开关电容Σ-Δ调制器的精确建模

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"1646 IEEETRANSACTIONSONINSTRUMENTATIONANDMEASUREMENT,VOL.54,NO.4,AUGUST2005 ModelingofSwitched-CapacitorDelta–Sigma ModulatorsinSIMULINK HashemZare-Hoseini,IzzetKale,andOmidShoaei,Member,IEEE" 本文详细探讨了开关电容Σ-Δ调制器在SIMULINK中的建模方法。Σ-Δ调制器是一种常用的模拟数字转换器(ADC),它利用过采样和噪声整形技术来提高信噪比和降低量化噪声。开关电容电路是Σ-Δ调制器的核心组成部分,它们通过开关元件和电容实现信号的积分和采样。 首先,文章强调了精确的行为建模,包括考虑开关和运算放大器的热噪声。这些噪声源对Σ-Δ调制器的性能有显著影响,尤其是在低频和高频下的噪声表现。开关噪声主要源于开关器件的随机开关动作,而运算放大器的热噪声则与温度和带宽有关。 其次,作者还讨论了时钟抖动的影响。时钟抖动会引入额外的相位不确定性,这可能会影响信号的转换精度,特别是在高速Σ-Δ调制器中。 接下来,非理想因素如积分器的有限直流增益(DCG)和单位增益带宽、速度限制、DCG非线性以及输入寄生电容也被纳入模型。这些非理想特性使得实际的Σ-Δ调制器在性能上与理想模型存在差距。 特别地,论文指出,积分器的DCG非线性是许多建模尝试中被忽视的一个关键参数。这种非线性会导致调制器行为的显著低估,增加输出噪声地板并恶化谐波失真。通过分析和建模这个参数,可以更准确地预测调制器的实际行为。 此外,论文还涉及了量化器的磁滞效应,开关的时钟馈通,以及电荷注入等其他重要因素。这些效应都会影响Σ-Δ调制器的动态性能和输出质量。 为了验证所提出的模型,作者进行了详尽的行为模拟,这些模拟结果接近于晶体管级的仿真,从而证明了模型的有效性和准确性。通过这种方式,设计者可以在设计阶段就评估Σ-Δ调制器的性能,避免在硬件实现后出现意料之外的问题。 这篇论文为开关电容Σ-Δ调制器的系统级建模提供了一个全面的框架,对于理解和优化这类调制器的设计至关重要,特别是对于那些在信号处理、通信和测量应用中依赖高精度模拟数字转换的领域。