一种应用于物联网传感器的伪三阶Delta-Sigma调制器

针对物联网传感器难以同时满足高分辨率与低功耗的瓶颈问题,本文设计了一种伪三阶离散时间delta-sigma调制器.该架构将一阶无源噪声整形SAR(Successive Approximation Register)量化器嵌入传统二阶delta-sigma调制器以实现更强的噪声整形能力.本文设计允许系统在更低的过采样率(Over Sampling Ratio,OSR)下获取更高的峰值SQNR(Signal-to-Quantizing Noise Ratio),有效缓解了系统精度和功耗之间的设计矛盾,并且减少了有源积分器的使用.针对传统有源加法器高功耗和无源加法器存在衰减不确定性的问题,本文提出了一种新型前馈求和量化电路,它具有对衰减不敏感的优势并且降低了第二级有源积分器的驱动压力,这进一步降低了系统的功耗.本文提出的delta-sigma调制器采用180 nm CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工艺制造并测试.在电源电压1.4 V下,芯片测试功耗为47.2μW.在带宽为8 kHz的测试条件下,调制器的DR(Dynamic Range)、峰值SNDR(Signal-to-Noise and Distortion Ratio)和SFDR(Spurious-Free Dynamic Range)分别为97.2 dB,96.6 dB和114.4 dB.因此,Schreier和Walden的SNDR FoM(Figure of Merit)优值达到了178.9 dB和0.053 pJ/step.本文提出的伪三阶delta-sigma调制器在功耗和分辨率之间实现了较好的权衡,为物联网领域的低功耗高分辨率调制器设计提供了较好的解决方案.

一种具有1~128倍可变增益放大器的低功耗Sigma⁃Delta ADC

为满足传感器应用的低功耗需求,设计并实现了一种低功耗Sigma⁃Delta模数转换器(ADC)芯片。该ADC采用一阶全差分开关电容Sigma⁃Delta调制器,且集成了可编程增益放大器(PGA)和Bandgap;使用1.5 bit量化结构,相较于1 bit量化结构减小了3 dB的量化误差;使用优化的反馈电路,减小了电容失配引入的误差;PGA采用轨到轨的运放电路拓扑,增大了整个芯片的电压适应范围。基于180 nm CMOS工艺对该ADC进行了设计和流片。测试结果表明:该Sigma⁃Delta ADC在采样频率512 kHz、过采样率(OSR)为256时,峰值信噪谐波失真比(SNDR)和有效位数(ENOB)分别为75.29 dB和12.21 bit,芯片功耗仅为0.92 mW。芯片能在2.3~5.5 V宽电源电压范围内正常工作,可实现最大128 V/V的增益。适用于小型传感器的信号测量应用,可以满足小型传感器低功耗、高精度的需求。

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。

基于扰动Delta-sigma调制器的小数分频器

文中基于扰动Delta-sigma调制器分析并设计了一款动态分频比控制的宽带小数分频器链路。其中,整数分频器链路由高速2分频器和7级2/3分频器链路级联构成,小数控制部分由外加扰动的Delta-sigma调制器构成。通过理论分析和仿真表明,合理选择扰动信号的添加位置,可以有效延长Delta-sigma调制器的输出序列长度,从而平滑Delta-sigma调制器的输出频谱。该分频器电路采用TPS 65 nm射频绝缘体上硅(RFSOI)互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺制造,包括焊盘在内的芯片面积为0.57 mm 2。测试结果表明,该小数分频器链路在1.2 V的供电电压下,最大工作电流为22.2 mA,可以在9 GHz~20 GHz的输入频率下动态加载控制字并实现小数分频功能。

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。

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。

基于参考电压修正的双级矩阵变换器Delta-Sigma调制

Delta-Sigma调制(DSM)可在无需随机过程统计特性和复杂谐波理论分析的基础上,依托其过采样特性实现电力电子变换器变频调制。双级矩阵变换器(TSMC)作为一种理想的“全硅”交-交变换器,若能够将DSM引入TSMC,可进一步优化其电磁干扰(EMI)水平和运行效率,但TSMC的直流链电压波动问题导致TSMC-DSM策略难以直接实现。针对TSMC-DSM实现问题,该文提出一种基于参考电压修正的DSM策略。在所提方法中,通过解析TSMC整流级调制过程,将逆变级参考电压按照整流级矢量作用顺序进行修正,并依次获得各扇区参考电压修正系数。最后,在两相坐标系下分别构建两个DSM调制器,并将修正后的逆变级电压参考值引入DSM调制器以实现高性能TSMC-DSM策略。实验结果表明,所提策略能够对输出电压、电流频谱进行合理整形以减少系统对外部的电磁干扰,同时具备优良的电压传输比和动态调制性能。

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。

一种高性能、小面积的Sigma Delta DAC数字电路设计

该文设计一种高性能、小面积的Sigma Delta DAC,其中包括插值滤波器和数字调制器。插值滤波器由两级半带滤波器和CIC滤波器级联组成,实现128倍插值。在两级半带滤波器硬件实现中,滤波器系数采用查找表实现,滤波运算数据采用SRAM存储,并通过乘法器的时分复用实现,大大减少对硬件资源的使用。数字调制器采用量化误差反馈型的多bit量化Mash 1-1-1结构,这种结构不需要复杂的乘法运算,简化设计并提高系统的可靠性。该DAC数字电路在90 nm CMOS工艺下实现,面积为0.0535 mm^(2),功耗为1.0103 mW。经过测试,数字调制器输出的带内信噪比为132.2 dB,有效位数21.67,可以满足小面积、高性能DAC的设计需求。

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。

基于多模型和改进WOA算法的Delta机器人柔性夹持器抓取方法研究

[目的]解决Delta机器人柔性夹持器抓取方法存在的控制精度和适应性较差等问题。[方法]以Delta机器人柔性夹持器为研究对象,提出一种多模型和改进鲸鱼算法相结合的Delta机器人柔性夹持器抓取方法。建立稳定抓取优化模型,在抓持对象表面寻求最佳接触位置。建立无损抓取优化模型,在确保稳定抓起物体的前提下使接触力尽可能地小。结合粒子群算法和鲸鱼算法求解模型。通过试验验证了所提抓取方法的优越性。[结果]所提方法不仅具有良好的控制精度,还能够适应不同形状和大小的物体,具有较高的灵活性和适应性,抓取成功率>96%,抓取损伤率为0。[结论]所提方法有效提高了Delta机器人柔性夹持器抓取方法的性能,适用于果蔬和易碎物品的分拣工作。

Delta大通道内镜辅助下后路椎管减压椎间植骨融合术治疗退变性腰椎疾病的临床疗效

目的:探讨Delta大通道内镜辅助下后路椎管减压椎间植骨融合术治疗退变性腰椎疾病的效果。方法:回顾性分析2021年9月~2022年9月我院收治的80例退变性腰椎疾病患者的病历资料,根据患者治疗方式分为观察组(38例,男17例,女21例,年龄61.0±4.9岁)和对照组(42例,男20例,女22例,年龄60.5±5.4岁),观察组患者采取Delta大通道内镜下Endo-PLIF治疗,对照组采取开放后路腰椎椎间融合术治疗,记录两组患者术中出血量、术后引流量、手术时间、手术切口长度、住院时间,比较患者并发症发生情况。于术前、术后1周、1个月、3个月、6个月使用视觉模拟量表(visual analogue scale,VAS)评分评估患者腰痛情况,并采用Oswestry功能障碍指数(Oswestry disability index,ODI)评估患者腰椎功能;使用改良Macnab标准对患者进行疗效评估。根据患者术后1年随访时的腰椎影像学复查结果,使用Bridwell椎间融合标准对患者手术节段融合情况进行评估。结果:观察组患者的术中出血量及术后引流量分别低于对照组(88.46±10.98mL vs 112.99±12.01mL、159.73±18.42mL vs 201.36±23.06mL,P<0.05),手术切口及住院时间分别短于对照组(1.54±0.36cm vs 5.43±1.01cm、6.79±1.22d vs 8.03±1.43d,P<0.05),手术时间长于对照组(162.33±19.57min vs 126.87±23.15min,P<0.05)。80例患者术后均获随访,随访时间15~40个月(19.0±6.3个月)。观察组患者术后1周、术后1个月的VAS评分分别为2.46±0.51分、1.21±0.38分,ODI分别为(17.84±4.15)%、(10.69±1.88)%,均低于对照组[VAS评分分别为3.68±0.62分、2.01±0.41分,ODI分别为(21.33±3.48)%、(12.33±2.17)%,均P<0.05],两组患者术后3个月、术后6个月的VAS评分比较无统计学差异(P>0.05)。观察组治疗优良率为92.11%,与对照组的85.71%比较无统计学意义(P=0.487)。两组患者融合分级比较,差异无统计学意义(Z=0.487,P=0.624)。观察组术后并发症发生率为5.26%,与对照组的9.52%比较无统计学差异(P=0.678)。结论:Delta大通道内镜辅助下后路椎管减压椎间植骨融合术治疗退变性腰椎疾病效果良好,可以减少术中出血量,缩短手术切口和住院时间,更快改善患者术后短期内疼痛、腰椎功能,安全性较好。

单边双通道内镜与Delta大通道内镜技术治疗L5/S1椎间盘突出并椎管狭窄的临床疗效分析

目的 探讨Delta大通道内镜技术与单边双通道内镜技术(unilateral biportal endoscopy, UBE)治疗L5/S1单节段椎间盘突出并椎管狭窄的疗效。方法 回顾性分析2018年1月至2022年8月手术治疗的60例L5/S1单节段腰椎间盘突出并椎管狭窄患者的临床资料,其中32例采用Delta大通道内镜技术行经皮椎板间入路内镜下椎间盘切除术(Delta内镜组),28例采用UBE内镜技术行椎管减压髓核摘除术(UBE组)。比较两组围手术期指标、腰腿痛VAS评分、 ODI及并发症情况,末次随访时按Macnab标准评价疗效。结果 两组患者均顺利完成手术。Delta内镜组术中出血量少于UBE组,手术时间、住院时间短于UBE组(P<0.001)。两组患者术后腰腿痛VAS评分及ODI均较术前明显降低,且Delta内镜组术后3 d腰痛VAS评分及术后1月腿痛VAS评分均低于UBE组(P<0.05)。术后随访6个月,末次随访按Macnab标准评价疗效:Delta内镜组优30例,可2例,优良率为93.75%;UBE组优27例,可1例,优良率为96.43%;组间比较差异无统计学意义(P>0.05)。Delta内镜组硬膜撕裂1例,因撕裂处较小仅严密缝合手术切口;UBE组出现腿部疼痛加重1例。结论 Delta大通道内镜技术与UBE治疗L5/S1单节段椎间盘突出并椎管狭窄均可获得良好的近期效果,但Delta内镜手术术中出血少,软组织损伤小,操作时间短,术后短期疼痛缓解明显,患者恢复快,而UBE适应证范围相对广泛。

Delta并联机器人运动学性能分析与结构参数优化

Delta并联机器人具有速度快、结构简单、承载力强等优点,在钵苗移栽、产品分拣与包装中应用广泛。针对目前Delta并联机器人各结构参数对运动学性能的影响及系统性结构参数优化设计缺乏完整理论体系的问题,本文分析可达工作空间雅可比矩阵条件数分布规律、结构参数约束关系、运动学性能随结构参数的变化规律及相关性,获得条件数分布特性和失真约束条件,在此基础上得出动静平台半径差和主动臂长度增加和从动杆长度减小能够使得机构性能较优。给定设计工作空间,对原结构进行参数优化设计,通过建立包络惩罚函数,采用多元非线性拟合与线性加权组合法得到运动学性能评价函数,结合条件数分布特性和失真约束条件建立优化模型,利用遗传算法进行优化。相较于优化前,优化后可达工作空间体积减小14.26%,设计工作空间的全局条件数均值和全局条件数标准差分别减小31.20%和11.78%,且设计工作空间各截面条件数分布规律验证了条件数分布特性的可靠性。

Delta型FDM打印设备结构参数设定及运动学研究

FDM打印设备的扫描路径、打印速度、温度、层厚等问题是影响制件外形精度和成型效率的工艺参数的重要因素。Delta型结构作为最常用的FDM设备结构型式之一,其末端打印头的运动由多杆共同作用,运动分析较繁琐,为设备的参数设定增添了很大的难度,存在参数设定和运动分析难的问题。从Delta型的结构分析出发,重点研究了各结构尺寸之间的关联,总结了参数设定和计算的依据。考虑到Delta结构的打印头与3个滑车之间坐标的对应关系并不能通过简单推算得出,需要大量的三角函数运算,建立了Delta型结构的正、逆解运动学模型,结合几何的方式详细推导了运动学反解和正解的解法,分析和求解的结果为设定Delta型设备参数和确定控制程序算法提供了理论依据。经过分析与计算,基于并联机构内核的Delta结构采用正运动求解更便于规避正解集合中的不合理结果。

基于线粒体动力学途径探究小分子Sigma-1受体对顺铂诱导的急性肾损伤模型的治疗作用

目的:基于线粒体动力学途径变化下探究小分子Sigma-1受体对顺铂(CDDP)诱导的急性肾损伤(AKI)的影响。方法:实验分为对照组、PRE-084组、CDDP组、CDDP+PRE-084组,共4组,每组10只小鼠,CDDP组和CDDP+PRE-084组经腹腔注射CDDP(15 mg/kg)诱导AKI模型,随后PRE-084组和CDDP+PRE-084组经腹腔注射PRE-084(0.6 mg/kg),每日1次,连续7 d;结束后,全自动生化仪进行血清尿素氮(BUN)与血清肌酐(Scr)水平检测,酶联免疫吸附法(ELISA)测定尿液中肾损伤分子1(KIM-1)含量,苏木精-伊红(HE)染色观察肾组织病理形态学变化,TdT介导的dUTP缺口末端标记(TUNEL)法检测肾脏细胞凋亡情况,透射电子显微镜观察肾脏组织线粒体超微结构,生物发光技术检测肾脏组织三磷酸腺苷(ATP)产生水平,免疫荧光双染测定肾脏组织中Sigma-1受体与Mfn2定位表达,蛋白质免疫印迹法(Western blot)测定肾脏组织内线粒体分裂蛋白Drp1、Fis1与线粒体融合蛋白Opa1、Mfn1的表达。结果:与CDDP组比较,CDDP+PRE-084组小鼠血清BUN和Scr水平、尿液KIM-1水平均降低(P<0.05),肾脏组织病理损伤情况得到明显改善,TUNEL阳性细胞率减少(P<0.05),线粒体肿胀、碎裂及空泡变性程度减小,形态恢复,肾脏组织ATP含量升高(P<0.05),Sigma-1受体与Mfn2荧光染色增强,Drp1、Fis1蛋白相对表达量下调且Opa1、Mfn1蛋白相对表达量上调(P<0.05)。结论:线粒体分裂与融合途径介导了CDDP所致小鼠AKI的发生,Sigma-1受体通过调控线粒体动力学途径对CDDP诱导的AKI小鼠起到保护作用。

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。

一种基于反相器能效的Delta-Sigma调制器

本文提出了一款基于反相器能效的Delta-Sigma调制器。该调制器使用3阶单环单比特量化拓扑结构,引入相关电平移位技术,提高了电荷转移的精度和积分器电路的直流增益,改善了传统反相器直流增益过低的局限性。本次电路设计基于SMIC 180 nm CMOS工艺,电源电压为1.2 V,过采样率OSR为128,采样频率为4 MHz。仿真结果表明,设计的Delta-Sigma调制器的SNR为97.16 dB,有效位数为15.6 bits,平均功耗为367μW,优值FoMs为173.5 dB,满足高能效调制器的标准。

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。