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Δ-Σ调制型ADC解析
资料介绍
一、基本概念与核心原理
Δ-Σ调制型ADC，也叫 delta-sigma 模数转换器，是一种不同于传统逐次逼近型、流水线型ADC的过采样模数转换器件，它通过Δ-Σ调制技术对模拟信号进行编码，结合数字滤波与抽取处理得到最终的数字输出，是目前中低速高精度ADC领域应用最广泛的架构之一。
传统奈奎斯特型ADC的采样速率刚好满足奈奎斯特采样定理，也就是采样率至少是信号带宽的2倍，量化噪声均匀分布在0到fs/2的整个带宽范围内。而Δ-Σ调制型ADC采用的是过采样技术，采样率fs远高于奈奎斯特采样速率，通常是信号带宽的几十倍甚至上百倍，过采样率用OSR表示：OSR = fs/(2fB)，其中fB是输入信号带宽。
Δ-Σ调制的核心是噪声整形技术，它通过负反馈环路把量化噪声推到信号带宽之外的高频区域，在信号带宽内留下极低的量化噪声，最后通过数字低通滤波器滤除高频的量化噪声，再经过抽取降低采样速率，就能得到高精度的数字输出。
二、核心结构与工作流程
Δ-Σ调制型ADC整体分为两个核心部分：模拟Δ-Σ调制器和数字抽取滤波器。
1. 模拟Δ-Σ调制器
模拟调制器是整个ADC的核心，负责对输入模拟信号进行调制，输出低速的1位（或多位）高速比特流。最基础的是一阶Δ-Σ调制器，结构包含一个差分放大器、一个积分器、一个1位量化器（比较器）和一个1位DAC，形成负反馈环路。
其工作过程大致如下：
1. 输入模拟信号Vin和DAC反馈输出的Vfb送入差分放大器做差，得到差值ΔV = Vin - Vfb；
2. 差值信号送入积分器做积分运算，累计差值的大小；
3. 积分器输出送到1位量化器，量化器根据积分结果输出高低电平，也就是1位的数字比特：如果积分结果大于0输出1，小于0输出0；
4. 输出的比特再送回1位DAC，转换成对应的模拟电平Vfb反馈到输入端，形成闭环调节。
一阶调制器的噪声整形能力是一阶的，量化噪声在信号带宽内的功率和(OSR)³成反比，提高过采样率可以显著降低带内噪声。如果是二阶甚至更高阶的调制器，噪声整形能力更强，带内量化噪声功率和(OSR)^(2L+1)成反比，其中L是调制器阶数，阶数越高，相同过采样率下带内噪声越低，能实现更高的有效位数。
现在也有多位Δ-Σ调制器的设计，量化器不是1位而是多位（比如4位、5位），可以进一步降低量化噪声，提高精度，同时可以降低对过采样率的要求，适合更高带宽的应用。
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