【摘 要】
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信息技术数字化的飞速发展,使得人们对作为模拟与数字接口的高性能模数转换器（ADC）的需求愈加迫切。Σ-ΔADC以其独特的采样机理和噪声整形方式在精密模数转换领域获得广泛应用,并且由于Σ-ΔADC易于集成、具有与标准CMOS工艺兼容性好的特点,近年来其应用领域不断扩展。在微弱信号处理领域,如地震波检测、军用声纳探测等,精密ADC更是起着至关重要的作用。而Σ-Δ调制器作为精密Σ-ΔADC的关键构成部件
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信息技术数字化的飞速发展,使得人们对作为模拟与数字接口的高性能模数转换器（ADC）的需求愈加迫切。Σ-ΔADC以其独特的采样机理和噪声整形方式在精密模数转换领域获得广泛应用,并且由于Σ-ΔADC易于集成、具有与标准CMOS工艺兼容性好的特点,近年来其应用领域不断扩展。在微弱信号处理领域,如地震波检测、军用声纳探测等,精密ADC更是起着至关重要的作用。而Σ-Δ调制器作为精密Σ-ΔADC的关键构成部件,决定了Σ-ΔADC的性能,因而本文主要研究精密Σ-ΔADC前端调制器的结构与电路设计。本文研究了Σ-ΔADC的原理与关键技术,深入分析了不同结构Σ-Δ调制器的特点与性能,根据Σ-Δ调制器性能与调制器的阶数、过采样率和量化器位数等参数之间的关系,设计一种四阶、128倍过采样率、2-2 MASH拓扑结构的Σ-Δ调制器结构。对于多种非理想因素对调制器性能的影响进行了深入研究和仿真验证,确定了24位精密Σ-Δ调制器各模块的设计指标。本文完成了Σ-Δ调制器中开关电容积分器、带隙基准源、运算放大器和4位量化器等电路的设计。优化了两级运算放大器的结构与面积,获得了较高的增益、带宽和最佳相位裕度。对传统的CMOS共源共栅带隙基准源结构进行优化,引入了电压补偿电路,提高了基准电压的抗干扰能力。优化了4位SAR量化器中的动态锁存比较器,使其在较低功耗下获得了较高速度和灵敏度。应用Spectre Verilog工具对系统进行了数模混合仿真,并将输出结果导入MATLAB做分析,仿真结果显示,调制器输出信噪失真比SNDR为149.7 d B。最后,基于TSMC 0.18μm CMOS工艺完成了Σ-Δ调制器版图的设计并进行了后仿真,所设计的Σ-Δ调制器的版图面积为0.679 mm×0.7 mm,功耗为16.4 m W,得到Σ-Δ调制器的SNDR为142.6 d B,有效位数为23.4位。
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