Sigma-Delta调制器的高效仿真技术

摘要

集成电路设计中,Sigma-Delta调制器广泛应用于高精度模数转换领域。由于这种电路结构与工作上的特点,其仿真分析存在特殊的困难,通常的电路仿真技术难以满足高精度和高效率的要求。为了获得调制器的性能参数,比如信噪比,仿真过程需要遍历上万甚至更多的采样周期,对结构复杂的调制器,需要花费数个小时甚至几天的时间。仿真是设计集成电路的主要手段,上述困难给设计高性能的Sigma-Delta转换器带来了很大问题。
　　 本文是对Sigma-Delta调制器的高效仿真技术的研究。首先简要介绍了Sigma-Delta转换器的结构与工作原理,综述了目前常用的Sigma-Delta调制器仿真技术。常见Sigma-Delta调制器的仿真分为三个层次:高层次的行为仿真,中间层次的等效电路仿真和底层次的晶体管级仿真,论文介绍了各层次仿真的基本原理,对各自的特点做了对比分析。等效电路级的仿真能在精度、速度之间获得较好的平衡,论文的主要工作是在等效电路级的仿真中,提出了一种考虑非线性效应的抽样数据仿真算法,在线性抽样数据分析算法的基础上,通过波形迭代考虑非线性元件的影响,使仿真结果的精度有了明显改善,达到了以较小的计算代价,获得较高计算精度的目的。详细介绍了算法原理,包括电路的描述、迭代过程、及用数值拉普拉斯反变换求解线性电路的方法。
　　 采用上述方法,对不同电路进行了仿真。包括连续的Sigma—Delta调试器,开关电容积分器和开关电容Sigma-Delta调制器。给出了实验的数值和图形结果,同时和常用的仿真工具SPICE进行了对比,通过这些实例证明了该方法的有效性。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 引言

1.2 本文的工作

2 Sigma-Delta调制器介绍

2.1 过采样转换器

2.2 Sigma-Delta调制器原理

2.2.1 过采样技术

2.2.2 噪声整型

2.3 Sigma-Delta的特性参数

3 Sigma-Delta调制器仿真算法

3.1 高层次行为模型仿真

3.1.1 噪声

3.1.2 非理想的积分器

3.1.3 时钟抖动

3.1.4 量化器的相关非理想性

3.1.5 DAC相关的非理想因素

3.2 等效电路级仿真

3.2.1 抽样数据分析

3.2.2 AWEswit

3.2.3 考虑非线性等效的Volterra级数法

3.3 底层晶体管级仿真

3.4 各种仿真技术的比较

4 考虑非线性效应的抽样数据仿真

4.1 算法的基本原理

4.2 基于MNA的抽样数据分析

4.2.1 转移矩阵M和零状态响应的计算

4.2.2 数值拉普拉斯逆变换

4.3 非线性元件的处理

4.3.1 MOS管

4.3.2 运算放大器

4.4 数据后处理

5 仿真实例

5.1 带通滤波器

5.2 连续Sigma-Delta调制器

5.3 开关电容电路积分器

5.4 不连续Sigma-Delta调制器

6 结论

致谢

参考文献

附录