高精度Σ-ΔADC的性能分析与设计

"这篇博士学位论文主要探讨了高精度Σ-Δ模数转换器(ADC)的研究与设计，重点介绍了ADC的性能指标和Σ-Δ调制器的设计方法。论文作者为吴笑峰，指导教师为刘红侠，专业为微电子学与固体电子学。" 在ADC（模数转换器）领域，性能指标是衡量其工作效果的关键标准。ADC的性能指标分为静态和动态两个方面。静态性能指标主要包括积分非线性(INL)、差分非线性(DNL)、失调误差和增益误差。INL和DNL是衡量ADC转换结果与理想直线之间的偏差，而失调误差和增益误差则关注ADC的偏移和放大比例是否准确。对于过采样率ADC，如Σ-Δ ADC，INL和DNL的重要性相对较低，因为它们的输出受到前一状态的影响，这些指标在这种情况下失去了一定的意义。 动态性能指标则关注ADC在变化输入信号条件下的表现，如动态范围、有效位数（ENOB）、信噪比(SNR)、信噪失真比(SNDR)、信号量化噪声失真比(SQNR)、无杂波动态范围以及过载度(OL)。Σ-Δ ADC以其独特的过采样、噪声整形和数字滤波技术，能够实现高精度和低功耗，但往往牺牲了速度性能。 在Σ-Δ ADC的设计中，模拟调制器和数字滤波器是核心部分。设计过程通常使用Matlab进行建模和仿真，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。非理想因素如运算放大器的有限增益、带宽和摆率、开关非线性、时钟抖动等都会影响Σ-Δ调制器的性能，需要进行量化分析以优化设计。 论文中提到的Σ-Δ ADC模拟调制器采用2阶单环多位结构，优化了前馈和反馈系数，以实现高精度。为减少量化噪声，使用了4位量化器。通过采用新型时钟馈通补偿技术和自举开关，降低了采样开关非线性导致的谐波失真，从而提升系统动态性能。设计中，运算放大器的选用至关重要，采用两级结构，包括共源共栅结构和共源放大器，以获得高增益和高精度。 这篇论文深入研究了Σ-Δ ADC的性能指标和设计策略，为实现高精度、低功耗的Σ-Δ ADC提供了理论基础和实践指导。