ADC 架构 IV ：Σ-Δ 型 ADC 高级概念和应用.pdf

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1、MT-023指南ADC架构IV：Σ-Δ型ADC高级概念和应用作者：WaltKester简介教程MT-022已论述了Σ-Δ型ADC的基本原理。本教程将介绍一些更高级的概念，包括空闲音、多位Σ-Δ、MASH、带通Σ-Δ，并提出一些示例应用。空闲音考量到目前为止，我们对Σ-Δ型ADC的讨论均假设Σ-Δ调制器（参见图1）所产生的量化噪声是随机的，并且与输入信号是不相关的。遗憾的是，事实并非完全如此，特别是对于一阶调制器。考虑这样一种情况：在一个4位Σ-Δ型ADC中，对调制器输出的16个样本求平均值。CLOCKfsINTEGRATORKfsVINA+N-BITS∑∫+DIGITALFILT

2、ER_AND_DECIMATORfsLATCHEDCOMPARATOR(1-BITADC)B+VREF1-BIT,1-BITDATAKfs1-BITSTREAMDAC–VREFSIGMA-DELTAMODULATOR图1：一阶Σ-Δ型ADC图2显示了两种输入信号条件下的位模式：一种是输入信号的值为8/16，另一种是输入信号的值为9/16。对于9/16信号，在调制器输出的位模式中，每隔16个输出有一个额外的“1”。这将在Kfs/16处产生能量，转化为干扰音。如果过采样比(K)小于8，此音将落在通带以内。音频中，随着输入从负满量程变为正满量程，噪底之上便可听到空闲音。Rev.A,10

3、/08,WKPage1of11MT-023图2：Σ-Δ调制器输出中的重复位模式图3显示了一阶Σ-Δ调制器的相关空闲模式特性，图4显示了二阶调制器的相对不相关的模式。因此，几乎所有Σ-Δ型ADC都至少含有一个二阶调制器环路，有些甚至使用五阶环路。图3：一阶Σ-Δ调制器的空闲模式（积分器输出）Page2of11MT-023图4：二阶Σ-Δ调制器的空闲模式（积分器输出）高阶环路考量为了实现宽动态范围，必须使用二阶以上的Σ-Δ调制器环路，但这会带来切实的设计挑战。首先，前文讨论的简单线性模型不再完全准确。一般而言，二阶以上的环路无法保证在所有输入条件下都能保持稳定，原因在于比较器是一个非

4、线性元件，其有效“增益”与输入电平成反比。这种不稳定机制会导致以下特性：如果在环路正常工作时，将一个大信号施加于输入，引起环路过载，则比较器的平均增益减小。在线性模型中，比较器增益的减小会导致环路不稳定。即使引起不稳定的信号被消除后，这种增益减小仍然会导致环路不稳定。在实际操作中，上电瞬变所引起的初始条件一般会导致这种电路发生上电时振荡。ADI公司1994年发布的AD1879双通道音频ADC使用五阶环路。该器件以及类似高阶环路设计需要广泛的非线性稳定技术（参考文献1至5）。多位Σ-Δ转换器到目前为止，我们只考虑了包含1位ADC（比较器）和1位DAC（开关）的Σ-Δ转换器。图5的功

5、能框图显示了一个使用n位FlashADC和n位DAC的多位Σ-Δ型ADC。对于给定的过采样比和环路滤波器阶数，这种架构显然能提供更高的动态范围。由于可以使用二阶环路，因此也更容易实现稳定。空闲模式更具随机性，因此干扰音影响更小。Page3of11MT-023CLOCKfsKfsINTEGRATORVINDIGITALN-BITS+FLASH∑∫ADCFILTERANDn-BITS_DECIMATORfsn-BITn-BITS,DACKfn-BITDATAsSTREAM图5：多位Σ-Δ型ADC这种技术的最大缺点在于其线性度取决于DAC的线性度，并且需要采用薄膜激光调整才能达到16位

6、性能水平。因此，要使用传统二进制DAC技术在混合信号IC上实现多位架构非常不切实际。然而，使用多位架构时，完全解码温度计DAC（参见教程MT-014）结合许多ADI音频ADC和DAC（包括24位立体声AD1871）（参见参考文献6和7）所使用的专有数据加扰技术，可以实现高SNR和低失真。多位数据加扰技术既可将空闲音降至最低，又可确保较佳的微分线性度。AD1871ADC简化框图如图6所示。图6：AD187124位96kSPS立体声音频多位Σ-Δ型ADCPage4of11MT-023AD1871的模拟Σ-Δ调制器部分包含二阶多位架构，使用ADI专有技术来实现最佳性能。如图7所示，两个

7、模拟积分器模块之后是FlashADC部分，该部分产生多位样本。FlashADC的输出经温度计编码后执行二进制解码，以便输出至滤波器部分，再经加扰以回馈到两个积分器级。调制器经过优化，可在6.144MHz的采样速率下工作（在48kHz采样速率下为128×fs，96kHz采样速率下为64×fs）。AD1871的A加权动态范围通常为105dB。图7：AD1871二阶调制器和数据加扰器的详细信息数字滤波器对多路复用应用的意义数字滤波器是所有Σ-Δ型ADC不可或缺的重要组成部分。滤波器建立