性能最大化ΔΣ 转换器

技术分类: 模拟设计  | 2006-05-16
作者:德州仪器公司 Russell Anderson

       调制器的输出进入数字滤波器,在其中根据滤波器类型或抽样数量对响应进行调整。最终的输出数据速率由以下公式确定:数据速率 = 调制时钟 ÷ 抽样率。

       ADC 的一个优点是把噪声表示为满程 (FS) 信号与真有效值噪声的比率,其表示为有效位数(ENOB)。对于 24 位转换器,我们采用输出代码数量的标准偏差 (s) 可产生以下公式:(公式略)

       求解 ENOB:(公式略)

       ENOB = 24 - log2(s)

       或者,如果以dB为单位测量信噪比 (SNR) 的话,我们可以采用以下公式:

       ENOB = (SNRmeasdB - 1.76dB)/6.02dB

   &

nbsp;   ΔΣ 转换器中常用的滤波器类型是 sinc 滤波器。它们在输出数据速率具有较深的衰减凹槽和多倍该数据速率处,这意味着,60Hz 的数据速率可从测量中有效消除任何 60Hz 的信号,10Hz 的数据速率可同时消除 50Hz 和 60Hz 的信号。

       可以调整输入采样率的频率与输出数据速率的比率。此抽样率直接影响有效位数量 (ENOB)。随着输入采样和输出结果比率的增加,可提高 ENOB,同时有效提高 ADC 分辨率。

 MSC1210 ENOB 与调制抽取率比较

图 3:MSC1210 ENOB 与调制抽取率比较

       某些 ΔΣ 转换器具有固定数据输出速率,其只可以在很小范围内调整,而在另外一些此类转换器中,却允许通过调整调制器时钟速率灵活调整抽样率。在结合使用 8051 微处理器(TI 的 MSC1210 中)情况下,可更灵活控制这些参数的调整,我们可在各种调制时钟和抽样率轻松调整并评估转换器的性能。每条线(参见图 3)代表不同的时钟速率,而线上的点代表抽样率 2020、500、255、50、20 与 10。请注意,ENOB的测量主要由抽取率决定,通过调整调制时钟可改变特定性能水平。正如所料,在最高调制时钟速率时,最高抽样率的ENOB 性能有所降低。

       那么这就产生了这样的问题,如果在不同时钟速率情况下性能差别不大,为什么我们不一直使用最高速率、获得更快的数据转换结果呢?一个原因是,随着时钟速率增加,CMOS电路的功耗会急剧上升。

       如果功耗不成问题的话,就可在较快输出速率时求采样数量的平均值,从而进一步提高性能水平。这在带有 32 位累加器的 MSC1210 中很容易实现,它可在无需处理器干预下设置求 256 个采样的平均值。

       可把 ΔΣ 转换器的模拟输入看作一个开关和电容器。切换频率的等效结果是一个电阻器连续连接到内部电容器,因此,转换器的输入阻抗直接与切换频率相关。对于MSC1210 来说,输入阻抗如下:(公式略)

       如果采样率为15.625 kHz,PGA 为 1,那么,输入阻抗为 5MW。更高的采样率和PGA值会降低该值,为了消除这种影响,许多 ΔΣ 转换器提供一个片上缓冲器。即使采用缓冲器,仍然存在某些阻碍提供高直流精度的输入信号采样。

        许多 ΔΣ 转换器提供片上 PGA,但是,它们并不提供相同或预期的效果。某些高增益结果上只是数字数据的漂移,或者乘以 2,基本上没有什么益处。通过仔细检查数据表即可看出这些事实。如果通过因数 2 提高 PGA 同样可降低 ENOB,就没有实际的净增益,而且只意味着噪声涵盖更多的输出电平。

         某些时候可采用较小的参考电压提高增益,因为参考电压决定 FS 信号范围。把参考电压降低 50% 可使输入信号增益为 2,但是,这种增益提高会导致低参考电压的噪声限制。

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