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基于SAR量化器的Σ-Δ调制器关键技术研究

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基于SAR量化器的Σ-Δ调制器关键技术研究

作者：夏爽河北科技大学

学位级别：硕士

近年来,无线通信和移动计算正稳步向更高的速率发展,对集成电路的精度和功耗方面提出了更高的要求。以降低功耗、节省面积和提高精度为出发点,设计了一款基于SAR量化器的Σ-Δ(也称Sigma-Delta)调制器混合结构。该结构采用SAR量化器代... 详细信息

近年来,无线通信和移动计算正稳步向更高的速率发展,对集成电路的精度和功耗方面提出了更高的要求。以降低功耗、节省面积和提高精度为出发点,设计了一款基于SAR量化器的Σ-Δ(也称Sigma-Delta)调制器混合结构。该结构采用SAR量化器代替传统的Flash ADC型量化器实现量化处理。与传统结构相比,SAR量化器不需要多个比较器,不存在元器件失配问题,结构简单且能够降低整体功耗。本文研究了Sigma-Delta调制器的过采样技术和噪声整形技术,分析了单环、级联、前馈、反馈、一位和多位等调制器的结构特点,明确Sigma-Delta调制器在高精度音频领域的突出优势。总结了调制器性能与调制器的阶数、过采样率和量化器位数之间的关系,确定使用二阶积分器和五位量化器。在此基础上搭建Sigma-Delta调制器的行为级模型,验证调制器的性能。采用0.18μm CMOS工艺对提出的二阶五位量化Sigma-Delta调制器进行电路设计,主要包含量化器电路和积分器电路。量化器由电容阵列、sar比较器以及逻辑电路构成。电容阵列采用复用结构,可以取消积分器第一级采样电容,简化电路结构。sar比较器采用差分输入结构,共模电压较低且量化精度更高一些。积分器由跨导运放和开关电容构成,整体采用前馈结构,可以避免积分器中的运算放大器出现失真。同时第一级积分器不需要采样电容,进一步节省芯片面积。使用Cadence Spectre软件对调制器各个子模块及整体模块验证,主要包括量化器模块、积分器模块、整体调制器模块以及整体时钟模块。结果表明Sigma-Delta调制器在电源电压为1.8V、采样频率为3.2MHz和过采样率为128的条件下,信噪比为98.5d B,有效位数为16.07bits。对调制器中比较器、放大器、共模反馈、基准电压源和整体版图进行设计实验,总体布局的有效面积为0.56mm。

关键词： SAR量化器 Sigma-Delta调制器过采样噪声整形行为级模型二阶五位前馈结构

低功耗连续时间ΔΣ调制器关键技术研究与设计

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低功耗连续时间ΔΣ调制器关键技术研究与设计

作者：何妍琳上海交通大学

学位级别：硕士

随着现代生活数字化深入发展,各类物联网产品涌入市场。对于物联网消费者硬件产品,模数转换器是其重要组成部分。为了满足高精准度长续航时间的应用要求,模数转换器需要实现高精度低功耗的性能指标。基于过采样和噪声整形技术相结合的... 详细信息

随着现代生活数字化深入发展,各类物联网产品涌入市场。对于物联网消费者硬件产品,模数转换器是其重要组成部分。为了满足高精准度长续航时间的应用要求,模数转换器需要实现高精度低功耗的性能指标。基于过采样和噪声整形技术相结合的连续时间ΔΣ调制器具有高精度、易驱动以及内在抗混叠等优点,成为了目前该领域广泛采用的架构。本文对各类不同结构的模数转换器性能特点进行了对比,考虑到高精度低功耗的设计要求,选取了sar辅助的连续时间ΔΣ调制器作为研究对象。基于理论分析,进行了行为级建模,验证了噪声耦合技术对性能的提升效果以及非理想性对输出频谱的影响。针对高精度下的低功耗设计要求,给出了具体电路设计方案,版图设计和仿真结果。本文围绕连续时间ΔΣ调制器中电路设计的关键技术展开分析与讨论,包括低功耗系统架构设计,低功耗高精度噪声耦合环路设计。为实现高精度ΔΣ调制器的低功耗设计,从系统上考虑采用SAR量化器代替Flash量化器,设计了三阶ΔΣ环路和二阶噪声耦合,整体系统实现了五阶噪声整形效果,有效抑制了带内噪声,提高了调制器精度。同时,噪声耦合环路为实现低功耗要求,设计复用环路滤波器第三级Gm-C结构积分器,提高了功率效率。此外,通过SAR量化器内嵌环路延时补偿,有效降低了功耗。本文在180 nm CMOS工艺下实现了一个sar辅助的连续时间ΔΣ调制器,采样频率为20MHz,带宽为625k Hz,输入频率为81.787k Hz,幅度为1.8V的正弦信号时,输出信号SNDR为86.07 d B,SFDR为99.65 d B,消耗4.45 m W,Fo M值为167.54 d B,核心电路面积为800μm×550μm。

关键词：模数转换器连续时间ΔΣ调制器 SAR量化器噪声耦合

基于传感应用的高精度sigma-delta模数转换器的关键技术研究与设计

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基于传感应用的高精度sigma-delta模数转换器的关键技术研究与设计

作者：张笑天西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着工业控制、生物信号、医疗仪器、环境监测等领域传感信息采集需求的增加与采集性能的提升,低频高分辨率的高能效传感信号处理成为关键的研究热点。作为模拟信号链的核心器件,Sigma-Delta ADC的高信噪比与高线性度属性使其成为模数... 详细信息

随着工业控制、生物信号、医疗仪器、环境监测等领域传感信息采集需求的增加与采集性能的提升,低频高分辨率的高能效传感信号处理成为关键的研究热点。作为模拟信号链的核心器件,Sigma-Delta ADC的高信噪比与高线性度属性使其成为模数转换的首选。随着Sigma-Delta ADC几十年来的高速发展,大量产品和科研成果不断涌现,目前前沿产品中高精度主要为分辨率24bit到32bit,有效位数18bit到19bit。本文介绍了一款应用于传感器领域的高精度低速的Sigma-Delta ADC,其中包括一个离散时间的Sigma-Delta调制器和一个降采样数字滤波器。通过MATLAB建模分析,选取三阶多比特量化前馈结构的调制器来实现18bit有效位数的目标。相比于单比特量化,多比特量化不容易使环路饱和,故可以实现噪声传递函数更高的带外增益,本次设计在2.6倍带外增益下拟合NTF函数,从而实现更高的信噪比。通过分析实际电路中的非理想因素,对积分器的有限增益和带宽,时钟抖动,电荷注入和时钟馈通等非理想因素进行多维度综合优化。电路级中采用高增益运放来实现有源积分器,通过斩波调制技术来消除积分器中的低频噪声。本次设计属于低速领域,有足够时间让SAR量化器完成多次比较,且四位量化只需要32个单位电容,因此本文选择没有静态功耗的sar量化技术来节省功耗和硬件面积。采用数字加权平均技术（DWA）对量化器输出结果进行校准,通过对反馈的温度计码进行处理,循环使用各个单位支路进行反馈,保证在一定周期内所有支路被使用到的次数相近,减少系统非线性影响,增加3d B信噪比,降低Idle tone对输出信号精度的影响。数字滤波器采用三级级联结构,通过级联梳状滤波器（CIC）,补偿滤波器（CICC）以及半带滤波器,大幅度降低单级多倍抽取所需要的阶数,减小硬件面积消耗。本次设计采用0.18μm工艺完成。电源电压1.8V～3.3V,信号带宽1KHz,过采样率128倍,使用的调制器结构为三阶4位量化的前馈离散结构调制器,整体功耗为290u W,最终实现调制器有效位数19.3bit。信噪比达到118d B,且噪底在-130d B,后仿有效位数达到18.4bit,整个芯片面积为351μm×641μm（不包括数字滤波器和数字校准电路）。

关键词： ADC Sigma-Delta调制器数字滤波器 SAR量化器开关电容

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MIMU中低功耗高精度模数转换器设计

MIMU中低功耗高精度模数转换器设计

作者：陈奇哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

近年来,随着集成电路设计技术和制造工艺的不断进步,MEMS传感器技术也得到了快速发展。模数转换器（ADC）作为连接传感器和数字信号处理单元的桥梁,其性能很大程度上决定了整个系统的性能。这使得高性能ADC成为国内外研究的重点。本文... 详细信息

近年来,随着集成电路设计技术和制造工艺的不断进步,MEMS传感器技术也得到了快速发展。模数转换器（ADC）作为连接传感器和数字信号处理单元的桥梁,其性能很大程度上决定了整个系统的性能。这使得高性能ADC成为国内外研究的重点。本文针对微惯性测量单元对ADC低功耗、高精度的性能需求,并结合sigma-delta ADC高精度和sar ADC高能量效率的优点,给出了一种基于SAR量化器的连续时间sigma-delta调制器的设计。首先从低功耗的角度出发确定了连续时间调制器的拓扑结构。再根据课题性能指标,利用工具箱中的函数完成对调制器噪声传递函数的设计,并通过增加零阶反馈路径来修复由于环路延时而发生改变的噪声传递函数。然后对调制器的系数进行合理缩放使积分器的输出符合实际情况。最后对积分器、时钟抖动和反馈DAC的非理想特性利用Simulink搭建行为级仿真模型,综合考虑非理想因素后确定各个模块的电路参数,主要是确定积分器电路中运算放大器的参数。在多位量化器的结构选取上,本文选择基于电容顶板采样的sar ADC,该结构与传统结构相比采样保持电路的电容减少一半,同时也减少了转换过程中电容充放电次数。为了避免使用高频时钟发生器,设计了异步控制电路产生内部电路的时钟信号。针对电流舵型的反馈DAC中单位电流源数目过多的问题,在多位量化器后加入了一阶数字sigma-delta数据截断器来减少电流源数目,同时信噪比也不会明显下降。最后采用SMIC0.18um工艺完成了对整个连续时间sigma-delta调制器的电路设计。电路仿真结果表明,调制器在1.8V的电压下消耗0.98m W的功耗,从频谱图可以得出调制器的信噪比达到104.4d B,有效位数17.05位。考虑热噪声后其噪底低于-120d B,谐波失真小于-100d B,在100Hz带宽范围内的动态范围大于110d B。

关键词：连续时间 sigma-delta调制器 SAR量化器数据截断器

高精度Sigma-Delta ADC芯片设计研究

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时代汽车 2022年第16期 105-108页

作者：刘庆一孙艳杰孙文海刘瑞华赵义强大唐半导体科技有限公司山东省青岛市266100 齐鲁工业大学(山东省科学院)山东省科学院自动化研究所山东省济南市250014

Sigma-Delta ADC利用过采样技术和噪声整形技术提升转换精度,高转换精度需要高过采样率,严重限制了电路的转换速度,本文针对高速高精度模数转换需求,提出基于高阶调制器结构、多比特量化和双采样技术的ADC结构,降低高精度转换所需的过... 详细信息

Sigma-Delta ADC利用过采样技术和噪声整形技术提升转换精度,高转换精度需要高过采样率,严重限制了电路的转换速度,本文针对高速高精度模数转换需求,提出基于高阶调制器结构、多比特量化和双采样技术的ADC结构,降低高精度转换所需的过采样率需求,提高电路的转换速度;结合带有前馈支路的单环调制器结构和多比特量化方式,大力缩减积分器输出摆幅,降低放大器设计难度和功耗,解决多级级联结构的稳定性差问题。

关键词：高精度模数转换器 Sigma-Delta 调制器 5-bit SAR量化器