基于音频的16位Sigma-delta AD转换器的研究

论文摘要

本文对具有16比特的精度处理音频信号（24KHz）的∑-△模数转换器进行了研究。现有的∑-△开关电容调制器模型中,并没有考虑积分器的有限直流增益（ DCG）非线性因素。本文通过对非线性DCG分析、估算,给出它的分析、估算与模型。并且给出一套精确的开关电容∑-△调制器的行为级模型。该模型考虑了噪声（开关与运放的热噪声）、时钟抖动,以及非理想情况下,积分器与运放的有限直流增益与单位增益带宽等因素。通过对二阶调制器行为级模型的仿真,验证了非线性有限直流增益（DCG）会使调制器的输出谐波失真、背景噪声（the?noise?floor）急剧增加,加剧了调制器在行为级上的不可预测性,对后续设计有很大影响。本文给出的模型更为精确,运用这种结构可以构造任意结构的∑-△调制器,实用性很强。而在模拟调制器和数字滤波器设计中分别使用了新的优化结构:模拟调制器中运放采用Cascode共源共栅电压放大、与通常使用的OTA运放结构相比,这种结构的高速运放,具有静态工作电流小的优点,同时调制器还采用不消耗直流功耗的动态比较器,通过完备的分析和系统级仿真,得到预期的结果。选用了最精简的数字滤波器结构和最优化的系数量化位长,给出滤波器的设计方法与思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章绪论
• 1.1 选题背景与意义
• 1.2 ∑-△A/D 调制器的主要研究方向
• 1.3 根据选题所要完成的论文工作和预期的结果:
• 1.4 各章节安排
• 第二章 ∑-△转换器技术基础
• 2.1 传统的模数转换技术
• 2.1.1 理想的 A/D 转换器
• 2.1.2 量化误差分析
• 2.1.3 ∑-△ADC 工作过程
• 2.2 ∑-△调制技术
• 2.2.1 过采样
• 2.2.2 噪声整形
• 2.3 ∑-△调制器的结构
• 2.3.1 单循环 ∑-△调制器
• 2.3.2 级联结构的 ∑-△调制器
• 第三章非线性直流增益对 ∑-△开关电容调制器的影响及其建模
• 3.1 有限直流增益
• 3.2 沉降行为
• 3.3 非线性 DCG
• 3.4 噪声
• 3.5 非线性开关
• 3.6 时钟抖动
• 3.7 模拟与验证
• 3.8 本章结论
• 第四章 ∑-△ A/D 的调制器设计
• 4.1 电路级设计以及仿真
• 4.1.1 量化器位数
• 4.1.2 过采样率
• 4.1.3 调制器阶数
• 4.1.4 调制器环路的结构
• 4.2 积分器设计
• 4.2.1 电容设计
• 4.2.2 积分器中的运放设计
• 4.2.3 运放的增益
• 4.2.4 运放带宽、压摆率
• 4.3 运算放大器
• 4.3.1 小信号分析
• 4.3.2 偏置电路
• 4.4 比较器的设计
• 4.5 两相非交叠时钟
• 第五章调制器仿真结果
• 第六章数字滤波器的设计
• 6.1 抽样定理
• 6.2 数字滤波器中的量化分析
• 6.2.1 数据量化效应
• 6.2.2 系数量化效应
• 6.2.3 CSD 码
• 6.3 三级线性相位降采样滤波器结构
• 6.3.1 一种有效的降采样转置法则
• 6.3.2 梳状滤波器的系统级设计
• 6.3.3 阶数的选取
• 6.3.4 系统级验证
• 6.4 第一级与第二级半带滤波器的设计
• 第七章 版图设计
• 第八章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录 A:Matlab 程序
• 作者攻读硕士期间的研究成果和参加的科研项目