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音频低电压连续时间Sigma-Delta模数转换器研究与实现

作　者: 董一枫
导　师: 许俊
学　校: 复旦大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 模数转换器 Sigma-Delta调制器 连续时间 低电压低功耗 采样转置
分类号: TN761
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


本文针对助听器的应用,依托国家863计划重点项目,设计了一款1-V、16-bit、20-KHz信号带宽的连续时间Sigma-Delta ADC。和采用开关电容的离散时间Sigma-Delta ADC相比,连续时间方案有着明显的低功耗优势,并且还有固有的抗混叠特性。本设计的调制器采用单比特量化,128倍过采样,四阶前馈结构,用有源RC积分器来实现,设计了在低电压下工作的两级class A/AB型运放,引入了一个固定延时吸收量化器信号相关延时。数字降采样滤波器采用梳状滤波器级联两级半带滤波器的结构,其中梳状滤波器采用8-4级联方式实现32倍降采样,所有子滤波器都为FIR滤波器,采用了采样转置和多相采样技术,以降低了功耗。本文设计的Sigma-Delta调制器采用SMIC的0.13-μm Mixed Signal CMOS工艺实现,芯片的核心面积为0.64×0.361mm2,功耗约为110μW。后仿真结果表明,芯片在1-V电源电压下,5.12 MHz采用时钟下,20 KHz带宽范围内,SNDR可以达到最高108 dB, SFDR最高可以达到110.5 dB。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-7
第一章 引言  7-11
  1.1 应用背景与研究意义  7-8
  1.2 Sigma-Delta ADC研究现状和发展方向  8
  1.3 研究目标  8-9
  1.4 论文的主要工作及组织结构  9-11
第二章 Sigma-Delta调制器  11-23
  2.1 奈奎斯特率A/D转换器  11-13
  2.2 Sigma-Delta A/D转换器的基本原理  13-19
    2.2.1 Sigma-Delta A/D转换器的系统结构  13-14
    2.2.3 噪声整形  14-16
    2.2.4 一阶Sigam-Delta调制器  16-18
    2.2.5 二阶及高阶Sigam-Delta调制  18-19
  2.3 Sigma-Delta调制器的结构  19-23
    2.3.1 单比特量化与多比特量化  19-20
    2.3.2 单环Sigma-Delta调制器结构  20-21
    2.3.3 多环Sigma-Delta调制器结构  21-23
第三章 连续时间Sigma-Delta调制器  23-43
  3.1 连续时间与离散时间Sigma-Delta调制器  23-28
    3.1.1 采样方式  24-25
    3.1.2 环路滤波器的实现  25-26
    3.1.3 反馈DAC的实现  26-28
  3.2 固有的抗混叠滤波器  28-29
  3.3 连续时间环路滤波器的电路实现  29-32
    3.3.1 有源RC积分器  30-32
  3.4 连续时间Sigma-Delta调制器的非理想因素  32-43
    3.4.1 运放的非理想因素  32-34
    3.4.2 Excess Loop Delay  34-36
    3.4.3 DAC的非理想因素  36-41
    3.4.4 环路滤波器系数变化  41-42
    3.4.5 量化器的非理想因素  42-43
第四章 系统设计  43-56
  4.1 基本参数的选择  43-45
  4.2 结构设计  45-48
    4.2.1 连续时间环路滤波函数的综合  45-46
    4.2.2 结构选择  46-48
  4.3 系统级仿真  48-53
    4.3.1 系数调整  48-50
    4.3.2 调制器系统动态性能  50-52
    4.3.3 调制器系数的变化  52-53
  4.4 系统噪声分析  53-56
    4.4.1 环路内的噪声整形  53-54
    4.4.2 非理想DAC引入的噪声  54
    4.4.3 积分器中的热噪声  54-56
第五章 电路设计  56-75
  5.1 环路滤波器实现  56-57
  5.2 低电压低功耗运放设计  57-65
    5.2.1 运放类型的比较  57-59
    5.2.2 Class A/AB型运放  59-62
    5.2.3 放大器噪声分析  62-63
    5.2.4 放大器的有效负载  63-65
    5.2.5 后级积分器的运放  65
  5.3 单比特量化器  65-68
  5.4 反馈DAC  68
  5.5 时钟电路  68-69
  5.6 版图设计  69-71
  5.7 仿真结果  71-75
第六章 数字降采样滤波器  75-85
  6.1 数字滤波器的量化效应  75-77
    6.1.1 数据量化效应  75-76
    6.1.2 系数量化效应  76-77
  6.2 结构设计  77-85
    6.2.1 梳状滤波器设计  78-81
    6.2.2 半带波器设计  81-85
第七章 总结与展望  85-86
  7.1 总结  85
  7.2 展望  85-86
参考文献  86-89
致谢  89-90

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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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