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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

1.2Sigma-Delta 调制器 9

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

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

1.6　Sigma-Delta数 /模转换器 22

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

2.2高阶单环二阶 Sigma-Delta调制器 34

2.3级联 Sigma-Delta调制器 38

2.4多位 Sigma-Delta调制器 48

2.5带通 Sigma-Delta调制器 54

2.6连续时间 Sigma-Delta调制器的结构和基本原理 63

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

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

3.5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

3.8Sigma-Delta调制器的高阶选型设计实例分析 110

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

4.6　连续时间 Sigma-Delta调制器中的失真源 133

4.7连续时间 Sigma-Delta调制器中的电路噪声 136

4.8连续时间 Sigma-Delta调制器中的时钟抖动 139

4.9　连续时间 Sigma-Delta调制器中的过量环路延迟 149

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-Delta调制器系统级设计方法 165

5.2Sigma-Delta调制器高阶评估的仿真方法 168

5.3　Sigma-Delta调制器行为级模型实现 172

5.4利用 C-MEX S函数建立 Sigma-Delta调制器模块的有效行为级模型 · 188

5.5一种面向 Sigma-Delta调制器的基于 Simulink的行为级仿真器—SIMSIDES 211

5.6利用 SIMSIDES进行 Sigma-Delta调制器的高阶选型设计和验证 220

5.7　小结 235

参考文献 235

第6章　Sigma-Delta调制器的自动化设计和优化 238

6.1架构探索和选择 —Schreier工具箱 238

6.2　基于优化的高级 Sigma-Delta调制器综合 248

6.3　通过提升方法和硬件加速来优化连续时间 Sigma-Delta调制器 258

6.4　利用多目标进化算法优化 Sigma-Delta调制器 263

6.5　小结 271

参考文献 271

第7章　Sigma-Delta调制器的电学设计：从系统到电路 273

7.1　Sigma-Delta调制器的宏模型 274

7.2Sigma-Delta调制器宏模型实例 281

7.3在 Sigma-Delta调制器瞬态电学仿真中加入噪声 286

7.4　Sigma-Delta调制器电学仿真的输出结果处理 295

7.5　小结 297

参考文献 297

第8章　Sigma-Delta调制器子电路的设计考虑 299

8.1　CMOS开关的设计考虑 299

8.2　运算放大器的设计考虑 306

8.3　跨导器设计考虑 314

8.4　比较器设计考虑 320

8.5　电流舵数 /模转换器的设计考虑 327

8.6　小结 333

参考文献 333

第9章　Sigma-Delta调制器的设计实现：从电路到芯片 336

9.1　Sigma-Delta调制器辅助模块 336

9.1.1　时钟相位产生器 336

9.1.2　共模电压、参考电压和偏置电流的产生 339

9.1.3　附加数字逻辑 342

9.2　版图设计、布局规划和实际问题 342

9.2.1　版图规划 342

9.2.2　I/O环 344

9.2.3　版图验证和灾难性错误的重要性 344

9.3芯片封装、测试 PCB和实验建立 348

9.3.1　键合框图和封装 348

9.3.2测试 PCB 348

9.4　实验测试建立 350

9.4.1　规划所需测试仪器的类型和数量 350

9.4.2　连接实验室仪器 351

9.4.3　测试建立实例 351

9.5Sigma-Delta调制器设计实例和案例分析 353

9.5.1　面向高动态范围传感器界面应用的可编程增益 Sigma-Delta调制器353

9.5.2　面向多标准直接转换接收机的可配置开关电容 Sigma-Delta调制器359

9.5.3　面向射频数字化仪应用的宽编程范围 Gm-LC带通 Sigma-Delta调制器 364

9.6　小结 379

参考文献 379

第10章　前沿、趋势和挑战：迈向下一代 Sigma-Delta调制器 381

10.1　先进模 /数转换器：奈奎斯特模 /数转换器与 Sigma-Delta模 /数转换器 382

10.1.1　转换能量 383

10.1.2品质因数（ FOM） 384

10.2不同类型 Sigma-Delta模 /数转换器的比较 385

10.2.1Sigma-Delta调制器的孔径图 406

10.2.2Sigma-Delta调制器的能量图 407

10.3先进 Sigma-Delta调制器的经验和统计分析 408

10.3.1　开关电容结构与连续时间结构 408

10.3.2先进 Sigma-Delta调制器采用的技术 410

10.3.3　单环结构与级联结构 411

10.3.4　1位结构与多位结构 · 412

10.3.5　低通结构与带通结构 413

10.3.6新兴的 Sigma-Delta调制器技术 415

10.4用于射频 -数字转换的 GHz频率 Sigma-Delta调制器 · 415

10.5增强型级联 Sigma-Delta调制器 418

10.5.1SMASH连续时间 Sigma-Delta调制器 418

10.5.2　两级 0-L MASH结构 419

10.5.3级间共享级联 Sigma-Delta调制器 420

10.5.4多速率和混合连续 /离散时间 Sigma-Delta调制器 421

10.6高能效的 Sigma-Delta调制器环路滤波器技术 423

10.6.1基于反相器的 Sigma-Delta调制器 423

10.6.2混合有源 /无源和无放大器的 Sigma-Delta调制器 425

10.6.3　高能效放大器技术 427

10.7混合 Sigma-Delta调制器 /奈奎斯特速率模 /数转换器 428

10.7.1基于奈奎斯特速率模 /数转换器的多位 Sigma-Delta调制器量化器 429

10.7.2增量 Sigma-Delta模 /数转换器 431

10.8基于时间的 Sigma-Delta模 /数转换器 433

10.8.1　基于 VCO/PWM量化的 Sigma-Delta调制器 433

10.8.2　易于缩减的全数字 Sigma-Delta调制器 435

10.8.3　基于门控开关环形振荡器的 Sigma-Delta调制器 435

10.9　高性能连续时间 Sigma-Delta调制器中的数 /模转换器技术 437

10.10　最新参考文献分类 439

10.11　小结与结论 439

参考文献 440

附录 连续时间 Sigma-Delta调制器中时钟抖动的状态空间分析 464

A.1　NTF（z）的状态空间表示 464

A.2　.qn 2的期望值 466

A.3　由于时钟抖动产生的带内噪声功率 467

参考文献 468

附录 SIMSIDES用户指南 469

B.1　使用入门：安装和运行 SIMSIDES 469

B.2　在 SIMSIDES中建立和编辑 Sigma-Delta调制器 471

B.3　在 SIMSIDES中分析Sigma-Delta调制器 472

B.3.1　节点频谱分析 473

B.3.2　集成功率噪声 474

B.3.3　信噪比 /信噪失真比 475

B.3.4　谐波失真 475

B.3.5　积分和微分非线性 476

B.3.6　多音功率比 477

B.3.7　直方图 477

B.3.8　参数分析 478

B.3.9　蒙特卡罗分析 479

B.4　优化界面 479

B.5　教程示例：使用 SIMSIDES对 Sigma-Delta调制器进行建模和分析 481

B.5.1　在 SIMSIDES 中建立一个级联 2-1 Sigma-Delta调制器框图 482

B.5.2　设置模型参数 483

B.5.3　计算输出频谱 483

B.5.4　信噪比与输入幅度值 486

B.5.5　单一参数的参数分析 487

B.5.6　考虑两个参数的参数分析 487

B.5.7　计算直方图 488

B.6　帮助手册 489

附录 SIMSIDES 模块库和模型 490

C.1　SIMSIDES库概述 490

C.2　理想库 491

C.2.1　理想积分器 491

C.2.2　理想谐振器 492

C.2.3　理想量化器 493

C.2.4　理想数 /模转换器 495

C.3　实际开关电容模块库 496

C.3.1　实际开关电容积分器 496

C.3.2　实际开关电容谐振器 499

C.4　实际开关电流模块库 501

C.4.1　实际开关电流积分器 501

C.4.2　实际开关电流谐振器 503

C.4.3　开关电流误差和模型参数 503

C.5　实际连续时间模块库 505

C.5.1　实际连续时间积分器 505

C.5.2　实际连续时间谐振器 510

C.6　实际量化器和比较器 513

C.7　实际数 /模转换器 514

C.8　辅助模块 515

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前言/序言

在CMOS技术中， Sigma-Delta调制器已经成为实现集成电路系统中模 /数转换的最好方法之一。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最为宽广。 Sigma-Delta模 /数转换器是对各种不同类型信号进行数字化的最有效方式，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首选。

1962年，Inose 等人在论文中第一次公开提出， 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。