插值分布反馈结构的Sigma-Delta调制器设计

论文摘要

本文在分析了SigmaDelta调制器的工作原理,性能指标,结构特点,电学实现等技术的基础上,设计了四阶前馈插值结构的SigmaDelta调制器。主要系统考虑有积分器,前馈求和电路,局部反馈技术,量化器等。在MATLAB环境下完成了系统建模和行为级仿真,在Candence环境下完成了电路实现和时域仿真,最终结果达到了性能要求。传统的SigmaDelta调制器结构主要有单环级联积分器结构和级联MASH结构。考虑到模拟电路实现的优点和高阶噪声调制的优异性,本文采用了单环高阶的系统结构。采用了全前馈求和的环路结构,可以降低积分器的线性过载,减小内部信号的摆幅,有效抑制调制器模块的非理想因素。信号前馈支路的加入使得输入信号可以直接参与量化器的比较运算,保证了信号传输函数的精确,简化了环路滤波对噪声传递函数的处理。通过引入局部反馈支路,优化了调制器传输函数的零点,增强了信号带宽内的噪声整形能力。在MATLAB环境下的仿真结果表明,该四阶SigmaDelta调制器可以达到-6dBFS的最大输入容限,在128倍过采样率下可以实现106.4dB的信噪比,输出17bits的精度。目前调制技术的主要实现方式包括连续时间电路和离散时间电路。考虑到SigmaDelta调制器对电容精度和采样信号处理的要求,本文采用了开关电容电路来完成调制器的模拟电路实现。前馈求和电路和局部反馈支路通过电容网络实现,一位量化器通过带锁存功能的动态比较器实现,级联积分器采用输入非反相的积分结构,整体电路由两相不交叠时钟控制。在Candence仿真软件,标准0.5μm的CMOS工艺参数环境下,对整体电路系统进行了晶体管级别的时域仿真,在-8dBFS的输入信号下,电路结果达到了103dB的信噪比,实现了16.8bits的输出精度,各级电路没有出现过载,其最终性能满足了设计要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 研究现状简介
• 1.2.2 国内外研究现状
• 1.3 研究目的和意义
• 1.4 研究内容
• 第2章 SigmaDelta调制器工作原理
• 2.1 模数转换调制技术的基础
• 2.2 乃奎斯特模数转换器
• 2.3 过采样模数转换器
• 2.3.1 过采样技术
• 2.3.2 噪声整形技术
• 2.4 SigmaDelta调制器
• 2.5 本章小结
• 第3章 四阶SigmaDelta调制器系统设计
• 3.1 传统SigmaDelta调制器的限制
• 3.2 优化积分器摆率的SigmaDelta调制器设计
• 3.2.1 信号前馈支路的引入
• 3.2.2 二阶RISR SigmaDelta调制器
• 3.3 环路滤波器架构
• 3.3.1 基本滤波器架构
• 3.3.2 带有分布反馈和信号前馈结构
• 3.3.3 前馈求和与输入前馈的环路滤波结构
• 3.4 理想系统建模
• 3.4.1 噪声传递函数的零点极点优化
• 3.4.2 理想系统仿真
• 3.5 调制器非理想分析
• 3.5.1 模块不匹配
• 3.5.2 空闲谐波
• 3.5.3 抖动技术
• 3.5.4 开关实现
• 3.5.5 电路噪声
• 3.5.6 时钟抖动
• 3.6 系统仿真结果和讨论
• 3.7 稳定性分析
• 3.8 本章小结
• 第4章 调制器电路实现
• 4.1 调制器电路概述
• 4.1.1 连续时间电路和开关电容电路
• 4.1.2 单端SC调制器电路
• 4.2 前馈求和电路的实现
• 4.3 局部反馈优化电路
• 4.4 时钟产生电路
• 4.5 积分器设计
• 4.5.1 积分器结构选择
• 4.5.2 积分器中运算放大器的设计
• 4.6 动态比较器
• 4.7 电路噪声分析
• 4.7.1 热噪声
• 4.7.2 闪烁噪声
• 4.7.3 电路噪声预估
• 4.8 系统仿真结果
• 4.9 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢