（微电子学与固体电子学专业论文）用于数据采集的sigmadelta调制器的设计与实现.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 过采样s i g m a - d e l t aa d c 采用s i g m a - d e l t a 调制技术来实现模数转换，非常 适合用来实现数字通信系统和信号处理系统中的模拟接口部件。这类模数转换器 可充分利用现代v l s i 的高速、高集成度的优点，同时避免了元器件失配对a d 转换器精度的限制，已成为实现高精度模数转换的主要技术。 本文针对高速数据采集系统的应用，设计了一种适用于高速、高精度模数转 换器的调制器部分。该调制器采用了三级五阶结构，由全差分开关电容电路实现。 采样时钟为3 8 4 m h z ，过采样率为3 2 ，电源电压为3 3 v ，单比特量化，d a 参 考电平为士1 6 v 。采用c h a r t e r e d 的o 3 5 1 m l ，2 p 4 m ，n 阱c m o s - 1 - 艺进行仿真， 结果显示，在1 2 m h z 的转换频率下，调制器的s n r 达到9 1 8 d b ，功耗约为 2 0 0 i i l w 。 本文主要完成的工作有以下几个方面： ( 1 ) 对各种模数转换技术的发展和应用前景以及国内外最新研究情况进 行了详细的论述，对s i g m a - d e l t a a d c 原理和各种结构进行了深入的 分析。 ( 2 ) 根据设计要求确定了调制器的过采样率、调制阶数和量化器位数，确 定了调制器的拓扑结构为级联2 - 2 1 。在行为级仿真优化的基础上合 理选取增益衰减因子和级间耦合系数。同时还对积分器的非理想特性 和噪声也进行了建模。 ( 3 ) 讨论了电路实现过程中运放有限增益、有限带宽、不完全建立过程等 非理想因素对调制器性能的影响，确定各个模块电路的性能指标，包 括开关电容积分器、多相时钟发生电路、锁存比较器和差分基准电压 源，并对整个调制器进行了仿真，用s p e c t r e 作瞬态分析，用m a t l a b 完成了噪声抵消逻辑和f f t 分析，结果基本达到设计要求。 关键词：s i g m a - d e l t a 调制器过采样模数转换器开关电容电路 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t o v e r s a m p l e da d c sb a s e do i ls i g m a - d e l t am o d u l a t i o na r ew e l l - s u i t e dt ot h e i m p l e m e n t a t i o no fa n a l o gi n t e r f a c e si nd i g i t a lc o m m u n i c a t i o na n ds i g n a lp r o c e s s i n g s y s t e m s t h e s ec o n v e r t e r se x p l o i tt h ee n h a n c e ds p e e da n dc i r c u i td e n s i t yo fm o d e r n v l s it e c h n o l o g i e sa n do v e r c o m el i m i t a t i o n so nr e s o l u t i o nt h a tr e s u l tf r o mt h e c o m p o n e n tm i s m a t c h i n g n o ws i g m a - d e l t aa d c sh a v eb e e nw i d e l yu s e df o rh i 曲 r e s o l u f i o na dc o n v e r s i o n t h i st h e s i sd o e sr e s e a r c h e sa tt h ef i e l do f h i g hs p c e d ，h i g hr e s o l u t i o na p p l i c a t i o n s w i t hs i g m a - d e l t aa d c s ，e s p e c i a l l yf o rd a t aa c q u i s i t i o na p p l i c a t i o n s ah i g h p e r f o r m a n c es i g m a - d e l t am o d u l a t o ri sp r e s e n t e d a c c o r d i n g t ot h em o d u l a t o r , i th a sa t h r e e - s t a g e f i v e - o r d e rt o p o l o g ya n di si m p l e m e n t e dw i t hf u l l y - d i f f e r e n t i a l s w i t c h - c a p a c i t o rc i r c u i t s a l ld e s i g ns i m u l a t i o n sa r eb a s e d o nt h ec h a r t e r e dm o d e l so f d o u b l ep o l y , f o u rm e t a l n w e l l0 3 5 9 mc m o sp r o c e s s s i m u l a t i o n ss h o wt h a t , t h e m o d u l a t o r ，o p e r a t i n gf r o ms i n g l e3 3 vp o w e rs u p p l y , 士1 6 vr e f e r e n c ev o l t a g e o v e r s a m p l i n gd o c ko f3 8 4 m h z , a c h i e v e ss n r o f9 1 8 d b t h ep o w e rd i s s i p a t i o no f t h em o d u l a t o rs y s t e mi sa b o u t2 0 0 m w t h em a i n j o b so f t h st h e s i sa sf o l l o w i n g ： ( 1 ) t h e s i sn o to n l yg i v e st h ed i s c u s s i o na b o u tt h ed e v e l o p m e n to fd i f f e r e n t a d c s t e c h n o l o g y , a sw e l l a st h e i r a p p l i c a t i o n s i nf u t u r ea n dr e c e n t r e s e a r c h e si no u rc o u n t r ya n do v e l s e a s ，b u ta l s og i v e st h ed e s c r i p t i o ni n d e t a i l t h a t h o wa s i g m a - d e l t a a d c w o r k s a n d i t s v a r i e t y o f a r c h i t e c t u r e s ( 2 ) o v e r s a m p l i n gr a t i o ，t h eo r d e ro fn o i s es h a p 主n ga n dt h ei n t e r n a lq u a n t i z e r r e s o l u t i o na r ed e c i d e da c c o r d i n gt ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n t , a n d2 - 2 - 1 c a s c a d ea r c h i t e c t u r ei sa d o p t e d g a i ns c a l i n gf a c t o r sa n di n t e r s t a g ec o u p l i n g c o e 伍d e n t sa r ed e c i d e do nt h eb a s i so fb e h a v i o r a ls i m u l a t i o ni nm a t l a b e n v i r o n m e n t b e s i d e s n o n i d e a l i t i e si n t r o d u c e db yi n t e g r a t o r sa n dn o i s ea r e a l s em o d e l e d ( 3 ) n o n - i d e a l i t i e sp r o d u c e dd u r i n gt h em a n u f a c t u r ep r o c e s s ，s u c ha sf i n i t eg a i n , ；x 上海大学硕士学位论文 f i n i t eb a n d w i d t ha n d e a p a c i t o rm i s m a t c ho f t h ei n t e g r a t o rh a v eb e e na n a d y s e d , a n dt h ep e r f o r m a n c es p e co fe a c hc i r c u i tb l o c k8 e d e t e r m i n e d , i n c l u d i n g s w i t c h - c a p a c i t o ri n t e g r a t o r s ，ac l o c kd r i v e r , l a t c h e dc o m p a r a t o r sa n da d i f f e r e n t i a lb a n d g a pr e f e r e n c ev o l t a g eg e n e r a t o r a n d , s p e c t r ei su s e dt o a n a l y z et r a n s i e n tr e s p o n s eo f t h em o d u l a t o r , a n dt h eo u t p u td a t ai st r a n s f e r r e d t om a t l a bt oc a n c e ln o i s ea n dm a k ea na n a l y s i so ff f t t h er e s u l t ss h o wt h e m o d u l a t o rc a na c h i e v et h er e q u i r e m e n t o f d e s i g n k e y w o r d s ：s i g m a - d e l t am o d u l a t o r , o v e r s a m p l i n g , a d c ，s w i t c h - c a p a c i t o rc i r c u i t 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：苤盔丝日 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：丝查叁导 上海大学硕士学位论文 1 1 选题的背景与意义 第一章引言 随着超大规模集成电路技术和c m o s i 艺的发展，数字技术日趋成熟。由于 数字技术具有便于传输，高精度，高可靠性，低功耗，低成本等特点，因此许多 传统采用模拟方法实现的信号处理今天都由数字技术来完成。然而要充分发挥数 字技术的优点，就必然要求利用现有的v l s i 工艺研制高性能的模数、数模转换 系统。 s i g m a - d e l t aa d c 在目前大多数数模混合系统中占有重要地位。这种方案其 实很早就提出来了，限于当时的技术水平，特别是数字抽取滤波器的实现困难， 因而没有获得实际的应用。近年来，随着超大规模集成电路工艺技术和数字信号 处理技术的发展，使数字抽取滤波器的实现已不成问题，因此自从上世纪7 0 年代 末出现到现在的3 0 多年时间里，s i g m a - d e l t aa d c 已经取得了很广泛的应用和发 展。在上世纪8 0 年代，s i g m a - d e l t aa d c 主要应用在音频信号处理领域，随着集 成电路工艺技术和数字信号处理技术的不断进步，s i g m a - d e l t aa d c 转换器获得 了更进一步的发展，并且在音频信号处理领域已经比较成熟。特别是上世纪9 0 年代以来，这种a d c 获得了空前的应用和发展，并在高精度数据采集特别是数 字音像系统，多媒体，地震勘探仪器，声纳，电子测量等领域内均获得了广泛的 应用。目前，1 8 b i t s 的s i g m a - d e l t a a d c 尸, 大批量生产，精度达2 4 b i t s 的s i g m a - d e l t a a d c 也已经问世。因为s i g m a - d e l t aa d c 是以速度来换取精度的，所以速度是制 约其进一步发展的重要因素。但是目前随着信号处理速度的提高，s i g m a - d e l t a a d c 转换速度也进入了兆赫兹范围，而它的分辨率可高达1 5 b i t s 。现在s i g m a - d e l t a a d c 能够以1 0 0 d b 的s n r 对1 m i - i z 带宽的模拟信号进行数字转换。如果对于 2 0 k h z 较低带宽的模拟输入信号，其s n r 甚至可以高达1 2 0 d b 。带通s i g m a - d e l t a a d c 已经开始进入无线通信领域，它可以将载波频率附近的窄带信号直接数字 化，它在视频领域的应用处于研究开发阶段。随着超大规模集成电路工艺技术和 数字信号处理技术的发展，其应用领域将会得到更大的扩展。 s i g m a d e l t aa d c 技术在信号处理中受到很大的关注。这是因为基于过采样 技术的s i g m a - d e l t aa d c 以速度换精度，以时间概念上的数列均值精度来替代采 上海大学硕士学位论文 样保持电路对a d c 分辨率的决定性作用，将模拟电路与数字滤波相结合，对模 拟电路的规模、匹配性和线性度要求都大为降低，正好适应了现代v l s i - i - 艺的 特点，逐渐发展成为中、低频范围内获取高分辨率数据转换的主要技术。另外它 采用了一位的内部d a 转换，这就不需要严格的元件匹配。这个技术允许a d c 工作在低电压，并消耗很少的功率。再者，由于它们可以对噪声进行整形，因此 s i g m a - d e l t aa d c 广泛应用于仪表测量、语音处理和i s d n ，a s d l ，中频a d 转换 等通信领域。 我国的集成电路工业发展比较落后，在这方面还处于起步阶段，因此对s i g m a d e l t a a d c 的研究是很有必要的。 1 2 本文的主要工作 本次设计的目标为精度1 6 b i t s ，基带带宽6 0 0 k h z 的高速、高精度s i g m a - d e l t a 调制器，适用于高速的数据采集系统中。论文研究了利用过采样技术实现a d 转 换的原理、方法和设计技术，并就如何选择、优化系统架构及参数，克服电路中 存在的非理想特性作了具体分析。最后的m a t l a b 仿真结果表明，该s i g m a - d e l t a 调制器可在1 2 m s p s 的转换频率下达至i j l 6 b i t s 精度。 本文要完成的工作如下： ( 1 ) 论述了目前应用比较广泛的几种模数转换技术和它们的发展趋势，详细 分析了s i g m a - d e l t aa d c 的工作原理，对s i g m a - d e l t a 调制器的几种结构进行了 具体分析，推出了理想情况下的调制器输出结果，并简单地描述了降采样滤波器 的基本实现方法。 ( 2 ) 根据设计要求先选定s i g m a - d e l t a 调制器的体系结构为级联2 2 1 。用 m a t l a b 的s i m u l i n k 构建了系统的整体结构，并对增益衰减因子和级问耦合系数 进行仔细的选取，选取原则是使调制器中的每个积分器都不过载，并能达到尽可 能大的动态范围。还考虑了匹配误差与电路噪声的建模，使模型尽可能接近实际 电路的效果。m a t l a b 仿真结果显示系统基本满足1 6 b i t s 精度和6 0 0 k h z 基带带宽 的要求。 ( 3 ) 实现调制器内部各个功能模块的电路设计，包括运算放大器、开关电容 积分器、锁存比较器、差分参考带隙基准电压源和时钟发生器。在s i g m a d e l t a 2 上海大学硕士学位论文 调制器的实现中，最重要的模块是第一级的积分器，积分器里运算放大器的线性 度、噪声和建立时间都是最重要的电路参数。设计得到的积分器能实现较好的特 性，满足设计要求。在各功能模块设计完成的基础上搭建出了整个调制器电路， 把调制器的输出结果导入到m a t l a b 实现后面的逻辑抵消功能和f f t 分析，从而 完成了整个调制器的设计。 1 3 论文章节安排 本文分为五章，其具体安排如下： 第_ 章主要阐述了s i g m a - d e l t aa d c 的发展背景和市场前景，并简单介绍 本文的工作。 第二章主要阐述了目前应用广泛的几种模数转换技术和它们的发展，应用 前景，并分析了国内外模数转换器的最新研究情况。 第三章首先阐述了s i g m a - d e l t aa d c 的结构以及工作原理，分析了调制器 的动态范围( 即转换精度比特数) 与调制阶数、量化器位数和过采样率的关系， 然后对高阶s i g m a - d e l t a 调制器的几种结构进行了理论分析，并给出了理想情况 下的调制器输出。 第四章根据设计要求确定了调制器的过采样率、量化器位数和调制阶数， 用m a t l a b 搭建调制器的体系结构，对结构中的增益衰减因子及级问耦合系数进 项合理选取，并考虑到实际电路中存在噪声泄漏，在设计中留有一定的设计余量， 重点分析了两种级联高阶调制器结构的性能，并进行比较，选择2 2 1 结构，最 后给出m a t l a b 的仿真结果。 第五章分析了调制器的建立误差、器件噪声等非理想因素对s i g m a d e l t a 调制器性能的影响，详细阐述了调制器各个模块电路的具体设计思想，在各功能 模块设计完成的基础上搭建出了整个调制器电路，把调制器的输出结果导入到 m a t l a b 实现后面的逻辑抵消功能，测得调制器的信噪比，从而完成了整个调制器 的设计。 第六章对本文工作进行总结，并对s i g m a - d e l t a a d c 设计的发展做出展望。 上海大学硕士学位论文 第二章模数转换技术及其发展 2 1 模数转换技术分类 模数转换是将模拟输入信号转换为n 位二进制数字输出信号的技术。采用 数字信号处理能够方便实现各种先进的自适应算法，完成模拟电路无法实现的功 能，因此，越来越多的模拟信号处理正在被数字技术所取代。与之相应的是，作 为模拟系统和数字系统之间桥梁的模数转换的应用日趋广泛。 模数转换包括采样、保持、量化和编码四个过程。目前，世界上有多种类型 的a d c ，有传统的积分型、逐次逼近型、并行a d c ，也有近年来新发展起来的 流水线型、折叠型和s i g m a - d e l t a 型a d c ，多种类型的a d c t ”】各有其优缺点并 能满足不同的具体应用要求。 2 1 1 积分型模数转换器 积分型模数转换器【4 1 称双斜率或多斜率数据转换器，是应用最为广泛的转换 器类型。典型的是双斜率转换器，我们就以其为例说明积分型模数转换器的工作 原理，如图2 1 所示。 双斜率转换器由1 个带有输入切换开关的模拟积分器、1 个比较器和1 个计 数单元构成。积分器对输入电压在固定的时间间隔内积分，该时间间隔通常对应 于内部计数单元的最大的数。时间到达后将计数器复位并将积分器输入连接到反 板性( 负) 参考电压。在这个反极性信号作用下，积分器被“反向积分”直到输 出回到零，并使计数器终止，积分器复位。 积分型模数转换器的采样速度和带宽都非常低，但它们的精度可以做得很 高，并且抑制高频噪声和固定的低频干扰( 如5 0 h z 或6 0 h z ) ，使其对于嘈杂的 工业环境以及不要求高转换速率的应用很有用( 如热电偶输出的量化) 。因此积 分型模数转换技术在低速、高精度测量领域有着广泛的应用，特别是在数字仪表 领域。其优点是：分辨率高( 可达2 2 b i t s ) ，功耗低，成本低。缺点是：转换速 率低，转换精度为1 2 b i t s 时，它的转换速度为1 0 0 3 0 0 s p s 。 4 上海大学硕士学位论文 v - - v t 口 图2 1 积分模数转换器的结构框图 2 1 2 逐次逼近型模数转换器 逐次逼近型a d c s 是应用非常广泛的模数转换方法，它按照二分搜索法的 原理，类似于天平称物的一种模数转换过程。也就是将需要进行转换的模拟信号 与已知的不同的参考电压进行多次比较，使转换后的数字量在数值上逐次逼近输 入模拟量的对应值。 逐次逼近型a d c 由比较器、d a 转换器、比较寄存器s a r 、时钟发生器以 及控制逻辑电路组成，将采样输入信号与已知电压不断进行比较，然后转换成二 进制数。其原理如图2 2 所示，首先将d a c 的最高有效位m s b 保存到s a r ， 接着将该值对应的电压与输入电压进行比较。比较器输出被反馈到d a c ，并在 一次比较前对其进行修正。在逻辑控制电路和时钟驱动下，s a r 不断进行比较 和移位操作，直到完成l s b 的转换，此时所产生的d a c 输出逼近输入电压的 士i 2 l s b 。当每一位都确定后，转换结果被锁存到s a r 并作为a d c 输出。 模拟输入 图2 2 逐次逼近模数转换器的结构框图 逐次逼近型转换方式的特点是：转换速度较高，可以达到i m s p s ；在低于 上海大学硕士学位论文 1 2 b i t s 分辨率的情况下，电路实现上较其他转换方式成本低。但这种转换方式需 要数模转换电路，由于高精度的数模转换电路需要较高的电阻或电容匹配网络， 故精度不会很高。 2 1 3 并行模数转换器 并行a d c 6 】是现今速度最快的模数转换器，采样速率在1 g s p s 以上，通常 称为“闪烁式”a d c 。并行转换是一种直接的模数转换方式。它大大减少了转 换过程的中间步骤，每一位数字代码几乎在同一时刻得到。 并行a d c 由电阻分压器、比较器、缓冲器及编码器四部分组成。这种结构 的a d c 所有位的转换同时完成，其转换时间主要取决于比较器的开关速度、编 码器的传输时间延迟等。增加输出代码对转换时间的影响较小，但随着分辨率的 提高，需要高密度的模拟设计以实现转换所必需的数量很大的精密分压电阻和比 较器电路。输出数字增加一位，精密电阻数量就要增加一倍，比较器也近似增加 一倍。精度越高，比较器的数目越多，制造越困难。如图2 - 3 所示。 并行a d c 的分辨率受管芯尺寸、过大的输入电容、大量比较器所产生的功 率消耗等限制。并联比较器如果精度不匹配，还会造成静态误差，比如会使输入 失调电压增大。同时，这一类型的a d c 由于存在比较器的亚稳态、编码气泡， 还会产生离散的、不精确的输出，即所谓的“火花码”。这类a d c 的优点是模 数转换速度最高，缺点是分辨率不高，功耗大。成本高。 模拟信号 w d 图2 3 并行模数转换器的结构框图 6 上海大学硕士学位论文 2 1 4 流水线模数转换器 流水线模数转换器 7 1 是对并行转换器进行改进而设计出的一种转换方式。它 在一定程度上既具有并行转换高速的特点，又克服了制造困难的问题。它能够提 供高速、高分辨率的模数转换，并且具有令人满意的低功率消耗和很小的芯片尺 寸( 意味着低价格) 。经过合理的设计，还可以提供优异的动态特性。 这种结构的模数转换器采用多个低精度的并行模数转换器采样信号，并进行 分级量化，然后将各级的量化结果组合起来，构成一个高精度的量化输出。每一 级由采样保持电路( t m ) 、低分辨率模数转换器和数模转换器以及求和电路构 成，求和电路还包括可提供增益的级间放大器。以8 位的两级流水线型为例，其 结构如图2 4 所示，它的转换过程首先是进行第一级高4 位的并行转换，得到高 4 位信号；然后把输入的模拟信号与第一级转换后数字信号所表示的模拟量相 减，得到的差值送入第二级并行转换器，得到低4 位信号。除了两级的流水线 型转换方式外，还有三级、四级甚至更多级的转换器。 流水线a d c 不仅简化了电路设计，还具有如下优点：精度较高，可达1 6 b i t s 左右；转换速度较快，1 6 b i t s 的流水线a d c 速度可达5 m s p s ：分辨率相同的情 况下，电路规模及功耗大大降低。但流水线型转换方式是以牺牲速度来换取高精 度的，另外还存在转换出错的可能。即第一级剩余信号的范围不满足第二级并行 a d c 量程的要求时，会产生线性失真或失码现象，需要额外的电路进行调整。 输 图2 4 流水线模数转换器的结构框图 2 1 5 折叠式模数转换器 由流水线型转换方式可知，通过对输入信号的预处理，使转换器精度提高的 7 一彗啦 萝一彳 号一 信一 k o 上海大学硕士学位论文 同时，可大幅度降低元件的数目。流水线型处理的方式是分步转换，其高位和低 位数据分步得到，使转换速度受到影响。折叠插值型转换方式8 1 克服了流水线型 分步转换所带来的速度下降，它通过预处理电路，同时得到高位和低位数据，但 使用的元件数目却大大减少。 图2 5 信号的折叠示意图 ! j 塑兰皇竺! 卜- + 电 而西n 8 k 3 2 阻 倍 比 、 编 网 二爿篓竺皇堕! 卜 插 较 r码 络值 v 器 校 厮赢砷 正 电 路 号嚣lj 图2 6 折叠式模数转换器的结构框图 折叠插值型转换方式信号预处理的方法是折叠。折叠就是把输入较大的信号 映射到某一个较小的区域内，并将其转换成数字信号，这个数据为整个数字量的 低位数据。然后再找出输入信号被映射的区间，该区间也以数字量表示，这个数 据为整个数字量的高位数据。高位和低位数据经过处理，得到最后的数字信号。 图2 5 就是一个8 b i t s 的折叠型转换方式的信号处理示意图。它将输入信号折叠 成8 个区间，用3 位数字表示这8 个区间。然后再将折叠后的信号转换成5 位数 字量。实际的折叠电路是由多个差分对构成的，并不能形成如图2 5 所示的三角 形折叠波，一般在最大值及最小值处较圆滑，造成较大的非线性误差，这可通过 采用多个折叠电路的办法进行改进。如果数字量低位部分有5 位，采用3 2 个折 叠电路，通过调节各个折叠电路的基准电压，使每个折叠区间产生3 2 个过零点， 上海大学硕士学位论文 然后把这3 2 路折叠后的信号送入比较器，再经过编码，产生低位数据。但是3 2 路折叠电路的电路规模较大，体现不出它的优势，所以通过插值的方法来产生相 同的效果。仍以低位为5 位量化为例，只采用4 个折叠电路，那么每个折叠区间 会有4 个折叠波。再利用8 个电阻分压产生的基准电压，调节这4 个折叠电路， 就可以得到另外的7 组折叠波，同样可以产生3 2 路折叠波。 图2 6 就是折叠插值转换方式的原理图。折叠插值转换方式的特点是：数据 的两次量化是同时进行的，具有全并行转换的特点，速度较快；电路规模及功耗 不大，如这里的8 b i t s 转换器只需4 0 个比较器。折叠插值方式存在的问题是信号 频率过高时，有所谓“气泡”现象产生，需要额外的处理电路；当位数超过8 b i t s 时，如要保持较少的比较器数耳，折叠插值变得十分麻烦，所以一般只用于8 b i t s 以下的转换器当中。 2 1 6s i g m a - d e l t a 模数转换器 过采样s i g m a - d e l t a 模数转换【9 1 是近几十年发展起来的一种模数转换方式， 目前在音频领域得到广泛的应用。与一般的a d c 不同，s i g m a - d e l t aa d c 不是 直接根据采样第一个样值的大小进行量化编码，而是根据前一量值与后一量值的 差值即所谓的增量的大小来进行量化编码。从某种意义讲，它是根据信号波形的 包络线进行量化编码的。图2 7 是s i g m a - d e l t a 调制器的结构框图。 抽样顿率 图2 7s i g m a - d e l t a 调制器的结构框图 s i g m a - d e l t aa d c 的采样频率比转换频率高出许多倍。这种类型的a d c 采 用了极低位的量化器，从而避免了制造高位转换器和高精度电阻网络的困难；另 一方面，由于它采用了s i g m a - d e l t a 调制技术和数字抽取滤波，因此可以获得极 高的分辨率；同时由于采用了低位量化输出的s i g m a - d e l t a 码，不会对采样值幅 度变化敏感，而且由于码位低，采样与量化编码可以同时完成，几乎不花时间， 9 上海大学硕士学位论文 因此不需要采样保持电路，这就使得采样系统的构成大为简化。这种增量调制型 a d c 实际上是以高速采样频率来换取高位量化，即以速度来换精度。 过采样s i g m a - d e l t a 模数转换的主要特点是：转换精度很高，可达2 4 b i t s 以 上；由于采用了过采样、噪声整形和数字滤波等关键技巧，充分发扬了数字和模 拟集成技术的长处，使用很少的模拟元件和高度复杂的数字信号处理电路达到高 精度( 1 6 b i t s 以上) 的目的；模拟电路仅占5 ，大部分是数字电路，并且模拟 电路对元件的匹配性要求不高，易于用c m o s 技术实现。缺点：当高速转换时， 需要高阶调制器；在转换速率相同的条件下，比积分型和逐次逼近型a d c 的功 耗高a 目前，s i g m a - d e l t a a d c 分为四类：( 1 ) 高速类a d c ；( 2 ) 调制解调器类 a d c , ( 3 ) 编码器类a d c ；( 4 ) 传感器低频测量a d c 。其中每一类s i g m a - d e l t a a d c 又分为许多型号，给用户带来极大方便。 2 2 模数转换器的发展和应用前景 随着数字技术的发展，a d c 正朝着低功耗、高速、高分辨率的方向发展， 在此基础上，还要考虑体积、便捷多功能、与计算机及通信网络的兼容性。a d c 主要的应用领域不断拓宽，广泛应用于多媒体、通讯、自动化、仪器仪表等领域。 对不同领域的不同要求，例如接口、电源、通道、内部配置的要求，每一类a d c 都有相应的优化设计方法。同时，用户不仅要考虑到a d c 本身的工艺和电路结 构，而且还应考虑到a d c 的外围电路。如在单电源、低功耗条件下设计新型的 a d c 时，为了解决单电源输入和输出的动态范围问题，可以采用超高速补偿双 极性工艺制造的电流反馈运算放大器：为了解决低电压、低电流条件下的低噪声、 低温漂基准电压问题，可以采用外加离子注入场效应管基准源的方法；为了满足 低功耗的要求，可以采用节能工作方式( p o w e r d o w n ) ；为了设计出微型a d c ， 可采用减小体积的2 线或3 线制兼容的串行接口；为了减小信号源到整个模数转 换器的模拟信号通路的误差，可以采用自校准技术纠正误差。针对实际应用中的 具体要求，各种新型的设计方案应运而生。这些技术不断完善和改进现有a d c 的速度和精度，同时也成为现代a d c 新补充的特点和发展方向。 传统方式的a d c ，例如积分型、逐次逼近型等，主要应用于较低速、中等 精度或中速的数据采集和智能仪器中。在全并行基础上发展起来的流水线型 1 0 上海大学硕士学位论文 a d c 主要应用于高速情况下的瞬态信号处理、快速波形存储与记录、高速数据 采集、视频信号量化及高速数字通讯技术等领域。此外，采用折叠型等结构的高 速a d c ，可应用于广播卫星中的基带解调等方面。这些高速a d c 的发展方向是 在现有高速基础上尽可能提高其分辨率，以满足兼顾高速、高精度的发展方向。 2 0 世纪9 0 年代以来获得很大发展的s i g m a - d e l t a a d c 利用高采样率和数字信号 处理技术，将采样、量化、数字信号处理融为一体，从而获得了高精度a d c ， 目前可达2 4 位，主要应用于高精度数据采集特别是数字音响系统、多媒体、地 震勘探仪器、声纳等电子测量领域。 自电子管模数转换器面世以来，经历了分立半导体、集成电路数据转换器的 发展历程。在集成技术中，又发展了模块、混合和单片机集成数据转换器技术。 在这一历程中，工艺制作技术都得到了很大改进。单片集成电路的工艺技术主要 有双极工艺、c m o s 工艺以及双极和c m o s 相结合的b i c m o s 工艺。模块、混 合和单片集成转换器齐头发展，互相发挥优势，互相弥补不足，开发了适用不同 应用要求的模数转换器。近年来转换器产品已达数千种。模数转换器的主要发展 趋势是，单片集成以硅为主导发展技术，并加速以硅为基础的异质结技术的发展； 模块和混合集成模数转换器是军事航天系统的主导产品，将与硅芯片技术并行 发展，而且需建立在先进的芯片技术基础之上；低电源、低功耗、高速、高精度 模数转换器是主导发展产品，其中1 6 位1 0 0 2 0 0 m h z 及8 1 0 位1 0 g h z 的高 性能模数转换器是新一代先进雷达、电子站和通讯电子系统的关键器件之一，它 们是重点发展目标；目前已有工艺技术能满足目标产品的制作，加工尺寸已发展 到半亚微米和亚半微米，并将继续向深度发展。近年来，模数转换器的市场呈稳 步增长的发展趋势，它们在现代军用和民用电子系统中均显示出其重要地位。 总之，各种技术的运用以及集成电路工艺的发展，一定会把模数转换推向速 度快、精度高、成本低以及结构简单的发展方向。 2 3 国内外模数转换器的最新研究情况 a d i 是模数转换领域中的先驱，在模数转换设计方面处于领先地位。a d i 公 司的转换器产品目前占有4 0 的市场份额。下面就这家公司的产品来说明模数 转换器的最新研究情况。图2 8 是a d i 模数转换器的精度和速度的矩阵图。由此 上海大学硕士学位论文 可见，模数转换器的精度和速度存在折中关系，要求精度很高，那么速度一般很 难上去，要求速度很高的，同样精度也很难上去。这里跟据他们的模数转换器的 结构做了个统计，a d i 用的最多的是逐次逼近型( s a r ) a d c 、流水线型 ( p i p e l i n e d ) a d c 和s i g m a - d e l t aa d c ，统计结果如表2 1 。可见适合于高速应 用的p i p e l i n e 结构正在努力向高精度方向发展，典型的例子是a d 9 4 6 1 ，它能够 提供7 9 d b 的最高信噪比( s n r ) 并以高达1 3 0 m s p s 的高速中频采样速率达到 1 6 b i t s 的精度，从而能提供信号分析、雷达、核磁共振成像技术以及多载波和多 标准无线通信系统所要。而适合于高精度应用的s i g m a - d e l t a 结构也正在努力向 高速方向发展，典型的例子是a d 7 7 6 0 ，它是一个高性能2 0 位模数转换器， 在2 5 m s p s 的转换频率下，s n r 可以达到1 0 0 d b ，在7 8 k h z 转换频率下，s n r 可以达到1 1 8 d b ，最高全滤波输出速率达2 5 m h z ，可用在数据采集，震动分析 和仪表中。这两者在高精度、高速度模数转换器的应用中具有巨大的潜力。而 s a r 适合于中低速、高精度的应用中。 篁 互 世 舞 1 7 + 1 4 一1 6 1 2 一1 3 1 0 一1 1 8 9 蠕 1 0 k s p st o1 0 0 k s p st oi m s p s t o1 0 m s p st o f s 。过采样的量化噪声功 率只有一部分落在信号带宽之内，带外噪声会被数字滤波器滤除。因此，降低了 带内量化噪声。 噪声整形技术 a d c 在z 域通常被描述为y ( z ) = x ( z ) h x ( 矿e ( z ) h q ( z ) ，其中h 。( z ) 是信号传输函 数，h q ( z ) 是噪声传输函数。对于n y q u i s t 率a d c ，h x ( z ) i o ( z ) = 1 。如果设计使 h ；( z ) 和h q ( z ) 有所不同，如i h ；( z ) | - 1 而l h q ( z ) l l ，就可达到提高信噪比的目的， 这就是噪声整形。对于过采样s i g m a - d e l t aa d c ，在由过采样减小信号频带内噪 声能量的基础上，噪声整形进一步削弱了带内噪声能量并放大带外的噪声能量， 可以看作是把量化噪声能量从信号频带内推到了信号频带以外的频段。 由过采样和噪声整形可以看出，s i g m a - d e l t aa d c 的高精度是以牺牲速度为 1 6 上海大学硕士学位论文 代价得到的。 3 2s i g m a - d e l t a 调制器 3 2 1 采样和量化 时间采样和量化幅度是a d c 等数据采集系统或数字调制系统最核心的概 念aa d 转换的过程本质上是一个将输入模拟信号按时间域采样，并按幅度量化 的一个过程。输入信号的频率带宽决定了可使用的最小采样频率，而a d 要求的 转换精度则决定了内部量化器所允许的最大量化误差。采样时钟的抖动在采样阶 段即可能引入噪声，但对开关电容结构的s i g m a d e l t a 调制器来说，一般这并不构 成一个严重的问题，只要周期采样的速率大于信号带宽的两倍，时间采样引入的 信号失真可以忽略。但是对信号的量化将不可避免地引入量化噪声，引起信号失 真。量化噪声是影响a d c 精度最基本的因素之一，设计s i g m a - d e l t a 调制器的最 主要目的就是衰减分布于基带内的量化噪声。下面先对量化器产生的噪声特性做 一些分析。 以3 b i t s 、单位增益量化器为例，如图3 3 。 y 一r7么 6 十5 一 ，3一 x 一4 i 一 5 图3 33 位量化器的传输曲线及量化误差 输入满幅和输出满幅均为a ，6 为输入、输出单位分隔的幅度。由图得： 上海大学硕士学位论文 6 = 鬲a ( n = 3 ) ( 3 1 ) 量化误差指量化器输出与输入值之间的差，得： e q = y x ( 3 2 ) 为了记录量化误差对系统精度的影响，用“动态范围( d r ) ”表示量化器 的分辨率，它是由量化器输入满幅正弦信号的功率除以等效的输入量化噪声功率 得到的。尽管从定义上看，动态范围的概念比较抽象，但是通过一些近似分析可 以将这个参数和量化比特数联系在一起，从而可以直观的将该参数等效为一种表 征精度的概念。 虽然量化误差e o 是由输入完全决定的，但是如果输入在所有量化门限之问随 机地变化而且不发生溢出，则我们可以对噪声源e o 做如下假设： 1 ) e o 是一个平稳的随机序列。 2 ) c 0 是一个非相关序列，等同于白噪声，且与输入也不相关。 3 ) e q 的概率密度函数在整个量化误差内是均匀分布的。 我们把量化误差近似看成一种与输入无关的白噪声1 0 1 ，即量化噪声，这个 特性在很多实验中得到验证。但是上述的假设在某些条件下不成立，如输入是一 个常数，或者输入在量化间距的整数倍间规律地变化。 现在我们认为量化误差c o 在士6 2 范围内均匀分布，则其概率分布密度为： 帆) ：牿知s 妄 ( 3 。) 【0其他 量化噪声e 0 近似为白噪声，其功率为： p q _ 2 。= 否1 1 6 ：2 ：e ；d c 。= 鲁 ( 3 4 ) e l 。代表量化噪声的均方根值( r o o t - m e a n - s q u a r e , t i n s ) ，e ：代表量化噪声 的均方值。 假设输入为满幅正弦信号，则信号功率为： 分0 一4t 一42 一t一2 的 斌 r 孙 ：“t小一。 咚 上海大学硕士学位论文 可得量化器的动态范围： d r 2 = p p _ _ e s = 了3l z 2 n ) ，即d r = 1 7 6 + 6 0 2 n ( 3 6 ) 在式( 3 5 ) 、( 3 6 ) 中n 即为量化器的比特数，因此公式( 3 6 ) 将动态范 围和量化器分辨率简单而直观的联系在一起。量化器每增力1 1 b i t 精度就相当于其 动态范围增加6 d b ，而量化器动态范围达到8 5 d b ，则表示其有效精度达到了 1 4 b i t s 。所以在后面的文章里对a d 精度的描述就由动态范围来