硅陀螺用16位200KHz級聯(lián)式ADC設(shè)計.pdf

1、高精度器件的應(yīng)用越來越顯著,隨著科技的不斷發(fā)展,特別是在宇航與醫(yī)療等方面。傳統(tǒng)的乃奎斯特轉(zhuǎn)換器對元件精度和模擬部分的電路性能要求比較高,要達到16bit精度,對于現(xiàn)有的工藝有一定的設(shè)計難度。而Sigma-Delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器利用噪聲整形,過采樣和數(shù)字濾波等技術(shù),有效降低了輸出信號帶內(nèi)的量化噪聲,有效的提高了信噪比,降低了生產(chǎn)成本,簡化了模擬電路的設(shè)計。
　　本文首先介紹了Sigma-Delta調(diào)制器的調(diào)制原理,并著重分析了MASH

2、結(jié)構(gòu)Sigma-Delta調(diào)制原理,對影響調(diào)制器性能的參數(shù)做了詳盡的分析,并且對各個參數(shù)的具體影響也進行了分析。
　　本設(shè)計是應(yīng)用于硅陀螺的16位sigma_delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計,在MATLAB環(huán)境下進行系統(tǒng)仿真,并且在cadence和Hspice進行電路設(shè)計。首先通過系統(tǒng)建模,理論分析確定調(diào)制器的各個細(xì)節(jié)設(shè)計,著重對級聯(lián)2-1結(jié)構(gòu)和級聯(lián)2-1-1結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計,通過二者參數(shù)的對比確定更加合適的結(jié)構(gòu)。此外還詳盡的分析了非理性

3、因素對調(diào)制器的影響,包括系數(shù)失配、運放有限直流增益、熱噪聲、時鐘抖動、MOS開關(guān)誤差等,并將這些非理性因素加入到系統(tǒng)模型中進行系統(tǒng)級仿真。通過理想和非理性情況下的仿真得到如下結(jié)果:理想情況下,當(dāng)輸入信號乃奎斯特帶寬是200kHz時,2-1結(jié)構(gòu)采用過采樣率為128,信噪比達到110.3dB,有效位數(shù)達到18.02位;2-1-1結(jié)構(gòu)采用過采樣率為64,信噪比為121.8dB,有效位數(shù)達到19.93位。加入非理性因素,輸入同樣的信號,,2-1

4、結(jié)構(gòu)采用過采樣率為128,信噪比為104.7dB,有效位數(shù)達到17.09位;2-1-1結(jié)構(gòu)采用過采樣率為64,信噪比達到111.6dB,有效位數(shù)達到18.82位。都能滿足16位的設(shè)計要求。通過對比,可以明顯的發(fā)現(xiàn),整體性能2-1-1結(jié)構(gòu)更加有優(yōu)勢,本設(shè)計最后采用2-1-1結(jié)構(gòu)。
　　由于信號的帶寬較大,并且采用的過采樣率較高,因此對電路要求較高。在完全滿足設(shè)計要求的前提下,對電路的各個模塊進行了分別設(shè)計,主要包括積分器,運算放大器

5、,一位量化器,帶隙基準(zhǔn)源以及噪聲抵消邏輯電路等,其中運放的直流增益約為78dB,相位裕度61.6°,單位增益帶寬102MHz,滿足了行為級仿真要求運放增益大于80dB,單位增益帶寬大于100MHz的要求。在負(fù)載電容3pF時,擺率為142V/μs,滿足行為級仿真要求擺率大于100V/μs的要求。比較器的延遲是32ns,滿足設(shè)計要求。將各個模擬和數(shù)字模塊綜合到一起,可以正確的實現(xiàn)功能,并且對整個電路系統(tǒng)進行仿真發(fā)現(xiàn),有效位數(shù)達到18.6位,