低电压音频ΔΣ数模转换器的设计与实现

论文摘要

不同领域对数模转换器有不同的要求，在音频领域，随着多媒体技术的快速发展，轻、薄、短、小的便携式移动音频电子设备获得快速发展，要求音频数模转换器能够在低电压下高效高精度的实现数模转换。数字CMOS工艺以其低成本和易于大规模集成获得了广泛应用，已经成为主流工艺，所以要求音频数模转换器能够在标准数字工艺下实现。论文根据音频领域的要求和音频信号的特点设计完成一款低电压音频ΔΣ数模转换器。论文首先概述了音频ΔΣ数模转换器的基本结构、关键技术。随后详细讲述了音频ΔΣ数模转换器各部分的具体设计与实现，主要包括内插滤波器的设计与实现、ΔΣ调制器的设计与实现、DLPF编码器的设计与实现、数字D类功放的设计与实现。最后给出芯片的测试结果及分析。针对现有音频ΔΣ数模转换器以功耗或复杂度换取精度的不足，本设计提出DLPF编码器。根据音频信号幅值的统计特性，通过简单的数字逻辑电路完成DLPF编码器的设计。DLPF编码器将ΔΣ调制器输出的PDM信号进行编码处理，编码处理后的信号再驱动数字D类功放，可以有效降低功率输出级开关损耗，同时提高输出信号信噪比。数字D类功放是本设计的一个重点，论文分析了影响数字D类功放性能的主要因素，给出了数字D类功放的结构。为了达到较高的功率转换效率和较低的噪声谐波失真，论文进行了细致的结构设计和功率管尺寸优化，在功率输出级晶体管版图设计上采用了华夫饼式结构。本设计经过系统分析与设计、电路设计与仿真、版图设计与寄生参数提取后仿真后在UMC0.18μm标准数字CMOS工艺下完成流片。经实际测试，芯片可以在0.8V1.8V下正常工作，在10010kHz带宽内达到83.9dBSNDR，91.9dB动态范围，驱动360Ω负载时数字D类功放的功率转换效率最高达到95%，带宽内THD小于-84.8dB，芯片的总面积为1.875mm×1.490mm。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 研究工作主要内容
• 1.3 论文结构
• 第2章 音频ΔΣ数模转换器概述
• 2.1 数模转换器简介
• 2.2 音频ΔΣDAC的结构选择
• 2.3 音频ΔΣ数模转换器的关键技术
• 2.3.1 量化噪声
• 2.3.2 过采样技术
• 2.3.3 噪声整形技术
• 2.3.4 D类功率放大技术
• 2.4 音频ΔΣ数模转换器的主要性能指标
• 第3章 内插滤波器的设计与实现
• 3.1 内插滤波器的原理
• 3.2 内插滤波器的结构设计
• 3.2.1 多级插值结构
• 3.2.2 微代码控制器及时分复用
• 3.3 过采样器的设计与实现
• 3.4 IIR滤波器的设计与实现
• 3.5 非递归梳值滤波器的设计与实现
• 3.6 内插滤波器整体仿真
• 第4章 ΔΣ调制器的设计与实现
• 4.1 ΔΣ调制器的基本结构
• 4.1.1 单环结构ΔΣ调制器
• 4.1.2 误差反馈结构ΔΣ调制器
• 4.1.3 MASH结构ΔΣ调制器
• 4.2 ΔΣ调制器的选定结构及参数确定
• 4.3 ΔΣ调制器的电路实现
• 第5章 DLPF编码器的设计与实现
• 5.1 DLPF编码器的设计背景
• 5.2 DLPF编码器的设计与实现
• 5.3 DLPF编码器的作用
• 第6章 数字D类功放的设计与实现
• 6.1 数字D类功放的电路结构
• 6.1.1 功率输出级结构
• 6.1.2 驱动电路结构
• 6.1.3 输出低通滤波器结构
• 6.2 数字D类功放的设计分析
• 6.2.1 功率转换效率的分析
• 6.2.2 谐波失真和噪声分析
• 6.3 D类功率放大器的电路实现
• 6.4 仿真结果
• 第7章 版图设计及芯片测试
• 7.1 版图设计
• 7.2 后仿结果及芯片实现
• 7.3 测试方案
• 7.4 测试板的设计
• 7.5 测试结果及分析
• 第8章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果