调制器的研究与设计

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1、二阶Sigma—Delta调制器的研究与设计摘要传统的Nyquist模数转换器对模拟电路的精度要求较高。相反，过采样ADC通过过采样技术，将基带中的量化噪声功率降低（特别是当采样频率比基带频率大很多时）。提高了基带内的信噪比，达到增加转换器的有效量化位数的目的。它可以通过简单的，对精度要求不高的模拟电路实现。此外，高的采样频率可以除去ADC所需要的截止频率特性较陡峭的抗混叠滤波器。Sigma—DeltaADC除了应用过采样技术之外还应用了噪声整形技术来进一步提高基带内。在Sigma—DeltaADC中，Sigma-Delta调制器的模拟信号转换可以通过简单的，对精度要

2、求不高的模拟电路实现，如开关电容积分器，一位比较器，并且对模拟信号处理电路的精度要求比同等分辨率的传统模数转换器的要低。数字信号转换可以通过数字滤波器完成。随着现代CMOS技术和VLSI的发展，Sigma—DeltaADC已经成为现代高精度ADC的主流方向。本论文通过对过抽样Sigma-Delta调制器的工作原理的学习和理解的基础上，论述了从系统数据到后级电路的设计过程，包括在系统设计过程中考虑了各种非理想因素的影响，完成对系统参数的选择。在电路设计过程中，使用所选择的系统参数及CSMS0.6umDMDPspice模型，通过计算，仿真与分析对Sigma—Delta调制

3、器中的全差分运算放大器，比较器，双相时钟产生电路及带隙基准源电路进行了设计.并最终完成了一个16位分辨率的二阶Sigma—Delta调制器的设计。该Sigma—Delta调制器采样时钟为256KHz,过采样率位256,输入信号带宽位500Hz,SNDR为99・3dB。关键词：Sigma-DeltaADC过采样量化噪声Sigma—Delta调制器后级功耗目录目录第1章导论11.1研究白勺背景、意义11.2国内、外发展现状41.3模拟/数字转换器概述61.3.1模拟/数字转换器的基本原理61.3.2模拟/数字转换器的常用结构10第2章Sigma-DeltaADC原理172

4、.1Sigma—DeltaADC基本原理172.2二阶Sigma-Delta调制器182.3调制器结构选择192.4低频处失调及噪声的减小19241失调及噪声192.4.2斩波技术20第3章电路设计223」电路设计思想223.2运算放大器设计233.3比较器的设计243.4仿真结果24第4章版图设计254」匹配管子的版图设计264.1.1版图的匹配264.1.2电流镜的匹配314.1.3噪声问题及解决方法334.2布局规划(floorplan)334.3版图设计验证344.3.1版图DRC验证344.3.2版图LVS验证36第1章导论1・1研究的背景、意义口然界产生的

5、信号，至少在宏观上，是连续变化的模拟量。随着数字技术的迅速发展和成熟，尤其是微处理器及专用数字信号处理芯片钓迅速发展和广泛应用，使得数字信号处理的算法的功能日益增强，许多传统上用模拟技术实现的信号处理很容易用现代数字技术完成…。然而要实现用数字技术处理模拟信号，首先要用模数转换器(ADC)把模拟信号变换为数字信号，再利用数字技术对数字信号进行处理，处理结果根据需要再通过数模转换器(DAC)变换为模拟信号。由此可见，没有A/D,DIA转换技术的发展，就无法更好地发挥现代数字技术在数字信号处理领域的强大优势。过抽样Sigma-Delta调制技术从上世纪60年代被提出，但由

6、于当时的半导体工艺水平的限制很难实现数字抽取滤波器而未能得到广泛的应用。近些年来，CMOS工艺的飞速发展，使系统集成度不断提高，成本不断降低，为Sigma-DeltaADC的设计与生产提供了良好的条件。正是在这种背景下，经过儿十年的研究与发展已经披广泛的应用烈模数转换器中。Sigma一DeltaADC两部分组成：一部分为模拟Sigma-Delta调制器，另一部分为数字抽取滤波器。Sigma—Delta调制器以极高的抽样频率对输入模拟信号进行抽样。并对两个抽样之间的差值进行低位量化，从而得到用低位数码表示的数字码流，然后将码流送给第二部分的数字抽取滤波器进行抽取滤波，从

7、而得到高分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号，由于Sigma—Delta调制器具有极高的抽样频率，通常要比Nyquist率高很多倍，故而Sigma一DeltaADC乂被称为OversamplingADCo模拟集成电路中器件匹配的误差的大小往往决定了该转换器所能达到的精度。然而随着集成电路的尺寸不断减小，电源电压不断降低，晶休管的阂值电压不断减小，设计高性能模拟集成电路的难度越来越大，实现传统的高精度Nyquist率转换器非常困难。过抽样Sigma一Delta调制扌支术由于避免了对元器件匹配精度的较高要求、能够实现传统Nyquist率ADC达不到韵精度、