高性能、低功耗Σ△模數(shù)轉(zhuǎn)換器的研究與實(shí)現(xiàn).pdf

1、在2006年提出的《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展綱要（2006—2020年）》確定未來(lái)15年力爭(zhēng)取得突破的16個(gè)重大科技專項(xiàng)中，第一項(xiàng)就是核心電子器件、高端通用芯片及基礎(chǔ)軟件。開展高端通用芯片的研發(fā)工作，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，對(duì)于提高我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)的整體競(jìng)爭(zhēng)力具有重要的意義。對(duì)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(shè)計(jì)水平集中體現(xiàn)在對(duì)芯片噪聲、失真、功耗等性能指標(biāo)的嚴(yán)格控制上，技術(shù)門檻相對(duì)較高。另一方面，隨著我國(guó)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(zhuǎn)換器芯片。本文在這樣的背景下開展研究，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一款高性能、低功耗的高端音頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器，綜合技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)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(shí)現(xiàn)高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器的有效方法，非常適合于數(shù)字音頻應(yīng)用。結(jié)合過(guò)采樣、噪聲整形和數(shù)字濾波技術(shù)，基于∑△調(diào)制的模數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崿F(xiàn)16位以上的分辨率。這種方法

3、對(duì)于模擬電路的非理想性相對(duì)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(shì)，實(shí)現(xiàn)低成本的高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器。本文針對(duì)高性能、低功耗的∑△模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了全面而深入的研究，主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)包括： 1、深入分析∑△調(diào)制器實(shí)現(xiàn)的非理想性因素，及其對(duì)于∑△調(diào)制器的性能影響。對(duì)于高分辨率∑△調(diào)制器，開關(guān)電容電路實(shí)現(xiàn)的非理想因素引入的誤差往往會(huì)成為限制系統(tǒng)性能的主要誤差來(lái)源。通過(guò)嚴(yán)格的理論分析，推導(dǎo)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(duì)于不同EA調(diào)制器性能的影響，提供∑△調(diào)制器結(jié)構(gòu)選擇和優(yōu)化的依據(jù)，而且使電路設(shè)計(jì)過(guò)程更具針對(duì)性。 2、針對(duì)本課題采用的2—1級(jí)聯(lián)∑△調(diào)制器進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。首先證明了2—1級(jí)聯(lián)∑△調(diào)制器適用于高分辨率、低功耗的應(yīng)用：一方面，在保證穩(wěn)定性的同時(shí)，2—1級(jí)聯(lián)調(diào)制器結(jié)構(gòu)對(duì)于電路非理想性的敏感度相對(duì)較低；另一方面，對(duì)于同樣的動(dòng)態(tài)范圍要求，由于2—1級(jí)聯(lián)調(diào)制器輸入信號(hào)的過(guò)載幅度接近滿量程，因此能

5、夠采用相對(duì)較小的采樣電容，從而實(shí)現(xiàn)更低的功耗。通過(guò)調(diào)制器的系數(shù)優(yōu)化和信號(hào)縮放，2—1級(jí)聯(lián)∑△調(diào)制器能夠在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中實(shí)現(xiàn)高分辨率、低功耗的設(shè)計(jì)目標(biāo)。利用行為模型對(duì)2—1級(jí)聯(lián)調(diào)制器進(jìn)行快速而有效的仿真驗(yàn)證，同時(shí)綜合得到各個(gè)組成模塊的性能約束。 3、在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下，采用開關(guān)電容電路技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高分辨率、低功耗的2—1級(jí)聯(lián)∑△調(diào)制器。設(shè)計(jì)了一種高能效的A/AB類跨導(dǎo)放大器，在僅消耗0．8mA電流的情況下，達(dá)到100V/μs

6、以上的壓擺率。根據(jù)熱噪聲要求，各級(jí)積分器采用不同的采樣電容，對(duì)各級(jí)積分器中跨導(dǎo)放大器進(jìn)一步進(jìn)行功耗優(yōu)化。對(duì)于線性度要求極高的輸入信號(hào)采樣電路，采用一種新穎的柵源自舉開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了恒定的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓，有效的減小了采樣信號(hào)的失真。采用低功耗的動(dòng)態(tài)比較器，實(shí)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(shí)鐘生成電路。 4、本文還實(shí)現(xiàn)了針對(duì)于2—1級(jí)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(shè)計(jì)工具包，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程。濾波器的實(shí)現(xiàn)采用多級(jí)級(jí)聯(lián)方式，串行算法實(shí)現(xiàn)“乘—累加”單元，有效減小了硬件開銷。通過(guò)FPGA驗(yàn)證，數(shù)字抽取濾波器能夠達(dá)到0．001dB的通帶紋波和100dB以上的阻帶衰減，滿足整個(gè)∑△模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)要求。 5、采用中芯國(guó)際0．18μm CMOS混合信號(hào)工藝實(shí)現(xiàn)了單芯片∑△模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括∑△調(diào)制器和數(shù)字抽取濾波器。測(cè)試得到模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片能夠在音頻帶寬內(nèi)達(dá)到93dB的動(dòng)態(tài)

8、范圍、92dB的信噪比和88dB的信噪失真比。與國(guó)內(nèi)近幾年測(cè)試成功的∑△調(diào)制器比較，本設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)較高的功率效率，設(shè)計(jì)水平在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先水平。 針對(duì)高端音頻應(yīng)用，論文對(duì)∑△模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了深入的研究，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了能夠與國(guó)外同類產(chǎn)品性能相當(dāng)?shù)?8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片?？紤]到系統(tǒng)的便攜應(yīng)用，芯片采用低功耗的設(shè)計(jì)方法，從而能夠?qū)崿F(xiàn)盡量低的功耗。通過(guò)該芯片的正向設(shè)計(jì)，形成了一套從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、版圖設(shè)計(jì)到流片驗(yàn)證的一套完整的數(shù)?；旌想娐?/p>