JP2548187B2 - アナログ・デジタル変換器 - Google Patents

アナログ・デジタル変換器

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JP2548187B2
JP2548187B2 JP62098907A JP9890787A JP2548187B2 JP 2548187 B2 JP2548187 B2 JP 2548187B2 JP 62098907 A JP62098907 A JP 62098907A JP 9890787 A JP9890787 A JP 9890787A JP 2548187 B2 JP2548187 B2 JP 2548187B2
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、アナログ信号をデジタル信号に変換するア
ナログ・デジタル変換器に関するものである。
従来の技術 近年、アナログ・デジタル変換器はCMOSで構成され、
デジタル回路と同一ICチップ上に集積されることが多く
なりつつある。
以下図面を参照しながら、上述した従来のアナログ・
デジタル変換器の一例について説明する。第3図、第4
図(a)〜(f)は、従来のデジタル・アナログ変換器
の構成と動作を示すものである。第3図において、1は
反転増巾器、S0は、第0スイッチ、C3〜C5は第1のコン
デンサ群、C1〜C2は第2のコンデンサ群、S3〜S5は第1
のスイッチ群、S1〜S2は第2のスイッチ群、VRは第2の
基準電圧源、V1Nはアナログ信号を入力する入力信号端
子、R,2Rは分圧器、3は逐次比較ロジック回路であり、
入力アナログ信号をデジタル信号D0に変換し出力する。
以上のように構成されたアナログ・デジタル変換器に
ついて以下にその動作を説明する。
先ず、サンプルモードでは第0スイッチは閉じ、第1
のスイッチ群は入力信号端子V1Nを選択接続し、第2の
スイッチ群は第1の基準電圧源(グランド)に接続され
る。反転増巾器1は入力スレッショルド電圧をVTで平衡
する。コンデンサC4の容量を2、同じくC1〜C3,C5の容
量を1、入力信号電圧V1Nとすると、コンデンサC1〜C5
に蓄えられる総電荷量Q0は、 Q0=(C1+C2+C3+C4+C5)VT −(C3+C4+C5)V1N=6VT−4V1N ……(1) となる。
次に、逐次比較ロジック回路3は、デジタル信号D0
最上位ビットを決定する為に、第0スイッチS0を開き、
スイッチS4を第2の基準電圧源に接続し、スイッチS1
S3,S5をグランドに接続する。この時、反転増幅器1の
入力電圧VXは、総電荷不変なので、 Q0=(C1+C2+C3+C4+C5)VX−C4VR =6VX−2VR ……(2) を満す。故に、(1),(2)式より、 となり、入力電圧V1Nが第2の基準電圧VRの1/2より高け
れば、VX<VTとなり、反転増巾器1の出力はハイとな
る。逆に低くければ、出力はローとなり、このレベルは
逐次比較ロジック回路3にラッチされ、出力デジタル信
号D0の最上位ビットとなると同時に、以降のスイッチS4
の接続をハイであればそのまま、ローであればグランド
に固定する。
次に2ビット目を決定する為に、スイッチS3が第2の
基準電圧源VRに接続され、他のスイッチは、もとのまま
となる。今、 と仮定すれば、この時の反転増巾器1の入力電圧VXは、 Q=(C1+C2+C3+C4+C5)VX−C4VR =6VX−VR ……(4) を満すので、(1),(2)式より、 となり、 であれば、反転増巾器の出力はハイに逆であればローに
なり、逐次比較ロジック回路3はこのハイレベルをラッ
チして2ビット目出力すると同時にスイッチS3の接続を
S4と同様にして固定する。
3ビット目の決定は、スイッチS2を第2の基準電圧VR
の1/2に接続することによってなされる。この電圧はR,2
Rの抵抗網で構成される分圧器が発生する。今、 と仮定すれば、S3はグランドに接続されているので、 が成立し、反転増巾器1の入力電圧VXは、 となり、 ならば、反転増巾器の出力はハイに、逆ならローにな
り、3ビット目出力値が決定される。
最下位ビットも同様にして、S1を第2の基準電圧源VR
の1/4の電圧に接続することにより決定される。今、 であれば、 となり、 が成立し、 ならば、反転送幅器の出力はハイに、逆ならばローにな
り、最下位ビットが決定される。
発明が解決しようとする問題点 しかしながら上記のような構成では、nビットのアナ
ログ・デジタル変換器を構成するのに、n+1コのコン
デンサとスイッチの組を必要とし、回路規模が大きくな
ると云う問題点を有していた。
本発明は、上記問題点に鑑み、nコのコンデンサとス
イッチの組で構成されるnビットのアナログ・デジタル
変換器を提供するものである。
問題点を解決するための手段 上記問題点を解決するために本発明のアナログ・デジ
タル変換器は、反転増幅器と、その入出力端子間に接続
された第0スイッチと、各々の一端が前記反転増幅器の
入力端に接続され単位容量及びその2のべき乗倍の容量
を持つ2以上の複数のコンデンサからなる第1のコンデ
ンサ群と、同じく一端が前記反転増幅器の入力端に接続
され各々単位容量を持つ2以上の複数のコンデンサから
なる第2のコンデンサ群と、前記第1のコンデンサ群の
他端を第1の基準電圧源又は第2の基準電圧源又は入力
信号端子のいずれかに接続する第1のスイッチ群と、前
記第2のコンデンサ群の他端を各第1の基準電圧源又は
第2の基準電圧の2のべき乗分の1の電圧源のどちらか
に接続する第2のスイッチ群と、前記第2の基準電圧源
からその2のべき乗分の1の電圧を発生して前記第2の
スイッチ群に供給する分圧器と、前記反転増幅器の出力
を入力して前記第0スイッチと第1のスイッチ群と第2
のスイッチ群とを逐次開閉して入力信号をデジタル信号
に変換し出力する逐次比較ロジック回路とよりなり、前
記第2のスイッチ群の内の任意の1つは、第2の基準電
圧の2のべき乗分の1の電圧源又は第1の基準電圧源の
外に前記入力信号端子のいずれかを選択するように構成
したものである。
作用 本発明は上記した構成によって、第1のコンデンサ群
内の単位容量のコンデンサと第2のコンデンサ群内の1
つのコンデンサとを共用してコンデンサの数を減らし、
n個のコンデンサでnビットのアナログ・デジタル変換
器を実現している。
実施例 以下本発明の一実施例のアナログ・デジタル変換器に
ついて、図面を参照しながら説明する。
第1図は本発明の一実施例におけるアナログ・デジタ
ル変換器の構成を示すものである。第1図において、各
部の構成はほぼ第3図と同じなので、異なる部分のみ説
明する。第1のコンデンサ群はC3〜C4からなり、第2の
コンデンサ群はC1〜C2からなる。同様に第1のスイッチ
群はS3〜S4からなり、第2のスイッチ群はS1〜S2からな
る。コンデンサC1〜C4の容量は各々、1、1、1、2と
する。
以上のように構成されたアナログ・デジタル変換器に
ついて、以下第1図及び第2図(a)〜(e)を用いて
その動作を説明する。第2図(a)〜(e)は、第1図
に示すアナログ・デジタル変換器の動作を示すタイミン
グ図である。
まず、第0スイッチが閉じられ第1のスイッチ群が入
力信号端子Vinに接続され、第2のスイッチ群が第1の
基準電圧源(グランド)に接続され、サンプル・モード
となる。この時の反転増幅器の入力電圧はスレッショル
ド電圧VTとなり、C1〜C4に蓄えられる総電荷量Q0は、 Q0=(C1+C2+C3+C4)VT−(C2+C3+C4)Vin=5VT−4Vin
……(10) となる。
次に逐次比較ロジック回路は、出力デジタル信号D0
最上位ビットを決定するために、第0スイッチを開きス
イッチS4を第2の基準電圧源VRに接続し残りのスイッチ
S1〜S3をグランドに接続する。この時、反転増幅器1の
入力電圧Vxは、 Q0=(C1+C2+C3+C4)Vx−C4*VR =5Vx−2VR ……(11) を満たす。故に(10)、(11)式より、 Vx=(VR/2−Vin)*4/5+VT ……(12) となり、入力電圧Vinが第2の基準電圧VRの1/2より大き
いか小さいかにより反転増幅器の出力レベルはハイ又は
ローになり、それによって逐次比較ロジック回路は出力
信号D0の最上位ビットを決定する。今Vin<VR/2と仮定
すれば、スイッチS4はグランドに固定され、出力信号D0
の最上位ビットは0となる。
次に、第2ビット目を決定するためにスイッチS3が第
2の基準電圧源VRに接続され、外のスイッチはそのまま
となる。この時の反転増幅器の入力電圧Vxは、 Q0=(C1+C2+C3+C4)Vx−C3*VR =5Vx−VR ……(13) を満たすので Vx=(VR/4−Vin)*4/5+VT ……(14) となり、VinがVR/4より大きいか小さいかによって反転
増幅器の出力レベルが決定し、第2ビット目の値が定め
られる。今Vin<VR/4とすれば、第2ビット目は0とな
りスイッチS3はグランドに固定される。
同様にして第3ビット目の決定の際には、スイッチS2
が分圧器から供給される第2の基準電圧の2分の1の電
圧源に接続される。この時の反転増幅器の入力電圧Vxは Q0=(C1+C2+C3+C4)Vx−C2*VR/2 =5Vx−VR/2 ……(15) を満たし、 Vx=(VR/8−Vin)*4/5+VT ……(16) となる。今Vin<VR/8とすれば第3ビット目は0とな
り、スイッチS2はローに固定される。
最下位ビットは、スイッチS1を第2の基準電圧の4分
の1の電圧源VR/4に接続することにより決定される。こ
の時、 Q0=(C1+C2+C3+C4)Vx−C1*VR/4 =5Vx−VR/4 ……(17) が成立し、 Vx=(VR/16−Vin)*4/5+VT ……(18) となる。VinがVR/16より大きいか小さいかにより最下位
ビットが決定される。
以上のように本実施例によれば、第2のスイッチ群の
内の任意の1つを、第2の基準電圧源のべき乗分の1の
電圧源又は第1の基準電圧源の外に入力信号端子のいず
れかを選択するように構成することにより、コンデンサ
の数を減らすことを可能にしている。
尚、本実施例ではn=4ビットの場合を示したが、n
は一般に何ビットでも良い。
又、本発明のアナログ・デジタル変換器を、相補型金
属酸化物シリコン(CMOS)半導体プロセスで構成する
際、通常はコンデンサを形成するための電圧依存性がな
く大容量のとれる2層ポリシリコンを用いていたが、本
発明の構成により、単位面積当りの容量は小さいが製造
コストの安い2層アルミで構成する事が可能となる。2
層ポリシリコン・プロセスは、特殊プロセスであり製造
コストが上がる恐れがあるが、2層アルミ・プロセス
は、通常プロセスであるので、製造が容易になりコスト
も下げられる。電圧依存性がない事は同じである。
発明の効果 以上のように本発明は、反転増幅器と、その入出力端
子間に接続された第0スイッチと、各々の一端が前記反
転増幅器の入力端に接続され単位容量及びその2のべき
乗倍の容量を持つ2以上の複数のコンデンサからなる第
1のコンデンサ群と、同じく一端が前記反転増幅器の入
力端に接続され各単位容量を持つ2以上の複数のコンデ
ンサからなる第2のコンデンサ群と、前記第1のコンデ
ンサ群の他端を第1の基準電圧源又は第2の基準電圧源
又は入力信号端子のいずれかに接続する第1のスイッチ
群と、前記第2のコンデンサ群の他端を各第1の基準電
圧源又は第2の基準電圧の2のべき乗分の1の電圧源の
どちらかに接続する第2のスイッチ群と、前記第2の基
準電圧源からその2のべき乗分の1の電圧を発生して前
記第2のスイッチ群に供給する分圧器と、前記反転増幅
器の出力を入力して前記第0スイッチと第1のスイッチ
群と第2のスイッチ群とを逐次開閉して入力信号をデジ
タル信号に変換し出力する逐次比較ロジック回路とより
なり、前記第2のスイッチ群の内の任意の一つは、第2
の基準電圧2のべき乗分の1の電圧源又は第1の基準電
圧源の外に前記入力信号端子のいずれかを選択するよう
に構成したことにより、第1のコンデンサ群内の単位容
量のコンデンサと第2のコンデンサ群内の1つのコンデ
ンサを共用化することを可能にし、n個のコンデンサで
nビットのアナログ・デジタル変換器の実現を可能にし
ている。
又コンデンサの数を減らすことにより、反転増幅器の
入力電圧感度は(3)式及び(12)式に示すように、本
発明の方が高く、より分解能を上げることが出来る。さ
らに、2層アルミプロセスの使用を可能にし、製造コス
トを下げられる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の構成図、第2図は第1図の
動作を説明するタイミング図、第3図は従来のアナログ
・デジタル変換器の構成図、第4図は第3図の動作を説
明するタイミング図である。 1……反転増幅器、2……逐次比較ロジック回路、S0
…第0スイッチ、C3〜C5……第1のコンデンサ群、C1
C2……第2のコンデンサ群、S3〜S5……第1のスイッチ
群、S1〜S2……第2のスイッチ群、Vin……入力信号端
子、VR……第2の基準電圧源、G……グランド、R〜2R
……分圧器。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】反転増幅器と、その入出力端子間に接続さ
    れた第0スイッチと、各々の一端が前記反転増幅器の入
    力端に接続され単位容量及びその2のべき乗倍の容量を
    持つ2以上の複数のコンデンサからなる第1のコンデン
    サ群と、同じく一端が前記反転増幅器の入力端に接続さ
    れ各々単位容量を持つ2以上の複数のコンデンサからな
    る第2のコンデンサ群と、前記第1のコンデンサ群の他
    端を第1の基準電圧源叉は第2の基準電圧源叉は入力信
    号端子のいずれかに接続する第1のスイッチ群と、前記
    第2のコンデンサ群の他端を各々第1の基準電圧源叉は
    第2の基準電圧の2のべき乗分の1の電圧源のどちらか
    に接続する第2のスイッチ群と、前記第2の基準電圧源
    からその2のべき乗分の1の電圧を発生して前記第2の
    スイッチ群に供給する分圧器と、前記反転増幅器の出力
    を入力して前記第0スイッチと第1のスイッチ群と第2
    のスイッチ群を逐次開閉して入力信号をデジタル信号に
    変換し出力する逐次比較ロジック回路とよりなり、前記
    第2のスイッチ群の内の任意の一つは、第2の基準電圧
    の2のべき乗分の1の電圧源叉は第1の基準電圧源の他
    に前記入力信号端子の何れかを選択する様に構成したこ
    とを特徴とするアナログ・デジタル変換器。
  2. 【請求項2】第1及び第2のコンデンサ群は、CMOS半導
    体プロセスに於ける配線用の2層アルミで構成したこと
    を特徴とする特許請求の範囲第(1)項記載のアナログ
    ・デジタル変換器。
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