Sigma-delta analog-ke-digital converter (ADCs) adalah tulang punggung sistem pengukuran presisi tinggi, dari instrumentasi medis presisi hingga kontrol proses audio dan industri tingkat tinggi. Arsitektur unik mereka mencapai resolusi tinggi melalui oversampling dan shaping suara, tetapi melestarikan resolusi tersebut menuntut linearitas yang luar biasa. Non-linearitas memperkenalkan distorsi harmonik dan menurunkan tingkat efektif jumlah bit (ENOB), langsung mengorbankan akurasi pengukuran. Artikel ini memeriksa sumber non-linearitas dalam sigmadel ADCs dan menyajikan strategi yang terbukti untuk meningkatkan tingkat yang paling tinggi untuk aplikasi linear presisi.

Pengertian Linearitas di Sigma-Delta ADCs

Linearity dalam ADC menggambarkan bagaimana setianya kode keluaran digital sesuai dengan tegangan masukan analog melintasi jangkauan masukan penuh. Dua metrik kunci kuantifikasi linearitas: integral non-linearitas (INL) dan diferensial non-linearitas (DNL). INL mengukur penyimpangan fungsi transfer aktual dari garis lurus ideal, sementara DNL menangkap keseragaman ukuran langkah antara kode berdekatan. Dalam sigma-delta ADCs, non-linearitas manifes sebagai penyimpangan dari penyimpangan yang tidak diinginkan kenes dan distorsi harmonik, terutama ketika input mendekati skala penuh atau periodik. Karena sdeltation modtulasi suara untuk frekuensi tinggi, determinatif pola ke dalam lipatan dasar yang korup.

Sumber primer non-linearitas vinisi dalam Sigma-delta ADCs meliputi:

  • [[ZOLT:0]]Quantization error pola ketergantungan[]] ⁇ Dalam modulator bertertib rendah, error kuantisasi dapat menjadi berkorelasi dengan input, menghasilkan nada idle.
  • [[GALAL:0]]Analog ketidaksempurnaan sirkuit ⁇ Non-linearitas dalam amplifier operasional, kapasitor, switch, dan penyangga referensi memperkenalkan distorsi.
  • [[OGORLT:0]]Capacitor mismatch[]] ⁇ Dalam integrator switch-kapasitor, ketidakcocokan antara kapasitor unit menghasilkan kesalahan signal-dependent.
  • [[GANDAFLT:0]]Clock ketaran]] ⁇ Variasi acak dalam sampling instant berubah menjadi noise dan harmonic distorsi, terutama pada frekuensi tinggi.

Pengalamatan sumber-sumber ini secara sistematis sangat penting untuk mencapai tingkat presisi 16--24-bit yang diperlukan dalam pengukuran presisi, akuisisi data, dan antarmuka sensor.

Sumber Kunci dari Non-Linearity

Penghibur Pemadam Ketidakcocokkan dan Suntikan Cas

Pemetaan-kapasitor switching-coacitor mengandalkan rasio yang akurat dari kapasitor. Toleransi fabrikasi menyebabkan ketidakcocokan acak, menyebabkan untuk mendapatkan kesalahan dan non-linearitas.Tarikan muatan dari MOS beralih lebih lanjut mendistorsi transfer muatan, terutama sebagai perubahan tegangan input. Teknik pencocokan elemen dinamis (DEM) dapat mitigasi tidak cocok, tetapi mereka memperkenalkan kompleksitas dalam domain digital.

Operasional Penguatan Operasional Non-Linearity

Dochane Integrator penguat operasional (op-amp) harus memiliki gain terbuka-loop yang sangat tinggi dan lebar lebar lebar lebar yang cukup untuk menetap secara akurat dalam fase jam. Finite memperoleh keuntungan menyebabkan error; ketahanan output non-linear menghasilkan distorsi harmonik. Untuk desain linearitas tinggi, op-amp sering dirancang dengan mendapatkan peningkatan atau struktur cascode, dan teknik tata letak meminimalkan kapafit parasit.

Kuantizer Non-Idealitas

Pada modulator multibit sigma-delta, koparator kuantizer internal atau tahap ADC flash mengalami ketidakcocokan dan histeris offset. Ketidaksempurnaan ini menciptakan zona mati atau tegangan ambang yang tidak merata, memperkenalkan kesalahan DNL maupun INL. Pengkalibrasi Offset dan bantuan pra-amplifikasi mengurangi efek ini.

Referensi dan Nosi Pasokan Voltan

Jaringan listrik dan listrik yang digunakan oleh ADC harus bersih.

Strategi untuk Meningkatkan Linearitas

1. Teknik Mesin Mesin Mesin Mesin

Dither melibatkan penambahan sinyal acak kecil yang tidak berhubungan (biasanya pada level LSB) sebelum kuantizer. Ini mendekorasikan kesalahan kuantisasi dari input, memecah nada melahu dan mengurangi distorsi harmonik. Dither dapat analog — disuntik melalui sumber arus acak yang tepat — atau digital, di mana urutan pseudo-random ditambahkan ke keluaran kuantizer dan dikurangi kemudian. trade-off sedikit peningkatan dalam lantai kebisingan, tetapi perbaikan dalam linearitas sering dramatis. Untuk modulator tinggi, di bentuk dengan hati-hati dapat meminimalkan penalti saat menekan notifikasi.

Kalibrasi 2. Pembetulan dan Pembetulan Digital

Kalibrasi digital kompensasi untuk non-idealitas analog dengan menyesuaikan koefisien atau istilah pembetulan secara real time. dua pendekatan umum adalah:

  • Perkalibrasi foreground]] ⁇ Dilakukan selama startup atau mode idle, sinyal tes yang diketahui diterapkan, dan penyimpangan diukur untuk menghitung parameter koreksi.
  • [[ZALALT:0]] kalibrasi latar belakang[]] ⁇ Berterus-menerus menyesuaikan parameter selama operasi normal menggunakan korelasi atau injeksi dari nada pilot kecil. Tentukurasi latar belakang sangat penting untuk aplikasi yang membutuhkan akurasi tanpa gangguan atas suhu dan penuaan.

Algoritma koreksi digital enggonda juga dapat mengimbangi kapasitor yang tidak cocok dengan menyimpan bobot yang diukur dan menerapkan koreksi yang mirip FIR setelah filter desimasi. Untuk pembacaan lebih lanjut pada kalibrasi digital dalam sigma-delta ADCs, lihat Analog Perangkat teknis artikel tentang teknik kalibrasi].

3. Peningkatan Topologi Modulator

Pemecatan Nose Tinggi-Order

Kekurangan yang meningkatnya susunan modulator mendorong lebih banyak kebisingan kuantifikasi keluar dari band kepentingan, mengurangi kesalahan in-band dan kebutuhan komponen analog yang sangat linear.Namun, stabilitas menjadi lebih menantang.Cascade (MASH) topologi mendistribusikan suara kuantisasi melintasi berbagai loop dan rekombinasi mereka secara digital, mencapai linearitas yang sangat baik tanpa kekhawatiran stabilitas.

Kuantizer Multibit

Pergantian countizer single-bit dengan kuantizer multibit (mis., 3-bit atau 4-bit) mengurangi ukuran langkah kuantisasi dan secara inheren meningkatkan linearitas dengan menurunkan amplitudo error kuantisasi multibit. Pengurangan trade-off adalah bahwa DAC internal dalam jalur umpan balik harus sangat linear.Pencocokan elemen dinamis (DEM) atau algoritma averaging terberat data (DWA) digunakan untuk membentuk kesalahan ketidakcocokan DAC, membuatnya berperilaku seperti elemen tinggi linearitas.

DisuapTologies

Arsitektur asupanforward yang disuap oleh signal mengurangi ayunan sinyal pada keluaran integrator, menurunkan distorsi dari non-linearitas op-amp. Feedback topologi menawarkan stabilitas inheren yang lebih baik tetapi membutuhkan signal swing yang lebih besar. Memilih topologi yang tepat untuk linieritas yang diperlukan dan SNR adalah keputusan desain kritis.

2. Optimasi Tingkat Sirkuit

Pada tingkat transistor, beberapa teknik meningkatkan linearitas:

  • Bootstrappped switches ⁇ Pertahankan tegangan gate-source konstan selama sampling, mengurangi variasi resistensi switch dan injeksi charge.
  • Gain-boosting dalam op-amps ⁇ Meningkatkan gain open-loop untuk mengurangi kesalahan gain dan memperbaiki liaritas menetap.
  • EFGAL:0]]Common-mode feedback (CMFB) stabilisasi ⁇ Memastikan keluaran integrator tegangan umum-mode tetap stabil, mencegah distorsi.
  • ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

5. Pertimbangan Tingkat-Sistem

Kelinaritasan tidak semata-mata merupakan masalah analog; desain sistem memainkan peran utama.

  • [O]]]]Clock jitter penolakan ⁇ Gunakan PLL bergigi rendah atau osilator kristal eksternal. Modulator Sigma-delta sensitif terhadap ketaran jam karena memperkenalkan ketidakpastian sampling.
  • [[EfolzaFLT:0]]Power supply isolasi ⁇ Relai pasokan analog dan digital terpisah dengan manik-manik ferit dan regulator rendah-turun (LDOS).
  • [GANFAILT:0]]Pengelolaan termal ⁇ Gradiasi suhu di seluruh chip menyebabkan drift tidak cocok. Distribusi suhu seragam dan sensor suhu on-chip memungkinkan kompensasi.
  • [[ZOZT:0]]Layout praktik terbaik ⁇ Hindari routing sinyal digital dekat node analog sensitif. Gunakan cincin penjaga dan N-well dalam untuk mengisolasi kebisingan substrat.

Teknik Lanjutan Teknik: Dinamis Unsur Pencocokan dan Penentuan Pencairan Data

Untuk multibit sigma-delta ADCs, linearitas DAC umpan balik sering kali adalah botleneck. Elemen dinamis yang cocok (DEM) memutar penggunaan elemen unit DAC (sumber saat ini atau kapasitor) sehingga kesalahan yang tidak cocok diubah menjadi distorsi pita lebar daripada distorsi harmonik. Data-weighted averaging (DWA) adalah algoritme DEM populer yang menggunakan keluaran kuantifikasier untuk memilih elemen-elemen seperti kesalahan yang tidak cocok dibentuk, mendorongnya dari baseband. DWA dapat meningkatkan secara dramatis linearitas digital tanpa menambahkan sumber daya signifikan. [[TFL0:Thist IEEE kertas [TWAT] menyediakan landasan teoretis dan lain-lain analisis teoretis adalah elemen terunggul dari DEM secara acak atau elemen yang tidak teratur, bahkan dapat mengurangi efek dari DEM secara bertahap.

Kekecualian Kesimpulan

Keunggulan linearitas tinggi dalam sygma-delta ADCs untuk aplikasi presisi tinggi membutuhkan pendekatan multi-muka. Memperkuat tatanan modulator, mempekerjakan multibit kuantizer dengan algoritme DEM, menambahkan dither, menerapkan kalibrasi digital, dan mengoptimalkan sirkuit analog semua berkontribusi untuk mengurangi distorsi dan meningkatkan INL/DNL. Langkah tingkat sistem seperti jam low-jitter, pasokan tenaga bersih, dan tata letak hati yang sama penting. Tidak ada teknik tunggal yang cukup saja; hasil terbaik datang dari strategi ini dalam desain yang seimbang. Untuk menargetkan 16-bit akurasi insinyur dalam lingkungan, menuntut metode peningkat derajat linear ini adalah peningkatan prasyarat dan tingkat kesusilaan, dan tingkat kesusuan data yang berkelanjutan akan disusahkan secara optimalisasi secara digital dan ke dalam proses yang lebih dalam koreksi dan keserasian, dan ketrampilan yang lebih dalam koreksi.