JP2690905B2 - 直並列形ａｄ変換器 - Google Patents
直並列形ａｄ変換器Info
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Description
【発明の詳細な説明】
［産業上の利用分野］
本発明はアナログ入力に対する上位ビットDA変換出力
のゲインを補正する回路を設けて下位ビットの変換エラ
ーを防止し高精度なAD変換を可能とした直並列形AD変換
器に関する。 ［従来の技術］ 特開昭57−68931号公報に記載されている従来の直並
列形AD変換器（以下,ADCと略す。）を第９図に示す。高
速なAD変換には並列形（フラッシュ形）や直並列形が一
般に用いられるが，高精度な変換を必要とする場合には
直並列形が有利となり，多く使われている。第９図に示
すように，従来の直並列形ADCはまずアナログ入力801を
比較回路群802とラッチ回路群803とバイナリーエンコー
ダ804とラッチ回路群805から構成される第１の並列形AD
CによりAD変換し上位ビット816を決めるとともに、ラッ
チ回路群803の各出力を入力として、各出力に接続され
る抵抗群806とその抵抗群806につながる抵抗807からな
るセグメント電流形DA変換器（以下、DACと略す。）808
により上位ビットをアナログ値に戻し、第１のADCとDAC
の変換に要する時間だけ遅延回路809により遅られたア
ナログ入力と上記DA変換出力との差を減算回路810でと
り増幅器811で増幅する。その結果は、比較回路群812、
ラッチ回路群813バイナリーエンコーダ814及びラッチ回
路群815構成される第２の並列形ADCによりAD変換され、
下位ビット817が決定される。上記DACはラッチ回路群80
3の各出力を抵抗群806により電流に変換し、各抵抗を接
続することで電流加算し、抵抗807により電圧出力とす
るものである。 ［発明が解決しようとする問題点］ 上記従来の直並列形ADCにおいて、変換エラーのない
高精度なAD変換を達成するポイントは上位ビットと下位
ビットのつなぎの部分である。すなわち、アナログ入力
のフルスケールとDACの出力のフルスケールを一致させ
ゲインを合わせ、アナログ入力の大小にかかわらずアナ
ログ入力とDAC変換出力との差成分は上位ADCの量子化誤
差分のみ、もしくはそれに一定のオフセットが加わった
値として得られ、この差成分が下位ADCでディジタル変
換できることが変換エラーのない並列AD変換器とするた
めに必須となる。アナログ入力のフルスケールは上位AD
Cの基準電圧範囲で限定されているため、DACのゲインを
変えてフルスケールに合わせることになる。従来の直並
列形ADCに採用されていた方法としては抵抗群806の値を
変えて各セグメントの電流を変化させるか、出力抵抗80
7の値を変えるかのいづれかであるが、ともに外部から
調整しなければならないという使い勝手上の問題点があ
った。特に、モノリシックIC化を考えた場合調整端子の
ためにパッケージのピン数が増加するという問題点とDA
C出力端子をとり出すときにパッケージの寄生容量の影
響で高速性が損なわれる欠点があった。 さらに、正しい下位ビットが得られるためには、上記
差成分を出力する減算回路及び増巾器（減算増幅器）の
フルスケールが下位ADCの基準電圧範囲と一致していな
ければならない。このためには、減算増幅器のゲインを
変えるか、下位ADCの基準電圧範囲を変えるかの方法が
あるが、いづれも外部から調整しなければならない。下
位ADCの基準電圧端子を設けると上位ADCと合わせ４つの
基準電圧端子が必要となり、モノリシックIC化を考慮し
たとき、端子数が多いという問題点が生じる。このよう
に、上位と下位のビット間のつなぎを高精度にAD変換す
るには上記のように２ヶ所以上の補正箇所を有し、IC化
を考えると補正用端子を２ヶ所以上設けなければなら
ず、使い勝手が非常に悪い。 本発明の目的は外部からの補正操作をなくして自動補
正化することで、高速性、高精度性を補償しながらフラ
ッシュ形と同様に使い勝手の良さを有し、かつ、モノリ
シックIC化して優位性を有するADCを提供することにあ
る。 ［問題点を解決するための手段］ 本願において開示される発明のうち、代表的なものの
一例は、 アナログ入力信号（101）をAD変換して上位ビット（1
09）を出力する第１の並列形AD変換器（103）と、 上記第１の並列形AD変換器（103）から出力される上
記上位ビット（109）をアナログ値に戻すDA変換器（10
4）と、 上記DA変換器（104）で戻された上記アナログ値と上
記アナログ入力信号（101）の差信号を得る減算増幅器
（106）と、 上記減算増幅器（106）の出力をAD変換して下位ビッ
ト（110）を出力する第２の並列形AD変換器（108）とか
らなる直並列形AD変換器であって、 上記第１の並列形AD変換器（103）のアナログ入力の
量子化ステップに従って上記DA変換器（104）のアナロ
グ出力の量子化ステップを設定する補正回路（105）を
具備したことを特徴とする（第１図参照）。 ［作用］ 上述の本願の代表的な実施形態によれば、下記の作用
によって直並列形ADCの上位ビットと下位ビットとのつ
なぎの問題を解決することができる。 （１）まず、第１の並列形AD変換器（103）ではアナロ
グ入力信号（101）は複数の参照基準電圧と複数の比較
器群によって比較され、直並列形AD変換器の上位ビット
（109）が出力される。この比較の際の隣接するふたつ
の参照基準電圧の差が、第１の並列形AD変換器（103）
のアナログ入力の量子化ステップとなる。 （２）上記（１）で出力された上位ビット（109）はDA
変換器（104）によってアナログ値に戻された後、この
アナログ値とアナログ入力信号（101）の差信号が減算
増幅器（106）で得られる。このDA変換器（104）に入力
される上位ビット（109）が１ビット変化することによ
るアナログ値の変化が、DA変換器（104）のアナログ出
力の量子化ステップとなる。 上記（１）の第１の並列形AD変換器（103）のアナロ
グ入力の量子化ステップと上記のDA変換器（104）のア
ナログ出力の量子化ステップとを等しくすることができ
れば、減算増幅器（106）から得られるアナログ差分は
第１の並列形AD変換器（103）の上位ビット（109）の略
量子化誤差（実際のアナログ入力信号（101）と上位ビ
ット（109）の入力換算アナログ値の差）のみとなり、
この量子化誤差である減算増幅器（106）の出力が第２
の並列形AD変換器（108）によりAD変換されることによ
り上位ビットの量子化誤差に対する下位ビット（110）
を出力することができ、高精度の直並列形AD変換器を提
供することができる。 （３）上記（２）で説明したように、第１の並列形AD変
換器（103）のアナログ入力の量子化ステップとDA変換
器（104）のアナログ出力の量子化ステップとを等しく
するために、本願の代表的な実施形態によれば、補正回
路（105）が第１の並列形AD変換器（103）とDA変換器
（104）に特に接続されている。 この補正回路（105）は、第１の並列形AD変換器（10
3）のアナログ入力の量子化ステップに従ってDA変換器
（104）のアナログ出力の量子化ステップを設定するも
のであるため、直並列形ADCの上位ビットと下位ビット
とのつなぎの問題を解決することができる。これによ
り、可変抵抗や外付抵抗による物理的変更を行なわずに
済む。また、モノリシックIC化を考えた場合、上記補正
回路は演算増幅器と周辺回路で構成でき、直並列ADCの
構成要素としてオンチップ化が容易であることからDAC
出力端子を出す必要がなくなり、使い勝手が良くなる。 ［実施例］ 以下、本発明の第１の実施例を第１図，第２図により
説明する。第１図の実施例はアナログ入力101を標本化
し保持するサンプルホールド102、そのサンプルホール
ド出力をADC上位ビット109を得る第１の並列形ADC103、
その上位ビット109をアナログ値に戻すDAC104、サンプ
ルホールド出力とDAC出力を減算し増幅する減算回路106
と増幅器107、その増幅器出力をADC下位ビット110を得
る第２の並列形ADC108,ADC103の基準電圧の量子化ステ
ップレベルを入力としてDACの量子化ステップレベルを
補正するゲイン補正回路105により構成されている直並
列形ADCを示したものである。このゲイン補正回路105と
その周辺回路を含めた回路の構成図を第２図に示す。第
１の並列形ADC103の基準電圧はラダー抵抗列203により
第１の基準電圧201と第２の基準電圧202を分圧して作ら
れ、第１の基準電圧201から１番目のラダー抵抗223での
電位降下をV1とする。DAC104はトランジスタ208,抵抗20
9とスイッチ210から成るセグメント電流スイッチを2n個
（分解能ｎビットの場合）並列に配置し、各スイッチの
一端を全て抵抗214に接続し、抵抗214の他端を電流219
に終端して構成されるセグメント電流形DACである。さ
て、ゲイン補正回路105はDAC104のセグメント電流源229
とカレントミラーをなすトランジスタ206と抵抗207で構
成される電流源226、トランジスタ206のコレクタに接続
されるトランジスタ215と抵抗217で構成される電流源22
7、その電流源とカレントミラーをなすトランジスタ216
と抵抗218で構成される電流源228、トランジスタ216の
コレクタと前記第１の基準電圧201に接続される抵抗20
5、トランジスタ216のコレクタを逆相入力とし、１番目
の基準電位端子230を正相入力とし、その出力がトラン
ジスタ206のベースとDAC104のセグメント電流源229のト
ランジスタ208のベースに接続される演算増幅器204によ
り構成される。DAC104の量子化ステップレベルはセグメ
ント電流源の電流Ｉと抵抗214のＲの積で決まる。トラ
ンジスタ215,216のベース電流を無視すると、上記の電
流源226,227,228,229は上記の構成により同一電流Ｉが
流れ、抵抗205にも同一電流Ｉが流れる。ここで、抵抗2
05は抵抗214と同一の抵抗Ｒを用い、演算増幅器204の入
力バイアス電流は理想的とし無視する。抵抗205での電
位降下V2はＩとＲの積となり、DAC104の量子化ステップ
レベルと一致する。ラダー抵抗で発生する電位V1は第１
のADC103の量子化ステップレベルであり、演算増幅器20
4によりV1とV2が一致するようにDAC104のセグメント電
流源229の電流Ｉを変化させ補正している。このように
本実施例によれば簡易な構成で第１のADC103とDAC104の
量子化ステップレベルを自動的に補正することができ、
演算回路106の出力はアナログ入力の大小にかかわらず
第１のADC103の量子化誤差分のみ（もしくはこれに一定
のオフセット加えた値）を正確に示す。したがって下位
ビットの変換エラーを防げる面、また、使い勝手の面で
メリットが大きい。また、IC化を考えた場合も外部から
の調整がなくなり、使い勝手の他、高速性を発揮できる
効果もある。 第１図の実施例のゲイン補正回路105の別の構成例を
第３図により説明する。第１図のセグメント電流源229
とカレントミラーをなす電流源226を並列に並べた複数
個（ｎ個）の電流源308で構成し、抵抗205での電位降下
をDAC104の量子化ステップレベルのｎ倍とする。同様
に、演算増幅器204の正相入力にはｎ番目の基準電位端
子307を用いる。このように、第１のADC103とDAC104の
量子化ステップレベルのｎ倍で比較することにより、１
量子化ステップレベルのバラツキによる誤差をに軽減でき第１の実施例の効果に加えて、より高精度に
量子化ステップレベル（ゲイン）を合わせられる点で効
果が大きい。 第４図は本発明のさらに別の実施例の全体構成を示す
ブロック図である。本実施例は、第１図に示した実施例
に対してさらに第２の並列形ADC108の基準電圧範囲を自
動的に設定する基準電圧発生回路120が追加されてい
る。他の部分の構成は第１図と全く同様である。すなわ
ちゲイン補正回路105はDAC104のアナログ出力の量子化
ステップレベルが第１の並列形ADC103のアナログ入力の
量子化ステップレベル一致するよう104のゲインを自動
的に調整する。アナログ入力とDAC104の出力の差分が入
力レベルに依存せず、一定のオフセットを有するように
なる。これにより入出力ゲインエラーを防ぐことができ
る。具体的には、第２図、もしくは第３図に示した回路
構成によりセグメント電流形DAC104の各セグメントの電
流源229の電流値がゲイン補正回路105により調査され
る。一方本実施例に特有の基準電圧発生回路120は第５
図に示す構成を取る。すなわち、上記のように電流が調
査されるDAC104のセグメント電流源229とカレントミラ
ーとなす定電流源403（トランジスタ401と抵抗402で構
成。）とそれに接続される抵抗404を有し、その抵抗の
他端は電源219に接続される。抵抗404はDAC104の出力負
荷抵抗214と同一抵抗とする。抵抗404の両端に得られる
２つの電位をアンプ405,406で減算アンプ（第４図の10
7）と同ゲインで増幅し、基準電圧高電位側407と低電位
側408を作る。抵抗404の両端に発生する電位降下はDAC
のセグメント電流源とその負荷抵抗の積となるのでDAC
のアナログ出力の量子化ステップレベルと一致する。さ
て、減算アンプ出力のフルスケールはアナログ入力とDA
C出力の差がDACの量子化ステップレベルに一致したとき
であるから、前記の抵抗104の両端の電位降下と一致す
る。したがって、下位ADCは変換エラー（オーバフロー
など）やゲイン不足を生じることなく行なうことができ
る。このように、下位変換エラーなどを防げるととも
に、基準電圧を外部から設定せずに済むため、IC化にお
いて特に優位性を発揮する。 次に、第４図の実施例における基準電圧発生回路120
別の例を第６図に示す。第５図と同様に、ゼクメント電
流形DAC224のセグメント電流源とカレントミラーをなす
定電流源403とDAC104の出力負荷抵抗214と同一の抵抗40
4による積でDACの量子化ステップレベルと同一のレベル
を発生する。そのレベルを一方の入力として、電流電圧
219をもう一方の入力として、減算アンプ501に入力し、
相補的な減算アンプ出力407,408を出力する。減算アン
プの構成図を第７図に、ブロック図を第８図を示す。第
７図は２入力601,602をベース入力するトランジスタ60
5,606の各エミッタに定電流源608と609をそれぞれ接続
し、そのトランジスタ605,606の各コレクタには負荷抵
抗610,611を接続した構成とする。端子601,602に入力さ
れる信号をVi1,Vi2、トランジスタ605,606のベースエミ
ッタ間電圧をVBE1,VBE2、定電流源608,609の電流値を
Ｉ、抵抗607をＲ、そこに流れる電流をi1,i2減算，アン
プ出力603,604をV01,V01とすると、 ｉ＝｛（Vi1−VBE1）−（Vi2−VBE2）｝/R …（１） i1＝Ｉ＋ｉ …（２） i2＝Ｉ−ｉ …（３） V01＝Rc・i1＝Rc・Ｉ＋Rc・ｉ …（４） V02＝Rc・i2＝Rc・Ｉ−Rc・ｉ …（５） の関係が得られる。 ここで、VBE1とVBE2を等しいと仮定すると、 V01＝RcI＋（Rc/R）・（Vi1−Vi2） …（５）′ V02＝RcI−（Rc/R）・（Vi1−Vi2） …（６）′ したがって、出力の２端子間の電位差は ΔＶ＝２・（Rc/R）・（Vi1−Vi2） …（７） となり、減算アンプ出力の２倍の振幅が得られる。 減算アンプ出力のフルスケールと一致させたいなら
ば、入力差（Vi1−Vi2）をDACの量子化ステップレベル
の1/2に設定すれば良い。このように、第７図の減算ア
ンプを用いることにより、１量子化ステップレベルの入
力に対して減算アンプのゲインの２倍の信号レベルを得
られるので、上位と下位で１ビットオーバーラップして
AD変換を行なう場合に基準電圧設定が容易となる。 ［発明の効果］ 本発明によれば、カレントミラーによる電流源と演算
増幅器等を用いることにより直並列形ADCの上位用ADCの
量子化ステップレベルとDACの量子化ステップレベルを
自動的に補正し、アナログ入力とDAC出力のゲインを一
致できるので、アナログ入力とDAC出力の減算アンプ結
果が入力レベルに依存せず一定のオフセットを有し、下
位ビットADCにおいて変換エラー（オーバーフローな
ど）を生じないという効果がある。 また、DACの量子化ステップレベルを基準として、下
位用ADCの基準電圧範囲を発生し、その範囲を減算アン
プで生じるフルスケール出力からのｎ倍の電圧に設定す
ることにより、下位AD変換でゲインエラーを生じること
なく、容易に微分直線性として±1/2LSB以内を達成する
ことが出来る。これにより、直並列形ADCの問題点であ
る上位ビットと下位ビットのAD変換のつなぎ部を正確に
AD変換できるので、効果は大きい。 上記したゲイン補正回路と基準電圧発生回路を有する
ことにより、抵抗などによるゲインの外部からの補正や
基準電源による基準電圧の外部からの設定を要さないた
め、使い勝手の面で大きな効果がある。また、特にIC化
を行った場合、従来方式では必要としたゲイン補正端子
や基準電圧端子を削除でき、ピン数の削減、高速性の向
上等においても効果は大きい。
のゲインを補正する回路を設けて下位ビットの変換エラ
ーを防止し高精度なAD変換を可能とした直並列形AD変換
器に関する。 ［従来の技術］ 特開昭57−68931号公報に記載されている従来の直並
列形AD変換器（以下,ADCと略す。）を第９図に示す。高
速なAD変換には並列形（フラッシュ形）や直並列形が一
般に用いられるが，高精度な変換を必要とする場合には
直並列形が有利となり，多く使われている。第９図に示
すように，従来の直並列形ADCはまずアナログ入力801を
比較回路群802とラッチ回路群803とバイナリーエンコー
ダ804とラッチ回路群805から構成される第１の並列形AD
CによりAD変換し上位ビット816を決めるとともに、ラッ
チ回路群803の各出力を入力として、各出力に接続され
る抵抗群806とその抵抗群806につながる抵抗807からな
るセグメント電流形DA変換器（以下、DACと略す。）808
により上位ビットをアナログ値に戻し、第１のADCとDAC
の変換に要する時間だけ遅延回路809により遅られたア
ナログ入力と上記DA変換出力との差を減算回路810でと
り増幅器811で増幅する。その結果は、比較回路群812、
ラッチ回路群813バイナリーエンコーダ814及びラッチ回
路群815構成される第２の並列形ADCによりAD変換され、
下位ビット817が決定される。上記DACはラッチ回路群80
3の各出力を抵抗群806により電流に変換し、各抵抗を接
続することで電流加算し、抵抗807により電圧出力とす
るものである。 ［発明が解決しようとする問題点］ 上記従来の直並列形ADCにおいて、変換エラーのない
高精度なAD変換を達成するポイントは上位ビットと下位
ビットのつなぎの部分である。すなわち、アナログ入力
のフルスケールとDACの出力のフルスケールを一致させ
ゲインを合わせ、アナログ入力の大小にかかわらずアナ
ログ入力とDAC変換出力との差成分は上位ADCの量子化誤
差分のみ、もしくはそれに一定のオフセットが加わった
値として得られ、この差成分が下位ADCでディジタル変
換できることが変換エラーのない並列AD変換器とするた
めに必須となる。アナログ入力のフルスケールは上位AD
Cの基準電圧範囲で限定されているため、DACのゲインを
変えてフルスケールに合わせることになる。従来の直並
列形ADCに採用されていた方法としては抵抗群806の値を
変えて各セグメントの電流を変化させるか、出力抵抗80
7の値を変えるかのいづれかであるが、ともに外部から
調整しなければならないという使い勝手上の問題点があ
った。特に、モノリシックIC化を考えた場合調整端子の
ためにパッケージのピン数が増加するという問題点とDA
C出力端子をとり出すときにパッケージの寄生容量の影
響で高速性が損なわれる欠点があった。 さらに、正しい下位ビットが得られるためには、上記
差成分を出力する減算回路及び増巾器（減算増幅器）の
フルスケールが下位ADCの基準電圧範囲と一致していな
ければならない。このためには、減算増幅器のゲインを
変えるか、下位ADCの基準電圧範囲を変えるかの方法が
あるが、いづれも外部から調整しなければならない。下
位ADCの基準電圧端子を設けると上位ADCと合わせ４つの
基準電圧端子が必要となり、モノリシックIC化を考慮し
たとき、端子数が多いという問題点が生じる。このよう
に、上位と下位のビット間のつなぎを高精度にAD変換す
るには上記のように２ヶ所以上の補正箇所を有し、IC化
を考えると補正用端子を２ヶ所以上設けなければなら
ず、使い勝手が非常に悪い。 本発明の目的は外部からの補正操作をなくして自動補
正化することで、高速性、高精度性を補償しながらフラ
ッシュ形と同様に使い勝手の良さを有し、かつ、モノリ
シックIC化して優位性を有するADCを提供することにあ
る。 ［問題点を解決するための手段］ 本願において開示される発明のうち、代表的なものの
一例は、 アナログ入力信号（101）をAD変換して上位ビット（1
09）を出力する第１の並列形AD変換器（103）と、 上記第１の並列形AD変換器（103）から出力される上
記上位ビット（109）をアナログ値に戻すDA変換器（10
4）と、 上記DA変換器（104）で戻された上記アナログ値と上
記アナログ入力信号（101）の差信号を得る減算増幅器
（106）と、 上記減算増幅器（106）の出力をAD変換して下位ビッ
ト（110）を出力する第２の並列形AD変換器（108）とか
らなる直並列形AD変換器であって、 上記第１の並列形AD変換器（103）のアナログ入力の
量子化ステップに従って上記DA変換器（104）のアナロ
グ出力の量子化ステップを設定する補正回路（105）を
具備したことを特徴とする（第１図参照）。 ［作用］ 上述の本願の代表的な実施形態によれば、下記の作用
によって直並列形ADCの上位ビットと下位ビットとのつ
なぎの問題を解決することができる。 （１）まず、第１の並列形AD変換器（103）ではアナロ
グ入力信号（101）は複数の参照基準電圧と複数の比較
器群によって比較され、直並列形AD変換器の上位ビット
（109）が出力される。この比較の際の隣接するふたつ
の参照基準電圧の差が、第１の並列形AD変換器（103）
のアナログ入力の量子化ステップとなる。 （２）上記（１）で出力された上位ビット（109）はDA
変換器（104）によってアナログ値に戻された後、この
アナログ値とアナログ入力信号（101）の差信号が減算
増幅器（106）で得られる。このDA変換器（104）に入力
される上位ビット（109）が１ビット変化することによ
るアナログ値の変化が、DA変換器（104）のアナログ出
力の量子化ステップとなる。 上記（１）の第１の並列形AD変換器（103）のアナロ
グ入力の量子化ステップと上記のDA変換器（104）のア
ナログ出力の量子化ステップとを等しくすることができ
れば、減算増幅器（106）から得られるアナログ差分は
第１の並列形AD変換器（103）の上位ビット（109）の略
量子化誤差（実際のアナログ入力信号（101）と上位ビ
ット（109）の入力換算アナログ値の差）のみとなり、
この量子化誤差である減算増幅器（106）の出力が第２
の並列形AD変換器（108）によりAD変換されることによ
り上位ビットの量子化誤差に対する下位ビット（110）
を出力することができ、高精度の直並列形AD変換器を提
供することができる。 （３）上記（２）で説明したように、第１の並列形AD変
換器（103）のアナログ入力の量子化ステップとDA変換
器（104）のアナログ出力の量子化ステップとを等しく
するために、本願の代表的な実施形態によれば、補正回
路（105）が第１の並列形AD変換器（103）とDA変換器
（104）に特に接続されている。 この補正回路（105）は、第１の並列形AD変換器（10
3）のアナログ入力の量子化ステップに従ってDA変換器
（104）のアナログ出力の量子化ステップを設定するも
のであるため、直並列形ADCの上位ビットと下位ビット
とのつなぎの問題を解決することができる。これによ
り、可変抵抗や外付抵抗による物理的変更を行なわずに
済む。また、モノリシックIC化を考えた場合、上記補正
回路は演算増幅器と周辺回路で構成でき、直並列ADCの
構成要素としてオンチップ化が容易であることからDAC
出力端子を出す必要がなくなり、使い勝手が良くなる。 ［実施例］ 以下、本発明の第１の実施例を第１図，第２図により
説明する。第１図の実施例はアナログ入力101を標本化
し保持するサンプルホールド102、そのサンプルホール
ド出力をADC上位ビット109を得る第１の並列形ADC103、
その上位ビット109をアナログ値に戻すDAC104、サンプ
ルホールド出力とDAC出力を減算し増幅する減算回路106
と増幅器107、その増幅器出力をADC下位ビット110を得
る第２の並列形ADC108,ADC103の基準電圧の量子化ステ
ップレベルを入力としてDACの量子化ステップレベルを
補正するゲイン補正回路105により構成されている直並
列形ADCを示したものである。このゲイン補正回路105と
その周辺回路を含めた回路の構成図を第２図に示す。第
１の並列形ADC103の基準電圧はラダー抵抗列203により
第１の基準電圧201と第２の基準電圧202を分圧して作ら
れ、第１の基準電圧201から１番目のラダー抵抗223での
電位降下をV1とする。DAC104はトランジスタ208,抵抗20
9とスイッチ210から成るセグメント電流スイッチを2n個
（分解能ｎビットの場合）並列に配置し、各スイッチの
一端を全て抵抗214に接続し、抵抗214の他端を電流219
に終端して構成されるセグメント電流形DACである。さ
て、ゲイン補正回路105はDAC104のセグメント電流源229
とカレントミラーをなすトランジスタ206と抵抗207で構
成される電流源226、トランジスタ206のコレクタに接続
されるトランジスタ215と抵抗217で構成される電流源22
7、その電流源とカレントミラーをなすトランジスタ216
と抵抗218で構成される電流源228、トランジスタ216の
コレクタと前記第１の基準電圧201に接続される抵抗20
5、トランジスタ216のコレクタを逆相入力とし、１番目
の基準電位端子230を正相入力とし、その出力がトラン
ジスタ206のベースとDAC104のセグメント電流源229のト
ランジスタ208のベースに接続される演算増幅器204によ
り構成される。DAC104の量子化ステップレベルはセグメ
ント電流源の電流Ｉと抵抗214のＲの積で決まる。トラ
ンジスタ215,216のベース電流を無視すると、上記の電
流源226,227,228,229は上記の構成により同一電流Ｉが
流れ、抵抗205にも同一電流Ｉが流れる。ここで、抵抗2
05は抵抗214と同一の抵抗Ｒを用い、演算増幅器204の入
力バイアス電流は理想的とし無視する。抵抗205での電
位降下V2はＩとＲの積となり、DAC104の量子化ステップ
レベルと一致する。ラダー抵抗で発生する電位V1は第１
のADC103の量子化ステップレベルであり、演算増幅器20
4によりV1とV2が一致するようにDAC104のセグメント電
流源229の電流Ｉを変化させ補正している。このように
本実施例によれば簡易な構成で第１のADC103とDAC104の
量子化ステップレベルを自動的に補正することができ、
演算回路106の出力はアナログ入力の大小にかかわらず
第１のADC103の量子化誤差分のみ（もしくはこれに一定
のオフセット加えた値）を正確に示す。したがって下位
ビットの変換エラーを防げる面、また、使い勝手の面で
メリットが大きい。また、IC化を考えた場合も外部から
の調整がなくなり、使い勝手の他、高速性を発揮できる
効果もある。 第１図の実施例のゲイン補正回路105の別の構成例を
第３図により説明する。第１図のセグメント電流源229
とカレントミラーをなす電流源226を並列に並べた複数
個（ｎ個）の電流源308で構成し、抵抗205での電位降下
をDAC104の量子化ステップレベルのｎ倍とする。同様
に、演算増幅器204の正相入力にはｎ番目の基準電位端
子307を用いる。このように、第１のADC103とDAC104の
量子化ステップレベルのｎ倍で比較することにより、１
量子化ステップレベルのバラツキによる誤差をに軽減でき第１の実施例の効果に加えて、より高精度に
量子化ステップレベル（ゲイン）を合わせられる点で効
果が大きい。 第４図は本発明のさらに別の実施例の全体構成を示す
ブロック図である。本実施例は、第１図に示した実施例
に対してさらに第２の並列形ADC108の基準電圧範囲を自
動的に設定する基準電圧発生回路120が追加されてい
る。他の部分の構成は第１図と全く同様である。すなわ
ちゲイン補正回路105はDAC104のアナログ出力の量子化
ステップレベルが第１の並列形ADC103のアナログ入力の
量子化ステップレベル一致するよう104のゲインを自動
的に調整する。アナログ入力とDAC104の出力の差分が入
力レベルに依存せず、一定のオフセットを有するように
なる。これにより入出力ゲインエラーを防ぐことができ
る。具体的には、第２図、もしくは第３図に示した回路
構成によりセグメント電流形DAC104の各セグメントの電
流源229の電流値がゲイン補正回路105により調査され
る。一方本実施例に特有の基準電圧発生回路120は第５
図に示す構成を取る。すなわち、上記のように電流が調
査されるDAC104のセグメント電流源229とカレントミラ
ーとなす定電流源403（トランジスタ401と抵抗402で構
成。）とそれに接続される抵抗404を有し、その抵抗の
他端は電源219に接続される。抵抗404はDAC104の出力負
荷抵抗214と同一抵抗とする。抵抗404の両端に得られる
２つの電位をアンプ405,406で減算アンプ（第４図の10
7）と同ゲインで増幅し、基準電圧高電位側407と低電位
側408を作る。抵抗404の両端に発生する電位降下はDAC
のセグメント電流源とその負荷抵抗の積となるのでDAC
のアナログ出力の量子化ステップレベルと一致する。さ
て、減算アンプ出力のフルスケールはアナログ入力とDA
C出力の差がDACの量子化ステップレベルに一致したとき
であるから、前記の抵抗104の両端の電位降下と一致す
る。したがって、下位ADCは変換エラー（オーバフロー
など）やゲイン不足を生じることなく行なうことができ
る。このように、下位変換エラーなどを防げるととも
に、基準電圧を外部から設定せずに済むため、IC化にお
いて特に優位性を発揮する。 次に、第４図の実施例における基準電圧発生回路120
別の例を第６図に示す。第５図と同様に、ゼクメント電
流形DAC224のセグメント電流源とカレントミラーをなす
定電流源403とDAC104の出力負荷抵抗214と同一の抵抗40
4による積でDACの量子化ステップレベルと同一のレベル
を発生する。そのレベルを一方の入力として、電流電圧
219をもう一方の入力として、減算アンプ501に入力し、
相補的な減算アンプ出力407,408を出力する。減算アン
プの構成図を第７図に、ブロック図を第８図を示す。第
７図は２入力601,602をベース入力するトランジスタ60
5,606の各エミッタに定電流源608と609をそれぞれ接続
し、そのトランジスタ605,606の各コレクタには負荷抵
抗610,611を接続した構成とする。端子601,602に入力さ
れる信号をVi1,Vi2、トランジスタ605,606のベースエミ
ッタ間電圧をVBE1,VBE2、定電流源608,609の電流値を
Ｉ、抵抗607をＲ、そこに流れる電流をi1,i2減算，アン
プ出力603,604をV01,V01とすると、 ｉ＝｛（Vi1−VBE1）−（Vi2−VBE2）｝/R …（１） i1＝Ｉ＋ｉ …（２） i2＝Ｉ−ｉ …（３） V01＝Rc・i1＝Rc・Ｉ＋Rc・ｉ …（４） V02＝Rc・i2＝Rc・Ｉ−Rc・ｉ …（５） の関係が得られる。 ここで、VBE1とVBE2を等しいと仮定すると、 V01＝RcI＋（Rc/R）・（Vi1−Vi2） …（５）′ V02＝RcI−（Rc/R）・（Vi1−Vi2） …（６）′ したがって、出力の２端子間の電位差は ΔＶ＝２・（Rc/R）・（Vi1−Vi2） …（７） となり、減算アンプ出力の２倍の振幅が得られる。 減算アンプ出力のフルスケールと一致させたいなら
ば、入力差（Vi1−Vi2）をDACの量子化ステップレベル
の1/2に設定すれば良い。このように、第７図の減算ア
ンプを用いることにより、１量子化ステップレベルの入
力に対して減算アンプのゲインの２倍の信号レベルを得
られるので、上位と下位で１ビットオーバーラップして
AD変換を行なう場合に基準電圧設定が容易となる。 ［発明の効果］ 本発明によれば、カレントミラーによる電流源と演算
増幅器等を用いることにより直並列形ADCの上位用ADCの
量子化ステップレベルとDACの量子化ステップレベルを
自動的に補正し、アナログ入力とDAC出力のゲインを一
致できるので、アナログ入力とDAC出力の減算アンプ結
果が入力レベルに依存せず一定のオフセットを有し、下
位ビットADCにおいて変換エラー（オーバーフローな
ど）を生じないという効果がある。 また、DACの量子化ステップレベルを基準として、下
位用ADCの基準電圧範囲を発生し、その範囲を減算アン
プで生じるフルスケール出力からのｎ倍の電圧に設定す
ることにより、下位AD変換でゲインエラーを生じること
なく、容易に微分直線性として±1/2LSB以内を達成する
ことが出来る。これにより、直並列形ADCの問題点であ
る上位ビットと下位ビットのAD変換のつなぎ部を正確に
AD変換できるので、効果は大きい。 上記したゲイン補正回路と基準電圧発生回路を有する
ことにより、抵抗などによるゲインの外部からの補正や
基準電源による基準電圧の外部からの設定を要さないた
め、使い勝手の面で大きな効果がある。また、特にIC化
を行った場合、従来方式では必要としたゲイン補正端子
や基準電圧端子を削除でき、ピン数の削減、高速性の向
上等においても効果は大きい。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の第１の実施例を示すAD変換器の構成
図、第２図は第１図のAD変換器の構成要素であるゲイン
補正回路の構成図、第３図は本発明の例を示すゲイン補
正回路の別の例を示す構成図、第４図は本発明の第２の
実施例を示すAD変換器の構成図、第５図は本発明の第５
の実施例における基準電圧発生回路の構成図、第６図は
基準電圧発生回路の別の例の構成図、第７図は第５図の
構成要素である減算アンプの構成図、第８図は第６図の
減算アンプのブロック図、第９図は従来の直並列方式の
AD変換器の構成図である。 101……アナログ入力、102……サンプルホールド、103
……第１の並列形ADC、104……DAC、105……ゲイン補正
回路、106……減算回路、107……増幅回路、108……第
２の並列形DAC、120……基準電圧発生回路、109,110…
…上位および下位のディジタル出力、203……ラダー抵
抗列、204……演算増幅器、224……セグメント電流形DA
C、501……減算アンプ。
図、第２図は第１図のAD変換器の構成要素であるゲイン
補正回路の構成図、第３図は本発明の例を示すゲイン補
正回路の別の例を示す構成図、第４図は本発明の第２の
実施例を示すAD変換器の構成図、第５図は本発明の第５
の実施例における基準電圧発生回路の構成図、第６図は
基準電圧発生回路の別の例の構成図、第７図は第５図の
構成要素である減算アンプの構成図、第８図は第６図の
減算アンプのブロック図、第９図は従来の直並列方式の
AD変換器の構成図である。 101……アナログ入力、102……サンプルホールド、103
……第１の並列形ADC、104……DAC、105……ゲイン補正
回路、106……減算回路、107……増幅回路、108……第
２の並列形DAC、120……基準電圧発生回路、109,110…
…上位および下位のディジタル出力、203……ラダー抵
抗列、204……演算増幅器、224……セグメント電流形DA
C、501……減算アンプ。
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 昭61−81030（ＪＰ，Ａ)
特開 昭60−117922（ＪＰ，Ａ)
特開 昭61−203719（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．アナログ入力信号と複数の基準電圧とを複数の比較
器群で比較することにより上記アナログ入力信号をAD変
換して上位ビットを出力する第１の並列形AD変換器と、 上記第１の並列形AD変換器から出力される上記上位ビッ
トをアナログ値に戻すDA変換器と、 上記DA変換器で戻された上記アナログ値と上記アナログ
入力信号の差信号を得る減算増幅器と、 上記減算増幅器の出力をAD変換して下位ビットを出力す
る第２の並列形AD変換器とからなる直並列形AD変換器で
あって、 上記基準電圧の電圧差である上記第１の並列形AD変換器
のアナログ入力の量子化ステップに従って上記DA変換器
のアナログ出力の量子化ステップを設定する補正回路を
具備してなり、 上記DA変換器は、並列に接続された複数のセグメント電
流スイッチと、該複数のセグメント電流スイッチの一端
に接続された負荷抵抗とにより構成され、入力される上
記上位ビットのデジタル値に対応するアナログ電圧値を
上記アナログ出力として上記負荷抵抗の両端間に発生す
る如く構成され、上記複数のセグメント電流スイッチの
各セグメント電流スイッチに流れる電流と上記負荷抵抗
とによって上記DA変換器の上記アナログ出力の上記量子
化ステップが設定され、 上記補正回路は、正相入力に上記第１の並列形AD変換器
の上記アナログ入力の上記量子化ステップが入力され、
逆相入力に上記DA変換器の上記アナログ出力の上記量子
化ステップが入力され、出力により上記各セグメント電
流スイッチに流れる上記電流が設定される演算増幅器を
含むことを特徴とすることを特徴とする直並列形AD変換
器。 ２．上記DA変換器のアナログ出力の上記量子化ステップ
に対応する基準電圧を発生する基準電圧発生回路が上記
DA変換器に接続され、該基準電圧は下位ビットを出力す
る上記第２の並列形AD変換器のゲインを設定することを
特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の直並列形AD変
換器。
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| JP62212747A JP2690905B2 (ja) | 1987-08-28 | 1987-08-28 | 直並列形ａｄ変換器 |
| US07/237,757 US4875048A (en) | 1987-08-28 | 1988-08-29 | Two-step parallel analog to digital converter |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62212747A JP2690905B2 (ja) | 1987-08-28 | 1987-08-28 | 直並列形ａｄ変換器 |
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|---|---|
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP62212747A Expired - Fee Related JP2690905B2 (ja) | 1987-08-28 | 1987-08-28 | 直並列形ａｄ変換器 |
Country Status (2)
| Country | Link |
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| US (1) | US4875048A (ja) |
| JP (1) | JP2690905B2 (ja) |
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1988
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| JPS6457824A (en) | 1989-03-06 |
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