低功耗四阶前馈Sigma-Delta调制器优化设计

作     者：江文策 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：付强

授予年度：2022年

学科分类：080902[工学-电路与系统] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：调制器 开关电容电路 过采样 噪声整形 

摘      要：随着信息时代各项技术的飞速发展,集成电路技术成为研究的热点之一。数字集成电路的性能提升迅速,而模拟电路受限于工艺特性、匹配误差等影响因素,其性能发展与进步受到了限制。Sigma-Delta ADC基于将模拟电路的Sigma-Delta调制器和数字电路的数字滤波器相结合,通过适当牺牲速度的方式显著提升了转换精度,有效突破了由于器件匹配等因素引起的性能限制,成为当下发展迅速并广泛应用的技术之一,也成为了当今中外研究机构和研究者研究的重点领域和热点项目之一。本文首先介绍并研究了Sigma-Delta ADC的发展历程以及近几年的国内外研究现状与成果,并研究了Sigma-Delta调制器的工作原理与结构特点。基于本课题的高精度与低功耗的性能指标,结合设计难度与复杂程度,确定符合本设计的调制器结构为过采样率128的四阶单环单bit量化的CIFF结构,确定了各个部分的基于低功耗的设计方案。在确定调制器的前馈系数与积分系数后,建立了调制器的理想模型;在进行了调制器的非理想因素分析后,建立了调制器的非理想模型,并进行了系统级的仿真与验证。调制器电路整体采用全差分的离散时间调制器,进行电路级设计。调制器电路中的模块单元包含开关电容积分器模块、单bit量化器模块、前馈求和模块等。此外,在该调制器中,采用了斩波稳定电路、无静态电流的比较器、无源加法器等技术,在保证了调制器的性能的同时,有效改善调制器的功耗。最后基于0.35μm BCD工艺进行调制器的模拟版图的绘制,并完成了调制器电路的后仿真。本课题最终实现的四阶CIFF Sigma-Delta调制器版图的面积为1810μm×620μm。根据调制器后仿结果,调制器在过采样率为128,采样时钟为1.25μs,输入正弦波幅度为1.5V,频率为757Hz时,最终输出的SNR为93.4d B,ENOB为15.2bit,工作电流为907μA,满足设计指标要求。