【连续时间Ｓｉｇｍａ－Ｄｅｌｔａ模／数转换器（下）】 光模转换器

　　连续时间∑△调制器 　　 　　第一枚获业界公认的∑△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∑△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∑△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CT∑△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。
　　CT∑△模／数转换器与流水线和DT∑△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：
　　・CT∑△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，CT∑△调制器更能应用连续时间电路，通常是RC或C/gm积分器。
　　・CT∑△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。
　　CT∑△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CT∑△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CT∑△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。
　　
　　CT∑△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CT∑△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，CT∑△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。
　　∑△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∑△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DT∑△可容许信号于其环路采样率Mfs附近在带内倍减，但CT∑△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CT∑△模／数转换器将它们数字化。
　　最后，由于其过采样的关系，故此CT∑△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∑△模／数转换器的快，原因是∑△设计必须要有过采样。
　　幸而，在高分辨率应用中，CT∑△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CT∑△模／数转换器，并且将说明它相比于流水线和DT∑△采样输入模／数转换器的性能优势。
　　
　　美国国家半导体的CT∑△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CT∑△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CT∑△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，CT∑△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CT∑△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。
　　CT∑△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DT∑△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CT∑△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V的比较，但采样输入模／数转换器的SC天性使得它比起CTZA更需要使用较高速度的放大器，因此其功耗比起流水线或DT∑△模／数转换器的更大。此外，CT∑△模／数转换器并不要求迅速稳定下来，这也使它在相同的技术下，比起传统的CT∑△模／数转换器的采样率更高。
　　对于任何系统尤其是便携设备来说，低功耗和高能源效率的操作都是极之重要的，因为降低功耗可以延长电池的寿命和减轻散发出来的热量。手持超声波医疗系统等应用尤其看重这一点。ADC12EU050采用1.2V电源，非常适合应用在单电池供电的系统中。
　　
　　抗混叠滤波
　　CT∑△模／数转换器架构消除了对输入滤波的严格要求，原因是它已具备有天生的抗混叠滤波能力。在ADC12EU050中，很多的抗混叠滤波器性能特性都建基于数字技术上，因而产生出很高的通带平整度和很陡斜的滚降(高度有效的阶级)。
　　CT∑△的抗混叠性在于同时采用了∑△调制器和CT电路。对于任何类型的∑△模／数转换器来说(CT或DT)，过采样和其后对调制器输出的抽取滤波均须使用一个非常陡斜的滚降低通滤波器，其中断频率要是模／数转换器输出率的二分一。相反，一个没有过采样的奈奎斯特率模／数转换器则必须在模／数转换器之前加入一个高阶的外部低通滤波器，以防止有与输出采样率倍数相近的信号混叠在频带内。关于这点，我们在上文中已讨论过流水线模／数转换器的输入滤波和采样时钟要求。
　　
　　然而，除了上述的∑△架构先天优点外，CT电路还有一个优点远胜DT∑△模／数转换器。由于CT∑△模／数转换器是于前置环路滤波器的输出处采样，因此信号会于被采样前首先被环路的低通滤波器过滤，这便衰减了那些在调制器环路采样率(Mfs)附近并有可能混叠到频带内的信号。再者，由于这些混叠信号之后会在内部量化器的输入处被注入，噪声被环路的整形方或会与量化噪声的整形方式相同。这两种现象促使CT∑△除了在过采样和数字滤波能力上优于流水线设计外，它还能提供比DTEA更佳的抗混叠滤波能力。图4总结出CT∑△模／数转换器与流水线模／数转换器在抗混叠陛能 上的比较。
　　干扰混叠、噪声混叠、流水线(要求有外部抗混叠滤波器)、频率、混叠增加带内噪声和干扰、砖墙滤波器消除混叠、包括抗混叠滤波器、频率
　　这高效的先天抗混叠滤波能力大大降低或甚至免消除对外加抗混叠滤波器的要求。
　　即使如此，CT∑△的抗混叠性能也不应被过份夸大，因为抗混叠的要求是取决于不同的应用，而且它可能同时对设计复杂度、系统大小和成本构成一定的压力。正如之前讨论过，通过将采样率提升到所需输入带宽的两倍以上，便可放宽流水线或其它奈奎斯特率模／数转换器对抗混叠的要求，但这会浪费带宽并降低系统的整体能效。一个模拟抗混叠滤波器设计会存有陡斜的中断特性，因此要达到一个非常平整的通带是一项非常艰巨的任务，这要求高阶和高插入损耗的滤波器网络，因而必须增大信号路径中的增益以补偿该损耗。
　　通过消除采样输入模／数转换器所需的附加过采样，使得CT∑△能让系统设计人员使用差不多所有的转换器奈奎斯特带宽，从而大大改善电源效率。此外，由于可免除使用昂贵的外加抗混叠滤波器，使得ADC12EU050能降低对模／数转换器驱动器的需求，进一步简化了系统设计的复杂性和降低整体的成本和功耗。
　　
　　低噪声并易于驱动的输入
　　CT∑△模／数转换器的输入噪音比采样输入模，数转换器的输入噪音更低，这主要归功于内置电路的CT。在一个流水线或传统的DT∑△采样输入模／数转换器中，其输入级均包含有一个通常较大的开关电容器，以用来削减模／数转换器的整体热噪声。驱动这个大的开关电容器并不容易，尤其对DT∑△模／数转换器来说，因为它们的调制器是以输出数据率的几倍速度来进行采样。此外，来自这些输入的较大开关噪声可以耦合到系统，导致系统的整体性能下降。另外，可以施加到开关电容输入的输入电压也会因输入的采样开关之栅极源级电压而受到限制。与SC采样输入相反，CT∑△技术可展现出一个稳定的电阻性输入，正如图5中所示。
　　
　　由于CT∑△的输入没有被采样，所以无需使用开关电容器，而且输入也比较容量驱动，因此可使用较经济的较低功耗驱动电路。此外，没有了输入开关损耗可减少耦合到系统的噪声，改善系统的整体性能。最后，在输入处没有任何的开关便不会对输入电压的摆幅造成限制，使得输入电压范围能够比SC采样输入模／数转换器的来得更高，而真实上，这输入电压有时甚至可超越电源轨。
　　
　　低抖动锁相环路可提供精确的采样时钟
　　一个低抖动的采样时钟对于所有高速和高分辨率的数据转换系统来说都是非常重要，因为必须依靠它才能用尽模／数转换器的最高分辨率。美国国家半导体的ADC12EU050中的调制器过采样时钟负责驱动其内部∑△环路的量化器。这时钟是由一个片上时钟调整器所提供，其包含有一个锁相环路(PLL)和压控振荡器(VCO)。这个高性能的PLL使用一个片上的LC调节电路来创建一个高Q值的谐振器。这个片上时钟电路将频率倍增并为调制器环路提供低抖动的采样边沿，以便CT∑△模／数转换器能在无需高性能和高成本的外置时钟源下发挥出其优点。系统设计人员只需在所需的输出采样率(40到50MSPS)下提供一个中等品质的低成本晶体，其它的事便可由ADC12EU050的片上时钟电路来处理。
　　片上高精度时钟的另一优点是其可路由到外置电路，并作为一个系统时钟供给系统其它与时间有关的零件使用，这样便可节省一个低抖动时钟源的额外成本，并减轻设计的工作量和节省电路板的空间。
　　
　　即时过载恢复
　　由于∑△调制器是一个反馈环路，它们很容易在遇到大输入信号时发生过载。对于一个典型的∑△调制器来说，这种过载可能需要重置环路，但这却会使前存储在环路中的数据流失，并且会导致在模／数转换器的输出出现大毛刺。如果不重置环路，其实可让调制器继续运作，以容许过载情况自行离开环路，但这可能需要等待几个时钟周期，而期间模／数转换器的输出数据就有可能被损毁。
　　ADC12EU050包含有即时过载恢复特性。当这个即时过载恢复(IOR)功能被启动时，模／数转换器可在输入过载的情况下维持信号的完整性，甚至可比流水线模／数转换器更快地恢复过来。
　　
　　可随技术发展而不断改进
　　最后，CT∑△技术可随着未来的技术而不断改进，以长期确保其在模／数转换器市场中的地位。正如上文所述，CT∑△的采样工作是在环路滤波器的输出处发生，故此可大大降低采样误差对性能的影响。相反对于流水线或DT∑△采样输入模／数转换器来说，其采样工作是发生在模／数转换器的输入，因此任何的采样错误都会构成很大的影响。因此，CT∑△模／数转换器将更加适应未来的CMOS工艺。未来的工艺会带来更小的过驱、泄漏或其它的效应，这都会影响采样电路性能的发挥，而采用电路的性能影响对流水线、DT∑△和其它采样输入模／数转换器来说，远比CT∑△模／数转换器来得更深远。
　　
　　结语
　　
　　美国国家半导体ADC12EU050模／数转换器的面世为CT∑△模／数转换器带来性能上的大跃进。几经40余年，美国国家半导体终于率先成功地将CT∑△技术从实验室转移到生产线上。ADC12EU050模／数转换器比起同类的流水线模／数转换器节省了30％的功率，而且可以以高于现行最快的DT∑△模／数转换器的输出率来提供12位的分辨率。
　　ADC12EU050所采用的CT∑△技术具有优秀的先天抗混叠功能，低噪声，并且输入级易于驱动。为了完全发挥CT∑△技术的长处，ADC12EU050还包含有一个片上时钟调整器，可以避免使用高性能高成本的时钟。最后，ADC12EU050由于可即时从一个输入过载事件中恢复，因此不会发生∑△模／数转换器中常见的输入过载。
　　除了ADC12EU050以外，美国国家半导体正开发更多的CT∑△模／数转换器以供100MSPS以下采样率的高分辨率应用。随着CT∑△技术的升级，预料会有愈来愈多的这类模／数转换器应用领域将越来越广。美国国家半导体在CT∑△模／数转换器上的知识积累确保了其在这领域的优势地位。