(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１個又はそれ以上の積分段（Ａ）と、前記積分段に対してカスケード接続されておりその絶対値に拘らずに入力信号が正である場合には論理値＋１であり一方入力信号が負である場合には論理値−１であるシグマデルタ変調器の出力信号を発生する比較器（Ｃｏｍｐ）と、少なくとも１個のローパスフィルタ（Ｂ）及び前記ローパスフィルタ（Ｂ）によってフィルタされたフィードバック信号を前記積分段（Ａ）のうちの最後のものによって出力される信号へ加算する加算器手段を有するフィードバックラインとを有する二次又はより高次のシグマデルタ変調器において、
前記第一比較器（Ｃｏｍｐ）の入力端と共通接続されている入力端を具備しており且つ入力信号が正である場合には正の値であり且つ入力信号が負である場合には負の値の論理信号を出力する第二比較器（Ｃｏｍｐ２）を有しており、前記論理信号は、入力信号が増加する値の１つ又はそれ以上の所定のスレッシュホールドを超える場合に論理レベルが増加し、且つ前記出力論理信号が前記ローパスフィルタ（Ｂ）の入力端へ供給されることを特徴とするシグマデルタ変調器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大略、デジタル・アナログ変換器及びアナログ・デジタル変換器に関するものであって、更に詳細には、これらの変換器において使用されるシグマデルタ変調器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
デジタル・アナログ変換器及びアナログ・デジタル変換器において使用されているシグマデルタ変調器、特に、高次（≧２）のものは、不安定性問題を有している蓋然性があり、それは正確にチェックされねばならない。シグマデルタ変調器は図１に示したように表わすことが可能である。
【０００３】
このような構成の機能は、その品質を不変状態に維持しながらデジタル入力信号（ＩＮ）の「精度」を減少させることである。このことは、精密ビットのうちの幾つかを除去する量子化器を使用することによって行なわれ、一方フィードバックブロックが該量子化器によって導入されるノイズを信号の周波数帯域と異なる周波数帯域内に維持する。極端な場合には、量子化器は信号を１ビットへ減少させ、従ってその機能は単純な比較器で実現することが可能である。
【０００４】
図１に示したシステムの性能の完全なる解析は、線形回路を解析するために使用される通常の技術を使用して行うことは不可能である。何故ならば、非線形ブロック（量子化器）が存在しているからである。然しながら、システムの挙動の定性的な表示を与えることが可能なモデルを得るために該変調器の線形化を行うことが可能である。これを行うために、量子化器はノイズ「ｑ」（付加的ホワイトノイズと仮定）の外部的供給源としてモデル化し、従ってシステムから非線形ブロックを取除き、その後に入力信号及び付加されたノイズの出力信号への貢献分を検討する。この方法は図２に示したようになる。
【０００５】
図２のブロック図を解くと、以下の式が得られる。
【０００６】
Ｏｕｔ（ｚ）＝Ｉｎ（Ｚ）×［Ａ（Ｚ）／｛１−Ｂ（Ｚ）｝］＋ｑ（Ｚ）×［１／｛１−Ｂ（Ｚ）｝］
出力は、関数［Ａ（Ｚ）／｛１−Ｂ（Ｚ）｝］によってフィルタされた入力信号と関数［１／｛１−Ｂ（Ｚ）｝］によってフィルタされたノイズとから構成されているものと推論することが可能である。２つの関数Ａ（Ｚ）及びＢ（Ｚ）を適宜定義することによって、入力信号とノイズの両方に対して所望の関数を得ることが可能である。
【０００７】
信号とノイズを周波数において分離されたものに維持するために、システムが信号に対してはローパスフィルタとして動作し且つ量子化ノイズに対してはハイパスフィルタとして動作するようにＡ（Ｚ）及びＢ（Ｚ）が選択される。シグマデルタ変調器の性能は、Ａ（Ｚ）及びＢ（Ｚ）関数の次数と共に増加するが、２以上の次数に対する閉ループ安定性を確保する問題が発生する。この問題は一見したところよりもより繊細なものである。何故ならば、量子化器は非線形ブロックだからである。
【０００８】
特に、比較器がある利得を与えている場合がある。このような利得は入力信号の振幅に強く依存し、信号の振幅が増加すると、比較器のこの見かけの利得は減少する。フィードバックシステムの安定性は開ループ利得によって強く影響され、ある範囲の利得値に対しては安定性が確保されるが、その範囲外においてはシステムは不安定なものとなる。
【０００９】
通常、シグマデルタ変調器の場合においては、システムは、極めて低い利得の場合に不安定性の状態を喚起させるものである。従って、不可逆現象が発生し、何等かの理由により、比較器より上流側の信号が過大になると、比較器の利得は減少し、そのことはループ利得を減少させ且つシステムは安定領域から出ることとなる。このような不安定状態においては、内部信号が増加し且つシステムは正しい機能を回復することが阻止される。このタイプの現象はシグマデルタ変調器において非常に一般的なものであり、それを解消するために幾分複雑な幾つかの技術が存在している。
【００１０】
不安定性の問題は稀に発生し且つ特定の条件下において発生するものであり、典型的に、スイッチオンした場合及び大きな振幅の低周波数信号の場合に発生する。然しながら、システムを正しい機能状態に戻すことが非常に重要である。そうでない場合には、トリガ状態が終了した後においても不安定状態のままとなり且つシグマデルタ変調器は最初の臨界的な信号において機能を停止する場合がある。
【００１１】
このような問題を解決するための従来の方法は、不安定状態を認識する原理に基づいており、従って、内部状態に介入してシステムを安定領域内の動作点へ戻すことである。これらの方法は不安定状態をどのようにして検知するか及びシステムを正しい機能状態へどのようにして戻すかということにおいて互いに異なっている。これらの公知の解決方法は、レジスタがオーバーフローした場合にのみ全ての内部状態をゼロとさせることによって介入する簡単なシステムから、実際の不安定状態となる前に臨界的な状態を認識し、従ってシステム全体における主要な影響なしで介入を適宜の点にのみ制限するより複雑なシステムのものがある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の点に鑑みなされたものであって、上述した如き従来技術の欠点を解消し、性能を改善したシグマデルタ変調器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
公知のシステムと異なり、本発明システムは、専用の外部制御手段を付加する代わりにシステムの内部的な修正を行うものである。この修正によって、シグマデルマ変調器は無条件的に安定なものとなり、実際上、入力信号の振幅に拘らずに安定領域から出ることはない。本発明を理解するためには、比較器の目的を心に留めておくことが重要である。比較器は簡単な電子スイッチを使用することによってその出力をアナログ信号へ変換することが可能であるように出力として１ビット信号を供給することが必要とされている。従って、多数のビットの出力信号を有することは合理的なものではない。何故ならば、それはカスケード接続されたより複雑なアナログ段を必要とするからである。
【００１３】
対照的に、フィードバックに関する限り、マルチビット信号は、実質的な複雑性を発生することなしに従来のアーキテクチュアに対して完全に適切なものである場合がある。基本的に、本発明は２つの別個の比較器を使用することに基づいており、即ち、出力信号を発生するための従来の１ビット比較器と、フィードバック信号を発生するための第二の即ち補助的なマルチレベル比較器の２つである。このように、本シグマデルタ変調器を介しての信号経路は量子化器の上流側で分岐しており、フィードバック信号と出力信号とを分散することを可能としている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
論理フィードバック信号を発生する第二のマルチレベル比較器を使用した図３の本発明のシグマデルタ変調器の基本的な機能的構成を、従来技術の変調器の図１の構成と直接的に比較するために図４に示してある。図１の従来技術のシグマデルタ変調器においては、単一レベル比較器Ｃｏｍｐが、その絶対値に拘らずに、入力が正である場合に値＋１を出力し、入力が負である場合には値−１を出力し、図３の本発明の変調器においては、第二比較器Ｃｏｍｐ２はある範囲内において構成される入力信号値に対しては第一比較器の挙動に正確に追従し、一方、その範囲外の値に対しては、出力レベルは図４に示したように、この実施例の場合には±３である。
【００１５】
このことは入力信号が振幅の一定の限界内に留まる限り、従って、この「通常の」動作範囲内に留まる限りこのことは何ら影響を有するものではなく、本発明のシグマデルタ変調器は正確に従来技術の通常の変調器として動作する。
【００１６】
対照的に、比較器への入力信号があるスレッシュホールドを超える場合には（それは、不安定条件に近づく条件においてのみ発生する）、出力はより高いレベルとなり、従ってループ利得を増加させ且つフィードバック信号はマルチビット（本実施例では２ビット信号）となる。
【００１７】
図示例においては、論理レベル＋３及び−３は比較器を可及的に線形なものとするために選択されている。シミュレーションテストによれば、これらのレベルはオーバーロード条件におけるノイズを最小とさせるものであることが判明した。
【００１８】
この簡単な修正は、図１の従来のシステム及び図３の本発明のシステムを同一の条件下においてテストすることによって容易に検証することが可能であるように無条件に安定性を保証する。
【００１９】
従来技術のシステムにおいて入力信号が不安定性を発生する全ての場合において、本発明システムは何ら不安定性を発生することなしに応答するものである。唯一の否定的な結果は出力信号対ノイズ比が限られた劣化を発生することである。これが発生する理由は、オーバーロード条件においては、出力信号とフィードバック信号とは互いに異なっており、従って、ノイズはもはや正確に補償されないからである。然しながら、信号対ノイズの劣化は従来技術の安定化技術を使用した場合に発生するものと比較した場合には実質的に無視可能なものである。
【００２０】
本発明のシグマデルタ変調器によって得られる利点は従来技術の回路よりもより良好な動作である。この改善された性能は、非常に簡単な構成で得られ、それは従来技術のシステムにおいて一般的に使用されていたより複雑な外部的制御器の機能を効果的に置換させており、著しくコストを低下させている。
【００２１】
本発明のこの自己安定化方法の更なる利点は、入力信号が動的にその最大値にある場合に意図的にオーバーロード範囲へ入るようにシグマデルタ変調器を設計することの可能性である。この場合には、信号対ノイズ比の僅かな劣化を犠牲として、アナログ電圧に関する入力信号の使用可能な動的性能を完全に利用することが可能とされている。このような妥協は、特に、同一の電源電圧に対して供給することの可能なパワーを最大とすることが重要である場合、及びデジタル部分によって発生される劣化が変換器のアナログ段によって不可避的に導入される歪によって充分に隠される場合等において、パワーを変換する場合に有益的なものである。
【００２２】
以上、本発明の具体的実施の態様について詳細に説明したが、本発明は、これら具体例にのみ制限されるべきものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱することなしに種々の変形が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  シグマデルタ変調器の基本的な機能的構成を示した概略図。
【図２】  シグマデルタ変調器の等価的構成を示した概略図。
【図３】  本発明に基づいて構成されたシグマデルタ変調器の１実施例を示した概略ブロック図。
【図４】  本質的な安定性の条件における本発明のシグマデルタ変調器の機能を示した概略図。
【符号の説明】
Ａ  積分段
Ｂ  ローパスフィルタ
Ｉｎ  入力
Ｏｕｔ  出力
【図１】
0004319734.tif 000002
【図２】
0004319734.tif 000003
【図３】
0004319734.tif 000004
【図４】
0004319734.tif 000005