高階ΣΔ調制器研究與設計.pdf

1、∑△調制技術自二十世紀六十年代誕生以來，經過若干代的發(fā)展，現(xiàn)已成為超大規(guī)模集成電路系統(tǒng)中實現(xiàn)高性能數(shù)模轉換接口電路的主流技術之一?；凇啤髡{制技術的∑△數(shù)據(jù)轉換器，結合應用過采樣技術和噪聲整形技術，能夠把量化噪聲推到高頻端，從而顯著地提高數(shù)據(jù)轉換器的信噪比，與傳統(tǒng)奈奎斯特率數(shù)據(jù)轉換器相比，它具有明顯的優(yōu)點：一方面，它充分利用了現(xiàn)代CMOS工藝技術高速高密度的特點，采用數(shù)字信號處理技術來完成高分辨率模擬信號的轉換，適應了現(xiàn)代先進工藝低壓工

2、作和便攜系統(tǒng)低功耗工作的要求；另一方面，作為∑△數(shù)據(jù)轉換器核心的∑△調制器實現(xiàn)電路簡單，并且對模擬電路的非理想因素具有很低的敏感度，這樣極大簡化了對模擬器件匹配的要求。現(xiàn)在，∑△調制技術中噪聲整形的概念依然被不斷地提煉，并應用到新的領域中。 ∑△調制器是一個非線性系統(tǒng)，本論文在綜合當前研究現(xiàn)狀的基礎上，對∑△調制器的理論進行了回顧，并對1-bit量化∑△調制器的非線性特性、設計方法以及測試方法等進行了研究和論述。 首先，

3、論文闡述了過采樣和噪聲整形的概念，并從線性模型出發(fā)，對∑△調制器的性能參數(shù)作了介紹，同時還對調制器常用的拓撲結構及常用技術等作了說明。采用1-bit量化器的∑△調制器具有強烈的非線性，如樣式噪聲和穩(wěn)定性等。論文運用數(shù)學手段從極限環(huán)的角度分析了樣式噪聲產生的原因，理論分析表明，高階調制器比低階調制器具有更好的樣式噪聲特性，合理利用模擬電路中的熱噪聲，可以破除極限環(huán)，更好地抑制樣式噪聲。論文采用擬線性模型，對∑△調制器的穩(wěn)定性進行了分析，并

4、總結了判斷∑△調制器穩(wěn)定性的經驗公式。 其次，論文提出了一種新型的∑△調制器行為級設計方法。它采用分別設計∑△調制器傳輸函數(shù)的零點和極點的方法，用數(shù)值計算程序來綜合高階∑△調制器的噪聲傳輸函數(shù)的極點，并運用噪聲功率增益作為穩(wěn)定性參量來判斷所設計的∑△調制器的穩(wěn)定性；同時，論文還給出了調制器中積分器系數(shù)映射實現(xiàn)的方法，并根據(jù)∑△調制器的通用結構，推導提出了狀態(tài)變量縮放的解析公式。 再次，論文設計了兩個采用1-bit量化器的

5、單級高階∑△調制器以及話帶編解碼芯片模擬前端電路。設計從∑△調制器的規(guī)格要求出發(fā)，先在行為級綜合得到噪聲傳輸函數(shù)，然后運用包含了電路噪聲和非理想因素的simulink模型進行仿真，最終用電路實現(xiàn)。第一個設計為256倍過采樣的三階∑△調制器，具有8kHz信號帶寬和14-bit精度，主要用于聲頻信號處理；第二個設計為64倍過采樣的五階調制器，具有100kHz信號帶寬和16-bit精度，主要用于高品質音頻信號處理電路，設計中采用1-bit量化

6、前饋結構以降低調制器對電路中運放的性能參數(shù)要求。電路設計仿真表明，在3V電源電壓工作時兩者的功耗分別為3mW和13.6mW。話帶編解碼芯片模擬前端電路包括三階∑△調制器、帶隙基準電壓參考源、開關電容濾波器、輸入緩沖器和輸出驅動器等電路。文中設計的新穎的啟動電路，可以徹底避免帶隙基準電路在上電過程進入第三個簡并點的問題，使帶隙基準能夠可靠地為調制器電路提供參考電壓和偏置電流。整個電路用0.25umCMOS工藝設計并進行了多項目晶圓(MPW