【摘 要】
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随着大规模数字集成电路的迅猛发展,在数字域处理数据的优势越发明显,模数转换器应运而生。作为模拟域到数字域的通道和桥梁,模数转换器的研究与设计一直是国内外芯片领域研究的热点。Sigma-Delta ADC使用噪声整形和数字信号处理技术代替了在奈奎斯特速率转换器中使用的繁杂的模拟信号处理电路,被广泛应用在压力感知,工业过程控制,数字音频和其他领域。本文首先对Sigma-Delta调制器的研究背景、意义
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随着大规模数字集成电路的迅猛发展,在数字域处理数据的优势越发明显,模数转换器应运而生。作为模拟域到数字域的通道和桥梁,模数转换器的研究与设计一直是国内外芯片领域研究的热点。Sigma-Delta ADC使用噪声整形和数字信号处理技术代替了在奈奎斯特速率转换器中使用的繁杂的模拟信号处理电路,被广泛应用在压力感知,工业过程控制,数字音频和其他领域。本文首先对Sigma-Delta调制器的研究背景、意义及其国内外研究现状进行了概述。接下来对Sigma-Delta调制器进行全面的介绍,从量化噪声的角度解释了过采样技术,接着从负反馈的角度推导了噪声整形的理论依据。随后,本文分析与推导了一阶与高阶调制器结构的信噪比与过采样率、阶数的关系,同时给出了Sigma-Delta调制器的性能指标。接下来,本文针对开关电容电路中重要的非理想效应进行了讲解,如沟道电荷注入,时钟馈通、开关的寄生电容等,也对运放的失调电压对开关电容积分器的影响进行了严格的推导。综合以上非理想误差源,本文采取了基于开关延迟关断机制的下极板采样技术和斩波稳定技术的动态误差消除方案。最后,基于0.15μm BiCMOS工艺,本文设计了采用所提出的误差消除方案的晶体管级Sigma-Delta调制器电路。原理图编辑使用Cadence软件,晶体管级电路仿真器采用Hspice软件和Spectre软件,最后使用MATLAB软件进行仿真结果的数据处理。结果表明,本文设计的Sigma-Delta调制器电路拥有良好的性能,在整个额定输入范围区间积分器均不会过载,且输出信号与理论值基本没有误差。当输入频率为9.765625kHz,峰值为150mV的正弦信号时,调制器的信噪比为81.9dB,二次谐波失真为-96.0dB,三次谐波失真为-87.0 dB,信噪失真比为81.0 dB,有效位数为13bit,输入失调电压约为0.07mV。
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