数字陀螺Sigma-Delta调制器的设计

发布时间：2017-10-26 07:07

  本文关键词：数字陀螺Sigma-Delta调制器的设计

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【摘要】：随着集成电路工艺的迅速发展,在信号处理系统中对信号进行存储和运算的数字集成电路功能越来越强大,而用来采集自然界中模拟信号的传感器和传感器接口电路成为了限制信号处理系统能力的关键因素。数字化陀螺传感器是MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems)传感器的一个重要发展方向,被广泛应用在军用和商用的电子类产品中,为实现具有数字化输出功能的陀螺传感器需要高精度模数转换器(ADC)进行模数转换,Sigma-Delta调制器是高精度Sigma-Delta ADC的关键部分,决定着ADC的转换精度并影响整个陀螺传感器的性能,设计高精度低失真Sigma-Delta调制器对提升陀螺传感器性能具有重要意义。目前关于Sigma-Delta调制器的噪声和谐波失真分析仍有待完善,本文针对高性能Sigma-Delta调制器的噪声和谐波失真问题进行研究,设计高精度Sigma-Delta调制器。利用Matlab完成用四阶单环全前馈一位量化Sigma-Delta制器系统级设计。在调制器噪声分析中将各噪声源等效为积分器输入或输出噪声,确定主要噪声源为第一级积分器的跨导运算放大器噪声和第一、二级积分器关导通电阻热噪声以及开关电容电路中的混叠噪声。理论分析谐波失真源,建立系统级的Simulink非理想模型并进行相应电路仿真,验证理论分析的正确性,得出主要谐波失真源为积分器的非线性建立误差,开关非线性导通电阻的和非线性电容。采用0.35um CMOS工艺设计全差分开关电容Sigma-Delta调制器电路,利用双采样和斩波技术增大信号带宽和消除低频1/f噪声,完成低失真增益自举跨导运算放大器、CMOS开关、动态比较器和前馈求和等电路单元设计后绘制调制器电路版图,设计芯片测试印刷电路板(PCB),搭建测试平台,电路测试中芯片采用5V电源电压,当采样频率2.5MHz,功耗为9mW,最大输入信号幅度为-3dBFs,1Hz动态范围约为132dB,信号带宽为10kHz时最大信噪比为89dB、动态范围为92dB。
【关键词】：陀螺接口电路 开关电容电路 Sigma-Delta模数转换器 跨导运算放大器 低失真
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN761;TP212;TH-39
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义10-11
• 1.2 国内外研究发展及现状11-16
• 1.2.1 研究现状简介11
• 1.2.2 国外发展现状11-14
• 1.2.3 国内发展现状14-16
• 1.3 主要研究内容16-17
• 第2章 Sigma-Delta调制器工作原理17-29
• 2.1 引言17
• 2.2 ADC性能参数17-19
• 2.2.1 静态性能参数17
• 2.2.2 动态性能参数17-19
• 2.3 Sigma-Delta调制器19-22
• 2.3.1 过采样技术19-20
• 2.3.2 噪声整形技术20-22
• 2.4 Sigma-Delta调制器分类22-28
• 2.4.1 单环与级联调制器22-26
• 2.4.2 一位量化与多位量化器调制器26
• 2.4.3 低通与带通调制器26-27
• 2.4.4 连续时间与离散时间电路27-28
• 2.5 本章小结28-29
• 第3章 调制器系统设计和电路非理想因素分析29-50
• 3.1 引言29
• 3.2 调制器系统级设计29-31
• 3.2.1 调制器系统结构的选择29-30
• 3.2.2 系统级仿真30-31
• 3.3 调制器噪声分析31-39
• 3.3.1 等效噪声分析31-32
• 3.3.2 开关导通电阻噪声32-35
• 3.3.3 跨导运算放大器噪声35-38
• 3.3.4 时钟抖动噪声38-39
• 3.4 调制器谐波失真分析39-49
• 3.4.1 积分器建立误差39-46
• 3.4.2 采样网络误差和开关导通电阻非线性46-47
• 3.4.3 电容非线性47-49
• 3.5 本章小结49-50
• 第4章 调制器电路设计50-59
• 4.1 引言50
• 4.2 调制器电路结构设计50-51
• 4.3 积分器设计51-55
• 4.3.1 积分器结构选择51
• 4.3.2 跨导运算放大器的设计51-55
• 4.4 动态比较器55-57
• 4.5 前馈求和电路的实现57
• 4.6 电路系统仿真57-58
• 4.7 本章小结58-59
• 第5章 调制器版图设计和芯片测试59-65
• 5.1 引言59
• 5.2 调制器版图设计和后仿真59-61
• 5.2.1 电路版图的设计59-60
• 5.2.2 版图后仿真60-61
• 5.3 Sigma-Delta调制器芯片测试61-64
• 5.3.1 测试方案61-62
• 5.3.2 测试结果62-64
• 5.4 本章小结64-65
• 结论65-66
• 参考文献66-71
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文71-73
• 致谢73

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本文编号：1097552