高精度Σ-ΔADC的模拟调制器与数字滤波器设计

"FIR滤波器的结构，包括直接型和直接型转置，以及半带滤波器和补偿滤波器的实现，特别关注直接型FIR滤波器在降采样滤波器中的应用。另外提到了Σ-Δ模数转换器(Σ-Δ ADC)的研究与设计，包括其系统指标、性能分析和模拟调制器的设计。" 在数字信号处理领域，FIR（Finite Impulse Response，有限冲击响应）滤波器是广泛使用的工具，特别是在降采样应用中。直接型FIR滤波器结构利用了滤波器系数的对称性，通过公式(5.46)和(5.47)来构建，减少了计算量，降低了硬件复杂度。这种结构在输出之前执行M:1的降采样操作，有效节省了资源。直接型FIR滤波器的优点在于其简单且易于实现，但可能需要较大的存储空间来存储系数。 半带滤波器和补偿滤波器是FIR滤波器的特定类型，它们在信号处理中用于特定的频率响应特性。半带滤波器通常用于设计具有半个奈奎斯特区带响应的滤波器，而补偿滤波器则用于校正系统中的频率响应失真。 另一方面，Σ-Δ模数转换器(Σ-Δ ADC)是一种广泛应用的高精度、低功耗的模数转换技术。它通过过采样、噪声整形和数字滤波来提高精度，降低了对模拟电路的严格要求。然而，Σ-Δ ADC的高速性能是其发展的一个挑战。Σ-Δ ADC的性能评估包括动态特性和静态特性，如信噪比(SNR)、动态范围、积分非线性(INL)和微分非线性(DNL)等。 在Σ-Δ ADC的设计中，模拟调制器是核心部分，其性能受到各种非理想因素的影响，如运算放大器的有限增益、带宽、摆率、输出摆幅限制等。为了优化设计，需要对这些非理想因素进行量化分析。本研究采用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，实现高精度的ADC系统。为了降低量化噪声，采用4位量化器，并通过自举开关和新型时钟馈通补偿技术来减少采样开关非线性导致的失真，提升系统动态性能。 运算放大器的选择和设计在Σ-Δ ADC中至关重要，特别是对于需要高增益和良好动态范围的窄带应用。本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，以确保高精度的转换结果。共模反馈电路采用开关电容结构，增加了输出摆幅，进一步增强了系统的性能。