デルタシグマA-Dコンバーターって何？：アナログ設計201（1）（1/2 ページ）

アナログ回路設計は、デジタル回路設計とは全く違う設計思想が必要になります。この連載では、中堅のアナログ回路設計者である穴炉具 学（あなろぐ まなぶ）さんと、穴炉具さんが「師」とあおぐベテラン設計者、押江（おしえ）先生とのやりとりを通して、中級レベルのアナログ回路設計について学んでいきます。

[美齊津摂夫，ディー・クルー・テクノロジーズ]

　アナログ回路設計は、デジタル回路設計とは全く違う設計思想が必要になります。この連載では、中堅のアナログ回路設計者である穴炉具 学（あなろぐ まなぶ）さんと、穴炉具さんが「師」とあおぐベテラン設計者、押江 太郎（おしえ たろう）先生とのやりとりを通して、中級レベルのアナログ回路設計について学んでいきます。面白いけど難しい、でも奥が深くてやっぱり面白い、初級からもう一歩進んだ、中級レベルのアナログ回路設計の世界をのぞいていきましょう。

本連載の登場人物

• 穴炉具 学さん：入社10年目のエンジニア。アナログ回路設計の面白さに目覚め、さらなるレベルアップを目指してまい進中。押江 太郎さんを「師」とあおいでいる。

• 押江 太郎先生：大ベテランのアナログ回路設計者。1990年にアナログ設計者としてのキャリアを大手電機メーカーでスタート。その後、開発ベンチャーに転職し、超音波診断用ICや高速IF用IC、RF-ICなど、多種多様なIC開発を手掛ける。「システム、原理を理解してのトップダウン設計」がモットー。

*編集部注：本記事はフィクションです。実在の人物や企業などとは一切関係ありません。

そもそも「デルタシグマADC」って何？

　押江先生！ 「ΔΣ（デルタシグマ）」について教えてください。

ΔΣADC（A-Dコンバーター）は、いろいろな場面で使われているすごい技術だとは理解しているのですが、アナログ技術者の私にはハードルが高くて……。

　海外ではΣΔ（シグマデルタ）と言うところもあると聞きますが、そもそも、なんでΔΣ（デルタシグマ）っていうのですか？　Δは差分（微分？）で、Σは加算（積分？）ですよね？

　何かと何かの差分を調べて、それを加算するとどんなことが分かるのでしょうか？

　重要な事は、ΔΣADCは制御システムの一つの応用例だと考えられることです。

　制御システムでは、出力を入力に近づけるために、入力と出力の差分をとり、それを増幅することで最終的に出力に生じる誤差を小さくします。

（解説）　ΔΣADCも同様に、出力（この場合はデジタル信号）と入力の差分をとり、積分（信号のような低域成分を増幅）することで、出力に含まれる信号成分と入力信号との誤差を小さくします。一方で量子化ノイズは高域に追いやり、ADC後段のデジタルフィルタで高域ノイズをカットすることで、最終的に誤差が小さいデジタル信号を得ます。

　このように、差分（Δ）→加算（Σ）という流れで処理されるので、ΔΣという名前の方が自然です。最初にΔΣADCの概念を唱えたのは日本人だったので、欧米の研究者が対抗してΣΔという名前を使ったということは、うわさで聞いたことがあります。

ΔΣADCは制御システムの一つ

　ΔΣADCは制御システムの一つなんですか？

　それは全く思いも付きませんでした。

　ということは……入力と出力の二つの値を一致させるように動いているということなのですね。

　ADCだから、入力はアナログ信号で出力はデジタル信号なのだと思いますが、信号の種類が違うので、比較しようにも比較できないと思うのですが……。私、逐次比較式のADC（SAR）であれば少しは理解しているつもりです。

　SARにはDAC（デジタル→アナログ変換）が搭載されていて、出力であるデジタル信号をアナログに変換してアナログ信号同士を比較していますよね。

　ΔΣADCにはDACが無いように思いますが、これはどうやって比較しているのでしょうか？

　根本原理が分かっていないので、変な質問になってしまいますが、よろしくお願いします。

　まず、ΔΣADCは、入力アナログ信号とデジタル信号とを比較するためにDACを持っています。

　デジタル信号をDACで電圧に変換し、入力アナログ信号との差分を取ります。ただし、DACは1-bitが多く使われ、まれに数bitが使われます。

（解説）　いずれにせよ、デジタル信号をアナログ信号に変換する通常のDACとは異なり、ΔΣADCは、アナログ信号とデジタル信号を文字通り比較していると言えます。

　ΔΣADCでは、アナログ信号とデジタル信号との差分を積分回路に通すことにより、平均値に関して差が0に近くなるようにデジタル値を制御します。この辺の詳しい話は、ディー・クルー・テクノロジーズのWebサイトの技術市場　「ΔΣ ADCの基礎と設計手法（1）― 制御理論から読み解く高精度A/D変換」を見て頂くと、良く分かると思います。

　ありがとうございます。でも、ディー・クルー・テクノロジーズのHPの技術市場「ΔΣ ADCの基礎と設計手法（1）― 制御理論から読み解く高精度A/D変換」には、DACらしきブロック図は見当たらないです……あっありました！　第3弾の「ΔΣ ADCの基礎と設計手法（3）― 制御理論から読み解く高精度A/D変換」ですね。

　ここの入力信号はアナログ信号で、コンパレータの出力がデジタル信号、このデジタル信号の符号を反転させてアナログ信号に足し算している部分が、“DAC ＋ 引き算”になっているのですね。（下図参照）

2次1ビットデルタシグマA-Dコンバーターの構成例［クリックで拡大］ 出所：ディー・クルー・テクノロジーズ