高精度Σ-ΔADC的研究与设计：模拟调制器与数字滤波器

"这篇博士学位论文主要探讨了高精度sigma-delta模数转换器（Σ-Δ ADC）的研究与设计，作者是吴笑峰，指导教师是刘红侠，专业为微电子学与固体电子学。" 在现代电子技术中，Σ-Δ ADC是一种广泛应用的高精度、低功耗模数转换器。它通过过采样、噪声整形和数字滤波技术，降低了对模拟电路设计的复杂性，从而实现优于传统ADC的精度和能效。然而，这种类型的ADC在追求高速性能方面面临挑战，未来的Σ-Δ ADC需要同时具备高速、高精度和低功耗的特性。 Σ-Δ ADC的性能评估主要依赖于一系列系统指标。动态特性包括信噪比(SNR)、动态范围(DR)和无杂波动态范围(SFDR)，这些都是衡量其在处理信号时抑制噪声和失真的能力。静态特性如积分非线性(INL)和微分非线性(DNL)则反映了ADC转换精度。论文详细阐述了这些性能指标，并辅以图表进行直观展示。 在系统设计方面，Σ-Δ ADC由模拟调制器和数字滤波器组成。通过MATLAB软件进行模型构建和系统仿真，论文提出了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。仿真结果可预测实际调制器的预期性能。 模拟调制器设计中，非理想因素如运算放大器的有限直流增益、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都会显著影响Σ-Δ ADC的性能。论文对这些因素进行了系统量化分析，为后续的电路设计提供了基础。 设计的模拟调制器电路采用2阶单环多位结构，优化了前馈和反馈系数，以实现高精度的ADC系统。4位量化器用于减少量化噪声。采用新型时钟馈通补偿技术的自举开关减少了采样开关非线性对调制器输出信号的影响，从而提升系统动态性能。由于设计的Σ-Δ ADC工作在相对较低的信号带宽，高增益运算放大器成为关键。设计采用了两级运算放大器结构，第一级为共源共栅，第二级为共源放大器，而运算放大器的共模反馈电路则利用开关电容技术来增加输出摆幅，以提高整体精度。