连续时间Sigma-Delta ADC：“无别名”ADC

连续时间Sigma-Delta（CTSD）ADC可以消除外部抗混叠滤波器的需要。这可以显着简化信号链设计。在本文中，我们将首先查看来自ADI公司的新型CTSD ADC，然后特别了解有关Sigma-Delta ADC和CTSD的更多信息。

模拟设备的新型CTSD ADC

模拟设备公司宣布了一个新的24位，4通道，精密ADC AD7134，即通过消除外部抗混叠滤波器来简化信号链设计。新器件支持从10个SPS到1.5个MSPS的可扩展输出数据速率，采用连续时间σ -delta (CTSD)架构，可实现高达102.5 dB的固有混叠抑制。

在信号链中没有抗混叠滤波器，就有可能减少信号链延迟以及解决方案的大小。Analog Devices公司声称，与传统设计相比，新产品可以节省70%的电路板空间。

消除外部抗混叠滤波器的另一个优点是在多通道系统中具有较高的相位匹配。此外，在新的架构下，我们可以避免性能上的担忧，例如由外部滤波器带来的偏移、增益误差和噪声。AD7134的功能框图如下所示。

AD7134功能框图。图片礼貌模拟设备

现在审查Sigma-Delta ADCS的一些基本概念可能是有用的。然后，我们将简要比较两种可能的实现：连续时间Sigma-Delta（CTSD）和离散时间Sigma-Delta（DTSD）架构。

Sigma-Delta ADC的框图

如下所示，Sigma-Delta ADC由两个主块组成：Sigma-Delta调制器和数字滤波器。

-增量ADC的框图。图片礼貌德州仪器公司

利用1位采样系统，Sigma-Delta调制器将模拟输入转换为单位值的高速流。

这个单比特值流如何表示模拟输入值?σ -delta调制器对输入进行过采样，并以比奈奎斯特采样准则要求的高得多的速率输出单比特值。

应该平均许多连续位值（例如，其中64个）以获得表示模拟输入的单个多位值。换句话说，单位值流中的零的数量与零的比率表示输入模拟电压。

这个平均过程发生在数字滤波器中，如图所示。然后，一个抽取滤波器(我在我的文章中更详细地讨论多速率DSP在A/D转换)丢弃一些样本，以降低样本率到一个更低的值，而不丢失我们感兴趣的信息。

Sigma-Delta ADC如何解决量化噪声问题？

采样过程增加了一个噪声分量这就是量化噪声输入信号。量化噪声的总功率由量化器的LSB大小决定。在频域，这个总噪声功率将在从直流到一半采样频率的频率范围内扩散，$$ \ frac {f_s} {2} $$。

因此，对于给定的LSB尺寸，我们可以相对于输入信号带宽增加采样频率以降低感兴趣的频带中的噪声功率。这是允许Sigma-Delta ADC具有高信噪比（SNR）的基本技术之一。

另一种能够实现高SNR的基本技术是噪声整形。为了打击量化噪声，Sigma-Delta调制器将噪声功率分布形状，使得大多数噪声功率在感兴趣的带宽之外移动到更高的频率。

下图显示了Sigma-Delta ADC如何使用过采样和噪声整形来减少感兴趣频带中的量化噪声。

Sigma-Delta调制器中积分器的效果的说明。使用的图像礼貌Maxim Integrated.

两种不同的实现

我们可以使用离散时间和连续时间块来实现一个σ - δ调制器。下图从概念上展示了这两种不同的实现。

描述离散时间和连续时间模块的原理图。图片礼貌模拟设备

利用离散时间调制器，样品和保持块应放置在调制器的前面，调制器构建块（例如环滤波器H（Z）和DAC）是基于开关电容器的电路。然而，通过连续时间实现，环路滤波器H（S）和DAC是连续时间电路，在环路滤波器之后在量化器内发生采样。

连续时间调制器的优点

CTSD提供了DTSD的几个优点。

首先，采用连续时间结构，采样器放置在环路滤波器之后。因此，环路滤波器现在可以作为一个抗混叠滤波器，除了其最初的目的，即塑造量化噪声的功率轮廓。因此，使用CTSD，我们可以完全消除外部抗混叠滤波器，或至少显著放宽其要求。消除外部滤波器可以显著节省电路板面积和降低功耗。

CTSD在DTSD上的另一个重要优点是连续时间溶液的输入阻抗是电阻性的。这对比通过抗混叠滤波器的阻抗“看到”的DTSD对比。

DTSD的电容输入可能导致问题，因为当正在采取新的样本时，先前存储在采样电容中的电荷可以暂时扭曲输入。这些切换反冲可以在模拟输入和ADC的参考输入中发生。因此，通常需要高带宽驱动放大器来提供DTSD输入的充电/放电瞬态电流。

由于CTSD的模拟和参考输入是电阻性的，它们比DTSD的电容性输入要安静得多。由于没有开关回激，我们可以去掉驱动放大器，这进一步简化了设计，降低了功耗。如下图所示，CTSD的信号链比DTSD要简单得多。

基于离散时间和基于连续时间的信号链的比较。图片礼貌模拟设备

CTSD的缺点

对于开关电容电路，我们可以通过改变时钟频率来调整电路动态。这就是DTSD通常能够支持从接近零到最大频率的广泛采样频率的原因。

然而，在CTSD架构中使用的连续时间集成器的动态由两个不同参数的乘积决定 - 例如，Active-RC滤波器中的RC产品和$$ \ FRAC {G_M} {C} $在GM-C过滤器的情况下价值。因此，CTSD的采样频率通常是固定的。

此外，已知CTSD ADCS比其开关电容等同物更易于耐抖动。