KR20080052270A - Delta sigma modulator for multi-bit - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 멀티 비트 델타 시그마 변조기에 관한 것이다.The present invention relates to a multi-bit delta sigma modulator.
본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT신성장동력핵심기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2005-S-073-02, 과제명: 나노소자기반 회로 설계기술 개발].The present invention is derived from the research conducted as part of the IT new growth engine core technology development project of the Ministry of Information and Communication and the Ministry of Information and Communication Research and Development. [Task Management Number: 2005-S-073-02, Title: Nano-device-based circuit design technology Development].
1960년대 이전부터 발달되어온 델타 시그마 변조기는 무선 통신의 발달로 아날로그 디지털 변환이 각광 받기 시작하면서 많은 연구가 되고 있다.Delta sigma modulators, which have been developed since the 1960s, have been studied a lot by the development of wireless communication.
특히 신호대 잡음비를 감소시키지 않으면서 광대역 멀티 비트의 처리가 가능한 델타 시그마 변환기는 최근에 많이 연구되고 있으며, 그에 따라 디지털 비디오나 오디오, 유. 무선 통신, 레이더 등의 광범위한 분야로까지 그 쓰임새를 확장하고 있다. In particular, delta-sigma converters capable of wideband multi-bit processing without reducing the signal-to-noise ratio have been studied in recent years. Its use extends to a wide range of fields such as wireless communications and radar.
도 1은 기존의 2차 델타 시그마 변조기의 구조를 간단하게 나타내는 도면이다.1 is a diagram schematically showing the structure of a conventional secondary delta sigma modulator.
도 1을 참조하면 상기 델타 시그마 변조기는 제1 적분기(101), 제2 적분 기(103), 아날로그 디지털 변환기(Analog Digital Converter : ADC)(105) 및 디지털 아날로그 변환기(Digital Analog Converter : DAC)(107)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the delta sigma modulator includes a
이러한 델타 시그마 변조기는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 과정에서 필수적으로 발생하는 양자화 잡음을 필요한 저주파 대역에서 최소화 할 수 있는 회로로서 일반적인 아날로그 디지털 변조기에서 매우 광범위하게 사용되고 있는 회로이다. 이러한 델타 시그마 변조기의 경우 오버 샘플링 비율(Over sampling ratio : OSR)이 높을수록 양자화 잡음(q)의 감소 특성이 좋아지는 특성을 가진다.The delta sigma modulator is a circuit that can minimize the quantization noise generated in the process of converting an analog signal to a digital signal in a low frequency band, which is widely used in a general analog digital modulator. In the case of such a sigma modulator, the higher the over sampling ratio (OSR), the better the reduction characteristic of the quantization noise (q).
그러나 이러한 구조는 오버샘플링 비율(Over sampling ratio : OSR)이 낮은 경우에는 시스템의 왜곡 특성을 만족시키기 위해서 저 왜곡 특성을 가지는 아날로그 블록이 필요하다. 특히 광대역 응용 분야에서는 아날로그 회로 부분이 고속이면서도 동시에 저왜곡 특성을 가져야 하는데 이러한 특성을 가지기는 설계상으로 매우 어려운 일이다.However, such a structure requires an analog block having low distortion characteristics in order to satisfy the distortion characteristics of the system when the oversampling ratio (OSR) is low. Especially in broadband applications, the analog circuit part must have both high speed and low distortion characteristics, which is very difficult by design.
도 2는 기존의 저왜곡 특성을 가지는 델타 시그마 변조기의 구조를 간단히 나타낸 도면이다.2 is a diagram schematically illustrating a structure of a delta sigma modulator having a conventional low distortion characteristic.
도 2를 참조하면 상기 저왜곡 특성을 가지는 델타 시그마 변조기는 제1 적분기(201), 제2 적분기(203), 아날로그 디지털 변환기(205), 디지털 아날로그 변환기(209)를 포함하며 멀티비트의 경우에는 스크램블러 로직(207)을 더 포함한다.Referring to FIG. 2, the sigma delta sigma modulator includes a
이러한 저왜곡 델타 시그마 변조기는 입력된 아날로그 신호(u)가 직접 아날로그 디지털 변환기(205)로 입력되는 구조를 가진다. 이렇게되면, 제1 적분기(201) 및 제2 적분기(203)에서는 양자화 잡음만을 처리할 수 있게 되어, 우수한 입력 신호의존 왜곡 특성을 가지게 된다.This low distortion delta sigma modulator has a structure in which the input analog signal u is directly input to the analog-to-
스크램블러 로직(207)은 상기 회로를 직접 구현할 경우에 DAC에서 발생할 수 있는 DAC의소자 특성이나, 공정상의 각종 비선형 특성을 개선하기 위하여 부가한 회로이다. 이러한 스크램블러 로직(207)은 디지털 회로로서 지연 성분을 가진다.The
다만 이러한 저왜곡 델타 시그마 변조기도 멀티 비트 신호를 처리할 경우에는 제1 적분기(201)에 입력되는 아날로그 입력 신호(u) 성분을 제거하기 위하여 빠른 신호의 되먹임이 필요하고 따라서 지연 성분이 없는 아날로그 디지털 변환기(205)나 스클램블러 로직(207)이 필요하다.However, when such a low distortion delta sigma modulator also processes a multi-bit signal, a fast signal feedback is required to remove the analog input signal (u) input to the
즉, 한 클록(clock) 주기 동안에 아날로그 디지털 변환기(205)의 입력은 아날로그 디지털 변환기(205) 스크램블러 로직(207) 및 제 1적분기를 모두 지날 수 있어야 한다That is, during one clock period, the input of the analog-to-
이러한 경우 아날로그 디지털 변환기(205) 및 스크램블러 로직(207)에서 신호 변환시에 지연 성분이 존재하면, 멀티 비트 구조에서 고속 동작을 하기 힘들게 된다.In this case, if there is a delay component during signal conversion in the analog-to-
따라서, 저왜곡 특성을 가지면서 멀티 비트 고속 동작에 적합한 델타 시그마 변조기의 구조가 요청되어왔다.Therefore, there has been a need for a structure of a delta sigma modulator with low distortion characteristics and suitable for multi-bit high speed operation.
본 발명은 저왜곡 특성을 가지면서 멀티 비트 고속 동작에 적합한 델타 시그마 변조기를 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a delta sigma modulator having low distortion characteristics and suitable for multi-bit high speed operation.
또한 본 발명은 지연기 및 미분 지연기를 이용하여 되먹임 되는 신호를 한 클록 늦춰서 멀티 비트 고속 동작에 적합한 델타 시그마 변조기를 제공하는 데 그 목적이 있다.It is also an object of the present invention to provide a delta sigma modulator suitable for multi-bit high speed operation by delaying a feedback signal by one clock using a delay and a differential delay.
상술한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 입력 신호를 적분하는 제1 적분기, 상기 적분된 신호를 디지털 신호롤 변환하는 아날로그 디지털 변환기, 상기 아날로그 디지털 변환기로부터 출력되는 신호를 지연하는 지연기 및 상기 아날로그 디지털 변환기로부터 출력되는 신호를 미분 지연하는 미분 지연기를 포함하는 델타 시그마 변조기를 제공할 수 있다.In order to achieve the above objects, according to an aspect of the present invention, the first integrator for integrating an input signal, an analog-to-digital converter for converting the integrated signal into a digital signal, delaying the signal output from the analog-to-digital converter A delta sigma modulator including a delay and a derivative delay for differentially delaying a signal output from the analog-to-digital converter can be provided.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 지연기 및 미분 지연기는 각각 상기 아날로그 디지털 변환기로부터 출력되는 신호를 지연 및 미분 지연하여 디지털 아날로그 변환기로 되먹임시키는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 미분 지연기로부터 되먹임되는 신호의 입력을 수신하여 지연된 신호 성분을 보상하는 제2 적분기를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In the preferred embodiment, the delay and derivative delay may be characterized in that the delay and differential delay of the signal output from the analog to digital converter to feed back to the digital analog converter. The apparatus may further include a second integrator that receives an input of a signal fed back from the differential delayer and compensates for the delayed signal component.
또한, 상기 제1 적분기에 입력되는 신호는 상기 지연기 및 미분 지연기로부터 되먹임되는 신호를 합한 신호를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상 기 지연기 및 미분 지연기로부터 되먹임되는 신호를 합한 신호는 디지털 아날로그 변환기에서 아날로그 신호로 변환되어 제1 적분기에 입력되는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the signal input to the first integrator may be characterized in that it comprises a signal sum of the signals fed back from the delay and derivative delay. In addition, the sum of the signals fed back from the delay and the derivative delay may be characterized in that the analog-to-digital converter is converted into an analog signal and input to the first integrator.
또한, 상기 아날로그 디지털 변환기는 제1 적분기의 입력 신호 및 제1 적분기의 출력 신호와 상기 미분 지연기의 신호의 차이 신호 및 제2 적분기의 출력 신호를 모두 합하여 입력받는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 제2 적분기는 상기 제1 적분기로부터 출력되는 신호를 입력으로 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 제2 적분기는 상기 미분 지연기와 상기 제1 적분기의 출력 신호의 차이 신호를 입력으로 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.The analog-to-digital converter may be input by adding the input signal of the first integrator, the output signal of the first integrator, the difference signal of the signal of the differential delay unit, and the output signal of the second integrator. The second integrator may include a signal output from the first integrator as an input. In addition, the second integrator may include an input of a difference signal between the differential delay unit and the output signal of the first integrator.
본 발명의 다른 일 측면을 참조하면, 아날로그 입력 신호를 입력받는 제1 적분기, 상기 제1 적분기로부터 입력된 신호 및 제2 디지털 아날로그 변환기로부터 입력된 신호를 합하여 입력받는 제2 적분기, 상기 제1 적분기에서 출력되는 신호 및 상기 제2 디지털 아날로그 변환기로부터 입력된 신호를 합하여 증폭하는 제3 디지털 아날로그 변환기, 상기 제2 적분기, 및 상기 제3 디지털 아날로그 변환기의 출력 신호와 상기 아날로그 입력 신호를 모두 합하여 아날로그 디지털 변환하는 아날로그 디지털 변환기, 상기 아날로그 디지털 변환기의 출력 신호를 지연하는 지연기 및 미분 지연하는 미분 지연기, 상기 지연기 및 미분 지연기에서 출력된 신호를 합하여 아날로그 신호로 변환하고 상기 변환된 신호를 상기 제1 적분기로 입력하는 제1 디지털 아날로그 변환기 및 상기 미분 지연기에서 출력된 신호를 아날로그 신 호로 변환하고 상기 변환된 신호를 상기 제2 적분기로 입력하는 제2 디지털 아날로그 변환기를 포함하는 델타 시그마 변조기를 제공할 수 있다.According to another aspect of the present invention, a first integrator receiving an analog input signal, a second integrator receiving the sum of the signal input from the first integrator and the signal input from the second digital analog converter, the first integrator The sum of the output signal and the analog input signal of the third digital analog converter, the second integrator, and the third digital analog converter to amplify the sum of the signal output from the second digital analog converter and the signal input from the second digital analog converter The analog-to-digital converter for converting, the delayer for delaying the output signal of the analog-to-digital converter, the derivative delayer for delaying the delay, the signals output from the delayer and the derivative delayer are summed and converted into an analog signal and the converted signal is First digital analog input to the first integrator It may call and converts the new arc signal output from the differential analog delay and providing a delta sigma modulator and a second digital-to-analog converter to input the converted signal to the second integrator.
본 발명에 의하여, 저왜곡 특성을 가지면서 멀티 비트 고속 동작에 적합한 델타 시그마 변조기를 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide a delta sigma modulator having low distortion characteristics and suitable for multi-bit high speed operation.
또한 본 발명에 의하여, 지연기 및 미분 지연기를 이용하여 되먹임 되는 신호를 한 클록 늦춰서 멀티 비트 고속 동작에 적합한 델타 시그마 변조기를 제공할 수 있다.In addition, the present invention provides a delta sigma modulator suitable for multi-bit high speed operation by delaying a feedback signal by one clock using a delay and a differential delay.
도 3은 본 발명이 적용되는 델타 시그마 변조기의 구조를 나타내는 도면이다.3 is a diagram illustrating a structure of a delta sigma modulator to which the present invention is applied.
도 3을 참조하면, 상기 델타 시그마 변조기는 제1 적분기(301), 제2 적분기(303), 아날로그 디지털 변환기(305), 제1 디지털 아날로그 변환기(313), 제2 디지털 아날로그 변환기(315) 및 제3 디지털 아날로그 변환기(Multibit Digital Analog converter)(307), 지연기(309) ,미분 지연기(309, 311) 및 스크램블러 로직(317)를 포함한다.Referring to FIG. 3, the delta sigma modulator includes a
제1 적분기(301)는 아날로그 입력 신호(u)와 되먹임된 신호의 차이를 적분하는 기능을 가진다. 이때 되먹임되는 신호는 지연기(309) 및 미분 지연기(309, 311)의 신호를 합하여 제1 디지털 아날로그 변환기(313)를 통해 출력되는 신호이다.The
이렇게 제1 적분기(301)에 입력되는 신호(e1)과 출력되는 신호(x1)는 In this way, the signal e1 input to the
[수학식 1][Equation 1]
과 같이 유도된다.Is derived as:
여기서 Q(z)신호는 양자화 잡음이고, Y(z)는 출력 신호이다. z 값은 z-변환의 변수 값이다.Where Q (z) is quantization noise and Y (z) is output signal. z is the value of the variable in the z-transformation.
상기 수식을 살펴보면, 상기 적분기의 출력 신호 x1(z)의 변조기 출력항은 미분되어 있으므로 신호 성분의 크기 가 크게 줄어들 것임을 예상할 수 있다.Looking at the above equation, since the modulator output term of the output signal x1 (z) of the integrator is differentiated, it can be expected that the magnitude of the signal component will be greatly reduced.
이렇게 신호 성분이 줄어들면 적분기의 비선형적 특성도 크게 줄어들게 된다. 따라서 신호 왜곡의 영향을 줄일 수 있게 된다.This reduced signal component also significantly reduces the nonlinear nature of the integrator. Therefore, the influence of signal distortion can be reduced.
제2 적분기(303)는 제1 적분기(301)의 출력 신호 x1과 제2 디지털 아날로그 변환기(315)에서 출력되는 되먹임 신호의 차이를 합하여 입력되는 신호(e2)를 적분하는 역할을 담당한다.The
이러한 경우 제2 적분기(303)에 입력되는 신호(e2)는 양자화 잡음만을 포함하는데 수식은 다음과 같다.In this case, the signal e2 input to the
[수학식 2][Equation 2]
따라서 상기 제2 적분기(303)는 양자화 잡음만을 처리하게 되어 신호의 왜곡 현상은 일어나지 않게 된다.Accordingly, the
제3 디지털 아날로그 변환기(307)는 상기 제2 적분기에 입력되는 신호와 동일한 신호(e2)를 증폭하여 상기 아날로그 디지털 변환기(305)로 입력시키는 역할을 한다.The third digital-to-
이러한 제3 디지털 아날로그 변환기(307)에서도 입력 신호가 아날로그 입력 신호 성분(u)을 포함하지 않기 때문에 입력 신호에 따른 왜곡 현상은 일어나지 않는다.In the third digital-to-
아날로그 디지털 변환기(305)는 제2 적분기(303)의 출력 신호(x2), 제3 디지털 아날로그 변환기(307)의 출력(x3) 및 아날로그 입력 신호(u)를 모두 더하여 입력받아서 입력 신호를 디지털 신호로 출력하는 역할을 담당한다.The analog-to-
이 때, 상기 출력된 신호는 다시 최초 입력단으로 되먹임되는데, 되먹임 경로는 지연기(309)만을 거치는 경로와 미분 지연기(309, 311)를 거치는 경로의 두 가지로 나누어진다. At this time, the output signal is fed back to the initial input stage, and the feedback path is divided into two paths: a path passing only the
여기서 미분 지연기(309, 311)는 도면의 되먹임 경로에 따라서 참조 번호 311의 Z-1 구성 요소에 입력되는 신호가 수식 상 Y-YZ-1이 되므로 참조 번호 311에서 출력되는 신호는 YZ-1(1-Z-1)이 되어 미분 지연 요소가 되먹임되는 것임을 의미한다.The differential group delay (309, 311) is a signal input to the Z -1 components of the
스크램블러 로직(317)은 상기 회로를 직접 구현할 경우에 발생할 수 있는 소자 특성이나, 공정상의 각종 비선형 특성을 개선하기 위하여 부가한 회로이다. 이러한 스크램블러 로직(317)은 디지털 회로로서 지연 성분을 가진다.The scrambler logic 317 is a circuit added to improve device characteristics that may occur when the circuit is directly implemented, or various nonlinear characteristics in the process. This scrambler logic 317 has a delay component as a digital circuit.
상기와 같이 구성된 회로에서 되먹임 성분은 모두 지연 및 미분 지연 성분을 가지고 있어, 되먹임되는 신호는 디지털 아날로그 변환기로 입력되기까지 한 클록(clock)주기의 시간여유가 존재하므로, 스크램블러 로직에서 지연이 일어나도 동작의 처리가 가능하게 된다. 따라서 저왜곡 특성을 가지면서 멀티 비트를 구성할 경우에도 스크램블러나 아날로그 디지털 컨버터의 변환 지연 시간에 구애받지 않는다.In the circuit configured as described above, the feedback components have both delay and derivative delay components, so the feedback signal has a clock cycle time until it is input to the digital-to-analog converter, so that even if a delay occurs in the scrambler logic Can be processed. Therefore, even if the multi-bit configuration with low distortion characteristics, regardless of the conversion delay time of the scrambler or analog-to-digital converter.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 델타 시그마 변조기의 구성도이다.4 is a block diagram of a delta sigma modulator according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면 본 도면은 본 발명의 구현 예시로서 스위치드 커패시터(Switched Capacitor) 회로를 이용한 2차 델타 시그마 변조기를 구현한 회로이다. 참고로, 본 발명은 본 도면과 같이 스위치드 커패시터 이외에 연속 시간 회로와 같은 다른 종류의 회로로도 구현이 가능함은 물론이다.Referring to FIG. 4, this is a circuit implementing a second delta sigma modulator using a switched capacitor circuit as an exemplary embodiment of the present invention. For reference, the present invention may be implemented in other types of circuits such as continuous time circuits in addition to the switched capacitors as shown in the drawing.
본 도면을 참조하면, 제1 적분기(401), 제2 적분기(403), 제3 디지털 아날로그 변환기(407), 아날로그 디지털 변환기(405), 디지털 미분기(409) 및 스크램블러 로직(411)을 포함하는 기본 구성은 동일함을 알 수 있다.Referring to this figure, a
상기 적분기(401, 403) 및 제3 디지털 아날로그 변환기(407)는 Op-Amp를 이용하여 구현하였고, 도 3의 신호 감산기 및 가산기는 각 Op-Amp의 전단에 결합되는 스위치드 커패시터가 그 역할을 담당한다.The
본 도면의 기본적인 동작은 상기 도 3에서 설명한 바와 같으므로 적분기 및 제3 디지털 아날로그 변환기의 동작에 대해서는 설명을 생략하고, 되먹임 되는 신호와 클록과의 관계에 대해서 설명하도록 한다.Since the basic operation of this drawing is the same as that described with reference to FIG. 3, the operation of the integrator and the third digital-to-analog converter will be omitted, and the relationship between the feedback signal and the clock will be described.
상기 도면을 살펴보면 각 스위치에 1 또는 2의 숫자가 표기되어 있음을 알 수 있다. 이러한 각 숫자는 스위치가 동작하는 회로의 클록 위상(Clock Phase)을 나타낸다. 즉 1 이라고 표시된 스위치는 클록 위상이 1인 경우에 동작하며, 2라고 표시된 스위치는 클록 위상이 2인 경우에 동작한다. 각 클록 위상은 상기 도면의 하단부에 표시되어 있다.Looking at the drawings it can be seen that the number of 1 or 2 is marked on each switch. Each of these numbers represents the clock phase of the circuit in which the switch operates. That is, the switch labeled 1 operates when the clock phase is 1, and the switch labeled 2 operates when the clock phase is 2. Each clock phase is indicated at the bottom of the figure.
여기서, 본 발명의 특징 중 하나인 타이밍 문제를 확인하기 위해 본 도면의 스위치 동작을 살펴보면, 아날로그 디지털 변환기(405)에 입력되는 입력 신호(q-in)는 커패시터(411,413,415)에 충전된 전하가 입력되는데 상기 커패시터들(411,413,415)은 클록 위상이 2인 경우에 방전되고, 클록 위상이 1인 경우에 각 적분기 및 디지털 아날로그 변환기에 연결된다. 이렇게 연결된 아날로그 디지털 변환기 입력 노드는 클록 위상이 1인 경우에 q-in 신호가 입력되는 스위치(417)에 의해 아날로그 디지털 변환기(405)에 연결되고, 상기 연결 노드로 입력된 신호는 클록 위상 1의 끝 부분에서 디지털 신호로 변환되어 출력된다. 그 후, 클록 위상 2일 때 스크램블러 로직(411)이 동작하여, 그 다음 클록 위상 1 및 클록 위상 2 일 때 출력된 신호가 되먹임되어 다시 디지털 아날로그 변환기에 입력된다.Here, looking at the switch operation of the figure to identify the timing problem, which is one of the characteristics of the present invention, the input signal q-in input to the analog-to-
이렇게 진행되는 회로에 있어서, 스크램블러 로직(411)은 클록 위상 2인 시점에서 동작하고, 아날로그 디지털 변환기(405)는 클록 위상 1인 시점에서 동작하므로, 아날로그 디지털 변환기의 동작 시간 지연이나, 스크램블러 로직(411)의 동 작 지연에 의해서 회로가 오동작하는 클록 타이밍 문제가 현저히 완화된다.In this circuit, since the
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 많은 변형이 본 발명의 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 가능함은 물론이다. The present invention is not limited to the above embodiments, and many variations are possible by those skilled in the art within the spirit of the present invention.
도 1은 기존의 2차 델타 시그마 변조기의 구조를 간단하게 나타내는 도면.1 is a diagram showing the structure of a conventional secondary delta sigma modulator.
도 2는 기존의 저왜곡 특성을 가지는 델타 시그마 변조기의 구조를 간단히 나타낸 도면.2 is a simplified diagram illustrating a structure of a conventional delta sigma modulator having low distortion characteristics.
도 3은 본 발명이 적용되는 델타 시그마 변조기의 구조를 나타내는 도면.3 is a diagram illustrating a structure of a delta sigma modulator to which the present invention is applied.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 델타 시그마 변조기의 구성도.4 is a block diagram of a delta sigma modulator according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
301 : 제1 적분기301: first integrator
303 : 제2 적분기303: second integrator
305 : 아날로그 디지털 변환기305: analog to digital converter
313 : 제1 디지털 아날로그 변환기313: first digital to analog converter
315 : 제2 디지털 아날로그 변환기315: second digital to analog converter
307 : 제3 디지털 아날로그 변환기307: third digital to analog converter
309 : 지연기309: delay
309, 311 : 미분 지연기309, 311: derivative delay
317 : 스크램블러 로직317: Scrambler Logic
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US9374101B2 (en) | 2014-10-21 | 2016-06-21 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Sensor device including high-resolution analog to digital converter |
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2007
- 2007-07-16 KR KR1020070071103A patent/KR100921498B1/en active IP Right Grant
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