高精度Σ-ΔADC的模拟调制器设计与性能优化

本文主要探讨的是计算运算放大器在高精度sigma-delta模数转换器（Σ-ΔADC）中的频率响应，特别是在积分器部分的等效小信号模型。作者吴笑峰，作为西安电子科技大学微电子学与固体电子学专业的博士研究生，深入研究了Σ-ΔADC的设计与系统性能指标，其论文聚焦于如何通过采用过采样、噪声整形和数字滤波技术来提高精度和降低功耗。 章节4.2.2介绍了线性建立时间，通过图4.4展示了两级运放构成的积分器中的反馈机制，其中反馈因子与放大器的增益密切相关。图4.5展示了计算运放频率响应的等效小信号模型，该模型考虑了多种参数，如C1、C2等电容值，以及与它们相关的系数，这些系数反映了非理想因素对系统性能的影响，如运放的直流增益、带宽、摆率限制等。 Σ-ΔADC的关键组成部分，即模拟调制器和数字滤波器，是系统性能的核心。作者利用Matlab软件进行系统建模和仿真，以确定模拟调制器的阶数、前馈因子、反馈因子和积分器增益因子，以满足过采样率、精度和动态性能的需求。针对模拟调制器设计中的非理想因素，如运放的非理想特性、采样电容的热噪声等，进行了详细的量化分析，为电路设计提供了重要依据。 电路层面，设计采用2阶单环多位结构，通过优化的前馈和反馈系数，提升了Σ-ΔADC的精度。4位量化器的应用有助于减少量化噪声，而新型时钟馈通补偿技术的自举开关则进一步降低了输入级的开关非线性对输出信号的影响，从而提高了系统的动态性能。考虑到高增益运算放大器对高精度Σ-ΔADC的重要性，设计中采用了共源共栅和共源放大器的组合结构，同时利用开关电容电路增强共模反馈，确保了输出摆幅的增大。 总结来说，这篇论文深入剖析了Σ-ΔADC的频率响应和关键设计要素，特别是如何通过理论模型和软件仿真优化系统性能，以及如何处理非理想因素以实现高精度、低功耗和高速度的ADC设计。这对于理解此类高性能ADC的工作原理和优化方法具有重要价值。