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一种高速连续时间Sigma-Delta ADC设计
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2020-10-24
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在TSMC O.18 μm CMOS工艺下设计了一款宽带宽、低功耗的连续时间Sigma-Delta ADC调制器。该调制器可以应用于无线通信、视频、医疗和工业成像等领域,它采用三阶RC积分环路滤波结构,提高了可达到的精度。针对环路延时降低系统稳定性的问题,在环路中引入半个采样周期的延时,以此提高调制器的精度;同时采用非回零的DAC结构来减小系统对时钟抖动的敏感度。通过结构的选取和非回零的DAC结构的使用,调制器对时钟抖动有很强的忍受能力。该Sig-ma-Delta ADC的带宽可以达到5 MHz,信噪比可达63.6 dB(10位),整个调制器在1.8 V的电压下,功耗仅为32 mW。
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一种高速连续时间一种高速连续时间Sigma-Delta ADC设计设计
在TSMC O.18 μm CMOS工艺下设计了一款宽带宽、低功耗的连续时间Sigma-Delta ADC调制器。该调制器可
以应用于无线通信、视频、医疗和工业成像等领域,它采用三阶RC积分环路滤波结构,提高了可达到的精度。
针对环路延时降低系统稳定性的问题,在环路中引入半个采样周期的延时,以此提高调制器的精度;同时采用
非回零的DAC结构来减小系统对时钟抖动的敏感度。通过结构的选取和非回零的DAC结构的使用,调制器对时
钟抖动有很强的忍受能力。该Sig-ma-Delta ADC的带宽可以达到5 MHz,信噪比可达63.6 dB(10位),整个调
制器在1.8 V的电压下,功耗仅为32 mW。
O 引言
随着近些年来无线通信与视频技术的广泛应用,在这两个方向上主要使用Pipeline ADC和连续时间Sig-ma-Delta
ADC(CTSD)。相比于Pi-peline ADC,连续时间Sigma-Delta ADC主要有以下几个优点:它有着更低的功耗,并且自身固有的
抗混叠滤波功能,省去Pipeline ADC对前置滤波器的苛刻要求。由于这些优点,连续时间Sigma-Delta ADC还非常适合应用于
医疗设备以及工业成像领域中。当然,连续时间Sigma-DeltaADC也有一定的缺点,主要是系统对
在本文中,设计了一款三阶一位单环反馈结构的连续时间Sigma-Delta ADC,其带宽可达5 MHz,精度为10位,其中积分器
采用RC积分器的形式。系统引入了半个周期的延时,提高了系统的稳定性,使得输入信号的最大幅度大幅提高,进一步增加
了调制器转换信号的精度。同时,由于采用了新型的系统结构和非回零D/A转换器,使得调制器忍受时钟抖动的能力有了很
大的提高,在与同类型的ADC设计的比较中达到了较高的水平。
1 系统结构设计
1.1 结构设计
由于连续时间Sigma-Delta ADC结构的系数不能像离散时间结构那样用电容的精确比值来实现,而是用电阻电容乘机的绝对
值来实现,偏差较大。所以选择单环结构来实现系统的设计。为了实现5 MHz带宽和10位的精度,首先分析单环结构理论上的
动态范围公式:
式中:L为系统阶数;N为量化位数;OSR为过采样率。
选取的系统结构见图1。对于单环结构来说,当系统的阶数超过三阶后,系统的稳定性会受到影响,从而导致可实现的动态
范围降低。多位量化器需要校正电路,增加了电路的成本和面积,而一位量化器和D/A转换器具有天然的线性,减小了系统
的非线性误差。故本文选择三阶一位单环结构。系统中加入一个很小的反馈系数 r,在系统带宽附近引入一个零点,可以将系
统的信噪比提高大约8 dB。同时,调制器使用了半个周期的环路延时,大大提高了系统的稳定性。在设计时,利用图1中b3这
一路的反馈来系统地补偿环路延时。结合系统对动态范围的要求,根据式(1),选择系统过采样率OSR=32。
由于连续时间Sigma-Delta ADC缺少现成的设计工具,该设计采用的方法是先设计好离散时间的噪声传递函数NTF(z),根
据式(2):
求出离散时间的环路传递函数H(z),再利用Matlab工具箱中的d2cm函数将H(z)转换为连续时间结构的环路传递函数H(s)。
由于本结构的环路中加入了半个周期延时,故根据文献中的方法,将H(z)转换成等价的H()。因此,传递函数变为式(3):
式(3)中分离出来的系数bn-1’就是系统结构图1中反馈系数b3,通过对系数b3的选择可以精确地补偿系统中半个周期的延
时。再利用d2cm函数将H()转换为H(s)。经过Sealing后,得到系统的系数为
a1=O.3,a2=0.3,a3=0.5,b0=1,b1=1,b2=1,b3=O.9,r=-0.04。经过系统仿真可知,在处理5 MHz带宽内的信号
时,系统的信噪比可达到72.3 dB。
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weixin_38629303
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