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基于光子晶体和纳米线波导的马赫-曾德尔型调制器

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红外与毫米波学报 2019年第4期38卷 499-507页

作者：胡宇宸陈鹤鸣周昊天南京邮电大学光电工程学院江苏南京210023 南京邮电大学贝尔英才学院江苏南京210023

提出了一种基于光子晶体和纳米线波导的马赫-曾德尔型调制器.该调制器由硅基光子晶体平板波导、纳米线波导和光子晶体多模干涉耦合器(MMI)构成。在光子晶体与纳米线波导连接处采用了锥型结构,用于减少模式失配造成的损耗。利用时域有限... 详细信息

提出了一种基于光子晶体和纳米线波导的马赫-曾德尔型调制器.该调制器由硅基光子晶体平板波导、纳米线波导和光子晶体多模干涉耦合器(MMI)构成。在光子晶体与纳米线波导连接处采用了锥型结构,用于减少模式失配造成的损耗。利用时域有限差分法(3D-FDTD)进行仿真分析,结果表明,该调制器在工作波长1 550 nm下的插入损耗为0.3 dB,消光比为15.1 dB,器件尺寸仅46 μm×8 μm×0.22 μm,调制带宽可以达到68 GHz,且工作区域覆盖了以1 551 nm为中心波长20 nm的通信波段。该调制器结构紧凑,易于集成,可应用于高速光通信系统。

关键词：光子晶体调制器多模干涉耦合马赫曾德尔型

离散型Sigma-Delta调制器的研究进展

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电子元件与材料 2022年第6期41卷 602-610页

作者：刘振宇宋树祥马宗鹏赵媛岑明灿广西师范大学电子工程学院广西桂林541004 广西工商技师学院广西梧州543100

Sigma-Delta调制器是一种重要的模数转换器,以其高精度的优点广泛应用于音频、医疗、传感器等众多领域。简述了近年来国内外学者的研究成果以及国外Analog Devices,Inc(ADI)、Texas Instruments(TI)两家公司基于Sigma-Delta架构最新的... 详细信息

Sigma-Delta调制器是一种重要的模数转换器,以其高精度的优点广泛应用于音频、医疗、传感器等众多领域。简述了近年来国内外学者的研究成果以及国外Analog Devices,Inc(ADI)、Texas Instruments(TI)两家公司基于Sigma-Delta架构最新的芯片性能。介绍了离散型Sigma-Delta调制器各个组成部分的设计要点。通过分析离散型Sigma-Delta调制器的工作原理、系统结构及其各部分内部电路,指出近年来国内外研究遇到的问题和解决方案。分析表明,通过改进调制器整体架构和噪声整形滤波器、量化器的设计,可以降低调制器的功耗,提升调制器精度。

关键词： Sigma-Delta 调制器综述低功耗高精度

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硅基单片集成单边带调制器

半导体技术 2022年第2期47卷 134-139页

作者：冯俊波杨明祥刘大鹏廖海军夏鹏辉联合微电子中心有限责任公司重庆401332 浙江大学信息与电子工程学院杭州310027

基于CMOS兼容的硅基光子集成工艺,设计并实现了一种具有高边带抑制比的硅基单片集成单边带调制器。单边带调制器采用正交混合耦合器实现上下两臂等幅度、90°相位差的射频信号加载,基于硅基双驱动马赫曾德尔调制器的热移相器调控上下两... 详细信息

基于CMOS兼容的硅基光子集成工艺,设计并实现了一种具有高边带抑制比的硅基单片集成单边带调制器。单边带调制器采用正交混合耦合器实现上下两臂等幅度、90°相位差的射频信号加载,基于硅基双驱动马赫曾德尔调制器的热移相器调控上下两臂光相位差为90°,实现了效果显著的单边带抑制。基于CUMEC公司CSiP180 Al工艺和工艺设计包(PDK)完成芯片制备,采用金丝引线实现了正交混合耦合器的空气桥结构。测试结果显示该硅基单片集成单边带调制器在18~32 GHz频率内边带抑制比均高于12 dB,在21 GHz工作频率时边带抑制比达到了32 dB。该单边带调制器有望应用在光通信和微波光子系统中。

关键词：硅基光子学 CMOS兼容单边带调制器正交混合耦合器

16位Sigma Delta ADC的调制器及其抽取滤波器设计

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16位Sigma Delta ADC的调制器及其抽取滤波器设计

作者：朱蒙洁桂林电子科技大学

学位级别：硕士

在愈发强调个性化的当前社会,感官体验的舒适度越来越被人们重视。大众对音频领域的要求逐渐提高,追求更好信噪比、更高动态范围的音乐以满足用户高品质音乐的欣赏体验。为了研究适用于高品质音频芯片的模数转换器,本文设计了一款16位的... 详细信息

在愈发强调个性化的当前社会,感官体验的舒适度越来越被人们重视。大众对音频领域的要求逐渐提高,追求更好信噪比、更高动态范围的音乐以满足用户高品质音乐的欣赏体验。为了研究适用于高品质音频芯片的模数转换器,本文设计了一款16位的Sigma Delta调制器及其数字抽取滤波器。主要研究内容如下:1、设计了一款单环2阶1位量化反馈结构的Sigma Delta调制器。首先根据音频信号带宽与信噪比大于98d B的设计要求,通过理论分析和深入研究,确定了256倍过采样、2阶与1bit量化的调制器结构。其次,基于MATLAB SD Toolbox工具箱完成了调制器理想条件下的Simulink设计,全面分析了本文中采用的单环、离散时间、反馈结构具有的优势并系统讨论了实际电路中可能存在的一些非理想因素。最后,依据调制器系统模型的参数和结构,完成了调制器的电路设计与关键电路的版图设计。调制器电路的仿真结果显示,输出信噪失真比是103d B,有效位数是16.81位。2、提出了CIC滤波器、补偿滤波器与半带滤波器三级级联的数字滤波器结构,基于MATLAB filter Designer平台完成3种滤波器的设计与仿真。在本文中做以下改进:首先把CIC滤波器中的抽取器放到差分器前来减少延迟和功耗;其次对于补偿滤波器的设计,为了减少硬件资源消耗利用多项分解技术将单输入信号通路分解成两条支路;最后,利用有限脉冲滤波器的系数对称性原则,合并半带滤波器中相同的抽头系数来减少运算量。相较于传统的滤波器结构,本文设计的滤波器在完成256倍降采样和滤波的前提下具有电路结构简单和功耗低的优点。3、本文基于SMIC 0.18um工艺库完成了Sigma Delta调制器的电路与版图设计,基于MATLAB平台完成了降采样滤波器的设计与仿真。对调制器电路和抽取滤波器进行整体的数模混合仿真,得到输出信噪失真比是100.9d B,有效位数是16.47bits,满足设计要求。

关键词： Sigma Delta ADC 调制器抽取滤波器高精度过采样

低功耗四阶前馈Sigma-Delta调制器优化设计

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低功耗四阶前馈Sigma-Delta调制器优化设计

作者：江文策哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：调制器开关电容电路过采样噪声整形

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音频编解码芯片中的高性能Σ-Δ调制器设计

音频编解码芯片中的高性能Σ-Δ调制器设计

作者：陆昊洋东南大学

学位级别：硕士

为了将自然界中的模拟信号用数字电路和数字信号处理技术进行处理，需要采用模数转换器（AnalogtoDigitalConverter，ADC）将模拟信号转换为数字信号。相比于传统的奈奎斯特ADC，Σ-ΔADC采用过采样和噪声整形技术，对带内噪声有良好的... 详细信息

为了将自然界中的模拟信号用数字电路和数字信号处理技术进行处理，需要采用模数转换器（AnalogtoDigitalConverter，ADC）将模拟信号转换为数字信号。相比于传统的奈奎斯特ADC，Σ-ΔADC采用过采样和噪声整形技术，对带内噪声有良好的抑制作用。一方面可以在硬件开销较小、器件匹配性要求较低的情况下实现很高的转换精度;另一方面将大量设计工作从复杂的模拟电路设计转向数字电路设计，降低了设计的难度。因此，近年来Σ-ΔADC已经成为了音频、生物医疗等高精度应用领域中ADC的主流选择。　　Σ-ΔADC包括Σ-Δ调制器和数字抽取滤波器两个核心部分。本文主要针对Σ-Δ调制器进行研究，设计一款应用于音频编解码器的带输入前馈的反馈型2阶2位量化Σ-Δ调制器电路。　　首先，根据Σ-ΔADC的研究现状和发展趋势，分析Σ-ΔADC的工作原理和基本结构及性能指标，对影响调制器性能的非理想因素进行了建模和分析，建立了Σ-Δ调制器的系统模型，通过对Σ-Δ调制器系统模型的仿真分析，确定了实际电路子模块的设计指标。然后，根据调制器模型和子模块指标，基于0.35μmCMOS工艺，完成包括积分器、2位量化器、两相非交叠时钟和反馈数模转换器（DigitaltoAnalogConverter，DAC）在内的各调制器子模块电路设计和前仿真。最后，完成调制器的版图设计和后仿真工作。　　后仿真结果表明，本文设计的Σ-Δ调制器电路在24kHz信号带宽、256倍过采样率的条件下，信噪谐波失真比（SignaltoNoiseandDistortionRatio，SNDR）达到91.2dB，有效位数（EffectiveNumberofBits，ENOB）达到14.86bit。相比常见的二阶结构Σ-Δ调制器，本文通过更高的256倍过采样率和2位量化技术实现了更高的SNDR。相比常见的采用高阶结构实现90dB以上高SNDR的Σ-Δ调制器，本文的电路结构更简单，硬件开销更小。　　本文设计的调制器性能满足高保真音频信号处理要求，可以用于高保真音频编解码器中，具有实际的工程应用价值。

关键词：调制器音频编解码器多位量化噪声整形模数转换器

基于嵌入填充层的薄膜铌酸锂-氮化硅电光调制器

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光学学报 2023年第14期43卷 140-149页

作者：沈祥国徐银董越张博倪屹江南大学物联网工程学院江苏无锡214122 江南大学先进技术研究院江苏无锡214122

提出一种异质集成型薄膜铌酸锂电光调制器,由底部氮化硅波导、中间BCB黏合层、顶部铌酸锂薄膜构成调制区波导结构,调制电极位于铌酸锂薄膜的上部且二者之间填充了低折射率的SiO2,以利于实现折射率匹配并降低光损耗、微波损耗。进一步利... 详细信息

提出一种异质集成型薄膜铌酸锂电光调制器,由底部氮化硅波导、中间BCB黏合层、顶部铌酸锂薄膜构成调制区波导结构,调制电极位于铌酸锂薄膜的上部且二者之间填充了低折射率的SiO2,以利于实现折射率匹配并降低光损耗、微波损耗。进一步利用马赫-曾德尔干涉仪结构,设计了相应的电光调制器,并提出一种倒台阶型薄膜结构,该结构可实现输入、输出波导与调制区波导的高效耦合。对该电光调制器进行行波高速匹配设计,所得器件的半波电压长度积为1.77 V·cm,3 dB调制带宽为140 GHz,且调制区长度仅为5 mm。所提器件结构有望在大带宽薄膜铌酸锂电光调制器设计中发挥优势,助力薄膜铌酸锂光子集成器件的快速发展。

关键词：集成光学集成光器件调制器铌酸锂集成光学材料

一种高精度混合型Sigma-Delta ADC调制器设计

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一种高精度混合型Sigma-Delta ADC调制器设计

作者：姜阔哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

随着信号处理技术的迅速发展，数模转换器(ADC)作为自然界模拟信号与信息化数字信号之间的转换枢纽，得到了极为广泛的应用。其中的Sigma-delta(∑-△)ADC凭借过采样以及噪声整形技术获得了极高的性能，在音频、生物、传感器方面的高精... 详细信息

随着信号处理技术的迅速发展，数模转换器(ADC)作为自然界模拟信号与信息化数字信号之间的转换枢纽，得到了极为广泛的应用。其中的Sigma-delta(∑-△)ADC凭借过采样以及噪声整形技术获得了极高的性能，在音频、生物、传感器方面的高精度产品中有着广泛的应用。本文针对高精度与低功耗两个方面对∑-△ADC的调制器电路进行研究，设计了一种使用SARADC作为量化器的混合型∑-△ADC调制器，并在调制器的电路结构上进行了性能的优化改进。　　首先，针对∑-△ADC调制器的电路结构，系统参数以及非理想因素的分析，完成了∑-△调制器电路的系统级建模。通过MATLAB搭建调制器电路的理想模型，基于64倍过采样率的条件下，使用3阶4位的离散型CIFF全前馈结构进行调制器电路的设计，并在理想化模型上加入了贴近实际电路设计中的非理想因素。经由Simulink工具在调制器整体电路添加非理想因素，进行了仿真建模的研究与归纳分析。并且针对SAR多位量化输出非线性问题上，使用校正补偿模型的方式，优化调制器电路输出精度，并以仿真结果为基础进行电路级设计。　　其次，针对∑-△调制器电路的分级设计与SARADC量化器的应用，进行了调制器的电路级设计。通过Cadence工具对调制器的积分器模块、SARADC量化器模块、DAC模块以及时钟模块等进行设计仿真，在整体电路结构上采用全差分结构来优化调制器的性能。相比于传统的积分器结构，本文采用了分级结构设计，在第一级积分器使用了斩波稳态技术减小低频噪声的干扰。同时采用4位SARADC替代传统的量化器，有效减少了量化器中比较器的个数。对SARADC的电容阵列、比较器与SAR控制逻辑等进行了分析，通过优化SAR量化器的电容阵列，减少了电容个数，进一步降低功耗。通过DWA算法抽取DAC单元，减小电路间的失配，保证了调制器性能。　　最后，在完成调制器电路级设计后进行版图的优化设计，进行调制器的后仿真。∑-△调制器在Cadence下采用TSMC0.18-μm工艺设计仿真电路，在5V电源电压，20kHz带宽下，采样频率为2.5MHz，OSR取64时，可以达到了104dB的SNDR，17位左右分辨率，功耗为5.98mW。版图后仿真的结果达到了102dB左右的SNDR，ENOB达到16.73bit。本文设计能够与设计需求相符，可在音频信号领域得到应用。

关键词： ∑-△模数转换器调制器 SAR模数转换器混合结构

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基于HEMT的太赫兹调制器研究

基于HEMT的太赫兹调制器研究

作者：杨龙亮重庆邮电大学

学位级别：硕士

近年来,随着太赫兹源和探测器取得快速进步,使得太赫兹技术在太赫兹无线通信系统、无损探测、安检和物体成像等领域得到应用。太赫兹调制器是太赫兹无线通信系统不可或缺的功能性器件,对其研究具有重要的理论价值和实用意义。论文首先... 详细信息

近年来,随着太赫兹源和探测器取得快速进步,使得太赫兹技术在太赫兹无线通信系统、无损探测、安检和物体成像等领域得到应用。太赫兹调制器是太赫兹无线通信系统不可或缺的功能性器件,对其研究具有重要的理论价值和实用意义。论文首先阐述了太赫兹无线通信系统和太赫兹调制器的研究现状,总结了现阶段太赫兹调制器研究存在的问题。其次,分析了高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor,HEMT)的功能和超材料的电磁特性,尝试将HEMT和超材料结构相结合,构建太赫兹调制器,继而分析其调制原理。再其次,根据目前太赫兹调制器存在的问题,设计了两款基于HEMT和超材料结构的太赫兹调制器,利用电磁仿真软件CST STUDIO SUITE 2018中的Microwave Studio对这两款太赫兹调制器进行模拟仿真,获得太赫兹调制器的相关性能参数,并分析了两款太赫兹调制器的结构参数对器件性能(调制深度)的影响。最后选择性能参数较优的调制器进行实物加工和调制性能测试,将测试与仿真结果对比分析。本论文设计的两款太赫兹调制器分别解决了目前存在的两个问题,其中一款调制器解决了器件对入射极化方向为x和y的太赫兹波敏感问题,其结构主要由两个开口“弓”形结构和斜“十”字馈线组成;当入射太赫兹波极化方向为x时,调制器在0.220THz处的调制深度为93.09%;当入射太赫兹波极化方向为y时,调制器在0.220THz处的调制深度同样为93.09%;结果显示该款调制器对x极化方向入射的太赫兹波和y极化方向入射的太赫兹波不敏感。另一款为太赫兹双通道调制器,其能在两个大气窗口(0.220THz和0.340THz)工作且能实现独立控制;当调制器独立工作时,调制器在0.220THz处的调制深度为91.32%,在0.340THz处的调制深度93.14%;当调制器在两个工作频率同时工作时,调制器在0.220THz处的调制深度为92.16%,在0.340THz处的调制深度为94.65%。综合考虑,选择第二款太赫兹调制器进行实物加工,并对该调制器进行参数测试,将实验测试与模拟仿真的结果进行对比,分析造成误差的原因。本论文设计的两款太赫兹调制器均具有良好的调制深度,其中一款调制器对入射极化方向为x和y的太赫兹波均不敏感,该款调制器使用简单,灵活性强;另一款能独立控制的双通道调制器极大地利用了频谱资源。两款太赫兹调制器在无线通信和物体成像领域均具有重要的应用价值。

关键词：太赫兹波高电子迁移率晶体管调制器极化不敏感双通道