JPH01233921A - △−σ変調器を用いたa/d変換回路 - Google Patents

△−σ変調器を用いたa/d変換回路

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JPH01233921A
JPH01233921A JP63061595A JP6159588A JPH01233921A JP H01233921 A JPH01233921 A JP H01233921A JP 63061595 A JP63061595 A JP 63061595A JP 6159588 A JP6159588 A JP 6159588A JP H01233921 A JPH01233921 A JP H01233921A
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signal
differential
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尚 坂口
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    • H03M3/438Structural details of delta-sigma modulators, e.g. incremental delta-sigma modulators characterised by the order of the loop filter, e.g. error feedback type the modulator having a higher order loop filter in the feedforward path
    • H03M3/454Structural details of delta-sigma modulators, e.g. incremental delta-sigma modulators characterised by the order of the loop filter, e.g. error feedback type the modulator having a higher order loop filter in the feedforward path with distributed feedback, i.e. with feedback paths from the quantiser output to more than one filter stage

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) この発明は八−Σ変調器を用いた△/])変換回路の改
良に関し、詳細には、電源からのノイズ。
入力信号の段階で混入するノイズ、減点器や積分器で混
入するノイズによってA/D変換出力の信Y)対雑音比
が劣化しないようにしたものである。
(従来の技術) 小形化、高速化、LSI化に適したアナログダシタル(
以下A/Dとする)変換器として、Δ−Σ変調器を利用
したオバーサンプリング形Δ/D変換回路がある。この
オーバーサンプリングΔ/D変換回路は。第7図に示1
ように構成し、入力信号と帰還信号との減算信号を積分
し、その積分出力より入力信号の振幅情報を含んだパル
ス列信号をデジタル出力とするものである。
即ち、第7図において、減算回路と積分回路とを交互に
2段縦続接続し、各減算回路への入力と帰還信号とを減
算することで、入力信号のレベル変化に応じた減算信号
を得、これを積分した信号にデジタル化処理を行うもの
である。
即ち、Δ−Σ変調器は、第1の減算回路71.第1の積
分回路72.第2の減算回路73.第2の積分回路74
及び量子化器75の順にt11vc接続した入力経路と
、この入力経路の出力に現れる前記パルス列信号を遅延
回路76を介して入力側に帰還する帰還経路とから構成
する帰還形回路である。入力端子VINからの入力アナ
ログ信号は、第1の減算鼎71で帰還信号FSと減算し
、第1の積分回路72で積分する。この積分回路72の
出力は更に第2の減算回路73で帰還信号[Sと減算し
、再び第2の積分回路74で積分する。こうして、第2
の積分回路74の出力は、入力信号と帰還信号FSとの
差分を蓄積した信号となる。吊子化器75は、積分回路
74からの信号をサンプリング信号の周期で基準電位と
比較し、量子化された信号を出力する。これにより、Δ
−Σ変調器は入力信号の振幅に応じて変調されたパルス
列信号を出力端子y OUTに導出する。
上記のΔ−Σ変調器は、二重積分形と称され、2変換に
より第8図のような回路に置き換えることができる。第
8図において、第1の積分回路12と第2の積分回路7
4とは、それぞれ変換式1/(1−Z −1>を表わす
回路72’ 、 74’ に対応し、団子化器75はけ
子化ノイズを示す変換式〇 (z)で表わす回路75′
 に対応し、遅延回路76はz−4を表ねづ回路76′
 にそれぞれ対応している。
第8図のような回路の伝達l′yl数は、入力をX(Z
)、出力をY (Z)として、 Y(z) =X(z) + (1−z−1) 2−Q(
z) ・・・■で表わされる。■式は、出力信号Y (
z)が、入力信号X (z)と量子化ノイズ成分(1−
z −1) 2 ・Q (z)から成り、Z=ej″′
r(τはサンプリング間隔)よりサンプリング周波数が
信号帯域に比べ高いどすると、右辺第2項が小さくなり
、信号帯域での量子化ノイズがかなりの程度で小さくな
ることを意味している。このように二重積分形Δ−Σ変
調混は理論上極めて高い爪子化粘僚を得ることができる
しかし、実際には、量子化ノイズ以外にも、集積回路素
子の持つノイズや、電源を介して漏洩する電源ノイズ、
或は入力信号が初めから持っているノイズ等が存在し、
得られるA/D変換出力に現れてしまう。
(発明が解決しようとする課題) 従来のΔ−Σ変調器は、量子化ノイズはがなりの精度で
軽減されるが、電源ノイズや素子内部で発生するノイズ
は阻止することができず、理論上程ノイズシェーブされ
た変換出力が得られず、信号対雑音比を劣化するという
問題があった。
この発明は上記問題点を除去し、減q回路、積分回路等
で加わるノイズ及び電源のリップルに起因するノイズに
よる影響の少ないΔ−Σ変調器を用いたA/D変換回路
の提供を目的とする。
[発明の構成] (、!!題を解決するための手段) この発明は、差動形式の入力信号と差動形式の帰還信号
との差分を算出する第1の減点手段。
その出力を積分する第1の積分手段、第1の積分出力を
減算処理する第2の減停手段、第2の減免出力を積分す
る第2の積分手段、第2の積分出力を量子化Jる重子化
手段で入力経路を構成し、前記吊子化手段の出力を1サ
ンプリング期間遅延し前記差動の帰還信号を発生J8遅
延回路にて帰還経路を構成した全差動形式のΔ−Σ変調
器を用い、更に、前記第1の減算手段、第1の積分手段
、第2の減算手段のいずれか又はこれらの成すいずれか
の縦続接続における入力側と出力側とのそれぞれに、前
記入力側経路をサンプリング周期で互いに異なる差動経
路に切替える第1のスイツ回路。
及び出力側で元の差動経路に戻す第2のスイッチ回路を
設けたことを特徴とする。
(作用) このような構成によれば、減算及び積分処理を行う入力
経路を差動回路形式とすると共に、帰還信号も差動で形
成するので、各差動信号に同相で混入する゛占源ノイズ
は確実に除去できる。また、各スイッチ回路はU)け口
器として動作し、第1゜第2のスイッチ回路で挾まれた
回路で発生するノイズは、第2のスイッチ回路でリーン
ブリング周波数をキャリアとJる成分となり、同じサン
プリング周波数によって元の帯域に戻される信号成分と
比べ高い帯域に移動する。これより、吊子化される入力
の信号帯域に存在するノイズ成分が減り、π子化出力の
信号対雑音比を向上することができる。
(実施例) 以下、この発明を図示の実施例によって説明する。
第1図はこの発明に係るΔ−Σ変調器を用いたA/D変
挽変格回路実施例を示す構成図である。
1’i1図中、端子vIN(”) 、 V IN(−)
は超勤形式の入力アナログ信号がそれぞれ導かれる入力
端子である。各第1.第2の入力端子VrN(+) 、
 VIN(−)は、4つのスイッチ81 、82 、 
S3 、34から成る第1のスイッチ回路11を介して
それぞれ減算回路12.13の各一方入力端に接続して
いる。
これら各スイッチ81〜S4は、31.33がクロック
パルス発生回路22からのクロックφ2によって動作し
、32.84が同回路22からのクロックφ1によって
動作する。クロックφ1.φ2はサンプリング信号fs
に同期して発生する互いに異なる位相の信号であって、
スイッチ81〜S4は、各クロックのハイレベル111
1間に″“o n ” する。
更に詳述すれば、Slはφ2のハイレベル期間に端子V
 IN(+)と減算回路12間を導通し、$2はφ1の
ハイレベル期間に端子V IN(+)と減算回路13間
を導通する。また、S3はφ2のハイレベル期間に端子
V IN(−)と減算回路13間を導通し、S4はφ1
のハイレベル期間に端子V IN(−)と減算回路12
間を導通する。
減算回路12.13の各出力も差動的に第1の積分回路
14に入力する。詳細には、減ti回路12の出力は積
分回路14の反転入力端に、減算回路13の出力は同回
路14の非反転入力端に導く。そして、第1の積分回路
14も全差動的に出力を導出し、それぞれ反転入力端か
らの出力を減算回路15の一方入力端に、非反転入力端
からの出力を減算回路16の一方入力端に導く。減算回
路15の出力と減算回路16の出力も差動信号として用
い、これらは第2のスイッチ回路11を介して第2の積
分回路18に入力している。この第2のスイッチ回路1
7も第1のスイッチ回路11と同様に、クロックφ1と
φ2で動作するスイッチ85〜S8にて構成し、クロッ
クφ2で動作りるスイッチS5,87は、減算回路15
゜16の各出力をそれぞれ第2の積分回路18における
反転入力端及び非反転入力端に導き、クロックφ1で動
作するスイッチ86 、S8は、それぞれ減算回路15
の出力を積分回路18の非反転入力端に、減算回路16
の出力を積分回路18の反転入力端に導いている。ぞし
て、第2の積分回路18からの差動出力は、差動入力形
式のR子化器19を介して出力端子v outに八−Σ
変調されたパルス列信号を導出する。なお、端子化器1
9は、前記クロックパルス発生回路22からのサンプリ
ング信@fSによって積分回路18から導出する差動出
力の極性を判定し、その極性に応じて差動入力信号の振
幅を示すパルス列信号を出力する。
上記パルス列信号は、1サンプリング期間τ即ち、1/
fs期間入力信号を遅延する〃風回路20に供給する。
遅延回路20は、例えばDフリップ70ツブにて構成し
、その極性反転出力OW Q 、互より差動的に帰還信
号を生成する。この差動帰還信号は、第1.第2のスイ
ッチ回路11.1.7と同じ構成の第3のスイッチ回路
21を介して、それぞれ減算回路12.13の各他方入
力端及び減筒回路15.16の各他方入力端に供給しで
ある。即ち、第3のスイッチ回路21は、スイッチ$9
〜312にて構成し、クロックφ2にて動作するスイッ
チ811は、出力端Qからの差動帰還信号を減n回路1
3及び16側に導き、同じクロックφ2で動作するスイ
ッチS9は、出力端回からの差動遅延信号を減算回路1
2゜15側に信号を導く。また、クロックφ1にて動作
するスイッチ812は出力端Qからの差動帰還信号を減
算回路12及び15側に尋き、同じクロックφ2ぐ動作
するスイッチ310は、出力端互からの差動遅延信号を
減算回路13.16側に信号を導く。
本実施例のA/D変換回路は以上のごとく構成し、次に
動作を説明する。
上記構成において、各第1.第2.第3のスイッチ回路
11.17.21を駆動するクロックφ1.φ2は、4
ノンプリング周期で交互にハイレベルが入れ換わるクロ
ック信号であるため、例えば第1のスイッチ回路11の
場合、差動入力端子VIN(+) 。
VIN(−)からの信号を、互いに異なる差動経路に入
れ替える操作を行う。これは掛は算器の動作と等価であ
る。よって、差動遅延信号は、第1のスイッチ回路11
によりサンプリング信号fsと掛は合わされ、サンプリ
ング周波数をキ1!リアとする高い周波数の帯域に変換
されることになる。
また、第2のスイッチ回路17は、減算回路15゜16
からの信号に対し第1のスイッチ回路11と同様な掛は
線処理を行う。しかし、この場合は、同期検波のかたち
となり、第1のスイッチ回路11でサンプリング周波数
の帯域に高めた信号を、再び差動入力端子VIN(+)
 、 VIN(−)における信号と同じ帯域の信号に戻
している。つまり、差動入力端子VMN(+) 、 V
IN(−) (7)信号を、減p回路12.13で帰還
信号と減算する前に一旦ナンブリング周波数で高い周波
数の信号に変換し、減算回路15. i6の結果を元の
周波数の信号に戻しているのである。
従って、入力経路においては、まったく第1.第2のス
イッチ回路11.17が無い場合と同じ信号が第2の積
分回路18の入力となる。
上記入力経路の信号に対し、帰還経路の信号は、第3の
スイッチ回路21によって第1のスイッチ回路11の出
力と同じ周波数帯域の信号に変換される。
従って、第3のスイッチ回路21からの帰還信号を各第
1.第2の減算回路12.13及び第3.第4の減算回
路15.16に供給してこれらの差動入力との減算が可
能となる。
一方、第1.第2の減算回路12.13、第1の積分回
路14、第3.第4の減算回路15.16で発生Jる素
子内部ノイズは、第2スイッチ回路17でサンプリング
周波数と掛は輝され、サンプリング周波数をキャリアと
した帯域に移動する。この様子を第2図を参照して説明
する。
第2図において、(a)は第1図に示づ回路をモデル化
したものである。即ら、掛け1ii51は第1のスイッ
チ回路11に相当し、掛は算器53は第2のスイッチ回
路17に相当する。これら掛は算器51と53に挾まれ
た信号処理回路52は、第1図におりる第1.第2の減
算回路12.13、第1の積分回路14及び第3.第4
の減算回路15.16からなる縦続接続に相当している
。また、加淳器54は、上記信号処理回路52における
ノイズ源の等価回路であり、加淳器54からの信号にノ
イズnが加算されることを示している。
今、掛は算器51の入力点すにおける信号は、第2図(
b)のようにベースバンドの信号として示すことができ
る。これに対し、加算器54で等測的に加算されるノイ
ズnは、第2図(C)に示すように、1/f(信号周波
数)成分が多く、信号と同じ帯域に分布している。掛は
算器51は、第2図(d)に示すサンプリングキャリア
で信号すを掛は篩ツるので、信号成分は第2図(e)の
elに示すような、サンプブリングキャリアを中心とす
る所定帯域の信号に変換される。しかし、ノイズ成分は
、信号処理回路52で発生するので、第2図(a)のe
点におけるスペクトルは、ノイズ成分e2に示すベース
バンドの帯域を中心に分布し、信号成分はそれより高い
帯域に分布することになる。従って、信号処理回路52
からは第2図(e)に示すスペクトルを持つ信号が出力
する。掛は算器53は、このようなスペクトルの信号を
同じサンプリンクキ11リアで掛は算するので、第2図
(f)に示すように、信号成分e1は元の帯域に戻され
、ノイズ成分e2はサンプリングキャリアを中心とする
帯域に移動されるわすである。
上記のごとく、ノイズ成分が高域に移動された信号は、
ノイズ成分を僅かしか含まないので、M子化器19の出
力中に含まれるノイズ成分は橿めて少なく、信号対雑音
比が高くなる。
なお、上記は第1〜第4の減算回路12.73.15゜
16と第1の積分回路14で発生する素子内部ノイズが
低減される効果の説明であるが、これらの電源によって
生ずる電源ノイズは、それぞれの差動経路に同相で加わ
るので、量子化器19の出力に現れることがない。
次に、他の実施例を説明する。
第3図は第1図の構成をスイッチトキャパシタを用いて
この発明によるA/D変換回路を構成したものである。
但し、クロックパルス発生回路22とそのりOツク出力
の供給経路は省略しである。
第3図において、入力端子VIN(+) 、 VIN(
−)からの差動入力信号は、クロックφ2で動作するス
イッ′f−S21.823.及びクロックφ1で動作す
るスイッチS22.24から構成される第1のスイッチ
回路31でサンプリング周波数と掛は算する。ここに、
スイッチ821は第1図の実施例におけるスイッチS1
に、スイッチ822はスイッチS2に、スイッチS23
はスイッチS3に、スイッチ324はスイッチS4にそ
れぞれ対応している。
上記第1のスイッ回路31からの差動出力はそれぞれコ
ンデンサCI 、C2を介し、クロックφ1で動作する
スイッチ827.328を介して演算増幅器320反転
入力端及び非反転入力端に導出している。また、コンデ
ンサC1とスイッチ827との接続点及びコンデンサC
2とスイッチS28との接続点と電圧源端子VB間には
、それぞれクロックφ2で動作するスイッチS25.8
2Gを接続しである。
演算増幅器32は、差動出力形式による複合素子であり
、一方の入出力端間に積分コンデンサC3を接続し、他
方の入出力端間に積分コンデンサC4を接続しである。
このような構成は、第1図における、減算回路12.1
3及び積分回路14の動作の両方を行っている。この場
合、帰還信号は、コンデンジC9、CIOから供給する
ようにしである。即ち、クロックφ2で動作するスイッ
チ837.839゜S41. S43及びクロックφ1
で動作するスイッチ838、840.842.844は
、第3のスイッチ回路を構成しており、第1の減算処理
に必要な帰還信号は、スイッチ341〜344によるス
イッチ回路37Bによって形成する。但し、スイッチ3
7Bと、第1のスイッチ回路31も、第1.第2の減算
回路12゜13の構成要素となっている。
演算増幅器32からの差動出力は、クロックφ2で動作
するスイッチS29.831及びクロックφ1で動作す
るクロックスイッチ830,832は第2のスイッチ回
路33を構成している。そして、この第1のスイッチ回
路33の差動出力を導くそれぞれコンデンサC5、C6
、及びスイッチ535(φ1)836(φ1)の直列接
続と、この直列接続の各交点と電圧源端子VBとの間に
接続したスイッチ533(φ2)、534(φ2)と、
各入出力端間に積分コンデンサC7、C8を接続した演
算増幅器34と、前記第3のスイッチ回路37Aからの
帰還信号を導くコンデンサC11,C12とは、上記第
1.第2の減算回路12.13と第2の積分回路14の
構成を兼用した回路と同様に、第3.第4の減算回路1
5゜16と第2の積分回路18の構成を兼用している。
次に、演算増幅器34からの差動出力は、吊子化器1つ
を構成するコンパレータ35に導入する。コンパレータ
35は、図示しないが、サンプリング信号f、Sによっ
てコンパレートV」作を行い、部品増幅器34の差動出
力を1ビツトのパルス列信号に変換し、A/D変換出力
信号として端子V OUTに導出している。遅延回路2
0は、ラッチ36で構成しである。即ち、ラッチ36は
、クロックφ1.φ2のいずれかによって駆動されるフ
リップフロップにて構成し、1サンプリング期間遅延し
た信号を第3のスイッチ回路37A1.:Lf?いてい
る。
上記構成は、第1図の場合と同様に、第1.第2の減算
処理過程と、第1の積分処理過程で発生する素子内部ノ
イズをサンプリング周波数の高域に移動し、量子化出力
の信号対雑音比を高くすることができる。また、電源ノ
イズも全差動構成により相殺することができる。
なお、このような回路では、クロックφ1とφ2の周波
数は、サンプリング周波数と等しく、かつ両者は正しく
極性を反ΦλしたノンオーバーラツブのクロックにJる
必要がある。また、CI =C2、C3=C4、C5=
C6、C7=C8、C9=C10,CN=C12に設定
する。更に、C1:C3:C5:C7:C9:C11の
比を変化させることによって、積分出力レベルを適当な
値に設定することができる。
次に、第4図はこの発明の第3の実施例を示す構成図で
ある。
第4図において、第1図の要素と同等のものには同一の
符号を付す。本実施例は、第1.第2の減算回路12.
13と、第1の積分回路14との縦続接続より発生する
ノイズの影響を軽減しようするものである。そこで、ま
ず、第1図の構成と同様に、第1.第2の減算回路12
.13の入力側に第1のスイッチ回路11を設ける。こ
れら第1.第2の減算回路12.13への帰還信号は、
第3のスイッチ回路21にJ:ってサンプリング周波数
の帯域に高められた信号である。次いで、第1の積分回
路14の出力側に第2のスイッチ回路17′を設ける。
この第2のスイッチ回路17′ において、85′はS
5に。
$6′はS6に、37’ はS7に、88′はS8にそ
れぞれ対応している。そして、この第2のスイッチ回路
17′の各出ツノは第3.第4の減算回路15’ 、 
16’に入力している。これら第3.第4の減算回路1
5’ 、 16’ に与える帰還信号は、第3のスイッ
チ21を経ない遅延回路20からの直接の信号である。
このような構成によっても、第1図と同じ原理で、第1
.第2の減りJ回路12.13及び第1の積分回路14
で発生する素子内部ノイズ及び電源ノイズによるA/D
変換出力の信号対雑音比の劣化を抑制することができる
第5図はこの発明の第4の実施例を示J0同図中、第1
のスイッチ回路11′ は、第1.第2の減算回路12
.13の出力側部ら、第1の積分回路14の入力側に設
けである。また、第2のスイッチ回路17′ は第1の
積分回路14の出力側に設けである。
このような構成によれば、第1の積分回路14で発生す
るノイズの影響を軽減することができる。
また、第1.第2の減算回路12.13と、第3.第4
の減算回路15.16に与える帰還信号は、端子VIN
(+) 、 VIN(−)にお(プる入力信号と同じ帯
域の信号で良いので、第3のスイッチ回路を設ける必要
がない。
第6図は第5の実施例を示し、giXiの積分回路14
の入力側に第1のスイッチ回路11′ を設け、第3、
第4の減算回路15.16の出力側に第2のスイッチ回
路17を設けたものである。この場合、第3のスイッチ
回路21は必要となり、第3.第4の減C″i回路15
.16にその出力を与える。また、第3のスイッチ回路
21を通らない信号を第1.第2の減算回路12.13
に与える。
このような構成によれば、第1の積分回路14と第3.
第4の減算回路15.16で発生するノイズの影響を軽
減することができる。
[発明の効果] 以上説明したようにこの発明によれば、減算回路や積分
回路で発生するノイズによる信号対雑音比の劣化、或は
電源ノイズによる同化の劣化をはと/υど生じないA/
D変換出力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明に係るΔ−Σ変調器を用、いたA/D
変換回路の一実施例を示す回路図、第2図は第1図の実
施例の動作を説明覆る動作説明図、第3図、第4図、第
5図、第6図はこの発明の第2、第3.第4.第5の実
施例をそれぞれ示す構成図、第7図及び第8図はΔ−Σ
変調器の構成を説明Jるための説明図である。 VIN(+) 、 VIN(−)・・・差動入力端子、
11・・・第1のスイッチ回路、12.13・・・第1
.第2の減算回路、14・・・第1の積分回路、15.
16・・・第3.第4の減算回路、17・・・第2のス
イッチ回路、18・・・第2の積分回路、19・・・量
子化回路、20・・・遅延回路、21・・・第3のスイ
ッチ回路。φ1.φ2・・・クロック信号、fS・・・
サンプリング信号。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 差動アナログ入力信号を同じ差動形式で帰還される差動
    帰還信号によつて、前記差動アナログ信号と帰還信号と
    の減算信号を出力する第1の減算手段と、 この減算手段からの差動出力を積分する第1の積分手段
    と、 この積分手段からの差動出力を前記差動帰還信号によっ
    て減算する第2の減算手段と、 この減算手段からの差動出力を積分する第2の積分手段
    と、 この第2の積分手段からの差動出力の極性を判別し前記
    差動アナログ信号の振幅情報である量子化出力を得る量
    子化手段と、 この量子化手段の出力を1サンプリング期間遅延して前
    記差動帰還信号を得る遅延手段と、前記第1の減算手段
    、第1の積分手段、第2の減算手段のいずれか又はこれ
    らの成すいずれかの縦続接続における入力側と出力側に
    それぞれ設け、前記入力側においてそれぞれの差動経路
    からの信号をサブリング周期おきに互いに異なる差動経
    路に切替える第1のスイッチ回路及び、出力側において
    それぞれの差動経路からの信号をサンプリング周期で元
    の差動経路に戻す第2のスイッチ回路とを具備したこと
    を特徴とするΔ−Σ変調器を用いたA/D変換回路。
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