高性能帶通ΣΔ模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片研究與實現(xiàn).pdf

1、近年來，高精度電容式加速度計片上系統(tǒng)（SoC）將微機械傳感器與外圍電路相集成，進(jìn)一步壓縮體積，節(jié)省成本，并具有分辨率高、噪聲低、溫漂系數(shù)小、功耗低等優(yōu)點，在航空航天、國防軍工、地震勘測等尖端領(lǐng)域起著重要作用，具有廣闊的發(fā)展前景，已成為研究熱點。在加速度計SoC中，為了將傳感器采集到的加速度信號完整地提供給數(shù)字電路進(jìn)行數(shù)字信號處理，必須先通過高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。然而，在目前的許多研究中模數(shù)轉(zhuǎn)換

2、器已成為限制該系統(tǒng)精度的瓶頸所在。因此設(shè)計并實現(xiàn)適用于微機械加速度計的高精度專用模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片具有非常重要的意義。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴系統(tǒng)分析了不同類型和結(jié)構(gòu)ΣΔ調(diào)制器的差異，為達(dá)到高轉(zhuǎn)換精度并保證高階ΣΔ調(diào)制器的環(huán)路穩(wěn)定性，首次提出將單環(huán)前饋結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高階帶通ΣΔ調(diào)制器，并對該調(diào)制器的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，給出具有實用性的穩(wěn)定條件。⑵對調(diào)制器電路中的各種非理想因素進(jìn)行理論分析計算，根據(jù)系統(tǒng)仿真結(jié)果完成了帶通ΣΔ調(diào)制器的電路設(shè)

3、計、版圖設(shè)計，進(jìn)行了大量后仿真驗證和版圖優(yōu)化。針對帶通ΣΔ調(diào)制器輸出信號中包含的大量帶外噪聲，設(shè)計了硬件節(jié)省的多級數(shù)字濾波器，避免在應(yīng)用過程中帶外噪聲混疊到帶內(nèi)。⑶基于0.18μm1P6M Mixed-signal CMOS工藝，設(shè)計并實現(xiàn)了帶有6階1比特量化調(diào)制器的世上首款可工作于100KHz-200KHz頻段的高精度帶通ΣΔADC芯片。單比特量化ΣΔ ADC裸片面積5mm2（包含IO），模擬部分采用3.3V電源電壓，數(shù)字部分采用1.

4、8V電源電壓。測試結(jié)果表明，ADC芯片在4KHz信號帶寬內(nèi)功耗5.8mW，可以達(dá)到90 dB信噪失真比，96dB動態(tài)范圍。兩種定義的綜合品質(zhì)因數(shù) FOM分別達(dá)到156dB和23.3pJ/step，與其他應(yīng)用領(lǐng)域的帶通 ADC測試結(jié)果對比，本文的FOM均處于國際先進(jìn)水平。⑷在單比特量化調(diào)制器基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，又設(shè)計了一款單環(huán)前饋6階4比特量化帶通ΣΔ調(diào)制器，并給出穩(wěn)定條件。在系統(tǒng)仿真驗證中，分析了多比特量化調(diào)制器內(nèi)反饋DAC電容失配對調(diào)制器