JP4039238B2 - Analog / digital converter - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オーバーサンプリング型のアナログ/デジタル変換器に関する。
【0002】
【従来の技術】
アナログ/デジタル(以下、A/Dと記す)変換器は、アナログ入力の振幅を量子化する量子化器と時間軸を離散化する標本化器から構成される。従来のA/D変換器は標本化を行うためのクロック信号を量子化器に供給することで、クロックの入った瞬間のアナログ信号を量子化していた。
【0003】
通常、オーバーサンプリング型のAD変換器では、1ビット量子化器が用いられ、量子化器の出力をフィードバックしてアナログ入力信号からある一定量を増減させるように構成されている。このものでは、1ビット量子化器を用い、高い周波数で標本化することで、アナログ信号はパルス密度変調波として出力される。その変調を行う際、クロック信号は量子化器のパルス出力を保持するために不可欠であるので、量子化と標本化は同時に行われる必要がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記したオーバーサンプリング型のA/D変換器では、標本化周波数を如何に上げるかが精度向上の鍵を握っている。しかしながら、このものでは、量子化器の出力をフィードバックしアナログ入力信号からある一定量を増減させる機構が必要であること、量子化器の出力を保持する機構が必要であることから、標本化周波数を上げることが困難であった。
【0005】
また、オーバーサンプリング型のA/D変換器として、量子化器にジョセフソン接合を用いたものも提案されている。このA/D変換器では、ジョセフソン回路の特性を生かし、フィードバックは出力と同時に自動的に行われる。しかしながら、パルス密度波への変調(量子化)と標本化をひとつのジョセフソン接合で行っていたため、ジョセフソン接合の高速性を十分に発揮する速度まで標本化周波数を上げることができなかった。
【0006】
本発明は、上記した点に鑑みたもので、オーバーサンプリング型のA/D変換器において、精度を向上させることを第1の目的とする。また、量子化器にジョセフソン接合を用いたオーバーサンプリング型のA/D変換器において、ジョセフソン接合の高速性を十分に発揮できるようにすることを第2の目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上記した目的を達成するため、量子化と標本化を分離して行うように構成している。
【0008】
具体的には、請求項1に記載の発明では、アナログ入力信号をパルス密度変調波に変調するΔ型若しくはΣ−Δ型モジュレータと、パルス密度変調波をクロック信号を用いて標本化する標本化器と、を含むアナログ/デジタル変換器であって、Δ型若しくはΣ−Δ型モジュレータにあっては、クロック信号とは関係なくアナログ入力信号が闘値を越えるとパルスを出力する量子化器を含んで構成され、Σ−Δ型モジュレータにあっては、クロック信号とは関係なくアナログ入力信号を積分する積分器若しくは共振器からの入力が闘値を越えるとパルスを出力する量子化器を含んで構成されており、標本化器は、パルス密度変調波が同時に入力される複数の個別標本化器を有し、これら個別標本化器に供給するクロック信号を、個別標本化器間でクロック信号の周期より短い時間遅延させたものとしたことを特徴としている。
【0009】
この発明によれば、量子化と標本化を分離して行い、標本化を高時間分解能で行うことができるため、オーバーサンプリング型のA/D変換器においてその精度を向上させたものとすることができる。
【0010】
請求項2に記載の発明では、アナログ入力信号をパルス密度変調波に変調するΣ−Δ型モジュレータと、クロック信号を用いてパルス密度変調波を標本化する標本化器と、を含むアナログ/デジタル変換器であって、Σ−Δ型モジュレータは、アナログ入力信号を積分する積分器若しくは共振器と、この積分器若しくは共振器に接続され、クロック信号とは関係なく積分器若しくは共振器からの入力が闘値を越えるとパルスを出力するジョセフソン接合を用いた量子化器と、を有して構成されていることを特徴としている。
【0011】
この発明によれば、量子化と標本化を分離して行い、ジョセフソン接合を用いた量子化器においてクロック信号とは関係なく入力が闘値を越えるとパルスを出力するようになっているので、オーバーサンプリング型のA/D変換器において、ジョセフソン接合の高速性を十分に発揮させたものとすることができる。
【0012】
請求項3に記載の発明では、請求項2に係る発明において、標本化器は、パルス密度変調波が同時に入力される複数の個別標本化器を有し、これら個別標本化器に供給するクロック信号を、個別標本化器間でクロック信号の周期より短い時間遅延させたものとしたことを特徴としている。
【0013】
この発明によれば、量子化器にジョセフソン接合を用いたオーバーサンプリング型のA/D変換器において、その精度を向上させたものとすることができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
図1に本発明の一実施形態に係るオーバーサンプリング型のA/D変換器の構成を示す。このA/D変換器は、積分器10と、量子化器20と、周波数−電圧(電流)変換器30と、高時間分解能標本化器40とを備えている。
【0015】
この構成において、アナログ入力信号は、積分器10にて積分され、量子化器20に入力される。量子化器20は、積分器10からの入力が闘値を越えるとリターンツゥゼロのパルスを出力する。この量子化器20の出力は、周波数−電圧(電流)変換器30にて電圧(若しくは電流)信号に変換され、その変換された信号によりアナログ入力信号を減少させる。このように量子化器20の出力を入力側に戻すループを形成し、そのループ中に積分器10を介在させることにより、量子化器20からは、ノイズシェーピングした(すなわち、フラットに入っているノイズを高周波側にシフトさせた)パルス密度変調波が出力される。
【0016】
このようにアナログ入力信号をパルス密度変調波に変調する上記した構成によってΣ−Δ型モジュレータが構成される。但し、従来のΣ−Δ型モジュレータでは、量子化器にクロック信号が入力され、そのクロック信号により量子化を行うと同時に標本化を行うようになっていたが、本実施形態でいうΣ−Δ型モジュレータでは、量子化器20にクロック信号が入力されておらず、量子化器20は、積分器10からの入力と闘値との関係により、入力が闘値を越える毎にパルスを出力する。したがって、Σ−Δ型モジュレータからはクロック信号に関係なくパルス密度変調波が出力される。このパルス密度変調波はインパルス形状のパルスの密度でアナログ入力信号を表すもので、情報はインパルスの時間間隔で表現される。この時間間隔を精度良く読み取ることで、A/D変換器の性能を向上させることができる。
【0017】
Σ−Δ型モジュレータからは出力されるパルス密度変調波は、高時間分解能標本化器40により標本化される。この高時間分解能標本化器40は、後述する具体例で詳細に説明するように、複数の個別標本化器を有して構成され、これら個別標本化器に供給するクロック信号を、個別標本化器間でクロック信号の周期より短い時間遅延させたものとして、実効的に時間分解能を上げたものとしている。そして、この高時間分解能標本化器40からは、パルス密度変調波の密度に応じたマルチビットのディジタル信号が出力される。なお、通常、高時間分解能標本化器40の後段にはディジタルフィルタ(ローパスフィルタ)が接続されている。
【0018】
図2に、量子化器20にジョセフソン接合を用いたA/D変換器の具体的な構成を示す。この図2に示す構成では、積分器10が抵抗11とコイル12とで構成され、この積分器10に量子化器20が接続されている。この量子化器20は、ジョセフソン接合を用いて構成されており、クロック信号とは関係なく積分器10からの入力が闘値を越えるとパルスを出力する。ジョセフソン接合を用いた量子化器20の場合、パルスを出力すると同時に積分器10からこの量子化器20に流れる電流が所定量減少する。この電流の減少によってフィードバックがかかることになり、結果的には図1に示すものと同様、量子化器20の出力が入力側に戻るループが形成されることになる。したがって、この積分器10と、ジョセフソン接合を用いた量子化器20とにより、Σ−Δ型モジュレータが構成され、アナログ入力信号がパルス密度変調波に変調される。
【0019】
このパルス密度変調波は、高時間分解能標本化器40における複数(図では4つ)の個別標本化器(この実施形態では、Dフリップフロップ:以下DFFと記す)41、42、43、44にそれぞれ同時に入力される。言い換えれば、パルス密度変調波は、ツリー状に分配されて、同時に第1のDFF41、第2のDFF42、第3のDFF43、第4のDFF44に入力される。
【0020】
第1〜第4のDFF44〜44には、標本化信号である第1〜第4のクロック信号が供給される。第1のDFF41は、第1のクロック信号によりサンプリングクロック周期(標本化周期:T)で標本化を行うが、以降の第2のDFF42、第3のDFF43、第4のDFF44は順次サンプリングクロック周期よりも短い遅延τだけずれた第2のクロック信号、第3のクロック信号、第4のクロック信号により標本化を行う。すなわち、第2のDFF42は、第1のDFF41よりτだけ遅く、第3のDFF43は2τだけ、第4のDFF44は3τだけ遅く標本化を行う。この遅延τと標本化器の数N(この実施形態ではN=4)との関係はT=Nτとなる。この場合、それぞれのクロック信号の遅延は、配線遅延などを利用することにより実現することができる。このように標本化のタイミングを、標本化周期よりも細かくすることにより、より高い時間精度でインパルスの時間間隔を調べることが可能となる。
【0021】
なお、第1〜第4のDFF41〜44は、それぞれ標本化信号間隔内にパルス密度変調波のパルスがある場合は「1」、無い場合は「0」と判定し、それを保持して出力する。このようなDFFとしては、パルスが入力されたときにパルス入力があったことを内部記憶し、クロック信号によりその記憶状態を保持して出力するとともに内部記憶をリセットする構成のもので、例えばジョセフソン接合を用いたDFFにより実現することができる。そして、第1〜第4のDFF41〜44の各出力は、第4のクロック信号のタイミングでバイナリデコーダ45により加算され、マルチビットのディジタル信号として出力される。すなわち、第4のDFF44でのサンプリング間隔一周期間毎に第1〜第4のDFF41〜44のそれぞれの出力の数が計数されて出力される。
【0022】
図3に、高時間分解能標本化器40による標本化の様子を示す。図に示すように、第1のクロック信号、第2のクロック信号、第3のクロック信号、第4のクロック信号は、順に遅延τだけずれて周期的に発生している。
【0023】
ここで、パルス密度変調波における各パルスが図のように発生した場合、パルスaに対しては第4のDFF44、第1のDFF41、第2のDFF42、第3のDFF43から「1」が順に出力されるが、バイナリデコーダ45は第4のクロック信号のタイミングで加算を行って出力するため、そのタイミングで「1」を出力し、次の第4のクロック信号のタイミングで「3」を出力する。また、パルスbに対しては第1のDFF41、第2のDFF42、第3のDFF43、第4のDFF44から「1」が順に出力され、バイナリデコーダ45は第4のクロック信号のタイミングで加算を行って「4」を出力する。したがって、図に示すような時間間隔でパルスa、b、c、d、e、fが発生した場合には、バイナリデコーダ45からは「1」、「3」、「4」、「0」、「2」、「2」、「4」、「3」、「2」、「3」のデジタル信号が順に出力される。
【0024】
この出力されたデジタル信号の数値により、標本化信号間隔(この実施形態では第4のDFF44でのサンプリング間隔)内のどの位置でパルスが発生していたかを表すことができる。すなわち、図4に示すように、出力された数値が大きいほど標本化信号間隔の前の方の位置でパルスが発生していることを表す。これに対し、DFFを1個にした場合(例えば、第1のDFF41のみとした場合)では、図4に示すように標本化信号間隔内のどの位置にパルスがあっても「1」と判定される。このため、DFFを1個にした場合には、丸め込みの誤差が発生し、A/D変換器のSN比を下げることになるが、この実施形態のように量子化器20と標本化器40を分離し、標本化器40において上記した高時間分解能の標本化を行うようにすれば、高い時間精度が振幅の高い精度として表現されることになる。このことは、時間精度をデジタル出力信号の振幅方向に変換したことに相当する。表現を変えると、従来のΣ−Δ型モジュレータと同じオーバーサンプリング周波数で標本化しているものの、1ビット量子化器(コンパレータ)20ではなく、マルチビット量子化器20を用いたものと同等の性能を得ることが可能となる。
【0025】
なお、上記した実施形態のように、量子化器20にジョセフソン接合を用いて構成した場合には、クロック信号によらずに高速で量子化を行うことができるため、標本化器を1つのクロック信号により標本化するようにしても、高速化を図ることが可能である。すなわち、ジョセフソン接合を利用した従来のオーバーサンプリング型A/D変換器では、クロック信号の電流と入力電流が合流して1つの量子化器に加えられていたため、クロック信号の分だけ、印加し得るアナログ入力の大きさが減少し、本来の量子化器がもつダイナミックレンジ(DR)を引き出しきれないでいた。これに対し、量子化器にクロック信号が供給されない場合には、量子化器の持つ性能限界までDRを上げることができる。この場合、クロック信号の周波数をできる限り上げるようにすれば、標本化器を1つのクロック信号により標本化したとしても、丸め込みを低減化することができる。すなわち、高精度化を図ることができる。
【0026】
また、上記した実施形態では、Σ−Δ型モジュレータを用いてA/D変換器を構成するものを示したが、Δ型モジュレータを用いてA/D変換器を構成してもよい。この場合の構成を図5に示す。このΔ型モジュレータでは、積分器10が周波数−電圧(電流)変換器30の後段に位置している。この図5に示すものでも、量子化器20にはクロック信号が入力されておらず、量子化器20は、アナログ入力信号と闘値との関係により、アナログ入力信号が闘値を越える毎にパルスを出力するように構成されており、この点で従来のΔ型モジュレータと異なっている。なお、その他の構成は、図1に示す実施形態のものと同じである。
【0027】
また、上記した実施形態では、Σ−Δ型モジュレータあるいはΔ型モジュレータにおいて積分器10を用いて構成するものを示したが、その積分器10の構成としては図2に示したもの以外の構成のものを用いてもよい。また、積分器10の代わりに共振器を用いて構成してもよい。この共振器の具体例を図6(a)、(b)に示す。
【0028】
上記した実施形態に示すA/D変換器は、高速・高精度の受信・検波が求められるGHzRF信号、ダイナミックレンジが100dBを越えるオーディオ・ビデオ信号、高速に細かく変化する信号の波形解析測定や記録等アナログ信号のデジタル化に有用かつ有効なものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】Σ−Δ型モジュレータを用いて構成したオーバーサンプリング型のA/D変換器の構成を示す図である。
【図2】量子化器20にジョセフソン接合を用いて構成したA/D変換器の具体的な構成を示す図である。
【図3】高時間分解能標本化器40による標本化の様子を示すタイミングチャートである。
【図4】パルス密度変調波と高時間分解能標本化器40の出力との関係を説明するための図である。
【図5】Δ型モジュレータを用いて構成したオーバーサンプリング型のA/D変換器の構成を示す図である。
【図6】Σ−Δ型モジュレータあるいはΔ型モジュレータにおいて、積分器10の代わりに用いる共振器の構成を示す図である。
【符号の説明】
10…積分器、20…量子化器、30…周波数−電圧(電流)変換器、
40…高時間分解能標本化器、41〜44…個別標本化器としてのDFF、
45…バイナリデコーダ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an oversampling analog / digital converter.
[0002]
[Prior art]
The analog / digital (hereinafter referred to as A / D) converter includes a quantizer that quantizes the amplitude of an analog input and a sampler that discretizes the time axis. A conventional A / D converter quantizes an analog signal at the moment of entering a clock by supplying a clock signal for sampling to the quantizer.
[0003]
Normally, an oversampling AD converter uses a 1-bit quantizer, and is configured to feed back and forth the output of the quantizer to increase or decrease a certain amount from the analog input signal. In this case, an analog signal is output as a pulse density modulated wave by sampling at a high frequency using a 1-bit quantizer. When performing the modulation, the clock signal is indispensable to hold the pulse output of the quantizer, so that the quantization and sampling must be performed simultaneously.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the oversampling A / D converter described above, how to increase the sampling frequency is the key to improving accuracy. However, this requires a mechanism to feed back the quantizer output and increase or decrease a certain amount from the analog input signal, and a mechanism to hold the quantizer output. It was difficult to raise.
[0005]
As an oversampling A / D converter, a quantizer using a Josephson junction has been proposed. In this A / D converter, the characteristic of the Josephson circuit is utilized, and feedback is automatically performed simultaneously with the output. However, since modulation (quantization) and sampling into a pulse density wave were performed by one Josephson junction, the sampling frequency could not be increased to a speed at which the high speed of the Josephson junction was fully exhibited.
[0006]
The present invention has been made in view of the above points, and a first object thereof is to improve accuracy in an oversampling A / D converter. A second object of the present invention is to allow the oversampling A / D converter using a Josephson junction as a quantizer to sufficiently exhibit the high speed of the Josephson junction.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, in order to achieve the above-described object, quantization and sampling are performed separately.
[0008]
Specifically, according to the first aspect of the present invention, a Δ type or Σ-Δ type modulator that modulates an analog input signal into a pulse density modulated wave, and a sampling that samples the pulse density modulated wave using a clock signal. In a Δ-type or Σ-Δ type modulator , a quantizer that outputs a pulse when the analog input signal exceeds the threshold value regardless of the clock signal. The Σ-Δ modulator includes an integrator that integrates the analog input signal regardless of the clock signal , or a quantizer that outputs a pulse when the input from the resonator exceeds the threshold value. The sampler has a plurality of individual samplers to which a pulse density modulation wave is input simultaneously, and a clock signal supplied to these individual samplers is clocked between the individual samplers. Tsu is characterized in that the a delayed click signal shorter than the period of.
[0009]
According to the present invention, quantization and sampling can be performed separately, and sampling can be performed with high time resolution. Therefore, the accuracy of the oversampling A / D converter is improved. Can do.
[0010]
According to a second aspect of the present invention, there is provided an analog / digital device comprising: a Σ-Δ modulator that modulates an analog input signal into a pulse density modulated wave; and a sampler that samples a pulse density modulated wave using a clock signal. The Σ-Δ type modulator is an integrator or a resonator that integrates an analog input signal, and is connected to the integrator or the resonator, and is input from the integrator or the resonator regardless of the clock signal. And a quantizer using a Josephson junction that outputs a pulse when a threshold value is exceeded.
[0011]
According to this invention, quantization and sampling are performed separately, and in a quantizer using a Josephson junction, a pulse is output when the input exceeds the threshold value regardless of the clock signal. In the oversampling A / D converter, the high speed property of the Josephson junction can be sufficiently exhibited.
[0012]
According to a third aspect of the present invention, in the invention according to the second aspect, the sampler has a plurality of individual samplers to which a pulse density modulation wave is input simultaneously, and a clock supplied to these individual samplers. It is characterized in that the signal is delayed between the individual samplers by a time shorter than the period of the clock signal.
[0013]
According to the present invention, in the oversampling A / D converter using a Josephson junction as the quantizer, the accuracy can be improved.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a configuration of an oversampling A / D converter according to an embodiment of the present invention. The A / D converter includes an
[0015]
In this configuration, the analog input signal is integrated by the
[0016]
Thus, a Σ-Δ type modulator is configured by the above-described configuration that modulates an analog input signal into a pulse density modulated wave. However, in the conventional Σ-Δ type modulator, a clock signal is input to the quantizer, and sampling is performed at the same time as quantization is performed by the clock signal. In the type modulator, the clock signal is not input to the
[0017]
The pulse density modulated wave output from the Σ-Δ modulator is sampled by the high
[0018]
FIG. 2 shows a specific configuration of an A / D converter using a Josephson junction as the
[0019]
This pulse density modulated wave is sent to a plurality (four in the figure) of individual samplers (in this embodiment, D flip-flops: hereinafter referred to as DFFs) 41, 42, 43, 44 in the high
[0020]
The first to
[0021]
The first to
[0022]
FIG. 3 shows a state of sampling by the high
[0023]
Here, when each pulse in the pulse density modulation wave is generated as shown in the figure, “1” is sequentially applied to the pulse a from the
[0024]
The numerical value of the output digital signal can indicate at which position the pulse is generated within the sampling signal interval (in this embodiment, the sampling interval in the fourth DFF 44). That is, as shown in FIG. 4, the larger the output numerical value, the more the pulse is generated at the position earlier in the sampling signal interval. On the other hand, when one DFF is used (for example, when only the
[0025]
Note that, when the
[0026]
In the above-described embodiment, the A / D converter is configured using the Σ-Δ modulator. However, the A / D converter may be configured using the Δ modulator. The configuration in this case is shown in FIG. In this Δ-type modulator, the
[0027]
In the above-described embodiment, the Σ-Δ type modulator or the Δ type modulator is configured using the
[0028]
The A / D converter shown in the above embodiment is a waveform analysis measurement and recording of a GHz RF signal that requires high-speed and high-accuracy reception and detection, an audio / video signal with a dynamic range exceeding 100 dB, and a signal that changes finely at high speed. It is useful and effective for digitizing analog signals.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an oversampling A / D converter configured using a Σ-Δ modulator.
FIG. 2 is a diagram showing a specific configuration of an A / D converter configured using a Josephson junction in the
FIG. 3 is a timing chart showing a state of sampling by the high
FIG. 4 is a diagram for explaining the relationship between a pulse density modulated wave and the output of a high
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of an oversampling A / D converter configured using a Δ-type modulator.
6 is a diagram showing a configuration of a resonator used in place of an
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
40 ... High time resolution sampler, 41-44 ... DFF as individual sampler,
45: Binary decoder.
Claims (3)
前記Δ型モジュレータにあっては、前記クロック信号とは関係なく前記アナログ入力信号が闘値を越えるとパルスを出力する量子化器を含んで構成され、前記Σ−Δ型モジュレータにあっては、前記クロック信号とは関係なく前記アナログ入力信号を積分する積分器若しくは共振器からの入力が闘値を越えるとパルスを出力する量子化器を含んで構成されており、
前記標本化器は、前記パルス密度変調波が同時に入力される複数の個別標本化器を有し、これら個別標本化器に供給する前記クロック信号を、個別標本化器間で前記クロック信号の周期より短い時間遅延させたものとしたことを特徴とするアナログ/デジタル変換器。An analog / digital converter including a Δ type or Σ-Δ type modulator that modulates an analog input signal into a pulse density modulated wave, and a sampler that samples the pulse density modulated wave using a clock signal, ,
Wherein In the delta type modulator, said analog input signal regardless of the clock signal is configured to include a quantizer for outputting a pulse exceeds闘値, in the said sigma-delta type modulator, An integrator that integrates the analog input signal regardless of the clock signal or a quantizer that outputs a pulse when the input from the resonator exceeds a threshold value,
The sampler has a plurality of individual samplers to which the pulse density modulation wave is simultaneously input, and the clock signal supplied to the individual samplers is transmitted between the individual samplers. An analog / digital converter characterized by being delayed for a shorter time.
前記Σ−Δ型モジュレータは、前記アナログ入力信号を積分する積分器若しくは共振器と、この積分器若しくは共振器に接続され、前記クロック信号とは関係なく前記積分器若しくは共振器からの入力が闘値を越えるとパルスを出力するジョセフソン接合を用いた量子化器と、を有して構成されていることを特徴とするアナログ/デジタル変換器。An analog / digital converter including a Σ-Δ type modulator that modulates an analog input signal into a pulse density modulated wave, and a sampler that samples the pulse density modulated wave using a clock signal,
The Σ-Δ modulator is connected to an integrator or a resonator that integrates the analog input signal and the integrator or the resonator, and the input from the integrator or the resonator is not related to the clock signal. An analog / digital converter comprising: a quantizer using a Josephson junction that outputs a pulse when a value is exceeded.
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