JPH0334725A - アナログ・ディジタル変換器 - Google Patents

アナログ・ディジタル変換器

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JPH0334725A
JPH0334725A JP1168678A JP16867889A JPH0334725A JP H0334725 A JPH0334725 A JP H0334725A JP 1168678 A JP1168678 A JP 1168678A JP 16867889 A JP16867889 A JP 16867889A JP H0334725 A JPH0334725 A JP H0334725A
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dac
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はアナログ・ディジタル変換回路に関し、特にC
MO3回路により構成された逐次比較型アナログ・ディ
ジタル変換回路の新規な構成に関する。
従来の技術 近年のCMO3技術の進歩により、アナログ・ディジタ
ル変換器(以下、ADCと記載する)等のアナログ回路
までも含んだディジタル集積回路が普及している。
第8図は、上述のような用途に使用されるアナログ・デ
ィジタル変換回路の基本的な構成を示すブロック図であ
る。
同図に示すように、このアナログ・ディジタル変換回路
は、アナログ入力VINを標本化するサンプル・ホール
ド器(以下、S/Hと記載する) 11と、基準電圧V
 IIEFを入力とするディジタル・アナログ変換器(
以下、DACと記載する)13と、S/H1lが標本化
したアナログ入力とDAC13の出力V。ACとを比較
する比較器CMlとを備えている。ここで、比較器CM
Iの出力は、逐次比較制御部12に入力され、逐次比較
制御部12は、DAC13にディジタル値を与える。
一般に、逐次比較型ADCでは、DAC13は、基準電
圧V、I!Fの1/2の電圧と最初に値標本化した入力
端子V、とを比較してV DACを出力し、比較器CM
Iは、入力電圧VINとVOa。とを比較する。ここで
、その比較結果が、Vlll>V[lACの場合には基
準電圧V□、の3/4の値をV。ACに出力する。また
、比較結果がV !11 < VnAcの場合には、基
準電圧VIEFの1/4の値をV□、に出力する。更に
、VOa。との比較を繰り返し比較結果により、次の比
較電圧を決定する。尚、このような制御は逐次比較制御
部12によって行なわれる。
第2図は、上述のようなADCにおいて使用される電荷
平衡標本化比較器14を構成する比較器、即ち、第8図
に示した回路では比較器CMIの典型的な構成を示す図
である。
第2図に示すように、この回路は、一端に入力端子Vl
llおよびvoAcに接続されたスイッチS1およびS
2と、これらスイッチS1およびS2のの他端に共通に
一端を接続されたコンデンサCと、コンデンサCの他端
と出力V。8.との間に並列に挿入されたスイッチS3
およびインバータINVとから構成されている。
第4図は、上述のような回路において使用されるインバ
ータINVの入出力特性を示すグラフである。
比較器CMIにおいて、最初にスイッチS2、S3を閉
じて零補正をすると、Vr点は、V B 1となる。こ
こで、コンデンサCのiE荷Qは、Q=C(VIN  
V 1) 〔但し、■□は、INVのバイアス電圧〕となる。
次に、S2、S3を開放し、31を閉じると、電荷は保
存されるから、 Q=C(VIN  VBI) =C(VoAc  Vx
 )となり、Vxの電位は、 Vx=V++++ (VDACVlll)ΔVOUア=
  A (VDACVIN)〔但し、AはインバータI
NVのV B (でのゲイン〕 となる。
従って、インバータ出力V。L+、は、VIN>VDA
Cの場合ハイ・レベル(以下、“l”と記載する〉、V
r、I<V。ACの場合、ロウ・レベル〈以下、“0”
と記載する〉となる。以上のようにして、比較器CMI
の出力に、比較結果がV。LITとして現われる。
以上のように構成された比較器CMIを搭載した、第8
図に示した従来のADCの動作について、以下に詳細に
説明する。尚、説明の便宜上、このADCは、分解能3
ビツト、基準電圧VIEF=5V1比較器のバイアス電
圧vs+=1.5 V、アナログ入力電圧Vl)l”5
Vとする。
第9図は、このADCの動作を説明するタイムチャート
である。
最初に、タイミングTSにおいて、アナログ入力VIM
をサンプリングしてコンデンサCに充電する。次に、V
DACに基準電圧Vlll:F= 5 Vの1/2の値
(2,5V)を印加すると、電圧VxはVx =1.5
 v+ (2,5v−5v) =−1v〔ここで、“V
#は、電圧の単位“V″′を表す〕となる。
発明が解決しようとする課題 ここで、このADCの比較器において、第4図に曲線4
1として示すような入出力特性を示すインバータが搭載
されている場合、バイアス電圧VB□=3.5V、V*
*p=5VSVIN=OVとなったとすると、上述の説
明と同様にVxの値は、Vx  =3.5 v+  (
2,5v+Ov)  =+6Vとなる。尚、第10図は
、このような場合のADCの動作を示す図である。
このように、従来の制御方法においては、インバータの
入出力特性のバラツキにより、接地電位(OV〉以下の
一1Vおよび基準電圧以上の+6VがVx点に印加され
る。CMO3回路で構成する電荷平衡標本化比較器の場
合、スイッチSl−S3はPチャンネルMOSトランジ
スタとNチャンネルMO3)ランジスタで構成されるた
め、P−N接合部とN−P接合部が必ず存在する。この
ため上記のようにVx点に接地電位と基準電圧間の電圧
範囲を越える電圧が印加されるとP−N接合に順バイア
スされるため電流が流れ、コンデンサCにアナログ入力
端子Vf、Iを印加した時の電荷が保存されなくなり、
ADCの変換確度が大幅に悪化して比較器として機能し
なくなる。
このような問題を解決するためには、アナログ入力端子
VtNをIV〜4V程度に制限するか、比較器のインバ
ータのバイアス点が2.5V±0.5V程度になるよう
に製造上のバラツキを極力おさえるとともに、厳密に特
性試験を実施して規格範囲をはずれたものを廃棄する必
要がある。
しかしながら、アナログ入力端子範囲を制限するとAD
Cの応用範囲が大幅に狭くなり、また、インバータのバ
イアス点を制限すると製造上の歩留りが極端に低下して
大幅なコストアップとなる。
そこで、本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、製
造上の歩留り低下あるいはコストの上昇を生じることな
く、応用範囲の広いADC回路が実現できるような、新
規なADC回路の構成を提供することをその目的として
いる。
課題を解決するための手段 即ち、本発明に従うと、逐次比較型アナログ・ディジタ
ル変換器において、アナログ入力を受けるサンプル・ホ
ールド部と、逐次比較制御部と、入力される基準電圧よ
りも低い所定の電圧を参照電圧として、前記逐次比較制
御部の出力より比較電圧を発生するディジタル・アナロ
グ変換部と、前記サンプル・ホールド部の出力と前記デ
ィジタル・アナログ変換部の出力とを比較する第1の比
較器と、前記参照電圧と等しいかまたはそれよりも高い
電圧であり、且つ、前記基準電圧以下の所定の電圧とア
ナログ入力電圧とを比較する第2の比較器と、前記参照
電圧よりも低く、且つ、接地電位と等しいかまたはそれ
よりも高い所定の電圧とアナログ入力電圧とを比較する
第3の比較器とを備え、前記逐次比較制御部が、前記第
1、第2および第3の比較器の出力により制御されるよ
うに構成されていることを特徴とするアナログ・ディジ
タル変換器が提供される。
作用 本発明に係るADC回路は、その特徴的な構成により、
電荷平衡標本化比較器のP−N接合部に順バイアスされ
ることがないので、アナログ入力電圧範囲に制限を加え
たり、製造上の歩留りを低下させることがない。以下、
図面を参照して本発明をより具体的に説明するが、以下
の開示は本発明の1実施例に過ぎず、本発明の技術的範
囲を何ら限定するものではない。
実施例1 第1図は、本発明に係るADC回路の一構成例を示すブ
ロック図である。尚、第1図に示す回路において、第8
図に示した従来のADC回路と同じ構成要素には同じ参
照番号を付している。
同図に示すように、この回路は、第8図に示したADC
回路と同様に、アナログ入力VI11を標本化するS/
H1lと、基準電圧V□E、を入力とするDAC13と
、S/H1lが標本化したアナログ入力とDAC13の
出力VDACとを比較する比較器CMlとを備えている
。但し、この回路においては、DAC13は、後述する
ような3種類の電圧を出力するように構成されている。
また、この回路は、比較器CMIの他に、DAC13の
出力を入力される比較器CM2およびCM3を備えてい
る。
ここで、CMIは、第2図を参照して既に説明した従来
のADCにおける比較器と同じ構成並びに動作を行う。
即ち、サンプル・ホールド部11の出力とDA変換部1
3の出力V D A Cとを比較し、VIJl>VDA
Cの場合には“1”を、V I N < V DACの
場合には“0”を出力するように構成されている。尚、
本実施例では、V DACは■、。、の1/2の電圧と
する。
また、比較器0M2は、DAC13が出力する基1[t
Evappの3/4の値とアナログ入力電圧VINトヲ
比較シ、Vlll > 3 / 4 ・Vlll!F 
(7)場合は“1”を、vyN<3/4・VREFの場
合は“0”を出力するように構成されている。
更に、比較器CM3は、DAC13が出力する基準電圧
V REFの1/4の値とアナログ入力電圧VINとを
比較し、VIN<1/4・V IEFの場合は“l″を
、VIJl>1/4・VREPの場合は“0”を出力す
るように構成されている。
第3図は、第1図に示すADCにおいて使用される逐次
比較制御部12の具体的な構成例を示す回路図である。
同図に示すように、この回路は、セット・リセット型フ
リップフロップ(以下、S−RF/Fと記載する)31
−a−cと、D型フリップフロップく以下、D−F/F
と記載する)32−a−dと、ANDゲー)33−a、
 bと、ORゲート34−a〜Cとを備えている。ここ
で、TRGは、ADCの変換開始のトリガ信号であり、
VOUTは第2図に示した比較器の出力信号であり、C
M2およびCM3は、それぞれ第1図に示した比較器0
M2およびCM3の出力信号である。また、出力DOO
〜DO2はディジタル出力であり、出力DO〜D2は第
1図に示したDA変換部13の入力信号である。
第5図は、上述のように構成されたADC回路の動作を
説明するためのタイムチャートである。
以下、同図を参照しながら、このADC回路の動作につ
いて説明する。尚、ここでは、従来例と同様に、基準電
圧Vmip=5V、比較器のバイアス電圧V□=1.5
V、アナログ入力端子Vl)l=5Vとする。
まず最初に、第3図に示したトリガ信号TRGが1”と
なると、R−3F/F 3l−a−cが全てリセットさ
れ、1ビツト遅れてTSが“1”となる。従って、タイ
ミング1Sにおいて、第2図に示す回路のスイッチS2
およびS3が閉じ、アナログ入力端子Vl!1およびV
BIによりコンデンサCに電荷が蓄えられる。このとき
、比較器0M2は“1″、CM3は“0”である。
次に、第5図に示すタイミング上1では、CM2が“1
”であるためS−RF/F31−aがセットされ、OR
アゲ−34−aの出力D2が“1”に、ANDゲー)3
3−bの出力が“1″となり、○Rアゲ−34−bの出
力D2も“1”となる。従って、DA変換部出力VDA
Cには、3 / 4 ・V*epの値が出力される。こ
こで、第2図に示す回路のVx点の電圧は、 Vx =1.5 v+ (3,75v−5v) =0.
25vとなる。
このとき、比較器CMIの出力V。U7は、■。
〉Vxであるため“1′となる。また、5−RF/F 
31−aのセット側アンドゲートが“1”となってセッ
トされるが、出力DO2はもともと“l”であるため、
変化しない。
次に第5図に示すタイミング上2の期間では、第3図に
示すORアゲ−34−aはt2が“1″であるため“1
#となり、ORアゲ−34−bは“l”となる。DA変
換部出力VDACには、タイミング1、と同様に、3/
4・V 11!F (3,75V )が出力され、比較
器CMI出力V。、Tが“1”となる。
従って、第3図5−RF/F 31−bがセットされ、
出力Dotは“l”となる。
次に第5図タイミングt、の期間では、第3図に示す回
路の○Rアゲ−34a−cが全て“1”になるノテ、D
A変換部出力VDACから7/8’vm!p(4,37
5v)が出力される。ててで、第2図に示す比較器CM
IのVx点の電圧は、 Vx = 1.5v+ (4,375v−5v) =0
.875 vであり、V□>V、であるため、比較器出
力V。u7は1″となる。従って、第5図に示すR−3
F/F31−cはセットされ、DOO〜DO2出力が全
て1”のディジタル出力が得られる。
次に第2図に示す比較器のイン°バータINVが、第4
図に曲線42として示すような人出力特性を示す場合に
ついて説明する。
従来例について、既に同図を説明したように、基準電圧
V*!r=5V、比較器のバイアス電圧V B 2=3
.5 V、アナログ入力端子VIN=OVとすると、第
3図トリガ信号TRGが“1″となると、S−RF/F
 3l−a−cは全てリセットされる。1ビツト遅れて
、トリガ信号TRGが“0”になり、D−F/F 32
−a出力TSが“1”となりサンプリングタイミングが
発生する。
第6図は、このような場合のシーケンスを示すタイムチ
ャートである。
同図に示すように、タイミングTSにおいて、第2図に
示した比較器CMIの点Vxは、Vx”Vl+2=3.
5 vにバイアスされて零補正が行なわれ、入力電圧V
IM=OVにより電荷が蓄積される。
次に、タイミング上1 において、第1図に示す比較器
CM2の出力が“0”に、比較器CM3の出力が“1”
となっているので、第3図に示すANDゲー)33−a
は禁止される。また、5−RF/F31−aは、比較器
CM2の出力によりリセット状態となるので、ORアゲ
−34−a、−cの出力DO〜D2は全て“0”となる
。従って、DA変換部13の出力VOLIT=OVとな
る。ここで、第2図に示す比較器CMIのVx点は、 vx = 3.5v+ (Ov−Ov) = 3.5v
となり、VB7は“0”あるいは“■”と判断できない
レベルとなるが、第3図に示すS−RF/F31−aは
、比較器CM2によりリセットされているので変換結果
が異常となることはない。
次に、タイミング上2の期間においては、○Rアゲ−3
4−bが “1″に、ORゲート34−aおよびCが“
0”となり、DA変換部13の出力は、Vout= 1
 / 4 ・V+u:p=1.25Vを出力する。ここ
で、第2図比較器の点Vxの電圧は、 Vx = 3.5v+ (1,25v−OV) =4.
75vとなり、VX>V、2であるため、比較器CMI
の出力V。8.が“0”となる。従って、第3図に示し
たR−3F/F 31−bは、セット条件が成立しない
ためリセット状態のままとなる。
次に、タイミング上3の期間においては、第3図に示す
ORゲート34−Cが“1”に、ORアゲ−34−aお
よびbが“0″になり、DA変換部13の出力は、VD
AC= 1 / 8 ・V+up 、=0.625 V
となる。ここで、第2図の比較器CMIの点Vxの電圧
は、 Vx = 3.5V+ (0゜625 v−OV) =
4.125 yとなる。ここでは、VX >VB2であ
るため比較器CMIの出力V。8.は“0”となる。従
って、S−RF/F31−cはリセット状態のままであ
り、S−RF/F 3l−a−cは全て“0″の変換結
果が得られる。
実施例2 第7図は、本発明に係るADCの他の構成例を示すブロ
ック図である。尚、第7図において、第1図と同じ構成
要素には、第1図と同じ参照番号を付している。
同図に示す回路は、第1図に示した本発明に係るADC
回路に、更に、1対のD型うッチL1およびL2を付加
したものである。このD型うッチLlおよびL2は、ア
ナログ入力電圧VBをサンプリングするための信号TS
により、それぞれ比較器CM2およびCM3の出力をラ
ッチする。その他のこの回路の動作については、実施例
1と同様なので、詳細な説明は省略する。
即ち、本実施例では、サンプリング期間TSにおいて、
D型うッチL1およびL2が比較器CM2およびCM3
の出力をラッチし、次のAD変換のタイミングTSまで
保持する。従って、AD変換中にアナログ入力端子V1
Nが変化しても誤動作しないという利点がある。
発明の効果 以上詳述したように、本発明に係るADC回路は、V 
DACよりも高い所定の電圧以上のアナログ入力端子V
INを検出する比較器と、VDACよりも低い所定の電
圧以下のアナログ入力電圧VTIIを検出する比較器と
を備え、これらの比較器の出力により逐次比較制御部を
制御することにより、接地電位から基準電位VREFま
でのいかなるアナログ入力電圧V1Nが入力されても回
路内のPN接合部が順バイアスされないので、ADCの
変換確度は常に良好である。
また、上述のような回路に使用される1対の比較器は、
比較正確度が±0.25 V程度の簡単なスタティック
コンパレータを使用しても問題ないので、上述のような
構成が、ADC回路の製造コストを極端に上昇させるこ
とはない。
このように、本発明に係るADC回路は、アナログ入力
電圧範囲を狭める必要がないため広範な応用が可能であ
り、電荷平衡標本化比較器のインバータの製造上のバラ
ツキを極端に制限したり、歩留りを悪化させることがな
いため、AD変換確度なADCを廉価に提供することを
可能とする。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明に係るADC回路の構成例を示すブロ
ック図であり、 第2図は、第1図および第8図に示したADC回路にお
いて使用できる比較器の詳細な構成を示す回路図であり
、 第3図は、第1図に示したADC回路における、逐次比
較制御部の具体的な構成例を示す回路図であり、 第4図は、第2図に示した回路において使用でいるイン
バータの入出力特性を示すグラフであり、第5図および
第6図は、第1図に示した回路の動作を生命するタイム
グチヤードであり、第7図は、本発明に係るADC回路
の他の構成例を示すイロック図であり、 第8図は、従来のADC回路の典型的な構成を示すブロ
ック図であり、 第9図および第1O図は、第8図に示したADC回路の
動作を説明するためのタイムチャートである。 〔主な参照番号〕 11・・・サンプル・ホールド部、 12・・・逐次比較制御部、 13・・・DA変換部、 14・・・電荷平衡標本化比較器、 CMI〜CM3・・・比較器、 31〜S3・・・スイッチ、 INV・・・インバータ、 3l−a−c・・・セット・リセット型フリップ・フロ
ップ、 32−a−d・・・D型フリップ・フロップ、33−a
、b ・ ・ ・ANDゲート、34−a−c ・ ・
 ・ORゲート、Ll、L2・・・D型ラッチ

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 逐次比較型アナログ・ディジタル変換器において、 アナログ入力を受けるサンプル・ホールド部と、逐次比
    較制御部と、 入力される基準電圧よりも低い所定の電圧を参照電圧と
    して、前記逐次比較制御部の出力より比較電圧を発生す
    るディジタル・アナログ変換部と、前記サンプル・ホー
    ルド部の出力と前記ディジタル・アナログ変換部の出力
    とを比較する第1の比較器と、 前記参照電圧と等しいかまたはそれよりも高い電圧であ
    り、且つ、前記基準電圧以下の所定の電圧とアナログ入
    力電圧とを比較する第2の比較器と、 前記参照電圧よりも低く、且つ、接地電位と等しいかま
    たはそれよりも高い所定の電圧とアナログ入力電圧とを
    比較する第3の比較器とを備え、前記逐次比較制御部が
    、前記第1、第2および第3の比較器の出力により制御
    されるように構成されていることを特徴とするアナログ
    ・ディジタル変換器。
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