高精度ADC设计：σ-Δ调制器与自举开关非线性分析

"这篇博士学位论文主要探讨了高精度Sigma-Delta ADC（Σ-Δ模数转换器）的研究与设计，作者吴笑峰在导师刘红侠的指导下完成。论文聚焦于高速、高精度和低功耗的Σ-ΔADC，讨论了其性能指标、系统设计方法、模拟调制器中的非理想因素及其量化分析，以及如何通过创新的自举开关设计提高ADC的动态性能。" 在高精度Σ-Δ模数转换器中，采样保持电路扮演着关键角色，而采样开关的性能直接影响到整体电路的性能。在深亚微米工艺下，采用栅电压自举的开关结构可以降低导通电阻和非线性，扩大输入信号范围。然而，这种结构也会带来时钟馈通误差，这种误差与输入信号相关，增加了非线性因素。论文中提到，传统的NMOS和CMOS开关的时钟馈通误差可以通过某些方法进行校正，但自举开关的此类误差处理更具挑战性。 Σ-ΔADC的优势在于其过采样、噪声整形和数字滤波技术，能够实现高精度和低功耗，但往往牺牲了速度。未来的发展趋势是追求同时具备高速、高精度和低功耗的Σ-ΔADC。论文详细阐述了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），并使用Matlab进行系统建模和仿真，确定了调制器的设计参数。 在模拟调制器设计中，论文深入分析了各种非理想因素，如运放的有限直流增益、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。通过对这些因素的量化分析，为电路设计提供了指导。在实际设计中，采用了2阶单环多位结构的模拟调制器，并通过优化前馈、反馈系数，提升了ADC的精度。为了减少量化噪声，采用了4位量化器。 创新之处在于采用了带有新型时钟馈通补偿技术的自举开关，这种设计能有效降低输入级采样开关的非线性对调制器输出信号引入的谐波失真，从而提高了系统的动态性能。考虑到ADC的信号带较窄，高增益的运算放大器对于实现高精度至关重要。设计中采用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，以增强输出摆幅。运算放大器的共模反馈电路采用了开关电容结构，有助于扩大其输出范围。 这篇论文提供了一套全面的Σ-ΔADC设计方法，特别是关注了自举开关设计在提高系统性能方面的作用，对于理解和优化高速、高精度模数转换器具有重要意义。