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(diǎn)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(huì)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(hào)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(hào)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(cè)量和數(shù)

2、字音頻電路。用于低頻測(cè)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(chǎng)合的典型芯片有18位分辨率的AD1879等。隨著設(shè)計(jì)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(gè)樣值的大小進(jìn)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(jìn)行量化編碼。從某種意義上講，它是根據(jù)信號(hào)波形的包絡(luò)線進(jìn)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(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣，并對(duì)兩個(gè)抽樣之間的差值進(jìn)行低位量化，從而得到用低位數(shù)碼表示的數(shù)字信號(hào)即碼；然后將這種碼送給第二部分的數(shù)字抽取濾波器進(jìn)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(hào)。因此抽取濾波器實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)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?yàn)樗捎昧苏{(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(shí)由于采用了低位量化輸出的碼，不會(huì)對(duì)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(shí)完成，幾乎不花時(shí)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(shí)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(hào)的幅度大小進(jìn)行量化編碼，一個(gè)分辨率位n的ADC其滿刻度電平被分為2n個(gè)不同的量化等級(jí)，為了能區(qū)分這2n個(gè)不同的量化等級(jí)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(shí)，比較網(wǎng)絡(luò)的實(shí)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(shí)，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(jìn)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(hào)的幅度進(jìn)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(jìn)量化編碼，從某種意義上來說它是根據(jù)信號(hào)的包絡(luò)形狀進(jìn)行量化編碼的。從這一點(diǎn)上看，它與跟蹤計(jì)數(shù)型ADC有一點(diǎn)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(shí)面臨的很多困難，非常適合用MOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)。另一方面，又因?yàn)樗捎昧藰O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(shí)，由于它采用低位量化，不會(huì)像

6、LPCM型ADC那樣對(duì)輸入信號(hào)的幅度變化過于敏感。與傳統(tǒng)LPCM型ADC相比，型ADC實(shí)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(hào)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(duì)ADC輸出進(jìn)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(gè)基本概念。下圖是一階型ADC含有非常簡單的模擬電路(一個(gè)比較器，一個(gè)開關(guān)，一個(gè)或幾個(gè)積分器及模擬求和電路)和十分復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理電路。一階型ADC-轉(zhuǎn)換器具有相對(duì)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(gè)積分器和一個(gè)比較器，以及含有一個(gè)1位ADC的反饋環(huán)。這個(gè)內(nèi)置的DAC僅僅是一個(gè)開關(guān)

8、，它將積分器輸入切換到一個(gè)正或負(fù)的參考電壓。-ADC還包括一個(gè)時(shí)鐘單元，為調(diào)制器和數(shù)字濾波器提供適當(dāng)?shù)亩〞r(shí)。 下圖是輸入Vin0和VinVref/4兩種情況下，電路中各點(diǎn)的電壓波形示意圖?？梢钥闯鰞煞N情況下，C點(diǎn)輸出的碼流中“0”和“1”的個(gè)數(shù)是不一樣的。波形圖窄帶信號(hào)送入-ADC后被以非常低的分辨率（1位）進(jìn)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(gè)比較低的采樣率，如8KHz左右，同時(shí)ADC的分辨率（即動(dòng)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(chǎng)上仍占據(jù)了很重要的位置。它具有三個(gè)主要優(yōu)勢(shì)：低價(jià)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成主要應(yīng)用在：音頻和測(cè)量芯片實(shí)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(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是在一片混合信號(hào)CMOS大規(guī)模集成電路上實(shí)現(xiàn)了ADC與數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的結(jié)合。這一技術(shù)的其它優(yōu)點(diǎn)：分辨率高達(dá)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(hào)CMOS工藝，可實(shí)現(xiàn)低價(jià)格、高分辨率的數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號(hào)處理；由于采用高倍頻過采樣技術(shù)，降低了對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行濾波的要求，實(shí)際上取消了信號(hào)