三階單環Delta-sigma調制器在ADC中的應用

0 引言

　　模數轉換器(ADC)在信號處理中起了一個非常重要的作用。在數字音頻、數字電視、圖像編碼及頻率合成等領域需要大量的數據轉換器。由于超大規模集成電路的尺寸和偏壓不斷減小，模擬器件的精度和動態范圍也不斷降低，對于實現高分辨率的ADC是一種挑戰。高階多位Delta-sigma ADC由于不需要采樣保持電路，電路規模小，可以實現較高的分辨率，因此在實際中得到廣泛的應用。Delta-sigmaADC采用過采樣技術和噪聲整形技術相結合，對量化噪聲雙重抑制，從而實現高精度模數轉換。在實際的設計中需要根據設計指標穩定性和動態范圍等進行折衷。要實現大的動態范圍，就需要較高的過采樣率和多位量化器。為了保持高階DSM的穩定性就需要使用多位量化器，而多位量化器會增加后續內部ADC的設計難度。因此，必須仔細選擇過采樣率和量化器的位數，以實現預期的性能指標。本文提出一種三階單環局部反饋的Delta-sigma調制器結構，利用Richard Schreier的Matlab Delta-sigma調制器設計工具包，推導調制器傳輸函數，并對系數進行優化，使用Verilog硬件語言對調制器進行行為級建模。調制器的信號帶寬為32.8kHz，過采樣率為128，工作時鐘8.4MHZ，精度16位，可以達到145dB以上的SNR。

　　1 Delta-sigma調制器的原理和結構

　　△-∑調制技術來自高分辨率的A/D、D/A變換器中的過取樣△-∑轉換技術，利用經典自動控制理論中負反饋概念，通過反饋環來提高量化器的有效分辨率并整形其量化噪聲。在對信號進行過取樣后，噪聲功率譜幅度降低，并通過一個對輸入呈低通而對量化噪聲呈現高通的噪聲整形器，將量化噪聲功率的絕大部分移到信號頻帶之外，從而可通過濾波有效地抑制噪聲。

　　Delta-sigma調制器的仿真模型可以用圖1來表示。該系統是一個雙端輸入、單端輸出的線性系統，系統的一個輸入為外部輸入信號U，另一個輸入為量化器的反饋V，輸出則是量化器的輸入Y。

　　由圖1根據疊加原理，可知系統的輸出可以表示為

　　其中，L0(z)和L1(z)分別是輸入U(z)和V(z)到輸出Y(z)的傳遞函數。

　　令調制器量化噪聲為E(z)，則調制器的輸出為

　　由式(1)、(2)可得

　　其中G(z)是信號傳遞函數(STF)，H(z)是NTF(NTF)。所以