一种16位∑_△音频ADC中调制器的设计与实现
Sigma-DeltaADC讲稿
反馈系数用于控制比较器的输出电压的大小和 方向，从而控制模拟信号的调整程度。
噪声整形技术
噪声整形技术是sigma-delta ADC的关键技术之一，它通过将噪声从高频区域转移至低 频区域，从而提高ADC的信噪比和线性度。
Part
05
sigma-delta ADC的挑战与 未来发展
面临的挑战
噪声抑制
sigma-delta ADC在转换过程中 容易受到噪声干扰，如何有效抑 制噪声是亟待解决的问题。
动态范围
随着技术的发展，对sigma-delta ADC的动态范围要求也越来越高， 如何提高动态范围是当前面临的 重要挑战。
动态范围与信噪比
动态范围
动态范围是指ADC能够处理的信号的最大值与最小值之间的比值。动态范围越大，ADC能够处理的信号范围越宽。
信噪比
信噪比是指信号功率与噪声功率之间的比值。信噪比越高，ADC的抗干扰能力越强，输出的数字信号质量越好。
采样率与带宽
采样率
采样率是指ADC每秒钟采样的次数 。采样率越高，ADC能够捕捉到的 信号细节越多，但同时也会增加电路 复杂度和功耗。
它通常由比较器和计数器组成，比较器将模拟信 号与参考电压进行比较，产生一个二进制码，然 后计数器根据二进制码的长度进行计数，得到数 字输出。
量化器的非线性误差会影响ADC的线性度，因此 需要采取措施减小非线性误差。
数字滤波器
1
数字滤波器用于对sigma-delta ADC的输出进行 滤波，以减小噪声和消除量化误差。
功耗与性能平衡
在便携式设备中，功耗是一个关 键因素，如何在保证性能的同时 降低功耗是一个具有挑战性的问 题。
16bit∑△ADC的设计
图３．１五阶单环单ｂｉｔ分布式前馈局部反馈结构…………………………………２１ 图３．２噪声传输函数幅频响应……………………………………………………２３ 图３．３噪声传输函数零极点分布…………………………………………………２３ 图３．４调制器的ｓｉｍｕｌｉｎｋ理想建模………………………………………………２３ 图３．５调制器的ｓｉｍｕｌｉｎｋ非理想建模……………………………………………２４ 图３．６调制器理想建模仿真结果…………………………………………………２４ 图３．７调制器非理想建模仿真结果………………………………………………２４ 图３．８调制器非理想建模的动态范围……………………………………………２５ 图３．９系统中的积分器输出结果…………………………………………………．２５ 图３．１０采样时钟抖动……………………………………………………………一２５ 图３．１１对连续噪声信号的采样…………………………………………………一２６ 图３．１２同相开关电容积分器………………………………………………………………………２７
ｃｏｍｅ ｆｉｌｔｅｒ ｐａｓｓ ｂａｎｄ ｉｓ ａｌｓｏ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｌｏｃｋ
ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ
ａｒｅ
ｄｅｓｃｒｉｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．
Ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｔｈｅ Ｏ．５“ｍ
ｏｆ∑△ＡＤＣ
ｉｓ ｇｉｖｅｎ ａｔ ｌａｓｔ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｉｓ ｂａｓｅｄ
ｏｎ
ＣＳＭＣ
用于音频的高精度Sigma-Delta调制器的研究与设计
摘 要本论文对用于音频的四阶单比特开关电容Sigma-Delta调制器的整个设计过程进行了研究。
首先，调制器采用了输入前馈结构，调制器中有一条从输入到量化器的信号通路，这样输入信号成分将不再出现在环路滤波器中，积分器的输出摆幅就不用像反馈结构那样大，即减小了对积分器输出摆幅的要求。
由于这个优点，调制器的功耗可以较小。
为达到18位有效分辨率ADC的要求，本文选定了合适的调制器阶数、过采样率、量化器位数等。
由于单环结构对模拟电路非理想性和器件失配的不敏感，设计中采用了单环结构来实现四阶调制器。
然后，利用Delta-Sigma Toolbox对设计的调制器进行了理想系统和非理想系统建模，并在Matlab/Simulink环境下进行了仿真，结果显示设计的的调制器在输入信号带宽20 kHz，采样频率5.12MHz时，可达到118.4dB的信噪失真比。
其次，本文对Sigma-Delta调制器的开关电容电路实现进行了分析和设计。
设计的调制器在SMIC 0.18μm 1P6M CMOS工艺条件下实现，包括四个由全差分跨导运算放大器OTA构建的开关电容积分器、一个动态比较器、反馈DAC、两相非交叠时钟电路和带隙基准电压源等模块。
同时，本文还完成了调制器的版图设计。
经Cadence/Spectre仿真器仿真，结果显示调制器各模块性能良好，整体调制器电路可达到108.5dB的SNDR和17.72bits的ENOB。
设计的单环四阶开关电容Sigma-Delta调制器采用SMIC 0.18μm 1P6M CMOS工艺设计实现，采用CRFF结构、一位量化、128的过采样率。
该调制器在输入信号带宽20kHz、采样频率5.12MHz、电源电压1.8 V条件下，SNDR可达到108.5dB，功耗仅3.28mW，适用于音频领域和其他的便携式设备。
关键词：Sigma-Delta调制器；开关电容技术；高精度；音频应用；AbstractIn this thesis, the complete design procedure of a fourth-order single-bit switched-capacitor Sigma-Delta modulator for audio application is presented.Firstly, the input-feedforward topology which has an extra signal path from the input of the modulator to the quantizer is employed, as a result, the signal component will not appears in the loop filter and the voltage swings of integrators do not need to be so large as the feedback topology modulator. Due to this advantage, the power of modulator could be smaller. Then the order of modulator, the oversampling ratio, bits of quantizer are established to meet the requirements of 18-bits ENOB of ADC. A single-loop architecture which is not sensitive to analog non-idealities and component mismatch is adopted. The behavioral model, with and without non-idealities, of modulator is builted with Delta-Sigma Toolbox, and the behavioral simulation results of designed modulator in Matlab/Simulink indicate that the modulator could achieve 118.4dB SNDR(signal to noise and distortion ratio) in a signal bandwidth of 20kHz with a sampling frequence of 5.12MHz.Secondly, the switched-capacitor circuit implementation of Sigma-Delta modulator is analysed and designed. The modulator is implemented in SMIC 0.18μm 1P6M CMOS process, which includes four SC integrators builted with fully differential OTA, a dynamic comparator, feedback DAC, two phases non-overlapping clock circuit and bandgap voltage reference etc. Then the layout of the modulator is also accomplished. Simulated with Cadence/Spectre simulator, performance of all modules is good and the whole modulator circuit achieves 108.5dB SNDR, 17.72bits ENOB.In conclusion, the desiged single-loop fourth-order SC Sigma-Delta modulator implemented in SMIC 0.18μm 1P6M CMOS process is presented in this thesis. The CRFF topology, 1-bit quantizer, 128 OSR are adopted in this modulator, the simulation results demonstrate that the modulator can achieve 108.5dB SNDR in a signal bandwidth of 20kHz with a sampling frequence of 5.12MHz and 1.8V supply, and the power is only 3.28mW, which is applicable to audio application and other portable devices.KeyWord: Sigma-Delta Modulator; switched-capacitor technology; high resolution; audio application;目 录摘要 (I)Abstract (II)第一章绪论................................................................................................................- 1 - §1.1 研究背景、现状及研究意义........................................................................- 1 - §1.2 本文的主要工作及内容安排........................................................................- 3 - 第二章Sigma-Delta调制器的基本原理.....................................................................- 5 - §2.1 奈奎斯特率ADC与过采样ADC................................................................- 5 - §2.2 量化误差与Sigma-Delta ADC关键技术.....................................................- 6 - §2.2.1 量化误差.............................................................................................- 6 - §2.2.2 过采样（oversampling）....................................................................- 8 - §2.2.3 噪声整形（noise shaping）................................................................- 9 - §2.3 Sigma-Delta 调制器体系结构.....................................................................- 11 - §2.3.1 一阶Sigma-Delta调制器..................................................................- 11 - §2.3.2 二阶Sigma-Delta调制器..................................................................- 13 - §2.3.3 高阶单环Sigma-Delta调制器..........................................................- 15 - §2.3.4 MASH结构Sigma-Delta调制器.......................................................- 16 - §2.3.5 多位量化Sigma-Delta调制器..........................................................- 17 - §2.4 Sigma-Delta调制器的性能指标..................................................................- 18 - §2.5 小结............................................................................................................- 19 - 第三章Sigma-Delta调制器系统级设计与仿真........................................................- 20 - §3.1 结构选择及参数确定.................................................................................- 20 - §3.1.1 过采样率选择...................................................................................- 21 - §3.1.2 量化器位数选择...............................................................................- 21 - §3.1.3 调制器阶数选择...............................................................................- 21 - §3.1.4 结构选择...........................................................................................- 22 - §3.2 调制器中各系数的确定.............................................................................- 26 - §3.3 理想系统仿真.............................................................................................- 31 - §3.4 Sigma-Delta调制器非理想性分析..............................................................- 33 - §3.4.1 积分器的非理想性............................................................................- 33 - §3.4.2 开关非理想特性...............................................................................- 35 - §3.4.3 噪声分析...........................................................................................- 37 - §3.5 非理想系统仿真.........................................................................................- 40 -§3.6 小结............................................................................................................- 42 - 第四章Sigma-Delta调制器电路级设计与仿真.......................................................- 43 - §4.1 开关电容积分器的设计.............................................................................- 44 - §4.1.1 积分器中运算放大器的设计............................................................- 45 - §4.1.2 开关电容积分器中开关的选择........................................................- 50 - §4.2 一位量化器的设计.....................................................................................- 51 - §4.3 反馈DAC的设计.......................................................................................- 52 - §4.4 两相非交叠时钟的设计.............................................................................- 53 - §4.5 带隙基准电压源的设计.............................................................................- 54 - §4.6 调制器整体电路仿真.................................................................................- 58 - §4.7 小结............................................................................................................- 59 - 第五章Sigma-Delta调制器版图设计.......................................................................- 60 - §5.1 版图设计考虑.............................................................................................- 60 - §5.2 调制器版图设计.........................................................................................- 61 - §5.3 小结............................................................................................................- 65 - 第六章总结与展望...................................................................................................- 66 - §6.1 论文工作总结......................................................................................- 66 - §6.2 工作展望..............................................................................................- 66 - 参考文献....................................................................................................................- 68 - 致谢..........................................................................................................................- 72 - 作者在攻读硕士期间主要研究成果..........................................................................- 73 -第一章绪论第一章 绪论§1.1 研究背景、现状及研究意义现代社会中，电子产品充斥着人们生活的角角落落。
基于16+bit+SigmaDelta模数转换器的数字滤波器设计
基于16 bit Sigma-Delta模数转换器的数字滤波器设计作者：赵宏亮， 刘兴辉， 赵毅强， ZHAO Hong-liang， LIU Ying-hui， ZHAO Yi-qiang作者单位：辽宁大学物理学院,沈阳,110036刊名：电子器件英文刊名：CHINESE JOURNAL OF ELECTRON DEVICES年，卷(期)：2008，31(4)被引用次数：1次1.Nerurkar S B.Abed K H.Siferd R E Low Power Sigma Delta Decimation Filter 20022.Chen Lei.Zhao Yuanfu.Gao Deyuan A Decimation Filter Design and Implementation for Oversampled Sigma Delta A/D Converters 20053.Hogenauer E An Economical Class of Digital Filters for Decimation and Interpolation 1981(02)4.Yonghong Gao.Lihong Jia.Hannu Tenhunen A Fifth-Order Comb Decimation Filter for Multi-Standard Transceiver Applications 20005.Ascari L.Pierazzi A.Morandi C Low Power Implementation of a Sigma Delta Decimation Filter for Cardiac Applications 2001(03)6.Aboushady H.Dumonteix Y.Louerat M M Efficient Polyphase Decomposition of Comb Decimation Filters in Sigma Delta Analog-to-Digital Converters 2001(10)7.邹理和数字滤波器 19828.Samueli H An Improved Search Algorithm for the Design of Multiplierless FIR Filters with Powers-of-Two Coefficients 1989(07)1.学位论文浦寿杰用于VoIP的Sigma-Delta调制器的信号后处理方法的研究2009Sigma-Delta模数转换器(ADC)主要由Sigma-Delta调制器和滤波器组成，相比于传统的ADC，其最主要的优势在于不需要复杂的模拟电路结构，使其成本可以持续下降，同时其数字化特性使之可以集成到其它的数字芯片中，因此，Sigma-Delta ADC在数字信号处理领域内得到了广泛应用。
一种嵌入式16位音频∑-ΔADC的设计开题报告
一种嵌入式16位音频∑-ΔADC的设计开题报告一、选题背景音频采样器作为嵌入式音频处理中的必要功能模块之一，广泛应用于声音的录制与播放、语音数据传输及音频识别等领域。
其中，16位音频∑-ΔADC是一种常用的音频采样器，其特点是精度高、动态范围广、无需校准等。
因此，本次设计选取了16位音频∑-ΔADC作为设计对象，旨在通过设计一个符合实际需求的音频采样器，提高音频处理的效率和精度。
二、设计目标（1）设计一个16位音频∑-ΔADC;（2）采样频率为48kHz;（3）在满足性能和功能要求的前提下，尽可能压缩功耗和面积;（4）满足嵌入式设备的小型化和低功耗要求。
三、设计内容（1）音频采集电路设计：包括前端放大器设计、防抖滤波器设计等；（2）ADC模块设计：包括∑-Δ调制器设计、数字滤波器设计等；（3）时序控制模块设计：将时钟信号和控制信号传输至各个模块；（4）接口模块设计：与外部系统进行数据传输。
四、预期结果设计并实现一款符合实际需求的16位音频∑-ΔADC样机，能够满足48kHz采样率和低功耗、小型化等要求。
通过实验和测试，评估其性能指标，包括信噪比、失真率、线性度等，并可对性能和设计进行优化改进。
五、参考文献[1] Lu C，Xia C，Zhang T. Design and Implementationof SIGMA-DELTA ADC in I2S Interface for Music Players[J]. Journal of Information and Computational Science,2014, 11(1):221-228.[2] Sun J，Zhao D，Xie T，et al. A Low Power Column-Parallel Readout Circuit for High-Speed CMOS Image Sensor[J]. Journal of Electronic Science and Technology,2019, 6(2):160-167.[3] Kim H，Choi J. Design of an Ultra-Low Power Sigma-Delta Analog-to-Digital Converter for Biomedical Sensor Nodes[J]. Journal of Information Science and Engineering,2014, 30(2):345-359.。
16通道声发射同步数据采集中的电路设计
16通道声发射同步数据采集中的电路设计1. 引言1.1 研究背景16通道声发射同步数据采集系统是一种广泛应用于实时数据采集与处理领域的重要设备。
随着科学技术的不断发展和进步，人们对于声发射数据采集系统的要求也越来越高，尤其是在实时性、准确性和稳定性方面的需求日益增加。
目前市面上的声发射数据采集系统在16通道同步数据采集方面存在着诸多问题，如数据丢失、时序不同步等。
研究16通道声发射同步数据采集中的电路设计成为当前科研工作者关注的焦点之一。
通过对该领域的深入研究和实验，我们可以寻找到更加准确、稳定和高效的电路设计方案，从而提高系统的性能表现和数据采集的准确性。
这不仅对于声发射数据采集系统的应用具有重要意义，也对于推动相关技术的发展和实现科学研究具有积极的推动作用。
1.2 研究目的研究目的是为了设计一种适用于16通道声发射同步数据采集的电路，实现高效稳定的数据采集功能。
通过研究不同的电路设计原理和硬件设计模块，我们旨在提高数据采集的精度和速度，以满足各种实时数据采集需求。
通过电路测试方法和性能分析，我们可以评估所设计电路的稳定性和准确性，为进一步的优化方案提供依据。
研究的最终目的是为了实现对16通道声发射同步数据采集过程的全面控制和监测，以提高数据采集的效率和可靠性，并为相关领域的研究和应用提供支持。
通过本研究，我们希望能够为声发射数据采集领域的技术发展和应用提供新的思路和方法，促进相关领域的进步和发展。
1.3 研究意义在当今数字时代，数据采集和信号处理技术得到了广泛的应用。
16通道声发射同步数据采集中的电路设计是一项重要的研究课题，对于提高数据采集的精度和效率有着重要的意义。
通过对16通道声发射同步数据采集电路的设计研究，可以提高数据采集系统的稳定性和可靠性。
在实际应用中，数据采集系统需要在复杂的环境下工作，如电磁干扰、温度变化等，因此需要设计出具有良好抗干扰能力的电路，以确保数据的准确性和可靠性。
16-Bit三阶级联结构Sigma-Delta调制器的设计
16-Bit三阶级联结构Sigma-Delta调制器的设计作者：李威李开航王亮来源：《现代电子技术》2010年第04期摘要:设计一款可应用于压力传感器的高精度三阶2-1级联结构Sigma-delta调制器。
Matlab Simulink建模仿真表明,信号带宽为500 Hz,过采样率为128的情况下,该调制器信噪比高达119 dB。
通过对调制器非理想因数的分析,采用典型的0.35 μm工艺整体实现该调制器,并用Spectre仿真,电路信噪比可达106.2 dB,高于16位要求的98 dB,整个调制器的功耗约为7 mW。
关键词:Sigma-Delta调制器;Simulink行为建模;信噪比;开关电容电路中图分类号:TN710文献标识码:B文章编号:1004-373X(2010)04-012-04Design of 16-Bit Third Order Cascade Sigma-Delta ModulatorLI Wei,LI Kaihang,WANG Liang(Xiamen University,Xiamen,361005,China)Abstract:A third order single bit 2-1 cascade sigma-delta modulator which can be applied to pressure sensor is presented.The sigma-delta modulator design flow contains system level and circuit level design.The oversampling ratio is 128 and signal bandwidth is 500 Hz.SNR achieves 119 dB by means of behavior modeling simulations with Matlab Simulink and exceeds 106 dB under circuit level.The whole modulator power consumption is estimated around 7 mW.Keywords:Sigma-Delta modulator;Simulink behavior modeling;SNR;SC circuits0 引言随着集成电路技术高速发展,Sigma-Delta ADC因为其对工艺非理想因素抗干扰能力强和数字CMOS工艺兼容性好,以及高精度的特点,而广泛地应用于中低速的ADC中。
16位sar adc数字校准算法及数字电路设计
16位sar adc数字校准算法及数字电路设计16位SAR ADC数字校准算法及数字电路设计1. 前言16位SAR ADC（Successive Approximation Register Analog-to-Digital Converter）是一种高精度、高速度的模数转换器，广泛应用于工业控制、医疗仪器、通信设备等领域。
数字校准算法和数字电路设计对于提高16位SAR ADC的性能至关重要。
2. SAR ADC工作原理SAR ADC是一种逐次逼近寄存器型模数转换器，其工作原理是通过逐步逼近对模拟输入信号进行量化。
SAR ADC将输入信号与一个DAC （数模转换器）的输出进行比较，得到一个比较结果，然后将这个比较结果送入一个寄存器中进行逐位逼近。
每次比较完成后，SAR ADC 会得到一个近似的数字输出，经过多次迭代后，得到最终的数字输出结果。
3. SAR ADC数字校准算法为了提高16位SAR ADC的精度和稳定性，数字校准算法至关重要。
数字校准算法主要包括零点和增益校准两个方面。
在零点校准中，通过降低输入失调和增益误差，减小偏差并消除误差。
在增益校准中，通过修正不稳定的增益和零点漂移，提高转换器的稳定性。
4. 数字电路设计16位SAR ADC的数字电路设计需要考虑多个方面，包括输入电路设计、时序分析、功耗优化等。
在输入电路设计中，需要考虑输入阻抗匹配、信号放大和滤波等问题。
时序分析则需要确保各个模块之间的数据传输和控制信号的正确性和稳定性。
另外，功耗优化也是数字电路设计的重要任务，需要合理布局电路结构、选择合适的工艺参数和优化布线等。
5. 个人观点和理解对于16位SAR ADC数字校准算法及数字电路设计，我认为数字校准算法是关键的技术之一，能有效提高16位SAR ADC的性能。
而在数字电路设计中，要考虑的因素很多，需要全面考虑各个方面的需求，并在设计中做出合理的权衡。
只有在数字校准算法和数字电路设计两个方面都做到精益求精，才能生产出高性能的16位SAR ADC。