三阶CIFF结构离散型Sigma-Delta调制器行为级建模及仿真研究文献综述

 2022-10-28 14:38:27

文献综述(或调研报告):

1.Sigma-Delta调制器概述

1946年,过采样和Delta调制技术被第一次提出。1962年,研究人员根据噪声整形技术,在Delta调制器的前端加入积分器作为环路滤波器,由此提出了Sigma-Delta调制。自20世纪60年代初以来,Sigma-Delta调制方法经过了多次演进成为能实现高分辨率,具有高性能的最具吸引力的数据转换器之一。此后随着集成电路的快速发展,Sigma-Delta调制器日趋成熟,衍生出很多结构:低阶单环路调制器;高阶调制器;多比特双量化器调制器;带通调制器等[1]。关于各种Sigma-Delta调制器各拓扑结构的最优化参数1998年Steyaert等人以在论文[2]中给出。

Sigma-Delta调制器运用过采样和噪声整形技术来获得高精度的数字化输出。过采样即采样频率远高于奈奎斯特采样率。由于量化噪声独立于采样频率,所以采用过采样的量化噪声与采用奈奎斯特频率采样的量化噪声的总功率相同,但采用过采样的量化噪声却被分布到一个更宽的带宽内,位于信号带宽内的噪声就减少了。噪声整形技术是指增加一个在信号带宽内具有高增益,信号带外小增益的滤波器,从而使信号内的噪声分布到带外,更为显著地减小带内噪声[11]。

典型的Sigma-Delta数据转换器采用单比特量化器,输入信号经过采样,量化编码成单比特脉冲编码调制输出。通过数字化低通滤波器,由量化器造成的高频噪声分量被削减。 相比于传统的数据转换器,Sigma-Delta调制器无需对电路中模拟元件匹配的调整和校对,就能达到更高的精度。

2.国内外研究中的关键问题

2.1高阶单环路Sigma-Delta调制器的稳定性问题

研究中发现,更高阶数的Sigma-Delta调制器,噪声整形的能力大大提高了。因此增加调制器的阶数是提高带宽,提高精度的一个有效方法。但与此同时系统的稳定性却成了问题。 大于二阶的Sigma-Delta调制器将不再适用线性模型,因为高阶环路滤波器的高环路增益会导致量化器的过载。而典型的Sigma-Delta调制器良好的线性度是通过使用本质上线性的单比特量化器和过采样技术获得的。而如何在提高阶数的同时确保Sigma-Delta调制器系统的稳定性成了研究的重点。引入较小的环路系数是维持稳定性的一种方法,但因此会导致噪声整形的能力被削弱。提高环路滤波器阶数需要系统中增加更多的电路,因此实际中,环路滤波器的阶数不会超过5阶[10]。目前解决高阶Sigma-Delta调制器稳定性的方法主要还有使用稳定的低阶(不大于二阶)的调制器级联成高阶调制器,以及采用多位量化器、多电平反馈结构等。

2.2关于Sigma-Delta调制器中非理想性的建模研究

Sigma-Delta调制器能由连续时间或离散时间技术实现。但至今绝大部分的Sigma-Delta调制器都是由基于开关电容式电路的离散时间型电路技术实现的。开关电容式调制器能利用标准的CMOS工艺实现,同时在混合信号系统中发挥出色。但不管是离散时间型还是连续时间型Sigma-Delta调制器都受到电路中非理想因素和非线性因素的影响。

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