一文解讀什么是Sigma-Delta ADC？

Sigma-Delta ADC是一種目前使用最為普遍的高精度ADC結(jié)構(gòu)，在精度達(dá)到20位以上的場合，Sigma-Delta是必選的結(jié)構(gòu)。通過采用過采樣、噪聲整形以及數(shù)字濾波技術(shù)，降低對模擬電路的設(shè)計要求，實現(xiàn)了其他類型的ADC無法達(dá)到的高精度和低功耗。通常情形下，各種類型ADC的精度與速度關(guān)系如圖1所示。

圖1 不同類型的ADC的精度和速度的對比

Sigma-Delta ADC的運作過程，就是把待測信號Vin與參考電壓（±Vref）之間的差值進(jìn)行不斷的累積并通過反饋令這個差值趨于零。

實質(zhì)上ADC就是除法器。

Dout=（Vin/Vref） * 2^n

一個分辨率為n位的ADC完成了一個以Vref為除數(shù)的除法，并且把結(jié)果用n位二進(jìn)制數(shù)來表達(dá)。

那么什么是Sigma-Delta ADC？

Sigma-Delta最終實現(xiàn)的，與所有的ADC一樣，就是完成除法。模擬集成電路中除法器是不可實現(xiàn)的，但是模擬電路可以非常好的實現(xiàn)加法和減法（用運放及模擬開關(guān)對電容進(jìn)行充放電）。Sigma-Delta ADC正是用加法和減法去實現(xiàn)除法的一種方式。

具體來說，如圖2所示，Delta-Sigma ADC的工作原理是由差動器、積分器和比較器構(gòu)成調(diào)制器，它們一起構(gòu)成一個反饋環(huán)路。調(diào)制器以大大高于模擬輸入信號帶寬的速率運行，以便提供過采樣。模擬輸入與反饋信號（誤差信號）進(jìn)行差動（delta）比較。該比較產(chǎn)生的差動輸出饋送到積分器（sigma）中。然后將積分器的輸出饋送到比較器中。比較器的輸出同時將反饋信號（誤差信號）傳送到差動器，而自身被饋送到數(shù)字濾波器中。

圖2 過采樣ADC結(jié)構(gòu)圖

這種反饋環(huán)路的目的是使反饋信號（誤差信號）趨于零。比較器輸出的結(jié)果就是1/0流。該流如果1密度較高，則意味著模擬輸入電壓較高;反之，0密度較高，則意味著模擬輸入電壓較低。接著將1/0流饋送到數(shù)字濾波器中，該濾波器通過降采樣與抽樣，將1/0流從高速率、低精度位流轉(zhuǎn)換成低速率、高精度數(shù)字輸出。

一個正弦波輸入信號與比較器輸出的碼流所對應(yīng)的波形如圖3所示，輸出碼流隨著輸入信號幅值的變化而變化，當(dāng)輸入信號處于波峰位置時，輸出碼流1占大多數(shù);當(dāng)輸入信號處于波谷位置時，輸出碼流0（圖3中，以-1表示）占大多數(shù);輸入信號處于平衡位置時，輸出碼流1和0跳變激烈，各占50%。

圖3 正弦信號幅度與比較器輸出的碼流所對應(yīng)的波形

sigma-delta ADC也有不同的結(jié)構(gòu)，其特點可以如表1所示。