JPH0656957B2 - 広範囲の基準電圧に対して正確なd/a変換器 - Google Patents

広範囲の基準電圧に対して正確なd/a変換器

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JPH0656957B2
JPH0656957B2 JP59023033A JP2303384A JPH0656957B2 JP H0656957 B2 JPH0656957 B2 JP H0656957B2 JP 59023033 A JP59023033 A JP 59023033A JP 2303384 A JP2303384 A JP 2303384A JP H0656957 B2 JPH0656957 B2 JP H0656957B2
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switch
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gate voltage
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  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Analogue/Digital Conversion (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はディジタル−アナログ(D/A)変換器に関す
る。特に、この発明は電圧モードの出力信号を得るため
に相補的に励振されるMOSスイッチの対を使用するD/A変
換器に関する。
〔従来の技術〕
第1図は、基本的な電圧モードすなわち電圧−切替型の
MOS D/A変換器を示すもので、この変換器は薄膜R/2R抵
抗ラダー回路(20)と、n個のチャンネルMOSスイーチ(2
2)の対とを含む。それぞれの相補的に励振されるスイッ
チ対は基準電圧(Vref)へのスイッチと、アナログ接
地(Agnd)へのスイッチとから成り、「ON」スイッ
チは変換器への対応する入力コード・ビットによって選
ばれる。ラダー回路の終端は常時「OK」のAgndスイ
ッチを経てAgndに接続されている。
R/2Rラダー回路の性質と、スイッチ「ON」抵抗(RO
N)の抵抗値rが有限(すなわちr>o)であることの
ために、RONは従来はバイナリにウエイトをつけている
(即ちr,2r,4r……2N-1r)。これはVrefスイ
ッチとAgndスイッチの両方のデバイス寸法をバイナリ
にウエイトをかけることによって行われる。またスイッ
チ対の対応するスイッチの「ON」抵抗値が出来るだけ
等しいこと、即ち理想的には、どのスイッチ対について
も であることが重要である。
〔発明が解決しようとする問題点〕
第2図は、従来の電流モードD/A変換器が電圧モードで
使用される時にしばしば使われる周知のスイッチ対(22
A)、(22B)の構成を示す。
この構成の重要な特性は、 すなわち VrefスイッチおよびAgndスイッチは同じ大きさのもの
である。ここでWはデバイスのチャンネル幅、Lはチャ
ンネル長さを示す。
(添字VはVrefスイッチを示し、添字AはAgndスイッ
チを示す。) (b)両方のデバイスとも同じp−ウエルを占有し、この
p−ウエルはAgndに接続される。
(c)両デバイスとも「ON」ゲート電圧はVDDである。
非飽和でのデバイス動作を仮定すると、スイッチの「O
N」抵抗値の表現式は基本的な電流方程式から導くこと
が出来る。
=実効チャンネル移動度 V=臨界電圧 W =実効チャンネル幅 L =実効チャンネル長さ である。
(i)この関係はVrefスイッチに対して次のように導くこ
とが出来る。
(ii)同様の関係がAgndスイッチに対して次のように導
くことが出来る。
各デバイスのドレインにおいて、臨界電圧は次のように
与えられる。
ここで、ボデー効果係数Mは次式のように であり、φはフェルミのポテンシヤルである。
上式から、第2図の周知のスイッチ構成ではVref、Ag
ndのデバイスのVGSとVDSとの値の間の不一致に基づく
固有のスイッチRONの不一致(すなわちRONV>RONA
が存在すること明らかである。このRONの不一致がVre
fの増加につれて悪化することによって、変換器のため
の基準電圧範囲が制限される。
他方において、第2図の構成は(i)すべてのスイッチが
Agndに接続された1つのp−ウエル内に含まれ得るの
で、比較的小さい不活性領域ですみ、また(ii)回路構成
自身がもともと電流モード用のものと同じように設計さ
れているので、電流モードの動作への適応が容易である
という利点をもっている。
第3図は、特に電圧モードで使用するために設計された
D/A変換器の中でRONの一致を達成することを目標とし
た別の周知のスイッチ対の構成を示す。このスイッチ対
(22C)、(22D)の構成は次の重要な特徴をもつ。
(a) の不一致は両方のオン抵抗値を一致させるために故意に
導入するものである。
(b) VrefとAgndデバイスは別々のp−ウエルを占有す
ることになる。
(c) 両デバイスとも「ON」ゲート電圧はVDDである。
この場合「ON」抵抗値を表す式は (i) Vrefスイッチについては、 (ii) Agndスイッチについては、 であり、ドレインの臨界電圧は、 (i) Vrefスイッチについては、 (ii) Agndスイッチについては、 である。
VrefデバイスはAgndデバイスと別のp−ウエルの中に
作られているから、Vrefデバイスの臨界電圧は(ボデ
イ効果が減少するために)第2図のこれに相当するVre
fデバイスの臨界電圧よりも低くなり、またそれぞれが
対応するAgndデバイスの臨界電圧に前の場合よりよく
一致する。
RONを等しくするためには、W/Lの比を次式のような値
にすることにより、与えられたVrefの値について、ス
イッチのVGSの不一致に対する一次近似の補償をするこ
とが出来る。
この構成の第2図のものに勝る利点は使用出来る基準電
圧の上限値が増加することである。不利な点は、(i)各
Vrefスイッチがそれぞれ固有のp−ウエルを必要とす
るので、比較的大きな不活性領域になること、(ii)基準
電圧の範囲が上記方程式を満足するVrefの特定の値に
近い値に制限されてしまうことである。
〔問題点を解決するための手段〕
電圧モードで動作するMOS変換器の正確度をよくするた
めには、与えられたスイッチ対に対してVrefスイッチ
の「ON」抵抗値が対応する Agndスイッチの抵抗値に
出来るだけ近く一致することが重要である。本発明はこ
のような抵抗値の一致を、比較的広い範囲の基準電圧に
亘って達成するための回路構成を目指すものである。
第3図の(1)式と(2)式とを比較すると(1)式の分母のVD
D−Vrefに対する(2)式の部分がVDDだけになってい
る。これはAgndスイッチのゲート電圧がVDDであるか
らで、一般的にゲート電圧をVonすれば第2式は、 となる。従って(3)式は、 となる。VDD−Vref以外の項を無視すれば Von=n(VDD−Vref) (4) この条件が満たされれば、(1)式の と(2)′式の
とは近似的に等しくなる。注意すべき点はVref
が変化してもその値に拘らず両方のスイッチのオン抵抗
値が常に等しくなることである。
第3図の例では特定のVrefに対して、W/Lの比を特定し
ていたので、Vrefの変化した場合RONが等しくなくな
る。
又、n=1の場合は、 Von=VDD−Vref (4)′ が条件となる。
以下に詳述する好ましい実施例においては、両デバイス
の寸法が等しい場合についてスイッチのVGSの値を等し
くするために、Agndスイッチのゲート電圧をVrefの値
に応じて調整し、これによって広い範囲の基準電圧に対
して「ON」抵抗値を一致させる例をあげている。この結
果電圧モードのV/A変換器の能力を倍増することができ
る。
〔実施例〕
次に、本発明を実施例について図面を参照して説明す
る。
第4図を参照すると、この発明による基礎的なMOSスイ
ッチ対(30A)、(30B)の回路構成が示されている。この構
成は次の特徴をもっている。
(a) 即ちVrefおよびAgndスイッチは同一の大きさを持って
いる。
(b) VrefとAgndデバイスは別々のp−ウエルを占有す
る。
(c) Agndスイッチの「ON」ゲート電圧はVDD−Vrefで
あり、VrefスイッチのそれはVDDである。
従って関係するRONの式は次のようになる。
(i) Vrefスイッチについては、 (ii) Agndスイッチについては、 となる。ドレインの臨界電圧は (i) Vrefスイッチについては、 (ii) Agndスイッチについては、 である。
上のRONの式からVrefスイッチのRONもAgndのRONも
共にVrefの関数であって、広い範囲のVrefに対して殆
どよく一致していることが分るであろう。
第5図は第4図の構成の時に用いるためのAgndスイッ
チ「ON」ゲート電圧発生器回路をブロック図の形式で示
す。この発生器回路の出力電圧はすべてのAgndスイッ
チ励振器に対して正の電圧を提供する母線を提供する。
第6図は必要なゲート電圧を与える機能を集積回路上に
実現するのに適する回路の回路図である。このVDD−V
ref発生回路は第7図に示されるAgndスイッチに対する
正電圧供給母線を提供する。
第6図の電圧発生器の動作は次のようである。
入力電圧VrefはQ1とQ2とで形成されるエミッタ・フォ
ロアに加えられる。このエミッタ・フォロアの出力はV
ref−Vbeである。QからQまでのデバイスはQ
の電源回路にVref−Vbeを再生する二重のカレントミ
ラーを形成し、これによって抵抗Rに(Vref−Vbe)
/Rの電流を流させる。この電流はQからQまでの
デバイスによって同様の抵抗Rの中にうつされ、その結
果Q11のベース電圧をVDD−Vref+Vbeにす
る。そしてQ10とQ11とによって形成されるエミッ
タ・フォロアの出力にVDD−Vrefが現れる。このエミ
ッタ・フォロアによって不可避的に出力に現れるVbeの
項は入力におけるエミッタ・フォロアによる同様のVbe
の導入によって補償されていることは特に注目すべきで
ある。
第8Aおよび8B図は、Vbeの補償を行うための回路構
成の代替案を示す。この方法はVrefスイッチおよびAg
ndスイッチ両方の「ON」ゲート電圧発生回路を使用して
いる。第10図のスイッチ励振器回路において使用するた
めの第8A、8B図の具体化の一例としての回路の系統
図を第9図に示す。
これらの電圧発生回路の基本設計上のいくつかの重要な
特徴を示すと以下のようである。
(A) スイッチ対のRONの不一致に起因する最も顕著なD/
A変換器の直線性誤差はVrefが最大の時起るから、Agn
dスイッチ「ON」ゲート電圧発生器回路は、この特別の
値の時に最も正確であるように設計することが好まし
い。典型的には15VのVDDに対して第6図のVDD−Vref
発生器回路は基準電圧が10Vで働くように設計すること
が出来る。
(B) 第6図のRの値の選択によって回路設計のトレード
・オフが決まる。休止中の電力供給電流を最小にするた
めには抵抗値は比較的大きくなければならないが、一方
励振器スイッチングの間のベース電流の影響を減少させ
るためには小さい値の方が望ましい。
(C) 前述の特定のRONの等式がなお有効であるために
は、Agndスイッチが非飽和動作することを確認するこ
とが必要である。すべてのVrefスイッチが「ON」であ
る時、ラダー回路終端のAgndスイッチが最悪の場合を
示す。
次の不等式を考慮しなければならない; これは、 が次式を成立させる程充分に小さくなければならないこ
とを意味する。
この不等式が成立することを確実にするための1つの方
法はR/2Rラダー回路のRの値を充分大きく選ぶことであ
る。Vrefスイッチの場合はこの問題は起らない。この
場合は次の不等式は に無関係である。
従って 従って この発明を好ましい実施例について詳細に述べたけれど
も、これはこの発明を説明するためのものであって、発
明を制限するものではなく当業者によってここに請求す
る発明の使用して多くの変形を行うことが可能であるこ
とを考慮すべきである。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来のMOS D/A変換器の基本的な回路図、第2
図は従来の電流モード変換器を電圧モード働作に適用す
るための周知のスイッチ対の回路構成図、第3図は電圧
モードD/A変換器に使用するための周知スイッチ対の回
路構成図を示し、基準電圧の一つの値に対して「ON」抵
抗値を一致させるようになっており、第4図は本発明に
よるスイッチ対の回路構成図、第5図は第4図のAgnd
スイッチに対するゲート電圧発生器のブロック図、第6
図は集積回路上に製造するのに適する一つのゲート電圧
発生器回路図、第7図はスイッチ励振回路図、第8A図
および第8B図は別のゲート電圧発生器回路のブロック
図、第9図は第8A図および8B図に示した種類のゲー
ト電圧発生器の回路図の一例、第10図は第9図の発生器
回路を使用したスイッチ励振回路図を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−75348(JP,A) 特開 昭56−47128(JP,A) 実開 昭57−115745(JP,U)

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ディジタル入力に応じて基準電圧(Vref)
    側とアナログ接地(Agnd)側とのいずれか一方の端子に
    相補的に出力係路を接続するMOSスイッチを一対とする
    複数個のスイッチ対を含む型のD/A変換器において、 半導体の電流基本式から計算したアナログ接地(Agnd)
    側MOSスイッチのオン抵抗値が、同じ式から計算した基
    準電圧(Vref)側MOSスイッチのオン抵抗値と本質的に等
    しくなるように基準電圧の値の変化に応じて変化する、
    アナログ接地側MOSスイッチのゲート電圧(Von)を生
    成するゲート電圧発生器を含むことによって、 基準電圧が広範囲に亘って変化しても、前記スイッチ対
    の両方のスイッチのオン抵抗値の一致を基本的に維持
    し、これによってD/A変換器の誤差を少なくすることを
    特徴とする、広範囲の基準電圧に対して正確なMOS D/A
    変換器。
  2. 【請求項2】特許請求の範囲第1項に記載の装置におい
    て、前記ゲート電圧発生器が基準電圧Vrefを入力さ
    れ、電源電圧VDDの下で動作して、VDD−Vrefに対応
    する電圧を出力として生成することを特徴とする、装
    置。
  3. 【請求項3】特許請求の範囲第2項に記載の装置におい
    て、前記ゲート電圧発生器が、その入力回路の第1のト
    ランジスタ(Q)に前記基準電圧Vrefを入力され
    て、該トランジスタのベースエミッタ電圧Vbeの含む信
    号Vref−Vbeをその出力回路に生ぜしめ、これを電源
    電圧VDDから該信号を差し引いた信号VDD−Vref+Vb
    eを生じる回路に入力し、該回路の出力を第2のトラン
    ジスタ(Q11)に入力して、そのベース・エミッタ電圧
    Vbeによって、該入力された信号のVbe成分を相殺する
    回路を含むことを特徴とする装置。
  4. 【請求項4】特許請求の範囲第1項に記載の装置におい
    て、前記ゲート電圧発生器がVrefスイッチおよびAgnd
    スイッチの両方のゲート電圧を発生する回路を含み、 相回路が該ゲート電圧を発生する回路に含むトランジス
    タ(Q)によって生成されるVbe成分を打ち消すため
    のトランジスタ手段(Q11)を含むことを特徴とする装
    置。
  5. 【請求項5】デバイスの実効チャンネル幅をW、実効チ
    ャンネル長さをLとする時、前記各対のVrefスイッチ
    およびAgndスイッチが同じ W/L比をもつことを特徴と
    する、特許請求の範囲第1項に記載の装置。
  6. 【請求項6】前記各対の中の対応するVrefスイッチお
    よびAgndスイッチが同じ大きさをもっていることを特
    徴とする、特許請求の範囲第5項に記載の装置。
  7. 【請求項7】前記VrefスイッチおよびAgndスイッチが
    別々のp−ウェルを占有することを特徴とする、特許請
    求の範囲第6項に記載のD/A変換器。
  8. 【請求項8】前記Agndスイッチの「ON」ゲート電圧
    がVDD−Vrefであり、前記Vrefスイッチの「ON」ゲ
    ート電圧がVDDであることを特徴とする、特許請求の範
    囲第7項に記載の装置。
JP59023033A 1983-02-11 1984-02-13 広範囲の基準電圧に対して正確なd/a変換器 Expired - Lifetime JPH0656957B2 (ja)

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US465,493 1983-02-11
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JPS59214321A JPS59214321A (ja) 1984-12-04
JPH0656957B2 true JPH0656957B2 (ja) 1994-07-27

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