Sigma-Delta模/数转换器：实用设计指南（原书第2版） 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子版 mobi 在线

Sigma-Delta模/数转换器作为CMOS模/数转换器中*为经典的设计技术，自1962年面世以来，在高分辨率、低带宽的传感器接口电路、仪器仪表测量以及数字音频等系统中得到了广泛应用。Sigma-Delta模/数转换器有效结合了过采样和噪声整形技术，利用频率远高于奈奎斯特采样频率的时钟对输入信号进行采样，实现了极高的输出分辨率。

本书分10章详细讨论了Sigma-Delta模/数转换器的基本原理、基础结构、非理想误差和自顶向下（自底向上）的综合分析方法；并在此基础上，结合设计实例和SIMSIDES仿真工具，对Sigma-Delta模/数转换器的电路级、物理级设计进行了详尽的分析；*后介绍了近年来Sigma-Delta模/数转换器的发展趋势以及面临的挑战。

本书可作为高等学校微电子学与固体电子学、集成电路设计、电子信息工程等专业高年级本科生和研究生的相关教材，也可以作为半导体相关领域工程技术人员的参考用书。

译者序原书前言致谢

第1章 Sigma-Delta调制器概述：基本原理、基础结构与性能指标 1

1.1模 /数转换器基础 1

1.1.1　采样 3

1.1.2　量化 4

1.1.3　量化白噪声模型 6

1.1.4　噪声整形 8

1.2Sigma-Delta 调制器 9

1.2.1从噪声整形系统到 Sigma-Delta调制器 9

1.2.2Sigma-Delta调制器的性能参数 10

1.3一阶 Sigma-Delta调制器 13

1.4Sigma-Delta调制器的性能提升与分类 16

1.4.1Sigma-Delta调制器的系统级设计参数和策略 16

1.4.2Sigma-Delta调制器的分类 18

1.5知识整合：从 Sigma-Delta调制器到 Sigma-Delta模 /数转换器 19

1.5.1　Sigma-Delta抽样滤波器简介 20

1.6　Sigma-Delta数 /模转换器 22

1.6.1Sigma-Delta数 /模转换器中的系统设计折中与信号处理

23

1.6.2数 /模转换器中数字 Sigma-Delta调制器的实现 24

1.7　小结 25

参考文献 26

第2章　Sigma-Delta调制器的结构分类 28

2.1　二阶 Sigma-Delta调制器 28

2.1.1　二阶 Sigma-Delta 调制器的另一种表示方法 30

2.1.2　具有单位增益信号传输函数的二阶 Sigma-Delta调制器 33

2.2高阶单环二阶 Sigma-Delta调制器 34

2.3级联 Sigma-Delta调制器 38

2.3.1　级联 Sigma-Delta调制器的结构 45

2.4多位 Sigma-Delta调制器 48

2.4.1　多位数 /模转换器误差的影响 48

2.4.2　动态器件匹配技术 49

2.4.3　双量化 52

2.5带通 Sigma-Delta调制器 54

2.5.1正交带通 Sigma-Delta调制器 55

2.5.2 z → .z2低通 -带通变换 57

2.5.3　具有化噪声传输函数的带通 Sigma-Delta调制器

58

2.5.4　时间交织和多相位带通 Sigma-Delta调制器 61

2.6连续时间 Sigma-Delta调制器的结构和基本原理 63

2.6.1连续时间 Sigma-Delta调制器的直观分析 65

2.6.2连续时间 Sigma-Delta调制器中的混叠抑制简述 68

2.7离散时间 Sigma-Delta调制器 -连续时间 Sigma-Delta 调制器变换 69

2.7.1　脉冲不变变换 70

2.7.2二阶 Sigma-Delta调制器的离散时间 -连续时间变换 72

2.8连续时间 Sigma-Delta调制器的直接综合法设计 74

2.9 小结 76

参考文献 76

第3章　开关电容 Sigma-Delta调制器中的电路误差 81

3.1开关电容 Sigma-Delta调制器中的非理想因素概述 81

3.2开关电容 Sigma-Delta调制器中的有限放大器增益 83

3.3开关电容 Sigma-Delta调制器中的电容失配 87

3.4开关电容 Sigma-Delta调制器中的积分器建立误差 90

3.4.1　积分器建立的行为级模型 90

3.4.2　有限放大器增益的线性效应 —增益带宽积 94

3.4.3　有限放大器压摆率的非线性效应 95

3.4.4　有限开关导通电阻效应 97

3.5开关电容 Sigma-Delta调制器中的电路噪声 101

3.6开关电容 Sigma-Delta调制器中的抖动 104

3.7开关电容 Sigma-Delta调制器中的失真源 106

3.7.1　非线性放大器增益 106

3.7.2　非线性开关导通电阻 108

3.8Sigma-Delta调制器的高阶选型设计实例分析 110

3.8.1　理想调制器性能 110

3.8.2　噪声泄漏 111

3.8.3　电路噪声 114

3.8.4　建立误差 115

3.8.5　整体高阶选型设计和噪声预算 117

3.9　小结 118

参考文献 119

第4章　连续时间 Sigma-Delta调制器中的电路误差和补偿技术 122

4.1连续时间 Sigma-Delta调制器的非线性概述 122

4.2　连续时间积分器和谐振器 123

4.3连续时间 Sigma-Delta调制器中的有限放大器增益 125

4.4连续时间 Sigma-Delta调制器中的时间常数误差 127

4.5连续时间 Sigma-Delta调制器中的有限积分器动态性能 129

4.5.1　有限增益带宽积对连续时间 Sigma-Delta调制器的影响 130

4.5.2　有限压摆率对连续时间 Sigma-Delta调制器的影响 132

4.6　连续时间 Sigma-Delta调制器中的失真源 133

4.6.1　前端积分器中的非线性 133

4.6.2　反馈数 /模转换器中的码间干扰 136

4.7连续时间 Sigma-Delta调制器中的电路噪声 136

4.7.1考虑非归零反馈数 /模转换器时的噪声分析 137

4.7.2考虑开关电容反馈数 /模转换器时的噪声分析 138

4.8连续时间 Sigma-Delta调制器中的时钟抖动 139

4.8.1归零数 /模转换器中的抖动 141

4.8.2非归零数 /模转换器中的抖动 142

4.8.3开关电容数 /模转换器中的抖动 143

4.8.4　时钟抖动误差的残余效应 144

4.8.5　利用有限长单位冲激响应滤波器（FIR）和正弦整形数 /模转换器降低时钟抖动效应 147

4.9　连续时间 Sigma-Delta调制器中的过量环路延迟 149

4.9.1　过量环路延迟的直观分析 149

4.9.2　基于脉冲不变离散时间 -连续时间变换的过量环路延迟分析 152

4.9.3　替代的过量环路延迟补偿技术 155

4.10　连续时间 Sigma-Delta调制器中的量化器亚稳态 156

4.11　小结 160

参考文献 160

第5章　行为级建模和高阶仿真 165

5.1Sigma-

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编辑推荐

数字信号是现代信息构建的基础，而将日常人们能感知的模拟信号转换为抽象0,1数字信号的正是模数转换器---这一重要、复杂的关键电路。在万物互联的传感器世界中，风力、语音、压力、温湿度.....种种自然物理量无处不在，Sigma-Delta模数转换器则是将这些纷繁多样模拟信号带入数字世界的神奇电路。本书内容全方面涵盖了Sigma-Delta模数转换器的理论、结构、非理想误差以及设计方法；在此基础上，本书还结合设计实例和SIMSIDES仿真工具，对Sigma-Delta模数转换器电路级、物理级设计进行了详尽的分析；*后向读者介绍了近年来Sigma-Delta模数转换器的发展趋势以及面临的挑战。希望本书的出版能为广大从事模数转换器研究与设计工作的同学、工程师提供有益的参考和帮助。

前言

在CMOS技术中， Sigma-Delta调制器已经成为实现集成电路系统中模 /数转换的好方法之一。相较于其他模 /数转换器（ ADC），在以分辨率和带宽为坐标单位的平面图中， Sigma-Delta模 /数转换器的应用范围为宽广。 Sigma-Delta模 /数转换器是对各种不同类型信号进行数字化的有效方式，这些信号包括应用于高分辨率、低带宽数据转换的数字音频和传感器接口以及仪器仪表，超低功耗生物医学系统和中等分辨率、宽带宽的无线通信系统。应用场景的多样性、鲁棒性与简易性，使得 Sigma-Delta模 /数转换器成为越来越多工程师在项目研究和工业产品设计中的。

1962年，Inose 等人在论文中次公开提出， Sigma-Delta模 /数转换器的结构，但其基本原理早已于 1960年由 Cutler进行了专利注册 [1,2]。Sigma-Delta模 /数转换器的基本原理简单易懂，但分析过程较为复杂。 Sigma-Delta模 /数转换器的基本原理是两大信号处理技术的结合，即过采样和量化噪声整形。过采样是以比奈奎斯特采样定律所规定速率更高的速率进行样本采集；采集的样本通常使用低分辨率量化器进行量化，量化过程存在较大误差，量化误差将在调制器的反馈环路中被消除；此外，再通过数字滤波器使得带宽外的大部分信号功率被消除，进而实现信号频谱整形。过采样与噪声整形的结合使得 Sigma-Delta模 /数转换器完成了利用低分辨率量化器实现高精度的数字化过程。因此，与其他需要高精度模拟电路的模 /数转换器相比， Sigma-Delta模 /数转换器以牺牲模拟电路精度换取了数字信号运算速度的提升，从而进一步降低对电路误差的灵敏度，这个特点为 CMOS技术向纳米级发展提供了可能。

基于以上优点以及消费电子产品尺寸缩小和行业趋势的推动，经过许多代 Sig-ma-Delta模 /数转换器的迭代，初的噪声整形经过近 50年的不断优化，产生了许多电路结构、电路系统设计技术和若干集成电路（ IC）芯片。这些新设计和新电路的产生促使 Sigma-Delta模 /数转换器不断优化，创造出更多创新性的设计和成功的工业产品。

所有上述技术发展和技术研究为该领域提供了大量的技术文献。事实上，自 Candy[3，4]、Boser与 Wooley[5]那些被广泛引用的开创性文章发表以来，出版物的数量显著上升，其中包括数以百计项授权专利、成千上万篇研究论文、一些指导论文 [6-8]、很多导论和专著 [9-31]。然而，对于许多设计者，尤其是那些与众不同的设计者和专注于 Sigma-Delta模 /数转换器某些细分领域的有经验的设计者而言，面对如此海量的资料和已出版的技术文献常常会迷失方向。这一现象的出现，促使一些作者开始将这些碎片化的信息进行全面、系统的整合。

除了早期致力于对 Sigma-Delta模 /数转换器已出版文献进行分类的书籍 [9]以外，一本旨在作为 Sigma-Delta模 /数转换器设计指南的书籍已于 1997年由 Norsworthy等人 [10]编写出版，被业界称作“黄皮书”。这本书介绍了 Sigma-Delta模 /数转换器的许多重要组成，由许多行业专家共同撰写，但缺乏一定的条理和连续性。以这本书为基础，一些作者开始致力于撰写系统性的 Sigma-Delta模 /数转换器设计指导专著。

此外，由 Schreier与 Temes撰写、于 2005年出版的书籍 [21]通常被称作“绿皮书”，这本书已成为 Sigma-Delta模 /数转换器领域受欢迎的书籍之一。这本书提供了一个优秀、全面的 Sigma-Delta模 /数转换器解决方案、基本原理和主要架构，还列举了一些设计结构，并利用 MATLAB工具 [32]加以实现。该书的修订版由 Pa-van、Schreier和 Temes主编，于 2017年出版 [33]。第 2版在不改变第 1版的核心，即介绍 Sigma-Delta模 /数转换器的基本原理的基础上，扩展了关于连续时间（ CT）电路实现和设计的部分。

还有其他一些具有划时代意义的书籍值得注意，其中包括 Medeiro等人于 1999年 [13]撰写的关于开关电容 Sigma-Delta模 /数转换器的系统设计，以及 2006年 Ort-manns与 Gerfers[22]出版的书籍，该书至今仍然是有关于连续时间 Sigma-Delta模 /数转换器的完整专著之一。所有这些书籍，包括在其他技术文献中所提及的专著对 Sigma-Delta模 /数转换器的介绍都不完整，更多的是关注于设计的某一特定方面，或者是某种结构类型、电路技术或应用。

因此，本书的第 2版在不改变第 1版核心思想的前提下，通过对 Sigma-Delta模 /数转换器全系列进行综合性的、系统性的介绍以弥补一些知识漏洞，其中包括结构多样性、电路技术、分析与合成方法、 CAD工具和一些实际设计中需要考量的因素。正如第 1版提及的，本书的初衷是为本科生和研究生提供一本具有教育、参考价值的指导书。基于这个理念，以及作者使用本书第 2版展开教学而得到的反馈和读者对第 2版的反馈，第 2版的内容已全面更新，进而可以展现给更广大的读者，无论是希望对 Sigma-Delta模 /数转换器获得更加深入了解和见解的资深设计者，还是渴望在这个热门话题上得到统一且独到见解的初出茅庐的设计者，都能从本书中获益。新的内容和素材使得第 2版成为一本独特的专著，一本汇编和更新了在 Sigma-Delta模 /数转换器方面无数的技术和研

书籍介绍

Sigma-Delta模/数转换器作为CMOS模/数转换器中*为经典的设计技术，自1962年面世以来，在高分辨率、低带宽的传感器接口电路、仪器仪表测量以及数字音频等系统中得到了广泛应用。Sigma-Delta模/数转换器有效结合了过采样和噪声整形技术，利用频率远高于奈奎斯特采样频率的时钟对输入信号进行采样，实现了极高的输出分辨率。 本书分10章详细讨论了Sigma-Delta模/数转换器的基本原理、基础结构、非理想误差和自顶向下（自底向上）的综合分析方法；并在此基础上，结合设计实例和SIMSIDES仿真工具，对Sigma-Delta模/数转换器的电路级、物理级设计进行了详尽的分析；*后介绍了近年来Sigma-Delta模/数转换器的发展趋势以及面临的挑战。 本书可作为高等学校微电子学与固体电子学、集成电路设计、电子信息工程等专业高年级本科生和研究生的相关教材，也可以作为半导体相关领域工程技术人员的参考用书。