四阶前馈低功耗sigma-delta调制器设计

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1、硕士学位论文四阶前馈低功耗Sigma-Delta调制器设计DesignofFourthOrderFeedforwardLowPowerSigma-DeltaModulator范文杰哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TN432学校代码：10213国际图书分类号：621.3.049.774密级：公开工学硕士学位论文四阶前馈低功耗Sigma-Delta调制器设计硕士研究生：范文杰导师：刘晓为教授申请学位：工学硕士学科：微电子学与固体电子学所在单位：航天学院答辩日期：2015年6月30日授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TN432U.D.C.:621

2、.3.049.774DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringDesignofFourthOrderFeedforwardLowPowerSigma-DeltaModulatorCandidate：FanWenjieSupervisor：Prof.LiuXiaoweiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MicroelectronicsandSolid-StateElectronicsAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDe

3、fence：June,30th,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要根据采样频率的不同，模数转换器被分为NyquistADC和Sigma-DeltaADC两类。Sigma-DeltaADC由调制器和数字抽取滤波器两部分组成，调制器利用过采样技术和噪声整形技术降低信号带宽内量化噪声功率，数字抽取滤波器对调制器输出信号进行滤波和降采样，将高速低精度的调制信号转换为低速高精度的数字信号。相比于NyquistADC，Sigma-DeltaADC能更好地满足低速高精度应

4、用，并且对工艺变化的鲁棒性更强。MEMS(microelectronicandmechanicalsystem)惯性器件接口电路中模数转换功能多采用Sigma-Delta转换，降低Sigma-Delta调制器功耗有助于控制MEMS惯性器件工作温度，提高器件工作稳定性。随着移动电子设备的发展，电池续航能力日益重要，降低Sigma-Delta调制器功耗有助于延长电池使用寿命。在如生物医疗先进领域的应用中，器件微型化也对功耗提出更苛刻的要求。因此Sigma-Delta调制器的低功耗设计有着很重要的现实意义。本文分析了Sigma-Delta调制器基本原理，晶体管电路实现中非理想特性对调

5、制器性能的影响，完成了四阶前馈结构Sigma-Delta调制器的系统级设计和仿真，对Sigma-Delta调制器的低功耗设计进行了理论研究，从系统结构和电路结构出发优化调制器整体功耗，分析对比了动态偏置、开关运放、双采样等低功耗技术，确定了应用双采样技术的调制器方案，并基于CSMC0.5μm工艺完成了调制器电路设计、版图设计和仿真。所设计的Sigma-Delta调制器满足输入信号带宽100kHz，采样频率20MHz，由于采用了双采样方案，时钟频率为10MHz，电路仿真结果表明调制器SNR为99.6dB，三次谐波失真为-110.1dB，整体功耗约为8.1mW，FOM(figure

6、ofmerit)达到170.5dB。关键词：Sigma-Delta调制器；前馈结构；双采样；低功耗I哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractAnalogtodigitalconverters(ADC)areclassifiedintoNyquistADCandSigma-DeltaADCinaccordancewithdifferentsamplingfrequencies.ASigma-DeltaADCiscomprisedofamodulatorandadigitalfilter.Makinguseofoversamplingandnoiseshaping,modul

7、atorsattenuatequantizationnoiseinthesignalbandwidth.Thehighspeedandlow-precisionoutputofmodulatorsisconvertedintoNyquistspeedandhigh-precisiondigitalsignalunderthefilteringanddown-samplingofdigitalfilters.ComparedwithNyquistADC,Sigma-DeltaADChasthe