델타-시그마 ADC

보다 발전된 ADC 기술 중 하나는 소위 델타 시그마 또는 ΔΣ(적절한 그리스 문자 표기법 사용)입니다. 수학과 물리학에서 그리스 대문자 델타(Δ)는 차이를 나타냅니다. 또는 변경 , 대문자 시그마(Σ)는 합계를 나타냅니다. :여러 용어를 함께 추가합니다. 때때로 이 변환기는 시그마-델타 또는 ΣΔ와 같은 역순으로 동일한 그리스 문자로 참조됩니다.

ΔΣ 컨버터에서 아날로그 입력 전압 신호는 적분기의 입력에 연결되어 입력 크기에 해당하는 출력에서 ​​전압 변화율 또는 기울기를 생성합니다. 이 램핑 전압은 비교기에 의해 접지 전위(0볼트)와 비교됩니다.

비교기는 일종의 1비트 ADC로 작동하여 적분기 출력이 양수인지 음수인지에 따라 1비트 출력("높음" 또는 "낮음")을 생성합니다. 그런 다음 비교기의 출력은 고주파로 클럭된 D형 플립플롭을 통해 래치되고 피드백됩니다. 적분기의 다른 입력 채널에 연결하여 0볼트 출력 방향으로 적분기를 구동합니다. 기본 회로는 다음과 같습니다.

개략도

가장 왼쪽 연산 증폭기는 (합산) 적분기입니다. 적분기가 공급하는 다음 연산 증폭기는 비교기 또는 1비트 ADC입니다. 다음은 모든 클록 펄스에서 비교기의 출력을 래치하여 회로 상단에 있는 다음 비교기로 "하이" 또는 "로우" 신호를 보내는 D형 플립플롭입니다.

이 최종 비교기는 플립플롭의 단일 극성 0V/5V 논리 레벨 출력 전압을 적분기에 피드백할 +V/-V 전압 신호로 변환하는 데 필요합니다. 적분기 출력이 양수이면 첫 번째 비교기는 플립플롭의 D 입력에 "하이" 신호를 출력합니다.

다음 클록 펄스에서 이 "하이" 신호는 Q 라인에서 마지막 비교기의 비반전 입력으로 출력됩니다. 이 마지막 비교기는 임계값 전압 1/2 +V보다 큰 입력 전압을 보고 양의 방향으로 포화되어 전체 +V 신호를 적분기의 다른 입력으로 보냅니다.

이 +V 피드백 신호는 적분기 출력을 음의 방향으로 구동하는 경향이 있습니다. 출력 전압이 음이 되면 피드백 루프는 보정 신호(-V)를 적분기의 상단 입력으로 다시 보내 양의 방향으로 구동합니다.

이것이 작동하는 델타-시그마 개념입니다. 첫 번째 비교기는 차이를 감지합니다. (Δ) 적분기 출력과 0볼트 사이. 적분기 합 (Σ) 아날로그 입력 신호와 비교기의 출력.

기능적으로 이것은 플립플롭에 의해 출력되는 비트의 직렬 스트림을 초래합니다. 아날로그 입력이 0볼트이면 적분기는 피드백 전압에 대한 응답을 제외하고는 양수 또는 음수를 램프하는 경향이 없습니다.

이 시나리오에서 플립플롭 출력은 피드백 시스템이 앞뒤로 "헌트"하면서 적분기 출력을 0볼트로 유지하려고 함에 따라 "높음"과 "낮음" 사이에서 계속 진동합니다.

출력 파형

그러나 음의 아날로그 입력 전압을 적용하면 적분기는 출력을 양의 방향으로 램프하는 경향이 있습니다. 피드백은 고정된 시간 동안 고정 전압만큼 적분기의 램핑에만 추가할 수 있으므로 플립플롭의 비트 스트림 출력은 완전히 동일하지 않습니다.

더 큰(음의) 아날로그 입력 신호를 적분기에 적용하여 적분기의 출력이 양의 방향으로 더 가파르게 증가하도록 합니다. 따라서 피드백 시스템은 적분기 출력을 다시 0볼트로 가져오기 위해 이전보다 더 많은 1을 출력해야 합니다.

아날로그 입력 신호의 크기가 증가함에 따라 플립플롭의 디지털 출력에서 ​​1의 발생도 증가합니다.

직렬 비트 스트림을 함께 평균화하여 이 회로에서 병렬 2진수 출력을 얻습니다. 예를 들어, 카운터 회로는 주어진 클록 펄스 수에서 플립플롭에 의해 출력된 총 1 수를 수집하도록 설계될 수 있습니다. 이 카운트는 아날로그 입력 전압을 나타냅니다.

이 주제에 대한 변형이 존재하며 1비트 이상을 출력하는 여러 적분기 및/또는 비교기 회로를 사용하지만 모든 ΔΣ 변환기에 공통적인 한 가지 개념은 오버샘플링입니다. . 오버샘플링은 ADC(이 경우 1비트 ADC)에서 아날로그 신호의 여러 샘플을 취하고 디지털화된 샘플을 평균화하는 경우입니다.

최종 결과는 신호에서 해결된 비트 수가 효과적으로 증가하는 것입니다. 즉, 오버샘플링된 1비트 ADC는 1회 샘플링으로 8비트 ADC와 동일한 작업을 수행할 수 있지만 속도는 더 느립니다.

관련 워크시트:

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아날로그-디지털 변환 워크시트