KR100219021B1 - Third order sigma delta oversampled a/d converter network with low component sensitivity - Google Patents
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Abstract
성분 감도가 낮은 오버샘플된 3차원 시그마 델타 아날로그-디지탈 변환기 네트 워크 보간 오버샘플된(시그마-델타)아날로그 -디지탈 변환기용의 개선된변조기 네트워크는 디지탈출력신호와 아로그 입력신호 사이의 에러를이중적분하는2차원 변조기와,디지탈출력신호와 상기2차원변조기에서 출력된 아날로그 신호 사이의 에러를 단일 적분하는 1차원 변조기를포함한다. 변조기들은 그 출력신호들을 디지탈 에러 소거회로에 공급하고 상기 에러 소거회로는 데시메이션 필터에 공급된 신중에서 상기2차원 변조기에서 발생된 양자화 잡음을 억제한다. 네트워크는 이러한형태의 아날로그 -디지탈 변환기의 해상도·즉 성분 부정합.증폭기비선형성. 유한이득, 선정시간, 및 신호 동적 범위를 정상적으로 제한하는실제적인 비 이상성에 대하여 그 감도를 크게 감소시킨다.Low Sample Sensitivity Oversampled Three-Dimensional Sigma Delta Analog-to-Digital Converter Network Interpolation An improved modulator network for oversampled (sigma-delta) analog-to-digital converters introduces an error between the digital output signal and the analog input signal. And a one-dimensional modulator for single integration of the error between the digital output signal and the analog signal output from the two-dimensional modulator. The modulators supply their output signals to the digital error cancellation circuit, which suppresses the quantization noise generated in the two-dimensional modulator at the discretion supplied to the decimation filter. The network is the resolution, component mismatch, and nonlinearity of this type of analog-to-digital converter. It significantly reduces its sensitivity to practical non-idealities that normally limit finite gain, select time, and signal dynamic range.
Description
제1도는 종래의 시그마-델타 아날로그-디지탈 변환기의 블록 회로도.1 is a block circuit diagram of a conventional sigma-delta analogue-to-digital converter.
제2a도, 제2b도, 제2d도 및 제2e도는 제1도의 아날로그-디지탈 변환기의동작과 관련된 대표적인 전력 스펙트럼을 나타내고, 제2c도는 제1도의 데시메이션필터의 대표적인 필터 특성을 나타내는 도면.2A, 2B, 2D, and 2E show representative power spectra associated with the operation of the analog-to-digital converter of FIG. 1, and FIG. 2C shows representative filter characteristics of the decimation filter of FIG.
제3도는 본 발명에 따른 3차 시그마-델타 아날로그-디지탈 변환기 네트워크를 나타내는 블록도.3 is a block diagram illustrating a tertiary sigma-delta analogue-to-digital converter network in accordance with the present invention.
제4도는 본 발명을 실시하는 3차 시그마-델타 아날로그-디지탈 변환기 네트워크에 대한 제3도 형태의 한가지 변형예를 나타내는 기능 블록도.4 is a functional block diagram illustrating one variant of the third diagram form for a tertiary sigma-delta analogue-to-digital converter network embodying the present invention.
제5도는 본 발명에 따른 3차 시그마-델타 아날로그-디지탈 변환기 네트워크의 특정 실시예를 나타내는 기능 블록도.5 is a functional block diagram illustrating a particular embodiment of a tertiary sigma-delta analogue-to-digital converter network in accordance with the present invention.
제6도는 제5도의 3차 시그마-델타 아날로그-디지탈 변환기 네트워크의 샘플링된 데이타 단일 단부스위치 커패시터 실시예의 회로 블록도.FIG. 6 is a circuit block diagram of a sampled data single-ended switch capacitor embodiment of the tertiary sigma-delta analog-to-digital converter network of FIG.
제7도는 제5도의 3차 시그마-델타 아날로그-디지탈 변환기 네트워크의 샘플링된 데이타 미분스위치 커패시터 실시예의 회로 블록도.FIG. 7 is a circuit block diagram of a sampled data differential switch capacitor embodiment of the tertiary sigma-delta analog-digital converter network of FIG.
제8도는 제7도의 회로에 사용되는 클록 신호의 파형도.8 is a waveform diagram of a clock signal used in the circuit of FIG.
제9도는 제3도 내지 제5도의 3차원 시그마 델타 아날로그-디지탈 변환기 네트워크에 사용될 수 있는 데시메이션 필터의 회로 블록도.9 is a circuit block diagram of a decimation filter that can be used in the three-dimensional sigma delta analog-to-digital converter network of FIGS.
제10도는 제3도 형태의 다른 형태로서 본 발명에 따른 3차 시그마 델타 아날로그-디지탈 변환기 네트워크를 나타내는 회로 블록도.FIG. 10 is a circuit block diagram illustrating a third order sigma delta analogue-to-digital converter network in accordance with the present invention as another form of the FIG.
제11도는 본 발명을 실시하는 3차원 시그마 델타 아날로그-디지탈 변환기네트워크의 제10도 형태의 한가지 변형예를 나타내는 기능 블록도.FIG. 11 is a functional block diagram showing one modification of the form of FIG. 10 of a three-dimensional sigma delta analogue-to-digital converter network embodying the present invention.
제12도는 제l0도 및 제11도의 3차원 시그마 델타 아날로그-디지탈 변환기네트워크에 사용될 수 있는 데시메이션 필터의 회로 블록도.12 is a circuit block diagram of a decimation filter that can be used in the three-dimensional sigma delta analog-to-digital converter network of FIGS. 10 and 11.
제13도는 제3도와 제9도 형태의 다른 형태로서 본 발명에 따른 3차원 시그마 델타 아날로그-디지탈 변환기 네트워크를 나타내는 회로 블록도.FIG. 13 is a circuit block diagram illustrating a three-dimensional sigma delta analogue-to-digital converter network according to the present invention in another form in the form of FIG. 3 and FIG.
제14도는 본 발명을 실시하는 3차원 시그마 델타 아날로그-디지탈 변환기네트워크에 대한 제13도 형태의 한가지 변형예를 나타내는 기능 블록도.FIG. 14 is a functional block diagram illustrating one variation of the form of FIG. 13 for a three-dimensional sigma delta analog-to-digital converter network embodying the present invention.
제15도는 제13도 및 제14도의 3차원 시그마 델타 아날로그-디지탈 변환기네트위크에 사용될 수 있는 데시메이션 필터의 회로 블록도.FIG. 15 is a circuit block diagram of a decimation filter that can be used in the three-dimensional sigma delta analogue-to-digital converter network of FIGS. 13 and 14;
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
20 : 2차 변조기 30 : 1차 변조기20: secondary modulator 30: primary modulator
22, 24, 26 : 적분기 23 : 증폭기22, 24, 26: integrator 23: amplifier
26, 28 : A/D 변환기 28, 40 : D/A 변환기26, 28: A / D converter 28, 40: D / A converter
46 : 디지탈 이중 미분기 60, 80 : 지연 레지스터46: digital
74 : 승산기 78 : 미분기74: multiplier 78: differential
84, 86, 88, 90 : 증폭기84, 86, 88, 90: amplifier
본 발명은 3차 시그마-델타 아날로그-디지탈 변환기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 성분 부정합 감도가 낮고 증폭기 이득이 한정된 오버샘플된 3차 시그마-델타 아날로그-디지탈 변환기 네트워크에 관한 것이다.The present invention relates to a tertiary sigma-delta analogue-to-digital converter, and more particularly to an oversampled tertiary sigma-delta analogue-to-digital converter network with low component mismatch sensitivity and limited amplifier gain.
오버샘플된 보간(또는 시그마 델타) 변조와 디지탈 로패스 필터링 및 데시메이션(decimation)을 이용하면, 고분해능의 아날로그-디지탈(A/D) 신호 변환이 저분해능 부품에 의해 달성될 수 있다. 오버샘플링이란 신호 나이퀴스트 속도의 수배에 해당하는 속도로 동작하는 변조기의 동작을 말하며, 데시메이션이란 클록 속도를 3나이퀴스트 속도로 즐이는 것을 말한다.With oversampled interpolation (or sigma delta) modulation and digital low pass filtering and decimation, high resolution analog-to-digital (A / D) signal conversion can be achieved with low resolution components. Oversampling refers to the operation of a modulator operating at a rate that is several times the signal Nyquist rate, and decimation refers to enjoying the clock rate at three Nyquist rates.
시그마 델타 변조기(이것은 '델타 시그마 변조기'라고도 함)는 아날로그-디지탈 변환기에 상당한 기간 동안 사용되어 왔다. 이에 대한 전반적인 내용은 아래의기술 문헌으로부터 얻을 수 있는데, 그 내용은 본 명세서의 일부분으로 포함된다.Sigma delta modulators (also called 'delta sigma modulators') have been used for a considerable period of time in analog-to-digital converters. The general content thereof can be obtained from the following technical literature, which is included as part of the present specification.
1) A Use of Limit Cycle Oscillators to Obtain Robust Analog to Digital Converters, J.C.Candy,IEEE Transactions of Communications, 제COM-22권, 제3호,298-305쪽, 1974년 3월.A Use of Limit Cycle Oscillators to Obtain Robust Analog to Digital Converters, J.C. Candy, IEEE Transactions of Communications, Vol. COM-22, No. 3, pp. 298-305, March 1974.
2) Using Triangularly `Weighted Interpolation to Get 13-Bit PCM from a Sigma-Delta Modulator, J. C. Candy et al, IEEE Transactions on Communications, 제C0M-24권, 제11호,1268-1275쪽,1976년 11월.2) Using Triangularly `Weighted Interpolation to Get 13-Bit PCM from a Sigma-Delta Modulator, J. C. Candy et al, IEEE Transactions on Communications, Vol. C0M-24, No. 11, 1268-1275, November 1976.
3) ''A Use of Double Integration in Sigma Delta Modulation, J.C. Candy, IEEE Transactions on Communications, 제COM-33권, 제3호,249-258쪽,1985년 3월.3) '' A Use of Double Integration in Sigma Delta Modulation, J.C. Candy, IEEE Transactions on Communications, Vol. COM-33, No. 3, pp. 249-258, March 1985.
샘플링 속도가 일정한 경우 더 높은 분해능을 얻기 위해서, 복수 차수의 시그마 델타 변조를 개발하려는 노력이 오버샘플된 아날로그-디지탈 변환기 설계 분야에서 상당히 투자되었다. 본 명세서에서, 차수라고 하는 것은 시그마 델타 변조기의 입력 신호와 출력 신호 사이에 에러가 시간에 대해 얼마나 자주 생기는가에 따라 직접적으로 결정되는 시그마 델타 변조기의 차수를 의미하는 반면에, 복수 스데이지의 시그마 델타 A/D 변환기 내에서 시그마 델타 변조기의 차수는 상기스테이지의 입력 신호가 시간에 대해 얼마나 많이 적분되어 상기스테이지의 출력 접속 4에 도달하는 가에 따라 직접적으로 정해진다.In order to achieve higher resolution when the sampling rate is constant, efforts to develop multiple orders of sigma delta modulation have been heavily invested in the design of oversampled analog-to-digital converters. In this specification, order means the order of the sigma delta modulator, which is directly determined by how often an error occurs over time between the input signal and the output signal of the sigma delta modulator, whereas the sigma delta of the multi-stage The order of the sigma delta modulator in the A / D converter is directly determined by how much the input signal of the stage is integrated over time to reach the output connection 4 of the stage.
이러한 형태의 아날로그-디지탈 변환기에서, 분해능은 2개의 요인 즉,1) 나이퀴스트 속도에 대한 변조기 클록의 비율('오버샘플링 비율'이라고도 함)과, 2) 변조기의 차수(order)에 의해 주로 제어된다. 본 명세서에서 차수는 주파수 선택필터의 차수와 유사하며 변조기에 의해 제공되는 스팩트럼 형상의 상대적인 정도를나타낸다. 본 명세서에 사용된 고차수 아날로그-디지탈 변환기 네트워크는 3차또는 고차 네트워크를 나타낸다.In this type of analog-to-digital converter, resolution is mainly dependent on two factors: 1) the ratio of the modulator clock to the Nyquist rate (also called the 'oversampling rate'), and 2) the order of the modulator. Controlled. The order here is similar to the order of the frequency selective filter and represents the relative degree of spectral shape provided by the modulator. High order analog-to-digital converter network as used herein refers to a tertiary or higher order network.
필터에서, 차수가 높을수록 선택성도 높아지지만, 하드웨어가 더 복잡해진다. 최근에 구현된 고분해능의 오버샘플된 아날로그-디지탈 변환기는 상기 2개의요인을 고려하여 큰 오버샘플링 비율과 높은 변조기 차수를 모두 사용하였다. 그러나, 실제 적용상의 문제 때문에 오버샘플링 속도와 변조기 차수가 취할 수 있는 정도는 제한을 받는다. 예를 들어서, 주어진 변조기 클록 속도에 대하여, 오버샘플링비율은 데시메이션 후의 나이퀴스트 속도에 반비례하기 때문에, 변환 속도를 희생하지 않고서는 오버샘플링 비율을 임의로 높일 수가 없다. 다른 제한 사항은 변조기차수에 관한 것이다. 하나의 양자화기를 사용하여 차수를 2 이상으로 높이게 되면, 일정 조건하에서만 안정성이 보장되기 때문에 실제로 적용하지 못하게 된다.In filters, the higher the order, the higher the selectivity, but the more complex the hardware. Recently implemented high resolution oversampled analog-to-digital converters have used both large oversampling ratios and high modulator orders in consideration of the two factors. However, due to practical application problems, the degree of oversampling rate and modulator order can be limited. For example, for a given modulator clock rate, since the oversampling rate is inversely proportional to the Nyquist rate after decimation, the oversampling rate cannot be arbitrarily increased without sacrificing the conversion rate. Another limitation concerns the modulator order. Increasing the order to two or more using a single quantizer prevents practical application because stability is ensured only under certain conditions.
직렬로 연결된 저차수 변조기를 사용하여 고차수 잡음 형상을 제공하여 안졍된 동작을 보장하는 또 다른 방법을 사용할 수 있다. 그러나, 상기 구조에서 변조기의 정합은 매우 중요한 변수로 되어, 변환기의 전체 정확도는 부정합의 수준에 의해 결정된다. 인접 성분 겅합 및 높은 연산 증폭기(또는 0P 앰프) 이득이 요구된다는 것은 상기 회로가 낮은 수율로만 제조될 수 있을 뿐이고 트리밍을 필요로 하며, 따라서 생산 비용이 높다는 것을 의미한다.Another method is to use a low-order modulator connected in series to provide a high-order noise shape to ensure stable operation. However, the matching of modulators in this structure is a very important variable, so the overall accuracy of the transducer is determined by the level of mismatch. The need for adjacent component matching and high operational amplifier (or 0P amplifier) gains means that the circuit can only be manufactured in low yields and requires trimming, thus high production costs.
이 기술분야의 초기 연구는 3 또는 그 이상의 차수와 관련된 안정성 문제 때문에,1차 및 2차 변조기의 구현에 관한 것이었다. T. Hayashi 등의 1986년 2월에 간행된 Proc.IEEE 1986 Int. Solid-State Circuits Conf., pp182-183의이중적분기 루프가 없는 복수스테이지 델타 시그마 변조기에는 2개의 1차스테이지의 직렬 접속을 사용하여 2차 수행이 얻어지는 방법에 대하여 기술되어 있다. 제1스테이지의 양자화 에러는 디지탈 미분 후에 제2스테이지의 출력 신호와 주파수 형상의 양자화 잡음의 모사(replica)를 포함하도록 제2스테이지에 공급된다.마지막으로, 제1스테이지의 출력 신호로부터 제2스테이지의 출력 신호를 빼면 2차 잡음 형상을 가진 제2스테이지의 양자화 잡음만을 포함하는 신호가 얻어진다.그러나, 이 방법은 2개의 1차 변조기의 특성과 높은 OP 앰프 이득의 완전한 정합을 요구한다.Early work in the art has been directed to the implementation of primary and secondary modulators because of stability issues associated with three or more orders. Proc. IEEE 1986 Int., Published in February 1986 by T. Hayashi et al. The multi-stage delta sigma modulator without the dual integrator loop described in Solid-State Circuits Conf., Pp 182-183 describes how secondary performance can be achieved using a series connection of two primary stages. The quantization error of the first stage is supplied to the second stage after the digital derivative to include a replica of the output signal of the second stage and the quantization noise of the frequency shape. Finally, from the output signal of the first stage, the second stage Subtracting the output signal of the signal yields a signal containing only the quantization noise of the second stage with a secondary noise shape. However, this method requires a perfect match of the characteristics of the two primary modulators and the high OP amplifier gain.
1차 변조기의 3중 직렬 접속을 사용하는 3차 아날로그-디지탈 변환기 네트워크에 대한 상기 Hayashi가 제안한 방법의 적용에 대해서는 Y. Matsuya 등의1987년 12월에 간행된 IEEE J. Solid-State Circuits, 제SC-22권, 제6호,921-929 페이지의 3중 적분 노이즈 형상을 사용한 16 비트 오버샘플링 A/D 변환기술에 설명되어 있다. 그러나, 이 방법은 보다 더 완전한 성분 정합을 요구하며,또한 이론상으로 얻을 수 있는 분해능을 달성하기 위하여 높은 0P 앰프 이득을 요구한다.The application of the Hayashi proposed method to a tertiary analog-to-digital converter network using a triple serial connection of a primary modulator is described in IEEE J. Solid-State Circuits, published in December 1987 by Y. Matsuya et al. A 16-bit oversampling A / D conversion technique using triple integral noise shapes is described in SC-22, No. 6, pages 921-929. However, this method requires more complete component matching and also requires a high 0P amplifier gain to achieve the theoretically obtainable resolution.
약간 다른 방법으로는 L. Lorgo와 M. A. Copeland의 1988년 6월에 간행된 Proc.1988 Custom Integrated Circuit Conf.,21.2.3∼4의 2스테이지3차 잡음 형상을 사용한 13 비트 ISDN-B and ADC에 설명된 것이 있으며, 여기에서는 2차 변조기가 1차 변조기와 직렬 접속되어 3차 잡음 형상을 실현한다.이 방법은 다른 실시예로부터의 성분 정합 요구를 어느 정도 감소시킨다는 장점을갖는다.A slightly different method is a 13-bit ISDN-B and ADC using a two-stage third-order noise figure from Proc. 1988 Custom Integrated Circuit Conf., 21.2.3 to 4, published in June 1988 by L. Lorgo and MA Copeland. There is a description, in which the secondary modulator is connected in series with the primary modulator to achieve the third order noise shape. This method has the advantage of somewhat reducing component matching requirements from other embodiments.
본 발명자가 개발한 개선된 3차 시그마-델타 아날로그-디지탈 변환기는 성분부졍합에 대한 감소된 감도, 유한 증폭기 이득 및 기타 비이상적인 회로 속성(비이상성이라 함)을 가지면서 3차 잡음 형상화를 달성한다. 샘플된 데이타스위치 커패시터 회로로서 실행될 수 있는 3차 시그마 델타 아날로그-디지탈 변환기의 개선된 구조는 본 발명자에 의해 추구되었다. 본 발명자는 또한 이론상의 한계에 접근하는 A/D 변환기의 분해도가 얻어질 수 있도록 유한 이득의 증폭기를 사용하고 일반적인 회로 비이상성에 대한 감도가 비교적 낮은 변조기 네트워크 구조를 이용하여 3차 시그마 델타 아날로그-디지탈 변환기에 3차 양자화 잡음 형상을 제공하는것을 추구하였다.The improved third-order sigma-delta analogue-to-digital converter developed by the present inventors achieves third-order noise shaping with reduced sensitivity to component mismatch, finite amplifier gain, and other non-ideal circuit properties (called non-ideality). do. An improved structure of a tertiary sigma delta analogue-to-digital converter that can be implemented as a sampled dataswitch capacitor circuit has been sought by the inventors. We also use a finite gain amplifier so that the resolution of the A / D converter approaching the theoretical limit and using a modulator network structure with relatively low sensitivity to general circuit non-ideality, the third-order sigma delta analogue- We have sought to provide third-order quantization noise shapes for digital converters.
본 발명자가 개발한 새로운 3차 시그마-델타 아날로그-디지탈 변환기 네트워크는 종래의 3차 시그마-델타 아날로그-디지탈 변환기 네트워크의 분해도를 제한하는 실제 적용상의 비이상성, 즉 성분 부정합, 증폭기 비선형성, 유한 이득, 과도한안정화 시간 및 제한된 신호 동적 범위에 대한 감도가 크게 감소된다. 비이상성을감안하여 시뮬레이션을 한 결과,80 KHI 변환 속도에서 16 비트 분해도가 64의 오버샘플링 속도에서 동작되는 새로운 A/D 변환기 네트워크에 의해 달성될 수 있음을 알 수 있었다. 이러한 결과는 2%만의 성분 정합 및 1000 정도의 낮은 OP 앰이득에도 불구하고 달성될 수 있다. 최소한의 회로 명세에도 불구하고 이와 같은 결과가 얻어지는 것은 저가의 생산성이 높은 A/D 변환기 네트워크가 이제 실현가능하다는 것을 의미한다. 디커플링 커패시터 외에 의부 부품을 갖지 않는 완전한모노리딕 A/D 변환기 네트워크를 구현하는 데에는 상기 새로운 A/D 변환기 네트워크에 MOS, CMOS, BiMOS, GaAs 또는 바이폴라 집적회로 기술을 사용할 수있다. 상기 새로운 A/D 변환기 네트워크는 복잡도가 적당하기 때문에, 고해상도멀티채널 아날로그 인터페이스를 갖는 디지탈 신호 처리 칩을 충분히 구현할 수 있다.The new third-order sigma-delta analogue-to-digital converter network developed by the present inventors is a non-ideal in practical application that limits the resolution of conventional third-order sigma-delta analogue-to-digital converter networks, namely component mismatch, amplifier nonlinearity, finite gain. Therefore, sensitivity to excessive stabilization time and limited signal dynamic range is greatly reduced. Simulation with non-ideality shows that 16-bit resolution at 80 KHI conversion can be achieved by a new A / D converter network operating at oversampling of 64. This result can be achieved despite only 2% component matching and as low as 1000 of OP amp gain. This result, despite the minimum circuit specification, means that low-cost, high-productivity A / D converter networks are now feasible. MOS, CMOS, BiMOS, GaAs, or bipolar integrated circuit technology can be used to implement a complete monolithic A / D converter network without disjoint components other than decoupling capacitors. Since the new A / D converter network is of moderate complexity, it is possible to fully implement a digital signal processing chip having a high resolution multichannel analog interface.
CT(Computed Tomography; 컴퓨터 단층촬영) 스캐너는 팬 빔 에너지소스(fan beam energy source)와, 주사되는 물체의 중심 근처의 공간에서 특정지점을 통하여 투영되는 중앙 광선을 사용하며, 에너지 소스는 상기 공간의 특정 지점에 중심을 갖는 원형 궤적 주위로 이동한다. 검출기 소자의 아치형 스트립은 에너지 소스로부터 공간을 두고 상기 특정 지점의 다른 측면에서 에너지 소스의 반대측에 위치하며 상기 특정 지점 주위의 에너지 소스의 회전을 공간을 두고 추적한다.주사되는 물체는 항상 팬 빔 내에 위치하여 팬 빔의 각각의 인접한 세그먼트에서방사 에너지의 일부를 흡수하고, 나머지 방사 에너지 또는 팬 빔의 각 세그먼트에서의 광선합은 아치형 검출기 스트립 상의 각 검출기에 의해 측정된다. 에너지 소스의 회전의 연속적인 증분 각각에 대한 검출기 응답 및 그 반대측의 아치형 검출 기 스트립은 주사되는 물체의 별도 조망(view)을 구성한다. 연속적인 조망 중의 상기 검출기 응답은 응답의 처리가 실시간으로 이루어지지 않고 주사가 완료된 후에 행하여지기 때문에 메모리에 기억된다. 이와 같이, 후속 처리 중에 각각의 조망으로부터의 검출기 응답은 이미지 공간 내에 역투영되어 화소(또는 픽셀)의 그레이 스케일 값을 발생하기 전에 신중하게 공식화된 유한 임펄스 필터 커넬(kernel)에 의해 선가중(preweighted) 및 선필터링(prefiltered)된다. 각각의 조망 중에각각의 화소 중심을 통과한 광선합은 가중 및 합산되어 역투영에 의한 화소의 그레이 스케일 값을 생성한다. 즉, 각각의 광선합은 화소가 위치하는 부분을 포함한 물체의 연속 부분을 통하여 그 가로 방향으로 팬 빔의 세그먼트를 형성하는 한묶음의광선으로부터 흡수된 에녀지의 합을 나타내기 때문에, 팬 빔의 상기 세그먼트에 의해 교차되는 화소 중 어느 하나에 기인하는 에너지 흠수의 크기는 상기 화소를 통과한 광선 묶음에 대한 모든 광선합을 포함한 자동 상관 절차(autocorrelationprocedure)를 수행함으로써 알아낼 수 있다. 상기 자동 상관 절차는 광선합의 주요 픽셀(이것은 컴퓨터 단층 촬영법에 의해 단층 사진을 생산하는 데에 기본이 됨)전후에서 픽셀에 의해 생기는 음영을 억제한다. 상기 자동 상관 절차의 실행에 포함되는 광선합의 추가 결합에 있어서, 각각의 광선합은 그 화소와 연합된 광선 패킷이 그 화소를 통과하기 전에 팬 빔의 발산을 감안하여 가중되어야 한다.Computed tomography (CT) scanners use a fan beam energy source and a central ray projected through a specific point in space near the center of the object being scanned, the energy source of which Move around a circular trajectory centered at a specific point. The arcuate strip of the detector element is spaced from the energy source, on the other side of the particular point, on the opposite side of the energy source and tracks the rotation of the energy source around the particular point in space. Positioned to absorb a portion of the radiant energy in each adjacent segment of the fan beam, and the remaining radiant energy or light sum in each segment of the fan beam is measured by each detector on the arcuate detector strip. The detector response for each successive increment of rotation of the energy source and the arcuate detector strip on the opposite side constitute a separate view of the object being scanned. The detector response in the continuous view is stored in the memory because the processing of the response is performed after the scan is completed rather than in real time. As such, the detector response from each view during subsequent processing is preweighted by a carefully formulated finite impulse filter kernel before being projected back into the image space to produce the gray scale value of the pixel (or pixel). ) And prefiltered. During each view, the sum of the rays passing through each pixel center is weighted and summed to produce gray scale values of the pixels by back projection. That is, since each ray sum represents the sum of the edges absorbed from the bundle of rays forming a segment of the fan beam in its transverse direction through the continuous portion of the object including the portion where the pixel is located, the segment of the fan beam The magnitude of the energy defect due to any one of the pixels crossed by can be found by performing an autocorrelationprocedure including all the sums of rays for the bundle of rays passing through the pixel. The autocorrelation procedure suppresses shading caused by the pixels before and after the major pixels of the ray sum, which is the basis for producing tomographic images by computed tomography. In the further combining of the sum of the rays involved in the execution of the autocorrelation procedure, each sum of the rays must be weighted in consideration of the divergence of the fan beam before the packet of rays associated with that pixel passes through the pixel.
비록 컴퓨터 단층 촬영법에 대한 푸리에 역변환(Fourier inversion)은 역투영 재구성에 비해 고유의 속도 장점을 갖지만, 이것은 잡음에 대한 과도한 감도때문에 팬 빔 스캐너에 사용하는 것은 부적절한 것으로 생각된다. 콘볼류션 (convolution) 및 역투영 재구성 방법은 조망 파이프 라이닝에 적합하고 처리로부터의 바람직하지 못한 아티팩트(artifact)가 거의 없는 화상을 만들어 낸다. 1976년 10월에 간행된 Computer Biologic Medicine, 제6권 259-271쪽에 나타난G. T. Herman, A. V. Lakshminarrayan, A. Naparstek의 논문Convolution Reconstruction Technique for Divergent Beams에는 상기한내용들이 기술되어 있다. 이것은 또한 1981년 2월에 간행된 IEEE Transactionson Biomedical Engineering, 제BME-28권 제2호의 98-115쪽에 나타난 B. K.Gilbert , S . K. Kenue , R. A. Robb , A . Chu , A . H . Lent , E . E .Swartxlander의 논문 Rapid Execution of Fan Beam Image Reconstruction Algorithms Using Efficient Computational Techniques and Special Purpose Processors에 기술되어 있다.Although Fourier inversion for computed tomography has an inherent speed advantage over reverse projection reconstruction, it is considered inappropriate for use in fan beam scanners due to excessive sensitivity to noise. The convolution and backprojection reconstruction methods are suitable for viewing pipe linings and produce images with little undesirable artifacts from processing. G. As shown in Computer Biologic Medicine, October 6, 1976, Vol. 6, pages 259-271. T. Herman, A. V. Lakshminarrayan, A. Naparstek, Convolution Reconstruction Technique for Divergent Beams, describe the above. It is also described in B. K. Gilbert, S., pp. 98-115 of IEEE Transactionson Biomedical Engineering,
검출기 소자의 스트립은 수백개의 선형 배열된 신틸레이터(scintillator)와이 뒤에 배치되는 수백개의 선형 배열된 포토 다이오드를 포함한다. 신틸레이터는X레이 화상을 광화상으로 변환하고, 포토 다이오드는 상기 광화상의 소자의 광자들을 전하로 변환한다. 포토 다이오드에는 각각의 전치 증폭기, 예를 들면 포트 다이오드 전류를 감지하기 위한 저입력 임피던스를 제공하고 후속되는 회로를 구동하기위한 저출력 임피던스를 제공하는 트랜스 레지스턴스 증폭기가 제공된다. 종래의CT 시스템에서 포토 다이오드-전치 증폭기 조합은 상기 조합의 전체 그룹 중 서브그룹 중에 배분되고, 각 서브 그룹에서 전치 증폭기로부터의 아날로그 출력 전압은공유된 아날로그-디지탈(A/D) 변환기의 입력부에 시분할 다중화된다.The strip of detector elements comprises hundreds of linearly arranged scintillators and hundreds of linearly arranged photodiodes disposed behind them. The scintillator converts the X-ray image into an optical image, and the photodiode converts the photons of the device of the optical image into electric charges. The photodiode is provided with a trans-resistance amplifier that provides a low input impedance for sensing each preamplifier, for example port diode current, and a low output impedance for driving the subsequent circuit. In a conventional CT system, the photodiode-preamplifier combination is distributed among the subgroups of the entire group of combinations, and in each subgroup the analog output voltage from the preamplifier is at the input of the shared analog-to-digital (A / D) converter. Time division multiplexed.
실제로는 역투영 계산을 수행하기 위해서는 변환기 출력 신호에서 매우 많은수의 비트(즉,16∼20 비트)의 분해도가 필요하기 때문에, 여러 가지 서브 그룹의A/D 변환기 변환 특성을 졍합시키는 것은 어려운 것으로 판명되었다. A/D 변환기의 변환 특성의 선형성은 가능한 한 좋게 만들어지지만, 포토 다이오드-전치 증폭기 조합의 각 서브 그룹의 포토 다이오드가 검출기 소자의 스트립에서 서로 인접해있는 경우, 상기 변환 특성의 차이로 인해 최종 단층 사진에서 밴딩 아티팩트(banding artifact)가 생긴다. 상기 밴딩 아티팩트는 상당히 낮은 공간 주파수를가진 강도 변화로서 나타나고, 따라서 이들은 최종 단층 사진의 최종 관측자에게 불쾌하게 나타난다. A/D 변환기 변환 특성의 차이에 기인하는 아티팩트의 가시도를줄이기 위하여 실제는 포토 다이오드-전치 증폭기 조합의 각 서브 그룹에서 포토다이오드의 검출기 소자의 스트립에서 그 위치를 변경하였다. 따라서 단층 사진에서 상기 아티팩트의 낮은 공간 주파수 성분은 낮아질 수 있으나 단층 사진에서 상기 아티팩트의 높은 공간 주파수 성분은 증가하였다. 상기 아티팩트의 공간 주파수세부만을 제거함으로써 공간적으로 로패스 필터링할 수 있다. 시분할 다중화된A/D 변환기에 대한 포토 다이오드-전치 증폭기 조합의 접속을 변경시키는 것은CT 시스템의 소자 중에서 바랍직하지 않은 복잡한 전기적 내부 접속을 야기하고고속 다지탈 버스를 통해 시분할 다중화를 사용하여 데이타를 전송하는 것을 복잡하게 만든다.In practice, it is difficult to combine the A / D converter conversion characteristics of the various subgroups because the resolution of a very large number of bits (ie 16 to 20 bits) in the converter output signal is required to perform the reverse projection calculation. It turned out. The linearity of the conversion characteristics of the A / D converter is made as good as possible, but when the photodiodes of each subgroup of the photodiode-preamplifier combination are adjacent to each other in the strip of the detector element, the final tomography is due to the difference in the conversion characteristics. Banding artifacts appear in the picture. The banding artifacts appear as intensity changes with significantly lower spatial frequencies, so they appear unpleasant to the final observer of the final tomographic image. In order to reduce the visibility of the artifacts due to the difference in A / D converter conversion characteristics, the position of the detector element of the photodiode was actually changed in each subgroup of the photodiode-preamplifier combination. Thus, in the tomography image, the low spatial frequency component of the artifact may be lowered, but in the tomography image, the high spatial frequency component of the artifact is increased. It is possible to perform spatial low pass filtering by removing only the spatial frequency detail of the artifact. Changing the connection of the photodiode-preamplifier combination to the time-division multiplexed A / D converter causes undesirable electrical internal connections among the elements of the CT system and uses time-division multiplexing over a high-speed digital bus. Complicate the transmission.
시분할 다중화된 A/D 변환기에 대한 포토 다이오드-전치 증폭기 조합의 접속을 변경하는 것은 외부 전기 신호를 잡음으로서 픽업하는 것을 최소화하기 위하여 전치 증폭기 및 A/D 변환기를 물리적으로 가능한 한 포토 다이오드에 근접시키는 것을 방해한다. A/D 변환기 및 이것에 시분할 다중화된 전치 증폭기는 정상적으로 모노리딕 집적회로(IC) 형태로 구성되고, 연장 케이블은 포토 다이오드 변경예가 후속되는 IC에 포토 다이오드를 접속하기 위해 필요하다. 포토 다이오드의출력 임피던스 레벨이 약 30 ㏁이므로, 케이블 상의 외부 전기 신호의 픽업은 쉽게예상할 수 있다.Changing the connection of the photodiode-preamplifier combination to the time division multiplexed A / D converter allows the preamplifier and A / D converters to be as physically as close as possible to the photodiode in order to minimize pick up of external electrical signals as noise. To interfere. A / D converters and time division multiplexed preamplifiers are normally constructed in the form of monolithic integrated circuits (ICs), and extension cables are needed to connect the photodiodes to the IC followed by a photodiode modification. Since the output impedance level of the photodiode is about 30 Hz, pickup of external electrical signals on the cable can be easily expected.
A/D 변환기 변환 특성의 차이에 따른 아티팩트의 낮은 공간 주파수 성분의가능성을 저하시키는 다른 방법은 포토 다이오드-전치 증폭기 조합의 각각에 그 자신의 A/D 변환기를 제공하는 것이다. 사실, 이에는 밴딩 아티팩트의 발생을 야기하는 A/D 변환기 변환 특성의 자기 상관을 제거한다. 이것은 또한 아날로그 영역의 다중화 및 상기 아날로그 다중화에서 발생하는 동적 범위 제한을 제거한다. 포토 다이오드-전치 증폭기 조합의 각각에 그 자신의 A/D 변환기를 제공하면, A/D변환기 변환 특성의 차이에 기인하는 수용 가능한 낮은 아티팩트를 가진 단층 사진을 제공하는 데 충분한 선형성 및 사용 가능한 비트 수를 A/D 변환기가 갖게 되는문제가 생기는데, 여기서 A/D 변환기는 수백개의 단위로 사용될 수 있는 충분한구성을 가진 간단하고 저가의 것이다.Another way to reduce the possibility of low spatial frequency components of artifacts due to differences in A / D converter conversion characteristics is to provide their own A / D converters for each of the photodiode-preamplifier combinations. In fact, this eliminates the autocorrelation of the A / D converter conversion characteristics that cause the occurrence of banding artifacts. It also removes the analog range multiplexing and the dynamic range limitations that arise from the analog multiplexing. Providing its own A / D converter on each of the photodiode-preamp combinations provides sufficient linearity and the number of bits available to provide a tomographic picture with acceptable low artifacts due to differences in A / D converter conversion characteristics. A / D converters have a problem in that A / D converters are simple and inexpensive with sufficient configurations to be used in hundreds of units.
시그마-델타 A/D 변환기의 간단성은 본 발명자로 하여금 밴딩 아티팩트의발생을 피하기 위한 노력에서 CT 스캐너의 포토 다이오드-전치 증폭기 조합 각각의 다음에 하나를 사용하는 것을 생각하도록 한 하나의 요인이었다. 시그마 델타변조기의피드백 루프에서 단일 비트 아날로그-디지탈 변환기를 갗는 시그마-델타A/D 변환기는 또한 극히 선형성인 변환 특성을 가질 수 있다. 본 발명자는 또한검출기 응답이 화상 공간에 역투영되어 화소 또는 픽셀의 그레이 스케일 값을 발생하기 전에 고주파 전치 증폭기 잡음을 억제하는 데 필요한 신중히 공식화된 유한임펄스 필터링을 제공함으로써 시그마 델타 A/D 변환기의 데시메이션 필터가 이중기능을 수행할 수 있는 가능성에 대하여 알아내었다. 오버샘플링 속도로 클록된 탭디지탈 지연선을 사용하는 샘플 데이타 FIR 필터, 또는 기능상으로 등가인 구조는다른 오버샘플링 속도를 수용하도록 그 밴드폭을 자동으로 조정한다.The simplicity of the sigma-delta A / D converter was one factor that led the inventor to consider using one next to each of the photodiode-preamplifier combinations of the CT scanner in an effort to avoid the occurrence of banding artifacts. Sigma-delta A / D converters that follow a single bit analog-to-digital converter in the feedback loop of a sigma delta modulator may also have extremely linear conversion characteristics. The inventors also provide decimation of the sigma delta A / D converter by providing carefully formulated finite impulse filtering needed to suppress high frequency preamplifier noise before the detector response is back projected into the picture space to produce a pixel or gray scale value of the pixel. We have explored the possibility that the simulation filter can perform a dual function. A sample data FIR filter using a tap digital delay line clocked at an oversampling rate, or a functionally equivalent structure, automatically adjusts its bandwidth to accommodate different oversampling rates.
포토 다이오드 응답을 디지탈화하는 복수의 시그마 델타 A/D 변환기로부터의 디지탈 출력을 시분할 다중화할 때 만나게 되는 문제는 광화상의 일부를 감지하도록 각각의 포토 다이오드에 할당된 시간 내에 유한 임펄스 응답(FIR) 데시메이션필터가 필터 커넬을 스팬하는 데 충분한 입력 신호 샘플, 즉 모든 FIR 필터 탭 중량이 가중되어지는 충분한 입력 샘플을 갖도록 오버샘플령 속도에서 충분한 입력신호 샘플을 처리할 필요가 있다는 것이다. 이것은 시그마 델타 A/D 변화기의 데시메이션 필터가 검출기 응답 이전에 고주파 전치 증폭기 잡음을 억제하는 데 필요한 신중하게 공식화된 유한 임펄스 필터링을 제공할 때에 보다 어려운 문제로 된다.상업적으로 경쟁력을 갖게 하기 위하여 요구되는 CT 스캐너 속도 및 검출기 해상도의 비트에서, 각각의 A/D 변환기에 단일의 일차원 시그마 델타 변조기를 사용하고자 할 때에 오버샘플링 비율은 과도하게 될 우려가 있다는 것을 알았다. 여기서설명되는 오버샘플링된 3차 시그마 델타 변환기는 밴딩 아티팩트의 발생을 피하기위하여 CT 스캐너에서 각각의 포토 다이오드-전치 증폭기 조합 후에 하나를 사용하기에 특히 적합하다.The problem encountered when time-division multiplexing the digital outputs from multiple sigma delta A / D converters that digitize the photodiode response is a finite impulse response (FIR) decimation within the time allotted to each photodiode to detect a portion of the optical image. It is necessary to process enough input signal samples at the oversample speed so that the filter has enough input signal samples to span the filter kernel, i.e. enough input samples to which all FIR filter tap weights are weighted. This becomes more difficult when the decimation filter of a sigma delta A / D transducer provides carefully formulated finite impulse filtering needed to suppress high frequency preamplifier noise prior to the detector response. It has been found that the oversampling rate may be excessive when trying to use a single one-dimensional sigma delta modulator for each A / D converter at a bit of CT scanner speed and detector resolution. The oversampled third-order sigma delta converter described herein is particularly suitable for use after each photo diode-preamplifier combination in a CT scanner to avoid the occurrence of banding artifacts.
[발명의 요약][Summary of invention]
본 발명을 실시하는 오버샘플된 보간(시그마 델타) 아날로그-디지탈 변환기네트워크는 변환될 아날로그 신호를 그 입력 신호로서 수신하고 아날로그-디지탈변환의 디지탈 출력 신호에 응답하는 2차 변조기를 포함하고, 상기 아날로그-디지탈 변환기는 2차 변조기의 디지탈 출력 신호의 바람직하지 못한 양자화 잡음 성분으로서, 이중 미분 형태로 나타나는 양자화 에러를 발생하며, 또 2차 변조기 내에서아날로그-디지탈 변환기에 의해 발생된 양자화 에러를 뺀 2차원 변조기의 디지탈출력 신호를 수신하고 아날로그-디지탈 변환기의 디지탈 출력 신호에 응답하는 1차변조기와,2차 변조기에 의해 입력 신호로서 수신된 아날로그 신호를 묘사하는 디지탈 출력 신호를 얻기 위하여 1차 변조기와 2차 변조기의 디지탈 출력 신호를 결합하고,2차 변조기에서 좋지 않은 양자화 잡음 성분이 거의 없는 디지탈 에러 상쇄 회로를 포함한다.An oversampled interpolated (sigma delta) analog-to-digital converter network embodying the present invention comprises a secondary modulator that receives an analog signal to be converted as its input signal and responds to a digital output signal of the analog-to-digital conversion. The digital converter is an undesirable quantization noise component of the digital output signal of the secondary modulator, which produces a quantization error that appears in the form of a double differential, and subtracts 2 from the quantization error generated by the analog-digital converter in the secondary modulator. A primary modulator that receives the digital output signal of the dimensional modulator and responds to the digital output signal of the analog-to-digital converter, and a primary modulator to obtain a digital output signal that depicts the analog signal received as an input signal by the secondary modulator. Combine the digital output signal of the secondary modulator, The quantized noise components are few and a digital error cancellation circuit.
[실시예]EXAMPLE
이하, 본 발명을 첨부 도면을 참조로 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
제1도는 오버샘플된 보간(시그마 델타) 변조기(10)가 로패스 데시메이션 필터(12)에 연결되고, 상기 필터(l2)는 샘플링 속도 콤프레서(14)에 연결된 시그마델타 아날로그-디지탈 변환기의 종래예를 도시한 것이다. 변조기(10)의 역할은 저분해능 아날로그-디지탈 변환기의 양자화 잡음을 스팩트럼 형상화하여 양자화 잡음이 고주파에 집중되도록 하는 것이다. 변조기(1O)에 대한 입력 신호 x(n)는 주파수가 Fs인 사인파이며, 샘플링 속도 FM으로 변조기(10)에 의해 샘플링된다. 그다음의 로패스 필터링 및 데시메이션은 대부분의 양자화 잡음을 줄이기 위해 사용될 수 있으며, 감소된 변환 속도 FM/N [여기서, N은 오버샘플링 비율, 또는 입력클록(또는 샘플) 속도(FM)에 대한 출력 클록 속도(F )의 비율이다]에서 고분해능의 디지탈 출력 신호들을 발생한다.1 illustrates a conventional sigma delta analogue-to-digital converter with an oversampled interpolation (sigma delta)
제1도에서는 다음의 함수, 즉 입력 신호 x(n), 변조기 출력 신호 u(n), 필터 출력 신호 w(n), A/D 변환기 출력 신호 y(n) 및 필터 임펄스 응답 특성 h(n)가 도시되어 있다. 이 신호에 대응되는 주파수스팩트럼 │X(f)│, │U(f)│, │W(f)│, │Y(f)│와 필터 특성 │X(f)│은 각각 제2a도, 제2b도, 제2d도, 제2e도 및 제2c도에 각각 도시되어 있으며, 이것은 위치 (a),(b),(d),(e) 및 (c)에서 제1도의 회로 상태를 각각 나타낸다. 이들 주파수 스팩트럼은 콤프레서(14)에 의해 수행되는샘플링 속도 변환 이전에 변조기(10)에 의해 제공되는 잡음 형상 및 로패스 데시메이션 필터(12)에 의해 제공되는 고주파 잡음 거부를 나타낸다.In FIG. 1, the following functions are provided: input signal x (n), modulator output signal u (n), filter output signal w (n), A / D converter output signal y (n) and filter impulse response characteristic h (n ) Is shown. The frequency spectra corresponding to this signal are X (f), U (f), W (f), Y (f), and filter characteristics X (f), respectively. 2b, 2d, 2e and 2c, respectively, which represent the circuit states of FIG. 1 at positions (a), (b), (d), (e) and (c), respectively. . These frequency spectra represent the noise shape provided by the
본 발명이 적용되는 3차 시그마 델타 아날로그-디지탈 변환기 네트워크의 간단한 불록도는 제3도에 도시되어 있으며, 1차 변조기(30)에 연결된 2차 변조기(20)를 포함한다. 2차 변조기(20)는 한쌍의 직렬 연결된적분기(22,24)와,적분기(24)의 출력에 연결된 아날로그-디지탈 변환기(26)와, 감산성 합산 유닛(32)을 통해 아날로그-디지탈 변환기(26)의 출력과적분기(22)의 입력 사이에서 제1피드백 루프에 연결됨과 동시에, 이득 2를 가진 증폭기(23) 및 이것과 직렬 연결된 감산성 합성 유닛(34)을 통해 아날로그-디지탈 변환기(26)의 출력과적분기(24)의 입력 사이에서 제2피드백 루프에 연결된 디지탈-아날로그(D/A) 변환기(28)를 포함한다.A simple block diagram of a tertiary sigma delta analogue-to-digital converter network to which the present invention is applied is shown in FIG. 3 and includes a
2차 변조기(20)는 아날로그 입력 신호 x(t)에 응답하고, 저주파수 ω ≪ π/T (여기서, T는 샘플령 주기이며, T = 1/FM)에서 형상을 이룬 양자화 잡음 신호d2Q1/dt2를 생성할 뿐만 아니라 이상적인 아날로그 입력 신호의 디지탈 표시인 성분 x를 포함한 대략 x + d2Q1/dt2의 디지탈 출력 신호를 발생한다. 2차 변조기(20)에서 나온 잡음 성분 Q1은 2개의적분기 루프에 의해 이중 미분되어 고주파로된다. 아날로그-디지탈 변환기(26)에 인가된 신호는 디지탈 출력 신호 x +d2Q1/dt2에서 양자화 잡음 Q1을 뺀 것과 동일한 아날로그 신호 x + d2Q1/dt2-Q1이며,1차 변조기(30)에 인가된다.
1차 변조기(30)는 아날로그-디지탈 변환기(38)에 연결된 단일적분기(36)를 포함한다. 아날로그-디지탈 변환기(40)는 아날로그-디지탈 변환기(38)의 출력과 감산성 합산 유닛(42)을 거쳐적분기(36)의 입력 사이의피드백 루프에 결합된다. 디지탈-아날로그 변환기(40)는 감산성 합산 유닛(42)을 거쳐 아날로그-디지탈변환기(38)의 출력과적분기(36)의 입력 사이의피드백 루프에 결합된다. 1차 변조기(30) 내에서 아날로그-디지탈 변환기(38)에 의한 아날로그-디지탈 변환 중에발생된 양자화 잡음(Q2)은 단일적분기 루프에 의해 미분되고 1차 변조기(3o)로부터의 출력 신호에서 더 높은 주파수로 상승된다. 1차 변조기(30)는, 저주파수 ω≪ π/T에서, 미분된 부가 양자화 잡음 신호 dQ2/dt가 더해진 그 입력 신호의 정확한 모사 신호와 동일한 대략 X + d2Q1/dt2- Q1+ dQ2/dt의 디지탈 출력 신호를 발생한다.The
디지탈 감산기(44)는 변조기(20,30)의 디지탈 출력 신호들 간의 차이를 결정하기 위해 2차 변조기(20)의 출력과 1차 변조기(30)의 출력에 연결된다. 디지탈 이중 미분기(46)는 디지탈 감산기(44)에서 나온 디지탈 차분 신호를 두번 미분하기 위하여 디지탈 감산기(44)의 출력에 연결된다. 디지탈 가산기(48)는 디지탈이중 미분기(46)에 의해 발생된 디지탈 출력 신호에 변조기(20)의 디지탈 출력 신호를 가산하기 위하여 2차 변조기(20)의 출력과 디지탈 이중 미분기(46)의 출력에연결된다. 감산기(48)에서 발생된 디지탈 출력 신호는 디지탈 데시메이션 필터(50)에 인가된다.The
변조기(30)의 출력 양자화 잡음(dQ2/dt)을 무시하면, 변조기(20,30)의 두디지탈 출력 신호 사이의 차이는 2차 변조기(20)의 음의 양자화 잡음(-Q1)과 정확히 같다. 디지탈 이중 미분기(46)에서 출력된 이중 미분 신호(-d2Q1/dt2)는 디지탈 가산기(48)에 의해 2차 변조기(20)의 디지탈 출력 신호에 가산되어 2차 변조기(20)의 양자화 잡음을 상쇄시킨다.Neglecting the output quantization noise (dQ 2 / dt) of the
이제 앞에서 무시했던 양자화 잡음 신호(dQ2/dt)를 고려하면, 잡음 신호(Q2)는 1차 변조기(30)에 의해 1번 미분되어 신호 dQ2/dt를 발생한다. 이것은디지탈 미분기(46)에 의해 2회 더 미분되어, 가산기(48)의 출력 신호 Y(t)에는 3회 미분된 잡음 신호(d3Q2/dt3)만이 유일한 잡음으로 남게 된다. 이것은 기저대성분이 크게 줄고 고주파수 전력이 강조된 양자화 잡음의 3차 형상에 해당한다. 3회 미분된 잡음 신호(d3Q2/dt3)는 디지탈 데시메이션 필터(50)에 의해 최종 디지탈 17출력 신호로부터 효율적으로 제거된다.Considering the quantized noise signal dQ 2 / dt, which was previously ignored, the noise signal Q 2 is differentiated once by the
3차 시그말 델타 아날로그-디지탈 변환기 네트워크는 제4도의 이산 시간 영역 함수 블록도에 따라 샘플된 데이타스위치 커패시터 회로에서 구현된다. 오버샘플된 변조기의 실계 목적은 기준 전압애 맞게 아날로그 신호 레벨을 스케일링하는것이다. 따라서, 이산 시간 변형은 제4도에 도시되어 있으며 이러한 변형이 븐 발밍의 새로운 변환기 네트워크에서 가능하다는 것을 나타낸다.A third order delta analog-to-digital converter network is implemented in a data switch capacitor circuit sampled according to the discrete time domain function block diagram of FIG. The real purpose of an oversampled modulator is to scale the analog signal level to match the reference voltage. Thus, the discrete time variant is shown in FIG. 4 and indicates that such a variant is possible in Even Balming's new transducer network.
제4도에서, 각각의적분기(22,24,26)는 가산기(또는 합산) 유닛(62)과 그뒤에 있는 1사이클 지연 래지스터(60)로서 도시되었다. 디지탈 이중 미분기(46)는한쌍의 직렬 연결된 미분기(78)로서 도시되어 있으며, 각각의 미분기는 지연 레지스터(80)와 그 뒤에 연결되는 디지탈 감산기(82)를 포함한다.In FIG. 4, each
이득 계수 k1a를 갖는 증폭기(84)는 2차 변조기(20)에서적분기(22)의 입력과 합산 유닛(32)의 출력 사이에 위치한다. 이득 계수 k1b를 갖는 증폭기(86)는적분기(22)의 출력을 합산 유닛(34)을 통하여적분기(24)의 입력에 연결한다. 이득 계수 2k1ak1b를 갖는 또 하나의 증폭기(88)는 아날로그-디지탈 변환기(28)의 출력과 합산 유닛(34)의 부입력 사이에서 2차 변조기(20)의피드백 루프 내에 위치되고 변조기(20)의 제2피드백 루프는 변환기(28)의 출력을 합산 유닛(32)의 부입력에 연결함으로써 형성된다. 이득이 j1인 증폭기(92)는 1차 변조기(30) 내에서적분기(24)의 출력을 감산성 합산 유닛(42)에 결합하고 이득 계수 k2를 갖는 증폭기는 변조기(30) 내에서 합산 유닛(42) 다음의적분기(36)의 입력에 위치한다.An
승산 계수 g1을 갖는 디지탈 승산기(74)는 1차 변조기(30)의 아날로그-디지탈 변환기(38)의 출력을 디지탈 감산기(44)에 연결하고, 디지탈-아날로그 변환기(40)는 아날로그-디지탈 변환기(38)의 출력을 감산성 합산 유닛(42)에 연결한다.2차 변조기(20)의 아날로그-디지탈 변환기(26)의 출력은 지연 레지스터(76)를 통하여 디지탈 감산기(44)의 부입력 및 디지탈 가산기(48)에 접속된다. 점선(9)은디지탈 회로(21)와 아날로그 회로(19) 사이의 분리를 나타낸다.A
제4도에서, 계수 k1a, k1b. k2및 j1은 아날로그 스케일링 계수이고, g1은 디지탈 승산 계수이다. 상기 계수들은 다음 식의 관계를 가져야 한다,In Figure 4, the coefficients k 1a , k 1b . k 2 and j 1 are analog scaling factors and
j1g1=1/(k1ak1b) (1)j 1 g 1 = 1 / (k 1a k 1b ) (1)
상기 관계는 1비트 아날로그-디지탈 변환기와 1비트 디지탈-아날로그 변환기만 사용되고 있는 경우를 의미한다. 보통, 계수 K는 변조기 내에서 내부 전압의레벨을 감소시켜 클리핑을 피하도록 1이하로 되게 선택된다. 제4도의 네트워크를분석한 결과, 이산 신호 영역에서,The above relationship means a case where only 1-bit analog-to-digital converter and 1-bit digital-to-analog converter are used. Usually, the coefficient K is chosen to be less than or equal to 1 to reduce the level of internal voltage in the modulator to avoid clipping. As a result of analyzing the network of FIG. 4, in the discrete signal domain,
vo(n) = vi(n-3) + g1[e2(n) - 3e2(n-1) + 3e2(n-2) - e2(n-3)] (2)vo (n) = vi (n-3) + g 1 [e 2 (n)-3e 2 (n-1) + 3e 2 (n-2)-e 2 (n-3)] (2)
와 이것에 대응하는 주파수 영역에 있는And in the corresponding frequency domain
Vo(Z) = z-3Vi(Z) + g1(1 - z-1)3E2(z) (3)Vo (Z) = z -3 Vi (Z) + g 1 (1-z -1 ) 3 E 2 (z) (3)
의 입력 신호/출력 신호 관계를 나타내는데, 여기서 n은 이산 시간 순시치nT(T는 샘플 주기), z는 이산 시간 주파수 변수, 또는 제2스테이지의 양자화 에러를 나타낸다. 전압 레벨과 출력 잡음 강도 사이에는 타협적 관계가 존재하는데,예컨대 스케일링을 사용하면 조건 k1ak1b1 에 의해 g11로 되고 출력 에러는 식(2) 및 (3)으로 표시한 바와 같이 비례적으로 증가한다.Where n is a discrete time instant nT (T is a sample period), z is a discrete time frequency variable, or quantization error of a second stage. There is a compromise between voltage level and output noise strength, e.g. with scaling, the condition k 1a k 1b 1 becomes
제4도의 실시예는 1비트의 A/D 변환기 및 D/A 변환기의 사용을 의미하는데, 다중 비트의 A/D 및 D/A 변환기를 사용하면 성능 향상을 이룰 수 있다. 양자화 레벨 L이 1 비트 이상, 즉 L1인 경우애는 제4도에서 k1a= k1b= k2=1이 되고, j1g1= 1이 된다.The embodiment of FIG. 4 implies the use of 1-bit A / D converters and D / A converters, which can achieve performance improvements by using multi-bit A / D and D / A converters. In the case where the quantization level L is 1 bit or more, that is, L1, k 1a = k 1b = k 2 = 1 and j 1 g 1 = 1 in FIG.
본 발명에 따른 오버샘플된 3차 시그마 델타 A/D 변환기 녜트워크의 특정실시 예는 제5도에 도시하였으며, 여기서 L=1, kla=klb=k2=1/2, j1=1, g1=4이다. 따라서,2차 변조기(20)내의 증폭기(84,86) 및 1차 변조기(30) 내의 증폭기(90)는 각각 이득 계수 1/2를 가지며, 디지탈 승산기(74)는 승산 계수 4를 갖는다A specific embodiment of the oversampled third order sigma delta A / D converter network according to the invention is shown in FIG. 5, where L = 1, k la = k lb = k 2 = 1/2, j 1 = 1, g 1 = 4. Thus, the
(제4도의 회로에서 사용된, 이득 계수 j1=1을 갖는 증폭기(92)와 이득 계수2k1ak1b= 1/2를 갖는 증폭기(88)는 제5도의 회로에서 도시하지 않았다). 이 실시예는 1비트 A/D 및 D/A 변환기만을 필요로 한다.(The
제5도의 네트워크의스위치 커패시터 구현은 제6도에 도시하였으며, 단일 단부 신호 흐름 및 스트레이 없는적분기를 사용한다. 이러한적분기는 예를 들면,앞에서 이미 언급했던 R. Gregorian에 의한 신호 처리용 아날로그 MOS 집적회로 (1986년 뉴욕 일리)의 277∼280 페이지에 설밍되어 있다. 2차 변조기(20)에서적분기(22)는피드백 커패시터(102)와스위치 입력 커패시터(104)를 구비한 고이득 미분 증폭기(OP 앰프)(100)로서 실시된다.스위치 S1은 아날로그 입력 신호와 변조기(20)의피드백 루프 사이에서 커패시더(104)를 스위칭하기 위해 제공된다. 스위치 S2는 미분 증폭기(100)의 두 입력 사이에서 커패시터(104)의 출력 전압을 스위칭하기 위해 제공된다. 유사하게,적분기(24)는피드백 커패시더(112)와 한쌍의스위치 입력 커패시터(114,103)를 구비한 고이득 미분 증폭기(OP 앰프)(110)로서 실시된다.스위치 S3은 미분 증폭기(100)의 아날로그 출력 신호와 접지 사이에서 커패시터(114)를 스위칭하기 위해 제공되고,스위치 S9는 변조기(20)의피드백 루프와 접지 사이에서 커패시터(103)를 스위칭하기 위해 제공된다.스위치 S4는 미분 증폭기(110)의 두 입력 사이에서 커패시터(114,103)의 출력 전압을 스위칭하기 위해 제공된다. 샘플링 속도 ψ1로 동작하는비교기(116)는 미분압을 스위칭하기 위해 제공된다. 샘플링 속도 ψ1로 동작하는비교기(116)는 미분 증폭기(110)의 아날로그 출력 신호를 2진 출력 신호로 변환한다. 상기 2진 출력 신호는 래치(118)에 의해 기억되고 지연 레지스터(76)를 거쳐 디지탈 감산기(44)의 부입력 및 디지탈 가산기에 인가된다. 래치(118)의 출력 신호는 또한비교기(116)의 래치된 출력 신호의 극성이 양극인지 음극인지에 따라 양극 기준 전압(+Vref)과 음극 기준 전압(-Vref) 사이에서피드백 루프를 스위칭하는스위치 S5를 제어한다.The switch capacitor implementation of the network of FIG. 5 is shown in FIG. 6 and uses single-ended signal flow and a strayless integrator. This integrator is illustrated, for example, on pages 277 to 280 of the analog MOS integrated circuit for signal processing by R. Gregorian (New York, Ill., 1986). In the
1차 변조기(30)에서,적분기(36)는피드백 커패시터(122)와스위치 입력 커패시터(124)를 구비한 고이득 미분 증폭기(OP 앰프)(120)로서 실시된다.스위치 S6은 미분 증폭기(110)의 아날로그 출력 신호와 변조기 (30)의피드백 루프 사이에서 커패시터를 스위칭하기 위해 제공된다.스위치 S7은 미분 증폭기(120)의 두 입력 사이이에서 커패시터(124)의 출력 전압을 스위칭하기 위해 제공된다. 샘플링 속도 ψ1로 동작하는비교기(126)는 미분 증폭기(120)의 아날로그 출력 신호를 2진 출력 신호로 변환한다. 상기 2진 출력 신호는 래치(128)에 의해 기억되고 승산기(74)에 의해 4가 곱해지며 디지탈 감산기(44)에 인가된다. 래치(128)의 출력 신호는 또한비교기(126)로부터의 래치된 출력 신호의 극성이 양극인지 음극인지에따라 양극 기준 전압(+Vref)과 음극 기준 전압(-Vref) 사이에서피드백 루프를스위칭하는스위치 S8을 제여한다. 디지탈 감산기(44)에 의해 발생된 디지탈 차분신호는 디지탈 이중 미분기(46)에 의해 2회 미분되고, 이 미분 신호는 디지탈 가산기(48)에 인가된다. 이미 공지된 바와 같이 금속 산화물 반도체 스위칭 소자에 의해 실현될 수 있는스위치들은 모두 공통 위상 어로 도시하였다.In the
스위치 S1∼S4, S6, S7. S9는 발진기 또는 클록 회로(도시 아니함)에서 발생된 클록 위상 신호(ψ1,ψ2)에 의해 제어되는 아날로그스위치이다. 클록 신호는오버랩되지 않으며 180。위상차인 신호이다.Switch S 1- S 4 , S 6 , S 7 . S 9 is an analog switch controlled by clock phase signals ψ 1 , ψ 2 generated in an oscillator or clock circuit (not shown ). The clock signals do not overlap and are 180 ° out of phase.
스위치 S1∼S4, S6, S7, S9가 제6도에 도시된 위치에 있으면, 커패시터(104)는 아날로그 입력 신호의 진폭으로 충전되는 반면에, 커패시터(114)는 증폭기(100)의 출력 전압으로 충전되며, 커패시터(124)는 증폭기(110)의 출력 전압으로 충전된다. 동시에 커패시터(103)는 완전히 방전된다.When the switches S 1 to S 4 , S 6 , S 7 , and S 9 are in the positions shown in FIG. 6, the
양극 기준 전압에 연결된스위치 S5, S8은 각각 래치(118,128)의 출력 신호에 의해 각각 제어된다. 따라서,비교기(116 또는 126)의 출력 신호의 래치된 값이 높으면,스위 S5는 S8은 각각 양극 기준 전압에 연결되고,비교기(116,126)의 출력 신호의 래치된 값이 낮으면 음극 기준 전압에 연결된다.The switches S 5 , S 8 connected to the positive reference voltage are respectively controlled by the output signals of the
위상 ψ2가 발생하면,스위치 S1∼S4. S6, S7, S9의 위치는 제6도에 도시된것과 반대로 된다. 따라서, D/A 변환기(28)는스위치 S5를 통하여 양극으로 표시되어 있는 선택된 기준 전압을 공급하며, 이것은 커패시터(104)의 전압에 가산되고 증폭기(100)의 반전 입력에 공급된다. 상기 입력 신호는 클록 위상 ψ1이 발생할때까지 커패시터(102)에서 합성된다. 동시에, 증폭기(100)의 과거의(즉, 위상 ψ1의) 출력 전압과 커패시터(114)에 기억된스위치 S5로부터의 기준 전압의 합이 증폭기(110)의 반전 입력에 공급되고, 커패시터(124)에 기억된 증폭기(110)의 이전(즉, 위상 ψ1) 출력 전압은 증폭기(120)의 반전 입력에 공급된다. 따라서, 증폭기(100,110,120) 각각은 위상 ψ1이 다시 발생할 때까지 그 각각의 반전 입력 단자에 공급된 입력 전압의 적분을 수행한다.If phase ψ2 occurs, switch S 1 to S 4 . The positions of S 6 , S 7 and S 9 are reversed from those shown in FIG. 6. Thus, the D /
비교기(116)의 입력 신호가 양극이면스위치 S5는 양극 기준 전압(+Vref)에 연결되고, 입력 신호가 음극이면스위치 S5는 음극 기준 전압(-Vref)에 연결된다.비교기의 입력 신호는 커패시터(103,104)에서 발생된 전압의 차이를 적분함으로써 결정된다.적분기(22)의 출력 전압은스위치 S5의 위치에 따라 양극 또는음극 기준 전압과 입력 신호 사이의 차이를 적분한 값이다.적분기(22)의 출력 신호는 또한 아날로그 입력 신호와 이 아날로그 입력 신호를 나타내는 디지탈 신호사이의 차이를 적분한 값으로 표시할 수도 있다.If the input signal of
적분기(22)는 아날로그 입력 신호에 대한 비반전적분기로서, 또한비교기(116)에 의해 제어되는 1비트 D/A 변환기(28)에 대한 반전적분기로서 동작한다.적분기(22)의 출력 신호는 매 위상 ψ2마다 (Vin- VD/A1)k1a만큼 변화되는데, 여기에서 VD/A1은 D/A 변환기(28)의 출력 전압을 나타내고, 위상 ψ1 중에적분기(22)의 출력 신호는 이전의 위상 ψ2에서 설정된 값을 유지한다.적분기(36)는 그 입력신호가 D/A 변환기(40)의 출력 신호를 뺀적분기(24)의 출력 신호라는 점을 제외하고는 유사하게 동작한다. 즉,적분기(36)의 출력 신호는 매 위상 ψ2마다 (V2-VD/A2)k2만큼 변화되며, 여기에서 V2는적분기(36)의 출력 전압으로 위상 ψ1에서유지되고 VD/A2는 D/A 변환기(40)의 출력 전압이다.The
적분기(24)의 구성은 그 두개의 입력 신호를 위해 별도의 커패시터(114,103)를 사용한다는 점에서적분기(22,36)의 구성과 약간 다르다. 이것은 다른 커패시터 비율이적분기(24)의 두 입력 신호를 위해 요구되기 때문에 필요하다. 특히,적분기(22)의 출력 신호는 k1b의 비율로서 적분되어야 하고, D/A 변환기(28)의 출력 신호는 -2k1ak1b의 비율로서 적분되여야 한다. 따라서 비반전 및 반전스위치 커패시터 적분기의 조합은적분기(24)로서 사용된다. 중복 구조를 사용함으로써 복수의 입력 신호들은 증폭기(110)의 합산 접합부에 인접한스위치 S4에서 공통 접속에 의해 조정된다. 각각의 분리된 입력 커패시터(114,103)가 접지와증폭기(110)의 음극 입력 사이에서 절환되기 때문에, 스위치 S4는 비록 개개의 스위치 S3, S9가 두 입력 신호의 접속을 위해 필요할지라도 공유될 수 있다. 적분기(24)의 출력 신호는 매 위상 ψ2마다 k1bV2-2k1ak1bVD/A2만큼 변화되며, 위상 ψ1 동안 유지된다. k1a=1/2인 조건에서 두 입력 커패시터(114,103)는 동일한 값을 가지며 적분기(22,36)에서와 마찬가지로 하나의 커패시터만 사용할 수도 있다.The configuration of
제6도의 회로는 커패시터 부에러를 완전하게 처리할 수 있다. 2개의 스위치 커패시터 적분기(22,36) 각각은 그 두 입력 신호의 차이를 취하기 위하여 하나의스위치 커패시터(104,124)를 사용한다. 따라서, 감산 연산은 에러로부터 자유롭다. 나머지스위치 커패시터적분기(24)는 별도의스위치 커패시터(114,103)를 사용하여 두 입력 신호 차이를 취하지만, 여기서 졍합 에러는 입력을 기준으로 할 때 무시할 수 있다. 다른 나머지의 합산 또는 차분 연산은 디지탈 방식으로 실행되며 또한 에러가 없다. 부졍합과 관련된 유일한 에러 성분은 1/j1g1의 등가로부터 곱 k1ak1b의 이탈이다. 이것은 제1스테이지로부터 양자화 잡음에 있어서,The circuit of FIG. 6 can completely deal with capacitor error. Each of the two
[1 - (j1g1/k1ak1b)] (1 - z-1)2E1(z) (4)[1-(j 1 g 1 / k 1a k 1b )] (1-z -1 ) 2 E 1 (z) (4)
만큼의 누설 효과를 가지며, 이로써 전체 출력 전압 Vo(z)이Leakage effect, so that the total output voltage Vo (z)
Vo(Z) = Z-3Vi(Z) + g1(1 - Z-1)3E2(Z) +Vo (Z) = Z -3 Vi (Z) + g 1 (1-Z -1 ) 3 E 2 (Z) +
[1 - j1g1/(k1ak1b)](1 - z-1)2E1(z) (5)[1-j 1 g 1 / (k 1a k 1b )] (1-z -1 ) 2 E 1 (z) (5)
으로 되게 한다. 여기서, E1은 제1스테이지의 양자화 잡음을 나타낸다. 부정합의 정도, 즉 1 - j1g1/(k1ak1b)은 이미 2차 잡음 형상, 즉 (1 - z-1)2E1(z)을갖는 항과 승산되기 때문에, k1a또는 k1b의 비교적 큰 에러는 큰 감퇴없이 허용될수 있다. 예를 들어서, 곱 k1ak1b에서의 5% 에러는 64 : 1의 오버샘플링 비율에서 1dB 이하 만큼 전체 양자화 잡음을 상승시킨다.To be. Here, E 1 represents the quantization noise of the first stage. The degree of mismatch, i.e. 1-j 1 g 1 / (k 1a k 1b ), is already multiplied by a term with a second order noise shape, i.e. (1-z -1 ) 2 E 1 (z), so k 1a or A relatively large error of k 1b can be tolerated without large decay. For example, a 5% error in the product k 1a k 1b raises the overall quantization noise by less than 1 dB at an oversampling ratio of 64: 1.
상기 새로운 오버샘플된 변조기에 대하여 좀 더 시뮬레이션을 실시하였다. 상기 아날로그-디지탈 변환기의 변수는 다음과 같다.More simulations were performed on the new oversampled modulator. The variables of the analog-digital converter are as follows.
시뮬레이션 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.The simulation results can be summarized as follows.
따라서 본 발명은 3차 잡음 형상을 달성하고 성분 정합 및 대부분의 다른 실제적인 비이상성에 대한 감도를 크게 감소시키는 개선된 변조기 네트워크를 구성한다. 시뮬레이션에 따르면, 2%의 성분 정합 및 1000의 OP 앰프 이득에도 불구하고 16-비트 신호대 잡음비가 얻어질 수 있음을 나타내었다. 이러한 변조기를 포함한 집적회로는 트리밍 또는 눈금 보정(ca1ibration)없이, 또한 공정 조건을 엄격하게 하지 않고서도 고수율로 제조될 수 있다. 따라서 본 발명은 경제적인 고분해능의 다채널 아날로그-디지탈 변환기를 얻을 수 있다.The present invention thus constitutes an improved modulator network that achieves third order noise shape and greatly reduces sensitivity to component matching and most other practical non-idealities. Simulations have shown that a 16-bit signal-to-noise ratio can be obtained despite 2% component matching and 1000 op amp gains. Integrated circuits containing such modulators can be manufactured in high yield without trimming or ca1ibration, and without stringent process conditions. Therefore, the present invention can obtain an economical high resolution multi-channel analog-to-digital converter.
지금까지 설명한 변조기 성분, 즉적분기, 아날로그-디지탈 변환기 및 디지탈-아날로그 변환기는 단일 단부 출력을 갖는 것으로 설명하였지만, 본 발명의 3차 시그마 델타 아날로그-디지탈 변환기는 전원 잡음의 개선된 거부를 위하여 미분 출력을 갖는적분기를 사용한 미분 신호 통로를 사용함으로써 실행될 수 있다. 이것은 제7도에 도시하였다.Although the modulator components described above, namely integrators, analog-to-digital converters and digital-to-analog converters, have been described as having single-ended outputs, the third order sigma delta analogue-to-digital converters of the present invention have differential outputs for improved rejection of supply noise. This can be done by using a differential signal path using an integrator with. This is shown in FIG.
제7도는 오버샘플된 3차 시그마 델타 A/D 변환기 네트워크 시험 칩에 사용되는 회로를 나타내는 미분 증폭기를 사용한 네트워크를 도시한 것이고, 제8도는 제7도의 회로에서 사용되는 클록 파형을 도시한 것이다. 제7도의 회로는 2상 클록킹 대신에 3상을 사용한다는 점에서 제6도의 단일 단부스위치 커패시터 A/D 변환기 네트워크와 다르며, 제7도의 회로는 제6도와는 달리, 스퓨리어스(spurious) 전원 잡음과 공통 모드 신호의 더 양호한 거부를 위하여 완전히 조화된(또는 미분)신호를 사용하고, 저주파 OP 앰프 잡음을 억제하기 위하여 초퍼 안정화 회로(200)를 사용하며, 미분 회로이면서도 단일 단부 입력 회로로 동작할 수 있다. 제7도의 회로에 사용된 각각의적분기(22,24,36)는 조화 출력과 조화 입력을 포함한다.FIG. 7 shows a network using a differential amplifier representing a circuit used in an oversampled third-order sigma delta A / D converter network test chip, and FIG. 8 shows a clock waveform used in the circuit of FIG. The circuit of FIG. 7 differs from the single-ended switch capacitor A / D converter network of FIG. 6 in that it uses three phases instead of two-phase clocking, and the circuit of FIG. 7 differs from FIG. 6 in spurious supply noise. It uses fully harmonized (or derivative) signals for better rejection of and common mode signals, and uses
제7도 회로의 동작을 생각하면,적분기(22)의 일부분으로 초퍼 회로(200)가 존재하는 것은 초퍼 위상 ψCHP이 항상 활성 상태(asserted)라고 가정함으로써 초기에는 무시된다. 또한, 입력 신호도 조화 입력 신호라고 가정된다. 이러한 상황에서는 클록 위상이 다르게 정의되었을 뿐 그 동작은 제6도의 단일 단부 회로의 동작과 유사하다. 즉, 제6도 회로에서 클록 위상 ψ1과 ψ2는 각각 위상 ψ3과 ψ1,에 대응한다. 만일 위상 ψ2가 일시적으로 무시된다면 그 동작은 제6도에서 설명된 동작과 동일하며, 다만 입력 신호가 2개의 입력 커패시터(201,202)에 의해 위상ψ3 동안 샘플링될 때 그 출력측이 접지에 연결되는 대신에스위치(S10)를 통하여 공통 접속된다는 점에서만 차이가 있다. 이러한 공통 접속에 의해 입력 신호의 미분 성분만 얻어진다. 공통 모드 신호는, 이것이 만일 존재한다면, 커패시터(201,202)가 서로 서로에 대해 절환되는 대신에 접지로 절환될 경우에는 샘플링되지만, 도면에 나타낸 구성에서 입력 커패시터(201,202)에 충전된 전하는 두 입력 신호의 평균값이 아닌 입력 신호의 차이에만 의존한다. 이러한 효과는 네트워크의 제2스테이지적분기(24)의 입력 커패시터(203,204) 및 네트워크의 제3스테이지적분기(36)의 입력 커패시터(205,206)에 대하여도 마찬가지로 발생한다.Considering the operation of the FIG. 7 circuit, the presence of the
앞서 설명한 바와 같이, 각각의적분기스테이지에 대한 입력 커패시터의 출력측은 전압원 또는 접지에 연결되지 않을 것이고, 따라서 이들 커패시터 각각의 전압은 임의의 값을 가지게 된다. 이와 마찬가지로, 그 입력 커패시터로부터 신호를 받는 0P 앰프에 대한 입력에서 전압 레벨은 확정되지 않는다. 따라서, 입력 커패시터의 출력측(또는 우측)에서 전위를 형성하기 위하여 위상 ψ2 중에 접지로의 접속이 사용되고 각 입력 커패시터의 입력측(좌측)은 기준 신호를 수신하도록 연결상태를 유지한다.As described above, the output side of the input capacitor for each integrator stage will not be connected to a voltage source or ground, so the voltage of each of these capacitors will have an arbitrary value. Similarly, the voltage level at the input to a 0P amplifier that receives a signal from its input capacitor is not fixed. Thus, a connection to ground is used during
제6도의 회로와 또 다른 약간의 차이점은, 1비트 D/A 변환기(210,211,212)가 제6도의 네트워크에 도시된 단일 극 이중 스로우(single poledouble-throw)스위치(S5,S8)를 사용하는 대신에 입력 커패시터(201,202; 203,204; 205,206)의 입력측(좌측)에서 직접 구현된다는 점이다. 그러나, 그 효과는 동일한데, 왜냐하면 D/A 변환기(201,211,212) 각각의스위치가 래치된비교기 신호와 논리적으로 더해지는 소정의 클록 위상과 동일한 신호에 의해 제어되기 때문이다. 이러한 실시예에 따르면, 두스위치를 직렬로 접속하지 않아도 되고, 따라서 이와 관련된 고주파 회로 동작에서의 속도 패널티도 필요없게 된다.Another slight difference from the circuit of FIG. 6 is that the 1-bit D /
D/A 변환기(201,211,22)에서 개개의스위치 위치에 대한 논리는 다음과 같다.The logic for the individual switch positions in the D /
여기에서 CMP1D는 제2스테이지적분기(24)의 출력에서비교기(216) 출력신호로서 래치 회로(218)에 의해 래치된 신호이고, CMP2D는 제3스테이지적분기(36)의 출력에서비교기(226)의 출력 신호로서 래치 회로(228)에 의해 래치된 신호이다. 클록 파형ψ2는 제8도에 도시되어 있다.Here, CMP1D is a signal latched by the
초퍼 회로의 기능을 생각하면, 제1 OP 앰프(222)의 어느 한쪽에 이중극, 이중 스로우스위치(200)로 표시된 MOS 스위칭 장치는 ψCHP초퍼 클록 신호와 ψCHN초퍼 클럭 신호의 제어에 따라, 상기 OP 앰프의 입력과 출력에서 신호 극성을 주기적으로 반전시킨다. 제8도의 파형도에서 설명된 클록 ψCHP및 ψCHN의 반전은 임의의 소도로 이루어질 수있는데, 이 임의의 반전 속도는 출력 변환 속도의 정수배에서 변조기 주파수의 최대 속도까지가 될 수 있다. 클록 ψCHP가 하이(high)일 때 OP 앰프(222)를 통한 비반전 경로는 입력과 출력에서 초퍼에 의해 선택되는 반면에, 위상 ψCHN이 하이일 때는 반전 구성이 만들어진다. 클록 ψCHN이 하이일 때는 언제나 OP 앰프의 입력 및 출력에서 동시에 반전이 일어나기 때문에,적분기를 통과하는 신호에는 아무 영향이 없다. 그러나, OP앰프 그 자체로부터의 잡음은 초퍼의 출력스위치만을 통과하며, 마찬가지로 초퍼 클록의 주파수에의해 결정된 속도로 그 극성이 변화된다. 이것은 ±1의 진폭을 갖는 주기적인 구형파 신호를 잡음과 곱하는 것과 동일하며, 따라서 초퍼 구형파 및 이것의 모든 고조파의 주파수까지 OP 앰프 잡음을 변조하는 것과 같다. 결국, 매우 낮은 주파수플리커(또는 1/f) 잡음은 변조기의 기저대 주파수에서 제거된다. 플리커 잡음은 전술된 신호 처리용 아날로그 MOS 집적 회로의 500∼505페이지에 기술되어 있다.데시메이션 필터(제7도에는 도시 생략)에 의한 다음의 디지탈 플리커링은 변조된 l/f 잡음을 제거한다. 사실, 데시메이션 필터의 츨력 속도와 동일한 속도 또는 더높은 정수배의 속도로 초핑하는 것은(만일 빗살형 필터가 사용된다면), 구형파의 기본파와 고조파를 데시메이션 필터의 제로(zero)의 주파수에 위치시켜 변조 잡음의 제거를 용이하게 한다. 그러나, 기술에 숙련된 사람은 본 발명이 디지탈 데시메이션 필터의 사용에 한정되지 않고, 고주파 양자화 잡음 성분을 억제할 수 있는 어떤신호 처리 회로도 사용될 수 있다는 것을 알 것이다.Considering the function of the chopper circuit, the MOS switching device indicated by the double pole and the
본 발명자는 상기 새로운 A/D 변환기 네트워크의 실제 실현 및 현재 개발중에 있는 시그마 델타형의 다른 A/D 변환기 네트워크의 실제 실현이 에러 신호에 대한 초기적분기에 사용된 연산 증폭기의 초퍼 안정화를 사용함으로써 크게 증대됨을 알았다. F. Yassa, S. Garverick, G. Ngo, R. Hartley, J. Prince, J. Lam, S. Noujaim, R. Korsunsky 및 J. Thomas는 「IEEE 1989 COSTOMINTEGRATED CIRCUITS CONFERENCE DIGEST OF TECHNICALPAPERS, CH2671-6/89/0000∼0125 $1.00c.1989, IEEE」의 20.5.1 ∼20.5.5에 개재된 논문 LVDT와 RVDT 위치 센서용 다채널 디지탈 복조기에는 저진폭 신호에 대한 고감도를 달성하기 위하여 입력에 가산되는 디터 신호(dither signal)를 발생하기 위해, 또한 증폭기 옵셋 및 성분 부정합을 제거하기 위하여 시그마 델타(또는 델타 시그마) 변조기에 초퍼 안정화를 사용하는 것이 설명되어 있다. 시그마 델타 변조기 후에 사용된 Yassa 등의 데시메이션 필터의 제로는 초핑신호의 주파수에 정합되고 디터 신호 및 초핑 주파수에서 발생된 다른 변조기를 더양호하게 억제한다. 초퍼 안정화는 주파수 스펙트럼에서 증폭기의 플리커(또는 l/f) 잡음을 초핑 주파수의 기저대로부터 측파대로 이동시키고, 상기 측파대의 하부는 어느 정도 기저대에 앨리어스(alias)된다. 오버샘플링 A/D 변환기 네트워크로부터 고분해능이 요구되지 않는 한, 기저대에 앨리어스된 l/f 잡음은 초핑 신호 주파수(사이클/초)가 데시메이션 필터의 출력 속도(샘플/초)와 같다하더라도 서로 인접한 양자화 레벨 사이의 차이보다 더 작다.The inventors have found that the realization of the new A / D converter network and the realization of another Sigma delta type A / D converter network under development are greatly improved by using the chopper stabilization of the op amp used in the initial integrator for the error signal. It was found to be augmented. F. Yassa, S. Garverick, G. Ngo, R. Hartley, J. Prince, J. Lam, S. Noujaim, R. Korsunsky and J. Thomas, `` IEEE 1989 COSTOMINTEGRATED CIRCUITS CONFERENCE DIGEST OF TECHNICAL PAPERS, CH2671-6 / 89/0000 to 0125 $ 1.00c.1989, IEEE 20.5.1 to 20.5.5. A multichannel digital demodulator for LVDT and RVDT position sensors adds to the input to achieve high sensitivity for low amplitude signals. The use of chopper stabilization in a sigma delta (or delta sigma) modulator is also described to generate a dither signal and also to eliminate amplifier offsets and component mismatches. The zero of the decimation filter, such as Yassa, used after the sigma delta modulator, matches the frequency of the chopping signal and further suppresses the modulator signal and other modulators generated at the chopping frequency. Chopper stabilization shifts the flicker (or l / f) noise of an amplifier in the frequency spectrum from the baseband of the chopping frequency to the sideband, with the lower portion of the sideband aliased to the baseband to some extent. Unless high resolution is required from the oversampling A / D converter network, the baseband aliased l / f noise is adjacent to each other even if the chopping signal frequency (cycles / sec) is equal to the output speed of the decimation filter (samples / sec). Is less than the difference between quantization levels.
그러나, 디지탈 출력에서 분해능을 증가시키게 되면, 기저대에 앨리어스된 l/f 잡음은 초핑 신호의 주파수(사이클/초)가 데시메이션 필터의 출력 속도(샘플/초)와 동일한 경우 인접 양자화 레벨 사이의 차이보다 더 커진다. 본 발명자는 초핑 속도가 데시메이션 필터의 출력 속도보다 1이상의 복수배로 증가되면 상기 문제가 해결된다는 것을 알았다. 속도가 더 빨라지면 각각의 스위칭 후에 초퍼 안정화 증폭기의 설치로부터 발생하는 비선형성이 증가된다는 것도 또한 알았다. 따라서, 일반적으로 초핑 속도를 오버샘플령 속도의 1/2 까지 증가시키는 것은 좋지 않다. 오히려, 비트 관점에서 최고의 분해능을 달성한다는 견지에서 보면, 오버샘플링 A/D 변환기 네트워크에서, 초핑 속도를 데시메이션 필터의 출력의 낮은 복수의 속도가 되도록 선택하는 것이 좋다. 상기 낮은 복수의 속도는 1/f 잡음과 관련된 특성 및 각각의 스위칭 후에 초퍼 안정화 증폭기의 설정으로부터 발생된 비선형성에 관련된 특성이 그 값에 있어서 서로 교차되는 지점에 가능한 한 근접하도록 선택하는 것이 좋다. 그러면, 인접 양자화 레벨 사이의 차이는 최소화되어 최적의 분해능 비트를 이용할 수 있다.However, if you increase the resolution at the digital output, the baseline aliased l / f noise is between the adjacent quantization levels if the frequency of the chopping signal (cycles / sec) is equal to the output speed of the decimation filter (samples / sec). Is greater than the difference. The inventors have found that the problem is solved when the chopping speed is increased more than one times more than the output speed of the decimation filter. It has also been found that faster speeds increase the nonlinearity resulting from the installation of the chopper stabilizer amplifier after each switching. Therefore, it is generally not a good idea to increase the chopping speed to half of the oversample age. Rather, in terms of achieving the highest resolution in terms of bits, in an oversampling A / D converter network, it is better to choose the chopping speed to be a lower multiple of the output of the decimation filter. The plurality of low speeds should be chosen so that the characteristics related to 1 / f noise and the characteristics related to nonlinearity resulting from the setting of the chopper stabilization amplifier after each switching are as close as possible to the point where they intersect each other in value. The difference between adjacent quantization levels is then minimized to use the optimal resolution bits.
제9도는 제3도의 디지탈 데시메이션 필터(50)가 취할 수 있는 형태를 도시한 것이다. 제9도는 E. Dijkstra,O. Nye, C. Piguet, M. Degrauwe의 논문 시그마 델타 변조기에서 모듈로 연산 빗살형 필터의 사용에 대하여(1989년 PROCEEDINGS OF THE IEEE CONFERENCE ON ACOUSTICS, SPEECH PROCESSING,2001∼2004페이지)에 기술된 형태인 Sincn형의 빗살형 필터를 나타낸다. 제3도의 3차 시그마 델타 아날로그-디지탈 변환기 네트워크는 아래와 같이 6차 사인파 특성을 갖도록 양자화 잡음 스펙트럼을 형성한다.9 illustrates a form that the
SN(ωT) = kQN[2 sin(ωT/2)]2L S N (ωT) = k QN [2 sin (ωT / 2)] 2 L
여기서, kQN은 비형상(백색) 양자화 잡음의 전력 스펙트럼 밀도(PSD)를 나타내고 L=3은 시그마 델타 변조기의 차수를 나타낸다. sincn형태의 빗살형 필터는 n이 L 보다 1이 더 큰 경우 상기 양자화 잡음을 적절하게 억제할 수 있다. 제9도의 빗살형 필터(여기에서 n=4)는 제3도의 3차 시그마 델타 아날로그-디지탈 변환기 네트워크에서 가산기(48)의 합산된 출력 신호에 있는 kQN[2 sin(ωT/2)]6양자화잡음을 적절하게 억제한다.Where k QN represents the power spectral density (PSD) of the non-shape (white) quantization noise and L = 3 represents the order of the sigma delta modulator. The sinc n type comb filter can appropriately suppress the quantization noise when n is greater than L. The comb filter of FIG. 9 (where n = 4) is the k QN [2 sin (ωT / 2)] 6 in the summed output signal of the
제9도의 빗살형 필터는 n개의적분기(제9도의 빗살형 필터에서 n=4)에서 4배로 적분되는 제3도, 제4도 또는 제5도의 시그마 델타 변조기의 디지탈 가산기(48)에서 나온 합산 출력 신호를 그 입력 신호로서 수신하고, 각각의적분기(300)는 각각의 디지탈 가산기(301)와 상기 가산기(301)의 합산 출력을 가산기(301)의 입력으로피드백시키기 위한 각각의 지연 레지스터(302)를 포함한다. 데시메이션처리에서 상기 직렬 회로의 4배 적분 응답은 다수 비트 래치에 의해 제공될 수 있는 바와 같이 디지탈 샘플러(310)에서 n : 1로 보조 샘플링된다. 디지탈 샘플러(310)의 보조 샘플 응답은 직렬 접속된 n개의 미분기(제9도의 빗살형 필터에서 n=4)에서 4배로 미분되며, 각각의 미분기(320)는 미분기(320)의 입력 신호의 현재 샘플을 지연 레지스터(322)에 기억된 과거 샘플에 가산하고, 이로써 미분기(320)의 입력 신호의 시간에 대한 도함수(derivative)인 합산 출력 신호를 발생하는 디지탈 가산기(321)를 포함한다. 최종 미분기(320)로부터의 응답은 디지탈 스케일러(330)에서 nn만큼 진폭이 스케일 다운되고, 궁극적인 데시메이션 필터(50)의 응답이 된다.The comb filter of FIG. 9 is summed from the
제10도는 제3도의 3차 시그마 델타 아날로그-디지탈 변환기 네트워크의 변형예를 나타낸 것으로, 상기 변형은 본 발명의 다른 실시예이다. 감산기(44)의 차분 출력 신호를 시간에 대해 이중으로 미분하고, 2차 변조기(20)로부터 양자화 잡음을 제거하도록 상기 결과를 2차 변조기(20)의 출력 신호에 가산하는 대신에, 2차변조기(20)의 출력 신호는 디지탈 이중적분기(51)에서 이중 적분되고, 디지탈 이중적분기(5l)의 응답은 디지탈 가산기(52)에서 2차 변조기(20)의 출력 신호에 가산된다. 가산기(52)의 합산 출력 신호는 아날로그 입력 신호의 로패스 필터링(2회적분)된 디지탈 값과 1차 변조기(30)의 1차 양자화 잡음의 합을 포함한다. 2차 변조기(20)로부터의 양자화 잡음은 가산기(52)의 합산 출력 신호에 나타나지 않으며, 상기 잡음은 디지탈 출력 신호 y(t)에 응답하는 디지탈 데시메이션 필터(53)에 공급된다.FIG. 10 shows a variation of the tertiary sigma delta analog-to-digital converter network of FIG. 3, which is another embodiment of the invention. Instead of differentially dividing the differential output signal of
제11도는 제4도의 3차 시그마 델타 아날로그-디지탈 변환기 네트워크의 변형예를 나타낸 것으로, 그 변형은 본 발명의 다른 실시예이며 제10도에 도시된 형태의 것이다. 디지탈 이중적분기(51)는 한쌍의 직렬 접속된적분기(54)로서 제10도에 보다 구체적으로 도시되어 있으며, 각각의 적분기(54)는 디지탈 가산기(55)와 그 입력에 가산기(55)의 합산 출력을피드백하기 위한 지연 레지스터(56)를 포함한다.FIG. 11 shows a variation of the tertiary sigma delta analog-to-digital converter network of FIG. 4, which is another embodiment of the invention and of the type shown in FIG. Digital
제12도는 디지탈 데시메이션 필터(53)가 취할 수 있는 형태를 나타낸 것이다. 입력 신호로서 제10도 또는 제11도의 디지탈 가산기(52)의 합산 출력 신호를 수신하도록 연결된 디지탈 데시메이션 필터(53)는 제3도 또는 제4도의 디지탈 가산기(48)의 합산 신호를 그 입력 신호로서 수신하도록 연결되며 디지탈 데시메이션 필터(50)와 동일한 응답을 제공한다. 디지탈 데시메이션 필터(50)의 앞쪽에 있는 2개의적분기(300)는 디지탈 데시메이션 필터(53)에서는 소용이 없는데, 왜냐하면 제10도 또는 제11도의 3차 시그마 델타 아날로그-디지탈 변환기 네트워크에는 2차변조기(20)의 출력 신호를 위해서는 디지탈 이중적분기(51)를 가지지만 디지탈 감산기(44)의 출력 신호를 위해서는 디지탈 이중 미분기(46)를 갖지 않기 때문이다.12 shows a form that the
제13도는 제3도 및 제10도의 3차 시그마 델타 아날로그-디지탈 변환기 네트워크의 변형예를 나타낸 것으로 그 변형은 본 발명의 또 다른 실시예이다. 감산기(44)의 차분 출력 신호는 단일 디지탈적분기(78)에서 시간에 대하여 한 번만 미분되고, 2차 변조기(20)의 출력 신호는 디지탈적분기(54)에서 한 번만 적분되며, 디지탈적분기(78)와 디지탈적분기(54)의 응답은 디지탈 가산기(57)에서 가산된다. 가산기(57)의 합산 출력 신호는 아날로그 입력 신호의 로패스 필터링(1회 적분)된 디지탈 값과 1차 변조기(30)의 2차 양자화 잡음의 합을 포함한다. 2차 변조기(20)의 양자화 잡음은 가산기(57)의 합산 출력 신호에 나타나지 않고 디지탈 출력신호 y(t)에 응답하는 디지탈 데시메이션 필터(58)에 공급된다.FIG. 13 shows a variation of the tertiary sigma delta analogue-to-digital converter network of FIGS. 3 and 10, the variation being another embodiment of the present invention. The differential output signal of the
제14도는 제4도 및 제11도의 3차 시그마 델타 아날로그-디지탈 변환기 네트워크의 변형예를 도시한 것으로 그 변형은 본 발명의 다른 실시예이며 제13도에 도시된 형태의 것이다. 미분기(78)는 감산기(44)의 차분 신호의 현재 샘플을 지연레지스터(80)에 기억된 과거 샘플에 가산하여, 감산기(44)의 차분 신호의 시간에 대한 도함수인 합산 출력 신호를 발생하는 디지탈 가산기(82)를 포함한다.적분기(54)는 디지탈 가산기(55)와 그 입력에 가산기(55)의 합산 출력을피드백시키는 지연 레지스터(56)를 포함한다.FIG. 14 shows a variation of the tertiary sigma delta analogue-to-digital converter network of FIGS. 4 and 11, the variation being another embodiment of the present invention and of the type shown in FIG.
제15도는 디지탈 데시메이션 필터(58)가 취할 수 있는 형태를 도시한 것이다. 제13도 또는 제14도의 디지탈 가산기의 합산 출력 신호를 입력 신호로서 수신하도록 연결된 디지탈 데시메이션 필터(58)는 제3도 또는 제4도의 디지탈 가산기(48)의 합산 출력 신호를 입력 신호로서 수신하도록 연결된 디지탈 데시메이션 필터(50)와 동일한 응답을 공급한다. 디지탈 데시메이션 필터(50)의 앞쪽에 있는적분기(300)는 디지탈 데시메이션 필터(58)에서는 소용이 없다. 왜냐하면, 제13도 또는 제14도의 3차 시그마 델타 아날로그-디지탈 변환기 네트워크는, 2차 변조기(20)의 출력 신호에 대해서는 디지탈적분기(54)를 가지고 디지탈 감산기(44)의 출력 신호에 대해서는 하나의 디지탈 미분기(78)만을 가지기 때문이다.15 illustrates a form that the
지금까지 본 발명의 특정 실시예에 대하여만 설명하였지만, 당업자라면 본명세서에 기재된 바에 따라 여러 가지로 수정 및 변형을 행할 수 있다. 따라서, 이하의 청구 범위는 본 발명의 진정한 취지에 포함되는 모든 수정 및 변형을 포함하는 것으로 해석하여야 한다.Although only specific embodiments of the present invention have been described so far, those skilled in the art can make various modifications and variations as described in the specification. Accordingly, the following claims should be construed as including all modifications and variations included within the true spirit of the invention.
Claims (34)
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Cited By (1)
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