基于多位量化Sigma-Delta调制器的设计与性能优化.pdf

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1、工程硕士学位论文基于多位量化Sigma-Delta调制器的设计与性能优化DESIGNANDPERFORMANCEOPTIMIZATIONOFSIGMA-DELTAMODULATORBASEDONMULTI-BITQUANTIZATION赵小松哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TN492学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工程硕士学位论文基于多位量化Sigma-Delta调制器的设计与性能优化硕士研究生：赵小松导师：刘晓为教授申请学位：工程硕士学科：集成电路工程所在单位：微电子科学与技术系答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业

2、大学ClassifiedIndex:TN492U.D.C:621.3DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringDESIGNANDPERFORMANCEOPTIMIZATIONOFSIGMA-DELTAMODULATORBASEDONMULTI-BITQUANTIZATIONCandidate:ZhaoXiaosongSupervisor:Prof.LiuXiaoweiAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:IntegratedCircuitEnginee

3、ringAffiliation：Dept.ofMicroelectronicsScienceandTechnologyDateofDefense:June,2018Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要不断提高的集成电路设计与制造技术为实现复杂的数据处理算法提供了硬件条件，然而当今主流的数据处理算法不能直接对传感器获得的模拟信号直接处理，需要模数转换器(analogtodigitalconverter,ADC)将模拟信号转换成数字信号。随着物联网技术的普及

4、，对ADC的需求逐年增加，使得高精度ADC逐渐成为国内外研究热点。针对数字化硅微机械陀螺传感器对ADC电路20kHz工作频率及高精度模数转换的要求，本文设计了Sigma-DeltaADC中多位量化调制器的电路。在电路设计上采用TOP-DOWN设计方法学，首先进行电路的系统级设计，根据系统对调制器性能的要求，选择合适的调制器结构，并利用SD-toolbox迭代优化调制器的噪声传递函数。其次选择恰当的模块达到系统级设计要求，通过分析调制器各个模块非理想特性对调制器噪声整形函数的影响以及附带的噪声对调制器噪声特性的影响，并对各个非理想特性利用Simlink搭建行为级仿真

5、模型，加速各个模块参数指标的确定。最后根据模块级电路的参数指标和非理想特性的影响，选取优化的电路来实现整个调制器的电路级设计和版图绘制。本文针对调制器动态范围、信号过载等性能进行了设计优化，采用33级量化器提高了调制器的动态范围和输入过载，使用多路前馈结构降低系统对加法器性能的要求并降低电路功耗，通过数字电路设计DWA(DataWeightedAveraging)动态匹配算法来抑制多位量化调制器存在的由反馈DAC失配对谐波失真的影响。最终设计的调制器为单环四阶、33级量化器、多路前馈结构、DWA数字动态匹配的结构设计，时钟频率为3.2MHz、过采样率为64、信号带

6、宽为25kHz。在此基础上，本文开展了调制器电路原理图的性能仿真与分析，调制器的在25kHz信号带宽内动态范围为138dB(AWeighted)，输入信号过载为-0.3dB，在幅度为-6dB、频率为3.125kHz正弦信号输入时三次谐波失真为-126.8dB。最终采用0.35μmCMOS工艺进行了调制器版图的绘制，芯片面积为4.7mm2。通过对调制器版图后仿真，结果显示调制器在25kHz信号带宽内动态范围为132dB(AWeighted)，输入信号过载为-0.5dB，在幅度-6dB、频率为3.125kHz正弦信号输入时三次谐波失真为-121dB。关键字：Sigma

7、-Delta调制器；多位量化；DWA；33级量化器I哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractTheconstantlyimprovingintegratedcircuitdesignandmanufacturingtechnologyprovidehardwareconditionsfortheimplementationofcomplexdataprocessingalgorithms.However,themainstreamdataprocessingalgorithmscan’tdirectlydealwiththeanalogsignalobtai

8、nedby