JPH045294B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の背景〕 本発明は、フラツシユ形のアナログ・デイジタ
ル変換器（以下「AD変換器」という。）に関し、
特にフラツシユ形AD変換器に用いられる比較回
路に関する。

フラツシユ形AD変換器は、入力信号を多数の
基準電位と同時に比較する。オーバーフローする
６ビツトの変換器では、2⁶すなわち64の同時比較
が必要であり、８ビツトの変換器では256の同時
比較が必要である。扱い易い回路を用いて経済的
にフラツシユ形AD変換器を実現するために、比
較的簡単な比較回路が利用される。少なくとも６
ビツトの変換器に都合よく使用される比較回路
が、イー・ピー・マクグローガン・ジユニア（E.
P.McGrogan，Jr・）氏に付与された、「比較回
路という名称の米国特許第3676702号明細書に開
示されている。マクグローガン・ジユニア氏の回
路は、加算コンデンサの第１の極板にまず基準電
位を印加し、次に信号電位を印加することを繰返
すものである。加算コンデンサの第２の極板はイ
ンバータ回路の入力に接続され、基準電位が印加
される度にトリツプ点すなわち閾値電位に選択的
にバイアスされる。入力信号および基準信号間の
非常に小さな差も正確に検出され、すなわち入力
信号が基準信号よりも極めて僅かに大きくても
（小さくても）インバータが負（正）に切り換わ
る。

マクグローガン・ジユニア氏の回路は、加算コ
ンデンサに基準電位あるいは信号電位を交互に印
加するために、相補形電界効果トランジスタ
（FET）から成る相補形伝送ゲートを使用する。
相補形伝送ゲートは、ゲートを構成するスイツチ
ング・トランジスタに固有の漂遊キヤパシタンス
あるいはその他の不可避的キヤパシタンスを介し
て加算コンデンサに結合されるスイツチ・パルス
の電位量を見掛け上減少させる傾向がある。各相
補形伝送ゲートは、並列に接続されたＮ形FET
およびＰ形FETから成り、それぞれの制御電極
には等しい振幅の相補信号が同時に供給される。
一方のトランジスタによつて信号回路に結合され
るスイツチング・パルス信号のいずれかに等しい
ものは全て他方のトランジスタによる結合によつ
て補償すなわち除去される。

この種の現存するフラツシユ形AD変換器の回
路測定を行なうと、自己補償形のトランジスタ間
に、等しくないゲート・ドレイン間のキヤパシタ
ンスが存在するため、実際にはスイツチング・パ
ルス信号が完全に相殺されない傾向がある。不完
全な補償によつて生ずる問題点の１つは、信号入
力バスにスイツチング・スパイクが結合されるこ
とである。これにより入力信号は低下し、従つて
変換器の感度あるいは変換速度が低下する。この
問題点は、入力信号線における比較器の前に低イ
ンピーダンスのバツフア増幅器を直列に接続する
ことによつて解決することができる。しかしなが
ら、このような増幅器をMOS集積回路上で実現
するには可なりのシリコン領域が必要である。

フラツシユ形AD変換器の感度を制限する第２
の要因は、基準はしご形回路を流れる電流から生
ずる。入力信号は低い場合を考えてみる。比較サ
イクルの間入力信号が供給され、全ての加算コン
デンサが実質的に放電する。続いて次のシステ
ム・サイクルの間加算コンデンサを再充電する
と、はしご形回路に電流が流れ、従つて非線形性
が生じ、また変換器のサイクル時間が実質的に減
少するか、あるいは、サイクル時間を一定にする
と、変換器の感度が低下する。

動作可能な信号範囲の極値にある入力信号は、
すべての加算コンデサを実質的に充電あるいは放
電しなければならない。このことは、多数の入力
信号回路を負荷とする入力信号源に比較的高い電
流を要求することになる。この種の負荷によつ
て、システムの変換時間が影響を受け、少なくと
も変換時間および変換精度のどちらを優先させる
かが問題となる。

〔発明の概要〕

本発明によるフラツシユ形AD変換器は、各々
の入力端子を有する複数個の比較回路と；変換器
の入力端子および各比較回路の入力端子間にそれ
ぞれ結合される複数個のコンデンサと；漸増する
複数個の基準電圧と；複数個の組合せスイツチ手
段とを含んでいる。この組合せスチツチ手段は、
それぞれの基準電圧あるいは入力信号を各コンデ
ンサに交互に供給する。基準電位に対する負荷を
減少させるために、コンデンサの電位の最大変位
を制限するための手段が入力端子およびスイツチ
手段の間に接続される。

本発明の実施例によると、信号入力バスを介し
て加算コンデンサに変位される電荷量を制限し、
各直列インピーダンスにより各信号入力スイツチ
を信号入力バスから分離することによつて前述の
問題点が解決される。電界効果トランジスタが各
信号入力スイツチおよび信号入力バス間に接続さ
れる。この電界効果トランジスタのゲート電極
は、抵抗性はしご形回路に沿つて各電界効果トラ
ンジスタの相対的な位置に対して調整されるD.C.
電位でバイアスされる。電界効果トランジスタ
は、個々の加算コンデンサが各トランジスタのゲ
ート電位からそのトランジスタの閾値電位を減じ
た値を越えるような電位に充電もしくは放電する
ことができないようにして抵抗性はしご形回路に
おける負荷が減少されるように、入力信号の或る
範囲ではソース・ホロワー・モードで動作する。
各電界効果トランジスタのドレイン・ソース間の
インピーダンスによつて信号入力バネは信号入力
スイツチに付随するクロツクから保護される。

以下、図面を参照しつつ本発明を詳細に説明す
る。

〔従来技術の説明〕

第１図を参照すると、並列の６ビツト２進出力
信号Ａ０〜Ａ５を発生し得る典型的なフラツシユ
形AD変換器が示されている。この６ビツトの出
力信号は、最大許容入力信号（すなわち、動作可
能な入力電圧範囲）を64個すなわち2⁶個の漸増値
に割り当てることに対応する。これは、ツエナー
基準回路１０によつて与えられる既知の電圧を線
形抵抗器２０の両端間に印加し、その両端間で降
下する電位を64個の等間隔のタツプから取り出す
ことによつて行なわれる。抵抗器のタツプ１〜６
４は、それぞれ順次増大する基準電圧を発生す
る。入力電圧信号は、並列に動作する64個の比較
器１５によつて各タツプの基準電圧と比較され
る。入力電圧よりも小さい電圧値を有する基準タ
ツプに接続された全ての比較器の出力は、第１の
出力状態（例えば、「高」）を示し、残りの比較器
は第２の出力状態（例えば、「低」）を示す。

比較器１５は入力信号を所定の間隔でサンプリ
ングして比較するようにクロツク制御される。比
較器の出力状態は、サンプリング期間の終りに64
個の並列ラツチ回路１６にそれぞれラツチされ
る。

ラツチされた出力信号は、63個の並列３入力ア
ンド回路１７に供給される。各アンド回路は隣接
する３つの比較器の状態を検査し、それに接続さ
れた隣接する２つのラツチが「高」い論理出力状
態を示し、次に高位のラツチが「低」い論理出力
状態を示す場合のみ所定の状態（例えば、「高」
または「低」）の出力信号を発生する。この構成
によつて63個のアンド回路の中の１個のみが所定
の入力サンプルに対して所定状態の出力信号を発
生する。

例えば、アンド・ゲート１７Ａは、ラツチ１６
Ａが第２の出力状態（すなわち「低」）であつて、
ラツチ１６Ｂおよび１６Ｃの両方が第１の出力状
態（すなわち、「高」）である場合にのみ「高」い
出力を発生する。この場合、アンド・ゲート１７
Ａの反転入力（丸で示される）は「低」い入力を
受け取り、非反転入力は「高」い入力を受け取
る。この条件下でのみ、アンド・ゲート１７Ａは
「高」い状態になる。

アンド回路１７の各出力端子は、所定の状態の
出力信号を発生している特定のアンド回路に関連
して、並列６ビツトの２進出力信号Ａ０〜Ａ５を
発生するプログラム可能な論理アレイすなわち
PLA１８に供給される。

第２図は、第１図に示されるAD変換器に使用
される比較回路を示す。抵抗３０は、はしご形抵
抗器２０（第１図）を分割したもので基準電圧の
一部を示す。64個の基準電位の中の特定の１つが
点３１に得られる。

比較器は、正電位V_DDと接地点との間に直列に
接続されたＰ形トランジスタ４０およびＮ形トラ
ンジスタ４２から成る相補対称形すなわち
CMOS形のインバータ４５を含んでいる。制御
信号およびφにそれぞれ応答するＰ形トランジ
スタ４３およびＮ形トランジスタ４４を含んでい
る相補形トランジスタ・スイツチ４７は、インバ
ータの出力端子４１をその入力端子３９に選択的
に接続する。これによりインバータはその中点す
なわち切換え点で自己バイアスされる。このバイ
アス電位は加算コンデンサ３８に貯えられる。

インバータ４５の端子４１の出力電位が入力端
子３９およびコンデンサ３８に帰還される間、Ｐ
形トランジスタ３４および制御信号およびφに
それぞれ応答するＰ形トランジスタ３４およびＮ
形トンラジスタ３５から成る第２の相補形トラン
ジスタ・スイツチ４８は、点３１の基準電位を加
算コンデンサ３８のもう一方の側の接続点３２に
選択的に供給する。次いで、スイツチ４７および
４８が遮断されると、インバータ４５はその切換
え点にバイアスされたままとなり、また接続点３
２には基準電位が貯えられる。

この直後、制御信号φ′および′にそれぞれ応答
するＰ形トランジスタ３６およびＮ形トランジス
タ３７を含んでいる第３の相補形トランジスタ・
スイツチ４９は、端子３３の入力信号を接続点３
２に供給する。この入力信号が基準電位により大
きいかまたは小さければ、その電位差が加算コン
デンサ３８を介してインバータの入力接続点３９
に供給される。このインバータの利得は極めて高
く、自己バイアス電位に極めて小さな変位が生じ
ると、出力が「高」出力状態（V_io＜V_ref）また
は「低」出力状態（V_io＜V_ref）に切り換わる。
この出力状態は、低状態になる制御信号′に応
答して出力状態を貯えるラツチ１６′の入力に供
給される。

上述の回路および動作の説明は、比較回路の信
号サンプリング・サイクルの完全な１サイクルに
関する。インバータそれ自体は各サイクルの間自
己バイアスし、パラメータの変動による安定性の
問題を無くなしている。制御信号φおよびは相
補信号である。制御信号φ′およびは、それぞれ
信号φおよびと持続時間および位相が実質的に
同一である相補信号である。一般に、これらの信
号の持続時間は、スイツチ４９が導通する前に、
スイツチ４７および４８が非導通となるように設
計されているが、パルスが少々重なつていてもシ
ステムは動作可能である。

本発明において、スイツチング回路は、スイツ
チ４９および端子３３の間に直列に接続されたド
レン電極およびソース電極を有する追加のEFT
を設けることによつて変更される。この追加の
FETのゲート電極はD.C.電位でバイアスされる。

〔実施例の説明〕

第３図は、本発明によるフラツシユ形AD変換
器に使用される比較器のスイツチ構成の一部を示
す。これらのスイツチは−で示される５つの
グループに分けられる。これらのグループは接続
される基準電位の範囲に対応している。各スイツ
チは、それが接続される各基準電位に調整される
のが理想的であるけれども、そうすると必要な支
持回路の量が増える。従つて、本実施例の場合、
５つのグループの選択は全く任意である。

第３図において、回路要素５０−５９は、第２
図の要素４８および４９と同様な相補形のFET
伝送ゲートである。各スイツチング回路中の２つ
のゲートは交互に駆動され、最初に基準電位、次
いで入力電位を各加算コンデンサ３８に供給す
る。

グループおよびにおいては入力バス６０お
よび各入力伝送ゲート間にＮ形のFETが直列に
接続される。また、グループおよびにおいて
は入力バス６０および各入力伝送ゲート間にＰ形
のFETが直列に接続され、さらにグループに
おいては入力バス端子６０および各入力伝送ゲー
ト間に直列にＰ形およびＮ形のFETが並列接続
される。Ｐ形トランジスタは、はしご形抵抗器に
比較的正側のタツプで使用され、Ｎ形トランジス
タは、比較的負側のタツプで使用され、その結
果、端子６７−７２に供給されるゲートのバイア
ス電位V_B1−V_B6は、V_REF ⁽⁺⁾より実質的に大きく
なくあるいはV_REF ^(-)より実質的に小さい電位から
得られる。

説明の便宜上、トランジスタ６１−６６がエン
ハンスメント形の素子であつて、Ｎ形素子は＋１
ボルトの閾値電位（V_TH）を有し、Ｐ形素子は−
１ボルトの閾値電位（V_TH）を有するものと仮定
する。また、バイアス電位V_B1は、タツプ９１に
おける基準電位より少なくとも閾値電位だけ大き
く、バイアス電位V_B2は、タツプ９２における基
準電位より少なくとも閾値電位だけ大きく、また
バイアス電位V_B3は、タツプ９３における基準電
位より少なくとも閾値電位だけ大きいものと仮定
する。同様に、バイアス電位V_B6，V_B5およびV_B4
は、それぞれタツプ９３，９２および９１におけ
る基準電位より少なくとも閾値電位だけ小さいも
のと仮定する。

双方向性導電素子であるFETは、ゲート、ド
レインおよびソース電極に与えられる各電位によ
つていずれかの方向に導通する。第３図に示され
る形式の構成では、公称上、FETのドレイン・
ソースの構造は対称であつて、ドレインおよびソ
ース電極は機能上交換可能である。しかしなが
ら、ドレインおよびソース電極の中の１方がゲー
ト電極よりも大きく（Ｎ形FET）、かつドレイン
およびソース電極の中の他方がゲート電極より少
なくとも閾値電位だけ小さいと、ドレインおよび
ソース電極の中、低い方の電位を有する方がソー
ス電極として動作する。ドレインおよびソース電
極の両方の電位がゲート電位よりも小さいと、本
発明の場合それらの区別は問題とならない。

比較的高い、例えば、V_REF ⁽⁺⁾の入力信号電位が
端子６０に供給された場合について、スイツチ構
成のグループの部分を検討してみる。トランジ
スタ６１が無い場合、加算コンデンサは１サイク
ルのサンプリング部分の間V_REF ⁽⁺⁾に充電し、次い
で１サイクルの比較部分の間はしご形抵抗を介し
てV_REF ^(-)に放電する。トランジスタ６１が回路に
付加され、V_REF ⁽⁺⁾が端子６０に供給されると、そ
の左側および右側の電極がそれぞれドレインおよ
びソースとして動作する。スイツチ５０が閉じる
と、トランジスタ６１は、負荷として加算コンデ
ンサ３８を有するソース・ホロワーとして動作す
る。エンハンスメント形のFETのソース電極が
達成し得る最大の電位は、そのゲート電極
（V_gate）に印加される電位よりも閾値電位（V_TH）
だけ小さく、すなわちV_gate−V_THであることはよ
く知られている。上述の条件の場合、本発明の装
置の段１−８における加算コンデンサ３８は、入
力信号により（V_B1−１）ボルトより大きい電位
となることはあり得ない。（V_B1−１）ボルトの
電位は段１−８に印加される基準電位よりも大き
く、それ故これらの加算コンデンサ３８に対する
充電の制限によつて回路の論理動作は何ら影響さ
れないが、比較的大きな入力信号について、グル
ープの加算コンデンサ３８に付随する電荷の変
位は減少する。

（V_B1−１）ボルトよりも小さい入力信号電位
については、ドレインおよびソース電極の両方が
入力電位となる。

グループの直列トランジスタ（段９におい
て、トランジスタ６２で表わされる）のゲート
は、グループのFETが更に大きい入力信号電
位をそれぞれの加算コンデンサに伝達することが
できるから、グループのFETよりも更に正側
にバイアスされている。グループのＮ形FET
のゲート電極に印加されるバイアス電位V_B3は、
同じ理由でグループのバイアス電位V_B2よりも
大きい。

次に、グループのトランジスタを検討する。
Ｐ形のFETが使用される理由は、それらがV_REF
⁽⁺⁾に対して比較的負の電位でバイスされ得るから
である。この箇所にＮ形のFETを使用すると、
V_REF ⁽⁺⁾よりも大きなバイアス電位、それ故追加の
電位源が必要となる。さらに重要なことは、Ｎ形
のFETは、そのゲートのバイアス電位が入力信
号の最大範囲よりも必然的に大きくなるから、コ
ンデンサの充電電流を何ら制限することができな
い。

グループのＰ形トランジスタ６６は、Ｎ形ト
ランジスタ６１に対して相補的に動作する。Ｐ形
トランジスタ６６は、各加算コンデンサが（V_B6
＋１）ボルトの値以下の比較的大きい基準電位を
放電することができない比較的負の入力信号につ
いては、ソース・ホロワー・モードで動作する。
同様に、グループおよびのＰ形の直列FET
によつて、それぞれ（V_B5＋１）ボルトおよび
（V_B4＋１）ボルト以下の各加算コンデサ３８の
放電が行なわれない。

Ｎ形の直列FETによつてもたらされるグルー
プおよびにおける加算コンデンサの制限され
た充電と、Ｐ形と直列FETによつてもたらされ
るグループおよびにおける加算コンデンサ３
８の制限された放電とにより、入力範囲の極値に
近い入力信号について抵抗性はしご形回路におけ
る負荷が減少し、従つてシステムの線形性が増強
される。加算コンデンサ３８における電位の振れ
が減少するから、加算コンデンサ３８をそれぞれ
を基準電位に再充電し、放電するのに必要な時間
が減少し、従つて、システムの変換速度が増強さ
れる。

グループの並列接続されたＰ形およびＮ形の
FETから成る直列FETは、本発明の場合、それ
ぞれの加算コンデンサ３８の電位が全ての入力電
位範囲を越えて振れるようにバイアスされてい
る。従つて、グループの直列FETは、コンデ
ンサの変位電流を制限することに関してはほとん
ど影響を及ぼさない。しかしながら、グループ
の直列FETのドレイン／ソース・インピーダン
スによつて、入力信号バス６０から入力伝送ゲー
トのクロツク供給が分離される。Ｐ形トランジス
タ６４あるいはＮ形トランジスタ６３が所望のシ
ステム速度で各加算コンデンサを放電／充電する
ことができる程、V_B4またはV_B3に対するバイア
ス電位の範囲があれば、Ｐ形あるいはＮ形トラン
ジスタのいずれか一方を回路から取り除くことが
でき、その場合、コンデンサの充電および放電電
流は更に減少する。

第４図は、第３図の回路のような低電圧の供給
例、例えば、５ボルトの供給電位の場合にバイア
ス電位V_B1−V_B6を発生するための回路である。
この条件の場合、タツプ９２および９３（第３図
参照）の基準電位は、それぞれ約２ボルトと約３
ボルトである。段２４のＮ形の直列FETのバイ
アス電位は、２ボルトの入力信号を加算コンデン
サに伝達するために３ボルトよりも大きくなけれ
ばならない。加算コンデンサを急速に充電するた
めには、直列FETを過電圧でバイアスする必要
がある。

第４図の回路によつて、グループ、、お
よびの各々の最も正側の段において２ボルトの
過電圧が発生される。グループおよびの漸減
段とグループおよびの漸増段の各々における
実効の過電圧は比例してより大きい。グループ
のFETが加算コンデンサをソース・ホロワー・
モードで（V_B2−V_T）すなわち４ボルトの最大電
位まで充電するとすれば、バイアス電圧V_B2は供
給電位V_DD、例えば、５ボルトに等しいことが第
４図の回路から分る。従つて、それぞれの加算コ
ンデンサにおける最大の電位振れば１ボルトだけ
制限される。同時に、V_B5は、グループのＰ形
FETがソース・ホロワー・モードでそれぞれの
加算コンデンサを（V_B5−V_T）すなわち１ボルト
になるまで放電するV_SS、例えば、０ボルトに直
接接続される。従つて、グループの各加算コン
デンサにおける最大の電位振れも１ボルトだけ減
少する。また、第４図の回路によつて、それぞれ
５ボルトおよび０ボルトのバイアス電位V_B3およ
びV_B4が与えられる。しかしながら、グループ
のFETは並列の相補形素子であるから、対応す
る加算コンデンサの最大電位の振れにおける減少
はない。このグループにおける基準電位は２ボル
トから３ボルトまで変わるから、回路の動作可能
な範囲で生ずる入力信号については、加算コンデ
ンサ電位の最大の振れは精々３ボルトである。

第４図の回路によつて発生されるバイアス電位
V_B1は（V_DD−V_T）すなわち４ボルトで、V_B6は１
ボルトである。従つて、グループの加算コンデ
ンサにおける信号による最大の充電電位は（V_B1
−V_T）すなわち３ボルトであり、グループの
加算コンデサにおける最小の放電電位は（V_B6−
V_T）すなわち２ボルトである。従つて、グルー
プおよびの加算コンデンサにおける最大の電
位振れは２ボルトだけ減少し、基準のはしご形抵
抗回路の負荷が実質的に減少したことになる。

バイアス電位発生器８０は、それぞれ供給電位
V_DDおよびV_SSに接続されたゲートを有し、並列
接続された一対のＮ形FET８３およびＰ形FET
８２に直列接続されたダイオード接続のＰ形
FET８１およびダイオード接続のＮ形FET８４
を含んでいる。電流が直列接続されたFETを流
れると、Ｐ形FET８１およびＮ形FET８４の両
方によつて、それぞれのゲート・ドレイン接続に
よる約１ボルトのドレイン・ソース電位が発生さ
れる。FET８１のドレイン８８の電位V_B1は
（V_DD−V_T）であり、FET８４のドレイン８７の
電位V_B6は（V_SS−V_T）であり、V_DDが５ボルトで
V_SSが接地電位に等しい場合、それぞれ４ボルト
および１ボルトになる。FET８２および８３は
線形にバイアスされるから、過剰の供給電位はそ
れらのソース・ドレイン接続の間で降下する。

バイアス回路８０のFETおよび第３図のスイ
ツチ回路のFETを同一の集積回路で構成すると、
Ｎ形およびＰ形の閾値電圧を同じにすることがで
きることに注目すべきである。また、それらは実
質的に同一の温度環境にあるから、閾値電圧は温
度変動に追随する。

さらに大きな供給電位の場合、ダイオード接続
のFETを第４図の回路に直列に追加することに
よつて更に広範囲のバイアス電位を発生すること
ができる。閾値電位が増加した場合のバイアス電
圧は、ダイオード接続されたFETのドレイン電
極に接続される。

また、バイアス電圧V_B1−V_B6は、供給電位間
に接続された簡単な抵抗分割器を使つて発生する
こともできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、６ビツトのフラツシユ形AD変換器
のブロツク図である。第２図は、フラツシユ形
AD変換器に使用される、FET回路で構成した比
較回路の回路図である。第３図は、コンデンサの
電荷の変位の度合を制限するために、信号入力伝
送ゲートに直列に接続されたブロツキングFET
を含んでいる比較器の伝送ゲートの構成のブロツ
ク図の一部および回路図の一部である。第４図
は、第３図に示される回路において直列に接続さ
れたFETをバイアスするD.C.電位を発生するた
めの回路図である。 １５……比較回路、１６……ラツチ回路、１７
……アンド回路、１８……プログラム可能な論理
アレイ、２０……はしご形抵抗器、３８……加算
コンデンサ、４５……相補形インバータ、４７，
４８，４９……相補形トランジスタ・スイツチ、
５０，５１−５８，５９……組合せスイツチ手
段、６０……信号入力端子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数個の比較回路と、入力信号を供給する信
   号入力端子と、値が漸増する複数個の基準電圧を
   供給する源とを含んでおり、 前記比較回路の各々は、一方の端子が比較回路
   の入力に結合されるコンデンサと、前記基準電圧
   の１つに結合される第１の入力および前記信号入
   力端子に結合される第２の入力を有するスイツチ
   手段であつて、その出力が前記コンデンサの他方
   の端子に結合されるスイツチ手段とを含み、 更に、前記比較回路のコンデンサにおける電位
   の最大変位を制限し、以て前記基準電圧および前
   記入力信号に対する負荷を減少させるために、前
   記比較回路の各々は、前記スイツチ手段の第２の
   入力と前記信号入力端子にそれぞれ結合されるソ
   ース電極とドレイン電極を有するトランジスタを
   含んでおり、前記トランジスタのゲート電極は、
   前記トランジスタが入力信号電位の範囲の少なく
   とも一部についてソース・ホロワーとして動作す
   るようにバイアスされている、フラツシユ形アナ
   ログ・デイジタル変換器。