JPH04233827A - デジタル−アナログ変換器を平均するcmos回路 - Google Patents
デジタル−アナログ変換器を平均するcmos回路Info
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- H—ELECTRICITY
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- H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
- H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
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Abstract
め要約のデータは記録されません。
Description
アナログ変換またはパルス密度アナログ−デジタル変換
として使用されるデジタル−アナログ変換器を平均する
CMOS回路に関する。 【0002】 【従来の技術】用語「パルス密度変調」の代りに、用語
「信号デルタ変調」がしばしば使用される。最も簡単な
形式において、この平均回路はパルス密度変調された信
号を供給されるシフトレジスタを含み、その出力信号が
加算回路を介して電流または電圧信号として結合される
。和出力は一般に電流信号としてキャパシタに供給され
る所望の平均信号を供給する。 【0003】信号の両位相は個々のシフトレジスタセル
から取出されるならば、同位相分と逆位相分は加算され
、その2つの加算の差が形成される。その差は所望の平
均信号を示すが、一定のDC成分はない(図1参照)。 パルス密度変調された信号の高いクロック速度により、
次のような回路または信号特性が平均を妨害する:・個
々の信号の状態変化の瞬間の変化は回路不平衡、位相ジ
ッタ、またはデータヒストリによって生じることができ
る。・個々の信号の振幅変化は例えば信号雑音またはス
プリアス信号により生じることができる。 【0004】回路不平衡の効果は例えば前縁および後縁
を変化させ、データヒストリの効果はシフトレジスタセ
ルと共同するゲート回路によって妨害される。ゲート回
路は各データ間隔から短いゲート間隔を分離させるので
、平均はこの一時的に短縮された信号によって実行され
る。データヒストリに関係なく各論理1は論理0レベル
からスタートする分離パルスを示す。したがって、前縁
および後縁の非対称はもはや分布効果を有することはな
く、各信号は論理0で始めるので、データヒストリもま
た全く生じない。「ゲート」と呼ばれるこの方法は、残
念ながら、位相変化が短縮されたゲート間隔よりも大き
い効果があるので、位相ジッタの感度を増加させる。 【0005】欧州特許EP−A−0 335 988
(US SN 321,593)号明細書によると、ゲ
ート間隔に関する位相ジッタの不利な効果はシフトクロ
ックのマスター位相およびスレーブ位相の両者において
ゲートを行うことによって避けることが可能である。こ
れを達成するために、全ゲートのQ出力からの信号は加
算され、Q´出力からの信号も加算される(図2参照)
。マスターおよびスレーブ位相を含むことによって、ゲ
ートクロックの位相変化は補償される。例えば、マスタ
ー位相のゲート間隔が長過ぎるならば、スレーブ位相の
ゲート間隔は自動的に対応して短くなる(図3参照)。 高い分解能の変換器には高いクロック感度が必要である
。 【0006】 【発明が解決しようとする課題】欧州特許EP−A−0
335 988号明細書はさらに各信号対する別々の
信号源を使用することによって個々の信号の振幅をのよ
り均一にすることの可能な方法を開示している。マスタ
ーおよびスレーブセルの論理状態とゲート信号は別々の
信号源に対する各ゲート回路の信号路だけを制御する。 各ゲート回路は直列接続の2つの電子スイッチを含む。 第1の電子スイッチはゲート間隔外に信号源を中性ゲー
ト出力に接続し、ゲート間隔中には第2の電子スイッチ
の入力に接続する。第1の電子スイッチは供給されるゲ
ート信号に対するクロック依存制御入力によって制御さ
れ、第2の電子スイッチは関係するマスターまたはスレ
ーブセルのQおよびQ´出力に接続されるデータ依存制
御入力によって制御される。第2の電子スイッチの2つ
の出力端子はゲート回路のQおよびQ´端子を形成する
。 【0007】電流は切換えたり加算することが容易であ
るため、全信号源は共通バイアス電源に全て接続された
別々の定電流源によって構成される。ゲート回路の全Q
´端子は電流差段として作用する電流ミラーの入力に接
続される共通の第1のバスに結合される。同様にゲート
回路の全Q端子は取出されることができる差電流のノー
ドであり電流ミラーの出力に接続されている共通の第2
のバスに結合される。中性ゲート端子の全ては中性電流
シンクに接続されるゲートバスを介して結合される。 【0008】ゲートクロックはシフトクロックと同期し
ているが、信頼できるデータ転送のため一定量だけシフ
トクロックと位相が異なる。したがって、全マスターセ
ルが中性電流シンクに接続されているとき、全スレーブ
セルは電流差段または中性電流シンクのいずれかに接続
され、或いは全スレーブセルが中性電流シンクに接続さ
れているとき、全マスターセルは電流差段または中性電
流シンクのいずれかに接続される。 【0009】欧州特許EP−A−0 335 988号
明細書において電流差段はpnpトランジスタ電流ミラ
ーによって形成されている。その入力および出力はQバ
スおよびQ´バスにそれぞれ接続される。差電流は平均
信号としてQ´バスから取出されることができる(図2
参照)。 【0010】バイポーラ技術で構成されるこの従来の回
路装置をCMOS技術に特に高いクロック速度で変換さ
せることは容易ではない。これは、バイポーラトランジ
スタと対照的に、たとえMOSトランジスタが理想的な
電流比を有するとしても、伝送された電流から取出され
なければならないベース電流がないためである。MOS
トランジスタの主な欠点は2乗電流特性IDS=β(U
GS−UT )2 【0011】および比較的大
きいゲートソースキャパシタパンスである。もし高周波
数電流がミラーされなければならないと、これはMOS
電流ミラーの非常に不利な影響を有する。その場合、入
力電流の一部は電流ミラートランジスタのゲートソース
キャパシタパンスの電荷を反転するために使用される。 ゲートソース電圧はドレイン電流の平方根に比例し、ゲ
ート電流はゲートソース電圧の変化に比例するので、電
流ミラーの出力トランジスタのドレイン電流は歪み、そ
の歪みは周波数が増加するにつれて増加する。高いクロ
ック周波数によるパルス密度変調された信号の場合、こ
の歪みは信号混合によって有用な信号バンド内にある。 【0012】したがって、本発明によって解決されるべ
き問題は上述のMOS電流ミラーの欠点を回避するデジ
タル−アナログ変換器を平均するCMOS回路を提供す
ることである。 【0013】上記問題の実際の解決法以外に、本発明に
より得られる別の利点は回路は個々のMOS電流源の1
/f雑音および電流源基準電圧の低周波数雑音に不感で
あることである。 【0014】 【課題を解決するための手段】本発明によれば、この問
題は前記のようなデジタル−アナログ変換器を平均する
回路をCMOS回路によって構成し、それにおいて電流
ミラーの入力はゲートバスに接続され、その出力はQま
たはQ´バスに接続され、電流ミラーは差電流の値がデ
ータ信号のデータ基準レベルでゼロであるように定めら
れた電流スケール係数を有していることを特徴とする。 【0015】 【実施例】図1は4段のシフトレジスタ sr を有す
る既知の平均デジタル−アナログ変換器の簡単な実施例
を示す。その直列入力は2進コードのパルス密度変調信
号のデータ信号dを供給される。全シフトレジスタセル
のQおよびQ´出力は第1の加算器 s1 および第2
の加算器 s2 にそれぞれ接続される。各セルの出力
電位から、各データ依存セル電流 i1 、i2、i3
、i4は抵抗R(破線で図示)によって取出されること
が可能である。2個の加算器 s1,s2の出力は差電
流idを形成する減算器 sb に結合される。この差
電流 id は平均出力信号として作用し、その値はデ
ータ信号dの4つの連続する論理状態の平均値に比例す
る。 【0016】一般に、差電流 id はキャパシタcに
よって積分される積分出力信号としてキャパシタ電圧
uc が現れる。2つの加算器 s1,s2および減算
器 sb はもちろん電圧信号の処理に適応されること
ができる。シフトレジスタ sr はクロック信号 c
l によって制御され、そのパルス速度はデータ信号d
のビット速度に等しい。 【0017】図2は欧州特許EP−A−0 335 9
88号明細書から知られている改良された実施例を示す
。シフトレジスタsrは連続するマスターセルMおよび
スレーブセルSに分割される。マスターおよびスレーブ
セルは一般に重複しない2相クロックを形成する第1の
シフトクロック c1 および第2のシフトクロック
c2 によってそれぞれ制御される。マスターセルMお
よびスレーブセルSのQおよびQ´出力の使用によって
、平均に必要な信号の数は図1に示された信号の数の2
倍である。 【0018】各マスターセルMおよびスレーブセルSは
ゲート回路gを有し、各シフトレジスタセルのQおよび
Q´出力に接続されるデータ依存制御入力を有する。各
ゲート回路gはさらにクロック依存制御入力を有し、そ
れに2つのシフトクロック c1,c2と同じ周波数の
第1のゲートクロック c3 および第2のゲートクロ
ック c4からなる重複する2相クロックが供給される
。2つのゲートクロックは2つのシフトクロックに関係
して位相遅延されるので、ゲート期間はシフト位相に入
らない。 【0019】全ゲート回路gのQ出力 Q はQバス
sq に接続され、Q´出力 Q’ はQ´バス s
q’に接続される。簡明にするために図2では示されて
いないが、各ゲート回路gは別々の定電流源を有し、そ
の電流はQ出力 Q またはQ´出力 Q’ 、或い
はゲートの位置に依存する中性ゲート出力のいずれかに
伝送される。この中性ゲート出力はゲートバス sq
(図4参照)を介して中性電流シンクとして作用する正
の電源端子に接続される。 【0020】Q´和電流 IQ’は2つの同じpnpト
ランジスタから構成する電流ミラー cmの入力に供給
される。この電流ミラー cm の出力端子はQバス
sq に接続されるので、Q´和電流 IQ’とQ和電
流 IQ の差がノードで形成される。したがって、差
電流 id は出力信号としてQバス sq と一致す
るこのノードから取出されることが可能である。 【0021】伝送動作中、2つのゲートクロック c3
,c4に対して、各定電流の分割はその和に変化がない
ことが重要である。2つのゲートクロックc3,c4に
依存する電流積分をできるだけ等しくさせるために、2
つの転移エッジにより生じた電流分割は転移点E付近で
左右対称であり(図3参照)、電流は転移点Eで半分で
なければならない。これは形状、時間変化、転移エッジ
の位相位置を決定する。 【0022】定電流は均等でなく加重されると、それは
平均に関して重要である。有利な加重はシフトレジスタ
sr の中央からスタートし外側のほうに向って減少
する対称加重であり、三角加重は特に有効である。しか
しながら、ミラー対称の観点からすると互いに関係する
マスターセルMおよびスレーブセルSは加重の任意の差
を示してはいけない。例えば、シフトレジスタsrの最
初のマスターセルおよび最終のスレーブセルはミラー対
称の観点から共に同じである。マスターセルMおよびス
レーブセルSに接続されたゲート回路によって生じた位
相ジッタの補償は図3のタイミング図によって詳細に説
明される。 【0023】図3において、第1および第2の行は第1
のシフトクロック c1 および反転した第2のシフト
クロック c2 を示し、そのクロック速度は第3の行
で示されているデータ信号dのビット速度と一致する。 マスターセルMを制御する第1のシフトクロック c1
の活性(正)位相はデータ信号dが安定状態に達する
まで開始しない。第4の行で示された第1のゲートクロ
ック c3 の活性(正)位相によって、マスターセル
Mと関係する全ゲート回路gは電流差段に接続され、第
4の線で示された第2のゲートクロックc4の活性(正
)位相によって、スレーブセルSの全ゲート回路gは電
流差段に接続される。全出力電流の代りに、第1のマス
ターセルMと関係するQ出力電流 iQMは図3の第6
の行に示され、第1のスレーブセルSと関係するQ出力
電流 iQSは第7の行に示されている。 【0024】Bの領域においては、ゲートクロックc3
,c4 は妨害されないが、領域Hにおいては、第1お
よび第2のゲートクロック c3,c4は状態を変化さ
せる瞬間は時間間隔 dt だけ誤っている。同様に、
マスター部分におけるQ出力電流 iQMは時間間隔
dt だけ短縮され、スレーブ部分におけるQ出力電流
iQSは同じ時間間隔 dtだけ長くされる。しかし
ながら、2つのQ出力電流の和により、電流の全時間は
変化しないので、位相エラーは次の平均に全く影響を与
えない。 【0025】図3の方形波信号として概略的に示された
第1および第2のゲート信号 c3,c4の転移領域は
概略的波形の右側に詳細に示されている。2つの転移エ
ッジは転移点Eで交差し、さらに電流分割のために対称
軸sを決定する。したがって、転移点Eの重複および位
置は定電流の分割のみが生じ、減衰或いは抑制すら生じ
ないことを保証しなければならない。 【0026】図4で示された本発明の好ましい実施例の
部分回路図は図1および図2の多くの基本素子を含み、
それらの素子は同様の参照文字を付しているので、再び
詳細に説明する必要はない。第1および第2のゲート回
路 g1,g2と関係する全体のシフトレジスタ装置
sr の第1のマスターセルMおよびスレーブセルSだ
けが図4に示されている。データ信号dは逆相信号dお
よびd´としてマスターセルMとして作用する第1のD
フリップフロップのDおよびD´入力にそれぞれ供給さ
れる。スレーブセルSとして作用する第2のDフリップ
フロップ等はこの第1のDフリップフロップに接続され
、以下同様の接続である。マスターおよびスレーブセル
のクロック入力は2相クロックを形成する第1および第
2のシフトクロックc1,c2 をそれぞれ供給される
。 【0027】マスターセルMはnチャンネルトランジス
タ t1 および定電流源基準電位 U1によって定電
流 iq を発生する第1の定電流源 q1 を有する
。この定電流 iq は第1のゲート回路 g1の端子
1に供給され、ゲートスイッチとして作用するnチャン
ネルトランジスタ t2 またはt3によって第1のゲ
ート出力、すなわち端子2に、或いは第2または第3の
ゲート出力、すなわち端子3または4のいずれかにそれ
ぞれ伝送される。端子3、4はそれぞれ第1のゲート回
路g1のQ出力 QとQ´出力 Q’ である。このゲ
ート出力の開放はデータ信号dではなくゲートクロック
のみに応じるので、端子2はまた「中性ゲート出力」と
呼ばれている。 【0028】端子3、4は第2のゲートスイッチとして
作用するnチャンネルトランジスタ対 t4,t5のド
レイン端子に結合される。その共通ソースの端子はトラ
ンジスタ t3 のドレイン端子に接続される。トラン
ジスタt4,t5のゲート端子は第1のゲート回路 g
1 の端子5、6をそれぞれ形成し、マスターセルMの
QおよびQ´出力にそれぞれ接続されるので、端子5、
6は第1のゲート回路 g1 のデータ依存制御入力を
形成することができる。 【0029】トランジスタ t2,t3のゲート端子は
第1のゲート回路g1 の端子7、8をそれぞれ形成し
、第1および第2のゲート信号 c3,c4をそれぞれ
供給されるので、端子7、8は第1のゲート回路 g1
のクロック依存制御入力を形成することができる。n
チャンネルトランジスタ t2 乃至t5は定電流 i
q を3つのゲート出力、すなわち端子2、3、または
4のいずれかに切換える。 【0030】スレーブセルSと関係する第2のゲート回
路 g2 の内外配線はnチャンネルトランジスタ t
2,t3の駆動回路網を除いて第1のゲート回路 g1
の配線と一致している。第2のゲート回路 g2 に
おいて、nチャンネルトランジスタ t2,t3のゲー
ト端子は第2のゲート回路 g2 の端子8、7にそれ
ぞれ接続されるので、第2および第1のゲートクロック
c4,c3をそれぞれ供給される。 全ゲート回路の相互接続された端子2はpチャンネルト
ランジスタ t6 乃至t9から構成する電流ミラーc
m の入力に接続されるゲートバス sg を形成する
。全ゲート回路の相互接続された端子4は差電流を形成
する電流ミラー cm の出力端子に接続されるQ´バ
スsq’を形成する。電流ミラー cm は好ましくは
0.5 の電流スケール係数を有する。全ゲート回路の
相互接続された端子3は電流シンクとして作用する任意
の値でよい正の供給電位 Ud’に接続されるQバス
sq に結合される。このバス sq の和電流は差電
流idを形成するために使用されない。 【0031】この装置の重要な利点は、電流ミラー c
m は全定電流源q1,q2... の和電流のちょう
ど半分程度である一定和電流 Ig をその入力で生じ
させることである。結果的に、ミラーされた電流 Ig
/2 もまた定電流である。マスターまたはスレーブ部
分のデータ依存Q´出力電流 iQ’M または iQ
’S は、クロック位相に依存してこの電流ミラー出力
電流 Ig/2 から減算される。差電流 id は結
果的に生じた信号としてQ´バス sq’から取出され
ることが可能である。 【0032】電流スケール係数は差電流 id がゼロ
になるデータ基準レベルによって決定される。このデー
タ基準レベルより低いデータ信号dの値の範囲と値の全
範囲によって形成された比率は電流スケール係数を示す
。値の共通対称範囲は0.5 の電流スケール係数を与
える。 【0033】DCオフセット電流を有する電流ミラー出
力を負荷することによって、値の範囲の非対称は抑制さ
れ、電流スケール係数に考慮されなければならない。制
限する場合、例えば、DCオフセット電流は和電流の半
分 Ig/2 に等しく、データ基準レベルが値の全範
囲の真中に位置するならば、電流ミラー cm は全く
電流スケール係数を与えない。図4の回路の特に利点と
するものは、和電流 Ig の雑音が全nチャンネルの
定電流源トランジスタ t1 の全ゲート面積によって
決定されるので、nチャンネルソース q1,q2..
. の妨害1/f雑音が減少されることである。低周波
数雑音成分は和電流 Ig とだけではなくゲート回路
g1,g2のQ´出力電流 iQ’M 、iQ’Sと
もビート(唸り)を生じるので、それらが互いに部分的
に補償する。補償の効果は駆動依存性である。生じた1
/f雑音成分は差電流idの大きさに直接比例する。可
聴周波信号において、雑音はほとんど感知できないので
、これは非常に有効である。同様に、電流源基準電位
U1 の低周波数雑音は定電流源和電流とミラー電流と
の結合効果によって補償される。雑音に対するpチャン
ネル電流ミラー cm の貢献は定電流源 q1,q2
... の貢献と比較して小さい。1/f雑音の上述の
補償はビット速度が1/f雑音の周波数範囲と比較して
非常に速いことを予想させる。 【0034】電流ミラー cm は入力のpチャンネル
カスコードトランジスタ t8 および出力のpチャン
ネルカスコードトランジスタ t9 を含む。これらの
トランジスタのゲート端子はゲート基準電位 U2 に
接続される。後者はダイオード接続されたpチャンネル
トランジスタ t10によって形成され、その共通ゲー
トソース端子は補助定電流源 gh からの定電流を供
給される。この補助定電流源 gh はnチャンネルト
ランジスタ t11によって形成され、そのゲート端子
は電流源基準電位 U1 に接続される。電流ミラー
cm の底端部はトランジスタ t6,t7のソース端
子により形成され、トランジスタ t10のソース端子
と共に正の供給電位 Ud に結合される。差電流 i
d の駆動範囲は+/−( Ig/2 )、すなわち電
流ミラー cm の出力電流 Ig/2 の駆動範囲の
2倍である。電流ミラー cm が電流 Ig/2 を
供給する付加的な出力を供給されるならば、この端子は
反転した差電流を形成するためにQバス sq と共に
使用されることが可能である。
ロック図。
。
ブセル、c1,c2 …シフトクロック、c3,c4
…ゲートクロック、d…データ信号、g1,g2 …ゲ
ート回路、q1,q2 …定電流源、Q,Q’…ゲート
出力、sq…Qバス、sg…ゲートバス、cm…電流ミ
ラー、id…差電流、t6−t9 …トランジスタ、U
1…電流源基準電位。
Claims (9)
- 【請求項1】 交互に直列に接続されたマスターセル
およびスレーブセルから構成され、シフトクロックによ
って制御されるシフトレジスタを含み、前記シフトレジ
スタの直列入力はパルス密度変調された信号であるデー
タ信号を供給され、各マスターセルおよび各スレーブセ
ルはゲート回路およびこのゲート回路と共同して動作し
、ゲートのそれぞれの位置に依存して3つのゲート出力
のいずれかに接続される定電流源を有し、各ゲート回路
のデータ依存制御入力はマスターまたはスレーブセルの
QおよびQ´出力に接続され、各ゲート回路のクロック
依存制御入力はゲートクロックを供給され、ゲート回路
の全てのQ出力、Q´出力、および中性出力はQバス、
Q´バス、およびゲートバスにそれぞれ結合され、電流
ミラーは出力信号として作用する差電流を形成するため
に前記3つのバスの2つに接続されているデジタルーア
ナログ変換器を平均するCMOS回路において、電流ミ
ラーの入力はゲートバスに接続され、その出力はQまた
はQ´バスに接続され、電流ミラーは差電流の値がデー
タ信号のデータ基準レベルでゼロであるように定められ
た電流スケール係数を有していることを特徴とするCM
OS回路。 - 【請求項2】 電流ミラーはpチャンネルトランジス
タを含み、各定電流源は少なくとも1つのnチャンネル
トランジスタを含むことを特徴とする請求項1記載のC
MOS回路。 - 【請求項3】 電流ミラーは入力におけるpチャンネ
ルカスコードトランジスタと、出力におけるpチャンネ
ルカスコードトランジスタとを含むことを特徴とする請
求項1記載のCMOS回路。 - 【請求項4】 定電流源の電流決定nチャンネルトラ
ンジスタの全ゲート端子は電流源基準電位に接続されて
いることを特徴とする請求項2記載のCMOS回路。 - 【請求項5】 定電流源は加重され、その加重はミラ
ー対称にシフトレジスタの中央からその外側に向って減
少され、ミラー対称の観点から共に属するマスターおよ
びスレーブセルは加重の差がないことを特徴とするCM
OS回路。 - 【請求項6】 定電流源の加重は三角特性を有してい
ることを特徴とする請求項5記載のCMOS回路。 - 【請求項7】 pチャンネルカスコードトランジスタ
のゲート端子は補助定電流源およびダイオード接続pチ
ャンネルトランジスタによって設定されたゲート基準電
位に接続され、そのソース端子は電流ミラーの底端部と
同じ電位であることを特徴とする請求項3記載のCMO
S回路。 - 【請求項8】 シフトクロックは第1および第2のシ
フトクロックから構成する2相クロックであり、ゲート
クロックは第1および第2のゲートクロックから構成さ
れた重複する2相クロックであり、第1および第2のゲ
ートクロックの転移エッジは時間およびその位相位置と
共に変化するように調節され、それぞれのゲート回路の
電流分割は常にその和が不変であり、2つの転移エッジ
により生じた電流分割は転移点に関して対称であり、定
電流源からの電流は転移点で2つの均等部分に分割され
ることを特徴とする請求項1記載のCMOS回路。 - 【請求項9】 電流ミラーは0.5 の電流スケール
係数を有していることを特徴とする請求項1乃至3のい
ずれか1項記載のCMOS回路。
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