Sigma-DeltaADC1Sigma-DeltaADC1Sigma-DeltaADC的特點(diǎn)在深亞微米下器件各種寄生效應(yīng)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(huì)使設(shè)計(jì)復(fù)雜化。Sigma-DeltaA/D轉(zhuǎn)換器能夠容忍模擬電路的寄生效應(yīng)，從而達(dá)到很高的精度，因此得到了廣泛的應(yīng)用，例如數(shù)字音頻領(lǐng)域。2Sigma-DeltaADC的特點(diǎn)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(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行處理，把信號(hào)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(shí)實(shí)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(rèn)為是白噪聲。

在時(shí)間上是均勻分布的隨機(jī)變量，其概率密度函數(shù)如圖所示。對(duì)這種噪聲信號(hào)我們計(jì)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(rèn)為是白噪聲。在時(shí)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(jì)算

Vp是輸入滿幅正弦信號(hào)的幅度Δ為量化誤差10SNR的計(jì)算

Vp是輸入滿幅正弦信號(hào)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(shù)如果采樣頻率fs比信號(hào)頻率fb大很多，稱這種情況為過采樣，定義過采樣率為：信號(hào)經(jīng)過量化之后，y1(n)由H(f)濾波產(chǎn)生了信號(hào)y2(n)，如圖所示。12過采樣技術(shù)如果采樣頻率fs比信號(hào)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(hào)帶寬fb時(shí)，y2(n)輸入信號(hào)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(hào)帶寬fb時(shí)，y2(n)輸入信號(hào)的功率不變，而量化噪聲整形技術(shù)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(hào)傳輸函數(shù)噪聲傳輸函數(shù)15噪聲整形技術(shù)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(gè)離散時(shí)間微分器（高通濾波器），這相當(dāng)于引入了一個(gè)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(gè)離散時(shí)間微分器（高通濾波器），這相當(dāng)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(hào)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(dāng)階數(shù)達(dá)到三階或三階以上時(shí)，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(jí)聯(lián)的方式來實(shí)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(dāng)階數(shù)達(dá)到三階級(jí)聯(lián)(MASH)Sigma-Delta調(diào)制器24級(jí)聯(lián)(MASH)Sigma-Delta調(diào)制器24調(diào)制器第一級(jí)輸出調(diào)制器第二級(jí)輸出其中調(diào)制器整個(gè)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(jí)輸出25模擬積分器的設(shè)計(jì)

26模擬積分器的設(shè)計(jì)

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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?cái)?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(shí)現(xiàn)方法

33梳狀濾波器實(shí)現(xiàn)方法

33半帶濾波器后級(jí)濾波器結(jié)構(gòu)主要取決于Sigma-DeltaADC的應(yīng)用。在對(duì)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(duì)于音頻處理等對(duì)線性要求很高的應(yīng)用條件下，通常使用線性相位的FIR濾波器。34半帶濾波器后級(jí)濾波器結(jié)構(gòu)主要取決于Sigma-DeltaA幅度校正濾波器35幅度校正濾波器35Sigma-DeltaADC的整體結(jié)構(gòu)36Sigma-DeltaADC的整體結(jié)構(gòu)36Sigma-DeltaADC37Sigma-DeltaADC1Sigma-DeltaADC的特點(diǎn)在深亞微米下器件各種寄生效應(yīng)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(huì)使設(shè)計(jì)復(fù)雜化。Sigma-DeltaA/D轉(zhuǎn)換器能夠容忍模擬電路的寄生效應(yīng)，從而達(dá)到很高的精度，因此得到了廣泛的應(yīng)用，例如數(shù)字音頻領(lǐng)域。38Sigma-DeltaADC的特點(diǎn)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(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行處理，把信號(hào)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(shí)實(shí)現(xiàn)降采用。39Sigma-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40ADC的基本工作原理4抗混疊濾波41抗混疊濾波5量化量化器輸入輸出特性42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(rèn)為是白噪聲。

在時(shí)間上是均勻分布的隨機(jī)變量，其概率密度函數(shù)如圖所示。對(duì)這種噪聲信號(hào)我們計(jì)算它的量化噪聲功率：

量化噪聲分布44如果量化精度足夠高，則這種誤差被認(rèn)為是白噪聲。在時(shí)間上是均白噪聲的功率譜密度量化噪聲功率譜密度45白噪聲的功率譜密度量化噪聲功率譜密度9SNR的計(jì)算

Vp是輸入滿幅正弦信號(hào)的幅度Δ為量化誤差46SNR的計(jì)算

Vp是輸入滿幅正弦信號(hào)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。47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(shù)如果采樣頻率fs比信號(hào)頻率fb大很多，稱這種情況為過采樣，定義過采樣率為：信號(hào)經(jīng)過量化之后，y1(n)由H(f)濾波產(chǎn)生了信號(hào)y2(n)，如圖所示。48過采樣技術(shù)如果采樣頻率fs比信號(hào)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49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(hào)帶寬fb時(shí)，y2(n)輸入信號(hào)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。50頻率低于信號(hào)帶寬fb時(shí)，y2(n)輸入信號(hào)的功率不變，而量化噪聲整形技術(shù)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(hào)傳輸函數(shù)噪聲傳輸函數(shù)51噪聲整形技術(shù)通用噪聲整形Sigma-Delta調(diào)制器和它的線一階噪聲整形52一階噪聲整形16噪聲傳輸函數(shù)表示一個(gè)離散時(shí)間微分器（高通濾波器），這相當(dāng)于引入了一個(gè)整形函數(shù)，量化噪聲的傳輸函數(shù)幅度為53噪聲傳輸函數(shù)表示一個(gè)離散時(shí)間微分器（高通濾波器），這相當(dāng)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(hào)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。54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

55一階Sigma-delta的簡單工作原理

195620二階噪聲整形L階噪聲整形

57二階噪聲整形

215822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(dāng)階數(shù)達(dá)到三階或三階以上時(shí)，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(jí)聯(lián)的方式來實(shí)現(xiàn)高階調(diào)制器。59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(dāng)階數(shù)達(dá)到三階級(jí)聯(lián)(MASH)Sigma-Delta調(diào)制器60級(jí)聯(lián)(MASH)Sigma-Delta調(diào)制器24調(diào)制器第一級(jí)輸出調(diào)制器第二級(jí)輸出其中調(diào)制器整個(gè)輸出數(shù)字濾波器系統(tǒng)函數(shù)如果滿足則61調(diào)制器第一級(jí)輸出25模擬積分器的設(shè)計(jì)

62模擬積分器的設(shè)計(jì)

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27離散積分器基本結(jié)構(gòu)

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28Sigma-Delta調(diào)制器電路舉例65Sigma-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?cái)?shù)據(jù)流。66數(shù)字抽取濾波器數(shù)字濾波器主要作用：30梳狀濾波器

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32梳狀濾波器實(shí)現(xiàn)方法

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