JPH1127241A - アナログ乗算器 - Google Patents

アナログ乗算器

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JPH1127241A
JPH1127241A JP17490097A JP17490097A JPH1127241A JP H1127241 A JPH1127241 A JP H1127241A JP 17490097 A JP17490097 A JP 17490097A JP 17490097 A JP17490097 A JP 17490097A JP H1127241 A JPH1127241 A JP H1127241A
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JP
Japan
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output
clock
scf
signal
analog multiplier
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JP17490097A
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Inventor
Satoshi Tamura
敏 田村
Mitsuru Kikuchi
満 菊池
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Asahi Kasei Microsystems Co Ltd
Asahi Kasei Microdevices Corp
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Asahi Kasei Microsystems Co Ltd
Asahi Kasei Microdevices Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】被乗算信号として音声信号を入力した場合、原
音リークを抑制した反転秘話回路を実現可能なスイッチ
ド・キャパシタ・フィルタ(SCF)を用いたアナログ
乗算器を提供すること。 【解決手段】SCFと、このSCFを構成する各スイッ
チを開閉動作させるためのクロックを供給するクロック
供給部100とを備える。そして、このクロック供給部
100は、SCFの出力が反転出力となる時間とSCF
の出力が非反転出力となる時間との比が1対1となるよ
うに、SCFを構成する各スイッチにクロックを供給す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、スイッチド・キャ
パシタ・フィルタ(SCF)を用いた乗算器に係わり、
特に、被乗算信号として音声信号を入力した場合、原音
リークを抑制した反転秘話回路を実現可能なアナログ乗
算器に関する。
【0002】
【従来の技術】図2はSCFを用いたアナログ乗算器の
最も簡単な構成例を示したもので、SCFで実現された
1次ローパスフィルタをアナログ乗算器として用いたも
のである。
【0003】図中、S1〜S6はMOSスイッチ、C1
〜C3は容量素子、P1は演算増幅器であり、P1の非
反転入力端子、S2、S4、S6の片側のノードは基準
電位(VCOM)に接続されていて、S1の1端には、
例えば、音声信号等のアナログ信号である被乗算信号を
入力可能な入力端子(被乗算信号IN1)が設けられて
いるとともに、演算増幅器P1の出力端子には乗算結果
を出力する出力端子(乗算結果OUT1)が設けられて
いる。
【0004】また、このアナログ乗算器には、各MOS
スイッチS1〜S6を開閉制御するためのクロックを供
給する乗算クロック供給部(図示せず)が設けられてい
る。具体的には、図2に示すように、S1、S2、S
3、S4、S5およびS6の各スイッチには夫々、X,
Y,B,A,B,Aなるクロック信号が供給されるよう
になっていて、MOSで構成される各スイッチはハイレ
ベルの信号が供給されたときに閉状態となる。
【0005】そして、図3に示すように、クロックA、
Bはサンプリングクロックfsを基準として生成される
もので、互いに逆位相のノー・オーバラップ・クロック
となっている。具体的には、クロックAの立ち下がりか
ら時間d1だけ経過するとクロックBが立ち上がるとと
もに、クロックBの立ち下がりから時間d2だけ経過す
るとクロックAが立ち上がる。
【0006】また、クロックX,Yは、乗算信号fmの
極性によってクロックAまたはクロックBに切り替わ
る。具体的には、乗算信号fmがハイレベルの時、「ク
ロックX=クロックA、クロックY=クロックB」とな
り、逆に、乗算信号fmがローレベルの時、「クロック
X=クロックB、クロックY=クロックA」となる。
【0007】このクロックX、クロックYによって、S
CFの出力は乗算信号fmの極性が変化するごとに、反
転出力(fmがローレベル時)と非反転出力(fmがハ
イレベル時)との間で切り替わり、結果として乗算出力
が得られる。なお、反転出力とは入力の極性が逆極性と
なって出力されることであり、非反転出力とは入力の極
性がそのままの極性となって出力されることである。
【0008】ここで、出力端子を介して出力される乗算
結果を式により求めると以下のようになる。入力端子を
介して入力される被乗算信号(入力信号IN1)を「a
sin(2πfa t)、(∵fa ,fb ≪fs)」、乗
算信号fmを「Σ(bn sin(2nπfb t))(Σ
はnについての1から無限大までの総和をとることを意
味する)」と仮定し、さらに理解容易化のため乗算信号
fmの基本波成分だけに注目する。
【0009】さて、b1 =1とおくと、「IN1×fm
=asin(2πfa t)×sin(2nπfb t)=
(a/2)・〔−cos(2π(fa +fb )t)+c
os(2π(fb −fa )t)〕なる式が導かれこれが
理想的な乗算結果であり、通常、2つの側帯波のうち、
片側のみをフィルタリングして出力信号としている。
【0010】このアナログ乗算器を周波数分割反転秘話
回路(特開平5−244121号公報等に記載)に応用
した場合には、通常、上述した乗算結果の2項目「(a
/2)・cos(2π(fb −fa )t)」を出力信号
として用い、1項目はローパスフィルタを用いて除去す
る。
【0011】なお、前述した乗算結果の計算において理
解容易化のために無視した乗算信号fmの高周波成分
と、被乗算信号(IN1)との乗算も実際には行われる
が、周波数分割反転秘話回路(適宜「反転秘話回路」と
記す)等への応用では、ローパスフィルタによって高調
波成分の乗算結果が除去されるため、簡単のために無視
した乗算信号fmの高周波成分については考えなくても
よい。
【0012】ところで、アナログ乗算器を用いた反転秘
話回路において問題となるのは、入力信号(IN1)が
出力端子にリークすることであり、反転秘話回路では入
力信号(IN1)が出力にリークすること(ここでは
「原音リーク」と記す)は、入力信号(IN1)が出力
帯域内の信号である場合には、ローパスフィルタでは除
去不可能なため、直接秘話性の劣化となって顕れる。
【0013】さらに、反転秘話回路での音質の向上のた
めには、原音以外の不要トーンも少ない方が良く、この
ためには、出力帯域内でsinad(「signal/
(noise+distortion)」)が大きな値
となることが望ましく、sinadの劣化を防ぐために
は、fmをfsの整数分周、特に、偶数分周とすれば良
いことが知られている。
【0014】また、通常、アナログ乗算器の前段に入力
信号の高周波ノイズ成分を除去するため、同一のサンプ
リングクロックで動作するSCF(前段SCF)が設け
られていることが多く、このような場合には、前段SC
Fがホールド動作を行っている間に、入力信号(IN
1)のサンプリング動作を終了するのが望ましい。この
ため、アナログ乗算器ではサンプリングクロックX,Y
がfmの極性によって切り替わることを考慮して、図4
に示すようなクロックA’、B’を供給することが知ら
れていて、図4に示す例では前段SCFのAが「H」の
間、即ち、前段SCFがホールド動作を行っている間
に、アナログ乗算器のサンプルおよびホールド動作が終
了するように、クロックAがハイレベルの間にクロック
A’およびクロックB’がハイレベル状態になってい
る。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】ところで、アナログ乗
算器の反転秘話回路等への応用では、秘話性を高めるた
めに乗算信号fmの周波数を切り替えられるようにした
ものがあるが、この場合も、sinadの劣化を防ぐた
めには乗算信号fmはfsの整数分周にする必要があ
る。この整数分周を行う方法の一つとして、fmとfs
の分周比を固定として、fs自体の周波数を変化させる
方法が考えられるが、アナログ乗算器およびその前段お
よび後段に設けたSCFのカットオフ周波数fcがfs
の変化分だけ変動してしまうという欠点がある。fcが
変動しないようにfsに連動してSCFの容量素子の容
量値を変える方法もあるが回路構成が複雑となり、回路
面積も大きくなってしまう。
【0016】最も簡単な方法としては、fsの値を固定
し、fsの整数分周の中からfmの値を定めることが考
えられ、この方法によれば、偶数分周においては、A’
またはB’に同期させてfmが立ち上がりまたは立ち下
がりとなるようにすれば問題はないものの、奇数分周に
おいては、問題が生じる。
【0017】図5は、fmをfsの4分周と5分周とし
た時の動作タイミングチャートを示したもので、4分周
では、SCFの出力が反転出力となる時間と非反転出力
となる時間との比は「2:2」となるが、5分周では、
反転出力となる時間と非反転出力となる時間との比は
「3:2」となり、見かけ上、fmはデユーテイが
「3:2」の矩形波となっていることを意味する。
【0018】このため、fmをフーリエ級数変換すると
DC成分が存在し、「DC×入力信号」なる演算がアナ
ログ乗算器で行われ、原音成分が出力されることになっ
てしまい、秘話回路では致命的な欠点となる。これを避
けるためには、例えば、fsを2N(Nは整数)とし、
fsの偶数分周のみを利用してfmを生成すればよい
が、この場合、SCFを構成する容量素子の容量値の増
加や演算増幅器の高速化が要求されるため、集積化しに
くくなるという問題があった。
【0019】このように従来では、fmをfsの奇数分
周としたアナログ乗算器を反転秘話回路に応用したもの
では原音リークが発生してしまい、これを回避するため
にはfsを2N(Nは整数)と高い周波数に設定し、f
mをfsの偶数分周として用いるしかなかったため、回
路設計自由度が小さかった。さらに、fsを高い周波数
にすると、演算増幅器の帯域も広いことが要求され、ま
た、SCFを構成する容量素子の容量値も大きくしなけ
ればならなくなり、回路集積化上不利になっていた。
【0020】本発明は、上述した従来の課題を解決する
ためになされたもので、その目的は、fmとしてfsの
奇数分周の信号を用いた場合にも、原音リークを抑制で
きる反転秘話回路を実現可能なスイッチド・キャパシタ
・フィルタ(SCF)を用いたアナログ乗算器を提供す
る点にある。
【0021】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明によれば、スイッチド・キャパシタ・フィル
タ(SCF)と、該SCFを構成する各スイッチを開閉
制御するためのクロックを供給するクロック供給部と、
を備え、該クロック供給部は、SCFの出力が反転出力
となる時間とSCFの出力が非反転出力となる時間との
比が1対1となるように、前記SCFを構成する各スイ
ッチにクロックを供給する、アナログ乗算器が提供され
る。
【0022】ここで、反転出力とは、入力の極性が逆極
性となって出力されることであり、また、非反転出力と
は、入力の極性がそのままの極性となって出力されるこ
とである。
【0023】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照しつつ説明する。本発明の実施の形態にかかるアナ
ログ乗算器は、その出力が反転出力となる時間と非反転
出力となる時間との比が1対1となるように、即ち、そ
の出力が反転出力となる時間と非反転出力となる時間と
が等しくなるように、その出力が信号成分を含まない基
準電位出力となる期間を設けるようにした点に特徴があ
る。
【0024】図1は、本発明の実施の形態にかかるアナ
ログ乗算器の回路図であり、図5、図6および図7は、
アナログ乗算器の動作タイミングチャート図である。図
1に示す回路は、SCFを用いたアナログ乗算器と、ア
ナログ乗算器を構成する各スイッチを開閉制御するため
のクロックを供給する乗算クロック供給部100とを有
している。
【0025】このアナログ乗算器は、入力信号(IN
1)を入力するための入力端子と、この入力端子に接続
されたスイッチS10と、このスイッチS10に接続さ
れた、スイッチS20および容量素子C10と、この容
量素子C10に接続された、スイッチS30、スイッチ
S40、容量素子C20、および、容量素子C30と、
スイッチS30に自身の反転入力端子が接続された演算
増幅器P10と、容量素子C20および容量素子C30
を接続するスイッチS50と、このスイッチS50の容
量素子C20側に接続されたスイッチS60と、演算増
幅器P10の出力端子に接続され乗算結果を出力信号
(out1)を出力するための出力端子とを有してい
る。
【0026】また、演算増幅器P10の非反転入力端子
と、スイッチS20、スイッチS40、および、スイッ
チS60の片側のノードは、基準電位(VCOM)に接
続されていて、入力端子には、例えば、音声信号等のア
ナログ信号である被乗算信号(被乗算信号IN1)が入
力されるとともに、出力端子からは乗算結果(乗算結果
OUT1)が出力されるようになっている。
【0027】また、このアナログ乗算器には、各MOS
スイッチS10〜S60を開閉制御するためのクロック
を供給する乗算クロック供給部100が設けられてい
て、この乗算クロック供給部100は、サンプリングク
ロックfsおよび乗算信号fmを与えると、A’、
B’、X、Yなる4種類のクロックを生成する。そし
て、図1に示すように、S10、S20、S30、S4
0、S50およびS60の各スイッチには夫々、乗算ク
ロック供給部100から、X,Y,B’,A’,B’,
A’なるクロック信号が供給されるようになっていて、
MOSで構成される各スイッチはハイレベルの信号が供
給されたときに閉状態となる。
【0028】ここで、本発明の実施の形態の特徴である
クロック供給のパターンについて説明する。前述したよ
うに、入力端子に音声信号を入力した場合に原音リーク
が発生する原因は、fmをfsの奇数分周とする場合に
おいて、反転出力となる時間と非反転出力となる時間と
の比が1対1とならないことに起因するため、この点を
解決すればfmをfsの奇数分周とする場合であって
も、原音リークの発生等の問題が生じることがないよう
にすることができる。
【0029】fmをfsの5分周とした場合を一例とし
て考えると、反転出力となる時間と非反転出力となる時
間との比が「2.5対2.5」であるならば、この問題
は生じることがないようにすることができるが、この時
間比を直接実現するのは原理的には不可能であるため、
「反転出力:非反転出力:基準電位出力=2:2:1」
となるようにすれば、反転出力となる時間と非反転出力
となる時間との比を1対1とすることで原音リークが発
生することを防止することができる。
【0030】そこで、具体的なクロック生成方法として
は、図6および図7に示すように、サンプリングクロッ
クA’、B’と乗算信号fmの位相を少しずらすように
して、奇数分周の時だけ、fmの立ち上がり、または、
立ち下がりエッジのいずれか一方をA’の立ち下がりと
B’の立ち上がり中間位置にくるようにする。
【0031】即ち、図6に示すクロックは、fmの立ち
下がりエッジ(fmの下向き矢印で図示)が、A’の立
ち下がり(A’の下向き矢印で図示)とB’の立ち上が
り(B’の上向き矢印で図示)の中間位置にくるよう
し、また、図7に示すクロックは、fmの立ち上がりエ
ッジ(fmの上向き矢印で図示)が、A’の立ち下がり
(A’の下向き矢印で図示)とB’の立ち上がり(B’
の上向き矢印で図示)の中間位置にくるようにしてい
る。
【0032】従来の動作に比べ、このようなクロックを
供給することによって行われる動作の特徴は、従来の反
転・非反転動作の他に、アナログ乗算器が基準電位(V
COM)を出力する基準電位出力状態となる期間が設け
られた点にある。
【0033】この基準電位出力状態が発生するのは次の
ような理由による。まず、入力端子に入力される入力信
号(IN1)は1サイクル(順次繰り返される、A’が
ハイレベルとなった後B’がハイレベルとなる動作単
位)の間は一定値(VIN1)である。
【0034】ここで、図6のDで示す部分のようにfm
が立ち下がり、Xが連続した場合を考えると、A’がハ
イレベルのときは容量素子C10に入力電圧VIN1に
相当する電荷が蓄積されるが、B’がハイレベルのとき
蓄積された電荷と、その反対の極性の電荷が容量素子C
20、C30に移動し、トータルでゼロの電荷が移動す
る。また、図7のEで示す部分のようにfmが立ち上が
り、Yが連続した場合には、A’がハイレベルのときに
容量素子C10の両端が短絡し、次のB’がハイレベル
のときには短絡によってゼロとなった電荷が容量素子C
20、C30に移動する。結局、図6においても図7お
いても、容量素子C10から容量素子C20、C30へ
転送される電荷は存在しないことになり、容量素子C2
0、C30に基準電圧VCOMが印加されたと等価な状
態となるため、出力信号VOUTは基準電圧VCOMと
なって基準電位出力状態となる期間が設けられることに
なる。
【0035】なお、この図6中符号D、図7中符号Eで
示す部分以外の動作は従来のSCFを用いたアナログ乗
算器の動作と変わるところがない。また、これまでは説
明の都合上、fmをfsの5分周とする場合を例にとっ
て動作説明を行ってきたが、実際には分周比を大きくと
ることが多く、この場合、アナログ乗算器が、fsの1
周期内において基準電位出力状態となっても、ゲインロ
スは非常に小さい。もちろん、ゲインに対する精度要求
が厳格な場合には、ゲインロスをSCFのゲインで補正
するようにSCFを構成すればよい。
【0036】以上のようにして、クロック供給部100
がクロック供給動作を行うことによって、アナログ乗算
器が基準電位出力状態となる期間が設けらるようになっ
て、、反転出力となる時間と非反転出力となる時間との
比が1対1となるので、fmがfsの奇数分周であって
も、原音リークが発生しないで乗算が行われるという効
果が得られる。
【0037】もちろん、fmをfsの偶数分周とする場
合においても、この実施の形態にかかるアナログ乗算器
を適用することが可能であり、fmとして複数の周波数
を切り替えたものを採用するような場合に、fmをfs
の偶数分周としたものや、fmをfsの奇数分周とした
ものが混在しても、この実施の形態にかかるアナログ乗
算器は適用可能である。
【0038】(実験例)以下、本発明のアナログ乗算器
の性能の実験結果例について若干説明する。図8は、本
発明の実施の形態にかかるアナログ乗算器の具体的な応
用例を示す図面である。図8に示す回路系は、図1に示
した1次LPFを用いたアナログ乗算器と、アナログ乗
算器の前段に設けたSCFを用いた7次LPFと、アナ
ログ乗算器の後段に設けたSCFを用いた9次LPFと
を有していて、入力端子を介して与えられる入力信号
(IN:周波数1(kHz)のsin波))とクロック
fmとの乗算を行って、乗算結果の高周波成分を9次L
PFで減衰させ、周波数反転(特開平5−244121
号公報の図5等にて開示)を行った低域側の出力(ou
t)を出力端子を介して出力するように動作する。
【0039】今、乗算器、7次LPF、および、9次L
PFのサンプリング周波数fsは115.2(KHz)
であり、7次LPFおよび9次LPFのカットオフ周波
数fcは3(KHz)、乗算器のカットオフ周波数fc
は20(KHz)、fmはfsを整数分周した乗算信号
である。
【0040】また、クロック供給部、7次LPFおよび
9次LPFに供給されるサンプリングクロックA、Bは
同一のものであり、乗算クロック供給部100から乗算
器にはA’、B’、X、Yなるクロックが供給されてい
て、A、B、A’、B’の各クロック間の位相関係は図
4に示すように、また、A’、B’、fm、X、Yのク
ロックは図7に示すようなタイミングとなっている。
【0041】ここで、比較のために図5に示すような従
来のタイミングに基づいたクロックfm、A’、B’を
供給することも想定して、従来と本発明でのクロック供
給パターンの相違による原音リーク特性の違いについて
シミュレーションを行った。
【0042】夫々の出力信号に対して高速フーリエ変換
を行いスペクトル解析を行った結果、従来のものでは、
本来出力レベルが「−∞」であるべきところ1(kH
z)で−37(dB)もの出力レベルの出力信号が存在
するため、原音リークが発生したことになる。これに対
して、本発明によるものによれば、1(kHz)付近に
はピークを有するようなトーンが認められず、出力信号
のレベルは−70(dB)より低いレベルとなる。この
ように、本発明によれば、原音リーク特性が良好なアナ
ログ乗算器を実現可能となる。
【0043】以上述べてきたように、本発明の実施の形
態によれば、アナログ乗算器の出力が反転出力となる時
間と非反転出力となる時間との比を1対1とするよう
に、アナログ乗算器の出力状態が信号成分を含まない基
準電位出力状態となる期間を設けるべく、アナログ乗算
器へのクロック供給を行うので、原音リーク特性の良好
なアナログ乗算器を実現でき、この結果、SCFのサン
プリングクロックの周波数を必要以上に高い周波数とす
る必要がなくなるため、SCFを構成する演算増幅器、
容量素子も高周波数化を考慮したものとする必要がなく
なり、消費電流の低減や集積度の向上も容易に行えるよ
うになる。
【0044】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
乗算クロック供給部は、SCFの出力が反転出力となる
時間とSCFの出力が非反転出力となる時間との比が1
対1となるように、SCFを構成する各スイッチにクロ
ックを供給するので、fmとしてfsの奇数分周の信号
を用いた場合にも、原音リークを抑制した反転秘話回路
を実現可能なアナログ乗算器を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態にかかるアナログ乗算器の
回路図である。
【図2】従来の技術の説明図である。
【図3】従来技術の説明図(クロック供給パターン)で
ある。
【図4】従来技術の説明図(クロック供給パターン)で
ある。
【図5】従来技術の説明図(動作タイミングチャート)
である。
【図6】本発明の実施の形態にかかるアナログ乗算器の
動作タイミングチャート図である。
【図7】本発明の実施の形態にかかるアナログ乗算器の
他の動作タイミングチャート図である。
【図8】本発明の実施の形態にかかるアナログ乗算器を
含む回路のブロック構成図である。
【符号の説明】
C10 容量素子 C20 容量素子 C30 容量素子 S10 スイッチ S20 スイッチ S30 スイッチ S40 スイッチ S50 スイッチ S60 スイッチ P10 演算増幅器 100 乗算クロック供給部
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成9年7月10日
【手続補正1】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図1
【補正方法】変更
【補正内容】
【図1】
【手続補正2】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図8
【補正方法】変更
【補正内容】
【図8】

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 スイッチド・キャパシタ・フィルタ(S
    CF)と、 該SCFを構成する各スイッチを開閉制御するためのク
    ロックを供給するクロック供給部と、を備え、 該クロック供給部は、SCFの出力が反転出力となる時
    間とSCFの出力が非反転出力となる時間との比が1対
    1となるように、前記SCFを構成する各スイッチにク
    ロックを供給する、アナログ乗算器。
JP17490097A 1997-06-30 1997-06-30 アナログ乗算器 Withdrawn JPH1127241A (ja)

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JP17490097A JPH1127241A (ja) 1997-06-30 1997-06-30 アナログ乗算器

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JP17490097A JPH1127241A (ja) 1997-06-30 1997-06-30 アナログ乗算器

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017076353A (ja) * 2015-10-16 2017-04-20 アルプス電気株式会社 正弦波乗算装置とこれを有する入力装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2017076353A (ja) * 2015-10-16 2017-04-20 アルプス電気株式会社 正弦波乗算装置とこれを有する入力装置

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