JPH05300022A - 比較器およびそれを用いたａ／ｄ変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 消費電力が小さく、しかも入力信号の周波数
が高いときにも誤差の発生しない比較器およびＡ/Ｄ 変
換器を得ること。消費電力が小さく、しかも比較期間が
短いときにも誤差の発生しない比較器およびＡ/Ｄ 変換
器を得ること。 【構成】 容量４と、容量４の一端と入力信号１との間
を開閉する第１のアナログスイッチ３Ａと、容量４の第
１のアナログスイッチ３Ａが接続されている一端と参照
電圧２との間を開閉する第２のアナログスイッチ３Ｂ
と、容量４の他の一端を入力とする反転増幅器５と、反
転増幅器５の入力端と出力端との間を開閉する第３のア
ナログスイッチ３Ｃとを備え、第１のアナログスイッチ
３Ａの電源電圧が、反転増幅器５の電源電圧よりも高い
ことを特徴とする比較器である。アナログスイッチ３Ａ
には高い電圧を与えて導通抵抗を下げ、入力信号１の周
波数が高いときや比較期間が短い時にも誤差が発生しな
いようにし、反転増幅器５には低い電圧を与えて、入力
期間での消費電力を減少させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、入力信号と参照電圧の
電圧を比較する比較器と、アナログ信号をディジタル信
号に変換するＡ/Ｄ変換器とに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の比較器の構成の一例を図１に示
す。アナログスイッチ３Ａ,３Ｂ,３Ｃは、例えば図２の
ように、２個のＣＭＯＳインバータとｎＭＯＳおよびｐ
ＭＯＳのトランジスタとによって構成する。反転増幅器
５は例えば図３のようにＣＭＯＳのインバータによって
構成する。各アナログスイッチおよび反転増幅器の接地
電圧および電源電圧は通常０Ｖ及び５Ｖであり、それぞ
れ等しい。また１は入力電圧、２は参照電圧、４は容量
を示す。この比較器のタイミングチャートを図６に示
す。入力期間には、アナログスイッチ３Ａを通して入力
信号１が容量４の一端に与えられる。一方、アナログス
イッチ３Ｃによって反転増幅器５の入力端と出力端とが
接続されるので、容量４の他の一端は反転増幅器５のし
きい値電圧となる。したがって、容量４には、これら２
つの電圧の差が保持される。続いて比較期間には、アナ
ログスイッチ３Ｂを通して入力信号１が容量４の一端に
与えられる。参照電圧２の方が入力信号１よりも高い場
合にはこの一端の電圧は上昇し、逆の場合には下降す
る。容量４が保持している電圧は入力期間でない時、つ
まり入力期間での終了後は一定となるから、前記の上
昇、下降に沿って、反転増幅器の入力端の電圧も上昇ま
たは下降する。反転増幅器の入力端の電圧が上昇する
と、この一端の電圧は反転増幅器のしきい値電圧よりも
高くなるので、反転増幅器はＬレベルのディジタル信号
を出力する。逆の場合はＨレベルを出力する。このよう
にして、比較が行われる。

【０００３】従来のＡ/Ｄ変換器の構成の一例を図４に
示す。これは、２ビットのＡ/Ｄ変換器である。比較器
６Ａ,６Ｂ,６Ｃは、図１で説明した比較器である。制御
信号８Ａは、各比較器内のアナログスイッチ３Ａを同時
に制御する。制御信号８Ｂ,８Ｃも同様に、アナログス
イッチ３Ｂ,３Ｃを制御する。入力信号１は、各比較器
に与えられる。参照電圧２Ａ,２Ｂは、抵抗により４分
圧されて比較器にそれぞれ与えられる。この比較器のタ
イミングチャートは同様に図６で表わせる。各比較器
は、それぞれ入力信号１と与えられた参照電圧とを比較
し、その結果をエンコーダ７に与える。エンコーダ７
は、各比較器から与えられた結果をもとに、４分圧され
た参照電圧のどの隣合う２つの間に入力信号１が入って
いたかを求める。このようにしてＡ/Ｄ変換が行われ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図１の比較器の入力期
間には、反転増幅器５の入力端の電圧はこの増幅器のし
きい値電圧となる。したがって、図３のような構成の反
転増幅器の場合、ｎＭＯＳトランジスタとｐＭＯＳトラ
ンジスタが共に導通状態となり、電源から接地に向かっ
て電流が流れる。この電流値と電源電圧値との積で表さ
れる電力が無駄に消費されるという問題があった。これ
が第１の問題点である。ここで、反転増幅器５は、比較
器が比較期間から入力期間に移行する際には、一定時間
内に反転増幅器５の入力端や出力端に存在する浮遊容量
および容量４を反転増幅器５のしきい値電圧まで充電ま
たは放電する必要があり、比較期間中には、一定時間内
に反転増幅器５の出力端に存在する浮遊容量をＨレベル
またはＬレベルのディジタル値まで充電または放電する
必要がある。したがって、この電流の量は、必要とする
比較器の速度に応じて定まり、それ以下にすることはで
きない。

【０００５】また、図１の比較器の入力期間には、アナ
ログスイッチ３Ａを通して容量４に入力信号１が伝えら
れる。ところが図２のような構成のアナログスイッチの
場合、その導通抵抗は無視できない値であり、導通抵抗
と容量４およびその周辺の回路がローパスフィルタを形
成してしまう。そのローパスフィルタの遮断周波数は、
アナログスイッチ３Ａの導通抵抗の値と容量４の値との
積にほぼ反比例する。入力信号１の周波数がローパスフ
ィルタの遮断周波数よりも高い場合には入力信号１の振
幅に対して容量４の一端の電圧の振幅が小さくなり、比
較器に誤差が発生するという問題があった。これが、第
２の問題点である。

【０００６】さらに、図１の比較器の比較期間には、ア
ナログスイッチ３Ｂを通して容量４に参照電圧２が伝え
られる。ところが図２のような構成のアナログスイッチ
の場合、その導通抵抗は無視できない値であり、導通抵
抗と容量４およびその周辺の回路がＲＣ直列の時定数回
路を形成してしまう。その時定数回路の時定数は、アナ
ログスイッチ３Ｂの導通抵抗の値と容量４の値との積に
ほぼ比例する。比較期間がこの時定数よりも短い場合に
は、比較期間が終了するまでに容量４の一端の電圧が所
望の電圧に至らず、比較器に誤差が発生するという問題
があった。これが、第３の問題点である。

【０００７】第２，第３の問題点については、トランジ
スタのチャネル幅を大きくして導通抵抗を小さくして解
決することはできるが、その場合は、回路面積の増大、
ゲート容量の増加による消費電力の増加、電源ノイズの
増加などの問題が発生する。

【０００８】また、このような問題点を持つ比較器を使
用したＡ/Ｄ変換器にも、同様の問題点があった。

【０００９】また、従来は単一の電源を使用していたの
で、これらの解決策は相反し、第１，第２，第３の問題
点を同時に解決することはできなかった。

【００１０】本発明は、以上のような従来の比較器およ
びＡ/Ｄ変換器の欠点について考案研究した結果により
なされたものであり、消費電力が小さく、しかも、入力
信号の周波数が高い場合にも誤差の発生しない比較器お
よびＡ/Ｄ変換器を提供すること、および、消費電力が
小さく、しかも、比較期間が短い場合にも誤差の発生し
ない比較器およびＡ/Ｄ変換器を提供することを目的と
している。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決するため、請求項１の比較器は、容量と、前記容量
の一端と入力信号との間を開閉する第１のアナログスイ
ッチと、前記容量の前記第１のアナログスイッチが接続
されている一端と参照電圧との間を開閉する第２のアナ
ログスイッチと、前記容量の他の一端を入力とする反転
増幅器と、前記反転増幅器の入力端と出力端との間を開
閉する第３のアナログスイッチとを備え、前記第１のア
ナログスイッチの電源電圧が、前記反転増幅器の電源電
圧よりも高いことを特徴とするものである。

【００１２】請求項２の比較器は、上記構成の比較器に
おいて、第２のアナログスイッチの電源電圧が、前記反
転増幅器の電源電圧よりも高いことを特徴とするもので
ある。

【００１３】請求項３のＡ/Ｄ変換器は、請求項１記載
の比較器を複数個備え、それぞれの比較器の第１のアナ
ログスイッチの制御信号を共通とし、それぞれの比較器
の第２のアナログスイッチの制御信号を共通とし、それ
ぞれの比較器の第３のアナログスイッチの制御信号を共
通とし、それぞれの比較器の入力信号を共通とし、それ
ぞれの比較器の参照電圧を互いに異なる電圧とすること
を特徴とするものである。

【００１４】請求項４のＡ/Ｄ変換器は、上記構成のＡ/
Ｄ変換器において、比較器は請求項２の比較器であるこ
とを特徴とするものである。

【００１５】

【作用】請求項１の比較器は、上述の構成により、第１
のアナログスイッチに高い電源電圧を供給することによ
って導通抵抗を減少させ、入力信号の周波数が高い時に
も、比較器に誤差が発生しないようにする。また、反転
増幅器には低い電源電圧を供給することによって、比較
器が入力状態にあるときの消費電力を減少させる。

【００１６】請求項２の比較器は、上述の構成により、
第２のアナログスイッチに高い電源電圧を供給すること
によって導通抵抗を減少させ、比較期間が短い時にも、
比較器に誤差が発生しないようにする。また、反転増幅
器には低い電源電圧を供給することによって、比較器が
入力状態にあるときの消費電力を減少させる。

【００１７】請求項３のＡ/Ｄ変換器は、上述の構成に
より、請求項１の比較器を用いてＡ/Ｄ変換器を構成す
ることにより、入力信号の周波数が高い時にも、比較器
に誤差が発生しないようにし、また、入力状態にあると
きの消費電力を減少させる。

【００１８】請求項４のＡ/Ｄ変換器は、上述の構成に
より、請求項２の比較器を用いてＡ/Ｄ変換器を構成す
ることにより、比較期間が短い時にも、比較器に誤差が
発生しないようにし、また、入力状態にあるときの消費
電力を減少させる。

【００１９】

【実施例】（実施例１）本発明の請求項１の比較器の構
成の一例を図１に示す。

【００２０】アナログスイッチ３Ａ,３Ｂ,３Ｃは、例え
ば図２のように、２個のＣＭＯＳインバータとｎＭＯＳ
およびｐＭＯＳのトランジスタとによって構成する。反
転増幅器５は例えば図３のようにＣＭＯＳのインバータ
によって構成する。この構成は、従来の技術で説明した
比較器と同じである。ただし、アナログスイッチ３Ａの
電源電圧（例えば５Ｖ）は、反転増幅器５の電源電圧
（例えば３Ｖ）よりも高い。この比較器のタイミングチ
ャートを図６に示す。これも、従来の技術に述べた比較
器と同じであり、同様の方法により比較が行われる。

【００２１】従来、図１の比較器の入力期間には、図３
のような構成の反転増幅器の場合、電源から接地に向か
って電流が流れ、しかも、この電流値はある限度以下に
することはできなかったが、本実施例では反転増幅器５
の電源電圧を下げることにより、電流値と電源電圧値と
の積で表される消費電力は減少させることができる。こ
の際、図３の反転増幅器を構成するトランジスタのチャ
ネル長とチャネル幅を一定に保ったままで電源電圧を下
げると、電源から接地に流れる電流は減少する。そこ
で、必要とする電源電圧および電流値に応じて、チャネ
ル長を減少させるか、またはチャネル幅を増大させて、
電流値が変化しないようにする。そうすれば、比較器の
速度を変化させないで消費電力を減少させることができ
る。

【００２２】また、図２のアナログスイッチの電源電圧
と導通抵抗との関係の一例を図５に示す。同一のトラン
ジスタサイズのアナログスイッチについて、電源電圧を
３Ｖ，４Ｖ，５Ｖ，６Ｖとして入力信号の電圧を変化さ
せて、導通抵抗を調べたものである。電源電圧が高くな
るほど導通抵抗が低くなることが判る。したがって、電
源電圧を充分に高く採れば、導通抵抗と容量４とで決ま
るローパスフィルタの遮断周波数を、必要とされる入力
信号１の周波数よりも高くすることができ、誤差の発生
を防ぐことができる。

【００２３】従って本発明の構成の比較器を用いれば、
アナログスイッチ３Ａの電源電圧は反転増幅器５の電源
電圧よりも高く、また分離されているので、電源電圧に
対する相反する要求を同時に満たし、消費電力を減少さ
せながら入力信号の周波数が高い時の誤差の発生を防ぐ
ことできる。これにより、従来の技術の問題点は解決さ
れる。さらにアナログスイッチ３Ａの電源電圧を高くし
ているので、入力信号１の電圧範囲もアナログスイッチ
３Ａの電源電圧と同じだけ広くとれる利点もある。

【００２４】（実施例２）本発明の請求項２の比較器の
構成の一例を図１に示す。

【００２５】本実施例の構成は、実施例１で説明した比
較器と同じである。ただし、アナログスイッチ３Ｂの電
源電圧（例えば５Ｖ）は、反転増幅器５の電源電圧（例
えば３Ｖ）よりも高い。この比較器のタイミングチャー
トを図６に示す。これも、実施例１に述べた比較器と同
じであり、同様の方法により比較が行われる。

【００２６】ここで実施例１で述べたように、アナログ
スイッチに与える電源電圧が高くなるほど導通抵抗は低
くなる。したがって、電源電圧を充分に高く採れば、導
通抵抗と容量４とで決まる時定数回路の時定数を、必要
とされる比較期間よりも短くすることができ、誤差が発
生を防ぐことができる。これにより、実施例１と同様
に、従来の技術の問題点（図１の比較器には、アナログ
スイッチ３Ｂの導通抵抗が無視できない値であると、比
較期間が短い場合には比較器に誤差が発生するという問
題点）は解決される。

【００２７】なお、実施例１,２ではアナログスイッチ
はＭＯＳトランジスタを用いたものとして説明したが、
ダイオードを用いたものやバイポーラトランジスタを用
いたものなど、どのようなアナログスイッチを用いたも
のについても、この発明は適用できる。

【００２８】（実施例３）本発明の請求項３のＡ/Ｄ変
換器の構成の一例を図４に示す。

【００２９】この構成は、従来の技術に述べたＡ/Ｄ変
換器と同じである。ただし、比較器６Ａ,６Ｂ,６Ｃは実
施例１の比較器である。

【００３０】したがって、本発明のＡ/Ｄ変換器を用い
れば、電源電圧に対する相反する要求を同時に満たし、
消費電力を減少させながら入力信号の周波数が高い時の
誤差の発生を防ぐことができる。これにより、従来の技
術の問題点は解決される。

【００３１】（実施例４）本発明の請求項４のＡ/Ｄ変
換器の構成の一例を図４に示す。

【００３２】この構成は、実施例３に述べたＡ/Ｄ変換
器と同じである。ただし、比較器６Ａ,６Ｂ,６Ｃは実施
例２の比較器である。

【００３３】したがって、本発明のＡ/Ｄ変換器を用い
れば、電源電圧に対する相反する要求を同時に満たし、
消費電力を減少させながら比較時間が短い時の誤差の発
生を防ぐことができる。これにより、従来の技術の問題
点は解決される。

【００３４】

【発明の効果】（１）以上説明したように、本発明によ
り、従来の比較器に比して、消費電力が少なく、しかも
入力信号の周波数が高い時にも誤差が発生しない比較器
を得ることができる。

【００３５】（２）以上説明したように、本発明によ
り、従来の比較器に比して、消費電力が少なく、しかも
比較期間が短い時にも誤差が発生しない比較器を得るこ
とができる。

【００３６】（３）以上説明したように、本発明によ
り、従来のＡ/Ｄ変換器に比して、消費電力が少なく、
しかも入力信号の周波数が高い時にも誤差が発生しない
Ａ/Ｄ変換器を得ることができる。

【００３７】（４）以上説明したように、本発明によ
り、従来のＡ/Ｄ変換器に比して、消費電力が少なく、
しかも比較期間が短い時にも誤差が発生しないＡ/Ｄ変
換器を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の比較器の構成図

【図２】同実施例の比較器に用いるアナログスイッチの
構成図

【図３】同実施例の比較器に用いる反転増幅器の構成図

【図４】本発明の実施例２のＡ/Ｄ変換器の構成図

【図５】本発明の実施例１の比較器に用いるアナログス
イッチの特性図

【図６】本発明の実施例１の比較器のタイミング図

【符号の説明】

１ 入力信号 ２,２Ａ,２Ｂ 参照電圧 ３Ａ,３Ｂ,３Ｃ アナログスイッチ ４ 容量 ５ 反転増幅器 ６Ａ,６Ｂ,６Ｃ 比較器 ７ エンコーダ ８Ａ,８Ｂ,８Ｃ 制御信号

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 古谷 栄樹 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】容量と、前記容量の一端と入力信号との間
   を開閉する第１のアナログスイッチと、前記容量の前記
   第１のアナログスイッチが接続されている一端と参照電
   圧との間を開閉する第２のアナログスイッチと、前記容
   量の他の一端を入力とする反転増幅器と、前記反転増幅
   器の入力端と出力端との間を開閉する第３のアナログス
   イッチとを備え、前記第１のアナログスイッチの電源電
   圧が、前記反転増幅器の電源電圧よりも高いことを特徴
   とする比較器。
2. 【請求項２】請求項１記載の比較器において、第２のア
   ナログスイッチの電源電圧が、前記反転増幅器の電源電
   圧よりも高いことを特徴とする比較器。
3. 【請求項３】請求項１記載の比較器を複数個備え、それ
   ぞれの比較器の第１のアナログスイッチの制御信号を共
   通とし、それぞれの比較器の第２のアナログスイッチの
   制御信号を共通とし、それぞれの比較器の第３のアナロ
   グスイッチの制御信号を共通とし、それぞれの比較器の
   入力信号を共通とし、それぞれの比較器の参照電圧を互
   いに異なる電圧とすることを特徴とするＡ/Ｄ変換器。
4. 【請求項４】請求項３記載のＡ/Ｄ変換器において、比
   較器は請求項２記載の比較器であることを特徴とするＡ
   /Ｄ変換器。