论文部分内容阅读
本文所设计的sigma-delta ADC主要应用于音频设备中,采用一种一位四阶单环的完全前反馈sigma-delta调制器,采用低电压供电,整个系统采用全差分开关电容结构。本人主要研究内容包括:分析sigma-delta ADC的基本原理,对各种结构进行理解比较,对限制sigma-Delta ADC精度的多种非理想因素建模分析,如运放的有限增益,有限带宽,有限电压摆幅,积分器噪声,电容的不匹配等等。用matlab软件对模拟调制器和数字滤波器进行建模,对其参数进行仿真验证与优化。设计内部各个单元的CMOS电路,包括运算放大器,开关电容积分器,加法器,比较器,带隙基准,互不交叠时钟,在Cadence下进行仿真调试,对整体电路进行联合仿真调试,并完成版图设计,通过了DRC规则检查和LVS电气连接检查。所有的电路部分均是在GSMC 0.18um的工艺下完成。与传统sigma-delta调制器结构相比较,本人设计的这种结构减少了系统对于内部各个子电路,尤其是积分器的中运算放大器的需求,大大减小了对于运算放大器的增益和摆幅的设计要求,提高了sigma-delta ADC输入信号的幅度和频率,进而使其功耗大幅度减小。基于以上特点,使该种结构应用于低电压环境中。研究中,还探讨了系统稳定性问题,在一位四阶单环结构的sigma-delta调制器中,由于器件非线性的影响,会造成整个系统的不稳定,且目前尚无完全的充要条件对其进行约束,需要进行大量的仿真确定各个积分器的系数。本人使用MATLAB的toolboxes工具箱对调制器的系统模型进行仿真验证,并对SNR和系统稳定性进行折中,最终优化到最佳结果。在整个sigma-delta ADC系统中,数字滤波器是一个十分重要的组成部分,调制器决定了系统的精度和速度,数字滤波器决定了系统的功耗和面积,它占据了大量的功耗和面积。在低功耗中,数字滤波器结构的设计极为重要,应尽量避免采用乘法器结构,本文采用CIC梳状滤波器和半带滤波器的级联结构来实现抽取滤波的功能。最终的仿真结果表明,在1.8V供电下,该sigma-delta ADC处理信号带宽达到45kHz,在采样频率为12.8MHz,过采样率为128,输入频率为40kHz,幅度为0.38V时,SNR达到93.9dB。