低功耗、高精度音频数模转换器的设计与实现

论文摘要

数字音视频技术在本世纪第一个十年中的蓬勃发展和广泛应用,推动了国内音频数模转换器的研究与开发。在低碳节能的大背景下,功耗问题在要求延长使用时间的便携式电子产品中显得尤为突出；同时,人耳对微弱的噪声十分敏感,为了获得更高的音质,16位到24位的高精度音频数模转换器被广泛使用。因此研发低功耗、高精度音频数模转换器对于满足数字音视频市场需求、提高我国集成电路产业的整体竞争力具有重要意义。在此背景下,本论文设计并实现了一个低功耗、高精度音频数模转换器,完成了从指标定义到流片测试的整套设计流程。本文的主要工作和创新点包括：1.归纳了数模转换器技术,对所采用的∑-△数模转换器进行了系统级分析,确定了整体结构,并深入探讨了模拟电路部分所有模块的工作原理和设计要点,总结了解读工艺和绘制版图的原则和经验,最终设计了一个低功耗、高精度音频数模转换器。其中穿插讨论了混合信号集成电路设计中的若干问题,包括数模电路之间的电平匹配、干扰抑制以及数模整体仿真与验证等。2.在中芯国际0.18μm Mixed-Signal 1P6M CMOS工艺上实现了上述设计,芯片核心面积为1.81 mm2。模拟电路部分的典型信噪失真比为89dB,功耗19.1 mW,其中不含缓冲器的功耗为9.1 mW; DAC整体电路的典型信噪失真比为84 dB,功耗20.3 mW,其中不含缓冲器的功耗为10.3 mW；样片良率为90%。测试结果达到了预期目标。3.对测试后的芯片实施了设计改进,提出了一系列可行方案并进行了仿真验证,这些方案包括高性能带隙基准源、片内参考电压产生和低阈值CMOS开关等。与改进前的仿真结果相比,模拟电路部分的功耗减小了58%,总谐波失真减小了4 dB,为今后的流片提供了有益参考。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 缩略词表
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 数模转换器的发展与现状
• 1.3 本论文的主要工作
• 1.4 论文的组织结构
• 2 数模转换器技术
• 2.1 数模转换器的基本原理和类型
• 2.1.1 数模转换器的基本原理
• 2.1.2 数模转换器的类型
• 2.2 数模转换器的静态参数
• 2.2.1 满量程范围
• 2.2.2 最小分辨率
• 2.2.3 失调误差
• 2.2.4 增益误差
• 2.2.5 积分非线性
• 2.2.6 微分非线性
• 2.2.7 单调性
• 2.2.8 静态功耗
• 2.3 数模转换器的动态参数
• 2.3.1 信噪比
• 2.3.2 总谐波失真
• 2.3.3 无杂散动态范围
• 2.3.4 信噪失真比
• 2.3.5 互调失真
• 2.3.6 建立时间
• 2.4 奈奎斯特率数模转换器
• 2.4.1 电流源数模转换器
• 2.4.2 电阻型数模转换器
• 2.4.3 电容型数模转换器
• 2.5 过采样数模转换器
• 2.6 数模转换器的噪声和误差
• 2.6.1 量化噪声
• 2.6.2 时钟抖动噪声
• 2.6.3 kT/C噪声
• 2.6.4 误差机制
• 2.7 本章小结
• 3 音频数模转换器的电路设计
• 3.1 总体考虑和结构选择
• 3.2 数字电路部分简介
• 3.2.1 插值滤波器
• 3.2.2 ∑-△调制器
• 3.2.3 数据加权平均
• 3.3 模拟电路部分的结构
• 3.4 数模接口电路的设计
• 3.4.1 电平移位电路
• 3.4.2 数据同步电路
• 3.5 基准产生电路的设计
• 3.5.1 带隙基准源
• 3.5.2 误差放大器
• 3.5.3 电压缓冲器
• 3.6 开关电容DAC电路的设计
• 3.6.1 时钟产生电路
• 3.6.2 开关
• 3.6.3 电容
• 3.6.4 运算放大器
• 3.6.5 开关电容DAC
• 3.7 低通滤波器的设计
• 3.8 整体仿真与分析
• 3.8.1 模拟电路部分整体仿真
• 3.8.3 全芯片混合信号仿真
• 3.9 本章小结
• 4 版图设计与验证
• 4.1 流片工艺介绍
• 4.1.1 工艺中的器件
• 4.1.2 工艺中的I/O单元
• 4.1.3 主要工艺流程
• 4.2 模拟部分电路的版图设计
• 4.2.1 模拟电路部分版图的绘制
• 4.2.2 模拟电路部分版图的验证
• 4.3 芯片整体版图的设计
• 4.3.1 可测性设计
• 4.3.2 抗干扰设计
• 4.3.3 数字版图与PAD布置
• 4.4 全芯片数模混合LVS
• 4.4.1 网表的准备
• 4.4.2 版图的准备及LVS设置
• 4.5 本章小结
• 5 芯片的测试
• 5.1 测试方案
• 5.2 PCB设计
• 5.3 测试向量的生成
• 5.3.1 模拟部分的测试向量
• 5.3.2 整体芯片的测试向量
• 5.4 测试结果及分析
• 5.4.1 带隙基准源的测试
• 5.4.2 模拟电路部分的测试
• 5.4.3 芯片整体的测试
• 5.4.4 其他测试
• 5.5 结论
• 5.5.1 测试结果的总结
• 5.5.2 测试结果分析与存在的问题
• 5.6 本章小结
• 6 电路设计的改进
• 6.1 高性能带隙基准源
• 6.1.1 温度系数的高阶补偿
• 6.1.2 电源抑制比的改善
• 6.1.3 器件的修调
• 6.2 片内参考电压的产生及其缓冲
• 6.2.1 基于片上基准源产生参考电压
• 6.2.2 使用电源和地作为参考电压
• 6.3 低阈值电压MOS管及其应用
• 6.3.1 低阈值电压MOS管
• 6.3.2 低阈值电压CMOS开关
• 6.4 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 作者简历及在学期间所取得的科研成果
• 作者简历
• 发表和录用的文章及专利