Sigma-Delta-ADC講稿教學講解課件

Sigma-DeltaADC1Sigma-DeltaADC1Sigma-DeltaADC的特點在深亞微米下器件各種寄生效應匹配性的問題通常限制了A/D轉(zhuǎn)換器的精度。即使可以通過數(shù)字校正等方法得到改善，但是會使設計復雜化。Sigma-DeltaA/D轉(zhuǎn)換器能夠容忍模擬電路的寄生效應，從而達到很高的精度，因此得到了廣泛的應用，例如數(shù)字音頻領域。2Sigma-DeltaADC的特點在深亞微米下器件各種寄生Sigma-DeltaA/D轉(zhuǎn)換器主要由調(diào)制器和抽取濾波器組成。調(diào)制器主要是模擬電路，其過采樣和噪聲整形對模擬信號進行處理，把信號基帶以內(nèi)的噪聲推到高頻處。抽取濾波器是數(shù)字電路把高頻噪聲濾除，獲得很高的精度，同時實現(xiàn)降采用。3Sigma-DeltaA/D轉(zhuǎn)換器主要由調(diào)制器和抽取濾波器ADC的基本工作原理4ADC的基本工作原理4抗混疊濾波5抗混疊濾波5量化量化器輸入輸出特性6量化量化器輸入輸出特性6

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7如果量化精度足夠高，則這種誤差被認為是白噪聲。

在時間上是均勻分布的隨機變量，其概率密度函數(shù)如圖所示。對這種噪聲信號我們計算它的量化噪聲功率：

量化噪聲分布8如果量化精度足夠高，則這種誤差被認為是白噪聲。在時間上是均白噪聲的功率譜密度量化噪聲功率譜密度9白噪聲的功率譜密度量化噪聲功率譜密度9SNR的計算

Vp是輸入滿幅正弦信號的幅度Δ為量化誤差10SNR的計算

Vp是輸入滿幅正弦信號的幅度Δ為量化誤差1奈奎斯特采樣的局限ADC的精度完全由量化器精度決定。ADC需要很陡的前置抗混疊低通濾波器。11奈奎斯特采樣的局限ADC的精度完全由量化器精度決定。11過采樣技術如果采樣頻率fs比信號頻率fb大很多，稱這種情況為過采樣，定義過采樣率為：信號經(jīng)過量化之后，y1(n)由H(f)濾波產(chǎn)生了信號y2(n)，如圖所示。12過采樣技術如果采樣頻率fs比信號頻率fb大很多，稱這種情況為濾波器濾除了頻率比fb大的量化噪聲部分13濾波器濾除了頻率比fb大的量化噪聲部分13頻率低于信號帶寬fb時，y2(n)輸入信號的功率不變，而量化噪聲功率減小到因此，OSR每增加一倍,量化噪聲功率減小1/2，等效于減小3dB，即轉(zhuǎn)換器有效分辨率增加0.5位。很顯然，增加過采樣率OSR可以改善SNR，使ADC的轉(zhuǎn)換精度得到提高。14頻率低于信號帶寬fb時，y2(n)輸入信號的功率不變，而量化噪聲整形技術通用噪聲整形Sigma-Delta調(diào)制器和它的線性模型如圖所示：信號傳輸函數(shù)噪聲傳輸函數(shù)15噪聲整形技術通用噪聲整形Sigma-Delta調(diào)制器和它的線一階噪聲整形16一階噪聲整形16噪聲傳輸函數(shù)表示一個離散時間微分器（高通濾波器），這相當于引入了一個整形函數(shù)，量化噪聲的傳輸函數(shù)幅度為17噪聲傳輸函數(shù)表示一個離散時間微分器（高通濾波器），這相當于引隨著頻率的降低，噪聲傳輸函數(shù)的幅度也逐步降低。經(jīng)過噪聲整形NTF(z)以后，在信號帶寬內(nèi)的量化噪聲功率和SNR為可以看出，過采樣率每增加一倍，一階Sigma-Delta調(diào)制器的信噪比可以增加9dB，而簡單的增加一倍過采樣率信噪比只增加3dB。18隨著頻率的降低，噪聲傳輸函數(shù)的幅度也逐步降低。經(jīng)過噪聲整形N一階Sigma-delta的簡單工作原理

19一階Sigma-delta的簡單工作原理

192020二階噪聲整形L階噪聲整形

21二階噪聲整形

212222雖然使用高階調(diào)制器可以有效地抑制帶內(nèi)量化噪聲，當階數(shù)達到三階或三階以上時，其穩(wěn)定性是很難保證的。因此，可以通過穩(wěn)定的一階調(diào)制器和二階調(diào)制器級聯(lián)的方式來實現(xiàn)高階調(diào)制器。23雖然使用高階調(diào)制器可以有效地抑制帶內(nèi)量化噪聲，當階數(shù)達到三階級聯(lián)(MASH)Sigma-Delta調(diào)制器24級聯(lián)(MASH)Sigma-Delta調(diào)制器24調(diào)制器第一級輸出調(diào)制器第二級輸出其中調(diào)制器整個輸出數(shù)字濾波器系統(tǒng)函數(shù)如果滿足則25調(diào)制器第一級輸出25模擬積分器的設計

26模擬積分器的設計

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27離散積分器基本結(jié)構(gòu)

28離散積分器基本結(jié)構(gòu)

28Sigma-Delta調(diào)制器電路舉例29Sigma-Delta調(diào)制器電路舉例29數(shù)字抽取濾波器數(shù)字濾波器主要作用：1、濾除基帶外整形噪聲；2、將過采樣率降低到奈奎斯特率；3、將調(diào)制器輸出的低bit數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為高比特數(shù)據(jù)流。30數(shù)字抽取濾波器數(shù)字濾波器主要作用：30梳狀濾波器

31梳狀濾波器

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32梳狀濾波器實現(xiàn)方法

33梳狀濾波器實現(xiàn)方法

33半帶濾波器后級濾波器結(jié)構(gòu)主要取決于Sigma-DeltaADC的應用。在對于相位線性度要求不高的情況下，可采用硬件效率高的IIR濾波器。而對于音頻處理等對線性要求很高的應用條件下，通常使用線性