高精度低功耗多位量化∑-△调制器的研究

论文摘要

随着消费类电子产品,尤其是在音频领域的蓬勃发展,作为模拟信号与数字处理芯片桥梁的ADC受到越来越多的重视。为了提高便携式电子产品的使用时间,ADC的低功耗研究成为了热点。考虑到目前高精度音频带宽的∑-ΔADC功耗较大（＞10mW）,其中Σ-Δ调制器的功耗一般大于1mW。本论文在结合和分析了Σ-ΔADC的发展现状和趋势的基础上,提出了低功耗高精度音频带宽Σ-Δ调制器的设计与研究方案,实现16bit精度以及＜500μW的功耗。Σ-Δ调制器低功耗的实现很大程度由系统构架所决定。论文详尽地分析和比较了系统设计的主要指标,包括过采样率OSR,调制器阶数L,量化位数M等,从中选择最能兼顾高精度,低功耗和稳定性的系统实现方案。在电路设计中,详细地讨论了各种非理想性因素对于Σ-Δ调制器的影响,并相应地在SIMULINK环境下建立一套完整的非理想性因素的仿真工具,通过分析电路非理想性因素对于Σ-Δ调制器的影响,指导电路设计以最低的功耗实现目标性能。电路的设计在Cadence环境下完成,并对调制器的部分子模块进行了一些新的结构改进,以实现低功耗的目标。由于在系统设计和非理想性因素仿真做了充分的验证和考虑,系统的真实电路的仿真结果比较接近设计指标,并且整体功耗控制在200μW左右,小于目前其他已有设计的五分之一,实现了相应的功耗优化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 ∑-△ ADC的介绍
• 1.1 应用背景及研究现状
• 1.2 研究内容与目标
• 1.3 工作内容安排
• 第二章 ∑-△调制基本理论
• 2.1 过采样技术
• 2.2 量化噪声整形技术
• 2.3 多位量化技术
• 2.4 ∑-△的基本模块
• 2.4.1 量化器
• 2.4.2 积分器
• 第三章 系统参数设计
• 3.1 参数设计
• 3.1.1 噪声分配
• 3.1.2 过采样率选择
• 3.1.3 阶数选择
• 3.1.4 量化位数选择
• 3.1.5 实现函数
• 3.2 拓扑实现
• 3.3 非线性补偿
• 3.3.1 非线性分析
• 3.3.2 动态误差匹配技术（DEM）
• 3.3.3 数据加权平均技术（DWA）
• 3.3.4 非线性噪声整形技术
• 3.4 设计总结
• 第四章 非理想性验证
• 4.1 积分器非线性分析
• 4.1.1 运放有限增益
• 4.1.2 增益非线性
• 4.1.3 信号建立分析
• 4.1.4 开关非理想性
• 4.1.5 热噪声分析
• 4.1.6 闪烁噪声分析
• 4.1.7 其他因素
• 4.2 仿真验证
• 4.2.1 验证有限增益的影响
• 4.2.2 验证增益非线性的影响
• 4.2.3 验证有限增益带宽积的影响
• 4.2.4 验证转换受限的影响
• 4.2.5 验证相位裕度的影响
• 4.2.6 验证闪烁噪声的影响
• 4.2.7 验证DAC非线性的影响
• 第五章 电路设计
• 5.1 时序调试和检验
• 5.2 各级子模块实现
• 5.3 运放的设计
• 5.4 系统的仿真
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献