高精度低功耗Delta-Sigma ADC的研究与设计

发布时间：2020-07-22 06:57

【摘要】：近年来,由于数字信号处理(DSP)技术的快速发展,许多计算和信号处理任务主要用数字手段实现。每年,数字集成电路的速度和密度都在增加,这巩固了数字电路在通信和消费产品领域的主导地位。但是,由于物理世界仍然是模拟信号的世界,所以需要模数转换器(ADC)作为物理世界和数字世界的接口,将模拟信号转换为数字信号后再进行处理计算。随着DSP速度和性能的不断提升,与此相联系的ADC的速度和精度也需要进一步提高。Delta-Sigma ADC采用过采样技术和噪声整形技术,达到了传统ADC无法达到的高精度。因此,对Delta-Sigma ADC的相关研究也越来越多。如今,DeltaSigma ADC已经被广泛地应用于工业测量、航空航天、数字音频和通信等各个不同的领域。Delta-Sigma ADC主要由Delta-Sigma调制器和数字抽取滤波器两部分构成。为了有效地提高调制器的整体性能,本论文设计的调制器采用了五阶、单环、1.5比特量化的前馈结构。1.5比特量化器在设计上的主要优点是它能够减少积分器的输出摆幅,从而降低了对模拟电路的设计要求。同时在调制器内部利用两个负反馈环路,可使量化噪声在信号频带上最小化,并将大多数的噪声由低频推向高频。本论文中的Delta-Sigma调制器设计流程如下,首先在Matlab中利用SDToolbox工具包,完成对调制器系统的行为级建模和仿真。为了进一步确认调制器系统的稳定性,随后在Cadence软件中利用Verilog-A模型再次验证了整体系统的性能。对于晶体管级的电路设计,Delta-Sigma调制器采用全差分开关电容结构,有效地减小了偶次谐波,降低了功耗,并抑制了电路非线性的影响。整体电路设计采用XFAB 0.35mm CMOS工艺,工作电压为3.3V。在采样时钟为512kHz,输入-1dBFS的1kHz信号的测试条件下,同时考虑到电路噪声的影响时,最终仿真得到的系统的SNDR达到了100dB,有效位数为16.3bits,整体功耗为3.7mW。实现了调制器的预期设计指标,达到了高精度的要求。并且最终完成了整体芯片版图的绘制。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN792
【图文】：

概率密度分布,概率密度分布,功率谱密度,白噪声

那么 Eq[k]的概率密度函数和它的功率谱密度如图2.4 所示。满量程输入的正弦波的功率和输入参考量化噪声的功率分别为= = ξ (2.8)和= ∫//= = (2.9)图 2.4 白噪声近似下 Eq 的概率密度分布 a)和功率谱密度 b)那么，可以得出 N bit 量化器的动态范围为= = 2 (2.10)或以 dB 的形式表示为= 1.76 + 6.02 (2.11)式（2.11）表明分辨率增加 1bit 动态范围会提高约 6dB。在 Delta-SigmaADC 中，整体的 DR 会大于 ADC 内部量化器的 DR。2.1.3 ADC 的性能参数用来表征 ADC 的性能指标可以分为两类：静态和动态。静态性能指标用于描述 ADC 的传递函数。常用的静态指标是：微分非线性（DifferentialNonlinearity，DNL）、积分非线性（IntegralNonlinearity，INL）、失调误差和增益误差等。但这些指标对于 Delta-SigmaADC 来说并不重要，这是由于其自身结构不同于传统的 ADC，其输出是相互关联的[15]。动态性能是在动态条件下，即在输入信号变化的情况下，测量实际 ADC 的

结构图,调制器,结构图,过采样

图 2.6 Delta-Sigma 调制器的结构图elta-Sigma 调制器主要采用了过采样和噪声整形技术。过采样技术宽内的噪声总和，噪声整形技术则将低频信号带宽内的噪声推向高1 过采样于奈奎斯特 ADC，采样频率等于信号频率的两倍，所有的量化噪号频带内，并作为输入信号本身的一部分传递到 ADC 输出。相反样 ADC，如果一个过采样信号被量化，由于采样频率大于信号频有总量化噪声功率的一小部分位于信号频带内，如图 2.7 所示。在 ADC 中，信号频带内的量化噪声为= ∫//= =

噪声功率谱密度,奈奎斯特,过采样

图 2.7 单边噪声功率谱密度 a)奈奎斯特 ADC b)过采样 AD声整形一步提高过采样 ADC 精度的方法是在频域中对量化白噪，以使其大部分噪声功率位于信号频带之外。如图 2.6 所过从量化器的输出信号 y[k]中减去量化器的输入信号 yh[k利用量化器的线性化来解释噪声整形的原理。X( )、 ( 、输出序列和量化噪声的 z 变换。因此，可以得到信号传递unction，STF）和噪声传递函数（Noise Transfer Function，( ) =( )( )|( )=( )( )( ) =( )|=

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