移動(dòng)設(shè)備中高精度低功耗Sigma-Delta調(diào)制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

1、隨著特征工藝尺寸的不斷減小和移動(dòng)電子設(shè)備的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代集成電路的工作電壓不斷地降低。這為主流數(shù)字芯片帶來(lái)了顯著的性能提升和功耗節(jié)省，也對(duì)模擬集成電路的設(shè)計(jì)提出了更大的挑戰(zhàn)，特別是一些高精度高性能模擬模塊的低電壓低功耗實(shí)現(xiàn)。例如，在主流移動(dòng)設(shè)備中，鋰電池等可充電電池占據(jù)著主導(dǎo)的地位，而這些電池在其使用周期末端的輸出電壓通常會(huì)較正常工作電壓有顯著的下降。這就要求移動(dòng)設(shè)備中的電路能夠在極低的電壓下正常工作，并通過(guò)減少自身所需功耗來(lái)盡量延長(zhǎng)其

2、工作周期。其中，由于受到動(dòng)態(tài)范圍等因素的限制，又要兼顧對(duì)數(shù)字電路的影響，模擬電路模塊的低壓低功耗設(shè)計(jì)成為整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。 在移動(dòng)測(cè)量設(shè)備中，一個(gè)高精度低功耗的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊是必不可少的，正是它將傳感單元檢錄的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為更易被大規(guī)模處理的數(shù)字信號(hào)。由于模擬電路實(shí)現(xiàn)過(guò)程中不可避免的失配與各種各樣的誤差，傳統(tǒng)的奈奎斯特類(lèi)數(shù)模轉(zhuǎn)換器很難實(shí)現(xiàn)超過(guò)十位的分辨率。而當(dāng)今興起的過(guò)采樣類(lèi)數(shù)模轉(zhuǎn)換器則得益于系統(tǒng)對(duì)失配與誤差的有效抑制，以及過(guò)采

3、樣率帶來(lái)的噪聲衰減，正越來(lái)越多地成為實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換的選擇。其中就包括以Sigma-Delta調(diào)制器為基礎(chǔ)的sigma-Delta 數(shù)模轉(zhuǎn)換器。相較于傳統(tǒng)的奈奎斯特類(lèi)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，sigma-Delta 調(diào)制器能夠在同等精度下大幅度減少所需的硬件電路，從而降低芯片所需的功耗和面積。 論文主要研究移動(dòng)測(cè)量設(shè)備中高精度低功耗 Sigma-Delta 調(diào)制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。在廣泛閱讀國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究了 Sigma-Del

4、ta 調(diào)制理論，并詳盡分析了各種不同拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)間的優(yōu)劣比較。以設(shè)計(jì)一個(gè)能夠工作在1.5v電壓下，信號(hào)帶寬1KHz，達(dá)到16位分辨率的Sigma-Delta調(diào)制器為具體實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，在滿(mǎn)足系統(tǒng)性能要求的前提下，盡量選擇能夠降低功耗的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)性能與功耗的最優(yōu)化，并將整體功耗控制在一毫瓦以?xún)?nèi)。系統(tǒng)層次的設(shè)計(jì)與仿真主要集中在以下幾個(gè)方面：階數(shù)與過(guò)采樣率選擇，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較，穩(wěn)定性考慮，參數(shù)設(shè)置及調(diào)整，零點(diǎn)優(yōu)化技術(shù)，以及時(shí)序分析。 在確定理

5、想情況下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)之后，論文通過(guò)分析各種系統(tǒng)非理想性因素對(duì)性能的影響，得到了各單元模塊電路的具體性能指標(biāo)。并在考慮這些因素的情況下，再次進(jìn)行系統(tǒng)仿真，保證電路性能的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)非理想性因素主要包括以下幾個(gè)方面：噪聲分析，各級(jí)采樣電容確定，閃爍噪聲的消除，運(yùn)放的各種非理想性因素，采樣時(shí)鐘抖動(dòng)，系統(tǒng)參數(shù)偏移，以及開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻等。在保證性能的前提下，對(duì)于其中對(duì)系統(tǒng)功耗有重要影響的模塊進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化。 在完成系統(tǒng)層次設(shè)計(jì)之后，論文闡述了各