JP3159289B2 - 並列型a/d変換器 - Google Patents

並列型a/d変換器

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JP3159289B2 JP26470594A JP26470594A JP3159289B2 JP 3159289 B2 JP3159289 B2 JP 3159289B2 JP 26470594 A JP26470594 A JP 26470594A JP 26470594 A JP26470594 A JP 26470594A JP 3159289 B2 JP3159289 B2 JP 3159289B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、並列型A/D変換器に
関し、特に直線性誤差を改善した並列型A/D変換器に
関する。
【0002】
【従来の技術】並列型A/D変換器とは基準電圧を直列
抵抗で分圧し、分圧された各々の基準電圧とアナログ入
力電圧とをそれぞれ比較して、この比較結果に基づきデ
ィジタル信号を出力するものである。
【0003】図4はこのような従来のNビット並列型A
/D変換器の一例を示す構成ブロック図である。図4に
おいて1はエンコーダ、2は比較器、3は抵抗である。
また、100はアナログ入力電圧、101及び102は
基準電圧、103はディジタル出力である。
【0004】さらに、エンコーダ1及び”2N−1 ”個
の比較器2は比較変換手段50を、直列接続された”2
N ”個の抵抗3は基準電圧発生手段51をそれぞれ構成
している。
【0005】アナログ入力電圧100は”2N−1 ”個
の比較器2の一方の入力端子にそれぞれ入力され、”2
N−1 ”個の比較器2の出力はそれぞれエンコーダ1に
接続され、エンコーダ1は”N”個のディジタル出力1
03を出力する。
【0006】また、”2N ”個の抵抗3は直列接続さ
れ、直列接続の両端には基準電圧101及び102がそ
れぞれ印加される。さらに、直列接続された”2N ”個
の抵抗3の”2N−1 ”個の接続点は”2N−1 ”個の
比較器2の他方の入力端子にそれぞれ接続される。
【0007】ここで、図4に示す従来例の動作を説明す
る。基準電圧101と基準電圧102との差電圧は直列
接続された”2N ”個の抵抗3によって分圧され、新た
に”2N-1 ”個の基準電圧を発生させる。そして、アナ
ログ入力電圧100は”2N−1 ”個の比較器2によっ
て”2N−1 ”個の基準電圧とそれぞれ比較される。
【0008】エンコーダ1は”2N−1 ”個の比較器2
の出力に基づき”N”個のディジタル出力103を発生
させる。
【0009】例えば、入力電圧範囲が”1V”の6ビッ
ト並列型A/D変換器を考えた場合、基準電圧発生手段
51は63個のステップ基準電圧を発生させ、比較変換
手段50はアナログ入力電圧100と前記基準電圧とを
それぞれ比較変換して6個のディジタル出力103を出
力する。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】しかし、バイポーラI
Cプロセスでは抵抗素子であるシート抵抗の抵抗値が”
数100Ω”と比較的大きいため、バイポーラICプロ
セスを用いて図4に示すような並列型A/D変換器を構
成する場合には比較器2等の入力バイアス電流により基
準電圧値の直線性誤差が発生するといった問題点があっ
た。
【0011】即ち、入力バイアス電流が抵抗3を流れる
ことによって生じる電圧降下によって基準電圧発生手段
51の出力値が理想値とは異なってしまうことになる。
【0012】この誤差電圧の最大値”Verrmax”は、抵
抗3の各抵抗値を”r”、比較器2の入力バイアス電流
を”i”、並列型A/D変換器のビット数を”N”とす
れば、 Verrmax=(2N)2・r・i/8 (1) となる。
【0013】例えば、入力電圧範囲が”1V”の6ビッ
ト並列型A/D変換器を考えた場合、”r=100
Ω”、”i=1μA”とすれば、 Verrmax=51.2mV (2) となり、最大”5.12%”の誤差が生じることにな
る。
【0014】ここで、入力電圧範囲が”1V”で6ビッ
トの分解能を得るためには、 1/26=15.6mV (3) に示すステップの基準電圧が必要であり、式(2)のよ
うな誤差が生じては6ビットの分解能を実現することが
できない。
【0015】上記問題点を解決するためには抵抗3の抵
抗値若しくは入力バイアス電流を小さくすれば良い。
【0016】但し、入力バイアス電流を小さくすること
は動作速度の劣化を招いてしまう。一方、抵抗3の抵抗
値を小さくするために抵抗3としてアルミ配線を用いた
場合、アルミ配線の抵抗値がプロセス上十分管理できな
いため歩留りの低下を招くといった新たな問題点が生じ
る。従って本発明の目的は、通常の抵抗素子を用い、直
線性誤差を改善した並列型A/D変換器を実現すること
にある。
【0017】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明の第1では、アナログ入力電圧と基準
電圧発生手段が出力する複数の基準電圧とをそれぞれ比
較し、各々の比較結果に基づきディジタル出力を出力す
る比較変換手段を有する並列型A/D変換器におい
て、”M(M≧2)”個の抵抗を並列接続したタップ間
抵抗を前記基準電圧発生手段を構成する直列接続された
抵抗”M(M≧2)”個毎の接続点間に接続した補正手
段を備えたことを特徴とするものである。
【0018】本発明の第2では、基準電圧発生手段を構
成する抵抗素子と補正手段を構成する抵抗素子とのマス
クパターンが同一であり、前記基準電圧発生手段と前記
補正手段との間を専用配線で接続したことを備えたこと
を特徴とするものである。
【0019】
【作用】基準電圧発生手段を構成する直列接続された抵
抗”M(M≧2)”個毎に”M(M≧2)”個の抵抗を
並列接続したタップ間抵抗を設けることにより、通常の
抵抗素子を用いても、直線性誤差が改善できる。
【0020】また、基準電圧発生手段を構成する抵抗素
子と補正手段を構成する抵抗素子とのマスクパターンを
同一にすることにより製造が容易になり、基準電圧発生
手段と補正手段との間を専用配線で接続することによ
り、前記2つの抵抗素子間の共通インピーダンスが無く
なり、配線部分も最小距離になる。
【0021】
【実施例】以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。
図1は本発明に係るNビット並列型A/D変換器の一実
施例を示す構成ブロック図である。ここで、1,2,
3,50,51,100,101及び102は図4と同
一符号を付してある。また、図1において4は抵抗、1
03aはディジタル出力である。
【0022】また、抵抗4の個数は”2N ”個であり、
抵抗3及び4はシート抵抗等の同一の抵抗素子である。
【0023】50及び51間の接続関係に関しては図4
に示す従来例と同様である。”2N"個の抵抗4は”M”
個ずつ並列接続され、直列接続された抵抗3の内図1
中”イ”、”ロ”、”ハ”、”ニ”及び”ホ”に示すよ
うな”M”個毎の接続点間に接続される。但し、”M≧
2”である。
【0024】また、抵抗4が”M”個ずつ並列接続され
たものはタップ間抵抗52を構成し、”2N/M ”個の
タップ間抵抗52が直列接続されたものは補正手段53
を構成する。
【0025】また、図2は基準電圧発生手段51及び補
正手段53の部分のマスクパターンを示す平面図であ
る。図2において5a及び5bはシート抵抗等の抵抗素
子を示しており、実線部分はアルミ配線を示している。
【0026】図2に示す平面図は”N=3”及び”M=
4”の場合のマスクパターンを示しており、抵抗素子5
a及び5bのマスクパターンの配置等は基準電圧発生手
段51及び補正手段53で全く同一である。
【0027】また、抵抗素子5a及び5bは整合性が良
く、アルミ配線の抵抗値が無視できる程度に近距離に配
置される。さらに、抵抗素子5aと抵抗素子5bとの間
の接続に関しては他のアルミ配線と兼用したり、1点で
接続することなく、図2中”イ”に示すような接続専用
のアルミ配線を設ける。
【0028】ここで、図1及び図2に示す実施例の動作
を説明する。比較器2の入力バイアス電流を”i”、抵
抗3の抵抗値を”r”とすると、タップ間抵抗52の抵
抗値”RT ”は、 RT=r/M (4) となる。
【0029】また、タップ間抵抗52に流れる比較器2
の入力バイアス電流”IT ”は、 IT=i・M (5) と近似される。
【0030】タップ間抵抗52の個数は前述のように”
N/M ”個であるから、タップ間抵抗52間での誤差
電圧の最大値”Verrmaxt ”は、式(1)に対して式
(4)、式(5)及び”2N/M ”を代入すると、 Verrmaxt=(2N/M )2・RT・IT/8 =(2N/M )2・r/M・(i・M)/8 =(2N )2・r・i/(8M2) (6) となる。
【0031】一方、タップ間抵抗52が接続される直列
接続された”M”個の抵抗3で生じる誤差電圧の最大
値”V'errmax ”は、式(1)において”2N ”を”
M”で置換することにより得られるので、 V'errmax=M2・r・i/8 (7) となる。
【0032】そして、比較器2等の入力バイアス電流に
より基準電圧値の直線性誤差の最大値は式(6)と式
(7)の和になるから、直線性誤差”Verr ”は、 Verr=Verrmaxt+V'errmax =(2N )2・r・i/(8M2)+M2・r・i/8 ={(2N )2/M2+M2}・r・i/8 (8) となる。
【0033】ここで、図3は縦軸に直線性誤差の最大
値、横軸に”M”を取って式(8)を表現した特性曲線
図である。また、入力電圧範囲、抵抗値及び入力バイア
ス電流値はそれぞれ”1V”、”100Ω”及び”1μ
A”であり、図3中”イ”、”ロ”、”ハ”、”ニ”及
び”ホ”はそれぞれ3、4、5、6及び7ビットの並列
型A/D変換器の場合を示している。
【0034】また、”M=1”はタップ間抵抗52が無
く、抵抗値”r”が1/2になった場合と同じ特性を示
している。即ち、言い換えればタップ間抵抗52がない
場合の直線性誤差の最大値は”M=1”の2倍の値とな
る。
【0035】図3から分かるようにタップ間抵抗52を
設けることにより、直線性誤差を抑えることが可能にな
り、例えば、図3中”ニ”に示す6ビットの並列型A/
D変換器においては”M=8”近くに設定することによ
り誤差電圧の最大値を”2mV”程度にすることができ
る。
【0036】即ち、入力電圧範囲が”1V”で6ビット
の分解能を得るためには、式(3)に示したように”1
5.6mV”のステップの基準電圧が必要であるが、最
大”2mV”程度の電圧誤差が生じても6ビットの分解
能を十分に実現することができる。
【0037】この結果、基準電圧発生手段51を構成す
る直列接続された抵抗3”M(M≧2)”個毎の接続点
間に”M(M≧2)”個の抵抗4を並列接続したタップ
間抵抗52を設けることにより、通常の抵抗素子を用い
ても、直線性誤差を改善することが可能になる。
【0038】また、基準電圧発生手段51を構成する抵
抗素子5aと補正手段53を構成する抵抗素子5bはシ
ート抵抗等を用いることができるので歩留りが良く、抵
抗値を高精度で管理することができる。
【0039】また、基準電圧発生手段51を構成する抵
抗素子5aと補正手段53を構成する抵抗素子5bとの
マスクパターンは同一であるので、1つのマスクパター
ンをコピーすることにより、抵抗素子5a及び5bを容
易に製造することが可能になる。
【0040】さらに、基準電圧発生手段51を構成する
抵抗素子5aと補正手段53を構成する抵抗素子5bと
の間の接続に関して図2中”イ”に示すような専用のア
ルミ配線を設けることにより、抵抗素子5a及び5b間
の共通インピーダンスが無くなり、タップ間抵抗52に
流れる電流が抵抗3側に流れることを防止することが可
能になる。
【0041】また、図2中”イ”に示すようなアルミ配
線部分は短く製造できるのでアルミ配線の引回しによる
電圧降下も最小限に抑えることが可能になる。
【0042】なお、抵抗素子や配線の電流定格が無視で
きると仮定した場合、式(8)中”(2N)2/M2+M
2 ”を”M”で微分して、 M=2N/2 (9) を求めることにより、この時の誤差電圧の最小値は、 Verrmin=2・2N・r・i/8 (10) となる。
【0043】従って、タップ間抵抗52を有しない場合
の誤差電圧と比は式(10)を式(1)で割ることによ
り、 Verrmin/Verrmax={2・2N・r・i/8}/{(2N)2・r・i/8} =2・2-N =2-N+1 (11) となる。
【0044】この結果、抵抗素子や配線の電流定格が無
視できる場合、例えば、6ビットの並列型A/D変換器
では、”26/2=8 ”個のタップ間抵抗52を設けるこ
とにより、誤差電圧を”2-6+1=2-5=1/32”に低
減することが可能になる。
【0045】
【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、
本発明によれば次のような効果がある。請求項1の発明
に関しては、基準電圧発生手段を構成する直列接続され
た抵抗”M(M≧2)”個毎の接続点間に”M(M≧
2)”個の抵抗を並列接続したタップ間抵抗を設けるこ
とにより、通常の抵抗素子を用いても、直線性誤差を改
善した並列型A/D変換器が実現できる。
【0046】請求項2の発明に関しては、基準電圧発生
手段を構成する抵抗素子と補正手段を構成する抵抗素子
とのマスクパターンは同一にし、基準電圧発生手段と補
正手段との間を専用配線で接続することにより、抵抗素
子の製造が容易になり、2つの抵抗素子間の共通インピ
ーダンスが無くなり、配線部分も短くなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る並列型A/D変換器の一実施例を
示す構成ブロック図である。
【図2】基準電圧発生手段及び補正手段の部分のマスク
パターンを示す平面図である。
【図3】直線性誤差の特性曲線図である。
【図4】従来の並列型A/D変換器の一例を示す構成ブ
ロック図である。
【符号の説明】
1 エンコーダ 2 比較器 3,4 抵抗 5a,5b 抵抗素子 50 比較変換手段 51 基準電圧発生手段 52 タップ間抵抗 53 補正手段 100 アナログ入力電圧 101,102 基準電圧 103 ディジタル出力

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】アナログ入力電圧と基準電圧発生手段が出
    力する複数の基準電圧とをそれぞれ比較し、各々の比較
    結果に基づきディジタル出力を出力する比較変換手段を
    有する並列型A/D変換器において、 ”M(M≧2)”個の抵抗を並列接続したタップ間抵抗
    を前記基準電圧発生手段を構成する直列接続された抵
    抗”M(M≧2)”個毎の接続点間に接続した補正手段
    を備えたことを特徴とする並列型A/D変換器。
  2. 【請求項2】基準電圧発生手段を構成する抵抗素子と補
    正手段を構成する抵抗素子とのマスクパターンが同一で
    あり、前記基準電圧発生手段と前記補正手段との間を専
    用配線で接続したことを特徴とする特許請求の範囲請求
    項1記載の並列型A/D変換器。
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