Σ_ΔADC作為ADC中的一個(gè)分支,由于其具備的高精度,低噪聲等特點(diǎn),已經(jīng)在混合信號(hào)處理領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。典型的Σ_ΔADC的主要功能模塊包括調(diào)制器和數(shù)字濾波器。當(dāng)下國(guó)內(nèi)對(duì)Σ_ΔADC的研究主要集中在提高前級(jí)調(diào)制器的性能,但國(guó)外的相關(guān)產(chǎn)品不僅具備面積小、功耗低的數(shù)字抽取濾波器,還集成有多功能數(shù)字接口,可以通過(guò)數(shù)字接口配置ADC芯片的功能。本文目標(biāo)設(shè)計(jì)一個(gè)Σ_ΔADC的后置數(shù)字處理單元,該數(shù)字處理單元不僅具備24bit輸出的數(shù)字濾波器,還擁有多功能數(shù)字串行接口,可以對(duì)輸出速率、有效邊沿,乃至調(diào)制器前的PGA(Pmgrammable Gain Amplifier)的增益進(jìn)行調(diào)控。Σ_ΔADC的面積與功耗主要取決于數(shù)字信號(hào)處理單元中的數(shù)字濾波器,因此本課題在實(shí)現(xiàn)功能的同時(shí)盡量對(duì)信號(hào)處理單元進(jìn)行優(yōu)化,盡量減少硬件方面的代價(jià)。數(shù)字濾波器使用的是三級(jí)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu),第一級(jí)采用傳統(tǒng)遞歸型的CIC(Cascaded integrator-comb)濾波器,其抽取因子為了輸出速率可變而在2~5、2~6到2~(12)之間可變;第二級(jí)濾波器為CIC補(bǔ)償濾波器,完成補(bǔ)償前級(jí)CIC濾波器通帶的衰降的同時(shí)完成2倍抽取;第三級(jí)使用FIR低通濾波器。后兩級(jí)濾波器都采用了多相分解技術(shù)的高效結(jié)構(gòu),采用較低并對(duì)稱(chēng)的階數(shù)結(jié)構(gòu),并通過(guò)CSD(Canonic Signed-Digit)編碼優(yōu)化系數(shù)。這些優(yōu)化方式有效地降低了芯片的面積與功耗。數(shù)字接口采用了SPI串行接口,本課題的SPI接口具備讀寫(xiě)功能�；趍altab的simulink工具對(duì)數(shù)字濾波器進(jìn)行了行為級(jí)建模,激勵(lì)信號(hào)通過(guò)代碼給出,得出濾波器模型的整體通帶紋波大約為0.006dB,各個(gè)抽取因子下的行為級(jí)模型的PSD符合期望值。接下來(lái)利用verilog完成RTL濾波器的建立,完成了周邊的時(shí)鐘模塊、SPI接口、主機(jī)等模塊的硬件RTL級(jí)實(shí)現(xiàn),并聯(lián)合仿真,系統(tǒng)抽取因子為128,輸入采樣頻率為2048kHz時(shí),仿真輸出的SNR為124.7dB,與輸入信號(hào)的SNR相比沒(méi)有變化,最大的輸出速率為16kHz。在0.35μm 5V標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下,使用Design Compile對(duì)RTL級(jí)的代碼進(jìn)行了邏輯綜合,利用SoC Encounter軟件完成了芯片的版圖設(shè)計(jì),版圖的面積約為3.2ⅹ3.25mm~2。接著進(jìn)行了布局布線后仿真驗(yàn)證。當(dāng)抽取因子為128時(shí),后仿真得出的輸出數(shù)據(jù)的SNR仍為124.7dB。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：TN792;TN911.72
【部分圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文2015 年發(fā)布的 ADS1263，最高分辨率為 32 位，該芯片中集成的后置數(shù)字濾波器采用了兩級(jí) sinc 的組成結(jié)構(gòu)，前一級(jí)濾波器為可編程抽取倍率濾波器，后級(jí)濾波器為可變階數(shù)濾波器，通過(guò)數(shù)字接口設(shè)置兩級(jí)濾波器的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)需求的功能[16]。其原理框圖如圖 1-1 所示。

中國(guó)已經(jīng)是許多國(guó)際集成電路公司的最大市的同時(shí)，自身的微電子所，高校以及企業(yè)們也性能上與國(guó)外還有差距，但是也取得了一些優(yōu)，小面積的方向發(fā)展。大學(xué)的茍曦,李怡然,陳建球等發(fā)表了一款基于 93dB 的 ADC[22]。同年清華大學(xué)實(shí)現(xiàn)了一款具信噪比達(dá)到了 84.4dB[23]。科技大學(xué)的朱鵬，張華彬等發(fā)表了一個(gè) 16bit 分于溫度傳感器或者音頻設(shè)備中，該設(shè)計(jì)采用0耗 5.2mW。該 ADC 采用了三種方法來(lái)調(diào)整 ASPI）用來(lái)調(diào)整采樣頻率和 OSR，改變動(dòng)態(tài)功，還可以根據(jù)具體應(yīng)用情況，將密鑰塊的偏置量結(jié)果表明，該 ADC 的 DR 值可由 95dB 調(diào)整2。其雜散動(dòng)態(tài)范圍能夠達(dá)到 99dB，信噪比為。

圖 1-3 電子科大 Σ_Δ ADC 的顯微版圖[25]1.3 主要研究?jī)?nèi)容本課題主要目的是設(shè)計(jì)一款 24 位 Σ_ΔADC 中的數(shù)字信號(hào)處理芯片，Σ_ΔADC接收的是模擬信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行一些信號(hào)處理后再輸出。本設(shè)計(jì)主要包含兩個(gè)模塊：數(shù)字抽取濾波器模塊與 SPI 接口模塊。設(shè)計(jì)要求該數(shù)字處理單元的接口功能比較豐富，能通過(guò)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)來(lái)配置一些抽取濾波器的屬性，還要求處理單元中的抽取濾波器精度較高，能達(dá)到 24 位的輸出。本課題主要對(duì) Σ_ΔADC 中的數(shù)字信號(hào)處理單元，包括濾波器、接口、時(shí)鐘等進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。本文主要研究的內(nèi)容包括：（1） 詳細(xì)介紹了 Σ_ΔADC 的工作原理，過(guò)采樣技術(shù)和噪聲整形技術(shù)；介紹了數(shù)字濾波器的工作原理，包括信號(hào)抽取的原理，廣泛使用的 FIR 類(lèi)型的數(shù)字濾波器工作原理以及多級(jí)濾波器與多相濾波器的優(yōu)化原理；（2） 通過(guò) matlab 對(duì)各級(jí)濾波器的模型分別進(jìn)行分析并建立，以及完成了級(jí)聯(lián)濾
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本文編號(hào)：2837261