模拟技术中的一款三阶一位单环反馈结构的连续时间模拟技术中的一款三阶一位单环反馈结构的连续时间Sigma-
Delta ADC设计设计
O 引言 Sigma-Delta ADC是一种目前使用最为普遍的高精度ADC结构，在精度达到16位以上的场
合，Sigma-Delta是必选的结构。从原理上来说，它有点类似于游标卡尺。我们知道，游标卡尺上的最小刻度其
实并没有0.02mm,但是我们却可以用它来测量到0.02mm的精度。是不是很神奇？原理就在于，主尺的最小刻度
是1mm,副尺的最小刻度是0.98mm,测量过程中把1mm和0.98mm的差值不断累积，这个过程就是Delta-Sigma。
1mm与0.98mm的差值就是Delta，不断累积，直至主副尺重合的过程就是Sigma。 Sigma-Delta ADC的运
作过程，就是把待测
O 引言引言
Sigma-Delta ADC是一种目前使用最为普遍的高精度ADC结构，在精度达到16位以上的场合，Sigma-Delta是必选的结
构。从原理上来说，它有点类似于游标卡尺。我们知道，游标卡尺上的最小刻度其实并没有0.02mm,但是我们却可以用它来测
量到0.02mm的精度。是不是很神奇？原理就在于，主尺的最小刻度是1mm,副尺的最小刻度是0.98mm,测量过程中把1mm和
0.98mm的差值不断累积，这个过程就是Delta-Sigma。1mm与0.98mm的差值就是Delta，不断累积，直至主副尺重合的过程
就是Sigma。
Sigma-Delta ADC的运作过程，就是把待测信号Vin与参考电压正、负Vref之间的差值进行不断的累积并通过反馈令这个
差值趋于零。
随着近些年来无线通信与视频技术的广泛应用，在这两个方向上主要使用Pipeline ADC和连续时间Sig-ma-Delta
ADC（CTSD）。相比于Pi-peline ADC，连续时间Sigma-Delta ADC主要有以下几个优点：它有着更低的功耗，并且自身固有
的抗混叠滤波功能，省去Pipeline ADC对前置滤波器的苛刻要求。
在本文中，设计了一款三阶一位单环反馈结构的连续时间Sigma-Delta ADC，其带宽可达5 MHz，精度为10位，其中积分
器采用RC积分器的形式。系统引入了半个周期的延时，提高了系统的稳定性，使得输入信号的最大幅度大幅提高，进一步增
加了调制器转换信号的精度。同时，由于采用了新型的系统结构和非回零D／A转换器，使得调制器忍受时钟抖动的能力有了
很大的提高，在与同类型的ADC设计的比较中达到了较高的水平。
1 系统结构设计系统结构设计
1.1 结构设计结构设计
选择单环结构来实现系统的设计。为了实现5 MHz带宽和10位的精度，首先分析单环结构理论上的动态范围公式：
式中：L为系统阶数；N为量化位数；OSR为过采样率。
选取的系统结构见图1。对于单环结构来说，当系统的阶数超过三阶后，系统的稳定性会受到影响，从而导致可实现的动
态范围降低。多位量化器需要校正电路，增加了电路的成本和面积，而一位量化器和D／A转换器具有天然的线性，减小了系
统的非线性误差。在设计时，利用图1中b3这一路的反馈来系统地补偿环路延时。结合系统对动态范围的要求，根据式
（1），选择系统过采样率OSR=32。
由于连续时间Sigma-Delta ADC缺少现成的设计工具，该设计采用的方法是先设计好离散时间的噪声传递函数
NTF（z），根据式（2）：
求出离散时间的环路传递函数H（z），再利用Matlab工具箱中的d2cm函数将H（z）转换为连续时间结构的环路传递函数
H（s）。由于本结构的环路中加入了半个周期延时，故根据文献中的方法，将H（z）转换成等价的H（）。因此，传递函数
变为式（3）：
式(3)中分离出来的系数bn-1’就是系统结构图1中反馈系数b3，通过对系数b3的选择可以精确地补偿系统中半个周期的延
时。再利用d2cm函数将H()转换为H(s)。经过Sealing后，得到系统的系数为
a1=O．3，a2=0．3，a3=0．5，b0=1，b1=1，b2=1，b3=O．9，r=-0.04。经过系统仿真可知，在处理5 MHz带宽内的信号
时，系统的信噪比可达到72．3 dB。
资源评论
