Σ-ΔADC模拟调制器设计与性能优化

在3版图设计中的匹配-ni-xnet数据配置说明中，着重探讨了集成电路制造过程中的匹配问题，特别是在离子注入工艺中，由于角度倾斜导致的源漏区不对称性。这影响了MOS管的电容参数（如CGs, CGD, Csub, Cbulk）和寄生pn结的特性，使得在需要精确匹配的MOS对管中，诸如偏置电流、跨导等关键参数出现失配。工艺梯度、温度、电压变化以及版图布局等因素也会造成器件间的匹配误差，进而影响整个电路系统的性能，如运算放大器的失调电流和失调电压。 Sigma-Delta ADC（Σ-Δ模数转换器），作为高精度和低功耗ADC的一种，因其采用过采样、噪声整形和数字滤波技术，能够在传统ADC难以达到的性能方面有所突破。然而，高速性能是Σ-ΔADC面临的挑战之一。Σ-ΔADC的系统性能包括动态特性（如信噪比、动态范围、无杂波动态范围）和静态特性（如积分非线性、微分非线性）等，它们决定了转换器的整体效能。 本文深入研究了Σ-ΔADC的系统设计，特别是模拟调制器和数字滤波器的设计。通过Matlab软件进行模型建立和系统仿真，作者确定了模拟调制器的阶数、前馈因子、反馈因子和积分器增益因子，预测了实际调制器的性能。在模拟调制器电路设计中，针对运放的非理想特性，如有限增益、带宽和摆率、输出幅度限制、开关非线性、时钟抖动和采样电容热噪声，进行了量化分析，以确保系统设计的准确性。 本文采用2阶单环多位结构的模拟调制器，结合优化的前馈和反馈系数，以及4位量化器来降低量化噪声。通过新型时钟馈通补偿技术的自举开关，改善了输入级采样开关非线性带来的失真，提升了系统的动态性能。对于高精度Σ-ΔADC而言，选择具有高增益的运算放大器至关重要，设计中采用了两级运算放大器结构，第一级采用共源共栅，第二级采用共源放大器，共模反馈电路采用开关电容设计，以扩展输出摆幅，确保了高精度转换。 本文从版图设计的角度出发，详细分析了如何在满足Σ-ΔADC高精度、低功耗的同时，克服工艺影响、非理想因素和性能指标之间的匹配问题，为高性能Σ-ΔADC的设计提供了一套全面的方法论。