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KR100946798B1 - Dynamic range enhanced Sigma-delta modulator - Google Patents

Dynamic range enhanced Sigma-delta modulator Download PDF

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Publication number
KR100946798B1
KR100946798B1 KR1020030017422A KR20030017422A KR100946798B1 KR 100946798 B1 KR100946798 B1 KR 100946798B1 KR 1020030017422 A KR1020030017422 A KR 1020030017422A KR 20030017422 A KR20030017422 A KR 20030017422A KR 100946798 B1 KR100946798 B1 KR 100946798B1
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KR
South Korea
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signal
integrator
differential
comparator
output
Prior art date
Application number
KR1020030017422A
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Korean (ko)
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Inventor
황종태
이윤기
김동환
Original Assignee
페어차일드코리아반도체 주식회사
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Publication date
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Publication of KR20040082767A publication Critical patent/KR20040082767A/en
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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
    • H03M3/322Continuously compensating for, or preventing, undesired influence of physical parameters
    • HELECTRICITY
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    • H03M3/39Structural details of delta-sigma modulators, e.g. incremental delta-sigma modulators

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

Abstract

본 발명은 적분기의 동작 범위를 향상시키고 출력의 포화를 방지하여 높은 SNR을 얻는 것을 목적으로 한다. 또한, 높은 샘플링 주파수를 사용하지 않고서도 SNR을 증가시키는 것을 목적으로 한다. It is an object of the present invention to obtain a high SNR by improving the operating range of the integrator and preventing saturation of the output. It is also an object to increase the SNR without using a high sampling frequency.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 두가지 아이디어를 안출한다. 그 하나는 적분기의 포화 문제를 개선하기 위한 피드-포워드 기술이다. 다른 하나는, 샘플링 주파수의 증가없이 신호대 잡음비를 증가시키 위한 이중 위상(dual phase) 비교법이다. 본 발명의 시그마-델타 변조기는 제 1 적분기와 제 2 적분기를 포함하며, 입력신호는 제 1 이득회로를 거쳐 제 2 적분기의 입력과 비교기의 입력에 피드포워딩되며 비교기의 출력은 제 1 적분기와 제 2 적분기에 네거티브 피드백된다. 또한 상기 비교기는 두 개의 래치형 비교기 요소로 구성될 수 있다.In order to achieve the above object, the present invention creates two ideas. One is feed-forward technology to improve the saturation problem of integrators. The other is a dual phase comparison to increase the signal-to-noise ratio without increasing the sampling frequency. The sigma-delta modulator of the present invention comprises a first integrator and a second integrator, the input signal is feedforwarded to the input of the second integrator and the input of the comparator via the first gain circuit and the output of the comparator is the first integrator and the first integrator. 2 negative feedback to the integrator. The comparator may also consist of two latched comparator elements.

시그마 델타 변조기, 2 차 시스템, 동적 범위, ADC, DAC, 에일리어싱, 신호대 잡음비Sigma Delta Modulator, Secondary System, Dynamic Range, ADC, DAC, Aliasing, Signal-to-Noise Ratio

Description

동적 범위가 향상된 시그마-델타 변조기{Dynamic range enhanced Sigma-delta modulator}Dynamic range enhanced Sigma-delta modulator}

도 1은 종래 기술의 시그마 델타 변조기의 개략적인 블록도이다.1 is a schematic block diagram of a sigma delta modulator of the prior art.

도 2는 본 발명의 실시예 따른 피드 포워드 기술을 적용한 2 차 시스템을 도시한 블록도이다.2 is a block diagram illustrating a secondary system to which a feed forward technique is applied according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 실시예와 종래 기술과의 적분기의 출력을 비교한 그래프도 이다.Figure 3 is a graph comparing the output of the integrator with the embodiment of the present invention and the prior art.

도 4는 5V 전원에서 피크 전압 4Vpp의 입력 신호를 가지고 본 발명의 실시예의 적분기 출력을 도시한 그래프도이다.4 is a graph showing the integrator output of an embodiment of the present invention with an input signal having a peak voltage of 4Vpp at a 5V power supply.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 비교기를 도시한 도이다.5 is a diagram illustrating a comparator according to an embodiment of the present invention.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 비교기의 동작을 도시한 신호도이다.6 is a signal diagram illustrating the operation of a comparator according to an embodiment of the present invention.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 시그마-델타 변조기의 설계를 도시한 회로도이다.7 is a circuit diagram illustrating a design of a sigma-delta modulator according to an embodiment of the present invention.

도 8은 연산 증폭기를 이용하여 구현된 본 발명의 실시예를 도시한 회로도이다.8 is a circuit diagram illustrating an embodiment of the present invention implemented using an operational amplifier.

도 9는 트랜스컨덕터 이용하여 구현된 본 발명의 실시예를 도시한 회로도이다. 9 is a circuit diagram illustrating an embodiment of the present invention implemented using a transconductor.                 

도 10a는 도 9에 도시된 회로에서 5V 전원으로 4 옴(ohm)의 부하를 가지고 시뮬레이션한 결과를 도시한 그래프도이다.FIG. 10A is a graph illustrating simulation results with a 4 ohm load using a 5V power supply in the circuit shown in FIG. 9.

도 10b는 종래 기술의 시그마 델타 변조기에서 5V 전원으로 4 옴(ohm)의 부하를 가지고 시뮬레이션한 결과를 도시한 그래프도이다.FIG. 10B is a graph showing simulation results with a 4 ohm load with a 5V power supply in a sigma delta modulator of the prior art.

도 11은 본 발명의 실시예와 종래 기술의 신호대 잡음비를 비교한 그래프도이다. 11 is a graph comparing the signal-to-noise ratio of the embodiment of the present invention and the prior art.

본 발명은 동적 범위(dynamic range)가 향상된 시그마-델타 변조기에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는, 동적 범위를 향상시키고 신호대 잡음비를 증가시킨 스위치형 파워 증폭기를 위한 2차 시그마-델타 변조기에 관한 것이다.The present invention relates to a sigma-delta modulator with improved dynamic range. More specifically, it relates to a second order sigma-delta modulator for switched power amplifiers with improved dynamic range and increased signal-to-noise ratio.

1954년 커틀러(Cutler)에 의해 제안된 시그마-델타 변조 이론은, 높은 분해능과 동적범위를 가지는 아날로그/디지탈변환 시스템을 요구하는 분야에서 널리 사용되고 있다. The sigma-delta modulation theory proposed by Cutler in 1954 is widely used in the field of demanding analog / digital conversion systems with high resolution and dynamic range.

종래의 아날로그/디지털 변환기(이하, ADC라 칭함)에서는, 분해능은 내부 비교기의 수와 내부 디지털/아날로그 변환기(이하, DAC라 칭함)의 분해능에 의존하였다. 비교기의 수를 줄이기 위하여, 파이프 라인 ADC, 폴딩 ADC, 보간 ADC 및 서브 레인징 형태의 ADC와 같은 많은 아키텍쳐가 개발되어졌다. 이러한 기술은 높은 분해능을 얻기 위해 비약적으로 비교기의 수를 줄이고 있다. 그러나, 구성요소가 감 소함에도 불구하고, 이러한 기술들은 특히 에러증폭기 및 비교기와 같은 아날로그 회로들의 동작의 정확도를 요구하고 있다. In conventional analog-to-digital converters (hereinafter referred to as ADCs), the resolution depends on the number of internal comparators and the resolution of the internal digital-to-analog converters (hereinafter referred to as DACs). To reduce the number of comparators, many architectures have been developed, such as pipelined ADCs, folding ADCs, interpolated ADCs and subranging ADCs. This technique drastically reduces the number of comparators to achieve high resolution. However, despite the reduced components, these techniques require the accuracy of the operation of analog circuits in particular, such as error amplifiers and comparators.

그러나, 시그마-델타 변조 기술에 있어서, 분해능 문제는 샘플링 주파수와 잡음 성형 기술을 통해 해결된다. 따라서, 시그마-델타 변조는 아날로그 부분에서의 정확도의 문제에 의해 장애가 발생하지는 않는다. 매우 첨예한 트랜지션 대역과 매우 높은 저지 대역 감쇠를 갖는 디지털 저역 필터를 사용한 시그마-델타 변조를 이용하면, 높은 분해능을 얻는 것이 가능하다. 또한, 시그마-델타 기술은 모터 구동기, 스위치형 파워 증폭기 및 직류/직류 변환기와 같은 일부의 불연속 시간 시스템에서 사용되어진다. However, in sigma-delta modulation techniques, the resolution problem is solved through sampling frequency and noise shaping techniques. Thus, sigma-delta modulation is not impeded by the problem of accuracy in the analog portion. With sigma-delta modulation using a digital lowpass filter with very sharp transition band and very high stopband attenuation, it is possible to obtain high resolution. Sigma-delta technology is also used in some discrete time systems such as motor drivers, switched power amplifiers, and direct current / dc converters.

시그마-델타 변조 기술은 당업자들에게 널리 알려진 것이므로, 이하 도면을 참조하여 간략히 설명한다.The sigma-delta modulation technique is well known to those skilled in the art, and will be briefly described with reference to the accompanying drawings.

도 1의 블록도(a)는 1차 시그마-델타 변조기의 블록도를 도시한 것이다.1 shows a block diagram of a first order sigma-delta modulator.

일반적으로 상기 변조기는, 적분기와 비교기의 두 개의 블록으로 이루어져 있다. 특히, 적분기의 개수는 시그마-델타 변조기의 차수를 결정한다. In general, the modulator consists of two blocks: an integrator and a comparator. In particular, the number of integrators determines the order of the sigma-delta modulator.

도 1의 블록도(b)는 시그마 델타 변조기의 소신호 선형 모델을 도시한 것이다. 도 1의 블록도(b)에 도시된 바와 같이 전압(Vin), 전압(Vo) 및 전압(Vn)은 각각 비교기의 입력 신호, 출력 신호 및 양자화 노이즈를 나타낸다. 여기서, 양자화 노이즈(Vn)는 입력신호와 비상관(uncorrelated)인 것으로 가정하고, 상기 루프 방정식을 풀면 수학식 1과 같은 전달 함수를 구할 수 있다. The block diagram (b) of FIG. 1 shows a small signal linear model of a sigma delta modulator. As shown in block diagram (b) of FIG. 1, voltage Vin, voltage Vo and voltage Vn represent the input signal, output signal and quantization noise of the comparator, respectively. Herein, it is assumed that the quantization noise Vn is uncorrelated with the input signal, and when the loop equation is solved, a transfer function such as Equation 1 can be obtained.                         

Figure 112003009719520-pat00001
Figure 112003009719520-pat00001

수학식 1에서 알수 있듯, 네거티브 피드백 루프 및 적분기에 때문에 상기 입력 신호는 저역 통과되며, 반면에 노이즈 신호는 고역 통과된다. 그러므로, 만약 저역 통과 필터를 사용한다면, 출력부에서 높은 분해능 또는 높은 신호대 잡음비(SNR)를 얻을 수 있을 것이다. 일반적으로, SNR 은 차수, 샘플링 주파수 및 ADC의 비트수에 비례한다. 상기 SNR은 수학식 2에서 구해질 수 있다.As can be seen from Equation 1, the input signal is low pass because of the negative feedback loop and integrator, while the noise signal is high pass. Therefore, if you use a low pass filter, you will get high resolution or high signal-to-noise ratio (SNR) at the output. In general, SNR is proportional to the order, sampling frequency, and number of bits in the ADC. The SNR may be obtained from Equation 2.

Figure 112003009719520-pat00002
Figure 112003009719520-pat00002

수학식 2에서, n은 비교기의 비트수이며, k는 차수, M은 샘플링 주파수와 나이퀴스트 샘플링 주파수의 비를 나타내는 오버 샘플링률이다.In Equation 2, n is the number of bits of the comparator, k is the order, M is the over-sampling rate indicating the ratio of the sampling frequency and the Nyquist sampling frequency.

전술한 바와 같이, SNR은 적분기의 수에 비례하여 개선된다. 그러나, 고차 시스템에서, 과도한 위상 천이는 전체 시스템을 불안정(unstable)하게 만든다. 고차 시스템을 위한 해결책이 연구되고 있다하여도, 이러한 안정성 문제는 여전히 고차 시스템에서의 문제점으로 고려되고 있다. 큰 입력 신호가 인가되었을 때, 비교기의 이득은 감소되고 상기 SNR은 감소한다. 따라서, 스위치형 파워 증폭기 장치에서, 고차 시스템은 입출력의 동적 범위(dynamic range)를 제한한다. 낮은 전압의 응용기기에서, 낮은 동적 범위의 문제는 매우 심각한 것이다. 여기서, 동적 범위란 최고 신호와 최저 신호의 비로써 데시벨(dB) 단위로 나타낼 수 있다.As mentioned above, the SNR is improved in proportion to the number of integrators. However, in higher order systems, excessive phase shift makes the entire system unstable. Although solutions for higher order systems are being studied, these stability issues are still considered problems in higher order systems. When a large input signal is applied, the gain of the comparator is reduced and the SNR is reduced. Thus, in switched power amplifier devices, higher order systems limit the dynamic range of input and output. In low voltage applications, the problem of low dynamic range is very serious. Here, the dynamic range may be expressed in decibels (dB) as a ratio between the highest signal and the lowest signal.

2차 시스템에 있어서, 적분기 출력은 입력 신호를 따른다. 따라서, 높은 입력 신호에서 적분기 출력은 포화된다. 적분기는 과거와 현재의 정보를 가지고 있다. 따라서, 손실 정보는 왜곡의 증가와 신호대 잡음비의 감소를 발생시킨다.In a secondary system, the integrator output follows the input signal. Thus, the integrator output saturates at high input signals. The integrator has past and present information. Thus, the loss information causes an increase in distortion and a decrease in signal-to-noise ratio.

2차 시스템에서 높은 신호대 잡음비를 얻기 위해서는, 1차 시스템 보다 더 높은 샘플링 주파수가 차수의 부족을 보상하기 위하여 필요하다. 그러나, 전력 증폭기에서는, 고주파 동작은 대형 출력 트랜지스터를 요구하며, 스위치 손실과 열 손실을 증가시킨다. 그러므로, 좀더 완화된 샘플링 주파수를 가지고 구동시키는 것은 매우 중요하다. 신호대 잡음비를 증가시키는 또 다른 방법은 수학식 2에서 도출되는 단일 비트 비교기 대신에 다중 비트 ADC를 이용하는 것이다. 그러나, 출력 트랜지스터들이 하이 및 로우 상태의 단지 2-레벨만을 나타내기 때문에 이는 디지털 증폭기에서는 허용되지 않는다.In order to achieve a high signal-to-noise ratio in the secondary system, a higher sampling frequency than the primary system is needed to compensate for the lack of orders. However, in power amplifiers, high frequency operation requires large output transistors, increasing switch losses and heat losses. Therefore, it is very important to drive with a more relaxed sampling frequency. Another way to increase the signal-to-noise ratio is to use a multi-bit ADC instead of the single-bit comparator derived in equation (2). However, this is not allowed in a digital amplifier because the output transistors exhibit only two levels of high and low states.

그러므로, 본 발명은, 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 새로운 2차 시스템의 설계를 제안한다. 즉, 본 발명은 적분기의 동적범위를 향상시키고 출력의 포화를 방지하여 높은 SNR을 얻는 것을 목적으로 한다. 또한, 높은 샘플링 주파수를 사용하지 않고서도 SNR을 증가시키는 것을 목적으로 한다. Therefore, the present invention proposes a design of a new secondary system in order to solve the above-mentioned problems of the prior art. That is, the present invention aims to obtain a high SNR by improving the dynamic range of the integrator and preventing saturation of the output. It is also an object to increase the SNR without using a high sampling frequency.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 두 가지 아이디어를 안출한다. In order to achieve the above object, the present invention creates two ideas.

그 하나는 적분기의 포화 문제를 개선하기 위한 피드-포워드 기술이다. One is feed-forward technology to improve the saturation problem of integrators.

다른 하나는, 샘플링 주파수의 증가없이 신호대 잡음비를 증가시키 위한 이 중 위상(dual phase) 비교법이다.The other is a dual phase comparison to increase the signal-to-noise ratio without increasing the sampling frequency.

전술한 본 발명의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 특징에 따른 시그마-델타 변조기는, 제 1 신호를 적분하는 제 1 적분기; 제 2 신호를 적분하는 제 2 적분기; 적분된 제 2 신호와 제 3 신호의 크기를 비교하여 제 4 신호로서 출력하는 비교기; 입력 신호에 제 1 이득값을 곱하여 제 5 신호로서 출력하는 제 1 이득회로; 및 입력 신호에 제 2 이득값을 곱하여 상기 제 3 신호로서 출력하는 제 2 이득 회로를 포함한다. 여기서 상기 제 1 신호는 상기 입력 신호로부터 피드백된 상기 제 4 신호를 차분한 신호이며, 상기 제 2 신호는 적분된 제 1 신호와 상기 제 5 신호의 합으로부터 피드백된 상기 제 4 신호를 차분한 신호이다.A sigma-delta modulator according to an aspect of the present invention for solving the above problems of the present invention comprises: a first integrator for integrating a first signal; A second integrator to integrate the second signal; A comparator comparing the magnitudes of the integrated second signal and the third signal and outputting the fourth signal; A first gain circuit that multiplies an input signal by a first gain value and outputs the fifth gain value as a fifth signal; And a second gain circuit that multiplies an input signal by a second gain value and outputs the third signal as the third signal. Here, the first signal is a signal obtained by subtracting the fourth signal fed back from the input signal, and the second signal is a signal obtained by subtracting the fourth signal fed back from the sum of the integrated first signal and the fifth signal.

또한, 본 발명의 또 다른 특징에 따른 시그마-델타 변조기의 상기 비교기는 서로 반전된 위상을 갖는 클럭으로 구동되는 제 1 비교기 요소와 제 2 비교기 요소를 포함한다. 상기 제 1 비교기 요소와 제 2 비교기 요소는 각각 상기 적분된 제 2 신호와 제 3 신호의 비교하여 각각 제 6 신호와 제 7 신호로서 출력한다. Further, the comparator of the sigma-delta modulator according to another aspect of the present invention includes a first comparator element and a second comparator element driven by a clock having a phase inverted with each other. The first comparator element and the second comparator element are respectively compared with the integrated second signal and the third signal and output as the sixth and seventh signals, respectively.

또한, 상기 제 1 비교기 요소와 제 2 비교기 요소는 래치형 비교기일 수 있다.Further, the first comparator element and the second comparator element may be latched comparators.

여기서, 상기 제 1 및 제 2 적분기는 스위치형 커패시터 적분기로 구현되거나, 트랜스컨덕터로 구현 될 수 있다.Here, the first and second integrators may be implemented as a switched capacitor integrator, or may be implemented as a transconductor.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상 세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.

도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. (어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라 다른 소자를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다.) In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention. Like parts are designated by like reference numerals throughout the specification. (When a part is connected to another part, this includes not only a directly connected part but also an electrically connected part with another element in between.)

이제 본 발명의 실시예에 따른 에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.Now according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 2는 본 발명의 실시예 따른 피드 포워드 기술을 적용한 2 차 시스템을 도시하고 있다. 2 illustrates a secondary system to which a feed forward technique is applied according to an embodiment of the present invention.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에는 직렬로 연결된 제 1 적분기(100), 제 2 적분기(110), 두 개의 피드 포워드 경로와 두 개의 이득 회로(120, 130)를 비교기(160)를 포함한다.As shown in FIG. 2, an embodiment of the present invention includes a first integrator 100, a second integrator 110, two feed forward paths, and two gain circuits 120 and 130 connected in series. ).

입력 신호(Vin)는 피드포워드 이득회로(120)를 거쳐 1 차 적분기(100)의 출력과 가산기(150)에서 가산된다. 또한, 상기 입력 신호(Vin)는 비교기(160)에서 피드백된 신호와 차감되어 제 1 적분기에 입력된다. 또한 상기 입력 신호(Vin)는 피드 포워드 이득회로(130)를 거쳐 비교기로 입력된다.The input signal Vin is added to the output of the primary integrator 100 and the adder 150 via the feedforward gain circuit 120. In addition, the input signal Vin is subtracted from the signal fed back from the comparator 160 and input to the first integrator. In addition, the input signal Vin is input to the comparator through the feed forward gain circuit 130.

피드 포워드 이득회로(120)의 이득(FA)은 제 1 적분기의 스윙(swing)을 감소시키도록 돕는다. 제 2 적분기 스윙은 이득(FB)에 의해 제한된다. 상기 제 1 적분기의 출력에서, 입력 신호 정보는 적분기의 과거정보 및 피드백된 신호와 섞이게 된다. 출력 신호의 절대값은 입력 신호와 비례한다. 따라서, 입력신호를 제 2 적분기에 공급하고, 이득(FA)을 가진 추가적인 피드 포워드 경로를 이용하여, 제 1 적분기의 입력 요소는 크게 감소하게된다. 피드 포워드 신호는 제 2 적분기에 의해 증폭된다. 따라서, 상기 제 2 적분기 출력은 상기 입력 신호의 영향을 받게된다. The gain FA of the feed forward gain circuit 120 helps to reduce the swing of the first integrator. The second integrator swing is limited by the gain FB. At the output of the first integrator, the input signal information is mixed with the past information of the integrator and the fed back signal. The absolute value of the output signal is proportional to the input signal. Thus, by supplying an input signal to the second integrator and using an additional feed forward path with gain FA, the input component of the first integrator is greatly reduced. The feed forward signal is amplified by the second integrator. Thus, the second integrator output is affected by the input signal.

입력 요소를 보상하기 위하여, 피드 포워드 신호는 비교기의 또 다른 핀(예를 들어, 비교기의 네거티브 입력)에 인가된다. 일반적으로, 상기 네거티브 입력 핀은 일정한 전압에 바이어싱된다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따른 회로에 있어서, 일정한 전압대신 가변 신호가 상기 네거티브 입력에 인가된다. 따라서, 비교기의 플러스 핀 스윙은 상대적으로 감소된다. 그 결과, 제 2 적분기의 출력 스윙의 최대값은 입력 신호에 거의 무관하게 된다.  To compensate the input element, a feed forward signal is applied to another pin of the comparator (eg, negative input of the comparator). In general, the negative input pin is biased to a constant voltage. However, in the circuit according to the embodiment of the present invention, a variable signal instead of a constant voltage is applied to the negative input. Thus, the plus pin swing of the comparator is relatively reduced. As a result, the maximum value of the output swing of the second integrator becomes almost independent of the input signal.

도 3은 본 발명의 실시예를 적용하기 전후의 적분기의 출력을 도시하고 있다. 여기서 출력(A)은 종래의 변조기에 있어서의 제 2 적분기의 출력을 나타낸 것이며, 출력(B)은 본 발명의 실시예의 제 2 적분기의 출력을 나타낸 것이다. 또한, 출력(C)은 종래의 변조기에 있어서의 제 1 적분기의 출력을 나타낸 것이며, 출력(D)은 본 발명의 실시예의 제 1 적분기의 출력을 나타낸 것이다. 도 3에서 용이하게 파악할 수 있듯 본 발명의 실시예에 의하여 제 1 적분기 및 제 2 적분기의 출력의 종래 기술보다 일정하게 유지되게 된다.Figure 3 shows the output of the integrator before and after applying the embodiment of the present invention. Here, output A shows the output of the second integrator in the conventional modulator, and output B shows the output of the second integrator in the embodiment of the present invention. The output C shows the output of the first integrator in the conventional modulator, and the output D shows the output of the first integrator in the embodiment of the present invention. As can be easily seen in Figure 3 according to an embodiment of the present invention the output of the first integrator and the second integrator is kept more constant than the prior art.

도 4는 5V 전원에서 피크 전압 4Vpp의 입력 신호를 가지고 본 발명의 실시예의 적분기 출력을 도시하고 있다. Figure 4 shows the integrator output of an embodiment of the present invention with an input signal with a peak voltage of 4Vpp at a 5V supply.                     

도 4에서 출력(E)은 제 2 적분기의 출력이며, 출력(F)은 제 1 적분기의 출력이다. 최대 +/- 5V 신호 스윙 범위를 고려하여 볼 때, 제 1 적분기 및 제 2 적분기의 스윙은 2Vpp 와 5Vpp를 각각 초과하지 않는 것을 확인할 수 있다.In FIG. 4, output E is the output of the second integrator and output F is the output of the first integrator. Considering the maximum +/- 5V signal swing range, it can be seen that the swings of the first and second integrators do not exceed 2Vpp and 5Vpp, respectively.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 비교기를 도시하고 있다.5 illustrates a comparator according to an embodiment of the present invention.

비교기A(210) 및 비교기B(220)는 래치형(latched) 비교기이다. 상기 비교기는 클럭(CLK)의 하이레벨동안 비교기로서 동작하고, 그 밖의 경우에는 래치로서 동작한다. Comparator A 210 and Comparator B 220 are latched comparators. The comparator operates as a comparator during the high level of the clock CLK, and otherwise as a latch.

인버터로 구성된 동상(in-phase) 및 이상(out-of-phase) 클럭이 비교기 A,B 에 각각 인가된다. 비교기A의 출력(VOA)과 비교기B의 출력(VOB)간의 전압차는 비교기의 최종 출력(Vo)이 된다.In-phase and out-of-phase clocks composed of inverters are applied to comparators A and B, respectively. The voltage difference between the output VOL of comparator A and the output VOL of comparator B becomes the final output Vo of comparator.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 비교기의 동작을 도시한 신호도이다.6 is a signal diagram illustrating the operation of a comparator according to an embodiment of the present invention.

도 6에 도시된 바와 같이, 비교기A(210)의 출력(VOA) 트랜지션은 클럭의 하강 에지에서 발생한다. 반면에, 비교기B(220)의 출력(VOB) 트랜지션은 클럭의 상승 에지에서 발생한다. 여기서 구간(T1)동안은 비교기A는 비교 모드에 있으며 비교기B는 래치 모드가 된다. 또한 구간(T2)동안은 비교기A는 래치 모드가 되며, 비교기B는 비교 모드가 된다. 따라서, 1 클럭 주기(T1+T2)동안, 출력들은 두 번의 트랜지션을 겪게된다. As shown in FIG. 6, the output (VOA) transition of comparator A 210 occurs on the falling edge of the clock. On the other hand, the output (VOB) transition of comparator B 220 occurs on the rising edge of the clock. Here, the comparator A is in the comparison mode and the comparator B is in the latch mode during the period T1. During the period T2, the comparator A is in the latch mode and the comparator B is in the comparison mode. Thus, during one clock period (T1 + T2), the outputs undergo two transitions.

이하, 표 1을 통해 한 주기(T1+T2)동안의 출력(Vo)의 상태를 나타내었다.Hereinafter, Table 1 shows the state of the output Vo during one cycle T1 + T2.

VOAVOA VOBVOB VOVO 00 00 00 00 VDDVDD -VDD-VDD VDDVDD 00 VDDVDD VDDVDD VDDVDD 00

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 출력(Vo)은 세개의 신호레벨을 갖게 된다. 본 발명의 실시예에 따른 비교기는 신호대 잡음비와 입력의 동적 범위를 향상시킨다.As shown in Table 1, the output Vo has three signal levels. The comparator according to an embodiment of the present invention improves the signal-to-noise ratio and the dynamic range of the input.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 시그마-델타 변조기의 설계를 도시한 블록도이다.7 is a block diagram illustrating a design of a sigma-delta modulator according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에 따른 시그마-델타 변조기는 차동 적분기(101, 102)와 피드 포워드 이득 회로를 포함한다. 또한, 도 6에 도시된 이중 위상 비교기(230, 240)을 포함한다.A sigma-delta modulator according to an embodiment of the present invention includes differential integrators 101 and 102 and a feed forward gain circuit. In addition, the dual phase comparators 230 and 240 shown in FIG. 6 are included.

전술한 이득(FA, FB)은 각각 1과 0.5로 선택되어질 수 있다. 차동 적분기인 제 1 및 제 2 적분기(101, 102)가 본 발명의 실시예 구현에 사용된다. The above-described gains FA and FB may be selected to be 1 and 0.5, respectively. First and second integrators 101 and 102, which are differential integrators, are used to implement embodiments of the present invention.

제 1 적분기(101)는 두 개의 입력을 갖는다. 하나는 신호 입력을 위한 것이며, 다른 하나는 피드백 입력을 위한 것이다. 이러한 신호들은 차분되어 적분된다.The first integrator 101 has two inputs. One is for signal input and the other is for feedback input. These signals are differentially integrated.

제 2 적분기는 추가적인 피드-포워드 입력을 필요로 하기 때문에 제 3 차동 입력을 갖는다. 제 1 적분기와 제 2 적분기를 경유하는 국부적인 피드 백 루프를 아우르는 전체 피드백 루프는 안정적인 동작을 만족시키기 위하여 네거티브 피드 백 루프로 이뤄져야 한다. The second integrator has a third differential input because it requires an additional feed-forward input. The entire feedback loop, which encompasses the local feedback loop via the first and second integrators, must be a negative feedback loop to satisfy stable operation.

한편, 시그마-델타 변조기는 출력에서 샘플링된 데이터를 취급하기 때문에 적분기에서 스위치형 커패시터(switched capacitor) 적분기를 사용하는 것이 바람 직하다. 또한, 스위치형 커패시터 적분기의 단일 이득 주파수는 스위칭 주파수에 의해 적응적으로 제어된다. 따라서, 입력 대역폭이 변하는 경우에도, 변조기가 단지 샘플링 주파수만을 변화시킴으로써 동일한 신호대 잡음비를 나타내는 것이 가능하다. On the other hand, it is preferable to use a switched capacitor integrator in the integrator because the sigma-delta modulator handles the sampled data at the output. In addition, the single gain frequency of the switched capacitor integrator is adaptively controlled by the switching frequency. Thus, even when the input bandwidth changes, it is possible for the modulator to exhibit the same signal-to-noise ratio only by changing the sampling frequency.

그러나, 아날로그 저역 통과 필터가 주파수 영역에서 에일리어싱(aliasing)을 막기 위해 요구된다. 한편, 스위치형 커패시터 적분기에서 사용되는 연산 증폭기는 높은 대역폭과, 높은 슬루율(slew rate)과 높은 이득을 요구한다. 따라서, 연속적인 시간 적분기는 고정된 대역폭을 가진 일부 기기에서 효과적이라 할 수 있다.However, analog low pass filters are required to prevent aliasing in the frequency domain. Op amps used in switched capacitor integrators, on the other hand, require high bandwidth, high slew rate and high gain. Thus, continuous time integrators can be effective on some devices with fixed bandwidths.

도 8과 도 9는 연산 증폭기와 트랜스컨덕터(transconductor)를 이용하여 구현된 디지털 증폭기들을 각각 도시하고 있다.8 and 9 illustrate digital amplifiers implemented using operational amplifiers and transconductors, respectively.

도 8에 있어서, 제 1 적분기와 제 2 적분기는 연산 증폭기의 형태로 구현된다. In FIG. 8, the first integrator and the second integrator are implemented in the form of an operational amplifier.

저항 (R11 및 R12)은 전체 네거티브 피드백을 형성하기 위해 이용된다. 저항 (R3, R4, R5, R6)은 피드 포워드 동작을 위한 것이다. 각각의 저항값은 0.5R 이기 때문에, 피드 포워드 이득(FA, FB)은 각각 1 과 0.5 가 된다. 상기 비교기들의 출력들은 게이트 구동기(300, 310)에 의해 출력 트랜지스터들을 구동하기 위해 이용된다. Resistors R11 and R12 are used to form the overall negative feedback. Resistors R3, R4, R5, and R6 are for feed forward operation. Since each resistance value is 0.5R, the feed forward gains FA and FB are 1 and 0.5, respectively. The outputs of the comparators are used by the gate drivers 300 and 310 to drive the output transistors.

피드백 신호는 도 7에 도시된 바와 같이 비교기의 출력부가 아니라 전력 트랜지스터의 출력부에서 감지된다. 따라서, 왜곡은 출력 PMOS에서 기인한 왜곡은 상 기 네거티브 피드백 루프에 의해 보상된다. 평활 필터(smoothing filter)(L1, L2, C5, C6)는 스피커에서의 평활 가청 신호를 재구성하는 것을 돕는다.The feedback signal is sensed at the output of the power transistor, not at the output of the comparator, as shown in FIG. Therefore, the distortion caused by the output PMOS is compensated by the negative feedback loop. Smoothing filters L1, L2, C5 and C6 help to reconstruct the smooth audible signal at the speaker.

상기 회로에서 연산 증폭기를 이용하기 위해서는, 커패시터와 저항등을 이용하는 네거티브 피드백이 일반적으로 필요하다. 따라서, 높은 이득 뿐 아니라 높은 대역폭을 갖는 연산 증폭기의 이용이 바람직하다. In order to use op amps in the circuit, negative feedback using capacitors, resistors, and the like is generally required. Thus, the use of operational amplifiers with high gain as well as high bandwidth is desirable.

그러나, 상기 두 가지 요구를 모두 만족하는 것은 매우 어렵다. 따라서, 디자인 효율을 고려한다면, 도 9에 도시된 것과 같이 트랜스컨덕터와 커패시터로 이루어진 gm-C형 적분기를 선택하는 것이 바람직하다. 상기 gm-C형 적분기는, 네거티브 피드백 방법 없이 구현되므로, 구성상 단순함과 낮은 전력 소모의 요구를 만족시킨다. 제 1 적분기는 두 개의 적분 입력 트랜스컨덕터(GM1, GM2)를 이용한다. 여기서 트랜스컨덕턴스는 GM으로 한다. 따라서, 따라서, 출력 전류는 GM에 비례한다. 그 결과, 도 7에서 트랜스컨덕터는 마치 저항과 같이 동작한다. 제 2 트랜스 컨덕터(GM2)는 피드 포워드 입력을 얻기 위해 3개의 적분 입력을 갖는다. 제 3 트랜스 컨덕터(GM3)는 이득(FB)을 만들기 위해 저항(R1)을 가지고 이용된다. 이러한 경우에는, 저항값(R1)은 1/GM의 반이 된다. 따라서, 이득(FB)은 0.5로 설정된다. 따라서, 도 8에 도시된 회로와 동일한 이득 회로 구현이 가능하게 된다.However, it is very difficult to meet both of these requirements. Therefore, considering the design efficiency, it is preferable to select a gm-C type integrator consisting of a transconductor and a capacitor as shown in FIG. Since the gm-C integrator is implemented without a negative feedback method, it satisfies the requirements of simplicity and low power consumption. The first integrator utilizes two integral input transconductors GM1 and GM2. Here, transconductance is GM. Thus, the output current is proportional to GM. As a result, in FIG. 7, the transconductor operates like a resistor. The second transconductor GM2 has three integral inputs to obtain a feed forward input. The third transconductor GM3 is used with a resistor R1 to make a gain FB. In this case, the resistance value R1 is half of 1 / GM. Therefore, the gain FB is set to 0.5. Thus, the same gain circuit implementation as that shown in FIG. 8 is possible.

도 10a는 도 9에 도시된 회로에서 5V 전원으로 4 옴(ohm)의 부하를 가지고 시뮬레이션한 결과를 도시하고 있다. FIG. 10A shows a simulation result with a 4 ohm load with a 5V power supply in the circuit shown in FIG. 9.

도 10b는, 종래의 2차 시스템의 출력을 도시하고 있다. 10B shows the output of a conventional secondary system.

도 10a와 도 10b에서 L-C 필터를 이용하여 재구성된 파형을 비교하면, 본 발 명의 실시예에 따른 것이 종래 기술보다 동적 범위가 크다는 것을 확인 할 수 있다. Comparing the reconstructed waveform using the L-C filter in Figures 10a and 10b, it can be seen that according to the embodiment of the present invention has a larger dynamic range than the prior art.

도 11은 본발명의 실시예와 종래기술의 신호대 잡음비를 비교한 그래프이다. 11 is a graph comparing the signal-to-noise ratio of the embodiment of the present invention and the prior art.

여기서 신호대 잡음비(SNR1)는 종래 기술의 신호대 잡음비를 도시한 것이며, 신호대 잡음비(SNR2)는 본 발명의 실시예에서의 신호대 잡음비를 도시하고 있다.Here, the signal-to-noise ratio SNR1 shows the signal-to-noise ratio of the prior art, and the signal-to-noise ratio SNR2 shows the signal-to-noise ratio in the embodiment of the present invention.

도 11에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 실시예에서는 종래 기술에 비하여 약 10dB 정도 신호대 잡음비를 증가시킬 수 있다.As can be seen in Figure 11, in the embodiment of the present invention it is possible to increase the signal to noise ratio by about 10dB compared to the prior art.

따라서, 본 발명의 실시예에 있어서 동적 범위는 종래 기술에 비해서 약 12dB 정도 넓다. 클럭 주파수는 2MHz이며, 신호 대역폭은 20khz 이다. 이 경우에는 전체 샘플링율은 50이 된다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 완화된 샘플링률에도 불구하고 높은 신호대 잡음비를 얻을 수 있게된다. Thus, in the embodiment of the present invention, the dynamic range is about 12 dB wider than the prior art. The clock frequency is 2MHz and the signal bandwidth is 20khz. In this case, the total sampling rate is 50. Therefore, in the embodiment of the present invention, a high signal-to-noise ratio can be obtained despite the relaxed sampling rate.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following claims are also provided. It belongs to the scope of rights.

전술한 본 발명의 구성에 의하여, 종래 기술보다 동적 범위가 향상된 시그마-델타 변조기의 구현이 가능하며, 완화된 샘플링 주파수로써 신호대 잡음비를 증가 시킬 수 있다.By the configuration of the present invention described above, it is possible to implement a sigma-delta modulator with improved dynamic range than the prior art, it is possible to increase the signal-to-noise ratio with a relaxed sampling frequency.

Claims (7)

시그마-델타 변조기에 있어서:In a sigma-delta modulator: 제 1 신호를 적분하는 제 1 적분기;A first integrator for integrating the first signal; 제 2 신호를 적분하는 제 2 적분기;A second integrator to integrate the second signal; 적분된 제 2 신호와 제 3 신호의 크기를 비교하여 제 4 신호로서 출력하는 비교기;A comparator comparing the magnitudes of the integrated second signal and the third signal and outputting the fourth signal; 입력 신호에 제 1 이득값을 곱하여 제 5 신호로서 출력하는 제 1 이득회로; 및 A first gain circuit that multiplies an input signal by a first gain value and outputs the fifth gain value as a fifth signal; And 입력 신호에 제 2 이득값을 곱하여 상기 제 3 신호로서 출력하는 제 2 이득 회로를 포함하고, A second gain circuit that multiplies an input signal by a second gain value and outputs the second gain as the third signal, 상기 제 1 신호는 상기 입력 신호로부터 피드백된 상기 제 4 신호를 차분한 신호이며, The first signal is a signal obtained by subtracting the fourth signal fed back from the input signal, 상기 제 2 신호는 적분된 제 1 신호와 상기 제 5 신호의 합으로부터 피드백된 상기 제 4 신호를 차분한 신호인 시그마-델타 변조기.And the second signal is a signal obtained by subtracting the fourth signal fed back from the sum of the integrated first signal and the fifth signal. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 비교기는 서로 반전된 위상을 갖는 클럭으로 구동되는 제 1 비교기 요소와 제 2 비교기 요소를 포함하고, The comparator comprises a first comparator element and a second comparator element driven by a clock having a phase inverted with each other, 상기 제 1 비교기 요소와 제 2 비교기 요소는 각각 상기 적분된 제 2 신호와 제 3 신호의 비교하여 각각 제 6 신호와 제 7 신호로서 출력하는 시그마-델타 변조기.And the first comparator element and the second comparator element compare the integrated second signal and the third signal, respectively, and output as sixth and seventh signals, respectively. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 제 1 비교기 요소와 제 2 비교기 요소는 래치형 비교기인 시그마-델타 변조기.And the first comparator element and the second comparator element are latched comparators. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 이득값은 1 이며, 상기 제 2 이득값은 0.5인 시그마-델타 변조기3. The sigma-delta modulator of claim 2 wherein the first gain value is 1 and the second gain value is 0.5. 제 3 항에 있어서 상기 제 1 적분기 및 제 2 적분기는 완전 차동형 연산 증폭기와 제 1 및 제 2 커패시터를 포함하는 적분기인 시그마-델타 변조기.4. The sigma-delta modulator of claim 3 wherein the first and second integrators are integrators comprising a fully differential operational amplifier and first and second capacitors. 제 3 항에 있어서, The method of claim 3, wherein 상기 제 1 적분기는, 동일한 제 1 컨덕턴스를 가지는 제 1 트랜스 컨덕터 및 제 2 트랜스 컨덕터와, 상기 제 1 트랜스 컨덕터와 제 2 트랜스 컨덕터의 출력에 각각 병렬로 접속된 제 2 커패시터 및 제 3 커패시터를 포함하고, The first integrator includes a first transconductor and a second transconductor having the same first conductance, and a second capacitor and a third capacitor connected in parallel to the outputs of the first transconductor and the second transconductor, respectively. and, 상기 제 2 적분기는 상기 제 1 컨덕턴스를 가지는 제 3 트랜스 컨덕터를 포함하고,The second integrator comprises a third transconductor having the first conductance, 상기 제 3 트랜스 컨덕터의 출력단에 병렬로 접속된 제 1 저항은 상기 제1 컨덕턴스의 역수값의 1/2인 시그마-델타 변조기.And a first resistor connected in parallel to the output terminal of the third transconductor is one-half the reciprocal of the first conductance. 시그마-델타 변조 방법에 있어서:In the sigma-delta modulation method: 차동 입력 신호를 입력하는 단계;Inputting a differential input signal; 제 1 차동 신호를 적분하는 단계;Integrating the first differential signal; 제 2 차동 신호를 적분하는 단계;Integrating a second differential signal; 차동 입력 신호에 각각 제 1 이득값을 곱하여 생성된 제 5 차동 신호를 상기 적분된 제 1 차동 신호에 가산하는 단계;Adding a fifth differential signal generated by multiplying a differential input signal by a first gain value to the integrated first differential signal; 차동 입력 신호에 각각 제 2 이득값을 곱하여 생성된 제 3 차동 신호를 상기 적분된 제 2 차동 신호와 비교하는 단계;Comparing a third differential signal generated by multiplying a differential input signal by a second gain value, respectively, with the integrated second differential signal; 제 1, 제2 래치형 비교기를 서로 반전된 위상으로 구동함으로써 출력 신호인 제6 신호와 제 7신호의 차가 3가지 상태의 값을 갖도록 하는 단계;Driving the first and second latch type comparators in phases inverted from each other such that a difference between the sixth signal and the seventh signal, which are output signals, has three state values; 상기 출력 신호를 피드백하여, 입력신호와 차분한 제 1 차동 신호를 생성하고, 상기 제 3 차동 신호와 상기 적분된 제 1 차동 신호의 합과 차분한 제 2 차동 신호를 생성하는 단계를 포함하는 시그마-델타 변조 방법. Feeding back the output signal to generate a first differential signal that is differential from an input signal and to generate a second differential signal that is differential from the sum of the third differential signal and the integrated first differential signal; Modulation method.
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