高性能音频∑-△数模转换器的研究与实现_图文

1、浙江大学信息科学与工程学院博士学位论文高性能音频-数模转换器的研究与实现姓名：黄小伟申请学位级别：博士专业：微电子学与固体电子学指导教师：韩雁;杨立吾20090317摘要摘要在年提出的国家中长期科学和技术发展纲要（年）中确定的未来年里个重大科技专项中，第一项就是“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件”。作为高端通用芯片之一的高性能音频数模转换芯片，被广泛应用于多媒体和各种消费类电子产品中，其核心技术目前主要被国外所垄断。自主开展高性能音频数模转换器芯片的研发，对于提高我国电子产品的核心竞争力具有重要意义。本论文研究了音频信号的数模转换技术。在高精度转换条件下，过采样技术是目前最好的选择。数模转

2、换器由插值低通滤波器、数字调制器和模拟后端电路组成。由于这种技术要求对数字设计、模拟设计都有比较深入的了解，所以这是各种数模转换器设计中最具挑战性的实现方式。实现高线性度、低噪声、低功耗、低成本的数模信号转换是研究的难点。本论文的主要工作和创新点包括：、分析了调制器原理，对其稳定性问题及实现结构进行了深入的研究比较和定型。分析了数字插值滤波器原理，采用码实现方式，节省了硬件开销、减低了芯片功耗。、确定了一种多比特量化的数模转换器形式，采用直接电荷转移内部实现数模转换，降低了功耗。相对于单比特内部结构，这种新型结构在模拟电路的面积和功耗方面具有较大的优势。、多比特开关电容很难实现高线性度，设计中

3、采用失配误差整形算法，把失配引入的失真转换为噪声并外推到信号带外的高频端，大大削弱了引入信号带内的噪声干扰。、提出了一种新的衬底噪声有源抵消方法，仿真与实测结果均证明，该噪声有源抵消方法可以更高效地减少衬底噪声干扰，从而为高性能混合信号更为优化的版图设计提出一条可行之路。摘要、实现了一款的高性能音频数模转换器芯片。采用中芯国际（）工艺实现，芯片核心面积，实测动态范围，最大信噪失真比为。电路各模块的性能均达到了设计目标。用硅验证的方法证明了论文思想的正确性和可行性，与国内近几年测试成功的音频数模转换器比较，本设计处于国内领先水平。论文通过对数模转换器理论的深入研究，设计并实现了与国外同类产品性能

4、相当的位数模转换器芯片。通过该芯片设计，掌握了从系统设计、电路设计、版图设计到流片、测试的一套完整的数模混合电路设计流程，并拥有了位高性能音频数模转换器这一高端芯片的。关键词数模转换器，数字插值滤波器，过采样，调制器，噪声整形，开关电容“（）”，（），一一，一，：，一，”一行，一一，：，浙江大学研究生学位论文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。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，也不包含为获得逝姿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

5、的说明并表示谢意。学位论文作者签名：毒午签字日期：乙。年弓月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解逝望盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆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和传播，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：囊小刊签字日期：乙年弓月日导师张鞘讯褂嗍：加（年川日致谢致谢毕业论文到此顺利完成，它为我五年的研究生生涯画上圆满的句号。在本次毕业设计中，我得到了许多老师和同学的帮助和鼓励，在此表示衷心的感谢！感谢我的指导老师韩雁教授的悉

6、心帮助和对我工作、学习上的督促。她给了我一个很好的机会，让我能够在这个过程中提高了实践动手能力、分析问题和解决问题的能力。在读研的整个过程中，韩老师的勤奋和努力很值得我学习，特别是在工作非常繁忙的情况下，她都不曾中断对我的指导。同时，她工作的高效率也给我留下了很深刻的印象。感谢浙江大学微电子与光电子研究所的朱大中教授、何杞鑫副教授、沈相国高工、董树荣副教授、丁扣宝副教授、郭维老师、孙颖老师、韩晓霞老师、霍明旭老师等对我在学习、工作上的帮助和生活上的关心，与他们的学术讨论使我受益匪浅。感谢中芯国际给予的流片支持，感谢杨立吾博士对我的帮助和指导。感谢与我合作过的陈磊、罗豪、廉玉平、张昊，感谢研究所

7、的洪慧、郭清师兄，感谢马绍宇、施敏文、周海峰、付文等同学对我的关心和帮助，感谢实验室所有的师弟、师妹，与你们一起度过的时光将是我一辈子永远难忘的回忆。感谢我的女友刘霞，是她的默默支持给了我不断前进的勇气和信心，感谢她为我所做的一切。最后，特别要感谢的是我的父母、哥哥、嫂子和朋友们，他们对我的关心和支持是巨大而温暖的，他们是我生活中最坚实的后盾，我将永远铭刻在心。谨以这篇论文献给一直关心支持我的家人和女友。黄小伟年月绪论绪论课题背景意义在年提出的国家中长期科学和技术发展纲要（年）确定未来年里力争取得突破的个重大科技专项中，第一项就是核心电子器件、高端通用芯片及基础软件。开发高端通用芯片对于国内产

8、业发展具有重大的意义。数模转换器（，简称）是一种将输入的数字信号转换成模拟信号输出的器件，它被广泛应用于数字通信、自动控制、自动检测和数字多媒体技术等领域。音视频已经进入了数字时代，、等大量数字电子设备进入市场，成为消费电子的热点。同时随着超大规模集成电路技术的发展，在单片电路上集成复杂的数字信号处理能力已经成为可能，因此研究音频系统中的数模转换器芯片具有广泛的现实意义。国外生产数模转换器的最著名的厂家有以下三家：美国德州仪器（，）、美国模拟器件公司（，）、美国国家半导体（），其中在年成功收购了布尔布劳恩公司（，），成为全球高性能数据转换器的主要供应商。除此之外，美信（）、摩托罗拉（）、仙童（

9、）、日本电气（）等公司也有数模转换器产品。国内一些高校已经开始从事高分辨率数模转换器的研究和开发，包括复旦大学、清华大学、上海交通大学、电子科技大学、华东师范大学、华南理工大学等。国内专门从事数模转换器设计的公司有四川登巅微电子、上海捷顶微电子公司等。数据统计显示，目前国内设计所需要的核，尤其是高端核，主要来自国（境）外公司。中国的核产业起步较晚，规模很小，核产业存在设计种类少，经过验证的核更是寥寥无几等问题，制约了设计进步浙江大学博士学位论文和产业发展。截止到目前为止，国内纯粹依靠核经营的公司屈指可数，多数公司在涉足核行业时极为谨慎，经常是经营、核经营、设计服务经营同时进行。这些均说明本土核

10、技术的发展也远远不能满足国内需求。在这种背景下，表通过对比国内外相关产品的性能，确定了本课题的立项与预期技术目标，通过高位高精度芯片的正向设计，掌握位高性能音频数模转换器这一高端芯片的完全自主设计。表国内外产品性能与本课题设计目标性能指标国内产业水平本课题目标输入字长位位位位电源电压动态范围信噪失真比功耗数模转换器技术发展状况音频处理领域对数模转换器精度要求相对较高，为了保证音频信号真正高品质地输出，通常要求达到位以上的精度。长期以来人们对其进行了广泛的研究。回顾数模转换器的发展历史，我们发现其经历了从电子管、晶体管到集成电路的发展过程。上世纪年代后期，数字通信研究和应用兴起，这要求将接收到的

11、数字信号还原成声音、图像。于是电子管组装成的数模转换器应运而生。年代中期，随着半导体工艺的发展，数模转换器中的电子管逐步由半导体晶体管所替代，数模转换器的体积和重量大大减小。年代中期，随着集成电路技术的进步和数据转换技术的发展，构成数模转绪论换器的主要功能单元电路一如运算放大器、基准电压源、电阻网络、开关和逻辑电路等已陆续实现集成化。在此背景下，传统的全部用分立器件组装数模转换器的方法逐渐被替代。人们采用现成的通用集成电路一运算放大器芯片、逻辑集成电路、基准电压源芯片等，并外加一些必要的元器件，来组装数模转换器。这种形式的数模转换器，与完全分立器件组装的数模转换器相比，在一定程度上简化了设计。

12、年代初，所有元器件都被集成在同一块芯片上的单片数模转换器研制成功。这标志着数模转换器真正达到工业化大生产的阶段，摆脱了精心挑选数模转换器元器件的麻烦，从而大大降低了成本，提高了可靠性。此后，数模转换器得到迅速发展，新的设计思想、新工艺不断出现，性能不断提高工艺、工艺、工艺。其中，工艺，功耗小、集成度高，制成的模拟开关具有双向特性，而且容易大规模集成。现代集成电路设计中，数模转换器不再仅作为单芯片使用，而是逐渐集成到大规模信号处理芯片的内部，也就是的一部分。数模转换器作为在设计中使用，已经是发展趋势。数模转换器有很广泛的应用范围，如图所示，在通信、视频、音频、传感器领域都有普遍的应用。襄震图数模

13、转换器应用范围采样频率高精度数模转换器对于信号转换精度的要求非常高。例如，对于输出模拟信号满量程是的数模转换器来说，如果想实现位精度，对应的电压为浙江大学博士学位论文啬¨，所以要求数模转换器输出的模拟电压与理想值的偏差厶为左右。如果不采用昂贵的激光修正方法，这个精度就无法用传统类型的数模转换器实现。数模转换器的发展历史由于一技术可以实现高精度数据转换，而且不用精确匹配模拟器件，因而是最适合数字音频应用的数模转换器实现方案。它使得输出的音频信号品质更加趋近完美，同时也降低了成本。调制技术【】从概念的提出到目前的产业应用已经有半个世纪了。在年前，年等人【】提出通过反馈提高数据转换精度的方

14、法，这可能是噪声整形概念（也就是调制）第一次被提出。他们应用这个方法，设计了一个系统，这个系统采用一个连续时间积分器作为环路滤波器，一个施密特触发器作为量化器，这个的信号带宽是，可以实现的为。在当时，由于集成电路规模很小，导致采用数字电路硬件换模拟电路精度、速度的方法没有应用价值，所以这个课题的研究在相当长一段时间内进展不大。年后，提出采用高阶环路滤波器方法。年应用的理论设计完成了一个位一模数转换器【。同时，贝尔实验室的和其同事深化了调制技术的理论和设计方法【。和提出了应用于数模转换器中的结构调制器理论【】。年，等人提出了数字线性纠正技术【】，这项技术可以大大提高调制器中内部多位量化器的线性度

15、；同时，和提出了动态匹配方法【。随后，和、和【、【、和、和】提出了其他各种失配整形算法（）。上世纪年代后期，出于在无线通信领域的应用前景，出现了研究带通调制器的热潮】。绪论本论文的主要工作本论文在回顾了数模转换器和。调制原理的基础上，根据系统性能指标，采用“自顶向下（户的设计方法，对本课题要求的高性能一数模转换器进行了研究。研究包括系统设计和仿真验证、电路设计和仿真验证、版图设计和验证、流片、测试等步骤。流片在中芯国际标准工艺上进行。芯片实现了一款完全自主设计的高性能音频数模转换器。形成了一套从理论研究到流片测试验证的完整的数模混合设计流程，为将来的进一步工作打下坚实的基础。设计流程【】如图所

16、示。，。一一。一设计要求【。、一。广厂一系统仿霄（，）整合、验证、导出、文件图数模混合设计简化流程浙江大学博士学位论文论文安排在绪论之后，第二章为数模转换器综述。首先给出衡量数模转换器性能的参数指标，以及数模转换器的分类。然后介绍了数模转换器的原理，并做出分析和比较。第三章深入研究了调制原理。分析了高阶调制器稳定性问题。针对多种调制器结构进行分析和比较。最后通过调制器的系数优化和信号缩放，实现了调制器的设计原型，并给出最终设计实现。第四章介绍了插值滤波器的原理，重点研究了半带插值滤波器。采用码实现了级插值滤波器，节约了硬件成本，降低了硬件开销。第五章为开关电容数模转换器电路设计和版图设计。设计

17、了主要的电路模块，包括全差分运算放大器、开关、电容、参考电流源、时钟生成电路。数模混合信号电路的版图设计，对于减小衬底噪声和数模串扰，实现深亚微米工艺下的性能非常重要。第六章提出衬底噪声有源抵消新方法，通过建模仿真和实测发现，该方法能够更加高效地减小衬底噪声对敏感模拟电路的影响。第七章为数模转换器的芯片实现和测试结果。第八章对论文进行了总结，并对未来工作提出设想。数模转换器概述数模转换器概述信号处理的重要功能之一是实现模拟信号和数字信号之间的转换。使用或设计数模转换器，需要了解数模转换器的参数。这些参数包括数模转换器类型、一般特性、静态特性、动态特性等。这一章，主要讨论这些技术名词和定义。数模

18、转换器作为数字系统和模拟系统之间的接口，它的结构原理如图所示，输入数字量，输出模拟量。其内部电路具有数字电路和模拟电路的各种特点，因此数模转换器品种繁多，分类方法也是多种多样的。本章也简单介绍一下数模转换器的分类情况。电压参考源数模转换器类型图数模转换结构框图模拟输出数模转换器的分类是多种多样的。按数模转换器主要功能单元特点分类：有电阻型、电流源型、电容型。常见的有权电阻网络、权电容网络、梯形电阻网络、电压分段网络和电流源阵列等。按数模转换器的性能特点分类：数模转换器常常按它的主要性能指标进行分类，如转换速度、转换精度、分辨率等。按分辨率分类，数模转换器可分为位、位、位、位、位、位、位、位等。

19、根据数字编码的不同，数模转换器可分为二进制输入型、码输入型和格雷码输入型等；同时，按数字码输入方式分类，可分为串行输入和并行输入。按转换器的输出电学特性分类，数模转换器可分为电压输出型和电流输出型。浙江大学博士学位论文按照信号频率和采样频率之间的关系，数模转换器一般分成两大类：奈奎斯特采样率和过采样。设采样频率是，信号带宽为，根据奈奎斯特采样定理【，要求采样频率，而略大于。采样频率和倍信号带宽的比值，即（），称为过采样率（，）。较大（）的数模转换器称为过采样数模转换器；较小的数模转换器（一般），称为奈奎斯特率数模转换器。图说明了奈奎斯特率数模转换器和过采样数模转换器之间的差别。前者的反交叠滤波

20、器的过渡带很短，后者的交叠滤波器的过渡带很长。信号幅度信号幅度（）奈奎斯特率（）过采样图奈奎斯特率与过采样数模转换器频谱比较数模转换器静态特性静态特性主要指静态误差。静态误差【包括失调误差（）、增益误差（）、积分非线性（）、微分非线性（）和单调性（）误差。前两项误差是可以通过外围电路调整的，而后几种误差，用户是无法调整的。失调误差数模转换器的失调误差是指模拟输出的实际起始值与理想起始值之差。对单极性的数模转换器，理想起始值为零，对双极性的数模转换器，理想起始值为负满刻度值。如图所示。失调误差通常用满量程的百分比（）或最低有数模转换器概述效位（）为单位来表示。图失调误差增益误差数模转换器特性曲线

21、的实际斜率和理想斜率的偏差称为增益误差，如图所示。当失调误差调整后，增益误差也可以表示为满量程输出的实际值与理想值之间的偏差。增益误差通常用满量程的百分比（）或为单位来表示。数字输入图增益误差积分非线性积分非线性（，简称）指实际输出的模拟量值与理论值之差，即：测量值理想值（）浙江大学博士学位论文微分非线性微分非线性（，简称）指的是两个相邻数码的模拟量输出的跳变值与理论的增量之差，即：实际测量跳变值（）是数模转换器的重要参数，一般要求该参数在±范围内。若，数模转换器将出现非单调性，即输出不再是输入数字码的单调函数，如图所示。图中，输入数字从增至，输出的模拟值反而减少，这在实际应用中是不

22、希望出现的。反之，若，数模转换器将出现失码。：；！：！，：；彳：！：！：！，！；，：！：！；：；：！图微分非线性描述的是相邻数字变化时引起的模拟值的变化，它是一种“微观”参数。而积分线性误差考虑的是模拟输出值的线性程度，即转换特性曲线上某点对理想直线的偏离情况，它是一种“宏观”参数。单调性单调性指随着数模转换器数字输入在其量程范围增加时，模拟输出从不出现幅度下降。换句话说，就是单调性数模转换器的传输特性曲线斜率从不为负。如果数模转换器的为以下，那么这个数模转换器就一定是非单调的。苫悟，吖吖吖吖吖数模转换器概述数模转换器的动态特性在很多应用中，时域上的微分线性误差、积分线性误差等参数不足以直接表

23、征数模转换器的性能，这时必须引入频域参数【，一言噪比、信噪失真比、无杂散动态范围等。这些参数的计算都是基于变换的。信噪比信噪比（，）定义为（蒜）（）对于单正弦波输入信号测量的，谐波分量不包含在计算中。无杂散动态范围无杂散动态范围（，）是指，在特定频带内信号频谱中，信号功率和最大假信号之间的比值。的单位为：咖）（蒸。犁亿，这里的是指信号的有效值，是指最大假信号的有效值。在某些情况下，采用满量程输入（）信号来表示，单位是：一一蛔单亿，信噪失真比信噪失真比（，）的定义为，特定频段内，信号功率比上总噪声功率加谐波失真功率，即：罴，亿，数字编码方案数字编码方案有许多种【。其中，单极标准二进制码（，浙江大

24、学博士学位论文）是最简单的二进制编码方案，适用于单极信号，采用全零（）表示最低量化电平，即一托一；采用全“”（）表示最大模拟信号佗。数字编码增大，对应模拟信号增加。其他还有逆序标准二进制码（）、双极二进制偏移码（）、逆序二进制偏移码（）、二进制补码（）、逆序二进制补码（）等很多种编码方案。表以位数字编码为例，给出了这几种编码方案的对应表。表数字编码方案（位）最大量化幅度（零）（零）（零）（零）最小“量化幅度本设计采用了单极标准二进制码，即码。奈奎斯特率数模转换器奈奎斯特率数模转换器可细分为并行转换和串行转换。并行转换还可以细分数模转换器概述为电阻网络、电流源矩阵、开关电容三类；串行转换可以细分

25、为算法型【、累加型【。具体分类【见图。奈奎斯特率！。一！电阻网络电流源矩阵；开关电容算法型累加型。一一一【一一一图数模转换器分类下文介绍电阻、电容、电流源三种类型的奈奎斯特数模转换器，并分别用典型电路说明。电流源数模转换器对于工艺来说，开关电流（，）技术是一种很自然的选择。因为开关、电流源等元件都相对容易实现。电流源数模转换器【的一般结构如图所示。图位电流源二进制编码数模转换器开关由输入数字信号控制，、是，对应的电流源电流值为。、，为输入数字信号位数。第个电流源，也就是参控制的电流源囱忑了浙江大学博士学位论文的电流值为，它是通过个单位电流源并联实现的。同样，电流源电流值为。采用单位电流源可以使

26、电流源匹配较好。图中数模转换器的输出电流，。，为圳（尼）舳。岛肛船¨骝（这里的是指数字输入，一岛岛（）电流源型数模转换器的一个优点是可以用相对很小的版图面积实现位精度以下的数模转换器，而且可以高速转换。电流源型数模转换器另外一个优点是电源效率非常高，因为所有的功率都作用到输出。主要的缺点是对于器件失配、信号毛刺、电流源输出阻抗非常敏感。在提高了器件匹配【】后，电流源型数模转换器可实现高速、高精度【。电阻型数模转换器用半导体工艺实现二进制译码数模转换器，采用梯形电阻网络【堤较好的选择。图给出了一个位梯形电阻网络数模转换器的架构。、嚼图位梯形电阻网络数模转换器电流源对偶式相同大小，开关由

27、控制。在每个节点上，阻抗都是。电阻网络把来自每个独立电流源的电路分流，输出电流为数模转换器概述乙（后）击击厶（）这种数模转换器电源效率很高，因为电阻网络没有电流损耗。如果所有的电流源一样大小的话，匹配就会比较好。但是在工艺条件比较差的情况下，电阻失配、电阻非线性和寄生电容会导致信号失真，开关导通时间偏差也会导致信号上产生毛刺。在这个架构中，所有开关的导通电流完全一样，这样开关设计相对简单。但是内部节点电压还是随输入信号变化的，所以电流源端电压是不断变化的。这种架构的优点是只需要实现很少的几种尺寸器件，也就是两种不同大小的电阻和，一种电流源，一种电流开关。这样版图很规整，因为所有的电流源都是相同

28、大小的。而且工艺微调和校准可以应用在这种版图上。对于包含高精度电阻的双极工艺，数模转换器应用非常广泛。电容型数模转换器电容型数模转换器是开关电容（，）电路，它通过存储在二进制权重电容上的电荷实现数模转换【，一个实例电路如图所示。图位电荷再分布数模转换器最大的权重电容是最小权重电容（）的倍，也就是一。一般权重电容由许多单位电容并联而成。浙江大学博士学位论文在（相位），决定哪一个权重电容充电到电压。在这个相位，的极板一端连到地上，一端连到虚地（运放的输入端），也就是说上没有电荷。电容用于放大器失调补偿。在时刻，权重电容、上存储的总电荷为（疗丁）岛岛：（）（）在时刻，即相位，权重电容连接在和虚地之间

29、，电容放电。电荷释放到地和电容上。当放电过程结束，上电荷为（刀÷）讲（）（）由电荷守恒得到（，去丁）（，丁）上（）把式（）、（代入式（），得到甜胛丁三丁，若。尼，丁，。，时钟在（、相位是不交叠的。图中的电路结构对失调电压和放大器有限增益是不敏感的。数模转换器的性能限制在于电容的匹配、开关的导通电阻、放大器的有限带宽。过采样数模转换器过采样数模转换器与奈奎斯特数模转换器最大的区别在于其时钟频率是倍信号带宽的若干倍，其频谱如图所示。通过增加时钟频率，我们可以增加信号带内，因为带内量化噪声变为原来的，由此我们可以得出：舢）信号带内（）是数模转换器概述（）图过采样数模转换器频谱比较盖怕鲫一亿

30、这里是前端数字电路的字长。从（）式中，我们可以发现，加倍，就增加比特。为了获得很高的精度，必须选择很大的。例如，对于的数模转换器，想获得的，需要。当然，数模转换器本身必须达到比特的线性度。无限增大对于实现高精度数模转换器是不切实际的。但是加上噪声整形，数模转换器引入的量化噪声频谱可以被推出到信号带外。这就减少了对的要求。输出端加上截止频率为低通滤波器（，）。（）制位厶位图一般过采样数模转换器结构扩哆制罐浙江大学博士学位论文过采样数模转换器虽然有各种各样的结构【。，但是一般由一个插值滤波器，一个一调制器，一个内部奈奎斯特数模转换器，和连续时间滤波器组成，如图所示（也有将位数模转换器与模拟滤波器归

31、并成一个模块）。图中是一数模转换器的一个例子，、，、。、；为处理的信号频谱。输入信号。，信号带宽最高到。插值器把输入信号刷新频率提高到，对应的频域引入（）个输入信号频谱镜像，如，所示。为了降低对调制器和后端滤波器的要求，插值器也包含滤波功能，也就是说插值滤波器。，是插值滤波后频谱。图一数模转换器频谱图调制器把位输入信号截尾成位信号。这个操作引入大量截尾误差，但是由于调制器被设计成高通过滤掉截尾误差，所以截尾噪声功率被移出信号频数模转换器概述带，频谱如，所示。位（工作在刷新频率）天生有零阶采样保持特点，对应频谱是函数加权，如。所示。低位数模转换器比较容易实现高线性度，因为它需要较少的模拟参考源。

32、连续时间低通滤波器把调制器输出信号的带外噪声和位数模转换器产生的信号镜像衰减，最终信号频谱如；所示。噪声及误差量化噪声量化噪声是由数据转换器量化误差产生的。数模转换器输入数字信号是已经经过量化的，量化误差决定了信号精度。但是为了说明量化误差，必须要与无限精度的模拟信号做比较，见图。显然，相对于模拟信号，数字信号带有“天生”的量化误差。无限精度，卜二广卜。囊。载，一模，过载一一十廿，八八八。模椭；图量化误差输入入浙江大学博士学位论文为了研究量化误差，一般把量化误差看成噪声，采用信噪比（）这个参数来衡量。在某些情况下，量化误差是不能看成噪声的，例如在直流信号激励下，量化误差是恒定的。只有幅度大、快

33、速变化的信号的量化误差才可以看成噪声。把量化误差作为噪声处理，需要以下几个条件，这就是班纳特判则（），简单表述如下：、所有的量化电平出现概率相近；、大量的量化电平；、量化台阶电压相等；、量化误差与输入信号不相关；第一个条件要求信号幅度大；第二个条件要求量化位数多；第三个条件要求量化函数是线性的；第四个条件大多数情况是符合的，但是，当采样频率和输入信号频率之间是有理数倍数关系，那么，量化噪声就会与输入信号相关。如果量化信号符合“班纳特标准”，量化误差电压就是落在，】区间内的随机值。如图所示。量化误差为出现的概率和量化误差是的概率是一样的。概率密度函数掣船圪船气。图量化误差分布量化误差功率是概率密

34、度函数的方差。量化误差电压有效值是量化误差功率的平方根。量化误差功率为硝姆鲁（）。（些）姆晋，、数模转换器概述量化误差电压的有效值为箍亿参考电压定，量化精度提高，量化误差电压就会减小。如果电压是，那么对应的量化误差电压有效值是，嬲。量化过程，可以看成是一个引入量化噪声的过程，其模型如图所示：童、，弋图量化器模型时钟抖动噪声采样时钟的上升沿、下降沿的抖动情况是无法预测的。时钟抖动对于数模转换器精度的影响和对于是一样的。下面以为例，分析时钟抖动对于数模转换器的影响，见图。一匾厂。图数据转换器的时钟抖动假设输入正弦波是奈奎斯特频率（），所以在正弦信号变化最快的位浙江大学博士学位论文置是正弦波的零点。

35、假设时钟信号的最大峰峰抖动时间为五。如果采样时钟频率是（五，）、时钟抖动时间（峰峰值），那么采样时钟稳定性参数就是，（为。，“）。信号在采样点的压摆率（时钟为上升沿）为磊（咖万胁肌丁，万矾（）和之间的关系是筹瑚仍或弘肌（）对于模数转换器来说，要求采样电压误差圪郢（一矗一），因为信号幅度（，一矗一），所以信号采样器允许的最大时钟抖动（峰峰值）为邪专去仁。，或者从采样时钟稳定性参数来看靛陛参数（）咄分等南（）表给出了采样时钟稳定性参数与位转换器精度之间的关系表采样时钟稳定性参数与位转换器极高度之间的关系时钟稳定性参数最大允许时钟抖动转换器位数（时钟频率）数模转换器概述所以对于奈奎斯特率采样来说，实

36、现位数模转换，最大允许时钟抖动为，也就是。因为正弦波信号频率一般是低于奈奎斯特频率的。对于任意输入信号频率厶，时钟稳定性参数改写成歹去（）可以通过过采样技术，降低时钟抖动指标。假设输入信号频率是石，倍过采样数据转换器的最大允许信号频率为手厶或者厶去（）根据奈奎斯特采样率，每个信号周期至少有两个采样点。所以，对于过采样数据转换器，每个正弦信号，采样点数至少为。如果时钟抖动不变，增加时钟频率可以减小系统对于时钟稳定性参数的要求。时钟稳定性参数过采样时钟稳定性参数奈奎斯特采样原先对于奈奎斯特率采样来说，实现位数模转换，最大允许时钟抖动为。采用倍过采样率后，最大允许时钟抖动为×。噪声量化噪声是数模转换器输出信号精度基本限制，噪声也是数模转换器精度的基本限制【，。只有在电容无穷大或者温度为绝对零度时，才为零。例如采用的采样电容，会有州的噪声电压。如果呆样电容增加到倍，噪声电压减小为。“，广彳图噪声如图基本开关电容采样电路。把带内噪声频谱积分可以得到带内噪声功率，所以采样开关打