JPH0738440A - D/a変換回路 - Google Patents
D/a変換回路Info
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- JPH0738440A JPH0738440A JP5179506A JP17950693A JPH0738440A JP H0738440 A JPH0738440 A JP H0738440A JP 5179506 A JP5179506 A JP 5179506A JP 17950693 A JP17950693 A JP 17950693A JP H0738440 A JPH0738440 A JP H0738440A
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- H03M3/30—Delta-sigma modulation
- H03M3/322—Continuously compensating for, or preventing, undesired influence of physical parameters
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- H03M3/346—Continuously compensating for, or preventing, undesired influence of physical parameters characterised by means or methods for compensating or preventing more than one type of error at a time, e.g. by synchronisation or using a ratiometric arrangement by suppressing active signals at predetermined times, e.g. muting, using non-overlapping clock phases
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Abstract
ク)だけ遅延させ(RZc' )、アナログ加算してい
る。このアナログ加算器は反転加算器を使っているが、
図6に様な正転加算器でも良い。この時の出力波形例を
図2に示す。この波形は図32に示すPRZ信号の2段
シフト加算信号と全く同じ形になる。この事はその周波
数特性も同一になる事を示している。 【効果】 本発明により、ΣΔ変調器の再量子化ノイズ
の抑制量を大幅に改善することができる。また、1ビッ
トD/A変換器回路+アナログフィルタのLSI化を容
易にする事が出来る。
Description
て非常に高い周波数で変換動作を行う事により、高いS
/Nを実現するオーバーサンプリング形D/A変換器に
関するものである。
のディジタルデータに符号化する場合、ナイキストの定
理により信号周波数帯域fB に対して2倍のサンプリン
グ周波数を設定すれば、原信号の情報を損なわない事が
知られている。この為、一般的なD/A変換器のサンプ
リング周波数fS は、信号周波数帯域fB の2.2〜
2.4倍程度に設定されている。従って、この場合の変
換精度は素子精度が問題にならなければ変換ビット数p
(分解能)によってのみ決定される。
fS を信号周波数帯域fB よりも十分高く設定する事に
より低変換ビット数で高変換精度が得られるオーバーサ
ンプリング形のD/A変換器が開発され、実用化されて
きている。単純なオーバーサンプリング形D/A変換器
のS/Nの最大値S/NMAX は、 S/Nmax =(3/2)22p(fS /2fB ) で与えられる。この式から、D/A変換器の分解能を1
ビット上げるとS/Nは6dB改善されるが、サンプリ
ング周波数を2倍してもS/Nは3dBしか改善されな
い事が分かる。つまり、サンプリング周波数4倍毎に変
換ビット数を1だけ減じてもS/Nが変わらない事にな
る。従って、現在オーディオ用に通常用いられる44.
1kHzサンプリング、16ビット分解能のD/A変換
器を1ビットにするのに必要なオーバーサンプリング周
波数fOSは47×1012Hzとなって実現不可能な値と
なる。そこで、実現可能なオーバーサンプリング比n
(n=fOS/fS )で十分なS/Nを得る方法が種々開
発されている。その中の一つにシグマデルタ変調を使っ
たD/A変換器があり、その例としてIEEE J.OF SOLID-
STATE CIRCUITS JUNE 1987 Vol.-SC- 22-No3 PETER J.
A.NAUS et.al. “A CMOSStereo 16bit D/A Conve-rter
for Digital Audio ”P390〜p394がある。
ット・D/A変換器を示している。サンプリング周波数
fsで入力された複数ビットのディジタルデータはディ
ジタルフィルタによって2〜8fsにアップサンプリン
グされ、さらにインターポレーションフィルタなどでア
ップサンプリングされ、n倍(通常n=32〜384)
にオーバーサンプリングされる。このサンプリング周波
数nfsの複数ビットディジタルデータがシグマデルタ
変調器に入力され、サンプリング周波数nfs、1ビッ
トディジタルデータに変換される。このシグマデルタ変
調器の一例を図11に示す。このシステムでループフィ
ルタの伝達関数H(z)を H(z)=1−(1−z-1)q と置くと、このq次シグマデルタ変調器の伝達特性は次
式で示される。
ズで、通常、周波数特性がフラットであると考えられ
る。E(z)の係数(1−z-1)m の周波数特性を求め
る為、
周波数帯域fB を十分低くすれば、雑音は低周波数領域
で非常に小さくなり、オーバ−サンプリング比nを2倍
にする毎に信号帯域でのS/Nは3×(2q+1)dB
改善される。例えば2次シグマデルタ変調器を使えばq
=2となり、nを2倍する毎にS/Nは15dB改善さ
れ、16ビット精度を得るにはnを100程度にすれば
良く、十分実現出来る値である。
換器では、このオーバーサンプリングによる分解能の低
減を最大限に利用する為、シグマデルタ変調器の出力は
1ビットである。これにより、この1bit−DATA
をアナログに変換するD/A変換回路の分解能は1ビッ
トであり、素子バラツキによる直線性誤差の問題から解
放される。しかしながら、この1ビットD/A変換回路
の出力波形のなまりや不要高周波成分の影響等による歪
み、S/Nの悪化の問題が残っており、これを改善する
為、色々な工夫がされている。シグマデルタ変調器の出
力は通常はNRZ信号そのものであり、すでに信号成分
をその低域に含んでいるが(図17)、十分な性能をと
り、不要な高周波成分を除去する為に、この1ビット出
力を1ビットD/A変換器で使用目的に適したパルス出
力に波形整形し、されに、アナログフィルタで不要な高
周波成分を除去してアナログ信号を出力する。そのパル
ス出力としてRZ信号を使った例が、ラジオ技術 NOV.1
990 青鳥新治“オリジナル1bitDACの設計コンセ
プトとアプリケーション技術”P152〜P157 にあり、P
RZ信号の例としては、前記IEEE J.OF SOLID-STATE CI
RCUITS JUNE 1987 Vol.-SC- 22-No3 PETER J.A.NAUS e
t.al.“A CMOS Stereo 16bit D/AConverter for Digita
l Audio ” P390〜p394 と IEEE J.OF SOLID-STATE
CIRCUITS DECEMBER 1991 Vol.-SC-26-No.12 Renee G.
Lerch et.al. “A Monolithic ΣΔ A/D and D/A Co
nverter with Filter for Broad-Band Speech Codin
g”がある。
変調を使ったオーバーサンプリング・1ビットD/A変
換器はサンプリングレートnを上げる事によって大幅に
S/Nを改善する事ができ、さらにD/A変換が1ビッ
トである為、素子精度が不要でLSIに適しているが、
この1ビットD/A変換器の中で、シグマデルタ変調器
の1ビット出力をD/A変換する1ビットD/A変換回
路での歪みとS/N、不要放射悪化の問題があり、従来
の回路は以下の不具合があった。 NRZ信号を使った
もの(図20)の出力波形は、出力矩形波の立上がり/
立ち下がりのスピードが有限である為、理想波形からの
ずれが生ずる。簡単の為、立上がり/下がりは直線で、
その傾斜がそれぞれΔ/t1、−Δ/t2であると仮定する
と、この理想波形からのずれにより DC offset=(t2-t1)
N/2 N:1秒当りのパルス数 なるDCオフセッ
トが発生する。
例する為、図21に示す様に、D/A変換器に入力され
るディジタルデータが0付近の信号であれば、単位時間
当りのパルス数が多い為、DCオフセットが大きく、±
フルスケール(以下FS)に近い信号であれば、パルス
数が少ないので右図の様な伝達特性となり、2次歪みを
発生する。この歪みは図22の様に差動方式にする事に
より打ち消す事が出来るが、素子バラツキの為、差動を
完全にする事は難しく、どうしても多少の歪みが残る。
さらに、差動にした為、後段のアナログフィルタをLS
Iに内蔵しない場合はピン数が増加し、コンデンサ(以
下C)、抵抗(以下R)の数も増加し、コストアップと
なる。後段のアナログフィルタをLSIに内蔵した場合
でもCRのトータル値が大きくなりチップコストが増加
する。
の方式は図23で分かる様に、単位時間当りのパルス数
がD/A変換器に入力されるディジタルデータ値に比例
する為、DCオフセットも入力に対して直線性を保ち、
歪みは発生しない。PRZ信号を使った回路(図26)
もRZ信号を加算してPRZ信号を作っている為、RZ
信号と全く同じ理由で歪みは発生しない。しかし、この
両方式はNRZ信号に比較して不要高周波成分が多く、
これが電源部や出力端子を通して各部に悪影響を及ぼし
性能悪化や不要放射悪化を起こすと言う問題点がある。
これを以下にさらに詳しく説明する。
(t)を導入する。この関数は図12に示す様に、幅0
高さ無限大であるが面積は1である物理的には再現不可
能な波形であるが、1ビットD/A変換器の出力波形を
このインパルスと考えると、出力の周波数特性は図15
に示す様に、周期nfsで同じ形を繰り返し、NRZや
RZ、PRZはこのインパルス列を図13で示すフィル
タに通す事で得られる為、このフィルタの周波数特性を
図15の特性に乗ずる事でNRZやRZ、PRZの周波
数特性が得られるので考えやすい。インパルス列とNR
Z、RZ、PRZの関係を図14に示す。この図から分
かる様にRZ信号は入力ディジタルデータが0の時の出
力DC値がVH とVL のセンターにならず、VH +3/4*
VL となり、使いずらい欠点がある。特にポータブル機
器など低電圧で使う分野では電源電圧をフルに使う必要
がある為、DCオフセットを加えて、出力DC値をずら
す必要がある。
ンパルス列がNRZ信号に変換される。この時のフィル
タの特性は図16で示され、結局、NRZを使った1ビ
ットD/A変換器の出力は図17となる。
2)と置いた場合がRZとPRZで、この時のフィルタ
特性は図18となり、RZ、又はPRZを使った1ビッ
トD/A変換器の出力は図19となる。これをNRZの
場合と比較すると、明らかに信号帯域に近い部分の再量
子化ノイズが多く、さらに、nfsの所に出る信号折返
し成分の減衰も少ない。この為、先程述べた様に、この
RZ/PRZ方式はNRZ信号に比較して不要高周波成
分が多く、これが電源部や出力端子を通して各部に悪影
響を及ぼし性能悪化や不要放射悪化を起こすと言う問題
点があった。後段のアナログフィルタで不要高周波成分
を抑制する事は出来るが、電源部を通って悪影響を及ぼ
すのを防ぐ事は出来ない。
な移動平均フィルタを使う方法がある。図28は1段当
りT=1/nfs遅延を8段シフト加算(m=8)した
時の、このフィルタの周波数特性を示している。又、図
30は2段シフト加算(m=2)の時の、このフィルタ
の周波数特性を示している。これらの特性を見て分かる
様に、本フィルタはCRを使わずに比較的簡単に帯域外
不要高周波を抑制する事が出来る。この方法を使ってR
Z信号の帯域外不要高周波を抑制する為、2段シフト加
算(m=2)の時の出力波形を考えると、図34に示す
様にnfsの所にDCオフセットによる大きなスペクト
ルが立ってしまい帯域外不要高周波抑制の目的を達成す
る事が出来ない。これに対して、PRZ信号は図32に
示す様に2段シフト加算によりパルスの数が激減し、周
波数特性も図31に示す様に再量子化ノイズが大幅に減
少している。しかし、回路規模が図29に示す様に大き
くなってしまう欠点がある。さらに、PRZ信号は3値
信号であり、RZ信号をアナログ加算する必要がある
が、加算アンプのスルーレートが低いと歪みとS/Nが
大幅に悪化する。この為、消費電力が大きく、IC化し
た時の占有面積が大きい高スルーレートオペアンプが必
要となり、消費電力とコストが増大する欠点もある。
力としてNRZ信号を使うと2次歪みが出る為、差動形
式が不可欠で、それでも完全に歪みを打ち消すのは難し
く、十分な性能がとりずらい。さらにアナログフィルタ
用のCRの数が2倍必要となり、コストが増大する問題
がある。
信号を使うと上記問題はなくなるが、DCオフセットを
キャンセルする回路が必要でコスト増となり、さらにシ
フト加算のテクニックが使えない為、帯域外の不要高周
波成分が増大し、十分な性能がとりずらい。
Z信号を使う場合はシフト加算を使う事で、帯域外の不
要高周波成分を抑制する事ができるが、回路規模が増大
しコストアップとなる。又、PRZ生成用のアナログ加
算用のアンプに高スルーレートアンプが必要となり、消
費電力とコストが増大する。
D/A変換器に於いて、差動アナログフィルタを使う事
なく、小規模な回路構成で、不要高周波成分を十分抑
え、アナログ出力の性能も十分良い1ビットD/A変換
回路を提供する事を目的とする。又、アナログ加算用の
アンプもスルーレートが低くても良い1ビットD/A変
換回路を提供する事も目的とする。
1に係る1ビットD/A変換回路は、ディジタル・シグ
マデルタ変調器を使ったオーバーサンプリング・1ビッ
トD/A変換器で、ディジタル・シグマデルタ変調器の
1ビット出力をアナログに変換する1ビットD/A変換
回路に於いて、従来のPRZ信号を生成する時、RZ信
号とその相補なRZ信号を反転したもの(RZc)を生
成後、このどちらか一方を1サンプリング周期の整数倍
だけ遅延させたのち加算した、MPRZ信号を生成する
事により、1ビット信号に含まれる再量子化ノイズを大
幅にキャンセルする事により、低コストで不要放射が少
なく高性能が得やすくしたものである。
変換回路は、(請求項1)による1ビットD/A変換回
路のMPRZ信号を生成する為の二つの信号(図1のR
ZとRZc' 、又は図3のRZ' とRZc)を任意の同
じ時間ti (ti ≧0 i=1,2,…,g)だけ遅延
したものを、g個作り、アナログ加算してアナログ出力
信号を得るもので、PRZ信号による同様な方法よりも
小さな回路規模で、(請求項1)による方法よりさらに
強力に帯域外不要高周波成分を除去する事が出来る。
変換回路は、(請求項1)、(請求項2)に係る1ビッ
トD/A変換回路のMPRZ信号、そしてその遅延信号
を生成する信号(図7でのRZ、RZ' 、RZc´、R
Zc'')の発生回路出力と加算点を抵抗で結ぶ事でアナ
ログ加算し、この加算点と交流接地点との間にCを接続
する事で帯域外不要高周波成分をバイパスしたもので、
後段のアナログフィルタに入力される信号の不要高周波
成分を十分抑え、アナログフィルタの負担を少なくする
事が出来る。
図面を参照して詳細に説明する。図1に本考案の(請求
項1)によるMPRZ型1ビットD/A変換回路の一例
を示す。この回路では RZcをT(1クロック)だけ
遅延させ(RZc' )、アナログ加算している。このア
ナログ加算器は反転加算器を使っているが、図6に様な
正転加算器でも良い。この時の出力波形例を図2に示
す。この波形は図32に示すPRZ信号の2段シフト加
算信号と全く同じ形になる。この事はその周波数特性も
同一になる事を示している。つまり、本考案を使えばP
RZ方式とほぼ同じ回路規模で、PRZ2段シフト加算
方式(図29)と同じ周波数特性(図31)が得られ、
小さな回路規模で帯域外不要高周波を十分抑制した高性
能の1ビットD/A変換回路を得る事が出来る。図3の
回路はRZの方をT(1クロック)だけ遅延させ(R
Z' )、アナログ加算しているが、出力波形は図4に示
す様に、図1の回路と全く同一である。図5の回路は図
1の回路で1bit−DATAを一度DFFで叩き直し
た後MPRZ生成回路に入れている。これは、通常ディ
ジタル回路の出力が、ノイズやクロックジッタ、ヒゲな
どを多く含んだ汚い波形である事が多く、ジッタの少な
いピュアなクロックを使ったDFFで波形整形する必要
がある場合の回路構成を示している。図6は遅延量をk
Tにし、アナログ加算器も正転型を使った場合の回路を
示している。
PRZ型1ビットD/A変換回路の一例を示す。ここで
はMPRZと、これをTだけ遅延したMPRZ´を2段
シフト加算したもので、図8にその出力波形、図33に
その周波数特性を示す。この周波数特性から、PRZの
2段シフト加算回路(図29)と同規模の回路構成でΣ
Δ変調器の再量子化ノイズの抑制量が大幅に改善されて
いる事が分かる。
ットD/A変換回路を示している。この加算点と交流接
地点との間に入れたCにより、オペアンプに入力される
信号の高周波成分が抑制される事で、比較的スルーレー
トの低いオペアンプでも十分な性能を得る事が出来、C
も片側が接地されている為、製造が容易であるが片側に
非線形の寄生容量が付いているMOS容量を使う事が出
来るので、1ビットD/A変換器回路+アナログフィル
タのLSI化を容易にする事が出来る。
イズの抑制量を大幅に改善することができる。また、1
ビットD/A変換器回路+アナログフィルタのLSI化
を容易にする事が出来る。
でk=1の場合の回路図。
回路でk=1の場合のもう一つの回路図。
形整形する回路を加えた回路図。
回路でk≧2の場合の回路図。
=2とした時の回路図。
D/A変換器の回路図。
A変換装置の図。
換するフィルタの伝達関数を示す図。
Z、NRZ、RZの関係を示す図。
とした時の出力波形の周波数特性を示す図。
波数特性を示す図。
時の出力波形の周波数特性を示す図。
達周波数特性を示す図。
RZとした時の出力波形の周波数特性を示す図。
ィルタの回路例を示す図。
ナログフィルタの回路例を示す図。
ルタの回路例を示す図。
ィルタの回路例を示す図。
システム例を示す図。
波数特性を示す図。
変換器を使い、m=2とした時の回路例を示す図。
性を示す図。
図。
す図。
図。
換器を使い、m=2とした時の出力波形を示す図。
Claims (3)
- 【請求項1】 周期Tで1ビット入力ディジタルデータ
(以下1bit−DATA)を入力し、前記1bit−
DATAが1のとき、前記周期Tの内一定時間T1 だけ
一定電圧VH を発生し、残りのT2 =T−T1 時間は一
定電圧VL を発生し、前記1bit−DATAが0のと
きは時間T全部で前記電圧VL を発生する様にした信号
(以下RZ信号)の発生回路と、 前記1bit−DATAが0のとき、前記周期Tの内、
前記時間T1 だけ前記電圧VL を発生し、前記時間T2
は前記電圧VH を発生し、前記1bit−DATAが0
のときは時間T全部で電圧VH を発生する様にした信号
(以下RZc信号)発生回路とを持ち、 前記RZ信号とRZc信号をアナログ加算した信号、即
ち両極性RZ(以下PRZ)信号を生成し、これを1ビ
ット・ディジタル−アナログ(以下D/A)変換信号と
して出力するPRZ型1ビットD/A変換回路に於い
て、前記RZ信号、RZc信号のどちらか一つを前記T
のk倍(kは1以上の整数)遅延させた上、アナログ加
算を行いアナログ出力信号を得る事を特徴とする変形P
RZ(以下MPRZ)型1ビットD/A変換回路。 - 【請求項2】 前記MPRZ信号を生成する為の2つの
信号(図1のRZとRZc' 又は図3のRZ' とRZ
c)を任意の同じ時間ti (ti ≧0 i=1,2,
…,g)だけ遅延したものを、g個作り、アナログ加算
してアナログ出力信号を得る事を特徴とする、シフト加
算式MPRZ型1ビットD/A変換回路。 - 【請求項3】 請求項1、請求項2において、1ビット
D/A変換回路に使われるアナログ加算器が、前記RZ
信号、RZc信号、及びこれらの遅延信号の発生回路出
力から抵抗を介して加算し、その加算点と交流接地点の
間にコンデンサで接続する事でパッシブなローパスフィ
ルタを構成する事を特徴とした1ビットD/A変換回
路。
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