Анало-цифровые преобразователи Sigma-delta (ADC) являются основой высокоточных измерительных систем, от высокоточных медицинских приборов до высококачественного аудио и управления промышленными процессами. Их уникальная архитектура достигает высокого разрешения за счет избыточной выборки и формирования шума, но сохранение этого разрешения требует исключительной линейности. Нелинейность вводит гармонические искажения и ухудшает эффективное количество битов (ENOB), непосредственно ставя под угрозу точность измерений. В этой статье рассматриваются источники нелинейности в ADCs сигма-дельта и представлены проверенные стратегии для повышения линейности для самых требовательных высокоточных приложений.

Понимание линейности в ADC Sigma-Delta

Линейность в ADC описывает, насколько точно цифровой выходной код соответствует аналоговому входному напряжению по всему входному диапазону. Две ключевые метрики количественно определяют линейность: интегральная нелинейность (INL) и дифференциальная нелинейность (DNL). INL измеряет отклонение фактической функции передачи от идеальной прямой линии, в то время как DNL фиксирует однородность размеров шагов между смежными кодами. В ADCs сигма-дельта нелинейность проявляется как нежелательные ложные тона и гармонические искажения, особенно когда входной сигнал близок к полномасштабному или имеет периодический характер. Поскольку модуляторы сигма-дельта подталкивают шум квантования к высоким частотам, любой детерминированный паттерн в ошибке может сложиться обратно в базовую полосу, повреждая сигнал.

К основным источникам нелинейности в АЦП сигма-дельта относятся:

  • Зависимость от шаблона ошибки квантования — В модуляторах низкого порядка ошибка квантования может коррелировать с входом, производя праздные тона.
  • Несовершенства аналоговых схем — Нелинейности в операционных усилителях, конденсаторах, переключателях и эталонных буферах вносят искажения.
  • Несоответствие емкостей — В интеграторах с коммутируемым конденсатором несоответствия между конденсаторами блоков генерируют ошибки, зависящие от сигнала.
  • Джиттер часов — Случайные изменения в моментах выборки преобразуются в шум и гармонические искажения, особенно на высоких частотах.

Систематическое обращение к этим источникам имеет важное значение для достижения 16-24-битных уровней точности, необходимых для точного взвешивания, сбора данных и интерфейсов датчиков.

Основные источники нелинейности

Несоответствие емкости и заряженная инъекция

Интеграторы с коммутацией конденсаторов полагаются на точные соотношения конденсаторов. Допуски изготовления вызывают случайное несоответствие, приводящее к ошибкам усиления и нелинейности. Впрыск заряда от коммутаторов MOS дополнительно искажает передачу заряда, особенно при изменении входного напряжения. Методы динамического согласования элементов (DEM) могут смягчать несоответствие, но они вносят сложность в цифровую область.

Операционный усилитель Non-Linearity

Операционный усилитель интегратора (op-amp) должен иметь чрезвычайно высокий коэффициент усиления с открытым контуром и достаточную пропускную способность для точного определения в пределах тактовой фазы. Конечное увеличение вызывает ошибку усиления; нелинейное выходное сопротивление вызывает гармонические искажения. Для конструкций с высокой линейностью операционные усилители часто проектируются с усилением усиления или структурами каскодирования, а методы компоновки минимизируют паразитные емкости.

Неидеальности квантайзера

В многобитных модуляторах сигма-дельта компараторы внутреннего квантователя или стадии флэш-АЦП страдают от смещения несоответствия и гистерезиса. Эти несовершенства создают мертвые зоны или неравномерные пороговые напряжения, вводя как ошибки DNL, так и INL. Смещение калибровки и предварительной амплификации помогают уменьшить эти эффекты.

Напряжение ссылки и шум поставки

Внутренние опорные рельсы ADC и рельсы питания должны быть исключительно чистыми. Ripple или тепловой дрейф на эталоне напрямую приводит к ошибкам и искажениям. Выделенные регуляторы низкого шума, разъединяющие сети и защитные кольца являются стандартной практикой.

Стратегии повышения линейности

1.Техника дитер

Дитер включает в себя добавление небольшого, некоррелированного случайного сигнала (обычно на уровне LSB) перед квантователем. Он отделяет ошибку квантования от входа, разбивая праздные тона и уменьшая гармонические искажения. Дитер может быть аналоговым — вводится через точный источник случайного тока — или цифровым, где псевдослучайная последовательность добавляется к выходу квантователя и вычитается позже. Компромиссом является небольшое увеличение шумового пола, но улучшение линейности часто драматично. Для модуляторов высокого порядка тщательно сформированный дитер может минимизировать шумовое наказание при подавлении тонов.

2. Калибровка и цифровая коррекция

Цифровая калибровка компенсирует аналоговые неидеальности путем корректировки коэффициентов или условий коррекции в реальном времени.

  • Калибровка переднего плана — выполняется во время запуска или холостого режима, применяется известный тестовый сигнал, и отклонение измеряется для вычисления параметров коррекции.
  • Базовая калибровка — Постоянно корректирует параметры во время нормальной работы с использованием корреляции или впрыска небольшого пилотного тона. Фоновая калибровка необходима для приложений, требующих непрерывной точности по температуре и старению.

Алгоритмы цифровой коррекции также могут компенсировать несоответствие конденсатора путем хранения измеренных весов и применения FIR-подобной коррекции после фильтра децимации. Для дальнейшего чтения по цифровой калибровке в ADC сигма-дельта см. Техническую статью по методам калибровки Аналоговые устройства .

3. Модулятор Топология Улучшения

Шум высшего порядка формирует

Увеличение порядка модулятора выталкивает больше шума квантования из интересующей полосы, уменьшая погрешность в полосе и потребность в чрезвычайно линейных аналоговых компонентах. Однако стабильность становится более сложной. Топологии каскада (MASH) распределяют шум квантования по нескольким петлям и рекомбинируют их в цифровом виде, достигая превосходной линейности без проблем стабильности.

Многобитные квантайзеры

Замена однобитного квантователя на многобитный (например, 3-битный или 4-битный) уменьшает размер шага квантования и по своей сути улучшает линейность за счет снижения амплитуды ошибки квантования. Компромисс заключается в том, что внутренний DAC в пути обратной связи должен быть чрезвычайно линейным. Для формирования ошибки несоответствия DAC используются алгоритмы динамического сопоставления элементов (DEM) или взвешенного по данным усреднения (DWA).

Feedforward vs. Feedback Topologies (недоступная ссылка)

Архитектура Feedforward уменьшает качание сигнала на выходе интегратора, снижая искажение от нелинейности операционного усилителя. Топологии обратной связи обеспечивают лучшую внутреннюю стабильность, но требуют больших качелей сигнала. Выбор правильной топологии для требуемой линейности и SNR является критическим дизайнерским решением.

4. Оптимизация на уровне цепи

На уровне транзисторов несколько методов повышают линейность:

  • Переключатели с загрузкой — Поддерживают постоянное напряжение затвора во время отбора проб, уменьшая изменение сопротивления переключателя и впрыск заряда.
  • Повышение эффективности в операционных усилителях — увеличивает прирост в открытом цикле, чтобы уменьшить ошибку усиления и улучшить линейность урегулирования.
  • Стабилизация обратной связи в обычном режиме (CMFB) — обеспечивает стабильность выходного напряжения общего режима интегратора, предотвращая искажения.
  • Симметрия разложения — Сопоставленные конденсаторы и дифференциальные пути сигнала минимизируют систематические смещения и несоответствия.

5. Рассмотрение системного уровня

Линейность не является чисто аналоговой проблемой, системный дизайн играет важную роль.

  • Отказ от джиттера часов — Используйте PLL с низким джиттером или внешние кристаллические осцилляторы. Модуляторы Sigma-delta чувствительны к джиттеру часов, поскольку он вводит неопределенность выборки.
  • Изоляция энергоснабжения — Отдельные аналоговые и цифровые рельсы снабжения с ферритовыми бусинами и регуляторами с низким уровнем выпадения (LDO).
  • Тепловое управление — Градиенты температуры на чипе вызывают дрейф несоответствия. Единообразное распределение температуры и датчики температуры на чипе позволяют компенсировать.
  • Наилучшие практики — Избегайте маршрутизации цифровых сигналов вблизи чувствительных аналоговых узлов. Используйте защитные кольца и глубокие N-луночки для изоляции шума подложки.

Передовые методы: динамическое сопоставление элементов и усреднение с учетом веса данных

Для многобитных ADC сигма-дельта линейность обратной связи DAC часто является узким местом. Динамическое сопоставление элементов DAC (DEM) вращает использование элементов DAC (источников тока или конденсаторов) так, что ошибки несоответствия преобразуются в широкополосный шум, а не гармоническое искажение. Усреднение с учетом данных (DWA) является популярным алгоритмом DEM, который использует выход квантователя для выбора элементов, таких, что ошибка несоответствия имеет форму первого порядка, отталкивая ее от базовой полосы. DWA может значительно улучшить линейность без добавления значительных цифровых ресурсов. Эта статья IEEE по DWA обеспечивает подробную теоретическую основу и анализ производительности. Другой передовой метод - использование вращения элементов со случайным началом или DEM с древовидной структурой, что еще больше снижает эффект несоответствия элементов.

Заключение

Достижение высокой линейности в ADC сигма-дельта для высокоточных приложений требует многогранного подхода. Увеличение порядка модулятора, использование многобитных квантователей с алгоритмами DEM, добавление дитера, реализация цифровой калибровки и оптимизация аналоговых схем все способствуют снижению искажений и улучшению INL / DNL. Системные меры, такие как часы с низким джиттером, чистые источники питания и тщательная компоновка, одинаково важны. Ни одна технология не является достаточной сама по себе; Для инженеров, нацеленных на 16-битную + точность в требовательных средах, освоение этих методов повышения линейности является необходимым условием. Поскольку узлы процессов сокращаются и скорость передачи данных увеличивается, продолжающиеся инновации в калибровке и цифровой коррекции будут продвигать линейность сигма-дельта еще дальше. Для более глубокого погружения в практическую реализацию, обратитесь к примечанию приложения TI по оптимизации линейности сигма-дельта ADC и Руководство Maxim Integrated по улучшению линейности ADC [[FLT