∑-△调制器的设计及其在电能计量中的应用

摘要

过去几十年里，数字信号处理技术在理论和实践上都取得了突飞猛进的发展。由于它具有可靠性高，灵活性强，成本低廉等特点，从而逐渐在各个领域代替了传统的模拟信号处理方式。但是模拟信号处理及模拟集成电路的设计不仅没有淡出历史舞台，相反在某些地方更加凸显出其不可替代的作用。这充分体现了现实模拟世界与虚拟数字世界的对立，而且在现今对处理速度要求越来越高、集成电路工艺制造技术使线宽越来越窄的今天，各种电路的寄生效应如雨后春笋，让人始料未及，所以高速的数字设计本质上还是模拟设计。 要想进行数字信号处理，首先必须进行模数转换。在各式各样的模数转换器(ADC)构架中，流水线ADC与过采样∑-△ADC应用最为广泛。虽然流水线ADC能够实现很高的转换速率，但它对其构成部件的失配很敏感，从而导致电路复杂程度高，当精度超过14位，其功耗会非常大，因此流水线ADC精度不高。相反地，结合过采样与噪声整形的∑-△ADC，达到了很高的精度，但所能处理的信号频率不高。尽管如此，∑-△ADC只要由前端的∑-△调制器将输入模拟信号调制成高速比特流，后续的很大一部分工作都留给了数字滤波器，因而易与大规模数字集成电路集成，节省了成本。而属于模拟部分的∑-△调制器是一种负反馈结构，它对模拟电路的一些非理想特性具有很好的免疫力。此外，相对与奈奎斯特采样，过采样使前置抗混叠滤波器的设计变得容易。正因为∑-△ADC的这些优点，使其在很多场合获得了广泛地应用。 本论文从系统架构到电路细节上讨论了∑-△调制器的设计。 第二章介绍了采样、量化、噪声整形等基本概念。 第三章分析了一阶与二阶、单级高阶、多级级联、多位等结构∑-△调制器。 第四章为∑-△调制器的电路实现，包括前馈、反馈、积分器、运放、比较器等的设计。 第五章分析了各种非理想特性对∑-△调制器中性能的影响，诸如采样开关与运放产生的噪声、运放增益、带宽与转换速率、比较器迟滞与失调等等。论文中将积分器作为一个整体，详细分析其噪声性能，给出了分析结果，建立了一个比较精确的积分器建立过程模型。 作为一个实例，本论文最后一章设计了一个应用于电能计量的二阶∑-△调制器。在电能计量中，由于传感器从工频电网上获取的电压、电流是具有正负电位的双极信号，而电能计量芯片是单电源供电，若采样开关采用NMOS管，当输入信号为负电位时会使输入信号箝位，因而只能采用PMOS管，但这样又会带来PMOS管不能完全开通的问题，因为时钟信号最低电位只能到零。在对输入信号进行移位又受到移位电平会随温度、噪声的影响而漂移的前提下，本论文设计了一个输入缓冲器来解决这个问题，所用到的器件少，节省了芯片面积。

目录

文摘

英文文摘

第一章引言

第二章基本原理

第三章∑-△调制器

第四章∑-△调制器的电路实现

第五章∑-△调制器中的非理想效应

第六章∑-△调制器在电能计量中的应用

第七章结语

参考文献

致谢