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一种高精度离散时间sigma-delta调制器的设计

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电子与封装 2025年

作者：郭林万江华邓欢湘潭大学物理与光电工程学院湖南毂梁微电子有限公司

阐述了一种三阶三位量化离散时间sigma-delta调制器的设计。考虑到节约功耗和面积，调制器结构选择级联积分前馈（CIFF）结构。调制器的三位量化由7个多位比较器实现，为实现高精度，使用gain-boosting技术来提高积分器中运算放大器的... 详细信息

阐述了一种三阶三位量化离散时间sigma-delta调制器的设计。考虑到节约功耗和面积，调制器结构选择级联积分前馈（CIFF）结构。调制器的三位量化由7个多位比较器实现，为实现高精度，使用gain-boosting技术来提高积分器中运算放大器的增益；同时使用DWA(Data-Weighted Averaging)电路对输入端的登记，数模转换器（DAC）电容失配引入的噪声进行整形进而提高有效位数。调制器采用55 nm CMOS工艺设计，在电源电压3.3 V，温度27 ℃，典型tt工艺角下，带宽为16 kHz，有效位数达到19.10位，功耗为10.6 mW。

关键词： sigma-delta调制器 CIFF gain-boosting技术 DWA

sigma-delta调制器的研究及其在SIMULINK环境下建模

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Sigma-delta调制器的研究及其在SIMULINK环境下建模

作者：周伶俐华中科技大学

学位级别：硕士

sigma-delta ADC由于使用过采样和噪声压缩等技术,能够实现高精度模数转换。和传统的模数转换器相比,sigma-delta ADC对模拟电路的性能以及器件匹配性要求较低,而且和其它数字电路更容易实现片上集成。随着片上系统(SOC)的迅猛发展,Sigm... 详细信息

sigma-delta ADC由于使用过采样和噪声压缩等技术,能够实现高精度模数转换。和传统的模数转换器相比,sigma-delta ADC对模拟电路的性能以及器件匹配性要求较低,而且和其它数字电路更容易实现片上集成。随着片上系统(SOC)的迅猛发展,sigma-delta ADC得到了越来越广泛的应用。本论文首先深入分析了sigma-delta调制器的工作原理,在此基础上详细论述了给调制器性能带来影响的各种非理想因素,这些非理想因素包括:时钟抖动,开关非线性电阻,开关热噪声,运放热噪声,运放有限直流增益、有限单位增益带宽、有限压摆率、饱和电压等。并且论文中推导了这些非理想因素对调制器性能影响的时域数学模型,基于此数学模型,使用MATLAB下的simulink对二阶sigma-delta调制器进行非理想建模,并仿真分析了各非理想因素对调制器信噪比影响的大小。论文中还提出了一种全局优化设计的思想,如何最优设计调制器电路参数得到其最佳性能是我们电路设计者不断追求的目标。论文还依据行为级模型仿真性能指标设计了16-bit二阶sigma-delta调制器各单元模块,最终管级电路仿真结果表明本论文所建立的sigma-delta调制器非理想模型,能正确的预测电路性能,能为管级电路参数设计提供可靠的指导,缩短芯片开发周期,加速产品上市时间。

关键词： sigma-delta调制器过采样噪声压缩 simulink

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sigma-delta调制器的研究和设计

Sigma-Delta调制器的研究和设计

作者：曾博电子科技大学

学位级别：硕士

传统模数转换器的内部设置了前置高精度模拟滤波器,要提高转换器的精确度就需要提高模拟滤波器的稳定性和精确度,而高精度模拟电子器件对集成度、温度变化等非常敏感。在晶体管尺寸不断缩小到深亚微米的今天,不论是内部干扰,还是来自电... 详细信息

传统模数转换器的内部设置了前置高精度模拟滤波器,要提高转换器的精确度就需要提高模拟滤波器的稳定性和精确度,而高精度模拟电子器件对集成度、温度变化等非常敏感。在晶体管尺寸不断缩小到深亚微米的今天,不论是内部干扰,还是来自电路高度集成造成的噪声干扰都会影响模拟电路的匹配精度和稳定性。为了解决这些问题,采用过采样和噪声整形技术的sigma-delta ADC应用于数据转换领域。sigma-delta ADC对模拟器件的精度和稳定度要求不像传统ADC那么高,具有精度高、线性度好、量化噪声小、抗干扰能力强、易于和数字电路集成等特点,可以较低成本实现。sigma-delta ADC广泛应用于高精度音频信号处理和数据采集等方面。本文重点对sigma-delta ADC的调制器部分进行了研究和分析,并且设计了一种应用在民用音频系统的12位单环二阶sigma-delta调制器。设计过程中,首先用MATLAB仿真软件SIMULINK对sigma-delta调制器的理想模型和非理想因素进行分析并建模,非理想因素包括积分器非线性、运放直流增益非理想、时钟抖动、电容噪声等。根据仿真结果,确定调制器为一位量化的单环二阶结构,过采样率OSR=256,然后对组成sigma-delta调制器的子电路进行晶体管级设计,采用的是Chartered 0.5um CMOS工艺,设计电路模块包括运算放大器、动态比较器,积分器等,最后给出运放和动态比较器的版图。经过仿真测试,采用折叠共源共栅(Folded-Cascode)结构的运算放大器,直流增益达到92.13dB,单位增益带宽115MHz,相位裕度65.66°。最后对整体电路仿真,仿真结果显示调制器输入信号为10KHz,信噪比85dB,有效位数大于12位,满足设计指标。

关键词：模数转换器 sigma-delta调制器折叠共源共栅过采样

sigma-delta调制器的高效仿真技术

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Sigma-Delta调制器的高效仿真技术

作者：何进杭州电子科技大学

学位级别：硕士

集成电路设计中,sigma-delta调制器广泛应用于高精度模数转换领域。由于这种电路结构与工作上的特点,其仿真分析存在特殊的困难,通常的电路仿真技术难以满足高精度和高效率的要求。为了获得调制器的性能参数,比如信噪比,仿真过程需要遍... 详细信息

集成电路设计中,sigma-delta调制器广泛应用于高精度模数转换领域。由于这种电路结构与工作上的特点,其仿真分析存在特殊的困难,通常的电路仿真技术难以满足高精度和高效率的要求。为了获得调制器的性能参数,比如信噪比,仿真过程需要遍历上万甚至更多的采样周期,对结构复杂的调制器,需要花费数个小时甚至几天的时间。仿真是设计集成电路的主要手段,上述困难给设计高性能的sigma-delta转换器带来了很大问题。本文是对sigma-delta调制器的高效仿真技术的研究。首先简要介绍了sigma-delta转换器的结构与工作原理,综述了目前常用的sigma-delta调制器仿真技术。常见sigma-delta调制器的仿真分为三个层次:高层次的行为仿真,中间层次的等效电路仿真和底层次的晶体管级仿真,论文介绍了各层次仿真的基本原理,对各自的特点做了对比分析。等效电路级的仿真能在精度、速度之间获得较好的平衡,论文的主要工作是在等效电路级的仿真中,提出了一种考虑非线性效应的抽样数据仿真算法,在线性抽样数据分析算法的基础上,通过波形迭代考虑非线性元件的影响,使仿真结果的精度有了明显改善,达到了以较小的计算代价,获得较高计算精度的目的。详细介绍了算法原理,包括电路的描述、迭代过程、及用数值拉普拉斯反变换求解线性电路的方法。采用上述方法,对不同电路进行了仿真。包括连续的sigma-delta调试器,开关电容积分器和开关电容sigma-delta调制器。给出了实验的数值和图形结果,同时和常用的仿真工具SPICE进行了对比,通过这些实例证明了该方法的有效性。

关键词： sigma-delta调制器改进节点电压法数值拉普拉斯迭代

sigma-delta调制器及其抽取滤波器的设计与研究

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Sigma-Delta调制器及其抽取滤波器的设计与研究

作者：王一丰西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着数字技术的不断进步,模数转换器被广泛的应用在电子技术的各个方面。现在非常流行一种叫做sigma-delta ADC的低速、高精度ADC,主要应用于音频信号的处理。sigma-delta ADC主要由调制器部分和低通抽取滤波器部分组成,使用了过采样技... 详细信息

随着数字技术的不断进步,模数转换器被广泛的应用在电子技术的各个方面。现在非常流行一种叫做sigma-delta ADC的低速、高精度ADC,主要应用于音频信号的处理。sigma-delta ADC主要由调制器部分和低通抽取滤波器部分组成,使用了过采样技术、噪声整形技术和数字滤波技术。过采样和噪声整形技术可以将量化噪声大部分推向高频范围,然后再利用低通滤波器将高频噪声滤除,从而提高了信号带内的信噪比和精度。在研究了不同类型sigma-delta调制器的基本原理、结构以及实现后,提出总体设计方案。参数结构设定为2-1MASH结构的三阶调制器,1bit量化,过采样倍数128倍,实现16bits精度。输入信号为频率等于44KHz的正弦信号,采样频率为5.632MHz。在MATLAB下的SIMULINK中搭建系统整体架构,确定具体电路中系数因子,然后进行系统级仿真,仿真可以达到预定目标并有一定富余量。然后通过sigma-delta工具箱展开对电路非理想因素的分析建模,求出了可以获得较好调制效果的非理想因素的具体数值。调制器后继续研究数字抽滤波器,在分析了抽取的原理后,提出一种多级抽取的实现结构。之后重点研究了两种性能良好且应用广泛的特殊FIR滤波器:级联积分梳状滤波器以及半带滤波器。研究了原理、性质、实现结构以及优点等等。提出了一种多级结构实现128倍抽取的滤波器方案。输入信号频率为5.632MHz,经过抽取后的输出频率为44KHz,通带波纹小于0.01。首先对梳状滤波器和半带滤波器的具体结构参数、抽取倍数、阶数做出设定,并针对梳状滤波器的特性提出了一种补偿滤波器。之后通过在MATLAB中进行行为级的建模仿真,验证了这一结构的合理性。并生成Verilog代码,在ModelSim中进行抽取倍数的仿真。最后的仿真结果来看,所设计的ADC可以达到信噪比102dB,分辨率16bits的要求。数字抽取滤波器的输入频率5.632MHz,输出采样频率44KHz,通带频率20KHz,实现128倍抽取。

关键词：过采样噪声整形 sigma-delta调制器 CIC滤波器半带滤波器数字抽取滤波器

高精度音频多位sigma-delta调制器设计

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中南大学学报（自然科学版） 2010年第2期41卷 592-599页

作者：石立春杨银堂李迪吴笑峰丁瑞雪梁宏军西安电子科技大学微电子学院宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室陕西西安710071 西安通信学院基础部陕西西安710106

设计一个内部采用4位量化器的二阶单环多位sigma-delta调制器。为解决反馈回路中多位DAC元件失配导致的信号谐波失真问题,该sigma-delta调制器采用CLA(Clocked averaging algorithm)技术提高多位DAC的线性度,同时采用动态频率补偿技术... 详细信息

设计一个内部采用4位量化器的二阶单环多位sigma-delta调制器。为解决反馈回路中多位DAC元件失配导致的信号谐波失真问题,该sigma-delta调制器采用CLA(Clocked averaging algorithm)技术提高多位DAC的线性度,同时采用动态频率补偿技术增加积分器的稳定性。调制器信号频率带宽为24kHz,过采样率(OSR)为128,采用尺寸为0.5μm的CMOS工艺,工作电压为5V。测试结果表明:在输入信号频率为20kHz时,信噪比(SNR)达103dB,调制器输出信号无杂波动态范围为102dB;整个调制器功耗为87mW,芯片总面积为2.56mm2。

关键词： sigma-delta调制器开关电容积分器高精度多位

一种基于前馈网络的素数sigma-delta调制器优化设计

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湖南大学学报（自然科学版） 2016年第8期43卷 108-114页

作者：王镇道阮忠周湖南大学物理与微电子科学学院湖南长沙410082

sigma-delta调制器是小数分频锁相环(Phase Locked Loop,PLL)中的关键模块,其噪声整形效果直接影响PLL的输出杂散、频率精度等性能.已有调制器均不能同时解决输出序列周期短、输出小数值无法覆盖0到1以及输出存在误差问题.针对这些问题... 详细信息

sigma-delta调制器是小数分频锁相环(Phase Locked Loop,PLL)中的关键模块,其噪声整形效果直接影响PLL的输出杂散、频率精度等性能.已有调制器均不能同时解决输出序列周期短、输出小数值无法覆盖0到1以及输出存在误差问题.针对这些问题,提出了一种新型的、基于前馈网络的素数调制器结构,使调制器的输出序列周期在任何输入值和初始值下都能达到M^3,比传统调制器增大约M^2/2倍,解决了已有调制器的输出序列周期短的问题,其中M为比2^(n_0)小的最大素数,n_0为调制器中加法器的位数.提出的调制器还保证了输出小数值能够覆盖0~1、输出无误差.仿真结果表明,得益于输出序列周期更长,提出的调制器比已有的调制器更能有效去除输出量化噪声功率谱中的毛刺,噪声整形性能更接近理想调制器.

关键词： sigma-delta调制器量化噪声功率谱前馈网络素数

高精度sigma-delta调制器系统设计和仿真

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湖南大学学报（自然科学版） 2010年第5期37卷 54-59页

作者：石立春杨银堂吴笑峰李迪丁瑞雪西安电子科技大学微电子学院宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室陕西西安710071 西安通信学院陕西西安710106

提出了一种基于MATLAB/SIMULINK sigma-delta(ΣΔ)调制器系统设计与仿真的方法.该方法首先根据设计目标确定调制器的阶数、过采样率和内嵌量化器位数,优化调制器噪声传输函数NTF的零极点,调整调制器的结构系数,得到性能优化的调制器系... 详细信息

提出了一种基于MATLAB/SIMULINK sigma-delta(ΣΔ)调制器系统设计与仿真的方法.该方法首先根据设计目标确定调制器的阶数、过采样率和内嵌量化器位数,优化调制器噪声传输函数NTF的零极点,调整调制器的结构系数,得到性能优化的调制器系统结构;然后通过分析调制器非理想因素,对非理想情况下的调制器基于SIMULINK进行行为级建模与仿真;最后得到调制器子模块电路参数.调制器电路级仿真结果表明由该方法得到模块参数能够有效、可靠的指导调制器的电路设计.

关键词： sigma-delta调制器系统设计行为仿真非理想性

基于共源共栅反相器的极低功耗sigma-delta调制器设计

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浙江大学学报（工学版） 2018年第6期52卷 1068-1072,1080页

作者：陈铖颖陈黎明黄新栋张宏怡厦门理工学院微电子学院福建厦门361024

为了满足穿戴式医疗设备中低功耗、高精度的模数转换应用需求,设计一种基于共源共栅反相器的低功耗14bit/500Hz sigma-delta调制器电路.在低电源电压环境下,该电路采用栅压自举开关完成了高精度的信号采样.利用共源共栅反相器替换传统Si... 详细信息

为了满足穿戴式医疗设备中低功耗、高精度的模数转换应用需求,设计一种基于共源共栅反相器的低功耗14bit/500Hz sigma-delta调制器电路.在低电源电压环境下,该电路采用栅压自举开关完成了高精度的信号采样.利用共源共栅反相器替换传统sigma-delta调制器的跨导放大器(DTA),有效降低了电路功耗.电路采用SMIC 0.13μm 1P8M混合信号工艺实现,测试结果表明,在供电电压为0.6V、时钟频率为256kHz、信号带宽为500 Hz内,sigma-delta调制器输出信号最大信噪失真比为69.7dB,有效精度为11.3bit,功耗仅为5.07μW.

关键词：低功耗共源共栅反相器栅压自举开关 sigma-delta调制器