JP2009502057A - チョッピング残留雑音を減らすオーバサンプリング・アナログ・ディジタル変換器および方法 - Google Patents
チョッピング残留雑音を減らすオーバサンプリング・アナログ・ディジタル変換器および方法 Download PDFInfo
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Abstract
デルタ・シグマ変調器(29)は、チョッパ安定化積分器(36)と、積分器の出力に結合する入力を有する量子化器と、切換え基準フィードバック回路(39)により制御されまた積分器の入力に結合する出力を有する入力信号取得回路と、擬似ランダム・シーケンス発生器(1A)を含みかつ周波数整形擬似ランダム・クロック信号を作る周波数整形擬似ランダム・チョッパ・クロック信号発生回路とを含む。リセット回路は擬似ランダム・シーケンス発生器(1A)のリセット入力に結合し、チョッパ安定化デルタ・シグマ変調器のディジタル出力と同期をとってリセットして、擬似ランダム・シーケンス発生器のラップ・アラウンド動作の結果生じる雑音を防ぐ。論理回路は周波数整形擬似ランダム・クロック信号に応じてチョッパ・クロック信号を作り、これを積分器の種々の入力スイッチおよび出力スイッチに与える。
Description
本発明はチョッパ安定化デルタ・シグマ変調器、特に、Wangの米国特許第6,201,835号、「デルタ・シグマ変調器用の周波数整形擬似ランダム・チョッパ安定化回路および方法(Frequency−shaped pseudo−random chopper stabilization circuit and method for delta−sigma Modulator)」、に示されているタイプのチョッパ安定化デルタ・シグマ変調器の変換精度を改善する技術に関するものであって、より詳しく述べると、チョッピング残留雑音と、関連する利得ドリフトおよびオフセット・ドリフトの不正確さとを減らすことに関するものである。
図1A(従来技術)は米国特許第6,201,835号(’835特許)の図1の写しである。これは、集積回路チョッパ安定化増幅器の相互変調に対する感度を下げるための装置である。図1Aのブロック29は、後で図2に示すものと同一のまたは実質的に同じチョッパ安定化デルタ・シグマ変調器を示す。チョッパ安定化デルタ・シグマ変調器29の出力はデシメーション・フィルタ38の入力に接続する。チョッパ安定化デルタ・シグマ変調器29の1個以上の積分器(積分器36,37など)は、周波数整形擬似ランダム・チョッパ・クロック発生器回路1によりクロックされる。
しかし、従来技術のチョッパ安定化デルタ・シグマ変調器29の欠点は、この開示された擬似ランダム・チョッパ・クロック発生器1が低周波の「チョッピング残留」信号を作ることである。チョッパ安定化デルタ・シグマ変調器29に固定周波数チョッピング信号を与えると、内部オフセット電圧(回路構成要素の不整合により生じる)を固定低周波「チョッピング残留」信号に変換する。これは低周波AC信号である。チョッピング残留信号の大きさは上に述べたオフセット電圧の大きさの関数である。’835特許の教示によると、固定周波数チョッピング信号を用いると相互変調のためにデルタ・シグマ変調器の出力信号内に「アイドル・トーン」信号が生成される。’835特許の教示によると、ベースバンドにエリアス・バック(aliased back)されるこのようなアイドル・トーンは、ランダムな周波数のチョッピング信号を与えることにより防ぐことができる。また、’835特許は擬似ランダム・チョッピング信号の「周波数整形」を開示している。低周波整形を行うと、関心のある帯域内の低周波エネルギーの拡散が減少して、全体の雑音性能が改善されるという利点がある。
’835特許に開示された周波数整形擬似ランダム・チョッピングを行うとデルタ・シグマ変調器29内の雑音の量の「一次」の改善が見られる。しかし「一次」の周波数整形は雑音を非常に低くする必要がある応用でチョッピング残留信号を十分抑えることができない。
後で説明する図6を参照すると、「A」で示す上側の曲線は、図1Bに示す周波数整形曲線(これは’835特許の図3Cの写しである)を用いたときの図1Aに示す従来技術のデルタ・シグマ変調器29のチョッピング残留信号を示す。図6のチョッピング残留信号曲線「A」は「雑音の多い」形であり、オフセット電圧の関数である低周波雑音レベルはほぼ−150dBである。これは応用によっては高すぎる。
後で説明する図6を参照すると、「A」で示す上側の曲線は、図1Bに示す周波数整形曲線(これは’835特許の図3Cの写しである)を用いたときの図1Aに示す従来技術のデルタ・シグマ変調器29のチョッピング残留信号を示す。図6のチョッピング残留信号曲線「A」は「雑音の多い」形であり、オフセット電圧の関数である低周波雑音レベルはほぼ−150dBである。これは応用によっては高すぎる。
増幅回路およびデルタ・シグマ変調器のチョッパ安定化のためのチョッピング・クロック信号を生成するのに’835特許の周波数整形擬似ランダム・シーケンス発生器を用いることの別の欠点は、擬似ランダム・シーケンスは長さが有限であるために「ラップ・アラウンド」して再開し、シーケンスを再開するたびにスパイク雑音を出すことである。例えば、長さが10ビットの擬似ランダム・シーケンス発生器の場合は、同じシーケンスを作って210クロック・サイクル毎にラップ・アラウンドするので低周波の周期的スパイク雑音を作る。
米国特許第6,411,242号、「DCオフセット性能を改善したオーバサンプリング・アナログ・ディジタル変換器(Oversampling Analog−to−Digital Converter with Improved DC Offset Performance)」は、データ出力周波数の半分の固定チョッピング周波数を用いて、アナログ入力信号と出力信号の極性をチョッピング・サイクル毎に切り換える。ディジタル領域の出力信号からオフセット誤差は除かれるが、この方法ではディジタル・データ出力レートは半分に減少する。なぜなら、アナログ・ディジタル変換器は、出力データを実質的に平均してオフセット誤差を打ち消す前に2つの変換を行わなければならないからである。
このように、周波数整形擬似ランダム・チョッピング・クロック信号を用いてチョッパ安定化オーバサンプリング・アナログ・ディジタル変換器の雑音を減らすための改善された方法に対するニーズはまだ満たされていない。
また、周波数整形擬似ランダム・チョッピング・クロック信号を用いてチョッパ安定化デルタ・シグマ・アナログ・ディジタル変換器内の変換誤差を減らすための改善された方法に対するニーズはまだ満たされていない。
また、米国特許第6,201,835号の回路が達成したアイドル・トーンの大きさが非常に低いという利点を有し、かつチョッピング残留雑音が非常に低いという利点を有するチョッパ安定化デルタ・シグマ変調器内のチョッパ安定化増幅回路に対するニーズはまだ満たされていない。
また、周波数整形擬似ランダム・チョッピング・クロック信号を用いてチョッパ安定化デルタ・シグマ・アナログ・ディジタル変換器内の変換誤差を減らすための改善された方法に対するニーズはまだ満たされていない。
また、米国特許第6,201,835号の回路が達成したアイドル・トーンの大きさが非常に低いという利点を有し、かつチョッピング残留雑音が非常に低いという利点を有するチョッパ安定化デルタ・シグマ変調器内のチョッパ安定化増幅回路に対するニーズはまだ満たされていない。
また、周波数整形擬似ランダム・チョッピング・クロック信号を用いてチョッパ安定化デルタ・シグマ・アナログ・ディジタル変調器内の変換誤差を減らすため、またチョッピング・クロック信号を作るのに用いられる擬似ランダム・シーケンス発生器のラップ・アラウンド動作から生じる低周波の周期的スパイク雑音を減らすための、改善された方法に対するニーズはまだ満たされていない。
また、周波数整形擬似ランダム・チョッピング・クロック信号を用いてチョッパ安定化デルタ・シグマ・アナログ・ディジタル変調器内の変換誤差を減らすため、また変換速度を従来技術の方法より高くするための、改善された方法に対するニーズはまだ満たされていない。
また、周波数整形擬似ランダム・チョッピング・クロック信号を用いてチョッパ安定化デルタ・シグマ・アナログ・ディジタル変調器内の変換誤差を減らすため、また変換速度を従来技術の方法より高くするための、改善された方法に対するニーズはまだ満たされていない。
本発明の目的は、周波数整形擬似ランダム・チョッピング・クロック信号を用いてチョッパ安定化オーバサンプリング・アナログ・ディジタル変換器の雑音を減らすための改善された方法を提供することである。
本発明の別の目的は、周波数整形擬似ランダム・チョッピング・クロック信号を用いてチョッパ安定化デルタ・シグマ・アナログ・ディジタル変調器内の変換誤差を減らすための改善された方法を提供することである。
本発明の別の目的は、’835特許の発明が達成したアイドル・トーンの大きさが非常に低いという利点を有し、かつチョッピング残留雑音が非常に低いという利点を有するチョッパ安定化デルタ・シグマ変調器内のチョッパ安定化増幅回路を提供することである。
本発明の別の目的は、周波数整形擬似ランダム・チョッピング・クロック信号を用いてチョッパ安定化デルタ・シグマ・アナログ・ディジタル変調器内の変換誤差を減らすための改善された方法を提供することである。
本発明の別の目的は、’835特許の発明が達成したアイドル・トーンの大きさが非常に低いという利点を有し、かつチョッピング残留雑音が非常に低いという利点を有するチョッパ安定化デルタ・シグマ変調器内のチョッパ安定化増幅回路を提供することである。
本発明の別の目的は、周波数整形擬似ランダム・チョッピング・クロック信号を用いてチョッパ安定化デルタ・シグマ・アナログ・ディジタル変調器内の変換誤差を減らすため、またチョッピング・クロック信号を作るのに用いられる擬似ランダム・シーケンス発生器のラップ・アラウンド動作から生じる低周波の周期的スパイク雑音を減らすための、改善された方法を提供することである。
本発明の別の目的は、周波数整形擬似ランダム・チョッピング・クロック信号を用いてチョッパ安定化デルタ・シグマ・アナログ・ディジタル変調器内の変換誤差を減らすため、また変換速度を従来技術の方法より高くするための、改善された方法を提供することである。
本発明の別の目的は、周波数整形擬似ランダム・チョッピング・クロック信号を用いてチョッパ安定化デルタ・シグマ・アナログ・ディジタル変調器内の変換誤差を減らすため、また変換速度を従来技術の方法より高くするための、改善された方法を提供することである。
簡単に述べると、本発明の1つの実施の形態では、チョッパ安定化積分器(36)と、積分器の出力に結合する入力を有する量子化器(35)と、切換え基準フィードバック回路(39)により制御されかつ積分器の入力に結合する出力を有する入力信号取得回路(31)と、擬似ランダム・シーケンス発生器(11)を含みかつ周波数整形擬似ランダム・クロック信号(φCH)を作る周波数整形擬似ランダム・チョッパ・クロック信号発生回路(1A)と、を含むデルタ・シグマ変調器(29)を提供する。リセット回路(48)は擬似ランダム・シーケンス発生器のセット入力に結合してチョッパ安定化デルタ・シグマ変調器のディジタル出力と同期をとってこれをリセットし、擬似ランダム・シーケンス発生器のラップ・アラウンド動作の結果生じる雑音を防ぐ。論理回路は周波数整形擬似ランダム・クロック信号に応じてチョッパ・クロック信号を作り、これを積分器の種々の入力スイッチおよび出力スイッチに与える。
或る実施の形態では、デルタ・シグマ変調器(29)は、チョッパ安定化積分器(36)(積分器の入力に結合する複数のチョッパ安定化入力スイッチと積分器の出力に結合する複数のチョッパ安定化出力スイッチとを含む)と、積分器の出力に結合する入力を有する量子器(35)とを含む。入力信号取得回路(31)は切換え基準フィードバック回路(39)により制御され、積分器の入力に結合する出力を有する。周波数整形擬似ランダム・チョッパ・クロック信号発生回路(1A)は擬似ランダム・シーケンス発生器(11)を含み、周波数整形擬似ランダム・クロック信号(φCH)を作る。チョッパ安定化デルタ・シグマ変調器(29)のディジタル出力(DOUT)と同期をとって擬似ランダム・シーケンス発生器(11)をリセットするリセット回路(48)は擬似ランダム・シーケンス発生器(11)のラップ・アラウンド動作を防ぐ。論理回路(41)は周波数整形擬似ランダム・クロック信号に応じてチョッパ・クロック信号を作り、種々のチョッパ安定化入力スイッチおよびチョッパ安定化出力スイッチを制御する。
或る実施の形態では、周波数整形擬似ランダム・シーケンス発生器(1A)はディジタル・デルタ・シグマ変調器(2)を含み、ディジタル・デルタ・シグマ変調器(2)は、フィードバック遅延回路(14,15)と、擬似ランダム・シーケンス発生器(11)が作る擬似ランダム・シーケンス信号(11A)とフィードバック遅延回路(14,15)が作る誤差フィードバック信号(18)とを入力として受けまた擬似ランダム・シーケンス信号(11A)および誤差フィードバック信号(18)に応じて周波数整形擬似ランダム・クロック信号(φCH)を作る1ビットの量子化器(13)として機能する第1のディジタル加算器(12)とを含む。第2のディジタル加算器(16)は、周波数整形擬似ランダム・クロック信号(φCH)および誤差フィードバック信号(16A)に応じてフィードバック遅延回路(14,15)への入力としてディジタル誤差信号(16A)を作る。
デシメーション・フィルタ(38)は量子化器(35)の出力(40)に結合する入力を有し、リセット回路(48)はデルタ・シグマ変調器(29)のサンプリング周波数(FS)で動作するクロック信号(CLK)をデシメーション比(N)で割ってデシメーション・クロック信号(DCLK)を作る分割回路(48)を含む。擬似ランダム・シーケンス発生器(11)はクロック信号(CLK)でクロックされ、デシメーション・クロック信号(DCLK)に結合するセット入力を有する一連の記憶要素(50−0,1,...7)を含む。デシメーション・フィルタ(38)はクロック信号(CLK)でクロックされ、デシメーション・クロック信号(DCLK)に応じて動作してデシメーション・クロック信号(DCLK)の周波数(FS)でディジタル出力語を作る。
或る実施の形態では、周波数整形擬似ランダム・クロック信号(φCH)は第2のディジタル加算器(16)の第2の入力の最上位ビット(MSB)に与えられる1ビットの量子化信号を構成する。フィードバック遅延回路(14,15)は誤差信号(16A)を所定の量だけ2度遅延させて、ゼロ周波数付近および或る周波数(FS /2)付近の減衰を大きくする。ディジタル・デルタ・シグマ変調器(2)は1ビットのディジタル・デルタ・シグマ変調器でよい。デシメーション・フィルタ(38)はSYNC4フィルタでよい。入力信号取得回路(31)はスイッチド・キャパシタ入力サンプリング回路を含んでよい。
1つの実施の形態では、本発明は、チョッパ安定化積分器(36)の入力に結合する出力を有する入力信号取得回路(31)と、積分器の出力に結合する入力を有する量子化器(35)とを含むチョッパ安定化変調器(29)の感度を下げる方法を提供する。この方法は、擬似ランダム・シーケンス発生器(11)を含む周波数整形擬似ランダム・チョッパ・クロック信号発生回路(1A)により周波数整形擬似ランダム・クロック信号(φCH)を作り、チョッパ安定化デルタ・シグマ変調器(29)のディジタル出力(DOUT)と同期をとって擬似ランダム・シーケンス発生器(11)を自動的にリセットして擬似ランダム・シーケンス発生器(11)のラップ・アラウンド動作を防ぐことによりラップ・アラウンド動作の結果生じる雑音を防ぐことを含む。
1つの実施の形態では、本発明は、チョッパ安定化積分器(36)の入力に結合する出力を有する入力信号取得回路(31)と、積分器の出力に結合する入力を有する量子化器(35)とを含むデルタ・シグマ変調器(29)と、周波数整形擬似ランダム・クロック信号(φCH)を作る手段(1A)と、チョッパ安定化デルタ・シグマ変調器(29)のディジタル出力(DOUT)と同期をとって擬似ランダム・シーケンス発生器(11)をリセットして擬似ランダム・シーケンス発生器(11)のラップ・アラウンド動作を防ぐことによりラップ・アラウンド動作の結果生じる雑音を防ぐ手段(48)とを提供する。
図2において、アナログ・ディジタル変換器(ADC)30Aはチョッパ安定化デルタ・シグマ変調器29を含む。変調器29は、差動アナログ入力VINをサンプリングするスイッチド・キャパシタ入力サンプリング回路31を含む。2つの固定周波数クロック信号φ1およびφ2は、Kalthoff他の米国特許第5,703,589号に開示されているように、既知の方法でアナログ入力をサンプリングする。サンプリングされた差動アナログ入力信号は一対の総和ノード導体32の間に現われる。一対の導体32はチョッパ安定化第1積分器段36の差動入力にそれぞれ結合する。チョッパ安定化積分器段36および関連するスイッチド・キャパシタ・フィードバック基準電圧供給回路は図1Cに示す実施の形態でよい。総和ノード導体32はまた、スイッチド・キャパシタ・フィードバック基準電圧サンプリング回路33(上に参照した’589特許の図3Aに示されている回路22Aと同じ)の対応する端子にも結合する。図2には差動の実施の形態を示しているが、ここに述べる本発明は単一信号線の場合にも同様に適用することができる。
チョッパ安定化デルタ・シグマADC30Aは、段37などの多数の別の積分器段および関連するスイッチド・キャパシタ・フィードバック基準電圧供給回路(チョッパ安定化されていてもいなくてもよい)を含んでよい。最終の積分器段37(または、積分器段が1つだけの場合は積分器段36)の差動出力34は従来技術の差動比較器35の入力に結合する。比較器35の差動出力40は従来技術のデシメーション・フィルタ38および従来技術のフィードバック基準制御回路39の入力に結合する。デシメーション・フィルタ38はSYNC4フィルタで実現してよい。フィードバック基準制御回路39は固定周波数クロック信号φ1およびφ2を作り、また入力サンプリング回路31、積分器36および37、基準電圧サンプリング回路33が必要とする、比較器すなわち量子化器35の出力により周知の方法で決まる別のクロック信号φ1A,φ1B,φ2N,φ2Pを作る(例えば、図1Cを参照)。デシメーション・フィルタ38はディジタル出力信号DOUTを作る。アナログ入力信号VINはデシメーション・クロック信号DCLKにより決まるデータ・レートでディジタル出力信号DOUTに変換される。
導体5上のデシメーション・クロックDCLKは導体4上のサンプリング・クロック信号CLKの周波数FSをデシメーション比Nで割った値と同じ周波数を有する。図4は、従来技術のNで割る回路48によりデシメーション・クロックDCLKを主クロック信号CLKから生成する方法を示す。CLKの周期はサンプリング周波数FSの逆に等しく、デシメーション・クロックDCLKの周期はN/FSに等しい。簡単のため図4ではデシメーション比Nを4としたが、認識されるように、N=4というデシメーション比は低くて実際的でない。適当に長い擬似ランダム・シーケンスを形成するのに実際的なデシメーション比Nは960または恐らく7680であろう。次の図3Aは、デシメーション・クロックDCLKと同期をとってリセットする機能を図2の周波数整形擬似ランダム・シーケンス発生回路1Aに持たせて、自由に動作する擬似ランダム・シーケンス発生器の固有の「ラップ・アラウンド」動作の結果生じる雑音を防ぐ方法を示す。
図5は、伝達関数{(1−Z−N)X}/{(1−Z−1)X}を有するSYNCXフィルタの1つの一般化されたZ領域の実施の形態を示す。ただし、Nはデシメーション比である。スイッチ44はデシメーション・クロックDCLKと同期をとる。これはダウンサンプリングを表す一般的な方法である。図2のSYNC4フィルタ38はx=4の場合であり、4個の積分器と4個のデシメータを含む。しかし、SYNC4フィルタ38は異なる次数のSYNCフィルタでよいことに注意していただきたい。また、他の種類のフィルタも、図2のグラフ「A」で示すリセット周波数スパイクを十分除去することができる。
本発明では、チョッパ安定化デルタ・シグマADC30Aは周波数整形擬似ランダム・チョッパ・クロック信号発生回路1Aを含む。これはデータ出力(DOUT)時間フレームと同期をとって自動的にリセットされ、また少なくとも第1の積分器段36に与えられる(後に続く積分器段37などにも与えられる)チョッパ・クロック信号φCHAおよびφCHBを生成する。各チョッパ・クロック信号は、全ての周知の従来技術のチョッパ安定化デルタ・シグマ・アナログ・ディジタル変換器の場合のような単一の固定周波数ではなく、図1Aに示すように「整形された」周波数スペクトラムを有する。
図2および図6において、種々のグラフの縦軸はVINがゼロのときのDOUTの値で表した出力電圧の大きさを示す。すなわち雑音を表す。図2のグラフAは周波数整形擬似ランダム・チョッパ・クロック発生器の周波数応答を示すもので、f1(0−f1は関心のある帯域である)にスパイクがあり、f2,f3,...,などに高調波スパイクがある。本発明では、デシメーション・クロックDCLKと同期をとって周期的にこれをリセットして、得られたトーンをDOUTデータ・レートで濾波し、後でディジタル・フィルタ38で除去する。図2のグラフBはSYNC4フィルタ38の周波数応答を示す。図6のグラフBは図2のグラフAおよびBで表される周波数応答の畳み込み(例えば、掛け算)を示す。図6のグラフBは、畳み込みの結果図2のチョッパ安定化ADC30Aの雑音レベルが非常に低い(−300dB付近)ことを示す。図2のオーバサンプリング・チョッパ安定化アナログ・ディジタル変換器30Aの−300dBという雑音レベルは図1Aに示す従来技術の−150dB(デシベル)というレベルよりはるかに低くて無視することができる。また、ベースバンドにエリアス・バックされるトーン周波数(相互変調による)はほとんど認められない。
図6の低雑音曲線「B」はSYNC4フィルタ38の周波数応答と周波数整形擬似ランダム・チョッパ・クロック発生回路1Aの周波数応答との畳み込みであって、図2および図3Aに示すような自動リセット構造および動作を有するが、曲線「B」は図2の周波数応答「A」で本発明により生じるf1,f2,f3,...などでの全てのスパイクが実質的に濾波されて除かれることを示す。
図3Aを参照すると、周波数整形擬似ランダム・チョッパ信号発生回路1Aは擬似ランダム・シーケンス発生器11を含む。擬似ランダム・シーケンス発生器11は従来技術の設計でよい。これについては、S.Goloumbの「シフト・レジスタ・シーケンス(Shift Register Sequences)」、Aegan Park Press,Laguna Hills,Calif.,1982、または上に参照した’202特許のブロック12に示すテキストを参照のこと。
図3Aを参照すると、周波数整形擬似ランダム・チョッパ信号発生回路1Aは擬似ランダム・シーケンス発生器11を含む。擬似ランダム・シーケンス発生器11は従来技術の設計でよい。これについては、S.Goloumbの「シフト・レジスタ・シーケンス(Shift Register Sequences)」、Aegan Park Press,Laguna Hills,Calif.,1982、または上に参照した’202特許のブロック12に示すテキストを参照のこと。
図3Bは図3Aの擬似ランダム・シーケンス発生器11の或る実施の形態の詳細なブロック図である。この実施の形態は、Douglas J.Smithの「HDLチップ設計(HDL Chip Design)」、Doone Publications,Madison,Alabama,1996、の180ページに述べられている。図3Bを参照すると、この実施の形態の擬似ランダム・シーケンス発生器11は、CLKに結合するクロック入力とDCLKに結合するセット入力とをそれぞれ有するD型フリップ・フロップ50−0,1,2,...,7を含む。フリップ・フロップ50−7のQ出力は図3Bの導体11Aにより排他的論理和ゲート53の一方の入力に接続し、ゲート53の出力は排他的論理和ゲート51の一方の入力に接続する。排他的論理和ゲート51の出力はフリップ・フロップ50−0のD入力に接続する。フリップ・フロップ50−0,1,...,6のそれぞれのQ出力は次のフリップ・フロップのD入力に接続する。Q出力は擬似ランダム・シーケンス発生器11の「タップ点」であり、図3Bでは、フリップ・フロップ50−3のQ出力は排他的論理和ゲート53の他方の入力に接続する。フリップ・フロップ50−2のQ出力は排他的論理和ゲート52の一方の入力に接続し、ゲート52の出力は排他的論理和ゲート51の他方の入力に接続する。フリップ・フロップ50−1のQ出力は排他的論理和ゲート52の他方の入力に接続する。
擬似ランダム・シーケンス発生器11は本発明に係るDCLKに応じて自動的にリセットしてラップ・アラウンド動作を防ぐよう接続されており、導体11A上に直列の1ビット擬似ランダム信号を作る。導体11Aはディジタル加算器12の第2の入力に接続する。(上に述べたDouglas J.Smithの著書に説明されているように、図3Bに示す擬似ランダム・シーケンス発生器11の種々の排他的論理和ゲートの入力にタップ点の種々の他の接続を行うと種々の擬似ランダム・シーケンスを生成することができることを認識すべきである。)
擬似ランダム・シーケンス発生器1Aはディジタル(アナログではない)の「一次」のデルタ・シグマ変調器2も含む。これは入力を含まない(入力がゼロなので、遅延要素14の出力に入力を加えるために通常はデルタ・シグマ変調器内にあるディジタル加算器は必要ない)。一次のディジタル・デルタ・シグマ変調器2は誤差フィードバック回路内に接続される2個の2ビットのディジタル遅延要素14および15を含む。遅延要素14および15はそれぞれ一対の従来技術のフリップ・フロップで実現してよく、それぞれはディジタル・デルタ・シグマ変調器29のサンプリング・レートFSで動作する主クロック信号CLKに結合するクロック入力を有する。各遅延要素14および15はデシメーション・クロックDCLKに結合するリセット入力も有する。
誤差フィードバック回路は、2ビットのバス18に接続する2ビットの(+)入力を有する2ビットのディジタル加算器16を含む。加算器16は(−)入力も含む。そのMSBは導体17に接続し、2ビットの出力16Aは第1のディジタル遅延要素15の入力に接続する。第1のディジタル遅延要素15の出力は第2のディジタル遅延要素14の入力に接続し、遅延要素14の出力は2ビットのバス18に接続する。遅延要素14の出力は遅延された直列のディジタル信号を2ビットのバス18に与え、この信号は2ビットのディジタル加算器12の第1の入力の2ビットに与えられる。ディジタル加算器12の第2の入力のLSBビットは擬似ランダム・シーケンス発生器11の1ビットの出力に接続する。
実際のところ、導体11A上の1ビットの擬似ランダム信号はデルタ・シグマ変調器2への擬似ランダム・ディザ入力として機能する。2ビットのディジタル加算器12は1ビットの信号を導体19上に作る。これは2ビットの加算器12の出力のMSBなので、導体11A上の1ビットのディジタル信号と2ビットのバス18上の2ビットの誤差フィードバック・データとの和に等しい。したがって、導体19上のMSB加算器出力信号は実際に1ビットのディジタル量子化器として機能する。この1ビットの量子化器機能を図3Aのブロック13で示すが、図3Aの実際の実施の形態では、導体19は導体17に直接接続される。導体17上の1ビットの量子化器信号は導体17上で周波数整形擬似ランダム・クロック信号φCHを構成する。
導体17はφCHを2ビットのディジタル加算器16の(−)入力に与えて、上に述べた周波数整形を行うのに必要なフィードバックを形成する。導体17はまた、2つのチョッパ・クロック信号φCHおよびφCHB生成する従来技術の論理回路41の入力に接続する。ただし、φCHAはφCHに等しく、φCHBとφCHAは位相がずれていて重ならない。図3Aに示すデルタ・シグマ変調器2内で2ビットのフィードバック構造を用いた理由は、この構造が図1Bに示すφCHの周波数スペクトラム内の「A」で示す低周波整形と「B」で示す高周波整形を非常に効率的に行うからである。しかし、1ビットのフィードバック構造またはNビット(Nは2より大きい)のフィードバック構造を用いることもできる。
図1Bに示すチョッパ・クロック周波数スペクトラムを参照すると、周波数整形擬似ランダム・チョッパ・クロック発生器1AはDCオフセットおよび「A」で示す低周波領域内の低周波雑音を減衰させるので、これらの低周波雑音成分は減少する。高周波領域「B」では、最大の高周波トーンが観察されるFS/2で高周波トーン結合は最小になる(FSはデルタ・シグマ変調器29のサンプリング周波数である)。
図3Aの上に述べた1ビットのデルタ・シグマ変調器2はフィードバック遅延を与える。すなわち、2個の2ビットの遅延要素15および14はディジタル量子化器13の1ビット出力17と2ビットのディジタル・バス18上の2ビット語との差分を遅延させる。遅延した2ビット語を、擬似ランダム・シーケンス発生器11が導体11A上に作る1ビットの擬似ランダム・シーケンスに加える。加算器12が作る2ビット語のMSBはその2ビット語の算術符号を表す。導体11A上の擬似ランダム・シーケンスの「1」のビットは導体18上の遅延した2ビット語にLSB値を加えて、量子化レベルの1/2を表す。図3Aに示す誤差フィードバックを持つ上述の一次のディジタル変調器構造はループ・フィードバック回路内で1つではなく2つの遅延を与える。フィードバック内で2つの遅延を与えると、デルタ・シグマ変調器の出力はDCでだけでなくFS/2でも減衰する。これにより、図1Bに示す望ましい周波数形成スペクトラムを有するディジタル・デルタ・シグマ変調器2が得られる。
図3Aに示す誤差フィードバック構造の代わりに、図3Cに示す積分器ベース構造を持つ修正ディジタル・デルタ・シグマ変調器を用いてよいことに注意していただきたい。図3Cで、一次のディジタル・デルタ・シグマ変調器2Aは第1の遅延要素23および第2の遅延要素22を含む。遅延要素23の入力は2ビットのディジタル加算器24の出力に接続する。遅延要素23の出力は遅延要素22の入力に接続し、遅延要素22の出力は2ビットのバス25により2ビットのディジタル加算器21の第1の入力に接続する。図3Aと同様に、擬似ランダム・シーケンス発生器11が作る出力シーケンス11Aは、図3Cではディジタル加算器21の第2の入力のLSBに与えられる。
ディジタル加算器21のMSBは図3Aと同様に量子化器として機能して導体17上にφCHを作り、これは2ビットのディジタル加算器24の第1の入力のMSBにフィードバックされる。2ビットのディジタル加算器24の出力は遅延要素23の入力に接続する。バス25上の2ビットのディジタル信号は2ビットのディジタル加算器24の第2の入力にフィードバックされる。ディジタル・デルタ・シグマ変調器2Aは、図3Cの構造内に更に多くのまたは更に少ない積分器を設けることにより、それぞれ更に低次のまたは更に高次のデルタ・シグマ変調器にすることができる。図3Aおよび図3Bのディジタル・デルタ・シグマ変調器構造は共に1ビットの出力を出し、共にディザをLSB入力として用いて出力スペクトラムを平滑し、入力を持たず(すなわち、暗にゼロ入力)、またチョッパ・クロック・エネルギーを拡散させる望ましいスペクトラムとDCおよびDC付近での低レベルのチョッパ・クロック・エネルギーとを達成するのに適した任意の次数でよい。
このように、上記の回路は導体17上に作られる擬似ランダム・チョッパ・クロックφCHのスペクトラムを周波数整形して図1Bのグラフに示すチョッパ・クロック・エネルギーのスペクトラムを形成することにより、チョッパ安定化のアナログ変調器の任意のDC入力レベルでの相互変調に対する感度を減らすことができる。
キャリア信号の擬似ランダム拡散をスペクトラム全体で行うと多くのエネルギーが特定の帯域内に集中するのを防ぐことができる。これを、図3Aの2ビットのディジタル・デルタ・シグマ変調器2で達成される「周波数整形」φCHと組み合わせると、上に述べた相互変調に対するデルタ・シグマ変調器30Aの感度が下がる。図3Aに示す誤差フィードバックを持つ上に述べた一次のディジタル変調器構造はループ・フィードバック回路内で1つではなく2つの遅延を与える。フィードバック内で2つの遅延を与えると、デルタ・シグマ変調器の出力はDCでだけでなくFS/2でも減衰する。これにより、図1Bに示す望ましい周波数整形スペクトラムを有するディジタル・デルタ・シグマ変調器2が形成され、チョッパ安定化のアナログ変調器の任意のDC入力レベルでの相互変調に対する感度を下げることができる。
本発明の上述のチョッパ安定化アナログ・ディジタル変換器30Aは米国特許第6,201,835号の一次の雑音整形擬似チョッピング方式の問題を防ぐ。上記特許ではチョッピング・エネルギーをランダム化するので、FS/2付近の固定周波数成分はベースバンドに「ビート」バックしない。前に述べたように、従来技術の図1Aに示す擬似乱数発生器1Aの長さは有限なので「ラップ・アラウンド」動作が起こって、特にデシメーション比Nが高いときに周期的スパイク雑音を生成する。また、関心のある帯域内にオフセット電圧の関数であるチョッピング残留信号が残って高い雑音を生成する。これらの2種類の雑音は、従来技術の図1に示す従来技術のチョッパ安定化アナログ・ディジタル変換器30の変換精度を低下させる。
しかし、図2のチョッパ安定化アナログ・ディジタル変換器30A内の擬似ランダム・チョッパ・クロック回路1Aの自動リセットを用いてその擬似ランダム・シーケンス発生器をデータ出力レートで自動的に反復してリセットすることにより、2種類の雑音はなくなる。例えば10Hz,30Hz,40Hz,...で「ゼロ」になる10Hzのデータ出力レートを持つSYNC4デシメーション・フィルタ38を用いると、SYNC4デシメーション・フィルタ38が機能して、図2の曲線「B」で示す周波数応答特性を与えることにより、10Hzで擬似ランダム・シーケンス発生器1Aをリセットするときに生じるエネルギー・スパイクを抑える。図2の周波数応答「A」および「B」の畳み込みにより図6の下側の曲線「B」に示す約−300dBという非常に低いレベルと、チョッパ安定化デルタ・シグマ・アナログ・ディジタル変換器30Aが得られる。
いくつかの特定の実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明の範囲から逸れない限り、当業者は上に説明した実施の形態に種々の修正を加えてよい。
例えば、スイッチド・キャパシタ・デルタ・シグマ変調器に関して上に述べたチョッパ・安定化技術は「連続時間」デルタ・シグマ変調器にも適用できる。「連続時間」という用語は、スイッチド・キャパシタ・ネットワークの代わりに抵抗器または電流源を用いるデルタ・シグマ変調器などの回路を指す。したがって、「連続時間」デルタ・シグマ変調器内の積分器が積分する電荷は、スイッチド・キャパシタ・デルタ・シグマ変調器における離散的な量ではなく、連続的に積分される。したがって「連続時間」と呼ぶ。また、ここで述べた周波数整形擬似ランダム・チョッピングは、積分器の外部ではなく内部にあって内部から積分器の入力または出力に結合されるチョッパ・スイッチに適用される。
例えば、スイッチド・キャパシタ・デルタ・シグマ変調器に関して上に述べたチョッパ・安定化技術は「連続時間」デルタ・シグマ変調器にも適用できる。「連続時間」という用語は、スイッチド・キャパシタ・ネットワークの代わりに抵抗器または電流源を用いるデルタ・シグマ変調器などの回路を指す。したがって、「連続時間」デルタ・シグマ変調器内の積分器が積分する電荷は、スイッチド・キャパシタ・デルタ・シグマ変調器における離散的な量ではなく、連続的に積分される。したがって「連続時間」と呼ぶ。また、ここで述べた周波数整形擬似ランダム・チョッピングは、積分器の外部ではなく内部にあって内部から積分器の入力または出力に結合されるチョッパ・スイッチに適用される。
また、図3Aで上に述べた擬似ランダム雑音整形チョッピングは、「一次」の雑音整形擬似ランダム・チョッピングを示すが、遅延要素14および15および加算器16を含むループなどの1つ以上の別のループを追加することにより二次または高次のチョッピングを容易に形成することができる。二次の擬似ランダム雑音整形チョッピングは1つではなく2つの遅延を与えて、DCで1つではなく2つの「ゼロ」を与え、またFS/2で1つではなく2つの「ゼロ」を与える。
Claims (12)
- デルタ・シグマ変調器であって、
(a)チョッパ安定化積分器であって、前記積分器の入力に結合する複数のチョッパ安定化入力スイッチと前記積分器の出力に結合する複数のチョッパ安定化出力スイッチとを含むチョッパ安定化積分器と、
(b)前記積分器の出力に結合する入力を有する量子化器と、
(c)切換え基準フィードバック回路により制御されかつ前記積分器の入力に結合する出力を有する入力信号取得回路と、
(d)擬似ランダム・シーケンス発生器を含みかつ周波数整形擬似ランダム・クロック信号を作る周波数整形擬似ランダム・チョッパ・クロック信号発生回路と、
(e)チョッパ安定化デルタ・シグマ変調器のディジタル出力と同期をとって擬似ランダム・シーケンス発生器をリセットして、前記擬似ランダム・シーケンス発生器のラップ・アラウンド動作を防ぐリセット回路と、
(f)周波数整形擬似ランダム・クロック信号に応じてチョッパ・クロック信号を作り、種々の前記チョッパ安定化入力スイッチとチョッパ安定化出力スイッチを制御する論理回路と、
を備えるデルタ・シグマ変調器。 - 前記周波数整形擬似ランダム・シーケンス発生器はディジタル・デルタ・シグマ変調器を含み、前記ディジタル・デルタ・シグマ変調器は、フィードバック遅延回路と、前記擬似ランダム・シーケンス発生器が作る擬似ランダム・シーケンス信号と前記フィードバック遅延回路が作る誤差フィードバック信号とを入力として受けまた前記擬似ランダム・シーケンス信号および誤差フィードバック信号に応じて前記周波数整形擬似ランダム・クロック信号を作る1ビット量子化器として機能する第1のディジタル加算器と、前記周波数整形擬似ランダム・クロック信号および誤差フィードバック信号に応じて前記フィードバック遅延回路への入力としてディジタル誤差信号を作る第2のディジタル加算器とを含む、請求項1記載のデルタ・シグマ変調器。
- 前記量子化器の出力に結合する入力を有するデシメーション・フィルタを含み、前記リセット回路は前記デルタ・シグマ変調器のサンプリング周波数で動作するクロック信号をデシメーション比で割ってデシメーション・クロック信号を作る割り算回路を含み、また前記擬似ランダム・シーケンス発生器は前記クロック信号でクロックされかつ前記デシメーション・クロック信号に結合するリセット入力を有する一連の記憶要素を含み、また前記デシメーション・フィルタは前記クロック信号でクロックされて前記デシメーション・クロック信号の周波数でディジタル出力語を作る、請求項2記載のデルタ・シグマ変調器。
- 前記記憶要素はD型フリップ・フロップを含み、種々のD型フリップ・フロップの出力は排他的論理和回路の入力に結合して第1のD型フリップ・フロップのD入力に結合する出力を作る、請求項3記載のデルタ・シグマ変調器。
- 前記周波数整形擬似ランダム・クロック信号は前記第2のディジタル加算器の第2の入力のMSBに与えられる1ビットの量子化信号を構成する、請求項2−4のいずれか一項記載のデルタ・シグマ変調器。
- 前記フィードバック遅延回路は前記誤差信号を所定の量だけ2度遅延させて、ゼロ周波数付近および或る周波数付近の減衰を大きくする、請求項2−4のいずれか一項記載のデルタ・シグマ変調器。
- 前記デルタ・シグマ変調器は1ビットのデルタ・シグマ変調器であり、前記第1および第2のディジタル加算器は2ビットの加算器であり、前記第1のディジタル加算器は前記擬似ランダム・シーケンス発生器からの1ビットの出力信号を受ける第1のLSB入力を有し、また前記第2の加算器は前記誤差信号を2ビットの信号として作り、前記フィードバック遅延回路は前記誤差フィードバック信号を2ビットの信号として作る、請求項2−4のいずれか一項記載のデルタ・シグマ変調器。
- チョッパ安定化積分器の入力に結合する出力を有する入力信号取得回路と、前記積分器の出力に結合する入力を有する量子化器とを含むチョッパ安定化変調器の感度を下げる方法であって、
(a)擬似ランダム・シーケンス発生器を含む周波数整形擬似ランダム・チョッパ・クロック信号発生回路により周波数整形擬似ランダム・クロック信号を作り、
(b)前記チョッパ安定化デルタ・シグマ変調器のディジタル出力と同期をとって前記擬似ランダム・シーケンス発生器を自動的にリセットして前記擬似ランダム・シーケンス発生器のラップ・アラウンド動作を防ぐことによりかかるラップ・アラウンド動作の結果生じる雑音を防ぐ、
チョッパ安定化変調器の感度を下げる方法。 - 前記周波数整形擬似ランダム・クロック信号に応じてチョッパ・クロック信号を作り、前記チョッパ信号を与えて前記チョッパ安定化デルタ・シグマ変調器の種々のチョッパ安定化入力スイッチおよびチョッパ安定化出力スイッチを制御することを含む、請求項8記載のチョッパ安定化変調器の感度を下げる方法。
- ステップ(a)は、
1.擬似ランダム・シーケンス信号を第1の加算器の第1の入力に与え、
2.誤差フィードバック信号を前記第1の加算器の第2の入力と第2の加算器の第1の入力とに与え、
3.前記第1の加算器に応じて量子化信号を作り、前記量子化信号を前記第2の加算器の第2の入力のMSBに与え、
4.前記量子化信号と前記第2の加算器による前記誤差フィードバック信号との差を表す誤差信号を作り、
5.前記誤差信号を所定の量だけ遅延させて前記誤差フィードバック信号を作り、DCとチョッピング周波数との間の広い周波数スペクトラム全体に前記量子化信号のエネルギーを拡散させ、
6.前記量子化信号から一対の位相のずれた、重ならないチョッピング信号を作り、前記チョッピング信号をチョッパ安定化増幅器の対応するチョッパ・スイッチに与える、
請求項8または9記載のチョッパ安定化変調器の感度を下げる方法。 - 前記誤差信号を所定の量だけ2度遅延させて、DC付近および周波数FS/2付近の減衰を大きくする、ただし、FSは入力サンプリング周波数である、請求項10記載のチョッパ安定化変調器の感度を下げる方法。
- デルタ・シグマ変調器であって、
(a)チョッパ安定化積分器の入力に結合する出力を有する入力信号取得回路と、前記積分器の出力に結合する入力を有する量子化器と、
(b)周波数整形擬似ランダム・クロック信号を作る手段と、
(c)前記チョッパ安定化デルタ・シグマ変調器のディジタル出力と同期をとって擬似ランダム・シーケンス発生器をリセットして前記擬似ランダム・シーケンス発生器のラップ・アラウンド動作を防ぐことによりかかるラップ・アラウンド動作の結果生じる雑音を防ぐ手段と、
を備えるデルタ・シグマ変調器。
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