本文關(guān)鍵詞： 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 Sigma-Delta調(diào)制器 多位量化 DWA 抽取濾波器　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2015年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：隨著MEMS陀螺數(shù)字化,智能化的未來需求,對數(shù)字陀螺接口電路的研究成為了熱門,特別是對于接口電路中模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的研究設(shè)計(jì)。本論文介紹了多位量化Sigma-Delta ADC的結(jié)構(gòu)和性能參數(shù),然后介紹了Sigma-Delta調(diào)制器的工作原理,并對比了一位量化和多位量化之間的優(yōu)劣,根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)確定了3階3位量化全前饋結(jié)構(gòu)Sigma-Delta調(diào)制器。論文對Sigma-Delta調(diào)制器的非理想因素進(jìn)行了Simulink模型的建立,并對非理想因素進(jìn)行了分析。最后在晶體管級對Sigma-Delta調(diào)制器進(jìn)行了仿真,并對仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。在Matlab中Simulink環(huán)境下首先對Sigma-Delta調(diào)制器進(jìn)行了行為級的設(shè)計(jì)與仿真。理想情況下,10MHz采樣頻率,128倍過采樣率,Sigma-Delta調(diào)制器系統(tǒng)信噪比為125.4d B,有效位數(shù)達(dá)到了20.53。之后考慮了調(diào)制器系統(tǒng)的非理想因素,主要對積分器建立誤差、運(yùn)算放大器有限增益、開關(guān)非線性、KT/C噪聲和運(yùn)算放大器噪聲進(jìn)行了分析與模型的建立�？紤]到由于多位量化導(dǎo)致反饋DAC電容失配引入的非線性,采用了Mathwork提供的Data Weighted Averaging(DWA)行為級模型,對這種抑制非線性的算法進(jìn)行了行為級的仿真,在考慮所有非理想因素以及1%電容失配的情況,系統(tǒng)諧波失真小于100d B,有效位數(shù)是16位,符合設(shè)計(jì)要求。電路設(shè)計(jì)的時(shí)候需要重點(diǎn)考慮第一級積分器運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì),以及第一級引入的噪聲。采用4輸入比較器組成的Flash多位量化器能夠有效降低功耗。開關(guān)的設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)關(guān)注開關(guān)電阻的大小以及電阻非線性的問題,避免由于開關(guān)非線性導(dǎo)致的系統(tǒng)諧波失真過大。最后整個(gè)調(diào)制器電路在CSMC 0.5um工藝,在Cadence中,加入0.5%電容失配,對采用DWA算法的調(diào)制器進(jìn)行了仿真,并對仿真結(jié)果進(jìn)行了分析,結(jié)果顯示在采用DWA算法,調(diào)制器噪底低于-120d B,系統(tǒng)信噪比達(dá)到了112d B,諧波失真小于-120d B。最后本論文還設(shè)計(jì)了128倍降采樣數(shù)字抽取濾波器,通帶紋波小于0.01d B,阻帶衰減小于-70d B。
[Abstract]:With the digitization of MEMS gyroscope and the future demand of intelligence, the research on interface circuit of digital gyroscope has become a hot topic. This paper introduces the structure and performance parameters of multi-bit quantized Sigma-Delta ADC, and then introduces the working principle of Sigma-Delta modulator. The advantages and disadvantages of one bit quantization and multibit quantization are compared. According to the design index, the three-order 3-bit quantization full-feedforward Sigma-Delta modulator is determined. The Simulink model of the non-ideal factors of the Sigma-Delta modulator is established in this paper. The non-ideal factors are analyzed. Finally, the Sigma-Delta modulator is simulated at the transistor level. The simulation results are analyzed. The behavior level of the Sigma-Delta modulator is first designed and simulated in the Simulink environment of Matlab. Ideally, the signal to noise ratio (SNR) of the Sigma-Delta modulator system is 125.4 dB and the effective bit is 125.4 dB. The number reaches 20.53.After considering the non-ideal factors of the modulator system, The error of integrator, the finite gain of operational amplifier, the nonlinear noise of switching KT / C and the noise of operational amplifier are analyzed and modeled. Considering the nonlinearity of feedback DAC capacitor mismatch caused by multi-bit quantization, In this paper, the behavior level model of Data Weighted verging DWA provided by Mathwork is used to simulate this algorithm. Considering all the non-ideal factors and the mismatch of 1% capacitance, the harmonic distortion of the system is less than 100dB, and the effective bit number is 16 bits. Meet the design requirements. The design of the first stage integrator operational amplifier needs to be considered in the design of the circuit. And the noise introduced in the first stage. The Flash multibit quantizer composed of 4-input comparator can effectively reduce the power consumption. The design of the switch needs to focus on the magnitude of the switch resistance and the problem of resistance nonlinearity. The system harmonic distortion caused by switching nonlinearity is avoided. Finally, the modulator using DWA algorithm is simulated by adding 0.5% capacitance mismatch to Cadence in CSMC 0.5um process, and the simulation results are analyzed. The results show that with the DWA algorithm, the noise level of the modulator is lower than -120dB, the SNR is 112dB and the harmonic distortion is less than -120dB. Finally, a 128-fold downsampling digital decimation filter is designed. The passband ripple is less than 0.01 dB and the stopband attenuation is less than -70 dB.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN792

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本文編號：1505220