流量计量SOC芯片用Sigma-Delta ADC的设计

论文摘要

在现代各种电子系统中,模数转换器（ADC）是一个必不可少的部分。采用过采样、噪声整形和数字滤波技术的Sigma-Delta ADC具有精度高,对模拟电路要求低,适合低电压工作,方便与数字信号处理电路单片集成等众多优点,得到了越来越广泛的研究和应用。论文设计了一款用于流量计量SOC芯片中的Sigma-Delta ADC。在详细分析Sigma-Delta ADC理论基础上,根据系统要求完成ADC的整体解决方案,采用自顶向下的正向设计方法,完成Sigma-Delta ADC中调制器和数字抽取滤波器的低功耗设计。调制器采用128倍过采样的3阶单环结构, 1位量化,采样频率5.632MHz,信号有效带宽20kHz。利用MATLAB/Simulink完成调制器的非理想建模,通过大量的行为级仿真确定调制器的各个系统参数以及电路参数。调制器采用开关电容电路实现,采用Charter0.35um工艺,在Cadence中完成电路的设计和仿真。选用恰当的电路结构,如两级class A/AB运算放大器、电流镜输出级等,克服1.8v工作电压下,MOS管高阈值电压所带来的设计困难,最大程度上降低调制器的功耗。电路仿真结果表明,调制器输出信噪比接近95dB,功耗仅1.8mW。数字滤波器采用积分梳状（CIC）滤波器、幅度补偿滤波器和半带滤波器级联的多级抽取结构。采用逐级抽取、多相分解技术对传统型CIC滤波器进行改进,显著地减小了CIC滤波器面积;幅度矫正和半带滤波器采用乘法器复用,流水线处理等方法,进一步降低滤波器功耗和面积。数字滤波器利用Verilog语言实现,并通过了FPGA验证。在Cadence下利用SpectreVerilog仿真器完成了调制器和数字抽取滤波器的混合信号电路仿真。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 项目简介
• 1.2 A/D 转换的分类
• 1.3 Sigma-Delta ADC 的历史和应用
• 1.4 论文主要内容
• 第二章 Sigma-Delta ADC 的工作原理
• 2.1 量化噪声理论
• 2.2 Sigma-Delta ADC 的工作原理
• 2.2.1 过采样
• 2.2.2 噪声整形
• 2.2.3 数字滤波
• 2.2.4 Sigma-Delta ADC 时域分析
• 2.3 本章小结
• 第三章 Sigma-Delta 调制器的设计
• 3.1 Sigma-Delta 调制器的结构
• 3.2 Sigma-Delta 调制器的非理想特性
• 3.2.1 闲散噪声
• 3.2.2 高阶调制器的稳定性
• 3.3 Sigma-Delta 调制器的非理想建模
• 3.3.1 时钟抖动
• 3.3.2 采样开关电阻的影响
• 3.3.3 热噪声
• 3.3.4 积分器非理想特性
• 3.4 二阶调制器的测试结果
• 3.5 三阶Sigma-Delta 调制器设计
• 3.5.1 系数的设计
• 3.5.2 动态缩放技术
• 3.5.3 电路参数的确定
• 3.6 本章小结
• 第四章 数字抽取滤波器的设计
• 4.1 数字抽取滤波器的结构
• 4.2 CIC 滤波器
• 4.2.1 CIC 滤波器原理
• 4.2.2 级联CIC 滤波器
• 4.2.3 级联CIC 滤波器的优化设计
• 4.3 幅度补偿滤波器的设计
• 4.4 半带滤波器的设计
• 4.5 数字抽取滤波器行为级仿真
• 4.6 本章小结
• 第五章 Sigma-Delta ADC 的电路实现
• 5.1 Sigma-Delta 调制器电路设计
• 5.1.1 积分器
• 5.1.2 运算放大器
• 5.1.3 比较器
• 5.1.4 反馈DAC
• 5.1.5 时钟产生电路
• 5.1.6 开关
• 5.1.7 调制器电路仿真结果
• 5.2 数字抽取滤波器的电路实现
• 5.3 Sigma-Delta ADC 混合信号电路仿真
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢