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用于数字电源的基于时间的模数转换器的研究与设计

作　者: 常学贵
导　师: 闵昊
学　校: 复旦大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 数字电源 ADC 脉宽调制 比较器 时间模式信号处理 电压时间转换器 时间数字转换器
分类号: TN792
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 98次
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内容摘要


开关电源在现在的电源管理中有很大的应用范围。本文简要回顾了电源的发展分类,对各类电源优缺点做了大略的比较：细节介绍了开关电源的基础,对模拟电源和现在研究的热点数字电源优缺点进行对比。然后分析了数字电源中ADC的作用和其对系统的影响,给出了系统层面对用于数字电源ADC的一些约束。最后结合基于时间域的电路技术和所应用环境中数字电源的拓扑结构,提出了一个基于时间的ADC结构。这里也包括了对基于时间的电路技术的介绍及对其优缺点的总结。针对电源系统中的ADC,本文详述了ADC的一些性能指标,分析了应用于数字电源的ADC的不同于应用于其他场合如通信系统的ADC的特殊要求。由于电源控制环路是一个闭环系统,ADC量化引入的非线性或大增益等因素可能会导致环路的不稳定,通过小信号系统分析得出了数字电源环路系统中对ADC的一些约束。应用于数字电源的ADC又有着与其他一些通用ADC不同的要求,文章给出了一些数字电源系统中常用的ADC的架构和工作原理,比较了它们的优缺点,同时指出了这些ADC设计时的一些相同考虑因素。针对基于时间的电路技术,本文介绍了这一技术的设计思想。首先介绍了用于模数转换应用中的电压时间转换(VTC)和时间数字转换(TDC)的一些常用方法,比如边沿到达时间比较,脉宽比较等.然后选取应用这一设计思想的一个例子阐述基于时间的电路技术的实际设计流程。总结了这一技术的优势及其有前景的应用场合。在电路设计上,本论文首先给出了所设计ADC将要应用的数字电源系统的一些特点,特别是DPWM模块。根据DPWM模块的拓扑特点,结合基于时间的电路技术,给出了一个独特的应用于数字电源的ADC结构。对此结构使用matlab/simulink进行了行为级的仿真,验证其有效性。对ADC中的功能模块：斜波产生器、比较器和逻辑电路的设计做理论上的分析。这一ADC设计时的思想是利用很多系统中常用的模块如DLL等作为时间标尺,实现脉冲宽度的量化。这一做法具有很强的扩展性,当设计多通道ADC时,给定一个时间标尺和一个斜波产生器,增加比较器和编码器的个数,即可实现多通道ADC,这在文章最后有详细讨论。经过版图设计和投片,电路最终使用SMIC0.13um CMOS工艺实现。最后给出测试环境、测试结果及对测试结果的分析。

全文目录


摘要  3-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-15
  1.1 研究背景及动机  9-13
    1.1.1 开关电源概况  10
    1.1.2 模拟电源和数字电源  10-13
  1.2 数字电源现状  13
  1.3 本文设计的难点和意义  13
  1.4 论文内容和组织结构  13-15
第2章 数字DC/DC控制器及其中ADC  15-29
  2.1 数字电源控制器中的ADC  15-19
    2.1.1 模数转换器基本理论  15-16
    2.1.2 模数转换器指标  16-19
  2.2 ADC在数字DC/DC控制器中的影响  19-25
    2.2.1 PWM DC/DC系统模型分析  19-25
  2.3 对ADC的要求  25-26
  2.4 应用于DC/DC控制器的ADC  26-29
第3章 使用时间域技术的电路设计  29-42
  3.1 时间域电路设计概述  29-30
  3.2 VTC和TDC介绍  30-35
  3.3 一个时间域设计例子  35-41
  3.4 基于时间的电路技术的优缺点  41-42
第4章 脉宽调制ADC设计  42-52
  4.1 系统考虑  42-43
  4.2 ADC结构分析  43-45
  4.3 ADC特性分析  45-47
    4.3.1 比较器延迟的影响  45
    4.3.2 Jitter噪声  45-46
    4.3.3 电路启动  46-47
  4.4 电路功能模块设计  47-52
    4.4.1 斜波产生电路  47-48
    4.4.2 比较器电路  48-50
    4.4.3 时间数字编码  50-51
    4.4.4 版图设计  51-52
第5章 测试结果与分析  52-59
  5.1 电路测试结果  52-55
    5.1.1 测试环境  52-54
    5.1.2 静态参数测试  54
    5.1.3 动态参数测试  54-55
  5.2 测试结果分析  55-59
    5.2.1 非均匀采样的影响  55-57
    5.2.2 斜波非线性的影响  57
    5.2.3 编码错误  57-59
第6章 总结与展望  59-62
  6.1 总结  59
  6.2 展望  59-62
参考文献  62-66
致谢  66-67

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 基本电子电路 > 数字电路 > 数模、数模转换电路
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