Sigma-delta analogico-digitale convertitori (ADCs) sono la spina dorsale di sistemi di misura ad alta precisione, dalla strumentazione medica di precisione al controllo di processo audio e industriale di fascia alta. La loro architettura unica raggiunge alta risoluzione attraverso sovrasampling e la modellazione del rumore, ma mantenendo che la risoluzione richiede una linearità eccezionale.

Comprendere la linearità negli ADC Sigma-Delta

La linearità in un ADC descrive come il codice di uscita digitale corrisponde alla tensione di ingresso analogico attraverso l'intera gamma di input. Due metriche chiave quantificano la linearità: non-linearietà integrale (INL) e la non linearità differenziale (DNL).

Le fonti primarie di non linearità negli ADC sigma-delta includono:

  • dipendenza del modello di errore di quantization[[ – Nei modulatori di ordine basso, l'errore di quantizzazione può essere correlato con l'ingresso, producendo toni idle.
  • Imperfezioni del circuito analogico[[[] – Non-linearità negli amplificatori operativi, condensatori, interruttori e buffer di riferimento introduceno distorsioni.
  • Capacitor mismatch[[[] – In integratori di commutazione-condensatore, errori tra condensatori di unità generano errori di dipendente dal segnale.
  • Cloccare jitter[[[] – Le variazioni casuali degli istanti di campionamento si convertono in rumore e distorsione armonica, specialmente alle alte frequenze.

Affrontare queste fonti è sistematicamente essenziale per raggiungere i livelli di precisione da 16 a 24 bit richiesti nelle interfacce di precisione di pesatura, acquisizione dati e sensori.

Fonti chiave di non linearità

Iniezione di Mismatch e di Charge

Gli integratori di condensatori a commutazione si basano su rapporti precisi di condensatori. Le tolleranze di fabbricazione causano errori casuali, causando errori e non-linearità. L'iniezione di carica da MOS altera ulteriormente il trasferimento di carica, soprattutto come cambia la tensione di ingresso. Le tecniche di corrispondenza dell'elemento dinamico (DEM) possono mitigare la mancanza, ma introducono la complessità nel dominio digitale.

Amplificatore non lineare

L’amplificatore operativo dell’integratore (op-amp) deve avere un guadagno estremamente alto e una larghezza di banda sufficiente per stabilirsi con precisione in una fase di clock. Il guadagno finale provoca errori di guadagno; la resistenza all’uscita non lineare produce distorsioni armoniche.Per i disegni ad alta linea, gli op-amp sono spesso progettati con l’aumento o le strutture cascode, e le tecniche di layout minimizzano le capacità parassitarie.

Quantizer Non-Idealities

Nei modulatori a multibit sigma-delta, i comparatori del quantizzatore interno o le fasi ADC flash soffrono di malfunzionamento e isteresi compensati. Queste imperfezioni creano zone morte o tensioni di soglia irregolari, introducendo errori DNL e INL. La calibrazione offset e la pre-amplificazione aiutano a ridurre questi effetti.

Riferimento di tensione e rumore di alimentazione

Le rotaie interne di riferimento e di alimentazione dell’ADC devono essere eccezionalmente pulite. La deriva termica o ondulata del riferimento si traduce direttamente per ottenere errori e distorsioni.

Strategie per migliorare la linearità

1. Tecniche di dietetiche

Il Dither prevede l'aggiunta di un piccolo segnale casuale non correlato (tipicamente a livello LSB) prima del quantizzatore. Decora l'errore di quantizzazione dall'ingresso, rompe i toni idle e riduce la distorsione armonica. Dither può essere analogico - iniettato tramite una precisa fonte corrente casuale - o digitale, dove una sequenza pseudo-corsa viene aggiunta alla uscita del quantizzatore e sottratto in seguito.

2. Calibrazione e correzione digitale

La calibrazione digitale compensa le non-idealità analogiche regolando i coefficienti o i termini di correzione in tempo reale.

  • Calibrazione pre-parziale[ – Eseguita durante le modalità di avvio o di inattività, viene applicato un segnale di prova noto, e la deviazione viene misurata per calcolare i parametri di correzione.
  • La calibrazione del fondo[[] – Regola costantemente i parametri durante il normale funzionamento utilizzando la correlazione o l'iniezione di un piccolo tono pilota. La calibrazione dello sfondo è essenziale per applicazioni che richiedono un'accuratezza ininterrotta sulla temperatura e sull'invecchiamento.

Gli algoritmi di correzione digitali possono anche compensare la mancanza di condensatore memorizzando pesi misurati e applicando una correzione simile a FIR dopo il filtro di decimazione.Per ulteriori letture sulla calibrazione digitale in ADC sigma-delta, vedere l'articolo tecnico Analog Devices sulle tecniche di calibrazione.

3. Miglioramenti di Topologia del Modulatore

Shaping di rumore di più alto livello

Aumentando l'ordine modulatore spinge più rumore di quantizzazione fuori dalla banda di interesse, riducendo l'errore in banda e la necessità di componenti analogici estremamente lineari. Tuttavia, la stabilità diventa più impegnativa. Cascade (MASH) topologie distribuiscono il rumore di quantizzazione attraverso più loop e li ricombinano digitalmente, ottenendo un'eccellente linearità senza problemi di stabilità.

Quantizzatori a più bit

La sostituzione di un quantizzatore a singolo bit con un quantizzatore multibit (ad esempio, 3-bit o 4-bit) riduce la dimensione del passo di quantizzazione e migliora intrinsecamente la linearità abbassando l'ampiezza dell'errore di quantizzazione. Il trade-off è che il DAC interno nel percorso di feedback deve essere estremamente lineare.

Feedforward vs. Feedback Topologies

Le architetture Feedforward riducono l'oscillazione del segnale alle uscite dell'integratore, abbassando la distorsione dalla non linearità op-amp. Le topologie di feedback offrono una migliore stabilità intrinseca ma richiedono oscillazioni di segnale più grandi.

4. Ottimizzazione del circuito-Level

A livello transistor, diverse tecniche aumentano la linearità:

  • Interruttori a barra[[] – Mantenere la tensione costante delle sorgenti di cancello durante il campionamento, riducendo la variazione della resistenza degli interruttori e l'iniezione della carica.
  • Gain-boosting in op-amps[[] – Aumenta il guadagno a ciclo aperto per ridurre l'errore di guadagno e migliorare la linearità di impostazione.
  • La stabilizzazione del feedback comune (CMFB)[[] – assicura che la tensione comune-mode di uscita dell'integratore rimanga stabile, impedendo la distorsione.
  • Simmetria di layout[[[] – I sistemi di amplificatori e i percorsi differenziali del segnale minimizzano gli offset sistematici e le errori.

5. Considerazioni di sistema-livello

La linearità non è un problema puramente analogico; il design del sistema svolge un ruolo importante.

  • Rifiuti di jitter di bloccaggio[[] – Utilizzare PLLs a bassa lente o oscillatori di cristallo esterni. I modulatori Sigma-delta sono sensibili al jitter dell'orologio perché introduce l'incertezza di campionamento.
  • Importamento di alimentazione[[] – Ferrovie di alimentazione analogiche e digitali separate con perle ferrite e regolatori a bassa goccia (LDO).
  • Gestione termica[[[] – I gradienti di temperatura attraverso il chip causano la deriva sbagliata.
  • Le migliori pratiche[[] – Evitare di instradare i segnali digitali vicino a nodi analogici sensibili.

Tecniche avanzate: Abbinamento dinamico degli elementi e Averaging data-Weighted

Per l’analisi multibit sigma-delta ADC, la linearità del DAC è spesso il collo della bottiglia. L’abbinamento di elementi dinamici (DEM) ruota l’utilizzo di elementi DAC (fonte corrente o condensatori) in modo che gli errori di errore di errore vengano convertiti in rumore a banda larga piuttosto che distorsione armonica.

Conclusioni

Per ottenere un’elevata linearità nei dati sigma-delta ADC per applicazioni ad alta precisione, è necessario un approccio multiforme. Aumentare l’ordine del modulatore, impiegare quantizzatori multibit con algoritmi DEM, aggiungere dither, implementare la calibrazione digitale e ottimizzare i circuiti analogici contribuiscono a ridurre la distorsione e a migliorare le misure di livello di sistema come orologi a basso livello, forniture di energia pulita e layout attento sono altrettanto essenziali