增量式Sigma-Delta ADC与传统结构的区别

前言

图1 各种ADC应用领域

在Sigma-Delta ADC设计中，应用于高精度窄带信号，例如生物医疗，仪表测量等领域的Sigma-Delta ADC通常被称为增量式(Incremental) Sigma-Delta ADC。不同于传统结构的Sigma-Delta ADC，增量式Sigma-Delta ADC为奈奎斯特ADC。ADC工作时，在一个固定的转换时间内采样输入信号并将其转换为一个数字码，即输出的数字码只取决于转换时间内的模拟输入，而与转换时间外的模拟输入无关。为了实现这样的操作，增量式ADC的调制器会比传统型多一个reset开关，用以将模拟电路和数字电路进行复位。

本文将简单介绍增量式Sigma-Delta ADC与传统结构的一些相同与不同之处，希望能为一些刚入门Sigma-Delta ADC设计的读者提供一些理解上的帮助。

增量式Sigma-Delta ADC的性能需求

在开始之前，我们首先阐述增量式Sigma-Delta ADC的应用场景对ADC的性能要求，这些性能的要求反过来也催生了增量式Sigma-Delta ADC结构的产生。增量式Sigma-Delta ADC常见性能要求如下：

• 高精度(>20bit), 高线性度(>16bit)

• 低增益和失调误差

• 低输出噪声(uV级)

• 低功耗

• 易于多路复用

由于增量式Sigma-Delta ADC主要用于测量近似直流的信号，测量的要求为测量结果绝对值要准确，这一点和传统用于音频等交流信号的ADC不同，它们更多关心动态指标而不在意测量绝对电压值的准确。举个例子：当测量音频信号时，我们不关心音频信号整体被测量偏大或是偏小，只关心它的波形也就是频率特性有没有变化产生失真；而测量直流信号，比如测量温度，我们会关心测试的温度值和实际温度值绝对值的误差。

增益和失调误差均为线性误差，不会引起频率上的失真，因此大部分测量交流信号的Sigma-Delta ADC不会在乎增益和失调误差。但由于增益和失调误差会引起测量绝对值的误差，因此增量式Sigma-Delta ADC对这两个指标很关注。这也导致两种类型的ADC在片上基准的设计上的区别，基准电压的误差会直接转换为测量系统的增益误差，因此增量式Sigma-Delta ADC需要更高精度，更小温漂的带隙基准。

不同于传统测量交流信号Sigma-Delta ADC应用时单通道连续测量输入信号的情况，增量式Sigma-Delta ADC通常在多个通道间进行切换，这需要ADC具有很小的输入输出延时，这一点尤其体现在滤波器的设计上。测量交流信号的Sigma-Delta ADC滤波器为了实现平坦的宽带滤波，滤波器级数通常很高，因此延时很大，不利于通道切换（如果切换，会出现模拟切换后输出数字码还是之前通道转换结果的情况）。增量式Sigma-Delta ADC由于输入频带很窄，只需要极窄带的滤波，因此可以用更简单，延时更低的数字滤波器，因此有利于通道切换。

传统结构+复位=增量式

图2 增量式Sigma-Delta ADC一般架构

如上图所示为增量式Sigma-Delta ADC的一般架构，与传统式结构不同的是，每次转换之前，复位开关会导通使得模拟电路和数字电路清零。传统的ADC虽然也有这样的复位开关，但是只在上电时清零一次，开始连续转换后便不再清零。

但是，实际应用时，如果不进行清零的操作，即增量式量化开始之前所有的记忆电路还保留一个残余值，可以认为它们是一个额外的误差。由于增量式Sigma-Delta ADC和传统结构一样，最终的结构为多次模拟输入过采样+噪声整形的结果，因此最初的误差会被很大程度地稀释，对结果造成的影响微乎其微，因此增量式Sigma-Delta ADC似乎转换开始之前不清零也可以？

如果不清零，那么增量式Sigma-Delta ADC和传统结构的调制器在工作时便没有了区别，它们的区别仅仅停留在数字滤波器中。但是上一节所述的两者关注的性能需求的不同仍然存在。

增量式并不特别

如上节所说，即使没有每次转换开始的清零，增量式Sigma-Delta ADC也可以正常工作，这样增量式和传统式在调制器上便没有了区别，仅在数字滤波器上有区别。换而言之，如果我们将一个传统ADC的数字滤波器改为增量式的数字滤波器，这个ADC就变成了增量式ADC（还需要额外关注性能需求的不同）。

测量交流信号的传统Sigma-Delta ADC常用宽带滤波器，而测量直流的增量式Sigma-Delta ADC常用SINC滤波器，如图3所示，前者具有更宽，更平坦的通带，以及更陡峭的过渡带，后者通带更窄，过渡带也更差。虽然SINC滤波器的频响看起来不如宽带滤波器那样完美，但是它具有更小的硬件开销和更小的延时，同时由于增量式Sigma-Delta ADC本身测量的信号频带足够窄，且常常需要在多通道之前切换，因此SINC滤波器更适合增量式Sigma-Delta ADC。

图3 宽带滤波器和SINC滤波器

因此，增量式Sigma-Delta ADC相比传统结构仅仅可以理解为滤波器选取的不同，它并不特别。

而对于增量式Sigma-Delta ADC是奈奎斯特ADC这一点，与传统结构也并无区别。Sigma-Delta调制器虽然对输入过采样，但在产品应用时，数字滤波常常还伴随着数字抽取（宽带滤波器和SINC滤波器都会有数字抽取），以将数字输出频率从过采样频率降低至奈奎斯特采样频率。因此，一个完整的Sigma-Delta ADC产品本就是以奈奎斯特频率输出转换结果，这一点在增量式和传统式上并没有区别。

总结

本文简单介绍了增量式Sigma-Delta ADC与传统结构Sigma-Delta ADC的差异和相同之处，并提出了笔者自己的一些见解，不足之处请读者多多指正。