JP2008530890A

JP2008530890A - Ａｄ変換装置

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Publication number: JP2008530890A
Application number: JP2007554725A
Authority: JP
Inventors: マルセルペルグロム; カスレーンフィリップス; ペトルスエイシーエムヌエイテン; ラフエルジェイローヴェルス; ルシエンジェイブレームス
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2005-02-15
Filing date: 2006-02-13
Publication date: 2008-08-07
Also published as: WO2006087667A1; EP1854217A1; CN101120507A; US20080094268A1

Abstract

ＡＤ変換器において、第１のΣΔ変調器はアナログ入力信号をディジタル化する。これにより発生した量子化雑音は、アナログ領域において分離され第２のΣΔ変調器においてディジタル化される。第２のΣΔ変調器によりこのようにしてディジタル化された量子化雑音は、第１のΣΔ変調器の出力における量子化雑音から減算される。第１のΣΔ変調器により発生した量子化雑音は、フィルタリング（整形）が施されるので、第２のΣΔ変調器においてディジタル化された量子化雑音もフィルタ処理されることになる。これは、第２のΣΔ変調器のフィードバックパスにおいて同様のフィルタリングによって行われる。

Description

本発明は、ＡＤ変換装置に関する。

かかるＡＤ変換装置は、アナログ入力信号を受信する入力端子と、前記入力端子と量子化器との間における順方向パスにあるフィルタリング手段と、前記量子化器の出力に接続される出力端子と、前記量子化器の出力から前記フィルタリング手段へ接続されるフィードバックパスとを各々が具備する第１及び第２のΣΔ変調器を有するＡＤ変換装置であって、アナログ入力信号を前記第１のΣΔ変調器の入力端子に供給する手段と、前記第１のΣΔ変調器において発生した量子化雑音を分離する手段と、前記第２のΣΔ変調器の入力端子にその分離された量子化雑音を供給する手段と、当該２つのΣΔ変調器のディジタル出力信号の合成を導いて当該合成において前記第１のΣΔ変調器の量子化雑音を大幅に減らすための手段と、をさらに有するものである。このようなＡＤ変換装置は、論文の"A Cascaded Continuous-time ΣΔ-modulator with 67 dB Dynamic Range in 10 MHz Bandwidth" in 2004 IEEE International Solid-State Circuits Conference/ Session 4/Oversampled ADC's/4.1から知られている。

現在、このΣΔ変調器は、アナログ／ディジタル（ＡＤ）変換における基本的原則となっている。ΣΔ変調器において、当該変換器におけるフィルタの次数は、かなりの程度においてその品質（信号対雑音比として表現される）を決めるものである。高い次数では、高い周波数に対する量子化雑音の整形及びこれに伴うベースバンドにおける雑音の抑制が良好になり、これにより、信号対雑音比及びダイナミックレンジが改善する。しかしながら、フィルタの高い次数は、ΣΔ変調器のループをともすれば不安定にさせる。不安定さは、高い入力電圧変化において重大なものとなる。この問題の対策は、いわゆるカスケード接続されたΣΔ変調器に見出される。現在２つのΣΔ変調器が使われ、主たるΣΔ変調器は、当該安定性が入力信号の周波数帯域における高い量子化雑音の犠牲の危険に陥らないように比較的低い次数のものを有する。減算ポイントによって、この量子化雑音はアナログ形式で副次的ΣΔ変調器に供給され、当該変調器の出力は、ディジタル化された形式で主たるΣΔ変調器の量子化雑音を伝送する。その後、これら２つのΣΔ変調器の出力信号は互いに減算されて、主たるΣΔ変調器の量子化雑音は、副次的ΣΔ変調器によりディジタル化された分離された量子化雑音により相殺される。副次的ΣΔ変調器で生じた量子化雑音自体は相殺されないが、低いレベルのものとなる。

しかしながら、主たるΣΔ変調器の出力における量子化雑音は、この変調器のフィルタリング手段の伝達関数の反転形態によりフィルタ処理（整形）される。したがって、上述した論文では、主たるΣΔ変調器の（アナログ）フィルタリング手段のものに反転されたフィルタ特性により、副次的ΣΔ変調器の出力信号はディジタル領域でフィルタ処理される。主たるΣΔ変調器のアナログフィルタが時間的離散型スイッチドキャパシタ技術で実現される場合、主たるΣΔ変調器のフィルタリング手段と副次的ΣΔ変調器の出力における反転ディジタルフィルタとの間に合理的な合致を得ることができる。しかしながら、そのアナログフィルタが時間的連続型の技術（例えばｇｍ−Ｃ技術）で実現される場合、拡散した成分は、（ＩＳＳＣＣ２００４において上述した論文においてなされたように）フィルタの一方の他方への同調などの付加的な追従手段を適用することを強制する。

本発明は、こうした不都合を克服することをその目的として有するものである。

したがって、本発明によるＡＤ変換装置は、前記第２のΣΔ変調器のフィードバックパスにおけるフィルタリング手段は、前記アナログ入力信号の周波数帯域について、前記第１のΣΔ変調器の開ループの伝達関数に略等しい伝達関数を有することを特徴としている。主たる第１のΣΔ変調器のフィードバックパスが何らフィルタリングをなすものでないときには、このΣΔ変調器の開ループ伝達関数は、その順方向パスの伝達関数と対応し、この結果、副次的第２のΣΔ変調器のフィードバックパスにおけるフィルタリングは、第１のΣΔ変調器の順方向パスにおけるフィルタリングと対応する。他方、何らかの理由により、例えば所望のベースバンド信号の或る種のフィルタリングのため又は安定性の理由のため、第１の変調器のフィードバックパスに或る種のフィルタリングが含まれ、又は複数のフィードバックパスが第１の変調器の順方向パスの種々のポイントに設けられ、そこで第２の変調器のフィードバックパスの伝達関数は、第１の変調器の開ループの伝達関数の実質的複製とならなければならない。

好ましくは、第１のΣΔ変調器の開ループの伝達関数と第２のΣΔ変調器のフィードバックパスの伝達関数との間におけるトラッキングを向上させるため、当該２つの伝達関数は、同じ技術によりそして同じ構造で、例えばどちらも時間的離散型スイッチドキャパシタ技術で又はどちらも時間的連続型ｇｍ−Ｃ技術で実現される。当該２つの伝達関数のマッチングのさらなる向上は、これら伝達関数を構成する要素が等しい値を有するときに得られうる。但し、ダイナミックレンジ及びＳ／Ｎ比に関する低めの条件が第２のΣΔ変調器により充足されなければならないので、第２の変調器のインピーダンスは、第１の変調器のものよりも高いものとすることができ、第１の変調器のものよりも低い電流でかつ小さなキャパシタンスとなり、この結果、チップ面積が小さくなり低電力消費をもたらすことになる。

以下、本発明を添付図面に基づいて説明する。

図１のＡＤ変換装置は、標準的な主たる第１のΣΔ変調器Ｍ_１を有する。このΣΔ変調器は、アナログ入力信号Ｘ（ｚ）を受信するための入力端子１を有する。この入力信号は、連続時間の又は離散時間の（標本化された）アナログ信号とすることができる。この説明では、時間離散のものについて述べる。入力信号は、減算ポイント２を介して伝達関数Ｇ_１（ｚ）を有するフィルタ３に供給される。フィルタ３は、大抵は低域通過フィルタとされ、量子化雑音の整形を高い周波数に施すものであるが、本発明は、帯域通過フィルタリング手段のような他のフィルタ機能にも等しく適用される。フィルタ３のアナログ出力信号は、ディジタル信号Ｙ（ｚ）を当該ΣΔ変調器の出力端子４に伝送する量子化器に供給される。図１において、この量子化器は、増幅率Ｃ_１を有する増幅器５と量子化雑音Ｎ_１（ｚ）を当該信号に加算するための手段としての加算ポイント６とによって表される。ディジタル信号Ｙ（ｚ）のベースバンド周波数成分は、係数Ｃ_１が乗ぜられる当該量子化器の入力信号に等しく、ディジタル出力信号Ｙ（ｚ）における他のものは、量子化雑音Ｎ_１（ｚ）となる。最後に、量子化器のディジタル出力信号Ｙ（ｚ）は、ＤＡ変換器７を介して減算ポイント２のマイナス入力に供給され、閉ループ構成が得られるようにしている。

このΣΔ変調器に対し、次の式を導くことができる。

Ｘ（ｚ）のベースバンド周波数に対してΣΔ変調器の順方向パスの増幅Ｃ_１Ｇ_１（ｚ）が１よりも十分大きい場合、この式は、

に簡単化する。

したがって、入力信号Ｘ（ｚ）は、実質的にディジタル出力信号Ｙ（ｚ）におけるフィルタリングなしで実質的に保持される。これとは対照的に、量子化雑音は、積Ｃ_１・Ｇ_１（ｚ）が大きいベースバンド周波数では減少し、この積が小さい高周波数では増加する。換言すれば、量子化雑音は、ベースバンドを超える高い周波数に整形される。

この量子化雑音の整形は、入力信号Ｘ（ｚ）のサンプリングレートが高いときに、より効果的になる。但し、実際の伝送システムでは、当該信号のサンプリングレートは制限されることがある。別のアプローチは、高い次数のフィルタは、良好な雑音整形及びこれに伴うベースバンドにおける良好な信号対雑音比をもたらすので、当該フィルタの次数を大きくすることである。但し、高い次数のフィルタの欠点は、ΣΔ変調器のループが大きな信号変動のために不安定になる可能性があることである。

図１の装置において、フィルタ３の伝達関数Ｇ_１（ｚ）は、依然として出力信号Ｙ（ｚ）のベースバンドに過剰に大量の量子化雑音が存在するように低いフィルタ次数（代表的には１次又は２次フィルタ）から選ばれる。これは次のように置き換えられる。すなわち、量子化雑音Ｎ_１（ｚ）が分離され、この分離された量子化雑音が副次的第２のΣΔ変調器Ｍ_２においてディジタル化され、そのディジタル化された量子化雑音Ｚ（ｚ）が、低減された量子化雑音の信号Ｙ（ｚ）−Ｚ（ｚ）を得るように減算ポイントＳにおいて出力信号Ｙ（ｚ）から減算される。

量子化雑音Ｎ_１（ｚ）は、増幅率Ｃ_１を有する増幅器８及び減算ポイント９によってアナログ領域で分離される。増幅器８が必要なのは、増幅器５と加算ポイント６との相互接続が実用上アクセス不可能であるからである。増幅器８の増幅が量子化器（５，６）のベースバンド増幅（Ｃ_１）と等しい場合、そしてＤＡ変換器７の増幅ｄが１である場合、減算ポイント９が信号成分を伴わずに量子化雑音Ｎ_１（ｚ）を伝送することが容易に分かる。ＤＡ変換器が或る特定の増幅又は減衰（ｄ≠１）を呈する場合、増幅器８の増幅はＣ_１・ｄとならなければならない。

分離された雑音Ｎ_１（ｚ）は、入力信号として第２のΣΔ変調器Ｍ_２へ供給され、ここでこの信号は、減算ポイント１０及び伝達関数Ｇ_２（ｚ）を有する低域通過フィルタ１１を介して量子化器（１２，１３）に供給される。この量子化器は、ここでも、増幅率Ｃ_２を持つ増幅器１２と量子化雑音Ｎ_２（ｚ）が加算される加算ポイント１３とによって表される。この量子化器のディジタル出力信号Ｚ（ｚ）は、ＡＤ変換器１４、伝達関数Ｇ´_１（ｚ）を有するフィルタ１５及び増幅Ｃ´_１を有する増幅器１６をカスケードで有するフィードバックパスを介して減算ポイント１０のマイナス入力に戻るように供給される。この第２のΣΔ変調器に対して、次の式が成立する。

第２のΣΔ変調器のループゲインＣ´_１Ｇ´_１（ｚ）Ｃ´_２Ｇ´_２（ｚ）が１よりも十分大きい場合、この式は、

に簡単化する。

なお、フィルタ１５の伝達関数Ｇ´_１（ｚ）がフィルタ３の伝達関数Ｇ_１（ｚ）に（実質的に）等しく２つの増幅率Ｃ_１（ｚ）及びＣ_１´（ｚ）も等しいとき、この式（ＩＶ）におけるＮ_１（ｚ）の項は、第１のΣΔ変調器の出力信号Ｙ（ｚ）についての式（ＩＩ）のＮ_１（ｚ）の項と同じである。そして、減算ポイントＳの出力信号Ｙ（ｚ）−Ｚ（ｚ）は、

に等しくなる。

この結果は、第１のΣΔ変調器の順方向パスにおけるフィルタ３と同じ伝達関数を有する第２のΣΔ変調器のフィードバックパスにおけるフィルタ１５により得られる。さらに、これら２つのフィルタは、どちらもアナログ領域にあり、これにより同じ技術により実現可能である。したがってこの２つのフィルタ３及び１５は、完全なマッチングで形成可能であり、その結果、当該装置の出力におけるＮ_１（ｚ）雑音の最適な抑制を達成することができる。これは、量子化雑音Ｎ_１（ｚ）のフィルタリングが第２のΣΔ変調器の出力リード線におけるフィルタにより実現される上述の論文に係る従来技術の装置とは対照的である。このフィルタの伝達関数は、第１のΣΔ変調器のフィルタＧ_１（ｚ）に対して反転するのが良く、ディジタル領域で実現されなければならない。第２のΣΔ変調器における安定性は、このΣΔ変調器が第１のΣΔ変調器よりも強度の低い変位を呈するので良好に制御される。さらに、第２のΣΔ変調器の動作不良をリミッタにより抑制可能であり、これにより、第１のΣΔ変調器が正しく機能し続けることになるので、全体の性能を僅かしか落とさない。

図１の装置の動作の上記説明では、２つのＤＡ変換器７及び１４が増幅又は減衰を呈しない（ｄ＝１）ことを前提にしている。本発明の装置のさらなる解析は、Ｎ_１（ｚ）雑音の最適な抑制のために第２のΣΔ変調器Ｍ_２のフィードバックパスの伝達関数が第１のΣΔ変調器Ｍ_１の開ループ伝達関数に等しくするのがよいことを示している。図１の装置において、変調器Ｍ_１の開ループ伝達関数はｄ・Ｇ_１（ｚ）・Ｃ_１であるが、変調器Ｍ_２のフィードバックパスの伝達関数もｄ・Ｇ_１（ｚ）・Ｃ_１である。したがって、２つのＤＡ変換器の増幅率ｄは、１でない必要があるが、最適な雑音抑制のためこれらは等しくしなければならない。また、幾つかのサンプリング期間のディジタル遅延（図には示されていない）は、大抵は、第２のΣΔ変調器の固有の遅延に対処するために第１のΣΔ変調器の出力リード線（４）に含まれる。

式（ＩＶ）からは、当該装置の出力信号Ｙ（ｚ）−Ｚ（ｚ）は、依然として第２のΣΔ変調器Ｍ_２から生じる量子化雑音Ｎ_２（ｚ）を帯域内に有することが分かる。但し、この雑音は、両フィルタＧ_１（ｚ）及びＧ_２（ｚ）により整形される。したがって、これらフィルタの各々が２次フィルタであるときには、雑音Ｎ_２（ｚ）は、第１のΣΔ変調器の安定性が危険に曝されることなく、４次フィルタにより効果的に整形される。

上述したように、第２のΣΔ変調器Ｍ_２のフィードバックパスの伝達関数は、第１のΣΔ変調器Ｍ_１の開ループ伝達関数と対応しなければならない。これは、単一のフィルタＧ_１（ｚ）よりも複雑なフィルタ構造を持つΣΔ変調器に対しても成立する。このことは図２に示されており、図１のものに対応する要素は同じ参照符号が付されている。図１の第１のΣΔ変調器における単一フィルタ３の代わりに、図２の第１のΣΔ変調器は、伝達関数Ｇ_１ａ（ｚ）を有するフィルタ２１と、減算ポイント２２と、伝達関数Ｇ_１ｂ（ｚ）を有する第２のフィルタ２３とをカスケードにて含む。出力信号Ｙ（ｚ）は、ＤＡ変換器７におけるＤＡ変換の後に、減算ポイント２のマイナス入力へ直接、また、スケーリングファクタαを有するスケーラ２４を介して減算ポイント２２のマイナス入力に供給される。このようにより複雑なフィルタ構造を有するΣΔ変調器は、当該技術において周知であり、例えば、本出願人の前の特許出願（ＰＨＮＬ０３０７６６）を参照されたい。このΣΔ変調器の開ループ伝達関数、すなわち、例えば加算ポイント６の出力から要素７，２，２１，２２，２３，２４及び５を通じて加算ポイント６の入力までの伝達関数は、ｄ・｛Ｇ_１ａ（ｚ）＋α｝・Ｇ_１ｂ・Ｃ_１に等しい。

当該装置の出力信号における量子化雑音Ｎ_１（ｚ）の最適な抑制をなすため、第２のΣΔ変調器Ｍ_２のフィードバックパスは同じ伝達関数を有するのがよい。これは、図２において、ＤＡ変換器１４、伝達関数Ｇ_１ａ（ｚ）を有するフィルタ２５、加算ポイント２６、伝達関数Ｇ_１ｂ（ｚ）を有するフィルタ２７及び増幅器１６のカスケードによって実現される。さらに、ＤＡ変換器１４の出力は、スケーリングファクタαを有するスケーラ２８を通じて加算ポイント２６に供給される。これら６つの要素は共に、伝達関数ｄ・｛Ｇ_１ａ（ｚ）＋α｝・Ｇ_１ｂ・Ｃ_１、すなわち変調器Ｍ_１の開ループ伝達関数と等しいものを有するパスを構成する。これら要素は、最適なフィルタマッチングが得られるように第１のΣΔ変調器の対応の要素と実現形態では一致しうる。

本発明によるＡＤ変換装置の第１の実施例を示す図。本発明によるＡＤ変換装置の第２の実施例を示す図。

Claims

アナログ入力信号を受信する入力端子と、前記入力端子と量子化器との間における順方向パスにあるフィルタリング手段と、前記量子化器の出力に接続される出力端子と、前記量子化器の出力から前記フィルタリング手段へ接続されるフィードバックパスとを各々が具備する第１及び第２のΣΔ変調器を有するＡＤ変換装置であって、アナログ入力信号を前記第１のΣΔ変調器の入力端子に供給する手段と、前記第１のΣΔ変調器において発生した量子化雑音を分離する手段と、前記第２のΣΔ変調器の入力端子にその分離された量子化雑音を供給する手段と、当該２つのΣΔ変調器のディジタル出力信号の合成を導いて当該合成において前記第１のΣΔ変調器の量子化雑音を大幅に減らすための手段と、をさらに有し、前記第２のΣΔ変調器のフィードバックパスにおけるフィルタリング手段は、前記アナログ入力信号の周波数帯域について、前記第１のΣΔ変調器の開ループの伝達関数に略等しい伝達関数を有する、ＡＤ変換装置。
請求項１に記載の装置であって、前記第１のΣΔ変調器の開ループの伝達関数及び前記第２のΣΔ変調器のフィードバックパスの伝達関数は、同じ技術により同じ構造で実現される、装置。
請求項２に記載の装置であって、前記第２の変調器の前記フィードバックパスの要素のインピーダンスレベルは、前記第１の変調器の前記フィードバックパス及び順方向パスの対応の要素のものよりも高い、装置。