高性能音頻Delta-Sigma數據轉換器的設計與優(yōu)化技術研究.pdf

1、Delta-Sigma數據轉換器具有轉換精度高、硬件開銷低等特點，十分適用于便攜式醫(yī)療設備以及高性能音頻信號處理等領域。然而其設計中尚有許多技術問題有待深入研究，尤其是現代CMOS工藝與數字技術的發(fā)展使得集成電路的電源電壓不斷降低，嚴重制約了模擬信號的動態(tài)范圍，也使得數據轉換器的高分辨率設計成為難點。同時，對于便攜式設備而言，電池的續(xù)航能力始終是決定產品競爭力的關鍵技術之一，這也對數據轉換器的低功耗設計提出了更大挑戰(zhàn)。
　　本文根

2、據一些重要應用領域的要求，對高精度音頻Delta-Sigma數據轉換器的設計技術展開研究，重點圍繞其低功耗與面積優(yōu)化技術展開，主要內容與創(chuàng)新包括:
　　1.針對植入式生物醫(yī)療裝置如人工耳蝸等對音頻Delta-Sigma ADC的低壓超低功耗及微型化的設計要求，結合理論計算與建模仿真，對設計中諸多非理想因素展開深度分析，歸結出一套Delta-Sigma調制器的完整設計流程，給出了符合要求的電路設計指標;采用開關型運放與運放共享技術實

3、現了積分器的低功耗設計，并利用基于高密度電容陣列的改進型量化器結構實現了轉換器面積的大幅度優(yōu)化;提出一種無信號衰減二次相加策略，在低功耗實現調制器內部信號相加的同時，解決了傳統(tǒng)開關電容型加法電路因電荷分配引入的信號衰減問題，有效降低了多位量化器設計難度;還提出一種分割兩向移位數據加權平均(Data Weighted Averaging，DWA)技術，可在較低硬件開銷下減小多比特轉換器的非線性誤差，并有效抑制傳統(tǒng)DWA技術在低頻激勵信號時

4、諧波失真的產生，提高了轉換精度。提出的音頻Delta-Sigma ADC原型在0.18-μmCMOS工藝下流片，測試結果顯示其峰值信噪比為92.2-dB，動態(tài)范圍為94.6-dB，在0.9-V電源電壓下系統(tǒng)總功耗為164-μW，其中Delta-Sigma調制器的功耗僅為56-μW，品質因數達到42-fJ/轉換步長。
　　2.針對高性能便攜式音頻信號處理的需要，對于高精度音頻Delta-SigmaDAC的面積優(yōu)化與低功耗設計技術展開

5、研究。提出一種改進型公用副表式消除算法用于DAC內插濾波器的系數優(yōu)化，有效降低傳統(tǒng)算法下系統(tǒng)實現的硬件開銷與邏輯深度，優(yōu)化了芯片面積;以全數字實現方式將分割兩向移位DWA技術應用于多位量化Delta-Sigma調制器，改善模擬重構級的非線性失真，以合理的硬件開銷有效提高轉換精度;采用低功耗FIR/IIR混合型濾波器的全差分直接電荷轉移型開關電容DAC構建模擬重構級，同時片上集成了后置平滑濾波器，有效提升轉換器性能。實驗與芯片測試結果顯示