3.4、Σ-Δ型ADC

1、3.4 型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)3.4.1概述近年來，隨著超大規(guī)模集成電路制造水平的提高，-型模數(shù)轉(zhuǎn)換器正以其分辨率高、線性度好、成本低等特點得到越來越廣泛的應(yīng)用。-型模數(shù)轉(zhuǎn)換器方案早在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)有人提出，然而，直到不久前，在器件商品化生產(chǎn)方面，這種工藝還是行不通的。今天，隨著1微米技術(shù)的成熟及更小的CMOS幾何尺寸，-結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將會越來越多地出現(xiàn)在一些特定的應(yīng)用領(lǐng)域中。特別是在混合信號集成電路(Mixed-signal ICs，指在單一芯片中集成有模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及數(shù)字信號處理器功能的集成電路芯片)中。目前，-型模數(shù)轉(zhuǎn)換器主要用于高分辨率的中、低頻(低至直流)測量和數(shù)

2、字音頻電路。用于低頻測量的典型芯片有16位分辨的AD7701，24位分辨的AD7731等；用于高品質(zhì)數(shù)字音頻場合的典型芯片有18位分辨率的AD1879等。隨著設(shè)計和工藝的水平的提高，目前已經(jīng)出現(xiàn)了高速-型模數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品。例如AD7723(1.2MSPS)，AD9260(2.5MSPS)等。3.4.2 型ADC的理論基礎(chǔ)與一般的ADC不同，型ADC不是直接根據(jù)抽樣數(shù)據(jù)的每一個樣值的大小進行量化編碼，而是根據(jù)前一量值與后一量值的差值即所謂的增量的大小來進行量化編碼。從某種意義上講，它是根據(jù)信號波形的包絡(luò)線進行量化編碼的。型ADC由兩部分組成，第一部分為模擬調(diào)制器，第二部分為數(shù)字抽取濾波器，如下圖所

3、示。調(diào)制器以極高的抽樣頻率對輸入模擬信號進行抽樣，并對兩個抽樣之間的差值進行低位量化，從而得到用低位數(shù)碼表示的數(shù)字信號即碼；然后將這種碼送給第二部分的數(shù)字抽取濾波器進行抽取濾波，從而得到高分辨率的線性脈沖編碼調(diào)制的數(shù)字信號。因此抽取濾波器實際上相當(dāng)于一個碼型變換器。由于調(diào)制器具有極高的抽樣速率， 通常比奈奎斯特抽樣頻率高出許多倍，因此調(diào)制器又稱為過抽樣ADC轉(zhuǎn)換器。這種類型的ADC采用了極低位的量化器， 從而避免了制造高位轉(zhuǎn)換器和高精度電阻網(wǎng)絡(luò)的困難；另一方面，因為它采用了調(diào)制技術(shù)和數(shù)字抽取濾波，可以獲得極高的分辨率；同時由于采用了低位量化輸出的碼，不會對抽樣值幅度變化敏感，而且由于碼位低，抽

4、樣與量化編碼可以同時完成，幾乎不花時間，因此不需要采樣保持電路，這就使得采樣系統(tǒng)的構(gòu)成大為簡化。這種增量調(diào)制型ADC實際上是以高速抽樣率來換取高位量化，即以速度來換精度。從調(diào)制編碼理論的角度看，多數(shù)傳統(tǒng)的ADC，例如并行比較，逐次逼近型等，均屬于線性脈沖編碼調(diào)制(LPCM，Linear Pulse Code Modulation)類型。這類ADC根據(jù)信號的幅度大小進行量化編碼，一個分辨率位n的ADC其滿刻度電平被分為2n個不同的量化等級，為了能區(qū)分這2n個不同的量化等級需要相當(dāng)復(fù)雜的電阻(或電容)網(wǎng)絡(luò)和高精度的模擬電子器件。當(dāng)位數(shù)n較高時，比較網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)是比較困難的，因而限制了轉(zhuǎn)換器分辨率的提

5、高。同時，由于高精度的模似電子器件受集成度，溫度變比等因素的影響，進一步限制了轉(zhuǎn)換器分辨率的提高。型ADC與傳統(tǒng)的LPCM型ADC不同，它不是直接根據(jù)信號的幅度進行量化編碼，而是根據(jù)前一采樣值與后一采樣值之差(即所謂增量)進量化編碼，從某種意義上來說它是根據(jù)信號的包絡(luò)形狀進行量化編碼的。從這一點上看，它與跟蹤計數(shù)型ADC有一點類似。表示增量，表示積分或求和。在下面可以看到，型ADC采用了極低位的量化器(通常是1位)，從而避免了LPCM型ADC在制造時面臨的很多困難，非常適合用MOS技術(shù)實現(xiàn)。另一方面，又因為它采用了極高的采樣速率和調(diào)制技術(shù)，可以獲得極高的分辨率。同時，由于它采用低位量化，不會像

6、LPCM型ADC那樣對輸入信號的幅度變化過于敏感。與傳統(tǒng)LPCM型ADC相比，型ADC實際上是一種用高采樣速率來換取高位量化，即以速率換分辨率的方案。過采樣(Oversampling)技術(shù)是改善模數(shù)轉(zhuǎn)換器總體性能諸多技術(shù)中的一種。結(jié)構(gòu)的ADC是一種內(nèi)在的過采樣轉(zhuǎn)換器。型ADC以很低的采樣分辨率(1位)和很高的采樣速率將模擬信號數(shù)字化，通過使用過采樣技術(shù)，噪聲整形和數(shù)字濾波技術(shù)增加有效分辨率，然后對ADC輸出進行抽取(Decimation)處理，以降低ADC的有效采樣速率，去除多余信息，減輕數(shù)據(jù)處理的負(fù)擔(dān)。由于型ADC所使用的1位量化器(即1位比較器)和1位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(為一開關(guān))具有良好的線性，

7、所以型ADC表現(xiàn)出的微分線性和積分線性性能是非常優(yōu)秀的，并且，不像其它類型的ADC那樣，它無需任何的修調(diào)。3.4.3 一階型ADC的基本原理要了解型ADC的工作原理，必須熟悉過采樣，噪聲整形，數(shù)字濾波和采樣抽取等幾個基本概念。下圖是一階型ADC含有非常簡單的模擬電路(一個比較器，一個開關(guān)，一個或幾個積分器及模擬求和電路)和十分復(fù)雜的數(shù)字信號處理電路。一階型ADC-轉(zhuǎn)換器具有相對簡單的結(jié)構(gòu)，又稱為過采樣轉(zhuǎn)換器。這種轉(zhuǎn)換器由-調(diào)制器（虛線框內(nèi)）及連接于其后的數(shù)字濾波器構(gòu)成。調(diào)制器的結(jié)構(gòu)非常近似于雙斜率ADC，包括一個積分器和一個比較器，以及含有一個1位ADC的反饋環(huán)。這個內(nèi)置的DAC僅僅是一個開關(guān)

8、，它將積分器輸入切換到一個正或負(fù)的參考電壓。-ADC還包括一個時鐘單元，為調(diào)制器和數(shù)字濾波器提供適當(dāng)?shù)亩〞r。 下圖是輸入Vin0和VinVref/4兩種情況下，電路中各點的電壓波形示意圖。可以看出兩種情況下，C點輸出的碼流中“0”和“1”的個數(shù)是不一樣的。波形圖窄帶信號送入-ADC后被以非常低的分辨率（1位）進行量化，但采樣頻率卻非常高，如2MHz或更高。經(jīng)過數(shù)字濾波處理后，這種過采樣被降低到一個比較低的采樣率，如8KHz左右，同時ADC的分辨率（即動態(tài)范圍）被提高到16位或更高，盡管比流水線ADC要慢且限于比較低的輸入帶寬，這種-技術(shù)在模數(shù)轉(zhuǎn)換器市場上仍占據(jù)了很重要的位置。它具有三個主要優(yōu)勢：低價格、高性能(最高可到24位)集成化的數(shù)字濾波與DSP技術(shù)的兼容性便于實現(xiàn)系統(tǒng)集成主要應(yīng)用在：音頻和測量芯片實例：ADS1210系列：24位A/D轉(zhuǎn)換器。Burr-Brown公司近年來，采用高分辨率的-型ADC頗為流行，它的一個突出優(yōu)點是在一片混合信號CMOS大規(guī)模集成電路上實現(xiàn)了ADC與數(shù)字信號處理技術(shù)的結(jié)合。這一技術(shù)的其它優(yōu)點：分辨率高達24位；比積分型及壓頻變換型ADC的轉(zhuǎn)換速率高； 采用混合信號CMOS工藝，可實現(xiàn)低價格、高分辨率的數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號處理；由于采用高倍頻過采樣技術(shù)，降低了對傳感器信號進行濾波的要求，實際上取消了信號