一种高精度音频sigma-delta adc调制器的研究-research on a high precision sigma - delta adc modulator for audio.docx

模拟电路的非理想特性相对较为不敏感[1]。高线性Sigma-delta 模数转换器具有非常高的线性度，这是因为sigma-delta调制器的 结构是用一个内部精度较低的转换器来转换模拟信号，然后利用过采样原理和噪 声整形原理将信号频带内的量化噪声能量压缩，从而提高信噪比。由于内部转换 器的精度较低，所以可以得到比较高的线性度，内部的模数转换器的精度可以低 到1bit，此时转换器简化为一个比较器。在这种情况下，sigma-delta 模数转换器可 以获得最高的线性度，因为对于一位量化来说，不存在量化台阶之间的非线性失 配。(3) 便于和数字系统集成 在集成电路生产中，数字电路的设计工具和方法越来越自动化，而模数转换器是属于数模混合集成电路，数模混合集成电路的关键部分往往是模拟电路。对需 要高精度的模拟电路，针对数字电路而设计的工具和方法难以满足模拟电路设计 的要求。sigma-delta模数转换器由于其结构特点，采用数字信号处理技术，模拟电 路部分的规模相对减小，可以比较方便地和数字电路集成，有利于片上系统的实 现[2]。Sigma-delta 调制器的发展历史Sigma-delta调制技术从20世纪80年代开始兴起，这种技术采用了过采样原理和 噪声整形原理，将信号频带内的量化噪声能量大大压缩，从而提高调制器的信噪 比。Sigma-delta模数转换器的早期历史如下：1946年过采样技术被提出，这是sigma-delta模数转换器的两大基础技术之一——过采样技术。1954年，Culter申请的一个专利中(1960年被授权)，首次提出将 量化结果反馈到输入端，然后与下一个采样输入信号相减，来起到噪声整形的作 用，这是sigma-delta模数转换器的另一项基础技术——噪声整形技术。1952年de Jager提出了delta调制器，包含一个前馈路径上的量化器，和一个反 馈路径上的环路滤波器，delta调制器可以抑制输入信号频带内的量化噪声，但是 它存在一个严重的问题，当输入的模拟信号的频率变化很大时，环路滤波器的输 出不能跟踪输入信号的变化，从而产生量化过载失真。1962年Inoset，Yosuda等人将在delta调制器的前端加了一个环路滤波器，然后 将反馈路径和delta调制器前端的环路滤波器移到前馈通路中，得到前馈通路上包 含一个环路滤波器和一个1位ADC，反馈通路上包含一个1位DAC，这是历史上第 一个sigma-delta调制器。1974年Richie提出在sigma-delta调制器的前馈通路中级联多个积分器来实现高阶环路滤波器，但是高阶调制器存在稳定性问题。1985年，Candy对前馈通路中包含两个积分器的sigma-delta调制器进行了深入的分析，当调制器包含两个以上的积 分器时，此时系统是条件稳定，需要通过数值仿真分析得到稳定的条件[5]。1987 年，Lee和Sodini提出了单环高阶调制器的稳定技术[3]。1986年Hayashi等人提出了一种稳定结构的高阶sigma-delta调制器的设计方法（MASH结构），即采用一个积分器的sigma-delta调制器来处理输入信号，然后将 得到的量化噪声用第二个sigma-delta调制器转换为数字信号，两个调制器的输出通 过一个误差抵消电路，抵消第一个调制器的量化噪声。但是由于模拟电路和数字 电路存在匹配误差，第一个积分器的量化噪声会泄露到输出端[4]。1986年Adams等人采用了4位量化器来提高调制器的精度，但是在反馈环路中 需要多位的DAC，而多位DAC的非线性限制了整个ADC的精度。1989年，Carley 采用了动态元件匹配(DEM)技术来降低DAC的非线性对sigma-delta模数转换器性 能的影响[5]。近年来，随着多位量化技术的成熟，基于sigma-delta调制的模数转换器已经突 破了“低速高精度”的传统观点，持续往高速方向发展，甚至进入了无线通信领域。 发展到2007年，国际固体会议上，NXP公司的Breems等人发表的文章中已经成功 的研发出信噪比为71dB，20MHz带宽的sigma-delta调制器芯片[6]；Ouzounov等人提 出的应用于无线局域网的sigma-delta调制器，在10MHz信号带宽内达到52dB的动态 范围，功耗仅为7mW[7]。Sigma-delta 调制器的主要研究方向(1) 噪声整形技术噪声整形技术是sigma-delta模数转换器的关键技术之一，它通过将信号频带内 的量化噪声“推”向信号频带外，从而达到提高调制器输出信噪比的目的。不同结构 或同阶不同系数的sigma-delta调制器对噪声的抑制能力有很大不同。如何在结构或 参数上进行优化来达到最佳噪声整形效果是对噪声整形技术的研究目的。比如 Akira