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过采样Sigma-Delta ADC采用Sigma-Delta调制技术来实现模数转换,非常适合用来实现数字通信系统和信号处理系统中的模拟接口部件。这类模数转换器可充分利用现代VLSI的高速、高集成度的优点,同时避免了元器件失配对A/D转换器精度的限制,已成为实现高精度模数转换的主要技术。
本文针对高速数据采集系统的应用,设计了一种适用于高速、高精度模数转换器的调制器部分。该调制器采用了三级五阶结构,由全差分开关电容电路实现。采样时钟为38.4MHz,过采样率为32,电源电压为3.3v,单比特量化,D/A参考电平为士1.6V。采用Chartered的0.35μm,2P4M,N阱CMOS工艺进行仿真,结果显示,在1.2MHz的转换频率下,调制器的SNR达到91.8dB,功耗约为200mW。
本文主要完成的工作有以下几个方面:
(1)对各种模数转换技术的发展和应用前景以及国内外最新研究情况进行了详细的论述,对Sigma-Delta ADC原理和各种结构进行了深入的分析。
(2)根据设计要求确定了调制器的过采样率、调制阶数和量化器位数,确定了调制器的拓扑结构为级联2-2-1。在行为级仿真优化的基础上合理选取增益衰减因子和级间耦合系数。同时还对积分器的非理想特性和噪声也进行了建模。
(3)讨论了电路实现过程中运放有限增益、有限带宽、不完全建立过程等非理想因素对调制器性能的影响,确定各个模块电路的性能指标,包括开关电容积分器、多相时钟发生电路、锁存比较器和差分基准电压源,并对整个调制器进行了仿真,用Spectre作瞬态分析,用Matlab完成了噪声抵消逻辑和FFT分析,结果基本达到设计要求。