15位离散时间Sigma-Delta调制器研究与设计

摘要

位移传感器广泛用于工业、仪器、国防等领域,需要将其输出的模拟信号转换成数字信号。Sigma-Delta调制器采用过采样和噪声整形技术,降低信号频带内的噪声功率,利用数字滤波器滤除带外噪声后,可以实现高精度的模数转换。
　　本文分析了Sigma-Delta调制器的原理和数学模型,以及量化器增益对传递函数的影响。根据位移传感器的设计要求,采用二阶一位离散时间结构,过采样率为512,采样频率为1MHz,利用MATLAB/SIMULINK工具建模并仿真系统模型的性能。从信号动态范围的角度分析了积分器和一位DAC的增益,着重研究了输出时域信号的频谱分析技术,接着提出与模型对应的晶体管级电路结构。本文研究了实际电路设计中的非理想因素对调制器动态性能的影响,包括时钟抖动、采样开关噪声、运放噪声、有限的运放增益、有限的运放摆率和带宽、放大器输出摆幅等,并建立了这些非理想因素的SIMULINK模型。在系统级仿真时分析了调制器精度、芯片面积、功耗和输出摆幅之间的折衷关系,提出了子电路的设计指标。最后设计电路中的开关、两个全差分运算跨导放大器、开关电容共模反馈电路、时钟产生电路、比较器、D触发器、缓冲放大器、一位DAC、偏置电路等模块。
　　电路设计采用台积电0.18μm混合信号CMOS工艺,电源电压为1.8V,采用HSPICE仿真整体电路,输入正弦信号峰峰值为0.9V,频率分别为900Hz和76Hz时,仿真得到的SNDR分别为94.5dB和94.6dB,ENOB分别为15.40位和15.43位,电路功耗小于200μW。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 论文结构安排

2Σ-Δ调制器基本理论

2.1 基本概念

2.2Σ-ΔADC组成

2.3Σ-Δ调制器性能指标

2.4 一阶一位Σ-Δ调制器

2.5 一位量化器的增益

2.6 本章小结

3 二阶一位Σ-Δ调制器系统设计

3.1 系统需求分析

3.2 系统设计与建模

3.3 输出信号频谱分析

3.4 电路结构设计

3.5 本章小结

4 非理想因素分析与建模

4.1 时钟抖动

4.2 采样开关非线性

4.3 采样开关噪声

4.4 积分器的失调和噪声

4.5 有限的运放增益、带宽和摆率

4.6 积分器输出饱和

4.7 设计参数综合

4.8 本章小结

5 电路设计与仿真

5.1 互补开关设计

5.2 时钟产生电路设计

5.3 OTA电路设计

5.4 比较器和D触发器设计

5.5 一位DAC设计

5.6 整体电路仿真

5.7 本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献