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适用于音频编解码器的高精度Δ-∑ ADC系统设计

作　者: 林利瑜
导　师: 吴晓波; 赵梦恋
学　校: 浙江大学
专　业: 电路与系统
关键词: 音频编解码器 △-∑调制器高精度低功耗数字抽取滤波器
分类号: TN792
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
下　载: 9次
引　用: 0次
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内容摘要

△-Σ (Delta-Sigma)类型的数据转换器以其过采样和噪声整形两大特征著称,在高精度数据转换领域获得广泛应用。现代便携式设备中的音频转换即是其重要应用之一。而在此类应用中,为满足高保真和超长电池续航能力的要求,△-Σ模数转换器(Analog-to-Digital Convertor, ADC)的高精度低功耗设计至关重要。本文提出了一种应用于音频编解码器的△-Σ ADC系统设计方案,包括核心的△-∑调制器和后级数字抽取滤波器。首先,采用经时序优化的前馈结构来搭建△-E调制器的理想模型。作为对Matlab仿真的补充,展开了对积分器非理想因素的理论计算,包括采样电容值和积分器中运算放大器的有限DC增益、增益带宽积(Gain-Bandwidth Product, GBW)和摆率(Slew Rate, SR),并考虑了闪烁噪声和反馈数模转换器(Digital-to-Analog Convertor, DAC)的非线性,从而得到完整的调制器系统模型和各级积分器的设计参数。在调制器的电路设计中,重点对各级积分器中的运放进行了低功耗设计。为提高其GBW和SR,引入了Current-starvation技术、电阻补偿和SR boosting技术,在满足设计指标的前提下大大降低了功耗。仿真表明在幅值为-4.35dB的信号输入下,△-E调制器的信号噪声失真比(Signal to Noise and Distortion Ratio, SNDR)达到了106.4dB,功耗和品质因数(Figure of Merit, FOM)分别为3.86mW和565.75fJ/Conversion-step。该调制器在GlobalFoundries0.18μm BCD1P4M工艺下设计与实现,后仿结果表明已满足设计要求。另外,还完成了后级数字抽取滤波器的设计工作。抽取滤波器由级联积分梳状(Cascaded Integrator-Comb,CIC)滤波器和两级半带滤波器组成。CIC滤波器采用了非递归的低功耗结构。半带滤波器则是在正则有符号数(Canonic Signed Digit, CSD)编码的基础上优化了算法,进一步降低了硬件开销及功耗。后仿表明该抽取滤波器能很好地完成降采样和滤波的功能,而且不会影响调制器的输出性能。最后,结合A-E调制器和抽取滤波器,在前述工艺下完成了整个△-Σ ADC的版图设计,并已付诸流片。

全文目录

致谢  6-7
摘要  7-8
Abstract  8-9
目录  9-11
插图和附表目录  11-14
第一章绪论  14-18
  1.1 研究背景  14-15
  1.2 国内外研究现状及发展趋势  15-17
  1.3 论文结构安排  17-18
第二章 △-∑ ADC概述  18-29
  2.1 主要性能参数  18-20
    2.1.1 信号带宽及采样频率  18
    2.1.2 分辨率  18-19
    2.1.3 精度  19
    2.1.4 转换速度  19
    2.1.5 动态范围  19
    2.1.6 信噪比  19-20
    2.1.7 信号量化噪声比  20
    2.1.8 信号噪声失真比  20
    2.1.9 有效位数  20
  2.2 △-∑调制器  20-25
    2.2.1 过采样和噪声整形  20-22
    2.2.2 架构设计  22-25
  2.3 数字抽取滤波器  25-28
    2.3.1 CIC滤波器  26-27
    2.3.2 半带滤波器  27-28
  2.4 本章小结  28-29
第三章 △-∑调制器设计实现  29-64
  3.1 设计指标  29-30
  3.2 系统建模  30-45
    3.2.1 理想模型  30-34
    3.2.2 积分器非理想因素理论计算  34-42
    3.2.3 完整的非理想模型  42-45
  3.3 电路设计  45-62
    3.3.1 开关电容模型  45-51
    3.3.2 运放的设计实现  51-61
    3.3.3 仿真结果  61-62
  3.4 版图及后仿  62-63
  3.5 本章小结  63-64
第四章数字抽取滤波器设计实现  64-75
  4.1 设计指标  64-65
  4.2 系统建模  65-71
    4.2.1 CIC滤波器设计  65-67
    4.2.2 半带滤波器设计  67-69
    4.2.3 仿真结果  69-71
  4.3 Verilog代码  71-73
  4.4 后端综合及后仿  73-74
  4.5 △-∑ADC完整版图  74
  4.6 本章小结  74-75
第五章总结与展望  75-77
  5.1 论文总结  75-76
  5.2 工作展望  76-77
参考文献  77-81
攻读学位期间科研成果  81

适用于音频编解码器的高精度Δ-∑ ADC系统设计

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