Sigma-Delta调制器及其在混合信号系统中的应用与理论研究

论文摘要

随着集成工艺的不断提高、数字系统规模不断的增大,各种功能强大的片上系统（System-On-Chip,SOC）不断出现在人们的视野中,人们在对SOC处理性能上提出更高的要求时,也要求这种片上系统能直接处理模拟信号,即产生了混合信号片上系统（Mixed-Signal SOC, MSSOC）。以CMOS数字工艺技术实现模拟集成电路是现代大规模SOC研究中的热点和难点,结合过采样技术和噪声整形技术的Sigma-Delta调制方法是解决这种问题的一种有效手段。本文深入研究工作于过采样的Sigma-Delta调制器的原理和设计方法、位流信号直接处理算法、混合信号片上系统的结构和测试。提出了基于过采样技术的Sigma-Delta调制器的混合片上系统,位流信号直接处理结构和新的算法、A/D转换器的测试结构和算法理论。论文创新点及主要研究成果概括如下:（1）深入研究和建立了开关电容电路的Sigma-Delta调制器的Simulik行为级仿真模型。该模型在建模过程中考虑了各种非理想因素的影响,建模方便,仿真精度比较高,仿真速度快,并且能进行时域噪声仿真。（2）研究了3种高性能的Sigma-Delta调制器的实现结构和方法、针对每种调制器电路实现的不足提出了相应的补偿方法和措施。深入研究了高阶Sigma-Delta调制器的变结构分析理论和稳定性的条件,提出了离散变结构系统成为Sigma-Delta调制器的条件和稳定性的验证理论。（3）采用0.18um工艺实现了一个16位的Sigma-Delta A/D转换器,完成了电路设计、电路结构选择和版图设计,芯片的测试。（4）深入研究了位流信号直接处理的算法、结构和电路实现。提出了一种新的位流加法器、乘法器和由它们组成的基本电路模块及其应用。（5）阐述了表征ADC的性能参数和常用的测试方法。提出了基于FFT的谱分析和ADC模型估计的测试方法,实现利用低精度信号源测试高精度的A/D转换器的理论。提出了一种内自测试结构的MSSOC电路,深入研究了基于Sigma-Delta调制技术的内置高精度测试信号源的生成方法。本论文的研究达到了预期目标,发展了与CMOS工艺兼容的Sigma-Delta调制器的混合信号片上系统,上述研究成果为实现高精度的混合信号片上系统提供了基础理论和设计依据,具有重大的实践和理论意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 混合信号片上系统
• 1.3 Sigma-Delta 模数转换器
• 1.4 混合系统测试与故障诊断
• 1.5 论文结构与课题需要解决的问题
• 第2章 Sigma-Delta 模数转换器及模型
• 2.1 模数转换器
• 2.1.1 采样
• 2.1.2 量化
• 2.1.3 奈奎斯特率模数转换器的局限性
• 2.2 Sigma-Delta 转换器
• 2.2.1 过采样
• 2.2.2 噪声整形
• 2.3 开关电容 Sigma-Delta 模数转换器
• 2.4 开关电容电路的分析与建模
• 2.4.1 积分器噪声
• 2.4.2 积分器的非理想因素
• 2.4.3 运算放大器噪声
• 2.4.4 采样时钟抖动
• 2.4.5 比较器的延迟
• 2.5 模型仿真及实例
• 2.6 本章小结
• 第3章 高性能 Sigma-Delta A/D 转换器
• 3.1 概述
• 3.2 高阶一位量化 Sigma-Delta 调制器
• 3.2.1 巴特沃思噪声传递函数
• 3.2.2 噪声传递函数零点优化
• 3.2.3 经验性判据
• 3.2.4 设计实例
• 3.3 高阶一位量化器调制器的变结构分析
• 3.3.1 高阶 Sigma-Delta 调制器的实现结构
• 3.3.2 一位 Sigma-Delta A/D 转换器滑模结构
• 3.3.3 Sigma-Delta 滑模理论分析
• 3.3.4 实例分析
• 3.4 级联式 Sigma-Delta 调制器
• 3.4.1 级联失配误差
• 3.4.2 放大器有限增益和电容失配误差
• 3.4.3 自适应数字校正技术
• 3.5 多位量化的调制器
• 3.5.1 DAC 噪声抑制
• 3.5.2 动态元件匹配技术
• 3.5.3 DAC 噪声整形的技术
• 3.6 本章小结
• 第4章 0.18um 工艺的 16 位音频转换器
• 4.1 概述
• 4.2 系统级设计
• 4.2.1 3 阶一位 Sigma-Delta 转换器设计
• 4.2.2 3 阶 Sigma-Delta 转换器行为仿真
• 4.3 调制器的电路设计
• 4.3.1 时钟电路
• 4.3.2 OAT 电路
• 4.3.3 1 位 D/A 设计
• 4.3.4 比较器的设计
• 4.3.5 调制器的积分器电路结构
• 4.4 抽样滤波器的设计
• 4.5 Sigma-Delta 转换器的版图设计
• 4.6 芯片测试
• 4.7 本章小结
• 第5章 位流信号直接处理系统
• 5.1 调制编码电路
• 5.2 基本运算电路
• 5.2.1 位流加法器
• 5.2.2 常数与位流信号相乘
• 5.2.3 位流信号直接相乘
• 5.3 应用模块
• 5.3.1 位流滤波器
• 5.3.2 平方电路
• 5.4 噪声分析
• 5.5 应用仿真
• 5.6 本章小结
• 第6章 混合片上系统的测试
• 6.1 概述
• 6.2 ADC 的性能参数
• 6.2.1 静态参数
• 6.2.2 动态参数
• 6.3 静态参数测试
• 6.3.1 码密度直方图测试
• 6.3.2 谱估计测试
• 6.4 动态参数测试
• 6.4.1 单频 FFT 谱估计
• 6.4.2 低精度谱估计测试
• 6.5 内置测试系统结构
• 6.5.1 内置测试系统结构
• 6.5.2 内测试信号源
• 6.6 本章小结
• 第7章 结论
• 7.1 总结
• 7.2 关于进一步研究的几点建议
• 参考文献
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
• 致谢