用于电表计量芯片的Sigma Delta调制器的研究与设计

摘要

随着社会的进步与发展，具有高精度、低功耗及网络功能的电子式电能表已被广泛使用。在电子式电能表中，电能计量芯片是核心部分。目前大部分的电能计量芯片都采用Sigma-deltaADC作为计量芯片的模数转换器。Sigma-deltaADC利用过采样技术和噪声整形技术，有效的抑制了信号带内的量化噪声，提高了信噪比。与传统的Nyquist转换器相比，降低对模拟电路部分的要求，简化了模拟电路的设计，降低生产成本。
　　 本文设计了适用于电表计量芯片的Sigma-delta调制器，采用256倍的过采样率，信号带宽为2K，具有SNR为87.6dB，达到了14位精度。本文首先分析了各种模数转换器的性能特点，在比较各种结构的基础上选择了适合本文的Sigma-DeltaADC作为电能计量芯片的模数转换器。本文在分析了Sigma-Delta调制器的工作原理基础上，比较了传统的反馈式调制器跟前馈式结构的性能特点。基于比较分析结果，本文选择了较为先进的基于环路滤波方式的两阶前馈式结构作为本文调制器的结构。与传统的反馈式结构相比该前馈式结构具有以下优点:一、其信号传递函数STF(z)=1，因此，能降低积分器非理想因素引起的谐波失真，提高信噪比。二、能减小调制器的内部节点的电压摆幅，从而使得系统更加稳定。本文通过使用MATLABSIMULINK对该调制器进行了行为级的设计，并完成了系统结构的设计。
　　 在电路级设计过程中，本文把调制器电路按照其功能可以分为采样电路、运算放大器、比较器、两相互不交叠时钟电路及基准源等几大模块，对各个模块按照系统的要求分别对其进行了设计。同时基于CSMC0.5μm/5VSiCMOS工艺模型，通过HSPICE软件对各个电路模块进行模拟仿真，并最终完成了各个模块的设计。仿真结果表明其中的运放具有开环增益84.7dB，相位裕度为67°，具有44.8MHz带宽；而比较器具有在100MHz下具有0.2mV的分辨度，而功耗仅为1.12mV；基准源具有约2.5V的输出基准，温度系数最小可达52ppm/℃。最后采用HSPICE进行整体电路的仿真，仿真结果表明该调制器SNR为87.6dB，达到了14位精度的要求。通过对流片结果进行测试，测试结果表明该调制器电路达到了设计的要求，具备了一定的实用价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 课题的背景及意义

1.2 sigma—delta转换器国内外发展现状及发展趋势

1.3 本文的主要工作介绍

第二章 用于电表计量芯片的模数转换器的选择

2.1 电子式电表结构

2.2 电能表计量芯片的原理

2.3 模数转换器的介绍

2.3.1 模数转换器的种类

2.3.2 模数转换器的性能指标

2.4 电表计量芯片设计目标及其模数转换器的选择

第三章 Sigma Delta调制器系统级设计

3.1 Sigma Delta调制器原理

3.2 调制器系统结构

3.2.1 传统的反馈式结构

3.2.2 前馈式调制器

3.3 本文调制器的设计

3.4 调制器的非理想特性

3.4.1 时钟抖动

3.4.2 电阻热噪声

3.4.3 闪烁噪声

3.4.4 运放的有限增益

3.4.5 比较器的非理想特性

3.5 加入噪声后的系统仿真

第四章 Sigma Delta调制器电路设计

4.1 采样电路设计

4.2 开关电容积分器设计

4.2.1 开关电容电路

4.2.2 MOS开关

4.3 运算放大器

4.3.1 运放的设计指标要求

4.3.2 运放结构的选择

4.3.3 本文结构的运放性能指标分析

4.3.4 运放的电路实现

4.3.5 运算放大器的仿真结果

4.4 比较器设计

4.4.1 比较器的性能要求及设计分析

4.4.2 比较器的电路结构

4.4.3 比较器的仿真结果

4.5 带隙基准电路设计

4.5.1 带隙基准原理

4.5.2 带隙基准电路结构

4.5.3 仿真结果

4.6 两相互不交叠时钟电路

4.7 调制器电路级整体仿真

第五章 总结与展望

致谢

参考文献

附录： 作者在攻读硕士学位期间发表的论文