連續時間Sigma-Delta模/數轉換器(下)

連續時間SD調制器

　　第一枚獲業界公認的SD調制器誕生于1962年，而它事實上是采用了CT電路。此后，利用CT電路來實現SD調制器便愈來愈普遍，但當開關電容器(SC)電路面世后，大部分的SD調制器都改以DT環路濾波器來實現。SC電路之所以受歡迎，原因是它不會受信號波形特性的影響。此外，SC積分器的時間常數可隨著采樣頻率而調整，從而提高系統的靈活性?？墒牵浜驝TΣΔ調制器又因其某些優點而重新受到注視，例如是它采用較低功耗的積分放大器，以及內置有采樣輸入模/數轉換器沒有的抗混疊濾波功能。

　　CTΣΔ模/數轉換器與流水線和DTSD模/數轉換器之類的采樣式輸入模/數轉換器有兩個主要的區別：

　　●CTΣΔ調制器采用的是CT積分器而不是DT積分器或電路。因此比起SC電路，CTΣΔ調制器更能應用連續時間電路，通常是RC或C/gm積分器。

　　●CTΣΔ調制器的采樣工作是發生在量化器之前的前置環路濾波器的輸出。相反，采樣式輸入模/數轉換器的采樣工作是發生在模/數轉換器的輸入。

　　CTΣΔ模/數轉換器和采樣輸入模/數轉換器之間的區別帶來了性能方面的差別。比較突出的一點在于CTΣΔ模/數轉換器能夠在較低的電源下工作，包括有效的抗混疊濾波和比較寧靜的輸入級。所有這些CTΣΔ技術的優點都已顯示在美國國家半導體新推出的ADC12EU050中， 稍候本文將對此詳述。

CTΣΔ模/數轉換器的挑戰

　　流水線模/數轉換器需要犧牲某些設計特性來保證高速率，同樣地，模/數轉換器設計人員要利用CTΣΔ的優勢也要面臨一些設計挑戰。一個采樣輸入SC模/數轉換器的采樣頻率范圍比較寬，通?？稍诮咏愕狡渥罡咚俾实牟蓸宇l率范圍內工作?？墒牵珻TΣΔ的動態范圍是由RC或其組件積分器的C/gm積所決定，因此積分器的時間常數必須能夠調節以容納不同的工藝。此外，環路的動態范圍不會因應采樣頻率而改變，限制了可容許的采樣率工作范圍。

　　SD轉換器的輸入帶寬亦會限制在模/數轉換器的第一個奈奎斯特頻帶內。在一個奈奎斯特率模/數轉換器中，全速的采樣會發生在系統的輸入處，而輸入帶寬可以是轉換器奈奎斯特率的好幾倍，以容許進行IF采樣。相反地，由于SD模/數轉換器具備有低通抽取濾波器，所有在第一個奈奎斯特區以外的信號將會從輸出頻譜上移除。此外，雖然一個DTSD可容許信號于其環路采樣率Mfs附近在帶內倍減，但CTΣΔ模/數轉換器內的固有抗混疊濾波功能會阻止這情況發生。因此，輸入信號必須混入到第一個奈奎斯特區中，以待CTΣΔ模/數轉換器將它們數字化。

　　最后，由于其過采樣的關系，故此CTΣΔ模/數轉換器的輸出率會即時被限制在100MSPS以下，但流水線模/數轉換器則可達到500MSPS或以上。事實上，假如采用同樣的技術，奈奎斯特率轉換器的工作速度通常都會比SD模/數轉換器的快，原因是SD設計必須要有過采樣。

　　幸而，在高分辨率應用中，CTΣΔ技術的優點足以彌補其低于100MSPS采樣率這一缺點。以下將會集中討論美國國家半導體的CTΣΔ模/數轉換器，并且將說明它相比于流水線和DTSD采樣輸入模/數轉換器的性能優勢。

美國國家半導體的CTΣΔ模/數轉換器的優點

　　美國國家半導體新推出的ADC12EU050是現今業內第一個可準備投產的CTΣΔ模/數轉換器。該產品之所以能提供更佳的性能，不單只因為它具備有采樣輸入模/數轉換器沒有的CTΣΔ技術，而且還有賴于在芯片上集成的額外電路。

　　低功率
　　對于高分辨率和100MSPS以下的應用，CTΣΔ架構的主要優勢是其采樣輸入模/數轉換器的低功耗。一個通常用來衡量模/數轉換器性能的方法是能量品質因素(FOM)，它一般測量模/數轉換器的整體功耗相對于其輸出分辨率和帶寬的比例。憑借CTΣΔ技術帶來的先天高效率，ADC12EU050可在超低功耗下提供高性能，顯示出上佳的FOM值。

　　CTΣΔ技術之所以能帶來低功率優勢，全靠其內部的電路。在流水線和傳統的DTSD模/數轉換器在內的任何采樣輸入SC電路中，其內部放大器必須能在某即定分辨率的一個周期內穩定下來，這種要求對內部放大器的速度做成明顯的限制，如此一來就增加功耗并局限了轉換器所能達到的最大采樣率。

　　在配備有CT反饋的CTΣΔ模/數轉換器中，由于放大器的輸出永遠不會即時開關其輸出電壓，因此沒有必要穩定輸出，從而可放寬放大器在速度上的限制。雖然很難進行一個絕對的比較，但采樣輸入模/數轉換器的SC天性使得它比起CTΣΔ更需要使用較高速度的放大器，因此其功耗比起流水線或DTSD模/數轉換器的更大。此外，CTΣΔ模/數轉換器并不要求迅速穩定下來，這也使它在相同的技術下，比起傳統的DTSD模/數轉換器的采樣率更高。

　　對于任何系統尤其是便攜設備來說，低功耗和高能源效率的操作都是極之重要的，因為降低功耗可以延長電池的壽命和減輕散發出來的熱量。手持超聲波醫療系統等應用尤其看重這一點。ADC12EU050采用1.2V電源，非常適合應用在單電池供電的系統中。
　　
　　抗混疊濾波
　　CTΣΔ模/數轉換器架構消除了對輸入濾波的嚴格要求，原因是它已具備有天生的抗混疊濾波能力。在ADC12EU050中，很多的抗混疊濾波器性能特性都建基于數字技術上，因而產生出很高的通帶平整度和很陡斜的滾降 (高度有效的階級)。

　　CTΣΔ的抗混疊性在于同時采用了SD調制器和CT電路。對于任何類型的SD模/數轉換器來說(CT或DT)，過采樣和其后對調制器輸出的抽取濾波均須使用一個非常陡斜的滾降低通濾波器，其中斷頻率要是模/數轉換器輸出率的二分一。相反，一個沒有過采樣的奈奎斯特率模/數轉換器則必須在模/數轉換器之前加入一個高階的外部低通濾波器，以防止有與輸出采樣率倍數相近的信號混疊在頻帶內。關于這點，我們在上文中已討論過流水線模/數轉換器的輸入濾波和采樣時鐘要求。

　　然而，除了上述的SD架構先天優點外，CT電路還有一個優點遠勝DTSD模/數轉換器。由于CTΣΔ模/數轉換器是于前置環路濾波器的輸出處采樣，因此信號會于被采樣前首先被環路的低通濾波器過濾，這便衰減了那些在調制器環路采樣率(Mfs)附近并有可能混疊到頻帶內的信號。再者，由于這些混疊信號之后會在內部量化器的輸入處被注入，噪聲被環路的整形方或會與量化噪聲的整形方式相同。這兩種現象促使CTΣΔ除了在過采樣和數字濾波能力上優于流水線設計外，它還能提供比DTSD更佳的抗混疊濾波能力。圖4總結出CTΣΔ模/數轉換器與流水線模/數轉換器在抗混疊性能上的比較。

圖4  CTSD和流水線模/數轉換器的抗混疊性能

　　干擾混疊、噪聲混疊、流水線(要求有外部抗混疊濾波器)、頻率、混疊增加帶內噪聲和干擾、磚墻濾波器消除混疊、包括抗混疊濾波器、頻率。這高效的先天抗混疊濾波能力大大降低或甚至免消除對外加抗混疊濾波器的要求。