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。

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。

一种应用于音频的可重构Σ-Δ连续时间调制器

基于180 nm CMOS工艺,设计了一种应用于音频领域的可重构前馈式3阶Σ-Δ连续时间调制器。传统Σ-Δ连续时间调制器只有一种工作模式,而该设计利用可重构的积分器使Σ-Δ连续时间调制器具有高精度和低功耗两种工作模式。此外,采用的加法器提前技术减小了调制器功耗,负电阻补偿技术提高了调制器的SNDR,额外环路延时补偿技术提高了调制器的稳定性。仿真结果表明,在20 kHz信号带宽、1.8 V电源电压下,低功耗模式下调制器的SNDR为94.7 dB,功耗为291μW;高精度模式下调制器的SNDR为108 dB,功耗为436.6μW。

一种满摆幅输入的高精度∑-Δ调制器设计

针对高精度Σ-Δ调制器因采用高阶或者级联结构而存在满摆幅输入条件下积分器容易过载以及电路复杂度较高的问题,利用Matlab设计了一种满摆幅输入的高精度Σ-Δ调制器。采用描述调制器时域模型的方法,使用代码自动综合出满足要求的调制器系数。该调制器电路采用Tower Jazz 0.18μm CMOS工艺进行设计与仿真,结果表明,带宽内的信噪失真比达到105.5 dB,有效位数为17.2位,版图面积为0.4 mm^(2),在5 V电源电压下功耗为1.2 mW。该调制器可用于对任意输入信号幅度的低频微弱信号进行精确检测的传感器信号采集电路中。

铌酸锂M-Z电光强度调制器光辐射模研究

铌酸锂马赫-曾德尔(M-Z)电光强度调制器光辐射模与光纤耦合是导致芯片与光纤组件耦合失效的主要原因。采用光纤与芯片高精度耦合扫描法对光波导和光辐射模进行扫描,研究了光辐射模中心位置分布、光辐射模输出光功率随偏置电压的变化特性,以及光辐射模、光波导与光纤耦合光能量的分布特性。测得光波导在X,Y方向的有效耦合范围分别为14~15.5μm和14~16μm,光辐射模在X,Y方向的有效耦合范围分别为89~92μm和92~96μm。根据所研究的光辐射模特性,制定了失效耦合的解决方案,解决了光辐射模耦合失效问题。

基于AZFA技术的高精度低功耗Σ-Δ调制器

为满足高精度Σ-Δ调制器在实际应用中对于低功耗日益严格的要求,提出一种基于自稳零和双通道动态运放结合的AZFA技术的离散型Σ-Δ调制器。设计采用局部前馈、全局反馈的全差分二阶单bit量化结构,具有低功耗、低失调、低噪声、稳定性好的优点。整体电路采用SMICBCD 0.18μm工艺,工作电压为5 V。仿真结果表明,在过采样率(OSR)为512、采样时钟频率为163 kHz条件下,其信噪比、有效位数、整体功耗等相关指标均有优秀表现,适用于低速高精度低功耗系统的应用场景。

一种级间运放共享的MASH结构Σ-Δ调制器

基于55 nm CMOS工艺,设计了一种级间运放共享的级联噪声整形(MASH)结构Σ-Δ调制器。采用2-2 MASH结构对调制器参数进行了设计。对经典结构的开关电容积分器进行了改进,并应用到调制器电路的设计中,实现了两级调制器之间的运放共享,在达到高精度的同时减少了运放的数量,显著降低了MASH结构调制器的功耗。仿真结果表明,在3.3 V电源电压下,调制器信噪失真比为111.7 dB,无杂散动态范围为113.6 dB,整体功耗为16.84 mW。

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。

增量型Σ-Δ调制器优化设计算法研究

提出了一种用于增量型Σ-ΔADC的调制器设计的算法。该算法针对增量型Σ-ΔADC中的积分器系数进行优化,采用两步式搜索的方法,对可能的最优解组合进行多次求解与对比分析。基于该算法,设计了一种16位40 kS/s增量型Σ-ΔADC。可以对ADC电路的有效精度和输入采样速率这两个性能指标进行有效调节及优化。仿真结果表明,采用所提出的优化设计算法可以将ADC的输入采样速度由40 kS/s提升到51 kS/s,或者将ADC的ENOB由13.76 bit提高到14.72 bit,且不增加额外功耗。

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.

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。

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Simulink的Sigma-DeltaA/D转换器调制器系统建模

基于Sigma-Delta模数转换器结构,采用Simulink仿真工具提出了过采样Sigma-Delta调制器系统建模方法。结合调制器结构参数和电路噪声参数,建立了二阶低通型和二阶带通型过采样Sigma-Delta模数转换器调制器的非理想系统模型,并对调制器的功率谱密度图和信噪比进行仿真,验证了建模方法的正确性。

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.

高精度音频多位sigma-delta调制器设计

设计一个内部采用4位量化器的二阶单环多位sigma-delta调制器。为解决反馈回路中多位DAC元件失配导致的信号谐波失真问题,该sigma-delta调制器采用CLA(Clocked averaging algorithm)技术提高多位DAC的线性度,同时采用动态频率补偿技术增加积分器的稳定性。调制器信号频率带宽为24kHz,过采样率(OSR)为128,采用尺寸为0.5μm的CMOS工艺,工作电压为5V。测试结果表明:在输入信号频率为20kHz时,信噪比(SNR)达103dB,调制器输出信号无杂波动态范围为102dB;整个调制器功耗为87mW,芯片总面积为2.56mm2。

2.2MHz,8.3mW多位量化连续时间Sigma-Delta调制器设计

本设计完成了一款2.2MHz、8.3mW连续时间Sigma-delta调制器,可应用于无线通信领域.与传统的离散结构相比,连续结构在实现兆赫兹以上带宽的同时,显著降低了功耗,并且在低电源电压下也有很好的发展潜力.此Sigma-delta调制器采用前馈单环三阶四位量化结构,考虑了非零环路延时效应,设计了补偿网络.在标准0.18μm CMOS工艺下,完成了调制器电路的设计.经过Cadence Spectre仿真验证,调制器的信号带宽为2.2MHz,动态范围为69dB,在1.8V电源电压下,电路总功耗仅为8.3mW.

一种Sigma-Delta调制器的电路实现

由于过采样sigma-delta调制器结构简单,并对电路的非理想因素要求不高,它被广泛应用在信号处理中。这里提出了16-bit,1.2-Ms/s调制器的具体实现电路。在Chartered 0.35?m CMOS工艺库下通过了仿真和验证,这个调制器的SNR可以达到93dB,在3.3V电源下功耗为200mW。

应用于数字音频的二阶Sigma-Delta调制器设计

设计了一个应用于数字音频处理芯片的Sigma-Delta调制器,为了提高模数转换器的解析度,采用稳定的二阶结构,通过提高过采样率来实现.采用HJTC0.18μm CMOS工艺,在1.8V电压下设计过采样率为256的二阶开关电容调制器,使用Hspice和MATLAB对电路进行了仿真分析,结果表明可以达到92.5dB的信噪比,有效位数约16位.

高精度Sigma-Delta调制器的建模设计

基于MATLAB Simulink设计实现了一款单环三阶一位量化CIFF(Cascade-of-integrators,feedforward form)结构的高精度Sigma-Delta调制器.通过对噪声传输函数和系统反馈系数进行优化,提高了调制器的稳定性;分析了开关电容电路的主要误差影响,为电路实现提供可靠的设计指导.仿真结果显示,在输入信号带宽为75Hz,过采样率为512时,理想调制器输出SNR高达148.3dB,ENOB为24.34bit;考虑非理想因素时,ENOB为22.02bit;电路级实现的调制器ENOB达20.94bit,表明该设计可实现低信号带宽下高精度转换.