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模数转换器(ADC)作为一种接口电路,广泛应用在音频、视频、通信、地震预测及医疗等方面的电子系统中。随着这些系统处理能力与处理速度的逐步提高,与之相关的模数转换器的精度和速度等性能也需要随之提高。过采样Sigma-Delta ADC是一种不同于传统Nyquist ADC的新型模数转换器,它采用过采样和噪声整形两项关键技术,把大部分量化噪声驱赶到信号频带之外,然后用数字低通滤波器滤除带外噪声,使转换精度得到显著提高,非常适合应用于音频及数字电话等领域。本文围绕具体工程项目,对一款适用于VoIP芯片的高精度Sigma-Delta ADC中的调制器部分进行了深入研究,设计了一个带斩波稳定的二阶单环Sigma-Delta调制器。调制器采用开关电容电路来实现;过采样率为128,信号带宽为24KHz;量化器为一位量化。文章首先分析了Sigma-Delta调制器的工作原理,对单环路、级联和多位量化的调制器结构进行了集中讨论,同时具体分析了实际电路中多种非理想因数对调制器性能的影响。这些非理想因数包括运算放大器的有限直流增益、有限单位增益带宽和有限压摆率、电路噪声和时钟抖动等。然后,在Matlab环境下对二阶Sigma-Delta调制器进行了行为级仿真,确定了电路设计所需的关键指标。在此基础上,对Sigma-Delta调制器的各个单元电路进行了晶体管级设计,包括开关电容积分器、比较器、一位DAC和非交叠时钟信号产生电路等。最后利用Cadence Spectre对电路进行了仿真验证。本设计采用CSMC 0.5μm CMOS工艺。仿真结果表明,在电源电压为5 V,采样频率为6.144 MHz的情况下,所设计的Sigma-Delta调制器可获得81.6dB的动态范围,13.26位的转换精度,达到了预期的设计要求。