KR910006483B1 - Ad변환기 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

AD변환기

제1도는 본 발명의 제1실시예를 도시한 블록도.

제2도 및 제3도는 제1도의 동작을 설명하기 위한 타이밍도 및 입력 레벨을 도시한 도면.

제4도는 본 발명의 제1도의 주요부의 회로 구성을 도시한 회로도.

제5도는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 도면.

제6도, 제7도는 각각 제5도의 입출력 특성을 도시한 도면.

제8도는 본 발명의 또다른 실시예를 도시한 도면.

제9도는 본 발명을 사용한 비디오 카메라의 구성도.

제10도는 종래의 기술을 설명한 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : AD변환기 3 : 가산 회로

4 : 클럭 발생 회로 101 : 저항렬

102 : 비교기 103 : 인코더

105 : 스위치

본 발명은 AD변환기에 관한 것으로, 특히 저소비 전력의 병렬 비교형 AD변환기에 관한 것이다.

종래의 병렬 비교형 AD변환기에서는 분해능을 N비트로 하면 2N개의 비교기가 필요하게 된다. 이 때문에 비트수가 많게 되는데 따라 필요한 비교기의 수는 비약적으로 증대하여 소비 전력의 증대 및 IC화 했을 때의 칩크기의 증대를 초래한다.

따라서, 이 문제를 해결하기 위해 AD변환기의 기준 전압에 소정의 오프세트를 중첩하고, 다른 오프세트마다 얻어지는 AD변환 출력을 일정 기간에 걸쳐서 가산하는 것에 의해 유효 비트수를 향상시키는 방식이 있다. 여기에서는 그 방식을 순회가산형이라 한다. 또, 이 순회가산형 AD변환기에 관련된 것은 일본국 특허 공개공보 소화57-129526호, 일본국 특허 공개공보 소화62-88434호 등에 기재되어 있다.

상기 종래의 예에 있어서는 기준 전압에 소정의 오프 세트를 중첩하는 방식으로서 제10도에 도시한 바와 같이 병렬로 동작하는 여러개의 비교기(102)에 각각 다른 기준 전압을 공급하는 저항렬(101)의 양단에 저항(112),(113)을 접속하여 이들 저항(112),(113)의 저항값을 변화시키는 방법을 사용하고 있었다. 구체적으로는 몇 개의 저항을 준비해 놓고, 그들을 스위치로 전환하는 것에 의해 실현되고 있었다. 또, 동일 도면에 있어서 (103)은 비교기군(102)의 출력을 2진화부호로 변환하는 인코더, (3)은 가산기이고, Vs1 및 Vs2는 외부에서 부여하는 정,부의 전원전압, VIN은 입력 아날로그 전압, (31)은 디지털 출력을 표시한다.

상기 종래 기술은 회로 규모나 소비 전력의 증가를 작게 억제해서 병렬형 AD변환기의 비트수, 즉 그 변환의 분해능을 증가시킬 수 있는 점에서 유효하지만 실제로 IC회로로 실현하는 데는 문제가 있다. 예를들면, 비교기군에 주어지는 기준 전압을 4단계로 시프트하고, AD변환기의 비트수를 2비트 증가시키는 경우를 고려하면 기준 전압의 시프트량은 원래의 병렬형 AD변환기의 1LSB에 대응하는 전압의 1/4로 된다. 따라서 저항렬(101)의 각각의 저항값을 r로 하면 저항(112) 및 (113)의 저항값의 변화분 △R을 r/4로 하지 않으면 안된다. 그리고 , 이 r/4이라는 작은 저항값의 변화가 저항과 직렬로 연결되는 스위치의 ON,OFF에 의해 실현되므로, 스위치의 ON 저항까지 고려하지 않으면 정확한 기준 전압의 시프트는 얻어지지 않고, 특히 IC내에 마련한 스위치로 이것을 실현하는 것은 곤란하였다.

또, 상기 종래 기술은 선형인 변환 특성을 갖는 병렬형 AD변환기 밖에 적용할 수 없다.

본 발명의 목적은 IC 상에서 용이하게 실현할 수 있는 순회가산형 AD변환기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 기준 전압의 여러회의 시프트를 매우 정확하게 실시할 수 있는 순회가산형 AD변환기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 비직선적인 변환 특성을 갖는 병렬형 AD변환기에도 적용할 수 있는 순회가산형 AD변환기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 특징은 N개의 레벨의 기준 전압을 발생하는 분압 회로, 상기 N개의 레벨의 기준 전압중 인접하는 레벨의 M개의 기준 신호중 각각 1개를 순차적으로 선택하는 스위치 수단, 상기 스위치 수단에 의해 선택된 N/M개의 기준 전압이 한쪽의 입력 단자에 각각 공급되고 다른쪽의 입력 단자에는 입력 아날로그 신호가 병렬로 공급되는 N/M개의 비교기, 이들 비교기가 출력하는 서모미터 부호 신호를 2진화부호신호로 변환하는 인코더, 상기 스위치 수단은 M회의 순차적 선택 기간중의 상기 인코더의 M회의 출력을 가산해서 출력 디지털 신호로 하는 가산회로를 갖는 AD변환기에 있다.

이와같은 구성에 의하면, 각각의 비교기에 공급되는 기준전압을 순차적으로 전환하기 위한 스위치 수단의 접점이 분압회로와 직렬로 들어가지 않아서 그 ON 저항이 기준 전압에 주는 영향을 작게 할 수 있으므로 정확한 기준 전압을 순차로 변경할 수 있다. 또, 분압회로에서 발생하는 각각의 기준 전압차를 비직선형상으로 해서 비직선적인 변화 특성의 AD변환기도 얻을 수가 있다.

이하 본 발명의 제1실시예를 제1도에 의해 설명한다. 동일 도면에 있어서, (1)은 AD변환기(이하 ADC라 한다), (3)은 ADC출력을 가산하여 평균하는 가산회로, (4)는 클럭 발생 회로이고, ADC의 내부 구성으로서 (101)은 기준 전압을 발생하기 위한 저항렬, (102)는 비교기, (103)은 2진화부호로 변화하는 인코더이다. 본 실시예의 특징은 저항렬(101)과 비교기(102)사이에 스위치(105)를 마련한 것에 있다. 저항렬(101)의 양단에는 외부에서 정의 전원전압 Vs1과 부의 전원전압 Vs2가 접속된다. 이 Vs1과 Vs2의 전압차는 저항렬(101)에 의해 분압되어 N개의 레벨의 기준 전압이 얻어진다. 이들 기준 전압은 인접하는 레벨이 M개의 그룹으로 분할되고, 각각의 그룹내의 기준 전압중 1개를 선택하는 스위치(105)를 거쳐서 비교기(102)의 한쪽의 입력단자에 접속된다. 따라서 비교기(102)는 N/M개 마련되어 있다. 이들 비교기(102)의 다른쪽의 입력단자에는 아날로그 입력신호 VIN이 병렬로 접속되어 있다. 이들 비교기(102)의 출력은 인코더(103)에 입력되고, 비교기열의 출력인 서모미터부호 신호가 2진화부호 신호의 출력(130)으로 변환된다.

상기 M개의 그룹마다의 기준 전압중 1개를 선택하는 스위치(105)는 아날로그/디지털 변환의 샘플링 동기마다 순차적으로 전환되어 ON,OFF한다. 즉, M개의 스위치 접점은 클럭 발생 회로(4)에서 주어지는 클럭ψj (j=1,2,....M)에 의해 순차적으로 1개씩 ON으로 된다. 제1도는 간단히 하기위해 M=4인 경우를 도시하고 있다. 또, 제2도에는 각각의 접점을 제어하는 클럭ψ1, ψ2, ψ3, ψ4의 파형을 도시한다.

여기서, 저항렬(101)의 1단위 저항 RS에서 생기는 전압 강하를 △Vr로 한다. 먼저, 제2도의 클럭 ψ1에 의해 제어되는 스위치가 ＂ON＂으로 되고, 다른 것은 모두 ＂OFF＂로 된다. 이때 n 번째의 비교기에 공급되는 기준전압을 Vr(n)로 하면 다음에 ψ2의 클럭에서는 Vr(n)+△Vr이, 다음에 ψ3의 클럭에서 Vr(n)+2△Vr이, 또 ψ4의 클럭에서 Vr(n)+3△Vr의 값의 기준전압이 이 비교기에 공급되어 이것으로 1사이클이 종료한다. 이와 같이 △Vr씩 순차적으로 어긋난 기준전압이 각각의 비교기에 입력하게 된다.

가산회로(3)은 이와같은 M회의 기준전압이 순차적으로 시프트하는 사이에 M회 출력되는 ADC(1)에서의 2진화 신호(130)을 가산해서 출력 디지털 신호(30)을 얻는다. 구체적으로 기술하면, M=4, N=28=256인 경우에는 ADC(1)의 출력(130)은 6비트의 2진화신호이다. 아래에서 4번째의 비교회로(102)에 공급되는 기준신호가 제3도와 같이 Vr(4)에서 Vr(4) + 3△Vr로 4단계로 변화하는 데 대해서 아날로그 입력 신호의 레벨이 제3도의 V1N의 값이면 ADC(1)에서 순차적으로 얻어지는 2진화 신호는(000101),(000100),(000100),(000100)으로 되고, 이들 4회의 2진 출력을 가산한 값(00010001)이 가산기(3)에서 얻어져서 출력 디지털 신호로 된다. 또 상기한 바와같이 M=4, N=128, 따라서 32개의 비교기를 마련한 경우 가장 윗쪽의 비교기는 6비트의 ADC(1)의 입력 풀스 케일 값을 입력신호 VIN 이 오버플로우 인가 아닌가의 판정에 사용할 수가 있다. 본 실시예에서 ADC(1)은 오버플로우인 경우에 특히(1000000)의 값을 출력한다. 상기 기준 전압이 순차적으로 시프트하는 사이의 ADC의 출력이 차례로(1000000), (111111) (111111) (111111), 즉 최초의 1회만 오버플로우이면 가산 출력으로서 (11111101)이 얻어진다. 또, ADC(1)의 출력이 차례로 (1000000)(1000000)(111111)(111111), 즉 1회와 2회째가 오버플로우이면 가산출력으로서 (11111110)이 얻어진다.

또 3회 오버플로우이면 가산출력(11111111)이 얻어진다. 이와같이 ADC(1)의 비교기의 수로서는 6비트의 병렬형 AD변환기와 같은 수이면서 가산회로 및 4회의 기준전압이 순차 선택을 실행하는 회로의 추가에 의해 8비트의 분해능의 AD변환기가 얻어진다. 또 ADC(1)의 출력이 4회 모두 오버플로우이면 가산결과도 8비트에서 오버플로우한다. 가산회로(3)은 이 가산결과의 오버플로우도 출력하도록 하면 더욱 바람직하다.

이상 기술한 바와 같이, 제1도의 회로 구성에 의하면 종래의 병렬형 AD변환기에 비해서 회로 규모를 축소하면서 바라는 분해능을 달성할 수가 있다. 또, 기준전압을 순차적으로 전환하는 스위치는 전원전압을 분압하는 저항렬에 직렬로 입력되지 않으므로 그 ON 저항에 의한 기준전압의 오차는 비교적 작다. 또, 제1도의 실시예에서는 동일한 저항을 세로로 이어서 접속한 저항렬을 사용하고 있기 때문에 각 저항의 정밀도가 높게 되어 정확하게 기준 전압을 변화시킬 수가 있다.

이상은 기준 전압 발생 수단으로서 저항렬을 사용한 경우에 대하여 설명했지만, 저항렬 뿐만 아니라 용량등 기준 전압을 발생하는 것이면 좋은 것은 명백하다.

제1도에 도시한 스위치(105)는 MOS트랜지스터에 의해서 용이하게 실현할 수 있지만, 바이폴라 프로세스로 AD변환기를 실현하고자 한 경우에는 MOS 스위치를 사용할 수 있다. 그래서 바이폴라 프로세스에 적합한 스위치의 구체적 실시예를 제4도에 도시한다. 동일 도면에 있어서, (101)은 저항렬, (115), (116)는 제1도에서의 비교기(102)와 스위치(105)를 구성하는 요소로서, 각각 스위치를 갖는 전치증폭기와 래칭 비교기이다. 또, (103)은 인코더이다. 이 도면에 있어서는 설명하기 용이하게 제1도와 마찬가지로 4개의 스위치를 1조로 한 예를 도시하고 있다.

제2도에 도시한 타이밍을 갖는 클럭을 트랜지스터 Q1∼Q4 에 입력하면 어떤 시간에서 Q1∼Q4 중 어느 1개가 ON상태로 되고, 다른 것은 OFF로 된다. 그러면 트랜지스터 Q11, Q21, Q31, Q41 및 Q12, Q22, Q32, Q42중 ON상태의 트랜지스터에 접속된 트랜지스터 쌍에만 전류가 흘러 그 트랜지스터에 입력하는 기준 전압과 입력 전압이 비교되게 된다. 이 동작이 클럭에 따라서 순차적으 행해지게 된다. 예를들어 ψ1을 고레벨로 하면 Q1이 ON으로 되어 Q11, Q21 가 동작 상태로 된다. 이때 Q2 ,Q3, Q4는 모두 OFF로 되어 그것들에 접속된 트랜지스터에는 전류가 흐르지 않고, Q11에 접속된 저항렬에 의해 생기는 기준 전압에 대해서 입력 신호가 비교되게 된다.

이상의 설명에 의하면 래칭 비교기(116)의 전단에 증폭기가 배치된 것에 의해 래치 동작중에 증폭기에 의해서 다음에 래치되는 신호를 미리 증폭해 놓을 수가 있어 속도 향상이 도모된다. 이와 동시에 스위치 기능을 갖게 할 수 있으므로 스위치를 위한 대폭적인 회로의 추가를 필요로 하지 않는다. 또, 저항렬에 접속되는 4개의 트랜지스터중 어느 1개로만 베이스 전류가 흐르기 때문에 저항렬에서의 전류의 흐름이 적게 되어 직선성의 향상이 도모되는 이점이 있다.

다음에 제5도에 다른 실시예를 도시한다. 동일 도면은 제1실시예인 제1도의 저항렬과 스위치의 부분만을 도시한 것이다. 동일 도면에 있어서도 설명을 간단하게 하기 위해 4개의 스위치를 1조로 하고 있다. 제1실시예에서는 AD변환기의 전체 동작 영역에 있어서 같은 양자화 스텝을 얻기 위해서 저항렬의 각 저항을 같게 하고 있지만, 본 실시예에서는 같은 조의 스위치에 기준 전압을 부여하기 위해서 접속되고 있는 저항은 동일하게 하지만 조 사이의 저항값은 다르게 한 것이다. 지금 j번째의 조의 저항을 Rj로 하고, 하위의 기준 전압을 부여하는 조부터 차례로 번호를 붙인다. 예를들면 Rj=Rj-1 +△R로 되도록 차례로 저항값을 증가하였다고 하면 각 양자화 스텝은 크게 되고, 제6도에 도시한 바와 같은 비선형의 입출력 특성을 얻을 수 있다. 또, 중간점 부근의 Rj를 적게, 상위 및 하위의 기준 전압을 부여하는 부근에서는 Rj를 크게 해 놓으면 제7도에 도시한 바와같은 입출력 특성을 얻을 수가 있다.

이와같이 저항렬의 저항을 변화시키는 것에 의해 비직선의 입출력 특성을 갖는 AD변환기를 용이하게 실현할 수 있다. 이때 각 스위치에 의해서 전환되는 기준 전압은, 이 기준 전압을 사용해서 비교를 행하는 비교기에는 같은 전압차를 갖고 차례로 부여되는 것에 의해 한 차례의 스위치의 전환과 그 AD변환 출력의 가산에 의해 정밀도를 향상시킬 수 있는 것은 제1실시예에서 기술한 것과 마찬가지이다.

또한, 상기에서는 같은 조내에서 저항렬의 저항은 같은 것으로 했지만 반드시 같을 필요는 없고, 각 저항이 차례로 변화하고 있어도 한차례의 스위치의 전환과 가산에 의해 얻어지는 결과는 마찬가지로 AD변환기의 정밀도의 향상을 실현하게 된다.

다음에 또다른 실시예를 제8도에 도시한다. 동일 도면에서도 제1실시예의 저항렬과 스위치의 부분만을 도시하고 있다. 본 실시예에서는 저항렬의 각 장소에 탭(111)을 마련한 것으로서, V11, VS2외에 외부에서 필요한 전압 VS3을 저항렬에 인가할 수 있게 한 것이다. 이 인가 전압을 임의로 선택하는 것에 의해 임의의 비직선성을 가진 입출력 특성이 얻어진다. 이때 한차례의 스위치 동작과 가산에 의해 정밀도가 향상하는 것은 제5도의 실시예의 경우와 마찬가지이다.

이상 기술한 바와같이 저항렬과 스위치를 마련하는 것에 의해 기준 전압을 용이하게 시프트할 수 있고, 또 비직선의 입출력 특성을 갖는 AD변환기도 실현할 수 있는 것은 종래에는 없는 효과이다.

상술한 비선형 특성은 임의로 설정할 수 있는 것이므로 브라운관의 그리드전압과 발광 출력 특성의 비직선 관계, 즉 γ특성을 보정하는 역 γ특성(γ보정특성)을 갖게 하는 것을 용이하게 할 수 있다. 그 구체적 실시예를 제9도에 도시한다. 일반적으로 비디오 카메라에는 γ보정회로가 필요하지만, 동일 도면에 도시하는 바와같이 역γ특성을 갖는 ADC를 사용하는 것에 의해 용이하게 그 특성을 가진 디지털 비디오 카메라를 실현할 수 있게 된다. 또, 동일 도면에 있어서, (10)은 역 γ특성을 가진 ADC, (11)은 촬상관, (12)는 ADC에 의해 디지털로 변환된 신호를 처리하는 회로이다.

이상 기술한 바와같이 본 발명에 의하면 작은 회로 규모로, 즉 IC로 실현한 경우 적은 소자수로 고분해능, 고정밀도의 AD변환기를 실현할 수 있어 그 경제적 효과는 매우 크다. 또한, 비직선 특성도 임의로 용이하게 설정할 수 있으므로 그 응용범위는 넓다.

Claims (5)

1. N개의 레벨을 갖는 기준 전압을 M개마다 다른쪽에 서로 접속된 스위치(105)에 의해 샘플링 주기마다 순차적으로 전환해서 N/M개의 비교기(102)에 접속하고, 각 샘플링 주기마다 얻어지는 AD변환값을 일정기간 걸쳐서 가산하는 것을 특징으로 하는 AD변환기.
2. 특허청구의 범위 제1항에 있어서, 상기 비교기는 차동증폭기 구성의 입력단을 갖고 상기 차동증폭기를 구성하는 차동 트랜지스터쌍을 M쌍 준비하고, 상기 차동 트랜지스터쌍의 동작 전류를 전류 스위치에 의해 전환하여 각 차동 트랜지스터쌍의 한쪽이 각 기준전압에 접속되고, 다른쪽이 입력단자에 접속되는 것에 의해서 상기 스위치의 동작을 실행하는 것을 특징으로 하는 AD변환기.
3. 특허청구의 범위 제1항에 있어서, 상기 기준 전압은 저항렬(101)에 의해 발생되고, 상기 저항렬은 상기 저항렬을 구성하는 저항의 값을 순차적으로 다르게 하여 비직선성을 갖는 기준 전압을 갖는 것을 특징으로 하는 AD변환기.
4. 특허청구의 범위 제1항에 있어서, 상기 저항렬에 의해서 발생하는 기준 전압이 역 γ특성을 갖는 AD변환기.
5. M개마다 다른쪽 끝이 서로 접속된 스위치(105)와 AD변환값을 일정 기간에 걸쳐서 가산하는 가산기(3)을 갖는 AD변환기(1)에 있어서, 1가산 기간이 샘플링 주기의 nM(n=1,2 ...)배인 것을 특징으로 하는 AD변환기.

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