增量式Sigma-Delta ADC的性能需求

前言

圖1 各種ADC應用領(lǐng)域

在Sigma-Delta ADC設(shè)計中，應用于高精度窄帶信號，例如生物醫(yī)療，儀表測量等領(lǐng)域的Sigma-Delta ADC通常被稱為增量式(Incremental) Sigma-Delta ADC。不同于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的Sigma-Delta ADC，增量式Sigma-Delta ADC為奈奎斯特ADC。ADC工作時，在一個固定的轉(zhuǎn)換時間內(nèi)采樣輸入信號并將其轉(zhuǎn)換為一個數(shù)字碼，即輸出的數(shù)字碼只取決于轉(zhuǎn)換時間內(nèi)的模擬輸入，而與轉(zhuǎn)換時間外的模擬輸入無關(guān)。為了實現(xiàn)這樣的操作，增量式ADC的調(diào)制器會比傳統(tǒng)型多一個reset開關(guān)，用以將模擬電路和數(shù)字電路進行復位。

本文將簡單介紹增量式Sigma-Delta ADC與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一些相同與不同之處，希望能為一些剛?cè)腴TSigma-Delta ADC設(shè)計的讀者提供一些理解上的幫助。

增量式Sigma-Delta ADC的性能需求

在開始之前，我們首先闡述增量式Sigma-Delta ADC的應用場景對ADC的性能要求，這些性能的要求反過來也催生了增量式Sigma-Delta ADC結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。增量式Sigma-Delta ADC常見性能要求如下：

易于多路復用

低功耗

低輸出噪聲(uV級)

低增益和失調(diào)誤差

高精度(>20bit), 高線性度(>16bit)

由于增量式Sigma-Delta ADC主要用于測量近似直流的信號，測量的要求為測量結(jié)果絕對值要準確，這一點和傳統(tǒng)用于音頻等交流信號的ADC不同，它們更多關(guān)心動態(tài)指標而不在意測量絕對電壓值的準確。舉個例子：當測量音頻信號時，我們不關(guān)心音頻信號整體被測量偏大或是偏小，只關(guān)心它的波形也就是頻率特性有沒有變化產(chǎn)生失真；而測量直流信號，比如測量溫度，我們會關(guān)心測試的溫度值和實際溫度值絕對值的誤差。

增益和失調(diào)誤差均為線性誤差，不會引起頻率上的失真，因此大部分測量交流信號的Sigma-Delta ADC不會在乎增益和失調(diào)誤差。但由于增益和失調(diào)誤差會引起測量絕對值的誤差，因此增量式Sigma-Delta ADC對這兩個指標很關(guān)注。這也導致兩種類型的ADC在片上基準的設(shè)計上的區(qū)別，基準電壓的誤差會直接轉(zhuǎn)換為測量系統(tǒng)的增益誤差，因此增量式Sigma-Delta ADC需要更高精度，更小溫漂的帶隙基準。

不同于傳統(tǒng)測量交流信號Sigma-Delta ADC應用時單通道連續(xù)測量輸入信號的情況，增量式Sigma-Delta ADC通常在多個通道間進行切換，這需要ADC具有很小的輸入輸出延時，這一點尤其體現(xiàn)在濾波器的設(shè)計上。測量交流信號的Sigma-Delta ADC濾波器為了實現(xiàn)平坦的寬帶濾波，濾波器級數(shù)通常很高，因此延時很大，不利于通道切換（如果切換，會出現(xiàn)模擬切換后輸出數(shù)字碼還是之前通道轉(zhuǎn)換結(jié)果的情況）。增量式Sigma-Delta ADC由于輸入頻帶很窄，只需要極窄帶的濾波，因此可以用更簡單，延時更低的數(shù)字濾波器，因此有利于通道切換。

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)+復位=增量式

圖2 增量式Sigma-Delta ADC一般架構(gòu)

如上圖所示為增量式Sigma-Delta ADC的一般架構(gòu)，與傳統(tǒng)式結(jié)構(gòu)不同的是，每次轉(zhuǎn)換之前，復位開關(guān)會導通使得模擬電路和數(shù)字電路清零。傳統(tǒng)的ADC雖然也有這樣的復位開關(guān)，但是只在上電時清零一次，開始連續(xù)轉(zhuǎn)換后便不再清零。

但是，實際應用時，如果不進行清零的操作，即增量式量化開始之前所有的記憶電路還保留一個殘余值，可以認為它們是一個額外的誤差。由于增量式Sigma-Delta ADC和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)一樣，最終的結(jié)構(gòu)為多次模擬輸入過采樣+噪聲整形的結(jié)果，因此最初的誤差會被很大程度地稀釋，對結(jié)果造成的影響微乎其微，因此增量式Sigma-Delta ADC似乎轉(zhuǎn)換開始之前不清零也可以？

如果不清零，那么增量式Sigma-Delta ADC和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的調(diào)制器在工作時便沒有了區(qū)別，它們的區(qū)別僅僅停留在數(shù)字濾波器中。但是上一節(jié)所述的兩者關(guān)注的性能需求的不同仍然存在。

增量式并不特別

如上節(jié)所說，即使沒有每次轉(zhuǎn)換開始的清零，增量式Sigma-Delta ADC也可以正常工作，這樣增量式和傳統(tǒng)式在調(diào)制器上便沒有了區(qū)別，僅在數(shù)字濾波器上有區(qū)別。換而言之，如果我們將一個傳統(tǒng)ADC的數(shù)字濾波器改為增量式的數(shù)字濾波器，這個ADC就變成了增量式ADC（還需要額外關(guān)注性能需求的不同）。

測量交流信號的傳統(tǒng)Sigma-Delta ADC常用寬帶濾波器，而測量直流的增量式Sigma-Delta ADC常用SINC濾波器，如圖3所示，前者具有更寬，更平坦的通帶，以及更陡峭的過渡帶，后者通帶更窄，過渡帶也更差。雖然SINC濾波器的頻響看起來不如寬帶濾波器那樣完美，但是它具有更小的硬件開銷和更小的延時，同時由于增量式Sigma-Delta ADC本身測量的信號頻帶足夠窄，且常常需要在多通道之前切換，因此SINC濾波器更適合增量式Sigma-Delta ADC。

圖3 寬帶濾波器和SINC濾波器

因此，增量式Sigma-Delta ADC相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)僅僅可以理解為濾波器選取的不同，它并不特別。

而對于增量式Sigma-Delta ADC是奈奎斯特ADC這一點，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)也并無區(qū)別。Sigma-Delta調(diào)制器雖然對輸入過采樣，但在產(chǎn)品應用時，數(shù)字濾波常常還伴隨著數(shù)字抽取（寬帶濾波器和SINC濾波器都會有數(shù)字抽?。詫?shù)字輸出頻率從過采樣頻率降低至奈奎斯特采樣頻率。因此，一個完整的Sigma-Delta ADC產(chǎn)品本就是以奈奎斯特頻率輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果，這一點在增量式和傳統(tǒng)式上并沒有區(qū)別。

總結(jié)

本文簡單介紹了增量式Sigma-Delta ADC與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)Sigma-Delta ADC的差異和相同之處，并提出了筆者自己的一些見解，不足之處請讀者多多指正。