窄带Dither算法在流水线ADC中的研究与应用设计

【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。