JPH0813004B2 - A/d変換器 - Google Patents

A/d変換器

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JPH0813004B2
JPH0813004B2 JP59186318A JP18631884A JPH0813004B2 JP H0813004 B2 JPH0813004 B2 JP H0813004B2 JP 59186318 A JP59186318 A JP 59186318A JP 18631884 A JP18631884 A JP 18631884A JP H0813004 B2 JPH0813004 B2 JP H0813004B2
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    • H03M3/422Structural details of delta-sigma modulators, e.g. incremental delta-sigma modulators characterised by the number of quantisers and their type and resolution having one quantiser only
    • H03M3/424Structural details of delta-sigma modulators, e.g. incremental delta-sigma modulators characterised by the number of quantisers and their type and resolution having one quantiser only the quantiser being a multiple bit one

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はA/D変換器、更に詳しく言えば、入力アナロ
グ信号と局部復号信号との差分を積分し、その積分され
たものを比較器で量子化してデイジタル信号にすると共
に、上記デイジタル信号を積分して変換された出力デイ
ジタル信号とすると共に、上記局部復号信号とする、い
わゆる補間形A/D変換器に関するものである。
〔発明の背景〕
補間形A/D変換器は、比較的簡単な回路構成で、高精
度のA/D変換ができる利点を持つ。しかし、入力信号レ
ベルが急激に変化する場合、入力アナログ信号と局部復
号信号(帰還近似アナログ信号)との差が大きくなると
積分値と量子化レベルとの差が大きくなり、いわゆる勾
配過負荷の問題が生じる。
この勾配過負荷の問題を解決するため、入力アナログ
信号のレベルに応じて、上記比較器における量子化レベ
ルを指数関数的に変化させるA/D変換器が知られている
(米国特許3932,864 James,Chorles Candy)。
この非線形補間形A/D変換器では帰還信号の量子化レ
ベルが指数関数的に変化するため、信号の量子化雑音電
力が入力信号のレベルに大きく依存する欠点がある。す
なわち、このA/D変換器に入力オフセツト電圧が重畳さ
れると、これは見かけ上入力信号のレベルの増加と等価
となり量子化雑音電力が増大して、結果的にS/N化が劣
化してしまう欠点がある。
この欠点を除く方法としては、A/D変換器の前段にオ
フセツト電圧除去用の高域通過フイルタを設けることが
考えられるが、通過周波数は300Hz以上の音声帯域では
減衰量が無視できる程度に小さくなつていなければなら
ないので、フイルタのカツトオフ周波数を低くする必要
があり、従つて構成要素であるキヤパシタおよび抵抗の
値が大きくなり、LSIで実現することは極めて困難とな
る。
一方、非線形補間形A/D変換器の欠点である量子化雑
音電力が入力レベルに大きく依存する点を解消する補間
形A/D変換器として、帰還信号の線形化を行なつたもの
も知られている(昭59年度信学会総合全国大会、講演番
号S660)。これは比較器の出力を1ビツトD/A変換器、
減衰回路を介してアナログ積分回路に加えることによつ
て帰還信号を得るものである。このA/D変換器では比較
器の出力パルスをデイジタル的に平均することによつて
高精度のA/D変換器が構成され、帰還信号である近似ア
ナログ信号の量子化ステツプは入力レベルに依存せず常
に一定であるので量子化雑音電力も一定となる。しかし
ながら、線形補間形A/D変換器では勾配過負荷歪が発生
しないようにするためにはサンプリング周波数を十分高
くしなければならない。すなわち、信号帯域の4kHz以下
の信号に対し勾配過負荷歪を防ぐためにサンプリング周
波数は約2MHz以上が必要となる。
このようなA/D変換器をLSIで実現しようとする場合、
現在のLSI製造技術では2MHz以上という高速で動作させ
ることはクロツク雑音の増加、演算増幅器(オペアンプ
と略称)の消費電力の増加などの問題があるほか、LSI
化に有効なMOSトランジスタ等でアナログ積分器等の帰
還信号を得る回路を実現する場合、スイツチのクロツク
フイードスルー電圧や、1ビツトD/A変換器から生じる
オフセツト電圧が積分器によつて積分され、結果的に大
きなオフセツト電圧を発生してしまい、入力信号電圧
の、例えば、デイジタル交換機等のシステムに必要な厳
しいS/N比特性(90dB)を満す正確なA/D変換が行なわれ
なくなる欠点を有する。
〔発明の目的〕 従つて、本発明の目的は1MHz程度の低いサンプリング
周波数でも勾配過負荷歪の発生しない、しかも量子化雑
音電力が入力信号レベルに依存しない補間形A/D変換器
を実現することである。
〔発明の概要〕
本発明は上記目的を達成するため、補間形A/D変換器
において、入力信号と局部復号信号との差分の積分値を
基準電圧と比較する比較器を、複数の基準電圧と比較し
て、これをデイジタル信号に変換して、そのデイジタル
信号をデイジタル積分回路に加え、そのデイジタル積分
回路から出力デイジタル信号を得るように構成するとと
もに、入力信号と局部復号信号との差分を積分する積分
器の出力と入力を加算する加算回路を有するよう構成し
たものである。
本発明によるA/D変換器では、原理的には、量子化レ
ベルは入力信号レベルに係らず一定であるため、低レベ
ルから高レベルの信号まで線形的なS/N特性が得られ、
サンプル周波数を低くして、勾配過負荷が生じる可能性
があるときは、そのときだけ量子化レベルを変えるよう
にしているため比較的低い周波数(1MHz程度)でも勾配
過負荷の問題はなく、A/D変換を行なうことができる。
そのため、上記回路をLSIで実現する場合、前述の問題
が除かれる。さらに、積分器の出力と入力を加算する加
算回路を有するよう構成することにより、比較的高い周
波数の入力信号にたいしても積分器による位相の回転が
回避され、良好なA/D変換特性を得ることができる。
〔発明の実施例〕
以下、実施例によつて本発明を詳細に説明する。
第1図は本発明によるA/D変換器の一実施例の構成を
示す図である。
変換されるべき入力アナログ信号xnが入力端子1を介
して減算回路2に加えられる。減算回路2では上記信号
xnとA/D変換器のデイジタル信号を復号した局部復号信
号、すなわち帰還信号qnとの差分ε(=xn−qn)が求
められ、積分回路3に加えられ、積分回路3の出力は比
較回路5に加えられる。比較回路5は入力信号(積分値
と基準値の差)レベルに応じて、複数の信号D1,D2,D3
発生する。論理回路6は上記信号D1,D2,D3に応じて、複
数ビツトb0〜b7の符号信号に変換する。デイジタル積分
回路7はA/D変換されたデイジタル出力Q0〜Q7と論理回
路6からのデイジタル信号b0〜b7とを入力してデイジタ
ル積分を行う。変換されたデイジタル信号Q0〜Q7の一部
はD/A変換回路8によつて近似的アナログ信号、すなわ
ち、局部復号信号qnに変換され、減算回路2に加えられ
る。
上述の如く、本発明では比較器6の出力をそのレベル
に応じて、符号化し、符号化されたデイジタル信号b0
b7と1クロツク前の変換されたデイジタル信号Q0〜Q7
をデイジタル加算してデイジタル積分することによつて
A/D変換出力を得ている。比較器5および論理回路で得
られるデイジタル信号b0〜b7は以下詳しく説明するよう
に、多くの場合は通常の線形帰還形A/D変換における比
較器と同様に1定レベルを表わす符号を発生するが、サ
ンプル周波数を1MHz程度の比較的低い周波数に設定して
いるために生じる勾配過負荷が生じるような時のみ、通
常の比較レベルの数倍のレベルを表わす符号を発生する
ように構成される。従つて、このような符号信号をデイ
ジタル的に積分するために、デイジタル積分回路7は、
デイジタル信号b0〜b7とQ0〜Q7をデイジタル加算するた
めの全加算器とシフトレジスタとで構成される。
第2図は第1図に示す実施例の具体的構成を示す図で
ある。同図において第1図と対応する部分には同一の番
号で示している。又同図中記号 を付したスイツチ群は第4図に示すような相補的なタイ
ミング信号 によつて駆動され、レベル“1"のときスイツチはオンと
なり、レベル“0"のときスイツチはオフとなる。タイミ
ングの周期は1MHzである。第3図は上記第2図の実施例
における各部の信号の波形を示す図である。
入力端子1からの入力信号Vinは、最初の時間T/2にス
イツチ18−19,18−22コンデンサ17−1を介してサンプ
ル信号xnとなり、演算増幅器(以下オペアンプと略称)
19−1の反転入力端子に逆極性で加えられる。オペアン
プ19−1の反転入力端子にはD/A変換器8の出力も接続
されているため、その出力端子にはコンデンサ17−8を
介して、入力信号−xnとD/A変換器8の差分の電圧−xn
+qnが出力され、コンデンサ17−9,17−10,オペアンプ1
9−2で構成される従来知られているアナログ積分回路
3に加えられる。したがつて、積分回路3の出力は となる。
すなわち、タイミングが“1"のとき、コンデンサ17
−9の2つのノードはオペアンプ19−2の正相入力端子
の電位(アース電位)となるので、リセツト状態にな
り、タイミングφが“1"のとき、オペアンプの出力が−
εとなるので、−εに相当する電荷がコンデンサ17
−10に転送され、オペアンプ19−2の出力は となる。更に積分回路3の出力Σεおよび加算回路2
の出力はスイツチ18−27,18−28およびコンデンサ17−1
1からなる加算回路23によつて加算され、加算値 となる。タイミング信号の後半のT/2となると、タイミ
ング信号φは“0"となり、タイミング信号は“1"とな
るので、スイツチ18−19,18−22,18−24,18−25,18−2
7,18−28はオフとなり、スイツチ18−20,18−21,18−2
3,18−26,18−29はオンとなるので、コンデンサ17−1,1
7−8は放電し、コンデンサ17−10は積分値を保持し、
コンデンサ17−11は比較回路5に比較されるべき入力信
号として加えられる。比較回路5には3つの比較器5−
1,5−2および5−3が並列に接続されている。それぞ
れの比較器の比較電圧は0,V1(端子13−1に加えられる
電圧)、V2(端子13−2に加えられる電圧)である。比
較電圧V1,V2の値は、次のサンプル期間において、積分
が0に近くなるように設定することが望ましい。本実施
例の場合、D/A変換回路8の最小量子化レベルの4倍、
つまり、それぞれ正と負の最大量子化レベルの1/32とな
る比較電圧を用いている。
比較回路5の比較器5−1,5−2,5−3のそれぞれの出
力信号D1,D2,D3は論理回路6に加えられる。論理回路6
は、上記比較器5−1,5−2,5−3の出力を他のデイジタ
ル信号に変換する回路で、第5図に示すように、比較器
5−1,5−2,5−3のそれぞれの出力D1,D2およびDのレ
ベル(“L",“H")の組合せに対応してデイジタル信号b
0…b7を発生するもので、比較回路5と論理回路6はア
ナログ積分値を符号化するコーダと言える。この論理回
路6は、通常の場合(勾配過負荷を生じない場合)は量
子化レベルの低いデイジタル信号(00000001(=1),1
1111111(−1))を発生するが、上記低いデイジタル
信号のみでは勾配過負荷が発生するような場合、例え
ば、信号D1,D2,D3の全てが“L"か、全て“H"のとき0000
0100(=+4)又は11111100(=−4)のデイジタル信
号を発生する。このような論理回路6の構成は上記第5
図の関係が分つているとき極めて容易に実現されるの
で、その詳細な説明は省く。
上記デイジタル信号b0…b7は、各ビツトに対応した8
個の全加算器からなるデイジタル加算器に加えられ、本
発明のA/D変換器の出力である出力デイジタル信号Q0…Q
7とデイジタル加算される。デイジタル加算回路7−1
の出力はシフトレジスタ7−2に加えられる。したがつ
て、加算回路7−1とシフトレジスタはデイジタル積分
回路を構成し、各サンプル周期毎にA/D変換された出力
デイジタル信号を発生する。この出力デイジタル信号を
複数サンプル周期毎に平均値を求めれば、サンプル周波
数の低い出力デイジタル信号を得る。
上記デイジタル積分回路の出力の一部は局部復号信号
である帰還アナログ信号qnを得るD/A回路8に加えられ
る。
D/A変換回路は基準電圧源VREFとアース間に直列接続
された抵抗群20−1,20−2…20−9,上記抵抗群から の分圧電位を取り出し共通線と選択的に結合するスイツ
チ18−11,18−12,18−13…18−18と、一端が上記オペア
ンプの反転入力端子に接続された複数の荷重容量コンデ
ンサ17−2,17−3,17−4,17−5と上記荷重容量コンデン
サの他端それぞれに設けられ選択的に上記基準電圧源V
REFがアースに接続する18−1,18−2,18−8と、1端が
上記オペアンプ19−1の反転入力端子に接続されたコン
デンサ17−6と、上記コンデンサの他端を選択的にアー
ス又は上記共通線に接続するスイツチ18−9,18−10とで
構成されている。
D/A変換回路8の動作は次のように行なわれる。出力
デイジタル信号Q0〜Q7のうち、サインビツトQ7を含む上
位ビツト(Q3…Q7)によつて制御される。Q6が“1"のと
き18−1、又は2,Q5が“1"のとき18−3、又は4,Q4
“1"のとき18−5、又は6,Q3が“1"のとき18−7又は8
が選択される。選択されたスイツチは、サインビツトQ7
が“1"のときタイミングが“1"でVREFに接続されるス
イツチ(18,2,4,6,8)がオンし、タイミングφが“1"で
アースに接続されるスイツチ(18−1,3,5,7)がオンす
る。またサインビツトQ7が“1"のときは前述の逆にタイ
ミングφが“1"でVREF側のスイツチがオンし、タイミン
グの“1"でアース側がオンする。
また、下位ビツト(Q0〜Q7)は3ビツトの符号に対応
したスイツチ18−11〜18−18を選択する。この加算はス
イツチ18−9,10を上記のスイツチ18−1〜18−8と同様
にサインビツトに対してオン,オフすることによつて行
う。
以上のようなスイツチの駆動により、コンデンサ17−
2〜17−8に蓄えられたQ0〜Q7に対応した電荷がオペア
ンプ19−1の仮想接地点を通して復号信号qnとしてコン
デンサ17−8に転送される。
前述の如く、アナログ信号xnは、上記と同じタイミン
グでギヤコンデンサ17−1を通して逆極性で入力される
ので、コンデンサ17−1の容量値を17−8の容量値又は
17−2〜17−6までの合計の容量値と等しくすることに
より、オペアンプ19−1の出力端にqn−xn=(−ε
が得られる。
第3図から明らかなように、時点t2およびt5のとき積
分値(加算器23)の出力ε+Σεは基準電圧V1(=
5)より大きくなるので、それぞれ次の時点t3およびt6
ではqnが大きく変化しているため、勾配過負荷の影響が
軽減される。
下表は第3図に示した波形の具体的数値例を示すもの
である。但し f=2KHz,fs=1.024MHz,Δは最小量子化レベルを表す。
第6図は本発明によるA/D変換回路の他の実施例にお
ける比較回路の構成を示す図で、第3図の実施例では比
較器を3個使用していたが、本実施例では1つの比較器
5−4と一つの基準電圧源 とで構成したものである。
コンデンサ21には同時にオン,オフするスイツチ20−
1および20−2を介してそれぞれアナログ積分値Σε
および差分信号−εが加えられ、さらにコンデンサ21
の両端は図示の如くスイツチ20−3および20−6を介し
てアースへ、又スイツチ20−4およびスイツチ20−5を
介して比較器5−4の負入力端子に接続される。又オペ
アンプの正入力端子は、スイツチ20−7および20−8を
介して、それぞれアースおよび基準電源 に選択的に接続される。又比較器5−4の出力は、Dフ
リツプフロツプ回路22−1および22−2の入力に並列に
加えられる。各スイツチ、およびフリツプフロツプには
図示するようなタイミング信号φ123および
φが加えられる。φ12はそのレベル“1"のと
き加重することなく、かつφ2のデユーテイがφ
に比べ挟いものである。又タイミングφおよびφ
次に示す論理式に基いて作られるものである。
まず、タイミングφが“1"のときコンデンサ21に積
分値 が蓄えられる。
次にタイミングφでアナログスイツチ20−6と20−
4をオンし、比較器5−4で の極性を判定し、レジスタ22−1に入力する。次に極性
が正(E1=0)のときは、アナログスイツチ20−4,20−
6がオンし、また、基準電圧 が比較器5−4に接続され、 を越えているかどうかを判定し、レジスタ22−2に入力
する。また、極性が負のとき(E1=1)は、アナログス
イツチ20−3,20−5がオンし、コンデンサ21の極性を切
換えて、上記と同様な判定を行なう。以上のような操作
で得られた信号E1,E2から第9図に示す真理値表よりデ
イジタル信号b0〜b7を発生し、第2図で示した積分器7
でデイジタル積分を行ない、次のサンプリングのための
信号Q0〜Q7を得る。
なお、以上の説明で、電圧比較器に与えられる被比較
信号 並びに基準電圧の発生回路方法は種々のスイツチドキヤ
パシタ回路で構成でき、特に、第2図,第6図等に示し
たものに限定されない。又、電圧 は第2図に示した2R/4R抵抗列をさらに細かく分割して
得られた電圧、及び反転電圧を直接用いるように構成し
ても良い。
〔発明の効果〕
以上実施例によつて説明した如く、本発明によれば、
サンプリング周波数を従来方式の2MHzに対して1/2ない
し1/4にしても、勾配過負荷を発生することなく、2MHz
の場合と同程度のS/N比を得ることができるので、演算
増幅器及びアナログスイツチの要求動作速度を2倍から
8倍程度まで緩和することができ、消去電圧並びに、LS
Iで構成する場合そのチツプ面積を減少させることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明によるA/D変換器の一実施例の構成ブロ
ツク図、第2図は上記実施例の回路図、第3図は第2図
の動作説明のための波形図、第4図は、第2図の実施例
に使用されるタイミング信号の波形図、第5図は第2図
の実施例の符号器符号を示す図、第6図は、本発明のA/
D変換器に使用される比較回路部の一実施例の回路図、
第7図は第6図の回路に使用されるタイミング信号波形
図、第8図は、第6図の回路に使用される符号変換の関
係を表わす。 1……入力端子、2……減算回路、3……積分器、5…
…比較回路、6……符号器、7……デイジタル積分回
路、8……D/A変換(部分復号回路)、18−1〜18−25
……スイツチ、17−1〜17−10……コンデンサ、19−1,
19−2……穣算増幅器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−30816(JP,A) 特公 平4−39808(JP,B2) 米国特許4672361(US,A) 米国特許4990914(US,A) 米国特許4195282(US,A) 英国特許2164510(GB,A) 欧州特許80725(EP,B)

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】入力アナログ信号を、帰還を有する回路で
    アナログ信号からディジタル信号へ変換するA/D変換器
    であって、 上記帰還を有する回路は、 所定のサンプル周期で積分する第1の積分回路と、 上記第1の積分回路の出力を複数の基準電圧と比較し
    て、上記第1の積分回路の出力信号に対応したディジタ
    ル信号を出力する論理回路と、 上記論理回路の出力を積分する第2の積分回路と、 上記第2の積分回路の出力をアナログ信号に変換するた
    めのD/A変換器と、 上記D/A変換器の出力と入力アナログ信号との差分を得
    るための差分回路とを有し、 上記第1の積分回路には上記第1の積分回路の入力と出
    力とを加算する加算器を有することを特徴とするA/D変
    換器。
  2. 【請求項2】上記複数の基準電圧が、正の電源と負の電
    源の間に存在する任意の中心電圧と、上記中心電圧に対
    して上記D/A変換器の最小量子化レベルの整数倍の電圧
    の差分をもつ電圧であることを特徴とする特許請求の範
    囲第1項記載のA/D変換器。
  3. 【請求項3】上記第1の積分回路と、 上記差分回路と、 上記加算回路と、 上記D/A変換器とをスイッチトキャパシタ回路を含む回
    路により構成したことを特徴とする特許請求の範囲第1
    項記載のA/D変換器。
  4. 【請求項4】上記第1の積分回路は、正入力端子と負入
    力端子を持つ演算増幅器から構成され、 上記正入力端子が上記中心電圧に接続され、 上記負入力端子が上記差分回路の出力に第1のキャパシ
    タを介して結合され、 上記演算増幅器の上記負入力端子と出力端子間に周期的
    にオン/オフを繰り返す第1のスイッチ手段と、 上記負入力端子と第2のスイッチ手段を介し結合され、
    上記出力端子と第3のスイッチ手段を介して結合される
    第2のキャパシタから構成され、 上記加算回路は、上記差分回路の出力を選択的に供給す
    るする第4のスイッチ手段と、上記演算増幅器の出力を
    上記第4のスイッチ手段に同期して選択的に供給する第
    5のスイッチ手段に接続され、 上記第4と第5のスイッチ手段の間には第3のキャパシ
    タが設けられ、 上記第3のキャパシタの一端は上記比較回路の負端子に
    結合され、 上記第3のキャパシタの他端は第6のスイッチを介して
    上記中心電圧に結合され、 上記第4のスイッチと上記第6のスイッチが相補的に動
    作する構成であることを特徴とする特許請求の範囲第2
    項記載のA/D変換器。
  5. 【請求項5】上記第1の積分回路が第1のクロックと第
    4のクロック、上記加算回路が第2のクロック、上記比
    較回路が第3のクロックで動作し、 上記第1のクロックと上記第2のクロックとは重なるこ
    となく相補的に動作し 上記第2のクロックより上記第3のクロックが遅れて立
    上がり、更に第4のクロックはそれよりも遅れて立ち上
    がる構成としたことを特徴とする特許請求の範囲第1項
    から第4項のいずれか記載のA/D変換器。
  6. 【請求項6】上記比較回路は、正入力端子と負入力端子
    を有し、 該正入力端子に上記中心電圧と基準電圧とを周期的に供
    給する第7のスイッチ手段と、 上記加算回路に接続され、極性反転を行う第8のスイッ
    チ手段を介して上記負入力端子に接続されることを特徴
    とする特許請求の範囲第2項記載のA/D変換器。
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