JP3106771B2 - Successive approximation A / D converter - Google Patents
Successive approximation A / D converterInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は逐次比較型A/D変換器
に関し、特に半導体基板上に構成されたマイクロコンピ
ュータに内蔵された逐次比較型A/D変換器に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a successive approximation A / D converter, and more particularly to a successive approximation A / D converter built in a microcomputer formed on a semiconductor substrate.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来の技術を図面を用いて説明する。図
8は逐次比較型A/D変換器の構成図である。逐次比較
型A/D変換器は、D/A変換器83(以下DAC83
と略記)アナログ入力電圧をサンプリングし保持するた
めのサンプルアンドホールド回路81,サンプルアンド
ホールド回路81の出力電圧とDAC83の出力電圧と
の比較を行うための比較器4,逐次比較レジスタ80,
逐次比較型A/D変換器の動作を制御するための制御回
路8、及びクロック信号発生回路7により構成される。2. Description of the Related Art A conventional technique will be described with reference to the drawings. FIG. 8 is a configuration diagram of the successive approximation A / D converter. The successive approximation type A / D converter is a D / A converter 83 (hereinafter DAC83).
A sample and hold circuit 81 for sampling and holding the analog input voltage, a comparator 4 for comparing the output voltage of the sample and hold circuit 81 with the output voltage of the DAC 83, a successive approximation register 80,
It comprises a control circuit 8 for controlling the operation of the successive approximation type A / D converter, and a clock signal generation circuit 7.
【0003】これらは逐次比較型A/D変換器を実現す
るための最低限必要な構成要素である。[0003] These are the minimum necessary components for realizing a successive approximation A / D converter.
【0004】動作は、複数ビット構成の逐次比較レジス
タ80の最上位ビット(以下MSBと略記)から順にビ
ット重みに対応したDAC83の出力電圧とアナログ入
力電圧VANの比較を行い、これを最下位ビット(以下L
SBと略記)まで繰り返すことによりデジタル値を得る
ものである。逐次比較型A/D変換器の動作原理はDA
C83の基準電圧をVREF とした時に本質的には、In operation, the output voltage of the DAC 83 corresponding to the bit weight and the analog input voltage V AN are compared in order from the most significant bit (hereinafter abbreviated as MSB) of the successive approximation register 80 having a plurality of bits, and this is compared with the least significant bit. Bit (hereinafter L
A digital value is obtained by repeating this process up to SB). The principle of operation of the successive approximation type A / D converter is DA
Essentially, when the reference voltage of C83 is V REF ,
【0005】 [0005]
【0006】と展開することに相当する。ここでαは誤
差電圧で逐次比較型A/D変換器の分解能に直接起因す
る。変換結果は展開係数の一部biのビット列によって
表現され、逐次比較レジスタ80に格納された各ビット
のデータ列に対応する。[0006] This corresponds to the development. Here, α is an error voltage which is directly caused by the resolution of the successive approximation A / D converter. The conversion result is represented by a bit string of a part bi of the expansion coefficient, and corresponds to the data string of each bit stored in the successive approximation register 80.
【0007】図9は図8で構成されるNビット逐次比較
型A/D変換器の動作を示すタイミングチャートであ
る。図9において期間TS ,TN ,…,T1 は図8のク
ロック発生回路7の出力に同期して切り換わる。FIG. 9 is a timing chart showing the operation of the N-bit successive approximation type A / D converter shown in FIG. In FIG. 9, the periods T S , T N ,..., T 1 are switched in synchronization with the output of the clock generation circuit 7 in FIG.
【0008】期間TS でアナログ入力電圧VANをサンプ
リングした後、期間TN で逐次比較レジスタ80の各ビ
ットの値をMSBから順にbN ,bN-1 ,…,b1 と定
義する時、bN を“1”にその他のビットは“0”に設
定してこのビット列{bi}に対応する比較電圧After the analog input voltage V AN is sampled in the period T S , the value of each bit of the successive approximation register 80 is defined as b N , b N−1 ,..., B 1 in order from the MSB in the period T N. , B N are set to “1” and the other bits are set to “0” to set a comparison voltage corresponding to this bit string {bi}.
【0009】 [0009]
【0010】をDAC83より出力する。更に比較器4
により、アナログ入力電圧VANと比較電圧VDAC とを比
較し、VAN>VDAC ならば“1”の値を、VAN<VDAC
ならば“0”の値をbN に再設定することによりMSB
の値が決定される。次に期間TN-1 でbN-1 を“1”に
bN-2 ,…,b1 を“0”に設定し上記動作を繰り返
す。この動作をT1 の期間までN回繰り返すことによっ
てNビットの変換が終了する。この様にして得られたア
ナログ入力電圧の展開Is output from the DAC 83. Further comparator 4
The analog input voltage V AN and the comparison voltage V DAC are compared, and if V AN > V DAC , the value of “1” is set, and V AN <V DAC
Then, reset the value of “0” to b N to obtain the MSB
Is determined. Next, in the period T N−1 , b N−1 is set to “1” and b N−2 ,..., B 1 are set to “0”, and the above operation is repeated. Conversion of N bits is finished by repeating N times the operation until period T 1. Development of analog input voltage obtained in this way
【0011】 [0011]
【0012】の展開係数の一部biのビット列{bi}
が変換結果として、逐次比較レジスタ80に格納されて
いる。The bit sequence {bi} of a part bi of the expansion coefficient
Are stored in the successive approximation register 80 as conversion results.
【0013】次にDAC83について説明する。Next, the DAC 83 will be described.
【0014】Nビット逐次比較型A/D変換器に使用さ
れるDACには数多くの方式が公知であるが、特に半導
体基板上に構成された民生用マイクロコンピュータ逐次
比較型A/D変換器においては、同一の抵抗値を有する
2N 個の抵抗を直列接続して構成された電圧出力型のい
わゆる抵抗ラダー方式と称するDAC、あるいは、1/
2i C(i=0,1,…,N−2)の重み付けされた容
量値を持つコンデンサを制御線により直並列接続し所望
のアナログ電圧を得るいわゆるコンデンサアレイ方式と
称するDAC、あるいは抵抗ラダー方式とコンデンサア
レイ方式とが混在したDACすなわちNビットのうち上
位iビットをコンデンサアレイ方式によりD/A変換し
残りの(N−i)ビットを抵抗ラダー方式でD/A変換
する方式、の3種類の方式が広く一般に用いられてい
る。Many types of DACs are known for use in N-bit successive approximation type A / D converters. In particular, in a consumer microcomputer successive approximation type A / D converter formed on a semiconductor substrate. Is a voltage output type so-called resistor ladder type DAC configured by connecting 2 N resistors having the same resistance in series, or 1 /
DAC called resistor array ladder or so-called capacitor array system in which capacitors having a weighted capacitance value of 2 i C (i = 0, 1,..., N-2) are connected in series and parallel by a control line to obtain a desired analog voltage. A DAC in which the system and the capacitor array system are mixed, that is, a system in which the upper i bits of the N bits are D / A converted by the capacitor array system and the remaining (Ni) bits are D / A converted by the resistance ladder system. Types of methods are widely and generally used.
【0015】上記の方式はいずれも逐次比較レジスタ8
0に格納されているNビットのデータを直接またはデコ
ードしDACの制御信号として用いる。In each of the above methods, the successive approximation register 8
The N-bit data stored in 0 is directly or decoded and used as a DAC control signal.
【0016】図10は抵抗ラダー方式を用いたDACの
例である。FIG. 10 shows an example of a DAC using the resistance ladder method.
【0017】図10において同一抵抗値を有する2N 個
の抵抗を直列接続し、各抵抗端よりタップを引き出して
タップの先端にデコーダ100の出力信号によって制御
されるスイッチ回路101を設けてある。In FIG. 10, 2 N resistors having the same resistance value are connected in series, taps are drawn out from each resistance end, and a switch circuit 101 controlled by an output signal of the decoder 100 is provided at the tip of the tap.
【0018】i(i=1〜N)番目のタップには基準電
圧VREF の分圧値2i /2N ・VREF が出現する。At the i-th (i = 1 to N) -th tap, a divided voltage value 2 i / 2N · V REF of the reference voltage V REF appears.
【0019】逐次比較レジスタ80に格納されているN
ビットのデータをデコーダ100への入力信号として用
いデコードを行って出力信号線を一本だけ選択し対応す
るスイッチを閉じることによって所望のアナログ電圧を
得ることができる。N stored in the successive approximation register 80
A desired analog voltage can be obtained by decoding using bit data as an input signal to the decoder 100, selecting only one output signal line, and closing the corresponding switch.
【0020】図11はコンデンサアレイ方式を用いたD
ACの例である。図11において、コンデンサアレイ方
式のDACは1/2i ・C(i=0,1,…,N−2)
の重み付けされた容量値を持つ(N−1)個コンデンサ
と1/2N-2 ・Cの容量値を持つ1個のコンデンサと逐
次比較レジスタ80に格納されているNビットのデータ
により直接制御されるN個のスイッチにより構成されて
いる。FIG. 11 shows D using the capacitor array method.
It is an example of AC. In FIG. 11, the DAC of the capacitor array type is i i · C (i = 0, 1,..., N−2).
(N-1) capacitors having a weighted capacitance value, one capacitor having a capacitance value of 1/2 N- 2.C, and N- bit data stored in the successive approximation register 80. And N switches.
【0021】例えば、逐次比較レジスタ80のiビット
目のデータが“1”の時、このビットに対応するスイッ
チの接点を基準電圧VREF 側に接続し、データが“0”
の時は対応するスイッチの接点を接地電位側に接続する
様な制御を行えば、その等価回路は例えば図12に示さ
れる様になる。従って接点120の電位は各コンデンサ
の分圧比によって決定される電圧が出力される。For example, when the data of the i-th bit of the successive approximation register 80 is "1", the contact of the switch corresponding to this bit is connected to the reference voltage VREF , and the data becomes "0".
In such a case, if control is performed such that the contact of the corresponding switch is connected to the ground potential side, the equivalent circuit is as shown in FIG. 12, for example. Therefore, the potential of the contact 120 outputs a voltage determined by the voltage division ratio of each capacitor.
【0022】[0022]
【発明が解決しようとする課題】上述した従来のNビッ
ト逐次比較型A/D変換器は、半導体基板上に構成した
場合、N>10程度に対してはDAC83の精度を維持
することが困難であり、安定した精度でA/Dを行うこ
とが困難であった。半導体基板上に構成された逐次比較
型A/D変換器のDAC部の実現方式に上述したラダー
抵抗方式、コンデンサアレイ方式、及び抵抗ラダー方式
とコンデンサアレイ方式の混在型が広く用いられるの
は、製造工程において各抵抗素子の抵抗値の相対誤差及
び各コンデンサの容量比の相対誤差を比較的小さくする
ことが可能なためである。When the conventional N-bit successive approximation A / D converter described above is constructed on a semiconductor substrate, it is difficult to maintain the accuracy of the DAC 83 for N> 10. Therefore, it is difficult to perform A / D with stable accuracy. The ladder resistance method, the capacitor array method, and the mixed type of the resistance ladder method and the capacitor array method described above are widely used as the method of realizing the DAC unit of the successive approximation type A / D converter formed on the semiconductor substrate. This is because the relative error of the resistance value of each resistance element and the relative error of the capacitance ratio of each capacitor can be made relatively small in the manufacturing process.
【0023】しかし抵抗ラダー方式においてはNの増加
とともに必要な抵抗素子の個数は指数関数的に増大する
為レイアウト面積が大きくなり、それに伴って相対誤差
も大きくなる為、N>10に対してはもはや現実的では
ない。またコンデンサアレイ方式においても、Nの増加
に伴い必要なコンデンサが増加してしまい容量比の相対
誤差を小さく維持することが困難となり、N>10では
やはり現実的な方式ではなくなる。抵抗ラダー方式とコ
ンデンサアレイ方式とを混在する方式においても同様な
問題が生ずる。However, in the resistance ladder method, the required number of resistance elements increases exponentially with the increase of N, so that the layout area increases, and the relative error also increases. It is no longer realistic. Also in the capacitor array system, the required capacitors increase with the increase of N, and it becomes difficult to keep the relative error of the capacitance ratio small. A similar problem occurs in a system in which the resistance ladder system and the capacitor array system are mixed.
【0024】そこで本発明の目的は、Nの値が大きくな
っても変換の精度を低下させることなくかつA/D変換
器のレイアウト面積を最小限におさえることにある。An object of the present invention is to minimize the layout area of the A / D converter without lowering the conversion accuracy even when the value of N increases.
【0025】[0025]
【課題を解決するための手段】本発明の逐次比較型A/
D変換器は、所定電圧値にそれぞれ初期化され、電圧を
保持する第1及び第2のホールド回路と、該第1及び該
第2のホールド回路に保持されている電圧の平均電圧を
得る第1の手段と、前記平均電圧を基準電圧としアナロ
グ入力電圧との比較を行う比較器と、該比較器の比較結
果をラッチするレジスタと、前記平均電圧を保持する第
3のホールド回路と、前記比較器の出力に応じて前記第
3のホールド回路に保持されている電圧を前記第1また
は前記第2のホールド回路のいづれか一方に伝達する第
2の手段とを備え、前記第1の手段により得られた新た
な平均電圧を基準電圧とし、所定回数アナログ入力電圧
との逐次比較を行う逐次比較型A/D変換器において、
前記第1,第2及び第3のホールド回路はそれぞれコン
デンサ及びボルテージフォロワにより構成され、該ボル
テージフォロワの入力側の前記コンデンサに保持された
電圧を出力側の前記コンデンサに伝達するに際して、前
記入力側及び出力側のコンデンサの共通端にバイアス電
圧を与えて前記保持された電圧を所定値昇圧して伝達す
るためのバイアス電圧発生回路を備えている。また、前
記昇圧の動作を行うかどうかは最上位ビットの変換結果
に応じて決定される。 SUMMARY OF THE INVENTION The successive approximation type A /
The D converters are initialized to predetermined voltage values, respectively, and
First and second hold circuits for holding the first and second hold circuits;
The average voltage of the voltage held in the second hold circuit is
A first means for obtaining the average voltage;
A comparator for comparing the input voltage with the input voltage;
A register for latching the result, and a second register for holding the average voltage.
3 and the second circuit according to the output of the comparator.
The voltage held in the hold circuit of the third
Is the second signal transmitted to one of the second hold circuits.
And the new means obtained by the first means.
Analog input voltage for a predetermined number of times
In the successive approximation type A / D converter that performs successive approximation with
The first, second and third hold circuits are respectively
And a voltage follower.
Held on the capacitor on the input side of the Tage Follower
When transmitting the voltage to the capacitor on the output side,
The bias voltage is applied to the common end of the input and output side capacitors.
And pressurizes the held voltage to a predetermined value for transmission.
And a bias voltage generating circuit. Also before
Whether the boost operation is performed depends on the conversion result of the most significant bit.
Is determined according to.
【0026】[0026]
【実施例】次に本発明について図面を参照して説明す
る。図1は本発明の一実施例を示す機能ブロック図であ
る。図2は図1に示された逐次比較型A/D変換器の動
作を示すフローチャートである。図3は図1におけるD
AC12をより具体的にMOSFETを用いて構成した
例である。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Next, the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a functional block diagram showing one embodiment of the present invention. FIG. 2 is a flowchart showing the operation of the successive approximation A / D converter shown in FIG. FIG. 3 shows D in FIG.
This is an example in which AC12 is more specifically configured using MOSFETs.
【0027】図4は図3のごとく構成された逐次比較型
A/D変換器の動作を示すタイミングチャートである。FIG. 4 is a timing chart showing the operation of the successive approximation type A / D converter configured as shown in FIG.
【0028】図1において、ANI端子10はアナログ
電圧の入力端子、AVREF 端子9は基準電源電圧端子で
ある。C1〜C4はコンデンサであり、特にコンデンサ
C1とコンデンサC2とは同一容量値を持つ。電源11
はコンデンサC1〜C4の一端に電圧印加するためのバ
イアス電源であり後述するように基準電源電圧VREFに
対しその1/2の値1/2VREF の電圧値を持つ。クロ
ック発生回路7はA/D変換器を動作させるためのもの
である。In FIG. 1, an ANI terminal 10 is an analog voltage input terminal, and an AV REF terminal 9 is a reference power supply voltage terminal. C1 to C4 are capacitors, and particularly, the capacitors C1 and C2 have the same capacitance value. Power supply 11
Has a voltage value of the half value 1 / 2V REF with respect to the reference supply voltage V REF as described below is a bias power source for applying a voltage to one end of a capacitor C1 -C4. The clock generation circuit 7 operates the A / D converter.
【0029】DAC12は、出力信号線13を持つ。比
較器4はホールド回路6の出力とDAC12の出力を入
力に持ち、アナログ入力電圧VANとDAC12の出力電
圧VDAC との電圧値の大小比較を行う。変換結果は、リ
ザルト・レジスタ5に格納され、制御回路8より出力さ
れる信号14に同期して、比較器12の出力15をラッ
チする。The DAC 12 has an output signal line 13. The comparator 4 has the input of the output of the hold circuit 6 and the output of the DAC 12 and compares the magnitude of the analog input voltage V AN with the voltage value of the output voltage V DAC of the DAC 12 . The conversion result is stored in the result register 5, and the output 15 of the comparator 12 is latched in synchronization with the signal 14 output from the control circuit 8.
【0030】S0〜S9はスイッチであり、スイッチS
0とスイッチS1とスイッチS4は制御信号16によ
り、スイッチS2とスイッチS6、スイッチS7は制御
信号17により、スイッチS3とスイッチS5とスイッ
チS8は制御信号18により各々開閉が制御される。ま
たスイッチS9は制御信号19によって接地電位か1/
2VREF 電位かの選択が行なわれる。制御信号17及び
制御信号18は比較器4の出力に応じて出力され、ホー
ルド回路6に保持されているアナログ電圧VANとDAC
12の出力電圧VDAC に対して比較の結果VAN>VDAC
ならば制御信号18がアクティブとなってスイッチS
3,スイッチS5,スイッチS8が閉じ、VAN<VDAC
であれば制御信号17がアクティブとなってスイッチS
2,スイッチS6,スイッチS7が閉じる様になってい
る。S0 to S9 are switches, and switches S
0, switch S1, and switch S4 are controlled by a control signal 16, switches S2 and S6, switch S7 are controlled by a control signal 17, and switches S3, S5, and S8 are controlled by a control signal 18 to open and close. Further, the switch S9 is turned to the ground potential or 1 /
Selection is made between 2 V REF potential. The control signal 17 and the control signal 18 are output according to the output of the comparator 4, and the analog voltage V AN held by the hold circuit 6 and the DAC
12 comparison results V AN> V DAC the output voltage V DAC of
If so, the control signal 18 becomes active and the switch S
3, switch S5 and switch S8 are closed, and V AN <V DAC
, The control signal 17 becomes active and the switch S
2, switch S6 and switch S7 are closed.
【0031】実際の動作について図1及び図2を用いて
説明する。The actual operation will be described with reference to FIGS.
【0032】まず初期状態においてスイッチS9を接地
電位側にし、他のスイッチを全て開いた状態でコンデン
サC1の電位をVREF 電位に、コンデンサC2の電位を
接地電位に各々充放電する。(充放電用の回路は図に明
示していない)次にスイッチS0,S1,S4を閉じ
る。スイッチS0を閉じることによりアナログ入力電圧
のサンプリングを行い、スイッチS1及びスイッチS4
を閉じることによりコンデンサC3の電位はVREF にコ
ンデンサC4の電位は接地電位に各々固定される。スイ
ッチS0,S1,S4を開いた後、スイッチS7,S8
を閉じる。その際コンデンサC1とコンデンサC2は同
一容量値を持つため、各々のコンデンサの共通端の電位
はコンデンサC1の電位VC1とコンデンサC2の電位V
C2の平均電位1/2・(CC1+VC2)=1/2・VREF
となる。この電位を比較電圧VDAC とし、比較器4によ
りVDAC とホールド回路6に保持されているアナログ電
圧VANとを比較し、得られたデジタル出力bN をリザル
ト・レジスタ5に格納する。(VAN>VDAC ならbN =
1,VAN<VDAC ならbN =0と定義する)ここまでの
操作でデジタル値の最上位ビットbN が決定された。First, the switch S9 is set to the ground potential side in the initial state, and the potential of the capacitor C1 is charged and discharged to the VREF potential and the potential of the capacitor C2 is charged and discharged to the ground potential with all other switches opened. (The circuit for charging / discharging is not shown in the figure.) Next, the switches S0, S1, and S4 are closed. The analog input voltage is sampled by closing the switch S0, and the switches S1 and S4
, The potential of the capacitor C3 is fixed to V REF and the potential of the capacitor C4 is fixed to the ground potential. After opening the switches S0, S1, S4, the switches S7, S8
Close. At this time, since the capacitors C1 and C2 have the same capacitance value, the potential at the common end of each capacitor is the potential V C1 of the capacitor C1 and the potential V C of the capacitor C2.
Average potential of C2 1/2 · (C C1 + V C2 ) = 1/2 · V REF
Becomes This potential is used as a comparison voltage V DAC , the comparator 4 compares the V DAC with the analog voltage V AN held in the hold circuit 6, and stores the obtained digital output b N in the result register 5. (If V AN > V DAC, b N =
1, if V AN <V DAC , define b N = 0) The operation up to this point determines the most significant bit b N of the digital value.
【0033】次にボルテージフォロワを含む電圧伝達手
段について説明する。図1において、ボルテージフォロ
ワ1,2,3は、必ず2つのコンデンサとの組合わせに
より使用される。組み合わせとしてはコンデンサC1,
C3とボルテージフォロワ1、コンデンサC1,C4と
ボルテージフォロワ2、コンデンサC2,C3とボルテ
ージフォロワ2、コンデンサC2,C4とボルテージフ
ォロワ3の4通りありそのいづれもが図6に示す構成と
なる。図6ではボルテージフォロワをMOSFETで構
成した例である。ここにスイッチ回路64,66はスイ
ッチS2,S3,S5,S6,S7,S8のいづれか2
つを代表しており、図5(b)に示す如くP−chMO
SFET及びN−chMOSFETの抱き合わせにより
構成される。ところで図6の如くボルテージフォロワの
差動入力段をN−chMOSFETで構成した場合、正
相入力側のゲート電圧がスレッショルド電圧近傍になる
とMOSFETのソース,ドレイン間が高インピーダン
スになるため、ボルテージフォロワとして機能しなくな
ってしまう。これを解決するために設けられたバイアス
電圧発生源60は、同一抵抗値を有する抵抗体31,3
2とP−chMOSFET30で構成され、図1におけ
るスイッチS9に相当する。P−chMOSFET30
のオン・オフを制御することにより、コンデンサ62及
びコンデンサ63の共通端61には接地電位または1/
2VREF のいづれかの電圧値がバイアスされる。先ずP
−chMOSFET30をオフして2つのコンデンサの
共通端61を接地電位にバイアスした状態でスイッチ6
4を閉じ入力電圧VINをコンデンサ62にサンプリング
する。この時スイッチ66も閉じている。しかる後、ス
イッチ64を開き、P−chMOSFET30をオン
し、2つのコンデンサ62,63の共通端61に1/2
VREF の電圧をバイアスする。この操作により接点65
の電位はVIN+1/2VREF となる。基準電圧VREF は
通常5V程度で使われるため、VIN=0Vであっても接
点64の電位は2.5Vとなり、この値はボルテージフ
ォロワが十分機能できる電圧値である。従って接点69
にはVIN+1/2VREF の電圧値が出現する。ここで、
スイッチ66を開き、P−chMOSFET30をオフ
して共通端61の電位を接地電位に戻すことにより接点
67の電位はVINとなり電圧伝達が行なわれたことにな
る。また、入力電圧VINが1/2VREF 以上の値ならば
上記操作を行なわなくともボルテージフォロワは十分機
能する。入力電圧VINが1/2VREF 以上か否かは最初
の1ビットの変換、すなわちリザルト・レジスタ5の最
上位ビットを決定した時点で判明するため、最上位ビッ
トbN =1ならばP−chMOSFET30はオンしな
い様になっている。Next, the voltage transmitting means including the voltage follower will be described. In FIG. 1, the voltage followers 1, 2, and 3 are always used in combination with two capacitors. Capacitors C1,
There are four types, C3 and voltage follower 1, capacitors C1 and C4 and voltage follower 2, capacitors C2 and C3 and voltage follower 2, and capacitors C2 and C4 and voltage follower 3, all of which have the configuration shown in FIG. FIG. 6 shows an example in which the voltage follower is constituted by a MOSFET. Here, the switch circuits 64 and 66 correspond to any one of the switches S2, S3, S5, S6, S7 and S8.
And a P-chMO as shown in FIG.
It is configured by combining an SFET and an N-ch MOSFET. By the way, when the differential input stage of the voltage follower is constituted by an N-ch MOSFET as shown in FIG. 6, if the gate voltage on the positive-phase input side becomes close to the threshold voltage, the impedance between the source and the drain of the MOSFET becomes high impedance. It will not work. The bias voltage generation source 60 provided to solve this problem includes resistors 31 and 3 having the same resistance value.
2 and a P-ch MOSFET 30, and corresponds to the switch S9 in FIG. P-chMOSFET30
, The common terminal 61 of the capacitor 62 and the capacitor 63 is connected to the ground potential or 1 /
Any voltage value of 2V REF is biased. First P
Switch 6 with the ch-channel MOSFET 30 turned off and the common end 61 of the two capacitors biased to ground potential.
4 is closed and the input voltage V IN is sampled by the capacitor 62. At this time, the switch 66 is also closed. Thereafter, the switch 64 is opened, the P-ch MOSFET 30 is turned on, and the common terminal 61 of the two capacitors 62 and 63 is connected to the common terminal 61.
Bias the voltage at V REF . With this operation, the contact 65
Is V IN + / V REF . Since the reference voltage V REF is usually used at about 5 V, the potential of the contact 64 is 2.5 V even when V IN = 0 V, and this value is a voltage value at which the voltage follower can function sufficiently. Therefore, the contact 69
, A voltage value of V IN + 1 / 2V REF appears. here,
By opening the switch 66, turning off the P-ch MOSFET 30 and returning the potential of the common terminal 61 to the ground potential, the potential of the contact 67 becomes V IN , indicating that the voltage has been transmitted. If the input voltage V IN is equal to or more than V V REF, the voltage follower functions sufficiently without performing the above operation. Whether the input voltage V IN is 1 / 2V REF or the conversion of the first 1 bit, i.e. to find at the time of determining the most significant bit of the result registers 5, if the most significant bit b N = 1 P- The chMOSFET 30 is not turned on.
【0034】さて、次ビットbN-1 を決定するために、
bN =0ならば、スイッチS2,S6,S7をオンし、
bN =1ならばスイッチS3,S5,S8をオンする。
更に前述した様にコンデンサの共通端のバイアス電圧を
bN の値に応じて操作することにより、bN =0の時は
コンデンサC1に蓄えられている電圧VC1=1/2V
REF がボルテージフォロワ2を介してコンデンサC3に
伝達され、コンデンサC4に蓄えられている電圧VC4=
0Vがボルテージフォロワ3を介してコンデンサC2に
伝達される。一方bN =1の時はコンデンサC2に蓄え
られている電圧VC2=1/2VREF がボルテージフォロ
ワ2を介してコンデンサC4に伝達され、コンデンサC
3に蓄えられている電圧VC3=VREF がボルテージフォ
ロワ1を介してコンデンサC1に伝達される。その後全
てのスイッチを開いた後、スイッチS7,スイッチS8
を閉じるとVDAC の値は、VDAC =1/2(1/2V
REF +0)=1/4VREF (bN =0の時)VDAC =1
/2(VREF +1/2VREF )=3/4VREF (bN =
1の時)となる。得られた比較電圧VDAC とアナログ入
力電圧VANとを比較することによりbN-1 が決定する。
以後この操作を順次繰り返せばビット列bN ,bN-1 ,
…,b1 が定まりA/D変換が完了する。N回操作後の
比較電圧VDAC は、Now, to determine the next bit b N−1 ,
If b N = 0, switches S2, S6 and S7 are turned on,
If b N = 1, switches S3, S5 and S8 are turned on.
By operating according further the bias voltage of the common terminal of the capacitor as previously described to the value of b N, b N = voltage V C1 = 1 / 2V stored in the capacitor C1 when the 0
REF is transmitted to the capacitor C3 via the voltage follower 2, and the voltage V C4 =
0V is transmitted to the capacitor C2 via the voltage follower 3. On the other hand, when b N = 1, the voltage V C2 = 1 / V REF stored in the capacitor C2 is transmitted to the capacitor C4 via the voltage follower 2, and
The voltage V C3 = V REF stored in 3 is transmitted to the capacitor C 1 via the voltage follower 1. Then, after all switches are opened, the switches S7 and S8 are opened.
Close the value of V DAC is, V DAC = 1/2 ( 1 / 2V
REF + 0) = 1/4 V REF (when b N = 0) V DAC = 1
/ 2 (V REF + / V REF ) = 3V REF (b N =
1). By comparing the obtained comparison voltage V DAC with the analog input voltage V AN , b N−1 is determined.
Thereafter, if this operation is sequentially repeated, the bit strings b N , b N−1 ,
.., B 1 are determined, and the A / D conversion is completed. After N operations, the comparison voltage V DAC is
【0035】 [0035]
【0036】となり、従来と同じ展開を行っていること
が明らかとなる。Thus, it is clear that the same development as that of the related art is performed.
【0037】1/2N+1 ・VREF は誤差電圧であり当然
ながらNを増大させれば誤差電圧を小さくすることがで
きる。1/2 N + 1 · V REF is an error voltage, and if N is increased, the error voltage can be reduced.
【0038】図3は図1で示される構成をより具体的に
示した例である。FIG. 3 is a more specific example of the configuration shown in FIG.
【0039】ここに図1におけるクロック発生回路7,
ホールド回路6,スイッチS0,アナログ入力端子10
は省略されている。スイッチS1〜S8は図5に示す様
にMOSFETで構成してある。図4は図3の動作を示
すタイミングチャートであり期間Ti(i=N,…,
1)で1ビットの変換を行う。また期間Tiは3層のク
ロックφ0,φ1,φ2より構成される。図4において
は特に変換結果が上位ビットより01101…の場合が
示されている。Here, the clock generation circuit 7 in FIG.
Hold circuit 6, switch S0, analog input terminal 10
Has been omitted. The switches S1 to S8 are composed of MOSFETs as shown in FIG. FIG. 4 is a timing chart showing the operation of FIG. 3 and shows a period Ti (i = N,.
In 1), 1-bit conversion is performed. The period Ti is composed of three layers of clocks φ0, φ1, φ2. FIG. 4 particularly shows a case where the conversion result is 01101...
【0040】図7は本発明の第2の実施例を示す図であ
る。図7は、図6におけるバイアス電圧発生源60を変
更したものである。また他の構成は図1と同等であり、
リザルト・レジスタ5以外は省略されている。NORゲ
ート70の電源は基準電圧VREF が用いられており、b
N =0のときは信号線23にバイアスされる電圧は信号
線28の値に依存し、信号線28の値が“1”の時は接
地電位が、また信号線28の値が“0”のときにはNO
Rゲート70は入力信号と出力信号とが短絡したいわゆ
るセルフバイアス構造となり1/2VREF がそれぞれ信
号線23に出力される。ただしNORゲート70の論理
しきい値は1/2VREF に設定されている。FIG. 7 is a diagram showing a second embodiment of the present invention. FIG. 7 is a modification of the bias voltage generation source 60 in FIG. Other configurations are the same as those in FIG.
Elements other than the result register 5 are omitted. The power supply of the NOR gate 70 uses the reference voltage V REF and b
When N = 0, the voltage biased on the signal line 23 depends on the value of the signal line 28. When the value of the signal line 28 is "1", the ground potential is set, and when the value of the signal line 28 is "0". NO when
The R gate 70 has a so-called self-bias structure in which an input signal and an output signal are short-circuited, and outputs 1/2 V REF to the signal line 23, respectively. However, the logical threshold value of the NOR gate 70 is set to 1/2 V REF .
【0041】図6におけるバイアス電圧発生源60では
抵抗を用いている為、抵抗値を小さくすると消費電流が
問題になる。従って抵抗値は10KΩ程度の値に設定さ
れる。ところで抵抗を半導体基板上に構成しようとした
場合、イオン注入抵抗等が広く一般に用いられるが、本
実施例の如くNORゲートで構成しMOSFETの相互
コンダクタンスを低く設定することにより低消費電流で
イオン注入抵抗よりも1/10程度の面積でバイアス電
圧発生源を構成できる。従ってトータルの面積でも有利
である。Since a resistor is used in the bias voltage generating source 60 in FIG. 6, if the resistance value is reduced, current consumption becomes a problem. Therefore, the resistance value is set to a value of about 10 KΩ. When a resistor is to be formed on a semiconductor substrate, an ion implantation resistor or the like is widely and generally used. However, as shown in this embodiment, the ion implantation is performed with a low current consumption by forming a NOR gate and setting a low mutual conductance of the MOSFET. The bias voltage generation source can be configured with an area about 1/10 of the resistance. Therefore, the total area is advantageous.
【0042】[0042]
【発明の効果】以上説明したように本発明は、DACを
従来のような抵抗の羅列あるいはコンデンサの羅列を用
いることなく、本質的には図1におけるコンデンサC1
及びコンデンサC2の2つのコンデンサのみで行ってい
るために半導体基板上に構成した場合従来と比べて約5
0%の面積縮小が可能である。またNビットのA/D変
換を行う際、変換精度を上げるためにNを増加してもD
ACの回路構成はNに依存しないので、全く変わること
なく、リザルト・レジスタ5のビット数が増えるのみで
回路変更が容易に行なえるという効果を有する。As described above, according to the present invention, the DAC is essentially replaced with the capacitor C1 shown in FIG. 1 without using the conventional resistor array or capacitor array.
And only two capacitors C2, the capacitor C2 is used.
The area can be reduced by 0%. Also, when performing N-bit A / D conversion, even if N is increased to increase the conversion accuracy, D
Since the circuit configuration of AC does not depend on N, there is an effect that the circuit can be easily changed only by increasing the number of bits of the result register 5 without any change.
【図1】本発明の一実施例のブロック図。FIG. 1 is a block diagram of one embodiment of the present invention.
【図2】図1に示した動作を説明するためのフローチャ
ート。FIG. 2 is a flowchart for explaining the operation shown in FIG. 1;
【図3】図1における実施例の詳細図。FIG. 3 is a detailed view of the embodiment in FIG. 1;
【図4】本発明の実施例を説明するためのタイミング
図。FIG. 4 is a timing chart for explaining the embodiment of the present invention.
【図5】スイッチ回路図。FIG. 5 is a switch circuit diagram.
【図6】ボルテージフォロワ回路図。FIG. 6 is a voltage follower circuit diagram.
【図7】本発明の第2の実施例を説明するための図。FIG. 7 is a diagram for explaining a second embodiment of the present invention.
【図8】従来の逐次比較型A/D変換器のブロック図。FIG. 8 is a block diagram of a conventional successive approximation type A / D converter.
【図9】逐次比較型A/D変換器を説明するための図。FIG. 9 is a diagram illustrating a successive approximation A / D converter.
【図10】抵抗ラダー方式のDACを説明するための
図。FIG. 10 is a diagram illustrating a resistor ladder type DAC.
【図11】コンデンサアレイ方式のDACを説明するた
めの図。FIG. 11 illustrates a capacitor array type DAC.
【図12】コンデンサアレイ方式のDACの等価回路
図。FIG. 12 is an equivalent circuit diagram of a capacitor array type DAC.
1,2,3 ボルテージフォロワ 4 比較器 5 リザルト・レジスタ 6 ホールド回路 7 クロック発生回路 8 制御回路 9 基準電源電圧端子 10 アナログ入力端子 11 バイアス電圧電源 12,83 D/A変換器 13 DAC出力信号 14,16,17,18,20,21,22,27,2
8 制御回路の出力信号線 15 比較器の出力 C1,C2,C3,C4,62,63 コンデンサ S0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,S
8,S9,52,64,66 スイッチ 50,67,68 N−chMOSFET 30,51 P−chMOSFET 31,32 抵抗 53 インバータ 70 NORゲート 23,61 バイアス電圧発生回路の出力 65,69 接点1, 2, 3 Voltage follower 4 Comparator 5 Result register 6 Hold circuit 7 Clock generation circuit 8 Control circuit 9 Reference power supply voltage terminal 10 Analog input terminal 11 Bias voltage power supply 12, 83 D / A converter 13 DAC output signal 14 , 16,17,18,20,21,22,27,2
8 Output signal line of control circuit 15 Output of comparator C1, C2, C3, C4, 62, 63 Capacitors S0, S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S
8, S9, 52, 64, 66 Switch 50, 67, 68 N-ch MOSFET 30, 51 P-ch MOSFET 31, 32 Resistance 53 Inverter 70 NOR gate 23, 61 Output of bias voltage generation circuit 65, 69 Contact
Claims (2)
を保持する第1及び第2のホールド回路と、該第1及び
該第2のホールド回路に保持されている電圧の平均電圧
を得る第1の手段と、前記平均電圧を基準電圧としアナ
ログ入力電圧との比較を行う比較器と、該比較器の比較
結果をラッチするレジスタと、前記平均電圧を保持する
第3のホールド回路と、前記比較器の出力に応じて前記
第3のホールド回路に保持されている電圧を前記第1ま
たは前記第2のホールド回路のいづれか一方に伝達する
第2の手段とを備え、前記第1の手段により得られた新
たな平均電圧を基準電圧とし、所定回数アナログ入力電
圧との逐次比較を行う逐次比較型A/D変換器におい
て、前記第1,第2及び第3のホールド回路はそれぞれ
コンデンサ及びボルテージフォロワにより構成され、該
ボルテージフォロワの入力側の前記コンデンサに保持さ
れた電圧を出力側の前記コンデンサに伝達するに際し
て、前記入力側及び出力側のコンデンサの共通端にバイ
アス電圧を与えて前記保持された電圧を所定値昇圧して
伝達するためのバイアス電圧発生回路を備えたことを特
徴とする逐次比較型A/D変換器。1. A first and a second hold circuit, each initialized to a predetermined voltage value and holding a voltage, and obtaining an average voltage of the voltages held in the first and the second hold circuits. A comparator for comparing the average voltage with an analog input voltage using the average voltage as a reference voltage, a register for latching a comparison result of the comparator, a third hold circuit for holding the average voltage, A second means for transmitting a voltage held in the third hold circuit to one of the first and second hold circuits in accordance with an output of a comparator, wherein the first means A successive approximation type A / D converter that performs successive approximation with an analog input voltage a predetermined number of times using the obtained new average voltage as a reference voltage.
The first, second and third hold circuits respectively
A capacitor and a voltage follower.
The voltage is held by the capacitor on the input side of the voltage follower.
Transfer the output voltage to the capacitor on the output side.
To the common end of the input side and output side capacitors.
Giving a bias voltage to boost the held voltage by a predetermined value.
A successive approximation type A / D converter comprising a bias voltage generating circuit for transmitting .
ビットの変換結果に応じて決定されることを特徴とする
請求項1記載の逐次比較型A/D変換器。2. The highest priority is whether to perform the boosting operation.
It is determined according to the result of bit conversion.
The successive approximation type A / D converter according to claim 1 .
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP05127643A JP3106771B2 (en) | 1993-05-31 | 1993-05-31 | Successive approximation A / D converter |
Applications Claiming Priority (1)
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Publication Number | Publication Date |
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JPH06338800A JPH06338800A (en) | 1994-12-06 |
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