《【2017年整理】3.4、Σ-Δ型ADC》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【2017年整理】3.4、Σ-Δ型ADC（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、3.4 型模数转换器(ADC)3.4.1 概述近年来，随着超大规模集成电路制造水平的提高，- 型模数转换器正以其分辨率高、线性度好、成本低等特点得到越来越广泛的应用。- 型模数转换器方案早在 20 世纪 60 年代就已经有人提出，然而，直到不久前，在器件商品化生产方面，这种工艺还是行不通的。今天，随着 1 微米技术的成熟及更小的 CMOS 几何尺寸，- 结构的模数转换器将会越来越多地出现在一些特定的应用领域中。特别是在混合信号集成电路(Mixed-signal ICs，指在单一芯片中集成有模数转换器、数模转换器以及数字信号处理器功能的集成电路芯片)中。目前，- 型模数转换器主要用于高分辨率的中
2、、低频(低至直流)测量和数字音频电路。用于低频测量的典型芯片有 16 位分辨的 AD7701，24 位分辨的 AD7731 等；用于高品质数字音频场合的典型芯片有 18 位分辨率的 AD1879 等。随着设计和工艺的水平的提高，目前已经出现了高速 - 型模数转换器产品。例如 AD7723(1.2MSPS)，AD9260(2.5MSPS)等。3.4.2 型 ADC 的理论基础与一般的ADC不同，型ADC不是直接根据抽样数据的每一个样值的大小进行量化编码，而是根据前一量值与后一量值的差值即所谓的增量的大小来进行量化编码。从某种意义上讲，它是根据信号波形的包络线进行量化编码的。型ADC由两部分组成，
3、第一部分为模拟调制器，第二部分为数字抽取滤波器，如下图所示。调制器以极高的抽样频率对输入模拟信号进行抽样，并对两个抽样之间的差值进行低位量化，从而得到用低位数码表示的数字信号即码；然后将这种码送给第二部分的数字抽取滤波器进行抽取滤波，从而得到高分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号。因此抽取滤波器实际上相当于一个码型变换器。由于调制器具有极高的抽样速率， 通常比奈奎斯特抽样频率高出许多倍，因此调制器又称为过抽样ADC转换器。这种类型的ADC采用了极低位的量化器， 从而避免了制造高位转换器和高精度电阻网络的困难；另一方面，因为它采用了调制技术和数字抽取滤波，可以获得极高的分辨率；同时由于采用了低位量
4、化输出的码，不会对抽样值幅度变化敏感，而且由于码位低，抽样与量化编码可以同时完成，几乎不花时间，因此不需要采样保持电路，这就使得采样系统的构成大为简化。这种增量调制型ADC实际上是以高速抽样率来换取高位量化，即以速度来换精度。从调制编码理论的角度看，多数传统的 ADC，例如并行比较，逐次逼近型等，均属于线性脉冲编码调制(LPCM，Linear Pulse Code Modulation)类型。这类 ADC 根据信号的幅度大小进行量化编码，一个分辨率位 n 的 ADC 其满刻度电平被分为 2n个不同的量化等级，为了能区分这 2n个不同的量化等级需要相当复杂的电阻(或电容)网络和高精度的模拟电子器
5、件。当位数 n 较高时，比较网络的实现是比较困难的，因而限制了转换器分辨率的提高。同时，由于高精度的模似电子器件受集成度，温度变比等因素的影响，进一步限制了转换器分辨率的提高。型 ADC 与传统的 LPCM 型 ADC 不同，它不是直接根据信号的幅度进行量化编码，而是根据前一采样值与后一采样值之差(即所谓增量)进量化编码，从某种意义上来说它是根据信号的包络形状进行量化编码的。从这一点上看，它与跟踪计数型 ADC 有一点类似。表示增量，表示积分或求和。在下面可以看到，型 ADC 采用了极低位的量化器(通常是 1 位)，从而避免了 LPCM 型 ADC 在制造时面临的很多困难，非常适合用 MOS
6、技术实现。另一方面，又因为它采用了极高的采样速率和调制技术，可以获得极高的分辨率。同时，由于它采用低位量化，不会像 LPCM 型 ADC 那样对输入信号的幅度变化过于敏感。与传统 LPCM 型 ADC 相比，型 ADC 实际上是一种用高采样速率来换取高位量化，即以速率换分辨率的方案。过采样(Oversampling)技术是改善模数转换器总体性能诸多技术中的一种。结构的 ADC 是一种内在的过采样转换器。型 ADC 以很低的采样分辨率(1 位)和很高的采样速率将模拟信号数字化，通过使用过采样技术，噪声整形和数字滤波技术增加有效分辨率，然后对 ADC 输出进行抽取(Decimation)处理，以降
7、低 ADC 的有效采样速率，去除多余信息，减轻数据处理的负担。由于型 ADC 所使用的 1 位量化器(即 1 位比较器)和 1 位数模转换器(为一开关)具有良好的线性，所以型 ADC 表现出的微分线性和积分线性性能是非常优秀的，并且，不像其它类型的 ADC 那样，它无需任何的修调。3.4.3 一阶型 ADC 的基本原理要了解型 ADC 的工作原理，必须熟悉过采样，噪声整形，数字滤波和采样抽取等几个基本概念。下图是一阶型 ADC 含有非常简单的模拟电路(一个比较器，一个开关，一个或几个积分器及模拟求和电路)和十分复杂的数字信号处理电路。一阶型 ADC- 转换器具有相对简单的结构，又称为过采样转换
8、器。这种转换器由- 调制器（虚线框内）及连接于其后的数字滤波器构成。调制器的结构非常近似于双斜率 ADC，包括一个积分器和一个比较器，以及含有一个 1 位 ADC的反馈环。这个内置的 DAC 仅仅是一个开关，它将积分器输入切换到一个正或负的参考电压。-ADC 还包括一个时钟单元，为调制器和数字滤波器提供适当的定时。下图是输入 Vin0 和 VinVref/4 两种情况下，电路中各点的电压波形示意图。可以看出两种情况下，C 点输出的码流中“0”和“1”的个数是不一样的。波形图窄带信号送入 -ADC 后被以非常低的分辨率（1 位）进行量化，但采样频率却非常高，如 2MHz 或更高。经过数字滤波处理
9、后，这种过采样被降低到一个比较低的采样率，如 8KHz 左右，同时 ADC 的分辨率（即动态范围）被提高到16 位或更高，尽管比流水线 ADC 要慢且限于比较低的输入带宽，这种 - 技术在模数转换器市场上仍占据了很重要的位置。它具有三个主要优势：低价格、高性能(最高可到 24 位)集成化的数字滤波与 DSP 技术的兼容性便于实现系统集成主要应用在：音频和测量芯片实例：ADS1210 系列：24 位 A/D 转换器。Burr-Brown 公司近年来，采用高分辨率的-型ADC颇为流行，它的一个突出优点是在一片混合信号CMOS大规模集成电路上实现了ADC与数字信号处理技术的结合。这一技术的其它优点：分辨率高达24位；比积分型及压频变换型ADC的转换速率高； 采用混合信号CMOS工艺，可实现低价格、高分辨率的数据采集和数字信号处理；由于采用高倍频过采样技术，降低了对传感器信号进行滤波的要求，实际上取消了信号调理。缺点：当高速转换时，需要高阶调制器；在转换速率相同的条件下，比积分型和逐次逼近型ADC的功耗高。目前，-型ADC分为四类：（1）高速类ADC；（2）调制解调器类ADC；（3）编码器类ADC；（4）传感器低频测量ADC。其中每一类-型ADC又分为许多型号，给用户带来极大方便。
