Σ-ΔADC高级概念： idle tones, 多位转换器与应用

"ADC Architectures IV-Sigma-Delta ADC Advanced Concepts and Applications" 在ADC（模拟-to-数字转换器）领域，Σ-Δ（Sigma-Delta）架构因其高分辨率、低噪声性能而广泛应用于各种应用场景。本教程MT-023深入探讨了Σ-Δ ADC的高级概念和应用，包括空闲噪声、多比特Σ-Δ、MASH（多级自校准梳状滤波器）以及带通Σ-ΔADC等。 首先，我们来关注一个关键问题：空闲噪声。在先前对Σ-Δ ADC的讨论中，我们通常假设量化噪声是随机且与输入信号不相关的。然而，对于第一阶调制器，情况并非完全如此。以4位Σ-Δ ADC为例，当我们在采样时对调制器的输出进行16次平均，如图1所示，我们可以观察到量化噪声并不总是完全无规律的。图2展示了两种输入信号条件下的位流模式：输入信号值为8/16和9/16。对于9/16的输入信号，调制器输出的位流会显示出一种有规律的模式，这被称为“空闲噪声”或“1位噪声”。 这种空闲噪声主要出现在第一阶Σ-Δ调制器中，因为它会导致输出序列中的位流出现可预测的模式，从而降低了噪声的随机性。为了改善这一情况，可以采用更高阶的Σ-Δ调制器或者采用多比特架构。 接下来，我们转向多比特Σ-Δ ADC。与传统的单比特Σ-Δ ADC相比，多比特架构能提供更高的转换精度，因为它们同时使用多个比特来表示每个采样值，减少了量化误差。这种架构通常包含一个内部的多路复用器，将输出的多位数据馈送给数字滤波器和解密器，以提高整体系统的SNR（信噪比）。 MASH Σ-Δ ADC是一种特殊的自校准架构，通过多级的Σ-Δ调制器和梳状滤波器来实现更高的噪声整形和精度。MASH ADC的设计能够有效地抑制热噪声和失调误差，从而在无需复杂外置校准的情况下实现高精度转换。 再者，带通Σ-Δ ADC是设计用于特定频带内的应用，例如通信系统。它允许在感兴趣的频率范围内进行高效的采样，同时在其他频率上抑制噪声。带通Σ-Δ ADC通过集成的带通滤波器实现这一目标，该滤波器在ADC前端定义了采样的频率范围。 Σ-Δ ADC的应用广泛，例如音频处理、医疗设备、通信基础设施、测试与测量设备等。例如，在音频应用中，Σ-Δ ADC可以提供高分辨率的数字音频信号，而在通信系统中，它们能够实现高效的频谱利用和信号质量提升。 总结来说，Σ-Δ ADC的高级概念和应用涉及到如何优化噪声性能、提高精度、实现特定频带操作等多个方面。通过理解并掌握这些技术，设计者能够更好地利用Σ-Δ ADC的优势，满足不同应用的需求。