浅谈Delta-Sigma (Σ-Δ) ADC调制原理

你可能会知道Delta-Sigma(Σ-Δ) ADC可以达到很高的精度,它是具体怎么调制的?

:one: Delta-Sigma ADC 拓扑结构

Delta Sigma调制,即把模拟信号调制成方波形式的PCM(Pulse Code Modulation)信号。PCM波是一个频率固定占空比变化的波,通过比较信号和高频调制波产生。然后经过数字滤波,然后再解调,得到一个数字化的最终结果。


图 1 Delta-Sigma (Σ-Δ) ADC拓扑图

关于数字滤波和解调,可以看下面这个帖子:
浅谈Delta-Sigma (Σ-Δ) ADC数字滤波

下面主要讲Delta-Sigma (Σ-Δ) ADC调制原理

:two: Delta Sigma 调制器的工作原理

通过Delta Sigma调制器调制,我们把模拟信号调制成方波形式的PCM信号。


图 2 Delta-Sigma 调制器输出 (时域)

我们想象一下啊,下图模拟信号(红色虚线)和PCM信号(黑色方波状的波形),表达的是同一个信号。
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图 3 “模拟信号” VS “PCM信号”

:three: Delta Sigma 调制器传递函数

通过下面的环路,进行Delta-Sigma数字化调制。


图 4 Delta Sigma调制器拓扑图

环路的传递函数, 输出等于输入与输出之间的差值乘以前向的积分环节加上量化噪声。

我们可以得到传递函数:
Dout = (Vin - Dout)A(f)+ e(n)
求解这个传递函数,我们得到输出Dout
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我们可以看出,image对于量化噪声e(n)相当于一个高通滤波器,而image对于输入信号Vin相当于一个低通滤波器。

经过Delta-Sigma调制环节之后, 信号被优化,我们在频域范围内更好理解。
当频率较低时,信号保留,量化噪声被削减,当频率比较高时,量化噪声保留,信号削减。


图 5 Delta-Sigma 调制器输出 (频域)

因此,通过Delta-Sigma调制环节之后,有效信号频带的信噪比进一步被优化。

:four: Digi-Key Delta-Sigma (Σ-Δ) ADC

我们可以在Digi-Key模数转换器(ADC)大类下,架构选项找到“三角积分”,即Delta-Sigma ADC


图 6Digi-Key ADC 参数筛选