JP3131937B2 - 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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JP3131937B2
JP3131937B2 JP05274986A JP27498693A JP3131937B2 JP 3131937 B2 JP3131937 B2 JP 3131937B2 JP 05274986 A JP05274986 A JP 05274986A JP 27498693 A JP27498693 A JP 27498693A JP 3131937 B2 JP3131937 B2 JP 3131937B2
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stage
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貴久 子安
斎藤  光弘
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03MCODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/12Analogue/digital converters
    • H03M1/34Analogue value compared with reference values
    • H03M1/38Analogue value compared with reference values sequentially only, e.g. successive approximation type
    • H03M1/42Sequential comparisons in series-connected stages with no change in value of analogue signal

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Analogue/Digital Conversion (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、アナログ電圧信号をデ
ジタル信号に変換するアナログ・デジタル変換器(以下
A/D変換器と記す)に関し、特に、無帰還比較型もし
くは並列型と呼ばれるタイプのA/D変換器に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、A/D変換器としては主に、帰還
比較型もしくは逐次比較型と呼ばれるタイプと無帰還比
較型もしくは並列型と呼ばれるタイプのものがある。こ
のうち並列型は、細かく分割した基準電圧とアナログ電
圧値とを比較して、その結果から出力の全ビット値を一
度に決定するものである。並列型は、全電圧を細かく分
割した基準電圧を用意しておくので反応が早いが、分割
する分だけ判定回路を必要とし、一般に素子数が多い。
図2に従来の2ビット出力の並列型A/D変換器の一例
を示す。これは分解能を4として、4本の抵抗体R1,R
2,R3,R4 を直列に接続し、各々の抵抗間の電圧V1,V
2,V3 を基準電圧とし、3個の比較器21、22、23
を並列に配置して、入力電圧を比較したその出力を論理
回路と組み合わせて2ビット出力を得るものである。2
ビットの出力OUT1とOUT2との真理値表が図2(b) に示し
てある。基準電圧V1,V2,V3 は図2(a) の式に示すよ
うに各抵抗体と電源電圧Vccで決まる。なおこの各値の
VおよびRは、この図2の回路での値である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来の並列型のA/D変換器は、高速なデジタル変換値
が得られるけれども、分解能を高くするにつれて、比較
の基準となる分割抵抗体自身の素子数や判定回路が増加
し、かつ分解能の精度が悪くなる問題が生じる。つま
り、素子数が増大するほどA/D変換器のチップ面積が
増大し、また1LSBあたりの電圧が小さくなって、ノ
イズに対するマージンが減ってしまうという問題があ
る。
【0004】従って本発明の目的は、新しい並列型A/
D変換器の構成を提案し、従来の欠点をなくすことにあ
る。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
請求項1に記載の発明によれば、 入力された入力電圧
の電圧値を(n)ビット(n=1、2、3)のディジタ
ル信号に変換し出力するアナログ・デジタル変換器にお
いて、 (n)段の比較回路と、 基準電圧源と、 この基準
電圧源に接続され、(n)段目において(n+1)個の
抵抗が直列接続され、該直列接続抵抗の所定の抵抗分割
点に基準電圧を生じさせる(n)段の抵抗回路と、 この
抵抗回路における直列接続抵抗の所望の接続点に接続さ
れ、前記比較回路からの出力信号に応じてスイッチング
動作を行って前記何れかの抵抗をバイパスして前記所定
の抵抗分割点に生じる基準電圧を変化させるものであっ
て、(n)段目において(n−1)個となるよう各段毎
に設けられたスイッチング回路とを有し、 n=2のとき
は、前記基準電圧源の高電圧側から直列接続された1番
目と2番目の抵抗間の接続点を前記基準電圧を生じる抵
抗分割点とすると共に、2番目と3番目の抵抗間の接続
点に1段目の前記比較回路からの出力信号に応じてスイ
ッチング動作を行うスイッチング回路を接続し、当該ス
イッチング回路のスイッチング動作時に3番目の前記抵
抗をバイパスして前記抵抗分割点に生じる基準電圧を変
化させ、 n=3のときは、前記基準電圧源の高電圧側か
ら直列接続された2番目と3番目の抵抗間の接続点を前
記基準電圧を生じる抵抗分割点とすると共に、1番目と
2番目の抵抗間の接続点に2段目の前記比較回路からの
出力信号に応じてスイッチング動作を行うスイッチング
回路を接続し、当該スイッチング回路のスイッチング動
作時に1番目の前記抵抗をバイパスして前記抵抗分割点
に生じる基準電圧を変化させ、また、3番目と4番目の
抵抗間の接続点に1段目の前記比較回路からの出力信号
に応じてスイッチング動作を行うスイッチング回路を接
続し、当該スイッチング回路のスイッチング動作時に4
番目の前記抵抗をバイパスして前記 抵抗分割点に生じる
基準電圧を変化させ、 各段の前記抵抗回路における抵抗
分割点に生じる各基準電圧と前記入力電圧とを各段毎に
比較回路に夫々入力し、各段の前記比較回路の各出力信
号をn段目まで順に上位ビットから最下位ビットまでの
(n)ビットのデジタル信号とすることを特徴とする。
また、請求項2に記載の発明によれば、請求項1におい
て、前記(n)段の内のl段目(l≧1)の前記抵抗回
路は、基準電圧源の電圧値の1/2 l 倍の分解能となる
切換えの抵抗値の組合せであることを特徴とする。
【0006】
【作用】本発明のn段(n=1、2、3)の比較器の
内、初段の比較器はまず、検出範囲(レンジ)の電圧の
中間レベルの基準電圧Va を基に入力電圧を判定し、最
上位ビットを決定する。続いて二段目の比較器では、一
段目の出力を基にした基準電圧Vb 、Vb' を基にして
2ビット目の判定をし、出力する。続いて三段目の比較
器では、一段目及び二段目の出力を基にした基準電圧V
c 、V c' 、V c'' 、V c''' を基にして最下位ビット
(3ビット目)の判定をし、出力する。 このように前段
の比較器の出力を基に、次段の比較器の分割抵抗を切換
えて、その段の基準電圧を判定すべき領域に振り分け、
順次下位ビットを決定していく。最下位ビットが出力さ
れて全ビットが揃って、入力された電圧のデジタル値が
得られる。この変換において、基準電圧を発生させる回
路が最小限に抑えられており、回路規模を抑制すること
ができる。このように、MSBからLSBへ向けてビッ
ト値が決まるので、各段の基準電圧切換えの時間の和が
このA/D変換器の変換レートを決定する。通常この切
換えは高速スイッチング素子で行われるので、実際上瞬
時に変換されると見なすことができ、並列型A/D変換
器として扱うことができる。
【0007】
【実施例】(第一実施例)以下、本発明を具体的な実施
例に基づいて説明する。本発明による2ビット出力のA
/D変換器を、基本的構成で実現した回路図を図1に示
す。初段の比較器1の基準電圧V2 として、抵抗体
1 、R2 でVccの中間電位を形成する。この電圧値V
2 は、判定しようとする入力電圧を十分カバーするレン
ジ電圧値Vccの1/2の値とする。従って図1のVccは
予め目的に応じた定電圧値に設定される。比較器1は入
力電圧と基準電圧V2 とを比較し、そのHiかLoかの結果
がデジタル出力の最上位ビットMSB(OUT1) となる。また
この出力が、第二の基準電圧に対する基準電圧切換え回
路に、反転して接続されて、スイッチング素子のトラン
ジスタT1 に入力され、比較器1の出力に応じたスイッ
チ動作をする。そのため比較器2の基準電圧は、抵抗体
3 、R4 、R5 で構成されるが、抵抗R5 の電圧降下
分の差がはいり、V1 もしくはV3 となる。比較器2は
この基準電圧V1 もしくはV3 と入力電圧とを比較して
下位ビット(OUT2)を出力する。なおデジタル出力は、出
力を安定させるため、各ビット毎に出力バッファを設け
ている。また各値を示す記号V、Rはこの図1の回路に
おける値である。
【0008】基準電圧V2 は、抵抗R1 、R2 によっ
て、(R2 /(R1+R2))Vccと決まり、抵抗の精度で
分解能が決まる。二段目の基準電圧V1 もしくはV
3 も、前述のように抵抗体R3 、R4 、R5 によって決
まるが、トランジスタT1 (スイッチ30)がオン、即
ち比較器1の出力がLoの時は、抵抗R5 に印加される電
位はトランジスタの順方向電圧降下のVCE(T1)となり、
図1に示すV1 の式のようになる。また、スイッチ30
がオフの時、つまり比較器1の出力がHiの時は比較器2
の基準電圧がV3 で、図1のV3 の式で示される。この
両基準電圧V1 、V3が丁度それぞれ1/4Vcc、3/
4Vccとなるように各抵抗値を設定する。
【0009】比較器1は、丁度レンジ電圧値Vccの半分
の値で判定することになるので、まず大雑把に入力電圧
値のおおよその値としてHiかLoに振り分ける。その結果
によって、その次の分解能として下位ビットがどの位か
を比較器2で判定する。従って、比較器2は比較器1よ
りも、より厳しい判定を必要とする。逆に比較器1は最
下位ビット(LSB) よりもゆるやかな判定で良い。従っ
て、従来と同等の分解能をめざす場合、その高い分解能
はLSB 側でのみ必要とし、上位ビットの判定に用いられ
る比較器に対する分解能はLSB に対するよりも粗い設定
でよいので、製造上の余裕がとれ、コスト的に有利であ
る。
【0010】(第二実施例)図3に、出力が3ビットの
場合の回路図を示す。3ビットの場合の回路構成は、ち
ょうど2ビットの回路をさらに展開して、比較器2の出
力で比較器3の基準電圧を切換えるようトランジスタT
2 、T3 でスイッチングを行う。具体的には、比較器3
の基準電圧を形成する抵抗体はR6 、R7 、R8 、R9
で、トランジスタT2 はR8 、R9 間、トランジスタT
3 はR6 、R7 間に図3に示すように接続される。その
場合のデジタル出力(OUT1〜OUT3)と入力電圧(基準電
圧)の関係を図4に示してある。電圧値の各式は、基準
電圧を形成する各抵抗体によって決まり、この抵抗体の
値によって各基準電圧を決定できる。なお、各値を示す
記号V、Rは図3の回路における値である。またトラン
ジスタT3 がプルアップ側に接続されているのは、抵抗
の組合せが容易であるためで、切換え回路としては、特
にこの図3の場合の回路に限る必要はない。
【0011】
【0012】従って細かく入力電圧を判定できるの
で、1〜3ビット構成において従来の並列型A/D変換
器の構成に比べてより少ない素子構成で同等の分解能を
持つA/D変換器が実現する。因みに第一実施例では、
従来の同等の構成である図2と比べて、40%の削減率
となっている。また、分解能が従来の1/4から1/2
になることから、入力段におけるノイズマージンも倍の
値がとれる。
【0013】本発明は以上の説明に限らず、基準電圧の
取り方を均等にしなくてもよい。即ち、求めたい電圧値
領域の近傍のみ分解能を上げる抵抗の組合せも後段に設
定することが可能である。ただしこの場合は、デジタル
出力にもマップを形成する必要がある。
【0014】
【発明の効果】以上のように、本発明による回路構成の
並列型A/D変換器は、1〜3ビット構成において従来
よりも素子構成が少なくて同等の分解能を有し、集積化
が容易でコスト的にも安価に製造できる。すなわち、各
段における抵抗回路及びスイッチング回路は必要最小限
の回路から成り、チップ面積の増大の抑制に大きく貢献
するものである。又、各段における基準電圧の発生に
は、共通の基準電圧源が用いられていることから、各基
準電圧が正確に生成される結果、ディジタル値への変換
精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す回路図。
【図2】従来の並列型A/D変換の代表的な回路図。
【図3】本発明の第二実施例の回路図。
【図4】図3の例の動作モードおよび規準電圧値の説明
【符号の説明】
1、2、3、4、21、22、23 比較器 30 スイッチ(トランジスタ、基準電圧切換え回路)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−76322(JP,A) 特開 昭59−175216(JP,A) 特開 昭62−12213(JP,A) 特開 平3−276921(JP,A)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】入力された入力電圧の電圧値を(n)ビッ
    ト(n=1、2、3)のディジタル信号に変換し出力す
    るアナログ・デジタル変換器において、 (n)段の比較回路と、 基準電圧源と、 この基準電圧源に接続され、(n)段目において(n+
    1)個の抵抗が直列接続され、該直列接続抵抗の所定の
    抵抗分割点に基準電圧を生じさせる(n)段の抵抗回路
    と、 この抵抗回路における直列接続抵抗の所望の接続点に接
    続され、前記比較回路からの出力信号に応じてスイッチ
    ング動作を行って前記何れかの抵抗をバイパスして前記
    所定の抵抗分割点に生じる基準電圧を変化させるもので
    あって、(n)段目において(n−1)個となるよう各
    段毎に設けられたスイッチング回路と を有し、 n=2のときは、前記基準電圧源の高電圧側から直列接
    続された1番目と2番目の抵抗間の接続点を前記基準電
    圧を生じる抵抗分割点とすると共に、2番目と3番目の
    抵抗間の接続点に1段目の前記比較回路からの出力信号
    に応じてスイッチング動作を行うスイッチング回路を接
    続し、当該スイッチング回路のスイッチング動作時に3
    番目の前記抵抗をバイパスして前記抵抗分割点に生じる
    基準電圧を変化させ、 n=3のときは、前記基準電圧源の高電圧側から直列接
    続された2番目と3番目の抵抗間の接続点を前記基準電
    圧を生じる抵抗分割点とすると共に、1番目と2番目の
    抵抗間の接続点に2段目の前記比較回路からの出力信号
    に応じてスイッチング動作を行うスイッチング回路を接
    続し、当該スイッチング回路のスイッチング動作時に1
    番目の前記抵抗をバイパスして前記抵抗分割点に生じる
    基準電圧を変化させ、また、3番目と4番目の抵抗間の
    接続点に1段目の前記比較回路からの出力信号に応じて
    スイッチング動作を行うスイッチング回路を接続し、当
    該スイッチング回路のスイッチング動作時に4番目の前
    記抵抗をバイパスして前記抵抗分割点に生じる基準電圧
    を変化させ、 各段の前記抵抗回路における抵抗分割点に生じる各基準
    電圧と前記入力電圧とを各段毎に比較回路に夫々入力
    し、各段の前記比較回路の各出力信号をn段目まで順に
    上位ビットから最下位ビットまでの(n)ビットのデジ
    タル信号とすることを特徴とするアナログ・デジタル変
    換器。
  2. 【請求項2】 前記(n)段の内の段目(l≧1)
    前記抵抗回路は、基準電圧源の電圧値の1/2 l 倍の分
    解能となる切換えの抵抗値の組合せであることを特徴と
    する請求項1に記載のアナログ・デジタル変換器。
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