SigmaDeltaADC原理简单理解.doc

SigmaDeltaADC原理简单理解.docSigma-Delta-ADC原理简单理解
模数转换器概述
过采样ADC的基本结构包括抗混迭滤波器、调制器及降采样低通滤波器，。抗混迭滤波器将输入信号限制在一定的带宽之内，对于过采样ADC，由于输入信号带宽远小于采样频率的一半，抗混迭滤波的通带到阻带之间的过渡带()较宽，缓解了其设计要求，可用低阶模拟滤波器实现。调制器将过采样信号转化为高速、低精度的数字信号。然后降采样滤波器将其转变为Nyquist频率的高精度信号。调制器可以抑制过采样率ADC电路引入的噪声，非线性等误差，这样缓解了它对模拟电路的精度要求。另外，对于开关电容电路实现的过采样ADC，无需采用采样保持电路。
过采样ADC的结构图
本章首先介绍了ADC的一些主要性能指标、调制器的工作原理、基本结构，然后介绍了调制器的非理想因素与误差来源，最后介绍了未深入研究的问题与宽带ADC研究现状。
ADC的一些主要性能指标
ADC的主要性能指标为：动态范围(DR)、信噪比(SNR)、信噪失真比(SNDR)、有效位数(ENOB)以及过载度(OL)。，图中横轴为输入信号的归一化值，即，纵轴为SNR或SNDR，二者均用dB表示。，当输入信号幅度较小时，SNR和SNDR大小是相等的；随着输入幅度的增加，失真将会降低调制器的性能，因而在输入幅度较大时，SNDR会比SNR
小一些。：一方面是由于实际调制器的有限增益引起性能成呈线性下降；另一方面是由于实际调制器过载而造成的性能下降。
典型的转换器的性能图
调制器各相主要性能指标[60]介绍如下：
1．信噪比(SNR)：是指在一定的输入幅度时，转换器输出信号能量与噪声能量的比值。转换器能获得的最大信噪比为峰值信噪比(PSNR)。
2．信噪失真比(SNDR)：是指在一定的输入幅度时，转换器输出信号能量与噪声、失真之和的比值。转换器能获得的最大信噪失真比为峰值信噪失真比(PSNDR)。
3．动态范围(DR)：输入动态范围()是指转换器最大输入信号和能检测到的最小输入信号能量的比值，这里最大信号能量定义为PSNR下降6dB时的输入值，而最小信号即为背景噪声能量值。输出动态范围()定义为最大输出信号能量和最小输出信号能量的比值，等于PSNR。
4．有效位数(ENOB)：是根据实际测量的PSNDR来计算的，如下式所示：
()
5．过载度(OL)：是指使调制器过载时的最小归一化输入值，其对应的SNR比PSNR小6dB。
与Nyquist速率ADC不同，过采样速率 ADC不关心积分非线性(INL)和差分非线性(DNL)两项指标。这是因为这两项指标都是衡量采样点和采样点之间的精度，而过采样率ADC的输出都与其前一个状态有关，因而INL和DNL在这种情况下是没有意义的。
ADC提高信噪比的方法
转换器主要是通过过采样和噪声整形来提高信噪比的，从而获得高精度。此外，采用多位量化器也是目前提高宽带转换器信噪比的一种基本方法。
过采样
转换器采用远远高于Nyquist频率的时钟对输入信号进行采样，使得量化噪声的功率分布在更宽的频带内，这样就减少了信号频带内的噪声。这也是过采样ADC的基本原理。
。由图可见，过采样率下的信号带宽内的量化噪声功率要比Nquist采样率下的小得多。
在对输入信号进行量化时，会引入量化误差。假设量化噪声e随机均匀分布，且与输入信号无关，即为白噪声，其功率[61]为：
()式()中为量化间距。噪声功率密度为：
()
其中为采样频率，可见量化噪声总功率与采样频率无关，但噪声功率谱密度却与采样频率有关，提高采样频率可以降低单位频带内的功率谱密度。我们定义过采样率
OSR为：
()
这样，在过采样率下，输出的信号频带内的总量化噪声功率为：
()
从式()可以看出，提高过采样率可以降低信号带宽内的噪声功率。采样率每提高一倍，信号带宽内的噪声功率降低3dB，在输入信