高精度SigmaDelta调制器的研究与设计

独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

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（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）签名：导师签名：日期：年月日摘要摘要Sigma-Delta 模数转换器采用过采样和噪声整形技术，使得信带内的量化噪声功率受到抑制，并用数字滤波器来滤除带外的量化噪声和电路噪声，因此把负担转移到鲁棒性更强的数字电路。

Sigma-Delta模数转换器在提高了转换器的信噪比和动态范围的同时，非常大程度上降低了对模拟电路精度的要求。

相对于其他奈奎斯特数据转换器，由于其特有的高动态范围和鲁棒性，Sigma-Delta技术在低频、音频等众多领域有着非常广泛的应用。

本文主要是基于“超高精度A/D转换器新结构研究”中的研究成果，阐述了Sigma-Delta技术的基本原理及高精度Sigma-Delta模数转换器设计的关键技术。

在理论推算和仿真结果的基础上比较多种高精度Sigma-Delta转换器结构，指出了各种技术的局限性及其解决方案。

本文设计了SIMULINK平台上Sigma-Delta模数转换器的行为级模型，不仅包含了理想调制器和滤波器的模型，还对实际电路特别是模拟电路的非理想特性进行了建模，借此分析实际电路对Sigma-Delta 模数转换器的性能的影响，并通过仿真确定对各电路模块的性能要求。

高精度3阶delta-sigma调制器的设计0 引言模数转换器(ADC)在信号处理中起了一个非常重要的作用。

在数字音频、数字电视、图像编码及频率合成等领域需要大量的数据转换器。

由于超大规模集成电路的尺寸和偏压不断减小，模拟器件的精度和动态范围也不断降低，对于实现高分辨率的ADC是一种挑战。

高阶多位Delta-sigma ADC由于不需要采样保持电路，电路规模小，可以实现较高的分辨率，因此在实际中得到广泛的应用。

Delta-sigma ADC采用过采样技术和噪声整形技术相结合，对量化噪声双重抑制，从而实现高精度模数转换。

在实际的设计中需要根据设计指标稳定性和动态范围等进行折衷。

要实现大的动态范围，就需要较高的过采样率和多位量化器。

为了保持高阶DSM的稳定性就需要使用多位量化器，而多位量化器会增加后续内部ADC的设计难度。

因此，必须仔细选择过采样率和量化器的位数，以实现预期的性能指标。

本文提出一种三阶单环局部反馈的Delta-sigma调制器结构，利用Richard Schreier 的Matlab Delta-sigma调制器设计工具包，推导调制器传输函数，并对系数进行优化，使用Verilog硬件语言对调制器进行行为级建模。

调制器的信号带宽为32．8kHz，过采样率为128，工作时钟8．4MHZ，精度16位，可以达到145dB以上的SNR。

1 Delta-sigma调制器的原理和结构△-∑调制技术来自高分辨率的A／D、D／A变换器中的过取样△-∑转换技术，利用经典自动控制理论中负反馈概念，通过反馈环来提高量化器的有效分辨率并整形其量化噪声。

在对信号进行过取样后，噪声功率谱幅度降低，并通过一个对输入呈低通而对量化噪声呈现高通的噪声整形器，将量化噪声功率的绝大部分移到信号频带之外，从而可通过滤波有效地抑制噪声。

Delta-sigma调制器的仿真模型可以用图1来表示。

该系统是一个双端输入、单端输出的线性系统，系统的一个输入为外部输入信号U，另一个输入为量化器的反馈V，输出则是量化器的输入Y。

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。

高速宽带连续型SigmaDelta调制器的研究与设计华中科技大学硕士学位论文高速宽带连续型SigmaDelta调制器的研究与设计姓名：许金波申请学位级别：硕士专业：微电子学与固体电子学指导教师：陈晓飞2011-01-17华中科技大学硕士学位论文摘要Sigma Delta调制器使用过采样技术与量化噪声整形相结合的方法，使高精度ADC的设计成为可能。

而在对信号带宽要求较高的领域，如无线通讯等，离散型Sigma Delta调制器的设计变得更为困难。

而连续时间架构降低了对各模块设计指标的需求，从而广泛地应用于兆赫信号带宽的低功耗ADC设计中。

本文首先介绍了Sigma Delta调制器的基本原理，着重分析了离散时间与连续时间Sigma Delta调制器之间的区别；针对兆赫信号带宽高速ADC设计，完成了系统级设计与分析以及电路级实现。

在系统级设计方面，主要工作包括：在理论分析的基础上，选择三阶一位量化连续时间Sigma Delta调制器架构；在离散域进行调制器的建模，主要包括噪声传递函数的设计与优化、离散域Simulink建模与仿真，然后采用脉冲恒定变换原理将离散域环路方程变换至连续域，并重点分析了由变换所引入的DAC 非理想因素；依据对环路滤波器非理想因素的分析，定义各模块的设计指标。

在电路实现方面，调制器的放大器电路采用低压共源共栅偏置、增益提高技术与连续时间共模反馈相结合的结构以实现低功耗、高增益和宽带宽；比较器电路采用增加额外正反馈的方法，在降低比较器功耗的同时，提高了比较的速度；最后对调制器进行仿真分析，各项指标满足设计要求，并进行了版图设计与验证。

本文的设计采用SMIC 0.18 μm CMOS工艺，在Cadence环境下，对各模块电路及调制器整体电路进行仿真分析。

结果显示，在输入信号幅度为0.5 V，频率分别为500 KHz及1.5 MHz两种情况下，后端仿真SNR分别达到68.7 dB 及68.6 dB，有效位分别达到11.13 bits及11.11 bits，功耗仅为1.8 mW。

高精度低功耗音频Sigma-Delta调制器设计的开题报告一、研究背景和意义随着无线通信和数字音频技术的不断发展，人们对数字信号处理和音频技术的要求越来越高。

其中，音频信号的数字化处理是必不可少的环节。

而低功耗、高精度的音频Sigma-Delta调制器则是实现音频数字化处理的重要组成部分。

因此，对高精度低功耗音频Sigma-Delta调制器的研究与设计具有重要的研究意义和应用价值。

二、研究现状目前，针对音频Sigma-Delta调制器的研究主要集中在其工作原理、性能优化和设计方法等方面。

其中，关于低功耗音频Sigma-Delta调制器的研究主要集中在降低功耗和提高精度两个方向。

在降低功耗方面，研究者主要采用以下几种方式：降低运算精度、采用超低功耗电路、采用自适应算法等。

在提高精度方面，研究者主要采用以下几种方式：采用更高位数的Delta-Sigma结构、优化滤波器的性能、精细设计反馈路径等。

三、研究内容和方法本课题将研究高精度低功耗音频Sigma-Delta调制器的设计过程和设计方法。

研究内容主要包括以下几个方面：1. Sigma-Delta调制器的基本原理和工作模式研究；2. 分析Sigma-Delta调制器的误差来源及其影响因素；3. 研究实现低功耗和高精度的设计方法和技术；4. 利用Verilog HDL进行Sigma-Delta调制器的仿真和验证；5. 提出一种高精度低功耗Sigma-Delta调制器的设计方案。

研究方法主要采用文献调研、仿真分析、实验验证等方法。

四、预期成果和意义本课题预期能够设计出一种高精度低功耗的音频Sigma-Delta调制器，具有以下特点：可支持高质量的数字音频处理；达到极低的功耗水平；具有较高的运算精度。

这将有助于提高数字音频处理的性能和效率，为数字音频技术的应用发展提供重要的技术支撑。

高精度Sigma-Delta调制器的研究与设计的开题报告1. 研究背景Sigma-Delta调制器是一种高精度的模数转换器，具有高分辨率、高抗噪声等优点，在信号采集、音频处理等领域得到了广泛应用。

随着科技的不断进步和电路设计技术的不断发展，Sigma-Delta模数转换器的性能和效率得到了进一步提高，对其研究和设计成为了近年来电路设计领域的热点之一。

2. 研究目的本课题旨在研究高精度Sigma-Delta调制器的工作原理、设计方法和优化策略，通过仿真和实验验证，探索提高其性能和效率的途径，为其应用提供技术支持和实现方案。

3. 研究内容本课题的研究内容包括以下方面：（1） Sigma-Delta调制器的工作原理及其特点分析。

（2） Sigma-Delta调制器的设计流程和方法，包括基于增益裕度方法的系统级设计、基于非线性建模的电路级设计和基于自适应校正的调制器设计。

（3） Sigma-Delta调制器的仿真和实验验证，考虑到调制器对高精度和稳定性的要求，进行性能和功耗的测试，比较设计方案的优缺点。

（4） Sigma-Delta调制器的优化策略，包括降低功耗、提高精度和减小失调等方面。

4. 研究方法本课题主要采用以下方法进行研究：（1）文献调研法，分析已有Sigma-Delta调制器设计的优缺点，并阅读相关论文，了解最新的研究进展和趋势。

（2）仿真分析法，使用软件仿真工具进行调制器设计的仿真分析，并对不同设计方案的仿真结果进行对比，确定最终设计方案。

（3）实验测试法，通过电路实验测试和数据分析来验证和补充设计方案的仿真分析，对性能和功耗等进行实际测试和比较分析。

（4）统计分析法，对实验结果进行统计分析、数据处理和结果展示，得出结论并提出优化建议。

5. 研究意义本课题的研究结果能够提高高精度Sigma-Delta调制器的稳定性、可靠性和精度，为其在音频处理、信号采集、数字通信等领域的应用提供技术支持和实现方案。

高性能sigma-delta ADC的设计与研究高性能sigma-delta ADC的设计与研究摘要：本文主要介绍了高性能sigma-delta ADC的设计与研究。

首先，对sigma-delta ADC的工作原理进行了简要介绍，然后详细阐述了其关键设计要点，包括过采样率、模数转换器、数字滤波器和数字解调器等。

接着，针对高性能ADC的要求，提出了相应的优化策略，如噪声抑制和线性度提高等。

最后，通过仿真实验验证了所提出的设计与优化策略的有效性。

关键词：sigma-delta ADC；过采样率；模数转换器；数字滤波器；数字解调器；噪声抑制；线性度1. 引言随着信息技术的快速发展，高性能模拟到数字转换器（ADC）在各种应用中的需求越来越大。

sigma-delta ADC因其高精度、低功耗和强适应性等特点而受到了广泛关注。

本文将重点研究高性能sigma-delta ADC的设计与优化策略。

2. sigma-delta ADC的工作原理与结构sigma-delta ADC采用了过采样率高、模数转换器复杂、滤波和解调部分数目少的结构。

其基本工作原理是将模拟输入信号通过模数转换器近似描述成二进制比特流，然后通过数字滤波器和数字解调器将转换结果进行滤波和重构。

由于这种结构的特点，sigma-delta ADC能够在较高的噪声下实现高分辨率的模数转换。

3. 高性能ADC的设计要点（1）过采样率的选择：过采样率是sigma-delta ADC性能的关键因素之一。

适当增大过采样率能够减小量化误差，提高系统的信噪比。

但过大的过采样率会增加系统的复杂度和功耗。

因此，在设计过程中需要综合考虑各种因素，选择合适的过采样率。

（2）模数转换器的设计：模数转换器的设计是整个sigma-delta ADC的核心之一。

其性能直接影响了系统的动态范围和信噪比。

常用的模数转换器有二阶和三阶结构，可以根据应用要求进行选择。

（3）数字滤波器的设计：数字滤波器负责抑制量化噪声和滤除带外信号。

西安电子科技大学博士学位论文高性能sigma-delta ADC的设计与研究姓名：***申请学位级别：博士专业：微电子学与固体电子学指导教师：***20100401摘要i摘要高性能的模数转换器是当今微电子模拟领域研究的热点之一。

基于过采样技术和sigma-delta调制机制的模数转换器(Analog to Digital Converter，ADC)广泛使用在数字音频、综合业务数字网(Integrated Services Digital Network，ISDN)、数字电话等系统中。

这种高精度的模数转换器，通过采用过采样技术，增加调制器系统的信噪比，提高其实现的精度；通过使用sigma-delta噪声整形技术，降低了信号带内的量化噪声功率。

sigma-delta ADC由模拟调制器和数字抽取滤波器组成，而模拟调制器的噪声整形性能决定了整个转换器系统的精度。

本文首先对sigma-delta ADC的系统设计进行了深入的研究，采用MATLAB软件进行系统建模和仿真，并由此总结了一套完整的系统设计方法。

根据过采样率、精度和动态性能的要求，得出调制器所需的阶数以及前馈因子、反馈因子和积分器增益因子等参数。

然后再通过MATLAB系统仿真，预测出实际调制器可以达到的性能。

在模拟调制器的设计中，各种非理想因素会极大地影响模拟调制器的性能。

因此，对各种非理想因素进行系统的、量化的分析是必要的。

本文对各种非理想因素，如运放有限直流增益、有限带宽和摆率、输出摆幅限制、开关非线性，时钟抖动、采样电容kT/C噪声等都进行了量化分析，从而为随后的电路设计提供了设计依据。

sigma-delta ADC的结构主要分为单环(Single-Loop)结构和级联结构(Multi-stAge-noise-SHaping，MASH)两种，这两种结构具有各自的优缺点。

针对这两种结构，本文分别设计了一个高阶单环一位结构的sigma-delta ADC和一个级联多位(MASH24b-24b)结构的sigma-delta ADC。

低速高精度Sigma-Delta调制器的研究与设计摘要：在科技的不断发展中，数字信号处理在现代电子系统中扮演着重要的角色。

而Sigma-Delta调制器作为一种常用的调制技术，其低速高精度的特点使其在音频设备、传感器等领域得到广泛应用。

本文将对低速高精度Sigma-Delta调制器的研究与设计进行探讨。

关键字：Sigma-Delta调制器；低速；高精度前言Sigma-Delta调制器是一种常用的数字信号处理器件，通过高速采样和数字滤波的方式实现高精度的信号处理与转换。

在低速高精度应用中，Sigma-Delta调制器具有独特的优势，被广泛应用于医疗、通讯等领域。

通过设计低速高精度Sigma-Delta调制器，满足硅微机械陀螺接口模块设计要求。

1 Sigma-Delta调制器的原理Sigma-Delta调制器的技术支持包括两种，一种是过采样技术，另一种是噪声整形技术。

使用过采样技术，模数转换器的信噪比得到较好的改善。

噪声整形技术是通过处理滤波，将频谱上面的噪声分布进行改变，把带内量化噪声分离至带外高频段处，以促进系统信噪比、精度的提升[1]。

Sigma-Delta调制器的核心是一个比较器和一个积分器。

通过不断地对输入信号进行采样和积分，实现了对信号的高精度还原。

该调制器通过负反馈的方式，不断调整输出信号，使其尽可能接近输入信号。

Sigma-Delta调制器的输出信号是一个高频脉冲串，该脉冲串的平均值与输入信号的幅值成正比。

通过低通滤波器对输出信号进行滤波，可以得到与输入信号几乎完全一致的模拟信号。

Sigma-Delta调制器的主要优点是高精度和低成本。

它可以实现高达24位的模数转换精度，并且在集成电路中可以实现。

此外，该调制器对于非线性和噪声具有较高的容忍度，能够有效地提高系统性能。

2低速高精度Sigma-Delta调制器的设计2.1设计原理Sigma-Delta调制器的设计原理主要包括两个关键步骤：过采样和数字滤波。

高精度sigma-delta ADC的研究与设计的开题报告一、课题背景及研究概述随着现代通信和控制系统的不断发展，对于高精度ADC（模数转换器）的需求越来越高。

其中，sigma-delta ADC由于其廉价、低功耗、高精度等特点，已成为当前最常用的ADC类型之一。

本课题旨在研究和设计一种高精度sigma-delta ADC，以满足现代通信和控制系统的需求。

二、研究内容和技术路线本课题的研究内容主要包括以下几个方面：1.研究sigma-delta ADC基本原理及相关知识，建立模型并进行仿真分析。

2.进行模拟电路设计，包括模拟滤波器、带通反馈、数字校正等模块的设计与实现。

3.对比分析不同的模拟电路设计方案，确定最优方案。

4.设计数字模块，包括数字滤波器、数据输出接口等模块。

5.验证设计结果，并进行实际硬件实现。

技术路线：1.研究sigma-delta ADC基本原理及相关知识研究sigma-delta ADC基本原理及相关知识，掌握其核心理论基础，建立数学模型。

通过仿真分析，了解其性能和局限性，为后续电路设计提供理论支持。

2.进行模拟电路设计根据所得理论模型，进行模拟电路设计，优化控制方式、极限降噪、有效抑制非线性畸变等方面，确保ADC的高精度和稳定性。

3.设计数字模块设计数字滤波器，完善数据输出接口等数字模块，以实现最终的数字转换，并保证输出数据的稳定性和高精度。

4.验证设计结果并实现硬件对整个ADC系统进行模拟、实验验证，确保最终产品满足设计要求。

并进行硬件实现。

三、研究意义和预期成果通过本课题的开展，能够深入了解sigma-delta ADC的基本原理和核心技术，掌握其设计方法和实现技巧。

通过设计一种高精度sigma-delta ADC，为现代通信和控制系统的数字转换需求提供新型解决方案。

同时，本课题的预期成果还包括：1.研究sigma-delta ADC的性能和优化方法，提高其转换效率和准确性。

低功耗高性能音频SigmaDelta调制器设计开题报告
一、研究背景和目的
音频信号处理是当前智能音频设备和音频处理技术的一项重要研究方向。

其中，SigmaDelta调制器被广泛应用于音频系统中的模数转换器（ADC）和数字模拟转换器（DAC）中，因为它能够在低频带实现相对高的精度，同时具有低功耗、低噪声、抗干扰等优点。

因此，本文旨在设计一种低功耗、高性能的音频SigmaDelta调制器，以提高音频系统的传输质量和节能效率。

二、研究内容和方法
1. 调制器结构设计：分析SigmaDelta调制器结构，探索不同结构对音频信号传输的影响，设计一个适用于音频系统的高效、稳定的调制器结构。

2. 功耗优化：在保证音频传输质量的前提下，对SigmaDelta调制器进行功耗优化，采用低功耗技术，如PSM（Pulse Skip Modulation）技术等，减小器件功耗，提高节能效率。

3. 仿真及分析：利用SPICE软件进行仿真，针对不同频段对调制器的性能进行分析和优化，选取适当的参数和工艺。

三、研究意义和预期结果
本研究将可以设计出一种低功耗高性能的音频SigmaDelta调制器，能够在音频信号传输中实现更高的精度和更低的噪声，同时具备比较好的抗干扰能力和较高的节能效率。

该研究将对音频系统的发展以及未来的音频处理技术做出重要贡献。

高精度音频多位sigma-delta调制器设计石立春;杨银堂;李迪;吴笑峰;丁瑞雪;梁宏军【摘要】设计一个内部采用4位量化器的二阶单环多位sigma-delta调制器.为解决反馈回路中多位DAC元件失配导致的信号谐波失真问题,该sigma-delta调制器采用CLA(Clocked averaging algorithm)技术提高多位DAC的线性度,同时采用动态频率补偿技术增加积分器的稳定性.调制器信号频率带宽为24 kHz,过采样率(OSR)为128,采用尺寸为0.5 μm的CMOS工艺,工作电压为5 V.测试结果表明:在输入信号频率为20 kHz时,信噪比(SNR)达103 dB,调制器输出信号无杂波动态范围为102 dB;整个调制器功耗为87 mW,芯片总面积为2.56 mm2.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2010(041)002【总页数】8页(P592-599)【关键词】sigma-delta调制器;开关电容积分器;高精度;多位【作者】石立春;杨银堂;李迪;吴笑峰;丁瑞雪;梁宏军【作者单位】西安电子科技大学,微电子学院,宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室,陕西,西安,710071;西安通信学院,基础部,陕西,西安,710106;西安电子科技大学,微电子学院,宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室,陕西,西安,710071;西安电子科技大学,微电子学院,宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室,陕西,西安,710071;西安电子科技大学,微电子学院,宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室,陕西,西安,710071;西安电子科技大学,微电子学院,宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室,陕西,西安,710071;西安通信学院,基础部,陕西,西安,710106【正文语种】中文【中图分类】TN432sigma-delta(即ΣΔ)模数转换器(即 sigma-delta ADC)[1-3]采用过采样技术和噪声整形技术降低了对转换器中模拟电路的设计要求，并且此种类型转换器与现代标准CMOS工艺特别兼容，成为实现中低速高精模数转换器的首选转换器，在数字音频、语音处理、电子测量和语音通讯等领域得到广泛应用。

高精度sigma-delta ADC的研究与设计高精度sigma-delta ADC的研究与设计摘要：随着现代通信技术的发展，对高精度的模拟-数字转换（ADC）器件的需求日益增加。

sigma-delta ADC作为一种高精度、高速的转换器，在各个领域得到了广泛的应用。

本文将对高精度sigma-delta ADC的研究与设计进行探讨。

首先，概述了sigma-delta ADC的基本原理，并深入剖析了其优缺点。

然后，详细介绍了sigma-delta ADC的设计流程，包括模拟前端设计、数字滤波器设计、数字后处理等方面。

最后，通过实际案例验证了设计的可行性和有效性。

本文旨在为高精度sigma-delta ADC的研究与设计提供参考，希望能够对相关领域的研究人员提供一定的帮助。

一、引言近年来，模拟-数字转换技术在通信、医疗、工业控制等领域得到了广泛的应用。

高精度的ADC器件是实现这些应用的关键。

sigma-delta ADC由于其高精度、高动态范围、低功耗等优点，成为了各领域广泛采用的ADC芯片。

本文将对高精度sigma-delta ADC进行研究与设计，以满足近年来对高精度ADC的需求。

二、sigma-delta ADC的基本原理sigma-delta ADC是一种基于过采样和噪声整形的ADC技术。

其基本原理是通过将输入信号过采样，并利用高阶模拟滤波器抑制高频噪声，将输入信号的动态范围转移到更低频率范围内，从而增加了ADC的分辨率。

sigma-delta ADC主要分为模拟前端和数字后端两个部分，通过这两个部分的协同工作，实现了高精度的模拟-数字转换。

三、sigma-delta ADC的优缺点1. 优点：（1）由于过采样和高阶滤波器的使用，sigma-delta ADC具有较高的分辨率和动态范围；（2）sigma-delta ADC可以利用硬件结构的优化和数字滤波器的后处理，实现较高的抗干扰能力；（3）sigma-delta ADC的功耗较低，适用于低功耗应用。

TMR传感器中高精度多位量化Sigma-Delta调制器的设计哈尔滨工业大学工程硕士学位论文目录摘要 (I)Abstract .............................................................................................................. ....... I I 第1章绪论 . (1)1.1 课题背景 (1)1.2 国内外研究现状 (1)1.2.1 国外研究发展现状 (1)1.2.2 国内研究发展现状 (5)1.3 本课题的目的及意义 (5)1.4 课题的主要工作 (6)第2章Sigma-Delta调制器工作原理 (7)2.1 引言 (7)2.2 Sigma-Delta调制技术原理 (7)2.3 过采样原理与噪声整形技术 (9)2.4 Sigma-delta 调制器的实现结构 (11)2.5 多位量化及反馈DAC非线性 (14)2.6 反馈单元的失配校正 (16)2.7 本章小结 (18)第3章Sigma-Delta调制器非理想因素分析及建模 (19)3.1 引言 (19)3.2 Sigma-Delta 调制器的系统级设计 (19)3.2.1 调制器的系统级设计 (19)3.2.2 调制器的建模仿真 (21)3.3 非理想因素分析 (22)3.3.1 时钟抖动 (22)3.3.2 电路噪声 (23)3.3.3 非理想积分器 (29)3.3.4 非线性失真源 (34)3.4 非理想因素建模与仿真 (36)3.5 本章小结 (41)第4章Sigma-Delta调制器电路实现 (42)III哈尔滨工业大学工程硕士学位论文4.1 引言 (42)4.2 Sigma-delta调制器中的基本单元 (43)4.2.1 开关电容积分器 (43)4.2.2 反馈DAC (43)4.2.3 开关电容放大器 (44)4.2.4 模拟加法器 (45)4.2.5 多位量化器 (45)4.3 DWA实现及验证 (47)4.4 运算放大器的设计 (48)4.5 CMOS开关与时钟信号 (53)4.6 整体电路仿真与分析 (55)4.7 版图绘制与后仿 (57)4.8 本章小结 (58)结论 (59)参考文献 (60)攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 (63)哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 (64)致谢 (64)IV哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第1章绪论1.1课题背景磁传感器在医疗、航天、汽车等领域具有广泛应用，目前应用比较多的有基于霍尔效应磁传感器、AMR磁传感器、GMR磁传感器以及TMR磁传感器。

0前言随着现代科技的发展,与模拟领域的信号处理相比,数字领域具有精度更高、可靠性更高、成本更低等优点,数字通信具有抗干扰能力强、噪声不积累、传输差错可控、易于加密处理,就是由于数字信号处理有着模拟信号处理无法企及的优势,在许多领域对信号进行相关的处理前,需要将模拟信号转换为数字信号。

模数转换器(ADC)能够将连续的模拟信号转换成离散的数字信号,它是采用采样器以及量化器对模拟信号实现时间、幅值上离散化。

模拟信号首先被抽样,成为抽样信号,它在时间上是离散的,但其取值仍然是连续的,得到离散模拟信号。

其次是量化,使抽样信号变成量化信号,其取值是离散的,故量化信号已经是数字信号了,它可以看成是多进制的数字脉冲信号,这样就完成了从模拟信号转变成数字信号的过程。

Σ-ΔADC是一种改进性增量型系统,它具有调制功能,Σ-ΔADC的工作原理是对其前后两个相邻点的值进行采样,然后对采样值进行加减运算,对运算得到的差值进行量化、编码,以此来描述信源发送过来的模拟信号中包含的信息。

它主要的特点是能够在时间概念上利用序列的平均精度来提高分辨率,从而以牺牲速度为代价来获取分辨率,这样就能够在低压条件下,在不满足严格的匹配要求条件下,依然可以采用适当的校正技术,以此获取较高的精度。

Σ-ΔADC调制器主要由三个模块组成,分别是Sigma-Delta调制器、抗重叠滤波器、以及数字采样抽取滤波器,如图1所示[1]。

图1Sigma-Delta ADC框架图1设计思路本文设计了一种高精度的Sigma-Delta ADC调制器电路,它主要包括开关电容积分器的电路、两相非交叠时钟电路、动态锁存比较器。

1.1开关电容积分器的电路开关电容积分器的电路,如图2所示。

积分器是Sigma-Delta 调制器的核心模块之一,它的性能和功耗对整个系统的性能指标都扮演了重要的角色,所以在设计的积分器的时候就一定要考虑精度要求。

由Sigma-Delta调制器原理可知道,调制器的性能与传输函数整形的阶数二者是成正比关系,调制器的阶数越高,噪声整形的效果越好。

用于VoIP的Sigma-Delta调制器的研究与设计的开题报告一、研究背景随着VoIP技术的迅速发展，在网络通信领域中，越来越多的应用开始采用VoIP 技术进行语音通信。

因此，设计高性能调制器是VoIP系统中至关重要的一部分。

Sigma-Delta调制器被广泛应用于VoIP系统中，因其低成本、设计简单、高噪声抑制能力、高动态范围和低失真等特点，成为一种优秀的调制器设计方案。

二、研究内容本研究的主要内容是对Sigma-Delta调制器进行研究和设计，包括以下方面：1. Sigma-Delta调制器的原理及基本结构：对Sigma-Delta调制器的基本原理进行深入研究，探究Sigma-Delta调制器的特点和应用场景，并介绍其基本结构和工作原理。

2. Sigma-Delta调制器参数的选择：对Sigma-Delta调制器中一些关键参数的选择进行分析和研究，如数据转换器的精度、过采样比、带宽等参数的选取，以实现高性能的Sigma-Delta调制器设计。

3. Sigma-Delta调制器电路设计：基于前期的理论研究和参数选择，对Sigma-Delta调制器的具体电路进行设计，并进行仿真和验证。

4. Sigma-Delta调制器性能测试：对设计好的Sigma-Delta调制器进行性能测试，包括信噪比、失真、动态范围等指标的测试。

三、研究意义本研究主要针对VoIP领域的Sigma-Delta调制器进行研究和设计。

通过本研究，可以得到如下意义：1. 加深对Sigma-Delta调制器的理解和应用：对于VoIP领域的从业人员，本研究将有助于他们更深入地了解Sigma-Delta调制器的工作原理和特点，为他们的工作提供有价值的参考。

2. 提高VoIP系统的语音质量：本研究将设计出高性能的Sigma-Delta调制器，能够提高VoIP系统的语音质量，更好地满足用户的实际需求。

3. 推动Sigma-Delta调制器的应用发展：本研究的成果将为Sigma-Delta调制器在VoIP领域的进一步应用提供理论和方法支持，进一步推动Sigma-Delta调制器的应用发展。