论文部分内容阅读
随着微电子学的发展,电子系统越来越多的功能由DSP模块来完成,ADC作为连接DSP与外部模拟世界的接口,其作用举足轻重。Sigma-Delta ADC的崛起源自于其高分辨率的性能,在保持高分辨率的基础上,现在正朝着宽带、低压低功耗的方向发展。Sigma-Delta调制器是Sigma-Delta ADC的核心模块,决定了整个ADC的性能,而低通结构和离散时间实现又是带通和连续时间实现的基础。因此,本文的研究内容放在了低通离散时间Sigma-Delta调制器上。 本文分别基于0.18μm和0.13μm CMOS工艺设计了传统的前馈和反馈结构Sigma-Delta调制器,实践了Sigma-Delta调制器自顶向下的设计方法,并验证了CIFB结构在高阶1位调制器设计中的有效性。 在论文研究期间,主要完成的创新点如下: 1.提出了一个将CRFF结构调制器所有的积分器都由半周期延时积分器实现的方法;通过引入Class C反向器实现此半周期延时积分器电路,能耗得到了进一步的降低。 2.提出了一种方法来移除前馈噪声耦合Sigma-Delta调制器量化器前的复杂加法器。将量化器前所有的加法运算移动到最后一个积分器的前面;并且,通过引入反馈通道和延时输入信号,反馈DAC的苛刻时序也得到缓解。 3.提出了一种对Sigma-Delta调制器中反馈DAC的组件失配进行整形的方法,与传统结构相比,完全消除了反馈DAC通路的数字逻辑延时,同时又不会增加Sigma-Delta调制器环内的有源组件,特别适用于降低传统反馈结构中因具有多个反馈DAC支路所造成的消耗。与此同时,也提出了一种三积分器的结构来消除此调制器额外的有源组件并进一步降低能耗,它可以仅用一个运放实现三个积分器的功能,而且还可以实现谐振器的内部反馈通路,并降低了延时电容的匹配要求。 4.提出了一种用分布式反馈和分布式前馈通路伴随着内部前馈电路以简化前馈结构量化器前的加法器;为了缓解前馈结构环路的时序限制,在量化器前加法器的调制器输入前馈通路中引入了额外的延时,低失真特性依旧保持,然而其信号传输函数并不严格为1。为此,又提出了一种低失真单位信号传输函数的Sigma-Delta调制器,利用离散时间额外环路延时技术,并移除了量化器输入端的加法器;它既能克服反馈DAC引入的额外环路延时,又能缓解在环路滤波器输出端的延时,还能保证STF精确为1。应用此结构,得到了高环SMASH调制器。 5.提出了一种高分辨率、宽输入动态范围的Sigma-Delta.调制器,与传统结构相比,可以在降低对组件性能要求的情况下,使输入信号水平远高于调制器的参考电压。其基本原理是通过在具有单位信号传输函数Sigma-Delta调制器的前端引入辅助量化器,降低了调制器环路滤波器模块的输入信号水平从而将整个调制器的最大输入信号水平提升到OdBFS以上;一个内联系数可用于折中此调制器的分辨率和最大输入信号水平;同时由于其建立在低失真结构之上,所以具有很强的抗组件非理想性的能力。 6.提出了三个级联的Sigma-Delta调制器以缓解级联结构对组件性能的苛刻需求。首先是每一环都使用前馈拓扑的MASH2-2结构,得到了低失真特性并移除了用于两环之间级联的减法器;其次,提出了一个灵活的SMASH2-2结构,此结构可以根据不同的应用需求选择合适的系数;最后,提出了一个带有前馈和量化噪声自耦合的SMASH结构,完全消除了前级的量化噪声并减少了一个运放。