高精度Sigma-Delta ADC的研究与模拟调制器设计

"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，重点在于模拟调制器的设计和数字滤波器的应用。作者吴笑峰在导师刘红侠的指导下，针对Σ-Δ ADC的性能指标、动态特性和静态特性进行了深入分析，并提出了一套完整的设计流程。论文还讨论了模拟调制器中的非理想因素对其性能的影响，包括运放的有限直流增益、带宽和摆率限制、输出摆幅约束、开关非线性、时钟抖动和采样电容热噪声等问题，并提供了量化分析。设计中采用了2阶单环多位结构的模拟调制器，优化了前馈和反馈系数，利用4位量化器减少量化噪声。为提高动态性能，论文还介绍了采用新型时钟馈通补偿技术的自举开关来降低采样开关非线性引起的谐波失真。运算放大器设计采用了两级结构，以实现高增益，进一步提升Σ-Δ ADC的精度。" 在《从DC模拟调制器设计——NI-XNET数据配置说明》中，提到了Σ-Δ调制器的一种设计方法，通过16个电容元件进行D/A转换，根据量化输出值循环选取电容。电容选取的起始点由变量p表示，随着量化输出值变化，电容的选择顺序也会改变。这种设计涉及到一个名为DwA(Delta-Winsorized Average)的校正机制，它通过噪声整形处理失配噪声，但可能导致一阶积分失配。图4.29展示了DwA算法的控制逻辑。 Σ-Δ ADC是一种广泛应用于高精度、低功耗场景的模数转换器，其优势在于过采样、噪声整形和数字滤波技术，能够降低模拟电路设计的复杂度，实现高精度和低功耗。然而，高速性能是Σ-Δ ADC面临的一个挑战。论文详细阐述了Σ-Δ ADC的性能指标，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）。模拟调制器是Σ-Δ ADC的核心部分，其性能受多种非理想因素影响，如运放的限制和开关非线性等。设计中，通过MATLAB进行建模和仿真，预测调制器的性能，并采用优化的前馈、反馈系数及4位量化器来提高整体性能。最后，论文介绍了采用特定运算放大器结构以增加输出摆幅，增强系统精度。