JP2977643B2 - アナログ‐ディジタル変換器 - Google Patents

アナログ‐ディジタル変換器

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JP2977643B2 JP3166467A JP16646791A JP2977643B2 JP 2977643 B2 JP2977643 B2 JP 2977643B2 JP 3166467 A JP3166467 A JP 3166467A JP 16646791 A JP16646791 A JP 16646791A JP 2977643 B2 JP2977643 B2 JP 2977643B2
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    • H03M3/30Delta-sigma modulation
    • H03M3/39Structural details of delta-sigma modulators, e.g. incremental delta-sigma modulators
    • H03M3/412Structural details of delta-sigma modulators, e.g. incremental delta-sigma modulators characterised by the number of quantisers and their type and resolution
    • H03M3/414Structural details of delta-sigma modulators, e.g. incremental delta-sigma modulators characterised by the number of quantisers and their type and resolution having multiple quantisers arranged in cascaded loops, each of the second and further loops processing the quantisation error of the loop preceding it, i.e. multiple stage noise shaping [MASH] type
    • H03M3/418Structural details of delta-sigma modulators, e.g. incremental delta-sigma modulators characterised by the number of quantisers and their type and resolution having multiple quantisers arranged in cascaded loops, each of the second and further loops processing the quantisation error of the loop preceding it, i.e. multiple stage noise shaping [MASH] type all these quantisers being single bit quantisers

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、スイッチド-キャパシ
タ技術でのノイズフィルタリングを有するオーバサンプ
リングするアナログ-ディジタル変換器に関する。
【0002】
【従来の技術】抵抗、トランジスタまたはコンデンサ回
路網を有する高分解能および高直線性のアナログ-ディ
ジタル変換器の実現は現在、なんらかの形式の平衡また
は補正によってのみ可能である。従って多くの用途に対
してオーバサンプリングおよびノイズフィルタリングを
有するアナログ-ディジタル変換器が1つの実施可能な
解決策をなしている。その際に、ナイキスト理論に基づ
いて必要なサンプリングレートよりも高いサンプリング
レートと小さい分解能とにより動作される。次いで、後
続のディジタルの、すなわち本質的に非臨界的なフィル
タのなかで小さい分解能の高周波の信号から高い分解能
の低周波の信号が得られる。オーバサンプリングにより
すべての量子化ノイズはより大きい周波数範囲にわたっ
て分散し、それによって信号帯範囲内のノイズが減少す
る。ノイズフィルタリングの際に量子化ノイズの一部分
は信号帯から他の周波数範囲にシフトされ、従って信号
帯のなかのSN比がさらに改善される。
【0003】ノイズフィルタリングのために一般に積分
器回路が利用され、その際に積分器の次数の上昇により
SN比が改善される。しかし3次およびそれよりも高い
次数の積分器回路は本質的に安定でない。ヤスユキ・マ
ツヤ、クニハル・ウチムラ、アツシ・イワタ、ツトム・
コバヤシ、マサユキ・イシカワおよびタケシ・ヨシトメ
の論文“三重積分ノイズシェイピングを用いる16ビッ
ト-オーバサンプリング-アナログ-ディジタル変換技
術”、米国電気電子学会雑誌、固体回路編、第SC-2
2巻、第6号、第921〜929頁、1978年12月
から、オーバサンプリングおよび3次のノイズフィルタ
リングを有するアナログ-ディジタル変換器を1次の3
つの変換器のカスケード接続により、すなわち1次の積
分器によっても形成することは知られている。これらの
アナログ-ディジタル変換器では安定性の問題は全く生
じない。
【0004】パラメータ変動に対する不敏感性を一層高
めるため、公知のアナログ-ディジタル変換器は時定
数、たとえば積分器時定数の決定のためのRC要素によ
り実現されずに、スイッチド-キャパシタ技術で実現さ
れる。その際に時定数はもはや抵抗Rおよびコンデンサ
Cの絶対的な大きさに関係せずに、それよりもはるかに
小さい変動を受ける2つのコンデンサの比に関係する。
オーバサンプリングを有するアナログ-ディジタル変換
器では原理的に高いクロック周波数により動作される。
積分器またはその際に使用される演算増幅器の帯域幅は
再び、各クロック周期の間に積分器または演算増幅器の
十分に正確なビルドアップを保証するため、特定の係数
だけこのクロック周波数の上に位置すべきであろう。そ
れによって積分器または演算増幅器の帯域幅は最高の処
理すべき周波数よりも相当に高く位置しなければならな
い。さらに、しかも、この変換器において生ずる、量子
化ノイズの減少に通ずる補償効果を達成するため、高い
無負荷増幅率も要求される。高い増幅率は特に集積され
たCMOS演算増幅器では非常に高い実現費用によっ
て、また速度を犠牲にして、従ってまた演算増幅器の帯
域幅を犠牲にしてのみ達成され得る。公知のアナログ-
ディジタル変換器における演算増幅器への要求をわずか
に保つためには、積分器において両付属コンデンサのキ
ャパシタンス比が大きくされた。しかし、それによって
アナログ-ディジタル変換器の駆動範囲は制約される。
【0005】K.Nagaraj 、T.R.Viswanathan 、K.Singha
l およびJ.Vlach の論文“増幅器ゲインへの感度を減ぜ
られたスイッチド-キャパシタ回路”、米国電気電子学
会論文集、回路およびシステム編、第CAS-34巻、
第5号、1987年5月、第571〜574頁から、演
算増幅器の有限な無負荷増幅率の影響に対する敏感さが
強く減ぜられているスイッチド-キャパシタ技術は知ら
れている。この積分器では両クロック相で入力電圧が交
互にそれぞれ1つのコンデンサに、すなわち第1または
第2のコンデンサに記憶される。各第2の相で次いで既
に積分ステップが行われ、また第1のコンデンサが第3
のコンデンサを介して放電される。演算増幅器の有限の
無負荷増幅率に起因して、その入力端にオフセット電圧
およびオフセット電流が生じ、これらが第1のコンデン
サの完全な放電を妨げるので、この積分ステップは損失
を伴う。従って、演算増幅器の入力端の間に生ずる電圧
が同時に第4のコンデンサに記憶される。それに続くク
ロック相で次いで本来の積分ステップが行われる。すな
わち第2のコンデンサが第5のコンデンサを介して放電
される。その際に第2のコンデンサは直接にではなく第
4のコンデンサを介して演算増幅器の負入力端と接続さ
れる。演算増幅器の入力端におけるオフセット電圧がこ
うして補償されるので、第2のコンデンサの完全な放電
が行われる。すなわち回路は、あたかも演算増幅器が無
限の無負荷増幅率を有するかのように挙動する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、オー
バサンプリングおよびノイズフィルタリングを有する公
知の積分器および公知のアナログ-ディジタル変換器
を、両者の組み合わせが可能であるように変更すること
である。
【0007】
【課題を解決するための手段】この課題は請求項1によ
るアナログ-ディジタル変換器により解決される。本発
明の有利な実施態様は請求項2以下にあげられている。
【0008】
【発明の効果】本発明によるアナログ-ディジタル変換
器の利点は高い安定性、わずかな回路技術的費用、構成
部品変動および外部擾乱影響に対してのわずかな敏感さ
およびより大きい駆動範囲である。
【0009】
【実施例】以下、図面に示されている実施例により本発
明を一層詳細に説明する。図1による実施例は、オーバ
サンプリングおよび3次のノイズフィルタリングを有
し、3つの同一に構成されたそれぞれ1次の変換器段U
1、U2、U3から成るアナログ-ディジタル変換器を
示す。3つの変換器段U1、U2、U3の各々に2つの
参照電位VR1、VR2および5つのクロック信号A、
B、C、D、Eが与えられている。入力信号として変換
器段U1ではアナログ-ディジタル変換器の入力信号I
Nが、変換器段U2では変換器段U1の出力信号VOA
が、変換器段U3では変換器段U2の出力信号VOAが
与えられている。変換器段U3の出力信号VODは一方
では遅延要素V2の入力端に、また他方では加算器A3
の一方の入力端に与えられており、その他方の入力端は
遅延要素V2の出力端と接続されている。加算器A3の
出力端は加算器A1の一方の入力端に導かれており、そ
の他方の入力端は変換器段U2の出力信号VODにより
駆動される。加算器A1の出力端は一方では遅延要素V
1の入力端と、また他方では加算器A2の一方の入力端
と接続されており、その他方の入力端は遅延要素V1の
出力端に接続されている。一方の入力端で加算器A2の
出力端と接続されており、また他方の入力端に変換器段
U1の出力信号VODを与えられている加算器A4の出
力信号は、アナログ-ディジタル変換器の出力信号OU
Tとして用いられている。加算器A2と結び付いた遅延
要素V1または加算器A3と結び付いた遅延要素V2は
それぞれディジタル微分器段を形成する。微分器段は図
示されている実施例では、隣接する変換器段U1、U
2、U3のディジタル出力信号VODを導く出力端がそ
れぞれ微分器段を介して、それぞれ1ィジタル出力信号
VODと加わり、またそれぞれ後続の微分器段に供給さ
れるように互いに結合されるように接続されている。変
換器段U1、U2、U3のディジタル出力信号VODが
それぞれ(前に接続されている変換器段の数に等しい)
相応の数の微分器段を介して導かれ、また次いで加え合
わされる構成例にくらべての利点は、微分器段の全数、
従ってまた回路技術的費用が減ぜられることである。な
ぜならば、特に加算器A1およびA3またはA2および
A4も相応の実施例ではそれぞれ1つの加算器としてま
とめられ得るからである。
【0010】変換器段U1、U2、U3はその際に同一
に構成されている。スイッチド・キャパシタ技術でのこ
のような変換器段Uの実施例は図2に示されている。入
力信号VINは一方では制御可能な電子スイッチS3を
介してコンデンサC1の一方の端子に、また他方では制
御可能な電子スイッチS4を介してコンデンサC2の一
方の端子に導かれている。コンデンサC1の前記一方の
端子にはさらに直列に制御可能な電子スイッチS2およ
び制御可能な電子スイッチS5を介して参照電位VR1
が接続され得る。相応にコンデンサC2の前記一方の端
子にはさらに直列に制御可能な電子スイッチS1および
制御可能な電子スイッチS6を介して参照電位VR2が
接続され得る。コンデンサC1の他方の端子とコンデン
サC3の一方の端子との間には制御可能な電子スイッチ
S7が、またコンデンサC2の他方の端子とコンデンサ
C3の他方の端子との間には制御可能な電子スイッチS
8が接続されている。さらにコンデンサC1の前記他方
の端子、コンデンサC2の前記他方の端子およびコンデ
ンサC3の前記一方の端子はそれぞれ制御可能な電子ス
イッチS9、S10またはS11を介して基準電位に接
続され得る。コンデンサC3の前記他方の端子は演算増
幅器OPの反転入力端と接続されており、その非反転入
力端は基準電位に接続されており、またその出力端は出
力信号VOAを導く。演算増幅器OPの出力端とその反
転入力端との間には負帰還回路網が接続されている。こ
れはコンデンサC4から成っており、その一方の端子は
制御可能な電子スイッチS12を介して基準電位に、ま
た制御可能な電子スイッチS13を介して反転入力端に
接続可能であり、またその他方の端子は演算増幅器OP
の出力端と接続されている。最後に演算増幅器OPの出
力端はコンデンサC5および制御可能な電子スイッチS
14の直列回路を介してコンデンサC3の前記一方の端
子と接続されている。この負帰還回路網に本発明の構成
例では別の負帰還回路網が並列に接続されている。これ
は演算増幅器OPの反転入力端と出力端との間に2つの
コンデンサC6およびC7の直列回路を有する。コンデ
ンサC6およびC7の互いに接続されている端子はさら
にそれぞれ制御可能な電子スイッチS15またはS16
を介して基準電位に接続可能である。この追加的な負帰
還回路網は、演算増幅器OPが制御可能な電子スイッチ
S12、S13、S14のスイッチング相の間で負帰還
されず、従って不安定であることを防止する。出力信号
VOAはコンパレータKOの反転入力端に導かれてお
り、その非反転入力端は基準電位に接続されており、ま
たその出力端にはメモリ要素として設けられているフリ
ップフロップFFが接続されている。フリップフロップ
FFの反転および非反転出力端はそれぞれクロック信号
バーQ(図では上線付きのQで示されている)またはQ
を導き、その際にクロック信号Qは出力信号VODとし
ても用いられている。
【0011】クロック信号Q、バーQはクロック信号
A、B、C、D、Eと同様に電子スイッチS1ないしS
16を制御する役割をする。その際に電子スイッチS3
およびS4ならびにコンパレータKOの制御のためには
クロック信号Aが、電子スイッチS6、S8、S11、
S13、S16ならびにフリップフロップFFの制御の
ためにはクロック信号Bが、電子スイッチS5およびS
7の制御のためにはクロック信号Cが、電子スイッチS
9の制御のためにはクロック信号Dが、また電子スイッ
チS10、S12、S14およびS15の制御のために
はクロック信号Eが用いられている。電子スイッチS1
とその際にクロック信号バーQにより、また電子スイッ
チS2はクロック信号Qにより制御される。
【0012】クロック信号A、B、C、DおよびEの経
過は時間tを横軸にとって図3に示されている。これら
のクロック信号は周期的である。すなわち特定の継続時
間のパルスが特定の時間間隔で繰り返して生ずる。クロ
ック信号A、BおよびCはその際に時間的に互いに、先
ず1つのパルスがクロック信号Aの際に生じ、それに続
いて1つのパルスがクロック信号Bの際に生じ、また再
びそれに続いて1つのパルスがクロック信号Cの際に生
ずるように配置されている。その後に再びクロック信号
Aの際に1つのパルスが生じ(以下同様)、その際にク
ロック信号A、BおよびCは重ならないようにビルドア
ップされている。すなわち1つのクロック信号の際のパ
ルスの減衰の後に初めて他のクロック信号の際のパルス
の上昇が行われる。重ならないクロック信号A、B、C
によりアナログ-ディジタル変換器の挙動への電子スイ
ッチの有限のスイッチング時間の影響が消去される。ク
ロック信号Dの際には、クロック信号Aのパルスと同時
に開始し、またクロック信号Bのパルスと同時に終了す
るパルスが発せられる。最後にクロック信号Eの際には
クロック信号Cのパルスと同時に開始し、またクロック
信号Aのパルスと同時に終了するパルスが発せられる。
これに対してクロック信号QおよびバーQに対しては正
確な時間的対応付けを示す必要はない。なぜならば、こ
れらのクロック信号は入力信号VINにも関係するから
である。最後に言及すべきこととして、別の変換器段お
よび付属の微分器段の追加により、より高い次数の安定
なオーバサンプリングするアナログ-ディジタル変換器
が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図1】スイッチド-キャパシタ技術でのオーバサンプ
リングおよびノイズフィルタリングを有する本発明によ
るアナログ-ディジタル変換器の実施例のブロック回路
図。
【図2】図1によるアナログ-ディジタル変換器におけ
る本発明による変換器段。
【図3】図1によるアナログ-ディジタル変換器のクロ
ック信号の時間的経過。
【符号の説明】
A〜E クロック信号 A1〜A4 加算器 FF フリップフロップ KO コンパレータ OP 演算増幅器 Q、バーQ クロック信号 S1〜S16 制御可能なスイッチ U1〜U3 変換器段 V1、V2 遅延要素 VIN 入力信号 VOA アナログ出力信号 VOD ディジタル出力信号 VR1、VR2 参照電位
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−177818(JP,A) 特開 昭63−294132(JP,A) 特開 平3−148919(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H03M 3/00 - 3/04

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 それぞれアナログ入力信号(VIN)に
    より駆動され、またそれぞれアナログ出力信号(VO
    A)およびディジタル出力信号(VOD、Q)を出力す
    る、同一に構成された少なくとも3つの変換器段(U
    1、U2、U3)を有するオーバサンプリングするアナ
    ログ-ディジタル変換器において、変換器段(U1、U
    2、U3)がアナログ入力信号(VIN)およびアナロ
    グ出力信号(VOA)に関して直列に接続されており、
    変換器段(U1、U2、U3)のディジタル出力信号
    (VOD)がそれぞれ、それぞれ前に接続されている変
    換器段(U1、U2)の数に等しい数の直列に接続され
    ている微分器段(V1、V2、A2、A3)を介して導
    かれ、かつ加え合わされ、変換器段(U1、U2、U
    3)がそれぞれ、そのつどの変換器段(U1、U2、U
    3)のアナログ出力信号(VOA)を出力端に与える演
    算増幅器(OP)と、演算増幅器(OP)の後に接続さ
    れているコンパレータ(KO)と、コンパレータ(K
    O)の後に接続されており、そのつどの変換器段(U
    1、U2、U3)のディジタル出力信号(VOD)を出
    力端に与えるメモリ要素(FF)とを有し、変換器段
    (U1、U2、U3)のなかでそれぞれアナログ入力信
    号(VIN)が一方では第1の制御可能なスイッチ(S
    3)を介して第1のコンデンサ(C1)の一方の端子
    に、また他方では第4の制御可能なスイッチ(S4)を
    介して第2のコンデンサ(C2)の一方の端子に導か
    れ、第1のコンデンサ(C1)の前記一方の端子にはさ
    らに直列に第2および第3の制御可能なスイッチ(S
    2、S5)を介して第1の参照電位(VR1)が接続可
    能であり、また第2のコンデンサ(C2)の前記一方の
    端子にはさらに直列に第5および第6の制御可能なスイ
    ッチ(S1、S6)を介して第2の参照電位(VR2)
    が接続可能であり、変換器段(U1、U2、U3)のな
    かでそれぞれ第1のコンデンサ(C1)の他方の端子は
    一方では第7の制御可能なスイッチ(S9)を介して基
    準電位に、また他方では第8の制御可能なスイッチ(S
    7)を介して基準電位に通ずる第9の制御可能なスイッ
    チ(S11)と第3のコンデンサ(C3)の一方の端子
    とに接続されており、第3のコンデンサ(C3)の他方
    の端子は演算増幅器(OP)の反転入力端と接続されて
    おり、変換器段(U1、U2、U3)のなかでそれぞれ
    第2のコンデンサ(C2)の他方の端子は一方では第1
    0の制御可能なスイッチ(S10)を介して基準電位
    に、また他方では第11の制御可能なスイッチ(S8)
    を介して演算増幅器(OP)の反転入力端に接続されて
    おり、変換器段(U1、U2、U3)のなかでそれぞれ
    演算増幅器(OP)の出力端は一方では直列に第12の
    制御可能なスイッチ(S14)および第4のコンデンサ
    (C5)を介して第3のコンデンサ(C3)の前記一方
    の端子に、また他方では第5のコンデンサ(C4)を介
    して、基準電位に通ずる第13の制御可能なスイッチ
    (S12)と、演算増幅器(OP)の反転入力端と接続
    されている第14の制御可能なスイッチ(S13)とに
    接続されており、変換器段(U1、U2、U3)のなか
    で第1および第4のスイッチ(S3、S4)が第1のク
    ロック信号(A)により、第6、第9、第11および第
    14のスイッチ(S6、S11、S8、S13)が第2
    のクロック信号(B)により、第3および第8のスイッ
    チ(S5、S7)が第3のクロック信号(C)により、
    第7のスイッチ(S9)が第4のクロック信号(D)に
    より、第10、第12および第13のスイッチ(S1
    0、S12、S14)が第5のクロック信号(E)によ
    り、第5のスイッチ(S1)が反転されたディジタル出
    力信号(バーQ)により、また第2のスイッチ(S2)
    がディジタル出力信号(Q)により制御され、第1、第
    2および第3のクロック信号(A、B、C)として、次
    々と生じ、周期的に繰り返し、またそれぞれ対応付けら
    れているスイッチを導通状態にするパルスが用いられて
    おり、また第4および第5のクロック信号(D、E)と
    して、第1のクロック信号(A)のパルスにより開始し
    かつ第2のクロック信号(B)のパルスにより終了し、
    または第3のクロック信号(C)のパルスにより開始し
    かつ第1のクロック信号(A)のパルスにより終了す
    る、それぞれ対応付けられているスイッチを導通状態に
    するパルスが用いられていることを特徴とするアナログ
    -ディジタル変換器。
  2. 【請求項2】 変換器段(U1、U2、U3)において
    それぞれ演算増幅器(OP)の出力端が第7のコンデン
    サ(C7)の一方の端子と接続されており、また演算増
    幅器(OP)の反転入力端が第6のコンデンサ(C6)
    の一方の端子と接続されており、第6および第7のコン
    デンサ(C6、C7)の他方の端子が互いに接続されて
    おり、また一方は第2のクロック信号(B)によりまた
    他方は第5のクロック信号(E)により制御される2つ
    の並列接続されたスイッチ(S15、S16)を介して
    基準電位に接続可能であることを特徴とする請求項1記
    載のアナログ-ディジタル変換器。
  3. 【請求項3】 第1、第2および第3のクロック信号
    (A、B、C)のパルスが重ならないことを特徴とする
    請求項1または2記載のアナログ-ディジタル変換器。
  4. 【請求項4】 隣接する変換器段(U1、U2、U3)
    のディジタル出力信号(VOD)を導く出力端は、それ
    ぞれ微分器段(V1、V2、A2、A3)を介して、そ
    れぞれ微分器段(V1、V2、A2、A3)の出力信号
    が変換器段(U1、U2、U3)のディジタル出力信号
    (VOD)と加えられ、またそれぞれ後続の微分器段
    (V1、A2)に供給されるように互いに接続されてい
    ることを特徴とする請求項1ないし3の1つに記載のア
    ナログ-ディジタル変換器。
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