[发明专利]一种西格玛-德尔塔调制器

说明书

本发明涉及一种具有增益功能和补偿功能的西格玛-德尔塔调制器。 

西格玛-德尔塔调制器被用来进行模数转换。西格玛-德尔塔调制器提供高分辨率，高集成度和低的成本，使得其在许多需要进行模数转换的应用中成为一种比较理想的选择。 

西格玛-德尔塔调制器的作用可以通过最简单的1位实现进行最好的说明。图1示出了一种典型的1位西格玛-德尔塔调制器。 

在图1所示的基本实现方式中，西格玛-德尔塔调制器包括一求和单元1，一积分器2，一比较器3，和一数模转换器(DAC)4。求和单元可以是，例如，一差分放大器。比较器可以是一模数转换器(ADC)。 

如图1所示，调制器的一些组分被连接在反馈环中。模拟输入信号流入求和单元，在模拟输入信号流入环路滤波器，在本例中为一积分器，之前，在求和单元处与反馈信号求差。积分器输出的信号与比较器内的基准信号进行比较。如果积分器的输出信号大于基准信号，则输出一个“1”，如果积分器的输出信号小雨基准信号，则输出一个“0”。从而，模拟输入信号被转换为数字输出信号。 

数字数出信号经由DAC被反馈至求和单元，在此处输入信号与其进行求差运算。反馈信号的目的是通过使数字输出信号的1和0表征模拟输入，以保持积分器的平均输出接近比较器的基准电平。 

位于反馈环上的DAC具有一个高基准电压和一个低基准电压。当比较器输出‘1’时，DAC输出一高电压信号，当比较器输出‘0’时，DAC输出一低电压信号。当输入信号与反馈DAC的高基准电压或低基准电压相等时，调制器处于全量程。例如，如果当反馈DAC接收0时，输出-2.5V，当其接收1时，输出2.5V，则输入的范围为±2.5V。比较器的基准电压为输入范围的上边界和下边界的中间值，例如，对于输入范围为±2.5V的情况，比较器的基准电压为0V。比较器的基准电压代表调制器的虚地电平。对于具有一关于0对称的输入范围的调制器，其虚地电平为0。 

西格玛-德尔塔调制器的输出是一串1和0。1和0的比例代表与调制器的输入范围相比较的输入信号的值。例如，如果调制器的范围为±2.5V，输入信号的值为1.0V，则输入信号比5V范围的下边界高3.5V。在此例中，输出信号的70％应该由1组成。为了使调制器产生一精确表示模拟输入信号的数字输出信号，调制器的采样速率必须明显高于模拟输入信号的变化速率。 

比上述的1位调制器更加复杂的西格玛-德尔塔调制器可具有较多的调制器和积分器。 

西格玛-德尔塔调制器提供可比传统的ADC更佳的噪声性能。这是通过过采样、噪声整形、数字滤波和抽样实现的。 

传统的多位ADC，通过对输入信号以固定的时间间隔进行采样，并根据 输入信号的值将其分类为被等分的一些预定值中的一个，将模拟信号转换为数字信号。最简单的1位ADC根据两个预定的电平值将输入信号进行分类，并根据输入信号与两个电平中的哪个电平最接近，输出1或者0。同样，2位ADC根据四个预定电平将输入信号进行分类，并在每个采样时期内等输出00、01、10或者11。与输入信号进行比较的电平值的数量越多，转换器的分辨率也越高。通过为输入信号分配一些等间隔的值中的一个ADC的输出本身就是不精确的。这是因为ADC的输入是一具有无数种可能状态的连续信号，而输出信号是一离散函数，其不同状态的数量由转换器的分辨率决定。从模拟量到数字量的转换丢失了一些信息，并带来了信号失真。这个误差的大小是随机的，误差值一直到±LSB(数字输出的最低有效位)。 

一正弦波信号输入至一传统的多位ADC，对其输出的数字信号进行FFT分析所得到的典型的坐标图如图2a所示。Fs为输入信号的采样频率，根据奈奎斯特定理，此采样频率必须至少为输入信号带宽的两倍。FFT分析将信号分解为其频率成分。正弦波在一单一频率的高峰明显可见。然而，许多随机的噪声，从DC延伸至FS/2同样是可见的。这些噪声导致上面讨论的失真问题，并被称为量化噪声。 

信噪比(SNR)通过用信号幅值除以表示噪声的所有频率的均方根得到。在常规的ADC中，SNR仅能通过提高ADC的分辨率的方式改善，即增加ADC的位数。 

如图2b所示，如果将采样率增加过采样率k倍，变为kFs，则噪声基底降 低。虽然相对于图2a的情况，SNR没有改变，但是噪声可在较宽的频率范围内展开。西格玛-德尔塔转换器通过在1位ADC之后连接一数字滤波器也能够达到这种效果。滤波器的效果如图2c所示，因为大部分噪声通过了数字滤波器，均方根噪声值减小。这使得西格玛-德尔塔调制器通过一低分辨率的ADC得到了宽动态范围。