三阶DeltaSigma调制器的设计

1、浙江大学电气工程学院硕士学位论文三阶Delta-Sigma调制器的设计姓名：孙敢申请学位级别：硕士专业：电路与系统指导教师：吴晓波;赵梦恋20080501浙江人学硕：学位论义三阶模数转换器的设计摘要随着便携式电子设备对低功耗高分辨率的模数转换器的需求越来越人，模数转换器以其能够以较低的成本取得极高的分辨率，在多种应用领域获得了泛的应用，尤其在例如测鼙类和音频类的应用中，对于模数转换的低速高精度要求使得结构成为首选。论文主要针对模数转换器的模拟部分即调制器进行研究设计。根据白顶向下的设计理念，从系统结构的选择、系统建模到电路实现完成了整个调制器的设计。调制器通常包含的模拟电路比较简单，对电路精度

2、的依赖性较低，因此在电路设计上比较宽裕，本文更加注重其系统的设计。针对系统结构的选择，本文首先比较了单位量化器、多位量化器，一阶、多阶，单环、级联，前馈、反馈，离散时间、连续时间等不同类型的优缺点，初步确定了设计所采用的调制器结构类型，再针对该类型提出个不同方案分别进行仿真比较得到所需的系统参数。最后就两种不同积分器构成系统框图所需的时序进行可行性分析，进一步确定了系统结构。系统采用包含场谐振器的单环前馈（）阶一位量化器结构。针对系统建模，论文引入了线性模型、线性模型和主要应用与系统稳定性分析的非线性模型。实际电路包含着诸如运放增益有限性、运放带宽有限性、开关导通电阻、时钟抖动、时钟馈通、电荷

3、注入等非理想性。本文通过具体分析在线性模型下对这些非理想性建模得到更加完善的模型。针对电路实现，主要的电路模块运放和比较器分别采用了电流镜结构类输出的运放和离散时间比较器。设计的运放在符合系统指标的前提下同时具有高增益带宽积低功耗高输出摆幅的特点，而离散时间比较器具有高精度低功耗的优点。运放的开关共模反馈电路和离散时间比较器与整体系统采用开关电容结构有很好的兼容性。整体电路使用混合信号工艺，采用进行仿真。仿真表明，在信号输入带宽为，超采样率为条件下，调制器的动态输入范围为；在信号为一满幅输入时，其最人信号噪卢失真比为：此外，在供电电压下，调制器的功耗仅为，表现出较好的低功耗高精度性能。关键字：

4、模数转换器，线性模型，开关电容，低功耗，（），（）一（）一一卜（）一：，图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图目录现代信号处理系统几种模数转换器的主要应用领域现代信号处理系统采样理论传统采样率模数转换器三种模式的噪声谱结构框图调制器结构框图数字抽取滤波技术一个典型的数字抽取滤波器二阶模数转换器调制器积分器链反馈结构（）积分器链前馈结构（）仃包含零点优化的前馈结构包含零点优化的反馈结构连续时间调制器开关电容（）调制器改进的前馈结构（）具有场谐振器的前馈结构（）调制器四阶系统噪声传递函数根轨迹图线性模型信号传递框图线性模型噪声信号传递框图阶内插式调制

5、器对角线传递矩阵模型两个在原点相连的线性系统五时系统的状态趋势兄时系统的状态趋势积分器电路三阶噪声模式系统框图的一：作原理和技术对噪卢处理的效果运放增益有限时三阶系统框图运放增益与系统信号噪声比关系图运放时积分器模型运放线性工作时积分器模型积分器采样时刻模型积分器积分时刻模型下级板采样积分器完善的系统模型框图完善的系统模型仿真动态范围浙江人学烦学位论文三阶模数转换器的设计图系统电路简图图运放与共模反馈电路幽典型开关共模反馈电路图比较器与锁存器图半边窗函数频谱图满幅输入仿真结果图动态范同图开关积分器图连续时间离散时间积分器混合系统图悬浮开关改进积分器图多位量化单位反馈结构图图设计流程概图浙江入学

6、硕学位论义三阶模数转换器的设计表目录表零点优化带米的信噪比的提高表三种方案的比较表运放的仿真结果表比较器仿真结果表三种窗函数特性表几种设计的比较独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解滥姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部

7、门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝鎏盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：导师签名：签字同期：年月日签字日期：年月日学位论文作者毕业后去向：第一章引言课题背景与意义现实世界里面人部分的物理量是随时间连续变化的模拟量，如光线、电场、声波、速度等，在人们的生产研究过程中，经常需要对这些信号进行例如检测，变换，滤波，收发等处理。以往这些过程都是通过模拟系统直接处理的，然而随着数字信号处理技术数字系统的乜速发展，人们越来越要求把模拟信号转换为数

8、字信号再进行处理。如图所示。模拟输入数字处理系统模拟输出图现代信号处理系统相比较模拟系统数字系统具有稳定性好，抗干扰能力强；便于传输，存储无损失：精度高，集成度高，成本低；与数字计算机兼容性好等优点。因此当随着计算机软、硬件技术和数字信号处理技术飞速发展，渗透到各个技术领域，各种以数字技术为基础的设备、系统广泛应用时，作为数字处理系统与模拟真实世界接口桥梁的模数转换器也得到更多的关注与发展。随着移动通信和多媒体技术的快速发展，对图像、语音、同步数据流媒体等多媒体技术提出了更高的要求，使得模数转换器件向着更宽频带和更大的动态范围的方向发展。尤其是在汽车电子、消费类电子产品、个人计算机领域，数字多

9、媒体技术发展更是迅猛，为了追求更高的品质，高分辨率宽频模数转换器得到“泛应用幢。基础设施现代化建设过程里面，测量仪器的需求也日益增长，高分辨率低频模数转换器也得到广泛应用。在各种原理的中，因通过超采样噪声整形的手段把火部分信号带内的量化噪声转移到带外并通过数字滤波器滤除阳，因此，对器件精度以及模拟滤波器等模拟模块的丁艺与设计要求均较低，可有效利用现代数字集成电路技术加以实现。尤其在例如测量类和音频类的应用中，对于模数转换的低速高精度要求使得结构成为首选，如图所示。为延长便携式电子产品的使用时间，在此类产品应用中的低压低功耗性能至为重要引。一三州图几种模数转换器的主要应用领域一的发展现状和主要研

10、究方向目前国际上一的主要研究方向有：、高速一）由于一转换器本质是用速度换取分辨率，因此提高转换器速度的方法主要是提高调制器噪卢整形的阶数，从而可以在不损失系统信噪比的前提下，减低系统的过采样率，使转换器的转换速度提高。另一种方法是一调制器内部的量化器采用较高精度的转换器，虽然在一定程度上减少了一调制器高线性和电路误差容限高的特点，但在某些需要较高转换速度的场合，通过调整设计，可以使转换器同时拥有高精度和较高的速度。、高稳定性一）由于高阶调制器中的开关电容积分器、量化器容易产生过载，如何能够在实现好的噪声整形的同时达到高稳定度是一个研究方向，目前提出提高稳定度的方法分为三类：第一类是用稳定的低阶

11、（一阶、二阶）调制器级联而成高阶调制器（）结构。第二二类是采用多位量化器，多电平反馈结构。第三类方法是针对高阶单环路调制器的，主要方法有通过限制调制器输入范闱、改变各积分器输出信号、外加检测过载信号并复位网络，以及使用前反馈和反馈网络等方法来置稳啼。、噪声整形技术不同结构的一调制器对噪声的压制能力有很人不同，比如某二阶的调制器对噪声的抑制能力也许高过某二阶的调制器。对于同阶的调制器米说，不同的参数将导致不同的噪声整形能力，如何能在结构上或基丁二某种结构的参数上进行优化来达到最佳噪卢整形是研究目的。、低电压低功耗一现代的消费类电子产品和便携式电子产品通常使用单肖电池或两。仃电池供电，供电电压一般

12、为，共至更低，并且要求有比较长的：作时间，而电池容量是有限的，这就要求采用低功耗电路。冈此，迫切需要低电压、低功耗的转换器。目前，对于一模数转换器的低电压研究大多在一调制器的积分器和比较器上。例如，使用阐值较低的晶体管，通过优化它们的结构达到低功耗的目的，在积分器中使用单极运算跨导放大器（）也是设计低功耗转换器常采用的方法。、多位结构的一调制器多位结构的调制器可以提高转换速率和分辨率，并且能够增加调制器的稳定性。多位结构的调制器中含有一个位的并行模数转换器和一个位数模转换器，这种结构在大规模混合信号集成电路中实现困难，其线性度也比单比特量化差。、带通一传统的一转换器是基带信号的转换器，而在现代

13、无线接收系统中，有很多信号是高频的窄带信号为了使一调制器应用在这些高频窄带信号上，提出了带通的一转换器【、电路实现方式目前国际上对一转换器的研究不仅仅拘泥于系统结构的研究，在电路实现方式上也有很多研究。传统的连续时间和开关电容电路以及混合连续离散电路得到不断的深入研究。开关运放积分器构成的转换器，比较器构成积分器的转换器订等新型结构不断涌现。本文的主要工作本次毕业设计的研究内容主要是一款模数转换器的设计研究。由于模数转换器是一个数模混合信号的系统，本次研究主要针对模数转换器的模拟部分即调制器进行研究设计。因为模数转换器是通过噪卢整形的原理得到较高的转换精度，通常包含的模拟电路比较简单，其系统的

14、设计更加重要。由于模数转换器是个非线性系统，对该类系统的表现需要建立合理的线性模型嵋浙江人学顺学位论文三阶模数转换器的设计进行分析，而且实际电路的非理想性又会影响分析的效果。冈此在设计一个模数转换器通常需要仔细的系统设计。本文专注丁系统模型的完善研究，对模数转换器的设计具有理论指导意义，并在此理论基础上针对一款实际的模数转换器进行设计实现。各章节的安排文章第二章主要介绍了的一些基本原理。其中包括采样、过采样以及本文的设计目标的基本原理。从采样后保证信号能够重构的采样率模数转换器的原理介绍和优缺点分析，为了克服采样率模数转换器的缺点引出过采样率模数转换器概念和噪声整形技术。两者的结合便构成了一的

15、基本原理。接下来对一的两个基本组成部分调制器和数字抽取滤波器的原理做了简单介绍。最后，对影响一）功耗的来源做了简单介绍。文章第三章主要介绍了如何选取一调制器的结构。列举出了单位量化器、多位量化器，一阶、多阶，单环、级联，前馈、反馈，离散时间、连续时间等一的等不同类型。从分析不同结构一调制器的优缺点，初步确定了设计所采用的调制器结构类型。再针对该类型基于个不同方案进行仿真得到所需的系统参数。最后就两种不同积分器构成系统框图的时序可行性进行了分析，进一步确定了系统结构。文章第四章主要介绍了系统的建模，与第三章系统结构的选取在设计流程上即有先后的顺序义有反馈的关系。因为系统的建模是基于对选定系统结构

16、的建模，而在系统结构的选择上又有需要系统模型仿真比较不同的结构。本章主要介绍了线性模型、线性模型和主要应用与系统稳定性分析的非线性模型。电路的非理想性，根据线性模型分析作为噪声添加完善了最初的模型，最后对得到的模型进行了仿真。文章第五章主要介绍了系统电路级别的设计与仿真。电路模块的设计主要包括一个电流镜结构的类运放和一个离散时间比较器。最后介绍了系统的仿真，并把得到的仿真结构与其它相似设计做了比较。至此，文章第第五章遵循了至顶而卜的设计理念完成了一个模数转换器的电路设计。文章第六章提出了两种分别在电路级别和系统级别对该模数转换器改进的设想，并初步验证。浙江人学坝：学位论文二阶模数转换器的设计文

17、章第七章对本次毕业设计的研究：作进行了总结，并对后续：作提出了展望。浙江人学硕：学位论文三阶模数转换器的设计第二章一的基本原理模拟信号到数字信号的转化包括模拟信号时间上的采样和幅值上的颦化。最小的采样数率受到信号带宽的限制，转换精度代表了最人可以容忍的量化误差。一般的模数转换器在包含采样和鼍化之外通常还包括前置的模拟抗混替滤波器和数字处理部分。如图所示。抗棍叠滤波器模数转换港数字滤波器图现代信号处理系统而且采样和量化也并不一点按照图示的顺序独立地先后进行。前置的模拟抗混叠滤波器是用来限制输入信号的带宽在倍采样频率以内，从而保证采样之后信号带内并不折替带外的能量。模拟抗混叠滤波器的输出在一定的数

18、率下被采样，得到一组在时间上离散的信号序列。采样数率与信号带宽的关系是区分两大类模数转换器的根据。根据采样理论旧，为了保证采样后的信号能够完整地重构，采样数率必须大于倍的信号带宽。如图所示。龟一八，趸融八八、一叁奄缮。图采样理论因此我们把采样数率为倍信号带宽的模数转换器称之为采样率模数转换器：采样数率大于倍信号带宽的模数转换器称之为过采样模数转换器，采样数率与采样数率的比又称之为超采样比。浙江人学硕：学位论文三阶模数转换器的设计采样率模数转换器采样率模数转换器的输出与信号输入有着一一对应的关系，只是采用不同的量化器输出有着不同的编码，冈此采样率模数转换器通常属于脉冲编码模式（）模数转换器”。传

19、统采样率模数转换器如图所示。一【】：（竺六【】厶【，哪、。一彬：一一一一一，、瓦素图传统采样率模数转换器位量化器有个等级，每个等级的级差磊）（为信号输入摆幅）（）对于均匀分布具有零均值的量化噪声“，】其方差或者说能量为：箐（舞）汜，假设信号为零均值的随机输入（保证上述量化噪声能量公式的假设），其能量为，则信号噪声比为：圳崦枷崦（吼汜，量化器每增加一位信号噪卢比提高。当输入为满幅正弦信号时，得到转换器动态范围：（）（）通过一个时钟周期内量化的位数或者产生一个字节所需要的时钟周期个数，采样频率模数转换器又可分为一次一字、一次片字、一次一位、一次一阶等结构，但是无论哪种结构都需要比较、加减或者放大的

20、运算，然而这些简单的算法使得转换器的精度依赖于精确的器件匹配。在￥集成电路。：艺下，如果不采用清理焊缝或者其它的特殊处理很难得浙江人学硕一学位论文三阶模数转换器的设计到位以上的匹配精度。冈此采样率模数转换器要得剑位以上的精度就必须采用误芳修正或校准的方法，这也提高了高精度采样率模数转换器的成本。过采样模数转换器过采样模数转换器通常通过数倍丁二采样数率的速度采样，将量化噪声分布到整个频带，最后的输出通过数字滤波器处理得到较低传输数率较高精度的信号码流。这种通过把信号幅度上精度的要求转换到信号采样时间上的牺牲机制减少了转换器精度对器件匹配精度的依赖，而过采样模数转换器如果采用环路整形可以更好地衰减

21、带内的噪声。如图所示。由一位量化器组成包含噪声整形的过采样模数转换器，由丁其输出脉冲密度体现了输入信号，因此该类转换器又被称为脉冲密度模式（）模数转换器。电互图采样搴媾换口过采样蟠专换阡过采样燎换图三种模式的噪声谱一的原理一是一种包含噪声整形技术的过采样滤波器，通常包含调制器和数字抽取滤波器两部分。结构框图如图所示。浙江人学硕学位论义三阶模数转换器的设计图结构框图一调制器简单地把量化器视为一个引入量化噪声的模型，虽然不是很确切但是可以方便我们的分析，这里我们就采用这个模型进行分析引。这样我们可以得到信号环路和噪声环路。过采样模数转换器要实现噪卢整形，也就是输入（）包含的噪声能量减少，而信号则保

22、持不变，我们发现前馈通路引入一个积分器即可实现这样的效果。如图所示。移彩图调制器结构框图输出为信号的延时和量化噪声的微分之和：（）（）（）一（）（）累加器和积分器组成基本的整形环路，这也是模数转换器名字的来由。以一阶调制器为例，由于量化器引入的噪声（）（）一（）（）转换到域（）（一）（）（）令新，可以得剑输出噪卢与量化噪卢的能量密度（）关系：（）（万）（厂）（）当量化器的输入变化足够复杂（）时，可以假设量化器的量化误差为均匀分布尺（一，），则总的量化误差能量即为的方差。；再假设量化噪声为白噪坷啪蚓班生等汜，根据公式（）（）可以得到带内的噪声能量为九裔汜其中傩多为系统的过采样比。输出噪声频谱如图

23、所示，可以看出【模粒调￥器输可以等艮低的带内总能量。数字抽取滤波器在模数调制器后必须有数字抽取滤波器来滤除带外能量也就是在不牺牲信号品质的条件下利用抽样技术将冗余的部分移除，并把数据数率从过采样后的数率降为原来的数率，这样才能实现完整模数转换的功能。如图所示。一汀，。堙弘川【邓躯二一盐蚴。臻摹图数字抽取滤波技术由于在通带纹波和阻带衰减相同的情况下，滤波器的阶数和过渡带的相对宽度成反比，冈此直接设计一个过渡带很窄的滤波器是信价比很低的，共至是很困难的。通常我们采用多个阶数较小的滤波器级联米实现。各级滤波器阶数之和将远小丁单级实现时的数字低通滤波器的阶数，因此所需的乘法次数人大减少。前级滤波器的采

24、样频率虽高但过渡带大，而后级滤波器的过渡带虽小但采样频率也低，使得所需的滤波器度相对较小。图一个典型的数字抽取滤波器图是一个典型的数字抽取滤波器。由个梳状滤波器（），两个半带滤波器（），一个幅度补偿滤波器（）组成。从调制器输出的带有量化噪声的信号输入梳状滤波器。梳状滤波器一方面作为低通滤波器滤除基带以外的量化噪声，增加输出信号的分辨率，另一方面作为数字抗混叠滤波器滤除降采样后可能会引起信号混叠的噪声。梳状滤波器是一款特殊的有限冲激响应（）滤波器，它的传递函数中所有系数都为，也就是说既不需要和信号进行乘法运算，也不需要寄存器用来存储系数。因此，冈此其功耗和面积都比普通滤波器小。然而，梳状滤波器最

25、多只能将信号频率还原到倍奈奎斯特频率。否则带内噪声将急剧增大，而且梳状滤波器对通带内信号的衰减幅度也将增大，使得斜率矫正滤波器的设计非常凼难。因此，在比较大的条件下，梳状滤波器之后需要接滤波器和降采样器来完成最后的降采样。通常，这个滤波器用级联的半带滤波器米实现，每一级半带滤波器完成倍的降采样。半带滤波器虽然抽头系数不为，需要进行乘法运算，但是和普通的滤波器相比，有将近一半的抽头系数都为，大人减少了运算次数，降低了功耗。通常会在最后一级采用一个滤波器，用来补偿由梳状滤波器造成的通频带内的幅度衰减。功耗的分析模数转换器的功耗通常包含调制器功耗和数字滤波器的功耗两人部分。下面先分析调制器主要静态功

26、耗来源的积分器功耗。尤其第一级积分器，由于其引入的误差对输出贡献最大，要求最为严格，功耗最大。开关电容构成的积分器，由于采样电容热噪声必须小于要求的信噪比，再通过采样积分电容的比例关系，这样就确定了运放的总的电容负载。连续时间积分器，由于积分电阻引入的热噪声必须低丁二带内噪声底带，再通过积分器比例系数得到积分电容值，这样便可以得到运放的等效负载。运放的增益通过系统设计考虑运放增益对传递函数对带内噪卢整形的修移程度确定。要求在该负载下面设计浙江人学硕学位论文三阶模数转换器的设计运放使得积分器建立误著为动态范同所容忍，通过运放增益、转换数率、运放带宽与运放功耗的关系可以人致估算出积分器的功耗。实际

27、功耗需要具体问题具体分析，但是我们仍然可以确定地得到积分器功耗与动态输入范围和信号带宽乘积的正比关系。数字抽取滤波器与降采样的频率、传输数率以及阻带系数有关，具体的功耗和内部的算法有关，但是我们仍然可以确定地得到数字抽取滤波器积分器功耗与降采样的频率和传输数率乘积的正比关系。小结本章主要介绍了一的基本原理。从采样后保证信号能够重构的采样率模数转换器的原理介绍和优缺点分析，为了克服采样率模数转换器的缺点引出过采样率模数转换器概念和噪声整形技术。两者的结合便构成了一的基本原理。接下来对一的两个基本组成部分调制器和数字抽取滤波器的原理做了简单介绍。最后，对影响一）功耗的来源做了简单介绍。浙江人学硕！

28、学位论文三阶模数转换器的设计第三章一调制器的结构设计一调制器的类型一调制器通过结构和应用领域的不同可以分为多种类型。根据内部量化器的阶数可以分为单位量化器、多位量化器一；根据环路阶数可以分为一阶、多阶一根据数据通路个数可以分为单环、级联一；根据环路结构可以分为前馈、反馈一；根据是否引入零点优化可以分为有内部场谐振器、无内部场谐振器一：根据积分器不同的实现方式可以分为离散时间、连续时间一；根据输入信号的带宽可以分为音频、低通、带通一等引。单位量化器和多位量化器一由公式（）和（）可以得到提高量化器的位数可以直接提高输出的信号噪声比每位。而且采用多位量化器量化器增益比较固定不易饱和系统更稳定，也会减

29、小有限循环（）的发生，同样提高了量化噪声的程度，也会减少输出的表现。一位量化器增益不固定，发生饱和时增益减少反馈效果不明显会导致系统的不稳定，需要减小输入信号的幅值以控制量化器的输入避免饱和，这也相应减少了系统的最大信号噪声比。的输出信号是直接累加到调制器的输入信号，其误差将直接影响输出的信号噪声比。尤其当是非线性时，其误差对调制器的输出信号信号的贡献将等效为对输入信号的失真，可能在带内引入很高的谐波能量。当采用多位量化器时，为了解决多位的非线性问题，需要采用器件微调（）技术或者采用辅助的数字电路来控制的单元。前者提高了成本，后者增加了电路复杂度。目前比较流行的是对后者的研究，有设计思想类似于

30、噪声整形以避免输出有很高谐波能量的技术；将的误差用数字形式记录下来，然后在数字域减去这个误差所带来的影响的数字矫正技术。一位天生的线性使得采用一位量化器的模数转换器并不存在非线性补偿的问题。一阶和多阶一另外一个能显著提高模数转换器的便是增加调制器的阶数，最简单的便是增加积分器的个数，简单一二阶模数转换器如图所示。（功图二阶模数转换器通过线性模型分析得到：矿（）一（）（一一）（）（）（）（）（）令”，根据公式（）可以得到：乙，淼，同理，通过不断增加内部积分器和反馈的个数可以不断增加调制器的阶数。一位量化器，阶调制器带内输出噪声为二两备，从公式（）可以看出每增加一倍过采样率可以提高（）信号噪声比，

31、即提高位等效位数（）。但是我们并不能通过无限地提高调制器的阶数来得到更高的信号噪声比，冈为高阶调制器存在着稳定性的问题，目前国际上流行的模数转换器的阶数一般在阶以下。单环和级联一当调制器的阶数增加的时候，单环结构调制器的稳定性问题会变得越来越严重¨引。而多级噪声整形（）结构是一种缓解稳定性问题的很好的方法¨。一种结构如图所示。图鲫调制器利用简单线性模型进行分析：（）川（）（），（）巨（）（）（）哦（）巨（）朋（）岛（）（）【，（刀一：），（）一厶峨岛（）当令。哪一马珥时，输出只包含第二级调制器的量化噪声，取日砭、尼匹满足等式，代人公式（）得到调制器输出：职脚：。墨岛（）根据

32、公式，结构的输出噪声有两级调制器的整形效果，而其稳定性只需要一级调制器的考虑。与单环结构相比，在得到相同噪声整形效果的条件下，的稳定性等效于单环结构阶数的稳定性。然而当模拟传递函数珥、弼与数字传递函数、没有完全匹配时，那么第一级调制器的鼍化噪声就会部分出现在最终的输出信号中，其整形效果等效于乘以匹配系数后的一级整形效果。）结构的最大问题在于它在设计上要求器件精确匹配，实现的复杂度较高。单环结构只有一条数据通路，设计复杂度大大降低：对器件火配的敏感度较低，实现简便，生产成本较低。前馈和反馈一在模数转换器的环路结构的实现上通常包括前馈和反馈两人类。以四阶调制器为例，简单线性模型来分析，开关电容调制

33、器既可以用图的反馈结构实现，也可以用图的前馈结构实现。图积分器链反馈结构（）图所示的反馈结构，噪声传递函数为：一，（脚。卜石再可去煮习研信号传递函数为：等躺筹掣槲一口（）（一）肛（一）川（）（）为了保证信号输出的完整性，在信号带内必须平整，通常设计令。可以得到：，口岛，。根据公式，当口或者口，噪声传递函数的整形效果会被降阶，所以口岛。而且此时各级积分器的输入为：彬（）墨一（）一（）（）（）其中置（）彬（）为各级积分器的输出，（）。根据公式，我们发现积分器的输入不包含输入信号（）项，此时任何一个积分器都不需要处理输入信号，积分器不易饱和，更重要的是可以避免积分器线性引起信号的谐波失真。浙江人学硕

34、：学位论文三阶模数转换器的设计图所示的前馈结构，噪声传递函数为：删加葡高毛信号传递函数为：一业羔尘名器篙竽一此时只需令包，岛，即可以得到，并不影响的设计。同样此时积分器的输入不包含输入信号甜（）项，任何一个积分器都不需要处理输入信号。但是前馈结构需要的系数和系数匹配要求都比反馈结构低，因此电路复杂度低，功耗相应较低。由于简单线性模型与实际调制器表现的差别，实际积分器输入仍然包含一定的输入信号，输出还是不可避免存在信号谐波的，反馈结构的多点反馈使得其在这方面的表现可能略胜于前馈结构。为了获得更低的带内噪声能量，人们对噪声传递函数做了改进，引入了零点优化。零点优化对信号噪声比的改进如表所示。相应的

35、前馈结构、反馈结构引入场谐振器来实现零点优化，如图、图所示。浙江人学硕：学位论文三阶模数转换器的设计阶数零点何置（信带宽归一化）信噪比的提高±压，±甭±±（），±±（）表零点优化带米的信噪比的提高图包含零点优化的前馈结构图包含零点优化的反馈结构浙江人学硕学位论文三阶模数转换器的设计离散时间和连续时间一图连续时间调制器调制器刚被提出时采用的是如图所示的连续时间（）实现方式。在这种实现方式中，的功能是由电阻连接触发器的输出端和运算放大器的输入端来实现的。由于此时的基准电压就是触发器的输出，极其不纯净，经过反馈直接耦合到输入端，因此该实现方

36、式的数据转换精度不会很高。为了获得比较高的转换精度，就必须有独立的基准电压作为反馈输入，而量化器输出仅仅是控制信号。人们就提出了图所示的开关电容（）实现方式。图开关电容（）调制器在开关电容实现方式中，由开关和采样电容来实现。此时可以用一个比较精准的内建或者外接的基准电压，而且工作是离散时间的，可以比连续时间实现方式获得更高的精度和线性度。开关电容实现方式的结构简单、稳定性好、可实现性强，但是采样电容和积分电容占据着比较人的芯片面积，开关开启电压限制了供电电压，运放人电容浙江人学硕学位论文三阶模数转换器的设计负载义会限制其所需要的最小电流，某种程度上也就限制了调制器所需要的最小功耗。连续时间实现

37、方式由丁其内部自带的抗混叠滤波功能，抗混替的程度和对量化噪卢抑制的程度是一致的。连续时间实现方式把信号的采样推迟到了环路滤波器的输山部分再进行，因而整个环路对采样过程中引入的误差以及折叠进信号带宽的噪声不再那么敏感。但是连续时间实现方式由于其积分器比例系数对于时间的敏感性，反馈信号的时钟抖动将会引入严重的信号失真。连续时间实现方式的速度只受比较器和的限制，而且不需要对人电容进行充放电，因此在频率较高时能够以更小的功耗来达到与开关电容结构近似的性能。连续时间实现方式比较适用于较高频率的场合。一调制器结构的设计一位天生的线性使得采用一位量化器的模数转换器并不存在非线性补偿的问题：单环结构只有一条数据通路，设计复杂度大大降低；对器件失配的