（电路与系统专业论文）高精度Σ—Δ调制器的设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 符号列表 p d e v i c et r a n s c o n d u c t a n c ep a r a m e t e r 陬d e v i c e t r a n s c o n d u c t a n c ep a r a m e t e ro f n m o st r a n s i s t o r 岛d e v i c e t r a n s c o n d u c t a n c ep a r a m e t e ro f p m o st r a n s i s t o r 九c h a n n e l l e n g t h m o d u l a t i o np a r a m e t e r k c h a n n e l l e n g t h m o d u l a t i o np a r a m e t e ro f n m o st r a n s i s t o r k c h a n n e l l e n g t h m o d u l a t i o np a r a m e t e ro f p m o st r a n s i s t o r b u l kt h r e s h o l d p a r a m e t e r b u l kt h r e s h o l dp a r a m e t e ro f n m o st r a n s i s t o r 坳 b u l kt h r e s h o l dp a r a m e t e ro fp m o st r a n s i s t o r g h o z e r ob i a st h r e s h o l d v o l t a g e z e r ob i a st h r e s h o l d v o l t a g eo f n m o s d e v i c e z e r ob i a st h r e s h o l d v o l t a g eo f p m o s d e v i c e t h r e s h o l d v o l t a g e 瓦 s u r f a c ep o t e n t i a lo f p m o sd e v i c e s u r f a c ep o t e n t i a lo f n m o sd e v i c e n o i s ec u r r e n t n o i s e v o l t a g e t r a n s c o n d u c t a n c e r e s i s t a n c e c a p a c i t a n c e p o w e r d i s s i p a t i o n 7 2 g r 砰 g r c p 浙江大学硕士学位论文 tt i m ec o n s t a n t i ic u r r e n t v v o l t a g e f ，ff r e q u e n c y 8 浙江大学硕士学位论文 中英文对照表 t h e r m a ln o i s e 一热噪声 f 1 i c kn o i s e 一闪烁噪声 c l o c kj i t t e r 一时钟抖动 s i g m a d e l t aa dc o n v e r t e r 一一a 转换器 s n r ( s i g n a lt on o i s er a t i o ) 一信噪比 q u a n t a t i o nn o i s e 一量化噪声 o v e r s a m p l i n gr a t i o 一过采样比 c a s c a d e 一级联 g a i n 一增益 n o n o v e r l a p p i n gc l o c k 一两相不重叠时钟 b o t t o mp l a t es a m p l i n gt e c h n o l o g y 一底极板采样技术 c h a r g ei n j e c t i o n 一电荷注入效应 u n i t yg a i nb a n d w i d t h 一单位增益带宽 c m f b 一共模反馈电路 b a n dg a pr e f e r e n c e 一能隙基准电路 f o l d e d c a s c o d e - - 折叠级联 s y s t e m - o n c h i p 一片上系统 a d 一一模数转换 d a 一一数摸转换 m a s h 一级联结构 d i g i t a lc o r r e c t i o n 数字校正 t h e r m a l n o i s e 一热噪声 f 1i c hn o i s e 闪烁噪声 f f t 一快速傅立叶变换 9 浙江大学硕士学位论文 摘要 s i g m a d e l t a 调制器与过采样相结合，对量化误差噪声进行整形，有效衰减 输出信号的带内量化噪声，提高了输出带内信噪比( s i g n a l t o n o i s e ，s n r ) ，使 得利用粗转换器进行高精度的模，数数模转换成为可能。和传统的n y q u i s t 转换 器相比，过采样- a a d c 将提高精度的压力尽量转移到数字环节，充分利用了 数字电路规模越做越大，速度越来越高而成本日益下降的发展趋势，在模拟电路 部分降低了对性能指标和元器件匹配精度的要求，简化了设计，降低了生产成本。 一调制器结构是迄今为止在数字v l s i 技术中执行高精度a d 变换最吸引人的 方法。而国内的设计水平和国际上有很大的差距，至今很少有高于1 6 位精度转 换器量产。 本文研究了1 6 位精度、2 0 k h z 频率的数模转换器的设计。本设计采用多级 级联( m u l t i s t a g e ) 结构，大大简化了系统结构稳定性的设计，并且对电路中 难处理的噪声( n o i s e ) 、失调( m i s m a t c h ：) 以及所需运放的带宽和增益做了重点 设计和讨论，并且得到运放的增益和带宽分别大于7 0 d b 和5 0 m h z 可以满足要求， 通过对输出信号进行快速傅立叶变换分析，得到输出信号在2 0 k h z 频率范围内的 信噪比为9 8 d b ，达到了1 6 比特的精度。本文第一章介绍了一调制技术的特点、 优点和发展情况，并且阐述了设计目标。第二章介绍了一转换器的原理。第 三、四章分别介绍了结构设计和具体电路设计，第五章给出了仿真结果和结论。 关键词：调制器，过采样，量化噪声，信噪比，一转换器，奈奎斯特转换器 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i g m a - d e l t am o d u l a t o r s ，c o m b i n e dw i t ho v e r s m n p l i n g ，e f f e c t i v e l ya t t e n u a t et h e i n b a n dq u a n t i z a t i o nn o i s ei nt h eo u t p u ts i g n a la n de n h a n c et i l es i g n a l t o n o i s e ( s n r ) t h r o u g ht h es h a p i n go f t h eq u a n t i z a t i o ne r r o r , t h u st h e ym a k ei ti sp o s s i b l et od o h i g h - r e s o l u t i o nc o n v e r t e ru s i n g c o a r s ec o n v e r t e r s c o m p a r e dw i t ht h e i rn y q u i s tr a t e c o u n t e r p a r t s ，o v e r s a m p l i n gs i g m ad e l t a a da n dd a c o n v e r t e r s ，t a k i n gt h ea d v a n t a g e o fs t a t eo ft h ea r tv l s it e c h n o l o g yf e a t u r e di n c r e a s i n gs c a l ea n ds p e e d ，t r a n s f e rt h e p r e s s u r eo f h i 曲r e s o l u t i o n t od i g i t a ls y s t e ma n dg r e a t l yr e l e a s et h e r e q u i r e m e n t o dt h e p e r f o r m a n c eo fa n a l o gc i r c u i t s i g m a - d e l t ai st h eo n eo f m o s ts i g n i f i c a n tt e c h n o l o g y i nt h ec o n v e r t e rd o m a i n i nc h i n a ，t h er e s e a r c hf a l lal a r g ed i s t a n c eb e h i n dt h e i n t e r n a t i o n a l t h e r ea r ef e wc o n v e r t e r s h a v i n g t h er e s o l u t i o na b o v e16b i ta r e p r o d u c e d ， t h i sp a p e rm a d ear e s e a r c ho n16b i tr e s o l u t i o ns i g m a - d e l t ac o n v e r t e rd e s i g n 。 t h e m u l t i s t a g es t r u c t u r ew a s u s e dw h i c h g r e a t l yr e d u c e d t h ec o m p l e x i t yo f s t a b i l i t y ， a n dm a d ea l le m p h a s e sd i s c u s so nt h en o i s e 、o f f s e t 、m i s m a t c hw h i c hw a sa d i f f i c u l t y i ne v e r yd e s i g n t h ef i r s tp a r to ft h et h e s i si n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to f s i g m a d e l t a d a t ac o n v e r s i o nc o n c i s e l y ad e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h ep r i n c i p l ea n di m p l e m e n t a t i o n o f s i g m a - d e l t a a dc o n v e r s i o ni sp r e s e n t e di nt h es e c o n d p a r t i nt h et h i r dp a r ta n dt h e f o u r t hp a r t ，t h es t r u c t u r ea n dc i r c u i td e s i g nw a si n t r o d u c e d a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t w a s p r e s e n t e d i nt h ef i f t hp a r t 。t h e ng i v e st h ec o n c l u s i o n k e yw o r d s ：m o d u l a t o r , o v e r - s a m p l i n g ，q u a n t i z a t i o nn o i s e ，s i g n a l - t o n o i s er a t i o ， s i g m a - d e l t ac o n v e r t e r , n y q u i s t c o n v e r t e r 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究动机和研究意义 自然界中的各种物理量，例如光、电、声、振动等常常表现在时间域上连 续变化的模拟信号。在科学研究和工程技术的各个领域往往需要对这些信号进行 加工处理，这种处理以往大都采用模拟系统来实现。近年来随着大规模集成电路 和数字信号处理技术、计算机技术的发展，数字系统得到了飞速发展，由于数字 系统具有性能高、可靠性好，灵活性以及体积小、耗电量少、成本低的优点，使 模拟信号己越来越多的采用数字系统进行处理。 数字系统只能处理数字信号，为了能利用数字系统来处理模拟信号，首先 必须进行模数转换( a d ) ，处理完后必须经过数摸转换( d a ) 还原成模拟信号， 所以，a d 和d a 转换器是模拟信号数字处理总必不可少的基本部件。 随着技术的进步，人们对于数据转换的精度要求越来越高，例如在高保真 音频系统，就对模数转换器提出了很高的：要求，即a d 转换器必须具有1 6 b i t 以 上的分辨率，而采用传统的a d 转换原理，如双积分式、逐次逼近式等是很难 达到如此高精度要求的。 s i g m a - d e l t a 方法是2 0 世纪8 0 年代兴起的一种高精度转换器实现方法，这 种方法应用过采样原理，将信号频带内的量化噪声大大压缩，从而达到很高的信 噪比。与其他结构的转换器比较，s i g m a d e l t a 转换器有许多独特的优点。 一高精度。 随着计算机技术的发展，人们对模拟数字转换器的要求越来越高，而相 对传统方法实现的转换器而言，与更高的转换精度对应的是更高的元件精度要 求，而更高的元件精度要求往往意味着更低的成品率，更高的制造成本。而且当 精度要求高到一定程度的时候，应用传统的模数转换器甚至无法实现，而 s i g m a - d e l t a 转换器应用过采样噪声整形原理，限制s i g m a - d e l t a 转换器的关键因素 是元件的速度，而不是元件的精度，而对显得集成电路制造工艺来讲，提高元件 的速度相对来说较为容易，目前s i g m a - d e l t a 转换器已经是现代高精度转换器的 主流方法。 二 高线性。 浙江大学硕士学位论文 s i g m a - d e l t a 转换器的另一个特点是线性度非常高，这是因为s i g m a - d e l a t 调 制器的结构是用一个内部较低精度的转换器来转换模数信号，然后运用过采样噪 声整形原理扩展转换器的动态范围，而这个内部由于精度较低，所以可以得到比 较高的线性度。 三便于和数字系统集成。 在集成电路生产中，数字电路的设计工具方法比较成熟，集成电路生产工 艺通常也都是针对数字电路进行优化的，而模数转换器属于大规模数模混合电 路，数模混合电路的关键部分往往是模拟电路，对需要高精度的模拟电路，针对 数字电路优化的设计工具和生产工友难以真正满足要求。s o c ( 单片系统集成) 是 现代电子系统的趋势，由于s i g m a - d e l t a 转换器对模拟元件的精度没有很高的要 求，因此可以用和数字电路工艺完全兼容的生产条件进行s i g m a - d e l t a 转换器的 生产，因此应用s i g m a - d e l t a 转换器可以： 常方便的和数字电路集成，实现真正 意义上的系统集成。 1 2 发展现状： s i g m a d e h a 转换器的概念最早是由c c u t l e r 于2 0 世纪5 0 年代提出的，但 是直到7 0 年代末才得到了较大的发展，r i t e h i e 于1 9 7 7 年作了第一次重要的改 进，他提出在前馈通道中采用多个级联形式的积分器以实现高阶环路滤波器，同 时每个积分器都从d a c 接受到一个加的输入以防止非稳定性。1 9 8 7 年，l e e 和 s o d i n i 1 2 提出了稳定的高阶环路设计技术。 1 9 8 6 年，h a y s h i 等 3 提出了另一种实现稳定的高阶s i g m a - d e l t a a d 转换器 的方法，他们提出了一种叫m a s h 的结构，信号经过一个单积分器出来后输入 到第二级，两级的输出量化噪声经过一个数字校正电路把第一级的量化噪声消 除。这种方法的一个最大特点是能够始终保持稳定性。 另一种s i g m a - d e l t a a d c 是多比特( m u l f i b i t ) 量化器，然而这需要在反馈通 道中增加一个多比特d a c ，单d a c 的线性性能会影响整个a d c 的线性度。1 9 8 9 年，c a r l e y 采用一个匹配的动态单元来减少d a c 引入的非线性误差【4 】。1 9 9 0 年， l e s l i e 5 提出了一种1 比特d a c 和多比特a d c 相结合的结构，得到了较好的线 浙江大学硕士学位论文 性和较低的噪声。l a r s o n 等 6 提出采用数字校正技术( d i g i t a l c o r r e c t i o n ) 以消除d a c 的非线性影响。 为了满足某些通信电路的特殊要求，一种带通结构的s i g m a - d e l t a 转换器被 提出，以满足某些电路对于特殊频带的要求。 1 3 设计目标： 1 设计完成一个频率在音频范围内、精度为十六位的一a 调制器。 2 设计完成几个高性能的运放以满足电路的要求 3 设计完成一个动态比较器。 4 设计完成一个能带电压基准。 浙江大学硕士学位论文 第二章一aa d c 基本理论 本章从首先介绍了奈奎斯特转换器、过采样转换器、转换器的特点和 联系，然后从时域和频域两个方面对转换器的原理进行了介绍，最后介绍 了各种结构的a a d 转换器。 2 1 信噪比、量化噪声、过采样 信噪比： 信噪比是数模和模数转换器的一个重要参数，信噪比的大小是指示转换器分 辨率高低的一个重要参数。一般情况下，信噪比( s i g n a lt on o i s er a t i o ) 用最大 输入信号的均方根( r m s ) 值和量化噪声的均方根值的比值来表示。如下式 s n r ：2 0 l o g ( ! 垫堕)( 2 1 1 。地 量化噪声： 量化噪声是由于对输入信号进行量化( 即从数字信号变成模拟信号) 而 产生的噪声，它的大小是实际的模拟信号的数值和数字信号所表示的数值的差。 即使是理想的a d 转换器也会产生产生量化噪声，下图图示了量化噪声的产生 机理： 图2 1 量化噪声的产生模型 量化噪声可以用公式表示如下： v o - v 1 v 。( 2 2 ) 其中v q 是量化噪声，v i 。是输入信号，v 1 是d a 的输出信号。为了表示量 化噪声，给v i n 加入下图所示阶梯信号，可以用下图右表示，很明显，量化噪声 的均值为零，而它的均方根值可用下式表示： 浙江大学硕士学位论文 删= 二1k , f 2 ：2 出 l 2 = 二1h e r n ：r 脚z 可- - t ) 2 卅= 睁l 第：矿2 ( ：，) 即： i ， 一y i s b g ( 一s ) 一_ 7 青 吖l z ( 2 4 ) l v q 卜卜卜卜卜卜f nnnnnnn 一 i t i 图2 2 量化噪声的图形表示 2 2 奈奎斯特转换器： 通常，我们根据采样率的高低把转换器分为奈奎斯特转换器和过采样转换 器，s i g m a - d e l t a 转换器是过采样转换器的一种改进形式。奈奎斯特转换器般 是指采样频率为信号频率的两倍的转换器。 如果设输入信号为正弦信号，并且幅值等于参考电压的大小，那么此输入信 号的均方根值 8 】为： ，= 丽v r e f = 掣 ( 2 s ) 而量化噪声的均方根值为： q = 砖篡( 嘣d = 箍 ( 2 - 6 ) 7 矗沾v j 二 于是，奈奎斯特转换器信噪比可用如下公式来表示： 蛳 s n r = 2 0 l o g ( 等) ， ( 2 7 ) 也可以用下式表示 浙江大学硕士学位论文 s n r = 2 0 n l o g ( 2 ) + 2 0 l o g 西一2 0 1 0 9 2 x 2 = 6 0 2 n + 1 7 6( 2 8 ) 其中，n 为分辨率。 2 3 过采样转换器( o v e r s a m p l i n g c o n v e r t e r ) 一般认为采样频率远大于奈奎斯特采样频率的转换器为过采样转换器 下图是奈奎斯特转换器和过采样转换器在频域的对比： 图2 3 ：奈奎斯特转换器和过采样转换器的噪声频谱 f 假设量化噪声的的频率密度为s e ( f ) ，那么由于量化噪声总量不变( v 2 l s b 1 2 ) 可以得到如下计算s 。的公式： k t f s l 2 疋2 ( f ) d f = 百v 2 l s b ( 2 9 ) w h 静压 ( 2 1 0 ) 由上图可知，落在i 频带内的噪声才是我们对我们的系统性能有影响的， 而在1 频带n _ j , j , b 2 频带内将被后面的滤波器滤掉，对系统性能不产生影响。由 推导公式( 2 4 ) 可知落在信号频率范围内的量化噪声大小为： q 2 e ( f ) d f = 等( 志) ( 2 于是， s n r = 6 0 2 n + 1 7 6 + 1 0 l o g ( o s r )( 2 1 2 ) 其中：o s r 是信号的采样频率和奈奎斯特采样频率的比值。从上面的公式 浙江大学硕士学位论文 我们可以看到：如果o s r 足够大，那么过采样转换器的信噪比比奈奎斯特转换 器大的多，从而提高了转换精度。 2 4 a 转换器： 与过采样转换器相比，s i g m a d e l t a 转换器采用噪声整形原理和过采样技术 进一步压缩了带内噪声总量，更大的提高了系统的信噪比，下图是s i g m a d e l t a 转换器的系统框图： 图2 4 ：一a 转换器的系统框图 第一部分是仿混叠滤波器，它的作用是把输入信号的频率限制到小于采样信 号频率的一半，如果采样信号频率很大的时候，这个滤波器可以做的比较简单。 第二部分是采样保持电路，从采样保持电路出来的信号输入到一a 调制器被转 换成噪声整形的低分辨率的数字信号，后面的降频低通滤波器( d e c i m a t i o n f ii t e r ) 把低分辨率的数字信号变成高分辨率的数字信号，并且把信号的频率降 到所需频率的两倍。 一阶一a 转换器： 下图是一阶转换器的组成框图 图2 5 一调制器 浙江大学硕二学位论文 其线性模型如下图所示 x 图2 6 一a 调制器的线性模型 频域分析1 7 1 ： 由上图可知：信号传输函数s 邗( z ) 如下所示： 驰，= 器= 篙戋玎1 汜 噪声传递函数n t r ( z ) ： 州咖器= 而高一可1 ( 2 1 4 ) 由以上两式可知：信号传递函数只是把信号延迟了一个时间单位，噪声传递 函数则是一个高通滤波器，大大压缩了低频噪声。上图结构中的反馈环路起到了 噪声整形的作用，它通过预测噪声的大