编者按:
模数转换器 (adc) 将模拟世界连接到数字世界,因此是连接到现实世界的任何电子系统的基本部件。它们也是决定系统性能的关键因素之一。本文将说明三角积分adc如何能够生成超低噪声结果。
三角积分 (δʃ) 集成电路拓扑仍在模数转换器 (adc) 中广泛使用,为过程控制、精密温度测量和称重仪应用提供高分辨率、高集成度和低功耗的解决方案。
关于这种转换器有一个令人费解的事实,它从1位转换开始,理论信噪比 (snr) 为7.78db,相当于5v系统中存在2v (vrms) 噪声。在此基础之上,该adc可发展为真正的24位三角积分转换器,提供146db的理论snr,相当于5v系统中存在244nv的rms噪声。
分辨率能够从1位跃升至24位,主要依赖过采样算法、噪声整形调制器和数字滤波器来降低量化噪声并提高snr。通过改用放大器输入级馈入12位或16位逐次逼近寄存器(sar) adc,这种方法可以规避δʃ转换器的复杂性及其相关的噪声。此设计路径行之有效,但需要在印刷电路板上使用更多的集成电路并增加bom成本。
有一种更好的方法可以解决噪声问题:利用超低噪声δʃ adc,该问题可以迎刃而解。
本文将简要讨论低噪声目标应用以及如何在内部设计δʃ adc来满足这一要求。然后介绍texas instruments的两款δʃ adc,其中一款强调24位精度,另一款强调32位精度,同时还将说明如何利用这两款产品中强大的数字滤波功能。
δʃ adc的适用场景
从模拟的角度来看,工程师在测量温度、压力、测压元件和光学传感器的输出时,需要不同的精度。从根本上讲,放大器增强了设计人员量化这类较小模拟量(多数情况下接近于 dc)的能力。渐进式数字化带来了视角和功能上的变化,同时增强了存储和修改传感器信号的能力。
为实现数字捕获,典型的传感器信号路径始于传感器,经过增益、多路复用和滤波器级,然后到达adc(图1a)。
图1a中的转换器是一个sar adc,可以执行12位到18位转换,并且能以高达10兆次采样/秒 (msps) 的转换速率运行。16位转换器可提供216,即65,536个段。在5v系统中,最低有效位(lsb) 为5v/216298,即76.3μv,理论snr等于98db。通过在sar转换器之前执行模拟增益,可以实现更高的精细度。
δʃ信号链(图1b)利用单个转换器提高了信号链的分辨率,同时也降低了bom成本。δʃ adc可提供16位到32位转换。在此信号链中,24位δʃ adc可提供224,即16,777,216个段。因此,在5v系统中,lsb为5v/224,即298nv,理论snr等于146db。此分辨率水平为转换器提供了更加接近传感器能力的精细度。
由于内部数字滤波器需要时间来实现滤波计算,因此24位δʃ adc的速度较慢。该转换器的典型输出数据速率范围为几赫兹至1msps。请注意,模拟滤波器现在采用的是便宜的一阶电阻电容 (rc) 滤波器,而不是复杂的三重运算放大器五阶模拟滤波器。
这两种方法的噪声之间区别很明显:δʃ adc的低噪声性能优于saradc(表1)。
* 备注:snr = 6.02n + 1.76,其中n是位数
在温度、压力和测压元件这类传感器解决方案中,若不太注重速度规格,但精度至关重要,那么δʃ adc可提供出色的解决方案。该adc可通过使用数字而不是模拟降噪技术,实现低至上述小电压值的转换。
δʃ adc的内部构造
δʃ adc的内部80%为数字构造。通常,转换器接收输入信号,并立即将该模拟信号转换为数字信号。然后,转换器将该数字信号与后续的调制器转换合并到一个数字滤波器级,在该滤波器级中,累加的1位信号变为多位。接下来,转换器通过数字输出级,以串行方式将最终的多位转换发送到等待的微控制器。
模拟信号首先通过外部的一阶抗混叠滤波器 (aaf)。然后,噪声整形 (ns)调制器获取模拟信号,并以转换器的时钟速率生成1位信号流进入数字滤波器(图2)。
图2:典型δʃ使模拟信号通过一阶aaf,使用ns调制器生成1位信号流,然后在连接到微控制器的数字输出端产生一个多位结果。(图片来源:cmos:mixed-signal circuit design,2nd edition,j. baker,isbn 978-0-470-29026-2)
数字滤波器按时钟输入1位信号流中的多个代码,并在数字滤波器中创建完整的多位结果。这些多位结果将通过数字输出进行串行传输。
δʃ调制器
积分器/反馈回路的数量决定了δʃ调制器的阶数。一阶δʃ adc调制器只有一个积分器和反馈环路(图3)。
图3:一阶调制器具有一个模拟积分器以及1位adc和反馈回路中的dac。vqe(z) 是量化adc噪声。(图片来源:cmos: mixed-signalcircuit design,2nd edition,j.baker,isbn 978-0-470-29026-2)
在图3中,模拟信号 (vin(z)) 进入调制器的delta(δ) 部分。然后,模拟信号经过积分器级或sigma (ʃ) 级到达一个1位adc(根据图2,采样率为fs),该adc可以是比较器。现在,这一经过时钟数字化处理的信号反馈到1位数模转换器 (dac),同时继续前往δ级的vout(z)。1位dac提供了一个需要从模拟输入信号vin(z) 中扣减的模拟电压。该一阶调制器的传递函数为:
公式1
由于存在积分器和反馈回路,调制器在本身的数字输出数据流上实现了噪声整形算法(图4)。
图4:在位于δʃ调制器输出端的噪声整形函数中,噪声传递函数 (ntf) 等于1-z-1,其中0.5归一化频率等于fs/2。(图片来源:understanding delta-sigma data converters, schreier,temes,isbn 0-471-46585-2)
在图4中,噪声整形特性是降低转换1位量化噪声的第一步。随着噪声成功推至更高频率,由一个低通数字滤波器完成了降噪过程。
高阶调制器包含更多积分器和反馈回路。例如,三阶调制器具有三个积分器和三个反馈回路。噪声整形函数通过降低dc附近的噪声并增加整形噪声,随调制器阶数的变化而变化。
高阶调制器以增加硅硬件、降低稳定性和信号范围为代价,提供了更高的性能。
δʃ数字滤波器
δʃ adc在运行时采用了过采样 (os)。过采样是调制器采样率 (fs) 与adc输出数据速率 (fd) 之比,如公式2所示:
公式2
过采样通过使用低通数字滤波器,以数字方式限制经过噪声整形的数据的带宽,来改善δʃ adc的噪声。
在δʃ adc中,两个常用的数字滤波器是sin(pf)/pf(sinc) 和线性相位有限冲激响应 (fir) 滤波器。在texasinstruments的ads1235 24位δʃ adc、ads1262和ads1263 32位δʃ adc(其中ads1263集成了一个适用于背景测量的24位辅助δʃ adc)中,数字滤波器实现提供了以下选择:专门使用sinc滤波器,或使用sinc滤波器后跟fir滤波器的组合(图5)。
图5:ads1235 24位δʃ adc可以专门使用sinc滤波器,或使用sinc滤波器后跟fir滤波器的组合。(图片来源:texasinstruments)
在图5中,sinc(表示“sinc”)滤波器是低通数字滤波器。sinc 滤波器的输出 (w(n)) 可使用公式3计算:
公式3
z域传递函数为:
公式4
频率响应为:
公式5
在图5中,sincn等同于串联n个相同的sinc滤波器。sinc滤波器的幅度与频率响应图形具有梳状外观(图6)。
图6:在每秒2400次采样 (sps) 的ads1262/63中,多个sinc数字滤波器产生了梳状频率响应;其中sinc2等效于串联两个相同的sinc滤波器,sinc3等效于串联三个相同的sinc滤波器,依此类推。(图片来源:texas instruments)
在图6中,峰值和零点是sinc滤波器响应的特征。频率响应零点出现在f(hz) = n ·fd,其中n = 1, 2, 3, 。..。在零频率处,滤波器的增益为零。
sinc滤波器(串联)会增加衰减,导致延时增加。例如,如果在外部时钟速率为7.3728mhz的特定sinc滤波器计算中,产生的输出数据速率为14400sps,则第二个sinc滤波器的输出数据速率为7200sps。
低通fir滤波器是基于系数的滤波器。该滤波器具有50hz和60hz的同时衰减功能,以及2.5sps至20sps数据速率下的谐波功能。fir滤波器数据速率的转换延时相当于一个周期。fir滤波器从sinc滤波器接收经过预滤波的数据,并对数据进行抽取,以产生10sps的输出数据速率(图7)。
图7:在ads1262/63中,fir滤波器可衰减50hz和60hz信号以降低线路频率干扰,并提供一系列靠近这些频率的响应零点。零点在50hz和60hz谐波处重复出现。(图片来源:texas instruments)
fir滤波器会衰减50hz和60hz信号以降低线路频率干扰,并提供一系列靠近这些频率的响应零点。响应零点在50hz和60hz谐波处重复出现。
精密的低噪声δʃ adc
先前提到的texas instruments的ads1235差分输入24位转换器是低噪声δʃ adc的极好例子。
ads1235是一款精密的7200sps δʃ adc,具有三个差分或五个单端输入,以及一个集成式可编程增益放大器 (pga),其增益包括1、64和128。该器件还包括诊断功能,例如pga超量程和参考监视器。该adc为包括称重仪、应变片和电阻式压力传感器在内的高精度设备提供了高精度、零漂移的转换数据(图8)。
图8:具有六通道模拟输入和gpio输入多路复用器的ads123524位δʃ adc方框图。(图片来源:texas instruments)
对于ads1235,影响噪声性能的重要因素包括数据速率、pga增益和斩波模式。数据速率较慢会在数字滤波器中引入转折频率,从而降低噪声。此外,由于在斩波模式下执行的两点数据平均化,与正常操作相比,噪声降低了√2倍。
在低频、2.5sps数据速率和1v/v pga增益条件下,5v系统中的sinc3数字输出的转换器噪声为0.15mvrms(0.3mv峰峰值 (pp)),有效分辨率为24位,无噪声分辨率为24位。该器件的理论和实际snr均为146db。事实上,在这些条件下,稳定的四阶调制器和sinc1至sinc4滤波器均可产生24位有效分辨率,以及24位无噪声分辨率。
ads1235已针对2.5sps数据速率实现了近乎完美的24位转换。此系列中的下一代δʃ adc是texasinstruments的ads1262/63。这些器件之间的主要区别在于ads1262/63改善了低噪声电路,并提供了扩展的32位输出数据寄存器。
ads1262/63具有改进的低噪声cmos pga,其增益包括1、2、4、8、16和32。模拟前端(afe) 非常灵活,包含两个传感器激励电流源,非常适合直接rtd测量(图9)。
图9:具有十通道模拟输入多路复用器的ads1262和ads126332位δʃ adc方框图。ads1263具有第二个片上24位δʃ adc。(图片来源:texas instruments)
与ads1235一样,pga增益、数据速率、数字滤波器模式和斩波模式是影响ads1262/63噪声性能的重要因素。ads1262/63具有32位分辨率,真正展现了低噪声深度功能。
首先,稳定的四阶调制器和sinc1至sinc4滤波器都能实现32位有效分辨率以及24位无噪声分辨率。通过配置低频率、2.5sps数据速率和1v/v pga增益(已旁通),5v系统中的sinc3数字输出的转换器噪声仅为0.08mvrms(0.307mvpp)。该器件以26.9位超越了有效分辨率,以及25位无噪声分辨率。对于此32位系统,理论snr为387db,实际snr等于164db。
24位和32位转换器的噪声之间区别非常明显,其中32位δʃ adc的低噪声性能优于24位 δʃ adc(表2)。
* 备注:snr =6.02n + 1.76,其中n是位数
表2:满量程输入电压5v的adc rms噪声、峰值噪声和snr的比较结果。(数据来源:digi-key electronics)
总结
δʃ adc仍在不断增加功能,持续提升低噪声极限。本文介绍了如何将这种近乎数字化的低噪声adc直接对应到温度、压力和测压元件应用中。在讨论精密型24位δʃ adc和32位δʃ adc的具体细节的同时,概括了实现超精密特性的途径。
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