ΔΣ DAC
ΔΣ 技术不仅用于 ADC,也广泛应用于 DAC:用全数字调制器配合粗量化(1-bit 或少量 bit)DAC 实现高精度数模转换。
前后关系
上下文:§1.9 在完整介绍了 ΔΣ ADC 的各种形式后,指出同样的噪声整形原理也可用于 DAC。动机与 ADC 对称:奈奎斯特率 DAC 面临失配限制。
后续章节:
- Ch.13 完整讨论 ΔΣ DAC 的设计、实现、失配整形
- Ch.6(DAC失配问题与旋转选择DWA原理、旋转实现与替代失配整形拓扑、高阶失配整形原理、三电平分段DAC与过渡误差整形)的失配整形技术是 ΔΣ DAC 的核心使能技术
原理介绍
ΔΣ DAC 系统
数字输入 (如 18-bit, f_s) → [插值滤波器] → [数字 ΔΣ 调制器] → [粗 DAC] → [模拟低通] → 模拟输出
与 ΔΣ ADC 的对称关系:
| 功能 | ΔΣ ADC | ΔΣ DAC |
|---|---|---|
| 输入 | 模拟 | 数字 |
| 输出 | 数字 | 模拟 |
| 调制器位置 | 模拟域 | 数字域 |
| 粗量化 | ADC(模拟→数字) | 数字截断 |
| 后处理 | 抽取滤波器 | 模拟低通滤波器 |
| 核心优势 | 模拟精度宽松 | 全数字实现 |
数字 ΔΣ 调制器
关键差异:ΔΣ DAC 的调制器是全数字的。
数字输入 (高精度) → ( + ) → [累加器] → [截断器] → 低精度输出 (如 1-bit)
↑ |
└──── [数字延迟] ←─────────┘
- 输入:高分辨率字(如 18-24 bit)
- 输出:低分辨率流(1-5 bit)
- 截断器扮演”数字量化器”角色
- 截断误差(量化噪声)被数字环路滤波整形
1-bit DAC 的优势
1-bit DAC 具有与 1-bit ADC 完全相同的本征线性优势:
这是由仅有两个输出电平保证的——任何通过两个点的直线都是线性传递函数。
多 bit DAC 的挑战
与 ADC 中完全相同:
- DAC 单元失配导致谐波失真
- 需使用失配整形(DWA / DEM)
- 或使用数字校正
系统设计考虑
后置模拟滤波器
数字 ΔΣ 调制器输出的高速 1-bit(或多 bit)流含有大量带外整形噪声。模拟低通滤波器的作用:
- 重构:将数字码流恢复为模拟波形
- 去噪:滤除带外整形噪声
模拟滤波器的阶数取决于:
- 调制器 NTF 的带外增益
- 带外噪声的总功率
- 系统对噪声抑制的要求
过采样率
ΔΣ DAC 的 OSR 与 ADC 类似:
- 高 OSR:噪声整形效果好,但时钟频率高
- 低 OSR:需更高阶调制器或多 bit 量化
应用
| 应用 | 精度 | 带宽 | 典型 OSR |
|---|---|---|---|
| 数字音频 | 16-24 bit | 20 kHz | 64-256 |
| 任意波形发生器 | 12-16 bit | 1-100 MHz | 8-32 |
| RF 发射机 | 10-14 bit | 10-100 MHz | 4-16 |
| 传感器激励 | 16-20 bit | 1-100 kHz | 64-512 |
ΔΣ DAC vs 传统 DAC
| 对比 | 传统 DAC(R-2R, 电流舵) | ΔΣ DAC |
|---|---|---|
| 精度限制 | 元件匹配 ≈ 12-14 bit | 可达 20+ bit |
| 线性度 | 依赖失配/校准 | 1-bit 本征线性 |
| 速度 | 单个时钟周期输出 | 需要多个周期平均 |
| 面积 | 大(大量匹配元件) | 小(数字为主) |
| 设计复杂度 | 模拟为主 | 数字为主 |
参考文献
- Pavan, S., Schreier, R., & Temes, G. C. (2017). Understanding Delta-Sigma Data Converters (2nd ed.), §1.9 & Ch.13. IEEE Press/Wiley.
- Norsworthy, S. R., Schreier, R., & Temes, G. C. (1997). Delta-Sigma Data Converters: Theory, Design, and Simulation, Ch.10. IEEE Press.
📙 Rosa 补充(Ch.1 ΣΔ DAC 信号处理链与数字 ΣΔM 实现)
Rosa《Sigma-Delta Converters》Ch.1 对 ΣΔ DAC 的信号处理链给出了完整的系统级分析。
ΣΔ DAC 四大模块
Rosa 明确划分了 ΣΔ DAC 的完整信号处理链(Fig.1.26):
- 插值器:将 上采样至
- 数字 ΣΔM:将 -bit 截断为 -bit,截断误差被噪声整形
- 低分辨率 DAC:-bit(通常 1-2 bit),高线性
- 模拟重构滤波器:滤除带外截断噪声
数字 ΣΔM 的传递函数
与模拟 ΣΔM 不同,数字 ΣΔM 的环路滤波器 在反馈路径[Eq.1.32]:
- 一阶: →
- 二阶(Fig.1.29): →
- 硬件实现:数字累加器 + 加法器 + 延迟,系数取整数(甚至 2 的幂)
设计折衷
| DAC 线性 | 稳定性 | 模拟滤波 | 谱纯度 | |
|---|---|---|---|---|
| 1(单 bit) | 完美线性 | 难保证 | 要求高 | 有 tone |
| 多 bit | 需要 DEM | 容易 | 要求低 | 较干净 |
时间交织 ΣΔ DAC
Rosa 提及最新 ΣΔ DAC 使用 TI(时间交织)技术在 GHz 范围工作,同时保持低 OSR——这是有线通信发射机的前沿方案。
差异定位:Pavan Ch.13 对 ΣΔ DAC 的分析侧重 DAC 非线性的影响;Rosa Ch.1 从完整信号处理链视角出发,给出了插值器 + 数字 ΣΔM + DAC + 模拟滤波的全流程公式。