采樣速率提高并降低噪聲， Δ-Σ轉(zhuǎn)換器應用在擴大

工業(yè)測量技術領域?qū)τ诜治龀绦蚓_度的要求不斷提高，為模擬電路開發(fā)人員帶來重大挑戰(zhàn)。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器是這類測量程序的關鍵組件，譬如層析儀、質(zhì)譜儀、振動分析和影像處理等。此外，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器對于測試系統(tǒng)的測量信號分辨率和采樣頻率的要求也更為嚴格，本文將簡單說明對測量結果會產(chǎn)生重大影響的數(shù)種特定參數(shù)。

新型Δ-Σ模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器采樣速率可高達20MSPS，因此許多過去僅能使用管線式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的應用領域，例如ADSL測試設備或物理化學分析領域，現(xiàn)在已成為Δ-Σ轉(zhuǎn)換器的潛在市場。管線式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的信號雜波比并不高，耗電卻很大，因此應用領域受到限制。 

 本文以ADS1610模塊為例介紹高速Δ-Σ(Delta-sigma)轉(zhuǎn)換器的細節(jié)和特定參數(shù)。許多參數(shù)會在高速精確測量程序中扮演關鍵角色，例如積分非線性誤差(INL)、差分非線性誤差(DNL)、漣波、信號噪聲比(SNR)和無混附信號動態(tài)范圍(SFDR)。 

奈奎斯特采樣定理(Nyquist Sampling Theorem)要求采樣頻率至少為信號頻率的兩倍，若要將4M～5MHz的測量信號交給模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器處理，采樣頻率可能要10MSPS(每秒百萬采樣)才能達到要求。 

但要利用10MSPS的SAR或管線式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，以16位精確度將5MHz模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字，迭頻消除濾波器(Anti-alias Filtering)的設計至少就要超過12階。 

新型高速Δ-Σ模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器能在60MHz速率下執(zhí)行模擬信號采樣，內(nèi)建數(shù)字濾波功能則可消除5M～55MHz之間的噪聲，可用一顆低成本迭頻消除濾波器將5MHz模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。此類模塊對于頻率信號抖動的敏感度也比10MSPS SAR和管線式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器減少√6倍。 

設計人員必須特別注意差分和積分非線性誤差，才能在此處達到16位分辨率。積分非線性誤差的定義是轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線之間的偏差值，差分非線性誤差則是1LSB的理想值與最大可能二進制增量(Worst Binary Increment)之間的相差值。這對于偵測混合信號里的特定頻率尤其重要。 

其它應用則要求濾波器的漣波越小越好，例如電信和影像采集應用的重點就在于提供最好的信號噪聲比、總諧波失真(THD)和無混附信號動態(tài)范圍。 

采樣頻率可提高至20MSPS 

某些高速Δ-Σ模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器在兩倍速模式下的采樣頻率可提高至20MSPS，以ADS1610為例，這個模塊的核心是多位串接式Δ-Σ架構和AR- DWA算法。多位串接式Δ-Σ架構是由多級電路組成的噪聲抑制功能，其中每一級都只需一個一階或二階調(diào)變器，使得此架構擁有較高的穩(wěn)定性。級間增益可在超采樣比值(Oversampling Ratio)較低時改善信號量化噪聲比(Signal to Quantization Noise, SQNR)以提高數(shù)據(jù)輸出率。 

業(yè)界已發(fā)展出多位串接式Δ-Σ架構與AR-DWA算法，例如德州儀器選擇超采樣值等于6做為多位串接式2-1架構的基礎，在耗電量、電路復雜性和量化噪聲的分布之間取得平衡。多位串接式Δ-Σ架構又稱為「適應性隨機式數(shù)據(jù)加權平均」(Adaptive Randomized-Data Weighted Averaging, AR-DWA)。觀察電路即可發(fā)現(xiàn)它是多位快閃式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，需要多個數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換級做為回授，這些數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器會在一階和二階積分器中產(chǎn)生失真。圖1顯示各種誤差來源。

 透過外部電阻可減少耗電 

接著介紹對于轉(zhuǎn)換器效能影響極大的轉(zhuǎn)換器電路。調(diào)變器以60MSPS速率對輸入信號進行采樣，再由漣波很小的線性數(shù)字濾波器對調(diào)變器輸出信號進行抽樣，然后以10Mbit/s速率和將近5MHz的最大信號速率提供輸出字符。在兩倍速模式下，超采樣比值會減少至3，使數(shù)據(jù)速率增加至20MSPS。 

基本上，組件會根據(jù)差動電壓參考來測量差動輸入信號，接著再彈性調(diào)整所產(chǎn)生的16位輸出字符，使其電壓位準配合使用不同電源的其它邏輯電路。設計人員還能在頻率較低時透過外部電阻減少電流值，進而將耗電量減至最少。 

設計人員必須注意輸入信號的放大，不要讓輸入電壓最大值超過0.891VREF(-1dBFS)，在參考電壓為3伏特時，建議輸入電壓范圍應該等于2.673伏特，共模電壓應為2.5伏特，這樣才能完美匹配轉(zhuǎn)換器的輸入范圍。高速Δ-Σ模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出OTR會在輸入過載時變?yōu)楦唠娢弧Ｒ谳斎腚妷憾啻髸r啟動靜電保護二極管是另一項重要考慮因素，此處允許的輸入電壓范圍是-0.1伏特<(AINN或AINP)<4.6伏特。 

轉(zhuǎn)換器輸入電路是由開關電容組成，開關電容藉由輸入信號進行充電，然后在每個頻率周期里放電。圖3是輸入電路的線路圖范例，開關S1和S2代表調(diào)變器在采樣電容放電時的凈效應。輸入放大器電路的選擇極為重要，轉(zhuǎn)換器輸入的外部驅(qū)動電路須能應付內(nèi)部開關電容所代表的負載值。圖3的S1開關處于閉路導通的時間大約只有采樣比的一半，這表示內(nèi)部電容的充電時間在Fclk=60MHz時只有8奈秒。 

DWA-DEM改善SFDR困擾 

最常見的方法是用來提供一階濾波器功能的DWA-DEM算法，其中DEM代表動態(tài)元素匹配(Dynamic Element Matching)。觀察時間軸上的測量頻譜就會發(fā)現(xiàn)，單級濾波的最大缺點，就是混附發(fā)射信號在目標信號振幅很小時，會產(chǎn)生極大干擾。迄今已有許多方法被用來解決這個問題。 

例如適應性隨機數(shù)據(jù)加權平均(Adaptively Randomized DWA)技術可簡化設計，并將噪聲分布維持在相同水平。這主要是因為隨機間隔比較不會在信號振幅方面產(chǎn)生影響，并使信號雜波比的下降幅度變小，信號振幅較低時就不會影響周期性，故能消除混附發(fā)射信號。AR-DWA算法可大幅提高SNR和SFDR曲線相對于信號振幅的線性程度，隨后的誤差消除邏輯和抽樣濾波器(Decimation Filter)則能將漣波控制在0.0025dB以下，這相當于0.3%，因此只要使用三重半頻帶FIR相位濾波器就能滿足要求。 

新型高速Δ-Σ模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器能在16位分辨率下提供86dB信號雜波比和95dB SFDR，適合ADSL測試設備等精密量測應用。以最大分辨率和5MHz的頻率對電話線路上反射的分布式測試信號進行采樣，其結果可做為線路質(zhì)量信息來決定「最后一哩」的最大速度。此做法的困難主要在于從混合各種頻率的信號中取出測試信號，這需要很高的SFDR效能。新型高速Δ-Σ模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器可提供幾乎是方形的濾波器特性和0.0002dB輸出漣波，將額外所需的迭頻消除濾波器減至最少。圖2是功能方塊圖范例。