高精度σ-ΔADC研究：模拟调制器与数字滤波器设计

"本文详细探讨了高精度Σ-Δ(σ-δ)模数转换器(ADC)的研究与设计，特别是滤波器结构设计和系数量化的重要性。文章指出Σ-Δ ADC以其高精度和低功耗特性成为研究焦点，但也面临高速性能的挑战。" 在Σ-Δ ADC系统中，滤波器的结构设计占据了重要地位。本文提到的"后两级滤波器的结构设计"主要包括补偿滤波器和半带滤波器的结构。补偿滤波器用于改善系统的频率响应，而半带滤波器则是一种高效的数字滤波方案，特别适用于高分辨率的Σ-Δ ADC。这两种滤波器的结构设计是实现高精度模数转换的关键环节。 滤波器的系数量化与优化是硬件实现的关键步骤。在MATLAB环境中建立滤波器模型时，系数是理想的，但在硬件实现时必须进行量化以适应有限精度的硬件。系数量化需权衡性能与硬件面积：过大的位宽可能导致更好的性能但增加硬件成本，而过小的位宽可能无法满足性能要求。式(5-48)和(5-49)展示了量化过程引入的误差及其对传输函数的影响。优化量化系数以找到最佳位宽，确保性能与资源之间的平衡。 该博士学位论文由吴笑峰撰写，专业为微电子学与固体电子学，指导教师为刘红侠。论文详细介绍了ADC的系统指标，包括动态特性和静态特性，如信噪比、动态范围、积分非线性和微分非线性等。并重点讨论了Σ-Δ ADC的核心组成部分——模拟调制器和数字滤波器的设计。 在模拟调制器设计中，考虑了各种非理想因素，如运算放大器的有限直流增益、带宽、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，这些都会影响Σ-Δ调制器的性能。通过量化分析这些因素，为后续电路设计提供指导。设计的模拟调制器采用2阶单环多位结构，结合优化的前馈和反馈系数，以实现高精度ADC系统。为了减少量化噪声，选择了4位量化器。此外，通过应用新型时钟馈通补偿技术，降低了输入级采样开关的非线性效应，从而提升系统动态性能。 运算放大器的选择对于Σ-Δ ADC至关重要，尤其是当系统信号带较窄时。设计中采用了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，以实现高增益，提高系统的精度。共模反馈电路采用开关电容设计，增大了输出摆幅，进一步提升了系统性能。 本文深入探讨了Σ-Δ ADC的滤波器设计、系数量化策略以及模拟调制器中的非理想因素分析，为实现高速、高精度和低功耗的Σ-Δ ADC提供了理论基础和实践指导。