高精度Σ-ΔADC研究：模拟调制器设计与非理想因素分析

"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，重点在于运算放大器的选择和优化，以及Σ-Δ ADC系统的关键性能指标和设计方法。作者吴笑峰在导师刘红侠的指导下，分析了Σ-Δ ADC的优势与挑战，尤其是高速、高精度和低功耗的需求。论文中提到了模拟调制器和数字滤波器在Σ-Δ ADC系统中的核心地位，以及非理想因素对调制器性能的影响。" 在高精度Σ-Δ ADC的设计中，运算放大器的选择至关重要。论文指出，为了满足高精度性能需求，选择了具有高增益的两级全差分结构的运算放大器。这种设计可以有效地减少热噪声并降低功耗。第一级运放采用套筒式结构，以减少电流支路数，降低功耗，同时利用动态电位平移电路来调整第一级输出的共模电位和第二级输入的直流偏置，确保两级之间的兼容性。第二级是一差分对的全差分运放，有助于减少从第一级到第二级传输过程中的噪声影响。 论文还讨论了Σ-Δ ADC的系统指标，包括动态特性（如信噪比、动态范围和无杂波动态范围）和静态特性（如积分非线性和微分非线性）。通过Matlab软件进行了系统建模和仿真，确定了调制器的阶数、前馈因子、反馈因子和积分器增益因子，以预测实际调制器的性能。 模拟调制器设计中考虑了多种非理想因素，如运算放大器的有限直流增益、带宽限制、输出摆幅限制、开关非线性、时钟抖动和采样电容热噪声等，对这些因素进行了量化分析，为电路设计提供依据。论文中提到的模拟调制器电路级设计采用了2阶单环多位结构，并通过优化前馈和反馈系数实现了高精度。为了减少量化噪声，采用了4位量化器。采用新型时钟馈通补偿技术和自举开关，降低了输入级采样开关的非线性影响，提高了系统动态性能。 最后，运算放大器的共模反馈电路采用开关电容结构，这增加了输出摆幅，对于实现高精度Σ-Δ ADC是关键。设计中第一级运放采用共源共栅结构，第二级采用共源放大器，这种配置有助于提升整体系统的精度和稳定性。