16比特低功耗音频应用Sigma-Delta ADC研究

摘要

过采样技术和sigma-delta调制器的噪声整形技术被广泛应用于模拟和数字接口电路中。过采样技术可以有效提高数模转换器信噪比，同时还可以降低抗混叠滤波器设计难度；噪声整形技术可以把大部分量化噪声移到带外，可以有效提高信噪比，而且调制器适用于低电源电压电路中，因此可以降低系统功耗，适合于低功耗接口电路中。Sigma-delta ADC对工艺匹配要求不是很苛刻因此降低了电路复杂度。
　　 本文针对音频应用Sigma-Delta ADC进行研究，实现信号带宽20kHz，抽取滤波器输出速率44.1或者48KHz。采用三阶单环sigma-delta调制器，有利于低功耗设计，同时对一阶，二阶sigma-delta调制器进行了研究。采用MATLAB simulink进行优化设计积分器系数，并对积分器非理想因素(有限的输出摆幅、压摆率、带宽、开关非线性及kT/C噪声)进行建模使MATLAB行为级仿真与电路级设计相一致。同时对高阶调制器稳定性进行分析，通过优化积分器系数优化调制器环路传输函数零极点位置。电路设计时放大器第一级采用交叉耦合管提高放大器增益，输出级采用AB类输出，提高了输出摆幅，同时降低了电源电压。调制器采用差分输入，芯片内部有单端转差分电路，差分输出信号后仿真THD高达一94dB。滤波器第一级采用CIC滤波器，后两级采用半带滤波器，同时对滤波器输出信号抽取降低输出信号速率。滤波器验证采用spectreVerilog仿真器，sigma-delta调制器用VerilogA实现，大大减少了晶体管仿真时间。
　　 本文采用SMIC0.18um CMOS工艺实现，并流片测试验证整个芯片功能。输入信号带宽20kHz，过采样率为128时测试指标SNDR达到75dB，调制器功耗为0.9mW，滤波器功耗为8mW。调制器核心面积为0.33 mm2，数字滤波器核心面积为1.5 mm2。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2低压线性稳压器

1.3开关电容电路

1.4本文研究目标

1.5 sigma-delta ADC国际研究进展

1.5论文结构安排

1.6章小结

第二章Sigma-Delta模数转换器

2.1 ADC几种重要指标

2.2 Sigma-Delta ADC转换原理

2.3目前Sigma-Delta ADC主要研究方向

2.4本章小结

第三章Sigma-Delta调制器系统级设计

3.1 SDM结构选择

3.2.三阶单环SDM系统级设计

3.3.本章小结

第四章Sigma-Delta ADC电路级设计

4.1.CMOS开关设计

4.2.单端转差分电路

4.3.积分器设计

4.4.比较器设计

4.5.时钟产生电路设计

4.6.共模反馈(CMFB)设计

4.7 SDM设计

4.8本章小结

第五章低压线性稳压器设计

5.1低压线性稳压器(LDO)介绍

5.2低压线性稳压器常用指标定义

5.3低压线性稳压器频率补偿方法

5.4应用于sigma-delta ADC低压线性稳压器设计

5.5本章小结

第六章抽取滤波器实现

6.1抽取滤波器系统级设计

6.2 CIC滤波器设计

6.3半带滤波器设计

6.4滤波器验证方法

6.5本章小结

第七章Sigma-Delta ADC后端设计及测试

7.1 Sigma-Delta ADC后端设计

7.2 Sigma-Delta ADC数模混合仿真

7.3 Sigma-Delta ADC后仿真结果

7.4 Sigma-Delta ADC流片测试

第八章结束语

参考文献

致 谢

在读期间发表的学术论文与取得的其它研究成果