基于65nm工艺的高性能音频∑Δ模数转换器的研究与实现

摘要

近年来,数字音视频技术的巨大市场需求,推动了国内音频模数转换器特别是高性能音频模数转换器的研究与开发。凭借其能够用较低精度的CMOS元器件实现较高分辨率的特性,∑△模数转换器己成为目前实现高精度音频模数转换的主要方式。
　　 在此背景下,本文从系统设计、电路设计(包括模拟部分的电路设计和数字部分的RTL代码编写),到版图绘制和封装测试,完成了一款应用于音频的18位高精度、低功耗∑△模数转换器的设计与实现。
　　 本文的主要工作和创新点包括:
　　 1、系统介绍了∑△模数转换器的原理,分析了各种不同的调制器结构及各自的优缺点,通过对比选择确定了2-1级联单比特量化128倍过采样的∑△调制器结构,并在考虑各种非理想因素的基础上,完成了一个高性能音频∑△调制器的设计。
　　 2、采用套筒式两级级联结构,设计了一个高增益低噪声宽摆幅的运算放大器。使得积分器可以采用电源和地作为两个反馈参考电平,从而不仅把调制器的输入范围扩大为电源到地的“轨到轨”,提高了调制器的动态范围。更重要的是可以节省两个产生反馈参考电平的缓冲器,节省约40％的功耗。同时,芯片面积也有了相应的减小。
　　 3、采用ROM、RAM设计了一个低功耗、低硬件消耗的数字抽取滤波器。相比DFF作为存储单元的实现方式,这种方法可以节省一半以上的硬件消耗。
　　 4、设计了一个用于减小失调误差和增益误差的数字校正模块。通过采样把失调误差和增益误差存储在寄存器中,执行校正时除去这些误差便获得了校正后的数据。失调误差校正可以提高∑△ADC系统的动态范围。
　　 5、设计了外围串行接口,使得模数转换器可以跟外围主机进行全双工的通信,同时也节省了芯片的管脚。特别是在65nm及以下工艺时,管脚压焊块(PAD)成为了芯片面积的主要消耗者,节省的面积更为可观。
　　 6、在中芯国际65 nm先进工艺下实现了上述设计,芯片核心面积为0.6 mm2。测试结果表明在音频带宽内该芯片的最大信噪失真比为89 dB,动态范围为93 dB。在1.2 V标准电源电压下,功耗仅为2.2 mW。并且,样片成功率在90％以上。
　　 7、根据测试结果对本设计提出了一些改进措施,包括在∑△调制器前增加一个可编程增益运算放大器,以进一步优化芯片性能,使本设计继续向产品化方向发展。