【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、Δ−Σ型モジュレータおよびそれを有するΔ−Σ型アナログ−デジタル変換回路に関し、例えばソフトウエア無線など超高速通信器や高周波の測定器などに適用することができる。 【０００２】 【従来の技術および発明が解決しようとする課題】アナログ−デジタル変換回路（以下、Ａ／Ｄ変換回路という）は、アナログ信号をデジタル信号に変換する機能回路であり、アナログ情報から成り立つ実世界とデジタル信号処理回路のインターフェイスとして、かかすことのできない回路である。 【０００３】従来から用いられている主なＡ／Ｄ変換回路としては、フラッシュ型とΔ−Σ型の二種類があげられる。 フラッシュ型Ａ／Ｄ変換回路は、通常、多数の抵抗により入力電圧を分割し、それを並列にコンパレータにかけることにより、アナログ入力値をデジタル値に変換する。 このため、非常に高速な動作が可能であるが、
素子特性のばらつきに弱く、高い精度（ビット数）を得ることは困難である。 【０００４】これに対し、Δ−Σ型Ａ／Ｄ変換回路では、入力信号をまず非常に高いサンプリングレートで低ビット精度のデジタル信号に変換する。 次に、そこから必要とする周波数の信号を取り出し、時間軸方向の精度をビット精度に変換することにより、高い精度のデジタルデータを得る。 この回路はデバイスパラメータの変動に強く、非常に高精度な変換が可能である。 このΔ−Σ
型Ａ／Ｄ変換回路の動作原理を文献（C.Marven、G.Ewers
著、山口博訳「デジタル信号処理の基礎」、丸善）にしたがって説明する。 図１にそのブロック図を示す。 【０００５】Δ−Σ型Ａ／Ｄ変換回路は、Δ−Σモジュレータ（Δ−Σ量子化器）と、デジタルフィルタからなる。 Δ−Σモジュレータは、入力信号を非常に高い周波数でサンプリングし、パルス密度信号に変換する。 デジタルフィルタは、この信号の高周波成分を落とし、時間軸方向の精度をビット精度に変換することにより高い精度をもつデジタル信号を取り出す。 【０００６】Δ−Σ型Ａ／Ｄ変換回路の中心部分であるΔ−Σモジュレータの最も簡単な構成を図２に示す。 この回路は、積分器、コンパレータから構成されている。
この回路により、入力信号と出力信号の偏差が積分され、それが最小になるように出力が制御される。 出力信号は、パルス信号となるが、上記の結果として、そのパルス密度が入力値に一致するように制御され、入力値に比例したパルス密度信号が得られることになる。 このとき、サンプリングのためのクロック信号をナイキスト周波数より非常に高くすることにより、Ａ／Ｄ変換回路としては高い精度が得られる。 【０００７】このように本回路はサンプリングレートを高くすることにより精度を上げているため、フラッシュ型に比較して回路パラメータのばらつきに強く、また高い精度を得るために高精度なアナログ素子を必要としないという利点がある。 【０００８】このような特長を持つΔ−Σ型Ａ／Ｄ変換回路においては、目的とする信号周波数に対して非常に高いサンプリング周波数が必要であるため、トランジスタやオペアンプによって構成される従来技術では、比較的信号周波数の低い音声信号などにしか用いることができないという問題点がある。 【０００９】本発明は、上記従来技術の問題点を克服した新しいΔ−Σモジュレータおよびそれを用いたΔ−Σ
型Ａ／Ｄ変換回路を提供することを目的とする。 【００１０】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、請求項１に記載のΔ−Σ型モジュレータは、Ｎ型の微分負性抵抗を示す負性抵抗素子が２つの端子間で複数個直列に接続され、少なくとも１つの負性抵抗素子に並列に比較入力用トランジスタが接続され、前記２つの端子間にクロックパルス電圧が印加されるコンパレータと、入力電圧を電流に変換する変換入力用トランジスタと、前記変換入力用トランジスタの出力電流端子と前記コンパレータの比較入力用トランジスタの入力端子に接続された容量素子と、前記コンパレータの出力を入力とし、前記容量素子に対して前記変換入力用トランジスタと逆向きの電流が流れるフィードバック用トランジスタとを備えたことを特徴としている。 【００１１】請求項２に記載のΔ−Σ型モジュレータは、請求項１に記載のΔ−Σ型モジュレータにおいて、
負性抵抗素子の個数を２とし、２つの負性抵抗素子のうちの一方に前記比較入力用トランジスタを並列接続した構成としている。 【００１２】請求項３に記載のΔ−Σ型モジュレータは、Ｎ型の微分負性抵抗を示す負性抵抗素子が２つの端子間で２個直列に接続され、一方の負性抵抗素子に並列に比較入力用トランジスタが接続され、前記２つの端子間にクロックパルス電圧が印加されるようになっており、入力電位がしきい値より高いときローレベル、低いときハイレベルのパルスを出力するコンパレータと、入力電圧を電流に変換するものであって、出力電流端子が前記比較入力用トランジスタの入力端子に接続されている変換入力用トランジスタと、前記変換入力用トランジスタに電流が流れることによって電荷量が減少し、電荷量に比例した電位を前記コンパレータの入力電位とするように設けられた容量素子と、前記コンパレータの出力を入力とし、前記コンパレータの出力がハイレベルのとき前記容量素子の電荷量を増加させるように動作するフィードバック用トランジスタとを備えたことを特徴としている。 【００１３】請求項４に記載のΔ−Σ型モジュレータは、Ｎ型の微分負性抵抗を示す負性抵抗素子が２つの端子間で２個直列に接続され、一方の負性抵抗素子に並列に比較入力用トランジスタが接続され、前記２つの端子間にクロックパルス電圧が印加されるようになっており、入力電位がしきい値より高いときハイレベル、低いときローレベルのパルスを出力するコンパレータと、入力電圧を電流に変換するものであって、出力電流端子が前記比較入力用トランジスタの入力端子に接続されている変換入力用トランジスタと、前記変換入力用トランジスタに電流が流れることによって電荷量が増加し、電荷量に比例した電位を前記コンパレータの入力電位とするように設けられた容量素子と、前記コンパレータの出力を入力とし、前記コンパレータの出力がハイレベルのとき前記容量素子の電荷量を減少させるように動作するフィードバック用トランジスタとを備えたことを特徴としている。 【００１４】上記した請求項１〜４に記載した構成のΔ
−Σ型モジュレータによれば、いずれも従来にない高速動作を実現することができる。 【００１５】また、請求項５に記載の発明のように、請求項１ないし４のいずれか１つに記載のΔ−Σ型モジュレータを有してΔ−Σ型Ａ／Ｄ変換回路を構成すれば、
超高周波で動作する高精度Ａ／Ｄ変換回路を実現することができる。 【００１６】なお、上記した負性抵抗素子としては、共鳴トンネルダイオードのような共鳴トンネル素子の他、
エサキダイオードなど微分負性抵抗を示す他の素子とすることができ、またトランジスタとしては、電界効果型トランジスタの他、バイポーラトランジスタなどとすることができる。 【００１７】 【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を参照して具体的に説明する。 （第１実施形態）図３に、本発明の第１実施形態に係るΔ−Σモジュレータの構成を示す。 Δ−Σモジュレータは、２つの端子（クロック端子と接地端子）間に２つの共鳴トンネルダイオードＲＴＤ１、ＲＴＤ２が直列に接続され、その一方の共鳴トンネルダイオードＲＴＤ１に並列に電界効果型トランジスタＴｒ３が接続された構成のコンパレータと、入力用の電界効果型トランジスタＴ
ｒ１と、積分器として役割を果たすコンデンサ（容量素子）Ｃと、フィードバック用の電界効果型トランジスタＴｒ２とから構成されている。 【００１８】クロック端子と接地端子間にはクロックパルス電圧が印加され、入力用のトランジスタＴｒ１には、入力電圧Ｖｉｎが入力される。 【００１９】共鳴トンネルダイオードＲＴＤ１、ＲＴＤ
２として示される共鳴トンネル素子は、電流−電圧特性がＮ型（電圧制御型）の微分負性抵抗を示す負性抵抗素子である。 【００２０】共鳴トンネル素子ＲＴＤ１、ＲＴＤ２と電界効果型トランジスタＴｒ３からなるコンパレータは、
単安定−双安定転移論理素子（ＭＯＢＩＬＥ）として知られており、高速、エッジトリガー（クロックの立ち上がり時の入力値で出力が決まる）、ラッチ動作（クロックがハイレベルの間、値を保持する）という特徴がある。 この実施形態では、下側（電位が固定された端子側）の共鳴トンネル素子ＲＴＤ１に並列に入力用のトランジスタＴｒ３が接続されているため、コンパレータは、インバータ型の動作をし、トランジスタＴｒ３への入力電位がしきい値より高いときローレベル、低いときハイレベルのパルスを出力する。 【００２１】この回路において、入力用のトランジスタＴｒ１は、線形領域にバイアスされている。 したがって、入力用のトランジスタＴｒ１には、入力電圧Ｖｉｎ
に比例した電流Ｉ１が流れる。 入力用のトランジスタＴ
ｒ１のドレインはコンデンサＣに接続されているため、
電流Ｉ１が流れると、コンデンサＣに蓄えられた電荷量が減少する。 このことにより、コンデンサＣの持つ電荷量は、入力電圧Ｖｉｎに比例した速度で減少し、電荷量に比例した電位（Ａ点の電位Ｖｃ）は、入力電圧Ｖｉｎ
に比例した速度で低下することになる。 Ａ点の電位Ｖｃ
がコンパレータのしきい値より高いとき、コンパレータの出力Ｖｏｕｔはローレベルであるが、Ａ点の電位Ｖｃ
がしきい値より低くなると、コンパレータの出力Ｖｏｕ
ｔはハイレベルになる。 【００２２】コンパレータの出力Ｖｏｕｔがハイレベルになると、フィードバック用のトランジスタＴｒ２がオンするため、コンデンサＣに電流が流れ込む。 この電流は、コンデンサＣに対し入力用のトランジスタＴｒ１と逆向きの電流となる。 このことにより、コンデンサＣに蓄えられる電荷量が増加し、Ａ点の電位Ｖｃが上昇して、コンパレータの出力Ｖｏｕｔがローレベルになる。
これは、負のフィードバックが生じることを示しており、本回路は、Δ−Σモジュレータとして動作することになる。 【００２３】たとえば、入力電圧Ｖｉｎが大きいときは、Ａ点の電位Ｖｃの低下速度が速いため、サンプリング時にＡ点の電位Ｖｃがしきい値以下になる回数が増え、コンパレータは多くのパルスを出力する。 また、逆に入力電圧Ｖｉｎが小さいときは、Ａ点の電位Ｖｃの低下速度が遅いため、サンプリング時にＡ点の電位Ｖｃがしきい値以上になる回数が増え、パルス密度は低下する。 【００２４】図４に、本回路の入出力特性のシュミレーション結果を示す。 （ａ）に示すように入力電圧Ｖｉｎ
を時間に対して線形に変化させたとき、（ｂ）に示すようにコンパレータの出力Ｖｏｕｔのパルス密度が入力電圧Ｖｉｎに比例して変化している。 したがって、図３に示すΔ−Σモジュレータに、デジタルフィルタを接続すれば、高速、高精度なＡ／Ｄ変換回路を得ることができる。 デジタルフィルタとしては、従来構成のデジタルフィルタを用いてもよいが、それよりも高速で動作するものが好ましい。 例えば、共鳴トンネル素子を用い、ＭＯ
ＢＩＬＥによりデジタルフィルタを構成するようにすれば、上記したΔ−Σモジュレータと同様、高速動作させることができる。 （第２実施形態）図５に、本発明の第２実施形態に係るΔ−Σモジュレータの構成を示す。 このΔ−Σモジュレータは、第１実施形態と異なり、コンパレータの入力用トランジスタＴｒ３が、上側の共鳴トンネル素子ＲＴＤ２に並列に接続されている。 この場合、コンパレータは、入力電位がしきい値より高いときハイレベル、低いときローレベルのパルスを出力することになる。 このため、入力用のトランジスタＴｒ１およびフィードバック用の電界効果型トランジスタＴｒ２の接続構成が第１の実施形態のものと逆になっている。 したがって、この回路の内部では、ちょうど第１実施形態における電圧のハイレベルとローレベルが逆転した動作が行われ、出力としては、第１実施形態と同様なパルス密度信号が得られることになる。 【００２５】上記した第１、第２実施形態に示すΔ−Σ
モジュレータは、、共鳴トンネル素子を用いているため、１）非常に簡単な回路で実現でき回路面積を小さくできること、２）低消費電力であること、３）従来にない高速動作が可能であること、４）集積化が容易であることなど、多くの利点がある。 【００２６】また、Δ−Σモジュレータを有するΔ−Σ
型Ａ／Ｄ変換回路は、超高周波（例えば、二桁ＧＨｚ）
で動作する高精度Ａ／Ｄ変換回路として用いることができ、音声、映像の高精度のＡ／Ｄ変換、通信用ブロードバンドモデム、ソフトウェア無線のＲＦバンド及びベースバンドのＡ／Ｄ変換などに利用することができる。
（その他の実施形態）上記した実施形態では、負性抵抗素子として共鳴トンネルダイオードを用いるものを示したが、エサキダイオードなど負性抵抗を示す他の素子を用いてもよい。 また、トランジスタとしても電界効果型トランジスタに限らず、バイポーラトランジスタなどを用いてもよい。 【００２７】また、コンパレータとしては、文献「Proc
eedings of 27th International Symposium on Multipl
e-Valued Logic, 1997, pp. 35-40」に示されるように、直列接続する負性抵抗素子の数を増やし、多値の出力を得るコンパレータとしてもよい。 例えば、第１実施形態におけるコンパレータとして、図６に示すように構成することができる。 すなわち、２つの端子間に共鳴トンネル素子ＲＴＤ１１〜ＲＴＤ１３およびＲＴＤ２１〜
ＲＴＤ２３が直列接続され、共鳴トンネル素子ＲＴＤ１
１〜ＲＴＤ１３に並列にトランジスタＴｒ３が接続される。 なお、第２実施形態のように構成する場合には、トランジスタＴｒ３は、共鳴トンネル素子ＲＴＤ２１〜Ｒ
ＴＤ２３に並列に接続される。 【図面の簡単な説明】 【図１】Δ−Σ型Ａ／Ｄ変換回路の構成を示す図である。 【図２】従来技術によるΔ−Σモジュレータの構成を示す図である。 【図３】本発明の第１実施形態に係るΔ−Σモジュレータの構成を示す図である。 【図４】図３に示すΔ−Σモジュレータの入出力特性図である。 【図５】本発明の第２実施形態に係るΔ−Σモジュレータの構成を示す図である。 【図６】図３中のコンパレータの他の構成例を示す図である。 【符号の説明】 ＲＴＤ１、ＲＴＤ２…共鳴トンネルダイオード、Ｔｒ
１、Ｔｒ２、Ｔｒ３…電界効果型トランジスタ、Ｃ…コンデンサ。 |
