CMOS宽带连续时间Sigma-Delta调制器

论文摘要

连续时间Sigma-Delta（CTSD）调制器能同时实现低功耗与高带宽,是未来Sigma-Delta（CTSD）模数转换器的发展方向之一。它广泛应用与无线通讯和视频领域。本文在SMIC 0.18-um CMOS工艺条件下设计了一个高带宽低功耗的连续时间Sigma-Delta（CTSD）调制器,包括系统设计、电路设计和版图设计。本文对各种类型的模数转换器进行了比较,阐述了连续时间Sigma-Delta调制器的优缺点。在系统设计中考虑了各种电路非理想因素,包括运放的有限直流增益、有限增益带宽积、非零环路延时、RC时间常数的偏差、时钟抖动、以及DAC的非线性等等。电路设计中采样了积分器补偿技术,可减小运放有限单位增益带宽的影响,在同等速度下也可以降低功耗。另外,加法器和量化器是通过跨导单元和梯形电阻结合在一起的,并且设计了高速比较器,满足环路延时的要求。通过系统仿真对DAC的线性度要求,并结合工艺参数合理的选取了电流源单元的尺寸。在采样时钟为200MHz和过采样率为20的条件下,该调制器采用了单环3阶4位量化结构。通过Hspice仿真验证,该调制器达到了5MHz的信号带宽和75dB的动态范围,在1.8V电源电压下其总功耗为20mW。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景和意义
• 1.1.1 连续时间Sigma-Delta调制技术的现状
• 1.1.2 连续时间Sigma-Delta模数转换器的前景
• 1.2 论文的组织架构
• 第2章 连续时间Sigma-Delta调制器
• 2.1 各种类型的模数转换器的比较
• 2.1.1 模数转换器的原理
• 2.1.2 模数转换器的架构
• 2.2 Sigma-Delta调制器的基本原理
• 2.2.1 过采样
• 2.2.2 噪声整形
• 2.3 离散时间与连续时间Sigma-Delta调制器
• 2.3.1 采样网络
• 2.3.2 时钟频率
• 2.3.3 功耗分析
• 2.3.4 工艺偏差
• 2.4 一阶连续时间Sigma-Delta调制器
• 2.5 脉冲不变变换
• 2.6 内在的抗混叠滤波器
• 2.7 非零环路延时
• 2.8 时钟抖动的敏感度
• 2.9 小结
• 第3章 调制器的系统设计
• 3.1 结构与参数选择
• 3.1.1 单环高阶结构与MASH结构
• 3.1.2 前馈结构与反馈结构
• 3.1.3 过采样率,阶次order和量化器位数N
• 3.2 系统设计流程
• 3.3 环路滤波器的信号Scaling
• 3.4 环路滤波器的零极点与波特图
• 3.5 运放有限直流增益的影响
• 3.6 运放有限增益带宽积的影响
• 3.7 非零环路延时
• 3.8 RC时间常数的偏差
• 3.9 时钟抖动
• 3.10 DWA减小对反馈DAC的线性度要求
• 3.11 小结
• 第4章 调制器的电路设计
• 4.1 积分器的几种主要结构
• 4.2 环路滤波器设计
• 4.2.1 噪声的考虑
• 4.2.2 运放的设计
• 4.2 前馈通路、加法器与4位量化器设计
• 4.3.1 前馈通路与加法器
• 4.3.2 比较器的设计
• 4.3.3 比较器的参数优化
• 4.4 4位DAC设计
• 4.4.1 电流源噪声的考虑
• 4.4.2 几种电流单元
• 4.4.3 电流源管最小面积与过驱动电压的关系
• 4.4.4 电流源中管子尺寸的选择
• 4.5 仿真结果
• 4.6 小结
• 第5章 调制器的版图设计
• 第6章 结论及展望
• 附录Ⅰ
• 参考文献
• 致谢