WO1994016501A1 - Sigma-delta type analogue-to-digital converter - Google Patents

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WO1994016501A1
WO1994016501A1 PCT/FR1994/000022 FR9400022W WO9416501A1 WO 1994016501 A1 WO1994016501 A1 WO 1994016501A1 FR 9400022 W FR9400022 W FR 9400022W WO 9416501 A1 WO9416501 A1 WO 9416501A1
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WO
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signal
converter
output
input
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PCT/FR1994/000022
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French (fr)
Inventor
Philippe Benabes
Daniel Billet
Alain Gauthier
Original Assignee
Thomson-Csf
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03MCODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M3/00Conversion of analogue values to or from differential modulation
    • H03M3/30Delta-sigma modulation
    • H03M3/39Structural details of delta-sigma modulators, e.g. incremental delta-sigma modulators
    • H03M3/412Structural details of delta-sigma modulators, e.g. incremental delta-sigma modulators characterised by the number of quantisers and their type and resolution
    • H03M3/414Structural details of delta-sigma modulators, e.g. incremental delta-sigma modulators characterised by the number of quantisers and their type and resolution having multiple quantisers arranged in cascaded loops, each of the second and further loops processing the quantisation error of the loop preceding it, i.e. multiple stage noise shaping [MASH] type
    • H03M3/418Structural details of delta-sigma modulators, e.g. incremental delta-sigma modulators characterised by the number of quantisers and their type and resolution having multiple quantisers arranged in cascaded loops, each of the second and further loops processing the quantisation error of the loop preceding it, i.e. multiple stage noise shaping [MASH] type all these quantisers being single bit quantisers

Definitions

  • the present invention relates to analog-digital converters, which make it possible, from an analog signal, to obtain a digital signal representing this analog signal. This digital signal can then be processed in a particularly powerful and efficient manner.
  • the invention is more particularly useful in ⁇ ⁇ converters operating in baseband It allows in particular to process the acoustic signals coming from different sources
  • FIG. 1 The principle diagram known in itself of a converter ⁇ ⁇ is represented in FIG. 1 An input signal e1 is applied to the input + of a subtractor 101 The output of this subtractor 101 is applied to an integrator 102 whose output is itself applied to a comparator 103 The output of this comparator 103 is looped back to the input - of the subtractor 101 by means of a digital analog converter 105, itself of a very known type simplified.
  • FIG. 2 represents the frequency / amplitude diagram corresponding to the processing of the signals in the converter of FIG.
  • the input signal e1 is represented by the frequency 201
  • the 1-bit output signal from the comparator 103 has a strongly noisy spectrum 202
  • the effect of the filter 104 is represented by the spectral window 203, which eliminates high frequency noise from the spectrum 202 to obtain an output signal comprising the line 201 with superimposed noise of reasonable amplitude
  • the converter of FIG. 1 is said to be of order 1 because it has only one integration stage 102 It is also known to produce modulators of higher order comprising several integration stages in cascade, but this quickly leads to unstable systems.
  • This drawback is however limited in the case of a converter of order 2, as shown in FIG. 3 in a representation which uses in known manner the system of the transform in Z.
  • the signal e (Z) is applied to the input + of an adder 301 whose output is applied to an integration stage 302 performing the function 1 / (1 - Z " 1).
  • the output of this stage is applied to a correction amplifier 306 which makes it possible to adjust the output level at a desirable value to apply it to the input + of a second summation stage 311.
  • This second summation stage is applied to the input of a second integration stage 312 realizing it the Z function " 1 / (1 -Z" '1 ).
  • the output of this stage 312 is then applied to a comparator 303 whose output delivers the digital signal 1 bit s (Z). This is looped back to the inputs - summers 301 and 311.
  • the signal s (Z) is then applied to the circuit filter 304 to obtain the output signal S on the desired number of bits.
  • a known solution to this stability problem consists in producing a high order modulator, by adopting a cascade structure such as that shown in FIG. 4, in which the integration and summation stages have been brought together in modules realizing treatments symbolized by G (Z).
  • the signal e1 is applied to a first stage comprising a module 400 performing the processing G1 (Z) to deliver an intermediate signal y1 which is applied to a comparator 403 which delivers a 1 bit signal si. This is applied to a specific digital processing circuit 407, which performs processing T1. The signal si is also applied in feedback to a second input of the module 400.
  • This second stage comprises a module 410 carrying out a processing G2 (Z) to obtain a signal y2 applied to a comparator 413 which delivers a signal s2.
  • This signal s2 is applied to a digital processing device 417 which performs T2 digital processing.
  • the signal s2 is also applied in feedback to an input of the module 410.
  • the signals s2 and y2 are then applied to the third stage of the cascade, and so on to the last stage of the cascade, which receives an input signal from a circuit 486 which performs a linear combination on the signals sn -1 and yn-1 from the previous cascade stage.
  • This last cascade stage therefore comprises a module 490 performing a processing Gn (Z), a comparator 493 and a digital processing module 497 performing a digital processing Tn.
  • the invention provides a device according to claim 1.
  • FIG. 7 an exemplary embodiment of the circuit 522 of FIG. 6.
  • the diagram of FIG. 5 represents, with the calculation convention according to the transform in Z, a converter ⁇ ⁇ according to the invention comprising two stages in cascade; the first floor itself being of the second order.
  • This first stage comprises, as in the converter of FIG. 3, a first summator 501 in series with a first integrator 502, a correction normalizer 506 essentially serving to avoid saturation of the following stages, a second summator 511, a second integrator 512 and a first comparator 503
  • the input signal e1 is applied directly to the input of comparator 503 via a third summator 521 which makes it possible to add it to the output signal of the second integrator 512 II is also applied to the inputs of the summers 501 and 511.
  • the converter further comprises a second cascade stage formed by a fifth adder 551 in series with a third integrator 522 then a sixth adder 561 and a second comparator 513
  • the input signal e2 of this second cascade stage is obtained from the summation, in a fourth summator 541, of the input and output signals of the first comparator 503
  • the input signal thus obtained is applied as for the first floor, simultaneously on the inputs of summers 551 and 561
  • the first and second integrators 502 and 512 carry out a conventional integration represented by the function Z " 1 / (1 -Z" 1 )
  • Circuit 522 of the second stage performs a resonator function characterized by the formula p Z
  • This processing is independent of function 522. It only depends on the first floor.
  • the signals at the output of these processing circuits 507 and 517 are added in an adder 508, then filtered in the usual way in a low-pass filter 504 which delivers the output signal S.
  • the circuit 522 instead of being an integrator like the circuits 502 and 512, is a resonator centered on a frequency F0. This resonator performs the function which is represented by formula (1).
  • the influence of the resonator on the response curve of the converter is shown in the diagram in FIG. 6, which is to be compared to that of FIG. 2.
  • the influence of the first stage with the integrators corresponds to the curve 602 which we see that a part is represented by dotted lines.
  • the influence of the second stage resonator corresponds to the curve 604 centered on the frequency F0.
  • the influence of this resonator then shifts the curve 602 from the frequency F0 by making it undergo a downward movement to obtain the curve 612.
  • the curve 601 represents for example the spectrum of the input signal.
  • the output filter whose size is represented by 603 makes it possible as previously to eliminate the high frequencies of the noise, but it can be seen that due to this translation of the curve 602 on the curve 612 the residual part of the noise contained in the size of the filter 603 is much lower than what would have remained if we only had curve 602.
  • the transmittance with respect to the useful signal is equal to 1
  • - the transmittance with respect to noise has a double zero at the frequency zero and two complex zeros conjugate at the frequency F0, which precisely allows the bandwidth to be widened as explained above.
  • This variant makes it possible to slightly simplify the digital processing as well as the overall construction. However, it is observed that in this variant the converter saturates slightly faster than in the first embodiment, which does not present any real practical problems.
  • the problem which arises lies in the production of the second stage of the converter using new technologies such as, for example, switched capacitors or dynamic current mirrors. Indeed, these technologies make it possible to produce very good integrators, but present difficulties in obtaining non-integer coefficients with good precision. Under these conditions, the invention also proposes to produce this resonator from integrators using a diagram such as that of FIG. 7.
  • the input signal of the resonator therefore arriving from the summator 551 of FIG. 5, is applied to a summator 701 whose output is connected to an integrator circuit 702 which performs the function -1 / (1 -Z " 1).
  • the output of circuit 703 is applied to a second summer 704 whose output is applied to a second integrator 705 performing the function Z ⁇ 1 / (1 -Z "1 )
  • the second input of summer 704 also receives the applied input signal to the first summator 701
  • the output of this second integrator is the output of the resonator, which is therefore applied to the input of the summator 561 of FIG. 5
  • This output is also applied in feedback to the second input of the adder 701 after multiplying by 2 in a circuit 706
  • the coefficient ⁇ which determines the central frequency of the resonator, its value is very low, for example of the order of 0.01 We do not know how to achieve such a value with precision, but this is of little importance In fact, this coefficient ⁇ does not appear in digital processing and therefore there is no need for matching In addition, since it only plays on the position of 0 of the noise function in square root, a relative error of for example 10% only leads to an error of 5% on the position of the center frequency. Such an error does not affect the transmittance and therefore the distortion, and has a weak effect on the noise power.
  • this type of broadband ⁇ ⁇ converter makes it possible to gain on the noise factor compared to known converters which makes it possible to obtain a higher resolution in number of bits on the useful signal
  • the theoretical gain is at least 2 significant bits compared to a conventional converter using a quadruple integrator and this at the cost of modifications to wiring diagrams, and therefore of very low production cost. If we place our at the same performance level, we can then gain on the oversampling ratio.
  • the converter will be not very sensitive to the tolerances on the components intended to produce the analog stages.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Compression, Expansion, Code Conversion, And Decoders (AREA)
  • Analogue/Digital Conversion (AREA)

Abstract

In sigma-delta type baseband converters including two cascade stages, the converter input signal (e1) is applied in parallel to all adders (501, 511, 521) in the first cascade stage, and a resonator (522) is used instead of an integrator in the second cascade stage, whereby noise in the useful band may be reduced and two or more bits may be gained on the useful signal.

Description

CONVERTISSEUR ANALOGIQUE-NUMERIQUE DU TYPE Σ Δ Σ Δ TYPE ANALOG-TO-DIGITAL CONVERTER
La présente invention se rapporte aux convertisseurs analogiques-numériques, qui permettent à partir d'un signal analogique d'obtenir un signal numérique représentant ce signal analogique Ce signal numérique peut alors être traité de manière particulièrement puissante et efficace L'invention est plus particulièrement utile dans les convertisseurs Σ Δ fonctionnant en bande de base Elle permet en particulier de traiter les signaux acoustiques provenant de différentes sourcesThe present invention relates to analog-digital converters, which make it possible, from an analog signal, to obtain a digital signal representing this analog signal. This digital signal can then be processed in a particularly powerful and efficient manner. The invention is more particularly useful in Σ Δ converters operating in baseband It allows in particular to process the acoustic signals coming from different sources
Le schéma de principe connu en lui-même d'un convertisseur Σ Δ est représente sur la figure 1 Un signal d'entrée e1 est appliqué a l'entrée + d'un soustracteur 101 La sortie de ce soustracteur 101 est appliquée a un intégrateur 102 dont la sortie est elle-même appliquée à un comparateur 103 La sortie de ce comparateur 103 est rebouclée sur l'entrée - du soustracteur 101 par l'intermédiaire d'un convertisseur numérique analogique 105, lui-même d'un type connu très simplifié. On obtient ainsi en sortie du comparateur 103 un signal numérique qui représente le signal e1 sur un bit Ce signal 1 bit est appliqué à un dispositif de traitement numérique 104 qui simultanément transforme ce signal 1 bit en un signal n bits, n = 16 par exemple, et effectue un filtrage numérique qui permet de délivrer un signal numérique de sortie S, représentant sur 16 bits et avec un rapport signal bruit suffisamment faible le signal d'entrée e1 On a représenté sur la figure 2 le diagramme fréquence/ amplitude correspondant au traitement des signaux dans le convertisseur de la figure 1 Le signal d'entrée e1 est représenté par la fréquence 201 Le signal de sortie 1 bit du comparateur 103 présente un spectre 202 fortement bruité L'effet du filtre 104 est représenté par la fenêtre spectrale 203, qui permet d'éliminer le bruit haute fréquence du spectre 202 pour obtenir un signal de sortie comportant la raie 201 avec un bruit superposé d'amplitude raisonnableThe principle diagram known in itself of a converter Σ Δ is represented in FIG. 1 An input signal e1 is applied to the input + of a subtractor 101 The output of this subtractor 101 is applied to an integrator 102 whose output is itself applied to a comparator 103 The output of this comparator 103 is looped back to the input - of the subtractor 101 by means of a digital analog converter 105, itself of a very known type simplified. There is thus obtained at the output of the comparator 103 a digital signal which represents the signal e1 on one bit This 1 bit signal is applied to a digital processing device 104 which simultaneously transforms this 1 bit signal into an n bit signal, n = 16 for example , and performs a digital filtering which makes it possible to deliver a digital output signal S, representing on 16 bits and with a sufficiently low signal-to-noise ratio the input signal e1 FIG. 2 represents the frequency / amplitude diagram corresponding to the processing of the signals in the converter of FIG. 1 The input signal e1 is represented by the frequency 201 The 1-bit output signal from the comparator 103 has a strongly noisy spectrum 202 The effect of the filter 104 is represented by the spectral window 203, which eliminates high frequency noise from the spectrum 202 to obtain an output signal comprising the line 201 with superimposed noise of reasonable amplitude
Le convertisseur de la figure 1 est dit d'ordre 1 parce qu'il ne comporte qu'un seul étage d'intégration 102 II est également connu de réaliser des modulateurs d'ordre supérieur comportant plusieurs étages d'intégration en cascade, mais ceci conduit rapidement a obtenir des systèmes instables. Cet inconvénient est toutefois limité dans le cas d'un convertisseur d'ordre 2, comme représenté sur la figure 3 dans une représentation qui utilise de manière connue le système de la transformée en Z. Le signal e (Z) est appliqué à l'entrée + d'un sommateur 301 dont la sortie est appliquée à un étage d'intégration 302 réalisant la fonction 1/(1 - Z "1 ). La sortie de cet étage est appliquée à un amplificateur de correction 306 qui permet de régler le niveau de sortie à une valeur souhaitable pour l'appliquer à l'entrée + d'un deuxième étage de sommation 311. La sortie de ce deuxième étage de sommation est appliquée à l'entrée d'un deuxième étage d'intégration 312 réalisant lui la fonction Z"1/(1 -Z"'1 ). La sortie de cet étage 312 est alors appliquée à un comparateur 303 dont la sortie délivre le signal numérique 1 bit s (Z). Celui-ci est rebouclé sur les entrées - des sommateurs 301 et 311. Le signal s (Z) est ensuite appliqué au circuit de filtrage 304 permettant d'obtenir le signal de sortie S sur le nombre de bits souhaités.The converter of FIG. 1 is said to be of order 1 because it has only one integration stage 102 It is also known to produce modulators of higher order comprising several integration stages in cascade, but this quickly leads to unstable systems. This drawback is however limited in the case of a converter of order 2, as shown in FIG. 3 in a representation which uses in known manner the system of the transform in Z. The signal e (Z) is applied to the input + of an adder 301 whose output is applied to an integration stage 302 performing the function 1 / (1 - Z " 1). The output of this stage is applied to a correction amplifier 306 which makes it possible to adjust the output level at a desirable value to apply it to the input + of a second summation stage 311. The output of this second summation stage is applied to the input of a second integration stage 312 realizing it the Z function " 1 / (1 -Z"'1 ). The output of this stage 312 is then applied to a comparator 303 whose output delivers the digital signal 1 bit s (Z). This is looped back to the inputs - summers 301 and 311. The signal s (Z) is then applied to the circuit filter 304 to obtain the output signal S on the desired number of bits.
Une solution connue à ce problème de stabilité consiste à réaliser un modulateur d'ordre élevé, en adoptant une structure en cascade telle que celle représentée sur la figure 4, dans laquelle les étages d'intégration et de sommation ont été rassemblés dans des modules réalisant des traitements symbolisés par G (Z).A known solution to this stability problem consists in producing a high order modulator, by adopting a cascade structure such as that shown in FIG. 4, in which the integration and summation stages have been brought together in modules realizing treatments symbolized by G (Z).
Dans une telle structure, le signal e1 est appliqué à un premier étage comportant un module 400 effectuant le traitement G1 (Z) pour délivrer un signal intermédiaire y1 qui est appliqué à un comparateur 403 lequel délivre un signal 1 bit si . Celui-ci est appliqué à un circuit de traitement numérique spécifique 407, qui effectue un traitement T1. Le signal si est également appliqué en rétroaction à une deuxième entrée du module 400.In such a structure, the signal e1 is applied to a first stage comprising a module 400 performing the processing G1 (Z) to deliver an intermediate signal y1 which is applied to a comparator 403 which delivers a 1 bit signal si. This is applied to a specific digital processing circuit 407, which performs processing T1. The signal si is also applied in feedback to a second input of the module 400.
En outre si et y1 sont appliqués à un circuit formant une combinaison linéaire de ces deux signaux, pour obtenir un signal e2 qui est appliqué à l'entrée du deuxième étage mis en cascade avec le premier. Ce deuxième étage comprend un module 410 effectuant un traitement G2 (Z) pour obtenir un signal y2 appliqué à un comparateur 413 qui délivre un signal s2. Ce signal s2 est appliqué à un dispositif de traitement numérique 417 qui effectue un traitement numérique T2. Le signal s2 est également appliqué en rétroaction à une entrée du module 410.In addition if and y1 are applied to a circuit forming a linear combination of these two signals, to obtain a signal e2 which is applied to the input of the second stage cascaded with the first. This second stage comprises a module 410 carrying out a processing G2 (Z) to obtain a signal y2 applied to a comparator 413 which delivers a signal s2. This signal s2 is applied to a digital processing device 417 which performs T2 digital processing. The signal s2 is also applied in feedback to an input of the module 410.
Les signaux s2 et y2 sont alors appliqués au troisième étage de la cascade, et ainsi de suite jusqu'au dernier étage de la cascade, qui reçoit un signal d'entrée en d'un circuit 486 qui effectue une combinaison linéaire sur les signaux sn-1 et yn-1 provenant de l'étage cascade précédent.The signals s2 and y2 are then applied to the third stage of the cascade, and so on to the last stage of the cascade, which receives an input signal from a circuit 486 which performs a linear combination on the signals sn -1 and yn-1 from the previous cascade stage.
Ce dernier étage en cascade comprend donc un module 490 effectuant un traitement Gn (Z), un comparateur 493 et un module de traitement numérique 497 effectuant un traitement numérique Tn. Les signaux sortant des circuits de traitement numérique 407 àThis last cascade stage therefore comprises a module 490 performing a processing Gn (Z), a comparator 493 and a digital processing module 497 performing a digital processing Tn. The signals leaving the digital processing circuits 407 to
497 sont additionnés ensemble dans un additionneur 408, dont le signal de sortie sur n bits est appliqué à un filtre numérique passe-bas 404 lequel délivre le signal de sortie S du convertisseur.497 are added together in an adder 408, whose output signal on n bits is applied to a digital low-pass filter 404 which delivers the output signal S of the converter.
Ce système permet donc d'obtenir un convertisseur d'ordre élevé stable, mais il oblige à avoir des traitements numériques T1 à Tn spécifiques de chaque étage. En outre les défauts sur les composants des étages analogiques entraînent des déformations importantes de la courbe de réponse, ce qui oblige à utiliser des composants de précision particulièrement sélectionnés et qui sont donc coûteux. Pour pallier ces inconvénients, l'invention propose un dispositif selon la revendication 1.This system therefore makes it possible to obtain a stable high-order converter, but it requires having digital processing T1 to Tn specific to each stage. In addition, faults on the components of the analog stages lead to significant deformations of the response curve, which means that precision components which are particularly selected and which are therefore expensive, have to be used. To overcome these drawbacks, the invention provides a device according to claim 1.
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante faite en regard des figures annexées qui représentent : - la figure 1 , un convertisseur Σ Δ connu à un étage ;Other features and advantages of the invention will appear clearly in the following description given with reference to the appended figures which represent: - Figure 1, a known Σ Δ converter with one stage;
- la figure 2, la courbe de réponse de ce convertisseur ;- Figure 2, the response curve of this converter;
- la figure 3, un convertisseur Σ Δ connu à deux étages en série ;- Figure 3, a known Σ Δ converter with two stages in series;
- la figure 4, un convertisseur Σ Δ connu à n étages en cascade ;- Figure 4, a known Σ Δ converter with n stages in cascade;
- la figure 5, un convertisseur Σ Δ selon l'invention ; - la figure 6, la courbe de réponse de ce convertisseur ; et- Figure 5, a Σ Δ converter according to the invention; - Figure 6, the response curve of this converter; and
- la figure 7, un exemple de réalisation du circuit 522 de la figure 6.FIG. 7, an exemplary embodiment of the circuit 522 of FIG. 6.
Le schéma de la figure 5 représente, avec la convention de calcul selon la transformée en Z, un convertisseur Σ Δ selon l'invention comportant deux étages en cascade ; le premier étage étant lui-même du second ordre. Ce premier étage comprend, comme dans le convertisseur de la figure 3, un premier sommateur 501 en série avec un premier intégrateur 502, un normalisateur de correction 506 servant essentiellement à éviter la saturation des étages suivants, un deuxième sommateur 511 , un deuxième intégrateur 512 et un premier comparateur 503 Toutefois, selon l'invention, le signal d'entrée e1 est appliqué directement sur l'entrée du comparateur 503 par l'intermédiaire d'un troisième sommateur 521 qui permet de l'additionner au signal de sortie du deuxième intégrateur 512 II est en outre appliqué aux entrées des sommateurs 501 et 511. Ceci permet d'obtenir une transmittance de l'ensemble vis-à-vis du signal utile égale à 1 De ce fait on peut considérer que l'entrée du convertisseur se situe juste avant celle du comparateur, et que donc le reseau de réaction comprenant les intégrateurs ne traite que le bruit de quantification En conséquence il n'y a plus de retard entre l'entrée et la sortie Le convertisseur comprend en outre un deuxième étage en cascade formé d'un cinquième sommateur 551 en série avec un troisième intégrateur 522 puis un sixième sommateur 561 et un deuxième comparateur 513The diagram of FIG. 5 represents, with the calculation convention according to the transform in Z, a converter Σ Δ according to the invention comprising two stages in cascade; the first floor itself being of the second order. This first stage comprises, as in the converter of FIG. 3, a first summator 501 in series with a first integrator 502, a correction normalizer 506 essentially serving to avoid saturation of the following stages, a second summator 511, a second integrator 512 and a first comparator 503 However, according to the invention, the input signal e1 is applied directly to the input of comparator 503 via a third summator 521 which makes it possible to add it to the output signal of the second integrator 512 II is also applied to the inputs of the summers 501 and 511. This makes it possible to obtain a transmittance of the assembly with respect to the useful signal equal to 1 Therefore it can be considered that the input of the converter is located just before that of the comparator, and therefore the reaction network comprising the integrators only processes the quantization noise Consequently there is no longer any delay between the input e and the output The converter further comprises a second cascade stage formed by a fifth adder 551 in series with a third integrator 522 then a sixth adder 561 and a second comparator 513
Le signal d'entrée e2 de ce deuxième étage en cascade est obtenu à partir de la sommation, dans un quatrième sommateur 541 , des signaux d'entrée et de sortie du premier comparateur 503 Le signal d'entrée ainsi obtenu est appliqué comme pour le premier étage, simultanément sur les entrées des sommateurs 551 et 561The input signal e2 of this second cascade stage is obtained from the summation, in a fourth summator 541, of the input and output signals of the first comparator 503 The input signal thus obtained is applied as for the first floor, simultaneously on the inputs of summers 551 and 561
Les premier et deuxième intégrateurs 502 et 512 réalisent une intégration classique représentée par la fonction Z"1/(1 -Z"1 )The first and second integrators 502 and 512 carry out a conventional integration represented by the function Z " 1 / (1 -Z" 1 )
Le circuit 522 du deuxième étage réalise une fonction de résonateur caractérisée par la formule p ZCircuit 522 of the second stage performs a resonator function characterized by the formula p Z
(1 ) 1—. avec p = 2 cos (2 π F0/FE)(1) 1—. with p = 2 cos (2 π F0 / FE)
\ - pZ + Z ' où F0 est une fréquence dans la bande du filtre et FE la fréquence d'échantillonnage\ - pZ + Z 'where F0 is a frequency in the filter band and FE the sampling frequency
On obtient ainsi sur la sortie de deux étages en cascade respectivement les signaux de sortie 1 bit si et s2We thus obtain on the output of two stages in cascade respectively the 1 bit output signals si and s2
Dans ces conditions, le traitement numérique qu'il faut appliquer aux signaux si et s2 avant d'en faire la sommation se résume pour le premier de ceux-ci à une simple multiplication par 1 c'est-à-dire à une sortie directe sans traitement particulier. Pour les besoins de l'explication cette sortie directe a été représentée sur la figure par un multiplicateur 507 qui effectue l'opération x 1. Le signal s2 par contre subit un traitement numérique dans un circuit 517 qui réalise l'opération représentée par la formule : l - 2Z-' + Z-: 1 î- z-1 + cz-2 où C est le coefficient multiplicateur obtenu par le circuit 506.In these conditions, the digital processing which must be applied to the signals si and s2 before summing them is summed up for the first of these to a simple multiplication by 1, that is to say to a direct output without special treatment. For the purposes of the explanation, this direct output has been represented in the figure by a multiplier 507 which performs the operation x 1. The signal s2 on the other hand undergoes digital processing in a circuit 517 which performs the operation represented by the formula : l - 2Z- '+ Z- : 1 î- z- 1 + cz- 2 where C is the multiplying coefficient obtained by circuit 506.
Ce traitement est indépendant de la fonction 522. Il ne dépend que du premier étage.This processing is independent of function 522. It only depends on the first floor.
Les signaux en sortie de ces circuits de traitement 507 et 517 sont additionnés dans un additionneur 508, puis filtrés de la manière habituelle dans un filtre passe-bas 504 qui délivre le signal de sortie S.The signals at the output of these processing circuits 507 and 517 are added in an adder 508, then filtered in the usual way in a low-pass filter 504 which delivers the output signal S.
Selon l'invention, le circuit 522 au lieu d'être un intégrateur comme les circuits 502 et 512, est un résonateur centré sur une fréquence F0 . Ce résonateur réalise la fonction qui est représentée par la formule (1 ).According to the invention, the circuit 522 instead of being an integrator like the circuits 502 and 512, is a resonator centered on a frequency F0. This resonator performs the function which is represented by formula (1).
L'influence du résonateur sur la courbe de réponse du convertisseur est représentée sur le diagramme de la figure 6, qui est à comparer à celui de la figure 2. L'influence du premier étage avec les intégrateurs correspond à la courbe 602 dont on voit qu'une partie est représentée en pointillés. L'influence du résonateur du deuxième étage correspond à la courbe 604 centrée sur la fréquence F0. L'influence de ce résonateur décale alors la courbe 602 à partir de la fréquence F0 en lui faisant subir un déplacement vers le bas pour obtenir la courbe 612. La courbe 601 représente par exemple le spectre du signal d'entrée.The influence of the resonator on the response curve of the converter is shown in the diagram in FIG. 6, which is to be compared to that of FIG. 2. The influence of the first stage with the integrators corresponds to the curve 602 which we see that a part is represented by dotted lines. The influence of the second stage resonator corresponds to the curve 604 centered on the frequency F0. The influence of this resonator then shifts the curve 602 from the frequency F0 by making it undergo a downward movement to obtain the curve 612. The curve 601 represents for example the spectrum of the input signal.
Le filtre de sortie dont le gabarit est représenté par 603 permet comme précédemment d'éliminer les fréquences hautes du bruit, mais on voit que du fait de cette translation de la courbe 602 sur la courbe 612 la partie résiduelle du bruit contenu dans le gabarit du filtre 603 est bien inférieure à celle qui serait restée si l'on n'avait que la courbe 602.The output filter whose size is represented by 603 makes it possible as previously to eliminate the high frequencies of the noise, but it can be seen that due to this translation of the curve 602 on the curve 612 the residual part of the noise contained in the size of the filter 603 is much lower than what would have remained if we only had curve 602.
L'analyse mathématique de ce convertisseur montre que par rapport aux structures classiques on obtient les avantages suivants :The mathematical analysis of this converter shows that compared to conventional structures we obtain the following advantages:
- la transmittance vis-à-vis du signal utile est égale à 1 , - la transmittance vis-à-vis du bruit possède un zéro double à la fréquence zéro et deux zéros complexes conjugués à la fréquence F0, ce qui permet justement d'élargir la bande passante comme expliqué plus haut.- the transmittance with respect to the useful signal is equal to 1, - the transmittance with respect to noise has a double zero at the frequency zero and two complex zeros conjugate at the frequency F0, which precisely allows the bandwidth to be widened as explained above.
- Le traitement numérique spécifique à chaque étage du convertisseur est moins complexe, puisque la sortie du premier étage est transmise directement au sommateur 508 et que le traitement numérique est en outre indépendant de la position du zéro situé en FO.- The digital processing specific to each stage of the converter is less complex, since the output of the first stage is transmitted directly to the adder 508 and that the digital processing is also independent of the position of the zero located at FO.
A titre de variante, on pourrait utiliser pour l'intégrateur 502 un mode de réalisation dans lequel on réaliserait la fonction 1/(1-Z"1 ) comme dans l'étage 302 de la figure 3. A ce moment, là il faudrait utiliser pour réaliser le traitement numérique spécifique du deuxième étage un circuit 517 qui réalise la fonction représentée par la formule : l - 2Z-' + Z-2 1 + (C - 1)Z-' Dans cette formule C est le coefficient multiplicateur obtenu par le circuit 506As a variant, one could use for the integrator 502 an embodiment in which the function 1 / (1-Z " 1 ) would be carried out as in stage 302 of FIG. 3. At this time, there would have to be use to carry out the specific digital processing of the second stage a circuit 517 which performs the function represented by the formula: l - 2Z- '+ Z- 2 1 + (C - 1) Z-' In this formula C is the multiplier coefficient obtained by circuit 506
Cette variante, permet de simplifier légèrement le traitement numérique ainsi que la construction d'ensemble. Toutefois on observe que dans cette variante le convertisseur sature légèrement plus vite que dans le premier mode de réalisation, ce qui ne présente pas de réels problèmes pratiques.This variant makes it possible to slightly simplify the digital processing as well as the overall construction. However, it is observed that in this variant the converter saturates slightly faster than in the first embodiment, which does not present any real practical problems.
Le problème qui se pose par contre réside dans la réalisation du second étage du convertisseur en utilisant les technologies nouvelles telles que par exemple les capacités commutées ou les miroirs dynamiques de courant. En effet, ces technologies permettent de réaliser de très bons intégrateurs, mais présentent des difficultés pour obtenir des coefficients non entiers avec une bonne précision. Dans ces conditions, l'invention propose également de réaliser ce résonateur à partir d'intégrateurs en utilisant un schéma tel que celui de la figure 7.The problem which arises, however, lies in the production of the second stage of the converter using new technologies such as, for example, switched capacitors or dynamic current mirrors. Indeed, these technologies make it possible to produce very good integrators, but present difficulties in obtaining non-integer coefficients with good precision. Under these conditions, the invention also proposes to produce this resonator from integrators using a diagram such as that of FIG. 7.
Dans ce schéma, le signal d'entrée du résonateur, arrivant donc du sommateur 551 de la figure 5, est appliqué à un sommateur 701 dont la sortie est reliée à un circuit intégrateur 702 qui réalise la fonction -1/( 1 -Z"1 ). La sortie de ce premier intégrateur est appliquée sur un circuit 703 qui réalise une multiplication par un coefficient γ = 1- p/2.In this diagram, the input signal of the resonator, therefore arriving from the summator 551 of FIG. 5, is applied to a summator 701 whose output is connected to an integrator circuit 702 which performs the function -1 / (1 -Z " 1). The output of this first integrator is applied to a circuit 703 which performs a multiplication by a coefficient γ p = 1/2.
Comme p est égal à 2 cos 2 πFO, on a γ = 2sin2(π F0/FE). La sortie du circuit 703 est appliquée à un deuxième sommateur 704 dont la sortie est appliquée à un deuxième intégrateur 705 réalisant la fonction Z~1/(1 -Z"1 ) La deuxième entrée du sommateur 704 reçoit également le signal d'entrée appliqué au premier sommateur 701 La sortie de ce deuxième intégrateur est la sortie du résonateur, qui est donc appliquée sur l'entrée du sommateur 561 de la figure 5Since p is equal to 2 cos 2 πFO, we have γ = 2sin 2 (π F0 / FE). The output of circuit 703 is applied to a second summer 704 whose output is applied to a second integrator 705 performing the function Z ~ 1 / (1 -Z "1 ) The second input of summer 704 also receives the applied input signal to the first summator 701 The output of this second integrator is the output of the resonator, which is therefore applied to the input of the summator 561 of FIG. 5
Cette sortie est en outre appliquée en rétroaction sur la deuxième entrée du sommateur 701 après multiplication par 2 dans un circuit 706This output is also applied in feedback to the second input of the adder 701 after multiplying by 2 in a circuit 706
Les problèmes qui peuvent éventuellement se poser dans la réalisation de ce convertisseur concernent essentiellement le coefficient C appliqué dans le circuit 506 et le coefficient γ appliqué dans le circuit 703The problems which may possibly arise in the production of this converter essentially concern the coefficient C applied in circuit 506 and the coefficient γ applied in circuit 703
Le coefficient C, qui sert à éviter la saturation dans le premier étage, ne présente pas une valeur critique II est seulement nécessaire qu'il soit appairé avec soin avec le même coefficient C utilisé dans la fonction de traitement numérique réalisée par le circuit 517 Cet appairage doit être meilleur que 1 % si on ne veut pas augmenter trop le rapport signal/bruit Dans ces conditions le plus pratique est d'utiliser une valeur qui permette de n'avoir que des coefficients entiers dans le deuxième intégrateur, parce que l'on sait réaliser ces coefficients entiers à mieux que 1 %. On prendra par exemple C = 0,5, ce qui entraîne des coefficients dans le deuxième intégrateur égaux à 1 ou 2The coefficient C, which serves to avoid saturation in the first stage, does not have a critical value II only needs to be carefully paired with the same coefficient C used in the digital processing function performed by the circuit 517 This pairing must be better than 1% if we do not want to increase the signal / noise ratio too much Under these conditions the most practical is to use a value which allows to have only whole coefficients in the second integrator, because the we know how to achieve these whole coefficients better than 1%. Take for example C = 0.5, which results in coefficients in the second integrator equal to 1 or 2
En ce qui concerne le coefficient γ, qui détermine la fréquence centrale du résonateur, sa valeur est très faible, par exemple de l'ordre de 0,01 On ne sait pas réaliser avec précision une telle valeur, mais cela présente peu d'importance En effet, ce coefficient γ n'apparaît pas dans le traitement numérique et donc il n'y a pas de besoins d'appaπement En outre, comme il ne joue que sur la position du 0 de la fonction de bruit en racine carrée, une erreur relative de par exemple 10 % entraîne seulement une erreur de 5 % sur la position de la fréquence centrale Une telle erreur ne joue pas sur la transmittance et donc sur la distorsion, et a un effet faible sur la puissance de bruitAs for the coefficient γ, which determines the central frequency of the resonator, its value is very low, for example of the order of 0.01 We do not know how to achieve such a value with precision, but this is of little importance In fact, this coefficient γ does not appear in digital processing and therefore there is no need for matching In addition, since it only plays on the position of 0 of the noise function in square root, a relative error of for example 10% only leads to an error of 5% on the position of the center frequency. Such an error does not affect the transmittance and therefore the distortion, and has a weak effect on the noise power.
En conclusion, ce type de convertisseur Σ Δ à large bande permet de gagner sur le facteur de bruit par rapport aux convertisseurs connus ce qui permet d'obtenir une résolution supérieure en nombre de bits sur le signal utile Le gain théorique est d'au moins 2 bits significatifs par rapport a un convertisseur classique utilisant un quadruple intégrateur et ceci au prix de modifications de schémas de câblage, et donc de coût de réalisation, très faibles. Si l'on se place au niveau de performances identiques, on pourra alors gagner sur le rapport de suréchantillonnage. En outre, en prenant les précautions vues plus haut sur le choix des paramètres, le convertisseur sera peu sensible aux tolérances sur les composants destinés à réaliser les étages analogiques. In conclusion, this type of broadband Σ Δ converter makes it possible to gain on the noise factor compared to known converters which makes it possible to obtain a higher resolution in number of bits on the useful signal The theoretical gain is at least 2 significant bits compared to a conventional converter using a quadruple integrator and this at the cost of modifications to wiring diagrams, and therefore of very low production cost. If we place ourselves at the same performance level, we can then gain on the oversampling ratio. In addition, by taking the precautions seen above on the choice of parameters, the converter will be not very sensitive to the tolerances on the components intended to produce the analog stages.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Convertisseur du type Σ Δ en bande de base , comportant au moins un premier étage comprenant en série au moins un premier sommateur (501 ), un premier étage intégrateur (502), un deuxième sommateur (511 ), un deuxième étage intégrateur (512) et un comparateur (503) dont la sortie est reliée à une entrée du premier sommateur, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un troisième sommateur (521 ) situé en série entre le deuxième étage intégrateur (512) et l'étage comparateur (503), et que le signal d'entrée du convertisseur est appliqué en parallèle sur les entrées des trois sommateurs (501 , 506, 521 ).1 - Converter of the Σ Δ type into baseband, comprising at least a first stage comprising in series at least a first summator (501), a first integrating stage (502), a second summing (511), a second integrating stage ( 512) and a comparator (503), the output of which is connected to an input of the first summator, characterized in that it further comprises a third summator (521) located in series between the second integrating stage (512) and the stage comparator (503), and that the converter input signal is applied in parallel to the inputs of the three summers (501, 506, 521).
2 - Convertisseur selon la revendication 1 , qui comprend au moins un deuxième étage en cascade avec le premier ; ce deuxième étage comprenant en série au moins un quatrième sommateur (551 ), un étage de traitement du signal (522) et un deuxième comparateur (513), caractérisé en ce que l'étage de traitement est un résonateur.2 - Converter according to claim 1, which comprises at least a second stage in cascade with the first; this second stage comprising in series at least a fourth summator (551), a signal processing stage (522) and a second comparator (513), characterized in that the processing stage is a resonator.
3 - Convertisseur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un cinquième sommateur (561 ) en série entre l'étage de traitement (522) et le deuxième comparateur (513) et que le signal d'entrée du deuxième étage en cascade est appliqué en parallèle sur les entrées des quatrième et cinquième sommateurs (551 , 561 ).3 - Converter according to claim 2, characterized in that it further comprises a fifth summator (561) in series between the processing stage (522) and the second comparator (513) and that the input signal of the second Cascade stage is applied in parallel to the inputs of the fourth and fifth summers (551, 561).
4 - Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le résonateur comprend un premier additionneur (701 ) pour recevoir le signal d'entrée du résonateur, un premier intégrateur (702) pour recevoir le signal de sortie du premier sommateur, un multiplicateur (703) pour multiplier le signal de sortie du troisième intégrateur par un coefficient déterminé γ, un deuxième sommateur (704) pour recevoir le signal de sortie du multiplicateur par γ et le signal d'entrée du résonateur, un quatrième intégrateur (707) pour recevoir le signal de sortie du deuxième additionneur et délivrer le signal de sortie du résonateur ; ce signal de sortie étant rebouclé sur l'entrée du premier additionneur par l'intermédiaire d'un multiplicateur (706) multipliant ce signal par un coefficient 2. 4 - Converter according to any one of claims 2 and 3, characterized in that the resonator comprises a first adder (701) to receive the input signal from the resonator, a first integrator (702) to receive the output signal from the first summator, a multiplier (703) to multiply the output signal of the third integrator by a determined coefficient γ, a second summator (704) to receive the output signal of the multiplier by γ and the input signal of the resonator, a fourth integrator (707) for receiving the output signal from the second adder and outputting the output signal from the resonator; this output signal being looped back to the input of the first adder via a multiplier (706) multiplying this signal by a coefficient 2.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO1991011863A1 (en) * 1990-01-31 1991-08-08 Analog Devices, Inc. Sigma delta modulator

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WO1991011863A1 (en) * 1990-01-31 1991-08-08 Analog Devices, Inc. Sigma delta modulator

Non-Patent Citations (1)

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Title
1991 IEEE International Symposium on Circuits and Systems, 11 - 14 June 1991, IEEE New York US, Vol 3 of 5, pages 1645 - 1648; LI PING: " Oversampling Analog/ *

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