JPS60259023A - D/a変換器 - Google Patents

D/a変換器

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Publication number
JPS60259023A
JPS60259023A JP60105714A JP10571485A JPS60259023A JP S60259023 A JPS60259023 A JP S60259023A JP 60105714 A JP60105714 A JP 60105714A JP 10571485 A JP10571485 A JP 10571485A JP S60259023 A JPS60259023 A JP S60259023A
Authority
JP
Japan
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current
switch
converter
binary
control signal
Prior art date
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Pending
Application number
JP60105714A
Other languages
English (en)
Inventor
Hoonaku Toomasu
トーマス・ホーナク
Eru Barudouin Giyarii
ギヤリー・エル・バルドウイン
Daburiyuu Potsutaa Ronarudo
ロナルド・ダブリユー・ポツター
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hewlett Packard Japan Inc
Original Assignee
Yokogawa Hewlett Packard Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Yokogawa Hewlett Packard Ltd filed Critical Yokogawa Hewlett Packard Ltd
Publication of JPS60259023A publication Critical patent/JPS60259023A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05FSYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F3/00Non-retroactive systems for regulating electric variables by using an uncontrolled element, or an uncontrolled combination of elements, such element or such combination having self-regulating properties
    • G05F3/02Regulating voltage or current
    • G05F3/08Regulating voltage or current wherein the variable is DC
    • G05F3/10Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics
    • G05F3/16Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
    • G05F3/20Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations
    • G05F3/26Current mirrors
    • G05F3/262Current mirrors using field-effect transistors only
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03MCODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/66Digital/analogue converters
    • H03M1/82Digital/analogue converters with intermediate conversion to time interval
    • H03M1/822Digital/analogue converters with intermediate conversion to time interval using pulse width modulation

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、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(L)/J’、)変換器に関する。
〔従来技術〕
従来から、種々の方式のi) / t’−変換器が信号
源等に1史用されているが、一般にnビットのD/A変
換器の揚台、各ビットは電流源から構成されており、k
番目のビットIi(= 2’−’ * I、の大きさの
一組の直流電流を発生する。ただし■1は最下位ビット
の電流源か7ら発生される電流の大きさである。
入力される二進数に応じて、D/kV換器の制御器は電
流Ikの選択された一つをl)/A変換器の出力1部に
導く。一般に、電流Ikは二進数のに番目のビットが1
であるときに限ってD/A変換器の出力部に導かれる。
したがって[)/A変換器の出力部に導かれたこれらす
べての電流の相は二進数に比例する。
実際には、連続するIkの比はIkに小さな誤差がある
ため正確に2ではない。これら誤差の各々は出力電流が
nビットの正確さで発生するように最下位電流II K
比較して小さくなければならない。
ビットの数が増すにつれて、対応する精度の1%(を発
生するのがますます困難になる。従来の])/A変換器
で使用される電流源としで、11(を第13図に示すよ
うにR−2Rラダーを用いて発生する方式がある。Ik
の各々の精度は、R−2Rラダーの構成質素である抵抗
値の精度と各2R抵抗器の右側の端子にかかる電圧の均
一性とによって決まる。
分解能が10ビット以上のD/A変換器については、精
密に揃った抵抗器をチップ面積が適度なモノリシックの
形で作るために製作後高価なレーザトリミングを行うか
あるいは抵抗器と並列に設けたンエナ〜ダイオードを短
絡することにより抵抗値を調整する選択的ツェナーダイ
オード短絡技法(selective zener 、
diode shorting techniques
 )を利用する必安がある。
1精度モノリシンク、[)/A変換器用動的要素整合J
 (rDynamic ELement Matchi
ng for HighAccuracy Monol
ithic D/A Converters J、Ig
EE JSSC1795・−800ページ、5c−11
゜1976年12月発行)と題する文献には、第14図
に示すように、構成要素の不整合性から生ずる誤差を平
均化するように電流の流れを制御するスイッチを用いる
技術が開示されている。この方法では大きさ2Iの電流
が、それぞれの大きさがIの二つの電流を発生する第1
の分割器141に供給される。しかし、第1分割器14
1の構成部品の不整合のため、第1分割器141の各出
力電流の大きさは、第1の電流が(1+e)*I 第2
の電流が(1−e)*■ となる。ただしeは得られた
二つの電流の誤差の童である。これら二つの電流は50
%デー−ティサイクルを有するクロックに応答する第1
のスイッチ142に供給される。クロックサイクルの最
初の半サイクルの間に、第1の電流は出力端子aに、第
2の電流は出力端子すに導かれる。
クロックブイクルの他の半サイクルに、第1の電流は出
力端子すに、第2の電流は出力端子aに導かれる。デー
−ティサイクルが正確に50%であれば、出力端子aに
おける平均電流■aと出力端子すにおける平均電流Ib
とはそれぞれIに等しくなる。同様に、分割器143,
145およびスイッチ144,146を用いて各電流を
l/2に分割する。
一般て、デー−ティサイクルは50%といくらかの分数
誤差fとの和(すなわち、デユーティサイクルは0.5
*(1+f)である)であるので、電流Iaは(1+e
f)*Iに等しく、Ibは(1−ef)*Iに等しい。
この場合、誤差はeではなくef であるから、第1ス
イツチおよび分割器の構成要素の精度が多少悪(でもI
aおよびIbの精度を劣化おせることはない。第14図
のように一連の分割器とスイッチとを直列に接続してl
)’/A変換器に使用1−るための−組の二進値に対応
する出力電流(二進スケール電流)を発生することがで
きる。この技法によれば構成要素に必安な精度は幾分低
くなるが、その機構はなおデー−ティサイクルの精度等
によって制限される。したがってそのように限定されな
い新しい形式の二進スケールの電流源を備゛るのが望ま
しい。
〔発明の目的〕
本発明は高精度なl)/A変換器を提供することを目的
とする。
〔発明の概安〕
本発明によれば、二進スケールの電流を発生するための
制御信号のチューティサイクル間に、二進関係を持たせ
ており、これによって二進ス4−ルの電流源が形成され
る。この機構を本願明細書では、[重み付デーーティサ
イクルl (WDC)機構と言う。この電流源を利用す
ることによりD/A変換器を構成する。
二進スケール電流源は、k二〇、・旧・・口に対する一
組のn + l lli!iIの制御信号Bkを発生す
るために二進カウンタおよびデコーダを使用している。
k番目の制御信号(k=1からnまで)に対するデーー
ティ丈イクルは0番目の制御信号のデー−ティサイクル
の2 倍である。−組の○+1個のスイッチM、)、・
・曲、Moが大きさIの直流電流源に並列に接続されて
いる。各スイッチMkは制御信号株で制真される。制御
信号の形状は任意の与えられた時間に、制御信号Bkの
唯一に限り高であるように選定される。この結果、スイ
ッチM1(はBkが高のとき全電流■をその出力に導く
。したがって、Mkの出力での電流1K(k=1からn
)の平均値■には2に−n−1*■ に等しくなる。各
出力電流IKは関連する低域フィルタを通過して11に
比較して全リップルを無視し得る(たとえば11のl/
8より小さい)直流電流を発生′1−る。これら直流電
流はD/A変換器に使用するには好適の二進スヶ−ルミ
流である。
制御信号のタイミングに関する誤差によるIk中の誤差
を除(には、一対の相補性スイッチM CoとM c+
とを電流源IとスイッチMkとの間に接続する。
これらのスイッチは電流■を一連の等しいパルスとして
スイッチノ■にの入力に供給するように働く。
パルスのタイミングはどの制御信号もこれらパルスの一
つの期間中に遷移な生じないようになっている。したが
って、電流IKは電流■のこれらのパルスの一つながり
であって、iKの中のこのよ5なパルスの平均的割合は
11の中のパルスの割合の2に一1倍である。
重基付チューティブイクル(WDC)機構の実施例は二
つある。第一のものを本願明細書では[重み付パルス幅
j (WPW)機構と名付けるが、これにおいては、そ
れぞれの制御信号は周期′rの周期信号であって、制御
信号Bk(k二1からnに対して)の形状は幅2 *′
rの一つの連続パルスに対して各周期′rの期間中Bk
が高になるようになっている。「重み付繰返し率J(W
RR)機構と名付けるもう一つの実施例では、Bk(k
二1から口までについて)は周期信号であって幅2*T
の2に一1個のばらばらのパルスから構成されてい谷た
だしここで′rはすべてのBkの集まりに対する群パタ
ーン繰返し周期である。
WDC機構には主な誤差源が二つある。第一の誤差源は
スイッチMkへの共通入力部に存在する寄生容量Cpで
ある。スイッチMkには電界効果トランジスタ(E’E
T)を使用するのが便利である。
共通入力部にパルス電流を加えるとこの共通入力点で電
流パルスと同じ周波数で電圧値が高レベルおよび低レベ
ル間で交替する。E’ E ’L”スイッチMi(0間
にはゲート電圧と閾値電圧とにおける差異が避けられな
いから、これら高低レベルの電圧値は全く同じではない
。このため一つのスイッチMkが導通している期間の成
る時期に電荷が寄生容量に移動する。この寄生容量との
間の電荷の正味の遷移により、Mkを通るパルスにも差
異が生ずる。
Ikへの影響は制御信号Bkの単位時間あたりの遷移の
数に比例し、したがって制御信号Bkの単位時間あたり
の遷移の数が制御信号B1の単位時間あたりの遷移の数
の2 倍である重み付繰返し率機構では問題は一層重大
になる。第二の誤差源は直流電流1にの他に出力に現わ
れる残留リップルである。
低域フィルタは各Ikのこの誤差を11と比較して無視
できる(たとえば、I+のl/8より少い)ようにする
ために使用される。
〔実施例〕
第1図は、本発明のD/A変換器の一部な示すブロック
図である。第1図では、3ビツトの場合を示している。
電流illは電流■を、[’E’[’13〜16から成
るスイッチM o ” M 3が接続されている線路1
2に供給する。k番目のスイッチMkはFB’I’Mk
 のゲートに加えられる制御信号Bkに応答して開閉す
る。k番目の制御信号Bkのデユーティサイクルは0番
目の制御信号B。と1番目の制御信号B1どのデー−テ
ィサイクルの2に一1倍である。制御信号のタイミング
と形状とは与えられた時間に制御信号の一つにかぎり高
になって4えられた時間にスイッチの一つだけが導通す
るように選定される。この結果、k番目のスイッチの出
力部に、サイクルの分数 の期間中rに等しく、サイク
ルの残りの期間中0になる電流iKが生ずる。
各a流jg (k = 1 カラn マチ) kl大キ
サ21cmn−’*′rの直流電流Ikであり、低域フ
ィルタを通して流れる。電流■1とInとはそれぞれ二
進スケール電流の最下位ビット(L’SB)と最上位ピ
ッ)(MSBである。電流1oは二進スケール電流の一
つではなく、したがって、()/A変換器の出力信号を
発生するためにD/A変換器の制御部には供給されない
。たとえばioは大地に落すことができる。
発生させやすい制御信号の形式は2種類あり。
これを第2図に示す。これら二つの形式による機構をこ
こでは重み付パルス幅(WPW)機構および重み付繰返
し率(WRR)機構と呼ぶ。これら筒機構において、制
御信号は群パターン繰返し周期′rを有する周期信号で
あり、この周期ですべての制御信号がそりバタ=ンを繰
返す。WPW機構では、k#目の制御信号Bk(k:1
からnに対して)の一つの周期内に、制御信号は持続時
間2に−o−r*+rの一つのパルスを含んでいる。W
 R’R機構では、一つの群パターン繰返し周期Tの間
に、制御信号Bk(k=1カ6nlcJtlテ)&!持
続時間2 * ’rの2に−1個のパルスを含んでいる
。前記両機構の制御信号においてパルスのタイミングは
与えられた時間にただ一つの制御信号が高レベルになる
ようになっている。これら制御信号の発生について第9
〜12図に関連して後述する。
■kが発生ずる場合の精度は、制御信号のチューティサ
イクルの精度によって決まる。制御信号の各々のデユー
ティサイクルの誤差はBOおよびB1のデー−ティサイ
クルと比奴して小さくなければならないので、電流は最
下位二進スケール電流■】の値の端数以内に正確なり/
A、変換器全出力電流を発生する心安がある。この制限
はこの機構で発生することができる正確度のビットの数
口をきびしく制限する。第3図にこの制御信号のデユー
ティサイクルの精度に対する感受性を除く重み付デユー
ティサイクル型二進スケール電流源の実施例を示す。
第3図において、FU2’l?315オよび316から
成る一対のスイッチMcOとM(、とが第1図の回路に
付加されている。この追加したスイッチの目的は制御信
号の遷移と重ならないパルスでスイッチMo、・・・・
・・、M、に電流Iを供給することである。説明の便宜
上、MC,とM。lとをパルススイッチと呼び。
Mo、・・・・・・、Mnを二進スイッチと呼ぶことに
する。
MCOはタロツク信号CLKに応答し、MCIはクロッ
ク信号の補数−〇LK に応答する。第4図に二進スイ
ッチに供給される電流パルス(斜線を施した区間に発生
する)と二進スイッチ用制御信号との関係を示す。
パルススイッチM。0.MCIは電流■をクロック信号
が高になっている期間にだけ二進スイッチに送るように
働く。第7図を参照して更に詳しく後述するが、制御信
号とクロック信条とは同じ水晶発振器の出力信号に応答
して発生する。電流しまCLK内のパルスの期間だけ関
連する二進スイッチに流れ、このパルスの間は制御信号
によって遷移が起らないので、関連する二進スイッチの
各々を流れる電流の持続時間は制御信号Bo、・・・・
・・、B、の遷移のタイミングや形状の小さな誤差には
影響されない。
WDC機構には主な誤差源が二つある。第一の誤差源は
二進スイッチの入力部が接続されている線路32に存在
する寄生容量317によって生ずる。
この寄生容量の値をC1で表わす。この誤差の原因は第
5A図を参照すれば埋)昇′1−ることかできる。
第5A図には、クロック信号CLK、3ビツト二進スケ
ール電流源の場合の制御信号B+、・・・・・・、B3
、線路32の電圧■、および寄生容量317への電流l
を示しである。
線路320電圧■の時間変動は第5B図を参照すれば理
解することができる。第5B図にはドレイン電流In対
ゲート・ソース間電圧VCSの代表的プロットを示しで
ある。この図で、VTはIDが本質的にOであるゲート
・ソース間電圧の閾値であり、VGa (I)はLが電
流源llの電流Iに等しくtxルケート・ソース間電圧
の値である。パルススイッチMc、が断になると、電圧
Vが、スイッチMkが非導通になるようなレベルへ増加
するまで、高レベルの制御信号Bkに関連するスイッチ
Mkを介して容量317は充電される。したがって、高
レベル電圧はVkh二Vkc VTKであり低レベル電
圧はVK、=VKG VK(Is(I)である。ここで
Mkは高レベル制御電圧が印加された二進スイッチであ
り、Vvc。
は二進スイッチMk K対するゲート電圧の高レベル値
であり、VKTは二進スイッチMkの閾値電圧であり、
ViGs (I)は二進スイッチMkのドレイン電流が
■に等しい場合のゲート・ソース間重圧である。
これら高、低レベルの値が第5A図に示すようにに二進
スイッチMk間の整合が不充分のためすべλ てのスイッチについて等しくないとき、寄生容量317
が、スイッチが導通り間、スイッチを通って移動する正
味の電荷に影響することになる。線路32にかかる風圧
が遷移する間に寄生容量317に移動する電、荷は遷移
の時刻″における寄生容量317へり電流1の電流スパ
イクの下の面積に等しい。
この面積は寄生容z3t7に比例するとともにその遷移
のときの電圧Vの変化にも比例する。B3におするt=
1からt−5までの最初のパルスの間には、を二1にお
ける電圧はt:5における電圧と等しいから寄生容量3
17への電荷の正味の移動は起らない。こりため、を二
2およびt二4における1の電流スパイクの面積は大き
さが等しく、符号が反対であり、したがってt二1とL
二5との間では正味電荷が寄生容量317に移行しない
しかしなから、l=5では、電圧がt二9におけろ電圧
と等しくないから、その期間内に寄生容量317に移動
する正味電荷はOではない。スイッチM2はその期間導
通しているから、このために12の値に誤差を生ずる。
B2内のパルスは常に83内のパルスに追従するから、
スイッチM2を通る電荷の移動ごとにこの同じ誤差が生
ずることになり、したかってI2の誤差はBz内にこり
)ようなパルスが発生する割合に比例1−ることになる
。したがって、この問題は重み付は繰返し率@構では遷
移の数が増すため重み付は繰返し機構では重み付パルス
幅機構よりもはるかに重大になる。
k番目の出力に対する正味の誤差電流IerrはIer
r ”−v*Cp *Fx である。ここでFKは8にの基本周波数でありVはBx
 内のパルスの始まりの時刻と終りの時刻との間の電圧
$■の差の平均値である。12ビツト二進スケール電流
源(すなわち、n二12)の場合、109F I7)寄
生容量、Vに対する100rnvの値、および電流■。
mlOmAに対して、重み付繰返し率機構はI err
がI1のl/8 より少(なければならない場合、多く
とも1.2 M)IZ のクロック速度にI]限される
。12ビツト二進スケール電流源の場合、Fnは重み付
繰返し率機構では重み付パルス幅機構でよりも2048
倍大きく、したがって、その他の条件が等しければ、W
PW機構ではWRR機構よりもクロック速度を2048
倍速くすることができる。
第二の誤差源はその出力電流に関連するigがその関連
する低域フィルタを通して濾波されてからの各出力電流
内に残っているリップルである。この二進スケール電流
源に使用するのに好適な低域フィルタは第6図のフィル
タである。このフィルタは直列に接続された三つのRC
フィルタから構成されている。各フィルタの抵抗器Rは
そのフィルタの各段の前後の直流降下電圧Vdcが便利
な値(たとえばlボルト)になるように選ばれる。次に
容tCは残留リップルのピークからピークまでの値がr
に比較して無視し得る(たとえば、■蓋の]/8よりl
トさいンよつに選ばれる。このためフィルタ内の容量C
の値は最上位電流iKに対して重み付繰返し率機構ノ場
合:oS2* I * 2−”/3木’[’/Vdc重
み付パルス幅機+gのta合: 0.09 * I *
 2 n/3* T/V(1t−でなければならない。
第7図に蔗み付デユーティサイクル機構を使用している
二進スケール電流源を含むD/A変換器のブロック図を
示す。電流源70は二進重み付電流を発生するように制
御可能に切替えられる電流■を発生する。二相クロック
発生器71は水晶発振器72からの出力信号に応答して
互いに90度だけ位相がずれている一対のクロック信号
を発生する。このクロック信号の第一の信号はタロツク
信号CLKとその補数−CLKとを発生するクロックバ
ッファ73に供給される。パルススイッチ74と75と
はそれぞれCLKおよび−CL Kに応答するが、電流
源70に接続されて一組の二進スィッチ7120入力部
に電流のパルスを供給する。
一対のバッファ76と77とはパルススイッチをバッフ
ァしてパルスのデユーティサイクルが二進スケール電流
源の他の点に存在する信号によって変調されないように
している。
クロック信号の第2の信号CLK’は、ロピットの二進
カウンタ710、デコーダ79.n+1ビットのデータ
のラッチ78に供給される。二進カウンタ710の出力
に応答して、デコーダ79は一組のΩ+1個のディジタ
ル制御信号を発生する。第二のクロ2り信号に応答して
、データラッチ78は13個の制御信号のそれぞれをバ
ッファ増幅器711を介して二進スイッチの関連する一
つのゲートに加える。第7図のスイッチM、の電流はダ
ンプされる。第7図のn +mのスイッチM +、・・
・・・・、M、の電流は一組の低域フィルタ717に加
えられる。得られる二進スケール電流は[)/A変換器
の制御部713への0本の一組の線路716に加えられ
る。k番目の最下位電流II(は入力部714から制御
部713に入る二進数のに番目の最下位ビットと関連し
ている。二進数内の1であるビットに対しては、その関
連する二進スケール電流が、出力電流が二進数に比例す
るようにJ)/A変換器の出カフ15に導かれる。
第8図に重み付デユーティサイクル機構を使用している
実施例中の各種MOSトランジスタの幅対長さの比の代
表値と各種信号の電圧レベルとを示す。第9図にWRR
機構の二相クロック発生器71、二進カウンタ710、
およびデコーダ79に使用するのに好適な回路を示す。
この回路は直列に接続されているn個のマスタスレーブ
・トグル・フリップフロップの一部91を使用している
フリップフロップの各々の出力Qmと出力Qsとはそれ
ぞれマスク出力とスレーブ出力とである。NOTゲート
92とANDゲートの組93とはマスク出力に接続され
て制御信号Bkを発生ずる。この回路の信号間の関係を
第1O図に示す。第9図と第10図とに類似している。
対応するWPW用ブロック図を第11図、第12図に示
す。
〔発明の効果〕
本発明によれば、高精度なり/&変換器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明のl)/A変換器の原理を示すブロック
図。 第2図は第1図のl)/A変換器のタイミング図。 イミング図。 第5B図は、本発明に使用するE”ETスイッチの特性
図。 第6図は、本発明に使用する低域フィルタの回路図。 第7図は、本発明の第1実施例を示すブロック図。 第8図は、第7図の各構成愛素の大きさを示す説明図。 第9図は、本発明に使用する制御回路の第一実施例を示
すブ07り図。 第1O図は、第9図のタイミング図。 第11図は、本発明に使用する制御回路の第2実施例を
示すブロック図。 第12図は、第1[図のタイミング図。 第13図、第14図は、従来のD / A変換器のブロ
ック図。 17〜19:低域フィルタ、 Mo−5−M3 + M co + M c+ :スイ
ッチ、317:浮遊容量、 71:2相りロック発生器
、72:水晶発振器、73:バッファ、 78:ラノチ、 79:デコーダ、 710 :二進カウンタ、 711:バッファ増幅器、
713:制御部、 717:低域フィルタ。 出願人 横河化ニーレット・バソカード株式会社代理人
 弁理士 長 谷 川 次 男 −■ IG I IG 2 FfG 3 ゜1 く ば) LL−り し− 5c Bo− 3 LL′ ul)oo+I′ \ −\\−

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 並列接続された第1−第n(nは整数)スイッチ手段と
    、前記各スイッチ手段に電流を供給する電流源手段と、
    第k(kはn以下の整数)スイッチを前記第1スイツチ
    の2 倍のア二一アイサイクルで開閉制御する制御手段
    とを具備して成るD/A変換器。
JP60105714A 1984-05-18 1985-05-17 D/a変換器 Pending JPS60259023A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US06/611,803 US4587477A (en) 1984-05-18 1984-05-18 Binary scaled current array source for digital to analog converters
US611803 1996-03-06

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPS60259023A true JPS60259023A (ja) 1985-12-21

Family

ID=24450468

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP60105714A Pending JPS60259023A (ja) 1984-05-18 1985-05-17 D/a変換器

Country Status (2)

Country Link
US (1) US4587477A (ja)
JP (1) JPS60259023A (ja)

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