第23卷第2期
电子设计工程
2015年1月
Vol 23
Electronic Design Engineering
fan.2015
一种面向智能传蔽器的低功耗高精废 Signa- delta调制
器设计
周文彬…2,贾绍磊2,梅年松,张钊锋
(1.中国科学院上海高等研究院徽納器件中心,上海201210;2.中国科学院研究生院北京100190)
摘要:设计了一款工作在1.2V电源电压下,功耗为196pW,効度为14bi,FOM值达202.4,应月于物联网领城的
Σ△
调制器,共OSR为64,采用四阶前馈单位量化结构,大幅度降低了系統对OTA的要求。通过 Matab SD-TO0I
BOX确定系统参数,进行行为级建模确定最优值,同时对系统架构和电路模块进行低功耗分析,针对调制器各级进
行适当的増益缩放。该调制器采月SMC0.18以CMOSエ艺设计,输入信号频率为3.4kHz,采样时钟为1.28MHz时,
调制器SNDR达到8.6dB,达到有效位14it精度,处理带宽10kHz的要求。
关键词:Σム调制器;开关电容;动态比较器;前馈級联积分器;系统建被
中图分类号:IN432
文献标识码
文章编号:1674-6236(2015)02-0084-0)4
A low-power and high-precision sigma-delta modulator for smart sensor
∠ MOU Wen-bin2, LIA Shao-lei2, MEI Nian-song,∠ LIANG'∠hao-feng
1. Micro-aano Device Research Center, Shang Adanced Research Institute, Chinese Aeademy of Sciences, Shanghai
201210, hind 2. nirersiy o Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
Abstract: A modulator is designed with 1.2 V supply voltage, 196uw power consumption, 14bit precision, and FOM is up to
202.2.The oversampling rale is 64, using 4th-order noise reshaping. The feedforward structure with one bit quantization is
used to reduce the limit of the OTA. With the help of the Matlab SD-TOOLBOX, the system parameters are derived. The
behavioral modeling is used lo find Ihe optimal paramelers. And Ihe low power optimization is performed for the system
structure and circuit model by scaling down the TAS of the second third and fourth modulator stage to reduce the power. The
modulator was implanted in SMICO1S CMOS process, and the input signal frequency is 3.4 KHZ at OSR of 64. The result
show hal the modulator can achieve a DR of 88.6 d with 1.28 MH sampling clockand 10 KH signal bandwidth. The
resolution achieves 14 bit ENOB
Key words: Modulator; switch capacitor; dynamie comparator; CIFF; system modeling
随着物联网不断发展,人们要求智能传感器能准确感知环Nam、Sang- Minsu等阿采用多比特量化技术达到高精确度,但
境,兼顾使用寿命长,自校准,自检測等功能,而模数转换器是数字功耗过大,其中DWA和误差校准单元精确度要求极
(ADC)连接模拟域与数字域,其性能严重制约着智能传感器性高。同时,为了积分器留有足够输出摆幅裕量,Cao, I Song
能发挥。为了有效检测传感器输出微弱信号,对处理微弱信号接等的采用分离路径伪差分放大器节约功耗,但是谐波失真明
口电路(含ADC模块)功耗要求严格叩。在徽弱信号输入高精度显,导致精度降低
的开关电容(SC)系统中,确定采样电容及过采样率(OSIR)后,需
针对物联网传感器节点应用,本文选择四阶前馈单位量
要热噪声低于计算值,但增加了OTA功耗。尽管随着CMOS集化△调制器避免以上研究缺陷,利用 Matlabsd-TOOI.BOX
成电路工艺的不断进步,大幅度减少了传感器系统的数字功耗,及 Simulink确定系统参数和电路子模块的系统指标。电路采
但是含有ADC的模拟前端电路功耗并没有显著改善
用SMIC0.18 UCOS工艺及1.2V电压实现,设计口标为输
在基于传感器的高精度信号检测系统中,要求信号带宽人信号带宽在10kHル范用内时,调制器精度达到14bi,而
在20I1~-50kIlz的范围内具有良好的性能。数字化传感器功耗在同类设计中优秀。
SOC常使用高分辨率、低带宽的△ADC?。在设计∑△ADC
核心调制器时如何兼顾高精度和低功耗是当今研究热点,如
1系统设计
1.1DT-?调制器结构
收稿日期:2014-04-04
稿件编号:201404036
离散时间(IT)Σ△调制器常被应用于低频智能传感器领
基金项目:上海市科委院地合作项目(12D71500900
作者简介:周文彬(1987-),男,四川蒙县人,硕士研究生。研究方向:低功耗模敖換器设汁
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