∑-△調(diào)制器的設(shè)計(jì)及其在電能計(jì)量中的應(yīng)用.pdf

1、過去幾十年里，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在理論和實(shí)踐上都取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。由于它具有可靠性高，靈活性強(qiáng)，成本低廉等特點(diǎn)，從而逐漸在各個(gè)領(lǐng)域代替了傳統(tǒng)的模擬信號(hào)處理方式。但是模擬信號(hào)處理及模擬集成電路的設(shè)計(jì)不僅沒有淡出歷史舞臺(tái)，相反在某些地方更加凸顯出其不可替代的作用。這充分體現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)模擬世界與虛擬數(shù)字世界的對(duì)立，而且在現(xiàn)今對(duì)處理速度要求越來越高、集成電路工藝制造技術(shù)使線寬越來越窄的今天，各種電路的寄生效應(yīng)如雨后春筍，讓人始料未及，所以高速的數(shù)

2、字設(shè)計(jì)本質(zhì)上還是模擬設(shè)計(jì)。 要想進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，首先必須進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。在各式各樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)構(gòu)架中，流水線ADC與過采樣∑-△ADC應(yīng)用最為廣泛。雖然流水線ADC能夠?qū)崿F(xiàn)很高的轉(zhuǎn)換速率，但它對(duì)其構(gòu)成部件的失配很敏感，從而導(dǎo)致電路復(fù)雜程度高，當(dāng)精度超過14位，其功耗會(huì)非常大，因此流水線ADC精度不高。相反地，結(jié)合過采樣與噪聲整形的∑-△ADC，達(dá)到了很高的精度，但所能處理的信號(hào)頻率不高。盡管如此，∑-△ADC只要由前端

3、的∑-△調(diào)制器將輸入模擬信號(hào)調(diào)制成高速比特流，后續(xù)的很大一部分工作都留給了數(shù)字濾波器，因而易與大規(guī)模數(shù)字集成電路集成，節(jié)省了成本。而屬于模擬部分的∑-△調(diào)制器是一種負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，它對(duì)模擬電路的一些非理想特性具有很好的免疫力。此外，相對(duì)與奈奎斯特采樣，過采樣使前置抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)變得容易。正因?yàn)椤?△ADC的這些優(yōu)點(diǎn)，使其在很多場合獲得了廣泛地應(yīng)用。 本論文從系統(tǒng)架構(gòu)到電路細(xì)節(jié)上討論了∑-△調(diào)制器的設(shè)計(jì)。 第二章介紹了采樣

4、、量化、噪聲整形等基本概念。 第三章分析了一階與二階、單級(jí)高階、多級(jí)級(jí)聯(lián)、多位等結(jié)構(gòu)∑-△調(diào)制器。 第四章為∑-△調(diào)制器的電路實(shí)現(xiàn)，包括前饋、反饋、積分器、運(yùn)放、比較器等的設(shè)計(jì)。 第五章分析了各種非理想特性對(duì)∑-△調(diào)制器中性能的影響，諸如采樣開關(guān)與運(yùn)放產(chǎn)生的噪聲、運(yùn)放增益、帶寬與轉(zhuǎn)換速率、比較器遲滯與失調(diào)等等。論文中將積分器作為一個(gè)整體，詳細(xì)分析其噪聲性能，給出了分析結(jié)果，建立了一個(gè)比較精確的積分器建立過程模型。

5、 作為一個(gè)實(shí)例，本論文最后一章設(shè)計(jì)了一個(gè)應(yīng)用于電能計(jì)量的二階∑-△調(diào)制器。在電能計(jì)量中，由于傳感器從工頻電網(wǎng)上獲取的電壓、電流是具有正負(fù)電位的雙極信號(hào)，而電能計(jì)量芯片是單電源供電，若采樣開關(guān)采用NMOS管，當(dāng)輸入信號(hào)為負(fù)電位時(shí)會(huì)使輸入信號(hào)箝位，因而只能采用PMOS管，但這樣又會(huì)帶來PMOS管不能完全開通的問題，因?yàn)闀r(shí)鐘信號(hào)最低電位只能到零。在對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行移位又受到移位電平會(huì)隨溫度、噪聲的影響而漂移的前提下，本論文設(shè)計(jì)了一個(gè)輸入