JP2969621B2 - 差動入力式a/dコンバータ - Google Patents

差動入力式a/dコンバータ

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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A/Dコンバータ回路に関し、特にスイッチド
コンデンサ型を基本とする新規なA/Dコンバータの構成
に関する。
従来の技術 第4図は、従来一般に用いられていた差動入力を必要
とするA/Dコンバータの構成を示す図である。
この種のA/Dコンバータでは、入力信号の差動入力リ
ターンとA/DコンバータのアナロググランドのDC電圧と
が一致しないため、オペレーショナルアンプで構成した
差動アンプ28を使用して差動入力(ホット)29と差動入
力(リターン)30とをシングルエンド出力31に変換して
からA/Dコンバータ32に入力していた。
このような従来の差動入力型のA/Dコンバータは以下
のように動作する。
まず、アナログ入力電圧は、差動アンプ29の差動入力
ホット29と差動入力リターン30とに入力され、各入力に
対応した1対のオペレーショナルアンプと、この1対の
オペレーショナルアンプの出力を入力される第3のオペ
レーショナルアンプとにより、差動型からシングルエン
ド型に変換され、シングルエンド出力31に出力される。
更に、変換後のアナログ電圧は、A/Dコンバータ32のシ
ングルエンド入力33に入力され、A/D変換デジタル出力3
4に出力される。
ここで、電圧が固定されているA/Dコンバータのアナ
ロググランド35は、同電位である差動アンプのアナログ
グランド36と接続されており、差動アンプ28は、差動入
力信号リターン30とA/Dコンバータのアナロググランド3
5の直流電圧との差を補償する機能を担持している。
発明が解決しようとする課題 しかしながら、上述した従来の差動入力式A/Dコンバ
ータは、差動型からシングルエンド型への変換用の差動
アンプを入力部に形成するのに、3個ものオペレーショ
ナルアンプを必要とする。また、このような回路構成で
は、3個のオペレーショナルアンプのオフセットエラー
が、変換時に重畳されることになる。
そこで、本発明は、上記従来技術の課題を解決し、オ
ペレーショナルアンプのような大規模な回路要素を用い
ることなく、安定且つ正確な動作を実現することのでき
る新規なA/Dコンバータの構成を提供することにある。
問題点を解決するための手段 本発明により、アナログ電圧をデジタルデータに変換
するA/Dコンバータであって入力アナログ電圧と第1及
び第2の基準電圧とを入力される第1のコンデンサアレ
イを備えた電荷配分型のA/D変換部と、アナロググラン
ドと第1及び第2の基準電圧を入力される該第1のコン
デンサアレイより規模の小さな第2のコンデンサアレイ
を備えた基準電圧補正回路と、該A/D変換部と該基準電
圧補正回路のそれぞれの出力を入力される比較器とを備
え、該比較器において、該A/D変換部の出力と、該基準
電圧補正回路のアナロググランドの電圧変動に基づく出
力とを比較することにより、該入力アナログ電圧と該ア
ナロググランド電位の同相的な変動に対して該比較器の
反転入力と非反転入力変動を相殺して、該入力アナログ
電圧と該アナロググランド電圧との間の相対電圧をデジ
タルデータに変換して出力するように構成されているこ
とを特徴とするA/Dコンバータが提供される。
作用 本発明に従い提供される差動入力式A/Dコンバータ
は、基本的にコンデンサアレーによる逐次変換型A/Dコ
ンバータであり、更に、アナログ入力電圧変換用のコン
デンサアレーとは別に、アナロググランド電圧変動を補
正するために第2のコンデンサアレーを備えていること
をその主要な特徴としている。
即ち、前述した従来の差動入力式A/Dコンバータが、
根本的に誤差を回避することが難しい差動アンプを複数
使用せざるを得なかったのに対して、本発明によるA/D
コンバータは、A/D変換をコンデンサアレーによって行
うと共に、基準誤差の発生が少なく簡潔な回路で電圧補
正回路を構成している。
実施例 以下に図面を参照して本発明をより具体的に詳述する
が、以下に開示するものは本発明の一実施例に過ぎず、
本発明の技術的範囲を何ら限定するものではない。
実施例1 第1図は本発明に従うA/Dコンバータの基本的な構成
を示す図である。
このA/Dコンバータは、後述するA/D変換部4並びに基
準電圧補正回路5とコンパレータ6とを備えたアナログ
部3と、このアナログ部3を後述のアルゴリズムに従っ
て制御するデジタルロジック部27とから主に構成されて
いる。
アナログ部には、アナログ入力(AIN)1並びにアナ
ロググランド(AGND)2と共に、2つの基準電圧A(2
5)及びB(26)が供給されており、アナログ入力
(AIN)1並びに基準電圧A(25)及び基準電圧B(2
6)は、A/D変換部4及び基準電圧補正回路5にそれぞれ
入力されている。
第2図は、第1図に示した回路におけるアナログ部3
の構成をより具体的に示す回路図であり、それぞれがコ
ンデンサアレーを含む4bitのA/D変換部4と基準電圧補
正回路5の構成を詳細に示している。
A/D変換部4は、並列に配設されたコンデンサ18〜22
と、スイッチ10〜17(SW1〜SW8)とから構成されてお
り、スイッチ10〜17は各々CMOSによるトランスファーゲ
ートによって形成されている。尚、後述するように、A/
D変換部4の動作は、『サンプリング』と『逐次比較』
との2つのシーケンスにより実施されるが、第2図に示
した各スイッチの位置はサンプリング時の設定である。
今、n番目のスイッチをSW(n)と表し、各スイッチ
が左側に投入されている状態をSW(n)=0、右側に接
続されている状態をSW(n)=1とそれぞれ表すことに
する。従って、例えば、第2図に示した状態、即ちサン
プリング時の各スイッチの設定は、SW(n)=0〔n=
1〜8〕と表せる。以下に、この表記に従って、このA/
D変換部の動作をシーケンス毎に説明する。
(1)サンプリング時 このシーケンスでは、各スイッチの設定はSW(n)=
0〔n=1〜8〕となっている。
従って、コンパレータ6の反転入力(VIN−)の電圧
は基準電圧A(VrefA)25と等しく、非反転入力(VIN
+)8の電圧も基準電圧A(VrefA)25と等しい。ま
た、各コンデンサの電荷は、コンデンサCnの電荷をQn
表すと、 Qn=Cn・(VrefA−VrefB)(n=1〜4,7) Q5=C5・(VrefA−AIN) Q6=C6・(VrefA−AGND) と表すことができる。
このようにしてサンプリングしたアナログ入力1の電
圧は、D/A変換部4によって操作され、一方、アナログ
グランド2の電圧は基準電圧補正回路5によって操作さ
れ、更に、各々の出力はコンパレータの反転入力(VIN
−)7と非反転入力(VIN+)8にそれぞれ入力されて
逐次比較される。
(2)逐次比較時 このシーケンスを実行するに先立って、各スイッチの
設定を以下のように変化し、コンデンサ22並びにコンデ
ンサ23にサンプリングした電荷を、他のコンデンサとの
間で再配分する。
一方、コンパレータの反転入力(VIN−)7の電圧は
以下の通りである。
尚、この回路のコンデンサの容量比は、C7=C6=C5
2×C4=4×C3=8×C2=8×C1である。従って、 また、コンパレータの非反転入力(VIN+)8の電圧
は、 以上のように設定されたコンデンサアレーによって、
MSB(デジタルデータの最上位ビット)から4bit分の逐
次比較を実行する。
この逐次比較のアルゴリズムは以下の通りである。
コンデンサCn(n=2〜5)について、それぞれに対
応するスイッチSW(n)を、n=5(MSBに対応してい
る)から降べきの順に、“0"から“1"へ投入する。
ここで、“VIN−≦VIN+”ならばそのスイッチを“1"
に保持して次の比較を行い、“VIN−>VIN+”ならばそ
のスイッチを“0"にもどして次の比較を行う。以下、こ
の比較作業をコンデンサ22(C5)から順にコンデンサ19
(C2)まで繰り返す。
ここで、SW(n)を1とした後の反転入力7の電圧と
非反転入力8の電圧とは次式であわらすことが出来る。
また、変換結果としてのデジタルデータは、スイッチ
10〜13の状態として得られる。即ち、その値は以下の通
りである。
上述の動作は、反転入力7の電圧と非反転入力8の電
圧とを比較して、反転入力7が の範囲に収束するようにSW(n)を操作することによっ
てA/D変換を実施していると考えることができる。
さて、ここで、上述の本発明に従う回路において、ア
ナログ入力1並びにアナロググランド2が、あるDC電圧
(ΔV)だけ同相的に変動した場合について考える。
ここで、コンパレータ6の各入力の変動した電圧をそ
れぞれVIN′−とVIN′+とあらわすと、以下のようにな
る。
ここでコンパレータ6は差動入力アンプであり、従っ
て、反転入力7と非反転入力8の の同相的変動は相殺される。即ち、コンパレータ6で
は、変動と無関係に本来のA/D変換の操作のために発生
した両者の電圧差のみがコンパレータ6で比較される。
こうして、A/D変換結果においてもアナログ入力1とア
ナロググランド2の同相的な電圧変動はキャンセルさ
れ、また、アナロググランド2の電位と基準電圧B26の
電位とを一致させる必要もない。
実施例2 第3図は、本発明に従うA/Dコンバータを、8bitA/Dコ
ンバータに適用した場合の構成を示す回路図である。
尚、基本的な構成は第1図に示したものと同じであり、
第3図は第2図に対応して、A/D変換部4と基準電圧補
正回路5との構成を詳細に示している。
まず、A/D変換の過程から順に説明する。
(1)サンプリング時 各スイッチの設定は、SW(n)=0〔n=1〜12〕と
なっている。
ここで、各コンバータCnの電荷をQnと表すと、 Qn=Cn・(VrefA−VrefB) (n=1〜8,11) Q9=C9(VrefA−AIN) Q10=C10(VrefA−AGND)となる。
(2)逐次比較時 前述のように、逐次比較時の動作に先立って、各スイ
ッチの設定は以下のようにされ、電荷の配分が実行され
る。
ここで、コンパレータの反転入力(VIN−)3の電圧
は以下のようになる。
尚、この回路におけるコンバータの容量比は以下の通
りである。
C11=C10=C9=2×C8=4×C78×C6=16×C5=32×C
4=64×C3=128×C2=256×C1=256×C0 従って、 となる。また、コンパレータの非反転入力(VIN+)4
の電圧は、 次にMSBより8bit分逐次比較を行う。
基本的なアルゴリズムは実施例1と同じである。即
ち、SW(n)を1とした後の反転入力7と非反転入力8
の電圧は次式であらわすことが出来る。
また、変換したデジタルデータは、スイッチ51〜58の
スイッチの状態として得られ、その値は、 となる。
次に、アナログ入力1及びアナロググランド2がある
DC電圧ΔVずつ同相的に変動した場合を考える。コンパ
ルレータ6の各入力の変動した電圧をそれぞれVIN′−
とVIN′+と表すと、 ここで、コンパレータ6は差動入力アンプであり、従
って、反転入力7と非反転入力8の の同相的変動はキャンセルされ、本来のA/D変換の操作
のために発生した両者の電圧差のみがコンパレータ6で
比較される。こうして、A/D変換を行なったときの結果
についても、アナログ入力とアナロググランドへの同相
的な変動についてはその影響を受けない。
発明の効果 以上説明したように、本発明に従いA/Dコンバータ
は、差動アンプを使用せずに、コンデンサアレーを使用
した基準電圧補正回路によって差動入力化を実現してい
る。このため、より少ない回路素子でA/Dコンバータを
構成できる効果があると共に、差動アンプのオフセット
に起因するオフセットエラーを有効に防止することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明によるA/Dコンバータの基本的な構成
を示すブロック回路図であり、 第2図は、本発明によるA/Dコンバータを4ビットのA/D
コンバータとして構成した場合の詳細な構成を示す回路
図であり、 第3図は、本発明によるA/Dコンバータを8ビットのA/D
コンバータとして構成した場合の詳細な構成を示す回路
図であり、 第4図は、従来の差動入力型A/Dコンバータのさうせい
を示す回路図である。 〔主な参照番号〕 1……アナログ入力(AIN)、 2……アナロググランド(AGND)、 3……アナログ部、 4……D/A変換部、 5……基準電圧補正回路、 6……コンパレータ、 7……反転入力(VIN−)、 8……非反転入力(VIN+)、 9……コンパレータ出力、 10……スイッチ(SW1)、 11……スイッチ(SW2)、 12……スイッチ(SW3)、 13……スイッチ(SW4)、 14……スイッチ(SW5)、 15……スイッチ(SW6)、 16……スイッチ(SW7)、 17……スイッチ(SW8)、 18……コンデンサ(C1)、 19……コンデンサ(C2)、 20……コンデンサ(C3)、 21……コンデンサ(C4)、 22……コンデンサ(C5)、 23……コンデンサ(C6)、 24……コンデンサ(C7)、 25……基準電圧A(VrefA)、 26……基準電圧B(VrefB)、 27……デジタルロジック部、 28……差動アンプ、 29……差動入力ホット、 30……差動入力リターン、 31……シングルエンド出力、 32……Dコンバータ、 33……シングルエンド入力、 34……A/D変換デジタル出力、 35……アナロググランド、 36……アナロググランド、 51……スイッチ(SW1)、 52……スイッチ(SW2)、 53……スイッチ(SW3)、 54……スイッチ(SW4)、 55……スイッチ(SW5)、 56……スイッチ(SW6)、 57……スイッチ(SW7)、 58……スイッチ(SW8)、 59……スイッチ(SW9)、 60……スイッチ(SW10)、 61……スイッチ(SW11)、 62……スイッチ(SW12)、 63……コンデンサ(C1)、 64……コンデンサ(C2)、 65……コンデンサ(C3)、 66……コンデンサ(C4)、 67……コンデンサ(C5)、 68……コンデンサ(C6)、 69……コンデンサ(C7)、 70……コンデンサ(C8)、 71……コンデンサ(C9)、 72……コンデンサ(C10)、 73……コンデンサ(C11)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】アナログ電圧をデジタルデータに変換する
    A/Dコンバータであって、 入力アナログ電圧と第1及び第2の基準電圧とを入力さ
    れる第1のコンデンサアレイを備えた電荷配分型のA/D
    変換部と、アナロググランドと第1及び第2の基準電圧
    を入力される該第1のコンデンサアレイより規模の小さ
    な第2のコンデンサアレイを備えた基準電圧補正回路
    と、該A/D変換部と該基準電圧補正回路のそれぞれの出
    力を入力される比較器とを備え、 該比較器において、該A/D変換部の出力と、該基準電圧
    補正回路のアナロググランドの電圧変動に基づく出力と
    を比較することにより、該入力アナログ電圧と該アナロ
    ググランド電位の同相的な変動に対して該比較器の反転
    入力と非反転入力変動を相殺して、該入力アナログ電圧
    と該アナロググランド電圧との間の相対電圧をデジタル
    データに変換して出力するように構成されていることを
    特徴とするA/Dコンバータ。
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