JP3474492B2 - D/a変換回路 - Google Patents

D/a変換回路

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はD/A変換器の回路
構成に関するもので、特にオーバサンプリングされたデ
ィジタルデータ用少ビット数のD/A変換器に関する。
【0002】
【従来の技術】従来D/A変換器を構成する荷重回路ま
たは受動素子の素子バラツキを緩和する手法としてダイ
ナミックエレメントマッチング手法が知られている。こ
の手法については「CMOSアナログ回路設計技術(p
p137〜139、株式会社トリケップス)」において
述べられている。ダイナミックエレメントマッチングを
用いたD/A変換器は図5に示されるように、N−bi
tの入力を0から2N−1の2N本の出力に変換し、入力
kに対し出力のk番目に”1”が出力され残りの出力に
は”0”が出力されるデコーダ51と、入力が1端子で
出力がそれぞれ2N端子である2N個のスイッチで構成さ
れるスイッチ部52と、1変換時間の中を2N分割する
デバイダ53と、2N個の受動素子54とから成る。
【0003】デコーダ51の2N端子の出力を対応する
各々のスイッチ54の入力端子に入力し、2N個のスイ
ッチ部52の第1出力を総て第1の受動素子R1の一方
の端子に接続し、第2出力を総て第2の受動素子R2の
一方の端子に接続し、順次第2N出力までこのように接
続し、さらに受動素子54の他方の端子をすべて共通に
接続して出力55とする。第1のスイッチ521はデバ
イダ53で生成されたタイミングに従い入力値を第1の
出力から順次第2・第3・…・第2Nの出力まで1D/
A変換時間の間に順次に接続を行う。第2のスイッチ5
22はデバイダ53で生成されたタイミングに従い入力
値を第2の出力から順次第3・第4・…・第2Nまで行
き、さらに第1の出力まで1D/A変換時間の間に順次
に接続を行う。以下、第2Nまで最初の出力端子を1ず
つ変えながら、スイッチ部52の総てのスイッチに対し
て入力どうしのショートが生じないように各スイッチの
開閉を制御する。
【0004】ここで説明のため、スイッチの入力を電圧
とし、受動素子54を抵抗とする電流加算形D/A変換
器で説明すると、第1のスイッチの入力電圧をVI1、
1D/A変換時間をTとすると、T時間に出力に流れる
電流I1は(1)式となる。 I1=[(VI1・T)/(R1・2N)]+[(VI1・T)/(R2・2N)]+・・・+[(VI1・T)/(R2N・2N)] (1) 上記(1)式を変形すると下記の(2)式となり、 I1=[(VI1・T)/2N]・[(1/R1)+(1/R2)+・・・+(1/R2N)] (2) 抵抗R1・・R2Nまでの平均をRxとするとI1は以
下の(3)式となる。
【0005】 I1=(VI1・T/Rx) (3) 同様に第2のスイッチの入力をVI2とすると、電流I
2は (VI2・T)/Rx となり、第2Nのスイッチでは (VI2N・
T)/Rx となる。
【0006】上記の動作を簡単に説明するため、図6に
より2bitの場合で説明する。デコーダ61には入力
端子60から2進ディジタル値が入力され、入力値に対
応して出力6a0〜6a3までの端子が表2にしたがっ
て1または0を出力する。
【0007】
【表2】
【0008】スイッチブロックは、1組が4個のスイッ
チが並列に接続された回路から構成されており、これを
4組用いてデコーダ61の各出力に接続する。1組目の
スイッチをSl0、S11、S12、S13とし、2組
目のスイッチをS20、S21、S22、S23とし、
3組目のスイッチをS30、S31、S32、S33と
し、4組目のスイッチをS40、S41、S42、S4
3とすると、S10、S11、S12、S13の一方の
端を共通に接続してデコーダ出力6a0に接続し、S2
0、S21、S22、S23の一方の端を共通に接続し
てデコーダ出力6a1に接続し、S30、S31、S3
2、S33の一方の端を共通に接続してデコーダ出力6
a2に接続し、S40、S41、S42、S43の一方
の端を共通に接続してデコーダ出力6a3に接続し、さ
らにスイッチ52の他方の端についてはS10、S2
0、S30、S40を共通に接続して抵抗R0に接続
し、S11、S21、S31、S41を共通に接続して
抵抗R1に接続し、S12、S22、S32、S42を
共通に接続して抵抗R2に接続し、S13、S23、S
33、S43を共通に接続して抵抗R3に接続する構成
となっている。
【0009】図示してはいないが、各スイッチ制御端子
がHighのときはスイッチはON状態であり、Low
のときはOFF状態であるものとすると、1変換時間内
に各スイッチを図7に示すように制御する。これによ
り、デコーダ出力6a0〜6a3の各々は1変換時間内
に全ての受動素子を使用することになり、1変換時間内
で考えると、デコーダ出力6a0〜6a3の各々には、
受動素子の平均値が割り当てられたように振るまい、受
動素子54の素子バラツキはキャンセルされる。
【0010】このように、ダイナミックエレメントマッ
チングを用いると受動素子の素子値にバラツキがあって
も、出力は全ての受動素子の素子値の平均値で定まるた
め素子値のバラツキによる精度劣化がなくなる。しか
し、スイッチの切り替えのタイミングを発生するために
1変換時間の2N倍のタイミング発生回路が必要とな
り、回路を高速動作させなければならないと言う欠点が
あった。例えば、図6の2bitの例では、サンプリン
グ周波数の4倍のクロックが必要となる。このためスイ
ッチ・タイミング発生回路等はサンプリング周波数の4
倍で動作しなければならず、高速な素子を必要となった
り、あるいは所要電力が大きくなる等の欠点を有してい
た。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】一般に以前から用いら
れてきたD/A変換器では受動素子である抵抗器等の精
度がそのまま出力アナログ電圧に影響をおよぼしてい
た。このためダイナミックエレメントマッチング等の手
法がこの解決策として提案され、用いられてきている。
しかし、この方法では、使用ビット数をNとすればクロ
ックとして2N倍の周波数が必要となり、これによりス
イッチング回路もこれに応じて高速動作が必要となる等
の問題があった。このため、本発明においては、クロッ
ク周波数の増加、あるいはスイッチング速度の高速化を
必要としない高精度D/A変換器の提供を目的としたも
のである。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明においては以下の手段を開発した。すなわち
請求項1においては、2N個の受動素子を用いNbit
のディジタル値に相当する数の受動素子の一方の端子を
第1の電源電圧または第1の電流源、すなわち論理
“0”(または論理“1”)のレべルに接続し、これら
に含まれない残余の受動素子の一方の端子を第2の電源
電圧または第2の電流源、すなわち論理“1”(又は論
理“0”)に接続し、これら全ての受動素子の他方の端
子を全て共通に接続して出力端子とすることによりディ
ジタル値に対応するアナログ電圧または電流を出力する
ような同一値の受動素子でNbitの分解能を実現する
ディジタル・アナログ変換器において、ディジタル値の
0〜2N−1に対応する2N個のカウンタを有し、入力デ
ィジタル値kに対応するk番目のカウンタにデコーダ出
力が印加されると1だけカウントを増加させ、このカウ
ンタ出力がCkを出力するカウンタ部と、ディジタル入
力値hをモジュロの基数gで割算したときの剰余を出力
するモジュロ回路を2N個有し、このモジュロ回路の機
能をmod(h,g)と表わすとき、ディジタル値kに
対し mod(Ck+0,2N−1)、 mod(Ck+1,2N−1)、 mod(Ck+2,2N−1)、 …、mod(Ck+k−1,2N−1)番目の該受動素
子を上記の第1の電源電圧または第1の電流源に接続
し、これらに含まれない残余の該受動素子の一方の端子
を上記の第2の電源電圧または第2の電流源に接続する
モジュロスイッチ部と、2N個の該受動素子を含むD/
A変換回路を規定するものである。
【0013】請求項2においては、上記請求項1と同
様、2N個のD−フリップフロップをリング回路を形成
するように直列に接続し、各々のD−フリップフロップ
の出力をカウンタ+モジュロ回路の出力端子として取り
出し、かつD−フリップフロップのクロック端子を互い
に共通に接続したリングシフト回路を2N個用い、ディ
ジタル値kに相当するk番目の該リングシフト回路は内
部の該D−フリップフロップをk個だけ初期値を論理”
1”とし、残りのD−フリップフロップの初期値を論
理”0”とするリングシフト回路と、ディジタル値kが
出現するとk番目のリングシフト回路のクロック端子に
クロックを1波のみ入力し、上記のD−フリップフロッ
プの記録データを1個分シフトさせるリングシフト制御
回路と、ディジタル値kに対しk番目のリングシフト回
路の2N本の出力を2N個の受動素子に接続するセレクタ
回路を有するD/A変換回路について規定している。な
お、上記のカウンタ+モジュロ回路とは上記のカウンタ
とモジュロ回路との両方の機能を有するD−フリップフ
ロップによるリングシフト回路で構成されたものであ
る。(カウンタ+モジュロ回路については図3及び図4
において後述する。)
【0014】
【発明の実施の形態】図1は本発明における請求項1に
対応する実施の形態を示すものである。デコーダ11は
Nbitのディジタル値をシリアルデータとして入力
し、ディジタル値の0〜2N−1に対応するパラレル出
力として出力線を2N本有し、入力デイシタル値で示さ
れた値に対応する1本の出力線のみが”1”(ハイレベ
ル)を出力し、他は全て”0”(ローレベル)を出力す
るものである。カウンタ部12は入力がデコーダ11の
出力線それぞれの入力に接続されたNbitカウンタで
あり、カウンタ入力に”1”が入力される毎に内容を1
ずつ増加させるものである。このカウンタの入力側はカ
ウントアップ用の信号線1本であり、出力線としては各
カウンタ毎にそれぞれ入力データのビット数であるN本
を有している。
【0015】また、カウンタ部12を構成するカウンタ
の数はデコーダ11の出力線1本に対して1個のカウン
タを接続するため、デコーダ11の出力線と同数の2N
個が必要となる。また全てのカウンタの初期値は”0”
である。モジュロスイッチ部13は上記カウンタ部12
の出力を入力としており、ディジタル入力値hをモジュ
ロの基数gで割算したときの剰余を出力するモジュロ回
路131〜13(2N)と、各モジュロ回路にそれぞれ接
続されているセレクタ141〜14(2N)を含むセレク
タブロック14とで構成されている。上記各モジュロ回
路の入力はカウンタ部12の対応する各カウンタ121
〜12(2N)の出力に接続されており、カウンタ121
〜12(2N)の出力線数は上記のようにそれぞれN本づ
つであり、各モジュロ回路131〜13(2N)の出力は
それぞれ2N本づつである。
【0016】モジュロ回路131〜13(2N)の機能を
mod(h,g)と表わすとき、k番目のデコーダ出力
線に接続されているカウンタの出力をCkとすると、k
番目のモジュロ回路の出力線の内、mod(Ck+0,
N−1)、mod(Ck+1,2N−1)、mod(C
k+2,2N−1)、・・、mod(Ck+k−1,2N
−1)番目の各出力が”1”であり、それ以外は”0”
となる。モジュロ回路131〜13(2N)の各出力をセ
レクタブロック14の各セレクタ141〜14(2N)に
入力し、さらにデコーダ11の各桁の出力を対応する各
セレクタの制御入力として入力する。各セレクタ141
〜14(2N)は制御入力が”1”のときのみ入力値を出
力側に出し、その他のときは高インピーダンス状態とな
る。このセレクタ141〜14(2N)の各々の出力に対
し、上記各セレクタの第1の桁の出力どうしを共通に接
続し、第2の桁の出力どうしを共通に接続し、これを繰
り返して第2Nの桁の出力どうしまでをそれぞれ共通に
接続し、この接続した出力を2N個の受動素子15の一
方の端子にそれぞれ入力し、この受動素子15の他方の
一端を共通に接続し、この共通接続側から合成電圧とし
てアナログ電圧を出力することによりD/A変換出力を
受動素子出力に得る構成となっている。
【0017】本発明は任意のNbitの入力に対し適用
可能であるが、ここでは説明を簡単にするためにN=2
として説明する。図2はN=2としたときの本発明にお
ける請求項1への適用例であり、構成は2bit入力に
対し4本の出力を有し、00の入力に対し0番目の出力
線のみが”1”となり、01の入力に対し1番目の出力
線のみが”1”となるようなデコーダ21である。次に
0から3までをカウントとする2−bitのカウンタ4
個で構成されるカウンタ部22があり、これらの各カウ
ンタ221〜224の入力側は各々デコーダ21の各出
力にそれぞれ接続されており、出力側はモジュロスイッ
チ部23の各モジュロ回路231〜234の各入力に接
続されている。
【0018】ここで、デコーダ21の出力線0に接続さ
れているカウンター221の出力をC0、出力1に接続
されているカウンター222の出力をC1、出力2に接
続されているカウンター223の出力をC2、出力3に
接続されているカウンター224の出力をC3とする
と、デコーダの出力0に接続されている2−bitのモ
ジュロ回路231の出力は、mod(C0,4)番目
が”1”となり、他の出力は”0”となる。デコーダ2
1の出力1に接続されているモジュロ回路232の出力
はmod(C1,4)、mod(C1+1,4)番目が
1となり、他の出力は0となる。
【0019】デコーダの出力2に接続されているモジュ
ロ回路233の出力はmod(C2,4)、mod(C
2+1,4)、mod(C2+2,4)番目が”1”と
なり、他の出力は”0”となる。デコーダ21の出力3
に接続されているモジュロ回路234の出力はmod
(C3,4)、mod(C3+1,4)、mod(C3
+2,4)、mod(C3+3,4)番目が”1”とな
り、他の出力は”0”となる。このモジュロ回路231
〜234の各出力を各セレクタ235〜238に入力
し、これらセレクタ235〜238の出力は各セレクタ
の対応する同一桁の出力端子が互いに共通に接続されて
受動素子25に入力される。このとき各々のセレクタ2
35〜238は対応するデコーダ21の出力桁のデータ
で制御され、デコーダ21の出力が”1”になっている
桁に対応するセレクタの入力のみがセレクタの出力に現
れる。この出力により受動素子25は制御され、入力さ
れた”1”の総和に相当するアナログ電圧または電流を
出力する構成となっている。
【0020】図3は本発明における請求項2に対応する
実施の形態であり、上記図1および図2におけるカウン
タ部12または22とモジュロ回路131〜13(2N)
または231〜234を図3で示すリングシフト回路3
21〜32(2N)で置き換えたもので、カウンタ+モジ
ュロ回路としての機能を有する。図4はNbitデータ
の場合のリングシフトブロックを示すもので、デコーダ
31の出力の各桁当たり2N個づつ配列した場合の例を
示すものである。図4において、DFF(D−フリップ
フロップ)41の入力(D端子)と出力(Q端子)を図
4に示すように直列にかつリングを形成するように接続
し、各々のDFF41の出力(Q端子)を上記のモジュ
ロ回路131〜13(2N)の出力とし、各々のDFF4
1のクロック入力端子(C端子)を共通に接続してデコ
ーダ31の出力に接続してこれをカウンタ+モジュロ回
路(CI)の入力とする。
【0021】入力が2bitデータの場合は、この回路
を4個用い、デコーダ31の出力0に接続されているリ
ングシフト回路の出力は1本だけ”1”にプリセット
し、デコーダ31の出力1に接続されているリングシフ
ト回路の出力は2本だけ”1”にプリセットし、デコー
ダ31の出力2に接続されているリングシフト回路の出
力は3本を”1”にプリセットし、デコーダ31の出力
3に接続されているリングシフト回路の出力は4本を”
1”にプリセットする。図4にk番目のカウンタ+モジ
ュロ回路の場合について記載した。リングシフト回路は
入力に”1”が入力されると、その出力をDFF41の
1個分シフトさせるため、その動作は表1で示したよう
になり、図1および図2に示したカウンタとモジュロ回
路を合わせた回路と全く同一の動作をする。
【0022】
【表1】
【0023】また、請求項1または2に記載のD/A変
換器においては、デコーダ入力の”0”に対するモジュ
ロ出力は全ての出力が”0”となる。このため、デコー
ダ入力の”0”に対するモジュロ・セレクタを省略する
ことが可能となる。これより、Nbitのディジタル値
に対し、受動素子・カウンタ・モジュロ回路数を2N
1個と回路を低減することも可能となる。
【0024】図8は本発明を図2における実施の形態を
2bit出力の△-Σ D/A変換器に応用した例であ
る。受動素子に抵抗を用い、第2の抵抗(図2:R1)
に1%の誤差を与えた場合、本発明による改善効果を図
9に示す。図9は前記の条件で本発明を用いた場合と用
いない場合のS/Nのオーバーサンプリング率依存性を
示したものである。本発明を用いることにより、14d
BのS/N改善がなされることが知れる。
【0025】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によりS/N
のオーバサンプリング率依存性を14dB改善すること
ができ、さらに、本発明を適用することにより、ダイナ
ミックエレメントマッチングのように、受動素子の接続
をサンプリング時間のN倍で行う必要がなく、D/A変
換器のシステムクロックを低く抑えることが可能となる
長所を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態を示す回路構成図。
【図2】図1の回路構成を2bitデータの場合で示し
た回路構成図。
【図3】本発明の第2の実施の形態を示す回路構成図。
【図4】図3の回路構成で用いられるカウンタ+モジュ
ロ回路図。
【図5】従来公知のダイナミックエレメントマッチング
法によるD/A変換器回路構成図。
【図6】図5に示したD/A変換器を2bitデータの
場合で示した回路構成図。
【図7】ダイナミックエレメントマッチング法における
各スイッチ切り替えのタイミング図。
【図8】図2の回路を用いたΔ−Σ D/A変換器の構
成図。
【図9】本発明によるS/N向上の効果を示すS/N特
性図。
【符号の説明】
11、21、31、51、61 : デコーダ 12、22 : カウンタ部 121〜12(2N)、221〜224、 : カウンタ 13、23 : モジュロスイッチ部 131〜13(2N)、231〜234 : モジュロ回
路 141〜14(2N)、235〜238、331〜33(2
N) : セレクタ 15、25、35、54、64 : 受動素子 321〜32(2N) : カウンタ+モジュロ回路 41 : D−フリップフロップ 52 : スイッチ部 521〜52(2N)、s10〜s13、s20〜s2
3、s31〜s33、s40〜s43 : スイッチ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−148422(JP,A) 特開 昭60−10750(JP,A) 特開 平5−335963(JP,A) 特開 平8−154058(JP,A) 特開 平9−186601(JP,A) 特開 平11−31971(JP,A) 特開 平10−308671(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03M 1/74 H03M 3/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】2N個の受動素子を用いNbitのディジ
    タル値に相当する数の該受動素子の一方の端子を第1の
    電源電圧または第1の電流源に接続し、これらに含まれ
    ない残余の該受動素子の一方の端子を第2の電源電圧ま
    たは第2の電流源に接続し、これら全ての該受動素子の
    他方の端子を全て共通に接続して出力端子とすることに
    よりディジタル値に対応するアナログ電圧または電流を
    出力するような同一値の受動素子でNbitの分解能を
    実現するディジタル・アナログ変換器において、ディジ
    タル値の0〜2N−1に対応する2N個のカウンタを有
    し、入力ディジタル値kに対応するk番目のカウンタを
    1だけ増加させ、該カウンタ出力がCkを出力するカウ
    ンタ部と、該ディジタル入力値hをモジュロの基数gで
    割算したときの剰余を出力するモジュロ回路を2N個有
    し、該モジュロ回路の機能をmod(h,g)と表わす
    とき、該ディジタル値kに対しmod(Ck+0,2N
    −1)、mod(Ck+1,2N−1)、mod(Ck
    +2,2N−1)、…、mod(Ck+k−1,2N
    1)番目の該受動素子を該第1の電源電圧または第1の
    電流源に接続し、これらに含まれない残余の該受動素子
    の一方の端子を該第2の電源電圧または第2の電流源に
    接続するモジュロスイッチ部と、2N個の該受動素子を
    含むことを特徴とするD/A変換回路。
  2. 【請求項2】2N個のD−フリップフロップをリング回
    路を形成するように直列に接続し、各々の該D−フリッ
    プフロップの出力をカウンタ+モジュロ回路の出力端子
    として取り出し、かつ該D−フリップフロップのクロッ
    ク端子を互いに共通に接続したリングシフト回路を2N
    個用い、ディジタル値kに相当するk番目の該リングシ
    フト回路は内部の該D−フリップフロップをk個だけ初
    期値を論理”1”とし、残りの該D−フリップフロップ
    の初期値を論理”0”とする該リングシフト回路と、該
    ディジタル値kが出現するとk番目の該リングシフト回
    路の該クロック端子にクロックを1波のみ入力し該D−
    フリップフロップの記録データを1個分シフトさせるリ
    ングシフト制御回路と、該ディジタル値kに対しk番目
    の該リングシフト回路の2N本の出力を2N個の受動素子
    に接続するセレクタ回路からなることを特徴とする第1
    項記載のD/A変換回路。
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