1　概述

Σ-Δ調(diào)制是目前國際上的A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中很受歡迎的一種技術(shù)，與傳統(tǒng)的Nyquist頻率采樣的A/D轉(zhuǎn)換器工作原理有所不同，采用的是過采樣和低位量化結(jié)合的方法。其中，過采樣技術(shù)在模/數(shù)混合電路中的應(yīng)用，能夠避免傳統(tǒng)A/D或D/A轉(zhuǎn)換方法實(shí)現(xiàn)中遇到的諸多困難，尤其是在對(duì)低頻信號(hào)要求高分辨率的應(yīng)用領(lǐng)域，傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換方法需要較高精度的模擬結(jié)構(gòu)（模擬電阻、電容等），從而使整個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器的成本很高。Σ-ΔADC能夠避免使用高精度模擬電路，將噪聲推向高頻，具有分辨率高，量化結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。由于電磁環(huán)境日益惡化，對(duì)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍要求越來越高，跳頻、擴(kuò)頻等寬帶信號(hào)的應(yīng)用又要求使用寬帶測量設(shè)備，這些都對(duì)ADC的分辨率和速度提出了更高的要求。

調(diào)制器（Modulator）屬于Σ-ΔADC電路中的模擬電路部分，它的結(jié)構(gòu)選擇和電路參數(shù)設(shè)計(jì)都極大地影響著整個(gè)ADC的信噪比（SNR）等性能指標(biāo)。在Σ-Δ調(diào)制器中，使用了過采樣、噪聲成形等關(guān)鍵技術(shù)。這些技術(shù)還使它另外具有一系列固有的優(yōu)點(diǎn)，如易于與數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)單片集成，無須采樣保持電路，對(duì)輸入端抗混迭濾波器要求很低等。下面先討論過采樣與MASH噪聲成形的主要單元分析，最后針對(duì)DAC失真誤差，設(shè)計(jì)并仿真了一種數(shù)字誤差校正技術(shù)。

2　基本原理與技術(shù)

2.1　Σ-ΔADC基本原理及調(diào)制器的組成

Σ-ΔADC由兩部分組成：調(diào)制器和數(shù)字抽取濾波器。其中調(diào)制器的工作原理是采用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Nyquist頻率的時(shí)鐘對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行”過采樣”，采樣頻率與Nyquist頻率之比定義為過采樣率M，是調(diào)制器的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)之一。由于采樣頻率很高，則無需傳統(tǒng)的PCMADC中的保持電路。采樣后的信號(hào)與前一時(shí)刻的采樣信號(hào)相比較，對(duì)其差值做出低位量化，輸出低位碼流，并根據(jù)量化器的輸出決定返回+Δ或-Δ反饋信號(hào)。調(diào)制器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由采樣環(huán)節(jié)、積分器、量化器以及D/A反饋組成，其中fs表示采樣時(shí)鐘頻率，K1，K2分別表示輸入信號(hào)和反饋信號(hào)的增益系數(shù)。

圖1　Σ-Δ調(diào)制器基本結(jié)構(gòu)

習(xí)慣上，定義調(diào)制器中含有的積分器個(gè)數(shù)為調(diào)制器的階數(shù)L，量化器的個(gè)數(shù)為級(jí)數(shù)。對(duì)調(diào)制器的線性模型做離散域的z變換分析，并將量化誤差模型化為噪聲信號(hào)，可以推導(dǎo)出輸出信號(hào)Y對(duì)輸入信號(hào)X與量化誤差E的傳遞函數(shù)，在有效信號(hào)頻率內(nèi)，輸入信號(hào)保持不變而噪聲信號(hào)被差分衰減，即

Y（z）=z-LX（z）+（1-z-1）LE（z） （1）

通常，對(duì)調(diào)制器性能評(píng)測的重要參數(shù)之一是信噪比SNR，即信號(hào)功率與噪聲功率之比

（2）

這里ps為有效信號(hào)的功率，對(duì)正弦信號(hào)來說，ps=

，A為幅度;pq是信號(hào)頻帶內(nèi)總的量化噪聲功率，由E（z）的傳遞函數(shù)在有效信號(hào)頻帶內(nèi)積分得到

（3）

從上式可以看出，分別提高M(jìn)或L都能帶來SNR的提高。但當(dāng)信號(hào)頻率達(dá)到幾十MHz以上的高頻范圍后，M的提高勢必會(huì)受到現(xiàn)有工藝，以及功耗等制約。目前，更多的研究改善SNR的方法是針對(duì)L的提高。

從調(diào)制器內(nèi)在穩(wěn)定性考慮，針對(duì)高階調(diào)制器（L≥3），又有兩種結(jié)構(gòu)上的取向，即單級(jí)single-loop結(jié)構(gòu)和多級(jí)級(jí)聯(lián)的MASH結(jié)構(gòu)。

2.2　過采樣及MASH（多級(jí)噪聲成形）技術(shù)

本文中使用記號(hào)fN來表示Nyquist調(diào)制器工作時(shí)的采樣率，而它與基帶信號(hào)最高頻率fB的關(guān)系工程上一般為fN≈2.2fB～2.5fB。所謂過采樣，就是指采樣速度fs遠(yuǎn)大于fN。這里稱M=fs/fN為“過采樣比”。在Σ-ΔADC的設(shè)計(jì)中，M遠(yuǎn)大于1，且取為2的整數(shù)次冪（如32、64等）。過采樣帶來的好處為壓縮基帶內(nèi)量化噪聲，降低對(duì)輸入端模擬濾波器的要求等。

但是，光憑過采樣來壓縮基帶內(nèi)噪聲是低效率的，提高4倍采樣率才相當(dāng)于提高1bit分辨率。為了更有效地衰減基帶內(nèi)量化噪聲，應(yīng)在過采樣條件下進(jìn)一步加入噪聲成形（noise shaping）技術(shù)。最基本的一階噪聲成形器即所謂的一階Σ-Δ調(diào)制器，其原理此處不再討論。這里只指出，它可被轉(zhuǎn)化為如圖2所示的離散時(shí)間等效模型。

圖2　一階Σ-Δ調(diào)制器離散時(shí)間等效模型

圖2中的積分器用I（z）=（1-z-1）-1等效描述，而1bit ADC被加性噪聲源q（n）替代。嵌在反饋環(huán)路中的1bit DAC被一個(gè)單位時(shí)延z-1取代，以避免在離散時(shí)間模型中出現(xiàn)無時(shí)延反饋環(huán)。q（n）是與輸入信號(hào)無關(guān)的白噪聲，用它能夠方便地描述Σ-Δ調(diào)制器在大量信號(hào)作用下的平均行為，分析可得其輸入、輸出關(guān)系式為

Y（z）=X（z）+（1-z-1）Q（z） （4）

由上式可知，在信號(hào)頻譜X（z）未變的同時(shí)，白噪聲Q（z）被（1-z-1）加權(quán)而成為“高通”形狀。此現(xiàn)象正是所謂“噪聲成形”。加權(quán)函數(shù)（1-e-j2πfT）的零點(diǎn)f=0使得基帶內(nèi)噪聲被大大壓縮;而在帶外的高頻端，噪聲卻略有上升。

在實(shí)際應(yīng)用中，為更有效地壓低量化噪聲達(dá)到分辨率要求，還得考慮高階噪聲成形。一般地，將L個(gè)一階Σ-Δ調(diào)制器組合起來，可以實(shí)現(xiàn)（1-z-1）L（L階噪聲成形）。

標(biāo)準(zhǔn)的MASH（Multistage Noise Shaping，多級(jí)噪聲成形）結(jié)構(gòu)如圖3。它實(shí)際上是L個(gè)一階Σ-Δ調(diào)制器的串聯(lián)，其中前一級(jí)調(diào)制器內(nèi)的1bit ADC的量化誤差被送入下一級(jí)進(jìn)行再量化，然后將各級(jí)的輸出碼流送入運(yùn)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理。最后輸出了經(jīng)（1-z-1）L成形處理后的低分辨率碼流。顯然，這樣的前饋結(jié)構(gòu)不會(huì)存在任何穩(wěn)定方面的問題。

圖3　MASH結(jié)構(gòu)框圖

MASH中的數(shù)字處理節(jié)點(diǎn)所做的工作是抵消各級(jí)的量化誤差：

第一級(jí)：Y1（z）=X（z）+（1-z-1）Q1（z），將-Q1（z）送入第2級(jí)，有Y2（z）=-Q1（z）+（1-z-1）Q2（z），再將-Q2（z）送入第3級(jí)，有Y3（z）=-Q2（z）+（1-z-1）Q3（z），。.直至YL（z）=-QL-1（z）+（1-z-1）QL（z），而運(yùn)算節(jié)點(diǎn)使得

Y（z）=Y1（z）+（1-z-1）Y2（z）+.。.+（1-z-1）L-1YL（z）=X（z）+（1-z-1）LQL（z） （5）

這樣，就等效實(shí)現(xiàn)了（1-z-1）L噪聲成形。除MASH外，還有許多新穎的采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的Σ-Δ噪聲成形方案，用其可實(shí)現(xiàn)更高效的噪聲成形。

3　一種DAC非線性誤差校正方法

在MASHΣ-ΔADC中，與一位（1bit）量化相比，采用多位量化器具有增大信噪比（SNR），增加穩(wěn)定性以及降低運(yùn)算放大器規(guī)格等優(yōu)點(diǎn)。然而，內(nèi)部DAC的非線性導(dǎo)致性能瓶頸，通常要求其最少具有與整個(gè)ADC同樣好的線性?，F(xiàn)在，對(duì)于較大過采樣比（OSR＞32），采用即時(shí)數(shù)字校準(zhǔn)、失配整形可解決此問題。但在寬帶ADC中，OSR較?。ㄍǔ！?），失配整形法就變得無效。本文描述了一種數(shù)字即時(shí)校準(zhǔn)方法。不同于較早的技術(shù)，其對(duì)低過采樣比狀態(tài)有效。并且，此方法可以跟隨漂移。

3.1　校正系統(tǒng)

以二階Σ-Δ調(diào)制器（DS1）為例來說明給出的校正技術(shù)。如圖4所示，內(nèi)部DAC有兩個(gè)輸出：v1和vT，分別輸入到循環(huán)濾波和校準(zhǔn)ADC（DS2）。由校準(zhǔn)ADC得到^eD，即所有輸出電平的DAC誤差eD的數(shù)字估計(jì)，并且其被存儲(chǔ)在RAM中。在轉(zhuǎn)換時(shí)，通過FIR濾波器NLF（z）過濾RAM的輸出，從而校正內(nèi)部DAC誤差，并從DS1的數(shù)字輸出d1中減去過濾輸出結(jié)果。獲得^eD的過程和系統(tǒng)的詳細(xì)分析在以下內(nèi)容中給出。

圖4　帶有誤差校正的Σ-Δ調(diào)制器

在圖4所示系統(tǒng)中，假設(shè)單獨(dú)DAC輸出為兩個(gè)積分器提供反饋信號(hào)。系數(shù)b1、b2的不匹配對(duì)系統(tǒng)線性沒有影響。值得注意的是，系統(tǒng)沒有對(duì)內(nèi)部ADC的非線性誤差進(jìn)行校正。這些誤差被與量化噪聲同樣的噪聲傳輸函數(shù)所抑制，其很少作為問題提出。當(dāng)使用很低的OSR時(shí)，這樣是不夠的，就高線性而言，需要增加階數(shù)或使用ADC元件失配整形。

3.2　校正方法

實(shí)際DAC輸出電平誤差的即時(shí)獲得適應(yīng)于DAC的結(jié)構(gòu)。如果DAC可提供多重輸入和輸出，那么離線校準(zhǔn)能夠被傳輸?shù)胶笈_(tái)進(jìn)程。如果那樣，對(duì)于DAC的每個(gè)可能的輸入，數(shù)字校準(zhǔn)信號(hào)dT將提供階梯波形。通過校準(zhǔn)Σ-Δ轉(zhuǎn)換器DS2，每個(gè)DAC輸出電平vT被轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式d2，然后通過LPF低通濾波而消除DS2的量化誤差。然后，減去dT從而補(bǔ)償電平誤差eD，這樣，得到誤差估計(jì)^eD并將其存儲(chǔ)在RAM中，并且對(duì)每一輸出d1將再次調(diào)用^eD并校正。在運(yùn)行過程中，周期性地重復(fù)校準(zhǔn)，以追蹤DAC輸出電平中產(chǎn)生的漂移。

在低過采樣率（OSR）和低階循環(huán)濾波器情況下，從DAC的輸出v1到DS1的輸出d1的傳輸函數(shù)不能由NLF（z）=-1正確地近似。為了得到精確的誤差校準(zhǔn)，如圖4所示，RAM的輸出需要被實(shí)際的NLF（z）（此處為-2z-1+z-2）過濾。

在一些DAC的實(shí)現(xiàn)中，使用了N個(gè)等價(jià)單位元件（電流源、電容、電阻等）。如果在DAC中執(zhí)行N+1個(gè)元件，可使用上述算法，利用DS2逐個(gè)順序地測量它們的誤差。換句話說，輸出信號(hào)d1與校準(zhǔn)信號(hào)dT一樣可被使用。利用n個(gè)單位元件通過調(diào)用d1值從而產(chǎn)生v1，剩余的N-n個(gè)單位元件被用來產(chǎn)生vT。如果DAC增益和偏移誤差是可以被接受的，為了使所有單位元件誤差總和可取零，那么vT中的誤差是v1中誤差的負(fù)數(shù)。因此，通過將vT中的模擬采樣分類進(jìn)入通道，使用其中一個(gè)通道專用于每個(gè)可能輸入（d1）碼和其補(bǔ)碼，DS2可用來以數(shù)字形式產(chǎn)生單獨(dú)DAC電平。由于為每一DAC電平復(fù)制存儲(chǔ)元件（反饋電容），DS2的運(yùn)算可容易地在通道中多重復(fù)用。

由于線性運(yùn)算，校準(zhǔn)ADC（DS2）自身必須要有高的線性。這需要在DS2中使用1位內(nèi)部量化器。但是，由于DAC非線性信息保持，線性影響（增益和偏移誤差）在DS2中是可以接受的。同樣，實(shí)際DAC誤差傳輸函數(shù)（從v1至d1）和其數(shù)字復(fù)制部分NLF（z）之間的匹配誤差對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)換器的線性僅有較小的影響。

3.3　仿真結(jié)果

數(shù)字校正ADC（如圖4的DS2）的運(yùn)行仿真條件如下述。假設(shè)5bit（322電平）內(nèi)部ADC和DAC，在DAC中有0.1%線性梯度誤差。這符合中等誤差0.4%的要求。在所有電路中，所有運(yùn)放和任意失配電容（有0.1%標(biāo)準(zhǔn)偏差）的有限直流增益設(shè)定為54dB。使用OSR=4。在DS1中加入峰值為0.45V的中頻雙音調(diào)輸入信號(hào)u1，采用二階單位Σ-ΔADC實(shí)現(xiàn)DS2。為了論證利用校準(zhǔn)可得到的高線性，DS1被接入在220MASH（包含10bitADC作為其第二級(jí)）中。這里不考慮在MASH（多級(jí)噪聲整形）各級(jí)中的失配，它同樣可由數(shù)字方法校正。

采用理想DAC、非理想運(yùn)放和電容，系統(tǒng)運(yùn)行計(jì)算出的頻譜如圖5（a）所示。圖5（b）給出了使用誤差校準(zhǔn)的非線性DAC得到的頻譜?？梢钥闯?，產(chǎn)生了大的諧波，SFDR僅為52dB。當(dāng)使用了本文提出的數(shù)字校正技術(shù)后，頻譜結(jié)果如圖5（c）所示，得到SFDR＞100dB。為了得到這樣高的SFDR所需要的充分精確的eD估計(jì)，DS2對(duì)DAC的每一電平進(jìn)行了218采樣（如果DS2時(shí)鐘控制在fs=5MHz，那么后臺(tái)校準(zhǔn)完整循環(huán)需要約4秒）。最后，圖5（d）說明了使用NLF（z）=-1后的有害影響，即SFDR由101dB降至60dB。

圖5　MASH的輸出頻譜（215采樣，64倍FFT，fB=fs/8，OSR=4）

5　結(jié)論

本文介紹了Σ-Δ調(diào)制器的基本原理和技術(shù)，并針對(duì)采用多位內(nèi)部量化器的MASH Σ-ΔADC提出了一種即時(shí)數(shù)字校正方法。對(duì)于低過采樣比的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用通常的失配整形技術(shù)效果不佳，但本方法可有效應(yīng)用于此。通過仿真證明，使用本文提出的即時(shí)數(shù)字校正法可得到極好的線性。

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