(57)【要約】【課題】直流信号を含む低周波信号から高周波信号まで取り扱え、かつ、低ノイズ、低歪みなシングルエンド・差動信号変換器を提供する。【解決手段】上記課題は、シングルエンド信号の直流および低周波成分と、前記同相電圧信号とを混合して低周波伝送信号を生成する低周波伝送段と、前記シングルエンド信号の高周波成分と、前記低周波伝送信号を混合して前記差動信号を生成する高周波伝送段とを有するシングルエンド・差動信号変換器により解決される。【選択図】図４
2004312587.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シングルエンド信号の入力端と、
同相電圧信号の入力端と、
差動信号の出力端と、
前記シングルエンド信号の直流および低周波成分と、前記同相電圧信号とを混合して低周波伝送信号を生成する低周波伝送段と、
前記シングルエンド信号の高周波成分と、前記低周波伝送信号を混合して前記差動信号を生成する高周波伝送段とを有するシングルエンド・差動信号変換器。
【請求項２】
前記高周波伝送段が複数のトランスを有し、前記高周波成分を前記複数のトランスの一次側に入力し、かつ、前記低周波伝送信号を前記複数のトランスの二次側の中点入力端子に入力する請求項１記載のシングルエンド・差動信号変換器。
【請求項３】
前記高周波伝送段が、同相電圧入力端子を有する複数の単電源型差動アンプを有し、前記低周波伝送信号を前記同相電圧入力端子に入力する請求項１記載のシングルエンド・差動信号変換器。
【請求項４】
シングルエンド信号の直流及び低周波成分と同相電圧信号を混合して低周波伝送信号を生成するステップと、
前記シングルエンド信号の高周波成分と前記低周波伝送信号を混合して差動信号を生成するステップと、
前記差動信号をデジタル信号に変換するステップを有するアナログ・デジタル変換方法。
【請求項５】
測定信号を入力する信号入力手段と、
同相電圧信号発生手段と、
前記測定信号の直流及び低周波成分と前記同相電圧信号を混合して低周波伝送信号を生成する低周波伝送手段と、
前記測定信号の高周波成分と前記低周波伝送信号を混合して差動信号を生成する差動信号生成手段と、
前記差動信号をデジタル信号に変換するアナログ・デジタル変換手段と、
前記デジタル信号を処理する信号処理手段を有する測定器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シングルエンド信号を差動信号に変換する変換器および方法に関し、特に、計測、通信などの分野で一般的に使われる高速、広帯域、低ノイズ、低歪み、かつ、差動入力をもつアナログ・デジタル変換器（以下「ＡＤＣ」という）の前段でシングルエンド信号を差動信号に変換する変換器および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、計測や、人工衛星、無線基地局を含む通信システムなどで利用されるＡＤＣは、差動入力のＡＤＣが利用されることが多い。これは、差動の各ラインの信号振幅がシングルエンドに比べて半分であるため歪みが生じにくく、ＡＤＣの前段回路で発生した偶数次の歪みや同相成分ノイズをＡＤＣの差動入力でキャンセルできるため、広帯域、低ノイズ、低歪みといった特性を実現することができるためである。しかし、入力信号がシングルエンド信号の場合には、ＡＤＣの前段にシングルエンド信号を差動信号に変換する信号変換器を設置する必要がある。
【０００３】
このような変換器として図１に示したような二次側に中点入力端子を持つ広帯域パルストランス１０を用いたシングルエンド・差動信号変換器が一般的である（非特許文献１参照）。ＡＤＣ１１は単電源１０２ゆえ、広帯域パルストランス１０の二次側中点に、電源電圧の半分程度の同相電圧信号１０１を与えている。広帯域パルストランス１０は一般に５００ＭＨｚ以上の高周波を伝送することができる受動部品であり、原理的にノイズが発生せず、コア材が飽和しない限り歪みも発生しないという優れた長所を持つ。このため、低ノイズ、低歪み性能を持つＡＤＣ１１の高周波特性を限りなく引き出すことができる。しかし、トランスは低周波信号を通さないため、低周波を含んだノイズ解析（ＦＦＴ）など、直流や低周波信号も測定対象となる計測器のフロントエンド回路などには利用することができない。
【０００４】
直流信号や低周波信号を含む信号を扱う場合には、一般的に、図２（ａ）にような汎用型オペアンプ１２〜１４を使ってＡＤＣ１１入力に必要な同相電圧信号１０１を与えながら反転、非反転の差動信号を作るか、図２（ｂ）のように同相電圧信号入力を有する汎用型両電源・差動アンプ１５を用いた回路が一般的である（非特許文献２参照）。しかし、これらの変換器は能動部品を利用しているため、無視できない量のノイズが発生する。また、高速な信号を扱うためには集中定数で扱える程度に回路全体をコンパクトに作る必要があるが、部品数が多いと回路規模が大きくなり高周波特性の悪化がしてしまう。この点、図２（ｂ）の回路構成はシンプルであるが、汎用型両電源・差動アンプ１５は、一般にゲイン・バンド幅が低いため高周波での歪みが大きくなってしまう。すなわち、図２のように汎用型オペアンプを使用した前段回路は、直流を含む低周波特性が良い反面、高周波特性やノイズ、歪みといった特性が悪いという欠点を有する。
【０００５】
また、図３のように単電源型の差動アンプ１６を使用すると、アンプ単体では広帯域、低ノイズ、低歪みの信号処理ができるが、単電源ゆえに同相電圧信号１０１が必要となる（非特許文献３参照）。この同相電圧信号１０１を加算するために、図３（ａ）にようにゲイン・バンド幅は低い両電源型の差動アンプ１７を単電源型の差動アンプ１６の前段に追加すると、変換器全体として高周波特性が劣化する。また、図３（ｂ）のように単電源型の差動アンプ１６をＡＣ結合で使用すると、アンプ１６に内蔵されているバイアス回路で同相電圧信号１０１を加算でき、広帯域、低ノイズ、低歪みといった特性を実現できるが、信号入力前段にあるコンデンサ１８で低周波成分がカットされるため、直流信号や低周波信号を扱うことができず、特に計測器などの前段回路に用いることはできない。
【０００６】
【非特許文献１】
ＡＤ６６４４データシート、ｐ．１２  図１０、［ｏｎｌｉｎｅ］、アナログ・デバイセズ社、［平成１５年３月１４日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｎａｌｏｇ．ｃｏｍ／Ａｎａｌｏｇ＿Ｒｏｏｔ／ｐｒｏｄｕｃｔＰａｇｅ／ｐｒｏｄｕｃｔＨｏｍｅ／０，２１２１，ｇｅｎｅｒｉｃ％２５３ＤＡＤ６６４４％２５２６ｌｅｖｅｌ４％２５３Ｄ％２５２５２Ｄ１％２５２６ｌｅｖｅｌ１％２５３Ｄ２９２％２５２６ｌｅｖｅｌ２％２５３Ｄ％２５２５２Ｄ１％２５２６ｌｅｖｅｌ３％２５３Ｄ％２５２５２Ｄ１％２５２６ｍｅｔａＩｄ％２５３Ｄ４５１％２５２６ｒｅｓｏｕｒｃｅＷｅｂＬａｗＩＤ％２５３Ｄ１３，００．ｈｔｍｌ＞
【非特許文献２】
ＡＤ９４３２データシート、ｐ．１１  図１０、［ｏｎｌｉｎｅ］、アナログ・デバイセズ社、［平成１５年３月１４日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｎａｌｏｇ．ｃｏｍ／Ａｎａｌｏｇ＿Ｒｏｏｔ／ｐｒｏｄｕｃｔＰａｇｅ／ｐｒｏｄｕｃｔＨｏｍｅ／０，２１２１，ｇｅｎｅｒｉｃ％２５３ＤＡＤ９４３２％２５２６ｌｅｖｅｌ４％２５３Ｄ％２５２５２Ｄ１％２５２６ｌｅｖｅｌ１％２５３Ｄ２９２％２５２６ｌｅｖｅｌ２％２５３Ｄ％２５２５２Ｄ１％２５２６ｌｅｖｅｌ３％２５３Ｄ％２５２５２Ｄ１％２５２６ｍｅｔａＩｄ％２５３Ｄ９９６％２５２６ｒｅｓｏｕｒｃｅＷｅｂＬａｗＩＤ％２５３Ｄ１３，００．ｈｔｍｌ＞
【非特許文献３】
ＡＤ８３５１データシート、ｐ．１２  図８、［ｏｎｌｉｎｅ］、アナログ・デバイセズ社、［平成１５年３月１４日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｎａｌｏｇ．ｃｏｍ／Ａｎａｌｏｇ＿Ｒｏｏｔ／ｐｒｏｄｕｃｔＰａｇｅ／ｐｒｏｄｕｃｔＨｏｍｅ／０，２１２１，ｇｅｎｅｒｉｃ％２５３ＤＡＤ８３５１％２５２６ｌｅｖｅｌ４％２５３Ｄ％２５２５２Ｄ１％２５２６ｌｅｖｅｌ１％２５３Ｄ２９２％２５２６ｌｅｖｅｌ２％２５３Ｄ％２５２５２Ｄ１％２５２６ｌｅｖｅｌ３％２５３Ｄ％２５２５２Ｄ１％２５２６ｍｅｔａＩｄ％２５３Ｄ２５４９％２５２６ｒｅｓｏｕｒｃｅＷｅｂＬａｗＩＤ％２５３Ｄ１３，００．ｈｔｍｌ＞
【０００７】
【発明の解決すべき課題】
このように、ＡＤＣなどの機能部品は、広帯域化、低ノイズ化、低歪み化が図られているが、直流信号を含む低周波信号から高周波信号まで取り扱え、かつ、低ノイズ、低歪みであるような前段回路が存在しないため、システム全体の特性が劣化してしまうという技術課題があった。
本発明は、広帯域、低ノイズ、低歪みなシングルエンド・差動信号変換器を提供することにより、上記課題を解決する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した本発明の課題は、前記シングルエンド信号の直流および低周波成分と、前記同相電圧信号とを混合して低周波伝送信号を生成する低周波伝送段と、前記シングルエンド信号の高周波成分と前記低周波伝送信号を混合して前記差動信号を生成する高周波伝送段とを有するシングルエンド・差動信号変換器により解決される。
【０００９】
この装置によれば、入力信号を、直流信号も伝送可能な低周波伝送部と、低ノイズ、低歪み特性を有する高周波伝送部の双方に入力することによって、広帯域化を実現するとともに、低周波伝送部で同相電圧信号を混合し、この混合した低周波伝送信号を高周波伝送部で混合するため、高周波特性を損なうことなく、シングルエンド信号を差動信号に変換することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、本発明の好適実施形態となるシングルエンド・差動信号変換器および同変換器を利用したアナログ・デジタル変換方法と測定器について詳細に説明する。
【００１１】
図４は本発明の好適実施形態となるシングルエンド・差動信号変換器の全体の構成を示す。
図４において、低周波伝送段２００は、高インピーダンス入力差動増幅部２３と、差動信号生成部２４、２５と、同相電圧信号加算部２６、２７により構成される。また、高周波伝送段２０１は、二次側に中点入力端子を有し、一致した特性を有する一対のパルストランス２０、２１で構成される。
入力信号１００は、高インピーダンス入力差動増幅部２３と、パルストランス２０、２１の一次側の始点に供給される。高インピーダンス入力差動増幅部２３は、差動信号生成部２４、２５が入力信号１００のライン・インピーダンスに影響を与えないようにするバッファであり、差動増幅器を利用して構成されている。高インピーダンス入力差動増幅部２３の出力信号は、一致した特性をもつ一対の両電源オペアンプで構成される差動信号生成部２４、２５に供給される。差動信号生成部２４、２５の出力はそれぞれ、一致した特性をもつ一対の両電源オペアンプで構成される同相電圧信号加算部２６、２７の−端子に供給される。一方、同相電圧信号加算部２６、２７の＋端子には、同相電圧信号１０１が入力される。同相電圧信号加算部２６、２７の出力である低周波伝送信号１０３、１０４は、それぞれパルストランス２０、２１の二次側の中点入力端子に接続されている。パルストランス２０の二次側の終点とパルストランス２１の二次側の始点は接地されている。パルストランス２０の二次側の始点とパルストランス２１の二次側の終点は、差動入力型ＡＤＣ１１に接続されている。
【００１２】
次に、図４の回路の動作を説明する。シングルエンド信号の入力信号１００は、低周波増幅段２００と高周波増幅段２０１に入力される。低周波増幅段２００に入力された信号は、高インピーダンス入力差動増幅部２３を経て、差動信号生成部２４、２５に入力される。差動信号生成部２４、２５はそれぞれ、正相信号と逆相信号を担っている。差動信号生成部２４、２５の出力は同相電圧信号加算部２６、２７に入力され、入力信号１００の低周波成分を増幅するとともに、ＡＤＣ１１入力に必要な同相電圧信号１０１を重畳して、低周波伝送信号１０３、１０４が生成される。このように、低周波増幅段２００の各部は歪やノイズ性能を確保するために汎用両電源オペアンプを帯域制限して使用しているため、入力信号１００の高周波成分はほとんど通過せず、主に直流を含めた低周波信号が伝送される。
一方、高周波増幅段２０１では、一対のパルストランス２０、２１がそれぞれ、正相信号と逆相信号を伝送する。パルストランス２０、２１は、一次側から二次側に低周波成分を伝送することはできないため、入力信号１００のうち主に高周波成分が伝送される。伝送された二次側で、入力信号１００の高周波成分と同相電圧信号１０１が重畳された低周波伝送信号１０３、１０４を混合することにより、差動信号を生成する。差動信号は、ＡＤＣ１１でアナログ・デジタル変換される。
【００１３】
このように、入力信号１００を、直流信号も伝送可能な低周波伝送部と、低ノイズ、低歪み特性を有する高周波伝送部の双方に入力し、それぞれシングルエンド・差動信号変換を行うことによって、広帯域化を実現している。低周波伝送段２００は５つものオペアンプによって構成されているため回路規模が大きくなるが、扱う周波数が集中定数の非常に大きい直流を含む低周波であるため、回路規模の大型化によって特性が劣化することはない。また、高周波伝送段２０１は受動部品であるパルストランス２０、２１で構成されているため、図１の回路と同等の低ノイズ、低歪み特性を有する。
図５は、図１の従来技術との伝送周波数特性を比較した図である。グラフの横軸は入力信号１００の周波数、縦軸はシングルエンド・差動信号変換器の入出力間の信号減衰率を示している。図５（ａ）は図１の従来技術の伝送特性であり、１０ｋＨｚ以下の周波数で伝送特性が急激に劣化している。他方、図５（ｂ）に示す本実施形態の特性は、リニアテクノロジー社のＬＴ１００７オペアンプを用いて図５（ｃ）に示すような周波数特性を有する低周波伝送部を設けたため、低周波から高周波まで非常にフラットな周波数特性を有する。このことから、本実施形態の変換器では、低周波伝送段２００と高周波伝送段２０１が互いに補完しあって、非常に広帯域の変換器が実現できていることがわかる。
【００１４】
（実施形態の変形例）
次に、本発明の実施形態の変形例を図６に示す。図６の変換器も、図４の変換器と同様に低周波伝送段２００と高周波伝送段２０１で構成される。また、低周波伝送部２００の構成と動作は前述した実施形態と同じである。本実施形態は高周波伝送段２０１が、特性が一致した一対の単電源型差動増幅器３０、３１で構成されている点が、前述した実施形態と異なる。単電源型差動増幅器３０、３１は、それぞれ正相と逆相の信号伝送を担っている。単電源差動増幅器は、図３（ｂ）と同様にＡＣ結合で信号入力１００する必要があるため、コンデンサを介して入力信号１００を増幅器３０、３１に入力している。また、低周波伝送信号１０３、１０４を同相電圧入力端子から入力して増幅器内部のバイアス回路により高周波成分と混合して、差動信号を得ている。差動信号は差動入力型ＡＤＣ１１でアナログ・デジタル変換される。
【００１５】
このように、直流を含む低周波伝送部２００と高周波伝送部２０１を分離し、高周波伝送部を高周波数特性のよい単電源型差動増幅器３０、３１で構成することによって、増幅器３０、３１本来の低ノイズ、低歪み特性を発揮させつつ、直流信号から高周波信号までのシングルエンド・差動信号変換を行うことができる。
表１は、図２（ｂ）の従来技術と本実施形態の高調波歪率を比較した図である。表から従来技術に比べて前周波数領域で高調波歪率が小さくなっていることがわかる。
【００１６】
【表１】
2004312587.tif 000003
【００１７】
図７は、前述した実施形態で示したシングルエンド・差動信号変換器を利用した測定器のブロック図である。外部信号源３０４から入力された信号は、それぞれに接続されているシングルエンド・差動信号変換器３０１を経てＡＤＣ３０２で変換されてデジタル信号処理装置３０３でデータ処理される。また、同相信号発生器３０５は、シングルエンド・差動信号変換器３０１で必要な同相電圧信号を発生し、変換器３０１に供給する。シングルエンド・差動信号変換器３０１は、前述した実施形態のものを利用している。このため、直流から高周波まで広域の測定が可能となる。また、シングルエンド・差動信号変換器３０１が低ノイズであるため、小さな入力信号も測定可能となる。
なお、図７では信号入力源として、外部信号源３０４のみを示したが、シングルエンド信号を供給する信号源や入力デバイスであればこれら以外のものでもよい。
【００１８】
上述した実施形態およびその変形例は、特許請求の範囲に記載した本発明の説明のための一実施形態にすぎず、特許請求の範囲で示した権利範囲内において種々の変形を行うことができることは、当業者にとって明らかである。また、上述した実施形態では、ＡＤＣの前段回路としてシングルエンド・差動信号変換器を利用した例を示したが、本発明は、ＡＤＣの前段に限らず、広帯域が求められるシングルエンド・差動信号変換器が必要な分野で広く利用できる。
【００１９】
最後に、本発明の実施態様の一部をまとめて示す。
（実施態様１）
シングルエンド信号の入力端と、同相電圧信号の入力端と、差動信号の出力端と、前記シングルエンド信号の直流および低周波成分と、前記同相電圧信号とを混合して低周波伝送信号を生成する低周波伝送段と、前記シングルエンド信号の高周波成分と、前記低周波伝送信号を混合して前記差動信号を生成する高周波伝送段とを有するシングルエンド・差動信号変換器。
【００２０】
（実施態様２）
前記高周波伝送段が複数のトランスを有し、前記高周波成分を前記複数のトランスの一次側に入力し、かつ、前記低周波伝送信号を前記複数のトランスの二次側の中点入力端子に入力する実施態様１記載のシングルエンド・差動信号変換器。
【００２１】
（実施態様３）
前記高周波伝送段が同相電圧入力端子を有する複数の単電源型差動アンプを有し、前記低周波伝送信号を前記同相電圧入力端子に入力する実施態様１記載のシングルエンド・差動信号変換器。
【００２２】
（実施態様４）
シングルエンド信号の直流及び低周波成分と同相電圧信号を混合して低周波伝送信号を生成するステップと、前記シングルエンド信号の高周波成分と前記低周波伝送信号を混合して差動信号を生成するステップと、前記差動信号をデジタル信号に変換するステップを有するアナログ・デジタル変換方法。
【００２３】
（実施態様５）
測定信号を入力する信号入力手段と、同相電圧信号発生手段と、前記測定信号の直流及び低周波成分と前記同相電圧信号を混合して低周波伝送信号を生成する低周波伝送手段と、前記測定信号の高周波成分と前記低周波伝送信号を混合して差動信号を生成する差動信号生成手段と、前記差動信号をデジタル信号に変換するアナログ・デジタル変換手段と、前記デジタル信号を処理する信号処理手段を有する測定器。
【００２４】
【発明の効果】
本発明により、直流信号を含む低周波信号から高周波信号まで取り扱え、かつ、低ノイズ、低歪みであるようなシングルエンド・差動信号変換ができるという効果を奏する。本発明に係る変換器を利用して広帯域ＡＤＣの前段回路に利用することにより、広帯域ＡＤＣの性能を発揮したアナログ・デジタル変換を行うことができ、特に測定の分野で広帯域かつ小信号の測定が可能になるという効果も奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の代表的なシングルエンド・差動信号変換器を示す図である。
【図２】従来の代表的なシングルエンド・差動信号変換器を示す図である。
【図３】従来の代表的なシングルエンド・差動信号変換器を示す図である。
【図４】本発明の好適実施形態の回路図である。
【図５】従来技術と本発明の好適実施形態の周波数特性と示す図である。
【図６】本発明の好適実施形態の変形例を示す回路図である。
【図７】本発明の測定器に係る好適実施形態を示すブロック図である。
【符号の説明】
１１    アナログ・デジタル変換器
２０、２１    パルストランス
２３    高インピーダンス入力差動増幅部
２４、２５    差動信号生成部
２６、２７    同相電圧信号加算部
３０、３１    単電源型差動増幅器
１００    入力信号
１０１    同相電圧信号
１０３、１０４    低周波伝送信号
２００    低周波伝送段
２０１    高周波伝送段
３０１    シングルエンド・差動信号変換器
３０２    アナログ・デジタル変換器
３０３    デジタル信号処理装置
３０５    同相信号発生器
【図１】
2004312587.tif 000004
【図２】
2004312587.tif 000005
【図３】
2004312587.tif 000006
【図４】
2004312587.tif 000007
【図５】
2004312587.tif 000008
【図６】
2004312587.tif 000009
【図７】
2004312587.tif 000010