应用于Sigma-Delta ADC中可变抽取率数字滤波器的研究与设计

摘要

Sigma-Delta ADC是一种低速，高精度的过采样模数转换器，由于这类模数转换器可充分利用现代VLSI技术高速、高集成度的优点，又可以避免模拟元器件失配对传统Nyquist率ADC精度的限制，因此它已广泛的应用于信号采集和处理、数字通信、自动检测、自动控制和多媒体技术等领域。目前业界Sigma-Delta ADC最高实现精度已达到24位。本文对应用于Sigma-Delta ADC中可变抽取率数字滤波器的设计进行了研究。主要内容如下： ⑴对抽取滤波器的工作原理和设计技术进行了研究，并对如何优化电路结构，提高电路性能作了具体分析，采用多种技术以节省硬件开销和降低功耗。此外，在给定的过采样频率下，如果固定了滤波器的阶数和系数，那么也就固定了该ADC输入信号的带宽和最终输出精度，从而限定了其应用范围，造成了设计时间和资源上的浪费。 ⑵以用于无线传感器网络节点芯片中的Sigma-Delta ADC为研究对象，提出了一种可变抽取率数字滤波器的设计方案。在本设计中，ADC过采样频率为4 MHz，其输入信号有四种不同的带宽：3 k、7 k、15 k、31 k。对于不同带宽的输入信号，通过外部的控制电路，对滤波器的阶数和系数进行选择，从而得到四种不同的输出精度：14 bit、12 bit、10 bit、8 bit。 ⑶整个设计过程经历了Matlab系统级仿真，滤波器RTL级代码的编写，并用调制器的输出作为激励在Modelsim中完成了对代码的验证仿真，然后，采用华虹NEC 0.25 μm工艺库进行了综合，并对综合后的滤波器门级网表进行了时序验证和功能验证，最后完成了布局布线，提交了电路版图。