とスイッチ102とが切断され、帰還スイッチ104_i(i=1〜N)とサミングノードスイッチ103とが接続される。このとき、サンプリング容量素子105_i(i=1〜N)の充電電圧に基づいてアナログ出力信号VAoutが変化する。
(2) Second Period In the second period, the
第2期間において、帰還スイッチ部104とサミングノードスイッチ103とサンプリング容量素子105_i(i=1〜N)とが直列に接続され、閉ループを形成する。この閉ループの時定数τは、以下の式(3)によって表される。
In the second period, the
τ=(Rsw3+Rsw4)×Ci×Cs/(Ci+Cs) ・・・式(3) τ = (Rsw3 + Rsw4) × Ci × Cs / (Ci + Cs) (3)
ただし、式(3)において、サミングノードスイッチ103のオン抵抗値をRsw3、帰還スイッチ部104に含まれる帰還スイッチ104_i(i=1〜N)のMOSトランジスタの合成抵抗値をRsw4とする。アナログ出力信号VAoutは、閉ループの時定数に依存した過渡特性を示す。
In Equation (3), the on-resistance value of the summing
ここで、帰還スイッチ104_i(i=1〜N)のMOSトランジスタの合成抵抗値Rsw4と、サミングノードスイッチ103のオン抵抗値とについて、より詳細に説明する。帰還スイッチ104_i(i=1〜N)を構成するMOSトランジスタは、制御端子であるゲート端子と、主端子であるソース端子又はドレイン端子間の電圧変化に応じてオン抵抗値が変化する。このような特性は、オン抵抗値の電圧依存性とよばれている。
Here, the combined resistance value Rsw4 of the MOS transistors of the feedback switch 104_i (i = 1 to N) and the on-resistance value of the summing
第2期間では、帰還スイッチ104_i(i=1〜N)が接続された状態のとき、帰還スイッチ104_i(i=1〜N)を構成するMOSトランジスタのソース端子及びドレイン端子の電位が出力端子106cと同電位になる。このため、第2期間では、オン抵抗値の電圧依存性により、帰還スイッチ部104のオン抵抗値がアナログ出力信号VAoutの電位に依存して変化する。一方、第2期間において、サミングノードスイッチ103のオン抵抗値は、MOSトランジスタのソース端子及びドレイン端子がアナログ出力信号VAoutによって変化しないため、一定の値をとる。
In the second period, when the feedback switch 104_i (i = 1 to N) is connected, the potential of the source terminal and the drain terminal of the MOS transistor constituting the feedback switch 104_i (i = 1 to N) is the
第2期間に形成される閉ループの時定数τは、式(3)で表される。このため、時定数τは、合成抵抗値Rsw4がアナログ出力信号VAoutの電位に依存して変化することに伴って変化する。
また、アナログ出力信号VAoutの過渡特性は、アナログ出力信号VAoutの値に依存して変化する。アナログ出力信号VAoutは、信号歪みの発生につながる。特に、アナログ出力信号VAoutが大きく変化するデジタル−アナログ変換器の初動時では、帰還スイッチ部104を制御するコントロールクロックが有限帯域で変化する。このため、アナログ出力信号VAoutの過渡特性は、帰還スイッチ部104の帰還スイッチ104_i(i=1〜N)が完全にオン状態になるまでの合成抵抗値Rsw4に大きく依存する。このことから、帰還スイッチ104_i(i=1〜N)が完全にオン状態になるまでのオン抵抗値Rsw4は、アナログ出力信号VAoutの歪みに大きく関与する。
The time constant τ of the closed loop formed in the second period is expressed by Expression (3). Therefore, the time constant τ changes as the combined resistance value Rsw4 changes depending on the potential of the analog output signal VAout.
The transient characteristic of the analog output signal VAout changes depending on the value of the analog output signal VAout. The analog output signal VAout leads to signal distortion. In particular, at the initial operation of the digital-analog converter in which the analog output signal VAout changes greatly, the control clock for controlling the
本実施例1では、上述したように、帰還スイッチ部104を制御するコントロールクロックCK_P、CK_Nを出力する回路400を図3に示すようなスイッチ駆動回路を用いた構成にすることで、帰還スイッチ104_i(i=1〜N)が完全にオン状態になるまでの、その合成抵抗値Rsw4の特性がプロセス変動に対して変化し難くすることができる。そして、このような本実施例1によれば、アナログ出力信号VAoutに発生する歪特性がプロセス変動によって変化することを抑制することができる。
In the first embodiment, as described above, the circuit 400 that outputs the control clocks CK_P and CK_N for controlling the
次に、図3に示したスイッチ駆動回路の動作について以下に説明する。
説明の簡単のため、NMOSトランジスタ403a、403bは、Vnthより大きいゲート電圧が印加され、ドレイン電位が0より大きいときにオン状態となって一定の電流Is(1/n)を流すものとする。また、ゲート電圧がVnthより小さいときはオフ状態となり、電流を全く流さないものとする。一方PMOSトランジスタ402a、402bは、ドレイン電位がVDDより小さいときはオン状態となって一定の電流Is(1/m)を流す。また、ドレイン電位がVDDのときはオフ状態となって電流を全く流さないものとする。
ここで、NMOSトランジスタ401dは3極管領域で動作するため、次式が成り立つ。
Next, the operation of the switch drive circuit shown in FIG. 3 will be described below.
For simplicity of explanation, it is assumed that the
Here, since the
Is=Vds・μn・Cox・(Wn/Ln)・(VDD−Vnth)
・・・式(4)
Is = Vds · μn · Cox · (Wn / Ln) · (VDD−Vnth)
... Formula (4)
式(4)において、μnは電子の移動度、VdsはNMOSトランジスタ401dのドレインノードの電圧を意味する。また、オペアンプ401aとPMOSトランジスタ401cで形成されるフィードバックループによってVds=VBG(=一定)に固定されている。
In equation (4), μn represents the electron mobility, and Vds represents the drain node voltage of the
図4(a),(b)は、図3に示したスイッチ駆動回路によりコントロールクロックを生成した例を説明するための図で、図3に示したスイッチ駆動回路のうち、プルアップ接続回路に含まれるNMOSトランジスタのゲート電圧の変化を説明するための図である。図4(a)は、PMOSトランジスタ402b、NMOSトランジスタ403bによって構成されるプルアップ接続回路bのゲート電圧、図4(b)は、NMOSトランジスタ202のゲート電圧の変化を示している。
FIGS. 4A and 4B are diagrams for explaining an example in which a control clock is generated by the switch drive circuit shown in FIG. 3, and among the switch drive circuits shown in FIG. It is a figure for demonstrating the change of the gate voltage of the included NMOS transistor. 4A shows the gate voltage of the pull-up connection circuit b constituted by the
スイッチ駆動回路403には、クロック信号φ8が入力される。クロック信号φ8の駆動能力が十分に高いものとすると、NMOSトランジスタ403aのゲート電圧Vφ8は直ちに0VからVDDに変化してオン状態になる。このとき、プルアップ接続回路aの出力はNMOSトランジスタ403bのゲートに入力され、NMOSトランジスタ403bのゲート電圧がVφ8aとなる。ゲート電圧Vφ8aの変化は、次式で表される。なお、時間tは、クロック信号φ8の立ち上がり時をt=0として定められている。
The
Vφ8a=VDD−∫[{(1/n)−(1/m)}・Vds・μn・Cox・(Wn/Ln)・(VDD−Vnth)・(n/Cox・Ln・Wn)]dt ・・・式(5) Vφ8a = VDD−∫ [{(1 / n) − (1 / m)} · Vds · μn · Cox · (Wn / Ln) · (VDD−Vnth) · (n / Cox · Ln · Wn)] dt · ..Formula (5)
初期条件を、t=0においてVφ8a=VDDとすると、式(5)は式(6)のようになる。 If the initial condition is Vφ8a = VDD at t = 0, equation (5) becomes equation (6).
Vφ8a=VDD−{1−(n/m)}・Vds・μn・Ln−2・(VDD−Vnth)・t ・・・式(6) Vφ8a = VDD− {1- (n / m)} · Vds · μn · Ln− 2 · (VDD−Vnth) · t (6)
式(6)において、Vφ8a=Vnthとなる時刻をT1とすると、T1は、以下の式(7)によって表される。 In the equation (6), when the time when Vφ8a = Vnth is T1, T1 is expressed by the following equation (7).
T1=[{1−(n/m)}・Vds・μn・Ln−2]−1∝Ln2
・・・式(7)
T1 = [{1- (n / m)} · Vds · μn · Ln −2 ] −1 ∝Ln 2
... Formula (7)
式(7)より、NMOSトランジスタ401d、および403a、403bのLnを十分に大きく、かつプロセスによるばらつきを十分に小さくすることにより、NMOSトランジスタ403bのゲート電圧がVnth以下となる時刻T1を定数とすることが可能であることが分かる。すなわち、NMOSトランジスタ403aとPMOSトランジスタ402aとで構成されるプルアップ接続回路aは、入力されたクロック信号φ8の立ち上がりエッジに対し、後段に一定の遅延量T1が付加された立ち下がりエッジを出力する。立ち下がりエッジが入力されたことにより、NMOSトランジスタ403bはオフ状態になる。
また、NMOSトランジスタ202のゲート電圧をVCK_Nとする。電圧VCK_Nの変化はCLKの立ち上がりをt=0とした場合、以下の式(8)によって表される。
From equation (7), the time T1 when the gate voltage of the
Further, the gate voltage of the
VCK_N=∫{(1/m)・Vds・μn・Cox・(Wn/Ln)・(VDD−Vnth)・(n/Cox・Ln・Wn)}dt ・・・式(8) VCK_N = ∫ {(1 / m) · Vds · μn · Cox · (Wn / Ln) · (VDD−Vnth) · (n / Cox · Ln · Wn)} dt (8)
式(8)において、nはmより十分に小さいとすると、初期値条件がt=T1においてVCK_N=0であることから、以下の式によってVCK_Nを求めることができる。 In equation (8), if n is sufficiently smaller than m, the initial value condition is VCK_N = 0 at t = T1, so VCK_N can be obtained by the following equation.
VCK_N=(n/m)・Vds・μn・Ln−2・(VDD−Vnth)・(t―T1) ・・・式(9) VCK_N = (n / m) .Vds..mu.n.Ln- 2. (VDD-Vnth). (T-T1) (9)
VCK_N=Vnthとなる時刻をT1+T2とすると、 When the time when VCK_N = Vnth is T1 + T2,
T2=(m・Ln2・Vnth)/{(n・Vds・μn)・(VDD−Vnth)} ・・・式(10) T2 = (m · Ln 2 · Vnth) / {(n · Vds · μn) · (VDD−Vnth)} (10)
また、式(4)と式(10)から、次式が得られる Further, the following equation is obtained from the equations (4) and (10).
T2=(m/n)・(Ln・Vnth/Is) ・・・式(11) T2 = (m / n) · (Ln · Vnth / Is) (11)
式(11)により、NMOSトランジスタ401d、および403a、403b、202のLnを十分に大きく、かつプロセスばらつきを十分に小さくすることにより、NMOSトランジスタ202のゲート電圧がVnth以上となる時刻T2がVnth/Isの一次関数になることが分かる。ここで、(4)式より、IsはVnthの増加に対して単調減少し、Vnthの減少に対して単調増加するため、Vnth/IsはVnthの増加に対して単調増加し、Vnthの減少に対して単調減少する。
By the expression (11), the time T2 when the gate voltage of the
すなわち、T2は、Vnthの増加に対して単調増加し、Vnthの減少に対して単調減少する。このため、NMOSトランジスタ403bとPMOSトランジスタ402bで構成されるプルアップ接続回路bは、入力された立ち下がりエッジに対し、Vnthの増加に対して単調増加し、Vnthの減少に対して単調減少する遅延量T2が付加された立ち上がりエッジを後段のプルアップ接続回路に出力する。そして、遅延クロックCK_Nには、クロック信号φ8の立ち上がりエッジに対し、Vnthの増加に対して単調増加し、Vnthの減少に対して単調減少する遅延量(T1+T2)が付加された立ち上がりエッジが現れることになり、t=T1+T2において、NMOSトランジスタ202はオン状態となる。
That is, T2 monotonously increases with increasing Vnth and monotonically decreases with decreasing Vnth. For this reason, the pull-up connection circuit b composed of the
図5(a),(b)は、図3に示したスイッチ駆動回路によりコントロールクロックを生成した例を説明するための図で、PMOSトランジスタが、図4に示したVpthよりも低いVpth’を有する場合のゲート電圧の変化を説明するための図である。図4と同様に、図5(a)はプルアップ接続回路b、図5(b)はNMOSトランジスタ202についてのゲート電圧変化を示している。
図5(b)に示したように、スイッチ駆動回路の遅延量T2は、NMOSトランジスタがオンするタイミングによってのみ決定する。このため式(10)に示したように、遅延量T2はVpthの低下に依存せず一定の値となる。
FIGS. 5A and 5B are diagrams for explaining an example in which the control clock is generated by the switch driving circuit shown in FIG. 3, and the PMOS transistor has a Vpth ′ lower than the Vpth shown in FIG. It is a figure for demonstrating the change of the gate voltage in having. As in FIG. 4, FIG. 5A shows the pull-up connection circuit b, and FIG. 5B shows the gate voltage change for the
As shown in FIG. 5B, the delay amount T2 of the switch drive circuit is determined only by the timing at which the NMOS transistor is turned on. For this reason, as shown in the equation (10), the delay amount T2 becomes a constant value without depending on the decrease in Vpth.
図6(a),(b)は、図3に示したスイッチ駆動回路によりコントロールクロックを生成した例を説明するための図で、NMOSトランジスタが、図4に示したVnthよりも低いVnth’を有する場合のゲート電圧の変化を説明するための図である。図4と同様に、図6(a)はプルアップ接続回路b、図6(b)はNMOSトランジスタ202についてのゲート電圧変化を示している。
図6(b)、式(11)に示したように、スイッチ駆動回路の遅延量T2’は、Vnthの増大によって増大している(T2’>T2となっている)。図4のタイミングチャートにおいて、そのVnthが大きい場合のタイミングチャートである。(11)式より、図6に示す通り、Vnthの増大により、T2が増大し、T2’(T2’>T2)となっている。
FIGS. 6A and 6B are diagrams for explaining an example in which the control clock is generated by the switch driving circuit shown in FIG. 3, in which the NMOS transistor has Vnth ′ lower than Vnth shown in FIG. It is a figure for demonstrating the change of the gate voltage in having. Similar to FIG. 4, FIG. 6A shows the pull-up connection circuit b, and FIG. 6B shows the gate voltage change for the
As shown in FIG. 6B and Expression (11), the delay amount T2 ′ of the switch drive circuit increases with the increase of Vnth (T2 ′> T2). In the timing chart of FIG. 4, it is a timing chart when the Vnth is large. From equation (11), as shown in FIG. 6, T2 increases as Vnth increases to T2 ′ (T2 ′> T2).
以上のように、スイッチ駆動回路403において、遅延クロック信号CK_Nの立ち上がりエッジは入力クロック信号φ8の立ち上がりエッジに対してT1+T2だけ遅延し、かつ、その遅延量はNMOSトランジスタのしきい値と電流量のみに依存するため、プロセス変動に対してより安定した遅延量を確保することが可能となる。
なお、本実施例1では、NMOSトランジスタとPMOSトランジスタで構成されるプルアップ接続回路を2段備える例について説明したが、このような構成に限定されるものでなく、任意の数のプルアップ接続回路を備えるように構成できる。
As described above, in the
In the first embodiment, an example in which two stages of pull-up connection circuits each including an NMOS transistor and a PMOS transistor are provided has been described. However, the present invention is not limited to such a configuration, and an arbitrary number of pull-up connection circuits are provided. A circuit can be provided.
また、スイッチ駆動回路402はスイッチ駆動回路403において、PMOSトランジスタをNMOSトランジスタに、NMOSトランジスタをPMOSトランジスタに置き換え、VDDをVSS=0Vに、VSS=0VをVDDに置き換え、MOSトランジスタサイズを適切に変更した構成であり、PMOSトランジスタのしきい値と電流量のみに依存するスイッチ駆動回路である。その動作原理についてはスイッチ駆動回路403と同様であるため、説明は省略することとする。
In addition, the switch drive circuit 402 in the
以上のように、帰還スイッチ部104を構成するNMOSトランジスタ202のオンタイミングは、NMOSトランジスタのしきい値と電流量のみに依存し、帰還スイッチ部104を構成するPMOSトランジスタ201のオンタイミングはPMOSトランジスタのしきい値と電流量のみに依存するため、プロセス変動に対してより安定した遅延関係を確保することが可能となる。そのため、帰還スイッチ部104が完全にオン状態になるまでの過渡状態における、合成オン抵抗Rsw4がプロセス変動に依存して変化することを抑制できるため、アナログ出力信号VAoutの信号歪みがプロセス変動によって変動することを抑制することができる。
As described above, the on-timing of the
以上、説明したように、本実施例1は、サンプルホールド回路100に入力されるクロック生成回路を調整するだけでアナログ出力信号VAoutの信号歪みがプロセス変動によって変動することを抑制することができる。このため、既存のデジタル−アナログ変換器において特性に敏感な信号経路にスイッチ等の素子や新たな信号経路を追加する必要がない。
As described above, the first embodiment can suppress the signal distortion of the analog output signal VAout from fluctuating due to the process variation only by adjusting the clock generation circuit input to the
図7は、本発明に係るデジタル−アナログ変換器の実施例2を説明するための回路構成図である。本実施例2のデジタル−アナログ変換器では、図1に示した演算増幅器106に代えて差動演算増幅器606が用いられている。差動演算増幅器606には、反転入力端子606a及び非反転入力端子606bと、反転出力端子606cA及び非反転出力端子606cBとが設けられている。なお、図7に示した構成のうち、図1に示した構成と同様の構成については同様の符号を付し、その説明を一部略すものとする。
FIG. 7 is a circuit configuration diagram for explaining a digital-analog converter according to a second embodiment of the present invention. In the digital-analog converter of the second embodiment, a differential
本実施例2のデジタル−アナログ変換器は、差動演算増幅器606に、図1に示したサンプルホールド回路100から演算増幅器106を除いた回路600A、600Bを接続した構成を有している。
すなわち、回路600Aは、スイッチ部101Aと、帰還スイッチ部104Aと、サンプリング容量素子部105Aと、サミングノードスイッチ103Aと、スイッチ102Aと、積分容量素子107Aとを含んでいる。回路600Bは、スイッチ部101Bと、帰還スイッチ部104Bと、サンプリング容量素子部105Bと、サミングノードスイッチ103Bと、スイッチ102Bと、積分容量素子107Bとを含んでいる。回路600Aに含まれる構成に付した「A」の添え字と、回路600Bに含まれる構成に付した「B」の添え字は、回路600Aと回路600Bとを区別するためにのみ付したものであり、添え字「A」と添え字「B」以外の符号が同じ構成は、同様のものである。
The digital-analog converter according to the second embodiment has a configuration in which
That is, the
本実施例2のデジタルアナログ変換器では、サンプリング容量素子部105A及び105Bのサンプリング容量素子105_1〜105_Nに、デジタル入力信号を構成するビット信号に応じて充電電圧が入力される。また、差動演算増幅器606の非反転出力端子606bからも非反転アナログ出力信号VAout+が出力される。そして、差動演算増幅器606の非反転入力端子606bにも、反転入力端子606aと同一のビット信号に応じた充電電圧が入力される。差動演算増幅器606の反転出力端子606cAからは、反転アナログ出力信号VAout−が出力される。
In the digital-analog converter according to the second embodiment, a charging voltage is input to the sampling capacitor elements 105_1 to 105_N of the
本実施例2は、先に説明した実施例1によって得られる効果を得ることができる。その上、このように、完全差動型のデジタル−アナログ変換器を構成することにより、同相ノイズを除去することができ、より高精度にデジタル−アナログ変換を行うことができる。 In the second embodiment, the effects obtained by the first embodiment described above can be obtained. In addition, by configuring a fully differential digital-analog converter in this way, in-phase noise can be removed and digital-analog conversion can be performed with higher accuracy.
本発明は、アナログ信号出力の変化タイミングがMOSトランジスタのオンタイミングによって決定されるデジタル−アナログ変換器に好適である。例えば、スイッチトキャパシタフィルタ型のデジタル−アナログ変換器や、電流出力型のデジタル−アナログ変換器などにおいては、アナログ信号の出力タイミングがMOSトランジスタのオンタイミングによって決定され、そのタイミングが特性に影響を及ぼすため、プロセス変動に対して所定のオンタイミングを確保する必要がある。 The present invention is suitable for a digital-analog converter in which the change timing of the analog signal output is determined by the ON timing of the MOS transistor. For example, in a switched capacitor filter type digital-analog converter and a current output type digital-analog converter, the output timing of an analog signal is determined by the ON timing of a MOS transistor, and the timing affects the characteristics. Therefore, it is necessary to ensure a predetermined on timing with respect to process variations.
100 サンプルホールド回路
101、101A、101B スイッチ部
101_1〜101_N スイッチ
102、102A、102B スイッチ
103、103A、103B サミングノードスイッチ
104、104A、104B 帰還スイッチ部
104_1〜104_N 帰還スイッチ
105、105A、105B サンプリング容量素子部
105_1〜105_N サンプリング容量素子
106 演算増幅器
106a、606a 反転入力端子
106b、606b 非反転入力端子
106c 出力端子
107、107A、107B 積分容量素子
108 入力端子部
108_1〜108_N 入力端子
110 クロック信号生成部
606cA 反転出力端子
606cB 非反転出力端子
201 PMOSトランジスタ
202 NMOSトランジスタ
203 端子
300、400 クロック出力回路
301 NOTゲート
302、303、403 スイッチ駆動回路
401a 演算増幅器
401d、403a、403b NMOSトランジスタ
401b、401c、402a、402b PMOSトランジスタ
606 差動演算増幅器
100
Claims (5)
前記スイッチを構成する第1のMOSトランジスタのゲート端子を駆動するスイッチ駆動回路を備え、
該スイッチ駆動回路は、
制御電圧が入力されるゲート端子と、当該ゲート端子に入力された制御電圧に応じた基準電流を発生する第2のMOSトランジスタと、
前記第2のMOSトランジスタのドレイン端子にかかる電圧を基準電圧として保持する電圧保持回路と、
前記第2のMOSトランジスタに対して前記基準電流と同じ値の電流を供給する第1の電流源と、
該第1の電流源に流れる電流に比例する比例電流を各々が発生する複数の第2の電流源として機能する複数の第3のMOSトランジスタと、
前記第2のMOSトランジスタと同じ導電型を有し、前記第3のMOSトランジスタの各々とオープンドレイン接続されて前記比例電流の供給を受ける複数の第4のMOSトランジスタとを備え、
該第4のMOSトランジスタは、
前段の前記第4のMOSトランジスタのソース端子と接続されるゲート端子と、後段の前記第4のMOSトランジスタのゲート端子と接続されるソース端子とを備えて多段に接続され、
最前の前記第4のMOSトランジスタのゲート端子にはクロック信号が入力され、k番目(kは2以上の偶数)の前記第4のMOSトランジスタのドレイン端子から前記クロック信号よりも所定時間遅延する遅延信号が前記第1のMOSトランジスタのゲート端子に出力されることを特徴とするデジタル−アナログ変換器。 In a digital-to-analog converter in which the change timing of the analog signal output is determined by the ON timing of the switch
A switch driving circuit for driving the gate terminal of the first MOS transistor constituting the switch;
The switch driving circuit includes:
A gate terminal to which a control voltage is input; a second MOS transistor that generates a reference current according to the control voltage input to the gate terminal;
A voltage holding circuit for holding a voltage applied to a drain terminal of the second MOS transistor as a reference voltage;
A first current source for supplying a current having the same value as the reference current to the second MOS transistor;
A plurality of third MOS transistors functioning as a plurality of second current sources each generating a proportional current proportional to a current flowing through the first current source;
A plurality of fourth MOS transistors having the same conductivity type as the second MOS transistors, each of the third MOS transistors being connected to each other by an open drain and receiving the proportional current;
The fourth MOS transistor is
A gate terminal connected to the source terminal of the fourth MOS transistor in the previous stage and a source terminal connected to the gate terminal of the fourth MOS transistor in the subsequent stage are connected in multiple stages,
A clock signal is input to the gate terminal of the foremost fourth MOS transistor, and a delay that is delayed for a predetermined time from the clock signal from the drain terminal of the fourth MOS transistor of the kth (k is an even number of 2 or more). A digital-analog converter characterized in that a signal is output to the gate terminal of the first MOS transistor.
ドレイン端子が、前記第2のMOSトランジスタのドレイン端子に接続され、ソース端子が前記第1の電流源に接続される第5のMOSトランジスタと、
一方の入力端子に基準電圧が供給され、他方の入力端子が前記第5のMOSトランジスタのドレイン端子に接続され、出力端子が前記第5のMOSトランジスタのゲート端子に接続される増幅器と
を備えたことを特徴とする請求項1に記載のデジタル−アナログ変換器。 The voltage holding circuit is
A fifth MOS transistor having a drain terminal connected to the drain terminal of the second MOS transistor and a source terminal connected to the first current source;
An amplifier in which a reference voltage is supplied to one input terminal, the other input terminal is connected to a drain terminal of the fifth MOS transistor, and an output terminal is connected to the gate terminal of the fifth MOS transistor. The digital-analog converter according to claim 1.
前記第6のMOSトランジスタのゲート幅をW1とした場合、前記第3のMOSトランジスタは各々W1/mのゲート幅を有して前記基準電流の1/m倍の電流値の電流を生成し(mは2以上の整の定数)、前記第1のMOSトランジスタのゲート幅をW3とした場合、前記第4のMOSトランジスタは各々W1/nのゲート幅を有し(nは1以上の整の定数)、mとnとの間には、m>nの関係があることを特徴とする請求項1又は2に記載のデジタル−アナログ変換器。 The first current source includes a sixth MOS transistor having the same conductivity type as the third MOS transistor;
When the gate width of the sixth MOS transistor is W1, each of the third MOS transistors has a gate width of W1 / m and generates a current having a current value 1 / m times the reference current. m is an integer constant greater than or equal to 2, and when the gate width of the first MOS transistor is W3, each of the fourth MOS transistors has a gate width of W1 / n (n is an integer greater than or equal to 1). 3. The digital-analog converter according to claim 1, wherein there is a relationship of m> n between m and n.
該サンプリング容量素子部によってサンプリングされた信号が入力される入力端子を有する演算増幅器と、
前記サンプリング容量素子部と前記演算増幅器の前記入力端子とを接離するサミングノードスイッチと、
第1の極性、該第1の極性と相補的な第2の極性を有するMOSトランジスタとを備え、前記サンプリング容量素子部と前記入力端子との間と、前記演算増幅器の出力端子とを接続するフィードバック経路上に設けられる帰還スイッチ部と、
該帰還スイッチ部に第1クロック信号と第2クロック信号とを供給するクロック信号生成部とを備え、
該クロック信号生成部は、前記第1クロック信号と第2クロック信号を生成し、前記帰還スイッチ部のMOSトランジスタの少なくとも1つを駆動する請求項1乃至3のいずれかに記載のスイッチ駆動回路とを備えたことを特徴とするデジタル−アナログ変換器。 A sampling capacitor element for sampling a signal input from the input terminal;
An operational amplifier having an input terminal to which a signal sampled by the sampling capacitor element unit is input;
A summing node switch for connecting and separating the sampling capacitor element unit and the input terminal of the operational amplifier;
A MOS transistor having a first polarity and a second polarity complementary to the first polarity, and connecting between the sampling capacitor element section and the input terminal and an output terminal of the operational amplifier A feedback switch provided on the feedback path;
A clock signal generator for supplying a first clock signal and a second clock signal to the feedback switch;
4. The switch drive circuit according to claim 1, wherein the clock signal generation unit generates the first clock signal and the second clock signal, and drives at least one of the MOS transistors of the feedback switch unit. 5. A digital-analog converter characterized by comprising:
前記サンプリング容量素子部は、前記第1の入力端子と接続する第1のサンプリング容量素子部と前記第2の入力端子と接続する第2のサンプリング容量素子部とを備え、
前記サミングノードスイッチは、前記第1のサンプリング容量素子部と差動増幅型の前記演算増幅器の前記第1の入力端子とを接離する第1サミングノードスイッチと、前記第2のサンプリング容量素子部と差動増幅型の前記演算増幅器の前記第2の入力端子とを接離する第2のサミングノードスイッチとを備え、
前記帰還スイッチ部は、前記第1のサンプリング容量素子部と前記第1の入力端子との間と、前記第1の出力端子とを接続するフィードバック経路上に設けられる第1の帰還スイッチ部と、前記第2のサンプリング容量素子部と前記第2の入力端子との間と、前記第2の出力端子とを接続するフィードバック経路上に設けられる第2の帰還スイッチ部とを備えたことを特徴とする請求項4に記載のデジタル−アナログ変換器。 The operational amplifier is a differential amplification type operational amplifier having a first input terminal and a second input terminal, a first output terminal and a second output terminal,
The sampling capacitor element unit includes a first sampling capacitor element unit connected to the first input terminal and a second sampling capacitor element unit connected to the second input terminal,
The summing node switch includes a first summing node switch that connects and separates the first sampling capacitor element unit and the first input terminal of the differential amplification type operational amplifier, and the second sampling capacitor element unit. And a second summing node switch for connecting and separating the second input terminal of the differential amplification type operational amplifier,
The feedback switch unit includes a first feedback switch unit provided on a feedback path connecting the first sampling capacitor element unit and the first input terminal and the first output terminal; And a second feedback switch section provided on a feedback path connecting the second sampling capacitor element section and the second input terminal and the second output terminal. The digital-analog converter according to claim 4.
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