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譯者序原書前言致謝

第1章 Sigma-Delta調(diào)制器概述：基本原理、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與性能指標 1

1.1模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器基礎(chǔ) 1

1.2Sigma-Delta 調(diào)制器 9

1.3一階 Sigma-Delta調(diào)制器 13

1.4Sigma-Delta調(diào)制器的性能提升與分類 16

1.5知識整合：從 Sigma-Delta調(diào)制器到 Sigma-Delta模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器 19

1.6　Sigma-Delta數(shù) /模轉(zhuǎn)換器 22

1.7　小結(jié) 25

參考文獻 26

第2章　Sigma-Delta調(diào)制器的結(jié)構(gòu)分類 28

2.1　二階 Sigma-Delta調(diào)制器 28

2.2高階單環(huán)二階 Sigma-Delta調(diào)制器 34

2.3級聯(lián) Sigma-Delta調(diào)制器 38

2.4多位 Sigma-Delta調(diào)制器 48

2.5帶通 Sigma-Delta調(diào)制器 54

2.6連續(xù)時間 Sigma-Delta調(diào)制器的結(jié)構(gòu)和基本原理 63

2.7離散時間 Sigma-Delta調(diào)制器 -連續(xù)時間 Sigma-Delta 調(diào)制器變換 69

2.8連續(xù)時間 Sigma-Delta調(diào)制器的直接綜合法設(shè)計 74

2.9 小結(jié) 76

參考文獻 76

第3章　開關(guān)電容 Sigma-Delta調(diào)制器中的電路誤差 81

3.1開關(guān)電容 Sigma-Delta調(diào)制器中的非理想因素概述 81

3.2開關(guān)電容 Sigma-Delta調(diào)制器中的有限放大器增益 83

3.3開關(guān)電容 Sigma-Delta調(diào)制器中的電容失配 87

3.4開關(guān)電容 Sigma-Delta調(diào)制器中的積分器建立誤差 90

3.5開關(guān)電容 Sigma-Delta調(diào)制器中的電路噪聲 101

3.6開關(guān)電容 Sigma-Delta調(diào)制器中的抖動 104

3.7開關(guān)電容 Sigma-Delta調(diào)制器中的失真源 106

3.8Sigma-Delta調(diào)制器的高階選型設(shè)計實例分析 110

3.9　小結(jié) 118

參考文獻 119

第4章　連續(xù)時間 Sigma-Delta調(diào)制器中的電路誤差和補償技術(shù) 122

4.1連續(xù)時間 Sigma-Delta調(diào)制器的非線性概述 122

4.2　連續(xù)時間積分器和諧振器 123

4.3連續(xù)時間 Sigma-Delta調(diào)制器中的有限放大器增益 125

4.4連續(xù)時間 Sigma-Delta調(diào)制器中的時間常數(shù)誤差 127

4.5連續(xù)時間 Sigma-Delta調(diào)制器中的有限積分器動態(tài)性能 129

4.6　連續(xù)時間 Sigma-Delta調(diào)制器中的失真源 133

4.7連續(xù)時間 Sigma-Delta調(diào)制器中的電路噪聲 136

4.8連續(xù)時間 Sigma-Delta調(diào)制器中的時鐘抖動 139

4.9　連續(xù)時間 Sigma-Delta調(diào)制器中的過量環(huán)路延遲 149

4.10　連續(xù)時間 Sigma-Delta調(diào)制器中的量化器亞穩(wěn)態(tài) 156

4.11　小結(jié) 160

參考文獻 160

第5章　行為級建模和高階仿真 165

5.1Sigma-Delta調(diào)制器系統(tǒng)級設(shè)計方法 165

5.2Sigma-Delta調(diào)制器高階評估的仿真方法 168

5.3　Sigma-Delta調(diào)制器行為級模型實現(xiàn) 172

5.4利用 C-MEX S函數(shù)建立 Sigma-Delta調(diào)制器模塊的有效行為級模型 · 188

5.5一種面向 Sigma-Delta調(diào)制器的基于 Simulink的行為級仿真器—SIMSIDES 211

5.6利用 SIMSIDES進行 Sigma-Delta調(diào)制器的高階選型設(shè)計和驗證 220

5.7　小結(jié) 235

參考文獻 235

第6章　Sigma-Delta調(diào)制器的自動化設(shè)計和優(yōu)化 238

6.1架構(gòu)探索和選擇 —Schreier工具箱 238

6.2　基于優(yōu)化的高級 Sigma-Delta調(diào)制器綜合 248

6.3　通過提升方法和硬件加速來優(yōu)化連續(xù)時間 Sigma-Delta調(diào)制器 258

6.4　利用多目標進化算法優(yōu)化 Sigma-Delta調(diào)制器 263

6.5　小結(jié) 271

參考文獻 271

第7章　Sigma-Delta調(diào)制器的電學設(shè)計：從系統(tǒng)到電路 273

7.1　Sigma-Delta調(diào)制器的宏模型 274

7.2Sigma-Delta調(diào)制器宏模型實例 281

7.3在 Sigma-Delta調(diào)制器瞬態(tài)電學仿真中加入噪聲 286

7.4　Sigma-Delta調(diào)制器電學仿真的輸出結(jié)果處理 295

7.5　小結(jié) 297

參考文獻 297

第8章　Sigma-Delta調(diào)制器子電路的設(shè)計考慮 299

8.1　CMOS開關(guān)的設(shè)計考慮 299

8.2　運算放大器的設(shè)計考慮 306

8.3　跨導器設(shè)計考慮 314

8.4　比較器設(shè)計考慮 320

8.5　電流舵數(shù) /模轉(zhuǎn)換器的設(shè)計考慮 327

8.6　小結(jié) 333

參考文獻 333

第9章　Sigma-Delta調(diào)制器的設(shè)計實現(xiàn)：從電路到芯片 336

9.1　Sigma-Delta調(diào)制器輔助模塊 336

9.1.1　時鐘相位產(chǎn)生器 336

9.1.2　共模電壓、參考電壓和偏置電流的產(chǎn)生 339

9.1.3　附加數(shù)字邏輯 342

9.2　版圖設(shè)計、布局規(guī)劃和實際問題 342

9.2.1　版圖規(guī)劃 342

9.2.2　I/O環(huán) 344

9.2.3　版圖驗證和災難性錯誤的重要性 344

9.3芯片封裝、測試 PCB和實驗建立 348

9.3.1　鍵合框圖和封裝 348

9.3.2測試 PCB 348

9.4　實驗測試建立 350

9.4.1　規(guī)劃所需測試儀器的類型和數(shù)量 350

9.4.2　連接實驗室儀器 351

9.4.3　測試建立實例 351

9.5Sigma-Delta調(diào)制器設(shè)計實例和案例分析 353

9.5.1　面向高動態(tài)范圍傳感器界面應用的可編程增益 Sigma-Delta調(diào)制器353

9.5.2　面向多標準直接轉(zhuǎn)換接收機的可配置開關(guān)電容 Sigma-Delta調(diào)制器359

9.5.3　面向射頻數(shù)字化儀應用的寬編程范圍 Gm-LC帶通 Sigma-Delta調(diào)制器 364

9.6　小結(jié) 379

參考文獻 379

第10章　前沿、趨勢和挑戰(zhàn)：邁向下一代 Sigma-Delta調(diào)制器 381

10.1　先進模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器：奈奎斯特模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器與 Sigma-Delta模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器 382

10.1.1　轉(zhuǎn)換能量 383

10.1.2品質(zhì)因數(shù)（ FOM） 384

10.2不同類型 Sigma-Delta模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器的比較 385

10.2.1Sigma-Delta調(diào)制器的孔徑圖 406

10.2.2Sigma-Delta調(diào)制器的能量圖 407

10.3先進 Sigma-Delta調(diào)制器的經(jīng)驗和統(tǒng)計分析 408

10.3.1　開關(guān)電容結(jié)構(gòu)與連續(xù)時間結(jié)構(gòu) 408

10.3.2先進 Sigma-Delta調(diào)制器采用的技術(shù) 410

10.3.3　單環(huán)結(jié)構(gòu)與級聯(lián)結(jié)構(gòu) 411

10.3.4　1位結(jié)構(gòu)與多位結(jié)構(gòu) · 412

10.3.5　低通結(jié)構(gòu)與帶通結(jié)構(gòu) 413

10.3.6新興的 Sigma-Delta調(diào)制器技術(shù) 415

10.4用于射頻 -數(shù)字轉(zhuǎn)換的 GHz頻率 Sigma-Delta調(diào)制器 · 415

10.5增強型級聯(lián) Sigma-Delta調(diào)制器 418

10.5.1SMASH連續(xù)時間 Sigma-Delta調(diào)制器 418

10.5.2　兩級 0-L MASH結(jié)構(gòu) 419

10.5.3級間共享級聯(lián) Sigma-Delta調(diào)制器 420

10.5.4多速率和混合連續(xù) /離散時間 Sigma-Delta調(diào)制器 421

10.6高能效的 Sigma-Delta調(diào)制器環(huán)路濾波器技術(shù) 423

10.6.1基于反相器的 Sigma-Delta調(diào)制器 423

10.6.2混合有源 /無源和無放大器的 Sigma-Delta調(diào)制器 425

10.6.3　高能效放大器技術(shù) 427

10.7混合 Sigma-Delta調(diào)制器 /奈奎斯特速率模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器 428

10.7.1基于奈奎斯特速率模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器的多位 Sigma-Delta調(diào)制器量化器 429

10.7.2增量 Sigma-Delta模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器 431

10.8基于時間的 Sigma-Delta模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器 433

10.8.1　基于 VCO/PWM量化的 Sigma-Delta調(diào)制器 433

10.8.2　易于縮減的全數(shù)字 Sigma-Delta調(diào)制器 435

10.8.3　基于門控開關(guān)環(huán)形振蕩器的 Sigma-Delta調(diào)制器 435

10.9　高性能連續(xù)時間 Sigma-Delta調(diào)制器中的數(shù) /模轉(zhuǎn)換器技術(shù) 437

10.10　最新參考文獻分類 439

10.11　小結(jié)與結(jié)論 439

參考文獻 440

附錄 連續(xù)時間 Sigma-Delta調(diào)制器中時鐘抖動的狀態(tài)空間分析 464

A.1　NTF（z）的狀態(tài)空間表示 464

A.2　.qn 2的期望值 466

A.3　由于時鐘抖動產(chǎn)生的帶內(nèi)噪聲功率 467

參考文獻 468

附錄 SIMSIDES用戶指南 469

B.1　使用入門：安裝和運行 SIMSIDES 469

B.2　在 SIMSIDES中建立和編輯 Sigma-Delta調(diào)制器 471

B.3　在 SIMSIDES中分析Sigma-Delta調(diào)制器 472

B.3.1　節(jié)點頻譜分析 473

B.3.2　集成功率噪聲 474

B.3.3　信噪比 /信噪失真比 475

B.3.4　諧波失真 475

B.3.5　積分和微分非線性 476

B.3.6　多音功率比 477

B.3.7　直方圖 477

B.3.8　參數(shù)分析 478

B.3.9　蒙特卡羅分析 479

B.4　優(yōu)化界面 479

B.5　教程示例：使用 SIMSIDES對 Sigma-Delta調(diào)制器進行建模和分析 481

B.5.1　在 SIMSIDES 中建立一個級聯(lián) 2-1 Sigma-Delta調(diào)制器框圖 482

B.5.2　設(shè)置模型參數(shù) 483

B.5.3　計算輸出頻譜 483

B.5.4　信噪比與輸入幅度值 486

B.5.5　單一參數(shù)的參數(shù)分析 487

B.5.6　考慮兩個參數(shù)的參數(shù)分析 487

B.5.7　計算直方圖 488

B.6　幫助手冊 489

附錄 SIMSIDES 模塊庫和模型 490

C.1　SIMSIDES庫概述 490

C.2　理想庫 491

C.2.1　理想積分器 491

C.2.2　理想諧振器 492

C.2.3　理想量化器 493

C.2.4　理想數(shù) /模轉(zhuǎn)換器 495

C.3　實際開關(guān)電容模塊庫 496

C.3.1　實際開關(guān)電容積分器 496

C.3.2　實際開關(guān)電容諧振器 499

C.4　實際開關(guān)電流模塊庫 501

C.4.1　實際開關(guān)電流積分器 501

C.4.2　實際開關(guān)電流諧振器 503

C.4.3　開關(guān)電流誤差和模型參數(shù) 503

C.5　實際連續(xù)時間模塊庫 505

C.5.1　實際連續(xù)時間積分器 505

C.5.2　實際連續(xù)時間諧振器 510

C.6　實際量化器和比較器 513

C.7　實際數(shù) /模轉(zhuǎn)換器 514

C.8　輔助模塊 515

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前言/序言

在CMOS技術(shù)中， Sigma-Delta調(diào)制器已經(jīng)成為實現(xiàn)集成電路系統(tǒng)中模 /數(shù)轉(zhuǎn)換的最好方法之一。相較于其他模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器（ ADC），在以分辨率和帶寬為坐標單位的平面圖中， Sigma-Delta模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器的應用范圍最為寬廣。 Sigma-Delta模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器是對各種不同類型信號進行數(shù)字化的最有效方式，這些信號包括應用于高分辨率、低帶寬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的數(shù)字音頻和傳感器接口以及儀器儀表，超低功耗生物醫(yī)學系統(tǒng)和中等分辨率、寬帶寬的無線通信系統(tǒng)。應用場景的多樣性、魯棒性與簡易性，使得 Sigma-Delta模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器成為越來越多工程師在項目研究和工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計中的首選。

1962年，Inose 等人在論文中第一次公開提出， Sigma-Delta模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)，但其基本原理早已于 1960年由 Cutler進行了專利注冊 [1,2]。Sigma-Delta模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器的基本原理簡單易懂，但分析過程較為復雜。 Sigma-Delta模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器的基本原理是兩大信號處理技術(shù)的結(jié)合，即過采樣和量化噪聲整形。過采樣是以比奈奎斯特采樣定律所規(guī)定速率更高的速率進行樣本采集；采集的樣本通常使用低分辨率量化器進行量化，量化過程存在較大誤差，量化誤差將在調(diào)制器的反饋環(huán)路中被消除；此外，再通過數(shù)字濾波器使得帶寬外的大部分信號功率被消除，進而實現(xiàn)信號頻譜整形。過采樣與噪聲整形的結(jié)合使得 Sigma-Delta模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器完成了利用低分辨率量化器實現(xiàn)高精度的數(shù)字化過程。因此，與其他需要高精度模擬電路的模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器相比， Sigma-Delta模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器以犧牲模擬電路精度換取了數(shù)字信號運算速度的提升，從而進一步降低對電路誤差的靈敏度，這個特點為 CMOS技術(shù)向納米級發(fā)展提供了可能。