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增量式Sigma-Delta ADC与传统结构的区别在哪?

冬至子 来源:臣扬 作者:陈阳 2023-07-03 16:54 次阅读

前言

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图1 各种ADC应用领域

在Sigma-Delta ADC设计中,应用于高精度窄带信号,例如生物医疗,仪表测量等领域的Sigma-Delta ADC通常被称为增量式(Incremental) Sigma-Delta ADC。不同于传统结构的Sigma-Delta ADC,增量式Sigma-Delta ADC为奈奎斯特ADC。

ADC工作时,在一个固定的转换时间内采样输入信号并将其转换为一个数字码,即输出的数字码只取决于转换时间内的模拟输入,而与转换时间外的模拟输入无关。为了实现这样的操作,增量式ADC的调制器会比传统型多一个reset开关,用以将模拟电路和数字电路进行复位。

本文将简单介绍增量式Sigma-Delta ADC与传统结构的一些相同与不同之处,希望能为一些刚入门Sigma-Delta ADC设计的读者提供一些理解上的帮助。

增量式Sigma-Delta ADC的性能需求

在开始之前,我们首先阐述增量式Sigma-Delta ADC的应用场景对ADC的性能要求,这些性能的要求反过来也催生了增量式Sigma-Delta ADC结构的产生。增量式Sigma-Delta ADC常见性能要求如下:

  • 高精度(>20bit), 高线性度(>16bit)
  • 低增益和失调误差
  • 低输出噪声(uV级)
  • 低功耗
  • 易于多路复用

由于增量式Sigma-Delta ADC主要用于测量近似直流的信号,测量的要求为测量结果绝对值要准确,这一点和传统用于音频等交流信号的ADC不同,它们更多关心动态指标而不在意测量绝对电压值的准确。举个例子:当测量音频信号时,我们不关心音频信号整体被测量偏大或是偏小,只关心它的波形也就是频率特性有没有变化产生失真;而测量直流信号,比如测量温度,我们会关心测试的温度值和实际温度值绝对值的误差。

增益和失调误差均为线性误差,不会引起频率上的失真,因此大部分测量交流信号的Sigma-Delta ADC不会在乎增益和失调误差。但由于增益和失调误差会引起测量绝对值的误差,因此增量式Sigma-Delta ADC对这两个指标很关注。这也导致两种类型的ADC在片上基准的设计上的区别,基准电压的误差会直接转换为测量系统的增益误差,因此增量式Sigma-Delta ADC需要更高精度,更小温漂的带隙基准。

不同于传统测量交流信号Sigma-Delta ADC应用时单通道连续测量输入信号的情况,增量式Sigma-Delta ADC通常在多个通道间进行切换,这需要ADC具有很小的输入输出延时,这一点尤其体现在滤波器的设计上。

测量交流信号的Sigma-Delta ADC滤波器为了实现平坦的宽带滤波,滤波器级数通常很高,因此延时很大,不利于通道切换(如果切换,会出现模拟切换后输出数字码还是之前通道转换结果的情况)。增量式Sigma-Delta ADC由于输入频带很窄,只需要极窄带的滤波,因此可以用更简单,延时更低的数字滤波器,因此有利于通道切换。

传统结构+复位=增量式

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图2 增量式Sigma-Delta ADC一般架构

如上图所示为增量式Sigma-Delta ADC的一般架构,与传统式结构不同的是,每次转换之前,复位开关会导通使得模拟电路和数字电路清零。传统的ADC虽然也有这样的复位开关,但是只在上电时清零一次,开始连续转换后便不再清零。

但是,实际应用时,如果不进行清零的操作,即增量式量化开始之前所有的记忆电路还保留一个残余值,可以认为它们是一个额外的误差。

由于增量式Sigma-Delta ADC和传统结构一样,最终的结构为多次模拟输入过采样+噪声整形的结果,因此最初的误差会被很大程度地稀释,对结果造成的影响微乎其微,因此增量式Sigma-Delta ADC似乎转换开始之前不清零也可以?

如果不清零,那么增量式Sigma-Delta ADC和传统结构的调制器在工作时便没有了区别,它们的区别仅仅停留在数字滤波器中。但是上一节所述的两者关注的性能需求的不同仍然存在。

增量式并不特别

如上节所说,即使没有每次转换开始的清零,增量式Sigma-Delta ADC也可以正常工作,这样增量式和传统式在调制器上便没有了区别,仅在数字滤波器上有区别。

换而言之,如果我们将一个传统ADC的数字滤波器改为增量式的数字滤波器,这个ADC就变成了增量式ADC(还需要额外关注性能需求的不同)。

测量交流信号的传统Sigma-Delta ADC常用宽带滤波器,而测量直流的增量式Sigma-Delta ADC常用SINC滤波器,如图3所示,前者具有更宽,更平坦的通带,以及更陡峭的过渡带,后者通带更窄,过渡带也更差。

虽然SINC滤波器的频响看起来不如宽带滤波器那样完美,但是它具有更小的硬件开销和更小的延时,同时由于增量式Sigma-Delta ADC本身测量的信号频带足够窄,且常常需要在多通道之前切换,因此SINC滤波器更适合增量式Sigma-Delta ADC。

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图3 宽带滤波器和SINC滤波器

因此,增量式Sigma-Delta ADC相比传统结构仅仅可以理解为滤波器选取的不同,它并不特别。

而对于增量式Sigma-Delta ADC是奈奎斯特ADC这一点,与传统结构也并无区别。Sigma-Delta调制器虽然对输入过采样,但在产品应用时,数字滤波常常还伴随着数字抽取(宽带滤波器和SINC滤波器都会有数字抽取),以将数字输出频率从过采样频率降低至奈奎斯特采样频率。因此,一个完整的Sigma-Delta ADC产品本就是以奈奎斯特频率输出转换结果,这一点在增量式和传统式上并没有区别。

总结

本文简单介绍了增量式Sigma-Delta ADC与传统结构Sigma-Delta ADC的差异和相同之处,并提出了笔者自己的一些见解,不足之处请读者多多指正。

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