Sigma-DeltaADC讲稿.

Sigma-DeltaADCSigma-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。•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。ADC的基本工作原理低通滤波器采样电路量化器解码器抗混叠滤波量化量化器输入输出特性量化误差2/2/•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：2/2//1ee量化噪声分布1222deeeEQ•白噪声的功率谱密度fs/2-fs/20fSe(f)量化噪声功率谱密度seffS122SNR的计算Vp是输入满幅正弦信号的幅度Δ为量化误差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。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。bsffOSR2•滤波器滤除了频率比fb大的量化噪声部分fs/2-fs/20fSe(f)-fb-fbfbfb•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。OSRdffHfSEssffeQ11222/2/22OSRdBdBNdBSNRlog1076.102.6max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：zEzNTFzUzSTFzYzHzHzUzYzSTF1zHzEzYzNTF11信号传输函数噪声传输函数•一阶噪声整形111zzzH1zzUzYzSTF11zzEzYzNTF•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sfffNTF/sin2||•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。322236OSRdffNTFfSEbbffeQOSRNdBSNRlog3017.576.102.6max一阶Sigma-delta的简单工作原理•二阶噪声整形•L阶噪声整形•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。级联(MASH)Sigma-Delta调制器•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•则模拟积分器的设计离散积分器基本结构Sigma-Delta调制器电路举例数字抽取滤波器•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。梳状滤波器梳状滤波器实现方法半带滤波器•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。幅度校正滤波器Sigma-DeltaADC的整体结构