14bit单环结构sigma-delta调制器设计

摘要

随着数字通信技术和无线传感器网络的不断发展，人们对应用于其中的关键模块——模数转换器(Analog to Digital Converter，ADC)的要求越来越高。高速、高精度、低功耗成为模数转换器研究领域的热点。在各种类型的模数转换器架构中，sigma-delta ADC以速度换精度并结合噪声整形技术使得高精度的实现变得相对简单，sigma-delta ADC几乎成为了高精度ADC的代名词。离散时间(Discrete Time，DT)sigma-delta调制器在速度、精度、带宽以及功耗等方面有较好的折衷，加上其对模拟器件的匹配性能要求较低，在音频信号处理等领域得到了持续的发展，并在近些年来逐步扩展到生物医学信号及工业信号探测传感等领域。
　　本文对一款适用于音频信号、生物信号及工业信号探测传感器的sigma-delta ADC(信号带宽为200kHz，精度14bit)的调制器部分进行研究。本文在介绍了当前模数转换器的研究现状、ADC的基本原理和sigma-delta ADC的主要性能指标的基础上，分析比较了sigma-delta调制器的四种结构，进而初步确定了本次设计采用的结构——二阶单环结构。在设计中首先利用Matlab/Simulink工具对二阶sigma-delta调制器进行了完整的行为级建模，并考虑进时钟抖动、开关热噪声、运放的非线性因素等电路中的主要非理想因素，以此作系统级的仿真和优化，验证系统的可行性和模型的正确性。为实现模拟电路模块及系统性能与其物理实现之间的优化设计，本次设计还基于Verilog-A进行了各个模块及系统的建模。
　　论文采用0.18μm CMOS标准工艺完成了二阶调制器的晶体管级电路设计，包括两相非交叠时钟、自举开关、两级运算放大器、开关电容积分器、比较器、反馈DAC等，完成了版图设计和后仿真。后仿真结果表明，在1V、115.967kHz的正弦输入信号下，二阶调制器可实现的精度为13.72bit，和14bit的精度指标相比有所欠缺。最后基于14bit精度指标的要求，对电路进行了改进，设计了三阶sigma-delta调制器并完成了行为级仿真、电路设计及前仿真。前仿真结果表明，在1V、115.967kHz的正弦输入信号下，三阶调制器在满足其他主要指标的情况下，精度达到15.8bit，为最终实现14bit精度要求留下了足够的裕量。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文主要研究内容

1．4 论文组织结构

第二章 sigma-delta ADC的基本原理

2．1 ADC简介

2．2 sigma-delta ADC性能指标

2．2．1 量化噪声

2．2．2 模数转换器的静态特性和动态特性

2．3 sigma-delta调制器的结构

2．3．1 一阶sigma-delta调制器

2．3．2 二阶sigma-delta调制器

2．3．3 高阶sigma-delta调制器

2．4 降采样滤波

2．5 小结

第三章 二阶sigma-delta调制器的行为级建模

3．1．1 调制器结构的选择

3．1．2 调制器结构中参数的确定

3．1．3 调制器系统的稳定性考虑

3．1．4 零点优化和极点的确定

3．2 sigma-delta调制器中的非理想因素及行为级描述

3．2．1 采样时钟抖动

3．2．2 开关热噪声

3．2．3 运放的非理想因素

3．3 基于Matlab／Simulink的二阶sigma-delta调制器行为级建模

3．3．1 考虑了非理想因素的二阶sigma-delta调制器行为级模型

3．3．2 行为级系统仿真结果对比

3．4 基于Verilog-A的二阶sigma-delta调制器行为级建模

3．4．2 基于Verilog-A的二阶sigma-delta调制器行为级仿真

3．5 小结

第四章 二阶sigma-delta调制器的电路设计

4．1 二阶sigma-delta调制器的电路结构

4．2 积分器的设计

4．2．1 开关的设计

4．2．2 电容的设计

4．2．3 运算放大器的设计

4．3 时钟产生电路的设计

4．4 高速比较器的设计

4．5 一位DAC的设计

4．6 版图设计

4．7 电路后仿真及分析

4．8 设计指标汇总

4．9 小结

第五章 三阶sigma-delta调制器的设计和仿真

5．2 三阶sigma-delta调制器的电路设计

5．2．1 三阶sigma-delta调制器的电路结构

5．2．2 模块电路设计

5．2．3 电路前仿真及分析

5．3 设计指标汇总

5．4 小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文