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一种高性能四阶∑-Δ调制器的设计与分析

作 者: 赵以诚
导 师: 吴春瑜
学 校: 辽宁大学
专 业: 微电子学与固体电子学
关键词: 信噪比 Σ-Δ调制器 量化噪声 过采样
分类号: TN761
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
下 载: 47次
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内容摘要


Σ-ΔADC是通过过采样技术、噪声整形技术和数字滤波技术发明的一种高精度模数转换器。传统的奈奎斯特模数转换器要求模拟电路具有高精度。相反,过采样ADC利用过采样技术,降低基带中量化噪声的功率,提高内部通带的信噪比,实现使转换器增加有效量化位数的目标。Σ-ΔADC应用了过采样技术、噪声整形技术和数字滤波技术实现高性能。在Σ-ΔADC中,Σ-Δ调制器可以通过相对简单的、对精度要求不高的模拟电路转换模拟信号,如开关电容积分器,一位比较器等,在处理模拟信号时,同等分辨率的模数转换器的精度要高于模拟电路的处理能力。在当今集成电路设计和工艺水平下,Σ-ΔADC成为主要的发展方向。本文由Σ-ΔADC的基本原理入手,对过采样技术,信噪比,量化误差模型,量化噪声模型等原理进行分析,并在此基础上分别建立了一阶和四阶的调制器的数学模型,同时,运算放大器的热噪声和电容的不匹配等一些非线性因素需要被考虑。在MATLAB中完成模型建立和仿真,并实现系统增益可调制的目的,同时达到信噪比SNR=110dB以上的设计目标;接下来,参照MATLAB模型,设计出相对应的电路,包括运算放大器、比较器、积分器、互不重叠时钟,在HSPICE中完成仿真,并得到了仿真结果,同时与之前的数学模型的仿真结果做比较;最后完成版图的绘制。调制器的整体电路设计及版图设计均采用华虹NEC的CZ6H工艺完成。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-12
引言  12-15
  0.1 课题的来源及研究思路  12-13
  0.2 课题设计目标和主要工作  13-14
    0.2.1 课题设计目标  13
    0.2.2 课题主要工作  13-14
  0.3 课题硬件、软件及工艺环境  14-15
第1章 绪论  15-19
  1.1 模数转换器的背景、意义  15-16
  1.2 Σ-ΔADC 的发展历史  16-17
  1.3 Σ-ΔADC 的特点  17-19
第2章 Σ-ΔADC 的参数和原理  19-28
  2.1 ADC 的分类  19
  2.2 ADC 的静态性能参数  19-20
  2.3 ADC 的动态性能参数  20-22
  2.4 过采样原理技术  22-23
  2.5 量化与量化误差分析  23-24
  2.6 量化噪声模型构建  24-28
第3章 四阶Σ-Δ调制器的结构选择及建模实现  28-42
  3.1 一阶Σ-Δ调制器分析  28-29
  3.2 四阶Σ-Δ调制器  29-30
  3.3 三种不同结构四阶Σ-Δ调制器  30-33
    3.3.1 级联式2-2 四阶Σ-Δ调制器  31
    3.3.2 级联式2-1-1 四阶Σ-Δ调制器  31-32
    3.3.3 单环路前馈反馈四阶Σ-Δ调制器  32-33
  3.4 四阶Σ-Δ调制器的建模和函数推导  33-35
  3.5 前馈的系统结构特点  35-37
  3.6 四阶Σ-Δ调制器matlab 模型  37-38
  3.7 matlab 模型的激励与设置  38-40
  3.8 模型的仿真结果分析  40-42
第4章 四阶Σ-Δ调制器的电路模块设计  42-69
  4.1 四阶Σ-△调制器的选择  42-43
  4.2 运算放大器的电路设计  43-49
    4.2.1 运算放大器的电路选择  43-45
    4.2.2 共模反馈结构设计  45-47
    4.2.3 运算放大器的仿真结果分析  47-49
  4.3 积分器的电路设计  49-59
    4.3.1 开关电容积分器  50-51
    4.3.2 采样开关电路设计  51-53
    4.3.3 采样电容  53
    4.3.4 四级积分器电路设计  53-58
    4.3.5 积分器电路的仿真  58-59
  4.4 比较器的电路设计  59-63
  4.5 一位DAC 的电路设计  63
  4.6 互不重叠时钟电路设计  63-64
  4.7 增益控制的电路设计  64-65
  4.8 调制器总体电路仿真  65-68
  4.9 四阶Σ-Δ调制器的功耗估算  68-69
第5章 四阶Σ-Δ调制器的版图设计  69-78
  5.1 匹配问题  70
  5.2 噪声问题  70-71
  5.3 调制器版图设计与布局  71-78
    5.3.1 输入增益控制的版图设计  72
    5.3.2 积分器的版图设计  72-73
    5.3.3 比较器的版图设计  73-74
    5.3.4 积分器电容网络的版图设计  74-75
    5.3.5 调制器电容网络的版图设计  75
    5.3.6 互不重叠时钟的版图设计  75-78
第6章 结论与展望  78-79
致谢  79-80
参考文献  80-83
攻读学位期间发表的学术论文及参加科研情况  83-84

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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 > 调制技术与调制器、解调技术与解调器 > 调制技术与调制器
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