论文摘要
最近几十年里数字信号处理技术在理论和实践上都取得了突飞猛进的发展。由于具有可靠性高、灵活、成本低等优点,数字信号处理技术逐渐在各个领域代替了传统的模拟信号处理方式。但是,模拟信号处理及相应的模拟集成电路设计不仅没有淡出历史舞台,相反在某些地方更加凸显出其不可替代的作用。可以说,当今高速数字电路设计的本质还是模拟电路设计。模数转换是数字信号处理的核心所在。在各式各样的模数转换器（ADC）构架中,流水线与过采样Sigma-Delta ADC应用最广泛。虽然流水线ADC能实现很高的转换速率,但对构成部件的失配很敏感,导致电路复杂程度高。当精度超过14位,其功耗会非常大,因此精度不高。另一方面,结合过采样与噪声整形的Sigma-Delta ADC可达到很高的精度,但处理的信号频率不高。尽管如此,Sigma-Delta ADC只要由前端的Sigma-Delta调制器将输入模拟信号调制成高速比特流,后续的很大一部分工作可都留给数字滤波器,因而易与大规模数字集成电路结合,从而显著节省成本。属于模拟部分的Sigma-Delta调制器是一种负反馈结构,它对模拟电路的一些非理想特性具有很好的免疫力。此外,相比于奈奎斯特采样,过采样使前置抗混叠滤波器的设计变得容易。Sigma-Delta ADC的这些优点使其在很多场合获得了广泛应用。本文对一款适用于音频信号范围的高精度ADC的调制器部分进行了结构和电路研究,基带频率20 kHz、精度为16位。首先介绍了Sigma-Delta调制器的原理,在此基础上分析了各种结构及参数对调制器精度的影响,并采用二阶单环结构设计了Sigma-Delta调制器。为对其进行完整的行为级仿真,构造了在Simulink环境下Sigma-Delta调制器的噪声模型,考虑了影响调制器性能的一些主要非理想因素。仿真结果验证了噪声模型的正确性,设计的二阶单环结构Sigma-Delta调制器在采样时钟为12 MHz、过采样率为256,并考虑非理想因素影响时,信噪失真比为95.6 dB,精度为15.58 bits,能满足16位精度要求。在行为级设计的基础上,对调制器的各个模块进行了电路设计,包括增益增强型共源共栅运算放大器、开关电容积分器、量化器、两相非交叠时钟等,并利用Hspice和Spectre对电路进行了仿真测试。本设计采用0.35μm混合CMOS工艺,其中NMOS和PMOS晶体管的阈值电压分别为0.67 V和-0.78 V,电源电压为5 V,奈奎斯特转换率为40 kHz,过采样率为256。该调制器可实现85 dB信噪比、14位转换精度,功耗为17.12 mW,适合应用于高保真数字音频领域。