WO2022195692A1 - デジタルアナログ変換機 - Google Patents

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修一 坂田
研人 齋木
優治 小松崎
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三菱電機株式会社
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    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03MCODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/66Digital/analogue converters
    • H03M1/74Simultaneous conversion
    • H03M1/742Simultaneous conversion using current sources as quantisation value generators
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    • HELECTRICITY
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    • H03MCODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
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    • H03M1/66Digital/analogue converters

Definitions

  • the present disclosure relates to a digital-to-analog converter that converts digital signals into analog signals.
  • Some digital-to-analog converters have a capacitor (capacitive load) as an output load and a current generator connected in parallel to the capacitor.
  • the digital-to-analog converter uses a digital signal to arbitrarily switch the current generator on and off to generate an analog waveform of the voltage on the capacitor.
  • Such a digital-to-analog converter generally has a driver circuit for each current generator in order to switch the timing of operating and stopping the current generator.
  • Non-Patent Document 1 discloses a digital-analog converter in which a current generator is composed of a transistor, and a driver circuit for driving the transistor is connected to the transistor (Fig. .3).
  • a driver circuit and an input terminal for inputting a digital signal to the driver circuit are required for one current generator.
  • two current generators are required for one bit
  • two driver circuits and input terminals are required for one bit, resulting in a large circuit size.
  • the circuit size becomes large and the circuit configuration becomes complicated, which makes it difficult to increase the number of bits.
  • the present disclosure has been made to solve the above problems, and aims to provide a digital-to-analog converter with a small circuit size per 1-bit element.
  • the digital-to-analog converter of the present disclosure includes, when a digital signal is input, a plurality of 1-bit elements that respectively output currents corresponding to values indicated by the digital signal, a capacitive load connected to the plurality of 1-bit elements, to generate an analog voltage waveform on a capacitive load that receives current output from a plurality of 1-bit elements, wherein the 1-bit elements generate 1-bit responsive to the value indicated by the input digital signal.
  • a switching circuit that changes the self-bias in the element and switches connection and disconnection with the power supply according to the change in the self-bias.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing a digital-analog converter according to Embodiment 1 of the present disclosure
  • FIG. FIG. 4 is a table showing possible patterns of current values when the digital-analog converter according to Embodiment 1 of the present disclosure is configured with four bit elements
  • FIG. FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of the 1-bit element of the digital-analog converter according to Embodiment 1 of the present disclosure
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing a digital-analog converter according to Embodiment 1 of the present disclosure.
  • the digital-analog converter 1 is, for example, a high-frequency digital-analog converter.
  • the digital-to-analog converter 1 includes a plurality of 1-bit elements 10 that respectively output currents corresponding to the values indicated by the digital signals, and a capacitive load 70 connected to the plurality of 1-bit elements 10. , provided.
  • the value indicated by the digital signal is a voltage value or a value indicating on/off of the switch.
  • the digital-to-analog converter 1 is configured to generate an analog voltage waveform on a capacitive load 70 that receives current output from the plurality of 1-bit devices 10 .
  • the digital-to-analog converter 1 includes a 1-bit element 10, an input terminal 20, a power supply terminal 30, a bit unit output terminal 50, an output terminal 60, and a capacitive load 70.
  • the 1-bit element 10 shown in FIG. 1 is composed of an arbitrary number of 1-bit elements 10-1, 10-2, 10-3, 10-4, . . . 10-N.
  • the number N of 1-bit elements 10 is an arbitrary number set in advance according to the analog signal to be output by the digital-to-analog converter.
  • the n-th 1-bit element is referred to as the n-th 1-bit element as required.
  • n is any number from 1 to N;
  • Each of the n-th 1-bit elements 10-n outputs a current corresponding to the value indicated by the digital signal when the digital signal is input.
  • Each n-th 1-bit element 10-n changes the self-bias in the 1-bit element according to the value indicated by the input digital signal, and the switching circuit switches connection and disconnection with the power supply according to the change in self-bias.
  • the switching circuit in the n-th 1-bit element 10-n comprises a current supply switch 41, a current discharge switch 42, and a control switch 43, for example, as shown in the first 1-bit element 10-1 of FIG. . A detailed example thereof will be described later.
  • the input terminal 20 is a terminal for inputting a digital signal to each 1-bit element.
  • the input terminals 20 shown in FIG. 1 include a first input terminal 20-1, a second input terminal 20-2, a third input terminal 20-3, a fourth input terminal 20-4, . , N-th input terminal 20-N.
  • a first input terminal 20-1 is provided to the first 1-bit element 10-1.
  • the second input terminal 20-2 is provided to the second 1-bit element 10-2
  • the third input terminal 20-3 is provided to the third 1-bit element 10-3
  • the 4 input terminals 20-4 are provided to the fourth 1-bit element 10-4, . . .
  • the Nth input terminal 20-N is provided to the Nth 1-bit element 10-N.
  • the power supply terminal 30 is a terminal connected to each of the 1-bit elements 10-1, 10-2, 10-3, 10-4, . . . 10-N and used in common.
  • the bit unit output terminal 50 is a terminal for outputting a signal from each of the 1-bit elements 10-1, 10-2, 10-3, 10-4, . . . 10-N.
  • the bit unit output terminals 50 shown in FIG. 1 include a first bit unit output terminal 50-1, a second bit unit output terminal 50-2, a third bit unit output terminal 50-3, and a fourth bit unit output. Terminals 50-4, . . . , Nth bit unit output terminals 50-N.
  • a first bit unit output terminal 50-1 is provided to the first bit element 10-1.
  • a second bit-unit output terminal 50-2 is provided for the second 1-bit element 10-2, and a third bit-unit output terminal 50-3 is provided for the third 1-bit element 10-3.
  • the fourth bit-unit output terminal 50-4 is provided to the fourth 1-bit element 10-4, . . . 10-N.
  • the output terminal 60 is the bit unit output terminals 50-1, 50-2, 50-3, 50- of the 1-bit elements 10-1, 10-2, 10-3, 10-4, . 4, . . . , 50-N are connected in parallel. Also, the output terminal 60 is connected to a capacitive load 70 . That is, the output terminal 60 connects the 1-bit elements 10-1, 10-2, 10-3, 10-4, .
  • One of the capacitive loads 70 is connected to the 1-bit elements 10-1, 10-2, 10-3, 10-4, . there is
  • the current supply switch 41 in the switching circuit of the n-th 1-bit element 10-n is, for example, an N-type normally-on transistor (current supply switch transistor). If the current supply switch 41 is a normally-on transistor, a current flows from the drain terminal D to the source terminal S when a voltage of 0 V or more is applied to the gate terminal G, and the gate terminal G receives a voltage between the gate and the source. It is a transistor that switches so that current does not flow from the drain terminal D to the source terminal S when a voltage with a negative potential is applied. The current supply switch 41 switches between connection and disconnection with the power supply terminal 30, allowing current to flow from the power supply terminal 30 in the connected state, and not allowing current to flow from the power supply terminal 30 in the non-connected state.
  • N-type normally-on transistor current supply switch transistor
  • the current discharge switch 42 in the switching circuit of the n-th 1-bit element 10-n is, for example, an N-type normally-on transistor (current discharge switch transistor). If the current discharge switch 42 is a normally-on transistor, a current flows from the drain terminal D to the source terminal S when a voltage of 0 V or more is applied to the gate terminal G, and the gate terminal G flows between the gate and the source. It is a transistor that switches so that current does not flow from the drain terminal D to the source terminal S when a voltage with a negative potential is applied. A current discharge switch 42 switches charging or discharging between the 1-bit element 10-n and the capacitive load 70. FIG.
  • control switch 43 in the switching circuit of the n-th 1-bit element 10-n is, for example, an N-type normally-on transistor (control switch transistor). If the control switch 43 is a normally-on transistor, a current flows from the drain terminal D to the source terminal S when a voltage of 0 V or more is applied to the gate terminal G, and the gate terminal G receives a potential between the gate and the source. is a transistor that switches so that current does not flow from the drain terminal D to the source terminal S when a voltage is applied in which is negative. The control switch 43 disconnects the current supply switch transistor by causing the 1-bit element 10-n and the capacitive load 70 to discharge according to the value indicated by the input digital signal.
  • the transistor size of the control switch 43 is designed to be sufficiently larger than the transistor size of the current supply switch 41 and the transistor size of the current discharge switch 42 . In other words, the control switch 43 allows current to flow more easily than the current supply switch 41 and the current discharge switch 42 .
  • n-th 1-bit element 10-n As shown in the first 1-bit element 10-1 in FIG. 42 (current discharge switch transistor) is connected to the drain terminal D.
  • the source terminal S of the current discharge switch 42 (current discharge switch transistor) and the drain terminal D of the control switch 43 (control switch transistor) are connected.
  • the gate terminal G of the current supply switch 41 (current supply switch transistor), the gate terminal G of the current discharge switch 42 (current discharge switch transistor), and the current discharge and the source terminal S of the switch 42 (current discharge switch transistor) are connected.
  • the drain terminal D and the power supply terminal of the current supply switch 41 current supply switch transistor
  • the source terminal S of the current supply switch 41 current supply switch transistor
  • the drain terminal D of the current discharge switch 42 current discharge switch transistor
  • the source terminal S of the control switch 43 is grounded.
  • the gate terminal G of the control switch 43 control switch transistor
  • the n-th input terminal 20-n are connected.
  • the n-th 1-bit element 10-n charges current at the output terminal 60 when the digital signal is input from the input terminal 20-n and the digital signal indicates low voltage or off.
  • the nth 1-bit device 10-n discharges current from the output terminal 60 when the digital signal indicates a high voltage or ON.
  • the charging and discharging current values can be determined by the sizes of the transistors that constitute the current supply switch 41 and current discharge switch 42 .
  • the charging current value is determined by the size of the current supply switch transistor that constitutes the current supply switch 41 .
  • the discharge current value is determined by the size of the current discharge switch transistor that constitutes the current discharge switch 42 .
  • the value obtained by dividing the sum of the current values by the load capacitance Cout is the time differentiation or slope of the voltage.
  • the current value In from the n -th bit element is set to the current value of the following equation (2).
  • I0 is an arbitrary current value.
  • a current value I out flowing through the output terminal is represented by the following equation (3).
  • FIG. 2 is a table showing possible patterns of current values when the digital-analog converter according to the first embodiment of the present disclosure is configured with four bit elements. As shown in the table, it is possible to create different current values by 2I0 between 15I0 and -15I0 .
  • a desired analog voltage waveform can be generated by inputting a digital signal corresponding to a value obtained by differentiating a desired analog voltage waveform with respect to time.
  • FIG. 3 is a diagram explaining the operation of the 1-bit element 10 of the digital-analog converter 1 according to Embodiment 1 of the present disclosure.
  • (a), (b), (c), (d), and (e) respectively show time changes due to ON and OFF of the control switch 43 in the n-th 1-bit element 10-n.
  • the power supply voltage Vd is 30V.
  • the case of using N-type and normally-on transistors for the current supply switch 41, the current discharge switch 42, and the control switch 43 is shown.
  • FIG. 3(a) shows the state of the n-th 1-bit element 10-n just before the control switch 43 is turned on.
  • the voltage value V out appearing at the bit unit output terminal 50 of the n-th 1-bit element 10-n is 10V.
  • the current discharge switch 42 is normally on and current passes through. All the source terminals S of the switches 42 have a voltage of 10V. As a result, the voltage between these and the drain terminal D of the control switch 43 is 15V. Also, the voltage value V out appearing at the bit unit output terminal 50 is 10V.
  • FIG. 3(b) shows the state immediately after the control switch 43 is turned on from the state of FIG. 3(a).
  • the voltage applied to the gate terminal G of the current supply switch 41, the gate terminal G of the current discharge switch 42, and the source terminal S of the current discharge switch 42 changes from 10V to 0V.
  • the voltage value V out appearing at the bit unit output terminal 50 changes from 10V to 9.8V.
  • the current flowing through the control switch 43 can be divided into three components.
  • the three current components are the following (current component 1), (current component 2), and (current component 3).
  • (Current component 1) Current from power supply terminal 30 via current supply switch 41, current discharge switch 42, and control switch 43 (hereinafter referred to as "first current”).
  • (Current component 2) A current from the bit unit output terminal 50 via the current discharge switch 42 and the control switch 43 (hereinafter referred to as "second current”).
  • Current component 3) A current from a line connecting the gate terminal G of the current supply switch 41 and the gate terminal G of the current discharge switch 42 only through the control switch 43 (hereinafter referred to as "third current”). .
  • the value of the third current (4I 0 ) is the largest and the first and the value of the second current are sufficiently small relative to the value of the third current.
  • the current source of the third current is the charges accumulated at the gate terminal of the current supply switch 41 and the gate terminal of the current discharge switch 42 . Since this is discharged by the third current, the potentials of the gate terminals of the current supply switch 41 and the current discharge switch 42 drop sharply. Due to this sudden drop in potential, the voltage between the gate and source of the current supply switch 41 becomes negative. In this way, the current supply switch 41 is switched from on to off (ON ⁇ OFF) due to the change in the self-bias of the n-th 1-bit element 10-n. Then, the state shown in FIG. 3(c) is reached (OFF).
  • FIG. 3(d) shows the state immediately after the control switch 43 is turned off from the state of FIG. 3(c).
  • a current due to the potential accumulated in the bit unit output terminal 50 flows through the current discharge switch 42 .
  • the current flowing through the current discharge switch 42 is the gate terminal G of the current supply switch 41 and the gate terminal of the current discharge switch 42. Used for charging at terminal G (0V ⁇ 8.8V).
  • the current supply switch 41 is switched from off to on (OFF ⁇ ON) due to the change in self-bias of the n-th 1-bit element 10-n.
  • FIG. 3(e) shows a state in which the current supply switch 41 is turned on.
  • the bit unit output terminal 50 is charged through the current supply switch 41, and the potential at the bit unit output terminal 50 reaches the desired level. It rises with a slope (8.8V ⁇ 10V).
  • each 1-bit element 10-1, 10-2, 10-3, 10-4, . . . , 10-n, . the self-bias is changed according to the digital signal from one input terminal, and the voltage applied to the gate terminal G of the current supply switch 41 and the gate terminal G of the current discharge switch 42 is controlled to control the current supply.
  • the switch 41 and the current discharge switch 42 can be switched, the potential of the bit unit output terminal 50 can be changed, and a circuit that operates with one input terminal can be realized without providing a driver circuit.
  • a digital-to-analog converter when a digital signal is input, is connected to a plurality of 1-bit elements that respectively output currents corresponding to values indicated by the digital signal, and a plurality of 1-bit elements. and a capacitive load output from a plurality of 1-bit elements to generate an analog voltage waveform on the capacitive load that receives current output from the plurality of 1-bit elements. and a switching circuit that changes the self-bias in the 1-bit element according to the value and switches connection and disconnection with the power supply according to the change in the self-bias.
  • the switching circuit includes a current supply switch transistor that switches between connection and disconnection with the power supply, and charging or discharging between the 1-bit element and the capacitive load. a switching current discharge switch transistor, and a control switch transistor that switches the current supply switch transistor to non-connection by discharging from the 1-bit element and the capacitive load according to the value indicated by the input digital signal. .
  • the source terminal of the current supply switch transistor and the drain terminal of the current discharge switch transistor are connected, and the source terminal of the current discharge switch transistor and the control
  • the drain terminal of the switching transistor is connected, the gate terminal of the current supply switch transistor, the gate terminal of the current discharge switch transistor, and the source terminal of the current discharge switch transistor are connected, and the current supply switch transistor is connected to the drain terminal of the switch transistor.
  • the drain terminal of the transistor is connected to the power supply terminal, the source terminal of the current supply switch transistor and the drain terminal of the current discharge switch transistor are connected to the output terminal, and the source terminal of the control switch transistor is grounded and controlled.
  • the gate terminal in the switch is configured to be connected to the input terminal. This makes it possible to provide a digital-to-analog converter that achieves the same effects as those described above without complicating the circuit configuration.
  • each of the current supply switch transistor, the current discharge switch transistor, and the control switch transistor has a voltage at which the potential between the gate and the source is negative at the gate terminal. is a transistor that switches so that no current flows between the drain and source terminals when is applied.
  • any component of the embodiment can be modified or any component of the embodiment can be omitted.
  • the digital-to-analog converter according to the present disclosure can be configured with a small circuit size per 1-bit element, so it is suitable for use in, for example, a high-frequency digital-to-analog converter or a communication device including a high-frequency digital-to-analog converter. .

Landscapes

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Abstract

デジタル信号が入力されると、デジタル信号が示す値に応じた電流をそれぞれ出力する複数の1ビット素子(10-n)と、複数の1ビット素子(10-n)に接続された容量負荷(70)と、を有し、複数の1ビット素子(10-n)から出力された電流を受ける容量負荷(70)を介してアナログ電圧波形を生成する、デジタルアナログ変換器(1)において、1ビット素子(10-n)は、入力されたデジタル信号が示す値に応じて1ビット素子内の電圧のバイアスを変化させ、バイアスの変化により電源との接続および非接続を切り替えるスイッチング回路、を備える。

Description

デジタルアナログ変換機
 本開示は、デジタル信号をアナログ信号に変換するデジタルアナログ変換機に関する。
 デジタルアナログ変換機の中には、出力負荷がキャパシタ(容量負荷)であり、キャパシタには電流発生器が並列に接続されて構成されるものがある。
 このデジタルアナログ変換機は、デジタル信号を用いて、電流発生器の動作と停止とを任意に切り替えることにより、キャパシタにおいて電圧のアナログ波形を発生させる。
 このようなデジタルアナログ変換機においては、一般に、電流発生器の動作と停止とのタイミングを切り替えるために、各電流発生器にドライバ回路を有する。
 例えば、非特許文献1には、電流発生器がトランジスタで構成され、トランジスタにはトランジスタを駆動するためのドライバ回路が接続された、デジタルアナログ変換機が開示されている(非特許文献1におけるFig.3参照)。
Weiss, M., et. al. "Integrated 2-b Riemann Pump RF-DAC in GaN Technology for 5G Base Stations". 2019 IEEE International microwave symposium (IMS).
 上記のデジタルアナログ変換機においては、1つの電流発生器に対し、ドライバ回路および当該ドライバ回路へデジタル信号を入力するための入力端子が必要である。また1ビットに対しては2つの電流発生器が必要であるため、1ビットに対して二つのドライバ回路と入力端子が必要であり、回路サイズが大きい、という課題があった。
 そして、上記のデジタルアナログ変換機において、多ビット化しようとした場合、回路サイズが大きくなり、かつ、回路構成が複雑化するため、多ビット化が難しい。
 本開示は、上記課題を解決するためになされたもので、1ビット素子当たりの回路サイズが小さい、デジタルアナログ変換機を提供することを目的とする。
 本開示のデジタルアナログ変換機は、デジタル信号が入力されると、デジタル信号が示す値に応じた電流をそれぞれ出力する複数の1ビット素子と、複数の1ビット素子に接続された容量負荷と、を有し、複数の1ビット素子から出力された電流を受ける容量負荷にアナログ電圧波形を生成する、デジタルアナログ変換器において、1ビット素子は、入力されたデジタル信号が示す値に応じて1ビット素子内の自己バイアスを変化させ、自己バイアスの変化により電源との接続および非接続を切り替えるスイッチング回路、を備えるよう構成されている。
 本開示によれば、1ビット素子当たりの回路サイズが小さい、デジタルアナログ変換機を提供することができる、という効果を奏する。
本開示の実施の形態1に係るデジタルアナログ変換機を示す構成図である。 本開示の実施の形態1に係るデジタルアナログ変換機を4つのビット素子で構成した場合の電流値の取り得るパターンを表した表である。 本開示の実施の形態1に係るデジタルアナログ変換機の1ビット素子の動作を説明する図である。
 以下、本開示をより詳細に説明するために、本開示を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態1.
 図1は、本開示の実施の形態1に係るデジタルアナログ変換機を示す構成図である。
 デジタルアナログ変換機1は、例えば、高周波用のデジタルアナログ変換機である。
 デジタルアナログ変換機1は、デジタル信号が入力されると、デジタル信号が示す値に応じた電流をそれぞれ出力する複数の1ビット素子10、および、複数の1ビット素子10に接続された容量負荷70、を備える。
 デジタル信号が示す値は、電圧値、または、スイッチのオンオフを示す値である。
 デジタルアナログ変換機1は、複数の1ビット素子10から出力された電流を受ける容量負荷70にアナログ電圧波形を生成するように構成されている。
 デジタルアナログ変換機1は、1ビット素子10、入力端子20、電源端子30、ビット単位出力端子50、出力端子60、および、容量負荷70、を備える。
 図1に示す1ビット素子10は、任意の数の1ビット素子10-1,10-2,10-3,10-4,・・・10-Nから構成される。
 1ビット素子10の個数Nは、デジタルアナログ変換機により出力させたいアナログ信号に応じて、予め設定される任意の数である。
 説明においては、必要に応じて、N個の1ビット素子のうち、第n番目の1ビット素子を第nの1ビット素子と記載する。nは、1からNまでの数字のうちのいずれかの数字である。
 第nの1ビット素子10-nはそれぞれ、デジタル信号が入力されると、デジタル信号が示す値に応じた電流をそれぞれ出力するものである。
 第nの1ビット素子10-nはそれぞれ、入力されたデジタル信号が示す値に応じて1ビット素子内の自己バイアスを変化させ、自己バイアスの変化により電源との接続および非接続を切り替えるスイッチング回路を備える。
 第nの1ビット素子10-nにおけるスイッチング回路は、例えば、図1の第1の1ビット素子10-1に示されるように、電流供給スイッチ41、電流放電スイッチ42、および制御スイッチ43を備える。
 その詳細な一例は、後述する。
 入力端子20は、1ビット素子にそれぞれデジタル信号を入力させるための端子である。
図1に示す入力端子20は、第1の入力端子20-1、第2の入力端子20-2、第3の入力端子20-3、第4の入力端子20-4、・・・、および、第Nの入力端子20-Nから構成される。
 第1の入力端子20-1は、第1の1ビット素子10-1に設けられる。同様に、第2の入力端子20-2は、第2の1ビット素子10-2に設けられ、第3の入力端子20-3は、第3の1ビット素子10-3に設けられ、第4の入力端子20-4は、第4の1ビット素子10-4に設けられ、・・・、第Nの入力端子20-Nは、第Nの1ビット素子10-Nに設けられる。
 電源端子30は、各1ビット素子10-1,10-2,10-3,10-4,・・・10-Nそれぞれに接続され、共通に使用される端子である。
 ビット単位出力端子50は、1ビット素子10-1,10-2,10-3,10-4,・・・10-Nそれぞれから信号を出力するための端子である。
 図1に示すビット単位出力端子50は、第1のビット単位出力端子50-1、第2のビット単位出力端子50-2、第3のビット単位出力端子50-3、第4のビット単位出力端子50-4、・・・、第Nのビット単位出力端子50-Nから構成される。
 第1のビット単位出力端子50-1は、第1のビット素子10-1に設けられる。同様に、第2のビット単位出力端子50-2は、第2の1ビット素子10-2に設けられ、第3のビット単位出力端子50-3は、第3の1ビット素子10-3に設けられ、第4のビット単位出力端子50-4は、第4の1ビット素子10-4に設けられ、・・・、第Nのビット単位出力端子50-Nは、第Nの1ビット素子10-Nに設けられる。
 出力端子60は、各1ビット素子10-1,10-2,10-3,10-4,・・・10-Nのビット単位出力端子50-1,50-2,50-3,50-4,・・・,50-Nを並列に接続する端子である。
 また、出力端子60は、容量負荷70と接続する。
 すなわち、出力端子60は、各1ビット素子10-1,10-2,10-3,10-4,・・・10-Nと、容量負荷70と、を接続する。
 容量負荷70は、一方が出力端子60を介して各1ビット素子10-1,10-2,10-3,10-4,・・・10-Nに接続されており、他方が接地している。
 第nの1ビット素子10-nの詳細な一例を説明する。
 図1において、第nの1ビット素子10-nのスイッチング回路における電流供給スイッチ41は、例えば、N型かつノーマリオン型のトランジスタ(電流供給スイッチ用トランジスタ)である。
 電流供給スイッチ41は、ノーマリオン型のトランジスタである場合、ゲート端子Gに0V以上の電圧が印加されている状態においてドレイン端子Dからソース端子Sへ電流が流れ、ゲート端子Gにゲート・ソース間電位が負となる電圧が印加されるとドレイン端子Dからソース端子Sへ電流が流れなくなるように切り替えるトランジスタである。
 電流供給スイッチ41は、電源端子30との接続および非接続を切り替え、接続の状態において電源端子30から電流を通し、非接続の状態において電源端子30から電流を通さない。
 同様に、第nの1ビット素子10-nのスイッチング回路における電流放電スイッチ42は、例えば、N型かつノーマリオン型のトランジスタ(電流放電スイッチ用トランジスタ)である。
 電流放電スイッチ42は、ノーマリオン型のトランジスタである場合、ゲート端子Gに0V以上の電圧が印加されている状態においてドレイン端子Dからソース端子Sへ電流が流れ、ゲート端子Gにゲート・ソース間電位が負となる電圧が印加されるとドレイン端子Dからソース端子Sへ電流が流れなくなるように切り替えるトランジスタである。
 電流放電スイッチ42は、1ビット素子10-n内と容量負荷70との間で充電または放電を切り替える。
 同様に、第nの1ビット素子10-nのスイッチング回路における制御スイッチ43は、例えば、N型かつノーマリオン型のトランジスタ(制御スイッチ用トランジスタ)である。
 制御スイッチ43は、ノーマリオン型のトランジスタである場合、ゲート端子Gに0V以上の電圧が印加されている状態においてドレイン端子Dからソース端子Sへ電流が流れ、ゲート端子Gにゲート・ソース間電位が負となる電圧が印加されるとドレイン端子Dからソース端子Sへ電流が流れなくなるように切り替えるトランジスタである。
 制御スイッチ43は、入力されたデジタル信号が示す値に応じて、1ビット素子10-n内および容量負荷70からそれぞれ放電させることにより、電流供給スイッチ用トランジスタを非接続に切り替える。
 制御スイッチ43のトランジスタのサイズは、電流供給スイッチ41のトランジスタのサイズおよび電流放電スイッチ42のトランジスタのサイズに比べて、十分大きく設計される。言い換えると、制御スイッチ43は、電流供給スイッチ41および電流放電スイッチ42に比べて、電流が流れやすくなっている。
 第nの1ビット素子10-nにおいては、図1の第1の1ビット素子10-1に示されるように、電流供給スイッチ41(電流供給スイッチ用トランジスタ)におけるソース端子Sと、電流放電スイッチ42(電流放電スイッチ用トランジスタ)におけるドレイン端子Dとが接続されている。
 また、第nの1ビット素子10-nにおいては、電流放電スイッチ42(電流放電スイッチ用トランジスタ)におけるソース端子Sと、制御スイッチ43(制御スイッチ用トランジスタ)におけるドレイン端子Dと、が接続されている。
 また、第nの1ビット素子10-nにおいては、電流供給スイッチ41(電流供給スイッチ用トランジスタ)におけるゲート端子Gと、電流放電スイッチ42(電流放電スイッチ用トランジスタ)におけるゲート端子Gと、電流放電スイッチ42(電流放電スイッチ用トランジスタ)におけるソース端子Sと、が接続されている。
 また、第nの1ビット素子10-nにおいては、電流供給スイッチ41(電流供給スイッチ用トランジスタ)におけるドレイン端子Dと電源端子と、が接続されている
 また、第nの1ビット素子10-nにおいては、電流供給スイッチ41(電流供給スイッチ用トランジスタ)におけるソース端子S、および、電流放電スイッチ42(電流放電スイッチ用トランジスタ)におけるドレイン端子Dが、第nのビット単位出力端子50-nおよび出力端子60に接続されている。
 また、第nの1ビット素子10-nにおいては、制御スイッチ43(制御スイッチ用トランジスタ)におけるソース端子Sは、接地されている。
また、第nの1ビット素子10-nにおいては、制御スイッチ43(制御スイッチ用トランジスタ)におけるゲート端子Gと、第nの入力端子20-nと、が接続されている。
 次に、デジタルアナログ変換機1の動作について説明する。
 第nの1ビット素子10-nは、入力端子20-nからデジタル信号が入力されると、デジタル信号が低電圧またはオフを示す場合に、出力端子60において電流を充電する。
 一方、第nの1ビット素子10-nは、デジタル信号が高電圧またはオンを示す場合に、出力端子60から電流を放電する。
 充電および放電の電流値は、電流供給スイッチ41および電流放電スイッチ42を構成するトランジスタのサイズによって決めることができる。
 具体的には、充電の電流値は、電流供給スイッチ41を構成する電流供給スイッチ用トランジスタのサイズによって決定される。また、放電の電流値は、電流放電スイッチ42を構成する電流放電スイッチ用トランジスタのサイズによって決定される。
 電流供給スイッチ用トランジスタのサイズと電流放電スイッチ用トランジスタのサイズとを非同一にすることは可能であるが、説明においては、同一の場合について説明する。
 1ビット素子10における各1ビット素子10-1,10-2,10-3,10-4,・・・10-Nそれぞれからの電流供給量が電流放電量を上回ると、出力端子60における電圧値は上昇する。
 1ビット素子10における各1ビット素子10-1,10-2,10-3,10-4,・・・10-Nそれぞれからの電流供給量が電流放電量を下回ると、出力端子60における電圧値は下降する。
 ここで各ビット素子10-1,10-2,10-3,10-4,・・・,10-n,・・・,10-Nからの電流値をI1,I2,I3,・・・,In,・・・,INとすると、出力端子60に現れる電圧値Voutは、容量負荷70をCout、時刻をtとした場合に、以下の式で表される。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
 式(1)を微分すると、電流値の総和を負荷容量Coutで割った値が電圧の時間微分または傾きとなることがわかる。
 したがって、各ビット素子10-1,10-2,10-3,10-4,・・・,10-n,・・・,10-Nからの電流値を互いに異なる値とすることにより、2のN乗通りの電流値を作り出すことが可能で、それに伴い、2のN乗通りの電圧の時間微分または傾きを作り出すことが可能である。
 各ビットの電流値の設定の一例として以下の方法がある。
 第nのビット素子からの電流値Iを以下の式(2)の電流値に設定する。

=2n-1                           (2)
 ここで、Iは任意の電流値である。第nビットのデジタル入力値をDとし、オンの場合は、D=1、オフの場合は、D=0とする。出力端子に流れる電流値Ioutは以下の式(3)で表される。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
 式(3)のように設定すれば、(2-1)Iから-(2-1)Iまでの電流値で2Iずつ電流値が異なる値を作り出すことが可能である。
 図2は、本開示の実施の形態1に係るデジタルアナログ変換機を4つのビット素子で構成した場合の電流値の取り得るパターンを表した表である。
表に示すように15Iから-15Iまでの間で2Iずつ電流値が異なる値を作り出すことが可能であることがわかる。
 このように、有限で複数の電流値を作り出すことができることから、式(1)により任意の電圧波形を、デジタル信号によって作り出すことが可能である。具体的には、所望のアナログ電圧波形を時間微分した値に対応するデジタル信号を入力することにより、所望のアナログ電圧波形を生成可能である。
 次に、1ビット素子10の動作について説明する。
 図3は、本開示の実施の形態1に係るデジタルアナログ変換機1の1ビット素子10の動作を説明する図である。図3において、(a)、(b)、(c)、(d)、(e)は、それぞれ、第nの1ビット素子10-nにおける制御スイッチ43のオンおよびオフによる時間変化を示している。以下、説明において、それぞれ図3(a)、図3(b)、図3(c)、図3(d)、図3(e)と記載する。
 説明においては、電源電圧Vが30Vの場合を示す。
 また、説明においては、電流供給スイッチ41、電流放電スイッチ42、および、制御スイッチ43に、N型かつノーマリオン型のトランジスタを用いた場合を示す。
 図3(a)は、制御スイッチ43をオンにする直前の第nの1ビット素子10-nにおける状態を示す。
 図3(a)に示す状態においては、第nの1ビット素子10-nのビット単位出力端子50に現れる電圧値Voutが10Vになっている。
 また、図3(a)に示す状態においては、電流放電スイッチ42がノーマリオンであって電流が通る状態であり、電流供給スイッチ41におけるゲート端子Gと電流放電スイッチ42におけるゲート端子Gと電流放電スイッチ42におけるソース端子Sにおいてはいずれも、電圧が10Vになっている。これにより、これらと、制御スイッチ43におけるドレイン端子Dとの間においては、電圧が15Vになっている。また、ビット単位出力端子50に現れる電圧値Voutは、10Vになっている。
 図3(b)は、図3(a)の状態から、制御スイッチ43をオンにした直後の状態を示す。
 制御スイッチ43をオンにすると、すべてのスイッチ(電流供給スイッチ41、電流放電スイッチ42、および、制御スイッチ43)がオンになるため、制御スイッチ43を介して接地(Vs=0V)へ電流が流れる(図3(b)における「4I」、「<I」(「<I」は、Iから徐々に減っていきゼロになることを示す)、「I」、「5I」)。また、電流供給スイッチ41におけるゲート端子Gと電流放電スイッチ42におけるゲート端子Gと電流放電スイッチ42におけるソース端子Sに加わる電圧は、10Vから0Vに変化する。また、ビット単位出力端子50に現れる電圧値Voutは、10Vから9.8Vに変化する。
 この際、制御スイッチ43を介して流れる電流は、3つの成分に分けることができる。3つの成分の電流とは、以下の(電流成分1)、(電流成分2)、(電流成分3)である。

 (電流成分1)電源端子30から、電流供給スイッチ41、電流放電スイッチ42、制御スイッチ43を介した電流(以下、「第1の電流」と記載する)。

 (電流成分2)ビット単位出力端子50から、電流放電スイッチ42、制御スイッチ43を介した電流(以下、「第2の電流」と記載する。)。

 (電流成分3)電流供給スイッチ41のゲート端子Gおよび電流放電スイッチ42のゲート端子Gを接続する線から、制御スイッチ43のみを介した電流(以下、「第3の電流」と記載する。)。
 制御スイッチ43のトランジスタサイズが、電流放電スイッチ42のトランジスタサイズおよび電流供給スイッチ41のトランジスタサイズよりも十分に大きく設計されているため、第3の電流の値(4I)は最も大きく、第1の電流の値および第2の電流の値は第3の電流の値に対して十分に小さい。
 そして、第3の電流の電流源は、電流供給スイッチ41のゲート端と電流放電スイッチ42のゲート端に蓄積されている電荷である。
 これが第3の電流によって放電されるため、電流供給スイッチ41のゲート端および電流放電スイッチ42のゲート端の電位は急降下する。この電位が急降下することにより、電流供給スイッチ41のゲート・ソース間の電圧は、マイナスに大きくなる。
 このようにして、第nの1ビット素子10-nの自己バイアスの変化により、電流供給スイッチ41は、オンからオフに切り替わる(ON→OFF)。そして、図3(c)に示す状態になる(OFF)。
 次に、電流供給スイッチ41がオフになるため、電源端子30から接地(Vs=0V)までの電流経路が閉じられる。これにより、電流放電スイッチ42を介して、ビット単位出力端子50(および出力端子60)に蓄積された電位が放電され、電位が所望の傾きで下降していく(Vout 9.8V→9V)。
 次に、第nの1ビット素子10-nに入力されたデジタル信号により、制御スイッチ43がオフになる。
 図3(d)は、図3(c)の状態から、制御スイッチ43をオフにした直後の状態を示す。
 まず、ビット単位出力端子50に蓄積された電位による電流が、電流放電スイッチ42を介して流れる。
 ここで、第nの1ビット素子10-nにおいて制御スイッチ43がオフになっているため、電流放電スイッチ42を介して流れる電流は、電流供給スイッチ41のゲート端子Gおよび電流放電スイッチ42のゲート端子Gにおける充電(0V→8.8V)に使用される。
 そして、これにより、電流供給スイッチ41は、第nの1ビット素子10-nの自己バイアスの変化によりオフからオンに切り替わる(OFF→ON)。
 図3(e)は、電流供給スイッチ41がオンに切り替わった状態を示す。
 第nの1ビット素子10-nにおいては、電流供給スイッチ41がオンになっているため、電流供給スイッチ41を介してビット単位出力端子50に充電され、ビット単位出力端子50における電位が所望の傾きで上昇する(8.8V→10V)。
 次に制御スイッチ43がオンに切り替わると、図3(e)の状態から図3(b)の状態に戻る。
 上記のように動作することにより、デジタルアナログ変換機1の各1ビット素子10-1,10-2,10-3,10-4,・・・,10-n,・・・,10-Nにおいて、1つの入力端子からのデジタル信号に応じて、それぞれ自己バイアスが変化して、電流供給スイッチ41のゲート端子Gおよび電流放電スイッチ42のゲート端子Gに印加する電圧を制御して、電流供給スイッチ41および電流放電スイッチ42を切り替えることができ、ビット単位出力端子50の電位を変化させることができ、ドライバ回路を設けることなく、1つの入力端子で動作する回路を実現できる。
 本開示の実施の形態1に係るデジタルアナログ変換機は、デジタル信号が入力されると、デジタル信号が示す値に応じた電流をそれぞれ出力する複数の1ビット素子と、複数の1ビット素子に接続された容量負荷と、を有し、複数の1ビット素子から出力された電流を受ける容量負荷にアナログ電圧波形を生成する、デジタルアナログ変換器において、1ビット素子は、入力されたデジタル信号が示す値に応じて1ビット素子内の自己バイアスを変化させ、自己バイアスの変化により電源との接続および非接続を切り替えるスイッチング回路、を備えるように構成した。
 これにより、1ビット素子当たりの回路サイズが小さい、デジタルアナログ変換機を提供できる、という効果を奏する。
 また、1ビット素子当たりの回路サイズが小さいため、多ビット化することが容易になる。
 本開示の実施の形態1に係るデジタルアナログ変換機において、スイッチング回路は、電源との接続および非接続を切り替える電流供給スイッチ用トランジスタと、1ビット素子内と容量負荷との間で充電または放電を切り替える電流放電スイッチ用トランジスタと、入力されたデジタル信号が示す値に応じて、1ビット素子内および容量負荷からそれぞれ放電させることにより、電流供給スイッチ用トランジスタを非接続に切り替える、制御スイッチ用トランジスタと、を備えるように構成した。
 これにより、上記効果と同様の効果を奏する、デジタルアナログ変換機を提供できる。
 本開示の実施の形態1に係るデジタルアナログ変換機は、電流供給スイッチ用トランジスタにおけるソース端子と、電流放電スイッチ用トランジスタにおけるドレイン端子と、が接続され、電流放電スイッチ用トランジスタにおけるソース端子と、制御スイッチ用トランジスタにおけるドレイン端子と、が接続され、電流供給スイッチ用トランジスタにおけるゲート端子と、電流放電スイッチ用トランジスタにおけるゲート端子と、電流放電スイッチ用トランジスタにおけるソース端子と、が接続され、電流供給スイッチ用トランジスタにおけるドレイン端子は、電源端子に接続され、電流供給スイッチ用トランジスタにおけるソース端子および電流放電スイッチ用トランジスタにおけるドレイン端子は、出力端子に接続され、制御スイッチ用トランジスタにおけるソース端子は、接地され、制御スイッチにおけるゲート端子は、入力端子に接続されている、ように構成した。
 これにより、回路構成を複雑化することなく、上記効果と同様の効果を奏する、デジタルアナログ変換機を提供できる。
 本開示の実施の形態1に係るデジタルアナログ変換機は、電流供給スイッチ用トランジスタ、電流放電スイッチ用トランジスタ、および、制御スイッチ用トランジスタ、はそれぞれ、ゲート端子にゲート・ソース間電位が負となる電圧が印加されるとドレイン端子とソース端子との間に電流を流さないよう切り替えるトランジスタである、ように構成した。
 これにより、より簡易な構成で、上記効果と同様の効果を奏する、デジタルアナログ変換機を提供できる。
 なお、本開示は、その開示の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、若しくは、実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。
 本開示に係るデジタルアナログ変換機は、1ビット素子当たりの回路サイズを小さく構成できるので、例えば、高周波デジタルアナログ変換機、または、高周波デジタルアナログ変換機を含む通信装置等に用いるのに適している。
 1 デジタルアナログ変換機、10 1ビット素子、10-1 第1の1ビット素子、10-2 第2の1ビット素子、10-3 第3の1ビット素子、10-4 第4の1ビット素子、10-N 第Nの1ビット素子、20 入力端子、20-1 第1の入力端子、20-2 第2の入力端子、20-3 第3の入力端子、20-4 第4の入力端子、20-N 第Nの入力端子、30 電源端子、41 電流供給スイッチ、42 電流放電スイッチ、43 制御スイッチ、50 ビット単位出力端子、50-1 第1のビット単位出力端子、50-2 第2のビット単位出力端子、50-3 第3のビット単位出力端子、50-4 第4のビット単位出力端子、50-N 第Nのビット単位出力端子、60 出力端子、70 容量負荷。

Claims (4)

  1.  デジタル信号が入力されると、当該デジタル信号が示す値に応じた電流をそれぞれ出力する複数の1ビット素子と、当該複数の1ビット素子に接続された容量負荷と、を有し、
     複数の1ビット素子から出力された電流を受ける前記容量負荷を介してアナログ電圧波形を生成する、デジタルアナログ変換器において、
     前記1ビット素子は、入力されたデジタル信号が示す値に応じて1ビット素子内の電圧のバイアスを変化させ、バイアスの変化により電源との接続および非接続を切り替えるスイッチング回路、を備えることを特徴とするデジタルアナログ変換機。
  2.  前記スイッチング回路は、
     電源との接続および非接続を切り替える電流供給スイッチ用トランジスタと、
     前記1ビット素子内と前記容量負荷との間で充電または放電を切り替える電流放電スイッチ用トランジスタと、
     入力されたデジタル信号が示す値に応じて、前記1ビット素子内および前記容量負荷からそれぞれ放電させることにより、前記電流供給スイッチ用トランジスタを非接続に切り替える、制御スイッチ用トランジスタと、
     を備える、請求項1に記載のデジタルアナログ変換機。
  3.  前記電流供給スイッチ用トランジスタにおけるソース端子と、前記電流放電スイッチ用トランジスタにおけるドレイン端子と、が接続され、
     前記電流放電スイッチ用トランジスタにおけるソース端子と、前記制御スイッチ用トランジスタにおけるドレイン端子と、が接続され、
     前記電流供給スイッチ用トランジスタにおけるゲート端子と、前記電流放電スイッチ用トランジスタにおけるゲート端子と、前記電流放電スイッチ用トランジスタにおけるソース端子と、が接続され、
     前記電流供給スイッチ用トランジスタにおけるドレイン端子は、電源端子に接続され、
     前記電流供給スイッチ用トランジスタにおけるソース端子および前記電流放電スイッチ用トランジスタにおけるドレイン端子は、出力端子に接続され、
     前記制御スイッチ用トランジスタにおけるソース端子は、接地され、
     前記制御スイッチ用トランジスタにおけるゲート端子は、入力端子に接続されている、
     請求項2に記載のデジタルアナログ変換機。
  4.  前記電流供給スイッチ用トランジスタ、前記電流放電スイッチ用トランジスタ、および、前記制御スイッチ用トランジスタ、はそれぞれ、ゲート端子にゲート・ソース間電位が負となる電圧が印加されるとドレイン端子とソース端子との間に電流を流さないよう切り替えるトランジスタである、
     ことを特徴とする請求項2または請求項3に記載のデジタルアナログ変換機。
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