高精度3階delta-sigma調(diào)制器的設(shè)計(jì)

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(guò)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)高精度模數(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(guò)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(guò)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調(diào)制器結(jié)構(gòu)，利用Richard Schreier的Matlab Delta-sigma調(diào)制器設(shè)計(jì)工具包，推導(dǎo)調(diào)制器傳輸函數(shù)，并對(duì)系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使用Verilog硬件語(yǔ)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(guò)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(lái)自高分辨率的A／D、D／A變換器中的過(guò)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(guò)反饋環(huán)來(lái)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(guò)取樣后，噪聲功率譜幅度降低，并通過(guò)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(guò)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(lái)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。

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(lái)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(xiě)成式(6)。

通過(guò)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(guò)高系統(tǒng)將不能穩(wěn)定，而且?guī)�外增益越高則輸入信號(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(zhǎng)，但是當(dāng)輸入的幅度超過(guò)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(guò)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(wèn)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。

2．2 改進(jìn)的DSM結(jié)構(gòu)圖

實(shí)現(xiàn)傳輸函數(shù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不是唯一的，是多種形式的，一般來(lái)說(shuō)有四種結(jié)構(gòu)使用最為普遍CIFB(cascade-integrator-feedback)、CRFB(cascade-resonator-feedback)、CIFF(cascade-integrator-feedforward)、CRFF(cascade-resonator-feedforward)。如果不需要經(jīng)過(guò)零點(diǎn)優(yōu)化，可以采用CIFB和CIFF的結(jié)構(gòu)，需要零點(diǎn)經(jīng)過(guò)優(yōu)化可采用CRFB和CRFF結(jié)構(gòu)。本文是高精度調(diào)制器的設(shè)計(jì)，而經(jīng)過(guò)零點(diǎn)優(yōu)化的可以得到更好的噪聲整形，實(shí)現(xiàn)更高的精度，而CRFF相對(duì)CRFB結(jié)構(gòu)在電路設(shè)計(jì)方面具有結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單和電路規(guī)模更小的優(yōu)勢(shì)，所以采用CRFF結(jié)構(gòu)，如圖2。