1、浙江大學電氣工程學院碩士學位論文三階Delta-Sigma調制器的設計姓名：孫敢申請學位級別：碩士專業：電路與系統指導教師：吳曉波;趙夢戀20080501浙江人學碩：學位論義三階模數轉換器的設計摘要隨著便攜式電子設備對低功耗高分辨率的模數轉換器的需求越來越人，模數轉換器以其能夠以較低的成本取得極高的分辨率，在多種應用領域獲得了泛的應用，尤其在例如測鼙類和音頻類的應用中，對于模數轉換的低速高精度要求使得結構成為首選。論文主要針對模數轉換器的模擬部分即調制器進行研究設計。根據白頂向下的設計理念，從系統結構的選擇、系統建模到電路實現完成了整個調制器的設計。調制器通常包含的模擬電路比較簡單，對電路精度

2、的依賴性較低，因此在電路設計上比較寬裕，本文更加注重其系統的設計。針對系統結構的選擇，本文首先比較了單位量化器、多位量化器，一階、多階，單環、級聯，前饋、反饋，離散時間、連續時間等不同類型的優缺點，初步確定了設計所采用的調制器結構類型，再針對該類型提出個不同方案分別進行仿真比較得到所需的系統參數。最后就兩種不同積分器構成系統框圖所需的時序進行可行性分析，進一步確定了系統結構。系統采用包含場諧振器的單環前饋（）階一位量化器結構。針對系統建模，論文引入了線性模型、線性模型和主要應用與系統穩定性分析的非線性模型。實際電路包含著諸如運放增益有限性、運放帶寬有限性、開關導通電阻、時鐘抖動、時鐘饋通、電荷

3、注入等非理想性。本文通過具體分析在線性模型下對這些非理想性建模得到更加完善的模型。針對電路實現，主要的電路模塊運放和比較器分別采用了電流鏡結構類輸出的運放和離散時間比較器。設計的運放在符合系統指標的前提下同時具有高增益帶寬積低功耗高輸出擺幅的特點，而離散時間比較器具有高精度低功耗的優點。運放的開關共模反饋電路和離散時間比較器與整體系統采用開關電容結構有很好的兼容性。整體電路使用混合信號工藝，采用進行仿真。仿真表明，在信號輸入帶寬為，超采樣率為條件下，調制器的動態輸入范圍為；在信號為一滿幅輸入時，其最人信號噪盧失真比為：此外，在供電電壓下，調制器的功耗僅為，表現出較好的低功耗高精度性能。關鍵字：

4、模數轉換器，線性模型，開關電容，低功耗，（），（）一（）一一卜（）一：，圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖目錄現代信號處理系統幾種模數轉換器的主要應用領域現代信號處理系統采樣理論傳統采樣率模數轉換器三種模式的噪聲譜結構框圖調制器結構框圖數字抽取濾波技術一個典型的數字抽取濾波器二階模數轉換器調制器積分器鏈反饋結構（）積分器鏈前饋結構（）仃包含零點優化的前饋結構包含零點優化的反饋結構連續時間調制器開關電容（）調制器改進的前饋結構（）具有場諧振器的前饋結構（）調制器四階系統噪聲傳遞函數根軌跡圖線性模型信號傳遞框圖線性模型噪聲信號傳遞框圖階內插式調制

5、器對角線傳遞矩陣模型兩個在原點相連的線性系統五時系統的狀態趨勢兄時系統的狀態趨勢積分器電路三階噪聲模式系統框圖的一：作原理和技術對噪盧處理的效果運放增益有限時三階系統框圖運放增益與系統信號噪聲比關系圖運放時積分器模型運放線性工作時積分器模型積分器采樣時刻模型積分器積分時刻模型下級板采樣積分器完善的系統模型框圖完善的系統模型仿真動態范圍浙江人學煩學位論文三階模數轉換器的設計圖系統電路簡圖圖運放與共模反饋電路幽典型開關共模反饋電路圖比較器與鎖存器圖半邊窗函數頻譜圖滿幅輸入仿真結果圖動態范同圖開關積分器圖連續時間離散時間積分器混合系統圖懸浮開關改進積分器圖多位量化單位反饋結構圖圖設計流程概圖浙江入學

6、碩學位論義三階模數轉換器的設計表目錄表零點優化帶米的信噪比的提高表三種方案的比較表運放的仿真結果表比較器仿真結果表三種窗函數特性表幾種設計的比較獨創性聲明本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。據我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經發表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得逝鎏盤堂或其他教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。學位論文作者簽名：簽字日期：年月日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解濫姿盤堂有關保留、使用學位論文的規定，有權保留并向國家有關部

7、門或機構送交論文的復印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權逝鎏盤堂可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編學位論文。（保密的學位論文在解密后適用本授權書）學位論文作者簽名：導師簽名：簽字同期：年月日簽字日期：年月日學位論文作者畢業后去向：第一章引言課題背景與意義現實世界里面人部分的物理量是隨時間連續變化的模擬量，如光線、電場、聲波、速度等，在人們的生產研究過程中，經常需要對這些信號進行例如檢測，變換，濾波，收發等處理。以往這些過程都是通過模擬系統直接處理的，然而隨著數字信號處理技術數字系統的乜速發展，人們越來越要求把模擬信號轉換為數

8、字信號再進行處理。如圖所示。模擬輸入數字處理系統模擬輸出圖現代信號處理系統相比較模擬系統數字系統具有穩定性好，抗干擾能力強；便于傳輸，存儲無損失：精度高，集成度高，成本低；與數字計算機兼容性好等優點。因此當隨著計算機軟、硬件技術和數字信號處理技術飛速發展，滲透到各個技術領域，各種以數字技術為基礎的設備、系統廣泛應用時，作為數字處理系統與模擬真實世界接口橋梁的模數轉換器也得到更多的關注與發展。隨著移動通信和多媒體技術的快速發展，對圖像、語音、同步數據流媒體等多媒體技術提出了更高的要求，使得模數轉換器件向著更寬頻帶和更大的動態范圍的方向發展。尤其是在汽車電子、消費類電子產品、個人計算機領域，數字多

9、媒體技術發展更是迅猛，為了追求更高的品質，高分辨率寬頻模數轉換器得到“泛應用幢。基礎設施現代化建設過程里面，測量儀器的需求也日益增長，高分辨率低頻模數轉換器也得到廣泛應用。在各種原理的中，因通過超采樣噪聲整形的手段把火部分信號帶內的量化噪聲轉移到帶外并通過數字濾波器濾除陽，因此，對器件精度以及模擬濾波器等模擬模塊的丁藝與設計要求均較低，可有效利用現代數字集成電路技術加以實現。尤其在例如測量類和音頻類的應用中，對于模數轉換的低速高精度要求使得結構成為首選，如圖所示。為延長便攜式電子產品的使用時間，在此類產品應用中的低壓低功耗性能至為重要引。一三州圖幾種模數轉換器的主要應用領域一的發展現狀和主要研

10、究方向目前國際上一的主要研究方向有：、高速一）由于一轉換器本質是用速度換取分辨率，因此提高轉換器速度的方法主要是提高調制器噪盧整形的階數，從而可以在不損失系統信噪比的前提下，減低系統的過采樣率，使轉換器的轉換速度提高。另一種方法是一調制器內部的量化器采用較高精度的轉換器，雖然在一定程度上減少了一調制器高線性和電路誤差容限高的特點，但在某些需要較高轉換速度的場合，通過調整設計，可以使轉換器同時擁有高精度和較高的速度。、高穩定性一）由于高階調制器中的開關電容積分器、量化器容易產生過載，如何能夠在實現好的噪聲整形的同時達到高穩定度是一個研究方向，目前提出提高穩定度的方法分為三類：第一類是用穩定的低階

11、（一階、二階）調制器級聯而成高階調制器（）結構。第二二類是采用多位量化器，多電平反饋結構。第三類方法是針對高階單環路調制器的，主要方法有通過限制調制器輸入范闈、改變各積分器輸出信號、外加檢測過載信號并復位網絡，以及使用前反饋和反饋網絡等方法來置穩啼。、噪聲整形技術不同結構的一調制器對噪聲的壓制能力有很人不同，比如某二階的調制器對噪聲的抑制能力也許高過某二階的調制器。對于同階的調制器米說，不同的參數將導致不同的噪聲整形能力，如何能在結構上或基丁二某種結構的參數上進行優化來達到最佳噪盧整形是研究目的。、低電壓低功耗一現代的消費類電子產品和便攜式電子產品通常使用單肖電池或兩。仃電池供電，供電電壓一般

12、為，共至更低，并且要求有比較長的：作時間，而電池容量是有限的，這就要求采用低功耗電路。岡此，迫切需要低電壓、低功耗的轉換器。目前，對于一模數轉換器的低電壓研究大多在一調制器的積分器和比較器上。例如，使用闡值較低的晶體管，通過優化它們的結構達到低功耗的目的，在積分器中使用單極運算跨導放大器（）也是設計低功耗轉換器常采用的方法。、多位結構的一調制器多位結構的調制器可以提高轉換速率和分辨率，并且能夠增加調制器的穩定性。多位結構的調制器中含有一個位的并行模數轉換器和一個位數模轉換器，這種結構在大規模混合信號集成電路中實現困難，其線性度也比單比特量化差。、帶通一傳統的一轉換器是基帶信號的轉換器，而在現代

13、無線接收系統中，有很多信號是高頻的窄帶信號為了使一調制器應用在這些高頻窄帶信號上，提出了帶通的一轉換器【、電路實現方式目前國際上對一轉換器的研究不僅僅拘泥于系統結構的研究，在電路實現方式上也有很多研究。傳統的連續時間和開關電容電路以及混合連續離散電路得到不斷的深入研究。開關運放積分器構成的轉換器，比較器構成積分器的轉換器訂等新型結構不斷涌現。本文的主要工作本次畢業設計的研究內容主要是一款模數轉換器的設計研究。由于模數轉換器是一個數模混合信號的系統，本次研究主要針對模數轉換器的模擬部分即調制器進行研究設計。因為模數轉換器是通過噪盧整形的原理得到較高的轉換精度，通常包含的模擬電路比較簡單，其系統的

14、設計更加重要。由于模數轉換器是個非線性系統，對該類系統的表現需要建立合理的線性模型嵋浙江人學順學位論文三階模數轉換器的設計進行分析，而且實際電路的非理想性又會影響分析的效果。岡此在設計一個模數轉換器通常需要仔細的系統設計。本文專注丁系統模型的完善研究，對模數轉換器的設計具有理論指導意義，并在此理論基礎上針對一款實際的模數轉換器進行設計實現。各章節的安排文章第二章主要介紹了的一些基本原理。其中包括采樣、過采樣以及本文的設計目標的基本原理。從采樣后保證信號能夠重構的采樣率模數轉換器的原理介紹和優缺點分析，為了克服采樣率模數轉換器的缺點引出過采樣率模數轉換器概念和噪聲整形技術。兩者的結合便構成了一的

15、基本原理。接下來對一的兩個基本組成部分調制器和數字抽取濾波器的原理做了簡單介紹。最后，對影響一）功耗的來源做了簡單介紹。文章第三章主要介紹了如何選取一調制器的結構。列舉出了單位量化器、多位量化器，一階、多階，單環、級聯，前饋、反饋，離散時間、連續時間等一的等不同類型。從分析不同結構一調制器的優缺點，初步確定了設計所采用的調制器結構類型。再針對該類型基于個不同方案進行仿真得到所需的系統參數。最后就兩種不同積分器構成系統框圖的時序可行性進行了分析，進一步確定了系統結構。文章第四章主要介紹了系統的建模，與第三章系統結構的選取在設計流程上即有先后的順序義有反饋的關系。因為系統的建模是基于對選定系統結構

16、的建模，而在系統結構的選擇上又有需要系統模型仿真比較不同的結構。本章主要介紹了線性模型、線性模型和主要應用與系統穩定性分析的非線性模型。電路的非理想性，根據線性模型分析作為噪聲添加完善了最初的模型，最后對得到的模型進行了仿真。文章第五章主要介紹了系統電路級別的設計與仿真。電路模塊的設計主要包括一個電流鏡結構的類運放和一個離散時間比較器。最后介紹了系統的仿真，并把得到的仿真結構與其它相似設計做了比較。至此，文章第第五章遵循了至頂而卜的設計理念完成了一個模數轉換器的電路設計。文章第六章提出了兩種分別在電路級別和系統級別對該模數轉換器改進的設想，并初步驗證。浙江人學壩：學位論文二階模數轉換器的設計文

17、章第七章對本次畢業設計的研究：作進行了總結，并對后續：作提出了展望。浙江人學碩：學位論文三階模數轉換器的設計第二章一的基本原理模擬信號到數字信號的轉化包括模擬信號時間上的采樣和幅值上的顰化。最小的采樣數率受到信號帶寬的限制，轉換精度代表了最人可以容忍的量化誤差。一般的模數轉換器在包含采樣和鼉化之外通常還包括前置的模擬抗混替濾波器和數字處理部分。如圖所示。抗棍疊濾波器模數轉換港數字濾波器圖現代信號處理系統而且采樣和量化也并不一點按照圖示的順序獨立地先后進行。前置的模擬抗混疊濾波器是用來限制輸入信號的帶寬在倍采樣頻率以內，從而保證采樣之后信號帶內并不折替帶外的能量。模擬抗混疊濾波器的輸出在一定的數

18、率下被采樣，得到一組在時間上離散的信號序列。采樣數率與信號帶寬的關系是區分兩大類模數轉換器的根據。根據采樣理論舊，為了保證采樣后的信號能夠完整地重構，采樣數率必須大于倍的信號帶寬。如圖所示。龜一八，躉融八八、一叁奄繕。圖采樣理論因此我們把采樣數率為倍信號帶寬的模數轉換器稱之為采樣率模數轉換器：采樣數率大于倍信號帶寬的模數轉換器稱之為過采樣模數轉換器，采樣數率與采樣數率的比又稱之為超采樣比。浙江人學碩：學位論文三階模數轉換器的設計采樣率模數轉換器采樣率模數轉換器的輸出與信號輸入有著一一對應的關系，只是采用不同的量化器輸出有著不同的編碼，岡此采樣率模數轉換器通常屬于脈沖編碼模式（）模數轉換器”。傳

19、統采樣率模數轉換器如圖所示。一【】：（竺六【】厶【，哪、。一彬：一一一一一，、瓦素圖傳統采樣率模數轉換器位量化器有個等級，每個等級的級差磊）（為信號輸入擺幅）（）對于均勻分布具有零均值的量化噪聲“，】其方差或者說能量為：箐（舞）汜，假設信號為零均值的隨機輸入（保證上述量化噪聲能量公式的假設），其能量為，則信號噪聲比為：圳崦枷崦（吼汜，量化器每增加一位信號噪盧比提高。當輸入為滿幅正弦信號時，得到轉換器動態范圍：（）（）通過一個時鐘周期內量化的位數或者產生一個字節所需要的時鐘周期個數，采樣頻率模數轉換器又可分為一次一字、一次片字、一次一位、一次一階等結構，但是無論哪種結構都需要比較、加減或者放大的

20、運算，然而這些簡單的算法使得轉換器的精度依賴于精確的器件匹配。在￥集成電路。：藝下，如果不采用清理焊縫或者其它的特殊處理很難得浙江人學碩一學位論文三階模數轉換器的設計到位以上的匹配精度。岡此采樣率模數轉換器要得劍位以上的精度就必須采用誤芳修正或校準的方法，這也提高了高精度采樣率模數轉換器的成本。過采樣模數轉換器過采樣模數轉換器通常通過數倍丁二采樣數率的速度采樣，將量化噪聲分布到整個頻帶，最后的輸出通過數字濾波器處理得到較低傳輸數率較高精度的信號碼流。這種通過把信號幅度上精度的要求轉換到信號采樣時間上的犧牲機制減少了轉換器精度對器件匹配精度的依賴，而過采樣模數轉換器如果采用環路整形可以更好地衰減

21、帶內的噪聲。如圖所示。由一位量化器組成包含噪聲整形的過采樣模數轉換器，由丁其輸出脈沖密度體現了輸入信號，因此該類轉換器又被稱為脈沖密度模式（）模數轉換器。電互圖采樣搴媾換口過采樣蟠專換阡過采樣燎換圖三種模式的噪聲譜一的原理一是一種包含噪聲整形技術的過采樣濾波器，通常包含調制器和數字抽取濾波器兩部分。結構框圖如圖所示。浙江人學碩學位論義三階模數轉換器的設計圖結構框圖一調制器簡單地把量化器視為一個引入量化噪聲的模型，雖然不是很確切但是可以方便我們的分析，這里我們就采用這個模型進行分析引。這樣我們可以得到信號環路和噪聲環路。過采樣模數轉換器要實現噪盧整形，也就是輸入（）包含的噪聲能量減少，而信號則保

22、持不變，我們發現前饋通路引入一個積分器即可實現這樣的效果。如圖所示。移彩圖調制器結構框圖輸出為信號的延時和量化噪聲的微分之和：（）（）（）一（）（）累加器和積分器組成基本的整形環路，這也是模數轉換器名字的來由。以一階調制器為例，由于量化器引入的噪聲（）（）一（）（）轉換到域（）（一）（）（）令新，可以得劍輸出噪盧與量化噪盧的能量密度（）關系：（）（萬）（廠）（）當量化器的輸入變化足夠復雜（）時，可以假設量化器的量化誤差為均勻分布尺（一，），則總的量化誤差能量即為的方差。；再假設量化噪聲為白噪坷啪蚓班生等汜，根據公式（）（）可以得到帶內的噪聲能量為九裔汜其中儺多為系統的過采樣比。輸出噪聲頻譜如圖

23、所示，可以看出【模粒調￥器輸可以等艮低的帶內總能量。數字抽取濾波器在模數調制器后必須有數字抽取濾波器來濾除帶外能量也就是在不犧牲信號品質的條件下利用抽樣技術將冗余的部分移除，并把數據數率從過采樣后的數率降為原來的數率，這樣才能實現完整模數轉換的功能。如圖所示。一汀，。堙弘川【鄧軀二一鹽蚴。臻摹圖數字抽取濾波技術由于在通帶紋波和阻帶衰減相同的情況下，濾波器的階數和過渡帶的相對寬度成反比，岡此直接設計一個過渡帶很窄的濾波器是信價比很低的，共至是很困難的。通常我們采用多個階數較小的濾波器級聯米實現。各級濾波器階數之和將遠小丁單級實現時的數字低通濾波器的階數，因此所需的乘法次數人大減少。前級濾波器的采

24、樣頻率雖高但過渡帶大，而后級濾波器的過渡帶雖小但采樣頻率也低，使得所需的濾波器度相對較小。圖一個典型的數字抽取濾波器圖是一個典型的數字抽取濾波器。由個梳狀濾波器（），兩個半帶濾波器（），一個幅度補償濾波器（）組成。從調制器輸出的帶有量化噪聲的信號輸入梳狀濾波器。梳狀濾波器一方面作為低通濾波器濾除基帶以外的量化噪聲，增加輸出信號的分辨率，另一方面作為數字抗混疊濾波器濾除降采樣后可能會引起信號混疊的噪聲。梳狀濾波器是一款特殊的有限沖激響應（）濾波器，它的傳遞函數中所有系數都為，也就是說既不需要和信號進行乘法運算，也不需要寄存器用來存儲系數。因此，岡此其功耗和面積都比普通濾波器小。然而，梳狀濾波器最

25、多只能將信號頻率還原到倍奈奎斯特頻率。否則帶內噪聲將急劇增大，而且梳狀濾波器對通帶內信號的衰減幅度也將增大，使得斜率矯正濾波器的設計非常凼難。因此，在比較大的條件下，梳狀濾波器之后需要接濾波器和降采樣器來完成最后的降采樣。通常，這個濾波器用級聯的半帶濾波器米實現，每一級半帶濾波器完成倍的降采樣。半帶濾波器雖然抽頭系數不為，需要進行乘法運算，但是和普通的濾波器相比，有將近一半的抽頭系數都為，大人減少了運算次數，降低了功耗。通常會在最后一級采用一個濾波器，用來補償由梳狀濾波器造成的通頻帶內的幅度衰減。功耗的分析模數轉換器的功耗通常包含調制器功耗和數字濾波器的功耗兩人部分。下面先分析調制器主要靜態功

26、耗來源的積分器功耗。尤其第一級積分器，由于其引入的誤差對輸出貢獻最大，要求最為嚴格，功耗最大。開關電容構成的積分器，由于采樣電容熱噪聲必須小于要求的信噪比，再通過采樣積分電容的比例關系，這樣就確定了運放的總的電容負載。連續時間積分器，由于積分電阻引入的熱噪聲必須低丁二帶內噪聲底帶，再通過積分器比例系數得到積分電容值，這樣便可以得到運放的等效負載。運放的增益通過系統設計考慮運放增益對傳遞函數對帶內噪盧整形的修移程度確定。要求在該負載下面設計浙江人學碩學位論文三階模數轉換器的設計運放使得積分器建立誤著為動態范同所容忍，通過運放增益、轉換數率、運放帶寬與運放功耗的關系可以人致估算出積分器的功耗。實際

27、功耗需要具體問題具體分析，但是我們仍然可以確定地得到積分器功耗與動態輸入范圍和信號帶寬乘積的正比關系。數字抽取濾波器與降采樣的頻率、傳輸數率以及阻帶系數有關，具體的功耗和內部的算法有關，但是我們仍然可以確定地得到數字抽取濾波器積分器功耗與降采樣的頻率和傳輸數率乘積的正比關系。小結本章主要介紹了一的基本原理。從采樣后保證信號能夠重構的采樣率模數轉換器的原理介紹和優缺點分析，為了克服采樣率模數轉換器的缺點引出過采樣率模數轉換器概念和噪聲整形技術。兩者的結合便構成了一的基本原理。接下來對一的兩個基本組成部分調制器和數字抽取濾波器的原理做了簡單介紹。最后，對影響一）功耗的來源做了簡單介紹。浙江人學碩！

28、學位論文三階模數轉換器的設計第三章一調制器的結構設計一調制器的類型一調制器通過結構和應用領域的不同可以分為多種類型。根據內部量化器的階數可以分為單位量化器、多位量化器一；根據環路階數可以分為一階、多階一根據數據通路個數可以分為單環、級聯一；根據環路結構可以分為前饋、反饋一；根據是否引入零點優化可以分為有內部場諧振器、無內部場諧振器一：根據積分器不同的實現方式可以分為離散時間、連續時間一；根據輸入信號的帶寬可以分為音頻、低通、帶通一等引。單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數可以直接提高輸出的信號噪聲比每位。而且采用多位量化器量化器增益比較固定不易飽和系統更穩定，也會減

29、小有限循環（）的發生，同樣提高了量化噪聲的程度，也會減少輸出的表現。一位量化器增益不固定，發生飽和時增益減少反饋效果不明顯會導致系統的不穩定，需要減小輸入信號的幅值以控制量化器的輸入避免飽和，這也相應減少了系統的最大信號噪聲比。的輸出信號是直接累加到調制器的輸入信號，其誤差將直接影響輸出的信號噪聲比。尤其當是非線性時，其誤差對調制器的輸出信號信號的貢獻將等效為對輸入信號的失真，可能在帶內引入很高的諧波能量。當采用多位量化器時，為了解決多位的非線性問題，需要采用器件微調（）技術或者采用輔助的數字電路來控制的單元。前者提高了成本，后者增加了電路復雜度。目前比較流行的是對后者的研究，有設計思想類似于

30、噪聲整形以避免輸出有很高諧波能量的技術；將的誤差用數字形式記錄下來，然后在數字域減去這個誤差所帶來的影響的數字矯正技術。一位天生的線性使得采用一位量化器的模數轉換器并不存在非線性補償的問題。一階和多階一另外一個能顯著提高模數轉換器的便是增加調制器的階數，最簡單的便是增加積分器的個數，簡單一二階模數轉換器如圖所示。（功圖二階模數轉換器通過線性模型分析得到：礦（）一（）（一一）（）（）（）（）（）令”，根據公式（）可以得到：乙，淼，同理，通過不斷增加內部積分器和反饋的個數可以不斷增加調制器的階數。一位量化器，階調制器帶內輸出噪聲為二兩備，從公式（）可以看出每增加一倍過采樣率可以提高（）信號噪聲比，

31、即提高位等效位數（）。但是我們并不能通過無限地提高調制器的階數來得到更高的信號噪聲比，岡為高階調制器存在著穩定性的問題，目前國際上流行的模數轉換器的階數一般在階以下。單環和級聯一當調制器的階數增加的時候，單環結構調制器的穩定性問題會變得越來越嚴重¨引。而多級噪聲整形（）結構是一種緩解穩定性問題的很好的方法¨。一種結構如圖所示。圖鯽調制器利用簡單線性模型進行分析：（）川（）（），（）巨（）（）（）哦（）巨（）朋（）島（）（）【，（刀一：），（）一厶峨島（）當令。哪一馬珥時，輸出只包含第二級調制器的量化噪聲，取日砭、尼匹滿足等式，代人公式（）得到調制器輸出：職腳：。墨島（）根據

32、公式，結構的輸出噪聲有兩級調制器的整形效果，而其穩定性只需要一級調制器的考慮。與單環結構相比，在得到相同噪聲整形效果的條件下，的穩定性等效于單環結構階數的穩定性。然而當模擬傳遞函數珥、弼與數字傳遞函數、沒有完全匹配時，那么第一級調制器的鼉化噪聲就會部分出現在最終的輸出信號中，其整形效果等效于乘以匹配系數后的一級整形效果。）結構的最大問題在于它在設計上要求器件精確匹配，實現的復雜度較高。單環結構只有一條數據通路，設計復雜度大大降低：對器件火配的敏感度較低，實現簡便，生產成本較低。前饋和反饋一在模數轉換器的環路結構的實現上通常包括前饋和反饋兩人類。以四階調制器為例，簡單線性模型來分析，開關電容調制

33、器既可以用圖的反饋結構實現，也可以用圖的前饋結構實現。圖積分器鏈反饋結構（）圖所示的反饋結構，噪聲傳遞函數為：一，（腳。卜石再可去煮習研信號傳遞函數為：等躺籌掣槲一口（）（一）肛（一）川（）（）為了保證信號輸出的完整性，在信號帶內必須平整，通常設計令。可以得到：，口島，。根據公式，當口或者口，噪聲傳遞函數的整形效果會被降階，所以口島。而且此時各級積分器的輸入為：彬（）墨一（）一（）（）（）其中置（）彬（）為各級積分器的輸出，（）。根據公式，我們發現積分器的輸入不包含輸入信號（）項，此時任何一個積分器都不需要處理輸入信號，積分器不易飽和，更重要的是可以避免積分器線性引起信號的諧波失真。浙江人學碩

34、：學位論文三階模數轉換器的設計圖所示的前饋結構，噪聲傳遞函數為：刪加葡高毛信號傳遞函數為：一業羔塵名器篙竽一此時只需令包，島，即可以得到，并不影響的設計。同樣此時積分器的輸入不包含輸入信號甜（）項，任何一個積分器都不需要處理輸入信號。但是前饋結構需要的系數和系數匹配要求都比反饋結構低，因此電路復雜度低，功耗相應較低。由于簡單線性模型與實際調制器表現的差別，實際積分器輸入仍然包含一定的輸入信號，輸出還是不可避免存在信號諧波的，反饋結構的多點反饋使得其在這方面的表現可能略勝于前饋結構。為了獲得更低的帶內噪聲能量，人們對噪聲傳遞函數做了改進，引入了零點優化。零點優化對信號噪聲比的改進如表所示。相應的

35、前饋結構、反饋結構引入場諧振器來實現零點優化，如圖、圖所示。浙江人學碩：學位論文三階模數轉換器的設計階數零點何置（信帶寬歸一化）信噪比的提高±壓，±甭±±（），±±（）表零點優化帶米的信噪比的提高圖包含零點優化的前饋結構圖包含零點優化的反饋結構浙江人學碩學位論文三階模數轉換器的設計離散時間和連續時間一圖連續時間調制器調制器剛被提出時采用的是如圖所示的連續時間（）實現方式。在這種實現方式中，的功能是由電阻連接觸發器的輸出端和運算放大器的輸入端來實現的。由于此時的基準電壓就是觸發器的輸出，極其不純凈，經過反饋直接耦合到輸入端，因此該實現方

36、式的數據轉換精度不會很高。為了獲得比較高的轉換精度，就必須有獨立的基準電壓作為反饋輸入，而量化器輸出僅僅是控制信號。人們就提出了圖所示的開關電容（）實現方式。圖開關電容（）調制器在開關電容實現方式中，由開關和采樣電容來實現。此時可以用一個比較精準的內建或者外接的基準電壓，而且工作是離散時間的，可以比連續時間實現方式獲得更高的精度和線性度。開關電容實現方式的結構簡單、穩定性好、可實現性強，但是采樣電容和積分電容占據著比較人的芯片面積，開關開啟電壓限制了供電電壓，運放人電容浙江人學碩學位論文三階模數轉換器的設計負載義會限制其所需要的最小電流，某種程度上也就限制了調制器所需要的最小功耗。連續時間實現

37、方式由丁其內部自帶的抗混疊濾波功能，抗混替的程度和對量化噪盧抑制的程度是一致的。連續時間實現方式把信號的采樣推遲到了環路濾波器的輸山部分再進行，因而整個環路對采樣過程中引入的誤差以及折疊進信號帶寬的噪聲不再那么敏感。但是連續時間實現方式由于其積分器比例系數對于時間的敏感性，反饋信號的時鐘抖動將會引入嚴重的信號失真。連續時間實現方式的速度只受比較器和的限制，而且不需要對人電容進行充放電，因此在頻率較高時能夠以更小的功耗來達到與開關電容結構近似的性能。連續時間實現方式比較適用于較高頻率的場合。一調制器結構的設計一位天生的線性使得采用一位量化器的模數轉換器并不存在非線性補償的問題：單環結構只有一條數據通路，設計復雜度大大降低；對器件失配的