连续时间sigma-delta模数转换器研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 华斯亮 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2009-05-27 |
| 授予单位 | 中国科学院声学研究所 |
| 授予地点 | 声学研究所 |
| 关键词 | Sigma-Delta 连续时间 模数转换 多比特 电源管理 校准 |
| 学位专业 | 信号与信息处理 |
| 中文摘要 | 模数转换器（Analog-to-Digital Converter, ADC）是作为连接模拟世界和数字世界的桥梁，对模拟信号处理和数字信号处理都有着重要的意义。一般认为，基于过采样和噪声整形的sigma-delta结构的模数转换器适用于低速率、高精度的应用。但这种局面已经改变，现代sigma-delta模数转换器持续往高速、高精度、低功耗三个方向发展。连续时间结构的sigma-delta模数转换器由于其低功耗、隐含的抗混叠滤波、低噪声并易于驱动的输入等优点，成为了该领域研究的热点。本论文针对便携式产品中的低功耗、高速度、中高精度的模数转换器的需求，瞄准国际先进的模数转换器尖端结构，探索连续时间结构调制器系统级设计新方法，解决了低功耗管理的若干关键问题，研究并设计了连续时间sigma-delta模数转换器。 本文首先介绍了sigma-delta模数转换器的基本原理和结构，比较了连续时间结构与离散时间结构在采样方式、滤波器、量化器和反馈实现方式的不同。在对比了两者的优缺点之后，分析了在本文中使用连续时间结构的原因。 本文系统地研究了sigma-delta模数转换器环路滤波器函数系统级设计方法，提出一种新的连续时间sigma-delta调制器设计方法。相对于传统的方法，该方法增加了CT-DT变换，把连续时间环路滤波器转换到离散时间状态空间，利用离散时间环路滤波器的成熟的设计平台进行设计，可以减少设计的反复，使设计快速收敛。论文在0.18µm CMOS工艺下完成了连续时间3阶单环4比特量化调制器的电路设计和版图设计。结果表明将时钟抖动、多余的环路延时、积分系数变化、数模转换器非线性等非理想性因素建模后，系统设计结果与实际设计结果类似，对版图提取寄生参数后仿真结果显示，调制器在信号带宽800kHz下可以达到13.3比特有效位数，总功耗6.67mW，可应用于便携式通信领域，如手机电视等。 在便携式产品中，功耗已经成为产品关注的重要因素之一。本文研究了低电压下的电源管理，提出一种改进的低压带隙基准电路。改进后的低电压带隙基准电路兼容标准的CMOS工艺，不需要特殊的MOS管，内置启动电路，连接和使用方便。经流片测试，整个电路总电流为7µA，功耗约15µW，在电源电压1.4-3.6V和温度-40℃到125℃下都可以工作，为sigma-delta模数转换器提供稳定的电压偏置和参考电流。本文还提出时钟频率控制的休眠技术，代替传统休眠引脚的方法。经流片测试，时钟频率控制的休眠电路休眠和唤醒频率为40kHz-60kHz，唤醒时间小于0.5ms。该方法特别适用于模数转换器等存在时钟输入管脚的混合信号处理芯片的休眠和唤醒控制，可以减少引脚、降低芯片成本、简化外部连接。 为了解决连续时间sigma-delta模数转换器系数随工艺变动的问题，本文提出一种自校准和外部校准相结合的校准方法。针对连续时间sigma-delta模数转换器的结构，探索了低成本、适用于大规模生产的自校准方法，提出了可对电容值、电阻值和MOS管校准的自校准算法。算法的执行时间为1~5.5ms，总门数约为1858门。外部校准采用IEEE 1149.1协议，可以配置模数转换器的带宽，便于SOC的可重用和集成。同时，可以获取内部的系数，通过接口对内部校准系数的直接修改，可以个别地调节模数转换器的系数，观察性能，便于自校准算法的改进，更好的研究连续时间sigma-delta模数转换器。整个系数校准电路，包括自校准电路和外部校准电路的规模约为3673门。 综上，本文对连续时间sigma-delta模数转换器取得了一定的研究成果，为便携式产品中的低功耗、高速度、中高精度的模数转换器的发展作出了贡献。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2011-05-07 |
| 页码 | 172 |
| 源URL | [http://159.226.59.140/handle/311008/492]  |
| 专题 | 声学研究所_声学所博硕士学位论文_1981-2009博硕士学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 华斯亮. 连续时间sigma-delta模数转换器研究[D]. 声学研究所. 中国科学院声学研究所. 2009. |
入库方式： OAI收割
来源：声学研究所
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