∑–△型模数转换器(ADC)

E-型模数转换器(ADC)1. 概述近年来，随着超大规模集成电路制造水平的提高，工-型模数转换器正以 其分辨率高、线性度好、成本低等特点得到越来越广泛的应用。工-型模数转 换器方案早在20 世纪 60 年代就已经有人提出，然而，直到不久前，在器件商品 化生产方面，这种工艺还是行不通的。今天，随着1微米技术的成熟及更小的 CMOS几何尺寸，工-结构的模数转换器将会越来越多地出现在一些特定的应用 领域中。特别是在混合信号集成电路(Mixed-signal ICs，指在单一芯片中集成 有模数转换器、数模转换器以及数字信号处理器功能的集成电路芯片)中。目前， 工-型模数转换器主要用于高分辨率的中、低频(低至直流)测量和数字音频电 路。用于低频测量的典型芯片有 16位分辨的 AD7701， 24 位分辨的 AD7731 等； 用于高品质数字音频场合的典型芯片有18位分辨率的AD1879等。随着设计和工 艺的水平的提高，目前已经出现了高速工-型模数转换器产品。2. 型ADC的理论基础与一般的ADC不同，匚-型ADC不是直接根据抽样数据的每一个样值的大 小进行量化编码，而是根据前一量值与后一量值的差值即所谓的增量的大小来进 行量化编码。从某种意义上讲，它是根据信号波形的包络线进行量化编码的。刀 - 型ADC由两部分组成，第一部分为模拟刀- 调制器，第二部分为数字抽取 滤波器，如下图所示。刀-调制器以极高的抽样频率对输入模拟信号进行抽样，并对两个抽样之 间的差值进行低位量化，从而得到用低位数码表示的数字信号即刀-码；然后 将这种刀-码送给第二部分的数字抽取滤波器进行抽取滤波，从而得到高分辨 率的线性脉冲编码调制的数字信号。因此抽取滤波器实际上相当于一个码型变换 器。由于刀-调制器具有极高的抽样速率，通常比奈奎斯特抽样频率高出许 多倍，因此刀-调制器又称为过抽样ADC转换器。这种类型的ADC采用了极低 位的量化器， 从而避免了制造高位转换器和高精度电阻网络的困难；另一方面， 因为它采用了刀-调制技术和数字抽取滤波，可以获得极高的分辨率；同时由 于采用了低位量化输出的刀-码，不会对抽样值幅度变化敏感，而且由于码位 低，抽样与量化编码可以同时完成，几乎不花时间，因此不需要采样保持电路， 这就使得采样系统的构成大为简化。这种增量调制型ADC实际上是以高速抽样率 来换取高位量化，即以速度来换精度。从调制编码理论的角度看，多数传统的ADC，例如并行比较，逐次逼近型等，均 属于线性脉冲编码调制(LPCM， Linear Pulse Code Modulation)类型。这类ADC 根据信号的幅度大小进行量化编码，一个分辨率位 n 的 ADC 其满刻度电平被分为 2n个不同的量化等级，为了能区分这2n个不同的量化等级需要相当复杂的电阻（或电容）网络和高精度的模拟电子器件。当位数 n 较高时，比较网络的实现是比 较困难的，因而限制了转换器分辨率的提高。同时，由于高精度的模似电子器件 受集成度，温度变比等因素的影响，进一步限制了转换器分辨率的提高。刀- 型ADC与传统的LPCM型ADC不同，它不是直接根据信号的幅度进行量化 编码，而是根据前一采样值与后一采样值之差（即所谓增量）进量化编码，从某种 意义上来说它是根据信号的包络形状进行量化编码的。从这一点上看，它与跟踪 计数型ADC有一点类似。表示增量，刀表示积分或求和。在下面可以看到， 刀- 型ADC采用了极低位的量化器（通常是1位），从而避免了 LPCM型ADC在 制造时面临的很多困难，非常适合用 MOS 技术实现。另一方面，又因为它采用了 极高的米样速率和刀-调制技术，可以获得极高的分辨率。同时，由于它米用 低位量化，不会像LPCM型ADC那样对输入信号的幅度变化过于敏感。与传统 LPCM型ADC相比，刀- 型ADC实际上是一种用高采样速率来换取高位量化， 即以速率换分辨率的方案。过采样（Oversampling）技术是改善模数转换器总体性能诸多技术中的一种。 刀一结构的ADC是一种内在的过采样转换器。刀一型ADC以很低的采样分辨 率（1位）和很高的采样速率将模拟信号数字化，通过使用过采样技术，噪声整形 和数字滤波技术增加有效分辨率，然后对ADC输出进行抽取（Decimation）处理， 以降低ADC的有效采样速率，去除多余信息，减轻数据处理的负担。由于刀一 型ADC所使用的1位量化器（即1位比较器）和1位数模转换器（为一开关）具有良 好的线性，所以刀一型ADC表现出的微分线性和积分线性性能是非常优秀的， 并且，不像其它类型的ADC那样，它无需任何的修调。3. 一阶E- 型ADC的基本原理要了解刀一型ADC的工作原理，必须熟悉过采样，噪声整形，数字滤波和 采样抽取等几个基本概念。下图是一阶刀一型ADC含有非常简单的模拟电路 （一个比较器，一个开关，一个或几个积分器及模拟求和电路）和十分复杂的数字 信号处理电路。CLK(X fs )9（心原理图一阶:型 ADC工-转换器具有相对简单的结构，又称为过采样转换器。这种转换器由工- 调制器（虚线框内）及连接于其后的数字滤波器构成。调制器的结构非常近似 于双斜率ADC,包括一个积分器和一个比较器，以及含有一个1位ADC的反馈环。 这个内置的DAC仅仅是一个开关，它将积分器输入切换到一个正或负的参考电 压。工- ADC还包括一个时钟单元，为调制器和数字滤波器提供适当的定时。下图是输入Vin = O和Vin=+Vref/4两种情况下，电路中各点的电压波形 示意图。可以看出两种情况下，C点输出的码流中0和1 的个数是不一样的。波形图窄带信号送入工- ADC后被以非常低的分辨率（1位）进行量化，但采样频 率却非常高，如2MHz或更高。经过数字滤波处理后，这种过采样被降低到一个 比较低的采样率，如8KHz左右，同时ADC的分辨率（即动态范围）被提高到16 位或更高，尽管比流水线ADC要慢且限于比较低的输入带宽，这种工-技术在 模数转换器市场上仍占据了很重要的位置。它具有三个主要优势：低价格、极优越的线性、高性能（最高可到24位）集成化的数字滤波与 DSP 技术的兼容性便于实现系统集成主要应用在：音频和测量