シグマ・デルタのアナログ・ツー・デジタル・コンバーター(ADCs)は精密医学の器械使用から上限の可聴周波および産業プロセス制御への高精度の測定システムのバックボーンです。独特な建築は、過剰な見本および騒音の形成によって高い決断を達成しますが、その決断を例外的な直線性を要求する防腐性。非直線性は調和の歪みをもたらし、ビット(ENOB)の有効な数を、直接妥協する測定の正確さを分解します。この記述はADCsの印の欠陥および証明された正確さを調べます。

シグマ・デルタADCsにおけるリニアリティの理解

ADCのリニアリティは、デジタル出力コードが、フル入力範囲のアナログ入力電圧にどのように忠実に対応するかを説明します。 2つの主要なメトリックは、線形性を定量化します。 一体型非線形性(INL)と差異非線形性(DNL)。 INLは、実際の転送機能の偏差を理想的な直線から測定します。DNLは、隣接するコード間のステップサイズの均一性をキャプチャします。 特に、sigma-delta ADCは、誤差を正確に、欠陥のある方向に、または欠陥のある方向に変化します。

シグマ・デルタADCsの非線形性の第一次源は下記のものを含んでいます:

  • 定量エラーパターン依存[ - 注文数のモジュレータでは、量子化エラーは、入力と相関し、アイドルトーンを生成することができます。
  • アナログ回路の欠陥[ – 動作アンプ、コンデンサ、スイッチ、および参照バッファの非線形性は、歪みを導入します。
  • [コンデンサの誤差] - スイッチ付きコンデンサインテグレータでは、ユニットコンデンサ間の誤差が信号に依存するエラーを生成します。
  • ロックジッタ] - 特に高い周波数で、サンプリングインスタンスのランダムな変動は、ノイズと調和歪みに変換します。

これらのソースを体系的に配置することは、精密計量、データ取得、センサーインターフェースで必要な16ビットから24ビットの精度レベルに達することが不可欠です。

非線形性の主源

コンデンサーのMismatchおよび充満注入

スイッチ付きコンデンサーインテグレータは、コンデンサーの正確な比率に依存しています。 製造許容差は、ランダムな不一致を引き起こし、エラーと非線形性を得ることができます。 MOSスイッチからのチャージインジェクションは、特に入力電圧変化として、充電転送を歪めます。 動的要素マッチング(DEM)技術は、誤った一致を緩和することができますが、それらはデジタルドメインの複雑性を導入します。

操作性アンプ非直線性

インテグレータの運用アンプ(op-amp)は、クロックフェーズ内で正確に解決するために非常に高いオープンループゲインと十分な帯域幅を持っている必要があります。 Finiteゲインは、ゲインエラーを引き起こします。 非線形出力抵抗は、高リニアル性歪みを生成します。 高リニアルティ設計のために、オペアンプは、増加またはカスコード構造を向上し、レイアウト技術は、寄生虫キャパシタンスを最小限に抑えることによって設計されています。

量子化装置 非Idealities

マルチビットシグマデルタモジュレータでは、内部クエンタのコンパレータまたはフラッシュADCステージは、オフセットの不一致とヒステリシスに苦しんでいます。これらのインパクションは、DNLとINLの両方のエラーを提示し、デッドゾーンまたは不均等なしきい値電圧を作成します。オフセットキャリブレーションと事前調整は、これらの効果を軽減するのに役立ちます。

電圧参照および供給の騒音

ADCの内部参照電圧および電源レールは、非常にきれいでなければなりません。 参照のRippleまたは熱漂流は、直接エラーと歪みを得るために翻訳します。 専用の低騒音レギュレータ、デカップリングネットワーク、およびガードリングは、標準の慣行です。

リニアリティ向上のための戦略

1. ダイザーテクニック

ダイザーは、量子化装置の前に、小型で無関係なランダム信号(通常、LSBレベル)を追加することを含みます。 これは、入力から量子化エラーを飾る、アイドルトーンを分解し、調和的な歪みを減らす。 ダイザーはアナログであることができます - 正確なランダムな電流ソースを介して注入 - またはデジタル、疑似ランダムシーケンスがクオンタイザー出力に追加され、後で引き下げられます。 トレードオフは、音が低下するが、高音階層階層構造低下が低下する可能性があります。

2. 口径測定およびデジタル訂正

デジタル口径測定は、リアルタイムで係数または補正条件を調整することで、アナログ非idealities に対応します。2つの一般的なアプローチは次のとおりです。

  • [フォアグラウンドキャリブレーション] - 起動時またはアイドルモード時に実行され、既知のテスト信号が適用され、偏差は補正パラメータを計算するために測定されます。
  • [ 背景校正] - 連続して、小パイロットトーンの相関または注入を使用して、通常の動作中にパラメータを調整します。 背景校正は、温度と老化に対する未中断精度を必要とするアプリケーションに不可欠です。

デジタル補正アルゴリズムは、測定された重量を保存し、決定フィルタ後にFIRのような補正を適用することで、コンデンサーの不一致を補正することもできます。 sigma-delta ADCsのデジタル校正の詳細については、校正技術に関するアナログデバイス技術の記事を参照してください。

3. 変調器トポロジの強化

より高品位なノイズシェーピング

モーディアン・オーダーの増加により、関心の帯域からより多くの量子化ノイズをプッシュし、帯域内エラーを減らし、非常に線形アナログコンポーネントの必要性を促進します。しかし、安定性はより困難になります。カスケード(MASH)トポロジーは、複数のループに量子化ノイズを分配し、それらをデジタルに逆転させ、安定性の問題なしで優れたリニアリティを実現しました。

マルチビットの量子化装置

単一ビットのクエンタイザーをマルチビットのクエンタイザー(例えば、3ビットまたは4ビット)で置き換えることで、クオンタイズのステップサイズを削減し、クオンタイズエラーの振幅を下げることで、直線性が向上します。 トレードオフは、フィードバックパス内の内部DACが非常に線形である必要があることです。 動的要素マッチング(DEM)またはデータウェイトされた平均(DWA)アルゴリズムは、DACの誤差を合わせるために使用され、それは高い要素を振る舞います。

フィードバックトポロジー対フィードフォワード

Feedforwardアーキテクチャは、インテグレータ出力で信号スイングを減らし、オペアンプ非線形性からの歪みを下げます。 フィードバックトポロジーは、より優れた固有の安定性を提供しますが、より大きな信号スイングが必要です。 必要なリニアリティとSNRの正しいトポロジーを選択することは、重要な設計決定です。

4. 回路レベルの最適化

トランジスタレベルでは、いくつかの技術がリニアリティを後押しする:

  • ボルトトラップスイッチ[ - サンプリング中の定常ゲートソース電圧を維持し、スイッチ抵抗の変動と充電注射を減らします。
  • [] ポップアップで起動する – 増加のエラーを減らし、線形性を調節するオープンループの利益を増加させます。
  • [Common-modeフィードバック(CMFB)安定化 - 統合器の出力共通モード電圧が安定して、歪みを防ぎます。
  • []レイアウト対称] - マッチングされたコンデンサー配列と差動信号パスは、系統的なオフセットと不一致を最小限に抑えます。

5. システムレベルの検討

リニアリティは純粋にアナログの問題ではありません。システム設計は大きな役割を果たしています。

  • ロックジッタ拒絶 - 低ジッタPLLまたは外部水晶発振器を使用してください。 シグマ・デルタ変調器は、サンプリング不確実性を導入しているため、クロックジッタに敏感です。
  • []電源遮断[]] - 別々のアナログおよびデジタル供給レールとフェライトビーズと低ドロップレギュレータ(LDO)。
  • 熱管理] - チップの周囲温度勾配は、不一致の漂流を引き起こします。 均一な温度分布とオンチップ温度センサは補償を可能にします。
  • []Layoutのベストプラクティス - 機密アナログノードの近くでデジタル信号をルーティングしないでください。 ガードリングと深部Nウェルを使用して、基質ノイズを分離します。

高度な技術:動的要素マッチングとデータ指向のアバージング

マルチビットシグマデルタADCsでは、フィードバックDACのリニアリティはしばしばネックです。ダイナミック要素マッチング(DEM)はユニットDAC要素(現在のソースまたはコンデンサ)の使用を回転させ、不一致エラーが広帯域ノイズに変換されるため、調和のとれた歪みではなく、重要な要素を選定します。データウェイトされた誤差(DWA)は、クオンタイザー出力を使用して、クエンタライゼーションのエラーが最初の順調に表示されたり、DEM(DWA)を動的に改善したり、DEM(DEM)を動的にしたり、DEM(DEM)を改良したり、DEM)したり、より重要な要素を改良したりすることができます。

コンテンツ

高精度なアプリケーションのためのシグマ・デルタ ADCs の高直線性を実現するには、多面的なアプローチが必要です。 モーディレータの注文を増加させ、DEM アルゴリズムでマルチビット・クエンタイザーを採用し、ダイザーを追加したり、デジタル・キャリブレーションを実行したり、アナログ回路を最適化したり、歪みを軽減したり、INL/DNL を改善したりします。 システムレベルの対策は、低ジッタ・クロック、クリーンな電源、および慎重なレイアウトが等しく必須です。 シングル・ビット・ストラクチャー・テクノロジーは、これらを組み合わせるだけでも必要です。