高精度σΔADC研究：梳状滤波器设计与性能分析

"这篇博士学位论文详细探讨了高精度Σ-Δ模数转换器(Σ-Δ ADC)的研究与设计，特别是梳状滤波器在其中的应用。作者吴笑峰在微电子学与固体电子学领域，师从刘红侠教授，论文发表于2009年12月1日。" 在Σ-Δ ADC系统中，梳状滤波器扮演着关键角色。这种滤波器在高速抽取或差值系统中非常有效，常见于通信和Σ-Δ ADC中。梳状滤波器的传递函数可以用(1-z^(-M))来表示，其中M代表降采样率。其频率响应特点是具有明显的梳状特性，尤其是在直流区域有增益。梳状滤波器实际上是一个FIR滤波器，具有线性相位，其系数简化后均为1，公式为H(z) = (1 + z^(-1) + ... + z^(-M+1)) / M。在实际硬件实现时，还能进一步优化系数。 论文指出，Σ-Δ ADC的优势在于通过过采样、噪声整形及数字滤波技术实现高精度和低功耗，但高速性能是其挑战。论文详细阐述了ADC的各种性能指标，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），并提供了直观的图表说明。 在Σ-Δ ADC系统设计中，模拟调制器和数字滤波器是核心。通过Matlab软件进行建模和仿真，论文总结出一套完整的设计流程，包括确定调制器的阶数、前馈因子、反馈因子和积分器增益因子。针对模拟调制器的非理想因素，如有限直流增益、有限带宽和摆率、输出摆幅限制、开关非线性、时钟抖动和采样电容热噪声等进行了量化分析，为实际电路设计提供指导。 具体到模拟调制器电路级设计，采用2阶单环多位结构，并优化前馈和反馈系数以实现高精度。为了降低量化噪声，采用4位量化器。为减少采样开关非线性引起的谐波失真，设计了采用新型时钟馈通补偿技术的自举开关。鉴于本设计的Σ-Δ ADC信号带较窄，高增益的运放至关重要。设计采用了两级运算放大器结构，第一级为共源共栅结构，第二级为共源放大器，共模反馈电路采用开关电容，以增加输出摆幅，提高系统动态性能。