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高精度3階delta-sigma調(diào)制器的設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2010-11-07 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

0 引言
模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)在信號(hào)處理中起了一個(gè)非常重要的作用。在數(shù)字音頻、數(shù)字電視、圖像編碼及頻率合成等領(lǐng)域需要大量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。由于超大規(guī)模集成電路的尺寸和偏壓不斷減小,模擬器件的精度和動(dòng)態(tài)范圍也不斷降低,對(duì)于實(shí)現(xiàn)高分辨率的ADC是一種挑戰(zhàn)。高階多位Delta-sigma ADC由于不需要采樣保持電路,電路規(guī)模小,可以實(shí)現(xiàn)較高的分辨率,因此在實(shí)際中得到廣泛的應(yīng)用。Delta-sigma ADC采用過采樣技術(shù)和噪聲整形技術(shù)相結(jié)合,對(duì)量化噪聲雙重抑制,從而實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中需要根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)范圍等進(jìn)行折衷。要實(shí)現(xiàn)大的動(dòng)態(tài)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(wěn)定性就需要使用多位量化器,而多位量化器會(huì)增加后續(xù)內(nèi)部ADC的設(shè)計(jì)難度。因此,必須仔細(xì)選擇過采樣率和量化器的位數(shù),以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的性能指標(biāo)。本文提出一種三階單環(huán)局部反饋的Delta-sigma結(jié)構(gòu),利用Richard Schreier的Matlab Delta-sigma設(shè)計(jì)工具包,推導(dǎo)傳輸函數(shù),并對(duì)系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,使用Verilog硬件語言對(duì)調(diào)制器進(jìn)行行為級(jí)建模。調(diào)制器的信號(hào)帶寬為32.8kHz,過采樣率為128,工作時(shí)鐘8.4MHZ,精度16位,可以達(dá)到145dB以上的SNR。

1 Delta-sigma調(diào)制器的原理和結(jié)構(gòu)
△-∑調(diào)制技術(shù)來自高分辨率的A/D、D/A變換器中的過取樣△-∑轉(zhuǎn)換技術(shù),利用經(jīng)典自動(dòng)控制理論中負(fù)反饋概念,通過反饋環(huán)來提高量化器的有效分辨率并整形其量化噪聲。在對(duì)信號(hào)進(jìn)行過取樣后,噪聲功率譜幅度降低,并通過一個(gè)對(duì)輸入呈低通而對(duì)量化噪聲呈現(xiàn)高通的噪聲整形器,將量化噪聲功率的絕大部分移到信號(hào)頻帶之外,從而可通過濾波有效地抑制噪聲。
Delta-sigma調(diào)制器的仿真模型可以用圖1來表示。該系統(tǒng)是一個(gè)雙端輸入、單端輸出的線性系統(tǒng),系統(tǒng)的一個(gè)輸入為外部輸入信號(hào)U,另一個(gè)輸入為量化器的反饋V,輸出則是量化器的輸入Y。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/187739.htm


由圖1根據(jù)疊加原理,可知系統(tǒng)的輸出可以表示為

其中,L0(z)和L1(z)分別是輸入U(xiǎn)(z)和V(z)到輸出Y(z)的傳遞函數(shù)。
令調(diào)制器量化噪聲為E(z),則調(diào)制器的輸出為

由式(1)、(2)可得

其中G(z)是信號(hào)傳遞函數(shù)(STF),H(z)是NTF(NTF)。所以

這種仿真模型將不同結(jié)構(gòu)的Delta-sigma調(diào)制器用同一種模型來描述。因此,在設(shè)計(jì)調(diào)制器的NTF時(shí)不必考慮調(diào)制器具體的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。

2 三階單環(huán)DSM結(jié)構(gòu)
2.1 高階穩(wěn)定的調(diào)制器函數(shù)的設(shè)計(jì)
高階Delta-sigma的NTF具有一般形式(5)。從表達(dá)式可以看出,NTF的n個(gè)零點(diǎn)都集中直流頻率處。但是,文獻(xiàn)指出,如果將NTF的零點(diǎn)均勻地分布在信號(hào)基帶中,而不是全都集中在直流頻率處,將對(duì)量化噪聲有更好的整形效果。Delta-sigma調(diào)制器的不穩(wěn)定狀態(tài)主要與調(diào)制器N-TF的帶外增益有關(guān),為了限制NTF的帶外增益,將式(5)所示的NTF的一般表達(dá)式改寫成式(6)。

通過調(diào)整D(z)就可以有效地達(dá)到限制NTF帶外增益的目的。
Delta-sigma調(diào)制器的設(shè)計(jì)重點(diǎn)就是設(shè)計(jì)出使系統(tǒng)穩(wěn)定mSTF和NTF。。在文獻(xiàn)中指出,NTF的極點(diǎn)決定了它的帶外增益,而帶外增益又與系統(tǒng)的噪聲整形性能及穩(wěn)定性密切相關(guān),帶外增益越高,噪聲整形的效果越好,但是帶外增益過高系統(tǒng)將不能穩(wěn)定,而且?guī)庠鲆嬖礁邉t輸入信號(hào)的穩(wěn)定的范圍越小。所以,對(duì)于3階以上的Delta-sigma調(diào)制器,隨著輸入信號(hào)幅度的增加,調(diào)制器的SNR線性增長,但是當(dāng)輸入的幅度超過一定值后。調(diào)制器的SNR突然下降,這時(shí)的調(diào)制器就處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。NTF的帶外增益決定了輸入信號(hào)幅度和調(diào)制器輸出SNR之間的一對(duì)矛盾關(guān)系。
在調(diào)制器階數(shù)、過采樣率以及調(diào)制器位數(shù)確定的情況下,調(diào)制器NTF設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題是,找出調(diào)制器能夠穩(wěn)定所對(duì)應(yīng)的輸入范圍。最大SNR所對(duì)應(yīng)的輸入范圍就是調(diào)制器能夠穩(wěn)定所對(duì)應(yīng)的輸入范圍。


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