原创 《模拟电路设计》书评: Delta-Sigma转换器

Delta-Sigma 模数转换器（Delta-Sigma）可为精密测量应用提供低功耗、低噪声前端。它可用于多种应用，具体取决于分辨率、采样速率和操作模式。它能够对 16 位音频进行高速低分辨率通信处理，并且能够对应变计、热电偶和其他高精度传感器进行高精度的 20 位低速转换。处理音频信息时， Delta-Sigma采用连续操作模式。当用于扫描多个传感器时， Delta-Sigma采用其中一个多样本采样模式。用于单点高分辨率测量时，Delta-Sigma采用单一样本采样模式。Delta-sigma转换器使用过采样在更广泛的频谱上扩展量化噪声。该噪声的形成是为了将其大部分移至输入信号的带宽之外。内部低通滤波器用于滤出所需输入信号带宽外的噪声。这使 Delta-Sigma转换器能够良好地用于高速中分辨率（8 至16 位）和低速高分辨率（16 至20 位）应用。采样速率可调整为每秒 10 至 384000 次采样，具体取决于工作模式和分辨率。选择转换模式可简化与音频等单流信号的连接，或多个信号源间的复用。Sigma-delta 转换器在音频技术上应用普遍， 目前深入渗透到测试和测量领域。特别是对于智能测量系统，这种转换方法是最好的方法，它具有高采样率和出色的信噪比（SNR）。测量设备的这些转换器从一开始的主要优势在于抗混叠滤波器。它们非常简单而且价格便宜，每个测量通道都可以配备一个，由于这些组件价格较低，没有配置模拟多路器架构的测量设备越来越少见。

Delta-Sigma转换器由三个模块组成：输入放大器、三阶Delta-Sigma 调制器和抽取滤波器。输入放大器提供高阻抗输入以及用户可选输入增益。抽取滤波器模块包含一个 4 段CIC 抽取滤波器和一个后处理单元。CIC 滤波器直接从调制器进行数据采样。后处理单元会在 CIC 抽取滤波器的输出中选择性地执行增益、偏移和简单的滤波器函数。

Delta调制器是另一种二值调制器，是Delta-Sigma调制器的前身。Delta调制器输出二值信号y[n]，补偿器，它输出的w[n]不是二值信号。补偿器的参数需要根据积分器的参数来设计。在现实应用中积分器和补偿器是不同的实现，比如模拟Delta调制器中的积分器是模拟积分器，而补偿器是数字电路实现。对Delta调制器稍作修改就能得到一阶Delta-Sigma调制器，它后面也有一个补偿器（但不是必须的）。为了方便分析，设积分器无泄漏（α = 1）。实际使用中与Delta调制器同样， α 不能与 1 相差过大，否则影响性能。另外，相比于Delta调制器，反馈回路中多了一个增益 g ，因此Delta-Sigma调制器有两个参数：k（系数多项式）, g （回路增益）。