高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器是當(dāng)今的研究熱點(diǎn)之一,由于Sigma-Delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有高精度的特點(diǎn)其應(yīng)用范圍得到不斷的擴(kuò)展,典型的Sigma-Delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器由Sigma-Delta調(diào)制器及降采樣數(shù)字濾波器組成。通過采用過采樣技術(shù)及噪聲整形技術(shù),Sigma-Delta轉(zhuǎn)換器可將低頻噪聲推至高頻區(qū)域,配合數(shù)字濾波器將高頻噪聲濾除,從而實(shí)現(xiàn)較高的精度。但典型的Sigma-Delta轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度較低,這一特點(diǎn)極大地限制了Sigma-Delta轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用范圍。通過對(duì)Sigma-Delta調(diào)制器采用多位量化技術(shù),可有效提高Sigma-Delta轉(zhuǎn)換器的更新速率,但多位量化技術(shù)的使用在給電路設(shè)計(jì)帶來困難的同時(shí)也引入了非線性問題。本文主要研究了多位量化Sigma-Delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方法及電路實(shí)現(xiàn)技術(shù),完成了從原理分析、建模仿真、調(diào)制器電路設(shè)計(jì)、降采樣數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)、校準(zhǔn)算法實(shí)現(xiàn)到混合信號(hào)仿真這一較為完整的設(shè)計(jì)流程。設(shè)計(jì)的Sigma-Delta調(diào)制器采用了2-1MASH結(jié)構(gòu),通過使用Matlab進(jìn)行建模仿真確定了量化器位數(shù)為三位,同時(shí)驗(yàn)證了誤差消除邏輯的合理性,在保證穩(wěn)定性的前提下,可達(dá)到三階噪聲整形效果。由于調(diào)制器采用了多位量化技術(shù),為了解決多位量化帶來的非線性問題,在DAC控制邏輯中加入了DWA算法對(duì)失配進(jìn)行整形,電路設(shè)計(jì)采用0.35μm工藝實(shí)現(xiàn),調(diào)制器采樣率為500KHz。模擬電路及數(shù)字電路分別使用Hspice和Modelsim進(jìn)行了驗(yàn)證,整體電路使用ADMS進(jìn)行了混合信號(hào)仿真,各部分電路性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。為了擴(kuò)展轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用范圍,設(shè)計(jì)了兩種工作模式,數(shù)字部分根據(jù)模式的不同可實(shí)現(xiàn)不同類型及階數(shù)的濾波器。當(dāng)單獨(dú)使用二階Sigma-Delta調(diào)制器時(shí),調(diào)制器功耗低于765μW,數(shù)字濾波器配置為三階CIC與均值濾波器級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu),過采樣率為64,對(duì)應(yīng)的更新速率為7.8125KHz,精度達(dá)到16位。當(dāng)使用完整的MASH結(jié)構(gòu)Sigma-Delta調(diào)制器時(shí),調(diào)制器功耗低于1.035mW,數(shù)字濾波器配置為四階CIC與均值濾波器級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu),過采樣率為25,對(duì)應(yīng)的更新速率達(dá)到20KHz,精度達(dá)到14位。在電源電壓3.3V調(diào)制器采用MASH結(jié)構(gòu),濾波器為四階的情況下,Sigma-Delta轉(zhuǎn)換器整體功耗低于1.8mW。
【學(xué)位單位】：沈陽工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN792
【部分圖文】：

圖 2.7 Sigma-Delta 調(diào)制器幅頻特性曲線Fig. 2.7 Sigma-Delta Modulator amplitude-frequency characteristic curve.2.3 多位量化通過之前的分析可以看出，Sigma-Delta 調(diào)制器是一個(gè)反饋系統(tǒng)。從時(shí)域中看，積分輸入信號(hào)與調(diào)制器反饋輸出之間的差值進(jìn)行積分[17]。積分結(jié)果送入量化器，通過負(fù)反斷減小調(diào)制器輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間的差異。經(jīng)過以上過程實(shí)現(xiàn)了調(diào)制器輸出的平跟蹤輸入的效果。對(duì)于一位調(diào)制器，在跟蹤輸入的過程中量化器只有兩個(gè)輸出狀態(tài)，本質(zhì)上是線性的由于一位量化器引入了較大的量化噪聲，當(dāng)階數(shù)較高時(shí)，系數(shù)的不合理極易引起環(huán)路造成系統(tǒng)不穩(wěn)定[18]。通過提高量化器位數(shù)，降低量化噪聲使積分器不易飽和，提高了的穩(wěn)定性。在采用多位量化器的同時(shí)，反饋回路中 DAC 也需要使用多位結(jié)構(gòu)，通過Sigma-Delta 調(diào)制器的結(jié)構(gòu)可以看出，反饋回路中 DAC 引起的誤差與輸入信號(hào)處于同道，因此DAC 的誤差不能被環(huán)路濾波器處理，DAC 的性能決定了系統(tǒng)整體的性能，

1。一階至三階調(diào)制器噪聲通道幅頻特性如圖3.2 所示，從圖中可以看出，隨著階數(shù)的增加對(duì)信號(hào)頻帶內(nèi)的噪聲抑制能力不斷提高，從噪聲整形的角度理解即噪聲被推至更高的頻率使得噪聲更容易被濾除。

傳輸門導(dǎo)通電阻Fig.3.9Transmissiongateonresistance
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