高精度Σ-ΔADC的研究：模拟调制器与噪声分析

"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，特别是采样和积分电容在Σ-Δ ADC中的重要作用。" 在高精度Σ-Δ ADC（Sigma-Delta Analog-to-Digital Converter）设计中，采样和积分电容扮演着关键角色。采样电容用于存储来自输入信号的瞬时信息，而积分电容则负责平滑这些信息，降低噪声。公式(4-34)提到的理想积分器的输入参考噪声，表明在相位1期间，当开关断开时，采样电容上的噪声被量化为2ε/N，其中ε代表噪声，N/G则是噪声带宽。 Σ-Δ ADC利用过采样、噪声整形和数字滤波技术，能够以相对简单的模拟电路实现高精度和低功耗。然而，这类转换器的高速性能通常受限。论文作者吴笑峰指出，未来的Σ-Δ ADC需要在保持高精度和低功耗的同时，提升速度。 论文详细阐述了Σ-Δ ADC的各种系统指标，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）。这些指标是评估ADC性能的关键标准。通过MATLAB软件进行建模和仿真，作者总结出一套完整的设计流程，以确定调制器的阶数、前馈因子、反馈因子和积分器增益因子。 模拟调制器设计是Σ-Δ ADC的核心，其中的非理想因素（如运算放大器的有限直流增益、带宽、摆率限制、输出摆幅限制、开关非线性、时钟抖动和采样电容的热噪声）都会影响性能。论文对这些因素进行了量化分析，为实际电路设计提供依据。设计中采用2阶单环多位结构的模拟调制器，并通过优化前馈和反馈系数以提高精度。4位量化器的使用减少了量化噪声，而自举开关结合新型时钟馈通补偿技术降低了采样开关非线性导致的谐波失真，进一步提升了系统的动态性能。 在运算放大器的选择上，论文设计采用两级结构，第一级为共源共栅，第二级为共源放大器，确保了高增益以适应较窄的信号带宽。共模反馈电路采用了开关电容结构，以扩大输出摆幅，这对实现高精度Σ-Δ ADC至关重要。 这篇论文深入研究了Σ-Δ ADC的原理和设计，提供了量化非理想因素、优化模拟调制器和选择合适运算放大器的策略，对于理解Σ-Δ ADC的工作机制和设计具有重要价值。