SigmaDelta ADC原理简单理解.docVIP

模数转换器概述 过采样ADC的基本结构包括抗混迭滤波器、调制器及降采样低通滤波器，如图3.1所示。抗混迭滤波器将输入信号限制在一定的带宽之内，对于过采样ADC，由于输入信号带宽远小于采样频率的一半，抗混迭滤波的通带到阻带之间的过渡带()较宽，缓解了其设计要求，可用低阶模拟滤波器实现。调制器将过采样信号转化为高速、低精度的数字信号。然后降采样滤波器将其转变为Nyquist频率的高精度信号。调制器可以抑制过采样率ADC电路引入的噪声，非线性等误差，这样缓解了它对模拟电路的精度要求。另外，对于开关电容电路实现的过采样ADC，无需采用采样保持电路。 图3.1 过采样ADC的结构图 本章首先介绍了ADC的一些主要性能指标、调制器的工作原理、基本结构，然后介绍了调制器的非理想因素与误差来源，最后介绍了未深入研究的问题与宽带ADC研究现状。 3.1 ADC的一些主要性能指标 ADC的主要性能指标为：动态范围(DR)、信噪比(SNR)、信噪失真比(SNDR)、有效位数(ENOB)以及过载度(OL)。如图3.2所示，图中横轴为输入信号的归一化值，即，纵轴为SNR或SNDR，二者均用dB表示。从图3.2中可以看出，当输入信号幅度较小时，SNR和SNDR大小是相等的；随着输入幅度的增加，失真将会降低调制器的性能，因而在输入幅度较大时，SNDR会比SNR小一些。图3.2显示了非理想调制器的性能比理想调制器的性能差一些：一方面是由于实际调制器的有限增益引起性能成呈线性下降；另一方面是由于实际调制器过载而造成的性能下降。 图3.2 典型的转换器的性能图 调制器各相主要性能指标[60]介绍如下： 1．信噪比(SNR)：是指在一定的输入幅度时，转换器输出信号能量与噪声能量的比值。转换器能获得的最大信噪比为峰值信噪比(PSNR)。 2．信噪失真比(SNDR)：是指在一定的输入幅度时，转换器输出信号能量与噪声、失真之和的比值。转换器能获得的最大信噪失真比为峰值信噪失真比(PSNDR)。 3．动态范围(DR)：输入动态范围()是指转换器最大输入信号和能检测到的最小输入信号能量的比值，这里最大信号能量定义为PSNR下降6dB时的输入值，而最小信号即为背景噪声能量值。输出动态范围()定义为最大输出信号能量和最小输出信号能量的比值，等于PSNR。 4．有效位数(ENOB)：是根据实际测量的PSNDR来计算的，如下式所示：(3.1) 5．过载度(OL)：是指使调制器过载时的最小归一化输入值，其对应的SNR比PSNR小6dB。 与Nyquist速率ADC不同，过采样速率 ADC不关心积分非线性(INL)和差分非线性(DNL)两项指标。这是因为这两项指标都是衡量采样点和采样点之间的精度，而过采样率ADC的输出都与其前一个状态有关，因而INL和DNL在这种情况下是没有意义的。 3.2 ADC提高信噪比的方法 转换器主要是通过过采样和噪声整形来提高信噪比的，从而获得高精度。此外，采用多位量化器也是目前提高宽带转换器信噪比的一种基本方法。 3.2.1 过采样 转换器采用远远高于Nyquist频率的时钟对输入信号进行采样，使得量化噪声的功率分布在更宽的频带内，这样就减少了信号频带内的噪声。这也是过采样ADC的基本原理。 图3.3给出了在过采样率和Nyquist采样率下信号和量化噪声功率频谱图。由图可见，过采样率下的信号带宽内的量化噪声功率要比Nquist采样率下的小得多。 在对输入信号进行量化时，会引入量化误差。假设量化噪声e随机均匀分布，且与输入信号无关，即为白噪声，其功率[61]为：(3.2)式(3.2)中为量化间距。噪声功率密度为：(3.3) 其中为采样频率，可见量化噪声总功率与采样频率无关，但噪声功率谱密度却与采样频率有关，提高采样频率可以降低单位频带内的功率谱密度。我们定义过采样率OSR为：(3.4) 这样，在过采样率下，输出的信号频带内的总量化噪声功率为：(3.5) 从式(3.5)可以看出，提高过采样率可以降低信号带宽内的噪声功率。采样率每提高一倍，信号带宽内的噪声功率降低3dB，在输入信号功率不变的情况下，相当于增加了0.5位的分辨率。当时，动态范围增加24dB，即相当于提高4位分辨率。但这种指数式增长的过采样率很快就达到电路实现的极限，因此在实际电路中，通常OSR不会超过512。 图3.3量化器信号和噪声频谱图 3.2.2 噪声整形 噪声整形可以进一步提高转换器的信噪比。利用高通滤波器的特性，将低频部分的量化噪声移到高频，减少了信号带宽内的噪声。高通滤波器的阶数和采样频率越高，信号带宽内的噪声就越小。 实现噪声整形的一常见方法就是采用调制器。如图3.4(a)所示，它包括一个滤波器、一个B位ADC和一个B位DAC。其线性模型如图3.4(b)所示，图中假