应用于生物医学的Sigma-Delta调制器研究与设计

发布时间：2020-04-25 05:16

【摘要】：科技的发展使得人们对便携式可穿戴设备的监测精度和功耗提出了更高的要求。自然界产生的模拟信号,需要转化成数字信号进行处理,因此模数转换器(ADC)成为研究的热点。生物医学信号的特点是低频、低幅度和高噪声干扰,因此需要高精度的模数转换器才能更大限度的还原采集到的信号。Sigma-Delta ADC是高精度ADC的首选,而Sigma-Delta调制器的优劣直接决定整个系统的性能。本文分析和设计了一款14bits三阶CIFF一位量化结构的Sigma-Delta调制器,使用MATLAB对ΣΔ调制器进行建模和仿真,为整个系统提供理论指导;为避免引入非线性误差,采用一位量化;为提高系统稳定性,降低功耗,采用高阶单环结构;为提高调制器的精度,进一步降低功耗,采用全前馈的CIFF结构。通过MATLAB SIMULINK建模验证,采用OSR=128,三阶单环和全前馈的CIFF结构可以实现16.65bits的精度和102dB的SNDR。通过MATLAB映射得到调制器的系数,并在SIMULINK中仿真,得到晶体管级电路的初步数据。基于MATLAB建模仿真结果,采用TSMC 0.18 um CMOS工艺对ΣΔ调制器系统进行晶体管级电路设计和仿真。因为高精度的基准电压源可以提高模数转换器的精度,所以本文提出了一款高精度低功耗亚阈值全CMOS的基准电压源。为了提高精度,引入电流相加技术;为了减小面积,采用1.8V与3.3V MOS管组合取代无源电阻;为了降低功耗,基于工作在亚阈值区的MOS管进行设计。仿真结果表明,在1.8V电源电压下,本基准电压源的电源电压抑制比(PSRR)为-81dB@100Hz,在-35-150℃的温度范围内具有8.2ppm/℃的温漂系数,其功耗为185nW,在1.3V-3.3V电源电压范围内具有0.21%的电源电压调整率。采用Cadence Spectre对整个Sigma-Delta调制器系统进行仿真,仿真结果表明,在1.8V电源电压,OSR=128,输入信号频率1KHz下,调制器的有效位数(ENOB)为14.3bits,信噪失真比(SNDR)为87.8dB,ΣΔ调制器功耗为0.7mW。
【图文】：

调制器,ΣΔ调制器,MATLAB仿真,功率谱密度

图 3-12 ΣΔ 调制器的功率谱密度按照以上分析所确定的调制器的结构和参数通过 MATLAB 仿真，可以得到所设计的 ΣΔ 调制器的信噪失真比为 102dB，有效位数为 16.65bits。本文目标参数中有效位数为 14bits，所以已达到目标。通过 MATLAB 建模可以更直观了解所选择的结构在理想情况下是性能是否可以达到目标，极大的缩短了设计周期，MATLAB 建模对于系统电路设计电路具有指导意义，但是并不能体现出设计电路时各参数之间的折中关系和器件的寄生效应对电路设计所带来的影响。§3.3 本章小结本章基于 MATLAB 对 ΣΔ 调制器进行了建模和仿真，，主要包括两部分：第一部分，详细介绍了本次设计调制器的过程，通过有效位数确定系统的最大信噪比，进一步分析系统的稳定条件和零极点补偿问题后，确定了调制器的结构参数；第二部分，通过相干采样的方法进行系统仿真，先对调制器进行粗参数仿真再进行系参数仿真，

功耗,仿真结果,高频特性,电容

VREF与温度的关系式可表示为： 02,25 ,24 24 ,2525 ,2402ln ln2 lnOX OX OXREF A siB A BT OX OXc vB A c v gdV t t N qk N kK tdT q N Nq K tk T N N N E （4-23）令式（4-23）为零，则可以确定 MOS 管 M24、M25 的参数之比： 2,24 ,25 ,242425 ,2502exp ln2 lnOX OX OX c vA siOX OX AB A c v gKt t t N qN NK t Nk T N N N E （4-24）可以看出，改变24 25K K 的比值，可以达到温度补偿的作用，加入电容 C2 以提高电压源的高频特性。仿真功耗
【学位授予单位】：桂林电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH77

【参考文献】