移动设备中高精度低功耗Sigma-Delta调制器的设计与实现

论文摘要

随着特征工艺尺寸的不断减小和移动电子设备的迅猛发展，现代集成电路的工作电压不断地降低。这为主流数字芯片带来了显著的性能提升和功耗节省，也对模拟集成电路的设计提出了更大的挑战，特别是一些高精度高性能模拟模块的低电压低功耗实现。例如，在主流移动设备中，锂电池等可充电电池占据着主导的地位，而这些电池在其使用周期末端的输出电压通常会较正常工作电压有显著的下降。这就要求移动设备中的电路能够在极低的电压下正常工作，并通过减少自身所需功耗来尽量延长其工作周期。其中，由于受到动态范围等因素的限制，又要兼顾对数字电路的影响，模拟电路模块的低压低功耗设计成为整个系统实现的关键。在移动测量设备中，一个高精度低功耗的数模转换模块是必不可少的，正是它将传感单元检录的模拟信号转换为更易被大规模处理的数字信号。由于模拟电路实现过程中不可避免的失配与各种各样的误差，传统的奈奎斯特类数模转换器很难实现超过十位的分辨率。而当今兴起的过采样类数模转换器则得益于系统对失配与误差的有效抑制，以及过采样率带来的噪声衰减，正越来越多地成为实现高精度数模转换的选择。其中就包括以sigma-Delta调制器为基础的sigma-Delta数模转换器。相较于传统的奈奎斯特类数模转换器，sigma-Delta调制器能够在同等精度下大幅度减少所需的硬件电路，从而降低芯片所需的功耗和面积。论文主要研究移动测量设备中高精度低功耗sigma-Deita调制器的设计与实现。在广泛阅读国内外相关文献的基础上，系统研究了sigma-Deita调制理论，并详尽分析了各种不同拓扑实现间的优劣比较。以设计一个能够工作在1.5V电压下，信号带宽1KHz，达到16位分辨率的Sigma-Delta调制器为具体实现目标，在满足系统性能要求的前提下，尽量选择能够降低功耗的拓扑结构以实现性能与功耗的最优化，并将整体功耗控制在一毫瓦以内。系统层次的设计与仿真主要集中在以下几个方面：阶数与过采样率选择，拓扑结构比较，稳定性考虑，参数设置及调整，零点优化技术，以及时序分析。在确定理想情况下的系统设计之后，论文通过分析各种系统非理想性因素对性能的影响，得到了各单元模块电路的具体性能指标。并在考虑这些因素的情况下，再次进行系统仿真，保证电路性能的实现。系统非理想性因素主要包括以下几个方面：噪声分析，各级采样电容确定，闪烁噪声的消除，运放的各种非理想性因素，采样时钟抖动，系统参数偏移，以及开关导通电阻等。在保证性能的前提下，对于其中对系统功耗有重要影响的模块进行了参数优化。在完成系统层次设计之后，论文阐述了各个主要电路模块的设计方法。电路层次设计主要借助于EDA仿真工具如CADENCE ICFB仿真环境进行，并在TSMC0.35um标准工艺库的支持下予以实现。已经完成设计仿真的电路模块主要包括带隙基准电流源，共模电压产生电路，运算放大器电路，量化单元电路，及系统时序产生电路。仿真结果显示，各个电路模块的设计能够满足目标系统的要求，系统电路性能符合系统仿真结果，并且整体功耗仅有200uW左右，远低于1mW以下的设计目标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 第一节 研究背景与现状
• 第二节 研究目标与意义
• 第三节 主要内容与安排
• 第二章 基本理论
• 第一节 Sigma-Delta调制基本理论
• 第二节 Sigma-Delta调制发展历史
• 第三节 数模转换模块基本性能指标
• 第三章 系统设计
• 第一节 系统阶数与过采样率
• 第二节 系统稳定性
• 第三节 系统拓扑与时序考虑
• 第四节 系统参数与零点优化
• 第五节 理想系统仿真
• 第六节 系统非理想因素分析
• 第七节 实际系统仿真
• 第四章 电路设计
• 第一节 带隙基准电流源
• 第二节 共模电压产生电路
• 第三节 运算放大器
• 第四节 比较器
• 第五节 时序产生电路
• 第六节 系统电路仿真
• 第五章 结论与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢