一種帶有DAC失配整形的高精度Sigma-Delta調制器
2021年電子技術應用第9期
劉銘揚1，2，3，王小松1，2，3，劉 昱1，2，3
1.中國科學院微電子研究所，北京100029；2.中國科學院大學，北京100049； 3.新一代通信射頻芯片技術北京市重點實驗室，北京100029
摘要： 為減小生理信號采集應用中儀表放大器的設計難度，需在低功耗、小信號帶寬的前提下大幅度提高模數轉換單元的精度和動態范圍以作補償。為此，面向生理信號采集應用，實現了一種帶前饋結構的高精度三階五比特Sigma-Delta調制器，其不需要復雜的OTA結構和過高的過采樣率，且功耗較低，并將二階噪聲整形動態元件匹配方案應用于DAC中，以避免多比特量化造成的非線性諧波失真。該Sigma-Delta調制器采用SMIC 0.18 μm CMOS標準工藝，在1 MHz的采樣率，1 kHz的信號帶寬內，峰值SNDR達到111 dB，動態范圍達到120 dB，有效位數達到18 bit，工作電源電壓為1.8 V，整體功耗為0.87 mW。
中圖分類號： TN432
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.211398
中文引用格式： 劉銘揚，王小松，劉昱. 一種帶有DAC失配整形的高精度Sigma-Delta調制器[J].電子技術應用，2021，47(9)：25-29，38.
英文引用格式： Liu Mingyang，Wang Xiaosong，Liu Yu. A high precision multi-bit sigma-delta modulator with mismatch-shaping DACs[J]. Application of Electronic Technique，2021，47(9)：25-29，38.
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.211398
中文引用格式： 劉銘揚，王小松，劉昱. 一種帶有DAC失配整形的高精度Sigma-Delta調制器[J].電子技術應用，2021，47(9)：25-29，38.
英文引用格式： Liu Mingyang，Wang Xiaosong，Liu Yu. A high precision multi-bit sigma-delta modulator with mismatch-shaping DACs[J]. Application of Electronic Technique，2021，47(9)：25-29，38.
A high precision multi-bit sigma-delta modulator with mismatch-shaping DACs
Liu Mingyang1，2，3，Wang Xiaosong1，2，3，Liu Yu1，2，3
1.Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China； 2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China； 3.Beijing Key Laboratory of Radio Frequency IC Technology for Next Generation Communications，Beijing 100029，China
Abstract： In order to reduce the difficulty of designing the amplifier of the instrument in the application of physiological signal acquisition, a higher-precision analog-to-digital conversion unit is required. This paper implements a high-precision sigma-delta modulator with feedforward structure, which does not require complex OTA structure and high oversampling rate, and has low power consumption, and a second-order noise shaping dynamic component matching scheme used in DAC to avoid nonlinear harmonic distortion caused by multi-bit quantization. The sigma-delta modulator adopts SMIC 0.18 μm CMOS standard technology. At a sampling frequency of 1 MHz and a signal bandwidth of 1 kHz, the peak SNDR can reach 111 dB, the operating power supply voltage is 1.8 V, and the overall power consumption is 0.87 mW.
Key words : sigma-delta modulator；multi-bit quantizer；2nd-order dynamic element matching；successive approximation；feed-forward
0 引言
由儀表放大器、抗混疊濾波器和模數轉換器組成的模擬前端(Analog Front End，AFE)是可穿戴醫療設備中信息采集系統的重要組成部分[1]。實際信息采集過程中，外界環境中的非理想因素及皮膚與電極接觸帶來的可變動阻抗使儀表放大器得到的信號幅度變動極大，且存在很大的基線漂移[2]。面對這樣一個頻帶窄、動態范圍大的待處理信號，ADC模塊必須滿足高動態范圍、低失真的特性，以降低儀表放大器和后端數字處理單元的設計難度，保證信號的采集質量。
相較于流水線型(Pipelined)、逐次逼近型(SAR)、全并行型(Flash)等奈奎斯特采樣率型ADC[3-4]，采用過采樣技術和噪聲整形技術的Sigma-Delta型ADC更容易滿足上述低失真、低功耗、高精度的需求[3]。Silva等人提出一種全前饋結構，前饋支路直接連接到量化器的輸入端[4]，可以有效縮減積分器的輸出擺幅，降低OTA的設計難度。
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作者信息：
劉銘揚1，2，3，王小松1，2，3，劉 昱1，2，3
(1.中國科學院微電子研究所，北京100029；2.中國科學院大學，北京100049；
3.新一代通信射頻芯片技術北京市重點實驗室，北京100029)
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