Delta-Sigma ADC

Salah satu teknologi ADC yang lebih maju adalah apa yang disebut delta-sigma, atau (menggunakan notasi huruf Yunani yang tepat). Dalam matematika dan fisika, huruf kapital Yunani delta (Δ) mewakili perbedaan atau ubah , sedangkan sigma huruf kapital (Σ) mewakili penjumlahan :penambahan beberapa istilah bersama-sama. Terkadang konverter ini disebut dengan huruf Yunani yang sama dalam urutan terbalik:sigma-delta, atau .

Dalam konverter , sinyal tegangan input analog dihubungkan ke input integrator, menghasilkan tingkat perubahan tegangan, atau kemiringan, pada output yang sesuai dengan besaran input. Tegangan ramping ini kemudian dibandingkan dengan potensial arde (0 volt) oleh komparator.

Komparator bertindak sebagai semacam ADC 1-bit, menghasilkan 1 bit output ("tinggi" atau "rendah") tergantung pada apakah output integrator positif atau negatif. Keluaran komparator kemudian dikunci melalui flip-flop tipe-D yang di-clock pada frekuensi tinggi, dan diumpankan kembali ke saluran input lain pada integrator, untuk mengarahkan integrator ke arah output 0 volt. Rangkaian dasarnya terlihat seperti ini:

Diagram Skema

Op-amp paling kiri adalah integrator (penjumlahan). Op-amp berikutnya yang dimasukkan integrator adalah komparator, atau ADC 1-bit. Berikutnya adalah flip-flop tipe-D, yang mengunci keluaran komparator pada setiap pulsa clock, mengirimkan sinyal “tinggi” atau “rendah” ke komparator berikutnya di bagian atas sirkuit.

Komparator terakhir ini diperlukan untuk mengubah tegangan keluaran level logika 0V / 5V polaritas tunggal dari flip-flop menjadi sinyal tegangan +V / -V untuk diumpankan kembali ke integrator. Jika output integrator positif, komparator pertama akan mengeluarkan sinyal “high” ke input D flip-flop.

Pada pulsa clock berikutnya, sinyal "tinggi" ini akan dikeluarkan dari saluran Q ke input non-pembalik dari komparator terakhir. Komparator terakhir ini, melihat tegangan input lebih besar dari tegangan ambang 1/2 +V, jenuh dalam arah positif, mengirimkan sinyal +V penuh ke input lain dari integrator.

Sinyal umpan balik +V ini cenderung mendorong keluaran integrator ke arah negatif. Jika tegangan output tersebut menjadi negatif, loop umpan balik akan mengirimkan sinyal korektif (-V) kembali ke input atas integrator untuk mengarahkannya ke arah positif.

Ini adalah konsep delta-sigma dalam tindakan:pembanding pertama merasakan perbedaan (Δ) antara keluaran integrator dan nol volt. Integrator jumlah (Σ) keluaran komparator dengan sinyal masukan analog.

Secara fungsional, ini menghasilkan aliran serial bit yang dikeluarkan oleh flip-flop. Jika input analog adalah nol volt, integrator tidak akan memiliki kecenderungan untuk melakukan ramp baik positif maupun negatif, kecuali sebagai respons terhadap tegangan umpan balik.

Dalam skenario ini, keluaran flip-flop akan terus berosilasi antara "tinggi" dan "rendah", karena sistem umpan balik "berburu" bolak-balik, mencoba mempertahankan keluaran integrator pada voltase nol:

Bentuk Gelombang Keluaran

Namun, jika kita menerapkan tegangan input analog negatif, integrator akan memiliki kecenderungan untuk meningkatkan outputnya ke arah yang positif. Umpan balik hanya dapat menambah ramping integrator dengan tegangan tetap selama waktu yang tetap, sehingga keluaran aliran bit oleh flip-flop tidak akan sama persis:

Dengan menerapkan sinyal input analog (negatif) yang lebih besar ke integrator, kami memaksa outputnya untuk naik lebih curam ke arah positif. Dengan demikian, sistem umpan balik harus mengeluarkan lebih banyak 1 daripada sebelumnya untuk mengembalikan keluaran integrator ke nol volt:

Saat sinyal input analog bertambah besar, demikian juga kemunculan 1 dalam output digital flip-flop:

Keluaran bilangan biner paralel diperoleh dari rangkaian ini dengan merata-ratakan aliran serial bit bersama-sama. Misalnya, rangkaian pencacah dapat dirancang untuk mengumpulkan jumlah total keluaran 1 oleh flip-flop dalam sejumlah pulsa clock tertentu. Hitungan ini kemudian akan menjadi indikasi tegangan input analog.

Variasi pada tema ini ada, menggunakan beberapa tahapan integrator dan/atau sirkuit komparator yang menghasilkan lebih dari 1 bit, tetapi satu konsep yang umum untuk semua konverter adalah oversampling . Oversampling adalah ketika beberapa sampel sinyal analog diambil oleh ADC (dalam hal ini, ADC 1-bit), dan sampel digital tersebut dirata-rata.

Hasil akhirnya adalah peningkatan efektif dalam jumlah bit yang diselesaikan dari sinyal. Dengan kata lain, ADC 1-bit yang di-oversampling dapat melakukan pekerjaan yang sama seperti ADC 8-bit dengan pengambilan sampel satu kali, meskipun pada kecepatan yang lebih lambat.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Konversi Analog-ke-Digital