高精度sigma-delta ADC的研究與設(shè)計(jì).pdf

1、高精度、低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)之一。Sigma-delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器(∑-△ADC)在各種模數(shù)轉(zhuǎn)換器中脫穎而出，通過(guò)采用過(guò)采樣、噪聲整形以及數(shù)字濾波技術(shù)，降低對(duì)模擬電路的設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了其他類(lèi)型ADC無(wú)法達(dá)到的高精度和低功耗。然而，Σ-△ADC也存在一定的缺點(diǎn)，那就是難以做到高速的性能。因此，未來(lái)的Σ-△ADC將面臨同時(shí)具備高速、高精度和低功耗性能的挑戰(zhàn)。
　　 ADC的系統(tǒng)指標(biāo)是衡量其性能的依據(jù)，因此對(duì)各種性能指標(biāo)的

2、說(shuō)明及其重要。ADC系統(tǒng)作為一種獨(dú)特的電路系統(tǒng)，其性能指標(biāo)分為動(dòng)態(tài)特性如信噪比、動(dòng)態(tài)范圍以及無(wú)雜波動(dòng)態(tài)范圍等和靜態(tài)特性如積分非線(xiàn)性、微分非線(xiàn)性等，本文對(duì)這些性能指標(biāo)都進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述，并以圖表的形式進(jìn)行了直觀的說(shuō)明。
　　 Σ-△ADC的主體部分是模擬調(diào)制器和數(shù)字濾波器。本文對(duì)Σ-△ADC的系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的研究，采用Matlab軟件進(jìn)行建模和系統(tǒng)仿真，總結(jié)了一套完整的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)過(guò)采樣率、精度和動(dòng)態(tài)性能的要求，得出了調(diào)制器

3、所需的階數(shù)以及前饋因子、反饋因子和積分器增益因子。通過(guò)Matlab軟件仿真，預(yù)測(cè)出了實(shí)際調(diào)制器可以達(dá)到的性能。
　　 模擬調(diào)制器的設(shè)計(jì)中，各種非理想因素會(huì)極大地影響∑-△調(diào)制器的性能。因此，必須對(duì)各種非理想因素進(jìn)行系統(tǒng)的、量化的分析。本文對(duì)各種非理想因素如運(yùn)放有限直流增益、有限帶寬和擺率、輸出擺幅限制、開(kāi)關(guān)非線(xiàn)性、時(shí)鐘抖動(dòng)、采樣電容熱噪聲等都進(jìn)行了量化分析，從而為隨后的電路設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。
　　 ∑-△ADC的模擬調(diào)

4、制器電路級(jí)設(shè)計(jì)采用2階單環(huán)多位結(jié)構(gòu)，結(jié)合優(yōu)化了的前饋、反饋系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了高精度的ADC系統(tǒng)。為了減少量化噪聲，采用了4位量化器。通過(guò)采用新型時(shí)鐘饋通補(bǔ)償技術(shù)的自舉開(kāi)關(guān)，降低了輸入級(jí)的采樣開(kāi)關(guān)非線(xiàn)性給調(diào)制器輸出信號(hào)引入的諧波失真成分，從而提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。由于本文設(shè)計(jì)的Σ-△ADC信號(hào)帶相對(duì)較窄，因此高增益的運(yùn)放是獲得高精度Σ-△ADC至關(guān)重要的指標(biāo)之一。本設(shè)計(jì)采用兩級(jí)運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)，第一級(jí)為共源共柵結(jié)構(gòu)，第二級(jí)采用共源放大器。運(yùn)算放大

5、器的共模反饋電路采用開(kāi)關(guān)電容結(jié)構(gòu)，增大了其輸出擺幅。量化器中的比較器采用一種改進(jìn)型甲乙類(lèi)鎖存比較器，通過(guò)理論分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)并合理地選擇回踢噪聲減小技術(shù)，所設(shè)計(jì)的比較器具有高靈敏度和低功耗的特點(diǎn)，且回踢噪聲小。
　　 多位量化器的非線(xiàn)性會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能，故必須使用數(shù)字校正技術(shù)來(lái)校正4位量化器所引入的非線(xiàn)性。采用動(dòng)態(tài)元件匹配技術(shù)中既簡(jiǎn)單又實(shí)用的數(shù)據(jù)權(quán)重平均技術(shù)，將量化噪聲進(jìn)行了隨機(jī)處理，從而提高其動(dòng)態(tài)性能，且不大幅度地增大系統(tǒng)的

6、功耗和面積。合理設(shè)計(jì)電路中的采樣電容和積分電容的大小，不僅降低了系統(tǒng)的面積，也降低了系統(tǒng)的功耗。高精度的帶隙基準(zhǔn)源為電路提供所需的電壓和電流。兩相互不交疊時(shí)鐘的使用降低了系統(tǒng)由于時(shí)鐘的誤差所引入的噪聲。
　　 數(shù)字抽取濾波器采用全數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，因此面積和功耗成為其設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)帶寬21.77kHz，輸入采樣頻率6.144MHz，降采樣率為32的數(shù)字降采樣濾波器。在理論分析的基礎(chǔ)上，首先對(duì)濾波器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，在

7、確定采用多級(jí)結(jié)構(gòu)之后，分別對(duì)各級(jí)濾波器的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析、比較和設(shè)計(jì)。然后在具體的硬件設(shè)計(jì)上，對(duì)濾波器的系數(shù)量化和中間濾波器位寬進(jìn)行了詳細(xì)的分析，在滿(mǎn)足濾波器的設(shè)計(jì)目標(biāo)下，采用最優(yōu)的選擇。本文設(shè)計(jì)的數(shù)字抽取濾波器采用多級(jí)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，顯著的減少了數(shù)字電路的運(yùn)算量和所需的存儲(chǔ)單元，分解后的多級(jí)濾波器的運(yùn)算量和存儲(chǔ)量要遠(yuǎn)小于未分解的單個(gè)濾波器。最后的仿真結(jié)果顯示，數(shù)字降采樣濾波器組的設(shè)計(jì)符合預(yù)期的要求。經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波器后的信號(hào)采樣頻率為奈奎斯特