一种16位音频Sigma-Delta模数转换器的研究与设计--《西安电子科技大学》2009年硕士论文
一种16位音频Sigma-Delta模数转换器的研究与设计
【摘要】：
Sigma-Delta A/D转换器利用过采样,噪声整形和数字滤波技术,有效衰减了输出信号带内的量化噪声,提高了信噪比。与传统的Nyquist转换器相比,它降低了对模拟电路性能指标和元件精度的要求,简化了模拟电路的设计,降低了生产成本。
本论文在对Sigma-Delta A/D转换器原理研究的基础上,基于TSMC0.18um工艺,采用1.8V工作电源,128倍的过采样率,6.4MHz的采样频率,设计了一个主要应用于音频信号处理的Sigma-Delta A/D转换器,分辨率达到16位。在调制器的设计中,本文采用了多级噪声整形MASH(2-1)级联调制器结构,同时,考虑了各种非理想因素对系统性能的影响,在SDtoolbox工具的帮助下使用Simulink进行调制器系统设计。并使用Cadence Spectre对模块电路进行设计仿真,包括运放,比较器,带隙基准电压源,CMOS开关,非交叠时钟产生电路等。在数字抽取滤波器的设计中,采用了分级抽取技术,使用MATLAB软件中的SPTool和FDATool工具对各级抽取滤波器进行优化设计。并在原有的滤波器算法的基础上,采用了CIC滤波器和半带滤波器,设计出了运算量和存储量都相对少的三级抽取滤波器系统,大大降低了功耗和面积。
论文的仿真结果表明,所设计的Sigma-Delta A/D转换器信噪比达到102.3dB,满足系统需要的16位精度要求。
【关键词】：
【学位授予单位】：西安电子科技大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2009【分类号】：TN792【目录】：
Abstract4-7
第一章 绪论7-9
1.1 课题的研究背景和意义7-8
1.2 论文所做工作和章节安排8-9
第二章 Sigma-Delta A/D 转换器技术基础9-23
2.1 模数转换器的技术指标9-13
2.1.1 量化噪声10-11
2.1.2 A/D 转换器的静态特性11-12
2.1.3 A/D 转换器的动态特性12-13
2.2 Sigma-Delta A/D 转换器原理13
2.3 Sigma-Delta 调制器原理13-16
2.3.1 过采样技术14-15
2.3.2 噪声整形技术15-16
2.4 Sigma-Delta 调制器的结构16-22
2.4.1 单环路Sigma-Delta 调制器结构16-19
2.4.2 级联MASH（多级噪声整形）调制器结构19-22
2.5 小结22-23
第三章 调制器系统设计23-37
3.1 调制器参数的确定23-24
3.2 调制器结构的选择24
3.3 调制器系数的确定24-28
3.4 非理想因素的考虑28-35
3.4.1 运放的有限增益28-30
3.4.2 运放的有限单位增益带宽和压摆率30-32
3.4.3 运放的饱和电压影响32
3.4.4 非理想开关32-34
3.4.5 时钟抖动34-35
3.5 小结35-37
第四章 调制器电路设计37-57
4.1 积分器的设计37-46
4.1.1 运放的设计37-42
4.1.2 开关的设计42-44
4.1.3 电容的设计44-46
4.2 比较器的设计46-48
4.3 带隙基准源的设计48-51
4.3.1 带隙基准电压源原理48-49
4.3.2 低温度系数带隙基准源设计49-50
4.3.3 带隙基准源的仿真50-51
4.4 两相非交叠时钟电路51-54
4.5 整体电路设计和仿真54-55
4.6 小结55-57
第五章 数字滤波器设计57-73
5.1 分级抽取57-59
5.2 梳状滤波器59-60
5.3 级联积分梳状滤波器60-65
5.3.1 级联积分梳状滤波器的基本结构60-61
5.3.2 级联积分梳状滤波器的频率特性61-62
5.3.3 级联积分梳状滤波器的字长选择62-63
5.3.4 级联积分梳状滤波器的仿真结果63-65
5.4 半带滤波器65-67
5.5 FIR 滤波器67-70
5.6 小结70-73
第六章 版图设计73-75
第七章 总结与展望75-77
参考文献79-81
附录：半带滤波器的Verilog HDL 程序81-85
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模数转换器 ADC12 的工作原理及使用
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