JPS6365172B2 - - Google Patents

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JPS6365172B2
JPS6365172B2 JP15039081A JP15039081A JPS6365172B2 JP S6365172 B2 JPS6365172 B2 JP S6365172B2 JP 15039081 A JP15039081 A JP 15039081A JP 15039081 A JP15039081 A JP 15039081A JP S6365172 B2 JPS6365172 B2 JP S6365172B2
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input terminal
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voltage
input
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JP15039081A
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K5/00Manipulating of pulses not covered by one of the other main groups of this subclass
    • H03K5/22Circuits having more than one input and one output for comparing pulses or pulse trains with each other according to input signal characteristics, e.g. slope, integral
    • H03K5/24Circuits having more than one input and one output for comparing pulses or pulse trains with each other according to input signal characteristics, e.g. slope, integral the characteristic being amplitude
    • H03K5/2472Circuits having more than one input and one output for comparing pulses or pulse trains with each other according to input signal characteristics, e.g. slope, integral the characteristic being amplitude using field effect transistors
    • H03K5/249Circuits having more than one input and one output for comparing pulses or pulse trains with each other according to input signal characteristics, e.g. slope, integral the characteristic being amplitude using field effect transistors using clock signals
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/0038Circuits for comparing several input signals and for indicating the result of this comparison, e.g. equal, different, greater, smaller (comparing pulses or pulse trains according to amplitude)

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Analogue/Digital Conversion (AREA)
  • Manipulation Of Pulses (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は入力信号間のレベル差が小さい状態で
も正確な比較結果を出力することができるモノリ
シツク比較回路に関するものである。
一般に、モノリシツク・アナログ−デイジタル
変換器(以下A/D変換器という)において、比
較回路は重要な回路要素であり、A/D変換器の
高精度化、高分解能化にともなつて、入力信号間
のレベル差の小さい場合にも正確な出力が得られ
るより高精度な比較回路を必要とするようになつ
た。
従来、MOS構造のモノリシツクA/D変換器
の比較回路として第1図の回路図に示すものが知
られている。この比較回路の特徴は、スイツチ1
を閉じて第1のアナログ入力電圧VA1をサンプリ
ングし、その比較動作期間中そのアナログ入力電
圧を保持するサンプル・ホールド機能を備えてい
ることである。この比較回路の欠点は、スイツチ
3のON−OFF時に寄生容量6の充・放電により
容量4の保持電荷の漏れがあることである。この
欠点を補うべく補償用素子を付加しても、高精
度、高分解のA/D変換器を構成できるまでにな
つていない。さらに、この比較回路をC−MOS
構造で構成した場合、その電源電圧の変動に対し
て論理素子のインバータで構成された増幅器5の
入力スレシヨルド電圧の変動が大きいため、比較
動作中の電源電圧の変動に対して所要精度を保持
することが困難であつた。
この電源電圧変動特性を改善した比較回路とし
て、“Solid−State Circuits Conference Dig.
Tech.Papers”、Feb.1973の152頁に発表されたも
のは、第2図の回路図に示される。図において、
まずスイツチ14,15を閉じて、差動型増幅器
11,12の入力端を接地する。これにより差動
型増幅器11の入力オフセツト電圧e1を電圧利得
G1倍した電圧に等しい電荷が容量16に保持さ
れる。次に、スイツチ14,15を開いて、スイ
ツチ13を閉じて第1のアナログ入力信号VA1
第2のアナログ信号VA2を比較する。これによつ
て増幅器12の入力端においては、増幅器11の
入力オフセツト電圧が補償される。またこの比較
回路の入力オフセツト電圧VOFFは次式で表わすこ
とができる。
VOFF=e2/G1 …(1) ここでe2は増幅器12の入力オフセツト電圧で
ある。(1)式より明らかなように、この比較回路の
入力オフセツト電圧は増幅器11の電圧利得を大
きくするほど低減される。しかし、増幅器11の
電圧利得は入力オフセツト電圧e1によつて、この
増幅器11が飽和しない程度の値に抑える必要が
ある。また、この比較回路は差動型増幅器によつ
て構成されているため、同相信号除去比
(CMRR)が優れており、電源変動除去比
(SVRR)も十分に大きいため、電源電圧の変動
に対しても安定であるが、その入力回路部にサン
プリング・ホールド回路を備えていないため、逐
次比較型のA/D変換器を構成する場合、そのア
ナログ入力端にサンプル・ホールド回路を独立に
必要とする問題がある。
本発明の目的は、これらの欠点を除去し、電源
電圧の変動に対して、優れた安定性(電源電圧除
去比)を備え、入力オフセツト電圧の補償が可能
で、かつ被比較信号のサンプル・ホールドが可能
な高精度の比較回路を提供することにある。
本発明の他の目的は、MOSモノリシツクで構
成してMOSモノリシツクA/D変換器及びデー
タ収集用LSIを構成できるようにした比較回路を
提供することにある。
本発明は、入力信号とこの入力と比較する比較
信号とを切替えて第1の容量素子に接続する第1
のスイツチ手段と、前記第1の容量素子からの信
号を反転入力端子に接続し、その第1の容量素子
と実質的に同一の第2の容量素子を非反転入力端
子と共通線との間に接続しかつこれら反転入力端
子と非反転入力端子との電位差を増幅して反転出
力および非反転出力をとり出す第1の差動増幅器
と、この第1の差動増幅器の各入力端子と前記共
通線との間に設けられた第2のスイツチ手段と、
前記第1の差動増幅器の反転出力および非反転出
力を実質的に同一の容量をもつ第3および第4の
容量素子を介して反転入力端子および非反転入力
端子にそれぞれ接続しこれら各入力端子の間の電
位差を増幅する第2の差動増幅器と、この第2の
差動増幅器の反転入力端子および非反転入力端子
と前記共通線との間に設けられた第3のスイツチ
手段とを含み、前記第1、第2および第3のスイ
ツチ手段のオン動作の後に各スイツチ手段のオフ
動作のタイミングをずらせたことを特徴とする比
較回路にある。
以下図面を参照して本発明を詳細に説明する。
第3図は本発明の実施例の回路図、第4図はそ
のタイミングチヤートを示す。まず、時刻t0にス
イツチ1,14,20を閉じ、スイツチ2を開
く。いま、差動型増幅回路11の入力オフセツト
電圧をe1とすると、容量22には1/2e1・G1・C2
の電荷、容量23には−1/2e1・G1・C2の電荷が
それぞれ保持され、第1のアナログ入力電圧を
VA1とすると、容量4にはVA1・C1の電荷が保持
される。次に、時刻t1に(第4図φ1)スイツチ2
0を開き、時刻t2(第4図φ2)スイツチ14を開
き、そして最後に(第4図φ3)スイツチ1を開
くと同時にスイツチ2を閉じる。このように各ス
イツチのOFFの時刻をずらすことにより、それ
ぞれの容量に保持された電荷の漏れを防ぐことが
でき、その結果第2のアナログ入力電圧をVA2
すれば、節点24の電位は(VA2−VA1)となる。
したがつて、差動型増幅器11の2つの出力端の
電位差は、 G1・(VA2−VA1+e1) となり、前述の通り、容量22,23にはあらか
じめ {1/2e1G1−(−1/2e1G1)}=e1G1 の差電圧に相当する電荷が保持されているので節
点25,26の電位差はG1(VA2−VA1)となる。
このように差動型増幅器12の入力端において
は、差動型増幅器11の入力オフセツト電圧e1
補償されていることになる。いま、差動型増幅器
12の入力オフセツト電圧をe2とし、この増幅器
12の電圧利得をG2とすればその出力電圧V0は V0=G2・{G1(VA2−VA1)+e2} =G1・G2・{(VA2−VA1)+e2/G1} …(2) となつて、その比較回路の入力オフセツト電圧は
e2/G1となることがわかる。したがつて、差動
型増幅器の出力が飽和しない範囲内において、
G1を大きくとることによつてその入力オフセツ
ト電圧を最小に抑えることができ、入力オフセツ
ト電圧補償動作及びアナログ入力電圧のサンプリ
ング動作は達成されている。このようにスイツチ
1が閉じている期間アナログ入力電圧そのサンプ
リングを行い、以後の比較動作期間中そのアナロ
グ入力電圧は保持されている。
この比較回路において、差動入力端が一定の同
相電圧でバイアスされているため、同相入力特性
を劣化することなく、第2図の回路と同等の優れ
た同相特性を備えている。
さらに、第3図において、スイツチ14の開閉
時に寄生容量を介して容量4の保持電荷に微少な
変動を与えるが、容量4と同等の容量21を付加
することによつてこの保持電荷の微少変動が差動
入力に対して同相に起きるのでステツプエラーを
差動入力間で各々補償でき、さらにリーク電流に
よる保持電荷の変動も差動入力間で補償される。
したがつて、この比較回路のサンプル・ホールド
のための容量4をモノリシツク集積ができるほど
小さな容量値にできLSI化に好適であり、また電
源電圧変動特性の優れた回路となる。
第5図は第3図の実施例をCMOS構造に適用
した場合の回路図を示す。図において、差動型増
幅器11はPチヤンネルトランジスタ35,36
及びNチヤンネルトランジスタ37,38で構成
され、差動型増幅回路12はPチヤンネルトラン
ジスタ39,40及びNチヤンネルトランジスタ
41,42,43で構成される。またこれらの増
幅回路に定電流を供給するバイアス回路はPチヤ
ンネルトランジスタ30,31,33,34,4
4およびNチヤンネルトランジスタ32で構成さ
れ、スイツチ1,2,14,20はそれぞれトラ
ンジスタにより構成されている。
第6図は本発明による比較回路を逐次比較型
A/D変換器に適用した場合の構成図を示す。図
中50が本発明による比較回路、51が逐次比較
レジスタ、52がD/A変換器である。この逐次
比較型A/D変換器の動作説明は良く知られてい
るので省略する。本発明の比較回路を使用する事
により、高精度、高分解能で安定なサンプル・ホ
ールド機能を有する逐次比較型A/D変換器を
MOSモノリシツク化することが可能となる。
以上本発明によれば、入力オフセツト電圧の補
償手段と、サンプル・ホールド機能とを備え、電
源電圧の変動特性に優れ、さらに入力端子のスイ
ツチの開閉によるステツプエラーの補償により、
小さなホールド容量でも高精度な比較動作が可能
なモノリシツク化に好適な比較回路を得ることが
できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の比較回路の回路図、第2図は従
来の他の比較回路の回路図、第3図は本発明の実
施例の回路図、第4図は第3図のタイミングチヤ
ート、第5図は第3図の実施例の詳細回路図、第
6図は本発明を適用した逐次比較型A/D変換器
の構成図である。 図において、1,2,3,13,14,15,
20…スイツチ、4,16,21,22,23…
容量(コンデンサ)、6…寄生容量、5…増幅器、
11,12…差動増幅器、24,25,26…節
点、30,31,33〜36,39,40,44
…Pチヤンネルトランジスタ、32,37,3
8,41〜43…Nチヤンネルトランジスタ、5
0…比較回路、51…逐次比較レジスタ、52…
D/A変換器、である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 入力信号とこの入力と比較する比較信号とを
    切替えて第1の容量素子に接続する第1のスイツ
    チ手段と、前記第1の容量素子からの信号を反転
    入力端子に接続しその第1の容量素子と実質的に
    同一の第2の容量素子を非反転入力端子と共通線
    との間に接続しかつこれら反転入力端子と非反転
    入力端子との電位差を増幅して反転出力および非
    反転出力をとり出す第1の差動増幅器と、この第
    1の差動増幅器の各入力端子と前記共通線との間
    に設けられた第2のスイツチ手段と、前記第1の
    差動増幅器の反転出力および非反転出力を実質的
    に同一の容量をもつ第3および第4の容量素子を
    介して反転入力端子および非反転入力端子にそれ
    ぞれ接続しこれら各入力端子の間の電位差を増幅
    する第2の差動増幅器と、この第2の差動増幅器
    の各入力端子と前記共通線との間に設けられた第
    3のスイツチ手段とを含むことを特徴とする比較
    回路。
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