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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
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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。
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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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