JPH04506289A - ディジタルアナログ変換器 - Google Patents

ディジタルアナログ変換器

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JPH04506289A
JPH04506289A JP51026790A JP51026790A JPH04506289A JP H04506289 A JPH04506289 A JP H04506289A JP 51026790 A JP51026790 A JP 51026790A JP 51026790 A JP51026790 A JP 51026790A JP H04506289 A JPH04506289 A JP H04506289A
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モーロン,パトリス・ピエール
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ブイ・エル・エス・アイ・テクノロジー・インコーポレイテッド
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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】 この発明はディジタルアナログ変換器に関しかつ特定的にはディジタル信号のそ れぞれの桁によって制御されたそれぞれの分路分岐において各々がスイッチを育 するR−2Rはしごネットワークとして実現される乗算ディジタルアナログ変換 器に関する。この発明はより特定的には集積回路またはその部分として、かつ特 に相補金属酸化膜半導体(CMO3)製造技法の使用で実現されるそのような変 換器に関する。
そのような乗算ディジタルアナログ変換器は様々なシステムにおける使用に潜在 的に魅力的なものであり、それらの配置は本質的に単純でありかつ相対的に少な い型の構成要素を用いる。それらは固有の電流スイッチングを有し、それは電圧 スイッチングに容易に適合され、かつ動作において容易に双方向性にされ得、2 つまたは4つの象限(quadrant)動作を許容する。
たとえば1979年3月のEDHの77頁ないし81頁にシバストボロス(Se vastopoulos)らによって説明されたように、R−2R変換器の通常 の形状において、はしごネットワークは、分路分岐におけるスイッチの抵抗を無 視して各々のノードに呈された直列の抵抗がそのノードに接続された分路抵抗に 的確に等しくなるように配置される。もしこの理論的な条件がかなえられるなら 、各々のノードで正確な電流分割が存在しく順方向の電流の流れを考慮して)、 各々の分路分岐に流れる電流は、制御スイッチの位置に関わりなく、2の累乗に 比例する。適当なスイッチが2進信号に従って動作される。たとえば、それぞれ の電流が共通の基準から共通の出力へと送られるように「1」を示すすべての段 かスイッチされ、このことはディジタル信号のその対応するアナログ形状への必 要とされる変換を与える。
しかしながら、前述のことから注目され得るように、ディジタルアナログ変換が 達成され得る際の精度は基本的には一連の分路分岐における抵抗の割合が実現さ れる精度に依存する。各々の分路分岐は通常は抵抗器からなり、その一方の端部 はノードに接続されかつ他方の端部は2方向スイツチによって2つの出力のもし くは基準電圧の一方または他方に接続され、それは変換器の構成に依存する。ス イッチは閉じられているときゼロの抵抗をかつ開いているときには無限の抵抗を 存すべきである。スイッチは半導体スイッチでありかつしたがって抵抗はスイッ チのオン条件において無視できない。このことは特定的にCMOSスイッチに対 して真である。さらに、スイッチの抵抗は非線形態様におけるそれらの端子電圧 に依存する。
スイッチのそれらが導電性であるときの無視できない抵抗の実際的な効果は、デ ィジタルアナログ変換の非線形性である。そのような非線形性は乗算ディジタル アナログ変換器を約5または6ビツト以上を育するディジタルワードの変換に対 して不十分なものにする。
発明の概要 この発明の1つの目的は改良された乗算ディジタルアナログ変換器をかつ特定的 には改良された線形性を有する変換器を提供することである。
この発明の別の目的はCMO3技術を用いかつそこにおいてCMOSスイッチの 使用から発生する不正確さが実質的に減少される乗算ディジタルアナログ変換器 を提供することである。
この発明の好ましい形状において、各々の分路アームにおけるスイッチ手段は直 列の経路においてそれぞれのノードに結合されかつノードを2つの共通線の一方 または他方へと接続するべく適合され、2つの代替的な経路の抵抗は等しいもの である。好ましくはこのスイッチ手段は2対のCMOSスイッチとして実現され る。直列のアームはその各々が必要とされる直列の抵抗器および分路アームにお けるスイッチ手段と物理的に一致するスイッチ手段によって構成される。好まし くは直列のスイッチ手段は1対のダミースイッチを並列に、かつ特定的には2つ の並列の対の閉じられたCMOSスイッチを含む。この手段によって、直列のス イッチ手段の直列の抵抗への寄与は、分路スイッチ手段の分路抵抗への寄与の半 分にされ得かつ実質的に正確な整合が得られ得る。
相補スイッチを使用して各々のスイッチの電圧依存を削減することかさらに可能 であり、かつ最上位のビットセクションと最下位のビットセクションとの間のス イッチ抵抗の変動は数オームよりも下に保たれ得る。典型的な直列および分路抵 抗が10または20キロオームのオーダであるので、変換器は8ビツトの動作に 対する十分な精度を容易に与えるようにされ得かつさらに多数のビットでの動作 に十分な精度が実行可能である。
米国特許第4381499号(ストラゾフ) (Struthoff)から、集 積回路においてR−2Rデイジタルアナログ変換器を設けることが既知であり、 その変換器は多数のセクションを有し、各々が直列アームおよび分路脚を含み、 前記分路脚は類似の抵抗の2つの代替的な分路経路を与えるための半導体スイッ チ手段を含み、半導体スイッチ手段は導電性であるときに実質的なスイッチ抵抗 を有し、かつ直列アームが前記代替的な分路経路のうちの1つの抵抗の半分に対 応する抵抗および各々の直列するアームにおいてダミースイッチ手段を育し、各 々の前記ダミースイッチ手段は前記スイッチ抵抗の半分を有するように構成され る。文献は、直列のダミースイッチの有効電力比を分路スイッチのそれの2倍に することによって各々のダミースイッチの抵抗が分路スイッチ抵抗のほぼ半分に されることを提案する。
この発明は製造工程がより単純でかつさらに精度の高いものであること、回路が スイッチのゲートの調整された電圧III(IIを必要としないことおよび抵抗 整合が本質的にさらに正確であるという利点を有する。
この発明の他の目的および利点は以下に続く詳細な説明からより明らかになるで あろう。
図面の簡単な説明 図IA、図IBおよび図ICはこの発明が応用され得るR−2R乗算ディジタル アナログ変換器の既知の構成を図示する。
図2はこの発明の特定の実施例を図示する。
図3は図2に示された実施例における使用に適当な1対のダミーCMOSスイッ チを図示する。
図4は図2に示された実施例に適当な1対の分路スイッチの実現化および関連の 制御回路を示す。
好ましい実施例の詳細な説明 図IA、図IBおよび図ICは乗算ディジタルアナログ変換器の様々な典型的な 構成を示す。
図IAにおける変換器のその端子10ははしごネットワーク11に接続され、そ れは直列の抵抗器13によって分けられたノード12を有する。各々のノードか らそれぞれの分路抵抗器14が延在する。明らかにされるであろう理由のために 、直列抵抗器13は分路抵抗器14の抵抗値の半分である。最後、すなわち終端 抵抗器14aを除くすべての分路抵抗器は2方向スイツチエ5を介して2つの共 通線の一方または他方へと接続される。各々のスイッチ15は図IAに図式的に 示されるように、共通の端子1Gならびに2つのスイッチされた端子17および 18を有する。
端子17は第1の共通線19を介して端子20に接続されかつ端子18は第2の 共通線21を介して外部端子22に接続される。各々のスイッチはまたイネ−ブ リング人力23を有し、それは線(図式的に示される)24上に現われるマルチ ビットディジタル信号のそれぞれの1つによって制御される。
図IBおよび図ICに示される変換器は説明の容易さのために単純化された形状 で示されてきた。幾つかの段および桁線は省略されてきた。しかしながら実際に は、これらの変換器は外部端子l0120および22の異なるそれぞれを使用し 、かつ変換器の電流出力を電圧出力に変換する出力演算増幅器の付加によって、 図IAに示される変換器と異なる。たとえば、図IBにおいて、端子10と最上 位の桁に対するノード12との間に演算増幅器25が介挿され、ノード12は演 算増幅器25の非反転入力に結合されかつフィードバックJ1126は変換器の 出力から延在しその反転入力へと引き戻る。図IBに示される構成において、端 子20は接地されかつ端子22は適当な基準電圧へと接続される。
図ICに示される変換器は図IBに示されるものと類似東端子lOは基準電圧に 結合されかつ共通線21は動作増幅器25の反転入力に結合され、その非反転入 力は接地される。フィードバック抵抗器27は出力端子22から増幅器の反転入 力へと結合される。
R−2Rデイジタルアナログ変換器のすへてのこれらの形状は類似の態様で動作 する。理解のための最も簡単な方法は図ICに示され、そこでは基準電圧が端子 IOに印加される。ネットワークの右手端部てのノード12aを最初に考慮する と、終端抵抗器14aによってこのノードに提示された直列インピーダンスは2 Rであり、Rは10キロオームのようなある適当な値であり、かつこのノードに 提示された分路インピーダンスは同様に2Rであり、それはそれぞれのスイッチ 15aの位置にかかわりなく、導電性であるときにスイッチがゼロ抵抗を有しか つ非導電性であるときに無限の抵抗を有するという仮定でかつまた演算増幅器の 入力インピーダンスがゼロであるという仮定(実現しやすい)の下でそうである 。そのノード12aでの実効インピーダンスは並列の2つの抵抗器のそれであり 、実効インピーダンスはしたがってRである。左への次のノード12bで、ノー ドに提示された直列インピーダンスは抵抗器14aおよび14bの実効インピー ダンスと直列抵抗器13aの抵抗であり、こうしてこの直列抵抗は2Rに等しい 。したがって、ネットワークは反復し、各々のノードで直列抵抗および分路抵抗 が段の数にかかわりなく等しく、それは各々のスイッチ15がその導電性の分岐 においてゼロインピーダンスをかつその非導電性分岐において無限のインピーダ ンスを有するという仮定の下において再びそうである。
これらの条件の下で、基準端子lOから第1のノード12′に入る電流は、それ ぞれの分路分岐においてスイッチェ5の位置にかかわりなく分路と直列分岐とに 等しく分割する。この工程は各々のノードて繰返される。スイッチは分路分岐に おける電流を線19および21の一方または他方へと分岐しかつ各々の出力電流 への寄与はそれぞれのスイッチを制御する桁の2の累乗に比例し、このことは必 要とされるディジタルアナログ変換を達成する。
ネットワークが理論的に線形であるので、相反定理が適用され、かつ図IBは単 に図ICに示されるような変換器であり、ソースおよび負荷は交換される。図I Aはさらなる通常の配置を示し、基準端子20および22はそれぞれの基準電圧 に結合されるが動作はまだ本質的に以前のものと同様のものである。
その形状のいずれかにおける変換器の精度はしたがってそれぞれの分路分岐また は脚の抵抗のちょうど半分である各々の直列分岐またはアームの抵抗に明らかに 依存する。
スイッチ15か半導体スイッチでありかつ、好ましくは、相補金属酸化膜半導体 スイッチであるので、この規定は真を保持せず、かつ今まで述べられたように、 導電性状態におけるスイッチのノンゼロ抵抗から発生する非線形性は変換器か5 または6ビツトよりも多くを有するディジタルワードに使用不可能な状態にする 。
図2はこの発明の1つの形状を図示する。
図2に示される構成において、各々のスイッチ15は、今それぞれのノード12 に直接接続され、かつ端子17およびI8は各々が2Rオームのそれぞれの抵抗 器(14′および14′)を介して共通線19および21のそれぞれの1つに接 続される。この実施例において、線21は接地されかつ線19は基準電圧端子に 接続される。この修正は分路抵抗器(終端抵抗器を例外として)の数を2倍にす ることを伴うが、それは分路分岐または脚を介して流れる電流が一度にこれらの 抵抗器の1つのみを介して流れるので電流消費においては増加を示さない。図2 に示される実施例にさらに従うと、スイッチ装置28が各々の直列分岐またはア ームに介挿される。このスイッチ装置は好ましくは物理的にスイッチ装置15と 一致する。特に、各々のスイッチ装置15は好ましくは端子16を端子17およ び18のそれぞれに接続する2つのCMOSスイッチを含む。これらの2つのス イッチの各々の導電抵抗が同じオーダの大きさであるという初期の仮定がなされ 得る。好ましくは、したがってスイッチ装置28は並列の2つのCMOSスイッ チを含みかつそれらがダミースイッチである、すなわち変換器の動作の間はいつ も閉じられているように構成される(または代替的に制御される)。このことは ダミースイッチ配置の有効抵抗値が、それが2つの並列のスイッチからなるので 、スイッチ15の抵抗のそれの半分になるということを意味する。
こうしてもし各々の分路脚の抵抗が2R+rであり、そこではrが導電性CMO Sスイッチの抵抗であれば、直列アームの抵抗は(R+r/2)となり、変換器 の正確な動作に必要とされる理論的な関係はたとえrがかなりのものであり得る としても、密に接近される。
終端抵抗器は装置28のようにダミースイッチを必要としない。その代わりに、 スイッチ15dが備えられ、その共通の端子はノード12aに接続されかつ終端 抵抗器14aはスイッチ15dの端子18d(端子18に対応する)に接続され る。スイッチのイネーブル入力は(接地された)基準線21に接続され、スイッ チ15dか他のスイッチ15と旦旦抵抗を有するダミースイッチにされる。もち ろん、スイッチ15dは終端抵抗器14aがいつも回路をなしかつ端子17dが 開回路の状態にされるように配置される。
図3において示される実施例におけるダミースイッチ手段は2つの相補スイッチ 31および32を含み、それらは隣接する上流のノード12へと接続される第1 の端子29と、それぞれの直列抵抗器13の1つの端部へと接続される第2の端 子30との間で永久に閉じられかつ並列になるように適合される。相補(CMO 3)スイッチ31はn型トランジスタ3inおよびp型トランジスタ31pを含 み、かつ相補(CMO3)スイッチ32はn型トランジスタ32nおよびp型ト ランジスタ32pを含む。基準電圧AVDはn型素子のゲートに与えられかつp 型素子の基板コンタクト33に与えられ、かつ基準電圧AVSはp型素子のゲー トおよびn型素子の基板コンタクト34に与えられる。
トランジスタのソースのすべてが端子29に接続されかつトランジスタのドレイ ンのすべてか端子30に接続される。
こうして配置は並列である2つの閉じられたCMOSスイッチ31および32を 構成する。
図4はスイッチ手段15に対する好ましい形状を図示する。スイッチ手段は共通 の端子16ならびに2つのスイッチされた端子17およびI8を有し、その各々 は2R抵抗器14’および14’のそれぞれの1つに接続される。n型トランジ スタ41nおよびpW1トランジスタ41pを含む第1のCMOSスイッチ4! は端子16と17との間に接続され、かつn型トランジスタ42nおよびp嬰ト ランジスタ42pを含む第2のCMOSスイッチ42は、端子16と18との間 に接続される。トランジスタ41nおよび42pのゲートはともに接続されかつ トランジスタ41pおよび42nのゲートはともに接続される。基準電圧AvS およびAVDはn型素子およびp型素子の基板コンタクトのそれぞれに与えられ る。
動作スイッチネットワーク43はそれぞれの桁の線24に結合され、桁の線上の 電圧が「ハイ」または「ロー」になるに従って相補スイッチ41および42の一 方または他方を導電性にする。ネットワーク43は3つの相補スイッチ44.4 5および46を含む。桁の線24はトランジスタ44nおよび44pの両方のゲ ートに接続される。n型素子44nのソースはp型素子のドレインにかつ次のC MOSスイッチ45における素子のゲートに接続される。n型素子44nのドレ インは#I47によって基準電圧AVDに接続され、かつp型素子44pのソー スは線48によって基準電圧AVSに接続される。後続の素子は同様に接続され る。スイッチ46のゲートに共通のノード49は素子41nおよび42pのゲー トに接続され、かつ素子46nのソースおよび素子46pのドレインに共通のノ ード50は素子41pおよび42nのゲートに接続される。ネットワークのこの (既知の)形状はトランジスタ41nおよび41pを導電性にする(線24が「 ハイ」のとき)かまたはトランジスタ42nおよび42pを導電性にする(線2 4が「ロー」のとき)であろう。
ダミースイッチ28が物理的に分路スイッチ15に一致させられるべきであると いうことは容易に理解されるであろう。このことは相補スイッチを一致させるこ とによって変換器を含む集積回路の製造の間で達成され、・これはスイッチ31 .32.41および42におけるn型素子のすべてを同じサイズにしかつ同じス イッチにおけるp型素子をすべて同じサイズにすることによって達成され得る。
相補装置を使用することの利点は、n素子およびn素子の導電性状態におけるス イッチ抵抗が端子電圧に対して逆に変化するが、端子電圧の実質的な範囲(典型 的に1ないし4ボルト)が存在し、それに対して導電性相補スイッチの抵抗が実 質的に一定(典型的に約80オーム)であるということである。
図2の実施例において、各々のスイッチ15およびそれぞれのダミースイッチは 直接それぞれのノード12に接続される。この利点は各々のスイッチ15および それぞれのダミースイッチ28が同じ端子電圧を有し、したがって端子電圧に対 するスイッチの抵抗の依存に起因する変動が削減されるということである。しか しながら、この発明はその最も広い範囲内で他の配置を含む。たとえば、これは 好ましさにおいては劣るが、もし抵抗器14′および14#の各々が(2R−R ’ )オームへと減少されるなら、R′オームの抵抗器は端子16とそれぞれの ノード12との間に挿入され得る。他の修正は当業者には容易に明らかになるで あろうしかつ、この発明を前述の詳説に制限することは所望とされない。
国際調査報告

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.乗算ディジタルアナログ変換器であって、直列分岐および分路分岐を有する 反復はしごネットワーク(11)を含み、各々の直列分岐は第1の抵抗器手段( 13)を含み、前記直列分岐は連続する直列分岐の間でノード(12)を規定し 、前記分路分岐はそれぞれのノードに結合された共通の端子および2つのスイッ チ可能な端子を有するそれぞれのスイッチ(15)を含み、各々の分路分岐に対 する1対の第2の抵抗器(14′、14′′)をさらに含み、各々の第2の抵抗 器は前記第1の抵抗器手段の抵抗の2倍の抵抗を有しかつ各々の第2の抵抗器は 前記スイッチ可能な端子のそれぞれの1つに接続され、さらに 前記ネットワークを終了させるための手段(14a、15d)と、 各々の対の分路抵抗器の第1のものに接続された第1の線(19)と、 各々の対の分路抵抗器の第2のものに接続された第2の線(21)と、 ディジタル信号のそれぞれの桁に従って前記スイッチの各々を動作するための手 段(24)と、各々のダミースイッチ手段が1対の並列の実質的に同一のスイッ チ(31、32)からなり、その各々が前記それぞれのスイッチのものに等しい 導電性抵抗を有するということを特徴とする各々の直列分岐におけるダミースイ ッチ手段(28)とを含む乗算ディジタルアナログ変換器。 2.前記それぞれのスイッチ(15)の各々の前記共通の端子が前記ノード(1 2)のそれぞれの1つに直接接続され、かつそれぞれの直列分岐のダミースイッ チ(31、32)がノードのそれぞれの1つに直接接続される、請求項1に記載 の変換器。 3,前記それぞれのスイッチの各々および前記ダミースイッチ手段の各々が2つ のCMOSスイッチを含む、請求項1に記載の変換器。 4.前記CMOSスイッチの各々がp型トランジスタと並列のn型トランジスタ を含む、請求項3に記載の変換器。 5.乗算ディジタルアナログ変換器であって、直列分岐および分路分岐を有する 反復はしごネットワーク(11)を含み、各々の直列分岐は第1の抵抗器手段( 13)を含み、前記直列分岐は連続する直列分岐の間でノード(12)を規定し 、前記分路分岐はそれぞれのノードに結合された共通の端子および2つのスイッ チ可能な端子を有するそれぞれの分路スイッチ手段(15)を含み、前記それぞ れの分路スイッチ手段はそれぞれの対の2つの選択可能な分路経路を与え、その 各々は各々が前記第1の抵抗器手段の抵抗の2倍を有するそれぞれの抵抗手段( 14′、14′′)と直列のそれぞれの分路スイッチ(41、42)を含み、 各々の対の分路経路の第1のものに接続された第1の線(19)と、 各々の対の分路経路の第2のものに接続された第2の線(21)と、 前記ネットワークを終了させるための手段(14a、15d)と、 ディジタル信号のそれぞれの桁に従って前記分路スイッチ手段の各々を動作する ための手段(24)と、各々の直列分岐におけるそれぞれのダミースイッチ手段 (28)とをさらに含み、各々の前記それぞれのダミースイッチ手段が本質的に 2つの並列スイッチ(31、32)からなり、その各々が前記分路スイッチ(4 1、42)に物理的に対応することを特徴とする、乗算ディジタルアナログ変換 器。 6.前記分路スイッチの各々およびダミースイッチ手段におけるスイッチの各々 が、p型トランジスタと並列のn型トランジスタを含むそれぞれのCMOSスイ ッチを含む、請求項5に記載の変換器。 7.終了させるための前記手段が前記抵抗手段のものと同じ抵抗を有する終端抵 抗器手段と直列の前記分路スイッチの1つを含む、請求項5に記載の変換器。 8.乗算ディジタルアナログ変換器であって、直列分岐および分路分岐を有する 反復はしごネットワーク(11)を含み、各々の直列分岐は第1の抵抗器手段( 13)を含み、前記直列分岐は連続する直列分岐の間でノード(12)を規定し 、前記分路分岐はそれぞれのノードに接続された共通の端子および2つのスイッ チ可能な端子を有するそれぞれのスイッチ(15)を含み、各々の分路分岐に対 する1対の類似の第2の抵抗器(14′、14′′)をさらに含み、各々の第2 の抵抗器が前記抵抗器手段の抵抗の2倍の抵抗を有し、かつ各々の第2の抵抗器 が前記スイッチ可能な端子のそれぞれの1つに接続され、 前記ネットワークを終了させるための手段(14a、15d)と、 各々の対の分路抵抗器の第1のものに接続された第1の線(19)と、 各々の対の分路抵抗器の第2のものに接続された第2の線(21)と、 ディジタル信号のそれぞれの桁に従って前記スイッチの各々を動作するための手 段(24)と、各々の直列分岐におけるダミースイッチ手段(28)とをさらに 含み、前記スイッチおよび前記ダミースイッチ手段が物理的に実質的に同一のも のでありかつ各々のダミースイッチ手段が、前記スイッチ可能な端子が共に接続 される前記スイッチに対応するべく構成されることを特徴とする、乗算ディジタ ルアナログ変換器。 9.前記スイッチ(15)の各々およびダミースイッチ手段(28)の各々が2 つのCMOSスイッチを含み、各々のCMOSスイッチがn型トランジスタと並 列のp型トランジスタによって構成される、請求項8に記載の変換器。 10.各々が直列アーム(13)および分路脚(14)を含む多数のセクション を有するR−2Rディジタルアナログ変換器を含む集積回路であって、前記分路 脚は類似の抵抗の2つの代替的な分路経路を与えるための半導体スイッチ手段( 15)を含み、半導体スイッチ手段は導電性であるしときに実質的なスイッチ抵 抗を有しかつ2つの代替的に動作可能な実質的に同一のスイッチ(41、42) を含み、かつ直列アームは前記代替的分路経路の1つの抵抗の半分に対応する抵 抗および各々の直列アームにおけるダミースイッチ手段(28)を有し、  各々の前記ダミースイッチ手段(28)が前記半導体スイッチ手段(15)に物 理的に対応しかつ並列に配置される2つの実質的に同一のスイッチ(31、32 )を含むことを特徴とする集積回路。
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