高性能音频Delta-Sigma数据转换器的设计与优化技术研究

摘要

Delta-Sigma数据转换器具有转换精度高、硬件开销低等特点，十分适用于便携式医疗设备以及高性能音频信号处理等领域。然而其设计中尚有许多技术问题有待深入研究，尤其是现代CMOS工艺与数字技术的发展使得集成电路的电源电压不断降低，严重制约了模拟信号的动态范围，也使得数据转换器的高分辨率设计成为难点。同时，对于便携式设备而言，电池的续航能力始终是决定产品竞争力的关键技术之一，这也对数据转换器的低功耗设计提出了更大挑战。
　　本文根据一些重要应用领域的要求，对高精度音频Delta-Sigma数据转换器的设计技术展开研究，重点围绕其低功耗与面积优化技术展开，主要内容与创新包括:
　　1.针对植入式生物医疗装置如人工耳蜗等对音频Delta-Sigma ADC的低压超低功耗及微型化的设计要求，结合理论计算与建模仿真，对设计中诸多非理想因素展开深度分析，归结出一套Delta-Sigma调制器的完整设计流程，给出了符合要求的电路设计指标;采用开关型运放与运放共享技术实现了积分器的低功耗设计，并利用基于高密度电容阵列的改进型量化器结构实现了转换器面积的大幅度优化;提出一种无信号衰减二次相加策略，在低功耗实现调制器内部信号相加的同时，解决了传统开关电容型加法电路因电荷分配引入的信号衰减问题，有效降低了多位量化器设计难度;还提出一种分割两向移位数据加权平均(Data Weighted Averaging，DWA)技术，可在较低硬件开销下减小多比特转换器的非线性误差，并有效抑制传统DWA技术在低频激励信号时谐波失真的产生，提高了转换精度。提出的音频Delta-Sigma ADC原型在0.18-μmCMOS工艺下流片，测试结果显示其峰值信噪比为92.2-dB，动态范围为94.6-dB，在0.9-V电源电压下系统总功耗为164-μW，其中Delta-Sigma调制器的功耗仅为56-μW，品质因数达到42-fJ/转换步长。
　　2.针对高性能便携式音频信号处理的需要，对于高精度音频Delta-SigmaDAC的面积优化与低功耗设计技术展开研究。提出一种改进型公用副表式消除算法用于DAC内插滤波器的系数优化，有效降低传统算法下系统实现的硬件开销与逻辑深度，优化了芯片面积;以全数字实现方式将分割两向移位DWA技术应用于多位量化Delta-Sigma调制器，改善模拟重构级的非线性失真，以合理的硬件开销有效提高转换精度;采用低功耗FIR/IIR混合型滤波器的全差分直接电荷转移型开关电容DAC构建模拟重构级，同时片上集成了后置平滑滤波器，有效提升转换器性能。实验与芯片测试结果显示，提出的音频Delta-Sigma DAC峰值信噪比达到102.2-dB，动态范围为103.6-dB，在1.5-V电源电压下系统总功耗仅为3.54-mW，利用较小的芯片面积实现了转换精度与功耗之间的良好均衡。

目录

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致谢

摘要

图表清单

第1章 绪论

1．1 研究背景与选题依据

1．2 Delta-Sigma数据转换器的发展与研究现状

1．2．1 Delta-Sigma数据转换器的发展

1．2．2 国内外研究现状

1．3 论文主要研究内容

1．4 论文结构与章节安排

第2章 数据转换器简介

2．1 数据转换器基本原理

2．1．1 理想数据转换器

2．1．2 数据转换器静态误差分析

2．1．3 数据转换器动态特性分析

2．2 模数转换器典型结构分析

2．2．1 闪烁型模数转换器(Flash ADC)

2．2．2 折叠型模数转换器(Folding ADC)

2．2．3 流水线型模数转换器(Pipelined ADC)

2．2．4 逐次逼近寄存器模数转换器(Successive-Approximation-Register ADC，SAR ADC)

2．2．5 过采样模数转换器(Over-Sampling ADC)

2．3 数模转换器典型结构分析

2．3．1 电阻型数模转换器

2．3．2 电容型数模转换器

2．3．3 电流源型数模转换器

2．3．4 Delta-Sigma型数模转换器

2．4 本章小结

第3章 Delta-Sigma数据转换器基本理论

3．1 过采样数据转换器

3．1．1 过采样技术

3．1．2 内插滤波器与抽取滤波器

3．2 Delta-Sigma调制原理

3．2．1 Delta调制与Delta-Sigma调制

3．2．2 噪声整形技术

3．2．3 Delta-sigma调制器结构

3．2．4 多比特量化技术

3．3 Delta-Sigma数据转换器非理想因素分析

3．3．1 开关的非理想因素分析

3．3．2 噪声分析

3．3．3 运算放大器的非理想因素分析

3．4 本章小结

第4章 高性能音频Delta-Sigma ADC的超低功耗与面积优化设计技术研究

4．1 高性能音频ADC的设计需求

4．2 高精度Delta-Sigma调制器系统建模与分析

4．2．1 调制器结构选择与系统优化

4．2．2 调制器非理想因素分析

4．3 关键电路的功耗与面积优化

4．3．1 运算放大器的性能优化

4．3．2 无信号衰减二次相加策略

4．3．3 量化器的功耗与面积优化

4．3．4 非线性优化与分割两向移位数据加权平均技术

4．3．5 时钟电路设计

4．4 低功耗抽取滤波器设计

4．5 Delta-Sigma ADC测试验证

4．6 本章小结

第5章 高精度音频Delta-Sigma DAC的面积优化与低功耗设计研究

5．1 高精度Delta-Sigma音频DAC结构分析

5．2 低功耗内插滤波器的性能优化

5．2．1 低功耗内插滤波器结构选择

5．2．2 半带滤波器低功耗实现与面积优化

5．2．3 内插滤波器的仿真验证

5．3 高精度数字Delta-Sigma调制器设计与非线性补偿

5．4 低噪声模拟重构级设计

5．4．1 模拟重构级系统分析与性能优化

5．4．2 运算放大器的噪声优化

5．5 Delta-Sigma DAC的系统仿真与测试验证

5．6 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 工作展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果