sigma-deltaADC

1、艺- ADCsigma-delta ADC的基本思想是先对信号进行过采样， 接着用负反馈网络对量化噪声进行低频 衰减，高频放大，把大部分噪声功率整形到信号频带之外， 最后用数字滤波器滤除带外噪声， 达到提高精度的目的。在介绍工- ADC之前，我们先对传统 ADC进行量化噪声分析ADC输入的模拟量是连续的，而输出的数字量是离散的，用离散的数字量表示连续的模拟量，需要经过量化和编码，由于数字量只能取有限位，故量化过程会引入误差，量化误差也称量化噪声。数字量用N位二进制数表示时最多可有2N个不同编码。在输入模拟信号归一化为01之间数值的情况下，对应输出码的一个最低有效位发生变化的最小输入模拟量的变化

2、量为：1q二尹，对量化噪声的频域分析表明，若输入信号的最小幅度大于量化器的量化阶梯q,则量化噪声的总功率与采样频率fs无关是个常数，且功率谱密度在0-fs/2频带内均匀分布，为白噪声，其在以土 q/2量化单位所划分的各量化电平内的分布是一样的，量化噪声功率可 表示为1 q/2q2=旦 e2 = 一e2de =-q/212由于量化噪声均匀散布在fs宽度的频带内(-fs/2 fs/2 ),所以量化噪声的功率谱密度可以表示为D(f )二q212fs112 * 22NfsN或者采样频率fs,工- ADC就用到了提高由该方程可知，要想得到高信噪比信号，有两种方法，增加分辨位数 当提高采样频率 K倍，K

3、=22N时，相当于提高N位的分辨率,采样频率的方法来增强信噪比，称为过采样法。如果在过采样同时还能够对量化噪声的分布做出改变，使其不再是在fs频带内均匀分布，而是与信号所在频带分离开来，那么通过频域滤波就能有效除去量化噪声，进一步提高信噪比，这种方式称作噪声整形，在工- ADC中，噪声整形是通过 工-调制来实现的。sigma-delta ADC的基本原理框图描述如下输入模拟信号抗混叠低E - 调数字低通通滤波器制器滤波器输出数字信号其中，抗混叠滤波器是一个简单的模拟低通滤波器，其作用是抑制输入信号中超过奈奎斯特频率的高频噪声，避免因频率混叠对输出造成干扰。工-调制器是工- ADC的关键，其作用

4、是噪声整形，它的内部结构是一个反馈电路：松信号XI差分放大器二4彳彗滤波器(Lbit ADC)(IbitDAC)它由一个差分放大器， 一个积分器，一个比较器和一个IbitDAC构成，反馈DAC的作用是使 积分器的平均输出电压接近于比较器的参考电平。调制器输出中“ 1的密度将正比于输入信号，如果输入电压上升，比较器必须产生更多数量的“ 1；'反之亦然。同时 工-调制器具有对量化噪声进行频域整形的作用，整形效果可以通过对调制器S域进行分析来获取。设QY,X分别为量化噪声，输出信号，输入信号的S域变换，H(S)为积分器的传递函数(1/S )； 有Y= (X-Y) /S+Q;整理得：Y=X/(

5、S+1)+QS/(S+1)由以上方程，当频率很低(St0)时，输出丫宀X,且输出信号中量化噪声分量QS/(S+1) t0；频率很高时，Yt Q输入信号分量 Xt 0。所以总体看来，工-调制器对输入信号具有低通 作用，对量化噪声具有高通作用，将量化噪声集中到了输出的高频带内，改变了噪声频域分布，也就实现了噪声整形。对于整形之后的输出，(0-fs/2)内的低频带内是有用的信号，高频部分(fs/2 Kfs/2)是量化噪声，通过数字低通滤波器，可以有效滤除量化噪声，从而提高信噪比。一般地，为了便于传输和存储，在无混叠情况下能够还原原始信号，会对滤波之后的输出信号从过采样频率 Kfs降低到奈奎斯特频率

6、fs。这里的数字低通滤波器采用的是数字抽取滤 波器，这种滤波器通过对输入的每M个数据抽取一个的重采样方法，使输出速率低于原来的过采样速率，选择合适的M,就可以得到高信噪比又满足频率条件的输出信号。在相同的过采样速率Kfs条件下，M越大，滤波半径(Kfs/ ( 2M)越小，噪声滤除越明显，信噪比就 越高。这个关系可以表示为下图：SNR*dB)K! I I I I I48163264 128 256工- ADC的特点1工- ADC利用速度换取分辨率的提高，是目前分辨率最高的ADC类型。，即使进一步提高分辨率，也不需要对进行特别的微调和校准。2工- ADC突出优点是元件匹配精度要求低，模拟电路元件很少，电路组成主要以数字电 路为主，适合于标准 CMOS单片集成技术，制作成本低。随工艺特征尺寸的进一步减少，速 度和集成度还会不断提高。3工- ADC的过采样特性还可用来“平滑”模拟输入中的系统噪声。4 2 - ADC的过采样倍率 K至少是16倍，一般会更多。这就要求 工