16比特低功耗音频应用Sigma-DeltaADC研究

论文摘要

近许多年来, Sigma-delta调制器的过采样技术和噪声整形技术被广泛的应用于模拟和数字接口电路,这两种技术对实现高精度模数转换器有较多优势,可以降低系统功耗,同时对工艺要求不是很苛刻,而且采用合适的低电源电压就可以保证电路可靠的工作,因此降低系统功耗,适合于低功耗接口电路中。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。本文采用三阶单环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,以确保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极点位置。电路设计时放大器第一级采用交叉耦合管对提高放大器增益,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-92dB。滤波器第一级采用CIC滤波器,后两级采用半带滤波器,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,大大降低了晶体管仿真时间。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。调制核心面积为0.33 mm 2,数字滤波器核心面积为1.5 mm 2。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 开关电容电路
• 1.3 本文研究目标
• 1.4 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 数模转换器
• 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 ADC 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 抽取滤波器设计
• 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