Sigma-Delta ADC是一種目前使用最為普遍的高精度ADC結(jié)構(gòu)，在精度達(dá)到20位以上的場(chǎng)合，Sigma-Delta是必選的結(jié)構(gòu)。通過采用過采樣、噪聲整形以及數(shù)字濾波技術(shù)，降低對(duì)模擬電路的設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了其他類型的ADC無(wú)法達(dá)到的高精度和低功耗。通常情形下，各種類型ADC的精度與速度關(guān)系如圖1所示。

圖1 不同類型的ADC的精度和速度的對(duì)比

　　Sigma-Delta ADC的運(yùn)作過程，就是把待測(cè)信號(hào)Vin與參考電壓(±Vref)之間的差值進(jìn)行不斷的累積并通過反饋令這個(gè)差值趨于零。

　　實(shí)質(zhì)上ADC就是除法器。

　　Dout=(Vin/Vref) * 2^n

　　一個(gè)分辨率為n位的ADC完成了一個(gè)以Vref為除數(shù)的除法，并且把結(jié)果用n位二進(jìn)制數(shù)來(lái)表達(dá)。

　　那么什么是Sigma-Delta ADC?

　　Sigma-Delta最終實(shí)現(xiàn)的，與所有的ADC一樣，就是完成除法。模擬集成電路中除法器是不可實(shí)現(xiàn)的，但是模擬電路可以非常好的實(shí)現(xiàn)加法和減法(用運(yùn)放及模擬開關(guān)對(duì)電容進(jìn)行充放電)。Sigma-Delta ADC正是用加法和減法去實(shí)現(xiàn)除法的一種方式。

　　具體來(lái)說(shuō)，如圖2所示，Delta-Sigma ADC的工作原理是由差動(dòng)器、積分器和比較器構(gòu)成調(diào)制器，它們一起構(gòu)成一個(gè)反饋環(huán)路。調(diào)制器以大大高于模擬輸入信號(hào)帶寬的速率運(yùn)行，以便提供過采樣。模擬輸入與反饋信號(hào)(誤差信號(hào))進(jìn)行差動(dòng)(delta)比較。該比較產(chǎn)生的差動(dòng)輸出饋送到積分器(sigma)中。然后將積分器的輸出饋送到比較器中。比較器的輸出同時(shí)將反饋信號(hào)(誤差信號(hào))傳送到差動(dòng)器，而自身被饋送到數(shù)字濾波器中。

圖2 過采樣ADC結(jié)構(gòu)圖

　　這種反饋環(huán)路的目的是使反饋信號(hào)(誤差信號(hào))趨于零。比較器輸出的結(jié)果就是1/0流。該流如果1密度較高，則意味著模擬輸入電壓較高;反之，0密度較高，則意味著模擬輸入電壓較低。接著將1/0流饋送到數(shù)字濾波器中，該濾波器通過降采樣與抽樣，將1/0流從高速率、低精度位流轉(zhuǎn)換成低速率、高精度數(shù)字輸出。

　　一個(gè)正弦波輸入信號(hào)與比較器輸出的碼流所對(duì)應(yīng)的波形如圖3所示，輸出碼流隨著輸入信號(hào)幅值的變化而變化，當(dāng)輸入信號(hào)處于波峰位置時(shí)，輸出碼流1占大多數(shù);當(dāng)輸入信號(hào)處于波谷位置時(shí)，輸出碼流0(圖3中，以-1表示)占大多數(shù);輸入信號(hào)處于平衡位置時(shí)，輸出碼流1和0跳變激烈，各占50%。

圖3 正弦信號(hào)幅度與比較器輸出的碼流所對(duì)應(yīng)的波形

　　sigma-delta ADC也有不同的結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)可以如表1所示。

表1 不同結(jié)構(gòu)的Sigma-DeltaADC的對(duì)比

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2)高精度低速低功耗12bit 4MHz SAR ADC，已經(jīng)在0.18um CMOS工藝驗(yàn)證;

3)高精度低速的sigma-delta ADC，從14-24bit，已經(jīng)在0.5um/0.35um/0.18um CMOS工藝驗(yàn)證;

4)極高速的200MHz 6-8bit flash ADC，已經(jīng)在0.18um/0.13um CMOS工藝驗(yàn)證;

5) 8/10/12bitDAC，已經(jīng)在0.35um/0.25um/0.18um/0.13umCMOS工藝驗(yàn)證。

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