连续时间Sigma-Delta模/数转换器(下)

连续时间SD调制器

第一枚获业界公认的SD调制器诞生于1962年，而它事实上是采用了CT电路。此后，利用CT电路来实现SD调制器便愈来愈普遍，但当开关电容器(SC)电路面世后，大部分的SD调制器都改以DT环路滤波器来实现。SC电路之所以受欢迎，原因是它不会受信号波形特性的影响。此外，SC积分器的时间常数可随着采样频率而调整，从而提高系统的灵活性。可是，其后CTΣΔ调制器又因其某些优点而重新受到注视，例如是它采用较低功耗的积分放大器，以及内置有采样输入模/数转换器没有的抗混叠滤波功能。

CTΣΔ模/数转换器与流水线和DTSD模/数转换器之类的采样式输入模/数转换器有两个主要的区别：

●CTΣΔ调制器采用的是CT积分器而不是DT积分器或电路。因此比起SC电路，CTΣΔ调制器更能应用连续时间电路，通常是RC或C/gm积分器。

●CTΣΔ调制器的采样工作是发生在量化器之前的前置环路滤波器的输出。相反，采样式输入模/数转换器的采样工作是发生在模/数转换器的输入。

CTΣΔ模/数转换器和采样输入模/数转换器之间的区别带来了性能方面的差别。比较突出的一点在于CTΣΔ模/数转换器能够在较低的电源下工作，包括有效的抗混叠滤波和比较宁静的输入级。所有这些CTΣΔ技术的优点都已显示在美国国家半导体新推出的ADC12EU050中， 稍候本文将对此详述。

CTΣΔ模/数转换器的挑战

流水线模/数转换器需要牺牲某些设计特性来保证高速率，同样地，模/数转换器设计人员要利用CTΣΔ的优势也要面临一些设计挑战。一个采样输入SC模/数转换器的采样频率范围比较宽，通常可在接近零到其最高速率的采样频率范围内工作。可是，CTΣΔ的动态范围是由RC或其组件积分器的C/gm积所决定，因此积分器的时间常数必须能够调节以容纳不同的工艺。此外，环路的动态范围不会因应采样频率而改变，限制了可容许的采样率工作范围。

SD转换器的输入带宽亦会限制在模/数转换器的第一个奈奎斯特频带内。在一个奈奎斯特率模/数转换器中，全速的采样会发生在系统的输入处，而输入带宽可以是转换器奈奎斯特率的好几倍，以容许进行IF采样。相反地，由于SD模/数转换器具备有低通抽取滤波器，所有在第一个奈奎斯特区以外的信号将会从输出频谱上移除。此外，虽然一个DTSD可容许信号于其环路采样率Mfs附近在带内倍减，但CTΣΔ模/数转换器内的固有抗混叠滤波功能会阻止这情况发生。因此，输入信号必须混入到第一个奈奎斯特区中，以待CTΣΔ模/数转换器将它们数字化。

最后，由于其过采样的关系，故此CTΣΔ模/数转换器的输出率会即时被限制在100MSPS以下，但流水线模/数转换器则可达到500MSPS或以上。事实上，假如采用同样的技术，奈奎斯特率转换器的工作速度通常都会比SD模/数转换器的快，原因是SD设计必须要有过采样。

幸而，在高分辨率应用中，CTΣΔ技术的优点足以弥补其低于100MSPS采样率这一缺点。以下将会集中讨论美国国家半导体的CTΣΔ模/数转换器，并且将说明它相比于流水线和DTSD采样输入模/数转换器的性能优势。

美国国家半导体的CTΣΔ模/数转换器的优点

美国国家半导体新推出的ADC12EU050是现今业内第一个可准备投产的CTΣΔ模/数转换器。该产品之所以能提供更佳的性能，不单只因为它具备有采样输入模/数转换器没有的CTΣΔ技术，而且还有赖于在芯片上集成的额外电路。

低功率
　　对于高分辨率和100MSPS以下的应用，CTΣΔ架构的主要优势是其采样输入模/数转换器的低功耗。一个通常用来衡量模/数转换器性能的方法是能量品质因素(FOM)，它一般测量模/数转换器的整体功耗相对于其输出分辨率和带宽的比例。凭借CTΣΔ技术带来的先天高效率，ADC12EU050可在超低功耗下提供高性能，显示出上佳的FOM值。

CTΣΔ技术之所以能带来低功率优势，全靠其内部的电路。在流水线和传统的DTSD模/数转换器在内的任何采样输入SC电路中，其内部放大器必须能在某即定分辨率的一个周期内稳定下来，这种要求对内部放大器的速度做成明显的限制，如此一来就增加功耗并局限了转换器所能达到的最大采样率。

在配备有CT反馈的CTΣΔ模/数转换器中，由于放大器的输出永远不会即时开关其输出电压，因此没有必要稳定输出，从而可放宽放大器在速度上的限制。虽然很难进行一个绝对