高性能带通∑△模数转换器芯片研究与实现
[Abstract]:In recent years, the high precision capacitive accelerometer on chip system (SoC) integrates the micromechanical sensor with the peripheral circuit, further compresses the volume, saves the cost, and has the advantages of high resolution, low noise, low temperature drift coefficient, low power consumption and so on. It plays an important role in the fields of aerospace, national defense military work, seismic survey and so on. In the accelerometer SoC, in order to integrate the acceleration signals collected by the sensor to digital circuits for digital signal processing, a high precision analog to digital converter (ADC) must be used to convert the analog signal output from the sensor to digital signal. The converter has become the bottleneck to limit the precision of the system. Therefore, it is very important to design and implement a high precision special analog to digital converter chip suitable for micromachined accelerometers..Sigma Delta modulation technology uses over sampling and noise shaping, without precise analog components, it can achieve high resolution. It is under the CMOS process. The best way to achieve high precision and low power analog conversion. Low pass sigma delta ADC can achieve 18 bit or higher conversion accuracy at low frequency (0-20KHz). However, in order to eliminate the influence of low frequency scintillation noise, the capacitive micromachined accelerometer modulates the acceleration signal of 4KHz bandwidth to the 100KHz-200KHz band, which is beyond the traditional low pass sigma delta ADC. The range of signal processing, while other high frequency Nyquist type ADC is difficult to achieve enough precision. Considering the conversion precision, power and circuit complexity, the band-pass sigma delta ADC is more suitable for the application of high precision capacitive micromachined accelerometers. At present, the research on the bandpass sigma delta modulation technology has been concentrated in the world at present. In the field of line communication, there are few studies on the application of micromechanical sensors, and more of the test results of actual flow sheets. In this context, a high precision and low power bandpass sigma-delta analog to digital converter applied to the micromachined accelerometer SoC is studied and designed. The main work and innovation points of this paper are as follows: systematic analysis In order to achieve high conversion precision and guarantee the stability of high order sigma delta modulator, the single loop feedforward structure is first applied to the high order bandpass sigma delta modulator, and the stability of the modulator is studied, and the stability conditions of the modulator are given. The ideal factors are theoretically analyzed and calculated. According to the simulation results, the circuit design of the bandpass sigma delta modulator is completed and the layout is designed. A large number of post simulation verification and layout optimization are carried out. A multilevel digital filter is designed for the hardware saving in the output signal of the bandpass Sigma delta modulator, which avoids the application of the multilevel digital filter. The outside band noise is mixed into the band. Based on the 0.18 m 1P6M Mixed-signal CMOS process, the first high precision bandpass sigma delta ADC chip with the 6 order 1 bit quantization modulator is designed and implemented. The single specific quantization Sigma A ADC bare area 5mm2 (including IO), the analog part uses the 3.3V power supply voltage, the digital part. 1.8V power supply voltage is used. The test results show that ADC chip can consume 5.8mW in 4KHz signal bandwidth, and can achieve 90dB signal to noise distortion ratio and 96dB dynamic range. The two defined comprehensive quality factor FOM reaches 156dB and 23.3pJ/step respectively. Compared with other applications, the FOM of this paper is in the international advanced level. In order to further improve the conversion precision of the sigma delta modulator under low oversampling rate, this paper improves on the basis of a single quantization modulator. A single loop feedforward 6 order 4 bit quantization band pass sigma delta modulator is designed, and the stability conditions are given. In the system simulation verification, the feedback DAC capacitance in the multi bit quantization modulator is analyzed. The feedback DAC nonlinear model is proposed for the first time, and the dynamic component matching circuit is designed for the first time. The nonlinearity caused by the capacitor mismatch is reduced. The circuit design, layout design with 4 bit quantization modulator, the layout design, and the post simulation verification of the.4 bit quantization sigma delta ADC bare area 4mm2 (including IO) are completed. The power consumption is 6.5mW under the 1.8V/3.3V power supply. The simulation results show that the signal to noise distortion ratio in 4KHz bandwidth is 96dB, the dynamic range 102dB. is compared with the first model, and the conversion precision is improved by 3dB, and the application needs are satisfied.
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN792;TN761
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,本文编号:2160228
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