高精度Sigma-Delta调制器设计

近年来,在过采样型模数转换器中,Sigma-Delta模数转换器以其较高的精度成为模数转换器的热点。介绍了一种高精度低功耗的Sigma-Delta调制器设计。使用Matlab工具完成三阶一位量化CIFF结构的系统仿真,在系统级仿真结果的指导下,积分器采用分级结构优化电路结构。积分器电路模块设计采用了全差分式开关电容电路,抑制了谐波失真对输出精度的影响。仿真结果显示:5 S/s挡位时,对应的PVT组合中最低有效位数为17.67 bits;2 kS/s挡位时,对应的PVT组合中最低有效位数为15.89 bits,整个调制器功耗低于3 mW。通过改进调制器整体架构、积分器结构和量化器的设计方法,降低了调制器功耗,提升了调制器精度。

一种高精度音频Sigma-Delta DAC的设计

设计了一种应用于音频Codec的高精度Sigma-Delta DAC,针对数字插值滤波器占用面积大的问题,提出了乘法器复用的方法,减少数字电路的硬件消耗。为解决Sigma-Delta调制器多比特量化引起的非线性问题,引入DWA(Data Weight Average)算法,提高系统的精度。此外,DCT(Direct Charge Transfer)电路用于实现数字域到模拟域的高精度转换。电路采用0.18μm CMOS工艺,整体DAC的信噪比为105.7dB@1150Hz,有效位数达到17.26bit。

采用Mash2-1架构的高精度Sigma-Delta ADC设计

鉴于模数转换器(ADC)在芯片和混合信号处理领域举足轻重的作用,为探索进一步提高模数转换器精度的可能性,满足当今应用系统对模数转换精度的新需求,设计一款基于Mash2-1级联架构的sigma-delta ADC。设计采用TSMC 180 nm CMOS工艺,在完成调制器电路的同时,使用Verilog代码方式实现了配套的误差消除以及数字抽取滤波器。对调制器进行了建模及非理想因素的分析,并通过使用斩波调制技术等手段对电路的非理想性进行优化。经仿真验证,结果表明,本设计在3.3 V电源、27℃工作环境、TT典型工艺条件下,表现出优异的信噪比,总谐波失真等性能指标也较理想,适用于高精度、低失真的应用场合。

高精度音频Sigma-Delta调制器综述

Sigma-Delta(Σ-Δ)模数转换器(ADC)基于过采样和噪声整形技术,可实现高分辨率,具有无源器件匹配性要求低、结构简单等特点。在高精度音频领域,Σ-ΔADC能够实现高动态范围和良好的功率效率得到了广泛的关注和应用。近年来,依托先进工艺、先进技术进行低功耗高精度的音频ADC的设计已经成为新的研究热点。然而随着工艺技术向低节点的持续发展、电源电压的不断降低,使得Σ-ΔADC的电路设计更具挑战性。该文对高精度音频Sigma-Delta调制器的离散型设计、连续型设计的研究现状进行综述,为高精度音频Sigma-Delta调制器设计提供理论支撑,并给出研究前景展望。

一种sigma-delta ADC数字抽取滤波器设计与实现

数字滤波器是sigma-delta模数转换器的主要组成部分,用于对调制器输出信号的滤波和抽取。本文设计的数字滤波器是由间接型级联积分梳状滤波器组成。在说明CIC滤波器原理的基础上,通过Verilog实现并验证其功能与性能。

基于Sigma-Delta AD采样的双向有源桥变换器中变压器的直流偏置抑制

双有源桥(DAB)变换器兼具高效和高功率密度,且其能量可双向流动,从而得到广泛应用。DAB变换器易因电路参数、驱动信号不对称等因素造成磁不平衡,进而影响电路正常稳定工作。因此,设计了一种变压器绕组的直流偏置电流检测控制策略。该策略通过采样电阻和delta-sigma(Δ-Σ)调制将电流转换为1位数据流,采样电阻放置在H桥直流端,可分别获得绕组正半周和负半周中电流平均值,相减可得绕组电流直流分量。同时,设计了一种DAB的直流电流抑制方法,通过设计控制器以实现微调任一桥臂的占空比来调节H桥输出电压的直流分量。最后,通过Matlab仿真验证了直流偏置电流检测与控制策略的有效性。

一种高精度高信噪比的Sigma-Delta调制器设计

为满足模数转换器设计和应用中系统对精度日益增长的高要求,提出一种高精度高信噪比的Sigma-Delta调制器。Sigma-Delta调制器采用三阶CIFB架构,同时在第一级放大器部分设置斩波电路,以此提高信噪比。采用TSMC 180 nm CMOS工艺进行设计并通过仿真验证。仿真结果表明,在电源电压为3.3V,工作温度为27℃,工艺角为典型工艺角TT的情况下,Sigma-Delta调制器对于信噪比、有效位数等指标均有优秀的性能表现,适于高精度系统的应用场合。

参数自适应误差自校准的Sigma-Delta闭环微机械陀螺仪

提出并实现了一种用于MEMS谐振陀螺仪的新型自适应自校准多级噪声整形(MASH)微机电sigma-delta闭环测控电路方案。该技术针对高精度MEMS音叉陀螺仪的误差校准,开发了在线自适应误差校准的MASH2-0闭环测控电路,且无需使用任何额外的机械校准方法。该技术不仅可以有效地消除由于MEMS音叉陀螺仪敏感元件加工误差和接口测控电路之间的参数失配在输出端产生的误差影响,并且能够校正由非理想信号传递函数而导致的信号链路传输中的频谱失真和增益失配。试验结果表明,与传统的闭环MEMS陀螺仪相比,所提出的自适应MASH2-0闭环测控电路技术可以实现更好的系统稳定性、动态范围和噪声性能。

一种用于CMOS图像传感器的高动态范围Sigma-Delta调制器

介绍了一种采用Tower 180 nm CMOS工艺设计的高动态范围Sigma-Delta调制器,该调制器用于CMOS图像传感器的高动态范围读出电路。分析了调制器动态范围的主要影响因素,采用基于Cascode反相器的自调零积分器,得到较大的积分器输出摆幅和积分增益。为了降低功耗,加入动态偏置型比较器,使该调制器具有高动态范围和低功耗的优势。加入瞬态噪声的调制器后仿真结果表明,在等效带宽16 kHz内,1.8 V电源电压和4 MHz的采样时钟下,调制器的动态范围为103 dB,功耗仅为356μW。该调制器满足CMOS图像传感器的高动态范围要求。

一种改进的适用于Sigma-Delta ADC的数字抽取滤波器

数字滤波器在sigma-delta ADC芯片中占据了大部分芯片面积,该文提出了一种数字滤波器结构,这种结构滤波器采用一个控制单元和一个加法器取代了Hogenauer结构滤波器中差分器的多个加法器,从而减小数字电路的面积。一个采用这种结构的4阶的数字滤波器在CYCLONEⅡFPGA芯片中被实现,耗费的硬件资源比Hogenauer结构的滤波器减少近29%。

基于Sigma-Delta调制的双两电平逆变器调制策略

在多电平逆变器的调制中,Sigma-Delta调制器可以改善逆变器输出电压频谱,减少系统噪声。而将其运用到共直流母线的开绕组异步电机双两电平逆变器系统中时,由于开关状态和开关频率的不固定,无法采用传统的改变冗余小矢量作用时间的方法来消除系统中的零序电压。为此,针对共直流母线双逆变器系统,提出一种调制方法,该方法利用Sigma-Delta调制器过采样及噪声压缩技术,优化逆变器输出电压频谱;同时,利用两电平空间矢量图中两个互差120°的基本矢量所对应的系统零序电压为零的原理,将参考电压矢量分解为两个大小相等、方向互差120°的等效参考电压矢量,并由两台逆变器分别单独产生,以此实现对共直流母线的开绕组异步电机双两电平逆变器系统零序电压的完全消除。仿真和实验结果验证了该方法的正确性和有效性。

四阶Sigma-Delta微加速度计系统设计与分析

为了降低Sigma-Delta(ΣΔ)微机械加速度计量化噪声,提高系统分辨率,完成了一种单环四阶ΣΔ微加速度计的分析与设计,建立了系统的线性模型,并在此基础上,采用根轨迹法分析了系统稳定性.理论分析表明所建立的四阶ΣΔ微加速度计系统在噪声特性、死区、空闲音方面都具有优良的特性.在系统级的分析与讨论基础上,实现了传感器接口电路晶体管级的设计,该电路采用0.5μm 2层多晶2层金属CMOS工艺流片,系统测试结果表明该加速度计灵敏度为1.2 V/g,非线性度为0.2%,开环噪声密度12μg/Hz1/2,闭环噪声密度80μg/Hz1/2,整体功耗为40 mW.

高精度Sigma-delta调制器系统设计和仿真

提出了一种基于MATLAB/SIMULINK sigma-delta(ΣΔ)调制器系统设计与仿真的方法.该方法首先根据设计目标确定调制器的阶数、过采样率和内嵌量化器位数,优化调制器噪声传输函数NTF的零极点,调整调制器的结构系数,得到性能优化的调制器系统结构;然后通过分析调制器非理想因素,对非理想情况下的调制器基于SIMULINK进行行为级建模与仿真;最后得到调制器子模块电路参数.调制器电路级仿真结果表明由该方法得到模块参数能够有效、可靠的指导调制器的电路设计.

小面积、微功耗增量型Sigma-Delta ADC设计

模拟数字转换器(ADC)是智能化传感器的一个重要组成部分。阵列型传感器应用对ADC的功耗及芯片面积都具有较高的要求,同时传感器本身特性要求ADC具有较高的精度,对阵列型传感器用ADC的设计提出了挑战。在分析各类型ADC的性能优劣势的基础上,提出了应用增量型Sigma-Delta ADC来设计阵列型传感器应用。介绍了增量型Sigma-Delta ADC的架构设计以及电路设计,并在0.18?m CMOS工艺下流片。在40 k S/s的转换速度下,所设计的ADC达到了15 bit的精度,功耗为58?W,单个ADC的芯片面积为10?m×530?m。测试结果表明增量型Sigma-Delta ADC非常适合于阵列型传感器应用。

改进的一阶1 bit Sigma-Delta调制器研究

为了改善量化噪声,提出了一种新的一阶1 bit Sigma-Delta调制器结构。通过对标准的一阶1 bit SigmaDelta调制器进行研究,指出了其量化噪声是非加性的,并且把输入和输出之差作为Sigma-Delta调制器的输入,进一步实现了输入信号的调制。理论推导得出新结构对正弦信号调制的信噪比比传统结构高6 dB,MATLAB Simulink仿真结果显示新结构带内噪声功率减小,为高性能的Sigma-Delta调制器提出了一种新的设计方法。

基于改进Sigma-Delta滤波的复杂场景背景估计

背景估计是运动目标检测一项重要的前期工作,在城市交通等复杂场景中,存在大量慢速或暂停运动目标,背景模型很快受到污染,需要进行较多的后续处理或者采用高复杂度算法来检测前景。针对该问题,提出基于Sigma-Delta滤波改进的背景估计算法,融合可选择性背景更新机制和多频Sigma-Delta滤波背景估计方法,处理复杂场景中不同运动目标的运动特征,以获取稳定的背景。通过对典型城市路段和交叉口复杂交通场景序列进行对比实验,结果表明,该算法在保持Sigma-Delta滤波低内存消耗和高计算效率的基础上可获得更好的检测效果。

用于Sigma-Delta调制器的开关电容积分器的设计

在介绍了一种基于开关电容原理的Sigma-Delta调制器基本原理的基础上,着重对开关电容积分器在实际设计中遇到的细节问题进行了详细的分析.研究了寄生电容、MOS开关的导通电阻和电荷注入问题、时钟馈通和采样尖峰及放大器特性对积分器的影响等.提出了解决方法和选用合理的参数设计出全差动的开关电容积分器,并给出SPICE的0.5μm的CMOS工艺的仿真结果.

一种低功耗16bit音频Sigma-Delta调制器的设计

设计了一款工作在1.8V电源电压下、功耗仅为1.8mW、精度为16bit,优化系数(FOM)达170的音频sigma-delta调制器.其过采样率为128,采用3阶噪声整形.为了降低功耗,采用前馈结构以及单比特量化.通过采用PMOS管实现局部反馈,有效提升了调制器性能.调制器采用SMIC 0.18μm工艺实现,通过对系统结构和运算放大器、比较器等电路子模块的分析,完成整体电路和版图设计.在SS工艺角下,仿真表明本文设计的调制器性能良好,在20kHz的带宽内可达到100.8dB的信噪比(SNR),折合有效位16bits精度要求.

基于共源共栅反相器的极低功耗Sigma-Delta调制器设计

为了满足穿戴式医疗设备中低功耗、高精度的模数转换应用需求,设计一种基于共源共栅反相器的低功耗14bit/500Hz Sigma-Delta调制器电路.在低电源电压环境下,该电路采用栅压自举开关完成了高精度的信号采样.利用共源共栅反相器替换传统Sigma-Delta调制器的跨导放大器(DTA),有效降低了电路功耗.电路采用SMIC 0.13μm 1P8M混合信号工艺实现,测试结果表明,在供电电压为0.6V、时钟频率为256kHz、信号带宽为500 Hz内,Sigma-Delta调制器输出信号最大信噪失真比为69.7dB,有效精度为11.3bit,功耗仅为5.07μW.

超宽带系统中基于时域插值和抽取的新型Sigma-Delta转换器

无线通信系统中,超宽带(UWB)与正交频分复用(OFDM)技术相结合,具有超宽带、低功耗、抗多径衰落等优势.针对多频带OFDM-UWB信号的特点,提出一种基于时域插值和抽取的新型sigma-delta转换器用于完成数据的转换.时域插值使得多频带OFDM-UWB子载波间形成空隙,sigma-delta调制器将输入信号量化为1比特数据流的同时完成量化噪声整形.该sigma-delta调制器在量化噪声频谱中引入位于多频带OFDM-UWB子载波频点上的零点,将大部分量化噪声推到子载波空隙中,达到噪声整形效果.新型sigma-delta调制器采用无过采样结构,使得硬件实现相对容易,同时该结构还避免了OFDM系统的高峰均比问题.对信号进行时域插值与抽取降低了硬件复杂度和处理时间.理论分析和仿真结果表明了该调制器的有效性和可行性.