MASH结构Sigma-Delta调制器的设计

论文摘要

伴随着科学技术的快速发展,当今的通信系统以及许多应用领域对于模数转换精度的要求越来越高,传统意义上的奈奎斯特模数转换器已经难以满足精度上的需求,Sigma-Delta模数转换器可以在保证转换器速度的同时实现很高的精度,所以得到了广泛的应用。Sigma-Delta调制器作为Sigma-Delta模数转换器的核心,采用过采样技术和噪声整形技术有效地抑制了信号带内的量化噪声,从而达到提高调制器性能的目的。正因为如此,Sigma-Delta调制器广泛应用于音频电路、医疗成像、监测地震等领域。本文首先介绍了Sigma-Delta调制器的基本原理,并深入分析了调制器的结构和参数对调制器性能的影响。在理论指导的基础上,采用级联（MASH）结构设计了4阶Sigma-Delta调制器。在Matlab软件Simulink下设计了2-2级联结构和2-1-1级联结构的行为级模型。考虑了非理想因素对于系统的影响,对MOS管开关非线性、时钟抖动、KT/C噪声、元器件失配等非理想因素进行了分析,搭建了系统的非理想模型,并进行仿真,仿真结果表明在过采样率为128,采样频率为256kHz时,系统的有效位数均在16bit以上。通过分析比较,最终选取2-2级联结构作为本设计的系统拓扑结构。在系统级设计的基础上,设计了调制器相应的接口电路,主要包括积分器、比较器、时钟电路、数字噪声抵消逻辑单元等模块。在Cadence软件下对整体电路进行数模混合仿真,通过Matlab计算后得到信噪比为100.3dB,有效位数为16.49bit,完成了课题预期的目标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状综述
• 1.2.1 国外发展状况
• 1.2.2 国内研究背景
• 1.3 研究的目的和意义
• 1.4 课题的主要研究内容
• 第2章 Sigma-Delta模数转换器原理分析
• 2.1 奈奎斯特模数转换器
• 2.2 过采样模数转换器
• 2.2.1 过采样技术
• 2.2.2 噪声整形技术
• 2.3 过采样Sigma-Delta转换器的主要性能指标
• 2.4 提高Sigma-Delta调制器性能的方法
• 2.5 Sigma-Delta调制器的结构
• 2.5.1 单环Sigma-Delta调制器
• 2.5.2 级联（MASH）Sigma-Delta调制器
• 2.5.3 单环结构与级联结构的比较
• 2.6 本章小结
• 第3章 级联调制器的行为级设计
• 3.1 调制器结构参数的选取
• 3.2 2-2 级联结构Sigma-Delta调制器的行为级设计
• 3.2.1 2-2 级联结构Sigma-Delta的建模
• 3.2.2 系数失配问题的分析
• 3.2.3 系统仿真结果
• 3.3 2-1-1 级联结构Sigma-Delta调制器的行为级设计
• 3.3.1 2-1-1 级联结构Sigma-Delta调制器的建模
• 3.3.2 系数失配问题的分析
• 3.3.3 系统仿真结果
• 3.4 非理想因素的分析
• 3.4.1 热噪声
• 3.4.2 时钟抖动
• 3.4.3 MOS开关非线性
• 3.4.4 元器件失配
• 3.4.5 非理想因素下对系统的影响
• 3.5 2-2 级联结构与2-1-1 级联结构的性能比较
• 3.6 本章小结
• 第4章 调制器的电路级实现
• 4.1 理想的电路结构
• 4.2 时钟产生电路
• 4.3 积分器电路的设计
• 4.3.1 积分器结构选取
• 4.3.2 积分器的非理想因素分析
• 4.3.3 运算放大器的设计
• 4.4 比较器的设计
• 4.5 噪声抵消逻辑单元
• 4.6 电路的噪声分析
• 4.6.1 热噪声
• 4.6.2 闪烁噪声
• 4.7 整体电路仿真结果
• 4.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢