2024年4月3日发(作者：微信最新版本电脑版)

∑–△型模数转换器(ADC)

1. 概述

近年来，随着超大规模集成电路制造水平的提高，Σ-Δ型模数转换器正以其分辨率高、

线性度好、成本低等特点得到越来越广泛的应用。Σ-Δ型模数转换器方案早在20世纪60

年代就已经有人提出，然而，直到不久前，在器件商品化生产方面，这种工艺还是行不通

的。今天，随着1微米技术的成熟及更小的CMOS几何尺寸，Σ-Δ结构的模数转换器将会

越来越多地出现在一些特定的应用领域中。特别是在混合信号集成电路(Mixed-signal

ICs，指在单一芯片中集成有模数转换器、数模转换器以及数字信号处理器功能的集成电路

芯片)中。目前，Σ-Δ型模数转换器主要用于高分辨率的中、低频(低至直流)测量和数字音

频电路。用于低频测量的典型芯片有16位分辨的AD7701，24位分辨的AD7731等；用

于高品质数字音频场合的典型芯片有18位分辨率的AD1879等。随着设计和工艺的水平

的提高，目前已经出现了高速Σ-Δ型模数转换器产品。

2. ∑–△型ADC的理论基础

与一般的ADC不同，∑–△型ADC不是直接根据抽样数据的每一个样值的大小进行量

化编码，而是根据前一量值与后一量值的差值即所谓的增量的大小来进行量化编码。从某

种意义上讲，它是根据信号波形的包络线进行量化编码的。∑–△型ADC由两部分组成，第

一部分为模拟∑–△调制器，第二部分为数字抽取滤波器，如下图所示。

∑–△调制器以极高的抽样频率对输入模拟信号进行抽样，并对两个抽样之间的差值进

行低位量化，从而得到用低位数码表示的数字信号即∑–△码；然后将这种∑–△码送给第二部

分的数字抽取滤波器进行抽取滤波，从而得到高分辨 率的线性脉冲编码调制的数字信号。

因此抽取滤波器实际上相当于一个码型变换器。由于∑–△调制器具有极高的抽样速率， 通

常比奈奎斯特抽样频率高出 许多倍，因此∑–△调制器又称为过抽样ADC转换器。这种类

型的ADC采用了极低位的量化器， 从而避免了制造高位转换器和高精度电阻网络的困难；

另一方面，因为它采用了∑–△调制技术和数字抽取滤波，可以获得极高的分辨率；同时由

于采用了低位量化输出的∑–△码，不会对抽样值幅度变化敏感，而且由于码位低，抽样与

量化编码可以同时完成，几乎不花时间，因此不需要采样保持电路，这就使得采样系统的

构成大为简化。这种增量调制型ADC实际上是以高速抽样率来换取高位量化，即以速度来

换精度。

从调制编码理论的角度看，多数传统的ADC，例如并行比较，逐次逼近型等，均属于

线性脉冲编码调制(LPCM，Linear Pulse Code Modulation)类型。这类ADC根据信号的

幅度大小进行量化编码，一个分辨率位n的ADC其满刻度电平被分为2

n

个不同的量化等

级，为了能区分这2

n

个不同的量化等级需要相当复杂的电阻(或电容)网络和高精度的模拟

电子器件。当位数n较高时，比较网络的实现是比较困难的，因而限制了转换器分辨率的

提高。同时，由于高精度的模似电子器件受集成度，温度变比等因素的影响，进一步限制

了转换器分辨率的提高。

∑–△型ADC与传统的LPCM型ADC不同，它不是直接根据信号的幅度进行量化编码，

而是根据前一采样值与后一采样值之差(即所谓增量)进量化编码，从某种意义上来说它是

根据信号的包络形状进行量化编码的。从这一点上看，它与跟踪计数型ADC有一点类似。

△表示增量，∑表示积分或求和。在下面可以看到，∑–△型ADC采用了极低位的量化器(通

常是1位)，从而避免了LPCM型ADC在制造时面临的很多困难，非常适合用MOS技术