JP4065804B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置に関し、特にデジタル値をアナログ値に変換するための方式の一つであるパルス幅変調(PWM)方式のD/Aコンバータを内蔵した半導体装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
デジタルで処理された信号をアナログに変換するD/A変換装置としては、例えば、デジタル値のビット数で分解されたパルス幅を基本単位として対応するデジタル値をパルスの幅に変換して出力し、ローパスフィルタなどの積分回路により最終的にアナログ値に変換するパルス幅変調(PWM)方式D/Aコンバータがある。
【0003】
図6は、従来のパルス幅変調波形発生回路を有する半導体装置の一般的な構成を示す図であり、図7はその動作を説明するための波形図である。
図6において、ノコギリ波発生回路(カウンタ)101と、比較器102を有するPWM波形発生回路104を備えている。
【0004】
比較器102は、入力信号S1と、PWM波形発生回路104内のノコギリ波発生回路101で発生するノコギリ波S2とを比較する。このとき、図7に示すように上記入力信号S1がノコギリ波S2よりも大きければ1、小さければ0というように、上記比較器102による比較結果に基づいてPWM波形S4を1ビットのパルス幅で出力する。なお、PWM波形S4はパルスの面積が上記入力信号S1のレベルに対応している。
その後、上記PWM波形S4は、抵抗とコンデンサで構成される外付けの積分回路103により最終的にアナログ値S7に変換される。
【0005】
ここで、PWM波形発生回路において、高速に変化する入力信号をアナログ値に変換する場合にアナログ値の精度をあげるには、上記入力信号に対応してパルス幅の小さい波形をつくる必要がある。そのため、ノコギリ波生成のカウンタのクロックを高速にしてパルス周期を短くする必要がある。
【0006】
従来例としては、比較的高速な入力信号に対してアナログ値の精度をあげるために複数のPWM波形発生回路を用いたD/A変換装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
【0007】
【特許文献1】
特開平4−159821号公報(第1図)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の半導体装置では、D/A変換装置に複数のPWM波形発生回路を用いるため、回路構成が複雑化するという問題があった。
本発明は、上記のような従来の問題点を解決するためになされたもので、上記のようにPWM波形発生回路の低い周波数のクロックを用いながらより簡単な構成で、高速に変化する入力信号に対し高い精度でアナログ値に変換するPWM波形発生回路を有する半導体装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項1による半導体装置は、デジタル信号をアナログ信号に変換するパルス幅変調方式のD/Aコンバータを有する半導体装置において、複数のノコギリ波を発生するノコギリ波発生回路と、外部からの入力信号と、上記ノコギリ波を比較する複数の比較回路とを有し、複数の位相のずれたパルス幅変調波形を発生するパルス幅変調波形発生回路を備え、複数の上記パルス幅変調波形を複数の抵抗にそれぞれ接続し、多値のパルス幅変調波形を生成するものである。
【0010】
本発明の請求項2による半導体装置は、請求項1記載の半導体装置において、上記パルス幅変調波形発生回路の出力に接続する抵抗を内蔵したものである。
【0011】
本発明の請求項3による半導体装置は、請求項2記載の半導体装置において、上記パルス幅変調波形発生回路の出力に接続する抵抗を、上記パルス幅変調波形発生回路の出力トランジスタのON抵抗よりも大きな抵抗値にするものである。
【0012】
このように、本発明は、位相のずれた複数のノコギリ波を発生する手段と、そのノコギリ波と入力信号を比較するための複数の比較器と、その複数の出力パルスを合成するための抵抗を備えることを特徴とした半導体装置を提供するものである。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態による半導体装置について図面を参照しながら説明する。
【0014】
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1によるPWM波形発生回路を有する半導体装置の構成を示す図であり、図2は、その動作を説明するための波形図である。なお、説明を簡単にするため、2つのPWM波形を合成する回路を例として示す。
【0015】
図1において、位相のずれた2つのノコギリ波S2、S3を発生するノコギリ波発生回路201と、ノコギリ波S2と入力信号S1を比較する比較器202と、ノコギリ波S3と入力信号S1を比較する比較器203を有するPWM波形発生回路206を備えている。
また、比較器202の出力S4と比較器203の出力S5は、それぞれ半導体装置の外部の抵抗204aと抵抗204bに接続されている。
【0016】
図2において、入力信号S1とノコギリ波S2を比較器202で比較し、また、入力信号S1と、上記ノコギリ波S2から半分だけ位相のずれたノコギリ波S3を比較器203で比較することにより、入力信号S1に対して時間的にポイントがずれたPWM波形S4とS5を得ることができる。さらに、この2つのPWM波形S4とS5を抵抗204a、204bを介して接続すると、PWM波形S4,S5から抵抗204a、204bによる分圧で図2に示すような3値のPWM波形S6を生成できる。
【0017】
その後、上記PWM波形S6を積分回路206で最終のアナログ信号S7にすることにより、従来例と比較して2倍の分解能を持ったアナログ出力を得ることができる。また、たとえば従来例に対して2倍の分解能を持ったアナログ出力を得る場合と同様に、1/4位相ずれた4つのノコギリ波と、入力信号から4つの比較器を用いてPWM波形を合成すれば4倍の分解能になる。
【0018】
ここで、位相のずれたノコギリ波形を生成するには、たとえばノコギリ波形発生のためのカウンタの最上位ビットを反転するだけで元のカウンタ出力に対して半位相ずれた波形が生成できる。また、1/4位相ずれた波形は最上位ビットと最上位から2ビット目の排他的論理和でMSB(Most Significant Bit/Byte)をつくり、2ビット目を反転することにより生成できる。このような方法でひとつのカウンタ回路で位相のずれたノコギリ波は極めて容易に生成できる。
【0019】
このように、本実施の形態1によれば、2つのノコギリ波S2、S3を発生するノコギリ波発生回路201と、外部からの入力信号S1と、上記ノコギリ波S2を比較する比較器202と、上記入力信号S1と、上記ノコギリ波S3を比較する比較器203とを有し、2つの位相のずれたPWM波形S4、S5を発生するパルス幅変調波形発生回路を備え、上記PWM波形S4、S5を2つの抵抗204a、204bにそれぞれ接続し、3値のPWM波形S6を生成するようにしたので、ノコギリ波を生成するためのカウンタのクロックはそのままで2倍の分解能をもつPWM波形が容易に得ることができるという効果がある。
【0020】
なお、本実施の形態1では、2個の位相のずれたノコギリ波を用いて生成された2個のPWM波形を抵抗を介して接続しその信号を抵抗分圧により合成する例について説明したが、さらに複数個の位相のずれたノコギリ波を用いて生成された複数個のPWM波形を抵抗を介して接続しその信号を抵抗分圧により合成するようにしてもよい。これにより、ノコギリ波を生成するためのカウンタのクロックはそのままでより高い分解能をもつPWM波形が容易に得ることができるという効果がある。
【0021】
(実施の形態2)
図3は、本実施の形態2によるPWM波形発生回路を有する半導体装置の構成を示す図である。なお、パルス波形の生成については実施の形態1と同様であるのでその説明は省略する。
【0022】
実施の形態1において2つのPWM波形を半導体装置の外部の抵抗に接続しているが、抵抗による分圧で合成をおこなうため2つの抵抗値の相対精度が重要になる。ここで、抵抗のばらつきが大きいとアナログ値の分解能の精度にそのまま影響を与えてしまう。
【0023】
そのため、図3で示すように、比較器202からのPWM波形S4が接続する抵抗301aと、比較器203からのPWM波形S5が接続する抵抗301bを半導体装置300にセルとして内蔵することで、半導体の製造工程で抵抗が同時に作りこまれるため抵抗間の相対ばらつきが外付けの抵抗を使用する場合に比べて少なく、分解能の精度を上げることができる。
【0024】
このように本実施の形態2によれば、比較器202からのPWM波形S4が接続する抵抗301aと、比較器203からのPWM波形S5が接続する抵抗301bを半導体装置300に内蔵するようにしたので、抵抗間の相対ばらつきを防ぎ、アナログ値の分解能の精度を上げることができるという効果がある。
なお、本実施の形態2では、2つの抵抗を半導体装置に内蔵する例について説明したが、さらに複数の抵抗を半導体装置に内蔵するようにしてもよい。
【0025】
(実施の形態3)
図4は、本実施の形態3による半導体装置の構成を示す図であり、図5は、その動作を説明する波形図である。なお、パルス波形の生成については上記実施の形態1、2と同様でありその説明を省略する。
【0026】
図4において、比較器の最終出力バッファであるPchトランジスタとNchトランジスタからのPWM波形S4を抵抗R401aに接続し、PWM波形S5を抵抗R401bに接続している。
【0027】
図5において、PWM波形S4、S5は、Hの期間とLの期間の面積の比によりアナログ値に変換するものである。従って、比較器の最終出力バッファのPchトランジスタとNchトランジスタのON抵抗r1、r2の抵抗値に相対ばらつきがあると、図5(a)に示すように信号の立ち上がりと立ち下がり時間が異なってしまうためH期間の面積501とL期間の面積502に誤差が生じ、最終のアナログ値の精度を悪化させてしまう。
【0028】
これを改善するために、PWM波形信号を合成するための半導体装置の内部の抵抗R401a、401bを、比較器の最終出力バッファのPchトランジスタのON抵抗r1、NchトランジスタのON抵抗r2よりも少なくとも10倍以上の、十分大きなものとする。これにより、図5(b)に示すようにPWM波形信号の立ち上がり時間と立ち下がり時間が等しくなり、H期間の面積503とL期間の面積504に誤差が生じるのを防ぐことができる。
【0029】
このように本実施の形態3によれば、PWM波形信号を合成するための半導体装置の内部の抵抗R401a、401bを、比較器の最終出力バッファのPchトランジスタのON抵抗r1、NchトランジスタのON抵抗r2よりも大きくなるようにしたので、Pchトランジスタ、NchトランジスタそれぞれのON抵抗のばらつき誤差を抵抗R401a、401bとの相対値により吸収してPWM波形の立ち上がり時間と立ち下がり時間の誤差を小さくすることで精度の高いアナログ値を得ることができるという効果がある。
【0030】
【発明の効果】
以上のように、本発明の請求項1による半導体装置によれば、デジタル信号をアナログ信号に変換するパルス幅変調方式のD/Aコンバータを有する半導体装置において、複数のノコギリ波を発生するノコギリ波発生回路と、外部からの入力信号と、上記ノコギリ波を比較する複数の比較回路とを有し、複数の位相のずれたパルス幅変調波形を発生するパルス幅変調波形発生回路を備え、複数の上記パルス幅変調波形を複数の抵抗にそれぞれ接続し、多値のパルス幅変調波形を生成するようにしたので、周波数の速いクロックで回路を動作させることなく、高い分解能をもつアナログ信号を容易に得ることができるという効果がある。
【0031】
本発明の請求項2による半導体装置によれば、請求項1記載の半導体装置において、上記パルス幅変調波形発生回路の出力に接続する抵抗を内蔵するようにしたので、抵抗間の相対ばらつきを防ぎ、アナログ値の分解能の精度を上げることができるという効果がある。
【0032】
本発明の請求項3による半導体装置によれば、請求項2記載の半導体装置において、上記パルス幅変調波形発生回路の出力に接続する抵抗を、上記パルス幅変調波形発生回路の出力トランジスタのON抵抗よりも大きな抵抗値にするようにしたので、パルス幅変調波形の立ち上がり時間と立ち下がり時間の誤差を小さくすることにより、精度の高いアナログ値を得ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1による半導体装置を説明するための回路図である。
【図2】本発明の実施の形態1による半導体装置を説明するための波形図である。
【図3】本発明の実施の形態2による半導体装置を説明するための回路図である。
【図4】本発明の実施の形態3による半導体装置を説明するための回路図である。
【図5】本発明の実施の形態3による半導体装置を説明するための波形図である。
【図6】従来例を説明するための回路図である。
【図7】従来例を説明するための波形図である。
【符号の説明】
101、201 ノコギリ波発生回路
102、202、203 比較器
103、205、402 積分回路
204a、204b、301a、301b、401a、401b 合成抵抗
104、206 PWM波形発生回路
300 半導体装置
501、503 H期間の面積
502、504 L期間の面積
S1 入力信号
S2、S3 ノコギリ波
S4、S5、S6 PWM波形
S7 アナログ信号
Claims (3)
- デジタル信号をアナログ信号に変換するパルス幅変調方式のD/Aコンバータを有する半導体装置において、
複数のノコギリ波を発生するノコギリ波発生回路と、外部からの入力信号と、上記ノコギリ波を比較する複数の比較回路とを有し、複数の位相のずれたパルス幅変調波形を発生するパルス幅変調波形発生回路を備え、
複数の上記パルス幅変調波形を複数の抵抗にそれぞれ接続し、多値のパルス幅変調波形を生成する、
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
上記パルス幅変調波形発生回路の出力に接続する抵抗を内蔵した、
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項2記載の半導体装置において、
上記パルス幅変調波形発生回路の出力に接続する抵抗を、上記パルス幅変調波形発生回路の出力トランジスタのON抵抗よりも大きな抵抗値にする、
ことを特徴とする半導体装置。
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