JP4789878B2 - デルタシグマ変調器及びデルタシグマad変換器 - Google Patents

デルタシグマ変調器及びデルタシグマad変換器 Download PDF

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Description

本発明は、デルタシグマ変調器に関し、特に、スイッチ回路を備えた積分器と、この積分器の出力をDA変換するDA変換器と、を備え、前記DA変換器の出力が前記積分器に帰還されたデルタシグマ変調器に関する。また、そのデルタシグマ変調器にデジタルフィルタを設けたデルタシグマAD変換器に関する。
図7に従来のデルタシグマ変調器(ΔΣ modulator)のブロック図を示す。このデルタシグマ変調器においては、入力信号と1ビットDA変換器1の出力との和を第1の積分器2で積分し、この第1の積分器2の出力と1ビットDA変換器1の出力との和を第2の積分器3でさらに積分し、この第2の積分器3の出力を量子化器4で量子化して1ビットのデジタル信号を発生させる。量子化器4から出力されたデジタル信号は、1ビットDA変換器1によってアナログ信号に変換されて前記第1の積分器2と第2の積分器3のそれぞれの入力に帰還される。
また、第1の積分器2と第2の積分器3は、それぞれ複数のスイッチと複数のキャパシタからなるスイッチ回路と、入力と出力の間にキャパシタが接続されたオペアンプとを備えており、複数のスイッチのオンオフを制御することにより、キャパシタの充放電時間を制御している。前記複数のスイッチのオンオフを制御するための複数のクロックは、クロック発生回路5から供給される。
このデルタシグマ変調器によれば、図8に示すように、入力信号のレベルに応じて、デューティ比(1クロック周期に対するHレベルの期間)が変化するクロック信号が出力される。例えば、入力信号のレベルがダイナミックレンジの中心電圧に等しいときは、出力クロック信号のデューティ比は50%であり、ダイナミックレンジの上限に近づくと、そのデューティ比は50%より大きくなり、逆にダイナミックレンジの下限に近づくと、そのデューティ比は50%より小さくなる。また、このデルタシグマ変調器の出力は量子化器4による量子化ノイズを低減するデジタルフィルタ6を通されることで、デルタシグマAD変換器を得ることができる。
ところで、前記複数のクロックは、立ち下がりと立ち上がりのタイミングが互い異なる(つまり、位相が異なる)クロックである。クロック発生回路5は、そのようなクロックを発生させるために、図9に示すような回路で構成されていた。すなわち、外部から入力された入力クロックをレベル変換器51でレベル変換し、レベル変換された入力クロックを複数のインバータを縦列接続した遅延回路52によって遅延することでスイッチ制御用のクロックを作成していた。即ち、インバータの段数により、複数のクロックの遅延時間を調整していた。図9の例では、クロックCKはクロックCKに対して遅延される。
尚、デルタシグマ変調器については、特許文献1,2に記載されている。
特開2002−100992号公報 特開平9−205369号公報
しかしながら、従来のデルタシグマ変調器のクロック発生回路5では、クロックの遅延時間はインバータの段数で調整されるため、クロックの遅延時間を大きくするのが困難である。(インバータの段数が増大するため)
また、デルタシグマ変調器の動作周波数を変更するために、入力クロックの周波数を変更したときには、複数のクロックの位相関係が保持されていることが必要であるが、そのためには、遅延回路52の段数を変更して遅延時間の調整を行わなければならなかった。
本発明のデルタシグマ変調器は、入力信号と1ビットDA変換器の出力との和を積分するスイッチ回路を備えた積分器と、この積分器の出力を量子化して1ビットのデジタル信号を出力する量子化器と、を備え、前記1ビットDA変換器は前記量子化器から出力される前記デジタル信号をアナログ信号に変換して出力し、前記量子化器から出力を得るデルタシグマ変調器において、複数の第1の差動アンプを接続してなるリングオシレータと、複数の第1の差動アンプからそれぞれ発生される位相の異なったクロックをそれぞれ遅延する、複数の第2の差動アンプとを備えたクロック発生回路を設け、複数の第2の差動アンプから出力される複数のクロックを用いて前記スイッチ回路を制御すると共に、複数の第1の差動アンプ及び複数の第2の差動アンプに流れる複数のコモン電流が互いに比例するようにしたことを特徴とする。
本発明のデルタシグマ変調器によれば、スイッチ回路の制御に必要な複数のクロックを容易に作成できると共に、クロックの周波数を変更した場合に、複数のクロックの位相関係を自動的に保持することができる。
また、デルタシグマ変調器の出力にデジタルフィルタを接続してデルタシグマAD変換器を構成した場合に、デジタルフィルタの動作クロックをデルタシグマ変調器のクロックに同期させることにより、クロックの周波数を変化させてデジタルフィルタのカットオフ周波数を変化させた場合でも、デルタシグマ変調器の動作をそれに追従させることができ、AD変換動作を安定化できる。
本発明の実施の形態によるデルタシグマ変調器について図面を参照して説明する。本発明のデルタシグマ変調器の特徴はクロック発生回路5の構成にあり、デルタシグマ変調器の基本構成については、図7のブロック図の通りである。図1はデルタシグマ変調器の具体的な回路図である。本実施形態では入力信号は一対の差動入力電圧Vip,Vinで与えられるため、これらの回路は差動型で構成されている。
第1の積分器2(第1段目)は、スイッチS,S,S,SとキャパシタCからなる第1のスイッチ回路2Aと、出力端子と入力端子の間にキャパシタCが接続された第1のオペアンプ2Bとから構成されている。第1のスイッチ回路2Aには一対の差動入力電圧Vip,Vinが入力され、第1のスイッチ回路2AによってキャパシタCの充放電が制御される。
第1のオペアンプ2Bの一対の出力電圧Volp,Volnは第2の積分器3(第2段目)に入力されている。第2の積分器3はスイッチS,S,S,S,S,S10とキャパシタCS1,CS2からなる第2のスイッチ回路3Aと、出力端子と入力端子の間にキャパシタCが接続された第2のオペアンプ3Bとから構成されている。第2のスイッチ回路3Aには、第1のオペアンプ2Bの一対の出力電圧Volp,Volnが入力され、第2のスイッチ回路3Aによって、第2の積分器3のキャパシタCの充放電が制御される。
第2の積分器3の出力電圧は、ラッチングコンパレータ4A(図7の量子化器4に対応する)に印加される。ラッチングコンパレータ4Aの出力信号は1ビットDA変換器1によってアナログ信号に変換されて前記第1の積分器2と第2の積分器3に帰還される。
クロック発生回路5は、第1のスイッチ回路2AのスイッチS〜Sと第2のスイッチ回路3AのスイッチS〜S10のオンオフを制御するための複数のクロックを発生する。複数のクロックは、例えば図2に示すφ1,φ1E,φ1D,*φ1D,φ2,φ2D,*φ2Dという7個のクロックである。*φ1Dはφ1Dの反転クロック、*φ2Dはφ2Dの反転クロックである。
尚、デルタシグマ変調器の電源は、正の電源電圧、接地電圧GND、それらの中間の電圧(中間電圧)を発生する1電源、若しくは、中間電圧を接地電圧GNDとし、それを基準として正電圧及び負電圧を発生する2電源で構成することができる。
以下、デルタシグマ変調器の動作について図1及び図2を参照して説明する。
ステップ1:クロックφ1Eの立ち上がりでラッチングコンパレータ4Aの出力信号が確定し、それがラッチされる。この出力信号を受けて1ビットDA変換器1がアナログ信号を出力する。
ステップ2:クロックφ1の立ち上がりによりスイッチ 、Sが閉じる。
ステップ3:クロックφ1Dの立ち上がり(クロック*φ1Dの立ち下がり)により、
スイッチS、S、Sが閉じる。すると、第1の積分器2(第1段目)において、キャパシタCに差動入力電圧Vip,Vinと1ビットDA変換器1の出力信号の中点電圧に応じた電圧が充電される。また、第2の積分器3(第2段目)において、キャパシタCS1,CS2に第1の積分器2(第1段目)の出力電圧Volp,Volnと中点電圧に応じた電圧が充電される。尚、キャパシタCS1,CS2の容量値は同一とする。
ステップ4:クロックφ1Eが立ち下がり、次の立ち上がりに備える。ラッチングコンパレータ4Aの出力はラッチされているので、1ビットDA変換器1の出力は変化しない。
ステップ5:クロックφ1の立ち下がりによりスイッチ 、Sが開く。
ステップ6:クロックφ1Dの立ち下がり(クロック*φ1Dの立ち上がり)により、
スイッチS、S、Sが開く。すると、第1の積分器2(第1段目)において、キャパシタCに保持された電荷が保持される。また、第2の積分器3(第2段目)において、キャパシタCS1,CS2に保持された電荷が保持される。
ステップ7:クロックφ2の立ち上がりにより、スイッチS、S10が閉じる。
ステップ8:クロックφ2Dの立ち上がり(クロック*φ2Dの立ち下がり)により、スイッチS、S、Sが閉じる。すると、第1の積分器2(第1段目)において、キャパシタCに保持された電荷がキャパシタCに転送される。また、第2の積分器3(第2段目)において、キャパシタCS1,CS2に保持された電荷がキャパシタCに転送される。このとき、キャパシタCS1,CS2は同一容量値なので中点電圧に対応する電荷は相殺され、第1の積分器2(第1段目)の出力電圧V olp ,V oln と1ビットDA変換器1の出力に対応する電荷だけが第2の積分器3(第2段目)のキャパシタCに転送される。
ステップ9:クロックφ2の立ち下がりにより、スイッチS、S10が開く。
ステップ10:クロックφ2Dの立ち下がり(クロック*φ2Dの立ち上がり)により、スイッチS、S、Sが開く。そして、ステップ10の実行後は、ステップ1に戻り、繰り返す。
以下、これらのクロックを作成しているクロック発生回路5の構成について説明する。クロック発生回路5は、リングオシレータ10と、リングオシレータ10の出力から上記クロックを作成するクロック作成回路30から構成されている。
まず、リングオシレータ10の回路構成について図3及び図4を参照して説明する。
リングオシレータ10は、3つの遅延回路11A,11B,11Cをループに接続して構成される。遅延回路11A,11B,11Cは同じ回路構成を有しており、図4に示すように、差動アンプ111と、カレントミラー型の出力回路112で構成されている。
差動アンプ111は、一対の差動トランジスタM2,M3と、差動トランジスタM2,M3に共通接続され、差動アンプ111の駆動電流(以下、コモン電流Iという)を流すコモン電流トランジスタM1、カレントミラー・トランジスタM4,M5から構成されている。差動トランジスタM3のゲートはプラス入力端子(IN+)となり、差動トランジスタM2のゲートはマイナス入力端子(IN−)になっている。M1,M2,M3はNチャネル型MOSFET、M4,M5はPチャネル型MOSFETである。また、出力回路112のM6〜M9はPチャネル型MOSFET、M10〜M14はNチャネル型MOSFETである。
また、コモン電流トランジスタM1にコモン電流Iを流すための電流発生回路20が設けられている。電流発生回路20は、3つの遅延回路11A,11B,11Cの各差動アンプ111に共通である。電流発生回路20は電流源21と、電流源21と直列に接続され電流I1を流すNチャネル型の電流トランジスタ22を備える。電流トランジスタ22のゲートとドレインは共通接続され、その出力電圧BIAS(ドレイン電圧=ゲート電圧)が各差動アンプ111のコモン電流トランジスタM1のゲートに供給される。即ち、電流トランジスタ22と遅延回路11A,11B,11Cの各差動アンプ111のコモン電流トランジスタM1とはカレントミラーを形成している。これにより、コモン電流トランジスタM1には、電流源21からの電流I1に比例したコモン電流Iが流れるようになっている。したがって、電流源21の電流I1を可変制御することにより、コモン電流Iを可変にすることができ、これにより、リングオシレータ10の発振周波数を可変にすることができる。
いま、遅延回路11Aの差動アンプ111のプラス入力端子(IN+)にHレベルが印加され、マイナス入力端子(IN−)にLレベルが印加されたとすると、M3がオンし、M2はオフする。すると、M5とカレントミラーになっているM8に電流が流れる。また、M5とカレントミラーを形成しているM6にも電流が流れ、さらに、カレントミラーを形成しているM10とM14にも電流が流れる。このとき、M2はオフしているので、M4,M7,M12,M13,M9はオフしている。これにより、マイナス出力端子(OUT−)はLレベルになり、プラス出力端子(OUT+)はHレベルになる。つまり、マイナス出力端子(OUT−)からはプラス入力端子(IN+)に印加された信号の反転信号が得られ、プラス出力端子(OUT+)からはマイナス入力端子(IN−)に印加された信号の反転信号が得られる。
従って、マイナス出力端子(OUT−)を次段の遅延回路11Bの差動アンプ111のプラス入力端子(IN+)に接続し、プラス出力端子(OUT+)を次段の遅延回路11Bの差動アンプ111のマイナス入力端子(IN−)に接続することにより、2つのインバータを直列に接続したことになる。遅延回路11Bと遅延回路11C、
遅延回路11Aと遅延回路11Cの関係も同様に接続することで、3段のリングオシレータを得ることができる。
こうして、リングオシレータ10の遅延回路11A,11B,11Cの各プラス出力端子(OUT+)、各マイナス出力端子(OUT−)からは3相のクロックが出力される。それらのクロックはそれぞれバッファ12A,12B,12Cを通され、3相のクロックA,B,Cと、それらの反転クロック*A,*B,*Cが得られる。3相のクロックA,B,Cは、図5に示すように、互いに位相が120°シフトされたクロックである。
次に、クロック作成回路30の回路構成について、図6を参照して説明する。クロック作成回路30は、リングオシレータ10から発生されたクロックに基づいて、第1のスイッチ回路2AのスイッチS〜Sと第2のスイッチ回路3AのスイッチS〜S10のオンオフを制御するための前記複数のクロックφ1,φ1E,φ1D,*φ1D,φ2,φ2D,*φ2Dを作成する回路である。クロック作成回路30は、2つのロジック回路31,32と、3つの遅延回路33,34,35、5つのバッファ回路36A〜36Eで構成されている。3つの遅延回路33,34,35は、リングオシレータ10の遅延回路11A,11B,11Cと同じ回路であり、電流発生回路20からコモン電流Iの供給を受けている。即ち、電流発生回路20の電流トランジスタ22と遅延回路33,34,35の各差動アンプ111のコモン電流トランジスタM1とはカレントミラーを形成している。即ち、コモン電流トランジスタM1には、電流源21からの電流I1に比例したコモン電流Iが流れるようになっている。
ここで、遅延回路33,34,35の各差動アンプ111のコモン電流Iの電流値は、各コモン電流トランジスタM1のサイズ(例えば、トランジスタのチャネル幅)に比例して任意に設定することができる。これにより、遅延回路33,34,35のクロック遅延時間を設定できる。この例では、遅延回路34のコモン電流トランジスタM1のチャネル幅は、遅延回路33,35のコモン電流トランジスタM1のチャネル幅に比して小さく設計されているので、遅延回路34のクロック遅延時間は長く設定されている。遅延回路33,35のコモン電流トランジスタM1のチャネル幅は等しく設計されている。
ロジック回路31は、クロックA,*Bに対して乗算(A×*B)を行い、クロックDを作成する。また、ロジック回路32は、クロック*A,Bに対して乗算(*A×B)を行い、クロックEを作成する。これにより、Hレベルの重なりがないクロックD,Eを作成することができる。クロックDはバッファ回路36Bに入力され、バッファ回路36Bの出力端子からクロックφ1Eが得られる。
また、クロックDは遅延回路33によって遅延され、バッファ回路36Aに入力される。そして、バッファ回路36Aの出力端子からクロックφ1が得られる。クロックφ1は、クロックφ1Eに対して遅延されている。また、クロックDは遅延回路34によって遅延され、バッファ回路36Cに入力される。そして、バッファ回路36Cの出力端子からクロックφ1Dとその反転クロック*φ1Dが得られる。クロックφ1Dは、クロックφ1よりさらに遅れている。これは、遅延回路34の遅延時間が長いためである。
また、クロックEはバッファ回路36Dに入力され、バッファ回路36Dの出力端子からクロックφ2が得られる。クロックEは遅延回路35によって遅延され、バッファ回路36Eに入力される。そして、バッファ回路36Eの出力端子からクロックφ2Dとその反転クロック*φ2Dが得られる。
このようにして、7個のクロックφ1,φ1E,φ1D,*φ1D,φ2,φ2D,*φ2Dを作成することができる。本発明によれば、リングオシレータ10の3つの遅延回路11A,11B,11Cの差動アンプ111のコモン電流Iと、クロック作成回路30の3つの遅延回路33,34,35の差動アンプ111のコモン電流Iとは、すべて比例関係にある。これにより、電流源21の電流I1を変更して、リングオシレータ10の発振周波数を変更した場合に、遅延回路33,34,35のクロック遅延時間はそれに応じて変化することになる。
例えば、電流源21の電流I1を大きくしてリングオシレータ10の発振周波数を高くすると、遅延回路33,34,35のクロック遅延時間は短くなる。逆に、電流源21の電流I1を小さくしてリングオシレータ10の発振周波数を低くすると、遅延回路33,34,35のクロック遅延時間は長くなる。これにより、7個のクロックφ1,φ1E,φ1D,*φ1D,φ2,φ2D,*φ2Dの位相関係が保持される。
また、デルタシグマ変調器の出力をデジタルフィルタ6に入力して、デルタシグマAD変換器を構成した場合に、デジタルフィルタ6の動作クロックを、7個のクロックφ1,φ1E,φ1D,*φ1D,φ2,φ2D,*φ2Dと同様に、クロック作成回路30を用いて作成することにより、デルタシグマ変調器のクロックに同期させることができるようになる。これにより、動作クロックの周波数を変化させてデジタルフィルタのカットオフ周波数を変化させた場合でも、デルタシグマ変調器の動作をそれに追従させることができ、AD変換動作を安定化できる。
尚、本発明は上記実施形態に限定されることなくその要旨を逸脱しない範囲で変更が可能であることは言うまでもない。例えば、実施形態では、2つの積分器を有した2次のデルタシグマ変調器を例として説明したが、本発明は1つの積分器を有した1次のデルタシグマ変調器にも適用することができる。また、実施形態では、入力信号は差動信号で与えられるが、入力信号が通常の入力信号で与えられる場合にはそれに応じて積分器やクロック発生回路の回路構成を変更することができる。
本発明の実施形態によるデルタシグマ変調器の積分器の回路図である。 本発明の実施形態によるデルタシグマ変調器のクロック波形図である。 リングオシレータのブロック図である。 遅延回路の回路図である。 リングオシレータの波形図である。 クロック作成回路のブロック図である。 デルタシグマ変調器のブロック図である。 デルタシグマ変調器の動作を説明する図である。 従来のクロック作成回路の回路図である。
符号の説明
1 1ビットDA変換器 2 第1の積分器
2A 第1のスイッチ回路 2B 第1のオペアンプ
3 第2の積分器 3A 第2のスイッチ回路
3B 第2のオペアンプ 4 量子化器
5 クロック発生回路 6 デジタルフィルタ
10 リングオシレータ
11A,11B,11C 遅延回路
12A,12B,12C バッファ
20 電流発生回路 21 電流源
22 電流トランジスタ 30 クロック作成回路
31,32 ロジック回路 33,34,35 遅延回路
36A〜36E バッファ回路
51 レベル変換器 52 遅延回路
111 差動アンプ 112 出力回路

Claims (4)

  1. 入力信号と1ビットDA変換器の出力との和を積分するスイッチ回路を備えた積分器と、この積分器の出力を量子化して1ビットのデジタル信号を出力する量子化器と、を備え、前記1ビットDA変換器は前記量子化器から出力される前記デジタル信号をアナログ信号に変換して出力し、前記量子化器から出力を得るデルタシグマ変調器において、
    複数の第1の差動アンプを接続してなるリングオシレータと、複数の第1の差動アンプからそれぞれ発生される位相の異なったクロックをそれぞれ遅延する、複数の第2の差動アンプとを備えたクロック発生回路を設け、
    複数の第2の差動アンプから出力される複数のクロックを用いて前記スイッチ回路を制御すると共に、複数の第1の差動アンプ及び複数の第2の差動アンプに流れる複数のコモン電流が互いに比例するようにしたことを特徴とするデルタシグマ変調器。
  2. 電流源と、この電流源の電流値に比例したコモン電流を、第1の差動アンプ及び第2の差動アンプに流すように制御するカレントミラー回路を備えることを特徴とする請求項1に記載のデルタシグマ変調器。
  3. 入力信号と1ビットDA変換器の出力との和を積分するスイッチ回路を備えた積分器と、この積分器の出力を量子化して1ビットのデジタル信号を出力する量子化器と、この量子化器から出力される前記デジタル信号を通すデジタルフィルタと、を備え、前記1ビットDA変換器は前記量子化器から出力される前記デジタル信号をアナログ信号に変換して出力し、前記デジタルフィルタから出力を得るデルタシグマAD変換器において、
    複数の第1の差動アンプを接続してなるリングオシレータと、複数の第1の差動アンプからそれぞれ発生される位相の異なったクロックをそれぞれ遅延する、複数の第2の差動アンプとを備えたクロック発生回路を設け、
    複数の第2の差動アンプから出力される複数のクロックを用いて前記スイッチ回路を制御すると共に、複数の第1の差動アンプ及び複数の第2の差動アンプに流れる複数のコモン電流が互いに比例するようにし、
    前記デジタルフィルタの動作クロックとして、前記クロック発生回路の第2の差動アンプによって作成されたクロックを用いたことを特徴とするデルタシグマAD変換器。
  4. 電流源と、この電流源の電流値に比例したコモン電流を、第1の差動アンプ及び第2の差動アンプに流すように制御するカレントミラー回路を備えることを特徴とする請求項3に記載のデルタシグマAD変換器。
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