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研究生: 楊淳皓
論文名稱: 低失真三角積分調變器之設計與研究
Low Distortion Delta-Sigma Modulator
指導教授: 連振炘
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電機資訊學院 - 電子工程研究所
Institute of Electronics Engineering
論文出版年: 2007
畢業學年度: 95
語文別: 中文
論文頁數: 76
中文關鍵詞: 三角積分調變器
外文關鍵詞: Delta-sigma
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  • 本論文描述一個取樣頻率2.56MHz,訊號頻寬為20KHz,超取樣率(OSR)為64之三階三角積分調變器,而所設計之調變器,主要以作為音頻類比數位轉換器之應用為主要考量。透過交換式電容(Switch Capacitor)電路,實踐整體離散時間系統,主要包含運算放大器、比較器、以及類比開關與電容,為了簡化低電壓三角積分調變器之設計其運算放大器設計之複雜度,透過整體系統架構的特性,大幅降低整體系統對於運算放大器之規格要求。而本論文採用TSMC 2P4M 0.35um CMOS標準製程進行設計,以混合信號模式來設計此電路,並且以Hspice 來對整體電路特性作評估。利用Full-Customer設計之技術來實踐整個電路,使用Cadance來完成整體電路之佈局與驗證,其實體規格為工作電壓3V,頻寬20KHz,信號雜訊比SNR 86dB達到將近14Bit之解析度要求,並且消耗功率5.54mW,此調變器符合應用於音頻之類比數位轉換前端之需求規格。


    Regarding the requirements for portable multi-media applications, it is concerned with high resolution A/D and low power consumption. Oversampling techniques based on delta-sigma modulation were widely used to implement the digital audio applications. This type of systems requires high dynamic range (i.e., 14~20bit) at bandwidth of 20khz.
    In this thesis, the third order low distortion modulator was designed to achieve the front interface of delta-sigma data converter. By using the characteristics of system to relax the operation amplifier specification. This modulator was integrated in TSMC 0.35 m CMOS technologies. The simulation result could be achieved a peak SNR of 86dB with signal bandwidth 20khz and oversampling ratio of 64. The power consumption was 5.54mW under normal condition.

    第一章 序論 1.1 研究動機…………..……………………………………………………….1 1.2 相關研究發展現況……………………………..………………………….2 1.3 論文組織…....…………..………………………………………………….3 第二章 基本原理簡介 2.1 資料轉換器原理…………………………..……………………………….4 2.2 三角積分資料轉換器基本架構..………………………………………….5 2.3 效能指標…..……………………………………………………………….6 2.4 取樣定理…..……………………………………………………………….8 2.5 量化誤差…..……………………………………………………………….9 2.6 取樣時間之不確定性…………………………………………………...11 2.7 超取樣技術.……………………………………………………………12 2.8 雜訊移頻技術….…………………………………………………………14 2.9 低階三角積分調變器……………………………………………………15 2.9.1 一階三角積分調變器………...………………………….16 2.9.2 Pattern Noise From DC Input………………………………….16 2.9.3 二階三角積分調變器…………………...…………………….17 2.10 高階三角積分調變器…..………………...………………………………18 2.11 多位元三角積分調變器….....……………………………………………20 2.12 串接式之三角積分調變器….....…………………………………………22 2.13 採用濾波器合成之三角積分調變器….....………………………………23 2.13.1 CIFB架構………………………….….…………………...23 2.13.2 CRFB架構…………………………...……………………24 2.13.3 CIFF架構…………………………………...……………..25 2.13.4 CRFF架構…………………………………………………26 2.14 數位濾波器…..…………………………………………………………...27 第三章 系統架構分析與模擬 3.1 低失真架構……………………………………………………………...29 3.2 系統架構分析…………………………………………………………...29 3.2.1 最佳化極點………………………………………………31 3.3 系統規格制定…...………………………………………………………33 3.4 系統模擬…..…………………...…………………………………………33 3.5 電路圖…..………………………………………………………………...37 3.6 系統模擬結果…………………………………………………………...39 3.7 結論…..……………………...……………………………………………40 第四章 電路設計分析與模擬 4.1 三角積分調變器設計考量…..……...……………………………………41 4.1.1 各級積分器輸出限制…………...……………………….41 4.1.2 係數之變動……………...……………………………….41 4.1.3 時脈抖動…………..…………………………………….42 4.1.4 電路之雜訊………………...…………………………….42 4.1.5 積分器之線性度………………...……………………….43 4.1.6 回授數位類比轉換器之線性度………………...……….44 4.2 交換電容式電路………………………….……………………..………..46 4.2.1 交換電容式電路基本原理……………………...……….46 4.3 類比開關………………………………………………………..…………47 4.3.1 頻寬限制……………………………………...………….47 4.3.2 通道電荷注入……………………………………………48 4.3.3 時脈饋入………………………………………………....49 4.3.4 下板採樣…………………………………………………49 4.3.5 差動取樣…………………………………………………50 4.3.6 取樣雜訊…………………………………………………51 4.3.7 互補式金氧半類比開關…………………………………51 4.3.8 靴帶式類比開關……….……………...………..………..53 4.3.9 精確度考量………………..……………………………..54 4.4 運算放大器設計……….………………………………………………..54 4.5 動態共模回授..………….………………………………………………...58 4.6 偏壓電路….…..………………………………………………………….59 4.7 電容考量…..………………………………………………………….…...62 4.8 非重疊時脈電路…….………….………….………….………….……..63 4.9 比較器…..…………………………………………………………………67 4.10 三階三角積分調變器模擬結果………………………………………….71 4.11 佈局考量………….……………………………………………………….71 第五章 結論 5.1 結論..……………………………………………………………………...74 5.2 未來研究與探討之方向.………………………………………………...74

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