硕 士 学 位 论 文低 功 耗 16 位 精 度 Sigma-Delta 调 制 器 设 计DESIGN OF LOW POWER 16 BIT RESOLUTIONSIGMA-DELTA MODULATOR李 媛 红哈 尔 滨 工 业 大 学2011 年 6 月国 内 图 书 分 类 号 ： TN432 学 校 代 码 ： 10213国 际 图 书 分 类 号 ： 621.3.049.774 密 级 ： 公 开工 学 硕 士 学 位 论 文低 功 耗 16 位 精 度 Sigma-Delta 调 制 器 设 计硕 士 研 究 生 ： 李 媛 红导 师 ： 王 永 生 副 教 授申 请 学 位 ： 工 学 硕 士学 科 ： 微 电 子 学 与 固 体 电 子 学所 在 单 位 ： 航 天 学 院答 辩 日 期 ： 2011 年 6 月授 予 学 位 单 位 ： 哈 尔 滨 工 业 大 学Classified Index: TN432U.D.C: 621.3.049.774Dissertation for the Masters Degree in EngineeringDESIGN OF LOW POWER 16 BIT RESOLUTIONSIGMA-DELTA MODULATORCandidate： Li YuanhongSupervisor： Associate Prof.Wang YongshengAcademic Degree Applied for： Master of EngineeringSpeciality： Microelectronics and Solid-StateElectronicsAffiliation： School of AstronauticsDate of Defence： June, 2011Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文摘 要Sigma-Delta ADC 不 同 于 奈 奎 斯 特 (Nyquist) 采 样 率 ADC，采 用 过 采 样 原 理与 噪 声 整 形 技 术 ， 把 大 部 分 噪 声 功 率 移 到 信 号 频 带 之 外 ， 然 后 用 数 字 滤 波 器 滤除 信 号 频 带 外 噪 声 ， 从 而 达 到 很 高 的 信 噪 比 。 对 模 拟 器 件 的 精 度 和 匹 配 性 的 要求 低 ， 能 够 实 现 Nyquist 采 样 率 ADC 达 不 到 的 精 度 ， 成 为 实 现 中 低 速 、 高 精 度模 数 转 换 器 的 主 要 技 术 。随 着 CMOS 工 艺 特 征 尺 寸 的 不 断 下 降 ， 为 了 保 证 器 件 稳 定 性 ， 电 源 电 压 不断 降 低 ； 同 时 便 携 式 设 备 对 数 据 转 换 器 的 功 耗 要 求 越 来 越 高 ， 这 使 得 低 压 低 功耗 数 据 转 换 器 成 为 研 究 热 点 。 针 对 笔 记 本 电 脑 电 池 管 理 芯 片 ， 设 计 了 一 款 16 位的 低 压 低 功 耗 Sigma-Delta 调 制 器 ， 用 于 笔 记 本 电 池 剩 余 电 量 的 检 测 。本 文 首 先 介 绍 了 Sigma-Delta ADC 的 发 展 概 况 、 基 本 原 理 以 及 基 本 结 构 。在 此 基 础 之 上 ， 设 计 了 一 个 三 阶 前 馈 结 构 的 Sigma-Delta 调 制 器 ， 并 引 入 了 零 点优 化 技 术 。 前 馈 结 构 能 够 降 低 积 分 器 的 输 出 摆 幅 ， 从 而 降 低 了 运 放 的 设 计 复 杂度 和 由 运 放 的 非 线 性 造 成 的 环 路 滤 波 器 的 谐 波 失 真 ， 更 适 合 于 低 功 耗 设 计 。 考虑 到 低 功 耗 实 现 ， 调 制 器 采 用 一 位 量 化 器 ， 以 降 低 求 和 电 路 的 复 杂 度 ， 并 且 一位 量 化 器 具 有 固 有 的 线 性 度 ，能 够 避 免 由 于 多 位 DAC 的 精 度 带 来 的 对 整 个 调 制器 的 线 性 度 和 精 度 的 影 响 ；零 点 优 化 技 术 能 够 提 高 系 统 能 够 达 到 的 最 大 信 噪 比 ，但 较 小 的 零 点 反 馈 因 子 使 得 电 容 大 小 悬 殊 ， 增 大 了 芯 片 面 积 和 功 耗 ， 为 此 引 入一 种 专 门 应 用 于 零 点 优 化 技 术 的 改 进 型 积 分 器 ， 能 够 很 好 的 均 衡 电 容 的 大 小 。针 对 SMIC 0.18m CMOS 工 艺 ， 1.8V 电 源 电 压 ， 完 成 了 各 个 模 块 的 电 路 及版 图 设 计 。 采 用 256KHz 时 钟 ， 过 采 样 率 128， 在 1KHz 信 号 带 宽 内 ， 达 到 的 最大 信 噪 比 （ SNR） 为 95 dB， 功 耗 1.44mW。关 键 词 ： 低 功 耗 ； Sigma-Delta 调 制 器 ； 前 馈 结 构 ； 零 点 优 化 ； 改 进 型 积 分 器-I-哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文AbstractSigma-Delta ADC is different from Nyquist sample rate ADC. By employingover-sampling principle and noise shaping technique, most noise is removed out ofthe signal band. Then decimation filter filters out the out-band high frequency shapingnoise and achieves higher signal to noise ratio (SNR). The structure reducessensitivity to analog devices precision and matching. It can realize a resolutionwhich Nyquist sample rate ADC can not reach. This technique has dominated themiddle or low speed and high resolution analog to digital data converters.The continuing feature size scaling in CMOS technology has decreased supplyvoltage to ensure device reliability. Besides, the demand for low-power dataconverters is increasing for the portable semiconductor requests. Those tworequirements impose the low-voltage, low-power data converters popular. Especiallyfor the power management chip of notebook PC battery, a 16 bit low-voltagelow-power Sigma-Delta modulator is designed here. It is used for detect theremainder power of the battery.The general situation, basic theory and topology of Sigma-Delta ADC areintroduced first. Above this, a third-order feed-forward Sigma-Delta modulator withtechnology of zeros optimization is designed. Feed-forward architecture reducesswing of internal integrators, which relaxes the op-amp requirement; moreover theharmonic distortion generated inside the loop filter can be significantly reducedbecause the effect of non-linearity in op-amp can be suppressed when signal swingis small. It is more appropriate for low-power design. Considering circuit realization,single-bit quantizer makes summing circuit easy to realize. Besides, it has inherentlinearity, while multi-bit would decrease the overall linearity and resolution whichare limited by the precision of the multi-bit DAC. The technology of zerosoptimization enhances the maximum SNR can be achieved, but the differencebetween capacitors due to the small zero feedback coefficient is huge, which leadsto the implementation with capacitors taking up large chip area and more powerdissipation. For this, an advanced switched-capacitor(SC) integrator especially forthe technology of zeros optimization is used. It can balance the capacitance well.The modulator, designed in SMIC 0.18-m CMOS process including all analogblocks circuit and layout, achieves a 95dB SNR in a 1 KHz signal bandwidth with256 KHz clock and 128 OSR, consumes 1.44mW from a 1.8V supply.Keywords: low-power, sigma-delta modulator, feed-forward architecture, zerosoptimization, advanced switched-capacitor(SC) integrator- II -哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文目 录摘 要 .