高精度Σ-ΔADC研究：非线性增益与模拟调制器设计

"运放非线性直流增益在模拟调制器设计中的影响及 Sigma-delta ADC 的性能优化" 在高精度的 Sigma-delta（Σ．Δ）模数转换器（ADC）设计中，运放（运算放大器）的非线性直流增益（DCG）是一个关键考虑因素。非线性的DCG不仅影响积分器的增益，还会导致失真，特别是在模拟调制器的性能中扮演重要角色。积分器的DCG与输出电压之间的非线性关系如图所示，当运放具有轨对轨输入摆幅时，这种非线性关系可能导致输出电压的失真。 运放的DCG通常可以用以下公式表示： \( A_{DCG} = 1 + k_1 \cdot V_{out} + k_2 \cdot V_{out}^2 + k_3 \cdot V_{out}^3 + \dots \) 其中，\( V_{out} \) 是输出电压，\( k_1, k_2, k_3, \dots \) 是与运放特性相关的系数。 Σ．Δ ADC 以其过采样、噪声整形和数字滤波技术，实现了高精度和低功耗的转换效果，但高速性能是其挑战。ADC的性能评估包括动态特性和静态特性，例如信噪比（SNR）、动态范围（DR）、无杂波动态范围（SFDR），以及积分非线性（INL）和微分非线性（DNL）等静态特性。 在模拟调制器的设计中，运放的非线性DCG、有限带宽、有限摆率、输出摆幅限制、开关非线性、时钟抖动和采样电容热噪声等非理想因素都会影响Σ．Δ调制器的性能。例如，有限的DCG会导致输出信号的失真，需要通过量化分析来量化这些影响，以便在电路设计阶段进行优化。 在Σ．Δ ADC 的模拟调制器电路级设计中，采用2阶单环多位结构，配合优化的前馈和反馈系数，可以实现高精度的转换系统。为了降低量化噪声，通常选择较高的量化位数，如4位。此外，通过采用具有新型时钟馈通补偿技术的自举开关，可以减轻输入级采样开关非线性导致的谐波失真，进而提升系统的动态性能。 在本文中，设计的Σ．Δ ADC 信号带较窄，因此高增益的运放至关重要。设计采用了两级运算放大器结构，第一级是共源共栅结构，第二级为共源放大器，以提高增益并确保高精度。运算放大器的共模反馈电路采用开关电容设计，这有助于扩大输出摆幅，进一步优化ADC的性能。 总结来说，运放的非线性直流增益在Σ．Δ ADC 设计中起着决定性作用，通过对这些非理想因素的量化分析和电路级优化，可以实现高精度、低功耗且具有良好动态性能的Σ．Δ ADC 系统。