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研究生： 劉育勳
Yu-Hsun - Liu
論文名稱： 低功耗等效13.5位元之改良強健式MASH-21三角積分類比數位轉換器
A Low-Power 13.5-bit Modified Sturdy MASH-21 Delta-Sigma AD Converter
指導教授： 姚嘉瑜
Chia-Yu Yao
口試委員: 陳筱青
none
彭盛裕
Sheng-Yu
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 電資學院 - 電機工程系
Department of Electrical Engineering
論文出版年： 2017
畢業學年度： 105
語文別： 中文
論文頁數： 88
中文關鍵詞： 三角積分調變器 、Sturdy-MASH 、電容積分器 、多級雜訊移頻
外文關鍵詞： Delta-sigma Modulator, Sturdy-MASH, Switch-Capacitor Integrator, Multi-Stage noise Shaping.
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    • 語音及生醫檢測系統的應用上，低功耗資料轉換器扮演著重要的角色，負責將類比訊號轉換成為數位訊號以提供後端的微處理器做進一步的分析與處理。類比數位轉換器有多種架構，而其中之一的三角積分調變器與超取樣技術具有低複雜度且可達到中至高解析度，三角積分調變器最大的特色便是將量化雜訊移頻至高頻，並使用低通濾波器濾除雜訊，達到高解析度的數位訊號。
    本篇論文設計一個應用在語音或生醫應用之低功耗與低電壓的三角積分類比數位轉換器，系統將Sturdy-MASH加以改進，稱之為Modified Sturdy MASH，並以反相器取代電容積分器中的傳統運算放大器，實現一個2-1架構之低功耗雜訊移頻的三角積分調變器，晶片使用UMC 0.18um製程，晶片面積0.742mm^2，操作電壓1V，取樣頻率1.28MHz，系統頻寬10kHz，解析度達到13.5bit，功率消耗為61uW。
    關鍵字:三角積分調變器、Sturdy-MASH、電容積分器、多級雜訊移頻

    Low-power analog-to-digital converter (ADC) plays an important role in speech and biomedical applications. It provides converted digital signal to the back-end microprocessor for further processing.
    There are many types of ADCs, one is the Delta-Sigma modulator which has a unique characteristic of shaping the quantization noise to high frequencies and conserves the desired signal in the low frequencies. The quantization noise can be removed by a low-pass filter easily. This advantage makes the Delta-Sigma modulator achieve high resolution.
    This thesis presents a low-power modified sturdy-MASH-21 delta-sigma AD converter with 13.5-bit resolution. We modified the sturdy-MASH architecture by employing inverting integrators as well as the non-inverting integrator. We use inverters to replace conventional OP Amplifiers in the switch-capacitor integrator. The designed chip was fabricated in UMC 0.18um CMOS process. The chip area is 0.742mm^2. The operating voltage is set at 1 volt. The sampling frequency is set at 1.28 MHz and the system bandwidth is set to 10 kHz. Hence the over-sampling ratio is 64. The power consumption of the proposed ADC is 61uW.
    Keyword: Delta-sigma Modulator, Sturdy-MASH, Switch-Capacitor Integrator, Multi-Stage noise Shaping.

    目錄 致謝 I 摘要 II Abstract III 目錄 IV 圖目錄 VII 表目錄 XIII 第一章 1 概論 1 第二章 3 超取樣三角積分調變器介紹 3 2.1 奈奎斯特取樣定理 3 2.2 量化誤差 4 2.3 超取樣技術 7 2.4 雜訊移頻 9 2.5 一階三角積分調變器 11 2.6 二階與多階三角積分調變器 13 第三章 16 系統介紹與電路設計 16 3.1 多種架構介紹 16 3.2 Modified Sturdy-MASH-21架構 22 3.3 電路原理圖 34 3.4 電路設計 38 3.5 晶片布局 38 第四章 47 模擬結果 47 4.1 前模擬結果 47 4.2 後模擬結果 52 第五章 57 量測結果 57 5.1 量測設定 57 5.2 量測結果 60 5.3 結果比較 60 第六章 69 結論與未來展望 69 參考文獻 70   圖目錄 圖1-1 三角積分調變器訊號處理過程...................................2 圖2-1 (a)原始信號頻譜圖 (b)fs>2fb取樣後之信號頻譜圖 (c) fs<2fb 取樣後之信號頻譜圖 ........................................3 圖2-2 訊號量化 .................................................... 4 圖2-3 量化誤差 .................................................... 4 圖2-4 量化器與其線性模型........................................... 4 圖2-5 量化雜訊機率密度函數圖....................................... 5 圖2-6 量化雜訊功率頻譜密度圖....................................... 7 圖2-7 一階三角積分調變器方塊圖..................................... 9 圖2-8 一階三角積分調變器的線性模型................................. 9 圖2-9 一階三角積分調變器線性模型.................................. 11 圖2-10 二階三角積分調變器......................................... 13 圖2-11多階三角積分調變器.......................................... 15 圖3-1 MASH-11架構之三角積分調變器..................................17 圖3-2 Sturdy-MASH-11架構之三角積分調變器..........................19 圖3-3 Modified Sturdy-MASH-11架構三角積分調變器....................20 圖3-4 Modified Sturdy-MASH-21架構三角積分調變器....................22 圖3-5 Modified Sturdy-MASH-21 Simulink模型........................24 圖3-6 增益係數調整後積分器輸出.................................... 25 圖3-7 增益係數調整後訊號雜訊比圖.................................. 25 圖3-8 (a) 不受寄生電容影響之非反向積分器 (b)非重疊時脈圖 (c) 取樣模式 (d) 積分模式..........................................26 圖3-9 (a) 不受寄生電容影響之反向積分器 (b)非重疊時脈圖 (c) 保持模式 (d) 積分模式..........................................28 圖3-10 非理想非反向積分器......................................... 29 圖3-11 非理想反向積分器........................................... 31 圖3-12 非理想效應影響之訊號雜訊比圖............................... 32 圖3-13 反相器之製程偏移........................................... 33 圖3-14 增益及偏移影響訊號雜訊比之掃描圖........................... 33 圖3-15 Modified SMASH-21 電路原理圖................................34 圖3-16 雙層反相放大器............................................. 38 圖3-17 特殊雙層反相放大器......................................... 39 圖3-18 輸入-輸出電壓關係圖........................................ 39 圖3-19 反相器交流響應............................................. 40 圖3-20 時脈饋入至取樣電容示意圖................................... 40 圖3-21 類比開關加上假元件抑制時脈回饋............................. 41 圖3-22 類比開關電路............................................... 42 圖3-23 量化器電路................................................. 42 圖3-24 量化器電路執行比較結果..................................... 43 圖3-25 時脈產生器所產生之時脈..................................... 44 圖3-26 非重疊時脈產生器........................................... 44 圖3-27 非重疊時脈產生器模擬結果................................... 45 圖3-28 正反向訊號模擬結果......................................... 45 圖3-29 全電路佈局圖............................................... 46 圖4-1 TT(27°C) 輸出頻譜圖..........................................47 圖4-2 TT(0°C) 輸出頻譜圖...........................................48 圖4-3 TT(80°C) 輸出頻譜圖..........................................48 圖4-4 FF(27°C) 輸出頻譜圖..........................................48 圖4-5 FF(0°C) 輸出頻譜圖...........................................48 圖4-6 FF(80°C) 輸出頻譜圖..........................................48 圖4-7 SS(27°C) 輸出頻譜圖..........................................49 圖4-8 SS(0°C) 輸出頻譜圖...........................................49 圖4-9 SS(80°C) 輸出頻譜圖..........................................49 圖4-10 FS(27°C) 輸出頻譜圖.........................................49 圖4-11 FS(0°C) 輸出頻譜圖..........................................50 圖4-12 FS(80°C) 輸出頻譜圖.........................................50 圖4-13 SF(27°C) 輸出頻譜圖.........................................50 圖4-14 SF(0°C) 輸出頻譜圖..........................................50 圖4-15 SF(80°C) 輸出頻譜圖.........................................50 圖4-16 TT(27°C) 輸出頻譜圖.........................................52 圖4-17 TT(0°C) 輸出頻譜圖..........................................52 圖4-18 TT(80°C) 輸出頻譜圖.........................................52 圖4-19 FF(27°C) 輸出頻譜圖.........................................53 圖4-20 FF(0°C) 輸出頻譜圖..........................................53 圖4-21 FF(80°C) 輸出頻譜圖.........................................53 圖4-22 SS(27°C) 輸出頻譜圖.........................................53 圖4-23 SS(0°C) 輸出頻譜圖..........................................54 圖4-24 SS(80°C) 輸出頻譜圖......................................... 54 圖4-25 FS(27°C) 輸出頻譜圖......................................... 54 圖4-26 FS(0°C) 輸出頻譜圖.......................................... 54 圖4-27 FS(80°C) 輸出頻譜圖......................................... 54 圖4-28 SF(27°C) 輸出頻譜圖.........................................55 圖4-29 SF(0°C) 輸出頻譜圖..........................................55 圖4-30 SF(80°C) 輸出頻譜圖.........................................55 圖5-1 量測示意圖.................................................. 57 圖5-2 regulator電路............................................... 58 圖5-3 低雜訊可變電壓源............................................ 58 圖5-4 濾波槽設計.................................................. 59 圖5-5 晶片顯微鏡放大圖............................................ 60 圖5-6整PCB量測照相圖............................................. 61 圖5-7量測結果的輸出頻譜圖(fs=1.28MHz)............................. 61 圖5-8量測結果的輸出頻譜圖(fs=2MHz)................................ 61 圖5-9 振幅0.16V的輸出頻譜圖...................................... 62 圖5-10 振幅0.08V的輸出頻譜圖..................................... 62 圖5-11 振幅0.04V的輸出頻譜圖..................................... 63 圖5-12 振幅0.02V的輸出頻譜圖..................................... 63 圖5-13 振幅0.01V的輸出頻譜圖..................................... 63 圖5-14 SNDR與輸入訊號能量關係圖................................... 64 圖5-15 輸入頻率10kHz的輸出頻譜圖..................................64 圖5-16 輸入頻率5kHz的輸出頻譜圖...................................65 圖5-17 輸入頻率2.5kHz的輸出頻譜圖.................................65 圖5-18 輸入頻率1.25kHz的輸出頻譜圖................................65 圖5-19 輸入頻率625Hz的輸出頻譜圖..................................66 圖5-20 輸入頻率312.5Hz的輸出頻譜圖................................66 圖5-21 輸入頻率156.25Hz的輸出頻譜圖...............................66 圖5-22 輸入頻率78.125Hz的輸出頻譜圖...............................67   表目錄 表3-1 系統增益係數................................................ 24 表3-2 Modified Sturdy-MASH-21系統參數.............................. 26 表3-3 電容分配與各級電壓偏壓...................................... 37 表4-1 前模擬不同corner下結果..................................... 51 表4-2 後模擬不同corner下結果..................................... 56 表5-1 不同輸入頻率下SNDR值....................................... 67 表5-2 比較表...................................................... 68

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    無法下載圖示 全文公開日期 2022/02/06 (校內網路)
    全文公開日期 本全文未授權公開 (校外網路)
    全文公開日期 本全文未授權公開 (國家圖書館：臺灣博碩士論文系統)
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