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连续时间Sigma-Delta模/数转换器

话题调查中国仪表网2008年06月18日 08:59人气:601

连续时间SD调制器
  第一枚获业界公认的SD调制器诞生于1962年,而它事实上是采用了CT电路。此后,利用CT电路来实现SD调制器便愈来愈普遍,但当开关电容器(SC)电路面世后,大部分的SD调制器都改以DT环路滤波器来实现。SC电路之所以受欢迎,原因是它不会受信号波形特性的影响。此外,SC积分器的时间常数可随着采样频率而调整,从而提高系统的灵活性。可是,其后CTΣΔ调制器又因其某些优点而重新受到注视,例如是它采用较低功耗的积分放大器,以及内置有采样输入模/数转换器没有的抗混叠滤波功能。

  CTΣΔ模/数转换器与流水线和DTSD模/数转换器之类的采样式输入模/数转换器有两个主要的区别:

  ●CTΣΔ调制器采用的是CT积分器而不是DT积分器或电路。因此比起SC电路,CTΣΔ调制器更能应用连续时间电路,通常是RC或C/gm积分器。

  ●CTΣΔ调制器的采样工作是发生在量化器之前的前置环路滤波器的输出。相反,采样式输入模/数转换器的采样工作是发生在模/数转换器的输入。

  CTΣΔ模/数转换器和采样输入模/数转换器之间的区别带来了性能方面的差别。比较突出的一点在于CTΣΔ模/数转换器能够在较低的电源下工作,包括有效的抗混叠滤波和比较宁静的输入级。所有这些CTΣΔ技术的优点都已显示在美国国家半导体新推出的ADC12EU050中, 稍候本文将对此详述。

CTΣΔ模/数转换器的挑战
  流水线模/数转换器需要牺牲某些设计特性来保证高速率,同样地,模/数转换器设计人员要利用CTΣΔ的优势也要面临一些设计挑战。一个采样输入SC模/数转换器的采样频率范围比较宽,通常可在接近零到其最高速率的采样频率范围内工作。可是,CTΣΔ的动态范围是由RC或其组件积分器的C/gm积所决定,因此积分器的时间常数必须能够调节以容纳不同的工艺。此外,环路的动态范围不会因应采样频率而改变,限制了可容许的采样率工作范围。

  SD转换器的输入带宽亦会限制在模/数转换器的第一个奈奎斯特频带内。在一个奈奎斯特率模/数转换器中,全速的采样会发生在系统的输入处,而输入带宽可以是转换器奈奎斯特率的好几倍,以容许进行IF采样。相反地,由于SD模/数转换器具备有低通抽取滤波器,所有在第一个奈奎斯特区以外的信号将会从输出频谱上移除。此外,虽然一个DTSD可容许信号于其环路采样率Mfs附近在带内倍减,但CTΣΔ模/数转换器内的固有抗混叠滤波功能会阻止这情况发生。因此,输入信号必须混入到第一个奈奎斯特区中,以待CTΣΔ模/数转换器将它们数字化。

  最后,由于其过采样的关系,故此CTΣΔ模/数转换器的输出率会即时被限制在100MSPS以下,但流水线模/数转换器则可达到500MSPS或以上。事实上,假如采用同样的技术,奈奎斯特率转换器的工作速度通常都会比SD模/数转换器的快,原因是SD设计必须要有过采样。

  幸而,在高分辨率应用中,CTΣΔ技术的优点足以弥补其低于100MSPS采样率这一缺点。以下将会集中讨论美国国家半导体的CTΣΔ模/数转换器,并且将说明它相比于流水线和DTSD采样输入模/数转换器的性能优势。

美国国家半导体的CTΣΔ模/数转换器的优点
  美国国家半导体新推出的ADC12EU050是现今业内第一个可准备投产的CTΣΔ模/数转换器。该产品之所以能提供更佳的性能,不单只因为它具备有采样输入模/数转换器没有的CTΣΔ技术,而且还有赖于在芯片上集成的额外电路。

  低功率
  对于高分辨率和100MSPS以下的应用,CTΣΔ架构的主要优势是其采样输入模/数转换器的低功耗。一个通常用来衡量模/数转换器性能的方法是能量品质因素(FOM),它一般测量模/数转换器的整体功耗相对于其输出分辨率和带宽的比例。凭借CTΣΔ技术带来的先天高效率,ADC12EU050可在超低功耗下提供高性能,显示出上佳的FOM值。

  CTΣΔ技术之所以能带来低功率优势,全靠其内部的电路。在流水线和传统的DTSD模/数转换器在内的任何采样输入SC电路中,其内部放大器必须能在某即定分辨率的一个周期内稳定下来,这种要求对内部放大器的速度做成明显的限制,如此一来就增加功耗并局限了转换器所能达到的最大采样率。

  在配备有CT反馈的CTΣΔ模/数转换器中,由于放大器的输出永远不会即时开关其输出电压,因此没有必要稳定输出,从而可放宽放大器在速度上的限制。虽然很难进行一个绝对的比较,但采样输入模/数转换器的SC天性使得它比起CTΣΔ更需要使用较高速度的放大器,因此其功耗比起流水线或DTSD模/数转换器的更大。此外,CTΣΔ模/数转换器并不要求迅速稳定下来,这也使它在相同的技术下,比起传统的DTSD模/数转换器的采样率更高。

  对于任何系统尤其是便携设备来说,低功耗和高能源效率的操作都是极之重要的,因为降低功耗可以延长电池的寿命和减轻散发出来的热量。手持超声波医疗系统等应用尤其看重这一点。ADC12EU050采用1.2V电源,非常适合应用在单电池供电的系统中。
  
  抗混叠滤波
  CTΣΔ模/数转换器架构消除了对输入滤波的严格要求,原因是它已具备有天生的抗混叠滤波能力。在ADC12EU050中,很多的抗混叠滤波器性能特性都建基于数字技术上,因而产生出很高的通带平整度和很陡斜的滚降 (高度有效的阶级)。

  CTΣΔ的抗混叠性在于同时采用了SD调制器和CT电路。对于任何类型的SD模/数转换器来说(CT或DT),过采样和其后对调制器输出的抽取滤波均须使用一个非常陡斜的滚降低通滤波器,其中断频率要是模/数转换器输出率的二分一。相反,一个没有过采样的奈奎斯特率模/数转换器则必须在模/数转换器之前加入一个高阶的外部低通滤波器,以防止有与输出采样率倍数相近的信号混叠在频带内。关于这点,我们在上文中已讨论过流水线模/数转换器的输入滤波和采样时钟要求。

  然而,除了上述的SD架构先天优点外,CT电路还有一个优点远胜DTSD模/数转换器。由于CTΣΔ模/数转换器是于前置环路滤波器的输出处采样,因此信号会于被采样前首先被环路的低通滤波器过滤,这便衰减了那些在调制器环路采样率(Mfs)附近并有可能混叠到频带内的信号。再者,由于这些混叠信号之后会在内部量化器的输入处被注入,噪声被环路的整形方或会与量化噪声的整形方式相同。这两种现象促使CTΣΔ除了在过采样和数字滤波能力上优于流水线设计外,它还能提供比DTSD更佳的抗混叠滤波能力。图4总结出CTΣΔ模/数转换器与流水线模/数转换器在抗混叠性能上的比较。

  干扰混叠、噪声混叠、流水线(要求有外部抗混叠滤波器)、频率、混叠增加带内噪声和干扰、砖墙滤波器消除混叠、包括抗混叠滤波器、频率。这高效的先天抗混叠滤波能力大大降低或甚至免消除对外加抗混叠滤波器的要求。
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