Sigma-delta模拟到数字转换器(ADCs)是高精度测量系统的支柱,从精密医学仪器到高端音频和工业过程控制。它们独特的结构通过过度取样和噪声塑造而实现了高分辨率,但保持这种分辨率需要特殊的线性。非线性引入了谐调扭曲,并降低了比特的有效数(ENOB),直接损害了测量精度。本条审查了Sigma-delta ADCs的非线性来源,并提出了强化最要求的高精度应用的线性的战略。

了解西格玛-德尔塔ADCs的线性

ADC中的线性描述数字输出代码如何忠实地对应整个输入范围的模拟输入电压. 两个关键度量度量化线性:整体非线性(INL)和差分非线性(DNL). INL测量实际传输函数偏离理想的直线,而DNL捕捉到相邻代码之间的步数大小的统一. 在sigma-delta ADCs中,非线性表现为不想要的假音和谐调扭曲,特别是在输入信号接近全尺寸或具有周期性时. 由于sigma-delta调制器将变位噪声推向高频率,任何定量模式都可能折回基带,使信号腐败.

锡格马-德尔塔ADC中非线性的主要来源包括:

  • 量化错误模式依赖 – 在低序调制器中,量化错误可以与输入值发生关联,产生闲置的音调.
  • NAlog电路不完善[] – 操作放大器,电容器,开关和参考缓冲器中的非线性引入扭曲.
  • 电容不匹配 – 在切换电容整流器中,单元电容之间的不匹配产生信号依赖性错误.
  • 时钟焦 – 采样瞬间发生随机变化,转换成噪音和谐波扭曲,特别是在高频率时.

系统地处理这些来源对于达到精确度加权、数据获取和传感器接口所需的16至24位精度水平至关重要。

非线性的关键来源

电容误差和充电注射

切换电容整流器依赖于电容的准确比. 造型容性会导致随机错配,导致获得错误和非线性. MOS开关的充电注入进一步扭曲电容传输,特别是随着输入电压的变化. 动态元匹配(DEM)技术可以减轻不匹配,但它们在数字域中引入了复杂性.

操作放大器 非线性

整形器的操作放大器(op-amp)必须具有极高的开放-loop增益和足够的带宽,以便在时钟阶段中准确结算。 Finet增益会导致增益错误;非线性输出阻力产生谐振扭曲。 对于高线性设计,OP-amp的设计往往带有增益或码结构,布局技术将寄生电容最小化。

数量 : 非理想

在多位sigma-delta 调制器中,内部的四分位计或闪存ADC级发生抵消不匹配和歇斯底里。 这些不完善产生死区或不平等的阈值电压,同时引入了DNL和INL错误。 偏移校准和预模拟有助于减少这些影响。

参考和供应

发自伦敦 — — 电源和电源的电压必须特别干净。 引线上的拉伸或热漂移直接翻译为获取错误和扭曲。 专用低噪音调节器、脱钩网络和卫城是标准做法。

改善线性的战略

1. 脱色技术

抖动涉及在整数器前添加一个小的,不相关的随机信号(通常在LSB级别),它会将整数器的误差从输入中解析,打破闲置的色调并减少口腔扭曲. 抖动可以模拟——通过精确的随机流源注入——或者数字化,在整数器输出中加入一个伪随机序列,然后在后面再减掉. 权衡是噪声底片稍有增加,但线性上的改进往往是戏剧性的. 对于高序调制器,小心的形状的抖动可以在压制声调时最小化噪声的处罚.

2. 校准和数字校正

数字校准通过实时调整系数或校正术语来补偿模拟非理想性。

  • 前景校准 – 在启动或闲置模式中执行,应用已知的测试信号,并测量偏差以计算校正参数.
  • 背景校准 — 使用关联或注入小的引音在正常运行期间不断调整参数。背景校准对于在温度和衰老时需要不间断精确度的应用至关重要。

数字校正算法也可以通过存储测量的重量和在断裂滤波器后应用类似FIR的校正来补偿电容不匹配. 关于在sigma-delta ADCs中数字校正的进一步读取,参见 Analog设备关于校正技术的技术文章.

3. 模型地形学增强

高阶噪声形状

增加调制器的顺序将更多的量子化噪声推出兴趣波段,减少波段内误差和极线性模拟组件的需要,然而稳定性变得更具挑战性. Cascade(MASH)地形将量子化噪声分布在多个循环中,并进行数字化的重压缩,实现绝佳的线性,而无需对稳定性的担忧.

多位定量器

用多位四位数取代单位四位数(例如3位或4位)可以减少四位数的步数,并通过降低四位数误差振幅来内在地提高线性。权衡的办法是,反馈路径中的内置DAC必须是极线性。动态元素匹配(DEM)或数据加权平均(DWA)算法用来塑造DAC的错配错误,使其行为像高线性元素。

FeedForward 与反馈地形

FeedForward架构减少了整流器输出时的信号摇摆,降低了Op-amp非线性中的扭曲. 反馈地形提供了更好的内在稳定性,但需要更大的信号摇摆. 选择合适的地形来达到所需的线性,SNR是一个关键的设计决定.

4. 电路级优化

在晶体管一级,几种技术促进线性:

  • Bootstrapped switch –在取样时保持恒定的闸门-源电压,减少开关阻变和充电注射.
  • op-amps中加因-booting – 增加开阔收益以减少收益错误,提高结算线性.
  • Common-mode反馈(CMFB)稳定[] –确保整流器输出的常见Mode电压保持稳定,防止扭曲.
  • Layout对称 – 匹配的电容器阵列和差分信号路径将系统偏移和错配最小化.

5. 系统层面的考虑

线性并非纯粹是模拟问题;系统设计起着主要作用.

  • 时钟焦急拒绝 – 使用低时钟PLL或外部晶体振荡器. Sigma-delta 调制器对时钟焦急很敏感,因为它引入了采样不确定性.
  • 电源供应隔离 – 单独设置的模拟和数字供应铁路,配有发火珠和低投放调节器(LDOs).
  • 热管理 — 芯片的温度梯度会导致不匹配漂移. 统一温度分布和芯片温度传感器允许补偿.
  • Layout最佳做法 – 避免在敏感模拟节点附近发送数字信号,使用守护环和深N井来隔离底部噪声.

高级技术:动态元素匹配和数据加权分析

对于多位 sigma-delta ADCs,反馈DAC的线性通常是瓶颈。动态元素匹配(DEM)旋转单位DAC元素(当前源或电容器)的使用,从而将不匹配错误转化为宽带噪声而不是谐波扭曲。 数据加权平均(DWA)是一种流行的DEM算法,它利用四位数输出来选择这样一阶形状的元素,将不匹配错误推向基带。DWA可以大幅改善线性,而无需添加大量数字资源。 本文提供了详细的理论基础和性能分析。另一种先进技术是使用随机启动或树结构的DEM旋转元素,这进一步降低了元素不匹配效应。

结论

实现高精度应用的Sigma-delta ADC的高线性要求多面性方法。 增加调制程序,使用带有DEM算法的多位四进制器,添加二进制,实施数字校准,优化模拟电路,都有助于减少扭曲和改进INL/DNL。系统级措施,如低时钟、清洁供电和精心布局,同样至关重要。单调技术不足以满足;将这些战略综合到平衡设计中,最佳结果来自这些战略。对于在要求高的环境中以16位+精确为目标的工程师来说,掌握这些线性增强方法是一个先决条件。随着过程节点收缩和数据率的提高,继续创新校准和数字校正将进一步推进Sigma-delta线性。对于实际执行的更深入探索,请参考Sigma-delta ADC线性优化 和[ Maxim Integententive 指南,改进ADC线性。