多级滤波器设计：CIC+CIC补偿+半带滤波器在高精度Σ-ΔADC中的应用

本文主要探讨的是数字降采样滤波器在ni-xnet数据配置中的应用，特别是在高精度σ-δ（Sigma-Delta）模数转换器（ADC）的设计中。Σ-ΔADC因其高精度和低功耗的特点在模数转换领域备受关注，但其高速性能是一大挑战。本文的焦点在于通过多级滤波器结构来优化Σ-ΔADC的设计，以满足高速、高精度和低功耗的综合需求。 首先，文章详细介绍了采用多级滤波器的策略，尤其是CIC（Cascaded Integrator Comb）滤波器作为第一级，其优点在于能大幅降低滤波器阶数，简化设计过程。CIC滤波器在通带内的衰减需要通过第二级的CIC补偿滤波器来补偿，以保持信号质量。接着，半带滤波器被用于第三级，利用其系数对称性进一步减少阶数，降采样率均为2，这有助于减小面积和功耗。 在Σ-ΔADC系统设计中，关键的性能指标包括信噪比、动态范围、无杂波动态范围、积分非线性和微分非线性等。本文不仅阐述了这些指标的定义，还通过图表形式直观展示。模拟调制器和数字滤波器是Σ-ΔADC的核心组件，设计时需要考虑过采样率、精度和动态性能的要求，通过Matlab软件进行模型建立和系统仿真，确定模拟调制器的阶数以及前馈因子、反馈因子和积分器增益。 在模拟调制器设计中，作者对非理想因素如运放的直流增益限制、带宽和摆率、输出摆幅限制、开关非线性、时钟抖动、采样电容热噪声等进行了量化分析，为后续电路设计提供了精确的数据支持。电路级设计采用了2阶单环多位结构，并结合优化的前馈和反馈系数，以实现高精度。此外，通过新型时钟馈通补偿技术和自举开关技术，降低了量化噪声，提高了系统的动态性能。 最后，高增益的运算放大器对于Σ-ΔADC的高精度至关重要。本文设计中采用了双级运算放大器架构，第一级为共源共栅结构，第二级采用共源放大器，采用开关电容共模反馈电路以增强输出摆幅。整体设计旨在确保在满足高速度的同时，实现高水平的精度和低能耗。 本文提供了一个完整的Σ-ΔADC设计流程，包括滤波器选择、性能指标分析、非理想因素处理以及电路实现策略，为数字降采样滤波器在ni-xnet数据配置中的应用提供了实用的指南。