JPS587903A - スイッチト・キャパシタ変調装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はある周波数帯の信号をほぼ正弦波ないしは方形
波の第２周波数帯の信号と掛は合わせることにより信号
を変調する技術に関する。

過去、変調器は種々の非線形デバイス、例えば真空管、
ダイオード、トランジスタやスイッチ等を、トランスま
たは増幅器と組合せることによって構成された。例えは
、米国特許第３，９３７，８８２（Ｂｉｎｇｌｌａｍ　
＋　１９７６年り月］０日付与）に示す変調器はその代
表例といえよう。設計−トの要求事項とｌ−て変調器の
全てのスプリアス出力に対１７て、これらの値をごく低
く抑えろ必要かある場合には回路パラメータを個々に調
整することが一般に必要とされた。

電子回路の伝達関数をＬＳＩ回路に実装できる部品のみ
で実現することがしばしばのぞまれる。

このような部品によるひとつの構成例はスイッチ、キャ
パシタおよび演算増幅器からなるものである。

これらの部品を使用する技術はスイッチト・キャパシタ
技術と呼ばれており、Ｈｏ５ｔｉｃｌ＜ａらのＩＥＥＥ
Ｊｏｕｒｎａｌ　　ｏｆ　５ｏｌｉｄ　　５ｔａｔｅ　
　Ｃ１ｒｃｕｉｔｓ　（１９７７年１２月Ｐ、６００　
）等に記述されている。

スイッチト・キャパシタ回路の伝達関数はキャパシタの
各電極と共通グランド（通常は基板）間の寄生容量に対
して感度を有することが示される。基板側の電極と基板
（グランド）間の寄生容量の方が大きい。しかしこの大
きい方の寄生容量についてはキャパシタの基板側電極を
基板に接地することで通常影響を除去することが可能で
ある。

しかし、このようにしてもキャパシタの上方の電極と基
板間に寄生する小さい方の寄生容量に対する感度は依存
として残る。

上記両寄生容量のいずれに対しても全く感度を持たない
スイッチト・キャパシタの２つの構成例がＭａｒｔｉｎ
と５ｅｄｒａにより、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔ
ｔｅｒｓ（１９７９年６月２１日、Ｐ３６５）に記載さ
れている。これには種々のフィルタ・セクション用の回
路構成とともに反転積分器と非反転積分器の対が載せら
れている。

したがって、本発明の主な目的は個別部品が不要な、完
全に集積化された変調装置を提供することである。

その他の目的はそのような変調装置をスイッチ、キャパ
シタおよび演算増幅器を使用して実現することである。

さらに他の目的はキャリヤ信号の制御の下で交互に反転
モードと非反転モードで虹・作するよう積分器に変調信
号を与える変調装置を提供することである。

さらに他の目的はキャパシタの寄生容量に対する感度を
持たない変調装置を提供することである。

本発明によればギヤリヤ信号の制御の下で反転モードと
非反転モード間を切り換る積分器が朗　　　　　′用さ
れる。入来信号、すなわち変調信号がスイノチト・キャ
パシタ回路を通し２てこの積分器に入力される。積分器
とスイッチト・キャパシタ回路で使用する回路部品は全
てＬＳＩに実装可能である。

本発明の特徴は帰還キャパシタ付のひとつの演算増幅器
（積分器）および入来信号と積分器間においてスイッチ
ング動作するひとつあるいはそれ以上の入力キャパシタ
で、入力信号をそのままあるいは逆相で積分器に導入す
るキャパシタとから成る変調装置にある。積分器の出力
信号は入来信号で変調されたキャリヤ信号と等価である
。

以下、本発明のいくつかの実施例を示し、上述した目的
その他の目的、特徴、利点等について図面を参照した以
下の詳細な説明を通して明らかにする。

第１図には論理回路８、スイソチト・キャパシタ回路１
０および積分器１２から成る変調装置をブロック図で示
しである。論理回路８の入力１４には変調信号のサンプ
リングの基本となるクロック信号が与えられる。変調信
号はスイッチト・キャパシタ回路１０の入力１６に与え
られる。キャリヤ信号は論理回路８０入力１８に与えら
れ、この信号の状態によってサンプルした変調信号がそ
のままの形で積分器１２に加えられるか、あろ（・は反
転した形で加えられるかが決まる。積分器１２は変調信
号により変調されたキャリヤ信号と等価な出力信号を発
生ずる。論理回路８は切挽信号をスイノチト・キャパシ
タ回路１０に与えて変調信号が積分器１２に上述した形
で印加されるようにする。本発明の実施例によれば第１
図の変調装置はＬＳＩに容易に実装できる回路素子のみ
で構成される。スイッチは通常ＭＯ８ＦＥＴのＩＣでよ
く積分器は帰還用キャパシタを設けた普通の演算増幅器
でよく、これらの部品（素子）はすべて−個の基板上に
集積することができる。好ましいことに、個別部品を一
切使用することなく本発明を実現することができる。

第２ａ図には第１図のスイノチト・キャパシタ回路の基
本的構成例を示しである。キャリヤ信号の一方の半波期
間（半サイクル）では、スイッチ２０ど２２が同相で閉
じてキャパシタ２４を充電する。ついでスイッチ２０と
２２は開になり、スイッチ２６と２８が閉じてキャパシ
タ２４を放電して積分器１２に送る。この動作モードで
はサンプルした変調信号は反転した形で積分器に送られ
る。したがって積分器１２を帰還キャパシタＨの反転壇
幅器で構成した場合には、変調装置全体としては非反転
モードで動作することになる。

キャリヤ信号の他方の半波期間においては、スイッチ２
０と２８が同相で閉じキャパシタ２４を充電し、サンプ
ルした変調信号をそのままの形で積分器１２に印加させ
る。しかる後、スイッチ２０と２８は開となり、これに
代ってスイッチ２２と２６が閉シてキャパシタ２４をグ
ランドに放電する。したがって、積分器が上述の構成の
場合、変調装置全体としての動作は反転モードとなる。

キャリヤ信号のηｉ制御によるモード切換により変調が
実行される。

論理回路８はスイノチト・キャパシタ回路１０のスイ、
ノチを切換える切換信号を発生する。切換信号Ｓｎ（こ
こにｎは第２ａ図の各スイッチの番号を表わ−ず）の好
ましい論理表示は次の通り。

Ｓ、。二ＣＬ、ＯＣＫ■Ｃ’ＸＲ ８２２＝　　ＣＬＯＣＫ Ｓ、６二ＣＬＯＣＫ■ＣＸＲ ５２８＝　　ＣＬＯＣＫ ここに、ＣＬ　ＯＣＫ　と　ＣＸＲはそれぞれ、クロッ
ク信号とキャリヤ信号の論理レベルを示１゜クロック信
号とキャリヤ信号との間の位相関係に制限はない。ただ
し、クロック信号の周波数がキャリヤ信号の周波数の８
倍より低い場合には該動作をもたらす重大な歪みが生じ
る。

本発明の好適実施例ではブロック信号の周波数は２のＸ
乗で、Ｘの値は少なくとも４である。

第２ｂ図にキャリヤ信号とクロック信号および−Ｆ述し
た切換信号間の好ましい関係の一例を示しである。

上記変調装置が非反転モードで動作している場合には、
クロック信号の最初の半周期においてキャパシタ２４が
充電され、次の半周期において積分器１２に放電される
。したがって積分器１２に与えられる変調信号はクロッ
ク信号の半周期分たけ遅れる。これに対し、反転モード
では時間遅れなしで変調信号が積分器に与えられる。こ
のアンバランスは出力信号にスプリアス成分を発生させ
る。

このアンバランスは第；う８図に示すように基本例のス
イッチト・ギヤパンク回路にもうひとつスイッチを加え
ることで・除かれる。

キー１．　ＩＪギヤ号の第１の半周期ではスイッチ３゜
は開いたままどし、スイノチト・キャパシタ回路の残り
の部分は第２ａ図の回路の非反転動作と同様に動作させ
る。

しかし、キャリヤ信号の第２の半周期ではスイッチ２０
と２２を開いたままにし、スイッチ２６は閉じたままに
する。そして、クロック信号の第１の半周期においてス
イッチ３０を閉じ、スイッチ２０を通してキャパシタ２
４を充電する。クロック信号の第２の半周期ではスイッ
チ３０を開、スイッチ２８を閉として積分器１４の方へ
キャパシタ２４を放電する。こうして反転モード（キャ
リヤ信号の第２の半周期での動作モード）でも、上述し
た時間遅れが生じることになり、上記アンバランスがな
くなる。

第２ａ図で説明したクロック信号とキャリヤ信号の関係
はこの場合も当てはまるが、個々の切換信号については
変ってくる。

論理回路８３はスイッチト・キャパシタ回路１０３のス
イッチの動作を制御する切換信号を発生する。切換信号
Ｓｎ（ここにｎは第３ａ図の各スイッチ番号を示す）の
好ましい切換の論理式は次の通り。

５２ｏ＝　Ｓ２．＝ＣＬＯＣＫ−ＣＸＲ８，６−ＣＬＯ
ＣＫ■ＣＸＲ ８２８−ＣＬＯＣＫ Ｓ３ｏ−ＣＬＯＣＫ−ＣＸＲ ここに、ＣＬＯＣＫとＣＸＲは上述した通りである。

第３ｂ図に第３ａ図におけるキャリヤ信号、クロック信
号および切換信号間の好ましい関係の一例を示す。

第４　ａ図は第；３図の変調装置の相補形であり１〜た
がって動作モードの詳しい説明は省略する。

スイッチ３２が第３ａ図０）スイッチ３０と相補開光に
あるスイ、・チである。！ｌ１ｇＪａ図の装置の動作が
充分理解できるように第−ｉ　ｂ図にキャリヤ信号、ク
ロック信号および切換信号の間の所望の関係の一例を示
す。、 第；３ａ図（または第４ａ図）の回路を集積化した場合
には、キャパシタ２４の電極（第３ａ図ではスイッチ２
２．２８．３０、第４ａ図では２０．２６．３２につな
がって（・る方の電極）と基板間の寄生容量のため反転
モードでは積分器１２の利得が増加するが、当該寄生容
置は非反転モードにおける積分器１２の利得には影響を
与えない。

このアンバランスの／にめに＋Ｎ分器１２の出力に小さ
なスプリアス成分が生じる。

寄生容量の影響は寄生容量に対する感度を有し、ない第
２ａ図の回路を使用し、かつ反転モードにおいて変調信
号をクロック信号な℃・し切換信号の半周Ｍ分遅らせて
から積分器に導入する遅延方式を採用することにより除
くことができる。

第５ａ図に第２ａ図のスイノチト・ギャパンタ回路１０
２に上記遅延を与える遅延回路３８を伺加したものを示
す。本例では変調信号は人力４０に与えられる。スイッ
チ４２はスイッチ２２ど同相で動作する。キＩ　ＩＪギ
ヤ号の第１の半周期ではスイッチ４２はスイッチ２０に
対しても同相で゛あり、したがって変調信号に遅れは与
えられない。

しかし、キャリヤ信号の第２の半周期ではスイッチ４２
はスイッチ２０と逆相で動作し７、スイッチ４２、キャ
パシタ４６および単位利得増幅器４４によりつくられる
ザンプル・ホールド回路により変調信号はクロック信号
の半周期分遅延が与えられる。こうして第２ａ図に関し
て説明したアンバランスが取り除かれる。

第５ａ図に示す積分器には増幅器４８と積分キ〜・パシ
タ５０から成る。積分器１２と並列にスイッチ５２、ス
イッチ５４およびキャパシタ５６から成る回路５１が接
続される。このスイッチーコンテンザースイッチ組合せ
回路５１はクロック信号の各周期においてキャパシタ５
０の電荷の一部を逃がすことにより増幅器のＤＣ飽和を
防市する機能を持つ−Ｃいる１゜ 第２ａ図で説明１〜だ切換信号とキャリア信号との周波
数関係は第５ａ図にも同様に適用される。

ただし、論理回路８５は適当な修正をした切換信号を発
生する３、切換信号Ｓｎ（ここに１１は第５ａ図の谷ス
イッチの番号を示す）の好ましい論理式は次の通り、。

Ｓ２ｏ”　ＣＩ、０ＣＫ（θＣＸＲ ８２２”　”’４２＝８５４二ＣＬＯＣＫＳ２６　＝　
ＣＬＯＣＫ（１）　ＣＸＲ８２８＝　８５２＝ＣＬＯＣ
Ｋ ここにＣＬ　ＯＣＫとＣＸＲは前述の定義通り。

第５ｂ図に第５ａ図のキャリヤ信号、クロック信号およ
び切換信号の間の好ましい関係の一例を示す。

前述した切換関数は互に重なり合わないようにし−Ｃ実
現Ｊ−るのが望ましい。閉にすべきスイッチの動作をす
でに閉になっているスイッチが開くまでまたせる。重な
り合わない関係を得るのに適した方法は、」二連した切
換信号を発生させ、各切換信号を対応するＡＮＤゲート
に送ることで７ちる。

そして各ＡＮＤゲートの第２人力に前述したクロック信
号の２倍の周波数のクロックパルスをちえる。ついでＡ
ＮＤゲートの出力信号を切換信号として対応するスイッ
チに与える。このようにすればクロック信号の％周期分
しか各スイッチは閉じないので重なり合わない切換関係
が得られる。

上述した実施例ではキャリヤ信号として方形波を使用し
たが、正弦波キャリヤへの近似が必要な場合には、整形
手段により積分器１２の利得を段階的に増減して変調が
正弦波の階状近イリで行なわれるようにする。すなわち
積分器１２の利得はキＡ・ハシタ２４の容量に直接比例
するから、このキャパシタと並列になるようないくつか
のキャパシタを順次切り換て導入することにより利得を
制御する。整形手段で使用されるキャパ／りの数により
正弦波への近似の程度が決まる。

第６ａ図にキャパシタ２４と並列にキャパシタとスイッ
チを接続する場合の一例を示す。この並列回路は上述し
たスインチト・キャパシタ回路のいずれにもイ月加する
ことかで゛きる。スイッチ５６．５８．６０が開の場合
、積分器１２の利得はスイノチト・キャパシタ回路１０
６のキャパシタ２４のみで定められる。まずスイッチ５
６を入れてキャパシタ６２を導入し、以下、スイッチ５
８と６０を順次閉にしてキャパシタ６４と６６を回路に
加える。次に逆の順序でスイッチ横にしてキャパシタを
順次、回路から切り離す。キャパシタ２４．６２．６４
．６６を容量比を１．０００　：　１．８４８　；１．
４１４：０．７６５にすればキャリヤ信号の第３．５．
７．９．１１および１３高調波成分およびその側波帯を
低域することができる。

第６ｂ図に第６ａ図のスイッチ５６．５８．６０用の切
換信号Ｓ５６、Ｓ５８、Ｓ６ｏのタイミングチャートを
示す。論理回路８６でつくられるこれらの切換信号の好
ましい論理関係を表１の真理値表で示す。この表におい
て、Ｆ□はキャリヤ信号の論理レベル、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ
８はそれぞれキャリヤ信号の２倍、４倍、８倍周波の信
号の論理レベルを示す。

表　　　　■ ０００００００ ０００１１００ ００１０１１０ ００１１．１１１ ０１００１１１ ０１０１１１０ ０１１０１００ ０１１１０００ １００００００ １００１１００ １０１０１１０ １０１１１１１ １１００１１１ １１０１１１０ １１１０１００ １１１１０００

【図面の簡単な説明】

第１図は変調装置のブロック図、第２ａ図は第１図のス
イッチト・キャパシタ回路の基本構成例を示す回路図、
第２ｂ図は第２ａ図のスイッチの制御論理のタイミング
チャート、第３ａ図は第２ａ図のスイソテト・キャパシ
タ回路のもうひとつの構成例を示す回路図、第３ｂ図は
第３ａ図のスイッチの制御論理のタイミングチャート、
第４ａ図は第１図のスイノチト・キャパシタ回路のもう
ひとつの構成例を示す回路図、第４ｂ図は第４ａ図のス
イッチの制御論理のタイミングチャート、第５ａ図は第
１図のスイッチト・キャパシタ回路のさらに別の構成例
を示す回路図、第５ｂ図は第５ａ図のスイッチの制御論
理のタイミングチャート、第６ａ図は第１図のスイッチ
ト・キャパシタ回路のさらに別の構成例を示す回路図、
第６ｂ図は第６ａ図のスイッチの制御論理のタイミング
・チャートで゛ある。 ８．８２．８３．８４．８５．８６：論理回路１２：積
分器 １０．１０”　、１０代１０へ１０５．１０６：　　ス
イッチト・キャパシタ回路２４：　主キャパシタ ２０．２２．２６．２８．３０．３２ニスインチ６２．
６４．６６：補助キャパシタ ５６．５８．６０：補助スイッチ 特許出願人　　　レイカル−パーティツク・インコーポ
レーテノド（外１名） Ｆｉｇ　３ｂ ＦｉｇＡｂ 手　　続　　補　　正　　書 昭和７Ｌ年　フ月７０日 １、事件の表示 昭和９Ｌ年特許願第　７０２１’−７ｂ　　号２、発明
の名称 ７’＋　　　ｒ　　−ｊ−１−Ｎ−１＼　’、、’９　
　Ｅ　１１５−ｐ、、亘ろ、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住所 ス　肯　　レイ力ｉし一ハーニＡ５り、・りフコ−１−
，−−テ、ト４、代理人 重囲（の、由り　、−入　目６１）内で１：１ｔも）ユ
し）１４−−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）変調信号でキャリヤ信号を変調して変調された信
   号な形成するスイッチト・キャパシタ変調装置にお（・
   て、 変調１言号が印加される第１人力と、複数のり換信号が
   印加される第２人力と、ザンプル（−た変調信号を力え
   る出力と、第１と第２の電極を有する主キャパシティブ
   手段と、切換信号に応答して前記第１と第２電極を前記
   入力と出力に接続する複数の２進スイツチを含むスイッ
   チング手段、 キャリヤ信号、１６よびこのキャリヤ信号の少なくとも
   ４倍の周波数を有するクロック信号に応答して前記切換
   信号を発生する論理手段、および 前記ザンゾルした変調信号に応答して変調された信号を
   −匂える積分手段と、 から成ることを特徴どするスイノチト・ギャパシタ変調
   装置。 （２、特許請求の範囲第１項の変調装置に１．９いて、
   前記複数の２進スイツチは少なくとも第１、第２、第３
   および第４のスイッチを乱み、前記第１電極は第１スイ
   ツチを介して前記第１人力に接続され、第２スイツチを
   斤して共通グランドに接続され、前記第２電極は第３ス
   イツチを介して前記出力に接＠され、第４スインチを斤
   して共通グランドに接続されて（・ること。 （３）特許請求の範囲第２項の変調装置において、前記
   論理手段はキャリヤ信号の第１の半サイクルにおいて、 クロック信号−ソつ一方の半周期では前記第１と第４ス
   イツチを閉とし前記第２と第３スイツチを開とする切換
   信号を発生ずることにより＾１ｊ記主キャパシティブ手
   段が変、１．８１商号で充電されるようにするとともに
   、クロック信号の残りの半周期では前記第１と第４スイ
   ツチを開どし前記第２と第３スイツチを閉とする切換伯
   萼を発生することにより前記主キャパシティブ手段が放
   電されるようにしたこと。 （４）特許請求の範囲第３項の変調装置において、前記
   論理手段はキャリヤ信号の河２の半サイクルにおいて、
   クロック信号の一方の半周期では前記第１と第３スイツ
   チを閉とし前記第２と第４スイツチを開とする切換信号
   を発生ずることにより前記主キャパシティブ手段が変調
   信号で充電されるようにするとともに、クロック信号の
   残りの半周間では前記第１と第３スイツチを開とし前記
   第２と第４スイツチを閉とする切換信号を発生ずること
   により前記主キャパシティブ手段が放電されるようにし
   たこと。 （５）特許請求の範囲第４項の変調装置において、入力
   と出力を有する演算増幅器第５スイツチ、および蓄積キ
   ャパシティブ手段から成る遅延手段を設け、演算増幅器
   の入力は第５スインチを介して前記第１人力に接就し、
   演算増幅器の出力は前記第１スインチに接続し、蓄積キ
   ャパシティブ手段は演算増幅器の入力と共通グランド間
   ）（挿入１．、第５スイツチを第４スイツチと同一の切
   換信号により制御するようにしたとと。 （６）特許請求の範囲第３項の変調装置ｄにおいて、前
   記スイッチング手段は前述した以外の切換信号Ｓに応答
   して前記累１人力を前記第２電極に接続する第５スイ７
   チを含み、前記論理手段はキャリヤ信号の前記第１の半
   サイクルにおいてこの第５スイツチを開にする前記切換
   信号Ｓを発生すること、さらに前記論理手段はキャリヤ
   信号の前記第２の半サイクルにおいて、前記第２スイツ
   チを閉とし前記第１と第４スインチを開としておきクロ
   ック信号の第１の半周間では第５スイツチを閉とし第３
   スイツチを開にして前記キャパシイテイブ手段を変調信
   号で充電させるがクロック信号の第２の半周期では第５
   スイツチを開とし第３スイツチを閉にして前記キャパシ
   イティプ手段を放電させろ切換信号を発生ずること。 （７）特許請求の範囲第３項の変調装置において、前記
   スイッチング手段は前述した以外の切換信号Ｓ′に応答
   して前記出力を前記第１電極に接続する第５スイツチを
   含み、前記論理手段はキャリヤ信号の前記第１の半サイ
   クルにおいてこの第５２インチを開にする前記切換信号
   Ｓ′を発生すること、さらに前記論理手段はキャリヤ信
   号の第２の半サイクルにおいて、前記第４スイツチを閉
   とし前記第２と第３スイツチを開にしておきクロック信
   号の第１の半周期では第１スイツチを閉とし第５スイツ
   チを開にして前記キャハステイブ手段を変調信号で充電
   させるがクロック信号の第２の半周期では第１スイツチ
   を開とし第５スイツチを閉にして前記キャパシイテイブ
   手段を放電させる切換信号を発生すること。 （８）特許請求の範囲第５項、第６項または第７項の変
   調装置において、前記スイッチング手段はサラに複数の
   補助キャパシイテイブ手段および補助切換信号に応答す
   る複数の補助スイッチから成る整形手段を含み、各補助
   キャパシイテイプ手段は対応する補助スイッチを介して
   前記主キャパシティブ手段の両端に接続されており、前
   記論理手段はキャリヤ信号の整数倍の周波数で前記補助
   スイッチを動作する前記補助切換信号を発生すること。