SigmaDeltaADC讲稿实用教案

1、Sigma-Delta ADC的特点(tdin)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-Delta A/D转换器能够容忍模拟(mn)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。第1页/共36页第一页，共37页。 Sigma-Delta A/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( jnxng)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。第2页/共3

2、6页第二页，共37页。ADC 的基本工作(gngzu)原理第3页/共36页第三页，共37页。抗混叠滤波(lb)第4页/共36页第四页，共37页。量化量化器输入输出特性(txng)第5页/共36页第五页，共37页。第6页/共36页第六页，共37页。如果量化精度足够高，则这种误差被认为(rnwi)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： 量化噪声(zoshng)分布 1222deeeEQ第7页/共36页第七页，共37页。白噪声(zoshng)的功率谱密度量化噪声(zoshng)功率谱密度 seffS122第8页/共36页第八页，共3

3、7页。SNR的计算(j sun)Vp是输入满幅正弦信号(xnho)的幅度为量化误差(wch)第9页/共36页第九页，共37页。奈奎斯特采样(ci yn)的局限ADC的精度完全由量化器精度决定。ADC需要(xyo)很陡的前置抗混叠低通滤波器。第10页/共36页第十页，共37页。过采样(ci yn)技术如果采样频率(pnl)fs比信号频率(pnl)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第11页/共36页第十一页，共37页。滤波器滤除了频率比fb大的量化噪声(zoshng)部分第12页/共36页第十二

4、页，共37页。 频率低于信号带宽fb时，y2(n)输入(shr)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。 OSRdffHfSEssffeQ11222/2/22OSRdBdBNdBSNRlog1076. 102. 6max第13页/共36页第十三页，共37页。噪声整形(zhng xng)技术通用噪声(zoshng)整形Sigma-Delta调制器和它的线性模型如图所示： zEzNTFzUzSTFzY zHzHzUzYzSTF1 zHz

5、EzYzNTF11信号传输(chun sh)函数噪声传输函数第14页/共36页第十四页，共37页。一阶噪声(zoshng)整形 111zzzH 1zzUzYzSTF 11zzEzYzNTF第15页/共36页第十五页，共37页。 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(zhng xng)函数，量化噪声的传输函数幅度为 sfffNTF/sin2|第16页/共36页第十六页，共37页。随着频率的降低，噪声(zoshng)传输函数的幅度也逐步降低。经过噪声(zoshng)整形NTF(z)以后，在信号带宽内的量化噪声(zoshng)功率和SNR为可以看出，过采样率每增加

6、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。 322236OSRdffNTFfSEbbffeQOSRNdBSNRlog3017. 576. 102. 6max第17页/共36页第十七页，共37页。一阶Sigma-delta的简单(jindn)工作原理 第18页/共36页第十八页，共37页。第19页/共36页第十九页，共37页。二阶噪声(zoshng)整形L阶噪声(zoshng)整形第20页/共36页第二十页，共37页。第21页/共36页第二十一页，共37页。虽然使用高阶调制器可以有效地抑制带内量化噪声(zoshng)，当阶数达到三阶

7、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。第22页/共36页第二十二页，共37页。级联(MASH) Sigma-Delta调制器第23页/共36页第二十三页，共37页。 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(shz)滤波器系统函数如果满足 则第24页/共36页第二十四页，共37页。模拟(mn)积分器的设计 第25页/共36页第二十五页，共37页。 第26页/共36页第二十六页，共37页。离散(lsn)积分器基本结构第27页/共36页第二十七页，共37页。Sigma-Delta调制器电路(dinl)举例第2

8、8页/共36页第二十八页，共37页。数字(shz)抽取滤波器数字滤波器主要作用：1、滤除基带外整形噪声(zoshng)；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。第29页/共36页第二十九页，共37页。梳状滤波器 第30页/共36页第三十页，共37页。 第31页/共36页第三十一页，共37页。梳状滤波器实现(shxin)方法 第32页/共36页第三十二页，共37页。半带滤波器后级滤波器结构主要取决于Sigma-Delta ADC的应用。在对于相位线性度要求不高的情况(qngkung)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。第33页/共36页第三十三页，共37页。幅度(fd)校正滤波器第34页/共36页第三十四页，共37页。Sigma-Delta ADC的整体(zhngt)结构第35页/共36页第三十五页，共37页。感谢您的观看(gunkn)！第36页/共36页第三十六页，共37页。NoImage内容(nirng)总结Sigma-DeltaADC的特点。在深亚微米(wim)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。对这种噪声信号我们计算它的量化噪声功率：。ADC的精