JP2669213B2 - 直並列型アナログ/デジタル変換器 - Google Patents
直並列型アナログ/デジタル変換器Info
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Description
タル変換器に関する。
電子情報通信学会技術研究報告Vol.89,No.2
05,p.25,ICD89−115に記載されたもの
が一般的に知られている。
/D変換器の構成図である。図5に示すように、従来の
直並列型A/D変換器は入力端子AINに接続されたバ
ッファ・アンプ20と、入力信号をサンプル・ホールド
する第1のサンプル・ホールド(S/H)回路21と、
第1のS/H回路21の出力をA/D変換する第1の並
列型A/D変換部22と、第1のS/H回路21の出力
を入力しサンプル・ホールドする第2のS/H回路23
と、第1の並列型A/D変換部22の出力をアナログ信
号に変換するD/A変換部24と、第2のS/H回路2
3の出力からD/A変換部24の出力を減算する減算器
25と、この減算器25の出力をA/D変換する第2の
並列型A/D変換部26と、第1および第2の並列型A
/D変換部22,26の出力をエンコードするエンコー
ダ27,28と、これらエンコーダ27,28の出力を
加算しDOUT出力する加算器29とで構成されてい
る。この直並列型A/D変換器は8ビット分解能であ
る。まず、上位4ビットを第1のA/D変換部22でA
/D変換し、次にS/H回路23で保持された入力信号
から上位ビットをD/A変換した電圧を減算器25で差
し引く。この減算された残りの電圧を第2のA/D変換
部26でA/D変換して下位5ビットを求め、上位4ビ
ットと下位5ビットを加算して最終的な8ビットの変換
結果を得る。
は、上位ビットの変換誤差を補正するために、加算する
ときに上位と下位とを1ビットオーバーラップさせて加
算するためであり、最終的には4+5−1=8ビットの
変換となる。上述した第2のS/H回路23は、上位の
変換と下位の変換をパイプライン動作させるものであ
り、これによって見掛け上1クロック毎に変換が実行さ
れる。
器25の出力を増幅せずにそのままA/D変換して下位
ビットを求めている。そのため、下位のA/D変換部2
6に高分解能が要求されるので、下位のA/D変換部2
6の各コンパレータは2組備え、インタリーブ動作させ
ることにより、高分解能が要求される部分の動作時間を
2倍にしている。そのため、この直並列型A/D変換器
のサンプリング周波数をFsとすると、動作周期Ts
は、Ts=1/Fsである。従って、アナログ信号を扱
う各ブロックに要求される動作時間と精度は、直並列型
A/D変換器の入力フルスケールを基準として、S/H
回路21,23の動作時間がTs(但し、サンプル・モ
ードでTs/2,ホールドモードでTs/2の動作時間
である)で精度が8ビットであり、また第1のA/D変
換部22の動作時間はTsで精度が4ビット、第2のA
/D変換部26は動作時間が2Tsで精度が8ビットと
なる。 一方、D/A変換部24および減算器25は、
減算器25の出力が第2のA/D変換部26に入力され
ることから、動作時間はD/A変換と減算の両方でTs
/2となり、精度は8ビットとなる。この直並列型A/
D変換器の入力フルスケールを2Vとすると、8ビット
のA/D変換器では、1LSBが(1/28 )×2
〔V〕=7.8125〔mV〕となる。それ故、8ビッ
ト精度とは誤差が±1/2LSB以内、即ち約3.9m
V以内となることである。
sample/sec(Msps)の変換速度が報告さ
れており、CMOS構成の8ビット直並列型A/D変換
器としては最も速いものである。その場合、動作時間
は、Ts=20nsecになる。
技術の項で説明した直並列型A/D変換器を10ビット
に高分解能化することを考える。かかる10ビット分解
能にするためには、第1のA/D変換部22あるいは第
2のA/D変換部26の分解能を増加させる必要があ
る。これら第1のA/D変換部22と第2のA/D変換
部26の分解能の設定は、次の(1)〜(4)の設定が
考えられる。
変換器の入力フルスケールを2Vとすると、1LSB=
(1/210)×2〔V〕=1.95〔mV〕である。こ
れを従来の方法で高分解能化した場合、アナログ信号を
扱う各ブロックへの要求は、初段のS/H回路は(1)
〜(4)とも10ビット精度で動作時間はTs(Ts=
1/Fs,Fsはサンプリング周波数)であるが、その
他のブロックに対しては前述した(1)〜(4)で表1
のようになる。
2n (nは分解能)に比例して増加するので、4ビット
並列型A/D変換器のハード量を1とすると、第1のA
/D変換部22,第2のA/D変換部26および全体の
並列型A/D変換器のハード量は、(1)〜(4)で表
2のようになる。
ータを2組用意してインタリーブ動作をさせているの
で、ハード量は2倍になる。例えば、従来の8ビット直
並列型A/D変換器の場合は、第1のA/D変換部が
1、第2のA/D変換部が2×2、全体で1+2×2=
5となる。
直並列型A/D変換器を構成すると、D/A変換器24
および減算器25の精度と動作時間は、それぞれ10ビ
ット精度,Ts/2になり、最も厳しくなる。また、表
2から直並列型A/D変換器に含まれる並列型A/D変
換器のハード量は、最小でも4ビット並列型A/D変換
器を1とした場合、8となる。このため、従来は、D/
A変換部および減算器を誤差3.9mV以内、動作時間
10nsecで実現している。これをCMOS技術を用
い、10ビット分解能の直並列型A/D変換器を実現す
るためには、D/A変換部および減算器を共に誤差0.
98mV以内、動作時間10nsecで動作時間10n
secで動作させなければならず、きわめて実現が困難
である。
/D変換を実現するとともに、ハードウェア量を減少さ
せることのできるA/D変換器を提供することにある。
グ/デジタル変換器は、入力端子に接続された第1のサ
ンプル・ホールド回路と、前記第1のサンプル・ホール
ド回路の出力信号をデジタル値に変換する第1のアナロ
グ/デジタル変換部と、前記第1のアナログ/デジタル
変換部での変換結果を再びアナログ信号に変換するため
に並列接続された第1および第2のデジタル/アナログ
変換部と、前記第1のサンプル・ホールド回路の出力を
サンプル・ホールドするために並列接続された第2およ
び第3のサンプル・ホールド回路と、前記第2および第
3のサンプル・ホールド回路の出力からそれぞれ前記第
1および第2のデジタル/アナログ変換部の出力を減算
する第1および第2の減算器と、前記第1の減算器の出
力および前記第2の減算器の出力を交互にデジタル値に
変換する第2のアナログ/デジタル変換部と、前記第2
のアナログ/デジタル変換部での変換結果を再びアナロ
グ信号に変換するために並列に接続された第3および第
4のデジタル/アナログ変換部と、前記第1および第2
の減算器の出力をそれぞれサンプル・ホールドする第4
および第5のサンプル・ホールド回路と、前記第4およ
び第5のサンプル・ホールド回路の出力からそれぞれ前
記第3および第4のデジタル/アナログ変換部の出力を
減算する第3および第4の減算器と、前記第3の減算器
の出力および前記第4の減算器の出力を交互にデジタル
値に変換する第3のアナログ/デジタル変換部とを有す
して構成される。
て説明する。
/D変換器の構成図である。図1に示すように、本実施
例は入力端子AINに接続された第1のサンプル・ホー
ルド(SH)回路1と、この第1のSH回路1の出力信
号をデジタル値に変換する第1の並列型アナログ/デジ
タル(A/D)変換部2と、この第1の並列型A/D変
換部2での変換結果を再びアナログ信号に変換するため
に並列に接続された第1および第2のデジタル/アナロ
グ(D/A)変換部3,4と、第1のSH回路1の出力
をサンプル・ホールドするための並列に接続された第2
および第3のSH回路5,7と、これら第2および第3
のSH回路5,7の出力からそれぞれ第1および第2の
D/A変換部3,4の出力をそれぞれ減算する第1およ
び第2の減算器6,8とを有する。しかも、本実施例は
第1の減算器6および第2の減算器8の出力を交互にデ
ジタル値に変換する第2の並列型A/D変換部9と、こ
の第2の並列型A/D変換部9での変換結果を再びアナ
ログ信号に変換するために並列に接続された第3および
第4のD/A変換部10,11と、第1および第2の減
算器6,8の出力をそれぞれサンプル・ホールドする第
4および第5のSH回路12,14と、これら第4およ
び第5のSH回路12,14の出力からそれぞれ第3お
よび第4のD/A変換部10,11の出力を減算する第
3および第4の減算器13,15と、第3の減算器13
および第4の減算器15の出力を交互にデジタル値に変
換する第3の並列型A/D変換部16とを備えている。
ング図である。図2に示すように、ここではSH回路
1,5,7,12,14と、D/A変換部3,4,1
0,11と、減算器6,8,13,15とについてのタ
イミングを表わしている。また期間はT0〜T6Aを表
わし、Sはサンプリング、Hはホールドである。
並列型A/D変換器の動作について説明する。まず、第
1のSH回路1は期間T0,T1,T2,T3,・・・
にアナログ入力信号Vin(t0),Vin(t1),
Vin(t2),Vin(t3),・・・をサンプリン
グする。このサンプリングされた信号Vin(t0),
Vin(t1),Vin(t2),Vin(t3),・
・・は、それぞれ期間T0A,T1A,T2A,T3
A,・・・の間だけ保持されている。また、第1の並列
型A/D変換部2はサンプリングされた入力信号Vin
(t0),Vin(t1),Vin(t2),Vin
(t3),・・・をそれぞれ期間T0A,T1A,T2
A,T3A,・・・の終わりのタイミングでA/D変換
する。この並列型A/D変換部2の出力D1(t0),
D1(t1),D1(t2),D1(t3),・・・
が、本実施例の直並列型A/D変換器の出力D(t
0),D(t1),D(t2),D(t3),・・・の
上位ビットになる。一方、第2のSH回路5は1サイク
ルおきに、すなわち期間T0A,T2A,・・・でSH
回路1の出力Vin(t0),Vin(t2)・・・を
サンプリングする。従って、期間T0Aでサンプリング
された信号Vin(t0)は期間T1,T1A,T2の
間保持される。更に、第1のD/A変換部3は並列型A
/D変換部2での1サイクルおきの変換結果D1(t
0),D1(t2),・・・を再びアナログ信号Va1
(t0),Va1(t2),・・・に変換する。これに
より、第1の減算器6はSH回路5で保持した信号から
D/A変換部3の出力を減算する。ここで、A/D変換
部2からデータが出力されるまで(1/2)・Ts(T
sはサンプリング周期)の時間を要するとすると、期間
T1A,T2でD1(t0)からVa1(t0)への変
換およびVin(t0)からVa1(t0)の減算が行
なわれる。次の期間T3A,T4ではD1(t2)から
Va1(t2)への変換およびVin(t2)からVa
1(t2)の減算が行なわれる。これらの減算結果、す
なわち減算器6の出力をVb1(t0),Vb1(t
2),・・・とする。同様に、第3のSH回路7,第2
のD/A変換部4および第2の減算器8は、SH回路
5,D/A変換部3および減算器6の同様の機能を有す
るが、位相が1/2ずれたタイミングで動作する。従っ
て、SH回路7は期間T1A,T3A,・・・でSH回
路1の出力Vin(t1),Vin(t3)・・・をサ
ンプリングする。以下、同様の働きで、期間T2A,T
3ではD1(t1)からVa2(t1)への変換および
Vin(t1)からVa2(t1)の減算が行なわれ
る。次の期間T4A,T5ではD1(t3)からVa2
(t3)への変換およびVin(t3)からVa2(t
3)の減算が行なわれる。これらの減算結果、すなわち
減算器8の出力をVb2(t1),Vb2(t3),・
・・とする。
間T2の間で減算器6の出力Vb1(t0)を、期間T
3の間で減算器8の出力Vb2(t1)を、というよう
に、減算器6および減算器8の出力を交互にA/D変換
する。従って、並列型A/D変換器9の変換結果D2
(t0),D2(t1),D2(t2),D2(t
3),・・・は、本実施例の直並列型A/D変換器の出
力D(t0),D(t1),D(t2),D(t3),
・・・の中位ビットになる。まず、第4のSH回路12
は、期間T1A,T2で減算器6の出力Vb1(t0)
をサンプリングする。サンプリングされた信号は期間T
2A,T3の間だけ保持される。また、第3のD/A変
換部10は、第1のD/A変換部3が第1の並列型A/
D変換部2での1サイクルおきの変換結果を再びアナロ
グ信号に変換したように、第2の並列型A/D変換部9
での1サイクルおきの変換結果D2(t0),D2(t
2),・・・を再びアナログ信号Va3(t0),Va
3(t2),・・・に変換する。更に、第3の減算器1
3はSH回路12で保持した信号Vb1からD/A変換
部10の出力を減算する。すなわち、期間T2A,T3
においては、D2(t0)からVa3(t0)への変換
およびVb1(t0)からVa3(t0)の減算が行な
われる。次の期間T4A,T5ではD2(t2)からV
a3(t2)への変換およびVb1(t2)からVa3
(t2)の減算が行なわれる。これらの減算結果、すな
わち減算器13の出力をVb3(t0),Vb3(t
2),・・・とする。一方、第5のSH回路14,第4
のD/A変換部11および第4の減算器15も、SH回
路12,D/A変換部10および減算器13と同様な機
能を有するが、位相が1/2ずれたタイミングで動作す
る。従って、SH回路14は期間T2A,T3では減算
器8の出力Vb2(t1)をサンプリングし、期間T3
A,T4の間保持する。同様に、期間T4A,T5では
Vb2(t3)をサンプリングし、期間T5A,T6の
間保持する。また、期間T3A,T4ではD2(t1)
からVa4(T1)への変換およびVb2(t1)から
Va4(t1)の減算がD/A変換部11と減算器15
によって行なわれる。次の期間T5A,T6ではD2
(t3)からVa4(t3)への変換およびVb2(t
3)からVa4(t3)の減算が行なわれる。これらの
減算結果、すなわち減算器15の出力をVb4(t
1),Vb4(t3),・・・とする。
間T3で減算器13の出力Vb3(t0)を、期間T4
で減算器15の出力Vb4(t1)を、というように、
減算器13および減算器15の出力を交互にA/D変換
する。すなわち、並列型A/D変換部16の変換結果D
3(t0),D3(t1),D3(t2),D3(t
3),・・・は、直並列型A/D変換器の出力D(t
0),D(t1),D(t2),D(t3),・・・の
下位ビットになる。
の直並列型A/D変換器は、3段パイプライン構成、
アナログ信号ラインの2重化とインタリーブ動作、
並列型A/D変換部は2重化したアナログ信号を交互に
サンプリングすることにある。かかる直並列型A/D変
換器と従来の直並列型A/D変換器を以下に比較説明す
る。特に、従来問題となったD/A変換および減算器の
要求精度と動作速度について比較する。まず、D/A変
換および減算器の精度は従来と同じ精度が必要である
が、動作速度は従来の1/2で充分である。従来は初段
のD/A変換および減算器がTs/2(Tsはサンプリ
ング周期)の時間で動作しなければならないのに対し
て、本実施例ではアナログ信号ラインを2重化しインタ
リーブ動作をさせているので、前述したように、例えば
D1(t0)のD/A変換およびVin(t0)からV
a1(t0)の減算には期間T1A,T2があてられ、
動作時間はTsとなるからである。同様に、2段目のD
/A変換および減算器でも、動作時間はTsとなる。例
えば、D2(t0)のD/A変換およびVb1(t0)
からVa3(t0)の減算には期間T2A,T3があて
られる。従って、本実施例では、従来に比べて高速なA
/D変換器を実現するのが容易になる。
られている並列型A/D変換部のハード量と本実施例の
直並列型A/D変換器で用いられている並列型A/D変
換部のハード量を比較するが、一例として10ビット分
解能のA/D変換器を構成する場合を考える。従来、1
0ビット分解能を実現する場合、4ビット並列型A/D
変換部のハード量を1とすると、前述したように、最低
でも8のハード量が必要である。ところが、本実施例で
は各段に4ビット並列型A/D変換部を用いることで1
0ビット分解能が実現できるので、3のハード量で実現
できる。この例からも明らかなように、本実施例では並
列型A/D変換部のハード量を大幅に削減できる。ま
た、直並列型A/D変換器全体のハード量を比較した場
合、従来の2段構成から3段構成にすることと、2重化
・インタリーブ構成にすることでD/A変換および減算
器が従来より3組余分に必要になるが、ハード量として
は、D/A変換および減算器1組で4ビット並列型A/
D変換部の1/2以下で構成できるので、その分を考慮
しても全体のハード量を削減できることになる。すなわ
ち、D/A変換及び減算器1組のハード量を0.5とす
ると(4ビット並列型A/D変換部を1とすると)、全
体のハード量は従来構成で8.5、本実施例では5.0
となり、全体的なハード量の削減が明らかである。
A/D変換器の構成図である。図3に示すように、本実
施例の直並列型A/D変換器は、前述した図1の直並列
型A/D変換器に加え、第1のSH回路1と第2のSH
回路5との間に第6のSH回路17を接続し且つ第1の
SH回路1と第3のSH回路7との間に第7のSH回路
18を接続したことにある。本実施例の動作原理は、前
述した図1の一実施例と原則的に同じであるが、第1の
SH回路1と第2,第3のSH回路5,7との間にそれ
ぞれ第6,第7のSH回路17,18を付加したことに
より、第1の並列型A/D変換部2の動作速度を1/2
に緩和している。なぜならば、図1に示した直並列型A
/D変換器では、A/D変換を行なうタイミングから出
力がでてD/A変換および減算器の動作に入るまで(1
/2)・Tsの時間を必要とするが、本実施例は、同じ
動作にTsの時間を当てることができるからである。
ング図である。図4に示すように、本実施例において、
第1のSH回路1の出力を第6のSH回路17と第7の
SH回路18とで交互にサンプリングし、インタリーブ
動作をしている出力が第1の並列型A/D変換部2に入
力されるので、並列型A/D変換部2での変換のタイミ
ングは、D/A変換および減算を開始するタイミングよ
りもTsだけ早いタイミングに設定することができる。
本実施例によれば、従来に比べ高速化に適した高分解能
のA/D変換器を実現することができる。
換器は、高分解能であり、高速な直並列型A/D変換を
容易に実現することができるという効果がある。また、
本発明はその中に含まれる並列型A/D変換部のハード
量を減少させられるので、全体のハード量を大幅に削減
できるという効果がある。
の構成図である。
る。
器の構成図である。
る。
図である。
ルド(SH)回路 2,9,16 並列型A/D変換部 3,4,10,11 D/A変換部 6,8,13,15 減算器
Claims (2)
- 【請求項1】 入力端子に接続された第1のサンプル・
ホールド回路と、前記第1のサンプル・ホールド回路の
出力信号をデジタル値に変換する第1のアナログ/デジ
タル変換部と、前記第1のアナログ/デジタル変換部で
の変換結果を再びアナログ信号に変換するために並列接
続された第1および第2のデジタル/アナログ変換部
と、前記第1のサンプル・ホールド回路の出力をサンプ
ル・ホールドするために並列接続された第2および第3
のサンプル・ホールド回路と、前記第2および第3のサ
ンプル・ホールド回路の出力からそれぞれ前記第1およ
び第2のデジタル/アナログ変換部の出力を減算する第
1および第2の減算器と、前記第1の減算器の出力およ
び前記第2の減算器の出力を交互にデジタル値に変換す
る第2のアナログ/デジタル変換部と、前記第2のアナ
ログ/デジタル変換部での変換結果を再びアナログ信号
に変換するために並列に接続された第3および第4のデ
ジタル/アナログ変換部と、前記第1および第2の減算
器の出力をそれぞれサンプル・ホールドする第4および
第5のサンプル・ホールド回路と、前記第4および第5
のサンプル・ホールド回路の出力からそれぞれ前記第3
および第4のデジタル/アナログ変換部の出力を減算す
る第3および第4の減算器と、前記第3の減算器の出力
および前記第4の減算器の出力を交互にデジタル値に変
換する第3のアナログ/デジタル変換部とを有すること
を特徴とする直並列型アナログ/デジタル変換器。 - 【請求項2】 前記第1のサンプル・ホールド回路およ
び前記第2のサンプル・ホールド回路間に第6のサンプ
ル・ホールド回路を接続し且つ前記第1のサンプル・ホ
ールド回路および前記第3のサンプル・ホールド回路間
に第7のサンプル・ホールド回路を接続することを特徴
とする請求項1記載の直並列型アナログ/デジタル変換
器。
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