25

№ 10, октябрь 2010 АНАЛОГОВО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

e(mail: ekis@vdmais.kiev.ua

Для преобразования аналоговых сигналов вцифровые в беспроводных системах связи,портативном промышленном и медицинскомоборудовании требуются высокопроизводи-тельные АЦП с разрешением более 10 разря-дов, работающие в широкой полосе частот иимеющие малое энергопотребление. До недав-него времени в качестве таких преобразовате-лей чаще всего использовали конвейерныеАЦП или АЦП поразрядного уравновешива-ния. К недостаткам этих АЦП относятся не-обходимость применения сложного фильтра,ограничивающего спектр сигнала на входе, исравнительно большое энергопотребление.

Сигма-дельта АЦП, работающие с дискрет-ными отсчетами сигналов (Discrete-Time Sigma-Delta – DTSD), также достаточно широко ис-пользуемые в таких системах, тоже требуютприменения фильтра на входе, а их полоса рабо-чих частот, как правило, не превышает 2 МГц.

Эти факторы заставили разработчиков пре-образователей с малой потребляемой мощ-ностью, предназначенных для высокопроизво-дительных портативных систем, использовать

сигма-дельта АЦП, работающие с непрерыв-ными сигналами и чаще всего называемыеАЦП с непрерывным временем преобразова-ния (Continuous-Time Sigma-Delta – CTSD).Хотя АЦП такого типа известны давно [1], винтегральном исполнении их стали выпускатьтолько с 2008 года. Первыми компаниями, на-ладившими их промышленный выпуск, сталиNational Semiconductor (одноканальныйADC12EU050) и Analog Devices (одноканаль-ный AD9261 и двухканальный AD9262).

Для того, чтобы АЦП мог работать с широ-кополосными сигналами, необходимо обеспе-чить высокую частоту дискретизации, а дляуменьшения интермодуляционных искаже-ний, вызванных эффектом наложения спек-тров (aliasing) при дискретизации, необходимона входе преобразователя установить фильтр,ограничивающий полосу частот входного сиг-нала.

При дискретизации сигнала спектр исход-ного сигнала периодизируется [1, 2] и для ис-ключения перекрытия спектров дискретизи-рованного и аналогового сигналов (рис. 1) диа-

HIGH-SPEED SIGMA-DELTA ANALOGUE-TO-DIGITAL CONVERTERS

FOR COMMUNICATION SYSTEMS

I n article the short description of principles of constructionand characteristics of high-speed sigma-delta analogue-to-

digital converters with continuous time of the transformation(CTSD) produced by Analog Devices company are given.

V. Makarenko

В статье дано краткоеописание принципов

построения и характери-стик быстродействую-щих сигма-дельта АЦП с непре-рывным временем преобразова-ния, выпускаемых компаниейAnalog Devices.

В. Макаренко

БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЕ СИГМА-ДЕЛЬТА АЦПДЛЯ СИСТЕМ СВЯЗИ

Аbstract –

Рис. 1. Спектры входного и дискретизированного сигналов

26

пазон частот входного сигнала необходимоограничить. Область перекрытия спектров нарис. 1 выделена розовым цветом. На частотеНайквиста (f

н), равной половине частоты дис-

кретизации (fд), необходимо обеспечить зату-

хание аналогового сигнала, равное или боль-шее, чем динамический диапазон АЦП. Дляэтого чаще всего используются фильтры ниж-них частот (ФНЧ) с частотой среза, равнойверхней частоте (f

в) спектра аналогового сиг-

нала.Чтобы упростить конструкцию фильтра,

нужно увеличить частоту дискретизации в не-сколько раз в сравнении с минимальной, опре-деляемой теоремой Котельникова f

д≥ 2f

в.

К тому же, чтобы входной сигнал не вызывалперегрузки сигма-дельта модулятора по кру-тизне, значение f

нтоже должно быть выбрано

значительно больше верхней частоты сигнала.Такой выбор частоты дискретизации получилназвание передискретизации, а отношениеf

мод/f

д=К – коэффициента передискретизации.

В этом отношении fмод

– значение повышеннойчастоты дискретизации.

Другой положительный эффект пере-дискретизации состоит в том, что ошибкиамплитудного квантования (шум дробле-ния), распределенные по всему спектруквантуемого сигнала, при повышении ча-стоты дискретизации распределяются в бо-лее широкой полосе частот, так что на долюосновного сигнала приходится меньшаямощность шума. Каждое удвоение частотыдискретизации снижает уровень шума кван-тования на 3 дБ.

Сформированную на выходе модуляторадвоичную последовательность необходимопреобразовать в двоичный код заданной раз-рядности (меньшей, чем в полученной при пе-редискретизации выборке). Простейший спо-соб – использовать счетчик фиксированнойразрядности М и передавать на выход АЦПтолько один из 2М отсчетов [3].

Операция сокращения числа отсчетов(прореживания выборки) называется децима-цией. В реальных сигма-дельта АЦП вместодвоичных счетчиков используют цифровыефильтры-дециматоры нижних частот с конеч-ной импульсной характеристикой (КИХ-фильтры). Как правило, передаточная функ-ция таких фильтров (в частотной области)

имеет вид [3]

где D – коэффициент децимации, равныйf

мод/f

д.

Коэффициенты передискретизации К и де-цимации D однозначно связаны, однако в ре-альных АЦП программируемым (изменяе-мым) параметром является только коэффици-ент децимации D при фиксированном значе-нии тактовой частоты модулятора f

мод.

Спектры входного и дискретизированногосигналов при использовании передискретиза-ции показаны на рис. 2. Как видно из рисунка,крутизна спада АЧХ входного ФНЧ благодаряразнесению в частотной области верхней ча-стоты входного сигнала и частоты Найквистаможет быть уменьшена в К раз, что позволяетзначительно упростить этот фильтр.

Прежде, чем рассматривать преимуществаCTSD АЦП, необходимо представить себе ос-новные отличия преобразователей с DTSD- иCTSD-архитектурой. На рис. 3 приведеныупрощенные структурные схемы [4] сигма-дельта модуляторов, являющихся основойэтих видов АЦП, содержащих кроме модуля-тора выходной цифровой фильтр.

В схеме рис. 3, а ФНЧ, ограничивающийспектр входного сигнала, является внешнимустройством. Работа этой схемы основана навычитании из входного дискретизированногосигнала напряжения, формируемого на выхо-де ЦАП. Полученная разность напряженийинтегрируется, а затем преобразуется в код па-раллельным АЦП малой разрядности (от 1 до 9разрядов). В простейшем случае, показанномна рисунке, выходной одноразрядный код фор-

АНАЛОГОВО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ № 10, октябрь 2010

www.ekis.kiev.ua

Рис. 2. Спектры входного и дискретизированного сигналов

при использовании передискретизации

27

мируется с помощью квантователя, в качествекоторого используется компаратор. Выходнойкод преобразуется с помощью ЦАП в последо-вательность прямоугольных импульсов фикси-рованной длительности и амплитуды, которыеподаются на инвертирующий вход сумматора.Если сигнал на входе модулятора превыситзначение предыдущего отсчета на некотороепорогового значение, он кодируется 1, еслиуменьшится – 0. Такая обработка требует до-статочно больших значений частоты дискрети-зации, как правило, в 20-40 раз больше шири-ны полосы, занимаемой сигналом [3], во избе-жание искажений при быстром изменении ам-плитуды входного сигнала.

Порядок модулятора определяется числоминтеграторов и сумматоров в его схеме. Сигма-дельта модуляторы N-го порядка содержат Nсумматоров и N интеграторов и обеспечиваютбольшее отношение сигнал/шум, чем модуля-торы первого порядка, при той же частоте от-счетов. Примером сигма-дельта модуляторавысокого порядка является ИМС AD7720 – од-ноканальный сигма-дельта модулятор седьмо-го порядка, выпускаемый компанией AnalogDevices.

В модуляторе с CTSD-архитектурой (рис. 3, б)на вход сумматора подается аналоговый сиг-нал, из которого вычитается сигнал обратнойсвязи. Это дает возможность включить анало-говый ФНЧ, ограничивающий спектр сигнала,между выходом сумматора и входом интегра-тора. Так как частота дискретизации выбира-ется в несколько десятков раз выше минималь-ной, необходимой по теореме Котельникова, тоФНЧ получается простым и может быть реали-

зован с составе ИМС АЦП. Разностный сигналинтегрируется, квантуется по уровню (пре-образуется в параллельный код) и дискретизи-руется. Сигнал обратной связи формируется спомощью ЦАП.

По сравнению с модулятором, построен-ным по DTSD-архитектуре, в модуляторах сCTSD-архитектурой благодаря наличию ана-логового фильтра между выходом сумматораи входом интегратора значительно сниженыуровни комбинационных искажений высшихпорядков, вызванные эффектом наложенияспектров входного и дискретизированногосигналов. Кроме того, благодаря высокой ча-стоте дискретизации значительно уменьшает-ся время преобразования и отпадает необхо-димость в использовании устройства выбор-ки-хранения, которое зачастую требуется дляэффективной работы модулятора с DTSD-ар-хитектурой.

Рассмотрим структурную схему двухка-нального сигма-дельта АЦП AD9262 (рис. 4),выпускаемого компанией Analog Devices [5].

В состав АЦП входит сигма-дельта модуля-тор (CT Σ–Δ модулятор), реализованный поструктурной схеме, показанной на рис. 3, б.Для ограничения спектра входного сигнала ис-пользуется ФНЧ пятого порядка. Квантова-тель обеспечивает 9 уровней квантования.Дискретизация входного сигнала осущест -вляется с максимальной частотой f

мод=640 МГц,

что обеспечивает коэффициент передискрети-зации, равный 32, для сигнала с верхней ча-стотой 10 МГц. Верхняя частота входного сиг-нала определяется простым соотношениемf

в=f

мод/64.

Сигналы управления дискретизатором(c частотой f

мод), цифровым фильтром и пре-

образователем частоты дискретизации форми-руются встроенным синтезатором, построен-ным на основе системы ФАПЧ. Синтезатор со-держит встроенный генератор, управляемыйнапряжением (ГУН). Парафазный сигналопорной частоты подается на вход синтезаторасо входов CLK+ и CLK– через встроенныйдрайвер. Если отсутствует источник парафаз-ного сигнала тактовой частоты, можно исполь-зовать схему подключения однофазного сигна-ла, приведенную на рис. 5.

Для подключения LVPECL-логики в [4] ре-комендуется использовать драйверы серии

№ 10, октябрь 2010 АНАЛОГОВО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

e(mail: ekis@vdmais.kiev.ua

Рис. 3. Упрощенные структурные схемысигма-дельта модуляторов с DTSD- (а)

и CTSD-архитектурой (б)

28

AD951x. Подробнее о способах согласованиясхем дифференциальной логики различныхтипов можно узнать в [6].

Встроенный источник опорного напряже-ния обеспечивает стабилизацию режима ра-боты АЦП по постоянному току. Для мини-мизации уровня шумов между выводом VREFи общим проводом рекомендуется включатьконденсатор емкостью 10 мкФ. При использо-вании внешнего источника опорного напря-жения (например, ADR130B) внутренний ис-точник отключается программно через после-довательный интерфейс.

Цифровой фильтр осуществляет фильтра-цию и децимацию сигнала, формируемого навыходе сигма-дельта модулятора. В ИМС пре -дусмотрена возможность переключения полосыпропускания фильтра: 10, 5 и 2.5 МГц. На вы-ходе фильтра частота выборок понижается с640 до 40 МГц. Параметры фильтра программи-руются через последовательный интерфейс [5].

Преобразователь частоты дискретизации(Sample Rate Converter) позволяет привести всоответствие частоту отсчетов на выходе циф-рового фильтра с параметрами узла, прини-мающего цифровой поток данных, формируе-мый AD9262. Для этого в преобразователе осу-ществляется интерполяция и повторная дис-кретизация с требуемой частотой. Диапазонскоростей цифрового потока на выходе пре-образователя частоты от 20 до 168 Мбит/с. Нарис. 6 показана частотная характеристикацифрового фильтра при полосе пропускания10 МГц и скорости выходного потока на выхо-де преобразователя частоты 160 Мбит/с.

АНАЛОГОВО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ № 10, октябрь 2010

www.ekis.kiev.ua

Рис. 4. Структурная схема двухканального сигма-дельта АЦП с архитектурой CTSD

Рис. 5. Схема подключения однофазного генератора тактовых сигналов к AD9262

Рис. 6. Частотная характеристика цифрового фильтра при установленной

полосе пропускания 10 МГци скорости выходного потока 160 Мбит/с

29

В приемниках прямого преобразования илив других системах с квадратурной модуляциейнесовпадение амплитуд и фаз действительной имнимой частей квадратурных сигналов приво-дит к смещению спектра в область отрицатель-ных частот, т.е. к развороту спектра. Это экви-валентно появлению интермодуляционных со-ставляющих в низкочастотной области спек-тра. Еще более опасно это явление для системсвязи со многими несущими, т.к. может приве-сти к возникновению интерференции сигналовмежду каналами с различными несущими. Дляисключения этого необходимо, чтобы в обоихканалах АЦП запаздывание фазы и коэффици-ент усиления были одинаковыми. Для поддер-жания усиления и фазового сдвига в заданныхпределах предназначена схема контроля и кор-рекции квадратурной ошибки. В схеме анали-зируются фазовые и амплитудные соотноше-ния составляющих I и Q квадратурного сигна-ла и вводится необходимая коррекция коэффи-циента усиления и фазового сдвига.

Корректор постоянной составляющей предна-значен для компенсации сдвига постоянных со-ставляющих квадратурного сигнала. Если в при-емниках прямого преобразования постоянныесоставляющие квадратурных сигналов различ-ны, то это приводит к появлению постоянной со-ставляющей на выходе преобразователя частотылибо к возникновению низкочастотных флук-туаций, если уровни постоянных составляющихизменяются во времени. В системах связи илиустройствах, в которых наличие фазовых и ам-плитудных рассогласований сигналов в разныхканалах и разных постоянных составляющих вэтих сигналах неопасны, системы коррекции мо-гут быть отключены программно.

Выходные сигналы АЦП формируются ввиде 16-разрядного двоичного кода (выводыD0…D15) и сигнала синхронизации с тактовойчастотой (вывод DCO – Digital Clock Output).Выходной сигнал может формироваться вуровнях логики с напряжением питания 3.3 Вили 1.8 В. На вывод питания DRVDD необхо-димо подавать соответствующее напряжениепитания – 3.3 или 1.8 В.

Для согласования АЦП с источником одно-фазного сигнала рекомендуется [5] использо-вать ИМС типа ADA4937-2 –сдвоенный диффе-ренциальный драйвер для АЦП, как показанона рис. 7.

Основные параметры АЦП AD9262:• разрешающая способность 16 бит

• отсутствие пропусков кода

• отношение сигнал/шум 83 дБ на частотевходного сигнала 10 МГц

• динамический диапазон, свободный от па-разитных компонент (SFDR), 87 дБ на ча-стоте входного сигнала 10 МГц

• входное сопротивление 1 кОм

• потребляемая мощность 600 мВт, в энерго-сберегающем режиме – 10 мВт, в спящемрежиме – 3 мВт

• напряжение питания аналоговой части –1.8 В, выходных каскадов цифровой части1.8 или 3.3 В

• переключаемая полоса частот обрабатывае-мого сигнала 10, 5 или 2.5 МГц

• диапазон изменения скорости выходногопотока данных 30…160 Мбит/с

• диапазон рабочих температур от -40 до 85 °С

• интегрированные в ИМС ЦАП, схема кор-рекции амплитуды и фазы квадратурныхсоставляющих сигнала, синтезатор часто-ты для формирования тактового сигнала,источник опорного напряжения

• последовательный интерфейс управления SPI.Более подробно с информацией об особенно-

стях работы отдельных узлов AD9262 и его па-раметрами можно ознакомиться в [5].

На рис. 8, 9 приведены зависимости спек-тра и динамического диапазона выходного сиг-нала AD9262 от параметров входного сигнала.

Как видно из этих рисунков, шумовые и дис-кретные составляющие спектра спадают с высо-кой скоростью на 20 дБ на частотах, превышаю-щих 2.5 МГц. Это объясняется тем, что встроен-

№ 10, октябрь 2010 АНАЛОГОВО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

e(mail: ekis@vdmais.kiev.ua

Рис. 7. Схема согласования АЦП AD9262 с источником однофазного сигнала

30

ный цифровой фильтр АЦП в этом режиме имеетчастоту среза 2.5 МГц. Графики зависимостейспектра сигнала и динамического диапазона придругих параметрах входного сигнала и другой по-лосе пропускания фильтра можно найти в [5].

Подводя итоги, можно отметить, что благо-даря высокой частоте преобразования, боль-шому отношению сигнал/шум и сравнительномалой потребляемой мощности (практическивдвое меньшей, чем в обычных АЦП с анало-гичным динамическим диапазоном) CTSDАЦП AD9261 и AD9262 могут найти примене-ние в системах цифровой радиосвязи, работаю-щих в различных стандартах. Помимо средстврадиосвязи и телекоммуникаций новые АЦПмогут использоваться в медицинском, измери-тельном и промышленном оборудовании, атакже в системах телеметрии.

ЛИТЕРАТУРА1. Стил Р. Принципы дельта-модуляции:

Пер. с англ. / Под ред. В.В. Маркова. – М.:Связь, 1979. – 368 с.

2. Игнатьев Н.К. Дискретизация и ее при-ложения. – М.: Связь, 1980. – 264 с.

3. Шахнович И. Сигма Дельта АЦП: Архи-тектура, принципы, компоненты // Электро-ника НТБ, выпуск № 4, 2006 г.

4. Chabrak Karim. System Simulation of theAnalog and Digital Front-End for ReconfigurableMulti-Standard Wireless Receivers // Als Disser-tation genehmigt von der Technischen Fakultatder Universitat Erlangen-Nurnberg, April 2006.

5. http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD9262.pdf.

6. http://www.kit-e.ru/articles/plis/2004_1_56.php.

АНАЛОГОВО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ № 10, октябрь 2010

www.ekis.kiev.ua

Рис. 8. Спектр выходного сигнала (а) и зависимость отношения сигнал/шум от амплитудывходного сигнала (б) AD9262 при частоте входного сигнала 600 кГц в полосе 2.5 МГц

Примечания:* дБпш – дБ от полной шкалы (dBFS – dB Full Scale).

** SNR – отношение сигнал/шум.*** SFDR – динамический диапазон, свободный от паразитных компонент.

Рис. 9. Спектр выходного сигнала (а) и зависимость отношения сигнал/шум от амплитудывходного сигнала (б) AD9262 при частоте входного сигнала 2.4 МГц в полосе 2.5 МГц

а) б)

а) б)