連續時間Ｓｉｇｍａ－Ｄｅｌｔａ模／數轉換器（下）

連續時間∑△調制器

第一枚獲業界公認的∑△調制器誕生于1962年，而它事實上是采用了CT電路。此后，利用CT電路來實現∑△調制器便愈來愈普遍，但當開關電容器(SC)電路面世后，大部分的∑△調制器都改以DT環路濾波器來實現。SC電路之所以受歡迎，原因是它不會受信號波形特性的影響。此外，SC積分器的時間常數可隨著采樣頻率而調整，從而提高系統的靈活性。可是，其后CT∑△調制器又因其某些優點而重新受到注視，例如是它采用較低功耗的積分放大器，以及內置有采樣輸入模／數轉換器沒有的抗混疊濾波功能。

CT∑△模／數轉換器與流水線和DT∑△模／數轉換器之類的采樣式輸入模／數轉換器有兩個主要的區別：

·CT∑△調制器采用的是CT積分器而不是DT積分器或電路。因此比起SC電路，CT∑△調制器更能應用連續時間電路，通常是RC或C/gm積分器。

·CT∑△調制器的采樣工作是發生在量化器之前的前置環路濾波器的輸出。相反，采樣式輸入模／數轉換器的采樣工作是發生在模／數轉換器的輸入。

CT∑△模／數轉換器和采樣輸入模／數轉換器之間的區別帶來了性能方面的差別。比較突出的一點在于CT∑△模／數轉換器能夠在較低的電源下工作，包括有效的抗混疊濾波和比較寧靜的輸入級。所有這些CT∑△技術的優點都已顯示在美國國家半導體新推出的ADC12EU050中，稍候本文將對此詳述。

CT∑△模／數轉換器的挑戰

流水線模／數轉換器需要犧牲某些設計特性來保證高速率，同樣地，模／數轉換器設計人員要利用CT∑△的優勢也要面臨一些設計挑戰。一個采樣輸入SC模／數轉換器的采樣頻率范圍比較寬，通常可在接近零到其最高速率的采樣頻率范圍內工作。可是，CT∑△的動態范圍是由RC或其組件積分器的C/gm積所決定，因此積分器的時間常數必須能夠調節以容納不同的工藝。此外，環路的動態范圍不會因應采樣頻率而改變，限制了可容許的采樣率工作范圍。

∑△轉換器的輸入帶寬亦會限制在模／數轉換器的第一個奈奎斯特頻帶內。在一個奈奎斯特率模／數轉換器中，全速的采樣會發生在系統的輸入處，而輸入帶寬可以是轉換器奈奎斯特率的好幾倍，以容許進行IF采樣。相反地，由于∑△模／數轉換器具備有低通抽取濾波器，所有在第一個奈奎斯特區以外的信號將會從輸出頻譜上移除。此外，雖然一個DT∑△可容許信號于其環路采樣率Mfs附近在帶內倍減，但CT∑△模／數轉換器內的固有抗混疊濾波功能會阻止這情況發生。因此，輸入信號必須混入到第一個奈奎斯特區中，以待CT∑△模／數轉換器將它們數字化。

最后，由于其過采樣的關系，故此CT∑△模／數轉換器的輸出率會即時被限制在100MSPS以下，但流水線模／數轉換器則可達到500MSPS或以上。事實上，假如采用同樣的技術，奈奎斯特率轉換器的工作速度通常都會比∑△模／數轉換器的快，原因是∑△設計必須要有過采樣。

幸而，在高分辨率應用中，CT∑△技術的優點足以彌補其低于100MSPS采樣率這一缺點。以下將會集中討論美國國家半導體的CT∑△模／數轉換器，并且將說明它相比于流水線和DT∑△采樣輸入模／數轉換器的性能優勢。

美國國家半導體的CT∑△模／數轉換器的優點

美國國家半導體新推出的ADC12EU050是現今業內第一個可準備投產的CT∑△模／數轉換器。該產品之所以能提供更佳的性能，不單只因為它具備有采樣輸入模／數轉換器沒有的CT∑△技術，而且還有賴于在芯片上集成的額外電路。

低功率

對于高分辨率和100MSPS以下的應用，CT∑△架構的主要優勢是其采樣輸入模／數轉換器的低功耗。一個通常用來衡量模／數轉換器性能的方法是能量品質因素(FOM)，它一般測量模／數轉換器的整體功耗相對于其輸出分辨率和帶寬的比例。憑借CT∑△技術帶來的先天高效率，ADC12EU050可在超低功耗下提供高性能，顯示出上佳的FOM值。

CT∑△技術之所以能帶來低功率優勢，全靠其內部的電路。在流水線和傳統的DT∑△模／數轉換器在內的任何采樣輸入SC電路中，其內部放大器必須能在某即定分辨率的一個周期內穩定下來，這種要求對內部放大器的速度做成明顯的限制，如此一來就增加功耗并局限了轉換器所能達到的最大采樣率。

在配備有CT反饋的CT∑△模／數轉換器中，由于放大器的輸出永遠不會即時開關其輸出電壓，因此沒有必要穩定輸出，從而可放寬放大器在速度上的限制。雖然很難進行一個絕對V的比較，但采樣輸入模／數轉換器的SC天性使得它比起CTZA更需要使用較高速度的放大器，因此其功耗比起流水線或DT∑△模／數轉換器的更大。此外，CT∑△模／數轉換器并不要求迅速穩定下來，這也使它在相同的技術下，比起傳統的CT∑△模／數轉換器的采樣率更高。

對于任何系統尤其是便攜設備來說，低功耗和高能源效率的操作都是極之重要的，因為降低功耗可以延長電池的壽命和減輕散發出來的熱量。手持超聲波醫療系統等應用尤其看重這一點。ADC12EU050采用1.2V電源，非常適合應用在單電池供電的系統中。

抗混疊濾波

CT∑△模／數轉換器架構消除了對輸入濾波的嚴格要求，原因是它已具備有天生的抗混疊濾波能力。在ADC12EU050中，很多的抗混疊濾波器性能特性都建基于數字技術上，因而產生出很高的通帶平整度和很陡斜的滾降(高度有效的階級)。

CT∑△的抗混疊性在于同時采用了∑△調制器和CT電路。對于任何類型的∑△模／數轉換器來說(CT或DT)，過采樣和其后對調制器輸出的抽取濾波均須使用一個非常陡斜的滾降低通濾波器，其中斷頻率要是模／數轉換器輸出率的二分一。相反，一個沒有過采樣的奈奎斯特率模／數轉換器則必須在模／數轉換器之前加入一個高階的外部低通濾波器，以防止有與輸出采樣率倍數相近的信號混疊在頻帶內。關于這點，我們在上文中已討論過流水線模／數轉換器的輸入濾波和采樣時鐘要求。

然而，除了上述的∑△架構先天優點外，CT電路還有一個優點遠勝DT∑△模／數轉換器。由于CT∑△模／數轉換器是于前置環路濾波器的輸出處采樣，因此信號會于被采樣前首先被環路的低通濾波器過濾，這便衰減了那些在調制器環路采樣率(Mfs)附近并有可能混疊到頻帶內的信號。再者，由于這些混疊信號之后會在內部量化器的輸入處被注入，噪聲被環路的整形方或會與量化噪聲的整形方式相同。這兩種現象促使CT∑△除了在過采樣和數字濾波能力上優于流水線設計外，它還能提供比DTEA更佳的抗混疊濾波能力。圖4總結出CT∑△模／數轉換器與流水線模／數轉換器在抗混疊陛能上的比較。

干擾混疊、噪聲混疊、流水線(要求有外部抗混疊濾波器)、頻率、混疊增加帶內噪聲和干擾、磚墻濾波器消除混疊、包括抗混疊濾波器、頻率

這高效的先天抗混疊濾波能力大大降低或甚至免消除對外加抗混疊濾波器的要求。

即使如此，CT∑△的抗混疊性能也不應被過份夸大，因為抗混疊的要求是取決于不同的應用，而且它可能同時對設計復雜度、系統大小和成本構成一定的壓力。正如之前討論過，通過將采樣率提升到所需輸入帶寬的兩倍以上，便可放寬流水線或其它奈奎斯特率模／數轉換器對抗混疊的要求，但這會浪費帶寬并降低系統的整體能效。一個模擬抗混疊濾波器設計會存有陡斜的中斷特性，因此要達到一個非常平整的通帶是一項非常艱巨的任務，這要求高階和高插入損耗的濾波器網絡，因而必須增大信號路徑中的增益以補償該損耗。

通過消除采樣輸入模／數轉換器所需的附加過采樣，使得CT∑△能讓系統設計人員使用差不多所有的轉換器奈奎斯特帶寬，從而大大改善電源效率。此外，由于可免除使用昂貴的外加抗混疊濾波器，使得ADC12EU050能降低對模／數轉換器驅動器的需求，進一步簡化了系統設計的復雜性和降低整體的成本和功耗。

低噪聲并易于驅動的輸入

CT∑△模／數轉換器的輸入噪音比采樣輸入模，數轉換器的輸入噪音更低，這主要歸功于內置電路的CT。在一個流水線或傳統的DT∑△采樣輸入模／數轉換器中，其輸入級均包含有一個通常較大的開關電容器，以用來削減模／數轉換器的整體熱噪聲。驅動這個大的開關電容器并不容易，尤其對DT∑△模／數轉換器來說，因為它們的調制器是以輸出數據率的幾倍速度來進行采樣。此外，來自這些輸入的較大開關噪聲可以耦合到系統，導致系統的整體性能下降。另外，可以施加到開關電容輸入的輸入電壓也會因輸入的采樣開關之柵極源級電壓而受到限制。與SC采樣輸入相反，CT∑△技術可展現出一個穩定的電阻性輸入，正如圖5中所示。

由于CT∑△的輸入沒有被采樣，所以無需使用開關電容器，而且輸入也比較容量驅動，因此可使用較經濟的較低功耗驅動電路。此外，沒有了輸入開關損耗可減少耦合到系統的噪聲，改善系統的整體性能。最后，在輸入處沒有任何的開關便不會對輸入電壓的擺幅造成限制，使得輸入電壓范圍能夠比SC采樣輸入模／數轉換器的來得更高，而真實上，這輸入電壓有時甚至可超越電源軌。

低抖動鎖相環路可提供精確的采樣時鐘

一個低抖動的采樣時鐘對于所有高速和高分辨率的數據轉換系統來說都是非常重要，因為必須依靠它才能用盡模／數轉換器的最高分辨率。美國國家半導體的ADC12EU050中的調制器過采樣時鐘負責驅動其內部∑△環路的量化器。這時鐘是由一個片上時鐘調整器所提供，其包含有一個鎖相環路(PLL)和壓控振蕩器(VCO)。這個高性能的PLL使用一個片上的LC調節電路來創建一個高Q值的諧振器。這個片上時鐘電路將頻率倍增并為調制器環路提供低抖動的采樣邊沿，以便CT∑△模／數轉換器能在無需高性能和高成本的外置時鐘源下發揮出其優點。系統設計人員只需在所需的輸出采樣率(40到50MSPS)下提供一個中等品質的低成本晶體，其它的事便可由ADC12EU050的片上時鐘電路來處理。

片上高精度時鐘的另一優點是其可路由到外置電路，并作為一個系統時鐘供給系統其它與時間有關的零件使用，這樣便可節省一個低抖動時鐘源的額外成本，并減輕設計的工作量和節省電路板的空間。

即時過載恢復

由于∑△調制器是一個反饋環路，它們很容易在遇到大輸入信號時發生過載。對于一個典型的∑△調制器來說，這種過載可能需要重置環路，但這卻會使前存儲在環路中的數據流失，并且會導致在模／數轉換器的輸出出現大毛刺。如果不重置環路，其實可讓調制器繼續運作，以容許過載情況自行離開環路，但這可能需要等待幾個時鐘周期，而期間模／數轉換器的輸出數據就有可能被損毀。

ADC12EU050包含有即時過載恢復特性。當這個即時過載恢復(IOR)功能被啟動時，模／數轉換器可在輸入過載的情況下維持信號的完整性，甚至可比流水線模／數轉換器更快地恢復過來。

可隨技術發展而不斷改進

最后，CT∑△技術可隨著未來的技術而不斷改進，以長期確保其在模／數轉換器市場中的地位。正如上文所述，CT∑△的采樣工作是在環路濾波器的輸出處發生，故此可大大降低采樣誤差對性能的影響。相反對于流水線或DT∑△采樣輸入模／數轉換器來說，其采樣工作是發生在模／數轉換器的輸入，因此任何的采樣錯誤都會構成很大的影響。因此，CT∑△模／數轉換器將更加適應未來的CMOS工藝。未來的工藝會帶來更小的過驅、泄漏或其它的效應，這都會影響采樣電路性能的發揮，而采用電路的性能影響對流水線、DT∑△和其它采樣輸入模／數轉換器來說，遠比CT∑△模／數轉換器來得更深遠。

結語

美國國家半導體ADC12EU050模／數轉換器的面世為CT∑△模／數轉換器帶來性能上的大躍進。幾經40余年，美國國家半導體終于率先成功地將CT∑△技術從實驗室轉移到生產線上。ADC12EU050模／數轉換器比起同類的流水線模／數轉換器節省了30％的功率，而且可以以高于現行最快的DT∑△模／數轉換器的輸出率來提供12位的分辨率。

ADC12EU050所采用的CT∑△技術具有優秀的先天抗混疊功能，低噪聲，并且輸入級易于驅動。為了完全發揮CT∑△技術的長處，ADC12EU050還包含有一個片上時鐘調整器，可以避免使用高性能高成本的時鐘。最后，ADC12EU050由于可即時從一個輸入過載事件中恢復，因此不會發生∑△模／數轉換器中常見的輸入過載。

除了ADC12EU050以外，美國國家半導體正開發更多的CT∑△模／數轉換器以供100MSPS以下采樣率的高分辨率應用。隨著CT∑△技術的升級，預料會有愈來愈多的這類模／數轉換器應用領域將越來越廣。美國國家半導體在CT∑△模／數轉換器上的知識積累確保了其在這領域的優勢地位。