16bit∑△ADC的设计

论文摘要

∑△ADC是基于过采样、噪声整形以及抽取滤波等技术之上而发展起来的。∑△ADC充分利用现代超大规模集成电路的高速、高集成度的优点,同时避免了元器件失配对其转换精度的限制,而且它的数字化特性使其可以与其它数字芯片集成,因而其工艺不具有特殊性,大大降低了系统的成本。本文系统地研究了∑△ADC的设计方法并完成了一款应用于高保真音频信号处理领域的16bit∑△ADC的设计。∑△ADC共分为调制器和数字滤波器两个部分。本文通过对调制器噪声传输函数进行优化以及对各种调制器结构进行比较,改进并采用了一种新型的64倍过采样率、五阶单环单bit的具有分布式前馈、局部反馈形式的调制器结构,同时对影响调制器性能的非理想因素进行了详细的分析。然后设计了调制器整体电路结构。最后在考虑实际因素的基础上,依次设计了时钟产生电路、前置滤波器、带隙基准源、开关电容积分器、锁存比较器和DAC等子模块电路并做了仿真。本文在数字抽取滤波原理的基础上,通过对传统梳状滤波器结构进行改进和优化,得出并采用了一种新型的变级数非递归结构,设计了52阶FIR补偿滤波器,并对梳状滤波器的通带衰减进行补偿。然后设计了时钟电路。最后设计了∑△ADC整体电路。在0.5μm CSMC工艺条件下,利用Cadence中的Spectre工具结合Matlab对调制器进行仿真,结果表明调制器电路的SNR可达115dB。为后级数字部分留下了充足的噪声裕量。通过编写测试文件,利用Cadence中的Verilog-XL工具对数字滤波器电路进行仿真验证,电路时序正确,数据无误。利用Simulink对整个ADC系统建模并编写Matlab验证程序进行仿真验证,结果表明该系统SNR为99dB,有效位数为16.20bit。达到了预期的16bit精度指标要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 ADC 的分类、特点及应用
• 1.2 ∑△ADC 的历史、研究现状及选题意义
• 1.3 论文主要工作及组织结构
• 第2章 ∑△ADC 基本原理
• 2.1 ∑△调制器基本原理
• 2.1.1 过采样与噪声整形
• 2.1.2 ∑△调制器工作原理、性能及指标
• 2.1.3 一阶与二阶∑△调制器
• 2.1.4 高阶∑△调制器
• 2.1.5 稳定性与空闲音
• 2.2 抽取滤波器基本原理
• 2.2.1 抽取与滤波
• 2.2.2 梳状滤波器
• 2.3 小结
• 第3章 ∑△调制器的设计
• 3.1 ∑△调制器的系统设计
• 3.1.1 传输函数的优化
• 3.1.2 五阶单环单比特∑△调制器结构
• 3.1.3 Matlab 中的建模与验证
• 3.1.4 非理想性分析
• 3.1.5 调制器整体电路结构的设计
• 3.2 两相非交叠时钟产生电路的设计与仿真
• 3.3 带隙基准电路的设计与仿真
• 3.4 前置滤波器的设计与仿真
• 3.5 积分器的设计与仿真
• 3.6 锁存比较器的设计与仿真
• 3.7 1bitDAC 电路的设计
• 3.8 DC dither 电路的设计
• 3.9 小结
• 第4章 抽取滤波器设计
• 4.1 抽取滤波器的系统设计
• 4.1.1 梳状滤波器结构
• 4.1.2 补偿滤波器结构
• 4.2 抽取滤波器的电路设计
• 4.2.1 动态锁存器与串行加法器的设计
• 4.2.2 梳状滤波器的电路实现
• 4.2.3 静态随机存取存储器的设计
• 4.2.4 基4-Booth 算法的电路实现
• 4.2.5 FIR 补偿滤波器的电路实现
• 4.3 小结
• 第5章 ADC 整体电路的设计及仿真
• 5.1 ∑△ADC 整体电路的设计
• 5.2 仿真与验证
• 5.2.1 ∑△调制器的仿真
• 5.2.2 抽取滤波器的仿真
• 5.2.3 ∑△ADC 系统验证
• 5.3 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录