高性能、低功耗Σ△模數(shù)轉換器的研究與實現(xiàn).pdf

1、在2006年提出的《國家中長期科學和技術發(fā)展綱要（2006—2020年）》確定未來15年力爭取得突破的16個重大科技專項中，第一項就是核心電子器件、高端通用芯片及基礎軟件。開展高端通用芯片的研發(fā)工作，擁有自主知識產(chǎn)權，對于提高我國集成電路產(chǎn)業(yè)的整體競爭力具有重要的意義。對于數(shù)模混合集成電路以及模擬集成電路這類高端通用芯片而言，設計水平集中體現(xiàn)在對芯片噪聲、失真、功耗等性能指標的嚴格控制上，技術門檻相對較高。另一方面，隨著我國多媒體數(shù)字音

2、視頻SOC芯片的迅速發(fā)展，業(yè)界迫切需要有自主研發(fā)的基于CMOS工藝的高性能、低功耗的音頻模數(shù)轉換器芯片。本文在這樣的背景下開展研究，目標是實現(xiàn)一款高性能、低功耗的高端音頻模數(shù)轉換器，綜合技術指標達到國內(nèi)領先、國際同類產(chǎn)品的水平。 ∑△調(diào)制是一種在大規(guī)模集成電路（VLSI）工藝中實現(xiàn)高分辨率模數(shù)轉換器的有效方法，非常適合于數(shù)字音頻應用。結合過采樣、噪聲整形和數(shù)字濾波技術，基于∑△調(diào)制的模數(shù)轉換器能夠實現(xiàn)16位以上的分辨率。這種方法

3、對于模擬電路的非理想性相對不敏感，從而可以充分利用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路工藝高集成度的優(yōu)勢，實現(xiàn)低成本的高性能模數(shù)轉換器。本文針對高性能、低功耗的∑△模數(shù)轉換器的設計和實現(xiàn)進行了全面而深入的研究，主要工作和創(chuàng)新點包括： 1、深入分析∑△調(diào)制器實現(xiàn)的非理想性因素，及其對于∑△調(diào)制器的性能影響。對于高分辨率∑△調(diào)制器，開關電容電路實現(xiàn)的非理想因素引入的誤差往往會成為限制系統(tǒng)性能的主要誤差來源。通過嚴格的理論分析，推導出了各種非理想因素引

4、入調(diào)制器基帶噪聲功率的增量。定量了解各種電路參數(shù)對于不同EA調(diào)制器性能的影響，提供∑△調(diào)制器結構選擇和優(yōu)化的依據(jù)，而且使電路設計過程更具針對性。 2、針對本課題采用的2—1級聯(lián)∑△調(diào)制器進行系統(tǒng)優(yōu)化。首先證明了2—1級聯(lián)∑△調(diào)制器適用于高分辨率、低功耗的應用：一方面，在保證穩(wěn)定性的同時，2—1級聯(lián)調(diào)制器結構對于電路非理想性的敏感度相對較低；另一方面，對于同樣的動態(tài)范圍要求，由于2—1級聯(lián)調(diào)制器輸入信號的過載幅度接近滿量程，因此能

5、夠采用相對較小的采樣電容，從而實現(xiàn)更低的功耗。通過調(diào)制器的系數(shù)優(yōu)化和信號縮放，2—1級聯(lián)∑△調(diào)制器能夠在標準CMOS工藝中實現(xiàn)高分辨率、低功耗的設計目標。利用行為模型對2—1級聯(lián)調(diào)制器進行快速而有效的仿真驗證，同時綜合得到各個組成模塊的性能約束。 3、在標準CMOS工藝下，采用開關電容電路技術，實現(xiàn)了高分辨率、低功耗的2—1級聯(lián)∑△調(diào)制器。設計了一種高能效的A/AB類跨導放大器，在僅消耗0．8mA電流的情況下，達到100V/μs

6、以上的壓擺率。根據(jù)熱噪聲要求，各級積分器采用不同的采樣電容，對各級積分器中跨導放大器進一步進行功耗優(yōu)化。對于線性度要求極高的輸入信號采樣電路，采用一種新穎的柵源自舉開關，實現(xiàn)了恒定的過驅動電壓，有效的減小了采樣信號的失真。采用低功耗的動態(tài)比較器，實現(xiàn)1位量化。為了電路的完整性，調(diào)制器中還包含了高電源抑制比的參考電流源和多相位時鐘生成電路。 4、本文還實現(xiàn)了針對于2—1級聯(lián)∑△調(diào)制器，降采樣率為128的數(shù)字抽取低通濾波器。充分利用

7、Matlab中成熟的濾波器設計工具包，大大簡化了設計過程。濾波器的實現(xiàn)采用多級級聯(lián)方式，串行算法實現(xiàn)“乘—累加”單元，有效減小了硬件開銷。通過FPGA驗證，數(shù)字抽取濾波器能夠達到0．001dB的通帶紋波和100dB以上的阻帶衰減，滿足整個∑△模數(shù)轉換器的設計要求。 5、采用中芯國際0．18μm CMOS混合信號工藝實現(xiàn)了單芯片∑△模數(shù)轉換器，包括∑△調(diào)制器和數(shù)字抽取濾波器。測試得到模數(shù)轉換器芯片能夠在音頻帶寬內(nèi)達到93dB的動態(tài)

8、范圍、92dB的信噪比和88dB的信噪失真比。與國內(nèi)近幾年測試成功的∑△調(diào)制器比較，本設計能夠實現(xiàn)較高的功率效率，設計水平在國內(nèi)處于領先水平。 針對高端音頻應用，論文對∑△模數(shù)轉換器進行了深入的研究，設計并實現(xiàn)了能夠與國外同類產(chǎn)品性能相當?shù)?8位模數(shù)轉換器芯片?？紤]到系統(tǒng)的便攜應用，芯片采用低功耗的設計方法，從而能夠實現(xiàn)盡量低的功耗。通過該芯片的正向設計，形成了一套從系統(tǒng)設計、電路設計、版圖設計到流片驗證的一套完整的數(shù)?；旌想娐?/p>