16位音频sigma-delta A/D转换器关键设计技术研究

论文摘要

Sigma-delta A/D转换器采用过采样噪声整形技术实现高精度模数转换,和传统的Nyquist A/D转换器相比,避免了对模拟电路性能指标和元器件匹配精度的较高要求,并可充分利用现代VLSI的高速、高集成度、低成本的优点,已成为音频模数转换的主要技术。而且随着我国多媒体SOC芯片的迅速发展,也迫切需要自主研发基于CMOS工艺实现的低功耗、低成本、高精度的音频A/D转换器。在Richard Schreier的Matlab sigma-delta调制器设计工具包的基础上,论文提出了一种新的高阶sigma-delta调制器top-down设计方法,并给出了详细的设计步骤。通过这种方法,可以确定在最大输入范围下的稳定调制器的噪声传递函数。首先根据这种设计方法对不同过采样率、不同阶数和不同量化器位数组合下调制器的传递函数进行设计,然后结合环路滤波器模型,设计所需要的调制器。论文还建立了几种通用环路滤波器模型,对几种通用环路滤波器（CIRB、CIFF、CRFB、CRFF）进行了比较分析。还建立了调制器仿真模型,并对调制器的稳定性进行了理论分析,然后给出了几个经验设计准则。根据本论文提出的top-down设计方法,设计了一种16位、128过采样率的低通调制器系统,并通过了MATLAB仿真。为了满足在行为级对sigma-delta调制器完整的仿真需要,本论文还构造了在SIMULINK环境下sigma-delta调制器的非理想因素与噪声模型,包括:采样时钟抖动、采样开关热噪声（KT/C噪声）、运放热噪声、运算放大器的有限增益、有限带宽、压摆率及饱和电压等。在给出噪声模型具体实现的基础上,设计出本设计的三阶sigma-delta调制器模型,通过了仿真,验证了噪声模型的正确性。最后,论文根据前面设计的16位、128过采样率的低通调制器系统,对其进行电路级设计。并根据系统要求,推算出电路级参数,得到电路模块设计规格。电路级采用开关电容电路实现,基于SMIC的0.25um CMOS标准工艺,设计了运放、反馈DAC、比较器、开关电容等基本模块。并且通过了HSPICE的电路级仿真,验证了模块的正确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及其意义
• 1.2 过采样sigma-delta转换技术主要研究方向
• 1.3 论文安排
• 第二章 SIGMA-DELTA A/D转换器基本原理
• 2.1 模数转换器的主要技术性能指标
• 2.1.1 量化噪声
• 2.1.2 A/D转换器的静态特性
• 2.1.3 A/D转换器的动态特性
• 2.2 Nyquist速率A/D转换器
• 2.3 过采样A/D转换器
• 2.3.1 sigma-delta A/D转换器工作原理
• 2.3.2 sigma-delta A/D 转换器关键技术及提高信噪比的方法
• 2.4 sigma-delta调制器
• 2.4.1 delta调制器的基本概念
• 2.4.2 sigma-delta 调制器的基本原理
• 2.4.3 一阶sigma-delta调制器
• 2.4.4 二阶sigma-delta调制器
• 2.4.5 高阶sigma-delta调制器
• 2.4.6 多位调制器
• 2.4.7 sigma-delta调制器的实现方式
• 2.5 降采样滤波
• 2.6 小结
• 第三章 16 位音频SIGMA-DELTA调制器系统设计
• 3.1 高阶sigma-delta调制器设计流程
• 3.2 高阶sigma-delta调制器建模
• 3.2.1 高阶sigma-delta调制器的线性模型
• 3.2.2 高阶sigma-delta调制器的非线性模型
• 3.2.3 高阶sigma-delta调制器仿真模型
• 3.3 sigma-delta调制器稳定性研究
• 3.3.1 顺滑模型定理
• 3.3.2 稳定性分析
• 3.3.3 几个有用的稳定准则
• 3.4 噪声传输函数零点的优化
• 3.5 噪声传输函数极点的优化
• 3.6 单环路sigma-delta调制器环路滤波器建模
• 3.6.1 反馈结构（CIFB和CRFB）
• 3.6.2 前馈结构（CIFF和CRFF）
• 3.7 16 位音频sigma-delta调制器系统设计
• 3.7.1 sigma-delta调制器设计参数的确定
• 3.7.2 调制器环路滤波器结构选取及系数的设计
• 3.8 小结
• 第四章 非理想因素分析及噪声建模
• 4.1 时钟抖动
• 4.2 积分器噪声
• 4.2.1 MOS管中的热噪声
• 4.2.2 采样开关热噪声
• 4.2.3 运算放大器的噪声
• 4.3 积分器的非理想因素
• 4.3.1 运放的有限增益
• 4.3.2 运放有限增益带宽和压摆率
• 4.3.3 运放饱和电压
• 4.4 16 位sigma-delta调制器SIMULINK建模及其仿真结果
• 4.5 小结
• 第五章 16 位音频SIGMA-DELTA调制器电路级设计
• 5.1 16 位音频sigma-delta 调制器电路结构设计
• 5.2 积分器设计
• 5.2.1 开关设计
• 5.2.2 电容设计
• 5.2.3 运算放大器设计
• 5.3 两相非重叠时钟的设计
• 5.4 比较器设计
• 5.5 总体电路仿真
• 5.6 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果
• 附录