数字音频处理芯片的∑-△A/D转换器设计—调制器部分

论文摘要

Sigma-Delta ADC采用过采样和噪声整形技术实现高精度模数转换,和传统的Nyquist率模数转换器相比,避免了对模拟电路性能指标和元器件匹配精度的较高要求,并可充分利用现代VLSI的高速、高集成度、低成本的优点,它已成为音频模数转换的主要技术。本文设计了一个适合于音频处理芯片的Sigma-Delta调制器,采用过采样的概念并结合噪声整形技术来实现Sigma-Delta调制器的结构。为了提高模数转换器的解析度,可以从两方面着手,一、提高过采样率;二、增加Sigma-Delta调制器的阶数。但是,采用过高的过采样率会带来设计上的困难。因而,恰当的方式是折中设计过采样率和调制器的阶数。本文使用两阶结构和256的过采样率（OSR）,实现一个解析度为14位的二阶Sigma-Delta调制器。本文在分析调制器工作理论的基础上,使用MATLAB SIMULINK对调制器进行了行为级的分析设计。调制器采用全差分开关电容电路实现,并根据系统结构特点就如何优化电路结构、克服电路中存在的非理想特性、提高电路性能作了具体分析,在此基础上完成了开关电容积分器、全差分折叠共源共栅运算放大器、参考电压源、比较器、两相非交叠时钟等模块的电路结构和参数设计。本文采用HJTC 0.35μm CMOS工艺,使用Cadence Spectre和Hspice工具对电路进行了仿真分析,最后给出了Sigma-Delta调制器电路实现,仿真结果表明可以达到86.5 dB的信噪比。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 目前 Sigma-Delta A/D 转换器的研究情况
• 1.3 论文主要工作及结构
• 第二章 Sigma-Delta 调制器的基本理论
• 2.1 调制器结构的选择
• 2.2 Sigma-Delta 调制技术的基本理论
• 2.2.1 过采样技术
• 2.2.2 噪声整形
• 2.3 Sigma-Delta 调制器
• 2.3.1 一阶Sigma-Delta 调制器
• 2.3.2 二阶Sigma-Delta 调制器
• 2.3.3 单回路高阶Sigma-Delta 调制器
• 2.3.4 级联Sigma-Delta 调制器
• 2.4 Sigma-Delta 调制器的性能参数
• 第三章 二阶 Sigma-Delta 调制器结构设计
• 3.1 二阶 Sigma-Delta 调制器的理想结构设计
• 3.2 非理想特性对 Sigma-Delta 调制器的影响
• 3.2.1 开关电容积分器的非理想特性
• 3.2.1.1 运放的有限压摆率、建立时间的影响
• 3.2.1.2 有限的放大器增益对调制器的影响
• 3.2.1.3 积分器的非理想特性对有限增益放大器的要求
• 3.2.2 二阶Sigma-Delta 调制器的噪声影响
• 3.2.2.1 时钟抖动噪声的影响
• 3.2.2.2 开关有限电阻热噪声
• 3.2.2.3 闪烁噪声
• 3.2.2.4 运算放大器噪声
• 3.3 非理想的 Sigma-Delta 调制器 SIMULINK 模型
• 第四章 二阶 Sigma-Delta 调制器的电路设计
• 4.1 开关电容积分器设计
• 4.1.1 开关电容电路
• 4.1.1.1 开关的RC 充放电时间
• 4.1.1.2 采样电容和积分电容的设计
• 4.1.1.3 MOS 管作为开关的非理想因素：时钟馈通（Clock feedthrough）、电荷注入（Charge injection）效应
• 4.1.2 积分器中全差分共模反馈运算放大器设计
• 4.1.2.1 运算放大器增益
• 4.1.2.2 运算放大器建立时间、带宽、压摆率
• 4.1.2.3 全差分运算放大器电路设计
• 4.1.2.4 折叠式共源共栅运算放大器的电路实现
• 4.1.2.5 运放电路仿真
• 4.1.3 开关电容积分器电路实现
• 4.2 两相非交叠时钟产生电路
• 4.3 电压比较器分析设计
• 4.3.1 电压比较器电路设计
• 4.3.2 比较器速度
• 4.3.3 比较器功耗问题
• 4.3.4 比较器失调电压
• 4.3.5 比较器模拟结果
• 4.4 基准源分析与设计
• 4.4.1 与电源无关的自偏置电路
• 4.4.2 与温度无关的基准
• 4.4.3 仿真分析
• 4.5 二阶 Sigma-Delta 调制器整体电路图及仿真
• 第五章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文