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1、工 学 硕 士 学 位 论 文应用于音频系统的离散时间 16Bit 精度Delta Sigma AD 转换器设计Design of a Discrete Time 16Bit ResolutionDelta Sigma ADC Applied in Audio Systems赵 建 明哈 尔 滨 工 业 大 学2009 年 6 月国内图书分类号：T N432 学校代码：1 0213国 际 图 书 分 类 号 ： 621.3.049.774 密 级 ： 公 开工 学 硕 士 学 位 论 文应用于音频系统的离散时间 16Bit 精度Delta Sigma AD 转换器设计硕 士 研 究 生： 赵
2、建 明导 师 ： 来 逢 昌 副 教 授申 请 学 位 级 别 ： 工 学 硕 士学 科 、 专 业 ： 微 电 子 学 与 固 体 电 子 学所 在 单 位 ： 微 电 子 科 学 与 技 术 系答 辩 日 期： 2009 年 6 月授 予 学 位 单 位 ： 哈 尔 滨 工 业 大 学Classified Index： TN432U.D.C.: 621.3.049.774Dissertation for the Masters Degree in EngineeringDESIGN OF A DISCRETE TIME 16 BITRESOLUTION DELTA SIGMA ADCAPP
3、LIED IN AUDIO SYSTEMSCandidate： Zhao JianmingSupervisor： Associate Prof. Lai FengchangAcademic Degree Applied for： Master of EngineeringSpecialty： Microelectronics and Solid-stateElectronicsAffiliation: Dept. of Microelectronics Scienceand TechnologyDate of Oral Defence： June, 2009Degree-Conferring-
4、Institution： Harbin Institute of Technology哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文摘 要Delta Sigma 模 数 转 换 器 (ADC)已 成 为 研 究 热 点 。 和 传 统 能 奎 斯 特 模 数 转换 器 相 比 ， Delta Sigma 模 数 转 换 器 具 有 高 精 度 、 利 于 与 数 字 电 路 集 成 等 优点。本文简述了 Delta Sigma 模数转换器的发展、应用。接着介绍了其工作原理 ， 并 对 噪 声 整 形 特 性 进 行 了 深 入 分 析 。 设 计 了 一 个 精 度 可 达 16b
5、it、 信 号 带宽 100kHz 的离散时间 2-1 阶多位内置量化器 Delta Sigma 模数转换器。多位内置量化器模数转换器采用前馈支路，消除了由于多位量化器和多位数模转换器(DAC)之间器件不匹配引起的线性误差。设 计 了 调 制 器 电 路 。 详 细 介 绍 了 运 算 放 大 器 的 设 计 ， 并 分 析 了 有 限 直 流增益和有限带宽对积分器精度的影响。积分器采用开关电容电路，分析推导了积分器电路的误差。量化器包括两个 1 位量化器和一个 7 阶量化器。本文还分析了运算放大器有限带宽和有限直流增益对系统性能的影响。在 Matlab 中 设 计 数 字 抽 取 滤 波 器
6、 。 该 滤 波 器 具 有 低 通 滤 波 和 信 号 降 采 样两个作用。本文的数字抽取滤波器由三级数字滤波器组成，分别为CIC(Cascaded Integrated Comb)滤波器，半带低通滤波器和 CIC 补偿滤波器。采用 CSD(Canonic signed Digit)编码，用这种编码的加法实现滤波器内的乘法运算。完 成 了 模 拟 调 制 器 的 版 图 设 计 ， 进 行 了 版 图 后 仿 真 。 数 据 被 导 入 Matlab中，结合数字抽取滤波器进行仿真。仿真结果表明，本论文 Delta Sigma 模数转换器达到设计要求。关键词：Delta Sigma 模数转换器
7、；数字抽取滤波器；噪声整形-I-哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文AbstractDelta Sigma analog to digital converter (ADC) has become a hot topicnowadays. Delta Sigma ADC is higher resolution, easier to implement together withdigital circuit and has other advantages compared with the conventional ADCs.This paper introduces
8、 the Delta Sigma ADC development and applicationfirstly. Secondly, basic theories are deduced and noise shaping characteristics arewell analyzed. In the end, this paper design a 16 bit 2-1 order multi-bit Delta SigmaADC whose signal bandwidth can achieves 100 kHz. Because of feed forward path,the mi
9、smatch between internal multi-bit quantizer and multi-bit digital to analogconverter (DAC) does not exist.In the analog part, this paper introduces the design procedure of the functionalamplifier, and analyzes the influence induced by finite DC gain and finite gainbandwidth. The integral is implemen
10、ted by SC (switched capacitor) circuitry. Thedesign in this paper includes two types of quantizer: two 1 bit quantizer and one 7-level quantizer. In order to make the design process easy, these two types ofquantizer are realized almost by the same circuit cell. In addition, the performanceof other c
11、omponents which affect the whole capability is also analyzed. For example,minimal size of sampling capacitor, maximal resistance quantity of switch, chargeinjection and clock feed through.As for the digital part, it is designed in Matlab. The digital decimation low-passfilter consists there parts: C
12、IC filter, half band low-pass filter and CIC compensatefilter. Matlab imports a new code called CSD (Canonic Signed Digit) to realizemultiply by add unit cell. By this way, the chip area is small and dissipate power islow.The modulator layout is drawn and post-layout simulated, and the codes aretran
13、sferred to Matlab to be analyzed. By adopting several optimizations, the result isthe same as the real circuit result. The measured result shows that the ADC in thispaper satisfies the market demand of audio application.Keywords: Delta Sigma ADC, digital decimation filter, noise shaping- II -哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文目录摘 要 . IAbstract . II第 1 章 绪 论 . 11.1 课 题 背 景 . 11.2 Delta Sigma 转 换 器 发 展 概 况 . 21.3 Delta Sigma 转 换 器 应 用 . 31.4 Delta Sigma 转 换 器 优 点 . 41.5 本 文 研 究 内 容 . 5第 2 章 Delta Sigma 模数转化器原理 .
