一种Sigma-Delta MASH结构四阶调制器的设计

摘要

数字硅陀螺接口电路无论是在军事领域还是在日常生活中都占有很重要的地位，而自然界中连续的物理量采集变成更易操作的离散值就离不开模数转化器（ADC）这个媒介。Sigma-Delta(ΣΔ)调制器又是ADC的重要模块，其性能与整个接口电路的功能实现息息相关。基于哈尔滨工业大学微机电系统研究中心多年来致力于对陀螺接口电路的研究，本论文设计完成了一款应用于其中的2-1-1 MASH(Multi-stAge noise SHaping)结构ΣΔ调制器。
　　本文在对国内外MASH调制器进行了调研的基础上，详细分析了调制器的工作原理以及不同结构的特点，采用Matlab对MASH调制器进行了系统建模和仿真分析，最终确定了设计的系统结构。此外，本文还将介绍系统中包含的非理想因素与最终设计结果之间的关系，对加入这些影响因子后的MASH结构系统进行系统建模和仿真。
　　在系统建模的基础上，本文基于0.35um5V标准CMOS工艺完成了各个模块的电路级设计，并借助Cadence的spectre工具完成了各部分电路的功能验证。其中积分器选择了全差分双参考电压的开关电容结构，很好的抑制噪声；运放选取能够兼顾高增益和输出电压范围的两级套筒共源共栅形式；还完成了量化器、MOS互补开关、时钟电路以及数字抵消逻辑的设计。模拟和数字部分的功能均达到设计要求后，采用SpectreVerilog对数模混合电路进行了仿真，当输入信号带宽为10KHz，采样频率2.56MHz，得到最终所选MASH结构调制系统能达到的SNDR是103.86dB，有效精度16.96bits。最后，在华虹0.35um CMOS工艺下完成了整体电路版图的绘制与后仿，并通过了DRC、LVS验证，版图的面积估算为2736×1395um2。后仿系统能达到的SNDR是99.64dB，有效精度16.26bits。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 课题的主要研究工作

第2章 Sigma-Delta 调制器技术原理

2.1 引言

2.2 Sigma-Delta调制器原理

2.3 影响Sigma-Delta调制器性能的参数

2.4 ΣΔ调制器的实现结构

2.5 本章小结

第3章 MASH调制器行为级建模和非理想因素分析

3.1 引言

3.2 MASH调制器的系统级设计

3.3 2-2级联调制器的行为级设计

3.4 2-1-1级联调制器的行为级设计

3.5 非理想因素分析

3.6 考虑非理想因素的系统建模及仿真

3.7 本章小结

第4章 MASH调制器的电路实现

4.1 引言

4.2 调制器整体结构的设计

4.3 开关电容积分器的设计

4.4 量化器的设计

4.5 时钟电路和数字逻辑的设计及仿真

4.6 整体电路的设计及仿真

4.7 调制器系统版图的绘制与后仿

4.8 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢