高精度Sigma-Delta ADC的研究与设计

"这篇博士学位论文主要探讨了高精度Sigma-Delta ADC（Σ-Δ模数转换器）的研究与设计，作者吴笑峰在导师刘红侠的指导下，深入研究了Σ-Δ模数转换器的系统指标、设计方法以及模拟调制器的非理想因素分析。论文中还涉及到了数字滤波技术、过采样率、积分非线性、微分非线性等关键概念。" 在数字化信号处理领域，Σ-Δ模数转换器（Σ-Δ ADC）因其独特的过采样、噪声整形和数字滤波技术，成为了实现高精度和低功耗模数转换的优选方案。与传统ADC相比，Σ-Δ ADC能够简化模拟电路设计，但高速性能通常是其一大挑战。论文指出，未来Σ-Δ ADC的发展目标是同时具备高速、高精度和低功耗。 Σ-Δ ADC的性能评估主要包括动态特性和静态特性。动态特性如信噪比（SNR）、动态范围（DR）和无杂波动态范围（SFDR）等，反映了信号质量和噪声抑制能力。静态特性如积分非线性（INL）和微分非线性（DNL）则关注转换精度。论文通过图表形式直观展示了这些指标。 Σ-Δ ADC的核心组成部分是模拟调制器和数字滤波器。模拟调制器的设计包括阶数、前馈因子、反馈因子和积分器增益因子的选择，这些参数直接影响到最终的转换性能。论文使用MATLAB进行系统建模和仿真，以确定最佳设计参数。 模拟调制器的非理想因素如运算放大器的有限直流增益、带宽、摆率、输出摆幅限制、开关非线性、时钟抖动和采样电容的热噪声等，都会影响Σ-Δ调制器的性能。论文对这些因素进行了量化分析，为后续的电路设计提供了理论依据。 具体到电路设计，文中提到了2阶单环多位Σ-Δ模拟调制器，通过优化前馈和反馈系数以实现高精度。采用4位量化器减少量化噪声，同时利用新型时钟馈通补偿技术的自举开关降低采样开关非线性对系统的影响。此外，设计中选用两级运算放大器，第一级采用共源共栅结构，第二级为共源放大器，以提升增益，增强高精度性能。运算放大器的共模反馈电路采用开关电容结构，扩大了输出摆幅。 这篇博士学位论文深入研究了Σ-Δ ADC的关键技术和性能优化，为高性能Σ-Δ ADC的设计提供了理论指导和技术支持。