移動設備中高精度低功耗Sigma-Delta調制器的設計與實現(xiàn).pdf

1、隨著特征工藝尺寸的不斷減小和移動電子設備的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代集成電路的工作電壓不斷地降低。這為主流數(shù)字芯片帶來了顯著的性能提升和功耗節(jié)省，也對模擬集成電路的設計提出了更大的挑戰(zhàn)，特別是一些高精度高性能模擬模塊的低電壓低功耗實現(xiàn)。例如，在主流移動設備中，鋰電池等可充電電池占據(jù)著主導的地位，而這些電池在其使用周期末端的輸出電壓通常會較正常工作電壓有顯著的下降。這就要求移動設備中的電路能夠在極低的電壓下正常工作，并通過減少自身所需功耗來盡量延長其

2、工作周期。其中，由于受到動態(tài)范圍等因素的限制，又要兼顧對數(shù)字電路的影響，模擬電路模塊的低壓低功耗設計成為整個系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵。 在移動測量設備中，一個高精度低功耗的數(shù)模轉換模塊是必不可少的，正是它將傳感單元檢錄的模擬信號轉換為更易被大規(guī)模處理的數(shù)字信號。由于模擬電路實現(xiàn)過程中不可避免的失配與各種各樣的誤差，傳統(tǒng)的奈奎斯特類數(shù)模轉換器很難實現(xiàn)超過十位的分辨率。而當今興起的過采樣類數(shù)模轉換器則得益于系統(tǒng)對失配與誤差的有效抑制，以及過采

3、樣率帶來的噪聲衰減，正越來越多地成為實現(xiàn)高精度數(shù)模轉換的選擇。其中就包括以Sigma-Delta調制器為基礎的sigma-Delta 數(shù)模轉換器。相較于傳統(tǒng)的奈奎斯特類數(shù)模轉換器，sigma-Delta 調制器能夠在同等精度下大幅度減少所需的硬件電路，從而降低芯片所需的功耗和面積。 論文主要研究移動測量設備中高精度低功耗 Sigma-Delta 調制器的設計與實現(xiàn)。在廣泛閱讀國內外相關文獻的基礎上，系統(tǒng)研究了 Sigma-Del

4、ta 調制理論，并詳盡分析了各種不同拓撲實現(xiàn)間的優(yōu)劣比較。以設計一個能夠工作在1.5v電壓下，信號帶寬1KHz，達到16位分辨率的Sigma-Delta調制器為具體實現(xiàn)目標，在滿足系統(tǒng)性能要求的前提下，盡量選擇能夠降低功耗的拓撲結構以實現(xiàn)性能與功耗的最優(yōu)化，并將整體功耗控制在一毫瓦以內。系統(tǒng)層次的設計與仿真主要集中在以下幾個方面：階數(shù)與過采樣率選擇，拓撲結構比較，穩(wěn)定性考慮，參數(shù)設置及調整，零點優(yōu)化技術，以及時序分析。 在確定理

5、想情況下的系統(tǒng)設計之后，論文通過分析各種系統(tǒng)非理想性因素對性能的影響，得到了各單元模塊電路的具體性能指標。并在考慮這些因素的情況下，再次進行系統(tǒng)仿真，保證電路性能的實現(xiàn)。系統(tǒng)非理想性因素主要包括以下幾個方面：噪聲分析，各級采樣電容確定，閃爍噪聲的消除，運放的各種非理想性因素，采樣時鐘抖動，系統(tǒng)參數(shù)偏移，以及開關導通電阻等。在保證性能的前提下，對于其中對系統(tǒng)功耗有重要影響的模塊進行了參數(shù)優(yōu)化。 在完成系統(tǒng)層次設計之后，論文闡述了各