一种高精度Sigma-Delta调制器的研究与设计

摘要

高精度、低功耗模数转换器是当今的研究热点之一。在高精度模数转换方面，Sigma Delta模数转换器，在众多类型的ADC中脱颖而出，由于其采用过采样技术、噪声整形技术以及数字抽取滤波器，大大降低了对模拟电路设计的要求，同时实现了其它ADC无法达到的精度。但是也要看到，由于采用过采样技术，Sigma DeltaADC的所能达到的带宽有限，很难兼顾速度和精度。本文围绕Sigma Delta ADC中调制器部分（另一主要部分为数字抽取滤波器）开展研究与设计。
　　首先采用Matlab Simulink工具进行了系统建模和仿真，充分考虑非理想因素对调制器系统性能的影响，包括运放的有限直流增益、有限带宽和压摆率、积分器输出摆幅、时钟抖动、采样电路热噪声等，对各非理想因素进行量化分析，为后续电路设计提供了设计依据。深入分析了非理想效应对调制器性能的影响。
　　通过分析各结构的优缺点，结合项目设计指标，本文所设计Sigma Deka调制器最终采用三阶单环一位量化开关电容结构，结合系数优化，实现了高精度的设计要求。本文重点设计了第一级积分器，在调制器的第一级输入端加入了两个小电容，与采样电路构成一阶模拟低通滤波器，对进入调制器的信号带宽加以限制;在时序设计方面，采用了下极板采样技术，结合全差分电路的优势，大大减小了开关非理想效应对系统性能的影响;加入了斩波稳定电路，有效的降低了系统的噪声基底，抑制了低频噪声及系统失调，提高了调制器的动态范围。并详细讨论了电容最小值的取值，在减小开关电容采样电路热噪声的前提下，减小了芯片面积和功耗开支。
　　采用Global Foundry0.35um CMOS工艺，完成了本文提出的三阶单环一位量化调制器的电路设计。电源电压3.3V，过采样率为512，输入信号频率为73.8Hz，信噪比达到127dB，有效位数可以达到20bits，功耗为3.94mW，符合设计指标要求，满足高精度低功耗的应用需求。

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摘要

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第一章 绪论

1．1 高精度研究背景

1．2 国内外研究现状

1．3 研究意义

1．4 本文结构安排

第二章 Sigma Delta调制器原理

2．1 过采样技术

2．2 噪声整形技术

2．3 斩波稳定技术

第三章 Sigma Delta调制器系统设计及建模仿真

3．1 开关电容Sigma Delta调制器架构

3．1．1 一阶Sigma Delta调制器

3．1．2 二阶Sigma Delta调制器

3．1．3 高阶单环Sigma Delta调制器

3．1．4 其他常见结构

3．2 调制器系统设计

3．3 设计方案选择

3．3．1 Sigma Delta调制器功耗分析

3．3．2调制器系统架构选择

3．4 调制器系数的确定

3．4．1 一位量化通用结构传递函数设计

3．4．2 零极点优化技术

3．4．3 系统参数确定

3．5 调制器传输函数

3．6 Sigma Delta调制器系统稳定性的判定

3．7 非理想因素分析

3．7．1 时钟抖动

3．7．2 开关及积分器采样电容热噪声

3．7．3 开关电容积分器噪声

3．8 非理想因素建模仿真

第四章 Sigma Delta调制器电路实现

4．1 开关电容积分器中电容尺寸的确定

4．1．1 开关电容积分器噪声

4．1．2 Sigma Delta调制器中噪声传递函数

4．1．3 Sigma Delta调制器输出端噪声

4．1．4 Sigma Delta调制器噪声估计及电容值的确定

4．2 开关电路设计

4．3 时钟设计

4．3．1 分频电路设计

4．3．2 两相非交叠时钟电路设计

4．4 开关电容积分器设计

4．4．1 开关电容积分器工作原理

4．4．2 全差分运算放大器设计

4．4．3 第一级积分器的设计

4．4．4 开关电容加法器

4．4．5 一位量化器

4．4．6 调制器级联仿真

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况