Sigma-Delta-ADC讲稿教学讲解课件

Sigma-DeltaADC1Sigma-DeltaADC1Sigma-DeltaADC的特点在深亚微米下器件各种寄生效应匹配性的问题通常限制了A/D转换器的精度。即使可以通过数字校正等方法得到改善，但是会使设计复杂化。Sigma-DeltaA/D转换器能够容忍模拟电路的寄生效应，从而达到很高的精度，因此得到了广泛的应用，例如数字音频领域。2Sigma-DeltaADC的特点在深亚微米下器件各种寄生Sigma-DeltaA/D转换器主要由调制器和抽取滤波器组成。调制器主要是模拟电路，其过采样和噪声整形对模拟信号进行处理，把信号基带以内的噪声推到高频处。抽取滤波器是数字电路把高频噪声滤除，获得很高的精度，同时实现降采用。3Sigma-DeltaA/D转换器主要由调制器和抽取滤波器ADC的基本工作原理4ADC的基本工作原理4抗混叠滤波5抗混叠滤波5量化量化器输入输出特性6量化量化器输入输出特性6

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7如果量化精度足够高，则这种误差被认为是白噪声。

在时间上是均匀分布的随机变量，其概率密度函数如图所示。对这种噪声信号我们计算它的量化噪声功率：

量化噪声分布8如果量化精度足够高，则这种误差被认为是白噪声。在时间上是均白噪声的功率谱密度量化噪声功率谱密度9白噪声的功率谱密度量化噪声功率谱密度9SNR的计算

Vp是输入满幅正弦信号的幅度Δ为量化误差10SNR的计算

Vp是输入满幅正弦信号的幅度Δ为量化误差1奈奎斯特采样的局限ADC的精度完全由量化器精度决定。ADC需要很陡的前置抗混叠低通滤波器。11奈奎斯特采样的局限ADC的精度完全由量化器精度决定。11过采样技术如果采样频率fs比信号频率fb大很多，称这种情况为过采样，定义过采样率为：信号经过量化之后，y1(n)由H(f)滤波产生了信号y2(n)，如图所示。12过采样技术如果采样频率fs比信号频率fb大很多，称这种情况为滤波器滤除了频率比fb大的量化噪声部分13滤波器滤除了频率比fb大的量化噪声部分13频率低于信号带宽fb时，y2(n)输入信号的功率不变，而量化噪声功率减小到因此，OSR每增加一倍,量化噪声功率减小1/2，等效于减小3dB，即转换器有效分辨率增加0.5位。很显然，增加过采样率OSR可以改善SNR，使ADC的转换精度得到提高。14频率低于信号带宽fb时，y2(n)输入信号的功率不变，而量化噪声整形技术通用噪声整形Sigma-Delta调制器和它的线性模型如图所示：信号传输函数噪声传输函数15噪声整形技术通用噪声整形Sigma-Delta调制器和它的线一阶噪声整形16一阶噪声整形16噪声传输函数表示一个离散时间微分器（高通滤波器），这相当于引入了一个整形函数，量化噪声的传输函数幅度为17噪声传输函数表示一个离散时间微分器（高通滤波器），这相当于引随着频率的降低，噪声传输函数的幅度也逐步降低。经过噪声整形NTF(z)以后，在信号带宽内的量化噪声功率和SNR为可以看出，过采样率每增加一倍，一阶Sigma-Delta调制器的信噪比可以增加9dB，而简单的增加一倍过采样率信噪比只增加3dB。18随着频率的降低，噪声传输函数的幅度也逐步降低。经过噪声整形N一阶Sigma-delta的简单工作原理

19一阶Sigma-delta的简单工作原理

192020二阶噪声整形L阶噪声整形

21二阶噪声整形

212222虽然使用高阶调制器可以有效地抑制带内量化噪声，当阶数达到三阶或三阶以上时，其稳定性是很难保证的。因此，可以通过稳定的一阶调制器和二阶调制器级联的方式来实现高阶调制器。23虽然使用高阶调制器可以有效地抑制带内量化噪声，当阶数达到三阶级联(MASH)Sigma-Delta调制器24级联(MASH)Sigma-Delta调制器24调制器第一级输出调制器第二级输出其中调制器整个输出数字滤波器系统函数如果满足则25调制器第一级输出25模拟积分器的设计

26模拟积分器的设计

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27离散积分器基本结构

28离散积分器基本结构

28Sigma-Delta调制器电路举例29Sigma-Delta调制器电路举例29数字抽取滤波器数字滤波器主要作用：1、滤除基带外整形噪声；2、将过采样率降低到奈奎斯特率；3、将调制器输出的低bit数据流转换为高比特数据流。30数字抽取滤波器数字滤波器主要作用：30梳状滤波器

31梳状滤波器

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32梳状滤波器实现方法

33梳状滤波器实现方法

33半带滤波器后级滤波器结构主要取决于Sigma-DeltaADC的应用。在对于相位线性度要求不高的情况下，可采用硬件效率高的IIR滤波器。而对于音频处理等对线性要求很高的应用条件下，通常使用线性相位的FIR滤波器。34半带滤波器后级滤波器结构主要取决于Sigma-DeltaA幅度校正滤波器35幅度校正滤波器35Sigma-DeltaADC的整体结构36Sigma-DeltaADC的整体结构36Sigma-DeltaADC37Sigma-DeltaADC1Sigma-DeltaADC的特点在深亚微米下器件各种寄生效应匹配性的问题通常限制了A/D转换器的精度。即使可以通过数字校正等方法得到改善，但是会使设计复杂化。Sigma-DeltaA/D转换器能够容忍模拟电路的寄生效应，从而达到很高的精度，因此得到了广泛的应用，例如数字音频领域。38Sigma-DeltaADC的特点在深亚微米下器件各种寄生Sigma-DeltaA/D转换器主要由调制器和抽取滤波器组成。调制器主要是模拟电路，其过采样和噪声整形对模拟信号进行处理，把信号基带以内的噪声推到高频处。抽取滤波器是数字电路把高频噪声滤除，获得很高的精度，同时实现降采用。39Sigma-DeltaA/D转换器主要由调制器和抽取滤波器ADC的基本工作原理40ADC的基本工作原理4抗混叠滤波41抗混叠滤波5量化量化器输入输出特性42量化量化器输入输出特性6

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7如果量化精度足够高，则这种误差被认为是白噪声。

在时间上是均匀分布的随机变量，其概率密度函数如图所示。对这种噪声信号我们计算它的量化噪声功率：

量化噪声分布44如果量化精度足够高，则这种误差被认为是白噪声。在时间上是均白噪声的功率谱密度量化噪声功率谱密度45白噪声的功率谱密度量化噪声功率谱密度9SNR的计算

Vp是输入满幅正弦信号的幅度Δ为量化误差46SNR的计算

Vp是输入满幅正弦信号的幅度Δ为量化误差1奈奎斯特采样的局限ADC的精度完全由量化器精度决定。ADC需要很陡的前置抗混叠低通滤波器。47奈奎斯特采样的局限ADC的精度完全由量化器精度决定。11过采样技术如果采样频率fs比信号频率fb大很多，称这种情况为过采样，定义过采样率为：信号经过量化之后，y1(n)由H(f)滤波产生了信号y2(n)，如图所示。48过采样技术如果采样频率fs比信号频率fb大很多，称这种情况为滤波器滤除了频率比fb大的量化噪声部分49滤波器滤除了频率比fb大的量化噪声部分13频率低于信号带宽fb时，y2(n)输入信号的功率不变，而量化噪声功率减小到因此，OSR每增加一倍,量化噪声功率减小1/2，等效于减小3dB，即转换器有效分辨率增加0.5位。很显然，增加过采样率OSR可以改善SNR，使ADC的转换精度得到提高。50频率低于信号带宽fb时，y2(n)输入信号的功率不变，而量化噪声整形技术通用噪声整形Sigma-Delta调制器和它的线性模型如图所示：信号传输函数噪声传输函数51噪声整形技术通用噪声整形Sigma-Delta调制器和它的线一阶噪声整形52一阶噪声整形16噪声传输函数表示一个离散时间微分器（高通滤波器），这相当于引入了一个整形函数，量化噪声的传输函数幅度为53噪声传输函数表示一个离散时间微分器（高通滤波器），这相当于引随着频率的降低，噪声传输函数的幅度也逐步降低。经过噪声整形NTF(z)以后，在信号带宽内的量化噪声功率和SNR为可以看出，过采样率每增加一倍，一阶Sigma-Delta调制器的信噪比可以增加9dB，而简单的增加一倍过采样率信噪比只增加3dB。54随着频率的降低，噪声传输函数的幅度也逐步降低。经过噪声整形N一阶Sigma-delta的简单工作原理

55一阶Sigma-delta的简单工作原理

195620二阶噪声整形L阶噪声整形

57二阶噪声整形

215822虽然使用高阶调制器可以有效地抑制带内量化噪声，当阶数达到三阶或三阶以上时，其稳定性是很难保证的。因此，可以通过稳定的一阶调制器和二阶调制器级联的方式来实现高阶调制器。59虽然使用高阶调制器可以有效地抑制带内量化噪声，当阶数达到三阶级联(MASH)Sigma-Delta调制器60级联(MASH)Sigma-Delta调制器24调制器第一级输出调制器第二级输出其中调制器整个输出数字滤波器系统函数如果满足则61调制器第一级输出25模拟积分器的设计

62模拟积分器的设计

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27离散积分器基本结构

64离散积分器基本结构

28Sigma-Delta调制器电路举例65Sigma-Delta调制器电路举例29数字抽取滤波器数字滤波器主要作用：1、滤除基带外整形噪声；2、将过采样率降低到奈奎斯特率；3、将调制器输出的低bit数据流转换为高比特数据流。66数字抽取滤波器数字滤波器主要作用：30梳状滤波器

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32梳状滤波器实现方法

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