前言

圖1 各種ADC應(yīng)用領(lǐng)域

在Sigma-Delta ADC設(shè)計(jì)中，應(yīng)用于高精度窄帶信號(hào)，例如生物醫(yī)療，儀表測(cè)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(shí)，在一個(gè)固定的轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)采樣輸入信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為一個(gè)數(shù)字碼，即輸出的數(shù)字碼只取決于轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)的模擬輸入，而與轉(zhuǎn)換時(shí)間外的模擬輸入無(wú)關(guān)。為了實(shí)現(xiàn)這樣的操作，增量式ADC的調(diào)制器會(huì)比傳統(tǒng)型多一個(gè)reset開(kāi)關(guān)，用以將模擬電路和數(shù)字電路進(jìn)行復(fù)位。

本文將簡(jiǎn)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T(mén)Sigma-Delta ADC設(shè)計(jì)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(kāi)始之前，我們首先闡述增量式Sigma-Delta ADC的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)ADC的性能要求，這些性能的要求反過(guò)來(lái)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(jiàn)性能要求如下：

易于多路復(fù)用

低功耗

低輸出噪聲(uV級(jí))

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(cè)量近似直流的信號(hào)，測(cè)量的要求為測(cè)量結(jié)果絕對(duì)值要準(zhǔn)確，這一點(diǎn)和傳統(tǒng)用于音頻等交流信號(hào)的ADC不同，它們更多關(guān)心動(dòng)態(tài)指標(biāo)而不在意測(cè)量絕對(duì)電壓值的準(zhǔn)確。舉個(gè)例子：當(dāng)測(cè)量音頻信號(hào)時(shí)，我們不關(guān)心音頻信號(hào)整體被測(cè)量偏大或是偏小，只關(guān)心它的波形也就是頻率特性有沒(méi)有變化產(chǎn)生失真；而測(cè)量直流信號(hào)，比如測(cè)量溫度，我們會(huì)關(guān)心測(cè)試的溫度值和實(shí)際溫度值絕對(duì)值的誤差。

增益和失調(diào)誤差均為線性誤差，不會(huì)引起頻率上的失真，因此大部分測(cè)量交流信號(hào)的Sigma-Delta ADC不會(huì)在乎增益和失調(diào)誤差。但由于增益和失調(diào)誤差會(huì)引起測(cè)量絕對(duì)值的誤差，因此增量式Sigma-Delta ADC對(duì)這兩個(gè)指標(biāo)很關(guān)注。這也導(dǎo)致兩種類型的ADC在片上基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)上的區(qū)別，基準(zhǔn)電壓的誤差會(huì)直接轉(zhuǎn)換為測(cè)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(zhǔn)。

不同于傳統(tǒng)測(cè)量交流信號(hào)Sigma-Delta ADC應(yīng)用時(shí)單通道連續(xù)測(cè)量輸入信號(hào)的情況，增量式Sigma-Delta ADC通常在多個(gè)通道間進(jìn)行切換，這需要ADC具有很小的輸入輸出延時(shí)，這一點(diǎn)尤其體現(xiàn)在濾波器的設(shè)計(jì)上。測(cè)量交流信號(hào)的Sigma-Delta ADC濾波器為了實(shí)現(xiàn)平坦的寬帶濾波，濾波器級(jí)數(shù)通常很高，因此延時(shí)很大，不利于通道切換（如果切換，會(huì)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(jiǎn)單，延時(shí)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(fù)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(fù)位開(kāi)關(guān)會(huì)導(dǎo)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(fù)位開(kāi)關(guān)，但是只在上電時(shí)清零一次，開(kāi)始連續(xù)轉(zhuǎn)換后便不再清零。

但是，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，如果不進(jìn)行清零的操作，即增量式量化開(kāi)始之前所有的記憶電路還保留一個(gè)殘余值，可以認(rèn)為它們是一個(gè)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(guò)采樣+噪聲整形的結(jié)果，因此最初的誤差會(huì)被很大程度地稀釋，對(duì)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(kāi)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(shí)便沒(méi)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(shuō)，即使沒(méi)有每次轉(zhuǎn)換開(kāi)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(méi)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(gè)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(gè)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(cè)量交流信號(hào)的傳統(tǒng)Sigma-Delta ADC常用寬帶濾波器，而測(cè)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(guò)渡帶，后者通帶更窄，過(guò)渡帶也更差。雖然SINC濾波器的頻響看起來(lái)不如寬帶濾波器那樣完美，但是它具有更小的硬件開(kāi)銷(xiāo)和更小的延時(shí)，同時(shí)由于增量式Sigma-Delta ADC本身測(cè)量的信號(hào)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(duì)于增量式Sigma-Delta ADC是奈奎斯特ADC這一點(diǎn)，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)也并無(wú)區(qū)別。Sigma-Delta調(diào)制器雖然對(duì)輸入過(guò)采樣，但在產(chǎn)品應(yīng)用時(shí)，數(shù)字濾波常常還伴隨著數(shù)字抽?。▽拵V波器和SINC濾波器都會(huì)有數(shù)字抽?。詫?shù)字輸出頻率從過(guò)采樣頻率降低至奈奎斯特采樣頻率。因此，一個(gè)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(diǎn)在增量式和傳統(tǒng)式上并沒(méi)有區(qū)別。

總結(jié)

本文簡(jiǎn)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(jiàn)解，不足之處請(qǐng)讀者多多指正。