高精度∑△ADC的研究

论文摘要

过采样求和-增量（∑△）A／D转换器（ADC）是当前高精度ADC的一种主流结构。在音频、数字电视和无线通信等方面有广泛的应用。如何设计高性能高阶稳定的∑△ADC是当前研究的热点和难点。本文以十五国防预研课题和北京微电子技术研究所课题为背景，系统深入的研究了高精度高阶∑△ADC。所做的主要研究工作及其创新点如下：1．作为主要完成人，作者参与完成了一款过载稳定和动态DC抖动的16位音频单环5阶1位CRFF型∑△ADC设计和测试工作。芯片采用0.5μm 5V CMOS工艺，整个芯片面积约为4.1*2.4mm2，芯片功耗仅为90mW，已成功流片。2．提出了一个单环高阶1位∑△调制器的优化设计方法。按照设计指标，考虑功耗因素，合理的选取和设计了一个单环5阶1位CRFF型调制器。3．基于调制器降阶和积分器复位的方法，提出了一种数字开关过载稳定方法。相对Pneumatikakis和T．H．Kuo提出的方法过载恢复速度快。该方法可适用于任意阶单环1位CRFF型∑△调制器中。4．提出一种动态DC抖动技术来消除高阶∑△ADC的弦音，与Norsworthy提出的动态AC抖动技术相比，在略微损失信噪比的情况下，数字电路面积减小了2／3。5．设计建立了考虑电路噪声和开关电容电路的非理想因素的∑△调制器的系统级数学模型，借以通过系统级仿真，得出电路级设计的关键指标。电路级仿真验证显示系统级建模的仿真方法对指导电路级设计是有效的。∑△调制器的通用评价指标Figure of Merit-w（FOM-w）值为8.3（理想值为小于10），说明调制器具有良好的性能。6．提出了一种多相变级数的非递归梳状滤波器。与标准的非递归梳状滤波器的电路比较，在相同的电路时钟频率下，其面积节省了45％，功耗节省了35％。完成了芯片的测试方案和测试评估板的设计，并构建测试平台。对流片成功的芯片进行了初步测试。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 图索引
• 表索引
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究背景
• 1.2 ∑△ADC的国内外研究发展
• 1.2.1 ∑△ADC发展历史
• 1.2.2 ∑△ADC国内外研究现状
• 1.3 论文研究内容及创新点概要
• 1.4 论文的结构
• 第二章 ∑△ADC理论分析及结构选取
• 2.1 引言
• 2.2 Nyquist速率和过采样∑△ADC
• 2.3 量化噪声分析
• 2.4 过采样转换器理论
• 2.5 1阶∑△调制器
• 2.5.1 频域分析
• 2.5.2 时域分析
• 2.5.3 1阶∑△调制器电路实现
• 2.6 2阶∑△调制器
• 2.7 高阶转换器
• 2.7.1 单环高阶∑△调制器
• 2.7.2 级联MASH结构
• 2.7.3 多位量化器
• 2.7.4 结构比较
• 2.8 ∑△调制器稳定性
• 2.9 弦音或极限环
• 2.10 数字抽取滤波器
• 2.11 高阶1位∑△调制器设计方法
• 2.11.1 优化设计方法
• 2.11.2 调制器结构选取
• 2.11.3 功耗分析
• 2.11.4 方案选择
• 第三章 数字开关过载稳定方法
• 3.1 引言
• 3.2 ∑△调制器稳定性分析
• 3.2.1 1位量化器的非线性模型
• 3.2.2 1阶1位∑△调制器稳定性分析
• 3.2.3 2阶1位∑△调制器稳定性分析
• 3.2.4 高阶1位∑△调制器稳定性分析
• 3.3 常用的高阶∑△调制器稳定性方法
• 3.3.1 四种常用稳定方法
• 3.3.2 稳定方法对比
• 3.4 单环5阶1位CRFF型∑△调制器数字开关过载稳定方法
• 3.4.1 数字开关过载稳定方法
• 3.4.2 过载检测恢复电路
• 3.4.3 仿真结果
• 3.5 数字开关过载稳定方法的通用性
• 第四章 动态DC抖动技术
• 4.1 引言
• 4.2 单环1位∑△调制器弦音现象
• 4.3 压缩弦音的方法
• 4.3.1 固定技术
• 4.3.2 动态技术
• 4.4 动态DC抖动技术
• 4.4.1 动态DC抖动技术详细描述
• 4.4.2 动态DC抖动技术仿真图
• 第五章 高精度∑△调制器设计
• 5.1 引言
• 5.2 5阶1位CRFF型∑△ADC电路
• 5.3 开关电容积分器的非理想分析
• 5.3.1 介绍
• 5.3.2 电路噪声
• 5.3.3 OTA的有限增益
• 5.3.4 OTA的闭环主极点
• 5.3.5 开关电阻和OTA闭环主极点
• 5.4 积分器设计
• 5.4.1 积分器电路
• 5.4.2 第一级运算放大器结构
• 5.4.3 运算放大器设计
• 5.4.4 共模反馈电路
• 5.5 量化器
• 5.6 时钟信号产生电路
• 5.7 基准源电路
• 5.7.1 带隙基准源原理
• 5.7.2 减小运放失调电压的电路的基准源
• 5.8 仿真结果
• 5.9 调制器性能FOM比较
• 第六章 数字滤波器设计
• 6.1 引言
• 6.2 抽取的基本概念
• 6.2.1 信号抽取
• 6.2.2 置换原则和多级实现
• 6.3 梳状抽取滤波器结构
• 6.3.1 递归结构
• 6.3.2 非递归结构
• 6.3.3 抽取滤波器的功耗和面积对比
• 6.4 梳状滤波器设计
• 6.4.1 变级数的非递归梳状滤波器
• 6.4.2 多相变级数的非递归梳状滤波器
• 6.5 抽取补偿滤波器
• 6.5.1 等波纹逼近法设计的FIR滤波器
• 6.5.2 抽取补偿滤波器的电路实现
• 6.6 数字滤波器仿真验证
• 第七章 测试
• 7.1 引言
• 7.2 版图实现
• 7.3 封装形式
• 7.4 测试系统方案
• 7.4.1 测试评估板
• 7.4.2 测试平台
• 7.5 基于FFT的频域动态参数测量方法
• 7.5.1 FFT法原理分析
• 7.5.2 频率分辨率、相干采样与窗函数
• 7.6 测试结果
• 第八章 结束语
• 8.1 本文所作的工作
• 8.2 关于进一步的工作与研究
• 致谢
• 博士期间发表的论文和研究工作
• 参考文献