窄带Dither算法在流水线ADC中的研究与应用设计

论文摘要

流水线结构的模数转换器(Pipelined ADC)具有高分辨率、高精度的特点以及良好的速度与功耗性能,其结构在面积和功耗上具有很大的优势。然而,由于电路中存在各种非理想因素,极大地限制了流水线ADC性能的提高。对于提高ADC的SFDR(无杂散动态范围)特性,引入Dither噪声是一种重要的方法。Dither能够有效地改善因量化过程、相干采样和ADC的非线性特性而造成的谐波失真,从而提高ADC的无杂散动态范围。因此,将Dither噪声和当前主流的流水线ADC结构相结合,对于设计下一代高性能ADC具有重要的作用。本文首先分析从理论上分析了ADC的量化过程、相干采样和非线性特性所引起的谐波失真和Dither对ADC动态性能的改善,并对改善的原理进行了说明。然后,从数学上推导了Dither通过影响ADC的输出码密度函数来改善DNL所引起的总误差,推导了高斯分布的Dither对理想ADC的量化误差的改善。接着,本文在分析流水线ADC结构的基础上,搭建了一个14位的流水线ADC行为级模型,并构建窄带Dither的仿真系统,对窄带Dither对流水线ADC无杂散动态范围指标的改善情况进行了仿真分析,并提出了一种与传统窄带Dither产生方式略有不同的新型窄带Dither,这种新的窄带Dither可以避免频率由设计的模拟滤波器所限制,要改变Dither信号的频率只能重新设计新的Dither发生电路的局限性。针对引入Dither后发生信号溢出的情况,本文进行了一些探讨,提出了两种解决方案,并进行了仿真验证,证明所提出的方案能够有效的解决引入Dither后信号溢出的问题。最后,通过设计PCB电路板,以12位的ADC(AD9235)为目标实测了窄带Dither对ADC性能的影响,证明了窄带Dither对ADC的SFDR性能的改善。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 图目录
• 表目录
• 第一章 绪论
• 1.1 项目研究背景
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 国内外ADC 研究技术的发展现状及趋势
• 1.2.2 Dither 技术的发展历史及研究现状
• 1.3 论文的内容及结构
• 第二章 Dither 算法原理
• 2.1 Dither 信号的种类与引入方式
• 2.1.1 加性Dither
• 2.1.2 频移dither
• 2.2 Dither 对ADC 性能的影响
• 2.2.1 提高ADC 的采样精度
• 2.2.2 消除相干采样的谐波
• 2.2.3 消除DNL 的周期性引起的谐波
• 第三章 Dither 影响ADC 性能的数学推导
• 3.1 从ADC 输出码密度函数角度分析Dither 对DNL 总误差的影响
• 3.1.1 均匀分布Dither
• 3.1.2 离散Dither
• 3.2 高斯Dither 影响对理想ADC 量化误差的改善
• 第四章 流水线ADC 的行为级建模与性能测试
• 4.1 行为级建模工具Simulink 简介
• 4.2 流水线ADC 的结构
• 4.3 流水线ADC 的关键单元结构的行为级建模
• 4.3.1 流水线ADC 行为级模型的总体设计
• 4.3.2 采样保持电路的建模
• 4.3.3 Flash ADC 的建模
• 4.3.4 MDAC 模块的建模
• 4.3.5 14 位流水线ADC 的行为级模型实现
• 4.4 ADC 的性能指标
• 4.4.1 静态指标
• 4.4.2 动态指标
• 4.5 ADC 性能的测试
• 4.5.1 码密度法
• 4.5.2 FFT 频谱分析法
• 4.5.3 14 位流水线ADC 行为级模型的动态性能测试结果
• 第五章 流水线ADC 的窄带Dither 算法仿真与改进
• 5.1 仿真系统的设计
• 5.2 仿真环境与参数的设置
• 5.3 各种窄带Dither 的仿真与结果分析
• 5.3.1 窄带Dither 结构及仿真
• 5.3.2 窄带Dither 仿真结果分析
• 5.3.3 改进的窄带Dither 结构
• 5.4 防止引入dither 后信号溢出方案与仿真
• 5.4.1 改变流水线ADC 内部残差的方法
• 5.4.2 外部预判Dither 幅度的方法
• 第六章 流水线ADC 的窄带Dither 验证板的设计
• 6.1 验证板的总体结构
• 6.2 Dither 发生电路设计
• 6.2.1 噪声发生电路
• 6.2.2 可变增益电路
• 6.2.3 滤波电路
• 6.3 Dither 与信号叠加电路设计
• 6.4 ADC 外围电路设计
• 6.5 数字滤波器设计
• 6.5.1 分布式算法原理
• 6.5.2 移位寄存器模块
• 6.5.3 优化模块
• 6.5.4 加法模块
• 6.5.5 LUT 模块
• 6.6 验证板与PC 通信模块设计
• 6.6.1 SRAM 控制器的设计
• 6.6.2 串口电路的设计
• 6.7 时钟电路设计
• 6.8 电源模块设计
• 6.9 窄带Dither 的验证
• 第七章 总结
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历
• 攻读硕士学位期间的研究成果