高性能連續(xù)時(shí)間Sigma-Delta調(diào)制器系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)

1、 微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)2008年2.2調(diào)制器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)Sigma.Delta調(diào)制器理論上最大帶內(nèi)信噪比為:sNRi捌=警(2B一12(2,z l1(警2州(47r式中,z為調(diào)制器階數(shù),OsR為過(guò)采樣倍數(shù),B為量化器位數(shù).提高調(diào)制器帶內(nèi)信噪比有三種方法:增加調(diào)制器階數(shù),提高過(guò)采樣倍數(shù)以及增加量化器位數(shù).然而調(diào)制器階數(shù)的增加意味著電路復(fù)雜度以及功耗的增加;過(guò)采樣倍數(shù)的提高意味著調(diào)制器工作頻率必須成倍的提高;量化器位數(shù)的增加意味著電路復(fù)雜度的提高以及校準(zhǔn)難度的增加.因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的確定必須綜合考慮這些因素,設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足目標(biāo)要求且代價(jià)最小的系統(tǒng)結(jié)構(gòu).量化器位數(shù)B比調(diào)制器階數(shù)n大1的單環(huán)結(jié)構(gòu)SigHmDelta

2、調(diào)制器具有穩(wěn)定性高,電路復(fù)雜度低,對(duì)電路匹配要求低等優(yōu)點(diǎn)1J.因此本設(shè)計(jì)采用3階4bit量化的單環(huán)調(diào)制器,結(jié)構(gòu)如圖2所示.根據(jù)式(4該調(diào)制器最大帶內(nèi)信噪比為88.19dB,可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo).設(shè)計(jì)調(diào)制器就是要設(shè)計(jì)調(diào)制器內(nèi)3階濾波器H(s,因?yàn)镠(s直接決定了STF(s和NTF(s,從而決定了調(diào)制器系統(tǒng)的性能.三階前饋濾波器H(s的傳輸函數(shù)為:H(。:叢生冬坐墮鱉(5S。對(duì)于圖2中的3階調(diào)制器來(lái)說(shuō),加入一條如圖3所示的反饋支路可以進(jìn)一步對(duì)量化噪聲進(jìn)行整形從而抑制帶內(nèi)噪聲.該支路會(huì)為H(s帶來(lái)一對(duì)極點(diǎn),也就是為N1F(s帶來(lái)一對(duì)零點(diǎn).通過(guò)調(diào)整零點(diǎn)的位置可以改善量化噪聲的形狀,使帶內(nèi)量化噪聲水平更低.

3、圖2單環(huán)3階4bit連續(xù)時(shí)間Si班mDelta調(diào)制器結(jié)構(gòu)圖3加入反饋的低通濾波器加入反饋支路對(duì)噪聲整形的影響效果如圖4所示.通過(guò)對(duì)比可以看出,在6z處加入的零點(diǎn)使信號(hào)頻帶內(nèi)(07.8MHz量化噪聲得到了進(jìn)一步抑制.圖4加入零點(diǎn)反饋回路的前后結(jié)果對(duì)比包含反饋極點(diǎn)的濾波器傳輸函數(shù)為:肌=詈×型型磬舞芋趔(6式中,K:為對(duì)應(yīng)N1F(s零點(diǎn)的系數(shù),易知該零點(diǎn)頻率為k=券×佤. 將式(6代入式(1、(2可得:S仃(s=叢!±竺!絲21±竺!絲±墨12f7、s3+mKls2+叫2(K2+K2s+3(K3+量己、7NTF(s=再面萬(wàn)蒜等等毛麗(8s3+c吐K

4、152+叫2(K2+K:s+cu3(K3+j毛、。7對(duì)于3階單環(huán)多bit的sigma.Delta轉(zhuǎn)換器,當(dāng)K1較大的時(shí)候調(diào)制器容易達(dá)到穩(wěn)定2j,可以采用阻帶衰減更強(qiáng)過(guò)渡帶更陡的高通濾波NTF.因此將N,rF設(shè)計(jì)如圖5所示,阻帶衰減一55dB.圖5陌幅度響應(yīng)(全頻帶和基帶.設(shè)計(jì)得到的各個(gè)系數(shù)如下:K1=2.5,K2=2,K3=1,K:=0.025.考慮到實(shí)際運(yùn)放電路輸出擺幅的限制,需要在每個(gè)積分器的輸出端乘以一個(gè)比例系數(shù),從而確保積分器輸出端不會(huì)溢出3-4J.加入比例因子后的調(diào)制器結(jié)構(gòu)如圖6所示.圖6加入擺幅比例因子的調(diào)制器由圖6可見(jiàn)加入的比例因子nI口4并沒(méi)有改變r(jià)F的系數(shù),僅僅起到限制各級(jí)積

5、分器輸出擺幅的作用51.根據(jù)實(shí)際運(yùn)放電路可達(dá)到的輸出擺幅調(diào)整口1n4得到全部的系數(shù)如下:Kl=2.5,K2=2,K3=1,K4=2,K:=0.025:口l=2,口2=1.25,口320.25,口4=2.調(diào)制器最終的仿真輸出結(jié)果如圖7所示.仿真結(jié)果表明,輸出信號(hào)的帶內(nèi)信噪比為88.3dB.圖7調(diào)制器輸出信號(hào)時(shí)域波形和功率譜密度3調(diào)制器的行為級(jí)建模文中使用VerilOgA語(yǔ)言對(duì)調(diào)制器的各個(gè)模塊如積分器、環(huán)路濾波器、量化器、DA轉(zhuǎn)換器【6J等分別進(jìn)行建模.利用這些理想的行為級(jí)模型搭建一個(gè)調(diào)制器的電路調(diào)試平臺(tái),可以在實(shí)際設(shè)計(jì)電路模塊時(shí)方便地檢查該模塊是否能夠與調(diào)制器系統(tǒng)匹配.調(diào)制器行為級(jí)模型的仿真結(jié)果

6、:輸出信號(hào)的帶內(nèi)信噪比為88.5dB,與Matlab系統(tǒng)仿真結(jié)果大致相同.4結(jié)束語(yǔ)文中介紹了高速高精度多bit連續(xù)時(shí)間Sigma-Delta調(diào)制器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程,并通過(guò)引入反饋零點(diǎn)改善系統(tǒng)的性能.仿真結(jié)果表明,該設(shè)計(jì)可以用于實(shí)現(xiàn)14位轉(zhuǎn)換精度7.8z轉(zhuǎn)換速率的AD轉(zhuǎn)換器.參考文獻(xiàn):1Shahriar Rabii,Bfuce A w0Cdey.The di口of b-vdt.age,bw.p0、啊si印絲-ddta modulat。娼M.Neth盯l粕ds:I(1uw日Acad鋤ic Publishers。1998.2Yves Ge船,Michid steyaert,wiUy sansen.聰鯽drnultobit dd協(xié)signn JVDnverterSM.Neth刊ands:王(1uw日Acad鯽ic PubIishers.2002.3Al】gI蜘Marques,Pdus0V,St州MS,et a1.0ptir