一文解读什么是Sigma-Delta ADC？

Sigma-Delta ADC是一种目前使用最为普遍的高精度ADC结构，在精度达到20位以上的场合，Sigma-Delta是必选的结构。通过采用过采样、噪声整形以及数字滤波技术，降低对模拟电路的设计要求，实现了其他类型的ADC无法达到的高精度和低功耗。通常情形下，各种类型ADC的精度与速度关系如图1所示。

图1 不同类型的ADC的精度和速度的对比

Sigma-Delta ADC的运作过程，就是把待测信号Vin与参考电压（±Vref）之间的差值进行不断的累积并通过反馈令这个差值趋于零。

实质上ADC就是除法器。

Dout=（Vin/Vref） * 2^n

一个分辨率为n位的ADC完成了一个以Vref为除数的除法，并且把结果用n位二进制数来表达。

那么什么是Sigma-Delta ADC？

Sigma-Delta最终实现的，与所有的ADC一样，就是完成除法。模拟集成电路中除法器是不可实现的，但是模拟电路可以非常好的实现加法和减法（用运放及模拟开关对电容进行充放电）。Sigma-Delta ADC正是用加法和减法去实现除法的一种方式。

具体来说，如图2所示，Delta-Sigma ADC的工作原理是由差动器、积分器和比较器构成调制器，它们一起构成一个反馈环路。调制器以大大高于模拟输入信号带宽的速率运行，以便提供过采样。模拟输入与反馈信号（误差信号）进行差动（delta）比较。该比较产生的差动输出馈送到积分器（sigma）中。然后将积分器的输出馈送到比较器中。比较器的输出同时将反馈信号（误差信号）传送到差动器，而自身被馈送到数字滤波器中。

图2 过采样ADC结构图

这种反馈环路的目的是使反馈信号（误差信号）趋于零。比较器输出的结果就是1/0流。该流如果1密度较高，则意味着模拟输入电压较高;反之，0密度较高，则意味着模拟输入电压较低。接着将1/0流馈送到数字滤波器中，该滤波器通过降采样与抽样，将1/0流从高速率、低精度位流转换成低速率、高精度数字输出。

一个正弦波输入信号与比较器输出的码流所对应的波形如图3所示，输出码流随着输入信号幅值的变化而变化，当输入信号处于波峰位置时，输出码流1占大多数;当输入信号处于波谷位置时，输出码流0（图3中，以-1表示）占大多数;输入信号处于平衡位置时，输出码流1和0跳变激烈，各占50%。

图3 正弦信号幅度与比较器输出的码流所对应的波形

sigma-delta ADC也有不同的结构，其特点可以如表1所示。