JPH1117545A - D/a変換器 - Google Patents

D/a変換器

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JPH1117545A
JPH1117545A JP16975797A JP16975797A JPH1117545A JP H1117545 A JPH1117545 A JP H1117545A JP 16975797 A JP16975797 A JP 16975797A JP 16975797 A JP16975797 A JP 16975797A JP H1117545 A JPH1117545 A JP H1117545A
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JP16975797A
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Naoto Inokawa
直人 井之川
Tatsuya Sakamoto
達哉 坂本
Kenji Maio
健二 麻殖生
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 回路規模をそれほど増大させることなくD/
A変換器の分解能を高める。 【解決手段】 同一の定電流を生成すべく一律に重みづ
けされた多数の上位電流セルと、上位電流セルに対して
2のベキ数分の1の電流を生成すべく重みづけされた下
位電流セルを用いて構成される電流加算型のD/A変換
器にあって、下位電流セルを構成するために、特定ビッ
トの桁値に対応する基本電流を生成する定電流手段とと
もに、上記基本電流を2のベキ数個の分岐路に等しく分
流させることにより上記基本電流に対して2のベキ数分
の1の定電流を生成させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、D/A変換器、さ
らには多ビットデジタル入力信号のデータ値に応じて選
択された電流セルの定電流出力を加算出力する方式のD
/A変換器に適用して有効な技術に関するものであっ
て、たとえばビデオ信号処理用D/A変換器に利用して
有効な技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、この種のD/A変換器としては、
同一の定電流を生成すべく一律に重みづけされた多数の
電流セルを使用し、この電流セル群の中から多ビットデ
ジタル入力信号のデータ値に応じた数の電流セルを選択
して、この選択電流セルの定電流出力を加算出力させる
ことにより、上記デジタル入力信号値に応じたアナログ
電流出力を得るようにしたものが提供されている(たと
えば、日経BP社刊行「日経エレクトロニクス 198
8年5月16日号(No.447)」pp.165〜1
75参照)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た技術には、次のような問題のあることが本発明者らに
よってあきらかとされた。
【0004】すなわち、上述したD/A変換器では、ビ
ット分解能を高めるにしたがって回路規模が急激に増大
してしまうという問題があった。
【0005】例えば、6ビットのD/A変換器は63個
の定電流セルを使って構成できるが、これよりも2ビッ
トだけ多い8ビットのD/A変換器では255個もの定
電流セルが必要となる。このため、ビット分解能の高い
D/A変換器をLSI(半導体集積回路装置)として構
成しようとしても、チップ面積の大幅な増大が避けられ
ず、これに伴ってコストも著しく高くなってしまう、と
いう問題が生じる。
【0006】そこで、本発明者らは、たとえば8ビット
のD/A変換器を構成する場合に、重み4の定電流を生
成すべく構成された上位電流セルを63個使用し、この
63個の上位電流セルの中から8ビットデジタル入力信
号の上位6ビットデータ値に応じた数の電流セルを選択
させるとともに、重み2と1の電流をそれぞれ生成すべ
く構成された2種類の下位電流セルを使用し、この2種
類の下位電流セルを上記入力信号の下位2ビットで選択
させ、このようにして選択される上位および下位の電流
セルの定電流出力を加算出力させるという構成を検討し
た。これによれば、上位電流セル63個と下位電流セル
2個の計65個の電流セルだけでもって、8ビット分解
能のD/A変換器を構成することができる。
【0007】上記8ビット分解能のD/A変換器は、上
述の構成に加えて、重みが1/2と1/4の2種類の下
位電流セルを追加することにより、その分解能をさらに
2ビット高めて10ビットにすることが可能である。こ
の場合、64個の上位電流セルを入力信号の上位6ビッ
トデータで選択させるとともに、4種類の下位電流セル
を下位4ビットデータで選択させることにより、10ビ
ットのD/A変換を行わせることができる。しかし、こ
のためには、4から1/4まで最大で16倍の差がある
5種類の重みをそれぞれ高精度に付与する必要がある。
重みづけの精度が不十分だと、デジタル入力信号の変化
に対するアナログ出力の変化精度いわゆる微分精度が確
保できなくなるからである。
【0008】電流セルはMOSトランジスタなどの能動
素子を用いて構成されるが、このMOSトランジスタを
用いて4から1/4までの5種類の重みの電流セルを構
成する場合、(A)アスペクト比(ゲート長幅比)を1
/2,1/4,・・・に縮小したMOSトランジスタを
使用する方法と、(B)最小重みの1/4を基本単位に
し、同サイズのMOSトランジスタを2個,4個,・・
・と並列接続することにより、上記基本単位の2倍,4
倍,・・・の重みの電流セルを形成する方法とがある。
【0009】前者(A)の方法では、小さな重み1/
2,1/4の電流セルの構成に際して、MOSトランジ
スタのゲート長をゲート幅に対して極端に大きくしなけ
ればならないために素子構造上の無理が生じ、また製造
バラツキなどの誤差が他のサイズのMOSトランジスタ
に対して不均一に現れたりするために、精度の再現性が
悪い。後者(B)の方法では、重みが増すごとにトラン
ジスタの並列接続数が多くなって、最小重みが1/4の
場合、重み4の上位電流セルでは、セルごとに16個も
のトランジスタを並列接続しなければならなくなる。
【0010】このように、ビット分解能を高めるために
は下位電流セルの精度を高めなければならないが、下位
電流セルの精度を高めるためには、電流セルの大多数を
占める上位電流セルでの素子サイズあるいは素子数を大
幅に増大させなければならず、いずれにしても、回路の
著しい大規模化は避けられなかった。
【0011】本発明の目的は、回路規模をそれほど増大
させることなくD/A変換器の分解能を高める、という
技術を提供することにある。
【0012】本発明の前記ならびにそのほかの目的と特
徴は、本明細書の記述および添付図面からあきらかにな
るであろう。
【0013】
【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば下
記のとおりである。
【0014】すなわち、同一の定電流(4×Io)を生
成すべく一律に重みづけされた多数の上位電流セル(1
1)と、上位電流セル(11)に対して2のベキ数分の
1の電流を生成すべく重みづけされた下位電流セル(1
2〜15)と、多ビットデジタル入力信号(DO〜D
9)のデータ値に応じた数および/または種類の電流セ
ルを選択する選択手段(21,24)を有し、選択され
た電流セルの定電流出力を加算出力させることにより、
上記デジタル入力信号値に応じた出力電流を得るように
したD/A変換器にあって、下位電流セル(14,1
5)を構成するために、特定ビットの桁値に対応する基
本電流を生成する定電流手段と、上記基本電流を2のベ
キ数個の分岐路に等しく分流させることにより上記基本
電流に対して2のベキ数分の1の定電流を生成させるよ
うにした分岐手段を設けるようにしたものである。
【0015】上述した手段によれば、サイズまたは形状
を極端に異形化した素子を使用することなく、またデジ
タル入力信号の上位ビットに対応する上位電流セルでの
素子数を大幅に増やすことなく、相対比精度を出しやす
い同サイズの素子だけでもって、重みの異なる電流セル
を高精度に構成することができる。これにより、回路規
模をそれほど増大させることなくD/A変換器の分解能
を高める、という目的が達成される。
【0016】また、上記上位電流セル(11)はデジタ
ル入力信号の上位ビット(D4〜D9)のデータ値に応
じた数が選択されるようにされ、下位電流セル(12〜
15)は上記入力信号の下位ビット(D0〜D3)のビ
ット値に応じて選択されるようにする。これにより、下
位電流セルの追加によりビット分解能を高めることがで
きる。
【0017】さらに、上記下位電流セル(14,15)
として、特定ビット(D2)の桁値に対応する基本電流
(Io)を生成する定電流手段(P11)と、上記基本
電流(Io)を2のベキ数個の分岐路に等しく分流させ
ることにより1の分岐路から上記基本電流に対して2の
ベキ数分の1の電流を出力電流として取り出すようにし
た分岐手段(P31〜P34)を設ける。これにより、
同一サイズの素子でもって精度の高い電流セルを得るこ
とができる。
【0018】さらに、上記分岐手段から出力電流として
取り出される以外の分岐電流を、出力電流として取り出
される分岐電流と同一の負荷条件にて通電させる分岐負
荷回路(16)を設ける。これにより、電流の分岐を高
い精度でもって等しく行わせることができる。
【0019】さらに、上記分岐手段から出力電流として
取り出される以外の分岐電流を、アナログ出力端子と同
一電位(Va)になるように電圧制御される端子(ou
tB)で受けるようにした分岐負荷回路(16)を設け
る。これにより、すべての分岐路での負荷条件をアナロ
グ出力端子の負荷状態にかかわらず、同一に揃えること
ができる。
【0020】さらに、上記電流セルをMOSトランジス
タ(P11〜P14,P31〜P34)の定電流回路で
構成するとともに、その定電流回路の電流重みづけを複
数の同特性のMOSトランジスタの並列接続数によって
行うようにする。これにより、製造バラツキ等の影響を
受けることなく、高い相対精度を得ることができる。
【0021】さらに、互いに並列接続されて同一の基準
電圧で定電流動作させられる複数の同特性のMOSトラ
ンジスタ(P31〜P34によって下位電流セル(1
4,15)の分岐路を形成することにより、精度の高い
電流分岐路を実現することができる。
【0022】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施態様を
図面を参照しながら説明する。
【0023】図1は本発明の技術が適用されたD/A変
換器の一実施態様を示す。
【0024】同図に示すD/A変換器は分解能10ビッ
トとして構成され、電流セル群100、デコーダ21、
データラッチ回路22,23、バッファ・インバータ2
4などを用いて、10ビットデジタル入力信号(D0〜
D9)のデータ値に対応する大きさのアナログ出力電流
(Aout)を生成する。
【0025】ここで、電流セル群100は、8×8のマ
トリックス状に配置された63個の上位電流セル11
と、4種類の下位電流セル12〜15からなっている。
【0026】上位電流セル11は、デジタル入力信号
(D0〜D9)の上位6ビットデータ(D4〜D9)値
に対応すべく63個(=26−1)設けられ、各電流セ
ル11はそれそれ同一重み4の定電流(4×Io)を生
成すべく一律に構成されている。
【0027】この上位電流セル11は、デコーダ21に
より、デジタル入力信号(D0〜D9)の上位6ビット
データ値に応じた数が選択されるようになっている。デ
コーダ21は8×8のマトリックス選択出力ラインを有
し、デジタル入力信号(DO〜D9)の上位6ビットデ
ータ(D4〜D9)値に相当する数の電流セル11を選
択する。選択された電流セル11の出力電流はアナログ
出力端子(Aout)に加算出力される。
【0028】下位電流セル12〜15は上記デジタル入
力信号(D0〜D9)の下位4ビット(D0〜D3)の
各ビットに1個ずつ対応する形で計4個(4種類)設け
られ、それぞれに対応するビットの論理値(“1”また
は“0”)に応じて個別に選択されるようになってい
る。この場合、下位4番目のビットD3に対応する電流
セル12は重み2、下位3番目のビットD2に対応する
電流セル13は重み1、下位2番目のビットD1に対応
する電流セル14は重み1/2、最下位のビットD0に
対応する電流セル15は重み1/4がそれぞれ付与され
ている。入力信号の下位4ビット(D0〜D3)により
選択された下位電流セル(12〜15)の出力電流は上
記アナログ出力端子(Aout)に加算出力される。
【0029】さらに、詳細は後述するが、重み1/2の
電流セル14は、重み1の電流Ioを2つの分岐路にI
o/2ずつ均等に分流させるとともに、その分岐路の1
つから取り出される電流(Io/2)を1/2重みの出
力電流として取り出すように構成されている(図5)。
同様に、重み1/4の電流セル15は、重み1の電流I
oを4つの分岐路にIo/4ずつ均等に分流させるとと
もに、その分岐路の1つから取り出される電流(Io/
4)を重み1/4の出力電流として取り出すように構成
されている(図6)。出力電流として取り出されない他
の分岐路の電流は、出力電流として取り出される分岐電
流と同一の負荷条件を形成する分岐負荷回路16へ通電
されるようになっている(図7)。
【0030】以上のようにして、重み4の定電流(4×
Io)を生成すべく構成された上位電流セル11を64
個使用し、この64個の上位電流セル11の中から入力
信号の上位6ビットデータ(D4〜D9)値に応じた数
の電流セル11を選択させるとともに、重み2,1,1
/2,1/4の電流(2×Io,1×Io,Io/2,
Io/4)をそれぞれ生成すべく構成された4種類の下
位電流セル12〜15を使用し、この4種類の下位電流
セル12〜15を入力信号の下位4ビット(DO〜D
3)で選択させ、このようにして選択される上位および
下位の電流セル11〜15の定電流出力を加算出力させ
ることにより、上位電流セル63個と下位電流セル4個
の計67個の電流セルだけでもって、10ビット分解能
のD/A変換を行わせることができる。このD/A変換
出力は電流形式であるが、その出力電流(Aout)を
所定の抵抗素子Raに通電させることにより、電圧形式
の出力(Ra×Aout)に変換させることができる。
【0031】図2は上位電流セル11の具体的な回路構
成例を示す。
【0032】同図に示す電流セル11は、pチャネルM
OSトランジスタP11〜P14,P2,P3と、nチ
ャネルMOSトランジスタN1,N2とを用いて構成さ
れている。pチャネルMOSトランジスタP11〜14
は同一のゲート長およびゲート幅により同一特性を持つ
ように形成されている。このpチャネルMOSトランジ
スタP11〜P14は、4個が互いに並列接続されると
ともに、その共通ソースが電源電位Vccに接続され、
かつその共通ゲートに定電流制御用の基準電圧Vref
1が印加されることにより、その共通ドレインから重み
4の定電流(4×Io)を出力する。この定電流出力
(4×Io)は、P11〜P14の共通ドレイン側に直
列接続されたpチャネルMOSトランジスタP3を介し
て、アナログ出力端子(Aout)へ導出されるように
なっている。
【0033】なお、上記基準電圧Vref1は、ドレイ
ンとゲートが共通接続され、かつドレインとソース間に
所定の基準電流が通電されるように接続されたMOSト
ランジスタ(図示省略)のゲート・ソース間から与えら
れる。つまり、P11〜P14はカレントミラーの転写
出力回路として動作することにより、上記基準電流に対
して一定比率の定電流を生成する。
【0034】pチャネルMOSトランジスタP3は、p
チャネルMOSトランジスタP11〜P14とアナログ
出力端子(out)の間に直列に介在するとともに、そ
のゲートに一定の基準電圧Vref2を与えられること
により、電流セル11間の干渉を阻止する一種のバッフ
ァとして機能する。
【0035】pチャネルMOSトランジスタP2とnチ
ャネルMOSトランジスタN2はCMOSインバータを
形成する。このCMOSインバータはデコーダ(21)
にて生成された選択信号を論理反転して出力する。nチ
ャネルMOSトランジスタN1はダイオード接続され、
上記CMOSインバータの論理出力状態に応じてオン/
オフさせられることにより、電流セル11の出力をオン
/オフ制御する。
【0036】すなわち、選択信号が“1”(ハイ)で
は、上記CMOSインバータの出力が“0”(ロウ)と
なることによりN1がオン状態になり、これにより、P
11〜P14が生成する定電流(4×Io)はN1にバ
イパスされて出力されなくなる。他方、選択信号が
“0”では、上記CMOSインバータの出力が“1”に
なることによりN1がオフ状態になり、このときは、P
11〜P14が生成する定電流(4×Io)がN3にバ
イパスされることなく、そのまま出力されるようにな
る。pチャネルMOSトランジスタP3は、N1がオン
状態になったときに、他の電流セルからの電流の逆流を
阻止する。
【0037】図3は重み2の下位電流セル12の具体的
な回路構成例を示す。
【0038】同図に示す電流セル12は、デジタル入力
信号の下位4番目のビット(D3)により選択されるセ
ルであって、同一特性を持つように構成され2個のpチ
ャネルMOSトランジスタP11,P12を並列接続す
ることにより、重み2の定電流(2×Io)を出力する
ように構成されている。
【0039】図4は重み1の下位電流セル13の具体的
な回路構成例を示す。
【0040】同図に示す電流セル13は、デジタル入力
信号の下位3番目のビット(D2)により選択されるセ
ルであって、1個のpチャネルMOSトランジスタP1
1だけにより、重み1の定電流(1×Io)を出力する
ように構成されている。
【0041】図5は重み1/2の下位電流セル14の具
体的な回路構成例を示す。
【0042】同図に示す電流セル14は、デジタル入力
信号の下位2番目のビット(D1)により選択されるセ
ルであって、1個のpチャネルMOSトランジスタP1
1により重み1の定電流(1×Io)を生成させるとと
もに、この生成電流(1×Io)を2個のpチャネルM
OSトランジスタP31,P32に均等に分流させるよ
うにしてある。
【0043】pチャネルMOSトランジスタP31,P
32は同一のゲート長およびゲート幅により同一特性を
持つように形成されるとともに、互いに並列接続され、
かつその共通ゲートに基準電圧Vref2が印加される
ことにより、重み1の生成電流を等しく2分岐させる分
岐路を形成する。これにより、各分岐路にはそれぞれ重
み1/2の電流(Io/2)が流れるようになる。した
がって、この2つの分岐路の1つから重み1/2の電流
(Io/2)を取り出して出力させることができる。他
の分岐路に流れる電流(Io/2)は、アナログ出力端
子(Aout)と同一の負荷条件を形成する分岐負荷回
路16へ通電される。
【0044】図6は重み1/4の下位電流セル15の具
体的な回路構成例を示す。
【0045】同図に示す電流セル15は、デジタル入力
信号の下位1番目のビット(D1)により選択されるセ
ルであって、1個のpチャネルMOSトランジスタP1
1により重み1の定電流(1×Io)を生成させるとと
もに、この生成電流(1×Io)を4個の同一特性のp
チャネルMOSトランジスタP31,P32,P33,
P34に均等に分流させるようにしてある。これによ
り、各分岐路にはそれぞれ重み1/4の電流(Io/
4)が流れるようになる。したがって、この4つの分岐
路の1つから重み1/4の電流(Io/2)を取り出し
て出力させることができる。他の分岐路に流れる電流
(3×Io/4)は、アナログ出力端子(Aout)と
同一の負荷条件を形成する分岐負荷回路16へ通電され
る。
【0046】図7は上記分岐負荷回路16の具体的な回
路構成例を示す。
【0047】同図に示す分岐負荷回路16はnチャネル
MOSトランジスタN41,N42,N43およびpチ
ャネルMOSトランジスタP41,P42,P43を用
いて構成され、アナログ出力端子(Aout)に現れる
電圧VaをP41およびN41の各ソースフォロワによ
り出力端子outBに伝達する。このようにしてアナロ
グ出力端子(Aout)と同電位に電圧制御される端子
outBに、上記下位電流セル14,15からの分岐電
流を受けさせることにより、すべての分岐路での負荷条
件をアナログ出力端子の負荷状態にかかわらず、同一に
揃えることができるようになる。これにより、MOSト
ランジスタ1個だけで生成される重み1の基本電流(I
o)を高い精度でもって等しく分岐させることができ
る。
【0048】以上のようにして、サイズまたは形状を極
端に異形化した素子を使用することなく、またデジタル
入力信号の上位ビットに対応する上位電流セルでの素子
数を大幅に増やすことなく、相対比精度を出しやすい同
サイズの素子だけでもって、重みの異なる電流セルを高
精度に構成することができ、これにより、回路規模をそ
れほど増大させることなくD/A変換器の分解能を高め
ることができる。
【0049】以上、本発明者によってなされた発明を実
施態様にもとづき具体的に説明したが、本発明は上記実
施態様に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しな
い範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。た
とえば、上位電流セル11の重みを1とし、下位電流セ
ルの重みを1/2〜1/16とする構成であってもよ
い。また、電流セル11〜15および分岐負荷回路16
の一部または全体をバイポーラトランジスタを用いて構
成することも可能である。
【0050】以上の説明では主として、本発明者によっ
てなされた発明をその背景となった利用分野であるビデ
オ信号処理用の10ビットD/A変換器に適用した場合
について説明したが、それに限定されるものではなく、
たとえばオーディオ用あるいはデジタル方式通信用のD
/A変換器にも適用できる。
【0051】
【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記
のとおりである。
【0052】すなわち、回路規模をそれほど増大させる
ことなくD/A変換器の分解能を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の技術が適用されたD/A変換器の一実
施態様を示す回路図
【図2】上位電流セルの具体的な構成例を示す回路図
【図3】重み2の下位電流セルの具体的な構成例を示す
回路図
【図4】重み1の下位電流セルの具体的な構成例を示す
回路図
【図5】重み1/2の下位電流セルの具体的な構成例を
示す回路図
【図6】重み1/4の下位電流セルの具体的な構成例を
示す回路図
【図7】分岐負荷回路の具体的な構成例を示す回路図
【符号の説明】
100 電流セル群 11 上位電流セル(重み4) 12 下位電流セル(重み2) 13 下位電流セル(重み1) 14 下位電流セル(重み1/2) 15 下位電流セル(重み1/4) 16 分岐負荷回路 21 デコーダ 22,23 データラッチ回路 24 バッファ・インバータ D0〜D9 デジタル入力信号(10ビット) Aout アナログ出力電流 P11〜P14 pチャネルMOSトランジスタ(定電
流生成用) P31,P34 pチャネルMOSトランジスタ(分岐
路形成用)

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 同一の定電流を生成すべく一律に重みづ
    けされた多数の上位電流セルと、上位電流セルに対して
    2のベキ数分の1の電流を生成すべく重みづけされた下
    位電流セルと、多ビットデジタル入力信号のデータ値に
    応じた数および/または種類の電流セルを選択する選択
    手段を有し、選択された電流セルの定電流出力を加算出
    力させることにより、上記デジタル入力信号値に応じた
    出力電流を得るようにしたD/A変換器であって、下位
    電流セルを構成するために、特定ビットの桁値に対応す
    る基本電流を生成する定電流手段と、上記基本電流を2
    のベキ数個の分岐路に等しく分流させることにより上記
    基本電流に対して2のベキ数分の1の定電流を生成させ
    るようにした分岐手段を備えたことを特徴とするD/A
    変換器。
  2. 【請求項2】 上位電流セルはデジタル入力信号の上位
    ビットのデータ値に応じた数が選択されるように設けら
    れ、下位電流セルは上記入力信号の下位ビットのビット
    値に応じて選択されるように設けられていることを特徴
    とする請求項1に記載のD/A変換器。
  3. 【請求項3】 下位電流セルとして、特定ビットの桁値
    に対応する基本電流を生成する定電流手段と、上記基本
    電流を2のベキ数個の分岐路に等しく分流させることに
    より1の分岐路から上記基本電流に対して2のベキ数分
    の1の電流を出力電流として取り出すようにした分岐手
    段を備えたことを特徴とする請求項1または2に記載の
    D/A変換器。
  4. 【請求項4】 分岐手段から出力電流として取り出され
    る以外の分岐電流を、出力電流として取り出される分岐
    電流と同一の負荷条件にて通電させる分岐負荷回路を備
    えたことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載
    のD/A変換器。
  5. 【請求項5】 分岐手段から出力電流として取り出され
    る以外の分岐電流を、アナログ出力端子と同一電位にな
    るように電圧制御される端子で受けるようにした分岐負
    荷回路を備えたことを特徴とする請求項1から4のいず
    れかに記載のD/A変換器。
  6. 【請求項6】 電流セルをMOSトランジスタの定電流
    回路で構成するとともに、その定電流回路の電流重みづ
    けを複数の同特性のMOSトランジスタの並列接続数に
    よって行うことを特徴とする請求項1から5のいずれか
    に記載のD/A変換器。
  7. 【請求項7】 互いに並列接続されて同一の基準電圧で
    定電流動作させられる複数の同特性のMOSトランジス
    タによって下位電流セルの分岐路を形成したことを特徴
    とする請求項1から6のいずれかに記載のD/A変換
    器。
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