Δ－Σ 轉(zhuǎn)換器信噪比有何不同之處

　　許多工程師仍努力使 (Δ-Σ) 轉(zhuǎn)換器這個(gè)圓形銷子適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn) ADC 這個(gè)方形孔

　　當(dāng)我還是孩子的時(shí)候，父母給我買了一個(gè)直徑為 1 英寸的閉殼龜。我為此興奮不已!為了保護(hù)這個(gè)海龜，我準(zhǔn)備把它放到我的貨車上。車上有個(gè)狹槽可以插入方形、三角形和圓形的銷子。媽媽看到我拿走一個(gè)錘子，就知道肯定不會有好事，于是她對我說：“你是無法將一個(gè)方形的銷子(或是一個(gè)海龜)放進(jìn)一個(gè)圓形的孔中去的”。

　　這個(gè)教訓(xùn)也同樣適用于下面的 Δ-Σ 調(diào)制器和 ADC 中——一個(gè)從 20 世紀(jì) 30 年代就被提出的基本概念。該轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與其他拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)有一點(diǎn)點(diǎn)不同。然而，許多工程師仍努力使轉(zhuǎn)換器適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的 ADC 方形孔。

　　Δ-Σ 轉(zhuǎn)換器遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止是一款簡單的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它擁有過采樣機(jī)制、一個(gè)調(diào)制器和一個(gè)數(shù)字濾波器。過采樣機(jī)制在較寬的頻率范圍內(nèi)擴(kuò)展噪聲功率。調(diào)制器形成低頻噪聲或?qū)⑵渫浦粮哳l率。數(shù)字濾波器可以對噪聲信號加以平均并將其從高頻信號中消除。理想的逐次逼近寄存器和管線式轉(zhuǎn)換器的 SNR(信噪比)為6.02N+1.76(見參考書目 1)，其中 N 為轉(zhuǎn)換器位數(shù)。Δ-Σ 轉(zhuǎn)換器的信噪比為 6.02 (N+NINC)+1.76，其中，N 為調(diào)制器位數(shù)，NINC 為增加的精度，具體為：

　　在這個(gè)公式中，M 為調(diào)制器階數(shù)，K 為轉(zhuǎn)換過程中的過采樣速率。

　　帶有一階調(diào)制器的理想的 Δ-Σ 轉(zhuǎn)換器信噪比為 6.02N+1.76–5.17 +30log10OSR，其中 OSR 為過采樣速率，N 為調(diào)制器位數(shù)而不是轉(zhuǎn)換器的位數(shù)(見圖1)。.

　　圖1、帶有一階調(diào)制器的 Δ-Σ 轉(zhuǎn)換器輸入端的信噪比為 6.02N+1.76–5.17 +30log10OSR

　　這些理想公式均假設(shè) ADC 和 DAC(通常為一位器件)的線性度、噪聲以及偏移誤差是完美的，且數(shù)字濾波器也有一個(gè)理想的磚墻響應(yīng)。事實(shí)上，Δ-Σ 轉(zhuǎn)換器并不像我們希望的那么理想。

　　這些理想的理論只能作為參考，最好的方法仍然是依靠轉(zhuǎn)換器性能的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)將向你展示轉(zhuǎn)換器性能的真實(shí)特點(diǎn)。憑借這些基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，并通過對 DC 輸入信號進(jìn)行上百次的采樣，您就可以測量出轉(zhuǎn)換器的均方根噪聲。在這種情形下，公式 20log10(VRMS-FS/VRMS-NOISE) 可以用來描述任何 ADC 信噪比。

　　參考書目

　　1、《所有的比特位去向何處?》，作者：Baker, Bonnie，EDN，2007 年 6 月 7日，第 36 頁，網(wǎng)址：www.edn.com/article/CA6447221

　　2、《CMOS 混合信號電路設(shè)計(jì)》，作者：Baker，RJ，由 Wiley-IEEE 出版社出版，2002 年版。

　　3、《Δ-Σ 轉(zhuǎn)換器：理論、設(shè)計(jì)與仿真》，作者：Norsworthy，Steven R，Richard Schreier 以及 Gabor C Temes，由 Wiley-IEEE 出版社出版，1996 年版

　　Bonnie Baker 現(xiàn)任德州儀器 (TI) 高級應(yīng)用工程師，并撰寫了《A Baker’s Dozen：數(shù)字設(shè)計(jì)人員真正的模擬解決方案》。如欲聯(lián)系作者，請發(fā)送電子郵件至 bonnie@ti.com。