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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。
一个16位高性能音频Sigma-Delta调制器
郭晓露;刘海洋;王明江
【期刊名称】《微处理机》
【年(卷),期】2010(31)5
【摘要】设计了一个适用于音频信号系统的sigma-delta调制器.针对24KHz的音频信号,比较了各种调制器结构,选择了二阶一位的采样型结构.sigma-delta调制器工作在1.8V电源电压下,采用全差分开关电容电路,功耗为6.5mW.仿真结果显示在256倍的过采样率,12.288MHz的采样频率下,信噪比(SNR)可达到98dB,实现16位的精度.该调制器采用UMC 0.18μm混合信号工艺实现,电容采用MIM结构,有效面积为0.209mm2.完全可用于设计低成本、高性能芯片.
【总页数】4页(P35-38)
【作者】郭晓露;刘海洋;王明江
【作者单位】哈尔滨工业大学深圳研究生院微电子中心,深圳518055;哈尔滨工业大学深圳研究生院微电子中心,深圳518055;哈尔滨工业大学深圳研究生院微电子中心,深圳518055
【正文语种】中文
【中图分类】TN79
【相关文献】
1.一种用于音频的2-2级联结构Sigma-Delta调制器设计 [J], 张婷;钟传杰
2.应用于音频设备的14-bit Sigma-delta调制器的设计 [J], 代田慧;彭晓宏
3.16位音频sigma-delta调制器设计 [J], 马芝;李琰;愈航;姜来;纪震
4.一种低功耗16bit音频Sigma-Delta调制器的设计 [J], 景新幸;包远鑫;胡胜
5.一个0.9V电源电压16位300μW音频ΣΔ调制器 [J], 苟曦;李怡然;陈建球;许俊;任俊彦
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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。
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。
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位音频Delta-Sigma调制器设计的开题报告一、选题背景随着数字音频技术的不断发展和应用，高品质数字音频接口的需求也逐渐增加。
其中，16位音频数字接口是现今市场上最普遍的音频传输接口之一。
为了实现高保真的音频传输，需要采用高品质的调制技术进行数字信号的转换和传输。
Delta-Sigma调制器是当前比较先进的数字信号转换技术，广泛应用于音频数字接口中。
二、选题意义本课题旨在通过对Delta-Sigma调制器的研究和设计，实现高品质、低成本的16位音频数字接口。
该调制器设计具有以下意义：1. 增加市场竞争力：通过设计出高品质、低成本的16位音频数字接口，可以增加企业的市场竞争力，提高产品的销售额。
2. 提高产品可靠性：采用Delta-Sigma调制器进行信号转换，可以提高产品的抗干扰性能，减少数据传输过程中的丢包率，提高产品的可靠性。
3. 促进技术创新：通过对Delta-Sigma调制器的研究和设计，可以促进数字信号调制技术的创新和发展，为下一代数字音频接口的研究提供参考。
三、研究内容本课题将主要研究和设计一种基于Delta-Sigma调制器的16位音频数字接口。
具体研究内容包括：1. Delta-Sigma调制器的基本原理和工作方式的研究。
2. 16位音频数字接口的系统设计和硬件电路实现。
3. Delta-Sigma调制器的参数优化和性能测试。
4. 系统的软件程序设计和性能测试。
四、研究方法本课题将采用以下方法进行研究：1. 文献研究法，深入学习Delta-Sigma调制器的理论知识和技术要点。
2. 实验研究法，设计Delta-Sigma调制器及相关硬件电路，并对其性能进行测试。
3. 经验总结法，对实验结果进行分析总结，优化调制器参数以提高其性能。
4. 实践探索法，利用设计实现的16位音频数字接口进行测试和完善，不断探索和验证其实际应用价值。
五、研究预期成果通过研究、设计、实现和测试，本课题的预期成果包括：1. 设计出一种高品质、低成本的16位音频数字接口。
16位音频sigma-delta AD转换器关键设计技术研究的开题报告开题报告：16位音频sigma-delta AD转换器关键设计技术研究一、研究背景随着音频技术的不断进步，音频数据的精度和采样率的要求也不断提高。
目前，16位音频采样已经成为主流，而采样率也逐渐向更高的水平发展。
对于音频采集系统的AD转换器，高精度和高速度也成为了研究热点。
sigma-delta AD转换器通过技术手段实现了高精度、高速度的音频数据采集。
同时，随着集成电路技术的不断发展，CMOS技术的成熟和DSP技术的应用也为sigma-delta AD转换器的设计提供了支持。
因此，研究16位音频sigma-delta AD转换器关键设计技术，对于提升音频采集系统的采样精度和速度有着重要意义。
二、研究内容1. sigma-delta AD转换器的原理及其在音频采集中的应用2. sigma-delta调制器设计技术3. 数字滤波器设计技术4. 微分放大器设计技术5. Feedforward路径设计技术6. 低噪声电源设计技术7. 前端电路和电源抗干扰设计技术8. 仿真和测试技术三、研究意义1. 提高音频采集系统的采样精度和速度。
2. 为音频信号数字化和传输等领域提供技术支持。
3. 推动 sigma-delta AD转换器技术的发展。
四、研究方法1. 文献调研2. 现有 sigma-delta AD转换器设计的分析和总结3. 初步设计和仿真4. 电路实现和测试验证五、预期成果1. 设计一个16位音频sigma-delta AD转换器电路2. 在电路实现和测试验证中获取采样精度和速度数据3. 发表论文或参加相关学术会议六、研究进度安排1. 第一年：文献调研、sigma-delta AD转换器的原理及应用研究、初步电路设计和仿真。
2. 第二年：电路实现、测试验证和结果分析、论文撰写。
七、研究环境和条件1. 设计软件： Cadence、MATLAB等2. 实验设备：数字示波器、信号发生器等3. 数据库：Web of Science、CNKI、SCI等八、研究团队本研究由4名本科生和1名导师组成的小组进行。
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。
一种16位音频Σ-Δ DAC的设计与实现的开题报告
问题陈述：
音频DAC（Digital-to-Analog Converters）是将数字信号转换成模拟信号的一个重要器件，应用于音频人机接口、音频播放器、音频采集、音频处理等领域。
Σ-Δ调制是一种比较流行的数字信号处理技术，Σ-Δ DAC是一种基于Σ-Δ调制实现的音频DAC。
本课题将研究一种16位音频Σ-Δ DAC的设计与实现。
该DAC应能够满足音频播放、
音频采集、音频处理等应用场景的要求，具有较高的信噪比、低失真、低功耗等特点。
计划的研究内容：
1. 研究Σ-Δ调制的原理和实现方法，了解各种Σ-Δ调制器的特点和性能指标，掌握Σ-Δ
调制器的设计流程和实现技巧；
2. 设计16位音频Σ-Δ DAC的数字部分，将数字信号转换成Σ-Δ调制器的输入信号，优化Σ-Δ调制器的性能指标，包括信噪比、失真、动态范围等；
3. 设计16位音频Σ-Δ DAC的模拟部分，将Σ-Δ调制器的输出信号转换成模拟信号，优化模拟电路的性能指标，包括信噪比、失真、输出功率等；
4. 对设计的16位音频Σ-Δ DAC进行仿真和测试，验证其满足音频播放、音频采集、
音频处理等应用场景的要求，评估其性能指标，对设计进行改进和优化。
预期的研究结果：
1. 实现一种16位音频Σ-Δ DAC的设计与实现，具有较高的信噪比、低失真、低功耗
等特点，能够满足音频播放、音频采集、音频处理等应用场景的要求；
2. 验证所设计的16位音频Σ-Δ DAC的性能指标，包括信噪比、失真、动态范围等；
3. 对设计的16位音频Σ-Δ DAC进行改进和优化，提高其性能指标，包括信噪比、失
真等。
一种低功耗16bit音频Sigma-Delta调制器的设计
景新幸;包远鑫;胡胜
【期刊名称】《微电子学与计算机》
【年(卷),期】2013(30)9
【摘要】设计了一款工作在1.8V电源电压下、功耗仅为1.8mW、精度为16bit,优化系数(FOM)达170的音频sigma-delta调制器.其过采样率为128,采用3阶噪声整形.为了降低功耗,采用前馈结构以及单比特量化.通过采用PMOS管实现局部反馈,有效提升了调制器性能.调制器采用SMIC 0.18μm工艺实现,通过对系统结构和运算放大器、比较器等电路子模块的分析,完成整体电路和版图设计.在SS工艺角下,仿真表明本文设计的调制器性能良好,在20kHz的带宽内可达到100.8dB 的信噪比(SNR),折合有效位16bits精度要求.
【总页数】4页(P115-118)
【关键词】Sigma-Delta调制器;开关电容积分器;运算放大器;动态比较器
【作者】景新幸;包远鑫;胡胜
【作者单位】桂林电子科技大学信息与通信学院
【正文语种】中文
【中图分类】TN710.2
【相关文献】
1.低功耗高线性度音频Sigma-Delta调制器 [J], 郭清;马绍宇;黄小伟;韩雁
2.一种用于音频的2-2级联结构Sigma-Delta调制器设计 [J], 张婷;钟传杰
3.一种面向智能传感器的低功耗高精度sigma-delta调制器设计 [J], 周文彬;贾绍磊;梅年松;张钊锋
4.一种低功耗Sigma-Delta调制器的设计 [J], 王亮;杨骁;齐骋;凌朝东;谢应辉
5.一种低功耗高精度Sigma-Delta调制器 [J], 詹陈长;周晓方;周电
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