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1、浙江大学电气工程学院 硕士学位论文 三阶Delta-Sigma调制器的设计 姓名：孙敢 申请学位级别：硕士 专业：电路与系统 指导教师：吴晓波;赵梦恋 20080501 浙江人学硕I ：学位论义三阶S i g m a - D e t t a 模数转换器的设计 摘要 随着便携式电子设备对低功耗高分辨率的模数转换器的需求越来越人，S i g m a D e l t a 模 数转换器以其能够以较低的成本取得极高的分辨率，在多种应用领域获得了J 泛的应用，尤 其在例如测鼙类和音频类A D C 的应用中，对于模数转换的低速高精度要求使得D e lt a S i g m a A D C 结构成为首选。 论
2、文主要针对S i g m a - D e l t a 模数转换器的模拟部分即S i g m a D e l t a 调制器进行研究设 计。根据白顶向下的设计理念，从系统结构的选择、系统建模到电路实现完成了整个调制器 的设计。S i g m a - D e l t a 调制器通常包含的模拟电路比较简单，对电路精度的依赖性较低，因 此在电路设计上比较宽裕，本文更加注重其系统的设计。 针对系统结构的选择，本文首先比较了单位量化器、多位量化器，一阶、多阶，单环、 级联，前馈、反馈，离散时间、连续时间等不同类型z hA D C 的优缺点，初步确定了设计 所采用的调制器结构类型，再针对该类型提出3 个不同
3、方案分别进行仿真比较得到所需的系 统参数。最后就两种不同积分器构成系统框图所需的时序进行可行性分析，进一步确定了系 统结构。系统采用包含场谐振器的单环前馈( C R F F ) 3 阶一位量化器结构。 针对系统建模，论文引入了线性模型、q u a s i 线性模型和主要应用与系统稳定性分析的 非线性模型。实际电路包含着诸如运放增益有限性、运放带宽有限性、开关导通电阻、时钟 抖动、时钟馈通、电荷注入等非理想性。本文通过具体分析在线性模型下对这些非理想性建 模得到更加完善的模型。 针对电路实现，主要的电路模块运放和比较器分别采用了电流镜结构A B 类输出的运放 和离散时间比较器。设计的运放在符合系
4、统指标的前提下同时具有高增益带宽积低功耗高输 出摆幅的特点，而离散时间比较器具有高精度低功耗的优点。运放的开关共模反馈电路和离 散时间比较器与整体系统采用开关电容结构有很好的兼容性。 整体电路使用T S M C0 3 5um 混合信号C M O S 工艺，采用S p e c t r e 进行仿真。仿真表明， 在信号输入带宽为I k H z ，超采样率为1 2 8 条件下，调制器的动态输入范围为1 0 2 d B ；在信号 为一3 5 d B 满幅输入时，其最人信号噪卢失真比为9 7 8 4 d B ：此外，在1 5 V 供电电压下，调 制器的功耗仅为8 8uw ，表现出较好的低功耗高精度性能。
5、 关键字：D e l t a S i g m a 模数转换器，线性模型，开关电容，低功耗 浙江人学硕I j 学位论文 三阶S i g m a D e l t a 模数转换器的设计 A B S T R A C T A st h em o b il ee l e c t r i c a ld e v i c ep a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt ot h e l o wp o w e r a n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e ro fh i g hd e f i n i t i o n ，S i g
6、m a D e l t aa n a l o gd i g i t a lc o n v e r t e r ( A D C ) i sw i i d l yu s e di nm a n yf i e l d sb e c a u s ei tc a na c h i e v ev e r yh i g hd e f i n i t i o n w h i l em a i n t a i nt h el o wc o s ta n db e c o m et h ef i r s tc h o i c ee s p e c i a l l yi nt h em e a s u r e m
7、e n t a n da u d i oa p p l i c a t i o n AS i g m a D e l t aA D Cd e s i g n e db yt h et o p d o w nd e s i g ni d e ai sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r T h es t r u c t u r ei sc h o s e na tf i r s t ，t h e na1 i n e a rm o d e li sg i v e na c c o r d i n gt ot h e s t r u c t u r ea n dt
8、 h ec i r c u i ti si m p l e m e n t e dw i t ht h ep a r a m e t e r ss i m u l a t e df r o mt h em o d e l T h ec i r c u i td e s i g ni sr e l a t i v e l yr e l a xb e c a u s eo ft h el o wr e q u i r e m e n to ft h ea n a l o g c i r c u i ta n dc i r c u i tp r e c i s i o n S om o r ea t
9、 t e n t i o ni sp a i dt ot h ed e s i g no ft h es y s t e m l e v e l M a n yd i f f e r e n tp a i rt y p e so fS i g m a D e l t am o d u l a t o rs u c ha ss i n g l eb i t a n d m u l t i b i t ，f i r s to r d e ra n dh i g ho r d e r ，s i n g l el o o pa n dM A S H ，f e e d f o r w a r da n
10、df e e d b a c k ， s w i t c h e d c a p a c i t o ra n dc o n t i n u o u st i m ee t ，i sp r o p o s e da n dc o m p a r e dt om a k ea d e c i s i o nw h i c hs t r u c t u r ei sm o s ts u i t a b l ef o rt h eg i v e ns p e c i f i c a t i o n T h e nt h r e e t o p o l o g i e si ss i m u l a
11、t e db a s e do nt h ed e c i d e ds t r u c t u r e F i n a l l yat h r e eo r d e rc h a i n o fi n t e g r a t o rw i t hf i e l dr e s o n a t o ra n ds i n g l eb i tq u a n t i z e rs i n g l el o o ps t r u c t u r e i sc h o s e nf o rt h i sd e s i g n A n dt h es y s t e ms t r u c t u r e
12、i sf u r t h e r m o r ed e t e r m i n e dw h e n t h es t r u c t u r et i m i n gi sc h e c k e df o rr e a l i z a t i o n L i n e a rm o d e l ，q u a s i1 i n e a rm o d e li si n t r o d u c e di nt h i sp a p e rf o rt h em o d e l i n g o f t h es y s t e m A n d n o n l i n e a rm o d e l w
13、 h i c hi se s p e c i a la p p l i e di ns t a b i l i t y a n a l y z i n gi sa l s op r e s e n t e di nt h i sp a p e r C i r c u i tn o n li n e a r i t i e s ，s u c ha sf i n i t e d cg a i no fo p a m p ，f i n i t eb a n d w i d t ho fo p a m p ，s w i t c ht u r no nr e s i s t a n c e ，c l o
14、 c kj i t t e r ， c l o c kf e e d t h r o u g h ，c h a r g ei n j e c t i o ne t ，i sa n a l y z e db a s e do n1 i n e a rm o d e la n da d d e d a sn o i s e T h e na ni m p r o v e dm o d e li sf i n a l l yc o n s t r u c t e d F o rt h ec i r c u i ti m p l e m e n t a t i o nac u r r e n tm i
15、 r r o rc l a s sA Bo p a m pi sd e s i g n e di n t h ei n t e g r a t o r I th a sab e t t e rp e r f o r m a n c eo fg a i nb a n d w i d t h ，p o w e rd i s s i p a t i o n a n do u t p u ts w i n gu n d e rt h eg i v e ns p e c i f i c a t i o n A n dar e g e n e r a t i v ec o m p a r a t o ri
16、 s c h o o s ef o rt h eq u a n t i z e ra si t sh i g hr e s o l u t i o na n dl o wp o w e rd i s s i p a t i o n B o t ho f t h e m h a v et h ea d v a n t a g ei n t h ec o m p a t i b i l i t yo fs w i t c h e d c a p a c i t o rc i r c u i t s S i m u l a t i o nu s i n gS p e c t r ei sb a s e do nt h eT S M C0 3 5umm i x e ds i g n a lC M O Sp r o c e s s T h er e s u l t ss h o wt h em o d u l a t o ra c h i e v e sas i m u l a t e dd y
