JP3166603B2 - D / A converter - Google Patents

D / A converter

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JP3166603B2
JP3166603B2 JP08413796A JP8413796A JP3166603B2 JP 3166603 B2 JP3166603 B2 JP 3166603B2 JP 08413796 A JP08413796 A JP 08413796A JP 8413796 A JP8413796 A JP 8413796A JP 3166603 B2 JP3166603 B2 JP 3166603B2
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capacitor
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、デジタルデータを
アナログ電圧に変換するD/A変換器に関し、詳しくは
荷重容量回路を用いたD/A変換器に関する。
The present invention relates to a D / A converter for converting digital data into an analog voltage, and more particularly, to a D / A converter using a load capacitance circuit.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、D/A変換器をCMOS回路
で実現する際には、多数(例えば、入力データがnビッ
トであれば2n 個) の抵抗器を直列接続してなる抵抗
ストリングスを用いて基準電圧を分圧し、抵抗ストリン
グスの入力データに対応した分圧点からスイッチング素
子を介して分圧電圧を取り出すことにより、入力データ
に対応したアナログ電圧を出力するように構成した電圧
ポテンショメータ型のD/A変換器が用いられる。
2. Description of the Related Art Conventionally, when a D / A converter is realized by a CMOS circuit, a resistor string is formed by connecting a large number of resistors (for example, 2 n resistors when input data is n bits). A voltage potentiometer configured to divide a reference voltage using a resistor and extract a divided voltage from a voltage dividing point corresponding to the input data of the resistor string via a switching element to output an analog voltage corresponding to the input data. Type D / A converter is used.

【0003】ところが、この電圧ポテンショメータ型D
/A変換器では、入力データが例えば10ビット以上の
高ビットになると、、各抵抗器の抵抗値のばらつき等に
より、D/A変換精度が低下し、入力データに対応した
アナログ電圧信号が得られなくなるといった問題があっ
た。
However, this voltage potentiometer type D
In the / A converter, when the input data has a high bit of, for example, 10 bits or more, the D / A conversion accuracy is reduced due to a variation in the resistance value of each resistor, and an analog voltage signal corresponding to the input data is obtained. There was a problem that it could not be.

【0004】一方、CMOS回路で実現するのに好適な
A/D変換器として、米国特許公報第4129863号
に開示されているように、アナログ入力電圧をデジタル
値に変換するために入力電圧と基準電圧とを逐次比較す
る逐次比較型のA/D変換器において、その基準電圧
を、容量を2進化荷重した複数のキャパシタからなる荷
重容量回路(キャパシタアレイ)を用いて生成するよう
に構成したA/D変換器が提案されている。
On the other hand, as an A / D converter suitable for realizing a CMOS circuit, as disclosed in US Pat. No. 4,129,863, an input voltage and a reference voltage for converting an analog input voltage into a digital value are disclosed. In a successive approximation type A / D converter for successively comparing a voltage with a voltage, the reference voltage is generated using a load capacitance circuit (capacitor array) composed of a plurality of capacitors whose capacitance has been binarily loaded. A / D converter has been proposed.

【0005】この提案のA/D変換器では、キャパシタ
アレイを、デジタルデータからアナログ電圧を生成する
D/A変換器として用いており、キャパシタアレイは、
CMOS回路で構成した場合に、抵抗ストリングスに比
べて、高精度な特性(容量)を得ることができることか
ら、これを利用することにより、デジタルデータをアナ
ログ電圧に高精度に変換可能なD/A変換器を構成でき
る。
In this proposed A / D converter, a capacitor array is used as a D / A converter for generating an analog voltage from digital data.
When a CMOS circuit is used, a highly accurate characteristic (capacitance) can be obtained as compared with a resistor string. By using this, a D / A that can convert digital data to an analog voltage with high accuracy can be obtained. A converter can be configured.

【0006】つまり、図8(a)に示す如く、例えば、
4ビットの入力データをアナログ電圧に変換する場合、
キャパシタアレイ52には、容量の基準値をcとする
と、容量を夫々、c,2c,4c,8cに設定した4個
のキャパシタ(コンデンサ)Ca〜Cdからなるキャパ
シタアレイが使用される。
That is, for example, as shown in FIG.
When converting 4-bit input data to analog voltage,
Assuming that the reference value of the capacitance is c, a capacitor array including four capacitors (capacitors) Ca to Cd whose capacitances are set to c, 2c, 4c, and 8c is used as the capacitor array 52.

【0007】また、このキャパシタアレイ52を用いて
入力データ(4ビット)をアナログ電圧に変換する際に
は、各コンデンサCa〜Cdの一端に、夫々、各端部
に、基準電圧Vref が印加された正電位側の基準電圧ラ
インを接続するか、その負電位側のGNDラインを接続
するか、或いはバイアス電圧VBを印加するかを切り換
えるスイッチング素子Sa〜Sdを設けられ、各コンデ
ンサCa〜Cdの他端が、基準電圧Vref を分圧して出
力する出力ラインとして互いに接続され、更に、各コン
デンサCa〜Cdの両端を接続し、しかも各両端にバイ
アス電圧VBを印加するための一対のスイッチング素子
Se,Sfが設けられる。
When the input data (4 bits) is converted into an analog voltage using the capacitor array 52, a reference voltage Vref is applied to one end of each of the capacitors Ca to Cd. Switching elements Sa to Sd for switching whether to connect the reference voltage line on the positive potential side, connect the GND line on the negative potential side, or apply the bias voltage VB. The other ends are connected to each other as output lines for dividing and outputting the reference voltage Vref. Further, a pair of switching elements Se for connecting both ends of each of the capacitors Ca to Cd and applying a bias voltage VB to each end. , Sf.

【0008】そして、このように構成されたD/A変換
器50を用いて、実際に入力データ(4ビット)をアナ
ログ電圧に変換するに当たっては、まずスイッチング素
子Se,SfをONすると共に、各スイッチング素子S
a〜Sdをスイッチング素子Se側に切り換えることに
より、各コンデンサCa〜Cd両端にバイアス電圧を印
加すると共に、各コンデンサCa〜Cdに蓄積された電
荷を放電させる(以下、この動作をバイアス動作とい
う)。そして、その後、スイッチング素子Se,Sfを
OFFさせ、各スイッチング素子Sa〜Sdを、例え
ば、入力データの最下位ビット(LSB)が「1」であ
れば、容量荷重が最小のコンデンサCaに接続されたス
イッチング素子Saを基準電圧ライン(Vref )側に切
り換え、入力データの最上位ビット(MSB)が「0」
であれば、容量荷重が最大のコンデンサCdに接続され
たスイッチング素子SdをGNDライン(0V)側に切
り換える、というように、入力データの各ビット値に応
じて基準電圧ライン又はGNDライン側に切り換える
(以下、この動作をセットリング動作という)。
When actually converting the input data (4 bits) into an analog voltage using the D / A converter 50 having the above-described configuration, first, the switching elements Se and Sf are turned on and each of the switching elements Se and Sf is turned on. Switching element S
By switching a to Sd to the switching element Se side, a bias voltage is applied to both ends of each of the capacitors Ca to Cd, and electric charges accumulated in each of the capacitors Ca to Cd are discharged (hereinafter, this operation is referred to as a bias operation). . After that, the switching elements Se and Sf are turned off, and the respective switching elements Sa to Sd are connected to the capacitor Ca having the smallest capacitance load, for example, when the least significant bit (LSB) of the input data is “1”. The switching element Sa is switched to the reference voltage line (Vref) side, and the most significant bit (MSB) of the input data is "0".
Then, the switching element Sd connected to the capacitor Cd having the largest capacitance load is switched to the GND line (0 V) side, such as switching to the reference voltage line or the GND line side according to each bit value of the input data. (Hereinafter, this operation is called a settling operation).

【0009】この結果、各コンデンサCa〜Cdの一端
を互いに接続した出力ラインには、基準電圧ライン−G
NDライン間の基準電圧を、値0〜値15に変化する4
ビット入力データに応じて容量分圧した0V〜Vref の
電圧が発生することになり、この電圧をオペアンプOP
a等からなるバッファ54を介して出力するようにすれ
ば、キャパシタアレイ52をD/A変換器として使用す
ることができる。
As a result, the output line connecting one end of each of the capacitors Ca to Cd is connected to the reference voltage line -G.
The reference voltage between the ND lines is changed from a value 0 to a value 15
A voltage of 0 V to Vref obtained by capacitively dividing the voltage is generated in accordance with the bit input data.
If output is performed via the buffer 54 composed of a or the like, the capacitor array 52 can be used as a D / A converter.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】ところがD/A変換器
を上記のように構成した場合、上記セットリング動作に
よって基準電圧を容量分圧した直後には、入力データに
応じた所望のアナログ電圧が得られるものの、その後暫
くすると(例えば数msec.経過すると)、各コンデンサ
Ca〜Cdに蓄積された電荷が抜けてしまい、出力電圧
が変動するとか、各コンデンサCa〜Cdの一端を互い
に接続する出力ラインの配線容量や、出力ラインに接続
されるアナログスイッチの接合容量等により、この出力
ラインと電源(VDD),或いはこの出力ラインとGND
(0V)との間に形成される寄生容量Ce,Cfによ
り、出力電圧が正規の値からずれることがあるといった
問題があった。
However, when the D / A converter is configured as described above, immediately after the reference voltage is capacitively divided by the settling operation, a desired analog voltage corresponding to the input data is generated. Although it is obtained, after a while (for example, several msec.), The electric charge accumulated in each of the capacitors Ca to Cd is released, and the output voltage fluctuates or the output connecting one end of each of the capacitors Ca to Cd is connected. Depending on the wiring capacity of the line, the junction capacity of the analog switch connected to the output line, etc., this output line and the power supply (VDD) or this output line and the GND
There is a problem in that the output voltage may deviate from a normal value due to the parasitic capacitances Ce and Cf formed between the output voltage and (0 V).

【0011】そして、上記前者の問題(つまり出力電圧
の変動)については、周知のサンプルホールド回路を利
用することにより、比較的容易に解決できるものの、上
記後者の問題(つまり寄生容量による出力誤差)につい
ては、簡単には解決できない。
Although the former problem (that is, fluctuation of output voltage) can be relatively easily solved by using a well-known sample-hold circuit, the latter problem (that is, output error due to parasitic capacitance). Cannot be easily solved.

【0012】即ち、図8(a)に示すように、バッファ
54の出力側に、スイッチング素子Sgを介して、電荷
蓄積用のコンデンサCgとこのコンデンサCgの電圧を
出力するオペアンプ(バッファ)OPbとからなるサン
プルホールド回路60を設け、上記セットリング動作終
了後、バッファ54の出力が安定している期間内に、ス
イッチング素子SgをONして、コンデンサCgにバッ
ファ54の出力に応じた電荷を充電させるようにし、こ
のサンプルホールド回路60からの出力をD/A変換結
果を表すアナログ電圧Vout として出力するようにすれ
ば、このD/A変換器の出力を安定化させることができ
る。
That is, as shown in FIG. 8A, a capacitor Cg for storing electric charge and an operational amplifier (buffer) OPb for outputting a voltage of the capacitor Cg are provided on the output side of the buffer 54 via a switching element Sg. After the end of the settling operation, the switching element Sg is turned on to charge the capacitor Cg with a charge corresponding to the output of the buffer 54 within a period in which the output of the buffer 54 is stable. If the output from the sample hold circuit 60 is output as an analog voltage Vout representing the result of the D / A conversion, the output of the D / A converter can be stabilized.

【0013】ところが、出力ラインの寄生容量Ce,C
fによる出力誤差は、例えば、図9(a)に示す如く、
バイアス電圧VBを0Vに設定した場合、入力データが
「0000」で正規の分圧電圧Voが0Vとなるときに
は、バイアス時とセットリング時とで寄生容量Ce,C
fにかかる電位が等しいため、寄生容量Ce,Cfの電
荷量の変化はなく、分圧電圧Voに、寄生容量Ce,C
fの影響による誤差は生じないものの、入力データ(延
いては分圧電圧Vo)が大きくなるに従い、バイアス時
とセットリング時とで寄生容量Ce,Cfにかかる電位
の差が大きくなるため、分圧電圧Voの誤差が増大す
る。また、バイアス電圧VBを基準電圧Vref に設定し
た場合には、入力データが「1111」で正規の分圧電
圧Voが基準電圧Vref となるときには、分圧電圧Vo
に誤差は生じないものの、入力データ(延いては分圧電
圧Vo)が小さくなるに従い、分圧電圧Voの誤差が増
大する。また更に、バイアス電圧VBを基準電圧Vref
の半分(VB=Vref /2)にした場合には、分圧電圧
Voがこのバイアス電圧VBになるときには誤差は生じ
ないものの、分圧電圧Voがこれより増加或いは減少す
るに従い、誤差が大きくなる。従って、バイアス電圧V
Bを固定していたのでは、その電圧値をいずれに設定し
ても、良好な出力特性が得られない。
However, the parasitic capacitances Ce and C of the output line
The output error due to f is, for example, as shown in FIG.
When the bias voltage VB is set to 0 V and the input data is “0000” and the normal divided voltage Vo becomes 0 V, the parasitic capacitances Ce and C are set between the biasing and the setting.
Since the potentials applied to the parasitic capacitances Ce and Cf are equal, there is no change in the amount of charge of the parasitic capacitances Ce and Cf.
Although no error occurs due to the influence of f, the difference between the potentials applied to the parasitic capacitances Ce and Cf at the time of bias and at the time of settling increases as the input data (and thus the divided voltage Vo) increases. The error of the voltage Vo increases. When the bias voltage VB is set to the reference voltage Vref, when the input data is “1111” and the normal divided voltage Vo becomes the reference voltage Vref, the divided voltage Vo is set.
Does not occur, the error in the divided voltage Vo increases as the input data (and thus the divided voltage Vo) decreases. Further, the bias voltage VB is changed to the reference voltage Vref.
(VB = Vref / 2), no error occurs when the divided voltage Vo reaches the bias voltage VB, but the error increases as the divided voltage Vo increases or decreases. . Therefore, the bias voltage V
If B is fixed, good output characteristics cannot be obtained regardless of the voltage value.

【0014】そこで、本願発明者らは、この問題を解決
するために、バイアス電圧VBを入力データに応じて変
化させる方法を考えた。例えば、図8(a)に示した4
ビットのD/A変換器の場合、図8(b)に示す如く、
抵抗ストリングスを利用した2ビットの電圧ポテンショ
メータ型D/A変換器(DAC)62を別途設け、入力
データD0〜D3の上位2ビットD2,D3を、この2ビットD
/A変換器62でアナログ電圧に変換し、そのアナログ
電圧を、バイアス電圧VBに使うようにするである。
Therefore, the present inventors have considered a method of changing the bias voltage VB according to input data in order to solve this problem. For example, 4 shown in FIG.
In the case of a bit D / A converter, as shown in FIG.
A 2-bit voltage potentiometer type D / A converter (DAC) 62 using a resistor string is separately provided, and the upper two bits D2 and D3 of the input data D0 to D3 are converted to the two-bit D / A converter.
The analog voltage is converted by the / A converter 62 and the analog voltage is used for the bias voltage VB.

【0015】しかしこの方法では、図9(b)に示すよ
うに、分圧電圧Voが、バイアス電圧VBと等しくなる
点で誤差はなくなるが、VBが切り替わる点では誤差が
最も大きくなり、微分非直線性誤差も発生する。また、
この方法では、抵抗ストリングスを用いたD/A変換器
を別途設けなければならず、コストアップになるという
問題がある。
However, in this method, as shown in FIG. 9B, the error disappears at the point where the divided voltage Vo becomes equal to the bias voltage VB, but the error becomes the largest at the point where VB switches, and A linearity error also occurs. Also,
In this method, a D / A converter using a resistor string must be separately provided, and there is a problem that the cost is increased.

【0016】本発明は、こうした問題に鑑みなされたも
ので、上記のように荷重容量回路(キャパシタアレイ)
を用いてD/A変換器を構成するに当たって、荷重容量
回路に形成される寄生容量の影響を受けることなく高精
度なD/A変換結果を得ることができ、しかも簡単な構
成で実現できるようにすることを目的とする。
The present invention has been made in view of such a problem, and as described above, a load capacitance circuit (capacitor array)
In constructing the D / A converter using the above, it is possible to obtain a highly accurate D / A conversion result without being affected by the parasitic capacitance formed in the load capacitance circuit, and to realize the D / A converter with a simple configuration. The purpose is to.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めになされた請求項1に記載のD/A変換器では、入力
データをアナログ電圧に変換するのに、一端が互いに接
続されたn個のキャパシタを備え、各キャパシタの容量
を、前記入力データの各ビットi(i:0,1,…,(n-1))に
対応して、夫々、基準容量の2i 倍に重み付けした荷重
容量回路(つまり前述のキャパシタアレイ)が用いられ
る。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a D / A converter for converting input data into an analog voltage. , And the capacity of each capacitor is weighted to 2 i times the reference capacity in accordance with each bit i (i: 0, 1,..., (N−1)) of the input data. A capacitance circuit (that is, the above-described capacitor array) is used.

【0018】そして、まず放電手段が、前記各キャパシ
タの両端を互いに接続して、各キャパシタの電荷を放電
させ、その後、分圧設定手段が、各キャパシタの開放端
を、夫々、各キャパシタに対応する入力データのビット
値に応じて、基準電圧の正電位側又は負電位側に接続す
ることにより、荷重容量回路に、基準電圧を入力データ
に応じた容量比で分圧させ、ホールド手段が、この分圧
設定手段の動作により各キャパシタの共通の接続点に生
じた分圧電圧をサンプルホールト゛して、そのホールド電
圧をD/A変換後の電圧信号として出力する。また放電
手段,分圧設定手段及びホールド手段は、夫々、所定周
期で順次繰り返し動作し、放電手段が、各キャパシタを
放電する際には、ホールド手段からの出力(つまり当該
D/A変換器からの出力電圧)をバイアス電圧として、
各キャパシタの両端に印加する。
First, the discharging means connects the both ends of each of the capacitors to each other to discharge the electric charge of each of the capacitors. Thereafter, the voltage dividing setting means sets the open ends of each of the capacitors to the respective capacitors. Depending on the bit value of the input data to be connected, by connecting to the positive potential side or the negative potential side of the reference voltage, the load capacitance circuit causes the reference voltage to be divided at a capacitance ratio according to the input data, and the holding means The divided voltage generated at the common connection point of the capacitors by the operation of the divided voltage setting means is sampled and the hold voltage is output as a voltage signal after D / A conversion. The discharging means, the voltage division setting means, and the holding means operate sequentially and repeatedly at predetermined intervals, and when the discharging means discharges each capacitor, the output from the holding means (that is, the output from the D / A converter). Output voltage) as the bias voltage,
Applied to both ends of each capacitor.

【0019】この結果、本発明(請求項1)のD/A変
換器においては、D/A変換開始直後や、入力データが
変化した直後には、出力電圧に一時的に誤差が生じるも
のの、入力データの変化が、前述所定周期のD/A変換
の少なくとも2周期以上は起こらないようにすれば、前
記各手段が、同じ入力データに対し、前述のバイアス動
作,セットリング動作及びサンプリング動作を繰り返す
うちに、出力電圧が入力データに対応した正規の電圧値
となり、前述のD/A変換器に比べて、極めて高精度な
D/A変換結果を得ることができるようになる。なお、
この動作の詳細については、後述の実施例にて詳しく説
明する。
As a result, in the D / A converter of the present invention (claim 1), an error occurs temporarily in the output voltage immediately after the start of the D / A conversion or immediately after the input data changes. If the change of the input data does not occur for at least two or more periods of the D / A conversion of the predetermined period, each means performs the above-described bias operation, settling operation and sampling operation on the same input data. During the repetition, the output voltage becomes a normal voltage value corresponding to the input data, and it is possible to obtain a D / A conversion result with extremely high precision as compared with the above-described D / A converter. In addition,
The details of this operation will be described in detail in an embodiment described later.

【0020】また、本発明(請求項1)によれば、放電
動作時に、ホールド回路にてサンプルホールドした前回
のD/A変換結果をバイアス電圧として、荷重容量回路
を構成する各コンデンサの両端に印加するだけでよく、
前述の抵抗ストリングスを用いたD/A変換器等、精度
を向上するための特別な回路を別途設ける必要がないた
め、荷重容量回路を用いたD/A変換器を、極めて簡単
に構成することができ、そのコスト低減を図ることもで
きる。
Further, according to the present invention (claim 1), at the time of discharging operation, the last D / A conversion result sampled and held by the hold circuit is used as a bias voltage between both ends of each capacitor constituting the load capacitance circuit. You only need to apply
Since it is not necessary to separately provide a special circuit for improving accuracy, such as the above-described D / A converter using a resistor string, the D / A converter using the load capacitance circuit can be configured extremely simply. And the cost can be reduced.

【0021】次に、請求項2に記載のD/A変換器は、
前記放電手段,分圧設定手段,及びホールド手段による
所定周期毎のD/A変換動作を、少なくとも連続2回以
上は、同一の入力データに対して行なうように構成され
る。このため、常に高精度なD/A変換結果が得られる
D/A変換器を実現できる。
Next, the D / A converter according to claim 2 is
The D / A conversion operation of the discharge means, the voltage division setting means, and the hold means at predetermined intervals is performed at least twice consecutively on the same input data. For this reason, a D / A converter that can always obtain a highly accurate D / A conversion result can be realized.

【0022】また次に、請求項3に記載のD/A変換器
においては、荷重容量回路を、入力データのビット数に
対応したn個のキャパシタだけでなく、容量が基準容量
に設定され、一端がこれらn個のキャパシタと共に互い
に接続された補正用キャパシタを備える。そして、放電
手段が、n個のキャパシタと共に、この補正用キャパシ
タの電荷も放電させ、分圧設定手段は、この補正用キャ
パシタの開放端を、基準電圧の負電位側に接続する。
Next, in the D / A converter according to the third aspect, not only the n capacitors corresponding to the number of bits of the input data but also the capacitance are set to the reference capacitance, One end is provided with a correction capacitor connected together with these n capacitors. Then, the discharging means discharges the electric charge of the correcting capacitor together with the n capacitors, and the voltage dividing setting means connects the open end of the correcting capacitor to the negative potential side of the reference voltage.

【0023】この結果、本発明(請求項3)のD/A変
換器によれば、基準電圧Vref を1/2n の分解能にて
分圧し、入力データが最大値であるとき、出力電圧Vou
t が、「Vout =Vref ・(2n −1)/2n 」とな
る、一般的なD/A変換器として動作する。
As a result, according to the D / A converter of the present invention (claim 3), the reference voltage Vref is divided at a resolution of 1/2 n , and when the input data has the maximum value, the output voltage Vou
It operates as a general D / A converter in which t becomes “Vout = Vref · (2 n −1) / 2 n ”.

【0024】つまり、請求項1に記載のようにn個のキ
ャパシタからなる荷重容量回路を用いてD/A変換器を
構成した場合、より具体的には、荷重容量回路に図8に
示したキャパシタアレイ52を用いた場合、キャパシ
タ,つまりコンデンサCa〜Cdの個数が入力データに
対応した4個であるため、入力データが最小値「000
0」であれば、スイッチング素子Sa〜Sdが全てGN
Dライン(0V)に接続されて、出力電圧Vout は0V
となり、入力データが最大値「1111」であれば、ス
イッチング素子Sa〜Sdが全て基準電圧ライン(Vre
f )に接続されて、出力電圧Vout はVref となる。従
って、このような構成でも、入力データに対応したアナ
ログ電圧を得ることはできる。
That is, when the D / A converter is constituted by using the load capacitance circuit composed of n capacitors as described in claim 1, more specifically, the load capacitance circuit is shown in FIG. When the capacitor array 52 is used, since the number of capacitors, that is, the number of capacitors Ca to Cd is four corresponding to the input data, the input data has the minimum value “000”.
0 ”, all the switching elements Sa to Sd are GN
D line (0V), the output voltage Vout is 0V
When the input data is the maximum value “1111”, all the switching elements Sa to Sd are connected to the reference voltage line (Vre
f), the output voltage Vout becomes Vref. Therefore, even with such a configuration, an analog voltage corresponding to input data can be obtained.

【0025】しかし、一般に、D/A変換器は、入力デ
ータがnビットであれば、基準電圧Vref に対して、V
ref /2n の分解能を有し、入力データが「1111」
であれば、出力電圧Vout がVref ・15/16となる
ように構成される。そこで、本発明(請求項3)では、
出力特性が、こうした一般的なD/A変換器と同じにな
るように、重み付けの基準となる基準容量を有するキャ
パシタを出力電圧補正用のキャパシタとして別途使用
し、セットリング動作時には、常にこのキャパシタの一
端を負電位側に接続するようにしているのである。この
結果、本発明(請求項3)によれば、荷重容量回路(キ
ャパシタアレイ)を用いて、従来より一般に使用されて
いるD/A変換器と同じ出力特性が得られるD/A変換
器を構成でき、汎用性の高いD/A変換器を提供でき
る。
However, in general, if the input data is n bits, the D / A converter is required to output V / V with respect to the reference voltage Vref.
It has a resolution of ref / 2n and the input data is "1111"
, The output voltage Vout is configured to be Vref · 15/16. Therefore, in the present invention (claim 3),
A capacitor having a reference capacitance serving as a reference for weighting is separately used as a capacitor for output voltage correction so that the output characteristics are the same as those of a general D / A converter. Is connected to the negative potential side. As a result, according to the present invention (claim 3), a D / A converter that can obtain the same output characteristics as a conventionally used D / A converter using a load capacitance circuit (capacitor array) is provided. It is possible to provide a highly versatile D / A converter.

【0026】また、請求項4に記載のD/A変換器にお
いては、上記請求項3に記載のD/A変換器に、更に、
基準電圧を入力データに応じた抵抗比で分圧したアナロ
グ電圧を出力する電圧ポテンショメータ型D/A変換回
路を設け、セットリング動作時には、分圧設定手段に
て、補正用キャパシタの開放端をこのD/A変換回路の
出力に接続するようにされている。
In the D / A converter according to the fourth aspect, the D / A converter according to the third aspect further includes:
A voltage potentiometer type D / A conversion circuit for outputting an analog voltage obtained by dividing the reference voltage by a resistance ratio according to the input data is provided, and at the time of settling operation, the open end of the correction capacitor is set by the voltage dividing setting means. It is connected to the output of the D / A conversion circuit.

【0027】この結果、本発明(請求項4)によれば、
入力データが高ビットである場合、その内の上位nビッ
トを荷重容量回路(キャパシタアレイ)を用いてD/A
変換し、残りの下位xビットを電圧ポテンショメータ型
のD/A変換回路にてD/A変換し、この電圧ポテンシ
ョメータ型のD/A変換回路によるD/A変換結果を、
補正用キャパシタを介して、出力電圧に合成するといっ
たことができる。
As a result, according to the present invention (claim 4),
When the input data is a high bit, the upper n bits of the input data are D / A using a load capacitance circuit (capacitor array).
And the remaining lower x bits are D / A-converted by a voltage potentiometer type D / A conversion circuit, and the D / A conversion result by this voltage potentiometer type D / A conversion circuit is
It can be synthesized with the output voltage via the correction capacitor.

【0028】そして、この場合、荷重容量回路(キャパ
シタアレイ)の回路面積と電圧ポテンショメータ型のD
/A変換回路を構成する抵抗ストリングスの回路面積と
を考慮して、各回路が受け持つビット数を任意に設定で
きるため、D/A変換器全体の回路面積を小さくして、
装置の小型化を図ることができる。
In this case, the circuit area of the load capacitance circuit (capacitor array) and the voltage potentiometer type D
Since the number of bits assigned to each circuit can be arbitrarily set in consideration of the circuit area of the resistor strings constituting the / A conversion circuit, the circuit area of the entire D / A converter can be reduced.
The size of the device can be reduced.

【0029】[0029]

【発明の実施の形態】以下に本発明の一実施例を図面と
共に説明する。図1に示すように、本実施例のD/A変
換器は、図8に示したD/A変換器52と同様、4ビッ
トの入力データDin(D0〜D3)をアナログ電圧Vout に
変換するためのものであり、キャパシタアレイ12を備
えたD/A変換部10と、このD/A変換部10を制御
する制御部20とから構成されている。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the D / A converter of this embodiment converts 4-bit input data Din (D0 to D3) into an analog voltage Vout, similarly to the D / A converter 52 shown in FIG. The D / A converter 10 includes a capacitor array 12 and a control unit 20 that controls the D / A converter 10.

【0030】D/A変換部10は、キャパシタアレイ1
2の他、キャパシタアレイ12の出力ラインLに接続さ
れたオペアンプOP1からなるバッファ14、及び、バ
ッファ14の出力にスイッチング素子S8を介して接続
され、スイッチング素子S8のON時にその出力電圧を
サンプルホールドする、キャパシタ(コンデンサ)C6
とオペアンプOP2とからなるサンプルホールド回路1
6を備えている。
The D / A converter 10 includes the capacitor array 1
2, a buffer 14 composed of an operational amplifier OP1 connected to the output line L of the capacitor array 12, and connected to the output of the buffer 14 via a switching element S8, and the output voltage is sampled and held when the switching element S8 is turned on. Capacitor (capacitor) C6
Sample and hold circuit 1 comprising an operational amplifier OP2
6 is provided.

【0031】また、キャパシタアレイ12は、図8に示
したキャパシタアレイ52と同様、入力データのビット
数(4ビット)に対応して、容量が、夫々、c,2c,
4c,8cに設定された4個のキャパシタ(コンデン
サ)C2,C3,C4,C5を備えると共に、容量cの
出力電圧補正用のキャパシタ(コンデンサ)C1を備え
る。
Similarly to the capacitor array 52 shown in FIG. 8, the capacity of the capacitor array 12 corresponds to the number of bits (4 bits) of the input data, and the capacities are c, 2c, and c, respectively.
It includes four capacitors (capacitors) C2, C3, C4, and C5 set to 4c and 8c, and a capacitor (capacitor) C1 for correcting the output voltage of the capacitance c.

【0032】そして、これら各コンデンサC1〜C5の
一端は互いに接続されて、これが出力ラインLとして形
成されると共に、各コンデンサC2〜C5の他端には、
夫々、各端部に、基準電圧Vref が印加された正電位側
の基準電圧ラインを接続するか、その負電位側のGND
ラインを接続するか、或いは出力ラインLを接続するか
を切り換えるスイッチング素子S2〜S5が設けられ、
更に、コンデンサC1の他端には、GNDラインを接続
するか、出力ラインLを接続するかを切り換えるスイッ
チング素子S1が設けられている。また、出力ラインL
と各スイッチング素子S1〜S5との間には、スイッチ
ング素子S6及びS7が設けられ、このスイッチング素
子S6,S7のON時に、各スイッチング素子S1〜S
5が出力ラインL側に切り換えることにより、各コンデ
ンサC1〜C5の両端を接続して、各コンデンサC1〜
C5の電荷を放電できるようにされている。
One end of each of the capacitors C1 to C5 is connected to each other to form an output line L, and the other end of each of the capacitors C2 to C5 is connected to
Each end is connected to a reference voltage line on the positive potential side to which the reference voltage Vref is applied, or GND on the negative potential side.
Switching elements S2 to S5 for switching between connecting a line or connecting an output line L are provided;
Further, the other end of the capacitor C1 is provided with a switching element S1 for switching between connection to a GND line and connection to an output line L. The output line L
And switching elements S1 to S5, switching elements S6 and S7 are provided. When the switching elements S6 and S7 are turned on, the switching elements S1 to S5 are turned on.
5 is switched to the output line L side to connect both ends of each of the capacitors C1 to C5, and to connect each of the capacitors C1 to C5.
C5 can be discharged.

【0033】また、スイッチング素子S6とS7との間
の電荷の放電ラインには、サンプルホールド回路16の
出力が接続され、各コンデンサC1〜C5の電荷放電時
には、各コンデンサC1〜C5の両端電位をサンプルホ
ールド回路16,延いては当該D/A変換器からの出力
電圧Vout が印加される。
The output of the sample and hold circuit 16 is connected to the discharge line of the electric charge between the switching elements S6 and S7. When the electric charge of each of the capacitors C1 to C5 is discharged, the potential between both ends of each of the capacitors C1 to C5 is changed. The output voltage Vout from the sample-and-hold circuit 16, and hence from the D / A converter, is applied.

【0034】なお、上記8個のスイッチング素子S1〜
S8の内、スイッチング素子S6〜S8は、nチャンネ
ルとPチャンネルのMOSFETからなる1つのアナロ
グスイッチから構成され、スイッチング素子S1は、コ
ンデンサC1の一端をGNDラインと出力ラインLとに
択一的に接続するために、MOSFETからなる2つの
アナログスイッチSW1,SW2から構成され(図2
(a)参照)、更にスイッチング素子S2〜S5は、コ
ンデンサC2〜C5の一端を、夫々、基準電圧ラインと
GNDラインと出力ラインLとに択一的に接続するため
に、MOSFETからなる3つのアナログスイッチSW
1,SW2,SW3から構成されている(図2(b)参
照)。
The above eight switching elements S1 to S1
Among the switching elements S8, the switching elements S6 to S8 are each configured by one analog switch composed of an n-channel and a P-channel MOSFET. The switching element S1 has one end of the capacitor C1 selectively connected to the GND line and the output line L. In order to make connection, it is composed of two analog switches SW1 and SW2 composed of MOSFETs (FIG. 2).
(See (a)). Further, the switching elements S2 to S5 include three MOSFETs for selectively connecting one ends of the capacitors C2 to C5 to the reference voltage line, the GND line, and the output line L, respectively. Analog switch SW
1, SW2 and SW3 (see FIG. 2B).

【0035】一方、制御部20は、図3に示す如く、外
部からの入力クロックCLKを分周して、予め設定され
たD/A変換周期Toに対応した基準信号を生成する分
周回路22と、この分周回路22からの基準信号を受け
て、D/A変換周期Toに同期して入力データDinをラ
ッチするラッチ回路24と、このラッチ回路24にてラ
ッチされた入力データDin及び分周回路22からの基準
信号を受けて、上記各スイッチング素子S1〜S8の切
り換えタイミング(換言すれば、バイアス動作,セット
リング動作,及びサンプリング動作の各動作タイミン
グ)を制御する制御信号を生成する制御回路26とから
構成されている。
On the other hand, as shown in FIG. 3, the control unit 20 divides the frequency of the external input clock CLK and generates a reference signal corresponding to a preset D / A conversion period To. And a latch circuit 24 that receives the reference signal from the frequency dividing circuit 22 and latches the input data Din in synchronization with the D / A conversion period To. A control for receiving a reference signal from the circuit 22 and generating a control signal for controlling switching timing of the switching elements S1 to S8 (in other words, operation timings of the bias operation, the settling operation, and the sampling operation). And a circuit 26.

【0036】即ち、制御部20は、図4に示す如く、制
御回路26の動作によって、分周回路22から出力され
るD/A変換周期To(本実施例では10μ〜50μse
c.程度の周期)を表す基準信号に基づき、まず、このD
/A変換周期To内の所定期間だけハイレベルとなるバ
イアス用の制御信号と、この制御信号の立下がり
後、D/A変換の1周期が経過して次に制御信号が立
ち上がるまでの間の所定期間だけハイレベルとなるセッ
トリング用の制御信号と、この制御信号がハイレベ
ルとなって出力ラインLの分圧電圧Voが安定するのに
要する所定時間経過後にハイレベルとなり、その後制御
信号がローレベルに反転するまでの間にローレベルと
なる、サンプリング用の制御信号とを、夫々、生成す
る。
That is, as shown in FIG. 4, the control unit 20 operates the control circuit 26 to operate the D / A conversion period To (from 10 μ to 50 μse in this embodiment) output from the frequency divider 22.
c. period), first, this D
A bias control signal that is at a high level for a predetermined period within the / A conversion period To, and a period between the fall of this control signal and the elapse of one D / A conversion period and the next rise of the control signal A settling control signal that goes high for a predetermined period of time, and goes high after a lapse of a predetermined time required for the control signal to go high to stabilize the divided voltage Vo of the output line L, and then the control signal goes high. A control signal for sampling, which becomes a low level before the signal is inverted to a low level, is generated.

【0037】そして、制御回路26は、この生成した3
種の制御信号〜の内、制御信号がハイレベルにあ
るときには、スイッチング素子S6,S7をONすると
共に、スイッチング素子S1〜S5をスイッチング素子
S6側に切り換えることにより、キャパシタアレイ12
を構成する各コンデンサC1〜C5の両端を接続して電
荷を放電させると共に、各コンデンサC1〜C5の両端
に、バイアス電圧としてサンプルホールド回路16の出
力電圧Vout を印加する(バイアス動作)。
The control circuit 26 generates the generated 3
When the control signal among the various kinds of control signals is at a high level, the switching elements S6 and S7 are turned on, and the switching elements S1 to S5 are switched to the switching element S6.
Is connected to discharge both ends of each of the capacitors C1 to C5, and the output voltage Vout of the sample and hold circuit 16 is applied as a bias voltage to both ends of each of the capacitors C1 to C5 (bias operation).

【0038】また制御信号がハイレベルにあるときに
は、ラッチ回路24にラッチされた入力データDinの
内、LSB(D0)側を容量の小さいコンデンサC2側に
対応するように、入力データDinの各ビット値D0〜D3を
各コンデンサC2〜C5に対応させ、各ビット値D0〜D3
が値「1」であれば基準電圧ライン側へ、逆に各ビット
値D0〜D3が値「0」であればGNDライン側へと、スイ
ッチング素子S2〜S5を切り換えると共に、スイッチ
ング素子S1をGNDライン側に切り換えることによ
り、基準電圧Vref を入力データDinに応じて、Vref
/16の分解能にて容量分圧させる(セットリング動
作)。
When the control signal is at the high level, the LSB (D0) side of the input data Din latched by the latch circuit 24 corresponds to the small-capacity capacitor C2 side so that each bit of the input data Din The values D0 to D3 correspond to the capacitors C2 to C5, and the bit values D0 to D3
Is the value "1", the switching elements S2 to S5 are switched to the reference voltage line side, and conversely, if the bit values D0 to D3 are the value "0", the switching elements S2 to S5 are switched to the GND line side. By switching to the line side, the reference voltage Vref is changed to Vref according to the input data Din.
The capacity is divided at a resolution of / 16 (set ring operation).

【0039】また更に、制御信号がハイレベルにある
ときには、スイッチング素子S8をONして、キャパシ
タアレイ12で容量分圧した出力ラインLの電圧値を、
サンプルホールド回路16にサンプルホールドさせる
(サンプリング動作)。なお、本実施例においては、上
記バイアス動作を実行するための制御部20及びスイッ
チング素子S1〜S7が放電手段に、上記セットリング
動作を実行するための制御部20及びスイッチング素子
S1〜S5が分圧設定手段に、上記サンプリング動作を
実行するための制御部20,スイッチング素子S8及び
サンプルホールド回路60がホールド手段に、夫々相当
する。
Further, when the control signal is at the high level, the switching element S8 is turned ON, and the voltage value of the output line L obtained by dividing the capacitance by the capacitor array 12 is calculated as follows.
The sample and hold circuit 16 performs a sample and hold (sampling operation). In the present embodiment, the control unit 20 and the switching elements S1 to S7 for performing the bias operation are used as a discharging unit, and the control unit 20 and the switching elements S1 to S5 for performing the settling operation are used as a discharge unit. The control unit 20, the switching element S8, and the sample and hold circuit 60 for executing the above-mentioned sampling operation correspond to the pressure setting means, respectively.

【0040】以上説明したように、本実施例のD/A変
換器においては、バイアス動作,セットリング動作及び
サンプリング動作を、所定周期(10μ〜50μsec.)
で繰り返し実行することにより、入力電圧Dinをアナロ
グ電圧Vout に変換し、しかも、バイアス動作中には、
キャパシタアレイ52を構成する各コンデンサC1〜C
5の両端に、バイアス電圧として、出力電圧Vout を印
加する。
As described above, in the D / A converter of this embodiment, the bias operation, the settling operation, and the sampling operation are performed at a predetermined cycle (10 μsec to 50 μsec.).
To repeatedly convert the input voltage Din into the analog voltage Vout, and during the bias operation,
Each of the capacitors C1 to C constituting the capacitor array 52
5, an output voltage Vout is applied as a bias voltage.

【0041】このため、本実施例のD/A変換器によれ
ば、D/A変換開始直後や、入力データが変化した直後
には、出力電圧に一時的に誤差が生じるものの、同じ入
力データに対し、バイアス動作,セットリング動作及び
サンプリング動作を繰り返す内に、出力電圧Vout が入
力データDinに対応した正規の電圧値となり、極めて高
精度なD/A変換結果を得ることができる。
Therefore, according to the D / A converter of this embodiment, immediately after the start of the D / A conversion or immediately after the input data changes, an error occurs temporarily in the output voltage. On the other hand, while the bias operation, the settling operation, and the sampling operation are repeated, the output voltage Vout becomes a normal voltage value corresponding to the input data Din, and a highly accurate D / A conversion result can be obtained.

【0042】また、本実施例では、キャパシタアレイ1
2に出力電圧補正用のコンデンサC1を設け、セットリ
ング時には、このコンデンサC1の開放端側を、常に、
スイッチング素子S1にてGNDラインに接続するよう
に構成されているため、図5に示す如く、出力電圧Vou
t は、入力データDinの「0000」から「1111」
までの変化に対応して、0VからVref ・15/16V
まで、Vref /16の分解能で変化する。このため、本
発明によれば、従来より一般的に使用されているD/A
変換器と同様の出力特性を得ることができる。
In this embodiment, the capacitor array 1
2 is provided with a capacitor C1 for correcting the output voltage. At the time of settling, the open end side of the capacitor C1 is always
Since the switching element S1 is configured to be connected to the GND line, as shown in FIG. 5, the output voltage Vou
t is from “0000” to “1111” of the input data Din
0V to Vref · 15 / 16V corresponding to the change up to
Up to Vref / 16. For this reason, according to the present invention, the D / A, which has been generally used conventionally,
Output characteristics similar to those of the converter can be obtained.

【0043】次に、出力電圧Vout をバイアス電圧とし
て各コンデンサC1〜C5の両端に印加することによ
り、どの程度D/A変換誤差が改善されるのかを検証す
る。まず本実施例のD/A変換器において、キャパシタ
アレイ12の各コンデンサC1〜C5の容量の基準値
(基準容量)cを5pFとし、コンデンサアレイ12に
存在するGNDライン側の寄生容量C7を2pF,電源
ライン側の寄生容量C8を2pFとする。この場合、各
寄生容量C7,C8は、基準容量cで換算すると、0.
4cとなる。
Next, it will be verified how much the D / A conversion error can be improved by applying the output voltage Vout as a bias voltage to both ends of each of the capacitors C1 to C5. First, in the D / A converter of this embodiment, the reference value (reference capacitance) c of each of the capacitors C1 to C5 of the capacitor array 12 is set to 5 pF, and the parasitic capacitance C7 on the GND line side existing in the capacitor array 12 is set to 2 pF. , The parasitic capacitance C8 on the power supply line side is 2 pF. In this case, when the respective parasitic capacitances C7 and C8 are converted by the reference capacitance c, the parasitic capacitances C0 and.
4c.

【0044】また、寄生容量C7,C8による出力誤差
は、バイアス電圧が0Vの場合、入力データDinが最大
値「1111」のときに最も大きくなることから、電源
電圧VDD=基準電圧Vref =5Vとし、出力電圧が0V
の状態から入力データが最大値「1111」に切り替わ
った時に生じる出力誤差を算出する。
The output error due to the parasitic capacitances C7 and C8 is largest when the input data Din is at the maximum value "1111" when the bias voltage is 0V, so that the power supply voltage VDD = the reference voltage Vref = 5V. , Output voltage is 0V
Then, an output error that occurs when the input data is switched to the maximum value “1111” from the state is calculated.

【0045】まず入力データDinが「1111」に変化
した直後の1回目の変換では、出力電圧Vout は0Vで
あることから、1回目のバイアス時には、図6(a)に
示すように、コンデンサC1〜C5の両端に印加される
バイアス電圧も0Vとなる。従って、この状態での各コ
ンデンサC1〜C5,C7,C8の電荷の総量は、出力
ラインLと電源VDDとの寄生容量C8により、次式(1)
のようになる。
First, in the first conversion immediately after the input data Din changes to "1111", the output voltage Vout is 0 V. Therefore, at the time of the first bias, as shown in FIG. The bias voltage applied to both ends of .about.C5 is also 0V. Therefore, in this state, the total amount of electric charge of each of the capacitors C1 to C5, C7 and C8 is determined by the following equation (1) by the parasitic capacitance C8 between the output line L and the power supply VDD.
become that way.

【0046】(−5)・0.4=−2c …(1) 次に、セットリング時は、スイッチング素子S1はGN
Dライン側に接続され、スイッチング素子S2〜S5は
入力データ「1111」に応じて、基準電圧ライン側に
接続されることから、図6(b)に示すように、コンデ
ンサC1の開放端側電位は0V,コンデンサC2〜C5
の開放端側電位はVref となる。この結果、1回目のセ
ットリング後の各コンデンサC1〜C5,C7,C8の
電荷の総量は、出力ラインLの電圧(分圧電圧)をVo
とすると、次式(2) のようになる。 (Vo−5)・(c+2c+4c+8c+0.4c)+Vo・(c+0.4c) =16.8Vo・c−77c …(2) バイアス時にコンデンサC1〜C5,C7,C8全体に
蓄えられた電荷量は、セットリング後に電荷が再配分さ
れても、電荷量の総和は変化しないため、上記の(1),
(2)式から、16.8Vo−77c=−2cとなり、分
圧電圧Voを求めると、4.4643Vとなる。
(-5) · 0.4 = −2c (1) Next, at the time of settling, the switching element S1 is set to GN.
Since the switching elements S2 to S5 are connected to the reference voltage line according to the input data "1111", as shown in FIG. 6B, the switching elements S2 to S5 are connected to the open end potential of the capacitor C1. Is 0V, capacitors C2 to C5
Is the open end side potential Vref. As a result, the total amount of charge of each of the capacitors C1 to C5, C7, and C8 after the first settling is determined by calculating the voltage (divided voltage) of the output line L by Vo.
Then, the following equation (2) is obtained. (Vo-5) · (c + 2c + 4c + 8c + 0.4c) + Vo · (c + 0.4c) = 16.8Vo · c−77c (2) The amount of charge stored in the entire capacitors C1 to C5, C7, and C8 at the time of bias is set. Even if the charge is redistributed after the ring, the sum of the charge does not change.
From the equation (2), 16.8 Vo−77 c = −2 c, and when the divided voltage Vo is obtained, it becomes 4.4643 V.

【0047】ここで、コンデンサアレイ12が、寄生容
量C7,C8がなく、理想的なコンデンサアレイである
とし、出力電圧Voを求めてみると、バイアス時に全コ
ンデンサC1〜C5,C7,C8に蓄えられる総電荷量
は、全コンデンサの両端電位が0Vとなるため、電荷量
は0となる。この結果、この場合のセットリング後の総
電荷量(理想値)は、次式(3) の如くなり、この式から
理想の分圧電圧Voを求めると、4.6875Vとな
る。
Here, it is assumed that the capacitor array 12 is an ideal capacitor array without the parasitic capacitances C7 and C8, and when the output voltage Vo is obtained, the output voltages Vo are stored in all the capacitors C1 to C5, C7 and C8 at the time of bias. The total charge amount is 0 because the potentials at both ends of all the capacitors are 0 V. As a result, the total charge amount (ideal value) after settling in this case is as shown in the following equation (3). When the ideal divided voltage Vo is obtained from this equation, it becomes 4.6875 V.

【0048】 (Vo−5)・(c+2c+4c+8c)+Vo・c =16Vo・c−75c …(3) 従って、上記のような寄生容量C7,C8が存在する場
合の、分圧電圧Vo,延いては出力電圧Vout の誤差
は、4.4643V−4.6875V=−223.3m
Vとなる。
(Vo−5) · (c + 2c + 4c + 8c) + Voc = 16Voc−75c (3) Therefore, when the parasitic capacitances C7 and C8 as described above exist, the divided voltage Vo and, consequently, the divided voltage Vo The error of the output voltage Vout is 4.4463 V−4.6875 V = −223.3 m
V.

【0049】しかし、本実施例では、バイアス電圧に出
力電圧Vout を使用するため、2回目のバイアス電圧に
は、図6(c)に示すように、1回目の出力電圧4.4
643Vを使うことになる。従って、入力データDinが
「1111」であるときの2回目のバイアス時の全コン
デンサの総電荷量は、コンデンサC1〜C5は両端電位
が4.4643Vであるので電荷量は0であり、寄生容
量C7,C8を考えると、次式(4) のようになる。
However, in this embodiment, since the output voltage Vout is used as the bias voltage, the first output voltage 4.4 is used as the second bias voltage as shown in FIG.
643V will be used. Therefore, when the input data Din is “1111”, the total charge amount of all the capacitors at the time of the second bias is 0 because the potentials at both ends of the capacitors C1 to C5 are 4.4643V, and the parasitic capacitance is 0. Considering C7 and C8, the following equation (4) is obtained.

【0050】 (4.4643−5)・0.4c+4.4643・0.4c =1.57144c …(4) そして、セットリング後の電荷量は、上記(2) 式の通り
であるので、バイアス時の電荷量がこれと等しいとして
分圧電圧Voを求めると、4.676871Vとなる。
このため、分圧電圧Vo,延いては出力電圧Vout の誤
差は、4.676871V−4.6875V=−10.
63mV(2.073%)となり、大きく改善される。
(4.464-5) · 0.4c + 4.4643 · 0.4c = 1.57144c (4) Since the charge amount after settling is as in the above equation (2), When the divided voltage Vo is obtained by assuming that the amount of charge at the time is equal to this, it becomes 4.67671 V.
For this reason, the error of the divided voltage Vo and, consequently, of the output voltage Vout is 4.676871V-4.6875V = -10.
63 mV (2.073%), which is greatly improved.

【0051】さらに3回目の出力電圧Voを算出する。
バイアス電圧は、2回目の出力電圧4.676871V
であり、全コンデンサの総電荷量は、次式(5) のように
なる。 (4.676871−5)・0.4c+4.676871・0.4c =1.741472c …(5) セットリング後の電荷量は、上記(2) 式の通りであるの
で、バイアス時の電荷量がこれと等しいとして分圧電圧
Voを求めると、4.686992Vとなる。従って、
分圧電圧Vo,延いては出力電圧Vout の誤差は、4.
686992V−4.6875V=−0.5076mV
(0.010%)となり、更に大きく改善される。
Further, a third output voltage Vo is calculated.
The bias voltage is the second output voltage 4.676871V.
And the total charge of all capacitors is given by the following equation (5). (4.676871-5) · 0.4c + 4.676871 · 0.4c = 1.714472c (5) Since the charge amount after settling is as in the above equation (2), the charge amount at the time of biasing is When the divided voltage Vo is determined as equal to this, it becomes 4.686992V. Therefore,
3. The error of the divided voltage Vo, and hence the output voltage Vout, is 4.
686992V-4.6875V = -0.5076mV
(0.010%), which is further improved.

【0052】この動作を図4のタイムチャートに従って
説明する。D/A変換は周期Toで繰り返され、同じデ
ータに対して、最低2回以上連続してD/A変換が実施
される。入力データは、セットリング信号の立上がり
でラッチに取り込まれ、そのデータにより、スイッチン
グ素子S2〜S5がセットリング時に基準電圧Vref、
またはGNDに切り換えられる。
This operation will be described with reference to the time chart of FIG. The D / A conversion is repeated at a period To, and the D / A conversion is continuously performed on the same data at least twice or more. The input data is taken into the latch at the rise of the settling signal, and the switching data is used by the switching elements S2 to S5 to set the reference voltage Vref,
Or, it is switched to GND.

【0053】入力データDin2 の1回目のD/A変換で
は、バイアス時は前回の入力データDin1 による出力電
圧でキャパシタ両端がバイアスされるため、キャパシタ
アレイの出力の寄生容量の影響で、入力データDin2 の
D/A変換値は、大きな誤差が発生し、入力データDin
2 に対する出力電圧の理論値に対して低くなっている。
In the first D / A conversion of the input data Din2, both ends of the capacitor are biased by the output voltage of the previous input data Din1 at the time of bias, so that the input data Din2 is affected by the parasitic capacitance of the output of the capacitor array. A large error occurs in the D / A conversion value of
2 is lower than the theoretical output voltage.

【0054】これが2回目の変換では、バイアス電圧
が、1回目の出力電圧となり、誤差は減少し、出力電圧
は理論値に近づく。入力データDin3 に対しては、3回
連続して変換がおこなわれ、1回目の変換ではバイアス
電圧が前回の変換の入力データDin2 による出力電圧で
あるため、誤差が大きく、これが2回目、3回目の変換
で理想値に近づいてゆく。
In the second conversion, the bias voltage becomes the first output voltage, the error decreases, and the output voltage approaches the theoretical value. The input data Din3 is continuously converted three times. In the first conversion, since the bias voltage is the output voltage based on the input data Din2 of the previous conversion, the error is large. With the conversion, it approaches the ideal value.

【0055】このように、本実施例によれば、バイアス
電圧に、前回のD/A変換結果である出力電圧Vout を
用いるので、D/A変換(バイアス,セットリング,サ
ンプリング動作)を繰り返すことで、寄生容量C7,C
8の影響による誤差を小さくし、誤差を0に収束させる
ことができる。そして、本実施例によれば、出力電圧V
out をバイアス電圧としてコンデンサC1〜C5の両端
に印加するだけでよく、D/A変換精度を向上するため
の特別な回路を別途設ける必要がないため、キャパシタ
アレイを用いたD/A変換器を、極めて簡単に構成する
ことができ、そのコスト低減を図ることもできる。
As described above, according to the present embodiment, since the output voltage Vout which is the result of the previous D / A conversion is used as the bias voltage, the D / A conversion (bias, settling, sampling operation) is repeated. And the parasitic capacitance C7, C
8 can be reduced and the error can be made to converge to zero. According to the present embodiment, the output voltage V
out only needs to be applied as a bias voltage to both ends of the capacitors C1 to C5, and it is not necessary to separately provide a special circuit for improving the D / A conversion accuracy. Therefore, a D / A converter using a capacitor array is required. , The configuration can be extremely simplified, and the cost can be reduced.

【0056】以上、本発明の一実施例について説明した
が本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、種
々の態様をとることができる。例えば、上記実施例で
は、4ビットのD/A変換器について説明したが、入力
データのビット数が多い場合には、そのビット数に応じ
てキャパシタアレイを構成するコンデンサ及びスイッチ
ング素子の数を増加すればよい。そして、こうしたキャ
パシタアレイは、CMOS回路にて、各キャパシタを高
精度に(つまり容量のばらつきなく)形成でき、抵抗ス
トリングスを用いた電圧ポテンショメータ型のD/A変
換器のように入力データのビット数が精度の悪化により
制限されることはなく、高ビットの入力データにも対応
させることができる。
As described above, one embodiment of the present invention has been described. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can take various forms. For example, in the above embodiment, a 4-bit D / A converter has been described. However, when the number of bits of input data is large, the number of capacitors and switching elements constituting a capacitor array is increased according to the number of bits. do it. In such a capacitor array, each capacitor can be formed with high precision (that is, without variation in capacitance) in a CMOS circuit, and the number of bits of input data can be reduced as in a voltage potentiometer type D / A converter using resistor strings. Is not limited by the deterioration of accuracy, and can correspond to high-bit input data.

【0057】また、例えば図7に示す如く、上記実施例
のD/A変換部10と同様に構成した4ビットのD/A
変換部を、mビット(m=n+x)の入力データDinの
内の上位nビット(4ビット)をアナログ電圧に変換す
る、上位4ビットD/A変換部30として使用し、この
D/A変換部30のセットリング時に、スイッチング素
子S1を介して、出力電圧補正用のコンデンサC1に、
抵抗ストリングスからなる電圧ポテンショメータ型のD
/A変換回路の出力を入力するようにし、このD/A変
換回路を、入力データDinの内の下位xビットをアナロ
グ電圧に変換する、上位xビットD/A変換部40とし
て使用するようにしてもよい。
As shown in FIG. 7, for example, a 4-bit D / A converter constructed in the same manner as the D / A converter 10 of the above embodiment is used.
The conversion unit is used as a high-order 4-bit D / A conversion unit 30 for converting the high-order n bits (4 bits) of the m-bit (m = n + x) input data Din into an analog voltage. When the unit 30 is set, the output voltage correcting capacitor C1 is connected to the output voltage correcting capacitor C1 via the switching element S1.
Voltage potentiometer type D composed of resistor strings
A / A converter circuit is input, and this D / A converter circuit is used as an upper x bit D / A converter 40 for converting lower x bits of input data Din into an analog voltage. You may.

【0058】そして、この場合、入力データDinの上位
4ビットをキャパシタアレイからなる上位4ビットD/
A変換部30にてD/A変換し、入力データDinの下位
xビットを電圧ポテンショメータ型の下位xビットD/
A変換部40にてD/A変換し、これら各D/A変換部
30,40によるD/A変換結果を、コンデンサC1を
介して合成し、基準電圧Vref を、入力データDinに応
じて、Vref /m2 の分解能にて分圧した出力電圧Vou
t を生成できる。
In this case, the upper 4 bits of the input data Din are converted to the upper 4 bits D /
The A / D converter 30 performs D / A conversion, and converts the lower x bits of the input data Din into lower x bits D / A of the voltage potentiometer type.
The A / D converter 40 performs D / A conversion, and the D / A conversion results obtained by the D / A converters 30 and 40 are combined via the capacitor C1, and the reference voltage Vref is set according to the input data Din. Output voltage Vou divided at a resolution of Vref / m 2
t can be generated.

【0059】なお、図に示す下位xビットD/A変換部
40は、抵抗値が同じy個(y=2 x )の抵抗器R0〜
Ryを直列接続し、その両端を基準電圧ライン及びGN
Dラインに夫々接続することにより、各抵抗器R0〜R
yにより基準電圧Vref を分圧し、各抵抗器R0〜Ry
のグランドライン側に設けたy個のスイッチング素子S
r1〜Sryのいずれかを介して、入力データDinの下
位xビットの値2x に対応した分圧点電圧を取り出せる
ように構成したものである。そして、制御部20′に
は、この分圧電圧取出用のスイッチング素子を入力デー
タDinの下位xビットに応じて切り換えるための制御信
号を生成する制御回路も設けられる。なお、このための
回路構成等については、従来よりよく知られているの
で、詳しい説明は省略する。
The lower x-bit D / A converter shown in FIG.
40 has y resistance values (y = 2 x ) Resistors R0
Ry are connected in series, and both ends thereof are connected to a reference voltage line and a GN.
Each resistor R0 to R
y, the reference voltage Vref is divided into resistors R0 to Ry.
Switching elements S provided on the ground line side of
r1 through Sry, the input data Din
Value of x bits of order 2x Voltage can be extracted corresponding to
It is configured as follows. Then, the control unit 20 '
The switching element for extracting the divided voltage
Control signal for switching according to the lower x bits of the
A control circuit for generating a signal is also provided. In addition, for this
The circuit configuration is well known.
Therefore, detailed description is omitted.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 実施例のD/A変換器の構成を表す説明図で
ある。
FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating a configuration of a D / A converter according to an embodiment.

【図2】 キャパシタアレイを構成する各コンデンサに
接続されるスイッチング素子の構成を説明する説明図で
ある。
FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating a configuration of a switching element connected to each capacitor forming a capacitor array.

【図3】 制御部の構成を説明するブロック図である。FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration of a control unit.

【図4】 実施例のD/A変換器の動作を説明するタイ
ムチャートである。
FIG. 4 is a time chart for explaining the operation of the D / A converter according to the embodiment.

【図5】 実施例のD/A変換器の出力特性を表す説明
図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram illustrating output characteristics of the D / A converter according to the embodiment.

【図6】 実施例のD/A変換器による出力誤差の収束
過程を説明する動作説明図である。
FIG. 6 is an operation explanatory diagram illustrating a convergence process of an output error by the D / A converter according to the embodiment.

【図7】 キャパシタアレイを利用したD/A変換器と
電圧ポテンショメータ型D/A変換器とを組み合わせた
D/A変換器の構成を表す説明図である。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a configuration of a D / A converter in which a D / A converter using a capacitor array and a voltage potentiometer type D / A converter are combined.

【図8】 従来の逐次比較型のA/D変換器において用
いられるキャパシタアレイからなるD/A変換器の構成
及びその改善案を説明する説明図である。
FIG. 8 is an explanatory diagram illustrating a configuration of a D / A converter including a capacitor array used in a conventional successive approximation type A / D converter and a proposal for improvement thereof.

【図9】 図9に示したD/A変換器の出力特性を説明
する説明図である。
FIG. 9 is an explanatory diagram illustrating output characteristics of the D / A converter illustrated in FIG. 9;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…D/A変換部 12…コンデンサアレイ 1
4…バッファ 16…サンプルホールド回路 20…制御部 S1〜S8…スイッチング素子 C1〜C6…キャパ
シタ(コンデンサ) C7,C8…寄生容量 22…分周回路 24…ラ
ッチ回路 26…制御回路 30…上位4ビットD/A変換部 40…下位xビットD/A変換部
10 D / A converter 12 Capacitor array 1
DESCRIPTION OF SYMBOLS 4 ... Buffer 16 ... Sample hold circuit 20 ... Control part S1-S8 ... Switching element C1-C6 ... Capacitor (capacitor) C7, C8 ... Parasitic capacitance 22 ... Divider circuit 24 ... Latch circuit 26 ... Control circuit 30 ... Upper 4 bits D / A converter 40... Lower-order x-bit D / A converter

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−3522(JP,A) 特開 平1−296823(JP,A) 特開 平1−112824(JP,A) 特開 昭58−114527(JP,A) 特開 昭55−55622(JP,A) 特開 平2−151126(JP,A) 特開 昭62−165438(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03M 1/00 - 1/88 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-4-3522 (JP, A) JP-A-1-296823 (JP, A) JP-A-1-112824 (JP, A) JP-A-58-58 114527 (JP, A) JP-A-55-55622 (JP, A) JP-A-2-151126 (JP, A) JP-A-62-165438 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. 7 , DB name) H03M 1/00-1/88

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 nビットのデジタル入力データをアナロ
グ電圧に変換するD/A変換器であって、 一端が互いに接続されたn個のキャパシタを備え、各キ
ャパシタの容量を、前記入力データの各ビットi(i:0,
1,…,(n-1))に対応して、夫々、基準容量の2i 倍に重
み付けした荷重容量回路と、 所定周期毎に、該周期よりも短い所定時間だけ、前記各
キャパシタの両端を互いに接続して、各キャパシタの電
荷を放電させる放電手段と、 前記所定周期毎に、前記放電手段が前記各キャパシタの
電荷を放電させた後、前記各キャパシタの開放端を、夫
々、各キャパシタに対応する前記入力データのビット値
に応じて、基準電圧の正電位側又は負電位側に接続する
ことにより、前記荷重容量回路に、前記基準電圧を前記
入力データに応じた容量比で分圧させる分圧設定手段
と、 該分圧設定手段の動作により前記各キャパシタの共通の
接続点に生じた分圧電圧をサンプルホールト゛し、該ホー
ルド電圧をD/A変換後の電圧信号として出力するホー
ルド手段と、 を備え、前記放電手段が、前記各キャパシタを放電する
際、前記ホールド手段からの出力をバイアス電圧とし
て、前記各キャパシタの両端に印加することを特徴とす
るD/A変換器。
1. A D / A converter for converting n-bit digital input data into an analog voltage, comprising: n capacitors having one end connected to each other, and determining a capacitance of each capacitor by each of the input data. Bit i (i: 0,
1,..., (N-1)), respectively, a load capacitance circuit weighted to 2 i times the reference capacitance, and at each predetermined period, both ends of each capacitor for a predetermined time shorter than the period. Discharging means for discharging the electric charge of each capacitor, and discharging the electric charge of each of the capacitors at every predetermined period. By connecting to the positive potential side or the negative potential side of the reference voltage according to the bit value of the input data corresponding to the above, the load capacitance circuit divides the reference voltage at a capacitance ratio according to the input data. A voltage dividing setting means for causing the voltage dividing means to sample and hold the divided voltage generated at a common connection point of the capacitors by the operation of the voltage dividing setting means, and outputting the hold voltage as a voltage signal after D / A conversion Means, A D / A converter, wherein when the discharging means discharges each of the capacitors, an output from the holding means is applied as a bias voltage to both ends of each of the capacitors.
【請求項2】 前記放電手段,分圧設定手段,及びホー
ルド手段による所定周期毎のD/A変換動作を、少なく
とも連続2回以上は、同一の入力データに対して行なう
ことを特徴とする請求項1に記載のD/A変換器。
2. The method according to claim 1, wherein the D / A conversion operation of the discharging means, the voltage setting means, and the holding means at predetermined intervals is performed for the same input data at least twice consecutively. Item 3. The D / A converter according to Item 1.
【請求項3】 請求項1又は請求項2に記載のD/A変
換器において、 前記荷重容量回路は、前記n個のキャパシタに加えて、
容量が前記基準容量に設定され、一端がn個のキャパシ
タと共に互いに接続された補正用キャパシタを備え、 前記放電手段は、前記所定周期毎に、前記各キャパシタ
と共に前記補正用キャパシタの電荷も放電させ、 前記分圧設定手段は、前記所定周期毎に、前記補正用キ
ャパシタの開放端を、基準電圧の負電位側に接続するこ
とを特徴とするD/A変換器。
3. The D / A converter according to claim 1, wherein the load capacitance circuit includes:
A capacitor having a capacity set to the reference capacity, one end of which is connected to one another together with the n capacitors, wherein the discharging means also discharges the charge of the correction capacitor together with the capacitors at each of the predetermined periods. The D / A converter, wherein the voltage division setting means connects an open end of the correction capacitor to a negative potential side of a reference voltage at every predetermined cycle.
【請求項4】 請求項3に記載のD/A変換器におい
て、 前記基準電圧を入力データに応じた抵抗比で分圧したア
ナログ電圧を出力する電圧ポテンショメータ型D/A変
換回路を設け、 前記分圧設定手段を、前記所定周期毎に、前記補正用キ
ャパシタの開放端を、基準電圧の負電位側に代えて前記
D/A変換回路の出力に接続するよう構成してなること
を特徴とするD/A変換器。
4. The D / A converter according to claim 3, further comprising: a voltage potentiometer type D / A conversion circuit that outputs an analog voltage obtained by dividing the reference voltage by a resistance ratio according to input data, The voltage dividing setting means is configured to connect the open end of the correcting capacitor to the output of the D / A conversion circuit instead of the negative potential side of the reference voltage at every predetermined cycle. D / A converter.
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